(57)【要約】【課題】内燃機関の運転条件によらずに確実にＮＯｘを浄化することのできる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１は、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２を有している。排気管２には、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられる電気化学リアクタ３が設けられ、さらに、電気化学リアクタ３よりも下流側に、ＮＯｘ浄化装置４が設けられている。温度センサ９によって測定された排気ガスの温度が、ＥＣＵ１１に予め設定された設定値よりも低い場合には、ＥＣＵ１１は電源装置１０を動作させることにより電気化学リアクタ３に電圧をかける。これにより、排気ガス中のＮＯｘが電気化学リアクタ３に吸蔵される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、
該排気管に設けられた少なくとも１つの電気化学リアクタと、
該電気化学リアクタに電圧を付加する電源装置と、
前記電気化学リアクタの下流において前記排気管に設けられたＮＯｘ浄化装置と
を備え、
前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加することにより、前記電気化学リアクタが前記排気ガス中のＮＯｘを吸蔵した後、前記電源装置による電圧の付加を停止することにより、前記電気化学リアクタに吸蔵されたＮＯｘが前記電気化学リアクタから脱着して、前記ＮＯｘ浄化装置に流入する排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記電気化学リアクタには、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられる、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排気管には、該排気管に設けられた電気化学リアクタをバイパスするバイパス管が少なくとも１つ設けられ、該バイパス管にも電気化学リアクタが設けられ、
前記電気化学リアクタのうち少なくとも１つの電気化学リアクタに排気ガスを流さないようにする切替手段を備え、
該切替手段によって、排気ガスが流通しない電気化学リアクタを変更したときに、排気ガスが流通するようになった電気化学リアクタに電圧を付加し、排気ガスが流通しなくなった電気化学リアクタには電圧の付加を停止する、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排気ガスの温度を測定する温度センサが前記排気管に設けられ、
前記温度センサにより測定された値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記温度センサにより測定された値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止する、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの温度との関係を表すマップを備え、
前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、
前記排気ガスの温度の推定値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記推定値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止する、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、電気化学リアクタを備えた排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学リアクタを用いた排気ガス浄化装置が、特許文献１に記載されている。この排気ガス浄化装置の電気化学リアクタにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）が選択的に吸蔵されている貴金属表面と、ＮＯｘ還元剤（炭化水素化合物（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等）が選択的に吸着されている貴金属表面とが固体電解質及び電子伝導物質でそれぞれ接合されていることにより、各貴金属間にイオン及び電子が伝導されて酸化還元反応が促進され、排気ガスが浄化される。この電気化学反応を起こすためには、別々の貴金属表面上にＮＯｘとＮＯｘ還元剤であるＨＣとを選択的に吸蔵及び吸着させる必要があるため、電気化学リアクタには、ＮＯｘ吸蔵材及びＨＣ吸着材が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８８４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、内燃機関の運転条件によっては、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化能力が完全には発揮できない場合があり、排気ガスの浄化が不完全になってしまう場合があるといった問題点があった。
