JP4156276B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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煤、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】
特許３０５６６２６号公報（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】
特開平９−１４４５２８号公報では、すすの燃焼において触媒活性である無機化合物を用いて、ディーゼル燃料エンジンからの排ガスに含まれる粒状物質を除去する方法（以下「従来技術３」という。）が提案されている。
【０００８】
しかし、従来技術３では、例えば３００℃以下の低温時の場合、ＰＭを燃焼することができない問題がある。また、従来技術３は、ＰＭの捕集効果が低く、ＰＭを完全に浄化できない。
【０００９】
特開平６−１７６３９号公報では、電極棒の周辺に位置する碍子の表面に洗浄空気を供給することにより、碍子に付着したＰＭを除去する車両用ディーゼル機関の排気ガス浄化装置（以下「従来技術３」という。）が提案されている。しかし、従来技術３は、碍子表面に洗浄空気を吹き付けるだけでは付着力の小さいＰＭを除去することができるが、強固に付着したＰＭを完全に除去することができない。
【００１０】
また、特開平６−１７６３５３号公報では、ニクロム線を碍子表面に近接して設け、その加熱作用によりＰＭを燃焼除去する車両用ディーゼル機関の排気ガス浄化装置（以下「従来技術４」という。）が提案されている。しかし、従来技術４は、ニクロム線を介して碍子全体を加熱する必要があり、非常に大きな電力を必要とする問題がある。
【００１１】
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、少ない消費電力で、かつ効率的にＰＭを含む排気を浄化することができる排気浄化装置及び高電圧供給装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、前記帯電手段により帯電された粒子状物質を集塵すると共に、粒子状物質を酸化させる能力を少なくとも有する触媒を担持した１つ以上の集塵フィルタと、前記集塵フィルタの近傍に配置され、前記集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼するための放電を行う１つ以上の放電手段と、前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記排気温度検出手段で検出された排気の温度が所定値未満のときに前記放電手段に放電させる制御を行う放電制御手段と、を備えている。
【００１３】
請求項１記載の発明では、帯電手段は、高電圧を印加することによって、エンジンの排気に含まれる粒子状物質を帯電させる。ここでは、直流の負電圧を印加することで、粒子状物質を負極に帯電させるのが好ましい。なお、帯電手段は、粒子状物質を帯電することができれば特に限定されるものではなく、高周波やイオンシャワーを照射したり、摩擦を用いたりして、粒子状物質を帯電させてもよい。
【００１４】
集塵フィルタは、粒子状物質を集塵するものであれば特に限定されないが、メッシュ状の集塵極で構成され、かつ接地されているのが好ましい。また、集塵フィルタは、粒子状物質を酸化させる能力を少なくとも有する触媒を担持している。この触媒は、例えば溶融塩型触媒が好ましい。なお、この触媒は、粒子状物質を酸化させる能力だけでなく、さらに窒素酸化物を浄化する能力を備えていてもよい。
【００１５】
集塵フィルタは、排気の中に含まれる粒子状物質が帯電しているので、粒子状物質を塊にして、容易且つ効率的に静電的に集塵することができる。そして、排気がどんどん流れると、集塵フィルタには粒子状物質が次第に堆積される。
【００１６】
放電手段は、集塵フィルタに対して放電を行う。なお、集塵フィルタが１つの場合、放電手段は１つだけでよい。集塵フィルタが複数の場合は、各集塵フィルタに対応して放電手段を複数設けるのが好ましい。放電手段は、常時放電を行ってもよいが、少なくとも触媒が酸化反応を起こしていないときに放電するのが好ましい。これにより、触媒が低温であっても、集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼させて浄化することができる。一方、集塵フィルタに担持された触媒は、排気によって高温になると、酸化反応を起こし、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を酸化させて、燃焼させることができる。
【００１７】
したがって、帯電手段によって粒子状物質を塊にして効率的に集塵すると共に、放電手段による放電と触媒による酸化反応を用いることで、全温度帯域で、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を酸化させて燃焼させることができる。この結果、エンジンの排気から粒子状物質を浄化させることができる。排気温度検出手段は、内燃機関の排気温度を検出することで、集塵フィルタに担持された触媒の温度を求めることができる。なお、排気温度検出手段は、浄化前の排気の温度に限らず、浄化後の排気の温度を検出してもよい。また、放電制御手段は、排気温度検出手段で検出された排気の温度が所定値未満のときに放電手段に放電させる。ここにいう所定値とは、触媒が酸化反応を起こすときの触媒の温度や、触媒による粒子状物質の燃焼量と放電による粒子状物質の燃焼量がほぼ等しくなるときの触媒の温度を用いることができる。したがって、排気温度が所定値未満のときは触媒の温度が低く、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を触媒で浄化することができないので、放電を行うことによって粒子状物質を酸化させて燃焼させることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、排気の浄化前後の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、前記放電制御手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上になり、かつ前記排気温検出手段により検出された排気温度が所定値未満のときに、前記放電手段に放電させることを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明では、差圧検出手段は、圧損を検出するために、排気の浄化前後の差圧を検出する。ここで、集塵フィルタに堆積される粒子状物質が多くなるに従って、差圧検出手段で検出される差圧の値も大きくなる。
【００２０】
集塵フィルタに担持された触媒は、排気温度が所定値以上の場合では堆積された粒子状物質を酸化燃焼することができるが、排気温度が所定値未満の場合、粒子状物質を燃焼することができない。
【００２１】
そこで、放電制御手段は、差圧が所定値以上になり、かつ排気温度が所定値未満のときに、放電手段に放電させることにより、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記帯電手段は、放電を発生させる放電極と、前記放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と、前記放電極を流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに、前記高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御する電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明では、帯電手段は、放電を発生させる放電極と放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と放電極を流れる電流を検出する電流検出手段と電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御する電圧制御手段とを備えた高電圧供給装置で構成されている。したがって、放電極に粒子状物質が付着して、粒子状物質の静電捕集能力が低下した場合であっても、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【００２４】
なお、次のような高電圧供給装置を用いてもよい。すなわち、内燃機関の排気浄化装置に高電圧を供給する高電圧供給装置であって、前記排気浄化装置の内部の放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と、前記排気浄化装置と前記放電極とを絶縁する絶縁部と、前記放電極に前記高電圧を供給したときの電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに、前記高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御して前記絶縁部に放電させる電圧制御手段と、を備えた高電圧供給装置でもよい。ここで、前記絶縁部は、碍子で構成されているのが好ましい。
【００５２】
【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。
【００５３】
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、エンジン１００内の図示されていないクランク軸の回転角を検出するクランク角センサ１１と、エンジン１００から排気管１０１を介して供給される排気の温度を検出する排気温センサ１２と、浄化前後の排気の差圧を検出する差圧計１３と、直流電圧を印加する直流電源装置１４と、交流電圧を印加する交流電源装置１５と、排気を浄化するために一時貯蔵する反応ケース２０と、交流電源装置１５から出力される交流電圧の制御やその他の全体的な制御を行うコントローラ４０と、を備えている。
【００５４】
また、排気浄化装置は、図２に示すように、反応ケース２０の内部において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、ＰＭを集塵する第１の集塵極２２と、放電を行うための第１のバリア放電用電極２３と、細かいＰＭを集塵する第２の集塵極２４と、バリア放電を行うための第２のバリア放電用電極２５と、更に細かいＰＭを集塵する第３の集塵極２６と、バリア放電を行うための第３のバリア放電用電極２７と、を備えている。
【００５５】
帯電用電極２１は、コロナ放電によりＰＭを帯電させるものである。帯電用電極２１は、具体的には図３に示すように、棒状に形成されており、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、突起部２１ａを介してＰＭを帯電させる。
【００５６】
また、帯電用電極２１は、図２に示すように、その両端がそれぞれ碍子２８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、直流電源装置１４の負電極側に接続されている。なお、帯電用電極２１は、碍子２８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。
【００５７】
第１の集塵極２２は、図４に示すように、帯電されたＰＭを集塵して捕集するフィルタである。第１の集塵極２２は、具体的には金属からなる網目状のフォーム、すなわち網目状のメタルフォーム（金網）で構成されている。なお、第２及び第３の集塵極２４，２６も同様に、帯電されたＰＭを集塵して捕集するフィルタである。
