JP2010174858A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、活性酸素消費量を抑制しつつ、低温時においても優れた粒子状物質酸化効率を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、粒子状物質を捕集するフィルターと、活性酸素を分解して酸素ラジカルを発生させる活性酸素分解触媒と、粒子状物質を酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、活性酸素を活性酸素分解触媒に供給する活性酸素供給装置と、粒子状物質を酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、活性酸素分解触媒からフィルターへ流れるガスの流量を調節することにより、フィルター内で粒子状物質が酸化される部位を制御する酸化部位制御手段とを備える。上記ガス流量が比較的多い場合には、活性酸素分解触媒からの距離が遠い部位に堆積した粒子状物質が酸化される。上記ガス流量が比較的少ない場合には、活性酸素分解触媒からの距離が近い部位に堆積した粒子状物質が酸化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を、排気通路に設置したフィルターによって捕集する装置が広く用いられている。このフィルターに堆積したＰＭの量が多くなった場合には、ＰＭを酸化（燃焼）させて除去することが必要である。フィルターに堆積したＰＭを酸化させる必要があるときに、オゾンを供給し、オゾンによってＰＭを酸化させる技術が従来より知られている。

特開２００６−３４８８８８号公報には、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をオゾン吸着材に吸着させておき、フィルターに堆積したＰＭを酸化させるときに、オゾン吸着材からオゾンを脱離させて、フィルターに供給する装置が開示されている。

特開２００６−３４８８８８号公報 特開平１１−１０７７４３号公報 実開昭６２−１７６４１７号公報

オゾンを生成するには電力が必要である。従って、フィルターに堆積したＰＭをオゾンによって酸化させる場合も、その消費電力の分だけ、燃費が悪化する。このため、燃費を改善する観点からは、フィルターに堆積したＰＭを酸化させる際のオゾン消費量を抑制することが望まれている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、活性酸素消費量が少なく、且つ、低温時においても優れた粒子状物質酸化効率が得られる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
粒子状物質を捕集する機能を有するフィルターと、
活性酸素を分解して酸素ラジカルを発生させる機能を有する活性酸素分解触媒と、
前記フィルターに堆積した粒子状物質を前記酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、活性酸素を前記活性酸素分解触媒に供給する活性酸素供給装置と、
前記フィルターに堆積した粒子状物質を前記酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、前記活性酸素分解触媒から前記フィルターへ流れるガスの流量を調節することにより、前記フィルター内で粒子状物質が酸化される部位を制御する酸化部位制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス流量が比較的多い場合には、前記活性酸素分解触媒からの距離が遠い部位に堆積した粒子状物質が酸化され、前記ガス流量が比較的少ない場合には、前記活性酸素分解触媒からの距離が近い部位に堆積した粒子状物質が酸化されることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記酸化部位制御手段は、前記活性酸素分解触媒からの距離が異なる各部位の粒子状物質が順次酸化されるように、前記ガス流量を変化させることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記活性酸素供給装置は、エアポンプと、前記エアポンプにより送り込まれた空気中の酸素を活性酸素に変化させる活性酸素生成装置と、前記活性酸素生成装置を出たガスを前記活性酸素分解触媒へ送り込むノズルとを有し、
前記酸化部位制御手段は、前記エアポンプの流量を調節することによって前記ガス流量を制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、活性酸素を活性酸素分解触媒によって分解して酸素ラジカルを発生させ、この酸素ラジカルを用いて、フィルターに堆積した粒子状物質を酸化させることができる。酸素ラジカルは、極めて反応性が高いので、粒子状物質を高い効率で酸化させることができる。このため、活性酸素の消費量を抑制することができ、活性酸素の生成に必要な電力を低減することができる。また、酸素ラジカルの高い反応性によれば、フィルターの温度が極めて低い状態においても、粒子状物質を高い効率で酸化させることができる。

更に、第１の発明によれば、フィルターに堆積した粒子状物質を酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、活性酸素分解触媒からフィルターへ流れるガスの流量を調節することにより、フィルター内で粒子状物質が酸化される部位を制御することができる。活性酸素が活性酸素分解触媒を通過してから酸素ラジカルが発生するまでには、一定の時間がかかる。このため、上記ガス流量を多くすると、酸素ラジカルが発生するまでの間にガスが到達する距離が長くなるので、フィルター内で活性酸素分解触媒からの距離が遠い部位の粒子状物質が酸化される。逆に、ガス流量を少なくすると、酸素ラジカルが発生するまでの間にガスが到達する距離が短くなるので、フィルター内で活性酸素分解触媒からの距離が近い部位の粒子状物質が酸化される。このようにして、フィルター内で粒子状物質が酸化される部位を制御することにより、活性酸素を無駄なく利用して粒子状物質を酸化させることができるので、活性酸素消費量を更に節約することができる。よって、活性酸素の生成に必要な電力を更に低減することができる。

