(57)【要約】【課題】  絶縁性フィルタ面上に空間的・時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を利用して、捕集されたＰＭの燃焼除去を、少ない消費電力で行うことができ、ディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のＰＭの捕集効率及び燃焼除去効率を高めることができる排ガス浄化方法及び排ガス浄化システムを提供する。【解決手段】  排ガス中の粒子状物質４１を捕捉する絶縁性捕捉部材１２の表面又は表面近傍に、電極対１３を１対以上配置し、該電極対１３間に、前記絶縁性捕捉部材１２の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電４２を発生させる所定の電圧Ｖｓを印加し、この所定の電圧Ｖｓの印加によって発生した前記微小発光放電４２により、前記絶縁性捕捉部材１２に捕捉された粒子状物質４１を燃焼除去する。【選択図】  図１
2006342709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材の表面又は表面近傍に、電極対を１対以上配置し、該電極対間に、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加し、この所定の電圧の印加によって発生した前記微小発光放電により、前記絶縁性捕捉部材に捕捉された粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項２】
前記絶縁性捕捉部材が粒子状物質を含む排ガスを通過させて前記粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタであることを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化方法。
【請求項３】
排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材と、該絶縁性捕捉部材の表面又は表面近傍に１対以上配置された電極対と、該電極対間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えた排ガス浄化装置であって、電圧印加装置が、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加することを特徴とする排ガス浄化システム。
【請求項４】
前記絶縁性捕捉部材が粒子状物質を含む排ガスを通過させて前記粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタであることを特徴とする請求項３記載の排ガス浄化システム。
【請求項５】
前記所定の電圧を、前記電極対間の電流電圧特性が非線形となる領域の電圧とすることを特徴とする請求項３又は４記載の排ガス浄化システム。
【請求項６】
前記絶縁性捕捉部材の上流側に、排ガス中の微粒子を帯電させるための帯電手段を配置したことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項７】
前記絶縁性捕捉部材をセラミック繊維フィルタで形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項８】
前記絶縁性捕捉部材に酸化触媒を担持させたことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項９】
前記絶縁性捕捉部材の上流側、または、下流側に酸化触媒を配置したことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関等からの排ガスの浄化方法及び浄化装置に関するものであって、特に、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（Particulate Matter：以下「ＰＭ」という。）を除去するのに有効な排ガス浄化方法及び排ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、自動車、特に大型車に多く搭載されているが、近年特にその排ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等と共に、ＰＭの排出を低減することが強く望まれており、エンジンの改良やシリンダ内の燃焼条件の最適化等により根本的にＰＭを低減するための技術開発とともに、排ガス中のＰＭを効率的に除去するための技術の確立が望まれている。そして、この排ガス中のＰＭの除去のためには、フィルタを用いる方法や電気的な集塵方法等が開発されている。
【０００３】
これらのフィルタを用いた方法では、一般に、セラミックスハニカム製フィルタ、合金製フィルタ及びセラミックス繊維製フィルタが用いられているが、使用時間が経過するにつれ、捕集されたＰＭによりフィルタが目詰まりし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となる。特にＰＭ成分の内のドライスート（カーボン）の処理が難しく、このドライスートは酸化して燃焼除去するためには、酸素共存下で５００℃以上に加熱する必要があり、エンジンの排気熱のみの利用では、酸化除去に十分な温度を得ることはできない。そのため、電気ヒータを利用する方法や、放電プラズマで生成される酸化ラジカルを利用し、この酸化ラジカルでもってＰＭを酸化して燃焼除去する方法等が提案されている。
【０００４】
しかし、単なる電気ヒータによる加熱では、ＰＭの加熱のためだけでなく、排ガス全体の加熱に熱が使用されてしまうために、また、酸化ラジカルによる場合は、酸化ラジカルの発生のための効率が悪く、また、酸化ラジカルは酸化速度が遅い上に、排ガス中に共存するＨＣ成分との反応にも消費されるために、ＰＭとの反応の効率も悪く、結果として消費電力が大きくなり、燃費が悪化するという問題がある。例えば、小型トラックで数ｋＷクラスの消費電力となる。
【０００５】
また、電気的な集塵方法では、電気集塵とバグフィルタを組み合わせて、バグフィルタのろ過表面に電界を印加することによって、フィルタ表面に捕集されたＰＭが固着することを防いだり、堆積状態を制御したりすることで、フィルタの圧力損失が上昇するのを抑制している。また、ＰＭの燃焼除去のために、絶縁性のストレートフローハニカムに電極を配置し、ハニカムに捕集したＰＭに電流を流すことによって燃焼除去することも提案されている。
【０００６】
しかし、このストレートフローハニカムでは、ＰＭの捕捉が不十分で浄化性能が悪く、また、捕捉したＰＭに十分な電流を流すことができず、捕捉したＰＭを十分に除去できないという問題がある。
【０００７】
そのため、ディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のＰＭの捕集性能とＰＭの燃焼除去の両方に関して、十分な性能を持つ排ガス浄化装置の開発が必要とされ、様々な装置が提案されている。
【０００８】
その一つとして、表側面から裏側面まで貫通する捕捉孔を設けた絶縁性隔壁で、可燃性物質（ＰＭ）をこの捕捉孔に捕捉する除去フィルタにおいて、可燃性物質の堆積により、両側面に電気的絶縁性を保って貼設した電極間を短絡あるいはスパーク放電させることにより、両電極間につながるあるいはつながる直前の堆積物に通電してジュール熱により焼却除去する可燃性物質の除去フィルタが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
そして、この電極間の比抵抗は、０．０１〜１００Ωｃｍの範囲内とされ、交流あるいは直流の所定の電圧（例えば、２５℃で１２００Ｖ以上、３００℃で６００Ｖ以上）を常時印加又は断続的に印加するとしている。
