(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス通路中へ開放するノズルと、
このノズルから微粒液体を噴出させこの液体中へ排気ガス中の微粒子を取り込ませる送液手段と、
前記排気ガス通路中へ開口し、前記噴出した液体を回収し前記送液手段へと循環させる回収部と、
前記回収部で貯留される液体を取り出し、液体中から前記微粒子を除去した後に再び回収部へ戻す微粒子除去循環路と、
所定時に前記微粒子除去循環路を駆動して液体をこの循環路へ送る駆動手段と、
を有する微粒子除去装置において、
前記送液手段が、前記ノズルから前記回収部の液面に向けて前記微粒液体を噴出させ、前記微粒子を取り込んだ後の該液体を含んだ排気ガスを前記回収部の液面に衝突させることを特徴とする微粒子除去装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、液中の微粒子量が３５０ｍｇ／ｌを越えた状態で循環路を駆動することを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、所定時間毎に循環路を駆動することを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン排気ガス等の排気ガス中の微粒子を除去するための微粒子除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために、従来からフィルタートラップを用いたり、酸化触媒を用いる手段が採用されている。
【０００３】
フィルタートラップはセラミック等で製作され、排気ガス管の途中に配置して微粒子を捕捉するが、微粒子が閉塞しやすい。このためフィルタートラップを電熱ヒータなどで燃焼して微粒子を除去し再使用するが、この燃焼時にフィルタートラップが割れることが多く、耐久性に乏しい。
【０００４】
また酸化触媒を用いる場合には捕捉効果が低い上に、副産物として生ずるサルフェート（ＣａＳＯ4 ）で劣化し、寿命が短い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実を考慮し、排気ガス中の微粒子の捕捉効果が高く、かつ長寿命の微粒子除去装置を得ることが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、排気ガス通路中へ開放するノズルと、このノズルから微粒液体を噴出させこの液体中へ排気ガス中の微粒子を取り込ませる送液手段と、前記排気ガス通路中へ開口し、前記噴出した液体を回収し前記送液手段へと循環させる回収部と、前記回収部で貯留される液体を取り出し、液体中から前記微粒子を除去した後に再び回収部へ戻す微粒子除去循環路と、所定時に前記微粒子除去循環路を駆動して液体をこの循環路へ送る駆動手段と、を有する微粒子除去装置において、前記送液手段が、前記ノズルから前記回収部の液面に向けて前記微粒液体を噴出させ、前記微粒子を取り込んだ後の該液体を含んだ排気ガスを前記回収部の液面に衝突させることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明では、回収部の液面に向けて排気ガス中に開放したノズルへは送液手段によって液体が供給され、ノズルからはこの液体が微粒状態となって排気ガス通路中へと噴霧される。したがって噴霧された液体は排気ガス中に含まれる多数の微粒子を取り込んで捕捉する。この微粒子が捕捉された液体粒子は回収部の液面に衝突して回収されて送液手段へと送られ、再びノズルへと循環されるので少ない液体で大きな回収効率が得られる。微粒子除去循環路は所定時にのみ、すなわち常時は運転されず、必要時にのみ運転されるのでポンプなどの循環路の駆動手段を効率よく使用できる。
【０００８】
微粒子は、排気ガス中に浮遊している状態では、その直径が０．１〜０．５μｍの大きさであり、この大きさの微粒子を捕捉するフィルターは前述の如く再使用が難しい。しかし、排気ガス中の微粒子は液体中に入り込むと互いに結合して１μｍの大きさに成長することが判明し、一般に販売されている繊維束などのフィルターにより容易に捕捉できる。
【０００９】
