JP2005232969A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気力線の集中と十分なコロナ放電を発生して、排気ガス中のＰＭ等の被処理物を十分に帯電することができ、高い集塵効率で排気ガス中の被処理物を除去できる、小型で車両設計のレイアウトの自由度が高い排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の排気ガスＧを通過させる外筒１０内に第１電極２０と第２電極３０とを上流側から順に配置し、前記第１電極２０に高電圧を印加してコロナ放電を発生し、該コロナ放電により排気ガスＧ中の被処理成分を帯電させて、前記第２電極３０で捕集する排気ガス浄化装置１において、前記第１電極２０を、排気ガスＧの流れ方向に対して垂直な方向に広がるピン保持体２０ａに、排気ガスＧの流れ方向に平行なピン２０ｂを複数本配置して形成すると共に、前記第２電極３０をメタルハニカム構造体で形成して構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コロナ放電を利用して、ディーゼルエンジン等の排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して浄化する排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の排気ガス中に含まれる粒子状物質（パティキュレートマター：以下ＰＭという）の除去には、一般的には、ディーゼルパティキュレートフィルタと呼ばれる物理的なフィルタ（以下ＤＰＦという）が用いられている。通常、このＤＰＦにおいては、ＰＭの粒径が小さいためフィルタの目を細かくする必要があり、また、耐熱性の要求もあるため、素焼きの多孔質セラミックフィルタが多く用いられている。

そして、このＤＰＦでは、捕集したＰＭによってフィルタが閉塞されるために、この捕集したＰＭを強制的に燃焼して除去するＤＰＦ再生を行っている。このＤＰＦ再生方法の一つとして、ＤＰＦを有する排気ガス処理経路を二系統設け、一方の経路に設けたＤＰＦが捕集したＰＭで目詰まりしてくると、他方の経路に切換えて他方のＤＰＦでＰＭの捕集を継続すると共に、一方のＤＰＦに捕集されたＰＭをヒータ等で加熱して燃焼除去する間欠再生方法がある。

また、排気ガス処理経路は一系統で、ＤＰＦの前段（上流側）に酸化触媒を設置し、排気ガス中のＮＯをこの酸化触媒で酸化してＮＯ₂ にし、このＮＯ₂ でＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化する方法や、燃料噴射におけるポスト噴射や排気通路への直接燃料噴射等によって酸化触媒に供給された燃料を酸化触媒によって燃焼して排気ガス温度を上げて後流側のＤＰＦで捕集されたＰＭを燃焼させる連続再生方法などが用いられている。なお、酸化触媒をＤＰＦの前段に設ける代りにＤＰＦのフィルタ表面に担持させる方法もある。

しかし、これらの従来技術のＤＰＦでは、目の細かいフィルタを用いるため、エンジンの背圧が上昇し、燃費の悪化やエンジンの出力低下の問題が生じ、また、排気ガス処理経路を二系統とする場合には装置が大型化し、コストも高くなるという問題があり、排気ガス処理経路を一系統とする場合においても、酸化触媒の配置等による装置の大型化やコストアップの問題があり、更に、燃料噴射により排気ガス温度を上げてＰＭを燃焼する方式を採用する場合には燃費を悪化させるという問題がある。そして、これらの問題は今後のＰＭ浄化率の更なる向上の要請に伴い、一層の深刻化が予想される。

そのため、コロナ放電を利用してＰＭを捕集するＤＰＦが開発されつつある。この一つに、排気ガスを通過させる容器内に、１以上の線状の導電体からなる放電電極の下流側に、多層状の金属製箔板の間にセル空間を形成させてなるセル状受電極を対向配置した放電型排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、素焼きのセラミックのＤＰＦの代りに、耐熱性に優れたメタルハニカム構造体のＤＰＦを使用し、このメタルハニカム構造体と、コロナ放電により排気ガス中のＰＭをプラスまたはマイナスに荷電する装置と組み合わせて、メタルハニカム構造体をマイナスまたはプラスに荷電し、帯電したＰＭを電気的吸引力により捕捉する粒子状物質除去装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。なお、このコロナ放電の放電極には実施例では丸棒電極を使用している。

