JP2009275686A - 排ガス処理方法および排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガソリンエンジンから排出される排ガスから放電プラズマ処理と触媒を併用して、ＮＯ_Ｘを効率良く分解処理できる排ガス処理方法および排ガス処理装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 ガソリンエンジン２に取り付けられた排ガス管３と、この排ガス管３に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４、放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７が順に接続され、ガソリンエンジン２に接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）８により、エンジン２の運転モードに応じて、エンジン２を制御するとともに放電プラズマ装置５の高電圧電源１０を制御するもので、効率良く排ガスのＮＯ_Ｘを分解処理できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に、ガソリンエンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス処理方法および排ガス処理装置に関するものである。

従来のガソリンエンジンでは、排出される排ガスから窒素酸化物（以下、ＮＯ_Ｘと称する）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）を同時に無害化するために燃料と空気の混合比をストイキオメトリの条件にして燃焼させ、その排ガスを三元触媒システムで無害化処理している。近年、低燃費を実現するガソリンエンジンとして、燃料と空気の比を空気が過剰な状態で運転するガソリンリーンバーンエンジンが実用化されている。このエンジンからの排ガスには、酸素が含まれているため従来の三元触媒システムでは、ＮＯ_Ｘの処理効率が低下するといった課題があるため、酸素を含む排ガスでも高効率にＮＯ_Ｘを処理できる触媒システムが開発されている。また、それらの触媒システムにおいて、さらに高効率に無害化処理を実現するために次の改良がなされている。

例えば、特許文献１の発明による排ガス浄化装置では、ＮＯ_Ｘを効率的に無害化処理するために、三元触媒の上流側と下流側を連結するバイパス通路を設け、バイパス通路を利用することによって、三元触媒における炭化水素の消費を抑制でき、下流にあるプラズマリアクタにおける一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）とする酸化作用を促進できる。バイパス通路における排ガスの流量を制御する流路制御弁を設けて、プラズマリアクタへの炭化水素の供給量を適正化している。

また、特許文献２の発明による排ガス浄化システムにおいては、排ガスの流通経路の上流側から下流側に向かって、プラズマリアクタ、ＮＯ_Ｘ吸着還元触媒ユニットとＮＯ_Ｘ選択還元触媒ユニットを順に備え、エンジンから排出された排ガスに含まれる炭化水素が少ない場合は、プラズマリアクタの上流に設置された還元剤供給装置から、不足している炭化水素を注入して、ＮＯ_Ｘを浄化するようにしている。
特開２００７−１９２０５８号公報 特開２００４−２９０９６５号公報

しかしながら、従来の排ガス処理装置を、ガソリンリーンバーンエンジンに適用した場合には、エンジンから排出される排気ガスには酸素とともに大量の未燃の炭化水素を含んでおり、この炭化水素の中にはＮＯ_Ｘを還元する還元剤となるアルデヒド類も含まれているが、このアルデヒド類を含む排気ガスを放電プラズマ処理すると、初めに含まれていたアルデヒド類の一部が分解されてしまい、放電プラズマ処理により炭化水素から新たに発生するアルデヒド類があるものの、全体としてはアルデヒドの総量が低下してしまうことがあり、結果としてＮＯ_Ｘ還元触媒による還元分解の効果が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、放電プラズマ処理と触媒を併用した排ガス処理装置において、高いＮＯ_Ｘ分解処理効率を有する排ガス処理方法および排ガス処理装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る排ガス処理方法は、エンジンから排出される排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、放電プラズマによる処理の前に第一のＮＯ_Ｘ還元触媒による処理を行うことにより排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ還元剤であるアルデヒド類および炭化水素の放電プラズマによる分解を抑えることができる。

また、請求項２に係る排ガス処理方法は、エンジンから排出される排ガスを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒のいずれかに選択的に送り込み、排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、エンジンの始動時および高出力時のストイキオメトリの場合に三元触媒で処理することにより高い効率でＮＯ_Ｘの還元処理ができる。

また、請求項３に係る排ガス処理方法は、エンジンから排出される排ガスを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒のいずれかに選択的に送り込み、排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、エンジンの始動時および高出力時のストイキオメトリの場合に三元触媒で処理することにより高い効率でＮＯ_Ｘの還元処理ができ、さらに三元触媒の未処理ＮＯ_Ｘも還元処理できる。

