JP2009162059A - 内燃機関の排ガス処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯＸの低減効率を向上させた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、２つのプラズマ発生装置１２，２２が直列に設けられている。プラズマ発生装置１２は、ＥＣＵ１０に電気的に接続された高周波電源１６と、排気管６内に設けられ高周波電源１６に接続された電極板１３と、排気管６内に設けられ接地された電極板１４と、電極板１３，１４間に設けられた導電性のＡｌ_２Ｏ_３からなる多孔質体にＢａＯからなるＮＯＸ吸蔵粒子を担持したＮＯＸ吸蔵材１５とを備えている。尚、電極板１３，１４はそれぞれ、誘電体で覆われており、排気管６内で間隔を空けて平行に設けられている。プラズマ発生装置２２は、プラズマ発生装置１２と同じ構成であり、２つの電極板２３，２４と、高周波電源２６と、電極板２３，２４間に設けられたＮＯＸ吸蔵材２５とを備えている。
【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。

特開昭６１−３１６１５号公報

しかし、排ガス中のＮＯＸ濃度は希薄であるため、放電によるＮＯＸの低減は、効率が悪い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の低減効率を向上させた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内に、間隔を空けて設けられた２つの電極板と、該２つの電極板の一方に接続された高周波電源と、前記２つの電極板の間に設けられたＮＯＸ吸蔵材とを有するプラズマ発生装置を備える。プラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材が排ガス中のＮＯＸを吸着し、ＮＯＸ吸蔵材に吸着されたＮＯＸが、電極板間に発生させたプラズマによって分解される。
前記排気管に、複数のプラズマ発生装置が直列に設けられ、各プラズマ発生装置における前記２つの電極板間の放電は、タイミングをずらして行ってもよい。いずれかのプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材が排ガス中のＮＯＸを吸着し、他のプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材に吸着されたＮＯＸが、電極板間に発生させたプラズマによって分解される。
前記内燃機関の負荷を検出する制御装置を備え、該制御装置は、前記負荷に基づいて、作動するプラズマ発生装置の数を変更してもよい。
前記２つの電極板間の放電のエネルギーは、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌでもよい。
前記ＮＯＸ吸蔵材は、ＮＯＸを物理吸着可能な材料を含んでもよい。
前記材料は、アルカリ金属と、アルカリ土類金属と、ランタノイドと、それらの酸化物と、それらのうちのいずれかの元素及びその他の元素からなる複合物と、それらの元素を含む複合酸化物とからなる群から選択されてもよい。

この発明によれば、排気管内に間隔を空けて設けられた２つの電極板と、２つの電極板の一方に接続された高周波電源と、２つの電極板の間に設けられたＮＯＸ吸蔵材とを有するプラズマ発生装置を備えることにより、プラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材が排ガス中のＮＯＸを吸着し、ＮＯＸ吸蔵材に吸着され濃縮されたＮＯＸが、電極板間に発生させたプラズマによって分解されるので、ＮＯＸの低減効率を向上することができる。

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。
実施の形態１．
この実施の形態１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、２つのプラズマ発生装置１２，２２が直列に設けられている。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。

プラズマ発生装置１２は、ＥＣＵ１０に電気的に接続された高周波電源１６と、排気管６内に設けられ高周波電源１６に接続された電極板１３と、排気管６内に設けられ接地された電極板１４と、電極板１３，１４間に設けられた導電性のＡｌ_２Ｏ_３からなる多孔質体にＢａＯからなるＮＯＸ吸蔵粒子を担持したＮＯＸ吸蔵材１５とを備えている。尚、電極板１３，１４はそれぞれ、誘電体で覆われており、排気管６内で間隔を空けて平行に設けられている。プラズマ発生装置２２は、プラズマ発生装置１２と同じ構成であり、２つの電極板２３，２４と、高周波電源２６と、電極板２３，２４間に設けられたＮＯＸ吸蔵材２５とを備えている。

次に、この実施の形態１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内を流通すると、排ガスがプラズマ発生装置１２のＮＯＸ吸蔵材１５内部を通過することにより、排ガス中のＮＯＸがＮＯＸ吸蔵材１５のＮＯＸ吸蔵粒子に吸着される。これにより、排ガスがプラズマ発生装置１２を通過する際に、排ガス中のＮＯＸ濃度が低減する。しかしながら、ＮＯＸ吸蔵材１５が吸着できるＮＯＸの量には限界があり、それを超えてしまうと、プラズマ発生装置１２を通過しても、排ガス中のＮＯＸ濃度は低減しなくなる。この場合、排ガスがプラズマ発生装置２２のＮＯＸ吸蔵材２５内部を通過することにより、排ガス中のＮＯＸがＮＯＸ吸蔵材２５のＮＯＸ吸蔵粒子に吸着される。これにより、排ガスがプラズマ発生装置２２を通過する際に、排ガス中のＮＯＸ濃度が低減する。

