JP4540449B2

JP4540449B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4540449B2
Application number: JP2004313743A
Authority: JP
Inventors: 卓俊古川; 耕一町田; 一郎津曲; 嘉英竹中
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2006125268A

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プラズマアシスト型の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Ｏラディカルや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。

例えば、下記の特許文献１や特許文献２には、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たプラズマアシスト型の排気浄化装置が提案されている。
特表２００２−５０１８１３号公報特表２００２−５１１３３２号公報

しかしながら、このような従来提案されているプラズマアシスト型の排気浄化装置にあっては、円筒形の外側電極と内側電極とを同心状に配置するという設計思想に立脚したものが殆どであったため、これら外側電極と内側電極との間に構成されるフィルタ手段（特許文献１や特許文献２におけるペレット充填層等）の捕集面積を大きくとろうとした場合には、極板間距離を短く保ったまま外側電極と内側電極の直径を増大しなければならず、その中央部分に大きなデッドスペースができて空間効率が低下することにより車輌への搭載性が悪くな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、空間効率の良いプラズマアシスト型の排気浄化装置を提供することによって、該排気浄化装置の車輌への搭載性を向上することを目的としている。

本発明は、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と、該各平板電極間に各平板電極の夫々の面に対しプラズマ発生空間を挟んで平行に配列され且つ表面を誘電体により絶縁被覆された複数の電極棒と、平板電極及びプラズマ発生空間の少なくとも何れか一方に構成されたフィルタ手段とを備え、前記電極棒の二つの列群により挟まれた導入空間に上流側から導入した排気ガスを電極棒の各列群の隙間からプラズマ発生空間及び平板電極を通過させて下流側に流し且つ各平板電極と各電極棒との間に放電に必要な電圧を印加し得るようにしてプラズマアシスト型の排気浄化ユニットを構成し、該排気浄化ユニットを排気ガスの導入方向を一致させて並列に並べ且つ隣り合う各排気浄化ユニット間に平板電極を通過した排気ガスを下流側に導く排気空間を確保したことを特徴とするものである。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、上流側からの排気ガスが各排気浄化ユニットの導入空間に導入されて電極棒の各列群の隙間からプラズマ発生空間及び平板電極を通過して下流側へと流れることになり、この排気ガスが平板電極及びプラズマ発生空間の少なくとも何れか一方に構成されたフィルタ手段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、必要時に各平板電極と各電極棒との間に必要な電圧を印加すると、表面を絶縁被覆された各電極棒と平板電極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、排気ガスが励起してＯラディカルやＯＨラディカル等の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。

この際、各排気浄化ユニットには、平板電極と複数の電極棒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と複数の電極棒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、更には、各排気浄化ユニット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可能であるので、従来よりも空間効率の良いプラズマアシスト型の排気浄化装置を実現することが可能となる。

更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、平板電極自体をフィルタ手段として構成したり、プラズマ発生空間にフィルタ手段を介装したりすることが可能であり、また、給電系統へのパティキュレートの付着堆積を回避する観点から、給電系統については排気ガスの流れ方向下流側に配置すると良い。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１、２、３に記載の発明によれば、従来よりも空間効率の良いプラズマアシスト型の排気浄化装置を実現することができるので、該排気浄化装置の車輌への搭載性を大幅に向上することができ、しかも、各排気浄化ユニットを並べる数を増減するだけでエンジン排気量やパティキュレート排出量に応じた適切な容量に調節することもできる。

（ＩＩ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、給電系統をパティキュレートを含む排気ガスに晒されないように保護することができるので、給電系統の露出部等にパティキュレートが付着堆積して短絡を起こすといった虞れを未然に回避することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図７は本発明を実施する形態の一例を示すもので、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２〜図７を参照して詳述する如き排気浄化ユニット１２を並列に並べた構造を有してケーシング１１により抱持されたものとなっており、これ以降の説明で参照すべき図面のうち、図２は排気浄化ユニット１２の概略構造を示す平面図、図３は排気浄化ユニット１２を前側から見た斜視図、図４は図３の前側の絶縁構造物１３を取り外した状態を示す斜視図、図５は排気浄化ユニット１２を後側から見た斜視図、図６は図５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７は各排気浄化ユニット１２を並列に並べた状態を後側から見た斜視図である。

図２〜図６に示す如く、前記排気浄化ユニット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、本形態例においては、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。

尚、この種の金属フィルタには、ミクロンオーダーの金属繊維を積層焼結したもの、金属粉末の焼結体、金属メッシュを積層焼結したもの、金属メッシュに金属粉末を焼結させたもの等を採用すれば良い。

