废气净化方法及废气净化系统的制作方法

专利名称：废气净化方法及废气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及来自内燃机等的废气的净化方法及净化系统。尤其涉
及对除去从柴油机排出的粒子状物质(Particulate Matter:以下称为 "PM")有效的废气净化方法及废气净化系统。
背景技术：
柴油机多数搭载在汽车尤其是大型车上。特别是近年来，迫切希 望与其废气中的氮氧化物、 一氧化碳和碳氢化合物等一起降低PM的 排出。因此，希望对通过发动机的改良和气缸内的燃烧条件的最佳化 来根本地降低PM进行技术开发，并且确立用于有效除去废气中的 PM的技术。并且，为了除去该废气中的PM，开发了使用过滤器的 方法和电集尘方法等。
在这些使用了过滤器的方法中， 一般使用陶瓷蜂窝制过滤器、合 金制过滤器和陶瓷纤维制过滤器。但是，随着使用时间的经过，过滤 器被所捕集的PM堵塞，通气阻力增加，结果对发动机造成负担。尤 其是对PM成分内的干煤烟(碳)的处理较难。为了使该干煤烟氧化 并燃烧除去，需要在氧共存下加热到50(TC以上，在仅利用发动机的 废气热时，不能得到用于氧化除去的足够的温度。因此，提出利用电 加热器的方法、和利用通过放电等离子生成的氧化自由基并通过该氧 化自由基来氧化PM进而燃烧除去的方法等。
但是，在单纯的电加热器的加热中，存在燃料消耗率恶化的问题。 即，热不但用于PM的加热，还用于废气整体的加热。在氧化自由基 的情况下，用于产生氧化自由基的效率恶化。氧化自由基不但氧化速
度较慢，而且在与废气中共存的HC成分的反应中也被消耗。因此， 与PM的反应效率也恶化，结果造成消耗电力变大。例如，在小型卡 车中为数千瓦级别的消耗电力。
并且，在电集尘方法中通过如下的方法来抑制过滤器的压力损失 的上升。将电集尘与袋式过滤器组合，并在袋式过滤器的过滤表面上 施加电场，由此防止所捕集的PM粘附在过滤器表面上。对堆积状态 进行控制。并且，为了燃烧除去PM，通过在绝缘性的直流蜂窝中配 置电极，并使电流流过在蜂窝上捕集的PM，由此燃烧除去。但是， 存在的问题为通过该直流蜂窝，PM的捕捉不充分且净化性能较差； 以及不能在捕捉到的PM中流过足够的电流，不能充分除去捕捉到的 PM。
因此，对于从柴油机等排出的废气中的PM的捕集性能和PM的 燃烧除去的两方面，需要对具有足够的性能的废气净化装置进行开 发，并提出有多种装置。
作为其中之一，例如提出有如日本特开2001-132430号公报所记 载那样的可燃性物质的除去过滤器。在该除去过滤器中，通过设置有 从外侧面贯通到背侧面的捕捉孔的绝缘性隔壁，将可燃性物质(PM) 捕捉到该捕捉孔中。在该除去过滤器中，通过利用可燃性物质的堆积， 使在两个侧面保持电绝缘性而粘贴设置的电极间短路或火花放电，由 此连接两个电极间，或者对即将连接之前的堆积物通电而利用焦耳热 来燃烧除去。并且，将该电极间的比电阻设在0.01 100Qcm的范围 内，并始终施加或者断续地施加交流或直流的规定的电压(例如，25 "C时为1200V以上、30(TC时为600V以上)。
但是，在该除去过滤器的情况下，存在如下的问题。净化性能在 恶化之后进行再生。当发生一次短路或火花发电时，在该部分容易反 复短路或火花发电，而不能燃烧除去其他部分的PM。在短路或火花 发电等的电极间通过实施通电的方式而使大电流流过。
并且，例如提出有如日本特开2001-173427号公报所记载那样的 壁流式的放电再生式捕集过滤器。该过滤器为，将放电电极设置为与 废气的流动方向平行并点接触于内壁面，并且将带电电极设置为可与 堆积在内壁面上的煤层(PM层)电接触。在放电电极和带电电极之 间施加例如500V的交流电压。并且，当煤在内壁面上堆积、堆积煤 层成长时，在放电电极的点接触部位、与接触带电电极而与带电电极 同极性的堆积煤层之间发生放电，从而被燃烧除去。
而且，例如提出有日本特开2001-221032号公报所记载那样的柴 油机用黑烟除去装置。在该横流式的过滤器中，将放电用电极配置在 过滤器的入口侧和出口侧。而在壁流式的过滤器中，或者是在内壁面 上设置放电用电极，或者是设置构成多孔的放电用电极板的放电电 极，该多孔的放电用电极板夹设在与插入小室内的放电电极棒邻接的 陶瓷过滤器之间。该放电电极配置在过滤器间。对该放电用电极之间 施加电压，并通过电弧放电而燃烧堆积的黑烟物质(PM)本身，从 而再生过滤器。
并且，例如提出有如日本特开2004-308569号公报所记载的PM 净化反应器。在该PM净化反应器中，在高气孔率基材的蜂窝构造体 的上下游配置低气孔率基材的蜂窝构造体，并在这些上下游配置电 极、在下游侧蜂窝构造体的外周配置外周电极。在这些电极上施加例 如5kV以上的直流电压。由此，在上下游电极间形成经过堆积的PM 的导通路，并产生与电弧放电近似的通电燃烧。利用该燃烧除去PM。
并且，例如提出有如日本特开平04-135619号公报所记载那样的 废气净化装置。在该废气净化装置中，在过滤器的两面上配置进气侧 端部向外侧突出的电极和电介质。对该电极施加1 10kV左右的非 直流电压，使堆积在过滤器进气面上的燃烧性微粒子(PM)层与电 介质之间产生电晕放电。由该电晕放电场激发的气体中的氧和氮氧化 物的一部分到达微粒子的堆积层，由此氧化除去微粒子。
在将这些现有技术的过滤器等上捕集到的PM通过电处理进行