【００１０】
しかしながら、この除去フィルタの場合には、浄化性能が悪くなってから再生すること、１度短絡やスパーク放電が起こると、その部分で短絡やスパーク放電が繰り返され易く他の部分のＰＭを燃焼除去できないこと、短絡やスパーク放電等の電極間で通電が行われる方式では大電流が流れること等の問題がある。
【００１１】
また、ウォールフロータイプのフィルタにおいて、排ガスの流れ方向と平行に放電電極を内壁面に点接触するように設けるとともに、帯電電極を内壁面に堆積した煤層（ＰＭ層）と電気的に接触可能に設け、放電電極と帯電電極の間に例えば５００Ｖの交流電圧を印加し、内壁面に煤が堆積し堆積煤層が成長すると、放電電極の点接触箇所と、帯電電極に接触し帯電電極と同極性になる堆積煤層の間で放電が発生し、燃焼除去される放電再生式捕集フィルタが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１２】
更に、クロスフロータイプのフィルタにおいて、放電用電極をフィルタの入口側と出口側に配置したり、ウォールフロータイプのフィルタにおいて、内壁面に放電用電極を配置したり、セル内に挿入された放電電極棒と隣り合うセラミックフィルタの間に介在させた多孔の放電用電極板をからなる放電電極を設けたりして、放電電極をフィルタ間に配置し、この放電用電極の間に電圧を印加して、アーク放電によって、堆積した黒煙物質（ＰＭ）自体を燃焼してフィルタを再生するディーゼルエンジン用黒煙除去装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１３】
また、高気孔率基材のハニカム構造体の上下流に低気孔率基材のハニカム構造体を配置すると共に、これらの上下流に電極を、また、下流側ハニカム構造体の外周に外周電極を配置し、例えば、５ｋＶ以上の直流電圧を印加することにより、上下流の電極間で堆積したＰＭを介した導通路が形成され、アーク放電に近似した通電燃焼によりＰＭを燃焼除去するＰＭ浄化リアクターが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【００１４】
また、フィルタの両面に入気側端部が外側に突出する電極と誘電体を配置し、この電極に１〜１０ｋＶ程度の非直流電圧を印加して、フィルタの入気面に堆積した燃焼性微粒子（ＰＭ）の層と誘電体との間にコロナ放電を発生させて、このコロナ放電場で励起された気体中の酸素や窒素酸化物の一部が微粒子の堆積層に達することにより、微粒子を酸化除去する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【００１５】
これらの従来技術のフィルタ等に捕集したＰＭを電気的処理によって酸化除去する装置においては、ＰＭの主成分がカーボン主体であることから電気導電性が高いとの前提に立って、捕集されたＰＭによる電極間の短絡やアーク放電により、ＰＭ自体の通電によるつまり、ＰＭを流れる電流によるジュール熱の発生により、ＰＭを酸化燃焼することを目指している。
【００１６】
しかしながら、本発明者らは、実際のディーゼルエンジンから排出されるＰＭの燃焼実験や電気抵抗の測定を行ったり、絶縁性フィルタへのＰＭの堆積状態と、この絶縁性フィルタの表面に配置した電極対に印加した電圧と電流との関係に関して、数多くの実験を行って考察を深めることにより、次のような知見を得た。
【００１７】
先ず、ＰＭの電気抵抗に関して、図２２に示すような温度と電気抵抗の関係から、低温域では、ＰＭの電気抵抗は、予想以上に高く、電気導電性が悪い。これは、ＰＭの可溶性有機成分（以下「ＳＯＦ分」という）の悪影響を受けているためと考えられる。そのため、低電圧で通電加熱することは難しい。一方、ＳＯＦ分が揮発する高温域で電気抵抗が低下する。従って、この幅広い電気抵抗の変化に対応できるＰＭの燃焼除去技術が必要である。
【００１８】
更に、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭは、ＳＯＦ分の影響により比較的広い温度域で電気抵抗が高いため、従来技術のように、ＰＭの電気抵抗が低いとの前提の基に、電極間の短絡等により堆積したＰＭ側の電極間の全体のＰＭに対して通電することにより、ジュール熱を発生させる方式では、高い電圧と大きな電流が必要となり、実機で短絡やスパーク放電やアーク放電によってＰＭを酸化除去することは実機では非常に難しい。また、スパーク放電やアーク放電等を用いると、このスパーク放電やアーク放電によりフィルタが損傷しダメージを受ける。
【００１９】
更に、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルタ１２の表面近傍に、第１電極１３ａと第２電極１３ｂからなる電極対１３を配置し、ＰＭの捕捉及び堆積状態と、両電極１３間の電圧Ｖと電流Ｉの関係とを測定した結果、次のような重要な知見を得た。
【００２０】
絶縁性フィルタ１２の表面に堆積しているＰＭの量が少ない状態では、電極対１３間には電流Ｉは流れないが、ＰＭの堆積が進捗すると両電極１３間のインピーダンスが低下して、ＰＭの堆積が限界を超えると電極対１４間に電流Ｉが流れるようになる。この電極対１３間に印加する電圧Ｖと電流Ｉの関係は図５に示すようになる。
【００２１】
この図５に示すように、電流Ｉは、電圧Ｖが低い間はオームの法則に従う比例関係にあり、直線的に変化するが、特定の電圧Ｖｔｈ（又は−Ｖｔｈ）（第１の変曲点）を境として、この比例関係が崩れ、電圧Ｖに対して電流Ｉの増加量が著しく大きくなり、この特定の電圧Ｖｔｈ（又は−Ｖｔｈ）から電圧Ｖと電流Ｉの関係が大きく変化する。
【００２２】
そして、直流電力の電圧又は交流電力の電圧波高値が−Ｖｔｈ以下又はＶｔｈ以上の非線形領域ＲＮに達すると、電極対１３間に空間的かつ時間的にランダムに、発生と消滅を繰り返す微小発光放電が発生するようになる。この微小発光放電は、絶縁物表面に電位差がある時に、表面に沿って電流が流れてジュール熱が発生する局部的な微小発光放電であり、電界の不整によって生じるシンチレーションと呼ばれる局所的な放電であり、電極対の間に大きな電流が流れる短絡やアーク放電等とは異なる現象である。
【００２３】
この微小発光放電は、電気器具のコンセント等の火災の原因となる、電気器具の使用される有機絶縁物の表面が湿潤、汚染が原因となって絶縁破壊を起こすトラッキングに関係してよく知られた現象であり、トラッキングでは、この微小発光放電により、絶縁物の一部を分解して炭化生成物を生成し、その結果、この導電率の大きい炭化生成物に電界が集中し、その周辺に炭化物を生じる。この炭化物が電極間に伸びて行きついに短絡して全路破壊に至り、トラッキングとなる。
【００２４】
一方、フィルタ表面に堆積したＰＭの場合には、ＰＭ自体が炭化物であって、この微小発光放電により、ＰＭが燃焼除去されるとその部位の抵抗値は高くなり、別の箇所に微小発光放電が移動する、ということが繰り返され、トラッキングのように全路破壊に至らず連続的にＰＭの燃焼除去が実現でき、少ない消費電力で絶縁性フィルタ１２の目詰まりを解消することができる。
【００２５】
一方、直流電力の電圧Ｖ又は交流電力の電圧波高値Ｖｈが−ＶｔｈからＶｔｈの間の線形領域ＲＬにあるときは、絶縁性フィルタ１２の表面に微小発光放電が発生せず、通電により絶縁性フィルタ１２の目詰まりを解消しようとすると多量の電力を消費することになる。
【００２６】
従って、電極対間の電圧を特定な範囲の電圧とすることにより、ＰＭが堆積した絶縁性フィルタの表面に、空間的かつ時間的にランダムに、発生と消滅を繰り返す微小発光放電を形成して、この微小発光放電によって捕集したＰＭを酸化して燃焼除去することができる。そして、少ない消費電力で絶縁性フィルタ１２に堆積したＰＭを燃焼除去するためには電極対１３間の距離等に応じた電極対１３間に印加する電圧Ｖの設定が特に重要である。
