説明

排気浄化装置

【課題】NOの還元率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】NOを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも小さい時に、放電部が作動し、捕捉体にプラズマが形成される、排気浄化装置とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気ガスには、NO等に代表される化学物質(以下において、単に「NO」ということがある。)が含まれており、この化学物質は大気汚染の一因と考えられている。それゆえ、大気汚染を抑制するためには、排気ガスから上記化学物質を除去することが重要である。
【0003】
大気汚染の一因になる化学物質を排気ガスから除去する技術としては、例えば、化学物質を触媒に吸着させることによって排気ガスを浄化する排気浄化装置等が知られている。
【0004】
このような排気浄化装置に関する技術として、例えば特許文献1には、エンジンの排気通路に配設された排気ガス浄化触媒と、この排気ガス浄化触媒の上流の排気通路に活性酸素成分を供給可能な活性酸素成分供給手段と、エンジンの始動後に、排気ガスの温度が排気ガス浄化触媒の活性化温度以下のときに活性酸素成分供給手段を作動させる活性酸素成分供給制御手段と、エンジンの始動後に、空燃比が理論空燃比を挟んでリッチ側とリーン側とに振れるように制御する空燃比制御手段と、この空燃比制御手段による制御によって空燃比が理論空燃比よりもリーン側にあるときは、リッチ側にあるときに比べて、活性酸素成分供給制御手段による活性酸素成分の供給量を減量する活性酸素成分供給量調整手段とを備えた排気ガス浄化装置が開示されている。また、特許文献2には、プラズマ発生部、該プラズマ発生部内で発生したプラズマを電界によってプラズマ発生部外に引き出す電極、及び、プラズマ発生部と電極との間に配設されたハニカムを有し、ハニカム内の中空管を通る排ガス流れ方向とプラズマ発生部及び電極を結ぶ方向とが同一方向となるように配置され、ハニカムの内部が担持触媒からなる排ガス浄化装置が開示されている。また、特許文献3には、固体電解質からなる基板の少なくとも一方の面上に連続した電極が形成され、該連続した電極の一端から他端に電気が導通されるように電源が接続されたNO分解用電気化学素子に電圧を印加し、NOを接触させてNOを電気分解するNO浄化方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2009−36029号公報
【特許文献2】特開2008−248852号公報
【特許文献3】特開2008−68181号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1に開示されている技術では、排気ガス浄化触媒(以下において、「触媒」という。)を用いている。そのため、空燃比が理論空燃比よりも大きい時(以下において、「リーン燃焼時」ということがある。)に、NOを触媒へ捕捉(吸着)させることによって排気ガスを浄化することが可能になり、空燃比が理論空燃比よりも小さい時(以下において、「リッチ燃焼時」ということがある。)に、触媒に捕捉されたNOを還元することが可能になると考えられる。しかしながら、リッチ燃焼時に生成される還元種の還元力では、触媒とNOとの結合を十分に切断するには至らない。そのため、特許文献1に開示されている技術では、触媒に捕捉されたNOを十分に還元することが困難であるという問題があった。かかる問題は、特許文献2に開示されている技術や特許文献3に開示されている技術を用いても、解決することが困難であった。
【0007】
そこで本発明は、NOの還元率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、NOを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、該放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも小さい時に、放電部が作動し、捕捉体にプラズマが形成されることを特徴とする、排気浄化装置である。
【0009】
ここに、「放電部の動作を制御可能な制御手段」とは、制御手段によって放電部の動作が直接制御される形態のほか、放電部に接続された他の機器の動作を制御することによって放電部の動作が間接的に制御される形態をも含む概念である。
【0010】
上記本発明において、さらに、捕捉部を流通する流体へと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部が備えられ、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも大きい時に、オゾン生成部が作動し、オゾンが生成されることが好ましい。
【0011】
本発明において、オゾン生成部の動作制御形態は、制御手段によって直接制御される形態のほか、オゾン生成部に接続された他の機器の動作を制御することによって間接的に制御される形態とすることも可能である。
