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CN101111667A - 柴油发动机的排放气体用电气式处理方法及其装置 - Google Patents

柴油发动机的排放气体用电气式处理方法及其装置 Download PDF

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CN101111667A CNA2005800474346A CN200580047434A CN101111667A CN 101111667 A CN101111667 A CN 101111667A CN A2005800474346 A CNA2005800474346 A CN A2005800474346A CN 200580047434 A CN200580047434 A CN 200580047434A CN 101111667 A CN101111667 A CN 101111667A
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Abstract

本发明提供一种可以高效率地去除柴油发动机的排放气体中的PM，而且，经长期使用可以发挥稳定的性能的柴油发动机的排放气体处理技术。其特征是，在排放气体通路的上游侧设置由电晕放电部和带电部构成的放电带电部，使电晕放电电子在排放气体中的以碳为主体的粒状物质上带电，由配置在同一排放气体通路上的捕集部捕集所述带了电的粒状物质。

Description

柴油发动机的排放气体用电气式处理方法及其装置
技术领域
本发明涉及把柴油发动机的排放气体中包含的以碳为主体的颗粒物质(Particulate Matter：以下称为“PM”)、有害气体除去，进行净化的排放气体处理技术，更为详细地说，涉及利用电晕放电的柴油发动机排放气体用电气式处理技术。
背景技术
众所周知，柴油发动机的排放气体中包含的PM不仅造成大气污染，而且是对人体非常有害的物质，因此，对排放气体的净化非常重要。所以，提出了柴油发动机燃烧方式的改进、各种过滤器的采用、或者利用电晕放电进行电气处理的方法等方案。
但是，由于柴油发动机进行冷温起动时或爬坡时、过载时等多种运行，所以，仅仅改善燃烧方式难以大幅度削减PM。而且，例如通过陶瓷过滤器等捕集PM的方式，由于是通过微细的孔或者间隙来捕集PM，所以，捕集了一定量的PM的话排放气体的压力损失(通气阻力)会激增，成为燃费恶化、发动机故障的原因。进而，将捕集的PM通过触媒进行燃烧的过滤再生方式，因长期使用触媒而造成触媒劣化，排放气体压力损失的程度变高，因而不好。
另一方面，作为利用电晕放电的电气处理方法，如图19所示的其一例那样，已知下述的柴油发动机的排放气体PM捕集装置(参照专利文献1)，该装置设有：用来在针尖121a周围产生电晕放电而使得排放气体中的PM123带电的针电极121、用来通过静电捕集带了电的PM123a的捕集电极124、用来在所述针电极121和所述捕集电极124之间施加规定的直流高压的高压直流电源125。另外，提出了具备：构成设置在排放气体路径中的PM捕集用的收集电极对的一方的圆筒体、在该圆筒体的中心部在轴向上延伸设置构成收集电极对的另一方的电极体、在所述收集电极对之间形成静电场并把排放气体中的PM集中在所述圆筒体内面上的高压电源部、沿着所述圆筒体内面相对于该圆筒体旋转并将堆积在该圆筒体内面上的PM刮掉的刮落部的排放气体净化装置(参照专利文献2)，或者具备：设有电绝缘体层以及触媒层的多个PM捕集电极，和分别与所述PM捕集电极组合并具有朝向所述电绝缘体层突出的多个针状电极的放电电极的排放气体净化装置(参照专利文献3)等，提出了大量的提案。
专利文献1：日本特开平9-112246号公报
专利文献2：日本特开平6-173637号公报
专利文献3：日本特开2003-269133号公报
发明内容
但是，即使在利用电晕放电进行电气处理的现有的柴油发动机的排放气体处理技术中，也存在着下述问题。
专利文献1、2中记载的排放气体PM捕集装置，采用的是被称作所谓的一级式的电气集尘机方式，其基本问题是，放电电压和捕集偏转电压为相同电位，所以难以将两个电压分别设定成合适的条件，而且，为了防止偏向电极与捕集电极之间产生火花需要加大其间隔。因此，专利文献1、2记载的排放气体PM捕集装置，存在着没有被捕集而穿过捕集区间的颗粒较多、捕集效率低这样的缺点。另外，为了提高捕集效率，必须加大捕集部的容量，这必然造成装置大型化，不适于用作期望小型轻量化的汽车部件。进而，专利文献3中记载的排放气体净化装置采用的是被称作所谓的二级式的电气集尘机的方式，由于没有实施针状电极的污染对策，所以存在着当放电电极上施加了数万伏特的高压时，会因污染而招致电绝缘性降低、无法发挥PM捕集性能的缺点。而且，放电电极不能避免具有腐蚀性的排放气体的污损，长期使用无法维持稳定的性能。再则，在线状电极的情况下，汽车在行驶中的振动或冲击容易造成断线，还存在强度方面的问题。即，现有的利用电晕放电进行电气处理的排放气体处理机构，难以确保放电电极的高的绝缘性，在实用性上存在难点。
本发明解决了利用电晕放电的现有柴油机的排放气体处理技术的上述问题，提供一种可以高效率地去除柴油发动机的排放气体中的PM，而且，经长期使用可以发挥稳定的性能的柴油发动机的排放气体用电气式处理方法及装置。
