JP2003343237A - 内燃機関の排ガス浄化装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ発生装置を用いて、ＰＭの捕集、除
去を効率よく行うことのできる排ガス浄化装置を、簡易
な構成で実現する。 【解決手段】 内燃機関の排気管内に配置され、電極間
に電源より交流電圧を印加することによりプラズマを発
生させて排ガスを浄化するプラズマ発生装置を、同心状
に配した中心電極２１と外周電極２２の間に、導入され
る排ガス中のパティキュレートをトラップするとともに
プラズマ発生空間を構成する筒状のトラップ部２３を配
置した構成とする。トラップ部２３は、多数の誘電体セ
ラミック粒子３を互いに融着させて一体化し、誘電体セ
ラミック粒子３の間の空隙４にて非直線状の排ガス通路
を形成するとともに、隣り合う誘電体セラミック粒子３
の粒界に微小な電極構造５を多数有する誘電性の多孔質
構造体で構成され、捕集面積が大きく、プラズマ発生効
率に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排出ガ
スに含まれるパティキュレートを捕集し、浄化するプラ
ズマ発生装置を備える排ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排ガスに含まれる有害ガスを
浄化するために、プラズマ発生装置を備えた排ガス浄化
装置が提案されている。その一例を図４に示すと、プラ
ズマ発生装置は、一対の電極間に図示しない電源から交
流電圧を印加することにより、電極間にプラズマを発生
させるもので、排ガス通路となるプラズマの発生空間内
に排ガスを通過させることで、排ガス中の有害ガスをプ
ラズマと反応させて、浄化することができる。また、図
４に示すように、電極間に、多数のくびれ形状を有する
誘電体を配置すると、電荷のアンバランスによってくび
れ部に微小な電極構造が形成され、プラズマ放電部が増
加することが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年、ディーゼ
ルエンジンから排出される粒子状物質であるパティキュ
レート（ＰＭ）の低減が大きな課題となっている。そこ
で、排ガスに含まれるＰＭを除去するために、プラズマ
発生装置を備える排ガス浄化装置を用いることが検討さ
れている。ところが、上記図４のプラズマ発生装置構成
では、電極間に微小な電極構造を形成するために、多数
のくびれ形状の間に排ガス通路となる空隙を有するブロ
ック状の誘電体を設置しており、形状が複雑で、成形が
容易でない。また、ＰＭの捕集面積が小さく、微小な電
極よりなるプラズマ放電部の構成数も限られているため
に、内燃機関から排出されるＰＭを確実に捕集し、かつ
十分なプラズマを発生させてＰＭを効率よく除去するこ
とは困難であった。

【０００４】簡単な構成で、電極間に多数の微小な電極
構造を形成するには、例えば、誘電体セラミック片を、
電極間に充填することが考えられる。しかしながら、こ
のような構成では、誘電体セラミック片の摩耗等が生じ
て、排ガス通路の形状や電極構造が変化するといった不
具合があった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、プラズマ発生装
置を用いた排ガス浄化装置において、ＰＭの捕集面積が
大きく、多数の微小な電極構造を有して、ＰＭの捕集、
除去を効率よく行うことができるとともに、簡易な構成
で、製作が容易な内燃機関の排ガス浄化装置を実現する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、内燃
機関の排気管内に、電極間に電源より交流電圧を印加す
ることによりプラズマを発生させて排ガスを浄化するプ
ラズマ発生装置を配置した排ガス浄化装置であり、上記
プラズマ発生装置は、同心状に配した中心電極および外
周電極の間に、導入される排ガス中のパティキュレート
をトラップするとともにプラズマ発生空間を構成する筒
状のトラップ部を備えている。上記トラップ部は、多数
の誘電体セラミック粒子を互いに融着させて一体化し、
上記誘電体セラミック粒子の間の空隙にて非直線状の排
ガス通路を形成するとともに、隣り合う上記誘電体セラ
ミック粒子の粒界に微小な電極構造を多数有する誘電性
の多孔質構造体で構成される。