氧化除去的装置中，由于PM的主成分是以碳为主，因此导电性较高 的前提成立。并且，目标是通过所捕集的PM的电极间的短路或电弧 发电，由PM本身的通电、即流过PM的电流所产生的焦耳热，使 PM氧化燃烧。
但是，本发明人等进行了实际的从柴油机排出的PM的燃烧实验 和电阻的测定，并对PM向绝缘性过滤器的堆积状态、和对配置在该 绝缘性过滤器的表面上的电极对施加的电压与电流之间的关系进行 了大量的实验。通过对其结果进行深入的考察，得到如下的见解。
首先，关于PM的电阻，根据图22所示的温度和电阻的关系可 知，在低温区域，PM的电阻较高且为预想以上、并且导电性较差。 可以认为这是由于受到PM的可溶性有机成分(以下称为"SOF成分") 的不良影响。因此，难以通过低电压进行通电加热。另一方面，在 SOF成分挥发的高温区域中电阻降低。因此，需要可对应于该电阻的 范围较大的变化的PM的燃烧除去技术。
并且，从柴油机排出的PM由于SOF成分的影响而在比较宽的 温度区域内电阻较高。因此，如现有技术的方式那样，在PM的电阻 较低的前提的基础上，当通过利用电极间的短路等对堆积的PM侧的 电极间的全体PM进行通电、来产生焦耳热时，需要较高的电压和较 大的电流。因此，在实际机器上产生短路、火花放电或电弧放电，将 PM氧化除去是非常难的。并且，当使用火花放电或电弧放电等时， 过滤器由于该火花放电或电弧放电而损伤进而受到破坏。
并且，如图1和图2所示，在绝缘性过滤器12的表面附近，通 过配置了由第1电极13a和第2电极13b构成的电极对13的装置， 在测定PM的捕捉和堆积状态、以及两个电极13间的电压V和电流 I的关系之后，得出如下的见解。
在堆积于绝缘性过滤器12的表面上的PM的量较少的状态下，
在电极对13间没有电流I流过。但是，当PM的堆积增加时，两个 电极13间的阻抗降低，当PM的堆积超过极限时，在电极对14间流 过电流I。施加在该电极对13间的电压V和电流I的关系如图5所示。 如图5所示，电流I在电压V较低期间处于按照欧姆法则的比例关系， 直线地变化。但是，以特定的电压Vth (或者一Vth)(第l变曲点) 为界，该比例关系瓦解，相对于电压V电流I的增加量显著变大。根 据该特定的电压Vth (或者一Vth)，电压V和电流I的关系大幅度变 化。
并且，当直流电的电压或交流电的电压波高值达到一Vth以下或 者Vth以上的非线性区域RN时，在电极对13间产生在空间上和时 间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电。在绝缘物表面上存在电 位差时，该微小发光放电为沿着表面流过电流而产生焦耳热的局部的 微小发光放电。该放电是由于电场的不均匀而产生的被称为闪烁的局 部的放电，与在电极对间流过较大的电流的短路或电弧放电等不同。
该微小发光放电是周知的现象，与成为电器设备的插头等的火灾 的原因的漏电起痕(卜，'7々 > ，')有关系，该漏电起痕是指因电器 设备所使用的有机绝缘物的表面湿润、污染等原因而引起绝缘破坏。 在该漏电起痕中，通过该微小发光放电使绝缘物的一部分分解而生成 碳化生成物。结果，电场集中到该导电率大的碳化生成物上，并在其 周边产生碳化物。该碳化物在电极间延伸下去，最终短路而导致整个 电路破坏，成为漏电起痕。
另一方面，在过滤器表面堆积有PM的情况下，PM本身为碳化 物，当通过该微小发光放电、PM被燃烧除去时，该部位的阻抗值变 大，微小发光放电移动到其他位置，并反复上述情况。因此，达不到 漏电起痕那样导致整个电路破坏，而可以连续地实现PM的燃烧除 去。结果，通过较少的消耗电力可消除绝缘性过滤器12的堵塞。
另一方面，在直流电的电压V或交流电的电压的波高值Vh处于从—Vth到Vth之间的线性区域RL时，在绝缘性过滤器12的表面上 不产生微小发光放电。在该区域RL中，要通过通电消除绝缘性过滤 器12的堵塞时将消耗大量的电力。
因此，通过使电极对间的电压为特定范围的电压，在PM堆积的 绝缘性过滤器的表面上，可在空间上、时间上随机地形成反复发生和 消灭的微小发光放电，通过该微小发光放电可将捕集的PM氧化并燃 烧除去。并且，为了以较少消耗电力将堆积在绝缘性过滤器12上的 PM燃烧除去，尤其重要的是根据电极对13间的距离等对施加到电 极对13间的电压V进行的设定。
专利文献l:日本特开2001-132430号公报
专利文献2:日本特开2001-173427号公报
专利文献3:日本特开2001-221032号公报
专利文献4:日本特开2004-308569号公报
专利文献5:日本特开平04-135619号公报

发明内容
本发明是得出上述见解后为了解决上述问题而做出的，其目的为 提供一种废气净化方法和废气净化系统，利用在绝缘性过滤器表面上 在空间上、时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电，以较少的 消耗电力可进行所捕集的PM的燃烧除去，并可提高从柴油机等排出 的废气中的PM的捕集效率和燃烧除去效率。
为了实现上述目的的废气净化方法的特征为，在捕捉废气中的粒 子状物质的绝缘性捕捉部件的表面或表面附近配置1对以上的电极 对，并在该电极对间施加规定的电压，该规定的电压为，随着由上述 绝缘性捕捉部件的表面捕捉到的上述粒子状物质的堆积量的增加、使 在空间上及时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电产生在上 述绝缘性捕捉部件的表面上，通过由于施加该规定的电压而产生的上
