JP2017141803A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波と電磁波吸収体とを利用して浄化触媒を急速に加熱することができる内燃機関の排気浄化装置であって、電磁波吸収体の使用量を抑え、低コストで確実に浄化用触媒を加熱すること。【解決手段】内燃機関２２の排気通路５に設けられた触媒を担持した担体６と、この担体６の排気上流側端面６ａに塗布された電磁波吸収体６０と、担体６の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ３０とを備え、内燃機関２２及び電磁波照射アンテナ３０に電磁波を供給する電磁波発振器３１を制御する制御手段７によって、担体６端面を一定温度まで昇温した後に、内燃機関２２を低速回転で始動し、排気通路５に微量の気体を送り出す【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配設され、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。

内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置としては、所謂三元触媒を利用した浄化装置を用いる技術が知られている。しかし、この三元触媒は、排ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを対象に酸化還元反応を利用して浄化するものであるが、活性温度範囲があり、内燃機関始動時には活性温度範囲よりも低温で排ガスに含まれる有害成分を浄化することができない。

そのため、例えば、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、浄化用触媒（触媒を担持した担体）の上流の排気管内にバーナの火炎によって加熱される蓄熱材を配設し、エンジン始動前に蓄熱材を加熱して、その後、すぐにクラッキングを行い、エンジンを始動する。これによって、始動時の低温排ガスが蓄熱材によって昇温され、昇温された排ガスが浄化触媒を通過する際に触媒を昇温し、触媒を活性化するようにした排気浄化装置が開示されている。

しかし、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、浄化用触媒とは別に蓄熱材を配設する必要があり、従前のマフラーをそのまま利用することができず別途配管通路を設計する必要がある。また、蓄熱材を加熱するためのバーナを配設する必要があるため、バーナ用燃料タンク、ポンプ、コンプレッサ及び点火源としてのグロープラグ等が必要となり装置の大型化と費用の高騰という問題がある。また、特許文献２に記載の浄化装置では、カーボコイルを有する発熱層と被覆層とに分けて構成しているため製作に手間を要するとともに、十分な発熱が得られない虞があるという問題があった。

そのため、本発明者等は、浄化装置の触媒を加熱する手段として、特許文献２に記載の内燃機関の浄化装置（触媒を担持した触媒コンバータ）を加熱する排気浄化装置を開発した。この内燃機関の浄化装置は、マイクロ波とマイクロ波を吸収して発熱するマイクロコイルを発熱層として、高温ガスが流通する対象空間である浄化触媒に一体に設けた浄化装置が開示されている。この浄化装置は、高温の排ガスが流通する空間に設けられているため、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルが高温ガスに晒され、焼損する等の不具合を防止するために発熱層を被覆する被覆層が設けられており、電磁波を利用して、短時間で触媒を担持した触媒コンバータを加熱することができる。

特開２００１−１０７７２１号公報 ＷＯ２０１３／０３９１２３号公報

ところで、特許文献２に記載の内燃機関の浄化装置では、例えばカーボンマイクロコイルを主体とする電磁波吸収体（マイクロ波吸収体）を、浄化用触媒（触媒を担持した触媒コンバータ）の全体に亘って、特に、ハニカム構造・多孔構造の担体内にまで電磁波吸収体を被覆層として積層するように構成しているため浄化用触媒の製造に手数を要するとともに、マイクロ波吸収体の使用量が多くなり製造コストが高騰するという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の始動時における低温の排ガスが流通する内燃機関の始動時において、電磁波と電磁波吸収体とを利用して浄化触媒を急速に加熱することができる内燃機関の排気浄化装置であって、電磁波吸収体の使用量を抑え、低コストで確実に浄化用触媒を加熱することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた発明は、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒を担持した担体と、
前記担体の排気上流側端面に塗布された電磁波吸収体と、
前記担体の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナと
を備えた内燃機関の排気浄化装置である。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、触媒を担持した担体の排気上流側端面に塗布した電磁波吸収体に電磁波を照射することで、短時間で電磁波吸収体を加熱し、加熱された電磁波吸収体によって消音された低温の排ガスが担体全体を昇温する。この場合、電磁波吸収体として、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成することが好ましい。電磁波吸収体としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイルを利用することで、カーボンマイクロコイルがもつ、電磁波を吸収して短時間で発熱する特性を利用し、電磁波吸収体にマイクロ波（電磁波）を吸収させることで、電磁波吸収体を発熱させ、短時間で触媒を担持した担体を加熱する。

