JP4476098B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中からパティキュレートを除去する排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成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ついては、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積し、排気温度が高い運転領域に移行した際に自然燃焼して除去されるようになっているが、例えば都内の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような車輌では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、パティキュレートの処理量よりも堆積量の方が上まわり、パティキュレートフィルタが目詰まりを起こす虞れがあった。

このため、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去し得るよう排気浄化装置の開発が進められており、この種の排気浄化装置では、プラズマ発生手段により排気ガス中に放電してプラズマを発生させれば、排気ガスが励起して、例えばＯラディカル、ＯＨラディカル等の活性のラディカルが発生し、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去することが可能となる。

ここで、プラズマ発生手段は、下記の特許文献１や特許文献２に示す如く、穿孔処理された円筒状ステンレススチールから成る外側電極と内側電極との間に誘電体を成すセラミックスのペレットを充填し、該ペレットの充填層を通過するように排気ガスを流して該排気ガス中のパティキュレートを捕集する一方、外側電極と内側電極との間で放電してプラズマを発生させるようにしている。
特表２００２−５０１８１３号公報 特表２００２−５１１３３２号公報

しかしながら、このような排気浄化装置のプラズマ発生手段を大型化した場合には、プラズマ発生手段の静電容量も増大して無効電力が増加し、大容量のトランスが必要になるため、電源手段の大型化により製造コストが増加するという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、プラズマ発生手段の大型化に伴う電源手段の大型化を防止する排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管途中のフィルタケース内に収容されてパティキュレートを捕集し且つその捕集箇所にて排気ガス中にプラズマを発生させるべく放電を行い得るプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段に電圧を印加する電源手段とを備えた排気浄化装置であって、前記プラズマ発生手段及び前記電源手段を夫々ユニット化して複数備えると共に、前記電源手段の少なくとも一つのユニットに対し前記プラズマ発生手段の二つ以上全部未満のユニットを接続するよう構成し、
電源手段の一つのユニットをプラズマ発生手段の他のユニットへ切換可能にするスイッチを備え、
電源手段の一つのユニットの容量を他のユニットの容量より大きくしたことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、本発明によれば、前記プラズマ発生手段をユニット化して複数備えるので、一つのプラズマ発生手段を大型化した場合と同様の処理能力を備えることができ、同時に、前記電源手段の少なくとも一つのユニットを前記プラズマ発生手段の二つ以上全部未満のユニットを接続するので、電源手段の大型化を防止すると共に電源手段のユニット個数を減らし、製造コストを大幅に低減することができる。

又、電源手段の一つのユニットをプラズマ発生手段の他のユニットへ切換可能にするスイッチを備えると、スイッチにより、プラズマ発生手段の状況に応じて電源手段を切換接続し得るので、電源手段のユニット個数を減らし、製造コストを一層低減することができる。

更に、電源手段の一つのユニットの容量を他のユニットの容量より大きくすると、通常のユニットから容量の大きいユニットに切り換えて大量の電力を使用し得るので、パティキュレートの処理を柔軟且つ容易に処理することができる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、一つのプラズマ発生手段を大型化した場合と同様の処理能力を備えることができ、同時に電源手段の大型化を防止することができるという優れた効果を奏し得る。

以下参考の第一例を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図６は参考の第一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジン（内燃機関）を示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。

また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８を前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を、排気管９途中のプラズマアシスト型の排気浄化装置１０を通してパティキュレートを捕集した上で排出するようにしてある。

この排気浄化装置１０は、以下に図１〜図６を参照して詳述する如きプラズマ発生手段１２をユニット化したものを並列に並べてフィルタケース１１により抱持されたものとなると共に、電源手段２３をユニット化したものを複数備えたものになっている。これ以降の説明で参照すべき図面のうち、図２はプラズマ発生手段１２の一つのユニットの概略構造と電源手段２３の一つのユニットを示す平断面図、図３はプラズマ発生手段１２の一つのユニットを後側から見た斜視図、図４は図３の後側の絶縁構造物１４を取り外した状態を示す斜視図、図５は各プラズマ発生手段１２の複数のユニットを並列に並べた状態を後側から見た斜視図、図６はプラズマ発生手段１２の複数のユニットと電源手段２３の複数のユニットとの接続状態を示す概念図である。

