JP2006207425A - Exhaust gas treating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車からの排出ガス、特にディーゼルエンジンの排出ガスの処理装置に関する。 The present invention relates to a device for treating exhaust gas from automobiles, particularly exhaust gas from diesel engines.
ディーゼルエンジンや希薄混合気燃焼方式(リーンバーン)のガソリンエンジンは希薄空燃比で運転されるため、低燃費であり、地球温暖化物質である二酸化炭素(CO2)の排出量を抑制出来る利点がある。しかし、その排出ガスに含まれる粒子状物質(PM)が問題となっている。 Diesel engines and lean-burn fuel systems (lean burn) gasoline engines are operated at lean air-fuel ratios, so they have low fuel consumption and the advantage of being able to suppress emissions of carbon dioxide (CO2), a global warming substance. . However, particulate matter (PM) contained in the exhaust gas is a problem.
そこで、排出ガスに含まれるPMを処理する方法として、コロナ放電を利用して、PMを静電凝集させる方法が考案された。例えば、特許文献1では、煙やPMを含むガスが流入する筒状体内に、コロナ放電を発生させる複数の直線状の放電電極装置を備えるとともに、筒状体壁を接地電極とした装置が提案されている。特許文献1記載の装置では、放電電極と接地電極との間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させる。このコロナ放電によって排出ガス中のPMが帯電し、静電力で接地電極側へ移動して凝集する。
しかし、特許文献1の従来技術では、放電電極装置に高電圧を印加する高電圧発生装置の体格が大きく、自動車の排気管近傍であるシャシー下部に設置することが難しいため、放電電極装置と高電圧発生装置を離れた場所に設置せざるを得なかった。放電電極装置には数十KV(例えば20KV)の電圧を印加するため、高電圧用配線が太くなっている。このため、放電電極装置と高電圧発生装置との間の配線の設置が大変であると共に、配線の体積が大きい為、自動車に設置する上での妨げとなっていた。またそればかりでなく、配線が長くなる程、配線にて発生する電力損失が大きくなることが問題となっていた。
However, in the prior art of
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、放電電極装置と高電圧発生装置との間の距離を短くすることが出来、配線で発生する電力損失を低減した排出ガス処理装置を提供することである。 The present invention has been made in consideration of such conventional problems, and the object thereof is to reduce the distance between the discharge electrode device and the high voltage generator and to generate power generated in the wiring. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas treatment device with reduced loss.
本発明においては、内燃機関の排気管と、前記排気管内に放電電極を突き出した状態で固定される放電電極装置と、自動車に設置された電源装置と、前記電源装置により供給された電圧を昇圧し、前記放電電極装置へ高電圧を供給する高電圧発生装置とを備えた排出ガス処理装置であって、前記高電圧発生装置における電圧の昇圧は、圧電素子により行なわれることを特徴とする排出ガス処理装置を提供する。 In the present invention, an exhaust pipe of an internal combustion engine, a discharge electrode device fixed with a discharge electrode protruding into the exhaust pipe, a power supply device installed in an automobile, and a voltage supplied by the power supply device are boosted. And an exhaust gas treatment device comprising a high voltage generator for supplying a high voltage to the discharge electrode device, wherein the voltage in the high voltage generator is boosted by a piezoelectric element. A gas processing apparatus is provided.
これによると、高電圧発生装置の体格を小さくすることが可能なため、自動車の排気管近傍への設置が容易となる。 According to this, since the physique of a high voltage generator can be made small, installation near the exhaust pipe of an automobile becomes easy.
また、請求項2に記載の発明のように、前記圧電素子は、長板状の圧電セラミックス板からなり、略筒状の収容器に収容され、複数の支持部によって固定され、前記支持部の一端は、前記圧電セラミックス板の圧電変位の節となる部位またはその近傍に接し、前記支持部の他方の一端は、前記収容器に接していると良い。 According to a second aspect of the present invention, the piezoelectric element comprises a long plate-shaped piezoelectric ceramic plate, is accommodated in a substantially cylindrical container, is fixed by a plurality of support portions, One end is in contact with a portion serving as a piezoelectric displacement node of the piezoelectric ceramic plate or in the vicinity thereof, and the other end of the support portion is preferably in contact with the container.
これによると、自動車の振動による圧電素子の位置ずれや脱落を防止出来、且つ、圧電素子の機械的振動を阻害しない構成となる。 According to this, it becomes a structure which can prevent the position shift and drop-off | omission of a piezoelectric element by the vibration of a motor vehicle, and does not inhibit the mechanical vibration of a piezoelectric element.
