JP4479610B2

JP4479610B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4479610B2
Application number: JP2005193730A
Authority: JP
Inventors: 秀夫矢作
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: JP2007009839A

Description

本発明は、排ガス浄化装置、特にガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための触媒を備えた排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の排ガス中のＮＯｘを除去するための技術として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が開発され、実用化されている。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘの浄化が困難なリーンバーン時には、ＮＯｘを硝酸塩として触媒内に吸蔵し、ＮＯｘ吸蔵量が増加してくると、定期的な燃料過濃燃焼（リッチスパイク）を行うことで、触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出してＮＯｘ吸蔵能力を回復すると共に、ＮＯｘをＮ_２に浄化する。

また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制するために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側にプラズマ発生装置を配置した装置が提案されている（特許文献１）。この装置では、プラズマ発生装置で発生させた水素Ｈを、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に作用させ、この水素の還元力によって排ガス中のＮＯｘを浄化すると共に、ＳＯ_２の酸化を防ぐことで、排ガス中の硫黄分によるＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制している。
特開２００４−２７０５８７号公報

ところで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの還元の際に、排ガスから得られる活性力の高いＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等を利用できれば好都合である。しかし、これらのラジカルは寿命が短いため、特許文献１のようにプラズマ発生装置の後方にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置するシステムでは、これらのラジカルがプラズマ発生装置で生成したとしても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に入る前に他の成分と反応してしまい、その活性力によって触媒上で還元に必要な活性種（ＮＯ_３やアンモニア等）を生成できない。

そこで本発明の目的は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いる排ガス浄化装置において、ＮＯｘの吸蔵および還元を促進することにある。

本発明による排ガス浄化装置は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持された担体の上流側で放電を行う第１の放電装置と、前記担体の内部で放電を行う第２の放電装置と、前記第１および第２の放電装置を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒による吸蔵時に前記第１の放電装置を動作させ、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒による還元時に前記第２の放電装置を動作させることを特徴とする。

本発明では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒による吸蔵時に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持された担体の上流側で第１の放電装置を動作させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒による還元時に、担体の内部の第２の放電装置を動作させる。第１の放電装置の動作によって、排ガス中のＮＯからＮＯ２が生成されてＮＯｘ吸蔵還元触媒に供給され、ＮＯｘの吸蔵が促進される。還元時には、触媒から排出されたＮＯ_２がＮ_２に還元され、その際に、第２の放電装置の動作によって生成された活性力の高いＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等によって、還元反応が促進される。

このように本発明では、第２の放電装置をＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持された担体の内部に設置したので、この第２の放電装置によって生成されたＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等の寿命の短い物質を還元反応に利用できる。また、Ｈ，ＯＨ，ＨＣラジカル等の寿命の短い物質を、吸蔵時のＮＯｘ吸蔵還元触媒に作用させると、触媒に吸蔵されているＮＯｘを排出させてしまうおそれがあるが、本実施形態では第２の放電装置を還元時に動作させることとしたので、このようなＮＯｘの望ましくない排出を抑制できる。

本発明では、前記担体は排ガスが中を通る多数のセルを含み、前記第２の放電装置は放電電極と受電極とを含み、前記放電電極および前記受電極は、前記セルを挟んで排ガスの流れ方向の前後に配置されているのが好適である。この場合には、放電電極と受電極との間の放電が、セル内を経路として、すなわち多数のセルの表面あるいは表面の近傍を経路として行われることになるので、放電によって生じた活性力の高い物質によって、還元反応を好適に促進することができる。

本発明では、前記担体に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備え、前記制御手段は、前記還元剤がその供給点から前記担体に到達するまでの所要時間に関連するパラメータに基づいて、前記第２の放電手段を制御するのが特に好適である。この場合には、還元剤が担体に到達するまでの時間を考慮して第２の放電手段の放電タイミングを決定することにより、吸蔵されているＮＯｘを好適に還元させることができる。

本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図１において、本発明の実施形態の排ガス浄化装置１は、車両のエンジン７０からの排気経路に設置されるものであり、ほぼ円筒形のケース１０と、このケース１０内に設置された第１リアクタ２０および触媒装置３０を含んでいる。エンジン７０は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンである。

ケース１０は、金属等の耐熱導電性材料により概ね円筒形に形成されている。ケース１０内には、エンジン７０からの排ガスが、その軸方向すなわち図中矢印Ａ方向に導入される。

図２に示されるように、第１リアクタ２０は、プラズマリアクタまたはコロナリアクタであって、ほぼ円筒形の絶縁性フレーム２１の内部に、複数の放電電極２２と、複数の受電極２３とを有する。絶縁性フレーム２１は、アルミナまたはセラミックス等の電気絶縁材料からなり、円筒部２１ａと、複数の平板部２１ｂとを有する。絶縁性フレーム２１の外周面は、可撓性を有するアルミナマット２７を介して、ケース１０に保持されている。

