JP2006138227A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電圧によって動作する複数の処理部を備えた排ガス浄化装置において、製造コストを抑制し装置の設置スペースの自由度を促進する。
【解決手段】 複数の処理部であるＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ４に給電するための複数の棒状導体２９，３９が、直列に配置されたＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ４の間となる位置から、排ガス浄化装置１の外部に引き出されている。給電経路の引き出し構造の単純化を通じて、製造コストを抑制でき、また、装置からの引き出し構造に係る突出部分を単一にできるため、排ガス浄化装置１の設置スペースの自由度を促進することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを高電圧の印加によって処理する排ガス浄化装置に関する。

車両などの内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、排ガス流路内に配置された棒状の放電電極に高電圧を印加し、通過する排ガスをプラズマ化して浄化するような排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような装置では、通過する排ガス中のＮＯｘなどの物質がＮ_２等に変換されると共に、供給される排ガス中のＰＭ（particulate matter; 粒子状物質）が帯電され、その下流側に設けられアース電位に固定された網状の受電極に吸着される。

特開２００２−２１３２２８号公報

ところで、出願人は、この種の装置における帯電作用と吸着作用とを個別に行う構成を検討している。この装置は、上流側に設置され放電電極とこれを囲む筒状の外周電極とを備えて帯電作用を行うＮＯ_２生成リアクタと、その後段（下流側）に設置され別途の棒状の中心電極とこれを囲む外周電極とを備えて吸着作用を行うＰＭ捕集リアクタとから構成されている。

この構成では、上流側のＮＯ_２生成リアクタと、その下流側のＰＭ捕集リアクタとに個別に給電するので、両リアクタのそれぞれに用途に適した電圧値や波形で給電できるという利点がある。

しかしながら、これらＮＯ_２生成リアクタとＰＭ捕集リアクタとに給電するために、個別のケーブルを設けるのでは、ケーブル引き出し構造を個別に設ける必要があって製造コストが増大する上、装置の設置スペースの自由度が低いという問題点がある。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高電圧によって動作する複数の処理部を備えた排ガス浄化装置において、製造コストを抑制し装置の設置スペースの自由度を促進することにある。

第１の本発明は、高電圧によって動作する複数の処理部を備えた排ガス浄化装置であって、前記複数の処理部が排ガスの流れ方向に沿って直列に配置され、前記複数の処理部に給電するための複数の導電体が、前記排ガスの流れ方向において前記複数の処理部の間となる位置から外部に引き出されてい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、複数の処理部に給電するための複数の導電体が、直列に配置された複数の処理部の間となる位置から外部に引き出されているので、給電経路の引き出し構造の単純化を通じて、製造コストを抑制でき、また装置の設置スペースの自由度を促進することができる。

第２の本発明は、請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、前記複数の導電体への通電を同時に接続し切り離すための単一の受電側コネクタを備えた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、複数の導電体への通電を同時に接続し切り離すための単一の受電側コネクタを備えたので、装置の着脱を容易にすることができる。

第３の本発明は、請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、前記受電側コネクタは、前記複数の処理部を少なくとも部分的に支持する支持体に設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３の本発明では、受電側コネクタを支持体に設置したので、装置に剛性を付与することができる。

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、前記複数の導電体を覆う導電性のシェルを有することを特徴とする排ガス浄化装置である。

第４の本発明によれば、給電経路の引き出し構造からの外部への電磁的影響を抑制できる。

本発明における複数の処理部は、第５の本発明のように、１または２以上のＮＯ_２生成リアクタと、当該１または２以上のＮＯ_２生成リアクタの下流側に配置された１または２以上のＰＭ捕集リアクタとするのが好適である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による排ガス浄化装置の縦断面図を示す概略構成図であり、図２は、図１におけるII−II線についての断面図であり、図３は、図１におけるIII−III線についての断面図である。これらの図面に示される排ガス浄化装置１は、車両に好適に適用されることができるものであり、プラズマリアクタまたはコロナリアクタとして構成されている。この排ガス浄化装置１は、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気系統を構成する排気管に組み込まれる。

排ガス浄化装置１は、上流側ケース２、下流側ケース１２、ＮＯ_２生成リアクタ３、およびＰＭ捕集リアクタ１３を含んでいる。上流側ケース２の内部には、図１において白抜矢印で示される方向に、内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが導入される。そして、リアクタ３，１３の内部で浄化された排ガスは、下流側ケース１２から不図示の排気管を介して外部に排出される。

