(57)【要約】【課題】  内燃機関とりわけディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる有害成分の内、炭化水素や一酸化炭素は有効な酸化触媒により比較的容易に削減が可能であるが、粒子状物質は固形成分を含むため詰まり現象が発生し易い。この詰まり現象を回避して低い圧力損失と高い削減率を達成する。【解決手段】  酸化触媒を担持したセラミックバルーンの充填部を設けて酸化触媒の酸化促進作用と赤外線による燃焼作用を併用する。セラミックバルーンは排気ガスの温度に対する応答性が良く、赤外線の効用を高めることができる。【選択図】  図１
2006057614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の容器内にパンチングプレートあるいは金網によって仕切られた空間部を有し、その空間部の充填物の全量あるいはその一部分が酸化触媒担持のセラミックバルーンであることを特徴とするディーゼルエンジン等の内燃機関用排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれている粒子状物質等を酸化により削減することを目的とする排気ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  ディーゼルエンジン等の排気ガスに含まれている粒子状物質を酸化により浄化するには、酸化触媒を担持させた多孔質のセラミック製ハニカムやメタルハニカムあるいはワイヤメッシュ等を通過させて粒子状物質を燃焼させる方法、もしくは微細孔を有するフィルターで粒子状物質を捕捉し後刻高温度で焼却する方法、もしくは酸化触媒は一切使用せずセラミック製の球体或いは短管を容器内の充填部に充填し排気ガスの高い温度を利用して通過する粒子状物質を自然燃焼させる方法等があった。【０００３】  酸化触媒を担持させたハニカムやワイヤメッシュあるいは捕捉用の微細孔を有するフィルターを利用する場合には排気ガスの通過部を数ないし数十ミクロンと隘狭にするため、粒子状物質の未燃成分やミネラル成分を多く含むアッシュによって詰まりが徐々に拡大し浄化率の低下と圧力損失の増大が発生して機能低下に至ることが多く、そのような状況になれば継続使用は困難となり取り外しての清浄作業あるいは取換えが必要であった。【０００４】  セラミック製の球体あるいは短管を充填する方法では内部の空隙が粒子状物質に較べて比較的大きいため容易には詰まらないが、浄化率を向上させるには充填量を増やす必要がある。ところが充填量を増やすと排気ガスの流路が長くなり流体抵抗が増して圧力損失が増大することになり、浄化率と圧力損失とがトレードオフの関係になっている。【０００５】  ディーゼルエンジンの場合、排気管中を流れる排気ガスの流速は排気ガス温度の低〜中域に於いては排気ガス温度の約２乗、中〜高域では排気ガス温度とほぼ直線的な関係で増大するのが一般的な傾向である。一方、圧力損失は圧縮性気体の場合流速の約１．７乗で増大する関係にあり、排気ガスの流速はエンジン出力とほぼ比例する関係にある。また充填部を有する排気ガス浄化装置に発生する圧力損失は流路の形状変化や排気ガスの方向変化によるものに較べ充填部の流体摩擦によるものが支配的である。この結果、圧力損失は排気ガス温度の低〜中域では排気ガス温度の約３．４乗、中〜高域ではほぼ１．７乗に比例すると言える。これは排気ガスの浄化率向上を目的として充填量を増やす、あるいは排気ガス温度を高めると必ず圧力損失が増大することを意味しており、圧力損失が増大することは燃焼効率の低下とエンジン出力の低下をもたらすことになる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題はディーゼルエンジン等の排気ガス浄化装置に於いて、粒子状物質による装置の詰まりを起こさせずしかも比較的低い圧力損失で高い浄化率を可能にする排気ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明の排気ガス浄化装置は次の手段を採用する。
【０００８】  セラミック製球体の一種であるセラミックバルーンを用いることとし、それらは小粒でほぼ均一の直径を有するものとする。セラミックバルーンの表面には粒子状物質用の酸化触媒を担持させた上多数のセラミックバルーンを容器内の充填部に充填し、通過する排気ガス中の粒子状物質を残存酸素で酸化燃焼させる構造とする。
【０００９】  ディーゼルエンジンの排気管を経てこの容器に流入する排気ガスは通常高温であり、負荷の変動等によりその温度は変化する。
【００１０】  ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている粒子状物質の成分は燃料性状、エンジンタイプ、運転条件等により異なるが煤が過半近くを占めており、未燃燃料や未燃潤滑油からなる可溶性有機成分及び燃料中の硫黄分が酸化された硫酸塩、更には微量ながら潤滑油に添加されているミネラル分由来の灰分等からなっている。
