JP2021156273A - 排気ガス浄化用プラズマリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑制しつつＰＭ除去効果が高い排気ガス用プラズマリアクタを提供する。【解決手段】プラズマリアクタ１は、放電ギャップ６を介して並列配置された多数枚の負極放電パネル４及び正極放電パネル５を備えており、負極放電パネル４にはマイナス電極８が埋設されて、正極放電パネル５にはプラス電極９が埋設されている。プラス電極９はマイナス電極８よりも広幅に形成されて、排気ガスの流れ方向に向かってマイナス電極８よりも前方に突出した前方はみ出し部９ａを備えている。マイナス電極８から放出された電流はプラス電極９の前方はみ出し部９ａに広がるため、マイナス電極８の幅寸法Ｗ１を広げることなく放電エリア（プラズマ発生エリア）を増大できる。従って、消費電力を抑制しつつＰＭ除去効果を向上できる。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用等のエンジンに付設して排気ガスからＰＭ（粒子状物質）を除去することに使用するプラズマリアクタに関するものである。

エンジンから排出される排気ガスには、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘと並んでＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれている。このＰＭはディーゼルエンジンにおいて多く発生しており、そこで、ディーゼルエンジンではＰＭの除去手段としてＤＰＦが使用されているが、PＭを燃焼させるための燃料噴射制御を要する点や、ＤＰＦ内に堆積したＰＭやアッシュ（燃料中の硫黄成分による未燃灰分）による圧損増大等、課題が多い。

他方、ガソリンエンジンはディーゼルエンジンに比べてＰＭの発生量は少ないため、排気ガスの浄化手段として従来は、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを対象にした三元触媒が使用されてきたが、ＰＭの規制が強化されて個数管理（ＰＮ）に移行するに至り、ガソリンエンジンにおいてもＧＰＦを採用するなどＰＭの除去は重要な課題として浮上している。しかし、ＧＰＦにおいてもＤＰＦと同様の問題が懸念される。

そこで、ＤＰＦやＧＰＦに代わるＰＭの除去手段が要請されており、このＰＭ除去手段として、プラズマリアクタが注目されている。プラズマリアクタは、ケーシング内に、多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して並列配置されたもので、隣り合った放電パネルの電極に高電圧を印加して放電ギャップにプラズマを発生させることにより、放電ギャップを流れる排気ガスに含まれているＰＭを酸化して（燃焼させて）無害化している（例えば特許文献１）。

特開２０１８−３６０４号公報

プラズマリアクタによるＰＭの除去効果は実証されているが、実用化を促進するための条件として、単位電力当たりのＰＭ除去効率が挙げられる。つまり、放電パネルの全面に電極を設けて、放電ギャップの全体にプラズマを発生させるとＰＭの除去性能は格段に高くなるが、使用する電力は電極の面積に比例するため、消費電力が増大して燃費を低下させてしまうことになり、さりとて、電極の面積を小さくすると、消費電力は低減できてもＰＭを除去しきれずにＰＭが放電パネルの表面に徐々に堆積していく問題がある。

そして、ＰＭが放電パネルの表面に堆積していくと、電流がＰＭに漏洩して放電性能が低下したり、過電流によって電源が破損したりする問題や、放電ギャップの容積低下による排気ガスの流れ抵抗増大によってエンジンの出力低下を招くといった問題がある。

従って、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能に優れたプラズマリアクタが要請されている。本願発明は、この要請に応えようとするものである。

さて、ＰＭが放電パネル４，５に付着する現象について本願発明者たちが研究したところ、ＰＭは、正極放電パネルの表面でかつプラス電極から外れた部分（特に下流側）に多く付着・堆積することが分かった。本願発明者たちは、かかる知見を基にして本願発明を完成させるに至った。

