JP2007247477A

JP2007247477A - 排ガス処理装置及び排ガス処理方法

Info

Publication number: JP2007247477A
Application number: JP2006070071A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Noda; 了誠野田; Nobuyasu Kondo; 伸泰近藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】装置自体の小型化を図りながら排ガスを加熱して未燃焼炭素やダストを低減する。狭小の取付けスペースであっても、効率的に取付けることができる。
【解決手段】排ガス処理装置に取付けられる加熱手段を、排ガスを流通可能な磁性体と、磁性体にマイクロ波を出力するマイクロ波用アンテナと、金属製容器体外に設けられてマイクロ波用アンテナに接続され、マイクロ波発振半導体素子及びマイクロ波増幅回路と~構成されてマイクロ波を所要の出力で発振するマイクロ波発振手段とから構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の車輌、ディーゼルエンジン、各種ボイラ、焼却設備等から排出される排ガスの排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関する。

車輌、ディーゼルエンジン、各種ボイラ、焼却設備等から排出される排ガス中には、排ガス温度が低い場合には、不完全燃焼の窒素酸化物NOxや硫黄酸化物SOx等のガス状汚染物質や、未燃焼炭素やダスト（煤）等の粒子状汚染物質（以下、これらを総称して汚染物質と称する。）が含まれ、これらの物質を分解または除去する技術が多く提案されている。特に、車輌等のエンジン（ディーゼルエンジンを含む。）にあっては、エンジンが暖まった状態での通常運転時には排ガス温度が約５００〜７００℃になり、排ガス中の汚染物質が燃焼されて低レベルになっている。

しかし、エンジン始動後にエンジンが暖まるまでの間や、走行停止時のアイドル運転時には、エンジンからの排ガス温度が上記温度より低くなって排ガス中に汚染物質を完全に燃焼させることが困難になる問題を有している。

従来、上記した問題を解決するため、例えば特許文献１に示すように、排ガスを再加熱して上記した所要の温度以上にして汚染物質を燃焼させるために電気ヒータ等の加熱部材を内蔵した排ガス加熱装置を取付けている。しかし、排ガス加熱装置にあっては、排ガスが短時間に上記した温度になるように加熱するには、大容量の電力を電気ヒータに供給する必要があるが、車載バッテリーでは、大電力を電気ヒータに供給するのに限界があった。また、装置自体が大型化することが避けられず、多くの取付けスペースを必要とするが、特に車両にあっては、広い取付けスペースを確保することが困難である問題を有している。
特開２００３−２５１１４９

解決しようとする問題点は、排ガスを加熱して汚染物質を短時間に燃焼するには、大型の電気ヒータを使用すると共に印加される電力を大容量化する必要がある点にある。また、大型の電気ヒータを必要とすることにより装置自体が大型化して狭小スペースに取付けることが困難な点にある。

本発明の請求項１は、排ガスの排気経路に設けられた金属製容器体内に、流入する排ガスを加熱する加熱手段を備えた排ガス処理装置において、加熱手段は、排ガスを流通可能な磁性体と、磁性体にマイクロ波を出力するマイクロ波用アンテナと、金属製容器体外に設けられてマイクロ波用アンテナに接続され、マイクロ波発振半導体素子及びマイクロ波増幅回路とから構成されてマイクロ波を所要の出力で発振するマイクロ波発振手段とからなることを特徴とする。

請求項６は、排気経路を流通する排ガスを加熱して汚染物質を燃焼する排ガス処理方法において、排気経路中に設けられた金属製容器体に内蔵された磁性体にマイクロ波を出力し、磁性体によるマイクロ波の電磁波吸収作用に磁性体を加熱して流通する排ガスを燃焼可能にすることを特徴とする。

本発明は、加熱手段を小型化しながら排ガスを短時間に加熱して、電気ヒータの消費電力が低減して汚染物質を効率的に燃焼することができる。また、装置自体を小型化して狭小スペースに取付けることを可能にする。

