JP3894938B2 - 排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車搭載の内燃機関等の排気ガスを、帯電凝集部とフィルタ部を備えてコロナ放電を利用して浄化する排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法に関する。

工場ガス，発電所ガス、自動車ガス等の排ガス処理装置として、又、各種製造工場や医療現場等のガス処理装置として、静電凝集装置や静電集塵装置等が使用されている。これらのガス処理装置では、コロナ電極と集塵電極の間に高電圧を印加してガス中にコロナ放電を発生させ、このコロナ放電によりガス中の浮遊微粒子を帯電し、この帯電した粒子を静電気力で集塵電極に引き寄せて凝集肥大化させたり、捕捉したりしている。

これらの放電を利用した静電集塵装置では、処理対象ガスを筒状体に通し、この筒状体で形成された集塵電極又は筒状体とは別に設けた筒状の集塵電極の略中央（軸中心）にコロナ電極を配置して、コロナ電極と集塵電極との間に高電圧を印加することによって、ガス中にコロナ放電を発生させ、ガス中の浮遊微粒子を帯電させる。

この帯電した粒子を、コロナ電極と集塵電極との間に形成された電界によって静電気力で集塵電極表面に移動させて、集塵電極表面で捕捉する。この捕捉された粒子は、電気集塵装置等と同様な振るい落とし等により集塵電極から離脱させて集められたり、集塵電極に隣接して設けられたヒータ等の加熱により燃焼除去される。

そして、自動車に搭載したディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスを対象とする場合には、排気ガス中に含まれているＰＭ（Particulate Matter：パティキュレート・マター：粒子状物質）が処理対象成分となるが、このＰＭには、特に燃焼が難しいと言われるＳｏｏｔ（スート：煤）と、高温では蒸気となっているＳＯＦ（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）が含まれている。このＳｏｏｔは、炭素を主成分とするエンジンの排出物質であり、ＳＯＦは、燃料やオイルの燃え残りが原因で発生する、ベンゼン，トルエン等の有機溶剤に溶ける成分であり、酸化触媒表面で燃焼できる。

しかしながら、従来技術の電気集塵法では、固体化したＳｏｏｔ成分は取れるが、ガス化したＳＯＦ成分の除去率は高くないという問題がある。

この電気集塵法では、電気集塵作用を行う部分は、捕集機能に着目した場合には静電捕集部となり、凝集機能に着目した場合には静電凝集部となり、Ｓｏｏｔを一旦集塵電極に静電捕集する。この集塵電極上に捕捉され、堆積したＳｏｏｔは、やがて排気ガスの流れによって剥がれて再飛散する。

つまり、静電集塵により、集塵電極の表面で捕捉された粒子間に結合が生じて、微粒子が凝集肥大化するが、この肥大化した捕捉粒子はガス流の影響により、集塵電極の表面から剥離して再飛散を起こす。この再飛散粒子は、ガス処理装置内で帯電、捕捉、剥離を繰り返しながら、その粒径を徐々に大きくしていくが、最終的には再飛散により静電集塵装置から排出されてしまう。この再飛散粒子は凝集肥大化しており、この特性を利用することにより後段に目の粗いフィルタを配置してもＳｏｏｔを効果的に捕集することができる。

一方、排気ガス中のガス化したＳＯＦは、冷却して凝縮して液化させると粘着性を持つミストとなり、このミスト状のＳＯＦは、鳥もちの原理により超微小粒子を捕捉して凝集肥大化する。つまり、このＳＯＦは、Ｓｏｏｔの捕集や凝集肥大化のバインダとして有用である。そして、超微小粒子の捕集に際して、このＳＯＦの凝集肥大化機能を利用するためには、フィルタ等の集塵装置は電気凝集装置の下流側に設けることが有効である。

この下流側にフィルタを配置した構成では、排気ガス中の超微小粒子が、静電作用と液化したＳＯＦの粘着機能との相乗効果により凝集肥大化し、電気凝集装置から、排出される粒子の粒径が大きくなるため、目の粗いフィルタでもこれらの粒子を容易に捕捉することができる。

しかしながら、このＳＯＦの全量を使用しきれないので、このＳＯＦの除去を高い除去率で行う必要がある場合には、酸化触媒の併用が必要となる。このガス化状態のＳＯＦは酸化触媒で酸化でき、この酸化触媒は温度が高いほど触媒活性が高いため、また、電気凝集装置は、コロナ放電が５００℃を超えると不安定になり充分な電力を投入できず、電気集塵作用が低下するため、通常はガスの温度が高い排気管の前方に酸化触媒を設置し、ガスの温度が低下する排気管後方に電気集塵装置を設置することが考えられる。

しかし、酸化触媒を電気凝集装置よりも、上流側に配設した場合には、ＳＯＦが酸化触媒で酸化されてしまうため、電気凝集装置における超微小粒子の捕捉効果が低下してしまい、捕集効率が上がらなくなる。その上、酸化触媒にＳＯＦとＳｏｏｔ等からなる凝集体が流入すると酸化触媒が目詰まりを起こす。

従って、Ｓｏｏｔの捕捉及び凝集肥大化に使用した残りのＳＯＦを酸化触媒で処理するのが良く、酸化触媒の位置としては、帯電凝集部の前段（上流側）に配置するよりも、後段（下流側）に配置した方がよい。つまり、電気凝集装置、フィルタ、酸化触媒の機能を考えると、上流側から電気凝集装置、粗い目のフィルタ、酸化触媒の順に配置することがもっとも効果的に排気ガスを浄化できる。

そして、電気集塵では、Ｓｏｏｔ（固体粒子）を静電捕集するが、結局集塵電極に捕集できる量に限りがあり、その限界量を超えると再飛散という形で排気ガスの流れに再放出してしまう。そのため、この捕集できる限界量を超える前に、何らかの手段で集塵電極からＳｏｏｔを除去できれば、浄化性能を長時間維持することができる。この手段として、払い落とし（掻き落とし）回収手段やヒータ加熱による燃焼除去手段などがある（例えば、特許文献１〜３参照。）。

しかしながら、この払い落とし回収手段では、払い落とし時にせっかく捕捉した粒子が排気ガスの主流中に再飛散し、払い落とし時に浄化性能が一時的に劣化してしまうという問題や払い落としで回収した粒子の処理も別途必要になるという問題がある。

そして、この浄化性能の劣化を避けようとすれば、帯電凝集部を２系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる。その上、払い落としのための機械機構も必要となる。従って、特に自動車への搭載にあたっては小型化することが難しい。

また、ヒータ加熱による燃焼除去手段も原理的には可能であるが、排気ガスの主流に曝されている集塵電極を加熱しようとすると、排気ガスへ熱が逃げてしまい、熱効率が悪くなるという問題がある。特にＳｏｏｔの燃焼には５００℃以上の高温が必要であるため、多大な電力が必要となる。これを避けようとすると、帯電凝集部を２系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる（例えば、特許文献４参照。）。

また、帯電凝集部の後段にフィルタ部を設けた場合においても、フィルタ部で捕集されたＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理に関しても同様であり、フィルタ部を、又は、帯電凝集部とフィルタ部を、２系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる。

