JP4265120B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents
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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排ガスに含まれるカーボンを主とする粒子状物質（以下ＰＭという）及びHC，NOx 等のガス成分を排ガス温度域で効率よく浄化できる排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排ガス中には、カーボン、 SOF（Soluble Organic Fraction）、高分子有機化合物、硫酸ミストなどからなるＰＭが含まれ、大気汚染及び人体への悪影響の面からＰＭの排出を抑制しようとする動きが高まっている。ＰＭの排出を抑制するには、フィルタによってＰＭを捕集する方法と、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを燃焼除去する方法の２種類があり、それぞれのあるいは両方を組み合わせた技術開発が進められている。
【０００３】
フィルタとしては、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞したものが用いられている。またフロースルー型の触媒はＰＭを濾し取る構造になっておらず、ＰＭの粒径に対して十分大きい直径0.05mm、好ましくは 0.2mm以上の連通口を有し、貴金属を担持したアルミナなどからなる触媒コート層が連通路に形成されている。このフロースルー型の触媒は、ペレット状、フォーム状、ハニカム状など種々の形状とされている。
【０００４】
フィルタによってＰＭを捕集する方法では、振動により堆積したＰＭを払い落とす、あるいは高温で熱処理するなどして堆積したＰＭを除去する保守が必要となる。そのためフィルタには十分な強度と耐熱性が必要であるが、現時点ではまだ十分でない。また自動車の内燃機関に適用する場合には、そのための加熱装置などが必要となるという問題もある。そこで特開平6-146852号公報には、放電プラズマによってラジカルを生成し、このラジカルによってフィルタに堆積したＰＭを低温で酸化する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら放電プラズマを用いて堆積したＰＭを燃焼除去する方法では、大きな電力が必要となるためにエネルギー効率が低い。そしてフィルタを用いる方法では、ＰＭの捕集効率を高くするために目の細かいフィルタを用いるのが望ましいが、そうすると圧力損失が大きくなるという重大な問題がある。さらに堆積したＰＭを燃焼除去したとしても、残った灰分によって目詰まりが発生するという問題もある。
【０００６】
そこで、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを酸化燃焼する方法が有望視されている。ＰＭを酸化燃焼するには、例えばPtなどの貴金属を担持した酸化触媒などを用いることが考えられる。しかしながらこの場合は、触媒と接触しないＰＭはそのまま排出されてしまう。また触媒と接触したとしても固相どうしの接触となるために、ＰＭと触媒成分との接触確率が低く酸化燃焼するＰＭはさほど多くないという問題がある。そのため、排ガス中のNOを酸化してNO2 とし、そのNO2 の高い酸化活性を利用した触媒、あるいは酸素放出材を用いて酸化活性を高めた触媒なども利用されている。
【０００７】
また特許第 3056626号公報には、帯電させたＰＭを強誘電体からなるペレットに静電気力で捕集し、ペレット間でマイクロプラズマを発生させることで捕集されたＰＭを燃焼除去する方法が開示されている。このようにすればフロースルー型としてもＰＭの捕集効率を格段に高めることができ、かつ捕集されたＰＭを効率よく燃焼除去することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところでディーゼルエンジンからの排ガスの温度は 300℃未満であるのが通常である。また始動時には、排ガス温度はさらに低い。そのため貴金属触媒によってＰＭを酸化燃焼させる場合には、貴金属の活性化が困難な低温域においてＰＭが多量に排出されるという問題がある。
【０００９】
また静電気力でＰＭを捕集し、捕集されたＰＭを放電により燃焼除去する方法では、放電に要する電力が大きくエネルギー効率が低い。さらに静電気力を利用してＰＭを捕集する方法においては、捕集されて電荷が消失したＰＭが再飛散し、それが酸化燃焼されずに排出されてしまうために、ＰＭの排出量の低減には限界がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを効率よく捕集でき、かつ捕集したＰＭを低温域から効率よく酸化燃焼できるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の内燃機関の排ガス浄化装置の特徴は、ディーゼルエンジンである内燃機関からのＰＭを含む排ガスを浄化するフロースルー構造の装置であって、ＰＭを帯電させる帯電部と、帯電したＰＭを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたＰＭを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含むことにある。
【００１２】
上記排ガス浄化装置において、捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。また捕集部に流入する排ガスの温度を推定し、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することも好ましい。さらに、捕集部に捕集されたＰＭの捕集量を検出するＰＭセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動することも好ましい。そして上記排ガス浄化装置は、内燃機関の運転状態から排ガス中のＰＭの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することが好ましい。
【００１３】
溶融塩型触媒は、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒であることが特に好ましい。
【００１４】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【００１５】
上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第２の放電部をもち、第２の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することが望ましい。そしてこの排ガス浄化装置においても、第２の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化装置では、ＰＭを帯電させる帯電部と、帯電したＰＭを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたＰＭを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含んでいる。したがって排ガス中のＰＭは、帯電部を通過することによって帯電し、捕集部に静電気力で捕集される。そして捕集部に捕集されたＰＭは、捕集部に含まれる溶融塩型触媒によって酸化燃焼されるため、捕集部に堆積するのが抑制され圧損の増大が防止されている。
【００１７】
しかし始動時などの低温域では、溶融塩型触媒が活性温度にまで到達しておらず、ＰＭの酸化燃焼が困難となる。そこで本発明の排ガス浄化装置では、そのような場合に放電部が駆動され、放電プラズマによって捕集部に捕集されたＰＭが燃焼除去される。また捕集部にＰＭが堆積し溶融塩型触媒が覆われて活性が低下したとしても、放電部の駆動により堆積したＰＭを燃焼除去することができ、溶融塩型触媒を再び活性化させることができる。
【００１８】
したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、溶融塩型触媒と放電部とを使い分けるあるいは同時に用いることにより、低温域から高温域まで安定してＰＭを燃焼除去することができ、圧損の増大も防止できる。
【００１９】
帯電部としては、ＰＭを帯電可能な手段を用いることができ、排ガスに数キロボルト程度の直流電圧を印加する手段、10キロボルト程度の交流パルス電圧を印加する手段、排ガス中で放電させる手段、高周波やイオンシャワーを照射する手段、摩擦による帯電手段などを利用することができる。帯電部ではＰＭを帯電するに足るだけのエネルギーが消費されるだけなので、大きな電力を消費することもない。
【００２０】
また捕集部は、帯電したＰＭを静電気力で吸着して捕集する部位であり、例えばアース電位にある部位とすることができる。
【００２１】
捕集部の形状は特に制限されず、排ガス流路の壁面に形成してもよいし、板状、筒状、ペレット状、ハニカム状、メッシュ状などとすることもできる。また捕集部は、帯電部の下流側に帯電部と別に設けることもできるし、帯電部が捕集部を兼ねるように構成することも可能である。例えば排ガス中に存在する一対の電極間に直流電圧を印加して放電を生成すれば、ＰＭは一般にマイナスに帯電し、静電気力でプラス側若しくはアース側の電極に吸着される。したがってプラス側若しくはアース側の電極として捕集部を形成しておけば、ＰＭは吸着に連続して捕集部の触媒によって酸化燃焼される。
【００２７】
所定温度以上で溶融して捕集されたＰＭを酸化浄化する溶融塩型触媒における所定温度とは、内燃機関の排ガス温度以上をいい、低温であることが望ましい。特に、排ガス温度が低温となるディーゼルエンジンに適用する場合には、 300℃以下であることが望ましい。そして溶融塩型触媒であれば、溶融して液状となるのでＰＭをより確実に捕捉することができ、ＰＭと溶融塩型触媒との接触面積が大きいのでより効率よく酸化燃焼することができる。また液状の溶融塩型触媒に捕捉されたＰＭは、電荷を消失しても再飛散するのが防止されるため、ＰＭの排出量をさらに低減することができる。
【００２８】
この溶融塩型触媒としては、Cs2MoO4-V2O5，CsVO3-MoO3，Cs2SO4-V2O5 、あるいはCs2O・V2O5， K2O・V2O5などを用いることもできるが、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒を用いることが特に望ましい。このような硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、より低温域での溶融が可能となるため、低温のディーゼル排ガス中のＰＭを効率よく酸化燃焼することが可能となる。
【００２９】
また上記した硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、溶融塩を含む触媒成分が固体担体に担持されている。したがって溶融塩が液相となっても、固体担体との相互作用によって固体担体に付着した状態が維持され、下流側へ流されるような不具合が生じない。さらに触媒成分は常温では固体であるので、触媒の取り扱いも容易であり、排気流路への搭載も従来の三元触媒などと同様に行うことができる。
【００３０】
さらに溶融塩として硝酸塩を用いているため、高温域で硝酸塩に分解が生じたとしても、排ガス中に含まれる窒素酸化物によって再び硝酸塩が生成する。これによって触媒成分が再生されるため耐久性に優れている。この現象は、排ガス中のNOx 浄化としても利用できる。
【００３１】
そして硝酸リチウムなど特に低温で溶融する溶融塩を用いれば、低温域におけるＰＭと触媒との接触性が向上するため、低温域から高温域まで広い温度範囲でＰＭを酸化燃焼することができる。
【００３２】
硝酸塩系の溶融塩型触媒に用いられる固体担体としては、従来の三元触媒などに用いられているアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、ゼオライトなどを用いることができるが、マグネシアスピネル、ジルコニア、アルカリ金属の酸化物、マグネシアなどのアルカリ土類金属の酸化物、ランタナ，ネオジアなどの希土類元素の酸化物などの塩基性担体が特に好ましい。このような塩基性担体を用いることによって、触媒成分と担体との固相反応が抑制されるため耐久性が向上する。
【００３３】
