JP4333439B2 - Exhaust purification device and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関等からの排気の浄化装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for purifying exhaust from an internal combustion engine or the like.
従来の排気浄化装置では一般に、コーディライトなどのセラミックハニカム構造体の表面に、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を含む貴金属系排気浄化触媒をコーティングしている。このような貴金属系排気浄化触媒は、エンジン始動時などの低温時に比較的触媒活性が低いことから、電気ヒータなどの加熱手段を用いて暖めることが提案されている。 In a conventional exhaust purification apparatus, a surface of a ceramic honeycomb structure such as cordierite is generally coated with a noble metal-based exhaust purification catalyst containing a noble metal such as platinum, rhodium or palladium. Such noble metal-based exhaust purification catalysts have been proposed to be warmed using a heating means such as an electric heater because their catalytic activity is relatively low at low temperatures such as when the engine is started.
またこれに関して、マイクロ波の使用も提案されている。例えば特許文献１では、排気浄化触媒に対してマイクロ波を含む高周波電力を照射して、排気浄化触媒の早期の暖機を図っている。またここでは、高周波電力を撹乱するために、スターラーファンを使用している。
In this regard, the use of microwaves has also been proposed. For example, in
また特許文献２では、自動車用排気浄化触媒の暖機のために、自動車のドアキーの挿入、運転席への着座などのタイミングで、排気浄化触媒に対してマイクロ波を照射して、排気浄化触媒の早期の暖機を図っている。
Further, in
上述の特許文献１及び２に記載の排気浄化装置によれば排気浄化触媒の早期の暖機を行うことが可能になるが、これらの排気浄化装置ではマイクロ波、すなわち電力のみによって触媒の暖機を図っているので、電気エネルギーの消費が大きくなる傾向がある。
According to the exhaust gas purification apparatuses described in
これに関して、排気の浄化及び／又は触媒の暖機のために、排気流れに対してマイクロ波を照射し、排気をプラズマ化し、排気中の未燃焼成分を燃焼させることが考慮される。しかしながら単に排気流れに対してマイクロ波を照射しても、プラズマを発生させることは容易ではなく、排気流れ全体をプラズマ化するには膨大な電気的エネルギーを必要とする。また、プラズマが発生する場合にも、プラズマが発生する位置を特定することが難しい。 In this regard, in order to purify the exhaust gas and / or warm up the catalyst, it is considered to irradiate the exhaust gas with microwaves, turn the exhaust gas into plasma, and burn unburned components in the exhaust gas. However, it is not easy to generate plasma by simply irradiating the exhaust flow with microwaves, and enormous electrical energy is required to convert the entire exhaust flow into plasma. Also, when plasma is generated, it is difficult to specify the position where the plasma is generated.
従って本発明では、マイクロ波を使用して効果的に排気を浄化できる排気浄化装置及びその制御方法を提供する。 Therefore, the present invention provides an exhaust emission control device and a control method thereof that can effectively purify exhaust gas using microwaves.
本発明の排気浄化装置は、主流路及び副流路を有する排気管、主流路に流れる排気の流量と副流路に流れる排気の流量とを調節する調節弁、副流路に設けられた絞り部、絞り部の排気流れ上流側にマイクロ波を提供するマイクロ波発生装置を有する。この本発明の排気浄化装置は随意に、絞り部の下流に、排気浄化触媒、特にＣＯ酸化触媒を有する排気浄化触媒、及び／又はディーゼルパティキュレートフィルターを更に有することができる。 An exhaust emission control device according to the present invention includes an exhaust pipe having a main flow path and a sub flow path, a control valve for adjusting a flow rate of exhaust gas flowing in the main flow path and a flow rate of exhaust gas flowing in the sub flow path, and a throttle provided in the sub flow path And a microwave generator for providing microwaves on the upstream side of the exhaust flow of the throttle unit. The exhaust purification apparatus of the present invention can optionally further include an exhaust purification catalyst, particularly an exhaust purification catalyst having a CO oxidation catalyst, and / or a diesel particulate filter downstream of the throttle portion.
本発明の排気浄化装置によれば、絞り部においてマイクロ波及び排気流れを集束させて、マイクロ波プラズマを発生させることができる。このようなマイクロ波プラズマは、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、バティキュレートマター（ＰＭ）のような未燃焼成分の燃焼／酸化を促進する。また、水（Ｈ2Ｏ）はマイクロ波を吸収しやすいので、排気中に存在する水は、マイクロ波の照射によって活性化され、未燃焼成分の燃焼を促進する。 According to the exhaust emission control device of the present invention, microwave plasma can be generated by focusing the microwave and the exhaust flow in the throttle portion. Such microwave plasma promotes the combustion / oxidation of unburned components such as hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and particulate matter (PM) in the exhaust. Moreover, since water (H 2 O) easily absorbs microwaves, the water present in the exhaust is activated by the microwave irradiation and promotes the combustion of unburned components.
