JP4269768B2

JP4269768B2 - Ｐｍ浄化リアクター

Info

Publication number: JP4269768B2
Application number: JP2003128985A
Authority: JP
Inventors: 大垣花
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: JP2004332608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＭ浄化リアクターに関し、特に、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンから排出される排気ガス中に含まれる微粒子物質（以下、ＰＭと称す）を捕捉し、燃焼除去して浄化するＰＭ浄化リアクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンの排気ガスには、炭素を主成分とするＰＭが多量に含まれ、大気汚染の原因となることが知られている。排気ガスから、これらの微粒子を捕捉して、除去するための装置または方法が種々提案されており、その一例として、特許文献１に記載の放電再生式捕集フィルタが知られている。
【０００３】
この特許文献１に記載の放電再生式捕集フィルタは、排気ガス導入面が開口されると共に排気ガス導出面が閉塞された第１排気ガス通路と、該第１排気ガス通路と隔壁を隔てて隣接し、排気ガス導入面が閉塞されると共に排気ガス導出面が開口された第２排気ガス通路とを複数組備えた、いわゆるウォールフロー型のハニカム構造体であり、第１排気ガス通路にはその内壁面と点接触するように放電電極が設けられ、排気ガス導入面には極性の異なる帯電電極が設けられている。さらに、該帯電電極は第１排気ガス通路の内壁面の堆積煤層と電気的に接触可能に構成されている。かくて、第１排気ガス通路の内壁面の堆積煤層を帯電電極と同極の電極として機能させ、放電電極の点接触箇所において放電させることにより、堆積煤層の煤を燃焼除去するとしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１７３４２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載の放電再生式捕集フィルタは、いわゆるウォールフロー型のハニカム構造体において、第１排気ガス通路の内壁面の堆積煤層と第１排気ガス通路にその内壁面と点接触するように設けられた放電電極との間での放電により、堆積煤層の煤を燃焼除去するようにしているので、煤層が堆積されるまでは燃焼除去が行われず、その間においては、煤が第１排気ガス通路から第２排気ガス通路へ流出してしまう惧れがある。一旦、第２排気ガス通路へ流出してしまうと、これを捕捉する手段はなく、結果としての、このいわゆるすり抜けによる煤（ＰＭ）の捕捉率または捕集率の低下により、ＰＭの浄化効率が十分とは云えない。
【０００６】
本発明の目的は、かかる従来技術の問題を解消し、ＰＭの捕集効率を向上させ、併せて、ＰＭの焼却を効率よく安定して行い、圧力損失を伴うことなくＰＭを確実に浄化できるＰＭ浄化リアクターを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のＰＭ浄化リアクターは、排気ガス導入面が開口されると共に排気ガス導出面が栓詰にて閉塞された第１排気ガス通路と、該第１排気ガス通路と隔壁を隔てて隣接し、排気ガス導入面が栓詰にて閉塞されると共に排気ガス導出面が開口された第２排気ガス通路とを複数組備えたハニカム構造体の前記栓詰の中、少なくとも排気ガス導入面側栓詰を、金属または金属を含むセラミックにて形成して放電電極とし、且つ、前記ハニカム構造体の外周に外周電極を設けたことを特徴とする。
【０００８】
この構成になるＰＭ浄化リアクターによれば、放電電極とされた栓詰と外周電極との間での高電圧の印加によるコロナ放電でＰＭが帯電され、主に第１排気ガス通路の内壁面および気孔内に捕捉または捕集される。そして、ここで捕集されずに第２排気ガス通路に流出したＰＭも帯電されているので、第２排気ガス通路の内壁面に捕捉または捕集される。また、捕集されたＰＭは、コロナ放電による非熱平衡プラズマが得られる結果の排気ガスの活性化によって燃焼され焼却される。
【０００９】
ここで、前記栓詰は、前記外周電極が設けられた側に向けて、断面積が漸減する形状とされていることが好ましい。
【００１０】
このようにすると、栓詰と外周電極との間の電界の形成が容易となり、電界強度を上げることができるので、ＰＭの捕集効率をさらに向上させることができる。
【００１１】