本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理方法，其特征在于，在排放气体通路的上游侧设置由电晕放电部和带电部构成的放电带电部，使电晕放电电子在排放气体中的以碳为主体的粒状物质上带电，由配置在同一排放气体通路上的捕集部捕集所述带了电的粒状物质。
另外，本发明的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在排放气体通路的上游侧设有由电晕放电部和带电部构成的放电带电部，所述放电带电部使电晕放电电子在排放气体中的以碳为主体的粒状物质上带电；在同一排放气体通路上配置了捕集所述带了电的粒状物质的捕集部。
进而，本发明的装置的特征在于，所述电晕放电部的电极针的放电侧前端朝向排放气体气流的下游侧配置，使电晕电子朝下游侧放电；所述电极针插通配置在绝缘体制成的密封气管内；所述密封气管是氧化铝陶瓷制的；从所述电极针的密封气管端突出的突出部位于密封气管内的气流的射流等速区内；所述电极针被具有电绝缘性和耐腐蚀性的材料被覆；在所述电极针的被覆材料中使用了石英玻璃、氧化铝或陶瓷；所述捕集部为单层板结构或多层板结构；所述捕集部由冲孔金属式的捕集板或狭缝形式的捕集板构成，而且，以开孔部总面积/捕集部实际正面面积定义的开孔率为3～20％；所述捕集部由在捕集面上没有开口的一张板构成的底板，和设置在该底板的捕集面侧的格子状的凸片构成；所述单层板结构或多层板结构的捕集部固定部上的电极板保持棒被配置在绝缘体制成的密封管内；在整个所述密封气管内或在所述密封气管的一部分内配设了整流部件；在所述密封气管的与电极针前端侧相反侧的管壁上设有与排放气体气流方向平行的装配用管部。
优选地，具有所述装配用管部的密封气管在以密封气管的内径为D、密封气管部的装配用管部的长度为L1、该装配用管部到前端部为止的长度为L2的情况下，满足L1/D＞1.5、L2/D＞0.5的条件。
另外，本发明的装置可以将所述排放气体用电气式处理装置与触媒组合使用。
进而，作为本发明的另一柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述排放气体用电气式处理装置的后段附设了旋风集尘器。
另外也可以是，在带有旋风集尘器的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置中，所述捕集部通过配置多张捕集板使得所述捕集板与所述装置本体的内壁之间形成间隙而构成，所述捕集板由在捕集面上没有开口的一张板构成的底板和设置在该底板的捕集面侧的格子状的凸片构成。
进而，也可以在所述排放气体用电气式处理装置的后段、所述旋风集尘器的前段，配设有颗粒凝集粗大化机构。作为所述颗粒凝集粗大化机构，可采用蜂窝构造的颗粒凝集管、或将多张冲孔金属或金属网间隔配置而构成的颗粒凝集板。
另一方面，作为所述排放气体用电气式处理装置的捕集板的再生方式，可采用：在该装置的上游侧和下游侧之间配设排放气体的歧管管路，在由气体切换阀使排放气体流过所述气管管路期间进行捕集板的再生的方式。
本发明装置可以是，所述排放气体用电气式处理装置的该装置本体内壁，也被当作所述颗粒状物质的捕集面。
本发明的柴油发动机的排放气体用电气式处理方法及装置，能够以高的净化率将柴油发动机的排放气体中的PM除去，而且，通过组合氧化触媒以及NOX还原触媒，可以将排放气体中的有害气体成分HC、CO、NOX以高的净化率除去。进而，不仅可以在长时间内以高净化率稳定地除去PM，而且，能发挥可以达到作为汽车部件所要求的实际上免维护等的优异效果。
本发明不仅对于柴油发动机有效，而且，对直喷式的汽油发动机的排放气体净化等各种排放气体的净化也有效。
附图说明
图1是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第一实施例装置的概要图。
图2是图1的第一实施例中的放电极的电极针与密封管前端部的说明图。
图3是表示图1的第一实施例装置中的密封气管的另一实施例的概要图。
图4是表示图1的第一实施例装置中的密封气管的另一实施例的概要图。
图5是表示图1的第一实施例装置中的PM捕集板的概要说明图。
图6是图1的PM捕集板的贯穿孔的说明图，(a)是表示PM捕集板的贯穿孔位置以及孔径的说明图，(b)是(a)的A-A线上的截面图。
图7是表示图1的第一实施例装置中的另一PM捕集板的概要图，(a)是正面图，(b)是侧面图。
图8是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第二实施例装置的概要图。
图9是放大表示图8的第二实施例装置的主要部分的概要截面图。
图10是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第三实施例装置的概要图。
图11是表示本发明装置中的捕集板的PM氧化去除机构的一例的概要说明图。
图12是表示本发明装置与触媒的组合的实施例的概要图。
图13是表示同一本发明装置与触媒的组合的另一实施例的概要图。
图14是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第四实施例装置(带有旋风集尘器)的概要图。
图15是放大表示图14所示第四实施例装置中的捕集板的概要轴测图。
图16是表示作为设置在图14所示第四实施例装置中的旋风集尘器的前段的颗粒凝集粗大化机构的一例的、蜂窝构造的颗粒凝集管的概要轴测图。