【００５８】
また、第１の集塵極２２、第２の集塵極２４、第３の集塵極２６の順にフィルタの目が細かくなっている。目の粗い第１の集塵極２２としては、例えば図５（Ａ）に示すようにステンレスの金網が好ましい。目が少し細かい第２の集塵極２４としては、例えば図５（Ｂ）に示すように多孔質体にメッキをしたものが好ましい。目が一番細かい第３の集塵極２６としては、例えば図５（Ｃ）に示すように多孔質金属が好ましい。さらに、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６は、それぞれ反応ケース２０を介して接地されている。
【００５９】
第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６のフィルタの目には、ＰＭ酸化能力及びＮＯｘ浄化能力を有する触媒が担持されている。この触媒は、低温時では煤（Ｃ）や可溶有機成分（ＳＯＦ）等のＰＭを捕集し、高温時ではこれらを酸化して浄化する。さらに、この触媒は、低温時ではＮＯｘを吸蔵し、高温時ではＮＯｘを浄化することもできる。
【００６０】
ＰＭを酸化する触媒としては、溶融塩型触媒が好ましい。また、ＮＯｘ浄化触媒としては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が使用できる。なお、触媒は、前記の例に限定されるものではなく、ＰＭ酸化、ＮＯｘ浄化をすることができれば、使用できる。
【００６１】
第１のバリア放電用電極２３は、第１の集塵極２２と第２の集塵極２４の近傍であって、これらに挟まれるように設置されている。第１のバリア放電用電極２３は、バリア放電によって第１の集塵極２２と第２の集塵極２４に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６２】
図６は、第１のバリア放電用電極２３の構成を示す正面図である。図７は、第１のバリア放電用電極２３の側面図である。第１のバリア放電用電極２３は、交流電源装置１５に接続されている印刷導体電極２３ａと、印刷導体電極２３ａに接続されている印刷導体基盤２３ｂと、印刷導体基盤２３ｂの周囲を覆っているアルミナ２３ｃと、で構成されている。
【００６３】
印刷導体基盤２３ｂは、アルミナ２３ｃによって絶縁されている。また、印刷導体基盤２３ｂには直径約１ｃｍ程度の複数の貫通穴２３ｄが形成されており、排気はこの貫通穴２３ｄを通って下流側に流れるようになっている。なお、第２及び第３のバリア放電用電極２５，２７も、第１のバリア放電用電極２３と同様に構成されている。
【００６４】
第２のバリア放電用電極２５は、第２の集塵極２４と第３の集塵極２６の近傍であって、これらに挟まれるように設置されている。そして、第２のバリア放電用電極２５は、バリア放電によって第２の集塵極２４と第３の集塵極２６に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６５】
第３のバリア放電用電極２７は、第３の集塵極２６の近傍であって、排気の下流側に設置されている。そして、第３のバリア放電用電極２７は、バリア放電によって第３の集塵極２６に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６６】
一方、コントローラ４０は、エンジン回転数に基づいて通電時間を決定するための通電時間テーブルと、エンジン回転数に基づいて交流電圧を決定するための交流電圧テーブルを記憶している。
【００６７】
通電時間テーブルは、図８に示すように、エンジン回転数に対応する通電時間を示している。なお、エンジン回転数と通電時間の関係は、線形性である場合に限らず、非線形性であってもよい。また、交流電圧テーブルは、図９に示すように、エンジン回転数に対応する交流電圧（実効値）を示している。なお、エンジン回転数と交流電圧の関係は、線形性である場合に限らず、非線形性であってもよい。
【００６８】
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４０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために、図１０に示すステップＳＴ１以下の処理を実行する。
【００６９】
ステップＳＴ１では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に負の高電圧（−１０ｋＶ程度）を印加して、ステップＳＴ２に移行する。このとき、帯電用電極２１に印加される電圧の波形は図１１に示すようになる。これにより、帯電用電極２１と第１の集塵極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。そして、図３に示すように、排気に含まれるＰＭはプラズマによって負に帯電される。
【００７０】
負に帯電されたＰＭは、図４に示すように、接地されている第１の集塵極２２に静電的に集塵される。つまり、第１の集塵極２２は、ＰＭを静電捕集することによって、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。なお、第２及び第３の集塵極２４，２６も接地されており、第１の集塵極２２、第２の集塵極２４、第３の集塵極２６の順にフィルタの目が細かくなっている。これにより次のような効果が生じる。
【００７１】
図１２に示すように、第１の集塵極２２は、排気の上流側にあるので多量のＰＭを集塵する。このとき、ＰＭは塊になって目の粗い第１の集塵極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。
【００７２】
第２の集塵極２４は、第１の集塵極２２に比べてフィルタの目が細かいので、第１の集塵極２２から崩れて流されたＰＭを捕集する。また、同様に、ＰＭは第２の集塵極２４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。
【００７３】
第３の集塵極２６は、第２の集塵極２４に比べて更にフィルタの目が細かいので、第２の集塵極２４から崩れて流されたＰＭを捕集する。この結果、排気に含まれるＰＭを３段階で捕集することができる。
【００７４】
ステップＳＴ２では、コントローラ４０は、差圧計１３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。
【００７５】
ステップＳＴ３では、コントローラ４０は、差圧計１３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、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６がそれぞれ多量のＰＭを捕集している場合、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。一方、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６がＰＭをあまり捕集してない場合、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。
【００７６】
そこで、コントローラ４０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ＳＴ４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ＳＴ８に移行する。
【００７７】
ステップＳＴ４では、コントローラ４０は、エンジン１００の回転数を読み込む。ここでは、クランク角センサ１１で検出されたクランク角の変化から回転速度を演算して、ステップＳＴ５に移行する。そして、ステップＳＴ５では、コントローラ４０は、排気温センサ１２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。
【００７８】
ステップＳＴ６では、コントローラ４０は、各集塵極に担持された触媒でＰＭを燃焼できるかを判定する。ここで、触媒は所定温度（例えばＴ0度）以上にならないと酸化反応を開始しない。しかし、触媒による燃焼量は、Ｔ0度以上であっても、ある温度（例えばＴ1度）未満のときはバリア放電による燃焼量よりも低く、ＰＭを十分に燃焼させることができない。
【００７９】
そこで、コントローラ４０は、排気温センサ１２で検出された温度がＴ1度以上であるかを判定し、Ｔ1度以上であるときは触媒でＰＭを十分燃焼できると判定して、ステップＳＴ８に移行する。一方、排気温センサ１２で検出された温度がＴ1度未満であるときは触媒でＰＭを十分に燃焼できないと判定して、ステップＳＴ７に移行する。
【００８０】
ステップＳＴ７では、コントローラ４０は、上述した交流電圧テーブル及び通電時間テーブルを参照して、ステップＳＴ４で読み込んだエンジン回転数に基づいて、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に印加すべき交流電圧及び通電時間を設定する。そして、設定された交流電圧を設定された通電時間だけ第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に印加する。このとき、交流電圧の波形は、図１３に示すようになる。なお、交流電圧を印加するときは、アーク放電にならないようにする。
【００８１】
この結果、第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間では、バリア放電が発生する。なお、他の集塵極と他のバリア放電用電極の間でもバリア放電は発生するが、ここでは第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間のバリア放電について説明する。
【００８２】
図１４に示すように、第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間にバリア放電が発生すると、第１の集塵極２２に堆積されたＰＭは燃焼する。このときの反応式は次のようになる。
【００８３】
最初に、バリア放電によって放出された電子は、酸素分子に衝突し、酸素ラジカルを生成する。
【００８４】
【化１】
【００８５】
酸素ラジカルは、酸素分子に衝突してオゾンを生成したり、一酸化窒素に衝突して二酸化窒素を生成する。
【００８６】
【化２】
【００８７】
オゾンや二酸化窒素は、煤（Ｃ）に衝突して煤を酸化させる。
【００８８】
【化３】
【００８９】
また、オゾンや二酸化窒素は、ＳＯＦ（主成分はハイドロカーボン）に衝突して可溶有機成分（ＣxＨy）を酸化させる。
【００９０】
【化４】
【００９１】
このように、第１の集塵極２２に堆積されたＰＭは、バリア放電によって酸化されて燃焼される。第２及び第３の集塵極２４，２６に堆積されたＰＭも同様にして燃焼される。
【００９２】
なお、第２の集塵極２４は、排気の上流側と下流側にそれぞれ配置された第１及び第２のバリア放電用電極２３，２５に挟まれているので、両側からのバリア放電によって多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。第３の集塵極２６も同様の理由で、多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。
【００９３】
一方、ステップＳＴ３で差圧が所定値未満であったとき、さらにステップＳＴ６で触媒でＰＭを燃焼できると判定したときに移行したステップＳＴ８では、コントローラ４０は、所定時間を経過したかを判定する。そして、所定時間経過するまで待機して、所定時間を経過するとステップＳＴ２に戻る。つまり、所定のインターバルをおいてから再びステップＳＴ２以下の処理を実行する。