また、請求項3に記載の発明のように、前記高電圧発生装置は、AC−DC変換回路を備えると、圧電素子により昇圧された交流電圧を直流電圧に変換することが出来る。 Further, as in a third aspect of the invention, when the high voltage generator includes an AC-DC conversion circuit, the high voltage generator can convert the alternating voltage boosted by the piezoelectric element into a direct voltage.
また、請求項4に記載の発明のように、前記高電圧発生装置を前記放電電極装置と一体に構成すると、特に、請求項5に記載の発明のように、前記高電圧発生装置は、前記放電電極装置の軸方向かつ近傍に設置され、前記高電圧発生装置の出力電極と前記放電電極装置の入力電極とを電気的に接続する接続手段が設けられ、前記接続部分を被うハウジングが設けられていると、放電電極装置と高電圧発生装置を接続する高電圧用配線を短く出来るため、放電電極装置と高電圧発生装置との間での電力損失を低減することが出来る。
Further, when the high voltage generating device is configured integrally with the discharge electrode device as in the invention described in
また、請求項6に記載の発明のように、前記放電電極装置の下流に配置され多数の通気孔を有する導電性膜からなる電極を備え、前記排気管および前記電極は実質的に設置されていると、放電電極装置と高電圧発生装置との間での電力損失が少ない排出ガス処理装置を提供することが出来る。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an electrode made of a conductive film disposed downstream of the discharge electrode device and having a large number of vent holes, and the exhaust pipe and the electrode are substantially installed. If this is the case, an exhaust gas treatment device with less power loss between the discharge electrode device and the high voltage generator can be provided.
第1の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図1は、高電圧発生装置と一体に構成された本発明における放電電極装置2を、ディーゼルエンジンの排出ガス処理装置としての凝集器1に適用した場合の構成図である。
The configuration of the embodiment of the first invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram when a
凝集器1は、排気管内において、コロナ放電電極装置(以下放電電極装置という)2と、放電電極装置2の外周位置の排気管内周壁からなる第1接地電極5と、放電電極装置2の下流に設けた導電性網からなる第2接地電極4を有している。第1接地電極5および第2接地電極4は、電気的に接地されている。
The
このように構成された凝集器1では、放電電極装置2に直流高電圧を印加することにより、放電電極装置2の放電電極21と、第1接地電極5および第2接地電極4との間にコロナ放電を発生させる。
In the
放電電極装置2は、円柱状の絶縁碍子22と、絶縁碍子22の端部に設けられた放電電極21と、絶縁碍子22の他端部に設けられた入力電極23とを含み構成される。この放電電極装置2は、放電電極21側の端部を排気管内に突き出し、一方、入力電極側の端部を排気管外に突き出した状態で、排気管の壁面に固定されている。放電電極21の先端部が、下流に位置する第2接地電極4と所定間隔をおいて対向している。また、放電電極21は、排気管の排気通路の径方向の中心部に位置している。この放電電極21の先端部は、鋭角の先端部を多数有しており、先端部が放射状に位置する形状となっている。具体的には、図2に示すように、複数の突起62aを有する星型形状となっている。これによって、放電率を高めるとともに、排気管内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。
The
第2接地電極4となる導電性網は円板状で、排気流れと直交するように通路を横切って配置され、外周縁が排気管内周壁に固定されている。導電性網の網目によって形成される多数の通気孔は、凝集した微粒子の通過を妨げない大きさとされる。排気微粒子は、通常、0.1μmから数μmの粒径であり、凝集した微粒子は、通常、1μmから10μmの粒径の粗大粒子となるため、通気孔は、例えば、一辺が0.5mmから1mm程度、ないしそれ以上となっていればよい。一般に、通気孔が大きいほど圧損を低減する効果は高くなるが、通気孔が小さく表面積が広い方が、コロナ放電による凝集効果は大きくなる。従って、圧損を悪化させない範囲で、所望の凝集効果が得られるように、通気孔の大きさを適宜調整するとよい。
The conductive net serving as the
第2接地電極4の設置位置は、好ましくは、放電電極21と第2接地電極4となる導電性網との距離(軸方向距離)が、放電電極21と第1接地電極5となる排気管内周壁との距離(径方向距離)よりも長くなるようにする。このようにすると、排気ガス流量が少ない時には、主に第1接地電極5にて微粒子を凝集させ、排気ガス流量が多い時には、ガス流によって、第1接地電極5へ移動できない微粒子を、ガス流れ方向に位置する第2接地電極4で十分凝集させ、捕集の容易な粗大粒子とすることができる。
