(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＭを含む排ガスの流路に配置されＰＭを捕集するＰＭ捕集装置と、該排ガスの流路外に配置されプラズマを発生するプラズマ発生装置と、該排ガスの流路外に配置され該プラズマ発生装置で発生したプラズマ中に酸化性ガスを供給するとともにプラズマによって活性化された該酸化性ガスを該ＰＭ捕集装置に供給する酸化性ガス供給装置と、よりなり、該ＰＭ捕集装置で捕集されたＰＭを活性化された該酸化性ガスによって燃焼除去することを特徴とするＰＭ浄化装置。
【請求項２】
前記ＰＭ捕集装置には白金が担持され、前記排ガスの温度が白金の活性化温度未満のときに、前記プラズマ発生装置と前記酸化性ガス供給装置とを駆動することを特徴とする請求項１に記載のＰＭ浄化装置。
【請求項３】
前記ＰＭ捕集装置に捕集されたＰＭの捕集量を推定する捕集量推定手段と、該捕集量推定手段で推定されたＰＭの捕集量に応じて前記酸化性ガス供給装置と前記プラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置とをさらに備え、該制御装置はＰＭの捕集量が所定値以上の場合に前記プラズマ発生装置と前記酸化性ガス供給装置とを駆動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＰＭ浄化装置。
【請求項４】
排ガス中のＰＭの含有量を推定する含有量推定手段と、該含有量推定手段で推定されたＰＭの含有量に応じて前記酸化性ガス供給装置と前記プラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置をさらに備え、排ガス中のＰＭの含有量が所定値以上の場合に前記プラズマ発生装置と前記酸化性ガス供給装置とを駆動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＰＭ浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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ＰＭを排ガス温度域で効率よく燃焼して浄化できるＰＭ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、あるいは網の目構造のフォーム形状のものなどが用いられている。このフィルタによってＰＭを捕集する方法では、堆積したＰＭによって圧損が増大するため、ＰＭがある程度堆積した時点で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。さらに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。また堆積した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。
【０００４】
そこで特開平6-146852号公報には、煤が付着したフィルター要素を介して放電を発生させ、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煤を低温で酸化する方法が開示されている。
【０００５】
また特開平10−159552号公報には、 NO2に富む酸化性ガスをモノリスに供給することで、モノリスに捕集されたＰＭを酸化性ガスによって燃焼除去する方法が記載されている。
【０００６】
さらに特許第 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。
【０００７】
【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 NO2などの酸化性ガスによってＰＭを酸化燃焼させる場合には、低温域におけるＰＭの燃焼が困難であり、低温域においてＰＭが堆積しそれが高温域で一気に燃焼する。したがってその燃焼熱によってフィルタが損傷するという不具合がある。さらに堆積しているＰＭを燃焼除去するためには、大量の酸化性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。
【０００８】
またフィルター要素を介して放電を発生させ、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、空間速度が大きな排ガス中で放電させているために、大きな電力が必要となりエネルギー効率が低い。またフィルタ内に電極等を組み込むため、構造が複雑となる。さらに静電気力で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も、同様に放電に要する電力が大きくエネルギー効率が低いという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、堆積したＰＭをプラズマを利用して小さな電力で燃焼して除去できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【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ＰＭ浄化装置の特徴は、ＰＭを含む排ガスの流路に配置されＰＭを捕集するＰＭ捕集装置と、排ガスの流路外に配置されプラズマを発生するプラズマ発生装置と、排ガスの流路外に配置されプラズマ発生装置で発生したプラズマ中に酸化性ガスを供給するとともにプラズマによって活性化された酸化性ガスをＰＭ捕集装置に供給する酸化性ガス供給装置と、よりなり、ＰＭ捕集装置で捕集されたＰＭを活性化された酸化性ガスによって燃焼除去することにある。
