(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子状物質（特に、粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）を効率的に浄化することができる排気浄化装置を得る。【解決手段】排気浄化装置１０は、浄化管１２によって、内燃機関の排気管の管路断面積よりも大きな流路断面積を有する排気浄化路１４が構成されると共に、冷却部材１６が設けられている。排気管からの排気が排気浄化路１４へ流入されると、当該排気は冷却部材１６に接触して冷却され、排気中の高沸点炭化水素が、「熱泳動効果」によって冷却部材１６の壁面（低温の表面）に粒子となって捕捉され、高沸点炭化水素の凝縮による極めて微細なＰＭの生成が抑制される。また、排気が冷却部材１６に接触して冷却されることにより、当該排気中のガス状の揮発性物質の凝縮が促進されて粒子を形成させることができ、硫酸塩が大気に放出されてから生成する当該硫酸塩に起因するＰＭの生成を未然に防止することができる。【選択図】図１
2005240692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管から排出される排気中の粒子状物質を浄化する排気浄化装置において、
前記排気管に接続され、前記排気管の管路断面積よりも大きな流路断面積を有する排気浄化路と、
前記排気浄化路内に設けられ、前記排気浄化路を流れる排気に接触して冷却する冷却部材と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気浄化路の周囲に設けられ、車両走行中の外気を案内導入して前記排気浄化路を外部から冷却する外気導入路を備えた、
ことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記冷却部材により冷却され前記排気浄化路から大気へ放出される排気の温度を１００℃以下に保持する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に係り、特にエンジンの排気に含まれる粒子状物質（以下「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）」という）を浄化するのに用いて好適な排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要であり、特にディーゼル機関の場合には、排気中に生体への影響が危惧されているＰＭが含まれているため、このＰＭをどのように浄化するかが問題となっている。特に、排気ガス中の揮発性物質（高沸点炭化水素、硫酸塩、水等）の凝縮による極めて微細な（粒子径の小さい）ＰＭを浄化することは重要な技術的課題であった。
【０００３】
この場合、このような排気中に含まれるＰＭを除去するために、例えば、一対の電極間に誘電体で構成された多孔質フィルタ及び誘電体を少なくとも１つ挟み込んだコロナ放電素子及びそれを用いたガス処理装置（特許文献１参照）や、ペレットを電極間に入れてその部分を放電することでＰＭを燃焼除去するガス浄化装置及び方法（特許文献２参照）が提案されている。
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１や特許文献２に示された技術では、極めて微細な（粒子径の小さい）ＰＭの生成要因である揮発性物質は取り除かれないため、何れのものも、当該極めて微細なＰＭを形成する揮発性物質を十分に浄化することは困難であった。またしかも、消費電力が大きくなってしまう問題もあった。
【特許文献１】特開平９−３２９０１５号公報
【特許文献２】特開平６−２４１０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、ＰＭを効率的に浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気管から排出される排気中の粒子状物質を浄化する排気浄化装置において、前記排気管に接続され、前記排気管の管路断面積よりも大きな流路断面積を有する排気浄化路と、前記排気浄化路内に設けられ、前記排気浄化路を流れる排気に接触して冷却する冷却部材と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
内燃機関からの排気に含まれるＰＭ、特に、揮発性物質(高沸点炭化水素、硫酸塩、水)の凝縮によるＰＭ（粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）の生成は、エンジン筒内から排気管への放出時または排気管から大気への放出時の急激な温度低下が原因である。この場合、高沸点炭化水素の凝縮は、主にエンジン筒内から排気管への放出時に起こり、硫酸塩及び水の凝縮は、主に排気管から大気への放出時に起こる。
