排ガス浄化装置

【課題】光触媒を用いて排ガスを十分な性能で浄化できる排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン２からの排ガスを流す配管３、５に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部８と、外殻部８内に設けられ上記排ガスを通過させる細孔９を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材１０と、光透過部材１０に付着またはコーティングされた光触媒１１と、光透過部材１０内に設けられ電力供給を受けて発光する発光部２１と、光透過部材１０に設けられ発光部２１に電力を供給するための電力供給線２２とを備えたものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンからの排ガスを光触媒を用いて浄化する排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンは、熱効率の点からは、ガソリンエンジンに比べて、有利であるにもかかわらず、黒煙、未燃炭化水素、一酸化炭素、窒素化合物といった有害排出ガスが多いため、現在でも、特に日本国内では商用車を除いて、広く市場に出回っていない。
【０００３】
近年、ディーゼル燃焼後に、後処理を加えることで、黒煙や未燃炭化水素などの有害排出物を減少させる工夫が講じられている。図８に示す排ガス浄化装置３０は、現在用いられているものであり、黒煙や未燃炭化水素の主成分をなす炭素を酸化することで二酸化炭素として排出するものである。この排ガス浄化装置３０は、排ガス中の一酸化炭素、炭化水素を酸化反応により無害化する酸化触媒３１と、ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集し、燃焼させる触媒化セラミックフィルター３２とを備える。
【０００４】
また、特許文献１（図９参照）に記載されるように、エンジン３４での燃焼反応によって生成した窒素酸化物を、貴金属等からなるＮＯｘ還元触媒３５を用いて窒素に還元することで浄化する方法も考え出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３４９２５２号公報
【特許文献２】特開平１０−１１８４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１等にて提案されたように、窒素酸化物を還元し、一方で、未燃炭化水素や一酸化炭素を酸化することで、排ガスを浄化するシステムにおいて、問題とされていることは、燃焼後の未燃炭化水素や一酸化炭素を利用して窒素酸化物の還元を行うことにある。将来想定されるエンジンでは燃費改善の観点から未燃炭化水素や一酸化炭素の利用は困難になるため、窒素酸化物を還元剤を用いずに無害化する必要が生じる。
【０００７】
ところで、現在、光触媒を用いた排ガス浄化装置が提案されている（特許文献２など）。
【０００８】
この排ガス浄化装置は、光ファイバーで光を導入し、かつ、光ファイバーから光が漏れるような構造とした上で、その光ファイバーの表面に光触媒を担持させ、光触媒による酸化反応を行わせることで排ガスを浄化する仕組みとなっている。この場合、還元剤として未燃炭化水素や一酸化炭素を供給する必要もなく、また、排ガス中に残留した未燃炭化水素や一酸化炭素を酸化することで無害な水や二酸化炭素にすることが可能となる。
【０００９】
そこで、図１０（特許文献２）に示すように、排ガスの浄化性能があるとされる酸化チタン光触媒に、エネルギーを供給する必要があるが、光ファイバー３３による光の供給では、光ファイバー３３の円柱形状の表面にしか光が供給できない。そのため、現在用いられている金属系の黒煙、未燃炭化水素酸化触媒のスポンジ状の構造に対して、接触面積が小さくなり、十分な浄化性能が得られない可能性があるという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光触媒を用いて排ガスを十分な性能で浄化できる排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、エンジンからの排ガスを流す配管に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部と、該外殻部内に設けられ上記排ガスを通過させる細孔を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材と、該光透過部材に付着またはコーティングされた光触媒と、前記光透過部材内に設けられ電力供給を受けて発光する発光部と、上記光透過部材に設けられ上記発光部に電力を供給するための電力供給線とを備えたものである。
【００１２】
上記光触媒が酸化チタンからなり、上記発光部が紫外光を発する発光素子からなるのが望ましい。
【００１３】
