(57)【要約】【課題】電気集塵機の原理を用いて、小型で低電力、且つ、高効率で内燃機関の排気ガス中のＰＭを捕集でき、しかも、集塵電極に捕集及び堆積されたＰＭを、非常に簡単な構成で、且つ、低電力消費で効率よく燃焼除去できる内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置を提供する。【解決手段】排気ガスＧの流れと交差する方向に設けたコロナ電極１１，２１に高電圧を印加すると共に、該コロナ電極１１，２１の下流側に間隔を有して対向して設けた集塵電極１２，２２の面内に、排気ガスＧを通過させて、コロナ放電により帯電した排気ガスＧ中の粒子状物質を、集塵電極１２，２２で捕集し、集塵電極１２，２２の近傍に設けた燃焼用電極１３，２３に通電することによって集塵電極１２，２２に捕集された粒子状物質を燃焼除去する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を除去する排気ガス浄化方法であって、排気ガスの流れと交差する方向に設けた線状又は通気性を有する面状体のコロナ電極に高電圧を印加すると共に、該コロナ電極の下流側に間隔を有して該コロナ電極に対向して設けた通気性を有する面状体で形成される集塵電極の面内に、排気ガスを通過させて、コロナ放電により帯電した排気ガス中の粒子状物質を、前記集塵電極で捕集して排気ガスを浄化し、更に、前記集塵電極の近傍に設けた燃焼用電極に通電することによって前記集塵電極に捕集された粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項２】
前記集塵電極と前記燃焼用電極の間隙に排気ガス通過性を有する誘電材料を充填したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項３】
前記集塵電極が排気ガスを通過させる孔部を有し、前記孔部の直径が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項４】
前記集塵電極と前記燃焼用電極間に印加する電圧の波高値をＶとし、前記集塵電極と前記燃焼用電極間の距離をｄとして、前記集塵電極と前記燃焼用電極間距離の平均電解強度Ｅ＝Ｖ／ｄが３ｋＶ／ｃｍ以上３０ｋＶ／ｃｍ以下となるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項５】
エンジンの排気ガス中の粒子状物質を除去する排気ガス浄化装置であって、排気ガスの流れと交差する方向に設けた線状又は通気性を有する面状体のコロナ電極と、該コロナ電極の下流側に間隔を有して該コロナ電極に対向して設けた通気性を有する面状体で形成される集塵電極と、該集塵電極の近傍に設けた燃焼用電極を有して形成されると共に、前記コロナ電極にコロナ放電用の高圧電圧を供給する高電圧供給装置と、捕集された粒子状物質の燃焼用の電流を前記燃焼用電極に供給する燃焼用電流供給装置を備えたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
前記燃焼用電極を前記集塵電極の前記コロナ電極側の近傍に設けると共に、前記燃焼用電極の開孔率を、前記集塵電極の開孔率よりも大きくしたことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
前記集塵電極と前記燃焼用電極の間隙に排気ガス通過性を有する誘電材料を充填したことを特徴とする請求項５又は６記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項８】
前記集塵電極が排気ガスを通過させる孔部を有し、前記孔部の直径が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項９】
前記誘電材料の排気ガス通過用孔径が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項１０】
前記集塵電極と前記燃焼用電極間に印加する電圧の波高値をＶとし、前記集塵電極と前記燃焼用電極間の距離をｄとして、前記集塵電極と前記燃焼用電極間距離の平均電解強度Ｅ＝Ｖ／ｄが３ｋＶ／ｃｍ以上３０ｋＶ／ｃｍ以下となるようにしたことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質を、その後段で浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の除去に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
このＰＭは主に黒煙（煤）とＳＯＦと呼ばれる燃え残った燃料や潤滑油の成分からなり、ＤＰＦを使用する場合には、通常、ＰＭの粒径が小さいため、フィルタの目を細かくする必要があり、そのため、捕集したＰＭによりＤＰＦが短時間で閉塞する。この閉塞を防ぐために、捕集したＰＭを電気ヒータやバーナ等によって燃焼除去しているが、ＰＭの成分の煤の燃焼温度は通常では５００℃を超えるので、高温発生によるＤＰＦの損傷という問題がある。
