内燃機関の排気処理装置
【課題】内燃機関の排気ガス中の粒子状物質をコロナ放電を利用して酸化燃焼させる装置において、低電圧で放電空間の全域に粒子状物質の浄化に必要な電界を発生させ、簡易な構造で安全かつ低コストの装置を実現する。
【解決手段】エンジンＥの排気管１１に設けた放電空間部１２に、放電用の高圧電極２と接地電極３を対向して配置し、コロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部１とする。高圧電極２は、筒状碍子部２３内に保持される導電部２１と、筒状碍子部２３の端部から放電空間部１２に延出する放電部２２とからなり、筒状碍子部２３の外周に冷却器４を設置して、冷却水との熱交換により筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段とする。
【解決手段】エンジンＥの排気管１１に設けた放電空間部１２に、放電用の高圧電極２と接地電極３を対向して配置し、コロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部１とする。高圧電極２は、筒状碍子部２３内に保持される導電部２１と、筒状碍子部２３の端部から放電空間部１２に延出する放電部２２とからなり、筒状碍子部２３の外周に冷却器４を設置して、冷却水との熱交換により筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を、コロナ放電を利用して集塵捕集する排気処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、リーン燃焼により燃費性能に優れる反面、粒子状物質（パティキュレート；ＰＭ）が発生しやすいという問題がある。粒子状物質は、主に煤（Ｓｏｏｔ）と可溶性有機成分（ＳＯＦ）からなり、特に、直径が１０μｍ以下の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）は、空気中に長期間浮遊してしまうという問題がある。
【０００３】
粒子状物質を含む排気ガスの後処理装置として、例えば、ディーゼルエンジンでは、ハニカム構造のパティキュレートフィルタを設置することが一般に行なわれている。しかしながら、直噴ガソリンエンジンでは、パティキュレートフィルタは必ずしも有効な手段とされていない。これは、ディーゼルエンジンに比し熱効率の低い直噴ガソリンエンジンにパティキュレートフィルタを設置すると、ポンピングロスによりさらに燃費が低下するおそれがあるからである。
【０００４】
パティキュレートフィルタ以外の後処理装置としては、コロナ放電を利用した集塵装置がある。一例として、特許文献１に記載される排気処理装置の構成を、図８に示す。図８において、エンジン排気管１０１には、放電電極１０２と第１、第２接地電極１０３、１０４を備える凝集器１０５が設置されている。放電電極１０２は、両端を除く外周が筒状碍子１０６内に保持された状態で、排気管１０１壁に固定されており、高電圧の印加により多数の突起を有する先端部１０２ａの周囲にコロナ放電を発生させて、帯電した粒子状物質を第１、第２接地電極１０３、１０４にて凝集捕集することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２０９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、粒子状物質の排出規制が厳しくなる傾向にあり、ポンピングロスのない後処理装置として、コロナ放電を利用した集塵装置を、直噴ガソリンエンジンに適用することが有望視されている。ところが、直噴ガソリンエンジンでは、高負荷運転時の排気ガスが高温になるために（例えば６００℃）、集塵装置の構成部材も高温に晒される。特に、図８の構成において、高電圧が印加される放電電極１０２の碍子１０６が、高温環境に晒されることで抵抗値が下がってしまい、絶縁機能が低下する。このため、電圧印加時に碍子１０６中に電流が流れてしまうという問題があり、エネルギロスを引き起こすおそれがあった。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を、コロナ放電を利用して捕集する排気処理装置において、排気が高温となる環境下でも放電電極を取り巻く碍子の絶縁抵抗値が低下するのを防止し、エネルギロスによるコストの増大を抑制できる高効率な排気処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明請求項１の排気処理装置は、内燃機関の排気通路に設けた放電空間部に放電電極と対向電極を配置し、両電極間にコロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部を備えており、
上記放電電極は、上記排気通路壁に支持固定され、絶縁性材料からなる筒状碍子部内に保持される導電部と、上記筒状碍子部の端部から上記放電空間部内に延出し、先端が上記放電空間部中央に位置する放電部とからなり、
上記筒状碍子部の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明において、上記抑制手段は、上記筒状碍子部の外周を取り巻く冷却水流路を備えた冷却部を有する。
【００１０】
請求項３の発明において、上記抑制手段は、上記冷却水流路を流通する冷却水の流量を制御する制御部を有する。
【００１１】
請求項４の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の排気ガス温度を検出する温度検出手段を有し、該温度検出手段の検出結果に基づいて上記制御部が上記冷却部の作動を制御する。
【００１２】
請求項５の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の外部に露出する上記筒状碍子部の外周にフィンを設けた放熱部を有する
【００１３】
請求項６の発明において、上記筒状碍子部は、上記放熱部に接する外周面を凹凸面に形成する。
【００１４】
請求項７の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の内部に露出する上記筒状碍子部の外周を取り巻く断熱部を有する。
【００１５】
請求項８の発明において、上記断熱部はリング状の中空体で、内周面が上記筒状碍子部の先端側外周面に接して配置される。
【００１６】
請求項９の発明の排気処理装置は、上記抑制手段として、上記集塵部を、内燃機関の排気通路に配置されるマフラーの近傍に配置するとともに、該マフラーの近傍の温度を制御する制御部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明請求項１の排気処理装置は、例えば、直噴ガソリンエンジンのように排気が高温となりやすく、集塵部の放電電極が高温雰囲気に晒される環境であっても、抑制手段が、筒状碍子部を高抵抗状態に維持する。したがって、筒状碍子部への電流リークを抑制し、コロナ放電を利用した集塵部によって、排気ガス中の粒子状物質を効率よく捕集できるので、エネルギロスの少ない高性能な排気処理装置を実現できる。
【００１８】
請求項２の発明のように、抑制手段を水冷式の冷却部とすることができ、筒状碍子部の外周に冷却水流路を配置することで、効率よく熱交換を行なって、筒状碍子部の温度上昇を防止することができる。
【００１９】
請求項３の発明のように、好適には、制御部を設けて冷却水の流量を制御することで、より効率的に熱交換を行うことができる。
【００２０】
請求項４の発明のように、好適には、排気通路に温度検出手段を設けて、排気ガス温度に応じて冷却水の流量を制御することで、筒状碍子部が所望の温度以下となるように、容易に制御することができる。
【００２１】
