JP2005036667A

JP2005036667A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005036667A
Application number: JP2003197823A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nakada; 勇中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】内燃機関等からの排気の浄化装置であって、小さい圧力損失で、特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を除去する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】絶縁性ハニカム構造体１２、ハニカム構造体の外周に配置された外周電極１６、及びハニカム構造体の中心軸上に配置され、ハニカム構造体の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極１４を有する排気浄化装置１０とする。ここでこのハニカム構造体１２は、ハニカム構造体１２の半径方向中央部分の一部に空洞部１３を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等からの排気の浄化装置に関するものであって、特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（パティキュレート：以下「ＰＭ」という。）を除去するための排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、自動車、特に大型車に多く搭載されているが、近年特にその排気中の窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等とともに、ＰＭの排出を低減することが強く望まれている。そのため、エンジンの改良又は燃焼条件の最適化等により根本的にＰＭを低減する技術開発とともに、排気中のＰＭを効率的に除去するための技術の確立が望まれている。
【０００３】
排気中のＰＭの除去のためには一般に、セラミックハニカム製フィルター、合金製フィルター及びセラミック繊維製フィルターが用いられている。しかしながらこれらの手法では使用時間が経過するにつれ、捕集された粒状物質によりフィルターが目詰まりを起こし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となる。また、ナノサイズＰＭは基材連通孔での物理的衝突捕集を逃れて捕集されない確率が高い。また、従来のフィルターでＰＭを捕集した場合であっても、排気熱のみの作用によってはＰＭの充分な酸化除去は期待できない。
【０００４】
この問題を解決するためにディーゼルエンジンの排気浄化装置として、従来から放電を利用した装置が知られている。例えば特許文献１には、ニードル電極と偏向電極とを囲んで配置した捕集電極を備え、電極間の放電によりディーゼルエンジン排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを捕集電極に捕集する装置が開示されている。しかし、この装置は、ＰＭの捕集を行うのみであって、ＰＭを積極的に燃焼除去する装置ではなく、捕集したＰＭの処理が別途必要であり、この装置にＰＭの燃焼除去効果を期待することはできない。これは、金属捕集電極上にＰＭを堆積させた場合には、捕集部自体の高い導電性によりＰＭに電流が流れず、ＰＭを通電燃焼させることができないからである。
【０００５】
【特許文献１】
特許２６９８８０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来公知の放電を利用した排気浄化装置は、ＰＭの燃焼除去に関してはきわめて不充分である。従って小さい圧力損失で、ディーゼルエンジン等から排出される排気中のＰＭの燃焼除去効率及び捕集効率を高める必要があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置は、絶縁性ハニカム構造体、ハニカム構造体の外周に配置された外周電極、及びハニカム構造体の中心軸上に配置され、ハニカム構造体の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極を有し、ハニカム構造体の半径方向中央部分の一部に、空洞部が存在することを特徴とする。ここでこの空洞部は、例えばハニカム構造体の半径方向中央部分の排気流れ上流側、中央又は下流側に存在していてよい。またこの空洞部とハニカム構造体との直径の比は、例えば１：１０〜１：２でよい。
【０００８】
また本発明の排気浄化装置は、絶縁性ハニカム構造体、ハニカム構造体の外周に配置された外周電極、及びハニカム構造体の中心軸上に配置され、ハニカム構造体の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極を有し、ハニカム構造体の半径方向中央部分のハニカムセル密度が、半径方向外側のハニカムセル密度よりも小さいことを特徴とする。ここでこの半径方向中央部分のハニカムセル密度が小さい領域と、半径方向外側部分のハニカムセル密度が大きい領域との直径の比は、例えば１：１０〜１：２でよい。
