JP2006329090A - 粒子状物質処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質を高効率に除去できるとともに、排ガスの圧力損失増加や排ガス中のＳＯ_２の酸化等を効果的に抑制可能な粒子状物質処理装置を提供する。
【解決手段】 排ガス中の粒子状物質を大気圧プラズマにより荷電させるプラズマ処理装置１０と、プラズマ処理装置１０から送入される排ガスＧ２中の荷電した粒子状物質を、印加電界により選択的に触媒層２２に誘導して、触媒層２２の触媒作用によって分解処理する触媒処理装置２０を備える。また、触媒処理装置２０に送入される排ガスＧ２の全流量の９０％以上の排ガスＧ４が、触媒層２２を通過せず、主流路２１を通過してそのまま排出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質を分解処理する粒子状物質処理装置に関する。

ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が良く燃費の点で優れているため、バスやトラック等の大型のディーゼル車に利用されている。しかしながら、ディーゼルエンジンは、有害な粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター）や窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を排ガス中に多く含む傾向がある。この粒子状物質は、ディーゼルエンジンから排出される粒子状の物質の総称で、一般に、炭素からなる黒煙（煤）の周囲に、燃え残った燃料や潤滑油の成分（ＳＯＦ）や、軽油燃料中の硫黄分から生成される硫黄化合物（サルフェート）等が吸着しているものと考えられている。尚、ディーゼルエンジンから排出された直後の初期の粒子状物質は、黒煙（煤）に炭化する前のアスファルト等の重合炭化水素の粒状体と考えられる。

また、大気中の粒子状物質の人体に及ぼす影響が指摘されており、多くの場合発がん性を有する等人体に有害であるため、近年、粒子状物質の排出が厳しく規制されている。

ディーゼルエンジンの排ガス中の粒子状物質や窒素酸化物の低減するための対策として、大別して２つの手法がある。一つは、エンジン本体の燃焼技術の改良により、粒子状物質や窒素酸化物の低減を図るものであり、他の一つは、ディーゼルエンジンに排ガス後処理装置を装着して、後処理装置によって粒子状物質や窒素酸化物の低減を図るものである。

ところで、窒素酸化物は完全燃焼状態により生成され易い傾向があるのに対し、粒子状物質は不完全燃焼状態で生成され易い傾向があり、両者に相反する関係があるため、前者のエンジン本体の燃焼技術の改良では、窒素酸化物の排出を抑えながら粒子状物質の排出の低減を図るのは困難な状況にある。そのため、現状では、後者の後処理装置による粒子状物質や窒素酸化物の低減が一般的に採用されている。

粒子状物質の排出を低減するための後処理装置としては、排ガス中の粒子状物質をフィルタで物理的に捕集するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）が広く用いられている。特に、フィルタで捕集した粒子状物質が堆積して目詰まりを起こし排ガスの圧力損失が大きくなるのを防止するために、堆積した粒子状物質を除去してフィルタを再生可能な再生式ＤＰＦ（手動再生式ＤＰＦ、自動再生式ＤＰＦ、連続再生式ＤＰＦ等）が広く使用されており、中でも、フィルタによる粒子状物質の捕集機能と、触媒の酸化作用によりフィルタを再生する機能を備えた連続再生式ＤＰＦが、最も効果的で、注目されている。

以上のディーゼルエンジンに排ガス処理に関する解説として、下記の非特許文献１に開示がある。

"技術解説 わかる！環境にやさしいディーゼル車"、［online］、独立行政法人 新エネルギ・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）、［平成１７年４月１８日検索］、インターネット＜URL：http://www.nedo.go.jp/kaisetsu/envm/envm3/index.html＞

連続再生式ＤＰＦには、以下に示すような問題点がある。第１に、物理的なフィルタを備えているため、処理効率を上げようとすると、フィルタの目を細かくする必要がある。しかしながら、フィルタの目を細かくすると圧力損失が増えるため、所要の圧力損失に抑えようとすると触媒層が大きくなるという欠点があった。

