(57)【要約】【課題】  エンジンの動力性能の低下をもたらすことなくＰＭの捕集効率を向上すること。【解決手段】  ディーゼルエンジンの排ガス３中に含まれる粒子状物質を帯電させる放電電極５、および帯電された粒子状物質を捕集する集塵電極４を有する電気集塵手段１と、集塵電極４に捕集されて滞留する粒子状物質を集塵電極４から剥離させる剥離手段１３と、集塵電極４から剥離された粒子状物質を分別して捕集するサイクロン方式の分別捕集手段２と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる粒子状物質を帯電させる放電電極、および帯電された前記粒子状物質を捕集する集塵電極を有する電気集塵手段と、
前記集塵電極に捕集されて滞留する前記粒子状物質を該集塵電極から剥離させる剥離手段と、
前記集塵電極から剥離された粒子状物質を分別して捕集するサイクロン方式の分別捕集手段と、
を備えることを特徴とするディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記集塵電極は、内周面に凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記集塵電極は、その内周面に一体的に重ね合わせた筒状の多孔金属体によって前記凹凸部が形成されてい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排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記集塵電極は筒状に形成され、前記放電電極は該集塵電極の中心軸線に沿って配設されていることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記集塵電極の外周囲に集塵フィルタ層を配設し、前記放電電極は、前記排ガスの流れに交差する方向の二次流れを誘起するイオン風を前記集塵電極との間に発生するように形成され、前記集塵電極は前記集塵フィルタ層に前記二次流れを流通させるための開口を備える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排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記放電電極は、集塵電極の中心軸線に沿って延びる主電極と、この主電極の長手方向に沿って所定の間隔で配設された複数の刺状電極の群と、を有し、前記刺状電極の群は、個々の刺状電極が前記電極支持体から集塵電極に向かって放射状に突出するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記排ガス中に含まれるガス状のＳＯＦを酸化するＳＯＦ酸化触媒を配置したことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項８】
前記ＳＯＦ酸化触媒が白金、パラジューム系触媒である請求項７に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項９】
前記白金、パラジューム系触媒は、２００℃以上のディーゼルエンジン排ガスが通過する部位に配置されることを特徴とする請求項８に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項１０】
前記分別捕集手段で捕集された粒子状物質の酸化を促進する触媒を配設したことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項１１】
前記剥離手段は、前記集塵手段に変動ガス流を作用させる変動ガス流発生手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項１２】
前記変動ガス流発生手段は、加圧空気を噴射して前記変動ガス流を発生するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項１３】
前記変動ガス流発生手段は、前記排ガスの通路における前記集塵電極よりも上流側の部位において該排ガスの圧力を制御し、この圧力の制御による前記排ガスの圧力変動により前記変動ガス流を発生するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【請求項１４】
前記剥離手段は、前記集塵電極表面に塗布した粒子状物質酸化触媒であることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
