JP4689103B2

JP4689103B2 - 粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置

Info

Publication number: JP4689103B2
Application number: JP2001236954A
Authority: JP
Inventors: 良作中田
Original assignee: Nippon Kouatsu Electric Co
Current assignee: Nippon Kouatsu Electric Co
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: JP2003049632A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載されているディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される粒子状物質を除去するセラミックフィルタを再生するための粒子状物質除去方法、及び同方法を備えた粒子状物質除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気中に含まれている粒子状物質を除去する先行技術として、いわゆるハニカム状セラミックフィルタを利用した装置が知られている（例えば、特開平６−１４６８５２号公報）。この装置に用いられるハニカム状セラミックフィルタは、内部が多孔質セラミックの隔壁で仕切られて、同内部に細長い通気セルが多数収束状態で形成されている。そして上記通気セルは、流入側となる一端部が開口し、他端部が閉鎖した第一通気セルと、その第一通気セルの隔壁と共有の隔壁を備えかつ一端部が閉鎖し、流出側となる他端部が開口する第二通気セルとからなる構成を備えている。
【０００３】
かかる構造のハニカム状セラミックフィルタは、ディーゼルエンジンの排気経路に組み込まれ、ディーゼルエンジンから排出される排気を上記第一通気セルから上記隔壁を介して第二通気セルに流通させることにより、上記排気中の粒子状物質を上記隔壁で捕捉するようになっている。
【０００４】
このようなハニカム状セラミックフィルタは、長時間使用するほど捕捉した粒子状物質が蓄積し、粒子状物質の捕捉性及び流通性が劣化する。そこで、定期的に蓄積した粒子状物質を除去（再生という）する必要がある。上記技術は、通気セルのうち隣接する二つの通気セルの中に電極を１本ずつ挿入して少なくとも隔壁を介して一対の電極を形成し、その電極間に低温プラズマを発生させることにより、上記通気セルの中に酸化性及び還元性に富んだラジカルを含むガスを発生させている。すなわち、ラジカルを堆積した粒子状物質の主成分である煤に反応させ、炭酸ガス、一酸化炭素ガス及び窒素ガス等にすることにより、ハニカム状セラミックフィルタを再生している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ラジカルによる方法は、主としてラジカルを含むガスを粒子状物質に接触させて化学反応をさせるものであるから、ガスが浸透しにくい下層の部位又は多孔内の部位にまで及びにくく、蓄積した粒子状物質の全てを除去できない場合があった。
本発明は、このような問題点を解決するものであり、下層部や多孔内など除去が難しい部位であっても粒子状物質を除去することができる粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本請求項１の粒子状物質除去方法は、内部を多孔質セラミックの隔壁で仕切ったセラミックフィルタの該隔壁に捕捉した粒子状物質を除去する粒子状物質除去方法であって、該セラミックフィルタの該隔壁上に配置した組となる電極を設け、該電極間に蓄積した粒子状物質に断続して通電することにより該通電の経路上の該粒子状物質を焼却除去し、且つ該電極間にアーク放電経路が形成されたときは該通電を停止し、該通電の停止期間は直前の該アーク放電経路上の絶縁が回復する時間以上であることを特徴とする。
【０００７】
上記「時間」は、直前の該アーク放電経路の絶縁が回復する時間であればよく、放電経路の絶縁抵抗を測定して判定したり、請求項２に示すように予め設定した時間とすることができる。また、上記時間を所定の時間とする場合は、請求項２に示すように、０．２秒以上とすることで、直前の該アーク放電経路の絶縁が回復する該通電の停止期間とすることができる。
