JP2008248728A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エネルギー効率のみならずＰＭ捕集効率等をも改善した排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】電気絶縁性の中空筒状筐体、前記中空筒状筐体の内周壁面部上に配置された筒状の外周電極、前記外周電極の中心軸上に保持されている棒状の中心電極、及び前記外周電極と中心電極の間に配置された金属製中空筒体を備え、前記金属製中空筒体が絶縁されており、かつ流入した粒子状物質が堆積することなく透過可能なように複数の孔を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源を利用して内燃機関等からの排ガス中の粒子状物質（以後ＰＭとする）を燃焼・除去することができる排ガス浄化装置に関する。
自動車等において使用される内燃機関や焼却設備から排出される排ガスには、様々な有害成分が含有されている。この有害成分のうち、特にＮＯx、ＳＯx、及びＰＭの排出を低減させることが望まれている。ディーゼルエンジンでは、近年特にＰＭの排出を低減することが強く望まれており、このＰＭを除去するためにパティキュレートフィルターが用いられている。
この種のパティキュレートフィルターは、コージェライト等のセラミックからなる多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路においては出口が目封じされており、各流路を区画する多孔質壁を透過した排ガスのみが下流側へ排出される。そして、排ガス中のＰＭは前記多孔質壁を通過することができないため、この多孔質壁の内側表面においてＰＭが捕集される。
このようなフィルターでは、捕集されたＰＭによりフィルターが目詰まりを起こし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となるため、この目詰まりによる通気抵抗が増加する前にＰＭを適宜に燃焼除去し、フィルターの再生を図る必要がある。ところが、通常のディーゼルエンジンの運転状態では、ＰＭが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られない。
そこで最近、放電によってプラズマを発生させ、このプラズマの酸化作用によってＰＭを燃焼除去し、かつプラズマの酸化作用と触媒の還元作用によってＮＯx等を浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクター）が提案されている。
例えば、円筒状の外周電極と、この外周電極の中心部に放電用金属線電極を配し、かつ外周電極の内側に電気絶縁性の中空筒体を有する排ガス浄化システムが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、外周電極を接地し、金属線電極を電源に接続し、電源を作用させることにより、外周電極と金属線電極の間で放電を起こさせ、プラズマを発生させるが、外周電極と金属線電極の間に電気絶縁性の中空筒体を配置することにより、スパークの無駄なエネルギー消費を回避することができるとされている。
特開２００１−１６２１３４号公報
しかしながら、上記の排ガス浄化装置では、プラズマを形成するために大きなエネルギーが必要となり、エネルギー効率の点で改善する余地がある。本発明は、このような問題を解消し、エネルギー効率のみならずＰＭ捕集効率等をも改善した排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するために本発明によれば、
電気絶縁性の中空筒状筐体、
前記中空筒状筐体の内周壁面部上に配置された筒状の外周電極、
前記外周電極の中心軸上に保持されている棒状の中心電極、及び
前記外周電極と中心電極の間に配置された金属製中空筒体
を備え、前記金属製中空筒体が絶縁されており、かつ流入した粒子状物質が堆積することなく透過可能なように複数の孔を有することを特徴とする排ガス浄化装置が提供される。
本発明によれば、外周電極と中心電極の間に電気的に隔離した金属製中空筒体を配置することにより、中心電極からの電荷を金属製中空筒体に溜め、この電荷を外周電極に放電することにより、大きなエネルギーを必要とするパルス電源を用いることなく直流電源によってＰＭを酸化処理することができ、必要エネルギーを低く抑えることができる。
以下、本発明の排ガス浄化装置の一態様を図面を参照して説明する。この排ガス浄化装置１０は、図１に示すように、電気絶縁性の中空筒状筐体１１、前記中空筒状筐体の内周壁面上に配置された筒状の外周電極１２、前記外周電極の中心軸上に保持されている棒状の中心電極１３、及び前記外周電極と中心電極の間に配置された金属製中空筒体１４から構成されている。
中心電極１３はセラミック等の絶縁性材料より形成されている支持部材１５によって外周電極１２の中心軸上に保持されている。図１では中心電極１３は電源１８に接続されており、外周電極１２は接地されているが、これを逆にして、中心電極１３を接地し、外周電極１２を電源に接続してもよい。
