JP3946063B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、特にエンジンの排気に含まれるすす、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分(SOF:Soluble Organic Fraction)等の粒子状物質(以下「PM(Particulate Matter)」という。)を浄化するのに用いて好適な排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要ある。特にディーゼル機関の場合、排気中に有害なPMが含まれており、PMをどのように浄化するかが問題となっている。
【0003】
特開平9−329015号公報では、排気中に含まれるPMを除去するために、一対の電極間に誘電体で構成された多孔質フィルタ及び誘電体を少なくとも1つ挟み込んだコロナ放電素子及びそれを用いたガス処理装置(以下「従来技術1」という。)が提案されている。
【0004】
しかし、従来技術1では、集塵効率を上げようとすると多孔質フィルタの目を細かくする必要がある。これにより、処理前の排気と処理後の排気の差圧が大きくなってしまって、効率的にPMを除去することができず、圧力損失が大きくなってしまう問題がある。また、一対の電極間に高電圧を印加して放電を起こすことによってPMを燃焼して除去するので、消費電力が大きくなってしまう問題もある。
【0005】
特開平6−241019号公報では、ペレットを電極間に入れて、その部分を放電することでPMを燃焼除去するガス浄化装置及び方法(以下「従来技術2」という。)が提案されている。
【0006】
しかし、従来技術2では、小さいPMを十分に浄化することができない問題がある。また、従来技術2は、放電のみでPMを燃焼しているので、消費電力が大きくなってしまう問題もある。
【0007】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、効率的にPMを含む排気を浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、前記帯電手段より排気下流側に設けられ、前記帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する接地極と、前記接地極より排気下流側に設けられ、前記接地極にて集塵された大きな塊の粒子状物質が前記接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質を捕集するフィルタと、を備えている。
【0009】
帯電手段に直流の高電圧が印加されると、帯電手段と接地極との間に電圧勾配が生じ、コロナ放電が発生する。これにより、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質が帯電され、微小の粒子状物質は大きな塊になる。このため、接地極は、帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する。
【0010】
フィルタは、接地極から流れてきた粒子状物質を捕集する。ここでは、接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質が捕集される。このように、上記発明は、静電的に集塵された粒子状物質を接地極で集塵し、更に接地極から流れた粒子状物質を捕集することにより、排気中から粒子状物質を効率よく除去することができる。
【0011】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記接地極は、網目状に構成されたことを特徴とする。このような構成の接地極は、静電的に集塵されて塊になった粒子状物質を捕集する。なお、網目は、粒子状物質の粒子径よりも大きくてもよい。このようにして、接地極には粒子状物質が次第に堆積される。大きな塊になった粒子状物質の一部は崩れて、排気下流に流される。そして、フィルタは、接地極から流れた粒子状物質を捕集する。したがって、上記発明は、粒子状物質を静電的に捕集すると共に更に機械的に捕集することで、低圧損で効率的に粒子状物質を除去することができる。
【0012】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記フィルタは、ハニカムフィルタであることを特徴とする。上記発明は、ハニカムフィルタを用いて粒子状物質を捕集することにより、圧損を更に低減することができる。
【0013】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記接地極は、前記ハニカムフィルタの排気上流側に塗布された導電性物質によって構成されたことを特徴とする。
【0014】
