JP2005232972A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an exhaust gas purification device that collects and purifies particulate matter (PM) in exhaust gas such as a diesel engine using corona discharge.
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。 In order to remove particulate matter (particulate matter: hereinafter referred to as PM) contained in exhaust gas of a diesel engine or the like, a physical filter (hereinafter referred to as DPF) called a diesel particulate filter is generally used. ing. Usually, in this DPF, since the particle size of PM is small, it is necessary to make the filter finer, and since heat resistance is required, unglazed porous ceramic filters are often used.
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。 In this DPF, since the filter is blocked by the collected PM, DPF regeneration for forcibly burning and removing the collected PM is performed. As one of the DPF regeneration methods, two exhaust gas treatment paths having DPF are provided, and when the DPF provided in one path becomes clogged with the collected PM, the other DPF is switched to the other path. In addition, there is an intermittent regeneration method in which PM is continuously collected and the PM collected in one DPF is heated and removed by a heater or the like.
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(一酸化窒素)をこの酸化触媒で酸化してNO2 (二酸化窒素)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。 Also, the exhaust gas treatment path is a single system, and an oxidation catalyst is installed in the upstream (upstream side) of the DPF, and NO (nitrogen monoxide) in the exhaust gas is oxidized by this oxidation catalyst to NO 2 (nitrogen dioxide). The exhaust gas temperature is obtained by burning the fuel supplied to the oxidation catalyst by the oxidation catalyst by the method of oxidizing the PM collected in the DPF with this NO 2 , the post injection in the fuel injection, the direct fuel injection to the exhaust passage, or the like. A continuous regeneration method is used in which the PM collected by the DPF on the downstream side is burned and the PM is burned. There is also a method in which an oxidation catalyst is supported on the filter surface of the DPF instead of being provided in the front stage of the DPF.
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る。また、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る。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。 However, since these conventional DPFs use fine filters, the back pressure of the engine increases, causing problems such as deterioration of fuel consumption and engine output, and two exhaust gas processing paths. In this case, there is a problem that the apparatus becomes large and the cost becomes high. Further, even when the exhaust gas treatment path is made into one system, there is a problem that the apparatus is increased in size and cost due to the arrangement of the oxidation catalyst. Further, when adopting a method of burning PM by raising the exhaust gas temperature by fuel injection, there is a problem of deteriorating fuel consumption. And these problems are expected to become more serious with the request for further improvement of the PM purification rate in the future.
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。)。 For this reason, DPFs that collect PM using corona discharge are being developed. One of these is a cell-shaped receiving electrode in which a cell space is formed between multilayer metal foil plates on the downstream side of a discharge electrode made of one or more linear conductors in a container through which exhaust gas passes. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
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。)。 Also, instead of the unglazed ceramic DPF, a metal honeycomb structure DPF excellent in heat resistance is used, and a device for charging the PM in the exhaust gas positively or negatively by corona discharge, There has been proposed a particulate matter removing device that combines and charges the metal honeycomb structure negatively or positively and captures the charged PM by an electric attractive force (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、電気集塵技術の大きな課題に高電圧の漏洩という問題がある。使用される電圧が数千ボルトから数万ボルトという高電圧であるために、高電圧印加部とアース部の間の些細な導電路を伝わって高電圧電流が漏洩すると、所定の電場形成やコロナ放電発生ができなくなる事態が起こる。この導電路を形成する主要なものは排気ガス中の水分とPM中のSOOTと呼ばれるカーボン粒子であり、これらによる導電路の形成を防止することが不可欠である。 However, there is a problem of high voltage leakage as a major problem of the electric dust collection technology. Since the voltage used is a high voltage of several thousand volts to several tens of thousands of volts, if a high voltage current leaks through a small conductive path between the high voltage application section and the ground section, a predetermined electric field formation or corona A situation occurs in which discharge cannot be generated. The main components that form the conductive path are moisture in the exhaust gas and carbon particles called SOOT in the PM, and it is essential to prevent the formation of the conductive path due to these.