【特許文献１】特開２００１−１３２４３０号公報
【特許文献２】特開２００１−１７３４２７号公報
【特許文献３】特開２００１−２２１０３２号公報
【特許文献４】特開２００４−３０８５６９号公報
【特許文献５】特開平０４−１３５６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、上記の知見を得て、前記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、絶縁性フィルタ面上に空間的・時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を利用して、捕集されたＰＭの燃焼除去を、少ない消費電力で行うことができ、ディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のＰＭの捕集効率及び燃焼除去効率を高めることができる排ガス浄化方法及び排ガス浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記のような目的を達成するための排ガス浄化方法は、排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材の表面又は表面近傍に、電極対を１対以上配置し、該電極対間に、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加し、この所定の電圧の印加によって発生した前記微小発光放電により、前記絶縁性捕捉部材に捕捉された粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする。  この所定の電圧を印加する際に使用される電圧は、直流、交流、高周波、パルスのいずれでもよいが、短絡、スパーク、アーク放電等の電極対の間全体に電流が流れるような大きな電圧ではなく、空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電、即ち、シンチレーションと呼ばれる部分放電が発生する電圧とする。
【００２９】
この微小発光放電を更に詳しく述べると次のようである。絶縁物表面にＰＭ（該絶縁物よりは導電性がある）が付着もしくは堆積するが、その付着（堆積）の仕方は微視的にみれば空間的に不均一である。このため、絶縁物表面に電位差があると、ＰＭ付着（堆積）層に形成される電界にも空間ムラが生じる。そして、絶縁物表面の電位差が所定の値以上になると局部的にプラズマを形成するのに十分な電界強度に達する箇所が生じる。このようにして形成されるのが前記の微小発光放電である。
【００３０】
この微小発光放電により、ＰＭ付着（堆積）層は局部的に加熱され、その部位のＰＭが燃焼除去される。ＰＭが燃焼除去された部位は絶縁性が再び高くなり、あらたな電界の空間ムラを形成し、別の箇所で微小発光放電の形成を促す。このように、微小発光放電は、電極対間に大電流が流れる短絡やアーク現象とは異なる現象であって、電極対の間を橋絡するような姿態ではなく、図４に示すように、夜空の星の瞬きの如く、「パラパラ」とか「チラチラ」という感じで、電極対の間の一部分で発生し、しかも、発生箇所がランダムに移動するものである。
【００３１】
この微小発光放電が生じた部分の粒子状物質（ＰＭ）は、この微小発光放電で発生するジュール熱により加熱され燃焼し、除去される。従って、電極対に所定の電圧を常時または、時間的な間隔をおいて印加しておくと、粒子状物質が堆積してくると、微小発光放電が発生して、この粒子状物質が燃焼除去されることになり、空間的、また時間的にはランダムに捕捉と再生が繰り返され、全体としては連続的に捕捉と再生が行われることになる。また、排ガス温度が高温の場合には、この微小発光放電やそれによる燃焼部が着火源となり、隣接する粒子状物質も燃焼し、この燃焼の伝播により周囲の粒子状物質も燃焼除去される。
【００３２】
また、排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕捉する絶縁性捕捉部材としては、粒子状物質を含む排ガスを通過させて粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタを用いることができるが、この他にも、コロナ放電などにより帯電させた粒子状物質を静電力を利用して電気的に捕捉する、表面に絶縁性を持たせた集塵電極（稠密セラミック、多孔質セラミック、セラミック繊維などを表面に配置した集塵電極など）であってもよい。要は電極対に印加された電力を捕捉部材側に流さない電気的絶縁性を持つ捕捉部材であればよい。
【００３３】
そして、上記のような目的を達成するための排ガス浄化システムは、排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材と、該絶縁性捕捉部材の表面又は表面近傍に１対以上配置された電極対と、該電極対間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えた排ガス浄化装置であって、電圧印加装置が、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加するように構成する。
【００３４】
また、上記の排ガス浄化システムにおいては、前記絶縁性捕捉部材を粒子状物質を含む排ガスを通過させて前記粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタで構成することができる。
【００３５】
更に、上記の排ガス浄化システムにおいて、前記所定の電圧を、前記電極対間の電流電圧特性が非線形となる領域の電圧とする。
【００３６】
つまり、図５に示すように、絶縁性捕捉部材の表面に堆積しているＰＭの量が少ない状態では、電極対間には電流は流れないが、ＰＭの堆積が進捗すると両電極間のインピーダンスが低下して、限界を超えると電極対間に電流が流れるようになり、この電極対間に印加する電圧と電流の関係は、電圧が低い間はオームの法則に従う比例関係にあり、直線的に変化するが、特定の電圧（第１の変曲点）Ｖｔｈ（又は−Ｖｔｈ）を境にして比例関係が崩れ、電圧に対する電流の増加量が著しく大きくなる。この特定の電圧Ｖｔｈ以上（又は−Ｖｔｈ以下）に、電極対に印加する直流電力の電圧又は交流電力の電圧波高値を設定する。この印加電圧により、電極対間に空間的かつ時間的にランダムに、発生と消滅を繰り返す微小発光放電が形成される。
【００３７】
より具体的には、この特定の電圧Ｖｔｈは、実験的に求めたものであるが、電極対間の距離をｄｃｍとした時に、４５０×ｄＶ〜９００×ｄＶの範囲内の値となる。この特定の電圧Ｖｔｈや非線形領域の範囲は、電極の形状、ディーゼルエンジンの種類やエンジンの運転状態によって変化するＰＭの電気抵抗に依存するが、適宜実験を行って求めることができ、この実験結果から電極対に印加する最適な電圧を設定することができる。
【００３８】
なお、印加する電圧が大きすぎると、微小発光放電ではなく、短絡やスパークやアーク放電（空間放電が介在する形で発生することがある）が頻発し、絶縁性フィルタにダメージを与えたり、過電流によって電源の損傷を引き起こす可能性があるので、電極対に印加する直流電力の電圧の絶対値又は交流電力の電圧波高値の絶対値をこの特定の電圧Ｖｔｈの１．０５〜２．２倍の範囲内とする。
【００３９】
そして、印加する所定の電圧Ｖｓは、電極対間の距離をｄｃｍとした時に、下限は４５０×ｄＶ〜９００×ｄＶの範囲内の値とし、上限は、１０００×ｄＶ〜１８００×ｄＶの範囲内の値とするのが好ましい。また、実験的に得られた結果としては、Ｖｓを６５０×ｄＶ〜１８００×ｄＶの範囲内にするのがさらに好ましい。
