JP4396440B2 - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる排気微粒子をコロナ放電を利用して凝集する凝集器を備える排気処理装置に関する。

内燃機関の排気に含まれる微粒子の処理が大きな課題となっている。従来技術として、特許文献１があり、ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（ＰＭ）を、排気管内に設けた衝突ガイド部材に衝突させて凝集させた後、帯電体で負に帯電させて、正の帯電体に吸着させることにより、電気的に捕集する捕集装置が記載されている。正の帯電体を通過したパティキュレートは、下流のフィルタで捕集され、正の帯電体に通電してヒータとして機能させることで焼却除去される。

しかしながら、上記捕集装置は、流路構成が複雑となるため圧損が高くなる欠点があり、製作も容易ではない。また、衝突による凝集では十分な凝集効果が得られず、微粒子が凝集しないまま装置を通り抜けて放出されるおそれがある。

また、下記特許文献２には、煙や排気微粒子を含むガスが流入する筒状体内に、流入したガスにより筒状体の軸線回りの旋回流が形成されるようにするとともに、コロナ放電を発生させる手段として、筒状体内に筒状体の軸線方向に伸びる複数の直線状の放電電極が配置され、筒状体の筒壁を接地電極とした装置が開示されている。煙や排気微粒子はコロナ放電により帯電するとともに筒壁面に衝突する。この特許文献２記載の装置では、電極の設置は、筒状体の両端部に配置された板状の電極サポートを使っている。電極保持サポートは平板部材で、両電極保持サポートを橋渡しするように電極が両電極保持サポートと接続される。
特開２００１−４１０２４号公報 特開２００３−１４４９７９号公報

ところが、静電気の力で移動させる上記特許文献１の構成では、集塵電極方向への移動速度が遅く（通常、数ｃｍ／秒）、効率よい凝集、集塵が難しい。また、上記特許文献２の構成では、ガスの旋回流の中を煙や排気微粒子が流れるため、接地電極となる筒壁面に達するまでに帯電が解消され、凝集作用は必ずしも十分とはいえない。

そこで、本発明の目的は、コロナ放電を利用して、小型かつ高性能な内燃機関の排気処理装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、内燃機関の排気管により形成され該排気管の軸線方向に排ガスが流通する排気通路に、電荷放出および電荷回収の２種類よりなる電極を有し、両電極の間に高電圧が印加されコロナ放電による電荷を授受することにより排ガス中の排気微粒子を凝集させる凝集器を備え、該凝集器は、上記２種類の電極のうち、コロナ放電による電荷を放出する第１の種類の電極の電荷授受部が上記排気通路の径方向の略中心部に位置するように配設され、コロナ放電による電荷を回収する接地電極である第２の種類の電極が、上記第１の種類の電極よりも排気流の下流に排気通路を横切って配置され多数の通気孔を有する導電性の構造体により構成されており、コロナ放電により上記第１の種類の電極から放出される電荷により排気微粒子を帯電し、電荷を回収する上記第２の種類の電極において凝集させるものであることを特徴とする。

コロナ放電による電荷で例えば酸素がイオン化し、このイオンにより排気微粒子は帯電し、第１の種類の電極の電荷授受部と第２の種類の電極と間に発生するクーロン力によって電荷を回収する電極に押付けられ、凝集する。第１の種類の電極が排気通路の径方向の略中心部に位置するので、放電の均一性を向上することができる。また、排気管の軸線方向に排ガスが流通する排気通路に凝集器を設けて、排気微粒子が旋回流にのらないようにすることで、多くの排気微粒子が帯電状態のまま第２の種類の電極に達するようにすることができる。そして、排気流れに沿って流下する排気微粒子を、導電性の構造体でくまなく凝集せしめることができる。

このように、上記構成によれば、装置を大型化することなく、簡易な構成で効率よく排気微粒子を凝集することができるので、車載が容易で実用的な内燃機関の排気処理装置を実現することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１の発明の構成において、第２の種類の電極として、上記排気管の内周壁により構成され、コロナ放電による電荷を回収する別の接地電極を設けた。

電極としての排気管内周壁が排気通路の中心部に位置する第１の種類の電極の電荷授受部を囲むので、放電の均一性をさらに向上することができる。
そして、低流量時には、主に排気管内周壁からなる接地電極にて凝集させ、高流量時には、排気管の内周壁により構成された接地電極に移動できない微粒子を、下流の導電性の構造体により構成された別の接地電極で凝集させることで、低流量から高流量まで排気微粒子を十分な大きさに凝集させることができる。凝集した粒子は、これら接地電極にて電子を放出した後、別の接地電極の通気孔を通過して下流へ向かう。よって、例えば下流にフィルタを設置することで、容易に捕集することができ、圧損を増加させることもない。

