JP5379656B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン等の排気を浄化するための排気浄化装置に関し、より詳細には、排気浄化効率と耐久性とを向上させた排気浄化装置に関する。

従来、車両に搭載されるエンジン等の内燃機関から排出された排気に含まれる有害物質（窒素酸化物、一酸化炭素、粒子状物質等）を浄化するための排気浄化装置が備えられる。現在は、貴金属を触媒とした排気浄化装置が広く用いられている。

これに対して、排気の通路に一対の電極を備え、この電極間に交流電流又はパルス電流を印可することによって無声放電を発生させ、この放電により発生するプラズマより排気を浄化するものが知られている。

無声放電におけるプラズマ場は、活性種、ラジカル、イオンを生成し、また、ジュール熱による昇温が行われる。これにより、気体の反応、分解が促進され、排気に含まれる有害成分を除去することができる。

このように、排気浄化のためにプラズマを発生させるものとして、櫛形状に形成された誘電材料と平板状の誘電体との間に平板状の導電体を備えた構造体を積層することにより、プラズマ発生電極を構成するもの（特許文献１から４参照。）が知られている。

国際公開２００４／０７２４４５ 国際公開２００５／００１２５０ 特開２００５−１７７６４４号公報 特開２００６−１８５７１５号公報

前述のような従来のプラズマ発生電極は、電極間の距離を小さくすることでより低電圧でのプラズマの発生が可能となり、効率が上昇する。そのため、櫛形断面の誘電体を複数備えることで排気の通路と同方向に長矩形の通路を多数形成し、この矩形の通路において放電を行うことで排気の浄化を行っている。

しかしながら、この櫛形断面の誘電体は、突出部分の付け根部分の角が略直角であり鋭角となっているので、熱や振動による応力が集中する。誘電体は一般的にセラミックが用いられるため、これにより亀裂、破損が生じることによって耐久性が低下する可能性がある。

また、長矩形の通路に備えられる電極は、熱膨張によって変形して電極間の距離が変化することによってプラズマ場が均一に発生されなくなる可能性がある。

また、排気の通路を多数に分割することで各々の通路の断面積が縮小されるため、通気抵抗が増加して排気の流速が増加することによって、排気がプラズマ場を通過する時間が短くなり、浄化効率が低下する可能性がある。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、排気の流速の増加を抑制することで排気浄化効率を向上すると共に、応力の集中による変形や破損を防止することで耐久性を向上させた排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、平板状の第１の導電体と、第１の誘電体及び第２の誘電体に挟持された平板状の第２の導電体と、が交互に積層されると共に、第１の導電体と、第１の誘電体及び第２の誘電体と、の間に排気通路が形成され、第１の誘電体及び第２の誘電体は、第１の導電体と向かう面に、第１の導電体を、所定の距離を保って支持する半球形状の突起部を分散して複数配置し、第１の導電体と第２の導電体との間に電流を印可することによって、排気通路にプラズマ場を生成することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、突起部は、排気通路の排気流れ方向と直交する方向に延設されたリブを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の排気浄化装置において、第１の導電体は、可撓性かつ伸縮性のある素材であると共に、内部に排気が通過可能な素材によって構成されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、第１の導電体と、第１の誘電体及び第２の誘電体と、の間隔を保つための半球形状の突起部を分散して配置したので、排気通路に必要以上に狭めることがないので、排気抵抗を低減することができる。また、放電ギャップを均一に保つことができるので、排気通路の全域で均一かつ安定した放電を得ることができる。また、突起部は半球状であるので、鋭角な角がなく応力が集中しないため、誘電体に亀裂の発生を防止することができ、耐久性を向上すことができる。

請求項２に記載の発明によると、突起部に、排気通路の排気流れ方向と直交する方向に直方体形状のリブを延設したので、排気の流れ方向を変換して、排気ガス流れ全体を拡散、かく乱させることができることにより、プラズマ放電雰囲気内での排気の滞留時間を長くすることができ、有害成分の浄化効率を向上することができる。

