JP2006170049A - Exhaust emission control device and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust emission control device and its control method for effectively burning or oxidizing and removing PM by relatively small energy consumption. <P>SOLUTION: This exhaust emission control device 10 collects a particulate (the PM) in exhaust gas by arranging a particulate filter 1 in an exhaust gas flow. The exhaust emission control device 10 has a plasma generator 2 for jetting fuel (4) to the upstream side of this filter by turning the fuel into plasma. The control method of this exhaust emission control device is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、排ガス流れ中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルターを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置、及びその制御方法に関する。   The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus that purifies exhaust gas using a particulate filter that collects particulates in an exhaust gas flow, and a control method thereof.

自動車等の内燃機関、特にディーゼル機関の排気中には、カーボンを主成分とするパティキュレート(以下では「PM(Particulate Matter)」という)が含まれており、排気黒煙の原因となっている。環境汚染の観点からは、このPMを捕集除去することが望ましい。この目的のために、ディーゼル機関の排気流路にセラミック製のパティキュレートフィルター(以下では「PMフィルター」という)を配置し、PMをこのフィルターによって捕集除去し、このフィルターに捕集されたPMを間欠的又は連続的に燃焼させてフィルターを再生する排ガス浄化装置が提案されている。   Internal combustion engines such as automobiles, especially diesel engines, contain particulates mainly composed of carbon (hereinafter referred to as “PM (Particulate Matter)”), which causes exhaust black smoke. . From the viewpoint of environmental pollution, it is desirable to collect and remove this PM. For this purpose, a ceramic particulate filter (hereinafter referred to as “PM filter”) is arranged in the exhaust passage of the diesel engine, and PM is collected and removed by this filter, and the PM collected by this filter is collected. An exhaust gas purification device that regenerates a filter by burning the gas intermittently or continuously has been proposed.

ここで、PMフィルターに捕集されたPMを燃焼除去するためには一般に、排気管への燃料の添加、エンジンのリッチ制御等によって排気温を高めることが行われている。排気管への燃料の添加のために使用される従来のインジェクターは例えば、図7に示すようなものである。このインジェクター100は、内部に中空空間13を有するほぼ円筒状のノズル12と、このノズル12の中空空間13内で摺動(移動)するほぼ円柱形のニードル弁14とを具備している。このノズル12とニードル弁14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12には中空空間13に通じる供給通路15が設けられている。供給通路15は燃料供給源(図示せず)に接続され、この供給通路15を介して中空空間13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14とノズル12の内壁面との間の環状流路16を介してノズル12の先端部分へと流れ、ノズル12の先端部分の噴射孔19から噴射される。ここでは、ニードル弁14を中空空間13内で摺動させ、ニードル弁14の先端をノズル先端部分の内壁面と接触させることによって、噴射孔19の入口を開閉し、噴射口19からの燃料の噴射を制御する。   Here, in order to burn and remove the PM collected by the PM filter, the exhaust temperature is generally increased by adding fuel to the exhaust pipe, rich control of the engine, or the like. A conventional injector used for adding fuel to the exhaust pipe is, for example, as shown in FIG. The injector 100 includes a substantially cylindrical nozzle 12 having a hollow space 13 therein, and a substantially cylindrical needle valve 14 that slides (moves) in the hollow space 13 of the nozzle 12. The nozzle 12 and the needle valve 14 are arranged so that their axes A are coaxial. The nozzle 12 is provided with a supply passage 15 that communicates with the hollow space 13. The supply passage 15 is connected to a fuel supply source (not shown), and high-pressure fuel is supplied into the hollow space 13 through the supply passage 15. The supplied fuel flows to the tip portion of the nozzle 12 via the annular flow path 16 between the needle valve 14 and the inner wall surface of the nozzle 12 and is injected from the injection hole 19 at the tip portion of the nozzle 12. Here, the needle valve 14 is slid in the hollow space 13, and the tip of the needle valve 14 is brought into contact with the inner wall surface of the nozzle tip, thereby opening and closing the inlet of the injection hole 19, and Control the injection.

フィルターに捕集されたPMの燃焼除去のためにプラズマを使用することも提案されており、例えば特許文献1では、ディーゼルエンジンから放出される排気中のPMをフィルターで捕集し、このフィルターを挟むようにして配置された電極の間で放電を行ってプラズマを発生させ、このプラズマエネルギーによってPMを酸化除去する排ガス浄化装置が開示されている。   It has also been proposed to use plasma for combustion removal of PM collected by a filter. For example, in Patent Document 1, PM in exhaust gas discharged from a diesel engine is collected by a filter, and this filter is used. An exhaust gas purifying apparatus is disclosed in which discharge is performed between electrodes arranged so as to be sandwiched to generate plasma, and PM is oxidized and removed by this plasma energy.

