JP2006132483A - Exhaust emission control device, exhaust emission control method and control method - Google Patents

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Masaaki Okubo
雅章 大久保
Jukoku Cho
樹国 張
Toshiaki Yamamoto
俊昭 山本
Tomoyuki Kuroki
智之 黒木
Hiroshi Tabata
洋 田畑
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small and simple exhaust emission control device capable of highly efficiently and inexpensively performing simultaneous removal of NOx, soot and hydrocarbon in exhaust gas from an internal combustion engine etc. including oxygen at low temperature, even when the exhaust emission control device is a dry type and uses no ammonia, urea and a catalyst, and an exhaust emission control method and a manufacturing method of the exhaust emission control device. <P>SOLUTION: The exhaust emission control device 1 is provided with an oxygen sensor 10 or an air fuel ratio sensor 10' arranged on an exhaust passage 5 of the internal combustion engine 11, having an adsorbing filter 7 and a plasma reactor 6 arranged on the exhaust passage 5 or outside the exhaust passage 5, and detecting oxygen concentration in exhaust gas; and an electronic control part 9 making the adsorbing filter 7 perform emission control when the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 or the air fuel ratio sensor 10' exceeds a predetermined value, and reducing the oxygen concentration in exhaust gas and operating the plasma reactor 6 when adsorption amount of the adsorbing filter 7 exceeds a predetermined value. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関からの排気ガスに対して、プラズマの間欠的印加により総消費電力をできる限り抑え、原則として無触媒で、湿式処理、アンモニア注入や集じん処理などの付加的な処理を行わず、乾式で高効率かつ省エネルギーに行うための排気浄化装置及び排気浄化方法並びにその制御方法に関する。   The present invention suppresses the total power consumption as much as possible by intermittently applying plasma to exhaust gas from an internal combustion engine such as a diesel engine. In principle, it is non-catalytic, and includes wet processing, ammonia injection, dust collection processing, etc. The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus, an exhaust gas purification method, and a control method thereof for performing dry, high efficiency and energy saving without performing a typical process.

近年、内燃機関、ボイラ、ガスタービン、自動車のディーゼルエンジン等の燃焼装置で発生した燃焼ガスを排気系を経由して排出する際における排気ガスの規制が強化されつつある。これに伴い、燃料の組成改善、エマルジョン化あるいは排気ガスの燃焼装置への再循環、燃焼自体の改善等の燃焼装置側の改良がなされる一方で、上記燃焼装置から排出される排気ガス中の有害成分特に窒素酸化物(NOx)を、アンモニア又は尿素を高温触媒に吹き込み還元除去する乾式選択触媒還元処理(SCR方式、Selective Catalytic Reduction)、すすなどの微粒子(PM、 Particulate Matter)をDPF(Diesel Particulate Filter、ディーゼル微粒子フィルタ)を用いて捕集し、酸化触媒により燃焼除去処理する連続再生捕集処理(CRT方式、 Continuous Regeneration Trap)が行われている。   In recent years, regulations on exhaust gas when exhausting combustion gas generated in a combustion apparatus such as an internal combustion engine, a boiler, a gas turbine, or a diesel engine of an automobile via an exhaust system are being strengthened. Along with this, improvements on the combustion device side such as improvement of fuel composition, emulsification or recirculation of exhaust gas to the combustion device, improvement of combustion itself, etc. are made, while in the exhaust gas discharged from the combustion device Hazardous components, especially nitrogen oxides (NOx), dry selective catalytic reduction (SCR method, Selective Catalytic Reduction) by blowing ammonia or urea into a high temperature catalyst, fine particles (PM, Particulate Matter) such as soot are DPF (Diesel) A continuous regeneration trap (CRT method, Continuous Regeneration Trap) is performed in which the particulate collection is performed using a Particulate Filter (diesel particulate filter) and burned and removed using an oxidation catalyst.

また、別のPMとNOxの同時浄化システムとして、DPF(Diesel Particulate Filter、ディーゼル微粒子フィルタ)とNOx吸蔵還元触媒を組み合わせたDPNR方式(Diesel Particulate−NOx Reduction、 ディーゼル微粒子−NOx還元)が提案されている(非特許文献1、特許文献1)。この方式は、セラミックハニカムDPFに三元触媒とNOx吸蔵材料(アルカリやアルカリ土類金属等)を担持させた構造をもつ。通常運転モードでは排ガス中に酸素(O2)が多く、NOxの大部分を占める一酸化窒素(NO)は酸化され、二酸化窒素(NO2)として吸蔵材に吸蔵される。この方式では、NOがある程度吸蔵されると、エンジン運転モードを切替え、燃料噴射量を過剰にし、排ガス中にO2が残らず、一酸化窒素(CO)、炭化水素(HC)が存在するようにする。このCO、 HCにより、吸蔵したNO2はN2に還元され、同時にCO、 HC、 PMは酸化され二酸化炭素(CO2)と水(H2O)に変わり浄化される。 In addition, as another PM and NOx simultaneous purification system, a DPNR method (Diesel Particulate-NOx Reduction), which combines DPF (Diesel Particulate Filter) and NOx storage reduction catalyst, has been proposed. (Non-patent document 1, Patent document 1). This system has a structure in which a ceramic honeycomb DPF is supported with a three-way catalyst and a NOx storage material (such as alkali or alkaline earth metal). In the normal operation mode, the exhaust gas contains a large amount of oxygen (O 2 ), and nitric oxide (NO) occupying most of NOx is oxidized and stored as nitrogen dioxide (NO 2 ) in the storage material. In this system, when NO 2 is occluded to some extent, the engine operation mode is switched, the fuel injection amount is excessive, O 2 does not remain in the exhaust gas, and nitric oxide (CO) and hydrocarbons (HC) exist. Like that. The stored NO 2 is reduced to N 2 by the CO and HC, and at the same time, the CO, HC and PM are oxidized and converted into carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) for purification.

一方、排気ガス中のNOx処理方法の一つとして、電子温度が極端に高く、ガス温度は低い、非熱プラズマを用いた研究が進められている。このプラズマの典型例として、高電圧放電により大気圧で形成されるパルスコロナプラズマ、交流バリアプラズマ、直流コロナプラズマが挙げられる。   On the other hand, as one method for treating NOx in exhaust gas, research using non-thermal plasma, in which the electron temperature is extremely high and the gas temperature is low, is being advanced. Typical examples of this plasma include pulse corona plasma, AC barrier plasma, and DC corona plasma formed at high atmospheric pressure by high voltage discharge.

たとえば、排気ガスを非熱プラズマリアクタに流し、その中に含まれる窒素酸化物の大部分を占めるNOを、アンモニアガスと反応させて硝酸アンモニウム微粒子に変換し、電気集じん装置で回収するPPCP方式(Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process、パルスコロナ励起プラズマ化学プロセス)が行われている(非特許文献2)。   For example, a PPCP system in which exhaust gas is passed through a non-thermal plasma reactor, and NO, which occupies most of the nitrogen oxides contained therein, reacts with ammonia gas to convert into ammonium nitrate fine particles and is recovered by an electrostatic precipitator ( (Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process) (Non-patent Document 2).

あるいは、アンモニアは使用せず、排気通路の内部又は外部に設置されたプラズマリアクタにより、NOをほぼ完全にNO2に酸化し、別に設置された湿式化学プロセス装置で窒素(N2)と無害な水溶液に還元するハイブリッド方式(特許文献2、特許文献3)が行われている。 Alternatively, ammonia is not used, but NO is almost completely oxidized to NO 2 by a plasma reactor installed inside or outside the exhaust passage, and nitrogen (N 2 ) is harmless with a wet chemical process equipment installed separately. A hybrid system (Patent Document 2 and Patent Document 3) that reduces to an aqueous solution is performed.