回収部には液体を貯留して、排気ガスをこの貯留液体の液面へ接触する状態で送れば、噴出後に微粒状態となっている液体は回収部で表面張力の作用で液面に吸収されることによってその大部分が回収可能となる。
【００１０】
送液手段からの送液量はエンジン負荷の増大に応じて増加させることにより、エンジン負荷の増大に伴って排出量が多くなる排気ガス中の微粒子を効果的に捕捉できる。この場合、エンジン回転数の増大と共に微粒子の排出量も増大されるのでこの場合にも次第に送液量を多くしてもよい。またエンジン負荷の増大や回転数の増大によって排気ガス中の微粒子は、エンジン負荷が所定値までは、またはエンジン回転数が所定値までは減少し、その後エンジン負荷の増大または回転数の増大によって次第に排出量が多くなるので、送液量もこれに応じて減少及び増大させてもよい。
【００１１】
一般的に排気ガス中にはＳＯX やＮＯX が含有され、これが水に溶けて酸性の溶液を生ずる。そこで噴出させる液体を弱アルカリ水溶液とすることにより回収液体の酸化防止が図れる。この酸性度はｐＨ３程度であるのでステンレス鋼などの耐酸性材料を用いることで対処してもよい。また排気ガス中に加熱手段を設ければ、スクラバーとしての本装置を通ってクリーンになった処理後の排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して白煙を生ずることを防止できる。この加熱手段はエンジンの排気ガス熱を用いるのが好ましい。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、前記駆動手段は、液中の微粒子量が３５０ｍｇ／ｌ、すなわち１リットル当たり３５０ｍｇを越えた状態で循環路を駆動することを特徴とする。実験の結果、液中の微粒子量が１リットル当たり３５０ｍｇを越えると、微粒子の捕捉効果が衰え、さらに３５０ｍｇ／ｌを越えると微粒子の捕捉効果が急激に衰えることが見いだされた。このため、このような液中の微粒子量が３５０ｍｇを越えた状態で循環路を駆動することにより、常時駆動手段を駆動しておく必要がなくなる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、前記駆動手段は、所定時間毎に循環路を駆動することを特徴とする。このため、使用する液体量とエンジンの駆動時間等との関係より、予めどの程度の運転時間で微粒子の捕捉効果が低減するかを調べておき、微粒子捕捉効果が衰えると予測した時間毎に制御手段により駆動手段を駆動することにより、常時駆動手段を駆動しておく必要がなく効果的に微粒子が捕捉できる。また液体の微粒子量が増加すると光を透過しなくなる性質を利用し、光源と、光トランジスタ等の光センサーとの組み合わせによる検出手段からの信号を用いて制御手段により駆動手段を駆動することもできる。さらに、微粒子を捕捉した液体は捕捉量が多くなると通電量が多くなるので通電量の変化を検出する検出手段からの信号に基づいて制御手段により駆動手段を駆動するなどの他の検出手段や制御手段を用いてもよい。
【００１４】
【実施の形態】
図１には本発明が適用された微粒子除去装置が示されている。ディーゼルエンジン１２はその排気管１４がこの微粒子除去装置の大径管１６へと直角に接続されている。この大径管１６の一端は配管１８を介してポンプ２２へ接続されている。このポンプ２２はモータ２４で駆動されて回転し、回収部２６に貯留された液体Ｒ（この実施形態では水を用いる）を回収配管２８を介して吸引し、配管１８内へと圧送するようになっている。この配管１８の先端部は次第に小径とされたノズル３２となって大径管１６内へ同軸的に突出開口している。
【００１５】
図５〜８に示されるように、ノズル３２の先端開口８２よりも若干上方の内周面には段部８３が設けられ、この段部８３へは拡散手段としての拡散筒８５が取付けられている。この拡散筒８５は内周面から等間隔で４個の螺旋突起８６が内側へ突出している。これによってこの拡散筒８５内を通過する液体Ｒは旋回力が付与される。
【００１６】
従ってポンプ２２で圧送された液体Ｒはノズル３２の先端から大径管１６の先端へ接続される小径管３４内へと噴出され排気ガスと同方向へと送られると共に、拡散筒８５で付与される旋回力で開口８２を出た部分で大きく広がる。排気管１４から大径管１６内へと至りノズル３２の外周へと送り込まれる排気ガスは、小径管３４内へと導かれ、この小径管３４内では噴出された微粒状の液体Ｒと排気ガスとが広い接触面積で互いに接触する。この結果、排気ガス中に含まれる微粒子は霧状態で噴出された液体Ｒの粒子へと取り込まれることになる。ノズル３２の最適内径値は小径管３４の内径値との相対関係によって決定する。
