JP2018189069A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力低減できる排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】本発明の排ガス浄化装置は、プラズマ発生装置１と、炭化水素吸着型触媒２と、センサとを備え、上記センサが上記炭化水素吸着型触媒２の下流側に配置され、上記センサの出力に応じて、上記プラズマ発生装置の稼動・停止を制御する制御装置１１を備えており、炭化水素吸着型触媒２が活性化し実際に浄化し始めたときにはプラズマ発生装置１を停止することができるため排ガス浄化に消費する電力を低減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置に係り、更に詳細には、消費電力を低減できる排ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中には有害成分として、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれており、これらの有害成分の浄化に三元触媒が使用されている。

しかし、三元触媒が有害成分を浄化できる活性化温度は、およそ３００〜４５０℃以上であり、内燃機関のコールドスタート時には、三元触媒に流入する排気ガスの温度が低いため、高濃度の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）が浄化されずに大気中に放出されることになる。

特許文献１の特開平７−１０２９５５号公報には、燃焼エンジンと電気モータとを備える低公害自動車の上記燃焼エンジンの排気ラインに、排気ガスを浄化処理するプラズマ処理装置とこのプラズマ処理装置の下流側に触媒式浄化装置とを配設することが記載されている。

そして、モータ走行モードからエンジン走行モードに切り替えられたときに、上記触媒式浄化装置の温度を検出し、検出温度が所定の温度以下の場合に、上記プラズマ処理装置を駆動させることで、モータ走行からエンジン走行モードに切り替わった際の排気ガス中の有害成分を著しく低減できるとしている。

特開平１０−２１４６４０号公報

近年においては、省燃費化・低公害化の要求が高まっており、電気モータと内燃機関とを備える低公害自動車においては、電気モータによる走行割合を多くすることで省燃費化・低公害化を図ることができる。

しかし、電気モータによる走行割合を多くすると、排気ガスの温度がより低温化して三元触媒が活性化していない状態が多くなり、プラズマ処理装置によって有害物質を浄化する割合が大きくなる。そして、プラズマ処理装置による排ガスの浄化は電力を消費するため、電気モータによる走行割合が少なくなってしまう。

上記特許文献１に記載のものは、触媒浄化装置の温度を測定し、該触媒浄化装置が活性化していると予測さる温度以上であるか否かによってプラズマ処理装置の駆動・停止を制御するものである。したがって、確実に有害物質を浄化するには、プラズマ処理装置を停止させる温度を、触媒浄化装置が活性化して浄化作用が現実に生じ始める温度よりも高く設定する必要があり、排ガスの浄化に無駄な電力を消費してしまう。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの浄化に使用される電力を低減できる排ガス浄化装置を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、触媒式浄化装置の温度によってプラズマ処理装置を稼動させるのではなく、触媒式浄化装置が現実に浄化作用を発揮しているか否かを検出し、プラズマ発生装置を稼動・停止することで、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の排ガス浄化装置は、プラズマ発生装置と、炭化水素吸着型触媒と、センサとを備える。
そして、上記プラズマ発生装置が、少なくとも２枚以上の板状電極と、上記板状電極間にプラズマを発生させる電源装置を有し、上記板状電極が、排ガスが通過する複数の貫通孔を有するものであり、
上記センサが、上記炭化水素吸着型触媒の下流側に配置され、
上記センサの出力に応じて、上記プラズマ発生装置を稼動・停止する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、炭化水素吸着型触媒の下流側に配置されたセンサの出力に応じて、プラズマ処理装置を稼動・停止させることとしたため、炭化水素吸着型触媒が活性化し実際に浄化し始めたときにはプラズマ発生装置を停止することができ、排ガス浄化に消費する電力を低減できる。

第１の実施形態のシステムを示す図である。 板状電極の一例を示す概略図である。 板状電極の配置状態の一例を示す概略図である。 炭化水素吸着材から脱離する炭化水素の量と温度との関係を示すグラフである。 三元触媒の転換率と温度との関係を示すグラフである。 第１の実施形態のプラズマ発生装置のオン・オフを制御するフローチャートである。 第２の実施形態のシステムを示す図である。 第３の実施形態のシステムを示す図である。 第３の実施形態のプラズマ発生装置のオン・オフを制御するフローチャートである。 第４の実施形態のシステムを示す図である。 第５の実施形態のシステムを示す図である。 第５の実施形態のプラズマ発生装置のオン・オフを制御するフローチャートである。

本発明の排ガス浄化装置について詳細に説明する。
上記排ガス浄化装置は、プラズマ発生装置１と、炭化水素吸着型触媒２と、センサとを備え、上記炭化水素吸着型触媒２の下流側に配置されたセンサの出力に応じて、上記プラズマ発生装置を稼動・停止する制御装置１１を備える。

