(57)【要約】【課題】  ディーゼルエンジン排気ガス中のＰＭを高効率で除去できるとともに、長期にわたって安定した性能を発揮し得るディーゼルエンジン排気ガスの処理方法並びに処理装置を提供する。【解決手段】  ディーゼルエンジン排気ガスの処理装置における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、該コロナ放電部においてコロナ放電された電子を、帯電部における排気ガス中の前記粒状物質に帯電させ、当該排気ガス通路の下流側に配置した捕集部で、帯電した該粒状物質を捕集するディーゼルエンジン排気ガスの処理方法と、該排気ガスの電気式処理装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、該コロナ放電部においてコロナ放電された電子を、帯電部における排気ガス中の前記粒状物質に帯電させ、当該排気ガス通路の下流側に配置した捕集部で、帯電した該粒状物質を捕集することを特徴とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法。
【請求項２】
前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法。
【請求項３】
ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための電気式排気ガス処理装置において、該処理装置本体内における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、帯電した該粒状物質を捕集する捕集部を、当該排気ガス通路の下流側に配置したことを特徴とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項４】
前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項５】
前記電極針の第１層絶縁体被覆並びに第３層絶縁体被覆が石英ガラス、アルミナ、セラミックス等であり、第２層導体被覆が金属製薄板、肉厚の薄い金属管或いは金網等の導体によってなされることを特徴とする請求項３又は４に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項６】
前記コロナ放電部の電極針の放電側先端を排気ガス流れの下流側に向けると共に、シールガス流のポテンシャルコア内若しくは該ポテンシャルコアの下流側に位置するようにして配置し、コロナ電子を下流側に向けて放電させることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項７】
前記電極針を絶縁体製のシールガス管内に挿通配置したことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項８】
前記シールガス管をアルミナ等の絶縁体材料製としたことを特徴とする請求項７に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項９】
前記電極針のシールガス管端からの突出部を、シールガス管内ガス流のポテンシャルコア内に位置するよう配置させたことを特徴とする請求項７または８に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１０】
前記捕集部を単層板構造または多層板構造としたことを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１１】
前記捕集部をパンチングメタルタイプの捕集板またはスリットタイプの捕集板で構成し、かつ開孔部総面積／捕集部実質正面面積で定義される開孔率を３〜２０％としたことを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１２】
前記捕集部を、捕集面がハニカム構造を有する捕集板で構成したことを特徴とする請求項３〜１１のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１３】
前記単層板構造または多層板構造の捕集部固定部における電極板保持棒を、絶縁体製シール管内に配置したことを特徴とする請求項１０に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１４】
前記シールガス管内に整流部材を、該管内の全体または一部に配設したことを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１５】
前記整流部材には、板状のものまたはハニカム状のものを用いることを特徴とする請求項１４に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１６】
前記シールガス管の電極針先端側に対して反対側に位置する管壁に、排気ガス流れ方向と平行してダミー管部を設けたことを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１７】
前記ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をＤ、シールガス管部のダミー管部の長さをＬ２、該ダミー管部より先端部までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５の条件を満足させることを特徴とする請求項１６に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１８】
前記排気ガス用電気式処理装置と触媒とを、組合せて用いることを特徴とする請求項７〜１７のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１９】
前記排気ガス用電気式処理装置の後段に、サイクロン集塵機を付設することを特徴とする請求項３〜１８のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２０】
前記排気ガス用電気式処理装置の前記捕集部を、捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板、もしくは該一枚板からなるベース板と該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとの組合せ、のいずれかによって構成した捕集板を、当該装置本体内壁との間に隙間が形成されるごとく１乃至複数枚配置して構成したことを特徴とする請求項１９に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２１】
前記ベース板が捕集面に絶縁体材料、その裏面にアースした導体材料を配置して二層構造となしたことを特徴とする請求項１９又は２０に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２２】
前記排気ガス用電気式処理装置の後段であって、前記サイクロン集塵機の前段に位置して、粒子凝集粗大化手段を配設したことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２３】
前記粒子凝集粗大化手段として、ハニカム構造の粒子凝集管若しくはパンチングメタル又は金網の複数枚を、所定の間隔を設けて配置することによって構成される粒子凝集板のいずれかを用いることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２４】
前記排気ガス電気式処理装置における当該装置本体の内壁面が、前記粒状物質の捕集面あるいは捕集部として機能することを特徴とする請求項３〜２３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２５】
前記排気ガス電気式処理装置における粒状物質捕集板の再生方式として、当該装置の上流側と下流側間に排気ガスのバイパス管路を併設して配管し、ガス切替弁にて前記バイパス管路に排気ガスを流す間に捕集板の再生を行う方式を用いることを特徴とする請求項３〜２４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項２６】
前記排気ガス電気式処理装置を少なくとも２基、同一系内に並列状態で配置し、排気ガスの流れの上流側に設けた切替弁を介して該排気ガスの流れを制御して、前記２基の排気ガス電気式処理装置を交互に稼働させるか、若しくは２基同時に稼働させることを特徴とする請求項３〜２４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるカーボンを主体とする粒状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：以下「ＰＭ」と称する）や有害ガスを除去し、浄化する排気ガス処理技術に係り、より詳しくはコロナ放電を利用したディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法並びに電気式処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種船舶や発電機並びに大型建機、さらには各種自動車等の動力源としてディーゼルエンジンが広範囲に採用されているが、このディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＰＭは、周知の通り大気汚染をきたすのみならず、人体に極めて有害な物質であるため、その排気ガスの浄化は極めて重要である。このため、ディーゼルエンジンの燃焼方式の改善や各種フィルターの採用、あるいはコロナ放電を利用して電気的に処理する方法等、既に数多くの提案がなされ、その一部は実用に供されてされている。
【０００３】
しかし、燃焼方式の改善だけでは、ディーゼルエンジンの冷温始動時や登板時、過積載時等の多用な運転操作に対応することは不可能で、ＰＭの大幅な削減は困難である。また、例えばセラミックフィルター等でＰＭを捕集する方式は、微細な孔または間隙によってＰＭを捕集するため、一定量のＰＭを捕集すると排気ガスの圧力損失（通気抵抗）が急激に増大して燃費の悪化やエンジントラブルの原因となる。さらに、捕集したＰＭを触媒で燃焼させるフィルター再生方式は、長期間にわたる触媒使用による触媒劣化に起因して、排気ガスの圧力損失が上昇するという好ましからざる問題が残されていた。
【０００４】
一方、コロナ放電を利用して電気的に処理する方法としては、図２０にその一例を示すように、針先１２１ａの周りにコロナ放電を起こして排気ガス中のＰＭ１２３を帯電させるためのニードル電極１２１と、帯電したＰＭ１２３ａを静電気力で捕集するための捕集電極１２４と、前記ニードル電極１２１と前記捕集電極１２４との間に所定の直流高電圧を印加するための高圧直流電源１２５とを備えたディーゼルエンジンの排気ＰＭ捕集装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。また、排気経路中に設けたＰＭ捕集用の収集電極対の一方を構成する円筒体と、該円筒体の中心部に軸方向に延設されて収集電極対の他方を構成する電極体と、前記収集電極対間に静電界を形成して排気ガス中のＰＭを前記円筒体内面に集積させる高電圧電源部と、前記円筒体内面に沿って当該円筒体に対し相対回動して該円筒体内面に堆積したＰＭを掻き落とす掻き落とし部を備えた排気ガス浄化装置（例えば、特許文献２参照）や、電気絶縁体層および触媒層を備えた複数のＰＭ捕集電極と、このＰＭ捕集電極の各々に組み合わされ、前記電気絶縁体層に向けて突出する複数の針状電極を備えた放電電極を具備した排気ガス浄化装置（例えば、特許文献３参照）等、多くの提案がなされている。
【特許文献１】特開平９−１１２２４６号公報
【特許文献２】特開平６−１７３６３７号公報
【特許文献３】特開２００３−２６９１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コロナ放電を利用して電気的に処理する従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術においても、改善を望まれる様々な問題点が残されており、例えば上記特許文献１および２に記載の排気ＰＭ捕集装置は、いわゆる一段式と呼ばれる電気集塵機方式を採用したものであり、基本的な問題点としては、放電電圧と捕集偏向電圧が同電位であるため両電圧をそれぞれの適正条件に設定することが難しいことと、偏向電極と捕集電極間のスパーク発生を防止するためにその間隔を大きくとらざるを得ないことである。従って、上記特許文献１および２に記載の排気ＰＭ捕集装置は、捕集されずに捕集区間を素通りする粒子が多くなり、捕集効率が低下するという欠点がある。また、捕集効率を上げるためには、捕集部の容量を大きくとる必要があり、装置の大型化を余儀なくされ、小型軽量化が望まれる自動車用部品としては不適当である。さらに、特許文献３に記載の排気ガス浄化装置は、いわゆる二段式と呼ばれる電気集塵機の方式を採用したものであるが、針状電極の汚染対策が施されていないために、放電電極に数万ボルトの高電圧が印加された場合、汚染によって電気絶縁性の低下を招いてＰＭ捕集性能を発揮できなくなるという欠点がある。また、放電電極は、腐食性を有する排気ガスによる汚損も避けられず、長期間にわたって安定した性能を維持できない。さらにまた、線状電極の場合は、自動車等の走行中の振動や衝撃により断線を起こし易く、強度的にも問題がある。即ち、従来のコロナ放電を利用して電気式に処理する排気ガス処理手段は、放電電極の高い絶縁性の確保が難しく、実用性においては更に解決を望まれる課題が残されていた。
【０００６】
本発明は、コロナ放電を利用した従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術の前記問題点を解消し、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭを高効率で除去できるとともに、長期にわたって安定した性能を発揮し得るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法およびその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの処理方法は、ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、該コロナ放電部においてコロナ放電された電子を、帯電部における排気ガス中の前記粒状物質に帯電させ、当該排気ガス通路の下流側に配置した捕集部で、帯電した該粒状物質を捕集することを特徴的構成要件とするものである。
【０００８】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気的処理方法において、前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とするものである。
【０００９】
一方、本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための電気式排気ガス処理装置において、該処理装置本体内における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、帯電した該粒状物質を捕集する捕集部を、当該排気ガス通路の下流側に配置したことを特徴的構成要件とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置を要旨とするものである。
【００１０】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とするものであり、前記電極針の第１層絶縁体被覆並びに第３層絶縁体被覆が石英ガラス、アルミナ、セラミックス等であり、第２層導体被覆が金属製薄板、肉厚の薄い金属管或いは金網等の導体によってなされることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置において、前記コロナ放電部の電極針の放電側先端を排気ガス流れの下流側に向けると共に、シールガス流のポテンシャルコア内若しくは該ポテンシャルコアの下流側に位置するようにして配置し、コロナ電子を下流側に向けて放電させることを特徴とするものであり、前記電極針を絶縁体製のシールガス管内に挿通配置すること、そのシールガス管をアルミナ等の絶縁体材料製とすること、前記電極針のシールガス管端からの突出部をシールガス管内ガス流のポテンシャルコア内に位置させること等を特徴とするものである。
【００１２】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置はまた、前記捕集部を単層板構造または多層板構造とすることを特徴とするものであり、前記捕集部をパンチングメタルタイプの捕集板またはスリットタイプの捕集板で構成し、かつ開孔部総面積／捕集部実質正面面積で定義される開孔率を３〜２０％とすること、前記捕集部を、捕集面がハニカム構造を有する捕集板で構成したこと、前記単層板構造または多層板構造の捕集部固定部における電極板保持棒を、絶縁体製シール管内に配置すること、前記シールガス管内に整流部材を、該管内の全体または一部に配設すること、該整流部材には、板状のものまたはハニカム状のものとすること等をも併せて特徴とするものである。
