WO2014119651A1 - 排気浄化システム及びオゾン生成装置 - Google Patents

排気浄化システム及びオゾン生成装置 Download PDF

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WO2014119651A1
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ozone generator
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一郎 津曲
吉弘 川田
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日野自動車 株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification system that purifies exhaust gas using ozone and an ozone generator that generates ozone.
  • Ozone has a strong oxidizing power and is used in a wide range of fields for the purpose of decomposing and sterilizing pollutants.
  • One of the devices in which ozone is used is an exhaust purification system that purifies exhaust gas from an internal combustion engine (hereinafter, engine).
  • ozone has the property of being easily decomposed.
  • a general ozone generator is provided with a cooling device such as an air cooling fan or a water cooling device.
  • a cooling device having a high cooling effect is required to increase the ozone generation efficiency of the exhaust purification system and the ozone generator.
  • Such a cooling device tends to increase in size.
  • the exhaust purification system has a problem that the space on the vehicle on which the cooling device can be mounted is limited, and the cooling device is easily affected by the heat released from the engine or the like.
  • An object of the present invention is to increase ozone generation efficiency in an exhaust purification system and an ozone generator.
  • An exhaust purification system includes a selective reduction catalyst provided in an exhaust passage of an engine, a fluid supply device that supplies a urea-based fluid upstream of the selective reduction catalyst in the exhaust passage, and a raw material gas as a high oxygen concentration gas.
  • an ozone generator for generating ozone from the introduced high oxygen concentration gas, and a gas separation part for separating the high oxygen concentration gas, an ozone generation space into which the high oxygen concentration gas is introduced, and the exhaust passage
  • An ozone supply unit that supplies ozone upstream of the selective catalytic reduction catalyst, a vortex tube that discharges the high nitrogen concentration gas into cold air and warm air, and cool air discharged from the vortex tube as the ozone generator And a cooling device that cools the ozone generation space.
  • an ozone generator in another aspect of the present invention, has a gas separation unit that separates a raw material gas into a high oxygen concentration gas and a high nitrogen concentration gas, and an ozone generation space into which the high oxygen concentration gas is introduced, and from the introduced high oxygen concentration gas
  • An ozone generator that generates ozone, a vortex tube that discharges the high nitrogen concentration gas into cold air and warm air, and cools the ozone generation space by applying cold air discharged from the vortex tube to the ozone generator A cooling device.
  • An exhaust purification system in another aspect of the present invention, includes a selective reduction catalyst provided in an exhaust passage of an engine, a fluid supply device that supplies a urea-based fluid upstream of the selective reduction catalyst in the exhaust passage, and a raw material gas as a high oxygen concentration gas. And an ozone generator for generating ozone from the introduced high oxygen concentration gas, a gas separation unit that separates the high oxygen concentration gas, an ozone generation space into which the high oxygen concentration gas is introduced, and the exhaust passage An ozone supply unit that supplies ozone upstream of the selective catalytic reduction catalyst, and a vortex tube that discharges the high oxygen concentration gas separately into cold air and warm air. The cool air discharged from the vortex tube is introduced into the ozone generator, and ozone is generated from the low-temperature high oxygen concentration gas.
  • an ozone generator in another aspect of the present invention, is provided.
  • the ozone generator has a gas separation unit that separates a raw material gas into a high oxygen concentration gas and a high nitrogen concentration gas, and an ozone generation space into which the high oxygen concentration gas is introduced, and from the introduced high oxygen concentration gas
  • An ozone generator that generates ozone and a vortex tube that discharges the high oxygen concentration gas into cold and warm air. The cool air discharged from the vortex tube is introduced into the ozone generator, and ozone is generated from the low-temperature high oxygen concentration gas.
  • FIG. 6 is a schematic view of the exhaust purification system of FIG. 5. Schematic which shows 3rd Embodiment which actualized the exhaust gas purification system in this invention with an engine. Schematic which shows the modification which actualized the exhaust gas purification system in this invention with an engine.
  • the engine 11 includes an intake manifold 12 and an exhaust manifold 14.
  • An intake passage 13 is connected to the intake manifold 12, and an exhaust passage 15 is connected to the exhaust manifold 14.
  • a compressor 17 of the turbocharger 16 is provided in the middle of the intake passage 13, and a turbine 18 of the turbocharger 16 is provided in the middle of the exhaust passage 15.
  • An exhaust purification system 20 is provided in the exhaust passage 15 downstream of the turbine 18.
  • the exhaust purification system 20 includes an oxidation catalyst (not shown), a DPF (Diesel Particulate Filter) (not shown), and a selective reduction catalyst 21 in the exhaust passage 15.
  • the selective reduction catalyst 21 is provided in the exhaust passage 15 downstream of the oxidation catalyst and the DPF.
  • the selective catalytic reduction catalyst 21 is a known catalyst and is made of, for example, zeolite or zirconia supported on a honeycomb carrier.
  • the exhaust purification system 20 includes a urea water supply device 22 as a fluid supply device, an ozone generation device 30, and an ECU 50 that controls them.
  • the urea water supply device 22 supplies urea water as a urea fluid.
  • the ozone generator 30 generates ozone from the raw material gas, and supplies the generated ozone upstream of the selective reduction catalyst 21 in the exhaust passage 15. When ozone is added to the exhaust gas, NO contained in the exhaust gas is oxidized to NO 2 as shown in the reaction formula (1).
  • the urea water supply device 22 stores urea water and supplies the urea water upstream of the selective reduction catalyst 21 in the exhaust passage 15.
  • the urea water is hydrolyzed by the heat of the exhaust gas to generate ammonia (NH 3 ).
  • ammonia reacts with nitrogen monoxide and nitrogen dioxide contained in the exhaust gas and is reduced to nitrogen (gaseous nitrogen).