【０００４】
つまり、ＰＭは酸素が存在し、燃焼温度以上に維持できれば、自己燃焼してフィルタ部分から除去できて、堆積ムラが無いようにＰＭを均等にＤＰＦに捕集（トラップ）できればＤＰＦにおける燃焼温度を制御し易いが、捕集で蓄積された煤の量が多く不均等になると、ＤＰＦにおける燃焼温度を完全に制御することができなくなり、局部的に高温部分が生じ、ＤＰＦが溶損してしまう。
【０００５】
そのため、Ｏ２  （酸素）による煤の酸化よりも、ＮＯ２  （二酸化窒素）による煤の酸化の方が低い温度で酸化できることを利用して、より低温で捕集した煤を焼却できるように、ＤＰＦの上流側に設けた酸化触媒により排気ガス中のＮＯｘの主成分であるＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ２  とし、このＮＯ２  を下流側のＤＰＦで煤と接触させることにより、２５０℃〜３５０℃前後から燃焼開始させるＰＭの浄化方法及びその装置等が開発されている。また、ＤＰＦの材料表面に酸化触媒を付与したＤＰＦも開発されている。
【０００６】
これらのＰＭの浄化方法及び装置は、高負荷時のエンジンから排出される高温の排気ガスで、捕集した煤が自動的に燃焼するので、連続再生式と呼ばれている。
【０００７】
しかし、これらのＤＰＦは、ＰＭを多く捕集するためには目地を細かくする必要があるが、細かくすると背圧が上昇し、また、目地を粗くしても、使用中にＰＭが堆積してくると、目地を細かくしたのと同様に背圧が上昇する。
【０００８】
この背圧の上昇が生じると、排気に負荷がかかり燃料消費効率や動力性能に著しい悪影響が生じ、更にＤＰＦの目詰まりが進行するとエンジンの停止を余儀なくされ、車両は走行不能となる。そのため、実用上、捕集効率に限界があるという問題がある。
【０００９】
そして、連続再生式のＤＰＦにおいても、捕集により堆積したＰＭを低い温度で焼却処理できるが、３００℃前後までであり、ＤＰＦで連続処理できる温度領域に限界がある。つまり、始動時や低負荷における走行時は十分に排気ガス温度が上昇しないため、燃料噴射におけるポスト噴射や吸気絞り等の手段で排気ガス温度を上昇させてＤＰＦを強制的に再生させるための追加機能が必要となり、幾つかの方法及び装置が提案されている。
【００１０】
この方法及び装置の一つとして、ＤＰＦに電気のプラズマ放電を利用した装置があり、この装置では、特定のプラズマ誘起体をＤＰＦの上流に設置した箇所にマイクロ波を照射することにより効果的にプラズマを発生させ、このプラズマによってフィルター上に補足した黒鉛微粒子（ＰＭ）等を３００℃〜６００℃の範囲で焼却処理するエンジン排ガスの処理方法及びその装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−３３９７３１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一方、図１３に示すように、燃焼炉などの排ガス中の煤を集塵する装置として、線状の高圧電極（コロナ電極）５１と平板状の集塵電極（非コロナ電極）５２が排ガスＧの流れと平行に配置され、コロナ放電等によって帯電した排ガス中の浮遊微粒子は、両電極５１，５２間の不平等電界によって、ドリフトさせられて集塵電極５２に引き寄せられて集塵電極５２上で捕捉される構成になっている電気集塵装置５０がある。
【００１３】
このような構成では、電極間距離を広げると、ドリフト量が大きくなり、捕集されるまでの時間が長くなるため、滞留時間を長くする必要が生じて装置が大きくなったり、これを避けるためにドリフト力を強めて短時間で捕集できるようにしようとすると、非常に高い電圧が必要になったりする。また、装置を小型化するために、電極間距離を狭めると安定なコロナ放電の発生を確保するのが困難となる。つまり、集塵を効率よく行うためには、電界による帯電粒子のドリフト速度と、電極間距離、装置内における帯電粒子滞留時間等を適切に選定する必要があり、車載搭載用の集塵装置とすることが難しいという問題がある。
【００１４】
これらの問題を解決するために、本発明者らは、線状又は通気性を有する面状体のコロナ電極と、このコロナ電極の下流側に間隔を有してコロナ電極に対向して設けた通気性を有する面状体の集塵電極を、排気ガスが通過する方向と交差する方向、好ましくは垂直方向に設けて、コロナ電極と集塵電極との間に発生させたコロナ放電を利用して、排気ガス中のＰＭの捕集する内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置を開発した。
【００１５】
この排気ガス浄化方法及びその装置では、背圧上昇を殆ど伴わずにＰＭを捕集でき、しかも、コロナ電極、集塵電極を排気ガスの流通方向と交差する方向、好ましくは、垂直方向に配置しているので、コロナ電極の近傍で帯電したＰＭを下流側の集塵電極に流れ込ませて、この集塵電極に効率よく捕集する。