【００１３】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置はさらに、前記シールガス管の電極針先端側に対して反対側に位置する管壁に、排気ガス流れ方向と平行してダミー管部を設けることを特徴とするものであり、該ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をＤ、シールガス管部のダミー管部の長さをＬ２、該ダミー管部より先端部までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５の条件を満足させることを好ましい態様とするものである。
【００１４】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、前記排気ガスの電気式処理装置と触媒とを組合せて用いることも可能であり、前記排気ガスの電気式処理装置の後段に、サイクロン集塵機を付設することを好ましい態様とするものであり、前記排気ガスの電気式処理装置における前記捕集部を、捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板、もしくは該ベース板と該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとの組み合わせ、のいずれかによって、当該装置本体内壁との間に、隙間が形成されるごとく１乃至複数枚配置することも好ましい態様である。
【００１５】
上記本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置において、前記ベース板が捕集面に絶縁体材料、その裏面にアースした導体材料を配置して二層構造となしたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置によれば、前記排気ガス電気式処理装置の後段であって、前記サイクロン集塵機の前段に位置して、粒子凝集粗大化手段を配設することも好ましい態様の一つであり、該粒子凝集粗大化手段としては、ハニカム構造の粒子凝集管、またはパンチングメタルや金網を複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板等を用いることができる。
【００１７】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置によれば、当該装置本体の内壁面が前記粒状物質の捕集面あるいは捕集部として機能させることも可能であり、一方、前記排気ガスの電気式処理装置における粒状物質捕集板の再生方式として、当該装置の上流側と下流側間に排気ガスのバイパス管路を併設して配管し、ガス切替弁を介して前記バイパス管路に排気ガスを流す間に、前記捕集板の再生を行う方式を好ましく採用することができ、前記排気ガス電気式処理装置を少なくとも２基、同一系内に並列状態で配置し、排気ガスの流れの上流側に設けた切替弁を介して該排気ガスの流れを制御して、２基の排気ガス電気式処理装置を交互に稼働させるか、若しくは２基同時に稼働させることも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法および装置によれば、船舶、発電機、大型建機および各種自動車の動力源として広く用いられるディーゼルエンジン排気ガスの浄化処理手段であって、該排気ガス中に含まれるカーボンを主成分とする有害な粒状物質であるＰＭを、効率的に除去することを可能とし、排気ガスの浄化率を高いレベルで達成することができると共に、当該排気ガス処理系内に酸化触媒およびＮＯｘ還元触媒を組合せることによって、排気ガス中の有害ガス成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等も高い浄化率を以って除去することができる。さらに、ディーゼルエンジン排気ガス中に含まれるＰＭの除去が、長期間にわたって高い浄化率を以って安定的に持続可能となる上、例えば自動車部品として要求される実質的メンテナンスフリーを達成できる等の優れた効果を奏する。なお、本発明による排気ガスの電気式処理方法および処理装置は、ディーゼルエンジンのみならず、直噴タイプのガソリンエンジンの排気ガス浄化など、各種排気ガスの浄化においても有効に活用できることはいうまでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第１実施例装置を示す概略図、図２は同上の第１実施例装置における放電極の電極針とシール管先端部の構造を示す説明図で、（ａ）は多層構造の被膜で覆われた電極針を含む放電極先端部全体を示す模式的な側面図、（ｂ）は同電極針の先端部分における第２層導体被覆までを示す模式的な要部側面図、（ｃ）は同図（ｂ）における電極針のＲｃ領域の模式的な横断面図、（ｄ）は同図（ｂ）における電極針のＲａ領域の模式的な横断面図、（ｅ）は同図（ａ）における電極針のＲａ領域中間部分の模式的な横断面図、図３は同上の第１実施例装置におけるシールガス管の他の実施例を示す概略図、図４は同上の第１実施例装置におけるシールガス管の別の実施例を示す概略図、図５は同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板を示す概略説明図、図６は同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板の貫通孔の説明図で、（ａ）はＰＭ捕集板の貫通孔の位置および孔径を示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図、図７は同上の第１実施例装置における他のＰＭ捕集板を示す概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、図８は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第２実施例装置を示す概略図、図９は同上の第２実施例装置の要部を拡大して示す概略断面図、図１０は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第３実施例装置を示す概略図、図１１は本発明装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を示す概略説明図、図１２は本発明装置と触媒との組合せの実施例を示す概略図、図１３は同じく本発明装置と触媒との組合せの他の実施例を示す概略図、図１４は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第４実施例装置（サイクロン集塵機付き）を示す概略図、図１５は図１４に示す第４実施例装置における捕集板を拡大して示し、（ａ）はその概略斜視図、（ｂ）は同捕集板を構成するベース板の単体を示す模式的な斜視図、図１６、図１７は図１４に示す第４実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、図１６はハニカム構造の粒子凝集管を示す概略斜視図、図１７はパンチングメタルを複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板を示す概略斜視図、図１８は本発明装置における捕集板の再生方式の一実施例を示す概略図、図１９は本発明装置において、少なくとも２基の排気ガス電気式的処理装置を、同一系内に並列状態で配置して用いる例を示す概略図である。
【００２０】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の基本的構造は、図１に示すように装置本体の本体壁１−１から本体内に突出して設けられる排気ガス誘導管７と、該排気ガス誘導管７の本体壁１−１外側の外周部側壁を貫いて嵌挿され、その先端が前記排気ガス誘導管７内における先端開口部付近に達して設けられるシールガス管５と、該シールガス管５によって部分的に排気ガス通路１から隔てられ、その放電極の先端を前記シールガス管５の先端開口部から、排気ガス通路１の下流側に向けて突出して配置される電極針４と、当該排気ガス処理装置本体内における排気ガス通路１の下流側に配設される捕集板３と、前記電極針４に高圧直流電圧を印加する別体の高圧電源装置６とによって構成されている。
【００２１】
上記の本発明に基づく第１実施例による排気ガス処理装置は、図１に示すように該処理装置本体内における排気ガス通路１の上流側に、排気ガス誘導管７とシールガス管５を介して配置された前記電極針４が、その外周を多層構造の被膜によって覆われ、該電極針４によるコロナ放電によって電子１０を放出するコロナ放電部２−１と、放出されたコロナ電子１０を前記排気ガスＧ１中のカーボンを主体とする粒状物質Ｓに帯電させる帯電部２−２とからなる放電帯電部２を設け、同排気ガス通路１の下流側に前記帯電した粒状物質Ｓを捕集する捕集板３を、装置本体の本体壁１−１内に配置するように構成した所謂二段式構造としたもので、放電極を構成する前記電極針４はアルミナ等のセラミック、耐熱ガラス等の絶縁体で作られたシールガス管５内を通して排気ガス通路１内に排気ガス流れの下流に向けて配置され、先端部はシールガス管５の開口端から所定長さ突出し、外部の高圧電源装置６から数万ボルトの直流高電圧が印加されるように配線されている。
【００２２】
この電極針４の材質としては、ステンレス鋼、超硬合金等の導電材料が好ましく用いられるが、本発明に基づく該電極針４は図２（ａ）〜（ｅ）に示すように放電極となる電極針４と、その外表面を絶縁体等で被覆している多層被覆層とによって電極針部材を構成している。該電極部材は図２（ａ）に示すように電極針中間部Ｒａとコロナ放電によってコロナ電子を放出する先端部Ｒｂに分けられるが、前記電極針中間部Ｒａは電極針４の外周部を、絶縁材料で被覆した第１層絶縁体被覆４−ａ、次いでこの第１層絶縁被覆を導体材料で被覆する第２層導体被覆４−ｂ、さらにこの第２層導体被覆を絶縁材料で被覆する第３層絶縁体被覆４−ｃが形成されている。
【００２３】
第１層絶縁体被覆４−ａを形成する被覆材としては電気絶縁性と耐食性を併せて具備する材料、例えば石英ガラス、アルミナ、セラミック等が好適に用いられ、第１層絶縁体被覆４−ａの厚さについては、電極針４の印加電圧とその材料の絶縁破壊強さや温度によっても左右されるところから、適正厚さとして固定的な絶対寸法を規定することはできないが、薄すぎると被覆材料が電気的に絶縁破壊して絶縁性能が失われるから、実用的には絶縁破壊限界厚さの１．１〜３倍程度であることが望ましい。また、第２層導体被覆４−ｂを形成する被覆材としては、金属製薄板や金網を巻いたもの、或いは肉厚の薄い金属管などの導体を用い、前記第１層絶縁体被覆４−ａの外周面を被覆すれば良く、該第２層導体被覆４−ｂの厚さについては機能上特に規定するものではないが、同図（ｄ）に示すように第２層導体被覆４−ｂには導体線４−ｄにより装置本体へアースしておく必要があり、該アース導体線４−ｄは外表面が絶縁被覆されたものを用い、シールガス管５を通して装置本体へ導いて結線することによりアースする。さらに、第３層絶縁体被覆４−ｃを形成する材料としては、前記第１層絶縁体被覆４−ａにおいて用いられたものと同様な材質のものを使用し、該第３層絶縁体被覆４−ｃの厚さについても第１層絶縁体被服と同様、その適正な厚さについての固定的な絶対寸法は規定されるものではなく、第１層絶縁材料と同じ程度に選択してよい。なお、第３層絶縁被覆４−ｃの電気的な絶縁破壊は、電極針先端４−１とアースされた第２層導体被覆４−ｂの間でスパークが発生したときに生ずる。
【００２４】
本発明における電極針４の外表面には上記の如く第１層被覆、第２層被覆および第３層被覆が順次形成されて、多層の被覆層が形成されるが、電極針４外表面に被覆が全くない剥き出しの場合は、シールガス管５の外表面はＰＭに対する付着防止処置が講じられてないので、排気ガス中のＰＭが付着堆積するのを避けられず、従ってシールガス管５の先端部と該先端部直下に位置する剥き出しの電極針４の外表面との間でスパークが発生し、このスパークに起因して電極針先端４−１での正常なコロナ放電は行われず、コロナ電子のＰＭへの帯電が不十分となってＰＭの捕集効率が著しく低下する。
【００２５】
電極針４に対して図２（ｃ）に示すように第１層絶縁体被覆４−ａのみを施した場合には、シールガスの流体力によって、シールガス管５出口のシールガスポテンシャルコア域Ｐｃ内にある電極針中間部へのＰＭ付着は著しく減少するから、第１層絶縁体被覆４−ａを施すことによって、電極針４の外表面に絶縁体被覆が全くない場合に比べると、比較的長時間にわたり高いＰＭ捕集効率を維持することができる。しかしながら、実エンジンのように長期間の運転の間には、シールガス管５先端開口部より突出した電極針中間部ＲａへのＰＭ付着が徐々に増大して、最終的にはスパークを発生するに事態を招来する。かかる現象は図２（ｃ）の横断面によって示されるように、電極針４の外表面に１層だけの絶縁体被覆４−ａを施した場合には、電極針４に高電圧が印加されることにより、絶縁体被覆４−ａの外表面側には誘電分極現象により電極針と同極性の電位が発生（ここでは電極針４には負電位を印加した例を示す）し、この電位による電界によって絶縁体被覆４−ａの外表面に、排ガス中のＰＭを吸引する電気力が発生するが、この電気吸引力がシールガス流によるＰＭ付着を防止する流体力より大きければ、ＰＭが絶縁体被覆４−ａの外表面に吸引付着することになる。この電気吸引力はかなり強く、試験の結果によればシールガス流だけではＰＭの付着を完全に防止することはできなかった。
【００２６】
電極針４の外表面における上記第１層絶縁体被覆４−ａの上に、図２（ｄ）に示すようにアースされた第２層導体被覆４−ｂを施した場合、即ち該第２層導体被覆の外周面に第３層絶縁体被覆４−ｃが施される前の状態においては、該電極針４に高電圧が印加されても静電シールド作用によって、同図（ｄ）に示すように第２層導体被覆４−ｂの外表面に電位は発生せず、該第２層導体被覆４−ｂを第１層絶縁体被覆４−ａからはみ出すようにして被覆した場合には、電極針４と第２層導体被覆４−ｂとが接触する事態を招き、電極針４から第２層導体被覆４−ｂへ直接電流が流れることになり、第１層絶縁体被覆４−ａはその機能を失うこととなるため、本発明における電極針４の多層被覆構造においては、同図（ｂ）に示すように第２層導体被覆４−ｂのない第１層絶縁体被覆４−ａのみの領域Ｒｃが存在することになる。この領域Ｒｃでは当然静電シールドの機能を有せず、その結果、前記の理由により電極針先端４−１から第２層導体被覆と第１層絶縁体被覆４−ａとの境界までの領域ＲｂとＲｃにはＰＭが付着することとなり、電極針先端４−１からこの付着ＰＭとアースされた第２層導体被覆４−ｂを介して電流が流れることになり、電極針先端４−１での正常なコロナ放電は行われなくなる。
【００２７】
上記のような事態を回避するため、本発明による多層構造の電極針部材においては、図２（ａ）および（ｅ）に示すように第３層絶縁体被覆４−ｃが必要となる。アースされた第２層導体被覆４−ｂの存在する部位では静電シールドが実現されているから、その部位に位置する第３層絶縁体被覆４−ｃの外表面にはもはや電気吸引力は作用せず、シールガスの流体力によって、シールガスポテンシャルコア域Ｐｃの電極針中間部へのＰＭの付着は完全に防止することができる。シールガスポテンシャルコアＰｃの及ばない領域の電極針中間部ＲａにＰＭが付着しても、その部分とシールガス管５の出口との距離は実用的な印加電圧では、スパーク発生限界距離より大きく離れるためにもはやスパーク現象を発生することが不可能となる。また、第２層導体被覆４−ｂと電極針４の間とが第１層絶縁体被覆４−ａによって絶縁されていると共に、第２層導体被覆４−ｂは第３層絶縁被覆４−ｃによって被覆されていて、第２層導体被覆４−ｂの外表面は排気ガス雰囲気に露出していないことが必須の要件となる。要するに、図２（ａ）および（ｅ）に示すように第２層導体被覆４−ｂは、シール管５を通して装置本体とアースされることを除けば、第１層絶縁体被覆４−ａと第３層絶縁体被覆４−ｃによって、電極針４や排気ガス雰囲気と電気的に絶縁されたサンドイッチ構造を構成している。
【００２８】
本発明に基づく上記本実施例による電極針４は、該電極針先端４−１における電極針先端部Ｒｂの領域においてコロナ放電によって電子を放つが、この電極針４は、裸のままで長時間コロナ放電を続けさせると、電極針先端４−１が大気中の窒素と反応して硝酸塩を生成し、放電特性が劣化するので、長時間のメンテナンスフリーを実現するためには腐食防止のための被覆を施すことが必要であり、その被覆材料としては、電気絶縁性と耐食性を有する材料、例えば石英ガラス、アルミナ、セラミック等が適しており、被覆層の厚さについては、厚過ぎた場合には被覆外表面部での電界強度がコロナ放電開始電界強度Ｅｃ以下となるなど、電極の形状や電極針に印加する電圧、排気ガス条件に依存する適正厚さが存在するが、実用的には０．１〜０．５ｍｍ程度の厚さで十分である。この電極針４は上記のように中間部から先端部にかけて全長が絶縁材料で被覆されており、中間部と先端部の被覆条件の基本的な違いは、被覆厚さの大小であり、中間部はスパークによる絶縁破壊を防止するために厚い被覆とし、先端部はコロナ放電開始電界強度Ｅｃ以下となるように薄い被覆を選択することが望ましい。また、上記実施例における電極針４は多層被覆の形態を３層構造としたが、本発明における電極針をさらに３層を越える被覆層で覆うことを妨げるものではない。なお、電極針部材のシールガス管５の奥に入っている領域Ｒｄの被覆は、第１層絶縁体被覆４−ａだけでもよく、その理由としてはシールガス管５の出口付近が前記の通り多層被覆構造になっているから、構造上ＰＭはシールガス管５の出口からシールガス管５の内部へ侵入することは不可能となるからである。コロナ放電を発生させる本発明における電極針の形状は、不平等電界ならば特定されず、例えば棒状の電極先端に小球または電極短線を付けた構造（図示せず）を選択することも可能である。
【００２９】
