(57)【要約】【課題】触媒活性化を確実に行うことができ、比較的低温からでも触媒の活性化を実現できる圧電型排気ガス浄化用触媒を提供すること。【解決手段】圧電型排気ガス浄化用触媒は、圧電材料を含有する圧電素子層１０と、電荷の授受を介して活性化する触媒種を含有する触媒層２０を積層した積層構造を有する。雰囲気の圧力が変動する系内に配置される。  この排気ガス浄化触媒は、圧電素子層１０で発生した電荷を触媒層２０に供給する電荷供給手段３０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含有する圧電素子層に、電荷の授受を介して活性化する触媒種を含有する触媒層を積層した積層構造を有し、雰囲気の圧力が変動する系内に配置される圧電型排気ガス浄化用触媒であって、
上記圧電素子層で発生した電荷を、上記触媒層に供給する電荷供給手段を備え、
上記圧電素子層が、上記雰囲気圧力の変動によって電荷を発生することを特徴とする圧電型排気ガス浄化用触媒。
【請求項２】
上記圧電素子層と上記触媒層との間に、酸素を放出又は貯蔵する酸素ストレージ材を含有する酸素ストレージ層を介挿して成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電型排気ガス浄化用触媒。
【請求項３】
上記雰囲気圧力の変動が、常圧を基準とする加圧状態又は減圧状態の繰り返しによるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電型排気ガス浄化用触媒。
【請求項４】
上記雰囲気は、加圧状態のときに還元性で、減圧状態のときに酸化性を呈することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の圧電型排気ガス浄化用触媒。
【請求項５】
上記触媒種が、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、ルテニウム、イリジウム、マンガン、鉄、コバルト及びニッケルから成る群より選ばれた少なくとも１種の元素であり、該触媒種が、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム、ケイ素、チタン及びジルコニウムから成る群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む基材に担持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の圧電型排気ガス浄化用触媒。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室及び／又は排気系の圧力変動部位に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の圧電型排気ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電型排気ガス浄化用触媒に係り、更に詳細には、雰囲気圧力の変動によって圧電材料に生じた電荷を触媒種の活性化に利用する排気ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼室内に触媒を配置し、炭化水素（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの浄化を行う排気ガス浄化技術が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
一方、燃焼の際に発生する紫外光で活性化する光触媒を燃焼室内に配置し、有害成分の除去を行う技術も提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平０５−０８６８６３号公報
【特許文献２】特開平０７−１２７４５７号公報
【特許文献３】特開平１１−２３６６７７号公報
【特許文献４】特開平１１−２６７１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかる従来技術において、燃焼室内に触媒を配置する技術あっては、近年のエンジン技術の進歩により、触媒成分の設置場所である燃焼室内壁面の温度が低下する傾向にあり、触媒の活性化が十分に行えなくなってきているという問題があった。
一方、紫外光で活性化する光触媒を用いる技術にあっては、光触媒反応の反応速度が遅く、また、カーボンデポジッド等が光触媒に一旦堆積してしまうと、活性化に必要とされる紫外光が触媒の活性部位に届かなくなってしまうため、触媒活性が発現できなくなるなどの問題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、雰囲気の圧力変動を触媒の活性化に利用したため、触媒活性化を確実に行うことができ、比較的低温からでも触媒の活性化を実現できる圧電型排気ガス浄化用触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、温度や光量の影響を受けないエネルギー源である圧力変動を利用し、これによって電荷を生ずる圧電材料を用い、この電荷を触媒活性化に供することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒は、圧電材料を含有する圧電素子層と、電荷の授受を介して活性化する触媒種を含有する触媒層を積層した積層構造を有する排気ガス浄化用触媒であって、雰囲気の圧力が変動する系内に配置されるものである。