（第１の実施形態）
本実施形態の排ガス浄化装置を図１に示す。
本実施形態の排ガス浄化装置は、内燃機関の排気経路５に設けられるものであり、プラズマ発生装置１と、炭化水素吸着型触媒２と、図１中矢印Ｆで示す排ガス流れ方向に対して上記炭化水素吸着型触媒２より下流側に配置されたセンサとを具備しており、上記センサの出力に応じて、上記プラズマ発生装置１を稼動・停止する制御装置１１を備える。

＜プラズマ発生装置＞
上記プラズマ発生装置１は、炭化水素吸着型触媒２による炭化水素の吸着及び浄化が充分でない低温域において、排ガス中の炭化水素を低温プラズマによって活性化して浄化するものであり、複数の板状電極１３と、上記板状電極間にプラズマを発生させる電源装置１２を有する。

上記複数の板状電極は１２、表面に誘電体層１３２を備える金属板であり、図２に示ように、排ガスが通過する複数の貫通孔１３１を有する。そして、上記複数の板状電極１３は、排ガスの流通方向Ｆに対して略直交する方向に互いに間隔を開けて平行に配設される。図３に複数の板状電極を配置した状態の流通方向の断面図を示す。

上記板状電極の貫通孔１３１は、開口形状が円形であることが好ましい。板状電極１３に尖った部位が存在しないことで、電界集中が起こりにくくなって火花放電や雷放電への移行が抑制され、均一なバリア放電を維持して、高い排ガス浄化性能を発揮することができる。

上記複数の板状電極１３の電極間距離は、排ガスが放電空間を通り抜けることができれば、特に制限はないが、例えば、５００μｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

上記板状電極１３の外周には、絶縁性スペーサ１３３を設けて上記板状電極間の間隔を確保してもよい。また、板状電極１３の外周全体に絶縁性スペーサ１３３を設けることで、板状電極間外（放電空間外）への排ガスの流出を抑制できる。

上記プラズマ発生装置１には、上記複数の板状電極間に電圧を印加する電源装置１２が接続される。上記電源としては、パルス電源や高周波電源を用いることができるが、パルス電源は高い電力変換効率を有し、簡素な構成で低コストであるため、車載電源として好ましく使用できる。

ここで、板状電極を構成する金属板としては、導電性を有する材料であれば、特に制限はないが、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）や銅などを使用することができる。

また、板状電極表面の誘電体層１３２を構成する誘電体としては、酸化物セラミックで形成された誘電体を使用することができる。例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等の単純酸化物や複合酸化物の誘電体は、排ガス雰囲気下における耐久性が優れるため、好ましく使用できる。

上記誘電体層１３２は、酸化物セラミックを溶射することで形成できる。

＜炭化水素吸着型触媒＞
炭化水素吸着型触媒２は、三元触媒と炭化水素吸着材とを含むものであり、三元触媒がまだ活性化していないエンジン始動時等の低温域においては、炭化水素吸着材が内燃機関から排出される炭化水素を一時的に吸着・保持する。そして、後排気ガス温度の上昇によって三元触媒が活性化した時に、炭化水素を徐々に脱離して浄化するものである。

上記炭化水素吸着材は、分子篩作用によって炭化水素を物理吸着して保持するが、吸着した炭化水素を保持する力が弱いため、排ガス温度の上昇や排ガス流量の増加などの外的な（物理的な）要因によって炭化水素が容易に脱離してしまう。

具体的には、エンジンが始動し、炭化水素吸着型触媒の温度が上昇する過程において、図４に示すように、１６０℃付近から低温域で吸着した炭化水素の脱離が始まる。しかし、図５に示すように、三元触媒が活性化し有害成分をほぼ１００％浄化するのは２８０℃付近からであるため、およそ１６０℃〜２８０℃の温度域において炭化水素吸着型触媒単独では排ガスを充分に浄化できない。

本実施形態においては、上記プラズマ発生装置１によって排ガスを浄化するため、低温域において炭化水素吸着型触媒２から脱離して排出される炭化水素が減少し、基準値以上の炭化水素が排出されることを防止できる。

上記三元触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を含む触媒を挙げることができる。

また、炭化水素吸着材としては、ゼオライトを挙げることができ、特に２種類の細孔径（５．５−６．５Aと７．５−８．５A）を持つゼオライトは、１種類の細孔を持つゼオライトよりも幅広い炭素数の炭化水素を吸着するのに優れるため、好ましく使用できる。

