JP2024040077A - 排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動直後の粒子状物質の排出量を抑制しつつ、ガソリン・パーティキュレート・フィルタで捕集した粒子状物質を効率よく分解できる排気システムを提供する。【解決手段】エンジン１０１から排気するための排気システム１に、プラズマリアクター４と、排気ガスの流れ方向においてプラズマリアクター４の下流側に配置されるガソリン・パーティキュレート・フィルタ５とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、排気システムに関する。

従来、三元触媒と、三元触媒の下流側に配置されるガソリン・パーティキュレート・フィルタとを備える排気ガス処理装置が知られている。ガソリン・パーティキュレート・フィルタは、三元触媒を通過した排気ガス中の粒子状物質を除去する（例えば、下記特許文献１参照。）。

特開２０２１－５０７００号公報

特許文献１に記載されるような排気ガス処理装置では、捕集した粒子状物質がガソリン・パーティキュレート・フィルタに過度に堆積してしまう可能性がある。

その場合、捕集した粒子状物質を燃焼させてガソリン・パーティキュレート・フィルタを再生させるために、例えば、所定のタイミングで、ガソリンを消費して、粒子状物質を燃焼可能な温度までガソリン・パーティキュレート・フィルタを加熱する処理が必要になる。

そこで、本発明の目的は、エンジン始動直後の粒子状物質の排出量を抑制しつつ、ガソリン・パーティキュレート・フィルタで捕集した粒子状物質を効率よく分解できる排気システムを提供することにある。

本発明［１］は、エンジンから排気するための排気システムであって、プラズマリアクターと、排気ガスの流れ方向において前記プラズマリアクターの下流側に配置されるガソリン・パーティキュレート・フィルタとを備える、排気システムを含む。

このような構成によれば、プラズマリアクターによってエンジン始動直後の粒子状物質の排出量を抑制しつつ、ガソリン・パーティキュレート・フィルタに捕集された粒子状物質を、プラズマリアクターで発生するオゾン、二酸化窒素、および、活性酸素を利用して、酸化分解できる。

そのため、燃料を消費してガソリン・パーティキュレート・フィルタを加熱することなく、ガソリン・パーティキュレート・フィルタで捕集した粒子状物質を効率よく分解できる。

本発明［２］は、排気ガスの流れ方向において前記プラズマリアクターの上流側に配置され、排気ガス中の炭化水素を吸着可能な吸着部材をさらに備える、上記［１］の排気システムを含む。

このような構成によれば、エンジン始動直後において、排気ガス中の炭化水素を、吸着部材で吸着できる。

また、吸着部材の下流側にプラズマリアクターが配置されていることにより、吸着部材から脱離した炭化水素をプラズマリアクターによって分解できる。

本発明［３］は、前記ガソリン・パーティキュレート・フィルタは、排気ガスが通る通路を有し、前記通路の内面上に、排気ガス中の窒素酸化物を吸着可能な第１吸着層と、排気ガス中の炭化水素を吸着可能な第２吸着層とを有する、上記［１］の排気システムを含む。

このような構成によれば、ガソリン・パーティキュレート・フィルタで、粒子状物質だけでなく、窒素酸化物および炭化水素も除去できる。

本発明の排気システムによれば、エンジン始動直後の粒子状物質の排出量を抑制しつつ、ガソリン・パーティキュレート・フィルタで捕集した粒子状物質を効率よく分解できる。

図１は、本発明の排気システムの一実施形態を備える車両の概略構成図である。 図２Ａは、図１に示すガソリン・パーティキュレート・フィルタの断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す多孔質壁の拡大図である。 図３は、変形例（１）を説明するための説明図である。

１．排気システムの構成
図１に示すように、排気システム１は、例えば、車両１００に搭載される。

車両１００は、エンジン１０１と、バッテリー１０２を含む電気システムと、エンジン１０１に吸気するための図示しない吸気システムと、エンジン１０１に燃料を供給するための図示しない燃料噴射システムと、エンジン１０１から排気するための排気システム１とを備える。エンジンは、ガソリンエンジンである。

