JPWO2006064805A1 - ディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1、2に記載の排気PM捕集装置は、いわゆる一段式と呼ばれる電気集塵機方式を採用したもので、基本的な問題点として、放電電圧と捕集偏向電圧が同電位であるため両電圧をそれぞれの適正条件に設定することが難しいことと、偏向電極と捕集電極間のスパーク発生を防止するためにその間隔を大きくとらざるを得ないことである。このため、特許文献1、2に記載の排気PM捕集装置は、捕集されずに捕集区間を素通りする粒子が多くなり、捕集効率が低下するという欠点がある。また、捕集効率を上げるためには、捕集部の容量を大きくとる必要があり、装置の大型化を余儀なくされて自動車部品としては不適当である。さらに、特許文献3に記載の排気ガス浄化装置は、いわゆる二段式と呼ばれる電気集塵機の方式を採用したものであるが、針状電極の汚染対策が施されていないため、放電電極に数万ボルトの高電圧が印加された場合、汚染による電気絶縁性の低下のためPM捕集性能を発揮できなくなるという欠点がある。また、放電電極は、腐食性を有する排気ガスによる汚損も避けられず、長期間にわたって安定した性能を維持できない。さらにまた、線状電極の場合は、自動車の場合は走行中の振動や衝撃により断線を起こし易く、強度的にも問題がある。すなわち、従来のコロナ放電を利用して電気式に処理する排気ガス処理手段は、放電電極の高い絶縁性の確保が難しく、実用性に難点があった。
なお、前記ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をD、シールガス管部のダミー管部の長さをL1、該ダミー管部より先端部までの長さをL2とした場合、L1/D>1.5、L2/D>0.5の条件を満足させることを好ましい態様とするものである。
なお、本発明はディーゼルエンジンのみならず、直噴タイプのガソリンエンジンの排気ガス浄化など、各種排気ガスの浄化にも有効であることはいうまでもない。
すなわち、図3に示す対策は、シールガス管5内に整流部材5−1を配置したもので、その整流部材5−1としては、例えば板状のものやハニカム状のもの等を用いる。この整流部材5−1は、必ずしもシールガス管5の全長にわたって設ける必要はなく、シールガス管5の曲り部等ガス流れの方向が変化する部分のみに設けてもよい。この整流板5−1の作用により、シールガス管5出口でのシールガス流れがより安定し、シールガス管5出口部に極めて安定したポテンシャルコアPcが形成される。
図11は本発明の第1実施例装置における捕集板のPM酸化除去手段の一例を示したもので、捕集板3の材料として耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高合金発熱体材料であるニッケルクロム等の薄板を用い、該捕集板3を加熱ヒーターとして用いる。その手段は、捕集板3の保持棒3−1の端部に切替えスイッチ40を設置し、該捕集板3を電気加熱する場合は、加熱電源装置41側の端子40aに接続し、PMを捕集する場合は、アース側の端子40bに接続する方式を用いることができる。この電気加熱のための所要電力は1〜4KWと小さいので、加熱電源としては車両搭載のバッテリ等を使用することができる。捕集板3に捕集されたPM8は550℃程度の温度で火炎を発することなく酸化除去される。なお、不必要な温度上昇を避けるため、捕集板3に熱電対等の温度計測器(図示せず)を設置して、電気加熱時の温度を制御することが望ましい。
ディーゼルエンジンの排気ガス中の有害成分は、煤(PM)、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)の四種に分類される。ディーゼルエンジンの性能や運転条件によっては、PMのみを除去するだけで十分な場合もあり、その場合には本発明の排気ガス用電気式処理装置のみで排気ガス浄化の目的を達成することができるが、本発明の排気ガス電気式処理装置と各触媒を組合せると排気ガス中の前記PM以外の有害成分をより効率的に除去することが可能となる。
図12に示す本発明装置と触媒との組合せ例は、本発明の排気ガス用電気式処理装置51の上流側(前段)に例えば酸化触媒コンバータ52を設置し、この酸化触媒で主に炭化水素(HC)と一酸化炭素(CO)が酸化されて水(H2O)と二酸化炭素(CO2)に浄化され、また、排気ガス電気式処理装置51の捕集板3に捕集されたPM8は、電気加熱による酸化除去ないし高速運転等の排気ガス温度が高温になったときに酸化除去される。なお、この場合には窒素酸化物(NOx)は浄化装置通過後も大きな変化はない。