图17是表示作为同一颗粒凝集粗大化机构的另一例的、由多张冲孔金属间隔配置构成的颗粒凝集板的概要轴测图。
图18是表示本发明装置的捕集板的再生方式的一个实施例的概要图。
图19是表示作为本发明的对象的现有的柴油发动机的排放气体PM捕集装置的一例的概要说明图。
符号说明
1  排放气体通路
1-1、61-1  本体壁
2  放电带电部
2-1 电晕放电部
2-2  带电部
3、3a、3b、3c、23-3、33-1、71-1  捕集板
4  电极针
5  密封气管
5-1 整流部件
5-2 装配用管部
6   高压电源装置
7   排放气体感应管
8   PM
9   保持棒密封管
10  电晕电子
11  绝缘体
23、33  捕集部
23-1  电极板保持棒
23-2  电极板
40切  换开关
40a、40b  端子
41  加热电源装置
51、61  排放气体用电气式处理装置
52  氧化触媒转换器(酸化触媒コンバ一タ)
53  NOX还原触媒转换器
54  添加装置
55  歧管管路
G1  排放气体
G2  密封气体
Pc  射流等速区
V   切换阀
具体实施方式
图1是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第一实施例装置的概要图，图2是图1的第一实施例中的放电极的电极针与密封管前端部的说明图，图3是表示图1的第一实施例装置中的密封气管的另一实施例的概要图，图4是表示图1的第一实施例装置中的密封气管的另一实施例的概要图，图5是表示图1的第一实施例装置中的PM捕集板的概要说明图，图6是图1的第一实施例装置中的PM捕集板的贯穿孔的说明图，(a)是表示PM捕集板的贯穿孔位置以及孔径的说明图，(b)是(a)的A-A线上的截面图，图7是表示图1的第一实施例装置中的另一PM捕集板的概要图，(a)是正面图，b)是侧面图，图8是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第二实施例装置的概要图，图9是放大表示图8的第二实施例装置的主要部分的概要截面图，图10是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第三实施例装置的概要图，图11是表示本发明装置中的捕集板的PM氧化去除机构的一例的概要说明图，图12是表示本发明装置与触媒的组合的实施例的概要图，图13是表示同一本发明装置与触媒的组合的另一实施例的概要图，图14是表示本发明涉及的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的第四实施例装置(带有旋风集尘器)的概要图，图15是放大表示图14所示第四实施例装置中的捕集板的概要轴测图，图16、图17是表示作为设置在图14所示第四实施例装置中的旋风集尘器的前段的颗粒凝集粗大化机构的例子，图16是蜂窝构造的颗粒凝集管的概要轴测图，图17是表示由多张冲孔金属间隔配置构成的颗粒凝集板的概要轴测图，图18是表示本发明装置的捕集板的再生方式的一个实施例的概要图。
如图1所示，本发明的排放气体用电气式处理装置在设置在排放气体通路1的上游侧的本体壁1-1内，设置电晕放电部2-1和带电部2-2构成的放电带电部2，所述电晕放电部2-1使电晕放电电子10在排放气体G1中的以碳为主体的粒状物质S上带电，成为捕集同一排放气体通路1中所述带了电的粒状物质S的捕集板3被配置在同一本体壁1-1内(二级式)的结构，构成放电极的电极针4在由氧化铝等的陶瓷、耐热玻璃等的绝缘体制成的密封气管5内穿过并朝向排放气体气流的下游配置在排放气体通路1上，前端部从密封气管5的开口端突出规定长度，并进行配线，以便从外部的高压电源装置6施加数万伏的直流高压。作为所述电极针4的材质，使用不锈钢、超硬合金等的导电材料。另外，为了促进电晕电子10的带电，将排放气体感应管7突出设置到被设置在排放气体通路1的中途的本体壁1-1的内部，使得排放气体G1流过电极针4的前端附近。进而，本体壁1-1部的内径φ1与所述排放气体感应管7的出口部的内径φ2的关系未作特别限定，但是，优选为φ2/φ1＜0.5左右。再则，为了更为有效地捕集粒状物质S，电极针4的前端与捕集板3的距离La、电极针4的前端与本体内壁的距离Lb的关系优选为La＜Lb。而且，为了使本体壁1-1的内壁尽可能避免受到热的影响，最好用陶瓷等的绝缘体11覆盖，而本发明装置中，所述本体壁1-1的内壁面也可以作为粒状物质S的捕集面，另外，后述的图15所示的捕集板71-1也可以张贴在本体壁1-1的内壁面上作为捕集面。
密封气管5的密封气体G2流出口的朝向，为了防止电极针4污损而朝向排放气体G1气流的下游。在密封气管5内流动的密封气体G2的流速Qs(图2)与在密封气管5外流动的排放气体G1的平均流速Qo之比(Qs/Qo)为0.15以上的话，可以防止排放气体G1卷入密封气管5内部。作为密封气体，使用空气等的具有绝缘性的气体。
另外，电极针4从密封气管5前端突出的长度L(图2)，考虑到电极针的污损，使其位于密封气管5内的密封气体气流的的射流等速区Pc内。实用上的突出长度L为20～70mm。对射流等速区Pc进行说明，密封气体(流体)从密封气管5喷出的话，成为在密封气管出口的流速和气体成分与喷嘴内部相同的均匀的圆锥形状的气流场。所述区域被称为射流等速区(ポテンシヤルコア)。所述射流等速区Pc的区域的长度通常为密封气管5的内径D的5倍。密封气管5的内径D选择成使得在该管出口处不会从电极针4向附着到管外周面上的PM产生火花那样的内径尺寸即可。如果是数万伏的电压的话，实用上的内径D为15～40mm左右即可。
