JP5719857B2 - 排気浄化システム及びオゾン生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、オゾンを用いて排ガスを浄化する排気浄化システム、及びオゾンを生成するオゾン生成装置に関する。
オゾンは強い酸化力を有するため、汚染物質の分解や殺菌等の目的で幅広い分野で利用されている。オゾンが利用される装置の一つに、エンジンの排ガスを浄化する排気浄化システムがある。
排気浄化システムとして、選択還元型触媒を用いたシステム（尿素ＳＣＲシステム）が既に実用化されているが、当該システムの一つとして尿素系流体とともにオゾンを選択還元型触媒の上流側に添加する選択還元型触媒システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。排ガスにオゾンを添加することによって、排ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ２）に変換し、排ガスに含まれるＮＯ及びＮＯ２の比率が１対１に近付ける。ＮＯ及びＮＯ２の比率が１対１に近付くと、ＮＯ及びＮＯ２がＮ２に還元される反応が速く進行する。
特開２０１２−１９３６２０号公報
一方で、オゾンは、自己分解しやすい性質をもつ。オゾンの自己分解が進行する条件は複数あるが、例えば４０℃等の高温下でもオゾンの自己分解が進む。従って一般的なオゾン生成装置には、空冷ファンや水冷装置等の冷却装置が備えられている。
オゾン生成効率を高めるには冷却効果が高い冷却装置が必要であるが、このような冷却装置は大型化する傾向にある。特に排気浄化システムでは、冷却装置を搭載可能な車両上のスペースが限られ、しかも冷却装置がエンジン等から放出される熱の影響を受けやすいといった問題があった。
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気浄化システム及びオゾン生成装置におけるオゾン生成効率を高めることにある。
上記課題を解決する排気浄化システムは、エンジンの排気通路に設けられた選択還元型触媒と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流側に尿素系流体を供給する尿素系流体供給装置と、オゾンの原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、前記高酸素濃度ガスをオゾン生成空間に導入してオゾンを生成するオゾン発生器と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流側にオゾンを供給するオゾン供給部と、前記ガス分離部の下流に設けられ、該ガス分離部によって分離された前記高窒素濃度ガスを導入し冷気及び暖気に分けて排出するボルテックスチューブと、前記ボルテックスチューブから供給された冷気を前記オゾン発生器に当てて前記オゾン生成空間を冷却する冷却装置とを備えた。
この態様によれば、選択還元型触媒の上流側に尿素系流体及びオゾンを添加してＮＯｘを窒素に還元する反応を促進する排気浄化システムにおいて、ガス分離部によって分離された高酸素濃度ガスをオゾン発生器に供給してオゾン濃度を高める一方、ガス分離部によって分離された高窒素濃度ガスをボルテックスチューブに導入して冷気及び暖気に分ける。そして、分けられた冷気をオゾン発生器に当てることによってオゾン生成空間を冷却する。このため、オゾン生成空間におけるオゾンの自己分解が抑制されるため、オゾン生成効率を高めることができる。
上記排気浄化システムにおいて、前記高窒素濃度ガスを分離するボルテックスチューブから排出される暖気を前記尿素系流体供給装置に導く暖気通路と、前記暖気通路を介して送られた暖気によって前記尿素系流体を昇温する熱交換部と、暖気通路を開閉するバルブとを備えることが好ましい。
この態様によれば、分離されたボルテックスチューブから排出される暖気を尿素系流体の昇温に用いるので、暖気の熱エネルギーを有効利用できる。また、バルブを制御することで、例えば低温環境下において尿素系流体の凍結を抑制することができる。
上記排気浄化システムにおいて、前記高窒素濃度ガスが導入されるボルテックスチューブから排出される暖気を前記エンジン側に導く暖気通路と、前記暖気通路を介して送られた暖気によって前記エンジンを暖機する熱交換部と、前記暖気通路を開閉するバルブとを備えることが好ましい。
この態様によれば、分離されたボルテックスチューブから排出される暖気をエンジンの暖機に用いるので、暖気の熱エネルギーを有効利用できる。また、バルブを制御することで、例えば始動時等の必要なときにエンジンの暖機を行うことができる。
上記排気浄化システムにおいて、前記ガス分離部によって分離された前記高酸素濃度ガスを冷気及び暖気に分離してそれぞれ排出するボルテックスチューブを備え、前記ボルテックスチューブから排出された冷気を前記オゾン発生器に導入して低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成することが好ましい。
この態様によれば、排気浄化システムは、高窒素濃度ガスを冷気及び暖気に分離するボルテックスチューブに加えて、高酸素濃度ガスを冷気及び暖気に分離するボルテックスチューブを備え、その冷気をオゾン発生器に導入した。即ち、空気そのものを冷却するのではなく、オゾン生成反応に係る酸素をボルテックスチューブによって集中的に冷却する。従って、オゾン生成空間が冷却できるとともに、オゾンの原料となる酸素に対しても冷却効果が高められるため、オゾン生成効率を向上することができる。