さらに、排気ガス中のすすの処理方法の一つとしても、プラズマを使用する方法が提案されている。たとえば、すすをセラミックフィルタを用いて捕集し、排気通路の内部又は外部に設置されたプラズマリアクタにより、捕集されたすすを低温で燃焼除去処理することが行われている。(特許文献4、特許文献5)
また、NOx処理に対しては、一度吸着剤に吸着させ、プラズマにより脱着し、濃縮処理する技術が考案されている(特許文献6)。
特開2002−256853号 特開2000−51653号 特開2000−117049号 特開2004−68684号 特表2003−535255号 特開平11−114351号 三好,田中,松本,”NOx吸蔵還元型触媒の開発”,TOYOTA Technical Review, 50, 2, pp.28-33, 2000. 定方正毅、大気クリーン化のための化学工学、培風館、p.76,1999.
Further, as one of methods for treating soot in exhaust gas, a method using plasma has been proposed. For example, soot is collected using a ceramic filter, and the collected soot is burned and removed at a low temperature by a plasma reactor installed inside or outside an exhaust passage. (Patent Document 4, Patent Document 5)
In addition, for NOx treatment, a technique has been devised that is once adsorbed on an adsorbent, desorbed by plasma, and concentrated (Patent Document 6).
JP 2002-256853 JP 2000-51653 A JP 2000-117049 JP2004-68684 Special table 2003-535255 JP-A-11-114351 Miyoshi, Tanaka, Matsumoto, “Development of NOx storage reduction catalyst”, TOYOTA Technical Review, 50, 2, pp.28-33, 2000. Masakata Sadakata, Chemical Engineering for Clean Air, Baifukan, p.76, 1999.

しかしながら、以上の従来技術の問題点として、従来の排気ガス処理装置をボイラ、ガスタービンなどの固定燃焼装置あるいはディーゼル自動車など移動燃焼装置に適用する場合、効率が比較的低い、コストがかかる、大量の水を必要とする。装置が大型化する、などの理由から、できる限り乾式の処理装置を使用することが望ましい。   However, when the conventional exhaust gas treatment device is applied to a stationary combustion device such as a boiler or a gas turbine or a mobile combustion device such as a diesel vehicle, the efficiency of the conventional technology is relatively low, and the cost is large. Need water. For reasons such as increasing the size of the apparatus, it is desirable to use a dry processing apparatus as much as possible.

またSCR、CRT、DPNR方式などの触媒を利用した処理法においては、300℃以上の高温を必要とし、触媒自体に貴金属あるいは有害な重金属を含み、値段も比較的高価で、貴金属の埋蔵量も限られており、寿命も比較的短く、燃料中の硫黄による被毒の問題や目づまりによる背圧上昇による燃焼器性能低下などの問題があり、できれば触媒は無くすことが望ましい。   In addition, treatment methods using catalysts such as SCR, CRT, and DPNR require a high temperature of 300 ° C or higher, the catalyst itself contains noble metals or harmful heavy metals, the price is relatively expensive, and the reserves of noble metals are also high. It is limited and has a relatively short life, and there are problems such as poisoning due to sulfur in the fuel and a decrease in combustor performance due to increased back pressure due to clogging. It is desirable to eliminate the catalyst if possible.

また、SCR方式及びPPCP方式などでは触媒やプラズマと併用して、通常、アンモニア等がNOx処理に使用されるが、取扱いが困難で、人体に有害であり、装置からの漏れや未反応分のアンモニアが大気中に放出される危険性があるという問題点を有している。   In addition, in the SCR method and PPCP method, etc., ammonia or the like is usually used for NOx treatment in combination with a catalyst or plasma, but it is difficult to handle and harmful to the human body. There is a problem that ammonia may be released into the atmosphere.

一般にディーゼルエンジンなど拡散燃焼を利用する内燃機関からの排気ガス中には、通常数〜十数%程度の体積濃度の酸素が含まれている。このような排ガスに対しては、いわゆる三元触媒の利用が困難である。   In general, exhaust gas from an internal combustion engine that uses diffusion combustion, such as a diesel engine, usually contains oxygen at a volume concentration of about several to several tens of percent. For such exhaust gas, it is difficult to use a so-called three-way catalyst.

さらに近年、盛んに検討が行われているプラズマを利用した排ガス浄化法においては、この種の酸素を含む排ガスをプラズマリアクタに流し、プラズマを印加するだけでは、燃焼ガス中に含まれるNOがNO2へ酸化されるだけで、NOx(=NO + NO2)自体はほとんど減少せず、公害の処理にはならない。発生したNO2を除去するためには、必ずハイブリッド方式、PPCP方式などの付加的な処理が必要となるという問題点があった。 Further, in the exhaust gas purification method using plasma, which has been actively studied in recent years, NO contained in the combustion gas is NO by simply flowing an exhaust gas containing this type of oxygen into the plasma reactor and applying the plasma. By being oxidized to 2 , NOx (= NO + NO 2 ) itself is hardly reduced and does not treat pollution. In order to remove the generated NO 2 , there is a problem that additional processing such as a hybrid method and a PPCP method is always required.

さらには、PPCP法においては、可燃性の硫酸アンモニウムの微粒子が大量に発生するので、ディーゼル自動車など移動燃焼装置に適用する場合、その回収処理インフラの問題など制約が多い。   Furthermore, in the PPCP method, a large amount of combustible ammonium sulfate fine particles are generated. Therefore, when applied to a mobile combustion device such as a diesel vehicle, there are many restrictions such as a problem of a recovery processing infrastructure.

一方、排気ガス中のすすをセラミックフィルタを用いて捕集し、酸化触媒により捕集されたすすを低温で燃焼除去処理するCRT方式は有力な方法であるが、酸化触媒には貴金属が使用され、効率も50%程度の場合が多い。また、プラズマを用いて捕集されたすすを低温で燃焼除去処理する方法は、無触媒で効率も高く、これらの問題を回避できるが、すすの燃焼により新たなNOが発生してしまい、その後処理装置を別個に設置しなければならないという問題点があった。   On the other hand, the CRT method, which collects soot in exhaust gas using a ceramic filter and burns and removes soot collected by an oxidation catalyst at a low temperature, is a powerful method, but noble metals are used for the oxidation catalyst. The efficiency is often about 50%. In addition, the method of burning and removing soot collected using plasma at a low temperature is non-catalytic and high in efficiency, and these problems can be avoided, but soot combustion generates new NO, and then There was a problem that the processing apparatus had to be installed separately.

また、NOx処理に対しては、一度吸着剤に吸着させ、プラズマにより脱着し、濃縮処理する技術では、プラズマ脱着を酸素を含む排ガスのプラズマで直接脱着を行おうとすると、効率が低く、さらには脱着されたNOxを処理するためには必ずハイブリッド方式、PPCP方式などの付加的な処理が必要となるという課題があった。   In addition, for NOx treatment, the technology of once adsorbing to an adsorbent, desorbing with plasma, and concentrating treatment is low in efficiency when trying to perform desorption directly with plasma of exhaust gas containing oxygen. In order to process the desorbed NOx, there is a problem that additional processing such as a hybrid method and a PPCP method is always required.

本発明は、以上従来の問題を解決するためのもので、酸素を含む内燃機関等からの排気ガス中のNOx及びすすや炭化水素の同時除去を、高効率、低コスト、乾式でアンモニアや尿素を使用せず、触媒を使用しない場合であっても低温で行うことができる小型簡単な排気浄化装置、排気浄化方法ならびにその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and is capable of simultaneously removing NOx and soot and hydrocarbons in exhaust gas from an internal combustion engine or the like containing oxygen with high efficiency, low cost, and dry ammonia and urea. It is an object of the present invention to provide a small and simple exhaust purification device, an exhaust purification method and a manufacturing method thereof that can be performed at a low temperature even without using a catalyst.

