JP5138425B2 - ガス浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関からの排ガス等に含まれるＰＭやＮＯ_ｘを除去して浄化するガス浄化装置に関するものである。

ディーゼル車両には、排ガスに含まれるＰＭ（微粒子状物質）やＮＯ_ｘ（窒素酸化物）を除去するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter, ディーゼル・パティキュレート・フィルター)や、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒を利用した自己再生式のガス浄化装置が取り付けられている。
かかるガス浄化装置では、再生時に燃料噴射量を増加させ、ＤＰＦを高温にしてＰＭを燃焼させるとともに、燃料過剰噴射（リッチパージ）時に排出されるＣＯやＨＣを使ってＮＯ_ｘを還元する。したがって、再生時に、燃費が悪化することは避けられない。

そこで、近時、電気化学的手法を利用した自己再生式のガス浄化装置が開発されつつある。このガス浄化装置は、特許文献１に示すように、酸素イオン導電性を有する固体電解質層を挟んで、その一方の面にＰＭフィルタ層、他方の面にＮＯ_ｘ吸蔵層を設けた浄化部材を利用する。各層は、多孔質構造となっており、厚み方向に排ガスを通過させることで、排ガス中に含まれるＰＭをＰＭフィルタ層で、ＮＯ_ｘをＮＯ_ｘ吸蔵層でそれぞれ捕捉する。そして再生時には、ＰＭフィルタ層をアノード、ＮＯ_ｘ吸蔵層をカソードとして、ＰＭフィルタ層からＮＯ_ｘ吸蔵層に向って厚み方向に電流を流す。そうすると、固体電解質層中を酸素イオンがＮＯ_ｘ吸蔵層からＰＭフィルタ層に移動し、その酸素イオンによって、ＰＭフィルタ層で捕集されているＰＭが酸化されてＣＯ_２等の気体になるとともに、ＮＯ_ｘ吸蔵層に吸蔵されているＮＯ_ｘがＮ_２に還元され、当該浄化部材が再生される。

このようなものであれば、捕集・吸蔵されたＰＭ及びＮＯ_ｘの酸化・還元に必要な電気量を電解質に流すだけでよく、効率のよい、換言すれば燃費の悪化を招きにくい再生処理を行うことができると期待されている。
特開２００６−２００５２０

ところで、前記再生処理は、捕集・吸蔵したＰＭやＮＯ_ｘが上限となったタイミングで行うことが好ましいが、実際の捕集・吸蔵量を直接的に測定することは難しいと考えられていたため、従来は、エンジンの回転数及び燃料噴射量から予想されるＮＯ_ｘ発生量等を積算して捕集・吸蔵量を推定算出している。

しかしながら、このような間接的な推定算出方法では、捕集・吸蔵量を精度よく把握することが難しい。したがって、従来は、余分にマージンを見て、推定算出した捕集・吸蔵量が上限となるよりもかなり早めに再生処理を開始するとともに、再生処理時間も実際に必要な時間よりも長く行わざるを得ないが、その結果、再生処理にかかる全体としての効率が低下し、燃費の悪化につながるという不具合が生じている。

本発明はかかる問題点を鑑みてなされたものであって、より効率的な再生を行うことのできる、電気化学的手法を利用した自己再生式のガス浄化装置を提供することをその主たる所期課題としている。

すなわち本発明に係るガス浄化装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質層の一方の面にＰＭフィルタ層、他方の面にＮＯ_ｘ吸蔵層が設けられ、厚み方向に通過するガス中に含まれるＰＭ及びＮＯ_ｘを捕捉（なお、この明細書ではＰＭを捕捉することを捕集、ＮＯ_ｘを捕捉することを吸蔵という場合もある）する浄化部材と、前記ＰＭフィルタ層からＮＯ_ｘ吸蔵層に向って厚み方向に流れる電流を前記浄化部材に与えて酸素イオンを移動させ、捕捉したＰＭを酸化するとともにＮＯ_ｘを還元することで当該浄化部材を再生する電流印加回路と、を具備したものである。そして、前記浄化部材の厚み方向のインピーダンスに関する値であるインピーダンス関連値を測定するインピーダンス測定回路と、前記インピーダンス測定回路によって測定されたインピーダンス関連値が、予め設定した下限値を下回ったときに前記電流印加回路をＯＮして浄化部材の再生処理を開始し、前記インピーダンス関連値が予め設定した上限値を上回ったときに前記電流印加回路をＯＦＦして浄化部材の再生処理を終了する制御回路と、を更に具備していることを特徴とする。

