JP2015010602A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを効果的に浄化することが可能な排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】ＮＯｘ還元作用を有するプラズマ還元装置１１を上流に配置し、金属製の担体にＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒が担持された触媒装置１２を下流に配置し、プラズマ還元装置１１は、少なくともアノード３１、カソード３２の一対の電極を備え、各電極は、面状で排気ガスが通過し、各電極面を排気ガス流に直交させた。これにより、排気ガス通路断面積がより大きくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを利用した還元装置とケミカル酸化触媒とを備える排気ガス浄化装置に関する。

従来、プラズマを利用してエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２５５９号公報

特許文献１では、複数の平板状の電極構造体が、それぞれ排気ガス通路を介して積層されている、即ち、排気ガスの流れる方向に沿って複数の電極構造体が配置されている。従って、排気ガス通路の通路断面積が小さくなり、プラズマにより排気ガスを活性化する量が少なく、効率良く排気ガスを浄化することが難しい。排気ガス通路の通路断面積を大きくすれば、排気ガス浄化装置の大型化を招くことになる。

また、上記排気ガス浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を酸化反応にて焼却するものであるが、排気ガス中の主要な有害物質（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を効果的に浄化することが望まれる。
更に、上記の酸化反応は、エンジン始動時等の排気ガス温度が低い状態では進行しにくいため排気ガスが浄化しにくく、早期に排気ガス温度を昇温させること望ましい。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、排気ガスを効果的に浄化することが可能な排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、ＮＯｘ還元作用を有するプラズマ還元装置を上流に配置し、メタル酸化触媒装置を下流に配置し、前記プラズマ還元装置は、少なくともアノード、カソードの一対の電極を備え、各電極は、面状で前記排気ガスが通過し、各電極面を排気ガス流に直交させたことを特徴とする。

この構成によれば、アノード、カソードの電極面を排気ガス流に直交させることで、電極を通過する排気ガスを基に効率良くプラズマを発生させることができ、また、排気ガス通路断面積をより大きくすることができるため、排気ガスを効率よく浄化することができる。また、プラズマ還元装置でＮＯｘを還元し、この還元作用により生成された酸素と熱とを利用して、下流側のメタル酸化触媒装置を早期に昇温させながらメタル酸化触媒装置でＨＣ及びＣＯを酸化して排気ガスを浄化することができ、排気ガスを効果的に浄化することができる。メタル酸化触媒装置は、冷間始動時には早期に昇温され、酸化による排気ガス浄化の効果が大きくなる。

上記構成において、前記プラズマ還元装置は、前記アノード、カソードに供給されるパルス電流をＳＩサイリスタにより生成し、前記パルス電流の周波数を、少なくともＮＯｘを還元できる１０万Ｈｚ以上とするようにしても良い。この構成によれば、ＳＩサイリスタにより高周波パルスを生成して、排気ガスをより活性化させて還元作用を促すプラズマを発生させることができ、還元効率を向上させることができる。

また、上記構成において、前記アノード、前記カソード及び前記メタル酸化触媒装置を同一の排気管本体内に収容しても良い。この構成によれば、プラズマ発生時の発熱及び還元反応時の発熱により、排気ガスが昇温したときに排気ガスからの放熱を抑制することができ、下流側のメタル酸化触媒装置に供給される排気ガスの温度をより高めることができる。これにより、触媒による排気ガスの浄化作用を向上させることができる。

また、上記構成において、管状のセラミックスボディの一方の端に前記カソードを配置し、他方の端に前記アノードを配置してプラズマ還元ユニットを形成し、前記プラズマ還元ユニットを排気管本体内に組み付けても良い。この構成によれば、排気管本体の内側にカソード、アノードを容易に且つ所定の間隔に配置することができる。

また、上記構成において、前記アノードを前記セラミックスボディで絶縁し、前記カソードを固定リングで前記排気管本体に接地するようにしても良い。この構成によれば、セラミックスボディにより、アノード、カソードを支持するとともにアノードを絶縁して、部品数を減らすことができる。

また、上記構成において、前記メタル酸化触媒装置は、メタルハニカム触媒装置又はワイヤニット型触媒装置であっても良い。この構成によれば、メタルハニカム触媒装置では、担体となる金属箔をより薄くし、ワイヤニット型触媒装置では、担体となる線材をより細くすることで、触媒表面積を大きくすることが可能であり、また昇温しやすいので、プラズマ還元装置により活性化された排気ガスの浄化性能を更に高めることができる。