マイクロ波プラズマによって排気中の未燃焼成分を燃焼／酸化させるとＣＯが発生する場合があるが、排気浄化触媒がＣＯ酸化触媒を有すると、ＣＯは比較的低温においてもＣＯ酸化触媒によって酸化されてＣＯ2になる。これは触媒の早期の暖機及びＣＯの放出防止に有益である。尚、ＣＯ酸化触媒としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕ、並びにそれらの組み合わせのような卑金属を含む触媒を挙げることができる。 When the unburned components in the exhaust gas are combusted / oxidized by the microwave plasma, CO may be generated. However, if the exhaust purification catalyst has a CO oxidation catalyst, the CO is oxidized by the CO oxidation catalyst even at a relatively low temperature. Become CO 2 . This is beneficial for premature warming of the catalyst and prevention of CO emissions. Examples of the CO oxidation catalyst include catalysts containing base metals such as Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and combinations thereof.
本発明の排気浄化装置の制御方法では、排気浄化触媒の触媒活性を検知し、この活性が低いときに、副流路に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する。 In the control method of the exhaust purification apparatus of the present invention, the catalytic activity of the exhaust purification catalyst is detected, and when this activity is low, the exhaust gas is circulated through the sub-flow channel and the microwave is provided from the microwave generator.
これによれば、低温時の排気浄化触媒による浄化性能を補うと共に、触媒の暖機を促進することができる。 According to this, it is possible to supplement the purification performance of the exhaust purification catalyst at a low temperature and promote the warm-up of the catalyst.
他の本発明の排気浄化装置の制御方法では、ディーゼルパティキュレートフィルターの再生時に、絞り部分の上流側で還元剤を添加し、副流路に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する。 In another method for controlling an exhaust gas purification apparatus of the present invention, when a diesel particulate filter is regenerated, a reducing agent is added upstream of the throttle portion, exhaust gas is circulated through a sub-flow path, and a microwave is generated from the microwave generator. I will provide a.
ここで、「還元剤」はディーゼルパティキュレートフィルターに堆積したＰＭを燃焼して除去するのに利用できる任意の還元剤を意味しており、これは例えばガソリン又は軽油である。これによれば、添加された還元剤の酸化／燃焼を促進し、排気の温度を高めることができる。 Here, “reducing agent” means any reducing agent that can be used to burn and remove PM deposited on a diesel particulate filter, such as gasoline or light oil. According to this, the oxidation / combustion of the added reducing agent can be promoted, and the temperature of the exhaust gas can be increased.
本発明の排気浄化装置及びその制御方法によれば、マイクロ波を使用して排気中の未燃焼成分を効果的に燃焼／酸化させることができる。 According to the exhaust emission control device and the control method thereof of the present invention, it is possible to effectively burn / oxidize unburned components in the exhaust using microwaves.
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、これらの図は本発明を構成する排気浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 In the following, the present invention will be specifically described based on the embodiments shown in the drawings. However, these drawings are diagrams showing an outline of an exhaust emission control device constituting the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments. It is not limited.
本発明の排気浄化装置の１つの実施形態について図１を用いて説明する。ここで図１はこの本発明の排気浄化装置の側面断面図である。 One embodiment of the exhaust emission control device of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a side sectional view of the exhaust emission control device of the present invention.