請求項５の発明のように、抑制手段を空冷式の放熱部とすることができ、排気通路外の大気に接するフィンが、筒状碍子部からの熱を放出して、筒状碍子部の温度上昇を抑制するしたがって、筒状碍子部への電流リークを抑制し、エネルギロスの少ない高性能な排気処理装置を実現できる。
【００２２】
請求項６の発明のように、好適には、筒状碍子部の外周面に凹凸を設けることで、放熱に寄与する放熱面積が増加し、放熱性を向上させることができる。
【００２３】
請求項７の発明のように、好適には、筒状碍子部の先端を断熱部で保護することで、排気通路に流入する排気ガス温度が高温となっても、筒状碍子部先端の温度上昇が抑制できる。
【００２４】
請求項８の発明のように、具体的には、断熱部となる中空体が筒状碍子部の外周を覆っていることで、断熱性を確保することができる。
【００２５】
請求項９の発明のように、抑制手段として、集塵部を排気通路の低温部であるマフラーの近傍に配置し、制御部で温度制御して、排気ガスが所定温度以下となるようにすれば、筒状碍子部の温度上昇を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は（ａ）の主要部断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の排気処理装置の集塵部における排気浄化のメカニズムを説明するための模式図、（ｂ）は排気温度と抵抗値の関係を示す図である。メカニズムを説明するための図である。
【図３】第１の実施形態における冷却器の制御方法を説明するための装置概略構成図、（ｂ）は、排気温度と冷却水流量の関係を示す図である。
【図４】排気温度と抵抗値の関係およびエネルギ損失の関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における冷却器の制御フローを説明するための図である。
【図６】（ａ）は第２の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は（ａ）の主要部拡大断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３、第４の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図である。
【図８】従来の排気処理装置の全体概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を内燃機関の排気処理装置に適用した第１の実施形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）は、排気処理装置の全体概略構成図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の主要部である冷却器の横断面図である。本実施形態の排気処理装置は、内燃機関である直噴ガソリンエンジンへの適用例としてあり、図１（ａ）に示すように、エンジンＥの排気通路である排気管１１の途中に集塵部１を備えている。エンジンＥは、インジェクタから筒内に燃料を直接噴射する方式のもので、図示しない各種センサからの運転情報に基づいて噴射量および噴射時期が制御される。
【００２８】
集塵部１は、燃焼排気ガスが流通する排気管１１内部に、放電空間部１２を形成して、放電電極となる高圧電極２と、対向電極となる接地電極３を配設している。高圧電極２は、排気管１１壁に保持固定され、先端側（図の下端側）は排気管１１壁を貫通して放電空間部１２に、基端側（図の上端側）は排気管１１外に位置している。接地電極３は、本実施形態では、放電空間部１２を構成する排気管１１の内周壁であり、接地電位としてある。高圧電極２の中央部外周は、冷却器４を介して排気管１１壁に保持固定されている。冷却部である冷却器４は、本発明の特徴部分である抑制手段を構成するもので、詳細は後述する。
【００２９】
高圧電極２は、筒状碍子部２３内に挿通保持される棒状の導電部２１と、導電部２１に続く放電部２２からなる。高圧電極２の筒状碍子部２３は、例えばアルミナ等のセラミック絶縁材料にて構成される。導電部２１の基端部（図の上端部）は、筒状碍子部２３の基端側（図の上端側）から突出して排気管１１外に位置し、図示しない直流高圧電源に接続される。放電部２２は、筒状碍子部２３の先端側（図の下端側）から放電空間部１２内に突出し、Ｌ字状に屈曲して排気管１１の中心軸に沿って延びている。放電部２２のＬ字状に延出する先端は、多数の突起状電極２４が放射状に配置された形状となっている。このように、放電部２２の先端に多数の突起状電極２４を設け、放電空間部１２の中央に配置することで、放電空間部１２に均等にコロナ放電を発生させることができる。
【００３０】
ここで、直噴ガソリンエンジンであるエンジンＥは、リーン燃焼時に、微粒子状炭素（Ｓｏｏｔ）を主体とする粒子状物質（パティキュレートマター；ＰＭ）を排出しやすい。ガソリンエンジンの排気処理としては、三元触媒が一般的に使用されるが、粒子状物質には対応することができず、また、ディーゼルエンジン用のパティキュレートフィルタは、ポンピングロスによる燃費悪化の懸念がある。そこで、本発明ではポンピングロスのない排気処理装置として、コロナ放電を利用した集塵部１を設けて、排気管１１へ放出される燃焼排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する。
【００３１】
図２（ａ）を参照して、集塵部１による粒子状物質（ＰＭ）浄化のメカニズムについて説明する。図１（ａ）のエンジンＥで発生し排気管１１へ放出される粒子状物質は、燃焼排気ガスとともに排気処理装置の集塵部１に流入する。粒子状物質は、例えば、０．０１μｍから数μｍ程度のナノミクロン級の微粒子（ナノＰＭ）を含んでいる。集塵部１の高圧電極２に、外部の直流高電圧電源から負の直流高電圧（例えば−２０ｋＶ）を印加すると、放電部２２先端の多数の突起状電極２４と外周の接地電極３との間にコロナ放電が生起する。コロナ放電により放射される電子は高いエネルギを有しており、放電空間部１２内の排気ガスに含まれる気体に衝突して電離させ、排気管１１内に、酸素ラジカル（Ｏラジカル）や酸素イオン（Ｏ2-イオン）を含む放電空間部１２を形成する。
【００３２】
この時、エネルギ状態が高く活性な酸素ラジカルは、放電空間部１２を通過する粒子状物質ＰＭと容易に反応して、微粒子状炭素（Ｃ）であるナノＰＭを酸化分解し、二酸化炭素（ＣＯ2）とする。酸素イオンは、周囲のナノＰＭに付着して帯電させ、帯電したナノＰＭは、クーロン力によって接地電極３に引き付けられ、外周側へ移動して接地電極３である排気管１１内周壁面に付着し、放電する。電子を放出したナノＰＭは、接地電極３にて凝集・捕集されて保持されるので、外部に放出されるのを防止できる。好適には、接地電極３となる排気管１１近傍に電気ヒータ等を付設し、捕集した凝集粒子を加熱することで燃焼除去することができる。
【００３３】
ただし、直噴ガソリンエンジンは、高負荷運転時に排気温度が高温となり（例えば６００℃ないしそれ以上）、集塵部１が高温の排気ガスに晒されることになる。高圧電極２の筒状碍子部２３を構成するアルミナ等のセラミック絶縁材料は、温度が上昇すると絶縁抵抗値が低下するため、高温時には筒状碍子部２３への電流リークで、エネルギロスが生じる。本発明の冷却器４は、筒状碍子部２３と熱交換を行ってその温度上昇を抑制し、絶縁抵抗値の低下を抑制するために設置される。
【００３４】
次に、本実施形態における冷却器４の構成を説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、冷却器４は、排気管１１壁に固定される二重筒状の容器体４１を備え、上端開口部にシール材４４を介してリング状の蓋体４２を覆着することにより、内部にリング状の冷却水流路４３を形成している。高圧電極２は、容器体４１の内筒内にシール材４４を介して保持固定されており、筒状碍子部２３の下半部は、冷却水流路４３を構成する容器体４１の内筒と密着している。容器体４１および蓋体４２は、ステンレス鋼等の耐熱性および熱伝導性に優れる金属材料からなる。
