JP2010185347A - Exhaust gas purifying apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、電気化学リアクタを備えた排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device, and more particularly to an exhaust gas purification device equipped with an electrochemical reactor.
電気化学リアクタを用いた排気ガス浄化装置が、特許文献1に記載されている。この排気ガス浄化装置の電気化学リアクタにおいて、窒素酸化物(NOx)が選択的に吸蔵されている貴金属表面と、NOx還元剤(炭化水素化合物(HC)や一酸化炭素(CO)等)が選択的に吸着されている貴金属表面とが固体電解質及び電子伝導物質でそれぞれ接合されていることにより、各貴金属間にイオン及び電子が伝導されて酸化還元反応が促進され、排気ガスが浄化される。この電気化学反応を起こすためには、別々の貴金属表面上にNOxとNOx還元剤であるHCとを選択的に吸蔵及び吸着させる必要があるため、電気化学リアクタには、NOx吸蔵材及びHC吸着材が設けられている。
An exhaust gas purification apparatus using an electrochemical reactor is described in
しかしながら、内燃機関の運転条件によっては、電気化学リアクタのNOx浄化能力が完全には発揮できない場合があり、排気ガスの浄化が不完全になってしまう場合があるといった問題点があった。 However, depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the NOx purification ability of the electrochemical reactor may not be fully exhibited, and there has been a problem that exhaust gas purification may be incomplete.
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、内燃機関の運転条件によらずに確実にNOxを浄化することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device that can reliably purify NOx regardless of the operating conditions of the internal combustion engine.
この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、該排気管に設けられた少なくとも1つの電気化学リアクタと、該電気化学リアクタに電圧を付加する電源装置と、前記電気化学リアクタの下流において前記排気管に設けられたNOx浄化装置とを備え、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加することにより、前記電気化学リアクタが前記排気ガス中のNOxを吸蔵した後、前記電源装置による電圧の付加を停止することにより、前記電気化学リアクタに吸蔵されたNOxが前記電気化学リアクタから脱着して、前記NOx浄化装置に流入する。電気化学リアクタには、電圧が付加されるとNOxを吸蔵する機能を有するものがある。この機能を利用して、NOx浄化装置の浄化能力が低い場合には、電気化学リアクタにNOxを吸蔵しておき、NOx浄化装置の浄化能力が高まった後で、電気化学リアクタへの電圧の付加を停止して、吸蔵されているNOxを脱着させ、NOx浄化装置で浄化する。
前記電気化学リアクタには、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられてもよい。
前記排気管には、該排気管に設けられた電気化学リアクタをバイパスするバイパス管が少なくとも1つ設けられ、該バイパス管にも電気化学リアクタが設けられ、前記電気化学リアクタのうち少なくとも1つの電気化学リアクタに排気ガスを流さないようにする切替手段を備え、該切替手段によって、排気ガスが流通しない電気化学リアクタを変更したときに、排気ガスが流通するようになった電気化学リアクタに電圧を付加し、排気ガスが流通しなくなった電気化学リアクタには電圧の付加を停止してもよい。
前記排気ガスの温度を測定する温度センサが前記排気管に設けられ、前記温度センサにより測定された値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記温度センサにより測定された値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止してもよい。
前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの温度との関係を表すマップを備え、前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、前記排気ガスの温度の推定値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記推定値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止してもよい。
An exhaust gas purifying apparatus according to the present invention includes an exhaust pipe through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, at least one electrochemical reactor provided in the exhaust pipe, and a power source for applying a voltage to the electrochemical reactor And a NOx purification device provided in the exhaust pipe downstream of the electrochemical reactor, and the power supply device applies a voltage to the electrochemical reactor so that the electrochemical reactor is in the exhaust gas. After the NOx is occluded, by stopping the application of voltage by the power supply device, the NOx occluded in the electrochemical reactor is desorbed from the electrochemical reactor and flows into the NOx purification device. Some electrochemical reactors have a function of occluding NOx when a voltage is applied. Using this function, when the purification capability of the NOx purification device is low, NOx is occluded in the electrochemical reactor, and after the purification capability of the NOx purification device is increased, voltage is applied to the electrochemical reactor. And the stored NOx is desorbed and purified by the NOx purification device.
In the electrochemical reactor, gold or silver may be used as a catalyst and an alkaline earth metal salt may be used as a promoter.