この場合において、内燃機関及び電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振器を制御する制御手段を備え、この制御手段は、内燃機関始動のクラッキング運転前に内燃機関を低速回転で始動し、排気通路に微量の気体を送り出すようにすることができる。

クラッキング運転前、つまりエンジンをアイドリングで回転させる前に、電磁波によって端面が加熱された担体に気体を送り込むことで担体全体を加熱する。

更にこの場合において、内燃機関から送り出す気体を未燃ガスとすることができる。

燃料と空気の混合気であって、内燃機関の燃焼室内で放電を加えず未燃のまま排出させた未燃ガスの場合、加熱された担体表面で未燃ガスが酸化反応等により発熱することでさらに担体全体の加熱を促進する。

また、これらの場合において、電磁波照射アンテナは、絶縁体から露出する照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、（λ／４）×ｎ（ｎは自然数）とすることができる。アンテナ長さを照射する電磁波の（λ／４）の倍数とすることで絶縁体からの露出点から（λ／４）の倍数の箇所の電界が高まり対応する位置の電磁波吸収体が加熱される。

また、これらの場合において、電磁波照射アンテナは、絶縁体から露出する照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、λ／４毎に複数回屈曲させるようにすることができる。屈曲点毎に電界が高まり対応する位置の電磁波吸収体が加熱される。

本発明では、担体の端面にのみ電磁波吸収体を塗布し、送り込まれる気体によって担体全体を効果的に加熱することができる。

第１実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。 第１実施形態に係る担体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部断面の正面図である。 電磁波照射アンテナの別の例を示し、（ａ）は一部切り欠きの全体概略図、（ｂ）はアンテナ本体を構成する導体が直線上の例、（ｃ）は同導体が円状になっている例を示す。 同電磁波照射アンテナの別の例を示し、（ａ）は担体近傍に配設した平面図、（ｂ）は同正面図である。 同電磁波照射アンテナの導体に絶縁カバーを配設した例を示し、（ａ）は直接タイプの導体、（ｂ）は導体部を３分岐した例、（ｃ）は導体部を７分岐した例を示す。 同電磁波照射アンテナの導体を台形状の平板構造アンテナとした例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 第２実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
本実施形態の排気浄化装置１は、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関２２の排気通路５に設けられた触媒を担持した担体６と、この担体６の排気上流側端面６ａに塗布された電磁波吸収体６０と、担体６の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ３０とを備えている。電磁波照射アンテナ３０は電磁波発振器３１と組み合わせることによって電磁波放射装置３を構成する。電磁波発振器３１は電磁波用電源４と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ３０は、図１に示すように排気通路５を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。

この場合において、電磁波吸収体６０を、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成することができる。電磁波吸収体６０としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイルを利用することで、カーボンマイクロコイルがもつ、電磁波を吸収して短時間で発熱する特性を利用し、電磁波吸収体６０に電磁波（マイクロ波）を吸収させることで、電磁波吸収体６０を発熱させ、短時間で触媒を担持した担体を加熱する。なお、本明細書では、カーボンマイクロコイルには、カーボンマイクロコイルよりも線径の小さいカーボンナノコイルも含む。

触媒は、本実施形態においては、三元触媒システムの主成分となる活性金属（プラチナ、パラジウム、ロジウム）である。三元触媒システムは、ガソリンを燃料とする自動車の排ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化する。三元触媒は、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。

