JP2006348888A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 オゾン生成能力が比較的低いオゾン生成装置を用いてフィルタ等に捕集されているＰＭを効率よくオゾンにより燃焼させることができる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 機関排気通路上に配置された排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置６と、オゾンを生成するオゾン生成装置２１と、オゾンを吸着可能なオゾン吸着材２２とを具備する排気ガス浄化装置において、オゾン生成装置によって生成されたオゾンの少なくとも一部はオゾン吸着材に吸着され、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンをオゾン吸着材から脱離させて捕集装置に供給するようにした。
【選択図】 図１
【解決手段】 機関排気通路上に配置された排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置６と、オゾンを生成するオゾン生成装置２１と、オゾンを吸着可能なオゾン吸着材２２とを具備する排気ガス浄化装置において、オゾン生成装置によって生成されたオゾンの少なくとも一部はオゾン吸着材に吸着され、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンをオゾン吸着材から脱離させて捕集装置に供給するようにした。
【選択図】 図１
Description
本発明は、排気ガス浄化装置に関する。
一般に、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼル式内燃機関）の排気ガス中には、多くの場合、主にカーボン（Ｃ）から形成される粒子状物質、いわゆるＰＭ（パティキュレートマター）が含まれており、斯かるＰＭは大気中に放出されると視界の悪化や建物の汚れの原因となる。このため、多くの内燃機関ではその排気通路上にパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）等を設けて排気ガス中のＰＭを捕集すると共に、排気ガス中に燃料を添加してフィルタ等上で添加燃料を燃焼させたりヒータによってフィルタ等を加熱したりすることによってフィルタを高温にすることでフィルタに捕集されたＰＭを燃焼、除去するようにしている。
ところが、このように排気ガス中のＰＭを燃焼させるためにフィルタを昇温すると、燃料添加及びヒータによる加熱のいずれの方法によっても燃料消費量が多くなり、燃費悪化を招く。そこで、近年、オゾンが低温でもＰＭを燃焼させることができる点に着目し、プラズマによりオゾンを生成し、生成されたオゾンをフィルタ等に流入させることでフィルタ等に捕集されたＰＭを除去する方法が提案されている。
特許文献１には、フィルタの排気上流側にプラズマ発生装置を設け、このプラズマ発生装置によりオゾン又は二酸化窒素を生成すると共に生成されたオゾン及び二酸化窒素をフィルタに流入させ、フィルタに捕集されているＰＭを燃焼させる排気ガス浄化装置が開示されている。斯かる排気ガス浄化装置では、排気ガスの温度が或る温度閾値（例えば２００℃）よりも低い場合にはプラズマ発生装置により主にオゾンを生成し、該温度閾値以上の場合にはプラズマ発生装置により主に二酸化窒素を生成するようにしている。これは、オゾンを生成する場合の消費電力は二酸化窒素を生成する場合の消費電力に比べて大きいため、二酸化窒素によるＰＭに対する酸化能力が低い温度域、すなわち上記温度閾値よりも低い温度域においてのみオゾンを生成するようにしたものである。
ところが、圧縮自着火式内燃機関の排気ガスの温度は比較的低温であり、上記温度閾値よりも低い温度となっている状態が続くことも少なくない。このため、上記排気ガス浄化装置では、多くの場合、フィルタに捕集されているＰＭを燃焼させるためにプラズマ発生装置によりオゾンを生成することになり、消費電力は大きなものとなる。
また、フィルタに或る程度のＰＭが捕集されてからオゾンによってＰＭを燃焼させようとすると、比較的短時間に多量のオゾンを生成することが必要となる。このように短時間に多量のオゾンを生成しようとすると、消費電力が大きいものとなるばかりか、プラズマ発生装置のオゾン生成能力を高いものとしなければならず、製造コストの増大を招いてしまう。