The installation position of the
このように構成された凝集器1では、放電電極装置2に、負の直流高電圧、例えば、−20KVを印加し、放電電極21の近傍においてコロナ放電を発生させる。これにより、電子が放射されて、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化し、付近のPMに付着してこれを負に帯電させる。PMは、主に第2接地電極4において凝集・粗大化する。
In the
粗大化したPMは、第2接地電極4の通気孔を通過して下流へ移動する。
The coarse PM passes through the vent hole of the
図3は、図1の放電電極装置2の拡大図である。放電電極装置2は、ハウジング202と、絶縁碍子22と、放電電極21と、入力電極23と、支持部材206と、高電圧発生部207と、高電圧配線205とから構成される。
FIG. 3 is an enlarged view of the
ハウジング202は、ステンレス等からなり、略円筒状に形成された絶縁碍子支持部202Aと、筒状かつ蛇腹形状に形成された蛇腹筒状部202Bを備えている。絶縁碍子支持部202Aの外周には、略円環状に形成された段差部202Cが設けられ、段差部202Cより排気管側には、排気管壁に固定するためのネジ部202Dが設けられている。このハウジング202に用いる材料はステンレス以外の材料であっても良く、放電電極装置2は排気管の近傍に設けられ、排気管の温度は最大約600度となるため、耐熱性の高い材料であると良く、車外に曝されるため、耐腐食性の高い材料であると良い。
The
絶縁碍子22は、アルミナセラミック(Al2O3)等からなり、略円柱状に形成されている。この絶縁碍子22は、軸方向の中間位置でハウジング202に固定されると共に、絶縁碍子22の入力電極23側は、ハウジング202の蛇腹筒状部202Bに覆われている。
The
放電電極21は、内材がCu等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がNi基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成されており、本例では円柱状かつL字状に形成されている。この放電電極21は、絶縁碍子22の排気管側端部に設けられた軸孔(図示せず)に固定され、絶縁碍子22を介してハウジング202に絶縁保持されている。
The
入力電極23は、略円筒状に形成されており、絶縁碍子22の図の上方向の端部に設けられている。
The
支持部材206は、略円筒状に形成され、ハウジング202の内周に固定されている。またハウジング202の蛇腹筒状部202Bの上部から段差部202C方向へ伸びており、絶縁碍子22の上部を覆っている。
The
高電圧発生部207は、略筒状に形成され、支持部材206の内周に、絶縁碍子22と対面して軸方向に配置固定されている。高電圧発生部207の構成については後述する。
The
高電圧配線205は、高電圧発生部207の絶縁碍子22側の端部に設けられていると共に、絶縁碍子22に設けられた入力電極23に接続されている。
The
このように構成された放電電極装置2では、高電圧発生部207は、電源装置(図示せず)から電源入力配線(図示せず)を介して入力された電力を元に、内部で高電圧を発生する。高電圧発生部207により発生された高電圧が、高電圧配線205および入力電極23を介して、絶縁碍子22に印加されると、絶縁碍子22は、放電電極21先端部の近傍においてコロナ放電を発生させる。
In the
このとき、放電電極装置2と高電圧発生部207を接続する高電圧配線205が短いため、放電電極装置2と高電圧発生部207との間での電力損失を低減することが出来る。
At this time, since the
図4は、図3の高電圧発生部207の断面図である。高電圧発生部207は、収容器300と、圧電素子301と、支持部304と、帰還抵抗308と、AC−DC変換回路309とを含んで構成されている。昇圧手段に圧電素子301を用いることより、高電圧発生部207の体格を小さくすることが可能なため、自動車の排気管近傍への設置が容易となる。
4 is a cross-sectional view of the
圧電素子301は、圧電セラミック体からなり、細長で平板状に形成されている。
The
この圧電素子301の幅方向一方の半部には、圧電素子301を上下面で挟み対向する一対の入力電極302が設けられている。一方、圧電素子301の幅方向の他方の半部には、出力電極303が設けられている。
A pair of
前記圧電素子301は、複数の支持部304を介して収容器300に固定されている。
The
収容器300は、ステンレス等からなり、略直方体状に形成されている。
The
支持部304は、樹脂材料等からなり、略円錐状に形成されて、一端が前記圧電素子301に固定され、他端が収容部300に固定されている。圧電素子301を固定する位置は、圧電素子301の入力電極302に電圧が印加されたとき、圧電素子301自身の変位(歪み)が少ない地点とすると良い。この変位の少ない部位は、圧電素子301の共振周波数によって異なるが、共振周波数が下記数式で表されるとき、変位の少ない部位は、長さを3等分したときの1/3および2/3の地点となる。例えば長さが50mmである場合は、16.7mmおよび33.3mm付近となる。
The
(数1)
共振周波数f=圧電トランス中の音速/圧電トランスの長さ
(圧電トランス中の音速:3250m/s)
支持部304に用いる材料は、樹脂材料以外の材料であっても良く、放電電極装置2は排気管の近傍に設けられ、排気管の温度は最大約600度となるため、耐熱性の高い材料であると良く、圧電素子301を破損しないよう、柔軟性のある材料であると良く、電極と接するため、絶縁性の高い材料であると良い。これによって、自動車の振動による圧電素子301の位置ずれや脱落を防止出来、且つ、圧電素子301自身の有効振動を阻害しない構成となっている。
(Equation 1)
