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た集塵部で捕集する排気処理装置において、放電電極の絶縁碍子部に粒子状物質や水分が付着して、絶縁機能が低下するのを防止する。
【解決手段】エンジンの排気管に接続するハウジングＨ内に、放電用の高圧電極２と接地電極３を対向して配置し、放電空間１２にコロナ放電を発生させて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、ハウジングＨに設けた膨出部Ｈ１壁に固定され、膨出部Ｈ１内に形成したサイクロンチャンバ４の開口部４１と絶縁碍子部２１の上流側表面との間隙を出口流路４２とする。サイクロンチャンバ４に発生させた旋回流を、出口流路４２から絶縁碍子部２１の上流側表面に沿って噴出させることで、粒子状物質や水分の付着自体を抑制することができる。
【解決手段】エンジンの排気管に接続するハウジングＨ内に、放電用の高圧電極２と接地電極３を対向して配置し、放電空間１２にコロナ放電を発生させて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、ハウジングＨに設けた膨出部Ｈ１壁に固定され、膨出部Ｈ１内に形成したサイクロンチャンバ４の開口部４１と絶縁碍子部２１の上流側表面との間隙を出口流路４２とする。サイクロンチャンバ４に発生させた旋回流を、出口流路４２から絶縁碍子部２１の上流側表面に沿って噴出させることで、粒子状物質や水分の付着自体を抑制することができる。
【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（パティキュレートマター；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１μｍ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、微小な浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）を捕集するために、パティキュレートフィルタの孔径を小さくすると目詰まりしやすく、気孔率を大きくするとすり抜けが生じるおそれがある。また、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搭載すると排気抵抗増加に伴う燃費悪化の懸念がある。したがって直噴ガソリンエンジンへのパティキュレートフィルタ搭載はふさわしくない。
【０００４】
一方、パティキュレートフィルタを用いない後処理装置として、コロナ放電を利用した集塵装置がある（例えば、特許文献１、２）。この装置は、コロナ放電電極と接地電極を対向させて配し、両電極の間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて、粒子状物質を帯電凝集させる構成となっている。特許文献１において、コロナ放電電極は、多数の突起を有する板状電極であり、接地電極は、コロナ放電電極の下流に配置される導電性網または外周を取り囲む筒状の排気通路壁である。特許文献２では、コロナ放電電極を線状または棒状電極として、排気通路の流れ方向に配置しており、電極の両端を碍子部で保持している。
【０００５】
従来の装置構成の一例を図８（ａ）に示すと、排気通路となる円筒ハウジング１０１内に、コロナ放電電極１０２と接地電極１０３を備えている。コロナ放電電極１０２は、例えば棒状電極で、排気流れ方向に配置され、その外周を同心状に取り巻くハウジング１０１壁を接地電極１０３としている。コロナ放電電極１０２を保持する絶縁碍子部１０４はハウジング１０１壁に固定され、ハウジング１０１外の電源から両電極間に高電圧が印加されると、コロナ放電により粒子状物質が帯電して外周の接地電極１０３にて捕集される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３０６６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４２７３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、コロナ放電を利用した集塵装置を、ディーゼルエンジンや直噴ガソリンエンジンに適用することが検討されている。近年は、粒子状物質の排出規制が厳しくなる傾向にあることから、ディーゼルエンジンでは、パティキュレートフィルタの前段または後段に、コロナ放電を利用した装置を配置することで、捕集効率を向上させることができる。
【０００８】
ところが、集塵装置に導入される粒子状物質濃度の量が多くなると、図８（ｂ）のように、コロナ放電電極１０２を保持する絶縁碍子部１０４に粒子状物質（ＰＭ）が堆積し、絶縁機能が低下するおそれがある。この場合、排気流れが衝突する絶縁碍子部１０４の上流側表面に粒子状物質（ＰＭ）が付着しやすく、堆積した粒子状物質が外周のハウジング１０１に達すると、絶縁機能を失ってしまう。特許文献１の装置構成も同様であり、粒子状物質の他、排気ガス中に含まれる水蒸気が付着した場合も同様の問題が生じる。特許文献２の装置は、排気通路をコ字状として対向する２つの壁面に線状電極の両端を保持する碍子部を固定しており、排気流れが衝突しにくい位置にあるものの、粒子状物質の付着を防止することは難しい。
【０００９】
その対策として、特許文献１では、碍子部の外周にリング状の酸化触媒担持部を設けて、付着した粒子状物質を酸化除去する構成を提案している。この構成では、粒子状物質が付着しても軸方向で分断されるために、粒子状物質を通じて排気管への電流リークが生じるのを抑制できる。しかしながら、粒子状物質の付着自体を防止するものではないため、粒子状物質濃度が高い状態が続くと、酸化触媒による粒子状物質の除去に時間がかかり、あるいは酸化触媒が劣化した場合に、電流リークによるエネルギロスを生じるおそれがあった。
【００１０】
そこで、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、コロナ放電電極を保持する碍子部に粒子状物質が付着することを防止し、電流リークの発生を防止して、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】
【００１１】
本発明請求項１の排気処理装置は、内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し内部に導入される排気ガスに旋回流を形成するサイクロンチャンバとなし、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記サイクロンチャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の上流側外周面を上記開口部の上流側開口縁部に近接配置して、両者の間に形成される間隙を上記旋回流の出口流路としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記開口部の上記絶縁碍子部より下流側を上記サイクロンチャンバへの入口部とし、該入口部に続く内壁面を略円弧状の曲面形状として、内部に導入される排気ガスを上記内壁面に沿って下流側から上流側へ旋回させる。
【００１３】
請求項３の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記放電空間となる上記ハウジングの内径ｄに対して、上記サイクロンチャンバの突出高さｈを１／４ｄ〜１／２ｄ、上記内壁面の曲率Ｒを１／４ｄ〜３／４ｄに設定している。
【００１４】
請求項４の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記放電空間への上記開口部を、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状とし、略円形の上流側開口縁部に近接させて上記絶縁碍子部を配置している。
【００１５】
請求項５の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記入口部の長手方向長を２／ｄ以上に設定している。
【００１６】
請求項６の発明において、上記放電電極は、上記ハウジングの軸線に沿って位置する棒状電極である。
【００１７】
請求項７の発明において、上記放電電極は、軸方向の複数個所からそれぞれ放射状に突出する突起状電極部を有する。
【００１８】
