(57)【要約】【課題】内燃機関からの排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集・除去するための排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】線状電極又は筒状電極から選ばれる中心電極、及びこの中心電極の周囲をトンネル状に取り囲み、相互に非接触の状態に少なくとも３以上の筒状電極を配置した多重筒状電極を含んで排ガス浄化装置を構成し、かつ中心電極及び筒状電極の各電極を、中心電極から外側方向に向け、交互にカソード又はアノードとし、中心電極及び筒状電極の間に電圧を印加して放電させる。さらに、中心電極、及び筒状電極の表面に、粒子状物質を燃焼させるための触媒を担持することが好ましい。【選択図】　　　図１
2004028026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状電極又は筒状電極から選ばれる中心電極、及び前記中心電極の周囲をトンネル状に取り囲み、相互に非接触の状態に配置された少なくとも３以上の筒状電極を含む多重筒状電極を含み、かつ、前記中心電極及び前記筒状電極の各電極を、前記中心電極から外側方向に向け、交互にカソード又はアノードとし、前記電極間に電圧を印加して放電させることにより、内燃機関からの排ガス中に存在する粒子状物質を静電捕集により除去することを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記中心電極、及び前記筒状電極の表面に、前記粒子状物質を燃焼させるための触媒を担持したことを特徴とする、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等からの排ガスの浄化装置に関するものであって、特に、排ガス中に含まれる、主に炭素からなる粒子状物質（パティキュレート：以下「ＰＭ」ともいう。）を除去するための排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のうち、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、炭化水素等とともに、ＰＭの排出を低減することが強く望まれている。そのため、エンジンの改良及び燃焼条件の最適化等により根本的にＰＭの発生を低減させる技術とともに、排ガス中のＰＭを効率的に除去する技術の確立が望まれている。
【０００３】
ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置として、従来から、放電を利用したＰＭ除去のための装置が知られている。例えば特許第２６９８８０４号公報には、ニードル電極及び偏向電極を囲んで配置した捕集電極を備え、電極間の放電によりディーゼルエンジン排気中のＰＭを帯電させ、帯電したＰＭを捕集電極に捕集する装置が開示されている。特公平７−２９３２２７号公報には、網状等の放電電極、及び酸化セリウム又は白金属触媒を担持した金属製セル状受電極を対向配置して構成され、排ガス中の汚染分子である窒素酸化物、炭化水素の除去効率向上を目的とした排ガス浄化装置が開示されているが、ＰＭを捕集することについての記載はない。特開平７−２６５６５２号公報には、プラズマ法によりＮＯｘ、ＳＯｘをＮＯ２、ＳＯ３へ酸化し、捕集しやすい形態に変化させるための、ワイヤ型放電電極とハニカム状の対向電極からなる排ガス浄化装置が開示されている。また、特開平５−５９９３４号公報には、直線状のタングステン材からなる放電電極と、円筒状の受電極からなる排ガス浄化装置が開示されている。
【０００４】
これらの放電を利用した排ガス浄化装置は、いずれも排ガス中のＰＭを帯電させて排ガス中から捕集・除去する効果はあるものの、そのＰＭ除去能力は充分とはいえず、さらに高いＰＭ除去能力を有する排ガス浄化装置が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガスを浄化するための、ＰＭ除去能力の高い排ガス浄化装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の排ガス浄化装置は、線状電極又は筒状電極から選ばれる中心電極、及び前記中心電極の周囲をトンネル状に取り囲み、相互に非接触の状態に配置された少なくとも３以上の筒状電極を含む多重筒状電極を含み、かつ、前記中心電極及び前記筒状電極の各電極を、前記中心電極から外側方向に向け、交互にカソード又はアノードとし、前記電極間に電圧を印加して放電させることにより、内燃機関からの排ガス中に存在する粒子状物質を静電捕集により除去することを特徴とする。
【０００７】
