(57)【要約】【課題】エンジン始動時の排ガス中の煤（粒子状物質）を捕捉し、低負荷運転を長時間続けた場合であっても、差圧上昇が小さい排ガス処理装置を提供する。【解決手段】  排ガス入口側のガス流路と排ガス出口側のガス流路が酸化触媒を担持した多孔質隔壁を介して配置され、該排ガス入口側のガス流路から流入した排ガスを、前記多孔質隔壁を経て出口側のガス流路に導入し、該出口側のガス流路から流出させる排ガス浄化用フィルタを備えた排ガス処理装置であって、排ガス浄化用フィルタの排ガス上流側または下流側の近傍に前記排ガス流路断面積の４０〜６０％を遮へいする遮へい板を設け、該遮へい板により遮へいされる断面位置を所定時間毎に変化させる切換手段を設けたことを特徴とする排ガス処理装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス入口側のガス流路と排ガス出口側のガス流路が酸化触媒を担持した多孔質隔壁を介して配置され、該排ガス入口側のガス流路から流入した排ガスを、前記多孔質隔壁を経て出口側のガス流路に導入し、該出口側のガス流路から流出させる排ガス浄化用フィルタを備えた排ガス処理装置であって、排ガス浄化用フィルタの排ガス上流側または下流側の近傍に前記排ガス流路断面積の４０〜６０％を遮へいする遮へい板を設け、該遮へい板により遮へいされる流路断面位置を所定時間毎に変化させる切換手段を設けたことを特徴とする排ガス処理装置。
【請求項２】
前記遮へい板からDPFまでの距離をDPF直径で割った値が0.03〜0.3になるように、前記遮へい板を配置したことを特徴とする請求項１記載の排ガス処理装置。
【請求項３】
前記排ガス浄化用フィルタがディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF）である請求項１または２記載の排ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス処理装置に係り、特に自動車用及び定置用の排ガスへ中に含まれる粒子状物質（PM）を除去するディ−ゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFと称する)を有する排ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、内燃機関である分散型電源用ディーゼルエンジンを利用したコジェネレーションシステムや自動車が都市部を中心として増加しており、これらの排ガスに対して、PM、NOxの排出規制が適用され、かつ地域によっては強化されるため、大型プラント同様に排ガス処理装置の設置が急務となっている。特に排ガス処理装置に用いられるDPFは、排ガス中に含まれるPMを除去し、特にエンジン始動直後の煤を系外に排出せずに、フィルタ内に固定、燃焼除去し、排ガス温度が上昇した時には低差圧になり、連続運転可能な排ガス処理システムとして重要視されている。
【０００３】
低負荷時の排ガス処理システムとしては、特開平9-151728号公報に開示されるように２個のDPFを用い、1個は低温用もう1個は高温用として、低負荷時から高負荷時まで対応する装置や、特開平8-189339号公報に記載されるように、燃料を排ガス管内に噴射して、未燃焼の煤を燃焼させる方法が知られている。
【特許文献１】特開平9-151728号公報
【特許文献２】特開平8-189339号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来技術において、特許文献１の方法は、低温性能を高めたDPFを用いた場合でも、DPF温度280〜300℃では、充分な酸化燃焼性能が得られず、DPF差圧は上昇し続けることがある。また特許文献２の方法は、燃料を噴射するためのポンプや噴射ノズルが新たに必要となり、装置が複雑となるためコスト増となる。
【０００５】
ディ−ゼルエンジンは始動直後に短時間であるが比較的多量の煤を排出するため、気孔率の小さいDPFを使用すれば煤を捕捉できる。捕捉された煤は熱および酸化触媒によって徐々に燃焼されるが、気孔率の小さいDPFは煤の燃焼速度より煤の捕捉速度が高い場合、煤が徐々に蓄積することによってDPF差圧が大きくなる。この気孔率の小さいDPFを使用し続けるとDPF差圧が上限に達し、DPF自身の破壊やエンジントラブルの原因となる。特に定置式ディ−ゼルエンジンは使用する燃料が重油系になるため、始動直後の煤量（黒煤）は多くなる傾向にあり、そのため気孔率が50〜65％と比較的高いDPFが使用される。しかし気孔率が比較的高いDPFを使用した場合であっても、低負荷(発電量が小)で連続運転すると、100％負荷運転時に比べ、排ガス温度が280〜310℃に大きく低下し、DPFの酸化性能が低減する。DPFの酸化性能は、一般に350〜400℃で最大となる。低負荷運転すると、煤の燃焼速度が低下し、DPFに煤が蓄積するため、DPFの差圧は上昇し続ける問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、エンジン始動時の排ガス中の煤（粒子状物質）を捕捉し、低負荷運転を長時間続けた場合であっても、差圧上昇が小さい排ガス処理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】