また特許文献2では、ディーゼルエンジンから放出される排気中のPMをフィルターで捕集し、このフィルターの上流側の触媒でNO2を生成し、このNO2によってPMを酸化除去する排ガス浄化装置が開示されている。ここでは、PMを捕集したフィルターにNO2を供給すると、250℃といった比較的低温から、PMの燃焼除去が達成されることが開示されている。 Patent Document 2 discloses an exhaust gas purifying apparatus that collects PM in exhaust discharged from a diesel engine with a filter, generates NO 2 with a catalyst on the upstream side of the filter, and oxidizes and removes PM by the NO 2 . It is disclosed. Here, it is disclosed that combustion removal of PM is achieved from a relatively low temperature of 250 ° C. when NO 2 is supplied to a filter that collects PM.

特開2001−295629号公報JP 2001-295629 A 特許3012249号公報Japanese Patent No. 3012249

PMフィルターに捕集されたPMを燃焼除去するために、従来のインジェクターによって排気管に燃料を添加する場合、特に排気が比較的低温であるときには、初期に添加される燃料の酸化反応が進行しにくく、添加された燃料の一部が新たにPMを形成してしまうこと、添加された燃料がそのまま大気中に放出されること等が考えられる。   In order to burn and remove PM trapped in the PM filter, when fuel is added to the exhaust pipe by a conventional injector, particularly when the exhaust gas is at a relatively low temperature, the oxidation reaction of the fuel added initially proceeds. It is difficult, and it is conceivable that a part of the added fuel newly forms PM, and the added fuel is directly released into the atmosphere.

上記特許文献1及び2に記載の排ガス浄化装置は、フィルターで捕集したPMの燃焼又は酸化除去という目的を部分的に達成している。しかしながら、特許文献1の排ガス浄化装置では、プラズマ発生のために比較的多くの電気エネルギーが必要とされる場合があり、また特許文献2の排ガス浄化装置では、充分な量のNO2を発生させることができず、従って充分なPMの燃焼除去が達成できない場合がある。 The exhaust gas purification devices described in Patent Documents 1 and 2 partially achieve the purpose of burning or oxidizing and removing PM collected by a filter. However, the exhaust gas purification device of Patent Document 1 may require a relatively large amount of electric energy for generating plasma, and the exhaust gas purification device of Patent Document 2 generates a sufficient amount of NO 2 . Therefore, sufficient PM burn-off may not be achieved.

よって本発明では、比較的少ないエネルギー消費で、PMを効果的に燃焼又は酸化除去する排ガス浄化装置、及びその制御方法を提供する。   Therefore, the present invention provides an exhaust gas purifying apparatus that effectively burns or oxidizes and removes PM with relatively little energy consumption, and a control method therefor.

本発明の排ガス浄化装置は、排ガス流れ中にPMフィルターを配置して、排ガス中のPMを捕集する排ガス浄化装置であって、燃料をプラズマ化して、フィルターの上流側、特に触媒装置などを介さないで直接にフィルターの上流側で、排ガス流れ中に噴出させるプラズマ発生装置を有する。   The exhaust gas purifying apparatus of the present invention is an exhaust gas purifying apparatus that arranges a PM filter in an exhaust gas flow and collects PM in the exhaust gas. It has a plasma generator that is ejected directly into the exhaust gas flow upstream of the filter without being interposed.

本発明の排ガス浄化装置によれば、プラズマ発生装置で燃料をプラズマ化して排ガス流れ中に噴出させることによって、排気が比較的低温であるときにも、添加される燃料の酸化反応を促進できる。従って添加された燃料が新たにPMを形成すること、及び添加された燃料が未反応のままで大気中に放出されることを抑制できる。   According to the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the oxidation of the added fuel can be promoted even when the exhaust gas is at a relatively low temperature by converting the fuel into plasma by the plasma generator and ejecting the fuel into the exhaust gas flow. Therefore, it is possible to suppress the added fuel from newly forming PM, and the added fuel from being unreacted and released into the atmosphere.

また本発明の排ガス浄化装置では、燃料を供給される排ガス流れの全体をプラズマ化するのではなく、プラズマ発生装置で燃料をプラズマ化した後で排ガス流れ中に噴出させている。従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。   In the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the entire exhaust gas flow supplied with fuel is not converted into plasma, but the fuel is converted into plasma by the plasma generator and then injected into the exhaust gas flow. Accordingly, it is possible to obtain a large plasma density with a relatively narrow space for plasma formation, that is, with relatively little energy consumption.

本発明の排ガス浄化装置の1つの態様では、プラズマ発生装置が燃料と共に水をプラズマ化する。   In one aspect of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the plasma generator converts water into plasma together with fuel.

この態様によれば、燃料と共に水をプラズマ化することによって、OHラジカル、Oラジカル等を生成させることができる。これらのOHラジカル、Oラジカル等は、燃料の酸化反応を促進し、またプラズマによって切断された燃料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ことができる。   According to this aspect, OH radicals, O radicals, and the like can be generated by converting water into plasma together with fuel. These OH radicals, O radicals, etc. promote the oxidation reaction of the fuel, and bind to the end of the molecular chain of the fuel cut by the plasma to prevent the generation of unsaturated hydrocarbons and suppress the generation of soot. be able to.

