JP4415816B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる排気微粒子を浄化する排気浄化装置に関し、特に排気通路に設けられた、排気微粒子を凝集させる放電電極に付着した排気微粒子を燃焼除去する技術に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、地球環境の保護のために、排ガスの浄化能力の向上が要求されており、特に軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx に加え、排ガス中に含まれる煤やＳＯＦ等の排気微粒子を除去することが必要になる。このため、排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、ここで、排ガス中の排気微粒子を捕集している。

パティキュレートフィルタは、例えば、内部に多数の通孔を有するガイド部材を設け、流入した排ガス中の排気微粒子を互いに衝突させるようにして排気微粒子の粒径を大きくして捕集するものや、流入した排ガスに多孔質の隔壁を透過させ、その際に、隔壁の表面や細孔で排ガス中の排気微粒子を捕集するものである。しかしながら、排気微粒子のなかには粒子径が小さく、このパティキュレートフィルタでは充分に捕集することができず、排気通路から放出されるものもあった。

このため、粒子径の小さい排気微粒子を凝集させて粒子径を大きくして、捕集しやすくする凝集器が使用される。この凝集器は、凝集器内の排気通路の略中心部に位置する放電電極と、放電電極の外周に位置する凝集器のハウジングとハウジングの出口付近に排気通路を横切って設置される円盤状の導電性網からなる接地電極を有し、この電極間に高電圧を印加し、コロナ放電を起こし、排気微粒子を帯電させ、凝集させたものである。この放電電極は、凝集器に取付けられるが、高電圧においても絶縁を維持するために、碍子により外周が取り囲まれている。

しかしながら、この碍子は、凝集器の中の排気微粒子が通過する部分に装着されるため、使用中に碍子の外周にこの排気微粒子が付着して、絶縁性が低下する場合があった。
このような、排気微粒子が付着した碍子から、排気微粒子を除去する方法として、碍子にヒーターを取付けて、このヒーターで加熱して、付着した排気微粒子を除去することが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特表昭６０−５００５４５号公報

しかしながら、碍子をヒーターで加熱して、付着した排気微粒子を除去すると、加熱のために電力が必要となり、また、ヒーターによる加熱では碍子全体を均一に加熱することができず、碍子は部分的に温度差が生じて、この温度差により碍子に割れやヒビが生じて、碍子が破損する場合がある。

本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、凝集器の前方排気通路にパティキュレートフィルタまたは触媒装置を設け、特別にエネルギーを加えることなく、凝集器の碍子を清浄にする排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、排ガスが通過する排気通路の内部に配され、該排気通路の内壁との間にて高電圧電源から供給される高圧電流を印加することによりコロナ放電を発生させ、該コロナ放電により排ガス中の排気微粒子を帯電・凝集させる放電部と、該放電部の放電部分を除く導電部の外周を囲み絶縁する碍子部と、を有する放電電極を備える排気浄化装置であって、上記放電電極の排ガス流れの上流位置に、排気微粒子を含む排ガス中の成分を補足燃焼あるいは触媒作用により浄化し、この浄化作用により排ガスを加熱昇温させるパティキュレートフィルタまたは触媒装置を備え、上記放電電極と、上記パティキュレートフィルタまたは上記触媒装置の後端部との間の距離を、上記パティキュレートフィルタまたは上記触媒装置による浄化作用時に加熱昇温された排ガスが到達した時に、上記碍子部に付着した排気微粒子が燃焼可能な温度以上となる位置に設定したことを特徴とする。

パティキュレートフィルタ又は触媒装置を設けたため、パティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させるよう、放電電極の排ガス流れの上流位置において、排気微粒子を含む排ガス中の成分を補足燃焼あるいは触媒作用により浄化し、この浄化作用により排ガスを加熱昇温させる。この加熱によりパティキュレートフィルタ又は触媒装置に付着した排気微粒子を燃焼させて、排ガスを加熱して、加熱された排ガスを利用して、放電電極に付着した排気微粒子を燃焼させて除去することができる。このため、放電電極に付着した排気微粒子を除去するために、新たなエネルギーを使用する必要がない。
また、排ガスで放電電極の碍子を加熱するため、碍子の凝集器内に装着された部分は、全体が加熱されるために、碍子に部分的に熱歪が発生せず、碍子が割れたり、ヒビが入ったりして破損することがない。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、上記パティキュレートフィルタ又は上記触媒装置の後端部と上記放電電極との間の距離は、１ｍ以内となるように設定される構成とする。