【０００５】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、内燃機関の運転条件によらずに確実にＮＯｘを浄化することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、該排気管に設けられた少なくとも１つの電気化学リアクタと、該電気化学リアクタに電圧を付加する電源装置と、前記電気化学リアクタの下流において前記排気管に設けられたＮＯｘ浄化装置とを備え、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加することにより、前記電気化学リアクタが前記排気ガス中のＮＯｘを吸蔵した後、前記電源装置による電圧の付加を停止することにより、前記電気化学リアクタに吸蔵されたＮＯｘが前記電気化学リアクタから脱着して、前記ＮＯｘ浄化装置に流入する。電気化学リアクタには、電圧が付加されるとＮＯｘを吸蔵する機能を有するものがある。この機能を利用して、ＮＯｘ浄化装置の浄化能力が低い場合には、電気化学リアクタにＮＯｘを吸蔵しておき、ＮＯｘ浄化装置の浄化能力が高まった後で、電気化学リアクタへの電圧の付加を停止して、吸蔵されているＮＯｘを脱着させ、ＮＯｘ浄化装置で浄化する。
前記電気化学リアクタには、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられてもよい。
前記排気管には、該排気管に設けられた電気化学リアクタをバイパスするバイパス管が少なくとも１つ設けられ、該バイパス管にも電気化学リアクタが設けられ、前記電気化学リアクタのうち少なくとも１つの電気化学リアクタに排気ガスを流さないようにする切替手段を備え、該切替手段によって、排気ガスが流通しない電気化学リアクタを変更したときに、排気ガスが流通するようになった電気化学リアクタに電圧を付加し、排気ガスが流通しなくなった電気化学リアクタには電圧の付加を停止してもよい。
前記排気ガスの温度を測定する温度センサが前記排気管に設けられ、前記温度センサにより測定された値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記温度センサにより測定された値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止してもよい。
前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの温度との関係を表すマップを備え、前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、前記排気ガスの温度の推定値が、予め設定された設定値よりも低い場合には、前記電源装置が前記電気化学リアクタに電圧を付加し、前記推定値が前記設定値以上になった場合には、前記電源装置による電圧の付加を停止してもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、電気化学リアクタを用いることにより、ＮＯｘ浄化装置の浄化能力が低い場合には、電気化学リアクタにＮＯｘを吸蔵しておき、ＮＯｘ浄化装置の浄化能力が高まった後で、電気化学リアクタへの電圧の付加を停止することにより、吸蔵されているＮＯｘを脱着させてＮＯｘ浄化装置で浄化することができるので、内燃機関の運転条件によらずに確実にＮＯｘを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１は、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２を有している。排気管２には、電気化学リアクタ３が設けられ、さらに、電気化学リアクタ３よりも下流側に、ＮＯｘ浄化装置４が設けられている。ディーゼルエンジン１と電気化学リアクタ３との間には、排気管２を流通する排気ガスの温度を測定するための温度センサ９が設けられている。
【００１０】
ＮＯｘ浄化装置４は、尿素ＳＣＲシステムであり、酸化触媒５と、ＳＣＲ触媒６と、酸化触媒７とを備え、酸化触媒５とＳＣＲ触媒６との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル８が設けられている。
【００１１】
電気化学リアクタ３は、カソードと、アノードと、カソード及びアノードの間に配置された電解質とを有する電気化学的セルから構成されている。触媒として、金又は銀が用いられ、助触媒として、アルカリ土類金属塩が用いられている。電気化学リアクタ３には、カソード−アノード間に電圧を付加する電源装置１０が設けられている。このような構成の電気化学リアクタ３に電圧を付加すると、電圧が付加されている間は、電極上にＮＯｘを吸蔵し、電圧が付加されなくなると、吸蔵されていたＮＯｘが脱着するようになる。
【００１２】
温度センサ９及び電源装置１０はそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ１１に電気的に接続されている。
【００１３】
