JP2006112393A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガソリン直接噴射エンジンが排出する微小な排気微粒子（ＰＭ）の浄化装置を簡易に構成し効率よい凝集を行う。
【解決手段】 エンジンの排気部に、高電圧電源４に接続される放電電極３をハウジング１部に具備しその下流の同ハウジング１部に導電性網２を具備している凝集器を配設し、同凝集器により排気微粒子を帯電させ、同排気部に配設されたコージェライトハニカムにより帯電した排気微粒子を凝集し捕集することを特徴とする。このため、排気圧損が少なく、低価格で、特に、健康に影響のある１０ナノレベルの微小な排気微粒子を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる排気微粒子（ＰＭ）を帯電させて凝集し、捕集する内燃機関用、特にガソリン直接噴射式エンジンの排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気に含まれる微粒子の処理が大きな課題となっている。従来は、特にディーゼルエンジンから排出される排気微粒子（ＰＭ）の処理技術が中心に開発されており、ガソリンエンジン、特に直接噴射式のガソリンエンジンを対象としたものは開発されていないのが実情である。しかし、直接噴射式のガソリンエンジンでは、後述するように、人体に影響があるサイズ（例えば、１０nｍレベル）の微粒子が単位容積当たりではディーゼルエンジンと遜色のない量が排出されている。今後、直接噴射式のガソリンエンジンが排出するこの種の微粒子への対策がきわめて重要となる。従来技術としては、特許文献１があり、排気管内に丸棒電極を配備して放電極とし、排気管周囲部分及びメタルハニカムを集電極として、放電極と集電極の間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより、ディーゼルエンジンから排出される排気微粒子（ＰＭ）に負イオンを帯電させ、帯電した排気微粒子（ＰＭ）をクーロン力により集電極である排気管周囲或いはメタルハニカムへと誘引する技術が提示されている。

しかしながら、上記技術を初めとする従来のエンジン用の排気浄化技術は、ディーゼルエンジンから排出される排気微粒子（ＰＭ）を対象としたものがほとんどであり、直接噴射式のガソリンエンジンから排出される排気微粒子（ＰＭ）の排気浄化装置にそのまま適用することは種々の困難が伴う。例えば、ガソリンエンジンでは排気ガス温度が高いため、排気ガスの容積がディーゼルエンジンの場合の約２倍になり、ウォールスルーのＤＰＦ（ディーゼルパテイキュレートフィルター）などでは排気圧損が上がり出力が低下してしまう欠点がある、また、上記先行技術に提案されているメタルハニカムは高価格であるという欠点がある。

特開２００２―１４７２１８号公報

図４は、エンジン種類別の排気微粒子（ＰＭ）数を比較したイメージ図である。図から明らかなように、デイ―ゼルエンジン、ガソリン直接噴射エンジン、ガソリンポート噴射エンジンの何れも総排気微粒子（ＰＭ）数のうち１００nｍサイズの排気微粒子（ＰＭ）数のウエイトが圧倒的に高い。排気微粒子（ＰＭ）総数では、ガソリン直接噴射エンジンはデイ―ゼルエンジンに比較して少ないが、１０nｍサイズのものではガソリン直接噴射エンジンもデイ―ゼルエンジンと遜色のない量を排出しているのがわかる。一方、図７は、排気微粒子（ＰＭ）の粒径差による人体への影響度をイメージ的に表している。１０００nｍサイズでは排気微粒子（ＰＭ）は鼻、のど、気管支で捕集され肺まで届くことはない。しかし、１０nｍサイズのものは確実に肺の深部に到達して肺で吸着され残留してしまう。従って、１０nｍサイズのものをミクロンサイズの大きさにまで凝集してやることが必要である。このため、ガソリン直接噴射エンジンがデイ―ゼルエンジンと遜色のないレベルで排出している１０nｍサイズの排気微粒子（ＰＭ）の処理が今後の大きな課題となる。

本発明は、従来技術にはない直接噴射式のガソリンエンジンを対象とした排気浄化装置を新しく提案しようとするものであり、排気浄化装置としての基本である、１）排気圧損が大きくないこと、２）高価格でないこと、特に、３）健康に影響のある１０ナノレベルの微小な排気微粒子（ＰＭ）を凝集しミクロン以上にすることを基本課題として、簡便な構成にするとともに小型で高性能な直接噴射式のガソリンエンジン用排気浄化装置を実現することにある。

