(57)【要約】【課題】  現行のジーゼル排気のＰＭ除去プロセスの主流はフィルター方式である。この方式は白金や希土類元素よりなる酸化触媒の併用によってＰＭ除去効果を維持しているが、フィルター方式の持つ宿命的な目詰まりの発生を完全には避けられず、又希少金属の価格高騰と入手困難性がますます増加する国際資源情勢からフィルター方式からの脱却が目論まれている。【解決の手段】  大気圧マイクロ波プラズマ発生装置の一つ又は複数個のハイブリッドモード型共振器の中心軸を通るセラミックス製反応管内を流れる排気を各共振器においてプラズマ化し、排気中のＰＭを燃焼除去する。プラズマの先端付近の反応管径を拡大して排気流速を減ずると共に乱流を発生させる物体を装着した燃焼室を配置してＰＭの着火遅れを防止し、燃焼を促進する。必要に応じてこのシステムを多段階に行えば排気ＰＭの燃焼除去は確実に遂行できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧マイクロ波プラズマ発生装置の一つ又は複数個のハイブリッドモード型共振器の中心軸を通るセラミックス製の反応管内を流れる排気を各共振器においてプラズマ化することにより排気中の微粒子を一段階又は多段階に燃焼させることを特徴とするマイクロ波プラズマによる内燃機関排気微粒子の除去方法。
【請求項２】
請求項１の反応管のプラズマの先端部を含む反応管径を拡大して排気流速を減ずると共に乱流を発生させる物体を装着した燃焼室を設けることを特徴とするマイクロ波プラズマによる内燃機関排気微粒子の除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は内燃機関の排気中の微粒子を排気通路において酸化除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  現行の排気微粒子の低減又は除去手段としては燃料の燃焼効率を向上して微粒子の生成を抑制する方法及び排気通路にフィルターを設けて微粒子を捕捉し、これを貴金属触媒などにより酸化除去する方法が主流であり、数多くの装置上の工夫が提案されている。【０００３】  コモンレールに蓄えられた超高圧の燃料の多段階制御噴射により微粒子の生成を格段に低減させることができたが、これだけでは満足する目標には到達できない。又フィルター方式は使用中に起こる宿命的な目詰まり障害を完全に克服できないばかりでなく、更に触媒の白金や希土類元素の世界的な需要増大による価格高騰と資源ナショナリズムによる入手困難な情勢も急速に進行しつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は上述の技術、材料の諸問題を解決しょうとするもので、フィルターを設けることなく、従って触媒を使用せずに通常問題とされるミクロンメータサイズの微粒子（以下ＰＭと記す）からナノメータサイズの微粒子（以下ナノＰＭと記す）をも一挙に酸化除去することを目標として行った先行技術を改良したものである。（特許文献１参照）【０００５】
【特許文献１】  特開２００３−１７６７１０
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は基本的には特許文献１と同様、マイクロ波を用いて排気を直接プラズマ化し排気中のナノＰＭから凝集が進んで広いサイズに分布している炭素質ＰＭをプラズマ中で酸化、燃焼させて除去する方法であるが、その後開発された自動的にインピーダンスマッチングが遂行される安定な大気圧プラズマ発生装置を採用し、大き目のＰＭの着火遅れを補償するためにプラズマの先端付近に部分的な乱流を発生させる形状の物体を装着した燃焼室を設けることによりＰＭの大小に拘わらず効率よく燃焼、除去できる技術レベルに到達した。尚、必要あれば上記プラズマ処理を多段階に行うことによりＰＭの燃焼、除去はより完全に遂行される。【０００７】  現行のフィルター方式がナノＰＭを殆ど捕捉できないのに対して本発明のプラズマ方式は寧ろナノＰＭほど酸化燃焼しやすい。逆に凝集体ＰＭはその低熱伝導性と速い排気流速のため、プラズマ内の滞留時間、プラズマとの接触時間が短く着火遅れが起きやすく未燃焼のまま排出される部分がある。【０００８】  エンジンのスタート時、加速時、高負荷時など多量なＰＭが発生する場合に対応するために石英反応管出口のプラズマ先端部を含み、少なくとも石英反応管の２倍以上の内径の燃焼室を設け且つプラズマ先端に近い位置にセラミックス製又は耐熱合金製の排気の流れに対する邪魔板を装着すると燃焼室内に乱流が発生しＰＭの高温帯滞留時間が延長し又プラズマとの接触の機会も増加するのでＰＭの着火遅れが改善され確実に燃焼する。【０００９】  燃焼室はセラミックス管か、内側をセラミックスライニングを施した鋼管とし、前記排気の流れを部分的に抑制して乱流を発生させる邪魔板をセットするフレームを配置する。このフレームに耐熱性材料の円板、凹面板などの邪魔板を取り付ける。【００１０】  反応管に大気圧プラズマを発生させるには反応管の管軸方向に局所的に強いマイクロ波電界を集中印加する必要がある。このために従来様々な共振器、キャビティー、が提案され、磁場の利用、予備電離、トリガーなどの工夫も加えられてきた。車載向けとしては構造が簡素で調節機構が少なく、しかも安定なプラズマの発生装置が望まれる。この観点からすると、最近開発された同軸型のハイブリツドモード共振器（特許文献２、非特許文献１参照）による大気圧マイクロ波プラズマ発生装置はインピーダンスチューナが不要で電力効率が良く小型にまとめやすいので車載向けとして適正である。電源として家庭用電子レンジで使われている半波整流回路を採用すればコストも下がり、一層小型化できる。この大気圧マイクロ波プラズマ発生装置はプラズマへの電力転換効率が良く共振器などからの反射波ロスが小さいので普通はダミーロードで熱に変えて放散させている。しかしＰＭプラズマ処理が多段階化する場合にはロスマイクロ波をまとめてＮＯｘ還元装置の立ち上げ加熱に利用する。【００１１】  通常の輸送車輌の場合、本発明のプラズマ１乃至２段階処理方式を採用すればＰＭの約９０％を燃焼除去できる。土木、建設、鉄道車輌など特殊な大型車輌の排気ＰＭに対してはその発生量に応じて更に処理段階数を付加すればよい。又舶用エンジン、ボイラーなどに関しては独自の設計も必要となろう。【００１２】