三元触媒システムは、常温では還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後では還元能力がほとんどない。そのため、エンジンの始動時に三元触媒システムを適切に作動させるためには、触媒が活性化する適切な温度にまで加熱する必要がある。本実施形態においては、排気浄化装置１が、触媒を担持した担体６をすみやかに加熱して触媒を活性化させる。

触媒を担持する担体６、図１、図２に示すように、外径が排ガス通路を形成するケーシング５０の担体６の保持部の内径とほぼ同じに設定され、固定用の部材（図示省略）でケーシング５０の内部に固定される。担体６は、その材質を特に限定するものではないが、例えば、ハニカムセラミック構造体で構成されている。

ハニカム構造体は、マイクロ波を透過可能な絶縁性の材料からなる外形が円柱状の部材である。本実施形態では、ハニカム構造体は、断面格子状の格子部を備えている。ハニカム構造体は、格子部の間の空隙を通して、図１の図中の矢印で示す方向に排ガスが流通可能に構成されている。

ケーシング５０は、担体６を収納するために設けられた、概ね筒状の金属製の部材（所謂マフラー）である。ケーシング５０は、自動車のエンジンの排気管の一部を構成しており、ケーシング５０の内部は、排ガスが流通する排ガス通路を構成している。

電磁波吸収体６０の担体６端面への塗布の方法について説明する。本明細書における塗布とは、被塗物（本実施形態においては担体６）に塗物（本実施形態においては電磁波吸収体６０）の対象面に対して刷毛を使用しての一般的な塗布の他、スプレーガンを使用した塗布、被塗物の入った容器に塗物を浸漬して付着させる等、種々の方法を含む。

ここで、電磁波吸収体６０として使用するマイクロコイルは、炭素原子を主成分とするいわゆるカーボンマイクロコイル（以下、ＣＭＣという）で構成されている。ＣＭＣは、約０．０１〜１μｍのピッチでコイル型に巻かれた形状を持つ微細な炭素繊維である。

担体６の排気上流側端面へのＣＭＣの塗布は、特に限定するものではなく、例えば、ＣＭＣをセラミックス粉末泥しょうに添加し、撹拌して均一に分散させたスラリー状（以下、ＣＭＣスラリーという）とした後、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ、より好ましくは、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの厚みで担体の通気孔を閉塞することがないように、塗布対象面上にＣＭＣスラリーを付着するようにして成形する。

そして、一定時間放置又は乾燥炉に入れることで乾燥させ、担体の通気孔を閉塞することがないように、釉薬を塗布し、乾燥させ焼成することで担体端面への塗布を完了する。

また、セラミック系のバインダーと、マイクロコイルとを混合したスラリー溶液から構成され、これを担体６端面の表面に塗布し、ハニカム構造体とともに焼成することによって形成することもできる。

カーボンマイクロコイルは、電磁波を吸収して発熱する特性を持つ。本実施形態では、この特性を利用して後述の電磁波放射装置３からマイクロコイルに電磁波（マイクロ波）を吸収させて、マイクロコイルを発熱させる。そして、マイクロコイルで発生した熱により、担体６の端面が加熱される。

担体６の端面に塗布する電磁波吸収体６０は、端面全体に塗布することもできるが、図２に示すように端面中心部分６１のみ、中心より外側の環状部６２（担体６の端面半径を３Ｒとした場合、Ｒから２Ｒの範囲）のみ、さらに外側の環状部６３（担体６の端面半径を３Ｒとした場合、２Ｒから３Ｒの範囲）のみに塗布するように構成することもできる。本発明者等の実験によれば、環状部６３に塗布することが好ましい。また、端面中心部分６１に塗布する場合も効果的であることが判った。

そして、本実施形態の排気浄化装置１は、内燃機関２２及び電磁波照射アンテナ３０に電磁波を供給する電磁波発振器３１を制御する制御手段７を備えている。この制御手段７は、内燃機関２２を始動するクラッキング運転前（アイドリング運転前）で、電磁波（マイクロ波）を照射し、担体６端面を一定温度まで昇温した後に、内燃機関２２を低速回転で始動し、排気通路５に微量の気体を送り出すようにしている。

