(57)【要約】【課題】浄化量の向上を図った排気浄化装置用電力供給装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路１１に配置した放電電極２１からコロナ放電させることで排気中のＰＭ（微粒子）を酸化させて浄化する排気浄化装置１０に適用され、放電電極２１へ瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返すことで、コロナ放電に用いる電力を供給する電力供給装置５０（電力供給手段）を備え、電力供給装置５０により瞬時的に電圧印加する時間を、アーク放電所要時間（所定時間）よりも短くする。これによれば、アーク放電の発生を抑制できるので、印加電圧の高電圧化を促進でき、ひいてはＰＭ浄化量向上を図ることができる。【選択図】      図１
2011112026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置した放電電極からコロナ放電させることで排気中の微粒子を酸化させて浄化、或いは、前記微粒子を帯電させて捕集浄化する排気浄化装置に適用され、
前記放電電極へ瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返すことで、前記コロナ放電に用いる電力を供給する電力供給手段を備え、
前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加する時間を、所定時間よりも短くすることを特徴とする排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項２】
前記放電電極に対向する対向電極及び前記放電電極の一方で電気アークが生じてから、前記対向電極及び前記放電電極の他方へ前記電気アークが到達するまでに要する時間をアーク放電所要時間とし、
前記アーク放電所要時間を前記所定時間としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項３】
瞬時的な電圧印加を開始してから、コロナ放電された電子のエネルギを受けて排気分子が所定値以上の強度で振動するに至るまでに要する時間を分子振動所要時間とし、
前記分子振動所要時間を前記所定時間としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項４】
前記所定時間を、１００ナノ秒以上かつ５００ナノ秒以下に設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項５】
前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加する周期を、５００Ｈｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項６】
前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加した時の電圧ピーク値の絶対値を、５ｋＶ以上かつ１５ｋＶ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項７】
前記放電電極は、コロナ放電により電子が放出される突起状の放出部を複数備えた形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項８】
前記排気通路を形成する排気管の内壁面に、前記放電電極に対向する対向電極が配置されており、
前記排気通路のうち前記放電電極が配置されている部分の通路断面積は、前記排気通路の最小通路断面積以上となっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【請求項９】
排気中の特定物質を酸化又は還元する触媒と、前記排気通路を形成する排気管に接続されて前記触媒を内部に保持するケースと、を備え、
前記ケースは、
前記排気管から排気を流入させる流入口を有するとともに、前記流入口から排気流れ下流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる入口テーパ部と、
前記排気管へ排気を流出させる流出口を有するとともに、前記流出口から排気流れ上流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる出口テーパ部と、
前記入口テーパ部及び前記出口テーパ部を接続するとともに、前記触媒を内部に保持する保持部と、
を備えて構成されており、
前記放電電極を、前記排気通路のうち前記出口テーパ部の下流側近傍、かつ、前記排気通路の通路断面中央部に配置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の排気浄化装置用電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気中に含まれる微粒子を浄化する排気浄化装置に適用された、排気浄化装置用電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気通路に配置した放電電極からコロナ放電させることで排気中のＰＭ（particulate matters（微粒子））を酸化させて浄化、或いはＰＭを帯電させて捕集浄化する排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４３４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記装置を用いてＰＭを浄化するにあたり、放電電極に印加する電圧を高くするほどＰＭの酸化又は帯電を促進でき、ＰＭ浄化量を増大できる。しかしながら、ＰＭ浄化量増大を図るべく電圧を上昇させていくと、放電電極に対向する接地電極（対向電極）と放電電極との間でアーク放電が発生する可能性が高くなる。そして、このようなアーク放電が発生すると、放電電極へ投入した電気エネルギの殆どがアークへ流入してコロナ放電が消滅してしまう。すると、放電電極近傍を通過するＰＭの殆どが酸化又は帯電されなくなり、ＰＭ浄化量が著しく低下するといった問題が生じる。
