JPH05171918A

JPH05171918A - 未燃物を含む排ガスの浄化装置

Info

Publication number: JPH05171918A
Application number: JP3342715A
Authority: JP
Inventors: Takeo Komuro; 武勇小室; Akio Honchi; 章夫本地; Osamu Kuroda; 黒田　　修; Hisao Yamashita; 寿生山下; Hiroshi Miyadera; 博宮寺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-25
Filing date: 1991-12-25
Publication date: 1993-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジン起動時に大量に排出される炭化水素、
並びにディーゼルエンジンより排出されるパティキュレ
ートを燃焼除去する。【構成】排気通路に燃料供給装置６，空気供給装置７，
着火装置を取付け、触媒３を燃料の燃焼熱により加熱す
る。【効果】電気系統を大きく改変すること無く、短時間で
触媒の動作温度に昇温させることができ、起動時から高
い炭化水素転化率が得られ、また、高いパティキュレー
トを燃焼除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化触媒装置に係り、
特に、内燃機関としての自動車エンジンから排出される
排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）の
可燃物あるいは窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排気ガ
ス浄化用の触媒の作動法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関から排出される一酸化炭素（Ｃ
Ｏ），炭化水素（ＨＣ）及び酸化窒素（ＮＯｘ）を対象
にした浄化用の酸化触媒は排気ガス通路に白金（Ｐ
ｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金
属をアルミナ担体（Ａｌ₂Ｏ₃）に担持処理したものが一
般に用いられている。これらの浄化触媒はそれ自身の温
度条件により触媒作用が異なることが明らかになってい
る。その作動温度は担持金属の種類や担持処理条件によ
り異なるものの一酸化炭素と炭化水素の酸化能及び窒素
酸化物（ＮＯｘ）の還元能が有効に作用する温度は３０
０℃以上である。従って、これらの触媒を有効に作動さ
せるには少なくとも３００℃以上に予め加熱しておく必
要がある。

【０００３】浄化用触媒は、例えば、γ−アルミナ，ベ
ーマイトベースのスラリにハニカム触媒担体としてコー
ジュライト担体を浸漬して乾燥後に焼成し、これをＰｔ
と塩化白金酸とＲｈ，塩化ロジュウムの混合溶液に浸漬
させ、乾燥後に焼成し製造される。この触媒の一酸化炭
素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）及び酸化窒素(ＮＯｘ)を
対象にした浄化触媒の活性評価試験結果の一例を図２に
示す。図２から触媒の活性は一酸化炭素（ＣＯ），炭化
水素（ＨＣ）及び酸化窒素（ＮＯｘ）いずれの場合も２
５０〜３００℃に触媒自体の温度を高めることによって
より活性を高められることがわかる。

【０００４】特に、内燃機関として、自動車に搭載する
エンジンから排出ガス流路に酸化触媒を設置して排ガス
中の有害な物質を浄化するには、図２からあきらかなよ
うに酸化触媒が３００℃以上の作動温度に達しているこ
とが重要である。しかし、自動車エンジンの起動直後
は、エンジン自身の温度が低く、且つ、排ガスの温度も
低いために一時的に触媒が有効に作動しない時間帯があ
り炭化水素などを排出する大気環境汚染の問題が生じ
る。特に、内燃機関等の起動直後は温度が低いので窒素
酸化物（ＮＯｘ）の排出量は少なく抑えられているが、
反面、一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等の排出
量は多く、これを効率よく燃焼し浄化するには、エンジ
ン等の起動時にタイミング良く酸化触媒自体を作動温度
まで予め高めておくことが重要になる。

【０００５】この内燃機関等の起動直後に排出する炭化
水素等による大気汚染を防止する手段として、起動時に
酸化触媒自体を予め直接に電気的に加熱する（電気的触
媒と呼ぶ）ことによって触媒温度を高め、酸化触媒の作
動温度に加熱する方法の開発が進められている。酸化触
媒が作動温度に達していれば内燃機関等の起動直後に排
出される炭化水素等の大気環境汚染物質を酸化除去する
ことは図２の実施例から明らかである。この方式は『Ｓ
ＡＥ paper ９００５０３及び９００５０４,１９９
０』に報告されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は自動車
エンジン等の内燃機関の起動直後に排出する一酸化炭素
（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等を燃焼し浄化する好敵な
方式を提供することにある。

