專利名稱：排氣凈化裝置的制作方法
排氣凈化裝置
技術(shù)領(lǐng)城
本發(fā)明涉及凈化從內(nèi)燃機(jī)及燃燒設(shè)備等排出的排氣中的有害成分 的排氣凈化裝置。
背景技術(shù)：
從發(fā)動機(jī)等內(nèi)燃機(jī)及燃燒設(shè)備排出的排氣中，作為有害成分，一
般含有氮氧化物(N0x)、 一氧化碳(C0)、烴(HC)等。作為凈化排 氣中的殘留氧(02)極微量的由化學(xué)計量燃燒產(chǎn)生的排氣的以往的排 氣凈化裝置，采用三元催化劑的裝置己實用化。通過使從發(fā)動機(jī)排出 的排氣與該三元催化劑接觸，排氣中含有的有害成分被轉(zhuǎn)化成水 (H20) 、 二氧化碳(C02)、氮氣(N2)等無害成分。
近年來，在汽車發(fā)動機(jī)中，為了節(jié)省燃料消耗，具有以比通常要 少的汽油量進(jìn)行燃燒的系統(tǒng)的稀薄混合氣發(fā)動機(jī)正受到人們的關(guān)注。 所謂稀薄混合氣燃燒是指稀薄燃燒，從該稀薄混合氣發(fā)動機(jī)或柴油機(jī)
等內(nèi)燃機(jī)排出的排氣或者來自工廠的燃燒設(shè)備、家用暖風(fēng)機(jī)等的排氣 中，含有大量的氧，利用上述采用三元催化劑的方法，難以凈化有害 成分之一的氮氧化物(N0x)。
作為凈化這種含大量氧的排氣的方法，例如，公開的有從排氣通 路的上游依次具有第1三元催化劑部、等離子體放電部、第2三元催 化劑部的排氣凈化裝置(例如，參見專利文獻(xiàn)1)。另外，作為別的 方法，己公開有從排氣通路的上游依次具有氧化催化劑部、等離子體 放電部、N0x吸留還原催化劑部的排氣凈化裝置(例如，參見專利文 獻(xiàn)2)。另外，還有從排氣通路的上游依次具有等離子體放電部、第1 還原凈化催化劑部、第2還原凈化催化劑部的排氣凈化裝置(例如， 參見專利文獻(xiàn)3)。
3[專利文獻(xiàn)l]特開平7 - 317535號公報(第3~4頁、圖1) [專利文獻(xiàn)2 ]特開2002 - 256853號公報(第3頁、圖1 ) [專利文獻(xiàn)3]特開2004 - 305841號公報(第3頁、圖1)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在從排氣通路的上游依次具有第1三元催化劑部、等離子 體放電部、第2三元催化劑部的以往的排氣凈化裝置中，當(dāng)排氣中含 有大量氧時，在采用鉑或銠作為催化劑的第1三元催化劑部中，還原 劑與02的氧化反應(yīng)比NOx的還原反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行，故在等離子體放電部 的NOx凈化中作為必要還原劑的烴大部分被消耗。結(jié)果是，由于不能 向處在這些催化劑部下游的等離子體放電部供給作為還原劑的烴，在 等離子體放電部，通過排氣中的氧或水蒸汽的等離子體反應(yīng)而生成氧 化力強(qiáng)的OH' (OH自由基)及O' (0自由基)，難以僅通過等離子體反 應(yīng)還原凈化N0x (式中'表示原子或分子處于激發(fā)狀態(tài))，這是存在的 課題。
另外，在從排氣通路的上游依次具有氧化催化劑部、等離子體放 電部、NOx吸留還原催化劑部的以往的排氣凈化裝置中，在最上游部 的氧化催化劑部，烴被氧化而消耗，無法向處于其下游的等離子體處 理部供給作為還原劑的烴，在等離子體放電部，通過排氣中的氧或水 蒸汽的等離子體反應(yīng)而生成氧化力強(qiáng)的OH'(OH自由基)及O'(O自由 基)，難以僅通過等離子體反應(yīng)還原凈化NOx，這是存在的課題。
本發(fā)明是為了解決上述課題而提出的，本發(fā)明的目的在于提供一 種在等離子體放電部作為還原劑而必需的徑在等離子體放電部的上游 的消耗被抑制，并且等離子體放電部，通過從上游送來的還原劑可有 效還原凈化N0x的排氣凈化裝置。
本發(fā)明涉及的排氣凈化裝置，在含有氮氧化物、烴及比對上述烴 的理論反應(yīng)量多的氧的燃燒排氣所流通的排氣通路上，從排氣通路的 上游依次具有第1氮氧化物選擇還原催化劑部、等離子體放電部、第 2氣氧化物選擇還原催化劑部及還原劑凈化催化劑部。
4另外，第1氮氧化物選擇還原催化劑部及第2氮氧化物選擇還原 催化劑部的溫度，設(shè)定為比流通的氮氧化物的凈化率達(dá)到最高值時的 溫度低的溫度。
本發(fā)明的排氣凈化裝置中，由于在最上游部配置有第1氮氧化物 選擇還原催化劑部，故排氣中的烴中反應(yīng)性高的烴(例如，曱醛及乙 醛等)，最初可被有效用于N0x的還原。