【0012】
また、オゾン生成部が備えられる上記本発明において、オゾン生成部は、上記給電部から電気エネルギーを供給されることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の排気浄化装置では、空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼時に、流体に含まれるNOを捕捉する捕捉体にプラズマが形成されるように、放電部の動作が制御手段によって制御される。リッチ燃焼時に捕捉体にプラズマを形成することにより、プラズマによって、捕捉体に捕捉されているNOと補足体との結合を切断することが容易になるので、捕捉体に捕捉されていたNOに占める捕捉体から除去されたNOの割合(NOの還元率)を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、NOの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置を提供することができる。
【0014】
また、本発明の排気浄化装置において、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼時にオゾンが生成されることにより、上記効果に加えて、NOの浄化効率を向上させることが可能になる。
【0015】
また、本発明の排気浄化装置において、捕捉部へ電気エネルギーを供給する給電部から、オゾン生成部へと電気エネルギーが供給されることにより、上記効果に加えて、電源定格を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の排気浄化装置10を説明する図である。
【図2】排気浄化装置10に備えられる捕捉体及び放電部の形態例を示す図である。
【図3】本発明の排気浄化装置20を説明する図である。
【図4】本発明の排気浄化装置20の制御方法を説明するフローチャートである。
【図5】本発明の排気浄化装置30を説明する図である。
【図6】放電部の電力とNO還元率との関係を示す図である。
【図7】オゾン濃度とNO吸着量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
NOを触媒等の捕捉体(以下において、「触媒」ということがある。)へと吸着させることによって排気ガスを浄化する、内燃機関の排気浄化装置では、リーン燃焼時にNOを触媒へと吸着させ、触媒へと吸着させたNOをリッチ燃焼時に還元している。しかしながら、触媒に吸着させたNOは触媒と強く結合しているため、従来の技術では、リッチ燃焼時に、炭化水素や一酸化炭素等の還元種によってNOを十分に還元することは困難であり、特に、触媒が非活性である低温時に、NOを還元することが困難であった。本発明者らは、鋭意研究の結果、触媒とNOとの結合を切断することによって、リッチ燃焼時のNO還元率を向上させることが可能になり、NO還元時に触媒表面にプラズマを形成することによって、触媒とNOとの結合を切断することが容易になることを知見した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【0018】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【0019】
図1は、第1実施形態にかかる本発明の排気浄化装置10の形態を簡略化して示す図である。図1の矢印は、内燃機関から排出された排気ガスの流通方向を示している。図1に示す排気浄化装置10は、NOを捕捉可能な捕捉体として機能する触媒1を収容した捕捉部2と、触媒1にプラズマを形成可能な放電部3と、放電部3へ電気エネルギーを供給可能な給電部4と、放電部3の動作を制御可能な制御手段5と、捕捉部2を流通する流体の空燃比を検出可能なセンサ6と、を有している。捕捉部2は、内燃機関から排出された排気ガスが流入する流入口、及び、捕捉部2を流通した排気ガスが流出する流出口を有している。放電部3は、触媒1を狭持する一対の正電極3a及び負電極3bを有しており、給電部4から放電部3へと電気エネルギーが供給されることにより、正電極3aと負電極3bとの間でプラズマが形成され、これによって、正電極3a及び負電極3bに狭持された触媒1の表面に、プラズマが形成される。制御手段5は、給電部4から放電部3への電気エネルギーの供給形態制御を通じて放電部3の動作制御を実行可能なCPU5aと、該CPU5aに対する記憶装置とが設けられている。CPU5aは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、CPU5aに対する記憶装置は、例えば、給電部4の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するROM5bと、CPU5aの作業領域として機能するRAM5c等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、CPU5aが、ROM5bに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、排気浄化装置10における制御手段5が機能する。