しかしながら、これらの装置で使用されているような、線状の導電体を排気ガスの流れに対して直角な方向に向けて面状に配置した電極や丸棒電極の場合には、電気力線の集中が不充分で、コロナ放電を十分に発生することが難しいいう問題があり、ＰＭを十分に捕集できない。
特開平７−２９３２２７号公報 特開２００２−１４７２１８号公報（第７頁右欄，図９）

本発明の目的は、電気力線の集中と十分なコロナ放電を発生して、排気ガス中のＰＭ等の被処理物を十分に帯電することができ、高い集塵効率で排気ガス中の被処理物を除去できる、小型で車両設計のレイアウトの自由度が高い排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスを通過させる外筒内に第１電極と第２電極とを上流側から順に配置し、前記第１電極に高電圧を印加してコロナ放電を発生し、該コロナ放電により排気ガス中の被処理成分を帯電させて、前記第２電極で捕集する排気ガス浄化装置において、前記第１電極を、排気ガスの流れ方向に対して垂直な方向に広がるピン保持体に、排気ガスの流れ方向に平行なピンを複数本配置して形成すると共に、前記第２電極をメタルハニカム構造体で形成して構成する。

なお、ここでいう高電圧とは、プラス側のみならずマイナス側も含む。即ち、電圧の絶対値が高い電圧のことをいう。また、排気ガス中の被処理成分の主なものはＰＭであるが、その他の成分であってもよく、要は、排気ガス中に含まれ、コロナ放電で帯電する成分であればよい。

この構成によれば、第１電極の放電開始部分を先端が尖鋭なピン形状にすることにより、ターゲット電極となるメタルハニカム構造体との間が、不平等電界による電気力線集中によって絶縁破壊してコロナ放電が発生し易くなるので、均一で安定した強い電場とコロナ放電を得ることができる。

また、耐熱性に優れているにもかかわらず、従来技術ではＰＭの捕集ができ難くＰＭフィルタ機能に劣るためにＤＰＦとして採用できなかったメタルハニカム構造体を電気集塵技術の集塵極として使用することにより、ＤＰＦに捕集され堆積したＰＭを一気燃焼できるようになるため、ＤＰＦの溶損や破損等を心配することなくＤＰＦ再生を短時間で行える。

また、上記の排気ガス浄化装置において、前記第１電極を前記外筒の外側に配置された高圧電源に高電圧ケーブルで接続すると共に、前記ピンの尖端部分を除いて、少なくと前記尖端部の近傍から前記高電圧ケーブルの前記外筒における貫通部分まで、前記第１電極と前記高電圧ケーブルを耐熱性の絶縁体により被覆して構成する。

この構成によれば、排気ガス浄化装置内において、第１電極側は、ピンの尖端部のみが露呈し、他の部分が絶縁体で被覆されているので、ピンの尖端部からのみコロナ放電を発生させることができる。そのため、メタルハニカムとの間に均一で安定した強い電場とコロナ放電を形成できる。

特に、ＤＰＦに電気集塵技術を適用する場合、ＤＰＦが対象とする排気ガス中には多量の水分やＰＭが含まれるので、高電圧に対する絶縁性の確保及びの維持は重要であるが、この構成により確保できる。

上記の排気ガス浄化装置で、前記外筒の内側を、少なくとも前記メタルハニカム構造体の周囲部分において、絶縁断熱材で被覆して構成する。この構成によれば、コロナ放電の部分がピンの先端部とメタルハニカム構造体の内部との間に形成され、絶縁断熱材により外筒との間には形成されなくなるので、荷電したＰＭは、外筒部分に付着することなく、メタルハニカム構造体の内部に入り捕集されることになる。更に、メタルハニカム構造体の周囲部分が断熱効果を有する絶縁断熱材により被覆されるので、メタルハニカム構造体を保温して高温に維持でき、メタルハニカム構造体のセルの壁面に担持された触媒の活性を向上できるので、ＰＭの燃焼を促進できる。