【００９４】
図１５は、ＰＭの燃焼量を示す図である。実線は、バリア放電によるＰＭの燃焼量を示している。排気温度が低くても、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６にそれぞれ交流電圧を印加することができるので、バリア放電によって所定の燃焼量を得ることができる。但し、排気温度が高くなっても、バリア放電によるＰＭの燃焼量はあまり変化せず、微増するだけである。
【００９５】
同図の鎖線は、触媒によるＰＭの燃焼量を示している。第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６にそれぞれ担持された触媒は、排気によって所定温度（Ｔ0度）以上にならないと酸化反応を開始しないため、Ｔ0度になるまでＰＭを燃焼することができないが、Ｔ0度以上になると酸化反応を開始してＰＭを燃焼する。そして、触媒によるＰＭの燃焼量は、Ｔ1度を超えると、バリア放電によるＰＭの燃焼量を超える。
【００９６】
同図の点線は、バリア放電及び触媒によるＰＭの燃焼量を示しており、実線で示した燃焼量と鎖線で示した燃焼量との和に対応している。
【００９７】
以上のように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、触媒の酸化反応が生じないような低温であっても、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に交流の高電圧を印加することによって、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６に堆積されたＰＭを燃焼することができる。さらに、触媒が高温になると触媒によってＰＭを酸化させて燃焼すると共に、ＮＯｘを浄化させることができる。すなわち、排気浄化装置は、低温時においてはバリア放電を行うことによって、各集塵極に担持された触媒の温度にかかわらず全温度域においてＰＭを燃焼することができる。
【００９８】
また、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を帯電させることによって、多量のＰＭを塊にして第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６に堆積することができるので、効率的にＰＭを集塵して浄化することができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、コントローラ４０は、エンジン回転数に対応する通電時間を示す通電時間テーブルと、エンジン回転数に対応する交流電圧を示す交流電圧テーブルを記憶していたが、これらに代えて他のテーブルを記憶していてもよい。
【０１００】
例えば、コントローラ４０は、エンジン負荷に対応する通電時間を示す第２の通電時間テーブルや、エンジン負荷に対応する交流電圧を示す第２の交流電圧テーブルを記憶することもできる。この場合、コントローラ４０は、エンジン回転数やその他の入力情報に基づいて負荷を演算し、第２の通電時間テーブルや第２の交流電圧テーブルを参照して、演算された負荷に対応する通電時間及び交流電圧を求めればよい。また、コントローラ４０は、エンジン回転数と負荷の両方を考慮して、通電時間及び交流電圧を求めることもできる。
【０１０１】
［第２の実施の形態］
つぎに、本発明の第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。本実施の形態に係る排気浄化装置は、第１の実施の形態と比べて、集塵極とバリア放電用電極の配置が異なっている。
【０１０２】
具体的には図１６に示すように、排気浄化装置は、反応ケース２０内の排気の上流側から下流側に向かって、帯電用電極２１、第１のバリア放電用電極２３、第１の集塵極２２、第２のバリア放電用電極２５、第２の集塵極２４、第３のバリア放電用電極２７、第３の集塵極２６を設けている。つまり、各集塵極に対して排気上流側にそれぞれバリア放電用電極が配置されている。
【０１０３】
特に、第１の集塵極２２は、排気の上流側にある第１のバリア放電用電極２３と、排気の下流側にある第２のバリア放電用電極２５に挟まれており、両側からバリア放電が与えられ、燃焼能力が大きくなっている。第１の集塵極２２は、第２及び第３の集塵極２４，２６に比べて排気の上流側にあり、多量のＰＭを集塵するので、第１の実施の形態に比べて、多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。
【０１０４】
以上のように、第２の実施の形態に係る排気浄化装置は、ＰＭの堆積量が多い第１の集塵極２２に対して、排気の上流側に第１のバリア放電用電極２３を配置し、排気の下流側に第２のバリア放電用電極２５を配置することによって、多量のＰＭを酸化燃焼して、ＰＭによる目詰まりを防止して、排気に含まれるＰＭを効率よく浄化することができる。
【０１０５】
なお、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の設計上の変更を行うことができる。例えば、第１及び第２の実施の形態では、帯電用電極２１は１本であるものとして説明したが、２本以上あってもよいのは勿論である。
【０１０６】
また、第１及び第２の実施の形態では、集塵極の数が３つの場合を例に挙げて説明したが、集塵極の数は１つ以上であれば特に限定されるものではない。また、集塵極の数よりもバリア放電用電極の数を１つ多くし、全部の集塵極の上流側と下流側にバリア放電用電極を設置してもよい。さらに、集塵極に担持された触媒は、ＰＭ酸化能力とＮＯｘ浄化能力の２つを備えていたが、ＰＭ酸化能力だけを備えていてもよい。
【０１０７】
なお、触媒でＰＭを十分燃焼できる場合には、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７のない構成であってもよい。
【０１０８】
［第３の実施の形態］
つぎに、第３の実施の形態について説明する。なお、上述した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。
【０１０９】
第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、図１とほぼ同様に構成されているが、交流電源装置１５に代えて、図１７に示すように発熱用電源装置１６を備えている。
【０１１０】
反応ケース２０は、図１８に示すように、排気に含まれるＰＭをコロナ放電により帯電させる帯電用電極２１と、帯電されたＰＭを集塵する第４の集塵極２９と、を備えている。
【０１１１】
帯電用電極２１は、第１の実施の形態と同様に、その両端がそれぞれ碍子２８によって反応ケース２０に固定されており、反応ケース２０に絶縁された状態になっている。
【０１１２】
第４の集塵極２９は、図１９に示すように、発熱用電源装置１６からの電圧が印加される電極部２９ａと、メッシュ状の電熱線で構成された集塵部２９ｂと、を備えている。したがって、集塵部２９ｂは、電極部２９ａに電圧が印加されたときに発熱するようになっている。
【０１１３】
集塵部２９ｂ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。
【０１１４】
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４０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために、図２０に示すステップＳＴ１以下の処理を実行する。なお、図２０に示すフローチャートは、図１０に示したフローチャートとほぼ同様であるが、ステップＳＴ７の処理に代えてステップＳＴ１０の処理を行う点が異なっている。
【０１１５】
ステップＳＴ１０では、排気の浄化前後の差圧が所定値以上であり、第４の集塵極２９に堆積されたＰＭを触媒で燃焼できない状態であるので、コントローラ４０は、第４の集塵極２９に所定時間通電するように発熱用電源装置１６を制御する。この結果、第４の集塵極２９は、発熱用電源装置１６から電圧が供給されて発熱し、堆積されたＰＭを燃焼して除去する。そして、コントローラ４０は、再びステップＳＴ２に戻り、ステップＳＴ２以下の処理を実行する。
【０１１６】
以上のように、第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、圧損が生じ、かつ排気温度が低くて触媒でＰＭを燃焼できない場合には、第４の集塵極２９に通電する。この結果、第４の集塵極２９の発熱によってＰＭを燃焼除去するので、圧損を低減すると共にＰＭの捕集効率の低下を抑制することができる。
【０１１７】
また、上記排気浄化装置は、排気が所定温度以上の場合には、第１の実施の形態と同様に、第４の集塵極２９に担持されたＰＭ酸化触媒によってＰＭを燃焼することができるので、消費電力を抑制することもできる。また、第４の集塵極２９にはＮＯｘ浄化触媒が担持されているので、排気に含まれたＮＯｘを浄化することもできる。
【０１１８】
［第４の実施の形態］
つぎに、第４の実施の形態について説明する。なお、上述した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。
【０１１９】
第４の実施の形態に係る排気浄化装置は、図２１に示すように、直流電圧を印加する直流電源装置１４と、電流を検出する電流検出器１７と、排気を浄化するために一時貯蔵する反応ケース２０と、直流電源装置１４の出力電圧の制御やその他の全体的な制御を行うコントローラ４０と、を備えている。
【０１２０】
反応ケース２０は、排気に含まれるＰＭをコロナ放電により帯電させる帯電用電極２１と、帯電されたＰＭを集塵する第５の集塵極３０と、を備えている。
【０１２１】
第５の集塵極３０は、特に限定されるものではなく、例えば図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、ステンレスの金網、メッキ等の導電性のコーティングが施された多孔体、金属多孔体のいずれで構成されてもよい。また、第５の集塵極３０は、セラミックフォームで構成されてもよい。
【０１２２】
帯電用電極２１は、その両端がそれぞれ碍子２８によって反応ケース２０に固定されており、反応ケース２０に絶縁された状態になっている。なお、反応ケース２０は接地されている。
【０１２３】
電流検出器１７は、帯電用電極２１を流れる電流を検出し、検出結果をコントローラ４０に供給する。コントローラ４０は、電流検出器１７で検出された電流値に基づいて、直流電源装置１４の出力電圧を制御する。
【０１２４】
ここで、ＰＭが碍子２８に付着すると、反応ケース２０と帯電用電極２１との絶縁状態を維持することができなくなる。そして、コロナ放電が弱くなり、ＰＭの静電捕集の効率が低下する。そこで、コントローラ４０は、反応ケース２０と帯電用電極２１との絶縁状態を維持すべく、図２２に示すステップＳＴ１１以下の処理を実行する。
【０１２５】
ステップＳＴ１１では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に負の高電圧（−１０ｋＶ程度）を印加して、ステップＳＴ２に移行する。この結果、帯電用電極２１と第５の集塵極３０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。そして、排気に含まれるＰＭはプラズマによって負に帯電される。
【０１２６】
ステップＳＴ１２及びステップＳＴ１３では、コントローラ４０は、電流検出器１７を介して電流値を検出し、検出された電流値が所定値以上であるかを判定する。
【０１２７】
