WO2006101070A1

WO2006101070A1 - 排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法

Info

Publication number: WO2006101070A1
Application number: PCT/JP2006/305525
Authority: WO
Inventors: Akira Mizuno; Junichi Kasai; Yoshinobu Tamura; Masashi Gabe; Mitsuhiko Itaya; Kenta Naito; Satoru Senbayashi
Original assignee: Isuzu Motors Limited; Nissin Electric Co., Ltd.
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-09-28
Also published as: JP3894938B2; JP2006266179A

Abstract

　排気ガス処理装置（１）は、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部（１０）と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部（２０）と、該フィルタ部（２０）をバイパスするバイパス通路（４０）と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部（２０）と前記バイパス通路（４０）とに切り換える流路切換手段（４１）を有し構成される。そして、この装置（１）は、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路（４０）に切り換える。これにより、コロナ放電による凝集機能及び集塵機能とフィルタの集塵機能を用いて、フィルタ再生時における浄化率の低下やＰＭの暴走燃焼を回避しながらフィルタ部（２０）を熱効率よく再生できる。そして、排気ガス処理装置（１）はコンパクトで車両搭載可能なものとなる。

Description

明細書

排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法

技術分野

[0001] 本発明は、帯電凝集部とフィルタ部を備えて、自動車搭載の内燃機関の排気ガスをコロナ放電を利用して浄化する排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法に関する。

背景技術

[0002] 工場ガス，発電所ガス、自動車ガス等の排ガス処理装置として、又、各種製造工場や医療現場等のガス処理装置として、静電凝集装置ゃ静電集塵装置等が使用されている。これらのガス処理装置では、コロナ電極と集塵電極の間に高電圧を印加してガス中にコロナ放電を発生させる。このコロナ放電によりガス中の浮遊微粒子を帯電する。この帯電した粒子を静電気力で集塵電極に引き寄せて、凝集肥大化させたり、捕捉したりしている。

[0003] これらの放電を利用した静電集塵装置では、処理対象ガスを筒状体に通す。この筒状体で形成された集塵電極又は筒状体とは別に設けた筒状の集塵電極の略中央

(軸中心）にコロナ電極を配置する。コロナ電極と集塵電極との間に高電圧を印加することによって、ガス中にコロナ放電を発生させて、ガス中の浮遊微粒子を帯電させる

[0004] この帯電した粒子を、コロナ電極と集塵電極との間に形成された電界によって静電気力で集塵電極表面に移動させて、集塵電極表面で捕捉する。この捕捉された粒子は、電気集塵装置等と同様な振るい落とし等により集塵電極から離脱させて集められる。あるいは、この捕捉された粒子は、集塵電極に隣接して設けられたヒータ等の加熱により燃焼除去される。

[0005] そして、自動車に搭載したディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスを対象とする場合には、排気ガス中に含まれている PM (Particulate Matter:パティキュレート'マター:粒子状物質）が処理対象成分となるが、この PMには、特に燃焼が難しいと言われる Soot (スート：煤）と、高温では蒸気となっている SOF (Soluble Organic Fractio n :可溶性有機成分）が含まれている。この Sootは、炭素を主成分とするエンジンの排出物質である。 SOFは、燃料やオイルの燃え残りが原因で発生する、ベンゼン，トルェン等の有機溶剤に溶ける成分であり、酸化触媒表面で燃焼できる。

[0006] しかしながら、従来技術の電気集塵法では、固体化した Soot成分は取れるが、ガス化した S〇F成分の除去率は高くないという問題がある。

[0007] この電気集塵法では、電気集塵作用を行う部分は、捕集機能に着目した場合には静電捕集部となり、凝集機能に着目した場合には静電凝集部となる。 Sootを一旦集塵電極に静電捕集する。この集塵電極上に捕捉され、堆積した Sootは、やがて排気ガスの流れによって剥がれて再飛散する。

[0008] つまり、静電集塵により、集塵電極の表面で捕捉された粒子間に結合が生じて、微粒子が凝集肥大化する。しかし、この肥大化した捕捉粒子は、ガス流の影響により、集塵電極の表面から剥離して再飛散を起こす。この再飛散粒子は、ガス処理装置内で帯電、捕捉、剥離を繰り返しながら、その粒径を徐々に大きくしていく。しかし、最終的には再飛散により静電集塵装置力排出されてしまう。この再飛散粒子は凝集肥大化している。この特性を利用することにより、後段に目の粗いフィルタを配置しても、 Sootを効果的に捕集することができる。

[0009] 一方、排気ガス中のガス化した SOFは、冷却して凝縮して液化させると粘着性を持つミストとなる。このミスト状の SOFは、鳥もちの原理により超微小粒子を捕捉して凝集肥大化する。つまり、この SOFは、 Sootの捕集や凝集肥大化のバインダとして有用である。そして、超微小粒子の捕集に際して、この SOFの凝集肥大化機能を利用するためには、フィルタ等の集塵装置は電気凝集装置の下流側に設けることが有効である。

[0010] この下流側にフィルタを配置した構成では、排気ガス中の超微小粒子が、静電作用と液化した S〇Fの粘着機能との相乗効果により凝集肥大化する。そのため、電気凝集装置から排出される粒子の粒径が大きくなるため、目の粗レ、フィルタでもこれらの粒子を容易に捕捉することができる。

[0011] しかしながら、この S〇Fの全量を、バインダとして使用しきれなレ、。そのため、 S〇F の除去を高い除去率で行う必要がある場合には、酸化触媒の併用が必要となる。このガス化状態の SOFは酸化触媒で酸化できる。この酸化触媒は温度が高いほど触媒活性が高いため、また、電気凝集装置は、コロナ放電が 500°Cを超えると不安定になり充分な電力を投入できず、電気集塵作用が低下するため、ガスの温度が高い排気管の前方に酸化触媒を設置し、ガスの温度が低下する排気管の後方に電気集塵装置を設置することが通常は考えられる。

[0012] しかし、酸化触媒を電気凝集装置よりも、上流側に配設した場合には、 SOFが酸化触媒で酸化されてしまうため、電気凝集装置における超微小粒子の捕捉効果が低下してしまい、捕集効率が上がらなくなる。その上、酸化触媒に S〇Fと Soot等からなる凝集体が流入すると酸化触媒が目詰まりを起こす。

[0013] 従って、 Sootの捕捉及び凝集肥大化に使用した残りの S〇Fを酸化触媒で処理するのが良い。そのため、酸化触媒の位置としては、帯電凝集部の前段（上流側）に配置するよりも、後段（下流側）に配置した方がよい。つまり、電気凝集装置、フィルタ、酸化触媒の機能を考えると、上流側から電気凝集装置、粗い目のフィルタ、酸化触媒の順に配置することがもっとも効果的に排気ガスを浄化できる。

[0014] そして、電気集塵では、 Soot (固体粒子）を静電捕集するが、結局集塵電極に捕集できる量に限りがある。その限界量を超えると再飛散という形で排気ガスの流れに再放出してしまう。そのため、この捕集できる限界量を超える前に、何らかの手段で集塵電極から Sootを除去できれば、浄化性能を長時間維持することができる。この手段として、例えば、日本の特開平 11— 165095号公報、日本の特開 2000— 17631 3号公報、日本の特開昭 59— 85415号公報等に記載されているように、払い落とし（搔き落とし)回収手段やヒータ加熱による燃焼除去手段などがある。

[0015] し力ながら、この払い落とし回収手段では、払い落とし時にせつ力べ捕捉した粒子が排気ガスの主流中に再飛散して、払い落とし時に浄化性能が一時的に劣化してしまうという問題や、払い落としで回収した粒子の処理が別途必要になるという問題がある。

[0016] そして、この浄化性能の劣化を避けようとすれば、帯電凝集部を 2系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる。その上、払い落としのための機械機構も必要となる。従って、小型化することが難しい。この小型化は、特に自動車への搭載にあたつて問題となる。