具体的には、通常のアイドリング用モータよりも低速で回転可能な駆動装置２１（例えば駆動モータ）によって、内燃機関２２を低速で回転させる。この際の回転数は特に限定するものではないが、例えば１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ程度の低速回転で運転する。これによって、高温となった担体６の端面を通過する際に熱交換され高温となった気体が担体６全体を加熱することができる。

＜電磁波照射アンテナ＞
電磁波を照射する電磁波照射アンテナ３０は、図３に示すように、アンテナ本体を構成する導体３２と、導体３２を覆う絶縁体３３（セラミック）とが同軸構造となっており、導体３２が絶縁体３３から露出する導体３２の照射部が、照射する電磁波の周波数をλとした場合、（λ／４）×ｎ（ｎは自然数）となるようにすることが好ましい。この場合、電磁波照射アンテナ３０の導体３２は、電磁波吸収体６０が塗布された箇所の近傍に位置するように配設することが好ましい（本実施形態においては、端面中心部分６１に塗布した例を示す）。なお、導体３２は図３（ｂ）に示すように、直線上としたり、図３（ｃ）に示すように、円状にしたりすることができる。円状にした場合、端部を絶縁体３３の近傍で短絡し、円環状とすることもできる。

また、電磁波照射アンテナ３０は、図４に示すように、絶縁体３３から露出する導体３２の照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、（λ／４）×ｎ（ｎは自然数）毎に複数回屈曲させるように構成することもできる。屈曲点で電界が集中し、屈曲点近傍の電磁波吸収体６０を効果的に昇温加熱することができる。

図３〜図４に示す、アンテナ本体を構成する導体３２は、電磁波吸収体６０を塗布した担体６の排気上流側端面６ａに接するように配設することもできる。接するように配設することで電磁波吸収体６０がより効率よく電磁波を吸収し短時間で昇温する。この場合、電磁波照射アンテナ３０を排気上流側端面６ａから離間させるアンテナ移動手段（図示省略）を配設することが好ましい。アンテナ移動手段は、例えば、導体３２を絶縁体３３とともに揺動させるような揺動手段から構成することができる。

さらに、図３〜図４に示す、アンテナ本体を構成する導体３２をセラミックチューブ等の絶縁カバーで被覆することができる。本発明者等の実験及び解析によれば、セラミックチューブ３４で被覆しない場合、導体３２のλ／４の点（実質的に先端部分）で電界が集中し、係る点の近傍にある電磁波吸収体６０と比べ、λ／４の点である先端部から離れた導体３２近傍にある電磁波吸収体６０の昇温効果が低かった。しかし、セラミックチューブ３４で被覆することで、導体３２のλ／４の点から離れた導体３２近傍にある電磁波吸収体６０も効率よく昇温されることが判明した（図５（ａ）の電界集中箇所を参照）。

また、アンテナ本体を構成する導体３２は、絶縁体３３から露出したところから、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように複数に分岐（図例においては３分岐と７分岐）させることもできる。この場合も、分岐させた導体３２をセラミックチューブ３４で被覆することが好ましい。

更に、図６に示すように、アンテナ本体を構成する導体３２を、先端側に向かって幅が広くなる台形状の平板構造アンテナ３２ａとすることができる。先端側の幅を広くすることで、電界集中箇所を均一に拡げることができる。また、この場合も平板構造アンテナ３２ａを平板状の保護セラミック３４ａ（絶縁カバー）で覆うことが好ましい。

