JP2006026483A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電圧の作用により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、ＰＭの堆積に起因する漏電を抑制する。
【解決手段】 プラグ電極３１を被覆する絶縁碍子３２に、絶縁碍子３２と露出部３１ｂとの境界部を囲む凹部３２ａを設ける。露出部３１ｂの表面からの電流が境界部３１ａを経由せずに口縁部３２ｂあるいは凹部３２ａ上の他の点に向けて放電（空中放電）され、これによって、凹部３２ａの表面に付着したＰＭを焼却ないし酸化させるのに十分な熱量が生じ、ＰＭが除去され、絶縁碍子３２の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、排ガス浄化装置、特にディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の排気系に設けられ、排ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）を捕捉する排ガス浄化装置に関する。

排ガス中のＰＭを除去するための技術として、多孔質のハニカム構造体を用いたＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＤＰＦは、例えばハニカム構造体の上流側の端面から下流側の端面まで貫通した複数のセルのうち、一部のセルを上流側の端部で栓詰し、これに隣接する他のセルを下流側の端部で栓詰してなり、上流側の開口したセルから流入した排ガスは、多孔質の隔壁を通って濾過され、下流側の開口したセルから排出されて、その際に排ガス中のＰＭが隔壁に捕集される。

他方、上流端および下流端で開口した筒状の外周電極と、この外周電極に挿通された棒状の放電電極とを備えた装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、放電電極によって帯電させられた排ガス中のＰＭが、その電荷と両電極間の電界との相互作用によって、外周電極に吸着される。吸着されたＰＭの一部は燃焼して焼却され、また両電極間の高電圧の印加によりプラズマ状態が生じ、ＮＯｘなどの物質の分解が促進される。
特公平６−２９５４５号公報 特開２００４−１９５３４号公報

ところで、この種の装置では、長期間の使用を経ることで浄化性能が低下する場合がある。これにつき発明者らは鋭意研究の結果、この浄化性能の低下は、炭素を主要素とし導電性を有するＰＭが、使用中に絶縁部材の表面に堆積することによって漏電を生じさせ、極間電圧を制限しているのが原因になっていることを知見した。

本発明はかかる新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、高電圧の作用により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、ＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、絶縁部材の表面の近傍における放電を促進する手段を設けることによって、当該表面に付着したＰＭの焼却ないし酸化を促進し、ＰＭに起因する漏電を抑制するものである。

第１の本発明は、放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記放電電極または該放電電極に給電するための導電部材は、絶縁部材によって被覆された被覆部と、前記絶縁部材によって被覆されていない露出部と、を有し、前記絶縁部材は、前記絶縁部材と前記露出部との境界部を囲む凹部を有することを特徴とする排ガス浄化装置である。

第１の本発明では、放電電極または放電電極に給電するための導電部材の露出部と、絶縁部材の凹部の内面との間の放電によって、凹部の内面に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。したがって、絶縁部材の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

第２の本発明は、放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記放電電極は、受電極に囲まれる空間内に配置された大径部と、前記大径部よりも前記放電電極に給電するための導電部材に近い側に設けられた小径部とを備え、前記導電部材の少なくとも一部が絶縁部材によって被覆されており、前記導電部材が前記小径部に接続されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第２の本発明では、放電電極の小径部と、絶縁部材との間の放電によって、絶縁部材の表面に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。したがって、絶縁部材の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

第３の本発明は、放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、前記放電電極または該放電電極に給電するための導電部材は、絶縁部材によって被覆された被覆部と、前記絶縁部材によって被覆されていない露出部と、を有し、前記絶縁部材は前記放電電極および前記受電極を収容する浄化容器に固定されており、且つ前記絶縁部材はその表面に凹凸を有することを特徴とする排ガス浄化装置である。

第３の本発明では、絶縁部材の凹凸における複数の凸部の間の放電によって、絶縁部材の表面に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。したがって、絶縁部材の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

