JP2006150211A - 排ガス浄化装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマを用いて効率的に排ガスを浄化する排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置１０であって、内燃機関（ＥＮＧ）の排気管１１に設けたＮＯ_x浄化触媒１と、気体をプラズマ化してＮＯ_x浄化触媒の排ガス流れ上流側で排気管に供給するプラズマ発生装置２と、再循環排ガス１３及び空気１２の一方を切り替えて、プラズマ化される気体としてプラズマ発生装置２に供給する、供給ガス切り替え装置３と、プラズマ発生装置２でプラズマ化される気体１４又はプラズマ発生装置で発生させたプラズマ１５に還元剤を添加するインジェクター４とを有する、排ガス浄化装置とする。またこの排ガス浄化装置の制御方法とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排ガスの浄化のための排ガス浄化装置及びその制御方法、特に内燃機関からの排ガスの浄化のための排ガス浄化装置及びその制御方法に関する。

自動車、ゴミ焼却プラント等からの排ガスは一般に、主に触媒によって浄化された後で、大気中に放出されている。しかしながら排ガスに関する規制は年々厳しくなっており、触媒による浄化だけでは要求値を満たすことが難しくなっている。また、触媒による浄化では比較的高い排ガス温度を必要とし、従って排ガス浄化の初期には必ずしも排ガスの浄化効率が高くないことがあった。

この触媒による排ガス浄化の問題点を解消するために、放電によって発生するプラズマを利用した様々な浄化システムが提案されている。特に自動車の排ガス浄化の分野では、放電を排ガス浄化触媒と組み合わせて使用して、ＮＯ_x、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素成分）及びＰＭ（パティキュレート）を浄化することが知られている。

例えば特許文献１では、排気管内において触媒の上流側の放電装置で放電を発生させ、この放電装置の更に上流側で還元剤としての炭化水素を噴射することを提案している。これによれば、炭化水素の存在によって、放電装置におけるＮＯからＮＯ₂への酸化を促進できるとしている。またこの特許文献１では、触媒上流で還元剤を噴射し、触媒上で放電プラズマを発生させることも提案している。これによれば、更に触媒表面での反応が促進され、浄化活性を上げることができるとしている。

またボイラ、加熱炉等からの排ガスを浄化するための放電プラズマの使用に関して、特許文献２では、水蒸気を放電プラズマ発生装置に供給し、そして得られた水蒸気プラズマガスを排ガス中に供給することによって、排ガス中の有害成分を酸化し、無害化することを提案している。ここでは水蒸気をプラズマ発生装置に供給することによって、Ｏ、ＯＨ、Ｈ、Ｈ₂Ｏ、Ｏ₃などの活性な化学種が得られることが開示されている。

特開２００１−１５９３０９ 特開平６−３４３８２０

上述のように、排ガスの浄化のために、プラズマ、特にプラズマと触媒とを組み合わせて使用することが提案されている。しかしながら、排ガスの浄化に関する要求は年々高くなっており、更なる排ガス浄化装置が必要とされている。

従って本発明では新規な排ガス浄化装置及びその制御方法を提供する。

本発明の排ガス浄化装置及びその制御方法は下記のようなものである。

（１）排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
排ガスを流通させる排気管に設けたＮＯ_x浄化触媒と、
気体をプラズマ化して、上記ＮＯ_x浄化触媒の排ガス流れ上流側で上記排気管に供給する、プラズマ発生装置と、
再循環排ガス及び空気の一方を切り替えて、プラズマ化される上記気体として上記プラズマ発生装置に供給する、供給ガス切り替え装置と、
上記プラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された上記気体に還元剤を添加する、インジェクターと、
を有する、排ガス浄化装置。

（２）上記プラズマ発生装置がプラズマトーチであり、且つ上記インジェクターが、このプラズマトーチでプラズマ化された上記気体に還元剤を添加する、上記（１）項に記載の排ガス浄化装置。

（３）上記プラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された上記気体に水分を添加する水分添加装置を更に有する、上記（１）又は（２）項に記載の排ガス浄化装置。

（４）上記プラズマ発生装置でプラズマ化された気体を上記排気管に供給する箇所よりも排ガス流れ下流側に配置されているパティキュレートフィルターを更に有する、上記（１）〜（３）項のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

（５）予め設定した還元処理条件が満たされているときには、上記供給ガス切り替え装置によって再循環排ガスを上記プラズマ発生装置に供給し、上記インジェクターからの還元剤の添加を伴って、上記再循環排ガスを上記プラズマ発生装置においてプラズマ化し、且つ
予め設定した酸化処理条件が満たされているときには、上記供給ガス切り替え装置によって空気を上記プラズマ発生装置に供給し、上記インジェクターからの還元剤の添加を伴わずに、上記空気を上記プラズマ発生装置においてプラズマ化する、
上記（１）〜（４）項のいずれかに記載の排ガス浄化装置の制御方法。