特に、コロナ放電極に接続する高電圧ケーブルの表面やコロナ放電極を囲う外筒の内面等の絶縁部分が帯電したPM等を吸着して汚れてくると、絶縁性が悪化して導電路を形成し易くなる。
本発明の目的は、第1電極と第2電極間のコロナ放電により排気ガス中の被処理物を帯電させて第2電極で捕集する排気ガス浄化装置において、第1電極の被覆、高電圧ケーブルの被覆、外筒の内面等の絶縁部の汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止できる排気ガス浄化装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus that charges a workpiece in exhaust gas by corona discharge between a first electrode and a second electrode and collects it by the second electrode. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying device capable of preventing cable covering, dirt on an insulating portion such as an inner surface of an outer cylinder, and formation of a conductive path due to the dirt.
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2電極をメタルハニカム構造体で形成すると共に、前記第1電極の周辺部の前記外筒の内面を覆う第1半導体層を、前記メタルハニカム構造体とは電気的に絶縁して設け、少なくともコロナ放電時に該第1半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にするように構成される。 An exhaust gas purifying apparatus for achieving the above object has a first electrode and a second electrode arranged in order from the upstream side in an outer cylinder through which exhaust gas of an internal combustion engine passes, and a high voltage is applied to the first electrode. The second electrode is formed of a metal honeycomb structure in an exhaust gas purifying apparatus that generates a corona discharge when applied, charges a component to be treated in the exhaust gas by the corona discharge, and collects it by the second electrode. In addition, a first semiconductor layer that covers the inner surface of the outer cylinder at the periphery of the first electrode is provided to be electrically insulated from the metal honeycomb structure, and at least the potential of the first semiconductor layer during corona discharge Is configured to have the same polarity as that of the first electrode.
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。また、第1半導体層の電位は前記第1電極と同じ極性の略同じ電位にすることが好ましいが、もっと低くても(絶対値が小さくても)よい。 The high voltage referred to here includes not only the plus side but also the minus side. That is, it means a voltage having a high absolute voltage value. The main component to be treated in the exhaust gas is PM, but other components may be used. In short, any component that is contained in the exhaust gas and is charged by corona discharge may be used. Further, the potential of the first semiconductor layer is preferably substantially the same potential with the same polarity as the first electrode, but may be lower (the absolute value may be smaller).
この構成によれば、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ようになる。 According to this configuration, although the heat resistance is excellent, the metal honeycomb structure that cannot be used as the DPF because the PM filter function is inferior and the PM filter function is inferior. By using it as a dust collecting electrode, the PM collected and deposited in the DPF can be combusted at a time, so that the DPF regeneration can be performed in a short time without worrying about melting or breakage of the DPF.
更に、この構成によれば、第1電極の周辺部の前記外筒の内面に第1半導体層を設けて、この第1半導体層を第1電極と同じ極性の電位、好ましくは略同じ電位にしたので、コロナ放電によって帯電したPMは、第1電極と同じ極性の電位の第1半導体層により強く反発され、この第1半導体層、第1電極の周辺部の前記外筒の内面部分には付着しなくなる。従って、この部分においてはPMの付着による汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止できる。また、半導体で形成しているので、導電体と異なり、漏洩電流・放電・スパーク等の心配が不要となる。 Furthermore, according to this configuration, the first semiconductor layer is provided on the inner surface of the outer cylinder in the peripheral portion of the first electrode, and the first semiconductor layer is set to the same polarity potential as the first electrode, preferably substantially the same potential. Therefore, the PM charged by the corona discharge is strongly repelled by the first semiconductor layer having the same polarity as the first electrode, and the first semiconductor layer and the inner surface portion of the outer cylinder around the first electrode It will not adhere. Therefore, in this portion, it is possible to prevent contamination due to the adhesion of PM and formation of a conductive path due to this contamination. Further, since it is formed of a semiconductor, unlike a conductor, there is no need to worry about leakage current, discharge, spark, or the like.