つまり、従来技術では、帯電凝集部、又は、帯電凝集部とフィルタの組み合わせを２系統設けないと、エネルギー効率のよいシステム構成が実現できず、装置のコンパクト化が難しい。

更に、自動車に搭載されたエンジンの排気ガスを対象とする場合には、自動車のエンジンの運転条件は、アイドリングから高負荷・高回転までさまざまな条件に変化するので、自動車用の排気ガス後処理装置には、これらのすべての運転条件で効率的にＰＭを浄化する性能が要求される。

しかしながら、排気ガス温度が低く、フィルタで捕集したＳｏｏｔを酸化することができない状態が長時間継続するような場合には、フィルタをＳｏｏｔの自己燃焼開始温度以上に昇温して、捕集したＳｏｏｔを燃焼除去する等のフィルタの再生操作が必要となる。

この再生操作では、通常、特に連続再生式のフィルタでは、フィルタの再生時に、フィルタを昇温するために、内燃機関のシリンダ内へのポスト噴射等の燃料噴射制御による、フィルタ再生用の排気ガスの昇温を行う場合が多いが、この場合は高温の排気ガスにより放電部の温度が高くなってコロナ放電が不安定化するという問題がある。

この放電の不安定化を回避するために、再生制御時に放電部への通電を停止すると、電気凝集装置の浄化作用を利用できなくなるので、目の粗いフィルタを使用した場合にはＰＭを捕集できず、排気ガス処理装置の下流側にＰＭが流出するという問題がある。

また、排気ガスの昇温により、排気ガス量が多くなって流速が速くなるので、電気集塵装置における再飛散が起こり易くなり、ＰＭが流出し易くなる。

従って、放電の安定化と排気ガス流量（流速）の安定化を同時に図ることにより、再飛散などによりＰＭが下流側に流出しないようにすることが必要となり、これを考慮したフィルタの再生のための制御が必要となる。

一方、発明者らは、静電捕集部のＳｏｏｔの捕集性能の経時劣化特性が、排気ガス流量で変化することを見出し、次のような知見を得た。

つまり、自動車の内燃機関の排気ガスを対象とする場合は、排気ガスの流量が回転数と負荷の変化に応じて変化するので、実際の運用時には、回転数と負荷のダイナミックな変化に応じて排気ガスの流量もダイナミックに変化する。そして、高回転数、高負荷で排気ガス流量が多い領域では、静電捕集部の再飛散現象が発生し易く、比較的短時間で静電捕集部出口のＰＭ浄化性能が劣化するため、後段にフィルタを配置して再飛散粒子を捕捉する必要がある。

一方、低回転数、低負荷で排気ガス流量が少ない領域では、静電捕集部の再飛散現象が発生し難く、後段にフィルタを配置しなくても、比較的長時間にわたって高い浄化性能を維持できる。
特開平１１−１６５０９５号公報 特開２０００−１７６３１３号公報 特開昭５９−８５４１５号公報 特開昭５６−１５８５２号公報

本発明は、上記の知見を得て、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、コロナ放電による凝集機能及び集塵機能とフィルタの集塵機能を用いて、ガス中の超微小粒子を凝集肥大化して捕集する車両搭載可能な排気ガス処理装置において、コンパクトで比較的シンプルな構成と比較的簡単な再生制御で、フィルタ再生時における浄化率の低下やＰＭの暴走燃焼を回避しながら、熱効率よくフィルタを再生できる排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための排気ガス処理装置は、集塵電極とコロナ電極とを有し、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集すると共に一時的に捕集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有し、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行うことにより捕集対象成分を前記帯電凝集部で一時的に捕集しながら、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えるように構成される。

上記の排気ガス浄化装置において、前記フィルタ部を再生するための再生手段を有すると共に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行いながら、前記再生手段により前記フィルタ部の再生処理をするように構成する。

上記の排気ガス浄化装置において、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタで形成すると共に、排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも低く、かつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えるように構成する。

あるいは、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、排気ガスの温度が前記フィルタ部に捕集された捕集対象成分の自己着火可能な温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、排気ガスの温度が前記自己着火可能な温度よりも低く、かつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えるように構成する。

また、上記の排気ガス処理装置において、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、前記排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記再生のための再生手段により、前記フィルタ部を加熱するように構成する。

そして、更に、上記の排気ガス処理装置において、前記フィルタ部の下流側の流路と前記バイパス通路とが合流する合流部分より下流側に酸化触媒を設けて構成すると、この酸化触媒により、ガス化したまま帯電凝集部とフィルタ部を通過してきたＳＯＦ等の蒸発成分を分解することができる。そのため、再生時も含めて、エンジンの全運転領域において、ガス化したままの成分も下流側に配置した酸化触媒で浄化できる。

また、上記の排気ガス処理装置において、前記帯電凝集部で排気ガスを冷却するように構成する。これにより、排気ガス中のＳＯＦ等の蒸発成分を凝結及び液化することができ、この液化した成分の粘着性によりＳｏｏｔ等の微小粒子成分を非常に効率良く凝集できる。

この所定の回転数以下かつ所定の負荷以下の内燃機関の運転状態とは、コロナ放電が安定化し、また、帯電凝集部において排気ガス中のＰＭ等の捕集対象成分が凝集すると共に、帯電凝集部に捕集された捕集対象成分が殆ど再飛散しない程度の排気ガス流量となるような内燃機関の運転状態のことをいう。以下、この状態の運転領域のことを「再生処理用運転領域」ということにする。

この所定の回転数と所定の負荷で決まる再生処理用運転領域の具体的な範囲は、内燃機関の機種によって排気ガスの状態が異なるため、また、フィルタ部におけるＰＭ等の捕集対象成分の自己燃焼可能な温度によっても再生が不要となる排気ガス温度が異なるため、一律に決定することは困難であるが、エンジンの機種毎又は個々のエンジン毎に決まるので、予め実験などにより、これらの数値を求めておいて制御装置に入力しておき、判定前までにこれらの入力データから算出するように構成することができる。

また、このフィルタ部としては、目の粗いフィルタだけでなく、触媒を担持した連続再生式のフィルタや触媒を担持しない非連続再生式のフィルタ等も用いることができる。

連続再生式のフィルタの場合には、排気ガス温度がフィルタ部の再生が可能な所定の温度（例えば、３５０℃程度）以上では、触媒作用によりＰＭのＳｏｏｔ等の捕集対象成分を酸化できるので、捕集対象成分の自己燃焼可能な温度範囲が広くなる。そのため、再生領域が広くなり、再生処理用運転領域を狭く設定することができる。

一方、非連続再生式のフィルタの場合には、ＰＭが自己燃焼できる温度、即ち、自己着火可能な温度（例えば、５００℃程度）以上の再生領域では、フィルタ部における捕集対象成分の蓄積は生じないが、それ以下では捕集対象成分の蓄積が生じ、強制的に再生処理する必要があるため、再生処理用運転領域が、連続再生式のフィルタを使用する場合よりも広くなる。しかし、再生処理用運転領域が広くなっても、触媒を担持していないので、再生処理時に捕集対象成分の燃焼によってフィルタが高温になって触媒が劣化することに対する対策が不要となるというメリットがある。

