(57)【要約】【課題】  静電分離作用を利用して、ＰＭ等の物質及びＮＯｘの双方を同時に低減する。【解決手段】  内燃機関１の排気通路２に、静電分離装置３、排気後処理装置４を介装する。静電分離装置３は、コロナ放電によって排気通路２を流れる排気中のＰＭを帯電し補捉する集塵機能を備える。静電分離装置３により集められたＰＭは、連通路５を介して、内燃機関１の吸気通路延いては燃焼室へ戻され再燃焼させられる。【選択図】図１
2007278194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼を行わせ、静電分離可能な物質を含む気体を排出する燃焼装置の排気処理装置であって、
前記燃焼装置から排出される静電分離可能な物質を含む気体の少なくとも一部を導入し、該気体に含まれる前記物質を静電分離する静電分離手段と、
前記静電分離手段により静電分離された物質を含む気体の少なくとも一部を、前記燃焼装置の燃焼室へ還流させる還流手段と、
を含んで構成されることを特徴とする排気処理装置。
【請求項２】
前記静電分離手段が、該静電分離装置に導入される静電分離可能な物質を含む気体のうち、前記静電分離された物質を含む気体と、残りの気体と、に分流する分流手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置。
【請求項３】
前記残りの気体の流れの前記静電分離手段の下流側に、当該残りの気体或いは当該残りの気体に含まれる物質に対して所定の処理を施す排気後処理装置が配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気処理装置。
【請求項４】
前記還流手段が、前記静電分離手段と、前記燃焼装置の燃焼に供される空気を導入するための通路と、を連通する連通路を含んで構成され、
前記連通路に、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して改質を行う改質装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して熱交換を行う熱交換装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して燃料を添加する燃料添加装置の少なくとも一つが配設されることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の排気処理装置。
【請求項５】
前記改質装置、前記熱交換装置、前記燃料添加装置のすべてが配設される場合に、前記改質装置、前記熱交装置が、前記連通路を流れる静電分離された物質を含む気体の流れ方向下流側に向かって、この順番で配設されると共に、前記改質装置の前記流れの上流側において燃料を添加するように前記燃料添加装置が配設されることを特徴とする請求項４に記載の排気処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼装置からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量は所謂トレードオフの関係にあり、これまで、これらの規制物質の排出を抑えるには、ＰＭ、ＮＯｘ双方の排気後処理装置を搭載することが必要とされてきた。
【０００３】
ＰＭの大気中への排出量を低減するための排気後処理装置として、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter）を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルターを通過させることで排気中のPMを捕集するものがある。しかしながら、このものはフィルタによる捕集であるため、排圧の上昇が起こり燃焼効率を下げるおそれがある。
【０００４】
従って、このような排圧上昇等の悪影響を伴わずに、ＰＭ及びＮＯｘの双方の排出量を同時に低減できる装置が求められる。
【０００５】
ここで、特許文献１には、静電捕集及び静電分離技術として、金属配管中央に金属棒などを配置し、金属配管と金属棒の両電極間に高電圧を印加する手法が開示されている。このものは、電気集塵の作用によりＰＭを金属配管の内壁付近に集め、金属配管内壁付近と、金属配管の中心付近と、においてＰＭの分離を可能とするものである。そして、このようなＰＭの捕集・分離部の後段に、二重管構造の配管を配置することでＰＭを濃縮させた気体流と、ＰＭをほとんど含まない気体流と、に分離することができる。
【特許文献１】特開２００５−０７６４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、静電分離作用を利用して、排圧の上昇等の悪影響を抑制しながら、ＰＭ等の物質及びＮＯｘの双方を同時に低減することができる排気処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明に係る排気処理装置は、
燃焼を行わせ、静電分離可能な物質を含む気体を排出する燃焼装置の排気処理装置であって、
前記燃焼装置から排出される静電分離可能な物質を含む気体の少なくとも一部を導入し、該気体から前記物質を静電分離する静電分離手段と、
