JP2005537419A - イオン化空気注入を用いるガスイオン化システムを含む、排気ガス処理システム - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車両燃焼エンジン（１０）、特に希薄燃焼ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気ガス（Ｇ）を処理するためのシステム（１６）であって、既燃ガス（Ｇ）排気回路（１４）を含み、前記排気回路（１４）が既燃ガス（Ｇ）イオン化システム（２２）を含むタイプのものであり、前記排気回路（１４）は前記既燃ガス（Ｇ）イオン化システム（２２）の上流および／または下流にイオン化空気注入システム（２４）を含むことを特徴とする処理システム（１６）を提案する。

Description

本発明は自動車燃焼エンジン、特に希薄燃焼のディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気ガス処理システムであって、既燃ガス排気回路を含み、前記排気回路が既燃ガスイオン化システムを含むタイプのものを提案する。

車両の排出物質を律する法規は主に４つのタイプの汚染物質に関わる：未燃炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘおよび微粒子である。

過剰な酸素を用いて作動するエンジン、すなわち希薄燃焼のガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの場合、未燃炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯの排出物質は二酸化炭素ＣＯ_２に高比率で変換する酸化触媒を使用することで削減される。

この酸化反応は触媒温度が高ければ高いほどいっそう効率的になる。従って触媒は各々のエンジンシリンダーの燃焼室の出口のできるだけ近くに配置される。

窒素酸化物ＮＯｘは「ＮＯｘトラップ」と呼ばれる窒素酸化物ＮＯｘのトラップを用いて処理することができる。

希薄燃焼エンジンの場合、窒素酸化物トラップの使用はそのトラップを通る排気ガスの燃料−空気の比率を局所的に増加させるおそれにより制約を受ける。

しかし、今日、窒素酸化物ＮＯｘおよび未燃炭化水素ＨＣを処理するこれらのシステムが未だに非常にわずかしか使用されていないのは、それらの効率が全ての運転条件において最適なものではないからである。さらに、それらのコストは無視できるものではなく、かつそれらの使用は実質的に余分な燃料を消費させる。

効率の欠如に対処するために、これらのシステムを非熱的プラズマ技術と結合させる研究が現在進行中である。

前記技術は、気体分子と放電によって生成する高エネルギーの電子とを衝突させることにより、準安定種、フリーラジカルおよび高反応性イオンを媒質の温度を上昇させることなく形成させることに在る。

この放電は高電圧高周波数のシグナルを二つの電極（これらの幾何的外形は異なるものであってもよい）の間にかけることで得られる。いわゆる希薄混合気燃焼エンジンの排気ガスにおいて、このような放電は、一酸化窒素ＮＯの二酸化窒素ＮＯ_２への酸化、未燃残留物からの部分的に酸化された炭化水素の形成、そして最終的には微粒子の活性化をもたらす酸化反応のような反応を促進することで、ガス混合物の組成を変化させる。

窒素酸化物ＮＯｘを還元するための触媒後処理システムと併用すると、このようなプラズマ発生放電器（触媒の上流または触媒中に設置される）は、触媒単独で得られるものよりも高い還元速度をより広い温度範囲で得る役割を果す。

微粒子フィルタと併用すると、プラズマ発生放電器は燃焼煤煙の反応（これは濾過材を再生するのに必要である）を促進する。実際に、オゾンＯ_３および二酸化窒素ＮＯ_２のような酸化性活性種および部分酸化炭化水素および活性煤煙のような還元性種の形成はより低温で微粒子酸化の開始を促進する。

より一層高い還元効率を保証するために、一酸化窒素ＮＯの二酸化窒素ＮＯ_２への最適な変換を得ることがまず必要である。

一般的に、二つの主反応が一酸化窒素ＮＯの二酸化窒素ＮＯ_２への酸化をもたらす：
ＮＯ + Ｏ + Ｍ → ＮＯ_２ + Ｍ （ここでＭ = Ｎ_２ または Ｏ_２） および
ＮＯ + Ｏ_３ → ＮＯ_２ + Ｏ_２
非熱的プラズマを「オゾナイザー」として周囲空気の処理を通して使用する場合、ｋＷｈ消費当たり５０ｇまでオゾンＯ_３を生成することが可能である。この場合、周囲空気において形成される原子酸素はオゾンＯ_３の形成に十分に利用できる。

一酸化窒素ＮＯ生成反応のようなオゾンＯ_３の生成反応との競争反応は、一酸化窒素ＮＯ形成の速度に有利である温度上昇をもたらすのに十分な電力入力を用いる場合にのみ著しく起きる。オゾン生成を制限するパラメータは温度（オゾンＯ_３は熱力学的に６００−６５０Ｋ以上では不安定である）および水蒸気（水分含有量）である。