また、この排気ガス浄化触媒は、上記圧電素子層で発生した電荷を上記触媒層に供給する電荷供給手段を備えており、上記圧電素子層が上記雰囲気圧力の変動によって電荷を発生するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、圧力変動によって電荷を生ずる圧電材料を用い、この電荷を触媒活性化に供することとしたため、触媒活性化を確実に行うことができ、比較的低温からでも触媒の活性化を実現できる圧電型排気ガス浄化用触媒を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の成形品につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒は、圧電材料を含む圧電素子層に、電荷の授受を介して活性化する触媒種を含む触媒層を積層した積層構造を有し、雰囲気の圧力が変動する系内に配置される。また、上記圧電素子層で発生した電荷を上記触媒層に供給する電荷供給手段を備えており、この圧電素子層は上記雰囲気圧力の変動によって電荷を発生する。
【０００９】
ここで、圧電材料としては、いわゆる圧電性を有すれば十分であるが、触媒反応による発熱の影響を回避するため、キュリー温度の高いものが好ましく、具体的には、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸鉛及びチタン酸バリウムを挙げることができる。
また、かかる圧電材料を含む圧電素子としては、雰囲気、具体的には燃焼ガスや排気ガスの圧力変動に応じて、その結晶構造内に分極を生じるものが代表的なものであるが、圧電材料以外にセラミックスや金属酸化物を含んでいてもよく、圧電材料のみから形成されていてもよい。なお、圧電素子「層」と記載したが、その形状は必ずしも平面的なものに限定されるものではない。
【００１０】
電荷の授受を介して活性化する触媒種は、特に限定されるものではないが、排気ガス中の有害成分を除去する観点からは、各種の酸化・還元触媒、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）及びこれらの任意の混合物を挙げることができる。
【００１１】
なお、本発明において、上記触媒種は、排気ガスや燃焼ガスの浄化に際し、表面積を増大して活性部位を多く存在させたり、酸素貯蔵・放出による酸素濃度の調整を図ったり、ＨＣやＮＯｘ吸着能を発現させるべく、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）又はジルコニウム（Ｚｒ）及びこれらの混合物を含む基材に担持されていることが好ましい。
この場合、触媒種が金属状態であれば、後述する電荷供給手段を介して電圧を上記基材、特に酸化物基材に印加できるので、更に高い触媒活性を実現可能となる。
【００１２】
また、本発明の排気ガス浄化用触媒においては、上述の圧電素子層と触媒層との間に、酸素、好ましくは活性酸素（Ｏ＊）を貯蔵・放出する機能を有する酸素ストレージ材を含む酸素ストレージ層を介在させることが好ましい。
このような酸素ストレージ層を介在させることによって、圧電素子層で発生した電荷を触媒層が授受するに際し、排気ガスなどの浄化に直接的に関与する酸素の活性化を経由させることができるので、排気ガスなどの浄化を円滑に実行することが可能になる。
かかる酸素ストレージ材としては、セリア（ＣｅＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）及び酸化プラセオジム（Ｐｒ２Ｏ３）などを例示することができる。
更に、活性酸素種としては、例えば、原子状態でもよいし、酸化性化合物分子の触媒表面活性種でもよいし、酸素分子でもよい。
【００１３】
電荷供給手段としては、圧電素子層で発生した電荷を触媒層に供給可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、圧電素子層と触媒層とを電気接続したリード線などで十分である。
【００１４】
雰囲気圧力の変動形式としては、減圧状態と加圧状態とが繰り返し生ずる状態であれば特に限定されるものではなく、必ずしも常圧を基準として減圧又は加圧が繰り返す必要はなく、ある加圧状態又は減圧状態を基準としてそれから減圧又は加圧が繰り返してもよいが、常圧を基準（中心）として減圧又は加圧の振幅があるような変動形式が好適である。
かかる雰囲気圧力の変動形式は、燃焼ガス・排気ガスなどの雰囲気の種類、使用する圧電材料や触媒種の別などに応じて適宜変更することが可能であるが、圧電材料としてチタン酸鉛セラミックスを用いた場合、代表的には、常圧を基準として０．０５〜６．０ＭＰａの範囲内で圧力変動を繰り返す形式が好ましい。
【００１５】
なお、上述のような圧力変動形式を有する系としては、自動車エンジンなどの内燃機関の燃料室内やその近傍、排気系の圧力変動部位を挙げることができ、この場合、排気系の圧力変動部位としては、エキゾーストマニホールドから最初の排気ガス浄化用触媒までの間を挙げることができる。
また、燃焼室内において、本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒を設置し得る部位としては、燃焼室内壁を構成する部位、例えば、ピストン冠面、トップクレビス部、シリンダ外周部、シリンダヘッド部、吸排気バルブ部又は燃料噴射部及びこれらの任意の組合せに係る部位を例示することができる。
【００１６】