【０００７】上記構成において、排ガス中のパティキュ
レートは、筒状の上記トラップ部の一方の端面から内部
に導入され、誘電体セラミック粒子の間の空隙で形成さ
れる非直線状の排ガス通路を通過する間に、誘電体セラ
ミック粒子の表面に付着、捕集される。また、上記誘電
体セラミック粒子の粒界に多数の微小な電極を有するの
で、上記中心電極と外周電極の間に電源より交流電圧を
印加すると、上記トラップ部内のプラズマ発生空間全体
で均一にプラズマが発生し、トラップしたパティキュレ
ートを燃焼除去できる。この時、電極を径方向に対向さ
せて配置したので、排ガスの流れが妨げられず、電極面
積も確保できる。

【０００８】このように、本発明では、上記トラップ部
を多孔質構造体で構成したので、捕集面積が大きく、ま
た、微小な電極構造を多数形成することができるので、
ＰＭの捕集、除去を効率よく行うことができる。さら
に、簡易な構成で、製作が容易であり、一体構造で安定
した性能を長期に渡り実現できる。

【０００９】請求項２のように、具体的には、上記トラ
ップ部を構成する誘電性の多孔質構造体は、誘電体セラ
ミック粉体と高温で焼失する粉体の混合焼成体で構成す
ることができる。この時、上記高温で焼失する粉体の焼
失部位が、互いに連通して上記排ガス通路を形成する上
記空隙となる。

【００１０】請求項３のように、上記誘電体セラミック
粉体を、平均粒径の異なる複数種類のセラミック粉体と
すると、平均粒径が小さいセラミック粉体を介して平均
粒径が大きいセラミック粉体が結合し、微小な電極構造
を形成するくびれ部の構造を安定にする。よって、強度
が高くなり耐久性が向上する。

【００１１】請求項４のように、好ましくは、上記誘電
体セラミック粉体を、平均粒径が小さく融点が低いセラ
ミック粉体と、平均粒径が大きく融点が高いセラミック
粉体とする。このようにすると、融点が低いセラミック
粉体が先に溶融し、融点の高いセラミック粉体の粒界が
残るので、電荷の偏析が鮮明になる。よって、上記請求
項３の効果に加え、微小な電極でのプラズマ発生効率を
向上させる効果が得られる。

【００１２】請求項５のように、上記トラップ部を構成
する誘電性の多孔質構造体に、必要に応じ、排ガスの流
れ方向に形成される複数の略平行な排ガス通路を形成す
ることもでき、圧損を低減することができる。

【００１３】請求項６の発明は、内燃機関の排気管内
に、電極間に電源より交流電圧を印加することによりプ
ラズマを発生させて排ガスを浄化するプラズマ発生装置
を配置した排ガス浄化装置の製造方法であって、上記プ
ラズマ発生装置を、上記電極間に、誘電体からなり排ガ
ス中のパティキュレートをトラップするとともにプラズ
マ発生空間を構成するトラップ部を配設して形成する。
さらに、上記トラップ部を、誘電体セラミック粉体と高
温で焼失する粉体を混合して成形した後、上記誘電体セ
ラミック粉体が融着する温度で焼成して、上記高温で焼
失する粉体を焼失させることによりその焼失部位に形成
される空隙を連通させて非直線状の排ガス通路を形成
し、かつ隣り合う上記誘電体セラミック粉体を融着させ
て、その粒界に多数の微小な電極構造を形成した誘電性
の多孔質構造体にて構成する。

【００１４】このように、プラズマ発生装置にパティキ
ュレートのトラップ部を設け、上記トラップ部を、誘電
体セラミック粉体に高温で焼失する粉体を添加、混合し
たものを焼成して構成することで、非直線状の排ガス通
路を有し、多数の微小な電極構造を形成した誘電性の多
孔質構造体を容易に製造することができ、ＰＭの浄化性
能に優れるプラズマ発生装置が容易に実現できる。