図１で示されているように、本発明の排気浄化装置の１つの実施形態では、排気管の主流路７を流れる排気の流量と副流路６を流れる排気の流量とが調節弁８によって調節可能にされている。この調節弁８としては任意の機構を用いることができるが、例えばバタフライ弁を用いることができる。これらの主流路７と副流路６とは、排気浄化触媒１２の手前で再び合流するようにされている。排気流れは矢印２１で示す方向で、この排気浄化装置に流通させる。
As shown in FIG. 1, in one embodiment of the exhaust emission control device of the present invention, the flow rate of the exhaust gas flowing through the
副流路６には絞り部３が設けられており、この絞り部３に対して、マイクロ波発生装置１が導波路２を経由してマイクロ波を提供できるようにされている。この導波路２は、導波管及び同軸ケーブルのようなマイクロ波を輸送する任意のものでよい。
The sub-flow path 6 is provided with a
好ましくは、絞り部３の周囲及びその排気流れ下流の部分には、耐熱性構造部分４が存在する。これは、排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼及びプラズマ５の発生によって、絞り部３の付近が高温になる場合があることによる。この耐熱性構造部分４は例えば、肉厚のステンレスのような金属管、内側にセラミック材料の層を有する金属管等であってよい。
Preferably, a heat-resistant
主流路７と副流路６とが再び合流する箇所の下流には、排気浄化触媒１２が配置されており、この排気浄化触媒１２の上流側及び下流側にはそれぞれ、温度センサー１１及びＡ／Ｆセンサー１３が配置されている。
An
本発明の排気浄化装置で使用できる絞り部は、排気流路において排気流れ及びマイクロ波を集束させる任意の構造を有することができる。例えばこの絞り部は、排気流路の断面積が漸次的に減少していく部分であり、特に排気流路の切頭円錐状の部分である。またこの絞り部においては、排気流路の断面積を１／２以下、１／５以下、１／１０以下又は１／５０以下に絞ることができる。またこの絞り部自身がマイクロ波を反射によって集束させるために、マイクロ波を反射する材料、例えばステンレスのような金属で作ことができる。この絞り部及び導波路は、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すような構造を有することができる。 The throttle part that can be used in the exhaust emission control device of the present invention can have any structure that focuses the exhaust flow and the microwave in the exhaust flow path. For example, the throttle portion is a portion where the cross-sectional area of the exhaust passage gradually decreases, and in particular, is a truncated conical portion of the exhaust passage. Moreover, in this throttle part, the cross-sectional area of the exhaust passage can be reduced to 1/2 or less, 1/5 or less, 1/10 or less, or 1/50 or less. In addition, since the diaphragm itself focuses the microwave by reflection, it can be made of a material that reflects the microwave, for example, a metal such as stainless steel. The diaphragm and the waveguide can have a structure as shown in FIGS.
図２（ａ）の態様では、副流路６ａを流通する排気に対して導波路２ａからマイクロ波２０を照射したときに、マイクロ波及び排気が絞り部分３ａにおいて集束してマイクロ波プラズマが発生するようにされている。またここでは、絞り部３ａとマイクロ波供給箇所の間又はマイクロ波供給箇所の上流側に、燃料又は還元剤を添加するインジェクターのような燃料又は還元剤添加手段２５又は２６を配置して、随意に燃料／還元剤を添加することも可能である。
In the embodiment of FIG. 2 (a), when the
図２（ｂ）の態様では、導波路２ｂが、副流路６ｂの絞り部３ｂに対してマイクロ波２０を照射するように配置されており、絞り部分３ｂにおいてマイクロ波及び排気流れが共に集束して、マイクロ波プラズマが発生するようにされている。この場合にも、図２（ａ）と同様に燃料又は還元剤添加手段を使用できる。
In the mode of FIG. 2B, the waveguide 2b is arranged so as to irradiate the
図２の（ｃ）の態様では、導波路２ｃが、副流路６ｃと同軸円環状の導波路２ｃ’に連絡しており、この導波路２ｃ’を経由して、絞り部分３ｃにおいてマイクロ波及び排気流れが共に集束し、マイクロ波プラズマが発生するようにされている。この場合にも、図２（ａ）と同様に燃料又は還元剤添加手段を使用できる。
In the mode shown in FIG. 2C, the
尚、排気は一般に水蒸気を含有しており、排気管、排気浄化触媒等が低温のときにはこれらに接触して凝縮することがあるが、本発明の排気浄化装置を用いて、絞り部だけでなく、その排気流れ下流の排気浄化触媒にもマイクロ波が照射されるようにすると、触媒に付着した水を蒸発させ、触媒の暖機を促進することができる。またこの場合には、引用文献２でのように、エンジン始動前からマイクロ波を提供することもできる。
The exhaust generally contains water vapor, and when the exhaust pipe, the exhaust purification catalyst, etc. are at low temperatures, they may contact and condense. However, the exhaust purification apparatus of the present invention can be used not only for the throttle part. If the exhaust purification catalyst downstream of the exhaust flow is also irradiated with microwaves, the water adhering to the catalyst can be evaporated and warming up of the catalyst can be promoted. Further, in this case, as in the cited
この本発明の排気浄化装置の使用においては、調節弁８によって排気の少なくとも一部又は全てを副流路６に流通させ、且つマイクロ波発生装置１から導波路２を経由して副流路６にマイクロ波を提供する。ここで提供されるマイクロ波は、絞り部３において集束してマイクロ波プラズマを発生させ、排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼を促進する。絞り部３における排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼は熱エネルギーを発生させるので、この熱エネルギーによって下流の排気浄化触媒の暖機が促進される。
In the use of the exhaust gas purification apparatus of the present invention, at least a part or all of the exhaust gas is circulated through the sub flow path 6 by the