【０００８】
本請求項３に記載の粒子状物質除去装置は、内部を多孔質セラミックの隔壁で仕切って上記内部に細長い通気セルを多数束ねて配設したハニカム状セラミックフィルタを排気発生源の排気管の途中に設けるとともに、上記通気セルを、一端部が開口し他端部が閉鎖した第一通気セルと、該第一通気セルの隔壁と共有の隔壁を備えかつ一端部が閉鎖し、他端部が開口する第二通気セルとを以って構成して、上記排気発生源から排出された排気を上記第一通気セルから第二通気セルに流通させることにより上記排気中の粒子状物質を上記隔壁で捕捉可能にし、さらに上記第一通気セルの中に一対の電極をそれらが所定の間隔をおいて直接相対向するように配置して、その電極に間欠電圧印加手段から電圧を間欠的に印加可能ある粒子状物質除去装置であって、上記電極間に蓄積した粒子状物質に断続して通電することにより該通電経路上の該粒子状物質を焼却除去し、且つ該電極間にアーク放電経路が形成されたときは通電を停止し、該通電の停止期間は直前の該アーク放電経路の絶縁が回復する時間以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に示すように上記通気セルは、四角形又は六角形の横断面形状を有しており、その対角部に上記一対の電極を取り付けることができる。
更に、請求項５に示すように上記間欠電圧印加手段は、少なくとも電源及びタイマを備えており、そのタイマが、上記電源から電極に対する通電を停止させるとともに、所定時間が経過したら上記電源から電極に通電を再開させることができる。また、上記所定時間は０．２秒以上とすることができる。
【００１０】
〔作用〕
上記ディーゼルエンジンの内燃機関等の排気発生源においてその排気管の途中、例えば、排気管に取り付けられているマフラーの上流側に上記構造のハニカム状セラミックフィルタを組み込むと、上記流入側の一端部が開口している第一通気セルにディーゼルエンジンの排気が入るが、同じく上記一端部が閉鎖している第二通気セルには入らない。しかし第一通気セルの他端部が閉鎖されているとともにその隔壁が多孔質セラミックからできているので、第一通気セルに導入された排気は上記隔壁を通ってそれに隣接する第二通気セルに入る。もし排気に含まれている粒子状物質が、所定の粒径より大きい場合は、上記隔壁で捕捉されてその上に蓄積する。
【００１１】
本粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置は、図１に示すように上記通気セルＣにおける第一通気セル１２の隔壁１１上に、一対の電極３、４を所定の間隔をおいて、しかも隔壁１１に遮られることなく直接相対向するように配置され、それらの電極３、４に対して間欠電圧印加手段５から所定の電圧を印加する。第一通気セル１２上に蓄積した炭素物質、典型的には煤を主体とする粒子状物質６は伝導性を備えるため、電気抵抗が最も小さい経路は、粒子状物質６がより多く蓄積した部位となり通電経路Ｌ１を作る。
【００１２】
上記粒子状物質６は導電体でもあり電気抵抗体であるから、上記通電経路Ｌ１の電力消費も大きく、その消費量に相応して粒子状物質６は発熱して高温になり、やがて燃焼する。粒子状物質６の燃焼は徐々に広がり上記通電経路Ｌ１に沿って拡大してゆくが、粒子状物質６の焼却に伴って上記通電経路Ｌ１上の通電が不安定になり、その部位はアーク放電７を伴うアーク放電経路Ｌ２を形成する。また、上記アーク放電経路Ｌ２の電気抵抗は比較的小さいため、上記通電経路Ｌ１の粒子状物質６が全て焼却しても、アーク放電７によって安定して電流が流れるため、電極３、４間の他の部位における粒子状物質６上で新たな通電経路を形成し難くする。その結果、第一通電セル１２上の粒子状物質６の除去箇所は局所的に偏在することになる。
【００１３】
そこで、上記電極３、４に所定の電圧を所定時間印加する、又は電極３、４間の電圧やノイズの量等によりアーク放電７の発生状況を把握して、通電経路Ｌ１上の粒子状物質６の除去が終わったと見なした場合、上記電極３、４に接続されている間欠電圧印加手段５の駆動を止め、上記電極３、４に対する電圧の印加を停止する。すると、それまで通電が起こっていた通電経路Ｌ１上の粒子状物質は失われており、またアーク放電は消滅しているため、通電経路Ｌ１の抵抗が高抵抗となり、電極３、４間において隔壁１１上になお蓄積している粒子状物質６の面状層に電気抵抗の小さい他の通電経路Ｌ３が新たな通電経路となる。その結果、上記通電経路Ｌ１と同様に通電経路Ｌ３付近の粒子状物質６の除去が可能になる。以降、このような通電を断続的に行なって通電と非通電とを繰り返すことによりハニカム状セラミックフィルタ１全体の浄化が可能になる。