ケース２，１２は、金属とくにＳＵＳ等の耐熱材料により形成されており、排気管に接続されるための入口または出口を構成する端部２ａ，１２ａと、排気管よりも大径の概ね六角形の断面形状を有する拡径部２ｂ，１２ｂと、端部２ａと拡径部２ｂとの間および端部１２ａと拡径部１２ｂとの間に形成されたコーン部２ｃ，１２ｃとを含む。

上流側ケース２の下流側には、前支持体７を介してＮＯ_２生成リアクタ３が結合されている。ＮＯ_２生成リアクタ３は、複数（本実施形態では、１９体）互いに平行に並設された処理ユニット６を含んで構成されており、各処理ユニット６は、円筒形の外周電極４、および細径の直線状の棒状電極５からなる。各処理ユニット６の外周電極４の上流端は、前支持体７に対して溶接または銅ロウ付け等によって固定されている。

図２に示されるように、前支持体７の中心に１体の処理ユニット６が配置されると共に、前支持体７の外縁の近傍に１２体の処理ユニット６が等間隔に配置され、前支持体７の中心（すなわち上流側ケース２の中心）の処理ユニット６と、上記１２体の処理ユニット６との間に、６体の処理ユニット６が配置される。

そして、一体の前支持体７につき３箇所に、スペーサ９が固定される。前支持体７は、スペーサ９が固定される開口部７ａ（図１参照）と、それ以外の開口部７ｂとを有し、各処理ユニット６の外周電極４は、いずれも上流側の端部において、開口部７ａまたは開口部７ｂに固定される。開口部７ａにおけるスペーサ９が固定される開口縁の断面形状は円形である。

他方、スペーサ９が固定されない開口部７ｂは、外周電極４に接する開口縁において断面が円形であり、且つその反対側（すなわち、処理ユニット６と前支持体７とにより構成されるＮＯ_２生成リアクタ３の上流側端部および下流側端部）の開口縁（以下適宜外側開口縁という）において断面が正六角形をなしており、これらの開口縁は互いに滑らかな曲面で結ばれている。開口部７ｂの外側開口縁は、図２において破線で示される境界線ＢＬにおいて、隣接する他の開口部７ｂの外側開口縁と滑らかに接続されており、両開口部７ｂ，７ｂの間に明瞭な稜線を生じさせないことによって、境界線ＢＬからの放電の抑制が図られている。

各棒状電極５の前端部は、図１および図２に示されるような金属製の格子部材８の格子点に固定されている。格子部材８は、多数の支持アーム８ａを備えており、ＳＵＳなどの耐熱導電性材料からなる本体と、該本体を被覆するセラミックなどの耐熱絶縁性材料からなる絶縁層とを有する。本体は、棒状電極５との接続点において棒状電極５に導通しており、絶縁層は本体の表面のうち、この導通のための接触面を除く全表面を被覆している。

各格子部材８は、筒状のスペーサ９および前支持体７を介して、片側あたり３箇所の外周電極４の延長上に固定されている。図４に示されるとおり、格子部材８は、スペーサ９の口縁部に対応する部分に係合肩部８ｄを備えており、格子部材８と棒状電極５とが結合されるときに、係合肩部８ｄとスペーサ９とが係合することによって、格子部材８がスペーサ９に支持される。

スペーサ９は、格子部材８を支持するための支持部材であり、セラミック等の耐熱絶縁性材料からなる。スペーサ９は外周電極４と略同径かつ断面形状が略共通の筒型であり、スペーサ９の外周面および内周面には環状の凹凸が形成されている。この凹凸は、軸方向に沿って半径の拡大と縮小とが滑らかに繰り返す形状、すなわち所謂コルゲーションであり、この凹凸によって、沿面放電のための経路距離の拡大による沿面放電の抑制が図られている。

各棒状電極５の後端部は、図３に示されるような単一の平坦な格子部材２８に結合されている。格子部材２８の上端部には、外部からの給電のための棒状導体２９が接続されている。

外周電極４および棒状導体２９には、ステンレス鋼を用いるのが好適である。棒状電極５は、外周電極４の中心軸上に配置されて排ガスの流れ方向に延びる。棒状電極５には、放電特性が良好で外周電極４よりも熱膨張率が小さいタングステンのプレス焼成品を用いるのが好適である。

