JP4483714B2 - 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。

近年、ディーゼルエンジンから排出される有害物質である排気微粒子（ＰＭ）が、大きな問題となっている。排気微粒子の処理方法としては、例えば、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電気的に捕集する装置が知られている。しかしながら、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。

そこで、コロナ放電を利用して微粒子を静電凝集させる方法が検討されている。下記特許文献１には、煙や排気微粒子を含むガスが流入する筒状体内に、筒状体の軸線方向に伸びる複数の直線状の放電電極を配置した装置が開示されている。この装置では、放電電極を囲む筒状体内周壁を集塵電極として、放電電極との間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させる。このコロナ放電によって排気中の微粒子が帯電し、静電力で集塵電極側へ移動して凝集する。凝集粒子が成長すると自重で落下するので、これを回収することができる。
特開２００３−１４４９７９号公報

また、下記特許文献２には、サイクロン構造とした凝集器の内筒内に、丸棒部の外周に複数の針状突起を設けた放電電極を配してコロナ放電を発生させるようにした装置が開示されている。内筒壁に凝集、堆積した微粒子はガス流れによって剥離され、サイクロン式粒子分離器を経て、粒子捕集器で捕集される。
特開平５−２２２９１５号公報

ところが、凝集器内に流入する排気中に、排気微粒子が高濃度で存在する条件下では、放電電極を保持する碍子部に排気微粒子に排気微粒子が堆積しやすくなる。この場合、放電電極にマイナス高電圧を印加しても、堆積した排気微粒子中を電流が流れてしまうため（電流リーク）、排気通路中にマイナスイオンを発生して排気微粒子を帯電させることが困難になる問題があった。

この問題に対し、特許文献２の装置では、サイクロン式粒子分離器の排出管を凝集器のハウジングに接続し、碍子部にサイクロン式粒子分離器からの清浄なガスを吹き付けて微粒子の付着を防止している。しかしながら、下流にサイクロン式粒子分離器を設置し、接続用の配管が必要となるなど構成が複雑となる。

そこで、本発明の目的は、コロナ放電を利用した内燃機関の排気処理装置において、高濃度の排気微粒子存在下でも、碍子部への排気微粒子の堆積による電流リークが生じず、絶縁を保持できる凝集器を簡易な構成で実現すること、そして、良好な放電特性を発揮し効率よい凝集を可能とすることにある。

本発明請求項１の排気処理装置は、内燃機関の排気管内に放電電極と集塵電極を配設し、これら電極間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより排気微粒子を帯電・凝集させる凝集器を備える。
上記凝集器において、放電電極は、凝集器内に形成される排気通路の略中心部に位置する放電部と、該放電部に外部の電源から高電圧を導く導電部と、導電部の外周を保持する碍子部を有する。さらに、碍子部の外周表面の一部を周方向に覆う酸化触媒層を有する絶縁保持手段を設け、碍子部に付着する排気微粒子を酸化触媒により浄化して絶縁を保持している。

高濃度の排気微粒子が存在する状態では、排気流に晒される放電電極の碍子部に付着した排気微粒子を通じて電流リークが生じる問題がある。本発明の絶縁保持手段は、付着した排気微粒子を酸化触媒の作用により酸化除去するので、付着排気微粒子が分断され、電流リークを生じない。これにより、効率よくコロナ放電を生起し、発生するイオンによって排気中の排気微粒子を帯電させて、集塵電極に静電捕集することができる。よって、大がかりな装置や構成の変更を伴わずに、簡易な構成で放電電極の絶縁を保持して、コロナ放電による凝集性能を向上させることができる。

請求項２の発明において、上記絶縁保持手段は、上記碍子部の外周表面から径方向に突出するリング状突出部を有し、その少なくとも外表面に酸化触媒を含有させて上記酸化触媒層としてある。

具体的には、絶縁保持手段をリング状突出部にて構成すると、碍子部の他の表面との間に段差が形成されるので、排気微粒子の分断効果を高めることができ、また、表面積が大きくなるので、酸化触媒による除去性能が向上する。