本発明に基づく上記実施例において、コロナ電子１０の帯電を促進する手段として、排気ガス通路１の途中に設けられた本体壁１−１の内部に排気ガス誘導管７を突設し、排気ガスＧ１が電極針４の先端近傍を流れるようにしているが、該本体壁１−１部の内径φ１と前記排気ガス誘導管７の下流側先端出口部の内径φ２の関係は、φ２／φ１＜０．５程度が好ましく、粒状物質Ｓをより効果的に捕集するために、電極針４の先端と捕集板３との距離Ｌａ、電極針４の先端と本体内壁との距離Ｌｂの関係をＬａ＜Ｌｂとするのが好ましい。本発明装置においては、この本体壁１−１の内壁面も粒状物質Ｓの捕集面として機能させることも可能であり、また、後述する図１５に示す捕集板７１−１を本体壁１−１の内壁面に貼り付けることによって捕集面とすることもできる。
【００３０】
シールガス管５のシールガスＧ２流出口の向きは、電極針４の汚損を防止するために図２（ａ）に示すように排気ガスＧ１の流れの下流に向けて配置し、シールガス管５内を流れるシールガスＧ２の流速Ｑｓ（図２）は、該シールガス管５の外を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏとの比（Ｑｓ／Ｑｏ）を０．１５以上とすることにより、シールガス管５内部への排気ガスＧ１の巻き込みを防止できる。なお、該シールガスＧ２としては空気等の絶縁性を有するガスを用いることができる。
【００３１】
装置本体内における電極針４のシールガス管５先端からの突出長さＬは、図２（ａ）に示すように該電極針４の汚損を考慮して、シールガス管５内のシールガスＧ２流のポテンシャルコアＰｃ内に位置させることが望ましいが、電極針先端部４−１付近がポテンシャルコアＰｃの下流側の外側に出ることを妨げず、実用上の突出長さＬはシールガス管５の内径Ｄの大きさによっても異なるが５０〜２００ｍｍの範囲内である。なお、本実施例におけるポテンシャルコアＰｃは、シールガス管５からシールガスＧ２（流体）が噴出すると、シールガス管５の出口に流速とガス成分がノズルの内部と同じで均一な円錐形状の流れ場ができ、この円錐形の流れの場によって形成される領域をポテンシャルコアと称しており、内径がＤの管から噴出されるガスの流れの場合、該ポテンシャルコアＰｃの領域の長さは、通常シールガス管５の内径Ｄの約５倍であり、シールガス管５の内径Ｄは、該管出口において電極針４から管外周面に付着したＰＭにスパークしないような内径寸法を選択すればよい訳であり、数万ボルトの電圧が印加される場合においては、実用上のシールガス管５の内径Ｄは、排気ガスの流量によっても異なるが２０〜１００ｍｍ程度とすればよい。
【００３２】
本発明に基づく上記第１実施例のディーゼルエンジン排気ガスの電気的処理装置においては、シールガス管５出口でのシールガスの流れをより安定化させる手段として、図３に示すようにシールガス管５内に例えば板状部材やハニカム状部材からなる整流部材５−１を配置するが、該整流部材５−１は、必ずしもシールガス管５の全長にわたって設ける必要はなく、シールガス管５の曲り部等ガス流れの方向が変化する部分のみに設けてもよく、この整流板５−１の作用により、シールガス管５出口でのシールガス流れがより安定し、シールガス管５出口部に極めて安定したポテンシャルコアＰｃを形成することができる。
【００３３】
また、上記と同様の目的で図４に示すようにシールガス管５の屈曲部に、排気ガス通路１の上流側に突出するダミー管部５−２を設け、該ダミー管５−２の作用によりシールガス管５内のガス流れの安定化を図ることもできる。ここで、シールガス流れを安定化させるための条件を確立するために種々実験を重ねた結果、シールガス管５の内径をＤとした場合、シールガス管５部のダミー管部５−２の長さＬ２と該ダミー管部より先端部までの長さＬ１を、それぞれＬ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５に設定すればよいことが判明した。ダミー管部５−２の内径ｄｉは、シールガス管５の内径Ｄより大径もしくは小径でもよい。このダミー管部５−２の作用により、前記整流板５−１を備えたシールガス管と同様、シールガス管５出口でのシールガス流れが安定し、シールガス管５出口部に極めて安定したポテンシャルコアＰｃが形成される。なお、シールガス管５にダミー管部５−２を設けることによりシールガス流れが安定するのは、シールガスの流れが曲げられることによるシールガス管断面の圧力変動を減衰させるいわゆるバッファー効果が生ずるからであると考えられる。また、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５に設定する理由は、Ｌ１／Ｄが１．５未満では、シールガス流れの曲げられた影響が消えず、他方、Ｌ２／Ｄが０．５未満では、十分なバッファー効果が得られないためである。なお、ダミー管部５−２の上流側端面は、フラット状に限らず、上流側に膨出する半円状または楕円状としてもよい。
【００３４】
一方、エンジン停止の時にはシールガスも供給を停止することになるが、シールガス停止時期はエンジン停止後しばらく経ってからシールガスを止めることが望ましい。エンジンとシールガスを同時に止めると、排気ガス管や捕集装置に残留している排気ガスがシールガス管５内部に侵入しシールガス管内部や電極針４を汚損するおそれがあるからである。また、シールガス管５を当該捕集装置本体に貫通させる時の管の向きは、上部から下部に向かって貫通させるようにすることが望ましく、その理由としては、排気ガスが結露した場合の雫をシールガス管出口側へ流出させるためである。
【００３５】
また、本発明装置において、電極針４の下流側に配置する捕集板３は、捕集面が排気ガス流れに垂直になるように配置し、電極針４の直流電圧と当該捕集板との間で電界を発生させ、放電帯電部２で帯電したＰＭ８をクーロン力によって捕集するタイプのもので、本実施例においては図５および図６に示すパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂと、図７に示すスリットタイプの捕集板３ｃの３種類を例示することができる。図５、図６に例示するパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂは、それぞれ一枚板に多数の貫通孔３ａ−１および３ｂ−１を設けたものであり、中でも図６に例示する捕集板３ｂは、貫通孔３ｂ−１の周囲に突起フランジ（バーリング壁）３ｂ−２を設けたものであり、該突起フランジ３ｂ−２を設けたことによってガス流れに渦流や澱みができ、帯電したＰＭ８の捕集効率をより向上させることができる。この突起フランジ３ｂ−２の高さｈは、実用的には０．１〜５ｍｍ程度でよい。また、図７に示すスリットタイプの捕集板３ｃは、一枚の板部材に多数のスリット３ｃ−１を設けると共に、裏面（ＰＭ付着面の裏側）には捕集板加熱時の抜熱を防止するためにセラミック等の断熱材３ｃ−２を貼付けるか、若しくは各種断熱塗料等を塗布したものであり、このスリットタイプの捕集板３ｃとして、短冊状の板部材を複数用いて構成することもできる。
【００３６】
上記図５および図６に例示するパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂの場合は、貫通孔３ａ−１の開孔面積をＳ、孔数をＮとした場合、開口部の総面積はＮＳとなり、捕集部の実質の正面面積をＳＯとすれば、開孔率は開口部総面積ＮＳ／捕集部実質正面面積ＳＯと定義することができる。また、スリットタイプの捕集板３ｃの場合も、パンチングメタルタイプの捕集板３ａの場合と同様、開孔率はスリットの開口部総面積ＮＳ／捕集部の実質正面面積ＳＯとして定義することができ、上記開孔率はパンチングメタルタイプの捕集板、スリットタイプの捕集板共に３〜２０％とすることが望ましく、開孔率が３％未満の場合は、ＰＭ８の捕集量は高くなるが圧力損失が大きくなり、２０％を超えるとＰＭ８の捕集量が十分に得られなくなる。
【００３７】
本発明に基づく上記実施例装置においては、捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速は、捕集効率の点から遅い方が好ましいが、実用的には該捕集部の実質正面面積ＳＯを、本実施例の排気ガス処理装置本体壁１−１前における排気ガス誘導管７の横断面積の１．５倍以上で、かつ捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速が２０ｍ／ｓｅｃ以下となるような横断面積が望ましい。
【００３８】
前記捕集板３ａ、３ｂおよび３ｃの材質については特に限定するものではないが、耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板、オーステナイト系ステンレス鋼板、高合金発熱体材料であるニッケル−クロム等の金属板を用いることが好ましく、また、該捕集板３ａ、３ｂおよび３ｃには、ウォッシュコート層を被覆して触媒を担持させることもできる。
【００３９】
なお、前記捕集板３の正面形状は、排気ガスＧ１が抵抗なく流れる形状であれば特に限定されないが、通常円形、四角形、その他の形状あるいは装置本体部の断面形状等に合わせて決められる。
【００４０】
図１に示す本発明に基づく第１実施例の装置において、電極針４に外部の高圧電源装置６から数万ボルトの直流高電圧を印加すると、電極針先端４−１でコロナ放電現象を起こしてコロナ電子１０が放出され、放電帯電部２の空間を流れる排気ガスＧ１中のＰＭ８は、コロナ電子１０により帯電させられる。この際、電極針４に印加する直流電圧は、電極先端付近の電界強度がコロナ開始電界強度以上となるように設定して与えられるが、該直流電圧の設定値は、排気ガスＧ１の条件（流速、ＰＭ含有量、温度等）によっても異なるが、実用的には２０〜７０Ｋｖ程度で十分である。
【００４１】
本発明に関連する第２実施例装置が図８および図９に例示されるが、本実施例装置は捕集部２３を多層板構造としたものであり、その構造は電極板保持棒２３−１に取付けられた多数の電極板２３−２と、該電極板２３−２と交互に配設したアースされた（図示せず）捕集板２３−３とから構成され、電極板２３−２と捕集板２３−３は電気的に絶縁構造となっており、かつそれぞれの板面は排気ガス流れに平行に配置されている。この多層板構造の捕集部は、高圧電源装置２６から電極板保持棒２３−１を介して偏向電圧を与えられた電極板２３−２と捕集板２３−３との間で電界を発生させ、帯電したＰＭ８をクーロン力によって捕集板２３−３に捕集する方式である。かかる方式における電極板２３−２と捕集板２３−３の間隙Ｈは、捕集効率を考慮した場合より狭い方が望ましいが実用上は１〜１０ｍｍの範囲内である。偏向電圧は、電極板２３−２と捕集板２３−３の間隙Ｈや排気ガス雰囲気等に依存するスパーク電圧以下の電圧に設定するが、電極板２３−２と捕集板２３−３間の電界強度（偏向電圧／間隙Ｈ）は、実用的には２５０〜１０００Ｋｖ／ｍ程度であるところから、偏向電圧は０．８〜５Ｋｖの範囲内において設定することができる。
【００４２】
電極板保持棒２３−１の絶縁は、基本的には前記した実施例１における電極針４の絶縁の場合と同様、電気絶縁性と耐食性を有する石英ガラス、アルミナ、セラミック等により被覆する。電極板２３−２への電圧供給は、高圧電源装置２６から導電線と電極板保持棒２３−１を経由して行われるが、該電極板保持棒２３−１を排気ガス処理装置の本体壁１−１へ固定する際の、固定部における電気絶縁が極めて重要となる。前記本体壁１−１の固定部における電極板保持棒２３−１は、アルミナ、セラミック等電気絶縁体で作られた保持棒シール管９の中に配置し、該保持棒シール管９の内周部には空気等の絶縁性のあるシールガスＧ２が流されるが、保持棒シール管９内を流れる該シールガスＧ２の流速Ｑｓは、該保持棒シール管９外の排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏとの比（Ｑｓ／Ｑｏ）を０．１５以上とすることにより、保持棒シール管９内部への排気ガスＧ１の巻込みを防止する。また、保持棒シール管９の内面と電極板保持棒２３−１間の隙間（間隔）Ｃは、該保持棒シール管９の本体壁開口部付近に付着したＰＭにスパークしないような内径寸法を選択すればよく、偏向電圧が数千ボルトの電圧の場合には実用上３〜１０ｍｍ程度が好ましい。
【００４３】
上記図８、図９に示す第２実施例装置における多層板構造の捕集部の横断面積は、該捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏにより設定される。捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏは、捕集効率を考慮した場合遅い方が好ましいが、実用的には、排気ガス処理装置前の排気ガス導入管の横断面積の１．５倍以上で、捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏが２０ｍ／ｓｅｃ以下となるような横断面積が望ましい。
【００４４】
また、上記第２実施例装置の電極板２３−２と捕集板２３−３の材質も、前記第１実施例における捕集板３ａ、３ｂおよび３ｃと同様、耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板、オーステナイト系ステンレス鋼板、高合金発熱体材料であるニッケル−クロム等の金属板を用い、捕集板２３−３には、ウォッシュコート層を被覆して触媒を担持させたものを用いることが望ましい。
【００４５】
本発明に基づく多層板構造の捕集部３３を有する第３実施例装置を図１０に例示するが、この第３実施例装置は、排気ガスＧ１中のＰＭ８を捕集する捕集板３３−１を多層状に、排気ガスＧ１の流れに実質的に平行に配置して捕集部を構成したもので、捕集板の３３−１の板面は実質的に平面状で、捕集部全体が本体壁１−１に接合され、電圧を付与する電極板がないため捕集部３３全体が本体壁を介してアースされている。このタイプにおけるＰＭ捕集の機構は、放電帯電部２で同一極性に帯電したＰＭどうしには斥力が働くため個々の帯電したＰＭ８は捕集板３３−１の方向へ移動して捕集される。また、捕集板３３間の間隙Ｌｃは、電圧を付与する電極板がなく各捕集板３３−１間でのスパークが起こらないため狭くすることができ、総捕集面積を大きくとることができる。なお、前記捕集板３３−１間の間隙Ｌｃは、実用的には０．５〜５ｍｍ程度である。このタイプの捕集部３３は、図８に例示される前記第２実施例装置のような電極板と捕集板間の電界がないため、単位面積当たりの捕集効率が低くなるが、それを総捕集面積の増加で補うことができる。
【００４６】
この第３実施例装置による捕集板３３−１は、前記図８に示す第２実施例装置の電極板２３−２と捕集板２３−３とからなる多層板構造の捕集部に比べ、その装置の容積を同一とした場合にはその捕集面積を大きくとれるハニカム構造とすることにより、捕集効率の面で有利となる。また、この捕集板３３−１で構成される捕集部３３を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏも、前記第２実施例装置と同様、実用的には排気ガス処理装置前方における排気ガス導入管の横断面積の１．５倍以上で、捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏが２０ｍ／ｓｅｃ以下となるような横断面積が望ましい。
【００４７】
また、上記第３実施例装置の捕集板３３−１の材質も、前記第２実施例の捕集板２３−３と同様、耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板、オーステナイト系ステンレス鋼板等の金属板を用いる。さらに、捕集板３３−１には、ウォッシュコート層を被覆して触媒を担持させたものを用いることもできる。
【００４８】
本発明による前記各実施例の排気ガス処理装置において、捕集板上に一旦捕集された帯電したＰＭ８は、重力やガス流れの流体力により脱落することはなく、その要因は微粒子付着の特徴であり、粒径３０μｍ以下の粒子ではファン・デル・ワールス力による付着力が重力によりも大きくなり、その比率は人体に有害といわれる２．５μｍ以下では極端に大きくなり（１００倍以上）、走行中の振動等で捕集したＰＭ８が脱落することはない。
【００４９】
上記各実施例による排気ガス処理装置の捕集部は、圧損が極めて小さい構造となっているため、ＰＭ８が捕集板上に堆積しても圧損に伴うトラブルはほとんど生じることはなく、通常の運転状態においては、高速運転や高負荷運転等により排気ガス温度が高温になれば、ＰＭ８は自然に酸化除去される。しかしながら、市街地等で長時間の交通渋滞が続く場合にはＰＭ８を自然に酸化除去できないこともあり、かかる状況においては捕集板に堆積したＰＭ８を電気的加熱によって強制的に酸化除去することができる。
【００５０】
本発明の第１実施例装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を図１１に示すが、捕集板３の材料として耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高合金発熱体材料であるニッケルクロム等の薄板を用い、該捕集板３を加熱ヒーターとして用いる。該捕集板３によるＰＭの酸化除去方法としては、捕集板３の保持棒３−１の端部に切替えスイッチ４０を設置し、該捕集板３を電気加熱する場合は、加熱電源装置４１側の端子４０ａに接続し、ＰＭを捕集する場合は、アース側の端子４０ｂに接続する方式を採用することができ、この電気加熱のための所要電力は１〜４ＫＷと小さいので、加熱電源としては車両搭載のバッテリ等によって賄うことができると共に、捕集板３に捕集されたＰＭ８は６５０〜７００℃程度の温度で火炎を発することなく安全な状態で酸化除去される。なお、不必要な温度上昇を避けるために該捕集板３に熱電対等の温度計測器（図示せず）を設置して、電気加熱時の温度を制御することが望ましい。
