JP5761139B2 - オゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置 - Google Patents
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Description
本発明の第2の目的は、負荷変動の大きい車両用エンジンにも適合し、排気のNOx流量の変化に合わせて迅速にオゾン供給流量を追従でき、しかも、高濃度のオゾン生成が可能なオゾン生成手段を実現し、将来の厳しい排出ガス規制にも対応できる高い浄化性能を有するエンジン用後処理装置を提供することにある。
上記オゾン生成手段は、エンジンの吸気通路に接続されて、エンジンの吸入空気の一部を流入させる空気流入通路を有し、該空気流入通路と上記オゾン供給通路の間に形成される放電空間部に、放電装置(3A、3B)を構成する電極(31、32)を上記吸入空気の流れに対して直列に配置し、上記電極に高電圧を印加して放電プラズマを発生させて、この放電空間部を通過する空気中の酸素から放電プラズマによってオゾンを生成するものであり、
エンジンの運転状態に応じて上記オゾン生成手段によるオゾン生成流量を制御する制御手段を設け、上記制御手段は、上記オゾン生成手段によるオゾン生成流量を、放電プラズマを発生させる電力と、上記放電装置の総電極面積のうち動作させる電極面積の増減によって制御している。
図1、2に本発明を適用した、オゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置(以下、NOx後処理装置と略称する)の第1実施形態を示す。図1においてエンジン1は、ターボチャージャー(過給機)15を備えるディーゼルエンジンで、本実施形態のNOx後処理装置3は、エンジン1から排出される排気中のNOxを処理する。排気通路としての排気管2の途中に、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)21が配置され、その下流に、排気冷却手段22と、NOx後処理装置3を構成するNOx吸収手段5が配置される。排気冷却手段22とNOx吸収手段5の間の排気管2aに合流する通路が設けられ、NOx後処理装置3のオゾン生成手段6に接続されてオゾン供給通路61となる。
NO+O3 → NO2+O2・・・(a)
NO2+O3 → NO3+O2・・・(b)
NO2+NO3 → N2O5・・・(c)
N2O5+H2O → 2HNO3・・・(d)
また、この方式は、本発明の第2の目的にも適合し、排気のNOx流量の変化に合わせて迅速にオゾン供給流量を追従できる。この目的を実現するコンパクトなオゾン生成手段6の具体的構成に関して、次に説明を行う。
図2に本実施形態のオゾン生成手段6の断面図を示す。オゾン生成手段6は、内部が断面コ字状の通路60となっており、一端側の空気入口602に続く通路60aと、他端側の空気出口601に至る通路60bが、接続通路60cを介して連通している。空気入口602は図1の空気流入通路62に、空気出口601は図1のオゾン供給通路61に、それぞれ接続している。
高電圧パルスの周波数を上げていくとオゾン生成濃度が高まり、周波数を下げるとオゾン生成濃度は低下する。したがって、コントローラ4に入力される各種信号を基に、排気中のNOx流量に応じたオゾン生成濃度となるように、サブコントローラ37で第1、第2の高電圧発生装置34、36を制御すればよい。
図1、2に示した本実施形態のNOx後処理装置を用いたオゾン供給流量の制御方法について、次に説明する。
図4にコントローラ4に内蔵された制御プログラムの要部を示す。制御プログラムの動作をスタートしたら、まず、ステップ101において、回転数センサ41によって測定される現在のエンジン回転数と、エンジン1の負荷状態を表す噴射量を取り込む。次いで、ステップ102において、エンジン回転数と噴射量に基づいて、図5に示す予めプログラムされているマップから、エンジン1が排出する排気のNO濃度を求める。図5に示されるように、一般に低負荷低回転ではNO濃度が低く、高負荷高回転の運転状態となるほどNO濃度が高くなる。
(NO流量)=(吸気流量)×(100−(NO2転化比率))×(エンジン排出NO濃度)/108
(NO2流量)=(吸気流量)×(NO2転化比率)×(エンジン排出NO濃度)/108
NO+O3 → NO2+O2・・・(a)
NO2+O3 → NO3+O2・・・(b)
NO2+NO3 → N2O5・・・(c)
N2O5+H2O → 2HNO3・・・(d)