【００３５】
容器体４１の外筒には、冷却水入口４５となる複数の管路と、冷却水出口４６となる複数の管路が対向位置に突設形成される。冷却水入口４５は、外部の冷却水ポンプＰを介して図示しないエンジン冷却水タンクに接続しており、冷却水ポンプＰを作動させると、冷却水入口４５からエンジン冷却水が冷却水流路４３に導入される。エンジン冷却水は、冷却水流路４３を流通する間に、容器体４１を介して接する筒状碍子部２３と熱交換を行い、冷却水出口４６から回収される。
【００３６】
排気管１１内には、冷却器４の上流側に温度検出手段としての熱電対Ｔが配置され、集塵部１に流入する排気ガスの温度を検出するようになっている。熱電対Ｔの検出結果は制御部に入力され、制御部５は、検出される排気温度に基づいて、冷却水ポンプＰの作動を制御する。具体的には、排気温度が高いほど筒状碍子部２３の絶縁抵抗値が低下するため、冷却水ポンプＰの回転数を大きくして、冷却水流路４３に導入されるエンジン冷却水の流量を増大する。排気温度が十分低い場合には、冷却水ポンプＰの作動を停止してよい。
【００３７】
図２（ｂ）は、排気温度と筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の関係を示したものである。ここでは、筒状碍子部２３の構成材料を、例えばアルミナとしており、排気温度が上昇するほど絶縁抵抗値が低下していることがわかる。高圧電極２への供給エネルギ１５Ｗ（電圧−１０ｋＶ、電流１．５ｍＡ）の時、電流リークによる損失電力は１．５Ｗ以下、すなわちエネルギ損失率＝１０％（１．５Ｗ／１５Ｗ×１００）以下であることが望ましい。これは、排気システム全体を考えた場合、電流リークによる燃費悪化は０．０３％以下とされており、損失例えば欧州の走行モードでは５０Ｗ消費で燃費悪化が１％とされていることから、燃費悪化０．０３％が損失電力１．５Ｗに相当することによる。
【００３８】
図３に示すように、例えば、排気温度６００℃において筒状碍子部２３の絶縁抵抗値Ｒは３３ＭΩである（電圧−１０ｋＶ）。この時、碍子に漏れる電流Ｉは、３×１０-4（Ａ）であり、また、損失電力Ｗは、３（Ｗ）となる。
Ｉ＝Ｖ／Ｒ＝１００００／３３×１０6＝３×１０-4（Ａ）・・・（１）
Ｗ＝ＩＶ＝３×１０-4×１００００（Ｗ）・・・（２）
つまり、前述した燃費悪化０．０３％を達成する損失電力１．５Ｗの２倍の電力を損失することになり、エネルギ損失率１０％を達成するには、２倍の供給エネルギ３０Ｗが必要となる。
損失率＝損失エネルギ（Ｗ）／供給エネルギ（Ｗ）×１００＝３／３０×１００＝１０％・・・（３）
この電極電圧（−１０ｋＶ）は、集塵部１のほぼ下限値で、電極電圧が上昇すれば、絶縁抵抗値はさらに低下する。
【００３９】
上記（１）、（２）式から、損失電力Ｗを１．５Ｗ以下とするには、電極電圧（−１０ｋＶ）の場合、筒状碍子部２３の絶縁抵抗値が６６ＭΩ以上であることが必要となる。
Ｒ＝１０ｋＶ／（１．５ｍＡ×０．１）＝６６ＭΩ
また、図２（ｂ）の関係から、絶縁抵抗値を６６ＭΩ以上とするには、排気温度３００℃以下（排気温度≦３００℃）にする必要があることがわかる。そこで、本実施形態では、熱電対Ｔで検出される排気温度が３００℃以下でない場合には、冷却器４を用いて冷却水制御を行い、筒状碍子部２３の温度が３００℃以下となるようにして、絶縁抵抗値の低下を抑制する。
【００４０】
具体的には、以下のように制御する。図４（ａ）に示すように、第１実施形態の構成において、高圧電極２の筒状碍子部２３をアルミナ製（熱伝導率２９Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、冷却器４により冷却される下半部の長さ（冷却軸長さ）を４０ｍｍ、直径φ７ｍｍとする。また、冷却器４は、ステンレス鋼（ＳＵＳ；熱伝導率１６．７Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりなり、筒状碍子部２３と接する容器体４１の厚さを１ｍｍとする。また、集塵部１が設置される排気管１１を直径φ５０ｍｍとする。ここで、冷却水と筒状碍子部２３との間で熱交換を行なって、排気温度を３００℃に降下し、冷却水温を８０℃から１００℃に昇温するとした時、排気温度と冷却水流量の関係は、図４（ｂ）のようになる。
【００４１】
つまり、排気温度が３００℃以下であれば、冷却器４を作動させず、排気温度が３００℃を超えた場合には、排気温度が高いほど冷却水流量が増加するように、検出される温度に応じて制御部５が冷却水ポンプの回転数を調整する。例えば、排気温度が６００℃の場合には、冷却水流量５３ｇ／秒とし、温度が低下するのに従って、徐々に冷却水流量を低下させるのがよい。
【００４２】
図５は、制御部５による冷却水流量の制御フローを示している。まず、ステップＳ１において、熱電対Ｔで検出される排気温度をモニタし、ステップＳ２で検出された排気温度が３００℃以下か否かを判断する。ステップＳ２が否定判定された場合には、ステップＳ３に進み、肯定判定された場合は冷却水ポンプＰを作動させずに、または冷却水ポンプＰを停止してステップＳ１に戻る。ステップＳ３では、温度差ΔＴ＝排気温度−３００℃を算出し、ステップＳ４において、算出された温度差ΔＴに基づいて、図４（ｂ）の関係から、必要な冷却水流量を算出する。次に、ステップＳ５において、必要な冷却水流量に対応する冷却水ポンプＰの回転数を算出し、ステップＳ６に進んで冷却水ポンプＰを作動させる。
【００４３】
これらステップを繰り返すことで、冷却器４により筒状碍子部２３が３００℃を超えないように、つまり絶縁抵抗値が６６ＭΩ以上となるように、エンジン冷却水を用いて効率よく高圧電極２を冷却することができる。したがって、筒状碍子部２３への電流リークを抑制して、粒子状物質処理時のエネルギロスを大幅に削減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とすることができる。
【００４４】
図６に本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態では、水冷式の抑制手段としてエンジン冷却水を用いた冷却器４を設置したが、本実施形態では、空冷式の抑制手段を設けている。本実施形態における集塵部１の基本構成は、上記第１の実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。図６（ａ）に示すように、高圧電極２は、筒状碍子部２３の下半部外周に、放熱部６と断熱部７を備えている。
【００４５】
放熱部６は、排気管１１外部に露出する筒状碍子部２３を取り巻く筒状基体６１の外周に、軸方向に等間隔で並設されるリング状の多数のフィン６２を有している。筒状基体６１およびフィン６２は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属にて一体的に構成される。放熱部６の設置部位において、筒状基体６１の内周側には、筒状碍子部２３との間に、カーボン等よりなる概略筒状の高熱伝導部材６３が介設され、シール材４４でシールされる。図６（ｂ）に拡大して示すように、筒状碍子部２３は、大径部２６と小径部２５が交互に位置する形状として、高熱伝導部材６３に接する外周面を凹凸面としている。高熱伝導部材６３は、内周面を、高熱伝導部材６３の外周面と嵌合する凹凸面形状としている。これにより、筒状碍子部２３と放熱部６の高熱伝導部材６３および筒状基体６１が互いに密着して、効率よく放熱できるようにしている。
【００４６】