請求項１の排気浄化装置は、エンジンの排気部で、排気微粒子を帯電し帯電した排気微粒子を凝集させて捕集するエンジン用の排気浄化装置において、エンジンの排気部に配設された帯電手段により排気微粒子（ＰＭ）を帯電させ、その下流の同排気部に配設されたコージェライトハニカムにより、帯電した排気微粒子（ＰＭ）を、凝集し捕集することを特徴とする排気浄化装置である。

上記排気浄化装置においては、エンジンの排気部に配設された帯電手段により排気微粒子（ＰＭ）を帯電させ、帯電した排気微粒子（ＰＭ）を安価なコージェライトハニカムを用いて凝集、捕集させるものであるから、排気圧損が少なく、低価格で、特に、健康に影響のあるナノレベルの微小な排気微粒子（ＰＭ）を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。

このように、上記構成によれば、装置を大型化することなく、簡易な構成で効率よく排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集することができるので、車載が容易で実用的なエンジン用排気浄化装置を実現することができる。

請求項２の発明のように、好ましくは、上記帯電手段は、コロナ放電を利用するものである。

排気浄化装置における帯電手段としてコロナ放電を用いることは、デイ―ゼルエンジンの排気浄化装置において従来から広く用いられており、このように構成することにより、コロナ放電の発生を適切に制御管理できるのでイオンを確実に発生させることができ、排気微粒子の十分な帯電により効果的に排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集することができる。

請求項３のように、具体的には、上記帯電手段は、高電圧電源に接続される放電電極を凝集器ハウジング部に具備し、その下流の同ハウジング部に導電性網を具備している凝集器からなるものである。

このように構成しているので、導電性網を電気的に接地し、放電電極を負極とし、直流高電圧を印加することにより放電電極にコロナ放電を発生させ、排気微粒子（ＰＭ）を帯電させることにより、排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集する。特に、排気管内等に比べて比較的広く構成されている凝集器のハウジング部に放電電極を接地したことにより、安定したコロナ放電を得ることができるとともにイオンを広範囲で発生させることができ、またハウジング内では排気管から流入した排気ガスの流速が低下するため排気微粒子（ＰＭ）に十分に帯電させることができる。さらに、帯電手段である凝集器の中でも帯電した排気微粒子（ＰＭ）を導電性網部分で凝集し捕集する機能を有しており、導電性網を通過して下流に向かった帯電した排気微粒子（ＰＭ）を下流側に配備されているコージェライトハニカムで凝集し捕集するという高性能のエンジン用排気浄化装置を実現することができる。

請求項４の排気浄化装置は、エンジンの排気部にコージェライトハニカムを配設し、その下流の同排気部に配設された帯電手段により排気微粒子（ＰＭ）を帯電させ凝集し捕集することを特徴とするエンジン用の排気浄化装置である。

早期に触媒を活性化するために、触媒タイプのコージェライトハニカムをエンジンに近い高温の場所に置く必要がある場合には、このように構成することにより、コージェライトハニカムの下流側に帯電手段を配設することとなる。この場合は、帯電手段の中でのみ帯電した排気微粒子（ＰＭ）を凝集し捕集することとなるが、排気微粒子（ＰＭ）数を十分に減少させることができる。

請求項５の発明のように、具体的には、上記帯電手段は、高電圧電源に接続される放電電極を凝集器ハウジング部に具備し、その下流の同ハウジング部に導電性網を具備している凝集器からなるものである。

このように構成しているので、導電性網を電気的に接地し、放電電極を負極とし、直流高電圧を印加することにより放電電極にコロナ放電を発生させ、排気微粒子（ＰＭ）を帯電させることにより、排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集する。特に、排気管内等に比べて比較的広く構成されている凝集器のハウジング部に放電電極を接地したことにより、安定したコロナ放電を得ることができるとともにイオンを広範囲で発生させることができ、またハウジング内では排気管から流入した排気ガスの流速が低下するため排気微粒子（ＰＭ）に十分に帯電させることができる。さらに、凝集器はコージェライトハニカムの下流側に配設されているが、帯電した排気微粒子（ＰＭ）を導電性網部分で十分に凝集し捕集する機能を有している。

請求項６の発明のように、凝集し捕集して排出する排気微粒子の粒径が、ミクロンオーダー以上であることを特徴とする。

このように構成することにより、特に、健康に影響のある１０nｍサイズの微小な排気微粒子（ＰＭ）を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。

請求項７の発明のように、上記排気浄化装置をガソリン直接噴射式エンジンの排気の浄化に用いることを特徴とする。

このように構成することにより、ガソリン直接噴射エンジンが排出する１０nｍサイズの排気微粒子（ＰＭ））を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。