另外，該第1氮氧化物選擇還原催化劑部的溫度設(shè)定為比流通的 氮氧化物的凈化率達(dá)到最高值時的溫度低，即設(shè)定為比燃燒排氣中的 烴被全部氧化時的溫度低的溫度，故在第1氮氧化物選擇還原催化劑 部中，可抑制在下游的等離子體放電部為還原N0x加以凈化所必需的 烴被全部消耗。結(jié)果是，在等離子體放電部，從上游送來的反應(yīng)性低 的烴(例如，丙烯等飽和烴或芳香烴)通過在等離子體反應(yīng)中產(chǎn)生的 自由基，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成反應(yīng)性高的烴，在等離子體放電部下游配置第 2氮氧化物選擇還原催化劑部，該第2氮氧化物選擇還原催化劑部的 溫度設(shè)定為比流通的燃燒排氣中的烴被全部氧化的溫度低的溫度，所 以，在第2氮氧化物選擇還原催化劑部，N0x可被有效還原凈化。進(jìn) 一步在其下游的還原劑凈化催化劑部，使殘留的HC及N0x反應(yīng)，可使 燃燒排氣中的有害成分以高比例凈化。


圖1是本發(fā)明實施方案1的排氣凈化裝置構(gòu)成圖。
圖2是本發(fā)明實施方案1的等離子體放電部的示意圖。
圖3是本發(fā)明實施方案1的催化劑部的特性圖。
圖4是本發(fā)明實施方案1的催化劑部的特性圖。
圖5是本發(fā)明實施方案1的等離子體放電部的特性圖。
圖6是本發(fā)明實施方案2的排氣凈化裝置構(gòu)成圖。
圖7是本發(fā)明實施方案2的等離子體放電部的示意圖。
圖8是本發(fā)明實施方案4的排氣凈化裝置構(gòu)成圖。
符號的說明1 發(fā)動機(jī)
2 排氣歧管
3 排氣通路
4 第1氮氧化物選擇還原催化劑部
5 等離子體放電部
6 第2氮氧化物選擇還原催化劑部
7 還原劑凈化催化劑部
8 等離子體控制裝置
9 高電壓電極 10疊層體
11高電壓電極 12接地電極 lla、 12a凹部 llb、 12b凸部 13電介體 14間隔部 15支柱 16固定板 17隔熱材料 18壓緊板
2 0催化劑等離子體一體部 21催化劑層
具體實施方式
實施方案1
圖1是用于實施本發(fā)明的實施方案1的排氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)圖， 表示例如與汽車用發(fā)動機(jī)連接的狀態(tài)。作為汽車用發(fā)動機(jī)，例如，有
汽油用稀薄混合氣發(fā)動機(jī)等。在圖1中，在發(fā)動機(jī)1的內(nèi)部有多個汽 缸(未圖示)，在該汽缸內(nèi)部燃料燃燒產(chǎn)生的排氣，從與汽缸連接的排氣歧管2排出至一根排氣管的排氣通路3。在該排氣通路3上設(shè)置 了冷卻排氣通路3的冷卻裝置(未圖示)，例如，設(shè)置冷卻風(fēng)扇及行 馳風(fēng)導(dǎo)入裝置等。另外，在該排氣通路3上，從上游依次設(shè)置構(gòu)成本 實施方案的排氣凈化裝置的第1氮氧化物選擇還原催化劑部4、等離 子體放電部5、第2氮氧化物選擇還原催化劑部6及還原劑凈化催化 劑部7。在等離子體放電部5上，連接等離子體控制裝置8及高電壓 電源9。等離子體控制裝置8，在監(jiān)測等離子體放電部5的等離子體生 成狀況的同時，根據(jù)發(fā)動機(jī)1的轉(zhuǎn)數(shù)及排氣溫度等信息，控制高電壓 電源9等，控制等離子體放電部5的等離子體生成量。
在本實施方案中，第1氮氧化物選擇還原催化劑部4、第2氮氧 化物選擇還原催化劑部6及還原劑凈化催化劑部7,例如，可以釆用 例如蜂巢狀的蜂窩狀陶瓷基材上負(fù)栽了催化劑的材料。作為第1氮氧 化物選擇還原催化劑部4及第2氮氧化物選擇還原催化劑部6中使用 的催化劑，例如對于陶瓷基材，有對氮氧化物的凈化反應(yīng)有效的氧化 鋁上負(fù)載的銀催化劑或在沸石上負(fù)栽的銀催化劑等。這些催化劑，只 要具有選擇性還原氮氧化物功能即可，不限于銀催化劑，例如，也可 以采用鉑、鈀、銥、釕及金等貴金屬，或多孔氧化鋁、沸石、氧化鈦 等多孔催化劑等。另外，作為還原劑凈化催化劑部7中使用的催化劑， 在氧化鋁或沸石等上負(fù)載有對烴的氧化能力優(yōu)良的鉑、鈀、銥及釘?shù)?貴金屬的催化劑是有效的。