触媒成分は、硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む。アルカリ金属の硝酸塩としては、KNO3， CsNO3， NaNO3， LiNO3などが例示される。またアルカリ土類金属の硝酸塩としては、Ba(NO3)2，Sr(NO3)2，Ca(NO3)2，Mg(NO3)2などが例示され、希土類元素の硝酸塩としては、Y2(NO3)3， La2(NO3)3， Nd2(NO3)3， Pr2(NO3)3などが例示される。このうち一種のみを用いてもよいし、複数種類が複合化した複合硝酸塩を担持することもできる。複合硝酸塩とすることにより、溶融温度が低下する場合が多い。
【００３４】
この複合硝酸塩としては、 AgNO3-CsNO3，CsNO3-KNO3， CsNO3-NaNO3， CsNO3-LiNO3， KNO3-Mg(NO3)2， LiNO3-NaNO3，NaNO3-Ca(NO3)2，NaNO3-Mg(NO3)2，AgNO3-KNO3-NaNO3，AgNO3-NaNO3-Ba(NO3)2，KNO3-LiNO3-NaNO3， KNO3-NaNO3-Mg(NO3)2，KNO3-Ba(NO3)2-Ca(NO3)2，KNO3-Ba(NO3)2-Sr(NO3)2，KNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2，LiNO3-NaNO3-Ca(NO3)2， NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2， NaNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2，KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2などが好ましい。これらの複合硝酸塩を用いれば、溶融温度を 200℃以下とすることができる。
【００３５】
触媒成分中に含まれる硝酸塩としては、溶融温度が低く分解温度が高いものが望ましい。これにより広い温度範囲及び広い空間速度の排ガス中でＰＭを効率よく燃焼除去することができる。例えば上記した硝酸塩の中ではアルカリ金属の硝酸塩を含むものが好ましく、 LiNO3を含むものが最も好ましい。
【００３６】
硝酸塩の担持量は、固体担体に対して１重量％以上とすることが望ましい。担持量がこれより少ないとＰＭの酸化燃焼が困難となる。また硝酸塩の担持量が多くなるほどＰＭの酸化燃焼温度が低くなる傾向にあるが、 120重量％以上担持すると担体上での安定性が不十分となり下流に流されて凝集する場合があるので 120重量％未満とすることが望ましい。
【００３７】
触媒成分は、酸化促進成分をさらに含むことが望ましい。この酸化促進成分によりＰＭ中の SOFの酸化などによってＰＭの酸化燃焼が促進される。酸化促進成分としては、Pt，Pd，Rhなどの貴金属、あるいはCeO2，ZrO2，CeO2−ZrO2固溶体， BaO， CaO，V2O5， ZnO， WO3，MoO3， NiO， FeO， Fe3O4， Fe2O3，MnO2， Cr2O3， CuO， CoO， Co3O4などの各種酸化物を用いることができる。中でもPtを含むことが特に望ましい。Ptによって SOFの酸化とともに排ガス中のNOx を還元する作用が奏され、また硝酸塩の近傍にPtを担持すれば、高温時に分解した硝酸塩の再生が行われるため耐久性が向上する。
【００３８】
この酸化促進成分の担持量は、固体担体に対して、貴金属の場合には 0.1〜10重量％、各種酸化物の場合には１〜50重量％の範囲が好ましい。この範囲より少ないと効果が発現されず、これ以上担持しても効果が飽和するとともに悪影響が現れる場合がある。
【００３９】
固体担体に硝酸塩を担持するには、硝酸塩の水溶液を固体担体に含浸させ、それを乾燥すればよい。また酸化促進成分を担持するには、その金属化合物の水溶液を用いて担持し、それを焼成すればよい。
【００４０】
この溶融塩型触媒を捕集部に含ませるには、捕集部のできるだけ表面側に溶融塩型触媒が存在するようにするのが望ましく、捕集部の表面に層状に形成するのが特に好ましい。例えば溶融塩型触媒の粉末をバインダ及び溶媒とともにスラリー状とし、それを捕集部の表面に塗布後に熱処理する方法がある。この場合には、溶媒として硝酸塩が溶出しない有機溶媒が望ましいが、水など溶出する溶媒でも用いることができる。またバインダとしては、硝酸アルミニウムなどを用いることができる。
【００４１】
捕集部における溶融塩型触媒の含有量は、捕集部の大きさ、捕集されるＰＭの量、あるいは溶融塩型触媒の活性などに応じて決められるが、捕集部表面に層状に形成する場合には、厚さ0.01〜１mmの範囲で形成するのが好ましい。厚さがこれより薄いと捕集部の大きさが大きくなりすぎて実用的でなく、これより厚くすると内部の触媒成分の有効利用が困難となる。
【００４２】
ＰＭ捕集部に触媒をつけることで、ＰＭの燃焼と同時にＰＭを還元剤としたNOx 浄化も可能であり、またHCの浄化作用も行うことができる。より強力にNOx ，HCを浄化するには、捕集部とは別にNOx ，HC浄化用の触媒を設けることが望ましい。
【００４３】
放電部は放電エネルギーによって捕集されたＰＭを燃焼除去する部位であり、10〜50kV程度の高電圧の印加によってプラズマ放電が発生するように構成される。この高電圧源としては、直流電圧、交流電圧あるいは交流パルス電圧などを用いることができる。そして捕集部内にあるいは捕集部に隣接して一対以上の電極を形成し、その電極間で放電させることでプラズマを発生させ、捕集されたＰＭを燃焼除去することができる。電極の形状には特に制限はないが、針状、エッジ状など放電しやすい形状とすることが望ましい。
【００４４】
この放電部は、帯電部を兼ねるように構成することもできる。つまりＰＭの捕集時には比較的小さな電圧を印加することでＰＭを帯電させ、捕集部にＰＭがある程度堆積したときに高電圧を印加して放電させることでＰＭを燃焼すればよい。
【００４５】
ところで放電部の放電時に供給される電力は大きいために、連続的に放電させる方法では自動車のバッテリーへの負荷が大きく実用的でない。そこで放電部に対してその駆動を制御することが望ましい。
【００４６】
例えば排ガスが高温域にある場合には、捕集部の溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、放電部を駆動しなくともＰＭの酸化燃焼が可能となる。そこで捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。このようにすれば、捕集部に含まれる溶融塩型触媒の活性化が困難な低温域でのみ放電部を駆動することができ、エネルギー効率が向上する。
【００４７】
また捕集部にある程度のＰＭが堆積した場合にのみ放電部を駆動するようにすることも好ましい。この場合には、捕集部に捕集されたＰＭの捕集量を検出するＰＭセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動するようにすればよい。このＰＭセンサとしては、帯電部の高電圧印加電極と捕集部間の容量変化から求める方法などを用いることができる。
【００４８】
また、内燃機関の運転状態から排ガス中のＰＭの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することも好ましい。このようにすれば、例えば定常走行時など排ガス中のＰＭ量がほとんど存在しない場合に帯電部あるいは放電部が駆動されるのを回避し、エネルギーロスを回避できる。また加速時など排ガス中のＰＭ量が多い場合にのみ放電部を駆動してＰＭの燃焼を補助すれば、ＰＭの排出を効果的に抑制することができる。そして電力の無駄な消費を防止することができ、エネルギー効率が向上する。
【００４９】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。例えば捕集部の上流側にこれらの触媒の一つを配置すれば、この触媒による酸化反応によって排ガス温度が上昇するので、捕集部におけるＰＭの酸化燃焼を促進することが可能となる。また捕集部の上流側又は下流側に三元触媒などを配置すればHC及びCOの排出を抑制でき、捕集部の上流側又は下流側にNOx 還元触媒などを配置すればNOx の排出を抑制することができる。したがってディーゼルエンジンからの排ガス中のＰＭばかりでなくガス状の有害成分も浄化することができ、環境汚染をより防止することができる。
【００５０】
また上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第２の放電部をもち、第２の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することも望ましい。このようにすれば、排ガス温度が溶融塩型触媒が活性化困難な低温域にある場合でも、放電によって排ガス中のHC，CO及びNOx を浄化することが可能となる。しかし排ガス温度が触媒が活性化する高温域にある場合も放電によって浄化するのでは、大量の電力を消費することとなりエネルギー効率が悪い。
【００５１】
そこで第２の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。このようにすれば、低温域では放電により排ガスを浄化し、高温域では放電を停止してこの触媒によって排ガスを浄化することができるので、エネルギー効率が改善されきわめて実用的な排ガス浄化装置となる。
【００５２】
【実施例】
以下、参考例、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００５３】
（参考例１）
図１に本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジン１の排ガス流路10に備えられたＰＭ捕集燃焼装置２と、ＰＭ捕集燃焼装置２に直流又は交流電圧を印加する高電圧発生装置３と、ディーゼルエンジン１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット11の信号を受けて高電圧発生装置３を制御する制御装置４とから構成されている。
【００５４】
ＰＭ捕集燃焼装置２は、図２にその詳細を示すように、筒状の捕集部20と、捕集部20内に配置された放電電極21とから構成されている。捕集部20は金属円筒の内側にコージェライトなどの耐熱性セラミックスで網状で円筒に形成された基体に、アルミナ粉末にPtが２重量％担持されてなる酸化触媒粉末がコートされて構成され、その筒壁にも排ガスが流通可能に構成されている。
【００５５】
酸化触媒粉末からなるコート層は、一般に用いられている排ガス浄化用触媒と同様にウェットコート法によって形成され、そのコート厚さは10〜1000μｍであって、捕集部20全体として４ｇのPtが担持されている。
【００５６】
放電電極21は、排ガス流路10の中心軸上に針状電極22が複数個放射状に配置されてなり、排ガス流路10及び捕集部20を貫通する碍子23を通じて高電圧発生装置３に接続されている。また排ガス流路10及び捕集部20はアース電位とされている。したがって高電圧発生装置３から直流電圧が放電電極21に印加されると、排ガス中のＰＭがマイナスに帯電して静電気力で捕集部20に引き寄せられ、交流高電圧が放電電極21に印加されると、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間で放電プラズマが発生するように構成されている。
【００５７】
以下、図３に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本参考例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【００５８】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 100で高電圧発生装置３が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【００５９】
次にステップ 101で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと定数Ａ及び定数Ｂが読み込まれる。定数Ａは捕集部20に堆積できるＰＭの上限値（臨界堆積量）であり、定数Ｂは捕集部20に堆積したＰＭが再飛散しない限界値である。
【００６０】
そしてステップ 102でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、エンジンの回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００６１】
