JP4333439B2 - 排気浄化装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等からの排気の浄化装置に関する。

従来の排気浄化装置では一般に、コーディライトなどのセラミックハニカム構造体の表面に、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を含む貴金属系排気浄化触媒をコーティングしている。このような貴金属系排気浄化触媒は、エンジン始動時などの低温時に比較的触媒活性が低いことから、電気ヒータなどの加熱手段を用いて暖めることが提案されている。

またこれに関して、マイクロ波の使用も提案されている。例えば特許文献１では、排気浄化触媒に対してマイクロ波を含む高周波電力を照射して、排気浄化触媒の早期の暖機を図っている。またここでは、高周波電力を撹乱するために、スターラーファンを使用している。

また特許文献２では、自動車用排気浄化触媒の暖機のために、自動車のドアキーの挿入、運転席への着座などのタイミングで、排気浄化触媒に対してマイクロ波を照射して、排気浄化触媒の早期の暖機を図っている。

特開平５−９６１６６号公報 特開平５−２０２７３７号公報

上述の特許文献１及び２に記載の排気浄化装置によれば排気浄化触媒の早期の暖機を行うことが可能になるが、これらの排気浄化装置ではマイクロ波、すなわち電力のみによって触媒の暖機を図っているので、電気エネルギーの消費が大きくなる傾向がある。

これに関して、排気の浄化及び／又は触媒の暖機のために、排気流れに対してマイクロ波を照射し、排気をプラズマ化し、排気中の未燃焼成分を燃焼させることが考慮される。しかしながら単に排気流れに対してマイクロ波を照射しても、プラズマを発生させることは容易ではなく、排気流れ全体をプラズマ化するには膨大な電気的エネルギーを必要とする。また、プラズマが発生する場合にも、プラズマが発生する位置を特定することが難しい。

従って本発明では、マイクロ波を使用して効果的に排気を浄化できる排気浄化装置及びその制御方法を提供する。

本発明の排気浄化装置は、主流路及び副流路を有する排気管、主流路に流れる排気の流量と副流路に流れる排気の流量とを調節する調節弁、副流路に設けられた絞り部、絞り部の排気流れ上流側にマイクロ波を提供するマイクロ波発生装置を有する。この本発明の排気浄化装置は随意に、絞り部の下流に、排気浄化触媒、特にＣＯ酸化触媒を有する排気浄化触媒、及び／又はディーゼルパティキュレートフィルターを更に有することができる。

本発明の排気浄化装置によれば、絞り部においてマイクロ波及び排気流れを集束させて、マイクロ波プラズマを発生させることができる。このようなマイクロ波プラズマは、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、バティキュレートマター（ＰＭ）のような未燃焼成分の燃焼／酸化を促進する。また、水（Ｈ₂Ｏ）はマイクロ波を吸収しやすいので、排気中に存在する水は、マイクロ波の照射によって活性化され、未燃焼成分の燃焼を促進する。

マイクロ波プラズマによって排気中の未燃焼成分を燃焼／酸化させるとＣＯが発生する場合があるが、排気浄化触媒がＣＯ酸化触媒を有すると、ＣＯは比較的低温においてもＣＯ酸化触媒によって酸化されてＣＯ₂になる。これは触媒の早期の暖機及びＣＯの放出防止に有益である。尚、ＣＯ酸化触媒としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕ、並びにそれらの組み合わせのような卑金属を含む触媒を挙げることができる。

本発明の排気浄化装置の制御方法では、排気浄化触媒の触媒活性を検知し、この活性が低いときに、副流路に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する。

これによれば、低温時の排気浄化触媒による浄化性能を補うと共に、触媒の暖機を促進することができる。

他の本発明の排気浄化装置の制御方法では、ディーゼルパティキュレートフィルターの再生時に、絞り部分の上流側で還元剤を添加し、副流路に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する。

ここで、「還元剤」はディーゼルパティキュレートフィルターに堆積したＰＭを燃焼して除去するのに利用できる任意の還元剤を意味しており、これは例えばガソリン又は軽油である。これによれば、添加された還元剤の酸化／燃焼を促進し、排気の温度を高めることができる。

