JP2010190124A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒温度を効率よく昇温することのできる排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒担体１２は、カーボンからなる基材２１と、基材２１の表面に成膜されたＳｉＣからなる薄膜２２とから構成されている。薄膜２２には、触媒が担持されている。電極１５は、電極１５を構成する各電極棒１５ａが薄膜２２の端面２２ａに沿って接触するようにして、薄膜２２に接続されている。薄膜２２に電流が通電されると、ＳｉＣの抵抗加熱によって、薄膜２２に担持された触媒が昇温される
【選択図】図３

Description

この発明は排ガス浄化装置に係り、特に、排ガス浄化装置を構成する触媒の昇温に関する。

ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ)を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）にするための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素に水を反応させて生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応によりＮＯｘを窒素及び水にするためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するための酸化触媒とから構成される。

酸化触媒もＳＣＲ触媒も一般的に、ある温度よりも温度が高い場合には十分な触媒性能を示すものの、ある温度よりも低い場合には、極端に触媒性能が低下してしまう。このため、例えばエンジン起動直後のような排ガス温度が低い場合には、触媒温度も低く、十分な触媒性能が得られないため、触媒の昇温が必要となる。触媒の昇温技術として、特許文献１には、触媒の上流に電気ヒーターを設置して排ガスを加熱する方式が記載されている。

実開昭４９−３６３２４号公報

しかしながら電気ヒーターを設置する方式では、排ガスの流れが少ないときに電気ヒーターを作動させると電気ヒーターが過昇温されて断線したり、排ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）が付着することによりショートして断線したりするといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、触媒温度を効率よく昇温することのできる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排ガス浄化装置は、非金属導電性物質及び該非金属導電性物質に担持された触媒を備える触媒担体と、前記非金属導電性物質に電流を通電する通電手段とを備える。非金属導電性物質に電流が通電されると、非金属導電性物質の抵抗加熱によって触媒が昇温される。
前記触媒担体は、基材と、該基材の表面に設けられた薄膜とを備え、少なくとも前記薄膜は前記非金属導電性物質からなり、前記触媒は前記薄膜に担持されてもよい。
前記通電手段は、前記非金属導電性物質に接続された一対の電極を備え、前記電極と前記非金属導電性物質との接触部分は、複数の接触点から構成されてもよい。ここで、「複数の接触点」には、非常に狭い領域である一点で接続された接触点が複数存在することだけではなく、そのような接触点が集合して線形状や広がりを持った面形状を構成する場合も含まれるものとする。
前記触媒担体の温度を測定するための温度センサを備え、該温度センサによる測定値に基づいて、前記通電手段のオンオフ制御を行ってもよい。
前記非金属導電性物質は、カーボン、炭化ケイ素又はこれらの組み合わせであってもよい。
内燃機関が始動して排ガスが前記触媒担体に到達した後の所定時間において、前記通電手段のオンオフ制御を開始してもよい。

この発明によれば、非金属導電性物質に電流が通電されると、非金属導電性物質の抵抗加熱によって触媒が昇温されるので、触媒温度を効率よく昇温することができる。

この発明の実施の形態に係る排ガス浄化装置の構成模式図である。 この実施の形態に係る排ガス浄化装置を構成するＳＣＲ触媒の詳細図である。 この実施の形態に係る排ガス浄化装置を構成するＳＣＲ触媒の触媒担体の正面図及びその部分拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る排ガス浄化装置の構成模式図を図１に示す。ディーゼルエンジン１から排出された排ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、ＳＣＲ触媒５と、酸化触媒６とが設けられている。ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル７が設けられており、噴射ノズル７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。尿素水添加システム１０は、制御装置であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。

図２に、ＳＣＲ触媒５の詳細図を示す。ＳＣＲ触媒５は、コンバータケース１１と、コンバータケース１１内に設けられた円柱形状の触媒担体１２とを有している。ＳＣＲ触媒５には、触媒担体１２の両端面に一対の電極１５，１５が接続され（図２には一方の電極１５のみ図示されている）、一対の電極１５，１５には、電源１６が接続されている。ここで、一対の電極１５，１５及び電源１６は、通電手段を構成する。電極１５は、細長い複数の電極棒１５ａをメッシュ状に組み合わせて構成されている。また、触媒担体１２には、その内部の温度を測定するための温度センサ１７が設けられている。電源１６及び温度センサ１７は、ＥＣＵ１４に電気的に接続されている。