述微小发光放电，将由上述绝缘性捕捉部件捕捉到的粒子状物质燃烧 除去。
在施加该规定电压时所使用的电压，可以为直流、交流、高频和 脉冲中的任一种，并且不是使电流流过短路、火花和电弧放电等电极 对之间整体那样的较大的电压，而是在空间上、时间上随机地反复发 生和消灭的微小发光放电、即、产生被称为闪烁的部分放电的电压。
下面更详细地说明该微小发光放电。在绝缘物表面上附着或堆积
PM (比该绝缘物有导电性)，但是附着(堆积)的方法从微观来看在 空间上是不均匀的。因此，当在绝缘物表面上存在电位差时，在PM 附着(堆积)层上所形成的电场中也产生空间不均匀。并且，当绝缘 物表面的电位差为规定值以上时，产生达到对局部形成等离子来说足 够的电场强度的部位。如此形成的是上述的微小发光放电。
通过该微小发光放电，PM附着(堆积)层被局部地加热，该部 位的PM被燃烧除去。PM被燃烧除去的部位的绝缘性再次升高，形 成新的电场的空间不均匀，从而促进在其他部位形成微小发光放电。 如此，微小发光放电是与在电极对间流过大电流的短路和电弧现象不 同的现象。该微小发光放电不是桥接电极对间那样的形态，而是如图 4所示那样，如夜空的星星的闪烁，为"啪啦啪啦"或"一闪一闪" 的感觉，并且是在电极对间的一部分产生的。并且，在该微小发光放 电中，产生部位也随机移动。
产生该微小发光放电的部分的粒子状物质(PM)，被该微小发光 放电产生的焦耳热加热并燃烧、除去。因此，当对电极对始终或者具 有时间间隔地施加规定的电压时，由于粒子状物质的堆积的进行而产 生微小发光放电，该粒子状物质被燃烧除去。通过该现象，在空间上 和时间上随机地反复捕捉和再生。并且，作为整体连续地进行捕捉和 再生。并且，在废气温度为高温的情况下，该微小发光放电和该微小 发光放电的燃烧部成为点火源，邻接的粒子状物质也燃烧。通过该燃
烧的传播，周围的粒子状物质也被燃烧除去。
并且，作为捕捉废气中的粒子状物质(PM)的绝缘性捕捉部件，
可以使用使包含粒子状物质的废气通过而捕捉粒子状物质的绝缘性 过滤器。此外，也可以是利用静电力电气地捕捉通过电晕放电而带电 的粒子状物质的、表面具有绝缘性的集尘电极(将稠密陶瓷、多孔质 陶瓷和陶瓷纤维等配置在表面的集尘电极等)。主要为具有使施加到 电极对上的电力不流向捕捉部件侧的电绝缘性的捕捉部件即可。
并且，为了实现上述目的的废气净化系统为，具备绝缘性捕捉 部件，捕捉废气中的粒子状物质；电极对，在该绝缘性捕捉部件的表 面或表面附近配置有l对以上；和电压施加装置，在该电极对间施加 规定的电压，电压施加装置施加规定的电压，该规定的电压为，随着 由上述绝缘性捕捉部件的表面捕捉到的上述粒子状物质的堆积量的 增加、使在空间上及时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电产 生在上述绝缘性捕捉部件的表面上。
并且，在上述废气净化系统中，上述绝缘性捕捉部件可由使含有 粒子状物质的废气通过而捕捉上述粒子状物质的绝缘性过滤器构成。
并且，在上述废气净化系统中，使上述规定电压为上述电极对间 的电流电压特性成为非线性的区域的电压。
艮P，如图5所示，在堆积在绝缘性捕捉部件的表面上的PM的量 较少的状态下，在电极对间不流过电流。当PM的堆积增加时，两个 电极间的阻抗降低，当超过极限时在电极对间将流过电流。在该电极 对间施加的电压和电流的关系为，在电压较低的期间处于按照欧姆法 则的比例关系，直线地变化。但是，以特定的电压(第1变曲点) Vth (或者一Vth)为界而比例关系瓦解，相对于电压电流的增加量显 著变大。将施加到电极对的直流电的电压或者交流电的电压波高值设 定为该特定的电压Vth以上(或者一Vth以下)。通过该施加电压， 在电极对间在空间上、时间上随机地形成反复发生和消灭的微小发光放电。
更具体地说，该特定电压Vth是通过实验求得的，但是在将电极
对间的距离设为dcm时，成为450XdV 900XdV的范围内的值。该 特定的电压Vth或非线性区域的范围，依赖于根据电极的形状、柴油 机的种类和发动机的运行状态而变化的PM的电阻，但是可进行适当 实验而求得。因此，可根据该实验结果设定对电极对施加的最佳电压。
另外，当施加的电压过大时，不发生微小发光放电而是频繁发生 短路、火花或电弧放电(以有间隔的形式发生空间放电)，对绝缘性 过滤器施加损害，也有可能由于过电流而引起电源的损伤。因此，将 施加到电极对的直流电的电压的绝对值或交流电的电压波高值的绝 对值设定在该特定的电压Vth的1.05 2.2倍的范围内。
并且，施加的规定电压Vs优选为，在电极对间的距离为dcm时， 下限为450XdV 900XdV的范围内的值，上限为1000XdV 1800 XdV的范围内的值。并且，作为实验所得到的结果，更优选使Vs 为650XdV 800XdV的范围内。
在上述废气净化系统中，在上述绝缘性捕捉部件的上游侧配置用 于使废气中的为微粒子带电的带电单元。作为该带电单元，可使用利 用了电暈放电、阻挡放电、脉冲放电、发射线源和电子线等的带电单 元。
在上述废气净化系统中，上述绝缘性捕捉部件由陶瓷纤维过滤器 形成。在该陶瓷纤维过滤器中，从有关生物体影响的安全性的观点来 看，优选使用SiCb系、Si02—MgO系、Si02—MgO—CaO系的材质。 并且，作为纤维直径，优选使用3微米以上100微米以下。