断熱部７は、耐熱材よりなるリング状の中空体で、排気管１１内部に突出する筒状碍子部２３の先端部外周を取り巻いている。断熱部７は、リング状の中空部７１内に断熱作用を有する空気が充填された構造で、内周面が筒状碍子部２３の先端部外周面に密着している。これにより、排気管１１内部において、筒状碍子部２３の先端部が高温の排気ガスに晒されるのを防止し、断熱保護する。
【００４７】
本実施形態の構成では、空気の断熱作用で筒状碍子部２３の先端部の温度上昇を防止しながら、先端部の熱を、筒状碍子部２３の凹凸面から高熱伝導部材６３を介してフィン６２に伝達し、排気管１１外部の大気と熱交換を行う。この時、フィン６２の表面積や枚数により熱交換面積を適宜調整することによって、筒状碍子部２３の温度が３００℃を超えないように、効率よく高圧電極２を冷却することができる。そして、筒状碍子部２３への電流リークを抑制して、粒子状物質処理時のエネルギロスを大幅に削減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とすることができる。
【００４８】
図７に本発明の第３〜５の実施形態を示す。図７（ａ）は、本発明が適用される直噴ガソリンエンジンの排気通路構成を示す図であり、エンジンＥの排気管１１には、公知の三元触媒８１が設置される。また、排気管１１の大気への開放端側には、公知のマフラーＭが設置されている。ここで、上記第１、２の実施形態の集塵部１は、通常、排気ガスの温度の高い三元触媒８１の近傍に配置されるが、排気管１１後端側のマフラーＭ近傍では、排気ガスの温度が３００℃前後まで低下する。そこで、第３の実施形態では、図７（ａ）において、高圧電極２と接地電極３からなる集塵部１を、マフラーＭの上流位置（図中（１）位置）または下流位置（図中（２）位置）に配置する。さらに、制御部５にて、集塵部１が設置されるマフラーＭの近傍位置の排気ガス温度が３００℃以下となるように、エンジン回転数や燃料噴射量を制御する。
【００４９】
第３の実施形態のように、抑制手段として、集塵部１の設置位置と制御部５による制御を組み合わせることもでき、高圧電極２の筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を防止して、電流リークを抑制することができる。したがって、粒子状物質処理時のエネルギロスを低減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とする同様の効果が得られる。
【００５０】
上記第１、２の実施形態では、本発明を直噴ガソリンエンジンに適用して、その排気通路に冷却機構を有する集塵部１を設ける構成としたが、本発明をディーゼルエンジンに適用することももちろんできる。図７（ｂ）は、本発明の第４実施形態で、ディーゼルエンジンに適用した場合である。エンジンＥの排気管１１には、公知のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）８２が設置される。一般に、ディーゼルエンジンの排気通路を流通する排気ガスの温度は、直噴ガソリンエンジンより低いものの、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設置した場合、再生処理時にはＤＰＦ８２後流に高温の燃焼ガスが排出される。
【００５１】
近年、ＤＰＦをすり抜ける粒子状物質を処理するために、図示するように、ＤＰＦ８２の後流側に、コロナ放電を利用した集塵部１を設置することが検討されている（図中（３）位置）。このような場合には、集塵部１に上記第１、２の実施形態の冷却機構を有する集塵部１を設けることが有効で、同様の効果が得られる。
【００５２】
また、排気管１１の大気への開放端側には、公知のマフラーＭが設置されており、この近傍では排気ガスの温度がより低くなる。そこで、上記第３の実施形態と同様に、高圧電極２と接地電極３からなる集塵部１を、マフラーＭの下流位置（図中（４）位置）または上流位置に配置することができる。さらに、図示しない制御部にて、ＤＰＦ８２の再生時であっても集塵部１が設置されるマフラーＭの近傍位置の排気ガス温度が３００℃以下となるように、エンジン回転数や燃料噴射量さらにＤＰＦ８２の再生を制御する。
【００５３】
このように、ディーゼルエンジンにおいても、抑制手段として、集塵部１の設置位置と制御部５による制御を組み合わせ、高圧電極２の筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を防止して、電流リークを抑制することができる。したがって、粒子状物質処理時のエネルギロスを低減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とする同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の排気処理装置は、直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに限らず、内燃機関から排出される粒子状物質の浄化にコロナ放電を利用する場合に好適である。そして、抑制手段は、集塵部の放電電極が高温雰囲気に晒される環境であっても筒状碍子部の抵抗値が低下せず、または高温雰囲気に晒されないように制御して、筒状碍子部の高抵抗状態に維持するので、耐久性および安全性に優れ、実用性が高い。
【符号の説明】
【００５５】
１ 集塵部
１１ 排気管（排気通路）
１２ 放電空間部
２ 高圧電極（放電電極）
２１ 導電部
２２ 放電部
２３ 筒状碍子部
２４ 突起状電極部
３ 接地電極（対向電極）
４ 冷却器（冷却部）
４１ 容器体
４２ 蓋体
４３ 冷却水流路
４４ シール材
４５ 冷却水入口
４６ 冷却水出口
５ 制御部
６ 放熱部
６１ 筒状基体
６２ フィン
６３ 高熱伝導部材
７ 断熱部
７１ 中空部
８１ 三元触媒
８２ ＤＰＦ
Ｅ エンジン
Ｔ 熱電対（温度検出手段）
Ｍ マフラー
Ｐ ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を、コロナ放電を利用して集塵捕集する排気処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、リーン燃焼により燃費性能に優れる反面、粒子状物質（パティキュレート；ＰＭ）が発生しやすいという問題がある。粒子状物質は、主に煤（Ｓｏｏｔ）と可溶性有機成分（ＳＯＦ）からなり、特に、直径が１０μｍ以下の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）は、空気中に長期間浮遊してしまうという問題がある。
【０００３】
粒子状物質を含む排気ガスの後処理装置として、例えば、ディーゼルエンジンでは、ハニカム構造のパティキュレートフィルタを設置することが一般に行なわれている。しかしながら、直噴ガソリンエンジンでは、パティキュレートフィルタは必ずしも有効な手段とされていない。これは、ディーゼルエンジンに比し熱効率の低い直噴ガソリンエンジンにパティキュレートフィルタを設置すると、ポンピングロスによりさらに燃費が低下するおそれがあるからである。
【０００４】
