(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、
前記帯電手段より排気下流側に設けられ、前記帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する接地極と、
前記接地極より排気下流側に設けられ、前記接地極にて集塵された大きな塊の粒子状物質が前記接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質を捕集するフィルタと、
を備えた排気浄化装置。
【請求項２】
前記接地極は、網目状に構成されたこと
を特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタは、ハニカムフィルタであること
を特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記接地極は、前記ハニカムフィルタの排気上流側に塗布された導電性物質によって構成されたこと
を特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記接地極、前記フィルタの少なくとも１つは、粒子状物質酸化触媒、窒素酸化物浄化触媒の少なくとも１つを備えていること
を特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の排気浄化装置。
【請求項６】
所定の電圧が印加される帯電極を更に備え、
前記帯電手段は、所定の電圧を前記帯電極に印加することで、前記帯電極と前記接地極との間で発生するプラズマにより前記粒子状物質を帯電させること
を特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記所定の電圧は、負の高電圧であること
を特徴とする請求項６記載の排気浄化装置。
【請求項８】
排気浄化前後の排気の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに前記フィルタの回復処理を実行するフィルタ回復処理手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の排気浄化装置。
【請求項９】
前記フィルタ回復処理手段は、前記内燃機関から排出された排気の温度を所定値以上に設定すること
を特徴とする請求項８記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、特にエンジンの排気に含まれるすす、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等の粒子状物質（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。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
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ある。特にディーゼル機関の場合、排気中に有害なＰＭが含まれており、ＰＭをどのように浄化するかが問題となっている。
【０００３】
特開平９−３２９０１５号公報では、排気中に含まれるＰＭを除去するために、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（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００４】
しかし、従来技術１では、集塵効率を上げようとすると多孔質フィルタの目を細かくする必要がある。これにより、処理前の排気と処理後の排気の差圧が大きくなってしまって、効率的にＰＭを除去することができず、圧力損失が大きくなってしまう問題がある。また、一対の電極間に高電圧を印加して放電を起こすことによってＰＭを燃焼して除去するので、消費電力が大きくなってしまう問題もある。
【０００５】
特開平６−２４１０１９号公報では、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（以下「従来技術２」という。）が提案されている。
【０００６】
しかし、従来技術２では、小さいＰＭを十分に浄化することができない問題がある。また、従来技術２は、放電のみでＰＭを燃焼しているので、消費電力が大きくなってしまう問題もある。
【０００７】
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、効率的にＰＭを含む排気を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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、前記帯電手段より排気下流側に設けられ、前記帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する接地極と、前記接地極より排気下流側に設けられ、前記接地極にて集塵された大きな塊の粒子状物質が前記接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質を捕集するフィルタと、を備えている。
