JP2004068684A - 排気ガス処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気系8に接続されたケース体2と、ケース体2の内部に配設された、隔壁によって区画された複数のセルを有するハニカムフィルタ3と、ハニカムフィルタ3を互いに挟むように対向配置されたプラズマ発生電極6とを備え、排気ガス中に含まれる粒子状物質をハニカムフィルタ3によって捕集するとともに、プラズマ発生電極6を構成するパルス電極4とアース電極5との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた二酸化窒素によって隔壁の表面に捕集されて堆積した粒子状物質のうちの可燃性物質を酸化除去して、ハニカムフィルタ3を再生することが可能なことを特徴とする排気ガス処理装置1。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス処理装置に関する。さらに詳しくは、排気ガスに含まれる粒子状物質をハニカムフィルタにて高精度に捕集し、捕集した粒子状物質のうちの可燃性物質を簡便かつ低エネルギーで酸化除去して、ハニカムフィルタを再生することが可能であるとともに、従来のノンサーマルプラズマを用いた排気ガス処理装置と比較して小型化が可能な排気ガス処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関等の熱機関又はボイラー等の燃焼装置で発生した燃焼ガスを排気系を経由して排出する際における排気ガスの規制強化に伴い、燃料の組成を改善する等のエンジン側の改良がなされる一方で、上記内燃機関等から排出される排気ガスを、フィルタ等を備えた排気ガス処理装置を用いて浄化することが行われている。特に、自動車のディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中に含まれるスート等の粒子状物質を捕集、除去するために、多孔質のハニカムフィルタを備えた排気ガス処理装置が使用されている。
【0003】前述したハニカムフィルタは、図19に示すように、隔壁81によって区画された排気ガスのフィルタ流路となる複数のセル82を有し、このセル82の排気ガス流入側端面83及び排気ガス流出側端面84で互い違いに目封じしたハニカム構造を備え、排気ガスを、排気ガス流入側端面83に開口するセル82からハニカムフィルタ80内に流入し、強制的にハニカムフィルタ80内の隔壁81を通過させることにより、排気ガス中の粒子状物質を捕集、除去するものである。
【0004】このようなハニカムフィルタ80の隔壁81の表面に粒子状物質が大量に堆積すると、ハニカムフィルタ80の圧力損失が大きくなり、エンジン側の排気系に背圧が掛かることにより、エンジンの性能を低下させることがある。このため、定期的に隔壁81の表面に堆積した粒子状物質を除去して上記ハニカムフィルタ80を再生しなければならない。
【0005】ハニカムフィルタ80を再生する方法としては、例えば、電気ヒータやアフターバーナ等を用いて粒子状物質を燃焼して除去するものを挙げることができるが、この場合、ハニカムフィルタを600℃以上に加熱しなければならないために、急激な温度変化や局所的な発熱にさらされてハニカムフィルタ80の内部に不均一な温度分布が生じやすく、それが原因でハニカムフィルタ80が破損することがあった。
【0006】このために、排気ガス処理装置に流入する排気ガスに含まれるNOを、ハニカムフィルタ80に流入するより前に、酸化力の高いNO2に酸化し、得られたNO2を用いてハニカムフィルタ80の隔壁81の表面に堆積した粒子状物質の可燃性物質、例えば、スート等を酸化除去する排気ガス処理装置が提案されている。
【0007】具体的には、ハニカムフィルタ80の排気ガス流入側端面83より前方に酸化触媒を配設し、ディーゼルエンジン等の排気ガスに含まれるNOを、上記酸化触媒にてNO2に酸化し、得られたNO2を用いてハニカムフィルタ80を再生することが可能な排気ガス処理装置や、ハニカムフィルタ80の排気ガス流入側端面83より前方に、前述した酸化触媒の代わりとしてプラズマ発生装置を設置した構成の排気ガス処理装置を挙げることができる。
【発明が解決しようとする課題】
【0008】しかしながら、ハニカムフィルタ80の排気ガス流入側端面83より前方に酸化触媒が設置された排気ガス処理装置は、酸化触媒の活性化温度が400〜500℃と高温であるために、例えば、ディーゼルエンジンが低速、低負荷状態での運転の際には、排気系の温度が低く酸化触媒が活性化されず、ハニカムフィルタ80を再生することができないという問題があった。また、上述したようなディーゼルエンジンの低速、低負荷状態での運転が長時間続きハニカムフィルタの隔壁の表面に大量に粒子状物質が堆積した場合、酸化触媒が活性化する温度に達した際に、堆積した粒子状物質が一度に酸化燃焼し、排気ガス処理装置内が急激に高温となるために、内部のハニカムフィルタが熱応力により破損するという問題があった。
【0009】また、ハニカムフィルタ80の排気ガス流入側端面83より前方にプラズマ発生装置を設置した排気ガス処理装置は、上記プラズマ発生装置にてノンサーマルプラズマを発生させることによって、300℃以下の低温で、排気ガス中に含まれるNOをNO2に酸化することができるが、排気ガス処理装置自体が大型になりすぎ、自動車等への設置に制約を生ずるという問題があった。
【0010】また、ハニカムフィルタを再生する際には、ノンサーマルプラズマにより酸化させられたNO2を含む排気ガスが励起状態であると、効果的に粒子状物質を酸化除去することができるが、上述した排気ガス処理装置においては、ノンサーマルプラズマとハニカムフィルタとの距離が離れているために、励起状態が低下してハニカムフィルタの再生効率が悪くなるという問題があった。
【0011】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ハニカムフィルタの隔壁の表面に堆積したスートを、簡便かつ低エネルギーで除去することが可能な排気ガス処理装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するため、本発明は、以下の排気ガス処理装置を提供するものである。
【0013】