パティキュレートフィルタ以外の後処理装置としては、コロナ放電を利用した集塵装置がある。一例として、特許文献１に記載される排気処理装置の構成を、図８に示す。図８において、エンジン排気管１０１には、放電電極１０２と第１、第２接地電極１０３、１０４を備える凝集器１０５が設置されている。放電電極１０２は、両端を除く外周が筒状碍子１０６内に保持された状態で、排気管１０１壁に固定されており、高電圧の印加により多数の突起を有する先端部１０２ａの周囲にコロナ放電を発生させて、帯電した粒子状物質を第１、第２接地電極１０３、１０４にて凝集捕集することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２０９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、粒子状物質の排出規制が厳しくなる傾向にあり、ポンピングロスのない後処理装置として、コロナ放電を利用した集塵装置を、直噴ガソリンエンジンに適用することが有望視されている。ところが、直噴ガソリンエンジンでは、高負荷運転時の排気ガスが高温になるために（例えば６００℃）、集塵装置の構成部材も高温に晒される。特に、図８の構成において、高電圧が印加される放電電極１０２の碍子１０６が、高温環境に晒されることで抵抗値が下がってしまい、絶縁機能が低下する。このため、電圧印加時に碍子１０６中に電流が流れてしまうという問題があり、エネルギロスを引き起こすおそれがあった。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を、コロナ放電を利用して捕集する排気処理装置において、排気が高温となる環境下でも放電電極を取り巻く碍子の絶縁抵抗値が低下するのを防止し、エネルギロスによるコストの増大を抑制できる高効率な排気処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明請求項１の排気処理装置は、内燃機関の排気通路に設けた放電空間部に放電電極と対向電極を配置し、両電極間にコロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部を備えており、
上記放電電極は、上記排気通路壁に支持固定され、絶縁性材料からなる筒状碍子部内に保持される導電部と、上記筒状碍子部の端部から上記放電空間部内に延出し、先端が上記放電空間部中央に位置する放電部とからなり、
上記筒状碍子部の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明において、上記抑制手段は、上記筒状碍子部の外周を取り巻く冷却水流路を備えた冷却部を有する。
【００１０】
請求項３の発明において、上記抑制手段は、上記冷却水流路を流通する冷却水の流量を制御する制御部を有する。
【００１１】
請求項４の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の排気ガス温度を検出する温度検出手段を有し、該温度検出手段の検出結果に基づいて上記制御部が上記冷却部の作動を制御する。
【００１２】
請求項５の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の外部に露出する上記筒状碍子部の外周にフィンを設けた放熱部を有する
【００１３】
請求項６の発明において、上記筒状碍子部は、上記放熱部に接する外周面を凹凸面に形成する。
【００１４】
請求項７の発明において、上記抑制手段は、上記排気通路の内部に露出する上記筒状碍子部の外周を取り巻く断熱部を有する。
【００１５】
請求項８の発明において、上記断熱部はリング状の中空体で、内周面が上記筒状碍子部の先端側外周面に接して配置される。
【００１６】
請求項９の発明の排気処理装置は、上記抑制手段として、上記集塵部を、内燃機関の排気通路に配置されるマフラーの近傍に配置するとともに、該マフラーの近傍の温度を制御する制御部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明請求項１の排気処理装置は、例えば、直噴ガソリンエンジンのように排気が高温となりやすく、集塵部の放電電極が高温雰囲気に晒される環境であっても、抑制手段が、筒状碍子部を高抵抗状態に維持する。したがって、筒状碍子部への電流リークを抑制し、コロナ放電を利用した集塵部によって、排気ガス中の粒子状物質を効率よく捕集できるので、エネルギロスの少ない高性能な排気処理装置を実現できる。
【００１８】
請求項２の発明のように、抑制手段を水冷式の冷却部とすることができ、筒状碍子部の外周に冷却水流路を配置することで、効率よく熱交換を行なって、筒状碍子部の温度上昇を防止することができる。
【００１９】
請求項３の発明のように、好適には、制御部を設けて冷却水の流量を制御することで、より効率的に熱交換を行うことができる。
【００２０】
請求項４の発明のように、好適には、排気通路に温度検出手段を設けて、排気ガス温度に応じて冷却水の流量を制御することで、筒状碍子部が所望の温度以下となるように、容易に制御することができる。
【００２１】
請求項５の発明のように、抑制手段を空冷式の放熱部とすることができ、排気通路外の大気に接するフィンが、筒状碍子部からの熱を放出して、筒状碍子部の温度上昇を抑制するしたがって、筒状碍子部への電流リークを抑制し、エネルギロスの少ない高性能な排気処理装置を実現できる。
【００２２】
請求項６の発明のように、好適には、筒状碍子部の外周面に凹凸を設けることで、放熱に寄与する放熱面積が増加し、放熱性を向上させることができる。
【００２３】
請求項７の発明のように、好適には、筒状碍子部の先端を断熱部で保護することで、排気通路に流入する排気ガス温度が高温となっても、筒状碍子部先端の温度上昇が抑制できる。
【００２４】
請求項８の発明のように、具体的には、断熱部となる中空体が筒状碍子部の外周を覆っていることで、断熱性を確保することができる。
【００２５】
請求項９の発明のように、抑制手段として、集塵部を排気通路の低温部であるマフラーの近傍に配置し、制御部で温度制御して、排気ガスが所定温度以下となるようにすれば、筒状碍子部の温度上昇を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は（ａ）の主要部断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の排気処理装置の集塵部における排気浄化のメカニズムを説明するための模式図、（ｂ）は排気温度と抵抗値の関係を示す図である。メカニズムを説明するための図である。
【図３】第１の実施形態における冷却器の制御方法を説明するための装置概略構成図、（ｂ）は、排気温度と冷却水流量の関係を示す図である。
【図４】排気温度と抵抗値の関係およびエネルギ損失の関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における冷却器の制御フローを説明するための図である。
【図６】（ａ）は第２の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は（ａ）の主要部拡大断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３、第４の実施形態における排気処理装置の全体概略構成図である。
【図８】従来の排気処理装置の全体概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を内燃機関の排気処理装置に適用した第１の実施形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）は、排気処理装置の全体概略構成図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の主要部である冷却器の横断面図である。本実施形態の排気処理装置は、内燃機関である直噴ガソリンエンジンへの適用例としてあり、図１（ａ）に示すように、エンジンＥの排気通路である排気管１１の途中に集塵部１を備えている。エンジンＥは、インジェクタから筒内に燃料を直接噴射する方式のもので、図示しない各種センサからの運転情報に基づいて噴射量および噴射時期が制御される。
【００２８】
集塵部１は、燃焼排気ガスが流通する排気管１１内部に、放電空間部１２を形成して、放電電極となる高圧電極２と、対向電極となる接地電極３を配設している。高圧電極２は、排気管１１壁に保持固定され、先端側（図の下端側）は排気管１１壁を貫通して放電空間部１２に、基端側（図の上端側）は排気管１１外に位置している。接地電極３は、本実施形態では、放電空間部１２を構成する排気管１１の内周壁であり、接地電位としてある。高圧電極２の中央部外周は、冷却器４を介して排気管１１壁に保持固定されている。冷却部である冷却器４は、本発明の特徴部分である抑制手段を構成するもので、詳細は後述する。
