JPH0568894A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はガソリンエンジンの排気ガスを浄化
する装置に関するもので、マイクロ波エネルギーを利用
して極めて短時間で浄化手段を加熱昇温させ、エンジン
のコールドスタート時の有害物質を浄化できると共に信
頼性の高い排気ガス浄化装置を提供することを目的とし
ている。 【構成】 セラミック担体に電波吸収体１８と必要に応
じて触媒１９とを担持した浄化手段９にマイクロ波エネ
ルギーを用いて加熱せしめる浄化手段と三元触媒とから
なる構成としている。この配置構成によって排気ガス中
に含まれる有害物質を効率的に浄化するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車などの内燃機関か
ら排出される排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素などを
浄化する触媒体をマイクロ波エネルギーを利用して加熱
昇温させる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大気汚染の発生源の一つとして自動車か
ら排出される汚染物質が問題視され、１９６５年初めか
ら徐々に自動車排気ガスの規制が実施されてきた。近
年、世界各国ではこのような大気汚染物質の排出規制が
強化される動きにあり、特に自動車の排気ガスに関する
規制は従来の濃度規制から総量規制へ移行され、規制値
自体も大幅な強化改善となっている。

【０００３】自動車の中でもガソリン車は排気ガス中に
含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の排出規制
の強化が行われる。これら汚染物質の浄化方法として複
合渦流燃焼、希薄燃焼などのエンジン燃焼方式や触媒に
よる後処理方式などがあるが、現在は技術的にも経済的
にも優れている触媒による後処理方式が実用化されてい
る。この後処理方式に用いられる触媒体としては炭化水
素、一酸化炭素を酸化し、無害な炭酸ガス、水蒸気に変
換する酸化触媒（窒素酸化物低減のためＥＧＲなどを併
用することがある）と、空燃比を理論空燃比付近に制御
することにより炭化水素、一酸化炭素の酸化と窒素酸化
物の還元を同時に行い、無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素
に変換する三元触媒体があり、この三元触媒体は主とし
て乗用車に搭載されている。

【０００４】図６は乗用車に搭載されている従来の排ガ
ス浄化装置を示す。同図において、１はエンジン、２は
排気マニホールド、３は内燃機関の排気ガスを排出する
排気管、４は三元触媒体、５は三元触媒体４を収納する
触媒室、６は三元触媒体４を触媒室５に保持するための
支持部材Ａであり、この支持部材Ａは三元触媒体４の外
周と触媒室５の内壁との間の断熱機能を兼ね備えてい
る。７はマフラーである。従来の排ガス浄化装置は三元
触媒体４と触媒室５から構成され、触媒室５は排気マニ
ホールド２に接続された排気管３の途中に配置されてい
る。三元触媒体４は触媒室５の内部に同心円上に配置さ
れている。三元触媒体４は特公昭５２−３３５８号公報
に開示されているように、シリカ、アルミナ、マグネシ
アを主成分とするコーディエライトのセラミックハニカ
ム構造体からなる担体に表面積の大きいアルミナなどの
微粒子からなるコーティング層を設け、このコーティン
グ層に白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属微粒子
を担持して構成されている。

【０００５】上記構成においてエンジン１が始動すると
燃焼による排気ガスは排気マニホールド２を通り排気管
３の途中に設けられた排気ガス浄化装置に導かれる。こ
の排気ガスは三元触媒体４のハニカム構造を構成する各
々のセルを通過してマフラー７を介して大気に排気され
る。この時、排気ガス中に含まれる炭化水素、一酸化炭
素、窒素酸化物は三元触媒体４の酸化、還元反応により
無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換される。しかし、
上記反応が起こるためには三元触媒体４を触媒として機
能する温度に昇温させる必要がある。この三元触媒体４
はエンジン始動時のコールドスタート以外の定常走行中
は排気ガスの熱によって触媒効果が発揮できる温度に到
達しているが、エンジン始動時のコールドスタートでは
触媒として機能する温度に到達するのに約１分を必要と
し、それまでは有害な炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化
物は排気ガスが大気に排出されることになる。自動車の
排気ガスに関する規制は従来の濃度規制から総量規制へ
移行され、規制値自体も大幅に強化される中でこのコー
ルドスタート時の汚染物質の排出も大きな課題である。
特に炭化水素は人類に有害な紫外線を吸収する大気圏内
のオゾンと結合し、オゾン層の崩壊を来す物質であり、
大幅な規制強化がなされつつある。