また、請求項６に係る排ガス処理装置は、エンジンに取り付けられた排ガス管に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、第一の還元触媒装置に接続された放電プラズマ装置と、放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に接続された酸化触媒装置と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、放電プラズマによる処理の前に第一のＮＯ_Ｘ還元触媒による処理を行うことにより排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ還元剤であるアルデヒド類および炭化水素の放電プラズマによる分解を抑えることができる。

さらに、請求項７に係る排ガス処理装置は、エンジンに接続された排ガス管の流路を二分岐させ、流路を選択的に切り替える手段を有する分岐管と、分岐管の一方に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、分岐管の他方に接続された三元触媒装置と、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に接続された放電プラズマ装置と、放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒に接続された酸化触媒装置と、三元触媒装置と酸化触媒装置とに接続され、それらの装置の流路を集合させる集合管と、エンジンの運転モードに応じて分岐管の流路を切り替える制御装置と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、エンジンの始動時および高出力時のストイキオメトリの場合には、三元触媒で処理することにより高い効率でＮＯ_Ｘの還元処理ができる。

そして、請求項８に係る排ガス処理装置は、エンジンに取り付けられた排ガス管の流路を二分岐させ、流路を選択的に切り替える手段を有する分岐管と、分岐管の一方に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、分岐管の他方に接続された三元触媒装置と、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と三元触媒装置とに接続され、それらの装置の流路を集合させる集合管と、集合管に接続された放電プラズマ装置と、放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒に接続された酸化触媒装置と、エンジンの運転モードに応じて分岐管の流路を切り替える制御装置と、を備えたことを特徴とするものである。

この課題解決手段による作用は、エンジンの始動時および高出力時のストイキオメトリの場合には、三元触媒で処理することにより高い効率でＮＯ_Ｘの還元処理ができ、さらに三元触媒の未処理ＮＯ_Ｘも還元処理できる。

本発明によれば、放電プラズマ装置の上流側にＮＯ_Ｘ還元触媒を設置することにより、予めアルデヒド類とＮＯ_Ｘを反応させてＮＯ_Ｘを還元分解しているので、下流ではアルデヒド類を含まないので還元剤として作用するアルデヒド類がプラズマ処理により分解されることがなく、ＮＯ_Ｘ還元触媒による還元分解の効果が低下することがなく、高いＮＯ_Ｘ除去効果が得られるという従来の方法および装置にはない顕著な効果を奏するものである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る排ガス処理方法および排ガス処理装置について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における排ガス処理装置を示すブロック図である。図２は、実施の形態１における排ガス処理装置の効果を示す図である。
図１に示すように、排ガス処理装置１では、ガソリンエンジン２の排出部には排ガス管３のマニホールド部３ａが取り付けられ、その排ガス管３の集合部３ｂには、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４が接続されており、続いて放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７が順に接続され、さらに排ガス管１１が取り付けられている。また、温度計測用の熱電対９が第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に、高電圧電源１０が放電プラズマ装置５にそれぞれ取り付けられており、ガソリンエンジン２に接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）８により、熱電対９からの信号とガソリンエンジン２の運転モードに応じて、ガソリンエンジン２を制御するとともに放電プラズマ装置５の高電圧電源１０も制御している。

次に、実施の形態１の排ガス処理装置を用いたガソリンエンジンの排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを除去する動作について、図１を参照して説明する。
ガソリンエンジンの低燃費を実現するためには、燃料と空気の比を空気過剰の状態で運転するリーンバーン運転モードで動作させることが好ましいが、この状態では、エンジンから排出される排ガスには、酸素が含まれており、通常、排ガス処理装置に使用される三元触媒システムでは、ＮＯ_Ｘを充分分解除去できない。このため、ＥＣＵによりエンジン始動時は、ストイキオメトリモードで運転し、その後、リーンバーンモードの運転に切り替えるように制御されている。さらに、高出力運転時にもストイキオメトリモードで運転するように制御されている。