本発明は、ＮＯｘ還元作用を有するプラズマ還元装置を上流に配置し、メタル酸化触媒装置を下流に配置し、プラズマ還元装置は、少なくともアノード、カソードの一対の電極を備え、各電極は面状で、排気ガスが通過し、各電極面を排気ガス流に直交させたので、電極を通過する排気ガスを基に効率良くプラズマを発生させることができ、また、排気ガス通路断面積をより大きくすることができるため、排気ガスを効率よく浄化することができる。また、プラズマ還元装置でＮＯｘを還元し、この還元作用により生成された酸素と熱とを利用して、下流側のメタル酸化触媒装置を早期に昇温させながらメタル酸化触媒装置でＨＣ及びＣＯを酸化して排気ガスを浄化することができ、排気ガスを効果的に浄化することができる。

本発明に係る排気ガス浄化装置を示す断面図である。 プラズマ還元ユニットを示す断面図である。 プラズマ還元ユニットを示す正面図である。 プラズマ還元装置の作用を説明する作用図である。 半導体素子における電力容量と動作周波数との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。以下の説明中「上流」、「下流」は、排気ガスの流れの上流、下流を示している。
図１は、本発明に係る排気ガス浄化装置１０を示す断面図である。
排気ガス浄化装置１０は、エンジンのシリンダヘッドに接続される排気管１４と、エンジンから排出される排気ガスを浄化するために排気管１４に設けられたプラズマ還元装置１１及び触媒装置１２とから構成されている。
排気管１４は、シリンダヘッドに接続される接続管２１と、接続管２１に一端が接続された上流側テーパ管２２と、上流側テーパ管２２の他端に接続された直管２３と、直管２３の下流側端部に接続された下流側テーパ管２４とからなる。下流側テーパ管２４は、例えば別の排気管、消音器等に接続される。

接続管２１は、シリンダヘッドに排気ガス浄化装置１０をボルトで取付ける際のボルト穴２６ａ，２６ａが開けられたフランジ部２６と、フランジ部２６に取付けられた管部２７とからなる。上流側テーパ管２２は、接続管２１の管部２７の外周面に取付けられた小径管部２２ａと、直管２３の内周面に取付けられた大径管部２２ｂと、小径管部２２ａ及び大径管部２２ｂのそれぞれを一体に繋ぐテーパ部２２ｃとからなる。
直管２３は、円筒状の部材であり、接地されている。下流側テーパ管２４は、直管２３の内周面に取付けられた大径管部２４ａと、大径管部２４ａよりも小径に形成された小径管部２４ｂと、大径管部２４ａ及び小径管部２４ｂのそれぞれを一体に繋ぐテーパ部２４ｃとからなる。

プラズマ還元装置１１は、直管２３内に配置されたプラズマ還元ユニット１５と、プラズマ還元ユニット１５に電力を供給する電源装置３３とから構成されている。プラズマ還元ユニット１５は、排気ガスの下流側に配置されたアノード３１と、アノード３１の上流側に配置されたカソード３２との一対の電極を備える。
アノード３１、カソード３２間にパルス電圧を加えることで放電し、排気管１４内を流れる排気ガスにプラズマ（非平衡プラズマ）が発生する。
アノード３１は、電源装置３３から延びる導線の接続端子３４に接続され、カソード３２は、直管２３を介して接地されている。電源装置３３は、高周波のパルス電圧を発生させる装置であり、一方の出力端子から正電圧をアノード３１に供給し、他方の出力端子が接地されている。
プラズマ還元ユニット１５の直管２３内への固定は、プラズマ還元装置１１に含まれる固定部３６により行われる。

固定部３６は、直管２３をプラズマ還元ユニット１５側とで挟み込む絶縁材３７と、絶縁材３７に当てられたワッシャ３８と、プラズマ還元ユニット１５の端部、絶縁材３７、ワッシャ３８を直管２３に締結するボルト４１及びナット４２とから構成されている。ボルト４１は、プラズマ還元ユニット１５の端部、絶縁材３７、ワッシャ３８を貫通している。ワッシャ３８とナット４２との間には接続端子３４が取付けられている。

