JP7307015B2 - Plasma reactor for exhaust gas purification - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用等のエンジンに付設して排気ガスからPM(粒子状物質)を除去することに使用するプラズマリアクタに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a plasma reactor attached to an engine of an automobile or the like and used to remove PM (particulate matter) from exhaust gas.
エンジンから排出される排気ガスには、CO、HC、NOxと並んでPM(Particulate Matter:粒子状物質)が含まれている。このPMはディーゼルエンジンにおいて多く発生しており、そこで、ディーゼルエンジンではPMの除去手段としてDPFが使用されているが、PMを燃焼させるための燃料噴射制御を要する点や、DPF内に堆積したPMやアッシュ(燃料中の硫黄成分による未燃灰分)による圧損増大等、課題が多い。 The exhaust gas discharged from the engine contains PM (Particulate Matter) along with CO, HC, and NOx. This PM is often generated in diesel engines, and DPF is used as a means of removing PM in diesel engines. There are many problems such as increased pressure loss due to ash (unburned ash due to sulfur components in fuel).
他方、ガソリンエンジンはディーゼルエンジンに比べてPMの発生量は少ないため、排気ガスの浄化手段として従来は、CO、HC、NOxを対象にした三元触媒が使用されてきたが、PMの規制が強化されて個数管理(PN)に移行するに至り、ガソリンエンジンにおいてもGPFを採用するなど、PMの除去は重要な課題として浮上している。しかし、GPFもDPFと同様の問題が懸念される。 On the other hand, since gasoline engines generate less PM than diesel engines, three-way catalysts targeting CO, HC, and NOx have been conventionally used as a means of purifying exhaust gas. The removal of PM has emerged as an important issue, such as the adoption of GPF in gasoline engines as well as the transition to number control (PN). However, the GPF is also concerned about the same problem as the DPF.
そこで、PM除去手段としてプラズマリアクタが注目されている。プラズマリアクタは、ケーシング内に、多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して並列配置されたもので、隣り合った放電パネルの電極に高電圧を印加して放電ギャップにプラズマを発生させることにより、排気ガスに含まれているPMを酸化して(燃焼させて)無害化している。 Therefore, a plasma reactor is attracting attention as a means for removing PM. A plasma reactor consists of a large number of discharge panels arranged in parallel in a casing with a discharge gap interposed therebetween. The PM contained in the exhaust gas is oxidized (burned) and rendered harmless.
そして、プラズマリアクタはPMの除去に有益であるが、プラズマリアクタにHC等の有害成分を除去する機能を併有させてハイブリッド化することが提案されており、その例として特許文献1には、各放電パネルの表面に、放電パネルの積層方向から見て電極と重なるように酸化触媒層を設けることが開示されている。 Although the plasma reactor is useful for removing PM, it has been proposed to combine the plasma reactor with the function of removing harmful components such as HC to make it hybrid. It is disclosed that an oxidation catalyst layer is provided on the surface of each discharge panel so as to overlap with the electrodes when viewed from the stacking direction of the discharge panels.
プラズマリアクタをハイブリッド化することは排気ガス浄化の点で好ましい展開であると云えるが、特許文献1のように電極と酸化触媒層とが重なって放電パネルの積層方向に重複していると、電流は酸化触媒層を介して放電ギャップに放電されるため、例えば、酸化触媒層にHCや凝縮水が付着すると、これらが抵抗になって放電が不安定化したり放電不能になったりすることが懸念される。 It can be said that hybridizing the plasma reactor is a favorable development in terms of exhaust gas purification. Since the electric current is discharged to the discharge gap through the oxidation catalyst layer, for example, if HC or condensed water adheres to the oxidation catalyst layer, they may act as resistance, destabilizing the discharge or making it impossible to discharge. Concerned.
また、プラズマリアクタでは、放電電流の周波数を高くするとPMの分解性能は高くなるが、特許文献1のように電極と酸化触媒層とが同じ面積で広がっていると、単に電流の周波数を高くしただけでは、必要以上に電力が消費されて燃費を悪化させるおそれもある。 In addition, in the plasma reactor, if the frequency of the discharge current is increased, the PM decomposition performance is improved. There is also a risk that power will be consumed more than necessary and fuel consumption will be worsened.
