(57)【要約】【課題】排ガス中の粒子状物質を、コロナ放電を利用して帯電凝集させる排ガス処理装置において、放電電極の形状およびその配置を最適化し、装置構成の複雑化や大型化を伴わずに粒子状物質を効率的に処理し、すり抜け防止と粒子数の低減を実現する。【解決手段】エンジン排気管に接続される円筒管路状の集塵電極４を設けて、その内部を、粒子状物質を含む排ガスが通過する排ガス通路１１とし、排ガス通路１１の通路中心に配設した放電電極３と集塵電極４との間にコロナ放電を生起する電気集塵部１を備える。放電電極３は、外周に複数の突起状電極３３を放射状に配置した放電体３２を、排ガス通路１１の中心軸に沿って複数有し、かつ排ガス通路１１の周方向および軸方向に隣り合う突起状電極３３は、各突起状電極３３から放射され集塵電極４に到達する電気力線５１によって規定される領域５２が、集塵電極面において互いに接するように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に接続される円筒管路状の集塵電極を設けて、その内部を、粒子状物質を含む排ガスが通過する排ガス通路とし、該排ガス通路の通路中心に配設した放電電極と上記集塵電極との間にコロナ放電を生起してイオン風を発生させる電気集塵部を備えており、
該電気集塵部において、
上記放電電極は、外周に複数の突起状電極を放射状に配置した放電体を、上記排ガス通路の中心軸に沿って複数配置してなり、
かつ上記排ガス通路の周方向および軸方向に隣り合う上記突起状電極は、各突起状電極から上記集塵電極に到達する電気力線によって規定される領域が、上記集塵電極面において互いに接するように配置されていることを特徴とする内燃機関の排ガス処理装置。
【請求項２】
上記放電電極は、周方向および軸方向に隣り合う上記突起状電極が、各突起状電極によって形成される電気力線が互いに干渉しないように配置されている請求項１記載の内燃機関の排ガス処理装置。
【請求項３】
上記放電電極は、軸方向に隣り合う上記放電体が、外周の上記突起状電極の放射方向が重ならないように配置されている請求項１または２記載の内燃機関の排ガス処理装置。
【請求項４】
上記放電電極は、上記排ガス通路の中心軸に沿う棒状支持部の外周に、上記複数の放電体が等間隔で配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
【請求項５】
上記放電電極は、上記放電体の外周に４本以上１２本以下の上記突起状電極を有し、軸方向に隣り合う上記放電体の間隔が１０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の範囲で設定されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる粒子状物質を、コロナ放電を利用して集塵捕集する排ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両内燃機関の筒内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、リーン燃焼により燃費性能に優れる反面、粒子状物質（パティキュレートマター；ＰＭ）が発生しやすいという問題がある。粒子状物質は、主に煤（Ｓｏｏｔ）と可溶性有機成分（ＳＯＦ）からなり、特に、例えば直径１０μｍ以下と微小な浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）は、空気中に長期間浮遊してしまう懸念がある。
【０００３】
粒子状物質を含む排ガスの後処理装置として、例えば、ディーゼルエンジンでは、ハニカム構造のパティキュレートフィルタを設置することが一般に行なわれている。ところが、微小な浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）を捕集するために、パティキュレートフィルタの孔径を小さくすると目詰まりしやすく、気孔率を大きくするとすり抜けが生じるおそれがある。また、ディーゼルエンジンに比し熱効率の低い直噴ガソリンエンジンでは、パティキュレートフィルタは有効ではなく、ポンピングロスによりさらに燃費が低下するおそれがある。
【０００４】
これに対して、パティキュレートフィルタを用いない後処理装置として、コロナ放電を利用した電気集塵器がある。電気集塵器は、一般に、コロナ放電電極と接地電極を対向させて配し、両電極の間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて、粒子状物質を帯電凝集させる構成となっている。このような電気集塵器を、ディーゼルエンジンや直噴ガソリンエンジンの排ガス処理装置に適用することが提案されており、従来技術としては、例えば、特許文献１、２がある。
【０００５】