（６）排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
排ガスを流通させる排気管に設けたＮＯ_x浄化触媒と、
再循環排ガスをプラズマ化して、上記ＮＯ_x浄化触媒の排ガス流れ上流側で上記排気管に供給する、第１のプラズマ発生装置と、
上記第１のプラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された再循環排ガスに還元剤を添加する、インジェクターと、
空気をプラズマ化して、上記排気管に供給する、第２のプラズマ発生装置と、
を有する、排ガス浄化装置。

（７）上記第１のプラズマ発生装置がプラズマトーチであり、且つ上記インジェクターが、このプラズマトーチでプラズマ化された再循環排ガスに還元剤を添加する、上記（６）項に記載の排ガス浄化装置。

（８）上記第２のプラズマ発生装置がプラズマトーチである、上記（６）又は（７）項に記載の排ガス浄化装置。

（９）上記第１及び第２のプラズマ発生装置の少なくとも一方でプラズマ化される又はプラズマ化された気体に水分を添加する水分添加装置を更に有する、上記（６）〜（８）項のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

（１０）上記第２のプラズマ発生装置でプラズマ化された空気を上記排気管に供給する箇所よりも排ガス流れ下流側に配置されているパティキュレートフィルターを更に有する、上記（６）〜（９）項のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

（１１）予め設定した還元処理条件が満たされているときには、上記インジェクターからの還元剤の添加を伴って、上記再循環排ガスを上記第１のプラズマ発生装置においてプラズマ化し、且つ特に上記第２のプラズマ発生装置を停止させ、また
予め設定した酸化処理条件が満たされているときには、供給される上記空気を上記第２のプラズマ発生装置においてプラズマ化し、且つ特に上記第１のプラズマ発生装置を停止させる、
上記（６）〜（１０）項のいずれかに記載の排ガス浄化装置の制御方法。

本発明の上記（１）又は（６）項に記載の排ガス浄化装置によれば、再循環排ガス及び空気を選択的にプラズマ化することができる。また随意に、プラズマ化される又はプラズマ化された気体に還元剤を添加し、この還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は気化させることができる。

本発明の上記（２）、（７）又は（８）項に記載の排ガス浄化装置によれば、プラズマトーチを用いてプラズマを発生させることによって、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることができる。

尚、本明細書の記載において「プラズマトーチ」は、気体をプラズマ化して噴出させるプラズマ発生装置、特に気体をプラズマ化してその先端部から噴出させるプラズマ発生装置を意味する。

本発明の上記（３）又は（９）項に記載の排ガス浄化装置によれば、プラズマ化される又はプラズマ化された再循環排ガス及び空気のいずれか一方又は両方に水を添加して、ＯＨラジカル、Ｏラジカル等を発生させることができる。

この水分添加装置は、水蒸気として水分を添加する装置であっても、水を噴射して添加する水添加インジェクターであってもよい。また水分添加装置が水添加インジェクターである場合、還元剤を添加するインジェクターとは別個のインジェクターであってもよいが、還元剤を噴射するインジェクターが同時に水分を添加する水分添加装置としても機能することもできる。

本発明の上記（４）又は（１０）項に記載の排ガス浄化装置によれば、排気管に配置されたパティキュレートフィルターによって、排ガス、特にディーゼルエンジンからの排ガス中のパティキュレート（ＰＭ又は粒子状物質）を捕集することができる。

本発明の上記（５）又は（１１）項に記載の制御方法によれば、還元処理条件が満たされているときに還元剤の添加を伴って再循環排ガスをプラズマ化することによって、還元剤を効率的に、ラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は気化させることができる。これは、再循環排ガスは比較的酸素含有率が低く、従って酸素との反応によって失われる還元剤が比較的少ないこと、再循環排ガスによって還元剤が希釈されるので、還元剤からのすすの発生が抑制されることによる。

ここで、「還元処理条件」は、排ガス流れ中に活性な還元ガスを供給することが好ましい条件として決定できる。従って例えば、得られる活性な還元剤によってＮＯ_x浄化触媒でのＮＯ_xの還元、特にＮＯ_x吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_xの還元を促進するように、還元処理条件を決定することができる。具体的には、特に所定の時間間隔で還元処理を行うように還元処理条件を決定することができる。

