JP2009156063A

JP2009156063A - 内燃機関の排ガス処理システム

Info

Publication number: JP2009156063A
Application number: JP2007332319A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Hoshi; 作太郎星; Koji Yoshida; 浩二吉田; Atsushi Kidokoro; 敦城所; Toru Sasaya; 亨笹谷
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16
Also published as: US20090165439A1; EP2075422A1

Abstract

【課題】ＮＯＸの分解によって生成された窒素が再び分解されてＮＯＸが再生成されるのを防ぎながら、ＮＯＸを確実に減少させることのできる内燃機関の排ガス処理システムを提供する。
【解決手段】排気管６には、低温プラズマ発生器１２が設けられている。低温プラズマ発生器１２は、ＥＣＵ１０に電気的に接続された高周波電源２１と、排気管６内に設けられ高周波電源２１に接続された電極板２２と、排気管６内に設けられ設置された電極板２３とを備えている。電極板２２，２３間に、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーが放電される。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排ガス処理システムに関する。

内燃機関やボイラーなどの装置は、その燃焼に伴い、微小炭化物質（ＰＭ）、炭化水素（ＨＣ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ：ＳＯ，ＳＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯＸ：ＮＯ，ＮＯ_２，Ｎ_２Ｏ）、炭素酸化物（ＣＯＸ：ＣＯ，ＣＯ_２）などを大気中に放出する。これら排ガス成分は、近年特に環境面（地球温暖化など）から規制が厳しくなっており、その排ガス浄化技術の確立が重要視されている。特に、自動車のような移動体では、大きさ、重量、コスト、効率、メンテナンス性等の制約が多い半面、需要の急激な拡大が予測されるので、効率的な排ガス処理装置の開発が急務である。

自動車用ガソリンエンジンでは、酸素センサなどを用いて燃焼が理論空燃比となるようにエンジンを制御する事で白金などを用いた酸化還元触媒装置（三元触媒）を用い、ＰＭ、ＨＣ、ＮＯＸを排ガス中から除去している。
一方、ディーゼルエンジンは燃費効率が良く、ガソリンエンジンに比べてＣＯ_２などの炭素酸化物の排出が２〜３割少ないが、排ガス中に余剰酸素が多く、還元触媒を用いることが困難である。このため、排ガスを環流してＮＯＸを減らし（ＥＧＲ）、このために多く生じるＰＭをフィルタなどで取る方法（ＤＰＦ）、排ガスに尿素を噴射してＮＯＸを還元する方法(尿素ＳＣＲ)、ＮＯＸを一時的に吸着しておき、適当なタイミングで、燃料などで吸着したＮＯＸを還元する方法（ＤＰＮＲ）などが実用化されている。

しかし、ＥＧＲとＤＰＦとではＮＯＸ低減効果が低く、自動車の運転性能も制約する。尿素ＳＣＲでは、尿素タンクの搭載や尿素の補給などが問題であり、ＤＰＮＲでは、定期的に燃料を余分に噴射する必要があり、燃費が悪化するなどの問題がある。また、これらの排ガス浄化システムはエンジンの燃焼状態と連動する必要があるため、エンジン制御が複雑になり、エンジン開発を肥大化させて、開発期間を長くし、またコストアップの要因となっている。さらに、いずれの場合も触媒として白金などの貴金属が必要であり、コストの点、あるいは資源の確保の観点からも問題がある。

これらの問題を解決するために、放電を用いてＮＯＸを改質するエンジンが、特許文献１に記載されている。このエンジンは、エンジンの排気管に直結した解離筒（改質器）において、コロナ放電針を円筒外周に配置した構造となっており、解離筒で放電分解されたＮＯＸを構成する酸素原子（酸素ラジカル）が、排気中に多く含まれる一酸化炭素と結合して二酸化炭素となり、ＮＯＸを構成する残りの窒素原子が結合して窒素（Ｎ_２）となり、その結果ＮＯＸを低減する。ただし、排気中に含まれる一酸化炭素が、放電によって発生する酸素ラジカルより十分に多く（条件１）、かつ他方の分離された窒素（窒素ラジカル）の反応性がＮＯＸを生じない低い状態でなければ（条件２）、効率的なＮＯＸ低減は難しい。

