JP2023147055A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に放電を生じさせる排気浄化触媒において、漏電を抑制することが可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置１６であって、排気を浄化する触媒が担持されたハニカム触媒１６ｃと、排気流れ方向である第１の方向又は該第１の方向と反対方向の第２の方向からハニカム触媒１６ｃに挿入され、高電圧が印加される高電圧電極１６ａと、高電圧電極１６ａのハニカム触媒１６ｃへの挿入方向とは反対の方向からハニカム触媒１６ｃに挿入され、接地電位とされたグランド電極１６ｂと、を備え、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの間に放電を生じさせる。【選択図】図３

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来、ハニカム触媒基材の前端面及び後端面に排気ガスを通過させる孔が開いた平板状の電極（メッシュ電極）をその面方向が排気流れ方向と直交する方向となるように配置することで、ハニカム触媒基材内の排気ガス流れと平行な方向に放電を行い、プラズマを発生させることが公知である（例えば、特許文献１）。

特開２００５-１０６０２２号公報

上記特許文献に記載された技術では、電極に排気ガスを通過させる孔が設けられていることから、直流電源の負側に接続される第１の電極がハニカム構造体の上流側端面に配置され、直流電源の正側に接続される第２の電極がハニカム構造体の下流側端面に配置される。このため、第１の電極と第２の電極との間の距離はハニカム構造体の長さに相当する距離に及んでおり、放電させてプラズマを発生させるためには数十ｋＶもの大きな作動電圧が必要とされている。しかし、作動電圧が大きくなると、触媒コンバータの外側において、第１の電極と第２の電極間、若しくは、第１の電極と他の配線または導電性の部材との間で意図しない漏電が生じ易くなる。そして、このような漏電が生じると、プラズマが発生し難くなり、排気浄化効率が低下する問題がある。

また、プラズマは高電圧電極とグランド電極間の放電によって発生させるが、その効果が及ぶ範囲は電極の周囲に限定される。そのため、触媒コンバータに高電圧電極とグラウンド電極をそれぞれ複数本挿入して、プラズマ発生範囲を拡張することが想定される。しかし、その場合、触媒コンバータの外で高電圧電極とグランド電極間の距離が近づいて、高電圧電極とグランド電極の間に意図しない漏電が生じる可能性がある。

上記課題に鑑みて、本開示の目的は、内部に放電を生じさせる排気浄化触媒において、漏電を抑制することが可能な排気浄化装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。
（１）内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置であって、
排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体と、
排気流れ方向である第１の方向又は該第１の方向と反対方向の第２の方向から前記触媒担持体に挿入され、高電圧が印加される高電圧電極と、
前記高電圧電極の前記触媒担持体への挿入方向とは反対の方向から前記触媒担持体に挿入され、接地電位とされた接地電極と、を備え、
前記高電圧電極と前記接地電極の間に放電を生じさせる、排気浄化装置。

本開示によれば、内部に放電を生じさせる排気浄化触媒において、漏電を抑制することが可能な排気浄化装置を提供することが可能となる。

一実施形態に係る内燃機関とその周辺の概略構成を示す模式図である。 触媒コンバータの構成を示す斜視図である。 触媒コンバータの電極配置を詳細に示す図である。 触媒コンバータの構成を詳細に示す図であって、複数の高電圧電極と複数のグランド電極が触媒コンバータに挿入された構成例を示す模式図である。 図４に対し、排気流れ方向と直交する断面における排気ガスの流速の分布を示す特性Ｃ１を付加した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本実施形態に係る内燃機関とその周辺の概略構成を示す模式図である。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は排気マニホルドを夫々示す。排気マニホルド３の出口は排気管４ａを介して触媒コンバータ１６に連結される。触媒コンバータ１６の出口は排気管４ｂを介して大気に開放されている。本実施形態では、触媒コンバータ１６はプラズマ発生装置を備え、触媒コンバータ１６には高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが挿入されている。電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１８は、高周波電源２０を制御することで高電圧電極１６ａに印加される電圧を制御する。なお、図１において、触媒コンバータ１６は排気流れ方向に沿った断面で模式的に示されている。

図２は、触媒コンバータ１６の構成を示す斜視図である。触媒コンバータ１６は内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置の一態様である。図２では、触媒コンバータ１６の中にハニカム触媒１６ｃが挿入された状態が模式的に示されている。ハニカム触媒１６ｃには高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが挿入されている。高電圧電極１６ａには高周波電源２０から高周波の高電圧が印加される。一方、ハニカム触媒１６ｃが挿入される触媒コンバータ１６の外筒１６ｄはグランド電極１６ｂとともに接地されている。そして、高電圧電極１６ａ、グランド電極１６ｂ、外筒１６ｄ、および高周波電源２０によりプラズマ生成装置が構成されている。プラズマ生成装置は、高電圧電極１６ａに高電圧を印加することで、ハニカム触媒１６ｃの内部において、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの間に放電を生じさせ、プラズマを生成する。