【０００９】
帯電手段に直流の高電圧が印加されると、帯電手段と接地極との間に電圧勾配が生じ、コロナ放電が発生する。これにより、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質が帯電され、微小の粒子状物質は大きな塊になる。このため、接地極は、帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する。
【００１０】
フィルタは、接地極から流れてきた粒子状物質を捕集する。ここでは、接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質が捕集される。このように、上記発明は、静電的に集塵された粒子状物質を接地極で集塵し、更に接地極から流れた粒子状物質を捕集することにより、排気中から粒子状物質を効率よく除去することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記接地極は、網目状に構成されたことを特徴とする。このような構成の接地極は、静電的に集塵されて塊になった粒子状物質を捕集する。なお、網目は、粒子状物質の粒子径よりも大きくてもよい。このようにして、接地極には粒子状物質が次第に堆積される。大きな塊になった粒子状物質の一部は崩れて、排気下流に流される。そして、フィルタは、接地極から流れた粒子状物質を捕集する。したがって、上記発明は、粒子状物質を静電的に捕集すると共に更に機械的に捕集することで、低圧損で効率的に粒子状物質を除去することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記フィルタは、ハニカムフィルタであることを特徴とする。上記発明は、ハニカムフィルタを用いて粒子状物質を捕集することにより、圧損を更に低減することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記接地極は、前記ハニカムフィルタの排気上流側に塗布された導電性物質によって構成されたことを特徴とする。
【００１４】
粒子状物質が、ハニカムフィルタの排気上流側に付着した場合には、帯電手段の対極となる接地極として機能する。このため、上記発明は、接地極を設ける必要がないので、小型化、軽量化を図ることができる。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記接地極、前記フィルタの少なくとも１つは、粒子状物質酸化触媒、窒素酸化物浄化触媒の少なくとも１つを備えていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、上記発明は、接地極やフィルタに堆積されたＰＭをＰＭ酸化触媒によって燃焼するので、完全に除去することができる。また、窒素酸化物を窒素酸化物浄化触媒によって完全に浄化することができる。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の発明において、所定の電圧が印加される帯電極を更に備え、前記帯電手段は、所定の電圧を前記帯電極に印加することで、前記帯電極と前記接地極との間で発生するプラズマにより前記粒子状物質を帯電させることを特徴とする。
【００１８】
これにより、前記帯電極と前記接地極との間でプラズマが発生し、排気に含まれる粒子状物質が帯電される。そして、フィルタは、帯電されて大きな塊になった粒子状物質を捕集することができる。なお、帯電極に印加する所定の電圧は、請求項７のようにするのが好ましい。
【００１９】
すなわち、請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記所定の電圧は負の高電圧であることを特徴とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項記載の発明において、排気浄化前後の排気の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに前記フィルタの回復処理を実行するフィルタ回復処理手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００２１】
粒子状物質の浄化処理を行っていくと、フィルタに粒子状物質が堆積されて、浄化能力が低下する。そこで、フィルタの回復処理を実行することにより、粒子状物質の浄化能力を再び上げることができる。
【００２２】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記フィルタ回復処理手段は、前記内燃機関から排出された排気の温度を所定値以上に設定することを特徴とする。
【００２３】
内燃機関から排出された排気の温度が所定値以上になると、粒子状物質酸化触媒が活性化される。この結果、フィルタに堆積された粒子状物質が燃焼浄化されるので、粒子状物質の浄化能力を再び上げることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【００２６】