本発明は、排ガス処理装置に取付けられる加熱手段を、排ガスを流通可能な磁性体と、磁性体にマイクロ波を出力するマイクロ波用アンテナと、金属製容器体外に設けられてマイクロ波用アンテナに接続され、マイクロ波発振半導体素子及びマイクロ波増幅回路とから構成されてマイクロ波を所要の出力で発振するマイクロ波発振手段とを最良の形態とする。

以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
図１及び図２において、排ガス処理装置１は、例えば車輌用エンジン（図示せず。ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンを含む。）の排気系途中に取付けられ、その流入側にはエンジンからの排ガスが流入されると共に排出側から排出される排ガスは、接続された触媒ユニット及び消音ユニット（何れも図示せず。）を通過して大気中に放出される。

排ガス処理装置１の金属製容器体３は、円筒形状又は偏平円筒形状等からなり、その流入側にはエンジンからの排気管に接続される接続口部３ａが、また流出側には上記した触媒ユニット及び消音ユニット（いずれも図示せず。）に接続される排出口部３ｂがそれぞれ設けられている。そして金属製容器体３の流入側には、磁性体５が取付けられている。該磁性体５は、例えばMn−Znフェライト、Niフェライト、バナジウムフェライト等の焼結フェライトやパーマロイ（Fe−Ni合金）等からなるブロック体で、排ガスの流出方向に向う方向に軸線を有した多数の貫通孔５ａが形成されている。

具体的には、磁性体５が焼結フェライト板の場合にあっては、フェライト粉６０ｗｔ％とコージライト４０ｗｔ％に水を添加して混練した後、成形圧力５００ｋｇ／ｃｍ²で所定の形状に成形し、次に生地を約１２００℃、３０時間焼成して製造する。

尚、磁性体５は、金属製容器体３の流入側内周面に対して断熱材７を介して取付けられ、該磁性体５の発熱時における熱損失を低減している。

上記金属製容器体３の流出側にはマイクロ波用アンテナ９が、金属製容器体３に対して電気的絶縁状態で、かつ磁性体５に向う方向に指向性を有するように内蔵されている。マイクロ波用アンテナ９としては、例えばＦ型アンテナが適しているが、狭小空間内に設置可能で、かつ排ガスの流通に対して抵抗になり難い形状のアンテナであればよい。

また、金属製容器体３内にマイクロ波用アンテナ９を電気的絶縁状態で取付ける構造としては、金属製容器体３に設けられた孔３ｃに対し、中心部に電極１１ａを有した硝子１１を気密状態で挿嵌し、金属製容器体３内に位置する電極１１ａ端部に高周波用アンテナ９を電気的に接続した構造であればよい。

尚、金属製容器体３内に取付けられるマイクロ波用アンテナ９としては、後述するマイクロ波出力装置１３の出力と相俟って磁性体５の排ガス流通直交方向の端面に対してマイクロ波が均一に出力されるようになる個数であればよい。

金属製容器体３外に位置する電極１１ａの端部にはマイクロ波出力装置１３からの同軸ケーブル１５が電気的に接続されている。マイクロ波出力装置１３は波長３０cm−０．３mmのマイクロ波、望ましくは電波法上、無許可での使用が認められている２．４５GHzのマイクロ波を所要の出力で出力する。該マイクロ波出力装置１３は、金属製シールドケース１７内には、上記したマイクロ波を発振するガンダイオード等のマイクロ波発振半導体素子及び発振されたマイクロ波を所望の出力、望ましくは５０Wに増幅する複数段の増幅回路が設けられたマイクロ波発振回路基板１９が内蔵されている。

そしてマイクロ波発振回路基板１９の出力端子は、金属製シールドケース１７に固定されたコネクタ２１に電気的に接続され、該コネクタ２１にはマイクロ波用アンテナ９に接続される同軸ケーブル１５が電気的に接続される。

尚、上記したようにマイクロ波出力装置１３は、マイクロ波用アンテナ９ごとに設けられるが、マイクロ波出力装置１３の個数は、磁性体５の貫通孔５ａを通過する排ガスを、５００℃以上に加熱するように磁性体５を加熱するのに充分な出力を得るように適宜設定される。

金属製容器体３の排ガス流入側には、排ガス温度を検出するセンサー２３が設けられ、マイクロ波出力装置１３は、車両に装着される場合にあっては、エンジンキーのキースイッチ及びセンサー２３からの温度検知信号に基づいてON‐OFF制御される。