あるいは、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2電極をメタルハニカム構造体で形成すると共に、前記第1電極に接続した高電圧ケーブルの前記外筒内の部位の表面に第2半導体層を設け、少なくともコロナ放電時に該第2半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にするように構成される。 Alternatively, the first electrode and the second electrode are arranged in order from the upstream side in the outer cylinder through which the exhaust gas of the internal combustion engine passes, and a high voltage is applied to the first electrode to generate a corona discharge. In the exhaust gas purification apparatus that charges the component to be treated in the exhaust gas and collects it by the second electrode, the second electrode is formed of a metal honeycomb structure, and the high voltage connected to the first electrode A second semiconductor layer is provided on the surface of the portion of the cable in the outer tube, and at least during corona discharge, the potential of the second semiconductor layer is set to the same polarity as that of the first electrode.
この構成によれば、高電圧ケーブルの前記外筒内の部位の表面に第2半導体層を設けて、この第2半導体層を第1電極と同じ極性の電位、好ましく第1電極と略同じ電位にしたので、第1半導体層と同様な効果を奏し、高電圧ケーブルの前記外筒内の部位の表面部分は、PMの付着よる汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止できる。 According to this configuration, the second semiconductor layer is provided on the surface of the portion in the outer tube of the high-voltage cable, and the second semiconductor layer has the same polarity as the first electrode, preferably substantially the same potential as the first electrode. Therefore, the same effect as that of the first semiconductor layer can be obtained, and the surface portion of the portion in the outer tube of the high voltage cable can prevent the contamination due to the PM and the formation of the conductive path due to the contamination.
あるいは、上記の第1半導体層を設けると共に、前記第1電極に接続した高電圧ケーブルの前記外筒内の部位の表面に第2半導体層を設け、少なくともコロナ放電時に該第2半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にするように構成される。この構成によれば、第1半導体層と第2半導体層とにより、第1電極の周辺部の外筒の内面部分と外筒内における高電圧ケーブルの表面部分の両方の部分において、PMの付着による汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止できる。 Alternatively, the first semiconductor layer is provided, and a second semiconductor layer is provided on the surface of the portion in the outer tube of the high-voltage cable connected to the first electrode, and at least the potential of the second semiconductor layer during corona discharge Is configured to have the same polarity as that of the first electrode. According to this configuration, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer allow the PM to adhere to both the inner surface portion of the outer cylinder around the first electrode and the surface portion of the high voltage cable in the outer cylinder. It is possible to prevent the contamination due to and the formation of the conductive path due to the contamination.
そして、上記の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、該ピンの先端部を除いて前記第1電極全体を第3半導体層で被覆し、少なくともコロナ放電時に該第3半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にするように構成する。 In the exhaust gas purifying apparatus, the first electrode is formed by arranging a plurality of pins parallel to the exhaust gas flow direction on a pin holder that extends in a direction perpendicular to the exhaust gas flow direction. And covering the entire first electrode with the third semiconductor layer except for the tip of the pin so that the potential of the third semiconductor layer is at least the same polarity as that of the first electrode during corona discharge. Constitute.
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。その上、第1及び第2半導体層と同様な効果を奏する第3半導体層により、ピンの先端部を除いた第1電極全体において、PMの付着による汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止できる。 According to this configuration, the discharge start portion of the first electrode is formed into a pin shape with a sharp tip, so that dielectric breakdown occurs between the metal honeycomb structure serving as the target electrode due to the concentration of electric lines of force due to an unequal electric field. Since corona discharge easily occurs, a uniform and stable strong electric field and corona discharge can be obtained. In addition, the third semiconductor layer, which has the same effect as the first and second semiconductor layers, prevents contamination due to PM adhesion and the formation of a conductive path due to this contamination in the entire first electrode excluding the tip of the pin. it can.