【０００５】
また、排気中に含まれるＯ２やＮ２等の排気分子にコロナ放電された電子が衝突すると、排気分子の分子振動が促進されるが、この分子振動が活発化するほど、放電電極からコロナ放電された電子は、分子振動する排気分子に衝突する確率が高くなる。すると、その背反としてコロナ放電された電子がＰＭに衝突する確率は低くなるので、ＰＭが十分に酸化又は帯電されなくなり、ＰＭ浄化量が低下するといった問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、浄化量の向上を図った排気浄化装置用電力供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００８】
請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路に配置した放電電極からコロナ放電させることで排気中の微粒子を酸化させて浄化、或いは、前記微粒子を帯電させて捕集浄化する排気浄化装置に適用され、前記放電電極へ瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返すことで、前記コロナ放電に用いる電力を供給する電力供給手段を備え、前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加する時間を、所定時間よりも短くすることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、コロナ放電に用いる電力を放電電極へ供給するにあたり、常時継続して電圧印加するのではなく、瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返して電力供給する。そのため、放電電極に対向する対向電極（例えば接地電極）及び放電電極の一方で電気アークが生じてからその電気アークが他方へ到達する前に、印加電圧が一時的に遮断されて、アーク放電になりかけた電気アークが途中で消滅する可能性が高くなる。このように、上記発明によればアーク放電の発生を抑制できるので、印加電圧の高電圧化を促進でき、ひいては微粒子の浄化量向上を図ることができる。
【００１０】
また、上記発明に反し、印加電圧を一時的に遮断させることなく放電電極への電圧印加を継続して行うと、先述した排気分子の分子振動が促進される。これに対し上記発明では、瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返して電力供給するので、排気分子の分子振動を抑制でき、コロナ放電された電子が微粒子に衝突する確率を高くできる。よって、微粒子の酸化量又は帯電量を向上でき、ひいては微粒子の浄化量向上を図ることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、前記放電電極に対向する対向電極及び前記放電電極の一方で電気アークが生じてから、前記対向電極及び前記放電電極の他方へ前記電気アークが到達するまでに要する時間をアーク放電所要時間とし、前記アーク放電所要時間を前記所定時間としたことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、対向電極（例えば接地電極）及び放電電極の一方で電気アークが生じてからその電気アークが他方へ到達する前に印加電圧を遮断させることの確実性を向上できる。よって、アーク放電の発生抑制を促進でき、ひいては微粒子の浄化量向上を促進できる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、瞬時的な電圧印加を開始してから、コロナ放電された電子のエネルギを受けて排気分子が所定値以上の強度で振動するに至るまでに要する時間を分子振動所要時間とし、前記分子振動所要時間を前記所定時間としたことを特徴とする。
【００１４】
これによれば、排気分子が所定値以上の強度で分子振動することを回避させることの確実性を向上できる。よって、微粒子の酸化量又は帯電量向上を促進でき、ひいては微粒子の浄化量向上を促進できる。
【００１５】
請求項４記載の発明では、前記所定時間を、１００ナノ秒以上かつ５００ナノ秒以下に設定したことを特徴とする。
【００１６】
