(57)【要約】【課題】  エネルギー効率、ＰＭ捕集効率等を改善した排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】  絶縁性ハニカム構造体、前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極、及び前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極を有する排ガス浄化装置において、前記外周電極及び棒状電極を、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側にまで延在させ、前記棒状電極の、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起を設け、前記外周電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材を配置する。【選択図】      図２
2007182810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極
を有する排ガス浄化装置であって、前記外周電極及び棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側にまで延在しており、前記棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起を有し、前記外周電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材が配置されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極
を有し、前記外周電極及び棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側にまで延在しており、前記棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起を有し、前記外周電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材が配置されている処理ユニットを、排ガス流れの上流から下流に向かって直列に複数配置することを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ放電を利用して内燃機関等からの排ガス中の有害成分、特に粒子状物質（以後ＰＭとする）を除去するための排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等において使用される内燃機関や焼却設備から排出される排ガスには、様々な有害成分が含有されている。この有害成分のうち、特にＮＯx、ＳＯx、及びＰＭの排出を低減させることが望まれている。ディーゼルエンジンでは。近年特にＰＭの排出を低減することが強く望まれており、このＰＭを除去するためにパティキュレートフィルターが用いられている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルターは、コージェライト等のセラミックからなる多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路においては出口が目封じされており、各流路を区画する多孔質壁を透過した排ガスのみが下流側へ排出される。そして、排ガス中のＰＭは前記多孔質壁を通過することができないため、この多孔質壁の内側表面においてＰＭが捕集される。
【０００４】
このようなフィルターでは、捕集されたＰＭによりフィルターが目詰まりを起こし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となるため、この目詰まりによる通気抵抗が増加する前にＰＭを適宜に燃焼除去し、フィルターの再生を図る必要がある。ところが、通常のディーゼルエンジンの運転状態では、ＰＭが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られない。
【０００５】
そこで最近、放電によってプラズマを発生させ、このプラズマの酸化作用によってＰＭを燃焼除去し、かつプラズマの酸化作用と触媒の還元作用によってＮＯx等を浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクター）が提案されている。
【０００６】
図１に、従来の排ガス浄化装置の１例を示す。この排ガス浄化装置１０は、内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ１とＬ２の間に組み込まれるケース１１を有し、このケース１１の内部に排ガスが導入される。そしてケース１１の内部には、ハニカム構造体１２、外周電極１３、及び棒状電極１４が配置されている。棒状電極１４には電源１５が接続され、外周電極１３は接地されており、電源１５を作用させることにより、棒状電極１４と外周電極１３の間で放電を起こさせ、プラズマを発生させる。
【０００７】
