JP2012241524A

JP2012241524A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2012241524A
Application number: JP2011109141A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funahashi; 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】三元触媒の過剰な肥大化を招くことなく冷間始動時のエミッション性能を向上する。
【解決手段】ガソリンエンジン１（エンジン）の排気管１０の途中に三元触媒１１を装備した排気浄化装置に関し、前記三元触媒１１より上流の排気管１０に、該排気管１０内へ空気を導入するエアポンプ１２（空気導入手段）を設けると共に、該エアポンプ１２と前記三元触媒１１との間の排気管１０に、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置１３を設け、該プラズマ発生装置１３の放電により排気ガス８中のＨＣと空気とからＨラジカルとＯラジカルを夫々生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

排気系に装着されて排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを同時に低減させる触媒として三元触媒が従来から知られており、該三元触媒における反応では、ＨＣ及びＣＯの酸化にＮＯxのＯ₂が使われ、該ＮＯxがＮ₂に還元されると共に、前記ＨＣ及びＣＯが酸化されてＣＯ₂と水（Ｈ₂Ｏ）になるので、有害三成分が同時に無害化されることになる。

ただし、三元触媒には、Ｏ₂が過不足なく燃料を燃焼させる空燃比、即ち、理論空燃比（ストイキオメトリ）でないと十分な効果が発揮されないという条件があり、排気ガスの残存酸素量が多いディーゼルエンジンで三元触媒は使用されておらず、主としてガソリンエンジンに適用されているのが実情である。

尚、本発明の排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００２−２５６８５１号公報

しかしながら、前述した如き三元触媒を用いた従来の排気浄化装置においては、ガソリンエンジンの冷間始動時に未燃のＨＣが多量に放出されるのに対し、三元触媒が未だ暖まっていないために活性が落ちた状態となっており、多量のＨＣを処理することができないためにエミッション性能が低下するという問題があった。

このため、ＨＣを吸着し得るようゼオライトやマグネシア等を触媒原料として三元触媒に含ませ、該三元触媒が暖まるまでＨＣを一時的に吸着させて車外への放出を抑制することが考えられているが、このようにすることで三元触媒が過剰に肥大化して車両への搭載性が悪化するという新たな問題を招く虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、三元触媒の過剰な肥大化を招くことなく冷間始動時のエミッション性能を向上することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気管の途中に三元触媒を装備した排気浄化装置であって、前記三元触媒より上流の排気管に、該排気管内へ空気を導入する空気導入手段を設けると共に、該空気導入手段と前記三元触媒との間の排気管に、排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、該プラズマ発生装置の放電により排気ガス中のＨＣと空気とからＨラジカルとＯラジカルを夫々生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導するように構成したことを特徴とするものである。

而して、排気管の途中に三元触媒を装備したエンジンでは、三元触媒を機能させるために理論空燃比で運転が行われるため、その排気ガス中における残存Ｏ₂量は極めて少ないが、冷間始動時において、エンジンの排気ガスに空気導入手段で空気を加え、該空気を加えられた排気ガス中にプラズマ発生装置で放電してプラズマを発生させ、排気ガス中のＨＣからＨラジカルを生成し且つ空気からＯラジカルを生成すると、これらＨラジカル及びＯラジカルは、２原子が電子を１個ずつ分け合う形で結合が切れた非常に不安定な状態となっているため、互いに反応することで電子対をつくって安定化しようとしてＨ₂Ｏへの反応が瞬時に起こり、この際に反応熱が大量に発生して排気温度が大幅に上昇し、その昇温した排気ガスにより三元触媒が急速に暖められて活性状態となる。

更に、本発明において、エンジンがガソリンエンジンである場合には、排気ガス中の残存燃料からＨラジカルを生成すれば良く、エンジンがディーゼルエンジンである場合には、プラズマ発生装置より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備え、該燃料添加手段による添加燃料からＨラジカルを生成すれば良い。

また、空気導入手段については、外気を取り込んで排気管内に導入するエアポンプにより構成されていても良く、ターボチャージャのコンプレッサ出口から吸気を抽気して排気管内に導入する連絡管により構成されていても良い。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、冷間始動時にプラズマ発生装置によりＨラジカル及びＯラジカルを生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導し、この際に発生する大量の反応熱により三元触媒を急速に暖めて活性状態とすることができるので、エミッションの一時的な吸着を図るべく三元触媒を過剰に肥大化させなくてもエミッション性能を著しく向上することができ、車両への搭載性の悪化を未然に回避することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。本発明を実施する形態の別の例を示す概略図である。本発明を実施する形態の更に別の例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、ここに図示している例では、エンジンがガソリンエンジン１である場合を示しており、このガソリンエンジン１はターボチャージャ２を備え、図示しないエアクリーナから導かれた吸気３が吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３がインタークーラ５へと送られて冷却され、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３が導かれてガソリンエンジン１の各気筒７に分配されるようになっている。