第４の本発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、前記排ガスの流路中にハニカム構造体が配置され、当該ハニカム構造体の外周面に前記受電極が配置されていることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第４の本発明では、ハニカム構造体によってＰＭの捕捉を促進することができる。

以下、本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１において、本発明の第１実施形態に係る排ガス浄化装置１は、不図示のエンジン（ディーゼルまたはリーンバーンガソリンエンジン等）の排気系に設けられる。排ガス浄化装置１は、ほぼ円筒形の金属製の外筒部２を備え、また、外筒部２の内側に支持されたハニカム構造体１０を有している。ハニカム構造体１０の外周面には、外周電極１５が形成されている。外周電極１５とケース２との間は、図示しないアルミナマットなどにより密封されている。

図２に示されるように、ハニカム構造体１０は、多孔質の隔壁１１により仕切られた多数のセルすなわち排ガス通路１２を備えており、排ガス通路１２はいずれも排ガスの流入方向（図中Ａ方向）に平行である。排ガス通路１２の上流側の一部の開口部、および上流側の開口部が開放されている排ガス通路１２の下流側の開口部が、詰栓１３によって閉塞されている。なお、本実施形態では各セルを交互に閉塞して、排ガスが隔壁１１を通過する際に濾過される所謂ウォールフロー型ないし濾過型のハニカム構造体１０を採用したが、各セルを閉塞しない所謂ストレートフロー型のハニカム構造体を採用してもよい。

ハニカム構造体１０は多孔質のセラミックス材料からなり、具体的にはコーディエライトやＳｉＣ（炭化珪素）等を用いるのが好適である。ハニカム構造体１０の隔壁１１には、触媒物質として、例えばＬｉ＝３mol／Ｌ、Ｐｔ＝５ｇ／Ｌ、コート材をＡｌ_２Ｏ_３とするＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ；ＮＯｘ Storage Reduction catalysis）がコーティングされている。

ハニカム構造体１０を貫いて、放電電極２０が設置されている。放電電極２０は、耐腐食性に優れたクロム鋼（例えば、１０Ｃｒ５Ａｌ）で形成できるが、それにのみ限定されるものではなく、タングステンのプレス焼成品など、他の放電特性が良好であって耐腐食性を有する金属その他の導電体を用いることができる。

放電電極２０に給電するための給電プラグ３０は、図３に示されるとおり、導電部材としての断面略円形のプラグ電極３１、絶縁部材としての絶縁碍子３２、および導電性の固定具であるシェル３３を含んで構成されている。給電プラグ３０は、シェル３３に形成されたネジ部３３ａによって、外筒部２に取り外し可能に固定される。プラグ電極３１の上端部にはターミナルナット３４が固定されている。プラグ電極３１の下端部は、放電電極２０に固定または摺接により電気的に接続されている。

プラグ電極３１は、絶縁碍子３２に被覆されている被覆部３１ａと、絶縁碍子３２によって被覆されていない露出部３１ｂとを有する。そして絶縁碍子３２は、絶縁碍子３２と露出部３１ｂとの境界部を囲む凹部３２ａを有する。凹部３２ａは概ね円錐形であり、その口縁部３２ｂは放電を促進するために鋭く形成されている。なお、絶縁碍子３２の表面には、ＰＭの付着を抑制するためにガラス材などによりコーティングを施してもよい。

外周電極１５および外筒部２は、電気的に接地されている。他方、給電プラグ３０および放電電極２０は、図示しない高圧電源装置の正極に接続されている。なお、この高圧電源装置の出力は直流、直流パルス、交流、または直流と直流パルスとの重畳とするのが好適であり、またその電圧は５ｋＶ以上、例えば１５〜３０ｋＶ程度が好適である。

以上のとおり構成された第１実施形態では、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って図中白抜き矢印方向に排ガス浄化装置１に導かれると、排ガスはハニカム構造体１０の上流端開口の排ガス通路１２からハニカム構造体１０内に侵入すると共に、多孔質の隔壁１１を通過して、下流端開口の排ガス通路１２から下流側に排出される。この過程で、ＰＭは隔壁１１によって濾過される。