＜浄化装置加熱運転方法＞
本発明の浄化装置を加熱する際の内燃機関の運転方法について説明する。

本実施形態では、内燃機関をクラッキングスタートする際のセルモータを一般的なセルモータとは別に又は一般的なセルモータに換えて低速回転可能な駆動装置２１（駆動モータ）を配設する。この駆動装置２１は、内燃機関２２のピストンを低速で駆動するためのもので、駆動時には燃料を噴射することなく、エンジンを１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ程度の低速回転で駆動する。そして、電磁波発振器３１から照射される電磁波（マイクロ波）によって短時間で昇温された担体６の排気上流側端面６ａの電磁波吸収体６０の近傍にエンジンから排出される空気が触れ、高温状態の電磁波吸収体６０近傍によって加熱された空気が担体６内を通過して担体６全体を短時間で昇温する。

また、エンジンを１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ程度の低速回転で駆動しながら燃料を噴射し点火装置を作動させず未燃ガスを流すようにすることもできる。

高温状態の電磁波吸収体６０（マイクロコイル）により、加熱雰囲気下の担体６端面を未燃ガスが通過することで、酸化反応等が生じ担体６全体が加熱され担持された触媒が加熱される。その結果、触媒が短時間で活性温度に到達する。

本実施形態においては、排気浄化装置１の電磁波放射装置３の電磁波によって担体６が加熱されるが、この加熱温度としては、触媒が活性化する温度、例えば、摂氏３００−４００度まで触媒を加熱するように構成されている。そして、活性温度に到達した触媒３２により、排ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）が分解される。クリーンとなった排ガスは、下流側に配置した排気通路（図示省略）を流通して大気へと放出される。

＜実施形態２＞
図７に示す、本実施形態の排気浄化装置１は、実施形態１と同様、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関２２の排気通路５に設けられた触媒を担持した担体６と、この担体６の排気上流側端面６ａに接するように設けた電磁波吸収体６０を混入したセラミックハニカムからなる加熱ハニカム体１０と、この加熱ハニカム体１０の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ３０とを備えている。電磁波照射アンテナ３０は電磁波発振器３１と組み合わせることによって電磁波放射装置３を構成する。電磁波発振器３１は電磁波用電源４と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ３０は、図７に示すように排気通路５を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。また、図３〜図５で説明したアンテナ構造を採用することができる。

加熱ハニカム体１０は、例えば、コーディエライトセラミックスハニカムが利用される。コーディエライトは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の三成分からなるセラミックスで、タルク、カオリン、アルミナを調合して生成されるもので、本実施形態では、これらの成分に電磁波吸収体６０を混入させて生成する。は、上述したとおり、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成する。電磁波吸収体６０としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイル、カーボンナノコイルを利用する。

加熱ハニカム体１０の厚みは、特に限定するものではないが、担体６の厚みの１０％以下の厚み、例えば、１０ｍｍ程度とすることが好ましい。そして、加熱ハニカム体１０はセルを構成するセルの大きさとセル壁の厚みを、担体６に使用するコーディエライトセラミックスハニカムと同様の大きさとすることもできるが、電磁波吸収体６０を十分に混入させる観点から、セル壁の厚みを大きくすることもできる。また、加熱ハニカム体１０の下流側に位置することとなる担体６の排気上流側端面６ａには、電磁波吸収体６０を塗布するように構成しても構わない。

本実施形態の浄化装置加熱運転方法は、実施形態１と同様であり説明を省略する。

以上説明したように、本発明は、内燃機関駆動前に触媒を担持した担体を、電磁波を放射して短時間で加熱することができるから、内燃機関、特に寒冷地で使用する内燃機関の排気浄化装置について有用である。

１ 排気浄化装置
２２ 内燃機関
３ 電磁波放射装置
３０ 電磁波照射アンテナ
３１ 電磁波発振器
５ 排気通路
６ 担体
６０ 電磁波吸収体
６ａ 排気上流側端面

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒を担持した担体と、
   前記担体の排気上流側端面に塗布された電磁波吸収体と、
   前記担体の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナと
   を備えた内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関及び前記電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振器を制御する制御手段を備え、
   該制御手段は、内燃機関始動のクラッキング運転前に内燃機関を低速回転で始動し、排気通路に微量の気体を送り出すようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記気体は未燃ガスである請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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