実施の形態１の排ガス処理装置１においては、まず、ガソリンエンジン２から排出された排ガスは排ガス管３を通して、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に送り込まれる。ここでは、排気ガス中に含まれる炭化水素のアルデヒド類とＮＯ_ＸとがＮＯ_Ｘ還元触媒表面で還元反応により、ＮＯ_Ｘの一部が窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）とに分解される。この還元反応が有効に働くには、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度が３００から５００℃の範囲にある必要があり、特に、４００から４６０℃であれば、最も効率よくＮＯ_Ｘの還元反応が進み、ＮＯ_Ｘが還元分解処理され、Ｎ_２とＯ_２とに分解され、無害化される。ここでは、ほとんど全てのアルデヒド類との反応が終わって、処理された排ガスが第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４から排出される。したがって、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４のＮＯ_Ｘ還元触媒の排ガス中にアルデヒド類は含まれていない。また、未燃の炭化水素の一部もＮＯ_Ｘ還元触媒で酸化反応によって二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに分解される。この酸化反応で処理されなかった炭化水素は排ガス中に残留する。特に、プロピレン（ＣＨ_３ＣＨＣＨ_２）やエチレン（ＣＨ_２ＣＨ_２）など５００℃以下では酸化され難く、プラズマ処理によってアルデヒド類に転化されやすい炭化水素が処理されずに燃え残る状態となる。

次に、残留した炭化水素のプロピレンやエチレンを含む排ガスを放電プラズマ装置５に導入し、プラズマ処理を行うことにより、プロピレンやエチレンからアルデヒド類であるアセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）やホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）が新たに生成される。また、プラズマ処理により排ガス中の残留ＮＯをＮＯ_Ｘ還元触媒との反応性が高いＮＯ_２へ酸化させることもできる。本発明では、放電プラズマ装置５で、炭化水素のすべてをＣＯ_２とＨ_２Ｏに分解することを目的としておらず、炭化水素の一部をアルデヒド類に転化することを目的としている。したがって、放電プラズマ装置５に投入する放電入力電力は、炭化水素を全て酸化処理する放電入力電力よりも低く抑えられている。

次に、プラズマ処理を終わった排ガスは第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６に導入され、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４で処理されなかったＮＯ_Ｘは、放電プラズマ装置５にて生成されたアルデヒド類を還元剤として、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６で還元反応により分解処理され、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４と第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６とにより排ガス中のＮＯ_Ｘはほぼ完全に処理され、高いＮＯ_Ｘ除去効果が得られる。

さらに、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６で処理された排ガスは、酸化触媒装置７に導入され、処理されずに残ったＮＯ_Ｘは還元され、また、炭化水素やアルデヒド類は酸化され、それぞれＮ_２、Ｏ_２とＣＯ_２、Ｈ_２Ｏに分解される。その後、処理された排ガスは排ガス管１１を通って、消音器（図示せず。）に導かれる。

放電プラズマでの最適な処理温度は、３００から５００℃の範囲であるが、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４での還元触媒の最適温度は、４００から４６０℃であることと、放電プラズマ装置５の入力放電電力が５０Ｗから２００Ｗであることから、上記温度範囲を満たすことができる。また、後段の第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６の望ましい触媒温度も４００から４６０℃であるが、プラズマにより排ガスが加熱されるので、この温度範囲で動作させることができる。酸化触媒が有効に働くには、２５０℃以上の温度が必要であるが、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６の触媒温度が４００から４６０℃であることから、２５０℃以上とすることが可能であり、炭化水素とＣＯの除去効果を高めることができる。さらに、２５０から３２０℃であれば、残留ＮＯ_Ｘがあっても酸化触媒にて合わせて還元することもできる。

第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に取り付けられた熱電対９は、ＮＯ_Ｘ還元触媒の温度をモニタし、その信号をＥＣＵ８に送る。ＥＣＵ８は、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒の温度とエンジンの運転状況に応じて、放電プラズマ装置５を最適環境で運転するよう高電圧電源１０を制御する。

第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４を設ける位置については、炭化水素は排ガス管３の内壁で酸化燃焼が促進される場合もあり、炭化水素を無駄なく利用する観点からも集合部３ｂの直近が望ましい。

ここで、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４および第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６に使用されるＮＯ_Ｘ還元触媒としては、排ガス中に含まれる未燃の炭化水素およびアルデヒド類を還元剤としてＮＯ_Ｘを還元分解できるものであればよく、本発明で用いることができる還元触媒としては、例えば、多孔質γ−アルミナ（γ−Ａｌ_２Ｏ_３）を球形または円柱状に成形された粒子状ものが使用できる。このγ−アルミナ粒子は、排ガスが通過するよう保持されていればよく、成形粒子だけでなく、ハニカム形状に成形されたセラミックハニカムまたは金属箔で成形されたメタルハニカムの内部表面にγ−アルミナをコートしたものも同様に使用することができる。