尚、還元剤だけでなく、水分の添加を伴って再循環排ガスをプラズマ化する場合、水分のプラズマ化によって得られるＯＨ（ヒドロキシ）ラジカル、Ｏ（酸素）ラジカル等は、還元剤のクラッキング、軽質化を促進し、またプラズマによって切断された還元剤の分子鎖の末端に結合して、不飽和炭化水素の生成を防ぎ、すすの生成を抑制する。

また本発明の上記（５）又は（１１）項に記載の制御方法によれば、酸化処理条件が満たされているときに還元剤の添加を伴わずに空気をプラズマ化することによって、酸化活性の強い酸素ラジカル、オゾン等を効率的に発生させることができる。これは、再循環排ガスと比較して、空気は酸素含有率が高いことによる。

ここで、「酸化処理条件」は、排ガス流れ中に活性な酸化ガスを供給することが好ましい条件として決定できる。従って例えば、内燃機関の始動時のように排ガス温度が比較的低いときに排ガス流れ中に活性な酸化ガスを供給して、低温時の排ガス中のＨＣ（いわゆるコールドＨＣ）の酸化を促進するように、酸化処理条件を決定することができる。

また排ガス浄化装置がパティキュレートフィルター、特にいわゆるディーゼルパティキュレートフィルターを更に有する場合、このフィルターに所定量のパティキュレートが捕集されているときに排ガス流れ中に活性な酸化ガスを供給して、パティキュレートフィルターに捕集されたパティキュレートの酸化除去を促進するように、酸化処理条件を決定することができる。パティキュレートフィルターでのパティキュレート捕集量は、パティキュレートフィルターの通気抵抗、前回の酸化処理からの経過時間等から知ることができる。

尚、水分の添加を伴って空気をプラズマ化する場合、酸化活性の強い酸素ラジカル、オゾン、ＯＨラジカル等の発生を更に促進することができる。これは、水分子がプラズマ中で容易にＯＨラジカルを発生させ、このラジカルが種々の反応の起点となることによる。

以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

＜本発明の排ガス浄化装置−１＞
図１は、本発明の排ガス浄化装置の１つの態様を概念的に示している。

本発明の排ガス浄化装置１０は、図１に示すように、内燃機関（ＥＮＧ）の排気管１１に設けたＮＯ_x浄化触媒１と、気体（矢印１４）をプラズマ化して、ＮＯ_x浄化触媒１の排ガス流れ上流側で排気管に供給するプラズマ発生装置２と、再循環排ガス（矢印１３）及び空気（矢印１２）の一方を切り替えてプラズマ発生装置２に供給する供給ガス切り替え装置３と、プラズマ発生装置２に供給される気体（矢印１４）又はプラズマ発生装置２で発生させたプラズマ１５に還元剤（矢印１６）を添加するインジェクター４とを有する。ここで、プラズマ発生装置２は、電源５によって電力を供給されている。また空気（矢印１２）はポンプ６によって、供給ガス切り替え装置３を介してプラズマ発生装置２に供給されている。内燃機関（ＥＮＧ）からの排気は、ＮＯ_x浄化触媒１を通って矢印１７で示すように排出されている。

図１で示す排ガス浄化装置１０の使用においては、所望に応じて再循環排ガス（矢印１３）又は空気（矢印１２）をプラズマ化し、また随意に還元剤（矢印１６）をプラズマ発生装置２に供給される気体（矢印１４）又はプラズマ発生装置２で発生させたプラズマ１５に添加することができる。

すなわち、予め設定した還元処理条件が満たされているときには、インジェクター４からの還元剤の添加を伴って、再循環排ガスをプラズマ発生装置２においてプラズマ化して、還元剤を、ラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させ、及び／又は気化させ、また予め設定した酸化処理条件が満たされているときには、インジェクター４からの還元剤の添加を伴わずに、空気をプラズマ発生装置２においてプラズマ化して、酸化活性の強い酸素ラジカル、オゾン等を効率的に発生させることができる。

上記のような還元処理条件及び酸化処理条件の判断、並びにそれに基づく空気と再循環排ガスとの切り替え、還元剤の添加等の制御は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）のように他の用途にも使用される電子機器によっても、専用の電子制御装置等によっても行うことができる。

＜本発明の排ガス浄化装置−２＞
図２は、本発明の排ガス浄化装置の他の態様を概念的に示している。

図１に示す本発明の排ガス浄化装置１０では、１つのプラズマ発生装置２に対して空気と再循環排ガスとを切り替えて供給しているのに対して、この図２に示す本発明の排ガス浄化装置２０では、再循環排ガスと空気のそれぞれのためのプラズマ発生装置２ａ及び２ｂを使用している。この変更に伴って、図２に示す本発明の排ガス浄化装置２０では、供給ガス切り替え装置３ではなく制御弁３ａ及び３ｂを使用しており、またそれぞれのプラズマ発生装置２ａ及び２ｂに対して電源５ａ及び５ｂから電力を供給している。

