JP2011185161A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン生成装置の稼働に必要な電源装置を小さくした排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】オゾン生成装置５は、基準排出量以上最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有する第１リアクタ６と、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有する第２リアクタ７とを有している。ＮＯｘ排出量が基準排出量以下のときには、第１リアクタ６のみからオゾンをＮＯｘ吸蔵触媒３に供給し、ＮＯｘ排出量が基準排出量より大きいときには、第１リアクタ６及び第２リアクタ７からオゾンをＮＯｘ吸蔵触媒３に供給する。ＮＯｘ排出量が基準排出量以下のときには、ＥＣＵ３０は、切替スイッチ１７によって、第１リアクタ６の電極１０，１１間及び第２リアクタ７の電極１２，１３間に交互に電圧を印加させて、第２リアクタ７にオゾンを蓄える。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムは、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）にするための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水にするためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するための酸化触媒とから構成される。排ガスの温度が低い（２００℃以下）場合には、ＳＣＲ触媒の活性が低く、さらにこのような低温時には、ＮＯ／ＮＯ_２比が約１のときしか優れた浄化性能が発揮されないといった問題点があった。また、低温時には酸化触媒の活性も低く、酸化触媒の活性を上げるために、高価な貴金属である白金やパラジウム等の担持量を多くする必要があるといった問題点もあった。

これらの問題点を解決するために、酸化剤としてオゾンを使用してＮＯをＮＯ_２等の高次のＮＯｘに酸化し、これをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸着させて還元・分解することにより、排ガスからＮＯｘを除去する排ガス浄化装置が、例えば特許文献１及び２に開示されている。特に特許文献１に記載の排ガス浄化装置では、ＮＯｘ吸蔵反応を促進するために、ＮＯに対するオゾンのモル比が１よりも大きくなるように、オゾンの供給量を調整している。

特開２００８−１６３８８７号公報 特開２０１０−７６５６号公報

しかしながら、内燃機関から排出されるＮＯｘの量は運転状況により大きく変動するため、あらゆる運転状況下においてＮＯｘの処理を可能とするためには、最高排出量のＮＯｘを処理可能なオゾン生成装置が必要であり、このオゾン生成装置を稼働するためには大きな電源装置が必要となる。この場合、ＮＯｘの排出量が少ない運転状況のときには、オゾン生成装置が過剰に稼働することとなり、無駄なエネルギーを使用することに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、オゾン生成装置の稼働に必要な電源装置を小さくした排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排ガスが流通する排気管に設けられたＮＯｘ浄化手段と、オゾンを生成するオゾン生成装置と、内燃機関から排出されるＮＯｘの最高排出量よりも低い値である基準排出量が設定された制御装置と、内燃機関から排出されるＮＯｘの排出量を検出するＮＯｘ排出量検出手段とを備え、オゾン生成装置は、互いに対向する一対の電極を有する第１リアクタ及び第２リアクタであって、第１リアクタと第２リアクタとはバイパス管によって連通されている第１リアクタ及び第２リアクタと、第１リアクタ及び第２リアクタのそれぞれの電極間に電圧を印加する１つの電源装置と、電源装置が第１リアクタ及び第２リアクタのいずれかの電極間に電圧を印加するように切り替える電源切替手段と、第１リアクタ及び第２リアクタの少なくとも一方からオゾンをＮＯｘ浄化手段に供給するように切り替えるオゾン供給切替手段とを備え、第１リアクタは、基準排出量以上最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有し、第２リアクタは、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有し、制御装置は、内燃機関から排出されるＮＯｘの排出量と、基準排出量との比較に基づいて、電源切替手段と、オゾン供給切替手段とを制御して、第１リアクタから、または第１リアクタ及び第２リアクタから、オゾンをＮＯｘ浄化手段に供給する。第１リアクタ及び第２リアクタは、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有すると共に、電源装置は、第１リアクタ及び第２リアクタのいずれかの電極間に電圧を印加するように動作するので、小さな電源装置でオゾン生成装置を稼働することができる。
制御装置は、排出量が基準排出量以下のときには、第１リアクタのみからオゾンをＮＯｘ浄化手段に供給し、排出量が基準排出量より大きいときには、電源切替手段によって、第１リアクタの電極間及び第２リアクタの電極間に交互に電圧を印加させて、第１リアクタ及び第２リアクタからオゾンをＮＯｘ浄化手段に供給してもよい。
制御装置は、排出量が基準排出量以下のときには、電源切替手段によって、第１リアクタの電極間及び第２リアクタの電極間に交互に電圧を印加させて、第２リアクタにオゾンを蓄えてもよい。
少なくとも２つの第２リアクタを有し、隣り合う第２リアクタ同士は、バイパス管によって連通されていてもよい。

