废气净化装置制造方法
【专利摘要】在发动机的排气管上朝向其出口依次设置有氧化催化剂、臭氧喷射喷嘴、尿素系流体喷射喷嘴、选择还原型催化剂。废气净化装置具备对发动机的吸气量进行检测的空气流量传感器、检测臭氧喷射喷嘴的上游侧的排气管中的NOx浓度的NOx传感器、检测选择还原型催化剂及氧化催化剂的入口温度的第一及第二温度传感器。连接有臭氧喷射喷嘴的臭氧发生装置具有对空气进行压缩的压缩器、使该空气干燥的干燥机、对该空气的流量进行检测的流量传感器、将该空气变换成臭氧的臭氧发生器、检测其产生的臭氧浓度的臭氧浓度传感器。基于空气流量传感器、NOx传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、臭氧浓度传感器及检测发动机的负荷的负荷传感器的各检测输出，控制器控制压缩器及臭氧发生器。
【专利说明】废气净化装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种减少在发动机的废气中包含的氮氧化物(NOx)而对废气进行净化的装置。
【背景技术】
[0002]以往，公开了一种如下的废气后处理系统:从内燃机排出的废气流过排气管，减少废气向大气中排放时的排气音的消音器连接在排气管上，对废气进行净化的净化装置设置在排气管上，臭氧由臭氧生成反应器生成，臭氧生成反应器与排气管利用臭氧供给管在废气流过的方向上的净化装置的上游侧连接，臭氧生成反应器生成的臭氧经由臭氧供给管而向排气管的内部供给(例如，参照专利文献I)。在该废气后处理系统中，臭氧的量由臭氧传感器来检测，该臭氧传感器配置在臭氧供给管的内部和消音器的紧前中的至少一方。而且，臭氧生成反应器具备在内部具有一对电极的生成部、向电极与电极之间施加高电压的电源部、及向生成部的内部供给空气的气泵。而且，在臭氧供给管上设有对臭氧供给管与排气管之间的连通和隔断进行切换的开闭阀。此外，电源部、气泵及开闭阀与E⑶(Engine ControIUnit:发动机控制单元)电连接，基于来自ECU的输出来控制它们的动作。
[0003]在如此构成的废气后处理系统中，在将臭氧传感器配置在臭氧供给管的内部的情况下，臭氧供给管不是废气流通的路径，因此不会像排气管的内部那样成为高温。因此，作为臭氧传感器，可以使用虽然耐热性低但是能够检测出微量的臭氧的半导体臭氧传感器，从而能够准确地检测出由臭氧生成反应器产生的臭氧的生成量。另一方面，在将臭氧传感器配置在消音器的紧前的情况下，通常，通过了净化装置的废气在流过排气管的内部期间被冷却，在到达消音器之前成为能够使用半导体臭氧传感器的温度。因此，作为臭氧传感器，可以使用半导体臭氧传感器，来准确地检测未反应而残留的臭氧的量，因此能够准确地检测臭氧的量。
[0004]另一方面，公开了一`种臭氧发生装置:在电介质的一方的面上设置高电压电极，在电介质的另一方的面上隔着空隙部而并列设置接地电极，这些电极收容在臭氧产生容器内，向高电压电极与接地电极之间施加电压而使向空隙部内流通的原料气体中产生臭氧(例如，参照专利文献2)。在该臭氧发生装置中，压缩空气中的氮由富氮装置进行浓缩而除去，由该富氮装置除去了氮之后的剩余的气体与上述压缩空气混合，该混合气体作为原料气体而被导向臭氧产生容器。而且，被导向臭氧产生容器的原料气体的氧浓度由氧浓度计来检测，利用臭氧产生容器产生的臭氧的浓度由臭氧浓度计来检测。此外，控制单元基于氧浓度计及臭氧浓度计的各检测输出来控制被导向臭氧产生容器内的原料气体的氧浓度、气体流量及投入电力量。需要说明的是，作为富氮装置，使用膜分离方式的装置。
[0005]在如此构成的臭氧发生装置中，将由富氮装置浓缩了氮后的气体(富氮气体)放出并除去，因此在剩余的气体中含有较多的氧。并且，控制单元基于各浓度计的检测输出进行控制，因此在臭氧浓度作为指令值被赋予时，将原料气体控制成最适的氧浓度、气体流量，并将臭氧发生装置的投入电力量控制成最适的投入电力量。其结果是，在上述臭氧发生装置中，能够节省氧的浪费，能够为低成本并提高运转效率。而且，由富氮装置将压缩空气的一部分富化，因此不增加压缩空气量而能得到所希望的高浓度的氧。其结果是，能够减少对空气进行压缩的压缩器的损失。
[0006]在先技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2012-26331号公报(权利要求1、段落[0009]、[0016]、图1)
[0009]专利文献2:日本特开平07-277708号公报(权利要求2、段落[0011]~[0013]、
[0022]、图1、图 2)
【发明内容】
[0010]发明要解决的课题
[0011]在上述以往的专利文献I所示的废气后处理系统中，由于气泵与臭氧发生器被直接连结，因此即便不检测即将流入臭氧发生器之前的空气的流量，根据气泵的转速等也能够算出上述空气流量。然而，在上述以往的专利文献I所示的废气后处理系统中，向气泵压送的空气中包含比较多的水分，因此存在利用臭氧发生器未稳定地产生臭氧或者产生生成物而臭氧的产生效率低的不良情况。因此，当在气泵与臭氧发生器之间设置除去空气中的水分的除湿器时，来自气泵的空气的压力在除湿器中上升，因此仅仅是气泵的转速的话，无法准确地检测出即将流入臭氧发生器之前的空气的流量，存在臭氧的供给量相对于废气中的NOx量而过多或过 少的问题点。另一方面，在上述以往的专利文献2所示的臭氧发生装置中，利用膜分离方式的富氮装置将氮浓缩后的气体(富氮气体)直接向大气放出而除去，因此未实现将氮浓缩后的气体(富氮气体)的有效利用。而且，上述以往的专利文献2所示的臭氧发生装置由于进行内部放电而存在容易发热的特性。
