JP4292511B2

JP4292511B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4292511B2
Application number: JP2004182545A
Authority: JP
Inventors: 大垣花; 裕人平田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP2006000817A

Description

本発明は、排ガス浄化装置、特にディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の排気系に設けられ、排ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）を捕捉する排ガス浄化装置に関する。

排ガス中のＰＭを除去するための技術として、多孔質のハニカム構造体を用いたＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＤＰＦは、例えばハニカム構造体の上流側の端面から下流側の端面まで貫通した複数のセルのうち、一部のセルを上流側の端部で栓詰し、これに隣接する他のセルを下流側の端部で栓詰してなり、上流側の開口したセルから流入した排ガスは、多孔質の隔壁を通って濾過され、下流側の開口したセルから排出されて、その際に排ガス中のＰＭが隔壁に捕集される。また特許文献１の装置では、ハニカム構造体のセル内の表面に、貴金属などの触媒物質が担持されており、これによって有害物質の反応開始温度を下げ、分解を促進している。

他方、上流端および下流端で開口した筒状の対向電極と、この対向電極に挿通された棒状の放電電極とを備えた装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、放電電極によって帯電させられた排ガス中のＰＭが、その電荷と両電極間の電界との相互作用によって、対向電極に吸着される。吸着されたＰＭの一部は燃焼して焼却され、また両電極間の高電圧の印加によりプラズマ状態が生じ、ＮＯｘなどの物質の分解が促進される。
特公平６−２９５４５号公報特開２００４−１９５３４号公報

ところで、この種の装置では、長期間の使用によって浄化性能が低下する場合がある。これにつき発明者らは鋭意研究の結果、この浄化性能の低下は、炭素を主要素とし導電性を有するＰＭが、使用中の堆積によって電極間の漏電を生じさせ、極間電圧を制限しているのが原因になっていることを知見した。

本発明はかかる新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、高電圧の作用により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、ＰＭの堆積に起因する電極間の漏電を抑制することにある。

第１の本発明は、放電電極と対向電極とを備え、前記対向電極で囲まれた空間内に前記放電電極が挿通されており、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記放電電極の表面が絶縁体で被覆されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第１の本発明では、放電電極の表面が絶縁体で被覆されているので、被覆された部位において放電電極と対向電極との間が絶縁体によって絶縁され、堆積したＰＭに起因する漏電を抑制することができる。

第２の本発明は、放電電極と対向電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記対向電極で囲まれた空間内に、多数のセルを有するハニカム構造体が配置され、前記放電電極が前記ハニカム構造体に挿通されており、前記ハニカム構造体の上流側端面に対し上流側には、放電電極近傍の排ガスの流れを前記放電電極から離間する方向に偏向させるガス流れ制御手段が、前記放電電極と一体的に設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第２の本発明では、放電電極近傍の排ガスの流れが、ガス流れ制御手段によって放電電極から離間する方向に偏向させられるので、これによって放電電極とハニカム構造体との境界部に堆積するＰＭに起因した漏電のおそれを抑制できる。

第３の本発明は、放電電極と対向電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記両電極を収容するケースが、前記放電電極に給電するための結線を通過させるための取り出し口を備えており、該取り出し口を囲む筒状の障壁部材が、前記ケースと一体的に設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第３の本発明では、ケースと一体的に設けられた筒状の障壁部材により、ケースと結線との境界部へのＰＭの流入が抑制される。また、ＰＭは主として障壁部材の外周面の基部に付着すると考えられるところ、第３の本発明では障壁部材の寸法に応じてＰＭの付着位置から結線までの経路距離が大きくなるため、この経路における沿面放電の発生を抑制できる。

第４の本発明は、請求項３に記載の排ガス浄化装置であって、前記障壁部材が複数重畳して設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第４の本発明では、障壁部材が複数重畳して設けられているので、第３の本発明による効果を更に促進することができる。

以下、本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態の排ガス浄化装置１を示す概略構成図であり、図２はその要部であるハニカム構造体１０を示す断面図である。排ガス浄化装置１は、不図示のエンジン（ディーゼルまたはリーンバーンガソリンエンジン等）の排気系に設けられる。