ここにいう所定値は、コロナ放電によってＰＭを十分に帯電させることができるか否かを判定するための閾値である。碍子２８にＰＭが付着して、帯電用電極２１から反応ケース２０を介して外部に電流が流れると、コロナ放電が十分に発生しなくなり、静電捕集の効率が低下する。つまり、上記所定値は、静電捕集の効率が低下したか否かを判定するための閾値でもある。
【０１２８】
そして、電流値が所定値以上であるときは、静電捕集の効率が低下しているのでステップＳＴ１５に移行する。また、電流値が所定値以上でないときは、静電捕集の効率は低下していないので、ステップＳＴ１４に移行する。
【０１２９】
ステップＳＴ１４では、コントローラ４０は、直流電源装置１４の出力電圧を初期値にした状態のままで所定時間運転し、再びステップＳＴ１２に戻る。したがって、コントローラ４０は、通常の静電捕集を行っているときは、ステップＳＴ１２、ステップＳＴ１３及びステップＳＴ１７の処理を繰り返し実行する。
【０１３０】
一方、ステップＳＴ１５では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に対して過電圧を印加するように直流電源装置１４を制御して、ステップＳＴ１６に移行する。したがって、直流電源装置１４は、図２３に示すように、通常（コロナ放電時）では−１０ｋＶの電圧を出力し、ステップＳＴ１５では過電圧を出力する。そして、帯電用電極２１は、過電圧が印加されると、図２４に示すように、碍子２８の周辺で放電を起こして碍子２８の周囲に付着されたＰＭを燃焼する。
【０１３１】
ステップＳＴ１６では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に過電圧が印加された状態のままで所定時間運転し、所定時間経過後ステップＳＴ１７に移行する。所定時間は、碍子２８の周囲に付着されたＰＭをほぼ完全に燃焼できる時間が好ましい。この結果、反応ケース２０と帯電用電極２１は、再び絶縁状態になる。
【０１３２】
ステップＳＴ１７では、コントローラ４０は、直流電源装置１４の出力電圧を初期値（−１０ｋＶ）に戻して、再びステップＳＴ１２に戻る。つまり、コントローラ４０は、碍子２８の周囲に付着されたＰＭを除去した後は、再びＰＭを帯電させるために、直流電源装置１４の出力電圧を初期値に設定する。
【０１３３】
以上のように、第４の実施の形態に係る排気浄化装置は、碍子２８にＰＭが付着して静電捕集の効率が低下した場合には、帯電用電極２１に過電圧を印加して放電を発生させて、ＰＭを燃焼除去することができる。これにより、帯電用電極２１の絶縁性を回復させて、効率的にコロナ放電を発生するので、静電捕集能力の低下を抑制して、安定してＰＭを浄化することができる。
【０１３４】
なお、本実施の形態に係る排気浄化装置は、第１から第３の実施の形態に適用することができる。すなわち、第１から第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、帯電用電極２１を流れる電流を検出する電流検出器１７を更に備えもよい。このとき、コントローラ４０は、電流検出器１７で検出された電流値が所定値以上になったときに、帯電用電極２１に過電圧を印加すればよい。
【０１３５】
［第５の実施の形態］
つぎに、第５の実施の形態について説明する。図２５は、第５の実施の形態に係る排気浄化装置の要部構成図である。
【０１３６】
第５の実施の形態に係る排気浄化装置は、高電圧を発生する高電圧発生装置１と、高電圧発生時に導線２を流れる電流を検出する電流計３と、ディーゼルエンジンからの排気が供給される排気管４と、排気管４内の排気に含まれるＰＭを静電捕集する静電捕集装置５と、電流計３の計測結果に基づいて高電圧発生装置１の出力電圧制御を行うコントローラ６と、を備えている。
【０１３７】
導線２の一端側は、高電圧発生装置１に接続されている。導線２の他端側は、排気管４内に設置された静電捕集装置５の高電圧導入部に接続されている。また、導線２は、碍子７によって排気管４との絶縁状態が保たれている。静電捕集装置５は、ＰＭを帯電して捕集することができれば特に限定されないが、例えば第１乃至第４の実施の形態で用いられたものを用いることができる。
【０１３８】
高電圧発生装置１が高電圧Ｖ0を発生すると、図２６に示すように、碍子７の表面には排気中のＰＭが付着する。このため、導線２に供給された高電圧は、碍子７の表面に付着されたＰＭ層、排気管４を介して漏電する。この結果、電流計３によって計測される電流値は、図２７に示すように、ＰＭの付着に起因する漏電によって徐々に増加する。一方、導線２に印加される電圧値は、図２８に示すように、漏電によって徐々に低下する。
【０１３９】
コントローラ６は、図２２に示したステップＳＴ１１からステップＳＴ１７までの処理を実行する。コントローラ６が過電圧を印加するように高電圧発生装置１を制御すると（ステップＳＴ１５）、図２９に示すように、碍子７に沿面放電が発生し、碍子７に付着したＰＭは浄化される。
【０１４０】
ＰＭが浄化されると、図３０に示すように、電流計３によって計測される電流値は元の電流レベルＩ0に戻る。コントローラ６は、電流値が元の電流レベルＩ0に戻ると、碍子７の絶縁性が回復したものとみなして、電圧を初期値に戻すように高電圧発生装置１を制御する（ステップＳＴ１７）。
【０１４１】
図３１は、排気管４に導入している電圧の経時変化を示す図である。同図によると、排気管４に導入している電圧（導線２の電圧）は、碍子７にＰＭが付着すると共に漏電して低下する（Ａ期間）。電圧の低下と共に電流が所定値まで低下すると、再生処理が働き、電圧は一時的に大きくなる（Ｂ期間）。Ｂ期間の再生処理後、電圧は元の電圧レベルＶ0に回復する。なお、従来の方法は回復処理をすることができないため、電圧は下降の一途をたどり、静電捕集装置５が機能しなくなった。
【０１４２】
以上のように、第５の実施の形態に係る排気浄化装置は、碍子７にＰＭが付着して静電捕集の効率が低下した場合には、過電圧を印加して放電を発生させて、７に付着したＰＭを燃焼除去することができる。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、高電圧の導入先として静電捕集装置５を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、プラズマ放電でＰＭを除去する排気浄化装置や、プラズマでＮＯｘ等のガス成分を浄化するプラズマ浄化装置であってもよい。すなわち、高電圧が供給される装置は特に限定されるものではない。
【０１４４】
また、本実施の形態では、ディーゼルエンジンの排気管を想定して説明したが、内燃機関は特に限定されるものではなく、希薄燃焼可能なガソリンエンジンでもよく、ガスタービンであってもよい。さらに、加熱用ボイラーの排気ダクトでＰＭやＮＯｘを浄化する装置に対しても本発明を適用することができる。
【０１４５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、排気の温度が所定値未満のときに放電手段に放電させることによって、触媒が酸化反応を起こさない低温においても、集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼させて浄化することができる。
【０１４６】
請求項２記載の発明は、排気の浄化前後の差圧が所定値以上になり、かつ排気温度が所定値未満のときに、放電手段に放電させることにより、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【０１４７】
請求項３記載の発明は、高電圧供給装置によって放電極に放電用の高電圧を供給し、放電極からの放電によって帯電された粒子状物質を集塵することにより、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【０１５４】
請求項１０および１１記載の発明は、高電圧供給装置によって放電極に放電用の高電圧を供給し、放電極からの放電によって帯電された粒子状物質を集塵することにより、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成図である。
【図２】排気浄化装置の反応ケース内の構成を示す図である。
【図３】帯電用電極を説明するための図である。
【図４】第１の集塵極を説明するための図である。
【図５】第１乃至第３の集塵極の材質を説明するための図である。
【図６】第１のバリア放電用電極の構成を示す正面図である。
【図７】第１のバリア放電用電極の側面図である。
【図８】通電時間テーブルを示す図である。
【図９】交流電圧テーブルを示す図である。
【図１０】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図１１】帯電用電極に印加される直流電圧の波形図である。
【図１２】第１乃至第３の集塵極で捕集されるＰＭの状態を説明するための図である。
【図１３】第１乃至第３のバリア放電用電極に印加される交流電圧の波形図である。
【図１４】バリア放電を行っているときの状態を説明するための図である。
【図１５】ＰＭの燃焼量を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケース内の構成を示す図である。
【図１７】本発明の第３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１８】排気浄化装置の反応ケースの構成を示す図である。
【図１９】第４の集塵極の構成を示す図である。
【図２０】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の第４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２２】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図２３】直流電源装置の出力電圧の波形図である。
【図２４】帯電用電極及び碍子の周囲に付着したＰＭを燃焼除去する状況を説明する図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る排気浄化装置の要部構成図である。
【図２６】碍子の表面に付着したＰＭの状態を説明する図である。
【図２７】電流の経時変化を示す図である。
【図２８】電圧の経時変化を示す図である。
【図２９】碍子に沿面放電が発生した状態を説明する図である。
【図３０】電流の経時変化を示す図である。
【図３１】電圧の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１１ クランク角センサ
１２ 排気温センサ
１３ 差圧計
１４ 直流電源装置
１５ 交流電源装置
１６ 発熱用電源装置
１７ 電流検出器
２０ 反応ケース
２１ 帯電用電極
２２ 第１の集塵極
２３ 第１のバリア放電用電極
２４ 第２の集塵極
２５ 第２のバリア放電用電極
２６ 第３の集塵極
２７ 第３のバリア放電用電極
２８ 碍子
２９ 第４の集塵極
３０ 第５の集塵極
４０ コントローラ
１００ エンジン
１０１ 排気管
【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煤、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】
特許３０５６６２６号公報（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】
特開平９−１４４５２８号公報では、すすの燃焼において触媒活性である無機化合物を用いて、ディーゼル燃料エンジンからの排ガスに含まれる粒状物質を除去する方法（以下「従来技術３」という。）が提案されている。