上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１） 排ガス入口側のガス流路と排ガス出口側のガス流路が酸化触媒を担持した多孔質隔壁を介して配置され、該排ガス入口側のガス流路から流入した排ガスを、前記多孔質隔壁を経て出口側のガス流路に導入し、該出口側のガス流路から流出させる排ガス浄化用フィルタを備えた排ガス処理装置であって、排ガス浄化用フィルタの排ガス上流側または下流側の近傍に前記排ガス流路断面積の４０〜６０％を遮へいする遮へい板を設け、該遮へい板により遮へいされる流路断面位置を所定時間毎に変化させる切換手段を設けたことを特徴とする排ガス処理装置。
（２）前記遮へい板からDPFまでの距離をDPF直径で割った値が0.03〜0.3になるように、前記遮へい板を配置したことを特徴とする（１）記載の排ガス処理装置。
（３）前記排ガス浄化用フィルタがディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF）である（１）または（２）記載の排ガス処理装置。
【０００８】
本発明者らは、低負荷運転のDPFの差圧上昇を抑えるシステムを検討した結果、DPFの上流または下流側に可動式の遮へい板を設置することにより、低負荷時の差圧上昇を緩和できることを見出した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンジン始動時の排ガス中の煤が多い場合でも、DPFの使用個数を増加せずに、低負荷運転時の差圧上昇を緩和し、長時間の安定運転を可能にする。
【００１０】
排ガス流路断面に設けられたDPFの例えば約半分を遮へいすると、遮へいされていない面に大部分の排ガスが流れるため、DPFの差圧は上昇する。しかし、遮へいされた面は、排ガス量が減少し、DPFが処理するPM量も減少する。その結果、遮へいされた面は、遮へいする前に蓄積していたPMが消費され、DPF初期の状態に近づく。一方、遮へい板を反対側に回すと、瞬間的に排ガス流れが大きく変化し、遮へいされていない側に蓄積されたPMは一旦、DPF壁から少し浮遊し、直ちにDPF壁に押し付けられる。この時、蓄積されたPMのブリッジ状に形成された塊は崩れて、PMのブリッジによって使われていなかったDPF細孔に、PMが入ることにより、PM消費速度が高くなる。同時に遮へい板による排ガス量及び処理するPM量が減少し、蓄積されていたPMが消費されDPFの初期性能に近づく。遮へいされていたDPF面は初期状態に回復途上であるため、DPF差圧は一旦、低減し、そこからPMが蓄積するため差圧は上昇する。しかし、遮へい板を一定時間内にDPFの交互面を切替えて覆うと、DPF差圧は100％負荷時より高くなるが、一定差圧で長時間の低負荷運転が可能となる。
【００１１】
本発明においては、DPFの排ガス上流側または下流側の近傍に遮へい板を設けるが、DPFと遮へい板の距離は、使用するDPFの直径に対し、3〜30％、好ましくは5〜25％の距離が望ましい。DPFと遮へい板の距離が小さ過ぎると、遮へいされているDPF面に排ガスが完全に流れなくなる。続いてDPF温度が低下し、DPF内に蓄積した煤を消費できなくなり、DPF性能が回復しなくなる。逆にDPFと遮へい板の距離が大き過ぎると、遮へいの効果がなくなり、遮へいされているDPF面と遮へいされていないDPF面へ、排ガス流量が同等となって、遮へい板がないDPFと同じ差圧上昇となる。
【００１２】
遮へいする面積は、DPFの断面積に対して大き過ぎると差圧が大となり、小さ過ぎると回復するDPF面積が小となって差圧上昇が起こるため、40〜60％の遮へい面積が望ましい。
なお、ディーゼルエンジンの排ガスを途中で二方向に分岐し、各々の配管にDPFを設置し、バルブによって交互に個々のDPFを使用する方式が考えられるが、その場合、排ガスを流さない配管側のDPFの温度が低下するため、DPFに蓄積されたPMを消費できず、DPF性能を回復させることができない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図面により具体的に説明する。
図１は、本発明の排ガス処理装置の一実施例を示す説明図である。この装置は、ディーゼルエンジン１に連結された排ガス管２と、該排ガス管の流路断面に設けられたディーゼル排ガス用フィルタ（DPF）５と、該フィルタ５の上流側の近傍に設けられた遮へい板３と、該遮へい板を、前記流路断面積の約半分が交互に覆われるように、切換える電動回転機４とから主として構成されている。遮へい板３は、排ガス流路断面に合わせた半月形の平板で、その切片は電動回転機４の回転軸に固着され、図上矢印方向（またはその逆方向）に１８０°回転し、排ガス流路断面の約半分が所定時間に交互に遮へいされるように作動する。
【００１４】