パルス電源には、ＳＩサイリスタ（静電誘導サイリスタ）が内蔵されている。従来は、スイッチング動作周波数として１０万Ｈｚ以上を実現する半導体素子は、図５に示したように、近年の研究により、ＳＩサイリスタのスイッチング動作が１０万Ｈｚ以上の周波数で可能なことが確認されている。本実施形態のプラズマ還元装置１１では、ＳＩサイリスタの高速スイッチング動作により、少なくともパルス周波数が１０万Ｈｚのパルス電流が生成され、このパルス電流がプラズマ還元ユニット１５に供給される。
パルス周波数が１０万Ｈｚ以上では、特にＮＯｘに対して反応性の高いラジカル（例えばＮラジカル）が増大し、還元性能を高めることが可能になり、以下に示す還元反応が促進されることに知見を得ている。
２ＮＯｘ ＋ ２Ｎ → ２Ｎ_２ ＋ｘＯ_２

触媒装置１２は、直管２３内に保持部材４３を介して取付けられたケミカル酸化触媒である。触媒装置１２は、セラミックス製又はメタル製で無数の細孔が形成されたセラミックス担体又はメタル担体に、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）等の金属触媒が担持されたセラミックスハニカム触媒又はメタルハニカム触媒で構成される。触媒装置１２では、主にＨＣ、ＣＯを酸化させて浄化する。
あるいは、触媒装置１２は、金属製の線材を編んで網材を形成し、この網材に上記の金属触媒を担持させ、網材を重ね合わせて巻いたり折り畳んだりしたワイヤニット型触媒で構成される。ワイヤニット型触媒は、金属触媒の表面積を大きくでき、また、線材間のガス流路では乱流が発生しやすいために金属触媒と接触する体積を増加させることができるため、これらより、触媒性能を向上させることが可能である。

図２は、プラズマ還元ユニット１５を示す断面図である。
プラズマ還元ユニット１５は、円筒状のセラミックスボディ４５と、セラミックスボディ４５の両端に取付けられたアノード３１及びカソード３２と、アノード３１に電気的に接続された電極端子４６と、カソード３２に電気的に接続されるとともにカソード３２をセラミックスボディ４５に固定する固定リング４７とを備えるユニットであり、このユニットが直管２３内に挿入されて固定される。

アノード３１及びカソード３２は、複数の線材を組む又は編んで面状に形成された部材である。直管２３にプラズマ還元ユニット１５を組み付けた状態では、アノード３１及びカソード３２が、排気ガスの流れの方向に直交するように配置され、排気ガスが、アノード３１及びカソード３２に形成された有効な間隔の目を通過する。このように、アノード３１、カソード３２を排気ガスの流れの方向に直交させることで、例えば電極を排気ガスの流れに沿って配置するのに比較して、排気ガスのプラズマ化をより促進させてラジカル生成に有効である知見を得ている。
セラミックスボディ４５は、アノード３１とカソード３２とを、絶縁するとともに所定の間隔に保つ役目する部材であり、筒部４５ａと、筒部４５ａの一端面に一体に筒部４５ａの軸線方向に突出する突出端部４５ｂとからなる。突出端部４５ｂは、内面４５ｄに電極端子４６が配置され、外面４５ｅに凹部４５ｆが形成され、凹部４５ｆに絶縁材３７の凸部３７ａが嵌合する。従って、プラズマ還元ユニット１５を直管２３内に挿入した後で、絶縁材３７の凸部３７ａを、直管２３に形成された貫通穴２３ａを介してセラミックスボディ４５の凹部４５ｆに挿入することで、直管２３の軸線方向及び周方向に対してプラズマ還元ユニット１５が位置決めされる。

電極端子４６は、接触部４６ａ及び締結部４６ｂが一体成形された断面Ｌ字形状の部材であり、接触部４６ａがアノード３１に電気的に接続され、締結部４６ｂに形成されたボルト挿通穴４６ｃにボルト４１が通される。
固定リング４７は、セラミックスボディ４５の一端部の外周面に形成された環状段部４５ｇに嵌合されて固定されている。固定リング４７の外周面４７ａは、直管２３の内周面２３ｂに圧入され、固定リング４７と直管２３とが電気的に接続される。

図３は、プラズマ還元ユニット１５を示す正面図である。
アノード３１は、放射状に延びる複数本の真直線材５１と、各真直線材５１に同心状に取付けられた複数本の円形線材５２，５３，５４，５５とから構成されている。隣り合う真直線材５１，５１間で且つ隣り合う円形線材５２，５３、円形線材５３，５４、円形線材５４，５５のそれぞれの間には、排気ガスが通過する目が形成されている。カソード３２（図２参照）についても、アノード３１と同様な構造を有する。