[1] 燃焼ガスの排気系中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置であって、前記排気系に接続された、前記排気ガスのメーン流路となるケース体と、前記ケース体の内部に前記メーン流路を遮断するように配設された、前記排気ガスのフィルタ流路となる隔壁によって区画された複数のセルを有し、前記排気ガスに含まれる前記粒子状物質を捕集するハニカムフィルタと、前記ハニカムフィルタを互いに挟むように対向配置されたパルス電極及びアース電極から構成され、前記パルス電極と前記アース電極との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極とを備え、前記ケース体に流入した前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を、前記ハニカムフィルタによって捕集するとともに、前記プラズマ発生電極を構成する前記パルス電極と前記アース電極との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた前記二酸化窒素によって前記隔壁の表面に捕集されて堆積した前記粒子状物質のうちの可燃性物質を酸化除去して、前記ハニカムフィルタを再生することが可能なことを特徴とする排気ガス処理装置(以下、「第一の発明」ということがある)。
【0014】
[2] 燃焼ガスの排気系中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置であって、前記排気系に接続された、前記排気ガスのメーン流路となるケース体と、前記ケース体の内部に前記メーン流路を遮断するように配設された、前記排気ガスのフィルタ流路となる、隔壁によって区画された複数のセルを有し、前記排気ガスに含まれる前記粒子状物質を捕集するハニカムフィルタと、少なくとも一方が前記ハニカムフィルタと接するように配設されたパルス電極及びアース電極から構成され、前記パルス電極と前記アース電極との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極とを備え、前記ケース体に流入した前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を、前記ハニカムフィルタによって捕集するとともに、前記プラズマ発生電極を構成する前記パルス電極と前記アース電極との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた前記二酸化窒素によって前記隔壁の表面に捕集されて堆積した前記粒子状物質のうちの可燃性物質を酸化除去して、前記ハニカムフィルタを再生することが可能なことを特徴とする排気ガス処理装置(以下、「第二の発明」ということがある)。
【0015】
[3] 前記パルス電極に電圧を印可するための電源をさらに備えた前記[1]又は[2]に記載の排気ガス処理装置。
【0016】
[4] 前記プラズマ発生電極が、金属ペーストによるプリント法によって、前記ハニカムフィルタの外周面に配設された前記[1]〜[3]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0017】
[5] 前記ハニカムフィルタの材質が、コージェライト、炭化珪素、サイアロン、及び窒化珪素からなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなる前記[1]〜[4]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0018】
[6] 前記ハニカムフィルタのセル密度が15〜60セル/cm2であり、前記隔壁の厚さが0.2〜0.5mmであり、前記ハニカムフィルタの端面の目封じ深さが1〜20mmである前記[1]〜[5]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0019】
[7] 前記ケース体の、前記排気系の上流側に、前記ケース体に流入する前記排気ガスの少なくとも一部に含まれる水分を除去するための脱水手段をさらに備えた前記[1]〜[6]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0020】
[8] 前記ハニカムフィルタの前記隔壁の表面及び/又は内部に、触媒が担持された前記[1]〜[7]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0021】
[9] 前記ケース体の、前記排気系の下流側に、NOX処理手段をさらに備えた前記[1]〜[8]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0022】
[10] 前記電源から供給される電流が、電圧が1kV以上の直流電流、ピーク電圧が1kV以上かつ1秒あたりのパルス数が1以上であるパルス電流、ピーク電圧が1kV以上かつ周波数が1以上である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流である前記[3]〜[9]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0023】
[11] ディーゼルエンジンの燃焼ガスの排気系中に設置された前記[1]〜[10]のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の排気ガス処理装置の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【0025】まず、本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態について、図1を用いて説明する。本実施の形態の排気ガス処理装置1は、自動車のディーゼルエンジンから排出される排気ガスを清浄化するために用いられる排気ガス処理装置1である。