このような排ガス浄化装置において、電極間にスパークが発生することによる無駄なエネルギー消費を回避するため、電極間に電気絶縁性の中空筒体を設置することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１６２１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の排ガス浄化装置では、エネルギー効率、ＰＭ捕集効率等の点で改善の余地がある。本発明は、このような問題を解消し、エネルギー効率、ＰＭ捕集効率等を改善した排ガス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】
【００１０】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、
絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極
を有する排ガス浄化装置において、前記外周電極及び棒状電極を、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側にまで延在させ、前記棒状電極の、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起を設け、前記外周電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材を配置している。
【００１１】
上記問題点を解決するために２番目の発明によれば、
絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極
を有し、前記外周電極及び棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側にまで延在しており、前記棒状電極が、前記ハニカム構造体の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起を有し、前記外周電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材が配置されている処理ユニットを、排ガス流れの上流から下流に向かって直列に複数配置している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、外周電極と棒状電極の間に絶縁部材を配置することにより、電極間におけるスパーク発生を防止し、ＰＭ堆積による電極間の短絡を防止し、エネルギー効率及びＰＭ捕集効率を向上させることができる。また、棒状電極に放電突起を設けることにより、電子放出を促進し、エネルギー効率を向上させることができる。さらに、これらを組み合わせることにより、ＰＭはハニカム構造体に達する前に、排ガス流れ上流側の棒状電極と絶縁部材の間に発生したマイクロディスチャージにより帯電してハニカム構造体で捕集され、排ガスは活性化されてＰＭ酸化を促進させることができる。また、このような構成からなるユニットを複数組み合わせることにより、特に下流側のユニットにおけるＰＭ堆積を防止し、ＰＭ酸化を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の排ガス浄化装置の一態様を図面を参照して説明する。この排ガス浄化装置２０は、図２に示すように、ハニカム構造体２２、このハニカム構造体２２の外周部に配置された外周電極２３、及びこのハニカム構造体２２の中心軸上に配置された棒状電極２４を有する。
【００１４】
ここで外周電極２３及び棒状電極２４は、ハニカム構造体２２の排ガス流れ上流側にまで延在しており、棒状電極２４は、ハニカム構造体２２の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起２７を有し、外周電極２３の、ハニカム構造体２２の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材２６が配置されている。
【００１５】
棒状電極２４は電源２５に接続され、外周電極２３は接地されているが、これを逆にし、棒状電極２４を接地し、外周電極２３を電源に接続してもよい。あるいは、棒状電極２４と外周電極２３を電源２５の異なる極に接続してもよい。棒状電極２４は、ハニカム構造体２２の半径方向中央部分の排ガス流れ下流側に残っているハニカム構造体に固定されている。
【００１６】
この排ガス浄化装置２０は、ケース２１に収納し、内燃機関の排気系統を構成する排気管に接続されるが、ケース２１を金属製とし、外周電極として用いてもよい。ＰＭを含む排ガスは、矢印で示すように、図の左側から右側に流れ、外周電極２３に囲まれたハニカム構造体２２を通過する。
【００１７】
ここで、排ガス浄化装置２０を構成する各構成部について具体的に説明する。
絶縁性ハニカム構造体２２は、コージェライトやアルミナ等のセラミックにより形成されており、排ガスの流れ方向に延在する多数のセルを有している。このハニカム構造体２２は、ストレートフロー型であってもウォールフロー型であってもよい。ここでこのハニカム構造体２２は、十分な絶縁性を有し、それによってＰＭよりも導電性が小さいようにし、電圧を印加したときにＰＭ自体に電流が流れてＰＭが通電燃焼されるようにすべきである。