以上の化学反応式から、NO:1モルからHNO3:1モルを生成するために、1.5モルのO3を必要とすることが分かる。また、NO2:1モルからHNO3:1モルを生成するために0.5モルのO3を必要とすることが分かる。
(O3目標流量)=1.5×(O3分子量/NO分子量)×(NO流量)+0.5×(O3分子量/NO2分子量)×(NO2流量)
次にステップ107に進み、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求める。オゾン生成手段6を単純な固定絞りと見做すと、空気流量Gozは下記(1)式で表される。
[(1):オゾン生成手段6を固定絞りと見做した流量式]
Goz=Coz×Aoz×{2gγ(Poz−Pe)}1/2
ここで、Coz:オゾン生成手段6の等価絞り流量係数
Aoz:オゾン生成手段6の等価の絞り断面積
g :重力の加速度
γ :空気の比重量
Poz:オゾン生成手段6の上流圧力
Pe :排気圧力
Coz、Aoz、gは予め与えられる。
γは、γ=γo×(Poz/Po)×(Ta/To)から求める。
ここで、γo:標準状態の比重量
Po :標準状態圧力
Ta :空気温度
To :標準状態温度
γo、Po、Toは予め与えられる。Taは図示しない空気温度センサから求める。
排気圧力Peは、吸気流量Gaと排気温度Teの関数として与えられるので、図7に示すマップの形で予め関係を記憶させておき、マップから検索する。図7に示すように、一般に、吸気流量Gaが多くまたは排気温度Teが高いほど、排気圧力Peが高くなる。
[(2):固定絞り38の流量式]
Gor=Cor×Aor ×{2gγ’(Pi−Poz)}1/2
γ’ =γo×(Pi/Po)×(Ta/To)
ここで、Gor:固定絞り38を通過する流量
Cor:固定絞り38の流量係数
Aor:固定絞り38の断面積
Pi:吸気スロットル17の上流圧力
空気流入通路62の途中にあるブロア39は、アイドル運転時のようにコンプレッサ14による過給が行われないときに、排気圧力に打ち勝ってオゾン生成手段6からのオゾンを含む空気を、排気管2aに送るために使用するものであり、過給圧がある状態ではブロア39は停止させている。したがって、一つの容積と見做して立式すると、
(dPoz/dt)×(Voz/R/Ta)=Gor−Goz
ここで、Voz:固定絞り38とオゾン生成手段6間の容積
R :気体定数
固定絞り38から流出する流量Gorは、吸気流量Gaや吸気スロットル17を通過する流量と比べて充分に小さいとすると、下記の関係式を導ける。
(dPi/dt)×(Vi/R/Ta)=Ga−Cth×Ath×{2 gγ”(Pi−Ps)}1/2
γ”=γo×(Pi/Po)×(Ta/To)
ここで、Pi:吸気スロットル17の上流圧力
Ps:吸気圧力
Vi:コンプレッサ14と吸気スロットル17間の容積
Cth:吸気スロットル17の流量係数
Ath:吸気スロットル17の断面積
Cth×Athはスロットル開度センサ44が検出するスロットル開度の関数として求めることができる。吸気流量Gaと吸気圧力Psは吸気流量センサ45と吸気圧力センサ40により検出する。したがって、(4)式からPiを求めることができ、求めたPiを(1)〜(3)式に導入すれば、オゾン生成手段6の上流圧力Pozとオゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求めることができる。
アイドル運転時のように、過給圧がかからないでブロア39を作動させて空気を送っている場合には、上述したような複雑な空気流量Gozを求めるプロセスは必要ではない。ブロア39によって一定の流量の空気がオゾン生成手段6に送られているとして、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求めてもよい。以上のようにして、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求め、次のステップ108に進む。
次にステップ109に進む。現在の大気の湿度として、湿度センサ43が測定した情報を取り込み、湿度レベルに応じて、ステップ108で求めたオゾン生成濃度を修正する。
図8に、第1の沿面放電装置3Aによってオゾンを生成させた場合の、湿度と周波数、オゾン濃度の関係を示す。図示されるように、湿度が高くなるとオゾン生成濃度は低下する方向にある。いかなる湿度になった場合においても目標のオゾン濃度を正しく生成させるために、図8の特性を基に作った図9の湿度係数−湿度−オゾン濃度の3次元マップによって、そのときのオゾン濃度と湿度から修正のための湿度係数を求め、オゾン濃度に湿度係数を乗じて修正オゾン生成濃度を得る。