排気システム１は、排気管２と、吸着部材３と、プラズマリアクター４と、電源装置５と、制御装置６と、ガソリン・パーティキュレート・フィルタ（ＧＰＦ）７とを備える。

（１）排気管
排気管２は、排気マニホールドを介してエンジン１０１と接続される。エンジン１０１から排出された排気ガスは、排気管２を通過して車外に排出される。排気ガスは、排気管２が延びる方向に流れる。

（２）吸着部材
吸着部材３は、排気管２内に配置される。吸着部材３は、好ましくは、排気ガスの流れ方向における排気管２の上流端部内に位置する。吸着部材３は、排気ガスの流れ方向において、プラズマリアクター４の上流側に配置される。吸着部材３は、排気ガス中の炭化水素を吸着可能である。

詳しくは、吸着部材３は、円筒形状を有する。吸着部材３は、排気ガスの流れ方向に延びる。吸着部材３は、内部に、担体と吸着層とを有する。担体は、排気ガスの流れ方向に延びる。担体は、吸着層を担持する。担体は、網目状またはハニカム状であり、排気ガスが通過する複数の通路を有する。吸着層は、担体の通路の内面を覆う。吸着層は、例えば、ＢＥＡ型ゼオライトなどから作られる。排気ガスが担体の通路を通過するときに、吸着層は、排気ガス中の炭化水素を吸着する。

（３）プラズマリアクター
プラズマリアクター４は、排気管２内に配置される。プラズマリアクター４は、排気ガスの流れ方向において、吸着部材４の下流側に配置される。プラズマリアクター４は、吸着部材３を通過した排気ガスに含まれる粒子状物質、炭化水素および窒素酸化物を分解可能である。プラズマリアクター４は、誘電体バリア放電型のプラズマリアクターである。

詳しくは、プラズマリアクター４は、複数の電極パネル４１を有する。複数の電極パネル４１は、排気ガスの流れ方向と直交する方向において、互いに間隔を隔てて並ぶ。各電極パネル４１は、排気ガスの流れ方向に延びる。各電極パネル４１は、平板形状を有する。排気ガスは、各電極パネル４１の間を通過する。

各電極パネル４１は、導体層と、導体層を覆う誘電体層とを有する。導体層は、例えば、タングステンなどの金属（導体）から作られる。誘電体層は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックス（誘電体）から作られる。

各電極パネル４１に電力が供給されると、各電極パネル４１の間で放電（誘電体バリア放電）が生じる。これにより、各電極パネル４１の間の気体が、プラズマ状態となる。すなわち、プラズマリアクター４内にプラズマが発生する。

（４）電源装置
電源装置５は、バッテリー１０２からの電力をプラズマリアクター４の各電極パネル４１に供給可能である。電源装置５は、バッテリー１０２と電気的に接続される。また、電源装置５は、各電極パネル４１と電気的に接続される。電源装置５は、オン状態またはオフ状態に切り替え可能である。電源装置５がオン状態である場合、電源装置５は、電極パネル４１に電力を供給可能である。また、電源装置５がオフ状態である場合、電源装置５は、電極パネル４１に電力を供給しない。

（５）制御装置
制御装置６は、車両１００における電気的な制御を実行するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備える。制御装置６は、バッテリー１０２と電気的に接続される。制御装置６は、車両１００のイグニッションスイッチがオンされたときに、バッテリー１０２から電力が供給されることにより、起動する。

制御装置６は、電源装置５に電気的に接続される。制御装置６は、電源装置５に所定の電気信号を送ることにより、電源装置５をオン状態またはオフ状態に切り替える。すなわち、制御装置６は、電源装置５を制御する。言い換えると、制御装置６は、電源装置５を介して、プラズマリアクター４を制御する。