本願発明は、
「排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、マイナス電極を埋設した負極放電パネルとプラス電極を埋設した正極放電パネルとが放電ギャップを介して交互に並列配置されており、隣り合った電極間に電流を印加してプラズマを発生させることにより、前記放電ギャップを通過する排気ガスに含まれたＰＭを酸化して除去する」
というプラズマリアクタにおいて、
「前記マイナス電極及びプラス電極は、排気ガスの流れ方向と直交した方向に長手で排気ガスの流れ方向を幅方向とした帯状に形成されており、前記プラス電極に、排気ガスの流れ方向に向かって前記マイナス電極より前方又は後方若しくは前後両方向に突出したはみ出し部を形成している」
という特徴を備えている。

プラズマリアクタにおいて、対向する電極間で放電するので、消費電力は電極の幅寸法に比例する。他方、放電は放電ギャップ空間に広がる性質を有しているため、本願発明のようにプラス電極にマイナス電極から突出したはみ出し部を設けると、放電面積を増大できる。これにより、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能を向上できる。

つまり、本願発明では、マイナス電極の幅を大きくすることなく、放電エリア（プラズマ発生エリア）の増大によってＰＭ除去性能を向上できると共に、正極放電パネルの表面のうちプラス電極からはみ出た面積が小さくなることにより、ＰＭの付着性を大幅に低下できるのであり、これらの相乗効果により、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能を向上できる。

さて、プラス電極をマイナス電極よりも広幅に形成すると、放電パネルの積層方向から見て、プラス電極はマイナス電極よりも排気ガスの流れ方向にはみ出ることになり、従って、プラス電極が、排気ガスの流れ方向後方のみにはみ出る態様と、排気ガスの流れ方向前方のみにはみ出る態様と、排気ガスの流れ方向の前後両側にはみ出る態様とがある。

そして、プラズマリアクタは放電によりＰＭをパネルへ一時吸着させ、酸化除去するが、放電による電子の流れはマイナス電極からプラス電極に向かうことから、ＰＭはプラス電極へ吸着されやすいため、プラス電極にはみだし部を設けて放電面積拡大を図るとパネルへのＰＭ吸着がより促進される。従って、いずれの態様でも、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能を向上できる。

（Ａ）は第１実施形態に係るプラズマリアクタの概略縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ概略図、（Ｃ）は（Ａ）の部分拡大図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ視断面図、（Ｅ）は作用を示す拡大断面図である。 第２実施形態の部分的な断側面図である。 第３実施形態の部分的な断側面図である。 第４実施形態の部分的な断側面図である。 第５実施形態の部分的な断側面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンの付属品として使用されている。

(1).第１実施形態の構造
まず、図１に示す第１実施形態を説明する。図１のうち（Ａ）ではプラズマリアクタ１の全体を表示している。このプラズマリアクタ１は、自動車のエンジンから排出される排ガスからＰＭを除去するために排気管２の中途部に介挿されており、例えば、触媒式浄化装置の下流側に配置されている。

プラズマリアクタ１は、フロントコーン部３ａ及びリアコーン部３ｂを備えたケーシング（ハウジング）３と、ケーシング３のストレート部３ｃに配置された多数枚の負極放電パネル４及び正極放電パネル５の群とを備えている。負極放電パネル４及び正極放電パネル５は、排気ガスの流れ方向に直交した方向に長い長方形の形態であり、負極放電パネル４と正極放電パネル５とが放電ギャップ（排気ガス通過空間）６を介して交互に並列配置されている。

ケーシング３はステンレス鋼板等の金属板で作られており、排気ガスの流れ方向から見て四角形になっている。従って、コーン部３ａ，３ｂは、角錐状の形態になっている。

放電パネル４，５は、誘電体製の基板７に電極８，９を埋設した構造になっている。基板７は例えばアルミナ等のセラミック製である一方、電極８，９はタングステン等の電気抵抗が小さい金属膜から成っており、基板７の長手方向に長い帯状の形態を成している。なお、基板７は、製造段階では表層と裏層との積層構造になっており、一方の層に電極８，９を印刷してから重ね合わせて焼成することにより、内部に電極８，９が埋設された１枚板製品と成している。図１（Ｅ）ではプラス電極９をマイナス電極８よりも厚く表示しているが、両者は同じ厚さであってもよい。

