JP4332847B2

JP4332847B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4332847B2
Application number: JP2003359799A
Authority: JP
Inventors: 大垣花; 勇中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005120987A

Description

本発明は、プラズマを用いて排気ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。

従来から、車両用内燃機関の排気系統に組み込まれて当該内燃機関の排気ガスを浄化する装置として、相対する電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排気ガスを浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクタ）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この排ガス浄化装置は、いわゆるウォールフロー型の浄化装置として構成されており、排気系統に組み込まれるケーシング（浄化容器）と、排気ガス中のパティキュレート物質（以下、「ＰＭ物質」という）を捕集するセラミック製フィルタとを有している。フィルタは、ケーシングの内部に配置され、その外周部に上流側排気ガス通路を画成すると共に、その中心部に下流側排気ガス通路を画成する。

この排ガス浄化装置のケーシング内に導入された排気ガスは、ケーシングの内周面付近の上流側排ガス通路に流れ込み、セラミック製フィルタの襞状に折り曲げられた部分を流通した後、下流側排気ガス通路を介してケーシングから流出する。そして、排気ガスがセラミック製フィルタを流通する間に、排気ガス中のＰＭ物質がフィルタにより捕集される。更に、フィルタによって捕集されたＰＭ物質は、プラズマによって反応消滅または焼却される。

特開２００１−２９５６２９号公報

ここで、上述のようなウォールフロー型の排ガス浄化装置では、フィルタ（ケーシング）の入口と出口との間における圧力差（背圧）が大きくなってしまいがちである。このため、ウォールフロー型の排ガス浄化装置を用いた場合、排ガス浄化装置の適用対象である内燃機関等の出力低下を招いてしまうおそれがある。

これに対して、排ガス浄化に伴う内燃機関等の出力低下を防止するためには、浄化容器内の排気ガスの流れが一方向に保たれるストレートフロー型の排ガス浄化装置を用いることが考えられる。しかしながら、セラミックハニカム材等からなるフィルタを備えたストレートフロー型の排ガス浄化装置では、ガス流路の中心部を通過する排気ガスの流速および流量が増加する傾向にあり、フィルタ中心部で目詰まりが生じることにより、ＰＭ物質の捕集効率や処理効率が低下し、また背圧が更に上昇してしまうことがある。

そこで、本発明は、効率よくパティキュレート物質を捕集・処理可能な排ガス浄化装置の提供を目的とする。

本発明による排ガス浄化装置は、プラズマを用いて排気ガスを浄化する排ガス浄化装置において、排気ガスが導入される浄化容器と、浄化容器内に配置されたハニカム構造体と、ハニカム構造体の中心に配置され、排気ガスの流れ方向に延びる中心電極と、ハニカム構造体の外周に配置された外周電極とを備え、ハニカム構造体は、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減している領域を含んでいることを特徴とする。

この排ガス浄化装置は、中心電極等に対して高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排気ガスを浄化するものであり、浄化容器内で排気ガス中のＰＭ物質を捕集するためのハニカム構造体を有する。そして、この排ガス浄化装置のハニカム構造体は、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減している領域を含んでいる。これにより、ハニカム構造体の中心部における抵抗が増加するので、ハニカム構造体のセル密度が低い外周側の領域における排気ガスの流量を増加させることができる。従って、この排ガス浄化装置では、ハニカム構造体の中心部における目詰まりが抑制されると共に、ハニカム構造体におけるＰＭ物質の分布が全体に均一化されることになり、ハニカム構造体の全体で均一かつ効率よくＰＭ物質を捕集・処理することが可能となる。

また、中心電極と外周電極との間に配置された複数の筒状電極を更に備え、複数の筒状電極には、中心電極と対をなす電極と、外周電極と対をなす電極とが含まれていると好ましい。

このような構成を採用すれば、互いに対をなす電極間におけるＰＭ物質の捕集効率および処理効率をより一層を向上させることが可能となる。

この場合、中心電極を含む一対の電極間に配置された内側ハニカム構造体と、外周電極を含む一対の電極間に配置されており、内側ハニカム構造体よりも低いセル密度を有する外側ハニカム構造体とを更に備えると好ましい。

また、内側ハニカム構造体と外側ハニカム構造体との間で流体の流通が実質的に規制されていると好ましい。

このような構成を採用すれば、浄化容器の入口と出口との間における圧力差（背圧）が大きくなってしまうことを確実に防止することができる。

本発明によれば、効率よくパティキュレート物質を捕集・処理可能な排ガス浄化装置の実現が可能となる。

以下、図面と共に本発明による排ガス浄化装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による排ガス浄化装置を示す断面図であり、図２は、図１におけるII−II線についての断面図である。これらの図面に示される排ガス浄化装置１は、車両に適用されると好適なものであり、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ１と排気管Ｌ２との間に組み込まれる。図１および図２に示されるように、排ガス浄化装置１は、浄化容器２を有し、この浄化容器２の内部には、排気管Ｌ１を介して内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスが導入される。そして、浄化容器２の内部で浄化された排気ガスは、排気管Ｌ２を介して外部に排出される。

