KR20080014821A - 배기 정화 방법 및 배기 정화 시스템 - Google Patents

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사토루 센바야시
유이치 하마다
쥰이치 가사이
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닛신덴키 가부시키 가이샤
이스즈 지도샤 가부시키가이샤
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Abstract

절연성 필터 면상에 공간적ㆍ시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 이용하여, 포집된 PM의 연소 제거를, 적은 소비전력으로 행하여,디젤엔진 등으로부터 배출되는 배기중의 PM의 포집 효율 및 연소 제거 효율을 높이기 위해, 배기중의 입자상 물질(41)을 포착하는 절연성 포착 부재(12)의 표면 또는 표면 근방에, 전극쌍을 1쌍 이상 배치하고, 그 전극쌍(13) 간에, 전기 절연성 포착 부재(12)의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전(42)을 발생시키는 소정의 전압(Vs)을 인가하며, 이 소정의 전압(Vs)의 인가에 의해서 발생한 전기 미소발광 방전(42)에 의해, 전기 절연성 포착 부재(12)에 포착된 입자상 물질(41)을 연소 제거한다.
배기 정화

Description

배기 정화 방법 및 배기 정화 시스템 {EXHAUST EMISSION CONTR0L METHOD AND EXHAUST EMISSION CONTROL SYSTEM}
본 발명은, 내연기관 등으로부터의 배기의 정화 방법 및 정화 시스템에 관한 것이다. 특히, 디젤엔진으로부터 배출되는 입자상(狀) 물질(Particulate Matter:이하「PM」이라 한다.)을 제거하는 데 유효한 배기 정화 방법 및 배기 정화 시스템에 관한 것이다.
디젤엔진은, 자동차, 특히 대형차에 많이 탑재되고 있다. 근년, 특히 그의 배기중의 질소산화물, 일산화탄소, 탄화수소 등과 함께 PM의 배출을 저감하는 것이 강하게 요망되고 있다. 때문에, 엔진의 개량이나 실린더 내의 연소조건의 최적화 등에 의해 근본적으로 PM을 저감하기 위한 기술개발과 함께, 배기중의 PM을 효율적으로 제거하기 위한 기술의 확립이 요망되고 있다. 그리하여, 이 배기중의 PM의 제거를 위하여는 필터를 이용하는 방법이나 전기적인 집진방법 등이 개발되고 있다.
이들 필터를 이용한 방법에는, 일반적으로, 세라믹스 허니콤 제 필터, 합금 제 필터 및 세라믹스 섬유 제 필터가 이용되고 있다. 그러나 사용시간이 경과함에 따라, 포집된 PM에 의해 필터가 막히어, 통기 저항을 증가하여, 엔진에 부담을 주 는 결과가 된다. 특히 PM성분 내의 드라이수트(카본)의 처리가 어렵다. 이 드라이수트는 산화하여 연소제거하기 위하여는, 산소공존하에서 500℃ 이상에 가열할 필요가 있어, 엔진의 배기열만의 이용으로는, 산화제거에 충분한 온도를 얻는 것이 어렵다. 때문에, 전기히터를 이용하는 방법이나, 방전 플라즈마로 생성되는 산화 래디컬을 이용하여, 이 산화 래디컬로서 PM을 산화하여 연소 제거하는 방법 등이 제안되고 있다.
그러나, 단지 전기히터에 의한 가열로는, 연비가 악화한다고 하는 문제가 있다. 결국, PM의 가열을 위해서 뿐 아니라, 배기 전체의 가열에 열이 사용되고 만다. 산화 래디컬에 의하는 경우는, 산화 래디컬의 발생을 위한 효율이 좋지 않다. 산화 래디컬은 산화속도가 늦은 데다, 배기중에 공존하는 HC 성분과의 반응에도 소비된다. 따라서, PM과의 반응의 효율도 나빠, 결과로서 소비전력이 커진다. 예를 들어, 소형트럭에서 수kW 클래스의 소비전력으로 된다.
또, 전기적인 집진방법에서는, 다음과 같은 방법으로, 필터의 압력손실이 상승하는 것을 억제하고 있다. 전기집진과 백(bag) 필터를 조합하여, 백 필터의 여과표면에 전계(電界)를 인가함에 의해서, 필터 표면에 포집된 PM이 고착하는 것을 막는다. 퇴적상태를 제어한다. 또, PM의 연소제거를 위해, 절연성의 스트레이트 플로 허니콤에 전극을 배치하여, 허니콤에 포집한 PM에 전류를 흐르게 함에 의해서 연소 제거한다. 그러나, 이 스트레이트 플로 허니콤으로는, PM의 포착이 불충분하여 정화성능이 나쁘다는 문제와, 포착한 PM에 충분한 전류를 흐르게 할 수가 없어, 포착한 PM을 충분히 제거할 수 없다는 문제가 있다.
때문에, 디젤엔진 등으로부터 배출되는 배기중의 PM의 포집성능과 PM의 연소제거의 양방에 관하여, 충분한 성능을 갖는 배기 정화장치의 개발이 필요하여, 여러가지 장치가 제안되고 있다.
그 하나로서, 예를 들어, 일본의 특개 2001-132430호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 가연성 물질의 제거 필터가 제안되고 있다. 이 제거 필터에서는, 앞 측면으로부터 뒤 측면까지 관통하는 포착 구멍을 마련한 절연성 격벽으로, 가연성 물질(PM)을 이 포착 구멍에 포착한다. 이 제거 필터에 있어서, 가연성 물질의 퇴적에 의해, 양 측면에 전기적 절연성을 유지해 붙이어 설치한 전극 사이를 단락 또는 스파크 방전시키는 것에 의해, 양전극 간에 연결되는, 또는, 연결되기 직전의 퇴적물에 통전하여 줄 열에 의해 소각 제거한다. 그리고, 이 전극 간의 비저항은 0.01 ~ 100Ωcm의 범위 내로 하여, 교류 또는 직류의 소정의 전압(예를 들어, 25℃에서 1200V 이상, 300℃에서 600V 이상)을 상시 인가 또는 단속적으로 인가하게 하고 있다.
그렇지만, 이 제거 필터의 경우에는 다음과 같은 문제가 있다. 정화성능이 나쁘게 되어서 재생한다. 한번 단락이나 스파크 방전이 일어나면, 그 부분에서 단락이나 스파크 방전이 반복되기 쉬워 타의 부분의 PM을 연소 제거할 수 없다. 단락이나 스파크 방전 등의 전극 간에서 통전이 행해지는 방식에서는 대전류가 흐른다.
또, 예를 들면, 일본의 특개 2001-173427 호 공보에 기재돼 있는 바와 같은 월 플로 타이프의 방전 재생식 포집 필터가 제안되고 있다. 이 필터는, 배기의 흐 름 방향과 평행으로 방전 전극을 내벽 면에 점 접촉하게 마련하는 동시에, 대전(帶電) 전극을 내벽 면에 퇴적한 그을음 층(PM 층)과 전기적으로 접촉가능하게 마련한다. 방전 전극과 대전 전극의 사이에 예를 들어 500V의 교류전압을 인가한다. 그리하여, 내벽 면에 그을음이 퇴적하여 퇴적 그을음 층이 성장하면, 방전 전극의 점 접촉 개소와, 대전 전극에 접촉하여 대전 전극과 같은 극성이 되는 퇴적 그을음 층의 사이에서 방전이 발생하여, 연소 제거된다.
다시, 예를 들면, 일본의 특개 2001-221032 호 공보에 기재돼 있는 바와 같은 디젤엔진 용 흑연(黑煙) 제거장치가 제안되고 있다. 이 크로스 플로 타이프의 필터에 있어서는, 방전용 전극을 필터의 입구 측과 출구 측에 배치한다. 또, 월 플로 타이프의 필터에 있어서는, 내벽 면에 방전용 전극을 배치하거나, 셀 안에 삽입된 방전 전극봉과 이웃하는 세라믹 필터의 사이에 개재된 다공의 방전용 전극으로 이루어지는 방전 전극을 마련하거나 한다. 이 방전 전극을 필터 사이에 배치한다. 이 방전용 전극의 사이에 전압을 인가하여, 아크 방전에 의해서, 퇴적한 흑연물질(PM) 자체를 연소하여 필터를 재생한다.