次に、実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動時等には、ディーゼルエンジン１から排出される排気ガスの温度が低いため、酸化触媒５と、ＳＣＲ触媒６と、酸化触媒７とのそれぞれに排気ガスが流通しても、十分な触媒性能を発揮するのに必要な温度まで触媒温度が昇温しない。そこで、温度センサ９によって測定された排気ガスの温度が、ＥＣＵ１１に予め設定された設定値よりも低い場合には、ＥＣＵ１１は電源装置１０を動作させることにより、電気化学リアクタ３に電圧を付加する。すると、排気ガス中のＮＯｘが電気化学リアクタ３に吸蔵され、ＮＯｘ濃度が低下した排気ガスが電気化学リアクタ３から流出し、ＮＯｘ浄化装置４に流入する。
【００１４】
ＮＯｘ浄化装置４では、まず、酸化触媒５によって、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化される。続いて、排気ガスはＳＣＲ触媒６に流入するが、適当なタイミングで噴射ノズル８から供給された尿素水がＳＣＲ触媒６において加水分解されてアンモニアと二酸化炭素となり、生成したアンモニアと排ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素及び水となる。ＳＣＲ触媒６において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒７において酸化され、ＮＯｘが浄化された排気ガスが大気中へ排出される。ＮＯｘ浄化装置４のＮＯｘ浄化機能が完全に発揮されていない場合であっても、ＮＯｘ濃度が低下した排気ガスを処理することになるので、十分にＮＯｘ濃度が低下した排気ガスが大気中へ排出されることになる。
【００１５】
その後、排気ガスの温度が上昇し、温度センサ９による測定値が設定値以上になった場合には、ＥＣＵ１１は電源装置１０の動作を停止することにより、電気化学リアクタ３への電圧の付加を停止する。すると、電気化学リアクタ３に吸蔵されていたＮＯｘが脱着して、排気管２を流通する排気ガスとともに酸化触媒５に流入する。ＮＯｘ浄化装置４は、酸化触媒５と、ＳＣＲ触媒６と、酸化触媒７とのそれぞれの温度が十分高くなっているので、十分なＮＯｘ浄化機能を発揮することができ、排気ガス中のＮＯｘだけではなく、電気化学リアクタ３から脱着したＮＯｘも合わせて浄化することができる。
【００１６】
また、ディーゼルエンジン１の運転条件の変化により排気ガスの温度が低下し、温度センサ９による測定値が設定値を下回った場合には、ＥＣＵ１１は電源装置１０を再び動作させて電気化学リアクタ３に電圧を付加し、排気ガス中のＮＯｘを電気化学リアクタ３に吸蔵させる。その後、温度センサ９による測定値が設定値以上になった場合には、ＥＣＵ１１は電源装置１０の動作を停止することにより、電気化学リアクタ３への電圧の付加を停止する。
【００１７】
このように、触媒として金又は銀が用いられると共に助触媒としてアルカリ土類金属塩が用いられる電気化学リアクタ３を用いることにより、排気ガスの温度が設定値よりも低い場合には、電気化学リアクタ３にＮＯｘを吸蔵しておき、排気ガスの温度が設定値以上に高まった後で、電気化学リアクタ３への電圧の付加を停止することにより、吸蔵されているＮＯｘを脱着させてＮＯｘ浄化装置４で浄化することができるので、ディーゼルエンジン１の運転条件によらずに確実にＮＯｘを浄化することができる。
【００１８】
実施の形態１では、排気ガスの温度を温度センサ９によって直接測定したが、この形態に限定するものではない。ＥＣＵ１１に、ディーゼルエンジン１の運転条件（回転数や燃料噴射量等）と排気ガス温度とのマップを組み込んでおき、このマップに基づいてディーゼルエンジン１の運転条件から排気ガスの温度を推定するようにしてもよい。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置について説明する。尚、実施の形態２において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、電気化学リアクタ３をバイパスするように排気管２にバイパス管を設け、このバイパス管にも電気化学リアクタを設けたものである。
【００２０】
図２に示されるように、排気管２には、電気化学リアクタ３をバイパスするように、バイパス管２０が設けられている。バイパス管２０にも、電気化学リアクタ３と同じ電気化学リアクタ３’が設けられている。バイパス管２０の上流端部と排気管２との接続部分には、切替手段である三方弁２１が設けられている。電気化学リアクタ３，３’のそれぞれには、それらのカソード−アノード間に電圧を付加する電源装置１０，１０’がそれぞれ設けられている。三方弁２１及び電源装置１０，１０’はそれぞれ、ＥＣＵ１１に電気的に接続されている。その他の構成について、温度センサ９が設けられていないこと以外は、実施の形態１と同じである。
【００２１】
次に、実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動時において、三方弁２１は、排気ガスが電気化学リアクタ３を流通するようになっているものとする。ディーゼルエンジン１が始動したら、ＥＣＵ１１は、電源装置１０を動作させることにより、電気化学リアクタ３に電圧を付加する。すると、実施の形態１と同様に、排気ガス中のＮＯｘが電気化学リアクタ３に吸蔵され、ＮＯｘ濃度が低下した排気ガスがＮＯｘ浄化装置４に流入する。
【００２２】
