JP2012193699A - 粒子状物質処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を用いて排気中のＰＭを帯電させることによるＰＭ凝集を好適に行う粒子状物質処理装置を提供する。
【解決手段】排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置であって、内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を流れる排気を冷却する冷却部と、印加電圧を変更可能な電極を有し、冷却部によって冷却された排気が流れる排気処理通路において該電極への印加電圧により該電極と該排気処理通路との間の空間に電流を流す処理部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に電極を有し、その電極への電圧印加によって排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置に関する。

内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、結果的には、単位体積当たりに含まれるＰＭの粒子数を減少させることができる。また、凝集の結果としてのＰＭは、その粒子径が大きくなるため、例えば、放電電極の下流側にフィルタを設けた場合には、該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。

特開２００６−１９４１１６号公報

内燃機関の排気通路に電極を設け、該電極に電圧印加をすることで排気通路を流れる排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを凝集させることで、排気に含まれる単位体積当たりのＰＭ数を低減させることが可能となる。これは、ＰＭの粒子数に起因する環境への負荷軽減に大きく寄与するものである。ここで、内燃機関から排出される排気の流量は、該内燃機関の機関負荷等に応じて変動するものであるが、排気流量が増加するとＰＭが有する慣性力が増加する等の理由により、上記のＰＭ帯電凝集が良好に行われにくくなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電極を用いて排気中のＰＭを帯電させることによるＰＭ凝集を好適に行う粒子状物質処理装置を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、電極を用いて排気中のＰＭを帯電させる処理部に流れ込む排気を冷却させる構成を採用した。当該構成により、排気を冷却させることでその空間速度を低下させ、それにより排気中のＰＭが有する慣性力を下げて、ＰＭ同士の凝集を促進させることが可能となる。

詳細には、本発明は、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置であって、内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を流れる排気を冷却する冷却部と、印加電圧を変更可能な電極を有し、前記冷却部によって冷却された排気が流れる排気処理通路において該電極への印加電圧により該電極と該排気処理通路との間の空間に電流を流す処理部と、を備える。

本発明に係る粒子状物質処理装置においては、上記処理部が備えられることにより、排気処理通路で電極への電圧印加が制御されて、電極と排気処理通路との間の空間、すなわち排気が流れる空間（以下、「帯電空間」という。）に電流が流れ、以て排気中のＰＭが帯電されることになる。その結果、ＰＭ同士が静電気力によって凝集したり、また、帯電したＰＭが排気処理通路側へ誘引され、そこでＰＭ同士が凝集したりする結果、排気中のＰＭの粒子径が大きくなるとともに、そこに含まれる単位体積当たりの粒子数を低減することが可能となる。

そして、上記粒子状物質処理装置には、この処理部に流れ込む排気を冷却する冷却部が更に備えられる。冷却部により冷却された排気においては、その空間速度が低下されるため、そこに含まれるＰＭの慣性力を低減させることが可能となる。ＰＭ同士の凝集は、ＰＭ間に働く静電力（クーロン力）とＰＭが有する慣性力とのバランスの上で実現されるため、冷却部の冷却によってＰＭの慣性力が低減されると、相対的にＰＭ間の静電力が強まることになり、以てＰＭ同士の凝集が促進されることになる。特に、内燃機関から排出される排気の流量は、内燃機関に求められる機関負荷に応じて変動するものであって、一般には、排気中のＰＭの粒子数を低減するために排気流量を制御することは容易ではないことを踏まえると、本発明のように冷却部に流入する排気を冷却する冷却部の有用性は顕著である。

ここで、上記粒子状物質処理装置において、前記冷却部は、その内部に設けられた流路を流れる熱交換用熱媒体と前記排気処理通路を流れる排気との間で熱交換を行うことで、該排気を冷却する熱交換器を有する構成を採用してもよい。なお、排気中のＰＭの慣性力低減の観点に立てば、熱交換器による冷却能力は大きいほど好ましい。

また、上記粒子状物質処理装置において、前記冷却部は、前記排気処理通路を流れる排気を凝縮することで、該排気を冷却する凝縮器を有する構成を採用してもよい。すなわち、当該構成は、排気を凝縮することでその温度低下を図る構成である。具体的な排気の凝縮の形態については、様々な物理的特性を利用したものを採用し得る。