  • the urea water supply device 22 connects the urea water tank 23 storing the urea water, the urea water supply nozzle 24 for adding the urea water upstream of the selective reduction catalyst 21, and the urea water tank 23 to the urea water supply nozzle 24. And a urea water supply path 25 to be provided. In the middle of the urea water supply path 25, a pump 26 that pumps urea water from the urea water tank 23 to the urea water supply nozzle 24 and a flow rate adjustment valve 27 that adjusts the supply amount of urea water are provided.
  • the ECU 50 drives the pump 26 and controls the opening degree of the flow rate adjustment valve 27. Further, the ECU 50 applies a drive pulse to the urea water supply nozzle 24.
  • the urea water supply nozzle 24 that has received the drive pulse opens and injects urea water into the exhaust passage 15.
  • the ozone generator 30 includes an ozone generator 31 having an ozone generation space.
  • the ozone generator 31 is a device having a known configuration such as an electron beam irradiation type, a radiation irradiation type, a light irradiation type, or an electrolysis type. In this embodiment, a silent discharge type apparatus is used.
  • the ozone generator 31 includes a pair of electrode plates provided via an ozone generation space, a dielectric interposed between the pair of electrode plates, and an AC high-voltage power source. Ozone is generated from oxygen (gaseous oxygen) present in the ozone generation space by applying a high voltage between the electrode plates by an AC high voltage power source.
  • An air introduction path 35 is connected upstream of the ozone generator 31.
  • the starting end of the air introduction path 35 is open to the atmosphere, and air as a raw material gas is drawn into the air introduction path 35 from the outside through the starting end.
  • a compressor 36, a dryer 37, and an oxygen enrichment unit 38 as a gas separation unit are provided in the middle of the air introduction path 35 from the start end.
  • the compressor 36 compresses the air introduced from the start end of the air introduction path 35 and introduces it into the dryer 37.
  • the dryer 37 is a dryer using a hollow fiber membrane, for example, and dries the compressed air and supplies it to the oxygen enrichment unit 38.
  • the oxygen enrichment unit 38 has an oxygen enrichment film.
  • the oxygen permeability is higher than the nitrogen permeability. That is, the rate at which oxygen permeates the oxygen-enriched membrane is greater than the rate at which nitrogen permeates the oxygen-enriched membrane. Due to the difference in permeation speed, the oxygen-enriched membrane separates compressed air into an oxygen-enriched gas as a high oxygen concentration gas and a nitrogen-enriched gas as a high nitrogen concentration gas.
  • the oxygen-enriched membrane does not completely separate the compressed air into oxygen and nitrogen. For example, when compressed air having an oxygen concentration of 20% permeates the oxygen-enriched membrane, the oxygen concentration is increased to about 35%. It is done.
  • the primary pressure of the oxygen enriched film is 0.5 MPa to 1 MPa, the back pressure of the oxygen enriched film reaches 0.4 to 0.6 kPa.
  • the oxygen enrichment unit 38 is connected to a first supply path 35a through which oxygen-enriched gas that has permeated the oxygen-enriched film is pumped and a second supply path 35b through which nitrogen-enriched gas is pumped.
  • the outlet of the first supply path 35 a is connected to the ozone generator 31. That is, an oxygen-enriched gas is introduced into the ozone generator 31.
  • ozone is about 1.75 times as much as compared to the case of using air under the same gas flow rate and power supplied to the ozone generator 31. Can be generated.
  • An ozone supply path 33 is provided downstream of the ozone generator 31, and a flow rate adjusting valve 34 is provided in the middle of the ozone supply path 33.
  • the ECU 50 adjusts the amount of ozone supplied to the exhaust passage 15 by controlling the opening degree of the flow rate adjustment valve 34.
  • An ozone supply nozzle 32 serving as an ozone supply unit is provided at the outlet of the ozone supply path 33.
  • the discharge port of the ozone supply nozzle 32 is provided upstream of the urea water supply nozzle 24 in the exhaust passage 15.
  • the ECU 50 applies a drive pulse to the ozone supply nozzle 32.
  • the ozone supply nozzle 32 that has received the drive pulse opens and injects ozone into the exhaust passage 15.
  • the ECU 50 detects from a temperature sensor 51 that detects the temperature of exhaust gas introduced into the selective catalytic reduction catalyst 21, a rotation sensor 52 that detects the engine speed, and a load sensor 53 such as a throttle position sensor. A signal is input.
  • the ECU 50 stores data or a map in which the opening degree of the flow rate adjusting valves 27 and 34, the pump driving time, the operating conditions of the ozone generator 31 and the like are changed according to the engine speed, the engine load, and the exhaust gas temperature. .
  • the ECU 50 stores a ratio map indicating the ratio of NO: NO 2 changed according to the exhaust temperature, the load, and the like.
  • the ECU 50 estimates the NO: NO 2 ratio based on the comparison between the engine operating state at that time and the stored map, and calculates the ozone supply amount from the ratio or the like.
  • the ECU 50 drives the compressor 36 under conditions according to the calculated ozone supply amount.
  • the ozone generator 30 is provided with a cooling device 40 for cooling the ozone generator 31.
  • the cooling device 40 includes a compressor 36, a dryer 37, and a vortex tube 41. That is, the compressor 36 and the dryer 37 also function as a cooling device 40 for the ozone generator 31.
  • the second supply path 35 b branched from the oxygen enrichment unit 38 is connected to the inlet 41 b of the vortex tube 41.
  • the vortex tube 41 includes a tube 41a having a flow path 41f therein, and an inlet 41b, a cold air outlet 41c, and a warm air outlet 41d communicating with the channel 41f.
  • the nitrogen-enriched gas is introduced from the inlet 41b and supplied to the flow path 41f.
  • the nitrogen-enriched gas rotates at a high speed in a spiral manner, and is separated into warm air and cold air in the vicinity of the warm air outlet 41. Warm air is injected from the warm air outlet 41d.