上記の排気ガス浄化装置で、前記第１電極において、前記ピンを下流側に向けて配置するだけでなく上流側にも向けて配置すると共に、前記外筒を導電性材料で形成して構成する。この構成によれば、上流側に向けたピンと外筒との間にコロナ放電部分が形成されるので、第１電極の下流側のみならず、第１電極の上流側にもコロナ放電部分を形成することができるので、より一層ＰＭを荷電することができる。

上記の排気ガス浄化装置で、前記ピン保持体の形状を、網目形状、放射形状のいずれか一つ又はその組み合わせとする。この構成によれば、この保持体の部分の流通抵抗を小さくすることができと共に、ピンを均一に分布でき、その結果、低背圧でコロナ放電の分布を均一化できる。

本発明の排気ガス浄化装置によれば、第１電極を排気ガスの流れ方向に対して平行な複数のピンを排気ガスの流れ方向に対して垂直な方向に配置して形成しているので、第１電極のピンの先端の尖鋭な形状により、ターゲット電極となるメタルハニカム構造体との間が、不平等電界による電気力線集中によって絶縁破壊してコロナ放電が発生し易くなり、均一で安定した強い電場とコロナ放電を得ることができる。また、メタルハニカム構造体を用いているので、強度が向上し、形状の自由度も大きくなり、また、熱伝導性も向上するので、触媒を昇温して活性化するのに必要な時間を短縮できる。

そして、第１電極のピンの尖端部分を除いて、第１電極と高電圧ケーブルを耐熱性の絶縁体で被覆すると、ピンの尖端部からのみコロナ放電を発生させることができ、メタルハニカム構造体との間に均一で安定した強い電場とコロナ放電場を形成できる。

更に、外筒の内側を、少なくともメタルハニカム構造体の周囲部分を絶縁断熱材により被覆すると、コロナ放電の部分がピンの先端部と外筒との間に形成されなくなり、荷電したＰＭは外筒部分に付着することなく、メタルハニカム構造体の内部に入り捕集されるようになる。

その上、第１電極において、ピンを下流側だけでなく上流側にも配置し、外筒を導電性材料で形成すると、上流側に向けたピンと外筒との間にもコロナ放電が発生するので、第１電極の下流側のみならず、第１電極の上流側にもコロナ放電部分を形成でき、より一層ＰＭを荷電でき、ＰＭの捕集率を向上できる。

また、ピン保持体の平面形状を網目形状、放射形状、ブラシ形状のいずれか一つ又はその組み合わせとすると、このピン保持体における排気ガスの流通抵抗を小さくすることができると共に、ピンを均一に分布でき、その結果、低背圧でコロナ放電の分布を均一化できる。

従って、この構成によれば、ＰＭの集塵効率が高く、小型で車両設計のレイアウトの自由度を向上させることができ、しかも、低背圧で低電力の排気ガス浄化装置となり、その上、従来技術におけるＤＰＦ再生用の排気ガス昇温のための燃料噴射を行わずに、本発明ではＤＰＦとして機能するメタルハニカム構造体を再生できるので、ＤＰＦ再生のための燃料噴射による燃費の悪化を回避できる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この排気ガス浄化装置１は、外筒１０内に、第１電極となるコロナ放電ピン電極２０と、第２電極となるメタルハニカム構造体３０とを備えて構成される。このコロナ放電ピン電極２０は、メタルハニカム構造体３０の上流側に配置され、高電圧ケーブル２２と高電圧制御装置２３を介して高圧電源２４に接続される。また、メタルハニカム構造体３０は、接地ケーブル３１を介して接地（アース）される。このメタルハニカム構造体３０は、コロナ放電により帯電したＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）として機能する。また、メタルハニカム構造体３０の再生用の加熱源として、ヒータ３２を絶縁伝熱層３３を介してメタルハニカム構造体３０の上流側に配置する。

