JP2004092589A

JP2004092589A - 内燃機関の排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2004092589A
Application number: JP2002257700A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Ito; 伊藤　由彦; Hirobumi Shinjo; 新庄　博文; Akihiko Suda; 須田　明彦; Kazunobu Ishibashi; 石橋　一伸; Takaaki Kanazawa; 金沢　孝明
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】フィルタを用いず、かつ圧損の増大なくして、微細なものから粗大なものまで各種粒径のＰＭの排出を抑制する。
【解決手段】排ガス流路の上流側にサイクロン集塵装置を配置し、その下流側に放電プラズマを発生するプラズマ発生装置を配置した。
大きな粒径のＰＭはサイクロン集塵装置に捕集され、小さな粒径のＰＭのみがプラズマ発生装置に流入するので、放電プラズマで容易に除去でき消費電力が小さい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【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）を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０６−１４６８５２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】
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。
【０００６】
【特許文献】特開平０６−１４６８５２号
【特許文献】特許　第　３０５６６２６号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンなどからの排ガス中には、微細なものから粗大なものまで各種粒径のＰＭが含まれている。粗大粒径のＰＭはフィルタで容易に捕集することができるものの、捕集されたＰＭを放電プラズマで燃焼させようとすると多大なエネルギーが必要となり、消費電力が大きくなって自動車には適さない。
【０００８】
一方、微細粒径のＰＭを捕集するには、通り抜けを防止するために目の細かなフィルタを使用しなければならないが、そうするとＰＭの堆積によって目詰まりし圧力損失が大きくなるという重大な問題がある。さらに捕集されたＰＭを燃焼除去したとしても、残った灰分によってフィルタに目詰まりが発生し圧力損失が大きくなるという問題もある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、フィルタを用いず、かつ圧損の増大なくして、微細なものから粗大なものまで各種粒径のＰＭの排出を抑制することを目的とする。
【００１０】
【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、内燃機関から排出されたＰＭを含む排ガスを浄化する装置であって、排ガス流路に配置されたサイクロン集塵装置と、排ガス流路の該サイクロン集塵装置より下流側に配置され放電プラズマを発生するプラズマ発生装置と、よりなることにある。
【００１１】
上記排ガス浄化装置において、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以上の場合にプラズマ発生装置を駆動することが好ましい。
【００１２】
またプラズマ発生装置に流入する排ガス中のＰＭの濃度を推定する濃度推定手段と、濃度推定手段で推定された濃度に応じてプラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置とをさらに備え、制御装置は濃度が所定値以上の場合にプラズマ発生装置を駆動することも好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化装置は、サイクロン集塵装置と、排ガス流路のサイクロン集塵装置より下流側に配置され放電プラズマによって排ガス中のＰＭを燃焼するプラズマ発生装置と、より構成される。したがって排ガスは先ずサイクロン集塵装置に流入し、大きな粒径のＰＭはサイクロン集塵装置に捕集される。また小さな粒径のＰＭの一部も、旋回による遠心力で装置の周壁に集中し凝集により粒成長して捕集される。サイクロン集塵装置に捕集されたＰＭは、堆積量が多くなった時点で取り出して廃棄すればよい。
【００１４】
したがってサイクロン集塵装置から出た排ガス中には、小さな粒径のＰＭのみが含まれることになる。そしてサイクロン集塵装置から出た排ガスは、下流側に配置されたプラズマ発生装置に流入する。排ガス中のＯ_２，ＮＯ，　ＮＯ_２，　ＳＯ_２，　ＳＯ_３などの酸化性成分は、放電プラズマによってラジカル化あるいはイオン化されて活性化される。活性化された酸化性成分はＰＭとの反応活性がきわめて高いため、排ガス中のＰＭはこれらによって燃焼除去される。このとき含まれているＰＭは小さな粒径のものでありその量も少ないので、その燃焼に必要なエネルギーは小さくてすみ、放電プラズマ生成のために消費される電力を低減することができる。さらにＮＯ，　ＮＯ_２，　ＳＯ_２などの有害成分はＰＭの酸化に伴って還元されるので、ＰＭ以外の有害成分も浄化することができる。
【００１５】
すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、サイクロン集塵装置でＰＭを捕集しているので、フィルタを用いた場合のような目詰まりによる圧損の増大などの不具合が生じない。また放電プラズマを用いても、その消費電力は小さいので、自動車などの電源でも用いることができる。