請求項８の発明は、本発明の課題を解決するための他の排気処理装置であり、同様の構成を備える集塵部は、上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し外部からエアが導入されるチャンバを形成しており、該チャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記チャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の外周面と上記開口部との間に上記エアの出口流路を形成したことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明において、上記チャンバは、外部から導入されるエアが旋回流を形成するサイクロンチャンバであり、上記放電空間の排気流れ方向に対して、上流側に位置する上記絶縁碍子部表面に沿って上記エアが流出する構成を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明請求項１の排気処理装置において、排気管から集塵部のハウジング内に流入する排気ガスは、一部が分流してサイクロンチャンバに導入され、旋回流を形成する。この旋回流は、排気流れの下流から上流へ向かい、サイクロンチャンバの開口部において、絶縁碍子部の上流側に形成される出口流路から噴出する。この流れは、絶縁碍子部の上流側表面に沿って、サイクロンチャンバからハウジング内へ向かうので、絶縁碍子部の上流側に粒子状物質や水分が接近しにくくなり、付着自体を抑制できる。したがって、絶縁碍子部に部分的な付着が生じたとしても、絶縁碍子部表面を通じてハウジングに到達する可能性は小さく、電流リークを抑制して、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。
【００２１】
請求項２の発明のように、具体的には、サイクロンチャンバの内部形状を工夫し、開口部の下流側からの導入される排気ガスが、曲面状の内壁面に沿って旋回する構成とすることで、上流へ向かう旋回流を形成することができる。
【００２２】
請求項３の発明のように、具体的には、サイクロンチャンバの高さｈと内壁面の曲率Ｒを適切に設定することで、サイクロンチャンバ内に下流から上流へ向かう旋回流を、容易に形成することができる。
【００２３】
請求項４の発明のように、好適には、サイクロンチャンバからハウジング内への開口を、略長円形状とすると、近接配置される絶縁碍子部の上流側外周面との間に、出口流路となる間隙を形成し、絶縁碍子部の下流側に、サイクロンチャンバへの十分な大きさの入口部を形成することができる。
【００２４】
請求項５の発明のように、好適には、サイクロンチャンバの入口部の長手方向長が、ハウジング径の半分以上であれば、入口部からサイクロンチャンバ内へ排気ガスを容易に導入して旋回流を形成できる。
【００２５】
請求項６の発明のように、放電電極を棒状電極とすると、その周囲の広い範囲を放電空間とすることができ、効率よく静電捕集を行なうことができる。
【００２６】
請求項７の発明のように、棒状の放電電極に、さらに突起状電極部を設けると、放電率が向上し、集塵性能を高めることができる。
【００２７】
請求項８の発明のように、集塵部に導入される排気ガスを利用する代わりに、外部からのエアを導入するチャンバを設けることもできる。この場合は、エアの供給圧や流速を制御しやすいので、旋回流を形成することなく、放電空間への開口部に配置した絶縁碍子部の全周からエアを噴出させる構成とすることができる。したがって、絶縁碍子部の外周表面に沿うエア流れを容易に形成し、粒子状物質や水分が付着するのを防止できる。そして、電流リークによるエネルギ一ロスを抑制して、高性能な排気処理装置を実現できる。
【００２８】
請求項９の発明のように、外部からエアを導入するチャンバにおいても、内部で旋回流を形成するサイクロンチャンバとして構成することができ、絶縁碍子部の上流側に向かう流れを形成することで、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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上方視図、（ｂ）は排気処理装置の概略構成を示す全体断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の排気処理装置の集塵部の作用効果を説明するための全体断面図である。
【図３】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である。
【図４】（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、電極形状を説明するための図である。
【図５】第３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６】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７】第５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】（ａ）は、従来の排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は、従来の排気処理装置の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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（ｂ）は、排気処理装置の全体概略構成を示す断面図であり、図１（ａ）はその上方視図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態の排気処理装置は、内燃機関である自動車用エンジンへの適用例としてあり、図１（ａ）、（ｂ）において、図示しないエンジンの排気管の途中に接続される集塵部１を備えている。エンジンは、直噴ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、インジェクタから筒内に燃料を直接噴射する方式となっている。
【００３１】
本実施形態において、排気処理装置の集塵部１は、円筒管形状の排気管の一部をハウジングＨとして用いる。ハウジングＨ内は、エンジンからの燃焼排気ガスが流通する排気通路１１であり、ここでは、図の左方を排気流れの上流側、右方を下流側とし、ハウジングＨの左端開口部をエンジンからの排気ガスが導入される入口部として説明する。ハウジングＨの中央部には、放電電極となる高圧電極２が配設されており、対向電極となる接地電極３との間に、放電空間１２を形成している。接地電極３は、ここでは、接地電位としたハウジングＨの周壁にて構成されている。
【００３２】
高圧電極２は、ハウジングＨ壁に保持固定される絶縁碍子部２１と、絶縁碍子部２１に支持される放電部２２からなる。図１（ｂ）に示すように、放電部２２は、ハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状電極で、外周を同心状に取り巻く接地電極３と対向している。図１（ｃ）に示すように、絶縁碍子部２１は筒状で、内部に棒状の導電部２３が挿通保持される。導電部２３の基端部は、絶縁碍子部２１の基端側（図１（ｂ）の上端側）から突出してハウジングＨ外に位置する端子部２４を構成し、図示しない直流高圧電源に接続される。導電部２３の先端部は、ハウジングＨ内の放電空間１２に位置する放電部２２の一端側（図の左端側）と接続される。高圧電極２の絶縁碍子部２１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。
【００３３】
本発明の集塵部１は、ハウジングＨの一部を径方向外方に膨出させた膨出部Ｈ１を有し、その内部をサイクロンチャンバ４としている。膨出部Ｈ１は、排気流れ方向を長手方向とする略直方体状の外形を有しており、その長方形状の突出端面には、中央よりやや上流側（図の左端側）にネジ穴Ｈ２が形成されて、高圧電極２の絶縁碍子部２１が螺合されボルト２５によって固定されている。サイクロンチャンバ４は、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状の断面形状を有し、長円形状の開口部４１にて放電空間１２へ開口している。絶縁碍子部２１は、中間部がサイクロンチャンバ４内に位置し、先端部が開口部４１を通過して放電空間１２に突出位置している。
【００３４】
サイクロンチャンバ４は、本発明の特徴部分であり、以下に詳述する。図１（ａ）、（ｂ）のように、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、サイクロンチャンバ４を形成する膨出部Ｈ１中央に対して、やや上流側よりに配置されている。一方、サイクロンチャンバ４の開口部４１は、長円形断面のサイクロンチャンバ４の直線部に対応する位置で、排気流れのやや下流側よりに形成され、サイクロンチャンバ４の内部空間の任意の断面よりも小さく形成される。これにより、図１（ｂ）、（ｃ）のように、絶縁碍子部２１の上流側表面と、開口部４１の上流側開口縁部とが近接位置する。本発明では、この時、絶縁碍子部２１より下流側の開口部４１を、サイクロンチャンバ４への入口流路として、内部に流入する排気ガスに旋回流を形成するとともに、絶縁碍子部２１より上流側において、開口部４１の端縁部との間に形成される小間隙を、出口流路４２とする。