また、非通電状態にする非通電時間を０．２秒以上とすることで、アーク放電経路Ｌ２の絶縁性が十分に回復するため、ハニカム状セラミックフィルタ１全体の浄化が可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜８を用いて本粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置を実施例により更に詳しく説明する。
１．粒子状物質除去装置の構成
次に、図面を参照しながら本発明の実施態様を詳述すると、図２に示すように、ディーゼルエンジン（図示なし）の排気管８の途中においてマフラー（図示なし）の上流側には、ハニカム状セラミックフィルタ９が上記排気管８より拡径された支持管１０に内挿されている。上記ハニカム状セラミックフィルタ９はアルミナ、ムライト、コージェライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、チタン酸バリウム、ジルコニア等の多孔質セラミックから成形されており、図３に示すように、外観が円筒形をなし、内部に、それを多孔質セラミックの隔壁１１で仕切ることにより形成された細長い四角筒状の通気セルＣが多数集束している。
【００１５】
上記通気セルＣは、第一通気セル１２と第二通気セル１３とから構成されている。また、上記支持管１０の上流側の一端部が開口し、同じく下流側の他端部が閉鎖されている第一通気セル１２と、該第一通気セル１２の隔壁１１を共有し、かつ上記支持管１０の上流側の一端部が閉鎖し、下流側の他端部が開口する第二通気セル１３とから構成されている。従って、第一通気セル１２は第二通気セル１３に包囲されているとともに、第二通気セル１３は第一通気セル１２により包囲されており、両通気セル１２、１３は上記隔壁１１の多孔を介して連通しているといえる。
【００１６】
さらに、図４に示すように、四角形断面を有する第一通気セル１２の対角部１２ａ、１２ｂには炭素棒その他の材料から成形された一対の電極３、４が直接相対向するように配設されており、それらの電極３、４に対して、図２に示したように、支持管１０の外部に設置されている間欠電圧印加手段５から電圧が間欠的に印加されるようになっている。
【００１７】
上記間欠電圧印加手段５は、電源１６、タイマ１７及びトランス１８とから構成されており、電源電圧を所定の電圧に変えて電極３、４に所定時間通電して印加したり、一旦通電した電力の供給を停止して電源１６から電極３、４に対する通電を停止したりする機能を有している。さらに通電停止時刻から所定時間経過後、上記タイマ１７は、通電再開時間を計時して、上記電極３、４に通電を再開する機能を備えている。本発明においては、上記通電再開時間として、上記タイマ１７の所要時間が０．２秒以上となるように設定されている。なお、間欠電圧印加手段５は、第一通気セル１２の内圧又は排気の流速等の減少の感知、一定期間の経過及び手動等によって動作するようになっている。
【００１８】
２．粒子状物質除去装置の動作（粒子状物質除去方法）
（１）排気ガスからの粒子状物質除去
上記のように構成される粒子状物質除去装置は、次のとおり作用してその機能を発揮する。すなわち、上記排気管８内においてはディーゼルエンジンから排出された排気は、支持管１０の中に入ると、より低速になって拡散するとともに、一端部が栓部材１４で閉鎖されている第二通気セル１３に入ることなく、矢印Ｘに示すように、一端部が開口している第一通気セル１２の中に入る。第一通気セル１２と第二通気セル１３とが共有する隔壁１１はセラミックの多孔体からできているため、矢印Ｙで示すように、その隔壁１１を通過して第二通気セル１３に入り下流側に排出される。また、排気中に含まれて排出されてくる粒子状物質６は第一通気セル１２の隔壁１１により通過が遮られ、ろ過することができる。
【００１９】
（２）セラミックフィルタの再生