この排気ガス処理装置1は、燃焼ガスの排気系8中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置1であって、排気系8に接続された、排気ガスのメーン流路となるケース体2と、ケース体2の内部にメーン流路を遮断するように配設された、排気ガスのフィルタ流路となる、隔壁によって区画された複数のセルを有し、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するハニカムフィルタ3と、ハニカムフィルタ3を互いに挟むように対向配置されたパルス電極4及びアース電極5から構成され、パルス電極4とアース電極5との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極6とを備え、ケース体2に流入した排気ガス中に含まれる粒子状物質を、ハニカムフィルタ3によって捕集するとともに、プラズマ発生電極6を構成するパルス電極4とアース電極5との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた二酸化窒素によって隔壁の表面に捕集されて堆積した粒子状物質のうちの可燃性物質、例えば、スートを酸化除去して、ハニカムフィルタ3を再生することが可能なことを特徴とする。本実施の形態においては、ハニカムフィルタ3の、排気ガスが流入する側の端面にパルス電極4が配設され、排気ガスが流出する側の端面にアース電極5が配設された構成となっている。
【0026】このように構成することによって、排気ガスに含まれる粒子状物質をハニカムフィルタ3にて高精度に捕集し、捕集した粒子状物質のうちのスートを簡便かつ低エネルギーで酸化除去して、ハニカムフィルタを再生することができるとともに、従来のノンサーマルプラズマを用いた排気ガス処理装置と比較して小型化が可能となる。また、本実施の形態においては、ノンサーマルプラズマがハニカムフィルタ3全体を覆うように発生するために、酸化されたNO2を含む排気ガスを励起状態のままスート等と反応させることができ、また、ハニカムフィルタの隔壁に堆積したスート等もノンサーマルプラズマによって反応し易い状態となるために、反応効率を向上させることができる。さらに、ノンサーマルプラズマによって発生したオゾン(O3)等のラジカルも、エネルギーを失う前にスート等と反応させることができるために、反応効率を向上させ、ハニカムフィルタ3の再生時間を短縮することができる。
【0027】また、本実施の形態においては、パルス電極4に電圧を印可するための電源7をさらに備えたものであることが好ましい。この排気ガス処理装置1が自動車等に設置される場合は、自動車のバッテリー等の電源を共有することもできるが、このように構成することによって、安定したノンサーマルプラズマを発生することができる。
【0028】また、本実施の形態においては、電源7から供給される電流が、電圧が1kV以上の直流電流、ピーク電圧が1kV以上かつ1秒あたりのパルス数が1以上であるパルス電流、ピーク電圧が1kV以上かつ周波数が1以上である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流であることが好ましい。このように構成することによって、NOをNO2に、より効率的に酸化することができるノンサーマルプラズマを発生させることができる。
【0029】本実施の形態に用いられるケース体2の材料としては、その内部にノンサーマルプラズマを有効に発生させることができるものであれば、特に制限はないが、アルミナを好適例として挙げることができる。また、ケース体2の外周面、及び/又は内部に、ヒーター等を配設して、排気ガス処理装置1内の温度を制御することができる構成としてもよい。
【0030】ハニカムフィルタ3は、図2に示すように、隔壁21によって区画された排気ガスのフィルタ流路となる複数のセル22を有し、このセル22の排気ガス流入側端面23a及び排気ガス流出側端面23bで互い違いに目封じしたハニカム構造を備えた構成のものである。ハニカムフィルタ3は、排気ガスを、排気ガス流入側端面23aに開口するセル22からハニカムフィルタ3内に流入し、強制的にハニカムフィルタ3内の隔壁21を通過させることにより、排気ガス中の粒子状物質を捕集、除去するものである。
【0031】前述したハニカムフィルタ3の材質としては、コージェライト、炭化珪素、サイアロン、及び窒化珪素からなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなることが好ましい。また、本実施の形態においては、ハニカムフィルタ3のセル密度が15〜60セル/cm2であり、隔壁21の厚さが0.2〜0.5mmであり、ハニカムフィルタ3の端面23の目封じ深さが1〜20mmであることが好ましい。セル密度が15セル/cm2未満であると、排気ガス中の粒子状物質の捕集効率が低下することがあり、セル密度が60セル/cm2を超えると、ハニカムフィルタ3の背圧が大きくなりディーゼルエンジンに負荷が掛かることがある。また、隔壁21の厚さが0.2mm未満であると、ハニカムフィルタ3の機械的強度が低くなり破損等の恐れがあり、隔壁21の厚さが0.5mmを超えると、ハニカムフィルタ3の背圧が大きくなりディーゼルエンジンに負荷が掛かることがある。さらに、端面23の目封じ深さが1mm未満であると、排気ガスを処理する際に、端面23の目封じ部が破損する恐れがあり、端面23の目封じ深さが20mmを超えると、ハニカムフィルタ3の排気ガス中の粒子状物質を実質的に捕集する領域の有効面積が小さくなることがある。
【0032】図1及び図2においては、ハニカムフィルタ3の形状が円筒状のものを示しているがこれに限定されることはなく、四角柱等の他の形状であってもよい。また、セル22の形状も四角形に限定されることはなく、円、楕円、三角、略三角、又はその他の多角形であってもよい。
【0033】パルス電極4及びアース電極5の材料としては、導電性の高い金属を用いることが好ましく、例えば、鉄、金、銀、銅、チタン、アルミニウム、ニッケル、及びクロムからなる群から選ばれる少なくとも一種の成分を含む金属を好適例して挙げることができる。また、その形状は、排気系8に背圧が掛からないような形状、例えば、網状やストライプ状に形成したものを好適に用いることができる。また、パルス電極4と前述した電源7とは電気的に接続した状態で配設し、アース電極5は接地した状態で配設する。本実施の形態の排気ガス処理装置1を、自動車等に設置する場合は、アース電極5を、自動車等のアースに電気的に接続させた構成としてもよい。