【００１７】
小径管３４の下流側には次第に内径が増大される拡径管３６が接続され、箱状回収部２６の頂面へと開口している。この回収部２６にはその全高さの７０％〜８０％程度の高さまで液体Ｒが存在するように液量が制御されている。またこの回収部２６には拡径管３６と略平行に延長排気ガス管３８が接続されている。従って、排気ガス通路中に回収部２６の液面が開口していることになる。この延長排気ガス管３８の中間部には排気ガス中の微粒子量を検出するためのセンサ４２が設けられ、また延長排気ガス管３８の先端部はヒータ４４、消音装置（図示省略）などの必要な機器を介した後に大気中へと開放される。ヒータ４４は水温の上昇に伴って蒸発した水蒸気を加熱することにより、水蒸気が凝縮して白煙が大気へ排出されるのを防ぐ。ヒータ４４は排気管１４の一部を通過させて排気ガス熱で排気ガス管３８内の排気ガスを加熱すれば効率がよく、またこの排気ガス管３８の温度が所定値に達した状態や、タイマーを用いて加熱を中断するようにしてもよい。
【００１８】
モータ２４は制御装置４６によってその回転数が制御されるようになっている。またこの制御装置４６はディーゼルエンジン１２の供給燃料量、吸入空気量等で検知されるエンジン負荷や回転数などの運転条件を検出し、これによってモータ２４の回転数を制御し、ノズル３２からの送液量を制御する。エンジン負荷や回転数などの運転条件の検出手段としては上記の他に各種の検出手段が適用できる。またこの制御装置４６は、センサー４２によって延長排気ガス管３８に含まれる捕捉残り微粒子量の検出や、ヒータ４４の温度制御も行う。なお図中符号４８は液体中から捕捉微粒子を分離するフィルター等の分離手段である。このフィルターは微粒子が１〜２mmの直径に特別に大きく集合した塊が捕捉できればよく、メッシュの荒いものでよい。必要に応じて取り外し可能とされ水洗い可能なものがよい。
【００１９】
図１に示されるように、回収部２６には微粒子除去循環路８８が連通されている。この循環路８８は回収部２６の下部であって、液体Ｒが貯留されている部分へ開口した取り出し配管８９と、回収部２６の上部に開口した戻し配管９１とこれらの配管を連結するフィルター容器９２を有している。このフィルター容器９２の内部にはフィルター本体９３が収容されている。取り出し配管８９には駆動手段であるポンプ９４が設けられて制御装置４６によって必要時に駆動されモータ９６によって回転する。この実施形態のフィルター本体９３は筒状の多孔質物質であり、内側へ取り出し配管８９からの液体Ｒが入り込み、液体Ｒはフィルター本体９３を通って微粒子がフィルター本体９３の多孔部分で捕捉され、液体Ｒのみが戻し配管９１を通って回収部２６へと戻される。なお、ポンプ２２、９４はディーゼルエンジン１２の出力軸の回転を伝達して駆動することもできる。
【００２０】
図２には一般的な、ディーゼルエンジン１２の燃料噴射量の調節装置が示されている。加圧された燃料が貯留される燃料室５２はフィードホール５４を介してプランジャ室５６と連通されている。プランジャ室５６にはプランジャ５８がフィードホール５４を開閉可能に設けられている。このプランジャ５８は、下端部に形成されたタペット５９がエンジンのクランクシャフトカム（図示省略）によってピストン６０の上下動に同期して一定量押し上げられ、プランジャー室５６内の燃料を加圧する。この燃料圧力でデリバリバルブ６４及びノズルニードル６３が付勢力に抗して押し上げられ、燃焼室６１へと燃料が供給される。プランジャ５８の上昇末期にはプランジャ５８の外周に刻設された傾斜リード溝５８Ａがフィードホール５４と連通し、この傾斜リード溝５８Ａはプランジャー５８の軸心孔５８Ｂと通じており、これによってプランジャー室５６がフィードホール５４と連通して燃料の加圧供給が停止する。
【００２１】