【００４０】
上記の排ガス浄化システムにおいて、前記絶縁性捕捉部材の上流側に、排ガス中の微粒子を帯電させるための帯電手段を配置する。この帯電手段としては、コロナ放電、バリア放電、パルス放電、放射線源、電子線等を利用した帯電手段を使用できる。
【００４１】
上記の排ガス浄化システムにおいて、前記絶縁性捕捉部材をセラミック繊維フィルタで形成する。このセラミック繊維フィルタには、生体影響に関する安全性の観点からＳｉＯ2 系、ＳｉＯ2 −ＭｇＯ系、ＳｉＯ2 −ＭｇＯ−ＣａＯ系の材質を用いることが好ましく、繊維径としては３ミクロン以上１００ミクロン以下のものを用いることが好ましい。
【００４２】
上記の排ガス浄化システムにおいて、前記絶縁性捕捉部材に酸化触媒を担持させる。あるいは、前記絶縁性捕捉部材の上流側、または、下流側に酸化触媒を配置する。これらの構成とすることにより、酸化触媒の触媒作用により、絶縁性捕捉部材に捕集され難い気化している可溶性有機成分や、炭化水素類（以下「ＨＣ」という）を酸化除去できるようになる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の排ガス浄化方法及び排ガス浄化システムによれば、絶縁性フィルタ面上に空間的・時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を利用して、捕集されたＰＭの燃焼除去を、少ない消費電力で十分に行うことができる。従って、ディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のＰＭの捕集効率及び燃焼除去効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明に係る実施の形態の排ガス浄化システムについて、車両搭載のディーゼルエンジンの排ガスを処理対象ガスとした排ガス浄化システムを例にして、図面を参照しながら説明する。なお、下記の実施の形態では、絶縁性捕捉部材に絶縁性フィルタを用いているが、本発明は、これに限定されず、この他のコロナ放電などにより帯電させた粒子状物質を静電力を利用して電気的に捕捉する装置等にも適用できる。
【００４５】
図１〜図４に、本発明の第１の実施の形態の排ガス浄化システム１を示す。なお、図１及び図２はＰＭ（粒子状物質）が堆積する前の状態を示し、図３及び図４はＰＭ４１が堆積し、微小発光放電４２が発生している状態を示す。
【００４６】
この排ガス浄化システム１では、ディーゼルエンジン等の排ガス流路１１に、絶縁性フィルタ（絶縁性捕捉部材）１２と電極対１３と微小発光放電用電源１４を備えたフィルタ部１０を設けて形成される。
【００４７】
この絶縁性フィルタ１２を、排ガスＧの流れを遮る形で、即ち、排ガスＧの主流方向に対して絶縁性フィルタ１２の表面が交差し、排ガスＧが絶縁性フィルタ１２の表面から裏面に通過するように配置する。
【００４８】
この絶縁性フィルタ１２は、繊維径が数ミクロン〜１００ミクロン、好ましくは数１０ミクロンのオーダーの大きさの気孔を有するセラミック繊維フィルタで形成する。このセラミック繊維フィルタとしては、種々のものが適用できるが、図１５に示すように繊維径が３ミクロン以上のものを多く含む繊維フィルタが、特に良好なＰＭ除去性能を示す。
【００４９】
このセラミック繊維の材質としては、Ａｌ2 Ｏ3 （酸化アルミニウム）系やＳｉＯ2 （酸化ケイ素）系など絶縁性のものであれば多様なものを使用できるが、生体影響に関する安全性の観点からは生体溶解性に優れたセラミック繊維、例えば、ＳｉＯ2 系（ＳｉＯ2 −ＭｇＯ系、ＳｉＯ2 −ＭｇＯ−ＣａＯ系）が好ましい。
【００５０】
なお、セラミック繊維フィルタとは別の絶縁性フィルタ、例えば、孔径が数ミクロンから１００ミクロン程度の気孔を有する多孔質セラミック等を使用してもよい。
【００５１】
また、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとからなる電極対１３を、図１及び図３に示すように、絶縁性フィルタ１２の上流側の表面又は表面近傍に、１組以上、即ち単数又は複数組配置する。この電極対１３は絶縁性フィルタ１２の表面に接触している方が好ましいが、電極対１３と絶縁性フィルタ１２の表面との間に多少の隙間があってもよい。この電極対１３は高電圧電力供給装置である微小発光放電用電源１４に接続され、この微小発光放電用電源１４により、所定の設定電圧Ｖｓが印加される。
【００５２】
この電極対１３は、図２及び図４に示すように、２枚の平行平板１３ａ，１３ｂで形成してもよく、また同心円状の円筒で形成してエッジ部分を無くし、フィルタの再生可能面積の比率が大きくなるようにしてもよい。
【００５３】
また、第１電極１３ａと第２電極１３ｂに鋸歯状や櫛状などの微細構造を設けて、電界集中点を多数分散配置して、微小発光放電の発生を促進するようにしてもよい。要は、絶縁性フィルタ１２の表面に空間的に分散した形で微小発光放電４２を形成できるように電極対１３を適宜配置すればよく、この電極対１３には種々の構成を採用できる。
【００５４】
そして、微小発光放電用電源１４は、電極対１３に所定の設定電圧Ｖｓを印加するための高電圧電源であり、この印加電圧の波形は、直流、交流、高周波、パルス、矩形状交番等の多様な波形のいずれでもよく、いずれの波形でも十分な効果が得られる。
【００５５】
そして、本発明においては、電極対１３間に印加する設定電圧Ｖｓの大きさが特に重要であり、絶縁性フィルタ１２の表面で捕集したＰＭ４１の堆積量の増加に伴って、図３及び図４に示すように、電極対１３間のＰＭ堆積層４１において、絶縁性フィルタ１２の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電４２を発生させるような設定電圧Ｖｓとする。この設定電圧Ｖｓの印加によって発生した微小発光放電４２により、捕集したＰＭ４１を燃焼除去し、絶縁性フィルタ１２の目詰まりを解消する。
【００５６】
この微小発光放電は、絶縁物表面に電位差がある時に、表面に沿って電流が流れてジュール熱が発生する局部的な微小発光放電であり、電界の不整によって生じるシンチレーションと呼ばれる部分放電であり、電極対の間に大きな電流が流れる短絡やアーク放電等とは異なる。
【００５７】
この設定電圧Ｖｓは、絶縁性フィルタ１２の表面に堆積したＰＭ堆積層４１の電気的特性から実験的に求めることができる。
【００５８】
つまり、絶縁性フィルタ１２の表面に堆積しているＰＭ４１の量が少ない状態では、電極対間１３には電流Ｉは流れないが、ＰＭ４１の堆積が進捗すると両電極１３ａ，１３ｂ間のインピーダンスが低下して、限界を超えると電極対１３間に電流Ｉが流れるようになる。
【００５９】
この電極対１３間に印加する電圧Ｖと電流Ｉの関係は、図５に示すように、電圧Ｖが低い間（線形領域ＲＬ内）は比例関係にあり直線的に変化するが、特定の電圧Ｖｔｈ（又は−Ｖｔｈ）を境にして比例関係が崩れ、非線形領域ＲＮに入ると、電圧Ｖに対する電流Ｉの増加量（又は減少量）が著しく大きくなり変曲する。この特定の電圧Ｖｔｈ以上（又は−Ｖｔｈ以下）に、即ち、非線形領域ＲＮの範囲に、電極対１３に印加する直流電力の電圧Ｖｓ又は交流電力の電圧波高値Ｖｓを設定する。なお、この設定電圧Ｖｓを高くしすぎると、微小発光放電ではなく、短絡やスパークやアーク放電（空間放電が介在する形で発生することがある）が頻発し、消費電力量の増大のみならず、絶縁性フィルタにダメージを与えたり、過電流によって電源の損傷を引き起こす可能性があるので、設定電圧Ｖｓは、その絶対値が特定の電圧Ｖｔｈの近傍の範囲内、例えば、１．０５×Ｖｔｈ〜２．２×Ｖｔｈにする。
【００６０】