さらに、ＮＯ_Ｘ還元触媒には、ＮＯ_Ｘ還元分解の効果を増加させるために貴金属触媒を添加してもよく、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）および銀（Ａｇ）を単独もしくは複合的に担持することも有効である。また、これらの貴金属粒子をＮＯ_Ｘ還元触媒にわずかに担持すれば、排ガス中に含まれるカーボン微粒子や質量の大きいＣ８からＣ１２の炭化水素による炭素被毒を貴金属の酸化触媒機能によってＣＯ_２として除去することにより軽減することが可能である。この場合、被毒傾向の強い第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４のＮＯ_Ｘ還元触媒に、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６のＮＯ_Ｘ還元触媒よりも多くの貴金属触媒を担持しておくことが有効である。すなわち、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６における貴金属の量を節約することができる。また、放電プラズマ装置５によるプラズマ処理においても排ガス中のカーボン微粒子や質量の大きい炭化水素を酸化処理できることからも、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６のＮＯ_Ｘ還元触媒には、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４のＮＯ_Ｘ還元触媒よりも少ない貴金属担持量でよい。

また、酸化触媒装置７に使用される酸化触媒としては、例えば、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）にＰｔ、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属を担持したものが使用でき、排ガス中に含まれる炭化水素、ＣＯ、ＮＯ_Ｘは、酸化還元反応により、無害なＨ_２Ｏ、ＣＯ_２およびＮ_２に分解される。

図２は、実施の形態１における排ガス処理装置の効果を示す図である。放電プラズマ装置の入力電力に対するＮＯ_Ｘの除去率を示したものである。ここでの試験条件としては、４気筒のガソリンエンジンで、排ガスに含まれる酸素濃度は５％、炭化水素濃度は３，０００ｐｐｍ、ＮＯ_Ｘ濃度は６００ｐｐｍ、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒は銀担持型γ−アルミナ触媒（容量２Ｌ）、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒は銀担持型γ−アルミナ触媒（容量２Ｌ）、酸化触媒（容量１Ｌ）、放電プラズマ室の大きさは１３０×５０×８０ｍｍ、排ガス流量１１Ｌ／秒である。この結果から、プラズマ処理をしないで触媒のみで排ガス処理を行った場合におけるＮＯ_Ｘの除去率が７３％であるのに対して、放電プラズマ入力電力が１５０Ｗの場合にはＮＯ_Ｘの除去率が７８％と高くなる。しかし、放電プラズマ入力電力が３００Ｗと高くなると、逆にＮＯ_Ｘの除去率は７２％に低下する。これは、入力電力が大き過ぎると排ガスの活性化が強すぎ還元剤である炭化水素の酸化を促進し過ぎるために、反ってＮＯ_Ｘの除去率を低下させてしまうことによるものであることが明らかになった。このことは、プラズマ入力電力に最適な条件が存在することを意味している。したがって、放電プラズマ入力電力は、ガソリンエンジンの容量や排ガスの温度、流量にも依存するが、この例では、５０Ｗから２００Ｗが望ましいことが判明した。エンジンの運転状況すなわち排ガスの性状に応じて高電圧電源を操作して放電プラズマ入力電力を調整してプラズマ処理を最適化すればよい。

上述したように、実施の形態１において、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に大量の炭化水素を供給し、さらに、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒の温度範囲が４００から４６０℃の範囲に収まるように実施することが望ましく、触媒の温度を前記の範囲内に制御するために、熱電対９で温度をモニタしている。触媒の温度が４６０℃以上であることを検知した場合には、ＥＣＵ８が、排気ガスの温度を低下させるために、エンジンのプラグ点火タイミングを調整する制御を行うようにしても良い。

具体的にはプラグ点火時期をクランク角度で数度早めた点火を行う。例えば、エンジンのプラグ点火タイミングを５°程度早める制御を実施したところ、ＮＯ_Ｘ除去率が７８％から８０％となり２％向上させることができた。このように、プラグ点火時期を早期化するとエンジンから排気される排ガスの温度がわずかに低下するので、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒の温度を目標温度範囲の４００から４６０℃に収まるように制御することが可能となる。さらに、ガソリンリーンバーン排ガスの特徴である酸素を含む排ガスの場合、排ガス温度が低いほどアルデヒド類および炭化水素が燃え残る割合が増加するため、無駄なく第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４にアルデヒド類および炭化水素を供給できる効果があり、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒の効果を高めることができる。