【００５１】
上記各実施例に例示された本発明の排気ガス処理装置と、触媒との組合せの実施例について図１に例示した第１実施例装置を採用した場合を例にとり、図１２および図１３に例示して説明するが、通常ディーゼルエンジンの排気ガス中の有害成分は、煤（ＰＭ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の四種に分類され、ディーゼルエンジンの性能や運転条件によっては、ＰＭのみを除去するだけで十分な場合もあり、その場合には本発明の排気ガス用電気式処理装置のみで排気ガス浄化の目的を達成することができるが、本発明の排気ガス電気式処理装置と各触媒を組合せることにより、排気ガス中の前記ＰＭ以外の有害成分をより効率的に除去することが可能となる。
【００５２】
図１２に示す本発明装置と触媒との組合せによれば、本発明の排気ガス用電気式処理装置５１の上流側（前段）に例えば酸化触媒コンバータ５２を設置し、この酸化触媒で主に炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）が酸化されて水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）に浄化され、また、排気ガス電気式処理装置５１の捕集板３に捕集されたＰＭ８は、電気加熱による酸化除去ないし高速運転等の排気ガス温度が高温になったときに酸化除去されるが、この場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）は浄化装置通過後も大きな変化はない。なお、本発明の排気ガス用電気式処理装置の捕集部として、単層板構造に替えて、前記した多層板構造の捕集部を用いる場合には、排気ガスと捕集板の接触する表面積を単層板構造の捕集部に比べて大きくとれるので、触媒担持に有利に作用して、捕集板に酸化触媒、三元触媒の少なくとも１種を担持させることができる。酸化触媒、三元触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、あるいはそれらの組合せの少なくとも１種を用いることができ、また、触媒性能を高めるためには、セリウム（Ｃｅ）酸化物等の助触媒を添加することが望ましい。
【００５３】
本発明装置と触媒との他の組合せの例を図１３に示すが、本発明の排気ガス用電気式処理装置５１の下流側（後段）に、ＮＯｘ還元触媒コンバータ５３と酸化触媒コンバータ５２もしくは三元触媒コンバータ（図示せず）を設置して構成し、さらに排気ガス電気式処理装置５１の上流側に、ＮＯｘ還元触媒コンバータ５３のＮＯｘ還元触媒の種類に応じたＮＯｘ還元剤の添加装置５４を配置し、該添加装置５４によりＮＯｘ還元剤である燃料やその他の炭化水素、尿素水を排気ガス中に適宜添加できるようにしたものである。上記本例による組合せ例の場合、排気ガス用電気式処理装置５１の捕集板３に捕集されたＰＭ８は、電気加熱による酸化除去ないし高速運転等の排気ガス温度が高温になったときに酸化除去され、またＮＯｘはＮＯｘ還元触媒コンバータ５３のＮＯｘ還元触媒でＮ２およびＯ２に還元浄化され、さらに酸化触媒コンバータ５２の酸化触媒で主にＨＣとＣＯが酸化されてＨ２ＯとＣＯ２に浄化され、排気ガス中の全ての有害成分が除去される。なお、ＮＯｘ還元触媒としては、Ｃｕ−ＳＡＰＯ−３４（シリコンアルミノホスフェート）やＣｕ−ＺＭＳ−５（銅イオン交換ゼオライト）等を用い、ＮＯｘ触媒としては、公知の尿素水を還元剤として用いるＮＯｘ還元触媒あるいはＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることができる。
【００５４】
上記した本発明の第１〜第３実施例装置によれば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭを捕集板に効果的に捕集することができるが、ディーゼルエンジンの燃焼条件によっては電気抵抗率ρが低くなる場合があり、その場合には上記捕集板では十分に対応できない場合が生じる。そこで本発明に係る他の実施例においては、前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することにした。ディーゼルエンジンの排気ガスは運転条件等によってＰＭの電気抵抗率ρが大幅に変動し、高電気抵抗率ρのＰＭもあれば、低電気抵抗率ρのＰＭもあり、一般的に高速運転時の高温燃焼時では電気抵抗率ρは小さく、また低温燃焼では電気抵抗率ρは大きくなる傾向があり、従って、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭを除去する手段としては、電気抵抗率ρの高いＰＭだけでなく、電気抵抗率ρの低いＰＭをも高効率で捕集できる性能を備える必要がある。そこで、本発明は前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することによって、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を提供するようにしたものである。
【００５５】
本発明に係る第４実施例装置は図１４に示す通り、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を例示したもので、前記と実質的に同じ構成の排気ガス用電気式処理装置６１の後段にサイクロン集塵機６２を配置した構成となしたものである。この排気ガス用電気式処理装置６１における捕集板７１−１は、捕集面が排気ガス流れに実質的に垂直になるように配置して捕集部を構成し、図１５（ａ）に拡大して示すように、捕集面に孔等の開口を有しない一枚板からなるベース板７１−１ａのみ、或いは該ベース板７１−１ａと該ベース板７１−１ａの捕集面側に設けた格子状フィン７１−１ｂとからなり、かつ該捕集板７１−１は排気ガス用電気式処理装置６１の本体壁６１−１の内壁との間に排気ガスを通流させるための隙間６１−２が形成されるように適当間隔で配設され、この隙間６１−２の大きさは本質的に集塵効率には影響を与えないため、圧力損失を考慮して決定すればよく、該捕集板７１−１に格子状フィン７１−１ｂを設けたのは、ガスＧ１の流れによどみ効果を発生させることによって、帯電ＰＭを効率よくベース板７１−１ａに捕集するためである。
【００５６】
前記格子状フィン７１−１ｂの実用的な寸法は、格子の高さが３〜１０ｍｍ、格子の幅が１０〜３０ｍｍの範囲内であれば良く、また格子の形状は必ずしも方形に制限されるものではなく、例えばハニカム状の六角形であっても差し支えは無い。また、前記格子状フィン７１−１ｂの材質は例えばセラミックス等の絶縁体が好ましく、その理由は該格子状フィン７１−１ｂが金属製の場合、電気力線が電極針４の先端に近い格子状フィン７１−１ｂの先端に集中するため、帯電したＰＭは格子状フィン７１−１ｂの先端に向って流れ、その部位はガスＧ１の流れが速いことからＰＭはベース板７１−１ａに到達し難く、捕集されずに後方へ飛散流出しやすいため、ベース板７１−１ａでの捕集効率が悪くなるからである。なお、図１４に示す本実施例の排気ガス用電気式処理装置６１の本体内には、上流側に排気ガスＧ１の流れと帯電を促進するためにガイド孔付き板６１−３を、捕集板７１−１と捕集板７１−１の間にＰＭの流れと捕集を促進するためのガイド孔付き板６１−３および電界付与を目的とする電界板６１−４を、それぞれ設置してもよく、その場合、電界板６１−４には高圧電源装置（図示せず）から高電圧を供給する。
【００５７】
上記第４実施例装置において、捕集板７１−１を構成するベース板７１−１ａを、図１５（ｂ）に示すようにコロナ放電の電極針と向き合う面、即ち帯電ＰＭの捕集面にセラミックス等の絶縁体材料７１−１ａ−１を、その裏面にアースしたステンレス鋼板等の導体材料７１−１ａ−２を配置した二層構造とした。この二層構造の本例によるベース板７１−１ａによれば、電極針から発する電気力線（電界）はベース板７１−１ａを構成する前記絶縁体材料７１−１ａ−１を通過して導体材料７１−１ａ−２に達する。その結果、帯電したＰＭ粒子は前記電界のクーロン力によってベース板７１−１ａに向かって移動し、ベース板７１−１ａの絶縁体材料７１−１ａ−１の壁面に到達する。このようにして一旦該絶縁体材料７１−１ａ−１の壁面に到達したＰＭは、絶縁体によって構成される該壁面において、帯電した電荷の逃げ場を失って長期間にわたって該壁面への付着力が保持され、効率的なＰＭの捕集堆積が可能となる。このように本例による二層構造のベース板７１−１ａによって、ＰＭの電気抵抗率ρが高い場合であっても、或いは低い場合であっても効率良くＰＭを捕集することができる。
【００５８】
上記第４実施例装置における前記ベース版７１−１ａのＰＭ捕集のメカニズムを、静電集塵における従来の定説について文献（「新版静電気ハンドブック」：第１版、静電気学会編，平成１０年１１月発行）を参考して整理すると、静電集塵において良好な捕集効率を得るためには、捕集対象となる微粒子の電気抵抗率ρに適正範囲があることが知られている。即ち、上記の静電気ハンドブックの４９ページには、その適正範囲は１０4Ω・cm＜適正ρ＜１０11Ω・cmとなることが記載されている。電気抵抗率ρが１０4Ω・cmより低い場合は、粒子が鉄板等の捕集板に到達した後、その電気抵抗率が低いために直ちに帯電電荷を消失し電気的な付着力を失い飛散する所謂再飛散現象が発生し，逆に電気抵抗率ρが１０11Ω・cmより高い場合は、捕集板に堆積した粒子層の電気抵抗率が高いために電荷が貯まり過ぎ、捕集板との間でスパークを発生して飛散する逆電離現象が発生し、結果的に捕集効率が低下するということが知られている。また、一般にディーゼルエンジンの排気ガスにおいては、ＰＭの電気抵抗率ρが適正値より低く、再飛散現象を発生するために静電集塵では捕集できないと言われているが、本発明者が電気抵抗率ρを測定した結果、試験に使用した後記のエンジンでは約１０2〜１０3Ω・cm程度であり、静電集塵に適した上記の電気抵抗率ρの範囲から低い方に外れていることが確認された。なお、電気抵抗率ρの測定法は上記の静電気ハンドブック（４８６ページ、図１３・２０）に記載の方法を採用した。
【００５９】
図１４に示す上記第４実施例装置で行った試験方法は，ディーゼルエンジンからの排気ガスをガス配管を経由して第４実施例の排気ガス処理装置に導いてＰＭを捕集除去した後，排ガスを外気へ放出した。試験に使用した主な装置はディーゼルエンジン，動力計，スモークメータおよび圧力計である。ディーゼルエンジンは自動車用エンジン（いすゞエルフ搭載エンジン，型式４ＨＦ１，４３００ＣＣ）を用い，エンジンへの負荷は動力計（明電社製，渦電流式動力計）により所定のトルクと回転数を与え，排気ガスの煙濃度は光学式スモークメータ（堀場製作所製，ＭＥＸＡ−１３０Ｓ）を用いて測定し下記に示す定義式から捕集効率ηを算出し，排気ガス処理装置の入り側と出側に設置した圧力計の差圧から排気ガス処理装置の圧損を算出した。捕集効率について下記の数式
捕集効率＝｛１−(排ガス処理装置通過後の排ガス煙濃度)／(エンジンからの排ガス煙濃度)｝×１００（％）
と定義している。
エンジンの運転条件は回転数１１００ｒｐｍ，トルク＝１７０Ｎ・ｍの一定の負荷条件とし，また燃料は軽油（ＪＩＳ２号）を使用した。排気ガスの電気式処理装置６１の主寸法は幅２００ｍｍ，高さ２００ｍｍ，長さ２５０ｍｍであり，サイクロン集塵機６２の主寸法は円筒内径１８５ｍｍ，高さ８００ｍｍであり，電極針への直流電圧はマイナス４万ボルトを印加した。
図１４に示す上記第４実施例装置で行った試験の経過についてさらに詳細に説明する。が、先ず、捕集板のベース板７１−１ａと本体内壁６１−１に導体（ステンレス鋼板）を用いて試験をした。その結果、試験開始から延べ３０時間程度を経過しても、ＰＭはほとんど捕集板および本体内壁に付着している様には見えず、捕集効率としては殆ど成果が見られず、この段階においては従来の定説が裏付けられたかに見えた。しかしながら、捕集板の表面を仔細に観察すると、極微量ではあるがその壁面にＰＭが付着していることが観察され、その後、さらに捕集試験を継続すると、ある段階からＰＭ付着量が加速度的に増加する現象を発見した。感覚的な表現を借りると“ＰＭがＰＭを呼び込む”即ち煤が煤を呼ぶ感があり、結果的に捕集効率は約３５％とかなり高いレベルに達した。
この現象については次のように説明できる。即ちＰＭの付着量が増加し、その付着層がある程度の厚みに達すると、個々の粒子の電気抵抗率ρは低いものの、付着堆積層としての電気抵抗率ρは比較的高くなるものと考えられる。その結果、電気集塵に適した抵抗値の条件が不十分ながらも満たされるようになるものと考えられ、しかしながら、それ以上の高い捕集効率は得られず、この段階ではまだ電気集塵に適した抵抗値には達せず、結果的に付着堆積層の付着力が弱く剥離し易いものと推定された。
【００６０】
上記の試験結果に着目してベース板７１−１ａの構造を図１５−（ｂ）に示すように２層構造とすることに達した。即ち、コロナ放電の電極針に向き合う側の面にはセラミックス等の絶縁体材料７１−１ａ−１を配置し，その裏面にはアースしたステンレス鋼等の導体材料７１−１ａ−２を配置する。同図に示すベース板構造によると、電極針から発する電気力線（電界）は絶縁体材料７１−１ａ−１を通過して導体材料７１−１ａ−２に達するが、その結果帯電したＰＭ粒子は前記電界のクーロン力によってベース板７１−１ａに向かって移動し、ベース板の７１−１ａ−１壁面に到達する。一旦ベース板７１−１ａ−１壁面に到達したＰＭは、捕集面が絶縁体材料７１−１ａ−１であるところから、該ＰＭに帯電した電荷は逃げ場を失い長期間壁面への付着力を保持し、効率よくPMを捕集堆積することができる。このように２層構造のベース板７１−１ａによって、ＰＭの電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも効率よくＰＭを捕集することが可能となる。また、本実施例装置における格子状フィン７１−１ｂはセラミック等の絶縁体とすることが望ましく、本体壁６１−１の内壁も前記ベース板７１−１ａと同じ２層構造とすることがさらに望ましい。即ち、排ガスに接する本体内壁面を絶縁体材料とし、その裏面にはアースした導体材料を配置することにより、本体内壁面においても帯電したPM粒子を効率良く捕集することを可能とし、その結果、捕集効率は約７０〜８０％と満足すべき結果を達成することができた。なお、この条件で３０時間の長時間連続試験を３回実施したが、３回とも約７０〜８０％の高い捕集効率を達成しうることが確認された。また、図１５に示すこの２層構造のベース板７１−１ａによれば、試験開始直後から高い捕集効率が達成できることも併せて確認された。また，排ガス処理装置の圧損は試験期間中ほぼ５ｋＰａと一定で低い値であった。
【００６１】
上記図１４、図１５に示す第４実施例とその装置を用いた試験によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の場合は、ベース板７１−１ａに捕集されたＰＭの堆積量が増えてある限界量を超えると、自然に層状に脱落し、その脱落した粗大粒のＰＭはこの排気ガス用電気式処理装置６１の後段に配設したサイクロン集塵機６２により捕集される。上記の第４実施例においては，捕集板ベース板７１−１ａへのＰＭの捕集堆積，次いで堆積層が層状に脱落し，層状脱落した粗大粒ＰＭが最終的に後段のサイクロン集塵機６２に捕集される，この一連の繰り返しが第４実施例の捕集メカニズムであることが試験観察の結果明らかとなり，前記試験の条件では層状脱落する時間間隔は約２〜３時間であることが確認された。サイクロン集塵機６２に捕集されたＰＭは、定期的に取出して回収してもよく、また該サイクロン集塵機に加熱ヒーター等を設置して、運転中あるいは停機時に燃焼してもよい。
【００６２】
なお、本実施例の上記排気ガス用電気式処理装置６１に付随して、該装置６１の後段であってサイクロン集塵機６２の前段に、図１６に示すような粒子凝集粗大化手段としてハニカム構造の粒子凝集管８０が設置されるが、該粒子凝集管８０はガスＧ１流れの速度勾配による凝集作用を利用したもので、排気ガスをこのハニカム構造の粒子凝集管８０内を通過させると、その際に発生する境界層の速度勾配で効率よく衝突凝集が行われる。また、図１７に示す粒子凝集板９０は、乱流による凝集作用を利用したもので、パンチングメタル９０−１を複数枚（本例においては３枚）所望の間隔を設けて配置し、排気ガスＧ１をこの３枚のパンチングメタル９０−１で構成した粒子凝集板９０を通過させることにより、強い乱流が発生し効率よく衝突凝集が行われる。乱流による凝集作用を起こさせる方法としては、前記パンチングメタルに替えて、金網あるいは金属細線を３次元的に束ねたもの等を用いることも可能である。本発明にかかわる上記実施例においては、上記したハニカム構造の粒子凝集管８０あるいは粒子凝集板９０等の粒子凝集粗大化手段を用いることによって、排気ガス用電気式処理装置６１を出たＰＭ粒子をさらに大きな粒子に成長させることができるので、後段のサイクロン集塵機６２での捕集効率が大幅に向上する。
【００６３】
一方、本発明係る上記各実施例による排気ガスの電気式処理装置に設置されるそれぞれの捕集板、即ち捕集板３、３ａ、３ｂ、３ｃ、２３−３、３３−１、７１−１を再生する方法としては、図１８にその一実施例を示すように、排気ガスの電気式処理装置５１又は６１の上流側と下流側間に、排気ガス用電気式処理装置の存在しないバイパス管路５５を併設して配管し、上流側の排気ガス管路に設けた切替弁Ｖを使って排気ガスの流れを制御して、ＰＭ捕集と再生を行う方式を採用することができる。即ち、排気ガスの電気式処理装置５１、６１によりＰＭ８の捕集を行う場合は、切替弁ＶにてＡルートを使用し、捕集板の再生を行う場合は、切替弁Ｖにてバイパス管路５５のＢルートを使用する。なお、Ｂルートのバイパス管路５５には排気ガス用電気式処理装置がないため、当該ルートの使用時にはＰＭは捕集されずに排出されるが、捕集板の再生時間は１〜２分程度の短時間であるため大気汚染等の実害は、殆ど無視できる範囲に止まることが確認された。