また、エンジンからの排ガスを流す配管に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部と、該外殻部内に設けられ上記排ガスを通過させる細孔を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材と、該光透過部材に付着またはコーティングされた光触媒と、前記光透過部材内に設けられ光透過部材内に光を案内するための光案内部材と、該光案内部材に光を供給する発光装置とを備えたものである。
【００１４】
上記光触媒が酸化チタンからなり、上記発光装置が紫外光を発するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光触媒を用いて排ガスを十分な性能で浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は排ガス浄化装置の設置位置を示す説明図である（第１の実施の形態）。
【図２】図２は排ガス浄化装置の全体説明図である。
【図３】図３は排ガス浄化装置の要部拡大説明図である。
【図４】図４は光触媒の作用の説明図である。
【図５】図５は他の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体説明図である。（第２の実施の形態）
【図６】図６は図５の排ガス浄化装置の要部拡大説明図である。
【図７】図７は図６の要部拡大説明図である。
【図８】図８は従来の排ガス浄化装置の説明図である。
【図９】図９はＮＯｘ還元触媒を用いて浄化する従来の装置（特許文献１）の説明図である。
【図１０】図１０は光触媒を用いて浄化する従来の（特許文献２）装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る第１の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
図１に示すように、排ガス浄化装置２０は、エンジン２からの排ガスを流す配管たる排気管３と、排ガス再循環部４のＥＧＲ配管５とに設けられる。図中６は排ガスのエンタルピーを回収するタービン、蒸気発生装置又は熱交換器等の排気エンタルピー回収装置であり、７はＥＧＲクーラーである。
【００１９】
図２及び図３に示すように、排ガス浄化装置２０は、配管３、５に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部８と、外殻部８内に設けられ排ガスを通過させる細孔９を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材１０と、光透過部材１０に付着またはコーティングされた光触媒１１と、光透過部材１０内に設けられ電力供給を受けて発光する発光部２１と、光透過部材１０に設けられ発光部２１に電力を供給するための電力供給線２２とを備える。
【００２０】
光透過部材１０は、ガラスを発泡させて形成したガラス発泡体からなり、外殻部８内に排ガスの流れ方向に複数重ねて配置される。ガラス発泡体は、ガラス粉体に貝殻を粉砕した貝殻粉体を含有したものを溶融後、冷却固化することで製造される。溶融後に貝殻粉体に含有する炭酸カルシウムが分解して炭酸ガスを発生させ、溶融したガラスに気泡が形成されると共に貝殻粉体が焼失して細孔９が形成される。なお、貝殻粉体に代えて炭酸カルシウムの粉体等を用いてもよい。
【００２１】
光触媒１１は、酸化チタンからなり、紫外光を受けることで触媒として機能する。光触媒１１は、光透過部材１０の細孔９の内面も含む光透過部材１０の表面の全てに、すなわち、排ガスとの接触表面の全てに付着（担持）あるいはコーティングされており、広い面積で排ガスと接触するようになっている。
【００２２】
発光部２１は、紫外線発光ダイオードからなり、光透過部材１０内に埋め込まれる。発光部２１は多数配置したほうが光透過部材１０内（多孔質構造内）に満遍なく光を拡散できるため、発光部２１は非常に小さいものが好ましい。発光部２１が半導体の加工において限界（最小）となる程度の大きさのものであれば光透過部材１０内に多量に配置することができ、より満遍なく光触媒１１に光を供給できる。
【００２３】
電力供給線２２は、光透過部材１０内に複数並行に埋め込まれており、発光部２１に電気的に接続されると共に図示しない外部電源に電気的に接続されている。
【００２４】
外部電源から電力供給線２２を通じて発光部２１にエネルギーを与えると、発光部２１から紫外光が発せられる。光触媒１１は発光部２１からの紫外光を受けることでエネルギーを供給され、活性化される。
【００２５】
次に本実施の形態の作用を述べる。
【００２６】
発光部２１で発生した紫外光は、光透過部材１０内に分散され、光触媒１１を活性化させる。図４に示すように、光を受けた光触媒１１が励起することで、酸素から酸化剤となる活性酸素を生成する。排ガス構成分子は活性酸素によって酸化される。つまり、光触媒１１は、紫外線を受けることによって、酸化性能を発揮することになる。
【００２７】