図２で示す排ガス浄化装置２０の使用においては、予め設定された還元処理条件が満たされているときに、還元剤の添加を伴って再循環排ガスをプラズマ化し、また予め設定された酸化処理条件が満たされているときには、還元剤の添加を伴わずに空気をプラズマ化することができる。

還元及び酸化処理条件の詳細、制御装置等については、図１の本発明の排ガス浄化装置１０に関する説明を参照することができる。

以下では、本発明の排ガス浄化装置を構成する各部について詳細に説明する。

＜ＮＯ_x浄化触媒＞
本発明の排ガス浄化装置で使用できるＮＯ_x浄化触媒１は、排ガス中のＮＯ_xを還元してＮ₂にする反応を促進する任意の触媒でよく、これは例えばＮＯ_x吸蔵還元触媒、ＮＯ_x選択還元触媒又は三元触媒と呼ばれるものでよい。

ＮＯ_x吸蔵還元触媒は、空燃比がリーン状態のときにＮＯ_xを吸蔵し、一定間隔でリッチスパイクを行ったときに（排ガス中に還元剤又は燃料を吹き込んだときに）、吸蔵したＮＯ_xをＮ₂に還元する触媒である。これは例えば、アルミナのような多孔質酸化物担体に、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ若しくはＲｕのような貴金属と、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選択されるＮＯ_x吸蔵剤とを担持させたものとして使用することができる。

ＮＯ_x選択還元触媒は、酸素過剰の雰囲気で、排ガス中のＮＯ_xを選択的に還元又は分解する触媒であり、リーン空燃比で使用する内燃機関から排出される排ガス中のＮＯ_xを浄化するために使用されるものである。これは例えば、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持したもの、又はゼオライト若しくはアルミナに貴金属を担持したものとして使用することができる。

三元触媒は、理論空燃比付近で燃焼させた排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_xを、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂にする触媒であり、例えばＰｔとＲｈの混合物、又はＰｔとＰｄとＲｈの混合物をアルミナに担持させたものとして使用することができる。

これらの触媒は当該技術分野で知られる任意の適当な量で、ウォッシュコート等の任意の手段によって、セラミックハニカム担体のような担体に担持させて用いることができる。

＜供給ガス切り替え装置及び制御弁＞
本発明の排ガス浄化装置で使用できる供給ガス切り替え装置３は、制御装置によって制御されて、再循環排ガスと空気とを切り替えて供給できる切替弁のような任意の装置である。また、制御弁３ａ及び３ｂは、流通する再循環排ガス又は空気の供給を制御できる任意の弁でよい。

＜インジェクター＞
本発明の排ガス浄化装置で使用できるインジェクター４は、還元剤を噴射して添加できる任意の装置であり、例えば直噴燃焼エンジンのためのインジェクターとして知られる構造を有することができる。

例えばこのインジェクターは図３に示すようなものである。この図３のインジェクター４は、内部に中空空間３３を有するほぼ円筒状のノズル３２と、このノズル３２の中空空間３３内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁３４とを具備している。このノズル３２とニードル弁３４とはこれらの軸線Ａが同軸になるように配置されている。またこのノズル３２には中空空間３３に通じる供給通路３５が設けられている。供給通路３５は燃料供給源（図示せず）に接続され、この供給通路３５を介して中空空間３３内に高圧の燃料が供給される。供給された燃料は、ニードル弁３４とノズル３２の内壁面との間の環状流路３６を介してノズル３２の先端部分３８へと流れ、ノズル３２の先端部分３８の噴射孔３９から噴射される。ここでは、ニードル弁３４を中空空間３３内で摺動させ、ニードル弁３４の先端をノズル先端部分３８の内壁面と接触させることによって、噴射孔３９の入口を開閉し、噴射口３９からの燃料の噴射を制御する。

このインジェクターによって添加される還元剤は、任意に選択することができるが、例えばガソリン、軽油等の炭化水素、又はエーテル、アルコール等であってよい。すなわち、本発明の排ガス浄化装置を内燃機関からの排ガスの浄化に使用する場合、内燃機関の動力エネルギーを発生させるためのガソリン等の燃料を本発明のための還元剤として使用することも、この燃料とは別の還元剤を使用することもできる。

＜プラズマ発生装置＞
本発明の排ガス浄化装置で使用できるプラズマ発生装置２、２ａ、２ｂは、供給される気体をプラズマ化して、排気管に供給することができる任意の構造を有することができ、特に放電によってプラズマを発生させる放電プラズマ発生装置、マイクロ波によってプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ発生装置、誘導結合によってプラズマを発生させる誘導結合プラズマ発生装置であってよい。例えばこのプラズマ発生装置は、特許文献１及び２において開示されているような放電プラズマ発生装置であってよい。