【０００８】
ここで、請求項１記載の排気浄化装置では、内燃機関の排気管からの排気が排気浄化路へ流入されると、当該排気は冷却部材に接触して冷却される。これにより、排気中の高沸点炭化水素が、「熱泳動効果」によって冷却部材の壁面（低温の表面）に粒子となって捕捉され、高沸点炭化水素の凝縮による極めて微細なＰＭの生成が防止される。これは、特に粒径の小さいものほど顕著に起こり、効果的である。
【０００９】
また、排気が冷却部材に接触して冷却されることにより、当該排気中のガス状の揮発性物質の凝縮が促進されて粒子を形成させることができる。これにより、排気中の硫酸塩の冷却部材への壁面吸着が上記の「熱泳動効果」により促進され（大気への放出前に微細な粒子を捕捉でき）、硫酸塩が大気に放出されてから生成する当該硫酸塩に起因するＰＭの生成を未然に抑制することができる。
【００１０】
さらに、請求項１記載の排気浄化装置では、前記排気浄化路は、内燃機関の排気管の管路断面積よりも大きな断面積を有している。したがって、排気管からの排気は、排気浄化路へ流入されることでその流速が低下する。これにより、排気浄化路を流れる排気の滞留時間（すなわち、冷却部材への接触時間）が増加することになり、前述した如き冷却部材の壁面による微細な粒子の捕捉及びガス状の揮発性物質の凝縮による壁面吸着を確実に進行させることができる。
【００１１】
また、このように排気浄化路内の排気流速が低下することで、前記「熱泳動効果」及び「ブラウン拡散効果」を更に高めることができる。
【００１２】
一方、請求項２に係る発明の排気浄化装置は、請求項１記載の排気浄化装置において、前記排気浄化路の周囲に設けられ、車両走行中の外気を案内導入して前記排気浄化路を外部から冷却する外気導入路を備えた、ことを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の排気浄化装置では、外気導入路によって車両走行中の外気が案内導入されて排気浄化路が外部から冷却されるため、前述した如き冷却部材の壁面による微細な粒子の捕捉及びガス状の揮発性物質の凝縮による壁面吸着をより一層確実に進行させることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明の排気浄化装置は、請求項１または請求項２記載の排気浄化装置において、前記冷却部材により冷却され前記排気浄化路から大気へ放出される排気の温度を１００℃以下に保持する、ことを特徴としている。
【００１５】
請求項３記載の排気浄化装置では、排気浄化路から大気へ放出される排気の温度を１００℃以下に保持することにより、当該大気放出時における温度低下の度合い（温度変化）が少なくなる（急激に温度低下することがなくなる）。これにより、例えば排気中の硫酸塩の過飽和度が低下して（飽和し難くなり）、凝縮による粒子核の形成の進行が抑制される。したがって、硫酸塩が大気に放出されてから生成する当該硫酸塩に起因するＰＭの生成を効果的に未然に防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質（特に、粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）を効率的に浄化することができるという優れた効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１には、本発明の実施の形態に係る排気浄化装置１０の構成が一部破断した斜視図にて示されている。また、図２にはこの排気浄化装置１０の構成が横断面図にて示されており、図３には排気浄化装置１０の構成が縦断面図にて示されている。
【００１８】
排気浄化装置１０は、内燃機関の排気管（図示省略）から排出される排気を浄化するためのものであり、浄化管１２を備えている。この浄化管１２は、右側壁１２Ａ、左側壁１２Ｂ、上壁１２Ｃ、及び底壁１２Ｄによって全体として四角筒状に構成されており、内部には排気浄化路１４が構成されている。浄化管１２（排気浄化路１４）の一端は、内燃機関の排気管に接続され、他端は例えば消音器（図示省略）等を介して大気に開放されている。この浄化管１２によって構成される排気浄化路１４は、排気管の管路断面積よりも大きな流路断面積を有している。
【００１９】
浄化管１２の内部（すなわち、排気浄化路１４）には、冷却部材１６が設けられている。この冷却部材１６は、浄化管１２の一端から他端へかけて所定の間隔で複数枚が配列されており、しかも、図２に示す如く平面視において交互に浄化管１２の右側壁１２Ａまたは左側壁１２Ｂとの間に隙間を有して設けられ、かつ、図３に示す如く側面視において交互に浄化管１２の上壁１２Ｃまたは底壁１２Ｄとの間に隙間を有して設けられている。これにより、内燃機関の排気管から排出され浄化管１２内（排気浄化路１４）に流入した排気は、各冷却部材１６に接触しながら左右にかつ上下に蛇行しながら排気浄化路１４を通過して、浄化管１２（排気浄化路１４）の他端から流出する構成である。