この排気ガス浄化装置においては、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域の場合には、排気ガスの大部分がフィルタ部に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部とフィルタ部で、排気ガス中のＰＭ等の捕集対象成分を捕集する。この時、帯電凝集部で凝集肥大化しながら静電捕集されたＳｏｏｔ等の固体粒子は、排気ガスの流れによって剥がれて再飛散するが、この再飛散粒子は、後段のフィルタ部で捕集される。そのため、高い浄化率を維持できる。

一方、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態の再生処理用運転領域の場合には、排気ガスの大部分がバイパス通路に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部のみで、排気ガス中のＰＭ等の捕集対象成分を捕集する。この時、排気ガス中に含まれる捕集対象成分も少なく、また、排気ガスの量も少ないので、捕集対象成分は帯電凝集部に捕集されたまま、再飛散しない。そのため、排気ガスの大部分をフィルタ部をバイパスさせても、浄化率は低下しないので、高い浄化率を維持できる。

そして、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態で、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていない時は、フィルタ部の再生処理を特に行う必要がないので、そのまま、運転が継続される。なお、この捕集量はフィルタ部の前後差圧等から推定することができる。

このフィルタ部で捕集された捕集対象成分は、回転数と負荷が高くなって排気ガスの温度が５００℃程度にまで高くなると燃焼除去される。しかし、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域にならずに、また、排気ガスの温度がフィルタ部に捕集された捕集対象成分が燃焼を開始する温度（例えば５００℃程度）に到達することなく、この高回転運転状態や高負荷運転状態が継続し、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になってしまった時には、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行するまで、あるいは、排気ガスが５００℃程度以上になって自己燃焼による再生が行われるまでの間、できるだけ長く再生処理を待つが、フィルタ部が捕集可能な最終的な限界を超えた場合には、フィルタ部の再生処理を行ってもよい。この再生処理は、再生用の再生手段等によりフィルタ部を加熱し、捕集対象成分を燃焼除去する。

この再生処理では排気ガスの温度が比較的高いので、僅かな熱の追加で再生処理できるので、ヒータ加熱の場合には消費電力が少なくて済む。この再生処理は、帯電凝集部ではコロナ放電を行いながら実施され、排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部とフィルタ部に捕集される。

そして、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行した場合には、次のように、フィルタ部の再生処理が行われる。

先ず、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態において、フィルタ部の再生処理を開始した後に再生処理用運転領域の運転状態になった場合は、流路切換手段により排気ガスの少なくとも大部分の流れをバイパス通路に切り換えると共に、再生処理用の再生手段によるフィルタ部の加熱を継続し、捕集対象成分を燃焼除去してフィルタ部の再生処理を継続実施する。なお、この再生処理は、帯電凝集部ではコロナ放電を行いながら実施され、排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部に捕集される。

この再生処理用運転領域におけるフィルタ部の再生処理では、大部分の排気ガスの流れをフィルタ部をバイパスさせることにより、フィルタ部の熱が排気ガスによって奪われることを防止できるので、熱効率よく再生処理でき、消費電力を低減できる。また、排気ガスによって供給される酸素量が少ないので、熱暴走も防止できる。

また、フィルタ部の再生処理を加熱ではなく、機械機構による払い落としで行う場合でも、払い落とした捕集対象成分が排気ガスの主流中に再飛散することが無い。

次に、フィルタ部の再生処理を行っていない状態で、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になった場合は、流路切換手段により排気ガスの少なくとも大部分の流れをバイパス通路に切り換える。

そして、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていなくても、再生処理用の再生手段によりフィルタ部を加熱し、捕集対象成分を燃焼除去してフィルタ部の再生処理を実施する。そして、この再生処理は、捕集された捕集対象成分が燃焼除去された時点で終了される。

このフィルタ部の再生を終了するタイミングは、捕集対象成分の酸化が終了した時であり、具体的には、フィルタ部の下流側の排気ガスの酸素濃度が上昇した時、又は、フィルタ部の下流側の排気ガス温度が低下し始めた時等が考えられる。このタイミングはフィルタ部の下流側に配置した酸素濃度センサや排気ガス温度センサの出力値から検出することができる。

この再生処理の実施により、フィルタ部に捕集されている捕集対象成分を除去して、次に内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態、即ち、非再生処理用運転領域になった時に、帯電凝集部から再飛散してくる捕集対象成分を十分にフィルタ部で捕集できるようになる。また、非再生処理用運転領域におけるフィルタ部の再生処理の回数や時間を著しく少なくすることができる。

また、この再生処理用運転状態では、フィルタ部の再生処理中も再生処理終了後も、帯電凝集部ではコロナ放電を行っているので、排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部に捕集される。

なお、このフィルタ部の再生処理を行っていない状態で、非再生処理用運転状態から再生処理用運転領域に移行した場合において、制御を単純化するために、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量に関係なく、再生処理を必ず行うようにしてもよいが、再生処理に伴う加熱用電力の低減を図るために、前回の再生処理から非再生処理用運転領域の運転状態が所定の時間を超えた場合や、再生処理用運転領域に移行した時のフィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の再生処理開始量（閾値）を超えていた場合のみ再生処理を行うように構成してもよい。なお、この所定の再生処理開始量（閾値）は、所定の捕集限界量（閾値）より小さく設定される。

また、このフィルタ部を再生するための再生手段としては、フィルタを直接加熱する電気ヒーターやフィルタを加熱する高温ガスを供給するバーナー等による外部加熱方式の手段や、捕集対象成分が溜まってくると隣接して設けた電極間の隙間が埋まり、両電極間で電気が短絡し、この短絡により発生した火花で捕集対象成分の自己燃焼を開始させる電気ショート方式の手段等を用いることができる。

この排気ガスの流路切換手段は、切換弁等の切換や幾つかの開閉弁で構成するが、排気ガスの主な流れをバイパス通路に切り換えた場合に、フィルタ部への排気ガスの流入を完全に止めることなく、フィルタ部への排気ガスの流路に対しては、切換弁又は開閉弁を閉じた時でも隙間が開くように形成して、少量の排気ガスがフィルタ部に流れるように構成し、捕集対象成分の暴走燃焼を防止するために、フィルタ部に対する捕集対象成分の酸化用の酸素の適正量の供給と、フィルタ部の冷却を行う。これにより、フィルタ部の焼損や溶損を防止するだけでなく、触媒を担持している場合はその触媒の熱劣化を防止する。

そして、上記のような目的を達成するための排気ガス処理方法は、集塵電極とコロナ電極とを有し、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集すると共に一時的に捕集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有する排気ガス処理装置において、内燃機関の回転数が所定の回転数以上又は負荷が所定の負荷以上の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部に切り換えて、前記フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行うことにより捕集対象成分を前記帯電凝集部で一時的に捕集しながら、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えて、排気ガスの主流から前記フィルタ部を切り離し、前記フィルタ部の再生処理を行うことを特徴とする。

つまり、本発明では、エンジン回転数と負荷に応じて、排気ガス流量が多い非再生処理用運転領域では帯電凝集部の後段のフィルタ部に排気ガスの大部分を流して、フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、排気ガス流量が少ない再生処理用運転領域では、静電捕集の機能も有する帯電凝集部で粒子状の捕集対象成分を十分に捕捉させながら、排気ガスの大部分をバイパス通路に流して、排気ガスの主流からフィルタ部を切り離して、フィルタ部の再生処理を行うように構成する。