上記排気浄化システムにおいて、前記ガス分離部よりも上流側に設けられ空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサから送られた圧縮ガスを乾燥して前記ガス分離部に送るドライヤとを備え、前記冷却装置は、前記ドライヤによって前記圧縮ガスから除去された水分を前記オゾン発生器まで導く排水供給路と、前記オゾン発生器に設けられた吸湿材とを備え、前記水分を前記吸湿材に浸透させるとともに、前記ボルテックスチューブから噴射した冷気を前記吸湿材に当てて前記吸湿材に浸透した水を気化させることが好ましい。
この態様によれば、水分を吸収した吸湿材に冷気を当てることによって浸透した水の気化を促し、オゾン発生器の冷却効果を高めることができる。また、水分は吸湿材全体に浸透するので、オゾン発生器全体を冷却することができる。このため、吸湿材を介してオゾン生成空間が冷却され、オゾンの自己分解を抑制することができる。
上記課題を解決するオゾン生成装置は、オゾンの原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、前記高酸素濃度ガスを用いてオゾン生成空間でオゾンを生成するオゾン発生器と、前記ガス分離部の下流に設けられ、該ガス分離部により分離された前記高窒素濃度ガスを冷気及び暖気に分離して排出するボルテックスチューブと、前記ボルテックスチューブから供給された冷気を前記オゾン発生器に当てて前記オゾン生成空間を冷却する冷却装置とを備えた。
この態様によれば、ガス分離部によって分離された高酸素濃度ガスをオゾン発生器に供給してオゾン濃度を高める一方、ガス分離部によって分離された高窒素濃度ガスをボルテックスチューブに導入して冷気及び暖気に分けた。そして、分けられた冷気をオゾン発生器に当てることによってオゾン生成空間を冷却した。このため、オゾン生成空間で生成されたオゾンの自己分解が抑制されるため、オゾン生成効率を高めることができる。
上記課題を解決する排気浄化システムは、エンジンの排気通路に設けられた選択還元型触媒と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流側に尿素系流体を供給する尿素系流体供給装置と、オゾンの原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、前記高酸素濃度ガスを用いてオゾン生成空間でオゾンを生成するオゾン発生器と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流側にオゾンを供給するオゾン供給部と、前記ガス分離部の下流に設けられ、該ガス分離部によって分離された前記高酸素濃度ガスを冷気と暖気とに分離して排出するボルテックスチューブとを備え、前記ボルテックスチューブから供給された冷気を前記オゾン発生器に導入し、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成する。
上記課題を解決するオゾン生成装置は、オゾンの原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、前記高酸素濃度ガスを用いてオゾン生成空間でオゾンを生成するオゾン発生器と、前記ガス分離部の下流に設けられ、該ガス分離部によって分離された前記高酸素濃度ガスを冷気と暖気とに分離して排出するボルテックスチューブとを備え、前記ボルテックスチューブから供給された冷気を前記オゾン発生器に導入し、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成する。
これらの態様によれば、ガス分離部によって高酸素濃度ガスを分離した後、該高酸素濃度ガスをボルテックスチューブによって冷気及び暖気に分離し、高酸素濃度の冷気をオゾン発生器に導入する。即ち、空気そのものを冷却するのではなく、オゾン生成反応に係る酸素をボルテックスチューブによって集中的に冷却する。従って、オゾン生成空間が冷却できるとともに、オゾンの原料となる酸素に対しても冷却効果が高められるため、オゾン生成効率を向上することができる。
本発明における排気浄化システムを具体化した第１実施形態をエンジンとともに示す概略図。 同排気浄化システムの概略図。 同システムを構成するボルテックスチューブの概略図。 同システムを構成するオゾン発生器の要部を示す概略図。 本発明における排気浄化システムを具体化した第２実施形態をエンジンとともに示す概略図。 同排気浄化システムの概略図。 本発明における排気浄化システムを具体化した第３実施形態をエンジンとともに示す概略図。 本発明における排気浄化システムを具体化した変形例をエンジンとともに示す概略図。
（第１実施形態）
以下、排気浄化システム及びオゾン生成装置の第１実施形態を説明する。本発明では、排気浄化システムが搭載される車両を、ディーゼルエンジンが搭載された車両に具体化して説明する。
図１に示すように、エンジン１１の吸気マニホールド１２には吸気通路１３が接続され、排気マニホールド１４には排気通路１５が接続されている。吸気通路１３の途中にはターボ過給機１６のコンプレッサ１７が設けられ、排気通路１５の途中にはターボ過給機１６のタービン１８が設けられている。
（排気浄化システムの構成）
