JP2004176679A

JP2004176679A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004176679A
Application number: JP2002346939A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kodama; 健司児玉
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、プラズマ発生装置への微粒子の付着を防止することで安定した排気ガス浄化性能の維持を可能とすると共に、排気中の微粒子を確実に捕集して適正に浄化可能とする。
【解決手段】プラズマ発生装置２１の両側にフィルタ２２，２３を設けて排気浄化装置１４を構成し、排気通路１１に２つの分岐供給通路１２，１３を介して排気浄化装置１４の各端都を連結し、各分岐供給通路１２，１３に排気浄化装置１４におけるガス流動方向を切り換える切換弁１７，１８，１９，２０を設け、制御手段２９は、排気ガス温度および一方のフィルタ２２，２３の捕集量に応じてプラズマ発生装置２１を作動制御すると共に、排気浄化装置１４におけるガス流動方向を切り換える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気中の微粒子を除去する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料をシリンダ内へ直接噴射する方式の内燃機関として、ディーゼルエンジンが広く知られている。ところが、このディーゼルエンジンにあっては、吸入吸気量に対して投入された燃料量の割合が増大してしまった場合に黒煙などの排気微粒子が排気ガス中に含まれてしまう。
【０００３】
そのため、排気微粒子を捕集し、その捕集された排気微粒子を比較的温度が低い状態でも燃焼除去できるように、フィルタ上流に酸化触媒を備えたものやフィルタ本体に酸化触媒を担持したフィルタ装置が開発されている。このような技術に係わるものとして、下記の特許文献１に記載された特許文献が存在する。
【０００４】
【特許文献１】
特公平３−７００８号公報
【０００５】
また、一方ではエンジンの排気ガスを浄化する方法として、プラズマを利用する方法が考えられている。このような排気ガス浄化装置として、下記の特許文献２に記載された技術がある。
【特許文献２】
特開平ｌ０−１６９４３１号公報
【０００６】
図２に特許文献２に記載された排気ガス処理装置の概略を示す。ディーゼルエンジンの排気ガス通路１０１に放電プラズマ発生装置１０２とＮＯｘ触媒装置１０３とが連続的に配設されて構成されている。放電プラズマ発生装置１０２は、メタルケース１０４の一端部に排気ガス入口部ｌ０５が形成される一方、他端部に排気ガス出口部ｌ０６が形成されており、このケース１０４内の排気ガス入口部１０５に碍子１０７が装着されると共に、ケース１０４内の中央部に碍子１０７に支持された放電極１０８が配設され、メタルケース１０４と放電極１０８の間に電圧パルス電源１０９が接続されている。
【０００７】
従って、電圧パルス電源１０９により高電圧パルスが印加されると、放電極１０８の周囲にコロナ放電領域が生成され、これにより生成されたラジカルがＮＯｘ触媒装置１０３に流入することとなる。すなわち、コロナ放電領域で、排気ガス中に合まれるＮＯがＮＯ２に活性化されてＮＯｘ触媒装置１０３に流人することとなり、このＮＯ２が触媒の作用により容易にＮ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏに変換されて浄化される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載される触媒を利用したフィルタでは、排気ガスの温度が触媒の括性化温度以上にならないと捕集した排気微粒子を燃焼することができないため、車両の低速走行が長時間継続すると、フィルタが目詰まりして排気圧力が上昇し、出力や燃費の悪化を招いてしまう。また、排気微粒子が多量に捕集された状態で排気ガス温度の高い運転状態に移行すると、多量の排気微粒子が急激に燃焼して高温となり、フィルタが劣化あるいは破損してしまうおそれがある。この問題を解決するためには、エンジン側による燃料の多段噴射，噴射時期の遅角等の排気温度を上昇させるための制御が必要となり、燃費，排気ガス性状等の悪化を招いてしまう。また、特許文献２に記載した排気ガス処理装置にあっては、排気微粒子などの物質を含んだ排気ガスが放電プラズマ発生装置１０２を通過した後にＮＯｘ触媒装置１０３に導入される。