ステップ 103では、排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 104において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００６２】
次にステップ 105でＰＭ堆積量Ｘと定数Ａとが比較され、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えている場合にはステップ 106で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間にプラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ102へ戻る。
【００６３】
一方、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、ステップ 107でＰＭ堆積量Ｘと定数Ｂとが比較される。ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂを超えている場合には、ＰＭが再飛散する可能性が大きいので、ステップ 108で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に印加される直流電圧を１kV程度高くしてＰＭの帯電電位を増大させ再飛散を抑制する。ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂ以下の場合には、何もせずステップ 102へ戻る。
【００６４】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂ以下の場合には排ガス中のＰＭは帯電により捕集部20に次々と捕集され、捕集部20に存在する酸化触媒によって酸化燃焼されて除去される。そしてＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂを超えると、ＰＭの帯電電位が増大されるため、ＰＭは捕集部20に捕集された状態を維持でき、電荷の消失による再飛散が防止されている。
【００６５】
そしてＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えると、放電プラズマによって堆積したＰＭが燃焼除去されるため、ＰＭ堆積量Ｘは急激に低下し、捕集部20は捕集能力を再び回復する。
【００６６】
図４及び図５に本参考例の排ガス浄化装置の効果を示す。図４では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸にＰＭの粒子径をとっている。従来のディーゼルパティキュレートフィルタでは、点線で示すように径の小さなＰＭはフィルタを通過してしまい、ある粒径以上でないと捕集機能が発現されない。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、粒径に関わらずほぼ 100％のＰＭ浄化率を確保することができる。
【００６７】
また図５では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸に装置に流入するＰＭ量をとっている。例えば酸化触媒のみあるいは放電プラズマのみで堆積したＰＭを浄化する場合には、流入するＰＭ量が多くなるにつれて処理能力が低下しＰＭ浄化率が低下してしまう。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電の両方でＰＭを除去できるため、流入するＰＭ量が多くなっても高いＰＭ浄化率を確保することができる。
【００６８】
そして、放電によって堆積したＰＭを燃焼させるために高電圧で高電圧発生装置３を駆動する時間は、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【００６９】
（参考例２）
本参考例では、参考例１の排ガス浄化装置を用い、制御内容が異なること以外は参考例１と同様である。以下、図６に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明する。
【００７０】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 200で高電圧発生装置３が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【００７１】
次にステップ 201で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと定数Ａ及び定数Ｔc が読み込まれる。定数Ａは捕集部20に堆積できる臨界堆積量であり、定数Ｔc は酸化触媒が活性化する最低温度（活性化温度）である。そしてステップ 202でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、ディーゼルエンジン１の回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００７２】
ステップ 203では、排ガス温度Ｔと活性化温度Ｔc とが比較される。排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc 以上の場合には捕集部20で堆積したＰＭが酸化燃焼されている。そこでステップ 204で排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 205において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００７３】
一方、排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より低いと、酸化触媒の活性が発現せず、堆積したＰＭを酸化燃焼することが困難であるため、捕集部20にはＰＭが堆積し続けることとなる。したがってその場合には、放電プラズマによって堆積したＰＭを燃焼することが望ましい。しかしながらこの排ガス浄化装置では、帯電部が放電部を兼ねているため、放電中はＰＭの帯電が困難であり、捕集部20に捕集されずに排出されるＰＭ量が多くなる恐れがある。
【００７４】
そこでステップ 206で図７のマップが参照される。図７に示すＲの領域内の運転条件ではＰＭを含めた有害物質の発生が少ないが、Ｒの領域外の運転条件ではＰＭを捕集する必要がある。したがってステップ 202で求められたディーゼルエンジン１の回転数と負荷がマップの領域Ｒ内であれば、ＰＭを捕集する必要が無いので、ステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。そしてステップ 207では、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻ってさらに捕集を続ける。一方、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷が領域Ｒ外の場合には、ＰＭを捕集する必要があるので何もせずステップ 202へ戻る。
【００７５】
またステップ 203で排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より高い場合には、ステップ 205において現在のＰＭ堆積量Ｘが更新されると、ステップ 208でＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えている場合にはステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻る。
【００７６】
一方、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、まだＰＭの捕集が可能であるので、何もせず処理はステップ 202へ戻る。
【００７７】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、酸化触媒が活性化していない低温時においても、堆積したＰＭをプラズマ放電によって燃焼除去することができ、低温域におけるＰＭの排出を抑制することができる。また低温時でかつＰＭを捕集する必要の無い場合、あるいはＰＭの堆積量が臨界堆積量Ａを超えた場合にのみ放電プラズマが発生するため、消費電力が小さくてすみエネルギー効率がよい。
【００７８】
（実施例１）
図８に本実施例の排ガス浄化装置を示す。参考例１と異なるところは、捕集部20のコート層に酸化触媒に代えて溶融塩型触媒を担持したこと、針状電極22に代えて円形フィン24を複数個設けたこと、そして捕集部20の上流側に排ガス流路10の径方向に延びる細い銅線25を碍子23を介して張設し高電圧発生装置３から銅線25に直流電圧が印加されるように構成したことである。他の構成は参考例１と同様である。高電圧発生装置３は、銅線25には直流高電圧を、円形フィン23には交流高電圧を印加できるようになっている。
【００７９】
捕集部20には、マグネシアスピネル担体 100ｇに対してKNO3が４ｇ、Ptが２ｇ担持された触媒粉末 100ｇを、 300ｇの水とともにスラリーとし、それを捕集部20に含浸した後 250℃で乾燥してなるコート層が形成されている。コート層の厚さは 0.1mmである。
【００８０】
以下、図９に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【００８１】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 300で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａ及び活性化温度Ｔc が読み込まれる。またステップ 301でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、ディーゼルエンジン１の回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００８２】
次にステップ 302で図７のマップが参照される。図７に示すＲの領域内の運転条件ではＰＭを含めた有害物質の発生が少ないが、Ｒの領域外の運転条件ではＰＭを捕集する必要がある。したがってステップ 301で求められたディーゼルエンジン１の回転数と負荷がマップの領域Ｒ内であれば、ＰＭを捕集する必要が無いので、何もせずステップ 301へ戻る。
【００８３】
一方、エンジン１の回転数と負荷が領域Ｒ外の場合には、ステップ 303で高電圧発生装置３が駆動され、銅線25に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは下流側の捕集部20に捕集され堆積する。そしてステップ 304で排ガス温度Ｔと活性化温度Ｔc が比較される。活性化温度Ｔc は捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化する最低温度であり、排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より低い場合には堆積したＰＭを酸化燃焼することが困難となる。そこでステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【００８４】
またステップ 302で排ガス温度Ｔが定数Ｔc より高い場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、ステップ 306で排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の溶融塩型触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 307において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００８５】
ここで捕集部20では、KNO3が溶融して液状となっているため、捕集されたＰＭは液相に捕捉されるとともに酸化されて燃焼除去されている。またＰＭは液相に捕捉されるため、電荷が消失しても再飛散するのが防止されている。したがって再飛散によるＰＭの排出も防止されている。
【００８６】