特許文献１は、筒内周に集塵極および集塵フィルタからなる集塵フィルタ装置を設け、その内側に形成される排ガス流路に、放電電極を配置している。放電電極は、粒子状物質を含む排ガス流と直交する方向に２次流れを誘起形成するイオン風を発生するもので、棒状の放電極主部と、その外周に複数配設される円盤または多角形状の放電板により構成されている。
【０００６】
特許文献２は、管体内部に、放電電極を設け、その下流に、流路の中心軸方向に沿って棒状の集塵電極を配置した構成としている。具体的には、図１２に示すように、管体１００内において上流側に配置される放電電極１０１は、円盤１０２の両面にそれぞれ流路方向に突出する多数の針状放電体１０２ａを設けて、その周囲にコロナ放電を発生させるようになっている。集塵電極１０３は、管体内径の２倍以上の長さの棒状体１０４とその周囲の管体内壁１０５との間に電界を形成するもので、コロナ放電により荷電した粒子状物質を、管体内壁面に捕捉する。これらコロナ放電領域と電界形成領域を組み合わせて浮遊粒子状物質の個数を減少させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２２９４９号公報
【特許文献２】特開２０１１−５２５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、自動車の排出ガス規制が一段と強化されており、さらに、粒子状物質に関しては、排出重量の低減のみならず排出粒子数の規制が重要とされるようになっている（ＰＭ粒子数規制）。しかしながら、従来のコロナ放電を用いた電気集塵器では、より厳しくなる排出規制へ対応するために、必ずしも十分な処理能力が得られていないことが判明した。
【０００９】
特許文献１の集塵フィルタ装置は、放電板の製作や組み立てを容易にすることを課題として、円盤または多角形状の放電板を採用しているが、これら形状は放電電流量の向上に最適とはいえない。また、複数の放電板を軸方向に並設して処理能力の向上を図っているが、各放電板によって発生する電界強度が小さいために、粒子状物質のすり抜けを防止することは容易でない。あるいは、これを補うために放電板の設置数が多くなって、大型化しコスト増となる懸念がある。
【００１０】
特許文献２の排気ガス処理装置は、上流のコロナ放電領域と、下流の電界形成領域を区別することで、コロナ放電による荷電と電界による集塵が、効率よく行われるようにしている。しかしながら、コロナ放電領域における放電電流量を大きくするために、放電電極１０１は、支持基盤となる円盤１０２の両面から多数の針状放電体１０２ａが突出する複雑な形状となっている。電界形成領域の集塵電極１０３も、棒状体１０４の長さが管径の２〜５倍とする必要があり、両電極の強度や支持構造に難がある。このため、電極の製作や装置の大型化によるコスト増が避けられない。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質を、コロナ放電を利用して帯電凝集させる排ガス処理装置において、放電電極の形状およびその配置を最適化することにより、装置構成の複雑化や大型化を伴わずに、装置内に流入する粒子状物質を効率的に処理し、すり抜け防止と粒子数の低減に高い能力を発生する排ガス処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明請求項１の排ガス処理装置は、内燃機関の排気管に接続される円筒管路状の集塵電極を設けて、その内部を、粒子状物質を含む排ガスが通過する排ガス通路とし、該排ガス通路の通路中心に配設した放電電極と上記集塵電極との間にコロナ放電を生起してイオン風を発生させる電気集塵部を備えており、該電気集塵部において、
上記放電電極は、外周に複数の突起状電極を放射状に配置した放電体を、上記排ガス通路の中心軸に沿って複数配置してなり、
かつ上記排ガス通路の周方向および軸方向に隣り合う上記突起状電極は、各突起状電極から上記集塵電極に到達する電気力線によって規定される領域が、上記集塵電極面において互いに接するように配置されている。
【００１３】
本発明請求項２の排ガス処理装置において、上記放電電極は、周方向および軸方向に隣り合う上記突起状電極を、各突起状電極によって形成される電気力線が互いに干渉しないように配置する。
【００１４】
本発明請求項３の排ガス処理装置において、上記放電電極は、軸方向に隣り合う上記放電体が、外周の上記突起状電極の放射方向が重ならないように配置されている。
【００１５】
本発明請求項４の排ガス処理装置において、上記放電電極は、上記排ガス通路の中心軸に沿う棒状支持部の外周に、上記複数の放電体を等間隔で配置してなる。
【００１６】