一方、図１に示すように、エンジン２から排出された排ガスは、排気エンタルピー回収装置６を通過した後、排ガス再循環部４を通過して、再度、エンジン２に送り込まれるものと、そのまま車外に排出されるものとに分かれる。
【００２８】
排気管３に設けられた排ガス浄化装置２０は、特に車外に排出される直前に、比較的低温の環境下で最終的な排ガスの処理を行う。図３に示すように、排ガス浄化装置２０に流入した排ガスは、光透過部材１０の細孔９内に入り、光触媒１１と接触することで徐々に酸化されていく。このとき、光透過部材１０は多孔質構造であり、細孔９は複雑に屈曲した形状に形成されているため、細孔９内の排ガスは複雑に乱れながら流れ、排ガスを構成する分子は、慣性遮り効果、拡散効果によって、光透過部材１０との衝突が促進される上、接触面積（反応面積）も多いため、効率よく排ガス構成分子を酸化反応させることができ、従来の光ファイバー３３を用いた排ガス浄化装置より高い浄化性能を得ることができる。酸化反応した排ガス中の有害成分は無害化される。具体的には、この酸化反応により排ガス中の黒煙などの炭素が二酸化炭素になり、未燃炭化水素が二酸化炭素と水になり、窒素酸化物が硝酸イオンになる。このとき、酸素の供給が必要になるが、酸素は排ガス中に含まれるため、上述の酸化反応は可能である。
【００２９】
また、図１に示すように、排ガス再循環部４に設けられた排ガス浄化装置２０は、前述の排ガス浄化装置２０と同様に排ガス構成分子の酸化を行い、排ガス構成分子を二酸化炭素、水、硝酸イオンといった反応に乏しい分子に変換することで、エンジン２に不活性のガスを送り込む。これにより、エンジン２での燃焼反応をより緩慢なものにすることができ、窒素酸化物を削減できるメリットもある。この場合、排ガスの酸化が完全に行われれば排ガス再循環部４からエンジン２に不活性の物質だけを送り込むことができるという機能を持つ。
【００３０】
ＥＧＲ配管５に排ガス浄化装置２０を設けない通常の排ガス再循環装置では、未燃炭化水素、一酸化炭素、黒煙などが再循環することにより、燃焼させるべき物質が増加する一方で、燃焼を不完全にすることで、窒素酸化物の生成が抑えられるメリットの一方、ますます、未燃炭化水素、一酸化炭素、黒煙の発生が増加するというデメリットがあるが、排ガス再循環部４のＥＧＲ配管５に排ガス浄化装置２０を設ける仕組みは上記デメリットを回避することができる。
【００３１】
このように、排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部８と、外殻部８内に設けられ排ガスを通過させる細孔９を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材１０と、光透過部材１０に付着またはコーティングされた光触媒１１と、光透過部材１０内に設けられ電力供給を受けて発光する発光部２１と、光透過部材１０に設けられ発光部２１に電力を供給するための電力供給線２２とを備えて排ガス浄化装置２０を構成したため、排ガスとの接触面積を従来の排ガス処理装置と同等程度に大きくできると共に、光透過部材１０の表面の光触媒１１に光を十分供給でき、排ガスを十分な性能で浄化できる。
【００３２】
従来技術では、排ガスの処理のために電気ヒータやプラズマ加熱装置といった機器を用い、あるいは、窒素酸化物の還元のために意図的に未燃燃料を噴射することを行っていたため、熱損失が大きかった。しかし、光触媒による排ガスの浄化では酸化の方法が異なり、低温で処理できるため、熱損失を小さくすることができる。
【００３３】
また、酸化チタンを代表とする光触媒１１によって生成される酸化剤は、酸化力が強力な物質であるために、従来の酸化触媒では、触媒などの目詰まりによる性能悪化が避けられなかったが、光触媒１１に、十分な光が届き、触媒によって生成される酸化剤が排ガスを構成する物質を酸化する限り性能悪化がない点において信頼性の高い排ガス処理装置となる。
【００３４】
またさらに、特許文献２記載の従来技術では、光ファイバー３３の表面だけに酸化チタンをコーティングし、光触媒機能を利用する技術であったため、排ガスとの接触界面が少なくなるといった問題点があったが、多孔質構造の内部にまで光を供給する方法をとることによって接触界面を広くすることが可能となり、これまで使用されてこなかった光触媒１１を排ガス浄化装置２０に採用できるようになった。
【００３５】
なお、発光部２１は紫外線発光ダイオードに限るものではなく、紫外光を自発光する光源であれば他のものであってもよい。例えば、発光部２１は、酸化亜鉛半導体、ダイヤモンド、窒化アルミニウムガリウムインジウムなどであってもよい。また、発光部２１は発光ダイオード等の発光素子に限らない。発光部２１が紫外線を出すものであれば酸化チタン触媒は性能が発揮できるので、発光部２１はフィラメントでもよい。
【００３６】
光触媒１１は酸化チタンに限るものではなく他のものであってもよい。光触媒１１が酸化チタンである場合、光触媒１１に供給する光は紫外線が最も効果が高くなるので発光部２１は紫外線発光ダイオードとしたが、光触媒１１が酸化チタン以外のものである場合、発光部２１も光触媒１１を最も活性化させる光を発するものにするとよい。