【０００６】最近では上記有害な排気ガスの排出を低減
し、触媒の耐久性向上、触媒体の小型化を図るため、担
体としてコーディエライトのセラミックハニカム構造体
の代わりにメタルハニカム構造体が検討されたが、トー
タルの熱容量が増大するので触媒として機能する温度に
到達する時間はセラミックハニカム構造体のものと同等
もしくはそれ以上の結果であった。

【０００７】また従来の三元触媒体の前面に配置したメ
タルハニカムをバーナで加熱する方法は加熱範囲が狭
く、短時間でメタルハニカム全体を触媒として機能する
温度にすることは困難であるとともに、バーナの加熱手
段からも炭化水素が発生するという問題があった。

【０００８】また、バーナの代わりに電気ヒータを用い
る方法は大電力（大電流）を必要とし、駆動電源を自動
車電源から十分に供給することが実用的に困難であると
いう課題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成におい
て、三元触媒体は排気ガスによって加熱されて触媒とし
て機能する温度に到達するのに約１分掛かり、この状況
は現在の排気ガス規制をクリアしているものの、今後さ
らに強化される排気ガス規制に対しては上記コールドス
タート時の排気ガス中の有害物質の排出量の課題解決が
必要で有り、現状の排ガス浄化装置でこれをクリアする
ことは困難である。

【００１０】本発明は上記課題を解決するもので、マイ
クロ波エネルギーによって排気ガス中に含まれる有害物
質を分解する浄化手段を短時間に急速加熱し、コールド
スタート時の排気ガス中の有害物質を低減でき、より効
果的な浄化性能を得ると共に、マイクロ波エネルギー発
生源の駆動電源を自動車電源から十分に供給できる装置
を提供することを目的としたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、マイクロ波エネルギーを発生する高周波発振
器と、内燃機関の排気ガスを排出する排気管の途中に設
けられ、前記マイクロ波エネルギーによって加熱される
浄化手段と、酸化還元を同時に行う三元触媒体とを備え
た構成とした。

【００１２】排気ガスの流れに対して、浄化手段の前方
に酸素を含む気体を供給する送風手段を備えた構成とし
た。

【００１３】

【作用】本発明は上記構成によって、ガソリン車のエン
ジンが始動すると同時にマイクロ波エネルギーが加熱室
に給電され、前記加熱室に収納されている排気ガス中の
有害物質を分解する浄化手段が加熱される。この時前記
浄化手段はマイクロ波を効率的に吸収する電波吸収体を
用いているので極めて短時間に排気ガス中に含まれてい
る有害物質である炭化水素や一酸化炭素を分解する温度
に昇温する。そして、酸化による分解反応が起こり無害
である水蒸気と炭酸ガスに変換される。一方、排気ガス
に含まれる窒素酸化物は三元触媒体を通過している間に
三元触媒体の還元作用によって無害な窒素と酸素に分解
されるが、浄化手段を三元触媒体の前段に配置すること
によって、炭化水素と一酸化炭素が浄化手段で酸化され
る時に発生する熱によって三元触媒体を加熱するため、
その温度によって三元触媒体の活性化を高めより高い浄
化性能を得ることが出来る。

【００１４】また、前記マイクロ波エネルギーによって
加熱される浄化手段を収納する加熱室と前記加熱室の前
方に酸化還元を同時に行う三元触媒体を収納する容器を
配置することによって有害物質を含む排気ガスは排気管
を通って三元触媒体を収納した触媒室を経て浄化手段を
収納する加熱室に到達する。従って、排気ガスが前記加
熱室に到達する時間に遅れを生じ、この遅れ時間の間に
マイクロ波エネルギーによって加熱される浄化手段はマ
イクロ波エネルギーによって充分に加熱され、活性化が
高められる。このことにより炭化水素や一酸化炭素の酸
化反応の進行を促進させることができるのでより高い浄
化性能を得ることができる。