パティキュレートフィルタ又は触媒装置の後端部と上記放電電極との間の距離は、１ｍ以内となるように上記凝集器の放電電極を設けたため、パティキュレートフィルタ又は触媒装置を加熱し、この加熱により排気微粒子を燃焼させて、加熱された排ガスを温度が低下する前に、凝集器の電極に当てることができ、放電電極の碍子に付着した排気微粒子を確実に燃焼させることができる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、上記放電電極の排ガス流れの後流位置には、上記排気通路を横切って設置される導電性網からなる接地電極を有し、上記導電性網と上記放電部との距離は、上記排気通路の内壁と上記放電部との距離よりも長く設定される凝集器を構成する。

電電極の排ガス流れの後流位置には、排気通路を横切って設置される導電性網からなる接地電極を設けたため、排ガスの流速が早くても排気微粒子を帯電させることができる。また、導電性網と上記放電部との距離は、上記排気通路の内壁と上記放電部との距離よりも長く設定されるため、排気微粒子を均一に帯電させることができる。

請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させるための上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置の加熱は、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置に、燃料を噴射することにより加熱する構成とする。

上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置に燃料噴射装置から燃料を噴射することにより、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置内で燃料を燃焼させて、その燃焼によりパティキュレートフィルタ又は触媒装置に付着した排気微粒子をさらに燃焼させ、取り除き、パティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させることができる。この燃焼により高温となった排ガスで、さらに、凝集器の放電電極に付着した排気微粒子を燃焼させて取り除くことができる。

請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置にヒーターを設け、該ヒーターに通電し、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置を加熱し、再生させ構成とする。

パティキュレートフィルタ又は触媒装置のヒーターに、通電することにより、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置の排気微粒子の付着した付近の温度を上昇させて、付着した排気微粒子を燃焼させてパティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させることができる。このヒーターの加熱と排気微粒子を燃焼により高温となった排ガスにより、さらに、凝集器の放電電極に付着した排気微粒子を燃焼させて取り除くことができる。

請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置と上記凝集器とを連結する排気通路を断熱構造とした構成とする。

パティキュレートフィルタ又は触媒装置と上記凝集器とを連結する排気通路を断熱構造としたため、パティキュレートフィルタ又は触媒装置で加熱された排ガスが、その温度を下げることなく凝集器に送られることができ、凝集器の放電電極の碍子に付着した排気微粒子を燃焼させて除去することができる。

本発明の第１の実施の形態を、図１〜図３に基づき説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態における排気浄化装置の概略構成図であり、図２は、上記排気浄化装置の内燃機関への配置を示す図である。図３は、第１の実施の形態におけるパティキュレートフィルタ２の出口からの距離に応じた排気微粒子３の温度を示すグラフである。

内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置は、第１の実施の形態において図２に示すように、エンジン本体１から排出された排ガスの排気通路に設けられた、排気微粒子３を捕集するパティキュレートフィルタ２と、パティキュレートフィルタ２を通過した排気微粒子３を凝集させる凝集器１０等から構成される。パティキュレートフィルタ２は、エンジン本体１の排気マニホールドと排気管３０で連結され、パティキュレートフィルタ２と凝集器１０とも排気管３０で連結されている。

パティキュレートフィルタ２は、例えば、排気通路に、通孔を有するガイド部材を設け、排ガス中の排気微粒子３を衝突させ、粒径を大きくして捕集したものや、コーディエライトや炭化珪素等の多孔質セラミック製のハニカム構造体の流路を目封じしてフィルタ本体を形成したものである。入口から流入したエンジン本体１の各気筒からの排ガスが、ガイド部材の通孔を通り、あるいは多孔質の隔壁を通り、出口から下流へと流れていく。このとき、パティキュレートフィルタ２には、排ガスに含まれる排気微粒子３が捕集され、走行距離に応じて堆積していく。また、パティキュレートフィルタ２のフィルタ本体の表面には白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒を担持することができる。この酸化触媒により、所定の温度条件下で排気微粒子３を酸化、補足燃焼させ、除去することができる。