再则，如果使电极针4在裸露状态下长时间电晕放电的话，电极针的前端部4-1与大气中的氮气反应而生成硝酸盐，放电特性会劣化，因而，为了实现长时间免维护，必须实施用来防止腐蚀的被覆。作为其被覆材料，适合使用具有电绝缘性和耐腐蚀性的材料，例如石英玻璃、氧化铝、陶瓷等。关于被覆的厚度，由于过于厚的话，被覆外表面部的电场强度为电晕放电开始电场强度Ec以下，因此，存在着依存于电极形状、施加在电极针上的直流电压、排放气体条件的适当的厚度，实用中，被覆的厚度为0.1～0.5mm左右就足够。另外，关于电极针的前端部以外的部分的膜厚没有特别的制约，厚一些也可以。
产生电晕放电的电极形状，只要是不平等电场即可，例如也可以是在棒状的电极前端带有小球或者电极短线的构造(未图示)。
另外，本发明装置中，作为使密封气管5出口处的密封气体的气流更为稳定化的机构，可采用图3、图4所示的对策。
即，图3所示的对策为，在密封气管5内配置了整流部件5-1，作为所述整流部件5-1，例如使用板状的部件或蜂窝状的部件等。所述整流部件5-1不必在密封气管5的整个长度上设置，也可以仅仅设置在密封气管5的弯曲部等气流方向产生变化的部分。在所述整流板5-1的作用下，使密封气管5出口处的密封气流更稳定，在密封气管5出口部形成非常稳定的射流等速区Pc。
另外，图4所示的对策为，通过在密封气管5的弯曲部设置向排放气体通路1的上游侧突出的装配用管部5-2，而谋求密封气管5内的气流稳定化。在此，作为使得密封气流稳定化的条件，实验结果判明，在密封气管5的内径为D的情况下，把密封气管5部的装配用管部5-2的长度L2与所述装配用管部5-2到前端部为止的长度L1分别设定成L1/D＞1.5、L2/D＞0.5即可。装配用管部5-2的内径di可以大于密封气管5的内径D也可以小于密封气管5的内径D。在所述装配用管部5-2的作用下，与设有所述整流板5-1的密封气管同样，在密封气管5出口处的密封气流稳定，在密封气管5出口部形成非常稳定的射流等速区Pc。而且，之所以通过在密封气管5上设置装配用管部5-2而使得密封气流稳定，可以考虑是由于通过使得密封气流弯曲而造成密封气管截面的压力变动衰减，产生了所谓的阻尼(バツフア一)效果。另外，设定成L1/D＞1.5、L2/D＞0.5的理由是，L1/D不足1.5的话，不能消除密封气流被弯曲的影响，另一方面，L2/D不足0.5的话，无法获得足够的阻尼效果。装配用管部5-2的上游侧端面不限于平板状，也可以是向上游侧鼓出的半圆状或椭圆状。
另一方面，发动机停止时密封气体的供给也停止，而密封气体停止的时间最好是在发动机停止后稍稍过一会再停止密封气体。如果密封气体与发动机同时停止的话，担心排放气体管或捕集装置中残留着的排放气体会侵入密封气管5内部而造成密封气管内部或电极针4污损。而且，把密封气管5在所述捕集装置本体中贯穿时的管的朝向，最好是从上部向下部进行贯穿。其理由是为了使排放气体结露生成的水滴向密封气管出口侧流出。
另外，本发明装置是配置在电极针4的下游侧的捕集板3配置成使得捕集面与排放气体气流垂直，使得电极针4的直流电压与该捕集板之间产生电场，由库仑力捕集在放电带电部2带电的PM8的形式的，示出了图5～图6所示的冲孔金属式样的捕集板3a、3b，和图7所示的狭缝式样的捕集板3c这三种。即，图5和图6所示的冲孔金属式样的捕集板3a、3b，是分别在一张板上设置了多个贯通孔3a-1、3b-1的构造，而且图6所示的捕集板3b是在贯通孔3b-1周围设置了突起凸缘(翻边壁)3b-2的构造。在设置突起凸缘3b-2的情况下，可以在气流中产生涡流或滞流，可以提高捕集带了电的PM8的效率。所述突起凸缘3b-2的高度h在实用上为0.1～5mm左右即可。另外，图7所示的狭缝式样的捕集板3c，是在一张板部件上设置多张狭缝3c-1，而且，在背面(PM附着面的里侧)张贴用来防止捕集板加热时的热量流失的陶瓷等绝热材料3c-2，或者涂布绝热涂料等的构造。狭缝式样的捕集板3c也可以用多张短册状的板部件构成。
在图5、图6所示冲孔金属式样的捕集板3a、3b的情况下，当贯通孔3a-1的开孔面积为S，孔数为N时，开口部的总面积为NS，设捕集部的实际的正面面积为SO的话，可以把开孔率定义为开口部总面积NS/捕集部实际正面面积SO。另外，在狭缝式样的捕集板3c的情况下，也与冲孔金属式样的捕集板3a的情况同样，开孔率可以定义为开口部总面积NS/捕集部实际正面面积SO。而且，开孔金属式样的捕集板和狭缝式样的捕集板的上述开孔率都是3～20％。其理由是，开孔率不足3％时PM8的捕集量高但压力损失变大，而超过20％的话不能得到足够的PM8的捕集量。
另外，流过捕集部的排放气体G1的平均流速，从捕集效率的观点出发流速慢较好，而实用上最好是使得捕集部的实际正面面积SO为排放气体处理装置前面的排放气体导入管的横截面积的1.5倍以上，而且横截面积最好是使得流过捕集部的排放气体G1的平均流速为20m/sec以下。
对所述捕集板3a、3b、3c的材质不作特别限定，可使用耐热·耐腐蚀性优异的铁素体系不锈钢钢板、奥氏体系不锈钢钢板、作为高合金发热体材料的镍铬等的金属板。另外，在捕集板上也可以覆盖蚀洗用涂层(ウオツシュコ一ト并载以触媒。