請求項３の発明において、上記リング状突出部は、上記碍子部本体と別体に設けられる。

リング状突出部を碍子部本体と別体とすると製作が容易で、酸化触媒の担持も容易であり、分断性能を保持しながら低コスト化できる。

請求項４の発明において、上記リング状突出部は、周方向に薄肉部と厚肉部が交互に形成される異径の外径形状を有する。

リング状突出部の一部を薄肉かすることで低コスト化でき、また、表面積が大きくなるので、酸化触媒による除去性能が向上する。

請求項５の発明において、上記酸化触媒はＰｔとする。

Ｐｔは排気微粒子の浄化性能に優れるので、好ましい。

請求項６の発明において、上記集塵電極は、上記放電電極の下流ないし外周に配置される接地電極からなる。

放電電極に負の直流高電圧を印加すると、コロナ放電により付近の排気微粒子が負に帯電し、その下流ないし外周の接地電極へ移動、凝集するので、凝集粒子として捕集することができる。

請求項７の発明において、上記集塵電極は、上記放電電極の下流位置に排気通路を横切って配置される導電性網または導電性の多孔質体からなる。

好適には、凝集した排気微粒子の通過を妨げない多数の通気孔を有する導電性の構造体にて集塵電極を構成すると、凝集粒子の回収が容易になる。

請求項８の発明において、上記放電電極の上記放電部は、放射状に突出する複数の突起を有する。

このように形成すると、排気通路内にコロナ放電を均一に発生させることができる。

以下、本発明をディーゼルエンジンの排気処理装置に適用した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、排気処理装置に設けられる凝集器１の構成を示すもので、エンジンの排気管に接続されるハウジングＨ内に、放電電極であるコロナ放電電極２と、集塵電極である導電性網３を対向して配設している。ハウジングＨは排気管より大径の円筒管状で、その内部は円形通路断面の排気通路１１となり、両端小径部にて排気管の直線部に接続されるようになっている。コロナ放電電極２は、ハウジングＨの管壁に設けた開口部１２を閉鎖する保持プレート１３にこれを貫通して取り付けられる。コロナ放電電極２は碍子部２３外周に設けた雄ねじ部が、保持プレート１３に設けた雌ねじ部に螺合され、ナット１４にて締付け固定される。

コロナ放電電極２は、ハウジングＨ外に突出する基端側（図の上端側）が図示しない直流高電圧電源と接続される導電部２１と、その先端側（図の下端側）に設けられ導電部２１を介して高電圧が導かれる放電部２２と、導電部２１の外周を保持する碍子部２３とからなる。導電部２１の先端側は、ハウジングＨの管壁を貫通して排気通路１１内の排気流を横切る方向に延び、碍子部２３から露出する導電部２１の先端部分が、排気通路１１の軸線Ｃ位置でＬ字状に屈曲して軸線Ｃに沿って下流方向へ向かっている。

図１（ｂ）に示すように、コロナ放電電極２の放電部２２は、導電部２１のＬ字状の屈曲部先端に固定される。放電部２２は、例えば、図１（ｃ）に示すように、多数の突起２ａを有する星型の平板からなり、突起２ａがハウジングＨの軸線Ｃに対し放射方向に向くように配設される。このように、放電部２２の先端に多数の突起２ａを放射状に形成することで、放電率を高めるとともに、排気通路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、放電部２２形状は星型に限らず、複数の突起２ａが放射状に位置していればよく、突起２ａの数も適宜変更することができる。

図１（ａ）において、排気通路１１の略中心部に位置する放電部２２の下流側には、導電性網３が、排気流れと直交するように通路を横切って配置される。図２に示すように、導電性網３は、導電性材料を用いて排気ガスが流通可能な網目を有する円板状に成形したもので、外周縁をハウジングＨ内周面に溶接することで固定される。導電性網３は接地電位としてある。導電性網３の網目は、凝集した微粒子の通過を妨げない大きさ、例えば、一辺が０．５ｍｍから１ｍｍ程度ないしそれ以上の大きさとするのがよい。ここで、排気微粒子は、通常、０．０１μｍ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。網目が大きいと圧損は小さくなるが導電性網３における凝集効果が低減するため、所望の凝集効果が得られるように、網目の大きさを適宜調整するとよい。

本発明の特徴部分について説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、コロナ放電電極２には、ハウジングＨ内へ突出する碍子部２３の、排気通路１１中央部近傍に位置する先端部外周に、絶縁保持手段となるリング状のＰｔ担持部４を設けている。Ｐｔ担持部４は、碍子部２３の外周表面から径方向に突出するリング状突出部からなり、その少なくとも外表面に酸化触媒であるＰｔを含有させて酸化触媒層を形成したもので、Ｐｔの触媒作用により表面に付着した排気微粒子を除去することができる。酸化触媒としてＰｔ以外の触媒金属を用いることもできる。