【００１６】
サイクロン集塵装置は公知のものを利用できるが、小型のもので、かつ排ガス流自身のエネルギーによって駆動できるものが特に好ましく用いられる。
【００１７】
プラズマ発生装置は、一般に１０〜５０ｋＶ程度の高電圧の印加によって放電プラズマ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。例えば排ガス流路に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、流路を流れる排ガス中の酸化性成分を活性化することができる。電極の形状には特に制限はないが、細線、針状、エッジ状など放電しやすい形状とする、若しくは誘電体で覆うことが望ましい。
【００１８】
ところでプラズマ発生装置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。そこでプラズマ発生装置に対してその駆動を制御することが望ましい。
【００１９】
例えば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以上の場合にプラズマ発生装置を駆動することが好ましい。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プラズマ発生装置が駆動されるのを回避し、また加速時など排ガス中のＰＭ量が多い場合にのみプラズマ発生装置を駆動してＰＭを燃焼することができるので、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。
【００２０】
またプラズマ発生装置に流入する排ガス中のＰＭの濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段で検出されたＰＭ濃度に応じてプラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置とをさらに備え、制御装置はＰＭ濃度が所定値以上の場合にプラズマ発生装置を駆動するうぴに構成することもできる。この場合、濃度検出手段としてはスモークメータあるいは光散乱パーティクルカウンターなどのＰＭセンサを用いることができる。
【００２１】
さらに上記排ガス浄化装置において、プラズマ発生装置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することが好ましい。例えばプラズマ発生装置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、プラズマ発生装置におけるＰＭの酸化燃焼を促進することが可能となる。また三元触媒などを配置すればＨＣ及びＣＯの排出をさらに抑制でき、ＮＯ_ｘ　還元触媒などを配置すればＮＯ_ｘ　の排出をさらに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の浄化率が向上し、環境汚染をより防止することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１に本発明の一実施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に備えられたサイクロン集塵装置２と、サイクロン集塵装置２の下流側に配置されたプラズマリアクタ３とから構成されている。
【００２４】
サイクロン集塵装置２は上部に入口２０が形成され、下部に出口２１と集塵箱２２が形成されている。入口２０から流入した排ガスは内部で旋回流となり、大きな粒径のＰＭ及び遠心力で凝集したＰＭは重力によって下方へ落下して集塵箱内に捕集され、小さな粒径のＰＭを含む排ガスは出口２１から出てプラズマリアクタ３に流入する。このサイクロン集塵装置２としては、例えば接線流入式，軸流式，反転もしくは直流式サイクロン，マルチサイクロンなどを用いることができる。
【００２５】
プラズマリアクタ３は、図２及び図３に概略構成を示すように、ステンレス製で筒状の接地電極３０とステンレス製で針金状の放電電極３１とから構成され、筒状の接地電極３０内を排ガスが流れるように構成されている。そして高圧電源４から１２．５ｋＶの直流電圧が図４に示すパルス状に放電電極３１に印加されると、接地電極３０と放電電極３１との間で間欠的に放電プラズマが発生するように構成されている。
【００２６】
そして排ガス中のＯ_２，ＮＯ，　ＮＯ_２，　ＳＯ_２，　ＳＯ_３などの酸化性成分は、放電プラズマによってラジカル化あるいはイオン化されて活性化される。活性化された酸化性成分はＰＭとの反応活性がきわめて高いため、排ガス中のＰＭはこれらによって燃焼除去される。このとき含まれているＰＭは小さな粒径のものであるので、その燃焼に必要なエネルギーは小さくてすみ、消費電力を低減することができる。
【００２７】
（実施例２）
本実施例の排ガス浄化装置は、図５に示すように、プラズマリアクタ３の筒状の接地電極３０内にチタン酸バリウム製のペレット又はフォーム体３２が充填され、その中心軸に針金状の高圧電極３３が形成されていること、高圧電極３３に印加される電圧が図６に示すような１０ｋＶの交流電圧であること以外は実施例１と同様の構成である。
【００２８】
ペレット又はフォーム体３２を構成するチタン酸バリウムは誘電体であり、交流電圧の印加によって筒状の接地電極３０内に放電プラズマが均一に形成されるという効果が奏され、実施例１に比べてＰＭの浄化率がさらに向上する。
【００２９】
（実施例３）
本実施例の排ガス浄化装置は、プラズマリアクタ３の構造が異なること以外は実施例２と同様の構成である。