そこで、本発明の目的は、オゾン生成能力が比較的低いオゾン生成装置を用いてフィルタ等に捕集されている粒子状物質を効率よくオゾンにより燃焼させることができる排気ガス浄化装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路上に配置された排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置と、オゾンを生成するオゾン生成装置と、オゾンを吸着可能なオゾン吸着材とを具備し、上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンの少なくとも一部は上記オゾン吸着材に吸着され、上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンを該オゾン吸着材から脱離させて捕集装置に供給するようにした、排気ガス浄化装置が提供される。
第１の発明によれば、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンが捕集装置に供給される。このため、オゾン生成装置のオゾン生成能力以上のオゾンを捕集装置に供給することができる。
なお、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときとは、例えば、オゾン生成装置によって生成されたオゾンとオゾン吸着材から離脱せしめられたオゾンとを共に捕集装置に供給すると供給されたオゾンのほぼ全てが捕集されている粒子状物質と反応して捕集装置からほとんどオゾンが流出しない程度に捕集装置に粒子状物質が捕集されているとき、又は捕集装置に粒子状物質が捕集されたことによって捕集装置に起因する圧力損失が所定値以上に大きくなっているとき等を意味する。
第１の発明によれば、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンが捕集装置に供給される。このため、オゾン生成装置のオゾン生成能力以上のオゾンを捕集装置に供給することができる。
なお、捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときとは、例えば、オゾン生成装置によって生成されたオゾンとオゾン吸着材から離脱せしめられたオゾンとを共に捕集装置に供給すると供給されたオゾンのほぼ全てが捕集されている粒子状物質と反応して捕集装置からほとんどオゾンが流出しない程度に捕集装置に粒子状物質が捕集されているとき、又は捕集装置に粒子状物質が捕集されたことによって捕集装置に起因する圧力損失が所定値以上に大きくなっているとき等を意味する。
第２の発明では、第１の発明において、上記オゾン吸着材はゼオライトによって形成される。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記オゾン生成装置からオゾン吸着材を介して捕集装置へと通じるメイン通路と、該メイン通路から分岐すると共に上記オゾン吸着材をバイパスするバイパス通路と、上記バイパス通路が分岐する分岐部に設けられると共にオゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記バイパス通路へ流入する流量を調整するオゾン流量調整弁とをさらに具備する。
第３の発明によれば、オゾン生成装置によって生成されたオゾンをオゾン吸着材に吸着させるか、オゾン吸着材に吸着させることなく直接捕集装置に流入させるかを選択することができる。なお、流量調整弁には、メイン通路とバイパス通路との間で切り換える切換弁も含まれる。
第３の発明によれば、オゾン生成装置によって生成されたオゾンをオゾン吸着材に吸着させるか、オゾン吸着材に吸着させることなく直接捕集装置に流入させるかを選択することができる。なお、流量調整弁には、メイン通路とバイパス通路との間で切り換える切換弁も含まれる。
第４の発明では、第３の発明において、上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときには、上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記バイパス通路を通って流れるようにオゾン流量調整弁が制御される。
第４の発明によれば、粒子状物質を除去すべきときに、オゾン吸着材に吸着されているオゾンを捕集装置に供給するのに加えてオゾン生成装置によって生成されたオゾンを直接捕集装置に流入させることができる。
第４の発明によれば、粒子状物質を除去すべきときに、オゾン吸着材に吸着されているオゾンを捕集装置に供給するのに加えてオゾン生成装置によって生成されたオゾンを直接捕集装置に流入させることができる。
第５の発明では、第３又は第４の発明において、上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときであっても排気温度が分解開始温度よりも高い場合には、上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記メイン通路を通って流れるようにオゾン流量調整弁が制御される。