排気通路１５のうち、タービン１８の下流側には、排気浄化システム２０が設けられている。排気浄化システム２０は、排気通路１５に図示しない酸化触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、選択還元型触媒２１を備えている。選択還元型触媒２１は、排気通路１５のうち酸化触媒及びＤＰＦよりも下流側に設けられている。この選択還元型触媒２１は公知の触媒であって、例えばハニカム担体にゼオライト又はジルコニアを担持させたものである。
また、排気浄化システム２０は、尿素水供給装置２２、オゾン生成装置３０、及びそれらを制御するＥＣＵ５０を備えている。オゾン生成装置３０は原料ガスからオゾンを生成し、生成したオゾンを排気通路１５の選択還元型触媒２１よりも上流側に供給する。排ガスにオゾンが添加されると、排気ガスに含まれるＮＯが、反応式（１）のようにＮＯ２に酸化される。
ＮＯ＋Ｏ３→ＮＯ２＋Ｏ２・・・（１）
尿素水供給装置２２は、尿素系流体としての尿素水を貯留するとともに、尿素水を排気通路１５の選択還元型触媒２１よりも上流側に供給する。尿素水は、排ガスの熱で加水分解してアンモニアとなる。アンモニアは、反応式（２）のように、排ガスに含まれる一酸化窒素及び二酸化窒素と反応し、それらを窒素に還元する。
ＮＯ＋ＮＯ２＋ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（２）
反応式（２）に示すように、ＮＯ：ＮＯ２の比が１：１に近づくと反応が速く進行する。このため、オゾンを添加することにより、ＮＯをＮＯ２に酸化して、それら比率を１：１に近づける。
（尿素水供給装置）
尿素水供給装置２２は、尿素水を貯留した尿素水タンク２３、尿素水を選択還元型触媒２１の上流に添加する尿素水供給ノズル２４、及び尿素水タンク２３及び尿素水供給ノズル２４を接続する尿素水供給路２５を備えている。尿素水供給路２５の途中には、尿素水を尿素水タンク２３から尿素水供給ノズル２４に圧送するポンプ２６、及び尿素水の供給量を調整する流量調整弁２７が設けられている。ＥＣＵ５０は、ポンプ２６を駆動するとともに、流量調整弁２７の開度を制御する。またＥＣＵ５０は、駆動パルスを尿素水供給ノズル２４に印加し、駆動パルスを受信した尿素水供給ノズル２４は開弁して排気通路１５に尿素水を噴射する。
（オゾン生成装置）
次にオゾン生成装置３０について説明する。オゾン生成装置３０は、オゾン生成空間を有するオゾン発生器３１を備えている。オゾン発生器３１は、公知の構成の装置であって、電子線照射式、放射線照射式、光照射式、電解式等があるが、本実施形態では無声放電式の装置を用いている。オゾン発生器３１は、オゾン発生空間を介して設けられた一対の電極板、電極板の間に介在する誘電体、及び交流高圧電源を備えている。交流高圧電源により電極間に高電圧を印加することによってオゾン発生空間の酸素からオゾンを発生する。
オゾン発生器３１の上流側には空気導入路３５が連結されている。空気導入路３５の始端は大気に開放され、外部空気を吸入する。空気導入路３５の途中には、大気開放口側からコンプレッサ３６、ドライヤ３７及びガス分離部としての酸素富化ユニット３８が設けられている。コンプレッサ３６は、大気開放口から導入した空気を圧縮してドライヤ３７に導入する。ドライヤ３７は、例えば中空糸膜を用いたドライヤであって、圧縮空気を乾燥して酸素富化ユニット３８に供給する。
酸素富化ユニット３８は、窒素に比べて酸素透過性が高い酸素富化膜を有している。酸素富化膜は、その透過速度の違いによって圧縮空気を、高酸素濃度ガストしての酸素富化ガスと、高窒素濃度ガスとしての窒素富化ガスとに分離する。酸素富化膜は、酸素及び窒素を完全分離するのではなく、例えば酸素濃度が２０％の圧縮空気を、酸素濃度３５％程度にまで高める。また、酸素富化膜の一次圧が０．５ＭＰａ〜１ＭＰａの場合、酸素富化膜の背圧は数Ｐａに達する。
酸素富化ユニット３８には、酸素富化膜を透過した酸素富化ガスが圧送される第１供給路３５ａと、窒素富化ガスが圧送される第２供給路３５ｂとが連結されている。第１供給路３５ａの出口はオゾン発生器３１に連結されている。即ち、オゾン発生器３１には酸素富化ガスが導入される。このように酸素富化ガスからオゾンを生成することにより、同じガス流量及びオゾン発生器３１へ供給される電力で比較して、約１．７５倍の量のオゾンを生成することができる。
オゾン発生器３１の下流には、オゾン供給路３３が設けられ、オゾン供給路３３の途中には、流量調整弁３４が設けられている。ＥＣＵ５０は、流量調整弁３４の開度を制御して、排気通路１５に供給されるオゾン量を調整する。オゾン供給路３３の先端には、オゾン供給ノズル３２が設けられている。オゾン供給ノズル３２の吐出口は、排気通路１５のうち尿素水供給ノズル２４よりも上流側に設けられている。ＥＣＵ５０は、駆動パルスをオゾン供給ノズル３２に印加し、駆動パルスを受信したオゾン供給ノズル３２は開弁して排気通路１５にオゾンを噴射する。
またＥＣＵ５０は、選択還元型触媒２１に導入される排気の温度を検出する温度センサ５１、エンジン回転数を検出する回転センサ５２、例えばスロットルポジションセンサ等の負荷センサ５３からそれぞれ検出信号を入力する。ＥＣＵ５０は、流量調整弁２７，３４の開度、ポンプ駆動時間、オゾン発生器３１の動作条件等を、エンジン回転数、エンジン負荷、排ガス温度に応じて変化させたデータ又はマップを格納している。また、ＥＣＵ５０は、排気温度、負荷等に応じて変化させたＮＯ：ＮＯ２の比率を示す比率マップを格納している。ＥＣＵ５０は、その時々のエンジン運転状態とマップとを比較してＮＯ：ＮＯ２の比率を推測し、その比率等からオゾン供給量を算出する。そしてＥＣＵ５０は、オゾン供給量に応じた条件でコンプレッサ３６を駆動する。
