JP2005016411A

JP2005016411A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2005016411A
Application number: JP2003181898A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yamato; 正憲大和
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】排ガスとプラズマとを確実に接触させて排ガスを良好に浄化することができる排ガス浄化装置の提供を目的とする。
【解決手段】プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置１は、排ガスを流通させる排気管Ｌの内部に配置され、排ガスの流れ方向上流側から下流側に向けて開口面積が漸減しているコーン部１１を含む漏斗状の第１電極１０と、第１電極１０の下流側に配置されており、第１電極１０と対をなす棒状の第２電極２０とを備える。そして、第１電極１０の下流端と第２電極２０の先端との間の距離は、およそ−５０〜１００ｍｍの範囲から選択される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両用内燃機関の排気系統に組み込まれて当該内燃機関の排ガスを浄化する装置として、プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この排ガス浄化装置は、内燃機関の排ガス通路に組み込まれた筒状の接地極と、接地極の中心部に配置されて排ガスの流れ方向に延びる棒状（針状）の放電極とを備える。これらの放電極と接地極との間には、電界を形成すべく高電圧が印加され、これにより、放電極と接地極との間で発せられたプラズマにより、排ガスが浄化されることになる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２１５４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の排ガス浄化装置において、一対の電極間にプラズマを高密度に発生させることは容易なことではなく、接地極内を流通する排ガスとプラズマとを確実に接触させて排ガス中の有害物質を十分に浄化することは困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、排ガスとプラズマとを確実に接触させて排ガスを良好に浄化することができる排ガス浄化装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による排ガス浄化装置は、プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、排ガスを流通させる排ガス流路内に配置され、排ガスの流れ方向上流側から下流側に向けて開口面積が漸減している領域を含む筒状の第１電極と、第１電極の下流側に配置されており、第１電極と対をなす第２電極とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この排ガス浄化装置は、排ガス流路内に配置される筒状の第１電極と、当該第１電極の下流側に配置される第２電極とを備える。これらの第１電極と第２電極とには高電圧が印加され、それにより、第１電極の下流端と第２電極との間にプラズマが発生させられる。ここで、この排ガス浄化装置の第１電極は、排ガスの流れ方向上流側から下流側に向けて開口面積が漸減している領域を含むように構成されている。このため、この排ガス浄化装置では、下流側に向かうにつれて開口面積が漸減している領域を含む第１電極により、第１電極の下流端と第２電極との間のプラズマに向けて排ガスが集められることになる。更に、この排ガス浄化装置では、開口面積が一定の筒状電極を第１電極として用いた場合と比較して、第１電極の下流端と第２電極との間の距離を短くすることが可能となり、第１電極と第２電極との間にプラズマを高密度に発生させることができる。この結果、この排ガス浄化装置によれば、排ガスとプラズマとを確実に接触させて、排ガス中の有害物質をプラズマにより良好に活性化等させることができるので、排ガスを良好に浄化することが可能となる。
【０００８】
この場合、第１電極の下流端と第２電極の上流端との間の距離は、およそ−５０〜１００ｍｍであると好ましい。
【０００９】
また、第２電極は、第１電極に向けて排ガスの流れ方向に延在する棒状電極を含むと好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による排ガス浄化装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明による排ガス浄化装置を示す断面図である。同図に示される排ガス浄化装置１は、車両に適用されると好適なものであり、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気系統（排ガス流路）を構成する排気管Ｌに組み入れられる。本実施形態において、排ガス浄化装置１は、例えば三元触媒等を含む触媒装置（触媒コンバータ、図示省略）の前段に配置される。図１に示されるように、排ガス浄化装置１は、それぞれ排気管Ｌの内部に配置される第１電極１０と第２電極２０とを備え、互いに対をなす第１電極１０と第２電極２０とに高電圧を印加して発生させたプラズマを利用して排ガスを浄化する。
【００１２】