The exhaust pipe is provided with at least one bypass pipe that bypasses the electrochemical reactor provided in the exhaust pipe, and the bypass pipe is provided with an electrochemical reactor, and at least one of the electrochemical reactors Switching means for preventing the exhaust gas from flowing through the chemical reactor, and when the electrochemical reactor through which the exhaust gas does not flow is changed by the switching means, a voltage is applied to the electrochemical reactor in which the exhaust gas flows. In addition, the addition of voltage may be stopped for the electrochemical reactor in which the exhaust gas has stopped flowing.
A temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas is provided in the exhaust pipe, and when the value measured by the temperature sensor is lower than a preset set value, the power supply device is connected to the electrochemical reactor. When a voltage is applied and the value measured by the temperature sensor is equal to or greater than the set value, the voltage application by the power supply device may be stopped.
A map representing a relationship between the operating condition of the internal combustion engine and the temperature of the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas is estimated from the operating condition based on the map, and the estimated value of the temperature of the exhaust gas is When the set value is lower than a preset value, the power supply device adds a voltage to the electrochemical reactor, and when the estimated value is equal to or higher than the set value, the voltage is added by the power supply device. You may stop.
この発明によれば、電気化学リアクタを用いることにより、NOx浄化装置の浄化能力が低い場合には、電気化学リアクタにNOxを吸蔵しておき、NOx浄化装置の浄化能力が高まった後で、電気化学リアクタへの電圧の付加を停止することにより、吸蔵されているNOxを脱着させてNOx浄化装置で浄化することができるので、内燃機関の運転条件によらずに確実にNOxを浄化することができる。 According to the present invention, when the purification capability of the NOx purification device is low by using the electrochemical reactor, NOx is stored in the electrochemical reactor, and after the purification capability of the NOx purification device is increased, By stopping the application of voltage to the chemical reactor, the stored NOx can be desorbed and purified by the NOx purification device, so that NOx can be reliably purified regardless of the operating conditions of the internal combustion engine. it can.
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に係る排気ガス浄化装置の構成を図1に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン1は、ディーゼルエンジン1から排出された排気ガスが流通する排気管2を有している。排気管2には、電気化学リアクタ3が設けられ、さらに、電気化学リアクタ3よりも下流側に、NOx浄化装置4が設けられている。ディーゼルエンジン1と電気化学リアクタ3との間には、排気管2を流通する排気ガスの温度を測定するための温度センサ9が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
The configuration of the exhaust gas purifying apparatus according to
NOx浄化装置4は、尿素SCRシステムであり、酸化触媒5と、SCR触媒6と、酸化触媒7とを備え、酸化触媒5とSCR触媒6との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル8が設けられている。
The
電気化学リアクタ3は、カソードと、アノードと、カソード及びアノードの間に配置された電解質とを有する電気化学的セルから構成されている。触媒として、金又は銀が用いられ、助触媒として、アルカリ土類金属塩が用いられている。電気化学リアクタ3には、カソード−アノード間に電圧を付加する電源装置10が設けられている。このような構成の電気化学リアクタ3に電圧を付加すると、電圧が付加されている間は、電極上にNOxを吸蔵し、電圧が付加されなくなると、吸蔵されていたNOxが脱着するようになる。
The