またオゾン生成装置３０には、オゾン発生器３１を冷却する冷却装置４０が設けられている。図２に示すように、冷却装置４０は、コンプレッサ３６、ドライヤ３７及びボルテックスチューブ４１から構成されている。即ちコンプレッサ３６及びドライヤ３７は、オゾン発生器３１の冷却装置４０としても機能している。
酸素富化ユニット３８から分岐した第２供給路３５ｂは、ボルテックスチューブ４１の導入口４１ｂに接続されている。図３に示すように、ボルテックスチューブ４１は公知の構成であって、内側に流路４１ｆを備えたチューブ４１ａ、チューブ４１ａ内の流路４１ｆにそれぞれ連通する導入口４１ｂ、流路４１ｆに連通する冷気導出口４１ｃ及び暖気導出口４１ｄを備えている。上述したように導入口４１ｂからは窒素富化ガスが導入され、窒素富化ガスは流路４１ｆに供給される。流路４１ｆ内では窒素富化ガスがらせん状に高速で回転し、暖気導出口４１ｄ側で、暖気及び冷気に分離される。暖気は暖気導出口４１ｄから噴射される。また暖気導出口４１ｄはドライヤ３７に接続されている。ドライヤ３７に戻された暖気は、コンプレッサ３６から圧送される外部空気が通過するドライヤ内の流路とは別の流路を通って、ドライヤで分離された水分と一緒にドライヤ外に排出される。冷気は暖気導出口４１ｄの手前で折り返して流路４１ｆ内を回転しながら逆方向に進み、冷気導出口４１ｃから排出される。
図２に示すように、冷気導出口４１ｃは冷気通路４１ｅを介してオゾン発生器３１に接続されている。また、ドライヤ３７から排出されるドレン水は、排水供給路３７ａに供給される。尚、ここでいう「ドレン水」は、ドライヤ３７から排出された水分であって、液体としての水及び水蒸気の両方を含む。またこのときドレン水は、ボルテックスチューブ４１からドライヤ３７に戻された暖気によって押し出される。排水供給路３７ａの先端はオゾン発生器３１のうち第１供給路３５ａとは異なる位置に接続されている。
図４に示すように、オゾン発生器３１は、電極を収容した本体３１ａの外側に吸湿材３１ｂを備えている。本体３１ａを構成する筐体は、オゾンに対する耐久性が高く、且つ熱伝導性が高い金属材からなる。吸湿材３１ｂは、例えば筐体の壁部と同じ大きさの板状の部材であって、ゼオライト、ジルコニア、多孔質グラファイト材等の吸湿性が高い物質から構成されている。この吸湿材３１ｂの近傍には、排水供給路３７ａの出口が設けられている。排水供給路３７ａの出口は、吸湿材３１ｂに接触させるか、或いは吸湿材３１ｂの表面近傍に配置される。吸湿材３１ｂは、排水供給路３７ａの出口から排出されるドレン水を受け止めて吸収する。吸湿材３１ｂに排出されたドレン水は注入された箇所から吸湿材３１ｂ全体に浸透していく。
また、ボルテックスチューブ４１に接続する冷気通路４１ｅの出口は、吸湿材３１ｂの表面近傍に設けられている。また、冷気通路４１ｅの出口は、その中心軸が吸湿材３１ｂの表面に対して斜めとなる角度に配置されている。このため、冷気通路４１ｅの出口から噴射される冷気は、吸湿材３１ｂの表面に対して斜めに入射するので、吸湿材３１ｂのうち冷気が曝される範囲を、冷気が表面に垂直に入射する配置に比べ、広範囲にすることができる。
ドレン水が浸透した吸湿材３１ｂに乾燥した冷気が噴射されることにより、吸湿材３１ｂが冷却されるとともにドレン水が気化される。冷気がオゾン発生器３１に噴射されるのみでもオゾン生成空間は冷却されるが、吸湿材３１ｂのドレン水の気化に伴って吸湿材３１ｂから奪われる気化熱により、吸湿材３１ｂはさらに冷却される。また、噴射される冷気は乾燥されているので、ドレン水の気化を促進することができる。
吸湿材３１ｂが冷却されることにより本体３１ａが全体的に冷却され、電極を介してオゾン生成空間が冷却される。オゾンは４０℃付近で自己分解速度が促進され、低温で生成効率が高められる。また、ボルテックスチューブ４１は、細長状で例えば数百ｍｍであるため、冷却装置４０の大型化を抑制することができる。
（動作）
次に、排気浄化システム２０の動作について説明する。本実施形態ではＥＣＵ５０は、排ガス温度に基づいて、オゾン生成装置３０の駆動を開始する。例えば温度センサ５１から取得した排ガス温度が２００℃以下の低温であるとき、ＥＣＵ５０は、オゾン生成装置３０を駆動し、排ガス温度が２００℃超の高温であるときオゾン生成装置３０を停止する。排ガス温度が２００℃超のとき、排ガスに含まれるＮＯの一部をＮＯ２に変換しなくても、ＮＯｘが選択還元型触媒２１でアンモニアと反応してＮ２に速やかに還元されるためである。
また、ＥＣＵ５０は、記憶部に格納された上記比率マップ、及びエンジン１１の運転状態に基づき、単位時間あたりに排出されるＮＯ量を推定し、ＮＯの量と同じ質量、又はＮＯの量に対して所定の割合の質量を、単位時間あたりオゾン供給量として算出する。そして算出したオゾン供給量に基づき、コンプレッサ流量及び流量調整弁３４の開度を調整する。また、ＥＣＵ５０は、オゾン供給量に基づき、オゾン発生器３１の電極に印加するパルスの周波数、出力パワー等の放電条件を設定する。
