(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、外部への熱的影響を抑制し、また装置内部の温度低下を抑制する。【解決手段】  外周電極４，１４の内外を断熱する断熱手段として、外周電極４，１４に空洞部４ａ，１４ａを設ける。排ガス浄化装置１の外部への熱的影響を抑制し、また外周電極４，１４の内部とくに小径円筒の温度低下を抑制することができる。下流側の触媒装置の温度を迅速に上昇させることができる。【選択図】  図１
2006144571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の外周電極と、当該外周電極の内側に配置された内部電極とを備え、前記両電極間への高電圧の印加によって排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
前記外周電極は、前記外周電極の内外を断熱する断熱手段を備えた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、
前記断熱手段は、前記外周電極に設けられた空洞部であることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項２に記載の排ガス浄化装置であって、
前記空洞部が密閉されており、かつ脱気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、
前記外周電極に対し前記排ガスの流れ方向における下流側に触媒装置を更に備えた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、上流端および下流端で開口した筒状の外周電極と、この外周電極に挿通された棒状の放電電極とを備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、放電電極によって帯電させられた排ガス中のＰＭ（Particulate Matter; 粒子状物質）が、その電荷と両電極間の電界との相互作用によって、外周電極に吸着される。吸着されたＰＭの一部は燃焼して焼却され、また両電極間の高電圧の印加によりプラズマ状態が生じ、ＮＯｘなどの物質の分解が促進される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９５３４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、この種の装置は放電に伴って高温になる傾向があるため、外部への熱的影響を抑制することが望ましい。他方、高い浄化性能を得るためには装置内部の温度低下を抑制することが望ましい。
【０００５】
そこで本発明の目的は、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、外部への熱的影響を抑制し、また装置内部の温度低下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、筒状の外周電極と、当該外周電極の内側に配置された内部電極とを備え、前記両電極間への高電圧の印加によって排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、前記外周電極は、前記外周電極の内外を断熱する断熱手段を備えた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、外周電極の内外を断熱する断熱手段を備えたので、装置の外部への熱的影響を抑制し、また外周電極の内部の温度低下を抑制することができる。
【０００８】
第２の本発明は、前記断熱手段は、前記外周電極に設けられた空洞部であ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、断熱手段として、外周電極に空洞部を設けることとしたので、第１の本発明によって意図されている効果を簡易な構造によって得ることができる。
【００１０】
第３の本発明は、前記空洞部が密閉されており、かつ脱気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、外周電極の内部空間が密閉されており、かつ脱気されていることとしたので、外周電極の内部から外部への熱伝導を特に効果的に抑制することができる。
【００１２】
第４の本発明は、前記外周電極に対し前記排ガスの流れ方向における下流側に触媒装置を更に備えた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、外周電極の下流側の触媒装置の温度を迅速に上昇させることができる。
【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は、本発明による排ガス浄化装置の縦断面図を示す概略構成図であり、図２は、図１におけるII−II線についての断面図である。これらの図面に示される排ガス浄化装置１は、車両に好適に適用されることができるものであり、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２、下流側ケース１２、およびリアクタ３を含んでいる。上流側ケース２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、リアクタ３の内部で浄化された排ガスは、下流側ケース１２から不図示の排気管を介して外部に排出される。
【００１７】
ケース２，１２は、金属とくにＳＵＳ等の耐熱材料により形成されており、排気管に接続されるための入口または出口を構成する端部２ａ，１２ａと、排気管よりも大径の概ね六角形の断面形状を有する拡径部２ｂ，１２ｂと、端部２ａと拡径部２ｂとの間および端部１２ａと拡径部１２ｂとの間に形成されたコーン部２ｃ，１２ｃとを含む。
【００１８】