このプランジャー５８の圧送燃料量はプランジャー５８の軸回り回転角度に比例する。すなわちプランジャー５８の上昇過程のどの時点において傾斜リード溝５８Ａがフィードホール５４と連通して燃料の圧送過程が終了するかによって定まる。この燃料供給量を制御するためにコントロールラック６２が設けられる。このコントロールラック６２はエンジンの燃料供給制御操作ハンドルや自動車のアクセルに接続され、オペレータやドライバーが燃料供給量を増大させたい場合には矢印Ａ方向に移動されてピニオン６６を介してコントロールスリーブ６７を回転させる。このコントロールスリーブ６７はプランジャー５８のドライビングフェイス５８Ｃと回転方向にのみ係合しており、プランジャー５８を軸回りに回転させてフードホール５４への傾斜リード溝５８Ａの対応位置を変更し、上下ストローク時の燃料圧送量を変更する。
【００２２】
この実施形態ではコントロールラック６２の移動量が制御装置４６へと伝えられており、これによってディーゼルエンジン１２への燃料供給量が常に検知されている。
【００２３】
次に本実施形態の作用を説明する。
ディーゼルエンジン１２が運転されると、排気管１４から排出される排気ガスが大径管１６へと送り込まれる。制御装置４６はモータ２４を駆動して液体をノズル３２から小径管３４内へと噴出させる。これによって噴出した液体は微粒状となり、排気ガス中の微粒子を捕捉する。捕捉された排気ガス微粒子は微粒状の液体と共に回収部２６を通過して延長排気ガス管３８へと至るが、この場合回収部２６の液体Ｒの液面へと接触するので、微粒状の液体は回収部２６内の液体Ｒ内へと取り込まれる。これは図１の如く、排気ガス微粒子を含んだ排気ガスが垂直下方へと送り込まれて回収部２６の液面へ衝突させられるとにより、また回収部２６内の液体Ｒと接触して温度が低下することによって液体回収が促進される。この排気ガス微粒子を取り込んだ後の液体粒子を含む排気ガスを回収部２６の液体中へ通過させてもよいが、この実施例では排気ガスは拡径管３６から回収部２６の液面上部の気体中を通過し延長排気ガス管３８へと至るので、排気ガス圧力の損失は極めて少なく、ディーゼルエンジン１２へ与える負荷も小さい。
【００２４】
回収された液体Ｒは微粒子分離手段４８で数mm程度に特別に大きく成長した微粒子が除去され、ポンプ２２へと戻って循環される。用いる液体Ｒは弱アルカリ性とすることによって排気ガス中のＳＯX やＮＯX によって水が酸性化し材料を腐食させることを防止できる。すなわちディーゼルエンジン用燃料の軽油中には硫黄が０．２％程度含まれているので、これがエンジン内で酸化して排気ガス中に二酸化硫黄が含まれることになり、これと窒素酸化物が循環水である液体Ｒに溶解する。この液体Ｒの酸性度はｐＨ３〜５程度となる可能性があるので、本発明装置の各内部は耐酸性材料で製作したり、さらに酸度が高い場合にはこの液体と接触する内壁をガラスコーティングするなどの耐酸性手段を施すことが必要になる。この実施形態では、このような特殊な加工をすることなく、弱アルカリ溶液で液体Ｒの酸性度を材料の有する耐酸性の範囲内に制御しており、例えばｐＨ３程度に制御すれば、ステンレス鋼を適用可能である。この液体Ｒ中の酸性度は運転時間に依存するので、運転時間に応じて酸性度を制御してもよい。しかし運転時間が短ければアルカリ度をさほど上げる必要はないので、特別の制御は必要がない。また、ｐＨが下がったら塩基性の物質ＮａＯＨなどを水溶液に追加してもよい。
【００２５】
図３に示される如くエンジン負荷が増大するとエンジン負荷のある点（負荷率が約２５％）を境に微粒子の排出量が増大される。エンジン回転数が増大することによっても微粒子の排出量が増大されるが、エンジン回転数が増大しても負荷率に対する微粒子排出量の変化は同様である。このため制御装置４６は図４に示される如くエンジン回転数や負荷（これらは燃料供給量、すなわちコントロールラック６２の移動量とし検知される）が所定値を過ぎるまではノズル３２への送液量を次第に減少（または一定値に維持）させ、この所定値を越えて負荷やエンジン回転数が増大すると送液量を増大させる。例えばモータ２４の回転数を速くして送液量を増大する。ポンプ２２での送液量や排気ガス管３８から大気へ放出される液量にも拘らず、回収部２６の貯液量を一定に維持する予備タンク等の液補充手段を設けてもよい。
【００２６】