以上に述べたプラズマ還元装置１１の作用を次に説明する。
図４は、プラズマ還元装置１１の作用を説明する作用図である。
排気管１４内に矢印Ａで示すように、排気ガスが流れ込んでいる状態で、電源装置３３からプラズマ還元ユニット１５のアノード３１、カソード３２間に高周波数（１０万Ｈｚ以上）のパルス電圧を加えると、アノード３１、カソード３２間では放電が起こり、排気ガスに非平衡プラズマが発生する。
非平衡プラズマでは、種々のラジカル（活性種）が生成され、この中の例えばＮラジカルにより、排気ガス中のＮＯｘが還元されてＮ_２とＯ_２とが生成される。このような反応は、矢印Ｂに示しように、カソード３２そしてアノード３１を通過する排気ガスにおいて次々に行われる。

そして、プラズマ化した排気ガスは、矢印Ｃで示すように、触媒装置１２を通過する際に、排気ガス中のＨＣ、ＣＯは、ＮＯｘの還元反応時に生成されたＯ_２等で酸化され、また、ＮＯｘの還元反応時に発生した熱により反応が促進されて、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２になる。この酸化反応は、プラズマ内のラジカルによっても促進される。そして、浄化された排気ガスは、矢印Ｄで示すように排気管１４外に排出される。

例えば、ＣＯ、ＨＣを酸化するのに三元触媒等のケミカル触媒を用いた場合には、エンジン始動時等の排気ガス温度が低い状態では、触媒が十分に活性化せず、浄化性能が低くなる。このため、早期に触媒活性温度に達するように工夫する必要があり、コストの増大を招きかねない。本実施形態では、プラズマ還元装置１１により、比較的排気ガスが低温の状態から非平衡プラズマを発生させることによりＮＯｘの還元作用が行われ、しかも、還元作用で発熱も促される。下流側の触媒装置１２はメタル酸化触媒装置であり、早期に昇温されるため、温度、酸素濃度の両面から好都合となる。プラズマ還元ユニット１５及び触媒装置１２は、同一の排気管１４内、詳しくは、同一の直管２３内に配置されるため、プラズマ還元ユニット１５と触媒装置１２とが近接するので、上記した温度、酸素濃度の効果はより一層顕著となる。従って、本実施形態のプラズマ還元装置１１を採用することで、余計な排気ガスの保温装置等は不要であり、大幅なコスト削減も可能となる。

また、従来のケミカル触媒では、触媒金属は高価であり、Ｎｏｘの還元にも使用されるＰｔは特に高額である。これに対して、ＨＣ、ＣＯの酸化に使用されるＰｄ、Ｒｈは比較的安価である。本実施形態では、ＮＯｘの還元にプラズマ還元装置１１を用い、ＨＣ、ＣＯの酸化にＰｄ、Ｒｈが担持されたケミカル酸化触媒を用いることで、排気ガス浄化装置１０のコストを抑えることができる。更に、プラズマ還元装置１１は、ＮＯｘの還元のみでなく他の成分を活性化するので、ケミカル酸化触媒の金属触媒量を少なくすることができ、小型化を図ることができる。この点でも、コストを抑えることができる。

図５は、半導体素子における電力容量と動作周波数との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は電力容量（単位はＶＡ）、横軸は動作周波数（単位はＨｚ）を示している。半導体素子として、ＳＩサイリスタ及びＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を示している。
ＳＩサイリスタは、一点鎖線で示した範囲内で動作し、１０万Ｈｚ以上の周波数でも動作可能である。ＩＧＢＴは、破線で示した範囲内で動作し、動作周波数は１０万Ｈｚを下回っている。

以上の図１、図２及び図３に示したように、ＮＯｘ還元作用を有するプラズマ還元装置１１を上流に配置し、金属製の担体にＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒が担持されたメタル酸化触媒装置としての触媒装置１２を下流に配置し、プラズマ還元装置１１は、少なくともアノード３１、カソード３２の一対の電極を備え、各電極は、排気ガスが通過するように線材を組んで面状に形成し、各電極面を排気ガス流に直交させた。

