JP2004346828A

JP2004346828A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004346828A
Application number: JP2003144716A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Shimoda; 正敏下田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09
Also published as: CN1791736A; CN100408834C

Abstract

【課題】パティキュレート及びＮＯｘの同時低減化を図りながら、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートフィルタを確実に再生し且つ良好なＮＯｘ低減効果を得られるようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管９の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタ１０を装備した排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ１０の後段に、排気ガス８中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ低減触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１）を設けると共に、前記パティキュレートフィルタ１０の前段には、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置１２を設け、該プラズマ発生装置１２を排気温度が低い運転状態で作動せしめるように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、例えば白金等の貴金属系の酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させたり、パティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を別体で配置するようにした触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
【０００６】
また、排気ガス中におけるＮＯｘの低減対策としては、排気管の途中にＮＯｘ低減触媒を装備することが従来より行われており、この種のＮＯｘ低減触媒としては、酸素共存下でも選択的にＮＯｘを尿素等の還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒（例えば、特許文献２参照）や、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯｘを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯｘを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯｘ吸蔵還元触媒（例えば、特許文献３参照）等が知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２２０１５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３１７３４６号公報
【特許文献３】
特開２００２−９７９４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら触媒再生型のパティキュレートフィルタ及びＮＯｘ低減触媒の何れを採用した場合であっても、十分な触媒活性を得るために所定温度以上の排気温度が必要となるので、排気温度が低い運転状態（一般的に軽負荷の運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、パティキュレートの確実な燃焼除去や良好なＮＯｘの低減化を図ることができないという問題があり、例えば、都内の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、触媒再生型のパティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに目詰まりを生じたり、ＮＯｘ低減触媒による良好なＮＯｘ低減効果が得られなかったりする虞れがあった。
【０００９】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレート及びＮＯｘの同時低減化を図りながら、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートフィルタを確実に再生し且つ良好なＮＯｘ低減効果を得られるようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気管の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタの後段に、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ低減触媒を設けると共に、前記パティキュレートフィルタの前段には、排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、該プラズマ発生装置を排気温度が低い運転状態で作動せしめるように構成したことを特徴とするものである。
【００１１】
而して、排気温度が低い運転状態において、排気ガス中にプラズマ発生装置で放電を行うと、排気ガスが励起して、活性のラディカルが発生し、ＮＯはＮＯ_２になり、これらの排気ガス励起成分が活性化状態となっていることから、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの酸化反応が前記排気ガス励起成分により促進され、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートが良好に燃焼除去されることになる。
【００１２】
更に、この捕集済みパティキュレートの酸化反応で余剰したＮＯ_２等の比較的安定な排気ガス励起成分は、そのまま後段のＮＯｘ低減触媒へと流れ込み、該ＮＯｘ低減触媒にて効率良くＮＯｘの低減化が図られることになる。
【００１３】
例えば、ＮＯｘ低減触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒である場合には、プラズマ発生装置の放電により排気ガス中のＮＯｘの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ_２となってＮＯｘ吸蔵還元触媒に流れ込む結果、このＮＯ_２が効率良く硝酸塩の状態で吸蔵されることになるので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの吸蔵反応が著しく促進され、プラズマアシストを行わない場合よりも高いＮＯｘ低減効果が得られる。