＜センサ＞
本実施形態において、上記センサは空燃比センサであり、上記炭化水素吸着型触媒２の下流側に配置される。

上記空燃比センサ３としては、ジルコニア酸素センサ等を挙げることができる。
上記ジルコニア酸素センサは、一方の電極を大気に曝し、他方の電極を排気ガスに曝した濃淡電池であり、酸素イオンが移動することで生じる起電力により空燃比を検出するものである。

そして、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合は、酸素イオンが移動しないため起電力は生じない。しかし、排気ガスに炭化水素成分が理論空燃比を超えて存在する場合は、これを酸化するために酸素イオンが大気側から排気ガス側に流れて起電力が生じるため、起電力により排気ガス中の炭化水素がリッチであるか否かを検出できる。

そして、通常、エンジンは理論空燃比で運転されており、排気ガスの空燃比は理論空燃比よりリッチになることはないが、炭化水素吸着型触媒から未浄化の炭化水素が脱離すると、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになるため、空燃比センサ３によって炭化水素の脱離が生じているか否か検出できる。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒を通過した排ガスの炭化水素の空燃比を直接検出するため、炭化水素吸着型触媒が炭化水素を脱離しているか否かを正確に知ることができる。

＜制御装置＞
上記制御装置１１は、上記センサの出力に応じてプラズマ発生装置の制御を行う。
なお、センサの出力だけでなくエンジンコントロールユニット（Ｅ．Ｃ．Ｕ）７からの情報を合わせてプラズマ発生装置１を制御してもよい。

具体的には、図６に示すように、エンジン走行時において、炭化水素吸着型触媒を通過した排ガスの空燃比を測定する。
そして、排ガスの空燃比の値が理論空燃比未満の場合、すなわちリッチである場合は、上記プラズマ発生装置を稼動させ、排ガスの空燃比の値が理論空燃比以上の場合、すなわちストイキかリーンである場合は上記プラズマ発生装置を停止させる。
また、モータ走行時には、上記プラズマ発生装置を停止させる。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒を通過した排ガスの空燃比を直接検出して上記プラズマ発生装置の稼動・制御を制御するため、炭化水素吸着型触媒からの炭化水素の脱離が生じていないときにプラズマ発生装置を稼動させることがなく、排ガス浄化に無駄な電力を消費すること防止される。また、プラズマ発生装置が、炭化水素吸着型触媒よりも上流にあり、排ガス中の炭化水素の濃度が高いため、プラズマ発生装置による炭化水素の浄化効率が高く省電力化することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、炭化水素吸着型触媒がプラズマ発生装置の上流側にあり、炭化水素吸着型触媒とプラズマ発生装置の配置が逆である他は、上記第１の実施形態と同様である。本実施形態の排ガス浄化装置を図７に示す。
なお、図７においては、センサがプラズマ発生装置の下流側にある場合を示したが、炭化水素吸着型触媒とプラズマ発生装置の間にあってもよい。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒によって浄化されずに脱離した炭化水素をプラズマ発生装置により活性化させて浄化することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、炭化水素吸着型触媒の上流側と下流側に温度センサ４ａ，４ｂを有する他は、上記第１の実施形態と同様である。本実施形態の排ガス浄化装置を図８に示す。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒の前後で排ガスの温度を測り、炭化水素吸着型触媒の前後の温度差によって、プラズマ発生装置の稼動・停止を制御する。

炭化水素吸着型触媒は、炭化水素を酸化（燃焼）させて浄化するものであり、炭化水素吸着型触媒が炭化水素を浄化しているときには燃焼熱が加わるため、下流側の排ガスの温度が上流側の排ガスの温度よりも高くなる。
したがって、炭化水素吸着型触媒の前後の温度差によって炭化水素吸着型触媒が炭化水素を浄化しているか否かを検出できる。

具体的には、図９に示すように、エンジン走行時において、炭化水素吸着型触媒を通過する前の排ガスの温度Ｔ１と、炭化水素吸着型触媒を通過した後の排ガスの温度Ｔ２を測定する。
そして、Ｔ２の温度がＴ１の温度未満の場合は上記プラズマ発生装置を稼動させ、Ｔ２の温度がＴ１の温度以上の場合は上記プラズマ発生装置を停止させる。
また、モータ走行時には、上記プラズマ発生装置を停止させる。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒が活性化し、実際に炭化水素を浄化しているか否かにより上記プラズマ発生装置の稼動・制御を制御するため、炭化水素吸着型触媒が活性化しているときにプラズマ発生装置を稼動させることがなく、排ガス浄化に無駄な電力を消費すること防止される。