[0012]本发明的第一目的在于提供一种废气净化装置，利用除湿器将由压缩器压缩后的空气中的水分除去，能够通过臭氧发生器高效率地产生臭氧，而且通过流量传感器准确地检测出即将流入臭氧发生器之前的空气的流量，由此能够将与废气中的NOx量和NO对NO2的流量比均衡的量的臭氧不会发生过量与不足地向排气管供给。本发明的第二目的在于提供一种废气净化装置，即使在废气温度低时也能够高效率地减少NOx，在几乎全部的废气温度区域中能够高效率地减少NOx。本发明的第三目的在于提供一种废气净化装置，使用由空气分离器分离后的富氮气体或从干燥机排出的泄放水中的任一方或双方，能够高效率地对臭氧发生器进行冷却。本发明的第四目的在于提供一种能够提高干燥机的再生效率的废气净化装置。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]本发明的第一观点如图1及图2所示，一种废气净化装置，在发动机11的排气管12上朝向该排气管12的出口依次设置有氧化催化剂13、臭氧喷射喷嘴14、尿素系流体喷射喷嘴16、及选择还原型催化剂17，且具备对发动机11的吸气量进行检测的空气流量传感器58、设置于臭氧喷射喷嘴14的上游侧的排气管12并检测排气管12中的NOx浓度的NOx传感器59、检测选择还原型催化剂17的入口温度的第一温度传感器61、及检测氧化催化剂13的入口温度的第二温度传感器72，所述废气净化装置的特征在于，臭氧喷射喷嘴14与臭氧发生装置36连接，臭氧发生装置36具有:对空气进行压缩的压缩器37 ;使由该压缩器37压缩后的空气干燥的干燥机38 ;对由该干燥机38干燥后的空气的流量进行检测的流量传感器62 ;将由该流量传感器62检测到的空气变换成臭氧的臭氧发生器39 ;及设置在该臭氧发生器39与臭氧喷射喷嘴14之间并检测由臭氧发生器39产生的臭氧的浓度的臭氧浓度传感器63，发动机11的负荷由负荷传感器64检测出，基于空气流量传感器58、N0x传感器59、第一温度传感器61、第二温度传感器72、流量传感器62、臭氧浓度传感器63及负荷传感器64的各检测输出，控制器67控制基于压缩器37的空气量及基于臭氧发生器39的臭氧产生量。
[0015]本发明的第二观点是基于第一观点的发明，其特征在于，进而如图2及图3所示，臭氧发生装置36具备空气分离器40，该空气分离器40设置在上述干燥机38与上述臭氧发生器39之间并将由干燥机38干燥后的空气分离成氧浓度高的富氧气体和氮浓度高的富氮气体54，构成为，将由空气分离器40分离后的富氧气体中的氧的一部分向臭氧发生器39导入并利用臭氧发生器39变换成臭氧，利用由空气分离器40分离后的富氮气体54将干燥机38内的水分除去而使干燥机38再生，臭氧发生器39构成为利用由空气分离器40分离后的富氮气体54或从干燥机38排出的水分即泄放水48中的任一方或双方来进行冷却。
[0016]本发明的第三观点是基于第二观点的发明，其特征在于，进而如图3所示，在臭氧发生器39的表面设置有能够吸收泄放水48的多孔质的吸湿构件39e。
[0017]本发明的第四观点是基于第二观点的发明，其特征在于，进而如图2、图3及图5所示，空气分离器40由富氧膜40a构成，富氧气体利用由干燥机38干燥后的空气通过富氧膜40a来生成，富氮气体54利用由干燥机38干燥后的空气不通过富氧膜40a而直接通过来生成。
[0018]本发明的第五观点是基于第二观点的发明，其特征在于，进而如图2及图3所示，构成为由空气分离器40分离后的富氮气体54通过扫气管46而向干燥机38供给，在扫气管46上设置有对通过该扫气`管46的富氮气体54的流量进行调整的气体流量调整阀51，一端与比气体流量调整阀51更靠富氮气体下游侧的扫气管46连接的分支管52的另一端与臭氧发生器39的表面相对设置。
[0019]发明效果
[0020]在本发明的第一观点的臭氧发生装置中，基于空气流量传感器、NOx传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、臭氧浓度传感器及负荷传感器的各检测输出，控制器控制压缩器及臭氧发生器。通过该压缩器将空气压缩，利用除湿器从该空气将水分除去而得到的干燥空气向臭氧发生器送入，在该臭氧发生器中产生的臭氧向排气管添加。其结果是，以往的废气后处理系统中，在向气泵压送的空气中含有比较多的水分，因此利用臭氧发生器未稳定地产生臭氧或者形成生成物，而臭氧的产生效率低，与此相比，在本发明中，利用除湿器将空气中的水分除去，因此利用臭氧发生器能够高效率地产生臭氧。
[0021]另外，控制器基于空气流量传感器、NOx传感器、第二温度传感器及负荷传感器的各检测输出来算出臭氧需要量。另一方面，控制器基于流量传感器及臭氧浓度传感器的各检测输出来算出臭氧产生量。并且，控制器以与上述臭氧需要量一致的方式控制压缩器及臭氧发生器。其结果是，即使臭氧发生器的周边环境(周边温度、周边湿度)发生变化，也会将与废气中的NOx量和NO对NO2的流量比均衡的量的臭氧不会过多与不足地向排气管供给，即，能够将追随发动机的运转状态的准确的量的臭氧向排气管供给。[0022]此外，当从臭氧喷射喷嘴将臭氧向排气管供给时，废气中的NOx中的NO与臭氧反应而迅速地成为反应性高的NO2，若该反应性高的NO2与从尿素系流体喷射喷嘴向排气管供给的尿素系流体一起流入选择还原型催化剂，则即使在废气温度低时，反应性高的NO2也利用选择还原型催化剂与尿素系流体发生选择还原反应而还原成N2。其结果是，即使在废气温度低时，也能够高效率地减少NOx。另一方面，当废气温度成为规定的温度以上时，氧化催化剂将废气中的NO氧化成反应性高的NO2,因此若该反应性高的NO2与从尿素系流体喷射喷嘴向排气管供给的尿素系流体一起流入选择还原型催化剂，则即使废气温度升高，反应性高的NO2也利用选择还原型催化剂与尿素系流体发生选择还原反应而还原成N2。其结果是，即使废气温度升高，也能够高效率地减少NOx。因此，在几乎全部的废气温度区域中能够高效率地减少NOx。