請求項３に記載の発明によると、第１の導電体の内部にも排気が通過することが可能となり、通気抵抗を低減することができる。また、第１の導電体の上面と下面とで排気を連通させることができるので、放電空間内の排気脈動を吸収することができる。これにより、排気損失を低減させることができ、有害成分の浄化効率を向上することができると共に、燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態のエンジンを中心とした排気浄化システムの説明図である。 本発明の実施形態の排気浄化装置の説明図である。 本発明の実施形態の排気浄化装置の構成を示す分解図である。 本発明の実施形態の突起部の説明図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態のエンジン１０を中心とした排気浄化システムの説明図である。

本実施形態の排気浄化システムは、車両に搭載されたエンジン１０により車両を駆動させる。また、エンジン１０の排気は、後述する排気浄化装置３０により浄化される。

内燃機関としてのエンジン１０は、空気と気化された化石燃料とによる混合燃料を爆発燃焼させることにより回転駆動力を得る。爆発燃焼後の排気は排気管２０を経て大気へと排出される。

排気管２０は、マニホルド２１、上流側管２２、排気浄化装置３０、下流側管２３、消音器２４及びテールパイプ２５により構成される。

エンジン１０の各気筒から排出される排気は、マニホルド２１により集合されて上流側管２２に流れる。この排気に含まれる有害物質は、排気浄化装置３０によって浄化される。

排気浄化装置３０を通過した排気は、下流側管２３を経由し、消音器２４で消音させられた後、テールパイプ２５から排出される。

排気浄化装置３０には、制御装置４０から印可される交流電流又はパルス電流によりプラズマ場を発生させる。排気浄化装置３０は、このプラズマ場において生成される活物質、ラジカル、イオン等によって排気を浄化する。

制御装置４０は、車載のバッテリ５０を電源として動作し、排気浄化装置３０に交流電流又はパルス電流を印可する。例えば、８ｋＶ、２４ｋＨｚの交流電流を排気浄化装置３０に印可する。

このように構成することによって、本実施形の駆動システムは、エンジン１０のから排出される排気に含まれる有害物質（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、生ガス（ＨＣ）浮遊状物質（ＰＭ）等）を排気浄化装置３０において無害な窒素、二酸化炭素等に還元、分解されて大気へと排出される。

次に、排気浄化装置３０について説明する。

本発明の実施形態の排気浄化装置３０は、排気管２０の途中に備えられ、通過する排気に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ等を還元、酸化することによって、比較的無害な物質である窒素（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）等へと変化させる。

図２は、本実施形態の排気浄化装置３０の説明図である。図２（ａ）は排気浄化装置３０の上面断面図を、図２（ｂ）は排気浄化装置３０の側面断面図を、それぞれ示す。なお、矢印は排気の流れを示す。

排気浄化装置３０は、導電体３１ａと、一対の誘電体３２ａ及び３２ｂに挟持された導電体３１ｂと、がそれぞれ積層されて構成される。

導電体３１ａは、長方形の平板形状を有し、短辺のそれぞれに、導電体３１ａを保持するためのスペーサー３５が備えられる。このスペーサー３５は、導電体３１ａと誘電体３２ａ及び３２ｂとの間の間隔を一定に保つように導電体を保持する。

導電体３１ａは、可撓性及び弾力性のある導電性の金属素材（例えば、空隙率８０％のメタルファイバーシート）によって構成される。これにより、厚さ方向の若干の変位、板方向の若干の変位を許容する。

また、導電体３１ａは、内部に排気が通過可能な材質でもある。これにより、排気が導電体３１ａの内部を通過し、導電体３１ａの一方の面から他方の面へと通過可能に構成される。