また本発明の排ガス浄化装置の1つの態様では、プラズマ発生装置が、燃料と共に排ガスの一部又は空気をプラズマ化する。   Moreover, in one aspect of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the plasma generator converts a part of the exhaust gas or air into plasma together with the fuel.

プラズマ発生装置が、燃料と共に排ガスの一部、特に再循環排ガスをプラズマ化する場合、酸化活性の高いNO2、オゾン、Oラジカル等生成を促進して、PMフィルターに捕集されたPMの燃焼除去を促進できる。 When the plasma generator generates a part of the exhaust gas together with the fuel, especially the recirculated exhaust gas, it promotes the production of NO 2 , ozone, O radical, etc. with high oxidation activity, and burns the PM collected in the PM filter Removal can be promoted.

プラズマ発生装置が、燃料と共に空気をプラズマ化する場合、酸化活性の高いオゾン、Oラジカル等の生成を促進して、PMフィルターに捕集されたPMの燃焼除去を促進できる。また、空気は排ガスよりも酸素濃度が高いので、燃料の酸化反応、従って排ガス温度の上昇を促進することができる。   When the plasma generator converts the air together with the fuel into plasma, the generation of ozone, O radicals and the like having high oxidation activity can be promoted, and combustion removal of PM collected by the PM filter can be promoted. Further, since air has a higher oxygen concentration than exhaust gas, it is possible to promote the oxidation reaction of the fuel, and hence the exhaust gas temperature.

本発明の排ガス浄化装置の制御方法では、プラズマ発生装置を用いて燃料をプラズマ化して排ガス流れ中に噴出させることによって、フィルターにおける排ガスの温度を500℃超、特に600℃超にして、フィルターに捕集されているPMを燃焼除去する。   In the control method of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the temperature of the exhaust gas in the filter is set to be higher than 500 ° C., in particular, higher than 600 ° C. by converting the fuel into plasma using the plasma generator and ejecting the fuel into the exhaust gas flow. The collected PM is burned and removed.

上述のように本発明の排ガス浄化装置では、比較的少ないエネルギー消費で、添加される燃料の酸化反応を効率的に行わせて、下流のフィルターの温度を上昇させ、捕集されたPMを燃焼除去することができる。   As described above, in the exhaust gas purification apparatus of the present invention, the oxidation reaction of the added fuel is efficiently performed with relatively little energy consumption, the temperature of the downstream filter is raised, and the collected PM is combusted. Can be removed.

また他の本発明の排ガス浄化装置の制御方法では、プラズマ発生装置を用いて燃料と共に排ガスの一部又は空気をプラズマ化して排ガス流れ中に噴出させることによって、排ガス流れ中に酸化性成分、例えばオゾン、酸素ラジカル、NO2を発生させて、フィルターにおける排ガスの温度が450℃未満、例えば250℃〜450℃、特に400℃未満、例えば250〜400℃の状態で、フィルターに捕集されているPMを燃焼除去する。 In another method for controlling an exhaust gas purification apparatus of the present invention, a plasma generation device is used to convert a part of the exhaust gas or air together with fuel into a plasma to be ejected into the exhaust gas stream, whereby an oxidizing component, for example, Ozone, oxygen radicals, and NO 2 are generated, and the temperature of the exhaust gas in the filter is collected by the filter in a state of less than 450 ° C., for example, 250 ° C. to 450 ° C., particularly less than 400 ° C., for example, 250 to 400 ° C. PM is burned off.

本発明のこの方法によれば、排ガス流れ中に酸化性成分を発生させることによって、450℃未満といった比較的低い排ガス温度、すなわち熱によるPMの燃焼除去が実質的に行われる温度よりも低い温度において、フィルターに捕集されているPMの燃焼除去することができる。この方法を行う場合、プラズマ発生装置において比較的少量の燃料を比較的長い期間にわたって連続的に添加することができる。   According to this method of the present invention, by generating an oxidizing component in the exhaust gas stream, a relatively low exhaust gas temperature, such as less than 450 ° C., that is, a temperature lower than the temperature at which the PM is substantially burned and removed by heat. The PM collected by the filter can be removed by combustion. When performing this method, a relatively small amount of fuel can be continuously added over a relatively long period in the plasma generator.