この発明によれば、第１リアクタ及び第２リアクタは、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有すると共に、電源装置は、第１リアクタ及び第２リアクタのいずれかの電極間に電圧を印加するように動作するので、オゾン生成装置の稼働に必要な電源装置を小さくすることができる。

この発明の第１の実施形態に係る排ガス浄化装置を備えた内燃機関の構成模式図である。 ＮＯｘの排出量の経時変化の例を示す図である。 第２の実施形態に係る排ガス浄化装置を備えた内燃機関の構成模式図である。

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．
この発明の実施の形態１に係る排ガス浄化装置を備えた内燃機関の構成模式図を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１には、排ガスが流通する排気管２が接続されており、排気管２には、ＮＯｘ浄化手段であるＮＯｘ吸蔵触媒３が設けられている。ＮＯｘ吸蔵触媒３よりも上流側で、一端がオゾン生成装置５に接続されたオゾン供給管４の他端が排気管２に接続されている。また、排気管２には、オゾン供給管４との接続部分よりも上流側に、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。ここで、ＮＯｘセンサ２７は、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量を検出するＮＯｘ排出量検出手段を構成する。

オゾン生成装置５は、オゾンを生成する第１リアクタ６及び第２リアクタ７を有している。第１リアクタ６は、オゾン供給管４の端部に接続されている。第２リアクタ７には、バイパス管８の一方の端部が接続されており、バイパス管８の他方の端部は、オゾン供給管４の端部付近に接続されている。すなわち、第１リアクタ６及び第２リアクタ７は、バイパス管８によって互いに連通されている。バイパス管８には、開閉弁９が設けられている。

第１リアクタ６は、間隔をあけて対向するように設けられた一対の電極１０，１１を有している。電極１０は、電線１５によって電源装置１４に接続され、電源装置１４は、電線１６によって切替スイッチ１７に接続されている。電極１１は、電線１８によって切替スイッチ１７に接続されている。第２リアクタ７は、間隔をあけて対向するように設けられた一対の電極１２，１３を有している。電極１２は、電線２０によって電極１０に接続されている。電極１３は、電線１９によって切替スイッチ１７に接続されている。切替スイッチ１７は、電線１６を、電線１８または電線１９のいずれか一方に接続するようになっている。ここで、切替スイッチ１７は、電源装置１４が電極１０，１１間または電極１２，１３間のいずれか一方に電圧を印加するように切り替えるための電源切替手段を構成する。

第１リアクタ６には、エアーが流通する第１供給管２１が接続され、第２リアクタ７には、エアーが流通する第２供給管２２が接続されている。第１供給管２１及び第２供給管２２の端部は合流し、その合流部に合流管２３が接続されている。合流管２３には、大気中からエアーを吸引して合流管２３にエアーを流通させるためのポンプ２４が設けられている。第１供給管２１及び第２供給管２２にはそれぞれ、第１切替弁２５及び第２切替弁２６が設けられている。ここで、開閉弁９と第１切替弁２５と第２切替弁２６とは、第１リアクタ６及び第２リアクタ７の少なくとも一方からオゾンをＮＯｘ吸蔵触媒３に供給するように切り替えるためのオゾン供給切替手段を構成する。

開閉弁９と、電源装置１４と、切替スイッチ１７と、ポンプ２４と、第１切替弁２５と、第２切替弁２６と、ＮＯｘセンサ２７とはそれぞれ、ディーゼルエンジン１の運転を制御するための制御装置であるＥＣＵ３０に電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ３０には、ディーゼルエンジン１の運転状況、すなわち回転数や燃料噴射量等の情報が電気的に伝達されるようになっている。また、ＥＣＵ３０には、ディーゼルエンジン１の可能な運転状況から算出されるＮＯｘの最高排出量と、基準排出量とが設定されている。尚、実施の形態１では、基準排出量を、最高排出量の１／２の値として説明するが、この値に限定するものではなく、最高排出量よりも低い範囲で任意に決定可能である。