（第４の実施形態）
本実施形態は、炭化水素吸着型触媒がプラズマ発生装置の上流側にあり、炭化水素吸着型触媒とプラズマ発生装置の配置が逆である他は、上記第３の実施形態と同様である。本実施形態の排ガス浄化装置を図１０に示す。
なお、図１０においては、温度センサＴ２がプラズマ発生装置の下流にある場合を示したが、炭化水素吸着型触媒とプラズマ発生装置の間にあってもよい。

本実施形態においては、炭化水素吸着型触媒によって浄化されずに脱離した炭化水素をプラズマ発生装置により活性化させて浄化することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態は、温度センサと空燃比センサの両方を備えるものである。本実施形態の排ガス浄化装置を図１１に示す。
本実施形態は、温度センサと空燃比センサの両方の出力に応じて、プラズマ発生装置の稼動・停止制御する。

具体的には、図１２に示すように、エンジン走行時において、炭化水素吸着型触媒を通過する前の排ガスの温度Ｔ１と、炭化水素吸着型触媒を通過した後の排ガスの温度Ｔ２を測定する。そして、Ｔ２の温度がＴ１の温度未満の場合は上記プラズマ発生装置を稼動させる。

他方、Ｔ２の温度がＴ１の温度以上の場合は、炭化水素吸着型触媒を通過した排ガスの空燃比を測定する。そして、排ガスの空燃比の値が理論空燃比未満の場合は、上記プラズマ発生装置を稼動させ、排ガスの空燃比の値が理論空燃比以上の場合は上記プラズマ発生装置を停止させる。
また、モータ走行時には、上記プラズマ発生装置を停止させる。

本実施形態によれば、温度センサと空燃比センサの両方の出力に応じてプラズマ発生装置の稼動・停止を制御することで、炭化水素吸着型触媒が活性化しているときに脱離する炭化水素をも浄化することができる。

上記のように、本発明の排ガス浄化装置は、エンジンの始動停止が繰り返し行われ、炭化水素吸着型触媒の温度が上昇し難い自動車においても省電力で排ガスを浄化することができ、特に電気モータと内燃機関とを備える低公害自動車に好適に使用できる。

１ プラズマ発生装置
１１ プラズマ制御装置
１２ プラズマ電源
１３ 板状電極
１３１ 貫通孔
１３２ 誘電体層
１３３ スペーサ
２ 炭化水素吸着型触媒
３ 空燃比センサ
４ａ 温度センサ
４ｂ 温度センサ
５ 排気管
６ エンジン
７ エンジンＥ．Ｃ．Ｕ
７１ エンジン回転センサ
７２ スロットル開度センサ
７３ Ａ／Ｆセンサ
７４ Ｏ_２センサ
７５ フローメータ

Claims (4)

1. プラズマ発生装置と、炭化水素吸着型触媒と、センサとを備える排ガス浄化装置であって、
   上記プラズマ発生装置が、複数の板状電極と上記板状電極間にプラズマを発生させる電源装置を有し、
   上記板状電極が、排ガスが通過する複数の貫通孔を有するものであり、
   上記センサが、上記炭化水素吸着型触媒の下流側に配置され、
   上記センサの出力に応じて上記プラズマ発生装置を稼動・停止する制御装置を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 上記炭化水素吸着型触媒の下流側のセンサが空燃比センサであり、
   上記制御装置が、
   上記下流側の空燃比センサで検出した空燃比が所定値未満のときに上記プラズマ発生装置を稼動させ、
   上記下流側の空燃比センサで検出した空燃比が所定値以上のときに上記プラズマ発生装置を停止させることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 上記炭化水素吸着型触媒の下流側のセンサが温度センサであり、
   さらに上記炭化水素吸着型触媒の上流側にも温度センサを備え、
   上記制御装置が、
   上記下流側の温度センサで検出した温度が上記上流側の温度センサで検出した温度未満のときに上記プラズマ発生装置を稼動させ、
   上記下流側の温度センサで検出した温度が上記上流側の温度センサで検出した温度以上のときに上記プラズマ発生装置を停止させることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
4. 上記炭化水素吸着型触媒の下流側のセンサが空燃比センサ及び温度センサであり、
   さらに上記炭化水素吸着型触媒の上流側にも温度センサを備え、
   上記制御装置が、
   上記下流側の温度センサで検出した温度が上記上流側の温度センサで検出した温度未満の低いとき、又は、上記下流側の空燃比センサで検出した空燃比が所定値未満のときに上記プラズマ発生装置を稼動させ、
   上記下流側の温度センサで検出した温度が上記上流側の温度センサで検出した温度以上であり、且つ、上記下流側の空燃比センサで検出した空燃比が所定値以上のときに上記プラズマ発生装置を停止させることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。

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