パティキュレートフィルタ２を通過した排ガス中には、まだ微細な排気微粒子３が含まれ、排気管３０を通り凝集器１０に入る。凝集器１０では、この微細な排気微粒子３をコロナ放電により凝集させて、捕集しやすくする。凝集器１０は図１に示すように、前後の入口と出口が狭められた円筒状のハウジング１１と、コロナ放電電極１２と、導電性網１３から形成される。ハウジング１１には接地部１４が設けられ、導電性網１３は互いに電気的に接続され、接地電極を形成する。ハウジング１１は、耐蝕性と熱伝導性の観点からステンレススチール（ＳＵＳ）が使用される。

コロナ放電電極１２は全体形状が細長で、ハウジング１１を貫通して取付けられる。コロナ放電電極１２の中心に放電電流を流す電線からなる導電部１２aが貫通し、導電部１２aの先端の放電部分を除く外周に絶縁のため碍子部１２ｂが形成されている。コロナ放電電極１２の、ハウジング１１内に突出する凝集器内部分１２eは、ハウジング１１から直角に装着され、凝集器１０内を流動する排ガスの流れに対して略直角に配置される。コロナ放電電極１２の凝集器内部分１２eの導電部１２ａの電線の先端には、放電部１２ｄが設けられ、放電部１２ｄは、凝集器内部分１２ｅの先端から排ガスの流れに平行に、下流方向に向けて延設されている。放電部１２ｄの先端には、複数の突起を有する星型の平板状部材が設けられている。多数の突起を放射状に配置すると、放電率を高めるとともに、ハウジング１１内に均等にコロナ放電を発生させる効果が得られる。

コロナ放電電極１２の略中央部分には取付け部１２ｃが設けられ、ハウジング１１にナット等で取付けられる。コロナ放電電極１２とハウジング１１は碍子部１２ｂで絶縁される。コロナ放電電極１２のハウジング１１の外側の先端は、高電圧電源１５と電気的に接続され、高電圧電源１５からの負の高電圧が供給される。コロナ放電電極１２は、パティキュレートフィルタ２または触媒装置２０の後端部から１ｍ以内の距離に設置されることが、後述する高温の排ガスにより付着した排気微粒子３を除去するために好ましい。

導電性網１３は、凝集器１０のハウジング１１の出口側に取付けられ、コロナ放電電極１２の放電部１２ｄよりも排ガス流の後流に排気通路を横切って配置される。導電性網１３は排ガスが流通可能な網目を有する導電性の板状部材を円形に成形したもので、ハウジング１１を介して電気的に接地されている。導電性網１３と放電部１２ｄとの距離は、放電部１２ｄとハウジング１１との距離よりも長いことが、排気微粒子３を均一に帯電させるため好ましい。

かかる排気処理装置は、本体部分がエンジンが搭載された車両の下部に配置され、高圧電源５が車両の後部のトランクルームに設置されることができる。

上記構成の排気処理装置の作動を説明する。図１において、コロナ放電電極１２に、高電圧電源１５から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、放電部１２ｄ近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される。これにより、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化し、付近の排気微粒子３に付着してこれを負に帯電させる。排気微粒子３は、クーロン力と排ガス流によって移動し、導電性網１３に静電捕集される。排気微粒子３を負に帯電させた上記電子は導電性網１３へと放出される。放出された電子は導電性網１３から移動して接地部１４に回収される。なお、接地される排気管２のハウジング１１もコロナ放電電極１２と対をなす電極を構成し、一部の排気微粒子３は凝集器１０の内周面で凝集する。したがって、凝集器１０のハウジング１１も導電性網１３と実質的に同等の作用をする。
なお、このとき好ましくは凝集器１０の下流にフィルタを設置して凝集器１０を通過した排気微粒子３を捕集することで、大気への放出を防止することができる。