圖2是本實施方案中等離子體放電部5的截面示意圖。等離子體 放電部5由疊層體IO構(gòu)成。疊層體IO具有由高電壓電極11、接地電 極12、和平板陶瓷構(gòu)成的板狀電介體13交叉疊層的結(jié)構(gòu)。由一對高 電壓電極11與接地電極12構(gòu)成放電電極。高電壓電極11與接地電極 12，例如，可以采用不銹鋼制造的沖孔金屬板(形成細(xì)小開孔的板狀 金屬)。在高電壓電極11與接地電極12上，交替形成由凹部lla、 12a、凸部llb、 12b構(gòu)成的凹凸。凹部lla、 12a形成平坦?fàn)?。通過這 些電極的凹部lla、 12a與凸部llb、 12b,在相鄰的電介體13彼此間 形成流通排氣的間隙部14。在四方形的固定板16的角部附近，各垂直設(shè)置1根共4根固定支持的支柱15。在與4根支柱15垂直相交的 方向設(shè)置電介體13，在其上層疊高電壓電極11,使面前的支柱15插 入高電壓電極11的貫通孔(未圖示)，然后，把電介體13設(shè)置在高 電壓電極11的凸部llb上后，層疊接地電極12,使遠(yuǎn)處的支柱15插 入在接地電極12上設(shè)置的同樣的貫通孔(未圖示)中。其后同樣地把 高電壓電極11與接地電極12通過電介體13交替層疊，在所需數(shù)目的 疊層上，隔著隔熱材料17設(shè)置壓緊板18，構(gòu)成疊層體IO。如上所述，利用固定板16與壓緊板18，隔著電介體13壓緊層疊 的放電電極組，可使所有的部件固定。例如，通過在四方圓筒中插入 該疊層體IO，把層疊的放電電極組固定的同時，可用作排氣配管的一 部分。固定板16與壓緊板18的材質(zhì)，金屬、絕緣物都可以。另外， 作為隔熱材料17，例如，可以采用玻璃棉或石英棉等，另外，可以使 用成為棉狀的具有彈性、通氣性不好的材料等。另外，也可以使用鋼 絲棉或彈簧等密集排列的材料等。其次，對本實施方案中的排氣凈化裝置的運轉(zhuǎn)加以說明。首先，對第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的運轉(zhuǎn)加以說明。向 第1氮氧化物選擇還原催化劑部4導(dǎo)入來自發(fā)動機(jī)1的排氣，排氣中 含有的氮氧化物(下面用N0x表示)與同樣在排氣中含有的烴(下面 用HC表示)尤其是與氮氧化物的反應(yīng)性優(yōu)良的醛類、醇類等HC反應(yīng)， 進(jìn)行凈化處理，N0x與HC的一部分轉(zhuǎn)化成N2、 C02及H20。圖3及圖4為顯示在本實施方案的排氣凈化裝置的第1氮氧化物 選擇還原催化劑部4中，催化劑溫度與N0x凈化率及HC凈化率的關(guān)系 的特性圖。在圖3及圖4中，NOx凈化率及HC凈化率為用下式表示的 值N0x凈化率(％)=(催化劑部入口 N0x濃度-催化劑部出口 N0x 濃度)/ (催化劑部入口 N0x濃度)HC凈化率(％)-(催化劑部入口 HC濃度-催化劑部出口 HC濃度) / (催化劑部入口 HC濃度)圖3及圖4是采用在氧化鋁上負(fù)載的銀催化劑作為第l氮氧化物8選擇還原催化劑部4中使用的催化劑時的凈化率。圖中用a表示的特 性曲線，是流入N02作為N0x，僅流入乙醛作為還原劑的HC時的特性 曲線，從圖3可知，第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度在約320 。C時，N0x得到有效凈化。而從圖4可見，作為HC的乙醛，當(dāng)達(dá)到約 400。C時，幾乎全部被氧化。因此，當(dāng)達(dá)到HC幾乎全部被氧化的高溫 時，作為反應(yīng)性高的HC的乙醛等的還原劑，與NOx + HC的選擇還原反 應(yīng)相比，02 + HC的氧化反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行。結(jié)果是，由于作為還原劑的HC 通過與02的氧化反應(yīng)而被消耗，故NOx的凈化率降低。因此，通過將 第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度設(shè)定為HC未被全部氧化的溫 度，即比圖3的N0x凈化率顯示最高值時的溫度低的溫度，可以不發(fā) 生還原劑HC的無效消耗地達(dá)到高的N0x凈化率。當(dāng)?shù)?氮氧化物選擇 還原催化劑部4的溫度比N0x凈化率顯示最高值時的溫度高時，使排 氣通路3中設(shè)置的冷卻裝置運轉(zhuǎn)，冷卻排氣通路3及排氣，使其達(dá)到 比N0x凈化率顯示最高值時的溫度低的溫度。另一方面，圖3的曲線b、圖4的曲線b及曲線b'表示的特性曲 線，是來自發(fā)動機(jī)1的排氣流至第1氮氧化物選擇還原催化劑部4時 的特性。圖4的曲線b表示發(fā)動機(jī)的排氣中乙醛的凈化率，曲線b'表 示發(fā)動機(jī)的排氣中含有的總烴(HC)的凈化率。