誘電体３２ａ及び３２ｂは、いずれも長方形の平板形状であり、一の面に導電体３１ｂを保持するための凹部３３が形成され、他の面には複数の突起部３４が形成されている。

誘電体３２ａ及び３２ｂは、コージェライト、アルミナ、ムライト、ジルコニア等の誘電性を有するセラミックによって構成される。

凹部３５は、導電体３１ｂと略同一の面積で、導電体３１ｂの厚さの略半分程度の深さの凹形状を有する。なお、導電体３１ｂは、導電性を有する金属板によって構成される。

これにより、誘電体３２ａ及び３２ｂを凹部３５側で向かい合わせ、その間に導電体３１ｂを挟み込んだ後に誘電体３２ａ及び３２ｂを密着させることで、誘電体３２ａ及び３２ｂの間に導電体３１ｂが保持される。

これら導電体３１ａと誘電体３２ａとの間に形成される空間が排気通路３６ａを構成し、導電体３１ａと誘電体３２ｂとの間に形成される空間が排気通路３６ｂを構成する。排気はこの排気通路３６ａ、３６ｂを通過する。

なお、誘電体３２ａと３２ｂとは、その構造は同一であり、上下方向の向きが逆であることのみが異なるので、以降は特に区別する場合を除き「誘電体３２」、「排気通路３６」と表記する。

図３は、本発明の実施形態の排気浄化装置３０の構成を示す分解図である。

導電体３１ａには、ケーブル３１０が接続される。また導電体３１ｂには、ケーブル３１１が接続される。これらは、制御装置４０へと接続されている。そして、これら導電体３１ａ及び導電体３１ｂは、スペーサー３３によって互いの距離が保たれると共に、誘電体３２によって所定の間隔の空間が形成される。

制御装置４０は、ケーブル３１０を接地側、ケーブル３１１を高圧側として、交流電流（又はパルス電流）を印可する。これにより、導電体３１ａと、導電体３１ｂを保持する誘電体３２との間で無声放電が発生する。この無声放電によって排気通路３６にプラズマ場が生成される。

このプラズマ場では、通過する排気に含まれる酸素及び水が、ラジカル、オゾン（Ｏ₃）やイオン（Ｏ^-、ＯＨ^-）等の活性状態へと生起される。また、このとき導電体３１ａと導電体３１ｂとの間に流れる無声放電でのマイクロ放電電流によりジュール熱が発生し、炭素を主体とするＰＭを燃焼させる。

これにより、ＮＯｘは還元されて窒素や水へと変換される。また、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ等は、酸化されて二酸化炭素及や水へと変換される。

このような作用によって排気の浄化が行われる。

ここで、プラズマ場による排気の浄化は、排気浄化装置３０内でより均一に発生させることで効率が上昇する。また、より消費電力を過度に上昇させないために、電極間の距離、すなわち、導電体３１ａと誘電体３２との間の放電ギャップの距離を、均一にすることが望ましい。

また、通過する排気がより長くプラズマ場に留まることによっても効率が上昇する。そのために、排気の流速を抑えると共に、排気の流れが排気浄化装置３０の内部で直線的とならず、乱流となることが望ましい。

また一方で、排気浄化装置３０は、自動車等の振動が多く発生する場所に置かれるほか、温度の上昇及び低下により熱応力を受ける。そのため、導電体３１や誘電体３２の位置関係が振動により変化したり、導電体３１ａの熱膨張により導電体３１ａと導電体３１ｂとの間の間隔が変化する可能性がある。このことは、均一なプラズマ場の発生を妨げる。

排気流路中に露出する導電体３１ａの変形を抑えるためには、これを挟持する誘電体３２に「支え」となる部位を多く突出させることが考えられる。しかしながら、この支え部分を排気流路中に多数形成すると、排気流路が狭められ、通気抵抗が上昇して排気の流速が上昇する。

また、支えとなる部位を誘電体３２から垂直に突設した場合は、この支えとなる部位の付け根部分が略直角となり、応力が集中する。特に誘電体はセラミックにより構成されるので、応力により亀裂、破損が発生する慮がある。