さらに本発明の排ガス浄化装置において、前記中心電極、及び前記筒状電極表面に、前記粒子状物質を燃焼させるための触媒を担持することが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、放電電極を含む排ガス浄化装置において、この放電電極を、線状電極又は筒状電極から選ばれる中心電極、及びこの中心電極の周囲をトンネル状に取り囲み、相互に非接触の状態に配置された少なくとも３以上の筒状電極を含む多重筒状電極を含んで構成し、かつ、この中心電極及び筒状電極の各電極を、中心電極から外側方向に向け、交互にカソード又はアノードとして電極間に電圧を印加して放電させると、この装置を通過する排ガス中のＰＭが極めて効率良く除去でき、かつ長時間にわたり、電極間の放電不良を起こすこともないことを見出した。
【０００９】
本発明は、この知見、及び、上記の多重筒状電極を含んで構成される排ガス浄化装置において、排気ガスと接触する、上記中心電極及び筒状電極の表面に、粒子状物質を燃焼させるための触媒（以下「ＰＭ燃焼触媒」という。）を担持することにより、ＰＭ燃焼触媒、及び上記電極間の放電によって排ガス成分中に発生する活性酸素、オゾン、ＮＯｘ、酸素ラジカル、ＮＯｘラジカル等の酸化力の強いガス成分の複合作用によって、電極に捕集されたＰＭの燃焼除去が促進でき、これにより上記中心電極及び筒状電極へのＰＭの堆積を防止することによって、長時間にわたり多重円筒電極において、安定した放電が得られ、高いＰＭ除去能力を発現できるという考え方に基づき完成されたものである。
【００１０】
以下本発明を、図１に示した本発明の排ガス浄化装置の概念図に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１１】
図１において、１０は多重筒状電極である。多重筒状電極１０は、中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０を含む。ここで図１は、筒状電極を３つ含む例を示しているが、さらに多くの筒状電極を含むことができる。中心電極２０の周囲を取り囲んで筒状電極３０、４０、５０を相互に非接触の状態でトンネル状に配置する。これら中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０は、電極相互の位置を固定するための固定具６０により、図１に示した多重筒状電極１０の左右両端で固定する（図１の多重筒状電極１０右端の固定具は、図１の多重筒状電極１０左端に配置した固定具６０と対称に配置するが、図１には現わしていない。）。
【００１２】
中心電極２０及び筒状電極４０を、電圧発生器（図示しない）のカソード８０に接続し、筒状電極３０及び５０を電圧発生器（図示しない）のアノード７０に接続する。
【００１３】
ＰＭを含む排ガスは、図１の左方向から右方向に流れ、多重筒状電極１０が取り囲む空間内を通過する。中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０の排ガスと接触する面には、ＰＭ燃焼触媒を担持することが好ましい。
【００１４】
多重筒状電極に電圧を印加すると、電極間に放電が起こり、多重筒状電極１０が取り囲む空間内を通過する排ガス中のＰＭは帯電する。帯電したＰＭは、静電捕集により多重筒状電極１０を構成する各電極表面に捕集され、放電によって排ガス中に発生したオゾン等の酸化力の強いガスの作用、又は電極間に高電圧を印加することによるＰＭの局所的燃焼作用や、中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０に担持したＰＭ燃焼触媒によって燃焼除去される。
【００１５】
以下に図１に例示した、排ガス浄化装置を構成する各部についてさらに具体的に説明する。
【００１６】
中心電極及び筒状電極は、これら電極間に電圧を印加することによって放電を起こすことができる材料を用いて製造することができる。その材料としては、導電性の材料及び半導体等の材料を用いることができるが、金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ等を用いることが好ましく、特にステンレスがコストと耐腐食性に優れている点から好ましい。
【００１７】
中心電極は、金属性ワイヤー等の線状電極、金属棒等の棒状電極、金属管等の中空棒状電極、又は筒状電極を用いることが好ましく、線状電極、棒状電極、又は中空棒状電極を用いると、良好な放電が得られるため、特に好ましい。
【００１８】
筒状電極は、円筒状、楕円筒状、多角形筒状等の形状を有するものを用いることができるが、特に円筒状であることが好ましい。円筒状電極を用いて、多重筒状電極を構成した場合は、隣接する電極間のすきまを均一にすることができるため、部分的な放電を避けることができ、電極全体に均一な放電が得られる。図１には円筒状電極を用いた場合を図示した。
【００１９】
筒状電極の数を増やすと、電極間の隙間が狭くなり、かつ多重筒状電極全体での電極の表面積が大きくなるため、ＰＭの捕集・除去には有利である。
【００２０】