【００１８】
このハニカム構造体２２は、円筒形に成形された通常のハニカム担体の一部を研削して成形することができるが、所望の形状が得られるのであれば、任意の他の方法で製造してよい。また、このハニカム構造体２２のセル壁には、ＣｅＯ2、Ｐｔ／ＣｅＯ2、Ｍｎ／ＣｅＯ2、Ｆｅ／ＣｅＯ2、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3等の酸化触媒を担持させておいてもよい。
【００１９】
棒状電極２４は、この棒状電極２４と外周電極２３の間に電圧を印加することができる材料で形成する。この材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、なかでも金属材料が好ましい。この金属材料としては、具体的には銅、タングステン、ステンレス、鉄、白金、アルミニウム等を使用することができ、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。この棒状電極２４の形状は、ワイヤが一般的であるが、中空の棒状電極も使用することができる。
【００２０】
この棒状電極２４は、ハニカム構造体２２内から排ガス流れ上流側に突出して延在している部位には設けられている放電突起２７は、棒状電極２４と同様の材料から形成することができ、その形状は複数の針を棘状に形成されており、棒状電極２４から放射状に、その先端が外周電極２３に向くように配置されている。この放電突起２７の針状部の数はある程度異常必要であるが、排気ガス中のＰＭを最も良好に帯電させるように、最適化した数を実験により定めることができる。
【００２１】
外周電極２３は、棒状電極２４と同様の材料を、金属メッシュもしくは金属箔としてハニカム構造体２２に巻きつけて円筒状に形成される。あるいは、導電性ペーストをハニカム構造体２２に適用して形勢することもできる。
【００２２】
電源２５は、パルス状又は定常の直流電圧を発生させるものでよい。印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用することができ、例えばパルス電圧５０ｋＶ、パルス周期2,000Ｈｚを使用することができる。
【００２３】
外周電極２３の、ハニカム構造体２２の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に設けられている絶縁部材２６は、ハニカム構造体２２と同様のセラミック等より、円筒状に形成することができる。この絶縁部材２６は多孔質であることが好ましく、その細孔径は１５〜２００μｍであることがより好ましい。
【００２４】
以上のように、棒状電極２４に放電突起２７を設けることにより、印加電圧を低減させ、エネルギー効率を向上させることができる。具体的には、図１に示すような従来の排ガス浄化装置において、ＰＭ捕集率９５％を達成するに必要な印加電圧は３０ｋＶであったが、棒状電極に放電突起を設けることにより、この印加電圧は１７ｋＶに低下した。また、絶縁部材２６を設けることにより、棒状電極２４と外周電極２３の間の短絡発生を抑制することができる。すなわち、図３に示すように、このような絶縁部材を配置していない従来の排ガス浄化装置では、ＰＭ１６が堆積することに伴い、棒状電極１４と外周電極１３の間がＰＭ１６によって短絡し、回路が形成され、絶縁が破壊される。するともはや放電することができなくなり、ＰＭの捕集率、排ガス浄化率が低下してしまう。そこで、図２に示すように、外周電極２３の内周囲面上に絶縁部材を配置することにより、ＰＭの堆積による外周電極２３と棒状電極２４の間の短絡を防ぐことができる。
【００２５】
さらに本発明では、棒状電極２４に放電突起２７を設け、外周電極２３の内周囲面上に絶縁部材２６を設けることにより、マイクロディスチャージを発生させ、ＰＭ酸化を促進することができる。具体的には、図４に示すように、棒状電極２４を負極とした場合、絶縁部材２６には放電した電荷と逆の極性の電荷が集まり、その後、この絶縁部材２６から逆に放電現象が起こり、排ガスを活性化し、ＰＭ酸化を促進することになる。
【００２６】
本発明の第二の態様では、上記の排ガス浄化装置を１つの処理ユニットとし、この処理ユニットを排ガス流れの上流から下流に向かって直列に複数配置している。具体的には、図５に示すように、この排ガス浄化装置５０は、処理ユニット５１をケース５２内に、排ガス流れの上流から下流に向かって直列に複数配置している。各処理ユニット５１は、絶縁性ハニカム構造体５３、前記ハニカム構造体の外周部に配置された外周電極５４、及び前記ハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極５５を有し、前記外周電極５４及び棒状電極５５が、前記各ハニカム構造体５３の排ガス流れ上流側にまで延在しており、前記棒状電極５５が、前記各ハニカム構造体５３の排ガス流れ上流側に延在している部位に複数の放電突起５６を有し、前記外周電極５４の、前記各ハニカム構造体５３の排気流れ上流側に延在している部位の内周面上に絶縁部材５７が配置されている。