また、前記ハニカム構造体には、少なくとも前記第１および第２の排気ガス通路内壁面に酸化触媒がコーティングされているのが好ましい。
【００１２】
このようにすると、排気ガスの活性化によるＰＭの燃焼に加えて、酸化触媒の作用によるＰＭの燃焼が起こり、ＰＭの焼却が確実となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係るＰＭ浄化リアクター１０の一実施の形態を概略的に示す断面図である。
【００１４】
図１において、ＰＭ浄化リアクター１０は、両側に截頭円錐状の連結部１２を有するほぼ円筒形の金属製外筒部１４を備え、この外筒部１４に対し、絶縁性、耐熱性、緩衝性等を備える支持部材１６、例えば、アルミナマットにより支持されたハニカム構造体２０を有している。このＰＭ浄化リアクター１０は、図面左方の排気ガス導入面より排気ガスが導入され，図面右方の排気ガス導出面より浄化された排気ガスが導出されるよう、例えば、ディーゼルエンジンの排気系に設置されている。
【００１５】
ハニカム構造体２０は、円柱状のコージェライトセラミック製であり、排気ガス導入面が開口されると共に排気ガス導出面が導出面側栓詰にて閉塞された第１排気ガス通路２２１、および該第１排気ガス通路２２１と隔壁を隔てて隣接し、排気ガス導入面が導入面側栓詰にて閉塞されると共に排気ガス導出面が開口された第２排気ガス通路２２２の複数組を有している。これらの第１および第２排気ガス通路２２１、２２２は断面略四角形であり、隔壁はガス透過性の多孔質よりなる。なお、ガス透過性およびＰＭ捕集性を考慮すると、その第１および第２の排気ガス通路を除く基材部、すなわち、隔壁の気孔率が約５５〜７０％である高気孔率基材により形成されるのが好ましい。また，ハニカム構造体２０は断面円形で，排気ガス流れ方向の長さが約２００ｍｍである。なお、ハニカム構造体２０はコージェライトに限らず、シリカ、アルミナ等のセラミックスで形成されてもよいが、加工性やコストの観点からコージェライト製であることが望ましい。
【００１６】
上記導出面側栓詰および導入面側栓詰は、本実施の形態では、それぞれ、直方体状の金属製部材からなる。導入面側栓詰同士は、第１のワイヤ２４１により結線されて第１の放電電極３１を構成し、同様に、導出面側栓詰同士は、第２ワイヤ２４２により結線されて第２の放電電極３２を構成している。また、ハニカム構造体２０の外周部には外周電極３３が配置されている。なお、導出面側栓詰および導入面側栓詰は、耐腐食性に優れたクロム鋼（例えば、１０Ｃｒ５Ａｌ）で形成できるが、それにのみ限定されるものではなく、他の耐腐食性を有する金属を用いることができる。さらに金属製に限らず、金属を含有するセラミックスでもよい。
【００１７】
なお、他の実施の形態として、上述の導出面側栓詰および導入面側栓詰の中、導入面側栓詰のみが金属製または、金属を含有するセラミックスで形成され、第１の放電電極３１のみを構成するようにしてもよい。この場合には、当然に、導入面側栓詰は非導電性のセラミックス等で形成され、第２の放電電極は構成されない。
【００１８】
第１の放電電極３１、第２の放電電極３２および外周電極３３は、直流電源３４に接続されている。本実施の形態では、第１の放電電極３１および第２の放電電極３２は、第１のワイヤ２４１および第２ワイヤ２４２が金属製の外筒部１４を貫通して設置されている絶縁碍子２９、２９を通して直流電源３４の負側に接続され、外周電極３３は、同じく接地ワイヤ２４３が絶縁碍子２９を通して接地されている。なお、この直流電源３４の電圧は５ｋＶ以上である。
【００１９】
また、ハニカム構造体２０の外周部に配置された外周電極３３は、メッシュ状電極としてもよいが、導電性の金属ペーストを外周部に塗布することにより形成してもよい。なお、外周電極３３は、ハニカム構造体２０の少なくとも一部の外周部に存在すれば足りる。但し、ＰＭの捕集率を最大限に上げたい場合には、第１の放電電極３１および第２の放電電極３２との短絡を避け得る距離離して、ハニカム構造体２０の外周部の広域を覆うように形成するのが好ましい。
【００２０】
上述の実施形態に係るＰＭ浄化リアクター１０によれば、エンジンから排出された排気ガスは、図１に示すごとく，第１排気ガス通路２２１に導入され、隔壁を経て隣接する第２排気ガス通路２２２に進入し，その後外部に排出されることになる。ここでＰＭ浄化リアクター１０においては、エンジンの始動と同時に、電源３４がオンされ、第１の放電電極３１および第２の放電電極３２と外周電極３３との間に高電圧が印加される。そこで、ＰＭを含む排気ガスは、第１の放電電極３１および第２の放電電極３２と外周電極３３との間に形成されている高電圧電界中のコロナ放電により、その高電圧電界中を通過するときに、ＰＭが帯電され、電気的吸引力により外周電極３３に向けて吸引され、ハニカム構造体２０の第１排気ガス通路２２１の内壁面および隔壁の気孔内に高効率で捕捉または捕集される。従って、ＰＭが隔壁を通過して第２排気ガス通路２２２に進入することは、ほとんどない。仮に、通過したとしても、帯電されているＰＭは第２排気ガス通路２２２の内壁面に吸着捕捉される。