温度センサ9及び電源装置10はそれぞれ、制御装置であるECU11に電気的に接続されている。
Each of the temperature sensor 9 and the
次に、実施の形態1に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン1の始動時等には、ディーゼルエンジン1から排出される排気ガスの温度が低いため、酸化触媒5と、SCR触媒6と、酸化触媒7とのそれぞれに排気ガスが流通しても、十分な触媒性能を発揮するのに必要な温度まで触媒温度が昇温しない。そこで、温度センサ9によって測定された排気ガスの温度が、ECU11に予め設定された設定値よりも低い場合には、ECU11は電源装置10を動作させることにより、電気化学リアクタ3に電圧を付加する。すると、排気ガス中のNOxが電気化学リアクタ3に吸蔵され、NOx濃度が低下した排気ガスが電気化学リアクタ3から流出し、NOx浄化装置4に流入する。
Next, the operation of the exhaust gas purification apparatus according to
At the time of starting the
NOx浄化装置4では、まず、酸化触媒5によって、排気ガス中の一酸化窒素(NO)が二酸化窒素(NO2)に酸化される。続いて、排気ガスはSCR触媒6に流入するが、適当なタイミングで噴射ノズル8から供給された尿素水がSCR触媒6において加水分解されてアンモニアと二酸化炭素となり、生成したアンモニアと排ガス中のNOxとが反応して、窒素及び水となる。SCR触媒6において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒7において酸化され、NOxが浄化された排気ガスが大気中へ排出される。NOx浄化装置4のNOx浄化機能が完全に発揮されていない場合であっても、NOx濃度が低下した排気ガスを処理することになるので、十分にNOx濃度が低下した排気ガスが大気中へ排出されることになる。
In the
その後、排気ガスの温度が上昇し、温度センサ9による測定値が設定値以上になった場合には、ECU11は電源装置10の動作を停止することにより、電気化学リアクタ3への電圧の付加を停止する。すると、電気化学リアクタ3に吸蔵されていたNOxが脱着して、排気管2を流通する排気ガスとともに酸化触媒5に流入する。NOx浄化装置4は、酸化触媒5と、SCR触媒6と、酸化触媒7とのそれぞれの温度が十分高くなっているので、十分なNOx浄化機能を発揮することができ、排気ガス中のNOxだけではなく、電気化学リアクタ3から脱着したNOxも合わせて浄化することができる。
Thereafter, when the temperature of the exhaust gas rises and the measured value by the temperature sensor 9 becomes equal to or higher than the set value, the ECU 11 stops the operation of the
また、ディーゼルエンジン1の運転条件の変化により排気ガスの温度が低下し、温度センサ9による測定値が設定値を下回った場合には、ECU11は電源装置10を再び動作させて電気化学リアクタ3に電圧を付加し、排気ガス中のNOxを電気化学リアクタ3に吸蔵させる。その後、温度センサ9による測定値が設定値以上になった場合には、ECU11は電源装置10の動作を停止することにより、電気化学リアクタ3への電圧の付加を停止する。
Further, when the temperature of the exhaust gas decreases due to a change in the operating condition of the
このように、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられる電気化学リアクタ3を用いることにより、排気ガスの温度が設定値よりも低い場合には、電気化学リアクタ3にNOxを吸蔵しておき、排気ガスの温度が設定値以上に高まった後で、電気化学リアクタ3への電圧の付加を停止することにより、吸蔵されているNOxを脱着させてNOx浄化装置4で浄化することができるので、ディーゼルエンジン1の運転条件によらずに確実にNOxを浄化することができる。
Thus, by using the
実施の形態1では、排気ガスの温度を温度センサ9によって直接測定したが、この形態に限定するものではない。ECU11に、ディーゼルエンジン1の運転条件(回転数や燃料噴射量等)と排気ガス温度とのマップを組み込んでおき、このマップに基づいてディーゼルエンジン1の運転条件から排気ガスの温度を推定するようにしてもよい。
In the first embodiment, the temperature of the exhaust gas is directly measured by the temperature sensor 9, but the present invention is not limited to this embodiment. The ECU 11 incorporates a map of the operating conditions (rotation speed, fuel injection amount, etc.) of the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る排気ガス浄化装置について説明する。尚、実施の形態2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に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態1に対して、電気化学リアクタ3をバイパスするように排気管2にバイパス管を設け、このバイパス管にも電気化学リアクタを設けたものである。
Next, an exhaust gas purification apparatus according to
The exhaust gas purification apparatus according to
図2に示されるように、排気管2には、電気化学リアクタ3をバイパスするように、バイパス管20が設けられている。バイパス管20にも、電気化学リアクタ3と同じ電気化学リアクタ3’が設けられている。バイパス管20の上流端部と排気管2との接続部分には、切替手段である三方弁21が設けられている。電気化学リアクタ3,3’のそれぞれには、それらのカソード−アノード間に電圧を付加する電源装置10,10’がそれぞれ設けられている。三方弁21及び電源装置10,10’はそれぞれ、ECU11に電気的に接続されている。その他の構成について、温度センサ9が設けられていないこと以外は、実施の形態1と同じである。
As shown in FIG. 2, the
次に、実施の形態2に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン1の始動時において、三方弁21は、排気ガスが電気化学リアクタ3を流通するようになっているものとする。ディーゼルエンジン1が始動したら、ECU11は、電源装置10を動作させることにより、電気化学リアクタ3に電圧を付加する。すると、実施の形態1と同様に、排気ガス中のNOxが電気化学リアクタ3に吸蔵され、NOx濃度が低下した排気ガスがNOx浄化装置4に流入する。