上記発明に反して前記所定時間を１００ナノ秒未満に設定すると、アーク放電抑制及び分子振動抑制を向上できる背反として、コロナ放電による微粒子の酸化又は帯電が不十分となることが懸念される。また、上記発明に反して前記所定時間を５００ナノ秒より大きく設定すると、アーク放電抑制及び分子振動抑制が不十分となることが懸念される。これらの懸念を鑑みて「１００ナノ秒≦所定時間≦５００ナノ秒」に設定した上記発明によれば、アーク放電抑制及び分子振動抑制による効果と、微粒子酸化又は帯電による効果とをバランスよく発揮させることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明では、前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加する周期を、５００Ｈｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下に設定したことを特徴とする。
【００１８】
上記発明に反して前記周期を５００Ｈｚ未満に設定すると、電圧印加されていないインターバル時間が長すぎてしまい、アーク放電抑制及び分子振動抑制が促進される背反として、コロナ放電による微粒子の酸化又は帯電が不十分となることが懸念される。
【００１９】
また、上記発明に反して前記周期を１００ｋＨｚより大きく設定すると、以下に説明するように前記インターバル時間が短すぎることとなる。すなわち、印加電圧を一時的に遮断することでアーク放電になりかけた電気アークが途中で消滅しようとするものの、前記インターバル時間が短すぎると、電気アークが完全に消滅する前に次の電圧印加が為されてしまい、対向電極及び放電電極の一方で生じた電気アークが他方へ到達してアーク放電の状態に陥ることが懸念される。また、分子振動を十分に抑制できなくなることが懸念される。
【００２０】
これらの懸念を鑑みて「５００Ｈｚ≦瞬時的に電圧印加する周期≦１００ｋＨｚ」に設定した上記発明によれば、アーク放電抑制及び分子振動抑制による効果と、微粒子酸化又は帯電による効果とをバランスよく発揮させることができる。
【００２１】
請求項６記載の発明では、前記電力供給手段により瞬時的に電圧印加した時の電圧ピーク値の絶対値を、５ｋＶ以上かつ１５ｋＶ以下に設定したことを特徴とする。
【００２２】
上記発明に反して前記電圧ピーク値の絶対値を５ｋＶ未満に設定すると、アーク放電抑制及び分子振動抑制を向上できる背反として、コロナ放電による微粒子の酸化又は帯電が不十分となることが懸念される。また、上記発明に反して前記電圧ピーク値の絶対値を１５ｋＶより大きく設定すると、アーク放電抑制及び分子振動抑制が不十分となることが懸念される。これらの懸念を鑑みて「５ｋＶ≦電圧ピーク値の絶対値≦１５ｋＶ」に設定した上記発明によれば、アーク放電抑制及び分子振動抑制による効果と、微粒子酸化又は帯電による効果とをバランスよく発揮させることができる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、前記放電電極は、コロナ放電により電子が放出される突起状の放出部を複数備えた形状であることを特徴とする。
【００２４】
これによれば、電極へ供給した電荷が排気通路へ放出され易くなるので、印加電圧を低く抑えつつもコロナ放電を促進して微粒子の酸化量又は帯電量を向上できる。よって、アーク放電抑制及び分子振動抑制を促進させつつコロナ放電による微粒子浄化を促進できる。
【００２５】
請求項８記載の発明では、前記排気通路を形成する排気管の内壁面に、前記放電電極に対向する対向電極が配置されており、前記排気通路のうち前記放電電極が配置されている部分の通路断面積は、前記排気通路の最小通路断面積以上となっていることを特徴とする。
【００２６】
ここで、放電電極と対向電極とのギャップを大きくするほど両電極間での抵抗（インピーダンス）が大きくなり、放電電極に供給された電荷が放出されにくくなり、コロナ放電が不十分となることが懸念される。そこで、排気管の通路断面積を小さくすれば、前記ギャップが小さくなり上記懸念が解消されるものの、排気管のうち対向電極が配置された部分の通路断面積だけを小さくすると、この部分で排気の流れが絞られることとなり、排気の流通抵抗が大きくなるとの不具合が生じる。
【００２７】
この点を鑑みた上記発明では、排気通路のうち対向電極が配置されている部分の通路断面積を、排気通路の最小通路断面積以上にするので、排気管のうち対向電極が配置された部分で排気の流れが絞られることを回避できる。なお、対向電極が配置されている部分の通路断面積を最小通路断面積にすれば、排気の流通抵抗が増大することを抑制しつつ、前記ギャップを小さくすることによるコロナ放電の促進を図ることができ、好適である。
【００２８】
請求項９記載の発明では、排気中の特定物質を酸化又は還元する触媒と、前記排気通路を形成する排気管に接続されて前記触媒を内部に保持するケースと、を備え、前記ケースは、前記排気管から排気を流入させる流入口を有するとともに、前記流入口から排気流れ下流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる入口テーパ部と、前記排気管へ排気を流出させる流出口を有するとともに、前記流出口から排気流れ上流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる出口テーパ部と、前記入口テーパ部及び前記出口テーパ部を接続するとともに、前記触媒を内部に保持する保持部と、を備えて構成されており、前記放電電極を、前記排気通路のうち前記出口テーパ部の下流側近傍に配置するとともに、前記排気通路の通路断面中央部に配置したことを特徴とする（図１１参照）。
【００２９】
