JP4265120B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの排ガスに含まれるカーボンを主とする粒子状物質(以下PMという)及びHC,NOx 等のガス成分を排ガス温度域で効率よく浄化できる排ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排ガス中には、カーボン、 SOF(Soluble Organic Fraction)、高分子有機化合物、硫酸ミストなどからなるPMが含まれ、大気汚染及び人体への悪影響の面からPMの排出を抑制しようとする動きが高まっている。PMの排出を抑制するには、フィルタによってPMを捕集する方法と、フロースルー型の触媒を用いてPMを燃焼除去する方法の2種類があり、それぞれのあるいは両方を組み合わせた技術開発が進められている。
【0003】
フィルタとしては、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞したものが用いられている。またフロースルー型の触媒はPMを濾し取る構造になっておらず、PMの粒径に対して十分大きい直径0.05mm、好ましくは 0.2mm以上の連通口を有し、貴金属を担持したアルミナなどからなる触媒コート層が連通路に形成されている。このフロースルー型の触媒は、ペレット状、フォーム状、ハニカム状など種々の形状とされている。
【0004】
フィルタによってPMを捕集する方法では、振動により堆積したPMを払い落とす、あるいは高温で熱処理するなどして堆積したPMを除去する保守が必要となる。そのためフィルタには十分な強度と耐熱性が必要であるが、現時点ではまだ十分でない。また自動車の内燃機関に適用する場合には、そのための加熱装置などが必要となるという問題もある。そこで特開平6-146852号公報には、放電プラズマによってラジカルを生成し、このラジカルによってフィルタに堆積したPMを低温で酸化する方法が開示されている。
【0005】
しかしながら放電プラズマを用いて堆積したPMを燃焼除去する方法では、大きな電力が必要となるためにエネルギー効率が低い。そしてフィルタを用いる方法では、PMの捕集効率を高くするために目の細かいフィルタを用いるのが望ましいが、そうすると圧力損失が大きくなるという重大な問題がある。さらに堆積したPMを燃焼除去したとしても、残った灰分によって目詰まりが発生するという問題もある。
【0006】
そこで、フロースルー型の触媒を用いてPMを酸化燃焼する方法が有望視されている。PMを酸化燃焼するには、例えばPtなどの貴金属を担持した酸化触媒などを用いることが考えられる。しかしながらこの場合は、触媒と接触しないPMはそのまま排出されてしまう。また触媒と接触したとしても固相どうしの接触となるために、PMと触媒成分との接触確率が低く酸化燃焼するPMはさほど多くないという問題がある。そのため、排ガス中のNOを酸化してNO2 とし、そのNO2 の高い酸化活性を利用した触媒、あるいは酸素放出材を用いて酸化活性を高めた触媒なども利用されている。
【0007】
また特許第 3056626号公報には、帯電させたPMを強誘電体からなるペレットに静電気力で捕集し、ペレット間でマイクロプラズマを発生させることで捕集されたPMを燃焼除去する方法が開示されている。このようにすればフロースルー型としてもPMの捕集効率を格段に高めることができ、かつ捕集されたPMを効率よく燃焼除去することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところでディーゼルエンジンからの排ガスの温度は 300℃未満であるのが通常である。また始動時には、排ガス温度はさらに低い。そのため貴金属触媒によってPMを酸化燃焼させる場合には、貴金属の活性化が困難な低温域においてPMが多量に排出されるという問題がある。
【0009】
また静電気力でPMを捕集し、捕集されたPMを放電により燃焼除去する方法では、放電に要する電力が大きくエネルギー効率が低い。さらに静電気力を利用してPMを捕集する方法においては、捕集されて電荷が消失したPMが再飛散し、それが酸化燃焼されずに排出されてしまうために、PMの排出量の低減には限界がある。
【0010】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、フロースルー型の触媒を用いてPMを効率よく捕集でき、かつ捕集したPMを低温域から効率よく酸化燃焼できるようにすることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の内燃機関の排ガス浄化装置の特徴は、ディーゼルエンジンである内燃機関からのPMを含む排ガスを浄化するフロースルー構造の装置であって、PMを帯電させる帯電部と、帯電したPMを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたPMを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含むことにある。
【0012】
上記排ガス浄化装置において、捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。また捕集部に流入する排ガスの温度を推定し、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することも好ましい。さらに、捕集部に捕集されたPMの捕集量を検出するPMセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動することも好ましい。そして上記排ガス浄化装置は、内燃機関の運転状態から排ガス中のPMの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することが好ましい。
【0013】
溶融塩型触媒は、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀,アルカリ金属の硝酸塩,アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒であることが特に好ましい。
【0014】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【0015】