【００３５】
サイクロンチャンバ４の内側壁は、開口部４１から緩やかに拡がる曲面形状となっており、好適には、図１（ｂ）において、開口部４１の入口流路に続く下流側の内側壁の曲率Ｒを、ハウジングＨの内径すなわち排気通路１１の径φｄに対して、Ｒ＝１／４ｄ〜３／４ｄとするとよい。また、サイクロンチャンバ４の突出高さｈは、ｈ＝１／４ｄ〜１／２ｄとすることが望ましい。これにより、サイクロンチャンバ４内に、旋回流を容易に発生させることができる。また、出口流路４２となる絶縁碍子部２１の上流側表面と開口部４１との距離は、組み付け交差等による接触のおそれがない範囲で十分小さく設定し、絶縁碍子部２１の近傍の圧力を高めて排気ガスの侵入を抑制することが望ましい。例えば、絶縁碍子部２１の径Ｄ（＝φ１２ｍｍ）に対して、０．５〜２．０（ｍｍ）の範囲とすることができる。
【００３６】
また、図１（ｃ）において、開口部４１の大きさは、絶縁碍子部２１下流側の長さをｄ／２以上とし、幅（平行な２辺間の距離）をＤ＋１．０〜Ｄ＋３．０（ｍｍ）の範囲となるように設定するのがよい。この時、絶縁碍子部２１下流側の開口部４１を十分大きくし、サイクロンチャンバ４の内部に排気通路１１から排気ガスを分流させやすい。また、絶縁碍子部２１の外周と開口部４１との間隙を小さくして、出口流路４２から流出するガス流速を高めることができる。好適には、出口流路４２のガス流速が、排気通路１１内のガス流速（例えば１０−４０ｍ／秒）以上であるとよく、例えば、絶縁碍子部２１の上流半部表面と、開口部４１の半円形状の開口縁部との距離が、０．５〜１．５（ｍｍ）の範囲となるように設定するのがよい。これにより、出口流路４２から流出するガス流速を高め、排気ガス中の粒子状物質の付着を防止する効果を高めることができる。
【００３７】
上記構成の排気処理装置において、サイクロンチャンバ４を設けた集塵部１の作用効果について説明する。図２に示すように、エンジンで発生し排気管へ放出される粒子状物質（ＰＭ）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。集塵部１の排気通路１１内には、図の左右方向に排気ガスが流通しており、高圧電極２と接地電極３の間に放電空間１２が形成されるようになっている。粒子状物質（ＰＭ）は、例えば、数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度のナノメートル級の微粒子を含んでおり、そのままでは捕集されにくいため、集塵部１では、放電空間１２にコロナ放電を発生させて粒子状物質（ＰＭ）を凝集捕集する。
【００３８】
そのメカニズムを図３に示す。図中、高圧電極２の放電部２２に、外部電源から負の直流高電圧を印加すると、コロナ放電が発生し電子が放射される。この電子によって放電空間１２内の排気ガスに含まれる電子親和性の高い気体分子（酸素）がマイナスイオン化し、付近の粒子状物質（ＰＭ）を帯電させる。帯電した粒子状物質（ＰＭ）は、クーロン力とガス流れにより移動し、外周の接地電極３にて静電捕集される。粒子状物質（ＰＭ）は、ここで電子を放出し、凝集粒子となる。凝集粒子は、例えば、集塵部１の後段にパティキュレートフィルタを設置することにより容易に捕集される。
【００３９】
ここで、集塵部１には、排気通路１１の中央部に高圧電極２が突出位置しており、排気ガスが衝突しやすい。また、上述した静電捕集は主に高圧電極２下流の放電空間１２においてなされる。このため、粒子状物質（ＰＭ）が高濃度の状態では、高圧電極２の絶縁碍子部２１、特に上流側の先端部表面に、粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しやすくなる。そこで、本発明では、集塵部１に設けたサイクロンチャンバ４により、絶縁碍子部２１の下流側において、排気ガスを分流させ、排気通路１１の側壁に開口するサイクロンチャンバ４に流入する。この時、絶縁碍子部２１の下流では、粒子状物質（ＰＭ）や水分が比較的低濃度の状態で、サイクロンチャンバ４内に入る。
【００４０】
分流した排気ガスは、開口部４１の下流側からサイクロンチャンバ４の曲面状の内側壁面に沿って旋回し、下流側から上流側へ向かう旋回流を形成する。さらに旋回流は、サイクロンチャンバ４の上流側内壁面に沿って、開口部４１と絶縁碍子部２１の間隙にて形成される出口流路４２に達し、出口流路４２を通過して、再び排気通路１１へ流出する。ここで、出口流路４２は断面積の小さい絞り部となっているために、排気ガスの圧力が高まって流速が増し、絶縁碍子部２１の上流側表面に沿って噴出する流れが形成される。この流れにより、排気通路１１に存在する粒子状物質（ＰＭ）や水分が、絶縁碍子部２１の中間部より基端側に付着するのを防止することができる。
【００４１】
このため、絶縁碍子部２１の先端側に粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しても、出口流路４２の近傍において分断されるので、堆積した粒子状物質（ＰＭ）や水分を通じてハウジングＨへ電流がリークすることがない。したがって、電流リークによるエネルギロスを抑制し、効率よい静電捕集を行なうことができる。
【００４２】
さらに、好適には、絶縁碍子部２１にヒータを埋設した構成とすることもできる。このようにすると、先端側のみならず中間部より基端側に粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しても、絶縁碍子部２１を加熱することで除去できるので、電流リークを確実に防止することができる。
【００４３】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成において、高圧電極２の放電部２２形状を変更している。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、同一部材には同じ符号を付している。図４（ａ）に示すように、本実施形態において、放電部２２は、ハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状電極であり、さらに棒状電極の外周に、複数の突起状電極部２６を有している。ここでは、棒状電極の先端を含む軸方向の７箇所に、ほぼ等間隔で突起状電極部２６を配置する。
【００４４】
図４（ｂ）に示すように、各突起状電極部２６は、棒状電極の全周を取り囲むように放射状に配置される複数の山形突起２７を有しており、形状は、エンジン排気状態や粒子状物質の量に応じて、適宜設定することができる。突起２７の数は多いほど放電性能が高く、例えば８山とすることで、放電空間１２全体に効率よく放電を発生させることができるが、必要な性能を比較的低コストで実現したい場合には、６山、４山とすることもできる。いずれも突起２７を全周に均等配置することで、放電空間１２に均等にコロナ放電を発生させることができる。このように、棒状電極に突起状電極部２６を組み合わせることで、放電率を高め、粒子状物質の静電捕集効果を向上させることができる。
【００４５】
図５に本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成におけるサイクロンチャンバ４の形状を変更している。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、同一部材には同じ符号を付している。図５（ａ）に示すように、本実施形態において、サイクロンチャンバ４３を形成する膨出部Ｈ３は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１よりも径方向外方への膨出高さを大きくして、内部に形成されるサイクロンチャンバ４３を略円形断面形状としている。この場合も、サイクロンチャンバ４３の内側壁の曲率Ｒを、ハウジングＨの内径すなわち排気通路１１の径φｄに対して、Ｒ＝１／４ｄ〜３／４ｄとするとよい。
【００４６】
サイクロンチャンバ４３の開口部４１は、円形断面のサイクロンチャンバ４３の円弧部に対応する位置で、排気流れのやや下流側よりに形成される。また、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、膨出部Ｈ３の中央に対して、やや上流側よりに配置される。これにより、上記第１の実施形態と同様に、絶縁碍子部２１の上流側表面と、開口部４１の上流側開口縁部とが近接位置し、出口流路４２を形成する。このように、設置スペースに余裕がある場合には、サイクロンチャンバ４３が円形となるように構成することで、開口部４１から内部に流入する排気ガスに旋回流を容易に形成することができ、出口流路４２の流速を大きくして絶縁機能を高めることができる。