また、ＥＣＵ５０は、エンジン１１の運転状態及び選択還元型触媒２１の状態に基づいて、選択還元型触媒２１へ噴射する尿素水の単位時間当りの噴射量を、所定の演算周期毎に算出する。エンジン１１の運転状態は、温度センサ５１、回転センサ５２及び負荷センサ５３等に基づいて判断する。選択還元型触媒２１の状態は、既に尿素水を噴射した積算値、又は排気通路１５に設けられたＮＯｘセンサ等により判断する。尿素水の噴射量が決定すると、ＥＣＵ５０は、ポンプ２６を駆動するとともに流量調整弁２７の開度をその噴射量に応じて制御し、尿素水供給ノズル２４に駆動パルスを印加する。その結果、尿素水供給ノズル２４が駆動パルスに応じて開き、尿素水が排気通路１５に噴射される。
コンプレッサ３６がＥＣＵ５０により駆動されると、外気が空気導入路３５の入口から導入され、ドライヤ３７に圧送される。ドライヤ３７により乾燥された乾燥エアは、酸素富化ユニット３８に供給され、酸素富化ガス及び窒素富化ガスに分離される。酸素富化ガスはオゾン発生器３１の電極間に導入される。この電極間の放電によって、酸素分子の励起や解離等が発生してオゾンが生成される。生成されたオゾンはオゾン供給路３３を介してオゾン供給ノズル３２へ送られる。ＥＣＵ５０は駆動パルスを所定間隔でオゾン供給ノズルに印加し、オゾン供給ノズル３２は受信した駆動パルスにより開弁し、オゾンを排気通路１５に噴射する。
上述したように、排気通路１５に噴射されたオゾンは、排気に含まれるＮＯをＮＯ２に酸化して、ＮＯ：ＮＯ２の比率を１：１に近づける。また、排気通路１５に噴射された尿素水は、加水分解してアンモニアに変換される。選択還元型触媒２１は、アンモニアとＮＯ及びＮＯ２とを反応させてＮＯ及びＮＯ２をＮ２に還元し、下流に送り出す。
またオゾン発生器３１を駆動するとき、ＥＣＵ５０は第２供給路３５ｂの途中に設けられた流量調整弁３５ｃを開状態とする。第２供給路３５ｂに供給される窒素富化ガスは、ボルテックスチューブ４１の導入口４１ｂから内部へ導入される。
ボルテックスチューブ４１によって分離された冷気は、冷気通路４１ｅを介してオゾン発生器３１の吸湿材３１ｂに噴射される。またボルテックスチューブ４１によって分離された暖気は、管路を介してドライヤ３７に戻される。
ドライヤ３７から排出されたドレン水は、排水供給路３７ａを介して吸湿材３１ｂに吐出される。吸湿材３１ｂは、ボルテックスチューブ４１から圧送された冷気によって冷却されるとともに、ドレン水の気化熱によってさらに冷却される。吸湿材３１ｂはオゾン発生器３１の熱を吸収し、本体３１ａの筐体を介してオゾン生成空間を冷却する。そしてオゾン生成空間の温度が低下した結果、オゾンの自己分解が抑制され、オゾン生成効率が高められる。
以上説明したように、第１実施形態の排気浄化システムによれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）第１実施形態によれば、排気浄化システム２０は、尿素水供給装置２２により選択還元型触媒２１に尿素を添加するシステムであって、空気を酸素富化ガス及び窒素富化ガスに分離する酸素富化ユニット３８と、酸素富化ガスを用いてオゾンを生成し、排気通路１５のうち選択還元型触媒２１よりも上流側にオゾンを供給するオゾン生成装置３０とを備える。また排気浄化システム２０は、酸素富化ユニット３８の下流に設けられ、酸素富化ユニット３８によって分離された窒素富化ガスを導入し冷気及び暖気に分けて排出するボルテックスチューブ４１と、ボルテックスチューブ４１から供給された冷気をオゾン発生器３１に当てて該オゾン発生器３１を冷却する冷却装置４０とを備えた。このため、ボルテックスチューブ４１から噴射される冷気によってオゾン発生器３１に対する冷却効果が高められるので、オゾン発生器３１におけるオゾンの自己分解を抑制することができる。従って冷却装置を大型化することなく、オゾン生成効率を高めることができる。
（２）第１実施形態では、排気浄化システム２０は、酸素富化ユニット３８よりも上流側に設けられ空気を圧縮するコンプレッサ３６と、該コンプレッサ３６から送られた圧縮ガスを乾燥して酸素富化ユニット３８に送るドライヤ３７とを備える。また排気浄化システム２０は、ドライヤ３７によって圧縮ガスから除去された水分であるドレン水をオゾン発生器３１まで導く排水供給路３７ａと、ドレン水を吸収しボルテックスチューブ４１の冷気が噴射される吸湿材３１ｂとを備える。このため、吸湿材３１ｂに吸収されたドレン水の気化が促進されるので、単にオゾン発生器３１に冷気を噴射する構成に比べ、オゾン生成空間を低温にすることが可能となる。また、ドレン水は吸湿材３１ｂ全体に浸透するので、このドレン水の気化により、本体３１ａを全体的に冷却することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を図５及び図６にしたがって説明する。尚、第２実施形態は、第１実施形態のオゾン生成装置３０を変更したのみの構成であるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図５に示すように、オゾン生成装置３０は、酸素富化ユニット３８の下流であって、窒素富化ガスが圧送される第２供給路３５ｂにボルテックスチューブ４１を備えるとともに、酸素富化ガスが圧送される第１供給路３５ａにボルテックスチューブ４２を備える。以下、第１供給路３５ａに設けられるボルテックスチューブ４２を第１のボルテックスチューブ４２といい、第２供給路３５ｂに設けられるボルテックスチューブ４１を第２のボルテックスチューブ４１という。第１のボルテックスチューブ４２は及び第２のボルテックスチューブ４１は、同じ構成である。