かかる本発明は、前記浄化部材がＰＭやＮＯ_ｘの捕捉量（捕集・吸蔵量）によって、厚み方向のインピーダンスが一意的に変化することを、本発明者が、鋭意検討の結果解明して初めてなされたものである。したがって、上記本発明の構成によれば、ＰＭやＮＯ_ｘの捕捉量を直接的に示す値である、浄化部材のインピーダンスに関する測定値に基づいて、再生処理のタイミングや時間を設定しているので、マージンを多く見ることなく、浄化部材の再生処理を非常に効率よくできるようになる。

近時のディーゼルエンジンにおいて、その排ガスに含まれるＰＭは微量であり、ＮＯ_ｘが優勢である場合が多いため、前記浄化部材におけるＰＭ及びＮＯ_ｘの捕捉量上限は、ＮＯ_ｘ吸蔵量で定まる場合が多くなる。また、本発明者らの検討によれば、ＮＯ_ｘ吸蔵量のみによって前記浄化部材のリアクタンスが変化することが今回解明されている。したがって、前記インピーダンス測定回路においてリアクタンスを示す値を測定するようにすれば、他のガス成分の影響を受けずに、正確にＮＯ_ｘ吸蔵量を予測することができ、その予測ＮＯ_ｘ吸蔵量、つまりリアクタンスを示す値を指標として、精度よく浄化部材の捕捉量の上限を把握することができる。

リアクタンスを測定するためのインピーダンス測定回路の具体的な態様としては、浄化部材に正弦波電流を与える電流源と、その正弦波電流から９０°位相のずれた発生電圧を測定する電圧測定回路とを有したものを挙げることができる。

その他のインピーダンス測定回路の具体的な態様としては、第１定電流状態から値の異なる第２定電流状態に実質的に瞬時に切り替わるパルス電流を前記浄化部材の厚み方向に与える電流源と、前記浄化部材に発生する電圧を測定する電圧測定回路と、前記第２定電流状態での測定電圧の時間変化量に基づいて前記浄化部材のリアクタンスを示す値を算出するリアクタンス算出回路と、を具備したものを挙げることができる。このようなものであれば、ＯＮ・ＯＦＦ駆動される素子を主として用いた回路構成が可能となるので、回路の簡単化と消費電力の低減を促進することができる。

上述した構成の本発明によれば、浄化部材のインピーダンス関連値を測定することにより、ＰＭやＮＯ_ｘの捕捉量を正確に把握できるため、再生処理のための電流印加タイミングや電流印加時間を、マージンを多く見ることなく設定できる。したがって、浄化部材の再生処理に係る効率の向上を図ることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に係るガス浄化装置１００は、自動車の排ガスに含まれるＰＭ（特にスート）及びＮＯ_ｘを除去する自己再生型のものであり、図１に示すように、排ガス経路Ｅ上に設けられて排ガスを通過させる浄化部材１と、その浄化部材１の再生処理を行うための再生処理機構２とを具備している。

まず、浄化部材１について説明すると、この浄化部材１は、図２に示すように、酸素イオン導電性を有する固体電解質層１１を中心として、その一方の面にＰＭフィルタ層１２、他方の面にＮＯ_ｘ吸蔵層１３を設けた平板状をなすものである。

固体電解質層１１は、排ガスを通過させることができる多孔質構造をなすもので、例えば、ジルコニア系電解質（ＺｒＯ_２）_０．９２（Ｙ_２Ｏ_５）_０．０８（以下、ＹＳＺと言う）や、セリア系電解質（Ｃｅ_０．９２Ｓｍ_０．２）Ｏ_２．５（以下、ＳＤＣと言う）などを用いることができる。

ＰＭフィルタ層１２は、排ガスを通過させるとともにＰＭを捕集可能な多孔質構造をなすものであり、ここでは、例えば、酸化触媒となるＰｔやＡｇなどの金属の粉末や、この金属粉末に固体電解質を粉末にして混合した混合粉末を、前記固体電解質層１１の一方の面に積層させて形成している。金属粉末を加えているのは、このＰＭフィルタ層１２にアノード電極としての機能を付加するためである。

