(57)【要約】【課題】  高電圧の作用により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、動作中の異常放電を抑制する。【解決手段】  外周電極４ｂと、当該外周電極４ｂの内側に配置される内部電極５と、を備え、前記両電極４ｂ，５間に高電圧を印加して排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、内部電極５の一方の端部の近傍が、内部電極５への給電経路を構成する電極支持フレーム８に固定されており、内部電極５の他方の端部の近傍が、電極支持フレーム１８に摺動可能に支持されている。【選択図】  図１
2006009709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周電極と、当該外周電極の内側に配置される内部電極と、を備え、前記両電極間に高電圧を印加して排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
前記内部電極の一方の端部の近傍が、前記内部電極への給電経路を構成する第一の支持体に固定されており、
前記内部電極の他方の端部の近傍が、第二の支持体に摺動可能に支持されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
単一の前記第一の支持体につき複数の前記内部電極が固定されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
前記内部電極の自由端が絶縁層によって被覆されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
前記第一の支持体の横断面における輪郭の曲率半径が、前記内部電極の横断面における輪郭の曲率半径よりも大とされていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガスを高電圧の印加によって処理する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両などの内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、近年、円筒形の外周電極と、この外周電極の軸線に沿って排ガスの流れ方向に延びる棒状の内部電極とを有し、両電極間に高電圧を印加してプラズマ状態を生じさせ、通過する排ガスを浄化するような、いわば透過型またはストレートフロー型の排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような装置では、通過する排ガス中のＮＯｘなどの物質がＮ２等に変換されると共に、排ガス中のＰＭ（particulate matter; 粒子状物質）が内部電極からの放電により帯電され、その電荷と内外の電極間の電界との相互作用によってＰＭが外周電極側に吸着され、または、後方に設けた捕集装置に捕捉され、放電により発生した活性ガス（ＮＯ２、Ｏ３、ＯＨ等）により低温で焼却処理される。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２３１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の装置では長期間の使用によって浄化性能が低下する場合がある。これにつき発明者らは鋭意研究の結果、この浄化性能の低下の大きな原因の一つが、動作中の異常放電にあることを知見した。
【０００５】
本発明はかかる新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、高電圧の作用により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、動作中の異常放電を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明は、外周電極と、当該外周電極の内側に配置される内部電極と、を備え、前記両電極間に高電圧を印加して排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、前記内部電極の一方の端部の近傍が、前記内部電極への給電経路を構成する第一の支持体に固定されており、前記内部電極の他方の端部の近傍が、第二の支持体に摺動可能に支持されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。
【０００７】
第１の本発明では、内部電極の一部が第一の支持体に固定されている一方、内部電極の他の一部が第二の支持体に摺動可能に支持されているので、排ガスの供給によって高温下におかれた場合に内部電極の伸縮が許容され、熱膨張に起因した変形が抑制されるので、内部電極の変形によって生じうる異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【０００８】