本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、プラズマリアクタをハイブリッド化することは特許文献1と軌を一にしつつ、放電の安定性や有害物質の除去性能向上、消費電力の抑制等を図ろうとするものである。 The present invention was made against the background of such a situation, and hybridizing the plasma reactor is in line with Patent Document 1, while improving the stability of discharge, removing harmful substances, suppressing power consumption, etc. It is intended to
本願発明は、請求項1のとおり、
「排気ガスが一方から他方に流れるケーシング内に、マイナス電極を設けた負極放電パネルとプラス電極を設けた正極放電パネルとが、排気ガスが流れる放電ギャップを介して交互に積層されており、前記正極放電パネルと負極放電パネルとのうちいずれか一方又は両方に、排気ガスの有害成分を非プラズマにて処理する補助処理層が設けられている」
という基本構成において、
「前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方と前記補助処理層とは、前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方が排気ガスの流れの上流側に位置して補助処理層が下流側に位置するように分離して配置されている」
という特徴を備えている。
The present invention, as claimed in claim 1,
"A negative electrode discharge panel provided with a negative electrode and a positive electrode discharge panel provided with a positive electrode are alternately stacked in a casing through which the exhaust gas flows from one side to the other through a discharge gap through which the exhaust gas flows. Either or both of the positive electrode discharge panel and the negative electrode discharge panel are provided with an auxiliary treatment layer that treats the harmful components of the exhaust gas with non-plasma.”
In the basic configuration of
"At least one of the negative electrode and the positive electrode and the auxiliary treatment layer are arranged such that at least one of the negative electrode and the positive electrode is positioned on the upstream side of the exhaust gas flow, and the auxiliary treatment layer is positioned on the downstream side. are arranged separately as
It has the characteristics of
本願発明は、様々に展開できる。その例として請求項2では、
「前記負極放電パネルを、排気ガスの流れ方向の上流側に偏位した幅狭に形成することにより、隣り合った正極放電パネルで挟まれた空間のうち前記負極放電パネルの下流側に前記放電ギャップよりも大きい間隔の逃がし空間が形成されており、
前記正極放電パネルの表裏両面又は片面に、前記逃がし空間に露出するように前記補助処理層が設けられており、かつ、前記正極放電パネルに設けたプラス電極は、前記負極放電パネルのマイナス電極よりも広幅に形成されている」
という構成を採用している。
The present invention can be developed in various ways. As an example, in
"By forming the negative electrode discharge panel with a narrow width offset to the upstream side in the flow direction of the exhaust gas, the discharge can be performed in the space sandwiched between the adjacent positive electrode discharge panels on the downstream side of the negative electrode discharge panel. A relief space is formed with an interval larger than the gap,
The auxiliary treatment layer is provided on both the front and back surfaces or on one side of the positive electrode discharge panel so as to be exposed to the escape space, and the positive electrode provided on the positive electrode discharge panel is located more than the negative electrode on the negative electrode discharge panel. is also widely formed
configuration is adopted.
本願発明において、補助処理層には様々な機能を持たせることができる。例えば、ゼオライトのような無機多孔質材で構成して、HC等の炭素化合物を補集又は分解する吸着層と成すことができるし、特許文献1に開示されているように、アルミナ系等のセラミック層に触媒金属を担持させた触媒層と成すこともできる。 In the present invention, the auxiliary treatment layer can have various functions. For example, an inorganic porous material such as zeolite can be used as an adsorption layer that collects or decomposes carbon compounds such as HC. It is also possible to form a catalyst layer in which a catalyst metal is supported on a ceramic layer.
