(57)【要約】【課題】低温プラズマによる粒子状物質酸化除去の効率を向上でき且つ燃費を向上できる排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置は、金属電極３１１ａと誘電体３１２ｂとで挟まれた発生空間、及び、金属電極３１１ｂと誘電体３１２ｃとで挟まれた発生空間において、低温プラズマを発生するプラズマリアクタ３１を備える。これら発生空間には発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂがそれぞれ配置され、これら発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂの少なくとも表面は、内燃機関から排出される排ガスに含有される粒子状物質に作用する酸化触媒で形成されている。【選択図】図２
2008019826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であって、
発生空間において低温プラズマを発生するプラズマリアクタを備え、
前記発生空間には、少なくとも表面が、前記内燃機関から排出される排ガスに含有される粒子状物質に作用する酸化触媒で形成された発泡セラミックが配置されている排ガス浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の排ガス浄化装置において、
前記発泡セラミックには、空孔が１個／２５ｍｍ以上５０個／２５ｍｍ以下の範囲で形成されている排ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の排ガス浄化装置において、
前記発泡セラミックは、アルミナ、コージェライト、ムライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、及び前記酸化触媒からなる群より選ばれる少なくとも一種で形成された排ガス浄化装置。
【請求項４】
請求項１から３いずれか記載の排ガス浄化装置において、
前記酸化触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、及びＡｇからなる群より選ばれる少なくとも一種である酸化活性成分が、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、及びゼオライトからなる群より選ばれる少なくとも一種である担体に、前記酸化触媒全体の０．０１質量％以上３０質量％以下の範囲で担持されたものである排ガス浄化装置。
【請求項５】
請求項４記載の排ガス浄化装置において、
前記酸化活性成分は、Ｃｅ、Ｌａ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種を更に含む排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関から排出される排ガスから微粒子状物質（以下、「ＰＭ」とも称する）を除去する手法としては、特許文献１に開示されるようなディーゼル微粒子フィルタ（以下、「ＤＰＦ」とも略称する）等のフィルタに排ガスを通過させる手法が採用され、種々の改良が試みられている。
【０００３】
例えば、エンジンを制御し、ＤＰＦ上に堆積されたＰＭを所定タイミングで燃焼し酸化除去することで、ＰＭ除去効率を向上する技術（特許文献２参照）、ＤＰＦに触媒等を付加することでＰＭの燃焼温度を低下させる技術（特許文献３参照）、排ガス中に触媒等を添加することでＰＭの燃焼温度を低下させる技術（特許文献４参照）等の改良がなされている。
【０００４】
しかしながら、上述したようなフィルタを用いてＰＭを捕集する方法では、次のような問題がある。第１に、排ガスをフィルタに通過させる際の排気抵抗が大きいため、エンジン出力を充分に発揮できない。第２に、ＰＭの燃焼のタイミングが煩雑であり、エンジンの制御系が複雑となる。第３に、ＰＭを燃焼する際にフィルタが極度に加熱され（例えば、約１０００℃強）、フィルタの溶損が発生する場合がある。
【０００５】
そこで、排ガス中に低温プラズマを発生させることで、ＰＭを酸化除去する方法（特許文献５参照）が注目されている。この方法によれば、低温プラズマによりＰＭの酸化が連続的に行われるので、複雑なエンジン制御等を行わなくてよく、システムを簡素化できる。また、低温プラズマによるＰＭの酸化が比較的低温で進行するので、フィルタの溶損を抑制できるとともに、ＰＭがフィルタに目詰まりしてフィルタが圧損するといったこともない。更に、低温プラズマ発生装置はフィルタよりも通気性が良いので、排気抵抗が小さく維持され、エンジン出力を充分に発揮できる。
【特許文献１】特開２００５−２９６９３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２２７３６号公報
【特許文献３】特開２００５−２１８１８号公報
【特許文献４】特開２００５−５４７８０号公報
【特許文献５】特開２００４−１６９６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献５に示されるような低温プラズマを用いる方法では、フィルタを用いる方法（ＰＭ捕集率９９質量％以上）に比べ、ＰＭを酸化除去する効率が低い。ここで、ＰＭ酸化除去の効率を向上するためには、低温プラズマの電力を上昇させる必要があるが、低温プラズマの電力を上昇させると、燃費の悪化を招来する。