（６）ガソリン・パーティキュレート・フィルタ（ＧＰＦ）
ＧＰＦ７は、排気ガスの流れ方向において、プラズマリアクター４の下流側に配置される。ＧＰＦ７は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集可能である。また、ＧＰＦ７は、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸着可能である。

詳しくは、ＧＰＦ７は、円筒形状を有する。ＧＰＦ７は、排気ガスの流れ方向に延びる。図２Ａに示すように、ＧＰＦ７は、通路７１Ａ，７１Ｂを有する。

通路７１Ａは、排気ガスの流れ方向に延びる。排気ガスの流れ方向における通路７１Ａの上流端は、開放されている。排気ガスの流れ方向における通路７１Ａの下流端は、閉鎖されている。

通路７１Ｂは、排気ガスの流れ方向と直交する方向において、通路７１Ａと並ぶ。通路７１Ｂは、排気ガスの流れ方向に延びる。排気ガスの流れ方向における通路７１Ｂの上流端は、閉鎖されている。排気ガスの流れ方向における通路７１Ｂの下流端は、開放されている。

なお、ＧＰＦ７は、複数の通路７１Ａおよび複数の通路７１Ｂを有する。複数の通路７１Ａおよび複数の通路７１Ｂは、排気ガスの流れ方向と直交する方向において、交互に並ぶ。

ＧＰＦ７は、通路７１Ａと通路７１Ｂとを仕切る多孔質壁７２を有する。排気ガスは、通路７１Ａを通ってＧＰＦ内に入り、多孔質壁７２を通過して、通路７１Ｂ内を通ってＧＰＦ外に出る。つまり、排気ガスは、通路７１Ａ，７１Ｂを通る。排気ガスが多孔質壁７２を通過するときに、粒子状物質、炭化水素および窒素酸化物が、多孔質壁７２に捕集または吸着され、排気ガスから除去される。

図２Ｂに示すように、多孔質壁７２は、多孔質担体７２１と、第１吸着層７２２Ａと、第２吸着層７２２Ｂと、三元触媒層７２２Ｃとを有する。言い換えると、ＧＰＦ７は、多孔質担体７２１と、第１吸着層７２２Ａと、第２吸着層７２２Ｂと、三元触媒層７２２Ｃとを有する。

多孔質担体７２１は、例えば、セラミックスからなる。多孔質担体７２１は、排気ガスの流れ方向に延びる。多孔質担体７２１は、排気ガスの流れ方向と直交する方向において、所定の厚みを有する。

第１吸着層７２２Ａ、第２吸着層７２２Ｂおよび三元触媒層７２２Ｃは、多孔質担体７２１の表面上に配置される。言い換えると、第１吸着層７２２Ａ、第２吸着層７２２Ｂおよび三元触媒層７２２Ｃは、通路７１Ａまたは通路７１Ｂの内面上に配置される。

詳しくは、第１吸着層７２２Ａは、多孔質担体７２１の上に配置される。第１吸着層７２２Ａは、排気ガス中の窒素酸化物を吸着可能である。第１吸着層７２２Ａは、窒素酸化物を吸着可能な吸着剤からなる。窒素酸化物を吸着可能な吸着剤として、例えば、ＣＨＡ型ゼオライト、および、アルカリ土類金属が挙げられる。アルカリ土類金属として、例えば、バリウム、カルシウムが挙げられる。

第２吸着層７２２Ｂは、第１吸着層７２２Ａの上に配置される。言い換えると、第１吸着層７２２Ａは、第２吸着層７２２Ｂは、排気ガス中の炭化水素を吸着可能である。第２吸着層７２２Ｂは、炭化水素を吸着可能な吸着剤からなる。炭化水素を吸着可能な吸着剤として、例えば、ＢＥＡ型ゼオライトが挙げられる。