【００１１】
ＰＭ捕集装置に捕集されたＰＭの捕集量を推定する捕集量推定手段と、捕集量推定手段で推定されたＰＭの捕集量に応じて酸化性ガス供給装置とプラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置とをさらに備え、制御装置はＰＭの捕集量が所定値以上の場合にプラズマ発生装置と酸化性ガス供給装置とを駆動することが望ましい。
【００１２】
また排ガス中のＰＭの含有量を推定する含有量推定手段と、含有量推定手段で推定されたＰＭの含有量に応じて酸化性ガス供給装置とプラズマ発生装置の駆動を制御する制御装置をさらに備え、排ガス中のＰＭの含有量が所定値以上の場合にプラズマ発生装置と酸化性ガス供給装置とを駆動することが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のＰＭ浄化装置では、酸化性ガスをプラズマ発生装置によって発生したプラズマによって活性化し、活性化された酸化性ガスをＰＭ捕集装置に供給している。酸化性ガスはプラズマによってラジカル又はイオンとなることにより活性化され、その酸化活性がきわめて高い。したがってＰＭ捕集装置に捕集されているＰＭは、低温域においても容易に燃焼して除去される。
【００１４】
またラジカル又はイオンとなることにより活性化された酸化性ガスは、ＰＭとの反応活性がきわめて高い。そのため供給された酸化性ガスのほとんど全部がＰＭの燃焼に寄与し反応効率が格段に向上する。これにより酸化性ガスの供給量を低減することができ、装置を小型化することが可能となる。
【００１５】
そして酸化性ガス供給装置は、酸化性ガスを先ずプラズマ発生装置で発生したプラズマ中に供給している。したがって酸化性ガスがラジカル又はイオンとなって活性化する効率がよく、酸化性ガスは少量でよいので空間速度が小さい。したがって放電に要するエネルギーも小さくてすみ、エネルギー効率がよい。
【００１６】
ＰＭ捕集装置は、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、あるいは網の目構造のフォーム形状のものなど、ＰＭを物理的に捕集する従来のフィルタを用いることができる。またＰＭを強制的に帯電させ、帯電したＰＭを静電気力により吸着させて捕集することも可能である。この場合は、板状、筒状、ペレット状、ハニカム状、メッシュ状などのストレートフロー構造と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ＰＭ捕集装置をプラス側若しくはアース側の電極として形成しておけばよい。
【００１７】
酸化性ガスとしては、O2，NO， NO2， SO2， SO3などが例示され、プラズマによってラジカル又はイオンに活性化されやすいO2， NO2， SO3が特に好ましい。そして酸化性ガス供給装置としては、プラズマ発生装置で発生したプラズマ中に酸化性ガスを供給し、プラズマで活性化された酸化性ガスをＰＭ捕集装置へ供給できるものであれば特に制限されず、ポンプ、インジェクタ、あるいはタンクに圧縮貯蔵された酸化性ガスの圧力によって供給できるパイプなどとすることができる。また活性化された酸化性ガスを直接ＰＭ捕集装置へ供給してもよいし、ＰＭ捕集装置へ供給される排ガス中に供給することもできる。
【００１８】
しかしながら排ガス中に活性化された酸化性ガスが存在すると、活性化された酸化性ガスが排ガス中のHC，COなどの還元成分と反応して消失し、捕集されたＰＭを燃焼する量が低下してしまう。したがって活性化された酸化性ガスを排ガス中に供給する場合には、活性化された酸化性ガスがＰＭ捕集装置の直前で排ガス中に混入するように構成することが望ましい。
【００１９】
プラズマ発生装置は、一般に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。例えば酸化性ガス流路に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、流路を流れる酸化性ガスを活性化することができる。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。
【００２０】
ところでプラズマ発生装置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。またプラズマが発生していない時に酸化性ガス供給装置を駆動することも無駄である。そこでプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置に対してその駆動を制御することが望ましい。
【００２１】