第５の発明では、粒子状物質を除去すべきときであってもオゾンが捕集装置に到達するまでに分解してしまう可能性がある場合にはオゾン生成装置によって生成されたオゾンを捕集装置に供給しないようにしており、これにより生成されたオゾンを効率よく粒子状物質の除去に利用することができる。
第５の発明では、粒子状物質を除去すべきときであってもオゾンが捕集装置に到達するまでに分解してしまう可能性がある場合にはオゾン生成装置によって生成されたオゾンを捕集装置に供給しないようにしており、これにより生成されたオゾンを効率よく粒子状物質の除去に利用することができる。
第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、機関排気通路から分岐すると共に上記オゾン吸着材に連結される分岐通路と、該分岐通路に流入する排気ガスの流量を調整する排気流量調整弁とをさらに具備し、上記オゾン吸着材からオゾンを脱離させるときには内燃機関から排出された排気ガスの少なくとも一部が上記分岐通路を介してオゾン吸着材に流入するように上記排気流量調整弁が制御される。
第６の発明では、オゾン吸着材からオゾンを脱離させるのに排気ガスによってオゾン吸着材を昇温される。これにより、オゾン吸着材を昇温するためのヒータ等を設ける必要が無くなり、製造コストを低減することができる。
第６の発明では、オゾン吸着材からオゾンを脱離させるのに排気ガスによってオゾン吸着材を昇温される。これにより、オゾン吸着材を昇温するためのヒータ等を設ける必要が無くなり、製造コストを低減することができる。
本発明によれば、オゾン生成能力が比較的低いオゾン生成装置を用いてフィルタ等に捕集されている粒子状物質を効率よくオゾンにより燃焼させることができる。
以下、図面を参照して本発明の排気ガス浄化装置について説明する。図１は、本発明の排気ガス浄化装置が利用される圧縮自着火式内燃機関全体を示す図である。
図１を参照すると、機関本体１は複数の気筒１ａを具備する。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を介してサージタンク３に連結され、また排気マニホルド４及び排気管５を介し、パティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）６を内蔵したフィルタケーシング７に連結される。なお、本明細書では、排気ポート（図示せず）、排気マニホルド４及び排気管５によって画成される通路を「排気通路」と称する。
図２（ａ）及び（ｂ）にフィルタ６の構造を示す。なお、図２（ａ）はフィルタ６の正面図を示しており、図２（ｂ）はフィルタ６の断面側面図を示している。図２（ａ）及び（ｂ）に示したようにフィルタ６はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる複数の排気流通路１０、１１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓１２により閉塞された排気流入通路１０と、上流端が栓１３により閉塞された排気流出通路１１とにより構成される。なお、図２（ａ）においてハッチングを付した部分は栓１３を示している。従って排気流入通路１０及び排気流出通路１１は薄肉の隔壁１４を介して交互に配置される。
フィルタ６は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路１０内に流入した排気ガスは図２（ｂ）において矢印で示したように周囲の隔壁１４内を通って隣接する排気流出通路１１内に流出する。
ここで、圧縮自着火式内燃機関では、燃焼室内で主にカーボン（Ｃ）からなる粒子状物質（以下、「ＰＭ（パティキュレートマター）」と称す）が生成される。したがって、排気ガス中にはこれらＰＭが含まれる。排気ガス中のＰＭは、排気ガスが図２（ｂ）に示したようにフィルタ６内を流れているときに各排気流入通路１０及び各排気流出通路１１の周壁面、及び隔壁１４内の細孔内壁面上に付着し、捕集される。
このようにフィルタ６の周壁面等上（以下、単に「フィルタ上」と称す）に捕集されたＰＭは徐々にフィルタ６上に堆積し、その結果フィルタ６の細孔が目詰まりを起こしてしまう。このようにフィルタ６の細孔が目詰まりを起こすと、フィルタ６に起因する排気ガスの圧力損失が高いものとなり、内燃機関の運転に悪影響を及ぼす。
