JP6251933B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
更に、上記の酸化反応は、エンジン始動時等の排気ガス温度が低い状態では進行しにくいため排気ガスが浄化しにくく、早期に排気ガス温度を昇温させること望ましい。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、排気ガスを効果的に浄化することが可能な排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
図1は、本発明に係る排気ガス浄化装置10を示す断面図である。
排気ガス浄化装置10は、エンジンのシリンダヘッドに接続される排気管14と、エンジンから排出される排気ガスを浄化するために排気管14に設けられたプラズマ還元装置11及び触媒装置12とから構成されている。
排気管14は、シリンダヘッドに接続される接続管21と、接続管21に一端が接続された上流側テーパ管22と、上流側テーパ管22の他端に接続された直管23と、直管23の下流側端部に接続された下流側テーパ管24とからなる。下流側テーパ管24は、例えば別の排気管、消音器等に接続される。
直管23は、円筒状の部材であり、接地されている。下流側テーパ管24は、直管23の内周面に取付けられた大径管部24aと、大径管部24aよりも小径に形成された小径管部24bと、大径管部24a及び小径管部24bのそれぞれを一体に繋ぐテーパ部24cとからなる。
アノード31、カソード32間にパルス電圧を加えることで放電し、排気管14内を流れる排気ガスにプラズマ(非平衡プラズマ)が発生する。
アノード31は、電源装置33から延びる導線の接続端子34に接続され、カソード32は、直管23を介して接地されている。電源装置33は、高周波のパルス電圧を発生させる装置であり、一方の出力端子から正電圧をアノード31に供給し、他方の出力端子が接地されている。
プラズマ還元ユニット15の直管23内への固定は、プラズマ還元装置11に含まれる固定部36により行われる。
パルス周波数が10万Hz以上では、特にNOxに対して反応性の高いラジカル(例えばNラジカル)が増大し、還元性能を高めることが可能になり、以下に示す還元反応が促進されることに知見を得ている。
2NOx + 2N → 2N2 +xO2
あるいは、触媒装置12は、金属製の線材を編んで網材を形成し、この網材に上記の金属触媒を担持させ、網材を重ね合わせて巻いたり折り畳んだりしたワイヤニット型触媒で構成される。ワイヤニット型触媒は、金属触媒の表面積を大きくでき、また、線材間のガス流路では乱流が発生しやすいために金属触媒と接触する体積を増加させることができるため、これらより、触媒性能を向上させることが可能である。
プラズマ還元ユニット15は、円筒状のセラミックスボディ45と、セラミックスボディ45の両端に取付けられたアノード31及びカソード32と、アノード31に電気的に接続された電極端子46と、カソード32に電気的に接続されるとともにカソード32をセラミックスボディ45に固定する固定リング47とを備えるユニットであり、このユニットが直管23内に挿入されて固定される。
セラミックスボディ45は、アノード31とカソード32とを、絶縁するとともに所定の間隔に保つ役目する部材であり、筒部45aと、筒部45aの一端面に一体に筒部45aの軸線方向に突出する突出端部45bとからなる。突出端部45bは、内面45dに電極端子46が配置され、外面45eに凹部45fが形成され、凹部45fに絶縁材37の凸部37aが嵌合する。従って、プラズマ還元ユニット15を直管23内に挿入した後で、絶縁材37の凸部37aを、直管23に形成された貫通穴23aを介してセラミックスボディ45の凹部45fに挿入することで、直管23の軸線方向及び周方向に対してプラズマ還元ユニット15が位置決めされる。
固定リング47は、セラミックスボディ45の一端部の外周面に形成された環状段部45gに嵌合されて固定されている。固定リング47の外周面47aは、直管23の内周面23bに圧入され、固定リング47と直管23とが電気的に接続される。
アノード31は、放射状に延びる複数本の真直線材51と、各真直線材51に同心状に取付けられた複数本の円形線材52,53,54,55とから構成されている。隣り合う真直線材51,51間で且つ隣り合う円形線材52,53、円形線材53,54、円形線材54,55のそれぞれの間には、排気ガスが通過する目が形成されている。カソード32(図2参照)についても、アノード31と同様な構造を有する。