また、エンジンのプラグ点火時期の調整に加えて、空気と燃料の混合比を変更し、排ガスの温度を下げることによって、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒の温度を低下させて最適化を図ることもできる。例えば、空燃比の値をわずかに大きくする、つまり燃料に対する空気の比率が過剰になるように設定することで排ガスの温度を下げることができる。さらに、エンジンに排ガス再循環装置が備えられている場合には、排ガス再循環装置を操作して、排ガスの再循環量を増加させることで排ガス温度を下げても良い。

このように、実施の形態１の排ガス処理装置によると、放電プラズマ装置の前段にＮＯ_Ｘ還元触媒装置を設けることにより、ガソリンエンジンのリーンバーン運転モードにおいて、酸素が含まれる排ガスであってもＮＯ_Ｘを効率よく分解処理することが可能になるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における排ガス処理装置を示す概略斜視図である。図４は、排ガス処理装置の分岐管を示す部分破断図である。
図３に示すように、実施の形態２における排ガス処理装置１では、ガソリンエンジン（図示せず）の排出部には排ガス管３のマニホールド部３ａが取り付けられ、その排ガス管３の集合部３ｂには、流路を選択的に切り替える手段である分岐管１２が接続され、この分岐管１２の一方には三元触媒装置１３が、また、この分岐管１２の他方には、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４がそれぞれ接続され、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４には、続いて放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７が順に接続されている。また、ＥＣＵ８は、ガソリンエンジン２を制御するとともに、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に取り付けられた温度計測用の熱電対９からの信号とガソリンエンジン２の運転モードに応じて、放電プラズマ装置５の高電圧電源１０も制御している。また、図４に示すように、分岐管１２には二分岐された管部に流路を切り替える手段としてバタフライバルブ１２ａおよびバタフライバルブ１２ｂが取り付けられており、ガソリンエンジンの運転モードに応じてＥＣＵ８により、バタフライバルブ１２ａと１２ｂとを開閉させることにより流路を切り替える。第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４から放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７を通って排出された排ガスおよび三元触媒装置１３を通って排出された排ガスは、排ガス管１１、それらの流路を再び集合させる集合管１５に接続され、消音器（図示せず。）に導かれる。なお、図１および図３において同一符号は、同一または相当部分を示す。

次に、実施の形態２の排ガス処理装置を用いたガソリンエンジンの排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを除去する動作について、図３および図４を参照して説明する。
図３に示すように実施の形態２の排ガス処理装置１においては、まず、ガソリンエンジン２から排出された排ガスは排ガス管３を通して、分岐管１２に送り込まれ、ガソリンエンジン２が始動時もしくは高出力時のストイキオメトリ運転モードである場合には、ＥＣＵ８により分岐管１２のバタフライバルブ１２ａ，１２ｂをモータ（図示せず。）により回転させて、バタフライバルブ１２ａを開け、バタフライバルブ１２ｂを閉じて、排ガスが三元触媒装置１３に送り込まれる。ガソリンエンジン２が始動時もしくは高出力時には排ガスに酸素が含まれておらず、通常の三元触媒にて処理が可能である。三元触媒は、ＮＯ_Ｘ還元能力を有しており、ＮＯ_Ｘを還元処理してＮ_２やＯ_２に、ＣＯや炭化水素を酸化処理してＨ_２Ｏ、ＣＯ_２に分解する。処理された排ガスは、排ガス管１４、集合管１５を通って、消音器（図示せず。）を経由して放出される。

ガソリンエンジン２が始動時もしくは高出力時以外のリーンバーン運転モードである場合には、ＥＣＵ８により分岐管１２のバタフライバルブ１２ａが閉じられ、バタフライバルブ１２ｂが開けられて、排ガスが第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に送り込まれる。第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に送り込まれた排ガスの処理は、実施の形態１と同様であるが、以下に、概略の説明をする。

排気ガス中に含まれる炭化水素のアルデヒド類とＮＯ_ＸとがＮＯ_Ｘ還元触媒表面で還元反応により、ＮＯ_Ｘの一部がＮ_２やＯ_２に還元され、無害化される。また、未燃の炭化水素の一部もＮＯ_Ｘ還元触媒で酸化反応によってＣＯ_２とＨ_２Ｏとに分解される。この酸化反応で処理されなかった炭化水素は排ガス中に残留する。その後、残留した炭化水素のプロピレンやエチレンを含む排ガスを放電プラズマ装置５に導入し、プラズマ処理を行うことにより、プロピレンやエチレンからアルデヒド類であるアセトアルデヒドやホルムアルデヒドが新たに生成される。