次に、この実施の形態１に係る排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の起動時は、排気管２を流通する排ガスの温度が低く、ＮＯｘ吸蔵触媒３の触媒活性が低いため、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ処理能力を上昇するためにオゾン生成装置５を稼働させる。ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２７の検出値及びディーゼルエンジン１の運転状況から、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量を算出し、予め設定されている基準排出量と比較する。ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも小さい時は、ＥＣＵ３０は、開閉弁９及び第２切替弁２６を閉めると共に第１切替弁２５を開ける。ポンプ２４により吸引されたエアーは、合流管２３及び第１供給管２１を順次流通して第１リアクタ６内に流入する。続いて、ＥＣＵ３０は、切替スイッチ１７において電線１６を電線１８に接続させた後、電源装置１４により、電極１０，１１間に電圧を印加する。これにより、第１リアクタ６内において、エアー中の酸素からオゾンが生成される。

第１リアクタ６に流入するエアーは、第１リアクタ６内を置換し、オゾンを含むエアーが第１リアクタ６からオゾン供給管４に排出される。新たに第１リアクタ６内に流入したエアーについては、電極１０，１１間に印加された電圧によって、エアー中の酸素からオゾンが生成される。一方、オゾン供給管４に排出されたオゾンを含むエアーは、排気管２に流入し、排気管２を流通する排ガスと混合されてＮＯｘ吸蔵触媒３内に流入する。ＮＯｘ吸蔵触媒３において、オゾンが酸化剤となって、排ガス中のＮＯをＮＯ_２等に酸化し、ＮＯ_２等が、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸着されて還元・分解される。

ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも小さい時は、第１リアクタ６において生成されたオゾンのみをＮＯｘ吸蔵触媒３に供給するが、ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも大きくなる場合に備えて、第２リアクタ７においてもオゾンを生成すると共に生成したオゾンを第２リアクタ７内に貯蔵しておく。すなわち、ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも小さい時に、ＥＣＵ３０は、定期的に切替スイッチ１７を稼働させて、電極１０，１１間及び電極１２，１３間に交互に電圧を印加させる。これにより、間欠的にではあるが、第１リアクタ６でのオゾンの生成を継続しながら、電極１２，１３間に電圧が印加されることにより、第２リアクタ７内においてもオゾンの生成が可能となる。ここで、開閉弁９及び第２切替弁２６が閉まっていることにより、第２リアクタ７内において生成したオゾンは、第２リアクタ７内に貯蔵される。尚、ＥＣＵ３０には、第２リアクタ７内において生成されるオゾン量が上限に達する時間を予め設定しておき、ＮＯｘの排出量が依然として基準排出量より小さくても、この時間を経過したら、定期的な切替スイッチ１７の稼働を停止し、電極１０，１１間のみに電圧を印加するようにしてもよい。また、第２リアクタ７内のオゾン濃度を検出するセンサを設け、オゾン濃度が飽和に達したら、定期的な切替スイッチ１７の稼働を停止するようにしてもよい。

通常、ディーゼルエンジン１の運転状況は変動するものであり、その運転状況の変動により、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量は変化する。そのＮＯｘの排出量の経時変化の例を図２に示す。ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも大きくなった場合には、ＥＣＵ３０は、開閉弁９及び第２切替弁２６を開く。すると、ポンプ２４によって吸引されたエアーが第２供給管２２を介して第２リアクタ７にも流入するようになるので、第２リアクタ７に貯蔵されていたオゾンがバイパス管８及びオゾン供給管４を介して、第１リアクタ６から供給されるオゾンとともに排気管２に流入する。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒３に流入するオゾンの量が増加するので、処理されるＮＯｘ量も増加する。尚、第２リアクタ７からもオゾンの供給が行われている場合には、ＥＣＵ３０は、定期的に切替スイッチ１７を稼働させて、電極１０，１１間及び電極１２，１３間に交互に電圧を印加させ、第１リアクタ６及び第２リアクタ７の両方において継続的にオゾンの生成を行う。