また、幅狭に形成された放電パネルでは電極の幅も小さくなるが、幅広の放電パネルに設けた電極は、幅狭の放電パネルに設けた電極に合わせた幅寸法に設定してもよいし、幅狭の電極よりも広幅に形成してもよい。電極は基板の表面に露出させることも可能であるが、基板の内部に埋設するのが好ましい。 In addition, although the width of the electrodes is small in the narrow discharge panel, the width of the electrodes provided in the wide discharge panel may be set to match the width of the electrodes provided in the narrow discharge panel. , the width of the electrode may be wider than that of the narrow electrode. Although the electrodes can be exposed on the surface of the substrate, they are preferably embedded inside the substrate.
本願発明では、補助処理層は電極の下流側に分離して配置されているため、電極間の放電が補助処理層によって阻害されることは皆無になる。従って、放電ギャップに安定したプラズマを生成させて、PMの酸化除去性能を安定化させることができる。 In the invention of the present application, since the auxiliary treatment layer is arranged separately on the downstream side of the electrodes, the electric discharge between the electrodes is never hindered by the auxiliary treatment layer. Therefore, it is possible to generate stable plasma in the discharge gap and stabilize the oxidation removal performance of PM.
さて、PMの除去能力は電極間に放電される電流の周波数に比例する。従って、電極間に印加される電流の周波数を、例えば通常の1KHzから20KHz程度にアップさせると、PM除去性能を格段に向上できるといえる。しかし、電流の周波数が高くなると消費電力も増大するという問題がある。この点、本願発明では、電極(マイナス電極)の幅寸法を小さくしつつ放電電圧を高くすることにより、消費電力の増大を抑制しつつ高いPM除去効果を得ることができる。 Now, the ability to remove PM is proportional to the frequency of the current discharged between the electrodes. Therefore, it can be said that PM removal performance can be remarkably improved by increasing the frequency of the current applied between the electrodes, for example, from the usual 1 KHz to about 20 KHz. However, there is a problem that power consumption increases as the frequency of the current increases. In this regard, in the present invention, by increasing the discharge voltage while reducing the width of the electrode (negative electrode), it is possible to obtain a high PM removal effect while suppressing an increase in power consumption.
そして、電極を幅狭に形成すると、放電パネルの面積に余裕を作ることができるため、放電領域を狭くしつつその下流側にHC吸着層のような補助処理層を設けることにより、プラズマリアクタを大型化することなく、PMの除去とHC等のガス状成分の除去の確実性を向上できる。 If the electrode is formed narrow, it is possible to create a margin in the area of the discharge panel. It is possible to improve the reliability of removal of PM and removal of gaseous components such as HC without increasing the size.
請求項2の発明では、負極放電パネルの下流側に放電ギャップよりも遥かに大きい間隔の逃がし空間ができるため、圧損の増大を招くことなく補助処理層の面積を増大させHC等のガス成分浄化を確実化できる。
In the invention of
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンの付属品として使用されている。 Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. This embodiment is used as an accessory for an automobile engine.
(1).第1実施形態の構造
まず、図1に示す第1実施形態を説明する。図1のうち(A)ではプラズマリアクタ1の全体を概略表示している。このプラズマリアクタ1は、自動車のエンジンから排出される排気ガスからPM等を除去するために排気管2の中途部(例えば触媒式浄化装置の下流側)に配置されている。
(1). Structure of First Embodiment First, the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. (A) of FIG. 1 schematically shows the entire plasma reactor 1 . This plasma reactor 1 is arranged in the middle of an exhaust pipe 2 (for example, downstream of a catalytic purification device) to remove PM and the like from exhaust gas discharged from an automobile engine.