エンジン１２の運転経過時間が多くなると、液体Ｒ中へ捕捉された微粒子の濃度が高くなり、捕捉効果が低下する。制御装置４６は、一例として液中の微粒子量が３５０ｍｇ／ｌを越えた状態でポンプ９４を作動させて循環路８８を駆動するようになっている。液体Ｒが水又は水を主成分とする場合には、水１リットル中の微粒子量が３５０ｍｇを越えると微粒子捕捉効果が低くなり、４００ｍｇを越えると微粒子捕捉効果が急激に低くなり、４５０ｍｇ程度でそれ以上の微粒子の捕捉がほとんど出来なくなる。図９はこの実施形態装置の運転時間と微粒子捕捉量との関係を示し（エンジン負荷３２．４キロワット、エンジン回転数１４００ｒｐｍ）、１２時間連続運転状態で１リットル中の微粒子量が３５０ｍｇを越えて捕捉効果が低下している。従ってこの状態でポンプ９４（動力１．５ｋＷ，送水量１２０ｌ／ｍｉｎ）を１５〜３０分程度駆動することにより、液中の微粒子がフィルター９３へと捕捉され、再び微粒子の捕捉ができるようになった。水量を増せばさらに時間は短縮される。なお、制御装置４６はその外にも、１２時間毎などのエンジン１２の経過運転時間、すなわち断続運転の場合の運転時間の合計時間が所定時間になった状態で、液体Ｒの微粒子捕捉効果が回復するまでの所定時間運転するようなタイマーを設けてもよい。このフィルター９３は１μｍ程度の微細直径の微粒子を捕捉するためのものなので、回収配管２８内へ設けると、ポンプ２４の抵抗が大きくなるが、この回収配管２８とは別個の管路を形成しているので、ポンプ２４の負荷増大とはならない。上記微粒子除去循環路８８は回収部２６内へ全て収容すれば、装置全体の小型化が可能となる。
【００２７】
なお上記実施形態は固定型ディーゼルエンジンの排気ガス微粒子除去装置を示したが、自動車エンジンなどの移動型のディーゼルエンジンへ適用することも可能であり、基本的には液体は循環使用できるので移動型であっても取扱は容易である。上記実施形態において、液体噴出用のノズルを開放させる場所はエンジンの排気ガス通路中であればどこであっても適用できる。また、ノズルから噴出される液体の向き、すなわちノズルの向きは上記実施形態のように垂直下方でなくとも斜め、横方向、上方向などでもよく、また液面へ接触させる排気ガスの向きも垂直下方でなくてもよい。さらに、本発明は上記実施形態の装置を２個以上接続して多段階に配置し、微粒子回収効果を向上させてもよい。また本発明はディーゼルエンジンの排気ガスに限らず、ゴミ焼却炉や食品調理装置等の排気ガスにも広く適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記の構成としたので、耐久性に優れ、取扱いが簡単で長時間に渡って確実に排気ガス中の微粒子を回収できる微粒子除去装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された実施形態による微粒子除去装置の概略側面図である。
【図２】この実施形態に用いる燃料噴射量調節部を示す断面図である。
【図３】ディーゼルエンジンの負荷及び回転数に応じた微粒子の排出量を示す線図である。
【図４】ディーゼルエンジンの負荷及び回転数に応じた供給液量の変化を示す線図である。
【図５】ノズル先端部を示す断面図である。
【図６】ノズル先端部に設ける拡散筒を示す平面図である。
【図７】図６の７−７線に沿った断面図である。
【図８】拡散筒を示す一部破断斜視図である。
【図９】微粒子除去循環路の運転状態における運転時間と液中の微粒子量との関係を示す線図である。
【符号の説明】
Ｒ      液体
１２    ディーゼルエンジン
１４    排気管
２２    ポンプ（送液手段）
２６    回収部
２８    回収配管
３２    ノズル
３６    拡径管
３８    延長排気ガス管
４６    制御装置（制御手段）
８８    微粒子除去循環路
８９    取り出し配管
９１    戻し配管
９３    フィルター本体
９４    ポンプ（駆動手段）
９６    モータ（駆動手段）
【図１】
0003940204.tif 000002
【図２】
0003940204.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003940204.tif 000008
【図８】
0003940204.tif 000009
【図９】
0003940204.tif 000010