請求項３記載の発明は、請求項１または２の発明の構成において、上記第１の種類の電極の電荷授受部と上記導電性構造体との排気流方向の間隔は、５０ｃｍ以下とする。

排気微粒子が帯電してからの移動距離が長いと、電荷を離し非帯電状態となる排気微粒子の割合が増大するので、上記第１の種類の電極の電荷授受部と上記導電性構造体との排気流方向の間隔をかかる距離に設定することで、凝集性の低下を防止することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２の発明の構成において、上記第１の種類の電極の電荷授受部と上記導電性構造体との排気流方向の間隔は、上記排気通路の径と同等以上とする。

第１の種類の電極の電荷授受部と排気管との距離を、第１の種類の電極の電荷授受部と導電性構造体との距離と同程度以下にして排気通路の径方向のクーロン力を確保することで、コロナ放電により生じたイオンが排気流れ方向だけではなく、排気通路の径方向にも移動しやすくなる。これにより、排気通路の径方向の排気微粒子の帯電均一性が向上する。また、低流量時には、上記第１の種類の電極に近い排気管の内周壁により構成された接地電極にて凝集させ、高流量時には、より遠方に位置する、導電性構造体により構成された別の接地電極にて確実に凝集させることができるので、２つの接地電極を効率よく利用して、効果的に凝集を行なうことができる。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の発明の構成において、上記導電性の構造体は、排気流方向に並列配置した複数の導電性網からなる構成とする。

導電性網を複数用いることで、簡易な構成で、圧損を増加させることなく、凝集効果を高めることができる。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の発明の構成において、上記導電性の構造体は、排気流の下流側へ向けて凸となるように湾曲させた略球面状の導電性網からなる構成とする。

導電性網を略球面状とすることで、電極間に生じる電界を均一にし、装置全体で均等に微粒子を凝集を行なうことができる。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の発明の構成において、上記導電性の構造体は、上記通気孔の分布が、排気通路の外周部に比して中央部で密となるように構成する。

排気通路では、周壁に近い外周部より中央部の通気量が多いため、上記導電性構造体の中央部の通気孔分布を外周部より密とすることで、排気微粒子の凝集効果を高めることができる。

請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の発明の構成において、上記導電性の構造体は、導電性網または導電性の多孔質体からなる構成とする。

導電性網を用いることで、簡易な構成で上記効果が得られる。また、導電性の多孔質体を用いると、電極表面積が大きくなり、凝集効率が高まる。また、多孔質体内を通過する間に衝突による凝集効果も期待できる。

請求項９記載の発明は、請求項１の発明の構成において、上記凝集器の上記２種類の電極のうち上記第２の種類の電極の構成を変更したものであり、コロナ放電による電荷を回収する接地電極である第２の種類の電極が、導電性部材で構成され凝集した排気微粒子の通過を妨げない球状のかご体を、上記電荷授受部を中心として配置してなる構成とする。

第１の種類の電極の電荷授受部と第２の種類の電極の各部との距離が均一であり、放電の均一性を向上することができる。

請求項１０記載の発明は、請求項１ないし９の発明の構成において、上記第１の種類の電極を、前記電荷授受部に通じる導電部が上記排気通路を形成する排気管の管壁を貫通して排気流と交叉する方向に伸びる電極構造とする。

第１の種類の電極の排気管への組付けを容易になし得る。

請求項１１記載の発明は、請求項１０の発明の構成において、上記第１の種類の電極の保持手段として、上記導電部の外周に鍔状に設けられた保持プレートを設け、かつ、上記排気管には、上記保持プレートにより閉鎖される開口部であって、上記第１の種類の電極の上記排気管への組付け時に上記第１の種類の電極の上記保持プレートよりも先端側部分が挿通する開口部を形成する。

第１の種類の電極の取付けは、第１の種類の電極を保持プレートに取付けた状態で、第１の種類の電極の先端の電荷授受部を排気管の開口部に向けて開口部から第１の種類の電極を排気流を横切る方向に挿入し、最後に保持プレートと排気管とを結合すればよい。したがって、引用文献２の装置のように、放電電極とこれを保持する電極保持サポートとを排気流の上流側若しくは下流側から挿通することにより取付けることになり排気管内での作業を要求する構成に比して、取付けが容易で、排気管に対する位置合わせも高精度に行い得る。これにより、放電特性の均一性を向上することができる。

請求項１２記載の発明は、請求項１１の発明の構成において、上記保持プレートと上記排気管とは上記開口部よりも大径の保持プレートが上記開口部の外周でボルトにより結合し、該ボルトが挿通する上記保持プレートのボルト穴は、上記導電部を中心とする周方向に長い長穴とする。