[0017] また、ヒータ加熱による燃焼除去手段も原理的には可能である。しかし、排気ガスの主流に曝されている集塵電極を加熱しょうとすると、排気ガスへ熱が逃げてしまい、熱効率が悪くなるという問題がある。特に Sootの燃焼には 500°C以上の高温が必要であるため、多大な電力が必要となる。これを避けようとすると、例えば、日本の特開昭 56— 15852号公報に記載されているように、帯電凝集部を 2系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる。

[0018] また、帯電凝集部の後段にフィルタ部を設けた場合においても、フィルタ部で捕集された Sootを燃焼除去する再生処理に関して、同様に、フィルタ部を、又は、帯電凝集部とフィルタ部を、 2系統設けると共に排気ガスの切換処理が必要となる。

[0019] つまり、従来技術では、帯電凝集部、又は、帯電凝集部とフィルタの組み合わせを 2系統設けないと、エネルギー効率のよいシステム構成が実現できなレ、。そのため、装置のコンパクト化が難しい。

[0020] 更に、自動車に搭載されたエンジンの排気ガスを処理の対象とする場合には、自動車のエンジンの運転条件は、アイドリングから高負荷 ·高回転までさまざまな条件に変化するので、自動車用の排気ガス後処理装置には、これらのすべての運転条件で効率的に PMを浄化する性能が要求される。

[0021] し力しながら、排気ガス温度が低ぐフィルタで捕集した Sootを酸化することができない状態が長時間継続するような場合には、フィルタを Sootの自己燃焼開始温度以上に昇温して、捕集した Sootを燃焼除去する等のフィルタの再生操作が必要となる

[0022] この再生操作では、通常、フィルタの再生時にフィルタを昇温する。特に連続再生式のフィルタでは、このフィルタの昇温を行う。そのために、内燃機関のシリンダ内へのポスト噴射等の燃料噴射制御による、フィルタ再生用の排気ガスの昇温を行う場合が多い。しかし、この場合は高温の排気ガスにより放電部の温度が高くなつて、コロナ放電が不安定化するという問題がある。

[0023] この放電の不安定化を回避するために、再生制御時に放電部への通電を停止すると、電気凝集装置の浄化作用を利用できなくなる。そのため、目の粗レ、フィルタを使用した場合には、 PMを捕集できず、排気ガス処理装置の下流側に PMが流出するという問題がある。

[0024] また、排気ガスの昇温により、排気ガス量が多くなつて流速が速くなるので、電気集塵装置における再飛散が起こり易くなり、 PMが流出し易くなるという問題がある。

[0025] 従って、放電の安定化と排気ガス流量 (流速）の安定化を同時に図ることにより、再飛散などにより PMが下流側に流出しないようにすることが必要となり、これを考慮したフィルタの再生のための制御が必要となる。

[0026] 一方、発明者らは、静電捕集部の Sootの捕集性能の経時劣化特性が、排気ガス流量で変化することを見出し、次のような知見を得た。

[0027] つまり、自動車の内燃機関の排気ガスを対象とする場合は、排気ガスの流量が回転数と負荷の変化に応じて変化するので、実際の運用時には、回転数と負荷のダイナミックな変化に応じて排気ガスの流量もダイナミックに変化する。そして、高回転数

、高負荷で排気ガス流量が多い領域では、静電捕集部の再飛散現象が発生し易ぐ比較的短時間で静電捕集部出口の PM浄化性能が劣化する。そのため、後段にフィルタを配置して再飛散粒子を捕捉する必要がある。

[0028] 一方、低回転数、低負荷で排気ガス流量が少なレ、領域では、静電捕集部の再飛散現象が発生し難ぐ後段にフィルタを配置しなくても、比較的長時間にわたって高い浄化性能を維持できる。

特許文献 1：特開平 11 165095号公報

特許文献 2 :特開 2000— 176313号公報

特許文献 3 :特開昭 59— 85415号公報

特許文献 4 :特開昭 56— 15852号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0029] 本発明は、上記の知見を得て、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、コロナ放電による凝集機能及び集塵機能とフィルタの集塵機能を用いて、ガス中の超微小粒子を凝集肥大化して捕集する車両搭載可能な排気ガス処理装置において、コンパクトで比較的シンプノレな構成と比較的簡単な再生制御で、フィルタ再生時における浄化率の低下や PMの暴走燃焼を回避しながら、熱効率よくフィルタを再生できる排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供することにある。課題を解決するための手段

[0030] 以上のような目的を達成するための排気ガス処理装置は、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有し、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換免るように構成される。

[0031] 上記の排気ガス浄化装置において、前記フィルタ部を再生するための再生手段を有すると共に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行いながら、前記再生手段により前記フィルタ部の再生処理をするように構成する。

[0032] 上記の排気ガス浄化装置において、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタで形成すると共に、排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも低ぐかつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えるように構成する。

[0033] あるいは、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、排気ガスの温度が前記フィルタ部に捕集された捕集対象成分の自己着火可能な温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、排気ガスの温度が前記自己着火可能な温度よりも低ぐかつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バィパス通路に切り換えるように構成する。

[0034] また、上記の排気ガス処理装置において、前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、前記排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バィパス通路に切り換えている時に、前記再生のための再生手段により、前記フィルタ部を加熱するように構成する。

[0035] そして、更に、上記の排気ガス処理装置において、前記フィルタ部の下流側の流路と前記バイパス通路とが合流する合流部分より下流側に酸化触媒を設けて構成する。この構成では、酸化触媒により、ガス化したまま帯電凝集部とフィルタ部を通過してきた SOF等の蒸発成分を分解することができる。そのため、再生時も含めて、ェンジンの全運転領域において、ガス化したままの成分も下流側に配置した酸化触媒で浄化できる。

[0036] また、上記の排気ガス処理装置において、前記帯電凝集部で排気ガスを冷却するように構成する。この構成では、排気ガス中の SOF等の蒸発成分を凝結及び液化すること力 Sできる。この液化した成分の粘着性により Soot等の微小粒子成分を非常に効率良く凝集できる。

[0037] この所定の回転数以下かつ所定の負荷以下の内燃機関の運転状態とは、コロナ放電が安定化し、また、帯電凝集部において排気ガス中の PM等の捕集対象成分が凝集すると共に、帯電凝集部に捕集された捕集対象成分が殆ど再飛散しない程度の排気ガス流量となるような内燃機関の運転状態のことをいう。以下、この状態の運転領域のことを「再生処理用運転領域」ということにする。

[0038] この所定の回転数と所定の負荷で決まる再生処理用運転領域の具体的な範囲は、内燃機関の機種によって排気ガスの状態が異なるため、また、フィルタ部における PM等の捕集対象成分の自己燃焼可能な温度によっても再生が不要となる排気ガス温度が異なるため、一律に決定することは困難である。しかし、再生処理用運転領域の範囲は、エンジンの機種毎、又は、個々のエンジン毎に決まる。従って、予め実験などにより、これらの数値を求めておいて制御装置に入力しておくことで、判定前までにこれらの入力データから範囲を算出できるようにすることができる。

[0039] また、このフィルタ部としては、目の粗いフィルタだけでなぐ触媒を担持した連続再生式のフィルタや、触媒を担持しない非連続再生式のフィルタ等も、用いることができる。

[0040] 連続再生式のフィルタの場合には、排気ガス温度がフィルタ部の再生が可能な所定の温度（例えば、 350°C程度）以上では、触媒作用により PMの Soot等の捕集対象成分を酸化できる。そのため、捕集対象成分の自己燃焼可能な温度範囲が広くなる。従って、再生領域が広くなり、再生処理用運転領域を狭く設定することができる。