排ガス浄化装置１は、ほぼ円筒形の金属製の外筒部２を備え、この外筒部２の内側に支持されたハニカム構造体１０を有している。ハニカム構造体１０の外周面には、外周電極１５が形成されている。外周電極１５とケース２との間は、図示しないアルミナマットなどにより密封されている。図２に示されるように、ハニカム構造体１０は、多孔質の隔壁１１により仕切られた多数のセルすなわち排ガス通路１２を備えており、排ガス通路１２はいずれも排ガスの流入方向（図中Ａ方向）に平行である。排ガス通路１２の上流側の一部の開口部、および上流側の開口部が開放されている排ガス通路１２の下流側の開口部が、詰栓１３によって閉塞されている。

ハニカム構造体１０は多孔質のセラミックス材料からなり、具体的にはコーディエライトやＳｉＣ（炭化珪素）等を用いるのが好適である。ハニカム構造体１０の排ガス通路を除く基材部（壁部）の気孔率は６０〜８０％とし、平均細孔径を２０ないし６０μｍとする。

ハニカム構造体１０の隔壁１１には、触媒物質として、例えばＬｉ＝３mol／Ｌ、Ｐｔ＝５ｇ／Ｌ、コート材をＡｌ_２Ｏ_３とするＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ；ＮＯｘ Storage Reduction catalysis）がコーティングされている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒のコート量は、例えば３００ｇ／Ｌとする。

なお、一般に用いられるハニカム構造体における隔壁の気孔率は一般に５５ないし６０％、隔壁の平均細孔径は９ないし３０μｍであるところ、本実施形態では気孔率を６０〜８０％とし、かつ隔壁の平均細孔径を２０〜６０μｍとしたので、排ガスが多孔質の隔壁１１を通って濾過されるウォールフロー型の構造を採用しつつ、比較的低い排気抵抗を実現できる。また本実施形態では放電電極２０と対向電極１５とによる静電吸着を併せて行うことによって、ＰＭ捕集率やＮＯｘ浄化率を向上することができる。また、一般に触媒物質の担持量は１５０ｇ／Ｌ程度であるところ、本実施形態では触媒物質の担持量を１００ないし４００ｇ／Ｌのように比較的大きい値にすることができ、かつ触媒物質を担持させた状態においても低い排気抵抗を実現できる。

ハニカム構造体１０を貫いて、放電電極２０が設置されている。放電電極２０は、棒状の電極本体２１の全表面を碍子等の絶縁層２２で被覆してなり、電極本体２１の下流側の端部に接続された金属結線２４が、絶縁層２２から外部に引き出されている。なお絶縁層２２はセラミックス等の高い耐熱性を有する材料であることが望ましいが、ディーゼルエンジンのように排気系の温度が低いエンジンの場合には、絶縁層２２はアクリルなど耐熱性の比較的低い材料であってもよい。

電極本体２１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その他の導電体を用いることができる。

絶縁層２２は、ハニカム構造体１０の前端面に対し上流側に、ガス流れ制御手段である膨大部２２ａを備えている。膨大部２２ａは、上流側から下流側に向かうに従い半径が拡大する略円錐台形をなしている。

外周電極１５および放電電極２０を収容するケース２は、ハニカム構造体１０よりも下流側に、放電電極２０に給電するための結線２４を通過させるための取り出し口２ａを備えている。図３に示すように、結線２４は碍子からなる絶縁性プラグ２５に埋め込まれている。また、絶縁性プラグ２５の外周面には碍子からなる円筒形の第一障壁部材２６が一体的に形成されており、第一障壁部材２６の先端部は絶縁性プラグ２５の先端部よりも長く円筒ボス状に突出している。これら結線２４、絶縁性プラグ２５および第一障壁部材２６は、取り出し口２ａを貫通して固定されている。第一障壁部材２６の外側を囲むようにして、碍子からなる円筒形の第二障壁部材２７が、ケース２に固定されている。第二障壁部材２７の上端部は、第一障壁部材２６よりも高くケース２内に突出している。