【００１６】
この集塵電極としてはメッシュ状金網、パンチングメタル、エキスパンダメタル、コイル状ワイヤ、または、これら集塵電極材料の上流側表面にＤＰＦより１０倍程度以上大きな孔径を有する誘電体材料を配置したもので構成され、ＤＰＦに比べると孔径と開孔率が大きくて目詰まりし難く、また、集塵電極に捕集されたＰＭも排気ガス温度が高くなると燃焼を開始して燃焼除去されるが、排気ガスの低温状態が長時間連続するような場合には、集塵電極にＰＭが堆積して、目詰まりに至る可能性があり、実用上に際しては、この危険性を回避しておく必要があるという問題がある。
【００１７】
本発明は、上述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、電気集塵機の原理を用いて、小型で低電力、且つ、高効率で内燃機関の排気ガス中のＰＭを捕集でき、しかも、集塵電極に捕集及び堆積されたＰＭを、非常に簡単な構成で、且つ、低電力消費で効率よく燃焼除去できる内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を除去する排気ガス浄化方法であって、排気ガスの流れと交差する方向に設けた線状又は通気性を有する面状体のコロナ電極に高電圧を印加すると共に、該コロナ電極の下流側に間隔を有して該コロナ電極に対向して設けた通気性を有する面状体で形成される集塵電極の面内に、排気ガスを通過させて、コロナ放電により帯電した排気ガス中の粒子状物質を、前記集塵電極で捕集して排気ガスを浄化し、更に、前記集塵電極の近傍に設けた燃焼用電極に通電することによって前記集塵電極に捕集された粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする。
【００１９】
そして、上記の内燃機関の排気ガス浄化方法を実施するための装置は、エンジンの排気ガス中の粒子状物質を除去する排気ガス浄化装置であって、排気ガスの流れと交差する方向に設けた線状又は通気性を有する面状体のコロナ電極と、該コロナ電極の下流側に間隔を有して該コロナ電極に対向して設けた通気性を有する面状体で形成される集塵電極と、該集塵電極の近傍に設けた燃焼用電極を有して形成されると共に、前記コロナ電極にコロナ放電用の高圧電圧を供給する高電圧供給装置と、捕集された粒子状物質の燃焼用の電流を前記燃焼用電極に供給する燃焼用電流供給装置を備えたことを特徴として構成される。
【００２０】
排気ガスの流れと交差する方向に設けたとは、排気ガスの主流方向と平行ではないとの意味であり、排気ガスの主流方向を横切って線状のコロナ電極と通気性を有する面状体の集塵電極とが設けられることを意味する。
【００２１】
また、上記の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記燃焼用電極を前記集塵電極の前記コロナ電極側の近傍に設けると共に、前記燃焼用電極の開孔率を、前記集塵電極の開孔率よりも大きくして構成される。なお、この開孔率とは、排気ガス主流方向に垂直な断面において、集塵電極（又は燃焼用電極）のガス通過部断面積が集塵電極（又は燃焼用電極）の全断面積（ガス通過部を含む）に占める割合をいう。
【００２２】
そして、この線状のコロナ電極と通気性を有する面状体の集塵電極及び燃焼用電極の組合せで構成される集塵ユニットとしては、単数又は複数の直線状又は曲線状のコロナ電極と、該コロナ電極と実質的に平行な平面形状の集塵電極及び燃焼用電極の組合せで構成される平面型集塵ユニット、同心円筒面上に配置された複数の直線状又は曲線状のコロナ電極の集合と、該同心円筒と中心を同じくした同心円筒面状の集塵電極及び燃焼用電極との組合せで構成される同心円型集塵ユニット、単数の線状コロナ電極と、該線状コロナ電極を軸とする円筒面状の集塵電極及び燃焼用電極との組合せで構成される同軸円筒型集塵ユニット等がある。
【００２３】
これらの集塵ユニットを単数又は複数組み合わせて排気ガス浄化装置のケース内に組み入れて排気ガス浄化装置を構成する。なお、これらの集塵ユニットにおいて、複数の線状コロナ電極を相互に連結して通気性を有する面状体としてもよい。
【００２４】
また、上記の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記コロナ電極、前記集塵電極、又は、前記燃焼用電極の少なくとも一つを、メッシュ状金網、パンチングメタル、エキスパンダメタル、コイル状ワイヤ、金属繊維の集合体の何れか一つ、又は、これらの組合せで形成する。また、前記集塵電極表面にガス通過用の主たる孔径がＤＰＦよりも１０倍程度以上大きい（孔径０．１ｍｍ以上）ガス通過性のセラミック等誘電材料を配置したもので形成してもよい。
【００２５】