以下では、図1に基づいて本発明を具体的に説明するが、この図は本発明の概略を示す図であり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。   In the following, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1, but this figure is a diagram showing an outline of the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

本発明の排ガス浄化装置10は、排ガス流れ中にPMフィルター1を配置して、排ガス中のPMを捕集する排ガス浄化装置である。ここでは、プラズマ発生装置2によって燃料をプラズマ化して、PMフィルター1の排ガス流れ上流側で排ガス流れ9中に噴出4させる。   The exhaust gas purification device 10 of the present invention is an exhaust gas purification device that collects PM in exhaust gas by arranging the PM filter 1 in the exhaust gas flow. Here, the fuel is converted into plasma by the plasma generator 2 and ejected 4 into the exhaust gas flow 9 on the upstream side of the exhaust gas flow of the PM filter 1.

本発明で使用できるPMフィルターは、排ガス中のPM捕集のために使用できる任意のフィルターであり、特にコージェライトのようなセラミック製のウォールフロー型ハニカムフィルターを用いることができる。   The PM filter that can be used in the present invention is an arbitrary filter that can be used for collecting PM in exhaust gas, and in particular, a ceramic wall flow honeycomb filter such as cordierite can be used.

また本発明で使用できる燃料は、任意の炭化水素化合物、及びエーテルのように酸素のような他の原子を随意に有する炭化水素に基づく化合物であってもよい。従って本発明で使用できる燃料は、内燃機関の動力エネルギーを発生させるために使用されるガソリンや軽油のようなものであっても、内燃機関の動力源としての燃料とは異なるものであってもよい。   The fuel that can be used in the present invention may also be any hydrocarbon compound and a hydrocarbon-based compound optionally having other atoms such as oxygen, such as ether. Therefore, the fuel that can be used in the present invention may be gasoline or light oil used to generate power energy of the internal combustion engine, or may be different from the fuel as the power source of the internal combustion engine. Good.

尚、プラズマ発生装置が、燃料と共に水をプラズマ化する場合、この水は、燃料と共にプラズマ発生装置に供給すること、プラズマ発生装置でプラズマ化された燃料に対して噴射すること等によって、燃料と共にプラズマ化することができる。   When the plasma generator converts the water together with the fuel into plasma, the water is supplied to the plasma generator together with the fuel, injected into the plasma generated by the plasma generator, etc. It can be turned into plasma.

また、プラズマ発生装置が、燃料と共に排ガスの一部又は空気をプラズマ化する場合、この排ガスの一部又は空気は、燃料と共にプラズマ発生装置に供給すること、プラズマ発生装置でプラズマ化された燃料に対して噴射すること、反対にプラズマ発生装置において排ガスの一部又は空気をプラズマ化し、そこに燃料を噴射すること等によって、燃料と共にプラズマ化することができる。   In addition, when the plasma generator converts a part of the exhaust gas or air together with the fuel into a plasma, the exhaust gas part or air is supplied to the plasma generator together with the fuel, or converted into a plasma converted into a plasma by the plasma generator. On the other hand, a part of the exhaust gas or air can be converted into plasma by injecting the fuel into the plasma generator, and the fuel can be injected into the plasma.

以下では、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を例示する。   Below, the plasma generator which can be used with the exhaust gas purification apparatus of this invention is illustrated.

<放電プラズマ発生装置>
本発明で使用できるプラズマ発生装置は例えば、図2に示すような放電プラズマ発生装置である。
<Discharge plasma generator>
A plasma generator that can be used in the present invention is, for example, a discharge plasma generator as shown in FIG.

この図2に示す放電プラズマ発生装置20では、図7で示すようなインジェクター100のノズル12の先端部分に筒状体22が配置されている。この筒状体22とノズル12の先端部分とは、絶縁材料23によって電気的に絶縁されており、それぞれが対電極となるように、筒状体22が電源28に接続され、ノズル12の先端部分が接地されている。筒状体22とノズル12の先端部分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。また図2ではノズル12の先端部分は接地されているが、電源28に接続して筒状体22と反対の電圧を印加されるようにしてもよい。   In the discharge plasma generator 20 shown in FIG. 2, a cylindrical body 22 is disposed at the tip of the nozzle 12 of the injector 100 as shown in FIG. The cylindrical body 22 and the tip end portion of the nozzle 12 are electrically insulated by an insulating material 23, and the cylindrical body 22 is connected to a power source 28 so that each becomes a counter electrode. The part is grounded. Either the cylindrical body 22 or the tip portion of the nozzle 12 can be a cathode or an anode. In FIG. 2, the tip of the nozzle 12 is grounded, but it may be connected to the power source 28 and applied with a voltage opposite to that of the cylindrical body 22.

この放電プラズマ発生装置20の使用においては、ノズル12からの燃料噴射時に、電源28によって筒状体22とノズル先端部分18との間に放電を発生させ、それによって筒状体22内及びその付近でプラズマ29を発生させる。   In the use of the discharge plasma generator 20, when fuel is injected from the nozzle 12, a discharge is generated between the cylindrical body 22 and the nozzle tip portion 18 by the power source 28, thereby causing the inside of the cylindrical body 22 and the vicinity thereof. To generate a plasma 29.