本発明請求項５の排ガス処理装置において、上記放電電極は、上記放電体の外周に４本以上１２本以下の上記突起状電極を有し、軸方向に隣り合う上記放電体の間隔を、１０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の範囲で設定する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明請求項１の排ガス処理装置において、円筒管路状の集塵電極内に配置した放電電極に電圧が印加されると、その周囲にコロナ放電が発生し、生成するイオンや気体分子が対向する集塵電極へ向かうイオン風となる。この電気集塵部に内燃機関からの排ガスが導入されると、排ガス中の粒子状物質が帯電し、イオン風によって外周の集塵電極へ移動し、凝集する。ここで、生成するイオンは、放電電極と集塵電極の間に形成される電気力線に沿って移動することから、電気集塵部内の全域に、電気力線によって規定される領域が形成されることが必要となる。
【００１８】
本発明の放電電極は、排ガス通路の中心軸に沿って、外周に複数の突起状電極を有する放電体を複数配置する際に、各突起状電極が形成する電気力線領域が、集塵電極面において境界を接するようにしたから、各突起状電極が形成する電気力線領域が、周方向および軸方向においてそれぞれ電気力線が作用する領域が効果的に形成される。したがって、電気集塵部の全体に排ガス流れと直交するイオン風が形成され、排ガス中の粒子状物質が、電気集塵部をすり抜けることなく、集塵電極面に集塵捕集される。粒子状物質は集塵電極面で凝集して、凝集粒子となり、微小な浮遊粒子の数を大幅に低減させる。
【００１９】
このように、本発明の放電電極は、周方向および軸方向の両方において、隣り合う突起状電極が接近しすぎず、離れすぎない最適配置となり、コンパクトで高性能な電気集塵部を構成する。よって、装置の大型化や複雑化を伴わずに、効率よく排ガス中の粒子状物質を帯電凝集して、すり抜け防止と粒子数の低減に高い能力を発生する排ガス処理装置を低コストに実現できる。
【００２０】
本発明請求項２の排ガス処理装置によれば、周方向および軸方向において、隣り合う突起状電極の配置を、各突起状電極によって形成される電気力線が互いに干渉しないように配置することで、放電電流量を最大とすることができる。したがって、一定体積の電気集塵部内における集塵能力を最大限に発揮することができる。
【００２１】
本発明請求項３の排ガス処理装置によれば、隣り合う放電体において、外周の突起状電極の位置が軸方向に重ならないので、各突起状電極が形成する電気力線領域が互い違いに位置して周方向に隙間なく形成され、デッドスペースを低減する。したがって、電気集塵部からの排気微粒子のすり抜けを防止する効果を高めることができる。
【００２２】
本発明請求項４の排ガス処理装置によれば、具体的には、放電電極は排ガス通路の中心軸に沿って配置した棒状支持部を備え、その外周に複数の放電体を配置した構成とすることができ、各突起状電極の形成する電気力線領域が集塵電極面で接するように、等間隔で配置することで高い集塵効果が得られる。
【００２３】
本発明請求項５の排ガス処理装置によれば、放電電極は、具体的には、突起状電極の数を、放電体の外周に４本以上１２本以下の範囲とし、また、軸方向に隣り合う放電体の間隔を、１０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の範囲として、各突起状電極の形成する電気力線領域が集塵電極面で接するように配置することで、内燃機関からの排気微粒子に十分高い集塵効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態における排ガス処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は主要部である放電部の側面図および正面図、（ｃ）の放電部の要部拡大図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態における電気集塵部の模式的な図、（ｂ）は突起と平板間の放電特性を説明するための図である。
【図３】（ａ）はイオン風の生成メカニズムを説明するための図であり、（ｂ）は隣り合う突起状電極が形成する電気力線領域を表わす模式的な図である。
【図４】（ａ）は電極形状と電界強度および放電量の関係を示す図、（ｂ）は電界強度と放電量の関係を示す図である。
【図５】（ａ）は突起状電極の突起数と放電電流量の関係を示す図、（ｂ）は突起間隔と放電電流量の関係を示す図である。
【図６】（ａ）は突起状電極の突起長さと突起先端の電界強度の関係を示す図、（ｂ）は突起状電極の電界強度分布図である。
【図７】（ａ）は突起状電極の突起先端半径と電界強度の関係を示す図、（ｂ）は突起状電極表面の電界強度の算出手法を説明するための図である。
【図８】突起状電極の配置を最適化した放電電極の一実施例であり、（ａ）は突起状電極の周方向の配置例を示す図、（ｂ）は突起状電極の軸方向の配置例を示す図である。
【図９】（ａ）は本発明の排ガス処理装置による粒子状物質（ＰＭ）低減のメカニズムを示す模式的な図、（ｂ）は放電電流量とＰＭ数低減率の関係を示す図である。