上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第2の放電部をもち、第2の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することが望ましい。そしてこの排ガス浄化装置においても、第2の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化装置では、PMを帯電させる帯電部と、帯電したPMを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたPMを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含んでいる。したがって排ガス中のPMは、帯電部を通過することによって帯電し、捕集部に静電気力で捕集される。そして捕集部に捕集されたPMは、捕集部に含まれる溶融塩型触媒によって酸化燃焼されるため、捕集部に堆積するのが抑制され圧損の増大が防止されている。
【0017】
しかし始動時などの低温域では、溶融塩型触媒が活性温度にまで到達しておらず、PMの酸化燃焼が困難となる。そこで本発明の排ガス浄化装置では、そのような場合に放電部が駆動され、放電プラズマによって捕集部に捕集されたPMが燃焼除去される。また捕集部にPMが堆積し溶融塩型触媒が覆われて活性が低下したとしても、放電部の駆動により堆積したPMを燃焼除去することができ、溶融塩型触媒を再び活性化させることができる。
【0018】
したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、溶融塩型触媒と放電部とを使い分けるあるいは同時に用いることにより、低温域から高温域まで安定してPMを燃焼除去することができ、圧損の増大も防止できる。
【0019】
帯電部としては、PMを帯電可能な手段を用いることができ、排ガスに数キロボルト程度の直流電圧を印加する手段、10キロボルト程度の交流パルス電圧を印加する手段、排ガス中で放電させる手段、高周波やイオンシャワーを照射する手段、摩擦による帯電手段などを利用することができる。帯電部ではPMを帯電するに足るだけのエネルギーが消費されるだけなので、大きな電力を消費することもない。
【0020】
また捕集部は、帯電したPMを静電気力で吸着して捕集する部位であり、例えばアース電位にある部位とすることができる。
【0021】
捕集部の形状は特に制限されず、排ガス流路の壁面に形成してもよいし、板状、筒状、ペレット状、ハニカム状、メッシュ状などとすることもできる。また捕集部は、帯電部の下流側に帯電部と別に設けることもできるし、帯電部が捕集部を兼ねるように構成することも可能である。例えば排ガス中に存在する一対の電極間に直流電圧を印加して放電を生成すれば、PMは一般にマイナスに帯電し、静電気力でプラス側若しくはアース側の電極に吸着される。したがってプラス側若しくはアース側の電極として捕集部を形成しておけば、PMは吸着に連続して捕集部の触媒によって酸化燃焼される。
【0027】
所定温度以上で溶融して捕集されたPMを酸化浄化する溶融塩型触媒における所定温度とは、内燃機関の排ガス温度以上をいい、低温であることが望ましい。特に、排ガス温度が低温となるディーゼルエンジンに適用する場合には、 300℃以下であることが望ましい。そして溶融塩型触媒であれば、溶融して液状となるのでPMをより確実に捕捉することができ、PMと溶融塩型触媒との接触面積が大きいのでより効率よく酸化燃焼することができる。また液状の溶融塩型触媒に捕捉されたPMは、電荷を消失しても再飛散するのが防止されるため、PMの排出量をさらに低減することができる。
【0028】
この溶融塩型触媒としては、Cs2MoO4-V2O5,CsVO3-MoO3,Cs2SO4-V2O5 、あるいはCs2O・V2O5, K2O・V2O5などを用いることもできるが、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀,アルカリ金属の硝酸塩,アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒を用いることが特に望ましい。このような硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、より低温域での溶融が可能となるため、低温のディーゼル排ガス中のPMを効率よく酸化燃焼することが可能となる。
【0029】
また上記した硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、溶融塩を含む触媒成分が固体担体に担持されている。したがって溶融塩が液相となっても、固体担体との相互作用によって固体担体に付着した状態が維持され、下流側へ流されるような不具合が生じない。さらに触媒成分は常温では固体であるので、触媒の取り扱いも容易であり、排気流路への搭載も従来の三元触媒などと同様に行うことができる。
【0030】
さらに溶融塩として硝酸塩を用いているため、高温域で硝酸塩に分解が生じたとしても、排ガス中に含まれる窒素酸化物によって再び硝酸塩が生成する。これによって触媒成分が再生されるため耐久性に優れている。この現象は、排ガス中のNOx 浄化としても利用できる。
【0031】
そして硝酸リチウムなど特に低温で溶融する溶融塩を用いれば、低温域におけるPMと触媒との接触性が向上するため、低温域から高温域まで広い温度範囲でPMを酸化燃焼することができる。
【0032】
硝酸塩系の溶融塩型触媒に用いられる固体担体としては、従来の三元触媒などに用いられているアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、ゼオライトなどを用いることができるが、マグネシアスピネル、ジルコニア、アルカリ金属の酸化物、マグネシアなどのアルカリ土類金属の酸化物、ランタナ,ネオジアなどの希土類元素の酸化物などの塩基性担体が特に好ましい。このような塩基性担体を用いることによって、触媒成分と担体との固相反応が抑制されるため耐久性が向上する。
【0033】