ただし、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フィルタ手段として介装することも可能であり、このようにした場合には、前記平板電極１５を必ずしもフィルタ手段として構成しなくても良く、金属メッシュやパンチングメタル等により単純な通気構造を有する平板電極１５として構成すれば良い。勿論、高捕集率を得る目的で平板電極１５自体をフィルタ手段として構成した上にプラズマ発生空間１６にフィルタ手段を併用しても良い。

因みに、プラズマ発生空間１６にセラミックペレット等の誘電体の粒状物を充填してフィルタ手段とした場合には、粒状物の夫々の接点に電荷が集中して強い局所電場が形成されることで低温プラズマが発生し易くなり（セラミックス繊維やセラミックスフォームを充填した場合も同様の効果が得られる）、また、プラズマ発生空間１６に介装したフィルタ手段により平板電極１５と電極棒１８の対向方向に延びる多数の平面を形成させれば、この平面に沿う沿面放電が促されて低温プラズマが発生し易くなる。

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。

尚、電極棒１８の二つの列群の上部と下部には、誘電体のダミー管２１が左右方向に配列されていて、各電極棒１８の各列群を上下に迂回する排気ガス８の流れを抑制し得るようにしてあり、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２５により塞がれるようになっている。

更に、各電極棒１８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の外側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２５を貫通してケーシング１１外の電源２３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交流高電圧（直流パルス高電圧でも可）を印加し得るようにしてある。

そして、図７に示す如く、以上に述べた如き排気浄化ユニット１２を排気ガス８の導入方向を一致させて並列に並べ且つ隣り合う各排気浄化ユニット１２間に平板電極１５を通過した排気ガス８を下流側に導く排気空間２４を確保してプラズマアシスト型の排気浄化装置１０を構成するようにしている。

ここで、各排気浄化ユニット１２間に排気空間２４を確保するにあたっては、各平板電極１５の後側の一辺を除く三辺に幅方向外側へ張り出す陵部を形成しておくと共に、後側の絶縁構造物１４における両側に幅方向外側へ部分的に張り出す突起部（図示では上中下の三段配置）を形成しておけば良い（図３〜図７参照）。

而して、このように排気浄化装置１０を構成すれば、上流側からの排気ガス８が各排気浄化ユニット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、必要時に各平板電極１５と各電極棒１８との間に交流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ＯラディカルやＯＨラディカル等の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。

この際、各排気浄化ユニット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、更には、各排気浄化ユニット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可能であるので、従来よりも空間効率の良いプラズマアシスト型の排気浄化装置１０を実現することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、従来よりも空間効率の良いプラズマアシスト型の排気浄化装置１０を実現することができるので、該排気浄化装置１０の車輌への搭載性を大幅に向上することができ、しかも、各排気浄化ユニット１２を並べる数を増減するだけでエンジン排気量やパティキュレート排出量に応じた適切な容量に調節することもできる。

また、特に本形態例においては、後側の絶縁構造物１４を貫通して該絶縁構造物１４の外部に給電部２２を形成し且つ該給電部２２に対し電源２３を接続して給電系統を排気ガス８の流れ方向下流側に構成するようにしているので、これらの給電系統をパティキュレートを含む排気ガス８に晒されないように保護することができ、給電系統の露出部等にパティキュレートが付着堆積して短絡を起こすといった虞れを未然に回避することができる。

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、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。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。排気浄化ユニットの概略構造を示す平面図である。排気浄化ユニットを前側から見た斜視図である。図３の前側の絶縁構造物を取り外した状態を示す斜視図である。排気浄化ユニットを後側から見た斜視図である。図５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。各排気浄化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。

符号の説明

８排気ガス
１０排気浄化装置
１２排気浄化ユニット
１３絶縁構造物
１４絶縁構造物
１５平板電極（フィルタ手段）
１６プラズマ発生空間
１７誘電体
１８電極棒
１９導入空間
２２給電部
２４排気空間

Claims

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と、該各平板電極間に各平板電極の夫々の面に対しプラズマ発生空間を挟んで平行に配列され且つ表面を誘電体により絶縁被覆された複数の電極棒と、平板電極及びプラズマ発生空間の少なくとも何れか一方に構成されたフィルタ手段とを備え、前記電極棒の二つの列群により挟まれた導入空間に上流側から導入した排気ガスを電極棒の各列群の隙間からプラズマ発生空間及び平板電極を通過させて下流側に流し且つ各平板電極と各電極棒との間に放電に必要な電圧を印加し得るようにしてプラズマアシスト型の排気浄化ユニットを構成し、該排気浄化ユニットを排気ガスの導入方向を一致させて並列に並べ且つ隣り合う各排気浄化ユニット間に平板電極を通過した排気ガスを下流側に導く排気空間を確保したことを特徴とする排気浄化装置。
平板電極自体がフィルタ手段として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
プラズマ発生空間にフィルタ手段が介装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
給電系統が排気ガスの流れ方向下流側に配置されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。