このとき、コロナ放電電極１２の凝集器内部分１２eは、排ガス流に対して直角に配置されるため、凝集器内部分１２eの外周、即ち碍子部１２ｂに排気微粒子３が付着する。この排気微粒子３の付着が増加すると、排気微粒子３は炭素を含むため導電性を有し、碍子部１２ｂによる絶縁性が低下する。

次に、この凝集器１０内の碍子部１２ｂに付着した排気微粒子３を除去する方法を説明する。
上述のようにエンジン本体１から排出された排ガスは、まずパティキュレートフィルタ２に送られ、排気微粒子３はそこで捕集される。そして、パティキュレートフィルタ３２には、排ガスに含まれる排気微粒子３が捕集され、走行距離に応じて堆積していく。

この堆積した排気微粒子３を補足燃焼し除去するため、パティキュレートフィルタ２のガイド部材やフィルタ本体にヒーターを設け、ヒーターに通電して加熱する。そうすると、パティキュレートフィルタ２のガイド部材やフィルタ本体の表面に堆積した排気微粒子３は、加熱されて排ガス中の酸素により燃焼する。パティキュレートフィルタ２のフィルタ本体の表面に白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒を担持する場合は、この酸化触媒により、より早く確実に排気微粒子３を酸化、燃焼し、除去することができる。

なお、ヒーターに通電して加熱する代わりに、後述する第２の実施の形態で説明するように、パティキュレートフィルタ２に燃料を噴射して、燃焼させ、排気微粒子３を燃焼させ、排ガスを高温にすることも可能である。

このとき、パティキュレートフィルタ２のフィルタ本体を通過した排ガスは、フィルタ本体の加熱と排気微粒子３の燃焼により加熱され６００℃〜７００℃に加熱される。加熱された高温の排ガスは、排気管３０を通り凝集器１０に達する。排気微粒子３の主な成分であるカーボンの燃焼温度は約６００℃であるため、この高温の排ガスがコロナ放電電極１２の凝集器内部分１２eに当ると、碍子部１２ｂの表面に付着した排気微粒子３は燃焼することができ、除去される。

パティキュレートフィルタ２と凝集器１０を連結する排気管３０の長さは、排気管３０内を流れる排ガスの温度が排気微粒子３の燃焼温度以下に低下しないように、例えば、パティキュレートフィルタ２または触媒装置２０の後端から１ｍ以内が好ましい。図３に、パティキュレートフィルタ２から排出されて、排気管３０内を流れるときにおけるパティキュレートフィルタ２の出口からの距離と排ガスの温度との関係を示す。パティキュレートフィルタ２の出口から約１ｍで、排ガスの温度はカーボンの燃焼温度である６００℃に低下するため、凝集器１０は、コロナ放電電極１２がパティキュレートフィルタ２の出口から約１ｍ以内に位置するように設けることが好ましい。

なお、図４に示すように、パティキュレートフィルタ２と凝集器１０の間の排気管３０の管壁を断熱構造にすると、排ガスの温度の低下を減少させることができるため、パティキュレートフィルタ２と凝集器１０の距離を長くすることができる。排気管３０の管壁の断熱構造は、例えば、内壁３１と外壁３２の間に断熱層３３を設ける。断熱層３３は、真空層としても、空気層としてもよく、あるいは耐熱性の断熱材を封入してもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について図５に基づき説明する。第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には図１と同じ番号を付して，第１実施形態との相違点を中心に説明する。

第２の実施の形態は、エンジン本体１の次に排気通路として排気管３０を介して触媒装置２０を取付け、触媒装置２０の後に排気管３０を介して凝集器１０を取付け、さらにエンジン本体１と触媒装置２０の間の排気管３０に燃料噴射装置４０を設けたものである。凝集器１０の構造は第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