捕集板3的正面形状只要是能使排放气体不受阻力进行流动的形状即可，无特别限定，然而可确定为圆形、四边形、其他的形状或者与本体部的截面形状等相吻合的形状。
在图1所示的装置中，如果从外部的高压电源装置6向电极针4施加数万伏特的直流高压的话，在电极针前端产生电晕放电现象而释放出电晕电子10。流过放电带电部2的空间的排放气体G1中的PM8因电晕电子10而带电。施加到电极针4上的直流电压设定成使得电极前端附近的电场强度在电晕开始电场强度以上。直流电压的设定值因排放气体的条件(流速、PM含量、温度等)而不同，但是实用中为20～70Kv左右就足够。
下面，根据图8、图9说明本发明的第二实施例装置，所述装置的捕集部23为多层板结构，该结构由安装在电极板保持棒23-1上的多张电极板23-2和与该电极板23-2交互配设着的接了地的(未图示)捕集板23-3构成，电极板23-2与捕集板23-3形成为电绝缘结构，而且各个板面与排放气体气流平行配置。所述多层板结构的捕集部，是使得在从高压电源装置26通过电极板保持棒23-1施加了偏转电压的电极板23-2和捕集板23-3之间产生电场，借助电晕力把带了电的PM8捕集到捕集板23-3上的方式的。该方式中，电极板23-2和捕集板23-3的间隙H越狭窄越能提高捕集效率，然而实用中最好为1～10mm左右。偏转电压被设定成依存于电极板23-2和捕集板23-3的间隙L或排放气体气氛等的电火花电压以下的电压。电极板23-2和捕集板23-3之间的电场强度(偏转电压/间隙L)，实用上为250～1000Kv/m左右即可，因此偏转电压为0.8～5Kv左右即可。
电极板保持棒23-1的绝缘，基本上与所述电极针4的绝缘的情况相同，由具有电绝缘性和耐腐蚀性的石英玻璃、氧化铝、陶瓷等被覆。向电极板23-2的电压供给，是从高压电源装置26经由电线和电极板保持棒23-1进行的，而电极板保持棒23-1对排放气体处理装置的本体壁1-1的固定部处的电绝缘很重要。所述本体壁1-1的固定部处的电极板保持棒23-1配置在氧化铝、陶瓷等电绝缘体制成的保持棒密封管9中，流过空气等的具有绝缘性的密封气体G2。在保持棒密封管9内流动的密封气体G2的流速Qs与该保持棒密封管9外的排放气体G1的平均流速Qo之比(Qs/Qo)为0.15以上，防止排放气体G1卷入到保持棒密封管9内部。而且，保持棒密封管9的内面与电极板保持棒23-1之间的间隙(间隔)C，选择为在附着在该保持棒密封管9的本体壁开口部附近的PM上不产生电火花那样的内径尺寸即可，在偏转电压为数千伏特的电压的情况下实用上最好为3～10mm左右。
上述图8、图9所示的第二实施例装置中的多层板结构的捕集部的横截面积，由流过该捕集部的排放气体G1的平均流速Qo设定。流过该捕集部的排放气体G1的平均流速Qo，从捕集效率的观点出发越慢越好，但是实用中，横截面积优选为排放气体处理装置前面的排放气体导入管的横截面积的1.5倍以上、而且是使得流过捕集部的排放气体G1的平均流速Qo为20m/sec以下的横截面积。
另外，上述第二实施例装置的电极板23-2和捕集板23-3的材质也与上述捕集板3a、3b、3c同样，使用耐热·耐腐蚀性优异的铁素体系不锈钢钢板、奥氏体系不锈钢钢板、作为高合金发热体材料的镍铬等的金属板，在捕集板23-3上最好覆盖蚀洗用涂层并载以触媒。
图10所示的是具有多层板结构的捕集部33的第三实施例装置，捕集排放气体G1中的PM8的捕集板33-1为是多层状，实际上与排放气体气流平行地配置而构成捕集部，因而，捕集板33-1的板面实际上为平面状，捕集部整体与本体壁1-1接合，是没有施加电压的电极板，因而捕集部整体上通过本体壁接地。所述形式的捕集PM的机构，由放电带电部2带电成相同极性的PM彼此作用排斥力，因而各个带了电的PM8向捕集板33-1的方向移动而被捕集。另外，由于没有施加电压的电极板，在各捕集板33-1之间不产生电火花，因而捕集板33之间的间隙Lc可以形成得狭窄，加大总捕集面积。而且，捕集板33-1之间的间隙Lc实用中为0.5～5mm左右。但是，这种形式的捕集部，由于图8所示的形式那样的电极板与捕集板之间没有电场，所以单位面积的捕集效率变得低，但可以通过增加总捕集面积而得到弥补。
所述第三实施例装置中的捕集板33，如果装置容积相同、捕集面积与所述图8所示第二实施例装置的电极板23-2和捕集板23-3构成的多层板结构的捕集部相比较大而形成蜂窝构造的话，从捕集效率的方面考虑是有利的。在所述捕集板33-1构成的捕集部流动的排放气体G1的平均流速Qo也和上述第二实施例装置相同，实用上最好为排放气体处理装置前面的排放气体导入管的横截面积的1.5倍以上，而且横截面积最好是使得流过捕集部的排放气体G1的平均流速Qo为20m/sec以下。
另外，上述第三实施例装置的捕集板33-1的材质也和上述的相同，可使用耐腐蚀性优异的铁素体系不锈钢钢板、奥氏体系不锈钢钢板等的金属板。进而，在捕集板33-1上也可以覆盖蚀洗用涂层并载以触媒。
上述的本发明各排放气体处理装置中，带了电的PM8一旦被捕集到捕集板上，就不会因重力或气流的流体力作用而脱落。这是微粒附着的特点，粒径30微米以下的颗粒，因吹风(フアン)·得鲁(デル)·涡旋力(ワ一ルスカ)而产生的附着力大于重力，其比率与被称为对人体有害的2.5微米以下相比非常大(100倍以上)，在行驶中不会因振动等而使得捕集了的PM8脱落。