予め設定された時間（以下、設定時間と称する）が経過したら、ＥＣＵ１１は、三方弁２１を切り替えて、排気ガスが電気化学リアクタ３’を流通するようにし、さらに、電源装置１０の動作を停止すると共に電源装置１０’を動作させて、電気化学リアクタ３’のみに電圧を付加する。すると、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、バイパス管２０を介して電気化学リアクタ３’に流入する。電気化学リアクタ３と同様に、電気化学リアクタ３’は、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ＮＯｘ濃度が低下した排気ガスがＮＯｘ浄化装置４に流入する。
【００２３】
一方、電気化学リアクタ３では、電圧が付加されなくなるので、吸蔵していたＮＯｘが脱着し、脱着したＮＯｘは、バイパス管２０介してＮＯｘ浄化装置４に流入する排気ガスとともにＮＯｘ浄化装置４に流入する。尚、ＮＯｘ浄化装置４におけるＮＯｘの浄化動作は、実施の形態１と同じである。
【００２４】
この後、設定時間が経過したら、ＥＣＵ１１が三方弁２１を切り替えて、排気ガスが電気化学リアクタ３を流通するようにすると共に電気化学リアクタ３’への電圧の付加を停止して電気化学リアクタ３のみに電圧を付加する。以下、これらの動作を繰り返す。
【００２５】
このように、排気管２に設けられた電気化学リアクタ３の他に、電気化学リアクタ３をバイパスするバイパス管２０にもう１つの電気化学リアクタ３’を設け、電気化学リアクタ３及び３’に交互に電圧を付加することにより、ディーゼルエンジン１の稼働中、排気ガス中のＮＯｘは必ず一方の電気化学リアクタに吸蔵され、他方の電気化学リアクタに吸蔵されていたＮＯｘが脱着してＮＯｘ浄化装置４に流入するようになる。これにより、ディーゼルエンジン１の始動時だけではなく、稼働中の運転条件の変動等により、ＮＯｘ浄化装置４のＮＯｘ浄化機能が低下したときであっても、一時的に電気化学リアクタ３又は３’にＮＯｘが吸蔵され、ＮＯｘ浄化機能が戻った時に、吸蔵されていたＮＯｘを浄化することができるようになるので、ディーゼルエンジン１の運転条件によらずに確実にＮＯｘを浄化することができる。
【００２６】
実施の形態２では、２つの電気化学リアクタ３，３’が並列に設けられていたが、２つに限定するものではない。３つ以上の電気化学リアクタを並列に設けて、順番に電圧の付加を行うようにしてもよい。尚、３つ以上の電気化学リアクタが設けられている場合には、切替手段によって少なくとも１つの電気化学リアクタに排気ガスが流入しないようにすると共にこの電気化学リアクタへの電圧の付加を停止することにより、この電気化学リアクタに吸蔵されたＮＯｘを脱着させ、その他の電気化学リアクタには排気ガスを流入させてＮＯｘを吸蔵するようにすればよい。
また、実施の形態２では、２つの電気化学リアクタ３，３’はそれぞれ同じものであったが、互いに異なる仕様の電気化学リアクタを使用してもよい。３つ以上の電気化学リアクタを使用する場合にも、複数の異なる仕様の電気化学リアクタを使用してもよい。
【００２７】
実施の形態２では、電気化学リアクタ３，３’への電圧の付加の切り替えは、設定時間の経過によって行っていたが、この形態に限定するものではない。排気管２に温度センサを設けて、排気ガス温度に基づいて電圧の付加の切り替えを行ったり、ディーゼルエンジン１の運転条件に基づいて電圧の付加の切り替えを行ったりしてもよい。尚、電気化学リアクタ３，３’への電圧の付加の切り替えは、一方の電気化学リアクタの吸蔵能力が飽和に達したら行うようにすると最も効果的であり、例えば、電気化学リアクタの吸蔵能力を予め測定しておき、ディーゼルエンジンの運転条件や排気ガスの状態等から電気化学リアクタの飽和状態を予測することができる。
【００２８】
実施の形態１及び２では、ＮＯｘ浄化装置４として、尿素ＳＣＲシステムを使用したが、これに限定するものではない。尿素ＳＣＲシステムに限らずその他のＳＣＲ触媒を使用してもよいし、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒）及びディーゼルパティキュレートＮＯｘリダクションシステム（ＤＰＮＲ）を使用してもよい。さらに、実施の形態１及び２に係る電気化学リアクタ３，３’のようにＮＯｘを吸蔵する機能を有するものではなく、ＮＯｘを浄化する機能を有する電気化学リアクタを使用してもよい。すなわち、ＮＯｘを浄化するシステムであればどのようなものであってもよい。
【００２９】
実施の形態１及び２では、触媒として金又は銀を用いていたが、これらに限定するものではない。ＮＯｘの吸蔵作用を示すものであれば白金、ロジウム、パラジウム等の金属を触媒として用いてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）、２  排気管、３，３’  電気化学リアクタ、４  ＮＯｘ浄化装置、９  温度センサ、１０，１０’  電源装置、２０  バイパス管、２１  三方弁（切替手段）。
【図１】
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【図２】
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