しかしながら溶融塩型触媒が液相となっているといえども、捕集されたＰＭの堆積量がある程度を超えると、電荷を失って再飛散する現象が生じる。そこでステップ 307で現在のＰＭ堆積量Ｘが更新されると、ステップ 308でＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａが比較され、現在のＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、まだＰＭを捕集することが可能であるので何もせずステップ 301へ戻る。
【００８７】
一方現在のＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａより大きいと、再飛散が生じる恐れがあるので燃焼処理が必要となる。そのためステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【００８８】
したがって本実施例の排ガス浄化装置によれば、捕集部20に溶融して液相となる溶融塩型触媒を担持しているので、捕集されたＰＭの再飛散をさらに防止することができる。また溶融塩型触媒が活性化しない低温域では放電プラズマによって堆積したＰＭを燃焼除去することができるので、低温域から高温域まで高い浄化率でＰＭを除去することができる。
【００８９】
図10に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図10では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸に時間をとっている。例えば放電プラズマによるＰＭの燃焼が行われず溶融塩型触媒による酸化燃焼のみである場合には、時間とともにＰＭ堆積量が増大し、再飛散が生じるためＰＭ浄化率が低くなって最終的にはＰＭは全く酸化されずに排出されることとなる。また溶融塩型触媒が担持されてなく放電処理のみである場合には、ＰＭ堆積量が臨界堆積量Ａとなった時点で放電プラズマが発生するので、ＰＭ浄化率は一定値で飽和する。しかし本実施例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電プラズマの両方でＰＭを除去できるため、時間に無関係に高いＰＭ浄化率を確保することができる。
【００９０】
そして、堆積したＰＭを燃焼する放電プラズマを発生するために高電圧で高電圧発生装置３を駆動する時間は、排ガスが低温域にある間とＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【００９１】
（実施例２）
図11に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジン１と実施例１と同様のＰＭ捕集燃焼装置２との間に排ガス温度を検出する温度センサ５が配置されている。そしてＰＭ捕集燃焼装置２の下流側に、排ガス中にプラズマを発生する第２放電装置６が配置され、さらにその下流側に三元触媒７が配置されている。第２放電装置６には、高電圧発生装置３によって交流高電圧が印加される。他の構成は参考例１と同様である。
【００９２】
以下、図12に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。なお高電圧発生装置３が銅線25に印加する電圧を帯電用DCと称し、円形フィン24に印加する電圧をＰＭ浄化用ACと称し、第２放電装置６に印加する電圧を第２放電用ACと称する。
【００９３】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 400で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと、臨界堆積量Ａ、ＰＭ発生量の所定値Ｃ及びNOx 量の所定値である所定値Ｄが読み込まれる。
【００９４】
次にステップ 401で温度センサ５から排ガス温度Ｔが入力されるとともに、ディーゼルエンジン１の運転状態が検出される。この運転状態は、加速時、減速時、定常走行時、アイドリング時の４段階で検出される。
【００９５】
そしてステップ 402でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス中のNOx の発生量Ｎが算出され、ステップ 403でＰＭ堆積量Ｘが更新される。その後ステップ 404とステップ 405とが平行して処理される。
【００９６】
ステップ 404では、制御装置４のメモリに記録されているマップ（表１）から、現在の排ガス温度Ｔにおける帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACのON-OFFが制御される。ここでは帯電用DCは常にONとされ、排ガス中のＰＭは静電気力で捕集部20に捕集される。そして排ガス温度Ｔが 250℃未満である場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化温度Ｔc に満たないので、ＰＭ浄化用ACがONとされ放電プラズマによって捕集されたＰＭを燃焼除去する。また三元触媒７も活性化されていないので、第２放電用ACもONとされ、プラズマによって排ガス中のHC及びNOx の浄化が行われる。
【００９７】
また排ガス温度Ｔが 250〜 300℃の場合には、三元触媒７は活性化されているため第２放電用ACは OFFとされ電力を節約する。しかしこの温度では、捕集部20における溶融塩型触媒の活性が十分でないので、ＰＭ浄化用ACはONの状態が維持される。さらに排ガス温度Ｔが 300℃以上である場合には、捕集部20における溶融塩型触媒も十分に活性化されるため、ＰＭ浄化用ACも OFFとされて電力を節約する。
【００９８】
【表１】
【００９９】
そしてステップ 405では、制御装置４のメモリに記録されているマップ（表２）から、ディーゼルエンジン１の運転状況に応じて帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACのON-OFFが制御される。
【０１００】
加速時には排ガス中のＰＭ、HC及びNOx が多いので、帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用AC共にONとされる。また減速時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、Ｘ＞Ａの場合にＰＭ浄化用ACがONとされて放電プラズマにより堆積したＰＭが燃焼除去される。また排ガス中のHC及びNOx は少ないので、第２放電用ACは OFFとされる。
【０１０１】
定常走行時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてＰＭ発生量Ｙと所定値Ｃとが比較され、Ｙ＞Ｃの場合にはＰＭ浄化用ACがONとされ放電プラズマによりＰＭが燃焼除去される。Ｙ≦Ｃの場合には、ＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。一方、NOx の発生量Ｎと所定値Ｄとの比較も行われ、Ｎ＞Ｄの場合には第２放電用ACがONとされて放電プラズマにより排ガス中のHC，NOx の浄化を助ける。しかしＮ≦Ｄの場合には、三元触媒７のみでHC，NOx の浄化が可能であるので、第２放電用ACは OFFとされて電力を節約する。
【０１０２】
そしてアイドリング時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。またＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。さらにNOx の発生量Ｎと所定値Ｄとの比較も行われ、定常走行時に準じた処理が行われる。
【０１０３】
【表２】
【０１０４】
次のステップ 406では、ステップ 404とステップ 405の結果が照会され、少なくとも一方のステップで OFFとされた帯電用DC、ＰＭ浄化用ACあるいは第２放電用ACを OFFとし、残りの帯電用DC、ＰＭ浄化用ACあるいは第２放電用ACをONとする制御が行われる。
【０１０５】
そしてステップ 407では、ＰＭ浄化用ACがONであるか否かが判定され、ＰＭ浄化用ACがONである場合には放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行って、処理はステップ 401に戻る。
【０１０６】
したがって本実施例の排ガス浄化装置では、排ガス温度Ｔ及びディーゼルエンジン１の運転状態に応じて高電圧発生装置３を細かく制御することができ、ＰＭを効率よく浄化しつつ消費電力を抑制することができる。
【０１０７】
図13に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図13では縦軸に高電圧発生装置３の消費電力を、横軸に排ガス温度をとり、定常走行時の場合を示している。高電圧発生装置３によって帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACを常時ONとしたのでは、図13に点線で示すように排ガス温度によって消費電力を抑制することは困難であるが、本実施例の排ガス浄化装置によれば、 250℃と 300℃を境として段階的に消費電力を削減することができ、 300℃以上では帯電用DCのみがONとなるため、消費電力を大きく低減することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを捕集でき、かつ捕集したＰＭを低温域から効率よく燃焼除去することができる。また消費電力の増大も抑制でき、自動車の排気系への搭載も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の一参考例の排ガス浄化装置に用いたＰＭ捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図３】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図５】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図７】ＰＭが生じないエンジン回転数と負荷の領域を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いたＰＭ捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図10】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図11】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図12】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図13】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
１：ディーゼルエンジン ２：ＰＭ捕集燃焼装置
３：高電圧発生装置 ４：制御装置
10：排ガス流路 20：捕集部 22：針状電極
【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排ガスに含まれるカーボンを主とする粒子状物質（以下ＰＭという）及びHC，NOx 等のガス成分を排ガス温度域で効率よく浄化できる排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排ガス中には、カーボン、 SOF（Soluble Organic Fraction）、高分子有機化合物、硫酸ミストなどからなるＰＭが含まれ、大気汚染及び人体への悪影響の面からＰＭの排出を抑制しようとする動きが高まっている。ＰＭの排出を抑制するには、フィルタによってＰＭを捕集する方法と、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを燃焼除去する方法の２種類があり、それぞれのあるいは両方を組み合わせた技術開発が進められている。
【０００３】
フィルタとしては、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞したものが用いられている。またフロースルー型の触媒はＰＭを濾し取る構造になっておらず、ＰＭの粒径に対して十分大きい直径0.05mm、好ましくは 0.2mm以上の連通口を有し、貴金属を担持したアルミナなどからなる触媒コート層が連通路に形成されている。このフロースルー型の触媒は、ペレット状、フォーム状、ハニカム状など種々の形状とされている。
【０００４】