在上述废气净化系统中，在上述绝缘性捕捉部件上担载有氧化催 化剂。或者将氧化催化剂配置在上述绝缘性捕捉部件的上游侧或者下 游侧。通过这些构成，通过氧化催化剂的催化剂作用，可将绝缘性捕 捉部件难以捕集的气化的可溶性有机成分、碳化氢类(以下，称为"HC")氧化除去。
根据本发明的废气净化方法和废气净化系统，利用在绝缘性过滤 器表面上在空间上、时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电，
可以较少的消耗电力充分进行所捕集的PM的燃烧除去。因此，可提 高从柴油机等排出的废气中的PM的捕集效率和燃烧除去效率。


图1是示意地表示本发明的第1实施方式的废气净化系统的构成 的图。
图2是图1的A—A向视图。
图3是示意地表示在图1的绝缘性过滤器表面上堆积了 PM的状 态的图。
图4是图3的A—A向视图。
图5是示意地表示电压和电流的关系的图。
图6是示意地表示本发明的第2实施方式的废气净化系统的构成 的图。
图7是示意地表示PM向预先进行了带电处理的情况下的绝缘性 过滤器的附着状态的图。
图8是示意地表示PM向没有预先进行带电处理的情况下的绝缘 性过滤器的附着状态的图。
图9是示意地表示本发明的第3实施方式的废气净化系统的构成 的图。
图10是从上方观察图9的电极对的构成的图。 图11是表示图9的电极对和绝缘性过滤器的构成的下侧的部分 截面图。
图12是示意地表示本发明的第3实施方式的其他废气净化系统 的构成的图。图13是表示图12的电极对和绝缘性过滤器的构成的下侧的局部 截面图。
图14是从上方观察图12的电极对的构成的图。 图15是表示图12的电极对和绝缘性过滤器的构成的下侧的局部 侧截面图。
图16是表示图12的电极对的其他构成例的图。
图17是示意地表示实施例1的实验装置的构成的图。
图18是表示实施例1的过滤器的压力损失的时间变化的图。
图19是表示实施例1的粒径分布的图。
图20是示意地表示实施例2的实验装置的构成的图。
图21是纤维过滤器的过滤器表面的放大照片。
图22是表示粒子状物质的温度和电阻的关系的图。
具体实施例方式
以下参照附图，以将车辆搭载的柴油机的废气作为处理对象气体 的废气净化系统为例，对本发明的实施方式的废气净化系统进行说 明。另外，在下述的实施方式中，使用绝缘性过滤器作为绝缘性捕捉 部件。但是本发明不限于此。本发明也可以使用于此外的利用静电力 电气地捕捉通过电晕放电等而带电的粒子状物质的装置等。
图1 图4表示本发明的第1实施方式的废气净化系统1。另外， 图1和图2表示PM (粒子状物质)堆积前的状态。图3和图4表示 PM41堆积、发生微小发光放电42的状态。
在该废气净化系统1中，在柴油机等的废气流路11上设置并形 成具备绝缘性过滤器(绝缘性捕捉部件)12、电极对13和微小发光 放电用电源14的过滤器部10。以遮断废气G的流动的形式配置该绝 缘性过滤器12，即配置为，绝缘性过滤器12的表面相对于废气G的 主流方向交叉，废气G从绝缘性过滤器12的表面通过到背面。该绝缘性过滤器12由纤维直径为数微米 100微米、优选具有数十微米
的量级的大小的气孔的陶瓷纤维过滤器形成。
作为该陶瓷纤维过滤器可使用多种的过滤器，但是如图15所示 那样包含较多纤维直径为3微米以上的纤维的纤维过滤器，尤其显示 出良好的PM除去性能。作为该陶瓷纤维的材料，如果是八1203 (氧 化铝)系和Si02 (氧化硅)系等绝缘性的材料即可使用多样的材料。 但是，从有关生物体影响的安全性的观点来看，优选使用生物体溶解 性优秀的陶瓷纤维，例如Si02系(Si02—MgO系、Si02—MgO—CaO 系)。另外，也可以使用除陶瓷纤维过滤器之外的绝缘性过滤器，例 如，具有孔径为从数微米到100微米左右的气孔的多孔质陶瓷等。
并且，如图l和图3所示，将由第l电极13a和第2电极13b构 成的电极对13在绝缘性过滤器12的上游侧表面或者表面附近设置1 组以上，即配置单数或者多组。该电极对13优选与绝缘性过滤器12 的表面接触的方式，但是在电极对13和绝缘性过滤器12的表面之间 多少存在间隙也可以。如图2和图4所示，该电极对13也可以由2 个平行平板13a、 13b形成，并且形成同心圆状的圆筒而没有边界部 分，以使过滤器的可再生面积的比率变大。并且，也可以在第l电极 13a和第2电极13b上设置锯齿状或梳子状等细微构造，从而多数分 散配置电场集中点，促进微小发光放电的产生。主要是，只要适当配 置电极对13，以便在绝缘性过滤器12的表面上以在空间上分散的形 式形成微小发光放电42即可，对该电极对13可采用多种构成。
该电极对13与作为高电压电力供给装置的微小发光放电用电源 14连接。通过该微小发光放电用电源14对电极对13施加规定的设 定电源Vs。该微小发光放电用电源14是用于对电极对13施加规定 的设定电压Vs的高电压电源，该施加电压的波形可以是直流、交流、 高频、脉冲和矩形交变等多种波形之一，任意一种波形都可得到足够 的效果。
并且，在本发明中，施加到电极对13间的设定电压Vs的大小尤 其重要。如图3和图4所示，随着在绝缘性过滤器12的表面捕捉的 PM41的堆积量的增加，在电极对13间的PM堆积层41上设定如下 的设定电压Vs，即在绝缘性过滤器12的表面上产生在空间上、时间 上随机地反复发生和消灭的微小发光放电42。通过由于该设定电压 Vs的施加而产生的微小发光放电42，将捕集的PM41燃烧除去，并 消除绝缘性过滤器12的堵塞。该微小发光放电是，在绝缘物表面上 存在电位差时，电流沿着表面流动而产生焦耳热的局部的微小发光放 电，是由于电场的不均匀而产生的称为闪烁的部分放电，与在电极对 间流过大电流的短路和电弧放电等不同。