次に、排ガス処理装置１による排ガスの処理作用及び方法を説明する。
例えばエンジンスタート時にエンジンキーがＡＣＣ位置にキー操作されたり、または予熱スイッチがONされると、それぞれのマイクロ波出力装置１３を発振制御して所要電力のマイクロ波を、マイクロ波用アンテナ９を介して排ガス処理装置１内の磁性体５に出力する。磁性体５は出力されたマイクロ波が透過する際の誘電損失、磁気損失、抵抗損失によりマイクロ波の電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電磁波吸収作用により約５００℃近くに発熱される。

次に、上記状態でエンジンキーがＳＴＡＲＴ位置にキー操作されてエンジンが始動されると、エンジンからの排ガスは排ガス処理装置１、触媒ユニット及び消音ユニットを通過して大気中に放出される。その際、エンジン始動時においてエンジンから排気される排ガスは、エンジン自体が暖かくなっていないため、排ガスの温度が、含有される汚染物質を完全燃焼させるのに充分な温度（５００℃以上）に達していない。

本実施例では、図４に示すようにエンジン始動時に排ガス処理装置１内の磁性体５がマイクロ波の電磁波吸収作用により排ガス中の汚染物質を完全燃焼させるのに充分な温度に予め発熱しているため、エンジン始動後にエンジンから排気される排ガスが排ガス処理装置１内の磁性体５を通過する際に、発熱した磁性体５により排ガスを、所要の温度（５００℃以上）に加熱して排ガス中の汚染物質を完全燃焼させる。

そしてエンジンが暖まるのに伴って排ガス温度が所要の温度（５００℃）以上になり、センサー２３により排ガス温度が所要の温度以上になったことが検知されると、マイクロ波出力装置１３をOFF制御して磁性体５の発熱を中断させる。

また、エンジンが暖まった後においては、車両が走行停止した際のアイドル運転時には、エンジンの冷却により排ガス温度が上記した所要の温度以下になる場合がある。この場合にあっては、センサー２３により排ガス温度が所要の温度以下になったことが検知されると、排ガス処理装置１３をON制御して磁性体５にマイクロ波を出力してその電磁波吸収作用により発熱させて通過する排ガスを所要の温度以上に加熱し、排ガス中の汚染物質を完全燃焼させる。

尚、磁性体５は、排ガスを酸化する触媒作用を有したNiを含有している。このため、磁性体５に含有されたNiは、加熱されることにより触媒活性化して排ガス中の汚染物質を効率的に燃焼させてその濃度を低減することができる。

本実施例は、磁性体５にマイクロ波を出力し、その電磁波吸収作用により発熱させることにより通過する排ガスを、含有される汚染物質を完全燃焼させるのに充分な温度に加熱することができる。また、マイクロ波出力装置１３を半導体で構成することにより小型化することができ、例えば車両等のように取付けスペースが狭小な場合であっても、有効に取付けて排ガス中の汚染物質を効率的に燃焼することができる。

本発明は、以下のように変更実施することができる。
１．上記説明は、車両に装着される排ガス処理装置１を例に説明したが、本発明は、ディーゼルエンジン、各種ボイラ、焼却設備等から排出される排ガス中の汚染物質を燃焼するのを可能にする排ガス処理装置及び法方としても実施することができる。

２．上記説明は、排ガス処理装置１に内蔵される磁性体５を、排ガスの流出方向に軸線を有した多数の貫通孔５ａが形成されたブロック状としたが、図５及び図６に示すように金属製容器体５１の内周面全体に、円筒状の磁性体５３を、断熱材５５を介して取付けると共に該磁性体５３の内側に複数個の平面アンテナ５７（パッチアンテナ、アレイアンテナ）を、磁性体５１に対して所要の間隙５９を介して相対するように設けた構造としてもよい。

具体的には、磁性体５３を、断熱材５５が装着された金属製容器体５１内に挿嵌可能に大きさの円筒形状等で、所要の厚さ（３〜１０mm）の中空形状に形成する。磁性体５３には、平面アンテナ５７を取付けるための固定用碍子６１及び給電用碍子６３を挿通する取付け孔５３ａが予め形成されている。また、給電用碍子６３の取付け箇所に応じた金属製容器体５１には、透孔５１ａが形成されている。