他方、エンジンの始動と同時に高圧電源装置がオンされ、放電電極２０と外周電極１５との間に高電圧が印加されると、排ガス中のＰＭが放電電極２０からの放電によって正極に帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力により負極となる外周電極１５に向けて吸引され、隔壁１１の気孔内に吸着されることになる。吸着されたＰＭは、排ガスの供給および通電に伴って発生する活性ガスにより、その燃焼ないし酸化が促進されることになる。

ここで、本実施形態では、放電電極２０に給電するための導電部材であるプラグ電極３１の露出部３１ｂと、絶縁碍子３２の凹部３２ａの内面との間の空中放電によって、凹部３２ａの内面に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。

すなわち、図１０に示される比較例のように、凹部３２ａを設けずに露出部３１ｂが絶縁碍子３２の平坦な端面３２ｃから外部に垂直に突出する構造では、露出部３１ｂの表面からの電流が境界部３１ａから絶縁碍子３２の平坦な端面３２ｃに沿って流れてしまい、端面３２ｃに付着したＰＭを焼却するほどの熱量が生じないと考えられる。これに対し、本実施形態では、図４に示されるように凹部３２ａを設け、プラグ電極３１の露出部３１ｂの表面上の点と凹部３２ａ上の点とが境界部３１ａを挟む角度が鋭角をなすようにし、且つ凹部３２ａの口縁部３２ｂを放電促進のために鋭く（すなわち、肩部のフィレットの曲率を大きく）形成したので、露出部３１ｂの表面からの電流が境界部３１ａを経由せずに口縁部３２ｂあるいは凹部３２ａ上の他の点に向けて放電（空中放電）され、これによって、凹部３２ａの表面に付着したＰＭを焼却ないし酸化させるのに十分な熱量が生じ、ＰＭが除去される。したがって本実施形態では、このような絶縁碍子３２の自己清浄作用によって、絶縁碍子３２の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

なお、凹部３２ａの寸法および形状は、装置の通常の運転時に露出部３１ｂと凹部３２ａとの間における空中放電が適切な頻度で発生するように設定する。特に凹部３２ａの深さは、そのような空中放電が発生した場合に凹部３２ａの底部までに亘りＰＭの良好な焼き払い作用が行われるような深さに設定するのが好適である。

また、絶縁碍子３２に形成する凹部の形状には、様々な変形を行うことができる。例えば、図５および図６に示される凹部３２ｄのように、凹部の形状は概ね円柱形としてもよい。また、給電プラグ自体の形状にも適宜の変更を加えることができ、例えば図７に示されるように、絶縁碍子３２の下端部を排ガス流における下流側に向けて屈曲させると共に、絶縁碍子３２の内部でプラグ電極３１と放電電極２０とを結合し、絶縁碍子３２と放電電極２０との境界部を囲むように凹部３２ｄを設けてもよい。また、凹部の表面には例えば螺旋状や軸方向のスプライン歯状などの凹凸をつけてもよく、これによってプラグ電極３１または放電電極２０と凹部との間の空中放電を促進することが期待できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８において、本発明の第２実施形態に係る排ガス浄化装置１０１は、放電電極１２０および給電プラグ１３０の構造において上記第１実施形態と異なる。

放電電極１２０は、受電極である外周電極１５に囲まれる空間内に配置された大径部１２０ａと、大径部１２０ａに対して上流側に設けられた小径部１２０ｂとを備えている。また、放電電極１２０に給電するための導電部材であるプラグ電極１３１の下端部を含む外筒部２内の部分全体が、絶縁部材としての絶縁碍子１３２によって被覆されている。そして、プラグ電極１３１の下端部が、小径部１２０ｂに接続されている。なお、第２実施形態の残余の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