【０００７】内燃機関等の起動直前に電気的触媒方式で
所定の時間帯に急速加熱するには、多量の電力容量を必
要とし、現状自動車に搭載する蓄電池の電気容量を増強
させる必要がある。蓄電池の容量の増強は電源自身の重
量や電気回路系を補強する必要があり、別途、排ガス浄
化を目的とする酸化触媒の加熱専用の蓄電池などを搭載
するため自動車本体の重量が増加し燃料費が嵩む原因と
なる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明では、浄化触媒の急速加熱に伴う電気系統
の負担を軽減し、従来の電気回路に若干の変更を加える
だけで、排ガス浄化用の酸化触媒を有効な作動温度近傍
に急速加熱する技術を達成させることにある。

【０００９】図２の実施例に示すように内燃機関の排ガ
ス流れ系に設置する酸化触媒が作動温度に達していれ
ば、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素
(ＨＣ)等を容易に酸化除去できる。

【００１０】本発明の第一の触媒加熱法とでは、排ガス
浄化用の酸化触媒を急速加熱させる熱源に内燃機関等で
使用する燃料の一部を補助燃料として燃焼させ、それに
より発生する燃焼熱によって排ガス浄化触媒を急速加熱
する。そして、これを達成するため排ガス流路に設置す
る浄化用の酸化触媒の排ガス流れ上流側に内燃機関等で
燃料とする一部を燃焼させ、その燃焼熱により排ガス浄
化用の酸化触媒を急速に加熱するものである。その引火
あるいは着火源としてキューリ点を持つ強磁性金属を酸
化触媒の上流側で補助燃料を供給する排ガス流れの下流
側に設置する。

【００１１】また、本発明における第二の触媒加熱法で
は、排ガス浄化用の酸化触媒に直接に強磁性金属を埋め
込むかあるいは酸化触媒の一部をキューリ点を持つ強磁
性金属により挟み込み、該強磁性金属を励起させること
により高温にし、高温になった強磁性金属からの輻射，
伝導により隣接する酸化触媒の一部分を有効に作動する
温度まで高める。該強磁性金属に接触する触媒表面の一
部は、強磁性金属より加熱され酸化活性作用が高まり、
排ガス中の可燃物の燃焼を継続させることができる。

【００１２】本発明法によればすでに公知の電気的触媒
法に比べ、極めて短時間に引火あるいは着火温度さらに
触媒の有効作動温度を実現でき、補助燃料及び内燃機関
等から排出される排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ），炭化
水素（ＨＣ）等の燃焼を持続させ、酸化触媒全体を作動
温度に加熱できる特徴がある。

【００１３】すでにキューリ点を持つ強磁性金属が高周
波などにより励起することにより急速加熱できることは
周知であり、キューリ点の所定温度に達する時間は約
０.２秒と短時間である。キューリ点は金属成分の混合
割合により変化させることができ、用途に応じてキュー
リ点の異なる強磁性金属を選定すればよい。例えば、９
２０℃のキューリ点を持つ強磁性金属がキューリ点に達
する所要時間は約0.2秒である。

【００１４】従って、本発明のキューリ点を持つ強磁性
金属による加熱法によれば０.２秒の昇温時間で応答で
きるので、エンジンの起動と同時に触媒を急速加熱で
き、内燃機関の起動時の排ガスの浄化に好適である。特
に、本発明の第二の加熱手段では、従来法では酸化触媒
全体を有効温度に加熱する必要があるのに対して、本発
明法では排ガス流れの酸化触媒ユニットの上流側に位置
する触媒の一部に強磁性金属を埋め込みあるいは挟み込
むなどの平常の加工を施すことにより、円滑に触媒表面
で燃焼を継続できる。一旦、触媒上で燃焼が進み触媒自
体が有効温度に達すると燃焼は継続するのでその後触媒
の温度は有効温度に達しており、従来から行われていた
触媒除去技術で対処できる。