そして、コロナ放電時には、コロナ放電ピン電極１０に高圧電源１３から数千から数万ボルトの直流電圧を印加する。この直流電圧の印加により、コロナ放電ピン電極１０とメタルハニカム構造体２０との間に強い電場を生じて、コロナ放電を発生させる。なお、この時のコロナ放電ピン電極１０の電気極性はプラスよりもマイナスの方がコロナ放電の安定性が高いので、マイナスにすることが好ましい。

外筒１０は、排気ガスＧが流入する入口１１と浄化された排気ガスＧｃが流出する出口１２を有して、ＳＵＳ４０９ＬやＳＵＳ４１０Ｌ等の導電性材料で筒状に形成される。なお、この入口１１には、排気ガスＧの外筒１０内の流れを均等化するための分散機構１１ａが設けられている。また、コロナ放電ピン電極２０とメタルハニカム構造体３０が配置される部分、少なくともメタルハニカム構造体３０の周囲部分においては、外筒１０の内側にコーディエライトやアルミナ等の磁器等で形成される絶縁断熱筒１３が配置される。従って、この絶縁断熱筒１３を介して、メタルハニカム構造体３０が外筒１０に設置されることになる。この絶縁断熱筒１３により、外筒１０とコロナ放電ピン電極２０との間に対して電気的遮蔽を行うことができるので、コロナ放電ピン電極２０とメタルハニカム構造体３０の間の電界とコロナ放電を最大化することができる。

そして、コロナ放電ピン電極２０は、排気ガスＧの流れ方向に対して垂直な方向に広がるピン保持体２０ａに、排気ガスＧの流れ方向に平行なピン２１ａを多数本（複数本）配置して構成される。つまり、コロナ放電ピン電極２０は放電ターゲットとなるメタルハニカム構造体３０等のアース部分に向けられた尖鋭なピン２０ｂの集合体として構成される。

この構造を図２〜図４に示す。この図２と図３は、コロナ放電ピン電極２０と耐熱絶縁被覆体２１と高電圧ケーブル２２を少し下流側から斜視した図であり、図４と図５は側面から見た図である。図２は、円板状の格子板で形成した篩い網型のピン保持体２０ａを示し、図３は、放射状に延びる支柱で形成した放射線状のピン保持体２０Ａａを示す。これらのピン保持体２０ａ，２０Ａａを側面から見ると、図４に示すように、ピン保持体２０ａ，２０Ａａは直線状となり、平行なピン２１ａはこの直線部分から排気ガスＧの流れ方向に突出することになる。このピン２０ｂは穴網上の部材の交点部分に配置される。なお、このピン保持体２０ａの形状は、この他にも図６に示すようなブラシ形状等であってもよく、排気ガスの流通抵抗、即ち、背圧が小さく、ピンを排気ガスの流れ方向に垂直な面に略均等に配置できるものであればよい。

このピン２０ｂは先端の近傍部分を除いて絶縁体で被覆すると共に、ピン保持体２０ａ，２０Ａａも絶縁体で被覆する。このピン保持体２０ａ，２０Ａａは、メタルハニカム構造体３０に対向させた形でピン２０ｂを保持すると共に、外筒１０と絶縁断熱筒１３を貫通する高電圧ケーブル２２が接続される。この高電圧ケーブル２２は耐熱絶縁被覆体２１で絶縁被覆されている。そして、高電圧電源２４からの高電圧が、高電圧制御装置２３、高電圧ケーブル２２、ピン保持体２０ａ，２０Ａａを介してピン２０ｂに印加される。この高電圧が印加されると、このピン２０ｂの尖鋭な先端では、ターゲット電極であるメタルハニカム構造体３０との不平等電界による電気力線集中によって絶縁破壊し、コロナ放電が発生する。

