JP2011214561A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾンによる浄化効率の高い内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯ_Ｘ触媒と、ＤＰＦと、オゾン供給手段と、排気ガス温度検知手段と、オゾン供給制御手段とを備え、排気ガス温度が２００℃未満であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒に供給するが、粒子フィルタには供給しない、排気ガス温度が２００℃以上２５０℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタに供給する、排気ガス温度が２５０℃より高く３００℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒には供給しないが、粒子フィルタには供給する、排気ガス温度が３００℃より高いときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタのいずれにも供給しない、ように前記オゾン供給手段を制御する内燃機関の排気ガス浄化装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、さらに詳しくは内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘおよび粒子状物質の浄化において高いオゾン浄化効率を達成し得る内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジンの排ガスには、炭素を主成分とする粒子状物質（以下、ＰＭと略記する。ＰＭ：Particulate Matter）が含まれ、大気汚染の原因となることから、このような粒子状物質を捕集して除去するための装置が提案されている。その１つとして、燃料を強制的に噴射供給することにより粒子フィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタともいう。以下、ＤＰＦと略記する。）の温度を上昇させて捕集したＰＭを酸化・燃焼させる方法が知られている。

しかし、この燃料を強制的に噴射供給する方法は、燃費の悪化やＰＭの急激な燃焼によるＤＰＦの破損の問題を有している。このため、最近、酸化力の強いオゾン（Ｏ_３）を用いてＰＭを酸化して処理する技術が提案された。
例えば、特許文献１には、排気通路内に配置されて排気ガス中の未燃焼成分を酸化する酸化触媒と、その下流側の排気通路内に設置された粒子状物質を捕集する粒子フィルタと、その下流側に設置されたＮＯ_Ｘ触媒と、粒子フィルタとＮＯ_Ｘ触媒との間のオゾン供給手段と、排気通路内の温度に基づいてオゾン供給手段を制御する制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置が記載されている。そして、前記浄化装置においては、オゾン供給手段からＮＯ_Ｘ触媒にオゾンが供給され、粒子フィルタにはオゾンは供給されない。

また、特許文献２には、排ガス通路内に設置されて排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集装置と、その上流側の粒子状物質捕集装置にオゾンを供給可能なオゾン供給手段と、さらにその上流側に配置したＮＯ_Ｘ酸化触媒と、粒子状物質捕集装置を通る排ガスの温度を測定する排ガス温度検知手段と、検知された温度に基づいて粒子状物質捕集装置にオゾンを供給するオゾン供給手段を制御するオゾン供給制御手段とを備えた排ガス浄化装置が記載されている。そして、前記浄化装置においては、オゾン供給手段から粒子フィルタにオゾンが供給され、ＮＯ_Ｘ触媒にはオゾンは供給されない。

特開２００７−２８９８４４号公報 特開２００７−３２７４６０号公報

しかし、これら公知の排気ガス浄化装置によってもオゾンによる浄化効率が十分ではなく、さらに改善が求められている。
従って、本発明の目的は、オゾンによる浄化効率の高い内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することである。

本発明は、内燃機関の排気ガス流路に配置されて排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するＮＯ_Ｘ触媒と、排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子フィルタと、該ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタに各々オゾンを供給可能なオゾン供給手段と、排気ガス温度検知手段と、前記排気ガス温度検知手段により検知された排気ガス温度に基づいて前記２つのオゾン供給手段を制御するオゾン供給制御手段とを備え、排気ガス温度が２００℃未満であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒に供給するが、粒子フィルタには供給しない、排気ガス温度が２００℃以上２５０℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタに供給する、排気ガス温度が２５０℃より高く３００℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒には供給しないが、粒子フィルタには供給する、排気ガス温度が３００℃より高いときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒、粒子フィルタのいずれにも供給しない、ように前記オゾン供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置に関する。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、オゾンによる高い浄化効率を達成することができる。

図１は、本発明の排気ガス浄化装置の一実施態様を示す模式図である。 図２は、本発明の実施態様のオゾン供給制御手段における処理の一例を示すフロー図である。 図３は、本発明の排気ガス浄化装置の模擬試験におけるオゾンによるＮＯ_Ｘ酸化率と排気ガス温度との関係を示すグラフである。 図４は、本発明の排気ガス浄化装置の模擬試験におけるオゾンによるＰＭ酸化率と排気ガス温度との関係を示すグラフである。