Resonance frequency f = speed of sound in piezoelectric transformer / length of piezoelectric transformer
(Sound velocity in piezoelectric transformer: 3250 m / s)
The material used for the
前記圧電素子301の入力電極302には、入力配線306および接地配線305が設けられている。入力配線306は、交流電源回路(図示せず)に接続されている。接地配線306は、自動車のボデー等に接続されている。
An
前記圧電素子301の出力電極303には、高電圧配線307が設けられており、圧電素子301にて発生した交流電圧を直流電圧に変換するためのAC−DC変換回路309に接続されている。
A
AC−DC変換回路309は、帰還抵抗308を備えており、帰還抵抗308は、圧電素子301から出力される電圧を計測するため、一端を圧電素子301に設けらた入力電極302を介して電気的に接地し、他方の一端をAC−DC変換回路309の基板に設けられた配線パターン(図示せず)を介して高電圧配線307と導通している。またAC−DC変換回路309には、変換した電力を外部へ出力するための高電圧配線309が設けられている。
The AC-
このように構成された高電圧発生部207は、交流電源回路から入力配線306および入力電極302を介して圧電素子301に交流電圧が印加されると、圧電素子301にて電圧を増幅する。そして、圧電素子301にて発生した高電圧を、圧電素子301の出力電極303および高電圧配線307を介してAC−DC変換回路309に送り、AC−DC変換回路309により交流電圧から直流電圧に変換し、高電圧配線310を介して図3の絶縁碍子22の上部に設けられた入力電極23に直流高電圧を供給する。また帰還抵抗308の両端の電圧を計測し、計測された電圧値を外部に設けられた可変周波数発振器(図示せず)にフィードバックし、計測された電圧値に応じて、可変周波数発振器の周波数を低くする又は高くすることで、高電圧発生部207の出力電圧を所定の電圧、例えば−20KVに制御することが可能である。
The
また、圧電素子301を用いることより、高電圧発生装置の体格を小さくすることが可能なため、自動車の排気管近傍への設置が容易となる。ここで振動の多い自動車において圧電素子を用いる上では振動対策も重要であるが、本発明では支持部304によって、自動車の振動による圧電素子301の位置ずれや脱落を防止出来、且つ、圧電素子301自身の有効振動を阻害しない構成となっている。
Moreover, since the physique of a high voltage generator can be made small by using the
図5は、高電圧発生部207の回路構成を説明する説明図である。高電圧発生部207は、圧電素子301と、帰還抵抗308と、AC−DC変換回路309とから構成されている。このように構成された高電圧発生部207は、交流電源回路(図示せず)から圧電素子301に交流電圧が印加されると、圧電素子301にて電圧を増幅する。そして、圧電素子301にて発生した高電圧を、AC−DC変換回路309に送り、AC−DC変換回路309により交流電圧から直流電圧に変換し、外部負荷(図示せず)に直流高電圧を供給する。また帰還抵抗308の両端の電圧を計測し、外部に設けられた可変周波数発振器(図示せず)にフィードバックし、計測された電圧値に応じて、可変周波数発振器の周波数を低くする又は高くすることで、高電圧発生部207の出力電圧を所定の電圧、例えば−20KVに制御することが可能である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the circuit configuration of the
図6は、本発明における実施形態の交流電源回路の回路構成を示す説明である。交流電源回路は、バッテリー501と、DC−AC変換回路502と、可変周波数発振器503とから構成される。このように構成された交流電源回路は、バッテリー501からDC−AC変換回路502へ直流電圧を送り、DC−AC変換回路502により直流電圧を交流電圧に変換し、可変周波数発振器503により交流電圧の周波数を調整し出力する。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a circuit configuration of the AC power supply circuit according to the embodiment of the present invention. The AC power supply circuit includes a
上述した通り本発明によると、高電圧発生装置の体格を小さくすることが可能なため、自動車の排気管近傍への設置が容易となる。また、放電電極装置と高電圧発生装置を接続する高電圧用配線を短く出来るため、放電電極装置と高電圧発生装置との間での電力損失が少ない排出ガス処理装置を提供することが出来る。 As described above, according to the present invention, the size of the high-voltage generator can be reduced, so that it can be easily installed near the exhaust pipe of an automobile. Moreover, since the high voltage wiring connecting the discharge electrode device and the high voltage generator can be shortened, it is possible to provide an exhaust gas treatment device with little power loss between the discharge electrode device and the high voltage generator.