【００４７】
図６に本発明の第４の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成におけるサイクロンチャンバ４を設けず、外部から二次エアを導入するチャンバ４４を配設している。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、同一部材には同じ符号を付している。図６に示すように、本実施形態において、集塵部１のハウジングＨには、その一部を径方向に膨出させた膨出部Ｈ４が設けられ、内部にチャンバ４４を形成している。膨出部Ｈ４は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１と径方向外方への膨出高さが同等で、長手方向の長さを小さく形成してあり、内部に形成されるチャンバ４４の容量は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１よりも小さくしてある。チャンバ４４は、略長円形の断面形状を有し、チャンバ４４の内側壁は緩やかな曲面状に形成されている。
【００４８】
本実施形態では、電極２の絶縁碍子部２１が螺合されるネジ穴Ｈ２を、棒出部Ｈ４の突出端面の中央部に設けている。また、チャンバ４４から排気通路１１への開口部４５を、棒出部Ｈ４のネジ穴Ｈ２と対向する位置に設けるとともに、絶縁碍子部２１よりやや大きい径を有する円形状としている。この時、絶縁碍子部２１は、開口部４５と同心状に配置され、絶縁碍子部２１の外周面と開口部４５の内周縁部との間隙にて出口流路４６が形成される。出口流路４６へ至るチャンバ４４の内壁面は、すり鉢状の傾斜面としてある。一方、棒出部Ｈ４の上流側側壁には、例えば、エンジン吸気系に至る二次エア供給通路５が接続されて、チャンバ４４内に、二次エアを導入可能となっている。
【００４９】
ここで、絶縁碍子部２１の外周に形成されるリング状の出口流路４６の断面積Ａ１と、チャンバ４４への二次エア供給通路５の供給口５１の断面積Ａ２は、出口流路４６の断面積Ａ１＜供給口５１の断面積Ａ２となるように設定する。これにより、チャンバ４４内の圧力を二次エア供給通路５からの供給圧以上に保持し、チャンバ４４へ導入される二次エアを出口流路４６から噴出させることができる。好適には、チャンバ４４容積や、出口流路４６の断面積Ａ１と供給口５１の断面積Ａ２の比、二次エアの供給圧等を適切に設定することで、出口流路４６における流速を調整することができる。絶縁碍子部２１の外周面と開口部４５の内周縁部との距離は、組み付け交差等による接触を防止しながら、流速を確保できるように、例えば、１．０〜２．０（ｍｍ）の範囲で設定することができる。
【００５０】
このように、本実施形態では、外部から二次エアを導入するチャンバ４４を設け、絶縁碍子部２１の外周に絞り部となる出口流路４６を設けたので、絶縁碍子部２１の全周から二次エアを噴出させることができる。したがって、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）や水分の付着を抑制する効果が高く、チャンバ４４は比較的小型とすることができる。また、二次エアの供給手段として、例えば、ターボチャージャを搭載したエンジンであれば加圧エアの流通部に接続することができ、容易に供給圧を高めることができる。二次エア供給通路５にポンプを接続して加圧する構成としてももちろんよい。
【００５１】
図７に本発明の第５の実施形態を示す。本実施形態では、上記第４の実施形態の構成におけるチャンバ４４を、内部に旋回流を発生させるサイクロンチャンバ４７として構成している。本実施形態において、サイクロンチャンバ４７を構成する膨出部Ｈ４形状は、上記第４の実施形態と同様であり、二次エア供給通路５を膨出部Ｈ４の下流側から接続している点で異なっている。二次エア供給通路５は、サイクロンチャンバ４７の開口部４５に比較的近い位置に接続され、さらに、膨出部Ｈ４の下流側壁を貫通する供給口５２を、サイクロンチャンバ４７の内周曲面に沿って突出端面側を向くように形成する。
【００５２】
この時、供給口５２から導入される二次エアは、サイクロンチャンバ４７の下流側壁から突出端面さらに上流側壁の表面に沿って流れ、旋回流を形成する。また、本実施形態では、高圧電極２の絶縁碍子部２１を固定するためのネジ穴Ｈ２を、膨出部Ｈ４の中央よりやや上流側に配置する。これにより、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、開口部４５のやや上流側に偏心して位置し、上流側表面との開口部４５の内周縁部との間隙が、下流側より小さい絞り部となる。
【００５３】
この絞り部を出口流路４６とすることで、旋回流の流速を高めることができるので、絶縁碍子部２１の上流側表面に沿う流れを形成して、粒子状物質（ＰＭ）や水分の付着を防止することができる。このように構成すれば、二次エア供給通路５からの供給圧が比較的低い場合でも、サイクロンチャンバ４７内に導入される二次エアを旋回流として噴出させ、十分な効果を得ることが可能となる。
【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のいずれにも好適である。そして、放電電極を支持する絶縁碍子部を、粒子状物質や水分の付着から保護するので、電流リークによるエネルギロスの小さい高効率の集塵部となる。また、他の後処理装置と併用することにより、浄化性能をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００５５】
Ｈ ハウジング
Ｈ１、Ｈ３、Ｈ４ 膨出部
Ｈ２ ネジ穴
１ 集塵部
１１ 排気通路
１２ 放電空間
２ 高圧電極（放電電極）
２１ 絶縁碍子部
２２ 放電部
２３ 導電部
３ 接地電極（対向電極）
４、４３、４７ サイクロンチャンバ
４１、４５ 開口部
４２、４６ 出口流路
４４ チャンバ
５ 二次エア供給路
５１ 供給口
【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（パティキュレートマター；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１μｍ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、微小な浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）を捕集するために、パティキュレートフィルタの孔径を小さくすると目詰まりしやすく、気孔率を大きくするとすり抜けが生じるおそれがある。また、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搭載すると排気抵抗増加に伴う燃費悪化の懸念がある。したがって直噴ガソリンエンジンへのパティキュレートフィルタ搭載はふさわしくない。
【０００４】
一方、パティキュレートフィルタを用いない後処理装置として、コロナ放電を利用した集塵装置がある（例えば、特許文献１、２）。この装置は、コロナ放電電極と接地電極を対向させて配し、両電極の間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて、粒子状物質を帯電凝集させる構成となっている。特許文献１において、コロナ放電電極は、多数の突起を有する板状電極であり、接地電極は、コロナ放電電極の下流に配置される導電性網または外周を取り囲む筒状の排気通路壁である。特許文献２では、コロナ放電電極を線状または棒状電極として、排気通路の流れ方向に配置しており、電極の両端を碍子部で保持している。
【０００５】
従来の装置構成の一例を図８（ａ）に示すと、排気通路となる円筒ハウジング１０１内に、コロナ放電電極１０２と接地電極１０３を備えている。コロナ放電電極１０２は、例えば棒状電極で、排気流れ方向に配置され、その外周を同心状に取り巻くハウジング１０１壁を接地電極１０３としている。コロナ放電電極１０２を保持する絶縁碍子部１０４はハウジング１０１壁に固定され、ハウジング１０１外の電源から両電極間に高電圧が印加されると、コロナ放電により粒子状物質が帯電して外周の接地電極１０３にて捕集される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３０６６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４２７３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、コロナ放電を利用した集塵装置を、ディーゼルエンジンや直噴ガソリンエンジンに適用することが検討されている。近年は、粒子状物質の排出規制が厳しくなる傾向にあることから、ディーゼルエンジンでは、パティキュレートフィルタの前段または後段に、コロナ放電を利用した装置を配置することで、捕集効率を向上させることができる。