本発明の実施態様において、内燃機関の排気ガス浄化装置１は、図１に示すように内燃機関の排気ガス流路２に配置されて排気中のＮＯ_Ｘを浄化する、排気ガスの流れ方向の上流に位置するするＮＯ_Ｘ触媒３と、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する、排気ガスの流れ方向の下流に位置する粒子フィルタ（ＤＰＦ）４と、該ＮＯ_Ｘ触媒３および粒子フィルタ４に各々オゾンを供給可能なオゾン供給手段５、１５と、排気ガス温度検知手段６と、前記排気ガス温度検知手段６により検知された排気ガス温度Ｔに基づいて前記２つのオゾン供給手段を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）であるオゾン供給制御手段７とを備え、排気ガス温度が２００℃未満であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３に供給するが、ＤＰＦ４には供給しない、排気ガス温度が２００℃以上２５０℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４に供給する、排気ガス温度が２５０℃より高く３００℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３には供給しないが、ＤＰＦ４には供給する、排気ガス温度が３００℃より高いときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３および粒子フィルタ４のいずれにも供給しない、ように前記オゾン供給手段７を制御する。

本発明の排気ガス浄化装置においては、ＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４のいずれにもオゾン供給手段５、１５によってそれぞれオゾンを供給し得る前記構成と、前記の排気ガス温度検知手段６により検知された排気ガス温度Ｔに基づいてオゾンの供給手段を制御するオゾン供給制御手段７とを組み合わせ、且つ前記のオゾン供給制御手段における前記フローによりオゾンを供給するオゾン供給手段の制御が重要であり、この構成によってオゾンによる高い浄化効率を達成し得る。
前記のＮＯ_Ｘ触媒３とＤＰＦ４との位置関係は、図１に示すようにＮＯ_Ｘ触媒３が粒子フィルタ４に対して排気ガスの流れ方向の上流側に位置していることが好適である。

本発明においてオゾンを供給する制御は、排気ガス温度検知手段６により検知された排気温度Ｔが設定温度である２００℃、２５０℃および３００℃と比較して低い温度、等しい温度、高い温度のいずれかであるかを判断し、図２に示すフローに基づいてＮＯ_Ｘ触媒３および粒子フィルタ４にオゾンを供給するか供給しないことによって制御するものである。
ステップＳ１０で検知した排気ガス温度（Ｔ）が２００℃未満であるか否かを比較し、Ｔ＜２００℃であるすなわちＹであればステップＳ４０に進み、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３に供給するが、ＤＰＦ４には供給しないで、排気ガス温度検知に戻る。
Ｔ≧２００℃であるすなわちＮであればステップＳ２０に進み、排気ガス温度（Ｔ）が２５０℃未満であるか否かを比較し、Ｔ＜２５０℃であるすなわちＹであればステップ５０に進み、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４に供給し、排気ガス温度検知に戻る。
Ｔ≧２５０℃であるすなわちＮであればステップＳ３０に進み、排気ガス温度（Ｔ）が３００℃未満であるか否かを比較し、Ｔ＜３００℃であるすなわちＹであればステップＳ６０に進み、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３には供給しないが、ＤＰＦ４には供給し、排気ガス温度検知に戻る。
Ｔ≧３００℃であるすなわちＮであればステップ７０に進み、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒３、粒子フィルタ４のいずれにも供給しないで、排気ガス温度検知に戻る、フローをエンジン停止まで続ける。

本発明のオゾン供給制御においては、前記のフローに示すように排気ガス温度Ｔが外気温度〜２５０℃（２５０℃未満）の温度範囲でＮＯ_Ｘ触媒３にオゾンを供給することが必要である。この温度範囲でＮＯ_Ｘ触媒３にオゾンを供給することによりオゾンによる高い浄化効率が得られる理論的根拠は明らかになっていないが、図３に示すように外気温度〜２５０℃（２５０℃未満）、特に外気温度〜２２５℃の範囲で後述の実施例の欄に詳述する実験法に基づいて実施される排気ガス浄化試験によって高いＮＯ_Ｘ酸化率が得られていることが理解される。
これは、前記温度範囲でＮＯ_Ｘ触媒にＯ_３を添加すると、ＮＯとＯ_３とが優先的に反応し、Ｏ_３が熱分解して発生するＯラジカルとＮＯ_Ｘとが反応しないか反応が抑制されることによると考えられる。

さらに、本発明のオゾン供給制御においては、前記のフローに示すように排気ガス温度が２００℃（以上）〜３００℃（未満）の温度範囲でＤＰＦ４にオゾンを供給することが必要である。この温度範囲でＤＰＦ４にオゾンを供給することによりオゾンによる高い浄化効率が得られる理論的根拠は明らかになっていないが、図４に示すように２００℃（以上）〜３００℃（未満）、好適には２２５〜３００℃（未満）の範囲、特に２２５〜２７５℃（未満）の範囲で後述の実施例の欄に詳述する実験法に基づいて実施される排気浄化試験によって高いＰＭ酸化率が得られていることが理解される。
これは、前記温度範囲でＤＰＦにＯ_３を添加すると、Ｏ_３が熱分解して発生するＯラジカルとＯ_３とが共存するとＰＭが効率的に燃焼することによると考えられる。
本発明における前記オゾン供給制御の設定温度である２００℃、２５０℃および３００℃は、より好ましい温度範囲を規定するために２２５℃、２５０℃および２７５℃とすることも可能である。