【００１５】請求項７のように、上記製造方法におい
て、原料となる上記誘電体セラミック粉体として、平均
粒径の異なる複数種類のセラミック粉体を用いると、微
小な電極構造を形成するくびれ部の構造を安定化させて
強度を高め、耐久性を向上できる。

【００１６】請求項８のように、好ましくは、上記製造
方法において、原料となる上記誘電体セラミック粉体と
して、平均粒径が小さく融点が低いセラミック粉体と、
平均粒径が大きく融点が高いセラミック粉体を用い、上
記平均粒径が小さく融点が低いセラミック粉体が融着す
る温度で焼成する。このようにすると、融点の大きいセ
ラミック粉体の粒界が残るので、電荷の偏析が鮮明にな
るため、プラズマ発生効率が高まり、強度、耐久性も向
上する。

【００１７】請求項９のように、具体的には、上記高温
で焼失する粉体として、カーボン粉体を用いることがで
きる。または、請求項１０のように、上記高温で焼失す
る粉体として、樹脂材料の粉体を用いてもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図面に基づいて説明する。図１（ａ）はディーゼルエ
ンジンの排ガス浄化装置の全体構成を示すもので、エン
ジン１の排気管１１内に、プラズマ発生装置２が設置さ
れている。プラズマ発生装置２は、図１（ａ）、（ｂ）
に示すように、排気管１１内の排ガスの流れ方向に延び
る中心電極２１と、該中心電極２１と同心状に配設され
る外周電極２２の間に、導入される排ガス中のパティキ
ュレートをトラップするとともにプラズマ発生空間を構
成する筒状のトラップ部２３を配設してなる。中心電極
２１は交流電源２４に接続され、外周電極２２は接地さ
れており、これら電極２１、２２間に交流電源２４から
交流高電圧を印加することにより、プラズマを発生させ
る構成となっている。

【００１９】トラップ部２３は、誘電性の多孔質構造体
で構成され、図２に模式的に示すように、多数の誘電体
セラミック粒子３がランダムに並び、互いに融着して一
体化した構造を有している。融着した誘電体セラミック
粒子３の間には多数の空隙４が形成され、これら多数の
空隙４は互いに連通して、排ガスが流通する非直線状の
ガス通路を形成している。トラップ部２３を構成する誘
電体セラミックとしては、例えば、高温使用時の構造安
定性が高く、比較的入手が容易なコーディエライトが好
適に用いられ、その他、アルミナ、チタニア、チタン酸
バリウム等、種々のセラミックを用いることができる。

【００２０】エンジンからの排出ガスは、トラップ部２
３の入口側端面に開口している空隙４からガス通路内に
入り、誘電体セラミック粒子３の間に形成される非直線
状のガス通路を流通する間に、パティキュレート（Ｐ
Ｍ）が誘電体セラミック粒子３に付着し、捕集される。
特に、本発明のトラップ部２３は、多数の誘電体セラミ
ック粒子３が空隙４を有して結合した構成であるため、
捕集面積が大きく、また、誘電体セラミック粒子３の融
着部に多数のくびれ構造を有しているため、ＰＭを保持
しやすく、捕集能力が大きい。

【００２１】また、トラップ部２３は、多数の誘電体セ
ラミック粒子３の融着部において、隣合う誘電体セラミ
ック粒子３との間に多数の対向面を有する構成となって
いる。このため、中心電極２１と外周電極２２の間に交
流高電圧を印加し、電界が発生した場合には、これら対
向面に多数の微小な電極構造５が形成される。印加され
る電圧が所定のレベル以上であれば、これら多数の微小
電極５にてプラズマが発生するので、トラップ部２３の
全体にプラズマを発生させて、捕集されたＰＭを効率よ
く浄化することができる。