例えばＰＭ捕集装置に白金（Pt）などが担持されている場合においては、排ガス温度がPtの活性化温度以上の高温域にある場合には、Ptの酸化能によって捕集されているＰＭの酸化燃焼が可能となる。そこでＰＭ捕集装置に流入する排ガス及びＰＭ捕集装置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プラズマ発生装置と酸化性ガス供給装置を駆動することが好ましい。このようにすれば、Ptの活性化が困難な低温域でのみプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置を駆動することができ、エネルギー効率が向上する。
【００２２】
またＰＭ捕集装置にある程度のＰＭが堆積した場合にのみプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置を駆動するようにすることも好ましい。この場合には、ＰＭ捕集装置に捕集されたＰＭの捕集量を推定する捕集量推定手段を備え、ＰＭの捕集量が所定値以上の場合にプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置を駆動するようにすればよい。この捕集量推定手段としては、光散乱パーティクルカウンターなどのＰＭセンサを用いて捕集量を検出してもよいし、内燃機関の駆動状況から計算して推定することもできるできる。
【００２３】
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以上の場合にプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置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プラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置が駆動されるのを回避し、また加速時など排ガス中のＰＭ量が多い場合にのみプラズマ発生装置及び酸化性ガス供給装置を駆動してＰＭを燃焼することができるので、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。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１に本実施例のＰＭ浄化装置を示す。本実施例のＰＭ浄化装置は、ディーゼルエンジン１の排気管10に配置されたＰＭ捕集装置２と、プラズマを発生するプラズマリアクタ３と、酸化性ガス供給装置４と、から構成されている。
【００２６】
ＰＭ捕集装置２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従来のフィルタ（ＤＰＦ）から構成され、排ガスがセル隔壁を通過する際にＰＭがセル隔壁に捕集されるように構成されている。
【００２７】
プラズマリアクタ３は、図２及び図３に示すように、直径30mm，長さ 100mmの円筒状の接地極30とその中心に配置された線状の放電極31とからなり、高圧電源32から接地極30と放電極31の間に図４に示すような20kVのパルス電圧が 0.005秒間隔で印加されることで、筒状の接地極30内部にプラズマ放電が間欠的に発生するように構成されている。
【００２８】
酸化性ガス供給装置４は、NO2ガスが圧縮貯蔵されたボンベ40と、ボンベ40から所定圧力で放出された NO2ガスが通過するガス流路41とからなり、ガス流路41はＰＭ捕集装置２の直前で排気管10に連結されている。そしてガス流路41の一部にプラズマリアクタ３が配置され、ボンベ40から 20kPaの圧力で放出された NO2ガスはプラズマリアクタ３を通過した後に排気管10に流入し、排ガスと共にＰＭ捕集装置２に流入するように構成されている。
【００２９】
本実施例のＰＭ浄化装置では、プラズマリアクタ３内に流入した NO2ガスはプラズマ放電によって NO2ラジカル又は NO2イオンとなることで活性化され、それがＰＭ捕集装置２に流入する。そしてＰＭ捕集装置２に捕集されているＰＭと排ガス中のＰＭは、 NO2ラジカル又は NO2イオンによって燃焼除去される。 NO2ラジカル又は NO2イオンは酸化活性が高く、 200〜 300℃の低温域でもＰＭを燃焼除去できるので、ＰＭ捕集装置２内のＰＭは低温域から効率よく燃焼除去され、ＰＭ捕集能が回復するとともに圧損が低下する。
【００３０】
図５に本実施例のＰＭ浄化装置の効果を示す。図５では縦軸にＰＭ堆積量を、横軸に時間をとっている。例えばプラズマリアクタ３と酸化性ガス供給装置４をもたない比較例の場合には、ＰＭの燃焼が行われないので、時間とともにＰＭ堆積量が増大する。しかし本実施例のＰＭ浄化装置によれば、プラズマリアクタ３と酸化性ガス供給装置４を駆動した時点Ｐ以降は放電プラズマにより活性化された酸化性ガスがほぼ連続的にＰＭを除去できるため、時間に無関係にＰＭ堆積量が低い値でほぼ一定となる。
【００３１】
（実施例２）
図６に第２の実施例のＰＭ浄化装置を示す。このＰＭ浄化装置は、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の信号を受けて高圧電源32及び酸化性ガス供給装置４に設けられたバルブ42を制御する制御装置５をさらに備えたこと以外は実施例１と同様の構成である。
【００３２】