Next, the operation of the exhaust gas purification apparatus according to
It is assumed that the exhaust gas flows through the
予め設定された時間(以下、設定時間と称する)が経過したら、ECU11は、三方弁21を切り替えて、排気ガスが電気化学リアクタ3’を流通するようにし、さらに、電源装置10の動作を停止すると共に電源装置10’を動作させて、電気化学リアクタ3’のみに電圧を付加する。すると、ディーゼルエンジン1から排出された排気ガスは、バイパス管20を介して電気化学リアクタ3’に流入する。電気化学リアクタ3と同様に、電気化学リアクタ3’は、排気ガス中のNOxを吸蔵し、NOx濃度が低下した排気ガスがNOx浄化装置4に流入する。
When a preset time (hereinafter referred to as “set time”) elapses, the ECU 11 switches the three-way valve 21 so that the exhaust gas flows through the
一方、電気化学リアクタ3では、電圧が付加されなくなるので、吸蔵していたNOxが脱着し、脱着したNOxは、バイパス管20介してNOx浄化装置4に流入する排気ガスとともにNOx浄化装置4に流入する。尚、NOx浄化装置4におけるNOxの浄化動作は、実施の形態1と同じである。
On the other hand, since no voltage is applied in the
この後、設定時間が経過したら、ECU11が三方弁21を切り替えて、排気ガスが電気化学リアクタ3を流通するようにすると共に電気化学リアクタ3’への電圧の付加を停止して電気化学リアクタ3のみに電圧を付加する。以下、これらの動作を繰り返す。
After this, when the set time has elapsed, the ECU 11 switches the three-way valve 21 so that the exhaust gas flows through the
このように、排気管2に設けられた電気化学リアクタ3の他に、電気化学リアクタ3をバイパスするバイパス管20にもう1つの電気化学リアクタ3’を設け、電気化学リアクタ3及び3’に交互に電圧を付加することにより、ディーゼルエンジン1の稼働中、排気ガス中のNOxは必ず一方の電気化学リアクタに吸蔵され、他方の電気化学リアクタに吸蔵されていたNOxが脱着してNOx浄化装置4に流入するようになる。これにより、ディーゼルエンジン1の始動時だけではなく、稼働中の運転条件の変動等により、NOx浄化装置4のNOx浄化機能が低下したときであっても、一時的に電気化学リアクタ3又は3’にNOxが吸蔵され、NOx浄化機能が戻った時に、吸蔵されていたNOxを浄化することができるようになるので、ディーゼルエンジン1の運転条件によらずに確実にNOxを浄化することができる。
Thus, in addition to the
実施の形態2では、2つの電気化学リアクタ3,3’が並列に設けられていたが、2つに限定するものではない。3つ以上の電気化学リアクタを並列に設けて、順番に電圧の付加を行うようにしてもよい。尚、3つ以上の電気化学リアクタが設けられている場合には、切替手段によって少なくとも1つの電気化学リアクタに排気ガスが流入しないようにすると共にこの電気化学リアクタへの電圧の付加を停止することにより、この電気化学リアクタに吸蔵されたNOxを脱着させ、その他の電気化学リアクタには排気ガスを流入させてNOxを吸蔵するようにすればよい。
また、実施の形態2では、2つの電気化学リアクタ3,3’はそれぞれ同じものであったが、互いに異なる仕様の電気化学リアクタを使用してもよい。3つ以上の電気化学リアクタを使用する場合にも、複数の異なる仕様の電気化学リアクタを使用してもよい。
In the second embodiment, the two
In the second embodiment, the two
実施の形態2では、電気化学リアクタ3,3’への電圧の付加の切り替えは、設定時間の経過によって行っていたが、この形態に限定するものではない。排気管2に温度センサを設けて、排気ガス温度に基づいて電圧の付加の切り替えを行ったり、ディーゼルエンジン1の運転条件に基づいて電圧の付加の切り替えを行ったりしてもよい。尚、電気化学リアクタ3,3’への電圧の付加の切り替えは、一方の電気化学リアクタの吸蔵能力が飽和に達したら行うようにすると最も効果的であり、例えば、電気化学リアクタの吸蔵能力を予め測定しておき、ディーゼルエンジンの運転条件や排気ガスの状態等から電気化学リアクタの飽和状態を予測することができる。
In the second embodiment, the switching of the voltage application to the
実施の形態1及び2では、NOx浄化装置4として、尿素SCRシステムを使用したが、これに限定するものではない。尿素SCRシステムに限らずその他のSCR触媒を使用してもよいし、NOx吸蔵触媒(NSR触媒)及びディーゼルパティキュレートNOxリダクションシステム(DPNR)を使用してもよい。さらに、実施の形態1及び2に係る電気化学リアクタ3,3’のようにNOxを吸蔵する機能を有するものではなく、NOxを浄化する機能を有する電気化学リアクタを使用してもよい。すなわち、NOxを浄化するシステムであればどのようなものであってもよい。
In the first and second embodiments, the urea SCR system is used as the
実施の形態1及び2では、触媒として金又は銀を用いていたが、これらに限定するものではない。NOxの吸蔵作用を示すものであれば白金、ロジウム、パラジウム等の金属を触媒として用いてもよい。
In
1 ディーゼルエンジン(内燃機関)、2 排気管、3,3’ 電気化学リアクタ、4 NOx浄化装置、9 温度センサ、10,10’ 電源装置、20 バイパス管、21 三方弁(切替手段)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該排気管に設けられた少なくとも1つの電気化学リアクタと、
該電気化学リアクタに電圧を付加する電源装置と、
前記電気化学リアクタの下流において前記排気管に設けられたNOx浄化装置と
を備え、
前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加することにより、前記電気化学リアクタが前記排気ガス中のNOxを吸蔵した後、前記電源装置による電圧の付加を停止することにより、前記電気化学リアクタに吸蔵されたNOxが前記電気化学リアクタから脱着して、前記NOx浄化装置に流入する排気ガス浄化装置。 An exhaust pipe through which exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows;