上記請求項１０の発明の態様は第１の種類の電極を保持プレートのねじ穴に螺入させて保持プレートと一体化するのが基本的なものであるが、要求される放電特性の均一性がより高いものである場合、第１の種類の電極の保持プレートに対する回転角度位置のばらつきをより抑える必要がある。本発明では、ボルト穴を長穴としたので、保持プレートを排気管に対して位置合わせした後、ボルトを締めればよい。これにより、放電特性の固体差を低減することができる。

請求項１３記載の発明は、請求項１０ないし１２の発明の構成において、上記導電部は途中で排気流の方向に屈曲してなる構成とする。

導電部を屈曲形状とすると、上記第１の種類の電極の保持プレートに対する回転角度位置のずれにより、電荷授受部が排気流の幅方向に大きくぶれる原因となる。保持プレートに対する排気管に対する位置合わせ機能により、電荷授受部が排気流の幅方向に大きくぶれるのを好適に防止することができる。

請求項１４記載の発明は、請求項１０ないし１３の発明の構成において、上記第１の種類の電極の上記電荷授受部は、略全方位に複数の突起部を放射状に形成する。

略全方位に複数の突起部を放射状に形成した電荷授受部とすることにより、第１の種類の電極の取り付け方向にかかわらず、放電の均一性を向上することができる。

請求項１５記載の発明は、請求項１４の発明の構成において、上記突起部は、その先端が所定の径の仮想球面上に位置するように形成する。

仮想球の中心に対して電荷授受部が略対称となるから、第１の種類の電極の取り付け方向にかかわらず、さらに放電の均一性を向上することができる。

請求項１６記載の発明は、請求項１０の発明の構成において、上記第１の種類の電極の上記電荷授受部が上記排気管の径方向の中心を中心点とした上記排気管の内径の１／２径の仮想円の領域内に位置するように構成する。

第１の種類の電極が、上記排気管の径方向の中心を中心点とした上記排気管の内径の１／２径の仮想円の領域内に位置するので、さらに、放電の均一性が向上する。

請求項１７記載の発明は、請求項１ないし１６の発明の構成において、上記第１の種類の電極と上記第２の種類の電極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。

請求項１８記載の発明は、請求項１７の発明の構成において、上記第１の種類の電極と上記第２の種類の電極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、１０ＫＶから３０ＫＶ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、さらに好適な排気微粒子の凝集効果を得ることができる。

以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）はディーゼルエンジンの排気処理装置の全体構成を示すもので、エンジンの排気管１１の途中に設置した凝集器１を備えている。排気管１１の一部はＬ字形に下方に屈曲・拡径しており、縮径部１１１の軸線Ａ１と拡径部１１２の軸線Ａ２とが交叉するようになっており、拡径部１１２ではその軸線Ａ２に沿って排気流が形成され、軸線Ａ２回りの旋回流は形成されないようになっている。凝集器１は、排気管１１の拡径部１１２内において、第１の種類の電極であるコロナ放電電極（以下放電電極という）２と、放電電極２の外周位置の排気管１１内周壁からなる第２の種類の電極である第１接地電極３と、放電電極２の下流に設けた導電性網からなる第２の種類の電極である第２接地電極４を有している。放電電極２は、図示しない直流高電圧電源に接続される。第１、第２接地電極３、４は導電性材からなり、電気的に接地されている。本発明では、放電電極２を負極とし、図２に示すように、負の直流高電圧を印加することにより、これら電極間にコロナ放電を発生させる構成となっている。

具体的には、放電電極２は棒状で、排気管１１の拡径部１１２と軸線を一致させて図の上下方向に延び、両端を除く部位を筒状碍子２２内に絶縁保持した状態で、排気管１１拡径部の頂面１２に固定されている。放電電極２の下半部は、拡径部１１２の頂面１１２ａ中央から排気管１１内に突出し、筒状碍子２２から露出する先端部２１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２を排気管１１の拡径部１１２と軸線を一致させることで、放電電極２の先端部２１が、排気管１１の拡径部１１２により形成される排気通路の径方向の中心部に位置しており、図１（ｂ）に示すように、排気通路の径方向の中心部から多数の突起２１ａが星型状に径方向に突出する形状となっている。先端部２１は、突起２１ａが径１０ｍｍの仮想円に内接する大きさとすることができる。このように、鋭角の先端部を多数有する形状とすることで、放電率を高めるとともに、排気管１１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。なお、先端部２１は、図１（ｂ）に示す星型に限らず、複数の突起２１ａが放射状に位置する形状であればよい。突起２１ａの数や形状も、必要に応じて適宜設定変更することができる。

また、コロナ放電電極２の先端部２１が排気通路の径方向の中心部に位置するので、放電の均一性を向上することができる。また、排気管１１の拡径部１１２の軸線Ａ２方向に排ガスが流通する排気通路に凝集器１を設けて、排気微粒子が旋回流にのらないようにすることで、多くの排気微粒子が帯電状態のまま接地電極３，４に達するようにすることができる。