또, 예를 들면, 일본의 특개 2004-308569 호 공보에 기재돼 있는 바와 같은 PM 정화 리액터가 제안되고 있다. 이 PM 정화 리액터에서는, 고기공률(高氣孔率) 기재의 허니콤 구조체의 상하류에 저기공률 기재의 허니콤 구조체를 배치하는 동시에, 이들의 상하류에 전극을, 또, 하류측 허니콤 구조체의 외주에 외주전극을 배치한다. 이들의 전극에, 예를 들어, 5kV 이상의 직류전압을 인가한다. 이에 의해, 상하류의 전극 사이에 퇴적한 PM을 개재한 도통로가 형성되어, 아크 방전에 근사한 통전 연소가 발생한다. 이 연소에 의해 PM을 제거한다.
또, 예를 들면, 일본의 특개 평04-135619 호 공보에 기재돼 있는 바와 같은 배기 정화장치가 제안되고 있다. 이 배기 정화장치에서는, 필터의 양면에 입기측(入氣側) 단부가 외측에 돌출하는 전극과 유전체(誘電體)를 배치한다. 이 전극에 1~10kV 정도의 비직류 전압을 인가하여, 필터의 입기면에 퇴적한 연소성 마립자(PM)의 층과 유전체와의 사이에 코로나 방전을 발생시킨다. 이 코로나 방전장에서 여기(勵起)된 기체중의 산소나 질소산화물의 일부가 미립자의 퇴적층에 달하는 것에 의해, 미립자를 산화 제거한다.
이들의 종래기술의 필터 등에 포집한 PM을 전기적 처리에 의해서 산화 제거하는 장치에 있어서는, PM의 주성분이 카번 주체임으로 해서 전기 도전성이 높다는 전제에 서있다. 그리고, 포집된 PM에 의한 전극간의 단락이나 아크 방전에 의해, PM 자체의 통전으로, 결국, PM을 흐르는 전류에 의한 줄 열의 발생으로, PM을 산화 연소하는 것을 목표로 하고 있다.
그렇지만, 본 발명자 등은, 실제의 디젤엔진으로부터 배출되는 PM의 연소실험이나 전기저항의 측정을 행하거나, 절연성 필터에의 PM의 퇴적상태와, 이 절연성 필터의 표면에 배치한 전극쌍에 인가한 전압과 전류와의 관계에 관하여, 수많은 실험을 행하거나 하였다. 이들의 결과에 대하여 고찰을 깊이 함에 의해, 다음과 같은 식견을 얻었다.
우선, PM의 전기저항에 관하여, 도 22에 보이는 바와 같은 온도와 전기저항의 관계로부터, 저온역(低溫域)에서는, PM의 전기저항은, 예상 이상 높아, 전기도 전성이 나쁘다. 이는, PM의 가용성 유기성분(이하「SOF분」이라 한다)의 악영향을 받고 있기 때문으로 생각된다. 그 때문에 저전압으로 통전 가열하는 것은 어렵다. 한편, SOF분이 휘발하는 고온역(高溫域)에서 전기저항은 저하한다. 따라서, 이 폭넓은 전기저항의 변화에 대응될 수 있는 PM의 연소 제거기술이 필요하다.
또한, 디젤엔진으로부터 배출되는 PM은, SOF분의 영향에 의해 비교적 폭넓은 온도역에서 전기저항이 높다. 때문에, 종래기술의 방식처럼, PM의 전기저항이 낮다는 전제의 토대로, 전극 간의 단락 등에 의해 퇴적한 PM 측의 전극 간의 전체의 PM에 대하여 통전함에 의해, 줄 열을 발생시키는 경우는, 높은 전압과 큰 전류가 필요해진다. 따라서, 실기(實機)에서는 단락이나 스파크 방전이나 아크 방전이 발생하여, PM을 산화 제거하는 것은 매우 어렵다. 또, 스파크 방전이나 아크 방전 등을 이용하면, 이 스파크 방전이나 아크 방전에 의해 필터가 손상하여 손해를 입는다.
게다가, 도 1 및 도 2에 보이는 바와 같이, 절연성 필터(12)의 표면 근방에, 제 1 전극(13a)과 제 2 전극(13b)으로 이루어지는 전극쌍(13)을 배치한 장치로, PM의 포착 및 퇴적상태와, 양전극(13) 간의 전압(V)과 전류(I)의 관계를 측정한 결과, 다음과 같은 중요한 식견을 얻었다.
절연성 필터(12)의 표면에 퇴적해 있는 PM의 양이 적은 상태에서는, 전극쌍(13) 간에는 전류(I)가 흐르지 않는다. 그러나, PM의 퇴적이 진척하면 양전극(13) 간의 임피던스가 저하하여, PM의 퇴적이 한계를 초과하면 전극쌍(14) 간에 전류(I)가 흐르게 된다. 이 전극쌍(13) 간에 인가하는 전압(V)과 전류(I)의 관계 는 도 5에 보이는 바와 같이 된다. 이 도 5에 보이는 바와 같이, 전류(I)는, 전압(V)이 낮은 사이는 옴의 법칙에 따른 비례관계에 있어, 직선적으로 변화한다. 그러나, 특정의 전압(Vth)(또는 -Vth)(제 1의 변곡점)을 경계로 하여, 이 비례관계가 붕괴되어, 전압(V)에 대하여 전류(I)의 증가량이 현저하게 커진다. 이 특정의 전압(Vth)(또는 -Vth)으로 전압(V)과 전류(I)의 관계가 크게 변화한다.
그리하여, 직류전력의 전압 또는 교류전력의 전압 파고치(波高値)가 -Vth 이하 또는 Vth 이상의 비선형 영역(RN)에 달하면, 전극상(13) 사이에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로, 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전이 발생하게 된다. 이 미소발광 방전은, 절연물 표면에 전위차가 있을 때에, 표면에 따라서 전류가 흘러 줄 열이 발생하는 국부적인 미소발광 방전이다. 이 방전은 전계(電界)의 고르지 않음에 의해서 생기는 신틸레이션이라 불리는 국소적인 방전으로, 전극쌍의 사이에 큰 전류가 흐르는 단락이나 아크 방전과는 다르다.
이 미소발광 방전은, 전기기구의 콘센트 등의 화재의 원인이 된다. 전기기구가 사용되는 유기절연물의 표면이 습윤, 오염 등이 원인이 되어 절연파괴를 일으키는 트래킹에 관하여 잘 알려진 현상이다. 이 트래킹에서는, 이 미소발광 방전에 의해, 절연물의 일부를 분해하여 탄화생성물을 생성한다. 그 결과, 이 도전률의 큰 탄화생성물에 전계(電界)가 집중하여, 그 주변에 탄화물을 생기게 한다. 이 탄화물이 전극 사이에 커져 가, 끝내는 단락하여 전로파괴(全路破壞)에 이르러, 트래킹이 된다
한편, 필터 표면에 퇴적한 PM의 경우에는, PM 자체가 탄화물이어서, 이 미소 발광 방전에 의해 PM이 연소 제거되면, 그 부위의 저항치가 높아져, 다른 개소에 미소발광 방전이 이동한다,는 것이 반복된다. 때문에, 트래킹 처럼 전로파괴에 이르지 않아 연속적으로 PM의 연소 제거를 실현할 수 있다. 그 결과, 적은 소비전력으로 절연성 필터(12)의 막힘을 해소할 수가 있다.
한편, 직류전력의 전압(V) 또는 교류전력의 전압의 파고치(Vh)가 -Vth로부터 Vth의 사이의 선형영역(RL)에 있는 때에는, 절연성 필터(12)의 표면에 미소발광 방전이 발생하지 않는다. 이 영역(RL)에서, 통전에 의해 절연성 필터(12)의 막힘을 해소하려고 하면 다량의 전력을 소비하게 된다.
따라서, 전극쌍 간의 전압을 특정한 범위의 전압으로 함에 의해, PM이 퇴적한 절연성 필터의 표면에, 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로, 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 형성할 수가 있어, 이 미소발광 방전에 의해서 포집한 PM을 산화하여 연소 제거할 수가 있다. 그리고, 적은 소비전력으로 절연성 필터(12)에 퇴적한 PM을 연소 제거하기 위하여는, 전극쌍(13) 간의 거리 등에 응한 전극쌍(13) 간에 인가하는 전압(V)의 설정이, 특히 중요하다.
