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排ガス浄化装置 - トヨタ自動車株式会社
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発明の名称 排ガス浄化装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−9839(P2007−9839A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−193730(P2005−193730)
出願日 平成17年7月1日(2005.7.1)
代理人 【識別番号】100077481
【弁理士】
【氏名又は名称】谷 義一
発明者 矢作 秀夫
要約 課題
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。

解決手段
NOx吸蔵還元触媒が担持されたハニカム担体31の上流側で放電を行う第1リアクタ20と、前記ハニカム担体31の内部で放電を行う第2リアクタ38と、前記第1および第2リアクタ20,38を制御する高電圧電源50およびECU60と、を備え、ECU60は、NOx吸蔵還元触媒による吸蔵時に第1リアクタ20を動作させ、NOx吸蔵還元触媒による還元時に第2リアクタ38を動作させる。
特許請求の範囲
【請求項1】
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2】
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3】
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。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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に浄化する。
【0003】
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。
【特許文献1】特開2004−270587号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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やアンモニア等)を生成できない。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
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がN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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
ハニカム担体31は、例えばアルミナAl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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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に変化し、触媒装置30に供給される。このNOはNOx吸蔵還元触媒に吸蔵される。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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が還元され、Nなどに変換されて排出される。
【0034】
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。
【0035】
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がN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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】第1リアクタの正面図である。
【図4】第2リアクタの分解斜視図である。
【図5】第2リアクタの要部を示す側面図である。
【図6】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】
【0044】
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
60 ECU
70 エンジン




 

 


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