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１１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４１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程度の粒径であり、凝集した微粒子は、通常、１μｍから１０μｍ程度の粒径の粗大粒子となるため、通気孔４１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４１が大きいほど圧損を低減する効果は高くなるが、通気孔４１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４１の大きさを適宜調整するとよい。

第２接地電極４の設置位置は、好ましくは、放電電極２の先端部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、先端部２１と第１接地電極３となる排気管１１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３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３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。

上記構成の排気処理装置の作動を、低流量時（図３）、高流量時（図４）に分けて説明する。図３において、放電電極２に、図示しない直流高電圧電源から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、先端部２１の突起２１ａ近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される（図中１）。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（図中２）、付近の微粒子（ＰＭ）に付着してこれを負に帯電させる（図中３）。微粒子（ＰＭ）は、クーロン力とガス流によって移動し（図中４）、凝集して粗大化する（図中５）。

ここで、クーロン力Ｆおよびガス流から受ける力Ｆｍは、それぞれ次のように表される。
Ｆ＝ｑ・Ｅ
（ｑ：電荷量、Ｅ：電界強度）
Ｆｍ＝６πηａＶ
（η：粘性係数、ａ：粒子径、Ｖ：排気流速）

低流量時には (例えば、２〜３ｍ／秒)、ガス流から受ける力Ｆｍが弱いため、微粒子
（ＰＭ）は、クーロン力Ｆによって主に第１接地電極３に引き付けられ、凝集する。第１接地電極３において凝集・粗大化した粒子は、電子を放出した後（図中６）、自重でまたはガス流により第１接地電極３から剥離し、生成した凝集粒子（凝集ＰＭ）は、第２接地電極４の通気孔４１を通過して下流へ移動する（図中７）。

一方、図４に示す高流量時には (例えば、１０〜１０数ｍ／秒)、同様にして、放電電
極２に、図示しない直流高電圧電源から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加し、先端部２１の突起２１ａ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（図中１）、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化し（図中２）、付近の微粒子（ＰＭ）に付着してこれを負に帯電させる（図中３）。微粒子（ＰＭ）は、クーロン力とガス流によって移動するが（図中４）、ガス流から受ける力Ｆｍが大きいため、第１接地電極３への移動ができず、主に第２接地電極４において凝集・粗大化する（図中５）。

粗大化した粒子は、低流量時と同様に、電子を放出した後（図中６）、凝集粒子（凝集ＰＭ）を生成し、自重でまたはガス流により剥離し、第２接地電極４の通気孔４１を通過して下流へ移動する（図中７）。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、放電電極２の先端部２１と第２接地電極４との間隔を変えたときの放電により発生するイオンの流れを示すものである。なお、以下の説明において、放電電極２の先端部２１の突起２１ａと第２接地電極４との距離（軸方向距離）を距離Ｌと、先端部２１と第１接地電極３との距離（径方向距離）をＲと表すものとする。Ｌ＝０．５Ｒとなる図５（ａ）の場合には、排気流れ方向の電界が強くなり、前記イオンの流れは、先端部２１から、これと対向する第２接地電極４の中央部に向かうものが殆どで、排気管１１内周壁近傍でイオン密度が小さくなる。このため、排気管１１内周壁近傍すなわち排気通路の外周部を流れるＰＭを帯電することが困難になる。

そして、図５（ｂ）、図５（ｃ）のように、第２接地電極４を放電電極２から遠ざけると、放電電極２の突起２１ａから排気通路の径方向に向かう十分なイオン流れが形成される。これにより、排気通路の径方向のイオン分布が均一化し、排気通路の外周部でのイオン密度が改善されて、排気通路の径方向の中心部から外周部にかけてまんべんなくＰＭを帯電させることができる。ここで、排気通路の径方向のイオン分布の均一性を確保しながら最もＬが小さくなるのは、図５（ｂ）のように、放電電極２の突起２１ａから排気通路の径方向に第１接地電極３に向かう電界と、放電電極２の突起２１ａから排気通路の軸方向（排気流れ方向）に第２接地電極４に向かう電界とが略等しくなるＬ＝Ｒのときである。

一方、第２接地電極４を放電電極２から遠ざけ過ぎると、次の問題がある。すなわち、ＰＭが帯電電荷を離す割合が増え、排気通路を流下する排気ガス中のＰＭの帯電量が減少する。この、距離Ｌに対するＰＭの帯電量の特性（帯電ＰＭの減衰特性）を考慮して設定する。図６はかかる帯電ＰＭの減衰特性を示すもので、２０００ｃｃのディーゼルエンジンを、負荷１１０Ｎｍ、機関回転数３０００ｒｐｍで運転し、放電電極２と接地電極３，４との間の印加電圧２０ｋＶとしたときのもので、帯電ＰＭ量が１０％減衰する距離Ｌは５０ｃｍであった。したがって、距離Ｌは５０ｃｍ以下とするのがよい。