本発明は、前記DPNR法において触媒及び燃料噴射により実現している排ガス中のNOxと微粒子の同時浄化効果を、プラズマ印加により常温に近い低温でプラズマ印加により実現したものである。   The present invention realizes the simultaneous purification effect of NOx and fine particles in exhaust gas realized by catalyst and fuel injection in the DPNR method by applying plasma at a low temperature close to room temperature by applying plasma.

具体的には、主として以下の装置又は方法を提供することで、上記課題を解決するための手段を与え、内燃機関の排ガス浄化を高効率かつ省エネルギー的に行い、地球環境の保全に資するものである。   Specifically, the following apparatus or method is mainly provided to provide a means for solving the above-described problems, to perform exhaust gas purification of the internal combustion engine with high efficiency and energy saving, and to contribute to the preservation of the global environment. is there.

請求項1の排気浄化装置は、燃焼装置の排気経路上に配設され、NOx吸着剤及び/又は微粒子フィルタを備えた浄化手段と、前記排気経路上に配設されたプラズマ印加手段とを有する排気浄化装置であって、排気中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段と、前記酸素濃度検知手段により検知された酸素濃度が所定値以上である場合は、前記浄化手段により排気浄化を行わせるとともに、前記浄化手段による吸着量が所定値以上になる場合は前記排気中の酸素濃度を低下させ、かつ、前記プラズマ印加手段を作動させる制御手段と、を備えたことを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 1 is provided on the exhaust path of the combustion device, and includes a purification means including a NOx adsorbent and / or a particulate filter, and a plasma application means provided on the exhaust path. An exhaust purification device that detects an oxygen concentration in exhaust gas and, when the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection means is equal to or greater than a predetermined value, causes the purification means to perform exhaust purification. In addition, there is provided control means for lowering the oxygen concentration in the exhaust gas and operating the plasma application means when the amount of adsorption by the purification means exceeds a predetermined value.

請求項2の排気浄化装置は、前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、燃焼装置の空燃比の制御により行われることを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 2 is characterized in that the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by controlling the air-fuel ratio of the combustion device.

請求項3の排気浄化装置は、前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、排気経路中への炭化水素の吹き込みにより行われることを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 3 is characterized in that the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by injecting hydrocarbons into the exhaust passage.

請求項4の排気浄化装置は、前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、排気経路中への窒素ガスの吹き込みにより行われることを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 4 is characterized in that the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by blowing nitrogen gas into the exhaust passage.

請求項5の排気浄化装置は、前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、酸素吸着剤、酸素分離膜、窒素吸着剤、窒素分離膜からなる群より選ばれる少なくともいずれか1種のフィルタにより行われることを特徴としている。   In the exhaust emission control device according to claim 5, the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by at least one filter selected from the group consisting of an oxygen adsorbent, an oxygen separation membrane, a nitrogen adsorbent, and a nitrogen separation membrane. It is characterized by being.

請求項6の排気浄化装置は、排気の浄化を補助するための触媒をさらに備えることを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 6 further includes a catalyst for assisting purification of exhaust gas.

請求項7の排気浄化装置は、前記燃焼装置が、ディーゼルエンジンであり、酸素濃度の運転切替えの限界値が2vol%以下であることを特徴としている。   The exhaust emission control device according to claim 7 is characterized in that the combustion device is a diesel engine, and a limit value of operation switching of the oxygen concentration is 2 vol% or less.

請求項8の排気浄化方法は、前記プラズマ印加手段を排気通路の外側に配設し、別途空気又はガスを吸引しプラズマを印加後に前記排気経路に注入することでNOxの浄化及び捕集された微粒子の燃焼除去を行うことを特徴としている。   In the exhaust gas purification method according to claim 8, the plasma application means is disposed outside the exhaust passage, and NOx is purified and collected by separately sucking air or gas and injecting the plasma into the exhaust passage after applying the plasma. It is characterized by burning and removing fine particles.

請求項9の排気浄化方法は、排気の浄化を補助するため、排気中の一酸化炭素、炭化水素、活性酸素、二酸化窒素のいずれか又はこれらの組合せを、さらに利用し、同時にこれら自身も浄化することを特徴としている。   The exhaust purification method of claim 9 further uses any of carbon monoxide, hydrocarbons, active oxygen, nitrogen dioxide or a combination thereof in the exhaust gas to assist the purification of the exhaust gas, and at the same time purifies itself. It is characterized by doing.

請求項10の制御方法は、前記プラズマの発生時期制御に関して、プラズマの消費電力をP、内燃機関の総運転時間をDTとし、排気中の酸素濃度の前記限界値以上の内燃機関の運転状態でプラズマを印加していない場合の運転時間をDT1,排気中の酸素濃度の前記限界値以下に低下させると共にプラズマを印加する場合の運転時間をDT2とすると、DT2をDT1及びDTに比べて小さく取り、プラズマの消費電力量P×DT2をプラズマを連続的に印加する場合の消費電力量P×DTに比べて低減させるように制御されることを特徴としている。 The control method according to claim 10 relates to the control of the generation time of the plasma, wherein the power consumption of the plasma is P, the total operation time of the internal combustion engine is DT, and the operation state of the internal combustion engine is equal to or higher than the limit value of the oxygen concentration in the exhaust gas. the operating time when not applied plasma DT 1, the operating time in the case of applying the plasma with decreasing below the limit value of the oxygen concentration in the exhaust when the DT 2, a DT 2 to DT 1 and DT It is characterized by being controlled to be smaller than the power consumption P × DT 2 when the plasma power consumption P × DT 2 is continuously applied.

本発明をボイラ、ガスタービンなどの固定燃焼装置あるいはディーゼル自動車など移動燃焼装置に適用する場合、従来のプラズマ法に比べ、常時電力を必要としないため、低コストで、プラズマ脱着による排ガスの高濃度化により高効率のNOxとすすの同時除去処理が可能となる。   When the present invention is applied to a stationary combustion apparatus such as a boiler or a gas turbine or a mobile combustion apparatus such as a diesel vehicle, it does not require electric power at all times compared to the conventional plasma method. This makes it possible to simultaneously remove NOx and soot with high efficiency.

また、乾式法のため水を必要とせず装置が小型かつ低コストですむ。また、本方式は原則的に貴金属、重金属触媒を使用しなくてよく、地球環境にやさしく、燃料中の硫黄による被毒の問題もない。また処理時の排ガス温度は300℃以下の低温でよい。そのため、ディーゼル自動車などに適用する場合、アイドリング、坂道を下る場合などの排ガスが低温度の場合にプラズマを印加して、NOx、すす、炭化水素を浄化することができる。   In addition, since the dry method is used, water is not required, and the apparatus is small and low in cost. In addition, in principle, this method does not require the use of precious metals or heavy metal catalysts, is friendly to the global environment, and there is no problem of poisoning due to sulfur in the fuel. The exhaust gas temperature during the treatment may be a low temperature of 300 ° C. or lower. Therefore, when applied to a diesel vehicle or the like, NOx, soot, and hydrocarbons can be purified by applying plasma when the exhaust gas is at a low temperature, such as when idling or going down a slope.

さらには、アンモニアなどの有害なガスも使用せず、硫酸アンモニウムなどの可燃性微粒子も新たに発生しない。また、捕集されたすすを酸素濃度が高く制御される場合には捕集し一部を酸素燃焼除去する。定期的に酸素濃度を低くし、プラズマを印加する場合には、NOxを還元する際に発生する活性酸素などによりすすを燃焼除去するので、すすの燃焼により新たなNOが発生してしまうという問題点がない。さらにはハイブリッド法などの湿式の付加的な処理は必要としない。   Furthermore, no harmful gas such as ammonia is used, and no flammable fine particles such as ammonium sulfate are generated. Further, when the collected soot is controlled to have a high oxygen concentration, the collected soot is collected and part of the soot is removed by oxygen combustion. When oxygen concentration is periodically lowered and plasma is applied, soot is burned and removed by active oxygen generated when NOx is reduced, so that new NO is generated by soot combustion There is no point. Furthermore, no additional wet processing such as a hybrid method is required.