ケースの保持部は、排気が触媒を通過する際の圧力損失低減を図るべく、排気管よりも通路断面積が大きく形成されているのが一般的である。そのため、保持部の下流端と排気管とを接続する出口テーパ部をケースは有することとなる。上記発明は、この出口テーパ部を利用してコロナ放電による浄化量の増大を図ったものである。
【００３０】
すなわち、出口テーパ部に位置する排気は、出口テーパ部の内壁面にガイドされて、排気通路の中央へ向かう向きの流れとなる（図１１中の矢印Ｙ参照）。そのため、排気通路の通路断面中央部におけるＰＭ濃度は通路断面外周部におけるＰＭ濃度よりも高くなる。よって、放電電極を、出口テーパ部の下流側近傍かつ排気通路の通路断面中央部に配置した上記発明によれば、ＰＭ濃度の高い部分に放電電極が配置されることとなるので、コロナ放電による浄化量の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態において、（ａ）は排気浄化装置のエンジン搭載位置を示す図、（ｂ）は排気浄化装置の構成を示す図、（ｃ）は（ｂ）のＡ矢視図。
【図２】図１の排気浄化装置によりＰＭが浄化されるメカニズムを説明する図。
【図３】図１の放電プラグへ電力を供給する電力供給装置の構成を示す図。
【図４】図３の電力供給装置により放電プラグへ印加する電圧の時間変化を示す図。
【図５】第１実施形態に反し、継続して電圧印加した場合の試験結果を示す図。
【図６】第１実施形態による効果の１つを説明する図。
【図７】第２実施形態にかかる排気浄化装置の構成を示す図。
【図８】第３実施形態にかかる放出部の配置例を示す図。
【図９】第３実施形態にかかる放出部の配置例を示す図。
【図１０】第３実施形態にかかる放出部の形状例を示す図。
【図１１】第４実施形態にかかる放出部の配置例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
【００３３】
（第１実施形態）
以下、本発明をディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置に適用した第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、エンジン４１に対する排気浄化装置１０の搭載位置を示し、図１（ｂ）は排気浄化装置１０の全体構成を示し、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ矢視図である。
【００３４】
図中、排気浄化装置１０は、電子を放電させる放出部２１ｂを有する放電プラグ２０と、放出部２１ｂと対向するよう配置された接地電極３０（対向電極）と、を備えて構成されている。接地電極３０は、エンジン４１の排気管４２に接続される筒状ハウジングＨの内壁面に沿って配置された筒形状である。ハウジングＨは排気管４２より大径の円筒管状で、その内部は円形断面の排気通路１１となり、両端小径部にて排気管４２の直線部に接続されるようになっている。
【００３５】
図１（ｂ）において、放電プラグ２０は、上半部がハウジングＨの筒壁から外部（図の上方）に突出し、下半部がハウジングＨ内の排気通路１１に位置している。放電プラグ２０は、電力供給されて排気通路１１内に電子を放出するようコロナ放電する放電電極２１と、放電電極２１を保持する碍子部２２とからなる。放電電極２１は、外周が碍子部２２に保持される棒状の導電部２１ａと、その先端に設けられる放出部２１ｂとからなる。導電部２１ａのうちハウジングＨ外に位置し碍子部２２から突出する基端には、電力供給装置５０（電力供給手段）から直流高電圧の電力が供給される。
【００３６】
導電部２１ａのうち排気通路１１内に露出する部分はＬ字状に屈曲して、排気通路１１の軸線（排気流れ方向）に沿って延び、先端に接続された放出部２１ｂへ高電圧の電流を導く。
【００３７】
図１（ｃ）に示すように、放出部２１ｂは、板状であるとともに、その板外周面に放射状に突出する多数の突起を有する形状である。放出部２１ｂに供給された電子は、突起の先端から排気通路１１へ放出されてコロナ放電することとなる。このように、放出部２１ｂに多数の突起を設けることで放電率を高めるとともに、排気通路１１内に均等にコロナ放電を発生させて、浄化性能を高めることができる。
【００３８】
次に、排気中に含まれるＰＭ（particulate matters（微粒子））が排気浄化装置１０により浄化されるメカニズムについて、図２を用いて説明する。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、エンジン４１で発生し排気管４２へ放出されるＰＭは、通常、０．０１μｍから数μｍ程度の粒径であり、通常のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）では捕捉できないナノ微粒子（ナノＰＭ）を含んでいる。排気浄化装置１０は主に、このナノＰＭを酸化して浄化するよう機能するものである。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、放電プラグ２０の導電部２１ａに電力供給装置５０から負の直流高電圧を印加すると、放出部２１ｂ先端の突起近傍においてコロナ放電が発生する（図中（１）参照）。この時、コロナ放電により放射される電子は高いエネルギを有しており、当該電子が排気中の酸素分子（Ｏ2）に衝突すると、当該酸素分子は解離して酸素イオン（Ｏラジカル：Ｏ2−）が生成されることとなる（図中（２）参照）。当該Ｏラジカルは不安定な状態となっており、このＯラジカルがナノＰＭの成分である炭素原子（Ｃ）に衝突すると、二酸化炭素（ＣＯ2）が生成されることとなる（図中（３）（４）参照）。