ＮＯ_ｘ吸蔵層１３は、カソード電極としての機能を果たさせるべく、ＰＭフィルタ層１２同様、ＰｔやＡｇなどの金属の粉末や、あるいはこの金属粉末に固体電解質を粉末にして混合した混合粉末を、前記固体電解質層１１の他方の面に積層させて形成した排ガス通過可能なものである。そして、ＮＯ_ｘ吸蔵機能を付加するために、さらにバリウムＢａの担持を行っている。なお、各層１１、１２、１３の厚みは、例えば、固体電解質層１１が０．５ｍｍに対し、ＰＭフィルタ層１２及びＮＯ_ｘ吸蔵層１３は３０μｍ程度である。

次に前記再生処理機構２について説明する。この再生処理機構２は、図１に示すように、前記浄化部材１に再生電流を与える電流印加回路３と、前記浄化部材１のインピーダンス関連値を測定するインピーダンス測定回路４と、前記電流印加回路３の電流を制御する制御回路５とを具備している。

電流印加回路３は、図１に示すように、定電圧電源３１ａ及び電流制御回路３１ｂからなる定電流源３１と、外部操作可能なスイッチ部３２と、浄化部材１に対して印加される電圧が定電圧を超えないように保護するツェナーダイオードなどの保護回路３３とを具備したものである。そして、この電流印加回路３のプラス端子が、浄化部材１のアノード電極（ＰＭフィルタ層１２）に、マイナス端子が浄化部材１のカソード電極（ＮＯ_ｘ吸蔵層１３）にそれぞれ接続されている。

しかして、この電流印加回路３のスイッチ部３２を操作してＯＮ状態にし、浄化部材１に電流を流すと、図２に示すように、固体電解質層１１の中を酸素イオンがＮＯ_ｘ吸蔵層１３からＰＭフィルタ層１２に向かって移動する。そして、ＰＭフィルタ層１２で捕集されているＰＭがこの酸素イオンによって酸化され、ＣＯ_２などとなって放出される一方、ＮＯ_ｘ吸蔵層１３に吸蔵されているＮＯ_ｘが酸素イオンによって還元されて、Ｎ_２となって放出され、浄化部材１が再生処理される。

インピーダンス測定回路４は、浄化部材１の厚み方向のインピーダンスに関する値であるインピーダンス関連値を測定するものである。インピーダンス関連値とは、インピーダンスそのものの値や、その個々の成分の値、つまりレジスタンス値やリアクタンス値、あるいはそれらの逆数などのことを言うが、ここでのインピーダンス測定回路４は、浄化部材１のリアクタンスを示す値を測定できるように構成している。

具体的に説明すれば、このインピーダンス測定回路４は、図３に示すように、一定周波数の矩形波電流を前記浄化部材１の厚み方向に与える矩形波電流源４１と、その矩形波電流によって前記浄化部材１に発生する電圧を測定する電圧測定回路４２と、前記電圧測定回路４２による測定電圧に基づいて前記浄化部材１のリアクタンスを示す値を算出するリアクタンス算出回路４３とを具備したものである。

矩形波電流源４１は、図４に具体的な回路例、図５（ａ）に出力電流波形を示すように、定電圧電源にトランジスタやオペアンプなどの制御素子を付加して電流によるフィードバック制御を行うことで、一定周波数の矩形波電流が出力されるように構成したものである。かかる矩形波電流源４１は、電流の切り替わり部分だけをみれば、第１定電流状態から第２定電流状態に実質的に瞬時に切り替わるパルス電流を出力する電流源であるとも言える。なお、この矩形波電流源４１から出力される電流は、再生処理用の定電流源３１から出力される電流に比べれば、非常に小さい。

電圧測定回路４２は、例えば増幅器（オペアンプ）を用いたもので、この増幅器の一方の入力端子に浄化部材１のアノード端子をコンデンサを介して接続（ＡＣカップル）するとともに、他方の入力端子に浄化部材１のカソード端子を接続し、出力端子から浄化部材１の電極間電圧を出力するように構成したものである。

リアクタンス算出回路４３は、前記電圧測定回路４２による測定電圧のうち、定電流期間（第１又は第２定電流状態）における測定電圧の傾き、すなわち単位時間あたりの測定電圧の変化量を測定するものである。この傾きは、リアクタンスの逆数を示すが、その理由を説明しておくと、浄化部材１は、図６に示すように、コンデンサ（容量Ｃ）と抵抗（抵抗値Ｒ）とが直列接続されたものとみなすことができるから、この浄化部材１に印加される電流i(t)と電圧v(t)との関係は以下の式（数１）ようになる。

電流i(t)は矩形波であり、その電流切り替わり部分だけに着目すれば、前述したように、i(t)をステップ関数とみなせるから、i(t)は以下の式（数２）のように表記できる。