また常に副流路６に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置１からマイクロ波を提供することもできる。しかしながら、必要性があるときにのみ、例えば触媒温度が低く、触媒活性が充分でないとき、及び／又は触媒被毒回復、ディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）の再生等のために、排気の温度を特に高める必要があるときに、副流路に排気を流通させ且つマイクロ波を提供することがエネルギー効率に関して好ましい。
Further, the exhaust gas can be always circulated through the auxiliary flow path 6 and the microwave can be provided from the
触媒温度の判断のためには、排気流路に配置された温度センサー１１、排気浄化触媒１２の下流に配置されたＡ／Ｆセンサー等を使用することができる。またこの制御は得られた条件をＥＣＵなどの制御装置で判断して行うことができる。
In order to determine the catalyst temperature, a
本発明の排気浄化装置の制御方法を、自動車の排気浄化に関して図３に示すフローチャートを用いて説明する。このフローチャートはエンジン始動によってスタートして（３１）、排気浄化触媒が所定の触媒活性温度以下であるか否かを判断する（３２）。ここで排気浄化触媒が所定温度を超えている場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できると判断して処理を終了する（３６）。排気浄化触媒が所定温度以下である場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できないと判断して、調節弁を調節して排気流れの全て又は一部を副流路に流通させ、またマイクロ波発生装置を作動させる（３３）。これによって本発明の排気浄化装置の絞り部においてはマイクロ波が集束してプラズマ空間が作られる。その後、排気浄化触媒が所定の活性温度に達したか否かを判断する（３４）。ここで排気浄化触媒が所定温度に達している場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できると判断し、調節弁を調節して副流路への排気の流通を止め、マイクロ波発生装置を停止して（３５）、処理を終了する（３６）。また、ここで排気浄化触媒がまだ所定温度に達していない場合には、この所定温度が達成されるまで、副流路への排気の流通及びマイクロ波の提供を継続する。 A method for controlling the exhaust emission control device of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This flowchart is started by starting the engine (31), and it is determined whether or not the exhaust purification catalyst is below a predetermined catalyst activation temperature (32). If the exhaust purification catalyst exceeds the predetermined temperature, it is determined that the catalyst can exhibit sufficient exhaust purification activity, and the process is terminated (36). If the exhaust purification catalyst is below the predetermined temperature, it is determined that the catalyst cannot exhibit sufficient exhaust purification activity, and the control valve is adjusted to distribute all or part of the exhaust flow to the sub-flow path. The wave generator is activated (33). Thereby, in the throttle part of the exhaust emission control device of the present invention, the microwave is focused and a plasma space is created. Thereafter, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst has reached a predetermined activation temperature (34). Here, when the exhaust purification catalyst has reached a predetermined temperature, it is determined that the catalyst can exhibit sufficient exhaust purification activity, and the control valve is adjusted to stop the flow of exhaust to the sub-flow path. Is stopped (35), and the process is terminated (36). If the exhaust purification catalyst has not yet reached the predetermined temperature, the flow of the exhaust gas and the provision of the microwave are continued until the predetermined temperature is achieved.
またこのフローチャートはエンジン始動によってスタートさせることができるが、エンジン運転中においても、特に長時間のアイドル運転の後、フューエルカットの復帰後のように触媒温度の低下が予想されるときも、随意にスタートすることができる。 This flowchart can also be started by starting the engine, but it is optional even when the catalyst temperature is expected to drop during engine operation, especially after prolonged idle operation, such as after fuel cut recovery. You can start.
１…マイクロ波発生装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ…導波路
３、３ａ、３ｂ、３ｃ…絞り部
４…耐熱性材料の管
４’…耐熱性材料の層
６、６ａ、６ｂ、６ｃ…副流路
７…主流路
８…調節弁
１１…温度センサー
１２…排気浄化触媒
１３…Ａ／Ｆセンサー
２１…排気流れを示す矢印
２５、２６…燃料又は還元剤添加手段
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記主流路に流れる排気の流量と前記副流路に流れる排気の流量とを調節する調節弁、
前記副流路に設けられた絞り部、
前記絞り部の排気流れ上流側にマイクロ波を提供するマイクロ波発生装置、
を有する、排気浄化装置。 An exhaust pipe having a main flow path and a sub flow path,
A control valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas flowing in the main flow path and the flow rate of the exhaust gas flowing in the sub flow path;
A throttle provided in the sub-flow channel,
A microwave generator for providing microwaves to the exhaust flow upstream side of the throttle unit;
An exhaust emission control device.
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