センサ6によって検出された空燃比に関する情報(出力信号)は、制御手段5の入力ポート5dを介して、入力信号としてCPU5aへと到達する。CPU5aは、入力信号及びROM5bに記憶されたプログラムに基づいて、出力ポート5eを介して、給電部4に対する動作指令を制御する。給電部4は、CPU5aから与えられた動作指令に応じて、触媒1の表面にプラズマを形成するのに必要な電気エネルギーを放電部3へと供給する。すなわち、排気浄化装置10では、センサ6によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さい場合(リッチ燃焼時)に、CPU5aからの動作指令に基づいて作動する給電部4から放電部3へと電気エネルギーが供給されて放電部3が作動することにより、触媒1の表面にプラズマが形成される。触媒1の表面にプラズマを形成することにより、触媒1に吸着されたNOと触媒1との結合を容易に切断することが可能になる。したがって、本発明によれば、リッチ燃焼時に、触媒1から離脱したNOと還元種(炭化水素や一酸化炭素)との反応を促進することが可能になるので、NOの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置10を提供することができる。
【0020】
図2は、排気浄化装置10に備えられる捕捉体及び放電部の形態例を説明する図であり、捕捉体及び放電部に備えられる電極のみを抽出して示している。図2(a)は、触媒1並びに正電極3a及び負電極3bの形態を示す図であり、図2(b)は触媒1’並びに正電極3c及び負電極3dの形態を示す図である。図2(a)に示す正電極3a及び負電極3bはメッシュ状の金属電極であり、メッシュ状の正電極3a及び負電極3bによって触媒1が狭持されている。これに対し、図2(b)に示す正電極3cは棒状の金属電極、負電極3dは正電極3cを囲うように配置された円筒状の金属電極であり、触媒1’は負電極3dの内周面(正電極3cと対向する面)に配設されている。排気浄化装置10では、例えば、捕捉体(触媒1、1’)及び放電部(正電極3a及び負電極3bを備える放電部3、又は、正電極3c及び負電極3dを備える放電部)をこのような形態とすることにより、捕捉体の表面にプラズマを形成することが可能になる。このほか、例えば、特開2008−248852号公報に開示されている形態とすること等によっても、捕捉体の表面にプラズマを形成することが可能になる。
【0021】
図3は、第2実施形態にかかる本発明の排気浄化装置20の形態を簡略化して示す図である。図3において、排気浄化装置10と同様に構成されるものには、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図3に示す排気浄化装置20は、NOを捕捉可能な捕捉体として機能する触媒1を収容した捕捉部2と、触媒1にプラズマを形成可能な放電部3と、放電部3へ電気エネルギーを供給可能な給電部4と、放電部3の動作を制御可能な制御手段5と、捕捉部2を流通する流体の空燃比を検出可能なセンサ6と、捕捉部2を流通する排気ガスへと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部21と、を有している。図3に示すように、オゾン生成部21は、捕捉部2よりも、捕捉部2を流通する排気ガスの流通方向上流側に配設されている。排気浄化装置20において、制御手段5は、給電部4から放電部3への電気エネルギーの供給形態制御を通じて放電部3の動作制御を実行するとともに、給電部4からオゾン生成部21への電気エネルギーの供給形態制御を通じてオゾン生成部21の動作制御を実行するCPU5aと、該CPU5aに対する記憶装置とが設けられている。CPU5aは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、CPU5aに対する記憶装置は、例えば、給電部4の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するROM5bと、CPU5aの作業領域として機能するRAM5c等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、CPU5aが、ROM5bに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、排気浄化装置20における制御手段5が機能する。センサ6によって検出された空燃比に関する情報(出力信号)は、制御手段5の入力ポート5dを介して、入力信号としてCPU5aへと到達する。CPU5aは、入力信号及びROM5bに記憶されたプログラムに基づいて、出力ポート5eを介して、給電部4に対する動作指令を制御する。給電部4は、CPU5aから与えられた動作指令に応じて、放電部3又はオゾン生成部21へ電気エネルギーを供給する。放電部3へ電気エネルギーが供給されることにより放電部3が作動すると、触媒1の表面にプラズマが形成され、オゾン生成部21へ電気エネルギーが供給されることによりオゾン生成部21が作動すると、捕捉部2を流通する流体へと供給すべきオゾンが生成される。