【００６４】
なお、図示を省略するが上記図１８に示す再生方式以外にも、例えば前記Ｂルートのバイパス管路５５にも排気ガス用電気式処理装置５１又は６１を設置し、捕集と再生を交互に行う方式、あるいは排気ガス用電気式処理装置５１又は６１を２基直列に設置し、捕集と再生を交互に行う方式等があり、このうち排気ガス用電気式処理装置５１又は６１を２基直列に設置する方式は、ＰＭ８の捕集効率が高くなる上、一方の排気ガス用電気式処理装置が故障した場合でも他方の装置により捕集できるので、大気汚染防止対策の面からはより安全で優れたものとなる。
【００６５】
一方、図１９に示すように排気ガスの電気式処理装置５１又は６１を並列状態で配置し、その下流側にサイクロン集塵機６２を配設して、排気ガスＧ１の流れの上流側に設けた切替弁Ｖ１を作動して排気ガスＧ１の流れを制御し、両排気ガスの電気式処理装置を交互に使用する構造とすることもできる。この場合、一方の排気ガスの電気式処理装置５１又は６１はＰＭを捕集するために本来の稼働を続行し、他方の電気式処理装置５１又は６１にはメンテナンスが施される。また、並列する２台の排気ガス処理装置を同時にＰＭの捕集に使用することも可能であり、さらに、図１９に示す構造に加えて排気ガス処理装置５１又は６１を、３台以上の複数台追加して配置することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、排気ガス中のＰＭを確実に捕集しかつ酸化除去できることは勿論、該装置に種々の触媒技術を組合せることにより、ＰＭ以外の有害ガス成分も効率よく除去することができ、さらにサイクロン集塵機や粒子凝集粗大化手段を組合せるとより効果的にＰＭ粒子を捕集できると同時に、理想的なメンテナンスフリーも実現可能であるところから、船舶、発電機、大型建機並びに自動車用ディーゼルエンジンのみならず、特に直噴タイプのガソリンエンジンの排気ガスを含め、有害成分を含有する各種排ガスの浄化処理にも幅広く適用可能であり、大気汚染に起因する公害防止の面で多大に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第１実施例装置を示す概略図である。
【図２】同上の第１実施例装置における放電極の電極針とシール管先端部の構造を示す説明図で、（ａ）は多層構造の被膜で覆われた電極針を含む放電極先端部全体を示す模式的な側面図、（ｂ）は同電極針の先端部分における第２層導体被覆までを示す模式的な要部側面図、（ｃ）は同図（ｂ）における電極針のＲｃ領域の模式的な横断面図、（ｄ）は同図（ｂ）における電極針のＲａ領域の模式的な横断面図、（ｅ）は同図（ａ）における電極針のＲａ領域中間部分の模式的な横断面図である。
【図３】同上の第１実施例装置におけるシールガス管の他の実施例を示す概略図である。
【図４】同上の第１実施例装置におけるシールガス管の別の実施例を示す概略図である。
【図５】同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板を示す概略説明図である。
【図６】同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板の貫通孔の説明図で、（ａ）はＰＭ捕集板の貫通孔の位置および孔径を示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図７】同上の第１実施例装置における他のＰＭ捕集板を示す概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第２実施例装置を示す概略図である。
【図９】同上の第２実施例装置の要部を拡大して示す概略断面図である。
【図１０】本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第３実施例装置を示す概略図である。
【図１１】本発明装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を示す概略説明図である。
【図１２】本発明装置と触媒との組合せの実施例を示す概略図である。
【図１３】同じく本発明装置と触媒との組合せの他の実施例を示す概略図である。
【図１４】本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第４実施例装置（サイクロン集塵機付き）を示す概略図である。
【図１５】図１４に示す第４実施例装置における捕集板を拡大して示し、（ａ）はベース板に格子状フィンを配置した概略斜視図、（ｂ）はベース板の単体を示す模式的な斜視図である。
【図１６】図１４に示す第４実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、本図はハニカム構造の粒子凝集管を示す概略斜視図である。
【図１７】同じく図１４に示す第４実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、本図はパンチングメタルを複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板を示す概略斜視図である。
【図１８】本発明装置における捕集板の再生方式の一実施例を示す概略図である。
【図１９】本発明装置において、少なくとも２基の排気ガス電気的処理装置を、同一系内に並列状態で配置して用いる例を示す概略図である。
【図２０】本発明の対象とする従来のディーゼルエンジンの排気ＰＭ捕集装置の一例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  排気ガス通路
１−１、６１−１  本体壁
２  放電帯電部
２−１  コロナ放電部
２−２  帯電部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、２３−３、３３−１、７１−１  捕集板
４  電極針
４−ａ  第１層絶縁体被覆
４−ｂ  第２層導体被覆
４−ｃ  第３層絶縁体被覆
４−ｄ  アース導体線
５  シールガス管
５−１  整流部材
５−２  ダミー管部
６  高圧電源装置
７  排気ガス誘導管
８  ＰＭ
９  保持棒シール管
１０  コロナ電子
１１  絶縁体
２３、３３  捕集部
２３−１  電極板保持棒
２３−２  電極板
２３−３  捕集板
４０  切替スイッチ
４０ａ、４０ｂ  端子
４１  加熱電源装置
５１、６１  排気ガスの電気式処理装置
５２  酸化触媒コンバータ
５３  ＮＯｘ還元触媒コンバータ
５４  添加装置
５５  バイパス管路
６２  サイクロン集塵機
８０  粒子凝集管
９０  粒子凝集板
Ｇ１  排気ガス
Ｇ２  シールガス
Ｐｃ  ポテンシャルコア
Ｖ、Ｖ１  切替弁
【図１】
2008019849.tif 000003
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008019849.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2008019849.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2008019849.tif 000017
【図１６】
2008019849.tif 000018
【図１７】
2008019849.tif 000019
【図１８】
2008019849.tif 000020
【図１９】
2008019849.tif 000021
【図２０】
2008019849.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月4日(2007.9.4)
【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】
ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、該コロナ放電部においてコロナ放電された電子を、帯電部における排気ガス中の前記粒状物質に帯電させ、当該排気ガス通路の下流側に配置した捕集部で、帯電した該粒状物質を捕集することを特徴とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法。
【請求項２】
前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法。
【請求項３】
ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための電気式排気ガス処理装置において、該処理装置本体内における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、帯電した該粒状物質を捕集する捕集部を、当該排気ガス通路の下流側に配置したことを特徴とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項４】
前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項５】
前記電極針の第１層絶縁体被覆並びに第３層絶縁体被覆が石英ガラス、アルミナ、セラミックス等であり、第２層導体被覆が金属製薄板、肉厚の薄い金属管或いは金網等の導体によってなされることを特徴とする請求項３又は４に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項６】
前記コロナ放電部の電極針を絶縁体製のシールガス管内に挿通配管し、該電極針の放電側先端を排気ガス流れの下流側に向けると共に、シールガス流のポテンシャルコア内若しくは該ポテンシャルコアの下流側に位置するようにして配置し、コロナ電子を下流側に向けて放電させることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項７】
前記シールガス管内に整流部材を、該管内の全体または一部に配設し、該整流部材には、板状のものまたはハニカム状のものを用いることを特徴とする請求項３〜６に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項８】
前記シールガス管の電極針先端側に対して反対側に位置する管壁に、排気ガス流れ方向と平行してダミー管部を設け、かつ、該ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をＤ、シールガス管部のダミー管部の長さをＬ２、該ダミー管部より先端部までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５の条件を満足させることを特徴とする請求項３〜７に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項９】
前記排気ガス用電気式処理装置の後段に、サイクロン集塵機を付設することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１０】
前記排気ガス用電気式処理装置の前記捕集部を、捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板、もしくは該一枚板からなるベース板と該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとの組合せ、のいずれかによって構成した捕集板を、当該装置本体内壁との間に隙間が形成されるごとく１乃至複数枚配置して構成し、さらに前記ベース板が捕集面に絶縁体材料、その裏面にアースした導体材料を配置して二層構造となしたことを特徴とする請求項９に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【請求項１１】
前記サイクロン集塵機の前段に位置して、粒子凝集粗大化手段を配設し、かつ該粒子凝集粗大化手段として、ハニカム構造の粒子凝集管若しくはパンチングメタル又は金網の複数枚を、所定の間隔を設けて配置することによって構成される粒子凝集板のいずれかを用いることを特徴とする請求項９または１０に記載のディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるカーボンを主体とする粒状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：以下「ＰＭ」と称する）を除去し、浄化する排気ガス処理技術に係り、より詳しくはコロナ放電を利用したディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法並びに電気式処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種船舶や発電機並びに大型建機、さらには各種自動車等の動力源としてディーゼルエンジンが広範囲に採用されているが、このディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＰＭは、周知の通り大気汚染をきたすのみならず、人体に極めて有害な物質であるため、その排気ガスの浄化は極めて重要である。このため、ディーゼルエンジンの燃焼方式の改善や各種フィルターの採用、あるいはコロナ放電を利用して電気的に処理する方法等、既に数多くの提案がなされ、その一部は実用に供されてされている。
【０００３】
しかし、燃焼方式の改善だけでは、ディーゼルエンジンの冷温始動時やとさか時、過積載時等の多用な運転操作に対応することは不可能で、ＰＭの大幅な削減は困難である。また、例えばセラミックフィルター等でＰＭを捕集する方式は、微細な孔または間隙によってＰＭを捕集するため、一定量のＰＭを捕集すると排気ガスの圧力損失（通気抵抗）が急激に増大して燃費の悪化やエンジントラブルの原因となる。さらに、捕集したＰＭを触媒で燃焼させるフィルター再生方式は、長期間にわたる触媒使用による触媒劣化に起因して、排気ガスの圧力損失が上昇するという好ましからざる問題が残されていた。
【０００４】
一方、コロナ放電を利用して電気的に処理する方法としては、図１５にその一例を示すように、針先１２１ａの周りにコロナ放電を起こして排気ガス中のＰＭ１２３を帯電させるためのニードル電極１２１と、帯電したＰＭ１２３ａを静電気力で捕集するための捕集電極１２４と、前記ニードル電極１２１と前記捕集電極１２４との間に所定の直流高電圧を印加するための高圧直流電源１２５とを備えたディーゼルエンジンの排気ＰＭ捕集装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。また、排気経路中に設けたＰＭ捕集用の収集電極対の一方を構成する円筒体と、該円筒体の中心部に軸方向に延設されて収集電極対の他方を構成する電極体と、前記収集電極対間に静電界を形成して排気ガス中のＰＭを前記円筒体内面に集積させる高電圧電源部と、前記円筒体内面に沿って当該円筒体に対し相対回動して該円筒体内面に堆積したＰＭを掻き落とす掻き落とし部を備えた排気ガス浄化装置（例えば、特許文献２参照）や、電気絶縁体層および触媒層を備えた複数のＰＭ捕集電極と、このＰＭ捕集電極の各々に組み合わされ、前記電気絶縁体層に向けて突出する複数の針状電極を備えた放電電極を具備した排気ガス浄化装置（例えば、特許文献３参照）等、多くの提案がなされている。
【特許文献１】特開平９−１１２２４６号公報
【特許文献２】特開平６−１７３６３７号公報
【特許文献３】特開２００３−２６９１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コロナ放電を利用して電気的に処理する従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術においても、改善を望まれる様々な問題点が残されており、例えば上記特許文献１および２に記載の排気ＰＭ捕集装置は、いわゆる一段式と呼ばれる電気集塵機方式を採用したものであり、基本的な問題点としては、放電電圧と捕集偏向電圧が同電位であるため両電圧をそれぞれの適正条件に設定することが難しいことと、偏向電極と捕集電極間のスパーク発生を防止するためにその間隔を大きくとらざるを得ないことである。従って、上記特許文献１および２に記載の排気ＰＭ捕集装置は、捕集されずに捕集区間を素通りする粒子が多くなり、捕集効率が低下するという欠点がある。また、捕集効率を上げるためには、捕集部の容量を大きくとる必要があり、装置の大型化を余儀なくされ、小型軽量化が望まれる自動車用部品としては不適当である。さらに、特許文献３に記載の排気ガス浄化装置は、いわゆる二段式と呼ばれる電気集塵機の方式を採用したものであるが、針状電極の汚染対策が施されていないために、放電電極に数万ボルトの高電圧が印加された場合、汚染によって電気絶縁性の低下を招いてＰＭ捕集性能を発揮できなくなるという欠点がある。また、放電電極は、腐食性を有する排気ガスによる汚損も避けられず、長期間にわたって安定した性能を維持できない。さらにまた、線状電極の場合は、自動車等の走行中の振動や衝撃により断線を起こし易く、強度的にも問題がある。即ち、従来のコロナ放電を利用して電気式に処理する排気ガス処理手段は、放電電極の高い絶縁性の確保が難しく、実用性においては更に解決を望まれる課題が残されていた。
【０００６】