【００２０】
また、浄化管１２の周囲には、外気導入管１８が配置されており、これにより、浄化管１２との間に外気導入路２０が設けられている。外気導入管１８の先端部（排気管の側）は円錐状に拡径して形成されており、これにより、車両走行中の外気（走行風）を外気導入路２０へ案内導入して浄化管１２（排気浄化路１４）を外部から冷却することができる構成である。
【００２１】
なお、冷却部材１６により冷却され排気浄化路１４から大気へ放出される排気の温度が１５０℃以下に保持できるように、冷却部材１６の枚数や総面積等が設定されている。
【００２２】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２３】
内燃機関からの排気に含まれる粒子状物質（以下「ＰＭ」という）、特に、揮発性物質(高沸点炭化水素、硫酸塩、水)の凝縮によるＰＭ（粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）の生成は、エンジン筒内から排気管への放出時または排気管から大気への放出時の急激な温度低下が原因である。炭化水素起因のＰＭは、エンジンから排出される未燃炭化水素量が多く、Ｓｏｏｔが少ない運転条件で生成し易いため、エンジン運転条件としてｉｄｌｅまたは極低負荷条件に限られる。この場合、炭化水素が過飽和条件となりうるだけの温度低下はエンジン筒内から排気管に放出される時と考えられる。このことにより、炭化水素起因のＰＭはエンジン筒内から排気管に放出される時の温度低下による炭化水素の凝縮により生成する。これに対して、硫酸塩のＰＭは、燃料中に存在する硫黄化合物が燃焼及び触媒での酸化により生成したＳＯ3が関与するため、ＳＯ3が生成し易い中・高負荷条件に限られる。このため、排気温度は２００℃を超える条件となり排気管内では硫酸塩が生成しても気体である。このことにより、硫酸塩のＰＭは、排気管から大気に放出される時の温度低下により主に生成する。
【００２４】
ここで、上記構成の排気浄化装置１０では、内燃機関の排気管からの排気が排気浄化路１４へ流入されると、当該排気は冷却部材１６に接触して冷却される。これにより、排気中の高沸点炭化水素が、「熱泳動効果」によって冷却部材１６の壁面（低温の表面）に粒子となって捕捉され、高沸点炭化水素の凝縮による極めて微細なＰＭの生成が防止される。これは、特に粒径の小さいものほど顕著に起こり、効果的である。
【００２５】
また、排気が冷却部材１６に接触して冷却されることにより、当該排気中のガス状の揮発性物質の凝縮が促進されて粒子を形成させることができる。これにより、排気中の硫酸塩の冷却部材１６への壁面吸着が上記の「熱泳動効果」により促進され（大気への放出以前に微細な粒子を捕捉でき）、硫酸塩が大気に放出されてから生成する当該硫酸塩に起因するＰＭの生成を未然に防止することができる。
【００２６】
さらに、この排気浄化装置１０では、排気浄化路１４は、内燃機関の排気管の管路断面積よりも大きな流路断面積を有している。したがって、排気管からの排気は、排気浄化路１４へ流入されることでその流速が低下する。これにより、排気浄化路１４を流れる排気の滞留時間（すなわち、冷却部材１６への接触時間）が増加することになり、前述した如き冷却部材１６の壁面による微細な粒子の捕捉及びガス状の揮発性物質の凝縮による壁面吸着を確実に進行させることができる。
【００２７】
また、このように排気浄化路１４内の排気流速が低下することで、前記「熱泳動効果」及び「ブラウン拡散効果」を更に高めることができる。
【００２８】
さらに、この排気浄化装置１０では、外気導入管１８と外気導入路２０によって車両走行中の外気が案内導入されて排気浄化路１４が外部から冷却されるため、前述した如き冷却部材１６の壁面による微細な粒子の捕捉及びガス状の揮発性物質の凝縮による壁面吸着をより一層確実に進行させることができる。
【００２９】
また、この排気浄化装置１０では、冷却部材１６により冷却され排気浄化路１４から大気へ放出される排気の温度を１５０℃以下に保持する設定としている。このため、当該大気放出時における温度低下の度合い（温度変化）が少なくなる（急激に温度低下することがなくなる）。これにより、例えば排気中の硫酸塩の過飽和度が低下して（飽和し難くなり）、凝縮による粒子核の形成の進行が抑制される。したがって、硫酸塩が大気に放出されてから生成する当該硫酸塩に起因するＰＭの生成を効果的に未然に防止することができる。
