JP2006289150A - 排気処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた絶縁性をもつ排気処理装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の排気処理装置は、排気管１と、放電電極２と、対向電極３と、を有し、放電電極２から電荷を放出して排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、対向電極３で帯電した微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置において、放電電極２が、放電部２０と、軸部２１１を少なくとも備える導電部２１と、絶縁部２２と、を有し、絶縁部２２は、少なくとも放電部側の端部の表面にガラス質の保護層２２１が形成されたことを特徴とする。本発明の排気処理装置は、絶縁部の表面に形成されたガラス質の保護層が排気ガスに含まれる微粒子物質などの成分の付着を抑えている。この結果、絶縁部の外表面に付着した微粒子物質が導電部と排気管とが電気的に導通されることがなくなり、電気絶縁性が確保された。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる微粒子物質を浄化する排気処理装置に関する。

近年、地球環境の保護のために、自動車等に搭載される内燃機関から大気中に排出される排気ガス中に含まれる有害成分を浄化する浄化性能の向上が要求されている。特に軽油を燃料とする圧縮着火式ディーゼルエンジンからの排気ガスは、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘに加え、煤やＳＯＦ等の微粒子物質（ＰＭ）を含んでいる。

通常、ＰＭの除去には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等のフィルタ触媒が用いられている。フィルタ触媒は、多孔質セラミックスよりなり多数のセルとセル壁に連続した細孔をもつ触媒担体基材の表面上にアルミナ等の耐熱性無機酸化物よりなる担持層に触媒金属が担持してなる触媒層を形成した構造を有している。そして、フィルタ触媒は、表面に触媒層が形成された触媒担体基材の連続した細孔から形成された通気孔を排気ガスが通過するときに、ＰＭを捕捉するとともにそれ以外の有害な成分を浄化する。また、多孔質セラミックス上に形成された触媒層が捕捉したＰＭを分解して取り除く。

内燃機関から排出されたＰＭは、排気ガス流路中で別のＰＭと接触して凝集し、大きな粒径のＰＭとなる。そして、フィルタ触媒に到達するまでに、ＰＭは大きな粒径をもつこととなる。大きな粒径のＰＭは、フィルタ触媒で容易に捕捉できる。

しかしながら、排気ガス中には、凝集しないあるいは凝集しても十分な大きさとなっていないＰＭ（小径のＰＭ）も含まれる。小径のＰＭは、フィルタ触媒では捕捉できなかった。

この問題に対して、コロナ放電を用いて粒子径の小さいＰＭを凝集させて大径のＰＭとする排気処理装置がある。この排気処理装置は、排気ガス流路中に一対の電極（放電電極と対向電極）を配置した構成を有する。そして、両電極間に高電圧を印加してコロナ放電を生じさせる。コロナ放電を生じると、放電電極からの電荷を排気ガス中のＰＭが受け取りＰＭが帯電する。そして、帯電したＰＭは、電極間をクーロン力で移動し、対向電極に到達し、対向電極に付着する。帯電したＰＭは、対向電極に付着すると対向電極に電荷が回収される。また、電荷が回収されたＰＭは、対向電極に付着したままとなる。そして、この状態で別の帯電したＰＭが対向電極に付着する。これにより、対向電極の表面でＰＭが凝集され、大径のＰＭが形成される。その後、大径に成長したＰＭが対向電極から脱離して除去される。

この排気処理装置において放電電極は、ＰＭに電荷を付与する放電部と、放電部を排ガス流炉内に保持する導電部と、導電部の外周部に導電部と排ガス流路を区画する排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、とを備えた構成を有している。一般的に、絶縁部は耐熱性をもつセラミックスを筒状に形成してなり、導電部は筒状の絶縁部を貫通した耐熱性金属を棒状に形成してなる。