第２の発明によれば、活性酸素分解触媒からフィルターへ流れるガス流量を調節することにより、フィルターの任意の部位の粒子状物質を酸化させることができる。このため、フィルターの各部位の粒子状物質を確実に除去することができる。

第３の発明によれば、活性酸素分解触媒からの距離が異なる各部位の粒子状物質が順次酸化されるように、活性酸素分解触媒からフィルターへ流れるガス流量を変化させることができる。このため、フィルター全体の粒子状物質を偏り無く除去することができ、粒子状物質が局所的に残存することを確実に防止することができる。

第４の発明によれば、エアポンプの流量を調節することによって、活性酸素分解触媒からフィルターへ流れるガス流量を容易に制御することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 ＰＭ酸化部位とフィルターガス流量との関係を模式的に示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。図示の内燃機関１０は、直列４気筒型のディーゼルエンジンであるが、本発明では、内燃機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではなく、また、火花点火式内燃機関であってもよい。

内燃機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集められ、ターボチャージャ１４のタービン１４１に流入する。タービン１４１を通過した排気ガスは、排気通路１６に流入する。なお、図１では、便宜的に、タービン１４１より下流側の排気系の大きさを誇張して描いている。

内燃機関１０の排気通路１６の途中には、排気ガス中の粒子状物質(Particulate Matter)を捕集する機能を有するフィルター１８が設置されている。

フィルター１８の上流側には、オゾン分解触媒２０が設置されている。オゾン分解触媒２０は、オゾン（Ｏ₃）を分解して酸素ラジカル（Ｏラジカル、酸素フリーラジカル）を発生させる機能を有している。オゾン分解触媒２０としては、例えば、基材にγＡｌ₂０₃を担持させたものを用いることができる。

図示の構成では、オゾン分解触媒２０は、フィルター１８の直前に設置されている。図示の構成では、オゾン分解触媒２０とフィルター１８とが別体となっているが、本発明では、オゾン分解触媒２０とフィルター１８とが一体化されていてもよい。

本実施形態のシステムは、オゾン分解触媒２０の上流側にオゾンを供給するためのオゾン供給装置２２を備えている。このオゾン供給装置２２は、エアポンプ（エアコンプレッサ）２４と、オゾン生成器２６と、オゾン供給ノズル２８とを備えている。

オゾン生成器２６は、高電圧を印加可能な放電管を備えている。このオゾン生成器２６は、電源３０により駆動される。オゾン生成器２６は、エアポンプ２４と接続されている。エア取入れ口３２から取り入れられた空気（外気）は、エアポンプ２４により、オゾン生成器２６に送り込まれる。エアポンプ２４は、オゾン生成器２６に送り込む空気の流量を調節可能になっている。

オゾン生成器２６で高圧放電が行われると、エアポンプ２４によって送り込まれた空気中の酸素の一部は、オゾン（Ｏ₃）に変化する。このオゾンを含む空気は、オゾン供給通路３４を通って、オゾン供給ノズル２８に送られる。オゾン供給通路３４の途中には、逆流を防止する逆止弁３６が設置されている。

オゾン供給ノズル２８は、オゾン分解触媒２０の上流側に設置されている。図示のオゾン供給ノズル２８には、複数の噴孔が設けられている。オゾン生成器２６から送り込まれたオゾンを含む空気は、オゾン供給ノズル２８の各噴孔から、オゾン分解触媒２０へ向けて噴射される。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、内燃機関１０を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータに加えて、前述したエアポンプ２４、オゾン生成器２６および電源３０が電気的に接続されている。

オゾンを含む空気がオゾン供給ノズル２８から噴射されると、この噴射されたガスは、内燃機関１０の排気ガスと混合し、オゾン分解触媒２０と、フィルター１８とを順次通過する。このとき、オゾンがオゾン分解触媒２０によって分解され、酸素ラジカルが生成する。この酸素ラジカルがフィルター１８に流入し、フィルター１８に堆積した粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）に当たると、ＰＭが酸化されて除去される。

本実施形態のシステムによれば、フィルター１８に堆積したＰＭを酸化して除去すること（以下「ＰＭ再生」と称する）が必要である場合に、上述したようにして、酸素ラジカルをフィルター１８に供給し、この酸素ラジカルによってＰＭを酸化させることができる。酸素ラジカルは、極めて反応性が高いので、このようなＰＭ再生処理によれば、ＰＭを高い効率で酸化させることができる。よって、オゾンの消費量を抑制することができる。