【０００８】
しかし、従来技術３では、例えば３００℃以下の低温時の場合、ＰＭを燃焼することができない問題がある。また、従来技術３は、ＰＭの捕集効果が低く、ＰＭを完全に浄化できない。
【０００９】
特開平６−１７６３９号公報では、電極棒の周辺に位置する碍子の表面に洗浄空気を供給することにより、碍子に付着したＰＭを除去する車両用ディーゼル機関の排気ガス浄化装置（以下「従来技術３」という。）が提案されている。しかし、従来技術３は、碍子表面に洗浄空気を吹き付けるだけでは付着力の小さいＰＭを除去することができるが、強固に付着したＰＭを完全に除去することができない。
【００１０】
また、特開平６−１７６３５３号公報では、ニクロム線を碍子表面に近接して設け、その加熱作用によりＰＭを燃焼除去する車両用ディーゼル機関の排気ガス浄化装置（以下「従来技術４」という。）が提案されている。しかし、従来技術４は、ニクロム線を介して碍子全体を加熱する必要があり、非常に大きな電力を必要とする問題がある。
【００１１】
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、少ない消費電力で、かつ効率的にＰＭを含む排気を浄化することができる排気浄化装置及び高電圧供給装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、前記帯電手段により帯電された粒子状物質を集塵すると共に、粒子状物質を酸化させる能力を少なくとも有する触媒を担持した１つ以上の集塵フィルタと、前記集塵フィルタの近傍に配置され、前記集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼するための放電を行う１つ以上の放電手段と、前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記排気温度検出手段で検出された排気の温度が所定値未満のときに前記放電手段に放電させる制御を行う放電制御手段と、を備えている。
【００１３】
請求項１記載の発明では、帯電手段は、高電圧を印加することによって、エンジンの排気に含まれる粒子状物質を帯電させる。ここでは、直流の負電圧を印加することで、粒子状物質を負極に帯電させるのが好ましい。なお、帯電手段は、粒子状物質を帯電することができれば特に限定されるものではなく、高周波やイオンシャワーを照射したり、摩擦を用いたりして、粒子状物質を帯電させてもよい。
【００１４】
集塵フィルタは、粒子状物質を集塵するものであれば特に限定されないが、メッシュ状の集塵極で構成され、かつ接地されているのが好ましい。また、集塵フィルタは、粒子状物質を酸化させる能力を少なくとも有する触媒を担持している。この触媒は、例えば溶融塩型触媒が好ましい。なお、この触媒は、粒子状物質を酸化させる能力だけでなく、さらに窒素酸化物を浄化する能力を備えていてもよい。
【００１５】
集塵フィルタは、排気の中に含まれる粒子状物質が帯電しているので、粒子状物質を塊にして、容易且つ効率的に静電的に集塵することができる。そして、排気がどんどん流れると、集塵フィルタには粒子状物質が次第に堆積される。
【００１６】
放電手段は、集塵フィルタに対して放電を行う。なお、集塵フィルタが１つの場合、放電手段は１つだけでよい。集塵フィルタが複数の場合は、各集塵フィルタに対応して放電手段を複数設けるのが好ましい。放電手段は、常時放電を行ってもよいが、少なくとも触媒が酸化反応を起こしていないときに放電するのが好ましい。これにより、触媒が低温であっても、集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼させて浄化することができる。一方、集塵フィルタに担持された触媒は、排気によって高温になると、酸化反応を起こし、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を酸化させて、燃焼させることができる。
【００１７】
したがって、帯電手段によって粒子状物質を塊にして効率的に集塵すると共に、放電手段による放電と触媒による酸化反応を用いることで、全温度帯域で、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を酸化させて燃焼させることができる。この結果、エンジンの排気から粒子状物質を浄化させることができる。排気温度検出手段は、内燃機関の排気温度を検出することで、集塵フィルタに担持された触媒の温度を求めることができる。なお、排気温度検出手段は、浄化前の排気の温度に限らず、浄化後の排気の温度を検出してもよい。また、放電制御手段は、排気温度検出手段で検出された排気の温度が所定値未満のときに放電手段に放電させる。ここにいう所定値とは、触媒が酸化反応を起こすときの触媒の温度や、触媒による粒子状物質の燃焼量と放電による粒子状物質の燃焼量がほぼ等しくなるときの触媒の温度を用いることができる。したがって、排気温度が所定値未満のときは触媒の温度が低く、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を触媒で浄化することができないので、放電を行うことによって粒子状物質を酸化させて燃焼させることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、排気の浄化前後の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、前記放電制御手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上になり、かつ前記排気温検出手段により検出された排気温度が所定値未満のときに、前記放電手段に放電させることを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明では、差圧検出手段は、圧損を検出するために、排気の浄化前後の差圧を検出する。ここで、集塵フィルタに堆積される粒子状物質が多くなるに従って、差圧検出手段で検出される差圧の値も大きくなる。
【００２０】
集塵フィルタに担持された触媒は、排気温度が所定値以上の場合では堆積された粒子状物質を酸化燃焼することができるが、排気温度が所定値未満の場合、粒子状物質を燃焼することができない。
【００２１】
そこで、放電制御手段は、差圧が所定値以上になり、かつ排気温度が所定値未満のときに、放電手段に放電させることにより、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記帯電手段は、放電を発生させる放電極と、前記放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と、前記放電極を流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに、前記高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御する電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明では、帯電手段は、放電を発生させる放電極と放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と放電極を流れる電流を検出する電流検出手段と電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御する電圧制御手段とを備えた高電圧供給装置で構成されている。したがって、放電極に粒子状物質が付着して、粒子状物質の静電捕集能力が低下した場合であっても、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【００２４】
なお、次のような高電圧供給装置を用いてもよい。すなわち、内燃機関の排気浄化装置に高電圧を供給する高電圧供給装置であって、前記排気浄化装置の内部の放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と、前記排気浄化装置と前記放電極とを絶縁する絶縁部と、前記放電極に前記高電圧を供給したときの電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに、前記高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御して前記絶縁部に放電させる電圧制御手段と、を備えた高電圧供給装置でもよい。ここで、前記絶縁部は、碍子で構成されているのが好ましい。
【００５２】
【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。
【００５３】
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、エンジン１００内の図示されていないクランク軸の回転角を検出するクランク角センサ１１と、エンジン１００から排気管１０１を介して供給される排気の温度を検出する排気温センサ１２と、浄化前後の排気の差圧を検出する差圧計１３と、直流電圧を印加する直流電源装置１４と、交流電圧を印加する交流電源装置１５と、排気を浄化するために一時貯蔵する反応ケース２０と、交流電源装置１５から出力される交流電圧の制御やその他の全体的な制御を行うコントローラ４０と、を備えている。
【００５４】
また、排気浄化装置は、図２に示すように、反応ケース２０の内部において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、ＰＭを集塵する第１の集塵極２２と、放電を行うための第１のバリア放電用電極２３と、細かいＰＭを集塵する第２の集塵極２４と、バリア放電を行うための第２のバリア放電用電極２５と、更に細かいＰＭを集塵する第３の集塵極２６と、バリア放電を行うための第３のバリア放電用電極２７と、を備えている。
【００５５】
帯電用電極２１は、コロナ放電によりＰＭを帯電させるものである。帯電用電極２１は、具体的には図３に示すように、棒状に形成されており、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、突起部２１ａを介してＰＭを帯電させる。
【００５６】
また、帯電用電極２１は、図２に示すように、その両端がそれぞれ碍子２８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、直流電源装置１４の負電極側に接続されている。なお、帯電用電極２１は、碍子２８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。
【００５７】
第１の集塵極２２は、図４に示すように、帯電されたＰＭを集塵して捕集するフィルタである。第１の集塵極２２は、具体的には金属からなる網目状のフォーム、すなわち網目状のメタルフォーム（金網）で構成されている。なお、第２及び第３の集塵極２４，２６も同様に、帯電されたＰＭを集塵して捕集するフィルタである。
【００５８】
また、第１の集塵極２２、第２の集塵極２４、第３の集塵極２６の順にフィルタの目が細かくなっている。目の粗い第１の集塵極２２としては、例えば図５（Ａ）に示すようにステンレスの金網が好ましい。目が少し細かい第２の集塵極２４としては、例えば図５（Ｂ）に示すように多孔質体にメッキをしたものが好ましい。目が一番細かい第３の集塵極２６としては、例えば図５（Ｃ）に示すように多孔質金属が好ましい。さらに、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６は、それぞれ反応ケース２０を介して接地されている。
【００５９】