そのため、黒煙などの微粒子が放電プラズマ発生装置１０２に設けられた絶縁体としての碍子１０７の表面に付着し、付着した微粒子がメタルケース１０４と接触して電気の通り道となって全路破壊してしまい、安定したコロナ放電領域を生成することができず、排気ガス浄化性能が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するものであって、プラズマ発生装置への微粒子の付着を防止することで安定した排気ガス浄北性能の維待を可能とすると共に、排気中の微粒子を排気温度の低い運転領域においても浄化可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、請求項１の発明による内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に、排気中の徴粒子を捕集するフィルタと、該フィルタの排気下流側にプラズマ発生手段を設けると共に、プラズマ発生手段により生成されたラジカルを前記フィルタに供給するラジカル供給手段を設け、制御手段は、排気ガスの温度および排気微粒子の捕集量もしくはこの捕集量に起因するパラメータに応じてプラズマ発生手段を作動制御するようにしている。
【００１１】
従って、排気ガス中の排気微粒子は、フィルタにて捕集されて浄化されており、その下流側のプラズマ発生手段にこの微粒子が流入せずに付着を防止することができる。そして、エンジンの低負荷連転が連続して行われる場合には、排気ガスの温度が微粒了を燃焼する温度まで達せずに再生能力が減少するため、このとき、プラズマ発生手段を作動してコロナ放電領域によりラジカルを生成し、このラジカルをラジカル供給手段を介してフィルタに供給し、このラジカルによりフィルタに付着した微粒子を低温酸化して除去する。その結果、プラズマ発生手段への微粒子の付着を防止することで安定したコロナ放電領域を維持できるのでフィルタを確実に再生し、エンジン性能に悪影響を及ぼすことなく常時連続して安定した排気ガス浄化性能を維持することができる。
【００１２】
請求項２の発明による内燃機関の排気浄化装置では、前記ラジカル供給手段を、前記排気通路を分岐した第１分岐通路および第２分岐通路と、前記第１分岐通路と第２分岐通路の各通路途中を互いに接続する連結通路と、前記第１分岐通路および第２分岐通路に配設され、第１分岐通路から連通路に流入させて第２分岐通路に導出する排気流路と第２分岐通路から連通路に流入させて第１分岐通路に導出する排気流路とを切換可能な通路切換手段とで構成し、前記連結通路に直列に配設された第１のフィルタ及び第２のフィルタと、前記第１フィルタと第２フィルタとの間の前記連結通路に配設されたプラズマ発生手段で構成している。従って、分岐供給通路から一方のフィルタを介して供給された排気ガスに対してプラズマ発生手段によりラジカルが生成され、このラジカルが他方のフィルタに供給されて捕集した微粒子を低温酸化して除去することとなり、分岐供給通路を切り換えてプラズマ発生手段の両側に設けられた各フィルタを選択的に用いることで、フィルタによる微粒子の捕集とフィルタの再生とを連続して行うことができる。
【００１３】
請求項３の発明による内燃機開の排気浄化装置では、制御手段は、排気ガス温度および排気微粒子の捕集量あるいは該捕集量に起因するパラメータに応じて前記ブラズマ発生手段を作動制御すると共に、前記通路切換手段を作動して該プラズマ発生手段に流入する排気の流動方向を切り換えるようにしている。従って、通路切換手段により排気の流動方向を切り換えることで、容易にフィルタのよる微粒子の捕集とフィルタの再生とを連続して行うことができる。
【００１４】
請求項４の発明による内燃機関の排気浄化装置では、ラジカル供給手段は、前記プラズマ発生手段の下流側の排気通路と前記フィルタの上流側の排気通路とを連結する戻し通路としている。従って、プラズマ発生手段により生成されたラジカルを戻し通路を通して容易にフィルタに供給し、捕集した微粒子を低温酸化して除去することができ、構造の簡素化を図ることができる。
【００１５】
請求項５の発明による内燃機関の排気浄化装置では、前記フィルタに酸化触媒を担持した構成としている。従って、プラズマ発生手段を作動させない中高温の排気ガス温度域（例えば３００〜６００℃）において排気微粒子を効率良く燃焼させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄北装置の概略構成を示す。
【００１８】
本実施形態の排気浄化装置において、図１に示すように、図示しないエンジンの排気通路１１の上流側は、２つの分岐した一対の分岐供給通路１２，１３の上流端部に連結され、各分岐供給通路ｌ２，１３の途中は連結通路１５にて連結されている。また、連結通路１５には排気浄化装置１４が介装されている。そして、各分岐供給通路１２，１３には連結通路１５の連結部を境に上流側と下流側に排気ガスの流路及び排気浄化装置１４における流動方向を切り換える通路切換手段としての切換弁１７，１８，１９，２０が設けられている。