[0041] 一方、非連続再生式のフィルタの場合には、 PMが自己燃焼できる温度、即ち、自己着火可能な温度（例えば、 500°C程度）以上の再生領域では、フィルタ部における捕集対象成分の蓄積は生じないが、それ以下では捕集対象成分の蓄積が生じて、強制的に再生処理する必要がある。そのため、再生処理用運転領域が、連続再生式のフィルタを使用する場合よりも広くなる。しかし、再生処理用運転領域が広くなつても、触媒を担持していないので、触媒の劣化に対する対策が不要となるといぅメリツトがある。この触媒の劣化は、再生処理時に捕集対象成分の燃焼によってフィルタが高温になることに起因する。

[0042] この排気ガス浄化装置においては、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域の場合には、排気ガスの大部分がフィルタ部に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部とフィルタ部で、排気ガス中の PM等の捕集対象成分を捕集する。この時、帯電凝集部で凝集肥大化しながら静電捕集された Soot等の固体粒子は、排気ガスの流れによって剥がれて再飛散する。しかし、この再飛散粒子は、後段のフィルタ部で捕集される。そのため、高い浄化率を維持できる。

[0043] 一方、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態の再生処理用運転領域の場合には、排気ガスの大部分力 Sバイパス通路に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部のみで、排気ガス中の PM等の捕集対象成分を捕集する。この時、排気ガス中に含まれる捕集対象成分も少なぐまた、排気ガスの量も少ないので、捕集対象成分は帯電凝集部に捕集されたまま、再飛散しない。そのため、排気ガスの大部分をフィルタ部をバイパスさせても、浄化率は低下しない。従って、高い浄化率を維持できる。

[0044] そして、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態で、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていない時は、フィルタ部の再生処理を特に行う必要がないので、そのまま、運転が継続される。なお、この捕集量はフィルタ部の前後差圧等から推定することができる。

[0045] このフィルタ部で捕集された捕集対象成分は、回転数と負荷が高くなつて排気ガスの温度が 500°C程度にまで高くなると燃焼除去される。しかし、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域にならずに、また、排気ガスの温度がフィルタ部に捕集された捕集対象成分が燃焼を開始する温度 (例えば 500°C程度）に到達することなぐこの高回転運転状態や高負荷運転状態が継続し、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になってしまった時には、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行するまで、あるいは、排気ガスが 500°C程度以上になって自己燃焼による再生が行われるまでの間、できるだけ長く再生処理を待つ。しかし、フィルタ部が捕集可能な最終的な限界を超えた場合には、フィルタ部の再生処理を行ってもよレ、。この再生処理は、再生用の再生手段等によりフィルタ部を加熱して、捕集対象成分を燃焼除去する。

[0046] この再生処理では、排気ガスの温度が比較的高いので、僅かな熱の追加で再生処理できる。そのため、ヒータ加熱の場合には消費電力が少なくて済む。この再生処理は、帯電凝集部ではコロナ放電を行いながら実施される。排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部とフィルタ部に捕集される。

[0047] そして、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行した場合には、次のように、フィルタ部の再生処理が行われる。

[0048] 先ず、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態において、フィルタ部の再生処理を開始した後に再生処理用運転領域の運転状態になった場合は、流路切換手段により排気ガスの少なくとも大部分の流れをバイパス通路に切り換えると共に、再生処理用の再生手段によるフィルタ部の加熱を継続することにより、捕集対象成分を燃焼除去してフィルタ部の再生処理を継続実施する。なお、この再生処理は、帯電凝集部ではコロナ放電を行いながら実施される。排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部に捕集される。

[0049] この再生処理用運転領域におけるフィルタ部の再生処理では、大部分の排気ガスの流れをフィルタ部をバイパスさせることにより、フィルタ部の熱が排気ガスによって奪われることを防止できる。そのため、熱効率よく再生処理でき、消費電力を低減できる。また、排気ガスによって供給される酸素量が少ないので、熱暴走も防止できる。

[0050] また、フィルタ部の再生処理を加熱ではなぐ機械機構による払い落としで行う場合でも、払い落とした捕集対象成分が排気ガスの主流中に再飛散することが無い。

[0051] 次に、フィルタ部の再生処理を行っていない状態で、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になった場合は、流路切換手段により排気ガスの少なくとも大部分の流れをバイパス通路に切り換る。

[0052] そして、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていなくても、再生処理用の再生手段によりフィルタ部を加熱し、捕集対象成分を燃焼除去してフィルタ部の再生処理を実施する。そして、この再生処理は、捕集された捕集対象成分が燃焼除去された時点で終了される。

[0053] このフィルタ部の再生を終了するタイミングは、捕集対象成分の酸化が終了した時である。具体的には、フィルタ部の下流側の排気ガスの酸素濃度が上昇した時、又は、フィルタ部の下流側の排気ガス温度が低下し始めた時等が考えられる。このタイミングはフィルタ部の下流側に配置した酸素濃度センサや排気ガス温度センサの出力値から検出することができる。

[0054] この再生処理の実施により、フィルタ部に捕集されている捕集対象成分を除去できる。従って、次に内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態、即ち、非再生処理用運転領域になった時に、帯電凝集部から再飛散してくる捕集対象成分を十分にフィルタ部で捕集できるようになる。また、非再生処理用運転領域におけるフィルタ部の再生処理の回数や時間を著しく少なくすることができる。

[0055] また、この再生処理用運転状態では、フィルタ部の再生処理中も再生処理終了後も、帯電凝集部ではコロナ放電を行っているので、排気ガス中の捕集対象成分は帯電凝集部に捕集される。

[0056] なお、このフィルタ部の再生処理を行っていない状態で、非再生処理用運転状態から再生処理用運転領域に移行した場合において、制御を単純化するために、フィルタ部における捕集対象成分の捕集量に関係なぐ再生処理を必ず行うようにしてもよレ、。しかし、再生処理に伴う加熱用電力の低減を図るために、前回の再生処理から非再生処理用運転領域の運転状態が所定の時間を超えた場合や、再生処理用運転領域に移行した時のフィルタ部における捕集対象成分の捕集量が所定の再生処理開始量（閾値）を超えていた場合のみ再生処理を行うように構成してもよい。なお、この所定の再生処理開始量 (閾値)は、所定の捕集限界量 (閾値)より小さく設定される。

[0057] また、このフィルタ部を再生するための再生手段としては、外部加熱方式の手段や、電気ショート方式の手段等を用いることができる。外部加熱方式では、電気ヒーターでフィルタを直接加熱したり、バーナー等で高温ガスを供給してフィルタを加熱する。また、電気ショート方式では、捕集対象成分が溜まってくると隣接して設けた電極間の隙間が坦まり、両電極間で電気が短絡し、この短絡により発生した火花で捕集対象成分の自己燃焼を開始させる。

[0058] この排気ガスの流路切換手段は、切換弁等の切換や幾つかの開閉弁で構成する。

排気ガスの主な流れをバイパス通路に切り換えた場合に、フィルタ部への排気ガスの流入を完全に止めることないように構成する。つまり、フィルタ部への排気ガスの流路に対しては、切換弁又は開閉弁を閉じた時でも隙間が開くように形成して、少量の排気ガスがフィルタ部に流れるように構成する。捕集対象成分の暴走燃焼を防止するために、フィルタ部に対する捕集対象成分の酸化用の酸素の適正量の供給と、フィルタ部の冷却を行う。これにより、フィルタ部の焼損や溶損を防止するだけでなぐ触媒を担持している場合はその触媒の熱劣化を防止する。

[0059] そして、上記の目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有する排気ガス処理装置において、内燃機関の回転数が所定の回転数以上又は負荷が所定の負荷以上の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部に切り換えて、前記フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、内燃機関の回転数が前記所定の回転数以下でかつ負荷が前記所定の負荷以下の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えて、排気ガスの主流から前記フィルタ部を切り離し、前記フィルタ部の再生処理を行うことを特徴とする。