第２に、排ガスの全量が触媒層を通過するため、特に酸化力の強い白金触媒を使うと排ガス中のＳＯ_２が酸化されてＳＯ_３となり、排ガス中で硫酸が生成され下流側の排気管が腐食するという問題があった。この問題は、日本においては、製油所の脱硫装置を強化し、軽油燃料中の硫黄分の含有量を低減することにより解決しようとしているが、日本以外では、まだ具体的な対策が取られていない状況である。

第３に、車の急加速等により排ガス流量が急変した場合、フィルタで一端捕集された粒子状物質が再飛散する可能性がある。また、エンジンの運転条件を変えて排ガス温度を上げ、粒子状物質を酸化処理するとき触媒が過昇温してシンタリングする可能性があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、粒子状物質を高効率に除去できるとともに、排ガスの圧力損失増加や排ガス中のＳＯ_２の酸化等を効果的に抑制可能な粒子状物質処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る粒子状物質処理装置は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質を分解処理する粒子状物質処理装置であって、前記排ガス中の前記粒子状物質を大気圧プラズマにより荷電させるプラズマ処理装置と、前記プラズマ処理装置から送入される前記排ガス中の荷電した前記粒子状物質を、印加電界により選択的に触媒層に誘導して、前記触媒層の触媒作用によって分解処理する触媒処理装置と、を備えてなることを第１の特徴とする。

上記第１の特徴の粒子状物質処理装置によれば、プラズマ処理装置で荷電された粒子状物質が、触媒処理装置内の印加電界により誘起されるクーロン力によって選択的に触媒層に誘導されて分解処理されるため、送入された排ガスから粒子状物質が除去されて排出される。また、フィルタを用いるＤＰＦに比べ粒子状物質の除去率が大幅に向上する。粒子状物質が印加電界によって選択的に触媒層に誘導され、送入された排ガスの大部分は触媒層を通過せずに排出可能であり、物理的なフィルタを使用しないため、排ガスの圧力損失が増加するという従来のＤＰＦにおける問題が解消される。更に、送入された排ガスの大部分は触媒層を通過しないため、触媒層での排ガス中のＳＯ_２の酸化が大幅に低減され、触媒処理装置の下流側における排気管の腐食が大幅に低減される。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１の特徴に加え、前記大気圧プラズマが、パルス放電プラズマであることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴の粒子状物質処理装置によれば、プラズマ処理装置内の放電電界が継続的な静電界でないため、プラズマ処理装置内で荷電した粒子状物質が、プラズマ処理装置内の電極で捕集されることなく、排ガスの流れに乗って下流側の触媒処理装置内に誘導され、更に、触媒処理装置内で触媒層に誘導されることになり、上記第１の特徴の作用効果をより効果的に発揮することができる。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１または第２の特徴に加え、前記触媒処理装置に送入される前記排ガスの全流量の１０％以下が、前記触媒層を通過することを第３の特徴とする。

上記第３の特徴の粒子状物質処理装置によれば、排ガスの全流量の１０％以下しか触媒層を通過しないので、排ガスの圧力損失増加、及び、触媒層での排ガス中のＳＯ_２の酸化を効果的に抑制できる。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１乃至第３の何れかの特徴に加え、前記触媒層が、多孔質セラミックスからなる担体に白金族金属の触媒を担持してなることを第４の特徴とする。

上記第４の特徴の粒子状物質処理装置によれば、触媒層に誘導された粒子状物質を触媒酸化して分解する触媒層が具体的に実現される。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１乃至第４の何れかの特徴に加え、前記触媒層の前記担体の細孔径が、前記触媒層の上流側から下流側に向けて小さくなっていることを第５の特徴とする。

上記第５の特徴の粒子状物質処理装置によれば、触媒層の上流側から粒径の大きい粒子状物質から順番に担体で捕集して分解処理できるので、触媒層を通過する排ガスの圧力損失の上昇を抑制できる。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１乃至第５の何れかの特徴に加え、前記触媒層が、前記担体の上流側の端部より担体内部に後退した位置から下流側部分に前記触媒を担持していることを第６の特徴とする。