特開昭６１−３１６１５号公報

しかし、ディーゼルエンジンでよく行われるように、空気（酸素）過剰な燃焼状態（リーンバーン）では、排ガス中に多くの酸素が含まれているため、条件１はそれほど期待できず、また、燃料の完全燃焼により、ＰＭやＨＣを減らす高温の運転状態（酸化反応）でＮＯＸが増えることがよく知られており、完全燃焼や高出力などの高温運転状態では条件２は期待できない。特に、特許文献１に記載のエンジンのように、エンジンの排気管に直付けされた解離筒でただ単に放電を行うのでは、高温の排ガスに更に解離筒で放電することになるので、高温での反応のために容易にＮＯＸが再生成されてしまい、場合によっては排ガス中のＮＯＸが増えてしまう結果となるといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、ＮＯＸの分解によって生成された窒素が再び分解されてＮＯＸが再生成されるのを防ぎながら、ＮＯＸを確実に減少させることのできる内燃機関の排ガス処理システムを提供することを目的とする。

この発明に係る内燃機関の排ガス処理システムは、内燃機関で発生した排ガスが流通する排気管と、該排気管内を流通する前記排ガスにエネルギーを付与する少なくとも１つのエネルギー付与手段とを備え、該エネルギー付与手段は、一酸化窒素を分解できるエネルギーよりも大きく且つ窒素を分解できるエネルギーよりも小さいエネルギーを前記排ガスに付与する。付与されたエネルギーは、ＮＯＸを分解するものの窒素を分解しないので、ＮＯＸの分解で生成された窒素を再び分解してしまうことがない。
前記エネルギー付与手段は、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーを前記排ガスに付与してもよい。
前記エネルギー付与手段は、低温プラズマ発生器であってもよい。

この発明によれば、エネルギー付与手段が、一酸化窒素を分解できるエネルギーよりも大きく且つ窒素を分解できるエネルギーよりも小さいエネルギーを前記排ガスに付与することにより、ＮＯＸは分解されるもののＮ_２は分解されないので、ＮＯＸの分解によって生成されたＮ_２が再び分解されてＮＯＸが再生成されるのを防ぐことができる。よって、次第に排ガス中の窒素原子は窒素分子（Ｎ_２）に変換固定されるので、ＮＯＸを確実に減少させることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この実施の形態に係る排ガス処理システムを備えたディーゼルエンジンの構成を図１に示す。ディーゼルエンジン１のシリンダブロック２には、４つの気筒内に燃焼室２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが設けられ、これらに連通するように吸気マニフォルド３及び排気マニフォルド４が設けられている。吸気マニフォルド３には、空気が流通する吸気管５が接続され、排気マニフォルド４には、燃焼室２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで発生した排ガスが流通する排気管６が接続されている。排気管６には、低温プラズマ発生器１２が設けられている。また、ディーゼルエンジン１は、制御装置であるＥＣＵ１０を備えている。ここで、低温プラズマ発生器１２は、エネルギー付与手段を構成する。

低温プラズマ発生器１２は、ＥＣＵ１０に電気的に接続された高周波電源２１と、排気管６内に設けられ高周波電源２１に接続された電極板２２と、排気管６内に設けられ接地された電極板２３とを備えている。電極板２２，２３は、排気管６内で間隔を空けて平行に設けられている。また、電極板２２，２３はそれぞれ、誘電体で覆われている。

次に、この実施の形態に係る排ガス処理システムを備えたディーゼルエンジンの動作を、図１に基づいて説明する。
ディーゼルエンジン１が始動すると、吸気管５内を流通する空気は、吸気マニフォルド３を介して各燃焼室２ａ〜２ｄに吸入される。各燃焼室２ａ〜２ｄに吸入された空気は、図示しないピストンによって圧縮された後、図示しないインジェクションノズルから各燃焼室２ａ〜２ｄに燃料が噴射されて燃焼し、排ガスとなって各燃焼室２ａ〜２ｄから排気マニフォルド４に排出される。

排気マニフォルド４内の排ガスが排気管６内を流通する際、排ガス量に基づいてＥＣＵ１０が高周波電源２１を作動して一対の電極板２２，２３間に局所的な放電が起こることで、プラズマ雰囲気温度が上昇することなく（低温プラズマ）、大気圧近傍であっても安定してプラズマ反応を持続するようになる。この際、放電は、図２に示されるように、放電（オン）と放電の停止（オフ）とを繰り返すように、すなわちパルス状に行う。当該排ガス量に基づいて高周波の発振周波数や電圧を調整することにより放電エネルギーを調整して、排ガス中の窒素（Ｎ_２）の分解を防ぐことができる。電極板２２，２３間を流通する排ガスは、電極板２２，２３間の電界で加速された電子と衝突することによって、排ガス中のＮＯＸが分解されて窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）及びその他の酸化物となり、ＮＯＸが減少される。ここで、電極板２２，２３間に起こる放電のエネルギーは、一酸化窒素（ＮＯ）を分解できるエネルギーよりも大きく且つＮ_２を分解できるエネルギーよりも小さいエネルギー、すなわち、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌに調整される。これにより、ＮＯＸが分解されて生成したＮ_２を再び分解して、ＮＯＸが再生成されてしまうことを防止できる。