このように、本実施の形態によれば、放電電極２の外周に、排気管１１内周壁からなる第１接地電極３を配置する一方、放電電極２の下流に、導電性網からなる第２接地電極４を配置したので、これら電極間に生じるコロナ放電により、低流量時から高流量時まで、効率よく排気微粒子を凝集させることができる。凝集器１を通過した凝集粒子は、大気中に拡散して浮遊粒子となりにくい大きさ（通常、１μｍ以上）となっており、自重落下しやすい。

また、凝集器１で凝集させることにより、排気微粒子の捕集が容易となる。好適には、図７のように、凝集器１下流の排気管１１に、公知のハニカム構造体またはディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）５を設置して、凝集粒子（凝集ＰＭ）を捕集することができ、排気中の微粒子が大気へ放出されるのを防止する。図８は、凝集器１の設置によるハニカム構造体での捕集率の向上効果を示すもので、凝集器１を作動させることにより（凝集器ｏｎ）、作動させない場合（凝集器ｏｆｆ）に比べて、スモークの排出が低減しており、特に低回転数域において低減効果が高くなっていることがわかる。

なお、上記第１の実施の形態では、凝集器１を排気管１１の屈曲部に設けて、直線状の放電電極２と排気管１１とが同軸配置となるようにしており、放電電極２の先端部２１が排気通路の径方向の略中心に位置する。これにより、電界を均一にする効果が得られる。ただし、この構成に限定されるものではなく、凝集器１を排気管１１の直線部に設けることもできる。その場合には、放電電極２をＬ字状に屈曲させて、排気管１１の側面から管外へ取り出すようにするとよい。

図９により、本発明の他の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態では、図９（ａ）に示すように、第２接地電極４を多数の通気孔４１を有する導電性網で構成したが、図９（ｂ）に第２の実施の形態として示すように、複数の導電性網４２、４３を排気流れ方向に並列配置して第２接地電極４とすることもできる。このようにすると、十分凝集しないまま上流の導電性網４２を通過した排気微粒子を、下流の導電性網４３で凝集させることができるので、凝集効果が向上する。あるいは、図９（ｃ）に第３の実施の形態として示すように、導電性網の代わりに、メタルフォーム等の導電性の多孔質体４４を配置して第２接地電極４とすることもできる。この場合も、多孔質体４４内に形成される多数の通気孔は、凝集粒子の通過を妨げない十分な大きさを有するものとする。これにより、電極表面積をさらに広くするとともに、多孔質体４４内の通気孔を通過する間の衝突効果により、凝集効果をさらに高めることができる。

また、図９（ｄ）に第４の実施の形態として示すように、下流側へ向けて凸となるように湾曲させた略球面状の導電性網４５にて、第２接地電極４を構成することもできる。このようにすると、電界を均一にして全体を利用して凝集し効率が向上する。

さらに、図９（ｅ）に第５の実施の形態として示すように、第２接地電極４を構成する導電性網４６の通気孔４１の断面積が、排気通路の中央部で小さく、外周部で大きくなるように形成してもよい。一般に、排気通路では、中央部の通気量が周壁近傍部より多く、排気微粒子の通過率も多いので、通気孔４１分布が、排気通路の中央部で外周部より密となるように形成することで、凝集効果を向上させることが可能になる。

以上のように、本発明によれば、簡易な構成でコロナ放電による排気微粒子の凝集能力を高めることができる。よって、車載性と凝集性を両立させ、実用性の高い排気処理装置を実現することができる。

図１０にさらに第６の実施形態の排気処理装置を示す。これは上記のごとく凝集器を構成するＬ字状に屈曲された放電電極を排気管の直線部に設けたものである。排気管５はその内側が円形の通路断面の排気通路となっており、放電電極であるコロナ放電電極６が管壁を貫通して取付けられている。コロナ放電電極６は、図示しない直流高電圧電源と接続された導電部６１と、その先端の放電部６２とからなり、放電部６２に導電部６１を介して高電圧が導かれるようになっている。導電部６１は排気管５の管壁を貫通して排気管５内の排気流を横切る方向に伸び、排気管５の軸線Ｃ位置でＬ字状に屈曲して先端側部分は上記軸線Ｃに沿って排気流の下流方向に向けてある。放電部６２は、図１１に示すように、複数の突起６２ａを有する星型の平板状部材で突起６２ａが軸線Ｃに対し放射方向に向けてある。また、放電部６２よりもさらに下流には上記実施形態のごとく導電網が配置されて接地電極７としてある。