该设定电压Vs可根据在绝缘性过滤器12的表面堆积的PM堆积 层41的电气特性实验性地求得。g卩，在堆积在绝缘性过滤器12的表 面的PM41的量较少的状态下，在电极对13间不流过电流I。但是， 当PM41的堆积增加时，两个电极13a、 13b间的阻抗减低，当超过 极限时，在电极对13间流过电流I。
施加在该电极对13间的电压V和电流I的关系如图5所示，电 压V低的期间(线性区域RL内)处于比例关系并直线地变化。但是， 以特定的电压Vth (或者一Vth)为界而比例关系瓦解。当进入非线 性区域RN时，相对于电压V的电流I的增加量(或者减少量)显著 变大并变弯曲。将施加到电极对13的直流电的电压Vs或交流电的电 压波高值Vs，设定在该特定电压Vth以上(或者一Vth以下)、即非 线性区域RN的范围内。
另外，当使该设定电压Vs过高时，不是微小发光放电，而是频 繁发生短路、火花或电弧放电(以有间隔的形式发生空间放电)，不 但消耗电力量增大，还对绝缘性过滤器产生损伤，可能由于过电流引 起电源的损伤。因此，使设定电压Vs为其绝对值在特定的电压Vth 附近的范围内、例如1.05XVth 2.2XVth。
并且，与此对应，在施加的规定电压Vs为，在使电极对间的距 离为dcm时，下限为450XdV 900XdV的范围内的值，上限为1000 XdV 1800XdV的范围内的值。当将该设定电压Vs施加到电极对 13上时，当电极对13间的PM堆积层41有一定程度的增加时，在 该电极对13间的PM堆积层41上在空间上、时间上随机地微小发光 放电42反复产生或消灭。
该特定电压Vth依赖于电极13a、 13b的形状、间隔和PM的电 阻R等，该PM的电阻R根据发动机的运行条件而变动，因此通过 适当实验测定，而求得特定的电压Vth，决定设定电压Vs。另外，使 电极对间距离为d(cm:厘米)，而该特定电压Vth为大约450Xd(V: 伏) 900Xd (V:伏)左右的情况可通过实验得到。并且，可使该 设定电压Vs为包含发动机的所有运行状态那样的一定的值，但是根 据发动机的运行状态，使设定电压Vs变化地进行控制更为有效率， 是优选的。另外，只要电压波高值为上述的设定电压Vs，施加电压 的波形是直流电压、交流电压、脉冲电压、高频电压和矩形交变电压 等多种波形之一即可得到足够的效果。
在该废气净化系统1中，废气中的PM被捕捉到绝缘性过滤器12 的表面上或表面的内侧等的表面附近并堆积。通过该PM41的堆积的 增加，电极对13的阻抗、即第1电极13a和第2电极13b之间的阻 抗减低，当超过极限时电流开始流动。进而，当PM41的堆积增加时， 通过施加到电极对13间的电压Vs，在电极对13间的PM堆积层41 上形成电位差，并通过由于PM堆积层41的微观的不均匀性引起的 电场不均匀，而在PM堆积层41上在空间上、时间上随机地产生微 小发光放电42。通过该微小发光放电42的焦耳热，PM燃烧，绝缘 性过滤器12被局部地再生。并且，PM的燃烧为发热过程，因此微 小发光放电42周围的PM也被燃烧除去。该燃烧范围在排气温度较 高的情况下，会达到到较大的范围。并且，通过反复进行该PM堆积层41的增加和由于微小发光放 电42的产生而进行的PM燃烧，绝缘性过滤器12作为整体在回避过 度的堵塞状态、和由该堵塞导致的过滤器的压力损失的过度上升的同 时，可以维持良好的PM净化性能。
图6表示本发明的第2实施方式的废气净化系统1A。该废气净 化系统1A构成为，在第1实施方式的过滤器部10的上游侧设置使 废气中的PM带电的带电部(带电单元)20。在图6中，作为该带电 部20，使用由电晕放电产生用的第1放电电极21和第2放电电极22、 以及用于对该放电电极21、22施加放电用电压的放电用电源23构成 的电晕放电装置。该第1放电电极21为电场集中系数高的电极，由 细线电极、角状电极、带突起构造的电极等的线状(钢丝状)和棒状 等的线状体、例如SUS304制的中空丝等形成。该第1放电电极21 与供给高压电的放电用电源23连接。并且，第2放电电极22通过绝 缘子(碍子)等以与第1放电电极21电绝缘状态接地。
并且，在该第1放电电极21上一般施加负极性的直流电，但是 也可以是正极性的，施加直流、交流和脉冲状之一的电压并在两个电 极21、 22间产生电晕放电，使废气中的PM带电。另外，除该电晕 放电以夕卜，存在利用阻挡放电、脉冲放电、放射线源和电子线照射等 使PM带电的带电单元。
通过该带电部20，在过滤器部19的上游侧PM41带电时，绝缘 性过滤器12的表面的PM堆积状态改变。当使流入绝缘性过滤器12 的废气中的PM预先带电时，如图7示意地表示那样，PM41彼此通 过静电排斥力以维持空隙的状态适度地分散在绝缘性过滤器12的表 面。并且，PM41以"轻飘飘"的感觉附着，并以停留在表面上的状 态堆积。由于通过该分散附着而压力损失减小，因此可回避绝缘性过 滤器12的压力损失的上升，并且，可将电极对13间的电阻维持为较 高。并且，由于PM41在绝缘性过滤器12的表面附近分散地被捕捉，
因此可通过在电极对13间产生的微小发光放电42而有效地将PM41 燃烧除去。结果，可减少消除绝缘性过滤器12的堵塞所需要的微小 发光放电用的电力。