ケース２および外周電極１５は、電気的に接地されている。他方、放電電極２０の金属結線２４は高圧電源３０の正極に接続されている。なお、この高圧電源３０の出力は直流、直流パルス、交流、または直流と直流パルスとの重畳とするのが好適であり、またその電圧は５ｋＶ以上、例えば１５〜３０ｋＶ程度が好適である。

以上のとおり構成された第１実施形態では、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って排ガス浄化装置１に導かれると、排ガスは上流端開口の排ガス通路１２からハニカム構造体１０内に侵入すると共に、多孔質の隔壁１１を通過して、下流端開口の排ガス通路１２から下流側に排出される。この過程で、ＰＭは隔壁１１によって濾過される。

他方、エンジンの始動と同時に高圧電源３０がオンされ、放電電極２０と外周電極１５との間に高電圧が印加されると、排ガス中のＰＭが放電電極２０からの放電によって正極に帯電され、またハニカム構造体１０が負極に帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力によりハニカム構造体１０に向けて吸引される。この結果、ハニカム構造体１０の隔壁１１を通じて流通するＰＭの移動経路が偏向され、ＰＭは隔壁１１の気孔内に吸着されることになる。吸着されたＰＭは、排ガスの供給および通電に伴う温度上昇により燃焼させられる。

ここで、本実施形態では、放電電極２０の全表面を絶縁体２２で被覆したので、この絶縁体２２によって放電電極２０と対向電極１５との間が絶縁され、堆積したＰＭに起因する漏電を抑制することができる。すなわち、本実施形態では絶縁体２２を設けたことにより、絶縁体２２の外周面とハニカム構造体１０の前端面とを結ぶ経路、あるいは絶縁体２２の外周面からハニカム構造体１０の前端面を経て外周電極１５に至る経路にＰＭが大量に蓄積した場合にも、電極本体２１と放電電極２０の外部との間の絶縁によって、これらの経路による漏電を効果的に抑制できる。

また本実施形態では、放電電極２０が膨大部２２ａを有しており、動作の際には膨大部２２ａの作用によって排ガスの流れが、放射方向すなわち電極本体２１から離れる方向に偏向され、これによって、ハニカム構造体１０の軸心の近傍（図１において二点鎖線Ｂで示されている領域）へのＰＭの集中的な付着を抑制できる。

また本実施形態では、ケース２と一体的に設けられた筒状の障壁部材２６，２７により、ケース２と結線２４との境界部へのＰＭの流入や堆積が抑制される。また、ＰＭは主として障壁部材２６，２７の外周面の基部に付着すると考えられるところ、本実施形態では円筒ボス状に突出した障壁部材２６，２７の寸法に応じて、ＰＭの付着位置から結線２４までの経路距離が大きくなるため、この経路における沿面放電の発生を抑制できる。

さらに本実施形態では、障壁部材２６，２７を複数同心円状に重畳して設けたので、ケース２と結線２４との境界部へのＰＭの流入や堆積の一層の抑制、およびＰＭの付着位置から結線２４に至る沿面放電の発生の一層の抑制を図ることができる。

本実施形態について、ＰＭ静電捕集試験を行った。試験はコーディエライトからなる基材上にセリア−ジルコニア固溶体をコートした直径１００ｍｍ全長１５５ｍｍのハニカム構造体１０を用い、隔壁１１の壁厚を２ミリインチ（約０．０５ｍｍ）、セル数９００cell／inch^２（１３９．５cell／ｃｍ^２)とした。放電電極２０はハニカム構造体１０に挿入されている部分から上流側１００ｍｍまでをセラミックスで被覆し、その上流側５０ｍｍについては電極本体を露出させた。測定はフルトンネルによる重量法（ハニカム構造体の前後に設けたフィルタ上のＰＭの重量差で捕集率を測定する方法)を用いた。試験には排気量２Ｌのディーゼルエンジンを用い、回転数２０００ｒｐｍ、負荷３０Ｎｍとした。印加する電圧は３０ｋＶ・０．７ｍＡの直流とした。試験の結果、ＰＭ３ｇ／Ｌ堆積時の絶縁破壊電圧は、放電電極を絶縁体で被覆していない比較例では１８ｋＶ程度であったが、本実施形態では３０ｋＶ以上であった。またＰＭ捕集率は、比較例で６０％未満であったが、本実施形態では約９０％という高い値を得ることができた。