しかしながら、この放電電極は、排気ガス流路中に放電部が配置されるため、排気ガスに含まれる成分により絶縁部の電気絶縁性が低下するという問題があった。具体的には、排気ガス流路を流れる排気ガス中には、ＰＭが含まれる。排気ガスに含まれるＰＭは、導電部および絶縁部の表面に付着することとなる。ＰＭが絶縁部の露出した表面に付着して堆積すると、場合によっては、堆積したＰＭが絶縁部の表面に導電部と排気管とを電気的に接続する。つまり、堆積物により絶縁部の電気絶縁性が低下する。また、排気ガスには水分なども含まれており、ＰＭと同様に絶縁部の外周に付着して電気絶縁性を低下させる。

このような、電気絶縁性の低下を防止する方法として、絶縁部の表面に凹凸を設けて、この凹凸部分に電界を集中させて放電を起こし、絶縁部の表面に付着したＰＭを除去する方法が特許文献１に開示されている。

しかしながら、特許文献１に示された構成の絶縁部は、実際に内燃機関の排気ガスの通路で使用すると、破損することがあった。排気ガスは温度変化が大きいため、複雑な形状の表面をもつと、熱歪が凹凸部分に集中して破損するためである。

また、絶縁部表面で放電を起こさせると、その放電エネルギーにより絶縁部表面が溶融し、さらに強度低下を引き起こす。使用環境によっては排気ガス中の水分が絶縁部表面に付着する場合もあり、その時は絶縁部表面に熱衝撃が加わり、より破損しやすくなる。
特開昭６０−１９０２４８号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、優れた絶縁性をもつ排気処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは排気処理装置の絶縁部について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

本発明の排気処理装置は、排気ガス流路を区画する排気管と、排気管内の排気ガス流路中に配置された放電電極と、排気管内の放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、を有し、放電電極と対向電極との間に電圧を印加して放電電極から電荷を放出して排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、対向電極で帯電した微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置において、放電電極が、排気ガス流路中に配置された放電部と、排気管の壁部を貫通し排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、放電部を排ガス流路中に保持するとともに外部と放電部とを電気的に接続する導電部と、導電部の軸部の外周部にもうけられ、導電部と排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、を有し、絶縁部は、少なくとも放電部側の端部の表面にガラス質の保護層が形成されたことを特徴とする。

本発明の排気処理装置は、放電部を保持する導電部と排気管とを絶縁する絶縁部の表面にガラス質の保護層が形成されてる。このガラス質の保護層は、排気ガスに含まれる微粒子物質などの成分が付着しにくい。つまり、本発明の排気処理装置は、絶縁部の表面に微粒子物質が堆積しなくなった。この結果、絶縁部の外表面に付着した微粒子物質が導電部と排気管とが電気的に導通されることがなくなり、電気絶縁性が確保された。

本発明の排気処理装置は、排気ガス流路を区画する排気管と、排気管内の排気ガス流路中に配置された放電電極と、排気管内の放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、を有し、放電電極と対向電極との間に電圧を印加して放電電極から電荷を放出して排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、対向電極で帯電した微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置である。

そして、放電電極が、排気ガス流路中に配置された放電部と、排気管の壁部を貫通し排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、放電部を排ガス流路中に保持するとともに外部と放電部とを電気的に接続する導電部と、導電部の軸部の外周部にもうけられ、導電部と排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、を有する。

このような構成の排気処理装置において、絶縁部に微粒子物質（ＰＭ）が付着して堆積することを防止する方法のひとつとして、筒状の絶縁部の外表面に表面処理を施してＰＭを付着しにくくする方法がある。ＰＭの付着を抑えることで、導電部と排気管とが導通されなくなる。

保護層は、筒状の絶縁部の軸方向の少なくとも一部に形成されていればよい。このとき、保護層は、絶縁部の周方向の全周にわたって形成される。そして、この保護層が形成される軸方向の位置は、軸方向のどの位置でもよいが、絶縁部の製造に要するコストの増加を抑えるために少なくとも放電部側の端部に形成されたことが好ましい。より好ましくは、絶縁部の外表面の全面である。

そして、このような表面処理を用いた本発明の排気処理装置は、絶縁部の少なくとも放電部側の端部の表面にガラス質の保護層が形成されている。ガラス質の保護層は、なめらかな表面を形成している。表面がなめらかとなることで、ＰＭが付着しにくくなる。また、仮にＰＭが付着したとしても、ＰＭが直ちに脱離するため、保護層の表面にＰＭが残留しなくなる。