【図１０】（ａ）は突起状電極の間隔が小さい場合の影響を示す図、（ｂ）は突起状電極の間隔が広い場合の影響を示す図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第２実施形態における放電電極の構造を示す模式的な図であり、（ｂ）は、本発明の第３実施形態における放電電極の構造を示す模式的な図である。
【図１２】従来の排ガス処理装置の全体概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を内燃機関の排ガス処理装置に適用した第１の実施形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）は、排ガス処理装置の全体概略構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、電気集塵部１を構成する放電部２の側面図および正面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の要部である放電電極３の一部を拡大した斜視図である。本実施形態の排ガス処理装置は、内燃機関である自動車用エンジンへの適用例であり、図１（ａ）において、図示しないエンジン排気管の途中に接続されるハウジングＨを有し、ハウジングＨ内に電気集塵部１を備えている。エンジンは、直噴ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、インジェクタから筒内に燃料を直接噴射する方式となっている。
【００２６】
本実施形態において、排ガス処理装置の電気集塵部１は、円筒管よりなるハウジングＨの一部を、円筒管路状の集塵電極４とし、その内部に放電電極３を備える放電部２を配置して電気集塵部１を構成している。ハウジングＨ内は、エンジンからの燃焼排気ガス（以下、排ガスと称する）が流通する排ガス通路１１であり、ここでは、図の左方を排ガス流れの上流側、右方を下流側とし、ハウジングＨの左端開口部をエンジンからの排ガスが導入される入口部１２として説明する。ハウジングＨは車体に接続されており集塵電極４は接地電位となっている。
【００２７】
放電部２は、ハウジングＨ壁に保持固定される絶縁碍子部２１と、絶縁碍子部２１に支持される放電電極３からなる。放電電極３は、ハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状支持部３１と、棒状支持部３１の外周に等間隔で配置される多数の放電体３２を有している。絶縁碍子部２１は筒状体で、図の上半部がハウジングＨ外部に露出し、図の下半部は排ガス通路１１内に突出位置している。絶縁碍子部２１の筒内には、棒状の導電部２２が挿通保持され、その基端部（図の上端部）は、ハウジングＨ外部に露出して端子部２３を構成し、図示しない直流高圧電源に接続される。
【００２８】
導電部２２の先端部（図の下端部）は、絶縁碍子部２１の筒内から下方に突出し、ガス流れの中心部においてＬ字状に屈曲して、放電電極３の棒状支持部３１を構成している。図１（ｂ）に示すように、放電電極３の放電体３２は、ガス流れに対向するように配置された板状体で、外周に多数の突起状電極３３が放射状に配置されている。これら突起状電極３３は、径方向に突出して、放電電極３を同心状に取り囲む筒状の集塵電極４に対向している。
【００２９】
排ガス処理装置の排ガス通路１１には、図示しないエンジン排気管に接続される入口部１２から燃焼排ガスが流入する。燃焼排ガスには、煤（Ｓｏｏｔ）と可溶性有機成分（ＳＯＦ）からなる粒子状物質（パティキュレートマター；ＰＭ）が含まれており、排ガス処理装置は、電気集塵部１内にコロナ放電を生起し、排ガスの流れと直交する方向に誘起されるイオン風を利用して、内部を通過する粒子状物質を集塵捕集する。特に、微小な浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）は、排気管外への放出に対する規制が厳しくなっており、帯電凝集により粒子状物質の数を低減することが要求されている。
【００３０】
このため、本発明では、電気集塵部１の全域において粒子状物質を良好に集塵可能となるように、放電電極３の放電体３２形状と配置を設定している。具体的には、図１（ｂ）に示す放電電極３の棒状支持部３１の長さＬによって、電気集塵部１となる領域が定められ、放電電極３と対向する集塵電極４の間に放電空間が形成される。そして、棒状支持部３１の長さＬに対して放電体３２が設置される間隔Ｓと、放電体３２外周の突起数Ｎを、最適に設定することにより、電気集塵部１における集塵性能を向上させる。
【００３１】
図１（ｃ）に示すように、本実施形態において、各放電体３２は概略星形の平板形状で、先端ほど細くなる針状の突起状電極３３が外周の複数個所から放射状に、等間隔で配置されている。放電体３２は板面中央に取付穴を有し、板面がガス流れに対向するように棒状支持部３１の外周に挿通固定されている。図示するように、各放電体３２は、例えば、外周の８箇所から突起状電極３３が径方向に突出する形状であり、図１（ａ）において、各突起状電極３３は、ガス流れと直交する方向に延びて、先端が集塵電極４に対向している。また、例えば、突起状電極３３は、棒状支持部３１の先端を含む軸方向の１０箇所に所定の等間隔で配置される。この放電体３２の配置（間隔Ｓと突起数Ｎ）の設定方法は、本発明の特徴部分であり、詳細を以下に説明する。