更に、このガソリンエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８は、排気マニホールド９を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管１０を介し車外へ排出されるようにしてあり、前記タービン２ｂに近い排気管１０の上流側には、理論空燃比（ストイキオメトリ）でＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減化を図り得る三元触媒１１が装備されている。

また、この三元触媒１１より上流の排気管１０には、外気を取り込んで排気管１０内に導入するエアポンプ１２が空気導入手段として設けられており、該エアポンプ１２と前記三元触媒１１との間の排気管１０には、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置１３が設けられ、該プラズマ発生装置１３の放電により排気ガス８中のＨＣと空気とからＨラジカルとＯラジカルを夫々生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導するようにしてある。

ここで、前記プラズマ発生装置１３には、誘電体により絶縁被覆した電極を対向配置して相互間にバリア放電を行い得るようにしたものを使用し、これら各電極に対しては、図示しない放電制御ユニットを介し電源を接続して適宜な周波数で必要な電圧を印加し得るようにしてある。

而して、排気管１０の途中に三元触媒１１を装備したガソリンエンジン１では、三元触媒１１を機能させるために理論空燃比で運転が行われるため、その排気ガス８中における残存Ｏ₂量は極めて少ないが、冷間始動時において、ガソリンエンジン１の排気ガス８にエアポンプ１２で空気を加え、該空気を加えられた排気ガス８中にプラズマ発生装置１３で放電してプラズマを発生させ、排気ガス８中に残存するＨＣからＨラジカルを生成し且つ前記エアポンプ１２で導入した空気からＯラジカルを生成すると、これらＨラジカル及びＯラジカルは、２原子が電子を１個ずつ分け合う形で結合が切れた非常に不安定な状態となっているため、互いに反応することで電子対をつくって安定化しようとしてＨ₂Ｏへの反応が瞬時に起こり、この際に反応熱が大量に発生して排気温度が大幅に上昇し、その昇温した排気ガス８により三元触媒１１が急速に暖められて活性状態となる。

従って、上記形態例によれば、冷間始動時にプラズマ発生装置１３によりＨラジカル及びＯラジカルを生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導し、この際に発生する大量の反応熱により三元触媒１１を急速に暖めて活性状態とすることができるので、冷間始動時に多量に発生する未燃のＨＣの一時的な吸着を図るべく三元触媒１１を過剰に肥大化させなくても、前記多量のＨＣを活性状態の三元触媒１１にて処理することができてエミッション性能を著しく向上することができ、車両への搭載性の悪化を未然に回避することができる。

また、図２は本発明を実施する形態の別の例を示すもので、ここに図示している例では、エンジンがディーゼルエンジン１’である場合を示しているが、排気ガス８の残存酸素量が多いディーゼルエンジン１’で三元触媒１１を機能させるにあたっては、空燃比を理論空燃比（空気過剰率が約１．０）まで下げる必要があり、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率（λ）を１程度（理論空燃比）にしても気筒７内での燃焼が失火してしまうという不具合があるため、例えば、本発明者が既に特願２０１０−２７９０１７として出願している先行出願のように、排気ガス８を再循環する方式によって理論空燃比での運転を実現することが考えられている。

即ち、本発明者が提案しているディーゼルエンジン１’にあっては、前記三元触媒１１の直後に配置したパティキュレートフィルタ１４の下流側から排気ガス８の一部を抜き出して前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより上流の吸気管４へ再循環する低圧ループ１５と、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気マニホールド６の入口付近に再循環する高圧ループ１６とが装備されている。

前記低圧ループ１５及び高圧ループ１６の夫々には、排気ガス８の再循環量を調整するためのＥＧＲバルブ１７，１８（再循環量調整手段）と、再循環される排気ガス８を冷却するためのＥＧＲクーラ１９，２０が装備されており、低圧ループ１５により加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率（例えば９％程度）でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループ１６では不足ＥＧＲ率分（例えば２５％程度分）を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍（空気過剰率が約１．１付近）に抑制し得るよう各ＥＧＲバルブ１７，１８の開度が制御されるようになっている。

また、先に説明した図１の形態例の場合と同様に、前記三元触媒１１より上流の排気管１０には、外気を取り込んで排気管１０内に導入するエアポンプ１２が空気導入手段として設けられており、該エアポンプ１２と前記三元触媒１１との間の排気管１０には、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置１３が設けられ、該プラズマ発生装置１３の放電により排気ガス８中のＨＣと空気とからＨラジカルとＯラジカルを夫々生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導するようにしてある。

しかも、ディーゼルエンジン１’の場合、図１のガソリンエンジン１の場合のように排気ガス８中にＨＣが多く残存していないため、プラズマ発生装置１３より上流側で排気ガス８中に燃料を添加する燃料添加弁２１が燃料添加手段として備えられており、該燃料添加弁２１による添加燃料からＨラジカルを生成されるようになっていると共に、この燃料添加による未燃燃料分の増加により空燃比を理論空燃比（空気過剰率が約１．０）まで下げられるようにもなっている。

このようにすれば、低圧ループ１５側でベースとなる排気ガス再循環が実施され、高圧ループ１６側では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環が実施されるので、低圧ループ１５と高圧ループ１６の併用により高いＥＧＲ率が実現され、空燃比を理論空燃比近傍に抑制することが可能となる。