  • the warm air outlet 41 d is connected to the dryer 37.
  • the warm air returned to the dryer 37 passes through a flow path different from the flow path inside the dryer through which the external air pumped from the compressor 36 passes, and is discharged outside the dryer together with the moisture separated by the dryer. .
  • the cool air is turned back before the warm air outlet 41d, proceeds in the reverse direction while rotating in the flow path 41f, and is discharged from the cold air outlet 41c.
  • the cold air outlet 41c is connected to the ozone generator 31 via the cold air passage 41e.
  • the drain water discharged from the dryer 37 is pushed out to the drainage supply passage 37a by the warm air returned from the vortex tube 41 to the dryer 37.
  • drain water is supplied to the drainage supply passage 37a.
  • the “drain water” here is water discharged from the dryer 37 and includes liquid water, gaseous water (ie, water vapor), or both.
  • the outlet of the drainage supply path 37a is connected to a position different from the first supply path 35a in the ozone generator 31.
  • the ozone generator 31 includes a main body 31a that accommodates electrodes, and a hygroscopic material 31b provided outside the main body 31a.
  • the housing of the main body 31a is made of a metal material having high durability against ozone and high thermal conductivity.
  • the hygroscopic material 31b is, for example, a plate-like member having the same size as the wall portion of the housing, and is formed of a highly hygroscopic substance such as zeolite, zirconia, or porous graphite material. In the vicinity of the hygroscopic material 31b, an outlet of the drainage supply passage 37a is arranged.
  • the outlet of the drainage supply passage 37a is disposed in contact with the hygroscopic material 31b or is disposed near the surface of the hygroscopic material 31b.
  • the drain water discharged from the outlet of the drainage supply passage 37a is injected into the moisture absorbent 31b.
  • the hygroscopic material 31b receives and absorbs the injected drain water.
  • the drain water discharged to the hygroscopic material 31b penetrates the entire hygroscopic material 31b from the injected portion.
  • the outlet of the cold air passage 41e is disposed in the vicinity of the surface of the hygroscopic material 31b.
  • the outlet of the cold air passage 41e is disposed at an angle with the central axis being inclined with respect to the surface of the hygroscopic material 31b. For this reason, the cold air injected from the outlet of the cold air passage 41e is obliquely incident on the surface of the hygroscopic material 31b. Therefore, the cold air is incident on the surface of the hygroscopic material 31b perpendicularly to the surface.
  • path 41e is arrange
  • the dry cool air is sprayed onto the moisture absorbent material 31b into which the drain water has permeated, whereby the moisture absorbent material 31b is cooled and the drain water is vaporized.
  • the ozone generation space is cooled only by injecting cold air into the ozone generator 31, the heat of vaporization is deprived from the hygroscopic material 31b as the drain water of the hygroscopic material 31b evaporates, so the hygroscopic material 31b is further cooled.
  • the Since the injected cool air is dry, vaporization of drain water can be promoted.
  • the main body 31a of the ozone generator 31 When the hygroscopic material 31b is cooled, the main body 31a of the ozone generator 31 is cooled as a whole, and the ozone generation space is cooled via the electrode accommodated in the main body 31a. In the vicinity of 40 ° C., the self-decomposition of ozone is promoted (that is, the self-decomposition rate is increased), and the ozone generation efficiency is increased at a low temperature. Since the vortex tube 41 is elongated and has a length of, for example, several hundred mm, an increase in the size of the cooling device 40 can be suppressed.
  • the ECU 50 starts driving the ozone generator 30 based on the exhaust gas temperature.
  • the ECU 50 drives the ozone generator 30 when the exhaust gas temperature acquired from the temperature sensor 51 is a low temperature of 200 ° C. or less, and stops the ozone generator 30 when the exhaust gas temperature is a high temperature exceeding 200 ° C. .
  • the NOx reduction reaction proceeds promptly by the selective reduction catalyst 21 without converting part of the NO contained in the exhaust gas into NO 2. This is because it reacts and is quickly reduced to N 2 .
  • the ECU 50 estimates the amount of NO discharged from the engine 11 per unit time based on the ratio map stored in the storage unit and the operating state of the engine 11.
  • the ECU 50 calculates the mass of ozone corresponding to the amount of NO or the mass of ozone in a predetermined ratio with respect to the amount of NO as the ozone supply amount per unit time, and the calculated ozone supply amount Based on this, the compressor flow rate and the opening degree of the flow rate adjustment valve 34 are adjusted.
  • the ECU 50 sets discharge conditions such as the frequency of pulses applied to the electrodes of the ozone generator 31 and the output power based on the calculated ozone supply amount.
  • the ECU50 calculates the injection quantity per unit time of the urea water injected to the selective reduction catalyst 21 for every predetermined calculation cycle based on the operating state of the engine 11 and the state of the selective reduction catalyst 21.
  • the operating state of the engine 11 is determined based on detection signals from the temperature sensor 51, the rotation sensor 52, the load sensor 53, and the like.
  • the state of the selective catalytic reduction catalyst 21 is determined by an integrated value of the amount of urea water already injected, a signal from a NOx sensor provided in the exhaust passage 15 or the like.
  • the ECU 50 drives the pump 26 and controls the opening of the flow rate adjustment valve 27 according to the injection amount, and applies a drive pulse to the urea water supply nozzle 24.
  • the urea water supply nozzle 24 opens according to the drive pulse, and urea water is injected into the exhaust passage 15.
  • outside air is introduced through the inlet of the air introduction path 35 and is pumped to the dryer 37.
  • the dry air dried by the dryer 37 is supplied to the oxygen enrichment unit 38 and separated into an oxygen enriched gas and a nitrogen enriched gas.