【００３２】
図２（ａ）は、本実施形態の電気集塵部１を模式的に表した図であり、ここでは、外周の８箇所に突起状電極３３を設けた放電体３２を、棒状支持部３１の軸方向の７箇所に等間隔で配置したものとして図示している。ここで、放電体３２の各突起状電極３３と集塵電極４との間の放電特性は、図２（ｂ）に示すように、突起（突起状電極３３）と対向する平板（集塵電極４）間の放電特性として近似することができる。高圧電源から突起状電極３３に電圧（負の高電圧）を印加すると、突起状電極３３の周囲に電界が集中してコロナ放電が発生し、電子が放出される。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、突起状電極３３から放出された電子（ｅ）は、電気集塵部１内に存在する酸素分子（Ｏ２）に衝突して、酸素イオン（Ｏ２−）を生成する。生成した酸素イオン（Ｏ２−）は電界によりクーロン力を受けながら、電気力線上を集塵電極４へ向けて移動していく。この間に、電気力線上を移動する酸素イオン（Ｏ２−）は、他の気体分子、例えば窒素分子（Ｎ２）、二酸化炭素分子（ＣＯ２）等と運動量交換する。この運動量交換により生成される流れがイオン風となり、電気集塵部１内を軸方向に流れる排ガスの流れに対して直交する方向の流れとなる。
【００３４】
電気集塵部１内に流入する排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）は、周囲の電子（ｅ）や酸素イオン（Ｏ２−）と接触することで帯電する。そして、静電力とイオン風によって外周の集塵電極４に向かって移動する間に、または、集塵電極４の表面において凝集する。このようにして、粒子状物質（ＰＭ）を帯電凝集させて捕集することができ、特に１０μｍ以下の微小粒子を凝集粒子とすることで、大気中に浮遊する微小な粒子状物質（ＳＰＭ）の個数を大幅に低減することができる。
【００３５】
本発明では、粒子状物質（ＰＭ）の凝集効果を向上させるために、イオン風生成に大きく寄与する放電電極３と集塵電極４間の放電特性を制御する。具体的には、複数の突起状電極３３を有する放電体３２を用いて、放電電極３周囲の電界強度を高くし、集塵電極４との間に形成される電気力線にて規定される領域が、電気集塵部１内の全域に密に配置されるようにするとよい。ここで、図２（ｂ）に示すように、突起状電極３３の表面から放射され集塵電極４に到達する仮想的な電気力線５１は、集塵電極４面における電流密度分布に対応し、電気力線５１にて規定される領域（以下、電気力線領域５と称する）は中央ほど電流密度が大きく、境界では電流密度が実質０となる。この電気力線領域５は、突起状電極３３から放射される電子の放射角度θにて規定することができ、同一条件の突起状電極３３が形成する電気力線領域５の放射角度θは一定となる。
【００３６】
そこで、本発明では、放電電極３の各突起状電極３３に対応する電気力線領域５が、集塵電極４面上において、電気集塵部１の周方向および軸方向に互いに接するように、複数の放電体３２を配置する。図２（ａ）は、これを模式的に示す図で、平面状に展開した集塵電極４の表面に、放電電極３の各突起状電極３３が形成する電気力線領域５を投影させた領域５２を表している。図中の上下方向には、各放電体３２の外周に設けた８つの突起状電極３３に対応する８つの領域５２が、互いに接して整列配置され、図中の左右方向には、軸方向に配置した７つの放電体３２に対応して、それぞれ８つの突起状電極３３による領域５２が、互いに接して整列配置されている。なお、これら領域５２は、図示するように楕円形状であり、各突起状電極３３からの放射角度θが、円周方向で大きく、軸方向で小さいことを表している。
【００３７】
この時、図３（ｂ）に示されるように、隣り合う突起状電極３３が形成する電気力線領域５が重なることなく、また、離れすぎることなく配置され、電流密度分布すなわち放電電流量を最大とすることができる。このために、放電体３２の突起状電極３３形状、突起状電極３３の間隔の設定が重要であり、本発明では、周方向（ガス流れと直交する方向）および軸方向（ガス流れ方向）において、隣り合う突起状電極３３が集塵電極４面上に形成する楕円状の領域５２が密接するように設定することで、集塵性能を大きく向上させる。これら設定手法について、次に説明する。
【００３８】
まず、図４により放電体３２の形状について検討する。図４（ａ）は、本発明の突起状電極３３を有する放電体３２と、従来の多角形状（例えば六角形）または円盤状の放電体について、電界強度および放電量を比較したものである。電界強度は、同一条件においてシミュレーションにより計算した結果であり、放電量（放電電流量）は、図４（ｂ）に示すように、オームの法則に基づき電界強度と放電量（放電電流量）の関係から求めた。