上流側ケース２の下流側には、リアクタ３が結合されている。リアクタ３は、複数（本実施形態では、１９体）互いに平行に並設された処理ユニット６，１６を含んで構成されており、各処理ユニット６，１６は、ほぼ円筒形の外周電極４，１４、および外周電極４，１４の軸心を通って延在する細径の直線状の内部電極５，１５からなる。
【００１９】
各外周電極４は、それらの上流端で前支持体７に対して、また下流端で中間支持体２７に対して、溶接または銅ロウ付け等によって固定されている。各外周電極１４は、それらの上流端で中間支持体２７に対して、また下流端で後支持体１７に対して、溶接または銅ロウ付け等によって固定されている。
【００２０】
外周電極４，１４は、大径および小径の二重の円筒から構成されており、両円筒の軸方向端部が互いに気密に結合され、これによって両円筒の間に、密閉された空洞部４ａ，１４ａが形成されている。そして、この空洞部４ａ，１４ａは脱気され、所定の真空度の真空にされている。
【００２１】
図２に示されるように、前支持体７の中心に１体の外周電極４が配置されると共に、前支持体７の外縁の近傍に１２体の外周電極４が等間隔に配置され、前支持体７の中心の外周電極４と、上記１２体の外周電極４との間に、６体の外周電極４が配置される。
【００２２】
また、前支持体７の３箇所には、スペーサ９が固定される。前支持体７は、スペーサ９が固定される開口部７ａ（図１参照）と、それ以外の開口部７ｂとを有し、各処理ユニット６の外周電極４は、いずれも上流側の端部において、開口部７ａまたは開口部７ｂに固定される。開口部７ａにおけるスペーサ９が固定される開口縁の断面形状は円形である。
【００２３】
他方、スペーサ９が固定されない開口部７ｂは、外周電極４に接する開口縁において断面が円形であり、且つその反対側（すなわち、処理ユニット６と前支持体７とにより構成されるリアクタ３の上流側端部）の開口縁において断面が正六角形をなしており、これらの開口縁は互いに滑らかな曲面で結ばれている。開口部７ｂの外側開口縁は、図２において破線で示される境界線ＢＬにおいて、隣接する他の開口部７ｂの外側開口縁と滑らかに接続されており、両開口部７ｂ，７ｂの間に明瞭な稜線を生じさせないことによって、境界線ＢＬからの放電の抑制が図られている。
【００２４】
各内部電極５の前端部は、図１および図２に示されるような金属製の格子部材８の格子点に固定されている。格子部材８は、多数の支持アーム８ａを備えており、ＳＵＳなどの耐熱導電性材料からなる本体と、該本体を被覆するセラミックなどの耐熱絶縁性材料からなる絶縁層とを有する。本体は、内部電極５との接続点において内部電極５に導通しており、絶縁層は本体の表面のうち、この導通のための接触面を除く全表面を被覆している。
【００２５】
各格子部材８は、筒状のスペーサ９および前支持体７を介して、片側あたり３箇所の外周電極４の延長上に固定されている。図４に示されるとおり、格子部材８は、スペーサ９の口縁部に対応する部分に係合肩部８ｄを備えており、格子部材８と内部電極５とが結合されるときに、係合肩部８ｄとスペーサ９とが係合することによって、格子部材８がスペーサ９に支持される。
【００２６】
スペーサ９は、格子部材８を支持するための支持部材であり、セラミック等の耐熱絶縁性材料からなる。スペーサ９は外周電極４と略同径かつ断面形状が略共通の筒型であり、スペーサ９の外周面および内周面には環状の凹凸が形成されている。この凹凸は、軸方向に沿って半径の拡大と縮小とが滑らかに繰り返す形状、すなわち所謂コルゲーションであり、この凹凸によって、沿面放電のための経路距離の拡大による沿面放電の抑制が図られている。
【００２７】
外周電極４，１４および棒状導体２９には、ステンレス鋼を用いるのが好適である。内部電極５，１５には、放電特性が良好で外周電極４，１４よりも熱膨張率が小さいタングステンのプレス焼成品を用いるのが好適である。
【００２８】
リアクタ３の後端部すなわち下流側端部は、前端部すなわち上流側端部とほぼ同じ構造を、その前後を逆にして配置したものである。すなわち、下流側ケース１２の上流側には、後支持体１７を介して外周電極１４および内部電極１５が支持されている。各外周電極１４の前端部は、中間支持体２７に結合されている。各棒状電極１５の後端部は、格子部材１８の格子点に固定されており、また格子部材１８はスペーサ１９を介して、後支持体１７に支持されている。
【００２９】
内部電極５，１５の長さは互いに等しく、また内部電極５，１５は端面において突合せ溶接されていると共に、その溶接点において単一の格子部材２８に溶接されている。したがって、格子部材２８よりも上流側の内部電極５の長さと、格子部材２８よりも下流側の内部電極１５の長さとはほぼ等しい。格子部材２８は、排ガスの流れ方向に見た場合に上述した格子部材８と同様の形状を有し、かつ平坦に構成されている。格子部材２８の上端部には、外部からの給電のための棒状導体２９が、溶接によって固定されている。格子部材２８の下端部は、碍子からなる棒状の絶縁性の支柱３０を介して、中間支持体２７に固定されている。
【００３０】
中間支持体２７は、単一ピースの導電体からなり、その上流側から下流側に貫通して、多数の外周電極４，１４を受け入れるための１９個の円形の通孔が設けられている。中間支持体２７の上端部には、ほぼ直方体の外形を有するベース５０が形成されている。
【００３１】
中間支持体２７のベース５０の上面には、給電栓５１が固定されている。給電栓５１は、図４に示されるとおり、プラグ電極５２、碍子からなる絶縁スリーブ５３および金属製のシェル５４を含んで構成されている。給電栓５１は、シェル５４に形成されたネジ部によって、ベース５０に固定される。
【００３２】
給電栓５１のプラグ電極５２および絶縁スリーブ５３を囲むように、碍子からなる絶縁部材５５が設けられている。絶縁部材５５の上部はほぼ円筒状の小径部５５ａであり，絶縁部材５５の下部はほぼ円筒状の大径部５５ｂである。大径部５５ｂの下面には、ほぼ同心円状のコルゲート部５５ｃが形成されており、これによって沿面放電の抑制が図られている。そして給電栓５１のプラグ電極５２の下端部は、格子部材２８に固定された棒状導体２９に圧接されている。