ただし、u(t)は単位ステップ関数、kは係数

この前提で式（数１）を解くと、以下のようになる。

したがって、電圧測定回路４２による測定電圧は、図５（ｂ）のような波形となる。そして、前記式（数３）から明らかなように、図５（ｂ）の測定電圧波形のうち、垂直に立ち上がる部分の長さがレジスタンス分に相当し、傾斜部分の傾きが静電容量値の逆数、つまりリアクタンス値に相当することがわかる。

前記傾きを算出する回路の具体的構成としては、例えば、測定電圧を前記矩形波電流で同期整流するとともに、その同期整流したのこぎり波形状の出力電圧（図５（ｃ）に示す）を、絶対値整流した後、コンデンサで積分してその積分値を求めるようにした回路を挙げることができる。この積分値は、前記傾き、すなわちリアクタンスに比例するからである。この他に、例えば、同期整流後の出力電圧（図５（ｃ））の最大値と最小値の差を求めるようにしてもよいし、あるいは同期整流前の測定電圧（図５（ｂ））において、前記定電流期間での所定の２点でサンプリングし、各サンプリング電圧の差分から傾きを求めるようにした回路などでも構わない。

制御回路５は、例えばＣＰＵやメモリ、Ｉ／Ｏチャネル、Ａ／Ｄコンバータなどを備えたいわゆるコンピュータであり、メモリに組み込まれたプログラムにしたがってＣＰＵや周辺機器が協動することにより、前述したインピーダンス測定回路４からの出力を受け付け、その結果に基づいて、前記電流印加回路３を制御する。その具体的な動作を図７のフローチャートを参照しながら以下に説明する。

この制御回路５は、最初に再生処理開始判断ルーチン（ステップＳ１、Ｓ２）を行う。再生処理開始判断ルーチンでは、まず、前記インピーダンス測定回路４を動作させ、そのリアクタンス算出回路４３からのリアクタンス信号を受信する。そして、そのリアクタンス信号の値から算出されるリアクタンスが、予め定めた下限値を下回ったか否かを判断する。そのリアクタンスが前記下限値を下回ったと判断された場合には、浄化部材１によるＮＯ_ｘ吸蔵量が上限に達しているとみなして後述する再生処理ルーチンへ進む。一方、下限値以上であれば、再度スタートに戻り、再生処理開始判断ルーチンを行う。

再生処理ルーチン（ステップＳ３〜Ｓ５）では、電流印加回路３のスイッチ部３２をＯＮさせて浄化部材１に電流を印加し、前述した再生処理を行う。電流印加時間は、一定時間に設定されており、その一定時間を超えると、再生処理ルーチンを終了（スイッチ部３２をＯＦＦ）して再生完了判断ルーチンに進む。

再生完了判断ルーチン（ステップＳ６、Ｓ７）では、前記インピーダンス測定回路４を動作させ、前記リアクタンス信号の値から算出されるリアクタンスが、予め定めた上限値以下であるか否かを判断する。そしてリアクタンスが所定の上限値以下であると判断された場合は、浄化部材１の再生処理が終了していないとみなして、再度再生処理ルーチンに戻る。一方、前記リアクタンスが所定の上限値を上回っていれば、浄化部材１の再生処理が終了したとみなして、スタートに戻り、再生処理開始判断ルーチンを開始する。

しかして、近時のディーゼルエンジンでは、排ガス中のＰＭ量は非常に少なく、ＰＭよりはＮＯ_ｘによって先に浄化部材１の容量が満たされるので、前記ＮＯ_ｘ吸蔵量が、浄化部材１の再生処理のタイミングや時間を定める指標となるところ、本実施形態に係るガス浄化装置１００によれば、浄化部材１のリアクタンスを測定することにより、ＮＯ_ｘ吸蔵量を正確に把握できることから、浄化部材１の再生処理を、マージンを余分に見ることなく、非常に効率よく行うことができるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、インピーダンス測定回路４の電流源４１として、一定周波数の正弦波電流出力するものを用いても構わない。この場合、図８に示すように、リアクタンス算出回路４３では、浄化部材１に発生する電圧のうち、前記正弦波電流と９０°の位相差を有する成分を抽出し、その電圧からリアクタンスを算出するように構成すればよい。