以下、図７に示すフローチャートに沿って制御装置５の制御内容を説明しながら、本実施例のＰＭ浄化装置の作用を説明する。
【００３３】
ステップ 100でディーゼルエンジン１が駆動されると、先ずステップ 101で制御装置５のメモリに記録されている現在のＰＭ堆積量Ｘと定数Ａが読み込まれる。定数Ａは圧損がエンジン特性に影響を及ぼさない範囲内でＰＭ捕集装置２に堆積できるＰＭの上限値（臨界堆積量Ａ）である。
【００３４】
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Ｔは温度センサで計測してもよい。
【００３５】
ステップ 103では、Ｘ＝Ｘ＋Ｙが演算され、現在のＰＭ堆積量Ｘが更新される。
【００３６】
次にステップ 104で現在の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以上の場合にはステップ 105でバルブ42が開かれてボンベ40から NO2ガスが供給されるとともに、ステップ 106で高圧電源32がONとされ20kVのパルス電圧がプラズマリアクタ３に所定時間印加される。これによりプラズマリアクタ３には放電プラズマが発生し、活性化された NO2ガスがＰＭ捕集装置２に流入して堆積したＰＭが燃焼除去される。
【００３７】
一方、ステップ 104でＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ未満の場合には、何もせずステップ 102へ戻る。
【００３８】
次いでステップ 107では、放電プラズマが発生した延べ時間ｔと排ガス温度Ｔに応じて燃焼除去されたＰＭ量Δｘを算出し、ＰＭ堆積量ＸからΔｘを削減する更新を行い、処理はステップ 102へ戻る。
【００３９】
したがって本実施例のＰＭ浄化装置によれば、ＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ未満の場合には排ガス中のＰＭはＰＭ捕集装置２に次々と捕集される。そしてＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以上になると、放電プラズマで活性化された NO2ガスによって堆積したＰＭが燃焼除去されるため、ＰＭ堆積量Ｘは急激に低下し、ＰＭ捕集装置２は捕集能力を再び回復するとともに圧損が低下する。そしてプラズマリアクタ３と酸化性ガス供給装置４が駆動されるのは、現在のＰＭ堆積量Ｘが臨界堆積量Ａ以上の場合のみであるので、消費電力を節約できエネルギー効率がよい。
【００４０】
図８に本実施例のＰＭ浄化装置の効果を示す。図８では縦軸にＰＭ堆積量を、横軸に時間をとっている。本実施例のＰＭ浄化装置によれば、放電プラズマにより活性化された酸化性ガスが間欠的にＰＭを除去するため、ＰＭ堆積量は鋸刃形状となり、その最大値は臨界堆積量Ａ以下となるので、圧損の増大を確実に防止できる。
【００４１】
【発明の効果】
すなわち本発明のＰＭ浄化装置によれば、堆積したＰＭをプラズマを利用して小さな電力で燃焼除去することができ、しかも低温域でも堆積したＰＭの燃焼除去が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のＰＭ浄化装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例のＰＭ浄化装置に用いたプラズマリアクタ（プラズマ発生装置）の断面図である。
【図３】本発明の一実施例のＰＭ浄化装置に用いたプラズマリアクタ（プラズマ発生装置）の駆動時における断面図である。
【図４】本発明の一実施例のＰＭ浄化装置におけるプラズマリアクタ（プラズマ発生装置）の駆動電圧波形を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例のＰＭ浄化装置の効果を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例のＰＭ浄化装置の構成を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例のＰＭ浄化装置における制御装置５の制御内容を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施例のＰＭ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捕集装置    ３：プラズマリアクタ
４：酸化性ガス供給装置    ５：制御装置        10：排気管
30：接地極                31：放電極          32：高圧電源
40：ボンベ                41：ガス流路        42：バルブ
【図１】
0004132920.tif 000002
【図２】
0004132920.tif 000003
【図３】
0004132920.tif 000004
【図４】
0004132920.tif 000005
【図５】
0004132920.tif 000006
【図６】
0004132920.tif 000007
【図７】
0004132920.tif 000008
【図８】
0004132920.tif 000009