【００４１】
要するに、図２（ｃ）に示すように、コロナ放電により放射された電子のエネルギ（活性化エネルギ）により、炭素と酸素分子が酸化反応して二酸化炭素に変化する。以上により、コロナ放電させることでナノＰＭを酸化して気体分子である二酸化炭素に直接変化させるので、コロナ放電の発生エネルギを効果的に利用してナノＰＭを浄化することができる。
【００４２】
次に、図３を用いて電力供給装置５０の構成を説明する。
【００４３】
電力供給装置５０は、車両に搭載されたバッテリ５１を電源としており、当該バッテリ５１の電圧（１２Ｖ）を昇圧して放電プラグ２０へ供給する。また、このように昇圧した電圧を放電プラグ２０へ常時継続して印加させるのではなく、瞬時的に電圧印加することを複数回繰り返すよう、パルス状の電圧を印加させるよう制御している。
【００４４】
図３に示す回路は、このような昇圧及びパルス制御を行う回路の一例であり、電力供給装置５０は、バッテリ５１、コンデンサ５２、トランス５３、サイリスタ５４（スイッチ手段）及びマイクロコンピュータ（マイコン５５）を備えて構成されている。
【００４５】
サイリスタ５４がターンオフして通電を遮断した状態では、バッテリ５１から供給される電力がコンデンサ５２に蓄電される。そして、マイコン５５から出力される指令信号によりサイリスタ５４がターンオンすると、コンデンサ５２に蓄電された電力がトランス５３の一次コイルに流れ、これに伴いトランス５３の二次コイルに高電圧が発生し、二次コイルに接続されている放電プラグ２０へ高電圧の電力が供給されることとなる。
【００４６】
要するに、放電プラグ２０へ瞬時的に電圧（パルス電圧）を印加するにあたり、マイコン５５によりターンオン指令を出力したタイミングで電圧印加が開始される。よって、瞬時的に電圧印加する周期はマイコン５５により制御される。図３の例では、マイコン５５からサイリスタ５４へ出力される信号は、所定周期でターンオンを指令するクロックパルス信号であり、５００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周期でターンオンを指令する。
【００４７】
一方、一次コイルへの放電によりコンデンサ５２の電荷が所定量以下になると、サイリスタ５４はターンオフして一次コイルへの通電が遮断される。これにより、放電プラグ２０への電力供給が停止される。したがって、瞬時的な電圧印加を終了させるタイミング、及び瞬時的に電圧を印加する時間は、コンデンサ５２の容量等の回路構成部品により決定される。図３の例では、瞬時的に電圧印加する時間が１００ナノ秒〜５００ナノ秒となるようコンデンサ５２の容量等を設定している。
【００４８】
また、放電プラグ２０へ供給される電力の電圧は、バッテリ５１及びトランス５３の仕様により決定される。バッテリ５１の残存容量が１００％の時に、放電プラグ２０へ印加される電圧が−５ｋＶ〜−１５ｋＶとなるようトランス５３は選定されている。
【００４９】
以上により、放電プラグ２０の放出部２１ｂに印加される電圧は、図４に示す如く、５００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周期で−５ｋＶ〜−１５ｋＶの電圧となり、１００ナノ秒〜５００ナノ秒といった極短時間、瞬時的に印加される。
【００５０】
ところで、高い電圧でコロナ放電させるほど、生成されるＯラジカルの量が増大してＰＭの浄化量を増大できる。また、放出部２１ｂと接地電極３０とのギャップＧ（図１（ｂ）参照）が小さいと、放電電極２１から電子が放出されやすくなるので、生成されるＯラジカルの量が増大してＰＭの浄化量を増大できる。しかしながら、印加電圧を高くしてギャップＧを小さくするほど、放電電極２１の放出部２１ｂと接地電極３０との間でアーク放電が発生するおそれが高くなる。そして、このようなアーク放電が発生すると、放電電極２１へ投入した電気エネルギの全てがアークへ流入してコロナ放電が消滅してしまう。すると、ナノＰＭの酸化が不十分となり、ＰＭ浄化量が著しく低下するといった問題が生じる。
【００５１】
そして、放出部２１ｂへパルス状に直流電圧を印加する本実施形態に反し、一時的に遮断させることなく常時継続して放出部２１ｂへ直流電圧を印加すると、上記問題が顕著になることが、本発明者らの行った試験により明らかとなった。
【００５２】
図５（ａ）は、継続して電圧印加した場合の試験結果であり、図中の横軸は印加電圧の大きさを示し、縦軸は、排気浄化装置１０を通過した後の排気中に含まれるＰＭの数、つまり浄化できなかったＰＭの数を示す。また、図中の（１）はギャップＧ＝４０ｍｍ、（２）は３０ｍｍ、（３）は２０ｍｍにした場合の試験結果を示す。なお、（２）（３）の点線は推定値を示す。
【００５３】
図５（ａ）の試験結果は、高電圧にするほどＰＭ浄化量が増大することを示すとともに、ギャップＧを小さくするほど浄化量が増大することを示す。そして、図５（ｂ）は、ギャップＧ＝２０ｍｍの場合において、電圧を徐々に高圧にしていった時のＰＭ数変化を示すグラフであり、電圧が−５ｋＶの時にはアーク放電は発生しないが、−６ｋＶまで昇圧するとＰＭ数が大きく変動する（図中の点線部分参照）。このことは、アーク放電が発生した瞬間にコロナ放電が消滅してＰＭを浄化できなくなったことを意味する。また、−６ｋＶ以上昇圧してもＰＭ浄化量を増大できないことが分かった。