この構成により、再生時にフィルタ部を排気ガスの主流から切り離せるため、ヒータ加熱で再生する場合には、熱を排気ガスに奪われることがないので、熱効率が良くなり消費電力が低減する。また、フィルタ部を払い落としで再生する場合でも、排気ガス流が殆ど無いので、払い落とした捕集対象成分が排気ガス中に再飛散することが殆ど無い。従って、帯電凝集部やフィルタ部を２系統設ける必要が無く、コンパクトな装置で高い浄化性能を得ることができる。

また、エンジン回転数と負荷が低い時に帯電凝集部に溜め込まれた捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が高くなった時に再飛散してフィルタ部に捕捉され、エンジン回転数と負荷が高く、排気ガス温度が５００℃程度まで高くなる領域では燃焼除去される。

そして、下流側のフィルタ部に溜め込まれた捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が低い場合には、上記のような熱再生処理等により効果的に再生できる。また、エンジン回転数と負荷が高い場合には、排気ガスの大部分が流通しているので、排気ガス温度が捕集対象成分の自己着火可能な温度（５００℃程度）にまで高くなる時には特に加熱せずとも燃焼除去が可能となる。また、排気ガスの温度が比較的高い時は、僅かなヒータ電力で自己着火可能な温度まで追加熱することも可能となる。

なお、既存のＤＰＦを備えた排気ガス処理装置に、帯電凝集部や必要に応じてフィルタ部を昇温するための再生手段と本発明の制御方法を追設することで、本発明の排気ガス処理装置とすることができる。

本発明の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法によれば、次のような効果を奏することができる。

フィルタ部の再生を、内燃機関の運転状態が、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合の、再生処理用運転領域の運転状態にある時に、排気ガスの少なくとも大部分をバイパス通路に切り換えて実施するので、フィルタ再生処理用の熱が排気ガスによって奪われることが無く、熱効率よくフィルタ部の再生処理を行うことができ、ヒータ加熱等による消費電力を低減することができる。

しかも、帯電凝集部に流入する排気ガスをフィルタ部の再生処理のために昇温することなく、フィルタ部を再生手段により昇温するので、再生処理時においては、帯電凝集部に流入する排気ガス温度が低く、コロナ放電が安定し凝集及び捕集効率が上昇しており、また、排気ガス流量が少なくて、流速が遅くて再飛散が発生し難くなっていて、フィルタ部による捕集機能を必要としない状態にある。そのため、このフィルタ部の再生処理時に、帯電凝集部を通過した後の排気ガスがフィルタ部をバイパスしても、ＰＭ等の捕集対象成分が排気ガス処理装置の下流側に流出することが無く、再生処理時に浄化率が悪化することが無い。

そして、フィルタ部を再生処理する時に、排気ガスの少なくとも大部分をバイパス通路に流すので、フィルタ部に流入する酸素量を少なくして、フィルタ部に捕集された捕集対象成分の暴走燃焼を抑制することができる。また、少量の排気ガスをフィルタ部に流すのでフィルタ部を冷却でき、この冷却によっても、フィルタ部の過剰昇温による捕集対象成分の暴走燃焼を抑制できる。

従って、上記の排気ガス処理装置を採用することにより、エネルギー効率よくフィルタ部を再生処理できると共に、コンパクトかつシンプルな構成で、フィルタ部再生処理時における浄化率の低下の問題やフィルタ部の焼損や溶損や担持触媒の劣化の問題も解決することができる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法について、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理対象ガスとした排気ガス処理装置を例にして、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この排気ガス処理装置１は、排気ガス中の捕集対象成分であるＳｏｏｔ成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部１０を上流側に、この凝集させた成分を捕集するフィルタ部２０を下流側に備えると共に、このフィルタ部２０をバイパスするバイパス通路４０を設けて構成される。また、フィルタ部２０の下流側で、かつ、バイパス通路４０の合流部４２より下流側に酸化触媒３０を設けて構成される。

つまり、コロナ放電によりＳｏｏｔを粗大化し凝集及び一時的に捕集する帯電凝集部１０を前段に、この帯電凝集部１０から再飛散する肥大化したＳｏｏｔを捕集するフィルタ部２０を中段に、ガス化したままのＳＯＦ等の蒸発成分を浄化する酸化触媒３０を後段に配置すると共に、フィルタ部２０のみをバイパスするバイパス通路４０を設ける。

このバイパス通路４０は、帯電凝集部１０とフィルタ部２０の間から分岐され、フィルタ部２０と酸化触媒３０との間の合流部４２に合流する。帯電凝集部１０とフィルタ部２０の間に流路切換手段である切換弁４１を設ける。この切換弁４１は、排気ガスの流れをフィルタ部２０への流れとバイパス通路４０への流れとに切り換える役割を持ち、通常は１つの切換弁４１で形成するが、複数の開閉弁で構成してもよい。なお、フィルタ部２０の再生時において、排気ガスの流れをバイパス通路４０に切り換えた場合でも、フィルタ部２０への排気ガスの流れを完全に遮断せずに、フィルタ部２０に捕集されたＰＭ燃焼のための酸素を供給することができるように、少量の排気ガスが流入するように構成する。

更に、フィルタ部２０の前後差圧を検出する差圧センサ５１を設け、更に、フィルタ部２０の下流側に酸素濃度センサ５２と排気ガス温度センサ５３を設ける。これらのセンサ５１，５２，５３の出力は、排気ガス処理装置１の制御装置５０に入力される。この制御装置５０は、通常はエンジンコントロールユニットと呼ばれるエンジンの制御装置に組み入れられて構成され、帯電凝集部１０のコロナ放電の制御やフィルタ部２０の再生手段の制御を行う。

この帯電凝集部１０は、複数、例えば、６本の帯電凝集ユニット１１を並列に配置して構成される。この帯電凝集ユニット１１は、図２〜図４に示すように、低電圧電極で形成される集塵電極１１ａと高電圧電極で形成されるコロナ電極１１ｂとを有して構成される。

特に、自動車搭載のエンジンの排気ガスを対象とする場合は、このように、帯電凝集部１０は、帯電凝集ユニット１１を並列配置した多管構造とするのが好ましい。帯電凝集部１０に投入可能な電力はＰＭ捕集能力と大きな関係があるため、エンジンのアイドリングから最高回転速度までの広い運転範囲で帯電凝集部１０の機能を十分に発揮させようとすると、単管で長くするか、多管で短くするかのいずれかとなるが、自動車では配置スペースが限られることと、絶縁状態を常時保つのに長いものは強度面及び振動面で不利であるを考慮すると、多管構造が有利となるためである。

この集塵電極１１ａは、例えば、ＳＵＳ３０４製等の導電性の材料で、円筒状体等の筒状体に形成され、上流側はガス入口室１１ｃに、下流側はガス出口室１１ｄに接続される。この集塵電極である筒状体１１ａはガス通路の通路壁を兼ねる。この筒状体１１ａの断面形状としては特に限定されない。コロナ放電の安定性等を考えると円形が好ましいが、正方形等でもよく、特に、コロナ電極１１ｂを複数設ける場合には、楕円形、三角形、長方形、その他の多角形であってもよい。

