JP4604803B2 - 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微粒子物質を浄化する排気処理装置に関する。

近年、地球環境の保護のために、自動車等に搭載される内燃機関から大気中に排出される排気ガス中に含まれる有害成分を浄化する浄化性能の向上が要求されている。特に軽油を燃料とする圧縮着火式ディーゼルエンジンからの排気ガスは、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘに加え、煤やＳＯＦ等の微粒子物質（ＰＭ）を含んでいる。

通常、ＰＭの除去には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等のフィルタ触媒が用いられている。フィルタ触媒は、多孔質セラミックスよりなり多数のセルとセル壁に連続した細孔をもつ触媒担体基材の表面上にアルミナ等の耐熱性無機酸化物よりなる担持層に触媒金属が担持してなる触媒層を形成した構造を有している。そして、フィルタ触媒は、表面に触媒層が形成された触媒担体基材の連続した細孔から形成された通気孔を排気ガスが通過するときに、ＰＭを捕捉するとともにそれ以外の有害な成分を浄化する。また、多孔質セラミックス上に形成された触媒層が捕捉したＰＭを分解して取り除く。

内燃機関から排出されたＰＭは、排気ガス流路中で別のＰＭと接触して凝集し、大きな粒径のＰＭとなる。そして、フィルタ触媒に到達するまでに、ＰＭは大きな粒径をもつこととなる。大きな粒径のＰＭは、フィルタ触媒で容易に捕捉できる。

しかしながら、排気ガス中には、凝集しないあるいは凝集しても十分な大きさとなっていないＰＭ（小径のＰＭ）も含まれる。小径のＰＭは、フィルタ触媒では捕捉が困難であった。

この問題に対して、コロナ放電を用いて粒子径の小さいＰＭを凝集させて大径のＰＭとする排気処理装置がある。この排気処理装置は、排気ガス流路中に一対の電極（放電電極と対向電極）を配置した構成を有する。そして、両電極間に高電圧を印加してコロナ放電を生じさせる。コロナ放電を生じると、放電電極からの電荷を排気ガス中のＰＭが受け取りＰＭが帯電する。そして、帯電したＰＭは、電極間をクーロン力で移動し、対向電極に到達し、対向電極に付着する。帯電したＰＭは、対向電極に付着すると対向電極に電荷が回収される。また、電荷が回収されたＰＭは、対向電極に付着したままとなる。そして、この状態で別の帯電したＰＭが対向電極に付着する。これにより、対向電極の表面でＰＭが凝集され、大径のＰＭが形成される。その後、大径に成長したＰＭが対向電極から脱離して除去される。

この排気処理装置において放電電極は、ＰＭに電荷を付与する放電部と、放電部を排ガス流路内に保持する導電部と、導電部の外周部に導電部と排ガス流路を区画する排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、とを備えた構成を有している。一般的に、絶縁部は耐熱性をもつセラミックスを筒状に形成してなり、導電部は筒状の絶縁部を貫通した耐熱性金属を棒状に形成してなる。

しかしながら、この放電電極は、排気ガス流路中に放電部が配置されるため、排気ガスに含まれる成分により絶縁部の電気絶縁性が低下するという問題があった。具体的には、排気ガス流路を流れる排気ガス中には、ＰＭが含まれる。排気ガスに含まれるＰＭは、導電部および絶縁部の表面に付着することとなる。ＰＭが絶縁部の露出した表面に付着して堆積すると、場合によっては、堆積したＰＭが絶縁部の表面に導電部と排気管とを電気的に接続する。つまり、堆積物により絶縁部の電気絶縁性が低下する。また、排気ガスには水分なども含まれており、ＰＭと同様に絶縁部の外周に付着して電気絶縁性を低下させる。

このような、電気絶縁性の低下を防止する方法として、絶縁部の表面に凹凸を設けて、この凹凸部分に電界を集中させて放電を起こし、絶縁部の表面に付着したＰＭを除去する方法が特許文献１に開示されている。

しかしながら、特許文献１に示された構成の絶縁部は、実際に内燃機関の排気ガスの通路で使用すると、破損することがあった。排気ガスは温度変化が大きいため、複雑な形状の表面をもつと、熱歪が凹凸部分に集中して破損するためである。