【０００８】
ところが、集塵装置に導入される粒子状物質濃度の量が多くなると、図８（ｂ）のように、コロナ放電電極１０２を保持する絶縁碍子部１０４に粒子状物質（ＰＭ）が堆積し、絶縁機能が低下するおそれがある。この場合、排気流れが衝突する絶縁碍子部１０４の上流側表面に粒子状物質（ＰＭ）が付着しやすく、堆積した粒子状物質が外周のハウジング１０１に達すると、絶縁機能を失ってしまう。特許文献１の装置構成も同様であり、粒子状物質の他、排気ガス中に含まれる水蒸気が付着した場合も同様の問題が生じる。特許文献２の装置は、排気通路をコ字状として対向する２つの壁面に線状電極の両端を保持する碍子部を固定しており、排気流れが衝突しにくい位置にあるものの、粒子状物質の付着を防止することは難しい。
【０００９】
その対策として、特許文献１では、碍子部の外周にリング状の酸化触媒担持部を設けて、付着した粒子状物質を酸化除去する構成を提案している。この構成では、粒子状物質が付着しても軸方向で分断されるために、粒子状物質を通じて排気管への電流リークが生じるのを抑制できる。しかしながら、粒子状物質の付着自体を防止するものではないため、粒子状物質濃度が高い状態が続くと、酸化触媒による粒子状物質の除去に時間がかかり、あるいは酸化触媒が劣化した場合に、電流リークによるエネルギロスを生じるおそれがあった。
【００１０】
そこで、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、コロナ放電電極を保持する碍子部に粒子状物質が付着することを防止し、電流リークの発生を防止して、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】
【００１１】
本発明請求項１の排気処理装置は、内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し内部に導入される排気ガスに旋回流を形成するサイクロンチャンバとなし、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記サイクロンチャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の上流側外周面を上記開口部の上流側開口縁部に近接配置して、両者の間に形成される間隙を上記旋回流の出口流路としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記開口部の上記絶縁碍子部より下流側を上記サイクロンチャンバへの入口部とし、該入口部に続く内壁面を略円弧状の曲面形状として、内部に導入される排気ガスを上記内壁面に沿って下流側から上流側へ旋回させる。
【００１３】
請求項３の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記放電空間となる上記ハウジングの内径ｄに対して、上記サイクロンチャンバの突出高さｈを１／４ｄ〜１／２ｄ、上記内壁面の曲率Ｒを１／４ｄ〜３／４ｄに設定している。
【００１４】
請求項４の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記放電空間への上記開口部を、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状とし、略円形の上流側開口縁部に近接させて上記絶縁碍子部を配置している。
【００１５】
請求項５の発明において、上記サイクロンチャンバは、上記入口部の長手方向長を２／ｄ以上に設定している。
【００１６】
請求項６の発明において、上記放電電極は、上記ハウジングの軸線に沿って位置する棒状電極である。
【００１７】
請求項７の発明において、上記放電電極は、軸方向の複数個所からそれぞれ放射状に突出する突起状電極部を有する。
【００１８】
請求項８の発明は、本発明の課題を解決するための他の排気処理装置であり、同様の構成を備える集塵部は、上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し外部からエアが導入されるチャンバを形成しており、該チャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記チャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の外周面と上記開口部との間に上記エアの出口流路を形成したことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明において、上記チャンバは、外部から導入されるエアが旋回流を形成するサイクロンチャンバであり、上記放電空間の排気流れ方向に対して、上流側に位置する上記絶縁碍子部表面に沿って上記エアが流出する構成を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明請求項１の排気処理装置において、排気管から集塵部のハウジング内に流入する排気ガスは、一部が分流してサイクロンチャンバに導入され、旋回流を形成する。この旋回流は、排気流れの下流から上流へ向かい、サイクロンチャンバの開口部において、絶縁碍子部の上流側に形成される出口流路から噴出する。この流れは、絶縁碍子部の上流側表面に沿って、サイクロンチャンバからハウジング内へ向かうので、絶縁碍子部の上流側に粒子状物質や水分が接近しにくくなり、付着自体を抑制できる。したがって、絶縁碍子部に部分的な付着が生じたとしても、絶縁碍子部表面を通じてハウジングに到達する可能性は小さく、電流リークを抑制して、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。
【００２１】
請求項２の発明のように、具体的には、サイクロンチャンバの内部形状を工夫し、開口部の下流側からの導入される排気ガスが、曲面状の内壁面に沿って旋回する構成とすることで、上流へ向かう旋回流を形成することができる。
【００２２】
請求項３の発明のように、具体的には、サイクロンチャンバの高さｈと内壁面の曲率Ｒを適切に設定することで、サイクロンチャンバ内に下流から上流へ向かう旋回流を、容易に形成することができる。
【００２３】
請求項４の発明のように、好適には、サイクロンチャンバからハウジング内への開口を、略長円形状とすると、近接配置される絶縁碍子部の上流側外周面との間に、出口流路となる間隙を形成し、絶縁碍子部の下流側に、サイクロンチャンバへの十分な大きさの入口部を形成することができる。
【００２４】
請求項５の発明のように、好適には、サイクロンチャンバの入口部の長手方向長が、ハウジング径の半分以上であれば、入口部からサイクロンチャンバ内へ排気ガスを容易に導入して旋回流を形成できる。
【００２５】
請求項６の発明のように、放電電極を棒状電極とすると、その周囲の広い範囲を放電空間とすることができ、効率よく静電捕集を行なうことができる。
【００２６】
請求項７の発明のように、棒状の放電電極に、さらに突起状電極部を設けると、放電率が向上し、集塵性能を高めることができる。
【００２７】
請求項８の発明のように、集塵部に導入される排気ガスを利用する代わりに、外部からのエアを導入するチャンバを設けることもできる。この場合は、エアの供給圧や流速を制御しやすいので、旋回流を形成することなく、放電空間への開口部に配置した絶縁碍子部の全周からエアを噴出させる構成とすることができる。したがって、絶縁碍子部の外周表面に沿うエア流れを容易に形成し、粒子状物質や水分が付着するのを防止できる。そして、電流リークによるエネルギ一ロスを抑制して、高性能な排気処理装置を実現できる。
【００２８】
請求項９の発明のように、外部からエアを導入するチャンバにおいても、内部で旋回流を形成するサイクロンチャンバとして構成することができ、絶縁碍子部の上流側に向かう流れを形成することで、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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上方視図、（ｂ）は排気処理装置の概略構成を示す全体断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の排気処理装置の集塵部の作用効果を説明するための全体断面図である。
【図３】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である。
【図４】（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、電極形状を説明するための図である。