本発明は、コロナ放電を利用した従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術の前記問題点を解消し、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭを高効率で除去できるとともに、長期にわたって安定した性能を発揮し得るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法およびその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの処理方法は、ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、該コロナ放電部においてコロナ放電された電子を、帯電部における排気ガス中の前記粒状物質に帯電させ、当該排気ガス通路の下流側に配置した捕集部で、帯電した該粒状物質を捕集することを特徴的構成要件とするものである。
【０００８】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気的処理方法において、前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とするものである。
【０００９】
一方、本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、ディーゼルエンジン排気ガス中に含有するカーボンを主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための電気式排気ガス処理装置において、該処理装置本体内における排気ガス通路の上流側に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、該電極針によるコロナ放電によって電子を放出させるコロナ放電部と、放出された電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とからなる放電帯電部を設け、帯電した該粒状物質を捕集する捕集部を、当該排気ガス通路の下流側に配置したことを特徴的構成要件とするディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置を要旨とするものである。
【００１０】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、前記電極針の外周を覆う多層構造の被膜が、絶縁体による第１層絶縁体被覆、その外側を覆う導体による第２層導体被覆、さらにその外側を絶縁体で覆う第３層絶縁体被覆からなることを特徴とするものであり、前記電極針の第１層絶縁体被覆並びに第３層絶縁体被覆が石英ガラス、アルミナ、セラミックス等であり、第２層導体被覆が金属製薄板、肉厚の薄い金属管或いは金網等の導体によってなされることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置において、前記コロナ放電部の電極針の放電側先端を排気ガス流れの下流側に向けると共に、シールガス流のポテンシャルコア内若しくは該ポテンシャルコアの下流側に位置するようにして配置し、コロナ電子を下流側に向けて放電させることを特徴とするものであり、前記電極針を絶縁体製のシールガス管内に挿通配置すること、そのシールガス管をアルミナ等の絶縁体材料製とすること、前記電極針のシールガス管端からの突出部をシールガス管内ガス流のポテンシャルコア内に位置させること等を特徴とするものである。
【００１２】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置はまた、前記捕集部を単層板構造とすることを特徴とするものであり、前記捕集部をパンチングメタルタイプの捕集板またはスリットタイプの捕集板で構成し、かつ開孔部総面積／捕集部実質正面面積で定義される開孔率を３〜２０％とすること、前記捕集部を、捕集面がハニカム構造を有する捕集板で構成したこと、前記単層板構造の捕集部固定部における捕集板保持棒を、絶縁体製シール管内に配置すること等をも併せて特徴とするものである。
【００１３】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置はさらに、前記シールガス管の電極針先端側に対して反対側に位置する管端に、排気ガス流れ方向と平行してダミー管部を設けることを特徴とするものであり、該ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をＤ、シールガス管部のダミー管部の長さをＬ２、該ダミー管部より先端部までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５の条件を満足させることを好ましい態様とするものである。
【００１４】
また、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、前記排気ガスの電気式処理装置の後段に、サイクロン集塵機を付設することを好ましい態様とするものであり、前記排気ガスの電気式処理装置における前記捕集部を、捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板、もしくは該ベース板と該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとの組み合わせ、のいずれかによって、当該装置本体内壁との間に、隙間が形成されるごとく１乃至複数枚配置することも好ましい態様である。
【００１５】
上記本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置において、前記ベース板が捕集面に絶縁体材料、その裏面にアースした導体材料を配置して二層構造となしたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置によれば、前記サイクロン集塵機の前段に位置して、粒子凝集粗大化手段を配設することも好ましい態様の一つであり、該粒子凝集粗大化手段としては、ハニカム構造の粒子凝集管、またはパンチングメタルや金網を複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板等を用いることができる。
【００１７】
本発明による上記ディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置によれば、当該装置本体の内壁面が前記粒状物質の捕集面あるいは捕集部として機能させることも可能であり、一方、前記排気ガスの電気式処理装置における粒状物質捕集板の保守点検方法として、当該装置の上流側と下流側間に排気ガスのバイパス管路を併設して配管し、ガス切替弁を介して前記バイパス管路に排気ガスを流す間に、前記捕集板の保守点検を行う方法を好ましく採用することができ、前記排気ガス電気式処理装置を少なくとも２基、同一系内に並列状態で配置し、排気ガスの流れの上流側に設けた切替弁を介して該排気ガスの流れを制御して、２基の排気ガス電気式処理装置を交互に稼働させるか、若しくは２基同時に稼働させることも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法および装置によれば、船舶、発電機、大型建機および各種自動車の動力源として広く用いられるディーゼルエンジン排気ガスの浄化処理手段であって、該排気ガス中に含まれるカーボンを主成分とする有害な粒状物質であるＰＭを、効率的に除去することを可能とし、排気ガスの浄化率を高いレベルで達成することができる。さらに、ディーゼルエンジン排気ガス中に含まれるＰＭの除去が、長期間にわたって高い浄化率を以って安定的に持続可能となる上、例えば自動車部品として要求される実質的メンテナンスフリーを達成できる等の優れた効果を奏する。なお、本発明による排気ガスの電気式処理方法および処理装置は、ディーゼルエンジンのみならず、各種排気ガスの浄化においても有効に活用できることはいうまでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第１実施例装置を示す概略図、図２は同上の第１実施例装置における放電極の電極針とシール管先端部の構造を示す説明図で、（ａ）は多層構造の被膜で覆われた電極針を含む放電極先端部全体を示す模式的な側面図、（ｂ）は同電極針の先端部分における第２層導体被覆までを示す模式的な要部側面図、（ｃ）は同図（ｂ）における電極針のＲｃ領域の模式的な横断面図、（ｄ）は同図（ｂ）における電極針のＲａ領域の模式的な横断面図、（ｅ）は同図（ａ）における電極針のＲａ領域中間部分の模式的な横断面図、図３は同上の第１実施例装置におけるシールガス管の他の実施例を示す概略図、図４は同上の第１実施例装置におけるシールガス管の別の実施例を示す概略図、図５は同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板を示す概略説明図、図６は同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板の貫通孔の説明図で、（ａ）はＰＭ捕集板の貫通孔の位置および孔径を示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図、図７は同上の第１実施例装置における他のＰＭ捕集板を示す概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、図８は本発明装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を示す概略説明図、図９は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第２実施例装置（サイクロン集塵機付き）を示す概略図、図１０は図９に示す第２実施例装置における捕集板を拡大して示し、（ａ）はその概略斜視図、（ｂ）は同捕集板を構成するベース板の単体を示す模式的な斜視図、図１１、図１２は図９に示す第２実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、図１１はハニカム構造の粒子凝集管を示す概略斜視図、図１２はパンチングメタルを複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板を示す概略斜視図、図１３は本発明装置における捕集板の保守点検方法の一実施例を示す概略図、図１４は本発明装置において、少なくとも２基の排気ガス電気式的処理装置を、同一系内に並列状態で配置して用いる例を示す概略図である。
【００２０】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の基本的構造は、図１に示すように装置本体の本体壁１−１から本体内に突出して設けられる排気ガス誘導管７と、該排気ガス誘導管７の本体壁１−１外側の外周部側壁を貫いて嵌挿され、その先端が前記排気ガス誘導管７内における先端開口部付近に達して設けられるシールガス管５と、該シールガス管５によって部分的に排気ガス通路１から隔てられ、その放電極の先端を前記シールガス管５の先端開口部から、排気ガス通路１の下流側に向けて突出して配置される電極針４と、当該排気ガス処理装置本体内における排気ガス通路１の下流側に配設される捕集板３と、前記電極針４に高圧直流電圧を印加する別体の高圧電源装置６とによって構成されている。
【００２１】
上記の本発明に基づく第１実施例による排気ガス処理装置は、図１に示すように該処理装置本体内における排気ガス通路１の上流側に、排気ガス誘導管７とシールガス管５を介して配置された前記電極針４が、その外周を多層構造の被膜によって覆われ、該電極針４によるコロナ放電によって電子１０を放出するコロナ放電部２−１と、放出されたコロナ電子１０を前記排気ガスＧ１中のカーボンを主体とする粒状物質Ｓに帯電させる帯電部２−２とからなる放電帯電部２を設け、同排気ガス通路１の下流側に前記帯電した粒状物質Ｓを捕集する捕集板３を、装置本体の本体壁１−１内に配置するように構成した所謂二段式構造としたもので、放電極を構成する前記電極針４はアルミナ等のセラミック、耐熱ガラス等の絶縁体で作られたシールガス管５内を通して排気ガス通路１内に排気ガス流れの下流に向けて配置され、先端部はシールガス管５の開口端から所定長さ突出し、外部の高圧電源装置６から数万ボルトの直流高電圧が印加されるように配線されている。
【００２２】
この電極針４の材質としては、ステンレス鋼、超硬合金等の導電材料が好ましく用いられるが、本発明に基づく該電極針４は図２（ａ）〜（ｅ）に示すように放電極となる電極針４と、その外表面を絶縁体等で被覆している多層被覆層とによって電極針部材を構成している。該電極部材は図２（ａ）に示すように電極針中間部Ｒａとコロナ放電によってコロナ電子を放出する先端部Ｒｂに分けられるが、前記電極針中間部Ｒａは電極針４の外周部を、絶縁材料で被覆した第１層絶縁体被覆４−ａ、次いでこの第１層絶縁被覆を導体材料で被覆する第２層導体被覆４−ｂ、さらにこの第２層導体被覆を絶縁材料で被覆する第３層絶縁体被覆４−ｃが形成されている。
【００２３】
第１層絶縁体被覆４−ａを形成する被覆材としては電気絶縁性と耐食性を併せて具備する材料、例えば石英ガラス、アルミナ、セラミック等が好適に用いられ、第１層絶縁体被覆４−ａの厚さについては、電極針４の印加電圧とその材料の絶縁破壊強さや温度によっても左右されるところから、適正厚さとして固定的な絶対寸法を規定することはできないが、薄すぎると被覆材料が電気的に絶縁破壊して絶縁性能が失われるから、実用的には絶縁破壊限界厚さの１．１〜３倍程度であることが望ましい。また、第２層導体被覆４−ｂを形成する被覆材としては、金属製薄板や金網を巻いたもの、或いは肉厚の薄い金属管などの導体を用い、前記第１層絶縁体被覆４−ａの外周面を被覆すれば良く、該第２層導体被覆４−ｂの厚さについては機能上特に規定するものではないが、同図（ｄ）に示すように第２層導体被覆４−ｂには導体線４−ｄにより装置本体へアースしておく必要があり、該アース導体線４−ｄは外表面が絶縁被覆されたものを用い、シールガス管５を通して装置本体へ導いて結線することによりアースする。さらに、第３層絶縁体被覆４−ｃを形成する材料としては、前記第１層絶縁体被覆４−ａにおいて用いられたものと同様な材質のものを使用し、該第３層絶縁体被覆４−ｃの厚さについても第１層絶縁体被服と同様、その適正な厚さについての固定的な絶対寸法は規定されるものではなく、第１層絶縁材料と同じ程度に選択してよい。
【００２４】
本発明における電極針４の外表面には上記の如く第１層被覆、第２層被覆および第３層被覆が順次形成されて、多層の被覆層が形成されるが、電極針４外表面に被覆が全くない剥き出しの場合は、シールガス管５の外表面はＰＭに対する付着防止処置が講じられてないので、排気ガス中のＰＭが付着堆積するのを避けられず、従ってシールガス管５の先端部と該先端部直下に位置する剥き出しの電極針４の外表面との間でスパークが発生し、このスパークに起因して電極針先端４−１での正常なコロナ放電は行われず、コロナ電子のＰＭへの帯電が不十分となってＰＭの捕集効率が著しく低下する。
【００２５】
電極針４に対して図２（ｃ）に示すように第１層絶縁体被覆４−ａのみを施した場合には、シールガスの流体力によって、シールガス管５出口のシールガスポテンシャルコア域Ｐｃ内にある電極針中間部へのＰＭ付着は著しく減少するから、第１層絶縁体被覆４−ａを施すことによって、電極針４の外表面に絶縁体被覆が全くない場合に比べると、比較的長時間にわたり高いＰＭ捕集効率を維持することができる。しかしながら、実エンジンのように長期間の運転の間には、シールガス管５先端開口部より突出した電極針中間部ＲａへのＰＭ付着が徐々に増大して、最終的にはスパークを発生する事態を招来する。かかる現象は図２（ｃ）の横断面によって示されるように、電極針４の外表面に１層だけの絶縁体被覆４−ａを施した場合には、電極針４に高電圧が印加されることにより、絶縁体被覆４−ａの外表面側には誘電分極現象により電極針と同極性の電位が発生（ここでは電極針４には負電位を印加した例を示す）し、この電位による電界によって絶縁体被覆４−ａの外表面に、排ガス中のＰＭを吸引する電気力が発生するが、この電気吸引力がシールガス流によるＰＭ付着を防止する流体力より大きければ、ＰＭが絶縁体被覆４−ａの外表面に吸引付着することになる。この電気吸引力はかなり強く、試験の結果によればシールガス流だけではＰＭの付着を完全に防止することはできなかった。
【００２６】
電極針４の外表面における上記第１層絶縁体被覆４−ａの上に、図２（ｄ）に示すようにアースされた第２層導体被覆４−ｂを施した場合、即ち該第２層導体被覆の外周面に第３層絶縁体被覆４−ｃが施される前の状態においては、該電極針４に高電圧が印加されても静電シールド作用によって、同図（ｄ）に示すように第２層導体被覆４−ｂの外表面に電位は発生せず、該第２層導体被覆４−ｂを第１層絶縁体被覆４−ａからはみ出すようにして被覆した場合には、電極針４と第２層導体被覆４−ｂとが接触する事態を招き、電極針４から第２層導体被覆４−ｂへ直接電流が流れることになり、第１層絶縁体被覆４−ａはその機能を失うこととなるため、本発明における電極針４の多層被覆構造においては、同図（ｂ）に示すように第２層導体被覆４−ｂのない第１層絶縁体被覆４−ａのみの領域Ｒｃが存在する必要がある。この領域Ｒｃでは当然静電シールドの機能を有せず、その結果、前記の理由により電極針先端４−１から第２層導体被覆と第１層絶縁体被覆４−ａとの境界までの領域ＲｂとＲｃにはＰＭが付着することとなり、電極針先端４−１からこの付着ＰＭとアースされた第２層導体被覆４−ｂを介して電流が流れることになり、電極針先端４−１での正常なコロナ放電は行われなくなる。