排ガスは、低温プラズマ発生器１２を通過することによって、ＮＯＸが分解されて、Ｎ_２とＯ_２とその他の酸化物となって、大気中に放出される。

このように、低温プラズマ発生器１２は、一酸化窒素を分解できるエネルギーよりも大きく且つ窒素を分解できるエネルギーよりも小さいエネルギーを排ガスに付与することにより、ＮＯＸが分解されてＮ_２とＯ_２とその他の酸化物になると共に生成したＮ_２が再び分解されることはないので、ＮＯＸの分解によって生成されたＮ_２が再び分解されてＮＯＸが再生成されるのを防ぐことができる。よって、次第に排ガス中の窒素原子は窒素分子（Ｎ_２）に変換固定されるので、ＮＯＸを確実に減少させることができる。
また、低温プラズマ発生器１２は、排気管６内に一対の電極板２２，２３が設けられると共に排気管６の外部に高周波電源２１が設けられるようなコンパクトな構成なので、細い排気管６内でも使用することができる。さらに、熱プラズマ発生器を用いる場合に比べて消費エネルギーを抑えることができる。

この実施の形態では、排ガス量に基づいて、付与すべきエネルギーを調整するようにしたが、この形態に限定するものではない。排ガスの温度も考慮して、付与すべきエネルギーを調整するようにしてもよい。

この実施の形態では、エネルギー付与手段として、１つの低温プラズマ発生器を用いたが、１つに限定するものではない。エネルギー付与手段が、複数の低温プラズマ発生器から構成されてもよい。これにより、排ガスにエネルギーを付与する領域が大きくなるので、ＮＯＸを、より多く分解することができる。エネルギー付与手段が複数の低温プラズマ発生器から構成される場合には、それらを排気管６に沿って直列に配置してもよいし、吸気管を枝分かれさせて、枝分かれした配管に配置するように、すなわち複数の低温プラズマ発生器を並列に配置してもよい。また、エネルギー付与手段として、低温プラズマ発生器に限定するものではなく、所定範囲のエネルギーを排ガスに付与する装置であれば、紫外線照射器でもよい。すなわち、エネルギーの形態としてプラズマに限定するものではなく、様々な形態のエネルギーを排ガスに付与してもよい。

この実施の形態では、排ガス量に基づいてＥＣＵ１０が高周波電源２１を作動したが、この形態に限定するものではない。図３に示されるように、排ガス中のＮＯＸ濃度を検出するＮＯＸ計１１を設け、ＮＯＸ計１１の検出値に基づいて高周波電源２１を作動させるようにしてもよい。また、予め測定しておいたＮＯＸ濃度とディーゼルエンジン１の稼動状態との関係によりＮＯＸ濃度を推定してプラズマを作動させるようにしてもよい。これにより、効率よく、ＮＯＸ濃度を適正濃度以下に低減することができる。
また、プラズマのエネルギーを制御することにより、ＰＭ、ＨＣ及びＣＯＸについても効率よく除去することができる。例えば、酸素ラジカル（活性酸素Ｏ）やオゾン（Ｏ_３）を発生させることにより、ＰＭをＣＯやＣＯ_２に、ＨＣをＨ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２に、ＣＯをＣＯ_２にすることができる。

この実施の形態では、排ガス処理システムをディーゼルエンジンに採用したが、内燃機関としてディーゼルエンジンに限定するものではない。ガソリンエンジンやボイラー等に採用してもよい。

この発明の実施の形態に係る排ガス処理システムを備えたディーゼルエンジンの模式図である。この実施の形態に係る排ガス処理システムを構成する低温プラズマ発生器の作動方法を説明するための図である。この実施の形態に係る排ガス処理システムを備えたディーゼルエンジンの変形例の模式図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（内燃機関）、６排気管、１２低温プラズマ発生器（エネルギー付与手段）。

Claims

内燃機関で発生した排ガスが流通する排気管と、
該排気管内を流通する前記排ガスにエネルギーを付与する少なくとも１つのエネルギー付与手段と
を備え、
該エネルギー付与手段は、一酸化窒素を分解できるエネルギーよりも大きく且つ窒素を分解できるエネルギーよりも小さいエネルギーを前記排ガスに付与する、内燃機関の排ガス処理システム。
前記エネルギー付与手段は、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーを前記排ガスに付与する、請求項１に記載の内燃機関の排ガス処理システム。
前記エネルギー付与手段は、低温プラズマ発生器である、請求項１または２に記載の内燃機関の排ガス処理システム。