複数の平板部２１ｂのうち図２中上から奇数番目の平板部２１ｂには、放電電極２２が固定されている。放電電極２２は、導体からなる平板を２箇所で直角に同方向に屈曲してなり、側面視において門形またはＵ字型の断面形状を有する。放電電極２２の上流側（図２における左側）の端部は、ピン２４を介して、集合板２５に一体的に固定されている。

他方、複数の平板部２１ｂのうち偶数番目の平板部２１ｂには、受電極２３が固定されている。受電極２３は、導体からなる平板であり、絶縁性フレーム２１の平板部２１ｂに設けられたスリットに下流側から挿入されることで固定されている。受電極２３の下流側（図２における右側）の端部は、その両側縁に設けられた舌片２３ａにおいて、導体からなる集合筒２６に一体的に固定されている。集合筒２６の外周面は、ケース１０に固定されており、これによって、全ての受電極２３とケース１０との間が導通されている。ケース１０は電気的に接地されている。

図３に示されるように、放電電極２２は、排ガスの流れ方向に直交する断面において、その幅が、当該放電電極２２に上下方向に隣接する受電極２３（すなわち、当該放電電極２２と排ガス流路を挟んで対向する受電極２３）の幅よりも小さいか、あるいは当該受電極２３の幅と等しくされている。

再び図２において、ケース１０の上流側の端部に形成されたテーパ部１０ａには、外方に向かう概ね円錐台形の凹部１０ｂが設けられており、凹部１０ｂの底部を貫いて、給電プラグ４０が固定されている。給電プラグ４０は、ケース１０の外部に設置される高電圧電源５０（図１参照）からの電力を、放電電極２２に給電するために用いられる。給電プラグ４０は、碍子４０ａと、この碍子４０ａの軸心を貫通するプラグ電極４０ｂとを有する。碍子４０ａは、放電電極２２への給電経路とケース１０との間を電気的に絶縁する。碍子４０ａの外周には、いわゆるコルゲーション状の凹凸が設けられており、この凹凸によって、沿面距離が延長され沿面放電の抑制が図られている。

プラグ電極４０ｂの先端（図２における上側の端部）と、集合板２５とは、Ｌ字形の連結板４０ｃによって連結されている。プラグ電極４０ｂ、連結板４０ｃ、ピン２４および集合板２５により、ケース１０の外部に設置される高電圧電源５０からの電力を放電電極２２に給電するための給電経路が構成される。

触媒装置３０は、触媒物質が担持されたハニカム担体３１の内部に、放電電極３２および受電極３３ａ，３３ｂからなる第２リアクタ３８を備えたものである。図４に示されるように、ハニカム担体３１は、上流側部分３１ａおよび下流側部分３１ｂからなり、これら上流側部分３１ａおよび下流側部分３１ｂは、いずれも多孔質の隔壁１１により仕切られた多数の細長いセル１２すなわち排ガス通路を備えており、各セル１２の長手方向はいずれも排ガスの流入方向（図２中Ａ方向）に平行である。

ハニカム担体３１は、例えばアルミナＡｌ_２Ｏ_３などの多孔質の絶縁体によって形成するのが好適である。なお、ハニカム担体３１の材料として他の材料を使用する場合には、ハニカム担体３１の表面にアルミナコートを施すのが好適である。なお、ハニカム担体３１としては、排ガス通路を交互に栓詰してＰＭ（particulate matter；粒子状物質）を濾過するものや、ＰＭを静電気力で吸着するものなど、他の様々な構造のものを用いることができる。

ハニカム担体３１の隔壁１１には、触媒物質として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ；NOx Storage Reduction catalysis）がコーティングされている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒としては、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属との組合せが好適である。

放電電極３２は、円筒形の外枠３４と、この外枠３４の内周面に多数互いに平行に固定された平板状の電極板３５とを有する。電極板３５はいずれも水平にされている。放電を促進するために、各電極板３５の上流側および下流側の端部には、鋸刃状の凹凸が設けられている。放電電極３２には、図１に示されるように引出し線４６が接続され、引き出し線４６は、ケース１０に固定された筒状の絶縁碍子４５を通って、高電圧電源５０に接続されている。