【００１４】
また、吸蔵したＮＯｘを分解放出させるに際しては、エンジン側でポスト噴射等を実行して排気ガス中に燃料添加を行えば良く、このようにすれば、排気ガス中の酸素濃度が低下し且つ排気ガス中の未燃の炭化水素やＣＯ等の還元成分が増加してＮＯｘの分解放出が促されることになる。
【００１５】
この際、前段のパティキュレートフィルタの酸化触媒にて未燃の炭化水素が酸素と反応して熱分解することによりＣＯや水素が生じているので、これらＣＯや水素の増加によりＮＯｘ吸蔵還元触媒からのＮＯｘの分解放出反応及び該ＮＯｘの還元浄化反応が著しく促進されることになる。
【００１６】
一方、ＮＯｘ低減触媒が選択還元型触媒である場合には、プラズマ発生装置の放電により排気ガス中のＮＯｘの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ_２となって選択還元型触媒に流れ込む結果、この選択還元型触媒の上流側に添加装置を備えて尿素等の還元剤を排気ガス中に添加すると、選択還元型触媒上でＮＯ_２が効率良くＮ_２に還元され、プラズマアシストを行わない場合よりも高いＮＯｘ低減効果が得られる。
【００１７】
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、排気温度を検出する温度センサと、該温度センサからの検出信号に基づき排気温度が所定値以下である時にプラズマ発生装置を作動せしめる制御装置とを備えることが好ましく、しかも、この制御装置に関しては、プラズマ発生装置の作動時に排気温度に応じプラズマ発生量を最適化し得るように構成しておくと良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。
【００２０】
また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８を前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を触媒再生型のパティキュレートフィルタ１０（図示では酸化触媒を一体的に担持した場合を例示する；別体の酸化触媒を前段配置しても可）を通してパティキュレートを捕集した上で排出するようにしてある。
【００２１】
そして、このパティキュレートフィルタ１０の後段には、排気ガス８中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ低減触媒としてフロースルー形式のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１が配設されており、この種のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１には、白金・バリウム・アルミナ触媒や、イリジウム・白金・バリウム・アルミナ触媒等が既に知られている。
【００２２】
更に、前記パティキュレートフィルタ１０の前段には、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置１２が配設されており、このプラズマ発生装置１２は、電極１３，１４を対向配置して相互間に放電を行い得るようにしてあるが、この電極１３，１４の相互間距離がほぼ一様に設定できるものであれば、板型、ロッド型、円筒型等の様々な形状を適宜に採用することが可能である。
【００２３】
また、各電極１３，１４に対しては、放電制御ユニット１５を介し電源１６を接続した構造となっており、特に本形態例では、電源１６として車両搭載のバッテリを想定しているので、放電制御ユニット１５により電源１６の電圧を放電可能な適切な電圧まで高めて各電極１３，１４へ給電するようにしてある。
【００２４】
ここで、前記プラズマ発生装置１２の作動は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を成す制御装置１７からの指令信号１５ａを受けた放電制御ユニット１５により実行されるようになっており、他方、この制御装置１７においては、プラズマ発生装置１２の入側で排気温度を検出する温度センサ１８からの検出信号１８ａが入力されるようになっていて、この検出信号１８ａに基づき排気温度が所定値以下である時にプラズマ発生装置１２が作動されるようになっている。
【００２５】
ただし、所定値以下の排気温度で常にプラズマ発生装置１２を作動させなくても、例えば、パティキュレートフィルタ１０の圧損を圧力センサで検出する等してパティキュレートの堆積量を判定し、その堆積量が多いと判定されている条件下でのみ所定値以下の排気温度でプラズマ発生装置１２を作動させるようにしても良い。尚、パティキュレートの堆積量は、運転状態に基づき発生量と処理量を推定して時々刻々積算して求めたり、運転時間を目安として判定したりすることが可能である。
【００２６】
また、特に本形態例においては、プラズマ発生装置１２の作動時に排気温度に応じプラズマ発生量が最適化されるようになっており、より具体的には、図２にグラフで示す如く、制御装置１７において、排気温度が所定値ｘより低くなるに従いプラズマ発生量が多くなるような最適化が電圧、電流、周波数等の調整により実行され、これにより必要以上の無駄なプラズマ発生が抑制されて消費電力が必要最小限に抑えられるようになっている。
【００２７】
而して、排気温度が低い運転状態において、温度センサ１８からの検出信号１８ａに基づき制御装置１７から指令信号１５ａが出力され、この指令信号１５ａを受けた放電制御ユニット１５によりプラズマ発生装置１２が作動されて排気ガス８中に放電が行われると、該排気ガス８が励起して、活性のラディカルが発生し、ＮＯはＮＯ_２になり、これらの排気ガス励起成分が活性化状態となっていることから、パティキュレートフィルタ１０に捕集されたパティキュレートの酸化反応が前記排気ガス励起成分により促進され、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートが良好に燃焼除去されることになる。
【００２８】
事実、本発明者による検証実験によれば、図３のグラフ中で実線で示す通り、プラズマアシスト（プラズマ発生装置１２による放電）を行わない場合に、少なくとも約２３０℃程度の排気温度がないと捕集済みパティキュレートの燃焼が起こらないが、プラズマアシストを行う場合には、図３のグラフ中で鎖線で示す通り、２３０℃以下の排気温度でも所要の燃焼速度で捕集済みパティキュレートの燃焼が起こることが確認された。
【００２９】
更に、このパティキュレートフィルタ１０における捕集済みパティキュレートの酸化反応で余剰したＮＯ_２等の比較的安定な排気ガス励起成分は、そのまま後段のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１へと流れ込み、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１にて効率良くＮＯｘの低減化が図られることになる。