図1(a)(b)は、本発明の一実施の形態に係る排気浄化装置に用いられるプラズマ活性化ディーゼル微粒子−NOx還元システムの原理を概略的に示した説明図である。同図に示すように、本システムの排ガス浄化は、表面にフィルタ孔を有するフィルタ壁上で行われる。セラミック又は金属DPF表面にNOx吸蔵材料(NOx吸着剤ともいうゼオライト、アルカリ金属など)を担持させ、非熱プラズマをDPFに印加できる構造を有している。

1 (a) and 1 (b) are explanatory views schematically showing the principle of a plasma activated diesel particulate-NOx reduction system used in an exhaust gas purification apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the exhaust gas purification of this system is performed on a filter wall having a filter hole on the surface. It has a structure in which a NOx occlusion material (zeolite, also referred to as NOx adsorbent, alkali metal, etc.) is supported on the surface of ceramic or metal DPF, and non-thermal plasma can be applied to the DPF.

(a)に示す燃料噴射量通常のエンジン運転モードでは、排気(排ガス)中にO2が多いため、NOは酸化されNO2としてNOx吸蔵材料に吸蔵される。また、フィルタに捕集されるすすPMの一部は、O2が豊富な状態では、その一部が燃焼除去される。 In the normal engine operation mode shown in (a), since there is a lot of O 2 in the exhaust gas (exhaust gas), NO is oxidized and stored as NO 2 in the NOx storage material. In addition, a part of the soot PM collected by the filter is burned and removed in a state where O 2 is abundant.

次に、ある程度NOxが吸蔵されると、同図(b)に示すように、エンジン運転モードを燃料噴射量過剰に切替える。このモードにすることにより、空燃比を変化させ、排ガス中にO2が残らずCO、 HCが存在するようにして、排気中の酸素濃度を低下させる。ここで、プラズマを印加すれば、吸蔵したNO2は脱着してN2に還元される。同時に、フィルタ孔に捕集されたPM及び排ガス中のHCは、活性酸素Oで酸化されCO2とH2Oに変わる。すなわち、本システムでは、排気の浄化を補助するため、排気中の一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、活性酸素(O)、二酸化窒素(NO2)のいずれか又はこれらの組合せを利用し、同時にこれら自身をも浄化することを特徴とする。 Next, when NOx is occluded to some extent, the engine operation mode is switched to an excessive fuel injection amount as shown in FIG. By using this mode, the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered by changing the air-fuel ratio so that O 2 does not remain in the exhaust gas and CO and HC exist. Here, when plasma is applied, the occluded NO 2 is desorbed and reduced to N 2 . At the same time, PM trapped in the filter hole and HC in the exhaust gas are oxidized by active oxygen O * and converted to CO 2 and H 2 O. That is, in this system, in order to assist the purification of exhaust gas, any one of carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), active oxygen (O * ), nitrogen dioxide (NO 2 ) in the exhaust gas, or a combination thereof. It is characterized by purifying these themselves at the same time.

本発明で使用されるプラズマは、コロナ放電、グロー放電、バリア放電、パルス放電などで形成される、省エネルギーで、かつ、いわゆる非熱非平衡低温プラズマが望ましいが、特に限定されない。   The plasma used in the present invention is preferably energy-saving and so-called non-thermal non-equilibrium low-temperature plasma formed by corona discharge, glow discharge, barrier discharge, pulse discharge or the like, but is not particularly limited.

本発明の排気浄化装置に用いられるプラズマ印加手段としては、たとえば、図2に示すような構成が挙げられる。すなわち、表面にNOx吸着剤層が存在するDPFを挟むように対向させた電極の間にパルス高電圧を印加することにより非熱プラズマをDPF内部流路に間欠的に発生させる構成である。このような方式を用いることにより、図1の処理をDPF壁表面で実現させることができる。   Examples of the plasma applying means used in the exhaust emission control device of the present invention include a configuration as shown in FIG. That is, this is a configuration in which non-thermal plasma is intermittently generated in the DPF internal flow path by applying a pulse high voltage between electrodes facing each other so as to sandwich a DPF having a NOx adsorbent layer on the surface. By using such a method, the process of FIG. 1 can be realized on the DPF wall surface.

図3は、本発明の排気浄化装置に用いられる他のプラズマ印加手段の概略構成を示す説明図である。
同図に示すように、同心円筒型バリア式プラズマリアクタの放電線と外部電極との間にパルス高電圧を印加することにより、非熱プラズマを円筒内で発生させることができる。これにより、セラミックNOx吸着剤フィルタ内部で非熱プラズマを発生させることができ、図1に示すシステムをフィルタ内部で実現させることができる。
FIG. 3 is an explanatory view showing a schematic configuration of another plasma applying means used in the exhaust purification apparatus of the present invention.
As shown in the figure, non-thermal plasma can be generated in the cylinder by applying a pulse high voltage between the discharge line of the concentric cylindrical barrier plasma reactor and the external electrode. Thereby, non-thermal plasma can be generated inside the ceramic NOx adsorbent filter, and the system shown in FIG. 1 can be realized inside the filter.

図4は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関11に設けられた排気浄化装置1の全体構成を示す概略図である。内燃機関11は、たとえば、ディーゼル機関又は希薄燃焼ガソリン機関として構成される。内燃機関11は、機関本体2と、機関本体2に接続され、機関本体2によって駆動される発電機3を備えている。発電機3によって発生した電気は、バッテリ4に蓄えられる。機関本体2から延在する排気通路5には、たとえば図2又は図3に示した構造を有するプラズマリアクタ6と吸着剤フィルタ7とが配置されている。なお、吸着剤フィルタ7をプラズマリアクタ6の内部に設置することで6と7は一体化することもできる。プラズマリアクタ6には、プラズマ電源8から電力が供給される。プラズマ電源8は、バッテリ4から供給される直流電圧を昇圧し、その周波数及び電圧値を調整してプラズマリアクタ6への投入電力を変化させる。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the overall configuration of the exhaust emission control device 1 provided in the internal combustion engine 11 according to the embodiment of the present invention. The internal combustion engine 11 is configured as, for example, a diesel engine or a lean burn gasoline engine. The internal combustion engine 11 includes an engine body 2 and a generator 3 connected to the engine body 2 and driven by the engine body 2. Electricity generated by the generator 3 is stored in the battery 4. For example, a plasma reactor 6 and an adsorbent filter 7 having the structure shown in FIG. 2 or 3 are arranged in the exhaust passage 5 extending from the engine body 2. Note that 6 and 7 can be integrated by installing the adsorbent filter 7 inside the plasma reactor 6. Electric power is supplied to the plasma reactor 6 from a plasma power source 8. The plasma power supply 8 boosts the DC voltage supplied from the battery 4 and adjusts the frequency and voltage value to change the input power to the plasma reactor 6.

次に、本実施の形態に係る排気浄化装置1の動作について説明する。
電子制御部9(酸素濃度制御手段)は、機関本体2及びプラズマ電源8の作動を制御し、バッテリ4から電力の供給を受けて作動する。電子制御部9は、排気通路5内に設置された酸素濃度センサ10又は空燃比センサ10’ (酸素濃度検知手段)の出力信号を受け取り、機関本体2の空燃比など運転状態を検出するとともに制御する。
Next, operation | movement of the exhaust gas purification apparatus 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated.
The electronic control unit 9 (oxygen concentration control means) controls the operation of the engine body 2 and the plasma power source 8 and operates by receiving power supply from the battery 4. The electronic control unit 9 receives an output signal from an oxygen concentration sensor 10 or an air / fuel ratio sensor 10 ′ (oxygen concentration detection means) installed in the exhaust passage 5, detects an operating state such as an air / fuel ratio of the engine body 2, and controls the operation. To do.