また、オゾン分解触媒２０は、室温程度の極めて低温な状態であってもオゾンを分解して酸素ラジカルを発生させることができる。そして、酸素ラジカルは、室温程度の極めて低温な状態であっても、ＰＭを酸化させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、ＰＭ再生を行う場合にフィルター１８の温度を上昇させる必要がないので、燃費の悪化を抑制することができる。また、内燃機関１０の低負荷運転時（アイドル運転時等）や、内燃機関１０の停止時であっても、ＰＭ再生を行うことができる。

図２は、酸素ラジカルを用いてＰＭ再生を行う場合に、フィルター１８内でＰＭが酸化される部位（以下「ＰＭ酸化部位」と称する）と、オゾン分解触媒２０からフィルター１８へ流れるガスの流量（以下「フィルターガス流量」と称する）との関係を模式的に示す図である。図２に示すように、フィルターガス流量が比較的少ない場合には、フィルター１８内でオゾン分解触媒２０からの距離が近い部位のＰＭが酸化され、フィルターガス流量が比較的多い場合には、フィルター１８内でオゾン分解触媒２０からの距離が遠い部位のＰＭが酸化される。これは、次のような理由によるものであると考えられる。

オゾン供給装置２２によって供給されたオゾンを含むガスがオゾン分解触媒２０を通過してから、酸素ラジカルが発生するまでには、僅かながら時間が必要である。この時間（以下「発生時間」と称する）は、通常、１秒未満である。また、酸素ラジカルは、生成後、短時間のうちに、周囲の原子や分子と反応して、安定な分子やイオンに変化する。以下では、生成した酸素ラジカルが存在する時間を存続時間と称する。

オゾンを含むガスがオゾン分解触媒２０を通過した後、上記発生時間が経過した時点で酸素ラジカルが発生し、その時点から上記存続時間が経過する時点までの期間、酸素ラジカルが存在する。従って、このような期間にあるガスが当たっている部分のＰＭが酸化される。

フィルターガス流量が比較的多いと、ガス流速が速くなるので、オゾン分解触媒２０を通過したガスが上記発生時間のうちに到達する距離が長くなる。このため、フィルター１８内でオゾン分解触媒２０からの距離が遠い部位のＰＭが酸化される。

これに対し、フィルターガス流量が比較的少ないと、ガス流速が遅くなるので、オゾン分解触媒２０を通過したガスが上記発生時間のうちに到達する距離が短くなる。このため、フィルター１８内でオゾン分解触媒２０からの距離が近い部位のＰＭが酸化される。

オゾン供給装置２２によってオゾンを供給してＰＭ再生を行う場合には、フィルター１８内のＰＭ酸化部位と、フィルターガス流量との間に上述したような関係がある。従って、本実施形態のシステムでは、フィルターガス流量を調節することにより、フィルター１８内のＰＭ酸化部位を制御することができる。

本実施形態において、フィルターガス流量は、内燃機関１０からの排気ガスの流量と、エアポンプ２４によって送り込まれる空気の流量との和になる。従って、排気ガス流量が一定で変化しない場合（例えば、内燃機関１０のアイドル時や停止時など）には、エアポンプ２４の流量を調節することによって、フィルターガス流量を容易に制御することができる。

また、排気ガス流量が変動する場合には、その変動を見込んでエアポンプ２４の流量を変化させることにより、フィルターガス流量を制御することができる。すなわち、内燃機関１０から排出される排気ガス流量の変動を吸入空気量の変動等に基づいて算出するとともに、排気ガスがオゾン分解触媒２０に到達するまでの輸送遅れを勘案して、排気ガス流量の変動を相殺するようにエアポンプ２４の流量を変化させることにより、フィルターガス流量を希望する値に制御することができる。

フィルター１８内のＰＭ酸化部位を制御する場合の制御方法としては、例えば次のような例が挙げられる。すなわち、フィルターガス流量を段階的に変化させることにより、フィルター１８の各部位のＰＭを順次酸化させることができる。すなわち、図２に示す例の場合では、フィルターガス流量を４段階に変化させることにより、フィルター１８の各部位のＰＭを酸化させ、フィルター１８全体のＰＭを除去することができる。このように、フィルターガス流量を段階的に変化させることにより、フィルター１８全体のＰＭを偏り無く除去することができ、ＰＭが局所的に残存することを確実に防止することができる。

フィルターガス流量を段階的に変化させる場合には、低流量から高流量へ、あるいは、高流量から低流量へ、順番に変化させてもよいし、各段階を任意の順番に変化させてもよい。また、必ずしも１回のＰＭ再生においてフィルター１８の全部位のＰＭを酸化させなくてもよく、複数回の機会に分割して全体のＰＭを除去してもよい。すなわち、フィルターガス流量が異なる複数回のＰＭ再生を行い、各回毎に異なる部位のＰＭを酸化させることにより、最終的に全部位のＰＭが酸化されるようにしてもよい。この場合、各回のＰＭ再生期間の間に通常運転を行う期間が挟まれていてもよい。