第１電極１０は、例えばステンレスといった金属等により概ね漏斗状（筒状）に形成されており、コーン部１１と筒口部１２とを含む。コーン部１１は、その一端から他端に向けて開口面積（内径）が漸減する中空円錐台状に形成されている。また、筒口部１２は、コーン部１１の小径端部から延出されており、コーン部１１の小径端部の内径と同一の内径を有する短尺円筒状に形成されている。第１電極１０は、コーン部１１が排ガスの流れ方向上流側、すなわち、内燃機関の燃焼室側に位置するように排気管Ｌの内部に絶縁部材２を介して固定される。そして、第１電極１０は、その軸心が排気管Ｌの軸心と概ね一致した状態で延在する。
【００１３】
一方、第２電極２０は、金属製の棒状電極（針状電極）２１と、棒状電極２１を排気管Ｌの内部に固定するための支持部材２２とを含む。第２電極２０は、図１に示されるように、棒状電極２１の先端（上流端）が第１電極１０（筒口部１２）の下流端から、排ガスの流れ方向（排気管Ｌの軸心方向）において所定の距離ｘだけ離間するように配置される。そして、棒状電極２１は、排気管Ｌの軸心上に位置し、上流側の第１電極１０に向けて排ガスの流れ方向に延在する。また、第２電極２０（支持部材２２）は、上述の絶縁部材２によって排気管Ｌから絶縁される。なお、棒状電極２１の先端部には、複数の棘状の放電突起が放射状に設けられてもよい。
【００１４】
図１に示されるように、第１電極１０は、端子３を介して接地され、第２電極２０は、給電端子４を介して高圧電源５に接続されている。本実施形態では、例えば第１電極１０が受電極となると共に第２電極２０が放電極となるようにして、第１電極１０と第２電極２０との間に高電圧が印加される。なお、高圧電源５としては、直流高圧電源、交流高圧電源および直流パルス電源の何れかを用いることができる。
【００１５】
さて、上述のように構成される排ガス浄化装置１では、内燃機関の始動と共に、内燃機関の燃焼室からの排ガスが排気管Ｌ内に導入される。また、内燃機関の始動に合わせて、互いに対をなす第１電極１０と第２電極２０との間に高圧電源５によって高電圧が印加され、これにより、第１電極１０（筒口部１２）の下流端と第２電極２０の先端との間にプラズマが発生させられる。
【００１６】
ここで、排ガス浄化装置１の第１電極１０は、排ガスの流れ方向上流側から下流側に向けて開口面積（内径）が漸減するように配置されるコーン部１１を含んでいる。このため、排気管Ｌ内の排ガスは、第１電極１０のコーン部１１内を流通していくうちに、第１電極１０の下流端と第２電極２０との間のプラズマに向けて集められていくことになる。
【００１７】
更に、開口面積（内径）が一定の筒状電極を第１電極として用いた場合と比較して、排ガス浄化装置１では、第１電極１０の下流端と第２電極２０の先端との間の距離を（排気管Ｌの径方向において）短くすることが可能となる。従って、排ガス浄化装置１では、第１電極１０（筒口部１２）の下流端と第２電極２０の先端との間にプラズマを高密度に発生させることができる。
【００１８】
この結果、排ガス浄化装置１によれば、排ガスとプラズマとを確実に接触させて、排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった有害物質を良好に活性化させることができるので、排ガスを良好に浄化することが可能となる。
【００１９】
なお、上述の排ガス浄化装置１では、第２電極２０として１本の棒状電極２１を含むものが採用されているが、これに限られるものではない。すなわち、図２に示される排ガス浄化装置１Ａのように、第１電極１０に向けて延びる複数の棒状電極２１を含む第２電極２０Ａが採用されてもよい。図２の例では、第１電極１０の軸心上に配置された棒状電極２１の周囲に位置するように、複数の棒状電極２１が所定の間隔をおいて支持部材２２に固定されている。この場合、中心の棒状電極２１と外周側の何れかの棒状電極２１との間の距離は、第１電極１０の筒口部１２の半径よりも多少大きい程度に設定されると好ましい。
【００２０】
また、図３に示される排ガス浄化装置１Ｂのように、漏斗状の第１電極１０と対をなす電極として、メッシュ状電極２０Ｂが採用されてもよい。更に、図４に示される排ガス浄化装置１Ｃのように、漏斗状の第１電極１０の筒口部１２に、下流側の第２電極２０に向けて延びる放電突起１４が複数設けられてもよい。これらの図２〜図４に示される構成を採用しても、第１電極１０と第２電極２０，２０Ａまたは２０Ｂとの間で確実かつ良好にプラズマを発生させることが可能となる。
【００２１】
ところで、漏斗状の第１電極１０と棒状の第２電極２０との間に強い電界を生じさせるためには、第１電極１０の下流端と第２電極２０の先端との間の距離ｘを適切に設定することが重要となる。このため、本発明者は、第１電極１０と第２電極２０との間の距離ｘを最適化すべく次のような実験を行なった。
【００２２】
この実験では、ステンレスにより漏斗状に形成された第１電極１０と、ステンレス製の棒状電極２１および支持部材２２を含む第２電極２０とを用意し、実際の排気管を模した石英管（内径およそ３０ｍｍ）の内部に、第１電極１０および第２電極２０を所定距離ｘだけ互いに離間するように配置した。ここで、この実験では、第１電極１０の下流端と第２電極２０の先端との間の距離ｘの好適な値を把握すべく距離ｘの値を変化させ、実施例１においてｘ＝１０ｍｍに、実施例２においてｘ＝３０ｍｍに、実施例３においてｘ＝６０ｍｍに設定した。
【００２３】
また、この実験で使用された第１電極１０の寸法は、図１に示されるように、コーン部１１の排ガス入口における内径をａとし、コーン部１１の全長（その軸心方向における長さ）をｂとし、筒口部１２の全長（その軸心方向における長さ）をｃとし、筒口部１２の内径（コーン部１１の小径端部における内径）をｄとすると、ａ＝２８ｍｍ，ｂ＝２０ｍｍ，ｃ＝５ｍｍ，ｄ＝８ｍｍであった。更に、この実験で使用された第２電極２０は、外径１ｍｍ、全長２０ｍｍの棒状電極２１を含むものであった。