[0060] つまり、本発明では、エンジン回転数と負荷に応じて、排気ガス流量が多い非再生処理用運転領域では帯電凝集部の後段のフィルタ部に排気ガスの大部分を流して、フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、排気ガス流量が少なレ、再生処理用運転領域では、静電捕集の機能も有する帯電凝集部で粒子状の捕集対象成分を十分に捕捉させながら、排気ガスの大部分をバイパス通路に流して、排気ガスの主流力フィルタ部を切り離して、フィルタ部の再生処理を行うように構成する。

[0061] この構成により、再生時にフィルタ部を排気ガスの主流から切り離せるため、ヒータ加熱で再生する場合には、熱を排気ガスに奪われることがなレ、。従って、熱効率が良くなり消費電力が低減する。また、フィルタ部を払い落としで再生する場合でも、排気ガス流が殆ど無いので、払い落とした捕集対象成分が排気ガス中に再飛散することが殆ど無い。従って、帯電凝集部やフィルタ部を 2系統設ける必要が無ぐコンパクトな装置で高い浄化性能を得ることができる。

[0062] また、エンジン回転数と負荷が低い時に帯電凝集部に溜め込まれた捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が高くなつた時に再飛散してフィルタ部に捕捉される。この捕捉され捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が高ぐ排気ガス温度が 500°C程度まで高くなる領域では燃焼除去される。

[0063] そして、下流側のフィルタ部に溜め込まれた捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が低い場合には、上記のような熱再生処理等により効果的に再生できる。また、ェンジン回転数と負荷が高い場合には、排気ガスの大部分が流通しているので、排気ガス温度が捕集対象成分の自己着火可能な温度（500°C程度）にまで高くなる時には特に加熱せずとも燃焼除去が可能となる。また、排気ガスの温度が比較的高い時は、僅かなヒータ電力で自己着火可能な温度まで追加熱することも可能となる。

[0064] なお、既存の DPFを備えた排気ガス処理装置に、帯電凝集部や必要に応じてフィルタ部を昇温するための再生手段と本発明の制御方法を追設することで、本発明の排気ガス処理装置とすることができる。

発明の効果 [0065] 本発明の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法によれば、次のような効果を奏すること力 Sできる。

[0066] フィルタ部の再生を、内燃機関の運転状態が、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の時、即ち、再生処理用運転領域の運転状態にある時に、排気ガスの少なくとも大部分をバイパス通路に切り換えて実施する。そのため、フィルタ再生処理用の熱が排気ガスによって奪われることが無ぐ熱効率よくフィルタ部の再生処理を行うことができる。従って、ヒータ加熱等による消費電力を低減すること力 Sできる。

[0067] しかも、帯電凝集部に流入する排気ガスをフィルタ部の再生処理のために昇温することなく、フィルタ部を再生手段により昇温する。そのため、再生処理時においては、帯電凝集部に流入する排気ガス温度が低ぐコロナ放電が安定し凝集及び捕集効率が上昇しており、また、排気ガス流量が少なくて、流速が遅くて再飛散が発生し難くなつていて、フィルタ部による捕集機能を必要としない状態にある。そのため、このフィルタ部の再生処理時に、帯電凝集部を通過した後の排気ガスがフィルタ部をバイパスしても、 PM等の捕集対象成分が排気ガス処理装置の下流側に流出することが無レ、。従って、再生処理時に浄化率が悪化することが無い。

[0068] そして、フィルタ部を再生処理する時に、排気ガスの少なくとも大部分をバイパス通路に流す。そのため、フィルタ部に流入する酸素量を少なくして、フィルタ部に捕集された捕集対象成分の暴走燃焼を抑制することができる。また、少量の排気ガスをフィルタ部に流すのでフィルタ部を冷却できる。この冷却によっても、フィルタ部の過剰昇温による捕集対象成分の暴走燃焼を抑制できる。

[0069] 従って、上記の排気ガス処理装置を採用することにより、エネルギー効率よくフィノレタ部を再生処理できる。それと共に、コンパクトかつシンプルな構成で、フィルタ部再生処理時における浄化率の低下の問題やフィルタ部の焼損や溶損や担持触媒の劣化の問題も解決することができる。

図面の簡単な説明

[0070] [図 1]本発明に係るガス処理装置の構成を模式的に示す図である。

[図 2]帯電凝集ユニットの側断面図である。 [図 3]筒状体の断面形状が円形の帯電;凝集ユニットを示す断面図である。

[図 4]筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。

[図 5]乱流促進手段を設けた帯電凝集ユニットの側断面図である。

[図 6]乱流促進手段を設けた筒状体の断面形状が円形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。

[図 7]乱流促進手段を設けた筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。

[図 8]集塵電極と筒状体を別体で形成した帯電凝集ユニットの側断面図である。

[図 9]乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が円形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。

[図 10]乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が端部が円形の偏平体で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である

[図 11]乱流促進手段を設けた集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が矩形の帯電凝集ユニットを示す断面図である。

[図 12]乱流促進手段を兼ねる集塵電極とは別体に形成した筒状体の断面形状が長方形で、コロナ電極が複数ある帯電凝集ユニットを示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

[0071] 以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法につレ、て、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理対象ガスとした排気ガス処理装置を例にして、図面を参照しながら説明する。

[0072] 図 1に示すように、この排気ガス処理装置 1は、排気ガス中の捕集対象成分である S oot成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部 10を上流側に、この凝集させた成分を捕集するフィルタ部 20を下流側に備えて構成される。それと共に、このフィルタ部 20をバイパスするバイパス通路 40を設けて構成される。また、フィルタ部 20の下流側で、かつ、バイパス通路 40の合流部 42より下流側に、酸化触媒 30を設けて構成される。 [0073] つまり、コロナ放電により Sootを粗大化して凝集したり、一時的に捕集したりする帯電凝集部 10を前段に、この帯電凝集部 10から再飛散する肥大化した Sootを捕集するフィルタ部 20を中段に、ガス化したままの SOF等の蒸発成分を浄化する酸化触媒 30を後段に配置すると共に、フィルタ部 20のみをバイパスするバイパス通路 40を設ける。

[0074] このバイパス通路 40は、帯電凝集部 10とフィルタ部 20の間から分岐されて、フィノレタ部 20と酸化触媒 30との間の合流部 42に合流する。帯電凝集部 10とフィルタ部 20 の間に流路切換手段である切換弁 41を設ける。この切換弁 41は、排気ガスの流れをフィルタ部 20への流れとバイパス通路 40への流れとに切り換える役割を持つ。通常は 1つの切換弁 41で構成する力この切り替え弁 41の代りに複数の開閉弁で構成してもよレ、。なお、フィルタ部 20の再生時において、排気ガスの流れをバイパス通路 40に切り換えた場合でも、フィルタ部 20への排気ガスの流れを完全に遮断せずに、フィルタ部 20に捕集された PM燃焼のための酸素を供給することができるように、少量の排気ガスが流入するように構成する。

[0075] 更に、フィルタ部 20の前後差圧を検出する差圧センサ 51を設ける。更に、フィルタ部 20の下流側に酸素濃度センサ 52と排気ガス温度センサ 53を設ける。これらのセンサ 51 , 52, 53の出力は、排気ガス処理装置 1の制御装置 50に入力される。この制御装置 50は、通常はエンジンコントロールユニットと呼ばれるエンジンの制御装置に組み入れられて構成される。この制御装置 50は、帯電凝集部 10のコロナ放電の制御やフィルタ部 20の再生手段の制御を行う。

[0076] この帯電凝集部 10は、複数、例えば、 6本の帯電凝集ユニット 11を並列に配置して構成される。この帯電凝集ユニット 11は、図 2〜図 4に示すように、低電圧電極で形成される集塵電極 11aと、高電圧電極で形成されるコロナ電極 l ibとを有して構成される。