第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６のフィルタの目には、ＰＭ酸化能力及びＮＯｘ浄化能力を有する触媒が担持されている。この触媒は、低温時では煤（Ｃ）や可溶有機成分（ＳＯＦ）等のＰＭを捕集し、高温時ではこれらを酸化して浄化する。さらに、この触媒は、低温時ではＮＯｘを吸蔵し、高温時ではＮＯｘを浄化することもできる。
【００６０】
ＰＭを酸化する触媒としては、溶融塩型触媒が好ましい。また、ＮＯｘ浄化触媒としては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が使用できる。なお、触媒は、前記の例に限定されるものではなく、ＰＭ酸化、ＮＯｘ浄化をすることができれば、使用できる。
【００６１】
第１のバリア放電用電極２３は、第１の集塵極２２と第２の集塵極２４の近傍であって、これらに挟まれるように設置されている。第１のバリア放電用電極２３は、バリア放電によって第１の集塵極２２と第２の集塵極２４に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６２】
図６は、第１のバリア放電用電極２３の構成を示す正面図である。図７は、第１のバリア放電用電極２３の側面図である。第１のバリア放電用電極２３は、交流電源装置１５に接続されている印刷導体電極２３ａと、印刷導体電極２３ａに接続されている印刷導体基盤２３ｂと、印刷導体基盤２３ｂの周囲を覆っているアルミナ２３ｃと、で構成されている。
【００６３】
印刷導体基盤２３ｂは、アルミナ２３ｃによって絶縁されている。また、印刷導体基盤２３ｂには直径約１ｃｍ程度の複数の貫通穴２３ｄが形成されており、排気はこの貫通穴２３ｄを通って下流側に流れるようになっている。なお、第２及び第３のバリア放電用電極２５，２７も、第１のバリア放電用電極２３と同様に構成されている。
【００６４】
第２のバリア放電用電極２５は、第２の集塵極２４と第３の集塵極２６の近傍であって、これらに挟まれるように設置されている。そして、第２のバリア放電用電極２５は、バリア放電によって第２の集塵極２４と第３の集塵極２６に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６５】
第３のバリア放電用電極２７は、第３の集塵極２６の近傍であって、排気の下流側に設置されている。そして、第３のバリア放電用電極２７は、バリア放電によって第３の集塵極２６に堆積されたＰＭを燃焼する。
【００６６】
一方、コントローラ４０は、エンジン回転数に基づいて通電時間を決定するための通電時間テーブルと、エンジン回転数に基づいて交流電圧を決定するための交流電圧テーブルを記憶している。
【００６７】
通電時間テーブルは、図８に示すように、エンジン回転数に対応する通電時間を示している。なお、エンジン回転数と通電時間の関係は、線形性である場合に限らず、非線形性であってもよい。また、交流電圧テーブルは、図９に示すように、エンジン回転数に対応する交流電圧（実効値）を示している。なお、エンジン回転数と交流電圧の関係は、線形性である場合に限らず、非線形性であってもよい。
【００６８】
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４０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために、図１０に示すステップＳＴ１以下の処理を実行する。
【００６９】
ステップＳＴ１では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に負の高電圧（−１０ｋＶ程度）を印加して、ステップＳＴ２に移行する。このとき、帯電用電極２１に印加される電圧の波形は図１１に示すようになる。これにより、帯電用電極２１と第１の集塵極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。そして、図３に示すように、排気に含まれるＰＭはプラズマによって負に帯電される。
【００７０】
負に帯電されたＰＭは、図４に示すように、接地されている第１の集塵極２２に静電的に集塵される。つまり、第１の集塵極２２は、ＰＭを静電捕集することによって、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。なお、第２及び第３の集塵極２４，２６も接地されており、第１の集塵極２２、第２の集塵極２４、第３の集塵極２６の順にフィルタの目が細かくなっている。これにより次のような効果が生じる。
【００７１】
図１２に示すように、第１の集塵極２２は、排気の上流側にあるので多量のＰＭを集塵する。このとき、ＰＭは塊になって目の粗い第１の集塵極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。
【００７２】
第２の集塵極２４は、第１の集塵極２２に比べてフィルタの目が細かいので、第１の集塵極２２から崩れて流されたＰＭを捕集する。また、同様に、ＰＭは第２の集塵極２４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。
【００７３】
第３の集塵極２６は、第２の集塵極２４に比べて更にフィルタの目が細かいので、第２の集塵極２４から崩れて流されたＰＭを捕集する。この結果、排気に含まれるＰＭを３段階で捕集することができる。
【００７４】
ステップＳＴ２では、コントローラ４０は、差圧計１３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。
【００７５】
ステップＳＴ３では、コントローラ４０は、差圧計１３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、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６がそれぞれ多量のＰＭを捕集している場合、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。一方、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６がＰＭをあまり捕集してない場合、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。
【００７６】
そこで、コントローラ４０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ＳＴ４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ＳＴ８に移行する。
【００７７】
ステップＳＴ４では、コントローラ４０は、エンジン１００の回転数を読み込む。ここでは、クランク角センサ１１で検出されたクランク角の変化から回転速度を演算して、ステップＳＴ５に移行する。そして、ステップＳＴ５では、コントローラ４０は、排気温センサ１２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。
【００７８】
ステップＳＴ６では、コントローラ４０は、各集塵極に担持された触媒でＰＭを燃焼できるかを判定する。ここで、触媒は所定温度（例えばＴ0度）以上にならないと酸化反応を開始しない。しかし、触媒による燃焼量は、Ｔ0度以上であっても、ある温度（例えばＴ1度）未満のときはバリア放電による燃焼量よりも低く、ＰＭを十分に燃焼させることができない。
【００７９】
そこで、コントローラ４０は、排気温センサ１２で検出された温度がＴ1度以上であるかを判定し、Ｔ1度以上であるときは触媒でＰＭを十分燃焼できると判定して、ステップＳＴ８に移行する。一方、排気温センサ１２で検出された温度がＴ1度未満であるときは触媒でＰＭを十分に燃焼できないと判定して、ステップＳＴ７に移行する。
【００８０】
ステップＳＴ７では、コントローラ４０は、上述した交流電圧テーブル及び通電時間テーブルを参照して、ステップＳＴ４で読み込んだエンジン回転数に基づいて、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に印加すべき交流電圧及び通電時間を設定する。そして、設定された交流電圧を設定された通電時間だけ第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に印加する。このとき、交流電圧の波形は、図１３に示すようになる。なお、交流電圧を印加するときは、アーク放電にならないようにする。
【００８１】
この結果、第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間では、バリア放電が発生する。なお、他の集塵極と他のバリア放電用電極の間でもバリア放電は発生するが、ここでは第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間のバリア放電について説明する。
【００８２】
図１４に示すように、第１の集塵極２２と第１のバリア放電用電極２３の間にバリア放電が発生すると、第１の集塵極２２に堆積されたＰＭは燃焼する。このときの反応式は次のようになる。
【００８３】
最初に、バリア放電によって放出された電子は、酸素分子に衝突し、酸素ラジカルを生成する。
【００８４】
【化１】
酸素ラジカルは、酸素分子に衝突してオゾンを生成したり、一酸化窒素に衝突して二酸化窒素を生成する。
【００８６】
【化２】
オゾンや二酸化窒素は、煤（Ｃ）に衝突して煤を酸化させる。
【００８８】
【化３】
また、オゾンや二酸化窒素は、ＳＯＦ（主成分はハイドロカーボン）に衝突して可溶有機成分（ＣxＨy）を酸化させる。
【００９０】
【化４】
このように、第１の集塵極２２に堆積されたＰＭは、バリア放電によって酸化されて燃焼される。第２及び第３の集塵極２４，２６に堆積されたＰＭも同様にして燃焼される。
【００９２】
なお、第２の集塵極２４は、排気の上流側と下流側にそれぞれ配置された第１及び第２のバリア放電用電極２３，２５に挟まれているので、両側からのバリア放電によって多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。第３の集塵極２６も同様の理由で、多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。
【００９３】
一方、ステップＳＴ３で差圧が所定値未満であったとき、さらにステップＳＴ６で触媒でＰＭを燃焼できると判定したときに移行したステップＳＴ８では、コントローラ４０は、所定時間を経過したかを判定する。そして、所定時間経過するまで待機して、所定時間を経過するとステップＳＴ２に戻る。つまり、所定のインターバルをおいてから再びステップＳＴ２以下の処理を実行する。
【００９４】
図１５は、ＰＭの燃焼量を示す図である。実線は、バリア放電によるＰＭの燃焼量を示している。排気温度が低くても、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６にそれぞれ交流電圧を印加することができるので、バリア放電によって所定の燃焼量を得ることができる。但し、排気温度が高くなっても、バリア放電によるＰＭの燃焼量はあまり変化せず、微増するだけである。
【００９５】
同図の鎖線は、触媒によるＰＭの燃焼量を示している。第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６にそれぞれ担持された触媒は、排気によって所定温度（Ｔ0度）以上にならないと酸化反応を開始しないため、Ｔ0度になるまでＰＭを燃焼することができないが、Ｔ0度以上になると酸化反応を開始してＰＭを燃焼する。そして、触媒によるＰＭの燃焼量は、Ｔ1度を超えると、バリア放電によるＰＭの燃焼量を超える。