【００２７】
上記のような事態を回避するため、本発明による多層構造の電極針部材においては、図２（ａ）および（ｅ）に示すように第３層絶縁体被覆４−ｃが必要となる。アースされた第２層導体被覆４−ｂの存在する部位では静電シールドが実現されているから、その部位に位置する第３層絶縁体被覆４−ｃの外表面にはもはや電気吸引力は作用せず、シールガスの流体力によって、シールガスポテンシャルコア域Ｐｃの電極針中間部へのＰＭの付着は完全に防止することができる。シールガスポテンシャルコアＰｃの及ばない領域の電極針中間部ＲａにＰＭが付着しても、その部分とシールガス管５の出口との距離は実用的な印加電圧では、スパーク発生限界距離より大きく離れるためにもはやスパーク現象を発生することが不可能となる。また、第２層導体被覆４−ｂと電極針４の間とが第１層絶縁体被覆４−ａによって絶縁されていると共に、第２層導体被覆４−ｂは第３層絶縁被覆４−ｃによって被覆されていて、第２層導体被覆４−ｂの外表面は排気ガス雰囲気に露出していないことが必須の要件となる。要するに、図２（ａ）および（ｅ）に示すように第２層導体被覆４−ｂは、シールガス管５を通して装置本体とアースされることを除けば、第１層絶縁体被覆４−ａと第３層絶縁体被覆４−ｃによって、電極針４や排気ガス雰囲気と電気的に絶縁されたサンドイッチ構造を構成している。
【００２８】
本発明に基づく上記本実施例による電極針４は、該電極針先端４−１における電極針先端部Ｒｂの領域においてコロナ放電によって電子を放つが、この電極針４は、裸のままで長時間コロナ放電を続けさせると、電極針先端４−１が大気中の窒素と反応して硝酸塩を生成し、放電特性が劣化するので、長時間のメンテナンスフリーを実現するためには腐食防止のための被覆を施すことが必要であり、その被覆材料としては、電気絶縁性と耐食性を有する材料、例えば石英ガラス、アルミナ、セラミック等が適しており、被覆層の厚さについては、厚過ぎた場合には被覆外表面部での電界強度がコロナ放電開始電界強度Ｅｃ以下となるなど、電極の形状や電極針に印加する電圧、排気ガス条件に依存する適正厚さが存在するが、実用的には０．１〜０．５ｍｍ程度の厚さで十分である。この電極針４は上記のように中間部から先端部にかけて全長が絶縁材料で被覆されており、中間部と先端部の被覆条件の基本的な違いは、被覆厚さの大小であり、中間部はスパークによる絶縁破壊を防止するために厚い被覆とし、先端部はコロナ放電開始電界強度Ｅｃ以下となるように薄い被覆を選択することが望ましい。また、上記実施例における電極針４は多層被覆の形態を３層構造としたが、本発明における電極針をさらに３層を越える被覆層で覆うことを妨げるものではない。なお、電極針部材のシールガス管５の奥に入っている領域Ｒｄの被覆は、第１層絶縁体被覆４−ａだけでもよく、その理由としてはシールガス管５の出口付近が前記の通り多層被覆構造になっているから、構造上ＰＭはシールガス管５の出口からシールガス管５の内部へ侵入することは不可能となるからである。コロナ放電を発生させる本発明における電極針の形状は、不平等電界ならば特定されず、例えば棒状の電極先端に小球または電極短線を付けた構造（図示せず）を選択することも可能である。
【００２９】
本発明に基づく上記実施例において、コロナ電子１０の帯電を促進する手段として、排気ガス通路１の途中に設けられた本体壁１−１の内部に排気ガス誘導管７を突設し、排気ガスＧ１が電極針４の先端近傍を流れるようにしているが、該本体壁１−１部の内径φ１と前記排気ガス誘導管７の下流側先端出口部の内径φ２の関係は、φ２／φ１＜０．５程度が好ましく、粒状物質Ｓをより効果的に捕集するために、電極針４の先端と捕集板３との距離Ｌａ、電極針４の先端と本体内壁との距離Ｌｂの関係をＬａ＜Ｌｂとするのが好ましい。本発明装置においては、この本体壁１−１の内壁面も粒状物質Ｓの捕集面として機能させることも可能であり、また、後述する図１０に示す捕集板７１−１を本体壁１−１の内壁面に貼り付けることによって捕集面とすることもできる。
【００３０】
シールガス管５のシールガスＧ２流出口の向きは、電極針４の汚損を防止するために図２（ａ）に示すように排気ガスＧ１の流れの下流に向けて配置し、シールガス管５内を流れるシールガスＧ２の流速Ｑｓ（図２）は、該シールガス管５の外を流れる排気ガスＧ１の平均流速Ｑｏとの比（Ｑｓ／Ｑｏ）を０．１５以上とすることにより、シールガス管５内部への排気ガスＧ１の巻き込みを防止できる。なお、該シールガスＧ２としては空気等の絶縁性を有するガスを用いることができる。
【００３１】
装置本体内における電極針４のシールガス管５先端からの突出長さＬは、図２（ａ）に示すように該電極針４の汚損を考慮して、シールガス管５内のシールガスＧ２流のポテンシャルコアＰｃ内に位置させることが望ましいが、電極針先端部４−１付近がポテンシャルコアＰｃの下流側の外側に出ることを妨げず、実用上の突出長さＬはシールガス管５の内径Ｄの大きさによっても異なるが５０〜２００ｍｍの範囲内である。なお、本実施例におけるポテンシャルコアＰｃは、シールガス管５からシールガスＧ２（流体）が噴出すると、シールガス管５の出口に流速とガス成分がノズルの内部と同じで均一な円錐形状の流れ場ができ、この円錐形の流れの場によって形成される領域をポテンシャルコアと称しており、内径がＤの管から噴出されるガスの流れの場合、該ポテンシャルコアＰｃの領域の長さは、通常シールガス管５の内径Ｄの約５倍であり、シールガス管５の内径Ｄは、該管出口において電極針４から管外周面に付着したＰＭにスパークしないような内径寸法を選択すればよい訳であり、数万ボルトの電圧が印加される場合においては、実用上のシールガス管５の内径Ｄは、排気ガスの流量によっても異なるが２０〜１００ｍｍ程度とすればよい。
【００３２】
本発明に基づく上記第１実施例のディーゼルエンジン排気ガスの電気的処理装置においては、シールガス管５出口でのシールガスの流れをより安定化させる手段として、図３に示すようにシールガス管５内に例えば板状部材やハニカム状部材からなる整流部材５−１を配置するが、該整流部材５−１は、必ずしもシールガス管５の全長にわたって設ける必要はなく、シールガス管５の曲り部等ガス流れの方向が変化する部分のみに設けてもよく、この整流板５−１の作用により、シールガス管５出口でのシールガス流れがより安定し、シールガス管５出口部に極めて安定したポテンシャルコアＰｃを形成することができる。
【００３３】
また、上記と同様の目的で図４に示すようにシールガス管５の屈曲部に、排気ガス通路１の上流側に突出するダミー管部５−２を設け、該ダミー管５−２の作用によりシールガス管５内のガス流れの安定化を図ることもできる。ここで、シールガス流れを安定化させるための条件を確立するために種々実験を重ねた結果、シールガス管５の内径をＤとした場合、シールガス管５部のダミー管部５−２の長さＬ２と該ダミー管部より先端部までの長さＬ１を、それぞれＬ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５に設定すればよいことが判明した。ダミー管部５−２の内径ｄｉは、シールガス管５の内径Ｄより大径もしくは小径でもよい。このダミー管部５−２の作用により、前記整流板５−１を備えたシールガス管と同様、シールガス管５出口でのシールガス流れが安定し、シールガス管５出口部に極めて安定したポテンシャルコアＰｃが形成される。なお、シールガス管５にダミー管部５−２を設けることによりシールガス流れが安定するのは、シールガスの流れが曲げられることによるシールガス管断面の圧力変動を減衰させるいわゆるバッファー効果が生ずるからであると考えられる。また、Ｌ１／Ｄ＞１．５、Ｌ２／Ｄ＞０．５に設定する理由は、Ｌ１／Ｄが１．５未満では、シールガス流れの曲げられた影響が消えず、他方、Ｌ２／Ｄが０．５未満では、十分なバッファー効果が得られないためである。なお、ダミー管部５−２の上流側端面は、フラット状に限らず、上流側に膨出する半円状または楕円状としてもよい。
【００３４】
一方、エンジン停止の時にはシールガスも供給を停止することになるが、シールガス停止時期はエンジン停止後しばらく経ってからシールガスを止めることが望ましい。エンジンとシールガスを同時に止めると、排気ガス管や捕集装置に残留している排気ガスがシールガス管５内部に侵入しシールガス管内部や電極針４を汚損するおそれがあるからである。また、シールガス管５を当該捕集装置本体に貫通させる時の管の向きは、上部から下部に向かって貫通させるようにすることが望ましく、その理由としては、排気ガスが結露した場合の雫をシールガス管出口側へ流出させるためである。
【００３５】
また、本発明装置において、電極針４の下流側に配置する捕集板３は、捕集面が排気ガス流れに垂直になるように配置し、電極針４の直流電圧と当該捕集板との間で電界を発生させ、放電帯電部２で帯電したＰＭ８をクーロン力によって捕集するタイプのもので、本実施例においては図５および図６に示すパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂと、図７に示すスリットタイプの捕集板３ｃの３種類を例示することができる。図５、図６に例示するパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂは、それぞれ一枚板に多数の貫通孔３ａ−１および３ｂ−１を設けたものであり、中でも図６に例示する捕集板３ｂは、貫通孔３ｂ−１の周囲に突起フランジ（バーリング壁）３ｂ−２を設けたものであり、該突起フランジ３ｂ−２を設けたことによってガス流れに渦流や澱みができ、帯電したＰＭ８の捕集効率をより向上させることができる。この突起フランジ３ｂ−２の高さｈは、実用的には０．１〜５ｍｍ程度でよい。
【００３６】
上記図５および図６に例示するパンチングメタルタイプの捕集板３ａ、３ｂの場合は、貫通孔３ａ−１の開孔面積をＳ、孔数をＮとした場合、開口部の総面積はＮＳとなり、捕集部の実質の正面面積をＳＯとすれば、開孔率は開口部総面積ＮＳ／捕集部実質正面面積ＳＯと定義することができる。また、スリットタイプの捕集板３ｃの場合も、パンチングメタルタイプの捕集板３ａの場合と同様、開孔率はスリットの開口部総面積ＮＳ／捕集部の実質正面面積ＳＯとして定義することができ、上記開孔率はパンチングメタルタイプの捕集板、スリットタイプの捕集板共に３〜２０％とすることが望ましく、開孔率が３％未満の場合は、ＰＭ８の捕集量は高くなるが圧力損失が大きくなり、２０％を超えるとＰＭ８の捕集量が十分に得られなくなる。
【００３７】
本発明に基づく上記実施例装置においては、捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速は、捕集効率の点から遅い方が好ましいが、実用的には該捕集部の実質正面面積ＳＯを、本実施例の排気ガス処理装置本体壁１−１前における排気ガス誘導管７の横断面積の１．５倍以上で、かつ捕集部を流れる排気ガスＧ１の平均流速が２０ｍ／ｓｅｃ以下となるような横断面積が望ましい。
【００３８】
前記捕集板３ａ、３ｂおよび３ｃの材質については特に限定するものではないが、耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板、オーステナイト系ステンレス鋼板、高合金発熱体材料であるニッケル−クロム等の金属板を用いることが好ましく、また、該捕集板３ａ、３ｂおよび３ｃには、ウォッシュコート層を被覆して触媒を担持させることもできる。
【００３９】
なお、前記捕集板３の正面形状は、排気ガスＧ１が抵抗なく流れる形状であれば特に限定されないが、通常円形、四角形、その他の形状あるいは装置本体部の断面形状等に合わせて決められる。
【００４０】
図１に示す本発明に基づく第１実施例の装置において、電極針４に外部の高圧電源装置６から数万ボルトの直流高電圧を印加すると、電極針先端４−１でコロナ放電現象を起こしてコロナ電子１０が放出され、放電帯電部２の空間を流れる排気ガスＧ１中のＰＭ８は、コロナ電子１０により帯電させられる。この際、電極針４に印加する直流電圧は、電極先端付近の電界強度がコロナ開始電界強度以上となるように設定して与えられるが、該直流電圧の設定値は、排気ガスＧ１の条件（流速、ＰＭ含有量、温度等）によっても異なるが、実用的には２０〜７０ＫＶ程度で十分である。
【００４１】
本発明による前記実施例の排気ガス処理装置において、捕集板上に一旦捕集された帯電したＰＭ８は、重力やガス流れの流体力により脱落することはなく、その要因は微粒子付着の特徴であり、粒径３０μｍ以下の粒子ではファン・デル・ワールス力による付着力が重力によりも大きくなり、その比率は人体に有害といわれる２．５μｍ以下では極端に大きくなり（１００倍以上）、走行中の振動等で捕集したＰＭ８が脱落することはない。
【００４２】
上記実施例による排気ガス処理装置の捕集部は、圧損が極めて小さい構造となっているため、ＰＭ８が捕集板上に堆積しても圧損に伴うトラブルはほとんど生じることはなく、通常の運転状態においては、高速運転や高負荷運転等により排気ガス温度が高温になれば、ＰＭ８は自然に酸化除去される。しかしながら、市街地等で長時間の交通渋滞が続く場合にはＰＭ８を自然に酸化除去できないこともあり、かかる状況においては捕集板に堆積したＰＭ８を電気的加熱によって強制的に酸化除去することができる。
【００４３】
本発明の第１実施例装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を図８に示すが、捕集板３の材料として耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高合金発熱体材料であるニッケルクロム等の薄板を用い、該捕集板３を加熱ヒーターとして用いる。該捕集板３によるＰＭの酸化除去方法としては、捕集板３の保持棒３−１の端部に切替えスイッチ４０を設置し、該捕集板３を電気加熱する場合は、加熱電源装置４１側の端子４０ａに接続し、ＰＭを捕集する場合は、アース側の端子４０ｂに接続する方式を採用することができ、この電気加熱のための所要電力は１〜４ＫＷと小さいので、加熱電源としては車両搭載のバッテリ等によって賄うことができると共に、捕集板３に捕集されたＰＭ８は６５０〜７００℃程度の温度で火炎を発することなく安全な状態で酸化除去される。なお、不必要な温度上昇を避けるために該捕集板３に熱電対等の温度計測器（図示せず）を設置して、電気加熱時の温度を制御することが望ましい。
なお，捕集板３の保持棒３−１の電気絶縁は，基本的には前記した実施例１における電極針４の絶縁の場合と同様であり、電気絶縁性と耐食性を有する石英ガラス、アルミナ、セラミック等により被覆する。また保持棒３−１はアルミナ、セラミック等電気絶縁体で作られた保持棒シール管９の中に配置し，該保持棒シール管９には空気等の絶縁性のあるシールガスＧ２を流す。
【００４４】
上記した本発明の第１実施例装置によれば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭを捕集板に効果的に捕集することができるが、ディーゼルエンジンの燃焼条件によっては電気抵抗率ρが低くなる場合があり、その場合には上記捕集板では十分に対応できない場合が生じる。そこで本発明に係る他の実施例においては、前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することにした。ディーゼルエンジンの排気ガスは運転条件等によってＰＭの電気抵抗率ρが大幅に変動し、高電気抵抗率ρのＰＭもあれば、低電気抵抗率ρのＰＭもあり、一般的に高速運転時の高温燃焼時では電気抵抗率ρは小さく、また低温燃焼では電気抵抗率ρは大きくなる傾向があり、従って、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭを除去する手段としては、電気抵抗率ρの高いＰＭだけでなく、電気抵抗率ρの低いＰＭをも高効率で捕集できる性能を備える必要がある。そこで、本発明は前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することによって、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を提供するようにしたものである。
【００４５】
本発明に係る第２実施例装置は図９に示す通り、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を例示したもので、前記と実質的に同じ構成の排気ガス用電気式処理装置６１の後段にサイクロン集塵機６２を配置した構成となしたものである。この排気ガス用電気式処理装置６１における捕集板７１−１は、捕集面が排気ガス流れに実質的に垂直になるように配置して捕集部を構成し、図１０（ａ）に拡大して示すように、捕集面に孔等の開口を有しない一枚板からなるベース板７１−１ａのみ、或いは該ベース板７１−１ａと該ベース板７１−１ａの捕集面側に設けた格子状フィン７１−１ｂとからなり、かつ該捕集板７１−１は排気ガス用電気式処理装置６１の本体壁６１−１の内壁との間に排気ガスを通流させるための隙間６１−２が形成されるように適当間隔で配設され、この隙間６１−２の大きさは本質的に集塵効率には影響を与えないため、圧力損失を考慮して決定すればよく、該捕集板７１−１に格子状フィン７１−１ｂを設けたのは、ガスＧ１の流れによどみ効果を発生させることによって、帯電ＰＭを効率よくベース板７１−１ａに捕集するためである。
【００４６】