[0023]在本发明的第二观点的臭氧发生装置中，将由空气分离器分离后的富氧气体中的氧的一部分向臭氧发生器导入而由臭氧发生器转换成臭氧，利用由空气分离器分离后的富氮气体将干燥机内的水分除去而使干燥机再生，因此能够使干燥机高效率地再生。即，利用压缩器压缩后的空气为了使干燥机再生而可以不直接使用，因此能够抑制由压缩器压缩后的空气的消耗量。其结果是，能够减少压缩器的喷出容量，因此能够实现压缩器的小型化。而且，当使富氧气体增加时，由干燥机除去的空气中的水分量也增加，但是由空气分离器分离的富氮气体也增加，因此通过该增加的富氮气体能够将干燥机内的增加的水分除去。其结果是，即使富氧气体增减，伴随该增减而富氮气体也增减，因此能够使干燥机高效率地再生。此外，使用由空气分离器分离后的富氮气体或者从干燥机排出的水分即泄放水中的任一方或双方，对臭氧发生器进行冷却，因此能够高效率地对臭氧发生器进行冷却。
[0024]在本发明的第三观点的臭氧发生装置方法中，在臭氧发生器的表面设置有能够吸收泄放水的多孔质的吸湿构件，因此当泄放水向吸湿构件的表面滴下时，该泄放水向多孔质的吸湿构件渗入而向比较大的面积扩展，通过该泄放水气化时的气化热将臭氧发生器冷却。其结果是，在泄放 水向多孔质的吸湿构件渗入的状态下将富氮气体向吸湿构件的表面喷吹时，泄放水迅速地气化，因此通过该气化热能够更高效率地对臭氧发生器进行冷却。
[0025]在本发明的第四观点的臭氧发生装置中，利用富氧膜构成空气分离器，由干燥机干燥后的空气通过富氧膜而生成富氧气体，由干燥机干燥后的空气未通过富氧膜而直接通过，由此生成富氮气体，因此通过富氧膜将富氧气体及富氮气体可靠地分离。其结果是，在比较简易的结构的空气分离器中，利用该空气分离器的富氧膜能够高效率地生成富氧气体及富氮气体。
[0026]在本发明的第五观点的臭氧发生装置中，在将由空气分离器分离后的富氮气体向干燥机供给的扫气管上设置有气体流量调整阀，因此在将压缩器维持成额定运转的状态下，仅利用气体流量调整阀来调整通过扫气管的富氮气体的流量，就也能够调整富氧气体的流量。而且，一端与比气体流量调整阀更靠富氮气体下游侧的扫气管连接的分支管的另一端与臭氧发生器的表面相对设置，因此能够将由空气分离器分离后的富氮气体高效率地分配给干燥机及臭氧发生器。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是表示本发明第一实施方式的废气净化装置的结构图。[0028]图2是在该废气净化装置上设置的臭氧发生装置的空气回路结构图。
[0029]图3是表示利用富氮气体及泄放水对该臭氧发生装置的臭氧发生器进行冷却的状态的主要部分剖视结构图。
[0030]图4是构成干燥机的水蒸气分离膜的中空线的主要部分放大剖视图。
[0031]图5是构成空气分离器的富氧膜的中空线的主要部分放大剖视图。
[0032]图6是表示控制臭氧的产生量的方法的流程图。
[0033]图7是对臭氧需要量的计算值与实际的臭氧产生量之差进行反馈而控制臭氧产生量的流程图。
[0034]图8是表示本发明第二实施方式的与图3对应的主要部分剖视结构图。
【具体实施方式】
[0035]接下来，基于附图，说明用于实施本发明的方式。
[0036]<第一实施方式>
[0037]如图1所示，柴油发动机11的废气净化装置在发动机11的排气管12上朝向该排气管12的出口依次设置氧化催化剂13、臭氧喷射喷嘴14、尿素系流体喷射喷嘴16、选择还原型催化剂17而构成。在该发动机11的吸气端口上经由吸气岐管18而连接吸气管19，在排气端口上经由排气岐管21而连接排气管12。在吸气管19上分别设有涡轮增压器22的压缩器外壳22a、对由涡轮增压器22压缩后的吸气进行冷却的中间冷却器20，在排气管12上设有涡轮增压器22的涡轮外壳22b。在压缩器外壳22a内以能够旋转的方式收容有压缩器旋转叶片(未图示)，在 涡轮外壳22b内以能够旋转的方式收容有涡轮旋转叶片(未图示)。压缩器旋转叶片与涡轮旋转叶片由轴(未图示)连结，通过从发动机11排出的废气的能量经由涡轮旋转叶片及轴而使压缩器旋转叶片旋转，通过该压缩器旋转叶片的旋转对吸气管内的吸入空气进行压缩。
[0038]上述选择还原型催化剂17收容在比排气管12大径的壳体23内。选择还原型催化剂17是整体催化剂，通过向堇青石制的蜂巢载体涂敷沸石或氧化锆而构成。作为沸石，可列举铜沸石、铁沸石、锌沸石、钴沸石等。由铜沸石构成的选择还原型催化剂17通过将包含对铜进行了离子交换后的沸石粉末的浆液向蜂巢载体涂敷而构成。而且，由铁沸石、锌沸石或钴沸石构成的选择还原型催化剂17通过将包含对铁、锌或钴进行了离子交换后的沸石粉末的浆液向蜂巢载体分别涂敷而构成。此外，由氧化锆构成的选择还原型催化剂17通过将包含载持有氧化锆的Y-氧化铝粉末或Θ-氧化铝粉末的浆液向蜂巢载体涂敷而构成。
