(57)【要約】【課題】オゾンを用いてPMを効率よく酸化除去する。【解決手段】排ガス流路に並列に配置されPMを捕集する複数のPM捕集装置21,22と、排ガスをそれぞれのPM捕集装置に向かうように択一的に切り換える切換弁31,32と、それぞれのPM捕集装置へオゾンを供給するオゾン添加手段41,42と、切換弁により排ガスの流通が停止されたPM捕集装置へオゾンを供給するようにオゾン添加手段を制御する制御装置５と、からなる。  オゾンが供給される場合にはPM捕集装置21,22に排ガスが流入しないので、PM捕集装置を低温とすることができ、オゾンの熱分解が抑制される。さらに排ガスが流入しないので、PM以外の被酸化成分がほとんど含まれず、オゾンの大部分をPMの酸化に用いることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス流路に並列に配置されPMを捕集する複数のPM捕集装置と、
排ガスをそれぞれの該PM捕集装置に向かうように択一的に切り換える切換弁と、
それぞれの該PM捕集装置へオゾンを供給するオゾン添加手段と、
該切換弁により排ガスの流通が停止された若しくは小流量となった該PM捕集装置へオゾンを供給するように該オゾン添加手段を制御する制御装置と、からなることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記切換弁により排ガスの流通が小流量となった前記PM捕集装置へオゾンを供給する請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記小流量は、オゾンが供給されない前記PM捕集装置を流通する排ガスの流量以下である請求項２に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質（PM)を含む排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少している。一方、ディーゼルエンジンについては、有害成分がパティキュレート（PM：炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、高分子量炭化水素微粒子（ SOF）等）として排出されるという特異な事情から、ガソリンエンジンの場合より排ガスの浄化が難しい。
【０００３】
現在までに開発されているディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、大きく分けてトラップ型の排ガス浄化装置（ウォールフロー）と、オープン型の排ガス浄化装置（ストレートフロー）とが知られている。このうちトラップ型の排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ（以下 DPFという））が知られている。この DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁とよりなり、セル隔壁の空孔で排ガスを濾過してPMを捕集することで排出を抑制するものである。
【０００４】
しかし DPFでは、PMの堆積によって圧力損失（以下、圧損という）が上昇するため、何らかの手段で堆積したPMを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、排気圧損が上昇した場合に高温の排ガスを流してPMを燃焼させることで DPFを再生することが行われている。しかしながらこの場合には、PMの堆積量が多いほど燃焼時の温度が上昇し、 DPFが溶損したり、熱応力で DPFが破損する場合もある。
【０００５】
そこで特開平10−159552号公報には、NO2 を含む酸化性ガスを DPFに供給することで、 DPFに捕集されたPMをNO2 によって酸化除去する方法が開示されている。また特開2004−245091号公報には、ノンサーマルプラズマにより生成したラジカルを DPFの上流側の排ガス中に供給してNOをNO2 に酸化し、得られたNO2 によって DPFに捕集されたPMを酸化除去する方法が開示されている。
【０００６】
しかしながらディーゼルエンジンからの排ガスは一般に 300℃未満であり、始動時はさらに排ガス温度が低い。そのためNO2 によってPMを酸化除去する方法では、低温域における反応活性が低く低温域でPMを酸化除去することは困難である。したがって低温域で酸化されずに残留したPMが高温域で一気に燃焼し、その発熱によって DPFが損傷するという問題が残る。さらに DPFに堆積しているPMを酸化除去するためには、大量のNO2 を含むガスを供給する必要があり、装置が大型化するという問題もある。