【００１５】さらに、酸素を含む気体を加熱室に供給す
ることにより、ガソリン車を理論空燃比近辺で運転した
場合の酸素不足の状態を解消し、容易に排ガス中の炭化
水素や一酸化炭素を酸化により水蒸気と炭酸ガスとに分
解することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００１７】実施例１ 図１において、３は内燃機関の排気ガスを排出する排気
管、８は排気管の途中に設けられた加熱室、９は加熱室
８内に収納された排気ガスが通過する間に排気ガスに含
まれる有害物質である炭化水素や一酸化炭素を分解する
浄化手段、１０は加熱室８内に浄化手段９を保持するた
めの支持部材であり、この支持部材は浄化手段９の外周
と加熱室８の内壁との間の断熱機能を兼ね備えている。
１１は加熱室８に給電するマイクロ波エネルギーを発生
する高周波発振器、１２は高周波発振器１１を冷却する
冷却手段、１３は高周波発振器１１から発生したマイク
ロ波エネルギーを加熱室に伝播させるための導波管、１
４，１５は加熱室８を形成するためのマイクロ波遮蔽手
段であり、多数のパンチング孔を有する金属板あるいは
貫通孔を有する金属のハニカム構造体から構成される。
１６は加熱室の排気温度を検知し、加熱室８内の温度上
昇を検知するための排気温度センサである。５は三元触
媒体４を収納する触媒室である。６は前記三元触媒体４
を保持するための支持部材である。

【００１８】エンジンから排出された排気ガスは図１中
の矢印で示した方向から排気管３を通り、加熱室８に流
入する。流入した排気ガスに含まれる炭化水素や一酸化
炭素の有害物質は浄化手段９によって浄化され、浄化さ
れた排気ガスは触媒室５を通過して、三元触媒体４の酸
化還元反応によって炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化物
は更に浄化されてマフラーを経由して大気に排気され
る。

【００１９】図２は本発明に関連する排気ガス浄化装置
に用いられる浄化手段９の外観を示すものである。浄化
手段９の担体としては図２に示すようにセラミックの隔
壁より形成される多数の連通孔を有するハニカム構造体
が適用される。このハニカム構造体からなる担体はアル
ミナ、シリカ、ジルコニアなどのセラミック繊維からな
る多孔質のコルゲート加工やアルミナ、シリカ、マグナ
シアを主成分とするコージライトのセラミック粉末の押
し出し成形による加工によって作られる。そして、上述
したハニカム構造体からなる担体にマイクロ波エネルギ
ーを吸収する電波吸収体や必要に応じて排気ガス中の有
害物質を低温で分解する触媒が担持される。

【００２０】図３は前記電波吸収体や触媒を担持した状
態を示す浄化手段９の一部断面図である。同図（ａ）は
ハニカム構造体からなる担体がセラミック繊維から構成
される場合であり、１７はセラミック繊維、１８は電波
吸収体、１９は触媒を示している。セラミック繊維１７
から構成されるシートは多孔質であるので電波吸収体１
８、触媒１９は前記シートだけでなく、多孔質の孔にも
担持される状態になる。一方、同図（ｂ）はハニカム構
造体からなる担体がセラミック粉末から構成された場合
であり、２０はセラミック粉末からなる隔壁を示してい
る。このセラミック隔壁２０は緻密であるので電波吸収
体１８、触媒１９のほとんどは隔壁の表面に担持された
状態になる。

【００２１】またハニカム構造体はそれそのものでもハ
ニカム構造体の形状を維持し、それ自身がマイクロ波エ
ネルギーを吸収して発熱する炭化珪素などを使用するこ
ともできる。

【００２２】次に本発明の排気ガス浄化装置における排
気ガス中に含まれる有害物質の基本的な浄化プロセスを
説明する。

【００２３】ガソリン車のエンジンが起動されると制御
部（図示せず）からの指令により高周波発振器１１がマ
イクロ波エネルギーを発生させる。このマイクロ波エネ
ルギーは導波管内を伝播して浄化手段９を収納している
加熱室８に給電される。浄化手段９を構成している電波
吸収体１８が給電されたマイクロ波エネルギーを吸収
し、熱エネルギーに変換されるのでハニカム構造体の表
面に担持された電波吸収体１８はこの変換された熱エネ
ルギーによって極めて短時間で温度上昇する。一方、エ
ンジンから排出された炭化水素や一酸化炭素などの有害
物質を含む排気ガスは排気管３を通り浄化手段９を収納
した加熱室８に流入する。この時浄化手段９はマイクロ
波エネルギーによって温度上昇しているので高温になっ
ている電波吸収体１８、触媒１９に接触することのなか
った一部を除いて前述のほとんどの炭化水素や一酸化炭
素は排気ガス中に含まれている酸素と反応して、無害で
ある水蒸気と炭酸ガスに分解される。更にこの排気ガス
は三元触媒体４が収納されている触媒室５に流入する。
触媒室５に流入する排気ガスは加熱室８でマイクロ波エ
ネルギーによって温度上昇し高温になっている電波吸収
体１８、触媒１９に接触するために高温になっている。
この高温になった排気ガスは触媒室５に入り触媒室５に
収納されている三元触媒体４を短時間に加熱する。この
時三元触媒体４は高温になっているので浄化手段９で浄
化されなかった一部の炭化水素や一酸化炭素は完全に浄
化される。また、排気ガスに含まれている窒素酸化物は
三元触媒体４の昇温特性の立ち上がりが早いためにほと
んどのものが浄化される。更にマフラーを通過して大気
に放出される。その後三元触媒体４が排気ガスによって
充分に温められた時に制御部（図示せず）によって高周
波発振器１１をオフし、三元触媒体４のみによって排気
ガスの汚染物質を浄化する。