【００１５】

【作用】まず、内燃機関等の排ガス流れの上流で補助燃
料を燃焼させる本発明による第一手段の急速加熱法で
は、酸化触媒に燃料を引火あるいは着火させるのにキュ
ーリ点を有する強磁性金属を高周波等で励起させること
で該強磁性金属を短時間にキューリ点の温度に加熱する
ことができる。従って、補助燃料あるいは内燃機関等は
排ガスの流路で燃焼され、酸化触媒の温度を高めること
ができる。本発明の第一手段の触媒の熱源法は、補助燃
料あるいは内燃機関からの排ガス中の可燃物の燃焼熱で
ある。このため、主熱源に電気を用いる電気触媒法と比
較して、必要電力容量は非常に小さくできる。該強磁性
金属のキューリ点の温度は前述のように金属成分の混合
割合により任意の設定温度を選定できる。従って、本発
明の第一手段の方法では補助燃料を触媒あるいはその上
流側に供給し、必要に応じて触媒の上流側に空気を供給
することによって補助燃料あるいは内燃機関からの排ガ
ス中の可燃物を誤動作することなく燃焼でき、燃焼熱で
触媒を加熱することができる。

【００１６】本発明による第二の手段では、キューリ点
の高い強磁性金属を選定し、強磁性金属と触媒を隣接さ
せ、好ましくは触媒に該強磁性金属を埋め込むかあるい
は触媒を強磁性金属により挾み込み、該強磁性金属の加
熱により触媒の一部の表面温度を作動温度に加熱させる
ことにより燃焼反応を促進させる方法である。本発明の
第二の手段では第一手段の場合に比べ強磁性金属と触媒
の加工が必要になるが、補助燃料等が不要である利点が
ある。

【００１７】本発明の第一，二の加熱方法により触媒を
急速加熱し酸化触媒が短時間にその動作温度に達するの
でエンジン起動直前でも触媒が有効に動作させることが
でき、内燃機関等から排出する排気ガスを酸化し浄化す
ることができる。

【００１８】また、従来の触媒の上流側（排気ガス温度
が高い部分）に、本発明の酸化触媒装置を取付け炭化水
素等の浄化だけを行ない、他の成分（ＮＯｘ等）は従来
の触媒との組み合わせによることも可能である。その場
合には、本発明の触媒では炭化水素の酸化機能だけがあ
ればよいことになる。

【００１９】また、本発明法はディーゼルエンジン等か
ら排出するパティキュレートを燃焼させる方法としても
有効である。触媒にトラップされたパティキュレートの
組成はカーボンと水素成分であり、これは５００℃近傍
から燃焼が始まる。そこで、本発明の方法により補助燃
料を一時的に供給し、排ガス温度を高めパティキュレー
トを燃焼させることができる。

【００２０】ここで、補助燃料とは内燃機関で燃料とす
るガソリン，軽油，灯油，ＬＰＧ，アルコールを指して
おり、その燃料の組合せによっても適用可能である。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）本発明法による内燃機関等の排ガス流路に
設置する着火装置及び酸化触媒ユニットを備えた酸化触
媒装置の代表的な実施例を図１に示す。

【００２２】図１の実施例に示す構成は、ガソリンエン
ジン１からの排気ガス通路２に、通常自動車に用いられ
る三元触媒３を第一ユニットから第四ユニットを直列に
配置させた場合である。第一触媒ユニットの上流側には
燃料供給装置１１，空気供給装置１２とそれぞれに制御
弁８，９が取り付けられている。また、排ガス流路２に
は酸化触媒第一ユニットの上流側には９２０℃のキュー
リ点を持つ強磁性金属５を装填し、強磁性金属５を高周
波発振器１０により励起させ急速加熱させる機能をも
つ。また、燃料供給装置１１，空気供給装置１２にはそ
れぞれ制御弁９，８を設置し、演算器１３からの信号に
より作動するようになっている。制御弁９，８の開閉動
作はエンジンの起動及び停止あるいは任意の設定時間に
演算器からの信号により制御する。また、エンジンの起
動と同期させキューリ点をもつ強磁性金属５を励起させ
急速加熱するタイミングを演算器からの信号により調整
する。

【００２３】エンジン起動と同時に排気ガス通路２に設
置した燃料供給装置１２より約４ｇ／分の速度で補助燃
料としてガソリンを供給し、空気供給装置１１からガソ
リン量の理論空気量より過剰の空気量を約二分間供給し
た試験結果を以下に示す。試験はガソリンの燃焼熱によ
り排ガスが加熱され触媒層３に導入され触媒自身を加熱
すると同時にエンジン１からの排出ガス中の炭化水素等
を燃焼し浄化する状況を調べた。排ガスの後流側４の位
置では排ガス中の炭化水素類は燃焼され浄化され大気に
放出できる。