[0039]另一方面，尿素系流体喷射喷嘴16设置在比选择还原型催化剂17更靠废气上游侧的排气管12上。该尿素系流体喷射喷嘴16与向该喷嘴16供给尿素系流体24的尿素系流体供给单元26连接。尿素系流体供给单元26具有:前端与尿素系流体喷射喷嘴16连接的流体供给管27 ;与该流体供给管27的基端连接且积存有尿素系流体24的流体罐28 ;将该流体罐28内的尿素系流体24向尿素系流体喷射喷嘴16压送的流体泵29 ;对从尿素系流体喷射喷嘴16喷射的尿素系流体24的供给量(喷射量)进行调整的流体供给量调整阀31。上述尿素系流体24是利用选择还原型催化剂17而作为还原剂发挥作用的氨气、尿素水或雾状的尿素中的任I种或2种以上的混合物。而且，上述流体泵29设置在尿素系流体喷射喷嘴16与流体罐28之间的流体供给管27上，流体供给量调整阀31设置在尿素系流体喷射喷嘴16与流体泵29之间的流体供给管27上。此外，流体供给量调整阀31构成包括:设于流体供给管27并调整向尿素系流体喷射喷嘴16的尿素系流体24的供给压力的流体压力调整阀32 ;及设于尿素系流体喷射喷嘴16的基端并对尿素系流体喷射喷嘴16的基端进行开闭的流体用开闭阀33。
[0040]流体压力调整阀32具有第一~第三端口 32a~32c，第一端口 32a与流体泵29的喷出口连接，第二端口 32b与流体用开闭阀33连接，第三端口 32c经由返回管34而与流体罐28连接。由流体泵29压送的尿素系流体24从第一端口 32a向流体压力调整阀32流入，并从第二端口 32b向流体用开闭阀33压送。而且，当流体压力调整阀32处的压力成为规定压力以上时，由流体泵29压送的尿素系流体24从第一端口 32a流入到流体压力调整阀32之后，从第三端口 32c通过返回管34而返回到流体罐28。
[0041]另一方面，臭氧喷射喷嘴14设置在比尿素系流体喷射喷嘴16更靠废气上游侧的排气管12上(图1)。该臭氧喷射喷嘴14与产生臭氧并将产生的臭氧向臭氧喷射喷嘴14供给的臭氧发生装置36连接。该臭氧发生装置36用于产生将从柴油发动机11排出的废气中的NO氧化成NO2的臭氧。上述臭氧发生装置36具有:对空气进行压缩的压缩器37 ;使由该压缩器37压缩后的空气干燥的干燥机38 ;将由该干燥机38干燥后的空气变换成臭氧的臭氧发生器39 (图1及图2)。上述压缩器37在本实施方式中，由直流电压24V的蓄电池来驱动。需要说明的是，在本实施方式中，利用直流电压24V的蓄电池对压缩器进行了驱动，但也可以利用发动机的曲轴来驱动压缩器，或者若是混合动力车则可以利用直流电压200~300V的蓄电池来驱动压缩器。
[0042]上述干燥机38通过将容易使水蒸气(水分)透过且难以使空气透过的水蒸气分离膜38a (图4)收容在筒状的外壳38d内而构成。该水蒸气分离膜38a例如将膜厚100 μ m、外径500 μ m及长度450mm的芳香族聚酰亚胺的非对称性中空线38b捆扎而形成，以沿着外壳38d的长度方向延伸的方式收容在外壳38d内(图2)。上述中空线38b在中央形成有通孔38c，且沿着膜厚方向具`有非对称的疏密结构。上述通孔24c的内径形成为例如300 μ m。而且，在外壳38d的长度方向的一方的端面上形成有将由压缩器37压缩后的空气导入的空气导入口 38e，在外壳38d的长度方向的另一方的端面上形成有将由干燥机38干燥后的空气排出的空气排出口 38f。空气导入口 38e与水蒸气分离膜38a的各中空线38b的一端连接，空气排出口 38f与水蒸气分离膜38a的各中空线38b的另一端连接，由此，空气导入口38e及空气排出口 38f与各中空线38b的通孔38c连通连接。进而，在外壳38d的外周面上分别形成有将后述的富氮气体作为扫气气体而导入的扫气气体导入口 38g、将作为扫气气体的富氮气体与水蒸气(水分)一起排出的扫气气体排出口 38h。并且，从扫气气体导入口 38g导入的富氮气体通过水蒸气分离膜38a的中空线38b的外周面而从扫气气体排出口38h排出。
[0043]在此，当含有水蒸气(水分)的空气流过水蒸气分离膜38a的各中空线38b的通孔38c时，以存在于中空线38b的膜的内面侧及外面侧的水蒸气分压的差为驱动力，流过通孔38c的空气中的水蒸气从水蒸气分压高的中空线38b的膜的内面侧向水蒸气分压低的中空线38b的膜的外面侧透过，因此流过中空线38b的通孔38c的空气中的水蒸气减少，干燥后的空气从空气排出口 38f排出。
[0044]臭氧发生器39在本实施方式中使用无声放电型的结构(图2)。如图3详细所示，该臭氧发生器39具有:隔开规定的间隔而相互平行地设置的放电电极39a及接地电极39b ；夹装在上述的电极39a、39b之间的由Al2O3等的陶瓷构成的电介质39c ;将接地电极39b的表面覆盖的板状的陶瓷罩39d ;及设置在该陶瓷罩39d的表面上的吸湿构件39e。通过高电压电源装置(未图示)将高频高电压向上述一对电极39a、39b之间施加，在放电电极39a与电介质39c之间产生等离子放电，利用该等离子放电而将空气中包含的氧的一部分变换成臭氧。而且，陶瓷罩39d由导热率良好的氮化铝、碳化硅等形成。此外，吸湿构件39e由能够吸收后述的泄放水48的多孔质的沸石等的陶瓷形成。该吸湿构件39e通过将包含沸石粉末等的浆液向陶瓷罩的表面涂敷之后进行烧成而形成为多孔质。