次に、プラズマ処理を終わった排ガスは第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６に導入され、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４で処理されなかったＮＯ_Ｘは、放電プラズマ装置５にて生成されたアルデヒド類を還元剤として、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒で還元反応により分解処理され、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４と第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６とにより排ガス中のＮＯ_Ｘは、ほぼ完全に処理され、高いＮＯ_Ｘ除去効果が得られる。

さらに、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６で処理された排ガスは、酸化触媒装置７に導入され、処理されずに残ったＮＯ_Ｘは、還元反応により、また、炭化水素やアルデヒド類は酸化反応により、それぞれＮ_２、Ｏ_２とＣＯ_２、Ｈ_２Ｏに分解処理される。処理された排ガスは、排ガス管１１、集合管１５を通って、消音器（図示せず。）を経由して放出される。

ここで、三元触媒装置１３に使用される三元触媒としては、例えば、セラミック構造体の表面に形成されたアルミナなどの被覆層にＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ等の貴金属粒子を担持したものである。三元触媒もＮＯ_Ｘ還元能力を有しており、ＮＯ_Ｘ還元触媒とは構成材料等で共通する部分も多いが、ＮＯ_Ｘ還元触媒が主にＮＯ_Ｘを還元処理することを目的とする組成になっているのに対して、ＮＯ_ＸだけでなくＣＯや炭化水素も処理することを目的としている。

エンジン始動時や高出力時のストイキオメトリ運転モードでは、三元触媒のみで処理が可能であり、低負荷時のリーンバーン運転モードでは、上述したように、三元触媒では１％以上の酸素を含む排ガスに対してＮＯ_Ｘ処理効果が低下するため、ＮＯ_Ｘ還元触媒処理が適しており、三元触媒による処理と還元触媒と放電プラズマの組み合わせによる処理とを運転モードに応じて使い分けることは、ＮＯ_Ｘの還元処理を効率よく行う上で有効である。したがって、運転モードにより、三元触媒とＮＯ_Ｘ還元触媒との切り替え可能にすることで、ＮＯ_Ｘ処理する最適な排ガス処理装置を構築することができ、効率よくＮＯ_Ｘを分解処理することができる効果もある。また、ストイキオメトリ運転モード時は、プラズマ処理を行わないのでエンジンやバッテリに負荷を与えず、省エネルギーの効果もある。

このように、実施の形態２の排ガス処理装置によると、実施の形態１と同様、リーンバーン運転モードにおけるＮＯ_Ｘの還元処理を効率よく行うことができるとともに、ストイキオメトリ運転モードとリーンバーン運転モードに応じて、三元触媒とＮＯ_Ｘ還元触媒とを使い分けることにより、運転モードに合わせて最適なＮＯ_Ｘ処理システムを選択することができ、効率よくＮＯ_Ｘを分解処理することができる効果もある。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３における排ガス処理装置を示す概略斜視図である。
図５に示すように、実施の形態３における排ガス処理装置１では、ガソリンエンジン（図示せず）の排出部には排ガス管３のマニホールド部３ａが取り付けられ、その排ガス管３の集合部３ｂには、流路を選択的に切り替える手段である分岐管１２が取り付けられ、この分岐管１２の一方には、三元触媒装置１３が、また、この分岐管１２の他方には、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４がそれぞれ接続され、さらに、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４および三元触媒装置１３からの流路を再び集合させる集合管１６が接続され、続いて放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７が順に接続されている。また、ＥＣＵ８は、ガソリンエンジン２を制御するとともに、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４に取り付けられた温度計測用の熱電対９からの信号とガソリンエンジン２の運転モードに応じて、放電プラズマ装置５の高電圧電源１０も制御している。また、実施の形態２と同様、分岐管１１には二分岐された管部にバタフライバルブ１２ａおよびバタフライバルブ１２ｂが取り付けられており、ガソリンエンジンの運転モードに応じてＥＣＵ８により、バタフライバルブ１２ａと１２ｂとを開閉させることにより流路を切り替える。三元触媒装置１３または第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４から放電プラズマ装置５、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７を通って排出された排ガスは、排ガス管１１を通って、消音器（図示せず。）を経由して放出される。なお、図１、図３および図５において同一符号は、同一または相当部分を示す。