以上のとおり構成された第２実施形態では、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って図中白抜き矢印方向に排ガス浄化装置１０１に導かれると、排ガスはハニカム構造体１０の上流端開口の排ガス通路１２からハニカム構造体１０内に侵入すると共に、多孔質の隔壁１１を通過して、下流端開口の排ガス通路１２から下流側に排出される。この過程で、ＰＭは隔壁１１によって濾過される。

他方、エンジンの始動と同時に高圧電源装置がオンされ、放電電極１２０と外周電極１５との間に高電圧が印加されると、排ガス中のＰＭが放電電極１２０からの放電によって正極に帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力により外周電極１５に向けて吸引され、隔壁１１の気孔内に吸着されることになる。吸着されたＰＭは、排ガスの供給および通電に伴って発生する活性ガスにより、その燃焼ないし酸化が促進されることになる。

ここで、本実施形態では、放電電極１２０の小径部１２０ｂと、絶縁碍子１３２との間の空中放電によって、絶縁碍子１３２の表面に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。したがって、絶縁碍子１３２の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

また本実施形態では、放電電極１２０の小径部１２０ｂからの空中放電により、ハニカム構造体１０の上流側端面に付着したＰＭの焼却または酸化および除去が促進される。また、放電電極１２０の小径部１２０ｂに比して大径部１２０ａでは放電が起こる可能性が小さいが、外周電極１５内においては放電電極１２０の機能は主として電界の形成によるＰＭの吸着の促進にあるため、大径部１２０ａからの放電が行われなくても不都合はない。

なお、小径部１２０ｂの太さおよび断面形状、絶縁碍子１３２の表面形状、並びに小径部１２０ｂと絶縁碍子１３２との距離・角度その他の相対位置関係は、装置の通常の運転時に小径部１２０ｂと絶縁碍子１３２との間における空中放電が適切な頻度で発生し且つ絶縁碍子１３２の表面におけるＰＭの良好な焼き払い作用が行われるように設定するのが好適である。

また、第２実施形態では、給電プラグ１３０および小径部１２０ｂを外周電極１５に対して上流側に設けたが、このような構成に代えて、給電プラグ１３０および小径部１２０ｂを外周電極１５に対して下流側に設置してもよい。また、第２実施形態では大径部１２０ａおよび小径部１２０ｂをいずれも丸棒状としたが、空中放電を促進するために、小径部の表面に針状の突起や、螺旋状またはネジ山状の突起を形成してもよい。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図９において、本発明の第３実施形態に係る排ガス浄化装置２０１は、給電プラグ２３０の構造において上記第１実施形態と異なる。

放電電極２０に給電するための導電部材であるプラグ電極３１は、絶縁碍子２３２によって被覆されている被覆部３１ａと、絶縁碍子２３２によって被覆されていない露出部３１ｂと、を有し、絶縁碍子はシェル３３を介して、放電電極および外周電極を収容する浄化容器としての外筒体２に固定されている。

そして、絶縁碍子２３２において外筒体２内に露出している部分には、その表面に、複数の凸部２３２ａおよびその間の凹部２３２ｂからなる凹凸が形成されている。この凹凸は、断面が円形である絶縁碍子２３２の半径が、軸方向に行くに従って拡大および縮小を繰り返す形状、すなわち所謂コルゲーションをなしている。各凸部２３２ａの相互の間隔は、装置の通常の運転時に適切な頻度で各凸部２３２ａ間の空中放電が発生するような間隔に設定する。また凹部２３２ｂの深さは、そのような空中放電が生じた場合に凹部２３２ｂの底部までに亘りＰＭの良好な焼き払い作用が行われるような深さに設定するのが好適である。各凸部２３２ａの先端は、空中放電を促進するために鋭く（すなわち、肩部のフィレットの曲率を大きく）形成するのが好適である。なお、第３実施形態における残余の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

以上のとおり構成された第３実施形態では、絶縁碍子２３２の互いに隣接する凸部２３２ａ，２３２ａの間の空中放電によって、絶縁碍子２３２の表面（とくに、前記互いに隣接する凸部２３２ａ，２３２ａに挟まれた凹部２３２ｂ）に付着したＰＭが焼却または酸化され除去される。したがって、絶縁碍子２３２の表面へのＰＭの堆積に起因する漏電を抑制することができる。