특허문헌 1 : 특개 2001-132430 호 공보
특허문헌 2 : 특개 2001-173427 호 공보
특허문헌 3 : 특개 2001-221032 호 공보
특허문헌 4 : 특개 2004-308560 호 공보
특허문헌 5 : 특개 평04-135619 호 공보
본 발명은, 상기의 식견을 얻어, 전기의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그의 목적은, 절연성 필터 면상에 공간적ㆍ시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 이용하여, 포집된 PM의 연소 제거를, 적은 소비전력으로 행할 수가 있고, 디젤엔진 등으로부터 배출되는 배기중의 PM의 포집효율 및 연소 제거효율을 높일 수가 있는 배기 정화방법 및 배기 정화 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 배기 정화방법은, 배기중의 입자상 물질을 포착하는 절연성 포착 부재의 표면, 또는 표면 근방에, 전극쌍을 1쌍 이상 배치하여, 그 전극쌍 간에, 전기 절연성 포착 부재의 표면으로 포착한 전기 입자상 물질의 퇴적량의 증가에 따라서 전기 절연성 포착 부재의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 발생시키는 소정의 전압을 인가하며, 이 소정의 전압의 인가에 의해서 발생한 전기 미소발광 방전에 의해, 전기 절연성 포착 부재에 포착된 입자상 물질을 연소 제거하는 것을 특징으로 한다.
이 소정의 전압을 인가는 때에 사용되는 전압은, 직류, 교류, 고주파, 펄스의 어느 것도 좋으나, 단락, 스파크, 아크 방전 등의 전극쌍의 사이 전체에 전류가 흐르는 것 같은 큰 전압이 아니라, 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전, 즉, 신틸레이션이라 불리는 부분방전이 발생하는 전압으로 한다.
이 미소발광 방전을 더 상세히 기술하면 다음과 같다. 절연물 표면에 PM(그 절연물보다는 도전성이 있다)이 부착 또는 퇴적하나, 그 부착(퇴적)의 방법은 미시적으로 보면 공간적으로 불균일하다. 때문에, 절연물 표면에 전위차가 있으면, PM 부착(퇴적) 층에 형성되는 전계(電界)에도 공간 얼룩이 생긴다. 그리고, 절연물 표면의 전위차가 소정의 값 이상이 되면 국부적으로 플래즈마를 형성하는 데 충분한 전계 강도에 달하는 개소가 생긴다. 이와 같이 하여 형성되는 것이 전기의 미소발광 방전이다.
이 미소발광 방전에 의해, PM 부착(퇴적) 층은 국부적으로 가열되어, 그 부위의 PM이 연소 제거된다. PM이 연소 제거된 부위는 절연성이 다시 높아져, 새로운 전계의 공간 얼룩을 형성하며, 다른 개소에서 미소발광 방전의 형성을 재촉한다. 이와 같이, 미소발광 방전은, 전극쌍 간에 대전류가 흐르는 단락이나 아크 현상과는 다른 현상이다. 이 미소발광 방전은, 전극쌍의 사이를 교락(橋絡)하는 것 같은 자태는 아니며, 도 4에 보이는 바와 같이, 밤하늘의 별이 깜박이는 것처럼, 「가물가물」이나 「깜박깜박」하는 느낌으로, 전극쌍의 사이의 일부분에서 발생한다. 더구나, 이 미소발광 방전에서는 발생 개소가 랜덤으로 이동하는 것이다.
이 미소발광 방전이 생긴 부분의 입자상 물질(PM)은, 이 미소발광 방전으로 발생하는 줄 열에 의해 가열되어 연소하여, 제거된다. 따라서, 전극쌍에 소정의전압을 상시 또는, 시간적인 간격을 두어 인가하여 두면, 입자상 물질의 퇴적의 진행에 의해 미소발생 방전이 발생하여, 이 입자상 물질이 연소 제거된다. 이 현상에 의해, 공간적, 또 시간적으로는 랜덤으로 포착과 재생이 반복된다. 그리하여, 전체로서는 연속적으로 포착과 재생이 행해지게 된다. 또, 배기온도가 고온인 경우에는, 이 미소발광 방전이나 이 미소발광 방전에 의한 연소부가 착화원(着火源)이 되어, 인접하는 입자상 물질도 연소한다. 이 연소의 전파(傳播)에 의해, 주위의 입자상 물질도 연소 제거된다.
또, 배기중의 입자상 물질(PM)을 포착하는 절연성 포착 부재로서는, 입자상 물질을 포함하는 배기를 통과시키어 입자상 물질을 포착하는 절연성 필터를 이용할 수가 있다. 그 밖에도, 코로나 방전 등에 의해 대전(帶電)시킨 입자상 물질을 정전력(靜電力)을 이용하여 전기적으로 포착하는, 표면에 절연성을 갖게 한 집진전극(조밀 세라믹, 다공질 세라믹, 세라믹 섬유 등을 표면에 배치한 집진전극 등)이어도 좋다. 요는 전극쌍에 인가된 전력을 포착 부재 측에 흐르게 하지 않는 전기적 절연성을 가지는 포착 부재이면 좋다.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 배기 정화 시스템은, 배기중의 입자상 물질을 포착하는 절연성 포착 부재와, 그 절연성 포착 부재의 표면 또는 표면 근방에 1쌍 이상 배치된 전극쌍과, 그 전극쌍 간에 소정의 전압을 인가하는 전압인가 장치를 구비한 배기 정화 시스템으로서, 전압인가 장치가, 전기 절연성 포착 부재의 표면으로 포착한 전기 입자상 물질의 퇴적량의 증기에 따라 전기 절연성 포착 부재의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 발생시키는 소정의 전압을 인가하게 구성한다.
또, 상기의 배기 정화 시스템에 있어서는, 전기 절연성 포착 부재를 입자상 물질을 포함하는 배기를 통과시키어 전기 입자상 물질을 포착하는 절연성 필터로 구성할 수가 있다.
또한, 상기의 배기 정화 시스템에 있어서, 전기 소정의 전압을, 전기 전극쌍 간의 전류 전압 특성이 비선형이 되는 영역의 전압으로 한다.
결국, 도 5에 보이는 바와 같이, 절연성 포착 부재의 표면에 퇴적해 있는 PM의 양이 적은 상태에서는, 전극쌍 간에는 전류는 흐르지 않는다. PM의 퇴적이 진척하면 양 전극 간의 임피던스가 저하하여, 한계를 초과하면 전극쌍 간에 전류가 흐르게 된다. 이 전극쌍 간에 인가하는 전압과 전류의 관계는, 전압이 낮은 사이는 옴의 법칙에 따른 비례관계에 있어, 직선적으로 변화한다. 그러나, 특정의 전압(제 1의 변곡점) Vth(또는 -Vth)를 경계로 하여 비례관계가 무너지어, 전압에 대한 전류의 증가량이 현저히 커진다. 이 특정의 전압 Vth 이상(또는 -Vth 이하)에, 전극쌍에 인가하는 직류전력의 전압 또는 교류전력의 전압 파고치를 설정한다. 이 인가전압에 의해, 전극쌍 간에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로, 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전이 형성된다.
보다 구체적으로는, 이 특정의 전압 Vth는, 실험적으로 구한 것이지만, 전극쌍 간의 거리를 dcm로 한 때에, 450×dV ~ 900×dV의 범위 내의 값이 된다. 이 특정의 전압 Vth나 비선형 영역의 범위는, 전극의 형상, 디젤엔진의 종류나 엔진의 운전성태에 의해서 변화하는 PM의 전기저항에 의존하나, 적의 실험을 행하여 구할 수가 있다. 따라서, 이 실험결과로부터 전극쌍에 인가하는 최적의 전압을 설정할 수가 있다.
더구나, 인가하는 전압이 지나치게 크면, 미소발광 방전이 아닌, 단락이나 스파크나 아크 방전(공간방전이 개재하는 꼴로 발생하는 경우가 있다)이 빈발하여, 절연성 필터에 대미지를 주거나, 과전류에 의해서 전원의 손상을 일으킬 가능성이 있다. 그렇기 때문에, 전극쌍에 인가하는 직류전력의 전압의 절대치 또는 교류전력이 전압 파고치(波高値)의 절대치를, 이 특정의 전압 Vth의 1.05 ~2.2배의 범위 내로 한다.
