(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質および窒素酸化物の双方を除去可能で、構造が簡素化され、かつ、小型化された内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】粒子状物質と窒素酸化物質とを含む内燃機関の排気ガスが一端から導入される円筒管３と、円筒管３に軸方向に沿って設けられた中心電極５および円筒電極４と、中心電極５を負極性とする中心電極５および円筒電極４間の直流の印加と、中心電極５への交流の印加とを選択的に切り換える切換器２０とを有し、電極４，５間への直流の印加によって発生するコロナ放電により、中心電極５上に粒子状物質を集塵するとともに、窒素酸化物質を硝酸に変換し、中心電極５への交流の印加によって中心電極を加熱し、集塵された粒子状物質を焼却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状物質と窒素酸化物質とを含む内燃機関の排気ガスが一端から導入される管体と、
前記管体内に軸方向に沿って設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極を負極性とする前記第１および第２の電極間の直流の印加と、前記第１の放電電極への交流の印加とを選択的に切り換える切換手段とを有し、前記第１および第２の放電電極間への直流の印加によって発生するコロナ放電により、前記第１の電極上に前記粒子状物質を集塵するとともに、前記窒素酸化物質を硝酸に変換し、前記第１の電極への交流の印加によって当該第１の電極を加熱し、集塵された前記粒子状物質を焼却する
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
コロナ放電により前記管体内に発生したミスト状の硝酸を補集、除去するフィルターをさらに有する
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の電極は、前記管体の内周に挿入される筒状部材からなり、
前記第１の電極は、前記筒状部材の中心軸に沿って配置された、らせん状部材からなる
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、ニクロム線材から形成されている
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中の粒子状物質（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）の補集・除去方法に関しては、たとえば、コロナ放電を利用して粒子状物質ＰＭを集塵する排気ガス処理装置や（特許文献１参照）、コロナ放電を利用して粒子状物質ＰＭを集塵し、集塵した粒子状物質を焼却して除去する粒子状物質除去装置（特許文献２参照）等が知られている。
また、たとえば、放電電極と集塵電極とを備え、プラズマを利用して粒子状物質だけでなく窒素酸化物（ＮＯｘ）をも同時に除去する技術も知られている（特許文献３，４参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８２５２６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４７２１８号公報
【特許文献３】
特開２００２−２１３２２８号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２１０２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス中の粒子状物質および窒素酸化物を除去する排気浄化装置を実際にディーゼルエンジン等の内燃機関に適用するには、排気浄化装置を簡易な構造とし、また、小型化する必要がある。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質および窒素酸化物の双方を除去可能で、構造が簡素化され、かつ、小型化された内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、粒子状物質と窒素酸化物質とを含む内燃機関の排気ガスが一端から導入される管体と、前記管体内に軸方向に沿って設けられた第１および第２の電極と、前記第１の電極を負極性とする前記第１および第２の電極間の直流の印加と、前記第１の放電電極への交流の印加とを選択的に切り換える切換手段とを有し、前記第１および第２の放電電極間への直流の印加によって発生するコロナ放電により、前記第１の電極上に前記粒子状物質を集塵するとともに、前記窒素酸化物質を硝酸に変換し、前記第１の電極への交流の印加によって当該第１の電極を加熱し、集塵された前記粒子状物質を焼却する。
【０００７】
好適には、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、コロナ放電により前記管体内に発生したミスト状の硝酸を補集、除去するフィルターをさらに有する。