このピン２０ｂはコロナ放電により高温となるため、このピン２０ｂを形成する材料には高度の耐熱性が求められる。そして、このピン２０ｂの材料は、酸化劣化も考慮すると白金が最も好ましいが、コスト面等で問題がある場合には白金メッキタングステン線やニクロム線やＳＵＳ４３６Ｌ等を使用することもでき、ピン保持体２０ａ，２０Ａａに溶接等で接合される。

また、放電部分以外のピン保持体２０ａ，２０Ａａ等の部分は、排気ガスＧの流通抵抗即ち背圧をできるだけ少なくすることが重要であり、図２では篩い網型を、図３では放射線状型を示しているが、他の形状であっても、低背圧、高絶縁、ピン２０ｂの均一分散を同時に実現できる形状であればよい。

この構造のコロナ放電ピン電極２０では、ピン２０ｂの先端部分のみ露出して、残りはすべて絶縁材で被覆して絶縁しており、しかも、ピン２０ｂを放電ターゲットであるメタルハニカム構造体３０に向けて略均一にかつ多数設置してあるので、均一で安定した強い電場とコロナ放電を得ることができる。

そして、図５に示すように、コロナ放電ピン電極２０の上流側へも積極的にコロナ放電させたい場合には、ピン保持体２０ａ，２０Ａａの上流側部分にもピン２０Ａｂを設置する。即ち、ピン２０ｂ，２０Ａｂは下流側方向と上流側方向双方に向けて配置される。この構成により、コロナ放電ピン電極２０において上流向きのコロナ放電を発生して、排気ガスＧ中のＰＭへの荷電を強化することができ、ＰＭへの荷電が不十分な場合に有効な対策となる。また、コロナ放電ピン電極２０より上流側の絶縁断熱筒１３内面にＰＭが付着して汚れるのを回避できる。

また、耐熱絶縁被覆体２１は、ホーロー等の材料で形成され、高電圧ケーブル２２を覆って棒状に形成されるが、エンジン停止により冷却した時に発生する水分の結露を防止するために、断熱の機能を持たせて冷却し難くすることが好ましい。更に、耐熱絶縁被覆体２１が外筒１０と絶縁断熱筒１３を貫通する部位は、高電圧漏洩の主因となる水やＳＯＯＴが溜まるのを回避するために、外筒２０の面が下向きになっている部位とするのが好ましく、外筒２０の最上部位とすることが最も好ましい。

この構造のコロナ放電ピン電極２０により、ピン２０ｂの先端の高電圧が印加された剥き出し部分と、ヒータ３２やメタルハニカム構造体３０等の直近のアース部分との間において、ピン２０ｂの根元から始まり、ピン保持体２０ａ，２０Ａａの表面を覆う絶縁体と耐熱絶縁被覆体２１と絶縁断熱筒１３を経由する高電圧絶縁経路を形成することができる。

これらの絶縁体は帯電しやすいために、コロナ放電時にコロナ放電ピン電極２０と同極性（この図１の実施の形態ではマイナス）に帯電し、コロナ放電によって同極性（マイナス）に帯電したＰＭを反発する反発電極（マイナス）としても機能するので、ＰＭの付着を防止でき、更に、これらの絶縁体の絶縁性維持効果が高まる。また、これらの絶縁体に断熱性を持たせることにより、エンジン停止によって冷却された時に発生する水分の結露及びこの結露水による漏電を防止できる。

これらの絶縁性を維持する構成により、電気集塵技術においては、数千ボルトから数万ボルトという高電圧であるため、高電圧印加部分とアース部分との間の些細な導電路に電流が漏洩して所定の電場形成やコロナ放電の形成ができなくなるが、これを防止することができる。