[0045]另一方面，在干燥机38与臭氧发生器39之间设有空气分离器40 (图2)。该空气分离器40通过将具有使空气中的氧气比氮气容易透过的性质的富氧膜40a (图5)收容于筒状的外壳40d而构成。富氧膜40a将由干燥机38干燥后的空气分离成氧浓度高的富氧气体和氮浓度高的富氮气体。具体而言，富氧膜40a通过将中空线40b捆扎而形成，沿着外壳40d的长度方向延伸而收容在外壳40d内，该中空线40b由与氮气相比选择性地使氧气透过的高分子构成且在中央形成有通孔40c。而且，构成富氧膜40a的中空线40b优选通过氧气与氮气的分离度大的玻璃状高分子形成，更优选由氧气与氮气的分离度特别大且机械性强度、耐热性及耐久性等优异的聚酰亚胺形成。而且，构成富氧膜40a的中空线40b的膜可以是密度沿膜厚方向均匀的均质膜，或者可以使用通过将内径、外径及密度不同的多个中空线嵌插而密度沿膜厚方向不均匀地形成的复合膜，但是优选使用通过沿膜厚方向具有非对称的疏密结构而透过速度大的非对称膜。此外，中空线40b的膜厚优选设定为10 μ m~500 μ m的范围内，中空线40b的外径优选设定在50 μ m~2000 μ m的范围内。
[0046]在收容富氧膜40a的外壳40d的一方的端面上形成有将由干燥机38干燥后的空气导入的干燥空气导入口 40e，在外壳40d的另一方的端面上形成有将由空气分离器40分离后的富氮气体排出的富氮气体排出口 40f (图2)。干燥空气导入口 40e与富氧膜40a的各中空线40b的一端连接，富氮气体排出口 40f与富氧膜40a的各中空线40b的另一端连接，由此，干燥空气导入 口 40e及富氮气体排出口 40f与各中空线40b的通孔40c连通连接。而且，在收容富氧膜40a的外壳40d的外周面上形成有将富氧气体排出的富氧气体排出口40g。由于通过富氧膜40a的中空线40b的膜,而氧浓度升高的富氧气体从富氧气体排出口40g排出。
[0047]在此，说明利用富氧膜40a分离成氧浓度高的富氧气体和氮浓度高的富氮气体的原理。当干燥后的空气流过富氧膜40a的各中空线40b的通孔40c时，中空线40b的膜发生热振动而形成气体通过的间隙，因此空气中的氧分子、氮分子被取入上述间隙。此时，富氧膜40a的厚度形成得比较薄，氧分子透过中空线40b的膜的速度比氮分子透过中空线40b的膜的速度快约2.5倍，因此氧分子从分压高的中空线40b的膜的内面侧向分压低的中空线40b的外面侧迅速地透过。由此中空线40b的膜的外面侧的氧浓度升高，中空线40b的膜的内面侧的氧浓度降低。其结果是，富氧气体因空气通过富氧膜40a而生成，富氮气体因空气未通过富氧膜40a直接通过来生成。需要说明的是，通过上述热振动而在中空线40b的膜上形成的间隙为5nm左右。
[0048]另一方面，压缩器37的喷出口通过第一供给管41而与干燥机38的空气导入口38e连接，干燥机38的空气排出口 38f通过第二供给管42而与空气分离器40的干燥空气导入口 40e连接(图2)。而且，空气分离器40的富氧气体排出口 40g通过第三供给管43而与臭氧发生器39的富氧气体导入口 39f连接，在臭氧发生器39的臭氧排出口 39g上连接有第四供给管44的一端。此外，空气分离器40的富氮气体排出口 40f通过扫气管46而与干燥机38的扫气气体导入口 38g连接，在干燥机38的扫气气体排出管38h上连接有泄放管47的一端。该泄放管47的另一端与臭氧发生器39的表面即吸湿构件39e的表面相对设置，从干燥机38排出的水分即泄放水48通过泄放管47而向吸湿构件39e滴下(图2及图3)。
[0049]另一方面，在第一供给管41设有对由压缩器37压缩后的空气进行积存的气罐49，在扫气管46设有对通过该扫气管46的富氮气体的流量进行调整的气体流量调整阀51 (图2)。上述气罐49为了如下情况而设置:即便使富氧气体及富氮气体的流量急剧变化，也向空气分离器40供给充分的量的空气，并缓和空气的压力变动。而且，在比气体流量调整阀51更靠富氮气体下游侧的扫气管46连接有分支管52的一端,该分支管52的另一端与臭氧发生器39的表面即吸湿构件39e的表面相对设置(图2及图3)。由空气分离器40分离后的富氮气体的一部分通过扫气管46而从扫气气体导入口 38g向干燥机38供给，由空气分离器40分离后的富氮气体的其余部分(大部分)通过扫气管46及分支管52而向吸湿构件39e的表面喷射。向干燥机38供给的富氮气体与向吸湿构件39e的表面喷射的富氮气体的流量比例设定为约1:9。在此，从扫气气体导入口 38g向干燥机38供给的富氮气体仅用于干燥机38内的水分(泄放水)的压出，因此可以为全部的富氮气体的I成左右的少量。而且，作为将向干燥机38供给的富氮气体与向吸湿构件39e的表面喷射的富氮气体的流量比例设定为约1:9的方法，存在有将从扫气管46及分支管52的连接部到富氮气体下游侧的扫气管46及分支管52的内径比形成为规定的比的方法、或者在从扫气管46及分支管52的连接部到富氮气体下游侧的扫气管46上设置节流部的方法等。需要说明的是，图2中的标号53是设于第四供给管44的止回阀。该止回阀53容许臭氧从臭氧发生器39向臭氧喷射喷嘴14的流动，并阻止臭氧从臭氧喷射喷嘴14向臭氧发生器39的流动。而且，图3中的标号54是从分支管52的另一端喷射的富氮气体。