第２の本発明は、請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、単一の前記第一の支持体につき複数の前記内部電極が固定されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。
【０００９】
第２の本発明では、上記第１の本発明による効果を複数の内部電極を有する装置において好適に実現できる。
【００１０】
第３の本発明は、請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、前記内部電極の自由端が絶縁層によって被覆されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。
【００１１】
第３の本発明では、内部電極の自由端からの放電が抑制されるので、異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【００１２】
第４の本発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、前記第一の支持体の横断面における輪郭の曲率半径が、前記内部電極の横断面における輪郭の曲率半径よりも大とされていることを特徴とする排ガス浄化装置である。
【００１３】
第４の本発明では、第一の支持体からの放電が抑制されるので、異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１において、本発明の実施形態の排ガス浄化装置１は、車両に適用されると好適なものであり、プラズマリアクタまたはコロナリアクタとして構成されている。この排ガス浄化装置１は、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気系統を構成する排気管に組み込まれる。
【００１６】
排ガス浄化装置１は、上流側ケース２ａ、下流側ケース２ｂ、および中間ケース３を有する。上流側ケース２ａ、下流側ケース２ｂおよび中間ケース３は、金属とくにＳＵＳ等の耐熱材料により形成されている。上流側ケース２ａの内部には、図１において白抜矢印で示される方向に、内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが導入される。そして、中間ケース３の内部で浄化された排ガスは、下流側ケース２ｂから不図示の排気管を介して外部に排出される。
【００１７】
上流側ケース２ａおよび下流側ケース２ｂは、排気管に接続するための入口または出口を構成する排気管と概ね同径かつ概ね円筒形の端部２１ａ，２１ｂと、排気管よりも大径の概ねレーストラック形の断面形状を有する大径部と、端部２１ａと大径部との間および端部２１ｂと大径部との間に形成されたコーン部２４ａ，２４ｂとを含む。
【００１８】
このような上流側ケース２ａと下流側ケース２ｂとの間に、概ねレーストラック形の断面形状を有する筒型の中間ケース３が結合されている。中間ケース３の上流側および下流側の開口部には、絶縁ブロック７ａ，７ｂがアルミナマットを介して固定されている。絶縁ブロック７ａ，７ｂはアルミナなどの絶縁体からなる。
【００１９】
絶縁ブロック７ａ，７ｂの間に、複数（本実施形態では、２４体）の処理ユニット６が互いに平行に固定されている。各処理ユニット６は、円筒形の放電管４ａ、放電管４ａの外周面に形成された円筒形の外周電極４ｂ、および細径の直円柱棒状の内部電極５からなる。各放電管４ａは、その上流端および下流端を絶縁ブロック７ａ，７ｂにそれぞれ固定されており、放電管４ａの軸心は、絶縁ブロック７ａ，７ｂに多数形成されている円形の通孔７ｃの軸心に合致させられている。
【００２０】
絶縁ブロック７ａ，７ｂにおける通孔７ｃの配置は、図２に示されるとおりである。すなわち、縦一列４個の通孔７ｃからなるセットが３列互いに平行に配置されると共に、これらの縦列の間および両側方に、縦一列３個の通孔７ｃからなるセットが一列ずつ計４列配置される。各縦列の通孔７ｃは隣接する縦列の通孔７ｃに対して上下方向位置を外周電極４ｂの略半径分シフトして配置され、これにより縦列間の距離の縮小ひいては装置全体の幅方向寸法の縮小が図られている。このように配置された通孔７ｃのそれぞれに処理ユニット６が固定される。複数の処理ユニット６の外周電極４ｂの間には、網状のＳＵＳなどからなる電気連結メッシュ９が蛇行状に挿入され、自らの弾発力により保持されている。この電気連結メッシュ９の接触によって、各外周電極４ｂが互いに導通されている。外周電極４ｂには、ＳＵＳを用いるのが好適である。
【００２１】
内部電極５は実質的に剛体であり、外周電極４ｂの中心軸上に配置されて排ガスの流れ方向に延びる。各内部電極５には、放電特性の良好なタングステンのプレス焼成品あるいはＳＵＳを用いるのが好適である。