【０００８】
さらに好適には、前記第２の電極は、前記管体の内周に挿入される筒状部材からなり、前記第１の電極は、前記筒状部材の中心軸に沿って配置された、らせん状部材からなる。
【０００９】
本発明では、管体に導入された内燃機関の排気ガスの粒子状物質は、第１および第２の電極間の直流の印加によって発生するコロナ放電により、第１の電極上に集塵される。同時に、排気ガス中の窒素酸化物質（ＮＯｘ）は、コロナ放電下で酸化され、ＮＯ２　となったのち、排気ガス中の水分と結合し、硝酸が生成される。
第１の電極への粒子状物質の付着が進行すると、スパークが発生してコロナ放電が成立しなくなるので、切換手段によって第１の電極に交流を印加し、加熱する。これにより、粒子状物質が焼却され、第１の電極の粒子状物質を集塵する能力が再生される。
第１および第２の電極間の直流の印加と第１の電極への交流の印加とを繰り返し行うことにより、排気ガス中の粒子状物質および窒素酸化物質の集塵と、集塵した粒子状物質の焼却（第１の電極の再生）とが繰り返される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
図１において、排気浄化装置１は、放電管２と、切換器２０と、フィルター３０と、直流電源２５と、交流電源２６とを有する。なお、切換器２０は本発明の切換手段の一実施態様である。
【００１１】
放電管２は、円筒管３と、円筒電極４と、中心電極５と、蓋部材６，７と、支持部材８とを有する。なお、円筒管３は本発明の管体の一実施態様であり、中心電極５は本発明の第１の電極の一実施態様であり、円筒電極３は本発明の第２の電極の一実施態様である。
【００１２】
円筒管３は、たとえば、テフロン（登録商標）等の電気絶縁性の材料で形成されている。この円筒管３の寸法は、たとえば、外径が数十ｍｍ、長さが数百ｍｍである。
【００１３】
円筒電極４は、円筒状を有し、円筒管３の内周に嵌合し、固定されている。この円筒電極４は、たとえば、ＳＵＳ３０４等の耐腐食性の金属で形成されている。
円筒電極４の寸法は、たとえば、内径が５４ｍｍ、長さが３２０ｍｍ程度である。
また、円筒電極４は導電線によって，切換器２０に電気的に接続されている。
【００１４】
中心電極５は、円筒電極４の中心部に挿入されており、各端部が蓋部材７および支持部材８によって支持されている。
この中心電極５は、たとえば、ニクロム線をらせん状に成形し、軸状にしたものである。中心電極５の中心部には、たとえば、ピアノ線を入れた石英ガラス管が芯材として入っている。中心電極５の寸法は、たとえば、ニクロム線の直径が０．５ｍｍで、外径が４．６ｍｍ、長さが３２０ｍｍ程度である。
【００１５】
蓋部材６は、円筒管３の一端部に固定され、円筒管３の一端部を閉塞している。この蓋部材６は、たとえば、テフロン等の電気絶縁性の材料で形成され、排気ガスＥｘＧが導入される導入口６ａを備えている。
導入口６ａから導入される排気ガスＥｘＧは、たとえば、ディーゼル機関の排気ガスである。この排気ガスには、黒煙（カーボン）等の粒子状物質および窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。
【００１６】
蓋部材７は、円筒管３の他端部に固定され、円筒管３の他端部を閉塞している。この蓋部材７は、たとえば、テフロン等の電気絶縁性の材料で形成され、円筒管３内のガスＧが排出される排出口７ａを備えている。
【００１７】
支持部材８は、円筒管３の一端部に挿入され、貫通穴８ａを有する。この貫通穴８ａによって、中心電極５の一端部を支持するとともに、蓋部材６の導入口６ａから導入される排気ガスＥｘＧを円筒管３内に導く。
【００１８】
切換器２０は、直流電源２５および交流電源２６と電気的に接続されているとともに、円筒電極４および中心電極５に電気的に接続されたスイッチ２１と、中心電極５の両端部に接続されたスイッチ２２とを有する。
スイッチ２１が導通すると、円筒電極４は直流電源２５の正極に接続され、中心電極５は直流電源２５の負極に接続され、円筒電極４と中心電極５との間に直流電圧が印加される。円筒電極４と中心電極５との間に直流電圧が印加されると、コロナ放電が発生する。
スイッチ２２は、スイッチ２１が導通した状態では開放され、スイッチ２１が開放されると導通する。スイッチ２２が導通すると、交流電源の各端子が中心電極５の両端部に接続され、中心電極５に交流電圧が印加される。中心電極５に交流電圧が印加されると、中心電極５は加熱される。
【００１９】
直流電源２５は、たとえば、３５ｋＶ，３ｍＡの直流電力を供給する。
交流電源２６は、たとえば、４００Ｗ（１００Ｖ，４Ａ）の交流電力を供給する。
【００２０】
フィルター３０は、放電管２から排出されるガスＧに含まれるミスト状の硝酸（ＨＮＯ３　）を除去する。また、除去した硝酸を中和剤によって中和する処理を行い、清浄化されたガスＣＧを排出する。
【００２１】
次に、上記構成の排気浄化装置１の動作の一例について説明する。