上記第６の特徴の粒子状物質処理装置によれば、触媒層内に誘導されずに触媒層の上流側表面に沿って通流する排ガス中に含まれるＳＯ_２が触媒層により酸化されるのを抑制できる。

更に、本発明に係る粒子状物質処理装置は、上記第１乃至第６の何れかの特徴に加え、前記触媒層内を加熱する加熱手段を備えていることを第７の特徴とする。

上記第７特徴の粒子状物質処理装置によれば、定常状態における触媒層の温度が粒子状物質の酸化分解に不十分である場合でも、例えばエンジン停止時に加熱手段により加熱することにより粒子状物質を分解処理することができる。また、その時の空気流量を制限することにより、触媒の過昇温を防止できる。

本発明に係る粒子状物質処理装置（以下、適宜「本発明装置」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明装置１は、プラズマ処理装置１０と触媒処理装置２０を備えて構成される。ディーゼルエンジン２から排出される排ガスＧ１は、先ず、プラズマ処理装置１０に送入され、プラズマ処理装置１０内のグロー放電により発生する大気圧プラズマにより排ガスＧ１中の粒子状物質が荷電される。荷電された粒子状物質を含む排ガスＧ２は、プラズマ処理装置１０から触媒処理装置２０に送入され、排ガスＧ２の一部の排ガスＧ３（例えば、全流量の１０％以下）が、触媒処理装置２０内の主流路２１から分流して触媒層２２を通過して触媒層２２の外側の副流路２３から排出される。残りの排ガスＧ４は、主流路２１をそのまま通過して排出される。ここで、触媒処理装置２０内では、荷電された粒子状物質の略全部（例えば９９％以上）が、印加された静電界によって主流路２１から触媒層２２に向けて誘導されるため、排ガスＧ４中には粒子状物質が含まれないか、或いは、含まれても全体の１％以下程度である。また、排ガスＧ３中の粒子状物質は、触媒層２２に誘導され、触媒層２２で酸化分解されるため、触媒層２２を通過して触媒処理装置２０から排出される排ガスＧ５中には粒子状物質が含まれない。

以下、プラズマ処理装置１０と触媒処理装置２０の構成及び動作について説明する。

図２に、本実施形態で使用するプラズマ処理装置１０の概略の構成を示す。図２に示すように、プラズマ処理装置１０は、円筒状電極１１とその中心軸上に位置する線状電極１２からなる同軸円筒型電極構造を有し、円筒状電極１１と線状電極１２の間にパルス電源１３を接続して構成される。プラズマ処理装置１０は、パルス電源１３によって両電極１１，１２間にパルス状の放電電界が印加されると、グロー放電による大気圧プラズマが発生し、円筒状電極１１の内部に単極性のイオンが発生する。気体中の微粒子はイオン化され易いので、排ガスＧ１中を浮遊する微粒子である粒子状物質が選択的に荷電される。ここで、大気圧プラズマの発生に係る放電電界がパルス状の間欠的に発生する電界であるため、荷電した粒子状物質は、プラズマ処理装置１０内の電極１１，１２に捕獲されることなく、排ガスＧ１の流れに乗って、プラズマ処理装置１０から触媒処理装置２０へと搬送される。

図３に、本実施形態で使用する触媒処理装置２０の概略の構成を示す。図３に示すように、触媒処理装置２０は、円筒容器２４内に、断面ドーナツ状で円筒容器２４と同軸の円筒型の触媒層２２が形成されている。円筒容器２４の内壁と触媒層２２の外側面の間に副流路２３が形成される。また、円筒容器２４内には、触媒層２２の外側に、触媒層２２と同軸の円筒状電極２５とその中心軸上に位置する線状電極２６が設けられている。また、両電極２５，２６間に数ｋＶ程度の直流電圧を印加するための直流電源２７が接続されている。尚、図３（Ａ）は、中心軸を含む断面における構成を示し、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の中心軸と直交するＡ−Ａ’断面における構成を示す。