【００２２】
各内部電極５の長手方向の上流側の端部は、放電管４ａおよび外周電極４ｂの外部で、図１および図２に示されるような電極支持フレーム８に固定され、これによって両者間が導通されている。電極支持フレーム８は、金属とくにＳＵＳなどの耐熱導電性材料からなり、図２に示されるように、概ね鉛直方向を長手とする７本の支持アーム８ａと、これら７本の支持アーム８ａを横切るように斜行して設けられた２本の支持アーム８ａとを組み合わせて構成されている。なお、本実施形態では斜行して設けられた２本の支持アーム８ａが、絶縁ブロック７ａの通孔７ｃの前面の遮蔽を可及的に避けるべく概ね通孔７ｃの間の境界部の前面に配置されている。また、流体力学的な理由からＰＭの堆積は排ガス流路の中心部に集中する傾向があるため、これら斜行する２本の支持アーム８ａは、ＰＭの通過量が比較的多いと考えられる絶縁ブロック７ａの中央部を避けるように上下にシフトして配置されており、これによってＰＭの堆積に起因する漏電の抑制が図られている。
【００２３】
電極支持フレーム８の各支持アーム８ａは、図３に断面形状を示すとおりその各コーナー部が丸みづけされており、各支持アーム８ａの横断面における輪郭とくに各コーナー部の表面の曲率半径は、断面が円形である内部電極５の周面の曲率半径よりも大きくされ、これにより支持アーム８ａから内部電極５への空中放電の抑制が図られている。
【００２４】
各内部電極５と電極支持フレーム８との固定箇所は、例えば図３および図４に示されるように、支持アーム８ａに横溝８１、縦孔８２、および切欠８３を形成し、内部電極５の端部に形成された大径の頭部５１を、切欠８３の誘導斜面８４（図４参照）を通じて横溝８１内に挿入することで、内部電極５を縦孔８２に嵌め込むように構成するのが好適である。この場合には内部電極５の小径の軸部５２（図３参照）が、誘導斜面８４と縦孔８２との境界部に設けられた狭窄部８５によって係止される。
【００２５】
また、図３に示されるように、各内部電極５の下流側の端部の近傍は、放電管４ａおよび外周電極４ｂの外側で、下流側の電極支持フレーム１８の支持アーム１８ａによって支持されているが、図３に示されるように、下流側の支持アーム１８ａは内部電極５の軸部５２よりもわずかに大径の通孔１８１を備えており、内部電極５は通孔１８１に挿通され隙間ばめされることで、支持アーム１８ａに摺動可能に支持されている。内部電極５の下流側の端部である自由端５３は、碍子などからなる絶縁層５４によって被覆されている。
【００２６】
再び図１において、電極支持フレーム８には給電線１０が接続されており、給電線１０は図示されない電源ユニットに接続されている。また電極支持フレーム８には、給電線１０を被覆するスリーブ１１、および保持材１２が固定されており、電極支持フレーム８はこれらスリーブ１１および保持材１２を介して絶縁ブロック７ａに固定されている。スリーブ１１及び保持材１２は碍子などの絶縁材からなる。
【００２７】
２４体の処理ユニット６のうち、幅方向中央列最上部の処理ユニット６の外周電極４ｂには、導電線１３が接続されており、導電線１３は不図示の車体の適宜のボディアース点に接続されることで電気的に接地されている。導電線１３は、碍子などの絶縁体からなるスリーブ１４に被覆されており、スリーブ１４は中間ケース３に固定されている。上述したとおり、複数の処理ユニット６の外周電極４ｂの間は電気連結メッシュ９によって互いに導通されているため、これによって全ての処理ユニット６の外周電極４ｂが接地されることになる。なお、電源ユニットとしては、直流高圧電源、交流高圧電源、直流パルス電源、および直流とパルスとの重畳電源の何れかを用いることができる。
【００２８】
以上のとおり構成される排ガス浄化装置１では、内燃機関の始動に合わせて、電源ユニットによって、各処理ユニット６の外周電極４ｂと内部電極５との間に、内部電極５を陽極として高電圧が印加される。そして、始動した内燃機関の燃焼室からの排ガスが、上流側ケース２ａから放電管４ａの内部へと導入されると、各処理ユニット６の内部電極５と外周電極４ｂとの間の空中放電によってプラズマ状態が生じ、排ガス中のＮＯｘなどの所定物質が活性化され、反応が促進されてＮ２等の物質に変換させられる。また、供給される排ガス中のＰＭが内部電極５からの放電により帯電され、内部電極５と外周電極４ｂとの間における電界との相互作用によって外周電極４ｂに吸着され、高電圧の印加に伴って発生する活性ガスにより、その燃焼ないし酸化が促進されることになる。
【００２９】
ここで本実施形態では、内部電極５の一部が電極支持フレーム８の支持アーム８ａに固定されている一方、内部電極５の他の一部が電極支持フレーム１８の支持アーム１８ａに摺動可能に支持されているので、排ガスの供給によって高温下におかれた場合に内部電極５の伸縮が許容され、熱膨張に起因した曲がりが抑制されることになる。したがって本実施形態では、曲がりによって生じうる異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【００３０】