Ｐｔ担持部４の外径は、碍子部２３よりも大径であればよく、碍子部２３の外表面との間に段部が形成されることで、排気微粒子が軸方向に分断されやすくなる。好ましくは、Ｐｔ担持部４のリング状突出部の突出厚さが、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度となるように構成する。突出厚さが０．１ｍｍより小さいと、Ｐｔ担持部４による排気微粒子の分断効果が小さくなり、１ｍｍより大きいとＰｔ担持部４が大きくなり経済的ではない。Ｐｔ担持部４の形成幅（軸方向の長さ）は、例えば１ｍｍ程度となるように構成することで、排気微粒子の分断効果を得ることができる。

Ｐｔ担持部４は、碍子部２３と一体に形成することもできるが、絶縁性のリング状基材に酸化触媒であるＰｔを担持させたＰｔ担持リングを別体で設けることもでき、製作やＰｔ担持が容易にできる。この場合は、一定径とした碍子部２３の外周にＰｔ担持リングを嵌着固定しても、あるいは、碍子部２３を複数に分割してその間にＰｔ担持リングを挟持する構成としてもよい。碍子部２３を複数に分割する場合は、碍子本体が装着された放電電極１の先端小径側からＰｔ担持リングを挿通し、さらに固定用碍子を挿通した後、例えばガラス含有接着剤等を用いて固定用碍子を接合固定することにより一体化する。

図３、４により、本実施形態のＰｔ担持部４を設けた凝集器１の作用効果について説明する。凝集器１内に流入する排気中に高濃度の排気微粒子が含まれる状態では、排気通路１１内に突出する放電電極２の碍子部２３に排気微粒子が付着しやすくなる。図４（ｂ）は、碍子部２３にＰｔ担持部４を有しない構成で、碍子部２３外表面のほぼ全面に排気微粒子を堆積しているために、堆積排気微粒子を通じて、放電部２２に印加した電流がリークしてしまい、コロナ放電が良好に生起しない。これに対し、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、碍子部２３にＰｔ担持部４を設けた本実施形態の構成では、碍子部２３外表面全面に排気微粒子を堆積しても、Ｐｔ担持部４の表面において、堆積した排気微粒子がＰｔの触媒作用により雰囲気中の酸素（Ｏ2 ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ2 ）として排出される。これにより、Ｐｔ担持部４の外表面に堆積していた排気微粒子が除去され、堆積排気微粒子が、Ｐｔ担持部４において、軸方向に分断されるので、電流リークが生じるのを防止することができる。

その結果、図４（ａ）に示すように、コロナ放電電極２の導電部２１を介して放電部２２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、放電部２２先端の突起２ａ近傍においてコロナ放電を発生させることができる。コロナ放電により電子が放射されると（図中１）、この電子によって電子親和性の高い気体分子（酸素）がマイナスイオン化し（図中２）、付近の排気微粒子（ＰＭ）に付着してこれを負に帯電させる（図中３）。排気微粒子（ＰＭ）は、クーロン力とガス流によって移動し（図中４）、導電性網３に静電捕集される（図中５）。排気微粒子（ＰＭ）を負に帯電させた電子は導電性網３へと放出される（図中６）。導電性網３に捕集された排気微粒子は、凝集して粗大化粒子となり、ガス流により剥離して導電性網３を通過し、下流へ移動するこのように、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。

図５は、凝集器１を備える排気処理装置の構成の一例を示すもので、コモンレール式ディーゼルエンジンＥにおいて、排気マニホールドに連なる排気管Ｅ１にの途中に、上記構成の凝集器１が設置されている。凝集器１の下流には、排気微粒子を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が配置され、凝集器１から放出される排気微粒子を捕集する。この時、排気微粒子は、凝集して粗大粒子となっているので、ＤＰＦにて確実に捕集されて定期的に燃焼除去される。排気中の他の有害成分は、ＤＰＦ下流の酸化触媒、ＮＯｘ触媒によって浄化される。従って、排気微粒子を含む有害成分が浄化され大気へ排出されるのを防止できる。

図６により、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、凝集器１の放電電極２において、碍子部２３に設けたＰｔ担持部４の外径を一定径としたが、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、異径形状としてもよい。ここでは、Ｐｔ担持部４のリング状突出部を、周方向に厚肉部と薄肉部を交互に設けた歯車形状とし、その少なくとも外表面にＰｔを担持させた酸化触媒層としている。

このようにすると、Ｐｔ担持部４を薄肉化することによる低コスト化に加えて、リング状突出部の外表面の面積、すなわち排気微粒子を除去する作用を有する酸化触媒層の表面積を増加させて、排気微粒子の酸化性能を向上させることができる。