更に、上記の排気ガス浄化装置において、前記第1〜第3半導体層の少なくとも一つの半導体層の下層に絶縁断熱層を設けて構成すると、この絶縁断熱層により半導体層の保温ができるので、この半導体部分における、エンジン停止後の冷却による排気ガス中の水分の結露の発生を防止でき、この結露による導電路の形成を防止できる。また、この絶縁断熱層の表面の必要な部分だけ半導体化して、半導体層を設けることもできる。 Furthermore, in the above exhaust gas purifying device, when an insulating heat insulating layer is provided under the at least one semiconductor layer of the first to third semiconductor layers, the insulating heat insulating layer can keep the semiconductor layer warm, In the semiconductor portion, it is possible to prevent the occurrence of moisture condensation in the exhaust gas due to cooling after the engine is stopped, and to prevent the formation of a conductive path due to this condensation. Further, only a necessary portion of the surface of the insulating heat insulating layer can be made into a semiconductor to provide a semiconductor layer.
なお、コロナ放電時に、この第1〜第3半導体層を第1電極と同じ電極で略同じ電位にすることは、第1〜第3半導体層の一部をそれぞれ電気的に高電圧ケーブルに接続することで容易に実現できる。また、第1〜第3半導体層を電気的に接続し、第1〜第3半導体層のうちのいずれかの一部を電気的に高電圧ケーブルに接続することでも容易に実現できる。 Note that, during corona discharge, setting the first to third semiconductor layers to substantially the same potential using the same electrode as the first electrode means that each of the first to third semiconductor layers is electrically connected to a high voltage cable. This can be easily realized. It can also be easily realized by electrically connecting the first to third semiconductor layers and electrically connecting any one of the first to third semiconductor layers to a high voltage cable.
上記の構成によれば、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、絶縁体の表面部分における汚れや結露、及び、これらに起因する導電路の形成を防止して絶縁性を確保できるので、適正な電場とコロナ放電を形成できる。 According to the above configuration, particularly when applying the electric dust collection technology to the DPF, since the exhaust gas targeted by the DPF contains a large amount of moisture and PM, ensuring and maintaining insulation against high voltage. Although it is important, this structure can prevent dirt and dew condensation on the surface portion of the insulator and the formation of a conductive path caused by these, so that insulation can be secured, so that an appropriate electric field and corona discharge can be formed. .
本発明の排気ガス浄化装置によれば、コロナ放電により帯電したPMが付着し易い、第1電極の周辺部の外筒の内面や、第1電極に接続した高電圧ケーブルの外筒内の部位の表面や、ピンの先端部を除いた第1電極全体等を、それぞれ、第1半導体層、第2半導体層、第3半導体層で被覆し、少なくともコロナ放電時に、これらの半導体層の電位を第1電極と同じ極性の電位、好ましくは同じ電位にするので、コロナ放電によって帯電したPMは、この反発電極となった半導体層により強く反発され、これらの半導体層には付着しなくなる。従って、これらの部分は、PMの付着よる汚れとこの汚れによる導電路の形成を防止できる。また、この反発電極となる層を半導体で形成することにより、導電体で形成した場合と異なり、漏洩電流・放電・スパーク等を防止できる。 According to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, PM charged by corona discharge is likely to adhere to the inner surface of the outer cylinder in the periphery of the first electrode, or a portion in the outer cylinder of the high voltage cable connected to the first electrode. The entire surface of the first electrode and the entire first electrode excluding the tip of the pin are covered with the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer, respectively, and at least during corona discharge, the potentials of these semiconductor layers are set. Since the potential has the same polarity as that of the first electrode, preferably the same potential, PM charged by corona discharge is strongly repelled by the semiconductor layer that has become the repelling electrode and does not adhere to these semiconductor layers. Therefore, these portions can prevent contamination due to PM adhesion and formation of conductive paths due to the contamination. Further, by forming the layer serving as the repulsive electrode with a semiconductor, unlike the case of forming with a conductor, leakage current, discharge, spark, and the like can be prevented.
従って、この構成によれば、絶縁部の汚れを更に低減する必要がある部分に半導体層を設けて、本格的な反発電極として機能を持たせることにより、PMの付着による汚れ及びこの汚れによる導電路の形成を防止でき、漏電等による電場やコロナ放電の不安定化や集塵効率の低下を防止できる。 Therefore, according to this configuration, by providing a semiconductor layer in a portion where it is necessary to further reduce the contamination of the insulating portion and having a function as a full-fledged repulsive electrode, the contamination due to the adhesion of PM and the conductivity due to this contamination can be achieved. It is possible to prevent the formation of a path, and it is possible to prevent the electric field and corona discharge from being unstable and the dust collection efficiency from being lowered due to electric leakage.