前記プラズマ発生手段１２は、所要の隙間を隔てて対向配置された通気構造を成す一対の平板電極１５と、該各平板電極１５間に各平板電極１５の夫々の面に対しプラズマ発生空間１６を挟んで平行に数ｍｍギャップで配列され且つ表面を誘電体１７により絶縁被覆された複数の電極棒１８とを備えており、これら各平板電極１５と各電極棒１８の両端部が絶縁構造物１３，１４により支持されている。

ここで、参考の第一例においては、前記平板電極１５自体がフィルタ手段として構成されている場合を例示しており、より具体的には、パティキュレートを捕集可能な金属フィルタにより前記平板電極１５が通気構造を成すようにしてある。ただし、フィルタ手段として、プラズマ発生空間１６に、コージェライトハニカムフィルタ、セラミックス繊維フィルタ、セラミックスフォーム、アルミナペレット等を介装することも可能である。

他方、前記前側の絶縁構造物１３に、前記電極棒１８の二つの列群により挟まれた導入空間１９に排気ガス８を導き入れるためのガス入口２０が開口されていると共に、前記後側の絶縁構造物１４は排気ガス８の流れを堰き止める閉塞構造となっており、上流側からガス入口２０を介し導入空間１９に導入した排気ガス８が、各電極棒１８の各列群の隙間からプラズマ発生空間１６及び平板電極１５を通過して下流側に流れるようにしてある。また、導入空間１９の上部と下部とに開放された部分は、図２に一部のみを図示した筐体２１により塞がれるようになっている。

更に、各平板電極１５の後側の端部は、後側の絶縁構造物１４を貫通して該絶縁構造物１４の外部に導体板から成る給電部２２を形成しており、この給電部２２に対し筐体２１を貫通してフィルタケース１１外の電源手段２３のユニットが接続され且つ各平板電極１５が接地されていて、各平板電極１５と各電極棒１８との間に放電に必要な直流パルス高電圧（交流高電圧でも可）を印加し得るようにしてある。

そして、プラズマ発生手段１２を一つのユニットとし、図５に示す如く、複数のユニットを並列に並べてユニットの集合体（図５では四つのユニット）を構成しており、ユニットの集合体は、排気ガス８の導入方向を一致させると共に、平板電極１５を通過した排気ガス８を下流側に導く排気空間２４を隣接の各ユニット間に確保している。

同時に、図６に示す如く、一つの電源手段２３を一つのユニットとすると共に複数のユニット（図６では四つのユニット）を配して構成しており、電源手段２３の一つのユニットは、プラズマ発生手段１２の一つのユニットに接続されることにより、プラズマ発生手段１２の全てのユニットを個々に作動及び制御させるようにしている。ここで、電源手段２３のユニットは、プラズマ発生手段１２の一つのユニットの静電容量に対応するよう所定容量のトランスを備えている。

このような排気浄化装置１０に排気ガス８を流した際には、上流側からの排気ガス８が各プラズマ発生手段１２の導入空間１９に導入されて電極棒１８の各列群の隙間からプラズマ発生空間１６及び平板電極１５を通過して下流側へと流れることになり、この排気ガス８が金属フィルタを成す平板電極１５を通過する際にパティキュレートが捕集されていくので、必要時に電源手段２３のユニットにより各平板電極１５と各電極棒１８との間に直流パルス高電圧を印加すると、表面を誘電体１７により絶縁被覆された各電極棒１８と平板電極１５との間でバリア放電が起こり、これによりプラズマ発生空間１６に低温プラズマ（非熱平衡プラズマ）が生じる結果、排気ガス８が励起して活性のラディカルが発生し、これらの排気ガス励起成分による助勢を受けてパティキュレートが効果的に燃焼除去（酸化処理）されることになる。

而して、このように、参考の第一例によれば、プラズマ発生手段１２をユニット化して複数備えるので、一つのプラズマ発生手段１２を大型化した場合と同様の処理能力を備えることができ、同時に、電源手段２３の一つのユニットをプラズマ発生手段１２の一つのユニットに夫々接続して個々に対応させるので、電源手段２３の大型化を防止して製造コストを低減することができる。