金属製中空筒体１４は絶縁管１６と絶縁性固定治具１７によって外周電極と中心電極の間に絶縁されて固定されている。
ここで、排ガス浄化装置１０を構成する各構成部について具体的に説明する。
中空筒状筐体１１は外周電極１２を保持し、排ガスの流路を形成するものであり、電気絶縁性であれば特にその材質は制限されず、例えばコージェライトやアルミナ等のセラミック等を用いることができる。またその断面形状も特に制限はなく、任意の形状とすることができるが、円筒状であることが好ましい。
中心電極１３は、この中心電極１３と外周電極１２の間に電圧を印加することができる材料で形成する。この材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、なかでも金属材料が好ましい。この金属材料としては、具体的には銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等を使用することができる。特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。この中心電極の形状はワイヤが一般的であるが、中空の電極も用いることができる。さらにこの中心電極１３には放電突起１９を設けることが好ましい。この放電突起１９は、中心電極１３から放射状に、その先端が外周電極１２に向くように複数の針を棘状に配置することによって形成される。この放電突起１９の針状部の数は、流入する排ガス中のＰＭを最も良好に帯電させるように、最適化した数を実験により定めることができる。
外周電極１２は、中心電極１３と同様の材料を、金属メッシュもしくは金属箔として、中空筒状筐体１１の内周壁面部上に配置することにより形成される。あるいは、導電性ペーストを中空筒状筐体１１の内周壁面部上に塗布することによって形成することもできる。この外周電極１２は中心電極１３を中心軸とした筒状の形状であればよいが、異常放電を起こすことを防ぎ、効率よく放電させるため、すべての面が中心電極１３から等距離にあるように円筒状であることが好ましい。
外周電極１２と中心電極１３の間に配置される金属製中空筒体１４は、外周電極や中心電極と同様の材料を用いて筒状に形成されたものであるが、流入した排ガス中のＰＭがこの金属製中空筒体１４上に堆積することなく透過可能であるような孔を複数有している。一般にＰＭの大きさは２．５μｍ程度であるため、この孔の大きさは２．５μｍより大きければ十分であり、一般的なメッシュ状の筒体を用いることができる。この金属製中空筒体１４の形状は、外周電極１２と同様に筒状の形状であればよいが、異常放電を起こすことを防ぎ、効率よく放電させるため、外周電極１２と同軸の円筒状であることが好ましい。また、外周電極１２と金属製中空筒体１４と中心電極１３の間の距離は、外周電極１２と金属製中空筒体１４との距離が金属製中空筒体１４と中心電極１３との距離よりも短くなるようにする。
以上説明した部材から構成される排ガス浄化装置１０は、必要に応じてケースに収納し、例えば内燃機関の排気系統を構成する排気管に接続される。そしてＰＭを含む排ガスは矢印で示すように図の左側から右側に流れる。ＰＭは中心電極１３からの放電によって帯電しているため、外周電極１２に引き付けられ、絶縁されている金属製中空筒体１４に引き付けられることなく、この金属製中空筒体１４の孔を通過して、外周電極１２上に堆積する。
排ガス浄化装置１０において、金属製中空筒体１４は絶縁管１６と絶縁性固定治具１７によって外周電極１２と中心電極１３から絶縁されているため、外周電極１２、金属製中空筒体１４、及び中心電極１３は電気的にはコンデンサーを構成している。従って電源１８から中心電極１３を経て経時的に金属製中空筒体１４に電荷が溜まり、外周電極１２上に堆積したＰＭに向かって放電が起こる。このように、本発明の排ガス浄化装置では、金属製中空筒体１４に一旦電荷を溜めた後に放電しているため、従来のプラズマリアクターを利用した排ガス浄化装置のように、プラズマ形成に必要なパルス放電を起こす必要がなく、大きなエナルギーを必要とせず、一般的な直流電源を用いてＰＭを酸化処理することができる。
排ガス浄化装置１０におけるＰＭの酸化を促進するためには、外周電極１２に効率よくＰＭを導くことが必要である。そこで、排ガス浄化装置１０の排ガス流の上流側に、ＰＭを帯電させるユニットを配置することが好ましい。このユニットとしては、例えば図６に示すような従来の排ガス浄化プラズマリアクターの構成を用いることができる。このような帯電ユニットを配置した本発明の排ガス浄化装置の一例を図２に示す。ここで、ユニット１０は図１に示す排ガス浄化装置と同じ構成であり、排ガス流の上流側に配置される帯電ユニット２０は、筒状の外周電極２１と、この外周電極２１の中心軸上に保持されている棒状の中心電極２２から構成されている。
外周電極２１及び中心電極は２２は、ユニット１０における外周電極１２及び中心電極１３と同様の材料を用いて形成することができる。また、中心電極２２は支持部材１５によって外周電極２１の中心軸上に保持されており、放電突起２３を設けることが好ましい。