触媒成分は、硝酸銀,アルカリ金属の硝酸塩,アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む。アルカリ金属の硝酸塩としては、KNO3, CsNO3, NaNO3, LiNO3などが例示される。またアルカリ土類金属の硝酸塩としては、Ba(NO3)2,Sr(NO3)2,Ca(NO3)2,Mg(NO3)2などが例示され、希土類元素の硝酸塩としては、Y2(NO3)3, La2(NO3)3, Nd2(NO3)3, Pr2(NO3)3などが例示される。このうち一種のみを用いてもよいし、複数種類が複合化した複合硝酸塩を担持することもできる。複合硝酸塩とすることにより、溶融温度が低下する場合が多い。
【0034】
この複合硝酸塩としては、 AgNO3-CsNO3,CsNO3-KNO3, CsNO3-NaNO3, CsNO3-LiNO3, KNO3-Mg(NO3)2, LiNO3-NaNO3,NaNO3-Ca(NO3)2,NaNO3-Mg(NO3)2,AgNO3-KNO3-NaNO3,AgNO3-NaNO3-Ba(NO3)2,KNO3-LiNO3-NaNO3, KNO3-NaNO3-Mg(NO3)2,KNO3-Ba(NO3)2-Ca(NO3)2,KNO3-Ba(NO3)2-Sr(NO3)2,KNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2,LiNO3-NaNO3-Ca(NO3)2, NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2, NaNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2,KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2などが好ましい。これらの複合硝酸塩を用いれば、溶融温度を 200℃以下とすることができる。
【0035】
触媒成分中に含まれる硝酸塩としては、溶融温度が低く分解温度が高いものが望ましい。これにより広い温度範囲及び広い空間速度の排ガス中でPMを効率よく燃焼除去することができる。例えば上記した硝酸塩の中ではアルカリ金属の硝酸塩を含むものが好ましく、 LiNO3を含むものが最も好ましい。
【0036】
硝酸塩の担持量は、固体担体に対して1重量%以上とすることが望ましい。担持量がこれより少ないとPMの酸化燃焼が困難となる。また硝酸塩の担持量が多くなるほどPMの酸化燃焼温度が低くなる傾向にあるが、 120重量%以上担持すると担体上での安定性が不十分となり下流に流されて凝集する場合があるので 120重量%未満とすることが望ましい。
【0037】
触媒成分は、酸化促進成分をさらに含むことが望ましい。この酸化促進成分によりPM中の SOFの酸化などによってPMの酸化燃焼が促進される。酸化促進成分としては、Pt,Pd,Rhなどの貴金属、あるいはCeO2,ZrO2,CeO2−ZrO2固溶体, BaO, CaO,V2O5, ZnO, WO3,MoO3, NiO, FeO, Fe3O4, Fe2O3,MnO2, Cr2O3, CuO, CoO, Co3O4などの各種酸化物を用いることができる。中でもPtを含むことが特に望ましい。Ptによって SOFの酸化とともに排ガス中のNOx を還元する作用が奏され、また硝酸塩の近傍にPtを担持すれば、高温時に分解した硝酸塩の再生が行われるため耐久性が向上する。
【0038】
この酸化促進成分の担持量は、固体担体に対して、貴金属の場合には 0.1〜10重量%、各種酸化物の場合には1〜50重量%の範囲が好ましい。この範囲より少ないと効果が発現されず、これ以上担持しても効果が飽和するとともに悪影響が現れる場合がある。
【0039】
固体担体に硝酸塩を担持するには、硝酸塩の水溶液を固体担体に含浸させ、それを乾燥すればよい。また酸化促進成分を担持するには、その金属化合物の水溶液を用いて担持し、それを焼成すればよい。
【0040】
この溶融塩型触媒を捕集部に含ませるには、捕集部のできるだけ表面側に溶融塩型触媒が存在するようにするのが望ましく、捕集部の表面に層状に形成するのが特に好ましい。例えば溶融塩型触媒の粉末をバインダ及び溶媒とともにスラリー状とし、それを捕集部の表面に塗布後に熱処理する方法がある。この場合には、溶媒として硝酸塩が溶出しない有機溶媒が望ましいが、水など溶出する溶媒でも用いることができる。またバインダとしては、硝酸アルミニウムなどを用いることができる。
【0041】
捕集部における溶融塩型触媒の含有量は、捕集部の大きさ、捕集されるPMの量、あるいは溶融塩型触媒の活性などに応じて決められるが、捕集部表面に層状に形成する場合には、厚さ0.01〜1mmの範囲で形成するのが好ましい。厚さがこれより薄いと捕集部の大きさが大きくなりすぎて実用的でなく、これより厚くすると内部の触媒成分の有効利用が困難となる。
【0042】
PM捕集部に触媒をつけることで、PMの燃焼と同時にPMを還元剤としたNOx 浄化も可能であり、またHCの浄化作用も行うことができる。より強力にNOx ,HCを浄化するには、捕集部とは別にNOx ,HC浄化用の触媒を設けることが望ましい。
【0043】
放電部は放電エネルギーによって捕集されたPMを燃焼除去する部位であり、10〜50kV程度の高電圧の印加によってプラズマ放電が発生するように構成される。この高電圧源としては、直流電圧、交流電圧あるいは交流パルス電圧などを用いることができる。そして捕集部内にあるいは捕集部に隣接して一対以上の電極を形成し、その電極間で放電させることでプラズマを発生させ、捕集されたPMを燃焼除去することができる。電極の形状には特に制限はないが、針状、エッジ状など放電しやすい形状とすることが望ましい。
【0044】
この放電部は、帯電部を兼ねるように構成することもできる。つまりPMの捕集時には比較的小さな電圧を印加することでPMを帯電させ、捕集部にPMがある程度堆積したときに高電圧を印加して放電させることでPMを燃焼すればよい。
【0045】
ところで放電部の放電時に供給される電力は大きいために、連続的に放電させる方法では自動車のバッテリーへの負荷が大きく実用的でない。そこで放電部に対してその駆動を制御することが望ましい。
【0046】
例えば排ガスが高温域にある場合には、捕集部の溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、放電部を駆動しなくともPMの酸化燃焼が可能となる。そこで捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。このようにすれば、捕集部に含まれる溶融塩型触媒の活性化が困難な低温域でのみ放電部を駆動することができ、エネルギー効率が向上する。