なお、本発明の排気ガス用電気式処理装置の捕集部として、単層板構造に替えて、前記した多層板構造の捕集部を用いる場合には、排気ガスと捕集板の接触する表面積を単層板構造の捕集部に比べて大きくとれるので、触媒担持に有利であり、捕集板に酸化触媒、三元触媒の少なくとも1種を担持させることができる。酸化触媒、三元触媒としては、白金(Pt)、パラジウム(Pb)、ロジウム(Rh)、あるいはそれらの組合せの少なくとも1種を用いる。また、触媒性能を高めるためには、セリウム(Ce)酸化物等の助触媒を添加することが望ましい。
上記構成の組合せ例の場合、排気ガス用電気式処理装置51の捕集板3に捕集されたPM8は、電気加熱による酸化除去ないし高速運転等の排気ガス温度が高温になったときに酸化除去され、またNOxはNOx還元触媒コンバータ53のNOx還元触媒でN2およびO2に還元浄化され、さらに酸化触媒コンバータ52の酸化触媒で主にHCとCOが酸化されてH2OとCO2に浄化され、排気ガス中の全ての有害成分が除去される。
なお、NOx還元触媒としては、Cu−SAPO−34(シリコンアルミノホスフェート)やCu−ZMS−5(銅イオン交換ゼオライト)等を用いる。また、NOx触媒としては、公知の尿素水を還元剤として用いるNOx還元触媒あるいはNOx吸蔵還元触媒を用いることができる。
ディーゼルエンジンの排気ガスは運転条件等によってPMの電気抵抗率ρが大幅に変動し、高電気抵抗率ρのPMもあれば、低電気抵抗率ρのPMもある。一般的に高速運転時の高温燃焼時では電気抵抗率ρは大きく、また低温燃焼では電気抵抗率ρは小さくなる傾向がある。したがって、ディーゼルエンジンの排気ガス中のPMの除去手段としては、電気抵抗率ρの高いPMだけでなく、電気抵抗率ρの低いPMをも高効率で捕集できる性能を備える必要がある。そこで、本発明は前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することによって、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を提案するものである。
ここで、排気ガス用電気式処理装置61における捕集板71−1は、図15に拡大して示すように、捕集面に孔等の開口を有しない一枚板からなるベース板71−1aと、該ベース板71−1aの捕集面側に設けた格子状フィン71−1bとからなり、かつ該捕集板71−1は排気ガス用電気式処理装置61の本体壁61−1の内壁との間に排気ガスを通流させるための隙間61−2が形成されるように適当間隔に配設される。この隙間61−2の大きさは、本質的に集塵効率には影響を与えないため、圧力損失を考慮して決定すればよい。捕集板71−1に格子状フィン71−1bを設けたのは、ガス流れによどみ効果を発生させることによって、帯電PMを効率よくベース板71−1aに捕集するためである。
この捕集板71−1のベース板71−1aと格子状フィン71−1bの材質としては、ベース板71−1aはアースするから金属等の導体材質を使うのは当然として、格子状フィン71−1bはPMの捕集効率およびジャンピング凝集(ベース板上で付着飛散を繰り返す過程で粒子どうしが衝突して凝集粗大化する現象)の効率を考慮すると、セラミック等の絶縁体が好ましい。すなわち、格子状フィン71−1bが金属製の場合は、電気力線が電極針4の先端に近い格子状フィン71−1bの先端に集中するため帯電したPMは格子状フィン71−1bの先端に向って流れ、その部位はガス流れが速いことからPMはベース板71−1aに到達し難く、捕集されずに後方へ飛散流出しやすいため、ベース板71−1aでの捕集効率が悪く、またジャンピング凝集の効率も悪くなるからで
ある。
なお、排気ガス用電気式処理装置61の本体内には、上流側に排ガスの流れと帯電を促進するためにガイド孔付き板61−3を、捕集板71−1と捕集板71−1の間にPMの流れと捕集を促進するためのガイド孔付き板61−3および電界付与を目的とする電界板61−4を、それぞれ設置してもよい。その場合、電界板61−4には高圧電源装置(図示せず)から高電圧を供給し、捕集板71−1はアースする。
て、運転中あるいは停機時に燃焼してもよい。
ことも可能である。
本発明では、上記したハニカム構造の粒子凝集管80あるいは粒子凝集板90等の粒子凝集粗大化手段を用いることによって、排気ガス用電気式処理装置61を出たPM粒子をさらに大きな粒子に成長させることができるので、後段のサイクロン集塵機62で効率よく捕集することができる。
1−1、61−1 本体壁
2 放電帯電部
2−1 コロナ放電部
2−2 帯電部
3、3a、3b、3c、23−3、33−1、71−1 捕集板
4 電極針
5 シールガス管
5−1 整流部材
5−2 ダミー管部
6 高圧電源装置
7 排気ガス誘導管
8 PM
9 保持棒シール管
10 コロナ電子