図６に示すように、第１のボルテックスチューブ４２の導入口４２ｂは、第１供給路３５ａを介して酸素富化ユニット３８に接続されている。また、第１のボルテックスチューブ４２の冷気導出口４２ｃは第１供給路３５ａを介してオゾン発生器３１に接続されている。即ち、第１のボルテックスチューブ４２によって冷却された酸素富化ガスはオゾン発生器３１に導入される。このため、原料ガスである酸素富化ガスが予め冷却されているので、オゾンの自己分解を抑制できる。
図５に示すように、第１のボルテックスチューブ４２の暖気導出口４２ｄは暖気通路４３に接続されている。暖気通路４３は、尿素水タンク２３の外周に設けられた熱交換器２３ａに接続されている。熱交換器２３ａは暖気と尿素水タンク２３との間で熱交換を行い、尿素水を加熱又は保温する。尿素水は例えば−１２℃等の寒冷環境下で凍結するため、熱交換器２３ａと熱交換することにより尿素水の凍結を抑制することができる。また、暖気通路４３の途中には、三方弁からなるバルブ４３ａが設けられ、バルブ４３ａを開くことにより暖気導出口４１ｄ,４２ｄをエンジン１１に接続し、バルブ４３ａを閉じることにより暖気導出口４１ｄ,４２ｄを外部と接続する。従ってＥＣＵ５０は、バルブ４３ａを開閉することにより、尿素水を昇温する必要がある場合のみ、暖気導出口４１ｄ,４２ｄと尿素水タンク２３とを接続することができる。
また第２のボルテックスチューブ４１の冷気導出口４１ｃは、第１実施形態のように、第２供給路３５ｂを介してオゾン発生器３１の吸湿材３１ｂに接続されている。また、暖気導出口４１ｄは、暖気通路４３に接続されている。従って、２つのボルテックスチューブ４１，４２から排出される暖気を有効利用して、尿素の凍結を抑制できる。
本実施形態の冷却装置４０の動作を説明する。ＥＣＵ５０によりコンプレッサ３６が駆動されると、外気がドライヤ３７に圧送され乾燥される。乾燥エアは酸素富化ユニット３８に供給され、酸素富化ガス及び窒素富化ガスに分離される。酸素富化ガスは第１のボルテックスチューブ４２に導入され、冷却された酸素富化ガスは第１供給路３５ａを介してオゾン発生器３１に導入される。オゾン発生器３１に導入された酸素富化ガスはオゾンに変換され、オゾン供給路３３を介してオゾン供給ノズル３２から噴射される。また酸素富化ガスの暖気は、暖気導出口４２ｄから暖気通路４３を介して尿素水タンク２３の熱交換器２３ａに供給される。
また、酸素富化ユニット３８によって分離された窒素富化ガスは、第２供給路３５ｂを介して第２のボルテックスチューブ４１に供給される。第２のボルテックスチューブ４１により分離された冷気は、冷気導出口４１ｃから排出されオゾン発生器３１の吸湿材３１ｂに噴射される。また第１実施形態と同様に、ドライヤ３７から排出されたドレン水は、排水供給路３７ａを介して吸湿材３１ｂに供給される。さらに第２のボルテックスチューブ４１の暖気導出口４１ｄから排出された暖気は、暖気通路４３を介して尿素水タンク２３の熱交換器２３ａに供給される。
以上説明したように、第２実施形態の排気浄化システムによれば、第１実施形態に記載した（１）及び（２）の効果に加えて、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（３）第２実施形態では、排気浄化システム２０は、第２のボルテックスチューブ４１から排出される暖気を尿素水タンク２３に導く暖気通路４３と、該暖気通路４３を介して送られた暖気によって尿素水を昇温する熱交換器２３ａとを備える。このため、寒冷環境下で、尿素水の凍結を抑制できる。また、第２のボルテックスチューブ４１から排出される暖気の熱エネルギーを有効利用することができる。
（４）第２実施形態では、酸素富化ユニット３８によって分離された酸素富化ガスを冷気及び暖気に分離してそれぞれ排出する第１のボルテックスチューブ４２を備える。また、オゾン生成装置３０は、第１のボルテックスチューブ４２から排出された冷気をオゾン発生器３１に導入して低温の酸素富化ガスを原料ガスとしてオゾンを生成する。即ち、第１のボルテックスチューブ４２は、空気そのものを冷却するのではなく、オゾン生成反応に係る酸素を集中的に冷却する。従って、オゾン生成空間が冷却できるとともに、オゾンの原料となる酸素に対しても冷却効果が高められるため、オゾン生成効率を向上することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明を具体化した第３実施形態を図７にしたがって説明する。尚、第３実施形態は、第２実施形態のオゾン生成装置３０を変更したのみの構成であるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図７に示すように、オゾン生成装置３０は、第２実施形態と同様に、酸素富化ユニット３８の下流であって、窒素富化ガスが圧送される第２供給路３５ｂに第２のボルテックスチューブ４１を備えるとともに、酸素富化ガスが圧送される第１供給路３５ａに第１のボルテックスチューブ４２を備える。
第１のボルテックスチューブ４２の導入口４２ｂは、第１供給路３５ａを介して酸素富化ユニット３８に接続されている。また、第１のボルテックスチューブ４２の冷気導出口４２ｃは第１供給路３５ａを介してオゾン発生器３１に接続されている。従って、第１のボルテックスチューブ４２によって冷却された酸素富化ガスはオゾン発生器３１に導入される。