【０００７】
また特開2002−129936号公報には、ディーゼルエンジンの排気系にオゾンを添加し、オゾンによってPMを酸化除去する方法が提案されている。オゾンは反応性が高く優れた酸化剤であるが、 300℃以上になると熱分解してしまうので、高温の排ガス中では効果が大きく低下する。また低温の排ガスで用いる場合でも、排ガス中に含まれるNO、HC、COなどの酸化に消費され、PMの酸化に利用されるオゾンは僅かとなってしまうため、PMを効率よく酸化除去することは困難であった。
【特許文献１】特開平10−159552号
【特許文献２】特開2004−245091号
【特許文献３】特開2002−129936号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、オゾンを用いてPMを効率よく酸化除去することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、排ガス流路に並列に配置されPMを捕集する複数のPM捕集装置と、排ガスをそれぞれのPM捕集装置に向かうように択一的に切り換える切換弁と、それぞれのPM捕集装置へオゾンを供給するオゾン添加手段と、切換弁により排ガスの流通が停止された若しくは小流量となったPM捕集装置へオゾンを供給するようにオゾン添加手段を制御する制御装置と、からなることにある。
【００１０】
制御装置は、切換弁により排ガスの流通が小流量となったPM捕集装置へオゾンを供給することが望ましい。この場合の小流量とは、オゾンが供給されないPM捕集装置を流通する排ガスの流量以下をいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の排ガス浄化装置によれば、オゾンが供給される場合にはPM捕集装置に排ガスが流入しない。したがってPM捕集装置を低温とすることができ、オゾンの熱分解が抑制される。さらに排ガスが流入しないので、PM以外の被酸化成分がほとんど含まれず、添加されたオゾンの大部分をPMの酸化に用いることができる。したがって、オゾンによってPMを効率よく酸化除去することができ、これにより熱応力による破損などの不具合もなくPM捕集装置を容易に再生することができるとともに、排気圧損の上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の排ガス浄化装置は、PM捕集装置と、切換弁と、オゾン添加手段と、制御装置と、からなり、PMを含む排ガスを浄化する。排ガスとしては、ディーゼルエンジンからの排ガスなど、PMを含む排ガスが用いられる。
【００１３】
PM捕集装置は、排ガス中のガス成分のみが通過して濾過作用によってPMを捕集するものであり、金属フォームや耐熱性不織布などから形成することもできるし、コーディエライト、炭化ケイ素などの耐熱性セラミックスから製造することもできる。排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁とをもつウォールフロー構造の DPFがよく知られている。この DPFをPM捕集装置として用いた場合は、流入側セルに流入した排ガスはセル隔壁を通過して流出側セルから排出され、その際にPMはセル隔壁の細孔に捕集される。
【００１４】
このPM捕集装置は複数個用いられ、排ガス流路にそれぞれ並列に配置される。そして切換弁は、排ガスをそれぞれのPM捕集装置に向かうように択一的に切り換える。PM捕集装置の数をｎ個とすれば、排ガスが流通するPM捕集装置の数は１個以上かつ（ｎ−１）個以下となるように、切換弁が流路を切り換える。
【００１５】
オゾン添加手段は、それぞれのPM捕集装置へオゾンを供給する。各PM捕集装置の上流側にそれぞれオゾン添加手段を配置してもよいし、前記した切換弁とは別の弁を用いてオゾンが流通する流路を切り換えることで、１個のオゾン添加手段からそれぞれのPM捕集装置へオゾンを供給可能とすることもできる。
【００１６】
このオゾン添加手段は、放電法、電解法、紫外線照射法などによってオゾンを発生させる手段を用いることができる。中でも容易にオゾンを発生できる放電法が好ましい。なお放電法を用いる場合は、原料ガスとして空気を用いるとN2からNOx が発生しオゾン濃度が低下する場合があるので、酸素ガスを原料とするのが望ましい。