受電極３３ａ，３３ｂは、円筒形の外枠３６ａ，３６ｂと、これら外枠３６ａ，３６ｂの内周面に多数互いに平行に固定された平板状の電極板３７ａ，３７ｂとを有する。電極板３７ａ，３７ｂはいずれも鉛直にされている。放電を促進するために、電極板３７ａの下流側の端部、および電極板３７ｂの上流側の端部には、それぞれ鋸刃状の凹凸が設けられている。受電極３３ａ，３３ｂはケース１０に固定され、これによって電気的に接地されている。

放電電極３２と受電極３３ａ、および放電電極３２と受電極３３ｂは、それぞれハニカム担体３１ａ，３１ｂを挟んで設置される。したがって、図５に示されるように、第２リアクタ３８の放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとは、ハニカム担体３１の作用面であるセル１２を挟んで排ガスの流れ方向の前後に配置される。

第１リアクタ２０のプラグ電極４０ｂ、および第２リアクタ３８の放電電極３２は、高電圧電源５０の高圧側出力端子に接続されている。高電圧電源５０は、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード・平滑回路等を含んでおり、バッテリ５１からの直流を昇圧して第１リアクタ２０および第２リアクタ３８に選択的に給電可能に構成されている。高電圧電源５０からの給電の方式は、直流、直流パルス波、交流、交流パルス波、または直流と直流パルスとの重畳など任意の波形および電圧のうちから選択することができる。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、入出力インターフェイス、Ａ／ＤコンバータおよびＤ／Ａコンバータを含む周知のワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、各種センサの検出値および設定値に基づいて、所定のプログラムに従って後述のとおり制御信号を出力する。

ＥＣＵ６０の入力インターフェイスには、エンジン７０のクランク軸の近傍に設けられエンジン回転数を検出するクランク角センサ８１、エンジン７０の吸気経路に設けられたスロットル弁の開度を検出するスロットルポジションセンサ８２などの各種センサが接続されている。ＥＣＵ６０の出力インターフェイスには、高電圧電源５０などの各種アクチュエータが接続されている。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。動作の際には、第１リアクタ２０および第２リアクタ３８に、高電圧電源５０からの高電圧が選択的に加えられる。

エンジンが始動されると、ＥＣＵ６０の制御によって、高電圧電源５０が常時動作させられる。所定のリーン運転条件が成立している間、ＥＣＵ６０の制御によって、高電圧電源５０から第１リアクタ２０に電力が供給される。放電電極２２と受電極２３との間にコロナ放電などの放電が生じると、排ガス中に含まれるＮＯｘがプラズマのエネルギによってＮＯ_２に変化し、触媒装置３０に供給される。このＮＯ_２はＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。

所定のリッチスパイク条件（例えば、前回のリッチスパイク実行からの累積運転時間が所定値を上回り、且つエンジン水温などから推定される触媒装置３０の温度が所定の活性温度を上回っていること）が成立すると、ＥＣＵ６０の制御によって、エンジン７０の燃料噴射量および空燃比が制御されて、排ガスが所定のリッチスパイク時間Δｔ１に亘ってリッチ（過濃）にされる。

ＥＣＵ６０はまた、リッチにされた排ガスがその供給点であるエンジン７０から触媒装置３０に到達するまでの所要時間に関連するパラメータ、例えばエンジン回転数およびスロットル弁開度に基づいて、排ガスの流速で経路長を除することにより、エンジン７０から触媒装置３０までの排ガスの移動の所要時間ｔｄを演算する。

そして、リッチにされた排ガスが触媒装置３０に到達するタイミングで（すなわち、リッチスパイク時から所要時間ｔｄの経過後に）、ＥＣＵ６０によって高電圧電源５０が制御され、第１リアクタ２０への給電が停止されると共に、触媒装置３０内の第２リアクタ３８への給電が、所定の給電時間Δｔ２に亘って行われる（図６参照）。給電時間Δｔ２は、リッチスパイク時間Δｔ１と等しくても異なっていてもよい。この給電時間Δｔ２の経過の条件に、ＥＣＵ６０によって高電圧電源５０が制御され、第２リアクタ３８への給電が停止されると共に、第１リアクタ２０への給電が再開される。

この給電時間Δｔ２にわたる給電によって、第２リアクタ３８の放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとの間にコロナ放電などの放電が生じ、排ガス中の酸素Ｏ_２および炭化水素ＨＣからＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等が生成される。これによって、担体３１に担持されたＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_２が還元され、Ｎ_２などに変換されて排出される。

ここで、第２リアクタ３８の放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとは、ハニカム担体３１の作用面であるセル１２を挟んで排ガスの流れ方向の前後に配置されているので、放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとの間の放電は、ハニカム担体３１のセル１２内を経路として、すなわち多数のセル１２の表面あるいは表面の近傍を経路として行われることになる。