又、参考の第一例によれば、前記電源手段２３の一つのユニットをプラズマ発生手段１２の一つのユニットに夫々接続して個々に対応させるので、電源手段２３の個々の周波数、位相等を合わせる必要がなく、効率を向上させることができる。なお、複数の電源手段２３を組み合わせて直列等に配置した場合には、電源手段２３の個々の周波数、位相等を合わせる必要があり、周波数、位相等を合わせなければ、効率が悪くなるという問題がある。

更に、プラズマ発生手段１２と電源手段２３がユニット化されてユニット単位で増減し得るので、夫々の複数のユニットを容易且つ柔軟に接続することができ、結果的にエンジン排気量やパティキュレートの排出量に応じてプラズマ発生手段１２及び電源手段２３を容量に調整することができる。

又、プラズマ発生手段１２の構成によれば、従来よりも空間効率の良いプラズマ発生手段１２を実現することができるので、排気浄化装置１０の車輌への搭載性を大幅に向上することができる。更に、プラズマ発生手段１２には、平板電極１５と複数の電極棒１８の列群とを対向配置した空間的に無駄の無い構造が採用されているので、極板間距離を短く保ったまま平板電極１５と複数の電極棒１８の列群を平面方向に拡張することで無駄な空間を殆ど増やさずに捕集面積を大きくすることが可能であり、更に又、各プラズマ発生手段１２を並べる数を増やすことでも捕集面積を効率良く大きくすることができる。

以下参考の第二例を図面を参照しつつ説明する。

図７は参考の第二例であって、プラズマ発生手段１２の複数のユニットと電源手段２３の複数のユニットとの接続状態を示す概念図であり、プラズマ発生手段１２と電源手段２３の接続状態を変形したものである。なお、プラズマ発生手段１２の一つのユニット及びユニットの集合体は参考の第一例と略同じように構成されている。

参考の第二例は、図７に示す如く、一つの電源手段２３を一つのユニットとすると共に複数のユニット（図７では二つのユニット）を配して構成しており、電源手段２３の一つのユニットは、プラズマ発生手段１２の二つ以上全部未満のユニット（図７では二つのユニット）に接続されることにより、プラズマ発生手段１２の二つ以上全部未満のユニットを個々に作動及び制御させるようにしている。ここで、図７の電源手段２３のユニットは、プラズマ発生手段１２の一つのユニットの静電容量に対して、２倍以上の容量のトランスを備えている。

而して、参考の第二例によれば、プラズマ発生手段１２をユニット化して複数備えるので、一つのプラズマ発生手段１２を大型化した場合と同様の処理能力を備えることができ、同時に、電源手段２３の少なくとも一つのユニットをプラズマ発生手段１２の二つ以上全部未満のユニットを接続するので、電源手段２３の大型化を防止すると共に電源手段２３のユニット個数を減らし、製造コストを大幅に低減することができる。又、参考の第一例と同様な作用効果を得ることができる。

図８は本発明を実施する形態例であって、プラズマ発生手段１２の複数のユニットと電源手段２３の複数のユニットとの接続状態を示す概念図であり、スイッチ２５を備えてプラズマ発生手段１２と電源手段２３との接続状態を変形したものである。なお、プラズマ発生手段１２の一つのユニット及びユニットの集合体は参考の第一例と略同じように構成されている。

本発明の実施の形態例は、図８に示す如く、一つの電源手段２３を一つのユニットとすると共に複数のユニット（図８では四つ）を配して構成しており、電源手段２３の一つのユニットは、夫々、スイッチ２５を介してプラズマ発生手段１２の一つのユニットに接続されることにより、プラズマ発生手段１２の複数のユニットを個々に作動及び制御させるようにしている。ここで、電源手段２３のユニットは、プラズマ発生手段１２の一つのユニットの静電容量に対して１．５〜４倍の余裕を持たせるよう、ユニットの容量を他のユニットの容量より大きくしている。

又、スイッチ２５は、電源手段２３の一つのユニットをプラズマ発生手段１２の他のユニットへ切換可能にするように構成されており、図８では電源手段２３側の接続点ａ〜ｄを、プラズマ発生手段１２側の接続点ａ’〜ｄ’へ自由に切り換えできることを示している。