[0077] 特に、自動車搭載のエンジンの排気ガスを対象とする場合は、このように、帯電凝集部 10は、帯電凝集ユニット 11を並列配置した多管構造とするのが好ましい。帯電凝集部 10に投入可能な電力は PM捕集能力と大きな関係がある。そのため、ェンジンのアイドリングから最高回転速度までの広い運転範囲で帯電凝集部 10の機能を十分に発揮させようとすると、単管で長くするか、多管で短くするかのいずれ力となる。し力し、自動車では配置スペースが限られることと、絶縁状態を常時保つのに長いものは強度面及び振動面で不利であるを考慮すると、多管構造が有利となる。

[0078] この集塵電極 11 aは、例えば、 SUS304製等の導電性の材料で、円筒状体等の筒状体に形成される。この集塵電極 11aは、上流側はガス入口室 11cに、下流側はガス出口室 l idに接続される。この集塵電極である筒状体 11aはガス通路の通路壁を兼ねる。この筒状体 11aの断面形状は特に限定されない。コロナ放電の安定性等を考えると円形が好ましいが、正方形等でもよい。特に、コロナ電極 l ibを複数設ける場合には、楕円形、三角形、長方形、その他の多角形であってもよい。

[0079] コロナ電極 l ibは、電界集中係数の高い電極であればよい。コロナ電極 l ibは、細線電極、角状電極、突起構造付き電極等の線状 (ワイヤ状)や棒状等の線状体、例えば、 SUS304製の中空ワイヤ等で形成される。そして、筒状体 11 aの内部、例えば、筒状体の軸心部分等の中央に配置される。また、図 4に示すように、筒状体 11aの内部に、複数のコロナ電極 l ibを設けてもよい。

[0080] この集塵電極 11 aとコロナ電極 l ibは、碍子等により互いに電気的に絶縁状態にして構成される。この集塵電極 11aは電気的に接地（アース）され、接地電位に保たれる。しかし、必要に応じて、別電位に保持される。一方、コロナ電極 l ibは高圧電源に接続される。この高圧電源で発生し、コロナ電極 l ibに印加する高電圧は、一般的には、負極性の直流電圧を用いるのが好ましい。しかし、直流、交流、パルス状のいずれであってもよレ、。また、極性も、負極性でも正極性でもあってもよレ、。また、電圧は、この筒状体 11aとコロナ電極 l ibとの間を通過する排気ガス G中にコロナ放電を発生できる電圧であればょレ、。

[0081] そして、この筒状体 11aの通路壁を冷却壁 (ガス冷却部）とし、帯電凝集部 10で排気ガス Gを冷却できるように構成する。つまりこの筒状体 11aの外面側を、自然空冷又は強制冷却するように構成する。

[0082] この自然空冷においては、次のような構成で、外気との接触を容易にし、自然対流伝熱が行われ易くする。筒状体 11 aの外面を保温しない。また、筒状体 11aを排気ガス処理装置 1のケース等の別の筒体（図示しない）で密閉しない。大気開放状態にする。ケースとなる別の筒体を通気孔を設ける。また、熱放射による冷却効果を促進できるように、周囲の部材の温度を低くする。熱伝導による冷却効果を上げるために、低温の熱伝導体と接触させる。筒状体 11 aの外部への放熱を促進する冷却用のフィンを、筒状体 11aの外面に設ける。この冷却用フィンとしては、例えば、熱交換器等で一般的に用いられている、平滑環状フィン、スロットフィン、テントフィン、短冊フィン、ワイヤーループフィン等がある。

[0083] また、強制冷却においては、ファン等により筒状体 11aの外面に送風して対流伝熱による強制冷却をしたり、筒状体 11aを冷却水等の冷媒が通過する二重管構造とし、筒状体 11aを冷媒で強制冷却するように構成する。これらの冷却手段に限られず、一般的な冷却手段を適用できる。

[0084] そして、排気ガス処理装置 1を車両に搭載した場合には、車両の走行により、帯電凝集部 10の外気に露出した筒状体 11等の部分に強い風が当たるので、自然対流や熱放射による自然放熱によって排気ガス Gが冷却される。そのため、特別あるいは能動的な冷却手段を設けなくても、積極的な保温手段を設けなければ、冷却効果を得ること力 Sできる。

[0085] このガス冷却は、処理対象ガス Gが 200°C以上の温度である場合において、特に有効である。つまり、処理対象ガスが 200°C以上であると、 SOF等の成分の多くは蒸発してガス化している力このガス冷却により排気ガス Gをそれ以下の温度にして、 S OF等の蒸発成分を凝縮させて液化することができる。この液化した成分の粘着性により、ベトべト状態の鳥もちのような効果を発揮できる。従って、 Soot等の微小粒子を非常に効率よく凝集できるようになる。つまり、液化した SOF分の存在は、 Soot凝集の接着剤的作用を発揮する。

[0086] また、帯電凝集部 10の帯電凝集ユニット 11においては、図 5〜図 7に示すように、帯電凝集部 10の筒状体 11aの内側表面近傍の排気ガス Gの流れに対して乱流を促進する乱流促進手段 1 leを筒状体 1 laの表面又は表面近傍に設けることができる。この乱流促進手段 l ieは筒状体 11aの表面をカ卩ェして設けてもよぐ筒状体 11aとは別体の構造物を筒状体 11aの表面に当接又は浮かせて配置してもよい。

[0087] この乱流促進手段 l ieは凹凸構造とすることもできる。この凹凸構造は、次のようにして形成できる。単数又は複数の線状体 (丸棒や角棒)を筒状体 1 laにスパイラル状にして挿入し、筒状体 11aの内側表面に巻き付ける。筒状体 11aの内側表面に溝きりにより台形形状の凸部や、格子溝や螺旋溝等の規則正しい凹凸を設ける。これらにより、乱流促進手段 l ieを内面溝付き管構造で構成する。また、リング状の凸部を筒状体 11aの内側表面に筒状体 11aの軸方向に間隔をおいて形成する。三次元構造を持つフィンで形成する。ブラスト処理して乱雑な凹凸を形成する。なお、これらの凹凸は一様に形成されてレ、てもよく、分散配置されてレ、てもよレ、。

[0088] 更に、筒状体 11aをカ卩ェするだけでなぐ加工により凹凸を設けた板材や、既に凹凸を有して形成されている板材を、筒状体 11aに揷入可能に整形して揷入してもよレ、。また、既に凹凸を有して市販されているような面状体を筒状体 11aを揷入してもよレ、。この面状体としては、金網やパンチングメタル、エキスパンダメタル等のシート状突起物が有用である。この面状体として、スリットグリル、ダイヤスクリーン、ディンプルスクリーン（孔無し）、ディンプルスクリーン (孔有り）、スリット出窓スクリーン、ブリッジ出窓スクリーン、三角出窓スクリーン、半円出窓スクリーン等々の打ち抜きスクリーンを使用できる。

[0089] この乱流促進手段 l i eの乱流促進により、流路断面方向の攪拌作用を大きくすることができる。そのため、流路空間全体において排気ガス中の成分の帯電に要する時間の短縮化、帯電粒子の集塵電極の対向面への接触の容易化、排気ガスの対向面近傍における主流方向流速の低速化に伴う滞留時間の増加を図ることができる。従つて、静電力による帯電粒子の捕捉を一層促進することができる。