그리고, 인가하는 소정의 전압 Vs는, 전극쌍 간의 거리를 dcm로 한 때에, 하한은 450×dV ~ 900×dV의 범위 내의 값으로 하고, 상한은 1000×dV ~ 1800×dV의 범위 내의 값으로 하는 것이 바람직하다. 또, 실험적으로 언어진 결과로서는 Vs를 650×dV ~ 1800×dV의 범위 내의 값으로 하는 것이 더 바람직하다.
상기의 배기 정화 시스템에 있어서, 전기 절연성 포착 부재의 상류 측에, 배기중의 미립자를 대전(帶電)시키기 위한 대전수단을 배치한다. 이 대전수단으로서는, 코로나 방전, 배리어 방전, 펄스 방전, 방사선원(放射線源), 전자선(電子線) 등을 이용한 대전수단을 사용할 수가 있다.
상기의 배기 정화 시스템에 있어서, 전기 절연성 포착 부재를 세라믹 섬유 필터로 형성한다. 이 세라믹 섬유 필터에는, 생체영향에 관한 안전성의 관점에서 SiO2 계, SiO2 -MgO 계, SiO2 -MgO-CaO 계의 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 또, 섬유경(徑)으로서는, 3 미크롱 이상 100 미크롱 이하의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기의 배기 정화 시스템에 있어서, 전기 절연성 포착 부재에 산화촉매를 담지시킨다. 혹은, 전기 절연성 포착 부재의 상류 측, 또는, 하류 측에 산화촉매를 배치한다. 이들의 구성으로 함에 의해, 산화촉매의 촉매작용에 의해, 절연성 포착 부재에 포집돼 어려운 기화(氣化)를 하고 있는 가용성 유기성분이나, 탄화수소류(이하 「HC」라 한다)를 산화 제거할 수 있게 된다.
본 발명의 배기 정화방법 및 배기 정화 시스템에 의하면, 절연성 필터 면상에 공간적ㆍ시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 이용하여, 포집된 PM의 연소 제거를, 적은 소비전력으로 충분히 행할 수가 있다. 따라서, 디젤엔진 등으로부터 배출되는 배기증의 PM의 포집 효율 및 연소 제거 효율을 높이 수가 있다.
도 1은 본 발명에 관계되는 제 1의 실시의 형태의 배기 정화 시스템의 구성을 모식적으로 보이는 그림이다.
도 2는, 도 1의 A-A 화살표 도이다.
도 3은, 도 1의 절연성 필터 표면에 PM이 퇴적한 상태를 모식적으로 나타내는 그림이다.
도 4는, 도 3의 A-A 화살표 도이다.
도 5는 전압과 전류의 관계를 모식적으로 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명에 관계되는 제 2의 실시의 형태의 배기 정화 시스템의 구성을 모식적으로 보이는 그림이다.
도 7은 대전처리가 미리 행해진 경우의 절연성 필터에의 PM의 부착상태를 모식적으로 보이는 그림이다.
도 8은 대전처리가 행해지지 않은 경우의 절연성 필터에의 PM의 부착상태를 모식적으로 보이는 그림이다.
도 9는 본 발명에 관계되는 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템의 구성을 모식적으로 보이는 그림이다.
도 10은, 도 9의 전극쌍의 구성을 보이는 위에서 본 그림이다.
도 11은, 도 9의 전극쌍과 절연성 필터의 구성을 보이는 하측의 부분 횡단면이다.
도 12는 본 발명에 관계되는 제 3의 실시의 형태의 타의 배기 정화 시스템의 구성을 보이는 그림이다.
도 13은, 도 12의 전극쌍과 절연성 필터의 구성을 보이는 하측의 부분 횡단면이다.
도 14는, 도 12의 전극쌍의 구성을 보이는 위에서 본 그림이다.
도 15는, 도 12의 전극쌍과 절연성 필터의 구성을 보이는 하측의 부분 측단면이다.
도 16은, 도 12의 전극쌍의 타의 구성 예를 보이는 그림이다.
도 17은 실시예 1의 실험장치의 구성을 모식적으로 보이는 그림이다.
도 18은 실시예 1의 필터의 압력손실의 시간변화를 보이는 그림이다.
도 19는 실시예 1의 입경 분포를 보이는 그림이다.
도 20은 실시예 2의 실험장치의 구성을 모식적으로 보이는 그림이다.
도 21은 섬유 필터의 필터 표면의 확대사진이다.
도 22는 입자상 물질의 온도와 전기저항의 관계를 보이는 그림이다.
이하, 본 발명에 관계되는 실시의 형태의 배기 정화 시스템에 대하여, 차량탑재의 디젤엔진의 배기를 처리대상 가스로 한 배기 정화 시스템을 예로 하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 더구나, 하기의 실시의 형태에서는, 절연성 포착 부제에 절연성 필터를 이용하고 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명은, 이 밖의 코로나 방전 등에 의해 대전시킨 입자상 물질을, 정전력(靜電力)을 이용하여 전기적으로 포착하는 장치에도 적용될 수 있다.
도 1 ~ 도 4에, 본 발명의 제 2의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1)을 보인다. 더구나, 도 1 및 도 2는, PM(입자상 물질)이 퇴적하기 전의 상태를 나타낸다. 도 3 및 도 4는 PM(41)이 퇴적하여, 미소발광 방전(42)이 발생하고 있는 상태를 나타낸다.
이 배기 전화 시스템(1)에서는, 디젤엔진 등의 배기 유로(流路)(11)에, 절연성 필터(절연성 포착 부재)(12)와 전극쌍(13)과 미소발광 방전 용 전원(14)을 구비한 필터(10)를 마련하여 형성된다. 이 절연성 필터(12)를 배기(G)의 흐름을 막는 꼴로, 즉, 배기(G)의 주류방향에 대하여 절연성 필터(12)의 표면이 교차하여, 배기(G)가 절연성 필터(12)의 표면으로부터 이면으로 통과하도록 배치한다. 이 절연성 필터(12)는 섬유경이 수 미크롱 ~ 100 미크롱, 바람직하기는 수10 미크롱의 오더의 크기의 기공을 가지는 세라믹 섬유 필터로 구성한다.
이 세라믹 섬유 필터로서는, 여러 가지의 것이 적용될 수 있으나, 도 15에 보이는 바와 같이 섬유경이 3 미크롱 이상의 것을 많이 포함하는 섬유 필터가, 특히 양호한 PM 제거성능을 나타낸다. 이 세라믹 재료로서는, Al2O3(산화 알루미늄) 계라든가 SiO2(산화규소)계 등 절연성의 것이면 다양한 것을 사용할 수가 있다. 다만, 생체영향에 관한 안전성의 관점에서는, 생체 용해성에 뛰어나는 세라믹 섬유, 예를 들어, SiO2 계(SiO2 -MgO 계, SiO2 -MgO-CaO 계)가 바람직하다. 게다가, 세리믹 섬유 필터와는 다른 절연성 필터, 예를 들어, 구멍 경이 수 미크롱에서 100 미크롱 정도의 기공을 가지는 다공질 세라믹 등을 사용하여도 좋다.
또, 제 1 전극(13a)과 제 2 전극(13b)으로 이루어지는 전극쌍(13)을, 도 1 및 도 3에 보이는 바와 같이, 절연성 필터의 상류 측의 표면 또는 표면 근방에, 1조 이상, 즉 단수 또는 복수 조 배치한다. 이 전극쌍(13)은, 절연성 필터(12)의 표면에 접촉하여 있는 편이 바람직하지만, 전극쌍(13)과 절연성 필터(12)의 표면과의 사이에 다소의 극간(隙間)이 있어도 좋다. 이 전극쌍(13)은, 도 2 및 도 4에 보이는 바와 같이, 2장의 평행평판(13a, 13b)으로 형성하여도 좋고, 또 동심원상(狀)의 원통으로 형성하여 에지 부분을 없애, 필터의 재생가능 면적의 비율이 크게 되도록 하여도 좋다. 또, 제 1 전극(13a)과 제 2 전극(13b)에 톱니상(狀)이나 빗상(狀) 등의 미세구조를 마련하여, 전계 집중점을 다수 분산배치해, 미소발광 방전의 발생을 촉진하도록 하여도 좋다. 요는, 절연성 필터(12)의 표면에 공간적으로 분산한 꼴로 미소발광 방전(42)을 형성할 수 있도록 전극쌍(13)을 적의 배치하면 좋으며, 이 전극쌍(13)에는 여러 가지의 구성을 채용할 수가 있다.