このように、上記構成によれば、エンジンの排気部に配設された帯電手段により排気微粒子（ＰＭ）を帯電させ、帯電した排気微粒子（ＰＭ）を安価なコージェライトハニカム或いは帯電手段即ち凝集器における導電性網を用いて凝集、捕集させるものであるから、排気圧損が少なく、低価格で、特に、健康に影響のある１０ナノレベルの微小な排気微粒子（ＰＭ）を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。また、上記構成によれば、装置を大型化することなく、簡易な構成で効率よく排気微粒子（ＰＭ）を凝集することができるので、車載が容易で実用的な直接噴射式のガソリンエンジン用排気浄化装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１、２は、エンジン系統の全体構成を示すもので、エンジンからの排気管の途中に、本発明の排気浄化装置を接続しているものである。図１は帯電手段である凝集器の下流側にコージェライトハニカムである触媒ハニカムを配設したものであり、図２は同触媒ハニカムをエンジン側に配設し、その下流側に凝集器を配設したものである。

図３は、図１、２に示される帯電手段である凝集器を拡大して示したものである。１は凝集器のハウジングであって、ステンレス（SUS）で作成されており、図示されていないが、左端部は排気管を経由してエンジンに接続され、図面左方向から高温排気ガスが流入する。ハウジング１の上方の壁部分には、放電電極３が既存の適切な固定手段により固定されている。放電電極３は、ハウジング１内部において、碍子３aから垂下し図面上右方への屈曲部分を有するＬ状の放電取付け部３ｂを備えている。放電取付け部３ｂは、図示されていないが、例えば、その中心部から凝集器の横断面半径方向に突出形成され、円周方向に等間隔に配置されている複数の放電先端部３ｃから構成され、具体的には、星型状をなしている。このように、鋭角の先端部を多数有する形状とすることで、放電率を高めるとともに、凝集器内の横断面方向に均等にコロナ放電を発生させて、凝集効果を高めることができる。なお、放電先端部３ｃは、説明した星型に限らず、複数の突起が放射状に位置する形状であればよい。突起の数や形状も、必要に応じて適宜設定変更することができる。また、ハウジング１の円筒部分内部下流（右方）の位置にステンレス(SUS)からなる導電性網２が配設され、ハウジング１は中央円筒部分の左右にテーパー状のコーン部３を形成している。放電電極４は直流高電圧電源に接続されており、ハウジング１及び導電性網２は電気的に接地されている。本発明では、放電電極４を負極とし、直流高電圧を印加することにより、コロナ放電を発生させる構成となっている。

放電電極３に、高電圧電源４から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、放電先端部３ｃ近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される。これにより、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化し、付近の排気微粒子（ＰＭ）に付着してこれを負に帯電させる。放電部３ｂを上記のような星型に構成したので、凝縮器の横断面半径方向にイオンを広範囲で均等に発生させ、具体的には、凝縮器の横断面半径方向にカーテン状に発生させることとなり、排気微粒子（ＰＭ）を十分に帯電にさせることを可能にする。帯電した排気微粒子（ＰＭ）は、クーロン力によって移動し、接地電極となるハウジング１内周壁或いは導電性網２で凝集して粗大化すると共に電子を放出して導電性網２で捕集され或いは通過していく。
ここで、クーロン力Ｆは次のように表される。
Ｆ＝ｑ・Ｅ
（ｑ：電荷量、Ｅ：電界強度）

図１に示される本発明の実施形態においては、帯電手段である凝集器の中で帯電した排気微粒子（ＰＭ）を導電性網２部分で第一段階の凝集、捕集を行い、導電性網を通過して下流に向かう帯電した排気微粒子（ＰＭ）を凝集器の下流側に配備されているコージェライトハニカムでさらに凝集し捕集するという高性能の直接噴射式のガソリンエンジン用排気浄化装置を実現することができる。図５は、この場合の排気微粒子（ＰＭ）数の低減特性を示すイメージ図であり、各サイズ共に、凝集器を使用しない場合に比べて凝集器を使用した場合の排気微粒子（ＰＭ）数の低減が顕著であることが解る。