次に、実施の形態３の排ガス処理装置を用いたガソリンエンジンの排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを除去する動作について、図５を参照して説明する。実施の形態３の排ガス処理装置１は、実施の形態２の三元触媒装置１３で処理された排ガスを、さらに、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４、プラズマ処理装置５、第二の還元処理装置６および酸化触媒装置７にて処理するものである。ここでは、ガソリンエンジンのストイキオメトリ運転モード時に、三元触媒装置１３で処理しきれなかった残留ＮＯ_Ｘ、ＣＯや炭化水素を、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４、放電プラズマ処理装置５、第二の還元処理装置６および酸化触媒装置７にて処理することが可能となる。それぞれの装置の動作については、実施の形態１および２と同様であるので、説明を省略する。

また、始動時に三元触媒装置１３の流路が選択され、三元触媒を通過した高温の排ガスが、後段の第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置６および酸化触媒装置７を暖機できるように改良され、エンジン始動時から第二のＮＯ_Ｘ還元触媒および酸化触媒を高温にすることができるので、エンジンを始動時のストイキオメトリ運転モードから低負荷のリーンバーン運転モードに切り替えても暖機により第二のＮＯ_Ｘ還元触媒および酸化触媒の処理能力低下を抑え、高いＮＯ_Ｘの処理効果を得ることができる。

このように、実施の形態３における排ガス処理装置によると、実施の形態２における排ガス処理装置と同様、エンジン始動時に排ガスの流路を三元触媒装置に切り替えて処理する場合に、三元触媒でのＮＯ_Ｘ、ＣＯや炭化水素の分解処理の効果を有するとともに、三元触媒で処理した後、排ガスを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置および酸化触媒装置に流し、第二のＮＯ_Ｘ還元触媒、酸化触媒を高温にするようにしたことにより、エンジンを始動時のストイキオメトリ運転モードからリーンバーン運転モードに切り替えても触媒の暖機効果により、触媒の処理能力を低下させることなく、高いＮＯ_Ｘの分解効率が得られるという効果がある。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４における排ガス処理装置を示す概略断面図である。
図６に示すように、実施の形態４における排ガス処理装置１では、ガソリンエンジン２の排出部の排ガス管３のマニホールド部３ａに空気導入管１７が取り付けられ、コンプレッサ１８により外部空気が排ガス管３内に送り込まれる。また、排ガスを冷却する電動ファン１９が設けられ、ＥＣＵ８によりこれらは制御される。他の構成部分は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。なお、図１、図３、図５および図６において同一符号は、同一または相当部分を示す。

次に、実施の形態４の排ガス処理装置を用いたガソリンエンジンの排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを除去する動作について、図６を参照して説明する。実施の形態４の排ガス処理装置は、実施の形態１の排ガス処理装置１でガソリンエンジン２から排出された排ガスに排ガス管３のマニホールド部３ａに設けられた空気導入管１７からコンプレッサ１８により外部空気を導入、混合するものであり、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４のＮＯ_Ｘ還元触媒が排ガスによって過剰に過熱され、触媒が機能する温度を超えた場合の対策として実施するものである。

一般的に、二次空気導入装置は、ストイキオメテリ時かつエンジン始動時に三元触媒を早期活性化させるために外部から空気を導入して、排ガス中の炭化水素を酸化処理し易いように設けられるものであるが、実施の形態４では、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置４のＮＯ_Ｘ還元触媒の冷却に適用したものであり、排ガスの温度が４６０℃以下になるように空気量を調整する。さらに、排ガスを冷却することにより、アルデヒド類を含む炭化水素の酸化が抑制されて炭化水素が残存し、ＮＯ_Ｘを還元する際の還元剤として、この炭化水素を利用することができる効果もある。特に、排ガス温度が５００℃以上に達する場合は、空気を導入して冷却することが好ましい。これは、炭化水素の酸化が５００℃以上になると急速に進むためであり、５００℃以下になるように排ガスの温度を調整する必要がある。また、合わせて、電動ファン１９により排ガス管３を冷却することも効果的である。

このように、実施の形態４の排ガス処理装置によると、排ガスに外部から空気を導入、混合することにより、触媒の温度を冷却し、適切な温度に維持して、触媒を効率よく動作させることが可能になり、高いＮＯ_Ｘの分解効率が得られるという効果がある。