この構成によれば、アノード３１、カソード３２の電極面を排気ガス流に直交させることで、アノード３１及びカソード３２を通過する排気ガスを基に効率良く非平衡プラズマを発生させることができ、また、排気ガス通路断面積をより大きくすることができるため、排気ガスを効率よく浄化することができる。また、プラズマ還元装置１１でＮＯｘを還元し、この還元作用により生成された酸素と熱とを利用して、下流側に配置された金属製の担体を備えたメタル酸化触媒装置としての触媒装置１２を早期に昇温させながら触媒装置１２でＨＣ及びＣＯを酸化して排気ガスを浄化することができ、排気ガスを効果的に浄化することができる。

また、プラズマ還元装置１１は、アノード３１、カソード３２に供給されるパルス電流をＳＩサイリスタにより生成し、パルス電流の周波数を、少なくともＮＯｘを還元できる１０万Ｈｚとするので、ＳＩサイリスタにより高周波パルスを生成して、排気ガスの活性化がより高められる非平衡プラズマを発生させることができ、還元効率を向上させることができる。
また、管状のセラミックスボディ４５の一方の端にカソード３２を配置し、他方の端にアノード３１を配置してプラズマ還元ユニット１５を形成し、プラズマ還元ユニット１５を排気管１４内に組み付けるので、排気管１４の内側にアノード３１、カソード３２を容易に且つ所定の間隔に配置することができる。

また、アノード３１、カソード３２及び触媒装置１２を同一の排気管１４内に収容したので、プラズマ発生時の発熱及び還元反応時の発熱により、排気ガスが昇温したときに排気ガスからの放熱を抑制することができ、下流側の触媒装置１２に供給される排気ガスの温度をより高めることができる。これにより、触媒による排気ガスの浄化作用を向上させることができる。

また、アノード３１をセラミックスボディ４５で絶縁し、カソード３２を固定リング４７で排気管１４に接地するので、セラミックスボディ４５により、アノード３１、カソード３２を支持するとともにアノード３１を絶縁して、部品数を減らすことができる。
また、触媒装置１２が、メタルハニカム触媒装置又はワイヤニット型触媒装置である場合には、メタルハニカム触媒装置では、担体となる金属箔をより薄くし、ワイヤニット型触媒装置では、担体となる線材をより細くすることで、金属触媒の表面積を大きくすることが可能であり、また昇温しやすいので、プラズマ還元装置１１により活性化された排気ガスの浄化性能を更に高めることができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施形態において、図２に示したように、排気ガス浄化装置１０に、アノード３１、カソード３２の一対の電極を設けたが、これに限らず、アノード３１、カソード３２をそれぞれ複数設けても良い。
また図３に示したように、アノード３１及びカソード３２（図２参照）を、複数の真直線材５１と複数の円形線材５２，５３，５４，５５とで構成したが、これに限らず、縦及び横の線材を組んで又は編んで構成しても良い。あるいは、無数の穴を有する板（パンチングプレート）で構成しても良い。
また、本実施形態では、プラズマ還元装置１１の下流にメタル酸化触媒装置としての触媒装置１２を配置したが、これに限らず、プラズマ還元装置１１の下流に、セラミックス製の担体に触媒が担持されたセラミックス酸化触媒装置を配置しても良い。

１０ 排気ガス浄化装置
１１ プラズマ還元装置
１２ 触媒装置（メタル酸化触媒装置）
１４ 排気管（排気管本体）
１５ プラズマ還元ユニット
３１ アノード
３２ カソード
４５ セラミックスボディ
４７ 固定リング

Claims (6)

1. ＮＯｘ還元作用を有するプラズマ還元装置を上流に配置し、メタル酸化触媒装置を下流に配置し、
   前記プラズマ還元装置は、少なくともアノード、カソードの一対の電極を備え、各電極は、面状で前記排気ガスが通過し、各電極面を排気ガス流に直交させたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記プラズマ還元装置は、前記アノード、カソードに供給されるパルス電流をＳＩサイリスタにより生成し、前記パルス電流の周波数を、少なくともＮＯｘを還元できる１０万Ｈｚ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記アノード、前記カソード及び前記メタル酸化触媒装置を同一の排気管本体内に収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 管状のセラミックスボディの一方の端に前記カソードを配置し、他方の端に前記アノードを配置してプラズマ還元ユニットを形成し、
   前記プラズマ還元ユニットを排気管本体内に組み付けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記アノードを前記セラミックスボディで絶縁し、
   前記カソードを固定リングで前記排気管本体に接地したことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記メタル酸化触媒装置は、メタルハニカム触媒装置又はワイヤニット型触媒装置であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。

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