【0022】
より具体的に、排気浄化装置20では、センサ6によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さい場合(リッチ燃焼時)には、CPU5aからの動作指令によって給電部4から放電部3へと電気エネルギーが供給されて放電部3が作動し、触媒1の表面にプラズマが形成される。触媒1の表面にプラズマを形成することにより、触媒1に吸着されたNOと触媒1との結合を容易に切断することが可能になる。したがって、本発明によれば、リッチ燃焼時にNOの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置20を提供することができる。これに対し、センサ6によって検出された空燃比が理論空燃比以上である場合(リーン燃焼時)には、CPU5aからの動作指令によって給電部4からオゾン生成部21へと電気エネルギーが供給されることによりオゾン生成部21が作動してオゾンが生成され、捕捉部2へと流入する流体にオゾンが供給される。リーン燃焼時の排気ガスにオゾンを供給することにより、触媒1によるNO吸着効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、リーン燃焼時にNOの浄化効率を向上させることが可能な、排気浄化装置20を提供することができる。すなわち、本発明によれば、リッチ燃焼時にNOの還元率を向上させることが可能であり、且つ、リーン燃焼時にNOの浄化効率を向上させることが可能な、排気浄化装置20を提供することができる。
【0023】
さらに、図3に示す排気浄化装置20では、放電部3への電気エネルギーの供給、及び、オゾン生成部21への電気エネルギーの供給が、給電部4からなされる。排気浄化装置20では、複数箇所(放電部3、オゾン生成部21)への給電が必要とされるものの、放電部3への給電は空燃比が理論空燃比よりも小さい場合に行われ、オゾン生成部21への給電は空燃比が理論空燃比以上である場合に行われるため、同時に複数箇所へ給電する必要はない。そのため、排気浄化装置20では、一つの給電部4から放電部3やオゾン生成部21へ給電することが可能になる。かかる形態とすることにより、排気浄化装置を小型化することが可能になるほか、電源定格を低減して給電部4によって消費されるエネルギーを低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、上記効果に加えて、小型化すること、及び、給電部4によって消費されるエネルギーを低減することが可能な、排気浄化装置20を提供することができる。
【0024】
図4は、排気浄化装置20の制御方法を説明するフローチャートである。図4に示すように、排気浄化装置20を制御する際には、内燃機関が作動中であるか否かが判断される(工程S1)。工程S1で否定判断がなされた場合には、排気ガスが発生しないため、排気浄化装置20は作動されない。これに対し、工程S1で肯定判断がなされた場合には、排気ガスが発生するため、引き続き、センサ6によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さいか否かが判断される(工程S2)。工程S2で肯定判断がなされた場合には、リッチ燃焼時であるため、触媒1にプラズマを形成すべく、給電部4から放電部3へと電気エネルギーが供給されるように、CPU5aから給電部4へ向けて動作指令が出力される(工程S3)。これに対し、工程S2で否定判断がなされた場合には、リーン燃焼時であるため、捕捉部2を流通する排気ガスにオゾンを供給すべく、給電部4からオゾン生成部21へと電気エネルギーが供給されるように、CPU5aから給電部4へ向けて動作指令が出力される(工程S4)。
【0025】
本発明の排気浄化装置20において、オゾン生成部21は、オゾンを生成可能であればその形態は特に限定されるものではなく、公知のオゾン生成装置を適宜用いることができる。また、上記説明では、センサ6と放電部3との間にオゾン生成部21が配設される形態の排気浄化装置20を例示したが、本発明の排気浄化装置は当該形態に限定されるものではなく、図5に示す排気浄化装置30のように、外部に配設されたオゾン生成部31から、捕捉部2を流通する排気ガスへオゾンが添加される形態とすることも可能である。
【0026】
また、本発明の排気浄化装置10、20、30において、触媒1は、オゾンを吸着可能な公知の触媒を適宜用いることができる。
【0027】
本発明の排気浄化装置に関する上記説明では、捕捉体として触媒が備えられる形態を例示したが、本発明の排気浄化装置は当該形態に限定されるものではなく、公知のNO吸着材等、NOを捕捉し得る公知の捕捉体を適宜用いることができる。
【実施例】
【0028】