【００１１】  粒子状物質に対して酸化触媒の機能を発揮させるにはまず粒子状物質が触媒に接触する必要があり、触媒を担持させたセラミックバルーンから離れて通過する粒子状物質には酸化作用は及ばない。また、排気ガスの流速が早いと接触の機会も減少するため流速は遅い方が、更に整流より乱流が望ましい。
【００１２】  酸化触媒が全く使用されていない例えばセラミックバルーンのみを充填した装置に於いても、走行モードにより異なるが粒子状物質が６０〜９０％低減されることが報告されている。市街地走行程度の低出力走行域における酸化反応は、着火温度が２００〜３００℃の可溶性有機成分がまず着火しその高温の赤外線の影響および炭化水素系燃料の燃焼に伴うＯＨ、Ｈ、Ｏなどのラジカルの作用で煤が着火燃焼を始めると考えられている。
【００１３】  この場合にはセラミックバルーンが互いに接して形成する空間が超微細な燃焼炉の役割を果たしており、燃焼により発生した赤外線の一部は直接粒子状物質に吸収されるほか、周囲のセラミックバルーンに一旦吸収され改めて放射された赤外線の一部も粒子状物質に吸収され更に昇温効果をもたらすが、赤外線照射を受けた物質の最小着火エネルギーは低下するため一層燃え易くなる。他方排気ガス中に主成分として存在する窒素や酸素は赤外線の吸収と放射には関与せず不活性であるため、燃焼により発生した赤外線による排ガス温度の上昇は限定されたものとなる。
【００１４】  充実型セラミック球体とセラミックバルーンとを比較するに当たりその材質、形状、寸法を同じとした場合、セラミックバルーンはその内部が中空のため全体としての比熱が小さく排気ガスの温度の変化に対して応答性がよいといえる。このため特に酸化触媒による燃焼の低温側の境界温度領域で効果を発揮することになる。
【００１５】  ディーゼルエンジン車の運転状態が市街地走行程度の場合、マフラー部に於ける排気ガスの温度は大略１００〜４００℃の幅で激しく変動するが、酸化触媒の活性度が比較的高くなる３００℃前後以上になる頻度は少なく、３００℃前後以上の排気ガスが発生した時には機を逸することなくその熱を活用することが排気ガスの浄化率向上に繋がる。そのため、温度応答性の良いセラミックバルーンが充実型セラミック球体より優れているといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  以下、本発明の実施の形態として一実施例を添付した図に基づいて説明する。【００１７】  図１に排気ガス浄化装置の全体構造を概略示す。【００１８】  エンジンから排出された高温の排気ガスは筒状の容器１の前方にある排気ガス入口２より入り整流板３に開けられた多数の穴を通ることにより進行方向に対してほぼ均一な流速となるように調整される。【００１９】  ＨＣ・ＣＯ酸化触媒４はセラミックハニカムに酸化触媒を担持させたものであり、排気ガス中の炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯを酸化させて水や炭酸ガスとするが、その時の反応熱により排気ガスの温度は幾分上昇する。【００２０】  次に排気ガスはセラミックバルーン６が充填されているバルーン充填部７に向かうが、電気ヒータ付整流板５によりその流れがバルーン仕切板８に均等になるよう調整される。【００２１】  バルーン充填部７にはセラミックバルーン６が充填されており、排気ガスが容易に通過できる微小な穴を多数有するパンチングプレート製のバルーン仕切板８によってその前後を囲われた構造となっている。排気ガスの通過面積を増すことにより流体抵抗を減らす目的でバルーン仕切板８は筒状の容器１内で傾斜して設置されているが、本発明は傾斜して設置することに限定しているものではない。【００２２】  バルーン充填部７では粒子状物質の酸化が行われ、浄化された排気ガスは排気ガス出口９より外部に放出される。【００２３】  バルーン充填部７に於いて何らかの事情で粒子状物質の堆積が進み排気ガスの排出に支障を来たす状況に至った場合には、電気ヒータ付整流板５の電気ヒータに外部電源より電気を供給し、アイドリング状態で運転中の排気ガスを昇温させることにより堆積している粒子状物質を燃焼させることができる。【００２４】  図２は充填されているセラミックバルーン６の状態を拡大してバルーン間空隙１１を示したものである。【００２５】  セラミックバルーン６の表面は粒子状物質酸化触媒担持層１０で覆われており、排気ガスに含まれている粒子状物質はまず排気ガスの高温により活性化した酸化触媒の働きにより排気ガス中の残存酸素と結合し燃焼する。【００２６】  充填されているセラミックバルーン６はほぼ均一な直径を有する球形のものとするが、相互に隣接しているセラミックバルーン６ａ、６ｂ、６ｃの間にはバルーン間空隙１１が存在し、バルーン充填部７に流入した排気ガスはこのバルーン間空隙１１を通過していくことになる。【００２７】  ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている粒子状物質の粒径は微小粒子といわれる１ミクロン以下のものの他、粗粒子の範囲に入る１〜２ミクロンから１０ミクロン程度の間に分布しており一様ではない。