【００３７】
次に排ガス浄化装置の第２の実施の形態について述べる。上述と同様の構成については説明を省略する。
【００３８】
図５及び図６に示すように、排ガス浄化装置１は、外殻部８と、光透過部材１０と、光触媒１１と、光透過部材１０内に設けられ光透過部材１０内に光を案内するための光案内部材１２と、光案内部材１２に光を供給する発光装置１３とを備える。
【００３９】
光案内部材１２は、光の到達距離に応じて光透過部材１０に光を漏出させていくためのものであり、細長いファイバー状（繊維状）に形成されている。光案内部材１２は、光透過部材１０内に複数並行に埋め込まれている。図７に示すように、光案内部材１２は、中心に形成され発光装置１３からの光を案内する光導波路部１４と、光導波路部１４の外周の光案内部材１２に光導波路部１４に隣接して形成され光導波路部１４より屈折率の高い光分散部１５とからなる。また、光分散部１５は、屈折率を光透過部材１０以下に形成されており、光導波路部１４内から光導波路部１４と光分散部１５との界面１６に至った光を半径方向外側に向かうように屈折させたのち、積極的に光透過部材１０に分散させるようになっている。
【００４０】
発光装置１３は、紫外線レーザー発生装置からなり、図示しないコネクタを介して光案内部材１２の光導波路部１４に接続される。
【００４１】
次に第２の実施の形態の作用を述べる。
【００４２】
図６及び図７に示すように、発光装置１３で発生した紫外光は、光案内部材１２の光導波路部１４に入射され、光導波路部１４に入射した紫外光のうち、光導波路部１４と光分散部１５との界面１６に至った紫外光は、半径方向外側に向かうように屈折し、光透過部材１０に積極的に分散される。光透過部材１０に分散された紫外光は、光触媒１１に至り、光触媒１１を活性化させる。
【００４３】
このように、排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部８と、外殻部８内に設けられ排ガスを通過させる細孔９を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材１０と、光透過部材１０に付着またはコーティングされた光触媒１１と、光透過部材１０内に設けられ光透過部材１０内に光を案内するための光案内部材１２と、光案内部材１２に光を供給する発光装置１３とを備えて排ガス浄化装置１を構成しても、排ガスとの接触面積を大きくできると共に、光透過部材１０の表面の光触媒１１に光を十分供給でき、排ガスを十分な性能で浄化できる。
【００４４】
なお、一本の光案内部材１２に一つの発光装置１３が接続されるものについて説明したが、これに限るものではない。一つの発光装置１３に複数本の光案内部材１２を接続するものとしてもよく、一本の光案内部材１２に複数の発光装置１３が接続されるものとしてもよい。
【００４５】
また、発光装置１３は紫外線レーザー発生装置からなるものとしたがこれに限るものではない。発光装置１３は紫外光を発生する装置であればよく、例えば紫外光放出ダイオードなどであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１排ガス浄化装置
２エンジン
３排気管
８外殻部
９細孔
１０光透過部材
１１光触媒
１２光案内部材
１３発光装置
２０排ガス浄化装置
２１発光部
２２電力供給線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排ガスを流す配管に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部と、該外殻部内に設けられ上記排ガスを通過させる細孔を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材と、該光透過部材に付着またはコーティングされた光触媒と、前記光透過部材内に設けられ電力供給を受けて発光する発光部と、上記光透過部材に設けられ上記発光部に電力を供給するための電力供給線とを備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
上記光触媒が酸化チタンからなり、上記発光部が紫外光を発する発光素子からなる請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
エンジンからの排ガスを流す配管に設けられ排ガスを通過させる流路を内側に有する外殻部と、該外殻部内に設けられ上記排ガスを通過させる細孔を有すると共に光を透過させる多孔質の光透過部材と、該光透過部材に付着またはコーティングされた光触媒と、前記光透過部材内に設けられ光透過部材内に光を案内するための光案内部材と、該光案内部材に光を供給する発光装置とを備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項４】
上記光触媒が酸化チタンからなり、上記発光装置が紫外光を発する請求項３記載の排ガス浄化装置。

【図１】