そして、メタルハニカム構造体３０は、排気ガス浄化装置１の中核をなすＰＭ集塵部であり、ＳＵＳ３０４等の材料で形成され、接地ケーブル３１でアースされる。このメタルハニカム構造体３０のセルの表面に酸化触媒を担持したアルミナウォッシュコートを塗布する。

また、ヒータ３２をメタルハニカム構造体３０の排気ガス上流側に絶縁伝熱層３３を介して密着配置する。このヒータ３２と絶縁伝熱層３３は、通気可能に形成され、排気ガスＧのメタルハニカム構造体３０への流入を可能とするように、また、できるだけ流通抵抗が小さくなるように構成される。このヒータ３２にはヒータ電源３４とヒータ制御装置３５が配線されている。

そして、このヒータ３２には、捕集したＰＭの着火温度を低減する触媒作用を活用するために、無垢の白金や白金メッキ材で形成することが好ましいが、ヒータ電源３４の容量に余裕のある時や白金がコスト面で問題になる時には必ずしも白金で形成する必要はない。なお、この電流を流した状態においてはヒータ３２の電位はメタルハニカム構造体３０の電位とコロナ放電ピン電極２０の電位との間の電位となるが、メタルハニカム構造体３０の電位に近い電位とし、ＰＭの集塵を行えるようにする。

また、絶縁伝熱層３３はヒータ電源３４から供給される電流がメタルハニカム構造体３０の表面に漏洩することを防止するために設けられ、グラスファイバーやセラミックファイバーや磁器等で形成されるが、排気ガスＧが通過するため対流伝熱でも熱伝達できるので適切な空隙で代用することもできる。

また、このメタルハニカム構造体３０には、アクチュエータ制御装置３６で制御される移動用アクチュエータ３７が設けられ、アクチュエータ制御装置３６による制御に従って、移動用アクチュエータ３７を駆動してメタルハニカム構造体３０を所定の位置に移動できるように構成される。即ち、コロナ放電ピン電極２０と間の電極間距離Ｌを調整できるように構成される。

そして、エンジンの制御を行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置４０に、外筒１０の入口１１に設けた排気ガス温度センサ４１の検出値Ｔｇやエンジンの運転状態等を示すエンジン回転数Ｎｅや負荷Ｑ等が入力され、予めこの制御装置４０に入力されたプログラム等で構成される排気ガス浄化装置１用の制御手段により、高電圧制御装置２３、高電圧電源２４、ヒータ制御装置３５、アクチュエータ制御装置３６等が制御される。

次に上記の構成の排気ガス浄化装置１におけるＰＭの捕集について説明する。

エンジンが始動し、排気ガスＧが排気ガス浄化装置１に流入する時又はそれ以前に、高圧電源制御装置２３により高電圧電源２４から高電圧ケーブル２２を介して、コロナ放電ピン電極２０に数千ボルトから数万ボルトのマイナス側の直流高電圧を印加し、メタルハニカム構造体３０との間に均一で安定した強い電場とコロナ放電を形成する。

エンジン（内燃機関）から排出された排気ガスＧは、入口１１から外筒１０内に入り、このコロナ放電部分を通過する。この時に、排気ガスＧ中のＰＭはコロナ放電ピン電極（第１電極）２０と同じ極性（マイナス）に帯電するので、排気ガスＧがメタルハニカム構造体３０を通過する際に、この帯電したＰＭは電気的吸引力により異極性（プラス）の電極であるメタルハニカム構造体（第２電極）３０に引き寄せられ、セルの壁面に付着し電荷を失う。このセルの壁面には、酸化触媒が担持されているので、壁面の温度が高い場合には、付着したＰＭは酸化触媒の触媒作用により酸化し、炭酸ガスとなる。また、壁面温度が低い場合は酸化せずに壁面上に堆積する。これにより、排気ガスＧはＰＭが除去され、浄化された排気ガスＧｃとなり、外筒１０の出口１２より流出する。