【0034】図1においては、パルス電極4とアース電極5が、ハニカムフィルタ3の端面から離して配設された構成となっているが、本実施の形態においては、ハニカムフィルタ3を互いに挟むように対向配置されていればよく、一方がハニカムフィルタ3と接していてもよく、また、ハニカムフィルタ3の材料として、コージェライト、サイアロン、及び窒化珪素等からなる群から選ばれる少なくとも一種の電気的絶縁材料を用いた場合は、パルス電極4とアース電極5とがともにハニカムフィルタ3の端面と接している構成としてもよい。
【0035】パルス電極4とアース電極5の少なくとも一方がハニカムフィルタ3の端面に接するように配設された場合は、金属ペーストによるプリント法によって配設することが好ましい。具体的には、金属ペーストをハニカムフィルタ3の端面上の隔壁断面又は目封じ上に塗布し、乾燥、焼結することによって、ハニカムフィルタ3の端面に配設することができる。
【0036】また、本実施の形態に用いられるハニカムフィルタ3の隔壁の表面及び/又は内部に、触媒が担持されることが好ましい。このように構成することによって、例えば、ディーゼルエンジンが低速や低負荷状態で運転され、排気系の温度が低い場合は、プラズマ発生電極6にてノンサーマルプラズマを発生させてNOをNO2に酸化し、また、ディーゼルエンジンが通常運転となり、排気系の温度が、触媒が活性化する温度、例えば、400〜500℃になった場合は、ノンサーマルプラズマと触媒との併用や、ノンサーマルプラズマの発生を停止して触媒のみで酸化反応を行うことができる。このため、排気ガス中のNOをNO2に酸化する効率を向上させることができるとともに、ノンサーマルプラズマを発生するための電力消費を低減させることができる。また、触媒としては、特に限定されることはないが、Pt、Pd、Rh、K、Ba、Li、及びNaからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒を好適例として挙げることができる。
【0037】また、本実施の形態の排気ガス処理装置1は、図3に示すように、ケース体2の、排気系8の上流側に、ケース体2に流入する排気ガスの少なくとも一部に含まれる水分を除去するための脱水手段30をさらに備えたものであることが好ましい。本実施の形態に用いられた脱水手段30は、熱交換器により排気ガスを冷却し、液化した水分をドレン31により排出するものである。本来、ノンサーマルプラズマは、排気ガスに含まれるNO以外の分子をも酸化や励起することから、大量の水分を含んだ排気ガスは、NOをNO2に酸化する効率を低下させることとなる。特に、燃焼による排気ガスには大量の水分を含んでいることが多く、排気ガス処理装置1が脱水手段30をさらに備えた構成とすることによって、NOをNO2に酸化する効率を向上させるとともに、ノンサーマルプラズマを発生するための電力消費を低減させることができる。
【0038】図3において、排気ガスを冷却して脱水する脱水手段30について説明したが、排気ガス中の水分を除去することができるものであれば、例えば、排気ガスを圧縮して水分の分圧を上昇させて脱水する脱水手段や、吸着剤に水分を吸着させる脱水手段であってもよい。また、ケース体2と脱水手段30とは、脱水手段30が排気系8の上流側に位置していればどのような位置関係でもよく、ケース体2と脱水手段30とは接していても離れていてもよい。
【0039】また、本実施の形態の排気ガス処理装置1は、図4に示すように、ケース体2の、排気系8の下流側に、NOX処理手段32をさらに備えたものであることが好ましい。このように構成することによって、排気ガス処理装置1にて処理したガスを、有害物質であるNOXを含まない状態で外部に排出することができる。NOX処理手段32としては、例えば、NOX吸蔵還元触媒を担持したハニカム構造体や、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)等を好適例として挙げることができる。また、ケース体2とNOX処理手段32とは、NOX処理手段32が排気系8の下流側に位置していればどのような位置関係でもよく、ケース体2とNOX処理手段32とは接していても離れていてもよい。
【0040】また、本実施の形態の排気ガス処理装置1は、図5に示すようにハニカムフィルタ3を通過した後の排気ガスを排気系8の上流側に戻すバイパス33を設け、排気ガスが処理装置1内を循環する構成としてもよい。ノンサーマルプラズマによって生成したNO2は、ハニカムフィルタ3の隔壁に堆積したスートと反応することによってNOに還元されることから、ハニカムフィルタを通過した後の排気ガスを、再度、排気系8の上流側に戻し、再循環させることによってスートを除去する効率を上昇させることができる。
【0041】次に、本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の他の実施の形態を、図6を用いて説明する。図6に示すように、本実施の形態の排気ガス処理装置41は、パルス電極44とアース電極45が、四角柱のハニカムフィルタ43の対向する外周面に配設される以外は、図1に示した排気ガス処理装置1と同様に構成されている。図1に示した各要素と共通する要素については、図1と同一の符号を付して説明を省略する。
【0042】このように構成することによって、排気ガスに含まれる粒子状物質をハニカムフィルタ43にて高精度に捕集し、捕集した粒子状物質のうちのスート等を簡便かつ低エネルギーで酸化除去して、ハニカムフィルタ43を再生することが可能であるとともに、従来のノンサーマルプラズマを用いた排気ガス処理装置と比較して小型化が可能となる。
【0043】また、本実施の形態においては、ハニカムフィルタ43の材質は、図1に示したハニカムフィルタ3の材料と同様のものを好適に用いることができ、特に、コージェライト、サイアロン、及び窒化珪素からなる群から選ばれる少なくとも一種の電気的絶縁材料からなることが好ましい。また、ハニカムフィルタ43の外周面を、電気的絶縁材料を用いてコーティングしたハニカムフィルタ43も好適に用いることができる。