ここで、オームの法則より、Ｉ＝σＥＳ
ただし、Ｉ：放電電流量（Ａ）  σ：電気伝導率（１／Ωｍ）  Ｅ：電界強度（Ｖ／ｍ）  Ｓ：放電部断面積（ｍ２）である。
すなわち、電界強度が大きいほど、放電電流量は大きくなり、放電体３２の形状は、電極周囲の電界強度がより大きくなる突起状電極３３を有する形状が最適となる。
【００３９】
さらに、放電体３２の外周に形成する突起状電極３３の突起数Ｎと間隔Ｓについて検討する。図５（ａ）は、突起状電極３３の突起数（Ｎ＝１〜４）と放電電流量の関係を示したものであり、突起数に比例して放電電流量が増加している。したがって、好適には、放電体３２の外周に配置する突起状電極３３の数を４本ないしそれ以上とすることがよい。
【００４０】
この関係から、放電体３２の外周に配置する突起状電極３３の数を多くするほど、放電電流量の増加が見込まれ、従来は、放電電流量を増加させるためには、本数を多くするほどよいとされている。ところが、図５（ｂ）に示すように、突起間隔が所定範囲より小さくなると放電電流量が減少し、２０ｍｍ以下、特に１０ｍｍ以下で急減することが判明した。このため、突起状電極３３の数が多くなり、突起間隔が狭くなることは、むしろ集塵性能に悪影響を与えることになる。
【００４１】
したがって、放電体３２および突起状電極３３の形状または大きさ等に応じて、所望の放電電流量が得られるように、突起状電極３３の数や間隔を最適となるように設定するのがよい。図６（ａ）、（ｂ）は、突起状電極３３の突起長さの影響を調べた結果である。図６（ｂ）に示すように、突起状電極３３を先端が半球状である針状電極とし、突起長さｈ（基端部からの先端部までの突出長さ）を変化させた時の電界強度分布を、シミュレータにより算出した。図６（ａ）は、電位一定（１０ｋＶ）の条件で、突起長さｈ（１〜２０ｍｍ）と突起先端の電界強度の関係を示したもので、突起長さｈが長いほど、突起先端の電界強度が大きくなっている。ただし、１５ｍｍを超えると電界強度の増加は小さくなり、２０ｍｍを超えても大きな変化は見込めない。そこで、好適には、突起長さｈが２０ｍｍ以下の範囲で、集塵電極４との間に所望の電気力線領域５が形成されるように、突起長さｈを適宜選択するのがよい。
【００４２】
図７（ａ）、（ｂ）は、突起状電極３３の突起先端半径の影響を調べた結果である。図７（ｂ）に示すように、突起状電極３３の先端を球状とみなして、その半径をｒ、表面電位をＶ、真空の誘電率をε0とすると、球表面に帯電する電荷Ｑは、下記式で表される。
Ｑ＝４πε0ｒＶ［Ｃ］
また、球表面の電荷密度ρ、球表面近くの電界強度Ｅは、それぞれ下記式で表される。
ρ＝Ｑ［Ｃ］／４πｒ２［ｍ２］＝ε0Ｖ／ｒ［Ｃ／ｍ２］
Ｅ＝ρ［Ｃ／ｍ２］／ε0［Ｆ／ｍ］＝Ｖ／ｒ［Ｖ／ｍ］
この関係式から、電界強度Ｅと半径ｒ
したがって、表面電位Ｖを一定（１０ｋＶ）とした時の、電界強度Ｅと半径ｒ（０．１〜１ｍｍ）の関係は、図７（ａ）に示すようになり、半径ｒが小さいほど、球表面の電界強度は大となっている。そこで、好適には、半径ｒが１ｍｍ以下の範囲で、集塵電極４との間に所望の電気力線領域５が形成されるように、半径ｒを適宜選択するのがよい。
【００４３】
これら図６、７の結果より、突起状電極３３を突起長さｈが長く、突起先端の半径ｒが小さい、尖った形状とすることで、より高い電界強度が得られることがわかる。本発明の放電体３２は、このために、先端ほど細くなる針状の突起状電極３３を放射状に配置し、全体が星形形状となっている。さらに、本発明では、これら突起状電極３３の配置を最適化することによって、集塵電極４との間の放電空間に放出される放電電流量を最大とする。その具体的手法について、次に説明する。
【００４４】
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明により突起状電極３３の配置を最適化した放電電極３の一実施例を図示したもので、図８（ａ）は突起状電極３３の周方向の配置、図８（ｂ）は突起状電極３３の軸方向の配置例である。放電電極３は、一般的な車両用の直噴ガソリンの排気管に接続されるハウジングＨ内に収容され、突起状電極３３は、図６、７に示した突起長さｈ、突起先端の半径ｒの好適範囲となる所定形状に設定されている。この時、各突起状電極３３と集塵電極４との間の放電特性は、上述した図２（ｂ）に示した通りであり、電圧印加によって各突起状電極３３から放出される電子の放射角度θは一定である。そこで、各突起状電極３３が形成する電気力線領域５を、集塵電極４面に投影させた領域５２を密接させて電気集塵部１内に配置することで、集塵性能を最大限に発揮することができる。
【００４５】