一方、第１のボルテックスチューブ４２の暖気導出口４２ｄは暖気通路４３を介してエンジン１１に接続されている。例えば、暖気通路４３の出口は、エンジン１１のシリンダヘッド１１ａに接続されている。シリンダヘッド１１ａには暖気が通過する流路が設けられ、シリンダヘッド１１ａとの間で熱交換する。また、暖気通路４３の途中には、三方弁からなるバルブ４３ａが設けられ、バルブ４３ａを開くことにより暖気導出口４２ｄをエンジン１１に接続し、バルブ４３ａを閉じることにより暖気導出口４２ｄを外部と接続する。従ってＥＣＵ５０は、バルブ４３ａを開閉することにより、エンジン１１を暖機する必要がある場合のみ、暖気導出口４２ｄとエンジン１１とを接続することができる。
また第２のボルテックスチューブ４１の冷気導出口４１ｃは、第１実施形態のように、第２供給路３５ｂを介してオゾン発生器３１の吸湿材３１ｂに接続されている。また、暖気導出口４１ｄは、暖気通路４３を介して、エンジン１１のシリンダヘッド１１ａに接続されている。
以上説明したように、第３実施形態の排気浄化システムによれば、第１実施形態に記載した（１）及び（２）、第２実施形態に記載した（４）の効果に加えて、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（５）第３実施形態では、窒素富化ガスが導入される第２のボルテックスチューブ４１から排出される暖気をエンジン１１側に導く暖気通路４３と、該暖気通路４３を介して送られた暖気によってエンジン１１を暖機する熱交換部とを備える。このため、暖気を有効利用して、始動時等にエンジン１１の暖機を行うことができる。
尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・第２及び第３実施形態では、酸素富化ガスを導入する第１のボルテックスチューブ４２と、窒素富化ガスを導入する第２のボルテックスチューブ４１とを用いたが、図８に示すように、排気浄化システム２０及びオゾン生成装置３０は、第１のボルテックスチューブ４２のみを備える構成であってもよい。この場合でもオゾンの原料である酸素が冷却されるとともに、冷気に含まれる窒素等の酸素以外のガスも電極や筐体を冷却することによってオゾン生成空間全体を冷却することができる。この場合、酸素富化ユニット３８から排出された窒素富化ガスは、ボルテックスチューブ４１を通過することなく、オゾン発生器３１の吸湿材３１ｂに噴射される。この場合であっても吸湿材３１ｂに吸収されたドレン水の気化を促すことができる。
・上記実施形態では、排気通路１５のうち選択還元型触媒２１の上流に、酸化触媒及びＤＰＦを備えたが、酸化触媒を省略してもよい。
・上記実施形態では、尿素系流体として尿素水を貯留したが、ＮＯｘとの反応時にアンモニアに変換可能な物質であればよく、車両に搭載可能な構成を備えればアンモニア又はアンモニア水であってもよい。
・上記実施形態では、ドライヤ３７を中空糸膜を用いたドライヤに例示して説明したが、乾燥剤を充填したドライヤ等、他の種類のドライヤを用いてもよい。ドライヤ３７に乾燥剤が用いられている場合、ボルテックスチューブ４１から排出された暖気を乾燥剤の再生に用いてもよい。
・ドライヤ３７は圧縮空気に含まれる水分を除去したドレン水として水蒸気のみを排出してもよい。この場合にもドライヤから排出された水蒸気を排水供給路３７ａによってオゾン発生器３１に導き、吸湿材３１ｂに水分を浸透させることができる。
・オゾン発生器３１の構成は、上記した装置構成に限定されない。例えば、吸湿材３１ｂを省略し、冷却装置４０はボルテックスチューブ４１の冷気をオゾン発生器３１に向かって噴射するのみの構成でもよい。また、オゾン発生器３１は、無声放電式の装置に限定されず、コロナ放電式でもよく、電解式であってもよい。
・上記実施形態では、冷気通路４１ｅの出口を、冷気を吸湿材３１ｂの表面に対して斜めに入射するように配置したが、冷気がその表面に対して垂直に入射するように配置してもよい。
・上記実施形態では、オゾン発生器３１の本体３１ａの筐体を金属材から構成し、吸湿材３１ｂを筐体と密着させた。これ以外の構成として、吸湿材３１ｂが筐体の壁部を構成するようにしてもよい。この場合、吸湿材３１ｂは筐体全体の壁部を構成してもよいし、図４のように一部を構成するようにしてもよい。
・上記実施形態では排ガス温度が低温のときにはオゾンを供給しないが、尿素水を供給するときには常にオゾンを供給する態様であってもよい。
・上記各実施形態では、ＥＣＵ５０がマップとエンジン１１の運転状態に基づきオゾン供給量を演算する態様としたが、オゾン供給量の決定方法はその態様に限定されない。例えばＮＯ２センサ、ＮＯセンサを排気通路１５のうちオゾン供給ノズル３２よりも上流側に設け、ＮＯ：ＮＯ２の比率及び排気流量に基づき単位時間あたりのオゾン供給量を演算してもよい。
・上記実施形態では、ガス分離部を酸素富化膜を用いた酸素富化ユニット３８によって構成したが、空気から酸素を分離できればよく他の構成でもよい。例えば、吸着材に窒素を吸着させ、加圧及び減圧を繰り返すことにより窒素を分離するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式の装置であってもよい。
・図８に示すように、本発明の排気浄化システム又はオゾン生成装置は、酸素富化ガスを冷却するボルテックスチューブ４２のみを備えた構成であってもよい。即ち、オゾン発生器３１の冷却構造は、ドライヤ３７から供給されたドレン水が浸透する吸湿材３１ｂに、酸素富化ユニット３８により分離された窒素富化ガスを噴射する構成である。また、ボルテックスチューブ４２は酸素富化ユニット３８から分離された酸素富化ガスを冷気と暖気とに分離し、冷気をオゾン発生器３１に供給する。排気浄化システム又はオゾン生成装置をそのように構成しても、冷却された酸素富化ガスをオゾン生成空間内に導入することで、オゾン生成空間を冷却し、オゾンの自己分解を抑制することができる。