なお、排気を凝縮することで、排気中に含まれていた水分が液化する場合がある。そこで、前記凝縮器を採用する粒子状物質処理装置において、前記凝縮器は、前記排気を凝縮することで該排気に含まれる水分の少なくとも一部を分離する構成であってもよい。換言すれば、当該凝縮器を、いわゆる気液分離器として作動させてもよい。凝縮器の作用により排気中の水分を除去することで、処理部に流れ込む排気中の水分量が低減されることになる。この結果、内燃機関が機関停止したときに、電極周りに滞留した排気が冷却されて該電極の周辺に凝縮水が生成される可能性を低くすることが可能となる。また、排気とともに水が電極に飛散し電極周辺にその水が付着することも回避し得る。電極周辺に水が付着することによって、帯電空間における抵抗が低下し、排気中のＰＭの帯電を好適に行うことが困難となり得ることを踏まえると、排気の凝縮による水分除去および冷却を同時に実現する本発明の構成は、極めて有用な効果を奏するものである。

本発明によれば、電極を用いて排気中のＰＭを帯電させることによるＰＭ凝集を好適に行う粒子状物質処理装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す図である。 図１に示す粒子状物質処理装置で実行される、排気中のＰＭ粒子数を低減する処理に関するフローチャートである。 機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。 内燃機関からの排気流量とＰＭ粒子数とから、印加電圧を算出するためのマップの一例を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す第二の図である。

以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置１の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置１は、例えばガソリン機関の排気通路２に設けられ、また、ディーゼル機関の排気通路に設けることもできる。いずれの内燃機関の排気通路に設けられる場合であれ、電極５への電圧印加により排気中のＰＭを帯電させ、ＰＭ同士の凝集を促進させることで、排気中のＰＭ粒子の粒径増大、それに伴う粒子数の低減を図ることができる。以下に、粒子状物質処理装置１の詳細を説明する。

粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング３の内部の空間が、上記の帯電空間となる。

ここで、排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間には電気的絶縁状態が形成されている。

ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極５の端部はハウジング３の中心軸近傍に位置する。また、電極５とハウジング３とが直接接触して電気が流れないように、電極５には電気的絶縁体からなる碍子部５１が設けられている。この碍子部５１は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。このように碍子部５１を介して電極５がハウジング３に取り付けられることで、該電極５がハウジング３内の帯電空間内に位置することになる。

そして、電極５は電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。

また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。このような構成により、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。

なお、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温
度センサ７３、エアフローメータ７４が接続されている。アクセル開度センサ７１は、粒子状物質処理装置１が接続された内燃機関を搭載する車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、その機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、当該内燃機関の機関回転数を検出する。温度センサ７３は、当該内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、当該内燃機関の吸入空気量を検出する。

このように構成された粒子状物質処理装置１では、電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出され、電極５とハウジング３との間の帯電空間を通して電流が流れる。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３を通り、設置側電線５３を介して外部へと流れ出る。この結果、ハウジング３へ電子を放出したＰＭ同士は、互いに凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数は低減する。このように、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つ排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数を低減させることができる。

なお、本実施例では、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し難い。すなわち、碍子部５１よりも上流側においてＰＭを帯電されることができるため、該ＰＭがハウジング３の内周面に向かう。このため、碍子部５１に衝突するＰＭが減少するので、該碍子部５１にＰＭが付着し難くなる。しかし、電極５を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極５が変形し易い。このため、電極５が短い場合に適している。一方、電極５を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極５が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極５を長くすることができる。

ここで、本発明に係る粒子状物質処理装置１には、その上流側に気液分離器１０が更に設けられている。具体的には、排気の流れに沿ったときのハウジング３の上流側の端部が接続される排気通路２に、該排気通路を流れる排気を凝縮することで、その排気温度を低下させる気液分離器１０が設けられる。気液分離器１０には、冷却水が流れる冷却水流路１１が配されており、そこを流れる冷却水により内燃機関から排出され気液分離器１０に流れ込んだ排気の凝縮、冷却が行われる。なお、気液分離器１０の排気凝縮能力、換言すれば、排気冷却能力は、冷却水流路を流れる冷却水の流量を制御することで調整することが可能である。