  • the oxygen-enriched gas is introduced between the electrodes of the ozone generator 31. Due to the discharge between the electrodes, oxygen molecules are excited and dissociated to generate ozone.
  • the generated ozone is sent to the ozone supply nozzle 32 through the ozone supply path 33.
  • the ECU 50 applies drive pulses to the ozone supply nozzle 32 at predetermined intervals, and the ozone supply nozzle 32 is opened by the received drive pulse and injects ozone into the exhaust passage 15.
  • ozone is injected into the exhaust passage 15, by oxidizing the NO contained in the exhaust to NO 2, NO: the ratio of NO 2 1: close to 1.
  • the urea water injected into the exhaust passage 15 is hydrolyzed to generate ammonia.
  • the selective catalytic reduction catalyst 21 reacts ammonia with NO and NO 2 to reduce NO and NO 2 to N 2 and sends it downstream.
  • the ECU 50 opens the flow rate adjusting valve 35c provided in the middle of the second supply path 35b.
  • the nitrogen-enriched gas supplied to the second supply path 35 b is introduced into the vortex tube 41 from the inlet 41 b of the vortex tube 41.
  • the cold air separated by the vortex tube 41 is jetted onto the hygroscopic material 31b of the ozone generator 31 through the cold air passage 41e.
  • the warm air separated by the vortex tube 41 is returned to the dryer 37 via a pipe line.
  • the drain water discharged from the dryer 37 is discharged to the hygroscopic material 31b through the drain supply path 37a.
  • the hygroscopic material 31b is cooled by the cold air fed from the vortex tube 41 and further cooled by the heat of vaporization of the drain water.
  • the hygroscopic material 31b absorbs the heat of the ozone generator 31 and cools the ozone generation space through the housing of the main body 31a. As a result of the decrease in the temperature of the ozone generation space, the self-decomposition of ozone is suppressed and the ozone generation efficiency is increased.
  • the exhaust purification system 20 includes a selective reduction catalyst 21, a urea water supply device 22 for adding urea to the selective reduction catalyst 21, and an oxygen enrichment that separates air into an oxygen enriched gas and a nitrogen enriched gas.
  • the unit 38 includes an ozone generator 31 that generates ozone from the oxygen-enriched gas, and an ozone supply nozzle 32 that supplies ozone upstream of the selective reduction catalyst 21 in the exhaust passage 15.
  • the exhaust purification system 20 is provided downstream of the oxygen enrichment unit 38 and vortex tube 41 that exhausts nitrogen-enriched gas introduced from the oxygen enrichment unit 38 separately into cold air and warm air, and is exhausted from the vortex tube 41.
  • a cooling device 40 that cools the ozone generator 31 by applying the cool air to the ozone generator 31. For this reason, since the cooling effect with respect to the ozone generator 31 is heightened by the cold air injected from the vortex tube 41, the self-decomposition of ozone in the ozone generator 31 can be suppressed. Therefore, the ozone generation efficiency can be increased without increasing the size of the cooling device.
  • the exhaust purification system 20 is provided upstream of the oxygen enrichment unit 38 and compresses air, and the compressed gas sent from the compressor 36 is dried, and the dried compressed gas is converted into the oxygen enrichment unit 38. And a dryer 37 to be sent to the vehicle.
  • the exhaust gas purification system 20 is provided in the ozone generator 31 with a drain supply path 37a that leads drain water, which is water removed from the compressed gas by the dryer 37, to the ozone generator 31, and cool air in the vortex tube 41 is injected. And a hygroscopic material 31b.
  • the temperature of the ozone generation space can be lowered as compared with the case where the cool air is simply injected into the ozone generator 31. Since the drain water penetrates the entire hygroscopic material 31b, the main body 31a can be cooled as a whole by vaporizing the drain water.
  • a vortex tube 41 is provided in the second supply path 35b downstream of the oxygen enrichment unit 38 and through which the nitrogen enriched gas is pumped, and the oxygen enriched gas is pumped.
  • a vortex tube 42 is provided in the first supply path 35a.
  • the vortex tube 42 provided in the first supply path 35 a is referred to as a first vortex tube 42
  • the vortex tube 41 provided in the second supply path 35 b is referred to as a second vortex tube 41.
  • the first vortex tube 42 and the second vortex tube 41 have the same configuration.
  • the inlet 42b of the first vortex tube 42 is connected to the oxygen enrichment unit 38 via the first supply path 35a.
  • the cold air outlet 42c of the first vortex tube 42 is connected to the ozone generator 31 via the first supply path 35a. That is, the cold air from the first vortex tube 42, that is, the cooled oxygen-enriched gas is introduced into the ozone generator 31. For this reason, since the oxygen-enriched gas that is a raw material of ozone is cooled in advance, the self-decomposition of ozone can be suppressed.
  • the warm air outlet 42 d of the first vortex tube 42 is connected to the warm air passage 43.
  • the warm air passage 43 is connected to a heat exchanger 23 a provided on the outer periphery of the urea water tank 23.
  • the heat exchanger 23a exchanges heat between the warm air and the urea water tank 23 to heat or keep the urea water. Since urea water freezes in a cold environment such as ⁇ 12 ° C., for example, freezing of urea water can be suppressed by heat exchange with the heat exchanger 23a. Further, a valve 43 a made up of a three-way valve is provided in the middle of the warm air passage 43.
  • the warm air outlets 41d and 42d are connected to the engine 11 by opening the valve 43a, and the warm air outlets 41d and 42d are connected to the outside by closing the valve 43a. Therefore, the ECU 50 can control the opening and closing of the valve 43a so that the warm air outlets 41d and 42d are connected to the urea water tank 23 only when it is necessary to raise the temperature of the urea water.
  • the cold air outlet 41c of the second vortex tube 41 is connected to the hygroscopic material 31b of the ozone generator 31 via the second supply path 35b, as in the first embodiment.