・上記実施形態では、オゾン生成装置３０を排気浄化システム２０に適用してＮＯの酸化を促進させたが、他の目的で他の装置に利用してもよい。例えば、オゾンを汚染物質の分解、殺菌、脱臭、脱色等の目的で利用する装置に利用してもよい。
・上記実施形態では、排気浄化システム２０は、ディーゼルエンジンに適用したが、ガソリンエンジンに適用してもよい。また、排気浄化システム２０は、エンジンを過給機付きのエンジンに適用したが、自然吸気型ガソリンエンジン、又は自然吸気型ディーゼルエンジンに適用してもよい。また、排気浄化システム２０が適用されるエンジンを車両のエンジンとしたが、船舶、航空機のエンジンであってもよい。
１１…エンジン、１５…排気通路、２１…選択還元型触媒、２２…尿素系流体供給装置としての尿素水供給装置、２３ａ…熱交換部、３０…オゾン生成装置、３１…オゾン発生器、３１ｂ…吸湿材、３２…オゾン供給部としてのオゾン供給ノズル、３６…コンプレッサ、３７…ドライヤ、３７ａ…排水供給路、３８…ガス分離部としての酸素富化ユニット、４０…冷却装置、４１…第２のボルテックスチューブ、４２…第１のボルテックスチューブ、４３…暖気通路、４３ａ…バルブ。

Claims (7)

  1. エンジンの排気通路に設けられた選択還元型触媒と、
    前記排気通路のうち前記選択還元型触媒の上流に尿素系流体を供給する流体供給装置と、
    原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、
    前記高酸素濃度ガスが導入されるオゾン生成空間を有し、導入された前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成するオゾン発生器と、
    前記排気通路のうち前記選択還元型触媒の上流にオゾンを供給するオゾン供給部と、
    前記高窒素濃度ガスを冷気及び暖気に分けて排出するボルテックスチューブと、
    前記ボルテックスチューブから排出された冷気を前記オゾン発生器に当てることによって前記オゾン生成空間を冷却する冷却装置とを備えた排気浄化システム。
  2. 前記ボルテックスチューブから排出される暖気を前記流体供給装置に導く暖気通路と、
    前記暖気通路を介して送られた暖気によって前記尿素系流体を昇温する熱交換部と、
    前記暖気通路を開閉するバルブとをさらに備える請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 前記ボルテックスチューブから排出される暖気を前記エンジンに向けて導く暖気通路と、
    前記暖気通路を介して送られた暖気によって前記エンジンを暖機する熱交換部と、
    前記暖気通路を開閉するバルブとをさらに備える請求項１に記載の排気浄化システム。
  4. 前記ボルテックスチューブは第１のボルテックスチューブであり、
    前記高酸素濃度ガスを冷気及び暖気に分けてそれぞれ排出する第２のボルテックスチューブをさらに備え、
    前記第２のボルテックスチューブから排出された冷気を前記オゾン発生器に導入して低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成する請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気浄化システム。
  5. 空気を圧縮するコンプレッサと、
    前記コンプレッサから送られた圧縮ガスを乾燥し、乾燥した圧縮ガスを前記ガス分離部に送るドライヤとをさらに備え、
    前記冷却装置は、
    前記ドライヤによって前記圧縮ガスから除去された水分を前記オゾン発生器まで導く排水供給路と、
    前記オゾン発生器に設けられた吸湿材とをさらに備え、
    前記冷却装置は、前記水分を前記吸湿材に浸透させるとともに前記ボルテックスチューブから噴射される冷気を前記吸湿材に当てることによって、前記吸湿材に浸透した水を気化させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気浄化システム。
  6. 原料ガスを高酸素濃度ガス及び高窒素濃度ガスに分離するガス分離部と、
    前記高酸素濃度ガスが導入されるオゾン生成空間を有し、導入された前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成するオゾン発生器と、
    前記高窒素濃度ガスを冷気及び暖気に分けて排出するボルテックスチューブと、
    前記ボルテックスチューブから排出された冷気を前記オゾン発生器に当てることによって前記オゾン生成空間を冷却する冷却装置とを備えたオゾン生成装置。
  7. 前記ボルテックスチューブは第１のボルテックスチューブであり、
    前記高酸素濃度ガスを冷気と暖気とに分けて排出する第２のボルテックスチューブをさらに備え、
    前記第２のボルテックスチューブから排出された冷気を前記オゾン発生器に導入し、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成する請求項６に記載のオゾン生成装置。
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