【０００７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、低温プラズマによるＰＭ酸化除去の効率を向上でき且つ燃費を向上できる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】
【０００８】
本発明者らは、低温プラズマが発生する空間に、表面が酸化触媒で形成された発泡セラミックを配置することで、低温プラズマとＰＭとの接触確率を大幅に上昇できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、具体的には、以下のようなものを提供する。
【０００９】
（１）  内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であって、
発生空間において低温プラズマを発生するプラズマリアクタを備え、
前記発生空間には、少なくとも表面が、前記内燃機関から排出される排ガスに含有される粒子状物質に作用する酸化触媒で形成された発泡セラミックが配置されている排ガス浄化装置。
【００１０】
（２）  （１）記載の排ガス浄化装置において、
前記発泡セラミックには、空孔が１個／２５ｍｍ以上５０個／２５ｍｍ以下の範囲で形成されている排ガス浄化装置。
【００１１】
（３）  （１）又は（２）記載の排ガス浄化装置において、
前記発泡セラミックは、アルミナ、コージェライト、ムライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、及び前記酸化触媒からなる群より選ばれる少なくとも一種で形成された排ガス浄化装置。
【００１２】
（４）  （１）から（３）いずれか記載の排ガス浄化装置において、
前記酸化触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、及びＡｇからなる群より選ばれる少なくとも一種である酸化活性成分が、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、及びゼオライトからなる群より選ばれる少なくとも一種である担体に、前記酸化触媒全体の０．０１質量％以上３０質量％以下の範囲で担持されたものである排ガス浄化装置。
【００１３】
（５）  （４）記載の排ガス浄化装置において、
前記酸化活性成分は、Ｃｅ、Ｌａ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種を更に含む排ガス浄化装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発生空間に発泡セラミックを配置したので、発生空間において発生された低温プラズマにより発泡セラミックが帯電され、発泡セラミックを通過する排ガスに含有されるＰＭが発泡セラミックに静電集塵される。これにより、ＰＭと発泡セラミックの少なくとも表面に形成された酸化触媒との接触確率が大幅に上昇するとともに、発泡セラミックに静電集塵されたＰＭが酸化触媒に強固に接触する。よって、低電力の低温プラズマでもＰＭが充分に捕集されるので、低温プラズマによるＰＭの酸化除去効率を向上でき且つ燃費を向上できる。
【００１５】
また、ＰＭの酸化手段として低温プラズマを使用したので、低温プラズマ発生時からＰＭが酸化され、酸化熱が放出される。これにより、発泡セラミックに存在する酸化触媒が加熱されるので、触媒の加熱制御を行わなくとも、ＰＭを高効率で酸化除去できる。よって、排ガス浄化装置の構成を簡素化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化システム１０のブロック図である。
排ガス浄化システム１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２０と、このディーゼルエンジン２０から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化装置３０と、を備える。この排ガス浄化装置３０は、低温プラズマを発生するプラズマリアクタ３１を少なくとも有する。
【００１８】
図２は、排ガス浄化装置３０を構成するプラズマリアクタ３１の模式図である。
プラズマリアクタ３１は、略平板状の金属電極３１１ａ〜３１１ｃを有し、これら金属電極３１１ａ〜３１１ｃはこの順番で互いに平行に配置されている。本実施形態では、金属電極が３個設置されているが、１個以上であればよい。
【００１９】
金属電極３１１ｂの金属電極３１１ａ側表面、及び、金属電極３１１ｃの金属電極３１１ｂ側表面の各々は、略平板状の誘電体３１２ｂ、３１２ｃに接合されて被覆される。この結果、誘電体３１２ｂは金属電極３１１ａと、誘電体３１２ｃは金属電極３１１ｂと、それぞれ対向配置されている。ここで、接合の方式としては、特に限定されず、機械的押付け、接着剤による接着、溶射等が挙げられる。
【００２０】
金属電極３１１ａ及び３１１ｃは、リード線３１３を介して電源４０に電気的に接続されている一方、金属電極３１１ｂは、接地線３１４を介して接地されている。これにより、電源４０から金属電極３１１ａ及び３１１ｃに電圧が印加されると、誘電体３１２ｂ及び３１２ｃの表面が荷電され、金属電極３１１ａと誘電体３１２ｂとで挟まれた発生空間、及び、金属電極３１１ｂと誘電体３１２ｃとで挟まれた発生空間において、低温プラズマが発生することになる。
【００２１】