【0044】プラズマ発生電極46を構成するパルス電極44及びアース電極45の材料としては、図1に示したパルス電極4及びアース電極5の材料と同様のものを好適に用いることができる。パルス電極44及びアース電極45は、ハニカムフィルタ43の外周面に対向配置してハニカムフィルタ43の全体に渡ってノンサーマルプラズマを発生されることができる形状であればどのような形状であってもよい。また、パルス電極44と電源7とは電気的に接続した状態で配設し、アース電極45は接地した状態で配設する。本実施の形態の排気ガス処理装置41を、自動車等に設置する場合は、アース電極45を、自動車等のアースに電気的に接続させてもよい。
【0045】パルス電極44とアース電極45とを、ハニカムフィルタ43の対向する外周面に接して配設する場合は、上述した金属ペーストによるプリント法によって配設することが好ましい。
【0046】また、本実施の形態の排気ガス処理装置41は、ケース体2の、排気系8の上流側に、ケース体2に流入する排気ガスの少なくとも一部に含まれる水分を除去するための、上述した脱水手段と同様に構成された脱水手段をさらに備えたものであってもよく、また、ケース体2の、排気系8の下流側に、上述したNOX処理手段と同様に構成されたNOX処理手段をさらに備えたものであってもよい。また、排気ガス処理装置41に上述したバイパスと同様に構成されたバイパスを配設し排気ガスが循環する構成としてもよい。
【0047】また、本実施の形態においては、図7に示すように、ハニカムフィルタ43を複数(図7においては六個)組み合わせ、パルス電極44とアース電極45とを、各ハニカムフィルタ43の対向する外周面に、複数のハニカムフィルタ43の全体に渡ってノンサーマルプラズマが発生するような状態で配設した構成としてもよい。このように構成することによって、大型の内燃機関等から排出される排気ガスを処理するための、大容量タイプの排気ガス処理装置であっても、ハニカムフィルタ43の全体に渡ってノンサーマルプラズマが発生し、効率よく、かつ均一にハニカムフィルタ43を再生することができる。
【0048】次に、本発明(第二の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態を、図8を用いて説明する。本実施の形態の排気ガス処理装置51は、燃焼ガスの排気系58中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置51であって、排気系58に接続された、排気ガスのメーン流路となるケース体52と、ケース体52の内部にメーン流路を遮断するように配設された、排気ガスのフィルタ流路となる、隔壁によって区画された複数のセルを有し、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するハニカムフィルタ53と、少なくとも一方がハニカムフィルタ53と接するように配設されたパルス電極54及びアース電極55から構成され、パルス電極54とアース電極55との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極56とを備え、ケース体52に流入した排気ガス中に含まれる粒子状物質を、ハニカムフィルタによって捕集するとともに、プラズマ発生電極56を構成するパルス電極54とアース電極55との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた二酸化窒素によって隔壁の表面に捕集されて堆積した粒子状物質のうちの可燃性物質、例えば、スート等を酸化除去して、ハニカムフィルタ53を再生することが可能なことを特徴とする。本実施の形態においては、ハニカムフィルタ53のセル内に、排気ガスが流入する側の端面から排気ガスが流出する側の端面の近傍まで、棒状のパルス電極54が挿入された状態で配設され、ハニカムフィルタ53の外周面にアース電極55が配設された構成となっている。
【0049】このように構成することによって、排気ガスに含まれる粒子状物質をハニカムフィルタ53にて高精度に捕集し、捕集した粒子状物質のうちのスートを簡便かつ低エネルギーで酸化除去して、ハニカムフィルタ53を再生することができるとともに、従来のノンサーマルプラズマを用いた排気ガス処理装置と比較して小型化が可能となる。また、本実施の形態においては、ノンサーマルプラズマがハニカムフィルタ53の内部で発生されるために、酸化されたNO2を含む排気ガスを励起状態のままスート等と反応させることができ、また、ハニカムフィルタの隔壁に堆積したスート等もノンサーマルプラズマによって反応し易い状態となるために、反応効率を向上させることができる。さらに、ノンサーマルプラズマによって発生したオゾン(O3)等のラジカルも、エネルギーを失う前にスート等と反応させて酸化反応を促進させ、ハニカムフィルタ53の再生時間を短縮することができる。
【0050】また、本実施の形態においては、パルス電極54に電圧を印可するための電源57をさらに備えたものであることが好ましい。この排気ガス処理装置51が自動車等に設置される場合は、自動車のバッテリー等の電源を共有することもできるが、このように構成することによって、安定したノンサーマルプラズマを発生することができる。
【0051】また、本実施の形態においては、電源57から供給される電流が、図1に示した電源7と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【0052】本実施の形態に用いられるケース体52の材料としては、その内部にノンサーマルプラズマを有効に発生させることができるものであれば、特に制限はないが、アルミナを好適例として挙げることができる。
【0053】本実施の形態に用いられるハニカムフィルタ53は、図1に示した排気ガス処理装置1に用いられるハニカムフィルタ3と同様に構成されたものを好適に用いることができる。また、ハニカムフィルタ53の形状も、上述したように、円筒状に限定されることはない。
【0054】パルス電極54及びアース電極55の材料としては、導電性の高い金属を用いることが好ましく、例えば、鉄、金、銀、銅、チタン、アルミニウム、ニッケル、及びクロムからなる群から選ばれる少なくとも一種の成分を含む金属を好適例して挙げることができる。本実施の形態においては、パルス電極54の形状は、ハニカムフィルタ53と略同一の長さの棒状で、かつハニカムフィルタ53のセル内に挿入することができる形状のものであり、また、アース電極55の形状は、ハニカムフィルタ53の外周面の全域を覆う形状のもので、ハニカムフィルタ53と接するように構成されている。この際、アース電極55は、金属ペーストによるプリント法によって配設することが好ましい。