  • the warm air outlet 41 d is connected to the warm air passage 43. Therefore, the freezing of urea can be suppressed by effectively using the warm air discharged from the two vortex tubes 41 and 42.
  • the cooling device 40 of this embodiment will be described.
  • the compressor 36 is driven by the ECU 50, the outside air is pumped to the dryer 37 and dried.
  • the dry air is supplied to the oxygen enrichment unit 38 and separated into an oxygen enriched gas and a nitrogen enriched gas.
  • the oxygen-enriched gas is introduced into the first vortex tube 42, and the cooled oxygen-enriched gas is introduced into the ozone generator 31 through the first supply path 35a.
  • Oxygen in the oxygen-enriched gas introduced into the ozone generator 31 is converted into ozone and injected from the ozone supply nozzle 32 through the ozone supply path 33.
  • the warm air of the oxygen-enriched gas is supplied from the warm air outlet 42d to the heat exchanger 23a of the urea water tank 23 through the warm air passage 43.
  • the nitrogen-enriched gas separated by the oxygen enrichment unit 38 is supplied to the second vortex tube 41 via the second supply path 35b.
  • the cold air separated by the second vortex tube 41 is discharged from the cold air outlet 41 c and injected onto the moisture absorbent 31 b of the ozone generator 31.
  • the drain water discharged from the dryer 37 is supplied to the hygroscopic material 31b through the drain supply path 37a.
  • the warm air discharged from the warm air outlet 41 d of the second vortex tube 41 is supplied to the heat exchanger 23 a of the urea water tank 23 through the warm air passage 43.
  • the exhaust purification system 20 raises the temperature of the urea water by the warm air passage 43 that guides the warm air discharged from the second vortex tube 41 to the urea water tank 23 and the warm air sent through the warm air passage 43. And a heat exchanger 23a. For this reason, freezing of urea water can be suppressed in a cold environment. Moreover, the thermal energy of warm air discharged from the second vortex tube 41 can be used effectively.
  • the ozone generator 30 that discharges the oxygen-enriched gas separated by the oxygen-enriching unit 38 into cold air and warm air, respectively, is discharged from the first vortex tube 42. While introducing cold air into the ozone generator 31, ozone is generated using a low-temperature oxygen-enriched gas as a raw material. That is, in the first vortex tube 42, the air itself is not cooled, but oxygen related to the ozone generation reaction is intensively cooled. Therefore, the ozone generation space can be cooled, and the cooling effect can be enhanced for oxygen that is a raw material of ozone, so that the ozone generation efficiency can be improved.
  • a second vortex tube 41 is provided in the second supply path 35b downstream of the oxygen enrichment unit 38 and through which the nitrogen enriched gas is pumped.
  • a first vortex tube 42 is provided in the first supply path 35a through which the oxygen-enriched gas is pumped.
  • the inlet 42b of the first vortex tube 42 is connected to the oxygen enrichment unit 38 via the first supply path 35a.
  • the cold air outlet 42c of the first vortex tube 42 is connected to the ozone generator 31 via the first supply path 35a. Therefore, the cold air from the first vortex tube 42, that is, the cooled oxygen-enriched gas is introduced into the ozone generator 31.
  • the warm air outlet 42 d of the first vortex tube 42 is connected to the engine 11 via the warm air passage 43.
  • the outlet of the warm air passage 43 is connected to the cylinder head 11 a of the engine 11.
  • the cylinder head 11a is provided with a passage through which warm air passes, and heat exchange is performed between the warm air and the cylinder head 11a.
  • a valve 43 a composed of a three-way valve is provided in the middle of the warm air passage 43.
  • the warm air outlet 42d is connected to the engine 11 by opening the valve 43a, and the warm air outlet 42d is connected to the outside by closing the valve 43a. Therefore, the ECU 50 can control the opening and closing of the valve 43a so that the warm air outlet 42d and the engine 11 are connected only when the engine 11 needs to be warmed up.
  • the cold air outlet 41c of the second vortex tube 41 is connected to the hygroscopic material 31b of the ozone generator 31 via the second supply path 35b, as in the first embodiment.
  • the warm air outlet 41 d is connected to the cylinder head 11 a of the engine 11 through the warm air passage 43.
  • the warm air passage 43 that guides the warm air discharged from the second vortex tube 41 into which the nitrogen-enriched gas is introduced toward the engine 11 and the warm air passage 43 are sent. And a heat exchanging part that warms up the engine 11 by warm air. For this reason, warm-up can be used effectively and the engine 11 can be warmed up at the time of starting.
  • the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
  • the first vortex tube 42 that introduces the oxygen-enriched gas and the second vortex tube 41 that introduces the nitrogen-enriched gas are used, but as shown in FIG.
  • the exhaust purification system 20 and the ozone generator 30 may include only the first vortex tube 42. Even in this case, oxygen, which is a raw material of ozone, is cooled, and a gas other than oxygen such as nitrogen contained in the cold air cools the electrode and the housing. As a result, the entire ozone generation space can be cooled.
  • the nitrogen-enriched gas discharged from the oxygen-enriching unit 38 is injected to the moisture absorbent 31b of the ozone generator 31 without passing through the vortex tube 41. Even in this case, vaporization of the drain water absorbed by the hygroscopic material 31b can be promoted.
  • the oxidation catalyst and the DPF are provided in the exhaust passage 15 upstream of the selective reduction catalyst 21, but the oxidation catalyst may be omitted.
  • urea water is stored as the urea fluid, but the urea fluid may be any substance that can generate ammonia when reacting with NOx, and has a configuration that can be mounted on a vehicle. In this case, the urea fluid may be ammonia or ammonia water.
  • the dryer using a hollow fiber membrane is exemplified as the dryer 37, but other types of dryers such as a dryer filled with a desiccant may be used.