另一方面，在没有使其带电的情况下，如图8中示意表示的那样， PM41不以"啪的一下"的感觉附着并停留在表面上，而是进入到绝 缘性过滤器12的深处并堆积。通过该紧密接触的附着，与图7的分 散附着相比，压力损失变大、而电阻变小。
通过该带电部20的PM带电，PM41通过作为与诱导电荷的吸引 力的静电力，有效地被绝缘性过滤器12捕捉。因此，由于连非常小 的粒子也可以捕捉，所以尤其是纳米尺寸的微粒子的捕捉性能显著提 高。并且，即使进一步受到发动机的过度的压力变动或振动，但由于 PM41通过静电力牢固地被捕捉到绝缘性过滤器12上，因此不会漏 出到下游。
下面，说明本发明的第3实施方式的废气净化系统。该第3实施 方式的废气净化系统为，在第1实施方式的废气净化系统1或第2实 施方式的废气净化系统1A中并用由白金或钒等贵金属形成的氧化催 化剂的系统。通过使用该氧化催化剂，可通过该氧化催化剂的催化剂 作用将不能由过滤器12充分除去的废气中的气化的可溶性有机成分 和碳化氢类(HC)氧化除去，从而进一步提高废气净化性能。
并且，氧化催化剂的配置可以基于下述考虑而根据发动机的种类 和运行条件多样地选择氧化催化剂和陶瓷过滤器。堆积到绝缘性过滤 器12的PM41的电阻R受到废气中SOF成分的影响，当SOF成分 多时PM41的电阻R变大。因此，在从发动机排出的PM41的电阻R 较大的情况下，优选使由绝缘性过滤器12捕捉的PM41的电阻R下 降，施加在电极对13间的电压Vc被抑制为较低。因此，优选将氧化 催化剂转换器配置在上游侧。另一方面，在从发动机排出的PM41的 电阻R较低、不能将施加在电极13间的电压Vs升高的情况下，将氧化催化剂转换器配置在下游侧，以便不在绝缘性过滤器12的上游
侧除去SOF成分而在下游侧除去。
作为该氧化催化剂的配置的具体方式存在如下的配置。首先，在 第1实施方式中，存在将氧化催化剂担载在具备电极对13的绝缘性 过滤器12上的构成。对于该第1实施方式，存在将担载氧化催化剂 的氧化催化剂转换器配置在具备电极对13的绝缘性过滤器12的上游 侧的情况、和配置在下游侧的情况。并且，在第2实施方式中，存在 将氧化催化剂担载在具备电极对13的绝缘性过滤器12上的构成。并 且，对于该第2实施方式，存在将担载氧化催化剂的氧化催化剂转换 器配置在带电部20的上游侧的情况、配置在带电部20和绝缘性过滤 器12间的情况、以及配置在绝缘性过滤器12的下游侧的情况。
并且，当将氧化催化剂分散担载在绝缘性过滤器12上时，可将 废气中的SOF成分和HC成分利用为PM燃烧的辅助材料，可更加有 效地将PM燃烧除去。并且，在配置了氧化催化剂转换器的构成中， 也可以构成为在具备电极对13的绝缘性过滤器12上担载氧化催化 剂。
作为该第3实施方式的废气净化系统的例子，分别在图9 图11 和图12 图14中表示将氧化催化剂转换器30配置在带电部20B的 上游侧的废气净化系统1B和废气净化系统1C。在图9 图11所示 的废气净化系统1B中，从上游侧开始配置有氧化催化剂转换器30、 带电部20B和过滤器部IOB。
该氧化催化剂转换器30在堇青石和SiC等多孔质陶瓷的蜂窝构 造体等的担载体上，设置氧化铝等催化剂涂层，并在该催化剂涂层上 担载白金或钒等催化剂金属而形成。
并且，带电部20B构成为，具有分别配置在多个同轴电晕放电 管25B内的电晕放电电极(第l放电电极)21B。并构成为，从电晕 放电用电源23B经由高电压端子22B和高电压供电板24B、以负极
性或正极性对该各电晕放电电极21B供给直流、交流和脉冲状等之一
的高电压HV的电力。另一方面，同轴电晕放电电极25B兼用作第2 放电电极，与高电压电源23B的0V连接。在该电晕放电电极21B和 同轴电晕放电管25B之间产生电晕放电，并使通过的废气G中的PM 带电。
并且，过滤器10B构成为，绝缘性过滤器12B在具有通气性的 板状的过滤器保持板15B的内侧(上游侧)配置为筒状，在内侧表面 捕捉从内侧流向外侧的废气G中的PM。并且，电极对13B配置在该 内侧表面或内侧表面附近。在该例子中，废气G构成为从内侧流向 外侧。但是，也可以构成为将外侧作为上游侧而使废气G从外侧流 向内侧，将绝缘过滤器配置在过滤器保持板的外侧，并将电极对配置 在绝缘性过滤器的外侧表面上。
如图10和图11所示，该电极对13由固定在芯棒17B上的绝缘 子18B支承，并构成为将来自微小发光放电用电源14B的高电压HV 侧的电力，经由高电压端子16B和电位固定棒19Ba供给到第1电极 13Ba。另一方面，第2电极13Bb经由电位固定棒19Bb与高电压电 源14B的0V侧连接。
在图12~图15所示的废气净化系统1C中，从上游侧开始配置有 氧化催化剂转换器30、带电部20B和过滤器部IOC。该氧化催化剂 转换器30和带电部20B与废气净化系统1B相同。
并且，过滤器部10C构成为，将平板状的绝缘性过滤器12C沿 着废气G的流动方向配置在细长的电极对13C两侧，从电极对13C 间流过来的废气G从电极对13C侧的内侧向外侧地通过绝缘性过滤 器12C的同时，捕捉废气中的PM。并且，在绝缘性过滤器12C的外 侧配置具有通气性的过滤器保持板15C，其支承绝缘性过滤器12C。 通过该构成，电极对13C配置在绝缘性过滤器12C的捕捉侧的表面 或表面附近。在图12和图13中表示由电极对13C和两侧的绝缘性过 滤器12C形成的单元在上下有2个的状态。