本発明におけるＮＯ_Ｘ触媒としては、特に制限はなく例えば吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒（ＮＳＲ：ＮＯ_Ｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）又は選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が挙げられる。
前記吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒としては、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯ_Ｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯ_Ｘ吸収成分は、例えばＫ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓのようなアルカリ金属、Ｂａ、Ｃａのようなアルカリ土類、Ｌａ、Ｙのような希土類が挙げられる。

そしてＮＯ_Ｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒の場合、これに流入される排気の空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーンのときにはＮＯ_Ｘを吸収し、これに流入される排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Ｘを放出するという、ＮＯ_Ｘの吸放出作用を行う。本実施形態ではディーゼルエンジンが使用されているため、通常時の排気空燃比はリーンであり、ＮＯ_Ｘ触媒３は排気中のＮＯ_Ｘの吸収を行う。また、ＮＯ_Ｘ触媒３にて還元剤が供給され、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、ＮＯ_Ｘ触媒３は吸収したＮＯ_Ｘの放出を行い得る。そしてこの放出されたＮＯ_Ｘは還元剤と反応して還元浄化され得る。

また、前記選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒としては、ゼオライトまたはアルミナ等の基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニア／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が挙げられる。
この選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒においては、流入排気ガスの空燃比がリーンという条件下で、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、ＮＯ_Ｘが反応されてＮ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏを生成して浄化される。ただしＮＯ_Ｘの浄化にはＨＣの存在が必要で、空燃比がリーンであっても排気ガス中には未燃ＨＣが必ず含まれているので、これを利用してＮＯ_Ｘの還元浄化が可能である。また、前記吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒のようにリッチスパイクを実施して還元剤を供給してもよい。この場合、還元剤としては前記に例示したもののほか、アンモニアや尿素を使用することもできる。

本発明における粒子フィルタ４としては、特に制限はなく例えば多孔質セラミックからなるハニカム構造体を備えたいわゆるウォールフロー型であり得て、ハニカム構造体は、コージェライト、シリカ、アルミナ等のセラミックス材料で形成され得る。排気は図１で矢印にて示されるように図１中左から右に向かって流れる。
通常、ハニカム構造体にはセルとも称される通路、上流側に詰栓が施された通路と、下流側に詰栓が施された他の通路とが交互に区画形成され、ハニカム状をなしている。排気ガスは多孔質セラミックの流路壁面を通過して通路に流入し下流側に流れる。このとき、排気ガス中のＰＭは多孔質のセラミックスによって捕集され、ＰＭの大気への放出が防止される。このように排気が流路壁面を通過し、その際にＰＭを濾過捕集するフィルタ形式がウォールフロー型と称される。

本発明におけるオゾン供給手段５、１５としては、オゾン供給ノズル（図示せず）が挙げられる。オゾン供給ノズルにはオゾン供給源としてのオゾン発生器（図示せず）が接続されている。オゾン発生器で発生したオゾンが、オゾン供給通路５１、５２を介してオゾン供給ノズルに供給されると共に、このオゾン供給ノズルから各々下流側のＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４に向かって排気ガス通路内に噴射供給される。
このオゾン供給ノズルは、各々ＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４の直上流位置に配置され、そこからＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４に向かってオゾンを供給することが好適である。
または、オゾン供給ノズルは、各々ＮＯ_Ｘ触媒３およびＤＰＦ４の装置内に設けてもよい。

前記のオゾン発生器としては、特に制限はなく例えば高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる乾燥した空気または酸素は、排気流路２外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体が好適である。

本発明における排気ガス温度検出手段６としては、排気ガス通路内の温度を検出する手段、例えば温度センサが挙げられ、温度センサにより検知された排気ガス温度に基づいて電子制御ユニット（ＥＣＵ）であるオゾン供給制御手段７に電気的に接続されている。
また、本発明における排気ガス温度検出手段として、温度センサに限定されず、エンジンの運転状況等に基づいてオゾン供給制御手段内に保存されたエンジン特性マップデータ等を用いて排気ガス温度を推定する手段であってもよい。

本発明の排気ガス浄化装置は、上記の構成を有することによってオゾンによる高い浄化効率を達成することができる。しかし、前記効果を低減しない限り、内燃機関の排気浄化装置に適用し得る任意の他の機能を有する部材を加えることが可能であり、例えば任意の位置に排気中のＨＣ、ＣＯを酸化して浄化し得る酸化触媒を加え得る。
本発明の排気ガス浄化装置によれば、ディーゼルエンジンだけでなくＮＯ_ＸおよびＰＭを発生し得る全ての内燃機関、例えば、直噴の火点火式内燃機関であるリーンバーンガソリンエンジンにも適用し得る。

