(57)【要約】【課題】触媒の昇温効率を向上した排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】触媒担体１２は、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３によって覆われている。側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のぞれぞれは、ステンレス製の棒状部材２５に、マイクロ波を吸収可能な材質である炭素からなるマイクロ波吸収体２６がコーティングされ、さらに、シリカからなる保護膜２７をマイクロ波吸収体２６に被覆したものによってメッシュを形成するように構成されている。一端がマグネトロン１６に接続されたマイクロ波導入通路１５の他端は、コンバータケース１１及び断熱部材１７を貫通して、側面被覆部材２１に設けられたマイクロ波導入孔２４に挿入するように接続されている。マイクロ波導入通路１５には、コンバータケース１１の外部に位置するように、雲母製の誘電部材２９が設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが流通する排気管に設けられた触媒担体と、
該触媒担体に照射するマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、
前記触媒担体を覆うように設けられると共に前記マイクロ波を遮断するマイクロ波遮断部材と、
前記マイクロ波を吸収可能な材質からなり、前記触媒担体の表面に接すると共に前記触媒担体を覆うように設けられたマイクロ波吸収体と、
前記マイクロ波遮断部材に設けられたマイクロ波導入孔と、
一端が前記マイクロ波発生装置に接続されると共に他端が前記マイクロ波導入孔に接続されたマイクロ波導入通路と、
該マイクロ波導入通路に設けられた誘電部材と
を備え、
前記マイクロ波遮断部材及び前記マイクロ波吸収体には、前記触媒担体に前記排ガスを供給するための排ガス供給孔と、前記触媒担体を通過した前記排ガスを流出させるための排ガス流出孔とが設けられている排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波遮断部材の表面にコーティングされている、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記マイクロ波吸収体は保護膜で被覆されている、請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記保護膜はシリカ膜である、請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記マイクロ波遮断部材は、導電材料がメッシュを形成するように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記誘電部材は、前記排気管の外部に位置するように、前記マイクロ波導入通路に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（ＮＯ２）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。
【０００３】
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、電磁波吸収体と触媒との混合物をセラミック壁の表面に担持した触媒が開示されている。この触媒にマイクロ波を照射すると、電磁波吸収体がマイクロ波を吸収して発熱し、触媒を昇温させる。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−４９９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の排ガス浄化装置では、触媒の上流側及び下流側に、多数のパンチング孔を有した金属板を設けることにより、触媒を収容する加熱室を形成して、加熱室の上流側及び下流側にマイクロ波が広がることを防止しているものの、加熱室内に照射されたマイクロ波が全て触媒の昇温に使用されるとは限らないため、触媒の昇温効率があまり高くないといった問題点があった。
【０００６】
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、触媒の昇温効率を向上した排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る排ガス浄化装置は、排ガスが流通する排気管に設けられた触媒担体と、該触媒担体に照射するマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、前記触媒担体を覆うように設けられると共に前記マイクロ波を遮断するマイクロ波遮断部材と、前記マイクロ波を吸収可能な材質からなり、前記触媒担体の表面に接すると共に前記触媒担体を覆うように設けられたマイクロ波吸収体と、前記マイクロ波遮断部材に設けられたマイクロ波導入孔と、一端が前記マイクロ波発生装置に接続されると共に他端が前記マイクロ波導入孔に接続されたマイクロ波導入通路と、該マイクロ波導入通路に設けられた誘電部材とを備え、前記マイクロ波遮断部材及び前記マイクロ波吸収体には、前記触媒担体に前記排ガスを供給するための排ガス供給孔と、前記触媒担体を通過した前記排ガスを流出させるための排ガス流出孔とが設けられている。マイクロ波遮断部材が触媒担体を覆うことにより、マイクロ波発生装置によって発生したマイクロ波は、マイクロ波遮断部材内に閉じ込められるので、触媒担体の表面に接すると共に触媒担体を覆うように設けられたマイクロ波吸収体に吸収されやすくなる。