【００３３】
排ガス浄化装置１のリアクタ３には、電源ユニット６０が固定されている。電源ユニット６０は、筐体６１、高電圧回路６２、プラグキャップ６３を含んでいる。筐体６１は、中間支持体２７のベース５０を囲んでいる。高電圧回路６２は、トランスを含む昇圧回路と、これを駆動するインバータなどの駆動回路とを含んでいる。プラグキャップ６３は、高電圧回路６２からの電力を給電栓５１に供給するために、給電栓５１に嵌合される。不図示の制御装置の制御出力に基づいて、高電圧回路６２によって、不図示のバッテリなどの直流電力が高電圧のパルスに変換されて出力される。これによってリアクタ３には、その用途に適した電圧値および波形による給電が行われる。
【００３４】
なお、この高電圧回路６２の出力は直流、直流パルス、交流、または直流と直流パルスとの重畳とするのが好適であり、またその電圧は５ｋＶ以上、例えば１５〜３０ｋＶ程度が好適である。他方、リアクタ３の外周電極４，１４は、不図示のアース線により車体（ボディアース）に接続され接地される。
【００３５】
なお、図５に示されるように、排ガス浄化装置１の下流側は、排気管７０によって、触媒装置１０１に接続されている。触媒装置１０１に収容される触媒物質は任意のものでよい。触媒装置１０１の下流側は、不図示の消音器などを介して外気に連通している。
【００３６】
以上のとおり構成される排ガス浄化装置１では、当該車両の内燃機関の始動に合わせて、リアクタ３の各処理ユニット６，１６にてプラズマを発生させるべく、高電圧回路６２によって、リアクタ３の外周電極４，１４と内部電極５，１５との間に、内部電極５，１５を陽極として高電圧が印加される。
【００３７】
そして、始動した内燃機関の燃焼室からの排ガスがケース２の内部へと導入されると、リアクタ３の内部電極５，１５と外周電極４，１４との間の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５，１５からの放電により帯電され、内部電極５，１５と外周電極４，１４との間における電界との相互作用によって外周電極４，１４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。排ガス浄化装置１で浄化された排ガスは、触媒装置１０１で更にＨＣ等の所定の物質を除去され、大気へ排出される。
【００３８】
ここで、本実施形態では、排ガス浄化装置１の外周電極４，１４が、当該外周電極４，１４の内外を断熱する断熱手段を備えたので、排ガス浄化装置１の外部への熱的影響を抑制し、また外周電極４，１４の内部とくに小径円筒の温度低下を抑制することができる。
【００３９】
また本実施形態では、断熱手段として、外周電極４，１４に空洞部４ａ，１４ａを設けることとしたので、本発明によって意図されている効果を簡易な構造によって得ることができる。また、外周電極４，１４を薄い材料で構成できるので、その熱容量の減少によってエネルギ損失を抑制することができる一方、二重管構造によって高い剛性を得ることができる。
【００４０】
また本実施形態では、外周電極４，１４の内部空間が密閉されており、かつ脱気によって真空にされていることとしたので、外周電極４，１４の内部から外部への熱伝導を特に効果的に抑制することができる。
【００４１】
また本実施形態では、外周電極４，１４に対し排ガスの流れ方向における下流側に触媒装置１０１を更に備えたので、本実施形態の断熱構造によって外周電極４，１４が迅速に昇温され且つその内部の温度の低下が抑制される結果として、冷間始動時にも、その下流側の触媒装置１０１の温度を迅速に上昇させることができる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。例えば、本実施形態では外周電極４，１４は円筒形としたが多角筒形などの他の形状でも良く、また本実施形態ではリアクタ３を複数の処理ユニットからなる並列構造としたが単一経路でもよい。また、本実施形態では断熱手段を二重管構造としたが、繊維体や発泡体などの各種断熱材料による外周電極の被覆など、他の構成を任意に採用することができる。また、本実施形態ではリアクタ３を前後に２分割してそれらの中間部に給電経路（給電栓５１）を接続したが、給電経路を例えば内部電極の上流側または下流側の端部に接続してもよい。
【００４３】
本発明に係る排ガス処理装置は、電力の作用により排ガスを浄化する処理部分であれば、各電極の形状および構造、プラズマの利用の有無やＰＭの濾過如何にかかわらず、他の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も適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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】図１におけるII−II線についての断面図である。
【図３】格子部材の取付構造を示す斜視図である。
【図４】給電栓および棒状導体の近傍を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態における排気経路の構成例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１        排ガス浄化装置
２        上流側ケース
１２      下流側ケース
３        リアクタ
４，１４  外周電極
４ａ，１４ａ        空洞部
５，１５  棒状電極
６，１６  処理ユニット
７        前支持体
８，１８，２８        格子部材
９，１９  スペーサ
１７      後支持体
５１      給電栓
１０１    触媒装置
【図１】
2006144571.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006144571.tif 000006
【図５】
2006144571.tif 000007