【００２１】
また、上記第１の放電電極３１および第２の放電電極３２と外周電極３３との間に形成されている高電圧電界中を通過する排気ガスは、非熱平衡プラズマが得られる結果、その排気ガス中の酸素、一酸化窒素等のガス分子が活性化（ラジカル化）され、酸化活性の高いオゾン（Ｏ₃）、活性化酸素（Ｏ₂ ^-）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等が生成される。上述のハニカム構造体２０の内壁面および隔壁の気孔内に捕集されているＰＭは、かかる活性化されたガスにより燃焼、焼却されて、浄化された排気ガスとして排出される。
【００２２】
このように、本実施の形態によれば、ＰＭの捕集効率が向上され、併せて、酸化活性の高いＯ₃、Ｏ₂ ^-、ＮＯ₂を利用することによりＰＭの燃焼が連続して行われるので、圧力損失を伴うことなくＰＭの焼却を効率よく安定して行い、ＰＭを確実に浄化できるのである。
【００２３】
本発明のさらに他の実施の形態を、図２に示す。この実施の形態が前実施の形態と異なる点は、上述の第１の放電電極３１および第２の放電電極３２を構成する導出面側栓詰および導入面側栓詰の形状を変更した点にある。すなわち、本実施の形態では、外周電極３３が設けられた側に向けて、断面積が漸減する形状、例えば、四角錘台形状とされている。このようにすると、四角錘台形状の栓詰で構成される第１の放電電極３１および第２の放電電極３２と外周電極３３との間の電界の形成が容易となり、電界強度を上げることができるので、ＰＭの捕集効率をさらに向上させることができる。
【００２４】
さらに、上記ハニカム構造体２０には、少なくとも第１および第２の排気ガス通路２２１および２２２の内壁面に酸化触媒（例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等）がコーティングされているのが好ましい。このようにすると、排気ガスの活性化によるＰＭの燃焼に加えて、酸化触媒の作用によるＰＭの燃焼が起こり、ＰＭの焼却が確実となる。
【００２５】
なお、上述の実施形態においては、第１の放電電極３１および第２の放電電極３２を負極に、外周電極３３を接地する例につき説明したが、これらは、両者間に所定の高電圧が印加される形態であれば足り、逆の極性であってもよく、必ずしも接地させる必要もない。また、その電源の形態は、直流のみならず、パルス電源や交流電源であってもよい。さらに、それらの電圧印加の形態も上述の常時印加に限られず、ＰＭの捕集要求や燃焼処理要求の必要性に応じて、所望の時期に行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＰＭ浄化リアクターの実施の形態の概要を示す断面図であり、第１および第２の排気ガス通路は実際の寸法を表すものではない。
【図２】本発明の他の実施の形態の概要を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ＰＭ浄化リアクター
２０ハニカム構造体
２２１第１排気ガス通路
２２２第２排気ガス通路
３１第１放電電極（導入面側栓詰）
３２第２放電電極（導出面側栓詰）
３３外周電極
３４電源

Claims

排気ガス導入面が開口されると共に排気ガス導出面が栓詰にて閉塞された第１排気ガス通路と、該第１排気ガス通路と隔壁を隔てて隣接し、排気ガス導入面が栓詰にて閉塞されると共に排気ガス導出面が開口された第２排気ガス通路とを複数組備えた円柱状ハニカム構造体の前記栓詰の中、少なくとも排気ガス導入面側栓詰を、金属または金属を含むセラミックにて形成して放電電極とし、且つ、前記円柱状ハニカム構造体の長手方向における前記排気ガス導入面側栓詰と前記排気ガス導出面側栓詰との間の外周に外周電極を設けたＰＭ浄化リアクターであって、前記少なくとも排気ガス導入面側栓詰は、前記円柱状ハニカム構造体の長手方向における前記外周電極が設けられた側に向けて、断面積が漸減する形状とされていることを特徴とするＰＭ浄化リアクター。
前記ハニカム構造体には、少なくとも前記第１および第２の排気ガス通路内壁面に酸化触媒がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のＰＭ浄化リアクター。