上記排気浄化装置は、エンジン１から排出され排気管２を介して供給される排気の温度を検出する排気温度計１１と、浄化前後の排気の差圧を検出する差圧計１２と、直流電圧を印加する電源装置１３と、エンジン１からの排気を一時貯蔵して浄化する反応ケース２０と、全体的な制御を行うコントローラ３０と、を備えている。
【００２７】
図２は、反応ケース２０の内部構成を示す図である。反応ケース２０は、排気の上流から下流に向かって、排気に含まれる粒子状物質（以下「ＰＭ」という。）を帯電させる帯電用電極２１と、帯電されたＰＭを集塵する接地極２２と、集塵されたＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）２３と、を備えている。
【００２８】
帯電用電極２１は、棒状の導電体で構成され、所定間隔毎に排気の下流側に複数の突起部２１ａを設けている。帯電用電極２１は、その両端がそれぞれ碍子２４によって反応ケース２０に固定されており、排気の流れに対して軸方向が直交するようになっている。また、帯電用電極２１は、電源装置１３の負電極側に接続されている。帯電用電極２１は、碍子２４によって固定されているので、反応ケース２０に絶縁された状態になっている。そして、帯電用電極２１は、突起部２１ａを介してＰＭを帯電させる。
【００２９】
図３は、接地極２２の平面図である。接地極２２は、コロナ放電を発生させるための帯電用電極２１の対極となるものであり、反応ケース２０を介して接地されている。接地極２２は、網目状に形成されており、本実施の形態ではステンレス網で構成されている。
【００３０】
ＤＰＦ２３は、排気中のＰＭ、特にすす成分を主に捕集するフィルタであり、接地極２２に対して排気の下流側に配置されている。なお、ＤＰＦ２３は、保持部材２５によって反応ケース２０の内部に支持されている。
【００３１】
ここで、接地極２２及びＤＰＦ２３には、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒が担持されている。ＰＭ酸化触媒は、低温時ではすすや可溶有機成分等のＰＭを捕集し、高温時ではこれらを酸化して浄化する。ＮＯｘ浄化触媒は、低温時ではＮＯｘを吸蔵し、高温時ではＮＯｘを浄化する。上記触媒としては、例えばＰｔ系触媒等が好ましい。
【００３２】
コントローラ３０は、排気温度計１１、差圧計１２、その他の各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転数や燃料の噴射タイミングを制御する。
【００３３】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ３０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【００３４】
図４は、コントローラ３０の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ３０は、エンジン１が始動すると、ステップＳＴ１からステップＳＴ８までの処理を実行する。
【００３５】
ステップＳＴ１では、コントローラ３０は、電源装置１３を介して帯電用電極２１に負の高電圧（例えば、−１０ｋＶ程度）を印加して、ステップＳＴ２に移行する。
【００３６】
図５は、帯電用電極２１に印加される電圧の経時変化を示す図である。これにより、帯電用電極２１と接地極２２の間には電圧勾配（電界）が生じ、帯電用電極２１の周囲にプラズマが発生する。
【００３７】
図６は、ＰＭが帯電用電極２１によって帯電される様子を示す図である。同図に示すように、排気に含まれるＰＭは、帯電用電極２１の突起部２１ａの周囲に生じたプラズマによって負に帯電される。
【００３８】
図７は、帯電されたＰＭが接地極２２によって集塵される様子を示す断面図である。帯電されたＰＭは、同図に示すように、接地されている接地極２２に静電的に集塵される。このように、接地極２２は、ＰＭを静電的に集塵することによって、フィルタの目よりも細かいＰＭであっても捕集することができる。
【００３９】
ＰＭは塊になって接地極２２に堆積していくが、堆積量が増えていくとＰＭの一部が崩れて下流に流される。そこで、ＤＰＦ２３は、接地極２２から流れたＰＭを捕集する。すなわち、ＤＰＦ２３は、接地極２２で集塵できないＰＭを捕集して、排気からＰＭを完全に除去している。
【００４０】
ステップＳＴ２では、コントローラ３０は、差圧計１２で検出された浄化前後の排気の差圧を読み込んで、このときの差圧を記憶し、ステップＳＴ３に移行する。
【００４１】
ステップＳＴ３では、コントローラ３０は、差圧計１２で検出された差圧が所定値以上であるかを判定する。ここで、接地極２２やＤＰＦ２３によるＰＭ捕集量が少量の場合、排気の流れは良好であり、浄化前後の排気の差圧は所定値未満になる。しかし、ＰＭ捕集量が多量の場合、排気の流れが悪くなり、浄化前後の排気の差圧が所定値以上になる。
【００４２】
そこで、コントローラ３０は、差圧が所定値以上であるときは多量のＰＭが捕集されているのでステップＳＴ５に移行し、差圧が所定値未満であるときはＰＭがあまり捕集されていないのでステップＳＴ４に移行する。