また、絶縁部表面で放電を起こさせると、その放電エネルギーにより絶縁部表面が溶融し、さらに強度低下を引き起こす。使用環境によっては排気ガス中の水分が絶縁部表面に付着する場合もあり、その時は絶縁部表面に熱衝撃が加わり、より破損しやすくなる。
特開昭６０−１９０２４８号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、優れた絶縁性をもつ排気処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは排気処理装置の絶縁部について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

本発明の排気処理装置は、排気ガス流路を区画する排気管と、排気管内の排気ガス流路中に配置された放電電極と、排気管内の放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、を有し、放電電極と対向電極との間に電圧を印加して放電電極から電荷を放出して排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、対向電極で帯電した微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置において、放電電極が、排気ガス流路中に配置された放電部と、排気管の壁部を貫通し排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、放電部を排ガス流路中に保持するとともに外部と放電部とを電気的に接続する導電部と、軸部が内挿される筒状を有し、導電部と排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、を有し、導電部の軸部が、大径の大径軸部と、大径軸部の先端側にもうけられた小径軸部と、大径軸部と小径軸部とを接続する段部と、を有し、絶縁部は、段部よりも放電部側の先端部が先端方向に進むにつれて外周面の径が小さくなるテーパ状をなすとともに、絶縁部の内周面が導電部の小径軸部と当接しない状態で軸方向に平行に形成されていることを特徴とする。

本発明の排気処理装置は、放電部を保持する導電部と排気管とを絶縁する絶縁部の先端部が薄肉化されている。絶縁部の先端部は、熱容量が小さくなっている。絶縁部の先端部の熱容量が小さくなることで、この先端部は加熱されやすくなった。この結果、先端部に排気ガスに含まれる微粒子物質などの成分が付着しても、直ちに加熱除去される。つまり、微粒子物質が先端部に堆積しなくなった。この結果、絶縁部の外表面に付着した微粒子物質が導電部と排気管とが導通しなくなり、電気絶縁性が確保された。

本発明の排気処理装置は、排気ガス流路を区画する排気管と、排気管内の排気ガス流路中に配置された放電電極と、排気管内の放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、を有し、放電電極と対向電極との間に電圧を印加して放電電極から電荷を放出して排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、対向電極で帯電した微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置である。

そして、放電電極が、排気ガス流路中に配置された放電部と、排気管の壁部を貫通し排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、放電部を排ガス流路中に保持するとともに外部と放電部とを電気的に接続する導電部と、導電部の軸部の外周部にもうけられ、導電部と排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、を有する。

このような構成の排気処理装置において、絶縁部に微粒子物質（ＰＭ）が付着して堆積することを防止する方法のひとつとして、筒状の絶縁部の軸方向の少なくとも一部の熱容量を小さくする方法がある。この熱容量の小さな部分は、絶縁部の周方向の全周にわたって形成される。絶縁部の熱容量が小さくなると、この部分が排ガス流路を流れる排ガスによりすばやく高温に加熱される。このため、絶縁部の表面にＰＭ等が付着しても高温により直ちに分解されることとなる。この結果、絶縁部の外表面に、ＰＭ等の堆積が生じない部分が発生する。絶縁部の外表面にＰＭ等が堆積しても、導電部と排気管とが導通されなくなる。

そして、本発明の排気処理装置は、絶縁部は、放電部側の先端部での径方向の厚さがそれ以外の部分より薄く形成されている。つまり、本発明の排気処理装置は、絶縁部の径方向の厚さを部分的に薄くすることで、その薄肉化された部分の熱容量を小さくしている。これにより、薄肉化された部分にＰＭ等の堆積が生じなくなり、印加電圧のリークが抑えられる。

そして、本発明の排気処理装置は、先端部を薄肉化している。絶縁部の薄肉化される位置は、軸方向のどの位置でもよいが、中央部近傍を薄肉化すると、隣接する肉部に熱が伝達されて薄肉部の加熱が不十分となるおそれがあるだけでなく、絶縁部の製造に要するコストが増加する。

本発明の排気処理装置においては、先端部の薄肉化された部分の厚さは、その他の部分よりも薄く形成されていれば特に限定されるものではないが、絶縁部の厚さは、絶縁部の軸方向で変化することが好ましい。