また、フィルターガス流量を段階的に変化させるのではなく、連続的に（徐々に）変化させるようにしてもよい。その場合であっても、段階的に変化させた場合と同様の効果が得られる。

また、フィルター１８の所定部位にＰＭが多く蓄積していることが判明している場合には、その部位に照準を合わせたフィルターガス流量に制御して、酸素ラジカルを用いたＰＭ再生を行ってもよい。例えば、フィルター１８を高温にすることによってＰＭを燃焼させる従来のＰＭ再生においては、上流側の部位のＰＭが燃焼し易く、下流側の部位のＰＭが燃焼しにくいので、下流側の部位にＰＭが残存する傾向がある。この残存したＰＭを除去することを目的とするような場合、酸素ラジカルを用いたＰＭ再生を補助的に実行することが有効である。すなわち、ＰＭが残存している部位に照準を合わせたフィルターガス流量に制御してオゾンを供給することにより、ＰＭが残存している部位に集中して酸素ラジカルを供給することができる。これにより、オゾン消費量を抑制しつつ、残存したＰＭを効率良く除去することができる。

また、フィルター１８の各部位毎のＰＭ堆積量を推定し、何れかの部位でＰＭ堆積量が許容値を超えた場合に、その部位に照準を合わせたフィルターガス流量に制御して、酸素ラジカルを用いたＰＭ再生を行うようにしてもよい。すなわち、フィルター１８の各部位毎にＰＭ再生の必要性を判定し、ＰＭ再生が必要と判定された部位に照準を合わせて、酸素ラジカルを用いたＰＭ再生を行ってもよい。

ところで、本実施形態では、活性酸素としてオゾンを利用しているが、本発明では、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素（例えば、Ｏ₂ ^-，Ｏ₃ ^-，Ｏ_n ^-等で表される酸素マイナスイオン）を利用してもよい。

また、本実施形態では、オゾン生成器２６により生成されたオゾンをそのまま排気通路１６内に送るようにしているが、本発明では、活性酸素を予め生成、貯留しておき、その貯留された活性酸素を必要時に排気通路１６内に導入するようにしてもよい。また、本実施形態では、外部から取り込んだ空気中の酸素からオゾンを生成しているが、本発明では、活性酸素生成装置を排気ガス流路内に設置し、排気ガス中に残存する酸素から活性酸素を生成するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、オゾン供給装置２２が前記第１の発明における「活性酸素供給装置」に、オゾン分解触媒２０が前記第１の発明における「活性酸素分解触媒」に、オゾン生成器２６が前記第４の発明における「活性酸素生成装置」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、エアポンプ２４の流量を調節してフィルターガス流量を制御することにより前記第１の発明における「酸化部位制御手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 排気マニホールド
１４ ターボチャージャ
１４１ タービン
１６ 排気通路
１８ フィルター
２０ オゾン分解触媒
２２ オゾン供給装置
２４ エアポンプ
２６ オゾン生成器
２８ オゾン供給ノズル
３０ 電源
３６ 逆止弁
５０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 粒子状物質を捕集する機能を有するフィルターと、
   活性酸素を分解して酸素ラジカルを発生させる機能を有する活性酸素分解触媒と、
   前記フィルターに堆積した粒子状物質を前記酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、活性酸素を前記活性酸素分解触媒に供給する活性酸素供給装置と、
   前記フィルターに堆積した粒子状物質を前記酸素ラジカルを用いて酸化させるときに、前記活性酸素分解触媒から前記フィルターへ流れるガスの流量を調節することにより、前記フィルター内で粒子状物質が酸化される部位を制御する酸化部位制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ガス流量が比較的多い場合には、前記活性酸素分解触媒からの距離が遠い部位に堆積した粒子状物質が酸化され、前記ガス流量が比較的少ない場合には、前記活性酸素分解触媒からの距離が近い部位に堆積した粒子状物質が酸化されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記酸化部位制御手段は、前記活性酸素分解触媒からの距離が異なる各部位の粒子状物質が順次酸化されるように、前記ガス流量を変化させることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記活性酸素供給装置は、エアポンプと、前記エアポンプにより送り込まれた空気中の酸素を活性酸素に変化させる活性酸素生成装置と、前記活性酸素生成装置を出たガスを前記活性酸素分解触媒へ送り込むノズルとを有し、
   前記酸化部位制御手段は、前記エアポンプの流量を調節することによって前記ガス流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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