이 전극쌍(13)은, 고전압 전력 공급장치인 미소발광 방전용 전원(14)에 접속된다. 이 미소발광 방전용 전원(14)에 의해, 소정의 설정전압 Vs가 전극쌍(13)에 인가된다. 이 미소발광 방전용 전원(14)은, 전극쌍(13)에 소정의 설정전압 Vs를 인가하기 위한 고전압 전원이며, 이 인가전압의 파형은, 직류, 교류, 고주파, 펄스, 구형상(矩形狀)교번(交番) 등의 다양한 파형의 어느 것이어도 좋고, 어느 것의 파형으로도 충분한 효과가 얻어진다.
그리고, 본 발명에 있어서는, 전극쌍(13) 간에 인가하는 설정전압 Vs의 크기가 특히 중요하다. 절연성 필터(12)의 표면으로 포집한 PM(41)의 퇴적량의 증가에 따라서, 도 3 및 도 4에 보이는 바와 같이, 전극쌍(13) 간의 PM 퇴적층(41)에 있어서, 절연성 필터(12)의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전(42)을 발생시키는 것 같은 설정전압 Vs로 한다. 이 설정전압 Vs의 인가에 의해서 발생한 미소발광 방전(42)에 의해, 포집한 PM(41)을 연소 제거하여, 절연성 필터(12)의 막힘을 해소한다. 이 미소발광 방전은, 절연물 표면에 전위차가 있는 때에, 표면에 따라서 전류가 흘러서 줄 열을 발생하는 국부적인 미소발광 방전이며, 전계의 고르지 않음에 의해서 생기는 신틸레이션이라 불리는 국소적인 방전으로, 전극쌍의 사이에 큰 전류가 흐르는 단락이나 아크 방전 등과는 다르다.
이 설정전압 Vs는, 절연성 필터(12)의 표면에 퇴적한 PM 퇴적층(41)의 전기적 특성으로부터 실험적으로 구할 수가 있다. 결국, 절연성 필터(12)의 표면에 퇴적하여 있는 PM(41)의 양이 적은 상태에서는, 전극쌍 간(13)에는 전류(I)는 흐르지 않는다. 그러나, PM(41)의 퇴적이 진척하면 양 전극(13a, 13b) 간의 임피던스가 저하하여, 한계를 초과하면 전극쌍(13) 간에 전류(I)가 흐르게 된다.
이 전극(13) 간에 인가하는 전압(V)과 전류(I)의 관계는, 도 5에 보이는 바와 같이, 전압(V)이 낮은 동안(선형 영역 RL 내)은 비례관계에 있어 직선적으로 변화한다. 그러나, 특정의 전압 Vth(또는 -Vth)를 경계로 하여 비례관계가 무너진다. 비선형 영역 RN에 들어가면, 전압(V)에 대한 전류(I)의 증가량(또는 감소량)이 현저히 커지어 변곡(變曲)한다. 이 특정의 전압 Vth 이상(또는 -Vth 이하)에, 즉, 비선형 영역 RN의 범위에, 전극쌍(13)에 인가하는 직류전력의 전압 Vs 또는 교류전력의 전압 파고치 Vs를 설정한다.
더구나, 이 설정전압 Vs를 지나치게 높이 하면, 미소발광 방전이 아닌, 단락이나 스파크나 아크 방전(공간방전이 개재하는 꼴로 발생하는 경우가 있다)이 빈발하여, 소비전력량의 증대뿐 아니라, 절연성 필터에 대미지를 주거나, 과전류에 의해서 전원의 손상을 일으킬 가능성이 있다. 그렇기 때문에, 설정전압 Vs는, 그 절대치가 특정의 전압 Vth의 근방의 범위 내, 예를 들어, 1.05×Vth ~ 2.2×Vth로 한다.
그리고, 이에 대응시키어, 인가하는 소정의 전압 Vs는, 전극쌍 간의 거리를 dcm로 한 때에, 하한은 450×dV ~ 900×dV의 범위 내의 값으로 하고, 상한은 1000×dV ~ 1800×dV의 범위 내의 값으로 한다. 이 설정전압 Vs를 전극쌍(13)에 인가하면, 전극쌍(13) 간의 PM 퇴적층(41)이 어느 정도 증가하면, 이 전극쌍(13) 간의 PM 퇴적층(41)에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 미소발광 방전(42)이 반복하여 발생하여서는 소멸하게 된다.
이 특정의 전압 Vth는 전극(13a, 13b)의 형상, 간격이나 PM의 전기저항 R에 의존하며, 이 PM의 전기저항 R은 엔진의 운전조건에 의해 변동하므로 적의 실험으로 측정하여, 특정의 전압 Vth를 구해, 설정전압 Vs를 결정한다. 더구나, 이 특정의 전압 Vth는 전극쌍 간 거리를 d(cm:세티미터)로 하여, 대개 450×d(V:볼트) ~ 900×d(V:볼트) 정도일 것이 실험적으로 얻어지고 있다. 또, 이 설정전압 Vs를 엔진의 운전상태의 전부를 포함하는 것 같은 일정한 값으로 하는 것도 가능하지만, 엔진 운전상태에 응하여, 설정전압 Vs를 변화시키도록 제어하는 편이 보다 효율적이어서 바람직하다. 게다가, 인가전압의 파형은, 전압 파고치가 상기의 설정전압 Vs이면, 직류전압, 교류전압, 펄스 전압, 고주파 전압, 구형상 교번 전압 등의 다양한 파형의 어느 것으로도 충분한 효과를 얻을 수가 있다.
이 배기 정화 시스템(1)에서는, 배기중의 PM은 절연성 필터(12)의 표면상이나 표면보다 내측 등의 표면 근방에서 포착되어 퇴적한다. 이 PM(41)의 퇴적이 진척함에 의해, 전극쌍(13)의 임피던스, 즉, 제 1 전극(13a)과 제 2 전극(13b)의 사이의 임피던스가 저하하여, 한계를 초과하면 전류가 흐르기 시작한다. 다시, PM(41)의 퇴적이 진척하면, 전극쌍(13) 사이에 인가된 전압 Vs에 의해, 전극쌍(13) 사이의 PM 퇴적층(41)에 전위차가 형성되어, PM 퇴적층(41)의 미시적인 불균일성에 기인하는 전계부정(電界不整)에 의해, PM 퇴적층(41)에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 미소발광 방전(42)이 생긴다. 이 미소발광 방전(42)의 줄 열에 의해 PM이 연소하여, 절연성 필터(12)가 국부적으로 재생된다. 또, PM의 연소는 발열 프로세 스이기 때문에, 미소발광 방전(42)의 주위의 PM도 연소 제거된다. 이 연소범위는, 배기온도가 높은 경우에는 비교적 광범위에 미치기도 한다.
그리하여, 이 PM 퇴적층(41)의 증가와 미소발광 방전(42)의 발생에 의한 PM연소의 반복에 의해, 절연성 필터(12)는 전체로서는 과도한 막힘 상태와, 이 막힘에 의한 필터의 압력손실의 과도한 상승을 회피하면서, 양호한 PM 정화성능을 유지할 수가 있다.
도 6에, 본 발명의 제 2의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1A)을 보인다. 이 배기 정화 시스템(1A)은, 제 1의 실시의 형태의 필터 부(10)의 상류 측에, 배기중의 PM을 대전시키는 대전 부(대전수단)(20)를 마련하여 구성한다. 도 6에서는, 이 대전 부(20)으로서, 코로나 방전 발생 용의 제 1 방전 전극(21)과 제 2 방전 전극(22), 및 이 방전 전극(21, 22)에 방전용의 전압을 인가하기 위한 방전용 전원(23)으로 이루어지는 코로나 방전장치를 이용하고 있다. 이 제 1 방전 전극(21)은 전계 집중계수가 높은 전극으로, 세선(細線) 전극, 각상(角狀) 전극, 돌기 구조 붙이 전극 등의 선상(와이어상)이나 봉상(棒狀) 등의 선상체(線狀體), 예를 들어, SUS304 제의 중공(中空) 와이어 등으로 형성된다. 이 제 1 방전 전극(21)은, 고압의 전력을 공급하는 방전용 전원(23)에 접속된다. 또, 제 2 방전 전극(22)은 애자 등에 의해 제 1 방전 전극(21)과는 전기적으로 절연상태로 접지(어스)된다.