触媒装置４０は、自動車の排ガスの炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ_２）、酸化窒素（ＮＯ_Ｘ）等を浄化する触媒を内部に有するものである。その構造は、例えば、基材としてハニカム形状に成形したものが好適に用いられるが、必ずしもハニカム形状に限らず、ペレット状、粉末形状、フォーム状、中空繊維状、繊維状等、他の形状とすることもできる。このハニカム構造のセラミック基材表面に触媒成分を担持させたものである。

この触媒装置２０を排ガス浄化のため図５に示すように、エンジン本体１に連結して使用すると、使用中に触媒表面に排気微粒子３が蓄積して、触媒装置２０を排ガスが通過する抵抗が増加するとともに、触媒性能も低下する。そのため、この排気微粒子３を除去するために触媒装置２０の触媒基材の表面に燃料を吹きつける。即ち、燃料噴射装置４０によりエンジン本体１と触媒装置２０の間の排気管３０内に燃料を噴射する。噴射された燃料は、触媒基材の表面に到達し、触媒基材の表面が高温のため燃焼し、同時に触媒基材の表面の排気微粒子３も燃焼して、除去される。

このとき、排ガスはこの燃焼により高温になり、第１の実施の形態と同様に高温の排ガスは凝集器１０に送られる。この高温の排ガスにより、凝集器１０のコロナ放電電極１２の凝集器内部分１２ｅの表面に付着した排気微粒子３は燃焼して除去される。

なお、この燃料の噴きつけの代わりに、触媒基材にヒーターを設けて、このヒーターにより触媒基材を加熱し、触媒表面の排気微粒子３を燃焼させてもよい。

本発明の第１実施形態になる排気浄化装置の凝集器の概略構成図である。 本発明の第１実施形態のパティキュレートフィルタと凝集器の配置示す図である。 本発明の第１実施形態のパティキュレートフィルタの出口からの距離に応じて排ガスの温度の低下を示すグラフである。 本発明の第１実施形態の排気管の構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の触媒装置と凝集器の配置示す図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ パティキュレートフィルタ
３ 排気微粒子
１０ 凝集器
１１ ハウジング
１２ コロナ放電電極（放電電極）
１２ａ 導電部
１２ｂ 碍子部
１２ｄ 放電部
２０ 触媒装置
３０ 排気管（排気通路）

Claims (6)

1. 排ガスが通過する排気通路の内部に配され、該排気通路の内壁との間にて高電圧電源から供給される高圧電流を印加することによりコロナ放電を発生させ、該コロナ放電により排ガス中の排気微粒子を帯電・凝集させる放電部と、
   該放電部の放電部分を除く導電部の外周を囲み絶縁する碍子部と、
   を有する放電電極を備える排気浄化装置であって、
   上記放電電極の排ガス流れの上流位置に、排気微粒子を含む排ガス中の成分を補足燃焼あるいは触媒作用により浄化し、この浄化作用により排ガスを加熱昇温させるパティキュレートフィルタまたは触媒装置を備え、
   上記放電電極と、上記パティキュレートフィルタまたは上記触媒装置の後端部との間の距離を、上記パティキュレートフィルタまたは上記触媒装置による浄化作用時に加熱昇温された排ガスが到達した時に、上記碍子部に付着した排気微粒子が燃焼可能な温度以上となる位置に設定したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、上記パティキュレートフィルタ又は上記触媒装置の後端部と上記放電電極との間の距離は、１ｍ以内となるように設定されることを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置において、上記放電電極の排ガス流れの後流位置には、上記排気通路を横切って設置される導電性網からなる接地電極を有し、
   上記導電性網と上記放電部との距離は、上記排気通路の内壁と上記放電部との距離よりも長く設定される凝集器を構成することを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項１乃至請求項３に記載のいずれかの排気浄化装置において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させるための上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置の加熱は、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置に、燃料を噴射することにより加熱する排気浄化装置。
5. 請求項１乃至請求項４に記載のいずれかの排気浄化装置において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置を再生させるための上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置の加熱は、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置のヒーターに、通電することにより加熱する排気浄化装置。
6. 請求項１乃至請求項５に記載のいずれかの排気浄化装置において、上記パティキュレートフィルタ又は触媒装置と上記凝集器とを連結する排気通路を断熱構造とした排気浄化装置。

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