図３に示されるように、触媒担体１２は、カーボンからなる基材２１と、基材２１の表面に焼結又は常圧ＣＶＤ等によって成膜された炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる薄膜２２とから構成されている。基材２１は、全体として円柱形状を有し、その軸方向に貫通する、断面が正方形の複数の孔２３が形成されている。薄膜２２には、選択還元触媒が担持されている。

図４に示されるように、電極１５を構成する各電極棒１５ａの断面が薄膜２２の端面２２ａの断面と点接触するようにして、各電極棒１５ａは薄膜２２に接続されている。すなわち、各電極棒１５ａと薄膜２２との接触部分２４は、各電極棒１５ａの軸方向に沿った直線形状となっている。接触部分２４がこのような直線形状となっていることにより、電極１５と薄膜２２とが一点で接続されている場合に比べて、大電流が流れやすくなる。尚、電極棒１５ａが湾曲した形状の場合には、接触部分２４の形状は直線形状ではなく、湾曲した線形状となる。

図２〜４には、ＳＣＲ触媒５の構造を詳細に示したが、酸化触媒３及び６についても同じ構成となっており、酸化触媒３及び６にも、それらの触媒担体の両端面に設けられた一対の電極と、一対の電極に接続された電源と、触媒担体の内部の温度を測定するための温度センサとが設けられている。

次に、この実施の形態に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動時やアイドリング時には、ディーゼルエンジン１から排出される排ガスの温度が低いため、酸化触媒３と、ＳＣＲ触媒５と、酸化触媒６とのそれぞれに排ガスが流通しても、十分な触媒性能を発揮するのに必要な温度まで温度が昇温しない。そこで、ＳＣＲ触媒５について、昇温動作を説明する。

ディーゼルエンジン１が始動してから、後述する所定時間が経過した後、温度センサ１７によって測定された温度が、予めＥＣＵ１４に設定された温度（以下、「設定温度」と称する）よりも低い場合には、ＥＣＵ１４は電源１６を起動させて、薄膜２２に通電する。すると、薄膜２２を構成するＳｉＣの抵抗加熱によって薄膜２２が昇温し、これにより、薄膜２２に担持された選択還元触媒が昇温される。

温度センサ１７によって測定された温度が設定温度以上になったら、ＥＣＵ１４は電源１６の稼働を停止する。これにより、薄膜２２に通電されなくなるので、薄膜２２が昇温しなくなる。これ以降、温度センサ１７の測定値に基づいて、ＥＣＵ１４が電源１６を起動させたり停止させたりすることにより、すなわち、電源１６をオンオフ制御することにより、薄膜２２に担持された選択還元触媒が適切な温度に保たれる。
尚、酸化触媒３及び６についても、各設定温度は異なるものの、ＳＣＲ触媒５についての昇温動作と同様にして、適切な温度に保たれる。

酸化触媒３及び６とＳＣＲ触媒５とがそれぞれ適切な温度になると、排ガスが酸化触媒３を流通することにより、排ガス中のＮＯがＮＯ_２に酸化される。続いて排ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排ガス中のＰＭがＤＰＦ４に捕捉される。ＥＣＵ１４は適切なタイミングで尿素水添加システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して噴射ノズル７に供給し、噴射ノズル７から尿素水がＳＣＲ触媒５に添加される。ＳＣＲ触媒５に添加された尿素水は加水分解されてアンモニアと二酸化炭素となり、生成したアンモニアと排ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素及び水となる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒６において酸化される。このようにして、ＮＯｘが浄化された排気ガスが大気中へ排出される。

前述したように、電源１６のオンオフ制御については、ディーゼルエンジン１が始動してから所定時間が経過した後に開始される。これは、ディーゼルエンジン１の始動時には、ＳＣＲ触媒５の温度が外気温度程度であり、ＳＣＲ触媒５が十分な触媒性能を発揮するのに必要な温度に比べて非常に低いため、ＳｉＣの抵抗加熱によっていくら昇温しようとしても、所望の温度まで昇温させるためにはかなりの時間がかかるからである。そのため、ディーゼルエンジン１の始動時には、ある程度の時間、排気ガスの昇温を待って、排気ガスによってＳＣＲ触媒５を予め昇温させてから、ＳｉＣの抵抗加熱によって昇温させたほうが、エネルギー的に有利となる。従って、電源１６のオンオフ制御は、少なくとも、ディーゼルエンジン１が始動して排ガスがＳＣＲ触媒５に到達するまでは開始しない。それから所定時間経過した後に、電源１６のオンオフ制御を開始することになるが、ここで、所定時間とは、搭載されるバッテリーの能力や外気温度、ディーゼルエンジン１の稼働状況等によって決まるものであり、それらを総合してＥＣＵ１４が決定する。