【００４３】
ステップＳＴ４では、コントローラ３０は、所定のインターバルをおいた後、再びステップＳＴ２に戻る。したがって、差圧計１２で検出された差圧が所定値以上になるまで、ステップＳＴ２からステップＳＴ４までの処理を繰り返し実行する。
【００４４】
ステップＳＴ５では、コントローラ３０は、排気温度計１１で検出された排気温を読み込んで記憶して、ステップＳＴ６に移行する。
【００４５】
ステップＳＴ６では、コントローラ３０は、接地極２２やＤＰＦ２３に担持されたＰＭ酸化触媒によってＰＭを燃焼できるか、具体的には排気温度計１１で検出された温度が所定温度以上であるかを判定する。ここにいう所定温度とは、ＰＭ酸化触媒が酸化反応を開始してＰＭを燃焼する温度をいう。そして、ＰＭ酸化触媒によってＰＭを燃焼できると判定したときは、ステップＳＴ４を経て、再びステップＳＴ２に移行する。
【００４６】
これにより、接地極２２に担持されたＰＭ酸化触媒はＰＭを燃焼し、接地極２２にＰＭが過大に堆積されるのを防止すると共に、ＰＭの浄化を促進する。また、ＤＰＦ２３に担持されたＰＭ酸化触媒も同様にＰＭを燃焼して除去する。さらに、接地極２２及びＤＰＦ２３に担持されたＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘを浄化する。
【００４７】
一方、コントローラ３０は、ＰＭ酸化触媒によってＰＭを燃焼できないと判定したときは、ステップＳＴ７に移行する。
【００４８】
ステップＳＴ７では、コントローラ３０は、エンジン回転数を上げたり、燃料の噴射タイミングを変えて、排気温度を上昇させる制御を行って、ステップＳＴ８に移行する。
【００４９】
ステップＳＴ８では、コントローラ３０は、現在の状態を維持しながら所定時間エンジン１を運転した後、再びステップＳＴ２に戻る。このように、排気温度を上昇さることによってＰＭ酸化触媒を活性化させて、ＰＭ酸化触媒を有効に利用する。
【００５０】
図８は、第１の実施の形態に係る排気浄化装置から出力された排気の粒子径別のＰＭ個数（図中では「本発明」）を示す図である。比較例として、ＤＰＦのみを備えた従来の排気浄化装置から出力された排気のＰＭ個数（図中では「従来」）、エンジンから出力された排気のＰＭ個数（図中では「エンジン排気」）も示した。同図に示すように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、非常に高いＰＭ浄化能力を備えている。
【００５１】
以上のように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、排気の上流側にある帯電用電極２１に負の直流高電圧を印加してＰＭを帯電させ、接地極２２によってＰＭを集塵することで、微小のＰＭを大きな塊にして捕集することができる。さらに、上記排気浄化装置は、接地極２２で集塵できなかった微小のＰＭや、接地極２２から流れたＰＭをＤＰＦ２３によって捕集することで、接地極２２で捕集できないＰＭも除去することができる。
【００５２】
また、上記排気浄化装置は、排気温度を制御することにより、接地極２２やＤＰＦ２３に担持されたＰＭ酸化触媒を活性化させて、十分にＰＭを除去することができる。さらに、放電することなくＰＭ酸化触媒によってＰＭを除去するので、省電力化を図ることもできる。
【００５３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば接地極２２については次のようにすることもできる。
【００５４】
図９は、（Ａ）はメッキされた多孔質体、（Ｂ）は多孔質金属、（Ｃ）はＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された多孔質金属の平面図である。すなわち、接地極２２は、メッキされた多孔質体、多孔質金属、ＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された多孔質金属のいずれで構成されてもよい。
【００５５】
また、本実施の形態では、接地極２２及びＤＰＦ２３にそれぞれＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、接地極２２、ＤＰＦ２３の少なくとも一方に、ＰＭ酸化触媒が担持されてもよいし、ＮＯｘ浄化触媒が担持されてもよいし、ＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持されてもよい。
【００５６】
［第２の実施の形態］
つぎに、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
図１０は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケース２０Ａの構成を示す図である。反応ケース２０Ａは、第１の実施の形態における反応ケース２０とほぼ同様に構成されているが、接地極２２が省略され、ＤＰＦ２３の代わりにハニカムフィルタ２６を備えている点で、第１の実施の形態と相違する。