なお、本発明に用いられる構成は本発明の課題を達成出来るものであれば、本実施形態の構成に限定されない。例えば、放電電極装置2と、第1接地電極5と、第2接地電極4との間にてコロナ放電を発生させる際の、両電極間に印加させる電圧落差は、5KVから50KVの範囲に設定する。これにより、電極間に電圧を印加する際の適正な耐電圧リーク特性を満たしつつ、好適な排気微粒子の凝集効果を得ることができる。好ましくは,両電極間に印加させる電圧落差は、10KVから30KVの範囲に設定するのが良く、放電電極21の先端部は、複数の先端部が放射状位置する形状に限らず、必要に応じて適宜設定変更することが出来、収容器300は、円筒状など、必要に応じて適宜設定変更することが出来、ハウジング202の蛇腹筒状部202Bは、円筒状など、必要に応じて適宜設定変更することが出来、排気管内周壁からなる第1接地電極5や導電性網からなる第2接地電極4は、必ずしも接地電位である必要はなく、図7に示すように排気管と接地の間にコンデンサ等を設けることで電位を高く調整しても良い。
Note that the configuration used in the present invention is not limited to the configuration of the present embodiment as long as the object of the present invention can be achieved. For example, when a corona discharge is generated between the
1 凝集器
2 放電電極装置
3 第1接地電極
4 第2接地電極
5 排気管
207 高電圧発生部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記排気管内に放電電極を突き出した状態で固定される放電電極装置と、
自動車に設置された電源装置と、
前記電源装置により供給された電圧を昇圧し、前記放電電極装置へ高電圧を供給する高電圧発生装置とを備えた排出ガス処理装置であって、
前記高電圧発生装置における電圧の昇圧は、圧電素子により行なわれることを特徴とする排出ガス処理装置。 An exhaust pipe of an internal combustion engine;
A discharge electrode device fixed in a state in which the discharge electrode protrudes into the exhaust pipe;
A power supply installed in the car;
An exhaust gas treatment device comprising a high voltage generator for boosting a voltage supplied by the power supply device and supplying a high voltage to the discharge electrode device,
The exhaust gas treatment apparatus according to claim 1, wherein the voltage boosting in the high voltage generator is performed by a piezoelectric element.
略筒状の収容器に収容され、
複数の支持部によって固定され、
前記支持部の一端は、前記圧電セラミックス板の圧電変位の節となる部位またはその近傍に接し、
前記支持部の他方の一端は、前記収容器の内壁に接していることを特徴とした請求項1に記載の排出ガス処理装置。 The piezoelectric element comprises a long plate-shaped piezoelectric ceramic plate,
Housed in a substantially cylindrical container,
Fixed by a plurality of supports,
One end of the support portion is in contact with or near a portion that becomes a node of piezoelectric displacement of the piezoelectric ceramic plate,
The exhaust gas processing apparatus according to claim 1, wherein the other end of the support portion is in contact with an inner wall of the container.
前記高電圧発生装置の出力電極と前記放電電極装置の入力電極とを電気的に接続する接続手段が設けられ、
前記接続部分を被うハウジングが設けられていることを特徴とした請求項4に記載の排出ガス処理装置。 The high voltage generator is installed in the axial direction and in the vicinity of the discharge electrode device,
Connection means for electrically connecting the output electrode of the high voltage generator and the input electrode of the discharge electrode device is provided,
The exhaust gas processing apparatus according to claim 4, further comprising a housing that covers the connection portion.
前記排気管および前記接地電極は実質的に接地されていることを特徴とした請求項1乃至5に記載の排出ガス処理装置。 A ground electrode made of a conductive film disposed downstream of the discharge electrode device and having a large number of air holes;
6. The exhaust gas processing apparatus according to claim 1, wherein the exhaust pipe and the ground electrode are substantially grounded.
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JP2011127440A (en) * | 2009-12-15 | 2011-06-30 | Denso Corp | Exhaust emission control device |
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