また本発明で使用できるプラズマ発生装置は例えば、図3に示すような放電プラズマ発生装置であってもよい。   The plasma generator that can be used in the present invention may be, for example, a discharge plasma generator as shown in FIG.

この図3に示す放電プラズマ発生装置30では、排ガスの一部又は空気を流通させる導電性の円筒状導管32の中心軸上に放電電極36が配置されており、これらの導管32と放電電極36との間に絶縁材34が配置されている。また、導管32と放電電極36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38に接続されている。導管32と放電電極36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32と放電電極36とは、いずれを接地することもできる。   In the discharge plasma generator 30 shown in FIG. 3, a discharge electrode 36 is disposed on the central axis of a conductive cylindrical conduit 32 through which a part of exhaust gas or air flows, and these conduit 32 and discharge electrode 36 are arranged. An insulating material 34 is disposed between the two. The conduit 32 and the discharge electrode 36 are respectively connected to the ground and the power source 38 so as to be counter electrodes. Either the conduit 32 or the discharge electrode 36 can be a cathode or an anode. Further, either the conduit 32 or the discharge electrode 36 can be grounded.

この放電プラズマ発生装置30の使用においては、電源38によって導管32の先端部32aと放電電極36の先端部36aとの間に放電を発生させ、それによって放電プラズマ発生装置30内の流路を通して供給される排ガスの一部又は空気33をプラズマ39化する。燃料は、インジェクター100からこのプラズマ化された排ガスの一部又は空気に噴射する。   In the use of the discharge plasma generator 30, a power source 38 generates a discharge between the tip 32 a of the conduit 32 and the tip 36 a of the discharge electrode 36, thereby supplying the discharge through the flow path in the discharge plasma generator 30. Part of the exhaust gas or air 33 to be converted into plasma 39. The fuel is injected from the injector 100 into a part of the plasmad exhaust gas or air.

尚、この図3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36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。   In FIG. 3, the conduit is used as one electrode, but it is naturally possible to use a separate electrode that is paired with the discharge electrode 36.

また図4に示すように、燃料を噴射するインジェクター100の噴射ノズルを放電プラズマ発生装置30’の流路内に配置し、放電プラズマ発生装置30’の内壁とインジェクター100の噴射ノズルとの間に、プラズマ化されるガス33が流通するようにし、且つこのインジェクター100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。   Further, as shown in FIG. 4, the injection nozzle of the injector 100 for injecting fuel is disposed in the flow path of the discharge plasma generator 30 ′, and between the inner wall of the discharge plasma generator 30 ′ and the injection nozzle of the injector 100. Further, the gas 33 to be plasma can be circulated, and the injection nozzle of the injector 100 can be used as one electrode.

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3及び4の放電プラズマ発生装置30及び30’で燃料を噴射するのと同様にして、水を噴射する追加のインジェクターを使用して、プラズマ化された排ガスの一部又は空気に水を噴射することができる。   Furthermore, when further water is supplied to the region where the plasma is generated, an additional injector for injecting water is used in the same manner as injecting fuel in the discharge plasma generators 30 and 30 ′ of FIGS. Thus, it is possible to inject water into a part of the exhaust gas converted into plasma or air.

放電プラズマ発生装置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。   The portion used as an electrode in the discharge plasma generator can be manufactured from a material that can be used as a discharge electrode by applying a voltage between the electrodes. As such a material, a conductive material or a semiconductor material can be used, but a metal material such as copper, tungsten, stainless steel, iron, aluminum, or the like is preferable. However, particularly in arc discharge, the electrode becomes hot, so it is preferable to use a high melting point material such as tungsten. Moreover, in order to use barrier discharge, an insulating material can also be arrange | positioned on these electroconductive or semiconductive materials.

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。   The discharge plasma generated here refers to plasma generated by causing high-energy electrons generated by discharge between electrodes to collide with gas molecules, thereby changing the gas molecules into positive ions and negative ions. In order to generate this discharge plasma, any discharge mode can be used, but arc discharge or corona discharge, for example, barrier discharge can be used.

アーク放電を用いて放電プラズマ発生装置でプラズマを発生させる場合、電源は、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。   When plasma is generated by a discharge plasma generator using arc discharge, the power supply can supply a voltage of 1 to 50 V and a current of 5 to 500 A, for example. In this arc discharge, the discharge is sustained by electrons emitted from the cathode. As a current for causing arc discharge, not only direct current but also alternating current can be used.

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。   Arc discharge is advantageous in that the output can be easily increased by increasing the discharge current and discharge voltage, and stable discharge can be sustained for a long time. Moreover, arc discharge is advantageous in that the apparatus and technology for generating arc discharge are simple and the equipment cost is relatively low.

またコロナ放電を用いて放電プラズマ発生装置でプラズマを発生させる場合、電源は、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幅は、0.1μs〜10ms、特に0.1〜10μsにすることができる。   When plasma is generated by a discharge plasma generator using corona discharge, the power source may supply a pulsed direct current or alternating voltage. In general, a voltage of 1 kV to 100 kV, for example, 5 kV to 20 kV can be used as an applied voltage between the electrodes. The pulse width of the applied voltage can be 0.1 μs to 10 ms, particularly 0.1 to 10 μs.