フィルタによってＰＭを捕集する方法では、振動により堆積したＰＭを払い落とす、あるいは高温で熱処理するなどして堆積したＰＭを除去する保守が必要となる。そのためフィルタには十分な強度と耐熱性が必要であるが、現時点ではまだ十分でない。また自動車の内燃機関に適用する場合には、そのための加熱装置などが必要となるという問題もある。そこで特開平6-146852号公報には、放電プラズマによってラジカルを生成し、このラジカルによってフィルタに堆積したＰＭを低温で酸化する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら放電プラズマを用いて堆積したＰＭを燃焼除去する方法では、大きな電力が必要となるためにエネルギー効率が低い。そしてフィルタを用いる方法では、ＰＭの捕集効率を高くするために目の細かいフィルタを用いるのが望ましいが、そうすると圧力損失が大きくなるという重大な問題がある。さらに堆積したＰＭを燃焼除去したとしても、残った灰分によって目詰まりが発生するという問題もある。
【０００６】
そこで、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを酸化燃焼する方法が有望視されている。ＰＭを酸化燃焼するには、例えばPtなどの貴金属を担持した酸化触媒などを用いることが考えられる。しかしながらこの場合は、触媒と接触しないＰＭはそのまま排出されてしまう。また触媒と接触したとしても固相どうしの接触となるために、ＰＭと触媒成分との接触確率が低く酸化燃焼するＰＭはさほど多くないという問題がある。そのため、排ガス中のNOを酸化してNO2 とし、そのNO2 の高い酸化活性を利用した触媒、あるいは酸素放出材を用いて酸化活性を高めた触媒なども利用されている。
【０００７】
また特許第 3056626号公報には、帯電させたＰＭを強誘電体からなるペレットに静電気力で捕集し、ペレット間でマイクロプラズマを発生させることで捕集されたＰＭを燃焼除去する方法が開示されている。このようにすればフロースルー型としてもＰＭの捕集効率を格段に高めることができ、かつ捕集されたＰＭを効率よく燃焼除去することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところでディーゼルエンジンからの排ガスの温度は 300℃未満であるのが通常である。また始動時には、排ガス温度はさらに低い。そのため貴金属触媒によってＰＭを酸化燃焼させる場合には、貴金属の活性化が困難な低温域においてＰＭが多量に排出されるという問題がある。
【０００９】
また静電気力でＰＭを捕集し、捕集されたＰＭを放電により燃焼除去する方法では、放電に要する電力が大きくエネルギー効率が低い。さらに静電気力を利用してＰＭを捕集する方法においては、捕集されて電荷が消失したＰＭが再飛散し、それが酸化燃焼されずに排出されてしまうために、ＰＭの排出量の低減には限界がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを効率よく捕集でき、かつ捕集したＰＭを低温域から効率よく酸化燃焼できるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の内燃機関の排ガス浄化装置の特徴は、ディーゼルエンジンである内燃機関からのＰＭを含む排ガスを浄化するフロースルー構造の装置であって、ＰＭを帯電させる帯電部と、帯電したＰＭを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたＰＭを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含むことにある。
【００１２】
上記排ガス浄化装置において、捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。また捕集部に流入する排ガスの温度を推定し、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することも好ましい。さらに、捕集部に捕集されたＰＭの捕集量を検出するＰＭセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動することも好ましい。そして上記排ガス浄化装置は、内燃機関の運転状態から排ガス中のＰＭの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することが好ましい。
【００１３】
溶融塩型触媒は、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒であることが特に好ましい。
【００１４】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【００１５】
上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第２の放電部をもち、第２の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することが望ましい。そしてこの排ガス浄化装置においても、第２の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化装置では、ＰＭを帯電させる帯電部と、帯電したＰＭを静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって捕集部に捕集されたＰＭを酸化する放電部とを備え、捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含んでいる。したがって排ガス中のＰＭは、帯電部を通過することによって帯電し、捕集部に静電気力で捕集される。そして捕集部に捕集されたＰＭは、捕集部に含まれる溶融塩型触媒によって酸化燃焼されるため、捕集部に堆積するのが抑制され圧損の増大が防止されている。
【００１７】
しかし始動時などの低温域では、溶融塩型触媒が活性温度にまで到達しておらず、ＰＭの酸化燃焼が困難となる。そこで本発明の排ガス浄化装置では、そのような場合に放電部が駆動され、放電プラズマによって捕集部に捕集されたＰＭが燃焼除去される。また捕集部にＰＭが堆積し溶融塩型触媒が覆われて活性が低下したとしても、放電部の駆動により堆積したＰＭを燃焼除去することができ、溶融塩型触媒を再び活性化させることができる。
【００１８】
したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、溶融塩型触媒と放電部とを使い分けるあるいは同時に用いることにより、低温域から高温域まで安定してＰＭを燃焼除去することができ、圧損の増大も防止できる。
【００１９】
帯電部としては、ＰＭを帯電可能な手段を用いることができ、排ガスに数キロボルト程度の直流電圧を印加する手段、10キロボルト程度の交流パルス電圧を印加する手段、排ガス中で放電させる手段、高周波やイオンシャワーを照射する手段、摩擦による帯電手段などを利用することができる。帯電部ではＰＭを帯電するに足るだけのエネルギーが消費されるだけなので、大きな電力を消費することもない。
【００２０】
また捕集部は、帯電したＰＭを静電気力で吸着して捕集する部位であり、例えばアース電位にある部位とすることができる。
【００２１】
捕集部の形状は特に制限されず、排ガス流路の壁面に形成してもよいし、板状、筒状、ペレット状、ハニカム状、メッシュ状などとすることもできる。また捕集部は、帯電部の下流側に帯電部と別に設けることもできるし、帯電部が捕集部を兼ねるように構成することも可能である。例えば排ガス中に存在する一対の電極間に直流電圧を印加して放電を生成すれば、ＰＭは一般にマイナスに帯電し、静電気力でプラス側若しくはアース側の電極に吸着される。したがってプラス側若しくはアース側の電極として捕集部を形成しておけば、ＰＭは吸着に連続して捕集部の触媒によって酸化燃焼される。
【００２７】
所定温度以上で溶融して捕集されたＰＭを酸化浄化する溶融塩型触媒における所定温度とは、内燃機関の排ガス温度以上をいい、低温であることが望ましい。特に、排ガス温度が低温となるディーゼルエンジンに適用する場合には、 300℃以下であることが望ましい。そして溶融塩型触媒であれば、溶融して液状となるのでＰＭをより確実に捕捉することができ、ＰＭと溶融塩型触媒との接触面積が大きいのでより効率よく酸化燃焼することができる。また液状の溶融塩型触媒に捕捉されたＰＭは、電荷を消失しても再飛散するのが防止されるため、ＰＭの排出量をさらに低減することができる。
【００２８】
この溶融塩型触媒としては、Cs2MoO4-V2O5，CsVO3-MoO3，Cs2SO4-V2O5 、あるいはCs2O・V2O5， K2O・V2O5などを用いることもできるが、固体担体と、固体担体に担持された硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなる溶融塩型触媒を用いることが特に望ましい。このような硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、より低温域での溶融が可能となるため、低温のディーゼル排ガス中のＰＭを効率よく酸化燃焼することが可能となる。
【００２９】
また上記した硝酸塩系の溶融塩型触媒によれば、溶融塩を含む触媒成分が固体担体に担持されている。したがって溶融塩が液相となっても、固体担体との相互作用によって固体担体に付着した状態が維持され、下流側へ流されるような不具合が生じない。さらに触媒成分は常温では固体であるので、触媒の取り扱いも容易であり、排気流路への搭載も従来の三元触媒などと同様に行うことができる。
【００３０】
さらに溶融塩として硝酸塩を用いているため、高温域で硝酸塩に分解が生じたとしても、排ガス中に含まれる窒素酸化物によって再び硝酸塩が生成する。これによって触媒成分が再生されるため耐久性に優れている。この現象は、排ガス中のNOx 浄化としても利用できる。
【００３１】
そして硝酸リチウムなど特に低温で溶融する溶融塩を用いれば、低温域におけるＰＭと触媒との接触性が向上するため、低温域から高温域まで広い温度範囲でＰＭを酸化燃焼することができる。
【００３２】
硝酸塩系の溶融塩型触媒に用いられる固体担体としては、従来の三元触媒などに用いられているアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、ゼオライトなどを用いることができるが、マグネシアスピネル、ジルコニア、アルカリ金属の酸化物、マグネシアなどのアルカリ土類金属の酸化物、ランタナ，ネオジアなどの希土類元素の酸化物などの塩基性担体が特に好ましい。このような塩基性担体を用いることによって、触媒成分と担体との固相反応が抑制されるため耐久性が向上する。
【００３３】
触媒成分は、硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む。アルカリ金属の硝酸塩としては、KNO3， CsNO3， NaNO3， LiNO3などが例示される。またアルカリ土類金属の硝酸塩としては、Ba(NO3)2，Sr(NO3)2，Ca(NO3)2，Mg(NO3)2などが例示され、希土類元素の硝酸塩としては、Y2(NO3)3， La2(NO3)3， Nd2(NO3)3， Pr2(NO3)3などが例示される。このうち一種のみを用いてもよいし、複数種類が複合化した複合硝酸塩を担持することもできる。複合硝酸塩とすることにより、溶融温度が低下する場合が多い。
【００３４】
この複合硝酸塩としては、 AgNO3-CsNO3，CsNO3-KNO3， CsNO3-NaNO3， CsNO3-LiNO3， KNO3-Mg(NO3)2， LiNO3-NaNO3，NaNO3-Ca(NO3)2，NaNO3-Mg(NO3)2，AgNO3-KNO3-NaNO3，AgNO3-NaNO3-Ba(NO3)2，KNO3-LiNO3-NaNO3， KNO3-NaNO3-Mg(NO3)2，KNO3-Ba(NO3)2-Ca(NO3)2，KNO3-Ba(NO3)2-Sr(NO3)2，KNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2，LiNO3-NaNO3-Ca(NO3)2， NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2， NaNO3-Ca(NO3)2-Sr(NO3)2，KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2-Mg(NO3)2などが好ましい。これらの複合硝酸塩を用いれば、溶融温度を 200℃以下とすることができる。
【００３５】