触媒層２２は、断面ドーナツ状で円筒容器２４と同軸の多孔質セラミックスからなる円筒型の担体２８に白金等の白金族金属の触媒を担持して形成される。担体２８は、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックスからなる。また、多孔質セラミックスの細孔径は、内側（主流路２１側）から外側（副流路２３側）の方向に、つまり、同軸の軸心より外側ほど小さくなるようになっている。当該構造によって、内側から順番に粒径の大きい粒子状物質から段階的に担体２８に捕集され、触媒層２２の内側表面部での目詰まりを防止でき、排ガスＧ３の圧力損失を必要以上に上昇させずに、粒子状物質を効率的に捕集できる。尚、かかる構造は、セラミックスフィルタでは広く用いられている公知の手法で実現できる。尚、触媒としては、白金以外では、パラジウム、ロジウム等が使用できる。パラジウムは、白金に比べて酸化力が弱いため、排ガスＧ４中のＳＯ_２の酸化の程度を軽減する効果がある。

更に、触媒層２２の触媒は、担体２８の内側表面近傍（例えば、表面から１００ミクロン程度）を除く部分（図３中、クロスハッチ部分）に、つまり、担体２８の内側表面から外側（担体内部）に向けて後退した位置から外側部分（排ガスＧ３の流れの下流側）に担持されており、主流路２１側に面する部分とその近傍には触媒は存在しない。

本実施形態では、触媒処理装置２０には、触媒層２２内を加熱する加熱手段である電気ヒータ２９が設置されている。電気ヒータ２９は、例えば、タングステン線等を担体２８内に埋設して実現される。これにより、定常状態における触媒層２２の温度が粒子状物質の酸化分解に不十分である場合でも、例えば、ディーゼルエンジン２の停止時に電気ヒータ２９により加熱することにより、担体２８に捕集された粒子状物質を分解処理することができる。また、その時の空気流量を制限することにより、触媒の過昇温を防止できる。

主流路２１中に存在する荷電した粒子状物質を触媒層２２の方向（外側）に誘導する方向に静電界を発生するために、直流電源２７によって両電極２５，２６間に直流電圧を印加すると、荷電した粒子状物質の略全て（例えば９９％以上）が触媒層２２に誘導される。触媒層２２に誘導された粒子状物質は、触媒層２２の触媒作用により酸化され、その粒子状態が分解し、ＣＯ_２として排ガスＧ３とともに排出される。

電極２５，２６間に印加された静電界により主流路２１内から粒子状物質が除去されるため、触媒処理装置２０に送入された排ガスＧ２の大部分（例えば９０％以上）の排ガスＧ４は、粒子状物質が除去された状態で、触媒層２２を通過せずに主流路２１を通流してそのまま排出される。主流路２１を通流する排ガスＧ４は、触媒層２２を通過せず、更に、触媒層２２の内側表面近傍にも触媒が存在しないため、触媒層２２の触媒作用は排ガスＧ４には及ばず、排ガスＧ４中のＳＯ_２がＳＯ_３に酸化されず、排ガスＧ４中において硫酸が生成されるのが抑制され、触媒処理装置２０の下流側排気管の腐食が抑制される。

尚、主流路２１を通過する排ガスＧ４と、触媒層２２及び副流路２３を通過する排ガスＧ３、Ｇ５の流量比は、触媒層２２及び副流路２３における圧力損失を調整することで実現できる。

本発明装置１を、上記要領でプラズマ処理装置１０と触媒処理装置２０により構成することで、ディーゼルエンジン２から排出される排ガスＧ１の流量が急増した場合にも、触媒処理装置２０の触媒層２２を通過する排ガスＧ３の流速は必要以上に速くならず、担体２８で捕集された状態の粒子状物質が再飛散する可能性は低い。

以下に、本発明に係る粒子状物質処理装置の別実施形態につき説明する。

〈１〉上記実施形態では、プラズマ処理装置１０に使用する電極構造として、同軸円筒型電極構造のものを例示したが、同電極構造は、同軸円筒型電極構造に限定されるものではない。

〈２〉上記実施形態では、主流路２１を通過した排ガスＧ４と副流路２３を通過した排ガスＧ５は、夫々別々に触媒処理装置２０から排出される場合を例示したが、副流路２３が触媒処理装置２０内で主流路２１と合流するように構成し、排ガスＧ４と排ガスＧ５が触媒処理装置２０内で合流してから排出するようにしても構わない。