そして、前記集塵電極と前記燃焼用電極の間隙に排気ガス通過性を有する誘電材料を充填したり、前記集塵電極が排気ガスを通過させる孔部を有し、前記孔部の直径が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下となるように、また、前記誘電材料の排気ガス通過用孔径が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下となるようにして構成する。また、前記集塵電極と前記燃焼用電極間に印加する電圧の波高値をＶとし、前記集塵電極と前記燃焼用電極間の距離をｄとして、前記集塵電極と前記燃焼用電極間距離の平均電解強度Ｅ＝Ｖ／ｄが３ｋＶ／ｃｍ以上３０ｋＶ／ｃｍ以下となるようにして構成する。
【００２６】
上記の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置によれば、コロナ電極と集塵電極との間に発生させたコロナ放電を利用して、ガス通過用の主たる孔径がＤＰＦよりも１０倍程度以上大きい集塵電極を用いて、排気ガス中のＰＭを捕集するので、背圧上昇を殆ど伴わずにＰＭを捕集でき、しかも、コロナ電極、集塵電極、燃焼用電極を排気ガスの流通方向と交差する方向、好ましくは、垂直方向に配置しているので、コロナ電極と集塵電極間で形成されるコロナ放電によって帯電したＰＭが直接下流側の集塵電極に流れ込み、この集塵電極に効率よく捕集できる。また、集塵電極の上流側表面にＤＰＦよりも孔径の大きいガス通過性のセラミック等誘電材料を配置することで、誘電材料の分極効果と集塵面積の増大により集塵電極に流れ込むＰＭの捕集効率をさらに改善することができる。
【００２７】
その上、集塵電極の近傍に設けた燃焼用電極に加電することによって、集塵電極もしくは集塵電極表面のガス通過性誘電材料に捕集された粒子状物質を燃焼除去できるので、捕集されたＰＭの燃焼除去のための、電気ヒータ、石油バーナによるＰＭへの直接加熱や、燃料の後噴射等による排気ガスの昇温や、エンジンの性能チューニングや吸気絞り等による排気ガスの昇温等が不用となる。
【００２８】
また、集塵電極表面に、ガス通過性誘電材料（ガス通過用の孔径がＤＰＦより１０倍程度以上大きい誘電材料）を用いた場合、燃焼用電極に加電することによって誘電材料内部に電界が形成され、誘電材料内部に帯電したＰＭがより捕集され易くなる。誘電材料表面及び内表面に捕集されたＰＭが堆積し、燃焼用電極と集塵用電極間で電気的短絡状態となれば、堆積したＰＭを通じて電流が流れて通電加熱によってＰＭが昇温・燃焼開始し、誘電材料内部からＰＭが燃焼除去される。
【００２９】
そして、燃焼用電極に燃焼用電流供給装置から３００Ｖ〜１ｋＶ程度の直流電圧、交流電圧、パルス電圧のいずれかを常時印加しておき、集塵電極に捕集されたＰＭの捕集量が増加してくると、この捕集されたＰＭと燃焼用電極との距離が狭まり、両者の間に電気的な短絡（ショート）状態が生じてＰＭに電流が流れ、この電流によりＰＭは昇温し燃焼（ＰＭの通電加熱燃焼）を開始する。ここで、前記の電気的な短絡状態は、必ずしも集塵電極全面で均質に発生する必要はない。局所的にでも一旦ＰＭの燃焼（通電加熱燃焼）が生じると、ＰＭの燃焼熱により隣接したＰＭが燃焼を開始するので、連鎖的に捕集されたＰＭが燃焼する。そして、捕集されたＰＭが燃焼除去されるとショート状態が解消される。
【００３０】
この装置では、燃焼用電極が常時加電された状態であっても、ＰＭの捕集量の増加によりショートしてＰＭの燃焼を開始した時のみ電力の消費が発生し、燃焼により直ぐにショート状態が解除されると電力の消費も中断されるので、ＰＭ燃焼に使用される電力は極めて僅かで済むことになる。また、ＰＭの捕集量の局所的な増加により、自動的にショート及びＰＭの燃焼除去が行われるので、捕集されたＰＭを燃焼除去させるための制御も不要となる。
【００３１】
しかも、このＰＭの燃焼除去の場合、集塵電極に捕捉されたＰＭは、コロナ放電場に曝されているために、１５０℃〜２００℃といった低温から燃焼を開始できるので、高温燃焼による損傷は生じない。
【００３２】
このように、低い投入電力でＰＭを高い効率で大量に捕集でき、かつ捕集したＰＭを低電力で燃焼除去できるので燃費の悪化も殆ど無い。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
最初に、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置の構成要素となる集塵ユニットについて説明する。図１〜図６に示すように、この集塵ユニット１０，２０は、コロナ放電を発生させるための高電圧を印加するコロナ電極１１，２１と、非コロナ電極である集塵電極１２，２２と、燃焼用電極１３，２３とからなる。
【００３５】
このコロナ電極１１，２１、集塵電極１２，２２、燃焼用電極１３，２３は、通常の金属、特に耐腐食性が要求される場合にはステンレス等を材料として形成される。
【００３６】