【0047】
また捕集部にある程度のPMが堆積した場合にのみ放電部を駆動するようにすることも好ましい。この場合には、捕集部に捕集されたPMの捕集量を検出するPMセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動するようにすればよい。このPMセンサとしては、帯電部の高電圧印加電極と捕集部間の容量変化から求める方法などを用いることができる。
【0048】
また、内燃機関の運転状態から排ガス中のPMの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することも好ましい。このようにすれば、例えば定常走行時など排ガス中のPM量がほとんど存在しない場合に帯電部あるいは放電部が駆動されるのを回避し、エネルギーロスを回避できる。また加速時など排ガス中のPM量が多い場合にのみ放電部を駆動してPMの燃焼を補助すれば、PMの排出を効果的に抑制することができる。そして電力の無駄な消費を防止することができ、エネルギー効率が向上する。
【0049】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。例えば捕集部の上流側にこれらの触媒の一つを配置すれば、この触媒による酸化反応によって排ガス温度が上昇するので、捕集部におけるPMの酸化燃焼を促進することが可能となる。また捕集部の上流側又は下流側に三元触媒などを配置すればHC及びCOの排出を抑制でき、捕集部の上流側又は下流側にNOx 還元触媒などを配置すればNOx の排出を抑制することができる。したがってディーゼルエンジンからの排ガス中のPMばかりでなくガス状の有害成分も浄化することができ、環境汚染をより防止することができる。
【0050】
また上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第2の放電部をもち、第2の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することも望ましい。このようにすれば、排ガス温度が溶融塩型触媒が活性化困難な低温域にある場合でも、放電によって排ガス中のHC,CO及びNOx を浄化することが可能となる。しかし排ガス温度が触媒が活性化する高温域にある場合も放電によって浄化するのでは、大量の電力を消費することとなりエネルギー効率が悪い。
【0051】
そこで第2の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。このようにすれば、低温域では放電により排ガスを浄化し、高温域では放電を停止してこの触媒によって排ガスを浄化することができるので、エネルギー効率が改善されきわめて実用的な排ガス浄化装置となる。
【0052】
【実施例】
以下、参考例、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【0053】
(参考例1)
図1に本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジン1の排ガス流路10に備えられたPM捕集燃焼装置2と、PM捕集燃焼装置2に直流又は交流電圧を印加する高電圧発生装置3と、ディーゼルエンジン1の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット11の信号を受けて高電圧発生装置3を制御する制御装置4とから構成されている。
【0054】
PM捕集燃焼装置2は、図2にその詳細を示すように、筒状の捕集部20と、捕集部20内に配置された放電電極21とから構成されている。捕集部20は金属円筒の内側にコージェライトなどの耐熱性セラミックスで網状で円筒に形成された基体に、アルミナ粉末にPtが2重量%担持されてなる酸化触媒粉末がコートされて構成され、その筒壁にも排ガスが流通可能に構成されている。
【0055】
酸化触媒粉末からなるコート層は、一般に用いられている排ガス浄化用触媒と同様にウェットコート法によって形成され、そのコート厚さは10〜1000μmであって、捕集部20全体として4gのPtが担持されている。
【0056】
放電電極21は、排ガス流路10の中心軸上に針状電極22が複数個放射状に配置されてなり、排ガス流路10及び捕集部20を貫通する碍子23を通じて高電圧発生装置3に接続されている。また排ガス流路10及び捕集部20はアース電位とされている。したがって高電圧発生装置3から直流電圧が放電電極21に印加されると、排ガス中のPMがマイナスに帯電して静電気力で捕集部20に引き寄せられ、交流高電圧が放電電極21に印加されると、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間で放電プラズマが発生するように構成されている。
【0057】
以下、図3に示すフローチャートに沿って制御装置4の制御内容を説明しながら、本参考例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【0058】
ディーゼルエンジン1が駆動されると、先ずステップ 100で高電圧発生装置3が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のPMがマイナスに帯電し、帯電したPMは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【0059】
次にステップ 101で制御装置4のメモリに記録されている現在のPM堆積量Xと定数A及び定数Bが読み込まれる。定数Aは捕集部20に堆積できるPMの上限値(臨界堆積量)であり、定数Bは捕集部20に堆積したPMが再飛散しない限界値である。
【0060】
そしてステップ 102でディーゼルエンジン1の回転数及び負荷状況から現在のPM発生量Yと排ガス温度Tが算出される。この値は、エンジンの回転数及び負荷とPM発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【0061】
ステップ 103では、排ガス温度Tから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Zが算出される。この値も事前に制御装置4に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 104において、X=X+Y−Zが演算され、現在のPM堆積量Xが更新される。