運転方法の一例を述べると、最初に遮へい板によりDPF入口の排ガス流路上下のどちらか一方を閉じてエンジンを起動する。またはエンジンを起動後から低負荷運転の所定温度(例えば290℃)に到達する前に、 DPFのどちらか一方を閉じておく。なお、低負荷運転の定常時に到達した後に、DPFの遮へいを開始すると、既に蓄積した多量の煤を燃焼しきれず、性能が回復し難くなる。低負荷運転の定常時に到達した直後から、DPFの差圧が上限に到達する前に、一定時間間隔(例えば10分毎)に遮へい板を180°回転し反対側を遮へいし、以後同操作(180°回転)を繰返す。一定時間間隔は、長時間(例えば3時間)に設定すると、DPFの遮へいされていない側の煤の蓄積量が過多となってしまい、次に遮へいした場合にDPFの性能が回復しなくなるため、2時間以内、望ましくは1時間以内がよい。低負荷運転を停止する場合は、遮へい板は一定時間間隔で回転するか、回転を停止してもよい。後日、再度低負荷運転を開始する時は同様の操作で連続運転することができる。
【実施例１】
【００１５】
本発明による定置ディ−ゼルエンジンの排ガス処理実験を行った。発電能力30kWのディーゼルエンジンの排ガス出口に内径100mmΦ、長さ２ｍの配管を設置し、排ガス出口から2ｍの位置に、内径99mmΦ、厚さ5mmのSUS製半円板を電動回転式の中心軸で固定した遮へい板を配管の中心部に設けた（内径150mmΦ、長さ0.5mの配管）を設置した。この配管の遮へい板から20mm後流側に、150mmΦ、長さ150mmの触媒付きDPFを取り付けた。さらに排気用の内径100mmΦ、長さ5ｍの配管を設置した。
【００１６】
エンジンを起動し、50％負荷運転を行い、DPFの温度は300℃で安定した。エンジン起動後、80分で断面の半分を遮へいされたDPFの差圧は3.1kPaに上昇した。ここから遮へい板を10分間隔で180°回転させて運転した。結果を図２に示す。3時間経過後のDPFの差圧は2.8kPaで安定したが、このときのPM除去率は95〜100％であった。
【００１７】
また図２は、遮へい板からDPFまでの距離を変化させたときの、該距離／DPF直径に対する差圧上昇速度の変化を調べた結果であるが、遮へい板からDPFまでの距離／DPF直径は0.03（3％）〜0.3（30％）、好ましくは0.05〜0.25であることが分かる。
【実施例２】
【００１８】
実施例1と同様の定置ディ−ゼルエンジンの排ガス処理実験を行った。発電能力30kWのディーゼルエンジンの排ガス出口に内径100mmΦ、長さ２ｍの配管を設置し、排ガス出口から２ｍの位置に、内径99mmΦ、厚さ5mmのSUS製半円板を電動回転式の中心軸で固定した遮へい板を配管の中心部に設けた内径150mmΦ、長さ0.5mの配管を設置した。この配管の遮へい板から20mm上流側に、150mmΦ、長さ150mmの触媒付きDPFを取り付けた。さらに排気用の内径100mmΦ、長さ5ｍの配管を設置した。
エンジンを起動し、50％負荷運転を行い、DPFの温度は310℃で安定した。エンジン起動後、1.5時間で断面の半分を遮へいされたDPFの差圧は3.3kPaに上昇した。ここから遮へい板を20分間隔で180°回転させて運転した。その結果、3時間経過後のDPFの差圧は3.2kPaで安定し、PM除去率は95〜100％であった。
【００１９】
[比較例１]
実施例1と同様の装置を用い、遮へい板を除いて排ガス処理実験を行った。
エンジンを起動し、50％負荷運転を行い、DPFの温度は300℃で安定した。エンジン起動後、2時間でDPFの差圧は2.4kPaに上昇した。ここからさらに4時間経過後のDPFの差圧は1kPa/hの速度で6.4kPaまで上昇し、エンジン停止となった。PM除去率は95〜100％であった。
【００２０】
[比較例２]
発電能力30kWのディーゼルエンジンの排ガス出口に内径100mmΦ、長さ１ｍの配管を設置し、そこから二方向に分岐するバルブと内径100mmΦ、長さ１ｍの二股配管を設置した。続いて二股配管のから内径106mmΦ、長さ0.5mの配管を設置し、長さ0.5mの配管の中心から20mmの位置に、各々106mmΦ、長さ150mmの触媒付きDPF(実施例1のDPFの50％断面積)を取り付けた(DPFは計2個)。さらに排気用の内径100mmΦ、長さ5ｍの配管を設置した。
【００２１】
エンジンを起動し、50％負荷運転を行い、バルブにより一方のDPFにガスを流し、DPFの温度は300℃で安定した。エンジン起動後、2時間でDPFの差圧は5kPaに上昇した。ここから30分間隔でバルブにより、2個のDPFへガス流れを切替えた。DPFの温度は30分後で220℃までしか上昇せず、3時間経過後のDPFの差圧は0.8kPa/hの速度で7.4kPaまで上昇しエンジン停止となった。PM除去率は95〜100％であった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の排ガス処理装置を説明する概念図。
【図２】本発明の実施例における遮へい板の使用有無のDPFの差圧挙動を示した説明図。
【図３】本発明による遮へい板からDPFまでの距離の影響を示した説明図。
【符号の説明】
【００２３】
１…ディーゼルエンジン、２…排ガス管、３…遮へい板、４…電動回転機、５…DPF。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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