基板７及び電極８，９は、既述のとおり、排気ガスの流れ方向と直交した方向に長いため、排気ガスの流れ方向は幅方向になっている。そして、負極放電パネル４及び正極放電パネル５のいずれにおいても、電極８，９は基板７の横幅寸法Ｗ０よりも小さい幅寸法Ｗ１，Ｗ２であり、基板７のうち排気ガスの流れ方向を向いて前方の側に寄せて配置されている。

そして、マイナス電極８は、排気ガスの流れ方向を向いた前端縁８ａが基板７の前端面７ａよりも後ろ側に位置しており、従って、マイナス電極８の全体が基板７の内部に隠れているが、プラス電極９の幅寸法Ｗ２はマイナス電極８の幅寸法Ｗ１よりも大きくなっており、排気ガスの流れ方向の前方に向いた部分が、マイナス電極８よりも前方にはみ出ている。すなわち、プラス電極９は、排気ガスの流れ方向から見てマイナス電極８の前方に突出した前方はみ出し部９ａを備えている。

この場合、プラス電極９の前端縁９ｂを基板７の前端面７ａに露出させているが、図１（Ｅ）に一点鎖線で示すように、基板７の前端面７ａをプラス電極９の前端縁９ｂよりも前方に位置させて、プラス電極９の全体を基板７に埋設することも可能である。

放電パネル４，５は排気ガスの流れ方向と直交した方向に長いため、図１（Ｄ）に示すように、基板７は、排気ガスの流れ方向と平行な一対の短手側面７ｂ，７ｃを有するが、本実施形態では、マイナス電極８は基板７の短手一側面７ｂに露出させている一方、プラス電極９は基板７の短手他側面７ｃに露出させている。

そして、ケーシング３の一方の側板と放電パネル４，５との間に負極用側面電極板１０を介挿し、負極用側面電極板１０に設けたマイナス側面電極１１と各負極放電パネル４のマイナス電極８とを導通させている一方、ケーシング３の他方の側板と放電パネル４，５との間に正極用側面電極板１２を介挿し、正極用側面電極板１２に設けたプラス側面電極１３と正極放電パネル５の各プラス電極９とを導通させており、側面電極１１，１３を電源装置（図示せず）に接続している。

放電パネル４，５を構成する基板７は、強度維持の点からある程度の厚さ（例えば０．３〜２ｍｍ程度）が必要である一方、放電ギャップ６の間隔は０．1〜２ｍｍ程度である。従って、放電ギャップ６の断面積の総和が排気管２の断面積と同じ程度になるように設定している。なお、放電ギャップ６の断面積の総和を排気管２の断面積よりも大きく設定してもよい。

(2).第１実施形態のまとめ
図示しない電源装置により、マイナス電極８とプラス電極９との間に数ｋＶの高圧電流を印加すると、放電ギャップ６にプラズマが発生して、排気ガスに含まれているＰＭを酸化し除去（分解する）ことができる。

そして、プラズマは電極８，９の全面に亙って広がる傾向を呈するが、本実施形態では、プラス電極９がマイナス電極８よりも排気ガスの流れ方向前方（下流側）にはみ出ているため、図１（Ｅ）に網かけ表示で示すように、放電エリアはマイナス電極８よりも前方に広がっており、これにより、高いＰＭ除去効果を得ることができる（なお、プラス電極９のはみ出した長さは０．１ｍｍ〜２０mm程度であり、最大長さはマイナス電極８の幅Ｗ１の１．５倍程度である。）。

従って、消費電力をできるだけ抑制しつつ、正極放電パネル５の表面にＰＭが付着・堆積することを防止又は著しく抑制できる。その結果、堆積したＰＭに電流が漏洩して除去性能が低下したり電源が破損したりする問題や、放電ギャップ６の容積減少による排気ガスの流れ抵抗増大といった問題を、エンジン（バッテリ）の負担を軽減した状態で実現できる。