그리고, 이 제 1 방전 전극(21)에, 일반적으로는 부극성(負極性)의 직류 전압이 인가되지만, 정극성(正極性)이어도 좋으며, 직류, 교류, 펄스상의 어느 것의 전압이 인가되어, 양 전극(21, 22)의 사이에 코로나 방전을 발생하여, 배기중의 PM 을 대전시킨다. 게다가, 이 코로나 방전의 외에도, 배리어 방전, 펄스 방전, 방사선원(放射線源), 전자선(電子線) 조사 등을 이용하여 PM을 대전시키는 대전수단이 있다.
이 대전 부(20)에 의해, 필터 부(19)의 상류 측에서 PM(41)이 대전되면 절연성 필터(12)의 표면의 PM 퇴적상태가 변한다. 절연성 필터(12)에 유입하는 배기중의 PM을 미리 대전시켜 두면, 도 7에 모식적으로 보이는 바와 같이, PM(41)끼리는 정전(靜電) 반발력에 의해 공극을 유지한 상태로 절연성 필터(12)의 표면에 적당한 정도로 분산한다. 그리하여, PM(41)은「확」하는 느낌으로 부착하여, 표면에 멎은 상태로 퇴적한다. 이 분산부착에 의해, 압력손실이 작아지므로, 절연성 필터(12)의 압력손실의 상승을 회피할 수 있고, 또, 전극쌍(13)의 사이의 전기저항을 높이 유지할 수 있다. 또, PM(41)이 절연성 필터(12)의 표면 근방에 분산하여 포착되기 때문에, 전극쌍(13) 간에 발생하는 미소발광 방전(42)으로 효과적으로 PM(41)을 연소 제거할 수가 있다. 그 결과, 절연성 필터(12)의 막힘 해소에 필요한 미소발광 방전용의 전력을 저감할 수 있다.
한편, 대전시키지 않은 경우는, 도 8에 모식적으로 보이는 바와 같이, PM(41)은「척」하는 느낌으로 부착하여 표면에 멎지 않고, 절연성 필터(12)의 속까지 들어가 퇴적한다. 이 밀착한 부착에 의해, 도 7의 분산부착에 비해, 압력손실이 커지며, 또 전기저항도 작아진다.
이 대전 부(20)의 PM 대전에 의해, PM(41)은 유도 전하(電荷)와의 흡인력인 정전기 힘에 의해서, 절연성 필터(12)에 효과적으로 포착된다. 그 때문에, 매우 작은 입자도 포착되므로, 특히 나노 사이즈의 미립자의 포착성능이 각별히 향상한다. 게다가, 엔진의 과도적인 압력변동이나 진동에 노출되어도, PM(41)은 정전기 힘에 의해 절연성 필터(12) 상에 강고하게 포착돼 있으므로, 하류에 누출하는 일이 없다.
다음에, 본 발명의 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템에 대하여 설명한다. 이 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템은, 제 1의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1) 또는 제 2의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1A)에, 백금이나 바나듐 등의 귀금속으로 형성되는 산화촉매를 병용하는 것이다. 이 산화촉매를 이용함에 의해, 절연성 필터(12)에서는 충분히 제거되지 않는 배기중의 기화하여 있는 가용성 유기성분이나, 탄화수소 류(HC)를, 이 산화촉매의 촉매작용에 의해 산화 제거하여, 배기 정화 성능을 더한층 높일 수가 있다.
그리고, 산화촉매의 배치는, 다음과 같은 방법으로, 엔진의 종류나 운전조건에 따라서, 산화촉매와 세라믹 필터의 배치를 여러 가지 선택하면 좋다. 절연성 필터(12)에 퇴적한 PM(41)의 전기저항 R은, 배기중의 SOF 분의 영향을 받아, SOF 분이 많으면 PM(41)의 전기저항 R은 커진다. 때문에, 엔진으로부터 배출되는 PM(41)의 전기저항 R이 비교적 큰 경우에는, 절연성 필터(12)에 포집된 PM(41)의 전기저항 R을 낮추어서, 전극쌍(13) 간에 인가하는 전압 Vc를 비교적 낮게 억제하는 편이 바람직하다. 따라서, 산화촉매 컨버터를 상류 측에 배치하는 것이 바람직하다. 한편, 엔진으로부터 배출되는 PM(41)의 전기저항 R이 비교적 낮아, 전극(13) 간에 인가하는 전압 Vs를 높게 할 수 없는 경우는, SOF 분을 절욘성 필 터(12)의 상류 측에서 제거하지 않고 하류 측에서 제거하도록, 산화촉매 컨버터를 하류 측에 배치하면 좋다.
이 산화촉매의 배치의 구체적인 것으로서는, 다음과 같은 것이 있다. 우선, 제 1의 실시의 형태에 있어서, 산화촉매를 전극쌍(13)을 구비한 절연성 필터(12)에 담지시키는 구성이 있다. 이 제 1의 실시의 형태에 대하여, 산화촉매를 담지한 산화촉매 컨버터를, 전극쌍(13)을 구비한 절연성 필터(12)의 상류 측에 배치하는 경우와 하류 측에 배치하는 경우가 있다. 또, 제 2의 실시의 형태에 있어서, 산화촉매를 전극쌍(13)을 구비한 절연성 필터(12)에 담지시키는 구성이 있다. 또한, 이 제 2의 실시의 형태에 대하여, 산화촉매를 담지한 산화촉매 컨버터를, 대전 부(20)의 상류 측에 배치하는 경우와, 대전 부(20)와 절연성 필터(12)의 사이에 배치하는 경우와, 절연성 필터(12)의 하류 측에 배치하는 경우가 있다.
또, 산화촉매를 절연성 필터(12)에 분산 담지시키면, 배기중의 SOF 분이나 HC 분을 PM 연소의 보조재로서 이용할 수가 있어, 보다 효과적으로 PM을 연소 제거할 수가 있다. 또한, 산화촉매 컨버터를 배치한 구성에 있어서, 전극쌍(13)을 구비한 절연성 필터(12)에 산화촉매를 담지시키는 구성으로 할 수도 있다.
이 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템의 예로서, 도 9 ~ 도 11과 도 12 ~ 도 14에, 산화촉매 컨버터(30)를 대전 부(20B)의 상류 측에 배치한 배기 정화 시스템(1B)과 배기 정화 시스템(1C)을 각각 보인다. 도 9 ~ 도 11에 보이는 배기 정화 시스팀(1B)에서는, 상류 측으로부터 산화촉매 컨버터(30), 대전 부(20B), 필터 부(10B)가 배설된다.
이 산화촉매 컨버터(30)는, 코젤라이트, SiC 등의 다공질의 세라믹의 허니콤 구조체 등의 담지체에, 산화 알루미늄 등의 촉매 코드 층을 마련하여, 이 촉매 코드 층에 백금이나 바나듐 등의 촉매금속을 단지시켜 형성한다.
또, 대전 부(20B)는, 복수의 동축 코로나 방전관(25B) 내에 각각 배치된 코로나 방전 전극(제 1 방전 전극)(21B)을 가지어 구성된다. 이 각 코로나 방전 전극(21B)에 코로나 방전용 전원(23B)으로부터 고전압 단자(22B)와 고전압 급전판 (給電板)(24B)을 경유하여, 부극성 또는 정극성으로, 직류, 교류, 펄스상 등의 어느 것인가의 고전압 HV의 전력이 공급되도록 구성된다. 한편, 동축 코로나 방전관(25B)은 제 2 방전 전극을 겸하고 있으며, 고전압 전원(23B)의 OV에 접속된다. 이 코로나 방전 전극(21B)과 동축 코로나 방전관(25B)의 사이에 코로나 방전을 발생하여, 통과하는 배기 G중의 PM을 대전(帶電)한다.