浄化容器２は、金属等により概ね円筒状に形成されており、排気管Ｌ１またはＬ２に接続される入口端部２１および出口端部２２と、排気管Ｌ１，Ｌ２よりも大きな内径を有する拡径部２３と、入口端部２１と拡径部２３との間および出口端部２２と拡径部２３との間に形成されたコーン部２４とを含む。また、浄化容器２の拡径部２３の内周面には、円筒状に形成された絶縁部材３が固定されており、絶縁部材３の内周面には、金属メッシュあるいは金属ペースト等により円筒状に形成された外周電極４が積層されている。

外周電極４の内周面には、浄化容器２の内部に流れ込んだ排気ガス中のＰＭ物質を捕集するための外側ハニカム構造体５が固定されている。外側ハニカム構造体５は、セラミック（例えば、コージェライトやアルミナ）等により円筒状に形成されており、排気ガスの流通方向（浄化容器２の延在方向）に延びる多数のセルを有している。また、外側ハニカム構造体５には、例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ_２，Ｍｎ／ＣｅＯ_２，Ｆｅ／ＣｅＯ_２，Ｎｉ／ＣｅＯ_２，Ｃｕ／ＣｅＯ_２等の酸化触媒が担持されている。更に、外側ハニカム構造体５の内周面には、金属メッシュあるいは金属ペースト等により円筒状に形成された電極６が積層されている。この電極６は、外側ハニカム構造体５を介して外周電極４と対をなす。

電極６の内周面には、円筒状に形成された絶縁部材７が固定されており、絶縁部材７の内周面には、金属メッシュあるいは金属ペースト等により円筒状に形成された電極８が積層されている。そして、電極８の内周面にも、浄化容器２の内部に流れ込んだ排気ガス中のＰＭ物質を捕集するための内側ハニカム構造体９が固定されている。なお、外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９との間では、排気ガスの流通が絶縁部材７によって実質的に規制される。これにより、浄化容器２の入口と出口との間における圧力差（背圧）が大きくなってしまうことが確実に防止される。

内側ハニカム構造体９も、外側ハニカム構造体５と同様に、セラミック（例えば、コージェライトやアルミナ）等からなるハニカム材により概ね円筒状に形成されており、排気ガスの流通方向（浄化容器２の延在方向）に延びる多数のセルを有している。そして、本実施形態において、内側ハニカム構造体９は、外側ハニカム構造体５よりも高いセル密度を有するように形成されている。また、内側ハニカム構造体９にも、例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ_２，Ｍｎ／ＣｅＯ_２，Ｆｅ／ＣｅＯ_２，Ｎｉ／ＣｅＯ_２，Ｃｕ／ＣｅＯ_２等の酸化触媒が担持されている。

更に、浄化容器２の内部には、内側ハニカム構造体９の中心を貫通すると共に排気ガスの流れ方向に延在するように棒状の中心電極１０が配置されている。この中心電極１０は、内側ハニカム構造体９を介して電極８と対をなす。また、中心電極１０の先端部は、排気ガスの入口（排気管Ｌ１）に向けて内側ハニカム構造体９から突出しており、当該先端部からは、複数本の棘状の放電突起１０ｄが放射状に延出されている。

図１に示されるように、浄化容器２の内部に配置されている電極６と中心電極１０とには、図示されない給電端子等を介して高圧電源１１が接続され、電極６と対をなす外周電極４および中心電極１０と対をなす電極８は接地されている。本実施形態では、電極６および中心電極１０を負極として外周電極４と電極６との間および電極８と中心電極１０との間に高電圧が印加される。なお、高圧電源１１としては、直流高圧電源、交流高圧電源および直流パルス電源の何れかを用いることができる。

さて、上述のように構成される排ガス浄化装置１では、内燃機関の始動と共に、排気管Ｌ１を介して内燃機関の燃焼室からの排気ガスが浄化容器２の内部に導入される。また、内燃機関の始動に合わせて、互いに対をなす外周電極４と電極６との間（外側ハニカム構造体５）および互いに対をなす電極８と中心電極１０との間（内側ハニカム構造体９）にプラズマを発生させるべく、外周電極４と電極６との間および電極８と中心電極１０との間に高圧電源１１によって高電圧が印加される。

ここで、浄化容器２内の外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体とを一体のハニカム構造体９とみなした場合、当該一体のハニカム構造体では、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減することになる。これにより、排ガス浄化装置１では、一体のハニカム構造体の中心部、すなわち、内側ハニカム構造体９に流入しようとする排気ガスに対する抵抗が増加することになる。従って、排ガス浄化装置１では、排気ガスを入口側のコーン部２４の内部で拡散させて、セル密度が低い外側ハニカム構造体５における排気ガスの流量を増加させることが可能となる。この結果、ガス流路の中心部に位置する内側ハニカム構造体９の目詰まりが抑制されると共に、外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９とにおけるＰＭ物質の分布が全体に均一化される。