[0050]返回图1，在比臭氧喷射喷嘴14更靠废气上游侧的排气管12上设有壳体56，在该壳体56内从废气上游侧起依次收容有氧化催化剂13和微粒过滤器57。氧化催化剂13是整体催化剂，通过向堇青石制的蜂巢载体涂敷钼沸石、钼氧化铝、或钼-钯氧化铝等贵金属系催化剂而构成。具体而言，由钼沸石构成的氧化催化剂13通过将包含对钼进行了离子交换的沸石粉末的浆液向蜂巢载体涂敷而构成。而且，由钼氧化铝构成的氧化催化剂13通过将包含载持有钼的Y-氧化铝粉末或Θ-氧化铝粉末的浆液向蜂巢载体涂敷而构成。此外，由钼-钯氧化铝构成的氧化催化剂13通过将包含载持有钼及钯的Y-氧化铝粉末或Θ-氧化铝粉末的浆液向蜂巢载体涂敷而构成。微粒过滤器57虽然未图示，但具有通过由堇青石那样的陶瓷构成的多孔质的隔壁分隔的多边形截面。该过滤器57通过利用密封构件将因上述的隔壁而多个相互平行地形成的贯通孔的相邻的入口部和出口部交替密封来构成。在该过滤器57中，在从过滤器57的入口部导入的发动机11的废气通过多孔质的隔壁时，捕集该废气中含有的微粒，并从出口部排出。 [0051]上述废气净化装置还具备:检测发动机11的吸气量的空气流量传感器58 ;设于臭氧喷射喷嘴14的上游侧的排气管12并检测排气管12中的NOx浓度的NOx传感器59 ;检测选择还原型催化剂17的入口温度的第一温度传感器61 ;及检测氧化催化剂13的入口温度的第二温度传感器72。空气流量传感器58设于吸气管19的入口，NOx传感器59设置在润轮外壳22b与氧化催化剂13之间的排气管12上。而且,第一温度传感器61设置在比选择还原型催化剂17更靠废气上游侧且设置在收容选择还原型催化剂17的壳体23上，第二温度传感器72设置在比氧化催化剂13更靠废气上游侧且设置在收容氧化催化剂13及微粒过滤器57的壳体56上。另一方面，上述臭氧发生装置36还具有:检测由干燥机38干燥后的空气的流量的流量传感器62 ;设置在臭氧发生器39与臭氧喷射喷嘴14之间并检测由臭氧发生器39产生的臭氧的浓度的臭氧浓度传感器63。流量传感器62设置在空气分离器40与臭氧发生器39之间的第三供给管43上，臭氧浓度传感器63设置在臭氧发生器39与止回阀53之间的第四供给管44上。需要说明的是，臭氧浓度传感器63不是使用对于高浓度的臭氧还没有耐久性的半导体方式的传感器，而是使用对于高浓度的臭氧具有耐久性的紫外线方式的传感器。该紫外线方式的臭氧浓度传感器63是利用了臭氧吸收254nm附近的波长的紫外线的性质的传感器。进而，发动机11的负荷即向发动机11的燃料喷射量由负荷传感器64来检测，发动机11的转速由旋转传感器66来检测。
[0052]上述空气流量传感器58、N0x传感器59、第一温度传感器61、第二温度传感器72、流量传感器62、臭氧浓度传感器63、负荷传感器64及旋转传感器66的各检测输出与控制器67的控制输入连接，控制器67的控制输出与压缩器37、臭氧发生器39 (高电压电源装置)、流体泵29、流体用开闭阀33及气体流量调整阀51分别连接。在控制器67设有存储器68。在该存储器68中，如图7详细所示，存储有基于NOx传感器59检测出的NOx浓度Cn (ppm)、根据空气流量传感器58检测出的空气量Qn (g/秒)及负荷传感器64的检测输出的向发动机11的燃料喷射量Dn (g/秒)来算出的废气流量而算出臭氧的需要量Xa (g/秒)的计算式(Xa=K1.Cn.(Qn+Dn) (K1:常数))。而且，在存储器68中，存储有基于流量传感器62检测出的向臭氧发生器39流入的空气量Co (g/秒)、臭氧浓度传感器63检测出的臭氧浓度Qo (ppm)来 求出实际的臭氧产生量Xr (g/秒)的计算式(Xr=K2.C0.Qo (K2:常数))。此外，在存储器68中，作为映射，存储有与根据废气中的NOx浓度、氧化催化剂13入口的废气温度、及空气流量传感器58检测出的空气量Qn和负荷传感器64检测出的发动机负荷(向发动机11的燃料喷射量Dn)而算出的废气流量相对的、废气中的NO对NO2的流量比的变化。
[0053]基于图6及图7的流程图来说明如此构成的废气净化装置的动作。在发动机11的刚起动之后或发动机11的轻负荷运转时，选择还原型催化剂17入口的废气温度小于220°C，比较低。当第一温度传感器61检测到该温度范围的废气温度时，控制器67基于NOx传感器59检测出的NOx浓度Cn、空气流量传感器58检测出的空气量Qn、负荷传感器的检测输出的向发动机的燃料喷射量Dn，使用计算式(Xa=K1.Cn.(Qn+Dn))算出臭氧的需要量Xa0而且，控制器基于流量传感器检测出的向臭氧发生器流入的空气量Co和臭氧浓度传感器检测出的臭氧浓度Qo,使用计算式(Xr=K2 ?C0.0ο)来求出实际的臭氧产生量Xr。并且，控制器67以与上述臭氧需要量一致的方式控制压缩器37及臭氧发生器39(高电压电源装置)，调整基于压缩器38的空气量，并调整基于臭氧发生器39的臭氧产生量，从而产生最适的量的臭氧。此外，控制器67驱动流体泵29，使流体用开闭阀33开闭。
[0054]由上述臭氧发生器39产生的臭氧向臭氧喷射喷嘴14供给，并从臭氧喷射喷嘴14向排气管12喷射(供给)。在此，向排气管12供给臭氧是因为，利用臭氧将废气中的NO的一部分变换成反应性高的NO2,使向选择还原型催化剂17导入的废气中的NO对NO2的流量比接近于选择还原型催化剂17中的尿素系流体24进行的NO及NO2的向N2的还原反应最快速进展的比例的I比I。因此，控制器67基于NOx传感器59检测出的废气中的NOx浓度、第二温度传感器72检测出的氧化催化剂13入口的废气温度、根据空气流量传感器58检测出的空气量Qn及负荷传感器64检测出的发动机负荷(向发动机11的燃料喷射量Dn)而算出的废气流量，来求出从发动机11排出的废气中的NO对NO2的流量比。并且，控制器67以使向选择还原型催化剂17导入的NO对NO2的流量比接近I比I的方式，控制压缩器37及臭氧发生器39 (高电压电源装置)，产生适当量的臭氧。当将该臭氧向排气管12供给时，如下式(I)所示，利用臭氧(O3)将废气中的NO的一部分迅速地变换成N02。