〈３〉上記実施形態では、触媒処理装置２０において、触媒層２２の内側に主流路２１を、外側に副流路２３が形成される構造としたが、主流路２１と副流路２３の配置を反転させ、触媒層２２の外側に主流路２１を、内側に副流路２３が形成される構造としても構わない。この場合、担体２８の多孔質セラミックスの細孔径は、外側（主流路２１側）から内側（副流路２３側）の方向に、つまり、同軸の軸心に近いほど小さくなるようにするのが好ましい。更に、触媒層２２の触媒は、担体２８の外側表面近傍を除く部分、つまり、担体２８の外側表面から内側（担体内部）に向けて後退した位置から内側部分に担持され、主流路２１側に面する部分とその近傍には触媒は存在しないようにするのが好ましい。

〈４〉上記実施形態では、触媒処理装置２０に使用する電極構造として、同軸円筒型電極構造のものを例示したが、同電極構造は、同軸円筒型電極構造に限定されるものではない。例えば、平行平板型電極構造としても構わない。この場合は、平行平板型電極間に、断面直方体の平板状の触媒層を使用し、一方の平板型電極と触媒層の間に主流路が形成され、他方の平板型電極と触媒層の間に副流路が形成される。また、平行平板型電極を複数組設け、その間に夫々触媒層を設けるようにしても構わない。

〈５〉上記実施形態では、触媒処理装置２０に、触媒層２２内を加熱する電気ヒータ２９を設置したが、定常状態における触媒層２２の温度が粒子状物質の酸化分解に十分な場合には、必ずしも設けなくても構わない。

本発明に係る粒子状物質処理装置は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質の分解処理に利用可能である。

本発明に係る粒子状物質処理装置の一実施形態における概略構成と、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの流れを示す図 本発明に係る粒子状物質処理装置の一実施形態で使用されるプラズマ処理装置の一例を模式的に示す図 本発明に係る粒子状物質処理装置の一実施形態で使用される触媒処理装置の一例を模式的に示す２つの断面図

符号の説明

１： 本発明に係る粒子状物質処理装置
２： ディーゼルエンジン
１０： プラズマ処理装置
１１： 円筒状電極
１２： 線状電極
１３： パルス電源
２０： 触媒処理装置
２１： 主流路
２２： 触媒層
２３： 副流路
２４： 円筒容器
２５： 円筒状電極
２６： 線状電極
２７： 直流電源
２８： 担体
２９： 加熱手段（電気ヒータ）
Ｇ１： ディーゼルエンジンから排出される排ガス
Ｇ２： プラズマ処理装置から排出される荷電された粒子状物質を含む排ガス
Ｇ３： 触媒層を通過する排ガス
Ｇ４： 触媒層を通過せずに主流路を通過する排ガス
Ｇ５： 触媒層を通過した粒子状物質除去後の排ガス

Claims (7)

1. ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質を分解処理する粒子状物質処理装置であって、
   前記排ガス中の前記粒子状物質を大気圧プラズマにより荷電させるプラズマ処理装置と、
   前記プラズマ処理装置から送入される前記排ガス中の荷電した前記粒子状物質を、印加電界により選択的に触媒層に誘導して、前記触媒層の触媒作用によって分解処理する触媒処理装置と、
   を備えてなることを特徴とする粒子状物質処理装置。
2. 前記大気圧プラズマが、パルス放電プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
3. 前記触媒処理装置に送入される前記排ガスの全流量の１０％以下が、前記触媒層を通過することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子状物質処理装置。
4. 前記触媒層が、多孔質セラミックスからなる担体に白金族金属の触媒を担持してなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。
5. 前記触媒層の触媒を担持する担体の細孔径が、前記触媒層の上流側から下流側に向けて小さくなっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。
6. 前記触媒層が、触媒を担持する担体の上流側の端部より担体内部に後退した位置から下流側部分において前記触媒を担持していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。
7. 前記触媒層内を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。