このため、フィルタ６上に堆積したＰＭを除去するための様々な方法が提案されており、斯かる方法の一つとしてオゾン等の酸化能力の極めて高い成分をフィルタ６に流入させてフィルタ６上に堆積しているＰＭと反応させ、ＰＭを燃焼・除去することが挙げられる。このようにオゾン等をフィルタ６に流入させてＰＭを燃焼・除去することにより、ＰＭを比較的低温で燃焼・除去することができる。このため、例えば一般的なＰＭの燃焼温度（約６００℃）までフィルタを昇温してＰＭを燃焼させたり、二酸化窒素（ＮＯ2）を酸化剤としてフィルタに流入させてＰＭを燃焼させたりする場合に比べてＰＭの酸化温度が低く、よってＰＭの燃焼・除去にあたりフィルタを昇温する必要がほとんど無いため燃費を高めることができる。
そこで、本実施形態では、フィルタ６にオゾンを供給可能なオゾン供給システム２０が提供される。図１に示したように、オゾン供給システム２０は、オゾン供給装置２１と、オゾンを吸着可能なオゾン吸着材２２とを具備する。
オゾン供給装置２１は、図３に示したようなオゾン生成装置２３と、このオゾン生成装置２３に外気を導入するための外気導入ポンプ（図示せず）とを有する。オゾン生成装置２３は、オゾン生成装置２３に導入された外気をプラズマで処理することによって、オゾンをその場で生成することができる。このプラズマは酸素からオゾンを生成することができれば如何なるプラズマであってもよく、例えば、放電プラズマ、マイクロ波プラズマ、又は結合誘導プラズマである。
図示したオゾン生成装置２３は、放電プラズマによってオゾンを生成する装置であり、筒状の外周電極４１とこの外周電極４１の中心軸線上に配置された中心電極４２とを有する。外周電極４１は接地され、中心電極４２は電源４３に接続される。両電極４１、４２間は絶縁体４４によって絶縁される。また、外周電極４１の一部には外気導入ポンプに連結される外気供給路４５が設けられ、この外気供給路４５を介して放電プラズマによって処理すべき外気４６がオゾン生成装置２３に供給される。外周電極４１の一方の端部には、放電プラズマによって処理されたオゾンを含む気体を放出するためのオゾン放出出口４７が設けられる。このように構成されたオゾン生成装置２３では、外気供給路４５を介して酸素を含んだ外気が両電極４１、４２間に供給され、電源４３によって両電極４１、４２間に電圧が印加されてこれら電極４１、４２間で放電が起こることによってプラズマが発生せしめられ、これにより両電極４１、４２間の空間４８においてオゾンが生成せしめられる。生成されたオゾンを含む気体４９はオゾン放出出口４７から放出される。
上述したように放電によってプラズマを発生させる場合、電極としては導電性材料や半導体性材料が用いられ、特に金属材料、例えば銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が用いられるのが好ましい。なお、アーク放電では電極が高温になるので電極としてタングステンのような高融点材料を使用するのが好ましい。また、バリア放電を行う場合、上記導電性材料又は半導体性材料上に絶縁性材料を設けてもよい。これによりバリア放電において、プラズマの安定性、電極の耐久性等を高めることができる。
なお、オゾン供給装置２１は、外気導入ポンプにより外気を導入しているが、オゾン供給システム２０が設けられる位置よりも排気上流側の機関排気通路から排気ガスを導入するようにしてもよい。この場合、排気ガスを導入するためのポンプは無くてもよい。
オゾン吸着材２２は、基本的に、その温度が吸着限界温度（例えば２００℃）以下の低温の時にオゾンを吸着し易く、それよりも高温になると吸着しているオゾンを脱離させ易い。特に、オゾン吸着材２２の温度が高温であって且つオゾン吸着材２２を通って流れる流体の流量が多い場合に吸着しているオゾンが多量に脱離せしめられる。
本実施形態では、オゾン吸着材２２はゼオライトから構成され、シリカ−アルミナの比率、すなわちシリカ−アルミナの細孔径によってオゾンを吸着（トラップ）できるか否か及びその吸着温度が決まる。すなわちオゾンはオゾン吸着材２２に物理的に吸着（トラップ）され、吸着にあたっては基本的に化学変化を伴わないものと考えられる。
なお、オゾン吸着材２２としては、オゾンを物理的に吸着することができる如何なる材料を用いてもよい。このような材料としては、上記ゼオライトの他に活性炭等が挙げられる。ただし、活性炭はオゾンを物理吸着しようとすると活性炭自体がオゾンと反応して徐々に燃焼してしまうため、オゾン吸着材２２として用いるのはあまり好ましくない。
また、オゾン供給システム２０は、複数の流通管２４を有し、本実施形態では、第一流通管２４ａから第四流通管２４ｄまでの四つの流通管を有する。第一流通管２４ａは、オゾン供給装置２１とオゾン吸着材２２を内蔵した吸着材ケーシング２５とに連結され、第二流通管２４ｂは吸着材ケーシング２５と排気管５とに連結される。特に、第二流通管２４ｂはフィルタ６の直ぐ上流の位置において排気管５に連結されるのが好ましい。なお、第二流通管２４ｂは排気管５に連結される代わりに、フィルタ６の上流側においてフィルタケーシング７に連結されてもよい。このように、第二流通管２４ｂの連結位置をフィルタ６の直ぐ上流とすることで、第二流通管２４ｂから放出されるオゾンが排気管５内を流れる排気ガス中に長期間含まれることが抑制され、これによりオゾンが排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）等と反応して酸素に還元されてしまうのが抑制される。