この排気ガス浄化に際してコロナ放電を最適化制御する。つまり、排気ガスＧが高温になると放電は容易化するが、スパーク等の異常放電も発生し易くなり、この異常放電が続くと集塵率が低下し、高電圧電源２４を始めとする装置が故障するので、排気ガスの状態に応じて、異常放電を防止しながら、ＰＭの捕集率が高くなるようにコロナ放電を制御する。

より詳細には、コロナ放電の状態を決定づけるものは、印加電圧と電流とコロナ放電ピン電極２０とメタルハニカム構造体３０との間の距離である電極間距離Ｌと排気ガス温度であり、これに対し、コロナ放電制御のためにコントロールできる制御因子は印加電圧と電流と電極間距離Ｌとなる。従って、これらの制御因子を予め作成したプログラムにより制御する。

具体的には、高電圧制御装置２３で、高電圧ケーブル２２を流れる電流をモニターしながら、エンジン回転数や負荷等のエンジンの運転状態の情報やその他の情報等を考慮して、高電圧電流のオンオフ制御と印加する高電圧の値を所定の電圧に調整する制御を行う。また、それと共に、アクチュエータ制御装置３６で移動用アクチュエータ３７を制御してメタルハニカム構造体３０をエンジンの運転状態に応じて算定される所定の電極間距離Ｌｏに移動させる。この高電圧印加タイミング、所定の電圧値、所定の電極間距離Ｌｏは、予め実験などにより、エンジンの運転状態等に対応して設定され、マップデータ等の形式でプログラムに入力される。このデータに対応させて高電圧印加タイミング、電圧値、電極間距離Ｌをそれぞれ適切に調整制御することにより高い集塵率を得られることができる安定したコロナ放電を発生させ、また、継続することができる。

この制御により、エンジンの運転状態に応じて、印加電圧及び第１電極（コロナ放電ピン電極）２０と第２電極（メタルハニカム構造体）３０の間の電極間距離Ｌを変化でき、運転状態により変化するＰＭ濃度や流速等の排気ガスＧの様々な状態に対応させてＰＭ捕集の最適化を行うことができる。

そして、例えば、アイドリングや低負荷低回転運転等の排気ガスが低温のエンジンの運転状態が継続して、メタルハニカム構造体３０に捕集されて堆積するＰＭが増加してくると、この堆積したＰＭをメタルハニカム構造体３０の壁面に保持しておく力が弱まって、ＰＭが放散される再飛散と呼ばれる現象が発生し、ＰＭ集塵率の低下を引き起こす。

そのため、この再飛散が発生する前にヒータ３２に電流を流して加熱し捕集されたＰＭを着火させて、ＰＭの燃焼除去を開始する。具体的には、予め設定されたＤＰＦ再生開始の条件になった時に、ヒータ３２に電流が所定時間流され、ヒータ３２上に堆積したＰＭまたは下流側のメタルハニカム構造体３０に堆積したＰＭが燃焼を開始する所定の温度になるようにヒータ３２を加熱し、この加熱によりＰＭの燃焼着火を行う。そして、この着火によりＰＭの燃焼はメタルハニカム構造体３０の上流側から下流側へと延焼していき、メタルハニカム構造体３０に堆積したＰＭ全体が燃焼すると、このメタルハニカム構造体３０の再生が完了する。

このヒータ３２の加熱のタイミングとしては、ヒータ３２上に燃焼可能でかつ所望の熱量を発生できる量のＰＭが蓄積した時点でヒータ３２を加熱してＰＭの燃焼着火を行い、この燃焼によって発生する熱を下流側（後段）の酸化触媒へ供給して、下流側のＰＭを燃焼除去する場合や、ヒータ３２上に適量のＰＭが蓄積していない時点でも、ＰＭの燃焼が必要な場合には、ヒータ３２を加熱してヒータ３２で発生する熱を下流側のメタルハニカム構造体３０の酸化触媒へ伝熱して、この酸化触媒の触媒作用により下流側のＰＭの燃焼を開始して下流側のＰＭを燃焼除去する場合等がある。