前記静電分離手段により静電分離された物質を含む気体の少なくとも一部を、前記燃焼装置の燃焼室へ還流させる還流手段と、
を含んで構成される。
【０００８】
前記静電分離手段は、該静電分離装置に導入される静電分離可能な物質を含む気体のうち、前記静電分離された物質を含む気体と、残りの気体と、に分流する分流手段を含んで構成されることができる。
【０００９】
前記残りの気体の流れの前記静電分離手段の下流側に、当該残りの気体或いは当該残りの気体に含まれる物質に対して所定の処理を施す排気後処理装置を配設することができる。
【００１０】
なお、前記還流手段は、前記静電分離手段と、前記燃焼装置の燃焼に供される空気を導入するための通路と、を連通する連通路を含んで構成され、前記連通路に、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して改質を行う改質装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して熱交換を行う熱交換装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して燃料を添加する燃料添加装置の少なくとも一つを配設することができる。
【００１１】
前記改質装置、前記熱交換装置、前記燃料添加装置のすべてが配設される場合において、前記改質装置、前記熱交装置が、前記連通路を流れる静電分離された物質を含む気体の流れ方向下流側に向かって、この順番で配設されると共に、前記改質装置の前記流れの上流側において燃料を添加するように前記燃料添加装置を配設することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、静電分離作用を利用して、排圧の上昇等の悪影響を抑制しながら、ＰＭ等の物質及びＮＯｘの双方を同時に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る第一の実施の形態について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１に示される第一の実施の形態に係る内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。
【００１５】
図１に示すように、内燃機関１には、排気通路２が接続されており、該排気通路２には、静電分離装置３が介装され、その排気下流側には排気後処理装置４が介装されている。
【００１６】
静電分離装置３は、図２に示すように、例えば、筒状（円筒の他、楕円、矩形など所望の長手方向横断面形状を持つ中空状のものとすることができる）の低電圧電極部３Ａと、その長手方向中心軸近傍において該長手方向に延伸して配設される高電圧電極部３Ｂと、内筒部３Ｃと、を含んで構成される。ここにおいて、静電分離装置３は、本発明に係る静電分離手段に相当する。
【００１７】
低電圧電極部３Ａは、ステンレス等の金属等の導電体で構成されており、第一の実施の形態に係る静電分離装置３は、後述する高電圧電極部３Ｂと当該低電圧電極部３Ａとの間に印加される高電圧により発生するコロナ放電によって、排気通路２を流れる排気６中のＰＭ（粒子状物質）１０を帯電し補捉する集塵機能を備えて構成される。
【００１８】
高電圧電極部３Ｂは、低電圧電極部３Ａとの間でコロナ放電を発生させる放電極（コロナ放電極）であり、例えば、ステンレスワイヤー、ピアノ線、細線、撚り線、棒状部材などで構成することができる。前記低電圧電極部３Ａの長手方向に略直交する方向における該高電圧電極部３Ｂの断面は、例えば、丸状、楕円形、角形など所望の形状で形成することができ、また、材質としては導電性を有するものを用いることができ、例えば、SUS（ステンレス）、タングステン、ニッケル、チタン、インコネルなどの耐蝕性に優れた材質などを用いることができる。
【００１９】
内筒部３Ｃは、筒状（長手方向横断面形状は、丸形、楕円形、角形の他、所望の形状とすることができる）の排気分流部材であり、低電圧電極部３Ａと高電圧電極部３Ｂとの間のコロナ放電により低電圧電極部３Ａの内壁付近に集められたＰＭ１０を多く含む高濃度排気６Ａと、それより内側のＰＭ１０の濃度が低い低濃度排気６Ｂと、を分離可能に、図２に示すように、低電圧電極部３の内側で該低電圧電極部３Ｂの排気下流側において該低電圧電極部３Ａと略同心的に配設される。内筒部３Ｃは、導電性部材である必要はなく、金属、セラミック、樹脂など、適宜の材料で形成することができる。ここにおいて、内筒部３Ｃは、本発明に係る分流手段に相当する。
【００２０】
なお、第一の実施の形態においては、内筒部３Ｃは、排気最下流部において、後述する排気後処理装置４に連通する排気通路２に連設されるが、例えば、図２に示すように、余剰の高濃度排気６Ａを排気通路２へ戻すことができるような円周上の一部を切り欠いて構成される開口部３Ｄを設けて構成することもできる。
【００２１】