また、第三流通管２４ｃは第一流通管２４ａから分岐すると共に第二流通管２４ｂに合流する。すなわち、第三流通管２４ｃは第一流通管２４ａと第二流通管２４ｂに連結される。第四流通管２４ｄは排気管５から分岐すると共に第一流通管２４ａに合流する。すなわち、第四流通管２４ｄは排気管５と第一流通管２４ａに連結される。
第一流通管２４ａから第三流通管２４ｃが分岐する分岐部には、第一切換弁２６ａが設けられる。第一切換弁２６ａは、オゾン供給装置２１から供給されるオゾンが第一流通管２４ａを介してオゾン吸着材２２に流入せしめられる吸着材流入位置（図１に破線で示した位置）と、斯かるオゾンが第三流通管２４ｃを介してオゾン吸着材２２をバイパスせしめられるバイパス位置（図１に実線で示した位置）との間で切り換えられる。また、第四流通管２４ｄが排気管５から分岐する分岐部には、第二切換弁２６ｂが設けられる。第二切換弁２６ｂは、機関本体１から排出された排気ガスの全てが第四流通管２４ｄに流入することなくそのまま排気管５を通って流れる排気管流通位置（図１に実線で示した位置）と、斯かる排気ガスの全部又は一部が第四流通管２４ｄに流入する流通管流入位置（図１に破線で示した位置）との間で切り換えられる。
従って、第一切換弁２６ａの切換位置が吸着材流入位置にあるときには、オゾン供給装置２１から供給されるオゾンはオゾン吸着材２２に流入し、オゾン吸着材２２の温度が吸着限界温度以下である場合には流入したオゾンがオゾン吸着材２２に吸着される。一方、第一切換弁２６ａの切換位置がバイパス位置にあるときには、オゾン供給装置２１から供給されるオゾンはバイパス通路２４ｃ及び第四流通管２４ｄを介して排気管５内を通る排気ガス中へ、そしてフィルタ６へ供給されることとなる。
第二切換弁２６ｂの切換位置が流通管流入位置にあるときには、機関本体１から排出された排気ガスの一部又は全部が第四流通管２４ｄ及び第一流通管２４ａの一部を通ってオゾン吸着材２２に流入せしめられる。これによりオゾン吸着材２２は流入する排気ガスによって昇温されて吸着限界温度よりも高くなるため、オゾン吸着材２２に吸着されていたオゾンが脱離せしめられる。脱離されたオゾンはオゾン吸着材２２に流入した排気ガスと共にオゾン吸着材２２から流出せしめられ、第二流通管２４ｂを介して排気管５内を流れる排気ガス中へ、そしてフィルタ６へ供給されることとなる。
次に、このように構成されたオゾン供給システム２０の作動について説明する。機関本体１から排出された排気ガスの温度、特に排気管５内を流れる排気ガスであってオゾン供給システム２０が設けられた位置の直前の排気ガスの温度（以下、「直前排気温度」と称す）が分解開始温度よりも低い場合、第一切換弁２６ａの切換位置がバイパス位置とされる。これにより、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンは、第三流通路２４ｃ及び第四流通路２４ｄを介して排気管５内を通る排気ガス中に供給され、そしてフィルタ６に供給される。ここで、分解開始温度とは、熱によりオゾンが分解し始める温度を意味し、例えば３００℃である。
これにより、直前排気温度が分解開始温度よりも低い場合には、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンがフィルタ６に供給され、フィルタ６上に堆積しているＰＭ及び排気ガス中のＰＭがオゾンにより効果的に燃焼・除去される。すなわち、オゾンが供給される対象となる排気ガスの温度が分解開始温度よりも低ければ、オゾンがオゾン供給システム２０から排気ガスに供給されてからフィルタ６に到達するまでに熱により分解してしまうことがほとんどないため、供給されたオゾンをＰＭの燃焼・除去に効果的に利用することができる。
一方、直前排気温度が分解開始温度以上である場合には、オゾン供給システム２０から排気ガスに供給されてからフィルタ６に到達するまでにオゾンが分解してしまう。そのため、本実施形態では、直前排気温度が分解開始温度以上である場合には、第一切換弁２６ａの切換位置が吸着材流入位置とされる。これにより、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンは、第一流通路２４ａを介してオゾン吸着材２２に流入せしめられる。通常、オゾン吸着材２２の温度は吸着限界温度以下となっているため、オゾン吸着材２２に流入したオゾンはオゾン吸着材２２に吸着せしめられる。これにより、直前排気温度が分解開始温度以上である場合に、オゾンがフィルタ６上のＰＭの燃焼・除去に寄与することなく分解されてしまうことを抑制することができる。