そして、これに対応させて、印加する所定の電圧Ｖｓは、電極対間の距離をｄｃｍとした時に、下限は４５０×ｄＶ〜９００×ｄＶの範囲内の値とし、上限は、１０００×ｄＶ〜１８００×ｄＶの範囲内の値とする。
【００６１】
この設定電圧Ｖｓを電極対１３に印加すると、電極対１３間のＰＭ堆積層４１がある程度増加すると、この電極対１３間のＰＭ堆積層４１に空間的かつ時間的にランダムに微小発光放電４２が繰り返えし発生しては消滅するようになる。
【００６２】
この特定の電圧Ｖｔｈは、電極１３ａ、１３ｂの形状、間隔やＰＭの電気抵抗Ｒ等に依存し、このＰＭの電気抵抗Ｒはエンジンの運転条件により変動するので適宜実験で測定して、特定の電圧Ｖｔｈを求めて、設定電圧Ｖｓを決定する。なお、この特定の電圧Ｖｔｈは、電極対間距離をｄ（ｃｍ：センチメートル）として、おおよそ４５０×ｄ（Ｖ：ボルト）〜９００×ｄ（Ｖ：ボルト）程度であることが実験的に得られている。
【００６３】
また、この設定電圧Ｖｓをエンジンの運転状態の全てを含むような一定の値とすることもできるが、エンジンの運転状態に応じて、設定電圧Ｖｓを変化させるように制御する方がより効率的となり好ましい。なお、印加電圧の波形は、電圧波高値が上記の設定電圧Ｖｓであれば、直流電圧、交流電圧、パルス電圧、高周波電圧、矩形状交番電圧等の多様な波形のいずれでも十分な効果を得ることができる。
【００６４】
この排ガス浄化システム１では、排ガス中のＰＭは絶縁性フィルタ１２の表面上や表面より内側等の表面近傍で捕捉され堆積する。このＰＭ４１の堆積が進捗することにより、電極対１３のインピーダンス、即ち、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間のインピーダンスが低下して、限界を超えると電流が流れ始める。更に、ＰＭ４１の堆積が進捗すると、電極対１３間に印加された電圧Ｖｓにより、電極対１３の間のＰＭ堆積層４１に電位差が形成され、ＰＭ堆積層４１の微視的な不均一性に起因する電界不整により、ＰＭ堆積層４１に空間的かつ時間的にランダムに微小発光放電４２が生じる。この微小発光放電４２のジュール熱によりＰＭが燃焼し、絶縁性フィルタ１２が局部的に再生される。また、ＰＭの燃焼は発熱プロセスであるため、微小発光放電４２の周囲のＰＭも延焼除去され、その延焼範囲は排気温度が高い場合には比較的広範囲に及ぶこともある。
【００６５】
そして、このＰＭ堆積層４１の増加と微小発光放電４２の発生によるＰＭ燃焼との繰り返しにより、絶縁性フィルタ１２は全体としては過度の目詰まり状態と、この目詰まりによるフィルタの圧力損失の過度の上昇を回避しながら、良好なＰＭ浄化性能を維持できるようになる。
【００６６】
図６に、本発明の第２の実施の形態の排ガス浄化システム１Ａを示す。この排ガス浄化システム１Ａは、第１の実施の形態のフィルタ部１０の上流側に、排ガス中のＰＭを帯電させる帯電部（帯電手段）２０を設けて構成する。
【００６７】
図６では、この帯電部２０として、コロナ放電発生用の第１放電電極２１と第２放電電極２２と、この放電電極２１、２２に放電用の電圧を印加するための放電用電源２３とからなるコロナ放電装置を用いている。この第１放電電極２１は電界集中係数の高い電極で、細線電極、角状電極、突起構造付き電極等の線状（ワイヤ状）や棒状等の線状体、例えば、ＳＵＳ３０４製の中空ワイヤ等で形成され、高圧の電力を供給する放電用電源２３に接続される。また、第２放電電極２２は碍子等により第１放電電極２１とは電気的に絶縁状態で接地（アース）される。
【００６８】
そして、この第１放電電極２１に、一般的には負極性の直流電圧が印加されるが、正極性であってもよく、直流、交流、パルス状のいずれかの電圧が印加され、両電極２１、２２の間にコロナ放電を発生し、排ガス中のＰＭを帯電させる。
【００６９】
なお、このコロナ放電の他にも、バリア放電、パルス放電、放射線源、電子線照射等を利用してＰＭを帯電させる帯電手段がある。
【００７０】
この帯電部２０により、フィルタ部１９の上流側でＰＭ４１が帯電されると絶縁性フィルタ１２の表面のＰＭ堆積状態が変わる。絶縁性フィルタ１２に流入する排ガス中のＰＭを予め帯電させておくと、図７に模式的に示すように、ＰＭ４１同士は静電反発力により空隙を維持した状態で絶縁性フィルタ１２の表面に適度に分散して、「フワッ」とした感じで付着し表面に停まるように堆積する。この分散付着により、圧力損失が小さく、また、電極対１３の間の電気抵抗を高く維持でき、微小発光放電によって効率よくＰＭ４１を除去できる。
【００７１】
一方、帯電させてない場合は、図８に模式的に示すように、ＰＭ４１は「ベチャッ」とした感じで付着し表面に停まらず、絶縁性フィルタ１２の奥まで入り込んで堆積する。この密着した付着により、図７の分散付着に比べて、圧力損失が大きくなり、また電気抵抗も小さくなる。
【００７２】
従って、この帯電部２０のＰＭ帯電により、ＰＭ４１は誘導電荷との吸引力である静電気力によって、絶縁性フィルタ１２に効果的に捕捉されるため、非常に小さな粒子も捕捉でき、特にナノサイズの微粒子の捕捉性能が格段に向上する。しかも、エンジンの過渡的な圧力変動や振動にさらされても、ＰＭ４１は静電気力により絶縁性フィルタ１２上に強固に捕捉され、下流に漏出することがない。
【００７３】
また、ＰＭ４１が絶縁性フィルタ１２の表面近傍に分散して捕捉されるため、絶縁性フィルタ１２の圧力損失の上昇を回避しながら、電極対１３間に発生する微小発光放電４２で効果的にＰＭ４１を燃焼除去でき、電極対１３の間の電気抵抗が高く維持されるので、絶縁性フィルタ１２の目詰まり解消に必要な微小発光放電用の電力を低減できる。
【００７４】
次に、本発明の第３の実施の形態の排ガス浄化システムについて説明する。この第３の実施の形態の排ガス浄化システムは、第１の実施の形態の排ガス浄化システム１又は第２の実施の形態の排ガス浄化システム１Ａに、白金やバナジウム等の貴金属で形成される酸化触媒を併用するものである。
【００７５】
この酸化触媒を用いることにより、絶縁性フィルタ１２では十分に除去できない排ガス中の気化している可溶性有機成分や、炭化水素類（ＨＣ）を、この酸化触媒の触媒作用により酸化除去し、排ガス浄化性能をより一層高めることができる。
【００７６】
そして、酸化触媒の配置は、次のような考え方で、エンジンの種類や運転条件に応じて、酸化触媒とセラミックフィルタの配置を種々選択すればよい。
【００７７】
絶縁性フィルタ１２に堆積したＰＭ４１の電気抵抗Ｒは、排ガス中のＳＯＦ分の影響を受け、ＳＯＦ分が多いとＰＭ４１の電気抵抗Ｒは大きくなる。そのため、エンジンから排出されるＰＭ４１の電気抵抗Ｒが比較的大きい場合には、絶縁性フィルタ１２に捕集されたＰＭ４１の電気抵抗Ｒを下げて、電極対１３間に印加する電圧Ｖｃを比較的低く抑える方が好ましいので、酸化触媒コンバータを上流側に配置するとよい。
【００７８】
一方、エンジンから排出されるＰＭ４１の電気抵抗Ｒが比較的低く、電極１３間に印加する電圧Ｖｓを高くできない場合は、ＳＯＦ分を絶縁性フィルタ１２の上流側で除去せずに下流側で除去するように、酸化触媒コンバータを下流側に配置するとよい。
【００７９】
また、酸化触媒を絶縁性フィルタ１２に分散担持させると、排ガス中のＳＯＦ分やＨＣ分をＰＭ燃焼の補助材として利用することができ、より効果的にＰＭを燃焼除去できる。
【００８０】
この酸化触媒の配置の具体的なものとしては、次のようなものがある。
【００８１】
先ず、第１の実施の形態において、酸化触媒を電極対１３を備えた絶縁性フィルタ１２に担持させる構成がある。また、第１の実施の形態に対して、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを、電極対１３を備えた絶縁性フィルタ１２の上流側に配置する場合と下流側に配置する場合とがある。
