JP2005337042A

JP2005337042A - ディーゼルエンジン用の排ガス浄化マフラー

Info

Publication number: JP2005337042A
Application number: JP2004154132A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shimoyama; 剛下山
Original assignee: DEEMU KK
Current assignee: DEEMU KK
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】可燃物が燃焼除去されると共に窒素酸化物が分解除去されるディーゼルエンジン用の排ガス浄化マフラーを提供する。
【解決手段】直列に接続される第１、２の浄化マフラー（１、３０）から構成する。第１のマフラー（１）は、分解燃焼ユニット（２０）からなる。分解燃焼ユニット（２０）は、無機質繊維の不織布状の素材をドーナツ状に成形されたものに、ゲーサイトあるいはヘマタイトを付着、担持させたドーナツ状無機繊維質担持体（２２、２２、…）から構成されている。第２の浄化マフラーは、窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボール（３９）から構成され、このセラミックボール（３９）が網状の容器（３８）に収納されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン用の排ガス浄化マフラーに関し、さらに具体的にはディーゼルエンジンから排出される排ガス中の固体炭素粒子等の可燃物を燃焼する排ガス浄化マフラー、窒素酸化物を分解する排ガス浄化マフラーおよび可燃物を燃焼すると共に窒素酸化物を分解する排ガス浄化マフラーに関するものである。

周知のように、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、固体炭素粒子、窒素酸化物等が含まれ、これらは大気汚染の原因の一つとなっている。特に、固体炭素の微粒子は、黒煙となって大気中へ排出され、環境汚染の元凶となっている。また、窒素酸化物は、光化学スモックの原因にもなっている。そこで、これらの汚染物質を除去する排ガス浄化装置が、従来から色々提案されている。例えば、固体炭素粒子をマフラー内で燃焼させ、二酸化炭素として排出する浄化方式も提案されている。
また、特許文献１により、サイクロン型の黒煙除去マフラーも提案されている。この黒煙除去マフラーは、筐体に流入する排気ガスを円周方向に旋回させ、その遠心力で固体炭素粒子を円周方向に偏られて分離し、固体炭素粒子が分離された浄化ガスを中心部から筐体外へ排出するようになっている。また、筐体の下流側の円周部には遠心力により分離された固体炭素粒子を捕捉するフイルタが設けられている。

特開平９−１７７５４１号公報

前記した従来の黒煙除去マフラーによると、固体炭素粒子はマフラー内で燃焼するので、黒煙の大気中への放出はなくなるという利点は得られる。しかしながら、他の大気汚染の原因になる窒素酸化物が排出するという欠点がある。すなわち、固体炭素粒子が黒煙除去マフラー内で燃焼するときは、高温になるので空気中の窒素とディーゼルエンジンから排出される大量の酸素とが化学反応を起こして、窒素酸化物となるからである。このような窒素酸化物も、固定式の大型ディーゼルエンジンに対しては排気管中にアンモニア液等を噴霧して補足することはできるが、アンモニア液は再利用できる循環式にはなっていないので、規模が大きくなる。その結果、車両用のディーゼルエンジン、小型発電用のディーゼルエンジン等には適用できない。
特許文献１に記載の発明によると、固体炭素粒子はある程度除去できると認められ、車両搭載用のマフラーとしてそれなりの効果は認められる。しかしながら、フイルタに詰まった固体炭素粒子は、フイルタに設けられているヒータに通電して燃焼させることにより除去するようになっているので、その除去操作に煩わしさがあり、実用上多少の問題がある。
本発明は、前記したような事情に鑑みてなされたもので、固体炭素粒子等の可燃物が燃焼除去されるディーゼルエンジン用の排ガス浄化マフラーを提供することを目的としている。また、他の発明は、有害な窒素酸化物が分解される排ガス浄化マフラーを提供することを、そしてさらに他の発明は、固体炭素粒子等の可燃物と窒素酸化物とが共に除去されるディーゼルエンジン用の排ガス浄化マフラーを提供することを目的としている。