このように、直前排気温度に応じて第一切換弁２６ａを切り換えることによりフィルタ６上に堆積しているＰＭを効果的に燃焼・除去することができるようになる。しかしながら、機関本体１からのＰＭの排出量が多い場合や、直前排気温度が分解開始温度以上となっている状態が続いているような場合には、オゾン供給システム２０から上述したようにオゾンを供給しているだけではオゾンによるＰＭの燃焼・除去能力が不足し、ＰＭがフィルタ６上に堆積し、フィルタ６に起因する排気ガスの圧力損失が大きなものとなってしまう。
そこで、本実施形態では、圧力損失に影響を及ぼすような限界堆積量のＰＭがフィルタ６上に堆積した場合には、オゾン供給装置２１からフィルタ６にオゾンを供給するだけでなく、オゾン吸着材２２に吸着されているオゾンもフィルタ６に供給するようにしている。具体的には、第一切換弁２４ａの切換位置がバイパス位置とされると共に、第二切換弁２４ｂの切換位置が流通管流入位置とされる。これにより、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンは第三流通路２４ｃ及び第二流通路２４ｂを介してフィルタ６に供給される。
また、機関本体１から排出された排気ガスがオゾン吸着材２２に流入する。排気ガスの温度は吸着限界温度よりも高い場合が多く、よってオゾン吸着材２２も吸着限界温度よりも高い温度にまで昇温せしめられる。これにより、オゾン吸着材２２からオゾンが脱離せしめられると共に、オゾン吸着材２２には比較的多量の排気ガスが流通することとなるため、脱離が促進せしめられる。そしてオゾン吸着材２２から脱離せしめられたオゾンはフィルタ６に供給される。すなわち、本実施形態によれば、ＰＭが多量にフィルタ６上に堆積した場合には、斯かるＰＭを燃焼・除去するために多量のオゾンがフィルタ６に流入せしめられる。
すなわち、本実施形態では、オゾン供給装置２１によるオゾンの供給は機関運転状態とは無関係にほぼ一定に維持され、オゾンを供給すると効率的にＰＭを燃焼・除去することができる機関運転状態ではオゾンをフィルタ６に供給し、効率的にＰＭを燃焼・除去することができない機関運転状態ではオゾンをオゾン吸着材２２に吸着させると共に、多量のオゾンをフィルタ６に流入させるべきときにオゾン吸着材２２からオゾンを脱離させてフィルタ６に流入させるようにしている。このように、オゾン吸着材２２を利用することにより、多量のオゾンをフィルタ６に流入させるべきときであってもオゾン供給装置２１のみからオゾンを供給しなくてもよいため、オゾン供給装置２１のオゾン生成装置２３によるオゾン生成能力をあまり高いものとする必要がなくなり、よって製造コストを低下させることができ、またオゾン供給装置２１をコンパクトなものとすることができる。
なお、上記説明では、弁２６ａ、２６ｂは二つの位置間で切換可能な切換弁とされているが、これら弁はこれら二つの位置間で連続的に調整可能な流量調整弁であってもよい。この場合、例えば、第一切換弁２６ａの代わりに、そのまま第一流通路２４ａを流通するオゾンの流量と、第三流通路２４ｃに流入するオゾンの流量とを調整可能な流量調整弁（オゾン流量調整弁）を用いてもよいし、また第二切換弁２６ｂの代わりに、第四流通路２４ｄに流入する排気ガスの流量と、そのまま排気管５内を流通する排気ガスの流量とを調整可能な流量調整弁（排気流量調整弁）を用いてもよい。
また、オゾン吸着材２２の周りにはヒータが取付けられてもよく、これにより例えば排気ガスの温度が低くて排気ガスを流通させることのみによってはオゾン吸着材２２の温度を吸着限界温度よりも高くに昇温することができないような場合にも、オゾン吸着材２２の温度を吸着材限界温度よりも高くまで昇温することができる。
図４は、本発明のオゾン供給システム２０の切換弁２６ａ、２６ｂの切換制御のフローチャートである。まず、ステップ１０１では、排気温センサ３０によって検出された直前排気温度Ｔｇが、分解開始温度Ｔｇｄよりも低いか否かが推定される。排気温センサ３０は、オゾン供給システム２０よりも排気上流側において排気管５に取付けられ、排気管５内を流れる排気ガスの温度を検出するセンサである。ステップ１０１において、直前排気温度Ｔｇが分解開始温度Ｔｇｄよりも低いと判定された場合にはステップ１０２へと進む。ステップ１０２では、第一切換弁２６ａの切換位置がバイパス位置とされ、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンはオゾン吸着材２２を介さずにフィルタ６に供給される。
