JP4270090B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス浄化装置、特に排ガス中の窒素酸化物の浄化を行う排ガス浄化装置に関する。

自動車用エンジン等の内燃機関からの排ガス中には、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等が含まれる。一般にこれらの物質は、ＣＯ及びＨＣを酸化すると同時に、ＮＯ_ｘを還元できる排ガス浄化触媒によって浄化してから、排出されている。排ガス浄化触媒の代表的なものとしては、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属をγ−アルミナ等の多孔質金属酸化物担体に担持させた三元触媒などが知られている。

また近年では、排ガスの浄化のために、コロナ放電を利用してプラズマを発生させ、このプラズマによってＮＯ_ｘ、ＣＯ、ＨＣ等の浄化を促進する放電リアクタを使用することも提案されている。

例えば特許文献１では、排ガス流れ上流側に放電リアクタを配置し、その下流側に排ガス浄化触媒を配置し、排ガス温度が低いときに放電リアクタを作動させて、放電リアクタにおいてＮＯをＮＯ_２に転化させることを提案している。ここでは、ディーゼルエンジンからの排ガスに対してコロナ放電を行うと、ＮＯからＮＯ_２が生成する傾向があること、アルミナ系触媒及び比較的低温領域のゼオライト系触媒が、ＮＯよりも、ＮＯ_２を還元しやすいことが示されている。

またこの特許文献１では、窒素酸化物及び酸素の濃度に基づいて、放電リアクタと排ガス浄化触媒との間で還元剤を添加して、排ガス浄化触媒におけるＮＯ_ｘの浄化を行うことを示している。

特開平７−２４７８２７号公報

上述のように、放電リアクタを用いて排ガス中のＮＯをＮＯ_２に転化させることは従来から行われている。しかしながら、放電リアクタによるＮＯからＮＯ_２への転化は必ずしも充分な効率で達成されていたわけではない。

従って本発明では、放電リアクタにおけるＮＯからＮＯ_２への転化を効率的に達成し、それによって下流の排ガス浄化触媒におけるＮＯ_ｘの吸蔵及び／又は浄化を促進する排ガス浄化装置を提供する。

（１）上記課題を解決する本発明の第１の排ガス浄化装置は、放電リアクタ、放電リアクタの下流に配置された排ガス浄化触媒、及び放電リアクタに流入する排ガスのＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御する制御装置、及び排ガス浄化触媒から出る排ガス中のＮＯ _ｘ 濃度を検出するＮＯ _ｘ 濃度検出手段を有する、排ガス浄化装置である。この本発明の第１の排ガス浄化装置は、ＮＯ _ｘ 濃度検出手段で検出されたＮＯ _ｘ 濃度が所定値以上のときにのみ、制御装置が、前記ＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を制御するものである。
（２）また、上記課題を解決する本発明の第２の排ガス浄化装置は、放電リアクタ、放電リアクタの下流に配置された排ガス浄化触媒、及び放電リアクタに流入する排ガスのＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を制御する制御装置を有する、排ガス浄化装置である。この第２の排ガス浄化装置は、内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であり；且つ制御装置が、前記内燃機関の運転条件を制御して、（ａ）内燃機関が燃料リーンで運転されているときには、エンジンの点火時期を遅らせることによってＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させ、（ｂ）内燃機関が燃料リッチで運転されているときには、エンジンにおける燃料の噴射時期を進めることによってＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させ、また（ｃ）内燃機関がストイキで運転されているときには、エンジンの点火時期を遅らせること、エンジンにおける燃料の噴射時期を進めること、又はそれらの組み合わせによって、ＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させるものである。

ここで、「ＨＣ／ＮＯ_ｘ比」の「ＨＣ」及び「ＮＯ_ｘ」は、それぞれ還元剤としてのＨＣと酸化剤としてのＮＯ_ｘの量を表しており、この比はモル比である。例えば全てのＮＯ_ｘをＮ_２まで還元するのに必要十分な量のＨＣが存在する場合にはＨＣ／ＮＯ_ｘ比が１であり、全てのＮＯ_ｘをＮ_２まで還元するのに必要な量の３倍のＨＣが存在する場合にはＨＣ／ＮＯ_ｘ比が３である。

この第１及び第２の排ガス浄化装置によれば、放電リアクタに流入する排ガス中のＨＣ／ＮＯ_ｘ比を調節することによって、放電リアクタにおけるＮＯからＮＯ_２への転化を調節することができる。これは、後述の図６に示すように、ＮＯからＮＯ_２への転化が排ガス中のＨＣ／ＮＯ_ｘ比に影響を受けることによる。