【0055】本実施の形態においては、パルス電極54とアース電極55とのうちの少なくとも一方がハニカムフィルタ53と接するように構成されていればよく、パルス電極54及びアース電極55の形状は、図8に示した形状に限定されることはない。また、パルス電極54と前述した電源57とは電気的に接続した状態で配設し、アース電極55は接地した状態で配設する。本実施の形態の排気ガス処理装置51を、自動車等に設置する場合は、アース電極55を、自動車等のアースに電気的に接続させた構成としてもよい。
【0056】また、本実施の形態に用いられるハニカムフィルタ53は、上述したように、その隔壁の表面及び/又は内部に、触媒が担持されることが好ましい。このように構成することによって、図1に示した排気ガス処理装置と同様の効果を得ることができる。
【0057】また、本実施の形態の排気ガス処理装置51は、ケース体52の、排気系58の上流側に、ケース体52に流入する排気ガスの少なくとも一部に含まれる水分を除去するための、上述した脱水手段と同様に構成された脱水手段をさらに備えたものであってもよく、また、ケース体52の、排気系58の下流側に、上述したNOX処理手段と同様に構成されたNOX処理手段をさらに備えたものであってもよい。また、排気ガス処理装置51に上述したバイパスと同様に構成されたバイパスを配設し排気ガスが循環する構成としてもよい。
【0058】また、本実施の形態においては、図9に示すように、ハニカムフィルタ53を複数(図9においては六個)組み合わせ、パルス電極54とアース電極55とを、各ハニカムフィルタ53の対向する外周面に、複数のハニカムフィルタ53の全体に渡ってノンサーマルプラズマが発生するような状態で配設した構成としてもよい。このように構成することによって、大型の内燃機関等の排気系に設置する場合であっても、ハニカムフィルタ53の全体に渡ってノンサーマルプラズマが発生し、効率よく、かつ均一にハニカムフィルタ53を再生することができる。
【0059】次に、本発明(第二の発明)の排気ガス処理装置の他の実施の形態を、図10を用いて説明する。図10に示すように、本実施の形態の排気ガス処理装置61は、パルス電極64が、網状の絶縁板69に金属製の針70を複数配設して形成されたものである以外は、図8に示した排気ガス処理装置51と同様に構成されている。図8に示した各要素と共通する要素については、図8と同一の符号を付して説明を省略する。
【0060】このように構成することによって、ノンサーマルプラズマがハニカムフィルタ53の排気ガス入口側端面の近傍で発生し、ノンサーマルプラズマによって酸化されたNO2を含む排気ガスを励起状態のままスート等と反応させることができ、これまでに説明した排気ガス処理装置と同様の効果を得ることができる。
【0061】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0062】(実施例1)
本実施例においては、図6に示すような、排気ガスのメーン流路となるアクリル樹脂製のケース体2の内部に、このメーン流路を遮断するように、電気絶縁性の高いコージェライトを用いて形成したハニカムフィルタ43を配設し、このハニカムフィルタ43の対向する外周面上に、メッシュサイズが2.6mm×2.6mmのステンレス製のパルス電極44と、メッシュサイズが2.6mm×2.6mmのステンレスにフッ素樹脂をコーティングしたアース電極45を配設した排気ガス処理装置41を製作した。
【0063】ハニカムフィルタ43の形状は、排気ガスの流れ方向の長さが152mmで、端面が、幅48mm×高さ24mmの四角柱で、セル密度が16セル/cm2、隔壁の厚さが0.43mmであり、金属製の口金を用いて押し出し成形して形成した。
【0064】また、電源としては、スイッチング素子としてSIサイリスタを用いた高電圧パルス電源(日本ガイシ(株)製)を用いた。この高電圧パルス電源は、定格負荷に最大約45kV電圧を印加することができ、周波数は80〜500Hzの範囲で変化させることができる。
【0065】上述したように製作した排気ガス処理装置41に、図11に示すように、外部空気をコンプレッサ71にて圧縮し、フィルタ72にて微粒子を除去し、乾燥剤にて水分を除去した乾燥空気と、2%のNO混合ガスが充填されたガスボンベ73から供給されたNOガスとを、各々マスフローコントローラ74を用いて所定の濃度及び流量となるようにして調整したNO混合ガスを導入して、印加電圧と電流とを、オシロスコープ(横河電気(株)製:DL1740−1GS/s)75と、高電圧プローブ(ソニー テクトロニクス(株)製:P6015A)と、電流プローブ(ソニー テクトロニクス(株)製:P6021)とを用いて測定した。測定結果を図12に示す。放電電力は、オシロスコープ75で電圧と電流波形の積の波形の正の面積にパルス周波数をかけることで求めた。
【0066】次に、高電圧パルス電源で電圧を印加してプラズマ処理を行い、オゾン除去用ヒータ76に通した後の処理ガス中の、NO、NO2、NOX、及びN2Oの濃度を、ガス分析器を用いて測定した。測定結果を図13に示す。NOの最大減少量は197ppmで、約70%のNOをNO2に酸化することができた。
【0067】次に、排気ガス処理装置41のハニカムフィルタ43に2.1g/Lのスートを付着させ、ハニカムフィルタ43の端面での温度を250℃に維持した状態で、NO濃度を310ppmに調整したNO混合ガスを導入し、パルス電極とアース電極間にノンサーマルプラズマを発生させた際のハニカムフィルタ43の圧力損失を測定した。時間経過によるハニカムフィルタ43の圧力損失の測定結果を図14に示す。また、同時に、排気ガス処理装置41(図11参照)で処理された排気ガスの、NO、NO2、NOX、N2O、CO、CO2、及びO2の濃度を、ガス分析器77(図11参照)を用いて測定した。測定結果を図15に示す。
【0068】図14に示したグラフから、ノンサーマルプラズマ発生時にハニカムフィルタ43(図11参照)の圧力損失が低下し、ハニカムフィルタ43(図11参照)の再生が行われていることがわかる。
【0069】また、図15に示したグラフから、図13に示したようなノンサーマルプラズマ発生時におけるNO2の濃度増加が確認されず、CO2及びCOの濃度が増加していることから、ノンサーマルプラズマによって酸化されたNO2の大部分がスートと反応していることがわかる。