ハニカム触媒１６ｃは、排気浄化のための通常の触媒を有し、ＨＣを酸化させて水と二酸化炭素に、ＣＯを酸化させて二酸化炭素に、そしてＮＯｘを還元して窒素と酸素に、それぞれ変換する。このため、ハニカム触媒１６ｃは、触媒成分としてＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）などの貴金属を有している。

ハニカム触媒１６ｃは、排気が流れる複数のセルを有し、排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体の一態様であって、セラミック、ステンレス等からなるセルの内壁（担体）に触媒が担持されて構成される。セルは排気が通過する空気層であり、セルの内壁には細孔が設けられている。

高電圧電極１６ａに高周波の高電圧が印加されると、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間、および高電圧電極１６ａと外筒１６ｄとの間に放電電流３０が流れ、プラズマが発生する。そして、プラズマにより排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素と酸素に分解され、排気浄化性能が向上される。特に、内燃機関の始動直後等の排気温が低い条件下（例えば、１００℃以下）では、ハニカム触媒１６ｃによる排気浄化性能が十分に得られないが、プラズマ生成装置によれば、ハニカム触媒１６ｃが暖気される前においても排気が浄化されるので、特に内燃機関の始動時において排気浄化性能が向上される。

より詳細には、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間、および高電圧電極１６ａと外筒１６ｄとの間に高周波の高電圧が印加されると、放電によって電極を構成する材料の原子から電子が飛び出し、ハニカム触媒１６ｃ内において電子が拡散し、ハニカム触媒１６ｃ内を流れるＮＯｘ等の浄化対象ガスと衝突する。この電子の衝突によってＮＯｘ等のガス成分は状態が不安定となり、以下の式（１）、式（２）によりＮ，Ｏなどのラジカル種に分解される。また、排気中に存在する水分に電子が作用することでヒドロキシルラジカルなどのラジカル種が生成される。

Ｏ_２＋ｅ^－→Ｏ^－＋Ｏ ・・・（１）
ＮＯ＋ｅ^－→Ｎ＋Ｏ^－ ・・・（２）

生成されたラジカル種は、ハニカム触媒１６ｃの触媒の作用により、例えば以下の式（３）、（４）式により酸素、窒素が発生する。この結果、排気中のＮＯｘが減少する。なお、式（３）、式（４）において、Ｍは触媒を示している。また、ヒドロキシルラジカルは排気中のＨＣを酸化する。

Ｏ＋Ｏ→Ｏ_２ ・・・（３）
Ｍ

Ｎ＋Ｎ→Ｎ_２ ・・・（４）
Ｍ

図３は、触媒コンバータ１６の電極配置を詳細に示す図であって、排気流れ方向に沿った触媒コンバータ１６の断面を模式的に示す図である。図３に示すように、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂは、排気流れ方向（図中に矢印で示す）において、異なる方向から触媒コンバータ１６に挿入されている。高電圧電極１６ａは、排気流れ方向である第１の方向又は該第１の方向と反対方向の第２の方向からハニカム触媒１６ｃに挿入される。一方、グランド電極１６ｂは、高電圧電極１６ａのハニカム触媒１６ｃへの挿入方向とは反対の方向からハニカム触媒１６ｃに挿入されている。

高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが異なる方向から触媒コンバータ１６に挿入されることで、触媒コンバータ１６の外側では、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの電極間距離が十分に離間する。より具体的には、図３に示すように、触媒コンバータ１６に対して高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが各１本ずつ挿入される場合は、触媒コンバータ１６の外側で高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが隣接して配置されることがなく、触媒コンバータ１６の外側で高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの電極間距離が十分に離間する。また、触媒コンバータ１６に対して高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが複数本ずつ挿入される場合においても、触媒コンバータ１６の外側で高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが隣接して配置されることがなく、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの電極間距離が十分に離間する。これにより、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間で、意図しない漏電が抑制されるので、排気浄化効率の低下が抑えられる。

一方、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが同じ方向から触媒コンバータ１６に挿入されると、触媒コンバータ１６の外側で高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが近接してしまい、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間で意図しない漏電が生じ易くなる。漏電は、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが接触することにより、または高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間で放電が生じることにより発生する。なお、ハニカム触媒１６ｃは絶縁物からなるため、ハニカム触媒１６ｃに高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが挿入された部位では、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが接触することによる漏電は生じにくい。したがって、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間の意図しない漏電は触媒コンバータ１６の外側で生じ易い。触媒コンバータ１６の外側で漏電が発生すると、本来は触媒コンバータ１６の内部で発生するべき放電量が減少するため、排気浄化効率が低下する。本実施形態によれば、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが異なる方向から触媒コンバータ１６に挿入されることで、触媒コンバータ１６の外側で生じ易い漏電が確実に抑制され、排気浄化効率の低下が抑えられる。