触媒成分中に含まれる硝酸塩としては、溶融温度が低く分解温度が高いものが望ましい。これにより広い温度範囲及び広い空間速度の排ガス中でＰＭを効率よく燃焼除去することができる。例えば上記した硝酸塩の中ではアルカリ金属の硝酸塩を含むものが好ましく、 LiNO3を含むものが最も好ましい。
【００３６】
硝酸塩の担持量は、固体担体に対して１重量％以上とすることが望ましい。担持量がこれより少ないとＰＭの酸化燃焼が困難となる。また硝酸塩の担持量が多くなるほどＰＭの酸化燃焼温度が低くなる傾向にあるが、 120重量％以上担持すると担体上での安定性が不十分となり下流に流されて凝集する場合があるので 120重量％未満とすることが望ましい。
【００３７】
触媒成分は、酸化促進成分をさらに含むことが望ましい。この酸化促進成分によりＰＭ中の SOFの酸化などによってＰＭの酸化燃焼が促進される。酸化促進成分としては、Pt，Pd，Rhなどの貴金属、あるいはCeO2，ZrO2，CeO2−ZrO2固溶体， BaO， CaO，V2O5， ZnO， WO3，MoO3， NiO， FeO， Fe3O4， Fe2O3，MnO2， Cr2O3， CuO， CoO， Co3O4などの各種酸化物を用いることができる。中でもPtを含むことが特に望ましい。Ptによって SOFの酸化とともに排ガス中のNOx を還元する作用が奏され、また硝酸塩の近傍にPtを担持すれば、高温時に分解した硝酸塩の再生が行われるため耐久性が向上する。
【００３８】
この酸化促進成分の担持量は、固体担体に対して、貴金属の場合には 0.1〜10重量％、各種酸化物の場合には１〜50重量％の範囲が好ましい。この範囲より少ないと効果が発現されず、これ以上担持しても効果が飽和するとともに悪影響が現れる場合がある。
【００３９】
固体担体に硝酸塩を担持するには、硝酸塩の水溶液を固体担体に含浸させ、それを乾燥すればよい。また酸化促進成分を担持するには、その金属化合物の水溶液を用いて担持し、それを焼成すればよい。
【００４０】
この溶融塩型触媒を捕集部に含ませるには、捕集部のできるだけ表面側に溶融塩型触媒が存在するようにするのが望ましく、捕集部の表面に層状に形成するのが特に好ましい。例えば溶融塩型触媒の粉末をバインダ及び溶媒とともにスラリー状とし、それを捕集部の表面に塗布後に熱処理する方法がある。この場合には、溶媒として硝酸塩が溶出しない有機溶媒が望ましいが、水など溶出する溶媒でも用いることができる。またバインダとしては、硝酸アルミニウムなどを用いることができる。
【００４１】
捕集部における溶融塩型触媒の含有量は、捕集部の大きさ、捕集されるＰＭの量、あるいは溶融塩型触媒の活性などに応じて決められるが、捕集部表面に層状に形成する場合には、厚さ0.01〜１mmの範囲で形成するのが好ましい。厚さがこれより薄いと捕集部の大きさが大きくなりすぎて実用的でなく、これより厚くすると内部の触媒成分の有効利用が困難となる。
【００４２】
ＰＭ捕集部に触媒をつけることで、ＰＭの燃焼と同時にＰＭを還元剤としたNOx 浄化も可能であり、またHCの浄化作用も行うことができる。より強力にNOx ，HCを浄化するには、捕集部とは別にNOx ，HC浄化用の触媒を設けることが望ましい。
【００４３】
放電部は放電エネルギーによって捕集されたＰＭを燃焼除去する部位であり、10〜50kV程度の高電圧の印加によってプラズマ放電が発生するように構成される。この高電圧源としては、直流電圧、交流電圧あるいは交流パルス電圧などを用いることができる。そして捕集部内にあるいは捕集部に隣接して一対以上の電極を形成し、その電極間で放電させることでプラズマを発生させ、捕集されたＰＭを燃焼除去することができる。電極の形状には特に制限はないが、針状、エッジ状など放電しやすい形状とすることが望ましい。
【００４４】
この放電部は、帯電部を兼ねるように構成することもできる。つまりＰＭの捕集時には比較的小さな電圧を印加することでＰＭを帯電させ、捕集部にＰＭがある程度堆積したときに高電圧を印加して放電させることでＰＭを燃焼すればよい。
【００４５】
ところで放電部の放電時に供給される電力は大きいために、連続的に放電させる方法では自動車のバッテリーへの負荷が大きく実用的でない。そこで放電部に対してその駆動を制御することが望ましい。
【００４６】
例えば排ガスが高温域にある場合には、捕集部の溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、放電部を駆動しなくともＰＭの酸化燃焼が可能となる。そこで捕集部に流入する排ガス及び捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、その温度が所定値未満の場合に放電部を駆動することが好ましい。このようにすれば、捕集部に含まれる溶融塩型触媒の活性化が困難な低温域でのみ放電部を駆動することができ、エネルギー効率が向上する。
【００４７】
また捕集部にある程度のＰＭが堆積した場合にのみ放電部を駆動するようにすることも好ましい。この場合には、捕集部に捕集されたＰＭの捕集量を検出するＰＭセンサを備え、その捕集量が所定値を超えた場合に放電部を駆動するようにすればよい。このＰＭセンサとしては、帯電部の高電圧印加電極と捕集部間の容量変化から求める方法などを用いることができる。
【００４８】
また、内燃機関の運転状態から排ガス中のＰＭの含有量を推定し、その含有量が所定値を超えた場合に帯電部及び放電部の少なくとも一方を駆動することも好ましい。このようにすれば、例えば定常走行時など排ガス中のＰＭ量がほとんど存在しない場合に帯電部あるいは放電部が駆動されるのを回避し、エネルギーロスを回避できる。また加速時など排ガス中のＰＭ量が多い場合にのみ放電部を駆動してＰＭの燃焼を補助すれば、ＰＭの排出を効果的に抑制することができる。そして電力の無駄な消費を防止することができ、エネルギー効率が向上する。
【００４９】
さらに上記排ガス浄化装置において、捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。例えば捕集部の上流側にこれらの触媒の一つを配置すれば、この触媒による酸化反応によって排ガス温度が上昇するので、捕集部におけるＰＭの酸化燃焼を促進することが可能となる。また捕集部の上流側又は下流側に三元触媒などを配置すればHC及びCOの排出を抑制でき、捕集部の上流側又は下流側にNOx 還元触媒などを配置すればNOx の排出を抑制することができる。したがってディーゼルエンジンからの排ガス中のＰＭばかりでなくガス状の有害成分も浄化することができ、環境汚染をより防止することができる。
【００５０】
また上記排ガス浄化装置において、捕集部の下流側にさらに第２の放電部をもち、第２の放電部における放電によって捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することも望ましい。このようにすれば、排ガス温度が溶融塩型触媒が活性化困難な低温域にある場合でも、放電によって排ガス中のHC，CO及びNOx を浄化することが可能となる。しかし排ガス温度が触媒が活性化する高温域にある場合も放電によって浄化するのでは、大量の電力を消費することとなりエネルギー効率が悪い。
【００５１】
そこで第２の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、NOx 還元触媒及びNOx 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置することが好ましい。このようにすれば、低温域では放電により排ガスを浄化し、高温域では放電を停止してこの触媒によって排ガスを浄化することができるので、エネルギー効率が改善されきわめて実用的な排ガス浄化装置となる。
【００５２】
【実施例】
以下、参考例、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００５３】
（参考例１）
図１に本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジン１の排ガス流路10に備えられたＰＭ捕集燃焼装置２と、ＰＭ捕集燃焼装置２に直流又は交流電圧を印加する高電圧発生装置３と、ディーゼルエンジン１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット11の信号を受けて高電圧発生装置３を制御する制御装置４とから構成されている。
【００５４】
ＰＭ捕集燃焼装置２は、図２にその詳細を示すように、筒状の捕集部20と、捕集部20内に配置された放電電極21とから構成されている。捕集部20は金属円筒の内側にコージェライトなどの耐熱性セラミックスで網状で円筒に形成された基体に、アルミナ粉末にPtが２重量％担持されてなる酸化触媒粉末がコートされて構成され、その筒壁にも排ガスが流通可能に構成されている。
【００５５】
酸化触媒粉末からなるコート層は、一般に用いられている排ガス浄化用触媒と同様にウェットコート法によって形成され、そのコート厚さは10〜1000μｍであって、捕集部20全体として４ｇのPtが担持されている。
【００５６】
放電電極21は、排ガス流路10の中心軸上に針状電極22が複数個放射状に配置されてなり、排ガス流路10及び捕集部20を貫通する碍子23を通じて高電圧発生装置３に接続されている。また排ガス流路10及び捕集部20はアース電位とされている。したがって高電圧発生装置３から直流電圧が放電電極21に印加されると、排ガス中のＰＭがマイナスに帯電して静電気力で捕集部20に引き寄せられ、交流高電圧が放電電極21に印加されると、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間で放電プラズマが発生するように構成されている。
【００５７】
以下、図３に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本参考例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【００５８】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 100で高電圧発生装置３が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【００５９】
次にステップ 101で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと定数Ａ及び定数Ｂが読み込まれる。定数Ａは捕集部20に堆積できるＰＭの上限値（臨界堆積量）であり、定数Ｂは捕集部20に堆積したＰＭが再飛散しない限界値である。
【００６０】
そしてステップ 102でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、エンジンの回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００６１】
ステップ 103では、排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 104において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００６２】
次にステップ 105でＰＭ堆積量Ｘと定数Ａとが比較され、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えている場合にはステップ 106で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間にプラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ102へ戻る。
【００６３】
一方、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、ステップ 107でＰＭ堆積量Ｘと定数Ｂとが比較される。ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂを超えている場合には、ＰＭが再飛散する可能性が大きいので、ステップ 108で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に印加される直流電圧を１kV程度高くしてＰＭの帯電電位を増大させ再飛散を抑制する。ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂ以下の場合には、何もせずステップ 102へ戻る。