２００１年４月に韓国において開催された「汚染物質抑制のための非熱的プラズマ技術」に関する会議で発表された刊行物「マルチポイント対平板（Multipoint-to-plane）の電極を使用する絶縁バリア放電におけるＮＯ酸化方法」および「ディーゼルエンジン排出物に対するオゾン注入方法によるＮＯｘの除去」において、非熱的プラズマによってイオン化された空気、すなわち高濃度のオゾンＯ_３を含む空気を排気ガスに注入することが提案された。

このような方法は排気ガスに存在する窒素酸化物ＮＯｘの量を削減させるのには著しく役に立つが、その効率は約６０％に制限される。

本発明の目的は非熱的プラズマによる窒素酸化物の処理を改良することである。

従って、本発明は上に記載されたタイプであって、排気回路が既燃ガスイオン化システムの上流および／または下流にイオン化空気注入システムを含むことを特徴とする処理システムを提案する。

本発明の他の特徴によると：
− イオン化空気注入システムは、周囲空気中に存在する酸素の一部をオゾンに変換する、周囲空気をイオン化するための手段を含む；
− 空気イオン化手段および既燃ガスイオン化システムは各々、非熱的プラズマ発生放電タイプの少なくとも１つの反応器からなる；
− 既燃ガスイオン化システムは連続して配置された複数の反応器を含み、連続的に既燃ガスをイオン化する；
− 複数の反応器は１つの容器の別々のコンパートメントである；
− 排出回路は窒素酸化物を処理するための触媒を含み、触媒はイオン化空気注入システムの下流に位置している。

本発明の他の特徴および利点は以下の詳細な記載をこれに添付した図面を参照しながら読むことによって明らかになるであろう。

以下の記載において、同一、同様または類似の要素を同じ参照番号により示す。

図１は内熱機関１０を示し、これは本発明の教示に従って作成されている。

ここでのエンジン１０は希薄燃焼のディーゼルタイプまたはガソリンタイプであり、すなわち、それは化学量論的な条件に対して相対的に酸素が過剰な状態で作動する。

エンジン１０は入口ガス取り入れ回路１２および既燃ガスＧ排気回路１４を含む。

排気回路１４は汚染物質抑制デバイス１６を含み、これは既燃ガスＧを処理して汚染物質の空気への放出を制限する。

汚染物質抑制デバイス１６は既燃ガスＧを処理するためのシステム１８を含み、これは一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ_２に変換する役割を果す。処理システム１８の下流に、汚染物質抑制デバイス１６は触媒２０を含み、これは二酸化窒素ＮＯ_２を処理してそれを空気の本来の成分である窒素Ｎ_２および酸素Ｏ_２に変換する。

図２に示したように、処理システム１８は既燃ガスＧイオン化システム２２を含み、これは非熱的プラズマ発生放電タイプの反応器３２からなる。

この反応器を一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ_２に酸化させるために使用する。一酸化窒素ＮＯは二酸化窒素ＮＯ_２に直接的に、または原子酸素を介して間接的に酸化される。実際、あいにく、この主題に関して行われた全ての研究により確認されているように、一酸化窒素ＮＯの二酸化窒素ＮＯ_２へのこの変換が完了することはあり得ず、実際には漸近限界に向かう傾向がある。これは、特に、二酸化窒素ＮＯ_２が、還元反応
ＮＯ_２ + Ｏ → ＮＯ + Ｏ_２
が最初の酸化反応を中和させるような濃度に達するからである。

この目的のために、および本発明に従い、処理システム１８はイオン化空気注入システム２４を含み、これはここでは既燃ガスＧイオン化システム２２の下流に配置されている。しかし、本発明の変形（図示しない）では、イオン化空気注入システム２４は既燃ガスＧイオン化システム２２の上流に配置される。

このイオン化空気注入システム２４は空気イオン化システム２６を含み、これは非熱的プラズマ発生放電タイプの反応器からなる。

これらの反応器２２、２６、３２において作られるプラズマはいわゆる非熱的プラズマであり、「コロナ放電」タイプの放電により生成される。プラズマは、さまざまな構成の、裸のまたは絶縁バリアで被覆された電極間に生成される。電極の構成は、平行平板から、少なくとも１つの絶縁バリアをもつ場合には、非常に不均一な印加電場を伴う形状（マルチポイント対平板、共平面のワイヤ／スクリュー対平板、同軸のワイヤ／スクリュー対円筒など）にまでわたる。

電極間スペーシング（絶縁体のない場合には電極間の、１つだけ絶縁バリアが存在する場合は電極と絶縁体との間の、２つの絶縁バリアが存在する場合は絶縁体間の距離として定義される）は反応器の各々で同一または異なっていてもよく、さらに処理条件（例えば、処理すべきガススループット）に応じて変化してもよい。