[0090] また、帯電凝集部 10の帯電凝集ユニット 11を、次のように構成することもできる。図

8〜図 12に示すように、帯電凝集ユニット 11のガス通路壁、即ち、帯電凝集部 10のガス通路壁を、筒状体 1 Ifで形成し、低電圧電極となる集塵電極 11aをガス通路壁 1 Πの表面近傍に配置された導電性の筒状体で形成する。また、コロナ電極 l ibを筒状体 l lfの内部に配置した線状体の高電圧電極で形成する。この筒状体 l lfと集塵電極 11aは共に導電材料で形成してもよい。しかし、筒状体 l lfを絶縁材料で形成し、集塵電極 11aを導電材料で形成すると、帯電凝集ユニット 11の表面が筒状体 l lf により電気的に絶縁される。その結果、漏電等に対する安全性が増す。 [0091] また、図 8〜図 11に示すように集塵電極 11aの表面又は表面近傍に乱流促進手段 11 eを設けたり、図 12に示すように集塵電極 11 aを乱流促進手段 11 eで形成すると、乱流促進手段 1 leによる効果を得ることができる。

[0092] この構成では、集塵電極 11aを筒状体 1 Ifと別体にして形成しているので、集塵電極 11aはガス通路壁の機能が不要となる。そのため、集塵電極 11aはガス通過性を有してもよくなり、表面積を増加できる。その結果、より凝集肥大化の効果を大きくすること力 Sできる。また、筒状体 1 Ifを絶縁体で形成すると、帯電凝集ユニット 11の表面を電気的に絶縁でき、漏電等に対する安全性を増すことができる。

[0093] フィルタ部 20は、帯電凝集部 10から、粗大化して再飛散してくる凝集体を捕集して除去するためのフィルタを有して構成される。このフィルタは、耐熱性に優れた SiCやコージエライト等のセラミック製であってもよレ、。しかし、ステンレス等の金属製のフィルタで形成すると、捕集した PMを燃焼除去する際に、高温にしても溶損し難い。従つて、有炎燃焼により簡単にフィルタを再生することができるようになる。

[0094] このフィルタ部 20は、上流側の帯電凝集部 10で捕集対象成分である Sootを凝集肥大化させてから捕集するので、圧力損失の小さい、比較的目の粗レ、フィルタで形成すること力 Sできる。また、フィルタ部 20には、触媒を担持しない非連続再生式のフィルタも、触媒を担持した連続再生式のフィルタも用いることもできる。

[0095] そして、このフィルタ部 20は、 Sootの捕集量が増加し目詰まりしてきた時に、 Soot を燃焼除去するために、フィルタ部 20の再生が必要になり、そのための再生手段が必要になる。

[0096] この再生手段としては、加熱用ヒータやバーナーや短絡用電極等が考えられる。

[0097] 加熱用ヒーターでは、フィルタ部材の表面、又は、表面と内部に金属線等のヒータ一を埋め込んで、このヒーターに通電することにより発熱させてフィルタ部 20を昇温する。この加熱ヒーター方式の場合は、ヒーターの電気抵抗値と投入電力でフィルタ部 20の昇温や維持温度をコントロールする。

[0098] また、バーナーは、バイパス通路 40の分岐部下流のフィルタ部 20の直前に燃焼ガスを供給してフィルタ部 20を加熱して昇温するものである。このバーナーに外部燃料 (車両用燃料との共用も可能）を供給して燃焼し、高温ガスを発生させる。この高温ガスによりフィルタ部 20を昇温させる。排気ガス中に高温ガスが注入されるので、排気ガス中の PMも着火させて、フィルタ部 20の昇温に寄与させることができる。

[0099] 短絡用電極は、フィルタ部材の電導部分に隣接して設けた電極で形成される。短絡用電極は、 Sootが溜まってくると隣接して設けた電極間が電気的に短絡する。あるいは、、フィルタ部材の電導部分と短絡用電極と間の隙間が捕集された Sootで坦まると、電気的に短絡する。これらの短絡により発生した火花で Sootが自己燃焼する

[0100] なお、セラミックスフィルタの場合は、再生手段による局部的な加熱では、フィルタの温度を均一にし難ぐ再生ムラや温度差に起因する熱割れが発生し易い。しかし、金属フィルタの場合は、温度の均一化が容易である。また、金属フィルタの場合は、カロ熱ヒーターやバーナーなどによる外部加熱方式以外にも、短絡用電極による方式を用レ、ることもできる。

[0101] 酸化触媒 30は、セラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この酸化触媒 30は、ガス冷却によっても液化しないで、気相状態でフィルタ部 20を通過する SOF等の蒸発成分を浄化する。

[0102] そして、この排気ガス処理装置 1においては、次のようにして排気ガス Gを浄化する

[0103] 最上流側の帯電凝集部 10では、ガス入口室 11cから各々の帯電凝集ユニット 11 の筒状体 (集塵電極） 11aの内部に排気ガス Gを通過させる。それと共に、コロナ電極 l ibと集塵電極 11aとの間に高電圧を印加して、集塵電極 11aの内部にコロナ放電を形成する。そして、この内部を通過する排気ガス G中の PMの Soot (スート：煤）等の捕集対象成分を帯電させる。この帯電した粒子を凝集する。

[0104] この帯電凝集部 10では、コロナ放電による帯電を利用して、排気ガス中の Soot等の固形成分を帯電させる。それと共に、排気ガス Gが冷却され、この冷却により凝縮したミスト状の S〇F (可溶性有機成分)等の液体成分がバインダーの役割を果す。そのため、この排気ガス処理装置 1では、冷却により凝縮した液体成分のバインダー機能を利用できる。そのため、繊細な Sootの粒子を、より効率良く凝集することができる。つまり、帯電凝縮部 10で、コロナ放電の電気集塵機能に加えて、ガス冷却により凝縮した SOF等の液体成分の接着機能を利用して、排気ガス G中の浮遊微粒子を効率よく凝集肥大化できる。

[0105] この凝集体は、コロナ電極 l ibと集塵電極 11aの間の電場により、クローン力により集塵電極 11aに移動し、一時的には集塵電極 11aの表面に捕集される。しかし、集塵電極 11aに触れて電荷を失い、また、壁面上で更に粗大化する。その結果、排気ガス Gの流れにより集塵電極 1 laの表面から剥離し再飛散する。

[0106] そして、この再飛散してくる凝集体や直接流入する捕集対象成分を、フィルタ部 20 で捕集する。再飛散したり、 S〇Fの回りに凝集したりした凝集体は、粗大化及び肥大化しているため、フィルタの目が比較的粗くても効率良く捕集することができる。従つて、通常の物理的なフィルタだけで機械的にトラップする場合に比べ、より繊細な So otの粒子を効率良く捕集することができる。なお、フィルタ部 20で、圧力損失の小さい目の粗レ、フィルタを用いることができる。従って、フィルタ部 20の圧力損失を小さくでき、また、目詰まりまでの間、かなりの長時間連続運転することができる。

[0107] また、最下流の酸化触媒 30においては、ガス化したまま帯電凝集部 10とフィルタ部 20を通過してきた SOF等の成分を酸化して除去する。これにより、凝縮しなかった SOF等の蒸発成分も除去できる。従って、 PMの除去能力を更に高めることができる

[0108] これらの結果、排気ガス処理装置 1に流入した排気ガス Gは、浄化された排気ガス Gcとしてこの排気ガス処理装置 1から排出される。

[0109] そして、 Soot等の捕集対象成分が蓄積されて目詰まりが進行し、所定の限界値（閾値）を超えた場合には、フィルタに設けた再生手段（図示しない）等によりフィルタを加熱する。この加熱により、フィルタの温度を Sootの自己着火可能な温度（500°C程度）以上に上昇させて、 Sootを燃焼除去する。このフィルタの温度上昇は局部的であっても、一旦 Sootの燃焼が開始されると燃焼熱が発生し燃焼の伝播が起こる。従つて、フィルタ全体の Sootを燃焼除去して、フィルタ全体を再生できる。この場合に、フィルタ部 20を金属製のフィルタで形成すると、 Sootを燃焼除去する際に、高温にしても溶損し難いので、有炎燃焼により簡単に再生することができる。