【００１７】
制御装置は、切換弁により排ガスの流通が停止された若しくは小流量となったPM捕集装置へオゾンを供給するようにオゾン添加手段を制御する。この制御により、排ガスが流入するのが規制されたPM捕集装置にのみオゾンが供給される。したがって排ガス中に含まれるNO、HC、COなど他の被酸化成分によってオゾンが消費されるのが抑制され、オゾンをPMの酸化に効率よく用いることができる。また排ガスが流通しないことから、PM捕集装置に堆積しているPMとオゾンとを低温雰囲気で接触させることができる。したがってオゾンの熱分解が抑制される。本発明の排ガス浄化装置は、これらの相乗作用によりPMを効率よく酸化除去することができる。
【００１８】
なお、排ガスの流通を皆無とするよりも、小流量となったPM捕集装置へオゾンを供給することが好ましい。排ガス流れが皆無であるとオゾンがPM捕集装置の一部に集中するようになり、捕集されたPMが燃焼されない部分が発生する。しかし僅かな排ガス流れが存在することによって、供給されたオゾンが拡散されるため、PM捕集装置全体にオゾンが流れるようになり、PMの酸化除去効率が向上する。
【００１９】
上記小流量は、オゾンが供給されないPM捕集装置を流通する排ガスの流量以下であればよい。但し、排ガス流量が多すぎると、排ガス中に含まれるNOx などオゾンと反応しやすい成分の絶対量が増加するためオゾン供給量が多くなり、またPMと反応せずに排出されるオゾン量も増加するため好ましくない。
【００２０】
本発明の排ガス浄化装置では、先ず１個以上かつ（ｎ−１）個以下のPM捕集装置（以下第１グループのPM捕集装置という）にPMが捕集される。この第１グループのPM捕集装置におけるPM堆積量が増大して排気圧損が上昇した場合には、制御装置によって、それまで排ガスが流通されていなかった１個以上のPM捕集装置（以下第２グループのPM捕集装置という）に排ガスが流通するように、切換弁が切り換えられる。したがって排気圧損の上昇が防止される。
【００２１】
そして排ガスが第２グループのPM捕集装置を流れている間に、オゾン添加手段により第１グループのPM捕集装置にオゾンが供給される。これにより第１グループのPM捕集装置に堆積しているPMが酸化除去され、第１グループのPM捕集装置が再生される。
【００２２】
第２グループのPM捕集装置にPMが堆積して排気圧損が上昇すると、切換弁が切り換えられ排ガスは第１グループのPM捕集装置を流通する。その間に、オゾン添加手段は第２グループのPM捕集装置にオゾンを供給する。これにより第２グループのPM捕集装置に堆積しているPMが酸化除去され、第２グループのPM捕集装置が再生される。
【００２３】
この制御を繰り返し行うことで、排気圧損の上昇を抑制しつつPMを捕集することができ、かつ効率よくPMを酸化除去してPM捕集装置を再生することができる。またオゾンにより低温域でPMを酸化除去できるので、高熱によるPM捕集装置の損傷もない。
【実施例】
【００２４】
以下、試験例及び実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２５】
（試験例１）
直径30mm、長さ40mmのコージェライト製 DPFを用意し、予め所定量のPMを堆積させた。このPM堆積 DPFに対し、表１に示す２種のモデルガスをそれぞれ10Ｌ／分で流通させながら、各温度におけるPM酸化速度をそれぞれ測定した。結果を図１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
図１から、NO2 では 150℃以上でないとPMの酸化が困難であるのに対し、O3では 100℃以下の低温域からPMを酸化でき、低温域におけるPM酸化活性がNO2 に比べて格段に高いことが明らかである。なお 250℃以上でPM酸化活性が低下しているのは、O3が熱分解されたためである。
【００２８】
（試験例２）
試験例１と同様のPM堆積 DPFを用意し、表１に示したO3を含むモデルガス中のO3濃度を種々変更したモデルガスをそれぞれ10Ｌ／分で流通させながら、 200℃におけるPM酸化速度をそれぞれ測定した。結果を図２に示す。図２から、O3濃度に比例してPM酸化速度が大きくなっていることがわかる。
【００２９】
（試験例３）