【００２４】
そして、実施例１〜実施例３に関しては、第１電極１０および第２電極２０を含む石英管を実験室用管状炉の内部に配置し、管状炉内をおよそ１５０℃まで昇温させた上で、石英管の内部に内燃機関の排ガスを模したモデルガスを導入した。モデルガスとしては、ＣＯを０．６５％、Ｃ_３Ｈ_６を１０００ｐｐｍ、ＮＯを１５００ｐｐｍ、ＣＯ_２を１０％、Ｏ_２を０．７％、Ｈ_２Ｏを５％含むものが使用された。更に、第１電極１０と第２電極２０との間に、第１電極１０が受電極となると共に第２電極２０が放電極となるようにして、電圧５０ｋＶ、パルス幅１０μｓの直流パルス電圧を繰り返し周期２０００Ｈｚで印加し（消費電力１０５Ｗ）、第１電極１０と第２電極２０との間を通過したガスにおけるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化率（電極間の通過前後における各物質の減少率）を測定した。
【００２５】
また、この実験に際しては、上述の実施例１〜３に加えて、比較例１として、Ａｌ_２Ｏ_３にＰｔを担持させた触媒を用意した。この触媒は、Ａｌ_２Ｏ_３粉末１９．８ｇをイオン交換水中に分散させると共に、この溶液に、Ｐｔ量０．２ｇ相当のジニトロジアミンＰｔ溶液を加え、濃縮乾固、乾燥、粉砕した後、およそ５００℃の温度下で約２時間焼成して得たものを直径１〜２ｍｍのペレット状に形成したものである。そして、ペレット状の触媒１．０ｇを石英管（内径およそ３０ｍｍ）の内部に配置した上で、上記組成のモデルガスを当該石英管の内部に導入し、当該触媒を通過したガスにおけるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化率を測定した。
【００２６】
更に、この実験では、比較例２として、ステンレス製の円筒部材（内径３０ｍｍ、全長６０ｍｍ）と、当該円筒部材の中心に配置された棒状電極（外径１ｍｍ、全長６０ｍｍ）とを含む放電装置（リアクタ）を用意し、石英管（内径およそ３０ｍｍ）の内部に配置した。比較例２では、円筒部材が受電極となると共に棒状電極が放電極となるようにして、両電極間に、電圧５０ｋＶ、パルス幅１０μｓの直流パルス電圧を繰り返し周期２０００Ｈｚで印加し（消費電力１０５Ｗ）、電極間を通過したガスにおけるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化率を測定した。
【００２７】
上述の実験の結果を次の表１に示す。まず、かかる表１に示される実験結果より、本発明のように漏斗状の第１電極１０およびそれと対をなす第２電極２０を用いれば、触媒を用いた場合（比較例１）や、円筒状の電極と棒状の電極とを含む放電装置（比較例２）を用いた場合と比較して、内燃機関の排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった有害物質を良好に浄化し得ることがわかる。そして、実施例１〜３に関する実験結果より、第１電極１０の下流端と第２電極２０の先端との間の距離ｘは、少なくとも、およそ−５０〜１００ｍｍの範囲内、より好ましくは、およそ−３０〜５０ｍｍの範囲内に設定されると実用上良好な結果が得られることがわかる。
【００２８】
【表１】

【００２９】
なお、第１電極１０のコーン部１１の排ガス入口における内径ａの値は、適用対象となる内燃機関の排気管Ｌの内径に合わせて適宜選択され得る。また、コーン部１１の全長ｂの値は、およそ５０〜２０００ｍｍの範囲から、第１電極１０の筒口部１２の全長ｃの値は、０ｍｍ〜およそ１９５０ｍｍの範囲から、筒口部１２の内径ｄの値は、およそ２０〜５０ｍｍの範囲から適宜選択され得る。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、排ガスとプラズマとを確実に接触させて排ガスを良好に浄化することができる排ガス浄化装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排ガス浄化装置を示す断面図である。
【図２】本発明による排ガス浄化装置の変形例を示す斜視図である。
【図３】本発明による排ガス浄化装置の他の変形例を示す斜視図である。
【図４】本発明による排ガス浄化装置の更に他の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ排ガス浄化装置
２絶縁部材
５高圧電源
１０第１電極
１１コーン部
１２筒口部
１４放電突起
２０，２０ａ，２０Ｂ第２電極
２１棒状電極
２２支持部材
Ｌ排気管

Claims

プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
排ガスを流通させる排ガス流路内に配置され、排ガスの流れ方向上流側から下流側に向けて開口面積が漸減している領域を含む筒状の第１電極と、
前記第１電極の下流側に配置されており、前記第１電極と対をなす第２電極とを備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
前記第１電極の下流端と前記第２電極の上流端との間の距離は、およそ−５０〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記第２電極は、前記第１電極に向けて排ガスの流れ方向に延在する棒状電極を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。