本発明の排ガス浄化装置で使用できるプラズマ発生装置は、図４で示すように装置内にプラズマ空間を形成するものであってよい。ここで図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマ発生装置の斜視図及び断面図である。

この図４で示されるプラズマ発生装置４０は、筒状の外周電極４２と、この筒状外周電極４２の中心軸上の中心電極４４とを有し、これらの筒状外周電極４２と中心電極４４との間に、プラズマ化される気体を流通させる流路４３が形成されている。このプラズマ発生装置４０の使用においては、矢印４５及び４６で示すようにして流路４３にプラズマ化される気体を流通させ、電源５によって筒状外周電極４２と中心電極４４との間に電圧を印加して、流路４３に放電を発生させる。

ここでこの中心電極４４は、この中心電極４４と筒状外周電極４２との間の流路４３に放電を発生させることができる任意の材料で製造できる。その材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的には銅、タングステン、ステンレス、鉄、白金、アルミニウム等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。この中心電極４４は、金属性ワイヤであることが一般的であるが、中空の棒状体であってもよい。

また筒状外周電極４２は、中心電極４４に関して示したのと同様な材料で製造することができる。この外周電極４２は、これらの金属材料を金属メッシュ又は金属箔として流路４３を画定する絶縁性の筒状体の周囲に巻き付けて作ることができ、また導電性ペーストを、流路４３を画定する筒状体の周囲に適用して作ることができる。

電源５は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。中心電極４４と筒状外周電極４２との間の印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用できる。直流電圧、交流電圧、周期的な波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましく、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧且つ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。直流電圧を中心電極４４と筒状外周電極４２との間に印加する場合には、中心電極４４をカソードとすることも、アノードとすることもできる。また、いずれかの電極を接地することもできる。

本発明で使用するプラズマ発生装置は、図５で示すようなものであってもよい。ここで図５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ斜視図及び断面図である。

この図５で示されるプラズマ発生装置５０は、上流側及び下流側のメッシュ状電極５２及び５４を有し、プラズマ化される気体がこれらのメッシュ状電極５２及び５４を通って流れるように流路５３が形成されている。このプラズマ発生装置５０の使用においては、矢印５５及び５６で示すようにして流路５３に排ガスを流通させ、電源５によってメッシュ状電極５２及び５４の間に電圧を印加して、流路５３に放電を発生させる。尚、メッシュ状電極５２及び５４を形成する材料並びに電源５は、図４のプラズマ発生装置４０に関して示したのと同様である。

＜プラズマ発生装置−プラズマトーチ＞
本発明の排ガス浄化装置で使用できるプラズマ発生装置２、２ａ、２ｂは、気体をプラズマ化して噴出させるプラズマトーチであってもよい。この場合、プラズマトーチに供給される気体に還元剤を添加して、この気体と還元剤との混合物をプラズマ化すること、又はプラズマトーチから噴出されるプラズマに還元剤を添加することができる。

プラズマトーチから噴出されるプラズマに還元剤を添加する場合、図６で示すように、インジェクター４の燃料噴射ノズル３２の先端部分３８に位置する噴射口３９から、プラズマ領域、特に噴射口３９近傍のプラズマ領域６０に還元剤を噴射することができる。プラズマトーチによってインジェクターの噴射口３９近傍の領域にプラズマ領域６０を発生させる場合、この噴射口３９近傍のプラズマ領域６０は、インジェクターによって還元剤を噴射される排気管のような空間の全体ではなく一部であり、例えば噴射口３９から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。

ここでは、プラズマトーチと還元剤を噴射するインジェクターとが分離されているようにすることができる。この場合、プラズマが供給される領域とインジェクターとを離して、プラズマによるインジェクターの劣化を防ぐことができる。

また、インジェクターの噴射ノズルがプラズマトーチ内に配置されており、プラズマトーチの内壁とインジェクターの噴射ノズルとの間に、プラズマ化される気体が流通するようにすることもできる。この場合には、プラズマとインジェクターから噴射される還元剤との接触を改良することができる。

インジェクターの噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置する場合には、インジェクターの噴射ノズルを放電電極として使用し、インジェクターの噴射ノズルと対になる電極との間に電圧を印加して放電を発生させて、インジェクターの噴射口近傍で放電プラズマを発生させることができる。またインジェクターの噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置する場合には、インジェクターの噴射口の周囲に誘導コイルを配置し、噴射口の周囲の誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給して、噴射口近傍で磁場を発生させ、渦電流を発生させて、噴射口近傍で結合誘導プラズマを発生させることができる。