【0062】
次にステップ 105でPM堆積量Xと定数Aとが比較され、PM堆積量Xが臨界堆積量Aを超えている場合にはステップ 106で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間にプラズマが発生し、堆積したPMが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行い、処理はステップ102へ戻る。
【0063】
一方、PM堆積量Xが臨界堆積量A以下の場合には、ステップ 107でPM堆積量Xと定数Bとが比較される。PM堆積量Xが所定値Bを超えている場合には、PMが再飛散する可能性が大きいので、ステップ 108で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に印加される直流電圧を1kV程度高くしてPMの帯電電位を増大させ再飛散を抑制する。PM堆積量Xが所定値B以下の場合には、何もせずステップ 102へ戻る。
【0064】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、PM堆積量Xが所定値B以下の場合には排ガス中のPMは帯電により捕集部20に次々と捕集され、捕集部20に存在する酸化触媒によって酸化燃焼されて除去される。そしてPM堆積量Xが所定値Bを超えると、PMの帯電電位が増大されるため、PMは捕集部20に捕集された状態を維持でき、電荷の消失による再飛散が防止されている。
【0065】
そしてPM堆積量Xが臨界堆積量Aを超えると、放電プラズマによって堆積したPMが燃焼除去されるため、PM堆積量Xは急激に低下し、捕集部20は捕集能力を再び回復する。
【0066】
図4及び図5に本参考例の排ガス浄化装置の効果を示す。図4では縦軸にPM浄化率を、横軸にPMの粒子径をとっている。従来のディーゼルパティキュレートフィルタでは、点線で示すように径の小さなPMはフィルタを通過してしまい、ある粒径以上でないと捕集機能が発現されない。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、粒径に関わらずほぼ 100%のPM浄化率を確保することができる。
【0067】
また図5では縦軸にPM浄化率を、横軸に装置に流入するPM量をとっている。例えば酸化触媒のみあるいは放電プラズマのみで堆積したPMを浄化する場合には、流入するPM量が多くなるにつれて処理能力が低下しPM浄化率が低下してしまう。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電の両方でPMを除去できるため、流入するPM量が多くなっても高いPM浄化率を確保することができる。
【0068】
そして、放電によって堆積したPMを燃焼させるために高電圧で高電圧発生装置3を駆動する時間は、PM堆積量Xが臨界堆積量Aを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【0069】
(参考例2)
本参考例では、参考例1の排ガス浄化装置を用い、制御内容が異なること以外は参考例1と同様である。以下、図6に示すフローチャートに沿って制御装置4の制御内容を説明する。
【0070】
ディーゼルエンジン1が駆動されると、先ずステップ 200で高電圧発生装置3が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のPMがマイナスに帯電し、帯電したPMは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【0071】
次にステップ 201で制御装置4のメモリに記録されている現在のPM堆積量Xと定数A及び定数Tc が読み込まれる。定数Aは捕集部20に堆積できる臨界堆積量であり、定数Tc は酸化触媒が活性化する最低温度(活性化温度)である。そしてステップ 202でディーゼルエンジン1の回転数及び負荷状況から現在のPM発生量Yと排ガス温度Tが算出される。この値は、ディーゼルエンジン1の回転数及び負荷とPM発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【0072】
ステップ 203では、排ガス温度Tと活性化温度Tc とが比較される。排ガス温度Tが活性化温度Tc 以上の場合には捕集部20で堆積したPMが酸化燃焼されている。そこでステップ 204で排ガス温度Tから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Zが算出される。この値も事前に制御装置4に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 205において、X=X+Y−Zが演算され、現在のPM堆積量Xが更新される。
【0073】
一方、排ガス温度Tが活性化温度Tc より低いと、酸化触媒の活性が発現せず、堆積したPMを酸化燃焼することが困難であるため、捕集部20にはPMが堆積し続けることとなる。したがってその場合には、放電プラズマによって堆積したPMを燃焼することが望ましい。しかしながらこの排ガス浄化装置では、帯電部が放電部を兼ねているため、放電中はPMの帯電が困難であり、捕集部20に捕集されずに排出されるPM量が多くなる恐れがある。
【0074】
そこでステップ 206で図7のマップが参照される。図7に示すRの領域内の運転条件ではPMを含めた有害物質の発生が少ないが、Rの領域外の運転条件ではPMを捕集する必要がある。したがってステップ 202で求められたディーゼルエンジン1の回転数と負荷がマップの領域R内であれば、PMを捕集する必要が無いので、ステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したPMが燃焼除去される。そしてステップ 207では、放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻ってさらに捕集を続ける。一方、ディーゼルエンジン1の回転数と負荷が領域R外の場合には、PMを捕集する必要があるので何もせずステップ 202へ戻る。
【0075】