【0070】上述した測定を終えた後、ハニカムフィルタ43(図11参照)を排気ガス処理装置41(図11参照)から取り出して、ハニカムフィルタ43(図11参照)の内面及び外面を目視にて確認したところ、スートが除去されていることが確認できた。
【0071】(実施例2)
本実施例においては、排気ガスのメーン流路となる石英ガラス製のケース体の内部に、このメーン流路を遮断するように、電気絶縁性の高いコージェライトを用いて形成したハニカムフィルタを配設し、このハニカムフィルタの各端面から8mmの位置に、網状のステンレス板に長さ7mmのステンレス製針を複数設置して構成されたパルス電極とアース電極とを配設した排気ガス処理装置を製作した。本実施例においては、ハニカムフィルタに4.1g/Lのスートを付着させ、ハニカムフィルタの質量は55.2525gであった。
【0072】上述したように製作した排気ガス処理装置を、図11に示したものと同様に構成された測定フロー及び測定装置を用いて、ハニカムフィルタの端面での温度を200℃に維持した状態で、NO濃度を320ppmに調整したNO混合ガスを流量3L/minで導入し、消費電力1.36Wでノンサーマルプラズマを発生させて、印加電圧と電流、ノンサーマルプラズマを発生させた際のハニカムフィルタの圧力損失、及び排気ガス処理装置で処理された排気ガスの、NO、NOX、N2O、CO、及びCO2の濃度を測定した。各測定結果を図16〜18に示す。
【0073】本実施例においても実施例1と同様に、ノンサーマルプラズマ発生時にハニカムフィルタの圧力損失が低下し、同時にCO2及びCOの濃度が増加していることから、ハニカムフィルタの再生が行われていることがわかる。また、ノンサーマルプラズマ発生後のハニカムフィルタの質量を測定したところ、質量が0.2481g減少して55.0044gとなっており、ハニカムフィルタに付着させたスートが酸化除去されたことが確認できた。また、図18に示した測定結果によれば、NO2の還元量以上にCO2及びCOの濃度が増加していることから、ノンサーマルプラズマによって他のラジカル、例えば、O、OH、O3等がスートを酸化し、ハニカムフィルタの再生を促進しているといえる。
【0074】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、排気ガスに含まれる粒子状物質をハニカムフィルタにて高精度に捕集し、捕集した粒子状物質のうちの可燃性物質を簡便かつ低エネルギーで酸化除去して、ハニカムフィルタを再生することが可能であるとともに、従来のノンサーマルプラズマを用いた排気ガス処理装置と比較して小型化が可能な排気ガス処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図2】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態に用いられるハニカムフィルタを示す斜視図である。
【図3】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態が、さらに脱水手段を備えた状態を模式的に示す説明図である。
【図4】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態が、さらにNOX処理手段を備えた状態を模式的に示す説明図である。
【図5】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態が、バイパスを備えた状態を模式的に示す説明図である。
【図6】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図7】本発明(第一の発明)の排気ガス処理装置の他の実施の形態における、ハニカムフィルタを複数用いた場合を示す平面図である。
【図8】本発明(第二の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図9】本発明(第二の発明)の排気ガス処理装置の一の実施の形態における、ハニカムフィルタを複数用いた場合を示す平面図である。
【図10】本発明(第二の発明)の排気ガス処理装置の他の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図11】本発明の実施例1における、排気ガス処理装置の各種測定を行うための全体概要構成図である。
【図12】本発明の実施例1における、排気ガス処理装置内のプラズマ発生電極に掛かる印加電圧と、その際に流れる電流を示したグラフである。
【図13】本発明の実施例1における、ハニカムフィルタにスート付着していない状態でノンサーマルプラズマを発生させた際の、NO、NO2、NOX、及びN2Oの濃度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図14】本発明の実施例1における、ハニカムフィルタにスート付着させた状態でノンサーマルプラズマを発生させた際の、ハニカムフィルタの圧力損失と経過時間との関係を示すグラフである。
【図15】本発明の実施例1における、ハニカムフィルタにスート付着させた状態でノンサーマルプラズマを発生させた際の、NO、NO2、NOX、N2O、CO、CO2、及びO2の濃度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図16】本発明の実施例2における、排気ガス処理装置内のプラズマ発生電極に掛かる印加電圧と、その際に流れる電流を示したグラフである。
【図17】本発明の実施例2における、ハニカムフィルタにスート付着させた状態でノンサーマルプラズマを発生させた際の、ハニカムフィルタの圧力損失と経過時間との関係を示すグラフである。
【図18】本発明の実施例2における、ハニカムフィルタにスート付着させた状態でノンサーマルプラズマを発生させた際の、NO、NO2、NOX、N2O、CO、CO2、及びO2の濃度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図19】従来の排気ガス処理装置に用いられるハニカムフィルタを示す斜視図である。
【符号の説明】