【００２８】  粒子状物質を燃焼により低減させる排ガス浄化装置を装置として評価する場合、その評価項目は浄化率、効果を発揮する排気ガス温度の範囲、圧力損失及び保守性の他、装置寸法、消音性能、価格等があるが健康被害に大きく関与していると言われている微小粒子の除去性能も評価の対象といえる。【００２９】  セラミックバルーン６の材質は主としてアルミナとするがこれに限定されるものではない。その大きさは直径２〜４ｍｍのものが適切である。その殻の厚さは加工性、赤外線特��、耐熱衝撃性等の視点より０．３ｍｍ前後が適当である。酸化触媒の壁厚は通常加工レベルであれば５〜２０ミクロンとなる。【００３０】  直径３ｍｍのセラミックバルーン６を採用した場合、概略開口率は７％、表面積は１．４ｍ２／Ｌとなる。バルーン間の空隙１１はバルーンが隙間無く詰まっている場合、一辺約０．８５ｍｍの正三角形に近い形状となりバルーン充填部７の中で相互に繋がった三次元の網目状流路を形成する。【００３１】  バルーン充填部７の厚さは浄化率と圧力損失のバランスから１００〜２００ｍｍとするのが適切である。【００３２】  同一直径、同一材料の充実型セラミック球体とセラミックバルーンとを比較すると、充実型セラミック球体はその熱容量が大きいため排気ガス温度の変動に対して表面温度を平準化する傾向が大きい。即ち排気ガス温度が急激に上昇した場合を考えると、充実型セラミック球の内部の温度が低いため表面温度の上昇を阻止する作用が働き、表面温度が排ガスのレベルに上昇する迄にセラミックバルーンに較べ時間が掛かることになる。【００３３】  筒状の容器１に於いて排気ガス入口２からバルーン充填部７に至る空間にはディーゼルエンジンの脈動する排気ガスを一時蓄積し圧力を均等化する機能があり、またバルーン充填部７に於いて排気ガスはバルーン間空隙１１を幾重にも通過する過程で運動のエネルギーを失うため消音効果が得られることになる。【００３４】  バルーン充填部７に於いては直径３ｍｍのセラミックバルーンの場合、約０．８５ｍｍ即ち８５０ミクロンを一辺とする正三角形に近い形状で分岐を持った排気ガスの流路が続いており、最大でも粒径１０ミクロン程度の粒子状物質は容易に通過が可能であり蓄積する状況ではないと言える。これによりハニカムの壁貫通型やワイヤメッシュ型の粒子状物質用フィルターに見られる微細部での詰まりの発生がなく保守性に優れた排ガス浄化装置が実現できる。【００３５】  バルーン充填部７に発生する流体抵抗による圧力損失は不可避であるがセラミックバルーン６に酸化触媒を担持させることにより酸化反応が促進され、酸化触媒を用いない場合と較べて、バルーン充填部７の流路方向の厚さを薄くすることが可能となり圧力損失を小さく押さえることができる。これによりディーゼルエンジンの高出力域での出力低下を最小限に留めることができるほか、全運転域に於ける燃費の悪化も最小限に押さえることができる。【００３６】  バルーン充填部７に於いて全量をほぼ均一な直径の酸化触媒担持のセラミックバルーンで充填する方法の他に、セラミックバルーンの容積当たりの表面積を多くすると共にバルーン間空隙１１を狭めて粒子状物質の燃焼効率を高める等の目的で異径サイズとなるがより小径の酸化触媒担持のセラミックバルーンを部分的に使用する方法、更にはセラミックバルーンの加工上の制約等により部分的に酸化触媒担持の充実型セラミック球を使用する方法も本発明の範囲である。【００３７】  筒状の容器１の表面からの放熱を最小限に抑えて内部の温度を極力維持することを主たる目的として筒状の容器１の内面に断熱材を貼り付けることは一手法である。
【発明の効果】
【００３８】  上述の通り本発明の排気ガス浄化装置により、ディーゼルエンジンから排出される炭化水素、一酸化炭素及び粒子状物質の除去を行い同時に消音機能をも備えたものが可能となる。
【００３９】  粒子状物質用の酸化触媒をセラミックバルーンに担持させることにより、排気ガスの温度が低温から上昇して触媒の活性領域に達した場合敏感に反応して酸化機能を発揮させることが可能となり、併せてメンテナンスフリーかつ比較的低圧力損失の浄化装置とすることができる。
【００４０】  更に、本発明による排気ガス浄化装置は排出ガスのうち人間への健康被害の主原因とされる粒径２．５ミクロン以下の微小粒子を燃焼により効率的に除去できる装置としての可能性を有している。
【００４１】  即ち、酸化触媒に接触しないでセラミックバルーン間空隙を通過する微小粒子は粒径が小さければ小さいほど、ラジカル及び周囲のセラミックバルーンあるいは燃焼中の他の粒子状物質より発せられる赤外線を受けて、より容易に燃焼することが考えられるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気ガス浄化装置の構造断面図
【図２】バルーン間空隙を示す断面図
【符号の説明】
１  筒状の容器
２  排気ガス入口
３  整流板
４  ＨＣ・ＣＯ酸化触媒
５  電気ヒータ付整流板
６、６ａ、６ｂ、６ｃ  セラミックバルーン
７  バルーン充填部
８  バルーン仕切板
９  排気ガス出口
１０  粒子状物質酸化触媒担持層
１１  バルーン間空隙
【図１】
2006057614.tif 000003
【図２】
2006057614.tif 000004