ガス流出物は大気圧またはそれとは異なる圧力で注入され、プラズマに対して垂直または平行に流れることができる。最終的に、採用される幾何構造に依存して、反応器２２、２６、３２の電源（各々の反応器２２、２６、３２に共通または別々でよい）は直流、パルスまたは交流であり得る様々な電圧を供給する。

イオン化空気注入システム２４は周囲空気取り入れ回路２８を含み、これは反応器２６を周囲空気に空気フィルタ（図示しない）を通して連結する。

本発明によると、反応器２６は空気に存在する酸素ＯをオゾンＯ_３に変換し、かつｋＷｈ消費当たり約５０ｇのオゾンＯ_３を生成することができる。

生成されたオゾンＯ_３を含むイオン化空気は次に注入ライン３０を通して既燃ガスＧイオン化システム２２の下流で排気回路１４に注入され、生成されたオゾンＯ_３は、イオン化空気注入システム２４が既燃ガスＧイオン化システムの上流に配置されている場合は既燃ガスＧに最初に存在する一酸化窒素ＮＯと反応し、またはイオン化空気注入システム２４が既燃ガスＧイオン化システム２２の下流に配置されている場合は既燃ガスＧに存在する残留一酸化窒素ＮＯと反応する。

処理システム１８は空気イオン化反応器２６を制御する手段をさらに含み（図示しない）、全ての一酸化窒素ＮＯを変換するために必要な量のオゾンＯ_３を生成する。

これは既燃ガスＧに存在する全ての一酸化窒素ＮＯを変換することを可能にする。

図３に示した本発明の第１の変形によると、ガスイオン化システム３２は複数（ここでは３つ）の反応器３２を含み、これらは直列に配置され、既燃ガスＧを連続的にイオン化する。

既燃ガスＧが複数回イオン化されるので二酸化窒素ＮＯ_２に変換される一酸化窒素ＮＯの量は上で定義した漸近限界値に近く、その結果、イオン化空気注入システムは少量のオゾンＯ_３を生成する必要があるに過ぎない。

図３および図５に示した本発明の好ましい実施形態によると、複数の反応器３２は１つの容器の複数のコンパートメントであり、これらは互いに壁３４（気密であっても、そうでなくてもよい）により隔離されている。

図４および図５に示した本発明の第２の変形によると、ガスイオン化システム２２のそれと空気イオン化システム２６のそれの２つの反応器は１つの容器の２つのコンパートメントであり、互いに気密な壁３４により隔離されている。

この変形によると、ガスイオン化システム２２は、図２および図４に示したように、１つの反応器３２だけ、または連続して配置されている複数の反応器３２（それら自身が１つの容器の複数のコンパートメントである）を含んでいてもよい。

このような配置は処理デバイス１８（そのときには１つの容器からなる）の合計体積を削減することを可能とする。

処理デバイス１８のどの実施形態でも、複数の反応器２６、３２は、単一の電源によって、または関係している反応器２６、３２の機能に依存して同一または異なっていてもよい複数の高圧電源によって供給される。

本発明による処理システムを含む燃焼エンジン排気ラインの概略的表示。 図１に示した処理システムの概略的表示。 図２と同様の図で、本発明の変形を示す図。 図２と同様の図で、本発明の変形を示す図。 図２と同様の図で、本発明の変形を示す図。

Claims (3)

1. 自動車燃焼エンジン（１０）、特に希薄燃焼ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気ガス（Ｇ）を処理するためのシステム（１６）であって、既燃ガス（Ｇ）排気回路（１４）を含み、前記排気回路（１４）が既燃ガス（Ｇ）イオン化システム（２２）と前記既燃ガス（Ｇ）イオン化システムの上流および／または下流にあるイオン化空気注入システム（２４）とを含むタイプのものであり、前記イオン化空気注入システム（２４）は周囲空気中に存在する酸素の一部をオゾンに変換する、周囲空気をイオン化させるための手段（２６）を含み、前記空気イオン化手段（２６）および前記既燃ガス（Ｇ）イオン化システム（２２）が各々非熱的プラズマ発生放電タイプの少なくとも１つの反応器（２６、３２）からなるタイプのものであり、
   前記既燃ガス（Ｇ）イオン化システム（２２）は連続して配置された複数の反応器（３２）を含み、前記複数の反応器（３２）は連続的に前記既燃ガス（Ｇ）をイオン化することを特徴とする処理システム（１６）。
2. 前記複数の反応器は１つの容器（１８）の別々のコンパートメントであることを特徴とする請求項１記載の処理システム（１６）。
3. 前記排気回路（１４）は窒素酸化物を処理するための触媒（２０）を含み、触媒は前記イオン化空気注入システム（２４）の下流に位置することを特徴とする請求項１または２記載の処理システム（１６）。

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