在來自發(fā)動機(jī)l的排 氣的場合，于約30(TC，由于排氣中含有的乙醛以外的HC,特別是與 NOx的反應(yīng)性低的HC吸附在催化劑表面，產(chǎn)生碳析出，使催化劑的反 應(yīng)性惡化，因此與僅流入乙醛時(特性曲線a)相比，N0x凈化率變低。 如曲線b'所示，在約300。C，由于總HC凈化率低，故反應(yīng)性低的HC 不易被氧化，吸附在催化劑表面，阻礙反應(yīng)。實際上，在300。C左右， 流過發(fā)動機(jī)排氣的第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的催化劑表面， 有時附著碳，變?yōu)椴枭τ谟捎谠撆cNOx反應(yīng)性低的HC的作用而造 成的碳在催化劑表面的析出，通過把催化劑部的溫度提高至約430°C, 適度促進(jìn)反應(yīng)性低的HC的氧化反應(yīng)，可以防止碳的析出，使NOx的凈 化率達(dá)到最高。該溫度下的乙醛凈化率為約90%,總HC凈化率(曲線 V)為約20y。。雖然在43(TC不是全部的HC被氧化，但在30(TC催化劑表面吸附的HC被氧化，故在43(TC看不到催化劑變?yōu)椴枭?。因此，?dāng)來自發(fā)動機(jī)1的排氣流至第1氮氧化物選擇還原催化劑 部4,第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度設(shè)定在43(TC，在催化 劑部出口測定排氣成分時，HC中尤其是反應(yīng)性高的烴即醛類及醇類通 過催化劑反應(yīng)而幾乎消失，但可以檢測出這些經(jīng)以外的HC。即便在反 應(yīng)性高的HC幾乎全^皮氧化時，這些以外的HC仍殘留，可以供給下游 側(cè)的等離子體放電部5而利用。當(dāng)?shù)?氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度被設(shè)為50(TC左右的 高溫時，與流過乙醛的情況(曲線a)同樣，乙醛等反應(yīng)性高的HC與 02的氧化反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生，故與NOx反應(yīng)的HC減少，NOx凈化率降低。 因此，不能使第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度為50(TC左右 的高溫，而是通過設(shè)定為比NOx凈化率顯示最高值時的溫度即約430 。C低的溫度，可以防止反應(yīng)性高的HC由于02而被無效消耗。當(dāng)?shù)? 氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度例如達(dá)到500。C以上的高溫時， 使排氣通路3上設(shè)置的冷卻裝置運轉(zhuǎn)，將第1氮氧化物選擇還原催化 劑部4的溫度設(shè)為比NOx凈化率顯示最高值時的溫度即約43(TC低的 溫度，從而消除還原劑HC的無效耗費。當(dāng)使第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的溫度低至約380。C的溫 度時，乙醛的凈化率如曲線b所示，降至60%左右。此時，第1氮氧 化物選擇還原催化劑部4中未使用的乙醛等反應(yīng)性高的HC，可被下游 的第2氮氧化物選擇還原催化劑6再度利用。這樣，通過將第1氮氧 化物選擇還原催化劑部4配置在最上游，將其溫度設(shè)定為比NOx凈化 率顯示最高值時的溫度低的溫度，可以有效利用對排氣中的NOx還原 有效的反應(yīng)性高的烴。其次，對等離子體放電部5的運轉(zhuǎn)加以說明。使排氣通過等離子 體放電部5的放電電極之間，通過放電電極間發(fā)生的等離子體進(jìn)行處 理，使排氣中的氧分子及水分子發(fā)生下式所示的解離。還有，式中* 表示原子或分子處于激發(fā)狀態(tài)。 02 — 20*H20 —H* +0H'如下列反應(yīng)式所示，0'和OH'與反應(yīng)性低的飽和烴或芳香烴或NO 反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化成反應(yīng)性高的曱酪、乙醛或冊2等。 HC + O'(或OH')—醛等 NO + 0'—N02在等離子體放電部5，通過對含有氧及水蒸汽的排氣進(jìn)行放電等 離子體處理，通過上式所示的放電化學(xué)反應(yīng)，可使排氣中的有害氣體 (HC、 NOx )轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性高的還原性氣體(醛)及氧化性氣體(N02)， 提高排氣的凈化功能。