【００６４】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、ＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂ以下の場合には排ガス中のＰＭは帯電により捕集部20に次々と捕集され、捕集部20に存在する酸化触媒によって酸化燃焼されて除去される。そしてＰＭ堆積量Ｘが所定値Ｂを超えると、ＰＭの帯電電位が増大されるため、ＰＭは捕集部20に捕集された状態を維持でき、電荷の消失による再飛散が防止されている。
【００６５】
そしてＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えると、放電プラズマによって堆積したＰＭが燃焼除去されるため、ＰＭ堆積量Ｘは急激に低下し、捕集部20は捕集能力を再び回復する。
【００６６】
図４及び図５に本参考例の排ガス浄化装置の効果を示す。図４では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸にＰＭの粒子径をとっている。従来のディーゼルパティキュレートフィルタでは、点線で示すように径の小さなＰＭはフィルタを通過してしまい、ある粒径以上でないと捕集機能が発現されない。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、粒径に関わらずほぼ 100％のＰＭ浄化率を確保することができる。
【００６７】
また図５では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸に装置に流入するＰＭ量をとっている。例えば酸化触媒のみあるいは放電プラズマのみで堆積したＰＭを浄化する場合には、流入するＰＭ量が多くなるにつれて処理能力が低下しＰＭ浄化率が低下してしまう。しかし本参考例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電の両方でＰＭを除去できるため、流入するＰＭ量が多くなっても高いＰＭ浄化率を確保することができる。
【００６８】
そして、放電によって堆積したＰＭを燃焼させるために高電圧で高電圧発生装置３を駆動する時間は、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【００６９】
（参考例２）
本参考例では、参考例１の排ガス浄化装置を用い、制御内容が異なること以外は参考例１と同様である。以下、図６に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明する。
【００７０】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 200で高電圧発生装置３が駆動され、排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは排ガス流路10の内壁に向かって移動して捕集部20に捕集され堆積する。
【００７１】
次にステップ 201で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと定数Ａ及び定数Ｔc が読み込まれる。定数Ａは捕集部20に堆積できる臨界堆積量であり、定数Ｔc は酸化触媒が活性化する最低温度（活性化温度）である。そしてステップ 202でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、ディーゼルエンジン１の回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００７２】
ステップ 203では、排ガス温度Ｔと活性化温度Ｔc とが比較される。排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc 以上の場合には捕集部20で堆積したＰＭが酸化燃焼されている。そこでステップ 204で排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の酸化触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 205において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００７３】
一方、排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より低いと、酸化触媒の活性が発現せず、堆積したＰＭを酸化燃焼することが困難であるため、捕集部20にはＰＭが堆積し続けることとなる。したがってその場合には、放電プラズマによって堆積したＰＭを燃焼することが望ましい。しかしながらこの排ガス浄化装置では、帯電部が放電部を兼ねているため、放電中はＰＭの帯電が困難であり、捕集部20に捕集されずに排出されるＰＭ量が多くなる恐れがある。
【００７４】
そこでステップ 206で図７のマップが参照される。図７に示すＲの領域内の運転条件ではＰＭを含めた有害物質の発生が少ないが、Ｒの領域外の運転条件ではＰＭを捕集する必要がある。したがってステップ 202で求められたディーゼルエンジン１の回転数と負荷がマップの領域Ｒ内であれば、ＰＭを捕集する必要が無いので、ステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。そしてステップ 207では、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻ってさらに捕集を続ける。一方、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷が領域Ｒ外の場合には、ＰＭを捕集する必要があるので何もせずステップ 202へ戻る。
【００７５】
またステップ 203で排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より高い場合には、ステップ 205において現在のＰＭ堆積量Ｘが更新されると、ステップ 208でＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えている場合にはステップ 207で排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と針状電極22との間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 202へ戻る。
【００７６】
一方、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、まだＰＭの捕集が可能であるので、何もせず処理はステップ 202へ戻る。
【００７７】
したがって本参考例の排ガス浄化装置によれば、酸化触媒が活性化していない低温時においても、堆積したＰＭをプラズマ放電によって燃焼除去することができ、低温域におけるＰＭの排出を抑制することができる。また低温時でかつＰＭを捕集する必要の無い場合、あるいはＰＭの堆積量が臨界堆積量Ａを超えた場合にのみ放電プラズマが発生するため、消費電力が小さくてすみエネルギー効率がよい。
【００７８】
（実施例１）
図８に本実施例の排ガス浄化装置を示す。参考例１と異なるところは、捕集部20のコート層に酸化触媒に代えて溶融塩型触媒を担持したこと、針状電極22に代えて円形フィン24を複数個設けたこと、そして捕集部20の上流側に排ガス流路10の径方向に延びる細い銅線25を碍子23を介して張設し高電圧発生装置３から銅線25に直流電圧が印加されるように構成したことである。他の構成は参考例１と同様である。高電圧発生装置３は、銅線25には直流高電圧を、円形フィン23には交流高電圧を印加できるようになっている。
【００７９】
捕集部20には、マグネシアスピネル担体 100ｇに対してKNO3が４ｇ、Ptが２ｇ担持された触媒粉末 100ｇを、 300ｇの水とともにスラリーとし、それを捕集部20に含浸した後 250℃で乾燥してなるコート層が形成されている。コート層の厚さは 0.1mmである。
【００８０】
以下、図９に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。
【００８１】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 300で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａ及び活性化温度Ｔc が読み込まれる。またステップ 301でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス温度Ｔが算出される。この値は、ディーゼルエンジン１の回転数及び負荷とＰＭ発生量及び排ガス温度の関係を事前にマップで記録したものから読み出される。もちろん関係式を用いて計算してもよいし、排ガス温度は温度センサで計測してもよい。
【００８２】
次にステップ 302で図７のマップが参照される。図７に示すＲの領域内の運転条件ではＰＭを含めた有害物質の発生が少ないが、Ｒの領域外の運転条件ではＰＭを捕集する必要がある。したがってステップ 301で求められたディーゼルエンジン１の回転数と負荷がマップの領域Ｒ内であれば、ＰＭを捕集する必要が無いので、何もせずステップ 301へ戻る。
【００８３】
一方、エンジン１の回転数と負荷が領域Ｒ外の場合には、ステップ 303で高電圧発生装置３が駆動され、銅線25に−10kVの直流電圧が印加される。これにより排ガス中のＰＭがマイナスに帯電し、帯電したＰＭは下流側の捕集部20に捕集され堆積する。そしてステップ 304で排ガス温度Ｔと活性化温度Ｔc が比較される。活性化温度Ｔc は捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化する最低温度であり、排ガス温度Ｔが活性化温度Ｔc より低い場合には堆積したＰＭを酸化燃焼することが困難となる。そこでステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【００８４】
またステップ 302で排ガス温度Ｔが定数Ｔc より高い場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が十分に活性化されているので、ステップ 306で排ガス温度Ｔから捕集部20のコート層における現在の溶融塩型触媒の燃焼速度Ｚが算出される。この値も事前に制御装置４に記録された温度と燃焼速度のマップから算出される。そしてステップ 307において、Ｘ＝Ｘ＋Ｙ−Ｚが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００８５】
ここで捕集部20では、KNO3が溶融して液状となっているため、捕集されたＰＭは液相に捕捉されるとともに酸化されて燃焼除去されている。またＰＭは液相に捕捉されるため、電荷が消失しても再飛散するのが防止されている。したがって再飛散によるＰＭの排出も防止されている。
【００８６】
しかしながら溶融塩型触媒が液相となっているといえども、捕集されたＰＭの堆積量がある程度を超えると、電荷を失って再飛散する現象が生じる。そこでステップ 307で現在のＰＭ堆積量Ｘが更新されると、ステップ 308でＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａが比較され、現在のＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以下の場合には、まだＰＭを捕集することが可能であるので何もせずステップ 301へ戻る。
【００８７】
一方現在のＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａより大きいと、再飛散が生じる恐れがあるので燃焼処理が必要となる。そのためステップ 305で排ガス流路10の内壁と円形フィン24との間に12.5kVの交流高電圧が印加される。これにより排ガス流路10の内壁と円形フィンとの間に放電プラズマが発生し、堆積したＰＭが燃焼除去される。この時、放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行い、処理はステップ 301へ戻る。
【００８８】
したがって本実施例の排ガス浄化装置によれば、捕集部20に溶融して液相となる溶融塩型触媒を担持しているので、捕集されたＰＭの再飛散をさらに防止することができる。また溶融塩型触媒が活性化しない低温域では放電プラズマによって堆積したＰＭを燃焼除去することができるので、低温域から高温域まで高い浄化率でＰＭを除去することができる。
【００８９】
