JP2006144570A - 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、給電経路と電極との接続点の耐久性を向上する。
【解決手段】 内部電極５，１５からなる一連の導体の長手方向の中央部に、給電部材である棒状導体２９および格子部材２８を固定する。内部電極５，１５がその長手方向の両端部で支持されているので、熱によって内部電極５，１５が膨張しても、内部電極５，１５からなる一連の導体の中央部の移動量が小さい。したがって、棒状導体２９および格子部材２８と内部電極５，１５との接続点の耐久性を向上することができる。
【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、近年、円筒形の外周電極と、この外周電極の軸線に沿って延びる棒状の内部電極とを有し、両電極間に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて、通過する排ガスを浄化するような、いわば透過型またはストレートフロー型の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）が内部電極からの放電により帯電され、これと内外の電極間の電界との相互作用によってＰＭが外周電極側に吸着され、高電圧の印加に伴って発生する熱により焼却処理される。

特開平５−３０９２３１号公報

ところで、一般に、この種の装置における棒状の内部電極は、外周電極の両端部において絶縁的に支持されている。また、この内部電極に給電するための給電部材は、外周電極から露出した上流側または下流側の一方の端部において、内部電極に接続されている。

しかし、このような構造をもつ装置は、動作中の熱によって外周電極や内部電極が膨張する場合に、内部電極と給電部材との接続点が破損するおそれがある。

そこで本発明の目的は、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、給電経路と電極との接続点の耐久性を向上することにある。

第１の本発明は、外周電極と、当該外周電極の内側に配置され且つ排ガスの流れ方向に延びる内部電極と、を備え、前記内部電極がその長手方向の両端部で支持されており、前記両電極間への高電圧の印加によって排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、前記内部電極への給電を行う給電部材が、前記内部電極の長手方向の中央部に固定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、内部電極がその長手方向の両端部で支持されているので、熱によって内部電極が膨張しても、内部電極の中央部の移動量が小さい。したがって、内部電極の長手方向の中央部に給電部材の一部を固定したことにより、給電部材と内部電極との接続点の耐久性を向上することができる。

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、前記内部電極が前記外周電極に絶縁的に固定されており、前記給電部材が更に、前記外周電極に絶縁的に固定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、内部電極が外周電極に絶縁的に固定されており、且つ給電部材が更に外周電極に絶縁的に固定されているので、内部電極と給電部材との相対位置を外周電極を介して保持でき、給電部材と内部電極との接続点の耐久性を更に向上することができる。

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、およびリアクタ３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、リアクタ３の前半部が結合されている。リアクタ３の前半部は、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内部電極５からなる。各処理ユニット６の外周電極４は、それらの上流端で前支持体７に対して、また下流端で中間支持体２７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３に示されるように、中間支持体２７の中心に１体の処理ユニット６が配置されると共に、中間支持体２７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、中間支持体２７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。

図２に示されるように、前支持体７の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リアクタ３の上流側端部）の開口縁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。

各内部電極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、内部電極５との接続点において内部電極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と内部電極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を絶縁的に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。

外周電極４には、ステンレス鋼を用いるのが好適である。内部電極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。内部電極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。

リアクタ３の後半部すなわち下流側部分は、前半部すなわち上流側部分とほぼ同じ構造を、その前後を逆にして配置したものである。すなわち、下流側ケース１２の上流側には、後支持体１７と、外周電極１４および内部電極１５からなる処理ユニット１６とが設けられている。各外周電極１４の前端部は、中間支持体２７に結合されている。各内部電極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。

内部電極１５の長さは内部電極５の長さに等しく、また、両内部電極５，１５は対向する端面において突合せ溶接されている。各内部電極５，１５の溶接部分、すなわち両内部電極５，１５からなる一連の導体の長手方向中央部は、図３に示されるような単一の格子部材２８に溶接によって結合されている。格子部材２８の上端部には、外部からの給電のための給電部材を構成する棒状導体２９が、溶接によって固定されている。棒状導体２９にはステンレス鋼を用いるのが好適である。格子部材２８の下端部は、碍子からなる棒状の絶縁性の支柱３０を介して、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、その上流側から下流側に貫通して、多数の外周電極４，１４を受け入れるための１９個の円形の通孔が設けられている。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、給電栓５１が固定されている。給電栓５１は、図５に示されるとおり、プラグ電極５２、碍子からなる絶縁スリーブ５３および金属製のシェル５４を含んで構成されている。給電栓５１は、シェル５４に形成されたネジ部によって、ベース５０に固定される。