11 絶縁体
23、33 捕集部
23−1 電極板保持棒
23−2 電極板
40 切替スイッチ
40a、40b 端子
41 加熱電源装置
51、61 排気ガス用電気式処理装置
52 酸化触媒コンバータ
53 NOx還元触媒コンバータ53
54 添加装置
55 バイパス管路
G1 排気ガス
G2 シールガス
Pc ポテンシャルコア
V 切替弁
特許文献1、2に記載の排気PM捕集装置は、いわゆる一段式と呼ばれる電気集塵機方式を採用したもので、基本的な問題点として、放電電圧と捕集偏向電圧が同電位であるため両電圧をそれぞれの適正条件に設定することが難しいことと、偏向電極と捕集電極間のスパーク発生を防止するためにその間隔を大きくとらざるを得ないことである。このため、特許文献1、2に記載の排気PM捕集装置は、捕集されずに捕集区間を素通りする粒子が多くなり、捕集効率が低下するという欠点がある。また、捕集効率を上げるためには、捕集部の容量を大きくとる必要があり、装置の大型化を余儀なくされて自動車部品としては不適当である。さらに、特許文献3に記載の排気ガス浄化装置は、いわゆる二段式と呼ばれる電気集塵機の方式を採用したものであるが、針状電極の汚染対策が施されていないため、放電電極に数万ボルトの高電圧が印加された場合、汚染による電気絶縁性の低下のためPM捕集性能を発揮できなくなるという欠点がある。また、放電電極は、腐食性を有する排気ガスによる汚損も避けられず、長期間にわたって安定した性能を維持できない。さらにまた、線状電極の場合は、自動車の場合は走行中の振動や衝撃により断線を起こし易く、強度的にも問題がある。すなわち、従来のコロナ放電を利用して電気式に処理する排気ガス処理手段は、放電電極の高い絶縁性の確保が難しく、実用性に難点があった。
なお、前記ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をD、シールガス管部のダミー管部の長さをL2、該ダミー管部より先端部までの長さをL1とした場合、L1/D>1.5、L2/D>0.5の条件を満足させることを好ましい態様とするものである。
なお、本発明はディーゼルエンジンのみならず、各種排気ガスの浄化にも有効であることはいうまでもない。
すなわち、図3に示す対策は、シールガス管5内に整流部材5−1を配置したもので、その整流部材5−1としては、例えば板状のものやハニカム状のもの等を用いる。この整流部材5−1は、必ずしもシールガス管5の全長にわたって設ける必要はなく、シールガス管5の曲り部等ガス流れの方向が変化する部分に設けてもよい。この整流板5−1の作用により、シールガス管5出口でのシールガス流れがより安定し、シールガス管5出口部に極めて安定したポテンシャルコアPcが形成される。
図11は本発明の第1実施例装置における捕集板のPM酸化除去手段の一例を示したもので、捕集板3の材料として耐熱・耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、発熱体材料であるニッケルクロム等の薄板を用い、該捕集板3を加熱ヒータとして用いる。その手段は、捕集板3の保持棒3−1の端部に切替えスイッチ40を設置し、該捕集板3を電気加熱する場合は、加熱電源装置41側の端子40aに接続し、PMを捕集する場合は、アース側の端子40bに接続する方式を用いることができる。この電気加熱のための所要電力は1〜4kWと小さいので、加熱電源としては車両搭載のバッテリ等を使用することができる。捕集板3に捕集されたPM8は650〜700℃程度の温度で火炎を発することなく酸化除去される。なお、不必要な温度上昇を避けるため、捕集板3に熱電対等の温度計測器(図示せず)を設置して、電気加熱時の温度を制御することが望ましい。
ディーゼルエンジンの排気ガスは運転条件等によってPMの電気抵抗率ρが大幅に変動し、高電気抵抗率ρのPMもあれば、低電気抵抗率ρのPMもある。一般的に高速運転時の高温燃焼時では電気抵抗率ρは低く、また低温燃焼では電気抵抗率ρは高くなる傾向がある。したがって、ディーゼルエンジンの排気ガス中のPMの除去手段としては、電気抵抗率ρの高いPMだけでなく、電気抵抗率ρの低いPMをも高効率で捕集できる性能を備える必要がある。そこで、本発明は前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設することによって、電気抵抗率ρが高い場合にも低い場合にも十分に対応できるディーゼルエンジンの排気ガス用電気処理装置を提案するものである。