まず、この電子放出に支配的な電気力線５１の放射角度θを算出し、複数の突起状電極３３が形成する電気力線領域５をそれぞれ集塵電極４に投影させた領域５２が密接するように突起状電極３３の数を決定する。具体的には、図８（ａ）の左図に示すように、放電体３２の突起状電極３３の数と放電電流量の関係から、電気力線の円周方向の放射角度θを知ることができる。ここで、突起状電極３３の数は２〜１６本の範囲で変更し、放電体３２の外周に等間隔で配置した。また、印加電圧は−１０ｋＶ、−１５ｋＶ、−２０ｋＶの３段階とし、それぞれ放電電流量（図２（ｂ）の電流密度分布曲線で囲まれる面積に対応）の変化を調べた。
【００４６】
その結果、針状の突起状電極３３の数（図中、針数ｎ）が８本前後で放電電流量が極大となり、それ以下でも以上でも放電電流量の低下が見られた。これは、突起状電極３３が８本以下の領域では、突起数（針数ｎ）に比例して電子が放出される領域が増加し、総放電電流量が増加しているためで、印加電圧が大きいほどこの傾向が顕著になる。一方、突起状電極３３が８本以上の領域では、大きな変化はないものの突起数（針数ｎ）に比例して放電電流量が緩やかに低下する傾向が見られた。つまり、図８（ａ）の右図に示すように、突起状電極３３が８本の時に、放電体３２の外周に放射される電気力線５１を集塵電極４に投影した領域５２が互いに最近接していることになる。ただし８本を超えると、集塵電極４へ投影させた領域５２の境界が重なり、干渉が生じやすくなって、電流密度分布のピーク値を低くするものと考えられる。
【００４７】
したがって、本実施例の構成において、突起状電極３３の数は、周方向については８本が最適であり、この時、円周方向の放射角度θ＝５７°となる。また、８本前後であれば、ほぼ同等の効果が得られ、通常は、４〜１２本、好適には６〜１０本の範囲で適宜選択することができる。
【００４８】
また、図８（ｂ）に示すように、放電体３２の突起状電極３３を軸方向に等間隔で配置し、その間隔と放電電流量の関係から、電気力線５１の軸方向の放射角度θを知ることができる。ここで、突起状電極３３を取り付ける棒状支持部３１の長さＬは、１２０ｍｍで一定とした。突起状電極３３の間隔は１０〜６０ｍｍの範囲で変更し、印加電圧は−１５ｋＶ、−２０ｋＶの２段階とした。その結果、突起状電極３３の間隔（図中、電極間隔Ｓ）が２０ｍｍで放電電流量が極大となり、それ以下でも以上でも放電電流量の低下が見られた。つまり、突起状電極３３の間隔が２０ｍｍ前後で、電気力線５１を集塵電極４に投影させた領域５２が重なることなく、離れることのない最近接状態となる。
【００４９】
一方、電極間隔Ｓが２０ｍｍを超える領域では、間隔が広くなるほど、配置可能な突起状電極３３の数が減少して、放電電流量が減少しやすい。また、電極間隔Ｓが２０ｍｍ未満の領域では、電気力線５１を集塵電極４に投影させた領域５２が重なって、干渉しやすくなり、電流密度分布のピーク値が低下することにより放電電流量が減少する。
【００５０】
したがって、本実施例の構成において、突起状電極３３の数は、軸方向については、電極間隔２０ｍｍとなるように配置すると最適であり、この時、軸方向の放射角度θ＝３４°となる。また、２０ｍｍ前後であれば、ほぼ同等の効果が得られ、通常は、１０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の範囲で適宜選択することができる。
【００５１】
以上のように、本発明では、予め放電電極３に設ける突起状電極３３の周方向および軸方向の放射角度を知り、その集塵電極４への投影領域の境界が密接するように、突起状電極３３の数や間隔を調整する。これによって、集塵電極４に到達する電気力線の干渉を防止し、電子の放射されない領域を最小限として、総放電電流量を増大させ、電気集塵部１内の放電空間を最大限に活用することができる。
【００５２】
図９（ａ）は、本発明の排ガス処理装置による粒子状物質（ＰＭ）低減のメカニズムを示す模式的な図である。本発明の放電電極３は、隣り合う突起状電極３３の間隔を適切に設定していることにより、各突起状電極３３から放射される電気力線５１が、電気力線が互いに干渉することなく、また離れすぎずに、対向する集塵電極４に到達する。これにより、電気集塵部１内の放電電流量が増大し、各突起状電極３３から集塵電極４へ向かうイオン風が良好に形成される。そして、排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）が、電子または負イオンの流れと運動量交換することによって、外周壁面の集塵電極４へ運ばれ、ここで粒子状物質（ＰＭ）同士が凝集する。凝集することにより、排出される粒子状物質（ＰＭ）数を低減させることができる。
【００５３】
図９（ｂ）は、放電電流量とＰＭ数低減率の関係を示す図で、放電電極３の放電体３２および突起状電極３３の数を調整することにより、放電電流量を増減させた時のＰＭ数低減率を調べた結果である。図示されるように、放電電流量を増加により粒子状物質（ＰＭ）に衝突する確率が高まったからであると推測される。
【００５４】