【００２９】
高圧電極２は、筒状碍子部２３内に挿通保持される棒状の導電部２１と、導電部２１に続く放電部２２からなる。高圧電極２の筒状碍子部２３は、例えばアルミナ等のセラミック絶縁材料にて構成される。導電部２１の基端部（図の上端部）は、筒状碍子部２３の基端側（図の上端側）から突出して排気管１１外に位置し、図示しない直流高圧電源に接続される。放電部２２は、筒状碍子部２３の先端側（図の下端側）から放電空間部１２内に突出し、Ｌ字状に屈曲して排気管１１の中心軸に沿って延びている。放電部２２のＬ字状に延出する先端は、多数の突起状電極２４が放射状に配置された形状となっている。このように、放電部２２の先端に多数の突起状電極２４を設け、放電空間部１２の中央に配置することで、放電空間部１２に均等にコロナ放電を発生させることができる。
【００３０】
ここで、直噴ガソリンエンジンであるエンジンＥは、リーン燃焼時に、微粒子状炭素（Ｓｏｏｔ）を主体とする粒子状物質（パティキュレートマター；ＰＭ）を排出しやすい。ガソリンエンジンの排気処理としては、三元触媒が一般的に使用されるが、粒子状物質には対応することができず、また、ディーゼルエンジン用のパティキュレートフィルタは、ポンピングロスによる燃費悪化の懸念がある。そこで、本発明ではポンピングロスのない排気処理装置として、コロナ放電を利用した集塵部１を設けて、排気管１１へ放出される燃焼排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する。
【００３１】
図２（ａ）を参照して、集塵部１による粒子状物質（ＰＭ）浄化のメカニズムについて説明する。図１（ａ）のエンジンＥで発生し排気管１１へ放出される粒子状物質は、燃焼排気ガスとともに排気処理装置の集塵部１に流入する。粒子状物質は、例えば、０．０１μｍから数μｍ程度のナノミクロン級の微粒子（ナノＰＭ）を含んでいる。集塵部１の高圧電極２に、外部の直流高電圧電源から負の直流高電圧（例えば−２０ｋＶ）を印加すると、放電部２２先端の多数の突起状電極２４と外周の接地電極３との間にコロナ放電が生起する。コロナ放電により放射される電子は高いエネルギを有しており、放電空間部１２内の排気ガスに含まれる気体に衝突して電離させ、排気管１１内に、酸素ラジカル（Ｏラジカル）や酸素イオン（Ｏ2-イオン）を含む放電空間部１２を形成する。
【００３２】
この時、エネルギ状態が高く活性な酸素ラジカルは、放電空間部１２を通過する粒子状物質ＰＭと容易に反応して、微粒子状炭素（Ｃ）であるナノＰＭを酸化分解し、二酸化炭素（ＣＯ2）とする。酸素イオンは、周囲のナノＰＭに付着して帯電させ、帯電したナノＰＭは、クーロン力によって接地電極３に引き付けられ、外周側へ移動して接地電極３である排気管１１内周壁面に付着し、放電する。電子を放出したナノＰＭは、接地電極３にて凝集・捕集されて保持されるので、外部に放出されるのを防止できる。好適には、接地電極３となる排気管１１近傍に電気ヒータ等を付設し、捕集した凝集粒子を加熱することで燃焼除去することができる。
【００３３】
ただし、直噴ガソリンエンジンは、高負荷運転時に排気温度が高温となり（例えば６００℃ないしそれ以上）、集塵部１が高温の排気ガスに晒されることになる。高圧電極２の筒状碍子部２３を構成するアルミナ等のセラミック絶縁材料は、温度が上昇すると絶縁抵抗値が低下するため、高温時には筒状碍子部２３への電流リークで、エネルギロスが生じる。本発明の冷却器４は、筒状碍子部２３と熱交換を行ってその温度上昇を抑制し、絶縁抵抗値の低下を抑制するために設置される。
【００３４】
次に、本実施形態における冷却器４の構成を説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、冷却器４は、排気管１１壁に固定される二重筒状の容器体４１を備え、上端開口部にシール材４４を介してリング状の蓋体４２を覆着することにより、内部にリング状の冷却水流路４３を形成している。高圧電極２は、容器体４１の内筒内にシール材４４を介して保持固定されており、筒状碍子部２３の下半部は、冷却水流路４３を構成する容器体４１の内筒と密着している。容器体４１および蓋体４２は、ステンレス鋼等の耐熱性および熱伝導性に優れる金属材料からなる。
【００３５】
容器体４１の外筒には、冷却水入口４５となる複数の管路と、冷却水出口４６となる複数の管路が対向位置に突設形成される。冷却水入口４５は、外部の冷却水ポンプＰを介して図示しないエンジン冷却水タンクに接続しており、冷却水ポンプＰを作動させると、冷却水入口４５からエンジン冷却水が冷却水流路４３に導入される。エンジン冷却水は、冷却水流路４３を流通する間に、容器体４１を介して接する筒状碍子部２３と熱交換を行い、冷却水出口４６から回収される。
【００３６】
排気管１１内には、冷却器４の上流側に温度検出手段としての熱電対Ｔが配置され、集塵部１に流入する排気ガスの温度を検出するようになっている。熱電対Ｔの検出結果は制御部に入力され、制御部５は、検出される排気温度に基づいて、冷却水ポンプＰの作動を制御する。具体的には、排気温度が高いほど筒状碍子部２３の絶縁抵抗値が低下するため、冷却水ポンプＰの回転数を大きくして、冷却水流路４３に導入されるエンジン冷却水の流量を増大する。排気温度が十分低い場合には、冷却水ポンプＰの作動を停止してよい。
【００３７】
図２（ｂ）は、排気温度と筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の関係を示したものである。ここでは、筒状碍子部２３の構成材料を、例えばアルミナとしており、排気温度が上昇するほど絶縁抵抗値が低下していることがわかる。高圧電極２への供給エネルギ１５Ｗ（電圧−１０ｋＶ、電流１．５ｍＡ）の時、電流リークによる損失電力は１．５Ｗ以下、すなわちエネルギ損失率＝１０％（１．５Ｗ／１５Ｗ×１００）以下であることが望ましい。これは、排気システム全体を考えた場合、電流リークによる燃費悪化は０．０３％以下とされており、損失例えば欧州の走行モードでは５０Ｗ消費で燃費悪化が１％とされていることから、燃費悪化０．０３％が損失電力１．５Ｗに相当することによる。
【００３８】
図３に示すように、例えば、排気温度６００℃において筒状碍子部２３の絶縁抵抗値Ｒは３３ＭΩである（電圧−１０ｋＶ）。この時、碍子に漏れる電流Ｉは、３×１０-4（Ａ）であり、また、損失電力Ｗは、３（Ｗ）となる。
Ｉ＝Ｖ／Ｒ＝１００００／３３×１０6＝３×１０-4（Ａ）・・・（１）
Ｗ＝ＩＶ＝３×１０-4×１００００（Ｗ）・・・（２）
つまり、前述した燃費悪化０．０３％を達成する損失電力１．５Ｗの２倍の電力を損失することになり、エネルギ損失率１０％を達成するには、２倍の供給エネルギ３０Ｗが必要となる。
損失率＝損失エネルギ（Ｗ）／供給エネルギ（Ｗ）×１００＝３／３０×１００＝１０％・・・（３）
この電極電圧（−１０ｋＶ）は、集塵部１のほぼ下限値で、電極電圧が上昇すれば、絶縁抵抗値はさらに低下する。
【００３９】
上記（１）、（２）式から、損失電力Ｗを１．５Ｗ以下とするには、電極電圧（−１０ｋＶ）の場合、筒状碍子部２３の絶縁抵抗値が６６ＭΩ以上であることが必要となる。
Ｒ＝１０ｋＶ／（１．５ｍＡ×０．１）＝６６ＭΩ
また、図２（ｂ）の関係から、絶縁抵抗値を６６ＭΩ以上とするには、排気温度３００℃以下（排気温度≦３００℃）にする必要があることがわかる。そこで、本実施形態では、熱電対Ｔで検出される排気温度が３００℃以下でない場合には、冷却器４を用いて冷却水制御を行い、筒状碍子部２３の温度が３００℃以下となるようにして、絶縁抵抗値の低下を抑制する。
【００４０】