【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の排ガスを浄化する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の排ガス中に含まれたＰＭ（パティキュレート・マター：粒子状物質）を捕集するための手段として、排ガス浄化フィルタが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２８１０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記排ガス浄化フィルタは、ＰＭの堆積による目詰まりを生じるため、背圧上昇によるエンジンの動力性能の低下をもたらす。
本発明の目的は、このような状況に鑑み、エンジンの動力性能の低下をもたらすことなくＰＭの捕集効率を向上することができるディーゼルエンジン排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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる粒子状物質を帯電させる放電電極、および帯電された前記粒子状物質を捕集する集塵電極を有する電気集塵手段と、前記集塵電極に捕集されて滞留する前記粒子状物質を該集塵電極から剥離させる剥離手段と、前記集塵電極から剥離された粒子状物質を分別して捕集するサイクロン方式の分別捕集手段と、を備えている。
【０００６】
前記集塵電極は、内周面に凹凸部を形成して、該内周面におけるＰＭの滞留性を向上することが望ましい。
前記集塵電極は、例えばその内周面に一体的に重ね合わせた筒状の多孔金属体によって前記凹凸部を形成することができる。
また、前記集塵電極は筒状に形成することができ、前記放電電極は該集塵電極の中心軸線に沿って配設することができる。
【０００７】
前記集塵電極の外周囲に集塵フィルタ層を配設することができる。この場合において、前記放電電極は、前記排ガスの流れに交差する方向の二次流れを誘起するイオン風を前記集塵電極との間に発生するように形成され、また、前記集塵電極は、前記集塵フィルタ層に前記二次流れを流通させる開口が備えられる。さらに、前記放電電極は、集塵電極の中心軸線に沿って延びる主電極と、この主電極の長手方向に沿って所定の間隔で配設された複数の刺状電極の群と、を有するように構成され、前記刺状電極の群は、個々の刺状電極が前記電極支持体から集塵電極に向かって放射状に突出するように設けられる。
【０００８】
前記排ガス中に含まれるガス状のＳＯＦを酸化するＳＯＦ酸化触媒を配置しても良い。このＳＯＦ酸化触媒としては、例えば白金、パラジューム系触媒を適用することができる。この白金、パラジューム系触媒は、２００℃以上のディーゼルエンジン排ガスが通過する部位に配置することが望ましい。
また、前記分別捕集手段で捕集された粒子状物質の酸化を促進する触媒を配設することも可能である。
【０００９】
前記剥離手段は、前記集塵手段に変動ガス流を作用させる変動ガス流発生手段を備えることができる。
前記変動ガス流発生手段は、加圧空気を噴射して前記変動ガス流を発生するように構成してもよい。また、この変動ガス流発生手段は、前記排ガスの通路における前記集塵電極よりも上流側の部位において該排ガスの圧力を制御し、この圧力の制御による前記排ガスの圧力変動により前記変動ガス流を発生するように構成されてもよい。
前記剥離手段は、前記集塵電極表面に塗布した粒子状物質酸化触媒であっても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置によれば、電気集塵手段によるＰＭの捕集機能とサイクロン方式の分別捕集手段によるＰＭの分別機能とによって該ＰＭを極めて効率良く捕集することができる。しかも、圧力損失によるエンジンの動力性能への悪影響がなく、ランニングコストの面でも有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態ついて説明する。図１は、排ガスを縦方向に流しながら処理するように構成された本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置の一実施形態を示す縦断面図である。
この実施形態に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、電気集塵部１と、分別捕集部としてのサイクロン２とを備えている。
【００１２】
ディーゼルエンジンの排ガス３中には、ＰＭ（パティキュレート・マター：粒子状物質）が含まれている。このＰＭは、煤（カーボンスーツ）、ＳＯＦ（燃料および潤滑油の燃え残りである可溶性有機成分）等の総称であるが、本明細書では、粒子状物質としては存在しない高温のＳＯＦ(ガス状の形態である)をＰＭの範疇から除外している。
電気集塵部１は、上記ＰＭを捕集するために設けたものであって、集塵電極４と放電電極５とを備えている。
【００１３】
集塵電極４は、排ガス３の通路を構成する円筒状ハウジング６の内周面に沿って取付けた円筒状金属体７と、この円筒状金属体７の内周面に形成した凹凸部８とによって構成されている。