またステップ 203で排ガス温度Tが活性化温度Tc より高い場合には、ステップ 205において現在のPM堆積量Xが更新されると、ステップ 208でPM堆積量Xと臨界堆積量Aとが比較され、PM堆積量Xが臨界堆積量Aを超えている場合にはステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したPMが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻る。
【0076】
一方、PM堆積量Xが臨界堆積量A以下の場合には、まだPMの捕集が可能であるので、何もせず処理はステップ 202へ戻る。
【0077】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、酸化触媒が活性化していない低温時においても、堆積したPMをプラズマ放電によって燃焼除去することができ、低温域におけるPMの排出を抑制することができる。また低温時でかつPMを捕集する必要の無い場合、あるいはPMの堆積量が臨界堆積量Aを超えた場合にのみ放電プラズマが発生するため、消費電力が小さくてすみエネルギー効率がよい。
【0078】
(実施例1)
図8に本実施例の排ガス浄化装置を示す。参考例1と異なるところは、捕集部20のコート層に酸化触媒に代えて溶融塩型触媒を担持したこと、針状電極22に代えて円形フィン24を複数個設けたこと、そして捕集部20の上流側に排ガス流路10の径方向に延びる細い銅線25を碍子23を介して張設し高電圧発生装置3から銅線25に直流電圧が印加されるように構成したことである。他の構成は参考例1と同様である。高電圧発生装置3は、銅線25には直流高電圧を、円形フィン23には交流高電圧を印加できるようになっている。
【0079】
捕集部20には、マグネシアスピネル担体 100gに対してKNO3が4g、Ptが2g担持された触媒粉末 100gを、 300gの水とともにスラリーとし、それを捕集部20に含浸した後 250℃で乾燥してなるコート層が形成されている。コート層の厚さは 0.1mmである。
【0080】
以下、図9に示すフローチャートに沿って制御装置4の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【0081】
ディーゼルエンジン1が駆動されると、先ずステップ 300で制御装置4のメモリに記録されている現在のPM堆積量Xと臨界堆積量A及び活性化温度Tc が読み込まれる。またステップ 301でディーゼルエンジン1の回転数及び負荷状況から現在のPM発生量Yと排ガス温度Tが算出される。この値は、ディーゼルエンジン1の回転数及び負荷とPM発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【0082】
次にステップ 302で図7のマップが参照される。図7に示すRの領域内の運転条件ではPMを含めた有害物質の発生が少ないが、Rの領域外の運転条件ではPMを捕集する必要がある。したがってステップ 301で求められたディーゼルエンジン1の回転数と負荷がマップの領域R内であれば、PMを捕集する必要が無いので、何もせずステップ 301へ戻る。
【0083】
一方、エンジン1の回転数と負荷が領域R外の場合には、ステップ 303で高電圧発生装置3が駆動され、銅線25に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のPMがマイナスに帯電し、帯電したPMは下流側の捕集部20に捕集され堆積する。そしてステップ 304で排ガス温度Tと活性化温度Tc が比較される。活性化温度Tc は捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化する最低温度であり、排ガス温度Tが活性化温度Tc より低い場合には堆積したPMを酸化燃焼することが困難となる。そこでステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したPMが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【0084】
またステップ 302で排ガス温度Tが定数Tc より高い場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、ステップ 306で排ガス温度Tから捕集部20のコート層における現在の溶融塩型触媒の燃焼速度Zが算出される。この値も事前に制御装置4に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 307において、X=X+Y−Zが演算され、現在のPM堆積量Xが更新される。
【0085】
ここで捕集部20では、KNO3が溶融して液状となっているため、捕集されたPMは液相に捕捉されるとともに酸化されて燃焼除去されている。またPMは液相に捕捉されるため、電荷が消失しても再飛散するのが防止されている。したがって再飛散によるPMの排出も防止されている。
【0086】
しかしながら溶融塩型触媒が液相となっているといえども、捕集されたPMの堆積量がある程度を超えると、電荷を失って再飛散する現象が生じる。そこでステップ 307で現在のPM堆積量Xが更新されると、ステップ 308でPM堆積量Xと臨界堆積量Aが比較され、現在のPM堆積量Xが臨界堆積量A以下の場合には、まだPMを捕集することが可能であるので何もせずステップ 301へ戻る。
【0087】
一方現在のPM堆積量Xが臨界堆積量Aより大きいと、再飛散が生じる恐れがあるので燃焼処理が必要となる。そのためステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したPMが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【0088】
したがって本実施例の排ガス浄化装置によれば、捕集部20に溶融して液相となる溶融塩型触媒を担持しているので、捕集されたPMの再飛散をさらに防止することができる。また溶融塩型触媒が活性化しない低温域では放電プラズマによって堆積したPMを燃焼除去することができるので、低温域から高温域まで高い浄化率でPMを除去することができる。
【0089】