前記格子状フィン７１−１ｂの実用的な寸法は、格子の高さが３〜１０ｍｍ、格子の幅が１０〜３０ｍｍの範囲内であれば良く、また格子の形状は必ずしも方形に制限されるものではなく、例えばハニカム状の六角形であっても差し支えは無い。また、前記格子状フィン７１−１ｂの材質は例えばセラミックス等の絶縁体が好ましく、その理由は該格子状フィン７１−１ｂが金属製の場合、電気力線が電極針４の先端に近い格子状フィン７１−１ｂの先端に集中するため、帯電したＰＭは格子状フィン７１−１ｂの先端に向って流れ、その部位はガスＧ１の流れが速いことからＰＭはベース板７１−１ａに到達し難く、捕集されずに後方へ飛散流出しやすいため、ベース板７１−１ａでの捕集効率が悪くなるからである。なお、図９に示す本実施例の排気ガス用電気式処理装置６１の本体内には、上流側に排気ガスＧ１の流れと帯電を促進するためにガイド孔付き板６１−３を、捕集板７１−１と捕集板７１−１の間にＰＭの流れと捕集を促進するためのガイド孔付き板６１−３および電界付与を目的とする電界板６１−４を、それぞれ設置してもよく、その場合、電界板６１−４には高圧電源装置（図示せず）から高電圧を供給する。また、電界板６１−４は絶縁体で被覆しておくことが望ましい。
【００４７】
上記第２実施例装置において、捕集板７１−１を構成するベース板７１−１ａを、図１０（ｂ）に示すようにコロナ放電の電極針と向き合う面、即ち帯電ＰＭの捕集面にセラミックス等の絶縁体材料７１−１ａ−１を、その裏面にアースしたステンレス鋼板等の導体材料７１−１ａ−２を配置した二層構造とした。この二層構造の本例によるベース板７１−１ａによれば、電極針から発する電気力線（電界）はベース板７１−１ａを構成する前記絶縁体材料７１−１ａ−１を通過して導体材料７１−１ａ−２に達する。その結果、帯電したＰＭ粒子は前記電界のクーロン力によってベース板７１−１ａに向かって移動し、ベース板７１−１ａの絶縁体材料７１−１ａ−１の壁面に到達する。このようにして一旦該絶縁体材料７１−１ａ−１の壁面に到達したＰＭは、絶縁体によって構成される該壁面において、帯電した電荷の逃げ場を失って長期間にわたって該壁面への付着力が保持され、効率的なＰＭの捕集堆積が可能となる。このように本例による二層構造のベース板７１−１ａによって、ＰＭの電気抵抗率ρが高い場合であっても、或いは低い場合であっても効率良くＰＭを捕集することができる。なお、捕集板を構成するベース板７１−１ａは、アースした導体材料７１−１ａ−２の両面を絶縁体材料７１−１ａ−１で被覆してもよい。
【００４８】
上記第２実施例装置における前記ベース版７１−１ａのＰＭ捕集のメカニズムを、静電集塵における従来の定説について文献（「新版静電気ハンドブック」：第１版、静電気学会編，平成１０年１１月発行）を参考して整理すると、静電集塵において良好な捕集効率を得るためには、捕集対象となる微粒子の電気抵抗率ρに適正範囲があることが知られている。即ち、上記の静電気ハンドブックの４９ページには、その適正範囲は１０4Ω・ｃｍ＜適正ρ＜１０11Ω・ｃｍとなることが記載されている。電気抵抗率ρが１０4Ω・ｃｍより低い場合は、粒子が鉄板等の捕集板に到達した後、その電気抵抗率が低いために直ちに帯電電荷を消失し電気的な付着力を失い飛散する所謂再飛散現象が発生し，逆に電気抵抗率ρが１０11Ω・ｃｍより高い場合は、捕集板に堆積した粒子層の電気抵抗率が高いために電荷が貯まり過ぎ、捕集板との間でスパークを発生して飛散する逆電離現象が発生し、結果的に捕集効率が低下するということが知られている。また、一般にディーゼルエンジンの排気ガスにおいては、ＰＭの電気抵抗率ρが適正値より低く、再飛散現象を発生するために静電集塵では捕集できないと言われているが、本発明者が電気抵抗率ρを測定した結果、試験に使用した後記のエンジンでは約１０2〜１０3Ω・ｃｍ程度であり、静電集塵に適した上記の電気抵抗率ρの範囲から低い方に外れていることが確認された。なお、電気抵抗率ρの測定法は上記の静電気ハンドブック（４８６ページ、図１３・２０）に記載の方法を採用した。
【００４９】
図９に示す上記第２実施例装置で行った試験方法は，ディーゼルエンジンからの排気ガスをガス配管を経由して第２実施例の排気ガス処理装置に導いてＰＭを捕集除去した後，排ガスを外気へ放出した。試験に使用した主な装置はディーゼルエンジン，動力計，スモークメータおよび圧力計である。ディーゼルエンジンは自動車用エンジン（いすゞエルフ搭載エンジン，型式４ＨＦ１，４３００ＣＣ）を用い，エンジンへの負荷は動力計（明電社製，渦電流式動力計）により所定のトルクと回転数を与え，排気ガスの煙濃度は光学式スモークメータ（堀場製作所製，ＭＥＸＡ−１３０Ｓ）を用いて測定し下記に示す定義式から捕集効率ηを算出し，排気ガス処理装置の入り側と出側に設置した圧力計の差圧から排気ガス処理装置の圧損を算出した。捕集効率について下記の数式
捕集効率＝｛１−(排ガス処理装置通過後の排ガス煙濃度)／(エンジンからの排ガス煙濃度)｝×１００（％）
と定義している。エンジンの運転条件は回転数１１００ｒｐｍ，トルク＝１７０Ｎ・ｍの一定の負荷条件とし，また燃料は軽油（ＪＩＳ２号）を使用した。排気ガスの電気式処理装置６１の主寸法は幅２００ｍｍ，高さ２００ｍｍ，長さ２５０ｍｍであり，サイクロン集塵機６２の主寸法は円筒内径１８５ｍｍ，高さ８００ｍｍであり，電極針への直流電圧はマイナス４万ボルトを印加した。
図９に示す上記第２実施例装置で行った試験の経過についてさらに詳細に説明する。
先ず、捕集板のベース板７１−１ａと本体内壁６１−１に導体（ステンレス鋼板）を用いて試験をした。その結果、試験開始から延べ３０時間程度を経過しても、ＰＭはほとんど捕集板および本体内壁に付着している様には見えず、捕集効率としては殆ど成果が見られず、この段階においては従来の定説が裏付けられたかに見えた。しかしながら、捕集板の表面を仔細に観察すると、極微量ではあるがその壁面にＰＭが付着していることが観察され、その後、さらに捕集試験を継続すると、ある段階からＰＭ付着量が加速度的に増加する現象を発見した。感覚的な表現を借りると“ＰＭがＰＭを呼び込む”即ち煤が煤を呼ぶ感があり、結果的に捕集効率は約３５％とかなり高いレベルに達した。
この現象については次のように説明できる。即ちＰＭの付着量が増加し、その付着層がある程度の厚みに達すると、個々の粒子の電気抵抗率ρは低いものの、付着堆積層としての電気抵抗率ρは比較的高くなるものと考えられる。その結果、電気集塵に適した抵抗値の条件が不十分ながらも満たされるようになるものと考えられ、しかしながら、それ以上の高い捕集効率は得られず、この段階ではまだ電気集塵に適した抵抗値には達せず、結果的に付着堆積層の付着力が弱く剥離し易いものと推定された。
【００５０】
本発明者は上記の試験結果に着目してベース板７１−１ａの構造を図１０−（ｂ）に示すように２層構造とすることにした。即ち、コロナ放電の電極針に向き合う側の面にはセラミックス等の絶縁体材料７１−１ａ−１を配置し，その裏面にはアースしたステンレス鋼等の導体材料７１−１ａ−２を配置する。同図に示すベース板構造によると、電極針から発する電気力線（電界）は絶縁体材料７１−１ａ−１を通過して導体材料７１−１ａ−２に達するが、その結果帯電したＰＭ粒子は前記電界のクーロン力によってベース板７１−１ａに向かって移動し、ベース板の７１−１ａ−１壁面に到達する。一旦ベース板７１−１ａ−１壁面に到達したＰＭは、捕集面が絶縁体材料７１−１ａ−１であるところから、該ＰＭに帯電した電荷は逃げ場を失い長期間壁面への付着力を保持し、効率よくＰＭを捕集堆積することができる。このように２層構造のベース板７１−１ａによって、ＰＭの電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも効率よくＰＭを捕集することが可能となる。また、本実施例装置における格子状フィン７１−１ｂはセラミック等の絶縁体とすることが望ましく、本体壁６１−１の内壁も前記ベース板７１−１ａと同じ２層構造とすることがさらに望ましい。即ち、排ガスに接する本体内壁面を絶縁体材料とし、その裏面にはアースした導体材料を配置することにより、本体内壁面においても帯電したＰＭ粒子を効率良く捕集することを可能とし、その結果、捕集効率は約７０〜８０％と満足すべき結果を達成することができた。なお、この条件で３０時間の長時間連続試験を３回実施したが、３回とも約７０〜８０％の高い捕集効率を達成しうることが確認された。また、図１０に示すこの２層構造のベース板７１−１ａによれば、試験開始直後から高い捕集効率が達成できることも併せて確認された。また，排ガス処理装置の圧損は試験期間中ほぼ５ｋＰａと一定で低い値であった。
【００５１】
上記図９、図１０に示す第２実施例とその装置を用いた試験によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の場合は、ベース板７１−１ａに捕集されたＰＭの堆積量が増えてある限界量（約１ｍｍ程度の堆積厚さ）を超えると、自然に層状に脱落し、その脱落した粗大粒のＰＭはこの排気ガス用電気式処理装置６１の後段に配設したサイクロン集塵機６２により捕集される。上記の第２実施例においては，捕集板ベース板７１−１ａへのＰＭの捕集堆積，次いで堆積層が層状に脱落し，層状脱落した粗大粒ＰＭが最終的に後段のサイクロン集塵機６２に捕集される，この一連の繰り返しが第２実施例の捕集メカニズムであることが試験観察の結果明らかとなり，前記試験の条件では層状脱落する時間間隔は約２〜３時間であることが確認された。サイクロン集塵機６２に捕集されたＰＭは、定期的に取出して回収してもよく、また該サイクロン集塵機に加熱ヒーター等を設置して、運転中あるいは停機時に燃焼してもよい。
【００５２】
なお、本実施例の上記排気ガス用電気式処理装置６１に付随して、サイクロン集塵機６２の前段に、図１１に示すような粒子凝集粗大化手段としてハニカム構造の粒子凝集管８０が設置されるが、該粒子凝集管８０はガスＧ１流れの速度勾配による凝集作用を利用したもので、排気ガスをこのハニカム構造の粒子凝集管８０内を通過させると、その際に発生する境界層の速度勾配で効率よく衝突凝集が行われる。また、図１２に示す粒子凝集板９０は、乱流による凝集作用を利用したもので、パンチングメタル９０−１を複数枚（本例においては３枚）所望の間隔を設けて配置し、排気ガスＧ１をこの３枚のパンチングメタル９０−１で構成した粒子凝集板９０を通過させることにより、強い乱流が発生し効率よく衝突凝集が行われる。乱流による凝集作用を起こさせる方法としては、前記パンチングメタルに替えて、金網あるいは金属細線を３次元的に束ねたもの等を用いることも可能である。本発明にかかわる上記実施例においては、上記したハニカム構造の粒子凝集管８０あるいは粒子凝集板９０等の粒子凝集粗大化手段を用いることによって、排気ガス用電気式処理装置６１を出たＰＭ粒子をさらに大きな粒子に成長させることができるので、後段のサイクロン集塵機６２での捕集効率が大幅に向上する。
【００５３】
一方、本発明係る上記実施例による排気ガスの電気式処理装置に設置されるそれぞれの捕集板、即ち捕集板３、３ａ、３ｂ、３ｃ、７１−１を保守点検する方法としては、図１３にその一実施例を示すように、排気ガスの電気式処理装置６１の上流側と下流側間に、排気ガス用電気式処理装置の存在しないバイパス管路５５を併設して配管し、上流側の排気ガス管路に設けた切替弁Ｖを使って排気ガスの流れを制御して、ＰＭ捕集と保守点検を行う方法を採用することができる。即ち、排気ガスの電気式処理装置６１によりＰＭ８の捕集を行う場合は、切替弁ＶにてＡルートを使用し、捕集板の保守点検を行う場合は、切替弁Ｖにてバイパス管路５５のＢルートを使用する。なお、Ｂルートのバイパス管路５５には排気ガス用電気式処理装置がないため、当該ルートの使用時にはＰＭは捕集されずに排出されるが、捕集板の保守点検時間は比較的短時間であるため大気汚染等の実害は、殆ど無視できる範囲に止まることが確認された。
【００５４】
なお、図示を省略するが上記図１３に示す保守点検方式以外にも、例えば前記Ｂルートのバイパス管路５５にも排気ガス用電気式処理装置６１を設置し、捕集と保守点検を交互に行う方式、あるいは排気ガス用電気式処理装置６１を２基直列に設置し、捕集と保守点検を交互に行う方式等があり、このうち排気ガス用電気式処理装置６１を２基直列に設置する方式は、ＰＭ８の捕集効率が高くなる上、一方の排気ガス用電気式処理装置が故障した場合でも他方の装置により捕集できるので、大気汚染防止対策の面からはより安全で優れたものとなる。
【００５５】
一方、図１４に示すように排気ガスの電気式処理装置６１を並列状態で配置し、その下流側にサイクロン集塵機６２を配設して、排気ガスＧ１の流れの上流側に設けた切替弁Ｖ１を作動して排気ガスＧ１の流れを制御し、両排気ガスの電気式処理装置を交互に使用する構造とすることもできる。この場合、一方の排気ガスの電気式処理装置６１はＰＭを捕集するために本来の稼働を続行し、他方の電気式処理装置６１にはメンテナンスが施される。また、並列する２台の排気ガス処理装置を同時にＰＭの捕集に使用することも可能であり、さらに、図１４に示す構造に加えて排気ガス処理装置６１を、３台以上の複数台追加して配置することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置は、排気ガス中のＰＭを確実に捕集しかつ酸化除去できることは勿論、該装置に種々の触媒技術を組合せることにより、ＰＭ以外の有害ガス成分も効率よく除去することができ、さらにサイクロン集塵機や粒子凝集粗大化手段を組合せるとより効果的にＰＭ粒子を捕集できると同時に、理想的なメンテナンスフリーも実現可能であるところから、船舶、発電機、大型建機並びに自動車用ディーゼルエンジンのみならず、有害成分を含有する各種排ガスの浄化処理にも幅広く適用可能であり、大気汚染に起因する公害防止の面で多大に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第１実施例装置を示す概略図である。
【図２】同上の第１実施例装置における放電極の電極針とシール管先端部の構造を示す説明図で、（ａ）は多層構造の被膜で覆われた電極針を含む放電極先端部全体を示す模式的な側面図、（ｂ）は同電極針の先端部分における第２層導体被覆までを示す模式的な要部側面図、（ｃ）は同図（ｂ）における電極針のＲｃ領域の模式的な横断面図、（ｄ）は同図（ｂ）における電極針のＲａ領域の模式的な横断面図、（ｅ）は同図（ａ）における電極針のＲａ領域中間部分の模式的な横断面図である。
【図３】同上の第１実施例装置におけるシールガス管の他の実施例を示す概略図である。
【図４】同上の第１実施例装置におけるシールガス管の別の実施例を示す概略図である。
【図５】同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板を示す概略説明図である。
【図６】同上の第１実施例装置におけるＰＭ捕集板の貫通孔の説明図で、（ａ）はＰＭ捕集板の貫通孔の位置および孔径を示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図７】同上の第１実施例装置における他のＰＭ捕集板を示す概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】本発明装置における捕集板のＰＭ酸化除去手段の一例を示す概略説明図である。
【図９】本発明に係るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理装置の第２実施例装置（サイクロン集塵機付き）を示す概略図である。
【図１０】図９に示す第２実施例装置における捕集板を拡大して示し、（ａ）はベース板に格子状フィンを配置した概略斜視図、（ｂ）はベース板の単体を示す模式的な斜視図である。
【図１１】図９に示す第２実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、本図はハニカム構造の粒子凝集管を示す概略斜視図である。
【図１２】同じく図９に示す第２実施例装置におけるサイクロン集塵機の前段に設置する粒子凝集粗大化手段を例示したもので、本図はパンチングメタルを複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板を示す概略斜視図である。
【図１３】本発明装置における捕集板の保守点検方法の一実施例を示す概略図である。
【図１４】本発明装置において、少なくとも２基の排気ガス電気的処理装置を、同一系内に並列状態で配置して用いる例を示す概略図である。
【図１５】本発明の対象とする従来のディーゼルエンジンの排気ＰＭ捕集装置の一例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  排気ガス通路
１−１、６１−１  本体壁
２  放電帯電部
２−１  コロナ放電部
２−２  帯電部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、７１−１  捕集板
４  電極針
４−ａ  第１層絶縁体被覆
４−ｂ  第２層導体被覆
４−ｃ  第３層絶縁体被覆
４−ｄ  アース導体線
５  シールガス管
５−１  整流部材
５−２  ダミー管部
６  高圧電源装置
７  排気ガス誘導管
８  ＰＭ
９  保持棒シール管
１０  コロナ電子
４０  切替スイッチ
４０ａ、４０ｂ  端子  
４１  加熱電源装置  
５５  バイパス管路
６１  排気ガスの電気式処理装置
６２  サイクロン集塵機
８０  粒子凝集管
９０  粒子凝集板
Ｇ１  排気ガス
Ｇ２  シールガス
Ｐｃ  ポテンシャルコア
Ｖ、Ｖ１  切替弁
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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