また、絶縁部の放電部側の端部が、先端方向に進むにつれて薄くなるテーパ状に形成されたことが好ましい。絶縁部の先端部の厚さが徐々に薄くなることで、この先端部の強度が上昇する。つまり、絶縁部の厚さが変化するときに段部を形成する場合には、厚さが変化する部分に応力が集中し、この部分で絶縁部が損傷する。

本発明の排気処理装置は、放電電極の電極部から電荷を放出し、帯電したＰＭが対向電極に凝集される。この対向電極は、帯電したＰＭを凝集させることができる部材（放電電極と異なる電位を付与できる部材）であれば特に限定されるものではない。排気管が対向電極となってもよい。すなわち、排気管の内壁面が対向電極となることが好ましい。

対向電極は、帯電したＰＭを捕集してＰＭを凝集させる部材であり、放電電極の下流側にもうけられたことが好ましい。排気ガス流において放電電極の下流側に対向電極がもうけられることで、帯電したＰＭが排気ガス流にのって流れたときに、この帯電したＰＭを捕捉できることとなる。

対向電極は、排気ガスの流れ方向に垂直に配置された網状の部材を有することが好ましい。網状の部材をもつことで、対向電極が高い効率で帯電したＰＭを捕集できる。網状を有することで、排気ガスの流れを妨げることなく、排気ガスとの接触面積を大きくすることがきる。この網状の部材が排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置されることで、排気ガスの流れ方向を変化させることなく帯電したＰＭを捕集できる。なお、網状の部材とは、排ガスが通過できる連通した通気孔をもつ部材を示すものであり、排ガスの流れ方向の長さを有する部材であってもよい。また、連通した通気孔も、排ガスの流れ方向の両側の表面を連通していればよい。つまり、排ガスが通過するセルをもつハニカム体等の部材であっても、細孔が連続した多孔質の部材であってもよい。

この網状の部材の外周は排気管の内周と一致することが好ましい。つまり、排気管の断面の全面に網状の部材が配置されることで、より多くの帯電したＰＭを捕集できる。

本発明の排気処理装置は、対向電極で捕集したＰＭを大粒径のＰＭに凝集させる。その後、対向電極表面の大粒径化したＰＭをこの対向電極表面から取り除く。対向電極表面からのＰＭの除去は、たとえば、強い排気ガス流を流すことでなされる。このため、大粒径化したＰＭを分解除去する装置をその下流にもつことが好ましい。つまり、対向電極の下流に、対向電極で凝集した微粒子物質を除去する除去装置をもつことが好ましい。この除去装置は限定されるものではないが、例えば、ＤＰＦなどのフィルタ触媒をあげることができる。
本発明の排気処理装置は、導電部が、絶縁部を外周面に形成された軸部と、放電部と軸部とを接続する接続部と、を有し、接続部が軸部と接続する部分には、接続部よりも径の大きな中間部が形成されていることが好ましい。

本発明の排気処理装置は、上記したように、絶縁部を部分的に薄肉化するものであり、それ以外の構成は、従来公知の排気処理装置と同様の構成とすることができる。すなわち、排気管、放電電極、対向電極等の本発明を構成する部材の材質についても、従来公知の処理装置に用いられた材質を用いることができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

（参考例）
本発明の参考例として、ディーゼルエンジンの排気処理装置を製造した。参考例の排気処理装置の構成を図１に示した。

参考例の排気処理装置は、エンジンの排気管１と、排気管中に配置された放電電極２と、排気管１中の放電電極２の下流に配置された凝集部材３と、排気管１中の凝集部材３の下流に配置されたＤＰＦ４と、放電電極２と凝集部材３と接続された外部電源（図示せず）と、を備えている。

排気管１は、耐熱性金属よりなる円環状の筒状部材である。

放電電極２は、排気ガス流路中に配置された円板状の放電部２０をもつ。放電部２０は、円板の中心が排気管１の中心に位置した状態であり、かつ表面が軸方向に垂直な状態で配置されている。放電電極２を図２に示した。

放電部２０は、導電部２１により保持されている。導電部２１は、放電部２０の上流側の表面から排気管１の軸方向に突出した接続部２１０と接続部２１０の上流側の端部から排気管１の径方向にのび、かつ排気管１を貫通する軸部２１１と、から構成される。導電部２１は、耐熱性金属よりなる棒状部材が折り曲げられて一方が接続部２１を他方が軸部２１１をなした構造を有している。