三元触媒層７２２Ｃは、第２吸着層７２２Ｂの上に配置される。三元触媒層７２２Ｃは、三元触媒からなる。三元触媒層７２２Ｃは、炭化水素および窒素酸化物を分解可能である。第２吸着層７２２Ｂが第１吸着層７２２Ａの上に配置され、かつ、三元触媒層７２２Ｃが第２吸着層７２２Ｂの上に配置されていると、第１吸着層７２２Ａから脱離した炭化水素、および、第２吸着層７２２Ｂから脱離した窒素酸化物を、三元触媒層７２２Ｃで浄化することができる。

２．排気システムにおける排気ガスの浄化
次に、排気システムにおける排気ガスの浄化について説明する。

図１に示すように、車両１００のイグニッションスイッチがオンされると、制御装置６が起動する。さらに、セルモーターが回ると、エンジン１０１が始動する。エンジン１０１が始動すると、制御装置６は、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、プラズマリアクター４内でプラズマが発生する。

また、エンジン１０１が始動すると、エンジン１０１からの排気ガスは、排気管２に流入する。エンジン１０１からの排気ガスは、粒子状物質、炭化水素、および、窒素酸化物を含有する。

エンジン１０１からの排気ガスは、まず、吸着部材３を通る。このとき、排気ガス中の炭化水素は、吸着部材３に吸着する。これにより、エンジン１０１が始動した直後において、炭化水素の排出を抑制できる。なお、エンジン１０１が始動した直後とは、エンジン１０１が始動した後、ＧＰＦ７内の三元触媒層７２２Ｃが三元触媒の活性化温度に到達するまでの間をいう。

次に、吸着部材３を通過した排気ガスは、プラズマリアクター４を通る。このとき、排気ガス中の粒子状物質は、プラズマによって分解される。また、吸着部材３に吸着されなかった炭化水素も、プラズマによって分解される。これにより、エンジン１０１が始動した直後において、粒子状物質および炭化水素の排出を抑制できる。なお、プラズマリアクター４内では、排気ガスにプラズマが作用することにより、排気ガス中の成分（例えば、窒素酸化物、酸素）から、二酸化窒素、オゾン、および、活性酸素が発生する。

次に、プラズマリアクター４を通過した排気ガスは、ＧＰＦ７を通る。このとき、図２Ａに示すように、プラズマリアクター４で分解されなった粒子状物質は、ＧＰＦ７の多孔質壁７２によって捕集される。

ここで、ＧＰＦ７は、排気ガスの流れ方向において、プラズマリアクター４の下流側に配置されている。そのため、プラズマリアクター４で発生した二酸化窒素、オゾン、および、活性酸素は、排気ガスとともにＧＰＦ７に流れる。多孔質壁７２に捕集された粒子状物質は、プラズマリアクター４からの二酸化窒素、オゾン、および、活性酸素により、酸化分解される。これにより、燃料を消費してＧＰＦ７を加熱することなく、効率よくＧＰＦ７を再生させることができる。

また、図２Ｂに示すように、吸着部材３に吸着されず、プラズマリアクター４でも分解されなかった炭化水素は、ＧＰＦ７の第２吸着層７２２Ｂによって吸着される。また、排気ガス中の窒素酸化物は、ＧＰＦ７の第１吸着層７２２Ａによって吸着される。

これにより、エンジン１０１が始動した直後において、粒子状物質、炭化水素および窒素酸化物の排出を抑制できる。

そして、図１に示すように、吸着部材３の温度が、例えば、３００℃以上になると、吸着部材３に吸着されていた炭化水素が吸着部材３から脱離する。吸着部材３から脱離した炭化水素は、排気ガスとともにプラズマリアクター４内に入り、プラズマによって分解される。図２Ｂに示すように、プラズマリアクター４で分解されなかった炭化水素は、ＧＰＦ７の第２吸着層７２２Ｂによって吸着される。

さらに、ＧＰＦ７の温度が、三元触媒が活性化する温度（例えば、３００℃）以上になると、第２吸着層７２２Ｂから脱離した炭化水素と、第１吸着層７２２Ａから脱離した窒素酸化物とが、三元触媒層７２２Ｃで浄化される。詳しくは、炭化水素が酸化されるとともに、窒素酸化物が還元されて、炭化水素および窒素酸化物が、水と、二酸化炭素と、窒素とに変換される。