【００９６】
同図の点線は、バリア放電及び触媒によるＰＭの燃焼量を示しており、実線で示した燃焼量と鎖線で示した燃焼量との和に対応している。
【００９７】
以上のように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、触媒の酸化反応が生じないような低温であっても、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７に交流の高電圧を印加することによって、第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６に堆積されたＰＭを燃焼することができる。さらに、触媒が高温になると触媒によってＰＭを酸化させて燃焼すると共に、ＮＯｘを浄化させることができる。すなわち、排気浄化装置は、低温時においてはバリア放電を行うことによって、各集塵極に担持された触媒の温度にかかわらず全温度域においてＰＭを燃焼することができる。
【００９８】
また、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を帯電させることによって、多量のＰＭを塊にして第１乃至第３の集塵極２２，２４，２６に堆積することができるので、効率的にＰＭを集塵して浄化することができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、コントローラ４０は、エンジン回転数に対応する通電時間を示す通電時間テーブルと、エンジン回転数に対応する交流電圧を示す交流電圧テーブルを記憶していたが、これらに代えて他のテーブルを記憶していてもよい。
【０１００】
例えば、コントローラ４０は、エンジン負荷に対応する通電時間を示す第２の通電時間テーブルや、エンジン負荷に対応する交流電圧を示す第２の交流電圧テーブルを記憶することもできる。この場合、コントローラ４０は、エンジン回転数やその他の入力情報に基づいて負荷を演算し、第２の通電時間テーブルや第２の交流電圧テーブルを参照して、演算された負荷に対応する通電時間及び交流電圧を求めればよい。また、コントローラ４０は、エンジン回転数と負荷の両方を考慮して、通電時間及び交流電圧を求めることもできる。
【０１０１】
［第２の実施の形態］
つぎに、本発明の第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。本実施の形態に係る排気浄化装置は、第１の実施の形態と比べて、集塵極とバリア放電用電極の配置が異なっている。
【０１０２】
具体的には図１６に示すように、排気浄化装置は、反応ケース２０内の排気の上流側から下流側に向かって、帯電用電極２１、第１のバリア放電用電極２３、第１の集塵極２２、第２のバリア放電用電極２５、第２の集塵極２４、第３のバリア放電用電極２７、第３の集塵極２６を設けている。つまり、各集塵極に対して排気上流側にそれぞれバリア放電用電極が配置されている。
【０１０３】
特に、第１の集塵極２２は、排気の上流側にある第１のバリア放電用電極２３と、排気の下流側にある第２のバリア放電用電極２５に挟まれており、両側からバリア放電が与えられ、燃焼能力が大きくなっている。第１の集塵極２２は、第２及び第３の集塵極２４，２６に比べて排気の上流側にあり、多量のＰＭを集塵するので、第１の実施の形態に比べて、多量のＰＭを燃焼して浄化することができる。
【０１０４】
以上のように、第２の実施の形態に係る排気浄化装置は、ＰＭの堆積量が多い第１の集塵極２２に対して、排気の上流側に第１のバリア放電用電極２３を配置し、排気の下流側に第２のバリア放電用電極２５を配置することによって、多量のＰＭを酸化燃焼して、ＰＭによる目詰まりを防止して、排気に含まれるＰＭを効率よく浄化することができる。
【０１０５】
なお、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の設計上の変更を行うことができる。例えば、第１及び第２の実施の形態では、帯電用電極２１は１本であるものとして説明したが、２本以上あってもよいのは勿論である。
【０１０６】
また、第１及び第２の実施の形態では、集塵極の数が３つの場合を例に挙げて説明したが、集塵極の数は１つ以上であれば特に限定されるものではない。また、集塵極の数よりもバリア放電用電極の数を１つ多くし、全部の集塵極の上流側と下流側にバリア放電用電極を設置してもよい。さらに、集塵極に担持された触媒は、ＰＭ酸化能力とＮＯｘ浄化能力の２つを備えていたが、ＰＭ酸化能力だけを備えていてもよい。
【０１０７】
なお、触媒でＰＭを十分燃焼できる場合には、第１乃至第３のバリア放電用電極２３，２５，２７のない構成であってもよい。
【０１０８】
［第３の実施の形態］
つぎに、第３の実施の形態について説明する。なお、上述した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。
【０１０９】
第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、図１とほぼ同様に構成されているが、交流電源装置１５に代えて、図１７に示すように発熱用電源装置１６を備えている。
【０１１０】
反応ケース２０は、図１８に示すように、排気に含まれるＰＭをコロナ放電により帯電させる帯電用電極２１と、帯電されたＰＭを集塵する第４の集塵極２９と、を備えている。
【０１１１】
帯電用電極２１は、第１の実施の形態と同様に、その両端がそれぞれ碍子２８によって反応ケース２０に固定されており、反応ケース２０に絶縁された状態になっている。
【０１１２】
第４の集塵極２９は、図１９に示すように、発熱用電源装置１６からの電圧が印加される電極部２９ａと、メッシュ状の電熱線で構成された集塵部２９ｂと、を備えている。したがって、集塵部２９ｂは、電極部２９ａに電圧が印加されたときに発熱するようになっている。
【０１１３】
集塵部２９ｂ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。
【０１１４】
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４０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために、図２０に示すステップＳＴ１以下の処理を実行する。なお、図２０に示すフローチャートは、図１０に示したフローチャートとほぼ同様であるが、ステップＳＴ７の処理に代えてステップＳＴ１０の処理を行う点が異なっている。
【０１１５】
ステップＳＴ１０では、排気の浄化前後の差圧が所定値以上であり、第４の集塵極２９に堆積されたＰＭを触媒で燃焼できない状態であるので、コントローラ４０は、第４の集塵極２９に所定時間通電するように発熱用電源装置１６を制御する。この結果、第４の集塵極２９は、発熱用電源装置１６から電圧が供給されて発熱し、堆積されたＰＭを燃焼して除去する。そして、コントローラ４０は、再びステップＳＴ２に戻り、ステップＳＴ２以下の処理を実行する。
【０１１６】
以上のように、第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、圧損が生じ、かつ排気温度が低くて触媒でＰＭを燃焼できない場合には、第４の集塵極２９に通電する。この結果、第４の集塵極２９の発熱によってＰＭを燃焼除去するので、圧損を低減すると共にＰＭの捕集効率の低下を抑制することができる。
【０１１７】
また、上記排気浄化装置は、排気が所定温度以上の場合には、第１の実施の形態と同様に、第４の集塵極２９に担持されたＰＭ酸化触媒によってＰＭを燃焼することができるので、消費電力を抑制することもできる。また、第４の集塵極２９にはＮＯｘ浄化触媒が担持されているので、排気に含まれたＮＯｘを浄化することもできる。
【０１１８】
［第４の実施の形態］
つぎに、第４の実施の形態について説明する。なお、上述した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。
【０１１９】
第４の実施の形態に係る排気浄化装置は、図２１に示すように、直流電圧を印加する直流電源装置１４と、電流を検出する電流検出器１７と、排気を浄化するために一時貯蔵する反応ケース２０と、直流電源装置１４の出力電圧の制御やその他の全体的な制御を行うコントローラ４０と、を備えている。
【０１２０】
反応ケース２０は、排気に含まれるＰＭをコロナ放電により帯電させる帯電用電極２１と、帯電されたＰＭを集塵する第５の集塵極３０と、を備えている。
【０１２１】
第５の集塵極３０は、特に限定されるものではなく、例えば図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、ステンレスの金網、メッキ等の導電性のコーティングが施された多孔体、金属多孔体のいずれで構成されてもよい。また、第５の集塵極３０は、セラミックフォームで構成されてもよい。
【０１２２】
帯電用電極２１は、その両端がそれぞれ碍子２８によって反応ケース２０に固定されており、反応ケース２０に絶縁された状態になっている。なお、反応ケース２０は接地されている。
【０１２３】
電流検出器１７は、帯電用電極２１を流れる電流を検出し、検出結果をコントローラ４０に供給する。コントローラ４０は、電流検出器１７で検出された電流値に基づいて、直流電源装置１４の出力電圧を制御する。
【０１２４】
ここで、ＰＭが碍子２８に付着すると、反応ケース２０と帯電用電極２１との絶縁状態を維持することができなくなる。そして、コロナ放電が弱くなり、ＰＭの静電捕集の効率が低下する。そこで、コントローラ４０は、反応ケース２０と帯電用電極２１との絶縁状態を維持すべく、図２２に示すステップＳＴ１１以下の処理を実行する。
【０１２５】
ステップＳＴ１１では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に負の高電圧（−１０ｋＶ程度）を印加して、ステップＳＴ２に移行する。この結果、帯電用電極２１と第５の集塵極３０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。そして、排気に含まれるＰＭはプラズマによって負に帯電される。
【０１２６】
ステップＳＴ１２及びステップＳＴ１３では、コントローラ４０は、電流検出器１７を介して電流値を検出し、検出された電流値が所定値以上であるかを判定する。
【０１２７】
ここにいう所定値は、コロナ放電によってＰＭを十分に帯電させることができるか否かを判定するための閾値である。碍子２８にＰＭが付着して、帯電用電極２１から反応ケース２０を介して外部に電流が流れると、コロナ放電が十分に発生しなくなり、静電捕集の効率が低下する。つまり、上記所定値は、静電捕集の効率が低下したか否かを判定するための閾値でもある。
【０１２８】
そして、電流値が所定値以上であるときは、静電捕集の効率が低下しているのでステップＳＴ１５に移行する。また、電流値が所定値以上でないときは、静電捕集の効率は低下していないので、ステップＳＴ１４に移行する。
【０１２９】
ステップＳＴ１４では、コントローラ４０は、直流電源装置１４の出力電圧を初期値にした状態のままで所定時間運転し、再びステップＳＴ１２に戻る。したがって、コントローラ４０は、通常の静電捕集を行っているときは、ステップＳＴ１２、ステップＳＴ１３及びステップＳＴ１７の処理を繰り返し実行する。
【０１３０】