【００２７】
上記のように、放電突起と絶縁部材との間でマイクロチャージを発生させることにより排ガスをより活性化させることができるが、この活性化の間にもＰＭはハニカム構造体に堆積し、その堆積によって経時的に排ガス浄化能は低下する。そこで、ハニカム構造体を分割し、複数のユニットの繰り返し構造とすることにより、特に下流側のユニットではＰＭ堆積が少なく、清浄面を保つことができ、排ガス浄化能を高く維持することができる。
【実施例】
【００２８】
ＰＭ酸化速度試験及びＰＭ捕集率測定試験
図６に示す構成の実験装置を用い、エンジン運転条件：回転数＝1800rpm、トルク＝30N・m、入りガス温度：200℃にて、以下のようにしてＰＭ酸化速度及びＰＭ捕集率を測定した。
【００２９】
まず、排ガスをバイパス側に捨てながらエンジンを暖気運転した。暖気完了を確認した後、所定条件にダイナモを設定し、排ガス浄化装置へ、電圧値が最大となるまで電圧印加を開始した。次いで排ガスをメイン側（排ガス浄化装置側）へ流し、フルダイリューショントンネルにて５分に１回の割合でＰＭ捕集率を測定した。また、排ガスの一部は粒子数測定装置（ＥＬＰＩ）にて捕集率の経時変化をみるために使用した。こうして実験を３０分間行い、排ガスをバイパス側にして終了した。実験終了後のサンプルは分解・粉砕し、HORIBA製のMEXA 1370-PMにてＤＰＦに残ったＰＭ量測定に供試した。捕集率測定値と本分析値からＰＭ酸化速度をもとめた。
【００３０】
具体的には、ＰＭ酸化速度は
入りＰＭ量−（出ＰＭ量＋残ＰＭ量）
から求め、入りＰＭ量はハニカム構造体に入る排ガスを石英捕集フィルターに通し、その重量増加から求め、出ＰＭ量はハニカム構造体から出る排ガスを石英捕集フィルターに通し、その重量増加から求め、残ＰＭ量は実験終了後のハニカム構造体を分解し、HORIBA製のMEXA 1370-PMにて測定して求めた。
【００３１】
ＮＯx浄化率測定試験（Ｒ／Ｌ繰り返し）
エンジン運転条件：回転数＝1800rpm、トルク＝60N・m、入りガス温度：300℃にて、以下のようにしてＮＯx浄化率を測定した。
【００３２】
まず、排ガスをバイパス側に捨てながらエンジンを暖気運転した。暖気完了を確認した後、所定条件にダイナモを設定し、エンジンＥＣＵに軽油を添加できるように条件を指令し、排ガス浄化装置へ、電圧値が最大となるまで電圧印加を開始した。次いで排ガスをメイン側（排ガス浄化装置側）へ流し、HORIBA製のMEXA 9100DのＮＯx計の分析値から、入りガス中のＮＯxに対してどれだけＮＯxを低減できたかを求めた。
【００３３】
以上の結果、棒状電極に放電突起を設けたのみ、又は周囲電極に絶縁部材を設けたのみでは、実験開始から３０分間のＰＭ酸化速度はほぼ０ｇ／ｈＬであったが、両者を組み合わせることにより約０．５ｇ／ｈＬまで向上した。
【００３４】
また、同じ体積で、処理ユニットの繰り返しの有無でのＰＭ酸化速度及びＮＯx浄化率を比較したところ、３００℃におけるＰＭ酸化速度は、繰り返し無しで約０．５ｇ／ｈＬであったのに対し、繰り返し有りで０．７ｇ／ｈＬにまで向上し、ＮＯx浄化率は、繰り返し無しで３０％であったのに対し、繰り返し有りで３５％にまで向上した。
【００３５】
また、処理ユニットの繰り返しの有無での絶縁破壊に至る時間を測定し、比較したところ、図７及び８に示すように、処理ユニットを繰り返し構造とすることにより絶縁破壊までの時間が約２倍に向上した。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の排ガス浄化装置の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の排ガス浄化装置の一態様を示す断面図である。
【図３】従来の排ガス浄化装置におけるＰＭ堆積の様子を示す模式図である。
【図４】マイクロディスチャージの発生を説明する模式図である。
【図５】本発明の排ガス浄化装置の他の態様を示す断面図である。
【図６】実験装置の構成を示す概略図である。
【図７】処理ユニットの繰り返し無しの場合の絶縁破壊までの時間を示すグラフである。
【図８】処理ユニットの繰り返し有りの場合の絶縁破壊までの時間を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０、２０、５０    排ガス浄化装置
１１、２１、５２    ケース
１２、２２、５３    ハニカム構造体
１３、２３、２４    外周電極
１４、２４、５５    棒状電極
１５、２５    電源
２６、５７    絶縁部材
２７、５６    放電突起
【図１】
2007182810.tif 000003
【図２】
2007182810.tif 000004
【図３】
2007182810.tif 000005
【図４】
2007182810.tif 000006
【図５】
2007182810.tif 000007
【図６】
2007182810.tif 000008
【図７】
2007182810.tif 000009
【図８】
2007182810.tif 000010