次いで、ステップ１０３において、差圧センサ３１の出力に基づいて推定されたフィルタ６上のＰＭ堆積量Ｑｐｍが限界堆積量Ｑｐｍｃよりも多いか否かが判定される。ここで、差圧センサ３１は、フィルタ６の排気上流側の排気ガスの圧力とフィルタ６の排気下流側の排気ガスの圧力との上下差圧を検出するセンサである。そして、フィルタ６の上下差圧とフィルタ６上のＰＭ堆積量との関係が実験的に又は計算により求められ、マップとして内燃機関の電子制御ユニット（図示せず）に保存されており、実際に差圧センサ３１によって検出されたフィルタ６の上下差圧と斯かるマップとに基づいてＰＭ堆積量Ｑｐｍが推定される。
推定されたフィルタ６上のＰＭ堆積量Ｑｐｍが限界堆積量Ｑｐｍｃよりも多いと判定された場合にはステップ１０４へと進む。ステップ１０４では、第二切換弁２６ｂの切換位置が流通管流入位置とされ、排気ガスがオゾン吸着材２２に流入せしめられ、オゾン吸着材２２に吸着しているオゾンが脱離せしめられてフィルタ６に供給される。一方、推定されたフィルタ６上のＰＭ堆積量Ｑｐｍが限界堆積量Ｑｐｍｃ以下であると判定された場合にはステップ１０５へと進む。ステップ１０５では、第二切換弁２６ｂの切換位置が排気管流通位置とされ、排気ガスは流通管２４に流入することなく排気管５を通ってフィルタ６に流入する。
一方、ステップ１０１において直前排気温度Ｔｇが分解開始温度Ｔｇｄ以上であると判定された場合にはステップ１０６へと進む。ステップ１０６では、第一切換弁２６ａの切換位置が吸着材流入位置とされ、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンがオゾン吸着材２２に流入、吸着せしめられる。
なお、上記実施形態では、排気ガス中のＰＭを捕集するものとしてフィルタが用いられているが、排気ガス中のＰＭを捕集できればフィルタの代わりに他の捕集装置を用いてもよく、例えば、静電捕集器であってもよい。
また、上記実施形態におけるオゾン供給システム２０は図５のように構成することもできる。すなわち、図５のオゾン供給システムは、オゾン供給装置２１と排気管５とを連通させると共に間にオゾン吸着材２２を備えるメイン通路３５（図１の第一流通路２４ａ及び第二流通路２４ｂに対応）と、またメイン通路３５から分岐してオゾン吸着材２２をバイパスするバイパス通路３６（図１の第３通路２４ｃに対応）と、排気管５から分岐してオゾン吸着材２２に連結される分岐通路３７（図１の第４通路２４ｄに対応）とを有する。また、バイパス通路への分岐部には第一切換弁２６ａが設けられ、排気管２５からの分岐部には第二切換弁２６ｂが設けられる。
ここで、本発明のオゾン供給システムは、上記の構成要素すべてを備えている必要はない。例えば、分岐通路３７及び第二切換弁２６ｂが無くてもよい。この場合、オゾン吸着材２２を吸着限界温度よりも高くまで昇温するためにオゾン吸着材２２の周りにはヒータが取付けられ、またオゾン吸着材２２に外気を導入するための弁等が設けられる。また、バイパス通路３６及び第一切換弁２６ａが無くてもよい。この場合、オゾン供給装置２１から供給されたオゾンは全てオゾン吸着材２２を通って流れる。従って、オゾン吸着材２２の温度が吸着限界温度以下である場合にはオゾン吸着材２２の吸着限界量となるまでオゾン吸着材２２にオゾンが吸着され、その後吸着限界量となってからフィルタ６にオゾンが供給されることになる。
図６に示す実験設備を用いて、本発明の効果を明らかにするための実験を行った。ここで、図６に示す実験設備では、赤外線イメージ炉によってフィルタ６及びオゾン吸着材２２の温度を調節することができるようにされており、また各装置の間の配管はリボンヒータを用いて１５０℃に加熱、維持されている。また、排気管５にはモデルガス発生器から５体積％のＯ2、５００体積ｐｐｍのＮＯ、１５０体積ｐｐｍのＮＯ2、８０体積ｐｐｍのＣ3Ｈ6、３体積％のＨ2Ｏを含有し、残部をＮ2としたモデルガスが、流量１０Ｌ／ｍｉｎ、温度１５０℃で流入せしめられる。
フィルタ６として、直径３０ｍｍ×長さ５０ｍｍのコージェライト製のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を用い、このＤＰＦ６は、１平方センチ当り約４６．５セル（１平方インチ当り３００セル）であり、各セルの辺の長さが約０．３ｍｍ（１２ｍｉｌ）で形成されている。また、オゾン吸着材２２としてケーシング２５内に直径３ｍｍのペレットに成形したＺＳＭ−５０を５０ｇ充填したものを用いた。また、オゾン供給装置２１からは５００体積ｐｐｍのＯ3を含有し、残部をＯ2としたガスが流量１Ｌ／ｍｉｎで供給される。