図11に本発明の第2実施形態を示す。本実施形態のエンジン1およびNOx後処理装置3の基本構成は、図1の第1実施形態と同様であり、異なる部分について主に説明する。図11において、NOx後処理装置3は、排気冷却手段22とNOx吸収手段5の間の排気管2aに合流しオゾン含有空気を吹き込むオゾン供給通路61を有し、吸気スロットル17上流の過給された空気をオゾン生成手段6に取り込む空気流入通路62の途中に、湿気除去手段9と酸素富化空気生成手段(酸素富化手段)8を有している。上流に位置する湿気除去手段9の湿気分離フィルタ91は、分離した湿気を吸気流量センサ45下流の吸気管18に戻す通路92に、下流に位置する酸素富化空気生成手段8は、酸素貧化空気を吸気マニホールド10に戻す通路65に、それぞれ接続されている。
酸素富化膜エレメント70は、エレメントベース筐体71とカバーエレメント筐体72、そして両者に挟まれ固定された酸素富化膜73から構成されている。酸素富化膜73は、カバーエレメント筐体72内の上部空間とエレメントベース筐体71内の下部空間との間を区画している。ベースエレメント筐体71には、図の右側部に筒状の突き出し部76が設けてあり、この突き出し部76は、ベース筐体80内を左右に仕切る壁部に空けられた貫通穴75に挿入嵌合されている。嵌合部は突き出し部76外周に装着したシール部材77によって密閉されている。
水蒸気分離フィルタ91によって水蒸気成分が分離された乾いた空気は、空気入口78から酸素富化空気生成手段8の筐体内部に入り、各酸素富化膜エレメント70の左端側に達する。この乾いた空気は、カバーエレメント筐体72の左側面に設けた穴から、エレメント筐体内部に入り、 上部空間内を図の左方から右方に移動する。そして移動中に酸素富化膜73と接触し、空気中に含まれる酸素の一部が透過して下部空間に抜ける。
酸素富化膜73を通って生成された酸素富化空気は、下部空間を図の右方に移動して、ベースエレメント筐体71の右側部から突き出し部76内の貫通した通路74を抜けて酸素富化空気出口79に集められる。そして、図1に示す酸素富化空気の通路83を通ってバキュームポンプ66によって吸引・吐出され、オゾン生成手段6に流入する。
図11、12に示した本実施形態のNOx後処理装置を用いたオゾン供給流量の制御方法について、次に説明する。
図14A、14Bに、第2実施形態に適用するコントローラ4に内蔵された制御プログラムの要部を示す。図4の第1実施形態について説明した内容と変わらない部分は説明を省いて、異なる部分の説明を行う。図14Aのステップ201〜206は、図4のステップ101〜105と同じであり、同様にして、各種センサ情報からエンジン1の運転状態を知り、NOx後処理装置3に流入する排気中のNOx流量を算出して、供給するオゾン目標流量を計算により求める。
次にステップ208において、酸素富化空気生成手段の入口圧力Piと出口圧力Pvから酸素富化空気の酸素濃度を求める。
一般に、A気体とB気体の2成分気体の場合、透過後の気体中のA気体モル%yAは下記の式で与えられる(参考:「特許支援流通チャート 気体膜分離装置」1.気体膜分離装置の概要 第4頁:独立行政法人工業所有権総合情報館 発行)。
yA=50[C−{C2−4(xA/100)αAB/γ/(αAB−1)}0.5]
C=[1+{(xA/100)+γ}(αAB−1)]/γ/(αAB−1)
ここで、xA:透過前のA気体モル%
αAB:分離係数
γ:膜上下流圧力比
透過前の酸素濃度21%であるから、分離係数αABと膜上下流圧力比γを上式に入力し、透過後の酸素モル%yAを求め、酸素濃度に換算すれば、酸素富化空気の酸素濃度を求めることができる。
[(5):オゾン生成手段を固定絞りと見做した流量式]
Goz=Coz×Aoz×{2gγe(Poz−Pe)}1/2
ここで、Coz:オゾン生成手段6の等価絞り流量係数
Aoz:オゾン生成手段6の等価の絞り断面積
g :重力の加速度
γe :空気の比重量
Poz:オゾン生成手段6の上流圧力
Pe :排気圧力
Coz、Aoz、gは予め与えられる。
γeは γe=γeo×(Poz/Po)×(Ta/To)から求める。
ここで、γeo:標準状態の比重量
Po :標準状態圧力
Ta :空気温度
To :標準状態温度
γeo、Po、Toは予め与えられる。Taは図示しない空気温度センサから求める。
排気圧力Peは吸気流量Gaと排気温度Teの関数として与えられる。上述した図7に示すマップの形で予め関係を記憶させておき、マップから検索することができる。
[(6):バキュームポンプ66の吐出流量Gp]
Gp=γe×(Pv/Po) ×(Ta/To) ×Vp×{1+Cp−Cp(Poz/Pv)1/κ}×Np
ここで、Pv:酸素富化空気生成手段8の下流圧力