また、本実施の形態では、内燃機関11には、図示しない燃料噴射手段が搭載されている。あらかじめ決定された周期により、前記燃料噴射手段のタイミングを変化させ、排気中の酸素濃度を低下させる。これとほぼ同期して、プラズマリアクタ6を間欠的に作動させ、排気浄化を行う。以上の作動条件を電子制御部9内のプログラムに組み込み、運転を行う。プラズマリアクタを作動させる際の排気中の酸素濃度は特に限定されないが、より好ましくは、0〜20vol%、さらに好ましくは、0〜18vol%、最も好ましくは、0〜6vol%である。   In the present embodiment, the internal combustion engine 11 is equipped with fuel injection means (not shown). The timing of the fuel injection means is changed according to a predetermined cycle to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas. In synchronism with this, the plasma reactor 6 is intermittently operated to perform exhaust purification. The above operating conditions are incorporated into a program in the electronic control unit 9 to perform operation. The oxygen concentration in the exhaust gas when operating the plasma reactor is not particularly limited, but is preferably 0 to 20 vol%, more preferably 0 to 18 vol%, and most preferably 0 to 6 vol%.

尚、前記排気中の酸素濃度を変化させる制御は、排気通路5内への炭化水素の吹き込みにより行うことができる。また、排気通路内への窒素ガスの吹き込みにより行うこともできる。また、必要に応じて、酸素吸着剤、酸素分離膜、窒素吸着剤、窒素分離膜のいずれか、又はこれらの2種以上の組合せを排気通路に設置して行うこともできる。   The control for changing the oxygen concentration in the exhaust gas can be performed by blowing hydrocarbons into the exhaust passage 5. Alternatively, nitrogen gas can be blown into the exhaust passage. In addition, if necessary, any one of an oxygen adsorbent, an oxygen separation membrane, a nitrogen adsorbent, a nitrogen separation membrane, or a combination of two or more of these may be installed in the exhaust passage.

しかしながら、プラズマリアクタ6を排気通路5外に置き、別途空気又はガスを吸引しプラズマを印加後に前記排気通路5に注入することでNOxの浄化及び捕集された微粒子の燃焼除去を行うこともできる。   However, by placing the plasma reactor 6 outside the exhaust passage 5 and separately sucking air or gas and applying the plasma to the exhaust passage 5, NOx can be purified and the collected particulates can be removed by combustion. .

また、排気の浄化を補助するための触媒をさらに装置に備えて、性能を向上させることができるが、触媒の設置は不可欠ではない。   Further, a catalyst for assisting the purification of exhaust gas can be further provided in the apparatus to improve the performance, but the installation of the catalyst is not essential.

本発明の対象とする内燃機関としては、ディーゼルエンジンが好適例として挙げられる。また、酸素濃度の運転切替えの限界値は2vol%以下のある値に取ることが望ましい。   A diesel engine is a preferred example of the internal combustion engine that is the subject of the present invention. Further, it is desirable that the limit value of the operation switching of the oxygen concentration be a certain value of 2 vol% or less.

さらには、前記プラズマの発生時期制御に関して、プラズマの消費電力をP、内燃機関の総運転時間をDTとし、排気中の酸素濃度の前記限界値以上の内燃機関の運転状態でプラズマを印加していない場合の運転時間をDT1、排気中の酸素濃度の前記限界値以下に低下させると共にプラズマを印加する場合の運転時間をDT2とすると、DT2をDT1及びDTに比べて小さく取り、プラズマの消費電力量P×DT2をプラズマを連続的に印加する場合の消費電力量P×DTに比べて低減させることができる。 Furthermore, regarding the generation timing control of the plasma, P is the power consumption of the plasma, DT is the total operation time of the internal combustion engine, and the plasma is applied in the operation state of the internal combustion engine that is equal to or higher than the limit value of the oxygen concentration in the exhaust gas. the operating time of the absence DT 1, the operating time in the case of applying the plasma with decreasing below the limit value of the oxygen concentration in the exhaust when the DT 2, taken smaller than the DT 2 to DT 1 and DT, The plasma power consumption P × DT 2 can be reduced as compared with the power consumption P × DT when the plasma is continuously applied.

以下、図面を参照して、本発明の排気浄化装置の実施例について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、発明者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。   Hereinafter, embodiments of the exhaust emission control device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not construed as being limited thereto, and unless it departs from the scope of the present invention. Various changes, modifications, and improvements can be added based on the inventor's knowledge.

(実施例1)
プラズマリアクタ(プラズマ印加手段)として図5に示す同心円形プラズマリアクタを用い、プラズマ印加による排ガス中のNOxとPM(すす)との同時除去を行った。はじめにNOx(=NO2)、窒素(N2)、空気(Air)のボンベからのガスをマスフローコントローラによりそれぞれ流量調整し、酸素濃度が一定のNOx模擬排ガスを形成した。
(Example 1)
The concentric circular plasma reactor shown in FIG. 5 was used as the plasma reactor (plasma application means), and NOx and PM (soot) in the exhaust gas were removed simultaneously by applying plasma. First, the NOx (= NO 2 ), nitrogen (N 2 ), and air (Air) cylinders were each adjusted in flow rate by a mass flow controller to form a NOx simulated exhaust gas with a constant oxygen concentration.

このガスを、図5の同心円形プラズマリアクタ(石英管の中心に2 mm直径のステンレス放電線を通し、外側に電極を巻いた構成を有する。内直径20mm、外直径23mm、外電極長さ60mm)に流量2.0 L/min (25°C)で流した。電極の内部にはセラミックNOx吸着剤フィルタ(すす捕集材、 材質はBaTiO2)が配置されており、予め、それぞれ、50 mg、113mgのディーゼルエンジンすすが捕集されていた。排ガスの酸素濃度を変化させて、プラズマリアクタによるすすとNOxの同時浄化量を調べた。プラズマリアクタには周波数530Hzのパルス高電圧をSIサイリスタスイッチングによるパルス高電圧電源により印加した。プラズマリアクタへの電圧波形、電流波形、瞬時電力波形は電圧プローブ(Sony Tektronix社製、P6015A)、電流プローブ(Sony Tektronix社製、P6021)、オシロスコープ(横河電機社製、DL1740)により測定した。処理されたガスは、ガス分析器(堀場製作所製PG-235、VIA-510)により各ガス濃度(NOx、CO、CO2、一酸化二窒素N2Oなど)を測定した。すすの除去量(燃焼量)は、燃焼により増加したCO及びCO2の量から換算して求めた。 The concentric circular plasma reactor shown in FIG. 5 has a configuration in which a stainless steel discharge wire with a diameter of 2 mm is passed through the center of a quartz tube and an electrode is wound outside. The inner diameter is 20 mm, the outer diameter is 23 mm, and the outer electrode length is 60 mm. ) At a flow rate of 2.0 L / min (25 ° C). Inside the electrode, a ceramic NOx adsorbent filter (soot collector, material is BaTiO 2 ) was placed, and 50 mg and 113 mg of diesel engine soot were collected in advance, respectively. By changing the oxygen concentration of the exhaust gas, the amount of NOx simultaneously purified by the plasma reactor was investigated. A pulse high voltage with a frequency of 530 Hz was applied to the plasma reactor by a pulse high voltage power source using SI thyristor switching. The voltage waveform, current waveform, and instantaneous power waveform to the plasma reactor were measured with a voltage probe (Sony Tektronix, P6015A), a current probe (Sony Tektronix, P6021), and an oscilloscope (Yokogawa, DL1740). The treated gas was measured for each gas concentration (NOx, CO, CO 2 , dinitrogen monoxide N 2 O, etc.) with a gas analyzer (PG-235, VIA-510 manufactured by Horiba, Ltd.). The amount of soot removed (combustion amount) was calculated from the amount of CO and CO 2 increased by combustion.