【図５】第３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６】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７】第５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】（ａ）は、従来の排気処理装置の全体概略構成図、（ｂ）は、従来の排気処理装置の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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（ｂ）は、排気処理装置の全体概略構成を示す断面図であり、図１（ａ）はその上方視図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態の排気処理装置は、内燃機関である自動車用エンジンへの適用例としてあり、図１（ａ）、（ｂ）において、図示しないエンジンの排気管の途中に接続される集塵部１を備えている。エンジンは、直噴ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、インジェクタから筒内に燃料を直接噴射する方式となっている。
【００３１】
本実施形態において、排気処理装置の集塵部１は、円筒管形状の排気管の一部をハウジングＨとして用いる。ハウジングＨ内は、エンジンからの燃焼排気ガスが流通する排気通路１１であり、ここでは、図の左方を排気流れの上流側、右方を下流側とし、ハウジングＨの左端開口部をエンジンからの排気ガスが導入される入口部として説明する。ハウジングＨの中央部には、放電電極となる高圧電極２が配設されており、対向電極となる接地電極３との間に、放電空間１２を形成している。接地電極３は、ここでは、接地電位としたハウジングＨの周壁にて構成されている。
【００３２】
高圧電極２は、ハウジングＨ壁に保持固定される絶縁碍子部２１と、絶縁碍子部２１に支持される放電部２２からなる。図１（ｂ）に示すように、放電部２２は、ハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状電極で、外周を同心状に取り巻く接地電極３と対向している。図１（ｃ）に示すように、絶縁碍子部２１は筒状で、内部に棒状の導電部２３が挿通保持される。導電部２３の基端部は、絶縁碍子部２１の基端側（図１（ｂ）の上端側）から突出してハウジングＨ外に位置する端子部２４を構成し、図示しない直流高圧電源に接続される。導電部２３の先端部は、ハウジングＨ内の放電空間１２に位置する放電部２２の一端側（図の左端側）と接続される。高圧電極２の絶縁碍子部２１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。
【００３３】
本発明の集塵部１は、ハウジングＨの一部を径方向外方に膨出させた膨出部Ｈ１を有し、その内部をサイクロンチャンバ４としている。膨出部Ｈ１は、排気流れ方向を長手方向とする略直方体状の外形を有しており、その長方形状の突出端面には、中央よりやや上流側（図の左端側）にネジ穴Ｈ２が形成されて、高圧電極２の絶縁碍子部２１が螺合されボルト２５によって固定されている。サイクロンチャンバ４は、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状の断面形状を有し、長円形状の開口部４１にて放電空間１２へ開口している。絶縁碍子部２１は、中間部がサイクロンチャンバ４内に位置し、先端部が開口部４１を通過して放電空間１２に突出位置している。
【００３４】
サイクロンチャンバ４は、本発明の特徴部分であり、以下に詳述する。図１（ａ）、（ｂ）のように、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、サイクロンチャンバ４を形成する膨出部Ｈ１中央に対して、やや上流側よりに配置されている。一方、サイクロンチャンバ４の開口部４１は、長円形断面のサイクロンチャンバ４の直線部に対応する位置で、排気流れのやや下流側よりに形成され、サイクロンチャンバ４の内部空間の任意の断面よりも小さく形成される。これにより、図１（ｂ）、（ｃ）のように、絶縁碍子部２１の上流側表面と、開口部４１の上流側開口縁部とが近接位置する。本発明では、この時、絶縁碍子部２１より下流側の開口部４１を、サイクロンチャンバ４への入口流路として、内部に流入する排気ガスに旋回流を形成するとともに、絶縁碍子部２１より上流側において、開口部４１の端縁部との間に形成される小間隙を、出口流路４２とする。
【００３５】
サイクロンチャンバ４の内側壁は、開口部４１から緩やかに拡がる曲面形状となっており、好適には、図１（ｂ）において、開口部４１の入口流路に続く下流側の内側壁の曲率Ｒを、ハウジングＨの内径すなわち排気通路１１の径φｄに対して、Ｒ＝１／４ｄ〜３／４ｄとするとよい。また、サイクロンチャンバ４の突出高さｈは、ｈ＝１／４ｄ〜１／２ｄとすることが望ましい。これにより、サイクロンチャンバ４内に、旋回流を容易に発生させることができる。また、出口流路４２となる絶縁碍子部２１の上流側表面と開口部４１との距離は、組み付け交差等による接触のおそれがない範囲で十分小さく設定し、絶縁碍子部２１の近傍の圧力を高めて排気ガスの侵入を抑制することが望ましい。例えば、絶縁碍子部２１の径Ｄ（＝φ１２ｍｍ）に対して、０．５〜２．０（ｍｍ）の範囲とすることができる。
【００３６】
また、図１（ｃ）において、開口部４１の大きさは、絶縁碍子部２１下流側の長さをｄ／２以上とし、幅（平行な２辺間の距離）をＤ＋１．０〜Ｄ＋３．０（ｍｍ）の範囲となるように設定するのがよい。この時、絶縁碍子部２１下流側の開口部４１を十分大きくし、サイクロンチャンバ４の内部に排気通路１１から排気ガスを分流させやすい。また、絶縁碍子部２１の外周と開口部４１との間隙を小さくして、出口流路４２から流出するガス流速を高めることができる。好適には、出口流路４２のガス流速が、排気通路１１内のガス流速（例えば１０−４０ｍ／秒）以上であるとよく、例えば、絶縁碍子部２１の上流半部表面と、開口部４１の半円形状の開口縁部との距離が、０．５〜１．５（ｍｍ）の範囲となるように設定するのがよい。これにより、出口流路４２から流出するガス流速を高め、排気ガス中の粒子状物質の付着を防止する効果を高めることができる。
【００３７】
上記構成の排気処理装置において、サイクロンチャンバ４を設けた集塵部１の作用効果について説明する。図２に示すように、エンジンで発生し排気管へ放出される粒子状物質（ＰＭ）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。集塵部１の排気通路１１内には、図の左右方向に排気ガスが流通しており、高圧電極２と接地電極３の間に放電空間１２が形成されるようになっている。粒子状物質（ＰＭ）は、例えば、数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度のナノメートル級の微粒子を含んでおり、そのままでは捕集されにくいため、集塵部１では、放電空間１２にコロナ放電を発生させて粒子状物質（ＰＭ）を凝集捕集する。
【００３８】
そのメカニズムを図３に示す。図中、高圧電極２の放電部２２に、外部電源から負の直流高電圧を印加すると、コロナ放電が発生し電子が放射される。この電子によって放電空間１２内の排気ガスに含まれる電子親和性の高い気体分子（酸素）がマイナスイオン化し、付近の粒子状物質（ＰＭ）を帯電させる。帯電した粒子状物質（ＰＭ）は、クーロン力とガス流れにより移動し、外周の接地電極３にて静電捕集される。粒子状物質（ＰＭ）は、ここで電子を放出し、凝集粒子となる。凝集粒子は、例えば、集塵部１の後段にパティキュレートフィルタを設置することにより容易に捕集される。
【００３９】
ここで、集塵部１には、排気通路１１の中央部に高圧電極２が突出位置しており、排気ガスが衝突しやすい。また、上述した静電捕集は主に高圧電極２下流の放電空間１２においてなされる。このため、粒子状物質（ＰＭ）が高濃度の状態では、高圧電極２の絶縁碍子部２１、特に上流側の先端部表面に、粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しやすくなる。そこで、本発明では、集塵部１に設けたサイクロンチャンバ４により、絶縁碍子部２１の下流側において、排気ガスを分流させ、排気通路１１の側壁に開口するサイクロンチャンバ４に流入する。この時、絶縁碍子部２１の下流では、粒子状物質（ＰＭ）や水分が比較的低濃度の状態で、サイクロンチャンバ４内に入る。
【００４０】