なお、本発明の実施の形態では、排ガス処理装置を内燃機関であるガソリンエンジンに適用する場合について述べたが、ディーゼルエンジン等、他のエンジンに適用する場合であってもよく、リーンバーン状態での排ガス処理に効果が期待できる。

実施の形態１における排ガス処理装置を示すブロック図である。 実施の形態１における排ガス処理装置の効果を示す図である。 実施の形態２における排ガス処理装置を示す概略斜視図である。 実施の形態２における排ガス処理装置の分岐管を示す部分破断図である。 実施の形態３における排ガス処理装置を示す概略斜視図である。 実施の形態４における排ガス処理装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ 排ガス処理装置
２ ガソリンエンジン
３，１１，１４ 排ガス管
４ 第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置
５ 放電プラズマ装置
６ 第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置
７ 酸化触媒装置
８ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９ 熱電対
１０ 高電圧電源
１２ 分岐管
１３ 三元触媒装置
１５，１６ 集合管
１７ 空気導入管
１８ コンプレッサ

Claims (13)

1. エンジンから排出される排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、
   前記放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理方法。
2. エンジンから排出される排ガスを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒のいずれかに選択的に送り込み、前記排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを前記三元触媒あるいは前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、
   前記放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理方法。
3. エンジンから排出される排ガスを三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒のいずれかに選択的に送り込み、前記排ガス中に含まれるアルデヒド類および炭化水素とＮＯ_Ｘとを前記三元触媒あるいは前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記三元触媒あるいは第一のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれる炭化水素から放電プラズマによりアルデヒド類を生成する工程と、
   前記放電プラズマにより生成されたアルデヒド類と前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒で分解されずに残ったＮＯ_Ｘとを第二のＮＯ_Ｘ還元触媒によりＮＯ_Ｘを還元処理する工程と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒から排出されるガスに含まれるアルデヒド類および炭化水素を酸化触媒により酸化処理する工程と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理方法。
4. エンジンの始動時および高出力時の運転モードでは、排ガスを三元触媒に、それ以外の運転モードでは、前記排ガスを第一のＮＯ_Ｘ還元触媒に送り込むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排ガス処理方法。
5. エンジンから排出される排ガスに外気を混合し、第一のＮＯ_Ｘ還元触媒を冷却する工程を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の排ガス処理方法。
6. エンジンに取り付けられた排ガス管に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記第一の還元触媒装置に接続された放電プラズマ装置と、
   前記放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に接続された酸化触媒装置と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理装置。
7. エンジンに接続された排ガス管の流路を二分岐させ、流路を選択的に切り替える手段を有する分岐管と、
   前記分岐管の一方に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記分岐管の他方に接続された三元触媒装置と、
   前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に接続された放電プラズマ装置と、
   前記放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒に接続された酸化触媒装置と、
   前記三元触媒装置と前記酸化触媒装置とに接続され、それらの装置の流路を集合させる集合管と、
   前記エンジンの運転モードに応じて前記分岐管の流路を切り替える制御装置と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理装置。
8. エンジンに取り付けられた排ガス管の流路を二分岐させ、流路を選択的に切り替える手段を有する分岐管と、
   前記分岐管の一方に接続された第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記分岐管の他方に接続された三元触媒装置と、
   前記第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と前記三元触媒装置とに接続され、それらの装置の流路を集合させる集合管と、
   前記集合管に接続された放電プラズマ装置と、
   前記放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置と、
   前記放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、
   前記第二のＮＯ_Ｘ還元触媒に接続された酸化触媒装置と、
   前記エンジンの運転モードに応じて前記分岐管の流路を切り替える制御装置と、
   を備えたことを特徴とする排ガス処理装置。
9. 第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置および第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に使用される還元触媒が多孔質γ−アルミナで構成されることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の排ガス処理装置。
10. 第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置および第二のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に使用される還元触媒が多孔質γ−アルミナに少なくとも１種類の貴金属を担持したことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかに記載の排ガス処理装置。
11. 排ガス管に空気導入管を備えたことを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれかに記載の排ガス処理装置。
12. 第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置の還元触媒の温度に応じてエンジンの点火タイミングを調整することを特徴とする請求項６から請求項１１のいずれかに記載の排ガス処理装置。
13. エンジン始動時および高出力時の運転モードでは、分岐管の流路を三元触媒装置に、それ以外の運転モードでは、前記分岐管の流路を第一のＮＯ_Ｘ還元触媒装置に切り替えることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれかに記載の排ガス処理装置。

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