帯電ユニット２０にＰＭが流入すると、ＰＭは帯電し、凝集、飛散を繰り返しながら下流側に向かって粗大化していく。この粗大化のメカニズムを、図３を参照して説明する。
(1)放電極（図２では中心電極）から電子が放出される。このとき、接地極（外周電極）にはプラス電荷が誘導される。
(2)ＰＭがマイナスに帯電する。
(3)ＰＭが電界の力によって接地極に吸着する。
(4)ＰＭは導体であるため、プラスに誘導した接地極の影響を受け、表面がプラスに帯電する。
(5)ＰＭが接地極と反発し、飛び出す。
(6)再び放電極から放出された電子によってＰＭがマイナスに帯電する。
(7)接地極に吸着する。
上記(1)〜(7)を繰り返し、ＰＭが粗大化しながら飛散する。
このように、帯電ユニットを配置することにより、流入したＰＭは強く帯電し、かつ粗大化するため、ユニット１０によってＰＭを補足しやすくなり、効率的に酸化除去することができる。
ＰＭ捕集率測定試験
図４に示す構成にてＰＭ捕集率を測定した。具体的には、ディーゼル発電機の運転条件は、定格出力５ｋＷ、ガス流量820mL/minであり、ＰＭ粒子計測器としてデジタル粉塵計を用い、まず入りガスのＰＭ粒子数を測定した。次いで、図６に示すリアクター１（これは図２中のユニット２０と同様の構成であり、外周電極の径８０ｍｍ、長さ３８０ｍｍ、放電突起の数２０個である）を捕集リアクターとして設置し、設置３０分後に出ガスのＰＭ粒子数を測定した（比較例１）。次いでこのリアクター１を取り外し、図２に示すユニット１０（外周電極の径１００ｍｍ、長さ８０ｍｍ、外周電極と金属製中空筒体の間の距離８ｍｍ）とユニット２０からなるリアクター２を捕集リアクターとして設置し、電源１８を印加せず、電源２４のみを印加し（−２２ｋＶ）、３０分後に出ガスのＰＭ粒子数を測定した（比較例２）。さらにこのリアクター２を取り外し、ユニット１０とユニット２０からなる別のリアクター２を捕集リアクターとして設置し、電源１８（−２６ｋＶ）と電源２４（−２２ｋＶ）の両方を印加し、３０分後に出ガスのＰＭ粒子数を測定した（実施例１）。得られた出ガスのＰＭ粒子数と入りガスのＰＭ粒子数の比からＰＭ捕集率を算出し、結果を以下の表１に示す。
Figure 2008248728
実施例と比較例において、リアクターの全長はともに３８０ｍｍであり同じであるが、実施例においてはユニット１０を設け、これに電源を印加することによりＰＭ捕集率が向上している。
ＰＭ酸化速度試験
図５に示す構成にてＰＭ酸化速度を測定した。具体的には、モデルガス発生器からＯ2１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ2４０Ｌ／ｍｉｎの組成で上記ＰＭ捕集率測定試験においてＰＭの捕集に用いた、ＰＭ付着済みの捕集リアクターにガスを１時間流し（リアクターの温度２５℃）、ＰＭの酸化によって生成されたＣＯ及びＣＯ2をＣＯ、ＣＯ2計にて測定し、それらの量の積算値からＰＭ酸化速度を計測した。なお、比較例３ではリアクター１において直流電源を印加し、比較例４ではリアクター１において直流電源に代えてパルス電源を印加し、実施例２ではリアクター２において電源１８のみを印加した。結果を以下の表２に示す。比較例にくらべ実施例では低エネルギーでＰＭ酸化が可能となっている。
Figure 2008248728
上記の結果より、本発明の排ガス浄化装置では、ＰＭの捕集率が向上し、かつ直流電源のみの低エネルギーによってＰＭを酸化除去することができる。
本発明の排ガス浄化装置の一態様を示す断面図である。 本発明の排ガス浄化装置の一態様を示す断面図である。 ＰＭ粗大化のメカニズムを示す模式図である。 ＰＭ捕集率測定実験の構成を示す図である。 ＰＭ酸化速度測定実験の構成を示す図である。 従来の排ガス浄化プラズマリアクターの構成を示す断面図である。
符号の説明
１１ 中空筒状筐体
１２、２１ 外周電極
１３、２２ 中心電極
１４ 金属製中空筒体
１５ 支持体
１６ 絶縁管
１７ 絶縁性固定治具
１８ 電源
１９、２３ 放電突起

Claims (4)

  1. 電気絶縁性の中空筒状筐体、
    前記中空筒状筐体の内周壁面部上に配置された筒状の外周電極、
    前記外周電極の中心軸上に保持されている棒状の中心電極、及び
    前記外周電極と中心電極の間に配置された金属製中空筒体
    を備え、前記金属製中空筒体が絶縁されており、かつ流入した粒子状物質が堆積することなく透過可能なように複数の孔を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
  2. 前記中心電極が直流電源に接続され、前記外周電極が接地されている、請求項１記載の排ガス浄化装置。
  3. 排ガス流の上流側に粒子状物質を帯電させるユニットが配置されている、請求項１記載の排ガス浄化装置。
  4. 前記粒子状物質を帯電させるユニットが、筒状の外周電極と、この外周電極の中心軸上に保持されている棒状の中心電極より構成されている、請求項３記載の排ガス浄化装置。
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