그리고, 필터 부(10B)는, 절연성 필터(20B)가 통기성이 있는 판상(板狀)의 필터 보지판(15B)의 내측(상류 측)에 통상(筒狀)으로 배치되어, 내측으로부터 외측에 흐르는 배기 G중의 PM을 내측 표면에서 포착하도록 구성된다. 또한, 전극쌍(13B)이 이 내측 표면 또는 내측 표면 근방에 배치된다. 이 예에서는 배기 G가 내측으로부터 외측에 흐르는 구성으로 돼 있다. 그러나, 외측을 상류 측으로 하여, 외측으로부터 내측으로 흐르는 구성으로 하여, 필터 보지판의 외측에 절연 필터를 배치하고, 절연성 필터의 외측 표면에 전극쌍을 배치하여도 좋다.
이 전극쌍(13)은, 도 10 및 도 11에 보이는 바와 같이, 심봉(芯棒)(17B)에 고정된 애자(18B)에 지지되어, 미소발광 방전용 전원(14B)의 고전압 HV 측으로부터 의 전력이 고전압 단자(16B)와 전위(電位) 고정봉(19Ba)을 경유하여 제 1 전극(13Ba)에 공급되도록 구성된다. 한편, 제 2 전극(13Bb)은, 고전압 전원(14B)의 OV 측에 전위 고정봉(19Bb)을 거쳐 접속된다.
도 12 ~ 도 15에 보이는 배기 정화 시스팀(1C)에서는, 상류 측으로부터 산화촉매 컨버터(30), 대전 부(20B), 필터 부(10C)가 배설된다. 이 산화촉매 컨버터(30)와 대전 부(20B)는, 배기 정화 시스템(1B)과 같다.
그리고, 필터 부(10C)는, 평판상(平板狀)의 절연성 필터(12C)가 배기 G의 흐름 방향에 가늘고 긴 전극쌍(13C)의 양측에 배치되어, 전극쌍(13C)의 사이를 흘러 서 온 배기 G가 절연성 필터(12C)를 전극쌍(13C) 측의 내측으로부터 외측에 통과하면서, 배기 G 중의 PM을 포착하도록 구성된다. 또, 절연성 필터(12C)의 외측에는, 통기성을 가지는 필터 보지판(15C)이 배치되어, 절연성 필터(12C)를 지지한다. 이 구성에 의해, 전극쌍(13C)이 절연성 필터(12C)의 포착 측의 표면 또는 표면 근방에 배치된다. 도 12 및 도 13에서는, 전극쌍(13C)과 양측의 절연성 필터(12C)로 형성되는 유닛이 상하에 둘 있는 상태를 보이고 있다.
또, 이 전극쌍(13C)은, 도 14 및 도 15에 보이는 바와 같이, 심봉(17C)에 고정된 애자(18C)에 지지되어, 미소발광 방전용 전원(14C)의 고전압 HV 측으로부터의 전력이 고전압 단자(16C)와 전위 고정봉(19Ca)를 경유하여 제 1 전극(13Ca)에 공급되도록 구성된다. 한편, 제 2 전극(13Cb)은, 미소발광 방전용 전원(14C)의 OV 측에 전위 고정봉(19Cb)을 거쳐 접속된다. 또한, 이 전극쌍(13C), 즉, 제 1 전극(13Ca)과 제 2 전극(13Cb)에는, 필터 면에의 배기 흐름의 균일성을 보다 좋게 하 기 위하여서나 전극의 경량화를 꾀하기 위해, 통풍공(13Cc)을 마련하여도 좋다.
또, 도 12, 도 13에 보이는 절연성 필터(12C)와 전극쌍(13C)의 구성의 변형예로서, 절연성 필터(12C)를 통기성을 가지는 원통 등의 통형상의 필터 보지판(15C)의 상류 측에 배치하고, 절연성 필터(12C)의 상류 측 표면에 도 16에 보이는 바와 같은 전극쌍(13C)을 배치하여도 좋다. 통의 내측을 상류 측으로 하는 때는, 절연성 필터(12C)의 내측에 도 16에 보이는 바와 같은 전극쌍(13C)을 배치하면 좋고, 통의 외측을 상류 측으로 하는 때는, 절연성 필터(12C)의 외측에, 도 16에 보이는 바와 같은 전극쌍(13C)을 배치하면 좋다. 또, 이 전극쌍(13C)도, 경량화의 편의를 위해서나 가스의 균일성의 확보의 편의를 위해 통기공을 적의 뚫어도 좋다.
이들의 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1B, 1C) 등의 산화촉매를 이용한 배기 정화 시스템에 의하면, 절연성 필터(12, 12B, 12C)로는 충분히 제거되지 않는 배기중의 PM의 SOF나 HC를, 이 산화촉매의 촉매작용에 의해 산화 재거하여, 배기 정화성능을 한층 높일 수가 있다.
(실시예 1)
다음에, 제 3의 실시의 형태의 배기 정화 시스템(1B, 1C)을 이용하여 행한 배기 정화실험에 대하여 설명한다. 도 17에, 실시예 1의 실험장치의 구성을 모식적으로 보인다. 이 실시예 1에서는, 배기량 4300cc의 디젤엔진을 탑재한 2t 차의 트럭(50)의 배기통로(51)에 배기 정화 시스템(1B)을 배치하여 행하였다. 이 세라믹 필터(12B)의 전후 차압(差壓)을 계측하기 위하여 차압 센서(52)를 마련하고, 또한, 배기통로(51)로부터 분기한 배기의 성분을 계측하기 위해 희석기(53)와 미립자 계측기(54)를 마련하였다.
상류 측으로부터 산화촉매(30)와, 코로나 방전에 의한 대전 부(20B)와, 필터 부(10B)로 구성하였다. 이 산화촉매(30)는, 세라믹 허니콤에 백금을 담지하고 있다. 대전 부(20)는, 직경 약 60mm, 유효방전 길이 80mm의 동축 코로나 방전관(25B)(도 9)을 8본 병렬배치한 동축 원통식의 것이다. 필터 부(10B)는, 용적 밀도 약 130kg/m3, 두께 12mm, 가스 통과 면의 면적 1200cm2의 세라믹 섬유 필터(12B)를 구비하고 있다. 이 세라믹 필터(12B)의 가스 통과 면의 상류 측에, 전극판 두께 0.5mm ~ 2mm, 전극쌍 간격 6mm ~ 25mm의 전극쌍(13B)(도 10, 도 11)을 배치하였다. 게다가, 전극판 두께와 전극쌍 간격은 이들의 치수범위로부터 적의 선택하여 실험을 행하고 있다.
그리고, 트럭(50)을 엔진 회전수 2000rpm으로 연속운전하여, 배기 전량을, 배기 정화 시스템(1B)의 실험장치에 흘리는 동시에, 이 전극쌍 간에, 직류 0.5 kV ~ 2.5 kV, 또는, 교류 400V~ 1kV(파고치는 ±560V ~ ±1.4kV)의 전압을 인가하였다. 이 때의 세라믹 필터(12B)의 압력손실의 경시(經時)변화를 차압계(52)로 측정하였다. 또, 세라믹 필터(12B)를 통과한 배기에 대하여, 여과지에 의한 미립자 중량측정과, 미립자 계측기에 의한 미립자 농도측정을 실시하혔다.
이 실험결과의 일례를 도 18에 보인다. 도 18의 (a)와 (b)는 상류 측에서의 PM의 대전처리 무, (c)와 (d)는 상류 측에서의 PM의 대전처리 유로, (a)와 (c)는 미소발광 방전용 전압의 인가 무, (b)와 (d)는 미소발광 방전용 전압의 인가 유의 경우의 실험결과이다.
미소발광 방전의 효과에 대하여 보면, 도 18의 (a) ~ (d)에서 보이는 바와 같이, 최초의 사이, 즉, 전극쌍의 사이에 PM의 퇴적량이 어느 정도 진척하여 미소발광 방전용의 전류가 흐르기 시작하기까지는, 시간경과에 따라서 필터의 압력손실이 상승한다. 그리고, 미소발광 방전용 전압을 인가히지 않은 (a)와 (c)에서는 압력손실이 그대로 커진다. 한편, 미소발광 방전용 전압을 인가한 (b)와 (d)에서는, 전극쌍의 사이에 PM의 퇴적량이 어느 정도에 달하여 미소발광 방전용의 전류가 흐르기 시작하면 미소발광 방전이 발생하여, PM이 연소 제거돼, 압력손실이 저하하기 시작한다.