【０００９】
本発明の排気浄化装置によれば、ＰＭはハニカム構造体に達する前に、排気流れ上流側の棒状電極と外周電極との間の放電によって帯電する。この帯電したＰＭは、棒状電極と外周電極との間の電界によるクーロン力で排気流路の外側に移動させ、外側のハニカム構造体で捕集する。またハニカム構造体を絶縁体によって作ることにより、ハニカム構造体にではなく堆積したＰＭに優先的に電流が流れるようにして、堆積したＰＭを通電及び排気熱により燃焼除去させる。
【００１０】
また本発明の排気浄化装置によれば、ハニカム構造体の半径方向中央部分の一部に空洞部が存在すること、又はハニカム構造体の半径方向中央部分のハニカムセル密度が比較的小さい（個々のハニカムセル径が比較的大きい）ことによって、排気流れの流速が大きい中央部での通気抵抗を小さくすることができる。従って排気浄化装置全体としての圧力損失が小さくなる。
【００１１】
更に本発明の排気浄化装置では、ハニカム構造体の半径方向中央部に貫通孔が存在するのではなく、ハニカム構造体の半径方向中央部分の少なくとも一部にはハニカム構造体が存在するので、棒状電極をこの半径方向中央部分のハニカム構造体に固定することができる。またこの半径方向中央部分の一部に存在するハニカム構造体は、ＰＭの捕集を確実にするため、及びハニカム構造体の強度を充分にするためにも有利である。
【００１２】
本発明の排気浄化装置では、ハニカム構造体の排気流れ上流側に延びた棒状電極の部分に、針状電極が配置されていてよい。これによれば、棒状電極上の針状電極と外周電極との間の放電を促進して、ＰＭを効率的に帯電させることができる。
【００１３】
本発明で使用する絶縁性ハニカム構造体は、ハニカム壁面上にＰＭを燃焼させるための触媒が担持されていてよい。ここでこの触媒としては、ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｐｔ／ＣｅＯ_２、Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３を挙げることができる。このように絶縁性ハニカム構造体のハニカム壁面上にＰＭを燃焼させるための触媒が担持されることによって、ＰＭがハニカム壁面上に堆積したときに、ＰＭの通電燃焼が促進される。
【００１４】
本発明の装置を使用して放電を行う場合、ＰＭをハニカム構造体上に捕集するだけでなく、放電によって排気成分中に発生する活性酸素、オゾン、ＮＯ_ｘ、酸素ラジカル、ＮＯ_ｘラジカル等の酸化力の強いガス成分の作用によって、捕集した排気中のＰＭの燃焼を促進することができる。また高電圧によりプラズマを発生させてＰＭの捕集及び燃焼を促進することもできる。
【００１５】
また本発明の排気浄化装置では、外側電極をアースすることによって、外周電極と排気浄化装置を保持するケースとの間の誤放電を抑制できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明を構成する排気浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の第１の実施形態について図１を用いて説明する。ここで図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の側面図であり、図１（ｂ）はこの第１の実施形態の断面図である。
【００１８】
本発明の第１の実施形態の排気浄化装置１０は、絶縁性ハニカム構造体１２と、このハニカム構造体１２の外周に配置された外周電極１６と、このハニカム構造体１２の中心軸上に配置され、ハニカム構造体１２の排気流れ上流側まで延びている棒状電極１４とを有する。ここでこの絶縁性ハニカム構造体１２は、半径方向中央部分の排気流れ上流側に空洞部１３を有する。
【００１９】
ここで使用される棒状電極１４は、任意の針状電極１５を有し、針状電極１５と外周電極１６との間の放電を促進させる。棒状電極１４が電源１８に接続され、外周電極１６が接地されているが、これは逆にすることもでき、また棒状電極１４及び外周電極１６を電源１８の異なる極に接続することもできる。棒状電極１４は、ハニカム構造体１２の半径方向中央部分の排気流れ下流側に残っているハニカム構造体に固定されている。ＰＭを含む排気は、矢印１９で示すように図の左側から右方向に流れ、外周電極１６に囲まれた絶縁性ハニカム構造体１２を通過する。
【００２０】
図１で示す排気浄化装置の使用においては、電源１８を作用させることにより棒状電極１４と外周電極１６との間に半径方向の電界を作る。排気流れに含有されるＰＭは、棒状電極１４及び存在する場合の針状電極１５と、外周電極１６との間の電界によって帯電し、この電界によって外周電極１６の側に引き寄せられ、それによってハニカム構造体１２の半径方向外側部分を通過するようにする。このようにしてハニカム構造部分を通過するＰＭは、ハニカム構造１２内に作られた電界によってハニカム構造体１２のハニカム壁面上に押し付けられ、ＰＭの捕集が促進される。