プラズマリアクタ1は、フロントコーン部3a及びリアコーン部3bを備えたケーシング(ハウジング)3と、ケーシング3のストレート部3cに並列配置された多数枚の負極放電パネル4及び正極放電パネル5の群とを備えている。負極放電パネル4及び正極放電パネル5は、放電ギャップ(排気ガス通過空間)6を介して交互に配置されている。
The plasma reactor 1 includes a casing (housing) 3 having a
なお、放電パネル4,5は、排気ガスの流れ方向に長い長方形に形成したり、排気ガスの流れ方向の長さと排気ガスの流れ方向と直交した横幅とが同じ正方形に形成したりすることも可能である。ケーシング3はステンレス鋼板等の金属板で作られており、排気ガスの流れ方向から見て四角形になっている。従って、コーン部3a,3bは、角錐状の形態になっている。
The
放電パネル4,5は、誘電体製の基板7に電極8,9を埋設した構造になっている。基板7は例えばアルミナ等のセラミック製である一方、電極8,9はタングステン等の電気抵抗が小さい金属膜から成っている。なお、基板7は、製造段階では表層と裏層との積層構造になっており、一方の層に電極8,9を印刷してから両層を重ね合わせて全体を焼成することにより、内部に電極8,9が埋設された1枚板製品と成している。
The
負極放電パネル4及び正極放電パネル5は、排気ガスの流れ方向に直交した方向(紙面と直交した方向)に長い長方形の形態であり、負極放電パネル4と正極放電パネル5とが、放電ギャップ(排気ガス通過空間)6を介して排気ガスの流れ方向と直交した方向に交互に並列配置されている。
The negative
負極放電パネル4及び正極放電パネル5は、積層方向から見て四角形に形成されており、従って、それぞれ排気ガスの流れ方向の幅を有しているが、負極放電パネル4の幅寸法W1は、正極放電パネル5の幅寸法W2の数分の一になっている。従って、負極放電パネル4は排気ガスの流れ方向と直交した方向に細長い長方形になっている。
The negative
他方、正極放電パネル5は、幅寸法W2が排気ガスの流れ方向と直交した方向の長さより大きい長方形に形成することもできるし、幅寸法W2と長さとが等しい正方形に形成することもできるし、更に、幅寸法W2が長さよりも大きい長方形に形成することもできる。
On the other hand, the positive
負極放電パネル4のマイナス電極8は、排気ガスの流れ方向に向いて前端と後端とをそれぞれ基板7の端面に露出させている。従って、マイナス電極8の幅寸法は負極放電パネル4の幅寸法W1と同じ横幅になっている。
The
他方、正極放電パネル5のプラス電極9はマイナス電極8と同じ幅寸法であり、従って、排気ガスの流れ方向を向いて後端は基板7の端面に露出しているが、排気ガスの流れ方向を向いて前端は基板7に埋設されている。マイナス電極8及びプラス電極9とも、その全体を基板7に埋設することも可能である。
On the other hand, the
排気ガスの流れ方向から見て、負極放電パネル4の後端と正極放電パネル5の後端とは位置が揃っている。従って、負極放電パネル4の下流側に、放電ギャップ6よりも遥かに大きい間隔の逃がし空間10が形成されている。負極放電パネル4の横幅W1は正極放電パネル5の横幅W2の数分の一しかないため、逃がし空間10の横幅は、負極放電パネル4の横幅W1の数倍になっている。なお、負極放電パネル4の上流端を正極放電パネル5の上流端よりも下流側にずらすことは可能である。
The rear end of the negative
各正極放電パネル5の表裏両面には、請求項に記載した補助処理層の一例として、ゼオライトから成る吸着層11を逃がし空間10に露出するように設けている。従って、基板7は負極放電パネル4の下流側に配置されている。吸着層11は、主としてHCを吸着するためのもので、パネルに塗布し、必要により焼成することで基板7に一体化されている。
Adsorption layers 11 made of zeolite are provided on both the front and back surfaces of each positive
放電パネル4,5は排気ガスの流れ方向と直交した横方向に長いため、図1(C)に部分的に示すように、基板7は、排気ガスの流れ方向と平行な一側面7aと他側面(図示せず)とを有するが、本実施形態では、マイナス電極8は基板7の一側面7aに露出させている一方、プラス電極9は基板7の他側面に露出させている。
Since the
そして、ケーシング3におけるストレート部3cの一方の側板と放電パネル4,5との間に負極用側面電極板12を介挿し、負極用側面電極板12に設けたマイナス側面電極13と各負極放電パネル4のマイナス電極8とを導通させている一方、ケーシング3の他方の側板と放電パネル4,5との間に正極用側面電極板(図示せず)を介挿し、正極用側面電極板に設けたプラス側面電極(図示せず)と正極放電パネル5の各プラス電極9とを導通させており、側面電極13を電源装置(図示せず)に接続している。図1(C)(D)に示す符号14,15は、隣り合った放電パネル4,5の間隔を保持するスペーサである。
Then, the negative
放電パネル4,5を構成する基板7は、強度維持の点からある程度の厚さ(例えば0.3~2mm程度)が必要である一方、放電ギャップ6の間隔は0.1~2mm程度である。従って、放電ギャップ6の断面積の総和が排気管2の断面積と同じ程度になるように設定している。なお、放電ギャップ6の断面積の総和を排気管2の断面積よりも大きく設定してもよい。
The
(2).第1実施形態のまとめ
図示しない電源装置により、マイナス側面電極13にバルス電流を通電してマイナス電極8とプラス電極9との間に数KVの高圧電流を印加すると、放電ギャップ6にプラズマが発生して、排気ガスに含まれているPMを酸化し除去(分解する)ことができる。