【００１９】
排気浄化装置１４はその中央部に設けられたプラズマ発生装置２１と、このプラズマ発生装置２１の両側に設けられた第１および第２フィルタ２２，２３とから構成されている。
【００２０】
プラズマ発生装置２１は、箱型形状をなすメタルケース２４に一対の碍子２５，２６が装着されると共に、ケース２４内の中央部に位置するように各碍子２５，２６に支持された放電極２７が配設されている。そして、メタルケース２４と放電極２７との間に電圧パルス電源２８が接続されている。従って、電圧パルス電源２８によりメタルケース２４と放電極２７との間に高電圧パルスを印加すると、放電極２７の周囲にコロナ放電領域を生成し、排気ガス中の分子を活性化してラジカルを生成することができる。
【００２１】
フィルタ２２，２３は、セラミックスの多孔質壁をハニカム形状にして多数の排気流路を形成し、当該排気通路の排気ガス入口側と出口側とを交互に目封じしたフィルタに、酸化触媒が担持されて構成されている。従って、フィルタ２２，２３に排気ガスが流入すると、ＨＣ、ＣＯ成分を酸化してＣＯ２、Ｈ２Ｏに変換すると共に、ＮＯを酸化してＮＯ２に変換することができる。また、排気ガスがフィルタ２２，２３の多孔質壁を通過することで排気ガス中の微粒子（ＰＭ：パティキュレート）、特に黒煙を捕集することができる。なお、触媒と微粒子を捕集するフィルタを一体に設けてフィルタ２２，２３としたが、酸化触媒とフィルタとを別々にして直列に配設してもよい。また、この酸化触媒２２，２３を三元触媒としてもよい。
【００２２】
また、前述した切換弁１７，１８，１９，２０及び電圧パルス電源２８は制御装置２９に接続されており、この制御装置２９は温度センサ３０により検出される排気ガス温度およびフィルタ２２，２３が捕集した微粒子の捕集量、あるいはこの捕集量に起因するパラメータ（圧力損失、エンジン駆動時間、走行距離など）に応じてこの切換弁１７，１８，１９，２０及び電圧パルス電源２８を作動制御可能としている。
【００２３】
なお、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にて、各構成部材を請求項における構成要素に対応させると、フィルタとして第１フィルタ２２を適用し、その下流側にプラズマ発生手段としてのプラズマ発生装置２１を設けている。そして、プラズマ発生手段（プラズマ発生装置２１）により生成されたラジカルをフィルタ（第ｌフィルタ２２）に供給するラジカル供給手段として、第２分岐供給通路１３、切換弁１７，１８，１９，２０を適用している。また、第２フィルタとしてフィルタ２３を適用している。
【００２４】
このように構成された本実施形態の排気浄化装置にて、制御装置２９は、排気ガス温度が所定の温度以上（例えば３００℃以上）である場合は、プラズマ発生装置２１の作動を停止させ、切換弁１７，１９を開放して切換弁１８，２０を閉止する。すると、排気ガスは、排気通路１１から第１分岐供給通路１２を通って排気浄化装置１４に流入する。この排気浄化装置１４では、第１フィルタ２２により排気ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ）が酸化処理されると共に、排気ガス中の微粒子（ＰＭ）が捕集されて浄化される。従って、第１フィルタ２２により下流側のプラズマ発生装置２１には微粒子が流入することはなく、碍子２５，２６への微粒子の付着を防止することができる。そして、浄化された排気ガスは排気浄化装置１４から第２分岐供給通路１３を通って排出される。
【００２５】
このとき、エンジンが比較的高負荷で連続的に運転される場合は、排気ガスの温度が第１フィルタ２２に担持された酸化触媒の活性化温度（例えば３００℃）以上になるため、排気ガス中のＮＯが高活性なＮＯ２に酸化され、捕集した微粒子を燃焼して第１フィルタ２２を良好に再生することができる。また、第１フィルタ２２に担持された酸化触媒により生成されたＮＯ２の一部が下流側の第２フィルタ２３にも流入することにより、第２フィルタ２３に捕集された微粒子も効果的に燃焼させることが可能になる。
【００２６】
一方、エンジンの低負荷運転が連続して行われる場合は、排気ガスの温度が第１フィルタ２２の活性化温度以上になる機会が少なく、捕集した微粒子を効率よく燃焼してフィルタを再生することができない。すると、第１フィルタ２２の微粒子の捕集量が増加して圧力損失が大きくなると、制御装置２９は、プラズマ発生装置２１を作動させると共に、切換弁１７，１９を閉止して切換弁１８，２０を開放する。なお、圧力損失は圧力センサを用いて直接検出するか、もしくはエンジンの駆動時間や走行距離に置き換えて検知してもよい。