このように、ＳｉＣからなる薄膜２２に電流が通電されると、ＳｉＣの抵抗加熱によって、薄膜２２に担持された選択還元触媒が昇温されるので、触媒温度を効率よく昇温することができる。

この実施の形態では、触媒担体１２は、カーボンからなる基材２１の表面にＳｉＣからなる薄膜２２が成膜された構成となっていたが、この構成に限定するものではない。基材２１及び薄膜２２の２つの構成からなるのではなく、ＳｉＣで一体的に触媒担体を形成してもよい。また、薄膜２２の材料はＳｉＣに限定するものではなく、カーボンであってもよく、非金属材料で導電性を有する材料、すなわち非金属導電性物質であればどのような材料であってもよい。さらに、この実施の形態では、基材２１及び薄膜２２が両方とも非金属導電性物質であったが、少なくとも薄膜２２が非金属導電性物質であれば、基材２１はどのような材料であってもよい。

この実施の形態では、電極１５は、細長い複数の電極棒１５ａをメッシュ状に組み合わせて構成されていたが、この形態に限定するものではない。電極１５と薄膜２２とが一点（非常に狭い領域）で接続される構成でなければどのような形態であってもよく、接触部分２４が面積を有するように、広がりを持った面形状、例えば、平面状の電極に、触媒担体１２の孔２３に合う穴がパンチングされたものや、薄膜２２と複数の接触点で接続するような形状であってもよい。尚、接触部分２４が線形状や広がりを持った面形状は、電極１５と薄膜２２とが接触する非常に狭い領域の集合であると言うこともできる。従って、本明細書において、線形状や広がりを持った面形状も、電極棒１５ａと薄膜２２とが複数の接触点で接続する場合と合わせて、「複数の接触点からなる」に含まれるものとする。

この実施の形態では、触媒担体１２の温度を測定するための温度センサ１７は、触媒担体１２の内部の温度を直接測定するようになっていたが、この形態に限定するものではない。温度センサ１７を排気管２の任意の個所に設けて、排気管２を流通する排ガス温度を測定することにより、触媒担体１２の温度を推定するようにしてもよい。

この実施の形態では、電極１５と薄膜２２との接触部分２４が複数の接触点からなる構成を有していたが、電極１５と薄膜２２とが一点で接続されていてもよい。
また、この実施の形態では、ディーゼルエンジン１が始動して排ガスが触媒担体１２に到達した後の所定時間に電源１６のオンオフ制御を開始したが、ディーゼルエンジン１の始動時に電源１６のオンオフ制御を開始してもよい。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、１２ 触媒担体、１５ 電極（通電手段）、１６ 電源（通電手段）、１７ 温度センサ、２１ 基材、２２ 薄膜、２４ 接触部分。

Claims (6)

1. 非金属導電性物質及び該非金属導電性物質に担持された触媒を備える触媒担体と、
   前記非金属導電性物質に電流を通電する通電手段と
   を備える排ガス浄化装置。
2. 前記触媒担体は、
   基材と、
   該基材の表面に設けられた薄膜と
   を備え、
   少なくとも前記薄膜は前記非金属導電性物質からなり、前記触媒は前記薄膜に担持される、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記通電手段は、前記非金属導電性物質に接続された一対の電極を備え、
   前記電極と前記非金属導電性物質との接触部分は、複数の接触点からなる、請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
4. 前記触媒担体の温度を測定するための温度センサを備え、
   該温度センサによる測定値に基づいて、前記通電手段のオンオフ制御を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
5. 前記非金属導電性物質は、カーボン、炭化ケイ素又はこれらの組み合わせである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
6. 内燃機関が始動して排ガスが前記触媒担体に到達した後の所定時間において、前記通電手段のオンオフ制御を開始する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。

Images