粒子状物質が、ハニカムフィルタの排気上流側に付着した場合には、帯電手段の対極となる接地極として機能する。このため、上記発明は、接地極を設ける必要がないので、小型化、軽量化を図ることができる。
【0015】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項記載の発明において、前記接地極、前記フィルタの少なくとも1つは、粒子状物質酸化触媒、窒素酸化物浄化触媒の少なくとも1つを備えていることを特徴とする。
【0016】
これにより、上記発明は、接地極やフィルタに堆積されたPMをPM酸化触媒によって燃焼するので、完全に除去することができる。また、窒素酸化物を窒素酸化物浄化触媒によって完全に浄化することができる。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項記載の発明において、所定の電圧が印加される帯電極を更に備え、前記帯電手段は、所定の電圧を前記帯電極に印加することで、前記帯電極と前記接地極との間で発生するプラズマにより前記粒子状物質を帯電させることを特徴とする。
【0018】
これにより、前記帯電極と前記接地極との間でプラズマが発生し、排気に含まれる粒子状物質が帯電される。そして、フィルタは、帯電されて大きな塊になった粒子状物質を捕集することができる。なお、帯電極に印加する所定の電圧は、請求項7のようにするのが好ましい。
【0019】
すなわち、請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記所定の電圧は負の高電圧であることを特徴とする。
【0020】
請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項記載の発明において、排気浄化前後の排気の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに前記フィルタの回復処理を実行するフィルタ回復処理手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【0021】
粒子状物質の浄化処理を行っていくと、フィルタに粒子状物質が堆積されて、浄化能力が低下する。そこで、フィルタの回復処理を実行することにより、粒子状物質の浄化能力を再び上げることができる。
【0022】
請求項9記載の発明は、請求項8記載の発明において、前記フィルタ回復処理手段は、前記内燃機関から排出された排気の温度を所定値以上に設定することを特徴とする。
【0023】
内燃機関から排出された排気の温度が所定値以上になると、粒子状物質酸化触媒が活性化される。この結果、フィルタに堆積された粒子状物質が燃焼浄化されるので、粒子状物質の浄化能力を再び上げることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0025】
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【0026】
上記排気浄化装置は、エンジン1から排出され排気管2を介して供給される排気の温度を検出する排気温度計11と、浄化前後の排気の差圧を検出する差圧計12と、直流電圧を印加する電源装置13と、エンジン1からの排気を一時貯蔵して浄化する反応ケース20と、全体的な制御を行うコントローラ30と、を備えている。
【0027】
図2は、反応ケース20の内部構成を示す図である。反応ケース20は、排気の上流から下流に向かって、排気に含まれる粒子状物質(以下「PM」という。)を帯電させる帯電用電極21と、帯電されたPMを集塵する接地極22と、集塵されたPMを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(以下「DPF」という。)23と、を備えている。
【0028】
帯電用電極21は、棒状の導電体で構成され、所定間隔毎に排気の下流側に複数の突起部21aを設けている。帯電用電極21は、その両端がそれぞれ碍子24によって反応ケース20に固定されており、排気の流れに対して軸方向が直交するようになっている。また、帯電用電極21は、電源装置13の負電極側に接続されている。帯電用電極21は、碍子24によって固定されているので、反応ケース20に絶縁された状態になっている。そして、帯電用電極21は、突起部21aを介してPMを帯電させる。
【0029】
図3は、接地極22の平面図である。接地極22は、コロナ放電を発生させるための帯電用電極21の対極となるものであり、反応ケース20を介して接地されている。接地極22は、網目状に形成されており、本実施の形態ではステンレス網で構成されている。
【0030】
DPF23は、排気中のPM、特にすす成分を主に捕集するフィルタであり、接地極22に対して排気の下流側に配置されている。なお、DPF23は、保持部材25によって反応ケース20の内部に支持されている。
【0031】