そして、排ガス浄化装置１では、外周電極４と電極６との間（外側ハニカム構造体５）および中心電極１０と電極８との間（内側ハニカム構造体９）の双方において高電圧電界が形成される。これにより、外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９との双方において排気ガス中のＰＭ物質を効率よく帯電させて確実に捕集することが可能となる。また、排気ガス中のＰＭ物質は負に帯電し易いものである。従って、本実施形態のように、互いに対をなす電極のうち、内側に位置する電極６および中心電極１０を負極（放電極）としておけば、ＰＭ物質が外側の外周電極４や電極８に吸引されるようになるので、ＰＭ物質の分布を全体に均一化して、互いに対をなす電極間におけるＰＭ物質の捕集効率をより一層を向上させることができる。

更に、排ガス浄化装置１では、排気ガスが外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９とを流通する間に、排気ガス中の酸素や一酸化窒素等がプラズマにより活性化（ラジカル化）され、高い酸化活性をもったオゾン（Ｏ_３）、活性化酸素（Ｏ_２ ⁻）、二酸化窒素（ＮＯ_２）等が生成される。そして、外側ハニカム構造体５および内側ハニカム構造体９のセル内に均一に捕集されたＰＭ物質は、これらの高酸化活性成分と反応して燃焼、焼却される。更に、排ガス浄化装置１では、外側ハニカム構造体５および内側ハニカム構造体９に担持されている酸化触媒の作用により、ＰＭ物質の燃焼が促進される。

この結果、排ガス浄化装置１によれば、互いに対をなす外周電極４と電極６との間（外側ハニカム構造体５）および互いに対をなす電極８と中心電極１０との間（内側ハニカム構造体９）に均一に捕集されたＰＭ物質が効率よく処理されることになる。そして、浄化容器２の内部で良好に浄化された排気ガスは、排気管Ｌ２を介して外部に排出されることになる。

なお、上述のように、排ガス浄化装置１では、外側ハニカム構造体５が内側ハニカム構造体９よりも低いセル密度を有するが、外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９とのセル密度の差は、およそ１００〜４００ｃｐｓｉ（ｃｓｐｉ：１平方インチあたりのセル数）程度に定められると好ましい。これにより、セル密度が低い外側ハニカム構造体５における排気ガスの流量が過剰に増加してしまうことを防止して、ハニカム構造体５および９におけるＰＭ物質の分布を全体に均一化することが可能となる。

また、上述の排ガス浄化装置１では、外側ハニカム構造体５と内側ハニカム構造体９とを一体のハニカム構造体とみなした場合、当該一体のハニカム構造体の全長（排気ガスの流れ方向における長さ）にわたって、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減することになるが、これに限られるものではない。すなわち、本発明では、浄化容器内のハニカム構造体が中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減している領域を少なくとも一部に含んでいればよく、例えばハニカム構造体の中心部のセル密度が浄化容器の入口側で所定長さだけ高く設定されてもよい。更に、上述の排ガス浄化装置１の電極６と電極８との間に、１またはそれ以上の電極対およびハニカム構造体が配置され得ることはいうまでもない。

本発明による排ガス浄化装置を示す概略構成図である。図１におけるII−II線についての断面図である。

符号の説明

１排ガス浄化装置
２浄化容器
３，７絶縁部材
４外周電極
５外側ハニカム構造体
６，８電極
９内側ハニカム構造体
１０中心電極
１１高圧電源
２１入口端部
２２出口端部
２３拡径部
２４コーン部
Ｌ１，Ｌ２排気管

Claims

プラズマを用いて排気ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
排気ガスが導入される浄化容器と、
前記浄化容器内に配置されたハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の中心に配置され、排気ガスの流れ方向に延びる中心電極と、
前記ハニカム構造体の外周に配置された外周電極とを備え、
前記ハニカム構造体は、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減している領域を含み、
前記中心電極と前記外周電極との間に配置された複数の筒状電極を更に備え、
前記複数の筒状電極には、前記中心電極と対をなす電極と、前記外周電極と対をなす電極とが含まれ、前記中心電極と対をなす電極と前記外周電極と対をなす電極との間には絶縁層が設けられ、かつ前記互いに対をなす電極のうち、内側に位置する電極が負極とされていることを特徴とする排ガス浄化装置。
前記中心電極を含む一対の電極間に配置された内側ハニカム構造体と、前記外周電極を含む一対の電極間に配置されており、前記内側ハニカム構造体よりも低いセル密度を有する外側ハニカム構造体とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記内側ハニカム構造体と前記外側ハニカム構造体との間で流体の流通が実質的に規制されていることを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化装置。