コロナ放電電極６の排気管５への取付け構造について説明する。コロナ放電電極６の導電部６１の外周には鍔状に保持プレート８１が設けられている。保持プレート８１は円形板で、中心部に板厚方向に貫通するめねじ部８１０１が形成され、コロナ放電電極６の導電部６１のおねじ部６１１が螺入するようになっている。コロナ放電電極６は、保持プレート８１のめねじ部８１０１に螺入した状態でナット８２により保持プレート８１に締付け固定される。

一方、上記排気管５には、上記保持プレート８１により閉鎖される開口部５０１が形成してある。開口部５０１は排気管５の径方向に管壁を貫通する穴であり、コロナ放電電極６の排気管５への取付けでは、ここから排気管５内にコロナ放電電極６の保持プレート８１よりも先端側の部分を挿入することになる。したがって、保持プレート８１よりも先端側のコロナ放電電極６の形状、特に導電部６１の屈曲部から放電部６２までの距離を考慮して、その大きさを設定する。

保持プレート８１の排気管５の表面との対向面には排気管５の開口部５０１と略同径の環状段部８１ａが上記めねじ部８１０１と同軸に突出しており、保持プレート８１が排気管５の開口部５０１に対して適性位置に嵌めることができる。また、保持プレート８１の段部８１ａの外周で保持プレート８１と排気管５との間には気密保持用のガスケット８４が挟持されている。保持プレート８１と排気管５との結合は、保持プレート８１のボルト穴８１０２を挿通するボルト８３によりなされる。

ボルト穴８１０２は、図１２に示すように、めねじ部８１０１を中心に、すなわち導電部６１のおねじ部６１１を中心にして周方向に等間隔に複数（図例では３）形成され、それぞれにボルト８３が挿通して排気管５と螺結する。各ボルト穴８１０２は上記周方向に長い長穴で、ボルト８３を締めるまでは保持プレート８１の排気管５に対する回転角度位置を調整自在となっている。これにより、コロナ放電電極６の放電部６２の排気管５の軸線Ｃに対するぶれ量が調整される。

本排気処理装置によれば、コロナ放電電極６を保持プレート８１に取付け、ナット８２により締付け固定した状態で、コロナ放電電極６の放電部６２を排気管５の開口部５０１に向けて開口部５０１からコロナ放電電極６を排気流を横切る方向に挿入し、最後に保持プレート８１と排気管５とを結合すればよい。このとき、ボルト穴８１０２を長穴としたことで、ボルト８３は、放電部６２が真っ直ぐ排気管５の下流方向に向くように保持プレート８１を回転調整してから締めることができる。放電部が排気流の幅方向にぶれると、接地電極７と正確に正対せず、放電特性に個体差が生じるおそれがあるところ、このようなコロナ放電電極の排気管に対する回転調整機能を設けたので、ボルト８３の締付けに先立って放電部６２が真っ直ぐ排気管５の下流方向に向くように保持プレート８１を回転調整しておけば、常にコロナ放電電極６の放電部６２と接地電極７とを正対させることができる。これにより、放電の均一性を向上させることができる。さらに厳しい要求に対し、作業者の熟練を必要とせずに対応できる。なお、ボルト８３の締付けでは、保持プレート８１にその中心回りのモーメントが殆ど作用しないから、ボルト８３を締付けた時に、保持プレート８１が排気管５に対して回転しない。

さらに、第７の実施形態の排気処理装置を図１３に示す。個本的な構成は図１０のものと同じであり、相違点を中心に説明する。

凝集器１Ｂは、排気管５Ａにコロナ放電電極６Ａが直接取付けられる。すなわち、排気管５Ａの管壁を貫通する穴が排気流を横切る方向に形成されて、コロナ放電電極６Ａがその組付けときに挿通する開口部５０１Ａとなっている。開口部５０１Ａはねじが切ってあり、コロナ放電電極６Ａの導電部６１Ａのおねじ部６１１が螺入するようになっている。コロナ放電電極６Ａはナット８２により排気管５Ａに締付け固定される。この構成でもコロナ放電電極６Ａを開口部５０１Ａから排気流を横切る方向に排気管５Ａ内に挿入する取付け構造となっているので、放電電極６Ａの排気管５Ａに対する位置合わせは上記引用文献２のものに比べれば十分高精度になし得るが、上記図１０のものに比してコロナ放電電極の排気管に対する回転角度位置のずれは甘受することになる。しかしながら、本排気処理装置では以下のようにかかる回転角度位置のずれの影響を抑制し得る構成となっている。