分流した排気ガスは、開口部４１の下流側からサイクロンチャンバ４の曲面状の内側壁面に沿って旋回し、下流側から上流側へ向かう旋回流を形成する。さらに旋回流は、サイクロンチャンバ４の上流側内壁面に沿って、開口部４１と絶縁碍子部２１の間隙にて形成される出口流路４２に達し、出口流路４２を通過して、再び排気通路１１へ流出する。ここで、出口流路４２は断面積の小さい絞り部となっているために、排気ガスの圧力が高まって流速が増し、絶縁碍子部２１の上流側表面に沿って噴出する流れが形成される。この流れにより、排気通路１１に存在する粒子状物質（ＰＭ）や水分が、絶縁碍子部２１の中間部より基端側に付着するのを防止することができる。
【００４１】
このため、絶縁碍子部２１の先端側に粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しても、出口流路４２の近傍において分断されるので、堆積した粒子状物質（ＰＭ）や水分を通じてハウジングＨへ電流がリークすることがない。したがって、電流リークによるエネルギロスを抑制し、効率よい静電捕集を行なうことができる。
【００４２】
さらに、好適には、絶縁碍子部２１にヒータを埋設した構成とすることもできる。このようにすると、先端側のみならず中間部より基端側に粒子状物質（ＰＭ）や水分が付着しても、絶縁碍子部２１を加熱することで除去できるので、電流リークを確実に防止することができる。
【００４３】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成において、高圧電極２の放電部２２形状を変更している。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、同一部材には同じ符号を付している。図４（ａ）に示すように、本実施形態において、放電部２２は、ハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状電極であり、さらに棒状電極の外周に、複数の突起状電極部２６を有している。ここでは、棒状電極の先端を含む軸方向の７箇所に、ほぼ等間隔で突起状電極部２６を配置する。
【００４４】
図４（ｂ）に示すように、各突起状電極部２６は、棒状電極の全周を取り囲むように放射状に配置される複数の山形突起２７を有しており、形状は、エンジン排気状態や粒子状物質の量に応じて、適宜設定することができる。突起２７の数は多いほど放電性能が高く、例えば８山とすることで、放電空間１２全体に効率よく放電を発生させることができるが、必要な性能を比較的低コストで実現したい場合には、６山、４山とすることもできる。いずれも突起２７を全周に均等配置することで、放電空間１２に均等にコロナ放電を発生させることができる。このように、棒状電極に突起状電極部２６を組み合わせることで、放電率を高め、粒子状物質の静電捕集効果を向上させることができる。
【００４５】
図５に本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成におけるサイクロンチャンバ４の形状を変更している。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、同一部材には同じ符号を付している。図５（ａ）に示すように、本実施形態において、サイクロンチャンバ４３を形成する膨出部Ｈ３は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１よりも径方向外方への膨出高さを大きくして、内部に形成されるサイクロンチャンバ４３を略円形断面形状としている。この場合も、サイクロンチャンバ４３の内側壁の曲率Ｒを、ハウジングＨの内径すなわち排気通路１１の径φｄに対して、Ｒ＝１／４ｄ〜３／４ｄとするとよい。
【００４６】
サイクロンチャンバ４３の開口部４１は、円形断面のサイクロンチャンバ４３の円弧部に対応する位置で、排気流れのやや下流側よりに形成される。また、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、膨出部Ｈ３の中央に対して、やや上流側よりに配置される。これにより、上記第１の実施形態と同様に、絶縁碍子部２１の上流側表面と、開口部４１の上流側開口縁部とが近接位置し、出口流路４２を形成する。このように、設置スペースに余裕がある場合には、サイクロンチャンバ４３が円形となるように構成することで、開口部４１から内部に流入する排気ガスに旋回流を容易に形成することができ、出口流路４２の流速を大きくして絶縁機能を高めることができる。
【００４７】
図６に本発明の第４の実施形態を示す。本実施形態では、上記第１の実施形態の構成におけるサイクロンチャンバ４を設けず、外部から二次エアを導入するチャンバ４４を配設している。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、同一部材には同じ符号を付している。図６に示すように、本実施形態において、集塵部１のハウジングＨには、その一部を径方向に膨出させた膨出部Ｈ４が設けられ、内部にチャンバ４４を形成している。膨出部Ｈ４は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１と径方向外方への膨出高さが同等で、長手方向の長さを小さく形成してあり、内部に形成されるチャンバ４４の容量は、上記第１の実施形態における膨出部Ｈ１よりも小さくしてある。チャンバ４４は、略長円形の断面形状を有し、チャンバ４４の内側壁は緩やかな曲面状に形成されている。
【００４８】
本実施形態では、電極２の絶縁碍子部２１が螺合されるネジ穴Ｈ２を、棒出部Ｈ４の突出端面の中央部に設けている。また、チャンバ４４から排気通路１１への開口部４５を、棒出部Ｈ４のネジ穴Ｈ２と対向する位置に設けるとともに、絶縁碍子部２１よりやや大きい径を有する円形状としている。この時、絶縁碍子部２１は、開口部４５と同心状に配置され、絶縁碍子部２１の外周面と開口部４５の内周縁部との間隙にて出口流路４６が形成される。出口流路４６へ至るチャンバ４４の内壁面は、すり鉢状の傾斜面としてある。一方、棒出部Ｈ４の上流側側壁には、例えば、エンジン吸気系に至る二次エア供給通路５が接続されて、チャンバ４４内に、二次エアを導入可能となっている。
【００４９】
ここで、絶縁碍子部２１の外周に形成されるリング状の出口流路４６の断面積Ａ１と、チャンバ４４への二次エア供給通路５の供給口５１の断面積Ａ２は、出口流路４６の断面積Ａ１＜供給口５１の断面積Ａ２となるように設定する。これにより、チャンバ４４内の圧力を二次エア供給通路５からの供給圧以上に保持し、チャンバ４４へ導入される二次エアを出口流路４６から噴出させることができる。好適には、チャンバ４４容積や、出口流路４６の断面積Ａ１と供給口５１の断面積Ａ２の比、二次エアの供給圧等を適切に設定することで、出口流路４６における流速を調整することができる。絶縁碍子部２１の外周面と開口部４５の内周縁部との距離は、組み付け交差等による接触を防止しながら、流速を確保できるように、例えば、１．０〜２．０（ｍｍ）の範囲で設定することができる。
【００５０】
このように、本実施形態では、外部から二次エアを導入するチャンバ４４を設け、絶縁碍子部２１の外周に絞り部となる出口流路４６を設けたので、絶縁碍子部２１の全周から二次エアを噴出させることができる。したがって、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）や水分の付着を抑制する効果が高く、チャンバ４４は比較的小型とすることができる。また、二次エアの供給手段として、例えば、ターボチャージャを搭載したエンジンであれば加圧エアの流通部に接続することができ、容易に供給圧を高めることができる。二次エア供給通路５にポンプを接続して加圧する構成としてももちろんよい。
【００５１】
図７に本発明の第５の実施形態を示す。本実施形態では、上記第４の実施形態の構成におけるチャンバ４４を、内部に旋回流を発生させるサイクロンチャンバ４７として構成している。本実施形態において、サイクロンチャンバ４７を構成する膨出部Ｈ４形状は、上記第４の実施形態と同様であり、二次エア供給通路５を膨出部Ｈ４の下流側から接続している点で異なっている。二次エア供給通路５は、サイクロンチャンバ４７の開口部４５に比較的近い位置に接続され、さらに、膨出部Ｈ４の下流側壁を貫通する供給口５２を、サイクロンチャンバ４７の内周曲面に沿って突出端面側を向くように形成する。
【００５２】
この時、供給口５２から導入される二次エアは、サイクロンチャンバ４７の下流側壁から突出端面さらに上流側壁の表面に沿って流れ、旋回流を形成する。また、本実施形態では、高圧電極２の絶縁碍子部２１を固定するためのネジ穴Ｈ２を、膨出部Ｈ４の中央よりやや上流側に配置する。これにより、高圧電極２の絶縁碍子部２１は、開口部４５のやや上流側に偏心して位置し、上流側表面との開口部４５の内周縁部との間隙が、下流側より小さい絞り部となる。
【００５３】