このコロナ電極１１，２１は導電性の線状の電極（ワイヤ状電極）で形成され、集塵電極１２，２２は排気ガスＧを通過させると共にコロナ放電で帯電したＰＭを捕集するために、通気性と集塵の利便性を考慮して、図１〜図３に示すような平面状メッシュ体や、図４〜図６に示すような円筒面状メッシュ体等の導電性の通気性を有する面状体で形成される。
【００３７】
また、集塵電極１１，２１としては、メッシュ状金網やパンチングメタル等の穴開き板やエキスパンダメタルを板状、筒状、その他の形状に形成したもの、コイル状ワイヤを加工して板状、筒状、その他の形状にしたもの、ステンレスウール等の金属繊維を集合体にしたもの等、及び、これらの複合体や積層体を用いることができる。
【００３８】
燃焼用電極１３，２３は、集塵電極１２，２２に捕集されたＰＭを通電により燃焼除去するためのものであり、集塵電極１２，２２の近傍に隣接して設けられる。そして、ＰＭは集塵電極１２，２２のコロナ電極側１１，２１に多く堆積するので、この燃焼用電極１３，２３もコロナ電極側１１，２１に設ける。即ち、この燃焼用電極１３，２３は、コロナ電極１１，２１と集塵電極１２，２２の間に配置される。言い換えれば、集塵電極１２，２２と燃焼用電極１３，２３で、互いに絶縁されたＰＭ燃焼用の二重構造を形成する。
【００３９】
そして、燃焼用電極１３，２３は、集塵電極１１，２１と同様にメッシュ状金網等で形成できるが、その開孔率は、集塵電極１２，２２の開孔率より大きく形成する。つまり、燃焼用電極１３，２３は、集塵電極１２，２２よりメッシュを粗く形成する。
【００４０】
このコロナ電極１１，２１と集塵電極１２，２２と燃焼用電極１３，２３を互いに電気的に絶縁状態で一組にして、集塵電極１２，２２をコロナ電極１１，２１の下流側に間隔を有してこのコロナ電極１１，２１に対向して設けた状態で、排気ガス浄化装置のケース内に配置し、しかも、このコロナ電極１１，２１と集塵電極１２，２２は、排気ガスＧの主流方向と交差する方向、好ましくは垂直方向になるように配置する。即ち、排気ガスＧがコロナ電極１１，２１を横切って集塵電極１２，２２の面内に流入及び面内を通過するように配置する。そして、更に、燃焼用電極１３，２３を集塵電極１２，２２の近傍、例えば、１〜２ｍｍ程度の間隔を有して配置して設ける。
【００４１】
図７に、線状コロナ電極１１と、このコロナ電極１１と平行な平面状メッシュ体の集塵電極１２及び燃焼用電極１３で形成される平面型集塵ユニット１０Ａを排気ガス浄化装置１Ａに組み込んだ例を示す。
【００４２】
図８に、金網等の平面状メッシュ体のコロナ電極１１と、このコロナ電極１１と平行な平面状メッシュ体の集塵電極１２及び燃焼用電極１３で形成される平面型集塵ユニット１０Ｂを排気ガス浄化装置１Ｂに組み込んだ例を示す。
【００４３】
また、図９に、同心円筒面上に配置された複数の線状コロナ電極１１の集合と、この同心円筒と中心を同じくした同心円筒面状の円筒面状メッシュ体の集塵電極１２及び燃焼用電極１３，２３との組合せで構成される同心円型集塵ユニット１０Ｃを排気ガス浄化装置１Ｃに組み込んだ例を示す。
【００４４】
この図９の構成の場合には、排気ガスＧは、排気ガス入口２から中央の通路を通り、放射方向に流れて浄化区画３を通過して、同心円型集塵ユニット１０ＣでＰＭを捕集された後、外側通路６を経由して排気ガス出口４に至る。
【００４５】
なお、平面型集塵ユニット１０Ａや同心円型集塵ユニット１０Ｃにおいて、複数の線状コロナ電極１１を相互に連結した通気性を有する面状体で形成してもよく、この面状体は、集塵電極１２，２２と同様に、メッシュ状金網等で形成できるが、コロナ放電用であるので目は粗くてよく、そのメッシュ間隔や開孔率は集塵電極１２，２２より大きくして、より通気抵抗の少ないものとする。
【００４６】
また、図１０及び図１１に、単数の線状コロナ電極２１と、この線状コロナ電極２１を軸とする円筒面状の円筒面状メッシュ体の集塵電極２２及び燃焼用電極２３との組合せで構成される同軸円筒型集塵ユニット２０を排気ガス浄化装置１Ｅ，１Ｆに組み込んだ例を示す。この図１１の場合も、図９と同様に、排気ガスＧは、排気ガス入口２から中央の通路を通り、放射方向に流れて浄化区画３を通過して外側通路６を経由して、排気ガス出口４に至る。
【００４７】
例えば、車載用としては、図８、図９、図１１の排気ガス浄化装置１Ｂ，１Ｃ，１Ｆは、通常のマフラー（消音装置）と同じ円筒形状にでき、車載時のレイアウトや取付構造面で実用性の高い装置となる。
【００４８】
そして、図１２に示すように、この排気ガス浄化装置１Ａ〜１Ｆを車両用ディーゼルエンジンに適用する場合は、ディーゼルエンジン３１の排気通路３２のマフラー３３の上流側に配置され、ディーゼルエンジンの制御系３４からの信号で制御され、バッテリー３５から電力の供給を受ける電力供給装置３６から電力供給される。この電力供給装置３６は高電圧供給装置３６ａと燃焼用電流供給装置３６ｂを有して構成される。
【００４９】