【００８２】
また、第２の実施の形態において、酸化触媒を電極対１３を備えた絶縁性フィルタ１２に担持させる構成がある。更に、第２の実施の形態に対して、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを、帯電部２０の上流側に配置する場合と、帯電部２０と絶縁性フィルタ１２の間に配置する場合と、絶縁性フィルタ１２の下流側に配置する場合とがある。
【００８３】
更に、酸化触媒コンバータを配置した構成において、電極対１３を備えた絶縁性フィルタ１２に酸化触媒を担持させる構成とすることもできる。
【００８４】
この第３の実施の形態の排ガス浄化システムの例として、図９〜図１１と図１２〜図１４に、酸化触媒コンバータ３０を帯電部２０Ｂの上流側に配置した排ガス浄化システム１Ｂと排ガス浄化システム１Ｃをそれぞれそれぞれ示す。
【００８５】
図９〜図１１に示す排ガス浄化システム１Ｂでは、上流側から酸化触媒コンバータ３０、帯電部２０Ｂ、フィルタ部１０Ｂが配設される。
【００８６】
この酸化触媒コンバータ３０は、コージェライト、ＳｉＣ等の多孔質のセラミックのハニカム構造体等の担持体に、酸化アルミニウム等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に白金やバナジウム等の触媒金属を担持させて形成する。
【００８７】
また、帯電部２０Ｂは、複数の同軸コロナ放電管２５Ｂ内にそれぞれ配置されたコロナ放電電極（第１放電電極）２１Ｂを有して構成され、この各コロナ放電電極２１Ｂにコロナ放電用電源２３Ｂから高電圧端子２２Ｂと高電圧給電板２４Ｂを経由して、負極性又は正極性で、直流、交流、パルス状等のいずれかの高電圧ＨＶの電力が供給されるように構成される。一方、同軸コロナ放電管２５Ｂは第２放電電極を兼ねており、高電圧電源２３Ｂの０Ｖに接続される。このコロナ放電電極２１Ｂと同軸コロナ放電管２５Ｂとの間にコロナ放電を発生し、通過する排ガスＧ中のＰＭを帯電する。
【００８８】
そして、フィルタ部１０Ｂは、絶縁性フィルタ１２Ｂが通気性のある板状のフィルタ保持板１５Ｂの内側（上流側）に筒状に配置され、内側から外側に流れる排ガスＧ中のＰＭを内側表面で捕捉するように構成される。更に、電極対１３Ｂがこの内側表面又は内側表面近傍に配置される。この例では、排ガスＧが内側から外側に流れる構成となっているが、勿論、外側を上流側として、外側から内側に排ガスＧが流れる構成とし、フィルタ保持板の外側に絶縁フィルタを配置し、絶縁性フィルタの外側表面に電極対を配置してもよいことはいうまでもない。
【００８９】
この電極対１３は、図１０及び図１１に示すように、芯棒１７Ｂに固定された碍子１８Ｂに支持され、微小発光放電用電源１４Ｂの高電圧ＨＶ側からの電力が高電圧端子１６Ｂと電位固定棒１９Ｂａを経由して第１電極１３Ｂａに供給されるように構成される。一方、第２電極１３Ｂｂは、高電圧電源１４Ｂの０Ｖ側に電位固定棒１９Ｂｂを介して接続される。
【００９０】
図１２〜図１５に示す排ガス浄化システム１Ｃでは、上流側から酸化触媒コンバータ３０、帯電部２０Ｂ、フィルタ部１０Ｃが配設される。この酸化触媒コンバータ３０と帯電部２０Ｂは、排ガス浄化システム１Ｂと同じである。
【００９１】
そして、フィルタ部１０Ｃは、平板状の絶縁性フィルタ１２Ｃが排ガスＧの流れ方向に細長い電極対１３Ｃの両側に配置され、電極対１３Ｃの間を流れてきた排ガスＧが絶縁性フィルタ１２Ｃを電極対１３Ｃ側の内側から外側に通過しながら、排ガスＧ中のＰＭを捕捉するように構成される。また、絶縁性フィルタ１２Ｃの外側には、通気性を有するフィルタ保持板１５Ｃが配置され、絶縁性フィルタ１２Ｃを支持する。この構成により、電極対１３Ｃが絶縁性フィルタ１２Ｃの捕捉側の表面又は表面近傍に配置される。図１２及び図１３では、電極対１３Ｃと両側の絶縁性フィルタ１２Ｃで形成されるユニットが上下に２つある状態を示している。
【００９２】
また、この電極対１３Ｃは、図１４及び図１５に示すように、芯棒１７Ｃに固定された碍子１８Ｃに支持され、微小発光放電用電源１４Ｃの高電圧ＨＶ側からの電力が高電圧端子１６Ｃと電位固定棒１９Ｃａを経由して第１電極１３Ｃａに供給されるように構成される。一方、第２電極１３Ｃｂは、微小発光放電用電源１４Ｃの０Ｖ側に電位固定棒１９Ｃｂを介して接続される。更に、この電極対１３Ｃ、即ち、第１電極１３Ｃａと第２電極１３Ｃｂには、フィルタ面への排ガス流れの均一性をよりよくするためや、電極の軽量化をはかるために、通風孔１３Ｃｃを設けても良い。  また、図１２、図１３に示す絶縁性フィルタ１２Ｃと電極対１３Ｃの構成の変形例として、絶縁性フィルタ１２Ｃを通気性を有する円筒などの筒形状のフィルタ保持板１５Ｃの上流側に配置し、絶縁性フィルタ１２Ｃの上流側表面に図１６に示すような電極対１３Ｃを配置してもよい。筒の内側を上流側とするときは、絶縁性フィルタ１２Ｃの内側に図１６に示すような電極対１３Ｃを、筒の外側を上流側とするときは、絶縁性フィルタ１２Ｃの外側に、図１６に示すような電極対１３Ｃを配置すればよい。また、この電極対１３Ｃも、軽量化の便のためやガスの均一性の確保の便のため通気孔を適宜あけてもよい。
【００９３】
これらの第３の実施の形態の排ガス浄化システム１Ｂ、１Ｃ等の酸化触媒を用いた排ガス浄化システムによれば、絶縁性フィルタ１２、１２Ｂ、１２Ｃでは十分に除去できない排ガス中のＰＭのＳＯＦやＨＣを、この酸化触媒の触媒作用により酸化除去し、排ガス浄化性能をより一層高めることができる。
【実施例１】
【００９４】
次に、第３の実施の形態の排ガス浄化システム１Ｂ、１Ｃを用いて行った排ガス浄化実験について説明する。
【００９５】
図１７に、実施例１の実験システムの構成を模式的に示す。この実施例１では、排気量４３００ｃｃのディーゼルエンジンを搭載した２ｔ車のトラック５０の排気通路５１に排ガス浄化システム１Ｂを配置して行った。このセラミックフィルタ１２Ｂの前後差圧を計測するために差圧センサ５２を設け、更に、排気通路５１から分岐した排ガスの成分を計測するために希釈器５３と微粒子計測器５４を設けた。
【００９６】
より詳細には、上流側から、セラミックハニカムに白金を担持した酸化触媒３０と、直径約６０ｍｍ、有効放電長８０ｍｍの同軸コロナ放電管２５Ｂ（図９）を８本並列配置した同軸円筒式のコロナ放電による帯電部２０Ｂと、かさ密度約１３０ｋｇ／ｍ3 、厚さ１２ｍｍ、ガス通過面の面積１２００ｃｍ2 のセラミック繊維のセラミックフィルタ１２Ｂとを備えたフィルタ部１０Ｂで構成した。また、このセラミックフィルタ１２Ｂのガス通過面の上流側には、電極板厚０．５ｍｍ〜２ｍｍ、電極対間隔６ｍｍ〜２５ｍｍの電極対１３Ｂ（図１０、図１１）を配置した。なお、電極板厚と電極対間隔はこれらの寸法範囲から適宜選択して実験を行っている。
【００９７】
そして、トラック５０をエンジン回転数２０００ｒｐｍで連続運転し、排ガス全量を，排ガス浄化システム１Ｂの実験装置に流すとともに、この電極対間に、直流０．５ｋＶ〜２．５ｋＶ、又は、交流４００Ｖ〜１ｋＶ（波高値は±５６０Ｖ〜±１．４ｋＶ）の電圧を印加し、このときのセラミックフィルタ１２Ｂの圧力損失の経時変化を差圧計５２で測定した。また、セラミックフィルタ１２Ｂを通過した排ガスについて、ろ紙による微粒子重量測定と、微粒子計測器による微粒子濃度測定を実施した。
【００９８】
この実験結果の一例を図１８に示す。図１８の（ａ）（ｂ）は上流側でのＰＭの帯電処理無し、（ｃ）（ｄ）は上流側でのＰＭの帯電処理有りで、（ａ）（ｃ）は微小発光放電用電圧の印加無し、（ｂ）（ｄ）は微小発光放電用電圧の印加有りの場合の実験結果である。
【００９９】