[0110] そして、本発明においては、このフィルタ部 20を再生するための制御を、所定の回転数以下かつ所定の負荷以下のエンジンの運転状態の時に行う。ここでは、この状態の運転領域のことを「再生処理用運転領域」ということにする。

[0111] この再生処理用運転領域を定める所定の回転数と所定の負荷は、内燃機関の機種によって排気ガスの状態が異なるため、また、フィルタ部 20における PMの自己燃焼可能な温度によっても再生が不要となる排気ガス温度が異なるため、一律にその範囲を決定することは困難である。しかし、予め実験などにより、エンジンの機種毎又は個々のエンジン毎に決めることができる。

[0112] つまり、この再生処理用運転領域は、帯電凝集部 10のコロナ放電が安定化し、また、帯電凝集部 10において凝集して、帯電凝集部 10に捕集された PM等の捕集対象成分が殆ど再飛散しない排気ガス流量となるような状態である。そのため、実験的に求めた排気ガスの状態とエンジンの運転状態の関係から、回転数等の具体的な数値を決定できる。そして、これらの数値を予め制御装置に入力しておき、エンジンの運転状態が再生処理用運転領域か否かを判定する時点までに、これらの入力データから回転数等の具体的な数値を算出するように構成する。

[0113] なお、この再生処理用運転領域の一例をあげれば、特定の機種の実験結果である、回転数と負荷が、最高出力時の回転数と負荷のそれぞれの 50〜60%以下となる。

[0114] 次に、本発明の実施の形態の排気ガス処理装置における排気ガス Gの浄化とフィルタ部 20の再生処理について説明する。

[0115] この排気ガス浄化装置 1においては、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域の場合には、排気ガス Gの少なくとも大部分がフィルタ部 20に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部 10とフィルタ部 20で、排気ガス G中の PM等の捕集対象成分を捕集する。

[0116] この時、帯電凝集部 10で Sootの固体粒子は集塵電極に凝集肥大化しながら静電捕集される。しかし、排気ガス Gの量が多く流速が大きいため、堆積した固体粒子は排気ガス Gの流れによって剥がれて再飛散する。しかし、この再飛散粒子は、後段のフィルタ部 20で捕集されるため、高い浄化率を維持できる。

[0117] このフィルタ部 20で捕集された Sootは、回転数と負荷が高くなつて、排気ガス Gの温度が自己着火可能な温度（500°C程度）にまで高くなると、燃焼除去される。

[0118] そして、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態の再生処理用運転領域の場合には、排気ガス Gの少なくとも大部分がバイパス通路 40に流れるように切り換えて、コロナ放電を行っている帯電凝集部 10のみで、排気ガス G中の Sootを捕集する。この時、排気ガス G中に含まれる Sootは少なぐまた、排気ガス Gの量も少なく流速が小さい。そのため、 Sootは帯電凝集部 10に捕集されたまま、再飛散しない。従って、排気ガス Gの大部分をフィルタ部 20をバイパスさせても、排気ガス Gの浄化率は低下しないので、高い浄化率を維持できる。

[0119] そして、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の非再生処理用運転領域で、フィルタ部 20における Sootの捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になっていない時は、フィルタ部 20の再生処理を特に行う必要がなレ、。そのため、そのまま、運転が継続される。なお、この捕集量は、フィルタ部 20の前後差圧を検出する差圧センサ 51の検出値から推定することができる。

[0120] また、この高回転運転状態や高負荷運転状態が継続し、内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域になることなぐまた、排気ガス Gの温度がフィルタ部 20に捕集された Sootが燃焼を開始する自己着火可能な温度に到達することなぐフィルタ部 2 0における Sootの捕集量が所定の捕集限界量（閾値）になってしまった時には、即ち、差圧センサ 51で検出された前後差圧が所定の限界値（閾値)を超えた時には、次のように処理される。

[0121] 内燃機関の運転状態が再生処理用運転領域に移行するまでの間、あるいは、排気ガス Gが自己着火可能な温度以上になって自己燃焼による再生が行われるまでの間、できるだけ長く再生処理を待つ。しかし、捕集可能な最終的な限界を超えた場合には、フィルタ部 20の再生処理を行う。

[0122] この再生処理は、再生処理用の再生手段や排気ガス昇温等によりフィルタ部 20を加熱し、 Sootを燃焼除去する。この再生処理では排気ガス Gの温度が比較的高いので、僅かな熱の追加で再生処理できる。従って、ヒータ加熱の場合には消費電力が少なくて済む。この再生処理は、帯電凝集部 10ではコロナ放電を行いながら実施され、排気ガス G中の Soot分等は帯電凝集部 10とフィルタ部 20に捕集される。 [0123] そして、フィルタ部 20の再生処理を、エンジンの運転状態がエンジンのスタート時や高回転運転状態や高負荷運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になつた時に、切換弁 41を操作して、帯電凝集部 10を通過した排気ガス Gの少なくとも大部分をバイパス通路 40に切り換える。そして、帯電凝集部 10でコロナ放電を行いながら、フィルタ部 20の再生処理を実施する。

[0124] このフィルタ部 20の再生処理は、エンジンの運転状態が再生処理用運転領域の運転状態に移行する前に再生処理を開始していた場合にはその再生処理を継続し、移行前に再生処理していない場合は、フィルタ部 20における捕集対象成分の捕集量に関係なぐ再生処理を開始する。

[0125] この再生処理は、帯電凝集部 10に流入する排気ガス Gをフィルタ部 20の再生処理のために昇温することなぐフィルタ部 20を再生手段により昇温して、フィルタ部 20の再生処理を行う。つまり、エンジンに要求される回転数や出力と関係なくフィルタ部 2 0の再生処理のためだけに、エンジンのシリンダ内への燃料噴射制御でポスト噴射等を行って排気ガス温度を上昇させるようなことをせずに、再生処理を行う。

[0126] そして、このフィルタ部 20の再生処理の終了は、捕集対象成分の酸化が終了してフィルタ部 20の下流側の排気ガス Gの酸素濃度が上昇した時とする。このタイミングは、フィルタ部 20の下流側に配置した酸素濃度センサ 52の検出値から検出することができる。あるいは、フィルタ部 20の下流側の排気ガス Gの温度が低下し始めた時とすることもできる。この場合は、フィルタ部 20の下流側に配置した排気ガス温度センサ 53の検出値から検出することができる。

[0127] このフィルタ部 20の再生処理の実施により、フィルタ部 20に捕集されている Sootが除去される。従って、次に内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態、即ち、非再生処理用運転領域になった時に、帯電凝集部 10から再飛散してくる Sootを十分にフィルタ部 20で捕集できるようになる。また、非再生処理用運転領域におけるフィルタ部 20の再生処理の回数や時間を少なくすることができる。

[0128] また、この再生処理用運転状態では、フィルタ部 20の再生処理中も再生処理終了後も、帯電凝集部 10ではコロナ放電を行っているので、排気ガス G中の Sootは帯電凝集部 10に捕集される。 [0129] なお、このフィルタ部 20の再生処理を行っていない状態で、非再生処理用運転状態から再生処理用運転領域の運転状態になった場合において、上記のように、制御を単純化するために、フィルタ部 20における捕集対象成分の捕集量に関係なぐ再生処理を必ず行うように構成してもよい。また、再生処理に伴う加熱用電力の低減を図るために、前回の再生処理から非再生処理用運転領域の運転状態が所定の時間を超えた場合や、再生処理用運転領域に移行した時のフィルタ部 20における Soot の捕集量が所定の再生処理開始量（閾値)を超えていた場合のみ、再生処理を行うように構成してもよい。

[0130] 上記の排気ガス処理装置 1及び排気ガス処理方法によれば、次のような効果を奏すること力 Sできる。

[0131] この構成により、内燃機関の運転状態が高回転運転状態や高負荷運転状態の排気ガス量も排気ガス中の捕集対象成分も多い時は、帯電凝集部 10とフィルタ部 20の両方で、捕集対象成分を捕集するので、高い浄化率で排気ガス Gを浄化できる。