上記凹凸部８は、集塵電極４の内周面に上記ＰＭを滞留させるために形成したものである。この実施の形態では、この凹凸部８を円筒状金属体７の内周面に円筒状の金網を重ね合わすことによって形成している。なお、この金網は、多重に配置しても良い。また、上記金網に代えて、パンチングメタル等の他の多孔金属体を用いることも可能である。
【００１４】
放電電極５は、集塵電極４の軸線に沿って延びる主電極９と、この主電極９の長手方向に沿って所定の間隔で配設された刺状電極１０の群とによって構成されている。上記刺状電極１０の群は、前記主電極９から集塵電極４に向かって放射状に突出する複数本(例えば、4本)の刺状電極１０を含んでいる。このように構成された放電電極５は、支持体１１および碍子１２を介して固定支持されている。
【００１５】
電気集塵部１では、後述するように、集塵電極４によって捕集された粒子状物質が上記凹凸部８の粒子保持作用によって滞留することになる。そこで、電気集塵部１には、上記滞留する粒子状物質を定期的に剥離させる機械的剥離機構１３が設けられている。この実施の形態では、剥離機構１３として偏心による振動を発生する偏心モータ１４を使用している。もちろん、剥離機構１３として、集塵電極４に打撃力を加えるハンマー機構や、該集塵電極４に捩り力を加える加圧機構等の他の適宜な機構を適用しても良い。
【００１６】
ところで、上記集塵電極４等に滞留する粒子状物質は、上記機械的剥離機構１３とは異なる手段によっても剥離可能である。すなわち、排ガス３の通路における電気集塵部１よりも上流側の部位において、早い流速のガスを所定の時間間隔で瞬間的に流すようにすれば、それに伴って発生する変動ガス流によって集塵電極４や放電電極５に凝集付着している粒子状物質を粗大化させた状態で剥離することができる。
この場合、ガス流速の急激な増大と同期させて、瞬間的に電気集塵部１の荷電作用を停止させることにより剥離効果が一層向上する。
なお、剥離時のガス流速は、通常時のガス流速の１．５倍以上に設定することが望ましい。すなわち、例えば通常時のガス流速が６ｍ／ｓである場合には、剥離時のガス流速を９ｍ／ｓ以上に設定することが好ましい。
実験結果によると、電気集塵に適したガス流速は２〜６ｍ／ｓ程度であり、また、上記粒子状物質の剥離に適したガス流速は６ｍ以上であった。そこで、例えば通常時のガス流速を２〜４ｍ／ｓ程度に設定し、剥離時のガス流速を６ｍ／ｓ以上に設定すれば、集塵効果と剥離効果の双方を満足させることが可能となる。
【００１７】
上記変動ガス流は、例えば、加圧空気を噴射することによって発生することができる。この場合、加圧空気の噴射手段は、コンプレッサ、このコンプレッサによって得られる加圧空気を貯蔵するタンク、加圧空気を噴射させるためのバルブ機構および上記コンプレッサとバルブ機構を制御する制御手段等によって構成され、所定の時間間隔で上記加圧空気を噴射する。
なお、この実施形態に係る排ガス処理装置をディーゼル車に適用する場合には、上記加圧空気としてエアブレーキ用の圧縮空気の一部を流用することが可能である。
【００１８】
また、上記変動ガス流は、次のようにして発生させても良い。すなわち、排ガス３の通路における電気集塵部１よりも上流側の部位にバルブを設け、このバルブを閉止することによって排ガスの圧力を高めた後、該バルブを一気に開放して当該部を流れるガスの流量を急激に増加させることにより、上記変動ガス流を発生させることが可能である。この場合、上記バルブは、所定の時間間隔で、あるいは、上記排ガスの圧力が所定値まで上昇したタイミングで開放される。
なお、上記ディーゼル車にこの排ガス処理装置を適用する場合には、排気ブレーキの解除操作に伴う排ガス流量の変動を上記粒子状物質の剥離に利用することができる。
【００１９】
さらに、集塵電極４等に滞留するＰＭは、上記機械的剥離機構あるいは変動ガス流とは異なる手段によっても剥離可能である。すなわち、ある程度の高温排ガス条件下では、集塵電極等の表面にＰＭの酸化を促進する作用を有する触媒を塗布することによって、該電極等に付着したＰＭにおける触媒との直接接触部分が酸化除去されること、つまり、電極等に対するＰＭの引っかかり部分が消失されることになり、この結果、ある程度の時間の経過後、PMを電極等から自然剥離させることができる。PM酸化触媒としては、五酸化バナジウム系触媒、酸化モリブデン系触媒、あるいはこれらと硫酸カリウムとの共晶物、さらにはこれらと白金との混合物等を適用することができる。
【００２０】
前記排ガス３の流れ方向における電気集塵部１の上流側には、ＳＯＦ酸化触媒１５が配置されている。このＳＯＦ酸化触媒１５は、粒子状物質としては存在しない高温ガス状のＳＯＦを酸化する目的で使用されるので、高温の排ガス３が通過する排ガス通路に配置される。