微小発光放電の効果について見ると、図１８の（ａ）〜（ｄ）で示すように、最初の間、即ち、電極対の間にＰＭの堆積量がある程度進捗して微小発光放電用の電流が流れ始めるまでは、時間経過に従ってフィルタの圧力損失が上昇する。そして、微小発光放電用電圧を印加しない（ａ）と（ｃ）では圧力損失がそのまま大きくなり、微小発光放電用電圧を印加した（ｂ）と（ｄ）では、電極対の間にＰＭの堆積量がある程度に達して微小発光放電用の電流が流れ始めると微小発光放電が発生し、ＰＭが燃焼除去され、圧力損失が低下し始める。
【０１００】
また、帯電処理の効果について見ると、帯電処理無しの（ａ）と（ｂ）に対して、帯電処理有りの（ｃ）と（ｄ）のように、予めＰＭを帯電させると、圧力損失の上昇速度は緩やかになり、かつ、微小発光放電によるＰＭの燃焼除去特性がより良好なものとなる。特に、（ｄ）では圧力損失がほぼ一定となっており、フィルタに堆積したＰＭが微小発光放電によって完全に燃焼除去できていることが分かる。
【０１０１】
この実施例１では、実験開始時点の電極対間の電気抵抗Ｒは数十ＭΩ以上とほぼ絶縁状態であるが、ＰＭが堆積して圧力損失が徐々に上昇するとともに電気抵抗Ｒは低下し、微小発光放電が開始されて圧力損失が低下し始める時点では、電気抵抗Ｒは数ｋΩ〜数十ｋΩ程度に低下している。なお、この電極対間に流れる電流は０．１Ａ〜数Ａのオーダーである。また、微小発光放電に要する電力は（ｂ）では５００Ｗ以上であったが、（ｄ）では２５０Ｗ以下となっており、予めＰＭを帯電させると消費電力が大きく低減される効果があることが分かった。なお、この（ｄ）では、ＰＭ除去性能は重量ベースで９２％の除去率であった。
【０１０２】
そして、図１９に排ガス中の微粒子の粒径分布を測定した結果を示す。この粒径分布は、一旦、排ガスを希釈器（Matter Engineering社：MD19-2E ）を用いて３０倍に希釈した後、微粒子計測器（市販品のＴＳＩ社のＳＭＰＳ：Scanning Mobility Particle Sizer：3936-L10）を用いて計測したものである。
【０１０３】
図１９の（ａ）は装置入口における測定結果であり、（ｂ）（ｃ）は装置出口における測定結果である。そして、（ｂ）は帯電処理無しでの微小発光放電有りの場合、（ｃ）は帯電処理有りで微小発光放電有りの場合である。（ａ）に対して（ｂ）（ｃ）ではいずれも粒子数濃度が低く、微小発光放電によってＰＭが燃焼除去されていることが分かる。また、（ｂ）と（ｃ）の比較から、予め帯電処理を行うと、粒径１００ｎｍ以下のナノサイズ粒子まで含めてきわめて高い浄化性能が得られることが分かる。
【実施例２】
【０１０４】
図２０に、実施例２の実験システムの構成を模式的に示す。この実施例２では、排気量５０００ｃｃのディーゼルエンジンを搭載したトラック５０Ａの排気通路５１Ａに、図１２〜図１５に示す排ガス浄化システム１Ｃを配置して行った。試験モードはＪＥ０５過渡モードである。
【０１０５】
この排ガス浄化システム１Ｃは上流側から、セラミックハニカムに白金を担持した酸化触媒３０と、直径約６０ｍｍ、有効放電長８０ｍｍの同軸コロナ放電管２５Ｂ（図１２）を８本並列配置した同軸円筒式のコロナ放電による帯電手段２０Ｂと、かさ密度約１３０ｋｇ／ｍ3 、厚さ２４ｍｍ、ガス通過面の面積２０００ｃｍ2 のセラミック繊維のセラミックフィルタ１２Ｃとを備えて構成した。また、このセラミックフィルタ１２Ｃのガス通過面の上流側には、電極板厚０．５ｍｍ〜２ｍｍ、電極対間隔６ｍｍ〜２５ｍｍの電極対（図１４、図１５）を配置した。なお、電極板厚と電極対間隔はこれらの寸法範囲から適宜選択して実験を行っている。
【０１０６】
この実施例２では、排ガスの流れをよくし、また軽量化を図るため、電極１３Ｃａ，１３Ｃｂに通風孔１３Ｃｃを設けている。また、電極対１３Ｃとセラミックフィルタ１２Ｃの接触が悪くなると、微小発光放電が発生し難くなるため、電極対１３Ｃとセラミックフィルタ１２Ｃは適当な圧力で押圧されている。
【０１０７】
そして、トラック５０Ａを運転し、排ガス全量を排ガス浄化システム１Ｃに流すとともに、この電極対間に、交流０ｋＶ〜１ｋＶ（波高値は０ｋＶ〜±１．４ｋＶ）の電圧を印加し、ＰＭ浄化性能を測定した。
【０１０８】
この測定結果により、ＰＭ排出量は０．０１ｇ／ｋＷｈ以下に達し、ＰＭ除去率は９０％以上になることが分かった。
【０１０９】
これらの実施例では、絶縁性フィルタとしてセラミック繊維フィルタを使用したが、繊維径としては３ミクロン以上のものを多く含む繊維フィルタが有効であり、特に図２１に示すような繊維径が５ミクロン以上のものを多く含む繊維フィルタが特に良好なＰＭ除去性能を示すことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の排ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図１の絶縁性フィルタ表面にＰＭが堆積した状態を模式的に示す図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】電圧と電流の関係を模式的に示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の排ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図７】帯電処理が予めなされた場合の絶縁性フィルタへのＰＭの付着状態を模式的に示す図である。
【図８】帯電処理がなされない場合の絶縁性フィルタへのＰＭの付着状態を模式的に示す図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態の排ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図１０】図９の電極対の構成を示す上から見た図である。
【図１１】図９の電極対と絶縁性フィルタの構成を示す下側の部分横断面である。
【図１２】本発明に係る第３の実施の形態の他の排ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図１３】図１２の電極対と絶縁性フィルタの構成を示す下側の部分横断面である。
【図１４】図１２の電極対の構成を示す上から見た図である。
【図１５】図１２の電極対と絶縁性フィルタの構成を示す下側の部分側断面である。
【図１６】図１２の電極対の他の構成例を示す図である。
【図１７】実施例１の実験装置の構成を模式的に示す図である。
【図１８】実施例１のフィルタの圧力損失の時間変化を示す図である。
【図１９】実施例１の粒径分布を示す図である。
【図２０】実施例２の実験装置の構成を模式的に示す図である。
【図２１】繊維フィルタのフィルタ表面の拡大写真である。
【図２２】粒子状物質の温度と電気抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  排ガス浄化システム
１０、１０Ｂ，１０Ｃ  フィルタ部
１１  排ガス通路
１２、１２Ｂ、１２Ｃ  絶縁性フィルタ
１３、１３Ｂ、１３Ｃ  電極対
１３ａ、１３Ｂａ、１３Ｃａ  第１電極
１３ｂ、１３Ｂｂ、１３Ｃｂ  第２電極
１４  微小発光放電用電源
２０、２０Ｂ  帯電部
２１、２２  コロナ放電用電極
２３  コロナ放電用電源
２５Ｂ  同軸コロナ放電管
３０  酸化触媒コンバータ
４１  ＰＭ
４２  微小発光放電
【図１】
2006342709.tif 000003
【図２】
2006342709.tif 000004
【図３】
2006342709.tif 000005
【図４】
2006342709.tif 000006
【図５】
2006342709.tif 000007
【図６】
2006342709.tif 000008
【図７】
2006342709.tif 000009
【図８】