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波遮断部材の表面にコーティングされていてもよい。
前記マイクロ波吸収体は保護膜で被覆されていてもよい。前記保護膜はシリカ膜でもよい。
前記マイクロ波遮断部材は、導電材料がメッシュを形成するように構成されていてもよい。
前記誘電部材は、前記排気管の外部に位置するように、前記マイクロ波導入通路に設けられていてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、マイクロ波遮断部材が触媒担体を覆うことにより、マイクロ波発生装置によって発生したマイクロ波は、マイクロ波遮断部材内に閉じ込められて、触媒担体の表面に接すると共に触媒担体を覆うように設けられたマイクロ波吸収体に吸収されやすくなるので、マイクロ波のほとんどは触媒の昇温のみに使用され、その結果、触媒の昇温効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
図２に、ＳＣＲ触媒５の詳細図を示す。ＳＣＲ触媒５は、排気管２の一部を構成するコンバータケース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、コンバータケース１１内において触媒担体１２を覆う断熱部材１７とを有している。ＳＣＲ触媒５は、マイクロ波導入通路１５を介して、マイクロ波発生装置であるマグネトロン１６に接続されている。排気ガスは図中左から右へ流れる。触媒担体１２より上流側には、排気ガス温度を測定するための温度センサ１３ａが設けられている。また、触媒担体１２より下流側には、触媒担体１２を通過後の排気ガス温度を測定するための温度センサ１３ｂが設けられている。温度センサ１３ａ，１３ｂ及びマグネトロン１６はそれぞれ、ＥＣＵ１４に電気的に接続されている。
【００１１】
図３に示されるように、触媒担体１２には、触媒担体１２の側面に接するように、筒状の側面被覆部材２１が設けられ、触媒担体１２の上流側端面に接するように、円盤状の上流端面被覆部材２２が設けられ、触媒担体１２の下流側端面に接するように、円盤状の下流端面被覆部材２３が設けられている。側面被覆部材２１には、側面被覆部材２１を貫通するように形成されたマイクロ波導入孔２４が設けられている。側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のぞれぞれは、格子状メッシュの構成を有している。すなわち、ステンレス製の棒状部材２５に、マイクロ波を吸収可能な材質である炭素からなるマイクロ波吸収体２６がコーティングされ、さらに、ポリシラザンを塗布後に硬化させて形成したシリカ（ＳｉＯ２）からなる保護膜２７をマイクロ波吸収体２６に被覆したものによってメッシュを形成するように、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のそれぞれが構成されている。尚、メッシュの間隔は、１０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、側面被覆部材２１，上流端面被覆部材２２，下流端面被覆部材２３のうち、メッシュ状に形成された棒状部材２５は、マイクロ波遮断部材を構成する。また、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のそれぞれがメッシュ状に構成されていることから、それぞれに複数の孔が設けられている。ここで、上流端面被覆部材２２に設けられた複数の孔２２ａは、排ガス供給孔を構成すると共に、下流端面被覆部材２３に設けられた複数の孔２３ａは、排ガス流出孔を構成する。
【００１２】
図４に示されるように、一端がマグネトロン１６に接続されたマイクロ波導入通路１５の他端は、コンバータケース１１及び断熱部材１７を貫通して、側面被覆部材２１に設けられたマイクロ波導入孔２４に挿入するように接続されている。このような構成により、触媒担体１２は、マイクロ波導入通路１５を介して、マグネトロン１６に接続されている。マイクロ波導入通路１５には、コンバータケース１１の外部に位置するように、雲母製の誘電部材２９が設けられており、誘電部材２９は、触媒担体１２とマグネトロン１６との連通を遮断している。
【００１３】
図５に示されるように、触媒担体１２は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる複数の直方体形状のハニカム片３０から構成されている。ハニカム片３０には、ハニカム片３０の軸方向にハニカム片３０を貫通するように複数の孔３１が設けられている。孔３１の内周面３１ａには、選択還元触媒３２が担持されている。