  • a desiccant is used for the dryer 37, the warm air discharged from the vortex tube 41 may be used for regeneration of the desiccant.
  • the dryer 37 removes moisture from the compressed air and discharges it as drain water.
  • the dryer 37 may discharge only water vapor as drain water. Also in this case, the water vapor discharged from the dryer can be guided to the ozone generator 31 by the drainage supply path 37a, and the moisture can be permeated into the hygroscopic material 31b.
  • the ozone generator 31 is not limited to the above-described apparatus.
  • the hygroscopic material 31 b may be omitted, and the cooling device 40 may only inject the cold air from the vortex tube 41 toward the ozone generator 31.
  • the ozone generator 31 is not limited to a silent discharge type device, and may be a corona discharge type device or an electrolytic type device.
  • the outlet of the cold air passage 41e is arranged so that the cold air is obliquely incident on the surface of the hygroscopic material 31b, but the cold air is perpendicular to the surface of the hygroscopic material 31b. You may arrange
  • the casing of the main body 31a of the ozone generator 31 is made of a metal material, and the hygroscopic material 31b is in close contact with the casing. It may replace with this and the hygroscopic material 31b may form the wall part of a housing
  • ozone is not supplied when the exhaust gas temperature is low.
  • ozone may be supplied whenever urea water is supplied regardless of the exhaust gas temperature.
  • the ECU 50 calculates the ozone supply amount based on the map and the operating state of the engine 11, but the method for determining the ozone supply amount is not limited thereto.
  • a NO 2 sensor or a NO sensor may be provided upstream of the ozone supply nozzle 32 in the exhaust passage 15 and the ozone supply amount per unit time may be calculated based on the NO: NO 2 ratio and the exhaust flow rate.
  • the gas separation unit is formed by the oxygen enrichment unit 38 using the oxygen enriched film, but other configurations may be used as long as oxygen can be separated from the air.
  • a PSA Pressure Swing Adsorption
  • nitrogen is adsorbed on the adsorbent and nitrogen is separated from the adsorbent by repeating pressurization and pressure reduction.
  • the exhaust purification system or the ozone generator of the present invention may include only the vortex tube 42 in which the oxygen-enriched gas is cooled. That is, in the cooling structure of the ozone generator 31, the nitrogen-enriched gas separated by the oxygen enrichment unit 38 is injected into the hygroscopic material 31 b through which the drain water supplied from the dryer 37 penetrates.
  • the vortex tube 42 separates the oxygen-enriched gas separated from the oxygen-enriching unit 38 into cold air and warm air, and supplies the cold air to the ozone generator 31.
  • Even in such an exhaust purification system or an ozone generator by introducing the cooled oxygen-enriched gas into the ozone generation space, the ozone generation space can be cooled and the self-decomposition of ozone can be suppressed.
  • the ozone generator 30 is applied to the exhaust purification system 20 to promote the oxidation of NO.
  • the ozone generator 30 is used for other devices and systems for other purposes. May be.
  • ozone may be used in an apparatus or system that uses ozone for the purpose of decomposing, sterilizing, deodorizing, or decolorizing pollutants.
  • the exhaust purification system 20 is applied to a diesel engine, but may be applied to a gasoline engine.
  • the engine is applied to an engine with a supercharger, but may be applied to a naturally aspirated gasoline engine or a naturally aspirated diesel engine.
  • the engine to which the exhaust purification system 20 is applied is a vehicle engine, it may be a marine or aircraft engine.

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Abstract

　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る。

Description

排気浄化システム及びオゾン生成装置
　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ので、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は、内燃機関（以下、エンジン）の排ガスを浄化する排気浄化システムである。
　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。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（Ｏ３）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）に変換する。これによって、排ガスに含まれるＮＯ及びＮＯ２の比率が１対１に近付く。ＮＯ及びＮＯ２の比率が１対１に近付くと、ＮＯ及びＮＯ２が窒素（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、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行する。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。
　排気浄化システム及びオゾン生成装置のオゾン生成効率を高めるには高い冷却効果を有する冷却装置が必要である。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ており、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。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様では、排気浄化システムを提供する。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る。
　本発明の別の態様では、オゾン生成装置を提供する。オゾン生成装置は、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る。
　本発明の別の態様では、排気浄化システムを提供する。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、前記高酸素濃度ガスを冷気と暖気とに分けて排出するボルテックスチューブとを備える。前記ボルテックスチューブから排出された冷気は前記オゾン発生器に導入され、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンが生成される。
　本発明の別の態様では、オゾン生成装置を提供する。オゾン生成装置は、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、前記高酸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を備える。前記ボルテックスチューブから排出された冷気は前記オゾン発生器に導入され、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンが生成される。
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。 図１の排気浄化システムの概略図。 図２のボルテックスチューブの概略図。 図２の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。 図５の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。本実施形態では、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は、吸気マニホールド１２と排気マニホールド１４とを備える。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）