(2).Summary of the first embodiment When a pulse current is passed through the
この場合、例えば数十kHzの高周波電流を使用することにより、電極8,9の幅寸法を小さくしつつ、PMの酸化除去性能を格段に向上できる。そして、正極放電パネル5には、逃がし空間10に露出した吸着層11が形成されているため、放電ギャップ6を通過してきたHCなどの有害ガスを吸着して排気ガスの浄化性能を格段に向上できる。
In this case, for example, by using a high-frequency current of several tens of kHz, the width of the
そして、吸着層11はマイナス電極8の下流側に配置されているため、吸着層11が放電に悪影響を及ぼすことは皆無で、PMの酸化除去性能を安定化できる。また、排気ガスが吸着層11の箇所を通過するに当たって圧損は発生しないため、排気ガスの流れをスムース化してエンジンの出力低下を防止できる。
Since the
また、プラズマ生成のために数十kHzの高周波電流を使用すると、電極8,9の幅寸法を小さくして消費電力を抑制しつつPMをしっかりと除去できるため、プラズマリアクタ1を大型化することなく、逃がし空間10に負極放電パネル4の数倍の面積を確保してHCの除去を確実化できる。
In addition, if a high-frequency current of several tens of kHz is used for plasma generation, the width of the
プラズマ生成機能だけを見ると、電極8,9は基板7の表面に露出させることも可能であるが、この場合は、電極8,9の間の間隔のバラツキ等に起因して電流が一部に集中して異常放電を発生させやすい問題や、PMが電極8,9に付着して漏電が発生しやすい問題が懸念される。これに対して、本実施形態のように電極8,9を基板7に埋設すると、PMが電極8,9に付着することは皆無になるため、漏電による放電低下の問題は皆無になると共に、電極8,9の間の間隔が大きく広がることにより、電極8,9の間の間隔にバラツキがあっても電流の集中が無くなって異常放電を防止できる。
Looking only at the plasma generation function, it is possible to expose the
(3).他の実施形態
次に、図2~4に示す他の実施形態を説明する。図2に示すのは第1実施形態の変形例であり、正極放電パネル5のプラス電極9を基板7の下流端近くまで延長している。この実施形態では、網かけ表示で示すように、放電エリアがマイナス電極8の下流側に広がるため、消費電流を増大させることなくPMの酸化除去性能を向上できる。
(3). Other Embodiments Next, other embodiments shown in FIGS. 2 to 4 will be described. FIG. 2 shows a modification of the first embodiment, in which the
プラス電極9のうちマイナス電極8よりも下流側にはみ出た部分の大半は放電に寄与しないが、放電によってプラス電極9の全体が加熱されるため、HCの分解を促進できる利点がある。
Most of the portion of the
図3に示す第3実施形態では逃がし空間10は備えておらず、負極放電パネル4と正極放電パネル5とは同じ横幅に設定している。そして、各放電パネル4,5の表裏両面に、マイナス電極8の下流側に位置した吸着層11を形成している。この場合、吸着層11は正極放電パネル5のみに形成したり、負極放電パネル4のみに形成したりすることも可能である。或いは、負極放電パネル4及び正極放電パネル5の片面のみに形成して、放電ギャップ6の下流側に1つの吸着層11を配置することも可能である。
In the third embodiment shown in FIG. 3, the
既述のとおり、放電パネル4,5は、製造段階では表層と裏層との2層の中間材が使用されており、一方の層に電極8,9を印刷して全体を焼成して1枚板に形成しているが、図4に示す第4実施形態では、一方の層の幅を小さくしておくことにより、放電パネル4,5を、電極8,9が埋設されて上流側に位置した幅狭の厚肉部と、吸着層11が形成されて下流側に位置した幅広の薄肉部との不等厚構造に形成している。
As described above, the
この第4実施形態では、薄肉部の箇所に準逃がし空間16が形成されるため、圧損を無くして排気ガスの流れをスムース化できる。また、第1実施形態とは異なって負極放電パネル4にも吸着層11が形成されているため、吸着層11の総面積を倍増させてHC等の補集・分解性能を倍増できる利点もある。
In the fourth embodiment, since the
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、補助処理層としては触媒層も採用可能であるし、吸着層を採用する場合、ゼオライト以外の材料を配置することも可能である。更に、排気ガスが殆ど抵抗なく通過するポーラス構造の吸着層又は触媒層を、逃がし空間の全体に広がるように配置することも可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be embodied in various other ways. For example, a catalyst layer can be employed as the auxiliary treatment layer, and when an adsorption layer is employed, materials other than zeolite can be arranged. Furthermore, it is possible to arrange an adsorption layer or catalyst layer of porous structure through which the exhaust gas passes almost without resistance so as to extend over the entire escape space.