プラズマ生成機能だけを見ると、電極８，９は基板７の表面に露出させることも可能であるが、この場合は、電極８，９の間の間隔のバラツキ等に起因して電流が一部に集中して異常放電を発生させやすい問題や、ＰＭが電極８，９に付着して漏電が発生しやすい問題、或いは、隣り合った正負の電極８，９の間隔寸法が小さくなることにより、マイナス電極８の前端縁８ａからプラス電極９の前端縁９ｂに向かう広がり角度θ（図１（Ｅ）参照）が大きくなるため、電流（電子）がプラス電極９の前方はみ出し部９ａの全体に流れずにプラズマの広がりを確保できないおそれがある。

これに対して、本実施形態のように電極８，９を基板７に埋設すると、ＰＭが電極８，９に付着することは皆無になるため、漏電による放電低下の問題は皆無になると共に、電極８，９の間の間隔が大きく広がることにより、電極８，９の間の間隔にバラツキがあっても特定部位に電流が集中する異常放電を防止でき、更に、電極８，９の間の間隔が大きく広がると、マイナス電極８の前端縁８ａからプラス電極９の前端縁９ｂに向かう電流の広がり角度θが小さくなるため、マイナス電極８から放出された電子をプラス電極９の前方はみ出し部９ａの全面に拡散させることができて、プラズマ発生エリアの増大を確実化できる。

(3).他の実施形態
次に、図２〜４に示す他の実施形態を説明する。図２に示す第２実施形態では、プラス電極９を、排気ガスの流れ方向に向かって後方（排気ガスの流れ方向下流側）のみにはみ出させている。すなわち、プラス電極９に後方はみ出し部９ｃのみを形成している。この実施形態でも、プラズマ発生エリアは増大するため、ＰＭの除去性能を向上できる。

他方、図３に示す第３実施形態では、プラス電極９に、マイナス電極８の前方に突出した前方はみ出し部９ａと、マイナス電極８の後方に突出した後方はみ出し部９ｃとを形成している。この場合、図面では、前方はみ出し部９ａと後方はみ出し部９ｃとの比率は同じ程度になっているが、両者の比率を変えることも可能である。

図４に示す第４実施形態では、マイナス電極８を複数本（３本）に分離する一方、プラス電極９の幅を、マイナス電極８の群の前端と後端との間隔寸法と同じ幅に設定することにより、プラス電極９の幅Ｗ２をマイナス電極８の全幅よりも大きく設定して、プラス電極９に、分離したマイナス電極８の間に位置した中間はみ出し部９ｄを形成している。この場合も、プラス電極９の全幅に亙って放電できるため、消費電力を抑制しつつＰＭ除去性能を向上できる。

図５に示す第５実施形態は第４実施形態と逆のパターンであり、プラス電極９を複数本（２本）に分離して、前方はみ出し部９ａと後方はみ出し部９ｃとを形成している。この第５実施形態では、個別のプラス電極９の幅寸法の総和はマイナス電極８の幅寸法と同じであってもよい。マイナス電極８とプラス電極９との両方を複数本で構成することも可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、放電パネルの表面にゼオライト層を設けることも可能である。

本願発明は、排気ガス用のプラズマリアクタに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ プラズマリアクタ
２ 排気管
３ ケーシング
４ 負極放電パネル
５ 正極放電パネル
６ 放電ギャップ（排気ガス通過空間）
７ 基板
８ マイナス電極
９ プラス電極
９ａ 前方はみ出し部
９ｃ 後方はみ出し部
９ｄ 中間はみ出し部

Claims (1)

1. 排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、マイナス電極を埋設した負極放電パネルとプラス電極を埋設した正極放電パネルとが放電ギャップを介して交互に並列配置されており、隣り合った電極間に電流を印加してプラズマを発生させることにより、前記放電ギャップを通過する排気ガスに含まれたＰＭを酸化して除去するものであって、
   前記マイナス電極及びプラス電極は、排気ガスの流れ方向と直交した方向に長手で排気ガスの流れ方向を幅方向とした帯状に形成されており、前記プラス電極に、排気ガスの流れ方向に向かって前記マイナス電極より前方又は後方若しくは前後両方向に突出したはみ出し部を形成している、
   排気ガス浄化用プラズマリアクタ。
   

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