【００３０】
ここで、図４には、硫酸を要因とするＰＭ生成の大気放出条件（流速、温度）依存特性が線図にて示されている。なお、図４においては、横軸にＰＭの粒子径（サイズ）、縦軸にＰＭの粒子数濃度を設定している。また、内燃機関の運転状態としては、１８００ｒｐｍ−６．６ｋｇｍの状態であり、さらに、図中において、線Ａ（太い実線）は大気条件のものであり、線Ｂ（一点鎖線）は排気管径が４０ｍｍ・排ガス温度が８０℃、線Ｃ（荒い破線）は排気管径が４０ｍｍ・排ガス温度が３３０℃、線Ｄ（細かい破線）は排気管径が６ｍｍ・排ガス温度が３３０℃の各条件のものである。
【００３１】
この図４にて明らかなように、大気放出時の排ガス温度を変化させて比較すると、排ガス温度が８０℃の条件下では極めて微細なＰＭの生成が大幅に抑制されているが、排ガス温度が３３０℃の条件下では極めて微細なＰＭが多量に生成している（明確に存在する）。このように、排ガス温度を低く抑えることで、極めて微細なＰＭの生成を大幅に抑制できることが解る。
【００３２】
また、排ガス温度が高い条件（３３０℃）で大気放出時の流速を変化させた場合においては（排ガスを大気放出するときの排気管径が６ｍｍ径の場合と、４０ｍｍ径の場合との比較では）、排気管径が４０ｍｍ径のものに比べて、排気管径が６ｍｍ径のものでは極めて微細なＰＭが多量に存在していることが解る。
【００３３】
また一方、図５には、硫酸を要因とするＰＭ生成の温度依存特性（粒子形成限界温度）が線図にて示されている。なお、図５においては、横軸にＰＭの粒子径（サイズ）、縦軸にＰＭの粒子数濃度を設定している。また、内燃機関の運転状態としては、１８００ｒｐｍ−６．６ｋｇｍの状態であり、さらに、図中において、線Ｅ（太い実線）は大気条件のものであり、線Ｆ（一点鎖線）は排ガス温度が８０℃、線Ｇ（荒い破線）は排ガス温度が１５０℃、線Ｈ（細かい破線）は排ガス温度が１９０℃、線Ｉ（細い実線）は排ガス温度が２３０℃の各条件のものである。
【００３４】
この図５にて明らかなように、排ガス温度を１００℃以下に低下させることにより、ＰＭの粒子生成を大幅に抑制することができる。これは、排気ガス温度を水の凝縮が急速に進行する１００℃以下に低下させることにより、その過程で生成した水の微笑粒子が排気管壁面に捕集され、大気放出過程で水と反応してできる硫酸塩のＰＭを大幅に低減できる。
【００３５】
以上の如く、本実施の形態に係る排気浄化装置１０では、ＰＭ（特に、粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）を効率的に浄化することができる。
【００３６】
なお、前述した実施の形態においては、浄化管１２の内部（排気浄化路１４）に設けられた冷却部材１６は、浄化管１２の一端から他端へかけて所定の間隔で複数枚が配列されており、しかも交互に浄化管１２の右側壁１２Ａまたは左側壁１２Ｂ、あるいは上壁１２Ｃまたは底壁１２Ｄとの間に隙間を有して設けられた構成としたが、これに限らず、内燃機関の排気管から排出され浄化管１２内（排気浄化路１４）に流入した排気を冷却できる壁面を有する構成のものであればよい。
【００３７】
例えば、図６に示す排気浄化装置３０の如く、板材を螺旋状に捩られた形状の冷却部材３２を浄化管３４の内部に配列する構成としてもよい。この場合であっても、内燃機関の排気管から排出され浄化管３４内に流入した排気は、冷却部材３２に接触しながら冷却され、ＰＭ（特に、粒径が５０ｎｍ以下の極めて微細なＰＭ）を効率的に浄化した後に流出する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す一部破断した斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す横断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す縦断面図である。
【図４】硫酸を要因とするＰＭ生成の大気放出条件（流速、温度）依存特性を示す線図である。
【図５】硫酸を要因とするＰＭ生成の温度依存特性（粒子形成限界温度）を示す線図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    排気浄化装置
１２    浄化管
１４    排気浄化路
１６    冷却部材
１８    外気導入管
２０    外気導入路
【図１】
2005240692.tif 000003
【図２】
2005240692.tif 000004
【図３】
2005240692.tif 000005
【図４】
2005240692.tif 000006
【図５】
2005240692.tif 000007
【図６】
2005240692.tif 000008