特別是對排氣中含有大量氧的發(fā)動機(jī)排氣的凈 化是有效的。對單獨采用等離子體放電部處理模擬氣體的試驗結(jié)果加以說明。 作為模擬氣體，使用以氮氣作為主成分，含有作為反應(yīng)性低的烴(HC) 的丙烯3800ppm (以碳濃度換算-按甲烷換算為11400 ppmC) 、 02: 1 體積％及水分10體積％的氣體。另外，對于該試驗中的模擬氣體溫度 及其流量，在等離子體放電部5的入口處，使氣體溫度為320'C、氣 體流量為15L/min。作為高電壓電極11與接地電極12，使用不銹鋼制沖孔金屬板， 使凸部llb、 12b相對凹部lla、 12a的高度達(dá)到5mm。作為電介體13， 采用致密氧化鋁制的平板陶瓷。另外，作為高電壓電源9，采用具有2 次側(cè)額定電壓為15kV的正弦波輸出的變壓器。使此時正弦波的頻率為 60Hz。在該試驗中，設(shè)由于放電而消耗的電力為W( J/s)、模擬氣體的 風(fēng)量為Q (L/s)時，用每1L模擬氣體的處理所消耗的放電電力W/Q (J/L)的值進(jìn)行評價。圖5為顯示該試驗中放電電力與HC分解量的 關(guān)系的特性圖。在圖5中顯示了將HC的分解量作為ATHC (ppraC)的 曱烷換算濃度，對W/Q ( J/L)的關(guān)系。從圖5明確可知，W/Q值越增 加，ATHC的量越增加，越促進(jìn)HC的分解。W/Q為140J/L時的HC的 分解量ATHC為約1150ppmC，分解率為約10%左右。另外，在等離子 體放電部5的出口處進(jìn)行氣體成分測定的結(jié)果確認(rèn)，檢出了反應(yīng)性高的烴即乙醛，在等離子體放電部5中從丙烯生成了對NOx的催化劑還 原反應(yīng)有效的醛。因此，將第1氮氧化物選擇還原催化劑部4設(shè)為約430X:時，乙 醛的凈化率為約90%，供給等離子體放電部5的乙醛是少量的，但第1 氮氧化物選擇還原催化劑部4的總HC凈化率為約20%，丙烯等HC被 供給到等離子體放電部5中。在等離子體放電部5，從該丙烯等可生 成反應(yīng)性高的乙酪等HC。其次，對第2氮氧化物選擇還原催化劑部6的運轉(zhuǎn)加以說明。當(dāng) 向第2氮氧化物選擇還原催化劑部6導(dǎo)入在等離子體放電部5被活化 的排氣，即舍有從丙烯等生成的乙醛等的排氣時，與第l氮氧化物選 擇還原催化劑部4同樣，排氣中含有的NOx與反應(yīng)性高的醛類等的HC 反應(yīng)，進(jìn)行凈化處理，N0x與HC的一部分有效地轉(zhuǎn)化成N2、 C02、 H20。 通過將第2氮氧化物選擇還原催化劑部6設(shè)為比氮氧化物的凈化率顯 示最高值時的溫度低，即設(shè)為烴未被全部氧化的溫度，可以有效地利 用對排氣中的NOx還原有效的反應(yīng)性高的烴，這與第1氮氧化物選擇 還原催化劑部4的情況是同樣的。另外，在上游等離子體放電部5， 由于伴隨著等離子體反應(yīng)還有放熱，故優(yōu)選第2氮氧化物選擇還原催 化劑部6盡可能接近等離子體放電部5配置。這從防止由等離子體反 應(yīng)生成的反應(yīng)性高的烴被吸附在排氣通路3的壁面等的觀點考慮也是 優(yōu)選的。在通過第2氮氧化物選擇還原催化劑部6的排氣中，N0x處 于大部分被凈化，僅部分殘留的狀態(tài)，幾乎沒有反應(yīng)性高的經(jīng)(醛類 及醇類等)，形成除此以外的HC殘留的狀態(tài)。最后，對還原劑凈化催化劑部7的運轉(zhuǎn)加以說明。供給還原劑凈 化催化劑部7的排氣，是不含上述反應(yīng)性高的烴(醛類及醇類等)而 殘留這些烴以外的烴的氣體，N0x也稍有殘留。為了完全氧化、凈化 排氣中的烴(HC)，作為還原劑凈化催化劑部7的催化劑，優(yōu)選氧化 能力優(yōu)良的鉑類金屬催化劑。氧化鋁上負(fù)載的鉑催化劑或鈀催化劑， 對HC與02的氧化反應(yīng)優(yōu)良，因此是優(yōu)選的。當(dāng)采用氧化鋁上負(fù)栽的 鉑催化劑作為還原劑凈化催化劑部7的催化劑時，可以確認(rèn)通過使溫度在300'C以上，HC幾乎全部被氧化凈化。鉑催化劑的NOx凈化率， 雖不如上述銀催化劑那么高，但由于在HC被氧化的過程中若干NOx 被凈化，故NOx的凈化率也多少提高。還有，作為還原劑凈化催化劑 部7的催化劑，當(dāng)采用與鉑催化劑相比HC的氧化能力弱的銀催化劑等 時，通過設(shè)定為高運轉(zhuǎn)溫度，仍可以提高HC的氧化能力而進(jìn)行凈化。 