また、前記実施形態では、ＮＯ_ｘ吸蔵量のみによって、再生処理タイミングを定めていたが、ＮＯ_ｘ吸蔵量とＰＭ捕集量の双方によって再生処理タイミングを定めるようにしてもよい。つまり、ＮＯ_ｘ吸蔵量とＰＭ捕集量とのいずれかが上限を超えたときに再生処理を開始し、ＮＯ_ｘ吸蔵量とＰＭ捕集量とのいずれもが下減を下回ったときに再生処理を終了するようにすればよい。このようにすれば、ＰＭが先に浄化部材の捕集上限となった場合でも、確実に再生処理できる。

ＰＭ捕集量の測定には、例えば、浄化部材の前後における排ガスの差圧を測定する差圧測定機構を設ければよい。ＰＭの捕集量の増大に応じて浄化部材での圧損が大きくなることから、差圧を指標としてＰＭの捕集量を測定することができる。差圧測定機構としては、例えば、浄化部材の直前及び直後の絶対圧をそれぞれ測定する絶対圧センサと、それら各絶対圧センサからの信号値の差分、すなわち差圧を出力する差分回路とから構成したものを挙げることができる。

前記浄化部材に用いられている固体電解質は、温度の低下に伴って抵抗値が上昇する性質を有していることから、温度が低いときに再生処理を行うと、酸化還元電流の抵抗分によるロスが増大するうえ、固体電解質の劣化が促進される。そこで、温度センサを付加して浄化部材又は排ガス温度が一定以上のとき、あるいは電圧測定して浄化部材の抵抗値が一定以下のときに、再生処理を行うようにしてもよい。

なお、浄化部材のＰＭ捕集量及び温度（抵抗値）を再生処理の判断パラメータに加えた制御回路の動作ルーチンの一例を図９（ステップＳ１１〜Ｓ１９）に示しておく。
また、本発明は、車両からの排ガス浄化のみならず、工場からの排出ガスやその他のガスに用いることができることはもちろんである。

その他、本発明は前記図示例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係るガス浄化装置の模式的機器構成図。 同実施形態における浄化部材の内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態におけるインピーダンス測定回路の模式的回路図。 同実施形態における矩形波電流源の回路図。 同実施形態における電源電流波形、浄化部材の測定電圧波形、同期整流後の電圧波形をそれぞれ示す波形図。 同実施形態における浄化部材の等価回路図。 同実施形態における 本発明の他の実施形態におけるインピーダンス測定回路の模式的回路図。 本発明のさらに他の実施形態における制御回路の動作フロー。

符号の説明

１００・・・ガス浄化装置
１・・・浄化部材
１１・・・固体電解質層
１２・・・ＰＭフィルタ層
１３・・・ＮＯ_ｘ吸蔵層
３・・・電流印加回路
４・・・インピーダンス測定回路
４１・・・電流源（矩形波電流源）
４２・・・電圧測定回路
４３・・・リアクタンス算出回路
５・・・制御回路

Claims (1)

1. 酸素イオン導電性を有する固体電解質層の一方の面にＰＭフィルタ層、他方の面にＮＯ_ｘ吸蔵層を設けてなり、厚み方向に通過するガス中に含まれるＰＭ及びＮＯ_ｘを捕捉する浄化部材と、
   前記ＰＭフィルタ層からＮＯ_ｘ吸蔵層に向って厚み方向に流れる電流を前記浄化部材に与えて酸素イオンを移動させ、捕捉したＰＭを酸化するとともにＮＯ_ｘを還元することで当該浄化部材を再生する電流印加回路と、を具備したものであって、
   前記浄化部材の厚み方向のインピーダンスに関する値であるインピーダンス関連値を測定するインピーダンス測定回路と、
   前記インピーダンス測定回路によって測定されたインピーダンス関連値が、予め設定した下限値を下回ったときに前記電流印加回路をＯＮして浄化部材の再生処理を開始し、前記インピーダンス関連値が予め設定した上限値を上回ったときに前記電流印加回路をＯＦＦして浄化部材の再生処理を終了する制御回路と、を具備し、
   前記インピーダンス関連値が、リアクタンスを示す値であり、
   前記インピーダンス測定回路が、第１定電流状態から第２定電流状態に階段状に切り替わる電流を前記浄化部材の厚み方向に与える電流源と、前記浄化部材に発生する電圧を測定する電圧測定回路と、前記第１定電流状態又は第２定電流状態での測定電圧の時間変化量に基づいて前記リアクタンスを示す値を算出するリアクタンス算出回路と、を具備していることを特徴とするガス浄化装置。