【００１４】
図２〜５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、ＳＣＲ触媒５においてハニカム片３０の孔３１の内周面３１ａに担持された選択還元触媒３２が、酸化触媒３ではＮＯを酸化してＮＯ２にするための酸化触媒となっており、酸化触媒６ではアンモニアを酸化するための酸化触媒となっている。
【００１５】
次に、この実施の形態に係る排ガス浄化装置の動作を、図１〜５に基づいて説明する。
ディーゼルエンジン１のスタート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触媒温度が上昇しない。そこで、ＳＣＲ触媒５について、昇温動作を説明する。温度センサ１３ａによって測定された温度が、予め設定された温度（以下、「設定温度」と称する）よりも低い場合には、ＥＣＵ１４はマグネトロン１６を起動させて、マイクロ波を発生させる。
【００１６】
発生したマイクロ波は、マイクロ波導入通路１５内を伝播し、誘電部材２９を通り抜けて、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３によって囲まれた空間内、すなわち、触媒担体１２に照射される。マイクロ波は、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のメッシュ状に形成された棒状部材２５（マイクロ波遮断部材）によって遮断され、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３によって囲まれた空間内に閉じ込められる。そして、マイクロ波吸収体２６が、閉じ込められたマイクロ波を吸収して加熱し、その熱によって触媒担体１２が昇温される。触媒担体１２が昇温することにより、ハニカム片３０の孔３１の内周面３１ａに担持された選択還元触媒３２が昇温される。
【００１７】
排気管２を流通する排ガスは、上流端面被覆部材２２に形成されている複数の孔２２ａを介して、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３によって囲まれた空間内に流入し、触媒担体１２を構成するハニカム片３０の孔３１を流通する。触媒担体１２が昇温されているので、排ガスは、孔３１を流通する際に温度が上昇する。排ガスは、孔３１を流通した後、下流端面被覆部材２３に形成されている複数の孔２３ａを介して、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３によって囲まれた空間から流出する。尚、側面被覆部材２１にはマイクロ波導入孔２４が設けられているものの、誘電部材２９によってマイクロ波導入通路１５が塞がれているので、排ガスがマイクロ波導入通路１５を介してマグネトロン１６に流入することを防止している。
【００１８】
温度センサ１３ｂによって測定された排ガスの温度が設定温度以上になったら、ＥＣＵ１４はマグネトロン１６の稼働を停止する。これにより、マイクロ波吸収体２６に吸収されるマイクロ波が発生しなくなるので、マイクロ波吸収体２６が発熱しなくなる。これ以降、温度センサ１３ａ，１３ｂの測定値に基づいて、ＥＣＵ１４がマグネトロン１６を起動させたり停止させたりすることにより、選択還元触媒３２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。
【００１９】
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ＮＯ２に酸化される。続いて排ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排ガス中のパティキュレートマター（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。
【００２０】
このように、メッシュ状に構成されたステンレス製の棒状部材２５（マイクロ波遮断部材）が触媒担体１２を覆うことにより、マグネトロン１６によって発生したマイクロ波は、マイクロ波遮断部材内に閉じ込められて、触媒担体１２の表面に接すると共に触媒担体１２を覆うように設けられたマイクロ波吸収体２６に吸収されやすくなるので、マイクロ波のほとんどは触媒の昇温のみに使用され、その結果、触媒の昇温効率を向上することができる。酸化触媒３及び６についても同様である。
また、マイクロ波吸収体２６は、高温の排ガスと直接接触することから損傷または劣化し易い状況にあるが、シリカからなる保護膜２７で被覆されているため、排ガスによる損傷及び劣化を防ぐことができる。尚、シリカはマイクロ波を透過させるので、マイクロ波吸収体２６によるマイクロ波の吸収を阻害することはない。
側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３はそれぞれ、ステンレス製の棒状部材２５と、マイクロ波吸収体２６と、保護膜２７との三重構造になっており、棒状部材２５が骨組の役割を果すので、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３のそれぞれの強度を高めることができる。