一方、ステップＳＴ１５では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に対して過電圧を印加するように直流電源装置１４を制御して、ステップＳＴ１６に移行する。したがって、直流電源装置１４は、図２３に示すように、通常（コロナ放電時）では−１０ｋＶの電圧を出力し、ステップＳＴ１５では過電圧を出力する。そして、帯電用電極２１は、過電圧が印加されると、図２４に示すように、碍子２８の周辺で放電を起こして碍子２８の周囲に付着されたＰＭを燃焼する。
【０１３１】
ステップＳＴ１６では、コントローラ４０は、帯電用電極２１に過電圧が印加された状態のままで所定時間運転し、所定時間経過後ステップＳＴ１７に移行する。所定時間は、碍子２８の周囲に付着されたＰＭをほぼ完全に燃焼できる時間が好ましい。この結果、反応ケース２０と帯電用電極２１は、再び絶縁状態になる。
【０１３２】
ステップＳＴ１７では、コントローラ４０は、直流電源装置１４の出力電圧を初期値（−１０ｋＶ）に戻して、再びステップＳＴ１２に戻る。つまり、コントローラ４０は、碍子２８の周囲に付着されたＰＭを除去した後は、再びＰＭを帯電させるために、直流電源装置１４の出力電圧を初期値に設定する。
【０１３３】
以上のように、第４の実施の形態に係る排気浄化装置は、碍子２８にＰＭが付着して静電捕集の効率が低下した場合には、帯電用電極２１に過電圧を印加して放電を発生させて、ＰＭを燃焼除去することができる。これにより、帯電用電極２１の絶縁性を回復させて、効率的にコロナ放電を発生するので、静電捕集能力の低下を抑制して、安定してＰＭを浄化することができる。
【０１３４】
なお、本実施の形態に係る排気浄化装置は、第１から第３の実施の形態に適用することができる。すなわち、第１から第３の実施の形態に係る排気浄化装置は、帯電用電極２１を流れる電流を検出する電流検出器１７を更に備えもよい。このとき、コントローラ４０は、電流検出器１７で検出された電流値が所定値以上になったときに、帯電用電極２１に過電圧を印加すればよい。
【０１３５】
［第５の実施の形態］
つぎに、第５の実施の形態について説明する。図２５は、第５の実施の形態に係る排気浄化装置の要部構成図である。
【０１３６】
第５の実施の形態に係る排気浄化装置は、高電圧を発生する高電圧発生装置１と、高電圧発生時に導線２を流れる電流を検出する電流計３と、ディーゼルエンジンからの排気が供給される排気管４と、排気管４内の排気に含まれるＰＭを静電捕集する静電捕集装置５と、電流計３の計測結果に基づいて高電圧発生装置１の出力電圧制御を行うコントローラ６と、を備えている。
【０１３７】
導線２の一端側は、高電圧発生装置１に接続されている。導線２の他端側は、排気管４内に設置された静電捕集装置５の高電圧導入部に接続されている。また、導線２は、碍子７によって排気管４との絶縁状態が保たれている。静電捕集装置５は、ＰＭを帯電して捕集することができれば特に限定されないが、例えば第１乃至第４の実施の形態で用いられたものを用いることができる。
【０１３８】
高電圧発生装置１が高電圧Ｖ0を発生すると、図２６に示すように、碍子７の表面には排気中のＰＭが付着する。このため、導線２に供給された高電圧は、碍子７の表面に付着されたＰＭ層、排気管４を介して漏電する。この結果、電流計３によって計測される電流値は、図２７に示すように、ＰＭの付着に起因する漏電によって徐々に増加する。一方、導線２に印加される電圧値は、図２８に示すように、漏電によって徐々に低下する。
【０１３９】
コントローラ６は、図２２に示したステップＳＴ１１からステップＳＴ１７までの処理を実行する。コントローラ６が過電圧を印加するように高電圧発生装置１を制御すると（ステップＳＴ１５）、図２９に示すように、碍子７に沿面放電が発生し、碍子７に付着したＰＭは浄化される。
【０１４０】
ＰＭが浄化されると、図３０に示すように、電流計３によって計測される電流値は元の電流レベルＩ0に戻る。コントローラ６は、電流値が元の電流レベルＩ0に戻ると、碍子７の絶縁性が回復したものとみなして、電圧を初期値に戻すように高電圧発生装置１を制御する（ステップＳＴ１７）。
【０１４１】
図３１は、排気管４に導入している電圧の経時変化を示す図である。同図によると、排気管４に導入している電圧（導線２の電圧）は、碍子７にＰＭが付着すると共に漏電して低下する（Ａ期間）。電圧の低下と共に電流が所定値まで低下すると、再生処理が働き、電圧は一時的に大きくなる（Ｂ期間）。Ｂ期間の再生処理後、電圧は元の電圧レベルＶ0に回復する。なお、従来の方法は回復処理をすることができないため、電圧は下降の一途をたどり、静電捕集装置５が機能しなくなった。
【０１４２】
以上のように、第５の実施の形態に係る排気浄化装置は、碍子７にＰＭが付着して静電捕集の効率が低下した場合には、過電圧を印加して放電を発生させて、７に付着したＰＭを燃焼除去することができる。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、高電圧の導入先として静電捕集装置５を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、プラズマ放電でＰＭを除去する排気浄化装置や、プラズマでＮＯｘ等のガス成分を浄化するプラズマ浄化装置であってもよい。すなわち、高電圧が供給される装置は特に限定されるものではない。
【０１４４】
また、本実施の形態では、ディーゼルエンジンの排気管を想定して説明したが、内燃機関は特に限定されるものではなく、希薄燃焼可能なガソリンエンジンでもよく、ガスタービンであってもよい。さらに、加熱用ボイラーの排気ダクトでＰＭやＮＯｘを浄化する装置に対しても本発明を適用することができる。
【０１４５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、排気の温度が所定値未満のときに放電手段に放電させることによって、触媒が酸化反応を起こさない低温においても、集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼させて浄化することができる。
【０１４６】
請求項２記載の発明は、排気の浄化前後の差圧が所定値以上になり、かつ排気温度が所定値未満のときに、放電手段に放電させることにより、集塵フィルタに堆積された粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【０１４７】
請求項３記載の発明は、高電圧供給装置によって放電極に放電用の高電圧を供給し、放電極からの放電によって帯電された粒子状物質を集塵することにより、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【０１５４】
請求項１０および１１記載の発明は、高電圧供給装置によって放電極に放電用の高電圧を供給し、放電極からの放電によって帯電された粒子状物質を集塵することにより、放電によって粒子状物質を燃焼除去することで、静電捕集能力を回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成図である。
【図２】排気浄化装置の反応ケース内の構成を示す図である。
【図３】帯電用電極を説明するための図である。
【図４】第１の集塵極を説明するための図である。
【図５】第１乃至第３の集塵極の材質を説明するための図である。
【図６】第１のバリア放電用電極の構成を示す正面図である。
【図７】第１のバリア放電用電極の側面図である。
【図８】通電時間テーブルを示す図である。
【図９】交流電圧テーブルを示す図である。
【図１０】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図１１】帯電用電極に印加される直流電圧の波形図である。
【図１２】第１乃至第３の集塵極で捕集されるＰＭの状態を説明するための図である。
【図１３】第１乃至第３のバリア放電用電極に印加される交流電圧の波形図である。
【図１４】バリア放電を行っているときの状態を説明するための図である。
【図１５】ＰＭの燃焼量を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る排気浄化装置の反応ケース内の構成を示す図である。
【図１７】本発明の第３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１８】排気浄化装置の反応ケースの構成を示す図である。
【図１９】第４の集塵極の構成を示す図である。
【図２０】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の第４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２２】コントローラの動作手順を説明するフローチャートである。
【図２３】直流電源装置の出力電圧の波形図である。
【図２４】帯電用電極及び碍子の周囲に付着したＰＭを燃焼除去する状況を説明する図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る排気浄化装置の要部構成図である。
【図２６】碍子の表面に付着したＰＭの状態を説明する図である。
【図２７】電流の経時変化を示す図である。
【図２８】電圧の経時変化を示す図である。
【図２９】碍子に沿面放電が発生した状態を説明する図である。
【図３０】電流の経時変化を示す図である。
【図３１】電圧の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１１ クランク角センサ
１２ 排気温センサ
１３ 差圧計
１４ 直流電源装置
１５ 交流電源装置
１６ 発熱用電源装置
１７ 電流検出器
２０ 反応ケース
２１ 帯電用電極
２２ 第１の集塵極
２３ 第１のバリア放電用電極
２４ 第２の集塵極
２５ 第２のバリア放電用電極
２６ 第３の集塵極
２７ 第３のバリア放電用電極
２８ 碍子
２９ 第４の集塵極
３０ 第５の集塵極
４０ コントローラ
１００ エンジン
１０１ 排気管
Claims (3)
- 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、
前記帯電手段により帯電された粒子状物質を集塵すると共に、粒子状物質を酸化させる能力を少なくとも有する触媒を担持した１つ以上の集塵フィルタと、
前記集塵フィルタの近傍に配置され、前記集塵フィルタに集塵された粒子状物質を燃焼するための放電を行う１つ以上の放電手段と、
前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記排気温度検出手段で検出された排気の温度が所定値未満のときに前記放電手段に放電させる制御を行う放電制御手段と、
を備えた排気浄化装置。 - 排気の浄化前後の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、
前記放電制御手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上になり、かつ前記排気温検出手段により検出された排気温度が所定値未満のときに、前記放電手段に放電させること
を特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。 - 前記帯電手段は、
放電を発生させる放電極と、
前記放電極に高電圧を供給する高電圧供給手段と、
前記放電極を流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段により検出された電流が所定値以上のときに、前記高電圧供給手段の出力電圧を更に高く制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の排気浄化装置。
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