本発明で使用できるプラズマトーチは任意の機構を有することができるが、例えば図７〜１２に示すような機構を考慮することができる。

＜プラズマ発生装置−プラズマトーチ−放電プラズマトーチ＞
図７に示すプラズマトーチ７０ａは、放電プラズマを利用するものである。この図７に示す放電プラズマトーチ７０ａでは、プラズマ化される気体を流通させる導電性の円筒状導管７２の中心軸上に放電電極７６が配置されており、これらの導管７２と放電電極７６との間に絶縁材７４が配置されている。また、導管７２と放電電極７６とは、それぞれが対電極となるようにして、それぞれ接地及び電源５に接続されている。導管７２と放電電極７６とは、いずれをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また導管７２と放電電極７６とは、いずれを接地することもできる。

これらのプラズマトーチ７０ａ、７０ｂの使用においては、電源５によって導管７２と放電電極７６との間に放電を発生させ、それによってプラズマトーチ内の流路を通して供給される気体７３をプラズマ化する。還元剤は、インジェクター４からこのプラズマ領域６０に噴射する。

尚、この図７においては、導管を一方の電極として使用しているが、放電電極７６と対になる別個の電極を用いることも当然に可能である。

また図８に示す放電プラズマトーチ７０ｂでのように、還元剤を噴射するインジェクター４の噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置し、プラズマトーチの円筒状導管７２の内壁とインジェクター４の噴射ノズルとの間に、プラズマ化される気体７３が流通するようにすることもできる。ここでは、このインジェクター４の噴射ノズルを一方の電極として使用することもできる。

また更に、プラズマが発生する領域に更に水を供給する場合、図９に示すように、水を噴射する追加のインジェクター４’を使用することができる。またこの場合、還元剤を噴射するインジェクター４の代わりに、図１０に示すように同軸の２つの流路を有し、還元剤と水とを共に噴射できるノズル部分３８’を使用することもできる。

放電を用いるプラズマトーチ７０ａ、７０ｂにおいて電極として使用する部分は、電極間に電圧を印加して放電電極として使用できる材料で製造することができる。そのような材料として、導電性材料や半導体性材料を用いることができるが、金属材料、例えば銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が好ましい。しかしながら特にアーク放電では電極が高温になるので、タングステンのような高融点材料を使用することが好ましい。また、バリア放電を使用するために、これらの導電性又は半導体性材料上に絶縁性材料を配置することもできる。

ここで発生させる放電プラズマは、電極間の放電によって生じる高エネルギーの電子を気体分子に衝突させ、それによって気体分子をプラスイオンとマイナスイオンとにすることによって発生させるプラズマをいう。この放電プラズマを発生させるためには、任意の放電形態を使用できるが、アーク放電、又はコロナ放電、例えばバリア放電を利用できる。

アーク放電を用いてプラズマトーチでプラズマを発生させる場合、電源５は、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続される。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。

アーク放電は、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続することできる点で有利である。またアーク放電は、アーク放電を発生させる装置及び技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である点で有利である。

またコロナ放電を用いてプラズマトーチでプラズマを発生させる場合、電源５は、パルス状の直流又は交流電圧を供給するものでよい。電極間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば５ｋＶ〜２０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、０．１μｓ〜１０ｍｓ、特に０．１〜１０μｓにすることができる。

尚、電極上に絶縁性材料を配置してバリア放電を行うことは、プラズマの安定性、電極の耐久性などに関して好ましい。

＜プラズマ発生装置−プラズマトーチ−結合誘導プラズマトーチ＞
図１１に示すプラズマトーチ１１０は、結合誘導プラズマを利用するものである。この図１１に示す結合誘導プラズマトーチ１１０では、プラズマ化される気体を流通させる導管１１２の先端部分が電磁波を透過させる材料、例えば石英のような絶縁性材料で作られており、この先端部分の周囲に、誘導電場を発生するための誘導コイル１１４が配置されている。誘導コイル１１４の一端には、マッチングボックス１１９を介して高周波電源５’が接続されており、他端は接地されている。

このプラズマトーチ１１０の使用においては、マッチングボックス１１９によってインピーダンスを調整して高周波電源５’から誘導コイル１１４に高周波電流を流し、導管１１２の先端部分の内側において磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによって導管１１２内及びその付近で誘導的にプラズマ６０を発生させる。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。

この結合誘導プラズマは、電極（金属部分）を高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。

結合誘導プラズマを使用するプラズマトーチ１１０では、放電プラズマを使用するプラズマトーチ７０ａ、７０ｂに関して説明したとの同様に、還元剤を噴射するインジェクター４の噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置すること、及びプラズマが発生する領域に更に水を供給することができる。