【００２２】このような、誘電性の多孔質構造体からな
るトラップ部２３は、図３（ａ）に示すように、誘電体
セラミック粉体３１と、高温で焼失する粉体３２の混合
物を、成形、焼成することにより製造することができ
る。高温で焼失する粉体３２材料としては、具体的に
は、カーボン粉体、樹脂粉体等を用いることができ、こ
れをコーディエライト、アルミナ等の誘電体セラミック
粉体３１と混合し、通常の方法で混練したものを、筒状
に成形した後、焼成することにより、誘電体セラミック
粉体３１同士を融着させ、高温で焼失する粉体３２を焼
失させて多数の空隙４を形成する。

【００２３】この時、誘電体セラミック粉体３１と高温
で焼失する粉体３２の混合割合によって、トラップ部２
３の気孔率を調整することができる。気孔率は、通常、
１０ないし９０％の範囲で選択され、気孔率が大きいほ
ど圧損が低減できる。ただし、気孔率が大きくなると、
捕集面積が低下するため、必要性能に応じた所望の気孔
率となるように、高温で焼失する粉体３２の混入量を適
宜決定すればよい。誘電体セラミック粉体３１、高温で
焼失する粉体３２の粒径は、特に制限されないが、通
常、平均粒径が１ないし５０μｍの粉体を用いるのがよ
い。焼成温度は、高温で焼失する粉体３２が焼失し、誘
電体セラミック粉体３１同士が融着する温度以上であれ
ばよい。例えば、コーディエライトであれば、通常、１
３００ないし１５００℃、アルミナで９００ないし１１
００℃、チタニアで１６００ないし１９００℃、チタン
酸バリウムで１５００ないし１８００℃程度とする。

【００２４】このようにして多数の誘電体セラミック粒
子３が互いに融着し、これら誘電体セラミック粒子３の
間に、互いに連通する多数の空隙４にて形成される非直
線状のガス通路を有する誘電性の多孔質構造体からなる
トラップ部２３が構成される。このトラップ部２３は、
誘電体セラミック粒子３の融着部に多数のくびれ構造を
有するので、中心電極２１と外周電極２２の間に、さら
に多数の微小電極５を緻密に構成することが可能であ
る。また、誘電体セラミック粒子３を融着した多孔体か
らなり、誘電体セラミック粒子３の間に、非直線状で通
路長さが長いガス通路を形成するため、捕集面積が増大
し、ＰＭを確実にトラップすることができる。

【００２５】上記構成の排ガス浄化装置の作動を説明す
る。ＰＭ捕集時は、プラズマ発生装置２に電圧を印加せ
ず、エンジン１から排出される排ガスが、プラズマ発生
装置２のトラップ部２３内に形成されるガス通路を通過
する間に、ＰＭを捕集する。この時、ガス通路が非直線
状で、ＰＭが通路を構成する誘電体セラミック粒子３表
面に衝突しやすく、捕集面積も大きいので、ＰＭが捕集
されずにすり抜けてしまうのを防止できる。次に、ＰＭ
が堆積し、ＰＭの燃焼除去が必要となった時に、プラズ
マ発生装置２の中心電極２１と外周電極２２の間に、交
流電源２４から交流高電圧を印加すると、中心電極２１
と外周電極２２の間に存在する多数の微小電極５におい
てプラズマが発生し、捕集されたＰＭがプラズマと反応
して燃焼する。この時、多数の微小電極５によって、ト
ラップ部２３内の全体で均一にプラズマが発生するの
で、捕集したＰＭを効果的に燃焼除去できる。よって、
簡単な構成で、ＰＭ捕集効率、燃焼効率ともに優れたプ
ラズマ発生装置２を実現することができる。

【００２６】なお、プラズマ発生装置２による処理の時
期は、例えば、トラップ部２３の上流側と下流側の排気
管１１圧力の差からＰＭの堆積量を知ることで、判断す
ることができる。そして、ＰＭの堆積量が所定量を越え
た時に、プラズマ発生装置２に交流電圧を印加して、所
定時間、プラズマ処理を行って、ＰＭを燃焼させること
で、再び、トラップ部２３にＰＭを捕集することが可能
となる。