【００５８】
ハニカムフィルタ２６は、保持部材２５によって、反応ケース２０Ａの内部かつ帯電用電極２１の排気下流側に支持されている。さらに、ハニカムフィルタ２６には、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒が担持されている。
【００５９】
反応ケース２０Ａは、帯電用電極２１の対極となる接地極を備えていない。しかし、ハニカムフィルタ２６の上流側面側にＰＭが付着すると、このＰＭは反応ケース２０Ａを介して接地され、接地極として機能する。これにより、接地極を省略することができるので、小型化・軽量化を図ることができる。
【００６０】
なお、ハニカムフィルタ２６の上流側面側にＰＭが付着されていない場合、すなわちハニカムフィルタ２６が未使用の場合では、帯電用電極２１によるコロナ放電が十分に生じず、静電集塵能力が低下する可能性がある。そこで、ハニカムフィルタ２６の上流側面側に導電性を有する塗料（例えば、銀ペースト）２７を塗布してもよい。なお、銀ペーストとしては、藤倉化成製のドータイト（商品名）が好ましい。これにより、ハニカムフィルタ２６の上流側面側が常に接地されるので、十分にコロナ放電が生じ、ＰＭの帯電能力を向上させることができる。
【００６１】
ハニカムフィルタ２６のコージライトは絶縁物であるが、帯電物に対しては静電的に付着する能力を有する。したがって、ハニカムフィルタ２６は、帯電されたＰＭを効率よく静電捕集して除去することができる。
【００６２】
また、コントローラ３０は、第１の実施の形態と同様にステップＳＴ１からステップＳＴ８までの処理を実行する。
【００６３】
図１１は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置（図中では「本発明」）の差圧の経時変化を示す図である。比較例として、ＤＰＦのみを用いた従来の排気浄化装置（図中では「従来」）の差圧も示した。従来の差圧は、非常に高いところで推移すると共に大きく変動した。これに対して、本発明の差圧は、低いところで推移すると共に小さく変動した。なお、いずれの差圧も急激に低下したところは、ＤＰＦ及びハニカムフィルタ２６の再生処理によってＰＭが除去されたためである。この結果、本願は低圧損にすることができた。
【００６４】
以上のように、第２の実施の形態に係る排気浄化装置は、ハニカムフィルタ２６の排気上流側面側にＰＭ又は導電性物質を付着することにより、ＰＭ又は導電性物質を接地極として利用することができる。この結果、接地極を設けなくてもよいので、軽量化・小型化を図ることができる。また、ハニカムフィルタ２６を用いてＰＭを捕集することにより、ＰＭの堆積による圧損を抑制することができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、ハニカムフィルタ２６にＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ハニカムフィルタ２６に、ＰＭ酸化触媒、ＮＯｘ浄化触媒の少なくとも１つが担持されていればよい。
【００６６】
【発明の効果】
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を帯電させて集塵し、集塵された粒子状物質をフィルタで捕集することにより、排気中の粒子状物質を効率よく除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】排気浄化装置に備えられた反応ケースの内部構成を示す図である。
【図３】反応ケース内に備えられた接地極の平面図である。
【図４】排気浄化装置に備えられたコントローラ３０の処理手順を説明するフローチャートである。
【図５】帯電用電極に印加される電圧の経時変化を示す図である。
【図６】ＰＭが帯電用電極によって帯電される様子を示す図である。
【図７】帯電されたＰＭが接地極によって集塵される様子を示す断面図である。
【図８】排気浄化装置から出力された排気の粒子径別のＰＭ個数を示す図である。
【図９】（Ａ）はメッキされた多孔質体、（Ｂ）は多孔質金属、（Ｃ）はＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された多孔質金属の平面図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケースの構成を示す図である。
【図１１】排気浄化装置の差圧の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン
１１  排気温度計
１２  差圧計
１３  電源装置
２０  反応ケース
２１  帯電用電極
２２  接地極
２３  ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２６  ハニカムフィルタ
【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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