ＮＯからＮＯ_２への転化がＨＣ／ＮＯ_ｘ比に影響を受ける理由は、プラズマ放電によりＯラジカル、ＯＨラジカルが生成され、これらのＯＨラジカル、ＯラジカルとＨＣとの反応により、ＨＣ−ｐｒｏｄｕｃｔ（反応成分）が生成され、これがＮＯをＮＯ_２に変えることによると考えられる。この一連の反応はＯＨラジカルを再生成するループ反応であることから、反応効率が高いとされる。従ってＨＣ／ＮＯ_ｘ比が大きいと、ＮＯ→ＮＯ_２の反応が促進されると考えられる。
また、この第１の排ガス浄化装置によれば、ＮＯ _ｘ 濃度検出手段で検出されたＮＯ _ｘ 濃度が所定値以上のときにのみ、制御装置がＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を制御することによって、更に、ＮＯ _ｘ 浄化率の改良が必要なときにのみ、ＨＣ／ＮＯ _ｘ 比の制御を行うことができる。

本発明の第３の排ガス浄化装置は、制御装置が、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比を５以上、特に５〜２０、より特に５〜１０に制御する、上記第１又は第２の排ガス浄化装置である。

この第３の排ガス浄化装置によれば、更に、放電リアクタにおけるＮＯからＮＯ_２への転化を促進することができる。

本発明の第４の排ガス浄化装置は、放電リアクタの排ガス流れ上流側に配置されたＨＣ噴射装置を更に有し、且つ制御装置が、ＨＣ噴射装置を制御して排ガス流れ中にＨＣを噴射させることによって、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御する、上記第１〜第３のいずれかの排ガス浄化装置である。

本発明の第５の排ガス浄化装置は、放電リアクタと排ガス浄化触媒との間に、ディーゼルパティキュレートフィルターが配置されている、上記第１〜第４のいずれかの排ガス浄化装置である。

この第５の排ガス浄化装置によれば、更に、放電リアクタで発生させたＮＯ_２によって、ディーゼルパティキュレートフィルターに捕集されたＰＭ（粒子状物質）の燃焼除去を促進できる。これは、ＮＯ_２が、Ｏ_２やＮＯよりも良好にＰＭを燃焼除去することによる。

本発明の第６の排ガス浄化装置は、排ガス浄化触媒がＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_ｘ選択還元触媒である、上記第１〜第５のいずれかの排ガス浄化装置である。

この第６の排ガス浄化装置によれば、更に、排ガス浄化触媒がＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒である場合に、放電リアクタで発生させたＮＯ_２をＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵して、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯ_ｘの浄化を促進することができる。これは、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒においてＮＯ_ｘをＮＯ_２として吸蔵すると、ＮＯとして吸蔵する場合と比較して、Ｎ_２への還元が促進されることによる。

またこの第６の排ガス浄化装置によれば、更に、排ガス浄化触媒がＮＯ_ｘ選択還元触媒である場合に、ＮＯ_ｘのＮ_２への還元を促進することができる。これは、ＮＯ_ｘ選択還元触媒では一般に、ＮＯに対する還元性よりも、ＮＯ_２に対する還元性の方が強いことによる。

以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明の排ガス浄化装置は図１で示すような構成を有する。すなわち、排ガス流れ上流側に放電リアクタが配置され、この放電リアクタの下流に排ガス浄化触媒が配置されている。また、図示されていない制御装置は、放電リアクタに流入する排ガス中のＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御するようにされている。このＨＣ／ＮＯ_ｘ比の制御のためには、エンジンの運転条件を調節すること、放電リアクタの上流側で排ガス流れにＨＣを添加すること等ができる。またこの制御の前提となるＨＣ／ＮＯ_ｘ比は、エンジンの回転数、空気／燃料比、負荷率等の運転条件から知ること、放電リアクタの上流側において直接に測定すること等ができる。

図１に示す排ガス浄化装置の使用においては、図２に示すように、制御開始（２１）の後、排ガス浄化触媒から出るＮＯ_ｘの濃度を検知し（２３）、このＮＯ_ｘ濃度が所定の基準値以上のときにのみ（２５）、放電リアクタに流入する排ガスのＨＣ／ＮＯ_ｘ比を調節すること（２７）ができる。このＮＯ_ｘ濃度の検知は、例えばＮＯ_ｘセンサーのようなＮＯ_ｘ濃度検出手段を排ガス浄化触媒の下流側に配置して行うことができる。

上述のように、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比の調節（２７）のためには、エンジンの運転条件を調節すること、放電リアクタの上流側で排ガス流れにＨＣを添加すること等ができる。エンジンの運転条件を調節してＨＣ／ＮＯ_ｘ比の調節（２７）を行う場合、図３に示すように、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）によって制御されているエンジンの運転条件を読み込み（３１）、この運転条件を確認して（３３）、運転条件が燃料リーン又はストイキ（例えば空気／燃料比が１７以上）のときにはエンジンの点火時期を遅らせることによって（３５）、またこの運転条件が燃料リッチ（例えば空気／燃料比が１７未満）のときにはエンジンにおける燃料の噴射時期を進めることによって（３７）、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比を増加させることができる。