具体的には、以下のように制御する。図４（ａ）に示すように、第１実施形態の構成において、高圧電極２の筒状碍子部２３をアルミナ製（熱伝導率２９Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、冷却器４により冷却される下半部の長さ（冷却軸長さ）を４０ｍｍ、直径φ７ｍｍとする。また、冷却器４は、ステンレス鋼（ＳＵＳ；熱伝導率１６．７Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりなり、筒状碍子部２３と接する容器体４１の厚さを１ｍｍとする。また、集塵部１が設置される排気管１１を直径φ５０ｍｍとする。ここで、冷却水と筒状碍子部２３との間で熱交換を行なって、排気温度を３００℃に降下し、冷却水温を８０℃から１００℃に昇温するとした時、排気温度と冷却水流量の関係は、図４（ｂ）のようになる。
【００４１】
つまり、排気温度が３００℃以下であれば、冷却器４を作動させず、排気温度が３００℃を超えた場合には、排気温度が高いほど冷却水流量が増加するように、検出される温度に応じて制御部５が冷却水ポンプの回転数を調整する。例えば、排気温度が６００℃の場合には、冷却水流量５３ｇ／秒とし、温度が低下するのに従って、徐々に冷却水流量を低下させるのがよい。
【００４２】
図５は、制御部５による冷却水流量の制御フローを示している。まず、ステップＳ１において、熱電対Ｔで検出される排気温度をモニタし、ステップＳ２で検出された排気温度が３００℃以下か否かを判断する。ステップＳ２が否定判定された場合には、ステップＳ３に進み、肯定判定された場合は冷却水ポンプＰを作動させずに、または冷却水ポンプＰを停止してステップＳ１に戻る。ステップＳ３では、温度差ΔＴ＝排気温度−３００℃を算出し、ステップＳ４において、算出された温度差ΔＴに基づいて、図４（ｂ）の関係から、必要な冷却水流量を算出する。次に、ステップＳ５において、必要な冷却水流量に対応する冷却水ポンプＰの回転数を算出し、ステップＳ６に進んで冷却水ポンプＰを作動させる。
【００４３】
これらステップを繰り返すことで、冷却器４により筒状碍子部２３が３００℃を超えないように、つまり絶縁抵抗値が６６ＭΩ以上となるように、エンジン冷却水を用いて効率よく高圧電極２を冷却することができる。したがって、筒状碍子部２３への電流リークを抑制して、粒子状物質処理時のエネルギロスを大幅に削減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とすることができる。
【００４４】
図６に本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態では、水冷式の抑制手段としてエンジン冷却水を用いた冷却器４を設置したが、本実施形態では、空冷式の抑制手段を設けている。本実施形態における集塵部１の基本構成は、上記第１の実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。図６（ａ）に示すように、高圧電極２は、筒状碍子部２３の下半部外周に、放熱部６と断熱部７を備えている。
【００４５】
放熱部６は、排気管１１外部に露出する筒状碍子部２３を取り巻く筒状基体６１の外周に、軸方向に等間隔で並設されるリング状の多数のフィン６２を有している。筒状基体６１およびフィン６２は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属にて一体的に構成される。放熱部６の設置部位において、筒状基体６１の内周側には、筒状碍子部２３との間に、カーボン等よりなる概略筒状の高熱伝導部材６３が介設され、シール材４４でシールされる。図６（ｂ）に拡大して示すように、筒状碍子部２３は、大径部２６と小径部２５が交互に位置する形状として、高熱伝導部材６３に接する外周面を凹凸面としている。高熱伝導部材６３は、内周面を、高熱伝導部材６３の外周面と嵌合する凹凸面形状としている。これにより、筒状碍子部２３と放熱部６の高熱伝導部材６３および筒状基体６１が互いに密着して、効率よく放熱できるようにしている。
【００４６】
断熱部７は、耐熱材よりなるリング状の中空体で、排気管１１内部に突出する筒状碍子部２３の先端部外周を取り巻いている。断熱部７は、リング状の中空部７１内に断熱作用を有する空気が充填された構造で、内周面が筒状碍子部２３の先端部外周面に密着している。これにより、排気管１１内部において、筒状碍子部２３の先端部が高温の排気ガスに晒されるのを防止し、断熱保護する。
【００４７】
本実施形態の構成では、空気の断熱作用で筒状碍子部２３の先端部の温度上昇を防止しながら、先端部の熱を、筒状碍子部２３の凹凸面から高熱伝導部材６３を介してフィン６２に伝達し、排気管１１外部の大気と熱交換を行う。この時、フィン６２の表面積や枚数により熱交換面積を適宜調整することによって、筒状碍子部２３の温度が３００℃を超えないように、効率よく高圧電極２を冷却することができる。そして、筒状碍子部２３への電流リークを抑制して、粒子状物質処理時のエネルギロスを大幅に削減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とすることができる。
【００４８】
図７に本発明の第３〜５の実施形態を示す。図７（ａ）は、本発明が適用される直噴ガソリンエンジンの排気通路構成を示す図であり、エンジンＥの排気管１１には、公知の三元触媒８１が設置される。また、排気管１１の大気への開放端側には、公知のマフラーＭが設置されている。ここで、上記第１、２の実施形態の集塵部１は、通常、排気ガスの温度の高い三元触媒８１の近傍に配置されるが、排気管１１後端側のマフラーＭ近傍では、排気ガスの温度が３００℃前後まで低下する。そこで、第３の実施形態では、図７（ａ）において、高圧電極２と接地電極３からなる集塵部１を、マフラーＭの上流位置（図中（１）位置）または下流位置（図中（２）位置）に配置する。さらに、制御部５にて、集塵部１が設置されるマフラーＭの近傍位置の排気ガス温度が３００℃以下となるように、エンジン回転数や燃料噴射量を制御する。
【００４９】
第３の実施形態のように、抑制手段として、集塵部１の設置位置と制御部５による制御を組み合わせることもでき、高圧電極２の筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を防止して、電流リークを抑制することができる。したがって、粒子状物質処理時のエネルギロスを低減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とする同様の効果が得られる。
【００５０】
上記第１、２の実施形態では、本発明を直噴ガソリンエンジンに適用して、その排気通路に冷却機構を有する集塵部１を設ける構成としたが、本発明をディーゼルエンジンに適用することももちろんできる。図７（ｂ）は、本発明の第４実施形態で、ディーゼルエンジンに適用した場合である。エンジンＥの排気管１１には、公知のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）８２が設置される。一般に、ディーゼルエンジンの排気通路を流通する排気ガスの温度は、直噴ガソリンエンジンより低いものの、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設置した場合、再生処理時にはＤＰＦ８２後流に高温の燃焼ガスが排出される。
【００５１】
近年、ＤＰＦをすり抜ける粒子状物質を処理するために、図示するように、ＤＰＦ８２の後流側に、コロナ放電を利用した集塵部１を設置することが検討されている（図中（３）位置）。このような場合には、集塵部１に上記第１、２の実施形態の冷却機構を有する集塵部１を設けることが有効で、同様の効果が得られる。
【００５２】