【００２７】トラップ部２３は、図３（ｂ）に示すよう
に、平均粒径の異なる誘電体セラミック粉体３１ａ、３
１ｂと、高温で焼失する粉体３２の混合物を、成形、焼
成することにより製造してもよい。平均粒径の異なる誘
電体セラミック粉体３１ａ、３１ｂは、例えば、平均粒
径の大きい誘電体セラミック粉体３１ａを、平均粒径１
ないし５０μｍの粉体、平均粒径の小さい誘電体セラミ
ック粉体３１ｂを、平均粒径１μｍ以下の粉体とし、平
均粒径の小さい誘電体セラミック粉体３１ｂが、１０な
いし９０重量％となるように混合する。誘電体セラミッ
ク粉体３１ａ、３１ｂ材料としては、上述したコーディ
エライト、アルミナ等が用いられ、誘電体セラミック粉
体３１ａと誘電体セラミック粉体３１ｂは、同じ材料で
あっても、異なる材料としてもよい。

【００２８】このようにすると、平均粒径の大きい誘電
体セラミック粉体３１ａ間に、平均粒径の小さい誘電体
セラミック粉体３１ｂが入り込み、融着部のくびれ構造
が安定する。よって、トラップ部２３の強度が向上し、
耐久性が高まる。

【００２９】トラップ部２３は、図３（ｃ）に示すよう
に、平均粒径が小さく融点が低い誘電体セラミック粉体
３１ｃと平均粒径が大きく融点が高い誘電体セラミック
粉体３１ｄを用い、これらセラミック粉体３１ｃ、３１
ｄと、高温で焼失する粉体３２の混合物を、成形、焼成
することにより製造してもよい。例えば、平均粒径が小
さく融点が低い誘電体セラミック粉体３１ｃを、平均粒
径１μｍ以下のコーディエライト粉体、平均粒径が大き
く融点が高い誘電体セラミック粉体３１ｄを、平均粒径
１ないし５０μｍのチタニア粉体とし、誘電体セラミッ
ク粉体中の平均粒径の小さいコーディエライト粉体の割
合を１０ないし９０重量％として、高温で焼失する粉体
３２と混合する。焼成温度は、融点が低い誘電体セラミ
ック粉体３１ｃが溶融する温度以上、例えば、コーディ
エライトであれば１３００ないし１５００℃とする。

【００３０】このようにすると、まず、平均粒径が小さ
く融点が低い誘電体セラミック粉体３１ｃが溶融し、こ
れを介して、平均粒径が大きく融点が高い誘電体セラミ
ック粉体３１ｄが融着する。この時、平均粒径が大きく
融点が高い誘電体セラミック粉体３１ｄの粒界が残り、
電荷の偏析が鮮明になるために、微小電極５でのプラズ
マの発生効率が向上し、ＰＭ燃焼効率を向上させること
ができる。また、上記図３（ｂ）の構成と同様、平均粒
径が小さく融点が低い誘電体セラミック粉体３１ｃによ
って、くびれ構造が安定するので、強度、耐久性に優れ
る。

【００３１】なお、必要に応じ、トラップ部２３に、入
口側と出口側の端面を貫通する複数の略平行な排ガス通
路を設けることもできる。このようにすると、圧損を低
減することができる。この排ガス通路は、成形時に容易
に形成することができ、通路径や数を調整することで、
低圧損化と高い捕集能力を両立させることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態における内
燃機関の排ガス浄化装置の全体概略構成図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【図２】プラズマ発生装置の主要部の構造を示す図であ
る。

【図３】筒状構造体の製造方法を説明するための模式的
な図で、（ａ）はセラミック粉体を一種類とした場合、
（ｂ）は平均粒径の異なるセラミック粉体を用いた場
合、（ｃ）は平均粒径が小さく融点が低いセラミック粉
体と平均粒径が大きく融点が高いセラミック粉体を用い
た場合を示す図である。