　排気通路１５のうち、タービン１８の下流には、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に酸化触媒（図示せず）と、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）（図示せず）と、選択還元型触媒２１とを備えている。選択還元型触媒２１は、排気通路１５のうち酸化触媒及びＤＰＦの下流に設けられている。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担持されたゼオライト又はジルコニアからなる。
　また、排気浄化システム２０は、流体供給装置としての尿素水供給装置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。尿素水供給装置２２は、尿素系流体としての尿素水を供給する。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の上流に供給する。排ガスにオゾンが添加されると、排ガスに含まれるＮＯが、反応式（１）に示すように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の上流に供給する。尿素水は、排ガスの熱によって加水分解されてアンモニア（ＮＨ３）を生成する。アンモニアは、反応式（２）に示すように、排ガスに含まれる一酸化窒素及び二酸化窒素と反応して窒素（気体窒素）に還元される。
　ＮＯ＋ＮＯ２＋ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（２）
　反応式（２）に示すように、ＮＯ：ＮＯ２の比が１：１に近付くほど、この還元反応は速く進行する。このため、オゾンを添加してＮＯをＮＯ２に酸化することによって、それらの比率を１：１に近付ける。
　（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と、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と、尿素水タンク２３を尿素水供給ノズル２４に接続する尿素水供給路２５とを備えている。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と、尿素水の供給量を調整する流量調整弁２７とが設けられている。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に印加する。駆動パルスを受信した尿素水供給ノズル２４は開き、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、電子線照射式、放射線照射式、光照射式、電解式等、公知の構成を有する装置である。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、オゾン生成空間を介して設けられた一対の電極板と、該一対の電極板の間に介在する誘電体と、交流高圧電源とを備えている。交流高圧電源により電極板の間に高電圧を印加することによって、オゾン生成空間に存在する酸素（気体酸素）からオゾンを発生させる。
　オゾン発生器３１の上流には空気導入路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ており、該始端を通じて外部から空気導入路３５に原料ガスとしての空気が吸入される。空気導入路３５の途中には、該始端寄りから、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、空気導入路３５の前記始端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、酸素富化膜を有している。酸素富化膜では、酸素透過性が窒素透過性に比べて大きい。すなわち、酸素が酸素富化膜を透過する速度は、窒素が酸素富化膜を透過する速度よりも大きい。この透過速度の違いによって、酸素富化膜は、圧縮空気を高酸素濃度ガスと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、圧縮空気を酸素と窒素とに完全分離するのではなく、例えば２０％の酸素濃度を有する圧縮空気が酸素富化膜を透過した場合、酸素濃度は３５％程度にまで高められる。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０．４～０．６ｋＰａ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へ供給される電力の下、空気を用いた場合と比較して、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の開度を制御することによって、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の出口には、オゾン供給部としてのオゾン供給ノズル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の上流に設けられている。ＥＣＵ５０は、駆動パルスをオゾン供給ノズル３２に印加する。駆動パルスを受信したオゾン供給ノズル３２は開き、排気通路１５にオゾンを噴射する。
　またＥＣＵ５０には、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と、エンジン回転数を検出する回転センサ５２と、例えばスロットルポジションセンサ等の負荷センサ５３とから、それぞれ検出信号が入力される。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格納したマップとの比較に基づき、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。ＥＣＵ５０は、算出した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を備える。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、内部に流路４１ｆを備えたチューブ４１ａと、流路４１ｆにそれぞれ連通する導入口４１ｂ、冷気導出口４１ｃ及び暖気導出口４１ｄとを備えている。上述したように、窒素富化ガスが導入口４１ｂから導入されて流路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４１付近で、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。ドライヤ３７から排出されるドレン水は、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、排水供給路３７ａに押し出される。これによって、ドレン水が排水供給路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、液体状態の水、気体状態の水（すなわち、水蒸気）、又はその両方を含む。排水供給路３７ａの出口はオゾン発生器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と、本体３１ａの外部に設けられた吸湿材３１ｂとを備えている。本体３１ａの筐体は、オゾンに対する高い耐久性を有し、且つ高い熱伝導性を有する金属材からなる。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高い吸湿性を有する物質から形成されている。この吸湿材３１ｂの近傍には、排水供給路３７ａの出口が配置されている。排水供給路３７ａの出口は、吸湿材３１ｂに接触して配置されるか、或いは吸湿材３１ｂの表面近傍に配置される。排水供給路３７ａの出口から排出されるドレン水は、吸湿材３１ｂに注入される。吸湿材３１ｂは、注入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。
　冷気通路４１ｅの出口は、吸湿材３１ｂの表面近傍に配置されている。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のうち冷気に曝される範囲を、冷気が表面に垂直に入射するように冷気通路４１ｅの出口が配置される場合に比べ、広くすることができる。
　ドレン水が浸透した吸湿材３１ｂに対し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せられる。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ものの、吸湿材３１ｂのドレン水の気化に伴って吸湿材３１ｂから気化熱が奪われるので、吸湿材３１ｂはさらに冷却される。噴射される冷気は乾燥しているので、ドレン水の気化が促進されることができる。
　吸湿材３１ｂが冷却されることによりオゾン発生器３１の本体３１ａが全体的に冷却され、本体３１ａに収容されている電極を介してオゾン生成空間が冷却される。４０℃付近ではオゾンの自己分解が促進され（すなわち、自己分解速度が上昇させられ）、低温ではオゾンの生成効率が高められる。ボルテックスチューブ４１は、細長状で例えば数百ｍｍの長さを有するので、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、ＥＣＵ５０は、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、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。これは、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、選択還元型触媒２１によってＮＯｘの還元反応が速やかに進行し、ＮＯｘはアンモニアと反応してＮ２に速やかに還元されるからである。
　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、単位時間あたりにエンジン１１から排出されるＮＯの量を推定する。ＥＣＵ５０は、このＮＯの量に相当する量のオゾンの質量、又はＮＯの量に対して所定の割合の量のオゾンの質量を、単位時間あたりオゾン供給量として算出し、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。ＥＣＵ５０は、算出した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。
　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等からの検出信号に基づいて判断する。選択還元型触媒２１の状態は、既に噴射された尿素水の量の積算値、又は排気通路１５に設けられたＮＯｘセンサからの信号等により判断する。尿素水の噴射量が決定されると、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の入口を通じて導入され、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空気は、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３２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き、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に酸化することによって、ＮＯ：ＮＯ２の比率を１：１に近付ける。排気通路１５に噴射された尿素水は、加水分解されてアンモニアを生成する。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からボルテックスチューブ４１の内部へ導入される。