その後、ディーゼルエンジン１の運転状況の変化によって、ＮＯｘ排出量が再び基準排出量以下となった場合には、ＥＣＵ３０は、開閉弁９及び第２切替弁２６を閉めることにより、第１リアクタ６のみからオゾンを供給するようにする。尚、この場合においても、上述した動作によって、第２リアクタ７内にオゾンを貯蔵しておくようにし、さらにその後、ＮＯｘ排出量が再び基準排出量よりも大きくなった場合には、上述した動作によって、第１リアクタ６及び第２リアクタ７の両方からオゾンを供給するようにする。

尚、ＮＯｘの排出量が基準排出量よりも小さい時は、第１リアクタ６において生成されるオゾンのみによって、排出されたＮＯｘの処理ができるようにする必要があるため、第１リアクタ６は、オゾン生成能力に基づいて選定することが好ましい。すなわち、第１リアクタ６は、基準排出量以上の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有するようにすることが好ましい。さらに、電源装置１４の電力供給能力を小さくするために、第１リアクタ６及び第２リアクタ７はそれぞれ、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有するようにすることが好ましい。

このように、第１リアクタ６及び第２リアクタ７は、最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有すると共に、電源装置１４は、第１リアクタ６及び第２リアクタ７のいずれかの電極間に電圧を印加するように動作するので、オゾン生成装置５の稼働に必要な電源装置１４を小さくすることができる。

実施の形態１では、ＮＯｘ吸蔵触媒３よりも上流側に、ＮＯをＮＯ_２等に酸化するための酸化触媒を設けてもよい。この場合には、ディーゼルエンジン１が暖機されて排ガスの温度が十分に上昇すると、酸化触媒が十分な触媒能力を発揮するようになるので、ＥＣＵ３０は、排ガスの温度やディーゼルエンジン１の稼働時間等に基づいて、適当なタイミングでオゾン生成装置５を停止してもよい。

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に係る排ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、ＮＯｘ浄化手段として尿素ＳＣＲ触媒に変更したものである。

この発明の実施の形態２に係る排ガス浄化装置の構成模式図を図３に示す。ディーゼルエンジン１から排出された排ガスが流通する排気管２に、酸化触媒４３と、ＮＯｘ浄化手段であるＳＣＲ触媒４５と、酸化触媒４６とが設けられている。排気管２には、酸化触媒４３の上流側に、ＮＯｘセンサ２７が設けられ、酸化触媒４３とＳＣＲ触媒４５との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル４７が設けられている。噴射ノズル４７は、配管４８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク４９に連通している。配管４８には、尿素水タンク４９内の尿素水を噴射ノズル４７に供給するための尿素水添加システム５０が設けられている。尿素水添加システム５０は、ＥＣＵ３０に電気的に接続されている。また、酸化触媒４３とＳＣＲ触媒４５との間で、オゾン供給管４を介してオゾン生成装置５が排気管２に連通している。その他の構成については、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の起動時には、ディーゼルエンジン１から排出される排ガスの温度が低いため、酸化触媒４３と、ＳＣＲ触媒４５と、酸化触媒４６とのそれぞれに排ガスが流通しても、十分な触媒性能を発揮するのに必要な温度まで温度が昇温しない。そこで、実施の形態１と同様の動作によって、オゾン生成装置５からオゾン供給管４を介してＳＣＲ触媒４５にオゾンを供給する。すると、オゾンを酸化剤として、ＮＯｘ中のＮＯがＮＯ_２等に酸化され、ＮＯ／ＮＯ_２比が１に近づくので、低温であってもＳＣＲ触媒４５の触媒性能が十分に発揮される条件となる。