【図４】従来のプラズマ発生装置の主要部の構造を示す
図である。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） １１ 排気管 ２ プラズマ発生装置 ２１ 中心電極 ２２ 外周電極 ２３ トラップ部 ２４ 交流電源 ３ 誘電体セラミック粒子 ３１ 誘電体セラミック粉体 ３２ 高温で焼失する粉体

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気管内に、電極間に電源よ
   り交流電圧を印加することによりプラズマを発生させて
   排ガスを浄化するプラズマ発生装置を配置した排ガス浄
   化装置であって、上記プラズマ発生装置が、同心状に配
   した中心電極および外周電極の間に、導入される排ガス
   中のパティキュレートをトラップするとともにプラズマ
   発生空間を構成する筒状のトラップ部を備え、上記トラ
   ップ部が、多数の誘電体セラミック粒子を互いに融着さ
   せて一体化し、上記誘電体セラミック粒子の間の空隙に
   て非直線状の排ガス通路を形成するとともに、隣り合う
   上記誘電体セラミック粒子の粒界に微小な電極構造を多
   数有する誘電性の多孔質構造体で構成されることを特徴
   とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 【請求項２】 上記トラップ部を構成する誘電性の多孔
   質構造体が、誘電体セラミック粉体と高温で焼失する粉
   体の混合焼成体からなり、上記高温で焼失する粉体の焼
   失部位を、互いに連通して上記排ガス通路を形成する上
   記空隙とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装
   置。
3. 【請求項３】 上記誘電体セラミック粉体が、平均粒径
   の異なる複数種類のセラミック粉体からなる請求項２記
   載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 【請求項４】 上記誘電体セラミック粉体が、平均粒径
   が小さく融点が低いセラミック粉体と、平均粒径が大き
   く融点が高いセラミック粉体とからなる請求項２記載の
   内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 【請求項５】 上記トラップ部を構成する誘電性の多孔
   質構造体が、排ガスの流れ方向に形成される複数の略平
   行な排ガス通路を有する請求項１ないし４のいずれか記
   載の内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 【請求項６】 内燃機関の排気管内に、電極間に電源よ
   り交流電圧を印加することによりプラズマを発生させて
   排ガスを浄化するプラズマ発生装置を配置した排ガス浄
   化装置の製造方法であって、上記プラズマ発生装置を、
   上記電極間に、誘電体からなり排ガス中のパティキュレ
   ートをトラップするとともにプラズマ発生空間を構成す
   るトラップ部を配設して形成し、上記トラップ部を、誘
   電体セラミック粉体と高温で焼失する粉体を混合して成
   形した後、上記誘電体セラミック粉体が融着する温度で
   焼成して、上記高温で焼失する粉体を焼失させることに
   よりその焼失部位に形成される空隙を連通させて非直線
   状の排ガス通路を形成し、かつ隣り合う上記誘電体セラ
   ミック粉体を融着させて、その粒界に多数の微小な電極
   構造を形成した誘電性の多孔質構造体にて構成すること
   を特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置の製造方法。
7. 【請求項７】 上記誘電体セラミック粉体として、平均
   粒径の異なる複数種類のセラミック粉体を用いる請求項
   ６記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
8. 【請求項８】 上記誘電体セラミック粉体として、平均
   粒径が小さく融点が低いセラミック粉体と、平均粒径が
   大きく融点が高いセラミック粉体を用い、上記平均粒径
   が小さく融点が低いセラミック粉体が融着する温度で焼
   成する請求項６記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
9. 【請求項９】 上記高温で焼失する粉体として、カーボ
   ン粉体を用いる請求項７または８記載の内燃機関の排ガ
   ス浄化装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 上記高温で焼失する粉体として、樹脂
    材料の粉体を用いる請求項７または８記載の内燃機関の
    排ガス浄化装置の製造方法。