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。 Hereinafter, an exhaust gas purifying apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
As shown in FIG. 1, the exhaust gas purification apparatus 1 includes an
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。
At the time of corona discharge, a DC voltage of several thousand to several tens of thousands of volts is applied to the corona
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。
The
そして、本発明においては、更に、このコロナ放電ピン電極20の周辺部の絶縁断熱筒13の内側、即ち、外筒10の内面を覆って、半導体セラミックや導電体の超薄膜コーティング等で形成される第1半導体層51が設けられる。この第1半導体層51は、絶縁断熱筒13の表面に半導体の筒体を設置するか、絶縁断熱筒13の対象となる表面のみを半導体化処理することにより形成できる。また、この第1半導体層51は、メタルハニカム構造体30とは電気的に絶縁するように、メタルハニカム構造体30との間に隙間Sを有して配置される。
In the present invention, the inner periphery of the insulating
更に、第1半導体層51の一部を高電圧ケーブル22に電気的に接続して、コロナ放電時に第1半導体層51の電位をコロナ放電ピン電極20と同じ極性(この実施の形態ではマイナス)の電位にする。なお、この電位は、帯電したPMの付着を防止するためのものであるので、同じ極性の電位であれば、必ずしも、高電圧ケーブル22と同電位にする必要は無いので、高電圧ケーブル22とは別の電路により少なくともコロナ放電時に第1半導体層51の電位をコロナ放電ピン電極20とアース電位(ゼロ)との間に電位に高めて(絶対値を大きくして)もよい。
Further, a part of the
この構成によれば、第1半導体層51の下層に絶縁断熱筒13が配置されることになり、この絶縁断熱筒13が絶縁断熱層となる。従って、コロナ放電ピン電極20の周辺部では、第1半導体層51、絶縁断熱筒(絶縁断熱層)13、外筒10が配置されることになる。また、メタルハニカム構造体30は、絶縁断熱筒13を介して、外筒10に設置されることになる。そして、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及び第1半導体層51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。
According to this configuration, the insulating
そして、高電圧ケーブル22が、外筒10と絶縁断熱筒13を貫通する絶縁体14内を通して、コロナ放電ピン電極20に接続される。この高電圧ケーブル22は耐熱絶縁被覆体21で絶縁被覆される。
The
この耐熱絶縁被覆体21は高電圧ケーブル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、高電圧ケーブル22が通過する絶縁体14の位置は、高電圧漏洩の主因となる水やSOOTが溜まるのを防止するために、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。
This heat-resistant insulating
そして、本発明においては、この耐熱絶縁被覆体21の表面に半導体セラミックや導電体の超薄膜コーティング等で形成される第2半導体層52が設けられる。即ち、コロナ放電ピン電極(第1電極)20に接続した高電圧ケーブル22の外筒10内の部位の表面に第2半導体層52を設ける。この第2半導体層52は、耐熱絶縁被覆体21の表面に半導体の筒体を設けるか、耐熱絶縁被覆体21の表面を半導体化処理することにより形成できる。更に、第2半導体層52の一部を高電圧ケーブル22に電気的に接続する等して、少なくともコロナ放電時に第2半導体層52の電位をコロナ放電ピン電極20と同じ極性(この実施の形態ではマイナス)の電位、好ましくはコロナ放電ピン電極20と略同じ電位にする。なお、この構成によれば、第2半導体層52の下層に絶縁断熱層となる耐熱絶縁被覆体21が配置されている。
And in this invention, the
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。
In the corona
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の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。
This structure is shown in FIGS. 2 and 3 are perspective views of the corona
そして、本発明によれば、このピン20bは先端の近傍部分を除いて絶縁断熱層20cと半導体セラミックや導電体の超薄膜コーティング等で形成される第3半導体層20dで被覆すると共に、ピン保持体20a,20Aaも同様に、絶縁断熱層20cと第3半導体層20dで被覆する。更に、第3半導体層20dの一部を高電圧ケーブル22に電気的に接続する等して、少なくともコロナ放電時に第3半導体層20dの電位をコロナ放電ピン電極20と同じ極性(この実施の形態ではマイナス)の電位、好ましくはコロナ放電ピン電極20と略同じ電位にする。なお、この構成によれば、第3半導体層20dの下層に絶縁断熱層20cが配置されている。
According to the present invention, the
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を貫通する絶縁体14内を通した高電圧ケーブル22に接続される。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。
The
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。
Since the
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。
In addition, it is important to reduce the flow resistance of the exhaust gas G, that is, the back pressure as much as possible for the parts such as the
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。
In the corona
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の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が付着して汚れることと、この汚れにより導電路が形成されることを防止できる。
Then, as shown in FIG. 5, when it is desired to positively discharge the corona discharge to the upstream side of the corona
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。
The corona
これらの絶縁体の表面に設けた第1半導体層51、第2半導体層52、第3半導体層20dは、第1電極である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)の電位が印加されているので、コロナ放電によって同極性(マイナス)に帯電したPMを強く反発する反発電極(マイナス)として機能するので、PMの付着防止効果が大きく、PMの付着による汚れを防止できる。そのため、これらの表面における絶縁性維持効果が高まる。また、これらの半導体層51,52,20dの下層の絶縁体13,21,20c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。