【００３０】
プラズマリアクタ３は、図７に示すように、板状の接地電極３０と板状の高圧電極３３とが互いに１ｍｍの間隔を隔てて交互に積層され、接地電極３０と高圧電極３３はそれぞれ誘電体であるチタン酸バリウムのフォーム体３２に覆われている。したがって高圧電極３３に１０ｋＶの交流電圧を印加することにより、それぞれの接地電極３０と高圧電極３３の間に均一な放電プラズマが発生し、実施例１に比べてＰＭの浄化率がさらに向上する。
【００３１】
（比較例１）
プラズマリアクタ３を用いず、サイクロン集塵装置２のみを用いたこと以外は実施例１と同様である。
【００３２】
（比較例２）
サイクロン集塵装置２を用いず、プラズマリアクタ３のみを用いたこと以外は実施例１と同様である。
【００３３】
（比較例３）
サイクロン集塵装置２を用いず、プラズマリアクタ３のみを用い、かつ印加される交流電圧を２０ｋＶとしたこと以外は実施例１と同様である。
【００３４】
＜評価＞
実施例及び比較例の各排ガス浄化装置について、除去できるＰＭの粒径とその除去率との関係を図８に示す。
【００３５】
各実施例の装置では、ＰＭ粒径に依存せずＰＭ除去率が高い。一方、サイクロン集塵装置２のみを用いた比較例１では、大きな粒径のＰＭは高い除去率で除去できるものの、小さな粒径のＰＭほど除去率が低下してしまう。またプラズマリアクタ３のみを用いた比較例２では、大きな粒径のＰＭほど除去率が低下し、これは大きな粒径のＰＭを燃焼することができないことを示す。プラズマリアクタ３のみを用いて大きな粒径のＰＭも燃焼除去するためには、比較例３のように放電電力を実施例２〜３より大きくしなければならない。
【００３６】
ずなわち実施例１〜３のサイクロン集塵装置２によれば、粒径に依存せず高い除去率でしかも小さな消費電力でＰＭを除去することができる。
【００３７】
（実施例４）
本実施例の排ガス浄化装置は、図９に示すように、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の信号を受けて高圧電源４を制御する制御装置５をさらに備えたこと以外は実施例１と同様の構成である。
【００３８】
以下、図１０に示すフローチャートに沿って制御装置５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。
【００３９】
ステップ　１００でディーゼルエンジン１が駆動されると、ステップ　１０１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Ｘ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。
【００４０】
次にステップ　１０２で現在のＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ以上の場合には、ステップ１０３で高圧電源４がＯＮとされ１２．５ｋＶのパルス電圧がプラズマリアクタ３に所定時間印加される。これによりプラズマリアクタ３には放電プラズマが発生し、排ガス中のＰＭが燃焼除去される。
【００４１】
一方、ステップ　１０２でＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ未満の場合には、何もせずステップ　１０１へ戻る。
【００４２】
したがって本実施例のＰＭ浄化装置によれば、ＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ未満の場合には、サイクロン集塵装置２で捕集するだけで十分と判断され、プラズマリアクタ３で処理されることなく排出される。そしてＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ以上になると、放電プラズマで活性化された酸化性成分によってＰＭが燃焼除去され、ＰＭの排出が防止される。したがってプラズマリアクタ３が駆動されるのは、現在のＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ以上の場合のみであるので、消費電力を節約できエネルギー効率がよい。
【００４３】
（実施例５）
本実施例の排ガス浄化装置は、図１１に示すように、プラズマリアクタ３へ流入する排ガス中のＰＭ濃度を検出するＰＭセンサ６をさらに備えたこと以外は実施例３と同様の構成である。
【００４４】
以下、図１２に示すフローチャートに沿って制御装置５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。
【００４５】
ステップ　２００でディーゼルエンジン１が駆動されると、ステップ　２０１でサイクロン集塵装置２に堆積しているＰＭ量Ｚが読み出される。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単位時間当たりの現在のＰＭ発生量Ｘ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。
【００４６】
次にステップ　２０３で現在のＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ以上の場合には、ステップ　２０６へ進み高圧電源４がＯＮとされて、１２．５ｋＶのパルス電圧がプラズマリアクタ３に所定時間印加される。これによりプラズマリアクタ３には放電プラズマが発生し、排ガス中のＰＭが燃焼除去される。
【００４７】
一方、ステップ　２０３でＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ未満の場合には、何もせずステップ　２０４へ進む。
【００４８】