并且，如图14和图15所示，该电极对13C由固定在芯棒17C 上的绝缘子18C支承，并构成为将来自微小发光放电用电源14C的 高电压HV侧的电力经由高电压端子16C和电位固定棒19Ca供给到 第l电极13Ca。另一方面，第2电极13Cb经由电位固定棒19Cb与 微小发光放电用电源14C的0V侧连接。并且，为了使废气向过滤器 面的流动的均匀性更加良好、和为了实现电极的轻量化，可以在该电 极对13C、即第1电极13Ca和第2电极13Cb上设置通风孔13Cc。
并且，作为图12、图13所示的绝缘性过滤器12C和电极对13C 的构成的变形例，可将绝缘性过滤器12C配置在具有通气性的圆筒等 的筒形状的过滤器保持板15C的上游侧，并将图16所示那样的电极 对13C配置在绝缘性过滤器12C的上游侧表面上。在使筒的内侧为 上游侧吋，将图16所示的电极对13C配置在绝缘性过滤器12C的内 侧即可，在使筒的外侧为上游侧时，将图16所示的电极对13C配置 在绝缘性过滤器12C的外侧即可。并且，该电极对13C也可以适当 开设为了利于轻量化和确保气体均匀性的通气孔。
根据这些第3实施方式的使用了废气净化系统1B、 1C等的氧化 催化剂的废气净化系统，可通过该氧化催化剂的催化剂作用将不能由 绝缘性过滤器12、 12B和12C充分除去的废气中的PM的SOF和HC 氧化除去，从而进一步提高废气净化性能。 (实施例1)
下面，对使用第3实施方式的废气净化系统1B、 1C进行的废气 净化实验进行说明。图17示意地表示实施例1的实验装置的构成。 在该实施例1中，是将废气净化系统1B配置在搭载了排气量4300cc 的柴油机的2t的卡车50的排气通路51上而进行的。设置用于计测 该陶瓷过滤器12B的前后压差的压差传感器52，并且，设置用于对 从排气通路51分支的废气的成分进行计测的稀释器53和微粒子计测
器54。
从上游开始，由氧化催化剂30、通过电晕放电产生的带电部20B 和过滤器部10B构成。该氧化催化剂30为在陶瓷蜂窝上担载有白金。 带电部20为，将8根直径约60mm、有效放电长度80mm的同轴电 晕放电管25B (图9)并列配置的同轴圆筒式。过滤器部10B具备体 积密度约130kg/m3、厚度12mm、气体通过面的面积1200cn^的陶瓷 纤维的陶瓷过滤器12B。在该陶瓷过滤器12B的气体通过面的上游侧 配置了电极板厚0.5mm 2mm、电极对间隔6mm 25mm的电极对 13B (图IO、图ll)。另外，电极板厚和电极对间隔从这些尺寸范围 适当选择而进行实验。
并且，使卡车50以发动机转速2000rpm连续运行，将所有废气 流到废气净化系统1B的实验装置中，并且在该电极对间施加直流 0.5kV 2.5kV、或者交流400V lkV (波高值为士560V ± 1.4kV) 的电压。此时的陶瓷过滤器12B的压力损失的随时间变化由压差计 52测定。并且，对通过了陶瓷过滤器12B的废气，实施由滤纸进行 的微粒子重量测定、和微粒子计测器的微粒子浓度测定。
将该实验结果的一个例子表示在图18中。图18 (a)禾卩(b)为 上游侧的PM的无带电处理时、(c)禾n (d)为上游侧的PM有带电 处理时、(a)和(c)为不施加微小发光放电用电压时、(b)和(d) 为施加微小发光放电用电压时的实验结果。
当观察微小发光放电的效果时，如图18 (a) (d)所示，在 最初的期间、即电极对间PM的堆积量增加到一定程度而微小发光放 电用的电流开始流动之前，随着时间经过过滤器的压力损失上升。并 且，在不施加微小发光放电用电压的(a)和(c)中压力损失直接变 大。另一方面，在施加了微小发光放电用电压的(b)和(d)中，在 电极对间的PM堆积量达到一定程度而微小发光放电用的电流开始 流动时，产生微小发光放电、PM被燃烧除去，压力损失开始降低。
并且，当观察带电处理的效果时，相对于无带电处理的(a)和 (b)，如有带电处理的(c)和(d)那样，当预先使PM带电时，压 力损失的上升速度变缓，且微小发光放电的PM的燃烧除去特性变得 更加良好。尤其可知，在(d)中压力损失几乎为恒定，堆积在过滤 器上的PM通过微小发光放电可以完全被燃烧除去。
在该实施例1中，实验开始时的电极对间的电阻R为数十MQ 以上的几乎绝缘状态。但是，在PM堆积而压力损失逐渐上升并且电 阻R降低、微小发光放电开始而压力损失开始降低时，电阻R降低 到数kQ 数十kQ程度。另外，在该电极对间流动的电流为0.1A 数A的量级。并且，微小发光放电所要的电力在(b)中为500W以 上，但在(d)中为250W以下。由此，可知当预先使PM带电时具 有消耗电力大幅减少的效果。另外，在该(d)中，PM除去性能为 基于重量的92%的除去率。
并且，在图19中表示测定废气中的微粒子的粒径分布的结果。 该粒径分布是，暂且将废气用稀释器(Matter Engineering公司 MD19-2E)稀释了30倍之后，使用微粒子计测器(市售的TSI公司 的SMPS: Scanning Mobility Particle Sizer: 3936-L10)来计测的结果。
图19 (a)为装置入口的测定结果，(b)和(c)为装置出口的测 定结果。并且，(b)为无带电处理时的有微小发光放电的情况、(c) 为有带电处理时的有微小发光放电的情况。相对于(a)， (b)和(c) 中任意一个的粒子浓度都降低，因此可知，通过微小发光放电PM被 燃烧除去。并且，根据(b)和(c)的比较可知，当预先进行带电处 理时，可得到包含直至粒径100nm以下的纳米尺寸粒子的极高的净 化性能。
(实施例2)