さらに、誘電部材２９は、排気管２の外部に位置するように、マイクロ波導入通路１５に設けられているが、誘電部材２９が設けられているマイクロ波導入通路１５の部分は、その周囲を外気が取り囲んでいるので、高温の排ガスが接触する誘電部材２９を冷却することが可能になる。
【００２１】
この実施の形態では、側面被覆部材２１、上流端面被覆部材２２、下流端面被覆部材２３はそれぞれ、ステンレス製のメッシュ状構造の棒状部材２５に、マイクロ波吸収体２６と、保護膜２７とが被覆された三重構造になっているが、この構成に限定するものではない。板状のマイクロ波遮断部材と触媒担体１２との間で触媒担体１２に接触するようにマイクロ波吸収体を設けてもよい。この場合には、マイクロ波導入孔２４と、排ガス供給孔２２ａ及び排ガス流出孔２３ａとは、板状のマイクロ波遮断部材を貫通するように設ければよい。また、マイクロ波遮断部材は、棒状部材２５を格子状のメッシュに形成することにより構成されているが、この構成に限定するものではなく、パンチングメタルやエキスパンドメタル等といったメッシュから構成してもよい。
また、上流端面被覆部材２２及び下流端面被覆部材２３にはそれぞれ、排ガスが流通するための複数の孔２２ａ及び２３ａを設ける必要があるが、側面被覆部材２１には孔が設けられていなくてもよい。さらに、マイクロ波導入孔２４は側面被覆部材２１に設けられていたが、この構成に限定するものではなく、上流端面被覆部材２２または下流端面被覆部材２３に設けてもよい。
【００２２】
棒状部材２５の材質はステンレスに限定するものではなく、その他の金属でもよい。また、マイクロ波吸収体２６の材質は炭素に限定するものではなく、マイクロ波を吸収できる材質ならどのような材質であってもよく、炭素繊維やグラファイト、ＳｉＣ等でもよい。また、保護膜２７の材質としてポリシラザン由来のシリカを使用したが、これに限定するものではない。マイクロ波を透過すると共に排ガスからマイクロ波吸収体２６を保護できる材質であればどのようなものでもよく、例えば、アルミナ等、セラミック系の材質であればよい。さらに、誘電部材２９の材質は雲母に限定するものではなく、高温の排ガスとの接触に対して損傷しにくく、かつ、マイクロ波を透過可能な材質（比誘電率が３０未満）であればどのようなものでもよく、例えば、ガラス、アルミナ、石英、アスファルト、ダイヤモンド等が挙げられる。
【００２３】
この実施の形態に加え、マイクロ波を吸収可能な長さ、すなわち、マイクロ波の波長の１／２または１／４の長さの金属棒（アンテナ）を、触媒担体１２の外周面に張り付けたり、孔３１のうちの一部の孔に挿入したりしてもよい。アンテナがマイクロ波を吸収することによって発熱し、その熱で触媒担体１２が加熱される。
【００２４】
この実施の形態では、温度センサ１３ａ，１３ｂで触媒担体１２を通過する前と後の排ガスの温度を測定し、その温度に基づいてマグネトロン１６の稼働を調整するようにしたが、この形態に限定するものではない。マグネトロン１６の起動後、一定時間が経過したらマグネトロン１６を停止するようにしてもよい。
また、温度センサも２つに限定するものではなく、上流端面被覆部材２２よりも上流側または下流端面被覆部材２３よりも下流側に、少なくとも１つ以上の温度センサを設け、この温度センサの測定値に基づいてマグネトロン１６の稼働を調整するようにしてもよい。
また、エンジンの特性から予め分かっている排気ガス温度と、温度センサ１３ａ，１３ｂにて測定される温度からマグネトロン１６の稼動を調整しても良い。
【００２５】
この実施の形態では、触媒担体１２としてＳｉＣ製の触媒担体を使用したが、これに限定するものではない。セラミックス、ゼオライト、コージェライト製等の触媒担体でもよい。また、触媒担体１２の形状も円柱形状に限定するものではなく、楕円柱形状等どのような形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】この実施の形態に係る排ガス浄化装置を構成するＳＣＲ触媒の触媒担体の分解図である。
【図４】この実施の形態に係る排ガス浄化装置を構成するＳＣＲ触媒の部分拡大断面図である。
【図５】この実施の形態に係る排ガス浄化装置を構成するＳＣＲ触媒の触媒担体のハニカム片の正面図である。
【符号の説明】
【００２７】
２  排気管、１２  触媒担体、１５  マイクロ波導入通路、１６  マグネトロン（マイクロ波発生装置）、２２ａ  孔（排ガス供給孔）、２３ａ  孔（排ガス流出孔）、２４  マイクロ波導入孔、２５  棒状部材（マイクロ波遮断部材）、２６  マイクロ波吸収体、２７  保護膜、２９  誘電部材。
【図１】
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【図２】
2010036083.tif 000004
【図３】
2010036083.tif 000005
【図４】
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【図５】
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