すなわち、コロナ放電電極６Ａの導電部６１Ａは排気流を横切る方向に伸びる単純な直線状で、その先端には、排気管５Ａの軸線Ｃ位置に放電部６２Ａが設けてある。

放電部６２Ａは、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示すように、導電性の平板で構成された３つの平板状部材６２１，６２２，６２３と、導電部６１に連なるピン部６２４とを有している。導電部６１とピン部６２４とは一体で１つの丸棒状部材により構成される。平板状部材６２１〜６２３は、十字方向に突起６２１ａ，６２２ａ，６２３ａを有する点対称な星型で、平板状部材６２１〜６２３を重ねた状態で、平板状部材６２１〜６２３の中央部に形成された貫通孔にピン部６２４が挿通している。

平板状部材６２１〜６２３は、図中下側の平板状部材６２１の突起部６２１ａがその根元で斜め下方に屈曲し、図中上側の平板状部材６２３の突起部６２３ａがその根元で斜め上方に屈曲している。屈曲角度はこれら突起６２１ａ〜６２３ａの先端が平板状部材６２１〜６２３の中心からの距離が等しくなるように設定され、所定の仮想球面Ｓ上に位置している。また、ピン部６２４の先端位置も上記仮想球面Ｓ上に位置している。仮想球面Ｓをなす仮想球の中心は、おねじ部６１１の回転中心線、すなわち、導電部６１の軸線上の点である。

本排気処理装置によれば、上記のごとく、ナット８２の締付け時のコロナ放電電極の回転位置ずれが生じても、放電部６２Ａはおねじ部６１１の回転中心線上の点を中心とする仮想球面Ｓ上に突起部６２１〜６２３ａ、ピン部６２４の先端が位置しているから、上記コロナ放電電極の回転位置ずれに基因した放電特性への影響は軽減することができる。

さらに第８の実施形態になる排気処理装置を図１５に示す。これは図１３の構成において接地電極を別の構成に代えたものである。凝集器１Ｃは接地電極７Ａが導電性部材で構成した球状のかご体で、凝集した排気微粒子の通過が妨げられないようになっている。接地電極７Ａは放電部６２Ａを中心として配置されている。接地電極７Ａが放電電極６Ａが挿通する穴を有しているのは勿論である。このように接地電極７Ａが放電部６２Ａを等距離に囲むことで、コロナ放電電極の回転位置ずれに基因して放電特性がばらつかないようにすることができる。

なお、上記各実施形態において、放電電極が排気通路の略中心部に位置し、排気管内周壁により構成された接地電極との排気管の横断面方向の距離が均一であり、放電の均一性を向上する優れた効果を奏することができるが、必ずしも放電電極が排気通路の略中心部に位置することを要求するものではない。実用的には，例えば、排気管の内部に配設する放電電極が、排気管の中心を中心点とした排気管の内径の１／２径の仮想円の領域内に位置するように設定する。

また、電極間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よい。

また、上記各実施形態では、排気管内周壁や導電性網により接地電極を構成しているが、必ずしもこれらの電位は接地電位である必要はない、

（ａ）は本発明の第１の実施の形態における内燃機関の排気処理装置の概略構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 凝集器への印加電圧波形を示す図である。 本発明の作動を説明するための模式的な図で、低流量時における凝集器の部分拡大断面図である。 本発明の作動を説明するための模式的な図で、高流量時における凝集器の部分拡大断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、上記内燃機関の排気処理装置の、前記凝集器を構成する部材の配置が互いに異なる図である。 上記内燃機関の排気処理装置の、前記凝集器を構成する部材の配置を変えたときの作動特性の変化を示すグラフである。 凝集器の下流にフィルタを設置した内燃機関の排気処理装置の全体概略構成図である。 凝集器によるスモーク低減効果を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施の形態における第２接地電極形状を示す概略図、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における第２接地電極形状を示す概略図、（ｃ）は本発明の３の実施の形態における第２接地電極形状を示す概略図、（ｄ）は本発明の第４の実施の形態における第２接地電極形状を示す概略図、（ｅ）は本発明の第５の実施の形態における第２接地電極形状を示す概略図である。 本発明の第６の実施の形態における内燃機関の排気処理装置の概略構成図である。 図１０におけるＸ矢視図である。 上記排気処理装置の一部を構成する保持プレートの図である。 本発明の第７の実施の形態における内燃機関の排気処理装置の概略構成図である。 （ａ）は上記排気処理装置の一部を構成するコロナ放電電極の要部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ矢視図である。 本発明の第８の実施の形態における内燃機関の排気処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 凝集器
１１ 排気管
１１２ 拡径部
２ コロナ放電電極（第１の種類の電極）
２１ 先端部（電荷授受部）
２１ａ 突起
３ 第１接地電極（第２の種類の電極）
４ 第２接地電極（第２の種類の電極）
４１ 通気孔
５，５Ａ 排気管
５０１，５０１Ａ 開口部
６，６Ａ コロナ放電電極（第１の種類の電極）
６１，６１Ａ 導電部
６２，６２Ａ 放電部（電荷授受部）
６２１ａ，６２２ａ，６２３ａ 突起部
７，７Ａ 接地電極（第２の種類の電極）
８１ 保持プレート
８０２ ボルト穴
Ａ２ 軸線
８２ ナット
８３ ボルト
Ｓ 仮想球面