图20示意地表示实施例2的实验装置的构成。在该实施例2中， 是在搭载了排气量5000cc的柴油机的卡车50A的排气通路51A上、
配置图12 图15所示的废气净化系统1C而进行的。实验模式为JE05 过渡模式。
该废气净化系统1C构成为从上游侧开始具有氧化催化剂30、由 电晕放电产生的带电单元20B和陶瓷过滤器12C。氧化催化剂30为 在陶瓷蜂窝上担载有白金。带电单元20B为，将8根直径约60mm、 有效放电长度80mm的同轴电晕放电管25B (图12)并列配置的同 轴圆筒式。陶瓷过滤器12C由体积密度约130kg/m3、厚度24mm、气 体通过面的面积2000cm2的陶瓷纤维形成。在该陶瓷过滤器12C的气 体通过面的上游侧配置了电极板厚0.5mm 2mm、电极对间隔6mm 25mm的电极对(图14、图15)。另外，电极板厚和电极对间隔从这 些尺寸范围内适当选择而进行实验。
在该实施例2中，为了使废气的流动更好、以及实现轻量化，在 电极13Ca、 13Cb上设置有通风孔13Cc。并且，由于当电极对13C 与陶瓷过滤器12C的接触恶化时，微小发光放电变得难以产生，所以 用适当的压力按压电极对13C和陶瓷过滤器12C。
并且，运行卡车50A，使所有废气流向废气净化系统1C，并且 在该电极对间施加交流OkV lkV(波高值为0kV 士1.4kV)的电压， 并对PM净化性能进行了测定。根据该测定结果，可知PM排出量达 到0.01g/kWh以下，PM除去率为90X以上。
在这些实施例中，可知作为绝缘性过滤器使用了陶瓷纤维过滤 器，但是对纤维直径来说包含较多3微米以上的纤维的纤维过滤器是 有效的，尤其是如图21所示那样的包含较多纤维直径为5微米以上 的纤维的纤维过滤器尤其显示出良好的PM除去性能。
工业上的可利用性
本发明利用在绝缘性过滤器面上在空间上、时间上随机地反复发 生和消灭的微小发光放电，可以较少的消耗电力进行捕集的PM的燃 烧除去，并可提高从柴油机等排出的废气中的PM的捕集效率和燃烧除去效率，因此可极其有效地用作汽车搭载的内燃机等的废气的废气 净化方法和废气净化系统。
权利要求
1、一种废气净化方法，其特征在于，在捕捉废气中的粒子状物质的绝缘性捕捉部件的表面或表面附近配置1对以上的电极对，并在该电极对间施加规定的电压，该规定的电压为，随着由上述绝缘性捕捉部件的表面捕捉到的上述粒子状物质的堆积量的增加、使在空间上及时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电产生在上述绝缘性捕捉部件的表面上，通过由于施加该规定的电压而产生的上述微小发光放电，将由上述绝缘性捕捉部件捕捉到的粒子状物质燃烧除去。
2、 如权利要求1所述的废气净化方法，其特征在于， 上述绝缘性捕捉部件是使含有粒子状物质的废气通过而捕捉上述粒子状物质的绝缘性过滤器。
3、 一种废气净化系统，具备绝缘性捕捉部件，捕捉废气中的 粒子状物质；电极对，在该绝缘性捕捉部件的表面或表面附近配置有 l对以上；和电压施加装置，在该电极对间施加规定的电压，其特征 在于，电压施加装置施加规定的电压，该规定的电压为，随着由上述绝 缘性捕捉部件的表面捕捉到的上述粒子状物质的堆积量的增加、使在 空间上及时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电产生在上述 绝缘性捕捉部件的表面上。
4、 如权利要求3所述的废气净化系统，其特征在于，上述绝缘性捕捉部件是使含有粒子状物质的废气通过而捕捉上 述粒子状物质的绝缘性过滤器。
5、 如权利要求3或4所述的废气净化系统，其特征在于， 使上述规定电压是上述电极对间的电流电压特性成为非线性的区域的电压。
6、 如权利要求3 5中任意一项所述的废气净化系统，其特征在于，在上述绝缘性捕捉部件的上游侧配置用于使废气中的微粒子带 电的带电单元。
7、 如权利要求4 6中任意一项所述的废气净化系统，其特征在于，上述绝缘性捕捉部件由陶瓷纤维过滤器形成。
8、 如权利要求3 7中任意一项所述的废气净化系统，其特征在于，使上述绝缘性捕捉部件担载有氧化催化剂。
9、 如权利要求3 8中任意一项所述的废气净化系统，其特征在于，在上述绝缘性捕捉部件的上游侧或者下游侧配置有氧化催化剂。
全文摘要
为了利用在绝缘性过滤器面上在空间上、时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电，以较少的消耗电力进行捕集的PM的燃烧除去，并提高从柴油机等排出的废气中的PM的捕集效率和燃烧除去效率，在捕捉废气中的粒子状物质(41)的绝缘性捕捉部件(12)的表面或表面附近配置1对以上的电极对(13)，并在该电极对(13)间施加规定的电压(Vs)，该规定的电压为，随着由上述绝缘性捕捉部件(12)的表面捕捉到的上述粒子状物质的堆积量的增加、使在空间上及时间上随机地反复发生和消灭的微小发光放电(42)产生在上述绝缘性捕捉部件的表面上，通过由于施加该规定的电压(Vs)而产生的上述微小发光放电(42)，将由上述绝缘性捕捉部件(12)捕捉到的粒子状物质(41)燃烧除去。
文档编号F01N3/02GK101208500SQ20068002047
公开日2008年6月25日 申请日期2006年5月30日 优先权日2005年6月8日
发明者内藤健太, 千林晓, 我部正志, 河西纯一, 浜田祐一, 田村吉宣 申请人:日新电机株式会社;五十铃自动车株式会社