排気ガス浄化装置１Ａ〜１Ｆのコロナ電極１１，２１には、この高電圧供給装置３６ａから直流電圧、交流電圧、パルス電圧等のいずれかの高電圧を印加し、一方の集塵電極１２，２２をアースすることにより、コロナ電極１１，２１と集塵電極１２，２２との間に不平等電界を形成する。この交流電圧の周波数としては５０Ｈｚ〜１０ｋＨｚのものが適しているが、特に正弦波状である必要はなく、矩形状のものであってもよい。印加電圧の種類としては、直流電圧が投入電力あたりのＰＭ捕集率で優れており、電気系の構成装置も比較的簡略化できる。直流電圧としては負電圧でも正電圧でも十分な効果が得られるが、概して正電圧にしたほうが投入電力あたりのＰＭ捕集率で優れている。なお、周辺装置の仕様等によっては総合的な判断で交流電圧やパルス電圧のほうが良い場合もある。
【００５０】
印加電圧の波高値Ｖとしては、コロナ電極１１，２１にコロナ放電を形成するに足る電圧であればよく、コロナ電極１１，２１と接地電極１２，２２の形状と空間的配置から決定されるコロナ開始電圧をもとに設定すればよい。車載用排気ガス浄化装置であれば５ｋＶ〜４０ｋＶ程度、固定排出源用排気ガス浄化装置であれば５ｋＶ〜１００ｋＶ程度の範囲が適当である。
【００５１】
この高電圧の印加により、コロナ電極１１，２１の近傍に不平等電界が形成され、コロナ電極１１，２１を中心として、局所的にガスが非破壊放電すなわちコロナ放電空間が形成される。このコロナ放電によって、ガス中には高速電子と高速電子が衝突して電離された正イオンや電子付着による負イオンが多数形成される。このコロナ放電空間にＰＭが含まれた排気ガスＧを流通させると、電子・正イオン・負イオンとＰＭが衝突することによってＰＭは殆ど瞬間的に荷電され、帯電したＰＭはクーロン力によって集塵電極１２，２２に捕集される。
【００５２】
このとき、処理する排気ガスＧの流れをコロナ電極１１，２１や集塵電極１２，２２が遮る方向に、これらの電極１１，２１，１２，２２を配置し、コロナ電極１１，２１の下流側に通気性を有する面状体の集塵電極１２，２２が配置されているので、帯電されたＰＭは電界及びクローン力によるドリフト効果が小さくても、集塵電極１２，２２に捕集される確率が高くなり、効率よく集塵電極１２，２２に捕集されることになる。そのため、低い消費電力でＰＭを高効率で除去できる。
【００５３】
また、図１４のように集塵電極１２，２２と燃焼用電極１３間にガス通過性を有する誘電材料２５を配置してもよい。図１４（ａ）は図１〜図３に示すような平面型集塵ユニットを代表例として、燃焼用電極１３と集塵電極１２の間にガス通過性誘電材料２５を挟み込んだものである。図１４（ｂ）は、集塵電極１２の上流側にも下流側にも燃焼用電極１３を配置し、下流側の燃焼用電極１３と集塵電極１２の間にガス通過性誘電材料２５を配置したものであり、上流側の集塵電極１２表面で捕集しきれなかったＰＭを再度捕集させる構造となっている。図１４（ｃ）は、集塵電極１２の上流側にも下流側にも燃焼用電極１３を配置し、両方の燃焼用電極１３と集塵電極１２間にガス通過性誘電材料２５を挟み込んだものである。
【００５４】
このような構成において、集塵電極１２と燃焼用電極１３間に電圧を印加すれば誘電材料２５内部に電界が形成され、ＰＭ捕集効率が更に向上する。図１４の例では、燃焼用電極１３に印加する電圧は捕集ＰＭの燃焼用のみならず、ガス通過性誘電材料２５へのＰＭ捕集効率向上の役割も兼ねる。ガス通過性誘電材料２５は集塵電極１２、燃焼用電極１３に直接接触していてもよいし、適当なスペーサを介して数ｍｍ程度以下の空間を挟んで集塵電極１２、燃焼用電極１３間に配置されていてもよい。
【００５５】
ガス通過性誘電材料２５としては、ＤＰＦよりも孔径が１０倍程度大きい、より具体的には孔径が０．１ｍｍ程度以上の材料を用いればよいが、ＰＭ燃焼による損傷を避けるため、融点が高く耐熱性に優れた材料が好適であり、図１５に示すようなセラミック粒子の集合体２５Ａ、多孔質セラミック又はセラミック繊維の集合体のセラミックフィルタ２５Ｂ、セラミックハニカム２５Ｃ等が適している。
【００５６】
このコロナ放電を利用して電気集塵作用で捕集されたＰＭは、通常の物理的なフィルタで機械的にトラップする場合に比べ、より繊細なＰＭの粒子を選択的に捕集することができ、かなり長時間連続運転しても目詰まりの恐れがない。
【００５７】
また、コロナ電極１１，２１は線状又は通気性を有する面状体の電極で形成され、集塵電極１２，２２及び燃焼用電極１３，２３は、通気性を有する面状体で形成されるが、この面状体はメッシュ体のように、孔径と開孔率が大きく、その孔径はＤＰＦの１０倍程度以上でよいので、排気ガスＧの流れの方向と交差する方向（通常は垂直な方向）に配置されても、排気ガスＧの流路を大きく塞がないので、排気ガス抵抗が著しく小さく、背圧上昇を殆ど伴わない。
【００５８】
その上、電極間距離、所要電圧（消費電力）、排気ガス滞留時間をほぼ独立に選定することができ、また、スペース等の制約がある場合でも安定的なコロナ放電を形成できるので、排気ガス浄化装置のコンパクト化を図ることができる。