＜プラズマ発生装置−プラズマトーチ−マイクロ波プラズマトーチ＞
図１２に示すプラズマトーチは、マイクロ波プラズマを発生させるものである。この図１２に示すプラズマトーチでは、プラズマ化するガス７３を流通させる導管内に、マイクロ波１２６の照射を受けてその周囲でのプラズマ６０の励起を促進するプラズマ励起体１２５、例えば導電性セラミック、特にＳｉＣ焼結体のような導電性セラミック焼結体が配置されている。

このプラズマトーチの使用においては、マグネトロンのようなマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波、例えば周波数２．５４ＧＨｚ程度のマイクロ波を、導波管を経由させてアンテナからプラズマ化するガスに対して照射し、電場強度を強めてプラズマを発生させる。

特に大気圧又はそれよりも高い気体圧力においてマイクロ波プラズマを発生させる場合、プラズマ励起体１２５を使用し、このプラズマ励起体にマイクロ波を照射することによって、このプラズマ励起体の周囲でプラズマを発生させることが有利である。

マイクロ波プラズマを使用することは、電極（金属部分）を高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。

マイクロ波プラズマを使用するプラズマトーチ１２０では、放電プラズマを使用するプラズマトーチ７０ａ、７０ｂに関して説明したとの同様に、還元剤を噴射するインジェクター４の噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置すること、及びプラズマが発生する領域に更に水を供給することができる。

＜プラズマ＞
一般に知られているようにプラズマとは、自由運動する正と負の電荷をもつ２種以上の荷電粒子が共存する物質状態を意味する。従ってプラズマ状態では、存在する物質は高いポテンシャルエネルギーを有し、還元剤をプラズマ状態にし、ラジカル化、クラッキングを行って、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。また還元剤が液滴状態で供給された場合にも瞬時に気化し、ラジカル化、クラッキングして、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。

＜プラズマ−プラズマによる還元剤のクラッキング＞
還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することによって瞬時に還元剤の気化、ラジカル化、クラッキングを行えること自体は、プラズマの非常に高いエネルギー状態を考慮すれば充分に当業者に明らかである。しかしながら以下では、炭化水素（Ｃ₁₃Ｈ₂₈）のプラズマ化によってクラッキング等が行われることを実験によって確認した。

ここでは図１３で示すような実験装置を用いた。実験においては、燃料供給部からの燃料（Ｃ₁₃Ｈ₂₈）とＮ₂供給部からのキャリアガスとしてのＮ₂とを混合し、ノズルを経由させてチャンバーに供給した。またノズル内での放電によって放電プラズマを発生させた。実験においては、この放電プラズマがノズルの先端から噴出されていることが観察された。Ｎ₂供給部からのＮ₂はチャンバーに直接的にも供給した。またチャンバーからの排ガスの一部にガスクロマトグラフ分析を行った。

ここでこの実験で使用してプラズマを発生させたノズルは、図１４に示すようなものであった。この図１４で示されるノズルは、中空円筒状電極１４２とその中心線上に配置された棒状電極１４４とからなり、これらの電極間にはガス流れ流路１４６が形成されている。矢印１４８はこのガス流れ流路１４６を流通するガス流れを示している。またこのノズルは、中空円筒状電極１４２とその中心線上に配置された棒状電極１４４との間に、電源１４３によって電圧を印加し、それによって中空円筒状電極１４２の先端部１４２ａと棒状電極１４４の先端部１４４ａとの間で放電を行えるようにされている。尚、ここでは円筒状電側の内側にガラス管を配置して、バリア放電が起こるようにされている。

この実験によれば、放電によってプラズマを発生させているときのみ、Ｃ₁〜Ｃ₃の成分がガスクロマトグラフ分析で測定された。これはプラズマが比較的大きい分子（Ｃ₁₃Ｈ₂₈）をクラッキングして、比較的小さい分子（Ｃ₁〜Ｃ₃）を作れることを示している。

本発明の排ガス浄化装置の１つの態様を表す概念図である。 本発明の排ガス浄化装置の他の態様を表す概念図である。 本発明で使用できるインジェクターの拡大断面図である。 本発明で使用できるプラズマ発生装置の概略斜視図及び断面図である。 本発明で使用できる他のプラズマ発生装置の概略斜視図及び断面図である。 プラズマトーチによる還元剤のプラズマ化の概念を示す断面図である。 本発明で使用できる放電プラズマトーチ及びインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 本発明で使用できる放電プラズマトーチ及びインジェクターの他の態様を示す概略断面図である。 本発明で使用できる放電プラズマトーチ及びインジェクターの更に他の態様を示す概略断面図である。 本発明で使用できる還元剤と水分の添加のためのインジェクターの概略断面図である。 結合誘導プラズマトーチ及びインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 マイクロ波プラズマトーチ及びインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 プラズマによる炭化水素分子のクラッキングを行う実験を示す概略図である。 図１３で示す実験において使用したノズルを示す概略断面図である。