如上所述，如采用本實施方案的排氣凈化裝置，因在最上游配置 第1氮氧化物選擇還原催化劑部，故排氣中的烴，尤其是反應(yīng)性高的 烴(例如甲醛及乙醛等)，最初可有效用于NOx的還原。另外，通過 將該第1氮氧化物選擇還原催化劑部的溫度設(shè)定為比氮氧化物的凈化 率顯示最高值時的溫度低的溫度，即燃燒排氣中的烴不被全部氧化的 溫度，可最大限度地利用反應(yīng)性高的烴來還原NOx,在接著的等離子 體放電部，反應(yīng)性低的烴轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性高的烴，在接著的第2氮氧化 物選擇還原催化劑部，反應(yīng)性高的烴有效地將殘留的NOx還原，在最 下游的還原劑凈化催化劑部使殘留的烴全部發(fā)生反應(yīng)，凈化有害氣體， 故可以提高排氣中含有的有害成分的凈化率。實施方案2圖6是用于實施本發(fā)明的實施方案2的排氣凈化裝置的構(gòu)成圖， 表示例如與汽車用發(fā)動機(jī)連接的狀態(tài)。在本實施方案中，由實施方案 1中說明的第1氮氧化物選擇還原催化劑部與等離子體放電部5 —體 化而成的催化劑等離子體部20變?yōu)檫@樣設(shè)置在排氣通路3上。在排氣 通路3上從上游依次設(shè)置催化劑等離子體一體部20、第2氮氧化物選 擇還原催化劑部6及還原劑凈化催化劑部7。在催化劑等離子體一體 部20上連接有等離子體控制裝置8及高電壓電源9。等離子體控制裝 置8,在監(jiān)測催化劑等離子體一體部20的等離子體生成狀態(tài)的同時， 根據(jù)發(fā)動機(jī)1的轉(zhuǎn)數(shù)及排氣溫度等信息，控制高電壓電源9等，控制 催化劑等離子體一體部20的等離子體生成量。圖7為本實施方案中的催化劑等離子體一體部的截面示意圖。由 高電壓電極ll、接地電極12、電介體13等構(gòu)成的疊層體10，具有與實施方案1同樣的結(jié)構(gòu)。在本實施方案中，在催化劑等離子體一體部，電介體13朝下的面上形成催化劑層21。電介體13，例如可采用平板 狀陶瓷，在該陶瓷表面涂布例如鉑、鈀、銥、釕、金及銀等貴金屬催 化劑，形成催化劑層21。另外，也可以涂布多孔氧化鋁、沸石、氧化 鈦等多孔催化劑粒子，形成催化劑層21，另外，也可以在這些多孔催 化劑上負(fù)載上述貴金屬催化劑，并用多孔催化劑與貴金屬催化劑。高 電壓電極11與接地電極12與實施方案1同樣，可以采用不銹鋼制造 的沖孔金屬板。還有，在本實施方案中，催化劑層21形成在電介體 13的整個朝下的面上，但被高電壓電極11以及接地電極12的凸部 llb、 12b和電介體13夾住的部分也可不形成催化劑層21。其原因為， 由于電介體14與電極的連接部分與排氣不接觸，故不必形成催化劑層 21，同時，具有可以防止因電介體13與電極的振動而引起的形成催化 劑層21的催化劑脫落的效果。在這樣構(gòu)成的排氣凈化裝置中，在催化劑等離子體一體部20的電 介體13—側(cè)的表面上形成催化劑層21,故在排氣流過間隙部13時， NOx及反應(yīng)性高的醛等烴與催化劑層21接觸而被凈化。此時，雖然一 部分醛等被通過等離子體反應(yīng)從排氣中的氧及水蒸汽生成的氧化力強(qiáng) 的OH' (0H自由基)及0' (0自由基)等所氧化，但另一方面，由于 等離子體反應(yīng)，從飽和烴和芳香烴等反應(yīng)性低的烴轉(zhuǎn)化為酪等反應(yīng)性 高的烴，該反應(yīng)性高的烴與處于同一空間的催化劑層21的催化劑立刻 進(jìn)行反應(yīng)而被凈化。另一方面，如本實施方案那樣，當(dāng)在催化劑等離子體一體部不形 成催化劑層時，即在實施方案1中去除第1氮氧化物選擇還原催化劑 部而將等離子體放電部配置在最上游部時，通過等離子體反應(yīng)，從排 氣中的氧及水蒸汽生成的氧化力強(qiáng)的OH' (0H自由基)及0' (0自由基)，將排氣中含有的反應(yīng)性高的烴等氧化消耗。結(jié)果是，送往第2 氮氧化物選擇還原催化劑部4的反應(yīng)性高的烴幾乎沒有，因此，在第 2氮氧化物選擇還原催化劑部4中，NOx及HC的一部分不能被轉(zhuǎn)化為 N2、 C02、 H力等，凈化效率降低。如本實施方案所示，通過將第1氮氧化物選擇還原催化劑部與等 離子體放電部一體化而形成催化劑等離子體一體部，與實施方案1同樣，在第2氮氧化物選擇還原催化劑部中通過反應(yīng)性高的烴將殘留的 N0x有效還原，在最下游的還原劑凈化催化劑部中使殘留的烴全部發(fā) 生反應(yīng)，凈化有害氣體，故可以提高排氣中含有的有害成分的凈化率。 