【００２１】
すなわちこの構造によれば、ＰＭの実質的な部分をハニカム構造体１２の外側部分（比較的流通抵抗が大きいが、ＰＭを捕集しやすい）に通過させ、ＰＭ含有量が比較的少ない排気を空洞部１３及びハニカム構造体中央部（比較的ＰＭを捕集しにくいが、流通抵抗が小さい）に通過させるので、小さい排気通気抵抗の利益を得つつ、ＰＭの捕集を実質的に行うことができる。
【００２２】
以下に、図１に示した本発明の第１の実施形態の排気浄化装置を構成する各部について更に具体的に説明する。
【００２３】
絶縁性ハニカム構造体１２は、セラミックハニカム構造体、例えばコージェライト製ハニカム構造体でよい。またハニカム構造体はストレートフロー型であってもウォールフロー型であってもよいが、通気抵抗の観点からはストレートフロー型が好ましく、ストレートフロー型のハニカム構造体を使用しても良好な捕集効率を達成できる。ここでこのハニカム構造体１２は十分な絶縁性を有し、それによってＰＭよりも導電性が小さいようにし、電圧を印加したときにＰＭ自体に電流が流れてＰＭが通電燃焼されることを確実にすべきである。
【００２４】
この絶縁性ハニカム担体は、円筒形に成型された通常のハニカム担体の一部を研削して成型できるが、所望の形状が得られるのであれば任意の他の方法で製造できる。
【００２５】
また図１で示す本発明の第１の実施形態では、絶縁性ハニカム構造体１２は、半径方向中央部分の排気流れ上流側に空洞部１３を有するが、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、絶縁性ハニカム構造体は、半径方向中央部分の排気流れ下流側空洞部２３ａ、又は排気流れ上流及び下流側空洞部２３ｃ及び２３ｃ’を有するハニカム構造体２２ａ又は２２ｃであってもよい。尚、図２（ａ）及び（ｃ）の空洞部はいずれも円筒状に形成されているが、空洞部の形状は円筒状に限定されず、例えば図２（ｂ）で示すように円錐状の空洞部２３ｂであってもよい。
【００２６】
棒状電極１４は、この棒状電極１４と外周電極１６との間に電圧を印加することができる材料で製造できる。その材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、なかでも金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。本発明で使用できる棒状電極１４は、金属性ワイヤが一般的であるが、中空の棒状電極を使用することもできる。
【００２７】
針状電極１５は、棒状電極１４に関して示したのと同様な材料で製造できる。針状電極１５は、その針状部分の先端を外周電極１６に向けて配置する。針状電極１５の針状部の数が少ないと、外周電極１６との間で均一な放電を起こさせることが難しくなる。従って針状電極１５の針状部の数はある程度以上必要である。しかしながらこれは、排気ガス中のＰＭを最も良好に帯電させるように、最適化した数を実験により定めることができる。
【００２８】
筒状の外周電極１６は、棒状電極１４に関して示したのと同様な材料で製造できる。外周電極１６は、これらの材料を金属メッシュ又は金属箔としてハニカム構造体１２に巻き付けて作ることができ、また導電性ペーストをハニカム構造体１２に適用して作ることができる。
【００２９】
電源１８は、パルス状又は定常の直流電圧を発生させるものでよい。印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。
【００３０】
棒状電極１４と外周電極１６との間で放電を起こさせるために、任意の波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧かつ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。
【００３１】
本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。ここで図３（ａ）は本発明の第２の実施形態の排気浄化装置３０の斜視図であり、図３（ｂ）はこの排気浄化装置３０の断面図ある。
【００３２】
本発明の第２の実施形態の排気浄化装置３０は、絶縁性ハニカム構造体３２と、このハニカム構造体３２の外周に配置された外周電極１６と、このハニカム構造体３２の中心軸上に配置され、ハニカム構造体３２の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極１４とを有する。この絶縁性ハニカム構造体３２は、半径方向中央部分の比較的ハニカムセル密度が小さい（個々のセルの直径が大きい）領域３２ｂと、半径方向外側の比較的ハニカムセル密度が大きい（個々のセルの直径が小さい）領域３２ａとを有する。
【００３３】