気液分離器１０において凝縮、冷却された排気は、下流側に位置するハウジング３へと流れ込み、そこで電極５への電圧印加によるＰＭ粒子数の低減処理が施されることになる。このとき、当該低減処理が施される排気は、気液分離器１０によって温度低下されているため、その空間速度が低下し、そこに含まれるＰＭが有する慣性力が低減されている。電極５への電圧印加によって生じるＰＭ同士の凝集は、ＰＭ間に働く静電力（クーロン力）とＰＭが有する慣性力とのバランスの上で実現されるため、気液分離器１０の冷却によってＰＭの慣性力が低減されると、相対的にＰＭ間の静電力が強まることになり、以てＰＭ同士の凝集が促進されることになる。この結果、ＰＭ粒子数の低減処理をより効率的に実施でき、また同じ効率でＰＭ粒子数の低減を図ろうとする場合、気液分離器１０による排気の凝集、冷却を行った場合の方が、そうではない場合と比べて低い印加電圧でＰＭ粒子数の低減を実現できることになるため、排気中のＰＭ処理に要する電力を抑制すること
も可能となる。

また、内燃機関から排出される排気の流量は、アクセル開度センサ７３を通して内燃機関に求められる機関負荷に応じて変動するものであって、一般には、排気中のＰＭの粒子数を低減するために排気流量を制御することは容易ではない。したがって、本発明に係る粒子状物質処理装置１のようにハウジング３に流入する排気を気液分離器１０で冷却する構成は、内燃機関の機関負荷に影響を与えることなく、排気中のＰＭ粒子数の低減処理を効果的に実現することを可能とするため、その有用性は顕著である。

更に、気液分離器１０によって排気の凝集、冷却の結果、元より排気の中に含まれていた水分が液化して、排気より分離され、該気液分離器１０内に分離水として貯留される。そこで、気液分離器１０内に所定量の分離水が貯留されれば、それを外部に排出すべく、排出弁１２の開閉が制御装置７によって実行される。この結果、気液分離器１０で冷却されてハウジング３に流入する排気においては、元より含まれていた水分が除去されたことになるため、ハウジング３内に配置されている電極５に排気の流れと共に水分が飛来して付着するおそれを排除することができる。また、内燃機関が停止したときに、電極５の周辺に滞留した排気が徐々に熱を奪われていく過程において、その排気内に含まれる水分が凝縮することで電極５の周辺に凝縮水が生成されるおそれも排除することが可能となる。このようにハウジング３の上流側に気液分離器１０を配置する図１に示す構成は、電極５を用いた排気中のＰＭ粒子数の低減処理に極めて有用であることが理解される。

なお、気液分離器１０による排気の凝縮、冷却処理については、排気通路２を流れる排気の流量が多くなるに従い、もしくは該排気の温度が高くなるに従い、その凝縮、冷却能力が増加するように、冷却水用流路１１を流れる冷却水の流量を増加させていけばよい。また、同じ技術思想に基づいて、内燃機関の負荷に応じて、気液分離器１０による排気の凝縮、冷却能力を調整すればよい。

なお、図１に示す構成では、気液分離器１０によってハウジング３に流れ込む排気の凝縮、冷却を行っているが、その構成に代えて、熱交換器によって当該排気の冷却を行うようにしてもよい。この場合も、上記の同じように、熱交換器内に設けられた冷却水用流路を流れる冷却水の流量を調整することで、熱交換器による排気の冷却能力を調整することができる。

ここで、冷却された排気中のＰＭ粒子数の低減処理について、図２に基づいて説明する。図２は、本実施例に係るＰＭ粒子数の低減処理のための印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関の稼働に併せて、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。この制御装置７は、実質的にはＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等を含むコンピュータに相当し、そこで制御プログラムが実行されることで図２に示すフローチャートに係る処理やその他の処理等が実行される。

まず、Ｓ１０１からＳ１０３の処理において、排気中に含まれるＰＭ粒子数（個／ｃｍ^３）が算出される。ＰＭ粒子数は、一立方センチメートルあたりのＰＭ粒子の数である。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。

このため、Ｓ１０１では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、Ｓ１０２では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度
センサ７３により検出される。