排ガス中のＮＯＸがプラズマ発生装置１２のＮＯＸ吸蔵材１５に一定量吸着されると、ＥＣＵ１０が高周波電源１６を作動させることにより、電極板１３，１４間で放電が起こる（プラズマが発生する）。ここで、放電のエネルギーは、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌの範囲に設定される。この範囲は、ＮＯＸをＮとＯとに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範囲に相当する。これにより、ＮＯＸ吸蔵材１５に吸着されたＮＯＸは分解されて、一定の割合でＮ_２とＯ_２とになり、ＮＯＸ吸蔵材１５から解放され、再びＮＯＸになった場合はＮＯＸ吸蔵材１５または２５に再び吸着され、最終的にＮＯＸ吸蔵材１５に吸着されていたＮＯＸは全て放出される。尚、放電のエネルギーがＮ_２を分解できるエネルギーよりも小さいことにより、Ｎ_２が再び分解されてＮＯＸが再生成されてしまうのを防止する。また、プラズマ発生装置１２において放電がなされている間、プラズマ発生装置２２のＮＯＸ吸蔵材２５では、ＮＯＸの吸着が行われている。

やがて、プラズマ発生装置２２においても、ＮＯＸ吸蔵材２５が吸着できるＮＯＸ量の限界を超えてしまうが、電極板１３，１４間における放電で、ＮＯＸ吸蔵材１５に吸着されたＮＯＸは分解されてＮ_２とＯ_２とになってＮＯＸ吸蔵材１５から解放されているので、排ガス中のＮＯＸは再び、ＮＯＸ吸蔵材１５内部を通過することにより、ＮＯＸ吸蔵材１５のＮＯＸ吸蔵粒子に吸着される。この間に、プラズマ発生装置１２と同様に、プラズマ発生装置２２においても、電極板２３，２４間でプラズマを発生させることにより、ＮＯＸ吸蔵材２５に吸着されたＮＯＸを分解してＮ_２とＯ_２としてＮＯＸ吸蔵材２５から解放する。

以上の動作を繰り返すことにより、排ガス中のＮＯＸが低減される。尚、プラズマ発生装置１２及び２２のそれぞれにおいてプラズマを発生させるタイミングをずらしているが、予め設定した時間でプラズマ発生装置１２及び２２のそれぞれにおいてプラズマを発生するようにしてもよいし、ＥＣＵ１０がディーゼルエンジン１の回転数等の稼動状態に基づいて排ガス量を推定し、これに基づいてプラズマ発生装置１２及び２２のそれぞれにおいてプラズマを発生させるタイミングを決定してもよい。

このように、排気管６内に間隔を空けて設けられた２つの電極板１３，１４と、一方の電極板１３に接続された高周波電源１６と、２つの電極板１３，１４の間に設けられたＮＯＸ吸蔵材１５とを有するプラズマ発生装置１２と、同じ構成のプラズマ発生装置２２とを直列に備えることにより、一方のプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材が排ガス中のＮＯＸを吸着し、他方のプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材に吸着されたＮＯＸが、電極板間に発生させたプラズマによって分解されるので、ＮＯＸの低減効率を向上することができる。また、ＮＯＸ吸蔵材に吸着させたＮＯＸをプラズマによって分解することにより、排ガス中のＮＯＸをプラズマによって分解する場合に比べて、ＮＯＸの低減効率を向上することができる。

実施の形態１では、プラズマ発生装置を２つ設けているが、２つに限定するものではない。３つ以上のプラズマ発生装置であっても同じ効果を得ることができる。また、各プラズマ発生装置における放電エネルギーを６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌの範囲に限定しているが、この範囲に限定するものではない。９４２ｋＪ／ｍｏｌより大きい場合、生成したＮ_２が再び分解してＮＯＸを再生成させてしまう可能性があるが、ＮＯＸ吸蔵材中での反応であることにより、再生成したＮＯＸは再びＮＯＸ吸蔵粒子に吸着されるので、ＮＯＸ吸蔵材からＮＯＸが放出されることはない。従って、少なくとも６４２ｋＪ／ｍｏｌ以上の放電エネルギーであればよい。

実施の形態１では、ＮＯＸ吸蔵材１５は、導電性のＡｌ_２Ｏ_３からなる多孔質体にＢａＯからなるＮＯＸ吸蔵粒子を担持して構成されているが、この形態に限定するものではない。ＮＯＸを物理吸着可能な材料を含んでいればよい。このような材料として、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ等のアルカリ金属や、Ｂａ，Ｍｇ，Ｃａ等のアルカリ土類金属や、Ｌａ，Ｃｅ等のランタノイドや、ＭｇＯ等のこれらの酸化物や、ＮａＣｌ等のこれらの元素及びその他の元素からなる複合物や、ＢａＳＯ_４等のこれらの元素を含む複合酸化物等が挙げられる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排ガス処理システムについて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排ガス処理システムは、実施の形態１に対して、プラズマ発生装置の数を変更したものである。