この絞り部を出口流路４６とすることで、旋回流の流速を高めることができるので、絶縁碍子部２１の上流側表面に沿う流れを形成して、粒子状物質（ＰＭ）や水分の付着を防止することができる。このように構成すれば、二次エア供給通路５からの供給圧が比較的低い場合でも、サイクロンチャンバ４７内に導入される二次エアを旋回流として噴出させ、十分な効果を得ることが可能となる。
【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のいずれにも好適である。そして、放電電極を支持する絶縁碍子部を、粒子状物質や水分の付着から保護するので、電流リークによるエネルギロスの小さい高効率の集塵部となる。また、他の後処理装置と併用することにより、浄化性能をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００５５】
Ｈ ハウジング
Ｈ１、Ｈ３、Ｈ４ 膨出部
Ｈ２ ネジ穴
１ 集塵部
１１ 排気通路
１２ 放電空間
２ 高圧電極（放電電極）
２１ 絶縁碍子部
２２ 放電部
２３ 導電部
３ 接地電極（対向電極）
４、４３、４７ サイクロンチャンバ
４１、４５ 開口部
４２、４６ 出口流路
４４ チャンバ
５ 二次エア供給路
５１ 供給口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し内部に導入される排気ガスに旋回流を形成するサイクロンチャンバとなし、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記サイクロンチャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の上流側外周面を上記開口部の上流側開口縁部に近接配置して、両者の間に形成される間隙を上記旋回流の出口流路としたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項２】
上記サイクロンチャンバは、上記開口部の上記絶縁碍子部より下流側を上記サイクロンチャンバへの入口部とし、該入口部に続く内壁面を略円弧状の曲面形状として、内部に導入される排気ガスを上記内壁面に沿って下流側から上流側へ旋回させる請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項３】
上記サイクロンチャンバは、上記放電空間となる上記ハウジングの内径ｄに対して、上記サイクロンチャンバの突出高さｈを１／４ｄ〜１／２ｄ、上記内壁面の曲率Ｒを１／４ｄ〜３／４ｄに設定する請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項４】
上記サイクロンチャンバは、上記放電空間への上記開口部を、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状とし、略円形の上流側開口縁部に近接させて上記絶縁碍子部を配置する請求項３記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項５】
上記サイクロンチャンバは、上記入口部の長手方向長を２／ｄ以上に設定する請求項４記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項６】
上記放電電極は、上記ハウジングの軸線に沿って位置する棒状電極である請求項５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項７】
上記放電電極は、軸方向の複数個所からそれぞれ放射状に突出する突起状電極を有する請求項６記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項８】
内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し外部からエアが導入されるチャンバを形成しており、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記チャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の外周面と上記開口部との間に上記エアの出口流路を形成したことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項９】
上記チャンバは、外部から導入されるエアが旋回流を形成するサイクロンチャンバであり、上記放電空間の排気流れ方向に対して、上流側に位置する上記絶縁碍子部表面に沿って上記エアが流出する請求項８記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項１】
内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し内部に導入される排気ガスに旋回流を形成するサイクロンチャンバとなし、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記サイクロンチャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の上流側外周面を上記開口部の上流側開口縁部に近接配置して、両者の間に形成される間隙を上記旋回流の出口流路としたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項２】
上記サイクロンチャンバは、上記開口部の上記絶縁碍子部より下流側を上記サイクロンチャンバへの入口部とし、該入口部に続く内壁面を略円弧状の曲面形状として、内部に導入される排気ガスを上記内壁面に沿って下流側から上流側へ旋回させる請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項３】
上記サイクロンチャンバは、上記放電空間となる上記ハウジングの内径ｄに対して、上記サイクロンチャンバの突出高さｈを１／４ｄ〜１／２ｄ、上記内壁面の曲率Ｒを１／４ｄ〜３／４ｄに設定する請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項４】
上記サイクロンチャンバは、上記放電空間への上記開口部を、排気流れ方向を長手方向とする略長円形状とし、略円形の上流側開口縁部に近接させて上記絶縁碍子部を配置する請求項３記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項５】
上記サイクロンチャンバは、上記入口部の長手方向長を２／ｄ以上に設定する請求項４記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項６】
上記放電電極は、上記ハウジングの軸線に沿って位置する棒状電極である請求項５記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項７】
上記放電電極は、軸方向の複数個所からそれぞれ放射状に突出する突起状電極を有する請求項６記載の内燃機関の排気処理装置。
【請求項８】
内燃機関の排気管に接続される円筒管形状のハウジング内を放電空間とし、該放電空間に配設した放電電極と対向電極の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、
上記ハウジング壁の一部を径方向外方に膨出させて、上記放電空間に開口し外部からエアが導入されるチャンバを形成しており、該サイクロンチャンバ壁に上記放電電極を支持する絶縁碍子部の一端側を固定するとともに、他端側を上記チャンバの開口部から上記放電空間内に突出位置させ、かつ上記絶縁碍子部の外周面と上記開口部との間に上記エアの出口流路を形成したことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項９】
上記チャンバは、外部から導入されるエアが旋回流を形成するサイクロンチャンバであり、上記放電空間の排気流れ方向に対して、上流側に位置する上記絶縁碍子部表面に沿って上記エアが流出する請求項８記載の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２０１２−１６７５６５（Ｐ２０１２−１６７５６５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７３５２（Ｐ２０１１−２７３５２）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【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９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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