【００５４】
ちなみに、エンジン回転速度が高いほどアーク放電は生じやすい。また、エンジン負荷（出力トルク）が大きいほどアーク放電は生じやすい。図５は、エンジン回転速度を３０００ｒｐｍ、出力トルクを１１０Ｎ−ｍとした場合の試験結果である。
【００５５】
この試験結果に対し、上記詳述した本実施形態によれば、放出部２１ｂへパルス状に直流電圧を印加するので、放出部２１ｂで発生した電気アークが接地電極３０に到達する前に印加電圧が一時的に遮断されて、アーク放電になりかけた電気アークを途中で消滅させることとなる。よって、アーク放電の発生を抑制できるので、印加電圧の高電圧化を促進するとともにギャップＧを小さくすることができるので、ひいてはＰＭ浄化量の向上を図ることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、５００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周期で−５ｋＶ〜−１５ｋＶの電圧となり、１００ナノ秒〜５００ナノ秒といった極短時間、放出部２１ｂへ瞬時的に電圧印加する。これらの数値は、放出部２１ｂで発生した電気アークが接地電極３０に到達する前に印加電圧を遮断するよう設定したものであって、試験により得られた数値である。
【００５７】
すなわち、電圧印加時間（所定時間）を５００ナノ秒より大きく設定すると、電気アークが接地電極３０に到達してアーク放電が発生しやすくなる。また、電圧を印加する周期（パルスオン周期）を１００ｋＨｚより大きく設定すると、電力供給させないインターバル時間Ｔｉ（図４参照）が短すぎてしまい、印加電圧を一時的に遮断することでアーク放電になりかけた電気アークが途中で消滅しようとするものの、電気アークが完全に消滅する前に次の電圧印加が為されるので、放出部２１ｂで発生した電気アークが接地電極３０へ到達してアーク放電の状態に陥ることが懸念される。また、電圧ピーク値Ｖｐ（図４参照）を−１５ｋＶより低く（過剰昇圧）してもアーク放電が生じやすくなる。
【００５８】
一方、電圧印加時間（所定時間）を１００ナノ秒より小さく設定したり、電圧印加周期を５００Ｈｚより小さく設定したり、電圧ピーク値Ｖｐを−５ｋＶより高く設定すると、コロナ放電によるＰＭの酸化が不十分となり、ＰＭ浄化量が低下する。これらの点を鑑み、上述した各種数値に設定した本実施形態によれば、アーク放電を抑制する度合いと、ＰＭ酸化による浄化量増大の度合いとをバランスよくできる。
【００５９】
なお、−５ｋＶ〜−１５ｋＶの電圧を印加する場合においては、放出部２１ｂで電気アークが発生してから接地電極３０に到達するまでに要する時間（アーク放電所要時間）は５００ナノ秒より長い。
【００６０】
なお、本実施形態では、排気通路１１のうち放電電極２１が配置されている部分の通路断面積は、排気通路１１の最小通路断面積以上となっている。つまり、排気通路１１のうち放電電極２１が配置されている部分により、排気通路１１の通路断面積が縮小して絞られないようにしている。
【００６１】
さらに、本実施形態の如く放出部２１ｂへパルス状に直流電圧を印加すると、以下に説明する分子振動を抑制でき、分子振動によるＰＭ浄化量の著しい低下を回避できることが分かった。
【００６２】
すなわち、本実施形態に反し、常時継続して放出部２１ｂへ直流電圧を印加すると、電圧印加を開始した直後においては、図６（ａ）に示すように、放出部２１ｂからコロナ放電した電子を、放出部２１ｂから離れた場所（接地電極３０の近傍）にある酸素分子にまで到達させて衝突させることができ、Ｏラジカルを広範囲に生成させることができる。よって、排気通路１１を流れるＰＭがＯラジカルと反応せずに通過する量を減少させることができ、ひいてはＰＭの浄化量を一定以上に保つことができる。
【００６３】
しかしながら、放出部２１ｂへの電圧印加時間が長くなると、放出部２１ｂからコロナ放電した電子が排気中の酸素分子及び窒素分子（排気分子）に繰り返し衝突していくと、これらの分子が有する電子が高エネルギ化して激しく振動するようになる（図６（ｂ）参照）。すると、コロナ放電した電子はこれらの振動分子に衝突する確率が高くなり、放出部２１ｂから離れた場所にある酸素分子に電子が衝突する確率が低くなる。その結果、Ｏラジカルを広範囲に生成させることができなくなり、ひいてはＰＭ浄化量の著しい低下を招く。
【００６４】
この問題に対し、本実施形態では放出部２１ｂへパルス状に直流電圧を印加するので、放出部２１ｂ近傍の排気分子は、所定値以上の強度で分子振動する前に印加電圧が遮断され、そのまま排気通路１１から排出されていく。よって、Ｏラジカルを広範囲に生成させることができ、ひいてはＰＭ浄化量の著しい低下を回避できる。
【００６５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、コロナ放電によりＰＭを酸化して浄化する排気浄化装置１０に電力供給装置５０を適用させているが、図７に示す本実施形態では、コロナ放電によりＰＭを帯電させて捕集浄化する排気浄化装置１００に電力供給装置５０を適用させている。なお、本実施形態にかかる排気浄化装置１００は、上記第１実施形態にかかる排気浄化装置１０に後述する捕集部３１を備えた構成である。電力供給装置５０等のその他のハード構成は、上記第１実施形態と同じであり、パルス状の電圧を放出部２１ｂに印加する。