1…排気ガス処理装置、2…ケース体、3…ハニカムフィルタ、4…パルス電極、5…アース電極、6…プラズマ発生電極、7…電源、8…排気系、21…隔壁、22…セル、23,23a,23b…端面、30…脱水手段、31…ドレン、32…NOX処理手段、33…バイパス、41…排気ガス処理装置、43…ハニカムフィルタ、44…パルス電極、45…アース電極、46…プラズマ発生電極、52…ケース体、53…ハニカムフィルタ、54…パルス電極、55…アース電極、56…プラズマ発生電極、58…排気系、61…排気ガス処理装置、64…パルス電極、65…アース電極、69…絶縁板、70…針、71…コンプレッサ、72…フィルタ、73…ガスボンベ、74…マスフローコントローラ、75…オシロスコープ、76…オゾン除去用ヒータ、77…ガス分析器、80…ハニカムフィルタ、81…隔壁、82…セル、83…排気ガス流入側端面、84…排気ガス流出側端面。
Claims (11)
- 燃焼ガスの排気系中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置であって、
前記排気系に接続された、前記排気ガスのメーン流路となるケース体と、前記ケース体の内部に前記メーン流路を遮断するように配設された、前記排気ガスのフィルタ流路となる隔壁によって区画された複数のセルを有し、前記排気ガスに含まれる前記粒子状物質を捕集するハニカムフィルタと、前記ハニカムフィルタを互いに挟むように対向配置されたパルス電極及びアース電極から構成され、前記パルス電極と前記アース電極との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極とを備え、
前記ケース体に流入した前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を、前記ハニカムフィルタによって捕集するとともに、前記プラズマ発生電極を構成する前記パルス電極と前記アース電極との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた前記二酸化窒素によって前記隔壁の表面に捕集されて堆積した前記粒子状物質のうちの可燃性物質を酸化除去して、前記ハニカムフィルタを再生することが可能なことを特徴とする排気ガス処理装置。 - 燃焼ガスの排気系中に設置されて、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集、除去するために用いられる排気ガス処理装置であって、
前記排気系に接続された、前記排気ガスのメーン流路となるケース体と、前記ケース体の内部に前記メーン流路を遮断するように配設された、前記排気ガスのフィルタ流路となる、隔壁によって区画された複数のセルを有し、前記排気ガスに含まれる前記粒子状物質を捕集するハニカムフィルタと、少なくとも一方が前記ハニカムフィルタと接するように配設されたパルス電極及びアース電極から構成され、前記パルス電極と前記アース電極との間にノンサーマルプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極とを備え、
前記ケース体に流入した前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を、前記ハニカムフィルタによって捕集するとともに、前記プラズマ発生電極を構成する前記パルス電極と前記アース電極との間に発生させたノンサーマルプラズマによって、前記排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、得られた前記二酸化窒素によって前記隔壁の表面に捕集されて堆積した前記粒子状物質のうちの可燃性物質を酸化除去して、前記ハニカムフィルタを再生することが可能なことを特徴とする排気ガス処理装置。 - 前記パルス電極に電圧を印可するための電源をさらに備えた請求項1又は2に記載の排気ガス処理装置。
- 前記プラズマ発生電極が、金属ペーストによるプリント法によって、前記ハニカムフィルタの外周面に配設された請求項1〜3のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記ハニカムフィルタの材質が、コージェライト、炭化珪素、サイアロン、及び窒化珪素からなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなる請求項1〜4のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記ハニカムフィルタのセル密度が15〜60セル/cm2であり、前記隔壁の厚さが0.2〜0.5mmであり、前記ハニカムフィルタの端面の目封じ深さが1〜20mmである請求項1〜5のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記ケース体の、前記排気系の上流側に、前記ケース体に流入する前記排気ガスの少なくとも一部に含まれる水分を除去するための脱水手段をさらに備えた請求項1〜6のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記ハニカムフィルタの前記隔壁の表面及び/又は内部に、触媒が担持された請求項1〜7のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記ケース体の、前記排気系の下流側に、NOX処理手段をさらに備えた請求項1〜8のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- 前記電源から供給される電流が、電圧が1kV以上の直流電流、ピーク電圧が1kV以上かつ1秒あたりのパルス数が1以上であるパルス電流、ピーク電圧が1kV以上かつ周波数が1以上である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流である請求項3〜9のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
- ディーゼルエンジンの燃焼ガスの排気系中に設置された請求項1〜10のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
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