排ガスと接触する、中心電極及び筒状電極の表面には、ＰＭ燃焼触媒を担持することが好ましい。担持するＰＭ燃焼触媒としては、ＰＭ燃焼を促進する能力を有することが知られている金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２等の１種以上を用いることが好ましく、ＰＭ燃焼能力が高いことからＣｅＯ２を用いることが特に好ましい。これらの金属酸化物は、たとえばウォッシュコート等の金属酸化物を担持するための公知の方法を使用して、中心電極及び筒状電極に担持することができる。担持する金属酸化物の量は、担持可能な範囲内で任意に選択できる。中心電極及び筒状電極の表面に、ウォッシュコートによって金属酸化物を担持した場合は、さらに電極を焼成することが好ましい。焼成条件は、当業者により公知の条件が使用できるが、４５０〜５５０℃で焼成することが好ましい。
【００２１】
中心電極及び筒状電極の表面に金属酸化物を担持した後、この金属酸化物表面に、さらに遷移金属及び／又は貴金属を含む金属を担持することができ、金属酸化物のみを担持した場合よりもＰＭ燃焼能力が向上することから、さらに好ましい。
【００２２】
金属酸化物に担持する金属は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ等の遷移金属、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ等の貴金属、及びＬｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属が好ましく、これらの金属は、１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。ＰＭ燃焼能力を高くすることができることから、特にＰｔ、Ｐｔ−Ｋ、Ｍｎを用いることが好ましい。上記金属は、金属酸化物に対し、１〜２０質量％、好ましくは１〜５質量％担持することが好ましい。
【００２３】
金属酸化物表面への金属の担持は、公知の方法で行うことができる。例えば、担持しようとする金属の金属塩又は錯塩の水溶液を用い、金属酸化物に吸水担持させた後、乾燥、焼成する方法によって担持することができる。
【００２４】
中心電極及び筒状電極の表面にＰＭ燃焼触媒を担持することによって、電極に捕集されたＰＭの燃焼除去を促進でき、これにより上記電極へのＰＭの堆積を防止することによって、多重筒状電極において、長時間にわたり安定した放電が得られ、排ガス浄化装置のＰＭ除去能力を維持することができる。
【００２５】
図１において、中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０は、固定具６０によって、相互に非接触の位置に固定している。この固定具は、絶縁性であることが必要であり、セラミックス、ガラス等によって製造することが好ましい。図１の固定具６０は、１枚につき楔形切り欠き部２カ所を有するセラミックス製平板を、多重筒状電極の開口部の片側につき４枚ずつ用い、セラミックス製平板の両端をそれぞれ中心電極２０及び筒状電極５０に接着固定し、セラミックス製平板の楔形切り欠き部２カ所に、それぞれ筒状電極３０及び４０の端を嵌めて接着することにより、中心電極及び筒状電極の位置を固定するセラミックス製固定具の例を示したが、本発明はこれに限定されない。
【００２６】
図１において、中心電極２０及び筒状電極３０、４０、５０の間に放電を起こさせるため、電圧発生器（図示しない）により、これらの電極間に電圧を印加する。印加する電圧は、直流電圧が好ましく、直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるため特に好ましい。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等から一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧かつ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から好ましい。印加電圧としては、１０ｋＶ以上、好ましくは５０ｋＶ以上の電圧を使用することが好ましい。印加電圧のパルス周期は、１０ｍｓ以下、１ｍｓ以下が好ましく、０．１ｍｓ以下がさらに好ましい。
【００２７】
図１の排ガス浄化装置の多重筒状電極１０に、直流電圧又は直流パルス電圧を印加する場合、中心電極２０から外側方向に向かって、中心電極２０及び各筒状電極が交互にアノード及びカソードになるようにして、電圧を印加する。すなわち、中心電極２０をカソードとする場合は、筒状電極３０をアノード、筒状電極４０をカソード、筒状電極５０をアノードとする。中心電極２０をアノードとする場合は、筒状電極３０をカソード、筒状電極４０をアノード、筒状電極５０をカソードとする。これらの場合において、アノードはアースしてもよい。放電のためには表面積の小さなカソードが好ましいことから、中心電極２０をカソードとすることが特に好ましい。図１に示したものより多数の筒状電極を含む多重円筒電極を用いる場合も、上記同様に、中心電極及び円筒電極を交互にアノード又はカソードとして電圧を印加する。