ＰＭ捕集リアクタ１３は、ＮＯ_２生成リアクタ３とほぼ同じ構造を、その前後を逆にして配置したものであるが、外周電極１４の内周にハニカム構造体１０が設けられている点で、ＮＯ_２生成リアクタ３と異なる。図５に示されるとおり、ハニカム構造体１０は、多孔質の隔壁４１により仕切られた多数のセルすなわち排ガス通路４２を備えており、排ガス通路４２はいずれも排ガスの流入方向（図中Ａ方向）に概ね平行である。排ガス通路４２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４２の下流側の開口部が、詰栓４３によって閉塞されている。したがって、排ガスは、上流端開口の排ガス通路４２からハニカム構造体１０内に進入すると共に、多孔質の隔壁４１を通過して、下流端開口の排ガス通路４２から下流側に排出される。この過程で、ＰＭは隔壁４１によって濾過される。

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の排ガス通路を除く基材部（壁部）の気孔率は６０〜８０％とし、平均細孔径を２０ないし６０μｍとする。ハニカム構造体１０の隔壁４１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。ＮＯｘ吸蔵還元触媒のコート量は、例えば３００ｇ／Ｌとする。

ＰＭ捕集リアクタ１３の残余の構造は、ＮＯ_２生成リアクタ３とほぼ同じである。すなわち、下流側ケース１２の上流側には、後支持体１７を介して処理ユニット１６が結合されており、各処理ユニット１６は、円筒形の外周電極１４、および細径の直線状の棒状電極１５からなる。各棒状電極１５の後端部は、格子部材１８の格子点に固定されており、また格子部材１８はスペーサ１９を介して、後支持体１７に支持されている。各棒状電極１５の前端部は、格子部材３８に結合されており、格子部材３８の上端部には、外部からの給電のための棒状導体３９が接続されている。

ＮＯ_２生成リアクタ３の外周電極４の後端部、およびＰＭ捕集リアクタ１３の外周電極１４の前端部は、中空の中間支持体２７に固定されている。中間支持体２７は、単一ピースの導電体からなり、その上流側および下流側の表面は、多数の外周電極４，１４を受け入れるための円形の通孔を有する。中間支持体２７の上端部には、ほぼ直方体の外形を有するベース５０が形成されている。

中間支持体２７のベース５０の上面には、導電性の剛体からなる中空のシェル５１が、ボルト５２によって固定されている。シェル５１は、前後に並べられた２つの円筒管部を備えており、これら円筒管部の内部には管状のセラミックからなる絶縁層５３が設けられている。絶縁層５３の内腔には、棒状導体２９，３９が下方から挿通されており、棒状導体２９，３９の上端部は、シェル５１の高さ方向における中央付近に位置している。絶縁層５３の下端部には、同じくセラミックからなるスリーブ６０が設置されており、スリーブ６０は棒状導体２９，３９を、格子部材２８，３８との接合部までに亘って被覆している。

シェル５１の円筒管部には、給電ケーブル５４，５５がそれぞれ挿入され、これら給電ケーブル５４，５５の先端部（下端部。図３参照）にそれぞれ固定された端子５６が、棒状導体２９，３９の上端部に着脱自在に嵌合する。図６に示されるように、給電ケーブル５４，５５は、それぞれ絶縁層５７および編み線などのシールド層５８を有するシールドケーブルであり、これら給電ケーブル５４，５５によって、２芯シールドケーブル５９（図１参照）が構成されている。給電ケーブル５４，５５は、それぞれ、シェル５１の上端部において、キャップ６０、ナット６１および内径拡縮可能なコレット６２によって締め付けられ固定される。キャップ６０とシェル５１との間には防水用のガスケット６３が挟まれる。なお、棒状導体２９，３９、シェル５１、絶縁層５３、キャップ６０、ナット６１、コレット６２およびガスケット６３により、棒状導体２９，３９からなる導電経路を同時に接続し切り離すための単一の受電側コネクタ６４が構成される。

給電ケーブル５４には不図示の第１の高圧電源の陽極が接続される。また、給電ケーブル５５には不図示の第２の高圧電源の陽極が接続される。各高圧電源は、図示しない制御装置によって個別に制御され、これによって、ＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ１３には、それぞれに用途に適した電圧値および波形による給電が行われる。他方、リアクタ３，１３の外周電極４，１４は、不図示のアース線により車体に接続され接地される。

以上のとおり構成される排ガス浄化装置１では、当該車両の内燃機関の始動に合わせて、ＮＯ_２生成リアクタ３の各処理ユニット６にてプラズマを発生させるべく、第１の高圧電源によって、ＮＯ_２生成リアクタ３の外周電極４と棒状電極５との間に、棒状電極５を陽極として高電圧が印加される。