[0132] また、内燃機関の運転状態が低回転かつ低負荷運転状態、即ち、再生処理用運転状態の時は、排気ガス Gの少なくとも大部分をバイパス通路 40に切り換えて、帯電凝集部 10のみで捕集対象成分を捕集する。この状態では、排気ガス Gの流量も排気ガス G中の捕集対象成分も少ないので、高い浄化率で排気ガス Gを浄化できる。そして、再生処理時にフィルタ部 20を排気ガス Gの主流から切り離せる。

[0133] この再生処理用運転領域の運転状態で帯電凝集部 10に溜め込まれた捕集対象成分は、非再生処理用運転領域に移行してエンジン回転数と負荷が高くなつた時に再飛散してフィルタ部 20に捕捉される。この捕捉された捕集対象成分は、エンジン回転数と負荷が高ぐ排気ガス温度が自己着火可能な温度（500°C程度）まで高くなる領域では、特に再生処理をしなくても燃焼除去される。

[0134] そして、燃焼除去されずに下流側のフィルタ部 20に溜め込まれた捕集対象成分は、非再生処理用運転領域で排気ガス Gの温度が比較的高い時は、僅かな加熱量で自己着火可能な温度まで追加熱することができる。また、エンジン回転数と負荷が低い再生処理用運転領域では、排気ガス Gの主流と切り離した状態で再生処理できる。従って、効率よく再生できる。 [0135] つまり、内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合である再生処理用運転領域で、排気ガス Gの少なくとも大部分をバイパス通路 4 0に切り換えて、排気ガス Gの大部分がフィルタ部 20をバイパスした状態の時に、フィルタ部 20の再生処理を実施する。従って、再生処理時にフィルタ部 20を排気ガス G の主流から切り離せる。

[0136] そのため、ヒータ加熱で再生する場合には、温度の低い排気ガスが多量流入してフィルタ部 20の熱を奪うことを回避でき、熱効率よく再生処理することができる。従って、再生手段による再生処理に伴う消費電力の低減を図ることができる。また、フィルタ部 20を機械機構による払い落としで再生する場合でも、排気ガス Gの流れが殆ど無いので、払レ、落とした捕集対象成分が排気ガス G中に再飛散することが殆ど無レ、。

[0137] 従って、帯電凝集部 10やフィルタ部 20を 2系統設ける必要が無ぐコンパクトな装置で高レ、浄化性能を得ることができる。

[0138] また、再生処理用運転領域にある時のフィルタ部 20の再生処理では、帯電凝集部 10に流入する排気ガス Gをフィルタ部 20の再生処理のために昇温することなぐフィルタ部 20を再生手段により昇温する。従って、再生処理時においては、帯電凝集部 10に流入する排気ガス Gの温度を低い状態のままにすることができる。

[0139] そのため、帯電凝集部 10では、コロナ放電が安定し、凝集及び捕集効率が上昇している状態で、し力も、排気ガス Gの流量が少なくて、流速が遅くて再飛散も発生し難い状態となっている。つまり、フィルタ部 20による捕集機能を必要としない状態にある。

[0140] そのため、このフィルタ部 20の再生時に、帯電凝集部 10を通過した後の排気ガス Gの大部分がフィルタ部 20をバイパスしても、 PM等の捕集対象成分が排気ガス処理装置 1の下流側に流出することが無ぐ再生処理時に浄化率が悪化することが無レ、。

[0141] 更に、フィルタ部 20の再生処理時に、排気ガス Gのフィルタ部 20への流入量を制限するので、フィルタ部 20への酸素の供給量を制限できる。従って、フィルタ部 20における PMの暴走燃焼を抑制できる。また、温度の低い排気ガスの一部をフィルタ部 20に流入させるので、フィルタ部 20の局部的な過熱を冷却でき、また、フィルタ部 20 の温度の均一化を図ることができる。従って、フィルタの焼損や溶損を防止できる。更に、フィルタが触媒を担持している場合はその触媒の熱劣化も防止できる。

[0142] なお、フィルタ部 20を連続再生式のフィルタで形成した場合には、排気ガス温度がフィルタ部 20の再生が可能な所定の温度（例えば、 350°C程度）以上では、触媒作用により PMの Soot等の捕集対象成分を酸化できる。そのため、捕集対象成分の自己燃焼可能な温度範囲が広くなる。従って、再生用運転領域が狭くなる。

[0143] また、フィルタ部 20を非連続再生式のフィルタで形成した場合には、 PMが自己着火可能な温度（500°C程度）以上では、フィルタ部 20における PMの蓄積は生じない。しかし、それ以下では PMの蓄積が生じ、再生処理する必要がある。そのため、再生処理用運転領域が、連続再生式のフィルタを使用する場合よりも広くなる。しかし、再生処理用運転領域が広くなつても、触媒を担持していないので、再生処理時に捕集対象成分の燃焼によってフィルタが高温になって触媒が劣化することに対する対策が不要となる。

産業上の利用可能性

[0144] 上記の説明ではディーゼルエンジンの排気ガスを処理対象のガスとして説明したが、上述した優れた効果を有する本発明の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法は、自動車搭載の内燃機関の排気ガスのみならず、各種産業用機械や定置式の内燃機関の排気ガス等の排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法として、極めて有効に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有し、

内燃機関の回転数が所定の回転数以下でかつ負荷が所定の負荷以下の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする排気ガス処理装置。

[2] 前記フィルタ部を再生するための再生手段を有すると共に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記帯電凝集部でコロナ放電を行いながら、前記再生手段により前記フィルタ部の再生処理をすることを特徴とする請求項 1記載の排気ガス処理装置。

[3] 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタで形成すると共に、

排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、

排気ガスの温度が前記フィルタ部の再生が可能な所定の温度よりも低ぐかつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする請求項 1又は 2記載の排気ガス処理装置。

[4] 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、

排気ガスの温度が前記フィルタ部に捕集された捕集対象成分の自己着火可能な温度よりも高い時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えず、

排気ガスの温度が前記自己着火可能な温度よりも低ぐかつ、内燃機関の負荷が所定の負荷以下である時には、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えることを特徴とする請求項 1又は 2記載の排気ガス処理装置。

[5] 前記フィルタ部を連続再生式のフィルタ以外のフィルタで形成すると共に、

前記排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えている時に、前記再生のための再生手段により、前記フィルタ部を再生処理することを特徴とする請求項 4記載の排気ガス処理装置。

[6] 前記フィルタ部の下流側の流路と前記バイパス通路とが合流する合流部分より下流側に酸化触媒を設けたことを特徴とする請求項 1〜5のいずれ力 4項に記載の排気ガス処理装置。

[7] 前記帯電凝集部で排気ガスを冷却するように構成したことを特徴とする請求項 1〜

6のレ、ずれか 1項に記載の排気ガス処理装置。

[8] 内燃機関の排気ガス中の捕集対象成分をコロナ放電により帯電させて凝集する帯電凝集部と、該凝集させた成分を捕集するフィルタ部と、該フィルタ部をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部と前記バイパス通路とに切り換える流路切換手段を有する排気ガス処理装置において、

内燃機関の回転数が所定の回転数以上又は負荷が所定の負荷以上の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記フィルタ部に切り換えて、前記フィルタ部で粒子状の捕集対象成分を蓄積し、

内燃機関の回転数が前記所定の回転数以下でかつ負荷が前記所定の負荷以下の場合に、排気ガスの少なくとも大部分の流れを前記バイパス通路に切り換えて、排気ガスの主流から前記フィルタ部を切り離し、前記フィルタ部の再生処理を行うことを特徴とする排気ガス処理方法。