そこで、本発明の実施形態の排気浄化装置３０は、以下に説明するような特徴的な構成によって、排気の通気抵抗を上昇させず、プラズマ場を発生させる導電体３１ａと誘電体３２との間隙の変化を最小限に抑えると共に、熱応力による亀裂、破損を防止できるように構成した。

前述のように、誘電体３２は、表面に複数の突起部３４を分散して備える。

突起部３４は、誘電体３２の面から半球状に突起する半球体突起部３４ａと、半球体突起部３４ａの径方向にそれぞれ延設される矩形形状のリブ３４ｂ、３４ｃとからなる。リブ３４ｂ及び３４ｃは、排気の流れ方向に対して略直角となるような向きに、それぞれ配置される。

誘電体３２は、この突起部３４を格子状に配置する。すなわち、図２（ａ）に示すように、誘電体３２の長辺方向及び短辺方向に、それぞれ突起部３４を分散して配置する。これらの突起部３４は、排気通路３６において千鳥格子状の配列となるように配置する。

このように突起部３４を配置することで、排気通路３６を通過する排気の流れが、突起部３４によって方向が変換される。これにより、排気通路３６全体で排気を拡散、攪乱するので、プラズマ場における排気の滞留時間を長くでき、浄化効率を向上することができる。

また、このように突起部３４を配置することで、排気通路３６全体が連通した形になるので、エンジン１０から排出される脈動を持った排気の圧力変化も緩和されると共に、排気通路３６内での圧力の偏りも緩和されるので、導電体３１ａの耐久性が向上する。

図４は、本発明の実施形態の突起部３４のより具体的な構成を示す説明図である。図４（ａ）が突起部３４の上面図を、図４（ｂ）が突起部３４の側面断面図をそれぞれ示す。

図４に示すように、突起部３４は、半球状に突起する半球体突起部３４ａと、半球体突起部３４ａの径方向にそれぞれ延設されるリブ３４ｂ、３４ｃとから構成される。

半球体突起部３４ａの高さ（半径）は、リブ３４ｂ、３４ｃの高さよりも若干高く構成する。

このように構成することによって、導電体３１ａと誘電体３２とを積層するときに、この半球体突起部３４ａが導電体３１ａを保持する。

前述のように、導電体３１ａは可撓性を有する材質で構成されているため、リブ３４ｂ及び３４ｃから高さ方向に若干突出した半球体突起部３４ａによる変形を許容する。

この結果、導電体３１ａと誘電体３２との位置決めがなされると共に、板方向に固定される。

またさらに、温度の上昇により導電体３１ａが膨張した場合にも、この半球体突起部３４ａにより導電体３１ａとの滑り抵抗が減少するので、導電体３１ａの熱変形歪の蓄積を抑制することができる。

このような構成により、導電体３１ａと誘電体３２との間の距離が変動することを抑制することができるので、プラズマ場の発生がより均一のものとなる。

なお、この突起部３４の形状の一例として、半球体突起部３４ａの高さ（ｒ）は、半球体突起部３４ａの半径に等しく、かつ放電ギャップに等しい。また、リブ３４ｂ及び３４ｃの高さ（ｈ）は、半球体突起部３４ａの球面部分と導電体３１ａとが接するように（０．８×ｒ）とする。また、リブ３４ｂ及び３４ｃの全幅（ｗ）は、通気抵抗の上昇を考慮して（４×ｒ）程度とすることが好適である。

以上のように構成された本発明の実施の携帯の排気浄化装置３０は、導電体３１ａを半球体突起部３４ａで上下から支持することにより、放電ギャップを均一に保つことができるので、排気浄化装置３０の排気流路の全域で均一かつ安定した放電を得ることができる。

また、導電体３１ａと誘電体３２とは熱膨張率が違うため、温度の上昇、下降に伴って、相対的に熱膨張率の大きい導電体３１ａが膨張、収縮の熱変形歪を生じる。

これに対して、導電体３１ａを支持する突起部３４の接触面を球面とすることで、スベリ摩擦抵抗を少なくすることができる。

これにより、導電体３１ａの熱変形歪が内部に蓄積することなく、常に放電ギャップを均一に保つことができるので、運転中も排気浄化装置３０の排気流路の全域で均一かつ安定した放電を維持することができる。