ステップ　２０４では、ＰＭセンサ６の検出信号からプラズマリアクタ３へ流入する排ガス中の現在の単位時間当たりのＰＭ量Ｙが算出される。
【００４９】
そしてステップ　２０５で現在のＰＭ量Ｙが所定値Ｂ以上の場合には、ステップ　２０６で高圧電源４がＯＮとされ２０ｋＶのパルス電圧がプラズマリアクタ３に所定時間印加される。これによりプラズマリアクタ３には放電プラズマが発生し、排ガス中のＰＭが燃焼除去される。
【００５０】
一方、ステップ　２０５でＰＭ量Ｙが所定値Ｂ未満の場合には、何もせずステップ２０７へ進む。ステップ　２０７では、ディーゼルエンジン１の駆動時間ｔより、Ｚ＝Ｚ＋（Ｘ−Ｙ）＊ｔの演算によってサイクロン集塵装置２に捕集されたＰＭ量Ｚが更新される。ステップ　２０８ではサイクロン集塵装置２に捕集されたＰＭ量Ｚが所定値Ｃ以上であるかどうかが判定され、ＰＭ量ＺがＣ以上である場合は、ステップ　２０９でサイクロン集塵装置２の集塵箱２２に堆積したＰＭを廃棄すべき旨の警告ランプを点灯させる。一方、ＰＭ量ＺがＣに満たない場合はステップ　２０２に戻る。
【００５１】
したがって本実施例のＰＭ浄化装置によれば、ＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ未満であり、かつＰＭ量Ｙが所定値Ｂ未満の場合には、サイクロン集塵装置２で捕集するだけで十分と判断され、プラズマリアクタ３で処理されることなく排出される。そしてＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ以上になると、放電プラズマで活性化された酸化性成分によってＰＭが燃焼除去され、ＰＭの排出が防止される。
【００５２】
さらに、ＰＭ発生量Ｘが所定値Ａ未満の場合であっても、プラズマリアクタ３へ流入するＰＭ量Ｙが所定値Ｂ以上の場合には、放電プラズマで活性化された酸化性成分によってＰＭが燃焼除去され、ＰＭの排出が防止される。したがってプラズマリアクタ３が駆動されるのは、現在のＰＭ量Ｙが所定値Ｂ以上の場合のみであるので、消費電力を節約できエネルギー効率がよい。
【００５３】
また警告ランプの点灯によって集塵箱２２内に堆積したＰＭを廃棄すべき時期を知ることができるので、集塵箱２２内からＰＭが溢れるような不具合を未然に防止することができる。
【００５４】
【発明の効果】
すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、サイクロン集塵装置でＰＭを捕集しているので、フィルタを用いた場合のような目詰まりによる圧損の増大などの不具合が生じない。また放電プラズマを用いても、その消費電力は小さいので、自動車などの電源でも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いたプラズマ発生装置の横断面図である。
【図３】本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いたプラズマ発生装置の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施例の排ガス浄化装置における印加電圧の波形図である。
【図５】本発明の第２実施例の排ガス浄化装置に用いたプラズマ発生装置の縦断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置における印加電圧の波形図である。
【図７】本発明の第３の実施例の排ガス浄化装置に用いたプラズマ発生装置の縦断面図である。
【図８】実施例及び比較例の排ガス浄化装置のＰＭ粒径とＰＭ除去率の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第４の実施例の排ガス浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４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１１】本発明の第５の実施例の排ガス浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第５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。
【符号の説明】
１：ディーゼルエンジン　２：サイクロン集塵装置　３：プラズマリアクタ
４：高圧電源　　　　　　５：制御装置　　　　　　６：ＰＭセンサ
１０：排ガス流路　　　　　３０：接地電極　　　　　　３１：放電電極

Claims

内燃機関から排出された粒子状物質を含む排ガスを浄化する装置であって、排ガス流路に配置されたサイクロン集塵装置と、該排ガス流路の該サイクロン集塵装置より下流側に配置され放電プラズマを発生するプラズマ発生装置と、よりなることを特徴とする排ガス浄化装置。
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、該含有量が所定値以上の場合に前記プラズマ発生装置を駆動する請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
前記プラズマ発生装置に流入する排ガス中の前記粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段と、該濃度検出手段で検出された濃度に応じて前記プラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置とをさらに備え、該制御装置は該濃度が所定値以上の場合に前記プラズマ発生装置を駆動する請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。