The
なお、この第1〜第3半導体層51,52,20dをコロナ放電ピン電極20と同じ電極で略同じ電位にすることは、第1〜第3半導体層51,52,20dの一部をそれぞれ電気的に高電圧ケーブル22に接続することや、あるいは、第1〜第3半導体層51,52,20dを電気的に接続した上で、第1〜第3半導体層51,52,20dのうちのいずれかの一部を電気的に高電圧ケーブル22に接続することでも容易に実現できる。
Note that setting the first to third semiconductor layers 51, 52, and 20d to substantially the same potential by using the same electrode as the corona
これらの絶縁体13,21,20cによって絶縁性を維持する構成とその表面の半導体層51,52,20dによりPMによる汚れを防止する構成とにより、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。
In the electric dust collection technology, the insulating structure is maintained by these
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。
The
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。
Further, the
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。
The
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。
The insulating
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。
The
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。
An engine speed Ne indicating the detected value Tg of the exhaust
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。 Next, PM collection in the exhaust gas purification apparatus 1 having the above-described configuration will be described.
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。
When the engine is started and the exhaust gas G flows into the exhaust gas purification device 1 or before that, the high-voltage power
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。
Exhaust gas G discharged from the engine (internal combustion engine) enters the
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。
In this exhaust gas purification, the corona discharge is optimally controlled. In other words, discharge becomes easier when the exhaust gas G becomes high temperature, but abnormal discharge such as spark is also likely to occur. If this abnormal discharge continues, the dust collection rate decreases, and devices such as the high-
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。
More specifically, what determines the state of the corona discharge is the applied voltage, the current, the distance L between the corona
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。
Specifically, the high-
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。 With this control, the applied voltage and the interelectrode distance L between the first electrode (corona discharge pin electrode) 20 and the second electrode (metal honeycomb structure) 30 can be changed according to the operating state of the engine. The PM collection can be optimized in accordance with various states of the exhaust gas G such as changing PM concentration and flow velocity.
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。
For example, exhaust gas such as idling or low-load low-rotation operation continues when the engine is operating at a low temperature, and the PM collected and deposited on the
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。
Therefore, before this re-scattering occurs, current is passed through the
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。
The heating timing of the
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。
In particular, according to this configuration, the
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。
When the DPF is regenerated, the
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。 In addition, the ignition of the PM accumulated on the upstream side spreads to the downstream side, and the PM is burned and removed at a high temperature and in a short time by a single combustion, so that the PM can be reliably burned and the regeneration time is shortened.