図10に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図10では縦軸にPM浄化率を、横軸に時間をとっている。例えば放電プラズマによるPMの燃焼が行われず溶融塩型触媒による酸化燃焼のみである場合には、時間とともにPM堆積量が増大し、再飛散が生じるためPM浄化率が低くなって最終的にはPMは全く酸化されずに排出されることとなる。また溶融塩型触媒が担持されてなく放電処理のみである場合には、PM堆積量が臨界堆積量Aとなった時点で放電プラズマが発生するので、PM浄化率は一定値で飽和する。しかし本実施例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電プラズマの両方でPMを除去できるため、時間に無関係に高いPM浄化率を確保することができる。
【0090】
そして、堆積したPMを燃焼する放電プラズマを発生するために高電圧で高電圧発生装置3を駆動する時間は、排ガスが低温域にある間とPM堆積量Xが臨界堆積量Aを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【0091】
(実施例2)
図11に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジン1と実施例1と同様のPM捕集燃焼装置2との間に排ガス温度を検出する温度センサ5が配置されている。そしてPM捕集燃焼装置2の下流側に、排ガス中にプラズマを発生する第2放電装置6が配置され、さらにその下流側に三元触媒7が配置されている。第2放電装置6には、高電圧発生装置3によって交流高電圧が印加される。他の構成は参考例1と同様である。
【0092】
以下、図12に示すフローチャートに沿って制御装置4の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。なお高電圧発生装置3が銅線25に印加する電圧を帯電用DCと称し、円形フィン24に印加する電圧をPM浄化用ACと称し、第2放電装置6に印加する電圧を第2放電用ACと称する。
【0093】
ディーゼルエンジン1が駆動されると、先ずステップ 400で制御装置4のメモリに記録されている現在のPM堆積量Xと、臨界堆積量A、PM発生量の所定値C及びNOx 量の所定値である所定値Dが読み込まれる。
【0094】
次にステップ 401で温度センサ5から排ガス温度Tが入力されるとともに、ディーゼルエンジン1の運転状態が検出される。この運転状態は、加速時、減速時、定常走行時、アイドリング時の4段階で検出される。
【0095】
そしてステップ 402でディーゼルエンジン1の回転数及び負荷状況から現在のPM発生量Yと排ガス中のNOx の発生量Nが算出され、ステップ 403でPM堆積量Xが更新される。その後ステップ 404とステップ 405とが平行して処理される。
【0096】
ステップ 404では、制御装置4のメモリに記録されているマップ(表1)から、現在の排ガス温度Tにおける帯電用DC、PM浄化用AC及び第2放電用ACのON-OFFが制御される。ここでは帯電用DCは常にONとされ、排ガス中のPMは静電気力で捕集部20に捕集される。そして排ガス温度Tが 250℃未満である場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化温度Tc に満たないので、PM浄化用ACがONとされ放電プラズマによって捕集されたPMを燃焼除去する。また三元触媒7も活性化されていないので、第2放電用ACもONとされ、プラズマによって排ガス中のHC及びNOx の浄化が行われる。
【0097】
また排ガス温度Tが 250〜 300℃の場合には、三元触媒7は活性化されているため第2放電用ACは OFFとされ電力を節約する。しかしこの温度では、捕集部20における溶融塩型触媒の活性が十分でないので、PM浄化用ACはONの状態が維持される。さらに排ガス温度Tが 300℃以上である場合には、捕集部20における溶融塩型触媒も十分に活性化されるため、PM浄化用ACも OFFとされて電力を節約する。
【0098】
【表1】
【0099】
そしてステップ 405では、制御装置4のメモリに記録されているマップ(表2)から、ディーゼルエンジン1の運転状況に応じて帯電用DC、PM浄化用AC及び第2放電用ACのON-OFFが制御される。
【0100】
加速時には排ガス中のPM、HC及びNOx が多いので、帯電用DC、PM浄化用AC及び第2放電用AC共にONとされる。また減速時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてPM堆積量Xと臨界堆積量Aとが比較され、X>Aの場合にPM浄化用ACがONとされて放電プラズマにより堆積したPMが燃焼除去される。また排ガス中のHC及びNOx は少ないので、第2放電用ACは OFFとされる。
【0101】
定常走行時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてPM発生量Yと所定値Cとが比較され、Y>Cの場合にはPM浄化用ACがONとされ放電プラズマによりPMが燃焼除去される。Y≦Cの場合には、PM堆積量Xと臨界堆積量Aとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。一方、NOx の発生量Nと所定値Dとの比較も行われ、N>Dの場合には第2放電用ACがONとされて放電プラズマにより排ガス中のHC,NOx の浄化を助ける。しかしN≦Dの場合には、三元触媒7のみでHC,NOx の浄化が可能であるので、第2放電用ACは OFFとされて電力を節約する。
【0102】
そしてアイドリング時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。またPM堆積量Xと臨界堆積量Aとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。さらにNOx の発生量Nと所定値Dとの比較も行われ、定常走行時に準じた処理が行われる。
【0103】
【表2】
【0104】
次のステップ 406では、ステップ 404とステップ 405の結果が照会され、少なくとも一方のステップで OFFとされた帯電用DC、PM浄化用ACあるいは第2放電用ACを OFFとし、残りの帯電用DC、PM浄化用ACあるいは第2放電用ACをONとする制御が行われる。
【0105】
そしてステップ 407では、PM浄化用ACがONであるか否かが判定され、PM浄化用ACがONである場合には放電した時間に応じてPM堆積量Xを削減する更新を行って、処理はステップ 401に戻る。