また、図３に示すように、高電圧電極１６ａおよびグランド電極１６ｂは、それぞれの先端が触媒コンバータ１６の排気流れ方向の端面から外に突出しないように配置されている。高電圧電極１６ａの先端が触媒コンバータ１６の排気流れ方向の上流側の端面の外に突出してしまうと、触媒コンバータ１６の外側において、高電圧電極１６ａの先端とグランド電極１６ｂとの間で意図しない漏電が発生する可能性がある。同様に、グランド電極１６ｂの先端が触媒コンバータ１６の排気流れ方向の下流側の端面の外に突出してしまうと、触媒コンバータ１６の外側において、グランド電極１６ｂの先端と高電圧電極１６ａとの間で意図しない漏電が発生する可能性がある。高電圧電極１６ａおよびグランド電極１６ｂが、それぞれの先端が触媒コンバータ１６の排気流れ方向の端面から外に突出しないように配置されることで、このような意図しない漏電の発生が抑制される。

また、触媒コンバータ１６内において、高電圧電極１６ａの先端と触媒コンバータ１６の排気流れ方向の上流側の端面との間は、所定距離ｄだけ離れている。同様に、触媒コンバータ１６内において、グランド電極１６ｂの先端と触媒コンバータ１６の排気流れ方向の下流側の端面との間は、所定距離ｄだけ離れている。これにより、電界が集中する高電圧電極１６ａの電極先端部において、触媒コンバータ１６の排気流れ方向の上流側の端面との間に意図しない放電が生じてしまうことが抑制される。

図３に示すように、高電圧電極１６ａは、排気流れの下流側から上流側に向けて触媒コンバータ１６に挿入されている。一方、グランド電極１６ｂは、排気流れの上流側から下流側に向けて触媒コンバータ１６に挿入されている。

排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）は、触媒コンバータ１６のハニカム触媒１６ｃの排気流れ方向の上流側の端面（前端面）側から付着し、堆積していく。このため、触媒コンバータ１６内の排気流れ方向の上流側では、下流側よりも粒子状物質がより多く存在する。排気流れ方向の上流側から触媒コンバータ１６に高電圧電極１６ａを挿入した場合、誘電体であり交流を通す粒子状物質を介して高電圧電極１６ａから外筒１６ｄまたはグランド電極１６ｂへ意図しない漏電が発生する場合がある。高電圧電極１６ａが、粒子状物質が比較的堆積しにくい排気流れ方向の下流側から上流側に向けて触媒コンバータ１６に挿入されることで、粒子状物質を介した漏電が抑制される。

また、触媒コンバータ１６の上流側では、機関本体１から排出される排気ガスの脈動が大きく、排気流れ方向の上流側から触媒コンバータ１６に高電圧電極１６ａを挿入した場合、脈動による振動等により高電圧電極１６ａまたはハニカム触媒１６ｃが破損してしまう可能性がある。より詳細には、高電圧電極１６ａが外筒１６ｄに固定される部位では、高電圧電極１６ａと外筒１６ｄとの間に絶縁物を介在させる必要があり、この結果、高電圧電極１６ａと外筒１６ｄとの間の剛性が比較的低くなる。このため、排気流れ方向の上流側から触媒コンバータ１６に高電圧電極１６ａを挿入した場合、脈動により高電圧電極１６ａが振動し、高電圧電極１６ａとハニカム触媒１６ｃが接触することで高電圧電極１６ａとハニカム触媒１６ｃの一方または双方が破損してしまう可能性がある。高電圧電極１６ａが排気ガスの脈動の影響が少ない下流側から触媒コンバータ１６に挿入されることで、触媒コンバータ１６の下流側では上流側と比較して排気ガスの脈動の影響が低下するため、脈動により高電圧電極１６ａまたはハニカム触媒１６ｃが破損してしまうことが抑制される。なお、グランド電極１６ｂが外筒１６ｄに固定される部位では、グランド電極１６ｂを外筒１６ｄに直接固定できるため、グランド電極１６ｂと外筒１６ｄとの間の剛性は高められる。したがって、排気流れ方向の上流側から触媒コンバータ１６にグランド電極１６ｂを挿入した場合であっても、脈動によるグランド電極１６ｂの振動は抑えられ、グランド電極１６ｂまたはハニカム触媒１６ｃの破損は抑制される。