図５に示すようにまず、第一通気セル１２の内表面に粒子状物質６が堆積したか否かを把握する（図５におけるＳ１、以下同様とする）。この判断は、セラミックフィルタの累計使用時間が予め設定した時間を越えた場合、第一通気セル１２内の気体圧力が所定値より低くなった場合、排気ガスの流速が所定値未満になった場合等と、任意の条件を設定することで行うことができる。
もし第一通気セル１２に粒子状物質６が堆積している場合、間欠電圧印加手段５を駆動させて、電極３、４に所定の電圧を印加する（Ｓ２）。すると両電極３、４間において粒子状物質６の面状層に通電経路Ｌ１が形成され（Ｓ３）、その通電経路Ｌ１に沿った粒子状物質６が燃焼する（Ｓ４）。
【００２０】
上記通電経路Ｌ１付近の粒子状物質６が燃焼するにつれてアーク放電７が起こり、その経路Ｌ２が形成される。そこでアーク放電経路Ｌ２が形成されているか否かを確認する。粒子状物質６が燃焼しアーク放電７が起こると電極３、４間の電圧が変動したりノイズが発生したりするので、それらを測定することによりアーク放電経路Ｌ２ができているか否かを確認できる（Ｓ５）。これらを感知手段（図示なし）からの感知情報を間欠電圧印加手段５に入力することにより、同手段５を停止する（Ｓ６）。間欠電圧印加手段５が停止するとタイマ１７が停止してからの経過時間を測定する（Ｓ７）。そして予めタイマ１７に設定しておいた通電再開時間に達したか否かを確認する（Ｓ８）。
【００２１】
本発明の場合、通電再開するまでに要するまでに少なくとも０．２秒という所定時間を確保して、アーク放電経路Ｌ２が完全に絶縁状態を回復するよう、タイマ１７に上記の所定時間が予めセットされている。アーク放電経路Ｌ２が絶縁状態を回復したら、タイマ１７は間欠電圧印加手段５に始動情報を伝達すると電極３、４に所定の電圧が印加される（Ｓ９）。その間にアーク放電７により上昇した雰囲気温度が低下するとともに、第一通気セル１２内のイオンやラジカルが逸散するので、アーク放電経路Ｌ２にはアーク放電７が発生することはない。その結果、電極３、４間において隔壁１１上にまだ存在する粒子状物質６の面状層に新たな通電経路Ｌ３が形成される。以降同様にして、粒子状物質６の浄化領域が第一通気セル１２における隔壁１１の表面上に非局所的に拡大し、ハニカム状セラミックフィルタ９全体の浄化が可能になる。もっとも浄化した後から新しい粒子状物質６が第一通気セル１２に蓄積し、ハニカム状セラミックフィルタ９の浄化が終了しないこともあるので、それを確認し（Ｓ１０）、もし浄化が終了していない場合は上記したステップの操作を反復する。
【００２２】
３．粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置の効果
このような粒子状物質除去方法及び粒子状物質除去装置は、粒子状物質に電流を流して発熱させたり、アーク放電の熱を与えることによって粒子状物質を焼却除去させることができる。また、電力供給を断続させ、非通電期間は直前の該放電経路上の絶縁が回復する所定時間以上とすることで、セラミックフィルタの一部分の粒子状物質を除去するだけでなく、下層部や多孔内など除去が難しい部位であっても粒子状物質を除去することができ、除去漏れがないようにすることができる。更に、非通電期間を一定の時間に設定することで間欠電圧印加手段を容易に構成することができる。
【００２３】
４．実験例
次に上記通電再開時間を把握するための基礎実験を行なった。この実験は、図６に示すように、磁器製のセッタ１９の上に第一通気セル１２の隔壁１１に相当するシリカ製のろ紙１１ａを敷き、さらにその上に粒子状物質６に相当するカーボンブラック６ａを一面に散布した。このカーボンブラック６ａは４４μｍの平均粒径を有していた。
【００２４】
さらに上記カーボンブラック６ａの上に長さが３６ｍｍの一対の炭素電極３、４を６ｍｍの離間距離をおいて平行に配置した。そして上記電極３、４に６ｋｖの電圧を、最初の通電時間（ＯＮ時間）を０．５８秒間、１．３秒間、２．５秒間及び５．７秒間と設定して印加し、通電停止後、再度通電を再開する通電再開時間（ＯＦＦ時間）を種々変化させて、上記した通電経路Ｌ１付近のカーボンブラック６ａの燃焼状態及びアーク放電経路Ｌ２におけるアーク放電状態を観察した。その結果を表１に示す。表１から明らかなように、ＯＦＦ時間を０．２秒以上にすると、放電アークが移動して消失することを確認することができた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