また、ＰＭ捕集リアクタ４の各処理ユニット１６にて捕集に適した電界を発生させるべく、第２の高圧電源によって、ＰＭ捕集リアクタ４の外周電極１４と棒状電極１５との間に、棒状電極１５を陽極として高電圧が印加される。

そして、始動した内燃機関の燃焼室からの排ガスがケース２の内部へと導入されると、ＮＯ_２生成リアクタ３の棒状電極５と外周電極４との間の放電によってプラズマ状態が生じ、排ガス中のＮＯｘなどの所定物質が活性化され、反応が促進されてＮ_２等の物質に変換させられる。また、供給される排ガス中のＰＭが棒状電極５からの放電により帯電され、ＰＭ捕集リアクタ４の棒状電極１５と外周電極１４との間における電界との相互作用によって外周電極１４に吸着され、高電圧の印加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、複数の処理部であるＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ４に給電するための複数の棒状導体２９，３９が、直列に配置されたＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ４の間となる位置から、排ガス浄化装置１の外部（すなわち、処理対象である排ガスが流通するケーシングの内部から隔絶され、排ガス浄化装置１に給電するための電源を含んだ領域）に引き出されているので、給電経路の引き出し構造の単純化を通じて、製造コストを抑制でき、また、装置からの引き出し構造に係る突出部分を単一にできるため、排ガス浄化装置１の設置スペースの自由度を促進することができる。

また本実施形態では、複数の棒状導体２９，３９からなる導電経路を同時に接続し切り離すための単一の受電側コネクタ６４を備えたので、排ガス浄化装置１の着脱を容易にすることができる。

また本実施形態では、受電側コネクタ６４を、ＮＯ_２生成リアクタ３およびＰＭ捕集リアクタ４を少なくとも部分的に支持する中間支持体２７に設置したので、排ガス浄化装置１に剛性を付与することができる。

また本実施形態では、複数の棒状導体２９，３９を覆う導電性のシェル５１を備えたので、給電経路の引き出し構造からの外部への電磁的影響を抑制できる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。例えば、本発明における複数の処理部は、本実施形態のように、ＮＯ_２生成リアクタと、その下流側に配置されたＰＭ捕集リアクタとするのが特に好適であるが、電力の作用により排ガスを浄化する処理部分であれば、各電極の形状および構造、プラズマの利用の有無やＰＭの濾過如何にかかわらず、他の各種の構成を用いることができ、いずれも本発明の範疇に属するものである。

また、本実施形態では互いに異なる種類の処理部を用いる例について説明したが、本発明における複数の処理部は同種のものであってもよい。また本実施形態では各処理部が直列に配置された例について説明したが、本発明では複数の処理部が直並列に組合わされた装置についても適用することができる。また本発明は、車両以外の内燃機関についても適用できることはいうまでもない。

本発明の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。 図１におけるII−II線についての断面図である。 図１におけるIII−III線についての断面図である。 格子部材の取付構造を示す斜視図である。 ハニカム構造体の要部を示す縦断面図である。 受電側コネクタの要部を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ 上流側ケース
１２ 下流側ケース
３ ＮＯ_２生成リアクタ
４，１４ 外周電極
５，１５ 棒状電極
６，１６ 処理ユニット
７ 前支持体
８，１８，２８，３８ 格子部材
９，１９ スペーサ
１０ ハニカム構造体
１３ ＰＭ捕集リアクタ
１７ 後支持体
２７ 中間支持体
２９，３９ 棒状導体
５１ シェル
５４，５５ 給電ケーブル
６４ 受電側コネクタ

Claims (5)

1. 高電圧によって動作する複数の処理部を備えた排ガス浄化装置であって、
   前記複数の処理部が排ガスの流れ方向に沿って直列に配置され、
   前記複数の処理部に給電するための複数の導電体が、前記排ガスの流れ方向において前記複数の処理部の間となる位置から外部に引き出されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記複数の導電体への通電を同時に接続し切り離すための単一の受電側コネクタを備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記受電側コネクタは、前記複数の処理部を少なくとも部分的に支持する支持体に設置されてい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、
   前記複数の導電体を覆う導電性のシェルを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
   前記複数の処理部が、１または２以上のＮＯ_２生成リアクタと、当該１または２以上のＮＯ_２生成リアクタの下流側に配置された１または２以上のＰＭ捕集リアクタであることを特徴とする排ガス浄化装置。
   

Images