保護層は、表面粗度Ｒｚが１０μｍ以下であることが好ましい。表面粗度Ｒｚが１０μｍ以下となることでＰＭの付着を抑えることができる。保護層の表面粗度Ｒｚは６．３μｍ以下であることがより好ましい。

保護層は、軟化温度が５００℃以上であることが好ましい。保護層を形成するガラス質の軟化温度が５００℃以上となることで、高温の排気ガスの流れの中に配置できる。軟化温度が５００°未満では、高温の排気ガス（通常は、７００℃以上）が流れると溶融して流動し保護層が絶縁部の表面に存在しなくなり、保護層によるＰＭの付着を抑える効果が発揮できなくなる。

保護層の熱膨張係数が絶縁部の熱膨張係数より小さいことが好ましい。保護層のガラス質と絶縁部との熱膨張係数に差があることで、絶縁部の破損を抑えることができる。具体的には、高温の排気ガスにより絶縁部が加熱されて高温となると、絶縁部が膨張する。このとき、保護層の熱膨張係数が小さいことで、絶縁部に圧縮応力を付与することができる。この結果、絶縁部の曲げ強度が向上し破損が抑えられる。

保護層の厚さが５〜１００μｍであることが好ましい。保護層の厚さが５μｍ未満となると、保護層の厚さが薄すぎ、絶縁部の表面粗度を抑制する効果が得られなくなるとともに、高温の排気ガスに曝されたときに軟化・溶融して流動を生じやすくなる。また、１００μｍを超えると絶縁部に圧縮応力を付与する効果が少なくなり、絶縁体の強度が低下する。また、過剰に厚くなり、製造に要するコストが上昇する。

保護層は、釉薬を焼成してなることが好ましい。この釉薬は、固形分全体を１００ｗｔ％としたときに、１６〜４９ｗｔ％のＳｉＯ₂と、１５〜３５％のＢ₂Ｏ₃と、０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜１０％のＺｎＯと、を含有することが好ましい。この釉薬は、さらに、従来公知の添加剤を含有することが好ましい。

すなわち、釉薬は、ＣａＯ，ＢａＯ，ＭｇＯの少なくとも１種を含有したことが好ましい。釉薬は、さらに、Ｂｉ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＣｅＯ，ＦｅＯの少なくとも１種を含有したことが好ましい。釉薬は、さらに、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの少なくとも１種を含有したことが好ましい。これらの添加剤を含有した釉薬のスラリーを調製し、絶縁部の表面にコートした後に焼成することで、ＰＭの付着を抑えることができる保護層を形成することができる。

本発明の排気処理装置は、放電電極の電極部から電荷を放出し、帯電したＰＭが対向電極に凝集される。この対向電極は、帯電したＰＭを凝集させることができる部材（放電電極と異なる電位を付与できる部材）であれば特に限定されるものではない。排気管が対向電極となってもよい。すなわち、排気管の内壁面が対向電極となることが好ましい。

対向電極は、帯電したＰＭを捕集してＰＭを凝集させる部材であり、放電電極の下流側にもうけられたことが好ましい。排気ガス流において放電電極の下流側に対向電極がもうけられることで、帯電したＰＭが排気ガス流にのって流れたときに、この帯電したＰＭを捕捉できることとなる。

対向電極は、排気ガスの流れ方向に垂直に配置された網状の部材を有することが好ましい。網状の部材をもつことで、対向電極が高い効率で帯電したＰＭを捕集できる。網状を有することで、排気ガスの流れを妨げることなく、排気ガスとの接触面積を大きくすることがきる。この網状の部材が排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置されることで、排気ガスの流れ方向を変化させることなく帯電したＰＭを捕集できる。なお、網状の部材とは、排ガスが通過できる連通した通気孔をもつ部材を示すものであり、排ガスの流れ方向の長さを有する部材であってもよい。また、連通した通気孔も、排ガスの流れ方向の両側の表面を連通していればよい。つまり、排ガスが通過するセルをもつハニカム体等の部材であっても、細孔が連続した多孔質の部材であってもよい。