これら発生空間には、発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂがそれぞれ配置されている。具体的には、発泡セラミック３１５ａは金属電極３１１ａ及び誘電体３１２ｂに、発泡セラミック３１５ｂは金属電極３１１ｂ及び誘電体３１２ｃに、それぞれ挟持されている。これら発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂは、少なくとも表面が、ディーゼルエンジン２０から排出される排ガスに含有される粒子状物質に作用する酸化触媒で形成されたものである。
【００２２】
発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂは、アルミナ、コージェライト、ムライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、及び酸化触媒からなる群より選ばれる少なくとも一種で形成されていることが好ましい。即ち、全体が酸化触媒で形成されていてもよく、アルミナ、コージェライト、ムライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム等で形成された部分の表面に酸化触媒が塗布されていてもよい。
【００２３】
酸化触媒は、酸化活性成分が担体に担持されたものである。ここで、担体は、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、及びゼオライトからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、酸化活性成分は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、及びＡｇからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、Ｃｅ、Ｌａ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種を更に含むことがより好ましい。ここで、ゼオライトとは、βゼオライト、Ｙ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、フェリエライト、モルデナイトを指す。
【００２４】
酸化活性成分は、酸化触媒全体の０．０１質量％以上３０質量％以下の範囲で担持されていることが好ましい。担持量が少なすぎると、ＰＭの酸化効率が不充分となる一方、担持量が多すぎても、ＰＭの酸化効率が飽和するとともに製造コストが嵩む。
【００２５】
また、発泡セラミック３１５ａ及び３１５ｂには微細な空孔が多数形成されているが、これら空孔は１個／２５ｍｍ以上５０個／２５ｍｍ以下の範囲で形成されていることが好ましい。空孔密度が小さすぎると、発生空間に存在する空孔数が不足するため、ＰＭの酸化効率が不充分となる。一方、空孔密度が大きすぎると、それぞれの空孔が狭すぎて、ＰＭが空孔内に侵入しにくくなるため、ＰＭの酸化効率が不充分となる。
【００２６】
本実施形態に係る排ガス浄化装置３０によれば、以下の作用効果が得られる。
【００２７】
発生空間に発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂをそれぞれ配置したので、発生空間において発生された低温プラズマにより発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂが帯電される。ここで、発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂの少なくとも表面を酸化触媒で形成したので、発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂを通過する排ガス（例えば、図２における矢印Ａ方向）に含有されるＰＭが発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂに静電集塵される。これにより、ＰＭと酸化触媒との接触確率が大幅に上昇するとともに、発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂに静電集塵されたＰＭが酸化触媒に強固に接触する。よって、低電力の低温プラズマでもＰＭを充分に捕集できるので、低温プラズマによるＰＭの酸化除去効率を向上でき且つ燃費を向上できる。
【００２８】
また、ＰＭの酸化手段として低温プラズマを使用したので、低温プラズマ発生時からＰＭが酸化され、酸化熱が放出される。これにより、発泡セラミック３１５ａ、３１５ｂに存在する酸化触媒が加熱されるので、酸化触媒の加熱制御を行わなくとも、ＰＭを高効率で酸化除去できる。よって、排ガス浄化装置３０の構成を簡素化できる。
【００２９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００３０】
＜実施例１＞
（発泡セラミックの作製）
γ−アルミナ（「ＡＦ１１５」住友化学工業社製）９７ｇ、ジニトロジアンミン白金（小島化学薬品社製）４．９４ｇ、及びイオン交換水１０００ｇをナス型フラスコに注ぎ、ロータリーエバポレータを用いて余分な水分を除去した後、乾燥炉内２００℃で２時間、マッフル炉内６００℃で２時間焼成することで、粉末を得た。
【００３１】
得られた粉末４５ｇ、Ｓｉバインダ（触媒化成工業社製）２５ｇ（ＳｉＯ２濃度２０％）、イオン交換水１５０ｇ、アルミナボール１００ｇをポリエチレン製容器（２５０ｍｌ）に注ぎ、１４時間湿式粉砕することで、スラリー状の触媒を得た。
【００３２】