これに対して、図１０（ａ）、（ｂ）に、突起状電極３３の配置が最適化されていない場合の影響を示す。例えば、図１０（ａ）のように、軸方向に隣り合う突起状電極３３の間隔が、上記好適範囲より狭い場合（電極間隔Ｓ＝１０ｍｍ）には、近接する電気力線５２同士が干渉することにより、突起状電極３３の先端周囲の電界強度が小さくなる。その結果、突起状電極３３から集塵電極４に到達する電気力線５１の形成する電気力線領域５が変化し、集塵電極４における電流密度分布のピークが小さくなる。そして、所望の電流密度分布が得られないために、電流密度分布の面積の総和で規定される総放電電流量が小さくなる。
【００５５】
また、図１０（ｂ）のように、軸方向に隣り合う突起状電極３３の間隔が、上記好適範囲より広い場合（電極間隔Ｓ＝４０ｍｍ）には、近接する電気力線５１同士が干渉することはないものの、突起状電極３３からの電子の放射角度θによって決まる電気力線領域５が離れてしまう。その結果、突起状電極３３によって形成される電気力線領域５の外側にデッドスペースが形成され、放電のない空間が形成されるために、粒子状物質のすり抜けが生じやすくなって、所望の集塵性能が得られない。
【００５６】
図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２、３実施形態であり、放電電極３の放電体３２の形状および配置を変更している。それ以外の構成は同様であり、以下、主要部である放電電極３の構成について説明する。図１１（ａ）に示す本発明の第２実施形態において、放電体３２の形状は、図１に示した本発明の第１実施形態と同様であり、外周に８本の突起状電極３３が放射状に、等間隔で配置されている。本実施形態では、図示するように、隣り合う放電体３２において、突起状電極３３の放射方向が重ならないように、所定角度回転させて、各放電体３２の突起状電極３３の先端が、排ガス流れ方向の正面から見た時に、互い違いに位置するようにしている。
【００５７】
このようにすると、隣り合う２つの放電体３２を所定間隔で配置した時に、隣り合う２つの突起状電極３３の間隔が最大となり、各突起状電極３３が形成する電気力線領域５の間のデッドスペースが小さくなる。つまり、図中に示す集塵電極４の展開図において、放電体３２の各突起状電極３３が形成する電気力線領域５を投影した領域５２が、軸方向において互い違いに配置され、より密接する。したがって、電気集塵部１に流入する粒子状物質（ＰＭ）のすり抜けを低減する効果が高く、集塵性能を向上させることができる。
【００５８】
図１１（ｂ）は、本発明の第３実施形態であり、放電体３２の形状を、図１に示した本発明の第１実施形態よりも突起状電極３３の数を少なく配置している。具体的には、外周に４本の突起状電極３３を放射状に、９０度間隔で配置する。本実施形態においても、図示するように、隣り合う放電体３２について、放射方向が重ならないように４５度回転させて配置し、各放電体３２の突起状電極３３の先端が、正面から見た時に互い違いとなるように配置している。
【００５９】
このようにすると、放電体３２の各突起状電極３３の間隔が上記第１、２実施形態より離れるために、軸方向に隣り合う放電体３２の間隔をより小さくすることができる。したがって、排ガス処理装置の軸方向長を短縮することができ、全体をコンパクトにできる。よって、設置スペースが限られている場合に有利である。
【００６０】
以上のように、本発明によれば、放電電極３が、周方向および軸方向の両方において、隣り合う突起状電極３３が接近しすぎず、離れすぎない最適配置となり、コンパクトで高性能な電気集塵部１を構成する。よって、装置の大型化や複雑化を伴わずに、効率よく排ガス中の粒子状物質を帯電凝集して、すり抜け防止と粒子数の低減に高い能力を発生する排ガス処理装置を低コストに実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の排ガス処理装置は、直噴方式のガソリンエンジンやディーゼルエンジンに限らず、内燃機関から排出される粒子状物質の低減に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
Ｈ  ハウジング
１  電気集塵部
１１  排気通路
１２  入口部
２  放電部
２１  絶縁碍子部
２２  導電部
２３  端子部
３  放電電極
３１  棒状支持部
３２  放電体
３３  突起状電極
４  集塵電極
５  電気力線領域
５１  電気力線
５２  領域
【図１】
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【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】
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【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】
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