図２に示されるディーゼルエンジン３１において、排気管６には、６つのプラズマ発生装置１２，２２，３２，４２，５２，６２が直列に設けられている。これら６つのプラズマ発生装置はそれぞれ高周波電源１６，２６，３６，４６，５６，６６を有し、各高周波電源はそれぞれ、ＥＣＵ１０に電気的に接続されている。プラズマ発生装置２２，３２，４２，５２，６２の構成はそれぞれ、２枚ずつの電極板２３，２４と、３３，３４と、４３，４４と、５３，５４と、６３，６４とを有すると共に、２枚の電極板間のそれぞれに設けられたＮＯＸ吸蔵材２５，３５，４５，５５，６５とを有し、プラズマ発生装置１２と同じ構成である。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

次に、この実施の形態２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２に基づいて説明する。
ディーゼルエンジン３１の始動後、ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン３１の稼動状態を検出する。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン３１の負荷が小さいと判断した場合には、実施の形態１と同様に、タイミングをずらして交互に高周波電源１６，２６を作動させる。これにより、一方のプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材にＮＯＸが吸着されると共に、他方のプラズマ発生装置において、ＮＯＸ吸蔵材に吸着されたＮＯＸがプラズマによって分解されて、排ガス中のＮＯＸが低減される。

ディーゼルエンジン３１の負荷が増大すると、ＥＣＵ１０は、タイミングをずらして高周波電源１６，２６，３６，４６を作動させるようにする。ディーゼルエンジン３１の負荷がさらに増大すると、ＥＣＵ１０は、タイミングをずらして高周波電源１６，２６，３６，４６，５６，６６を作動させるようにする。ディーゼルエンジン３１の負荷の増大に伴い、排ガス中のＮＯＸ量が増加するので、作動するプラズマ発生装置の数を増やすことにより、すなわち、ディーゼルエンジン３１の負荷に基づいて作動するプラズマ発生装置の数を変更することにより、排ガス中のＮＯＸ量の変化に適切に対応させることができ、ＮＯＸ低減効率を向上させることができる。

実施の形態２では、各高周波電源を作動させるタイミングについて具体的に説明しなかったが、いずれかの高周波電源が他の高周波電源とタイミングをずらして作動されるようになっていればよい。例えば、各高周波電源１６，２６，３６，４６，５６，６６がこの順番で１つずつ作動されるようにしたり、高周波電源１６と高周波電源３６（及び５６）とが同時に作動し、高周波電源２６と高周波電源４６（及び６６）とが同時に作動されるようにしたりしてもよい。

実施の形態１及び２では、プラズマ発生装置が複数設けられていたが、１つのプラズマ発生器のみが設けられている形態でもよい。この場合、ＮＯＸ吸蔵材１５に吸着されたＮＯＸをプラズマで分解している間は、排ガス中のＮＯＸを低減することはできないが、ＮＯＸ吸蔵材１５に吸着されたＮＯＸは確実に分解されるので、排ガス中に単に放電を行う場合に比べて、総合的にＮＯＸ低減効率を向上させることができる。

実施の形態１及び２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１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。 実施の形態２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。

符号の説明

１，３１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、６ 排気管、１０ ＥＣＵ（制御装置）、１２，２２，３２，４２，５２，６２ プラズマ発生装置、１３，１４，２３，２４，３３，３４，４３，４４，５３，５４，６３，６４ 電極板、１５，２５，３５，４５，５５，６５ ＮＯＸ吸蔵材、１６，２６，３６，４６，５６，６６ 高周波電源。

Claims (6)

1. 内燃機関で発生した排ガスが流通する排気管内に、間隔を空けて設けられた２つの電極板と、
   該２つの電極板の一方に接続された高周波電源と、
   前記２つの電極板の間に設けられたＮＯＸ吸蔵材と
   を有するプラズマ発生装置を備える内燃機関の排ガス処理システム。
2. 前記排気管に、複数のプラズマ発生装置が直列に設けられ、
   各プラズマ発生装置における前記２つの電極板間の放電は、タイミングをずらして行われる、請求項１に記載の内燃機関の排ガス処理システム。
3. 前記内燃機関の負荷を検出する制御装置を備え、
   該制御装置は、前記負荷に基づいて、作動するプラズマ発生装置の数を変更する、請求項２に記載の内燃機関の排ガス処理システム。
4. 前記２つの電極板間の放電のエネルギーは、６４２〜９４２ｋＪ／ｍｏｌである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理システム。
5. 前記ＮＯＸ吸蔵材は、ＮＯＸを物理吸着可能な材料を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理システム。
6. 前記材料は、アルカリ金属と、アルカリ土類金属と、ランタノイドと、それらの酸化物と、それらのうちのいずれかの元素及びその他の元素からなる複合物と、それらの元素を含む複合酸化物とからなる群から選択される、請求項５に記載の内燃機関の排ガス処理システム。

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