すなわち、例えば、ＳＯＦ酸化触媒１５として白金、パラジューム系のものを使用する場合には、２００℃以上の排ガス３が通過する部位に該触媒１５が配置され、また、ＳＯＦ酸化触媒１５としてロジウム系のものを使用する場合には、３００℃以上の排ガス３が通過する部位に該触媒１５が配置される。
なお、このＳＯＦ酸化触媒１５は、通気の支障にはならないように、例えば、ハニカム構造のアルミナに担持される。
【００２１】
前記排ガス３の流れ方向における電気集塵部１の下流側には、分別収集手段としての前記サイクロン２が設けられている。このサイクロン２は、電気集塵部１を通過したガス流３の流れを旋回流に変換するガイドベーン１６を入口部位に配設し、更に、ホッパー部１７の先端部位（底部）にＰＭ酸化触媒１８および該触媒１８を加熱するヒータ１９を配設してある。
なお、ＰＭ酸化触媒１８としては、例えば、五酸化バナジウム系触媒、酸化モリブデン系触媒、あるいはこれらと硫酸カリウムとの共晶物等を適用することができる。
サイクロン２の上部には、該サイクロン２内のガスを排出するための排気管２０が設けられている。この排気管２０は、その内部にリカバリーベーン２１を備えている。
【００２２】
この実施の形態に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置においては、ディーゼルエンジンの高温の排ガス３中に含まれたガス状のＳＯＦが上記ＳＯＦ酸化触媒１５の表面上において酸化浄化される。それゆえ、電気集塵部１には、電気集塵では除去不可能なガス状のＳＯＦが除去された排ガス３が流入することになる。
【００２３】
電気集塵部１に流入した排ガス３中のＰＭは、集塵電極４と放電電極５との間における放電によって帯電されるので、クーロン力によって集塵電極４に捕集される。捕集されたＰＭは、上記凹凸部８の粒子保持作用によって再飛散が防止されるので、徐々に粒子径を増大しながら集塵電極４の内周面に滞留することになる。
集塵電極４は、定期的に前記偏心モータ１４によって加振される。これにより、集塵電極４の内周面に滞留したＰＭは、該集塵電極４の内周面から剥離されて、ガス流とともにガイドベーン１６に流入する。
【００２４】
勿論、集塵電極４の内周面に滞留したＰＭの剥離手段として、前記した変動ガス流の発生手段、あるいは前記集塵電極４等に塗布したＰＭ酸化触媒を使用することができ、また、上記３種の剥離手段の２つまたは全てを併用することも可能である。
特に、上記変動ガス流の発生手段によってガス流速を急激に増大させれば、剥離凝集したＰＭを含む高速のガス流が電気集塵部１の下流に到達するので、サイクロン２内におけるガス流の旋回速度が増大する。このため、このサイクロン２による機械的分離効率が向上して、より効率的にＰＭを除去することが可能になる。
【００２５】
ガイドベーン１６は流入するガス流を旋回流に変換するので、上記ＰＭがホッパー部１７で遠心分離されながら下降して、該ホッパー部１７の底部に捕集される。そして、この捕集されたＰＭは、ヒータ１９によって充分に加熱された前記ＰＭ酸化触媒１８によって酸化除去される。一方、浄化された排ガスは、排気管２０を介して外部に放出される。
このとき、排気管２０内に設けられたリカバリーベーン２１は、該排気管２０に旋回しながら流入する清浄化ガスに対して逆向きの旋回力を与えて該ガスの旋回を抑制する作用をなすので、この排気管２０における圧損が低減される。
【００２６】
この実施の形態に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置よれば、電気集塵部１によるＰＭの捕集機能とサイクロン２によるＰＭの分離機能とによってＰＭを極めて効率良く捕集することができる。しかも、排ガス浄化フィルタを使用しないので、圧力損失によるエンジンの動力性能への悪影響がなく、ランニングコストの面でも有利である。
【００２７】
上記排ガス浄化装置は、円筒状ハウジング６を備えているが、この円筒状ハウジング６に代えて、図２に示すような四角筒状ハウジング６'を使用しても良い。この場合、ハウジング６'と前記ホッパー部１７は、図示のような平三角板２２と、湾曲三角板２３を交互に配列接合することによって連結することができる。
【００２８】
図３は、排ガスを横方向に流しながら処理するように構成された本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置の他の実施形態を示す縦断面図である。なお、この図３においては、図１に示す要素と同一もしくは共通する要素に同一の符号を付してある。
この排ガス浄化装置は、ハウジング６を横向きに配設してある。また、排気管２０をホッパー部１７の上部において横向きに配設するとともに、該排気管２０とホッパー部１７の上部空間との間に抽気管２４を設けてある。
【００２９】
この排ガス浄化装置においては、ハウジング６におけるガイドベーン１６よりも下流側の部位がサイクロンを構成するので、この部位において前記ＰＭが遠心分離される。そして、この遠心分離されたＰＭは、ホッパー部１７内を降下して該ホッパー部１７の底部に捕集された後、前記ＰＭ酸化触媒１８によって酸化除去される。