コロナ電極１１ｂは、電界集中係数の高い電極であればよく、細線電極、角状電極、突起構造付き電極等の線状（ワイヤ状）や棒状等の線状体、例えば、ＳＵＳ３０４製の中空ワイヤ等で形成される。そして、筒状体１１ａの内部、例えば、筒状体の軸心部分等の中央に配置される。また、図４に示すように、筒状体１１ａの内部に、複数のコロナ電極１１ｂを設けてもよい。

この集塵電極１１ａとコロナ電極１１ｂは互いに碍子等により電気的に絶縁状態にして構成される。この集塵電極１１ａは電気的に接地（アース）され、接地電位に保たれるが、必要に応じて、別電位に保持される。一方、コロナ電極１１ｂは高圧電源に接続される。この高圧電源で発生し、コロナ電極１１ｂに印加する高電圧は、一般的には、負極性の直流電圧を用いるのが好ましいが、直流、交流、パルス状のいずれであってもよく、また、極性も、負極性でも正極性でもあってもよい。また、電圧は、この筒状体１１ａとコロナ電極１１ｂとの間を通過する排気ガスＧ中にコロナ放電を発生できる電圧であればよい。

そして、この筒状体１１ａの通路壁を冷却壁（ガス冷却部）とし、帯電凝集部１０で排気ガスＧを冷却できるように構成する。つまりこの筒状体１１ａの外面側を自然空冷又は強制冷却するように構成する。

この自然空冷においては、筒状体１１ａの外面を保温したり、筒状体１１ａを更に、排気ガス処理装置１のケース等の別の筒体（図示しない）で密閉せずに、大気開放状態にしたり、ケースとなる別の筒体を通気孔を設けたものにする等、外気との接触を容易にし、自然対流伝熱が行われ易くする。また、熱放射による冷却効果を促進できるように、周囲の部材の温度を低くしたり、熱伝導による冷却効果を上げるために、低温の熱伝導体と接触させたりする。更に、筒状体１１ａの外部への放熱を促進する冷却用のフィンを筒状体１１ａの外面に設けることもできる。この冷却用フィンとしては、例えば、熱交換器等で一般的に用いられている平滑環状フィン、スロットフィン、テントフィン、短冊フィン、ワイヤーループフィン等がある。

また、強制冷却においては、ファン等により筒状体１１ａの外面に送風して対流伝熱による強制冷却をしたり、筒状体１１ａを冷却水等の冷媒が通過する二重管構造とし、筒状体１１ａを冷媒で強制冷却するように構成する。これらの冷却手段に限られず、一般的な冷却手段を適用できる。

そして、排気ガス処理装置１を車両に搭載した場合には、車両の走行により、帯電凝集部１０の外気に露出した筒状体１１等の部分に強い風が当たるので、自然対流や熱放射による自然放熱によって排気ガスＧが冷却される。そのため、特別あるいは能動的な冷却手段を設けなくても、積極的な保温手段を設けなければ、冷却効果を得ることができる。

このガス冷却は、処理対象ガスＧが２００℃以上の温度である場合において、特に有効である。つまり、処理対象ガスが２００℃以上であると、ＳＯＦ等の成分の多くは蒸発してガス化しているが、このガス冷却により排気ガスＧをそれ以下の温度にして、ＳＯＦ等の蒸発成分を凝縮させて液化することができ、この液化した成分の粘着性により、ベトベト状態の鳥もちのような効果を発揮できるので、Ｓｏｏｔ等の微小粒子を非常に効率よく凝集できるようになる。つまり、液化したＳＯＦ分の存在は、Ｓｏｏｔ凝集の接着剤的作用を発揮する。

また、帯電凝集部１０の帯電凝集ユニット１１においては、図５〜図７に示すように、帯電凝集部１０の筒状体１１ａの内側表面近傍の排気ガスＧの流れに対して乱流を促進する乱流促進手段１１ｅを筒状体１１ａの表面又は表面近傍に設けることができる。この乱流促進手段１１ｅは筒状体１１ａの表面を加工して設けてもよく、筒状体１１ａとは別体の構造物を筒状体１１ａの表面に当接又は浮かせて配置してもよい。

この乱流促進手段１１ｅは凹凸構造とすることもでき、この凹凸構造は、単数又は複数の線状体（丸棒や角棒）を筒状体１１ａにスパイラル状にして挿入し、筒状体１１ａの内側表面に巻き付けたり、筒状体１１ａの内側表面に溝きりにより台形形状の凸部や、格子溝や螺旋溝等の規則正しい凹凸を設けて、内面溝付き管構造とすることもできる。また、リング状の凸部を筒状体１１ａの内側表面に筒状体１１ａの軸方向に間隔をおいて形成したり、三次元構造を持つフィンで形成したり、ブラスト処理して乱雑な凹凸を形成したりすることもできる。これらの凹凸は一様に形成されていてもよく、分散配置されていてもよい。

更に、筒状体１１ａを加工するだけでなく、加工により凹凸を設けた板材や、既に凹凸を有して形成されている板材を、筒状体１１ａに挿入可能に整形して挿入してもよく、既に凹凸を有して市販されているような面状体を筒状体１１ａを挿入してもよい。この面状体としては、金網やパンチングメタル、エキスパンダメタル等のシート状突起物が有用であり、スリットグリル、ダイヤスクリーン、ディンプルスクリーン（孔無し）、ディンプルスクリーン（孔有り）、スリット出窓スクリーン、ブリッジ出窓スクリーン、三角出窓スクリーン、半円出窓スクリーン等々の打ち抜きスクリーンを使用できる。

この乱流促進手段１１ｅの乱流促進により、流路断面方向の攪拌作用を大きくすることができるので、流路空間全体において排気ガス中の成分の帯電に要する時間の短縮化、帯電粒子の集塵電極の対向面への接触の容易化、排気ガスの対向面近傍における主流方向流速の低速化に伴う滞留時間の増加を図ることができ、静電力による帯電粒子の捕捉を一層促進することができる。

また、帯電凝集部１０の帯電凝集ユニット１１を、次のように構成することもできる。図８〜図１２に示すように、帯電凝集ユニット１１のガス通路壁、即ち、帯電凝集部１０のガス通路壁を、筒状体１１ｆで形成し、低電圧電極となる集塵電極１１ａをガス通路壁１１ｆの表面近傍に配置された導電性の筒状体で形成する。また、コロナ電極１１ｂを筒状体１１ｆの内部に配置した線状体の高電圧電極で形成する。この筒状体１１ｆと集塵電極１１ａは共に導電材料で形成してもよいが、筒状体１１ｆを絶縁材料で形成し、集塵電極１１ａを導電材料で形成すると、帯電凝集ユニット１１の表面が筒状体１１ｆにより電気的に絶縁されるので、漏電等に対する安全性が増す。

また、図８〜図１１に示すように集塵電極１１ａの表面又は表面近傍に乱流促進手段１１ｅを設けたり、図１２に示すように集塵電極１１ａを乱流促進手段１１ｅで形成すると、乱流促進手段１１ｅによる効果を得ることができる。