上記の構成の排気ガス浄化装置1によれば、コロナ放電により帯電したPMが付着し易い、コロナ放電ピン電極20の周辺部の外筒10の内面や、コロナ放電ピン電極(第1電極)20に接続した高電圧ケーブル22の外筒10内の部位の表面や、ピン20bの先端部を除いたコロナ放電ピン電極20全体等を、それぞれ、第1半導体層51、第2半導体層52、第3半導体層20dで被覆し、これらの半導体層51,52,20dの電位をコロナ放電ピン電極20と同じ極性の電位、好ましくは、コロナ放電ピン電極20と略同じ電位にするので、コロナ放電によって帯電したPMは、コロナ放電ピン電極20と同じ極性の電位の半導体層51,52,20dにより強く反発され、これらの半導体層51,52,20dには付着しなくなる。従って、これらの部分は、PMの付着よる汚れを防止できる。また、半導体で形成しているので、導電体と異なり、漏洩電流・放電・スパーク等の心配が不要となる。
According to the exhaust gas purification apparatus 1 having the above-described configuration, the PM charged by corona discharge easily adheres to the inner surface of the
従って、この構成によれば、絶縁部の汚れを更に低減する必要がある部分に半導体層51,52,20dを設けて、本格的な反発極とすることにより、外筒10の内面、高電圧ケーブル22の被覆、コロナ放電ピン電極20の被覆等の汚れを防止でき、この汚れに起因する漏電等によるコロナ放電の不安定化や集塵効率の低下を防止できる。
Therefore, according to this configuration, by providing the semiconductor layers 51, 52, and 20d in the portions where it is necessary to further reduce the contamination of the insulating portion to provide a full-scale repulsive pole, Contamination of the
1 排気ガス浄化装置
10 外筒
13 絶縁断熱筒(絶縁断熱層)
20 コロナ放電ピン電極(第1電極)
20a,20Aa ピン保持体
20b,20Ab ピン
20c,20Ac 絶縁断熱層
20d,20Ad 第3半導体層
21 耐熱絶縁被覆体(絶縁断熱層)
22 高電圧ケーブル
30 メタルハニカム構造体(第2電極)
51 第1半導体層
52 第2半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exhaust
20 Corona discharge pin electrode (first electrode)
20a,
22
51
Claims (5)
前記第2電極をメタルハニカム構造体で形成すると共に、前記第1電極の周辺部の前記外筒の内面を覆う第1半導体層を、前記メタルハニカム構造体とは電気的に絶縁して設け、少なくともコロナ放電時に該第1半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にすることを特徴とする排気ガス浄化装置。 A first electrode and a second electrode are arranged in order from the upstream side in an outer cylinder through which exhaust gas of an internal combustion engine passes, and a high voltage is applied to the first electrode to generate corona discharge. In the exhaust gas purification apparatus that charges the component to be treated in the gas and collects it by the second electrode,
The second electrode is formed of a metal honeycomb structure, and a first semiconductor layer that covers the inner surface of the outer cylinder at the periphery of the first electrode is provided to be electrically insulated from the metal honeycomb structure, An exhaust gas purifying apparatus, wherein the potential of the first semiconductor layer is set to a potential having the same polarity as that of the first electrode at least during corona discharge.
前記第2電極をメタルハニカム構造体で形成すると共に、前記第1電極に接続した高電圧ケーブルの前記外筒内の部位の表面に第2半導体層を設け、少なくともコロナ放電時に該第2半導体層の電位を前記第1電極と同じ極性の電位にすることを特徴とする排気ガス浄化装置。 A first electrode and a second electrode are arranged in order from the upstream side in an outer cylinder through which exhaust gas of an internal combustion engine passes, and a high voltage is applied to the first electrode to generate corona discharge. In the exhaust gas purification apparatus that charges the component to be treated in the gas and collects it by the second electrode,
The second electrode is formed of a metal honeycomb structure, and a second semiconductor layer is provided on the surface of the portion in the outer cylinder of the high voltage cable connected to the first electrode, and at least during the corona discharge, the second semiconductor layer The exhaust gas purifying apparatus is characterized in that the potential of the exhaust gas is set to the same polarity as that of the first electrode.
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