そして、導電部２１の軸部２１１の外周面には、電気絶縁性をもつセラミックス（本参考例においてはアルミナセラミックス）よりなる絶縁部２２が形成されている。この絶縁部２２は、軸部２１１が嵌入した筒状の部材である。なお、この絶縁部２２は、排気管１の軸心部近傍に位置する軸部２１１の外周面部には形成されていない。具体的には、放電部２０の上流部には絶縁部２２が形成されていない。

さらに、絶縁部２２の径方向内方に位置する先端部２２０は、基端部２２１よりも縮径した外周形状を有している。具体的には、絶縁部２２は、大径の外周形状をもつ基端部２２１と、基端部２２１の先端に一体にもうけられた小径の外周形状をもつ先端部２２０と、を有している。つまり、放電部２０側の先端部２２０での径方向の厚さがそれ以外の部分より薄く形成されている。この先端部２２０における筒状態の径方向厚さ（肉厚の最小値）は、本参考例では１．３ｍｍに設定（図３中のＡ部に示す）されている。放電電極２の絶縁部２２における先端部２２０近傍の構成は、図３に示した。

そして、放電電極２の絶縁部２２の外周面には、放電電極２を排気管１に固定するためのハウジング２３が形成されている。

凝集部材３は、排気管１中の放電電極２の下流に配置されている。この凝集部材３は、導電性をもつ耐熱性金属よりなる網状を有し、排気管１の断面の全面にわたってもうけられている。この網状の凝集部材３は、排気管１内に軸方向に垂直な状態で一体に固定された。なお、排気管１と凝集部材３は、電気的に接続されている。本参考例においては、この凝集部材３と排気管１とは同電位の対向電極となる。

ＤＰＦ４は、排気管１中の凝集部材３の下流に配置されている。このＤＰＦ４は、従来公知のＤＰＦである。

以下に本参考例の排気処理装置の作動を説明する。

まず、放電電極２に、図示しない外部電源から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、放電部２０近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される。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、付近を流れる排気ガス中のＰＭに付着してこれを負に帯電させる。帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって凝集部材３に向かって移動する。そして、凝集部材３の表面に帯電したＰＭが到着する。凝集部材３の表面に接触したＰＭは、電荷が凝集部材３に回収され、ＰＭが凝集部材の表面に付着する。そして、新たなＰＭが凝集部材３の表面に付着して、ＰＭが凝集して粗大化する。この結果、大粒径化したＰＭが凝集部材３の表面に存在することとなる。

そして、粗大化したＰＭが凝集部材３の表面に堆積した状態で、排気管１内に流速の速い排気ガス流を流す。この流速の速い排気ガス流により、凝集部材３の表面に堆積した粗大化したＰＭが凝集部材３の表面から脱離して下流側に移動する。そしてＤＰＦ４に捕捉され分解される。

そして、本参考例の排気処理装置の作動時に、排気管１中に高温の排気ガスが流れると、この排気ガスにより、放電電極２が加熱される。放電電極２の絶縁部２２の先端部２２０は、薄肉化されている。

詳細には、コロナ放電性能に影響を与える程度の、絶縁部２２の外表面へのＰＭの付着などが原因による絶縁性低下が生じうる排気ガス流の温度環境状態を想定した上において、先端部２２０の薄肉化によって薄肉設定部における絶縁部２２の外表面に対して付着ＰＭの焼き切り効果（絶縁性回復効果）が生じるように、絶縁部２２の材質（アルミナ材）、および先端部２２０の径方向厚さとして１．３ｍｍが設定されている。

なお、先端部２２０の径方向厚さは、絶縁部２２における導電部２１の保持機能（強度）と前記した絶縁性回復の機能とを考慮し、１．０から１．６ｍｍの範囲に設定される。

上記したように、本参考例の排気処理装置は、放電電極２の外表面にＰＭが付着して導電部２１と排気管１とが導通しなくなっている。この結果、ＰＭの凝集性および安全性にすぐれた排気処理装置となっている。

また、参考例の排気処理装置の放電電極２の絶縁部２２の先端部２２０は、以下に示した形態としてもよい。

（第一変形形態）
本変形形態は、図４に先端部２２０近傍の構成を示した参考例である。

本形態の絶縁部２２は、先端部２２０の内表面が導電部２１と対向して間隔を隔てて形成されている。また、先端部２２０の外表面は、絶縁部２２の基端部２１０と同じ外径となるように形成されている。