本発明は、前記目的を達成するために、固体炭素粒子、炭化水素等の可燃物を燃焼させるためにゲーサイトあるいはヘマタイトからなる燃焼触媒が適用される。このような燃焼触媒は、セラミック繊維、シリカ繊維等の無機質繊維をニット織りした素材、あるいは三次元的に交錯された不織布状の素材をドーナツ状に成形されたものに、付着あるいは担持される。燃焼触媒が担持されたドーナツ状無機繊維質担持体が、ネット状の筒状体に詰め込まれ分解燃焼ユニットが構成される。また、他の発明は、前記目的を達成するために、窒素酸化物を吸着あるいは無害の窒素酸化物と水とに分解する窒素分解触媒と窒素吸着材とが適用される。

かくして、請求項１に記載の発明は、前記目的を達成するために、一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている筐体と、この筐体内に軸方向に配置されている分解燃焼ユニットからなる浄化マフラーであって、前記分解燃焼ユニットは、その上流側は開口し下流端部は底板で閉鎖された金属製のネット状の筒状体と、無機質繊維が三次元的に交錯されて不織布状に形成され、そしてゲーサイトまたはヘマタイトが付着あるいは担持されているドーナツ状の無機繊維質担持体とからなり、前記ネット状の筒状体には、その底板から開口部まで前記ドーナツ状の無機繊維質担持体が詰め込まれている。請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の浄化マフラーにおいて、ネット状の筒状体の底板および開口部からは軸方向に所定長さの位置決め用の突起が設けられ、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の浄化マフラーにおいて、筐体の外周部が保温材で覆われている。
請求項４に記載の発明は、一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている箱体を備え、該箱体内には窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒を担持させたセラミックボールが収納されている。請求項５に記載の発明は、一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている箱体と、該箱体内のネット状の容器に収納されている窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒を担持させたセラミックボールとからなり、前記箱体内には、排ガス短絡防止用の邪魔板が設けられ、排ガスは前記ネット状の容器に収納されている前記セラミックボール中を流れるように構成されている。そして請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の浄化マフラーと、請求項４または５に記載の浄化マフラーとが直列に接続されている。

以上のように、請求項１に記載の発明によると、ドーナツ状の無機繊維質担持体にはゲーサイトまたはヘマタイトが担持され、そしてネット状の筒状体に詰め込まれて、分解燃焼ユニットが構成され、このように構成されている分解燃焼ユニットが筐体内に設けられているので、排ガス中の一酸化炭素は燃焼され、無害の二酸化炭素ガスになる。また、油分の炭化水素は固体炭素粒子の表面に付着した状態でドーナツ状の無機繊維質担持体内に流入し、そしてその無機質繊維の表面、隙間等に付着して堆積する。堆積すると、ドーナツ状の無機繊維質担持体の内部の圧力は上昇し、また内部の温度は排ガスにより高温になっているので、圧力と温度との相乗作用により、炭化水素が引火する。そして、炭化水素と固体炭素粒子は、瞬時に燃焼する。これにより、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の可燃物は燃焼され、無害ガスになるという本発明に特有の効果が得られる。
また、他の発明によると、箱体内には窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボールが収納されているので、酸化窒素は窒素ガスと水とに分解され窒素ガスが吸着される。
請求項１〜３のいずれかの項に記載の浄化マフラーと、請求項４または５に記載の浄化マフラーとが直列に接続されている発明によると、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる有害の可燃物も窒素酸化物も共に除去、浄化される効果が得られる。

以下、図１、２により、本発明の実施の形態を説明する。図１に示されている本実施の形態に係わる浄化マフラーは、図１において左側に位置している主として固体炭素粒子等の可燃物を分解燃焼するための第１の浄化マフラー１と、その右側に位置している主として窒素酸化物を分解除去するための第２の浄化マフラー３０とからなっている。そして、これらの第１、２の浄化マフラー１、３０は、単独で使用することもできるが、通常は直列に接続されて使用されるようになっている。