この構成では、集塵電極１１ａを筒状体１１ｆと別体にして形成しているので、集塵電極１１ａはガス通路壁の機能が不要となる。そのため、集塵電極１１ａはガス通過性を有してもよくなり、表面積を増加できるので、より凝集肥大化の効果を大きくすることができる。また、筒状体１１ｆを絶縁体で形成すると、帯電凝集ユニット１１の表面を電気的に絶縁でき、漏電等に対する安全性を増すことができる。

フィルタ部２０は、帯電凝集部１０から、粗大化して再飛散してくる凝集体を捕集して除去するためのフィルタを有して構成される。このフィルタは、耐熱性に優れたＳｉＣやコージェライト等のセラミック製であってもよいが、ステンレス等の金属製のフィルタで形成すると、捕集したＰＭを燃焼除去する際に、高温にしても溶損し難いので、有炎燃焼により簡単に再生することができるようになる。

このフィルタ部２０は、上流側の帯電凝集部１０で捕集対象成分であるＳｏｏｔを凝集肥大化させてから捕集するので、圧力損失の小さい、比較的目の粗いフィルタで形成することができる。また、フィルタ部２０には、触媒を担持しない非連続再生式のフィルタを用いることもでき、触媒を担持した連続再生式のフィルタを用いることもできる。

そして、このフィルタ部２０は、Ｓｏｏｔの捕集量が増加し目詰まりしてきた時に、Ｓｏｏｔを燃焼除去するために、フィルタ部２０の再生が必要になり、そのための再生手段が必要になる。

この再生手段としては、加熱用ヒータやバーナーや短絡用電極等が考えられる。

加熱用ヒーターでは、フィルタ部材の表面、又は、表面と内部に金属線等のヒーターを埋め込んで、このヒーターに通電することにより発熱させてフィルタ部２０を昇温する。この加熱ヒーター方式の場合は、ヒーターの電気抵抗値と投入電力でフィルタ部２０の昇温や維持温度をコントロールする。

また、バーナーは、バイパス通路４０の分岐部下流のフィルタ部２０の直前に燃焼ガスを供給してフィルタ部２０を加熱して昇温するものであり、このバーナーに外部燃料（車両用燃料との共用も可能）を供給して燃焼し、高温ガスを発生させる。この高温ガスによりフィルタ部２０を昇温させるが、排気ガス中に高温ガスが注入されるので、排気ガス中のＰＭも着火させてフィルタ部２０の昇温に寄与させることができる。

短絡用電極は、Ｓｏｏｔが溜まってくると隣接して設けた電極間、あるいは、フィルタ部材の電導部分に隣接して設けた電極で形成され、この電極間あるいはフィルタ部材の電導部分と電極間の隙間が捕集されたＳｏｏｔで埋まると、電気的に短絡し、この短絡により発生した火花でＳｏｏｔが自己燃焼する。

なお、セラミックスフィルタの場合は、再生手段による局部的な加熱では、フィルタの温度を均一にし難く、再生ムラや温度差に起因する熱割れが発生し易いが、金属フィルタの場合は、温度の均一化が容易である。また、金属フィルタの場合は、加熱ヒーターやバーナーなどによる外部加熱方式以外にも、短絡用電極による方式を用いることもできる。

酸化触媒３０は、セラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成され、ガス冷却によっても液化しないで、気相状態でフィルタ部２０を通過するＳＯＦ等の蒸発成分を浄化する。

そして、この排気ガス処理装置１においては、次のようにして排気ガスＧを浄化する。

最上流側の帯電凝集部１０では、ガス入口室１１ｃから各々の帯電凝集ユニット１１の筒状体（集塵電極）１１ａの内部に排気ガスＧを通過させる。それと共に、コロナ電極１１ｂと集塵電極１１ａとの間に高電圧を印加して、集塵電極１１ａの内部にコロナ放電を形成し、その内部を通過する排気ガスＧ中のＰＭのＳｏｏｔ（スート：煤）等の捕集対象成分を帯電させ、この帯電した粒子を凝集する。

この帯電凝集部１０では、コロナ放電による帯電を利用して、排気ガス中のＳｏｏｔ等の固形成分を帯電させる。それと共に、排気ガスＧが冷却され、この冷却により凝縮したミスト状のＳＯＦ（可溶性有機成分）等の液体成分がバインダーの役割を果す。そのため、この排気ガス処理装置１では、冷却により凝縮した液体成分のバインダー機能を利用できるので、繊細なＳｏｏｔの粒子を、より効率良く凝集することができる。つまり、帯電凝縮部１０で、コロナ放電の電気集塵機能に加えて、ガス冷却により凝縮したＳＯＦ等の液体成分の接着機能を利用して、排気ガスＧ中の浮遊微粒子を効率よく凝集肥大化できる。

この凝集体は、コロナ電極１１ｂと集塵電極１１ａの間の電場により、クローン力により集塵電極１１ａに移動し、一時的には集塵電極１１ａの表面に捕集されるが、集塵電極１１ａに触れて電荷を失い、また、壁面上で更に粗大化し、その結果、排気ガスＧの流れにより集塵電極１１ａの表面から剥離し再飛散する。

そして、この再飛散してくる凝集体や直接流入する捕集対象成分を、フィルタ部２０で捕集するが、再飛散したり、ＳＯＦの回りに凝集したりした凝集体は、粗大化及び肥大化しているため、フィルタの目が比較的粗くても効率良く捕集することができる。従って、通常の物理的なフィルタだけで機械的にトラップする場合に比べ、より繊細なＳｏｏｔの粒子を効率良く捕集することができる。なお、フィルタ部２０で、圧力損失の小さい目の粗いフィルタを用いることができるので、圧力損失を小さくでき、また、目詰まりまでの間、かなりの長時間連続運転することができる。

また、最下流の酸化触媒３０においては、ガス化したまま帯電凝集部１０とフィルタ部２０を通過してきたＳＯＦ等の成分を酸化して除去する。これにより、凝縮しなかったＳＯＦ等の蒸発成分も除去できるので、ＰＭの除去能力を更に高めることができる。

これらの結果、排気ガス処理装置１に流入した排気ガスＧは、浄化された排気ガスＧｃとしてこの排気ガス処理装置１から排出される。

そして、Ｓｏｏｔ等の捕集対象成分が蓄積されて目詰まりが進行し、所定の限界値（閾値）を超えた場合には、フィルタに設けた再生手段（図示しない）等によりフィルタを加熱して、フィルタの温度をＳｏｏｔの自己着火可能な温度（５００℃程度）以上に上昇させてＳｏｏｔを燃焼除去する。このフィルタの温度上昇は局部的であっても、一旦Ｓｏｏｔの燃焼が開始されると燃焼熱が発生し燃焼の伝播が起こるので、フィルタ全体のＳｏｏｔを燃焼除去して、フィルタ全体を再生できる。この場合に、フィルタ部２０を金属製のフィルタで形成すると、Ｓｏｏｔを燃焼除去する際に、高温にしても溶損し難いので、有炎燃焼により簡単に再生することができる。

そして、本発明においては、このフィルタ部２０を再生するための制御を、所定の回転数以下かつ所定の負荷以下のエンジンの運転状態の時に行う。ここでは、この状態の運転領域のことを「再生処理用運転領域」ということにする。