ここで、接地極22及びDPF23には、PM酸化触媒とNOx浄化触媒が担持されている。PM酸化触媒は、低温時ではすすや可溶有機成分等のPMを捕集し、高温時ではこれらを酸化して浄化する。NOx浄化触媒は、低温時ではNOxを吸蔵し、高温時ではNOxを浄化する。上記触媒としては、例えばPt系触媒等が好ましい。
【0032】
コントローラ30は、排気温度計11、差圧計12、その他の各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転数や燃料の噴射タイミングを制御する。
【0033】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ30は、排気に含まれるPMを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【0034】
図4は、コントローラ30の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ30は、エンジン1が始動すると、ステップST1からステップST8までの処理を実行する。
【0035】
ステップST1では、コントローラ30は、電源装置13を介して帯電用電極21に負の高電圧(例えば、−10kV程度)を印加して、ステップST2に移行する。
【0036】
図5は、帯電用電極21に印加される電圧の経時変化を示す図である。これにより、帯電用電極21と接地極22の間には電圧勾配(電界)が生じ、帯電用電極21の周囲にプラズマが発生する。
【0037】
図6は、PMが帯電用電極21によって帯電される様子を示す図である。同図に示すように、排気に含まれるPMは、帯電用電極21の突起部21aの周囲に生じたプラズマによって負に帯電される。
【0038】
図7は、帯電されたPMが接地極22によって集塵される様子を示す断面図である。帯電されたPMは、同図に示すように、接地されている接地極22に静電的に集塵される。このように、接地極22は、PMを静電的に集塵することによって、フィルタの目よりも細かいPMであっても捕集することができる。
【0039】
PMは塊になって接地極22に堆積していくが、堆積量が増えていくとPMの一部が崩れて下流に流される。そこで、DPF23は、接地極22から流れたPMを捕集する。すなわち、DPF23は、接地極22で集塵できないPMを捕集して、排気からPMを完全に除去している。
【0040】
ステップST2では、コントローラ30は、差圧計12で検出された浄化前後の排気の差圧を読み込んで、このときの差圧を記憶し、ステップST3に移行する。
【0041】
ステップST3では、コントローラ30は、差圧計12で検出された差圧が所定値以上であるかを判定する。ここで、接地極22やDPF23によるPM捕集量が少量の場合、排気の流れは良好であり、浄化前後の排気の差圧は所定値未満になる。しかし、PM捕集量が多量の場合、排気の流れが悪くなり、浄化前後の排気の差圧が所定値以上になる。
【0042】
そこで、コントローラ30は、差圧が所定値以上であるときは多量のPMが捕集されているのでステップST5に移行し、差圧が所定値未満であるときはPMがあまり捕集されていないのでステップST4に移行する。
【0043】
ステップST4では、コントローラ30は、所定のインターバルをおいた後、再びステップST2に戻る。したがって、差圧計12で検出された差圧が所定値以上になるまで、ステップST2からステップST4までの処理を繰り返し実行する。
【0044】
ステップST5では、コントローラ30は、排気温度計11で検出された排気温を読み込んで記憶して、ステップST6に移行する。
【0045】
ステップST6では、コントローラ30は、接地極22やDPF23に担持されたPM酸化触媒によってPMを燃焼できるか、具体的には排気温度計11で検出された温度が所定温度以上であるかを判定する。ここにいう所定温度とは、PM酸化触媒が酸化反応を開始してPMを燃焼する温度をいう。そして、PM酸化触媒によってPMを燃焼できると判定したときは、ステップST4を経て、再びステップST2に移行する。
【0046】
これにより、接地極22に担持されたPM酸化触媒はPMを燃焼し、接地極22にPMが過大に堆積されるのを防止すると共に、PMの浄化を促進する。また、DPF23に担持されたPM酸化触媒も同様にPMを燃焼して除去する。さらに、接地極22及びDPF23に担持されたNOx浄化触媒は、排気中のNOxを浄化する。
【0047】
一方、コントローラ30は、PM酸化触媒によってPMを燃焼できないと判定したときは、ステップST7に移行する。
【0048】
ステップST7では、コントローラ30は、エンジン回転数を上げたり、燃料の噴射タイミングを変えて、排気温度を上昇させる制御を行って、ステップST8に移行する。
【0049】
ステップST8では、コントローラ30は、現在の状態を維持しながら所定時間エンジン1を運転した後、再びステップST2に戻る。このように、排気温度を上昇さることによってPM酸化触媒を活性化させて、PM酸化触媒を有効に利用する。