特に、この構成によれば、ヒータ３２は、電気集塵用の電界の強い部分となり、集塵率も高い部分に配置されているので、ヒーター３２上へのＰＭの集塵量は多くなり、着火を更に容易にすると共に、メタルハニカム構造体３０の上流側に配置されているので、ＰＭの燃焼の口火形成の役割を容易に果たせる。この場合において、ヒータ３２を電気集塵極の一部とすることにより、ＤＰＦ再生の着火用の熱源として利用できるＰＭの堆積を促進している。更に、この着火用のヒータ３２を白金等で形成した場合には、この白金等の酸化触媒作用によりＰＭの着火が容易になる。

そして、このＤＰＦ再生に際して、メタルハニカム構造体３０はメタル製で耐熱性に優れているため、従来技術のセラミック製のフィルタでは熱応力による破損を生じるために行えなかったＰＭの一気燃焼が可能になる。そのため、このメタルハニカム構造体３０の再生方法によれば、従来技術のような、燃料噴射による穏やかな連続再生方法やフィルタを切り換えての間欠的に再生を行う方法が必要なくなり、捕集して堆積したＰＭそのものを再生用の熱源として利用できる。そのため、排気管内への燃料噴射や燃料噴射における多段噴射等の制御が不要になり、装置の構造・制御が容易となり、また、低燃費となる。

その上、上流側で堆積したＰＭの着火は下流側に延焼し、一気燃焼により高温かつ短時間でＰＭは燃焼除去されるので、ＰＭを確実に燃焼でき、しかも、再生時間が短くなる。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 第１電極であるコロナ放電ピン電極の構成を示す斜視図である。 第１電極であるコロナ放電ピン電極の他の構成を示す斜視図である。 第１電極であるコロナ放電ピン電極の構成を示す側面図である。 第１電極であるコロナ放電ピン電極の他の構成を示す側面図である。 第１電極であるコロナ放電ピン電極の他の構成を示す部分斜視図である。

符号の説明

１ 排気ガス浄化装置
１０ 外筒
１３ 絶縁断熱筒
２０ コロナ放電ピン電極（第１電極）
２１ 耐熱絶縁被覆体
２２ 高電圧ケーブル
２３ 高電圧制御装置
２４ 高電圧電源
３０ メタルハニカム構造体
３２ ヒータ
３３ 絶縁伝熱層
３４ ヒータ電源
３５ ヒータ制御装置
３６ アクチュエータ制御装置
３７ 移動用アクチュエータ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガスを通過させる外筒内に第１電極と第２電極とを上流側から順に配置し、前記第１電極に高電圧を印加してコロナ放電を発生し、該コロナ放電により排気ガス中の被処理成分を帯電させて、前記第２電極で捕集する排気ガス浄化装置において、
   前記第１電極を、排気ガスの流れ方向に対して垂直な方向に広がるピン保持体に、排気ガスの流れ方向に平行なピンを複数本配置して形成すると共に、前記第２電極をメタルハニカム構造体で形成したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記第１電極を前記外筒の外側に配置された高圧電源に高電圧ケーブルで接続すると共に、前記ピンの尖端部分を除いて、少なくと前記尖端部の近傍から前記高電圧ケーブルの前記外筒における貫通部分まで、前記第１電極と前記高電圧ケーブルを耐熱性の絶縁体により被覆したことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記外筒の内側を、少なくとも前記メタルハニカム構造体の周囲部分において、絶縁断熱材で被覆したことを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記第１電極において、前記ピンを下流側に向けて配置するだけでなく上流側にも向けて配置すると共に、前記外筒を導電性材料で形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記ピン保持体の形状を、網目形状、放射形状、ブラシ形状のいずれか一つ又はその組み合わせとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
   

Images