この再生処理用運転領域を定める所定の回転数と所定の負荷は、内燃機関の機種によって排気ガスの状態が異なるため、また、フィルタ部２０におけるＰＭの自己燃焼可能な温度によっても再生が不要となる排気ガス温度が異なるため、一律にその範囲を決定することは困難であるが、予め実験などにより、エンジンの機種毎又は個々のエンジン毎に決めることができる。

つまり、この再生処理用運転領域は、帯電凝集部１０のコロナ放電が安定化し、また、帯電凝集部１０において凝集して、帯電凝集部１０に捕集されたＰＭ等の捕集対象成分が殆ど再飛散しない排気ガス流量となるような状態であるので、実験的に求めた排気ガスの状態とエンジンの運転状態の関係から、回転数等の具体的な数値を決定できる。そして、これらの数値を予め制御装置に入力しておき、エンジンの運転状態が再生処理用運転領域か否かを判定する時点までに、これらの入力データから算出するように構成する。

なお、この再生処理用運転領域の一例をあげれば、特定の機種の実験結果であるが、回転数と負荷が最高出力時の回転数と負荷のそれぞれの５０〜６０％以下となる。

次に、本発明の実施の形態の排気ガス処理装置における排気ガスＧの浄化とフィルタ部２０の再生処理について説明する。

この排気ガス浄化装置１においては、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域の場合には、排気ガスＧの少なくとも大部分がフィルタ部２０に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部１０とフィルタ部２０で、排気ガスＧ中のＰＭ等の捕集対象成分を捕集する。

この時、帯電凝集部１０でＳｏｏｔの固体粒子は集塵電極に凝集肥大化しながら静電捕集されるが、排気ガスＧの量が多く流速が大きいため、堆積した固体粒子は排気ガスＧの流れによって剥がれて再飛散する。しかし、この再飛散粒子は、後段のフィルタ部２０で捕集されるため、高い浄化率を維持できる。

このフィルタ部２０で捕集されたＳｏｏｔは、回転数と負荷が高くなって排気ガスＧの温度が自己着火可能な温度（５００℃程度）にまで高くなると燃焼除去される。

そして、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態の再生処理用運転領域の場合には、排気ガスＧの少なくとも大部分がバイパス通路４０に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部１０のみで、排気ガスＧ中のＳｏｏｔを捕集する。この時、排気ガスＧ中に含まれるＳｏｏｔは少なく、また、排気ガスＧの量も少なく流速が小さいので、Ｓｏｏｔは帯電凝集部１０に捕集されたまま、再飛散しない。そのため、排気ガスＧの大部分をフィルタ部２０をバイパスさせても、排気ガスＧの浄化率は低下しないので、高い浄化率を維持できる。

そして、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域で、フィルタ部２０におけるＳｏｏｔの捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていない時は、フィルタ部２０の再生処理を特に行う必要がないので、そのまま、運転が継続される。なお、この捕集量は、フィルタ部２０の前後差圧を検出する差圧センサ５１の検出値から推定することができる。

また、この高回転運転状態や高負荷運転状態が継続し、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域にならずに、また、排気ガスＧの温度がフィルタ部２０に捕集されたＳｏｏｔが燃焼を開始する自己着火可能な温度に到達することなく、フィルタ部２０におけるＳｏｏｔの捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になってしまった時には、即ち、差圧センサ５１で検出された前後差圧が所定の限界値（閾値）を超えた時には、次のように処理される。

内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行するまで、あるいは、排気ガスＧが自己着火可能な温度以上になって自己燃焼による再生が行われるまでの間、できるだけ長く再生処理を待つが、捕集可能な最終的な限界を超えた場合には、フィルタ部２０の再生処理を行う。

この再生処理は、再生処理用の再生手段や排気ガス昇温等によりフィルタ部２０を加熱し、Ｓｏｏｔを燃焼除去する。この再生処理では排気ガスＧの温度が比較的高いので、僅かな熱の追加で再生処理できるので、ヒータ加熱の場合には消費電力が少なくて済む。この再生処理は、帯電凝集部１０ではコロナ放電を行いながら実施され、排気ガスＧ中のＳｏｏｔ分等は帯電凝集部１０とフィルタ部２０に捕集される。

そして、フィルタ部２０の再生処理を、エンジンの運転状態がエンジンのスタート時や高回転運転状態や高負荷運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になった時に、切換弁４１を操作して、帯電凝集部１０を通過した排気ガスＧの少なくとも大部分をバイパス通路４０に切り換えると共に、帯電凝集部１０でコロナ放電を行いながら、フィルタ部２０の再生処理を実施する。

このフィルタ部２０の再生処理は、エンジンの運転状態が再生処理用運転領域の運転状態に移行する前に再生処理を開始していた場合にはその再生処理を継続し、移行前に再生処理していない場合は、フィルタ部２０における捕集対象成分の捕集量に関係なく、再生処理を開始する。

この再生処理は、帯電凝集部１０に流入する排気ガスＧをフィルタ部２０の再生処理のために昇温することなく、つまり、エンジンに要求される回転数や出力と関係なくフィルタ部２０の再生処理のためだけに、エンジンのシリンダ内への燃料噴射制御でポスト噴射等を行って排気ガス温度を上昇させることなく、フィルタ部２０を再生手段により昇温して、フィルタ部２０の再生処理を行う。

そして、このフィルタ部２０の再生処理の終了は、捕集対象成分の酸化が終了してフィルタ部２０の下流側の排気ガスＧの酸素濃度が上昇した時とする。このタイミングは、フィルタ部２０の下流側に配置した酸素濃度センサ５２の検出値から検出することができる。あるいは、フィルタ部２０の下流側の排気ガスＧの温度が低下し始めた時とすることもでき、この場合は、フィルタ部２０の下流側に配置した排気ガス温度センサ５３の検出値から検出することができる。

このフィルタ部２０の再生処理の実施により、フィルタ部２０に捕集されているＳｏｏｔが除去されるので、次に内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態、即ち、非再生処理用運転領域になった時に、帯電凝集部１０から再飛散してくるＳｏｏｔを十分にフィルタ部２０で捕集できるようになる。また、非再生処理用運転領域におけるフィルタ部２０の再生処理の回数や時間を少なくすることができる。

また、この再生処理用運転状態では、フィルタ部２０の再生処理中も再生処理終了後も、帯電凝集部１０ではコロナ放電を行っているので、排気ガスＧ中のＳｏｏｔは帯電凝集部１０に捕集される。

なお、このフィルタ部２０の再生処理を行っていない状態で、非再生処理用運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になった場合において、上記のように、制御を単純化するために、フィルタ部２０における捕集対象成分の捕集量に関係なく、再生処理を必ず行うように構成してもよいが、再生処理に伴う加熱用電力の低減を図るために、前回の再生処理から非再生処理用運転領域の運転状態が所定の時間を超えた場合や、再生処理用運転領域に移行した時のフィルタ部２０におけるＳｏｏｔの捕集量が所定の再生処理開始量（閾値）を超えていた場合のみ再生処理を行うように構成してもよい。

上記の排気ガス処理装置１及び排気ガス処理方法によれば、次のような効果を奏することができる。

この構成により、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の排気ガス量も排気ガス中の捕集対象成分も多い時は、帯電凝集部１０とフィルタ部２０の両方で、捕集対象成分を捕集するので、高い浄化率で排気ガスＧを浄化できる。