【0050】
図8は、第1の実施の形態に係る排気浄化装置から出力された排気の粒子径別のPM個数(図中では「本発明」)を示す図である。比較例として、DPFのみを備えた従来の排気浄化装置から出力された排気のPM個数(図中では「従来」)、エンジンから出力された排気のPM個数(図中では「エンジン排気」)も示した。同図に示すように、第1の実施の形態に係る排気浄化装置は、非常に高いPM浄化能力を備えている。
【0051】
以上のように、第1の実施の形態に係る排気浄化装置は、排気の上流側にある帯電用電極21に負の直流高電圧を印加してPMを帯電させ、接地極22によってPMを集塵することで、微小のPMを大きな塊にして捕集することができる。さらに、上記排気浄化装置は、接地極22で集塵できなかった微小のPMや、接地極22から流れたPMをDPF23によって捕集することで、接地極22で捕集できないPMも除去することができる。
【0052】
また、上記排気浄化装置は、排気温度を制御することにより、接地極22やDPF23に担持されたPM酸化触媒を活性化させて、十分にPMを除去することができる。さらに、放電することなくPM酸化触媒によってPMを除去するので、省電力化を図ることもできる。
【0053】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば接地極22については次のようにすることもできる。
【0054】
図9は、(A)はメッキされた多孔質体、(B)は多孔質金属、(C)はPM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持された多孔質金属の平面図である。すなわち、接地極22は、メッキされた多孔質体、多孔質金属、PM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持された多孔質金属のいずれで構成されてもよい。
【0055】
また、本実施の形態では、接地極22及びDPF23にそれぞれPM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、接地極22、DPF23の少なくとも一方に、PM酸化触媒が担持されてもよいし、NOx浄化触媒が担持されてもよいし、PM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持されてもよい。
【0056】
[第2の実施の形態]
つぎに、第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0057】
図10は、第2の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケース20Aの構成を示す図である。反応ケース20Aは、第1の実施の形態における反応ケース20とほぼ同様に構成されているが、接地極22が省略され、DPF23の代わりにハニカムフィルタ26を備えている点で、第1の実施の形態と相違する。
【0058】
ハニカムフィルタ26は、保持部材25によって、反応ケース20Aの内部かつ帯電用電極21の排気下流側に支持されている。さらに、ハニカムフィルタ26には、PM酸化触媒とNOx浄化触媒が担持されている。
【0059】
反応ケース20Aは、帯電用電極21の対極となる接地極を備えていない。しかし、ハニカムフィルタ26の上流側面側にPMが付着すると、このPMは反応ケース20Aを介して接地され、接地極として機能する。これにより、接地極を省略することができるので、小型化・軽量化を図ることができる。
【0060】
なお、ハニカムフィルタ26の上流側面側にPMが付着されていない場合、すなわちハニカムフィルタ26が未使用の場合では、帯電用電極21によるコロナ放電が十分に生じず、静電集塵能力が低下する可能性がある。そこで、ハニカムフィルタ26の上流側面側に導電性を有する塗料(例えば、銀ペースト)27を塗布してもよい。なお、銀ペーストとしては、藤倉化成製のドータイト(商品名)が好ましい。これにより、ハニカムフィルタ26の上流側面側が常に接地されるので、十分にコロナ放電が生じ、PMの帯電能力を向上させることができる。
【0061】
ハニカムフィルタ26のコージライトは絶縁物であるが、帯電物に対しては静電的に付着する能力を有する。したがって、ハニカムフィルタ26は、帯電されたPMを効率よく静電捕集して除去することができる。
【0062】
また、コントローラ30は、第1の実施の形態と同様にステップST1からステップST8までの処理を実行する。
【0063】
図11は、第2の実施の形態に係る排気浄化装置(図中では「本発明」)の差圧の経時変化を示す図である。比較例として、DPFのみを用いた従来の排気浄化装置(図中では「従来」)の差圧も示した。従来の差圧は、非常に高いところで推移すると共に大きく変動した。これに対して、本発明の差圧は、低いところで推移すると共に小さく変動した。なお、いずれの差圧も急激に低下したところは、DPF及びハニカムフィルタ26の再生処理によってPMが除去されたためである。この結果、本願は低圧損にすることができた。