図４は、触媒コンバータ１６の構成を詳細に示す図であって、複数の高電圧電極１６ａと複数のグランド電極１６ｂが触媒コンバータ１６に挿入された構成例を示す模式図である。図４においても、図３と同様、排気流れ方向に沿った触媒コンバータ１６の断面が示されている。複数の電極が触媒コンバータ１６に挿入されることで、電極間距離が小さくなり、放電の際の電流密度の低下が抑制される。したがって、触媒コンバータ１６内のより広範囲で安定してプラズマを発生させることができる。

触媒コンバータ１６の直径は、ハニカム触媒１６ｃの大きさに応じて、その前後の排気管４ａ，４ｂの直径よりも大きくなっている。このため、触媒コンバータ１６に流れる排気ガスの流速（流量）は、触媒コンバータ１６の前後の排気管４ａ，４ｂの形状が触媒コンバータ１６の中心軸Ａに沿った直線状であれば、中心軸Ａの位置で最も高くなり、中心軸Ａから離れるほど低くなる。一方、触媒コンバータ１６の前後の排気管４ａ，４ｂの形状が湾曲していると、排気流れ方向と直交する断面における排気ガスの流速の分布に偏りが生じる。図４に示す例では、触媒コンバータ１６の上流側の排気管４ａと下流側の排気管４ｂは同じ方向に湾曲している。このため、排気ガスの流速は、触媒コンバータ１６の中心軸Ａの位置よりも排気管４ａ，４ｂの湾曲の外側に偏った位置で最も高くなる。

排気ガスの流速が高い位置では、浄化する対象である排気ガスが多く触媒にかかる負荷が高くなるので、より多くの排気ガスを浄化させるため、より強い放電を生じさせてより多くのプラズマを発生させることが好ましい。このため、図４に示す構成例では、触媒コンバータ１６内の排気ガスの流れを考慮して高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが配置されている。より詳細には、排気ガスの流速に応じて排気流れ方向と直交する断面における電極の密度を変化させ、排気ガス流速が速い部位は、排気ガス流速が遅い部位より相対的に電極の密度が高くなるように該断面における電極の本数が定められている。なお、図４中に示す矢印は排気ガスの流れを示しており、流速が高いほど太い矢印で排気ガスの流れが示されている。

図５は、図４と同じ構成を示す図であって、図４に対し、排気流れ方向と直交する断面における排気ガスの流速の分布を示す特性Ｃ１を付加した模式図である。図５において、特性Ｃ１を表す座標系の横軸は排気ガスの流速を示しており、縦軸は排気流れ方向と直交する断面における中心軸Ａからの距離を示している。

図５の特性Ｃ１に示すように、排気ガスの流速は、中心軸Ａから距離ｓの位置で最も高くなっており、中心軸Ａから距離ｓの位置から排気流れ方向と直交する方向に離れるほど低くなる。このため、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂは、排気流れ方向と直交する断面における電極密度が、中心軸Ａから距離ｓの位置で最も高くなるように配置される。これにより、中心軸Ａから距離ｓの位置で電流密度が最も高くなり、プラズマが最も強く発生するため、排気ガスの流速が高い位置において、排気ガスが確実に浄化される。

なお、図４および図５に示す構成例では、触媒コンバータ１６の外筒１６ｄに最も近い最も外側の電極は高電圧電極１６ａとされており、最も外側の高電圧電極１６ａと外筒１６ｄとの間にも放電を生じさせてプラズマを発生させるようにしている。一方、外筒１６ｄに最も近い最も外側の電極をグランド電極１６ｂとしてもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂが異なる方向から触媒コンバータ１６に挿入されることで、触媒コンバータ１６の外側では、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂの電極間距離が十分に離間する。これにより、高電圧電極１６ａとグランド電極１６ｂとの間で意図しない漏電が抑制されるので、排気浄化効率の低下が抑えられる。

１ 機関本体
３ 排気マニホルド
４ａ，４ｂ 排気管
１６ 触媒コンバータ
１６ａ 高電圧電極
１６ｂ グランド電極
１６ｃ ハニカム触媒
１６ｄ 外筒
１８ 電子制御装置（ＥＣＵ）
２０ 高周波電源
３０ 放電電流

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置であって、
   排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体と、
   排気流れ方向である第１の方向又は該第１の方向と反対方向の第２の方向から前記触媒担持体に挿入され、高電圧が印加される高電圧電極と、
   前記高電圧電極の前記触媒担持体への挿入方向とは反対の方向から前記触媒担持体に挿入され、接地電位とされた接地電極と、を備え、
   前記高電圧電極と前記接地電極の間に放電を生じさせる、排気浄化装置。

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