【００２７】
すると、排気ガスは、排気通路１１から第２分岐供給通路１３を通って排気浄化装置１４に流入する。そして、この排気浄化装置１４では、第２フィルタ２３により排気ガス中の有害物質が酸化処理されると共に、排気ガス中の微粒子が捕集されて浄化され、浄化された排気ガスは排気浄化装置１４から第１分岐通路１２を通って排出される。
【００２８】
このとき、プラズマ発生装置２１では、電圧パルス電源２８によりメタルケース２４と放電極２７との間に高電圧パルスが印加され、放電極２７の周囲にコロナ放電領域が生成されてラジカルが生成される。このラジカルは第２フィルタ２３で浄化された排気ガスと共に第１フィルタ２２に流入し、ここで、第１フィルタ２２で捕集された微粒子を低温酸化して除去する。即ち、コロナ放電領域で、排気ガス中に合まれるＮＯがＮＯ２に活性化された状態で第１フィルタ２２に導入することによって排気微粒子を燃焼除去できるのである。尚、第１フィルタ２２で捕集した微粒子が除去されて再生を終了すると、制御装置２９によりプラズマ発生装置２１の作動を停止する。
【００２９】
そして、この状態で、再びエンジンの低負荷運転が連続して行われると、第２フィルタ２３の微粒子の捕集量が増加して圧力損失が大きくなるため、制御装置２９はこれを検出してプラズマ発生装置２１を作動して切換弁１７，１９を開放して切換弁１８，２０を閉止する。すると、前述と同様に、排気ガスが第１分岐供給通路１２から排気浄化装置１４に流入し第１フィルタ２２により微粒子が捕集されて浄化され、第２分岐供給通路１３により排出される。一方、プラズマ発生装置２１の作動により発生したラジカルは第２フィルタ２３に流入してフィルタに堆積した微粒子を低温酸化して除去することで再生する。
【００３０】
このような排気ガスの浄化処理並びにフィルタ２２，２３の再生処理の繰り返しにより安定した排気ガス浄化性能を維持しながら、排気ガスを連続的に浄化することができる。
【００３１】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、制御手段２９が一方のフィルタ２２，２３の捕集量に応じてプラズマ発生装置２１を作動させると共に通路切換手段１７，１８，１９，２０を作動させてガス流動方向を切り換えるようにしている。
【００３２】
従って、フィルタ２２，２３により排気ガス中の有害物質が酸化処理されると共に微粒子が捕集されて浄化されることとなり、エンジンが比較的高負荷で連続的に運転される場合は、フィルタ２２，２３が高温化されて捕集した微粒子を燃焼してフィルタ２２，２３を再生する。このとき、フィルタ２２，２３には酸化触媒が担持されているので、触媒の作用により効率よく微粒子が燃焼される。一方、エンジンの低負荷運転が連続して行われる場合は、切換弁１７，１８，１９，２０により排気浄化装置１４におけるガス流動方向を反転させて使用するフィルタ２２，２３を切り換えると共に、プラズマ発生装置２１を作動させることで、コロナ放電領域で生成されたラジカルを捕集済みのフィルタに供給し、捕集した微粒子を低温酸化して除去して再生する。その結果、このフィルタ２２，２３を交互に使用して事前に微粒子を捕集するため、ブラズマ発生装置２１ヘの微粒子の付着を防止することができ、常時連続して安定した排気ガス浄化性能を維持することができる。
【００３３】
なお、上述の実施形態では、排気浄化装置１４をプラズマ発生装置２１と２つのフィルタ２２，２３により構成し、その端部にそれぞれ分岐供給通路１２，ｌ３に連結すると共に切換弁１７，１８，１９，２０を設け、フィルタ２２，２３の捕集量に応じて排気浄化装置１４におけるガス流動方向を反転して使用するフィルタ２２，２３を切り換え、プラズマ発生装置２１を作動して捕集済のフィルタ２２，２３を再生するようにしたが、本発明はこの構成に限るものではない。
【００３４】
即ち、内燃機関の排気通路に、酸化触媒と、微粒子を捕集するフィルタと、プラズマ発生装置とを直列に配設し、プラズマ発生装置の下流側の排気通路と酸化触媒あるいはフィルタの上流側の排気通路とをラジカル供給手段としての戻し通路により連結すると共に、排気通路の下流側と戻し過路との合流部に流量調整弁を設けて、排気ガス温度およびフィルタの捕集量あるいはこの捕集量に起因するパラメータに応じてプラズマ発生装置を作勤して、生成されたラジカルを戻し通路を介してフィルタに供給するようにしてもよい。
【００３５】