一方、浄化された排ガスは、排気管２０に流入した後、その一部が抽気管２４を介してホッパー部１７の上部空間にリターンされる。このリターンガスは、上記分離されたＰＭをホッパー部１７内に送り込む作用を成す。
なお、図示していないが、この実施の形態に係る排ガス浄化装置においても、図１に示すＳＯＦ酸化触媒１５およびリカバリーベーン２１が設けられている。
【００３０】
図１および図２に示す実施形態における集塵電極４および放電電極５に代えて、平行平板形の集塵電極および放電電極を使用することも可能である。また、図１および図２に示す実施形態における電気集塵部１に代えて、図４に示すような電気集塵部３０を使用することも可能である。
【００３１】
図４に示す電気集塵部３０は、アース電極３４、放電電極３５、ハウジング３６および集塵フィルタ層３７を備えている。
アース電極３４は、ＰＭを通過させ得る開口率を有した金網などの多孔金属材料によって円筒状に形成され、円筒状のハウジング３６の内側に同軸状に設けられている。
放電電極３５は、アース電極３４の軸線に沿って延びる主電極３９と、この主電極９の長手方向に沿って所定の間隔で配設された刺状電極４０の群とによって構成されている。上記刺状電極４０の各群は、前記主電極３９からアース電極３４に向かって放射状に等角度間隔で突出する複数本(この例では、4本)の刺状電極４０を含んでいる。
【００３２】
集塵フィルタ層３７は、アース電極３４とハウジング３６との間に設けられている。この集塵フィルタ層6は、集塵フィルタ層6は、排ガス３が通過可能でかつ該排ガス３中に含まれるＰＭを捕集することが可能なポーラスな材料、たとえば、積層した金網、セラミックス、グラスファイバ製の充填材などによって形成される。
【００３３】
この電気集塵部３０においては、アース電極３４および主電極３９が高圧電源４１の陽極および陰極にそれぞれ接続されるので、刺状電極４０の先端とアース電極３４との間にコロナ放電が発生し、その結果、このコロナ放電の起点の近傍で排ガス３の気体分子がイオン化される。
イオン化された気体分子は、電界によって刺状電極４０の先端からアース電極３４に向けて移動され、この結果、図５に矢視したような環状のイオン風を形成する。このイオン風は、周囲のガスを巻き込むので、主ガスの流れに直交する断面内においてイオン風によるガスの二次流れが形成され、これがアース電極３４に吹き付けられる。
【００３４】
すなわち、この電気集塵部３０によれば、流入した排ガス３が上記イオン風によってアース電極３４に向けて加速され、このアース電極３４を通過して集塵フィルタ層３７の内部まで流れ込む。
この結果、ＰＭを含む排ガス３は、アース電極３４の軸線に沿う主ガスの流れと上記二次流れとが合成されて３次元的にらせん状に回転しながら循環移動し、その過程で、そのガス３中に含まれる電荷を有したＰＭが集塵フィルタ層３７の中で機械的、あるいは静電気的に集塵されていく。
【００３５】
このように、この電気集塵部３０は、排ガス３中のＰＭを帯電させてクーロン力でアース電極３４に捕集するとともに、該排ガス３を上記イオン風によって対流させて、集塵フィルタ層３７中に繰り返し通過させるので、帯電し難い微小粒子径のＰＭをも効率良く捕集することができる。したがって、この電気集塵部３０を図１および図３に示す排ガス浄化装置に適用すれば、ＰＭの捕集効率を一層向上することができる。
なお、図４には示されていないが、この電気集塵部３０にもアース電極３４や集塵フィルタ層３７に滞留するＰＭをそれらから定期的に剥離する手段（図１に示す剥離機構１３や、ガス流を急激に変動させる前記変動ガス流の発生手段）が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】四角状ハウジングとサイクロンとの接合部の構造を例示した斜視図である。
【図３】本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】電気集塵部の他の構成例を部分的に断面して示す斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  電気集塵部
２  サイクロン
３  排ガス
４  集塵電極
５，３５  放電電極
６，６'，３６  ハウジング
１０，４０  刺状電極
１３  剥離機構
１４  偏心モータ
１５  ＳＯＦ酸化触媒
１６  ガイドベーン
１８  ＰＭ酸化触媒
２０  排気管
３４  アース電極
３７  集塵フィルタ層
【図１】
2006136766.tif 000003
【図２】
2006136766.tif 000004
【図３】
2006136766.tif 000005
【図４】
2006136766.tif 000006
【図５】
2006136766.tif 000007