尚、ストイキ（例えば空気／燃料比が１７）のときには、エンジンの点火時期を遅らせること（３５）若しくはエンジンにおける燃料の噴射時期を進めること（３７）、又はこれらの両方（３５及び３７）によってＨＣ／ＮＯ_ｘ比を増加させることができるが、ここでは点火時期を遅らせること（３５）によってＨＣ／ＮＯ_ｘ比を増加させている。

以下では、図１において示した本発明の排ガス浄化装置を構成する各部について具体的に説明する。

本発明の排ガス浄化装置で使用できる放電リアクタは、排ガス、内燃機関からの排ガス中において放電を発生させることができる任意の構造を有することができる。この放電リアクタは、例えば特許文献１において開示されているような放電リアクタ（又はコロナ放電装置）であってよい。

また本発明の排ガス浄化装置で使用できる放電リアクタは、図４で示すようなものであってよい。ここで図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、放電リアクタの斜視図及び断面図である。

この図４で示される放電リアクタ４０は、筒状の外周電極４２と、この筒状外周電極４２の中心軸上の中心電極４４とを有し、これらの筒状外周電極４２と中心電極４４との間に、排ガスを流通させる排ガス流路４６が形成されている。この放電リアクタ４０の使用においては、排ガス流路４６に排ガスを流通させ、電源４８によって筒状外周電極４２と中心電極４４との間に電圧を印加して、排ガス流路４６に放電を発生させる。

ここでこの中心電極４４は、この中心電極４４と筒状外周電極４２との間の排ガス流路４６に放電を発生させることができる任意の材料で製造できる。その材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。この中心電極４４は、金属性ワイヤであることが一般的であるが、中空の棒状体であってもよい。

また筒状外周電極４２は、中心電極４４に関して示したのと同様な材料で製造することができる。この外周電極４２は、これらの金属材料を金属メッシュ又は金属箔として排ガス流路４６を画定する筒状体の周囲に巻き付けて作ることができ、また導電性ペーストを、排ガス流路４６を画定する筒状体の周囲に適用して作ることができる。

電源４８は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。中心電極４４と筒状外周電極４２との間の印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用できる。直流電圧、交流電圧、周期的な波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましく、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧且つ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。直流電圧を中心電極４４と筒状外周電極４２との間に印加する場合には、中心電極４４をカソードとすることも、またアノードとすることもできる。

本発明で使用する放電リアクタは、図５で示すようなものであってもよい。ここで図５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ斜視図及び断面図である。

この図５で示される放電リアクタ５０は、排ガス流路５６の上流側及び下流側のメッシュ状電極５２及び５４を有し、これらのメッシュ状電極５２及び５４の間に、排ガスを流通させる排ガス流路５６が形成されている。この放電リアクタ５０の使用においては、排ガス流路５６に排ガスを流通させ、電源５８によってメッシュ状電極５２及び５４の間に電圧を印加して、排ガス流路５６に放電を発生させる。尚、メッシュ状電極５２及び５４を形成する材料、並びに電源５８に関しては、図４の放電リアクタ４０に関して示したのと同様である。

本発明の排ガス浄化装置で使用できる排ガス浄化触媒は、排ガス中のＮＯ_ｘ浄化のために使用できる任意の触媒でよい。特にこの排ガス浄化触媒としては、いわゆる三元触媒、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_ｘ選択還元触媒、特にＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_ｘ選択還元触媒を使用することができる。

これらの触媒は当該技術分野で知られる任意の適当な量で、ウォッシュコート等の任意の手段によって、セラミックハニカム担体のような担体に担持させて用いることができる。

ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒は、空燃比がリーン状態のときにＮＯ_ｘを吸蔵し、一定間隔でリッチスパイクを行ったときに（排ガス中に燃料を吹き込んだときに）、吸蔵したＮＯ_ｘをＮ_２に還元する触媒である。これは例えば、アルミナのような多孔質酸化物担体に、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ若しくはＲｕのような貴金属と、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選択されるＮＯ_ｘ吸蔵剤とを担持させたものとして使用することができる。

ＮＯ_ｘ選択還元触媒は、酸素過剰の雰囲気で、排ガス中のＮＯ_ｘを選択的に還元又は分解する触媒であり、リーン空燃比で使用する内燃機関から排出される排ガス中のＮＯ_ｘを浄化するために使用されるものである。これは例えば、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持したもの、又はゼオライト若しくはアルミナに貴金属を担持したものとして使用することができる。