NOx吸着剤フィルタに捕集されたすすの捕集量50 mgで、酸素濃度が0%の場合を0%(a)とし、すすの捕集量が113 mgで酸素濃度が0%の場合を0%(b)とし、その他2%、5%、17%(すすの捕集量はいずれも113mg)の計5種類の条件で、プラズマを印加した場合のすすの除去量(燃焼量)およびガス濃度変化を測定した。   When the collected amount of soot collected by the NOx adsorbent filter is 50 mg and the oxygen concentration is 0%, 0% (a) is set, and when the collected amount of soot is 113 mg and the oxygen concentration is 0% 0% (b), 2%, 5%, 17% (soot trapping amount is 113mg), soot removal amount (combustion amount) when plasma is applied The gas concentration change was measured.

図6に、0%(b)の場合のプラズマ印加時の各ガス濃度の変化を示す。経過時間 > 0でプラズマを印加しているが、印加と同時にNOxが低下し、CO、CO2が増加していることがわかる。また、捕集された黒いすすの質量は低下し、目視でも除去が観察された。 FIG. 6 shows the change of each gas concentration when the plasma is applied in the case of 0% (b). It can be seen that plasma is applied at an elapsed time> 0, but NOx decreases and CO and CO 2 increase simultaneously with the application. Moreover, the mass of the collected black soot fell, and removal was observed visually.

図7に酸素濃度を変化させた場合のすすの減少量を示す。横軸はプラズマの印加時間である。図7から、すすの除去速度(燃焼速度)は最大で38 mg/hとなった。これを除去可能すす濃度に換算すると標準状態で350 mg/Nm3となる。一例として、市販のある排気量10リットルのディーゼルエンジンの標準すす濃度は約 300 mg/Nm3であり、この値とほぼ同じであることから、装置のスケールアップによりプラズマによる連続除去が可能であることがわかる
また、図8にNOxの減少量とプラズマ印加時間の関係を示す。NOxは2%以下の酸素濃度で減少し、0%(a)ではほとんど除去された。この場合には図7からもわかるようにNOxとすすの同時除去が可能となっている。
FIG. 7 shows the amount of decrease in soot when the oxygen concentration is changed. The horizontal axis represents the plasma application time. From FIG. 7, the maximum soot removal rate (burning rate) was 38 mg / h. Converting this to a removable soot concentration gives 350 mg / Nm 3 under standard conditions. As an example, the standard soot concentration of a commercially available diesel engine with a displacement of 10 liters is about 300 mg / Nm 3 , which is almost the same as this value. Therefore, continuous removal by plasma is possible by scaling up the equipment. FIG. 8 shows the relationship between the amount of NOx reduction and the plasma application time. NOx decreased at oxygen concentrations below 2% and was almost eliminated at 0% (a). In this case, NOx and soot can be removed simultaneously as can be seen from FIG.

図9に0%(b)の場合の電圧V、電流I、電力波形Pを示す。平均電力P avgはPを一周期積分して正の面積に電圧プローブ、電流プローブの倍率及び周波数を掛けて算出し、Pavg= 17.2 Wであった。 FIG. 9 shows the voltage V, current I, and power waveform P in the case of 0% (b). The average power P avg was calculated by integrating P for one period and multiplying the positive area by the magnification and frequency of the voltage probe and current probe, and P avg = 17.2 W.

酸素濃度が低い場合のすすとNOxの同時除去の機構の完全な詳細は明らかではないが、この実験では、すすが少ない方がCO、CO2ともに高く、NOxは低下する結果が得られた。すなわち、すすがフィルタに比較的少量捕集された後、排ガス酸素濃度を低下させた状態でプラズマを印加すれば主として下記(1)、 (2)の反応によりNOxとすすの同時除去が可能であることが示された。

2NO2 + 2C → N2+ 2CO2 (1)
2NO2 + 4C → N2+ 4CO (2)

(実施例2)
次に図10に示す装置により、酸素濃度が高い場合の排ガス中のNOxの吸着及び酸素濃度を低くした場合のプラズマ印加による吸着されたNOxと捕集されているPM(すす)の同時除去を行った。小型ディーゼルエンジン発電機(ヤンマーディーゼル社製、 YDG200SS-6E、 直噴単気筒ディーゼルエンジン、排気量200 cc、 最大電気出力2.0 kW)の排気ガスの一部をサンプリングし、一部の水分及びすすの一部を除去し、マスフローコントローラにより、流量2.0L/min(25°C)の実排ガスを準備した。
Although the complete details of the mechanism of the simultaneous removal of soot and NOx when the oxygen concentration is low are not clear, in this experiment, the lower the soot, the higher the CO and CO 2 , and the lower the NOx. In other words, NOx and soot can be removed simultaneously mainly by the following reactions (1) and (2) if plasma is applied in a state where the exhaust gas oxygen concentration is reduced after a relatively small amount of soot is collected by the filter. It was shown that there is.

2NO 2 + 2C → N 2 + 2CO 2 (1)
2NO 2 + 4C → N 2 + 4CO (2)

(Example 2)
Next, with the apparatus shown in FIG. 10, adsorption of NOx in exhaust gas when the oxygen concentration is high and simultaneous removal of adsorbed NOx and collected PM (soot) by applying plasma when the oxygen concentration is low went. A small diesel engine generator (Yanmar Diesel, YDG200SS-6E, direct-injection single-cylinder diesel engine, displacement 200 cc, maximum electrical output 2.0 kW) is sampled part of the exhaust gas, and some moisture and soot Part of it was removed, and an actual exhaust gas with a flow rate of 2.0 L / min (25 ° C) was prepared using a mass flow controller.

このガスを図10の同心円形プラズマリアクタに流した。このリアクタは石英管の中心に直径2 mmのステンレス放電線を通し、外側に電極を巻いたもので、内直径20mm、外直径23mm、プラズマリアクタA(吸着剤部、電極長さ60mm)及びプラズマリアクタB(空心部、電極長さ200mm)の二領域が直列に配置されている。リアクタAの内部にはセラミック吸着剤(MS-13X、Merck KGaA社製)が封入されており、予めディーゼルエンジンすすが捕集されていた。   This gas was passed through the concentric circular plasma reactor of FIG. This reactor is made by passing a stainless steel discharge wire with a diameter of 2 mm in the center of a quartz tube and winding an electrode on the outside. The inner diameter is 20 mm, the outer diameter is 23 mm, plasma reactor A (adsorbent part, electrode length 60 mm), and plasma. Two regions of reactor B (air core, electrode length 200 mm) are arranged in series. Inside the reactor A, a ceramic adsorbent (MS-13X, manufactured by Merck KGaA) was enclosed, and diesel engine soot was collected in advance.

プラズマを印加し、排ガスの酸素濃度を変化させて、すすとNOxとの同時浄化量を調べた。排ガス中の酸素濃度は酸素濃度センサにより計測し、その情報により電源制御装置を介してプラズマ電源を制御した。   By applying plasma and changing the oxygen concentration of the exhaust gas, the simultaneous purification amount of soot and NOx was investigated. The oxygen concentration in the exhaust gas was measured by an oxygen concentration sensor, and the plasma power source was controlled via the power control device based on the information.

プラズマ処理されたガスは、ガス分析器(堀場製作所製PG-235、VIA-510)により各ガス濃度(NOx、CO、CO2、N2Oなど)を測定した。プラズマリアクタへの電圧波形、電流波形、瞬時電力波形は電圧プローブ(Sony Tektronix社製、P6015A)、電流プローブ(Sony Tektronix社製、P6021)、オシロスコープ(横河電機社製、DL1740)により測定した。 Each gas concentration (NOx, CO, CO 2 , N 2 O, etc.) of the plasma-treated gas was measured by a gas analyzer (PG-235, VIA-510 manufactured by Horiba, Ltd.). The voltage waveform, current waveform, and instantaneous power waveform to the plasma reactor were measured with a voltage probe (Sony Tektronix, P6015A), a current probe (Sony Tektronix, P6021), and an oscilloscope (Yokogawa, DL1740).