固体炭素粒子分解燃焼用の第１の浄化マフラー１は、所定径の筐体２と、この筐体２内に設けられている複数個の固体炭素粒子分解燃焼用ユニット２０、２０、…からなっている。筐体２は、全体として筒状を呈し、その上流側の開口部には第１の側板３が着脱自在に、そして下流側の開口部には同様に着脱自在に第２の側板７が取り付けられている。この第１の側板３の略中心部にはフランジ５付きの排ガス供給管６が、第２の側板７には同様にフランジ８付きの排ガス排出管９が設けられている。また、筐体２の外周部には保温材１０が設けられている。これにより、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの温度は１５０〜２０、２０、…０℃に保たれ、排ガス中の化学物質の酸化反応が維持される。このように構成されている筐体２の内部に、第１の側板３と所定の間隔をおいて板状の第１の取付部材１１が、そして第２の側板７と所定の間隔をおいて同様に板状を呈する第２の取付部材１４が取り外し自在に取り付けられている。第１の側板３と第１の取付部材１１の間は、排ガス分配室１２となり、第２の側板７と第２の取付部材１４の間は、排ガス集合室１５となっている。第１の取付部材１１には、詳しくは後述する分解燃焼ユニット２０、２０、…に対応して該分解燃焼ユニット２０、２０、…と略同径の排ガス通過用の透孔１３、１３、…が開けられている。この第１の取付部材１１には、分解燃焼ユニット２０、２０、…の位置決め用の複数本の突起が挿入される複数個の透孔も開けられているが、これらの透孔は図１には示されていない。第２の取付部材１４は、分解燃焼ユニット２０、２０、…に対応した部分以外は開口されている。これらの開口１６、１６…を通って浄化された排ガスが排ガス集合室１５へ流れることになる。また、第２の取付部材１４には、分解燃焼ユニット２０、２０、…の位置決め用の突起が挿入される比較的大径の透孔１７、１７、…が開けられている。

分解燃焼ユニット２０は、図２の（イ）に拡大して示されているように、ネット状の筒状体２１’と、このネット状の筒状体２１’に詰め込まれている複数個のドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…とからなっている。ネット状の筒状体２１’は、金属製の針金、望ましくは不錆鋼製の針金あるいは細い棒状部材２１、２１、…からネット状に形成されている。そして、その上流側の開口部には、ドーナツ状の蓋体２５が取り付けられるようになっている。この蓋体２５には、第１の取付部材１１の透孔に挿入される位置決め用の複数本の突起２６、２６、…が設けられている。これに対し、下流端部は底板２７で閉鎖されている。そして、この底板２７には第２の取付部材１４の透孔１７に挿入される位置決め用の１個の突起２８が設けられている。

ドーナツ状の無機繊維質担持体２２は、図２の（ロ）に示されているように、例えばシリカ繊維、セラミック繊維等の無機質繊維がニット織りされた素材から、あるいは三次元的に交錯された不織布状の素材から、内部に所定径の透孔２３を有し、この透孔２３から半径外方に所定の長さ、すなわち肉厚Ｔを有するように全体としてドーナツ状に形成されている。このように構成されているドーナツ状の無機繊維質担持体２２は、燃焼触媒処理がなされる。すなわち、ゲーサイト（−ＦｅＯＯＨ）あるいはゲーサイトの脱水反応により得られるヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を水に溶かした溶液に浸漬し、引き上げ乾燥処理される。これにより、無機質繊維の不織布状の素材の表面、無機質繊維の隙間等にゲーサイトまたはヘマタイトが付着あるいは担持されたドーナツ状の無機繊維質担持体２２が得られる。このように構成されているドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…をネット状の筒状体２１’の内部に底板２７の方から順次詰め込む。そして、蓋体２５を取り付ける。このようにして得られる分解燃焼ユニット２０が、図２の（イ）示されている。

前記のように構成されている分解燃焼ユニット２０、２０、…を、例えば次のようにして筐体２内に取り付ける。すなわち、第２の取付部材１４の透孔１３に分解燃焼ユニット２０の底板２７の突起２８を挿入する。これにより、分解燃焼ユニット２０の一方の端部が第２の取付部材１４に位置決め取り付けられる。同様にして、必要な本数の分解燃焼ユニット２０、２０、…を取り付ける。次いで、第１の取付部材１１の透孔に分解燃焼ユニット２０の蓋体２５の複数本の突起２６、２６、…を挿入する。これにより、分解燃焼ユニット２０、２０、…の両端部が第１、２の取付部材１１、１４に保持される。第１、２の取付部材１１、１４を筐体２内に固定する。このようにして組み立てられた状態が、図１に示されている。