【００２４】その際の強磁性金属及び触媒ユニット表面
の温度上昇過程を実施例を図３に示す。図３の実施例は
時間と温度上昇過程を示し、図中（ａ）は強磁性金属５
の温度を、（ｂ）は第一触媒ユニット３の表面温度を示
す。（ｃ）は第四ユニットの触媒層の表面温度を示す。
キューリ点を持つ強磁性金属５の温度は約０.２秒で急
速加熱され９２０℃に達する。この強磁性金属５の表面
で少なくとも０.２秒後には補助燃料の燃焼が始まる。
燃焼した高温の排ガスは触媒層を次々に加熱し排ガス中
の炭化水素類を触媒表面で燃焼を継続させ浄化する。従
って、図３の温度上昇過程の実施例から第一触媒ユニッ
トの表面温度が３００℃に達する所要時間は３６秒であ
る。しかし、キューリ点を持つ強磁性金属５の表面温度
はエンジン起動から約０.２秒で９２０℃に達してお
り、燃料供給装置１２から供給した補助燃料はすでに少
なくとも強磁性金属５の表面で排ガス中の炭化水素類の
燃焼反応が起こっている。エンジン起動後３６秒には補
助燃料を停止しても触媒自身の表面温度はすでに有効に
作動する温度に達しておりエンジンからの排ガス中の炭
化水素類の燃焼は継続して行われる。

【００２５】図１の実施例に示す酸化触媒装置１の入
口，出口の排気ガス中の炭化水素濃度の測定結果から炭
化水素除去率に換算した実施例を図４に示す。尚、炭化
水素除去率は、((内燃機関から排出するガス中の炭化水
素濃度)−(触媒出口ガス中の炭化水素濃度)）／（内燃
機関から排出する排気ガス中の炭化水素濃度)×１００
として％で表わした。本発明による第一の加熱法では約
１５秒で炭化水素の除去率は第一の触媒温度が３００℃
近くに達してないにもかかわらず５０〜６０％と高い値
を示す。これはすでに強磁性金属表面では補助燃料の燃
焼が行われており、触媒表面の温度の時間遅れによるも
のである。その後、触媒表面の指示温度が高まるに従い
炭化水素除去率は高まり、触媒表面温度が３００℃近く
に達した時点での炭化水素除去率はほぼ１００％近くに
達する。従って、触媒表面温度が300℃近くに達する３
８秒後には演算器から補助燃料と空気供給を停止する信
号によりそれぞれの制御弁を閉じる動作を行わせれば、
その後は触媒自体の熱容量とエンジンからの排ガスによ
り加熱され作動温度状態は継続できるので高い炭化水素
除去率が得られる。

【００２６】（実施例２）実施例１では補助燃料と空気
を着火装置の上流側に設置し、補助燃料を燃焼させるこ
とによって酸化触媒を加熱した。実施例２では補助燃料
を供給しないで条件でキューリ点を持つ強磁性金属と酸
化触媒自身を接触させ触媒温度を加熱させ、実際にエン
ジン排ガスを模擬し排ガスに含まれる炭化水素濃度を想
定し、炭化水素の除去率を調べた。

【００２７】実験は図５の実施例に示す内径１０mmの石
英管を充填層１００として、これに２mmΦの粒子の三元
触媒１０１を充填し、その充填層内１００に強磁性金属
１０２の薄板（幅５ｍｍ×長さ２５mm）を装填し、石英
管の外部より強磁性金属を高周波発振器１０３により励
起させ加熱した。キューリ点の温度は９２０℃の強磁性
金属１０３を用いた。石英管の上部から炭化水素濃度を
変えた模擬燃焼排ガス104を流通させ排ガス出口部の酸
化触媒粒子の充填層内に熱電対１０５を挿入し温度の測
定と炭化水素濃度を測定しそれから炭化水素除去率を求
めた。図６の実施例は模擬燃焼排ガスを流通させると同
時に強磁性金属を励起させた時の図５に示した熱伝対の
指示値である。図６の（ａ）強磁性金属温度を、（ｂ）
は炭化水素濃度二万ppm の時、（ｃ）は一万ppm の時の
熱伝対１０５の指示値である。実験結果、充填層内温度
は模擬排ガス中の炭化水素濃度が高いほど充填層内の温
度も高くできる。また、これに対応して図７に炭化水素
除去率を示す。炭化水素除去率は模擬排ガス中の炭化水
素濃度が高いほど高くできる。これは炭化水素濃度が高
くなるほど発熱量が高くなるためであり、酸化触媒粒子
の温度を高めることができるためと推定される。従っ
て、エンジン起動時に排ガス中の炭化水素濃度が非常に
希薄な場合には実施例１の補助燃料及び空気を挿入する
ことも有効である。これらの実験結果に基づき実際の自
動車エンジンに適用したときの本発明の構成を図８に示
す。