ＥＣＵ３０は、適切なタイミングで尿素水添加システム５０を作動させ、尿素水タンク４９内の尿素水を、配管４８を介して噴射ノズル４７に供給し、噴射ノズル４７から尿素水がＳＣＲ触媒４５に添加される。ＳＣＲ触媒４５に添加された尿素水は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４５において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒４６において酸化される。その後、ディーゼルエンジン１が暖機されて、排ガス温度が十分に上昇したら、酸化触媒４３の触媒性能が十分に発揮されるようになるので、ＥＣＵ３０は、オゾン生成装置５を停止してもよい。
このように、尿素ＳＣＲシステムに、この発明に係る排ガス浄化装置を適用した場合でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１及び２では、オゾン生成装置５は２つのリアクタを有していたが、２つに限定するものではなく、第２リアクタを２つ以上設けてもよい。この場合には、隣り合う第２リアクタ同士は、バイパス管８とは別に設けたバイパス管によって連通するようにする。また、実施の形態１及び２では、ＮＯｘ排出量検出手段としてＮＯｘセンサ２７を使用しているが、これに限定するものではない。ＥＣＵ３０において予め、ディーゼルエンジン１の回転数や燃料噴射量、トルク等の運転状態とＮＯｘの排出量との関係を表すマップを組み込んでおき、このマップに基づいてＮＯｘの排出量を推定して、基準排出量と比較するようにしてもよい。この場合、このマップがＮＯｘ排出量検出手段を構成する。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、３ ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＯｘ浄化手段）、５ オゾン生成装置、６ 第１リアクタ、７ 第２リアクタ、８ バイパス管、９ 開閉弁（オゾン供給切替手段）、１０〜１３ 電極、１４ 電源装置、１７ 切替スイッチ（電源切替手段）、２５ 第１切替弁（オゾン供給切替手段）、２６ 第２切替弁（オゾン供給切替手段）、２７ ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ排出量検出手段）、３０ ＥＣＵ（制御装置）、４５ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ浄化手段）。

Claims (4)

1. 内燃機関から排出された排ガスが流通する排気管に設けられたＮＯｘ浄化手段と、
   オゾンを生成するオゾン生成装置と、
   前記内燃機関から排出されるＮＯｘの最高排出量よりも低い値である基準排出量が設定された制御装置と、
   前記内燃機関から排出されるＮＯｘの排出量を検出するＮＯｘ排出量検出手段と
   を備え、
   前記オゾン生成装置は、
   互いに対向する一対の電極を有する第１リアクタ及び第２リアクタであって、該第１リアクタと該第２リアクタとはバイパス管によって連通されている第１リアクタ及び第２リアクタと、
   該第１リアクタ及び該第２リアクタのそれぞれの電極間に電圧を印加する１つの電源装置と、
   該電源装置が前記第１リアクタ及び前記第２リアクタのいずれかの電極間に電圧を印加するように切り替える電源切替手段と、
   前記第１リアクタ及び前記第２リアクタの少なくとも一方からオゾンを前記ＮＯｘ浄化手段に供給するように切り替えるオゾン供給切替手段と
   を備え、
   前記第１リアクタは、前記基準排出量以上前記最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有し、前記第２リアクタは、前記最高排出量未満の範囲のＮＯのモル数と同じ範囲のモル数のオゾンを生成可能な容量を有し、
   前記制御装置は、前記内燃機関から排出されるＮＯｘの前記排出量と、前記基準排出量との比較に基づいて、前記電源切替手段と、前記オゾン供給切替手段とを制御して、前記第１リアクタから、または前記第１リアクタ及び前記第２リアクタから、オゾンを前記ＮＯｘ浄化手段に供給する排ガス浄化装置。
2. 前記制御装置は、
   前記排出量が前記基準排出量以下のときには、前記第１リアクタのみからオゾンを前記ＮＯｘ浄化手段に供給し、
   前記排出量が前記基準排出量より大きいときには、前記電源切替手段によって、前記第１リアクタの電極間及び前記第２リアクタの電極間に交互に電圧を印加させて、前記第１リアクタ及び前記第２リアクタからオゾンを前記ＮＯｘ浄化手段に供給する、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記制御装置は、前記排出量が前記基準排出量以下のときには、前記電源切替手段によって、前記第１リアクタの電極間及び前記第２リアクタの電極間に交互に電圧を印加させて、前記第２リアクタにオゾンを蓄える、請求項２に記載の排ガス浄化装置。
4. 少なくとも２つの第２リアクタを有し、隣り合う第２リアクタ同士は、前記バイパス管によって連通されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。

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