【００３０】
即ち、プラズマ発生装置１２の放電により排気ガス８中のＮＯｘの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ_２となってＮＯｘ吸蔵還元触媒１１に流れ込む結果、このＮＯ_２が効率良く硝酸塩の状態で吸蔵されることになるので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１におけるＮＯｘの吸蔵反応が著しく促進され、プラズマアシストを行わない場合よりも高いＮＯｘ低減効果が得られる。
【００３１】
事実、本発明者による検証実験によれば、図４のグラフ中で実線で示す通り、プラズマアシストを行わない場合に、少なくとも２５０℃〜３００℃程度の排気温度がないとＮＯｘ低減率が立ち上がってこないが、プラズマアシストを行う場合には、図４のグラフ中で鎖線で示す通り、２５０℃〜３００℃を大幅に下まわるかなり低い排気温度からＮＯｘ低減率が立ち上がってくることが確認された。
【００３２】
また、吸蔵したＮＯｘを分解放出させるに際しては、ディーゼルエンジン１側でポスト噴射等を実行して排気ガス８中に燃料添加を行えば良く、このようにすれば、排気ガス８中の酸素濃度が低下し且つ排気ガス８中の未燃の炭化水素やＣＯ等の還元成分が増加してＮＯｘの分解放出が促されることになる。
【００３３】
この際、前段のパティキュレートフィルタ１０に担持された酸化触媒にて未燃の炭化水素が酸素と反応して熱分解することによりＣＯや水素が生じているので、これらＣＯや水素の増加によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１１からのＮＯｘの分解放出反応及び該ＮＯｘの還元浄化反応が著しく促進されることになる。
【００３４】
従って、上記形態例によれば、排気温度が低い運転状態でプラズマ発生装置１２を作動させ、該プラズマ発生装置１２による放電で排気ガス８中に活性の高い排気ガス励起成分を生成し、この排気ガス励起成分により捕集済みパティキュレートの酸化反応とＮＯｘ吸蔵還元触媒１１でのＮＯｘ吸蔵反応とを著しく促進することができるので、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートフィルタ１０を確実に再生し且つＮＯｘ吸蔵還元触媒１１による良好なＮＯｘ低減効果を得ることができる。
【００３５】
また、プラズマ発生装置１２を排気温度が低い運転状態でのみ作動せしめ、しかも、その作動時に排気温度に応じプラズマ発生量を最適化するようにしているので、必要以上の無駄なプラズマ発生を極力回避して消費電力の大幅な抑制を図ることができる。
【００３６】
更に、以上に説明した図１〜図４の形態例においては、ＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元触媒１１を採用した場合を例示したが、このＮＯｘ吸蔵還元触媒１１に替えて、尿素とＮＯｘとの反応選択性を高めた選択還元型触媒を採用することも可能であり、このようにした場合には、プラズマ発生装置１２の放電により排気ガス８中のＮＯｘの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ_２となって選択還元型触媒に流れ込む結果、この選択還元型触媒の上流側に図示しない尿素添加装置等を備えて尿素を排気ガス８中に添加すると、この尿素を還元剤として選択還元型触媒上でＮＯ_２が効率良くＮ_２に還元され、プラズマアシストを行わない場合よりも高いＮＯｘ低減効果が得られることになる。
【００３７】
事実、本発明者による検証実験によれば、図５のグラフ中で実線で示す通り、プラズマアシストを行わない場合に、少なくとも２００℃〜２５０℃程度の排気温度がないとＮＯｘ低減率が立ち上がってこないが、プラズマアシストを行う場合には、図５のグラフ中で鎖線で示す通り、２００℃〜２５０℃を大幅に下まわるかなり低い排気温度からＮＯｘ低減率が立ち上がってくることが確認された。
【００３８】
従って、ＮＯｘ低減触媒として選択還元型触媒を採用した場合であっても、プラズマ発生装置１２によるプラズマアシストを受けることで良好なＮＯｘ低減効果を得ることができ、先の形態例の場合と同様の作用効果を奏することが可能である。
【００３９】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気温度を直接計測する以外に、エンジンの回転数と負荷とを検出して運転状態を推定し、排気温度が低い運転領域にあると推定された運転状態でプラズマ発生装置を作動させるようにしても良いこと、また、ＮＯｘ低減触媒として選択還元型触媒を採用した場合に還元剤として尿素以外のものを採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、排気温度が低い運転状態であってもパティキュレートフィルタを確実に再生し且つＮＯｘ低減触媒による良好なＮＯｘ低減効果を得ることができ、しかも、必要以上の無駄なプラズマ発生を極力回避して消費電力の大幅な抑制を図ることができる等の種々の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】排気温度とプラズマ発生量との関係を示すグラフである。
【図３】排気温度と捕集済みパティキュレートの燃焼速度との関係を示すグラフである。
【図４】ＮＯｘ吸蔵還元触媒での排気温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフである。
【図５】選択還元型触媒での排気温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
８排気ガス
９排気管
１０パティキュレートフィルタ
１１ＮＯｘ吸蔵還元触媒
１２プラズマ発生装置
１５放電制御ユニット
１５ａ指令信号
１６電源
１７制御装置
１８温度センサ
１８ａ検出信号

Claims

排気管の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタの後段に、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ低減触媒を設けると共に、前記パティキュレートフィルタの前段には、排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、該プラズマ発生装置を排気温度が低い運転状態で作動せしめるように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
排気温度を検出する温度センサと、該温度センサからの検出信号に基づき排気温度が所定値以下である時にプラズマ発生装置を作動せしめる制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
プラズマ発生装置の作動時に排気温度に応じプラズマ発生量を最適化し得るように制御装置を構成したことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。