【００５９】
そして、この集塵電極１２，２２に捕集されたＰＭを燃焼除去するために燃焼用電極１３，２３に、燃焼用電流供給装置３６ｂから３００Ｖ〜１ｋＶ程度の直流電圧、交流電圧、パルス電圧を常時連続的に印加する。印加する電圧波高値Ｖは、燃焼用電極１３，２３と集塵電極１２，２２の間隙ｄに依存し、電圧波高値Ｖを間隙ｄで除した平均電界強度Ｅ（＝Ｖ／ｄ）を３ｋＶ／ｃｍ以上とすればＰＭの燃焼除去を速やかに行うことができることを実験的に見出している。傾向として、電圧波高値Ｖが高い程ＰＭ燃焼が速やかに行われることがわかっており、例えば、ＰＭ堆積量に応じて電圧を制御してもよい。
【００６０】
より具体的には直流電圧印加の場合は電圧波高値Ｖを、交流電圧印加の場合は電圧波高値Ｖ若しくは周波数を、パルス電圧印加の場合は電圧波高値Ｖ若しくは繰り返し率を変化させることによって、ＰＭ堆積量が多いときには平均電圧が高くなるように制御してやればよい。ＰＭ堆積量の評価としては、エンジンモード等で予めわかっている場合にはプログラム制御で対応することもできるし、集塵電極１２，２２前後の圧力損失をモニタリングすることでフィードバック制御をすることも可能である。
【００６１】
また、印加する電圧波高値ＶをＥ＝２０〜２５ｋＶ／ｃｍ以上となるようにすると、燃焼用電極１３，２３と集塵電極１２，２２間の空間で火花放電が発生するようになる。この特性は、燃焼用電極１３，２３と集塵電極１２，２２間の空間にガス通過性誘電材料２５を挟み込んだ場合でも略同様である。この火花放電をもって、堆積したＰＭの着火燃焼除去するここも可能である。常時火花放電を発生させるような電圧を印加することは燃焼用電極１３，２３、集塵電極１２，２２、ガス通過性誘電材料２５の損傷、並びに消費電力の点で好ましくないが、例えば、図１６のように、一時的に電圧波高値Ｖを火花発生電圧レベルに上げたようなパターンの電圧を印加してもよい。電圧波高値Ｖを一時的に火花発生電圧レベルに上げる時間及び時間的頻度は、ＰＭ堆積量に応じて制御してやればよい。
【００６２】
この電圧の印加及び電流の供給により、集塵電極１２，２２に捕集されたＰＭの捕集量が増加してくると、この捕集されたＰＭとこの集塵電極１２，２２に近接して設けられた燃焼用電極１３，２３との間の電気的な短絡（ショート）が生じてＰＭに電流が流れ、ＰＭはこの電流により昇温し燃焼を開始する。
【００６３】
一旦ＰＭの燃焼が生じると、ＰＭの燃焼熱により隣接したＰＭが昇温して燃焼を開始し、連鎖的に捕集されたＰＭが燃焼する。また、この捕集されたＰＭが燃焼除去されるとショート状態が解消され、電力消費も止まる。
【００６４】
この場合に、燃焼用電極１３，２３が常時通電された状態であっても、ＰＭの捕集が少ない場合には捕集されたＰＭと集塵電極１２，２２の間には絶縁状態が維持され電力の消費は生じないので、また、ＰＭの捕集量の増加によりショートしてＰＭの燃焼を開始すると、燃焼により直ちにショート状態が解除されるので、ＰＭ燃焼に使用される電力は極めて僅かで済むことになる。
【００６５】
また、ＰＭの捕集量の局所的な増加により、自動的にショート及びＰＭの燃焼除去が行われるので、捕集されたＰＭを燃焼除去させるための制御も不要となる。
【００６６】
しかも、このＰＭの燃焼除去の場合、集塵電極１２，２２に捕捉されたＰＭは、コロナ放電場に曝されているために、１５０℃〜２００℃といった低温から燃焼を開始できるので、高温燃焼による損傷は生じない。
【００６７】
そして、更に、コロナ電極１１，２１や集塵電極１２，２２や燃焼用電極１３，２３に白金や酸化チタン等の酸化力をもった触媒成分を担持又は塗布することによりＰＭの燃焼を促進できる。この場合に各電極ともコロナ放電場に曝されているため、触媒が相乗効果を発揮して、より低温でもＰＭを燃焼させることが可能となる。そのため、排気ガス温度を感知又はモニターするＯＮ／ＯＦＦ制御機能を追加して、排気ガス温度が触媒が機能する高温領域の場合には、燃焼用電極１３，２３への通電をＯＦＦにして、触媒機能が低下する低温領域の場合のみ通電をＯＮにすればよいことになる。
【００６８】
なお、本発明は、燃料の性状や燃焼方式、また、その普及率から、軽油を燃料とするディーゼルエンジンが主要な対象となるが、これに限定されず、また、自動車搭載の内燃機関のみならず、各種産業用機械や定置式の内燃機関にも適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の排気ガス浄化方法及びその装置によれば、コロナ電極と集塵電極との間に発生させたコロナ放電を利用して、排気ガス中のＰＭの捕集するので、背圧上昇を殆ど伴わずにＰＭを捕集でき、しかも、コロナ電極、集塵電極、燃焼用電極を排気ガスの流通方向と交差する方向に配置しているので、コロナ電極の近傍で帯電したＰＭを下流側の集塵電極に流れ込ませて、この集塵電極に効率よく捕集させることができる。
【００７０】