三元触媒は、理論空燃比付近で燃焼させた排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_ｘを、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＮ_２にする触媒であり、例えばＰｔとＲｈの混合物、又はＰｔとＰｄとＲｈの混合物をアルミナに担持させたものとして使用することができる。

本発明の排ガス浄化装置で使用できる制御装置は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）のように他の用途にも使用される電子機器であっても、専用の電子制御装置であってもよい。

本発明の排ガス浄化装置において、放電リアクタと排ガス浄化触媒との間にディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）を配置する場合、このＤＰＦとしてはパティキュレート（ＰＭ）を捕集できる任意のフィルターを使用できる。従ってＤＰＦとしては、コージェライト等のセラミック製のハニカムフィルターを使用できる。

本発明の効果を明らかにするために、図４の放電リアクタを用いて、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比がＮＯ_ｘ転化率に与える影響を調べた。

この実験では、放電リアクタに流入させるモデルガス中のＨＣ／ＮＯ_ｘ比を変化させ、放電リアクタから流出するガスの成分を分析することによって、ＮＯからＮＯ_２への転化率の変化を調べた。結果は図６に示している。この図６から明らかなように、ＮＯからＮＯ_２への転化率に関して、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比は重要なパラメータである。また、ＮＯからＮＯ_２への転化率は、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比が約７になるまで、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比の増加と共に顕著に改良されている。

尚、この実験において使用したモデルガスの組成は、ＣＯ_２が８ｍｏｌ％、Ｏ_２が１０ｍｏｌ％、ＮＯが３００ｐｐｍで、ＨＣ／ＮＯ_ｘ比が約２．５〜１３となるようにＣ_３Ｈ_６の量を変化させた。また残部はＮ_２であった。モデルガスの温度は３００℃であった。放電リアクタにおいて放電を発生させるためには、３０ｋＶの電圧を１００Ｈｚの周期で提供した。

本発明の排ガス浄化装置を表すブロック図である。 本発明の排ガス浄化装置の制御方法を示すフローチャートである。 ＨＣ／ＮＯ_ｘ比の調節のための具体的な様式を示すフローチャートである。 本発明の排ガス浄化装置で使用できる放電リアクタを表す斜視図及び断面図である。 本発明の排ガス浄化装置で使用できる他の放電リアクタを表す斜視図及び断面図である。 ＨＣ／ＮＯ_ｘ比の変動によるＮＯ→ＮＯ_２転化率の変動を表すグラフである。

符号の説明

４０、５０ 放電リアクタ
４２ 外周電極
４４ 中心電極
４６、５６ 排ガス流路
４８、５８ 電源
５２ 上流側メッシュ状電極
５４ 下流側メッシュ状電極

Claims (6)

1. 放電リアクタ、
   前記放電リアクタの下流に配置された排ガス浄化触媒、
   前記放電リアクタに流入する排ガスのＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御する制御装置、及び
   前記排ガス浄化触媒から出る排ガス中のＮＯ _ｘ 濃度を検出するＮＯ _ｘ 濃度検出手段、
   を有し、前記ＮＯ _ｘ 濃度検出手段で検出されたＮＯ _ｘ 濃度が所定値以上のときにのみ、前記制御装置が、前記ＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を制御する、排ガス浄化装置。
2. 放電リアクタ、
   前記放電リアクタの下流に配置された排ガス浄化触媒、及び
   前記放電リアクタに流入する排ガスのＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御する制御装置、
   を有し；
   前記排ガス浄化装置が内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であり；且つ
   前記制御装置が、前記内燃機関の運転条件を制御して、
   前記内燃機関が燃料リーンで運転されているときには、エンジンの点火時期を遅らせることによってＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させ、
   前記内燃機関が燃料リッチで運転されているときには、エンジンにおける燃料の噴射時期を進めることによってＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させ、また
   前記内燃機関がストイキで運転されているときには、エンジンの点火時期を遅らせること、エンジンにおける燃料の噴射時期を進めること、又はそれらの組み合わせによって、ＨＣ／ＮＯ _ｘ 比を増加させる、
   排ガス浄化装置。
3. 前記制御装置が、前記ＨＣ／ＮＯ_ｘ比を５以上に制御する、請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
4. 前記放電リアクタの排ガス流れ上流側に配置されたＨＣ噴射装置を更に有し、且つ前記制御装置が、前記ＨＣ噴射装置を制御して排ガス流れ中にＨＣを噴射させることによって、前記ＨＣ／ＮＯ_ｘ比を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
5. 前記放電リアクタと前記排ガス浄化触媒との間に、ディーゼルパティキュレートフィルターが配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
6. 前記排ガス浄化触媒がＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_ｘ選択還元触媒である、請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

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