另外，各个排放气体处理装置的捕集部，由于构成为压损非常小的构造，所以，即使PM8堆积在捕集板上也几乎不会产生伴随压损而出现的问题。因此，在通常的运行状态下，只要高速运行或高负荷运行等产生的排放气体温度高的话，PM8就自然被氧化除去。但是，当在城市街道等处长时间持续交通堵塞时PM8不能自然被氧化除去的情况下，可以通过对捕集板上堆积着的PM8进行电加热而强制地将其氧化除去。
图11是表示本发明的第一实施例装置中的捕集板的PM氧化除去机构的一例的图，作为捕集板3的材料，采用耐热·耐腐蚀性优异的铁素体系不锈钢、奥氏体系不锈钢、作为高合金发热体材料的镍铬等的薄板，把该捕集板3当作加热器使用。其手段，可以采用：在捕集板3的保持棒3-1的端部设置切换开关40，在将该捕集板3进行电加热的情况下，与加热电源装置41侧的端子40a接通，在捕集PM的情况下，与接地侧的端子40b接通的方式。由于用于所述电加热的所需电力较小，为1～4KW，所以，可以将车载电瓶等用作加热电源。被捕集到捕集板3上的PM8在550℃左右的温度下不产生火焰而被氧化去除。为了避免不必要的温度上升，最好在该捕集板3上设置热电堆等的温度测量仪器(未图示)，控制电加热时的温度。
下面，根据图12、图13说明本发明装置与触媒组合的实施例。在此，作为本发明装置以采用图1所示第一实施例装置的场合为例进行说明。
柴油发动机的排放气体中的有害成分分为煤(PM)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOX)四种。因柴油发动机的性能或运行条件而异，有时仅仅去除PM是不够的，在此情况下，虽然仅仅由本发明的排放气体用电气式处理装置就可达到排放气体净化的目的，但是，如果将本发明的排放气体用电气式处理装置与各触媒加以组合的话可以更有效地去除排放气体中的所述PM以外的有害成分。
图12所示的本发明装置与触媒组合的例子为，在本发明的排放气体用电气式处理装置51的上游侧(前段)例如设置氧化触媒转换器52，由所述氧化触媒主要将碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)氧化而净化为水(H2O)和二氧化碳(CO2)，另外，在借助电加热而进行氧化去除以至高速运行等的排放气体温度变成高温时，把捕集到排放气体用电气式处理装置51的捕集板3上的PM8氧化去除。在此情况下，氮氧化物(NOX)在通过净化装置之后也没有大的变化。
作为本发明的排放气体用电气式处理装置的捕集部，在替代单层板结构而采用所述多层板结构的捕集部的情况下，排放气体与捕集板的接触表面积比单层板结构的捕集部大，因而，有利于载持触媒，可以在捕集板上载持氧化触媒、三元触媒中的至少一种。作为氧化触媒、三元触媒，使用白金(Pt)、钯(Pb)、铑(Rh)或它们的组合中的至少一种。另外，为了提高触媒性能，最好添加铈(Ce)氧化物等的辅助触媒。
图13所示的组合例子，是在本发明的排放气体用电气式处理装置51的下游侧(后段)设置NOX还原触媒转换器53和氧化触媒转换器52或三元触媒转换器(未图示)而构成的，进而在排放气体用电气式处理装置51的上游侧配置与NOX还原触媒转换器53的NOX还原触媒的种类对应的NOX还原剂的添加装置54，可以由该添加装置54在排放气体中适当添加作为NOX还原剂的燃料或其它碳氢化合物、尿素水。
在上述结构的组合例子的情况下，捕集到排放气体用电气式处理装置51的捕集板3上的PM8，借助电加热而进行氧化去除以至在高速运行等的排放气体温度变成高温时被氧化去除，而且，NOX被NOX还原触媒转换器53的NOX还原触媒还原净化成N2和O2，进而，由氧化触媒转换器52的氧化触媒主要把HC和CO氧化而净化成H2O和CO2，将排放气体中的全部有害成分去除。
作为NOX还原触媒，使用Cu-SAPO-34(硅铝磷酸盐(シリコンアルミノホスフエ一ト))、Cu-ZMS-5(铜离子交换沸石)等。而且，作为NOX触媒，可以使用公知的把尿素水作为还原剂的NOX还原触媒或NOX吸藏还原触媒。
根据上述本发明的第一～第三实施例装置，可以在捕集板上有效捕集柴油发动机的排放气体中的PM，而因柴油发动机的燃烧条件有时会成为电阻率ρ变低的情况，在该情况下，有时会产生上述捕集板不足以应对的情况。为此本发明在所述排放气体用电气式处理装置的后段附设了旋风集尘器。
柴油发动机的排放气体因运行条件等而使得PM的电阻率ρ大幅变动，有电阻率ρ高的PM，也有电阻率ρ低的PM。一般有在高速运行时的高温燃烧时电阻率ρ变大、而且低温燃烧中电阻率ρ变小的倾向。因此，作为将柴油发动机排放气体中包含的PM除去的手段，要具备不仅能捕集电阻率ρ高的PM、而且也能高效率捕集电阻率ρ低的PM的性能。在此，本发明通过在所述排放气体用电气式处理装置的后段附设旋风集尘器，可以提供在电阻率ρ高的情况下和低的情况下都可以充分应对的柴油发动机排放气体电气式处理装置。
图14所示的第四实施例装置，举例示出了对于电阻率ρ高的情况和低的情况都可以充分应对的柴油发动机排放气体用电气式处理装置，是在实际上与所述构成相同的排放气体用电气式处理装置61的后段配置旋风集尘器62而构成的。
在此，所述排放气体用电气式处理装置61上的捕集板71-1，如图15中放大表示的那样，由在捕集面上没有孔等的开口的一张板构成的底板71-1a，和在该底板71-1a的捕集面侧设置的格子状凸片71-1b构成，而且，该捕集板71-1在与排放气体用电气式处理装置61的本体壁61-1的内壁之间配置适当间隔，从而形成用来使排放气体流通的间隙61-2。所述间隙61-2的大小本质上不影响集尘效率，所以，只要考虑压力损失进行决定即可。之所以在该捕集板71-1上设置了格子状凸片71-1b，是因为，通过在气流中产生滞流效果，而在底板71-1a上高效捕集带电PM。