Claims (18)

1. 内燃機関の排気管により形成され該排気管の軸線方向に排ガスが流通する排気通路に、電荷放出および電荷回収の２種類よりなる電極を有し、両電極の間に高電圧が印加されコロナ放電による電荷を授受することにより排ガス中の排気微粒子を凝集させる凝集器を備え、該凝集器は、上記２種類の電極のうち、コロナ放電による電荷を放出する第１の種類の電極の電荷授受部が上記排気通路の径方向の略中心部に位置するように配設され、コロナ放電による電荷を回収する接地電極である第２の種類の電極が、上記第１の種類の電極よりも排気流の下流に排気通路を横切って配置され多数の通気孔を有する導電性の構造体により構成されており、コロナ放電により上記第１の種類の電極から放出される電荷により排気微粒子を帯電し、電荷を回収する上記第２の種類の電極において凝集させるものであることを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
2. 第２の種類の電極として、上記排気管の内周壁により構成され、コロナ放電による電荷を回収する別の接地電極を設けた請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
3. 上記第１の種類の電極の電荷授受部と上記導電性構造体との排気流方向の間隔は、５０ｃｍ以下とした請求項１または２記載の内燃機関の排気処理装置。
4. 上記第１の種類の電極の電荷授受部と上記導電性構造体との排気流方向の間隔は、上記排気通路の径と同等以上とした請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
5. 上記導電性の構造体は、排気流方向に並列配置した複数の導電性網からなる請求項１ないし４いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
6. 上記導電性の構造体は、排気流の下流側へ向けて凸となるように湾曲させた略球面状の導電性網からなる請求項１ないし５いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
7. 上記導電性の構造体は、上記通気孔の分布が、排気通路の外周部に比して中央部で密となるように構成した請求項１ないし６いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
8. 上記導電性の構造体は、導電性網または導電性の多孔質体からなる請求項１ないし７いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
9. 内燃機関の排気管により形成され該排気管の軸線方向に排ガスが流通する排気通路に、電荷放出および電荷回収の２種類よりなる電極を有し、両電極の間に高電圧が印加されコロナ放電による電荷を授受することにより排ガス中の排気微粒子を凝集させる凝集器を備え、該凝集器は、上記２種類の電極のうち、コロナ放電による電荷を放出する第１の種類の電極の電荷授受部が上記排気通路の径方向の略中心部に位置するように配設され、コロナ放電による電荷を回収する接地電極である第２の種類の電極が、導電性部材で構成され凝集した排気微粒子の通過を妨げない球状のかご体を、上記電荷授受部を中心として配置してなり、コロナ放電により上記第１の種類の電極から放出される電荷により排気微粒子を帯電し、電荷を回収する上記第２の種類の電極において凝集させるものであることを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
10. 上記第１の種類の電極を、前記電荷授受部に通じる導電部が上記排気通路を形成する排気管の管壁を貫通して排気流と交叉する方向に伸びる電極構造とした請求項１ないし９いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
11. 上記第１の種類の電極の保持手段として、上記導電部の外周に鍔状に設けられた保持プレートを設け、かつ、上記排気管には、上記保持プレートにより閉鎖される開口部であって、上記第１の種類の電極の上記排気管への組付け時に上記第１の種類の電極の上記保持プレートよりも先端側部分が挿通する開口部を形成した請求項１０記載の内燃機関の排気処理装置。
12. 上記保持プレートと上記排気管とは上記開口部よりも大径の保持プレートが上記開口部の外周でボルトにより結合し、該ボルトが挿通する上記保持プレートのボルト穴は、上記導電部を中心とする周方向に長い長穴とした請求項１１記載の内燃機関の排気処理装置。
13. 上記導電部は途中で排気流の方向に屈曲してなる請求項１０ないし１２いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
14. 上記第１の種類の電極の上記電荷授受部は、略全方位に複数の突起部を放射状に形成した請求項１０ないし１３いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
15. 上記突起部は、その先端が所定の径の仮想球面上に位置するように形成した請求項１４記載の内燃機関の排気処理装置。
16. 上記第１の種類の電極の上記電荷授受部が上記排気管の径方向の中心を中心点とした上記排気管の内径の１／２径の仮想円の領域内に位置するように構成した請求項１０記載の内燃機関の排気処理装置。
17. 上記第１の種類の電極と上記第２の種類の電極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の範囲に設定されることを特徴とする請求項１ないし１６いずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
18. 上記第１の種類の電極と上記第２の種類の電極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、１０ＫＶから３０ＫＶの範囲に設定される請求項１７記載の内燃機関の排気処理装置。

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