ここで使用される棒状電極１４は、任意の針状電極１５を有し、針状電極１５と外周電極１６との間の放電を促進させる。棒状電極１４が電源１８に接続され、外周電極１６が接地されているが、これは逆にすることもでき、また棒状電極１４及び外周電極１６を電源１８の異なる極に接続することもできる。棒状電極１４は、半径方向中央部分の比較的ハニカムセル密度が小さい領域３２ｂに固定されている。ＰＭを含む排気は、矢印１９で示すように図の左側から右方向に流れ、外周電極１６に囲まれた絶縁性ハニカム構造体３２を通過する。
【００３４】
図１で示す排気浄化装置の使用においては、電源１８を作用させることにより棒状電極１４と外周電極１６との間に半径方向の電界を作る。排気流れに含有されるＰＭは、棒状電極１４及び存在する場合の針状電極１５と、外周電極１６との間の電界によって帯電し、この電界によって外周電極１６の側に引き寄せられ、それによって半径方向外側の比較的ハニカムセル密度が大きい領域３２ａを通過するようにする。ハニカム構造体３２を通過するＰＭは、ハニカム構造体内に作られた電界によってハニカム構造体のハニカム壁面上に押し付けられ、ＰＭの捕集が促進される。
【００３５】
すなわちこの構造によれば、ＰＭの実質的な部分をハニカムセル密度が大きい（比較的流通抵抗が大きいが、ＰＭを捕集しやすい）領域３２ａに通過させ、ＰＭ含有量が比較的少ない排気をハニカムセル密度が小さい（比較的ＰＭを捕集しにくいが、流通抵抗が小さい）領域３２ｂに通過させるので、小さい排気通気抵抗の利益を得つつ、ＰＭの捕集を実質的に行うことができる。
【００３６】
以下に、図２に示した本発明の第１の実施形態の排気浄化装置を構成する各部について更に具体的に説明する。
【００３７】
絶縁性ハニカム構造体３２は、セラミックハニカム構造体、例えばコージェライト製ハニカム構造体でよい。またハニカム構造体はストレートフロー型であってもウォールフロー型であってもよいが、通気抵抗の観点からはストレートフロー型が好ましく、ストレートフロー型のハニカム構造体を使用しても良好な捕集効率を達成できる。ここでこのハニカム構造体３２は十分な絶縁性を有し、それによってＰＭよりも導電性が低いようにし、電圧を印加したときにＰＭ自体に電流が流れてＰＭが通電燃焼されることを確実にすべきである。
【００３８】
この絶縁性ハニカム担体３２は、半径方向中央部分で個々のセル径が大きくなり、半径方向外側で個々のセル径が小さくなるように、押出ダイの開口を調節して成型することができるが、所望のハニカムセル径分布が得られるのであれば任意の他の方法で製造できる。従って別々に製造したハニカム構造体部分３２ａ及び３２ｂを組み合わせることによっても製造できる。
【００３９】
棒状電極１４、針状電極１５、外周電極１６、電源１８については、本発明の第１の実施形態に関する説明を参照できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の排気浄化装置によれば、小さい圧力損失で、ディーゼルエンジン等から排出される排気中のＰＭの燃焼除去効率及び捕集効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施態様の排気浄化装置を表す斜視図及び断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施態様で使用できるハニカム構造体の断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施態様の排気浄化装置を表す斜視図及び断面図である。
【符号の説明】
１０，３０…本発明の排気浄化装置
１２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２…絶縁性ハニカム構造体
１３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｃ’…空洞部
１４…棒状電極
１５…針状電極
１６…外周電極
１８…電源
１９…排気流れ方向
３２ａ…比較的ハニカムセル密度が大きいハニカム構造体領域
３２ｂ…比較的ハニカムセル密度が小さいハニカム構造体領域

Claims

絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置され、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極、
を有する排気浄化装置であって、前記ハニカム構造体の半径方向中央部分の一部に空洞部が存在することを特徴とする、排気浄化装置。
絶縁性ハニカム構造体、
前記ハニカム構造体の外周に配置された外周電極、及び
前記ハニカム構造体の中心軸上に配置され、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側にまで延びている棒状電極、
を有する排気浄化装置であって、前記ハニカム構造体の半径方向中央部分のハニカムセル密度が、半径方向外側のハニカムセル密度よりも小さいことを特徴とする、排気浄化装置。
前記棒状電極の、前記ハニカム構造体の排気流れ上流側に延びた部分に、針状電極が配置されている、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。