また、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態、即ち、再生処理用運転状態の時は、排気ガスＧの少なくとも大部分をバイパス通路４０に切り換えて、帯電凝集部１０のみで捕集対象成分を捕集するが、この状態では、排気ガスＧの流量も排気ガスＧ中の捕集対象成分も少ないので、高い浄化率で排気ガスＧを浄化できる。そして、再生処理時にフィルタ部２０を排気ガスＧの主流から切り離せる。

この再生処理用運転領域の運転状態で帯電凝集部１０に溜め込まれた捕集対象成分は、非再生処理用運転領域に移行してエンジン回転数と負荷が高くなった時に再飛散してフィルタ部２０に捕捉され、エンジン回転数と負荷が高く、排気ガス温度が自己着火可能な温度（５００℃程度）まで高くなる領域では、特に再生処理をしなくても燃焼除去される。

そして、燃焼除去されずに下流側のフィルタ部２０に溜め込まれた捕集対象成分は、非再生処理用運転領域で排気ガスＧの温度が比較的高い時は、僅かな加熱量で自己着火可能な温度まで追加熱することができ、エンジン回転数と負荷が低い再生処理用運転領域では、排気ガスＧの主流と切り離した状態で再生処理できるので、効率よく再生できる。

つまり、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合である再生処理用運転領域で、排気ガスＧの少なくとも大部分をバイパス通路４０に切り換えて、排気ガスＧの大部分がフィルタ部２０をバイパスした状態の時に、フィルタ部２０の再生処理を実施するので、再生処理時にフィルタ部２０を排気ガスＧの主流から切り離せる。

そのため、ヒータ加熱で再生する場合には、温度の低い排気ガスが多量流入してフィルタ部２０の熱を奪うことを回避でき、熱効率よく再生処理することができる。従って、再生手段による再生処理に伴う消費電力の低減を図ることができる。また、フィルタ部２０を機械機構による払い落としで再生する場合でも、排気ガスＧの流れが殆ど無いので、払い落とした捕集対象成分が排気ガスＧ中に再飛散することが殆ど無い。

従って、帯電凝集部１０やフィルタ部２０を２系統設ける必要が無く、コンパクトな装置で高い浄化性能を得ることができる。

また、再生処理用運転領域にある時のフィルタ部２０の再生処理では、帯電凝集部１０に流入する排気ガスＧをフィルタ部２０の再生処理のために昇温することなく、フィルタ部２０を再生手段により昇温するので、再生処理時においては、帯電凝集部１０に流入する排気ガスＧの温度を低い状態のままにすることができる。

そのため、帯電凝集部１０では、コロナ放電が安定し、凝集及び捕集効率が上昇している状態で、しかも、排気ガスＧの流量が少なくて、流速が遅くて再飛散も発生し難い状態となっている。つまり、フィルタ部２０による捕集機能を必要としない状態にある。

そのため、このフィルタ部２０の再生時に、帯電凝集部１０を通過した後の排気ガスＧの大部分がフィルタ部２０をバイパスしても、ＰＭ等の捕集対象成分が排気ガス処理装置１の下流側に流出することが無く、再生処理時に浄化率が悪化することが無い。

更に、フィルタ部２０の再生処理時に、排気ガスＧのフィルタ部２０への流入量を制限するので、フィルタ部２０への酸素の供給量を制限でき、フィルタ部２０におけるＰＭの暴走燃焼を抑制できる。また、温度の低い排気ガスの一部をフィルタ部２０に流入させるので、フィルタ部２０の局部的な過熱を冷却でき、また、フィルタ部２０の温度の均一化を図ることができる。従って、フィルタの焼損や溶損を防止でき、更に、触媒を担持している場合はその触媒の熱劣化も防止できる。

なお、フィルタ部２０を連続再生式のフィルタで形成した場合には、排気ガス温度がフィルタ部２０の再生が可能な所定の温度（例えば、３５０℃程度）以上では、触媒作用によりＰＭのＳｏｏｔ等の捕集対象成分を酸化できるので、捕集対象成分の自己燃焼可能な温度範囲が広くなる。そのため、再生用運転領域を狭くなる。

また、フィルタ部２０を非連続再生式のフィルタで形成した場合には、ＰＭが自己着火可能な温度（５００℃程度）以上では、フィルタ部２０におけるＰＭの蓄積は生じないが、それ以下ではＰＭの蓄積が生じ、再生処理する必要があるため、再生処理用運転領域が、連続再生式のフィルタを使用する場合よりも広くなる。しかし、再生処理用運転領域が広くなっても、触媒を担持していないので、再生処理時に捕集対象成分の燃焼によってフィルタが高温になっても、触媒が劣化することに対する対策が不要となる。

なお、上記の説明ではディーゼルエンジンの排気ガスを処理対象のガスとして説明したが、本発明は、自動車搭載の内燃機関の排気ガスのみならず、各種産業用機械や定置式の内燃機関の排気ガス等の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法としても使用できる。

本発明に係るガス処理装置の構成を模式的に示す図である。 帯電凝集ユニットの側断面図である。 筒状体の断面形状が円形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。 筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。 乱流促進手段を設けた帯電凝集ユニットの側断面図である。 乱流促進手段を設けた筒状体の断面形状が円形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。 乱流促進手段を設けた筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。 集塵電極と筒状体を別体で形成した帯電凝集ユニットの側断面図である。 乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が円形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。 乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。 乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が矩形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。 乱流促進手段を兼ねる集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が長方形で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。

符号の説明

１ 排気ガス処理装置
１０ 帯電凝集部
２０ フィルタ部
３０ 酸化触媒
４０ バイパス通路
４１ 切換弁
５０ 制御装置

Claims (8)

1. 集塵電極とコロナ電極とを有し、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集すると共に一時的に捕集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有し、 内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行うことにより捕集対象成分を前記帯電凝集部で一時的に捕集しながら、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする排気ガス処理装置。
2. 前記フィルタ部を再生するための再生手段を有すると共に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行いながら、前記再生手段により前記フィルタ部の再生処理をすることを特徴とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
3. 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタで形成すると共に、
   排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、
   排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも低く、かつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス処理装置。
4. 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、
   排気ガスの温度が前記フィルタ部に捕集された捕集対象成分の自己着火可能な温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、
   排気ガスの温度が前記自己着火可能な温度よりも低く、かつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス処理装置。
5. 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、
   前記排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記再生のための再生手段により、前記フィルタ部を再生処理することを特徴とする請求項４記載の排気ガス処理装置。
6. 前記フィルタ部の下流側の流路と前記バイパス通路とが合流する合流部分より下流側に酸化触媒を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気ガス処理装置。
7. 前記帯電凝集部で排気ガスを冷却するように構成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気ガス処理装置。
8. 集塵電極とコロナ電極とを有し、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集すると共に一時的に捕集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有する排気ガス処理装置において、
   内燃機関の回転数が所定の回転数以上又は負荷が所定の負荷以上の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部に切り換えて、前記フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、
   内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行うことにより捕集対象成分を前記帯電凝集部で一時的に捕集しながら、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えて、排気ガスの主流から前記フィルタ部を切り離し、前記フィルタ部の再生処理を行うことを特徴とする排気ガス処理方法。

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