At least one electrochemical reactor provided in the exhaust pipe;
A power supply for applying a voltage to the electrochemical reactor;
A NOx purification device provided in the exhaust pipe downstream of the electrochemical reactor,
The power supply device applies a voltage to the electrochemical reactor, and after the electrochemical reactor occludes NOx in the exhaust gas, the power supply device stops applying voltage to the electrochemical reactor. An exhaust gas purification device in which the stored NOx is desorbed from the electrochemical reactor and flows into the NOx purification device.
前記電気化学リアクタのうち少なくとも1つの電気化学リアクタに排気ガスを流さないようにする切替手段を備え、
該切替手段によって、排気ガスが流通しない電気化学リアクタを変更したときに、排気ガスが流通するようになった電気化学リアクタに電圧を付加し、排気ガスが流通しなくなった電気化学リアクタには電圧の付加を停止する、請求項1または2に記載の排気ガス浄化装置。 The exhaust pipe is provided with at least one bypass pipe that bypasses the electrochemical reactor provided in the exhaust pipe, and the bypass pipe is provided with an electrochemical reactor,
Switching means for preventing exhaust gas from flowing through at least one of the electrochemical reactors;
When the electrochemical reactor through which the exhaust gas does not flow is changed by the switching means, a voltage is applied to the electrochemical reactor in which the exhaust gas has circulated, and the voltage is applied to the electrochemical reactor in which the exhaust gas has ceased to flow. The exhaust gas purification device according to claim 1 or 2, wherein the addition of is stopped.
前記温度センサにより測定された値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記温度センサにより測定された値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止する、請求項1または2に記載の排気ガス浄化装置。 A temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas is provided in the exhaust pipe;
When the value measured by the temperature sensor is lower than a preset setting value, the power supply device adds a voltage to the electrochemical reactor, and the value measured by the temperature sensor is equal to or greater than the preset value. The exhaust gas purifying apparatus according to claim 1 or 2, wherein when the power supply becomes, the application of voltage by the power supply device is stopped.
前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、
前記排気ガスの温度の推定値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記推定値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止する、請求項1または2に記載の排気ガス浄化装置。 Comprising a map representing the relationship between the operating conditions of the internal combustion engine and the temperature of the exhaust gas;
The temperature of the exhaust gas is estimated from the operating conditions based on the map,
When the estimated value of the temperature of the exhaust gas is lower than a preset set value, the power supply device adds a voltage to the electrochemical reactor, and the estimated value becomes equal to or higher than the set value. The exhaust gas purification device according to claim 1 or 2, wherein the application of voltage by the power supply device is stopped.
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Cited By (2)
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