【００２８】
以下に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２９】
【実施例】
〔実施製造例〕
直径１ｍｍ×長さ１００ｍｍのステンレス製針金を中心電極に用い、外径３０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）×長さ５０ｍｍ、直径２０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）×長さ５０ｍｍ、及び、直径１０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）×長さ５０ｍｍの３種のステンレス製円筒を筒状電極に用い、図２に示す楔形切り欠き部を有する形状の厚さ１ｍｍのコージェライト製平板を多重筒状電極の片側につき４枚ずつ、合計８枚用いて、図３に示すように上記各円筒電極端面が、中心電極を中心とした同心円上になるように配置した。このコージェライト製平板、及び各電極との接触部をジルコニア製バインダーで接着して固定した後、４５０℃×２時間、バインダーを焼成して、多重筒状電極を得た。
【００３０】
〔比較製造例〕
直径１ｍｍ×長さ１００ｍｍのステンレス製針金を中心電極に用い、外径３０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）×長さ５０ｍｍのステンレス製円筒を筒状電極に用い、中心電極及び１つの筒状電極のみを電極として含む、比較用電極を製造した。但し、中心電極及び筒状電極を固定するためのコージェライト製平板は実施製造例と同じものを用い、ジルコニア製バインダーによる固定、及び焼成による製造方法は、実施製造例と同じ方法を使用した。
【００３１】
〔排ガス浄化装置の性能評価〕
〔実施例〕
実験室用管状炉中に、加熱できるように円筒形の石英管を配置した。この石英管内に実施製造例で製造した多重筒状電極を入れ、かつこの電極に電圧発生器を接続して、排ガス浄化装置とした。石英管と電極との隙間は排ガスが漏れないようにふさぎ、石英管内に流通させる排ガスはすべて多重筒状電極内の空間を通過するようにした。
【００３２】
多重筒状電極を構成する中心電極及び直径２０ｍｍの円筒電極をカソードにし、直径１０ｍｍ及び直径３０ｍｍの円筒電極をアノードにして、電圧発生器から、電圧２０ｋＶ、パルス幅１ｍｓのパルス電圧を繰り返し周期２００Ｈｚで印加し、かつ排気量５００ｃｃの直噴ディーゼル単気筒エンジンからの排ガスを上記石英管内部に導き、排ガス浄化装置内を通過させた。
【００３３】
排ガス浄化装置を通過させた排ガス中のＰＭの除去率をスモークメーターで測定した。すなわち、排ガス浄化装置通過前の排ガスをスモークメーターによって測定した値を１００とし、排ガス浄化装置を通過させた後の排ガスをスモークメーターで測定した値との差を除去率とした。排ガス中のＰＭが全く除去されていない場合、ＰＭ除去率は０であり、排ガス中のＰＭが完全に除去された場合、ＰＭ除去率は１００である。排ガス通過開始から３０分ごとにＰＭ除去率を測定し、測定は開始から１８０分後まで行った。
【００３４】
〔比較例〕
実施例の方法に準じて排ガス中のＰＭ除去率を測定した。ただし、実施例で用いた多重筒状電極の代わりに、比較製造例で製造した比較用電極を用い、比較用電極の中心電極をカソード、直径３０ｍｍの円筒電極をアノードとして電圧を印加して、ＰＭ除去率の測定を行った。
【００３５】
実施例及び比較例で得られた結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
2004028026.tif 000003
【００３７】
表１に示した結果から、多重筒状電極を用いた排ガス浄化装置は、長時間にわたり放電不良を起こさず、ＰＭ除去率に優れていることがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の排ガス浄化装置は、中心電極及び筒状電極を含んで構成される多重筒状電極とし、さらに電極表面にＰＭ燃焼触媒を担持することによって、電極間の放電及びＰＭ燃焼触媒の作用によって、内燃機関からの排ガス中のＰＭを効果的に除去することができる。さらに、本発明の排ガス浄化装置は、電極へのＰＭの堆積による放電不良を起こしにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の排ガス浄化装置の一例を表す概念図である。
【図２】
実施例で用いた、多重筒状電極の固定具を表す模式図である。
【図３】
実施例で製造した多重円筒電極を開口部から見た模式図である。
【符号の説明】
１０…多重筒状電極
２０…中心電極
３０…筒状電極
４０…筒状電極
５０…筒状電極
６０…固定具
７０…アノード
８０…カソード
【図１】
2004028026.tif 000004
【図２】
2004028026.tif 000005
【図３】
2004028026.tif 000006