なお、上記実施形態における絶縁体２２による被覆、膨大部２２ａの設置、および障壁部材２６,２７の設置は、これらの全てを同時に行うことは必要でなく、いずれか１つまたは複数によっても相当の効果を得ることができる。例えば、膨大部２２ａを設置しない場合に、代替のＰＭ堆積抑制手段として、絶縁体２２の周囲のハニカム構造体１０を円柱形にくり抜いて、絶縁体２２とハニカム構造体１０との間に空隙を設けてもよい。

また、上記実施形態では放電電極２０の電極本体２１の全表面を絶縁体２２で被覆することとしたが、本発明では電極本体２１におけるハニカム構造体１０に挿入されている領域、およびハニカム構造体１０の前端面から上流側に向かう所定長さの領域が絶縁体２２で覆われていれば、本発明による効果を相当程度に実現することができる。ただし上記実施形態では電極本体２１の全表面を絶縁体２２で被覆したので、電極本体２１の上流側端部・下流側端部などの尖端が露出せず、このような尖端部からの放電を抑制することができる。

また、上記実施形態ではケース２からの金属結線２４の取り出し口２ａをハニカム構造体１０よりも下流側に設けたので、ハニカム構造体１０によるＰＭの濾過の結果として、取り出し口２ａの近傍におけるＰＭの堆積を抑制することができるが、本発明では金属結線２４の取り出し口をハニカム構造体１０よりも上流側に設けてもよい。

また、上記実施形態では放電電極２０の中途から金属結線２４を引き出し、これがケース２を貫いて外部に引き出される構成としたが、このような構成に代えて、図４に示すように、ケース２の下流側に接続される排気管４０を屈曲させる一方、放電電極１２０の絶縁体１２２および金属結線１２４を直線状とするなど、給電経路と排気経路とを互いに異なる方向に偏向させることによって、絶縁体１２２および金属結線１２４が排気管４０を貫いて外部に引き出されるようにしてもよい。この場合には、金属結線１２４が排気経路中の全領域において絶縁体１２２に被覆されているので、漏電を更に効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態ではハニカム構造体１０の各セルを交互に栓詰して、排ガスが隔壁１１を通過して濾過される所謂ウォールフロー型ないし濾過型の装置としたが、本発明ではハニカム構造体を栓詰せず静電気力によってＰＭを吸着する所謂ストレートフロー型の装置として構成してもよい。また本発明はハニカム構造体を有しない装置にも適用できる。

また、上記各実施形態においては、放電電極２０を正極に、外周電極１５を負極に接続する例につき説明したが、本発明で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い。また、その電源の形態は直流のみならず、パルス電源、交流電源や直流とパルスの重畳であってもよい。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。上記各実施形態では放電電極２０を棒状とし、外周電極１５を筒状とした例について説明したが、本発明ではそれ以外の構造の電極、例えばメッシュ状や板状の放電電極や外周電極を用いてもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態の排ガス浄化装置を示す概略構成図である。ハニカム構造体を示す断面図である。取出し口の近傍を示す断面図である。本発明の実施形態の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１排ガス浄化装置
１０ハニカム構造体
２０，１２０放電電極
２２，１２２絶縁体
２２ａ膨大部
２６第一障壁部材
２７第二障壁部材
３０高圧電源

Claims

放電電極と対向電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、
前記対向電極で囲まれた空間内に、多数のセルを有するハニカム構造体が配置され、前記放電電極が前記ハニカム構造体に挿通されており、
前記ハニカム構造体の上流側端面に対し上流側には、放電電極近傍の排ガスの流れを前記放電電極から離間する方向に偏向させるガス流れ制御手段が、前記放電電極と一体的に設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
前記放電電極の表面が絶縁体で被覆されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
前記ガス流れ制御手段として、膨大部が備えられていることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１から３のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
前記両電極を収容するケースが、前記放電電極に給電するための結線を通過させるための取り出し口を備えており、該取り出し口を囲む筒状の障壁部材が、複数重畳して、前記ケースと一体的に設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置。