本願発明は、排気ガス用のプラズマリアクタに具体化できる。従って、産業上利用できる。 The present invention can be embodied in a plasma reactor for exhaust gases. Therefore, it can be used industrially.
1 プラズマリアクタ
2 排気管
3 ケーシング
4 負極放電パネル
5 正極放電パネル
6 放電ギャップ(排気ガス通過空間)
7 基板
8 マイナス電極
9 プラス電極
10 逃がし空間
11 補助処理層の一例としての吸着層(HC吸着層)
REFERENCE SIGNS LIST 1
7
Claims (2)
前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方と前記補助処理層とは、前記マイナス電極及びプラス電極のうち少なくとも一方が排気ガスの流れの上流側に位置して補助処理層が下流側に位置するように分離して配置されている、
排気ガス浄化用プラズマリアクタ。 A negative electrode discharge panel provided with a negative electrode and a positive electrode discharge panel provided with a positive electrode are alternately stacked in a casing through which the exhaust gas flows from one side to the other through a discharge gap through which the exhaust gas flows. A configuration in which one or both of the discharge panel and the negative electrode discharge panel is provided with an auxiliary treatment layer for treating harmful components of the exhaust gas with non-plasma,
At least one of the negative electrode and the positive electrode and the auxiliary treatment layer are arranged such that at least one of the negative electrode and the positive electrode is positioned on the upstream side of the exhaust gas flow, and the auxiliary treatment layer is positioned on the downstream side. are located separately in the
Plasma reactor for purification of exhaust gas.
前記正極放電パネルの表裏両面又は片面に、前記逃がし空間に露出するように前記補助処理層が設けられており、かつ、前記正極放電パネルに設けたプラス電極は、前記負極放電パネルのマイナス電極よりも広幅に形成されている、
請求項1に記載した排気ガス浄化用プラズマリアクタ。 By forming the negative electrode discharge panel with a narrow width offset to the upstream side in the flow direction of the exhaust gas, the discharge gap is located on the downstream side of the negative electrode discharge panel in the space sandwiched between the adjacent positive electrode discharge panels. An escape space is formed with a larger interval than
The auxiliary treatment layer is provided on both the front and back surfaces or on one side of the positive electrode discharge panel so as to be exposed to the escape space, and the positive electrode provided on the positive electrode discharge panel is located more than the negative electrode on the negative electrode discharge panel. is also widely formed,
A plasma reactor for purifying an exhaust gas according to claim 1.
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