図11にディーゼルエンジン排ガスのNOxの吸着と酸素濃度0.01%のプラズマによる脱着の結果を示す。横軸は経過時間で縦軸はNOx濃度である。吸着剤が充填されたプラズマリアクタAのみ作動(on)させている。実験条件は以下のとおりである。吸着時:NO = 280 ppm、 NOx = 330 ppm、 水分=4.0 g/m3、すす=18 mg/m3、O2= 10.0 %、 CO = 480 ppm、CO2 = 4.5 %、THC(Total hydrocarbon、 全炭化水素)= 160 ppm、Q = 2.0 L/min、 吸着時間(周期)DTp = 60 min。 プラズマ脱着時:O2 = 0.01%、 流量Q = 1.0 L/min、 パルスプラズマの周波数f= 420 Hz、 ピーク電圧Vpeak = 36 kV. 吸着と脱着は3回繰り返した。吸着プロセスでは85%以上のNOxが吸着除去されている。図11の脱着プロセスではリアクタAのみ作動させており、吸着されたNOxがそのまま排気通路中に脱着放出されている。3回の脱着各々で測定可能範囲を超える2500ppm以上の十分なNOxの脱着が得られている。 FIG. 11 shows the results of NOx adsorption and desorption by plasma with an oxygen concentration of 0.01% on diesel engine exhaust gas. The horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the NOx concentration. Only the plasma reactor A filled with the adsorbent is operated (on). The experimental conditions are as follows. Adsorption: NO = 280 ppm, NOx = 330 ppm, moisture = 4.0 g / m 3 , soot = 18 mg / m 3 , O 2 = 10.0%, CO = 480 ppm, CO 2 = 4.5%, THC (Total hydrocarbon , Total hydrocarbons) = 160 ppm, Q = 2.0 L / min, adsorption time (cycle) DT p = 60 min. During plasma desorption: O 2 = 0.01%, flow rate Q = 1.0 L / min, pulsed plasma frequency f = 420 Hz, peak voltage V peak = 36 kV. Adsorption and desorption were repeated three times. In the adsorption process, 85% or more of NOx is removed by adsorption. In the desorption process of FIG. 11, only the reactor A is operated, and the adsorbed NOx is desorbed and released as it is into the exhaust passage. Adequate NOx desorption of 2500 ppm or more exceeding the measurable range is obtained in each of the three desorptions.

図12にディーゼルエンジン排ガスのNOxとすすとの同時還元除去を、脱着時にリアクタAとリアクタBを同時に作動(on)させ、酸素濃度0.01%以下のプラズマにより行った結果を示す。横軸は経過時間で縦軸はNOx濃度である。排ガス条件は図11と同様で以下のとおりである。吸着時:NO = 260 ppm、 NOx = 350 ppm、 O2 = 10.0 %、 流量Q = 2.0 L/min、 総吸着時間DT1 = 191 min(吸着回数3回)。 プラズマ脱着時:O2 = 0.01%、 流量Q = 1.0 L/min、 総脱着時間DT2 = 9 min(吸着回数3回). パルスプラズマの周波数f = 420 Hz、 ピーク電圧Vpeak = 31 kV。 FIG. 12 shows the result of simultaneous reduction and removal of NOx and soot of diesel engine exhaust gas with plasma having an oxygen concentration of 0.01% or less by simultaneously operating (on) reactor A and reactor B during desorption. The horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the NOx concentration. The exhaust gas conditions are the same as in FIG. Adsorption: NO = 260 ppm, NOx = 350 ppm, O 2 = 10.0%, flow rate Q = 2.0 L / min, total adsorption time DT 1 = 191 min (3 adsorption times). During plasma desorption: O 2 = 0.01%, flow rate Q = 1.0 L / min, total desorption time DT 2 = 9 min (3 adsorption times). Pulse plasma frequency f = 420 Hz, peak voltage V peak = 31 kV.

図12の場合、図11との比較でわかるようにプラズマ印加時にリアクタAにより吸着したNOxを放出させ、一部を低酸素濃度プラズマでN2に還元し、発生した活性酸素ですすを燃焼させ、さらに 残存するNOxを下流のリアクタにより、ほとんど完全にN2に還元浄化することに成功している。 In the case of FIG. 12, as can be seen from comparison with FIG. 11, NOx adsorbed by the reactor A is released at the time of plasma application, a part is reduced to N 2 by low oxygen concentration plasma, and the generated active oxygen is burnt. Furthermore, the remaining NOx was successfully reduced and purified almost completely to N 2 by the downstream reactor.

ここでNOxはN2O、HNO3、N2O5などの有害副生成物にほとんど酸化されていないことをそれぞれの濃度をガス分析計又はガス検知管で確認した。 Here, it was confirmed with a gas analyzer or a gas detector tube that NOx was hardly oxidized to harmful by-products such as N 2 O, HNO 3 , and N 2 O 5 .

また、CO2計により発生したCO2の濃度を計測し、燃焼が起こっていることを確認した。また、プラズマ印加時のすすの燃焼及び捕集されたすすの実験後の除去を目視で確認した。 In addition, the concentration of CO 2 generated by a CO 2 meter was measured and it was confirmed that combustion occurred. Moreover, the combustion of the soot at the time of plasma application and the removal after the experiment of the collected soot were confirmed visually.

図13に図12の実験結果に対応するリアクタA、Bを直列に作動させた場合の電圧V、電流I、電力波形Pを示す。平均電力PavgはPを一周期積分して正の面積に電圧プローブ、電流プローブの倍率及び周波数をかけて算出し、Pavg= 83.9 Wであった。この値を単位排ガス体積当たりのエネルギーSEDに換算するとSED = 701 Wh/m3となる。 FIG. 13 shows voltage V, current I, and power waveform P when reactors A and B corresponding to the experimental results of FIG. 12 are operated in series. The average power P avg was calculated by integrating P for one period and multiplying the positive area by the magnification and frequency of the voltage probe and current probe, and P avg = 83.9 W. When this value is converted into energy SED per unit exhaust gas volume, SED = 701 Wh / m 3 .

なお、図12においては、内燃機関の総運転時間DT = 200 min、プラズマを印加していない場合の運転時間がDT1 = 191 min、プラズマを印加した場合の運転時間がDT2 = 9 minで排ガスを浄化できる。すなわち200 min間のプラズマの消費電力量をプラズマを連続的に印加する場合の消費電力量に比べてDT2/DT ´ 100 = 9/200 ´ 100 = 4.5 %に低減でき、実効的なSEDeff = 701 ´ 0.045 = 31.5 Wh/m3を達成することができた。 In FIG. 12, the total operating time of the internal combustion engine DT = 200 min, the operating time when plasma is not applied is DT 1 = 191 min, the operating time when plasma is applied is DT 2 = 9 min Exhaust gas can be purified. In other words, the plasma power consumption for 200 min can be reduced to DT 2 / DT ´ 100 = 9/200 ´ 100 = 4.5% compared to the power consumption when plasma is continuously applied, and the effective SED eff = 701 ´ 0.045 = 31.5 Wh / m 3 was achieved.

上記の結果から明らかなように、本発明の排気浄化装置を用いて、排気の酸素濃度を所定範囲となるよう制御してプラズマ印加を行うことにより、効率的にNOxと捕集されているすすとの同時除去を行うことが可能である。   As is clear from the above results, by using the exhaust gas purification apparatus of the present invention and controlling the oxygen concentration of the exhaust gas so as to be within a predetermined range and applying plasma, the soot that is efficiently trapped with NOx. Can be removed simultaneously.

本発明により、ディーゼルエンジンなどの内燃機関等から排出される排気ガス処理を、吸着、脱着、低酸素プラズマ処理を組み合わせた方法により、簡単な装置で原則として触媒や、付加的な処理を行わず乾式で高効率に行うことができ、そのための装置並びに運転方法を提供する事ができる。   According to the present invention, the exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as a diesel engine is processed by a combination of adsorption, desorption, and low oxygen plasma treatment, and in principle, no catalyst or additional treatment is performed with a simple apparatus. A dry process can be performed with high efficiency, and an apparatus and an operation method therefor can be provided.