図７により、本発明の第３の実施形態について説明する。上記各実施形態では、放電電極２の碍子部２３に設けるＰｔ担持部４として、径方向に突出するリング状突出部を形成したが、にての外径を一定径としたが、図７に示すように、碍子部２３の外表面を所定幅で取り巻く酸化触媒層を形成して、Ｐｔ担持部４としてもよい。Ｐｔ担持部４は、例えば、碍子部２３の基材にＰｔ粉体を混入させて形成する。あるいは、碍子部２３の外表面にごく薄肉のＰｔ担持リングを設けて、Ｐｔ担持部４としてもよく、いずれも低コスト化ができる。

図８により、本発明の第４の実施形態について説明する。上記各実施形態では、放電電極２の碍子部２３に設けるＰｔ担持部４を一箇所としたが、図８に示すように、碍子部２３の軸方向の複数箇所（図では２箇所）にＰｔ担持部４を設けることもできる。図では、上記第１実施形態と同様の２つのＰｔ担持部４を間隔をおいて配置しており、外表面に堆積する排気微粒子を確実に分断して電流リークを防止する効果が得られる。

このようにすると、Ｐｔ担持部４を薄肉化することによる低コスト化に加えて、リング状突出部の外表面の面積、すなわち排気微粒子を除去する作用を有する酸化触媒層の表面積を増加させて、排気微粒子の酸化性能を向上させることができる。

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、高性能で実用性の高い排気処理装置を実現することができる。

上記実施形態では、コロナ放電電極の下流に配した導電性網により集塵電極を構成しているが、コロナ放電電極の外周に位置する排気通路内周壁を集塵電極とすることもできる。また、これら導電性網や排気管内周壁は接地電極として構成したが、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の実施形態における凝集器の概略構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図でコロナ放電電極の概略形状を示す側面図、（ｃ）はコロナ放電電極の放電部形状を示す正面図である。 集塵電極である導電性網の概略形状を示す正面図である。 本発明の作用効果を説明するための模式的な図で、（ａ）はコロナ放電電極に排気微粒子が付着した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図で排気微粒子の触媒反応による除去の様子を示す図である。 （ａ）は凝集器の作動を説明するための模式的な図であり、（ｂ）は本発明の絶縁保持手段を備えない構成において、コロナ放電電極へ排気微粒子が付着した状態を示す図である。 凝集器を備えた内燃機関の排気処理装置の全体概略構成図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態におけるコロナ放電電極の概略形状を示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるコロナ放電電極の概略形状を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態におけるコロナ放電電極の概略形状を示す側面図である。

符号の説明

１ 凝集器
１１ 排気通路
２ コロナ放電電極（放電電極）
２１ 導電部
２２ 放電部
２３ 碍子部
２ａ 突起
３ 導電性網（集塵電極）
４ Ｐｔ担持部（絶縁保持手段）

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管内に放電電極と集塵電極を配設し、これら電極間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより排気微粒子を帯電・凝集させる凝集器を備える排気処理装置であって、
   上記放電電極が、上記凝集器内に形成される排気通路の略中心部に位置する放電部と、該放電部に外部の電源から高電圧を導く導電部と、上記導電部の外周を保持する碍子部を有するとともに、上記碍子部の外周表面の一部を周方向に覆う酸化触媒層を有し上記碍子部に付着する排気微粒子を酸化触媒により浄化して絶縁を保持する絶縁保持手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
2. 上記絶縁保持手段が、上記碍子部の外周表面から径方向に突出するリング状突出部を有し、その少なくとも外表面に酸化触媒を含有させて上記酸化触媒層とした請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
3. 上記リング状突出部を上記碍子部本体と別体に設けた請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
4. 上記リング状突出部は、周方向に薄肉部と厚肉部が交互に形成される異径の外径形状を有する請求項２または３記載の内燃機関の排気処理装置。
5. 上記酸化触媒がＰｔである請求項１ないし４のいずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
6. 上記集塵電極が、上記放電電極の下流ないし外周に配置される接地電極からなる請求項１ないし５のいずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
7. 上記集塵電極が、上記放電電極の下流位置に排気通路を横切って配置される導電性網または導電性の多孔質体からなる請求項６記載の内燃機関の排気処理装置。
8. 上記放電電極の上記放電部は、放射状に突出する複数の突起を有する請求項１ないし７のいずれか記載の内燃機関の排気処理装置。
   
   

Images