３．作用効果
（１）排気システム１によれば、図１に示すように、ＧＰＦ７は、排気ガスの流れ方向において、プラズマリアクター４の下流側に配置される。

そのため、プラズマリアクター４によってエンジン始動直後の粒子状物質の排出量を抑制しつつ、ＧＰＦ７に捕集された粒子状物質を、プラズマリアクター４で発生する二酸化窒素、オゾン、および、活性酸素を利用して、酸化分解できる。

そのため、燃料を消費してＧＰＦ７を加熱することなく、ＧＰＦ７で捕集した粒子状物質を効率よく分解できる。

（２）排気システム１によれば、図１に示すように、吸着部材３は、排気ガスの流れ方向において、プラズマリアクター４の上流側に配置される。

そのため、エンジン始動直後において、排気ガス中の炭化水素を、吸着部材３で吸着できる。

また、吸着部材３の下流側にプラズマリアクター４が配置されていることにより、吸着部材３から脱離した炭化水素をプラズマリアクター４によって分解できる。

（３）排気システム１によれば、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ＧＰＦ７は、排気ガスが通る通路７１Ａを有し、通路７１Ａの内面上に、排気ガス中の窒素酸化物を吸着可能な第１吸着層７２２Ａと、排気ガス中の炭化水素を吸着可能な第２吸着層７２２Ｂとを有する。

そのため、ＧＰＦ７で、粒子状物質だけでなく、窒素酸化物および炭化水素も除去できる。

４．変形例
次に、変形例について説明する。変形例において、上記した実施形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

（１）第１吸着層７２２Ａから脱離した窒素酸化物、および、第２吸着層７２２Ｂから脱離した炭化水素が三元触媒層７２２Ｃに作用する配置であれば、第１吸着層７２２Ａ、第２吸着層７２２Ｂおよび三元触媒層７２２Ｃの配置は、限定されない。例えば、図３に示すように、三元触媒層７２２Ｃは、排気ガスの流れ方向において、第１吸着層７２２Ａおよび第２吸着層７２２Ｂの下流側に配置されてもよい。この場合、第１吸着層７２２Ａから脱離した窒素酸化物、および、第２吸着層７２２Ｂから脱離した炭化水素は、排気ガスとともに、三元触媒層７２２Ｃに作用する。また、第１吸着層７２２Ａ、第２吸着層７２２Ｂおよび三元触媒層７２２Ｃは、排気ガスの流れ方向において、第１吸着層７２２Ａ、第２吸着層７２２Ｂ、三元触媒層７２２Ｃの順に並んでいてもよい。

（２）窒素酸化物を重点的に吸着させたい場合、第１吸着層７２２Ａは、第２吸着層７２２Ｂの上に配置されてもよい。

１ 排気システム
３ 吸着部材
４ プラズマリアクター
７ ガソリン・パーティキュレート・フィルタ
７２２Ａ 第１吸着層
７２２Ｂ 第２吸着層
１０１ エンジン

Claims (3)

1. エンジンから排気するための排気システムであって、
   プラズマリアクターと、
   排気ガスの流れ方向において前記プラズマリアクターの下流側に配置されるガソリン・パーティキュレート・フィルタと
   を備える、排気システム。
2. 排気ガスの流れ方向において前記プラズマリアクターの上流側に配置され、排気ガス中の炭化水素を吸着可能な吸着部材をさらに備える、請求項１に記載の排気システム。
3. 前記ガソリン・パーティキュレート・フィルタは、排気ガスが通る通路を有し、前記通路の内面上に、排気ガス中の窒素酸化物を吸着可能な第１吸着層と、排気ガス中の炭化水素を吸着可能な第２吸着層とを有する、請求項１に記載の排気システム。