排気後処理装置４は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒、ＤＰＮＲ触媒（多孔質セラミック構造体に、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を組み合わせたもので、排気がセラミックの隙間を通る間に触媒で酸化や還元することで、ＰＭやＮＯｘを大幅に低減可能にした触媒）、ＨＣ−ＳＣＲ用触媒（炭化水素を還元剤として用いてＮＯｘを浄化する選択的還元型ＮＯｘ触媒）、尿素ＳＣＲ（ＵＲＥＡ−ＳＣＲ）用触媒（尿素を還元剤として用いてＮＯｘを浄化する選択的還元型ＮＯｘ触媒）、ディーゼルパティキュレートフィルターなど、要求に応じて適宜採用することができる。
【００２２】
なお、排気後処理装置４は、例えば、静電分離装置３の内筒部３Ｃの内側を通って排気下流側へ流出してくる排気の特性（排気中に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭなどの各成分の排出量・割合など）に応じて、上述した各種の触媒或いはフィルタのうち何れを採用するか、或いは同種・異種に拘わらず複数を組み合わせて採用するかなどを決定することができる。
【００２３】
ここにおいて、第一の実施の形態では、静電分離装置３と、内燃機関１の図示しない吸気通路と、を連通する連通路５が配設されている。連通路５は、本発明に係る還流手段として機能するもので、低電圧電極部３Ａと高電圧電極部３Ｂとの間のコロナ放電により低電圧電極部３Ａの内壁付近に集められたＰＭ１０を多く含む高濃度排気６Ａの少なくとも一部を、還流気体として、内燃機関１の吸気通路延いては燃焼室（図示せず）へ戻すことが可能に配設される。低電圧電極部３Ａとの接続部及び内燃機関１の吸気通路との接続部は、高濃度排気６Ａの少なくとも一部を、内燃機関１の吸気通路へ戻すことが可能な位置とすることができる。
【００２４】
かかる構成を備えた第一の実施の形態に係る内燃機関１は、還流気体と、内燃機関１の吸気通路を介して外部から導入される吸入空気（新気）と、が混合された気体を燃焼室に導くことができるため、還流気体に含まれるＰＭ１０を燃焼室内で再燃焼させることができる。
【００２５】
すなわち、第一の実施の形態によれば、排気中に含まれるＰＭ１０を静電分離装置３により効果的に捕集し、該捕集されたＰＭ１０を連通路５を介して内燃機関１の燃焼室に戻し再燃焼させることにより、静電分離装置３より排気下流側にある排気後処理装置４延いては外気へのＰＭ１０の排出を効果的に低減することができる。
【００２６】
このため、例えば、ＮＯｘの排出量を低減するために燃焼温度を下げる場合には、燃焼が悪化して燃え残りが多くなりＰＭの排出量が増大する（すなわち、ＮＯｘの排出量と、ＰＭの排出量と、はトレードオフの関係にある）ため、大気汚染の拡大を防止するという観点からすれば、従来は、排気後処理装置４として、例えばＰＭを多量に捕集するために適応されたディーゼルパティキュレートフィルター等を備える必要等があったが、第一の実施の形態によれば、ＰＭを効果的に捕集して再燃焼させることができるので、燃焼面からＮＯｘの排出量を低減してもＰＭの排出量を低減することができる。
【００２７】
すなわち、第一の実施の形態によれば、ＰＭ及びＮＯｘの排出量を同時に低減することができる。従って、例えば、従来に対して、排気後処理装置への負担を軽減することができ（小容量化或いは再生サイクルを長期化できるなど）、更には状況によっては排気後処理装置を省略することも可能となる。なお、排気後処理装置を備えれば、静電分離装置３及び連通路５によりＰＭ及びＮＯｘの排出量の双方が同時に低減された排気に対して、より一層効果的かつ確実にＮＯｘ、ＰＭ等の外気への排出量を低減することができる。
【００２８】
ところで、第一の実施の形態は、高濃度排気６Ａを燃焼室に戻す構成であるため、ＰＭを再燃焼させてＰＭの排出量を低減できるだけでなく、同時にＥＧＲとしても機能することになるから、ＥＧＲの効果として燃費をある程度維持しながら燃焼温度を下げることができ、以って燃費を所定に維持しつつＮＯｘの排出量を効果的に低減することができる。
【００２９】
なお、連通路５を流れる還流気体に対して冷却を施すように構成し、所謂クールＥＧＲ（Cool Exhaust Gas Recirculation）システムとして機能させ、より一層燃焼温度を下げＮＯｘの排出量をより一層効果的に低減することもできる。また、内燃機関１の運転状態に応じて所望の還流気体流量が得られるように還流気体流量を制御する流量制御弁を連通路５に介装することもできる。
【００３０】
このように、第一の実施の形態では、静電分離装置３及び連通路５を備えたことで、ＰＭ及びＮＯｘの双方の排出量を同時に低減することが可能となる。これに伴い、排気後処理装置４への負担を軽減でき、以って排気後処理装置４の小容量化、或いは省略することも可能となり、延いては構成の簡略化が図れ、重量の軽減、製造コストの低減などにも寄与することができる。
【００３１】
次に、本発明に係る第二の実施の形態について、添付の図面を参照しつ、以下に詳細に説明する。なお、上述した第一の実施の形態において説明した要素と同様の要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３２】