【００６６】
但し、本実施形態では、第１実施形態に比べて印加電圧の絶対値が低く設定されている。すると、コロナ放電によるエネルギ投入量が少なくなり、ＰＭが酸化されなくなる（或いは僅かしか酸化されなくなる）ものの、以下に説明するようにＰＭが帯電凝集するので、捕集部３１へＰＭを捕集させることができる。
【００６７】
すなわち、コロナ放電が発生して電子が放射されると（図７中の（１）参照）、その一部は電子親和性の高い気体分子（酸素）をマイナスイオン化してＯラジカルが発生し（（２）参照）、付近のナノＰＭに付着してこれを負に帯電させる（（３）参照）。帯電したナノＰＭは、クーロン力によって集塵電極を兼ねる接地電極３０に引き寄せられ、下流へ向かうガス流から徐々に離脱して、凝集しながら排気通路１１の外周側へ移動して捕集部３１内に侵入する。（（４）参照）。その後、捕集部３１の奥へ移動凝集したナノＰＭが接地電極３０に達すると、放電し、凝集保持される（（５）参照）。
【００６８】
なお、捕集部３１は、中空メッシュ状の導電性筒状体より構成されており、接地電極３０の内周面に配置されている。捕集部３１を構成する中空メッシュ状の導電性筒状体は、通常、１μｍから１０μｍ程度の粒径となる粗大粒子の流入を妨げない程度の大きさを有し、かつ内部に凝集微粒子を保持する十分な空間を有することが望ましい。
【００６９】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様にしてパルス状の電圧を放出部２１ｂに印加するので、アーク放電の発生を抑制できる。よって、印加電圧の高電圧化を促進するとともにギャップＧを小さくすることができるので、ひいてはＰＭ浄化量の向上を図ることができる。また、パルス状の電圧を放出部２１ｂに印加するので、放出部２１ｂ近傍の排気分子は、所定値以上の強度で分子振動する前に印加電圧が遮断され、そのまま排気通路１１から排出されていく。よって、Ｏラジカルを広範囲に生成させ、広範囲でＰＭを帯電させることができるので、ＰＭ浄化量の著しい低下を回避できる。
【００７０】
（第３実施形態）
ところで、放出部２１ｂから電子を放射してコロナ放電させるには、放出部２１ｂと接地電極３０との間の排気通路１１における電気抵抗（インピーダンスＲ）を低減させることが望ましい。前記インピーダンスＲは、放出部２１ｂと接地電極３０とのギャップＧで形成される静電容量Ｃに反比例するため、インピーダンスＲを低減させるには前記静電容量Ｃを大きくすればよい。そして、静電容量Ｃは、放出部２１ｂと接地電極３０との対向面積Ｓに比例するとともに、ギャップＧの大きさに反比例するため、静電容量Ｃを大きくするには対向面積Ｓを増大させるとともにギャップＧを小さくすればよい。
【００７１】
そこで本実施形態では、上記対向面積Ｓの拡大を図るべく、１つの放電プラグ２０に複数の放出部２１ｂを設けている。図８に示す例では、排気通路１１の径方向に複数の放出部２１ｂを放射状に配置している。また、図９の例では、排気通路１１の径方向に放出部２１ｂを複数配置することに加え、排気流れ方向にも放出部２１ｂを複数並べて配置している。また、図１（ｃ）の放出部２１ｂが有する突起の数（８個）を、図１０に示すようにさらに増やして、対向面積Ｓの拡大を図るようにしてもよい。
【００７２】
また、アーク放電が生じない程度にギャップＧを小さくすれば、インピーダンスＲを低減させてコロナ放電にかかる電子放出量を増大することができる。但し、排気通路１１のうち放出部２１ｂが配置されている部分の通路断面積を小さくしてギャップＧを小さくしようとすると、当該部分で排気が絞られてしまい、排気の流通抵抗増大を招いてしまう。よって、放出部２１ｂが配置されている部分の通路断面積は、排気通路１１全長のうち最小となっている通路断面積よりも大きく設定することが望ましい。
【００７３】
（第４実施形態）
図１１に示す本実施形態では、排気中の特定物質を酸化又は還元する触媒装置６０が備えられた内燃機関に上記第１実施形態の排気浄化装置１０を適用させている。なお、本実施形態にかかる放電プラグ２０及び電力供給装置５０の構成は上記第１実施形態と同じである。
【００７４】
触媒装置６０は、排気管４２に接続されたケース内部に触媒６０ａを収容して構成されており、触媒６０ａの具体例としては、排気中のＮＯｘを還元する還元触媒、排気中のＣＯやＨＣを酸化する酸化触媒、主にガソリンエンジンに用いられてＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣを酸化還元する三元触媒等が挙げられる。
【００７５】
前記ケースは、以下の入口テーパ部６１、出口テーパ部６２及び保持部６３から構成される。入口テーパ部６１は、排気管４２から排気を流入させる流入口６１ａを有するとともに、流入口６１ａから排気流れ下流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる円錐形状である。出口テーパ部６２は、排気管４２へ排気を流出させる流出口６２ａを有するとともに、流出口６２ａから排気流れ上流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる円錐形状である。保持部６３は、入口テーパ部６１及び出口テーパ部６２を接続する円筒形状であり、触媒６０ａを内部に保持するものである。
【００７６】