Vp:1回転当りのポンプ吸込み容積
Cp:ポンプ締切比
Poz:オゾン生成手段上流圧力
κ:比熱比
Np:ポンプ回転数
Vp、Cp、κは予め与えられ、ポンプ回転数Npは一定と与える。
[(7):バキュームポンプ66とオゾン生成手段6間の圧力変化式]
(dPoz/dt)×(Voz/R/Ta)=Gp−Goz
ここで、Voz:バキュームポンプ66とオゾン生成手段6間の容積
R :気体定数
ステップ211において、ステップ208で求めた酸素富化空気の酸素濃度から酸素富化係数を求め、オゾン生成濃度の修正を行う。図15に酸素濃度と酸素富化係数の関係を示す。酸素富化空気生成手段8により、流入する空気の酸素濃度が増すと、オゾン生成手段6において同じ高電圧パルス周波数を与えても、生成するオゾン濃度は大気(酸素濃度21%)を与えている場合よりも増加する。したがって、図15に示すように、大気の酸素濃度21%で作動される場合を富化係数1とし、酸素濃度21%よりも高い濃度で作動される場合は、1よりも小さい酸素富化係数を掛け合わせて補正する必要がある。酸素濃度が80%以上の場合は、酸素濃度21%の場合に対し2倍のオゾン濃度のオゾン含有空気を生成させることができるので、酸素富化係数0.5を与えている。ステップ210で求めたオゾン生成濃度を、酸素富化係数により補正することで、修正オゾン生成濃度を求める。
18 吸気管(吸気通路)
2、2a 排気管(排気通路)
3 NOx後処理装置
3A、3B 沿面放電装置(放電装置)
31 オゾン供給通路
32 空気流入通路
34、36 高電圧発生装置
4 コントローラ(制御手段)
5 NOx吸収手段
6 オゾン生成手段
60 通路
63 沿面放電ゾーン(放電空間部)
8 酸素富化空気生成手段(酸素富化手段)
66 バキュームポンプ
9 湿気除去手段
91 湿気分離フィルタ
Claims (6)
- エンジン(1)の排気通路(2a)に、オゾン生成手段(6)で生成したオゾンを供給するオゾン供給通路(61)を接続し、排気中のNOxをオゾンによって硝酸または硝酸の前駆体に変換して排気から除去するエンジン用NOx後処理装置(3)であって、
上記オゾン生成手段は、エンジンの吸気通路(18)に接続されて、エンジンの吸入空気の一部を流入させる空気流入通路(62)を有し、該空気流入通路と上記オゾン供給通路の間に形成される放電空間部(63)に、放電装置(3A、3B)を構成する電極(31、32)を上記吸入空気の流れに対して直列に配置し、上記電極に高電圧を印加して放電プラズマを発生させて、この放電空間部を通過する空気中の酸素から放電プラズマによってオゾンを生成するものであり、
エンジンの運転状態に応じて上記オゾン生成手段によるオゾン生成流量を制御する制御手段(4)を設け、上記制御手段は、上記オゾン生成手段によるオゾン生成流量を、放電プラズマを発生させる電力と、上記放電装置の総電極面積のうち動作させる電極面積の増減によって制御することを特徴とするオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。 - 上記排気通路は、過給機(15)を備えるエンジンの排気通路であり、上記吸入空気は、エンジンの過給された吸入空気であることを特徴とする請求項1記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。
- 上記オゾン生成手段は、筐体(603、604)内に設けた通路(60)に沿って複数の上記放電装置を配置し、これら複数の上記放電装置に接続される複数の高電圧発生装置(34、36)を備え、上記制御手段は、上記複数の高電圧発生装置の作動と、生成する高電圧パルス周波数とを、それぞれ独立に制御することを特徴とする請求項2記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。
- 上記オゾン生成手段の上流に湿気を除去する湿気除去手段(9)を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。
- 上記オゾン生成手段の上流に酸素富化空気を生成する酸素富化手段(8)を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。
- 上記湿気除去手段の下流で、上記オゾン生成手段の上流に酸素富化空気を生成する酸素富化手段を設けたことを特徴とする請求項4記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置。
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