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。   In addition, it is preferable to arrange an insulating material on the electrode to perform barrier discharge in terms of plasma stability, electrode durability, and the like.

<結合誘導プラズマ発生装置>
結合誘導によってプラズマを発生させる結合誘導プラズマ発生装置は例えば、プラズマ化される空間の周囲に配置された誘導コイルを有し、この誘導コイルに高周波電流を供給して、ガスの流路に磁場を発生させ、渦電流を発生させて、結合誘導プラズマを発生させるものである。
<Coupled induction plasma generator>
A coupled induction plasma generator that generates plasma by coupled induction has, for example, an induction coil disposed around a space to be plasmatized, supplies a high-frequency current to the induction coil, and generates a magnetic field in a gas flow path. And generating an eddy current to generate coupled induction plasma.

これは例えば図5に示すようなものでよい。この結合誘導プラズマ発生装置40では、プラズマ化される排ガスの一部又は空気を流通させる導管42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44が配置されている。誘導コイル44の一端には、マッチングボックス47を介して高周波電源48が接続されており、他端は接地されている。   This may be, for example, as shown in FIG. In this coupled induction plasma generating device 40, a part of the exhaust gas to be converted into plasma or a tip part of a conduit 42 for circulating air is made of a material that transmits electromagnetic waves, for example, an insulating material such as quartz. An induction coil 44 for generating an induction electric field is disposed around the portion. A high frequency power supply 48 is connected to one end of the induction coil 44 via a matching box 47, and the other end is grounded.

この燃料添加装置の使用においては、マッチングボックス47によってインピーダンスを調整して高周波電源48から誘導コイル44に高周波電流を流し、導管42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42内及びその付近で誘導的にプラズマ49を発生させる。燃料は、インジェクター100から、このプラズマ化された排ガスの一部又は空気に噴射する。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。   In the use of this fuel addition device, the impedance is adjusted by the matching box 47 and a high frequency current is passed from the high frequency power supply 48 to the induction coil 44, a magnetic field is generated inside the distal end portion of the conduit 42, an eddy current is generated, Thereby, a plasma 49 is inductively generated in and around the conduit 42. The fuel is injected from the injector 100 into a part of the plasmad exhaust gas or air. As the high-frequency current used here, for example, a frequency of 2 to 50 MHz, particularly 3 to 40 MHz can be used.

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。   This coupled induction plasma is preferable in terms of durability because the electrode (metal part) can not be directly exposed to the high temperature plasma.

結合誘導プラズマ発生装置では、図2及び4で示す放電プラズマ発生装置と同様に、燃料を直接にプラズマ化すること、及び燃料を噴射するインジェクター100の噴射ノズルをプラズマ化するガスの流路内に配置すること等もできる。   In the coupled induction plasma generator, as in the discharge plasma generator shown in FIGS. 2 and 4, the fuel is directly converted into plasma, and the injection nozzle of the injector 100 for injecting fuel is placed in the gas flow path for generating plasma. It can also be arranged.

<マイクロ波プラズマ発生装置>
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は例えば、プラズマ化されるガスの流路に配置されたプラズマ励起体を有し、このプラズマ励起体に対してマイクロ波を照射して、プラズマ励起体の周囲でプラズマを発生させるものである。
<Microwave plasma generator>
A microwave plasma generator that generates plasma by using a microwave has, for example, a plasma exciter disposed in a flow path of a gas to be converted into plasma, and this plasma exciter is irradiated with microwaves to excite plasma. Plasma is generated around the body.

これは例えば図6に示すようなものでよい。この図6に示すマイクロ波プラズマ発生装置50では、プラズマ化する排ガスの一部又は空気を流通させる導管内に、マイクロ波54の照射を受けてその周囲でのプラズマ59の励起を促進するプラズマ励起体52、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。   This may be, for example, as shown in FIG. In the microwave plasma generator 50 shown in FIG. 6, plasma excitation that promotes excitation of the plasma 59 around the irradiation of the microwave 54 in a part of the exhaust gas to be converted into plasma or in a conduit that circulates air. A body 52, for example a conductive ceramic, in particular a conductive ceramic sintered body such as a SiC sintered body, is arranged.

このマイクロ波プラズマ発生装置50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54、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排ガスの一部又は空気33に照射し、電場強度を強めてプラズマ49を発生させる。燃料は、インジェクター100から、このプラズマ化された排ガスの一部又は空気に噴射する。   In the use of the microwave plasma generator 50, a microwave 54 generated by a microwave generator such as a magnetron, for example, a microwave having a frequency of about 2.54 GHz is converted into plasma from an antenna via a waveguide. The plasma 49 is generated by irradiating a part of the exhaust gas or the air 33 to increase the electric field strength. The fuel is injected from the injector 100 into a part of the plasmad exhaust gas or air.