【００２４】実施例２ 図４に従って本発明の他の構成について説明する。各構
成要素とその作用は図１と同じであるが、図４において
エンジンから排出された排気ガスは図中の矢印で示した
方向から排気管３を通り、触媒室５に流入する。流入し
た排気ガスに含まれている炭化水素、一酸化炭素や窒素
酸化物は三元触媒体４の酸化還元反応によって一部浄化
される。浄化された排気ガスは更に加熱室８に流入し、
排気ガスに含まれる炭化水素や一酸化炭素の有害物質は
浄化手段９によって浄化されて、マフラー８を経由して
大気に排気される。

【００２５】ガソリン車のエンジンが起動されると制御
部（図示せず）からの指令により高周波発振器１１がマ
イクロ波エネルギーを発生し、導波管内を伝播して加熱
室８に給電される。加熱室８内の浄化手段９を構成して
いる電波吸収体１８が給電されたマイクロ波エネルギー
を吸収し、熱エネルギーによって極めて短時間で温度上
昇する。一方、エンジン始動時にエンジンから排出され
た炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質を
含む排気ガスは排気管を通り三元触媒体４を収納した触
媒室５に流入する。この時にはエンジンから来る排気ガ
スの温度では充分に三元触媒体４は温められていないた
め排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化物は充
分には浄化されない。この排気ガスは浄化手段９を収納
する加熱室に流入する。排気ガスが触媒室を通過してい
る時に浄化手段はマイクロ波エネルギーを吸収し、熱エ
ネルギーによって炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化物な
どの有害物質を含む排気ガスを完全に浄化する温度まで
温度上昇をしており、炭化水素、一酸化炭素や窒素酸化
物などの有害物質を含む排気ガスを完全に浄化する。そ
の後三元触媒体４が排気ガスによって充分に温められた
時に制御部（図示せず）によって高周波発振器１１をオ
フし、三元触媒体４のみによって排気ガスの汚染物質を
浄化する。

【００２６】上述した構成の排気ガス浄化装置よる浄化
手段における昇温特性は図３（ａ）に示す約２００ccの
セラミック繊維のハニカム構造体からなる担体に電波吸
収体として酸化亜鉛を担持し、図１と図４に示した排気
ガス浄化装置の構成でマイクロ波エネルギーの給電時の
消費電力を約１ｋＷとした場合、給電３０秒後の温度は
約６００度であった。また、酸化亜鉛の代わりに銅、マ
ンガン、コバルトの酸化物の混合物を用いた場合は５５
０度であった。また、上記構成及び条件で排気ガスのモ
デルガスとしてプロピレンガスの８００ｐｐｍ濃度を用
いて、炭化水素分析計でその浄化性能を評価したところ
マイクロ波エネルギー給電後１分間において約９０％の
浄化率を得た。なお電波吸収体のみを用いた時でさえ６
０％以上の浄化性能が得られた。

【００２７】また上述のハニカム構造体からなる担体に
電波吸収体と共に一酸化炭素や炭化水素を低温で分解す
る触媒を担持することにより浄化性能を向上させること
ができる。この触媒としては白金、ロジューム、パラジ
ューム、ペロブスカイト形複合酸化物が挙げられる。触
媒としてパラジュームを担持し、上記と同様な条件で評
価したところ、約８０％の浄化性能が得られた。

【００２８】上記のように実施例１および２に示す構成
により、排気ガスを浄化することができる。排気ガス浄
化装置に実施例１の構成を採用するか実施例２の構成を
採用するかは排気ガスの量や装置全体の構成等により決
定される。