容積１リットルのコージェライト製 DPFを用意し、予め約１ｇのPMを堆積させた。これをオゾン発生器を備えた排ガス流路に配置し、排ガス流を完全に停止した場合（０Ｌ／分）と10Ｌ／分の排ガスを流した場合とで、オゾン発生器に２Ｌ／分でO2を供給して、それぞれO3を２％含むガスを DPFに１時間供給した。試験温度は 150℃である。そのときのPM燃焼量を測定し、燃焼したPMの割合を算出した結果を表２に示す。また試験後の DPFを目視で観察し、PMの燃焼状況を評価した。結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２から、排ガス流量が皆無であるより10Ｌ／分の僅かな流量で排ガスが流通している方が好ましいことが明らかである。すなわち、排ガス流れが皆無であるとオゾンが DPFの一部（中心部）に集中するようになり、外周部に捕集されたPMが燃焼されない部分が発生する。しかし僅かな排ガス流れが存在することによって、供給されたオゾンが拡散されるため、 DPF全体にオゾンが流れるようになり、PMの酸化除去効率が向上する。
【００３２】
（実施例１）
図３及び図４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は、例えば、ディーゼルエンジンの排気マニホールドと排気マフラーとの間に配置されて用いられる。
【００３３】
ディーゼルエンジンの排気管１は、入口側分岐部10から第１流路11及び第２流路12の二つに分岐している。第１流路11及び第２流路12には、それぞれ第１ DPF21及び第２ DPF22が配置され、第１ DPF21及び第２ DPF22の上流には第１切換弁31及び第２切換弁32がそれぞれ配置されている。そして第１切換弁31と第１ DPF21の間の第１流路11にオゾンを添加する第１オゾン発生器41と、第２切換弁32と第２ DPF22の間の第２流路12にオゾンを添加する第２オゾン発生器42とが、それぞれ設けられている。
【００３４】
入口側分岐部10の上流側の排気管１には排ガスの圧力を検出する入圧力センサ13が配置され、第１ DPF21及び第２ DPF22の下流側には、排ガスの圧力を検出する第１出圧力センサ14及び第２出圧力センサ15がそれぞれ配置されている。各圧力センサ13、14、15の信号は制御装置５に入力され、制御装置５はこの入力値に応じて第１切換弁31及び第２切換弁32と、第１オゾン発生器41及び第２オゾン発生器42の駆動を制御する。
【００３５】
この第１オゾン発生器41及び第２オゾン発生器42は、空気、酸素あるいは酸素富化ガス中で放電することでオゾンを発生する装置であり、発生したオゾンはそのまま第１ DPF21又は第２ DPF22に流入する。
【００３６】
以下、図５に示すフローチャートを参照しながら、制御装置５の制御内容と、この排ガス浄化装置の作用とを説明する。
【００３７】
先ずステップ 100において、図３に示すように第１切換弁31が「開」、第２切換弁32が「閉」とされる。これにより排ガスは第１流路11のみを流れ、PMは第１ DPF21に捕集される。また第１オゾン発生器41及び第２オゾン発生器42は、共にオフとされる。
【００３８】
ステップ 101では、第１出圧力センサ14と入圧力センサ13の入力値から、第１ DPF21の入りガス圧力と出ガス圧力との差圧（p1）が算出され、所定値（Ｐ）と比較される。差圧（p1）が所定値（Ｐ）以下であれば、第１ DPF21におけるPM堆積量がまだ少ないので、処理はステップ 100に戻り、引き続き第１ DPF21にPMが捕集される。
【００３９】
ステップ 101で差圧（p1）が所定値（Ｐ）を超えた場合には、第１ DPF21のPM堆積量が飽和したとみなされ、ステップ 102において、図４に示すように第１切換弁31が「閉」、第２切換弁32が「開」とされる。これにより排ガスは第２流路12のみを流れ、PMは十分な捕集能を有する第２ DPF22に捕集される。したがってPMの排出を防止しつつ、排気圧損の上昇によるエンジンの不具合が抑制される。
【００４０】
またステップ 102では、第１オゾン発生器41がオンとされ、図４に示すように発生したオゾンが第１流路11に添加され第１ DPF21に流入する。第１流路11には排ガスが流入しないので、オゾンは第１ DPF21に堆積しているPMと低温域で接触する。またNOなど、オゾンと反応するガスもほとんど存在しない。したがって第１ DPF21に堆積しているPMは、効率よくオゾンによって酸化除去される。
【００４１】