作为所述捕集板71-1的底板71-1a和格子状凸片71-1b的材质，底板71-1a由于要接地，所以当然是使用金属等的导体材质，格子状凸片71-1b考虑到PM的捕集效率以及突变凝集(在底板上反复进行附着飞散的过程中颗粒彼此冲撞而造成凝集粗大化的现象)的效率的话，最好使用陶瓷等的绝缘体。即，这是由于在该格子状凸片71-1b为金属制的情况下，电力线集中到电极针4的前端附近的格子状凸片71-1b的前端，所以，带了电的PM朝向格子状凸片71-1b的前端流动，该部位气流流动快所以PM难以到达底板71-1a，容易不被捕集到而向后方散逸流出，所以，底板71-1a处的捕集效率变差，而且突变凝集的效率也变差。
在排放气体用电气式处理装置61的本体内，也可以分别在上游侧设置用来促进排放气体的流动和带电的带有导向孔的板61-3、在捕集板71-1和捕集板71-1之间设置用来促进PM的流动和捕集的带有导向孔的板61-3和以赋予电场为目的的电场板61-4。在此情况下，从高压电源装置(未图示)向电场板61-4上供给高压，捕集板71-1接地。
在上述图14、图15所示的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置的情况下，带电PM被捕集到由底板71-1a和格子状凸片71-1b构成的捕集板71-1上，此时到达底板71-1a的带电PM中的电阻率ρ高的PM在该状态下被捕集堆积到底板71-1a上，另一方面，电阻率ρ低的PM在所述突变凝集现象作用下变得粗大化而被捕集到底板71-1a上。捕集到底板71-1a上的PM，如果之后的堆积量增加而超过某个界限量的话，就自然地层状脱落，所述脱落了的粗大颗粒的PM被配置在所述排放气体用电气式处理装置61的后段的旋风集成器62捕集。被旋风集尘器62捕集的PM可以定期取出进行回收，也可以在该旋风集尘器中涉及加热器等，在运行中或停机的时候进行燃烧。
作为设置在排放气体用电气式处理装置61的后段而且是在旋风集尘器62的前段的颗粒凝集粗大化机构，在图16中示出的蜂窝构造的颗粒凝集管80，是利用了气流的速度梯度产生的凝集作用的部件，使排放气体通过所述蜂窝构造的颗粒凝集管80内的话，利用此时产生的边界层的速度梯度有效地进行冲撞凝集。另外，图17所示的颗粒凝集板90是利用紊流产生的凝集作用的部件，把多张(在此为3张)冲孔金属90-1隔开所期望的间隔进行配置，使排放气体通过这3张冲孔金属90-1构成的颗粒凝集板90的话，产生强紊流而有效地进行冲撞凝集。作为由紊流引起凝集作用的方法，也可以替代所述冲孔金属，改而采用把金属网或者金属细线以三维方式绑束成的部件等。
本发明中，通过使用上述的蜂窝构造的颗粒凝集管80或者颗粒凝集板90等的颗粒凝集粗大化机构，可以使得排放气体用电气式处理装置61排出的PM颗粒成长为更大的颗粒，所以，可由后段的旋风集尘器62高效地进行捕集。
另一方面，作为将本发明的排放气体用电气式处理装置的捕集板3、3a、3b、3c、23-3、33-1、71-1再生的方法，可以采用这样的方法，即，如图18中所示的其一个实施例那样，在排放气体用电气式处理装置51、61的上游侧和下游侧之间布置没有排放气体用电气式处理装置的歧管管路55，使用设置在上游侧的排放气体管路中的切换阀V对排放气体的气流进行控制，进行PM捕集和再生。即，在通过排放气体用电气式处理装置51、61进行PM8的捕集的情况下，在切换阀V上使用A路径，在进行捕集板再生的情况下，借助切换阀V使用歧管管路55的B路径。由于在B路径的歧管管路55上没有排放气体用电气式处理装置，所以，使用该路径时PM不被捕集而被排出，但是，由于捕集板再生时间较短，为1～2分钟左右，所以，几乎不会造成大气污染等的实际危害。
另外，在图18所示再生方式之外，虽然未图示，但是还存在例如在所述B路径的歧管管路55上也设置排放气体用电气式处理装置51而交互进行捕集和再生的方式，或者串联设置两台排放气体用电气式处理装置51而交互进行捕集和再生的方式等，其中串联设置两台排放气体用电气式处理装置51的方式，不仅提高了PM8的捕集效率，而且，当一个排放气体用电气式处理装置发生故障的时候可以由另一台装置进行捕集，所以，对于防止大气污染更为安全。
工业可利用性
本发明的柴油发动机排放气体用电气式处理装置，可以可靠地捕集排放气体中的PM而且进行氧化去除，可以通过在该装置上组合各种触媒技术有效去除PM之外的有害气体成分，进而，通过组合旋风集尘器或颗粒凝集粗大化机构可以更为有效地捕集PM颗粒，因而，不仅适用于柴油发动机、而且尤其可适用于直喷式汽油发动机的排放气体或含有有害成分的各种排放气体的净化处理，在防止大气污染公害方面可寄与厚望。

Claims (23)

1.一种柴油发动机的排放气体用电气式处理方法，其特征在于，在排放气体通路的上游侧设置由电晕放电部和带电部构成的放电带电部，使电晕放电电子在排放气体中的以碳为主体的粒状物质上带电，由配置在同一排放气体通路上的捕集部捕集所述带了电的粒状物质。
2.一种柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在排放气体通路的上游侧设有由电晕放电部和带电部构成的放电带电部，所述放电带电部使电晕放电电子在排放气体中的以碳为主体的粒状物质上带电；在同一排放气体通路上配置了捕集所述带了电的粒状物质的捕集部。