図10に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図10では縦軸にＰＭ浄化率を、横軸に時間をとっている。例えば放電プラズマによるＰＭの燃焼が行われず溶融塩型触媒による酸化燃焼のみである場合には、時間とともにＰＭ堆積量が増大し、再飛散が生じるためＰＭ浄化率が低くなって最終的にはＰＭは全く酸化されずに排出されることとなる。また溶融塩型触媒が担持されてなく放電処理のみである場合には、ＰＭ堆積量が臨界堆積量Ａとなった時点で放電プラズマが発生するので、ＰＭ浄化率は一定値で飽和する。しかし本実施例の排ガス浄化装置によれば、触媒と放電プラズマの両方でＰＭを除去できるため、時間に無関係に高いＰＭ浄化率を確保することができる。
【００９０】
そして、堆積したＰＭを燃焼する放電プラズマを発生するために高電圧で高電圧発生装置３を駆動する時間は、排ガスが低温域にある間とＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａを超えた時点の短時間のみでよい。したがって消費電力も小さくエネルギー効率がよい。
【００９１】
（実施例２）
図11に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジン１と実施例１と同様のＰＭ捕集燃焼装置２との間に排ガス温度を検出する温度センサ５が配置されている。そしてＰＭ捕集燃焼装置２の下流側に、排ガス中にプラズマを発生する第２放電装置６が配置され、さらにその下流側に三元触媒７が配置されている。第２放電装置６には、高電圧発生装置３によって交流高電圧が印加される。他の構成は参考例１と同様である。
【００９２】
以下、図12に示すフローチャートに沿って制御装置４の制御内容を説明しながら、本実施例の排ガス浄化装置の作用を説明する。なお高電圧発生装置３が銅線25に印加する電圧を帯電用DCと称し、円形フィン24に印加する電圧をＰＭ浄化用ACと称し、第２放電装置６に印加する電圧を第２放電用ACと称する。
【００９３】
ディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 400で制御装置４のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと、臨界堆積量Ａ、ＰＭ発生量の所定値Ｃ及びNOx 量の所定値である所定値Ｄが読み込まれる。
【００９４】
次にステップ 401で温度センサ５から排ガス温度Ｔが入力されるとともに、ディーゼルエンジン１の運転状態が検出される。この運転状態は、加速時、減速時、定常走行時、アイドリング時の４段階で検出される。
【００９５】
そしてステップ 402でディーゼルエンジン１の回転数及び負荷状況から現在のＰＭ発生量Ｙと排ガス中のNOx の発生量Ｎが算出され、ステップ 403でＰＭ堆積量Ｘが更新される。その後ステップ 404とステップ 405とが平行して処理される。
【００９６】
ステップ 404では、制御装置４のメモリに記録されているマップ（表１）から、現在の排ガス温度Ｔにおける帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACのON-OFFが制御される。ここでは帯電用DCは常にONとされ、排ガス中のＰＭは静電気力で捕集部20に捕集される。そして排ガス温度Ｔが 250℃未満である場合には、捕集部20に担持されている溶融塩型触媒が活性化温度Ｔc に満たないので、ＰＭ浄化用ACがONとされ放電プラズマによって捕集されたＰＭを燃焼除去する。また三元触媒７も活性化されていないので、第２放電用ACもONとされ、プラズマによって排ガス中のHC及びNOx の浄化が行われる。
【００９７】
また排ガス温度Ｔが 250〜 300℃の場合には、三元触媒７は活性化されているため第２放電用ACは OFFとされ電力を節約する。しかしこの温度では、捕集部20における溶融塩型触媒の活性が十分でないので、ＰＭ浄化用ACはONの状態が維持される。さらに排ガス温度Ｔが 300℃以上である場合には、捕集部20における溶融塩型触媒も十分に活性化されるため、ＰＭ浄化用ACも OFFとされて電力を節約する。
【００９８】
【表１】
そしてステップ 405では、制御装置４のメモリに記録されているマップ（表２）から、ディーゼルエンジン１の運転状況に応じて帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACのON-OFFが制御される。
【０１００】
加速時には排ガス中のＰＭ、HC及びNOx が多いので、帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用AC共にONとされる。また減速時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、Ｘ＞Ａの場合にＰＭ浄化用ACがONとされて放電プラズマにより堆積したＰＭが燃焼除去される。また排ガス中のHC及びNOx は少ないので、第２放電用ACは OFFとされる。
【０１０１】
定常走行時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。そしてＰＭ発生量Ｙと所定値Ｃとが比較され、Ｙ＞Ｃの場合にはＰＭ浄化用ACがONとされ放電プラズマによりＰＭが燃焼除去される。Ｙ≦Ｃの場合には、ＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。一方、NOx の発生量Ｎと所定値Ｄとの比較も行われ、Ｎ＞Ｄの場合には第２放電用ACがONとされて放電プラズマにより排ガス中のHC，NOx の浄化を助ける。しかしＮ≦Ｄの場合には、三元触媒７のみでHC，NOx の浄化が可能であるので、第２放電用ACは OFFとされて電力を節約する。
【０１０２】
そしてアイドリング時には、帯電用DCはONとしてオイルミストなどを捕集する。またＰＭ堆積量Ｘと臨界堆積量Ａとが比較され、減速時の処理に準じた処理が行われる。さらにNOx の発生量Ｎと所定値Ｄとの比較も行われ、定常走行時に準じた処理が行われる。
【０１０３】
【表２】
次のステップ 406では、ステップ 404とステップ 405の結果が照会され、少なくとも一方のステップで OFFとされた帯電用DC、ＰＭ浄化用ACあるいは第２放電用ACを OFFとし、残りの帯電用DC、ＰＭ浄化用ACあるいは第２放電用ACをONとする制御が行われる。
【０１０５】
そしてステップ 407では、ＰＭ浄化用ACがONであるか否かが判定され、ＰＭ浄化用ACがONである場合には放電した時間に応じてＰＭ堆積量Ｘを削減する更新を行って、処理はステップ 401に戻る。
【０１０６】
したがって本実施例の排ガス浄化装置では、排ガス温度Ｔ及びディーゼルエンジン１の運転状態に応じて高電圧発生装置３を細かく制御することができ、ＰＭを効率よく浄化しつつ消費電力を抑制することができる。
【０１０７】
図13に本実施例の排ガス浄化装置の効果を示す。図13では縦軸に高電圧発生装置３の消費電力を、横軸に排ガス温度をとり、定常走行時の場合を示している。高電圧発生装置３によって帯電用DC、ＰＭ浄化用AC及び第２放電用ACを常時ONとしたのでは、図13に点線で示すように排ガス温度によって消費電力を抑制することは困難であるが、本実施例の排ガス浄化装置によれば、 250℃と 300℃を境として段階的に消費電力を削減することができ、 300℃以上では帯電用DCのみがONとなるため、消費電力を大きく低減することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、フロースルー型の触媒を用いてＰＭを捕集でき、かつ捕集したＰＭを低温域から効率よく燃焼除去することができる。また消費電力の増大も抑制でき、自動車の排気系への搭載も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一参考例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の一参考例の排ガス浄化装置に用いたＰＭ捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図３】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図５】本発明の一参考例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の参考例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図７】ＰＭが生じないエンジン回転数と負荷の領域を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いたＰＭ捕集燃焼装置を一部破断して示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図10】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【図11】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置を示すブロック図である。
【図12】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図13】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
１：ディーゼルエンジン ２：ＰＭ捕集燃焼装置
３：高電圧発生装置 ４：制御装置
10：排ガス流路 20：捕集部 22：針状電極
Claims (9)
- ディーゼルエンジンである内燃機関からの粒子状物質を含む排ガスを浄化するフロースルー構造の装置であって、該粒子状物質を帯電させる帯電部と、帯電した該粒子状物質を静電気力によって捕集する捕集部と、放電によって該捕集部に捕集された該粒子状物質を酸化する放電部とを備え、
該捕集部には所定温度以上で溶融して捕集された該粒子状物質を酸化燃焼する溶融塩型触媒を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記捕集部に流入する排ガス及び前記捕集部の少なくとも一方の温度を検出する温度センサを備え、該温度が所定値未満の場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記捕集部に流入する排ガスの温度を推定し、該温度が所定値未満の場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記捕集部に捕集された前記粒子状物質の捕集量を検出するＰＭセンサを備え、該捕集量が所定値を超えた場合に前記放電部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 内燃機関の運転状態から排ガス中の前記粒子状物質の含有量を推定し、該含有量が所定値を超えた場合に前記帯電部及び前記放電部の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記溶融塩型触媒は、固体担体と、該固体担体に担持された硝酸銀，アルカリ金属の硝酸塩，アルカリ土類金属の硝酸塩及び希土類元素の硝酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む触媒成分とからなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、前記捕集部の上流側及び下流側の少なくとも一方に、酸化触媒、三元触媒、 NO x 還元触媒及び NO x 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置したことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、前記捕集部の下流側に第２の放電部をもち、該第２の放電部における放電によって該捕集部からの出ガス中の有害成分を浄化することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記第２の放電部の上流側及び下流側の少なくとも一方に酸化触媒、三元触媒、 NO x 還元触媒及び NO x 吸蔵還元型触媒から選ばれる少なくとも一種をさらに配置したことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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