そして平面アンテナ５７は、一端部が磁性体５３に固定された固定用碍子６１の他端部に固定することにより取付けられる。また、給電用碍子６３には中心部に電極６３ａが内蔵され。一端部側が金属製容器体５１の透孔５１ａに挿嵌されて固定されると共に他端部が磁性体５３の取付け孔５３ａを挿通する給電用碍子６３の電極６３ａの他端部を平面アンテナ５７に電気的に接続する。また、給電用碍子６３における電極６３ａの一端部には、マイクロ波出力装置１３からの同軸ケーブル１５が電気的に接続される。

この変更例においては、磁性体５３の内周面に対して平面アンテナ５７からマイクロ波を出力して電磁波吸収させることにより磁性体５３を全体的に発熱させて金属製容器体５１内を高温化することにより通過する排ガスを加熱して排ガス中の汚染物質を燃焼可能にさせる。

３．上記説明は、金属製容器体３の流出側にマイクロ波用アンテナ９を配置して磁性体５に出力する構成としたが、図７に示すように金属製容器体７１の軸線方向中間部に磁性体７３を配置すると共に該金属製容器体７１の流入側及び流出側にマイクロ波用アンテナ７５・７７をそれぞれ取付けて磁性体７３の軸線方向両側に対してマイクロ波を出力する構成及び方法であってもよい。

排ガス処理装置を一部破断して示す斜視図である。排ガス処理装置の中央縦断面図である。マイクロ波出力装置の説明図である。磁性体の加熱状態を示す説明図である。本発明の変更実施例を示す一部破断斜視図である。図５に示す排ガス処理装置の中央縦断面図である。本発明の変更実施例を示す一部破断斜視図である。

符号の説明

１排ガス処理装置
３金属製容器体
５磁性体
９マイクロ波用アンテナ
１３マイクロ波出力装置
１９マイクロ波発振基板

Claims

排ガスの排気経路に設けられた金属製容器体内に、流入する排ガスを加熱する加熱手段を備えた排ガス処理装置において、加熱手段は、排ガスを流通可能な磁性体と、磁性体にマイクロ波を出力するマイクロ波用アンテナと、金属製容器体外に設けられてマイクロ波用アンテナに接続され、マイクロ波発振半導体素子及びマイクロ波増幅回路とから構成されてマイクロ波を所要の出力で発振するマイクロ波発振手段とからなる排ガス処理装置。
請求項１において、磁性体は、金属製容器体内の排ガス流入側に設けられると共にマイクロ波用アンテナは、金属製容器体内の排ガス流出側及び排ガス流入側の少なくともいずれか一方に設けられる排ガス処理装置。
請求項１の磁性体は、排ガスの流通方向に軸線を有した多数の貫通孔が形成された排ガス処理装置。
請求項１の磁性体は、金属製容器体の内周面に断熱状態に取付けられる磁性円筒体からなり、該磁性円筒体の内周面に相対してマイクロ波用アンテナを配置した排ガス処理装置。
請求項１の磁性体は、Mn‐Znフェライト、Niフェライト、バナジウムフェライト等の焼結フェライト、パーマロイ（Fe‐Ni合金）のいずれかとした排ガス処理装置。
請求項１のマイクロ波発振手段は、流入される排ガス温度を検出するセンサーからの検知信号に基づいて発振制御される排ガス処理装置。
排気経路を流通する排ガスを加熱して汚染物質を燃焼する排ガス処理方法において、排気経路中に設けられた金属製容器体に内蔵された磁性体にマイクロ波を出力し、磁性体によるマイクロ波の電磁波吸収作用に磁性体を加熱して流通する排ガスを燃焼可能にした排ガス処理方法。
請求項７において、マイクロ波発振手段は、マイクロ波発振半導体素子及びマイクロ波増幅回路から構成されると共に金属製容器体に内蔵されたマイクロ波用アンテナに接続されて磁性体に所要出力のマイクロ波を出力する排ガス処理方法。