給電栓５１のプラグ電極５２および絶縁スリーブ５３を囲むように、碍子からなる絶縁部材５５が設けられている。絶縁部材５５の上部はほぼ円筒状の小径部５５ａであり，絶縁部材５５の下部はほぼ円筒状の大径部５５ｂである。大径部５５ｂの下面には、ほぼ同心円状のコルゲート部５５ｃが形成されており、これによって沿面放電の抑制が図られている。そして給電栓５１のプラグ電極５２の下端部は、格子部材２８に固定された棒状導体２９に圧接されている。したがって、給電部材としてのプラグ電極５２・格子部材２８および棒状導体２９は、中間支持体２７・絶縁スリーブ５３および絶縁部材５５を介して、外周電極４，１４に絶縁的に固定されることになる。

給電栓５１には不図示のプラグキャップおよび給電ケーブルが図中上方からセットされ、これによって不図示の高圧電源の陽極から給電が行われる。高圧電源は不図示の制御装置によって制御され、これによってリアクタ３には、その用途に適した電圧値および波形による給電が行われる。なお、この高圧電源の出力は直流、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。他方、リアクタ３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、リアクタ３の各処理ユニット６，１６にてプラズマを発生させるべく、高圧電源によって、リアクタ３の外周電極４，１４と内部電極５，１５との間に、内部電極５，１５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、リアクタ３の内部電極５，１５と外周電極４，１４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が内部電極５，１５からの放電により帯電され、内部電極５，１５と外周電極４，１４との間における電界との相互作用によって外周電極４，１４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、内部電極５，１５がその長手方向の両端部で支持されているので、動作の際の熱によって内部電極５，１５が膨張しても、内部電極５，１５の溶接部分すなわち両内部電極５，１５からなる一連の導体の中央部の移動量が小さい。したがって、内部電極５，１５からなる一連の導体の長手方向の中央部に、給電部材である棒状導体２９および格子部材２８の一部を固定したことにより、棒状導体２９および格子部材２８と内部電極５，１５との接続点の耐久性を向上することができる。

また本実施形態では、内部電極５，１５がスペーサ９，１９および格子部材８，１８によって外周電極４，１４に絶縁的に固定されており、且つ棒状導体２９および格子部材２８が更に絶縁部材５５および中間支持体２７を介して外周電極４，１４に絶縁的に固定されているので、内部電極５，１５と棒状導体２９および格子部材２８との相対位置を外周電極４，１４を介して保持でき、棒状導体２９および格子部材２８と内部電極５，１５との接続点の耐久性を更に向上することができる。

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、本実施形態では内部電極５，１５を突合せ溶接することとしたが、両内部電極５，１５を合わせた長さを有する１ピースの内部電極を用いても良く、また本実施形態では外周電極４，１４は円筒形としたが多角筒形などの他の形状でも良い。また本実施形態ではリアクタ３を複数並列としたが単一でもよい。本発明に係る排ガス処理装置は、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。 給電栓および棒状導体の近傍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 リアクタ
４，１４ 外周電極
５，１５ 内部電極
６ 処理ユニット
７ 前支持体
８，１８，２８ 格子部材
９，１９ スペーサ
１７ 後支持体
２７ 中間支持体
２９ 棒状導体
５１ 給電栓
５５ 絶縁部材

Claims (2)

1. 外周電極と、当該外周電極の内側に配置され且つ排ガスの流れ方向に延びる内部電極と、を備え、前記内部電極がその長手方向の両端部で支持されており、前記両電極間への高電圧の印加によって排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
   前記内部電極への給電を行う給電部材が、前記内部電極の長手方向の中央部に固定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、
   前記内部電極が前記外周電極に絶縁的に固定されており、
   前記給電部材が更に、前記外周電極に絶縁的に固定されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
   

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