本形態においても、先端部２２０の薄肉化の効果により、先端部２２０の熱容量が小さく形成されている。つまり、本形態例においても、上記実施例と同様な効果が得られた。

（実施例）
本実施例は、図５に先端部２２０近傍の構成を示した実施例である。

本実施例の絶縁部２２は、先端部２２０の外表面が、絶縁部２２の先端方向に進むにつれて径方向の厚みが薄くなるテーパ形状にとなるように形成されている。本実施例の導電部２１の軸部２１１は、大径の大径軸部と、大径軸部の先端側にもうけられた小径軸部と、大径軸部と小径軸部とを接続する段部と、を有している。そして、軸部２１１の段部よりも放電部２０側に先端部２２０がもうけられている。また、絶縁部２２は、軸部２１１の小径軸部の外周面と当接しないように形成されている。

本実施例においても、先端部２２０の薄肉化の効果により、先端部２２０の熱容量が小さく形成されている。つまり、本実施例においても、上記参考例と同様な効果が得られた。さらに、本実施例は先端部２２０の径方向の厚さの変化が徐々になされてり、先端部２２０の強度の低下が抑えられている。

（第二変形形態）
本変形形態は、図６に先端部２２０近傍の構成を示した参考例である。

本形態の絶縁部２２は、先端部２２０の内表面が導電部２１と対向してかつテーパ状に間隔を隔てて形成されている。また、先端部２２０の外表面は、絶縁部２２の基端部２１０と同じ外径となるように形成されている。

本形態においても、上記第二変形形態と同様な効果が得られた。

参考例の排気処理装置の構成を示した図である。 参考例の排気処理装置の放電電極を示した図である。 参考例の排気処理装置の放電電極の絶縁部の先端部近傍を示した図である。 第一変形形態の放電電極の絶縁部の先端部近傍を示した図である。 実施例の放電電極の絶縁部の先端部近傍を示した図である。 第二変形形態の放電電極の絶縁部の先端部近傍を示した図である。

符号の説明

１：排気管
２：放電電極 ２０：放電部
２１：軸部 ２１０：接続部
２１１：軸部 ２２：絶縁部
２２０：先端部 ２２１：基端部
３：凝集部材
４：ＤＰＦ

Claims (5)

1. 排気ガス流路を区画する排気管と、
   該排気管内の該排気ガス流路中に配置された放電電極と、
   該排気管内の該放電電極と対向した位置に配置された対向電極と、
   を有し、該放電電極と該対向電極との間に電圧を印加して該放電電極から電荷を放出して該排気ガス中の微粒子物質を帯電させ、該対向電極で帯電した該微粒子物質を凝集するとともに電荷を回収する排気処理装置において、
   該放電電極が、
   該排気ガス流路中に配置された放電部と、
   該排気管の壁部を貫通し該排気ガスの流れ方向と交差する方向にのびる軸部を少なくとも備え、該放電部を該排ガス流路中に保持するとともに外部と該放電部とを電気的に接続する導電部と、
   該軸部が内挿される筒状を有し、該導電部と該排気管とを電気的に絶縁する絶縁部と、
   を有し、
   該導電部の該軸部が、大径の大径軸部と、該大径軸部の先端側にもうけられた小径軸部と、該大径軸部と該小径軸部とを接続する段部と、を有し、
   該絶縁部は、該段部よりも該放電部側の先端部が先端方向に進むにつれて外周面の径が小さくなるテーパ状をなすとともに、
   該絶縁部の内周面が該導電部の該小径軸部と当接しない状態で軸方向に平行に形成されていることを特徴とする排気処理装置。
2. 前記導電部は、前記絶縁部を外周面に形成された軸部と、前記放電部と該軸部とを接続する接続部と、を有し、
   該接続部が該軸部と接続する部分には、該接続部よりも径の大きな中間部が形成されている請求項１記載の排気処理装置。
3. 前記排気管の内壁面が前記対向電極となる請求項１〜２のいずれかに記載の排気処理装置。
4. 前記対向電極は、前記排気ガスの流れ方向に垂直に配置された網状の部材を有する請求項３記載の排気処理装置。
5. 前記対向電極の下流に、該対向電極で凝集した前記微粒子物質を除去する除去装置をもつ請求項１〜４のいずれかに記載の排気処理装置。

Images