尚、低圧ループ１５と高圧ループ１６とを併用すれば、加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率で低圧ループ１５によりベースとなる排気ガス再循環を実施し、加速時に高圧ループ１６側の排気ガス８の再循環量を即時低減することで黒煙の発生を未然に回避することが可能となる。

そして、このように低圧ループ１５と高圧ループ１６とにより多量の排気ガス８が再循環されて空燃比が理論空燃比近傍に抑制された条件下で、燃料添加弁２１により燃料を添加して未燃燃料分を増加すれば、失火を招くことなく空燃比が理論空燃比（空気過剰率が約１．０）まで下げられ、ディーゼルエンジン１’でも三元触媒１１を機能させてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図ることが可能となる。

斯かる理論空燃比での運転を実現したディーゼルエンジン１’では、先のガソリンエンジン１の場合とは異なり、冷間始動時に未燃のＨＣが多量に放出されるような事態は起こらないが、三元触媒１１が未だ暖まっていないために活性が落ちた状態となる不具合は同じであり、ＮＯxが処理できないまま放出されてしまって冷間始動時のエミッション性能が低下するという問題を同様に有するものと考えられる。

このため、ＮＯxを吸着し得る触媒原料を三元触媒１１に含ませ、該三元触媒１１が暖まるまでＮＯxを一時的に吸着させて車外への放出を抑制することが同様に考えられているが、三元触媒１１が過剰に肥大化して車両への搭載性が悪化する虞れがあることは、図１のガソリンエンジン１の場合と同様である。

しかしながら、前述したように構成すれば、三元触媒１１を機能させるために理論空燃比で運転が行われていても、冷間始動時において、ディーゼルエンジン１’の排気ガス８にエアポンプ１２で空気を加え、該空気を加えられた排気ガス８中にプラズマ発生装置１３で放電してプラズマを発生させ、排気ガス８中に残存するＨＣからＨラジカルを生成し且つ前記エアポンプ１２で導入した空気からＯラジカルを生成すると、これらＨラジカル及びＯラジカルは、２原子が電子を１個ずつ分け合う形で結合が切れた非常に不安定な状態となっているため、互いに反応することで電子対をつくって安定化しようとしてＨ₂Ｏへの反応が瞬時に起こり、この際に反応熱が大量に発生して排気温度が大幅に上昇し、その昇温した排気ガス８により三元触媒１１が急速に暖められて活性状態となる。

従って、本形態例の場合においても、冷間始動時にプラズマ発生装置１３によりＨラジカル及びＯラジカルを生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導し、この際に発生する大量の反応熱により三元触媒１１を急速に暖めて活性状態とすることができるので、冷間始動時に発生するＮＯxの一時的な吸着を図るべく三元触媒１１を過剰に肥大化させなくても、前記ＮＯxを活性状態の三元触媒１１にて処理することができてエミッション性能を著しく向上することができ、車両への搭載性の悪化を未然に回避することができる。

また、図２の形態例では、図１の形態例の場合と同様に、外気を取り込んで排気管１０内に導入するエアポンプ１２により空気導入手段を構成しているが、図３に示す如く、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａ出口から吸気３を抽気して排気管１０内に導入する連絡管２２により空気導入手段を構成しても良く、このようにした場合には、前記連絡管２２に開閉バルブ２３を備えて必要時にのみ吸気３を抽気して導けるようにしておくと良い。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示例の説明では、冷間始動時の三元触媒を急速に暖めて活性状態とすることについてだけ説明しているが、図２や図３のように三元触媒の直後にパティキュレートフィルタを備えた例では、該パティキュレートフィルタの強制再生をＨラジカルとＯラジカルの反応熱により実行させるようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ガソリンエンジン（エンジン）
１’ ディーゼルエンジン（エンジン）
２ターボチャージャ
２ａコンプレッサ
８排気ガス
１０排気管
１１三元触媒
１２エアポンプ（空気導入手段）
１３プラズマ発生装置
２１燃料添加弁
２２連絡管（空気導入手段）

Claims

エンジンの排気管の途中に三元触媒を装備した排気浄化装置であって、前記三元触媒より上流の排気管に、該排気管内へ空気を導入する空気導入手段を設けると共に、該空気導入手段と前記三元触媒との間の排気管に、排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設け、該プラズマ発生装置の放電により排気ガス中のＨＣと空気とからＨラジカルとＯラジカルを夫々生成して両者のＨ₂Ｏへの反応を誘導するように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
エンジンがガソリンエンジンであり、排気ガス中の残存燃料からＨラジカルを生成することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
エンジンがディーゼルエンジンであり、プラズマ発生装置より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備え、該燃料添加手段による添加燃料からＨラジカルを生成することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
空気導入手段が外気を取り込んで排気管内に導入するエアポンプにより構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。
空気導入手段がターボチャージャのコンプレッサ出口から吸気を抽気して排気管内に導入する連絡管により構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。