この網状の部材の外周は排気管の内周と一致することが好ましい。つまり、排気管の断面の全面に網状の部材が配置されることで、より多くの帯電したＰＭを捕集できる。

本発明の排気処理装置は、対向電極で捕集したＰＭを大粒径のＰＭに凝集させる。その後、対向電極表面の大粒径化したＰＭをこの対向電極表面から取り除く。対向電極表面からのＰＭの除去は、たとえば、強い排気ガス流を流すことでなされる。このため、大粒径化したＰＭを分解除去する装置をその下流にもつことが好ましい。つまり、対向電極の下流に、対向電極で凝集した微粒子物質を除去する除去装置をもつことが好ましい。この除去装置は限定されるものではないが、例えば、ＤＰＦなどのフィルタ触媒をあげることができる。

本発明の排気処理装置は、上記したように、絶縁部の表面にＰＭが付着しにくい保護層を形成するものであり、それ以外の構成は、従来公知の排気処理装置と同様の構成とすることができる。すなわち、排気管、放電電極、対向電極等の本発明を構成する部材の材質についても、従来公知の処理装置に用いられた材質を用いることができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

（実施例）
本発明の実施例として、ディーゼルエンジンの排気処理装置を製造した。実施例の排気処理装置の構成を図１に示した。

実施例の排気処理装置は、エンジンの排気管１と、排気管中に配置された放電電極２と、排気管１中の放電電極２の下流に配置された凝集部材３と、排気管１中の凝集部材３の下流に配置されたＤＰＦ４と、放電電極２と凝集部材３と接続された外部電源（図示せず）と、を備えている。

排気管１は、耐熱性金属よりなる円環状の筒状部材である。

放電電極２は、排気ガス流路中に配置された円板状の放電部２０をもつ。放電部２０は、円板の中心が排気管１の中心に位置した状態であり、かつ表面が軸方向に垂直な状態で配置されている。放電電極２を図２に示した。

放電部２０は、導電部２１により保持されている。導電部２１は、放電部２０の上流側の表面から排気管１の軸方向に突出した接続部２１０と接続部２１０の上流側の端部から排気管１の径方向にのび、かつ排気管１を貫通する軸部２１１と、から構成される。導電部２１は、耐熱性金属よりなる棒状部材が折り曲げられて一方が接続部２１を他方が軸部２１１をなした構造を有している。

そして、導電部２１の軸部２１１の外周面には、電気絶縁性をもつ絶縁部２２が形成されている。この絶縁部２２は、軸部２１１が嵌入したセラミックスよりなる筒状の本体部２２０と、本体部２２０の外表面に形成されたガラス質の保護層２２１と、を有する部材である。放電電極２の絶縁部２２の先端部２２０近傍の構成を図３に示した。

この絶縁部２２は、まず、原料粉末を混合した後に焼成して筒状の本体部２２０を製造する。その後、釉薬スラリーを調製し、この釉薬スラリーを本体部２２０の外表面にコートした後に８００℃以上の温度で焼成することで製造することができる。なお、釉薬スラリーは、固形分全体を１００ｗｔ％としたときに、１６〜４９ｗｔ％のＳｉＯ₂と、１５〜３５％のＢ₂Ｏ₃と、０〜１０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と、０〜１０％のＺｎＯと、を主成分として含有し、添加剤として、ＣａＯ，ＢａＯ，ＭｇＯの少なくとも１種と、Ｂｉ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＣｅＯ，ＦｅＯの少なくとも１種と、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの少なくとも１種と、を含有している。

そして、放電電極２の絶縁部２２の外周面には、放電電極２を排気管１に固定するためのハウジング２３が形成されている。

凝集部材３は、排気管１中の放電電極２の下流に配置されている。この凝集部材３は、導電性をもつ耐熱性金属よりなる網状を有し、排気管１の断面の全面にわたってもうけられている。この網状の凝集部材３は、排気管１内に軸方向に垂直な状態で一体に固定された。なお、排気管１と凝集部材３は、電気的に接続されている。本実施例においては、この凝集部材３と排気管１とは同電位の対向電極となる。