또, 대전처리의 효과에 대하여 보면, 대전처리 무의 (a)와 (b)에 대하여, 대전처리 유의 (c)와 (d)처럼, 미리 PM을 대전시키면, 압력손실의 상승속도는 느슨해지며, 또한, 미소발광 방전에 의한 PM의 연소 제거 특성이 보다 양호한 것이 된다. 특히, (d)에서는 압력손실이 거의 일정하게 돼 있어, 필터에 퇴적한 PM이 미소발광 방전에 의해서 완전히 연소 제거되어 있음을 알 수 있다.
이 실시예 1에서는, 실험개시 시점의 전극쌍 간의 전기저항 R은 수십MΩ 이상으로 거의 절연상태이다. 그러나, PM이 퇴적하여 압력손실이 서서히 상승하는 동시에 전기저항 R은 저하하며, 미소발광 방전이 개시되어 압력손실이 저하하기 시작하는 시점에서는, 정기저항 R은 수kΩ ~ 수십kΩ 정도로 저하하고 있다. 게다가, 이 전극쌍 간에 흐르는 전류는 0.1A ~ 수A의 오더이다. 또, 미소발광 방전에 요하는 전력은 (b)에서는 500W 이상이었으나, (d)에서는 250W 이하로 돼 있다. 이에 의해, 미리 PM을 대전시키면 소비전력이 크게 저감되는 효과가 있음을 알았다. 게다가, 이 (d)에서는, PM 제거성능은 중량 베이스로 92%의 제거율이었다.
그리고, 도 19에 배기중의 미립자의 입경 분포를 측정한 결과를 보인다. 이 입경 분포는, 일단, 배기를 희석기(Matter Engneering 사: MD19-2E)를 이용하여 30배에 희석한 후, 미립자 계측기(시판품인 TSI 사의 SMPS: Scanning Mobility Particle Sizer: 3936-L10)를 이용하여 계측한 것이다.
도 19의 (a)는 장치입구에 있어서의 측정결과이며, (b)와 (c)는 장치출구에 있어서의 측정결과이다. 그리고, (b)는 대전처리 무에서의 미소발광 방전 유의 경우, (c)는 대전처리 유로 미소발광 방전 유의 경우이다. (a)에 대하여 (b)와 (c)에서는 어느 것도 입자수 농도가 낮아, 미소발광 방전에 의해서 PM이 연소 제거되고 있음을 알 수 있다. 또, (b)와 (c)의 비교에서, 미리 대전처리를 행하면, 입경 100nm 이하의 나노사이즈 입자까지 포함하여 매우 높은 정화성능이 얻어짐을 알 수 있다.
(실시예 2)
도 20에, 실시예 2의 실험장치의 구성을 모식적으로 보인다. 이 실시예 2에서는, 배기량 5000cc의 디젤엔진을 탑재한 트럭(50A)의 배기통로(51A)에, 도 12 ~ 도 15에 보이는 배기 정화 시스템(1C)을 배치하여 행하였다. 시험 모드는 JE05 과도 모드이다.
이 배기 정화 시스템(1C)은 상류 측으로부터, 산화촉매(30)와, 코로나 방전에 의하는 대전수단(20B)과, 세라믹 필터(12C)를 구비하여 구성하였다. 산화촉 매(30)는, 세라믹 허니콤에 백금을 담지하고 있다. 대전수단(20B)은 직경 약 60mm, 유효방전 길이 80mm의 동축 코로나 방전관(25B)(도 12)을 8본 병렬배치한 동축 원통식의 것이다. 세라믹 필터(12C)는, 용적밀도 약 130kg/m3, 두께 24mm, 가스 통과 면의 면적 2000cm2의 세라믹 섬유로 형성돼 있다. 이 세라믹 필터(12C)의 가스 통과 면의 상류 측에, 전극판 두께 0.5mm ~ 2mm, 전극쌍 간격 6mm ~ 25mm의 전극쌍(도 14, 도 15)을 배치하였다. 더구나, 전극판 두께와 전극쌍 간격은 이들의 치수 범위로부터 적의 선택하여 실험을 행하고 있다.
이 실시예 2에서는, 배기의 흐름을 좋게 하고, 또 경량화를 꾀하기 위해, 전극(13Ca, 13Cb)에 통기공(13Cc)을 마련하고 있다. 또, 전극쌍(13C)과 세라믹 필터(12C)의 접촉이 나빠지면, 미소발광 방전이 발생하기 어렵게 되기 때문에, 전극쌍(13C)과 세라믹 필터(12C)는 적당한 압력으로 눌리어 있다.
그리하여, 트럭(50A)을 운전하여, 배기 전량을 배기 정화 시스템(1C)에 흘리는 동시에, 이 전극쌍 간에, 교류 0kV ~ 1kV(파고치는 0kV ~ 1.4kV)의 전압을 인가하여, PM 정화성능을 측정하였다. 이 측정결과에 의해, PM 배출량은 0.01g/kWh 이하에 달하고, PM 제거율은 90% 이상이 됨을 알았다.
이들의 실시예에서는, 절연성 필터로서 세라믹 섬유 필터를 사용하였으나, 섬유경으로서는 3 미크롱 이상의 것을 많이 포함하는 섬유 필터가 유효하여, 특히 도 21에 보이는 것 같은 섬유경이 5 미크롱 이상의 것을 많이 포함하는 섬유 필터가 특히 양호한 PM 제거성능을 나타내는 것을 알았다.
본 발명은, 절연성 필터 면상에 공간적ㆍ시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 이용하여, 포집된 PM의 연소 제거를, 적은 소비전력으로 행할 수가 있어, 디젤엔진 등으로부터 배출되는 배기중의 PM의 포집 효율 및 연소 제거 효율을 높일 수가 있으므로, 자동차 탑재의 내연기관 등의 배기의 배기 정화 방법 및 배기 정화 시스템으로서, 매우 유효하게 이용할 수가 있다.

Claims (9)

  1. 배기중의 입자상 물질을 포착하는 절연성 포착 부재의 표면 또는 표면 근방에, 전극쌍을 1쌍 이상 배치하고, 그 전극쌍 간에, 전기 절연성 포착 부재의 표면으로 포착한 전기 입자상 물질의 퇴적량의 증가에 따라서 전기 절연성 포착 부재의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 발생시키는 소정의 전압을 인가하여, 이 소정의 전압의 인가에 의해 발생한 전기 미소발광 방전에 의해, 전기 절연성 포착 부재에 포착된 입자상 물질을 연소 제거함을 특징으로 하는 배기 정화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전기 절연성 포착 부재가 입자상 물질을 포함하는 배기를 통과시켜 전기 입자상 물질을 포착하는 절연성 필터임을 특징으로 하는 배기 정화 방법.
  3. 배기중의 입자상 물질을 포착하는 절연성 포착 부재와, 그 절연성 포작 부재의 표면 또는 표면 근방에 1쌍 이상 배치된 전극쌍과, 그 전극쌍 간에 소정의 전압을 인가하는 전압 인가장치를 구비한 배기 정화 시스템으로서, 전압 인가장치가, 전기 절연성 포착 부재의 표면으로 포착한 전기 입자상 물질의 퇴적량의 증가에 따라서 전기 절연성 포착 부재의 표면상에 공간적 또한 시간적으로 랜덤으로 발생과 소멸을 반복하는 미소발광 방전을 발생시키는 소정의 전압을 인가함을 특징으로 하 는 배기 정화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전기 절연성 포착 부재가 입자상 물질을 포함하는 배기를 통과시켜 전기 입자상 물질을 포착하는 절연성 필터임을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    전기 소정의 전압을, 전기 전극쌍 간의 전류 전압 특성이 비선형으로 되는 영역의 전압으로 함을 특징으로 하는 배기정화 시스템.
  6. 제 3 ~ 5 항의 어느 1항에 있어서,
    전기 절연성 포착 부재의 상류 측에, 배기중의 미립자를 대전시키기 위한 대전수단을 배치한 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
  7. 제 4 ~ 6 항의 어느 1항에 있어서,
    전기 절연성 포착 부재를 세라믹 섬유 필터로 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
  8. 제 3 ~ 7 항의 어느 1항에 있어서,
    저기 절연성 포착 부재에 산화촉매를 담지시킨 것을 특징으로 하는 배기 정 화 시시템.
  9. 제 3 ~ 8 항의 어느 1항에 있어서,
    전기 절연성 포착 부재의 상류 측, 또는 하류 측에 산화촉매를 배치한 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
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