另外，在本實施方案中，第1氮氧化物選擇還原催化劑部與等離 子體放電部一體化而構(gòu)成催化劑等離子體一體部，所以，裝置可以小 型化，同時由于在催化劑層與等離子體放電部之間不存在氣體通路， 故也不存在實施方案1中多少發(fā)生的排氣成分吸附在排氣通路的管壁 上的情況。還有，在本實施方案中，僅在電介體13的朝下的面上形成催化劑 層21,但也可在電介體13的兩面上形成。另外，也可以僅在與催化 劑等離子體一體部的上游部的疊層體10的內(nèi)部的與間隔部14對應(yīng)的 電介體面上形成，或使催化劑層21的催化劑的涂布密度具有分布，從 而使上游部的催化劑層的催化劑涂布密度比下游部大。涂布密度的控 制，例如，可以使催化劑層的厚度在上游部厚而在下游部薄，或使催 化劑層的涂布濃度在上游部高而在下游部低。通過這種構(gòu)成，排氣中 的N0x及HC首先在上游部的催化劑層21進(jìn)行反應(yīng)、凈化。之后，通 過使它們流入沒有形成催化劑層21的或催化劑層21的厚度比上游部 薄的下游部的等離子體空間，由等離子體放電生成的新的反應(yīng)性高的 HC與N0x進(jìn)行反應(yīng)的比例上升，進(jìn)一步促進(jìn)了 N0x的凈化。實施方案3在實施方案2中，催化劑等離子體一體部的溫度未加以特別控制， 但對于催化劑層的催化劑溫度與N0x凈化率，如實施方案1的圖3所 示，具有最佳的溫度區(qū)域。在實施方案3中，在催化劑等離子體一體 部設(shè)置溫度傳感器，基于通過該溫度傳感器檢測的催化劑等離子體一 體部的溫度，控制等離子體控制裝置及高電壓電源。具體地對本實施方案的運轉(zhuǎn)加以說明。發(fā)動機(jī)啟動后，排氣的溫度緩慢上升，伴隨于此，催化劑等離子體一體部的溫度上升。溫度傳感器檢測的溫度，例如達(dá)到40(TC時，控制高電壓電源，使催化劑等 離子體一體部的等離子體電力減少，抑制溫度上升。反之，降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)等，排氣的溫度降低，伴隨于此催化劑等離子體一體部的溫 度降低時，控制高電壓電源使催化劑等離子體一體部的等離子體電力 增加，以使催化劑等離子體一體部的溫度保持在一定的范圍，例如 280 ~ 400°C (圖3的曲線a中NOx凈化率達(dá)到80%以上的溫度范圍) 的方式進(jìn)行控制。在如此控制的排氣的凈化裝置中，催化劑等離子體一體部的催化 劑層的溫度可以保持在使凈化能力高的溫度范圍內(nèi)，所以，即使由于 發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)狀況而使排氣的溫度發(fā)生變化，也可以發(fā)揮高的凈化能 力。實施方案4圖8是用于實施本發(fā)明的實施方案4的排氣凈化裝置的構(gòu)成圖， 表示例如與汽車用發(fā)動機(jī)連接的狀態(tài)。在本實施方案中，將實施方案1中說明的等離子體放電部與第2氮氧化物選擇還原催化劑部一體化 形成的催化劑等離子體一體部20變?yōu)檫@樣設(shè)置在排氣通路3上。在排 氣通路3上從上游依次設(shè)置第1氮氧化物選擇還原催化劑部4、催化 劑等離子體一體部20、及還原劑凈化催化劑部7。在催化劑等離子體 一體部20上連接有等離子體控制裝置8及高電壓電源9。等離子體控 制裝置8在監(jiān)測催化劑等離子體一體部20的等離子體生成狀態(tài)的同 時，根據(jù)發(fā)動機(jī)1的轉(zhuǎn)數(shù)及排氣溫度等信息，控制高電壓電源9等， 控制催化劑等離子體一體部20的等離子體生成量。催化劑等離子體一 體部20與實施方案2中說明的催化劑等離子體一體部具有同樣的構(gòu) 成。在這樣構(gòu)成的排氣凈化裝置中，來自發(fā)動機(jī)1的排氣以適當(dāng)?shù)臏?度導(dǎo)入第1氮氧化物選擇還原催化劑部4時，排氣中含有的NOx與反 應(yīng)性優(yōu)良的醛類、醇類等烴反應(yīng)，進(jìn)行凈化處理，NOx及烴的一部分有效地轉(zhuǎn)化為N2、 C02、 H20。在第1氮氧化物選擇還原催化劑部4的出 口，成為幾乎不存在醛類、醇類，而其他的飽和烴及芳香烴等殘留的 狀態(tài)。含這種成分的排氣，當(dāng)導(dǎo)入催化劑等離子體一體部20時，通過 等離子體反應(yīng)，從飽和烴、芳香烴及NO生成曱醛、乙醛或N02等。這 些成為還原劑的反應(yīng)性高的烴(甲醛、乙醛)及氧化性氣體(N02)與 處同 一 空間的催化劑層立刻進(jìn)行反應(yīng)而被凈化。