50秒間に亘るリーン燃焼を行って触媒1にNOを吸着させた後、10秒間に亘るリッチ燃焼を行い、リッチ燃焼時に放電部3へと電気エネルギーを供給する給電部4の電力を3種類(0W、2W、3W)に変化させることにより、排気浄化装置10における放電部3の作動とNO還元率との関係を調査した。結果を図6に示す。給電部4の電力を2Wにした場合を実施例1、給電部4の電力を3Wにした場合を実施例2、給電部4の電力を0Wにした場合を比較例とする。図6の縦軸はNO還元率[%]である。実施例1、実施例2、及び、比較例において、触媒1は0.2mol−Ba/2%−Pt/Alを用いた。また、排気ガスの温度は150℃、流量は15L/minとし、排気ガス中のNO濃度は100ppm、排気ガスの水分濃度は窒素濃度の3%であった。
【0029】
図6に示すように、給電部4の電力を2WにするとNO還元率が60%を超え、給電部4の電力を3WにするとNO還元率が70%を超えた。これに対し、給電部4の電力を0Wにした場合のNO還元率は30%程度であった。すなわち、リッチ燃焼時に触媒にプラズマを形成する本発明の排気浄化装置10によれば、リッチ燃焼時に触媒にプラズマを形成しない従来の排気浄化装置と比較して、NO還元率を2倍以上に増大させることができた。
【0030】
次に、リーン燃焼時に捕捉部2を流通する排気ガスに含まれる、排気浄化装置20のオゾン生成部21によって生成されたオゾンの量(オゾン濃度)と、触媒1に吸着されたNO量(NO吸着量)との関係を調査した。結果を図7に示す。図7の縦軸は、オゾン濃度が500ppmである時のNOx吸着量を1とした場合のNOx吸着量であり、図7の横軸はオゾン濃度[ppm]である。なお、触媒1は、(1)2gのAl、(2)Pt及びAlを合計で2g、(3)Ba、Pt、及び、Alを合計で2g、の3形態とし、図7の「●」は上記(1)の結果、「△」は上記(2)の結果、「■」は上記(3)の結果である。また、捕捉部2を流通する排気ガスは下記表1に示す条件とした。
【0031】
【表1】

【0032】
図7に示すように、触媒1が上記3形態の何れの形態であっても、オゾン濃度が増大するにつれて、NO吸着量が増大した。したがって、リーン燃焼時にオゾンを生成する本発明の排気浄化装置20(排気浄化装置30も同様)によれば、リーン燃焼時にオゾンを生成しない場合と比較して、NO吸着量を増大させることができた。
【産業上の利用可能性】
【0033】
本発明の排気浄化装置は、自動車等に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる化学物質を浄化する装置として利用することができる。
【符号の説明】
【0034】
1、1’…触媒(捕捉体)
2…捕捉部
3…放電部
3a、3c…正電極
3b、3d…負電極
4…給電部
5…制御手段
5a…CPU
5b…ROM
5c…RAM
5d…入力ポート
5e…出力ポート
6…センサ
10…排気浄化装置
20…排気浄化装置
21…オゾン生成部
30…排気浄化装置
31…オゾン生成部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
NOを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、前記捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、該放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、前記放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、
前記捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が、理論空燃比よりも小さい時に、前記放電部が作動し、前記捕捉体にプラズマが形成されることを特徴とする、排気浄化装置。
【請求項2】
さらに、前記捕捉部を流通する流体へと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部が備えられ、
前記内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも大きい時に、前記オゾン生成部が作動し、オゾンが生成されることを特徴とする、請求項1に記載の排気浄化装置。
【請求項3】
前記オゾン生成部は、前記給電部から電気エネルギーを供給されることを特徴とする、請求項2に記載の排気浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−106422(P2011−106422A)
【公開日】平成23年6月2日(2011.6.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−264773(P2009−264773)
【出願日】平成21年11月20日(2009.11.20)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】