2006342709.tif 000010
【図９】
2006342709.tif 000011
【図１０】
2006342709.tif 000012
【図１１】
2006342709.tif 000013
【図１２】
2006342709.tif 000014
【図１３】
2006342709.tif 000015
【図１４】
2006342709.tif 000016
【図１５】
2006342709.tif 000017
【図１６】
2006342709.tif 000018
【図１７】
2006342709.tif 000019
【図１８】
2006342709.tif 000020
【図１９】
2006342709.tif 000021
【図２０】
2006342709.tif 000022
【図２１】
2006342709.tif 000023
【図２２】
2006342709.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月30日(2006.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材の上流側の表面又は表面近傍に、電極対を１対以上配置し、該電極対間に、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って電極対の間の粒子状物質堆積層に電位差が形成され、前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加し、この所定の電圧の印加によって発生した前記微小発光放電により、前記絶縁性捕捉部材に捕捉された粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【請求項２】
前記絶縁性捕捉部材が粒子状物質を含む排ガスを通過させて前記粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタであることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化方法。
【請求項３】
排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材と、該絶縁性捕捉部材の上流側の表面又は表面近傍に１対以上配置された電極対と、該電極対間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えた排ガス浄化システムであって、電圧印加装置が、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って電極対の間の粒子状物質堆積層に電位差が形成され、前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加することを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項４】
前記絶縁性捕捉部材が粒子状物質を含む排ガスを通過させて前記粒子状物質を捕捉する絶縁性フィルタであることを特徴とする請求項３記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
前記所定の電圧を、前記電極対間の電流電圧特性が非線形となる領域の電圧とすることを特徴とする請求項３又は４記載の排ガス浄化システム。
【請求項６】
前記絶縁性捕捉部材の上流側に、排ガス中の微粒子を帯電させるための帯電手段を配置したことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項７】
前記絶縁性捕捉部材をセラミック繊維フィルタで形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項８】
前記絶縁性捕捉部材に酸化触媒を担持させたことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項９】
前記絶縁性捕捉部材の上流側、または、下流側に酸化触媒を配置したことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項１０】
前記所定の電圧を、前記電極対間の電流電圧特性が、該電極対間に印加する直流電圧又は交流電力の電圧波高値と電流の関係において、比例関係が崩れる特定の電圧の１．０５倍〜２．２倍の範囲内の直流電圧又は交流電力の電圧波高値となる領域の電圧とすることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項１１】
前記所定の電圧は、電極対間の距離をｄｃｍとした時に、下限を４５０×ｄＶ〜９００×ｄＶの範囲内の値とし、上限を１０００×ｄＶ〜１８００×ｄＶの範囲内の値とすることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。
【請求項１２】
前記所定の電圧を、前記電極対間の電流電圧特性が、該電極対間に印加する直流電圧又は交流電力の電圧波高値と電流の関係において、比例関係が崩れる特定の電圧の１．０５倍〜２．２倍の範囲内の直流電圧又は交流電力の電圧波高値となる領域の電圧とすることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス浄化方法。
【請求項１３】
前記所定の電圧は、電極対間の距離をｄｃｍとした時に、下限を４５０×ｄＶ〜９００×ｄＶの範囲内の値とし、上限を１０００×ｄＶ〜１８００×ｄＶの範囲内の値とすることを特徴とする請求項１、２又は１２記載の排ガス浄化方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上記のような目的を達成するための排ガス浄化システムは、排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材と、該絶縁性捕捉部材の上流側の表面又は表面近傍に１対以上配置された電極対と、該電極対間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えた排ガス浄化システムであって、電圧印加装置が、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って電極対の間の粒子状物質堆積層に電位差が形成され、前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加することを特徴とする。
この所定の電圧を印加する際に使用される電圧は、直流、交流、高周波、パルスのいずれでもよいが、短絡、スパーク、アーク放電等の電極対の間全体に電流が流れるような大きな電圧ではなく、空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電、即ち、シンチレーションと呼ばれる部分放電が発生する電圧とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
そして、上記のような目的を達成するための排ガス浄化システムは、排ガス中の粒子状物質を捕捉する絶縁性捕捉部材と、該絶縁性捕捉部材の上流側の表面又は表面近傍に１対以上配置された電極対と、該電極対間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えた排ガス浄化システムであって、電圧印加装置が、前記絶縁性捕捉部材の表面で捕捉した前記粒子状物質の堆積量の増加に伴って電極対の間の粒子状物質堆積層に電位差が形成され、前記絶縁性捕捉部材の表面上に空間的かつ時間的にランダムに発生と消滅を繰り返す微小発光放電を発生させる所定の電圧を印加するように構成する。