如本實施方案那樣，通過將第2氮氧化物選擇還原催化劑部與等 離子體放電部一體化而構(gòu)成催化劑等離子體一體部，與實施方案1同 樣，在第1氮氧化物選擇還原催化劑部中幾乎全部反應(yīng)性高的烴都用 于NOx的還原中，在催化劑等離子體一體部22中這些反應(yīng)性高的烴未 被無效消耗。另外，在本發(fā)明的實施方案中，由于使等離子體放電部與第2氮 氧化物選擇還原催化劑部一體化而構(gòu)成催化劑等離子體一體部，裝置 可以小型化，同時由于在催化劑層與等離子體放電部之間不存在氣體 通路，故不存在在實施方案l中多少發(fā)生的排氣成分吸附在排氣通路 的管壁上的情況。另外，在實施方案l中，排氣從氣體通路的上游向 下游流動期間，排氣溫度緩慢降低，在第2氮氧化物選擇還原催化劑 部有時達(dá)到比催化劑層凈化率高的溫度區(qū)域低的溫度。在本實施方案 中，由于使等離子體放電部與第2氮氧化物選擇還原催化劑部一體化 而構(gòu)成催化劑等離子體一體部，所以，利用等離子體放電產(chǎn)生的熱使 催化劑層的溫度上升，所以還具有提高催化劑層的凈化率的效果。還有，在催化劑等離子體一體部設(shè)置溫度傳感器，通過該溫度傳 感器檢測催化劑等離子體一體部的溫度，如實施方案3所述那樣，通 過以使催化劑等離子體一體部的催化劑層的溫度保持在一定范圍的方 式進(jìn)行控制，即使由于發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)狀況而使排氣的溫度發(fā)生變化， 也可以發(fā)揮高的凈化能力。還有，對于實施方案1~4的排氣凈化裝置，作為對從汽油用稀薄混 合氣發(fā)動機(jī)排出的排氣的有害成分進(jìn)行凈化的裝置進(jìn)行了說明，但又不 限于此，也可用于柴油發(fā)動機(jī)及船舶發(fā)動機(jī)、及其他燃燒裝置的排氣。
權(quán)利要求
1.排氣凈化裝置，其特征在于，該裝置在含有氮氧化物、烴以及比與該烴的理論反應(yīng)量多的氧的燃燒排氣所流過的排氣通路上，從上游依次具有第1氮氧化物選擇還原催化劑部、等離子體放電部、第2氮氧化物選擇還原催化劑部及還原劑凈化催化劑部。
2. 權(quán)利要求1所述的排氣凈化裝置，其特征在于，第1氮氧化物選 擇還原催化劑部及第2氮氧化物選擇還原催化劑部的溫度，設(shè)定為比流 通的燃燒排氣中的氮氧化物的凈化率達(dá)到最高值時的溫度低的溫度。
3. 權(quán)利要求1所述的排氣凈化裝置，其特征在于，等離子體放電部具 有溫度傳感器，根據(jù)由該溫度傳感器檢測的溫度來控制供給上述等離子體 放電部的電力，使上述等離子體放電部的溫度保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。
4. 權(quán)利要求2所述的排氣凈化裝置，其特征在于，將第1氮氧化 物選擇還原催化劑部及第2氮氧化物選擇還原催化劑部的至少1個與等 離子體放電部一體化而構(gòu)成催化劑等離子體一體部；該催化劑等離子體一體部的溫度設(shè)定為比流通的氮氧化物的凈化 率達(dá)到最高值時的溫度低的溫度。
5. 權(quán)利要求4所述的排氣凈化裝置，其特征在于，催化劑等離子 體一體部具有由相對的2個電極與電介體構(gòu)成的放電電極，在上述電介 體表面附著有氮氧化物選擇還原催化劑，通過在該2個電極間施加電壓 產(chǎn)生等離子體。
6. 權(quán)利要求4所述的排氣凈化裝置，其特征在于，催化劑等離子體 一體部具有溫度傳感器，根據(jù)由該溫度傳感器檢測的溫度控制供給上述 催化劑等離子體一體部的電力，把上述催化劑等離子體一體部的溫度保 持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以抑制等離子體放電部所必需的作為還原劑起作用的烴在等離子體放電部的上游被消耗，在等離子體放電部，通過自上游送來的還原劑，有效還原凈化NOx的排氣凈化裝置。本發(fā)明涉及的排氣凈化裝置，在含有氮氧化物、烴以及比與該烴的理論反應(yīng)量多的氧的燃燒排氣所流過的排氣通路上，從上游依次具有第1氮氧化物選擇還原催化劑部、等離子體放電部、第2氮氧化物選擇還原催化劑部及還原劑凈化催化劑部。另外，第1氮氧化物選擇還原催化劑部及第2氮氧化物選擇還原催化劑部的溫度，設(shè)定為比流通的燃燒排氣中的氮氧化物的凈化率達(dá)到最高值時的溫度低的溫度。
文檔編號F01N3/08GK101555819SQ20091013259
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者倉橋正人, 佐藤稔, 川尻和彥, 白神昭 申請人:三菱電機(jī)株式會社