まず、切換器２０のスイッチ２１を導通状態にし、直流電源２５から３５ｋＶ程度の高い直流電圧を中心電極５と円筒電極４との間に印加し、コロナ放電が発生した状態とする。この状態で、たとえば、ディーゼル機関からの排気ガスＥｘＧを導入口６ａを通じて円筒管３内に導入する。
排気ガスＥｘＧを放電管２に導入するときの温度は、たとえば、約５０℃以下に冷却する。硝酸は約８０℃で分解しはじめるため、硝酸の分解により再びＮＯｘが生成されるのを防ぐためである。また、コロナ放電を通過するときに、排気ガスＥｘＧは放電場で多少は加熱されるので、約８０℃よりも充分に低い温度の約５０℃以下にした排気ガスＥｘＧを導入口６ａを通じて円筒管３内に導入する。
【００２２】
円筒管３内に導入された排気ガスＥｘＧに含まれる粒子状物質ＰＭは、コロナ放電が発生した中心電極５に電気的に吸い寄せられ、中心電極５に付着する。これにより、排気ガスＥｘＧ中の粒子状物質ＰＭが除去される。
【００２３】
一方、円筒管３内に導入された排気ガスＥｘＧに含まれる窒素酸化物（ＮＯ）は、コロナ放電下で活性化され、活性化された窒素酸化物（ＮＯ）は酸化されてＮＯ２　となる。さらに、このＮＯ２　は排気ガスＥｘＧ中の水分と結合して、ＨＮＯ３　となる。これにより、排気ガスＥｘＧ中から粒子状物質ＰＭおよび窒素酸化物の双方が除去されることになる。
このＨＮＯ３　は、ミスト状で生成され、排出口７ａを通じて放電管２から排出されるガスＧとともにフィルタ３０に導入される。
【００２４】
フィルタ３０では、ガスＧに含まれるミスト状の硝酸（ＨＮＯ３　）が除去される。このとき、硝酸を中和処理する。
【００２５】
上記の排気ガスＥｘＧ中からの粒子状物質ＰＭおよび窒素酸化物の双方の除去を継続すると、中心電極５に付着した粒子状物質ＰＭの付着量が増大する。中心電極５への粒子状物質ＰＭの付着量が増えると、スパークが発生しやすくなり、コロナ放電が成立しなくなる。たとえば、実験では、約６０分程度コロナ放電を継続すると、スパークが発生した。
【００２６】
このため、スパークが発生する前に、切換器２０のスイッチ２１を開放しスイッチ２２を導通することにより、交流電流を中心電極５に流す。中心電極５に交流を流すと、発熱し、付着した粒子状物質ＰＭを焼却する。付着した粒子状物質ＰＭの加熱、焼却に要する時間は、数秒〜数十秒であり、粒子状物質ＰＭを継続して除去する時間に比べて非常に短時間である。
中心電極５に付着した粒子状物質ＰＭを焼却することにより、中心電極５と円筒電極４との間には再び安定したコロナ放電が発生可能な状態となる。
【００２７】
中心電極５に付着した粒子状物質ＰＭを焼却したのち、再び、切換器２０のスイッチ２１を導通状態にし、直流電源２５から３５ｋＶ程度の高い直流電圧を中心電極５と円筒電極４との間に印加することにより、粒子状物質ＰＭおよび窒素酸化物の双方の除去を行う。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、中心電極を負極性とするマイナスコロナ放電を用い、燃焼によりプラスに帯電した粒子状物質を中心電極上に集塵し焼却する。これにより、一本の放電管２内で粒子状物質ＰＭおよび窒素酸化物の双方を除去することができ、また、集塵した粒子状物質ＰＭを中心電極５の加熱により焼却できるため、構造が非常に簡素化される。
【００２９】
また、本実施形態では、ニクロム線でらせん状に成形された中心電極５を用いている。このため、直線状の電極を用いる場合と比べて、粒子状物質ＰＭを付着する面積を大きくすることができ、集塵効率を大幅に向上させることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、窒素酸化物を還元剤を用いて除去するのではなく、コロナ放電下で活性化された窒素酸化物の酸化によって、ミスト状の硝酸に変換し、これをフィルタ３０によって除去するため、腐食等の問題が発生しない。
【００３１】
また、本実施形態では、窒素酸化物の除去量を中心電極５と円筒電極４とに入力する電力に応じて調整することができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンの場合を例に挙げて説明したが、本発明は車両に搭載されたディーゼルエンジンに限定されるわけではなく、据置タイプの発電機に使用されるディーゼルエンジン等にも適用でき、また、ディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンにも適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質および窒素酸化物の双方を除去可能で、構造が簡素化され、かつ、小型化された内燃機関の排気浄化装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１…排気浄化装置
２…放電管
３…円筒管
４…円筒電極
５…中心電極
６，７…蓋部材
８…支持部材
２０…切換器
２１，２２…スイッチ
２５…直流電源
２６…交流電源
３０…フィルタ
【図１】
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