なお、第３実施形態では絶縁碍子２３２に形成される凹凸を、断面が円形である絶縁碍子２３２の半径が軸方向に行くに従って拡大および縮小を繰り返す形状、すなわち所謂コルゲーションとしたが、本発明における凹凸としては、そのような形状以外にも、螺旋状・散点状など様々な変形を考えることができる。

また、上記各実施形態では、ハニカム構造体１０の各セルを交互に栓詰して、排ガスが隔壁１１を通過して濾過される所謂ウォールフロー型ないし濾過型の装置としたが、本発明ではハニカム構造体を栓詰せず静電気力によってＰＭを吸着する所謂ストレートフロー型の装置として構成してもよく、いずれによっても、ハニカム構造体によってＰＭの捕捉を促進することができる。また本発明はハニカム構造体を有しない装置にも適用できる。

また、上記各実施形態においては、放電電極２０を正極に、外周電極１５を負極に接続する例につき説明したが、本発明では両者間に所定の高電圧が印加される形態であれば足り、逆の極性であってもよい。また、電圧印加の形態も上述の常時印加に限られず、ＰＭの捕集要求や燃焼処理要求の必要性に応じて所望の時期に行うようにしてもよい。上記各実施形態では放電電極２０を棒状とし、外周電極１５を筒状とした例について説明したが、本発明ではそれ以外の構造の電極、例えばメッシュ状の電極を用いてもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

本発明の第１実施形態に係る排ガス浄化装置を示す概略構成図である。 ハニカム構造体を示す断面図である。 第１実施形態における給電プラグの近傍を示す断面図である。 第１実施形態におけるプラグ電極と絶縁碍子との境界部の近傍を示す端面図である。 第１実施形態の変形例におけるプラグ電極と絶縁碍子との境界部の近傍を示す断面図である。 第１実施形態の別の変形例におけるプラグ電極と絶縁碍子との境界部の近傍を示す断面図である。 第１実施形態のまた別の変形例におけるプラグ電極と絶縁碍子との境界部の近傍を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る排ガス浄化装置を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態における給電プラグの近傍を示す断面図である。 比較例におけるプラグ電極と絶縁碍子との境界部の近傍を示す断面図である。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
１０ ハニカム構造体
１５ 外周電極
２０，１２０ 放電電極
１２０ａ 大径部
１２０ｂ 小径部
３０ 給電プラグ
３１ プラグ電極
３１ａ 被覆部
３１ｂ 露出部
３２，２３２ 絶縁碍子
３２ａ，３２ｄ，２３２ｂ 凹部
２３２ａ 凸部

Claims (4)

1. 放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、
   前記放電電極または該放電電極に給電するための導電部材は、絶縁部材によって被覆された被覆部と、前記絶縁部材によって被覆されていない露出部と、を有し、前記絶縁部材は、前記絶縁部材と前記露出部との境界部を囲む凹部を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、
   前記放電電極は、受電極に囲まれる空間内に配置された大径部と、前記大径部よりも前記放電電極に給電するための導電部材に近い側に設けられた小径部とを備え、前記導電部材の少なくとも一部が絶縁部材によって被覆されており、前記導電部材が前記小径部に接続されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 放電電極と受電極とを備え、前記両電極間に電圧を印加することで前記両電極間に供給された排ガス中の粒子状物質を処理する排ガス浄化装置であって、
   前記放電電極または該放電電極に給電するための導電部材は、絶縁部材によって被覆された被覆部と、前記絶縁部材によって被覆されていない露出部と、を有し、前記絶縁部材は前記放電電極および前記受電極を収容する浄化容器に固定されており、且つ前記絶縁部材はその表面に凹凸を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
   前記排ガスの流路中にハニカム構造体が配置され、当該ハニカム構造体の外周面に前記受電極が配置されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
   

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