ステップ 103では、第２出圧力センサ15と入圧力センサ13の入力値から、第２ DPF22の入りガス圧力と出ガス圧力との差圧（p2）が算出され、所定値（Ｐ）と比較される。差圧（p2）が所定値（Ｐ）以下であれば、第２ DPF22におけるPM堆積量がまだ少ないので、処理はステップ 102に戻り、引き続き第２ DPF22にPMが捕集される。
【００４２】
ステップ 103で差圧（p2）が所定値（Ｐ）を超えた場合には、第２ DPF22のPM堆積量が飽和したとみなされ、ステップ 104において、図３に示すように第１切換弁31が「開」、第２切換弁32が「閉」とされる。これにより排ガスは第１流路11のみを流れ、PMは、ステップ 102でオゾンによってPM捕集能が再生され十分なPM捕集能を有する第１ DPF21に捕集される。したがってPMの排出を防止しつつ、排気圧損の上昇によるエンジンの不具合が抑制される。
【００４３】
またステップ 104では、第２オゾン発生器42がオンとされ、図３に示すように発生したオゾンが第２流路12に添加され第２ DPF22に流入する。第２流路12には排ガスが流入しないので、オゾンは第２ DPF22に堆積しているPMと低温域で接触する。またNOなど、オゾンと反応するガスもほとんど存在しない。したがって第２ DPF22に堆積しているPMは、効率よくオゾンによって酸化除去される。
【００４４】
そしてステップ 105では、第１出圧力センサ14と入圧力センサ13の入力値から、第１ DPF21の入りガス圧力と出ガス圧力との差圧（p1）が算出され、再び所定値（Ｐ）と比較される。差圧（p1）が所定値（Ｐ）以下であれば、第１ DPF21におけるPM堆積量がまだ少ないので、処理はステップ 104に戻り、引き続き第１ DPF21にPMが捕集される。
【００４５】
ステップ 105で差圧（p1）が所定値（Ｐ）を超えた場合には、第１ DPF21のPM堆積量が飽和したとみなされ、処理はステップ 102へ戻って排ガスは第２流路12のみを流れるとともに、第１ DPF21に堆積したPMはオゾンによって酸化除去される。
【００４６】
すなわち本実施例の排ガス浄化装置によれば、排ガスは第１流路11と第２流路12とを交互に流れ、排ガスが流れていない流路にはオゾンが添加されて DPFに堆積したPMが酸化除去される。したがって排気圧損の上昇を抑制しつつ、PMを効率よく酸化除去して、熱応力による破損などの不具合なく DPFを再生することができる。
【００４７】
（実施例２）
図６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は、入口側分岐部10に切換弁33が配置され、排ガスを第１流路11又は第２流路12のいずれか一方にのみ流すことができるように構成されている。また１個のオゾン発生器４が設けられ、三方コック34を介して第１流路11又は第２流路12のいずれか一方にオゾンを添加可能に構成されている。切換弁33及び三方コック34は、制御装置５によって切り換えを制御されている。他の構成は、実施例１と同様である。
【００４８】
本実施例の排ガス浄化装置も、実施例１と同様に制御することで、実施例１と同様の作用効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】温度とPM酸化速度との関係を示すグラフである。
【図２】オゾン濃度とPM酸化速度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例の排ガス浄化装置を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例の排ガス浄化装置を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例の排ガス浄化装置における制御装置の処理内容を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：排気管            10：入口側分岐部              11：第１流路
12：第２流路          21：第１ DPF（PM捕集装置）    22：第２ DPF（PM捕集装置）
31：第１切換弁        32：第２切換弁                41：第１オゾン発生器
42：第２オゾン発生器  ５：制御装置
【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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