本発明におけるプラズマ印加ディーゼル微粒子−NOx同時除去システムの原理の説明図である。It is explanatory drawing of the principle of the plasma application diesel particulate-NOx simultaneous removal system in this invention. 本発明における実施の一形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment in this invention. 本発明における他の実施の一形態を示す概略図である。It is the schematic which shows other one Embodiment in this invention. 本発明における一実施形態に係わる内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例1におけるプラズマ印加ディーゼル微粒子−NOx同時除去システムの装置の概略図であるIt is the schematic of the apparatus of the plasma application diesel particulate matter-NOx simultaneous removal system in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における経過時間とプラズマ印加時の各ガス濃度の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the elapsed time in Example 1 of this invention, and each gas concentration at the time of plasma application. 本発明の実施例1における経過時間とプラズマ印加によるすす質量の減少量の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the elapsed time in Example 1 of this invention, and the decreasing amount of the soot mass by plasma application. 本発明の実施例1における経過時間と排気中のNOx濃度の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the elapsed time in Example 1 of this invention, and the NOx density | concentration in exhaust_gas | exhaustion. 本発明の実施例1における装置内のプラズマリアクタの電圧波形、電流波形、電力波形の測定結果を表すグラフである。It is a graph showing the measurement result of the voltage waveform of the plasma reactor in the apparatus in Example 1 of this invention, a current waveform, and a power waveform. 本発明の実施例2におけるプラズマ印加ディーゼル微粒子−NOx同時除去システムの装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus of the plasma application diesel particulate matter-NOx simultaneous removal system in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2におけるプラズマリアクタAのみを作動させた場合の経過時間と排気中のNOx濃度の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the elapsed time at the time of operating only the plasma reactor A in Example 2 of this invention, and NOx density | concentration in exhaust_gas | exhaustion. 本発明の実施例におけるプラズマリアクタA、Bを同時に作動させた場合の経過時間と排気中のNOx濃度の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the elapsed time and the NOx concentration in the exhaust when the plasma reactors A and B in the embodiment of the present invention are operated simultaneously. 本発明の実施例2における装置内のプラズマリアクタの電圧波形、電流波形、電力波形の測定結果を表すグラフである。It is a graph showing the measurement result of the voltage waveform of the plasma reactor in the apparatus in Example 2 of this invention, a current waveform, and a power waveform.

符号の説明Explanation of symbols

1 排気浄化装置
2 機関本体
3 発電機
4 バッテリ
5 排気通路
6 プラズマリアクタ
7 吸着剤フィルタ
8 プラズマ電源
9 電子制御部
10 酸素センサ
10’空燃比センサ
11 内燃機関
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exhaust purification device 2 Engine main body 3 Generator 4 Battery 5 Exhaust passage 6 Plasma reactor 7 Adsorbent filter 8 Plasma power supply 9 Electronic control part 10 Oxygen sensor 10 'Air-fuel ratio sensor 11 Internal combustion engine

Claims (10)

燃焼装置の排気経路上に配設され、
NOx吸着剤及び/又は微粒子フィルタを備えた浄化手段と、
前記排気経路上に配設されたプラズマ印加手段とを有する排気浄化装置であって、
排気中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段と、
前記酸素濃度検知手段により検知された酸素濃度が所定値以上である場合は、前記浄化手段により排気浄化を行わせるとともに、前記浄化手段による吸着量が所定値以上になる場合は前記排気中の酸素濃度を低下させ、かつ、前記プラズマ印加手段を作動させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
Disposed on the exhaust path of the combustion device,
Purification means comprising a NOx adsorbent and / or particulate filter;
An exhaust gas purification device having a plasma application means disposed on the exhaust path,
Oxygen concentration detection means for detecting oxygen concentration in the exhaust,
When the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection means is equal to or higher than a predetermined value, the purification means performs exhaust gas purification, and when the amount of adsorption by the purification means exceeds a predetermined value, oxygen in the exhaust gas Control means for reducing the concentration and operating the plasma application means;
An exhaust emission control device comprising:
前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、燃焼装置の空燃比の制御により行われることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。 The exhaust emission control device according to claim 1, wherein the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by controlling an air-fuel ratio of a combustion device. 前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、排気経路中への炭化水素の吹き込みにより行われることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。 The exhaust emission control device according to claim 1, wherein the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by injecting hydrocarbons into the exhaust passage. 前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、排気経路中への窒素ガスの吹き込みにより行われることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。 The exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein the oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by blowing nitrogen gas into the exhaust passage. 前記酸素濃度制御手段による酸素濃度制御が、酸素吸着剤、酸素分離膜、窒素吸着剤、窒素分離膜からなる群より選ばれる少なくともいずれか1種のフィルタにより行われることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。 The oxygen concentration control by the oxygen concentration control means is performed by at least one filter selected from the group consisting of an oxygen adsorbent, an oxygen separation membrane, a nitrogen adsorbent, and a nitrogen separation membrane. Exhaust gas purification device described in 1. 排気の浄化を補助するための触媒をさらに備えた請求項1〜請求項5のいずれかに記載の排気浄化装置。 The exhaust emission control device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a catalyst for assisting in purification of exhaust gas. 前記燃焼装置が、ディーゼルエンジンであり、酸素濃度の運転切替えの限界値が2vol%以下であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の排気浄化装置。 The exhaust emission control device according to any one of claims 1 to 6, wherein the combustion device is a diesel engine, and a limit value of operation switching of the oxygen concentration is 2 vol% or less. 前記プラズマ印加手段を排気通路の外側に配設し、別途空気又はガスを吸引しプラズマを印加後に前記排気経路に注入することでNOxの浄化及び捕集された微粒子の燃焼除去を行うことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の排気浄化装置を用いた排気浄化方法。 The plasma applying means is disposed outside the exhaust passage, and separately purifies NOx and burns and removes the collected fine particles by sucking air or gas separately and injecting the plasma into the exhaust passage after applying the plasma. An exhaust gas purification method using the exhaust gas purification device according to any one of claims 1 to 7. 排気の浄化を補助するため、排気中の一酸化炭素、炭化水素、活性酸素、二酸化窒素のいずれか又はこれらの組合せを、さらに利用し、同時にこれら自身も浄化することを特徴とする請求項8に記載の排気浄化方法。 9. The carbon monoxide, hydrocarbon, active oxygen, nitrogen dioxide, or a combination thereof in the exhaust gas is further used to assist the purification of exhaust gas, and at the same time, these are also purified. The exhaust gas purification method described in 1. 前記プラズマの発生時期制御に関して、プラズマの消費電力をP、内燃機関の総運転時間をDTとし、排気中の酸素濃度の前記限界値以上の内燃機関の運転状態でプラズマを印加していない場合の運転時間をDT1,排気中の酸素濃度の前記限界値以下に低下させると共にプラズマを印加する場合の運転時間をDT2とすると、DT2をDT1及びDTに比べて小さく取り、プラズマの消費電力量P×DT2をプラズマを連続的に印加する場合の消費電力量P×DTに比べて低減させるように制御される請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の排気浄化装置の制御方法。

Regarding the generation timing control of the plasma, the plasma power consumption is P, the total operation time of the internal combustion engine is DT, and the plasma is not applied in the operation state of the internal combustion engine that is equal to or higher than the limit value of the oxygen concentration in the exhaust gas. the operation time DT 1, the operating time in the case of applying the plasma with decreasing below the limit value of the oxygen concentration in the exhaust when the DT 2, taken smaller than the DT 2 to DT 1 and DT, plasma consumption an exhaust emission control device as claimed in any one of claims 1 to 9 which is controlled so as to reduce as compared with the power consumption P × DT in the case of continuously applying a plasma power amount P × DT 2 Control method.

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