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、一般にプラズマ励起体52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。   In particular, when generating a microwave plasma at atmospheric pressure or higher, the plasma exciter 52 is generally used, and the plasma is irradiated around the plasma exciter by irradiating the plasma exciter with microwaves. It is advantageous to generate it.

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。   The use of microwave plasma is preferable with respect to durability because the electrode (metal part) can not be directly exposed to the high temperature plasma.

マイクロ波プラズマ発生装置50では、図2及び4で示す放電プラズマ発生装置と同様に、燃料を直接にプラズマ化すること、及び燃料を噴射するインジェクター100の噴射ノズルをプラズマ化するガスの流路内に配置すること等もできる。   In the microwave plasma generator 50, as in the discharge plasma generator shown in FIGS. 2 and 4, the fuel is directly converted into plasma, and the injection nozzle of the injector 100 that injects fuel is converted into plasma in the gas flow path. It is also possible to arrange them.

<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、燃料をプラズマ状態にすると、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。
<Plasma>
As is generally known, plasma means a material state in which two or more kinds of charged particles having positive and negative charges that freely move coexist. Therefore, in the plasma state, the substance present has high potential energy, and when the fuel is brought into the plasma state, radicalization and cracking can be performed and converted into a low molecular weight component having high reactivity.

以下の実施例では、図8に示すタイプの放電プラズマ発生装置を使用して、燃料成分を伴う排ガスにプラズマを印加したときの酸化性成分、特にNO2の発生効果を示す。ここで発生するNO2は、450℃未満といった比較的低い排ガス温度、すなわち熱によるPMの燃焼除去が実質的に行われる温度よりも低い温度においても、フィルターに捕集されているPMの燃焼除去を促進することができる。 In the following examples, an effect of generating an oxidizing component, particularly NO 2 when a plasma is applied to an exhaust gas accompanied by a fuel component using a discharge plasma generator of the type shown in FIG. NO 2 generated here is a relatively low exhaust gas temperature, such as less than 450 ° C., that is, a temperature lower than the temperature at which PM is substantially removed by heat. Can be promoted.

図8で示す放電プラズマ発生装置では、中心電極82を囲むようにして筒状電極84が配置されており、これらの中心電極82と筒状電極84とはそれぞれ電源86に接続及び接地されている。この放電プラズマ発生装置80においてプラズマ化されるモデルガスは、矢印で示すようにして、図8の左側から右側に筒状電極84が取り囲む空間内を通過する。この放電リアクターの使用においては、電源86によって中心電極82と筒状電極84との間に電圧を印加し、それによってこれらの電源間で放電を起こさせる。尚、ここでは、筒状電極84の内側には絶縁性材料層を配置してバリア放電を発生させた。   In the discharge plasma generator shown in FIG. 8, a cylindrical electrode 84 is disposed so as to surround the center electrode 82, and the central electrode 82 and the cylindrical electrode 84 are connected and grounded to a power source 86, respectively. The model gas converted into plasma in the discharge plasma generator 80 passes through the space surrounded by the cylindrical electrode 84 from the left side to the right side in FIG. In using this discharge reactor, a voltage is applied between the center electrode 82 and the cylindrical electrode 84 by the power source 86, thereby causing a discharge between these power sources. Here, an insulating material layer is disposed inside the cylindrical electrode 84 to generate a barrier discharge.

この放電プラズマ発生装置に流通させるモデルガスの組成は表1に示すようなものであった。

Figure 2006170049
The composition of the model gas to be circulated in the discharge plasma generator was as shown in Table 1.
Figure 2006170049

実験の結果、モデルガス中にC38が80ppm存在しているときには、NO2の発生率が82%であり、モデルガス中にC38が存在しないときには、NO2の発生率が8%であった。すなわち、燃料成分であるC38の存在によって、排ガスにプラズマを印加したときに酸化性成分であるNO2の発生が促進されることが示された。 As a result of the experiment, when 80 ppm of C 3 H 8 is present in the model gas, the NO 2 generation rate is 82%, and when C 3 H 8 is not present in the model gas, the NO 2 generation rate is It was 8%. That is, it was shown that the presence of C 3 H 8 as a fuel component promotes the generation of NO 2 as an oxidizing component when plasma is applied to exhaust gas.