3.如权利要求2所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述电晕放电部的电极针的放电侧前端朝向排放气体气流的下游侧配置，使电晕电子朝下游侧放电。
4.如权利要求3所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述电极针插通配置在绝缘体制成的密封气管内。
5.如权利要求4所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述密封气管是氧化铝陶瓷制的。
6.如权利要求4或5所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述电极针从密封气管端突出的突出部位于密封气管内的气流的射流等速区内。
7.如权利要求4～6中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述电极针被具有电绝缘性和耐腐蚀性的材料被覆。
8.如权利要求7所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述电极针的被覆材料中使用了石英玻璃、氧化铝或陶瓷。
9.如权利要求2～8中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述捕集部为单层板结构或多层板结构。
10.如权利要求2～8中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述捕集部由冲孔金属式的捕集板或狭缝形式的捕集板构成，而且，以开孔部总面积/捕集部实际正面面积定义的开孔率为3～20％。
11.如权利要求2～8中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述捕集部由在捕集面上没有开口的一张板构成的底板，和设置在该底板的捕集面侧的格子状的凸片构成。
12.如权利要求9所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述单层板结构或多层板结构的捕集部固定部上的电极板保持棒被配置在绝缘体制成的密封管内。
13.如权利要求4～12中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在整个所述密封气管内或在所述密封气管的一部分内配设了整流部件。
14.如权利要求13所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述整流部件上使用板状部件或蜂窝状部件。
15.如权利要求4～13中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述密封气管的与电极针前端侧相反侧的管壁上设有与排放气体气流方向平行的装配用管部。
16.如权利要求15所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，具有所述装配用管部的密封气管在以密封气管的内径为D、密封气管部的装配用管部的长度为L1、该装配用管部到前端部为止的长度为L2的情况下，满足L1/D＞1.5、L2/D＞0.5的条件。
17.如权利要求4～16中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述排放气体用电气式处理装置与触媒组合使用。
18.如权利要求2～17中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述排放气体用电气式处理装置的后段附设了旋风集尘器。
19.如权利要求18所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述排放气体用电气式处理装置的所述捕集部通过配置一张以至多张捕集板使得所述捕集板与所述装置本体内壁之间形成间隙而构成，所述捕集板由在捕集面上没有开口的一张板构成的底板和设置在该底板的捕集面侧的格子状的凸片构成。
20.如权利要求18或19所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，在所述排放气体用电气式处理装置的后段、所述旋风集尘器的前段，配设有颗粒凝集粗大化机构。
21.如权利要求19或20所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述颗粒凝集粗大化机构，采用蜂窝构造的颗粒凝集管、或将多张冲孔金属或金属网间隔配置而构成的颗粒凝集板。
22.如权利要求2～21中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，所述排放气体用电气式处理装置的该装置本体内壁，也被当作所述颗粒状物质的捕集面或捕集部。
23.如权利要求2～22中的任一项所述的柴油发动机的排放气体用电气式处理装置，其特征在于，作为所述排放气体用电气式处理装置的捕集板的再生方式，采用：在该装置的上游侧和下游侧之间配设排放气体的歧管管路，在由气体切换阀使排放气体流过所述气管管路期间进行捕集板的再生的方式。
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