尚、本発明においては、上記実施例に限らず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、図７に示すように第一通気セル１２を菱形に配置して断面が直角三角形の電極３、４を同一水準位置に対向配置することができるし、通気セルＣを六角形にできる。隔壁１１に排気の浄化に寄与する白金又はパラジウム触媒を担持させることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の粒子状物質除去方法によれば、ハニカム状セラミックフィルタに蓄積した粒子状物質を断続する通電及びアーク放電によって漏れ無く除去することができる。また、請求項２に示すように、通電の停止時間を所定時間にすることで回路構成を容易にすることができる。
請求項３記載の粒子状物質除去装置によれば、粒子状物質によるつまりが少ない粒子状物質除去装置とすることができる。また、通電の停止時間を所定時間にすることで回路構成を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本粒子状物質除去装置の技術思想を説明する概念図である。
【図２】本粒子状物質除去装置に係る装置を示す部分破断側面図である。
【図３】本粒子状物質除去装置に係るハニカム状セラミックフィルタの部分破断斜視図である。
【図４】図３において符号IV部分の要部を拡大して示す斜視図である。
【図５】本粒子状物質除去装置の実施態様を説明するフローチャートである。
【図６】基礎実験装置の側面図である。
【図７】第一通気セルに対して電極を配置した別の態様を示す部分正面図である。
【図８】通気セルの別の態様を説明する部分正面図である。
【符号の説明】
３、４；電極、５；間欠電圧印加手段、６；粒子状物質、７；アーク放電、８；排気管、９；ハニカム状セラミックフィルタ、１０；支持管、１１；隔壁、１２；第一通気セル、１２ａ；対角部、１２ｂ；対角部、１３；第二通セル、１４；栓部材、１５；栓部材、１６；電源、１７；タイマ、１８；トランス、１９；セッタ、Ｌ１；通電経路、Ｌ２；アーク放電経路、Ｌ３；通電経路。

Claims

内部を多孔質セラミックの隔壁で仕切ったセラミックフィルタの該隔壁に捕捉した粒子状物質を除去する粒子状物質除去方法であって、
該セラミックフィルタの該隔壁上に配置した組となる電極を設け、該電極間に蓄積した粒子状物質に断続して通電することにより該通電の経路上の該粒子状物質を焼却除去し、且つ該電極間にアーク放電経路が形成されたときは該通電を停止し、該通電の停止期間は直前の該アーク放電経路上の絶縁が回復する時間以上であることを特徴とする粒子状物質除去方法。
上記時間は所定の時間とし、０．２秒以上とする請求項１記載の粒子状物質除去方法。
内部を多孔質セラミックの隔壁で仕切って上記内部に細長い通気セルを多数束ねて配設したハニカム状セラミックフィルタを排気発生源の排気管の途中に設けるとともに、上記通気セルを、一端部が開口し他端部が閉鎖した第一通気セルと、該第一通気セルの隔壁と共有の隔壁を備えかつ一端部が閉鎖し、他端部が開口する第二通気セルとを以って構成して、上記排気発生源から排出された排気を上記第一通気セルから第二通気セルに流通させることにより上記排気中の粒子状物質を上記隔壁で捕捉可能にし、さらに上記第一通気セル側の上記隔壁上に一対の電極をそれらが所定の間隔をおいて直接相対向するように配置して、その電極に間欠電圧印加手段から電圧を間欠的に印加可能である粒子状物質除去装置であって、
上記電極間に蓄積した粒子状物質に断続して通電することにより該通電経路上の該粒子状物質を焼却除去し、且つ該電極間にアーク放電経路が形成されたときは通電を停止し、該通電の停止期間は直前の該アーク放電経路の絶縁が回復する時間以上であることを特徴とする粒子状物質除去装置。
上記通気セルは、四角形又は六角形の横断面形状を有しており、その対角部に上記一対の電極が取り付けられている請求項３記載の粒子状物質除去装置。
上記間欠電圧印加手段は、少なくとも電源及びタイマを備えており、そのタイマが、上記電源から電極に対する通電を停止させるとともに、所定時間が経過したら上記電源から電極に通電を再開させる請求項３又は４記載の粒子状物質除去装置。
上記所定時間が０．２秒以上である請求項５記載の粒子状物質除去装置。