　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。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。オゾン生成空間の温度が低下する結果、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、以下の利点が得られる。　（１）排気浄化システム２０は、選択還元型触媒２１と、選択還元型触媒２１に尿素を添加する尿素水供給装置２２と、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、酸素富化ガスからオゾンを生成するオゾン発生器３１と、排気通路１５のうち選択還元型触媒２１の上流にオゾンを供給するオゾン供給ノズル３２とを備える。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から導入される窒素富化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４１と、ボルテックスチューブ４１から排出された冷気をオゾン発生器３１に当てることによって該オゾン発生器３１を冷却する冷却装置４０とを備える。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）排気浄化システム２０は、酸素富化ユニット３８の上流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、乾燥した圧縮ガスを酸素富化ユニット３８に送るドライヤ３７とを備える。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、オゾン発生器３１に設けられておりボルテックスチューブ４１の冷気が噴射される吸湿材３１ｂとをさらに備える。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に冷気を噴射する場合に比べ、オゾン生成空間の温度を低下させることが可能となる。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って本体３１ａを全体的に冷却することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第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実施形態では、オゾン生成装置３０のみが第１実施形態のそれから変更されている。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、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にはボルテックスチューブ４１が設けられており、酸素富化ガスが圧送される第１供給路３５ａにはボルテックスチューブ４２が設けられている。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及び第２のボルテックスチューブ４１は、同じ構成を有する。
　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。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からの冷気、すなわち、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、オゾンの原料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ので、熱交換器２３ａとの熱交換によって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が設けられている。バルブ４３ａを開くことにより暖気導出口４１ｄ，４２ｄがエンジン１１に接続され、バルブ４３ａを閉じることにより暖気導出口４１ｄ，４２ｄが外部に接続される。従ってＥＣＵ５０は、尿素水を昇温する必要がある場合のみ暖気導出口４１ｄ，４２ｄを尿素水タンク２３に接続するように、バルブ４３ａの開閉を制御することができる。
　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実施形態と同様、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。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。乾燥空気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中の酸素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。
　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。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）の利点に加えて、以下の利点が得られる。
　（３）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１のボルテックスチューブ４２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けてそれぞれ排出するオゾン生成装置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に導入するとともに、低温の酸素富化ガスを原料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では、空気そのものが冷却されるのではなく、オゾン生成反応に係る酸素が集中的に冷却される。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ので、オゾン生成効率を向上させることができる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態を図７にしたがって説明する。尚、第３実施形態では、オゾン生成装置３０のみが第２実施形態のそれから変更されている。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、第２実施形態と同様、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には第２のボルテックスチューブ４１が設けられており、酸素富化ガスが圧送される第１供給路３５ａには第１のボルテックスチューブ４２が設けられている。
　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。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からの冷気、すなわち、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、この暖気とシリンダヘッド１１ａとの間で熱交換が行われる。暖気通路４３の途中には、三方弁からなるバルブ４３ａが設けられている。バルブ４３ａを開くことにより暖気導出口４２ｄがエンジン１１に接続され、バルブ４３ａを閉じることにより暖気導出口４２ｄが外部と接続される。従ってＥＣＵ５０は、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とを接続するように、バルブ４３ａの開閉を制御することができる。
　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実施形態と同様、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。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）の利点に加えて、以下の利点が得られる。
　（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に向けて導く暖気通路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が電極や筐体を冷却する。これによって、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。
　・上記第１～第３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。
　・上記第１～第３実施形態では、尿素系流体として尿素水を貯留したが、尿素系流体はＮＯｘとの反応時にアンモニアを生成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、尿素系流体はアンモニア又はアンモニア水であってもよい。
　・上記第１～第３実施形態では、ドライヤ３７として中空糸膜を用いたドライヤを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該乾燥剤の再生に用いてもよい。
　・ドライヤ３７は圧縮空気から水分を除去しドレン水として排出する。ドライヤ３７は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は、上記した装置に限定されない。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、コロナ放電式の装置でもよく、電解式の装置であってもよい。
　・上記第１～第３実施形態では、冷気通路４１ｅの出口を、冷気が吸湿材３１ｂの表面に対して斜めに入射するように配置したが、冷気が吸湿材３１ｂの表面に対して垂直に入射するように冷気通路４１ｅの出口を配置してもよい。
　・上記第１～第３実施形態では、オゾン発生器３１の本体３１ａの筐体は金属材からなり、吸湿材３１ｂを該筐体と密着させた。これに代えて、吸湿材３１ｂが筐体の壁部を形成してもよい。この場合、吸湿材３１ｂは筐体全体の壁部を形成してもよいし、図４のようにその一部を形成してもよい。
　・上記第１～第３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。これに代えて、排ガス温度に拘わらず、尿素水を供給するときには常にオゾンを供給してもよい。
　・上記第１～第３実施形態では、ＥＣＵ５０がマップとエンジン１１の運転状態とに基づきオゾン供給量を演算するが、オゾン供給量の決定方法はそれに限定されない。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の上流に設け、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。
　・上記第１～第３実施形態では、酸素富化膜を用いた酸素富化ユニット３８によってガス分離部を形成したが、空気から酸素を分離できれば他の構成であってもよい。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吸着材から窒素を分離する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、酸素富化ガスが冷却されるボルテックスチューブ４２のみを備えてもよい。即ち、オゾン発生器３１の冷却構造では、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が噴射される。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。そのような排気浄化システム又はオゾン生成装置でも、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によって、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。
　・上記第１～第３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、オゾン生成装置３０を他の目的で他の装置やシステムに利用してもよい。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やシステムに利用してもよい。
　・上記第１～第３実施形態では、排気浄化システム２０を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。排気浄化システム２０では、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。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。

Claims (8)

  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. 　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、
    　前記高酸素濃度ガスを冷気と暖気とに分け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排気浄化システム。
  8. 　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、
    　前記高酸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、低温の前記高酸素濃度ガスからオゾンを生成するオゾン生成装置。
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