試験においては、まず２Ｌのディーゼルエンジンを２０００ｒｐｍ×３０Ｎｍで１時間にわたって運転し、その排気ガス中のＰＭをＤＰＦに捕集させた。
その後、比較例については、ＤＰＦ６用の赤外イメージ炉を２００℃に設定し、上記モデルガスをモデルガス供給器から供給すると共にオゾン供給装置２１からオゾン吸着材２２を介することなくオゾンをＤＰＦ６に供給し、ＤＰＦ６から流出したガス中のＣＯ及びＣＯ2の濃度を分析計によって分析し、その分析値からＰＭの酸化速度（ＰＭ酸化開始後３分間の平均酸化速度）を算出した。
一方、実施例については、先にオゾン供給装置２１により供給されたオゾンをオゾン吸着器２２に３０分間流し、室温でオゾン吸着材２２にオゾンを吸着させた。その後、ＤＰＦ６用の赤外イメージ炉を２００℃に、オゾン吸着材２２用の赤外イメージを１５０℃に設定した。そして、上記モデルガスをオゾン吸着材２２を介してＤＰＦ６に流入させると共にオゾン供給装置２１からオゾン吸着材２２を介することなくオゾンをＤＰＦ６に供給し、ＤＰＦ６から流出したガス中のＣＯ及びＣＯ2の濃度を分析計によって分析し、その分析値からＰＭの酸化速度（ＰＭ酸化開始後３分間の平均酸化速度）を算出した。
その結果、比較例の酸化速度は４．３ｇ／ｈＬ、実施例の酸化速度は４．８ｇ／ｈＬであった。以上の結果から、フィルタ６に堆積したＰＭを除去すべきときには、オゾン供給装置２１からオゾンをフィルタ６に供給することに加えて、オゾン吸着材２２に吸着されているオゾンを脱離させてフィルタ６に供給することにより、フィルタ６に堆積したＰＭを迅速に燃焼、除去することができることがわかる。
１ 機関本体
４ 排気マニホルド
５ 排気管
６ フィルタ（パティキュレートフィルタ）
２０ オゾン供給システム
２１ オゾン供給装置
２２ オゾン吸着材
２４ 流通路
２６ 切換弁
３０ 温度センサ
３１ 差圧センサ
４ 排気マニホルド
５ 排気管
６ フィルタ（パティキュレートフィルタ）
２０ オゾン供給システム
２１ オゾン供給装置
２２ オゾン吸着材
２４ 流通路
２６ 切換弁
３０ 温度センサ
３１ 差圧センサ
Claims (6)
- 機関排気通路上に配置された排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置と、オゾンを生成するオゾン生成装置と、オゾンを吸着可能なオゾン吸着材とを具備し、
上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンの少なくとも一部は上記オゾン吸着材に吸着され、
上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときにはオゾン吸着材に吸着されているオゾンを該オゾン吸着材から脱離させて捕集装置に供給するようにした、排気ガス浄化装置。 - 上記オゾン吸着材はゼオライトによって形成される、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記オゾン生成装置からオゾン吸着材を介して捕集装置へと通じるメイン通路と、該メイン通路から分岐すると共に上記オゾン吸着材をバイパスするバイパス通路と、上記バイパス通路が分岐する分岐部に設けられると共にオゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記バイパス通路へ流入する流量を調整するオゾン流量調整弁とをさらに具備する、請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときには、上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記バイパス通路を通って流れるようにオゾン流量調整弁が制御される、請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記捕集装置に捕集された粒子状物質を除去すべきときであっても排気温度が分解開始温度よりも高い場合には、上記オゾン生成装置によって生成されたオゾンが上記メイン通路を通って流れるようにオゾン流量調整弁が制御される、請求項３又は４に記載の排気ガス浄化装置。
- 機関排気通路から分岐すると共に上記オゾン吸着材に連結される分岐通路と、該分岐通路に流入する排気ガスの流量を調整する排気流量調整弁とをさらに具備し、
上記オゾン吸着材からオゾンを脱離させるときには内燃機関から排出された排気ガスの少なくとも一部が上記分岐通路を介してオゾン吸着材に流入するように上記排気流量調整弁が制御される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
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