本発明の排気浄化装置及びその制御方法によれば、マイクロ波を使用して排気中の未燃焼成分を効果的に燃焼／酸化させることができる。

以下では、本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明を構成する排気浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明の排気浄化装置の１つの実施形態について図１を用いて説明する。ここで図１はこの本発明の排気浄化装置の側面断面図である。

図１で示されているように、本発明の排気浄化装置の１つの実施形態では、排気管の主流路７を流れる排気の流量と副流路６を流れる排気の流量とが調節弁８によって調節可能にされている。この調節弁８としては任意の機構を用いることができるが、例えばバタフライ弁を用いることができる。これらの主流路７と副流路６とは、排気浄化触媒１２の手前で再び合流するようにされている。排気流れは矢印２１で示す方向で、この排気浄化装置に流通させる。

副流路６には絞り部３が設けられており、この絞り部３に対して、マイクロ波発生装置１が導波路２を経由してマイクロ波を提供できるようにされている。この導波路２は、導波管及び同軸ケーブルのようなマイクロ波を輸送する任意のものでよい。

好ましくは、絞り部３の周囲及びその排気流れ下流の部分には、耐熱性構造部分４が存在する。これは、排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼及びプラズマ５の発生によって、絞り部３の付近が高温になる場合があることによる。この耐熱性構造部分４は例えば、肉厚のステンレスのような金属管、内側にセラミック材料の層を有する金属管等であってよい。

主流路７と副流路６とが再び合流する箇所の下流には、排気浄化触媒１２が配置されており、この排気浄化触媒１２の上流側及び下流側にはそれぞれ、温度センサー１１及びＡ／Ｆセンサー１３が配置されている。

本発明の排気浄化装置で使用できる絞り部は、排気流路において排気流れ及びマイクロ波を集束させる任意の構造を有することができる。例えばこの絞り部は、排気流路の断面積が漸次的に減少していく部分であり、特に排気流路の切頭円錐状の部分である。またこの絞り部においては、排気流路の断面積を１／２以下、１／５以下、１／１０以下又は１／５０以下に絞ることができる。またこの絞り部自身がマイクロ波を反射によって集束させるために、マイクロ波を反射する材料、例えばステンレスのような金属で作ことができる。この絞り部及び導波路は、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すような構造を有することができる。

図２（ａ）の態様では、副流路６ａを流通する排気に対して導波路２ａからマイクロ波２０を照射したときに、マイクロ波及び排気が絞り部分３ａにおいて集束してマイクロ波プラズマが発生するようにされている。またここでは、絞り部３ａとマイクロ波供給箇所の間又はマイクロ波供給箇所の上流側に、燃料又は還元剤を添加するインジェクターのような燃料又は還元剤添加手段２５又は２６を配置して、随意に燃料／還元剤を添加することも可能である。

図２（ｂ）の態様では、導波路２ｂが、副流路６ｂの絞り部３ｂに対してマイクロ波２０を照射するように配置されており、絞り部分３ｂにおいてマイクロ波及び排気流れが共に集束して、マイクロ波プラズマが発生するようにされている。この場合にも、図２（ａ）と同様に燃料又は還元剤添加手段を使用できる。

図２の（ｃ）の態様では、導波路２ｃが、副流路６ｃと同軸円環状の導波路２ｃ’に連絡しており、この導波路２ｃ’を経由して、絞り部分３ｃにおいてマイクロ波及び排気流れが共に集束し、マイクロ波プラズマが発生するようにされている。この場合にも、図２（ａ）と同様に燃料又は還元剤添加手段を使用できる。

尚、排気は一般に水蒸気を含有しており、排気管、排気浄化触媒等が低温のときにはこれらに接触して凝縮することがあるが、本発明の排気浄化装置を用いて、絞り部だけでなく、その排気流れ下流の排気浄化触媒にもマイクロ波が照射されるようにすると、触媒に付着した水を蒸発させ、触媒の暖機を促進することができる。またこの場合には、引用文献２でのように、エンジン始動前からマイクロ波を提供することもできる。