以上のとおり、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒による吸蔵時に、触媒装置３０の上流側で第１リアクタ２０が給電され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒による還元時に、触媒装置３０内の第２リアクタ３８が給電される。第１リアクタ２０の動作によって、排ガス中のＮＯからＮＯ_２が生成されて触媒装置３０に供給され、ＮＯｘの吸蔵が促進される。還元時には、触媒装置３０のＮＯｘ吸蔵物質から排出されたＮＯ_２がＮ_２に還元され、その際に、第２リアクタ３８への給電によって生成された活性力の高いＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等によって、還元反応が促進される。

このように本実施形態では、第２リアクタ３８をＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持された担体３１の内部に設置したので、この第２リアクタ３８によって生成されたＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等の寿命の短い物質を還元反応に利用できる。また、Ｈ，ＯＨ，ＨＣラジカル等の寿命の短い物質を、吸蔵時のＮＯｘ吸蔵還元触媒に作用させると、触媒に吸蔵されているＮＯｘを排出させてしまうおそれがあるが、本実施形態では第２リアクタ３８を還元時に動作させることとしたので、このようなＮＯｘの望ましくない排出を抑制できる。

また、本実施形態では、第２リアクタ３８の放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとが、ハニカム担体３１の作用面であるセル１２を挟んで排ガスの流れ方向の前後に配置されているので、放電電極３２と受電極３３ａ，３３ｂとの間の放電が、ハニカム担体３１のセル１２内を経路として、すなわち多数のセル１２の表面あるいは表面の近傍を経路として行われることになる。したがって本実施形態では、放電によって生じた活性力の高いＨ，ＯＨ，ＨＣラジカル等によって、還元反応を好適に促進することができる。

また、本実施形態では、還元剤として走行用の燃料を使用し、ＥＣＵ６０は、還元剤を含むリッチな排ガスがその供給点であるエンジン７０から担体３１に到達するまでの所要時間に関連するパラメータに基づいて、第２リアクタ３８を制御し、還元剤が担体３１に到達するまでの所要時間ｔｄを考慮して第２リアクタ３８の放電タイミングを決定するので、吸蔵されているＮＯｘを好適に還元させることができる。

なお、上記実施形態および各変形例では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

特に、第１および第２の放電装置の構造については、各種の変形が可能である。例えば、第２リアクタにおける放電電極および受電極の構造は、平板状の電極板を縦横に組み合わせた格子状としてもよく、また、多数の棒状導体からなる網状またはメッシュ状としてもよい。また上記実施形態では、第１リアクタ２０と触媒装置３０とを単一のケース１０に収容したが、これらは個別のケースに収容され互いに連結されていてもよい。

また、上記実施形態のように還元剤として走行用の燃料を利用する構成のほか、還元剤を貯蔵するタンクを含む構成であってもよい。また、上記各実施形態では第１リアクタ２０と第２リアクタ３８とに単一の高電圧電源５０から給電することとしたが、各リアクタに給電するための個別の高電圧電源を備えてもよい。

また、上記実施形態では本発明をディーゼルエンジンの排ガス処理に適用したが、本発明はガソリンエンジンや気体燃料エンジンの排ガス処理にも適用できる。また、上記実施形態では本発明を車両の内燃機関の排ガスの浄化のために適用したが、本発明は車両のほか船舶、航空機、発電機など各種内燃機関の排ガスの浄化のために適用することも可能であり、いずれも本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置の概略を示す側面図である。本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置の要部を示す側面図である。第１リアクタの正面図である。第２リアクタの分解斜視図である。第２リアクタの要部を示す側面図である。リッチスパイクおよび第２リアクタへの給電の各タイミングを示すタイムチャートである。

符号の説明

１排ガス浄化装置
１０ケース
２０第１リアクタ
３０触媒装置
２２，３２放電電極
２３，３３ａ，３３ｂ受電極
３１ハニカム担体
５０高電圧電源
６０ＥＣＵ
７０エンジン

Claims

ＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持された担体の上流側で放電を行う第１の放電装置と、
前記担体の内部で放電を行う第２の放電装置と、
前記第１および第２の放電装置を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒による吸蔵時に前記第１の放電装置を動作させ、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒による還元時に前記第２の放電装置を動作させることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
前記担体は排ガスが中を通る多数のセルを含み、
前記第２の放電装置は、放電電極と受電極とを含み、
前記放電電極および前記受電極は、前記セルを挟んで排ガスの流れ方向の前後に配置されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
前記担体に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備え、
前記制御手段は、前記還元剤が前記還元剤供給手段による供給点から前記担体に到達するまでの所要時間に関連するパラメータに基づいて、前記第２の放電装置を制御することを特徴とする排ガス浄化装置。