尚、ここでは、入りガス中のNOがどれだけNO2に変化したかを「NO2の生成率」と定義している(NO+O→NO2)。従って、NO2生成率=(出ガス中NO2濃度)/(入りガス中NO濃度)となる。すなわち、例えばNO2生成率60%とは、100ppmのNOが入りガスとして供給されたときに、60ppmはNO2に変化し、残りの40ppmはNOのままである状態を示す。ここで、ガス濃度は体積(モル数)で表している。 Here, whether the NO incoming gas is changed to how much NO 2 is defined as a "generation rate NO 2" (NO + O → NO 2) . Therefore, the NO 2 production rate = (NO 2 concentration in the outgas) / (NO concentration in the incoming gas). That is, for example, the NO 2 production rate of 60% indicates a state in which when 100 ppm of NO is supplied as an input gas, 60 ppm changes to NO 2 and the remaining 40 ppm remains NO. Here, the gas concentration is expressed by volume (number of moles).

本発明の排ガス浄化装置の1つの態様を示す図である。It is a figure which shows one aspect | mode of the exhaust gas purification apparatus of this invention. 本発明の燃料添加装置で使用できる放電プラズマ発生装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the discharge plasma generator which can be used with the fuel addition apparatus of this invention. 本発明の燃料添加装置で使用できる他の放電プラズマ発生装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other discharge plasma generator which can be used with the fuel addition apparatus of this invention. 本発明の燃料添加装置で使用できる更に他の放電プラズマ発生装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the further another discharge plasma generator which can be used with the fuel addition apparatus of this invention. 本発明の燃料添加装置で使用できる結合誘導プラズマ発生装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the coupling induction plasma generator which can be used with the fuel addition apparatus of this invention. 本発明の燃料添加装置で使用できるマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the microwave plasma generator which can be used with the fuel addition apparatus of this invention. 従来のインジェクターの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the conventional injector. 実施例で使用した放電プラズマ発生装置の斜視図である。It is a perspective view of the discharge plasma generator used in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 PMフィルター
2 プラズマ発生装置
4 プラズマ化された燃料
9 排ガス流れ
10 本発明の排ガス浄化装置
20、30、30’ 放電プラズマ発生装置
33 プラズマ化されるガスの流れを示す矢印
29、39、39’、49、59 プラズマ
40 結合誘導プラズマ発生装置
50 マイクロ波プラズマ発生装置
80 実施例で使用した放電プラズマ発生装置
100 従来のインジェクター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 PM filter 2 Plasma generator 4 Plasma-ized fuel 9 Exhaust gas flow 10 Exhaust gas purification apparatus 20, 30, 30 'of this invention Discharge plasma generator 33 Arrow 29, 39, 39' which shows the flow of the gas converted into plasma , 49, 59 Plasma 40 Coupling induction plasma generator 50 Microwave plasma generator 80 Discharge plasma generator 100 used in the embodiment 100 Conventional injector

Claims (5)

排ガス流れ中にパティキュレートフィルターを配置して、排ガス中のパティキュレートを捕集する排ガス浄化装置であって、
燃料をプラズマ化して、前記フィルターの上流側で前記排ガス流れ中に噴出させるプラズマ発生装置を有する、排ガス浄化装置。
An exhaust gas purification device that collects particulates in exhaust gas by disposing a particulate filter in the exhaust gas flow,
An exhaust gas purifying apparatus comprising a plasma generator for converting fuel into plasma and ejecting the fuel into the exhaust gas flow upstream of the filter.
前記プラズマ発生装置が、燃料と共に水をプラズマ化する、請求項1に記載の排ガス浄化装置。   The exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein the plasma generation device converts water into plasma together with fuel. 前記プラズマ発生装置が、燃料と共に排ガスの一部又は空気をプラズマ化する、請求項1又は2に記載の排ガス浄化装置。   The exhaust gas purifying apparatus according to claim 1 or 2, wherein the plasma generator converts a part of the exhaust gas or air into a plasma together with the fuel. 前記プラズマ発生装置を用いて燃料をプラズマ化して排ガス流れ中に噴出させることによって、前記フィルターにおける排ガスの温度を500℃超にして、前記フィルターに捕集されているパティキュレートを燃焼除去する、請求項1〜3のいずれかに記載の排ガス浄化装置の制御方法。   The fuel is converted into plasma using the plasma generator and ejected into the exhaust gas flow, whereby the temperature of the exhaust gas in the filter exceeds 500 ° C., and the particulates collected in the filter are burned and removed. Item 4. A method for controlling an exhaust gas purifying apparatus according to any one of Items 1 to 3. 前記プラズマ発生装置を用いて燃料と共に排ガスの一部又は空気をプラズマ化して排ガス流れ中に噴出させることによって、排ガス流れ中に酸化性成分を発生させて、前記フィルターにおける排ガスの温度が450℃未満の状態で、前記フィルターに捕集されているパティキュレートを燃焼除去する、請求項3に記載の排ガス浄化装置の制御方法。   Using the plasma generator, a part of the exhaust gas or air together with the fuel is converted into plasma and ejected into the exhaust gas stream to generate an oxidizing component in the exhaust gas stream, and the temperature of the exhaust gas in the filter is less than 450 ° C. The control method of the exhaust gas purifying apparatus according to claim 3, wherein the particulates collected by the filter are burned and removed in the state.
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