そして、集塵電極に捕集されたＰＭの量が増加してくると、この捕集されたＰＭと燃焼用電極との距離が狭まり、両者の間に電気的な短絡（ショート）が生じてＰＭに電流が流れる。この電流によりＰＭは昇温し燃焼を開始し、一旦ＰＭの燃焼が生じると、ＰＭの燃焼熱により隣接したＰＭが昇温し燃焼を開始するので、連鎖的に捕集されたＰＭを燃焼除去できる。
【００７１】
この場合に、燃焼用電極が常時通電された状態であっても、ＰＭの捕集量の増加によるショートでＰＭの燃焼を開始した時のみ電力の消費が発生し、燃焼により直ぐにショート状態が解除され、電力の消費も中断されるので、極めて僅か電力でＰＭ燃焼を効率よく行うことができる。
【００７２】
また、ＰＭの捕集量の局所的な増加により、自動的にショート及びＰＭの燃焼除去が行われるので、捕集されたＰＭを燃焼除去させるための制御も不要となる。
【００７３】
従って、低い投入電力でＰＭを高い効率で捕集でき、しかも、捕集したＰＭを燃焼用電極という非常に簡単な機構と少ない電力消費で自動的に燃焼除去できる。また、投入電力が低くて済むので燃費の悪化も殆ど無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成要素である平面型集塵ユニットの構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１の平面型集塵ユニットの側面図である。
【図３】図１の平面型集塵ユニットの平面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成要素である同軸円筒型集塵ユニットの構成を示す模式的な斜視図である。
【図５】図４の平面型集塵ユニットの側面図である。
【図６】図５の平面型集塵ユニットの平面図である。
【図７】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な側断面図である。
【図８】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な側断面図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な図で、（ａ）は横断面図で、（ｂ）は側断面図である。
【図１０】本発明に係る第４の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な図で、（ａ）は側断面図で、（ｂ）は平断面図である。
【図１１】本発明に係る第５の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な図で、（ａ）は横断面図で、（ｂ）は側断面図である。
【図１２】本発明に係るの内燃機関の排気ガス浄化装置を車載した場合の構成例を示す図である。
【図１３】従来技術の電気集塵装置の構造を模式的に示す平断面図である。
【図１４】本発明に係る第６の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す模式的な図で、燃焼用電極と集塵電極の間にガス通過性誘電材料を挟み込む代表的構造を示す模式的な図で、（ａ）は三層構造を示す図で、（ｂ）は四層構造を示す図で、（ｃ）は五層構造を示す図である。
【図１５】図１４のガス通過性誘電材料の代表的な例を示す模式図で、（ａ）はセラミック粒子を示す図で、（ｂ）は多孔質セラミック又はセラミック繊維集合体を示す図で、（ｃ）はハニカム状セラミクフィルタを示す図である。
【図１６】燃焼用電極に印加する電圧波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｆ  排気ガス浄化装置
１０  平面型集塵ユニット
１０Ｃ  同心円型集塵ユニット
１１  コロナ電極
１２  集塵電極（平面状メッシュ体）
１２Ｃ  集塵電極（円筒面状メッシュ体）
１３  燃焼用電極
２０  同軸円筒型集塵ユニット
２１  コロナ電極
２２  集塵電極（円筒面状メッシュ体）
２３  燃焼用電極
２５  ガス通過性誘電材料
２５Ａ  セラミック粒子
２５Ｂ  多孔質セラミック又はセラミック繊維の集合体
２５Ｃ  ハニカム状セラミックフィルタ
３６ａ  高電圧供給装置
３６ｂ  燃焼用電流供給装置
【図１】
2004293416.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】
2004293416.tif 000009
【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】
2004293416.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2004293416.tif 000016
【図１５】
2004293416.tif 000017
【図１６】
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