図4は、プラズマ還元装置11の作用を説明する作用図である。
排気管14内に矢印Aで示すように、排気ガスが流れ込んでいる状態で、電源装置33からプラズマ還元ユニット15のアノード31、カソード32間に高周波数(10万Hz以上)のパルス電圧を加えると、アノード31、カソード32間では放電が起こり、排気ガスに非平衡プラズマが発生する。
非平衡プラズマでは、種々のラジカル(活性種)が生成され、この中の例えばNラジカルにより、排気ガス中のNOxが還元されてN2とO2とが生成される。このような反応は、矢印Bに示しように、カソード32そしてアノード31を通過する排気ガスにおいて次々に行われる。
SIサイリスタは、一点鎖線で示した範囲内で動作し、10万Hz以上の周波数でも動作可能である。IGBTは、破線で示した範囲内で動作し、動作周波数は10万Hzを下回っている。
また、管状のセラミックスボディ45の一方の端にカソード32を配置し、他方の端にアノード31を配置してプラズマ還元ユニット15を形成し、プラズマ還元ユニット15を排気管14内に組み付けるので、排気管14の内側にアノード31、カソード32を容易に且つ所定の間隔に配置することができる。
また、触媒装置12が、メタルハニカム触媒装置又はワイヤニット型触媒装置である場合には、メタルハニカム触媒装置では、担体となる金属箔をより薄くし、ワイヤニット型触媒装置では、担体となる線材をより細くすることで、金属触媒の表面積を大きくすることが可能であり、また昇温しやすいので、プラズマ還元装置11により活性化された排気ガスの浄化性能を更に高めることができる。
例えば、上記実施形態において、図2に示したように、排気ガス浄化装置10に、アノード31、カソード32の一対の電極を設けたが、これに限らず、アノード31、カソード32をそれぞれ複数設けても良い。
また図3に示したように、アノード31及びカソード32(図2参照)を、複数の真直線材51と複数の円形線材52,53,54,55とで構成したが、これに限らず、縦及び横の線材を組んで又は編んで構成しても良い。あるいは、無数の穴を有する板(パンチングプレート)で構成しても良い。
また、本実施形態では、プラズマ還元装置11の下流にメタル酸化触媒装置としての触媒装置12を配置したが、これに限らず、プラズマ還元装置11の下流に、セラミックス製の担体に触媒が担持されたセラミックス酸化触媒装置を配置しても良い。
11 プラズマ還元装置
12 触媒装置(メタル酸化触媒装置)
14 排気管(排気管本体)
15 プラズマ還元ユニット
31 アノード
32 カソード
45 セラミックスボディ
47 固定リング
Claims (4)
- NOx還元作用を有するプラズマ還元装置を排気管本体内の上流に配置し、メタル酸化触媒装置を前記排気管本体内の下流に配置し、
前記プラズマ還元装置は、少なくともアノード、カソードの一対の電極を備え、各電極は、面状で排気ガスの流れ方向に所定の間隔で空間を空けて配置し、各電極面及び空間を前記排気ガスが通過し、各電極面を排気ガス流に直交させ、前記アノード、カソードに供給されるパルス電流をSIサイリスタにより生成し、前記パルス電流の周波数を10万Hz以上としたことを特徴とする排気ガス浄化装置。 - 管状のセラミックスボディの一方の端に前記カソードを配置し、他方の端に前記アノードを配置してプラズマ還元ユニットを形成し、
前記プラズマ還元ユニットを前記排気管本体内に組み付けたことを特徴とする請求項1に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記アノードを前記セラミックスボディで絶縁し、
前記カソードを固定リングで前記排気管本体に接地したことを特徴とする請求項2に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記メタル酸化触媒装置は、メタルハニカム触媒装置又はワイヤニット型触媒装置であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
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