また、本実施形態では単一の電極支持フレーム８につき複数の内部電極５が固定されているので、本発明による効果を複数の内部電極を有する装置において好適に実現できる。
【００３１】
また本実施形態では、内部電極５の自由端５３が絶縁層５４によって被覆されているので、自由端５３からの放電が抑制され、異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【００３２】
また本実施形態では、支持アーム８ａの横断面における輪郭の曲率半径が、内部電極５の横断面における輪郭の曲率半径よりも大とされているので、支持アーム８ａから内部電極５への空中放電が抑制され、異常放電の抑制によって浄化性能を良好にすることができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に記載の態様に限定されず、各種の変形が可能である。例えば、上記実施形態では電極支持フレーム８を、図２に示されるように概ね鉛直上下方向を長手として配置された多数の支持アーム８ａと、これらを横切って斜行する２本の支持アーム８ａとの組合せによって構成したが、本発明における支持アーム８ａを備えた電極支持フレームの構造はこのようなものに限られず、例えば図５に示される電極支持フレーム１０８のように、概ね鉛直上下方向を長手として配置された多数の支持アーム１０８ａと、これらと概ね直交方向に交差する１本の支持アーム１０８ａとの組合せによって構成してもよい。また、上記実施形態では第一および第二の支持体として、多数の支持アーム８ａ，１８ａからなる電極支持フレーム８，１８を用いたが、本発明では多数本の支持アームを組み合わせることは必須でなく、支持アーム８ａ,１８ａをそれぞれ１本だけ用いる構成としてもよいし、第一および第二の支持体がアーム状でなくてもよい。また、支持アーム４ａと内部電極５との固定は、図３および図４に示されたような嵌合による結合に限られず、溶接、一体成形などの他の方法によってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では放電管４ａや外周電極４ｂを円筒形としたが、角筒形など他の形状としてもよい。また、上記実施形態では電極支持フレーム８をスリーブ１１または保持材１２を介して絶縁ブロック７ａ，７ｂに固定することとしたが、電極支持フレーム８の固定構造は他の構造であってもよい。また、上記実施形態では内部電極５の支持構造である電極支持フレーム８，１８を処理ユニット６の上流側と下流側とで略対称としたが、両者が略対称である必要はない。また、支持アーム８ａ，１８ａの一部（例えば通孔７ｃの口縁部の近傍）または全部の表面を絶縁層で被覆してもよい。また、外周電極や内部電極に触媒物質を担持させてもよい。
【００３５】
さらに、本発明では電極支持フレーム８，１８を互いに別体としたが、本発明における第一および第二の支持体は互いに一体であってもよい。また、本発明では単一の内部電極について、周方向や長手方向に互いに分割された複数個の外周電極を設けてもよく、また、外周電極４ｂに囲まれた空間にセラミックスなどのハニカム構造体を設置するなど、プラズマの利用の有無やＰＭの濾過如何にかかわらず、電力の作用により排ガスを改質処理しうる各種の構成を用いることができ、いずれも本発明の範疇に属するものである。また本発明は、車両以外の内燃機関について適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置を示す概略構成図である。
【図２】中間ケース、絶縁ブロックおよび電極支持フレームを示す正面図である。
【図３】内部電極の支持構造を示す断面図である。
【図４】絶縁ブロックおよび電極支持フレームを示す正面図である。
【図５】電極支持フレームの他の構成例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１          排ガス浄化装置
２ａ        上流側ケース
２ｂ        下流側ケース
３          中間ケース
４ａ        放電管
４ｂ        外周電極
５          内部電極
６          処理ユニット
８          電極支持フレーム（第一の支持体）
８ａ        支持アーム
９          電気連結メッシュ
１０        給電線
１８        電極支持フレーム（第二の支持体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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