放電プラグ２０は、ケースの出口テーパ部６２に取り付けられている。そして、放電プラグ２０の放出部２１ｂは、排気管４２で形成される排気通路１１のうち、出口テーパ部６２の下流側近傍、かつ、排気通路１１の通路断面中央部に配置されている。したがって、放出部２１ｂに対向配置される接地電極３０は、排気管４２の内面のうち出口テーパ部６２の下流側近傍に位置することとなる。
【００７７】
放出部２１ｂの配置に関して詳細に説明すると、図１１中の仮想線Ｋは、出口テーパ部６２の内壁面６２ｂの延長線を示しており、放出部２１ｂは前記仮想線Ｋ上、或いは仮想線Ｋの上流側に配置することが望ましい。
【００７８】
以上により、本実施形態によれば、出口テーパ部６２に位置する排気は、出口テーパ部６２の内壁面６２ｂにガイドされて、排気通路１１の中央へ向かう向きの流れとなる（図１１中の矢印Ｙ参照）。そのため、排気通路の通路断面中央部におけるＰＭ濃度は通路断面外周部におけるＰＭ濃度よりも高くなる。よって、放電電極２１を、出口テーパ部６２の下流側近傍かつ排気通路１１の通路断面中央部に配置した本実施形態によれば、ＰＭ濃度の高い部分に放電電極２１が配置されることとなるので、コロナ放電による浄化量の増大を図ることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、上記第１実施形態と同様にして放電プラグ２０へパルス状の電圧を印加させるよう制御させているが、印加電圧を一時的に遮断させることなく放電電極２１への電圧印加を継続して行うよう制御してもよい。すなわち、本実施形態からは、特許請求の範囲に記載の請求項１から独立した以下の発明が抽出される。
【００８０】
つまり、
『内燃機関の排気通路に配置した放電電極からコロナ放電させることで排気中の微粒子を酸化させて浄化、或いは、前記微粒子を帯電させて捕集浄化する排気浄化装置において、
排気中の特定物質を酸化又は還元する触媒と、前記排気通路を形成する排気管に接続されて前記触媒を内部に保持するケースと、を備え、
前記ケースは、
前記排気管から排気を流入させる流入口を有するとともに、前記流入口から排気流れ下流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる入口テーパ部と、
前記排気管へ排気を流出させる流出口を有するとともに、前記流出口から排気流れ上流側へ向けて通路断面積を徐々に拡大させる出口テーパ部と、
前記入口テーパ部及び前記出口テーパ部を接続するとともに、前記触媒を内部に保持する保持部と、
を備えて構成されており、
前記放電電極を、前記排気通路のうち前記出口テーパ部の下流側近傍、かつ、前記排気通路の通路断面中央部に配置したことを特徴とする排気浄化装置。』
といった発明である。
【００８１】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００８２】
・上記第１実施形態では、電圧印加時間をアーク放電所要時間よりも短く設定している。これに対し、コロナ放電された電子のエネルギを受けて、図６（ｂ）に示す如く排気分子が所定値以上の強度で振動するに至るまでに要する分子振動所要時間を予め試験して取得しておき、当該分子振動所要時間よりも短くなるように電圧印加時間を設定してもよい。
【００８３】
・アーク放電の発生のしやすさは、その時の排気流量、排気温度、ＰＭ量等のエンジン運転状態に応じて変化する。そこで、放出部２１ｂにパルス電圧を印加するにあたり、電圧印加時間、電圧ピーク値Ｖｐ及び電圧印加周期の少なくとも１つを、エンジン運転状態に応じて可変設定してもよい。これによれば、エンジン運転状態に応じて、アーク放電を発生させないよう、放出部２１ｂへの投入エネルギを増大させることができ、ＰＭ浄化量の増大を図ることができる。
【００８４】
・上記第１実施形態の如くＰＭを酸化させて浄化する方式と、第２実施形態の如くＰＭを帯電凝集させて浄化する方式とを組み合わせるようにしてもよい。例えば、バッテリ５１に十分な量の電力が蓄電されておりバッテリ電圧が所定値以上となっている場合には、ＰＭを酸化させて浄化し、バッテリ電圧が所定値未満となっている場合にはＰＭを帯電凝集させて浄化すればよい。
【００８５】
・上記第２実施形態の捕集部３１を廃止して、接地電極３０上に直接ナノＰＭを凝集保持させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１０，１００…排気浄化装置、１１…排気通路、２１…放電電極、２１ｂ…放出部、３０…接地電極（対向電極）、５０…電力供給装置（電力供給手段）、６０ａ…触媒、６１…入口テーパ部、６１ａ…流入口、６２…出口テーパ部、６２ａ…流出口、６３…保持部。
【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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【図６】
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【図７】
2011112026.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011112026.tif 000011
【図１０】
2011112026.tif 000012
【図１１】
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