図４に示すように、第二の実施の形態では、第一の実施の形態と同様に、内燃機関１、排気通路２、静電分離装置３、排気後処理装置４、連通路５が備えられる一方、連通路５に、当該連通路５を流れる還流気体の流れの下流側に向けて、改質装置７、熱交換装置８が、この順番で介装されている。
【００３３】
更に、改質装置７の還流気体流れ上流側には、連通路５を通って改質装置７へ流入する還流気体の温度を上昇させるための燃料を添加供給する燃料添加装置９の燃料添加手段８Ａが接続されている。
【００３４】
このような構成を備えた第二の実施の形態においては、第一の実施の形態と同様、内燃機関１からの排気は、排気通路２の途中に介装される静電分離装置３において、ＰＭ１０を多く含む高濃度排気６Ａと、ＰＭ１０の濃度が低い低濃度排気６Ｂと、に分離され、その高濃度排気６Ａの少なくとも一部が、連通路５を介して改質装置７（例えば、特開２００５−０９８２２６号公報等参照）へ導かれる。
【００３５】
改質装置７は、燃料添加装置９の燃料添加手段８Ａを介して燃料を供給添加されＰＭ１０を含む還流気体に作用して、着火性の高い気体、或いは燃焼性の高い気体（ラジカルなどを含む）を効率的に生成する。具体的には、第二の実施の形態に係る改質装置７は、ＰＭ１０が濃縮された高濃度排気６Ａに対して作用するため、例えば、以下のような反応が期待できる。
ＨＣ→ＣＯ、Ｈ２、Ｒ−ＣＨＯ、Ｒ−ＯＨ
【００３６】
そして、改質装置７において着火性の高い気体或いは燃焼性の高い気体に改質された還流気体は、熱交換装置８により所定温度に制御され、連通路５を介して内燃機関１の吸気通路延いては燃焼室へ導かれて再燃焼されることになる。着火性或いは燃焼性の高い気体は、所謂着火遅れ期間を短くするため、初期燃焼割合が低減され、燃焼温度の上昇が抑制されることになるため、ＮＯｘの排出量の増大を抑制しつつ熱効率延いては燃費を高いレベルに維持することができる。
【００３７】
このように、第二の実施の形態では、ＰＭ１０を多く含む高濃度排気６Ａを連通路５を介して内燃機関１の吸気通路延いては燃焼室に導いてＰＭ１０を再燃焼させることができるため、ＰＭ１０の外気への排出を効果的に抑制することができることに加え、改質装置７を備えたことにより高濃度排気６Ａの一部を着火性の高い気体或いは燃焼性の高い気体に改質しつつ再燃焼させるため、ＮＯｘの排出量を効果的に抑制しつつ熱効率延いては燃費を高いレベルに維持することができる。
【００３８】
改質装置７内での反応については、燃料添加装置９からの燃料添加の量を制御すること、或いは燃料添加の成分を調整することなどによって、酸化種の生成、還元種の生成を制御することができる。また、所望の改質が得られるように、ＰＭ１０を含む還流気体に作用して改質を行うものであれば改質装置７としては採用可能であり、例えば、プラズマ装置、触媒装置、バーナー（燃焼装置）などを採用することができる。
【００３９】
なお、第一の実施の形態と同様、第二の実施の形態においても、静電分離装置３及び連通路５、改質装置７を備えたことで、ＰＭ及びＮＯｘの双方の排出量を同時に低減できるため、排気後処理装置４への負担を軽減でき、以って排気後処理装置４の小容量化、或いは排気後処理装置４を省略することが可能となり、延いては構成の簡略化が図れ、重量の軽減、製造コストの低減が図れるものである。
【００４０】
第二の実施の形態では、改質装置７、熱交換装置８、燃料添加装置９を備えたものを一例として説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、これら装置のうち何れか一つ、或いは何れかを適宜組み合わせて用いる場合も含むものである。
【００４１】
すなわち、改質装置７のみを備えることで所望の改質が得られる場合には、改質装置７のみを備えることもできる。また、熱交換装置８のみを備え、還流気体の温度を所望の温度に調整することだけで、所望の燃焼特性、排気特性が得られる場合には、熱交換装置８のみを備えることができる。更に、燃料添加装置９のみを備え、燃料添加のみで還流気体を所望に燃焼させて、所望の燃焼特性、排気特性が得られる場合には、燃料添加装置９のみを備えることもできる。そして、所望の燃焼特性、排気特性が得られるように、これらのうちの何れかを或いはすべてを組み合わせて用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る第一の実施の形態の構成を説明する図である。
【図２】同上実施の形態に係る静電分離装置を説明する断面図である。
【図３】図２中のＸ−Ｘ方向矢視図である。
【図４】本発明に係る第二の実施の形態の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    内燃機関
２    排気通路
３    静電分離装置
３Ａ  低電圧電極部
３Ｂ  高電圧電極部
３Ｃ  内筒部
４    排気処理装置
５    連通路
６    排気
６Ａ  高濃度排気
６Ｂ  低濃度排気
７    改質装置
８    熱交換装置
９    燃料添加装置
１０  ＰＭ（パティキュレートマター）
【図１】
2007278194.tif 000003
【図２】
2007278194.tif 000004
【図３】
2007278194.tif 000005
【図４】
2007278194.tif 000006