符号の説明

ＥＮＧ 内燃機関
１ ＮＯ_x浄化触媒
２、２ａ、２ｂ プラズマ発生装置
３ 供給ガス切り替え装置
３ａ、３ｂ 制御弁
４ インジェクター
５、５ａ、５ｂ、５’ 電源
６ ポンプ
１０ 本発明の排ガス浄化装置
１１ 排気管
１２ 空気の流れ方向を示す矢印
１３ 再循環排ガスの流れ方向を示す矢印
１４ プラズマ発生装置に供給される気体の流れ方向を示す矢印
１５ プラズマ発生装置２で発生させたプラズマの流れ方向を示す矢印
１６ 還元剤の流れ方向を示す矢印
２０ 本発明の排気浄化装置
７０ａ、７０ｂ 放電プラズマトーチ
１１０ 結合誘導プラズマトーチ
１２０ マイクロ波プラズマトーチ

Claims (11)

1. 排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
   排ガスを流通させる排気管に設けたＮＯ_x浄化触媒と、
   気体をプラズマ化して、前記ＮＯ_x浄化触媒の排ガス流れ上流側で前記排気管に供給する、プラズマ発生装置と、
   再循環排ガス及び空気の一方を切り替えて、プラズマ化される前記気体として前記プラズマ発生装置に供給する、供給ガス切り替え装置と、
   前記プラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された前記気体に還元剤を添加する、インジェクターと、
   を有する、排ガス浄化装置。
2. 前記プラズマ発生装置がプラズマトーチであり、且つ前記インジェクターが、このプラズマトーチでプラズマ化された前記気体に還元剤を添加する、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記プラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された前記気体に水分を添加する水分添加装置を更に有する、請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
4. 前記プラズマ発生装置でプラズマ化された気体を前記排気管に供給する箇所よりも排ガス流れ下流側に配置されているパティキュレートフィルターを更に有する、請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
5. 予め設定した還元処理条件が満たされているときには、前記供給ガス切り替え装置によって再循環排ガスを前記プラズマ発生装置に供給し、前記インジェクターからの還元剤の添加を伴って、前記再循環排ガスを前記プラズマ発生装置においてプラズマ化し、且つ
   予め設定した酸化処理条件が満たされているときには、前記供給ガス切り替え装置によって空気を前記プラズマ発生装置に供給し、前記インジェクターからの還元剤の添加を伴わずに、前記空気を前記プラズマ発生装置においてプラズマ化する、
   請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置の制御方法。
6. 排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
   排ガスを流通させる排気管に設けたＮＯ_x浄化触媒と、
   再循環排ガスをプラズマ化して、前記ＮＯ_x浄化触媒の排ガス流れ上流側で前記排気管に供給する、第１のプラズマ発生装置と、
   前記第１のプラズマ発生装置でプラズマ化される又はプラズマ化された再循環排ガスに還元剤を添加する、インジェクターと、
   空気をプラズマ化して、前記排気管に供給する、第２のプラズマ発生装置と、
   を有する、排ガス浄化装置。
7. 前記第１のプラズマ発生装置がプラズマトーチであり、且つ前記インジェクターが、このプラズマトーチでプラズマ化された再循環排ガスに還元剤を添加する、請求項６に記載の排ガス浄化装置。
8. 前記第２のプラズマ発生装置がプラズマトーチである、請求項６又は７に記載の排ガス浄化装置。
9. 前記第１及び第２のプラズマ発生装置の少なくとも一方でプラズマ化される又はプラズマ化された気体に水分を添加する水分添加装置を更に有する、請求項６〜８のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
10. 前記第２のプラズマ発生装置でプラズマ化された空気を前記排気管に供給する箇所よりも排ガス流れ下流側に配置されているパティキュレートフィルターを更に有する、請求項６〜９のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
11. 予め設定した還元処理条件が満たされているときには、前記インジェクターからの還元剤の添加を伴って、前記再循環排ガスを前記第１のプラズマ発生装置においてプラズマ化し、また
    予め設定した酸化処理条件が満たされているときには、前記空気を前記第２のプラズマ発生装置においてプラズマ化する、
    請求項６〜１０のいずれかに記載の排ガス浄化装置の制御方法。

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