【0106】
したがって本実施例の排ガス浄化装置では、排ガス温度T及びディーゼルエンジン1の運転状態に応じて高電圧発生装置3を細かく制御することができ、PMを効率よく浄化しつつ消費電力を抑制することができる。
【0107】
図13に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図13では縦軸に高電圧発生装置3の消費電力を、横軸に排ガス温度をとり、定常走行時の場合を示している。高電圧発生装置3によって帯電用DC、PM浄化用AC及び第2放電用ACを常時ONとしたのでは、図13に点線で示すように排ガス温度によって消費電力を抑制することは困難であるが、本実施例の排ガス浄化装置によれば、 250℃と 300℃を境として段階的に消費電力を削減することができ、 300℃以上では帯電用DCのみがONとなるため、消費電力を大きく低減することができる。
【0108】
【発明の効果】
すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、フロースルー型の触媒を用いてPMを捕集でき、かつ捕集したPMを低温域から効率よく燃焼除去することができる。また消費電力の増大も抑制でき、自動車の排気系への搭載も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図2】本発明の一参考例の排ガス浄化装置に用いたPM捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図3】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図4】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図5】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図6】本発明の第2の参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図7】PMが生じないエンジン回転数と負荷の領域を示す説明図である。
【図8】本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いたPM捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図9】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図10】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図11】本発明の第2の実施例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図12】本発明の第2の実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図13】本発明の第2の実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
1:ディーゼルエンジン 2:PM捕集燃焼装置
3:高電圧発生装置 4:制御装置
10:排ガス流路 20:捕集部 22:針状電極
Claims (9)
- ディーゼルエンジンである内燃機関からの粒子状物質を含む排ガスを浄化するフロースルー構造の装置であって、該粒子状物質を帯電させる帯電部と、帯電した該粒子状物質を静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって該捕集部に捕集された該粒子状物質を酸化する放電部とを備え、
該捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された該粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記捕集部に流入する排ガス及び前記捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、該温度が所定値未満の場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記捕集部に流入する排ガスの温度を推定し、該温度が所定値未満の場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記捕集部に捕集された前記粒子状物質の捕集量を検出するPMセンサを備え、該捕集量が所定値を超えた場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 内燃機関の運転状態から排ガス中の前記粒子状物質の含有量を推定し、該含有量が所定値を超えた場合に前記帯電部及び前記放電部の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記溶融塩型触媒は、固体担体と、該固体担体に担持された硝酸銀,アルカリ金属の硝酸塩,アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、前記捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、 NO x 還元触媒及び NO x 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置したことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、前記捕集部の下流側に第2の放電部をもち、該第2の放電部における放電によって該捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記第2の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、 NO x 還元触媒及び NO x 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置したことを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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