【特許文献２】  特開２００４−１７２０４４
【非特許文献１】  ２００６  真空機器・装置技術大全  Ｐ２０９〜２１１
【発明の効果】
【００１３】  現行の排気ＰＭ除去装置は白金族貴金属や希土類酸化物などを分散、担持させたフィルター方式が主流であるが、使用中に次第に目詰まりが生起してくるのは避けられず、その完全な対策もないままトラブルの主な原因となっている。又、需要の広がりと国際資源情勢に基づく入手困難性からますます価格高騰する貴金属の触媒を利用せざるを得ないフィルター方式は将来の発展は望めない。これに対して排気を直接プラズマ化してＰＭ処理を行う本発明はフィルターを採用せず従って触媒も利用しないため機能的トラブルの発生は極めて少なく、装置コストの面でも有利である。尚、フィルター方式では除去の対象にはなし得なかったナノＰＭは排気の直接プラズマ化により寧ろ優先的に酸化燃焼除去できる可能性がある。【００１４】  排気を直接プラズマ化すると排気の各成分は活性分子種、ラジカル或いは一部解離した状態となり、それらの中の強力な酸化力成分により炭素質微粒子からなるＰＭが酸化燃焼されることは前記した通りであるが、この過程で排気中のＮＯｘもＰＭの酸化燃焼に寄与する結果排気中のＮＯｘが減少の傾向を示す。【００１５】  高い電力効率のハイブリットモード型共振器を用いても１０％以下の電力ロスはやむを得ない。通常この程度のマイクロ波のロスはサーキュレータで分離してダミーロードで熱に変えて放散してしまうのが一般的であるが、本発明のプラズマ処理が多段階に亘る場合にはこのロス分をまとめてＮＯｘ還元装置の立ち上げ時間短縮のためのマルチモード加熱源として活用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  一般的な輸送車輌の排気のＰＭ処理を対象とした場合、プラズマ２段階処理を適用すれば９０％以上ＰＭ除去率を達成できるので、そのシステムについて記述する。【００１７】  出力１．５ＫＷ、半波整流回路電源のマグネトロン発振器の２．４５ＧＨｚのマイクロ波を二つに分岐して第１、第２のハイブリッドモード型共振器へ導入し、その中心軸を通る８０Φの不透明石英反応管内の排気をプラズマ化する。共振器側面の小孔からプラズマの生成を確認するセンサーにより万一プラズマが消滅した時自動復帰するトリガー挿入機構を備えておく。【００１８】  ナノＰＭや凝集度の小さいＰＭの大部分はプラズマ中で燃焼するが、排気の流速が大きいので凝集の進んだ大き目のＰＭの中には、その熱伝導性の低い性質と相俟って着火が遅れたまま反応管を通過するものもある。この対策として反応管出口のプラズマ先端位置を含めて反応管の径の少なくとも２倍の内径の燃焼室を設けて排気流速を下げると共にプラズマ先端が直接当たらない位置に流れの障害となる邪魔板を配置して乱流を生起させることにより未着火のまま反応管を通過した大き目のＰＭの高温域滞留時間は延長し又、プラズマとの接触のチャンスが増加する結果、着火遅れが解消し、確実に燃焼させることができる。【００１９】  燃焼室はセラミックス管又はセラミックスライニング鋼管を用い上記邪魔板を取り付けるフレームを備える。マイクロ波伝送路の配置からは第１燃焼室の長さはできるだけ短い方が有利である。プラズマ２段階処理された排気は２５０℃以上に昇温するので排気の最終処理工程のＮＯｘ還元の温度条件に近づき好都合である。
【実施例】
【００２０】  研究実験に使用した装置を下記に示す。
１．マイクロ波発振器  出力  １．５ＫＷ  可変  マグネトロン発振器  ２．４５ＧＨｚ
２．共振器            同軸型ハイブリッドモード共振器        １６５Φ＊３７０
３．反応管            石英ガラス管                            ２０Φ＊２５０
４．燃焼室            シリカライニング鋼管                  ３５０Φ＊２００
５．邪魔板            アルミナ目皿                            ２０Φ
６．ＮＯｘ還元装置    ＦＭｎＨ粉塗布素焼片充填塔              ５０Φ＊４００
７．測定器            オパシ式スモークメータ
ＮＯｘ−Ｏ２濃度計
８．排気源            ２１８４ｃｃジーゼルエンジン１５００ｒｐｍ一定回転時の排気                      を分岐【００２１】  ３Ｌ／ｓｅｃの排気を反応管へ導入し、共振器へのマイクロ波入力は５００Ｗと８００Ｗの２水準とした。プラズマ処理は１段とした。燃焼室後の排気サンプルについてＰＭとＮＯｘの測定、ＮＯｘ還元装置後のＮＯｘの測定を行い夫々の除去率を計算した結果を［表１］に示す。
【表１】
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【００２２】  プラズマ処理された排気の浄化は肉眼的にも明らかに確認できた。又、排気サンプルの電子顕微鏡観察によると残留物の形、数からナノＰＭの減少傾向が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  本発明は輸送車輌の排気の浄化を主目的に開発してきたが、基本的には船舶や各種工業炉の排気浄化にも適用し、エネルギー消費、排出ガス量を削減して環境改善に寄与できる可能性を含んでいる。