次に、前記固体炭素粒子除去用の第１の浄化マフラー１の作用について説明する。図１には示されていないが、ディーゼルエンジンの排気口に、筐体２をフランジ５を介して取り付ける。ディーゼルエンジンから排出される排ガスは、排ガス分配室１２から複数個の分解燃焼ユニット２０、２０、…内へ適宜供給される。排ガスは、一酸化炭素ＣＯ、炭化水素ＨＣ、固体炭素粒子、窒素酸化物ＮＯｘ等を含んでいる。一方、排ガスの温度は１５０〜２００℃であり、筐体２内も略同じ温度に保たれる。

分解燃焼ユニット２０のドーナツ状の無機繊維質担持体２２に担持されているゲーサイト（−ＦｅＯＯＨ）は、２２０℃程度の加温状態における脱水反応によりヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）すなわち酸化鉄に相転移し、そしてヘマタイトから３００℃程度でマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）へ変化する過程で酸素を放出する。この酸素により有機物は酸化すなわち燃焼する。また、マグネタイトは、酸素を吸着してヘマタイトへ戻る。ドーナツ状の無機繊維質担持体２２内では、前記のようなヘマタイトとマグネタイトの間にサイクルが形成され、排ガス中の一酸化炭素は、
ＣＯ＋Ｏ_２=ＣＯ_２により二酸化炭素ガスに酸化され、そして下流の排ガス集合室１５へと流れる。窒素酸化物ＮＯｘはドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…を通過して排ガス集合室１５へと流れる。

炭化水素ＨＣは油分であり、固体炭素粒子の表面に付着した状態でドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…内に流入し、そしてドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…の無機質繊維の表面、隙間等に付着して堆積する。堆積したドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…の内部の圧力は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの圧力により上昇する。そうすると、ドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…の内部は１５０〜２００℃のような高温になっているので、圧力との相乗作用により、炭化水素ＨＣが引火する。ドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…の内部は、酸素がリッチな状態になっているので、付着している炭化水素ＨＣと固体炭素粒子は、
２ＨＣ＋Ｏ_２＝Ｈ_２Ｃ＋ＣＯ_２
Ｃ＋Ｏ_２＝ＣＯ_２により、瞬時に燃焼し、炭化二水素と二酸化炭素になって排ガス集合室１５へと流れる。この燃焼により、ドーナツ状の無機繊維質担持体２２、２２、…は、付着以前の状態に戻る。以下、同様にして一酸化炭素、炭化水素、固体炭素粒子等は燃焼、浄化される。そして、排ガス集合室１５から酸化窒素と共に排ガス排出管９から外部へ排出される。

次に、再び図１に戻り第２の浄化マフラー３０の実施の形態を説明する。本実施の形態に係わる第２の浄化マフラー３０は、酸化窒素を窒素ガスと水とに分解し、外部は排出するもので、図１に示されているように、所定径の内箱３１と、この内箱３１よりも大径の外箱４１とからなっている。そして、内箱３１に窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボールが収納されている。内箱３１の上流側は開口し、この開口部は供給管３２付きの蓋体３３で封鎖されている。また、下流側は絞られて、排気管３４となっている。このように構成されている内箱３１の内部には、排気ガスが短絡するのを防ぐための第１〜３の邪魔板３５〜３７が所定の間隔をおいて垂直方向に設けられている。さらに詳しくは、第１、３の邪魔板３５、３７は、底部から所定高さまで延在し、第２の邪魔板３６は上部から所定位置まで延在している。これにより、排気ガスは矢印で示されているように迂回して流れることになる。そして、これらの邪魔板３５、３７の間に網状の容器３８が取り付けら、この網状の容器３８内に窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボール３９が収納されている。尚、内箱３１と外箱４１との間は外気通路４２となり、その上流側の取入口４３から入った外気は、排気管３４の方へ導かれるようになっている。

窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボールが３９は、次のようにして製造する。すなわち、ゼオライトを含んだ粘土から５〜７ｍｍ径の造粒物を造り、その表面にロジウムＲｈとセリウムＣｅとマグネシウムＭｇと二酸化マンガンとからなる混合部を担持させ、そうして８００℃程度で焼成する。ロジウムの代わりにパラジウムＰｂを使用することもできる。