【0064】
以上のように、第2の実施の形態に係る排気浄化装置は、ハニカムフィルタ26の排気上流側面側にPM又は導電性物質を付着することにより、PM又は導電性物質を接地極として利用することができる。この結果、接地極を設けなくてもよいので、軽量化・小型化を図ることができる。また、ハニカムフィルタ26を用いてPMを捕集することにより、PMの堆積による圧損を抑制することができる。
【0065】
また、本実施の形態では、ハニカムフィルタ26にPM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ハニカムフィルタ26に、PM酸化触媒、NOx浄化触媒の少なくとも1つが担持されていればよい。
【0066】
【発明の効果】
本発明に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させて集塵し、集塵された粒子状物質をフィルタで捕集することにより、排気中の粒子状物質を効率よく除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図2】排気浄化装置に備えられた反応ケースの内部構成を示す図である。
【図3】反応ケース内に備えられた接地極の平面図である。
【図4】排気浄化装置に備えられたコントローラ30の処理手順を説明するフローチャートである。
【図5】帯電用電極に印加される電圧の経時変化を示す図である。
【図6】PMが帯電用電極によって帯電される様子を示す図である。
【図7】帯電されたPMが接地極によって集塵される様子を示す断面図である。
【図8】排気浄化装置から出力された排気の粒子径別のPM個数を示す図である。
【図9】(A)はメッキされた多孔質体、(B)は多孔質金属、(C)はPM酸化触媒及びNOx浄化触媒が担持された多孔質金属の平面図である。
【図10】第2の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケースの構成を示す図である。
【図11】排気浄化装置の差圧の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン
11 排気温度計
12 差圧計
13 電源装置
20 反応ケース
21 帯電用電極
22 接地極
23 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
26 ハニカムフィルタ
Claims (9)
- 内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、
前記帯電手段より排気下流側に設けられ、前記帯電手段により帯電された微小の粒子状物質を大きな塊の粒子状物質にして集塵する接地極と、
前記接地極より排気下流側に設けられ、前記接地極にて集塵された大きな塊の粒子状物質が前記接地極から流れ出た粒子状物質と前記接地極にて集塵できなかった微小の塊の粒子状物質を捕集するフィルタと、
を備えた排気浄化装置。 - 前記接地極は、網目状に構成されたこと
を特徴とする請求項1記載の排気浄化装置。 - 前記フィルタは、ハニカムフィルタであること
を特徴とする請求項1記載の排気浄化装置。 - 前記接地極は、前記ハニカムフィルタの排気上流側に塗布された導電性物質によって構成されたこと
を特徴とする請求項3記載の排気浄化装置。 - 前記接地極、前記フィルタの少なくとも1つは、粒子状物質酸化触媒、窒素酸化物浄化触媒の少なくとも1つを備えていること
を特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の排気浄化装置。 - 所定の電圧が印加される帯電極を更に備え、
前記帯電手段は、所定の電圧を前記帯電極に印加することで、前記帯電極と前記接地極との間で発生するプラズマにより前記粒子状物質を帯電させること
を特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の排気浄化装置。 - 前記所定の電圧は、負の高電圧であること
を特徴とする請求項6記載の排気浄化装置。 - 排気浄化前後の排気の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに前記フィルタの回復処理を実行するフィルタ回復処理手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の排気浄化装置。 - 前記フィルタ回復処理手段は、前記内燃機関から排出された排気の温度を所定値以上に設定すること
を特徴とする請求項8記載の排気浄化装置。
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