[0055]03+N0 ^ O2+NO2......(I)
[0056]其结果是，即使臭氧发生器39的周边环境(周边温度、周边湿度)变化，也能够将与废气中的NOx量和NO对NO2的流量比均衡的量的臭氧没有过多与不足地向排气管12供给，即能够将追随了发动机11的运转状态的准确的量的臭氧向排气管12供给。
[0057]另一方面，当驱动流体泵29而使流体用开闭阀33开闭时，尿素系流体24通过流体供给管27而向排气管12间歇地喷射(供给)。在此，向排气管12供给尿素系流体24是为了作为将废气中的NOx (NO及NO2)还原成N2的还原剂发挥作用。若从发动机11排出的废气中已经包含的NO及NO2、该废气中的NO的一部分由臭氧氧化后的NO2、及尿素系流体24向选择还原型催化剂17导入，则即使在由第一温度传感器61检测到的选择还原型催化剂17入口的废气温度小于220°C而比较低时，反应性高的NO2也由选择还原型催化剂17与尿素系流体24进行选择还原反应而被还原成N2。其结果是，即使在上述废气温度低时，也能够高效率地减少NOx。需要说明的是，氧化催化剂13在上述废气温度小于220°C而比较低时，未活化，未发挥将NO氧化成NO2的功能。
[0058]选择还原型催化剂17中的具体的化学反应在尿素系流体24为尿素水的情况下，由下式(2)及式(3)表示， 在尿素系流体24为氨气的情况下，由下式(4)所示。
[0059](NH2) 2C0+H20 — 2NH3+C02......(2)
[0060]N0+N02+2NH3 — 2N2+3H20......(3)
[0061]N0+N02+2NH3 — 2N2+3H20......(4)
[0062]上述式(2)表示由于选择还原型催化剂17入口的废气温度小于220°C而比较低，因此即便是比较少量，也是尿素水(尿素系流体24)的向氨气的加水分解进展的化学反应式。而且，上述式(3)表示废气中的NO及NO2利用选择还原型催化剂17而与从上述尿素水加水分解后的氨气反应，将NO及NO2还原成N2的化学反应式。此外,上述式(4)表示废气中的NO及NO2由选择还原型催化剂17而与氨气(尿素系流体24)反应，将NO及NO2还原成N2的化学反应式。在此，由于与使用尿素水作为尿素系流体24相比，使用了氨气的情况下的NO及NO2的向N2的还原反应迅速地进展，因此优选使用氨气作为尿素系流体24。
[0063]另外，当选择还原型催化剂17入口的废气温度成为220°C以上时，控制器67基于第一温度传感器61的检测输出，使臭氧发生装置36的压缩器37及臭氧发生器39 (高压电源装置)停止，并将气体流量调整阀51关闭。这是因为，当上述废气温度成为比较高温时，氧化催化剂13活化，发挥将NO氧化成NO2的功能，因此不需要臭氧发生装置36。其结果是，即使废气温度升高，也能够高效率地减少NOx。因此，能够在几乎全部的废气温度区域内高效率地减少NOx。
[0064]另一方面，当驱动臭氧发生装置36的压缩器37时，将空气压缩而积存于气罐49。该空气由干燥机38除去水分而干燥，该干燥后的空气由空气分离器40分离成氧浓度高的富氧气体和氮浓度高的富氮气体。由空气分离器40分离后的富氧气体向臭氧发生器39供给，由臭氧发生器39将富氧气体中的氧的一部分变换成臭氧，该臭氧通过第四供给管44而向臭氧喷射喷嘴14供给。
[0065]由空气分离器40分离后的富氮气体54的一部分通过扫气管46而从扫气气体导入口 38g向干燥机38供给，由空气分离器40分离后的富氮气体54的其余部分(大部分)通过扫气管46及分支管52而向臭氧发生器39的吸湿构件39e的表面喷射。通过将富氮气体54的一部分向干燥机38供给，将由干燥机38分离后的水分即泄放水48压出，通过泄放管47而向臭氧发生器39的吸湿构件39e的表面滴下。此时，泄放水48向多孔质的吸湿构件39e渗入而向比较大的面积扩展。在此状态下当将富氮气体54喷吹到吸湿构件39e的表面时，泄放水48迅速地气化，因此通过该气化热将臭氧发生器39冷却。如此，使用由空气分离器40分离后的富氮气体54、及从干燥机38排出的泄放水48这双方，并使泄放水48渗入多孔质的吸湿构件39e，将因内部放电而容易发热的臭氧发生器39冷却，因此能够高效率地对臭氧发生器39进行冷却。
[0066]另一方面，不使用为了产生臭氧而需要的富氧气体，而使用为了产生臭氧不需要的富氮气体54，使干燥机38再生，因此，能够使干燥机38高效率地再生。而且，为了使干燥机38再生可以不直接使用由压缩器37压缩后的空气，因此能够抑制由压缩器37压缩的空气的消耗量。其结果是，能够减少压缩器37的喷出容量，因此能够实现压缩器37的小型化。此外，当使富氧气体增加时，由干燥机38除去的空气中的水分量也增加，但是这种情况下，由于增大气体流量调整阀51的开度，因此由空气分离器40分离的富氮气体54也增加，从而通过该增加的富氮气`体54能够除去干燥机38内的增加的水分。其结果是，即使富氧气体增减，由于伴随着该增减而富氮气体54也增减，因此能够使干燥机38高效率地再生。上述干燥机38内的增加的水分(泄放水48)通过泄放管47，向臭氧发生器39的吸湿构件39e的表面滴下，用于臭氧发生器39的冷却。
[0067]<第二实施方式>