ＤＰＦ４は、排気管１中の凝集部材３の下流に配置されている。このＤＰＦ４は、従来公知のＤＰＦである。

以下に本実施例の排気処理装置の作動を説明する。

まず、放電電極２に、図示しない外部電源から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、放電部２０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、付近を流れる排気ガス中のＰＭに付着してこれを負に帯電させる。帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって凝集部材３に向かって移動する。そして、凝集部材３の表面に帯電したＰＭが到着する。凝集部材３の表面に接触したＰＭは、電荷が凝集部材３に回収され、ＰＭが凝集部材の表面に付着する。そして、新たなＰＭが凝集部材３の表面に付着して、ＰＭが凝集して粗大化する。この結果、大粒径化したＰＭが凝集部材３の表面に存在することとなる。

そして、粗大化したＰＭが凝集部材３の表面に堆積した状態で、排気管１内に流速の速い排気ガス流を流す。この流速の速い排気ガス流により、凝集部材３の表面に堆積した粗大化したＰＭが凝集部材３の表面から脱離して下流側に移動する。そしてＤＰＦ４に捕捉され分解される。

そして、本実施例の排気処理装置の作動時に、排気管１中に高温の排気ガスが流れると、この排気ガス中のＰＭが放電電極２と接触する。しかし、放電電極２の絶縁部２２の表面には保護層２２１が形成されており、接触したＰＭが保護層２２１の表面にとどまらなくなっている。この結果、絶縁部２２の外表面にＰＭ等の堆積が生じない。この結果、導電部２１と排気管１とがＰＭにより導通されなくなった。つまり、本実施例の排気処理装置は、ＰＭの凝集性および安全性にすぐれた排気処理装置となっている。

実施例の排気処理装置の構成を示した図である。 実施例の排気処理装置の放電電極を示した図である。 実施例の排気処理装置の放電電極の絶縁部の先端部近傍の構成を示した図である。

符号の説明

１：排気管
２：放電電極 ２０：放電部
２１：軸部 ２１０：接続部
２１１：軸部 ２２：絶縁部
２２０：本体部 ２２１：保護層
２３：ハウジング
３：凝集部材
４：ＤＰＦ

Claims (9)

1. 排気ガス流路を区画する排気管と、
   該排気管内の該排気ガス流路中に配置された放電電極と、
   該排気管内の該放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、
   を有し、該放電電極と該対向電極との間に電圧を印加して該放電電極から電荷を放出して該排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、該対向電極で帯電した該微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置において、
   該放電電極が、
   該排気ガス流路中に配置された放電部と、
   該排気管の壁部を貫通し該排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、該放電部を該排ガス流路中に保持するとともに外部と該放電部とを電気的に接続する導電部と、
   該導電部の該軸部の外周部にもうけられ、該導電部と該排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、
   を有し、
   該絶縁部は、少なくとも該放電部側の端部の表面にガラス質の保護層が形成されたことを特徴とする排気処理装置。
2. 前記保護層は、表面粗度Ｒｚが１０μｍ以下である請求項１記載の排気処理装置。
3. 前記保護層は、軟化温度が５００℃以上である請求項１記載の排気処理装置。
4. 前記保護層の熱膨張係数が前記絶縁部の熱膨張係数より小さい請求項１記載の排気処理装置。
5. 前記保護層の厚さが５〜１００μｍである請求項１記載の排気処理装置。
6. 前記保護層は、８００℃以下での抵抗が１ＭΩ以上である請求項１記載の排気処理装置。
7. 前記排気管の内壁面が前記対向電極となる請求項１記載の排気処理装置。
8. 前記対向電極は、前記排気ガスの流れ方向に垂直に配置された網状の部材を有する請求項７記載の排気処理装置。
9. 前記対向電極の下流に、該対向電極で凝集した前記微粒子物質を除去する除去装置をもつ請求項１記載の排気処理装置。

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