第２の浄化マフラー３０は、次のように作用する。すなわち、酸化セリウムＣｅＯ_３は窒素酸化物を安定的に吸着することが確認されている。また、二酸化マンガンは一酸化窒素ＮＯを酸化する効果が認められている。したがって、窒素酸化物を含んだ排ガスが、第２の浄化マフラー３０の内箱３１内に入り、そしてセラミックボール３９に接触すると、窒素酸化物は効率よく吸着される。また、この酸化セリウムと二酸化マンガンの混合物は、１５０℃のように比較的低温でも触媒効果を発揮する。一方、パラジウムは水素活性が高く、パラジウムにより活性された水素が酸化セリウムと二酸化マンガンの混合物上に放出され、酸化セリウムに吸着されていた窒素酸化物は窒素ガスＮ_２と水Ｈ_２Ｏとに分解される。そして、無害化された排気ガスは内箱３１から排気管３４を通して外部へ排出される。このとき、外気通路４２から導入された外気により希釈あるいは低温化されて外部へ排出される。

本発明は、前記実施の形態に限定されることなく色々変形が可能である。例えば、図１に示されている実施の形態では、分解燃焼ユニット２０は複数個設けられているが、大経にして１個でも実施できることは明らかである。また、ネット状の筒状体２１’が図示の実施の形態に限定されることなく、多角形でも実施できることも明らかである。さらには、第１、２の浄化マフラー１、３０の形状、構造等が図示の実施の形態に限定されることがないことも、また図１に示されている実施の形態では、第１、２の浄化マフラー１、３０の径は異なっているが、同じ径で実施できることも明らかである。さらには、保温材がなくても実施することができる。

以上のように、本実施の形態に係わる第１の浄化マフラー１は、固体炭素粒子、炭化水素等の可燃物を燃焼し、そして第２の浄化マフラー３０は窒素酸化物を吸着あるいは窒素ガスと水とに分解するので、これらを直列に接続すると、より完全にディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化あるいは無害化することができる。このとき、外気通路４２が確保されるように接続することにより、エジェクタ効果により外気が吸引され、内箱３１の温度が下がる。

本発明の実施の形態を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係わる分解燃焼ユニットを拡大して示す図で、その（イ）は、全体を示す斜視図、その（ロ）はその要素を示す斜視図である。

符号の説明

１第１の浄化マフラー２筐体
１０保温材２０分解燃焼ユニット
２１’ ネット状の筒状体２２ドーナツ状の無機繊維質担持体２６位置決め用の突起２８位置決め用の突起
３０第２の浄化マフラー３９窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒が担持されたセラミックボール

Claims

一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている筐体と、この筐体内に軸方向に配置されている分解燃焼ユニットからなる浄化マフラーであって、
前記分解燃焼ユニットは、その上流側は開口し下流端部は底板で閉鎖された金属製のネット状の筒状体と、無機質繊維が三次元的に交錯されて不織布状に形成され、そしてゲーサイトまたはヘマタイトが付着あるいは担持されているドーナツ状の無機繊維質担持体とからなり、
前記ネット状の筒状体には、その底板から開口部まで前記ドーナツ状の無機繊維質担持体が詰め込まれていることを特徴とするディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。
請求項１に記載の浄化マフラーにおいて、ネット状の筒状体の底板および開口部からは軸方向に所定長さの位置決め用の突起が設けられているディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。
請求項１または２に記載の浄化マフラーにおいて、筐体の外周部が保温材で覆われているディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。
一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている箱体を備え、該箱体内には窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒を担持させたセラミックボールが収納されていることを特徴とするディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。
一方の上流端部から入った排ガスが、その内部で浄化されて他方の下流端部から排出されるようになっている箱体と、該箱体内のネット状の容器に収納されている窒素酸化物吸着剤と窒素酸化物分解触媒を担持させたセラミックボールとからなり、
前記箱体内には、排ガス短絡防止用の邪魔板が設けられ、排ガスは前記ネット状の容器に収納されている前記セラミックボール中を流れるように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。
請求項１〜３のいずれかの項に記載の浄化マフラーと、請求項４または５に記載の浄化マフラーとが直列に接続されているディーゼルエンジン用排ガス浄化マフラー。