従って、排気ガス温度が所定温度（例えば３００℃）よりも高い場合は、酸化触媒により排気ガス中の有害物質が酸化処理されると共に、フィルタにより微粒子が捕集されて浄化されることとなり、一方、エンジンの低負荷連転が連続して行われる場合は、プラズマ発生装置を作動させると共に流量調整弁により排気通路を流れる排気ガスの一部が戻し通路に流入可能とすることで、コロナ放電領域で生成されたラジカルを戻し通路を通して上流側の排気通路に戻してフィルタに供することができ、このフィルタに捕集した微粒子を低温酸化して除去して再生することができる。その桔果、事前に酸化触媒により微粒子を捕集するため、プラズマ発生装置２１への微粒子の付着を防止するができ、常時連続して安定した排気ガス浄化性能を維持することができると共に、複数の酸化触媒や排気流路を設ける必要がなく、構造の簡素化を図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の排気浄化装置によれば、排気微粒子は事前にフィルタにて捕集されて浄化されるため、プラズマ発生手段に対する微粒子の付着を防止することができると共に、プラズマ発生手段により生成したラジカルをラジカル供給手段を介してフィルタに供給し、このラジカルによりフィルタに付着した微粒子を低温酸化して除去する再生することができ、常時安定した排気ガス浄化性能を維持することができる。
【００３７】
請求項２の発明の排気浄化装置によれば、分岐供給通路を切り換えてプラズマ発生手段の両側に設けられた各フィルタを選択的に用いることで、フィルタによる微粒子の捕集とフィルタの再生とを連続して行うことができる。
【００３８】
請求項３の発明の排気浄化装置によれば、排気ガス温度およびフィルタの捕集量あるいは捕集量に起因するパラメータに応じてプラズマ発生手段を作動制御すると共に、通路切換手段によりプラズマ発生手段に流入する排気の流動方向を切り換えことで、容易にフィルタによる微粒子の捕集とフィルタの再生とを連続して行うことができる。
【００３９】
請求項４の発明の排気浄化装置によれば、ラジカル供給手段を、プラズマ発生手段の下流側の排気通路とフィルタの上流側の排気通路とを連結する戻し通路としたので、構造の簡素化を図ることができる。
【００４０】
請求項５の発明の排気浄化装置によれば、プラズマ発生手段を作動させない中高温の排気ガス温度域（例えば３００〜６００℃）において排気微粒子を効率良く燃焼させフィルタの再生を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】従来の排気ガス処理装置の概略図である。
【符号の説明】
１１排気通路
１２，１３分岐供給通路（ラジカル供給手段）
１４排気浄化装置
１５連結通路
１７，１８，１９，２０切換弁（ラジカル供給手段、通路切換手段）
２１プラズマ発生装置
２２第１フィルタ
２３第２フィルタ
２９制御装置

Claims

内燃機関の排気通路に設けられて排気中の微粒子を捕集するフィルタと、該フィルタの排気下流側に設けられたプラズマ発生手段と、該ブラズマ発生手段により生成されたラジカルを前記フィルタに供給するラジカル供給手段と、排気ガス温度および排気微粒子の捕集量もしくは該捕集量に起因するパラメータに応じて前記プラズマ発生手段を作動制御する制御手段とを具えたことを特徴とする内燃機開の排気浄化装置。
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ラジカル供給手段は、前記排気通路を分岐した第１分岐通路および第２分岐通路と、前記第１分岐通路と第２分岐通路の各通路途中を互いに接続する連結通路と、前記第１分岐通路および第２分岐通路に配設され、第１分岐通路から連通路に流入させて第２分岐通路に導出する排気流路と第２分岐通路から連通路に流入させて第１分岐通路に導出する排気流路とを切換可能な通路切換手段により構成され、前記連結通路に直列に配設された第１のフィルタ及び第２のフィルタと、前記第１フィルタと第２フィルタとの間の前記連結通路に配設されたプラズマ発生手段とを具えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、排気ガス温度および排気微粒子の捕集量あるいは該捕集量に起因するパラメータに応じて前記ブラズマ発生手段を作動制御すると共に、前記通路切換手段を作動して該プラズマ発生手段に流入する排気の流動方向を切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ラジカル供給手段は、前記プラズマ発生手段の下流側の排気通路と前記フィルタの上流側の排気通路とを連結する戻し通路であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタに酸化触媒を担持したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。