以下に、実施例に基づいて本発明を説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。
以下の実験は、本発明の構成による作用・効果を確認するためのものである。

実験条件１
後述する模擬ガス（オゾンを含む）を用いて、石英管内に配置されたＮＯ_Ｘ酸化触媒を通過させ排気ガスダクトから外部に排出した。石英管の外周部に電気ヒータを設置し、ＮＯ_Ｘ酸化触媒の温度を室温（２０℃前後）〜４００℃で温度を一定速度で上昇させた。ＮＯ_Ｘ酸化触媒の直上流位置における温度を計測するための温度センサを設けた。排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度をＦＩＤ式ガス分析計（堀場製作所、ＭＥＸＡ−７１００）により連続的に測定し、ＮＯ_Ｘ酸化率を求めた。
模擬ガス条件を以下に示す。
流量：１５Ｌ／ｍｉｎ
ＮＯ：２００ｐｐｍ
Ｏ_３：４００−５００ｐｐｍ
Ｏ_２：７％
ＣＯ_２：１０％
Ｎ_２：ｂａｌａｎｃｅ

実験条件２
後述する模擬ガス（オゾンを含む）を用いて、石英管内に配置されたＰＭ付着した小容量ＤＰＦを通過させ、排気ガスダクトから外部に排出した。石英管の外周部に電気ヒータを設置し、ＤＰＦの温度を５０℃から４００℃まで、５０℃きざみで温度を設定し、Ｏ_３を含むガスの流通前後で、ＰＭ付ＤＰＦの質量を比較することにより、ＰＭ酸化率（ＰＭ質量減少率）を求めた。
模擬ガス条件を以下に示す。
流量：１０Ｌ／ｍｉｎ
Ｏ_３：１０００ｐｐｍ
Ｏ_２：８％
ＣＯ_２：１０％
Ｎ_２：ｂａｌａｎｃｅ

実施例１および比較例１
以下のＤＰＦを用いて実験を行った。

１．ＤＰＦ
直径３５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、セル壁厚４ｍｉｌ、セル数４００のコージェライト製ＤＰＦ（触媒はコートしていない）にＰＭを付着させたものを用いた。ＰＭの付着には、ディーゼルエンジンの排気ガス管に、上記ＤＰＦに対応した実ガスサンプリングポンプを使用し、１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、ＰＭが約０．３ｇ捕集されるまでサンプリングを行った。このようにしてＰＭを付着させたＤＰＦを、ＰＭが付着している面を上流側にして、石英管内に配置し、実験を行った。
温度センサで得られた各温度とＮＯ_Ｘ酸化率との関係を図３に、各温度とＰＭ酸化との関係を図４に示す。

図３および図４の結果によれば、外気温度〜２５０℃（２５０℃未満）、特に外気温度〜２２５℃（２２５℃未満）の範囲で高いＮＯ_Ｘ酸化率を、２００℃（以上）〜３００℃（未満）、特に２２５℃（以上）〜２７５℃（未満）の範囲で高いＰＭ酸化率が得られている。
以上の結果は、図３の結果と図４の結果とを組み合わすことによって、ＮＯ_Ｘ浄化とＰＭ酸化浄化とを併せて達成し得ることを示している。

本発明の排気ガス浄化装置は、オゾンによる高い浄化効率を達成することができで、内燃機関の排気ガス浄化およびオゾンの使用効率の向上を実現し得る。

１ 内燃機関の排気ガス浄化装置
２ 排気ガス流路
３ ＮＯ_Ｘ触媒
４ 粒子フィルタ（ＤＰＦ）
５、１５ オゾン供給手段
６ 排気ガス温度検知手段
７ オゾン供給制御手段
５１、５２ オゾン供給通路

Claims (2)

1. 内燃機関の排気ガス流路に配置されて排気中のＮＯ_Ｘを浄化するＮＯ_Ｘ触媒と、排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子フィルタと、該ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタに各々オゾンを供給可能なオゾン供給手段と、排気ガス温度検知手段と、前記排気ガス温度検知手段により検知された排気ガス温度に基づいて前記２つのオゾン供給手段を制御するオゾン供給制御手段とを備え、排気ガス温度が２００℃未満であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒に供給するが、粒子フィルタには供給しない、排気ガス温度が２００℃以上２５０℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタに供給する、排気ガス温度が２５０℃より高く３００℃以下の範囲であるときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒には供給しないが、粒子フィルタには供給する、排気ガス温度が３００℃より高いときは、オゾンを、ＮＯ_Ｘ触媒および粒子フィルタのいずれにも供給しない、ように前記オゾン供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記ＮＯ_Ｘ触媒が、前記粒子フィルタに対して排気の流れ方向の上流側に位置している請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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