この本発明の排気浄化装置の使用においては、調節弁８によって排気の少なくとも一部又は全てを副流路６に流通させ、且つマイクロ波発生装置１から導波路２を経由して副流路６にマイクロ波を提供する。ここで提供されるマイクロ波は、絞り部３において集束してマイクロ波プラズマを発生させ、排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼を促進する。絞り部３における排気中の未燃焼成分の酸化／燃焼は熱エネルギーを発生させるので、この熱エネルギーによって下流の排気浄化触媒の暖機が促進される。

また常に副流路６に排気を流通させ、且つマイクロ波発生装置１からマイクロ波を提供することもできる。しかしながら、必要性があるときにのみ、例えば触媒温度が低く、触媒活性が充分でないとき、及び／又は触媒被毒回復、ディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）の再生等のために、排気の温度を特に高める必要があるときに、副流路に排気を流通させ且つマイクロ波を提供することがエネルギー効率に関して好ましい。

触媒温度の判断のためには、排気流路に配置された温度センサー１１、排気浄化触媒１２の下流に配置されたＡ／Ｆセンサー等を使用することができる。またこの制御は得られた条件をＥＣＵなどの制御装置で判断して行うことができる。

本発明の排気浄化装置の制御方法を、自動車の排気浄化に関して図３に示すフローチャートを用いて説明する。このフローチャートはエンジン始動によってスタートして（３１）、排気浄化触媒が所定の触媒活性温度以下であるか否かを判断する（３２）。ここで排気浄化触媒が所定温度を超えている場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できると判断して処理を終了する（３６）。排気浄化触媒が所定温度以下である場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できないと判断して、調節弁を調節して排気流れの全て又は一部を副流路に流通させ、またマイクロ波発生装置を作動させる（３３）。これによって本発明の排気浄化装置の絞り部においてはマイクロ波が集束してプラズマ空間が作られる。その後、排気浄化触媒が所定の活性温度に達したか否かを判断する（３４）。ここで排気浄化触媒が所定温度に達している場合、この触媒は充分な排気浄化活性を発揮できると判断し、調節弁を調節して副流路への排気の流通を止め、マイクロ波発生装置を停止して（３５）、処理を終了する（３６）。また、ここで排気浄化触媒がまだ所定温度に達していない場合には、この所定温度が達成されるまで、副流路への排気の流通及びマイクロ波の提供を継続する。

またこのフローチャートはエンジン始動によってスタートさせることができるが、エンジン運転中においても、特に長時間のアイドル運転の後、フューエルカットの復帰後のように触媒温度の低下が予想されるときも、随意にスタートすることができる。

本発明の排気浄化装置を示す断面図である。 本発明の排気浄化装置で使用できる絞り部の例を示す断面図である。 本発明の排気浄化装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…マイクロ波発生装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ…導波路
３、３ａ、３ｂ、３ｃ…絞り部
４…耐熱性材料の管
４’…耐熱性材料の層
６、６ａ、６ｂ、６ｃ…副流路
７…主流路
８…調節弁
１１…温度センサー
１２…排気浄化触媒
１３…Ａ／Ｆセンサー
２１…排気流れを示す矢印
２５、２６…燃料又は還元剤添加手段

Claims (4)

1. 主流路及び副流路を有する排気管、
   前記主流路に流れる排気の流量と前記副流路に流れる排気の流量とを調節する調節弁、
   前記副流路に設けられた絞り部、
   前記絞り部の排気流れ上流側にマイクロ波を提供するマイクロ波発生装置、
   を有する、排気浄化装置。
2. 前記絞り部の排気流れ下流側に、排気浄化触媒及び／又はディーゼルパティキュレートフィルターを更に有する、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記排気浄化触媒の触媒活性を検知し、この活性が低いときに、前記副流路に排気を流通させ、且つ前記マイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する、請求項２に記載の排気浄化装置の制御方法。
4. 前記ディーゼルパティキュレートフィルターの再生時に、前記絞り部の上流側で還元剤を添加し、前記副流路に排気を流通させ、且つ前記マイクロ波発生装置からマイクロ波を提供する、請求項２に記載の排気浄化装置の制御方法。

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