なお、本発明においては、上述した雰囲気の圧力変動に応じて、雰囲気の酸化・還元性が変化することが好ましく、具体的には、加圧状態のときに雰囲気が還元性で、減圧状態のときに雰囲気が酸化性を呈することが望ましい。
このような雰囲気の圧力と酸化性・還元性との制御を行うことにより、雰囲気が酸化状態になったままで、気相酸素を触媒内に蓄えることができず、結果として触媒の再生が不可能になるなどの不具合を回避することができるようになる。
また、酸素ストレージ層が無くても、例えば、触媒表面の吸着酸素種の活性化を行うことができれば、燃焼室内の雰囲気が還元雰囲気で且つ加圧系の場合に、上述した触媒作用を得ることができる。更に、酸素ストレージ層が存在する場合には、その効果がより顕著なものとなる。
【００１７】
本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒は、燃焼ガスや排気ガス中の各種有害成分を浄化するのに有用であるが、かかる有害成分の具体例としては、ＨＣ、ＣＯ、カーボンデポジット、パティキュレートマター（ＰＭ）、ＳＯＦ及びＮＯｘ等がある。その他、排気ガスエミッションの悪化だけでなく、エンジン機構の阻害を促進してしまう成分も本発明の浄化対象となる。
【００１８】
上述したように、本発明は、燃焼室内などの圧力変動により生じるエネルギーを触媒の活性化に有効に利用することを骨子とするものである。
［背景技術］の項にも記載したが、近年、内燃機関技術の向上により、燃焼温度が低くなってきており、単に燃焼室内に触媒成分を配置しただけでは、その触媒塗布壁面の温度が低いことから、充分な触媒の活性化エネルギーが得られていない。
これに対し、本発明の触媒は雰囲気の圧力変動を介して活性化するので、壁面温度が低い条件下でも活性化が可能となり、例えば、エンジン始動時など触媒部の温度が極端に低いような条件下でも、触媒活性化が速やかに生じやすく、いわゆるコールドＨＣの有効低減も可能となる。即ち、圧電素子層で生じた電荷によって触媒種が活性化するので、２００℃近傍の比較的低温からでも浄化機能を発揮することができる。
【００１９】
また、本発明では、雰囲気の圧力変動によって、触媒の再生を行うことが容易であり、従って、触媒作用の持続性を向上することもできる。
更に、本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒の下流側に、排気ガス成分の検出手段を設け、この検出結果から触媒活性の程度を判断し、この判断結果に応じて、雰囲気の加圧・減圧状態や酸化・還元状態を調整すれば、当該ガスの性状に応じた適切な浄化を行うことができるとともに、触媒寿命の長期化を図ることも可能になる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を、図面を参照して実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒の一実施例を示す斜視図である。
同図において、この圧電型触媒は、圧電素子層１０、酸素ストレージ層４０及び触媒層２０をこの順で積層して形成されており、燃焼室の内壁面５０などに取り付けられるものである。また、圧電素子層１０と触媒層２０とは、電荷供給手段の一例である外部回路３０によって電気接続されており、圧電素子層１０が圧力変動によって分極して発生する電荷が触媒層２０に供給できる構成となっている。
【００２２】
図２は、本実施例の圧電型触媒の作動原理を示す斜視説明図である。
雰囲気の加圧時（還元雰囲気時）において、圧電素子層１０は、その表面側にマイナスの電荷、裏面側にプラスの電荷が集中するように分極する。次いで、プラスの電荷が外部回路３０を介して触媒層２０に移動して酸素ストレージ層４０に電圧が印加され、酸素が活性化する。しかる後、活性酸素は酸素ストレージ層４０から触媒層２０に移動し、ＨＣ、ＣＯ及びＣなどの還元成分の酸化浄化に供される。
一方、雰囲気の減圧時（酸化雰囲気時）においては、圧電素子１０が加圧時の場合と逆の方向性をもって分極し、マイナスの電荷が触媒層２０に移動して加圧時と逆極性の電圧が酸素ストレージ層４０に印加される。この電圧印加によって酸素ストレージ層４０は酸素元素を吸収するようになるので、活性酸素が触媒層２０から酸素ストレージ層４０に移動し、触媒層２０ではＮＯｘの還元浄化が行われるようになる。
【００２３】
図３は、本実施例の触媒の設置可能部位を代表的に示したものであり、自動車エンジンの燃焼室近傍を示している。
本実施例の触媒は、代表的には、ピストン冠面１、トップクレビス部２、シリンダ外周部３、シリンダヘッド部４、吸排気バルブ部５及び燃料噴射部６に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の圧電型排気ガス浄化用触媒の一実施例を示す斜視図である。
【図２】本実施例の圧電型触媒の作動原理を示す斜視説明図である。
【図３】本実施例の触媒の設置可能部位を代表的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    ピストン冠面
２    トップクレビス部
３    シリンダ外周部
４    シリンダヘッド部
５    吸排気バルブ部
６    燃料噴射部
１０    圧電素子層
２０    触媒層
３０    外部回路
４０    酸素ストレージ層
５０    壁面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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