排気ガス８の処理時に電源手段２３の一つのユニットが故障した場合には、スイッチ２５により、余裕を持たせた電源手段２３のユニットを切り換えて電源手段２３の故障を回避する。具体的には、電源手段２３側とプラズマ発生手段１２側を夫々接続点ａ−ａ’、ｂ−ｂ’、ｃ−ｃ’、ｄ−ｄ’の如く、電源手段２３の一つのユニットに対しプラズマ発生手段１２の一つのユニットを接続する場合に、プラズマ発生手段１２の一つのユニットの静電容量に対して２倍以上の余裕を持たせた電源手段２３のユニット２３ｂを予め備えておき、電源手段２３の一つのユニット２３ａが故障した際には、接続点ａ−ａ’を切離してｂ−ａ’を接続し、余裕を持たせた電源手段２３のユニット２３ｂにより、プラズマ発生手段１２のユニット１２ａ及びユニット１２ｂに電圧を印加して作動させる。

又、プラズマ発生手段１２の一つのユニットに、パティキュレートが集中して溜った場合には、同様に、スイッチ２５により、余裕を持たせた電源手段２３のユニットを切換接続し、大量の電力を用いてパティキュレートを酸化除去する。

而して、本発明の実施の形態例によれば、参考の第一例及び第二例と同様な作用効果を得ることができる。

電源手段２３の一つのユニットをプラズマ発生手段１２の他のユニットへ切換可能にするスイッチ２５を備えると、スイッチ２５により、プラズマ発生手段１２の状況に応じて電源手段２３を切換接続し得るので、電源手段２３のユニット個数を減らし、製造コストを一層低減することができる。又、電源手段２３の一つのユニットがプラズマ発生手段１２の一つのユニットに接続される場合であっても、スイッチ２５により電源手段２３の他のユニットに切り換え得るので、電源手段２３が故障しても、プラズマ発生手段のユニットによりパティキュレートの処理の停止を防止することができる。

更に、電源手段２３の一つのユニットの容量を他のユニットの容量より大きくすると、スイッチ２５により、通常のユニットから容量の大きいユニットに切り換えて大量の電力を使用し得るので、パティキュレートの処理を柔軟且つ容易に処理することができ、結果的に、パティキュレートを適切に酸化処理することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、プラズマ発生手段は他の構造でもよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

参考の第一例を示す概略図である。 プラズマ発生手段の一つのユニットの概略構造と電源手段の一つのユニットを示す平断面図である。 プラズマ発生手段の一つのユニットを後側から見た斜視図である。 図３の後側の絶縁構造物を取り外した状態を示す斜視図である。 各プラズマ発生手段の複数のユニットを並列に並べた状態を後側から見た斜視図である。 プラズマ発生手段の複数のユニットと電源手段の複数のユニットとの接続状態を示す概念図である。 参考の第二例においてプラズマ発生手段の複数のユニットと電源手段の複数のユニットとの接続状態を示す概念図である。 本発明を実施する形態例においてプラズマ発生手段の複数のユニットと電源手段の複数のユニットとの接続状態を示す概念図である。

９ 排気管
１０ 排気浄化装置
１２ プラズマ発生手段
１１ フィルタケース
１２ａ ユニット
１２ｂ ユニット
２３ 電源手段
２３ａ ユニット
２３ｂ ユニット
２５ スイッチ

Claims (1)

1. 排気管途中のフィルタケース内に収容されてパティキュレートを捕集し且つその捕集箇所にて排気ガス中にプラズマを発生させるべく放電を行い得るプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段に電圧を印加する電源手段とを備えた排気浄化装置であって、前記プラズマ発生手段及び前記電源手段を夫々ユニット化して複数備えると共に、前記電源手段の少なくとも一つのユニットに対し前記プラズマ発生手段の二つ以上全部未満のユニットを接続するよう構成し、
   電源手段の一つのユニットをプラズマ発生手段の他のユニットへ切換可能にするスイッチを備え、
   電源手段の一つのユニットの容量を他のユニットの容量より大きくしたことを特徴とする排気浄化装置。

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