【００２９】実施例３ 図５に他の実施例における内燃機関用排気ガス浄化装置
の構成を示すが、同図において図１と同一部材及び同一
機能部材とは同一番号を示している。図１と異なる点は
排気ガス浄化装置に酸素を含む気体例えば空気を加熱室
に供給する送風手段を設けた構成としていることであ
る。図面中の２１は加熱室８に酸素を含む気体を供給す
る送風手段であり、この送風手段２１は送風器あるいは
ポンプを用い、前記気体は導風管２２を通り加熱室８に
導かれる。排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素を分解
し、水蒸気や炭酸ガスに変換するには酸素が必要とな
る。しかし、ガソリン車を理論空燃比近辺でエンジンが
運転される場合は排ガス中の酸素濃度は極めて希薄な状
態であり、上記反応がスムーズに行われない問題が発生
する。送風手段２１から加熱室８に前記有害物質の酸化
分解に必要な酸素を含む気体を供給することによって上
記反応をスムーズにおこなうことができる。これによっ
て排気ガス中に含まれる有害物質の浄化性能を向上でき
る。

【００３０】また、送風手段２１から送風される酸素を
含む気体を、導風管２２中で加熱し、加熱された気体を
加熱室８に送風すると、浄化性能はさらに向上させるこ
とができる。

【００３１】なお、実施例においては、加熱室と触媒室
との間が絞られ、送風断面積が小さくなっているが、必
ずしもこのようにする必要がなく同一断面積であっても
よい。

【００３２】また、実施例においては、浄化手段と三元
触媒体とを１ケづつ用いた場合につき説明したが、これ
に限定されるものでなく、例えば、浄化手段−三元触媒
体−浄化手段または三元触媒体−浄化手段−三元触媒体
の構成でもよく、さらに浄化手段と三元触媒体との組合
わせ数を増加してもよい。このように浄化手段と三元触
媒体との組合わせ数を増加するにしたがい浄化性能は高
くなる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
排気ガス浄化装置によれば、以下の効果が得られる。 （１）本発明における浄化手段はマイクロ波を効率的に
吸収する電波吸収材を用いているので極めて短時間で排
気ガス中に含まれる有害物質である炭化水素や一酸化炭
素を分解する温度に昇温し、酸化分解反応によって無害
である水蒸気と炭酸ガスに変換することができる。と同
時に炭化水素や一酸化炭素を酸化分解反応で発生する熱
とマイクロ波エネルギーによって浄化手段で発生する熱
によって浄化手段の後方に配置された三元触媒体をも短
時間に昇温させることができ、炭化水素、一酸化炭素、
窒素酸化物をもエンジン起動時から早い時点で浄化出来
る。

【００３４】あるいは、本発明における浄化手段はマイ
クロ波を効率的に吸収する電波吸収材を用いているので
極めて短時間で排気ガス中に含まれる有害物質である炭
化水素や一酸化炭素を分解する温度に昇温し、更に排気
ガスが触媒室を通過して加熱室に流入するまでの時間に
浄化手段は更に温度が高くなるのでより酸化分解反応の
高まりによって完全に無害である水蒸気と炭酸ガスに変
換することができる。したがって自動車エンジンのコー
ルドスタート時における排気ガス中に含まれる有害物質
を浄化することができ、大気への有害物質の排出を防止
することができる。 （２）前記浄化手段にマイクロ波を効率的に吸収する電
波吸収材を用いることによってマイクロ波エネルギーを
発生するための消費電力を少なくすることができるので
高周波発生源の駆動電源を自動車電源から十分に供給す
ることができ、かつ繰り返し動作させることができる。

【００３５】排気ガスの流れに対して、浄化手段の前方
に酸素を含む気体を供給する送付手段を設けたので、浄
化手段に対する酸素の供給が充分となり、酸化反応が速
やかに、かつ、確実に行なわれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の内燃機関用排気ガス浄化装
置の構成図

【図２】同浄化手段の外観図

【図３】同浄化手段の一部断面図

【図４】本発明の他の一実施例における内燃機関用排気
ガス浄化装置の構成図

【図５】同他の一実施例における内燃機関用排気ガス浄
化装置の構成図

【図６】従来の排ガス浄化装置の構成図

【符号の説明】

３ 排気管 ４ 三元触媒体 ５ 触媒室 ８ 加熱室 ９ 浄化手段 １１ 高周波発振器 ２１ 送風手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波エネルギーを発生する高周波発
   振器と、内燃機関の排気ガスを排出する排気管の途中に
   設けられ、前記マイクロ波エネルギーによって加熱され
   る浄化手段と、酸化還元を同時に行う三元触媒体とを備
   えた排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】排気ガスの流れに対して、浄化手段の前方
   に酸素を含む気体を供給する送風手段を備えた請求項１
   記載の排気ガス浄化装置。