また、排気管１１の大気への開放端側には、公知のマフラーＭが設置されており、この近傍では排気ガスの温度がより低くなる。そこで、上記第３の実施形態と同様に、高圧電極２と接地電極３からなる集塵部１を、マフラーＭの下流位置（図中（４）位置）または上流位置に配置することができる。さらに、図示しない制御部にて、ＤＰＦ８２の再生時であっても集塵部１が設置されるマフラーＭの近傍位置の排気ガス温度が３００℃以下となるように、エンジン回転数や燃料噴射量さらにＤＰＦ８２の再生を制御する。
【００５３】
このように、ディーゼルエンジンにおいても、抑制手段として、集塵部１の設置位置と制御部５による制御を組み合わせ、高圧電極２の筒状碍子部２３の絶縁抵抗値の低下を防止して、電流リークを抑制することができる。したがって、粒子状物質処理時のエネルギロスを低減し、高効率の集塵部１を備える排気処理装置とする同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の排気処理装置は、直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに限らず、内燃機関から排出される粒子状物質の浄化にコロナ放電を利用する場合に好適である。そして、抑制手段は、集塵部の放電電極が高温雰囲気に晒される環境であっても筒状碍子部の抵抗値が低下せず、または高温雰囲気に晒されないように制御して、筒状碍子部の高抵抗状態に維持するので、耐久性および安全性に優れ、実用性が高い。
【符号の説明】
【００５５】
１ 集塵部
１１ 排気管（排気通路）
１２ 放電空間部
２ 高圧電極（放電電極）
２１ 導電部
２２ 放電部
２３ 筒状碍子部
２４ 突起状電極部
３ 接地電極（対向電極）
４ 冷却器（冷却部）
４１ 容器体
４２ 蓋体
４３ 冷却水流路
４４ シール材
４５ 冷却水入口
４６ 冷却水出口
５ 制御部
６ 放熱部
６１ 筒状基体
６２ フィン
６３ 高熱伝導部材
７ 断熱部
７１ 中空部
８１ 三元触媒
８２ ＤＰＦ
Ｅ エンジン
Ｔ 熱電対（温度検出手段）
Ｍ マフラー
Ｐ ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けた放電空間部に放電電極と対向電極を配置し、両電極間にコロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部を備えており、
上記放電電極は、上記排気通路壁に支持固定され、絶縁性材料からなる筒状碍子部内に保持される導電部と、上記筒状碍子部の端部から上記放電空間部内に延出し、先端が上記放電空間部中央に位置する放電部とからなり、
上記筒状碍子部の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項２】
上記抑制手段は、上記筒状碍子部の外周を取り巻く冷却水流路を備えた冷却部を有する請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項３】
上記抑制手段は、上記冷却水流路を流通する冷却水の流量を制御する制御部を有する請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項４】
上記抑制手段は、上記排気通路の排気ガス温度を検出する温度検出手段を有し、該温度検出手段の検出結果に基づいて上記制御部が上記冷却部の作動を制御する請求項３記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項５】
上記抑制手段は、上記排気通路の外部に露出する上記筒状碍子部の外周にフィンを設けた放熱部を有する請求項４記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項６】
上記筒状碍子部は、上記放熱部に接する外周面を凹凸面に形成する請求項５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項７】
上記抑制手段は、上記抑制手段は、上記排気通路の内部に露出する上記筒状碍子部の先端外周を取り巻く断熱部を有する請求項４または５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項８】
上記断熱部はリング状の中空体で、内周面が上記筒状碍子部の先端側外周面に接して配置される請求項７記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項９】
上記抑制手段として、上記集塵部を、内燃機関の排気通路に配置されるマフラーの近傍に配置するとともに、該マフラーの近傍の温度を制御する制御部を設けたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けた放電空間部に放電電極と対向電極を配置し、両電極間にコロナ放電を発生させて排気ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる集塵部を備えており、
上記放電電極は、上記排気通路壁に支持固定され、絶縁性材料からなる筒状碍子部内に保持される導電部と、上記筒状碍子部の端部から上記放電空間部内に延出し、先端が上記放電空間部中央に位置する放電部とからなり、
上記筒状碍子部の絶縁抵抗値の低下を抑制する抑制手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項２】
上記抑制手段は、上記筒状碍子部の外周を取り巻く冷却水流路を備えた冷却部を有する請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項３】
上記抑制手段は、上記冷却水流路を流通する冷却水の流量を制御する制御部を有する請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項４】
上記抑制手段は、上記排気通路の排気ガス温度を検出する温度検出手段を有し、該温度検出手段の検出結果に基づいて上記制御部が上記冷却部の作動を制御する請求項３記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項５】
上記抑制手段は、上記排気通路の外部に露出する上記筒状碍子部の外周にフィンを設けた放熱部を有する請求項４記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項６】
上記筒状碍子部は、上記放熱部に接する外周面を凹凸面に形成する請求項５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項７】
上記抑制手段は、上記抑制手段は、上記排気通路の内部に露出する上記筒状碍子部の先端外周を取り巻く断熱部を有する請求項４または５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項８】
上記断熱部はリング状の中空体で、内周面が上記筒状碍子部の先端側外周面に接して配置される請求項７記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項９】
上記抑制手段として、上記集塵部を、内燃機関の排気通路に配置されるマフラーの近傍に配置するとともに、該マフラーの近傍の温度を制御する制御部を設けたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３６９５４（Ｐ２０１２−１３６９５４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８８０６４（Ｐ２０１０−２８８０６４）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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