ここで、排気ガス用電気式処理装置61における捕集板71−1は、図10に拡大して示すように、捕集面に孔等の開口を有しない一枚板からなるベース板71−1aと、該ベース板71−1aの捕集面側に設けた格子状フィン71−1bとからなり、かつ該捕集板71−1は排気ガス用電気式処理装置61の本体壁61−1の内壁との間に排気ガスを通流させるための隙間61−2が形成されるように適当間隔に配設される。この隙間61−2の大きさは、本質的に集塵効率には影響を与えないため、圧力損失を考慮して決定すればよい。捕集板71−1に格子状フィン71−1bを設けたのは、ガス流れによどみ効果を発生させることによって、帯電PMを効率よくベース板71−1aに捕集するためである。
この捕集板71−1のベース板71−1aと格子状フィン71−1bの材質としては、ベース板71−1aはアースするから金属等の導体材質を使うのは当然として、格子状フィン71−1bはPMの捕集効率およびジャンピング凝集(ベース板上で付着飛散を繰り返す過程で粒子どうしが衝突して凝集粗大化する現象)の効率を考慮すると、セラミック等の絶縁体が好ましい。すなわち、格子状フィン71−1bが金属製の場合は、電気力線が電極針4の先端に近い格子状フィン71−1bの先端に集中するため帯電したPMは格子状フィン71−1bの先端に向って流れ、その部位はガス流れが速いことからPMはベース板71−1aに到達し難く、捕集されずに後方へ飛散流出しやすいため、ベース板71−1aでの捕集効率が悪くなるからである。
なお、排気ガス用電気式処理装置61の本体内には、排ガスの流れの上流側にPMの帯電を促進するガイド孔付き板61−3を、捕集板71−1と捕集板71−1の間にPMの捕集を促進するためのガイド孔付き板61−3およびガイド孔付き電界板61−4を、それぞれ設置してもよい。その場合、電界板61−4には高圧電源装置(図示せず)から高電圧を供給し、捕集板71−1はアースする。また、電界板61−4は絶縁体で被覆しておくことが望ましい。
本発明では、上記したハニカム構造の粒子凝集管80あるいは粒子凝集板90等の粒子凝集粗大化手段を用いることによって、排気ガス用電気式処理装置61を出たPM粒子をさらに大きな粒子に成長させることができるので、後段のサイクロン集塵機62で効率よく捕集することができる。
1−1、61−1 本体壁
2 放電帯電部
2−1 コロナ放電部
2−2 帯電部
3、3a、3b、3c、71−1 捕集板
4 電極針
5 シールガス管
5−1 整流部材
5−2 ダミー管部
6 高圧電源装置
7 排気ガス誘導管
8 PM
9 保持棒シール管
10 コロナ電子
40 切替スイッチ
40a、40b 端子
41 加熱電源装置
55 バイパス管路
61 排気ガス用電気式処理装置
62 サイクロン集塵機
80 粒子凝集管
90 粒子凝集板
G1 排気ガス
G2 シールガス
Pc ポテンシャルコア
V 切替弁
Claims (23)
- ディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理方法において、排気ガス通路の上流側にコロナ放電部と帯電部とからなる放電帯電部を設けて、コロナ放電された電子を排気ガス中のカーボンを主体とする粒状物質に帯電させ、同排気ガス通路に配置した捕集部で前記帯電した粒状物質を捕集することを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理方法。
- ディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置において、排気ガス通路の上流側にコロナ放電された電子を排気ガス中のカーボンを主体とする粒状物質に帯電させるコロナ放電部と帯電部とからなる放電帯電部を設け、前記帯電した粒状物質を捕集する捕集部を同排気ガス通路に配置した構成となしたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記コロナ放電部の電極針の放電側先端を排気ガス流れの下流側に向けて配置し、コロナ電子を下流側に向けて放電させることを特徴とする請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記電極針を絶縁体製のシールガス管内に挿通配置したことを特徴とする請求項3に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記シールガス管をアルミナセラミック製としたことを特徴とする請求項4に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記電極針のシールガス管端からの突出部をシールガス管内ガス流のポテンシャルコア内に位置させたことを特徴とする請求項4または5に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記電極針を電気絶縁性と耐食性を有する材料で被覆したことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記電極針の被覆材料に、石英ガラスまたはアルミナまたはセラミックを用いたことを特徴とする請求項7に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記捕集部を単層板構造または多層板構造としたことを特徴とする請求項2〜8のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記捕集部をパンチングメタルタイプの捕集板またはスリットタイプの捕集板で構成し、かつ開孔部総面積/捕集部実質正面面積で定義される開孔率を3〜20%としたことを特徴とする請求項2〜8のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記捕集部を捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板および該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとで構成した請求項2〜8のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記単層板構造または多層板構造の捕集部固定部における電極板保持棒を絶縁体製シール管内に配置したことを特徴とする請求項9に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記シールガス管内に整流部材を全体または一部に配設したことを特徴とする請求項4〜12のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記整流部材には、板状のものまたはハニカム状のものを用いることを特徴とする請求項13に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記シールガス管の電極針先端側と反対側管壁に排気ガス流れ方向と平行してダミー管部を設けたことを特徴とする請求項4〜13のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記ダミー管部を有するシールガス管は、シールガス管の内径をD、シールガス管部のダミー管部の長さをL1、該ダミー管部より先端部までの長さをL2とした場合、L1/D>1.5、L2/D>0.5の条件を満足させることを特徴とする請求項15に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置と触媒とを組合せて用いることを特徴とする請求項4〜16のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置の後段にサイクロン集塵機を付設した構成となしたことを特徴とする請求項2〜17のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置の前記捕集部を、捕集面に開口を有しない一枚板からなるベース板および該ベース板の捕集面側に設けた格子状のフィンとで構成した捕集板を当該装置本体内壁との間に隙間が形成されるごとく1ないし複数枚配置して構成したことを特徴とする請求項18に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置の後段であって前記サイクロン集塵機の前段に粒子凝集粗大化手段を配設したことを特徴とする請求項18または19に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記粒子凝集粗大化手段として、ハニカム構造の粒子凝集管、またはパンチングメタルあるいは金網を複数枚間隔配置して構成した粒子凝集板を用いることを請求項19または20に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置の当該装置本体内壁も前記粒状物質の捕集面あるいは捕集部とすることを特徴とする請求項2〜21のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
- 前記排気ガス用電気式処理装置の捕集板の再生方式として、当該装置の上流側と下流側間に排気ガスのバイパス管路を配管し、ガス切替弁にて前記バイパス管路に排気ガスを流す間に捕集板の再生を行う方式を用いることを特徴とする請求項2〜22のいずれか1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス用電気式処理装置。
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