[0068]图8示出本发明的第二实施方式。在图8中，与图3相同的标号表示同一元件。在本实施方式中，从臭氧发生器39的表面即吸湿构件39e的表面隔开规定的间隔且与吸湿构件39e的表面平行地延伸设置的氮喷射喷嘴81与分支管52的前端连接。在该氮喷射喷嘴81上，与吸湿构件39e的表面相对的多个喷射口 81a沿着氮喷射喷嘴81的长度方向隔开规定的间隔而形成。而且，一端与干燥机的扫气气体排出口连接的泄放管47的另一端以朝向吸湿构件39e倾斜的方式插入到氮喷射喷嘴81与吸湿构件39e之间。上述以外与第一实施方式同样地构成。
[0069]在如此构成的废气净化装置的臭氧发生装置中，由空气分离器分离后的富氮气体54通过扫气管及分支管52而从氮喷射喷嘴81的多个喷射口 81a向臭氧发生器39的吸湿构件39e的表面大致均匀地喷射，因此通过第一实施方式能够使臭氧发生器39高效率地冷却。上述以外的动作与第一实施方式的动作大致同样，因此省略重复的说明。[0070]需要说明的是，在上述第一及第二实施方式中，将本发明的废气净化装置适用于柴油发动机，但也可以将本发明的废气净化装置适用于汽油发动机。而且，在上述第一及第二实施方式中，将本发明的废气净化装置适用于带涡轮增压器的柴油发动机，但也可以将本发明的废气净化装置适用于自然吸气型柴油发动机或自然吸气型汽油发动机。而且，在上述第一及第二实施方式中，作为臭氧发生器，使用了无声放电型的结构，但是作为臭氧发生器，也可以使用沿面放电型的结构、向空气放射紫外线而产生臭氧的方式的结构、对水进行电解而产生臭氧的方式的结构等。而且，在上述第一及第二实施方式中，在压缩器与干燥机之间设置了气罐，但是在富氧气体及富氮气体的流量未急剧变化的情况下，也可以不设置气罐。而且，在上述第一及第二实施方式中，利用作为三通阀的流体压力调整阀进行了流体压力的调整，但也可以不使用流体压力调整阀，利用流体用开闭阀的开闭时间的调整和流体泵的驱动的有无来进行。而且，在上述第一及第二实施方式中，向臭氧发生器供给了空气，但也可以供给包含空气的发动机的废气。此外，在上述第一及第二实施方式中，将臭氧发生器的陶瓷罩形成为板状，但是也可以在板状的陶瓷罩的表面上将多个翅片隔开规定的间隔而竖立设置。这种情况下，臭氧发生器的冷却性能提高。但是，吸湿构件通过向陶瓷罩及翅片的表面涂敷之后进行烧成而形成为多孔质。
[0071]工业实用性
[0072]本发明的废气净化装置在使用臭氧和尿素系流体来减少发动机的废气中含有的氮氧化物(NOx)而对废气进行净化的情况中能够利用。
[0073]需要说明的是，本国际申请基于2011年9月21日提出申请的日本国专利申请第206122号(日本特愿2011-206122)而主 张优先权，并将日本特愿2011-206122的全部内容援引于本国际申请。
【权利要求】
1.一种废气净化装置，在发动机的排气管上朝向该排气管的出口依次设置有氧化催化剂、臭氧喷射喷嘴、尿素系流体喷射喷嘴、及选择还原型催化剂，且具备对所述发动机的吸气量进行检测的空气流量传感器、设置于所述臭氧喷射喷嘴的上游侧的排气管并检测所述排气管中的NOx浓度的NOx传感器、检测所述选择还原型催化剂的入口温度的第一温度传感器、及检测所述氧化催化剂的入口温度的第二温度传感器，所述废气净化装置的特征在于， 所述臭氧喷射喷嘴与臭氧发生装置连接， 所述臭氧发生装置具有:对空气进行压缩的压缩器；使由该压缩器压缩后的空气干燥的干燥机；对由该干燥机干燥后的所述空气的流量进行检测的流量传感器；将由该流量传感器检测到的所述空气变换成臭氧的臭氧发生器；及设置在该臭氧发生器与所述臭氧喷射喷嘴之间并检测由所述臭氧发生器产生的臭氧的浓度的臭氧浓度传感器， 所述发动机的负荷由负荷传感器检测出， 基于所述空气流量传感器、所述NOx传感器、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述流量传感器、所述臭氧浓度传感器及所述负荷传感器的各检测输出，控制器控制基于所述压缩器的所述空气量及基于所述臭氧发生器的臭氧产生量。
2.根据权利要求1所述的废气净化装置，其中， 所述臭氧发生装置还具备空气分离器，该空气分离器设置在所述干燥机与所述臭氧发生器之间并将由所述干 燥机干燥后的所述空气分离成氧浓度高的富氧气体和氮浓度高的富氮气体， 构成为，将由所述空气分离器分离后的富氧气体中的氧的一部分向所述臭氧发生器导入并利用所述臭氧发生器变换成臭氧，利用由所述空气分离器分离后的富氮气体将所述干燥机内的水分除去而使所述干燥机再生， 所述臭氧发生器构成为利用由所述空气分离器分离后的富氮气体或从所述干燥机排出的水分即泄放水中的任一方或双方来进行冷却。
3.根据权利要求2所述的废气净化装置，其中， 在所述臭氧发生器的表面设置有能够吸收所述泄放水的多孔质的吸湿构件。
4.根据权利要求2所述的废气净化装置，其中， 所述空气分离器由富氧膜构成，所述富氧气体利用由所述干燥机干燥后的空气通过所述富氧膜来生成，所述富氮气体利用由所述干燥机干燥后的空气不通过所述富氧膜而直接通过来生成。
5.根据权利要求2所述的废气净化装置，其中， 构成为由所述空气分离器分离后的富氮气体通过扫气管而向所述干燥机供给，在所述扫气管上设置有对通过该扫气管的所述富氮气体的流量进行调整的气体流量调整阀，一端与比所述气体流量调整阀更靠富氮气体下游侧的所述扫气管连接的分支管的另一端与所述臭氧发生器的表面相对设置。
【文档编号】C01B13/10GK103827022SQ201280046258
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】川田吉弘, 清水朝彦 申请人:日野自动车株式会社