【００２８】以上の実施例から、強磁性金属と酸化触媒
を隣接させることで触媒の作動温度に加熱でき、実施例
１のように補助燃料を必要としない点に特徴があり、従
来の電気的触媒法より電気容量が少なくできる。

【００２９】（実施例３）ディーゼルエンジンの排気通
路に燃焼触媒を担持したフィルタ（トラップ）（容積
１.０ｌ)を取付け、その上流側に燃料供給装置を取付
け、またフィルタの排気ガス入口部分に本発明の方法に
よる着火装置を取付けた。エンジンを１時間運転してフ
ィルタにパティキュレートを捕集した後に、着火装置に
通電し、５分後に燃料（軽油）を４ｇ／分の速度で供給
した。ディーゼルエンジンの排気ガス中には酸素が十分
に含まれているので空気は供給しなかった。二分間燃料
を供給して、燃焼させた後にフィルタを取りだし観察し
たところ、触媒上に捕集されてたパティキュレートの大
部分が燃焼除去されていた。

【００３０】

【発明の効果】本発明では内燃機関から排出される排ガ
ス中の炭化水素等の浄化装置の起動時に酸化触媒を作動
温度に急速加熱するのに、排ガス流路にキューリ点を持
つ強磁性金属を設置しこの金属をキューリ点まで急速加
熱することにより排ガス系に供給した補助燃料を着火で
き酸化触媒の加熱が速やかにできる。また、キューリ点
を持つ強磁性金属を直接酸化触媒に埋め込むことによっ
て、この金属近くの酸化触媒を作動温度に加熱できるの
で排ガス中の可燃物を持続して酸化反応させることがで
きる。従って、本発明による酸化触媒装置にすることに
より、従来の電気系統を大きく変えることもなく、起動
時に大量に排出される炭化水素を酸化でき浄化すること
ができるので大気汚染防止に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施例の酸化触媒装置のブロ
ック図。

【図２】酸化触媒の温度と炭化水素及び窒素酸化物の除
去率の特性図。

【図３】補助燃料を供給したときの触媒の温度上昇の経
時変化の説明図。

【図４】図３に対応させた炭化水素除去率の特性図。

【図５】強磁性金属による触媒の加熱状況の説明図。

【図６】炭化水素流入時の充填層内の触媒温度の説明
図。

【図７】図６に対応させた炭化水素除去率の特性図。

【図８】自動車エンジンに適用した酸化装置を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１…エンジン、２…排ガス流路、３…酸化触媒、４…排
ガス出口、５…強磁性金属、６…補助燃料導入口、７…
空気導入口、８，９…制御弁、１０…高周波発振器、１
３…演算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下寿生茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮寺博茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化触媒装置において、可燃物を含む流体
の流れ系に単一の触媒ユニットもしくは直列に配置した
複数個の触媒ユニットを設け、前記触媒ユニットあるい
はユニットの可燃物流れの上流側にキューリ点を持つ強
磁性金属を設置し、かつ前記強磁性金属を励起昇温させ
る引火あるいは着火装置を設置し、前記引火あるいは着
火装置のガス流れの上流側に可燃性気体あるいは液状燃
料供給口と空気導入口を設置することを特徴とする未燃
物を含む排ガスの浄化装置。
【請求項２】請求項１の前記引火あるいは着火装置を内
燃機関の排気ガス系に設置し、前記内燃機関のスタータ
と同期させて起動させる信号を送る演算器を設置し、前
記演算器からの信号により該可燃性ガスあるいは前記液
体燃料供給口および前記空気導入口に制御弁の開閉動作
を行うようにした未燃物を含む排ガスの浄化装置。
【請求項３】請求項２のキューリ点を持つ前記強磁性金
属を酸化触媒に埋め込むかあるいは酸化触媒を前記強磁
性金属によって挾み込み該強磁性金属を励起させること
で酸化触媒を加熱し、酸化触媒の作動温度に加熱するよ
うにした内燃機関から排出されるガス中の可燃物を酸化
除去する酸化触媒装置。