また、導電体３１ａを支持する突起部３４の形状を半球体突起部３４ａとすると共に、リブ３４ｂ、３４ｃを構成したことで、誘電体３２の面の付け根部に突条形状のような鋭角な部分がなくなるため、応力集中部をなくし、誘電体３２に亀裂の発生を防止することができ、耐久性を向上すことができる。

また、導電体３１ａは、可撓性及び弾力性のある導電性の金属素材（例えば、メタルファイバシート）によって構成したので、排気浄化装置３０の内部の温度分布の差から発生する上下方向の熱変形は、導電体３１ａのスプリング効果で吸収されるので、耐久性を向上することができる。

また、導電体３１ａを内部に空隙を有する素材で構成することによって、導電体３１ａ内部にも排気が通過することが可能となり、通気抵抗を低減することができる。また導電体３１ａの上面と下面とで排気を連通させることができるので、放電空間内の排気脈動を吸収することができ、排気損失を低減させることができる。

また、突起部３４に備えられたリブ３４ｂ、３４ｃは、排気の流れ方向に対面して備えられるので、排気の流れ方向を変換して、排気ガス流れ全体を拡散、かく乱させることができる。これにより、プラズマ放電雰囲気内での排気の滞留時間を長くすることができ、有害成分の浄化効率を向上することができる。

さらに、有害成分の浄化効率が向上することによって、排気浄化装置３０を小型化することができるので、排気浄化装置３０の消費電力及び排気損失を削減することができ、燃費を向上することができる。

なお、本発明の実施形態では、図１に示すように内燃機関の排気浄化に排気浄化装置３０のみを用いる例を示したが、従来の触媒コンバータをさらに併用してもよい。

例えば、エンジン１０のコールドスタート時には触媒コンバータの浄化効率は低下するので、排気浄化装置３０により浄化を行い、エンジン１０が定常運転を行っている場合は、触媒コンバータのみを使用して排気浄化装置３０の機能を停止するように構成してもよい。

そして、触媒コンバータは排気ガスが高温の状態で触媒活性が高まるため、出来るだけエンジン１０に近い位置に配置しなければならないという制限があるが、排気浄化装置４０の配置位置は限定されない。よって、排気浄化装置４０を、消音器２４やテールパイプ２５内に設置してもよい。

これにより、触媒コンバータが使用する触媒貴金属量を削減することができるとともに、車両のエネルギー効率を高めて燃費を向上させることができる。

１０ エンジン（内燃機関）
２０ 排気管
３０ 排気浄化装置
３１ａ、３１ｂ 導電体
３２ａ、３２ｂ 誘電体
３３ 凹部
３４ 突起部
３４ａ 半球体突起部
３４ｂ、３４ｃ リブ
３５ スペーサー
３６ａ、３６ｂ 排気通路
４０ 制御装置

Claims (3)

1. 平板状の第１の導電体と、第１の誘電体及び第２の誘電体に挟持された平板状の第２の導電体と、が交互に積層されると共に、前記第１の導電体と、前記第１の誘電体及び第２の誘電体と、の間に排気通路が形成され、
   前記第１の誘電体及び第２の誘電体は、前記第１の導電体と向かう面に、前記第１の導電体を、所定の距離を保って支持する半球形状の突起部を分散して複数配置し、
   前記第１の導電体と前記第２の導電体との間に電流を印可することによって、前記排気通路にプラズマ場を生成することを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   前記突起部は、前記排気通路の排気流れ方向と直交する方向に延設されたリブを備えることを特徴とする記載の排気浄化装置。
3. 請求項１又は２に記載の排気浄化装置において、
   前記第１の導電体は、可撓性かつ伸縮性のある素材であると共に、内部に排気が通過可能な素材によって構成されることを特徴とする排気浄化装置。

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