Ｓ１０３では、ＰＭ粒子数が算出される。ここで、図３は、機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置７が複数記憶している（図３に示すのは、内燃機関の温度が２０℃の場合のマップである。）。そして、Ｓ１０２で検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からＰＭ粒子数が求められる。このマップは、予め実験等により準備されている。なお、このようなマップを用いてＰＭ粒子数を検出してもよいが、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を直接検出してもよい。

次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出されるＰＭ粒子数に基づいて電極５への印加電圧が算出される。この印加電圧は、内燃機関が始動し排気通路２内を排気が流れ始めたときに電極５へ最初に印加する電圧である。そして、Ｓ１０４で算出される印加電圧を初期値として、過電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う（Ｓ１０５の処理）。具体的には、検出装置９によって検出される電流値が所定の閾値を超えないように、電極５への印加電圧がフィードバック制御される。ここで、印加電圧の初期値は図４に示すマップに基づいて設定される。

図４は、内燃機関からの排気流量（ｇ／ｓｅｃ）とＰＭ粒子数（×１０^５個／ｃｍ^３）とから、印加電圧（Ｖ）を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により準備される。内燃機関からの排気流量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。

ここで、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、ＰＭ同士が凝集しやすくなる。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、排気流量が少ないほど印加電圧が小さくされている。一方で、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、ＰＭ粒子数が多いほど印加電圧は小さくされている。なお、印加電圧の初期値としては、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような電圧値としてもよく、また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、過電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。

このように、図２に示すように電極５への印加電圧をフィードバック制御することで、過電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、ＰＭの凝集をより促進させることができるため、ＰＭ粒子数をより減少させることができる。また、上記のとおり、気液分離器１０による凝縮、冷却が行われた排気に対して図２に示すフローの処理が施されるため、ＰＭ粒子数の低減処理はより効果的に実現されることになる。

図５に、本発明に係る粒子状物質処理装置の別の実施例に関する概略構成を示す。図５に示す粒子状物質処理装置１００と図１に示す粒子状物質処理装置１と異なる点について説明する。図７に示す粒子状物質処理装置１００では、電源６と、電極５と、の間の電源側電線５２に、該電源側電線５２を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。このように、検出装置９を電源側電線５２に設けることにより、図１に示される絶縁部４は
必要ない。すなわち、ハウジング３から排気通路２側へ電気が流れたとしても、検出装置９によれば電極５を通る電流を検出することができる。しかし、一般に、電源側電線５２のほうが接地側電線５３よりも、径が太く且つ長さが長くなるため、電気的な容量が大きくなる。したがって、図５に示す粒子状物質処理装置１００については、コロナ放電などの強い放電が発生したとしても、図１に示す粒子状物質処理装置１と比べてパルス電流を検出し難くなる。

そこで、たとえば、図２に示す印加電圧のフィードバック制御を行う際に、パルス電流等の高周波成分を有する電流を検出し、それをフィードバック制御に反映させる必要がある場合には、図１に示す粒子状物質処理装置１が有用であり、そのような必要がない場合には、図５に示す形態の粒子状物質処理装置１００も採用し得る。

１・・・・粒子状物質処理装置
２・・・・排気通路
３・・・・ハウジング
４・・・・絶縁部
５・・・・電極
６・・・・電源
７・・・・制御装置
８・・・・バッテリ
９・・・・検出装置
１０・・・・気液分離器
１１・・・・冷却水用流路
１２・・・・排出弁
１００・・・・粒子状物質処理装置

Claims (4)

1. 排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置であって、
   内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を流れる排気を冷却する冷却部と、
   印加電圧を変更可能な電極を有し、前記冷却部によって冷却された排気が流れる排気処理通路において該電極への印加電圧により該電極と該排気処理通路との間の空間に電流を流す処理部と、
   を備える粒子状物質処理装置。
2. 前記冷却部は、その内部に設けられた流路を流れる熱交換用熱媒体と前記排気処理通路を流れる排気との間で熱交換を行うことで、該排気を冷却する熱交換器を有する、
   請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
3. 前記冷却部は、前記排気処理通路を流れる排気を凝縮することで、該排気を冷却する凝縮器を有する、
   請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
4. 前記凝縮器は、前記排気を凝縮することで該排気に含まれる水分の少なくとも一部を分離する、
   請求項３に記載の粒子状物質処理装置。

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