また、図２に示される本発明の実施形態においては、排気ガスはまず触媒ハニカムで化学的な処理を経た後、凝集器において排気微粒子（ＰＭ）はコロナ放電により帯電し、クーロン力によって移動し、接地電極となるハウジング１内周壁或いは導電性網２で凝集して粗大化すると共に電子を放出して導電性網２で捕集され或いは通過していく。図６は、この場合の排気微粒子（ＰＭ）の重量低減特性を示すイメージ図であり、「エンジン出」はエンジンから排出された直後の排気ガスの状況、「ハニカム後凝集器oｆf」は触媒ハニカム通過後で凝集器に入る前の排気ガスの状況、「ハニカム後凝集器oｎ」は触媒ハニカム通過後かつ凝集器通過後の排気ガスの状況を表している。図６から明らかなように、ハニカムの下流に凝集器を配設した場合も排気微粒子（ＰＭ）の重量低減が顕著であることが解る。

このように、上記構成によれば、エンジンの排気部に配設された帯電手段により排気微粒子（ＰＭ）を帯電させ、帯電した排気微粒子を安価なコージェライトハニカム或いは凝集器における導電性網を用いて凝集、捕集させるものであるから、排気圧損が少なく、低価格で、特に、健康に影響のある１０ナノレベルの微小な排気微粒子（ＰＭ）を凝集しミクロン以上にすることができるという効果を有するものである。

さらに、上記の構成であるから、本発明の排気浄化装置においては、放電電極が、排気管等ではなく凝集器のハウジング１の上方壁部分に一体的に構成されるため、装置全体がコンパクトになり車両搭載に際してのスペースメリットが大きい。また、一般に、排気微粒子（ＰＭ）の帯電量は移動距離と共に減衰していくことが実証されており、排気微粒子（ＰＭ）が凝集器中央付近という導電性網２に比較的近い位置で帯電させられるので、帯電してから導電性網２までの到達距離が短くなり、帯電量の低下を極力抑えることができる。特に、排気管内等に比べて比較的広く構成されている凝集器のハウジング部に放電電極を接地したことにより、安定したコロナ放電を得ることができるとともにイオンを広範囲で発生させることができ、またハウジング内では排気管から流入した排気ガスの流速が低下するため排気微粒子に十分に帯電させることができ、極めて効果的な排気微粒子（ＰＭ）の凝集、捕集を行なうことができる。

このように、上記構成によれば、装置を大型化することなく、簡易な構成で効率よく排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集することができるので、車載が容易で実用的な直接噴射式のガソリンエンジン用排気浄化装置を実現することができる。

本発明の実施の形態における排気浄化装置を組み込んだエンジン系統の概略システム構成図である。 本発明の他の実施の形態における排気浄化装置を組み込んだエンジン系統の概略システム構成図である。 本発明の実施の形態におけるエンジン用の排気浄化装置の凝集器の側面図である。 本発明の実施の形態におけるエンジン種類別に排気微粒子（ＰＭ）数を比較したイメージ図である。 本発明の実施の形態における凝集器使用前、使用後の排気微粒子（ＰＭ）数の低減特性のイメージ図である。 本発明の他の実施の形態における凝集器使用前、使用後の排気微粒子（ＰＭ）重量の低減特性のイメージ図である。 排気微粒子（ＰＭ）の粒径別の呼吸器への影響度に関するイメージ図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 導電性網
３ 放電電極
３ａ 碍子
３ｂ 放電部取付け部材
３ｃ 放電先端部
４ 高電圧電源

Claims (7)

1. エンジンの排気部で、排気微粒子を帯電し帯電した排気微粒子を凝集させて捕集するエンジン用の排気浄化装置において、エンジンの排気部に配設された帯電手段により排気微粒子を帯電させ、その下流の同排気部に配設されたコージェライトハニカムにより、帯電した排気微粒子を凝集し捕集することを特徴とする排気浄化装置。
2. 上記帯電手段は、コロナ放電を利用するものである請求項１記載の排気浄化装置。
3. 上記帯電手段は、高電圧電源に接続される放電電極をハウジング部に具備し、その下流の同ハウジング部に導電性網を具備している凝集器である請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. エンジンの排気部で、排気微粒子を帯電し帯電した排気微粒子を凝集させて捕集するエンジン用の排気浄化装置において、エンジンの排気部にコージェライトハニカムを配設し、その下流の同排気部に配設された帯電手段により排気微粒子を帯電させ凝集し捕集することを特徴とする排気浄化装置。
5. 上記帯電手段は、高電圧電源に接続される放電電極をハウジング部に具備し、その下流の同ハウジング部に導電性網を具備している凝集器である請求項４記載の排気浄化装置。
6. 凝集し捕集して排出する排気微粒子の粒径が、ミクロンオーダー以上であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の排気浄化装置。
7. 上記排気浄化装置をガソリン直接噴射式エンジンの排気の浄化に用いることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の排気浄化装置。

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