このスラリー状の触媒中に、寸法２０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍ、空孔密度１３個／２５ｍｍ、炭化珪素製の発泡セラミック支持体（ブリヂストン社製）を浸漬した。続いて、発泡セラミックの支持体をスラリー状の触媒中から取り出し、過剰に付着した触媒をエア噴射により除去した後、発泡セラミック支持体を２００℃で２時間加熱した。この操作を所定の担持量が得られるまで繰り返した。更に、マッフル炉内、５００℃で２時間焼成することで、Ｐｔ担持アルミナ触媒を得た。ウオッシュコート量は１５０ｇ／Ｌであり、Ｐｔ担持量は４．５ｇ／Ｌ（３質量％）であった。また、形成された触媒層の厚さは、２０〜３０μｍであった。
【００３３】
（発泡セラミックの設置）
図３は、実施例１に係るプラズマリアクタ３１Ａの模式図である。
金属電極３１１Ａには「ＪＩＳ  ＳＵＳ３１６」（厚み１．０ｍｍ）を使用し、誘電体３１２Ａにはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミック（厚み０．５ｍｍ）を使用した。金属電極３１１Ａ及び誘電体３１２Ａの寸法を２０ｍｍ×５０ｍｍとし、金属電極３１１Ａ１枚と誘電体３１２Ａ１枚とを３ｍｍ離間して互いに平行に配置した。更に、金属電極３１１Ａを高電圧入力の電源４０Ａにリード線３１３Ａを介して電気的に接続し、接地線３１４Ａを介して誘電体３１２Ａを接地させた。
これら金属電極３１１Ａと誘電体３１２Ａとの間に、得られた発泡セラミック３１５Ａを挿入することで、プラズマリアクタ３１Ａを完成した。
【００３４】
［評価］
完成したプラズマリアクタ３１Ａの金属電極３１１Ａと誘電体３１２Ａとの間に、ディーゼルエンジンから排出された排ガスを導入するとともに、電源４０Ａから電気を通電して低温プラズマを発生させた。プラズマ発生条件は、交流正弦波を２００Ｈｚ、７．６ｋＶｐ−ｐとし、電力２５Ｗ、電界強度８．３ｋＶ／ｍｍ、電力密度８．３Ｗ／ｃｍ３とした。また、プラズマリアクタに導入される排ガスの条件は、表１に示される通りとした。
【００３５】
【表１】
2008019826.tif 000003
【００３６】
プラズマリアクタ３１Ａから排出された排ガスを採取し、この排ガスに市販のフィルタ（０．３μｍメッシュ）を通過させた。これにより、フィルタにＰＭを捕集し、捕集前後における質量差を、プラズマリアクタ３１Ａから排出された排ガスに含有されたＰＭの質量とし、この質量差に基づいて、ＰＭ除去率を算出した。
【００３７】
＜実施例２＞
プラズマ発生条件を、電力１７Ｗ、電界強度５．６ｋＶ／ｍｍ、電力密度５．６Ｗ／ｃｍ３とした点を除き、実施例１と同様の手順で評価を行った。
【００３８】
（比較例１）
プラズマリアクタ３１Ａに通電しなかった点を除き、実施例１と同様の手順で評価を行った。
【００３９】
（比較例２）
発泡セラミック３１５Ａを備えていないプラズマリアクタを使用し、プラズマ発生条件を電力２５Ｗ、電界強度８．３ｋＶ／ｍｍ、電力密度８．３Ｗ／ｃｍ３とした点を除き、実施例１と同様の手順で評価を行った。
【００４０】
（比較例３）
図４は、比較例３に係るプラズマリアクタ１００の模式図である。
金属電極１０１ａと、誘電体１０２ｂ〜１０２ｇで各々一方の面が被覆された金属電極１０１ｂ〜１０１ｇとを、０．５ｍｍ離間して互いに平行に配置した。図４における上側に配置された金属電極１０１ａから交互に、リード線１０３を介して電源４００に接続、又は接地線１０４を介して接地させた。これら金属電極１０１ａ〜１０１ｇと誘電体１０２ｂ〜１０２ｇとの間に発泡セラミックを配置していないプラズマリアクタ１００を使用し、プラズマ発生条件を電力２５Ｗ、電界強度５０ｋＶ／ｍｍ、電力密度５０Ｗ／ｃｍ３とした点を除き、実施例１と同様の手順で評価を行った。
【００４１】
（比較例４）
比較例３で作製したプラズマリアクタ１００を使用し、プラズマ発生条件を電力３６Ｗ、電界強度７２ｋＶ／ｍｍ、電力密度７２Ｗ／ｃｍ３とした点を除き、実施例１と同様の手順で評価を行った。
【００４２】
以上の実施例１〜２及び比較例１〜４で行った評価の結果を表２に示す。表２に示されるように、実施例１〜２では、比較例１〜４のいずれよりも低い電力でプラズマを発生させたにもかかわらず、高いＰＭ除去率が得られた。従って、実施例１〜２によれば、低温プラズマによるＰＭ酸化除去の効率を向上でき且つ燃費を向上できることが確認された。
【００４３】
【表２】
2008019826.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を備える排ガス浄化システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る排ガス浄化装置を構成するプラズマリアクタの模式図である。
【図３】本発明の実施例１に係る排ガス浄化装置を構成するプラズマリアクタの模式図である。
【図４】本発明の比較例３に係る排ガス浄化装置を構成するプラズマリアクタの模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  排ガス浄化システム
２０  ディーゼルエンジン（内燃機関）
３０  排ガス浄化装置
３１  プラズマリアクタ
３１１  金属電極
３１２  誘電体
３１３  リード線
３１４  接地線
３１５  発泡セラミック
４０  電源
【図１】
2008019826.tif 000005
【図２】
2008019826.tif 000006
【図３】
2008019826.tif 000007
【図４】
2008019826.tif 000008