JP2001193438A - 消音装置および排ガス浄化消音装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディーゼル車等のエンジン排ガスを消音し、
かつ、低コストで効果的に清浄可能な消音装置および排
ガス浄化消音装置を提供することを目的とする。 【構成】 ケーシング１６内に形成された拡張室２８内
に複数段のスクリーン部材６０を配置してインレットパ
イプ１２から拡張室２８に流入した排ガスを消音、微粒
子を分離するものにおいて、各スクリーン部材６０が排
ガスを収縮、拡張させるとともに微粒子を分離するため
のガス流分割手段７０、７２、７４を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 この発明は燃焼装置用の消音装
置および排ガス浄化装置に関し、とくに、ガスタービン
やディーゼルエンジン等の内燃機関用消音装置ならびに
排ガス浄化消音装置に関する。

【０００２】

【従来技術】 米国特許第４，３４５，４２９号にはデ
ィーゼルエンジンの排気系に触媒装置ならびに黒煙除去
装置を組み合わせた排ガス浄化システムが開示され、米
国特許第４，６５６，８３１号にはエンジンの排気系か
ら分岐したバイパスパイプに微粒子除去フィルタおよび
触媒装置からなる排ガス浄化システムが提案されてい
る。これら技術では排ガスシステムが複雑、大型化する
ため、実用的ではない。米国特許第５，１２１，６０２
号および同第第５，７８５，０３０号にエンジンの排気
システムにマフラーおよび微粒子除去装置を組み込んだ
排ガス浄化装置が提案されているがこれら装置はいずれ
も排気システムが複雑化するとともに高価となる。とく
に、近年、ディーゼルエンジンの黒煙に含まれる微粒子
による大気汚染および精子減少や喘息等の重大な健康被
害に対して、上述の公知技術は充分に対応していない。

【０００３】 とくに、ディーゼルエンジンの排気ガス
の有効な対策として、米国特許第５，４５７，９４５
号、同第５，５７１，２９８号、同第５，６５５，３６
６号、同第５，６８２，７４０号、同第５，８０９，７
７７号および同第５，８５３，４３７号にはエンジンの
マフラーの上流側に配置したディーゼル微粒子除去フィ
ルタ（以下ＤＰＦと称する）が提案されている。これら
ＤＰＦはいずれも多孔質焼結体またはセラミック繊維材
等のフィルタを利用してディーゼル微粒子を捕集する構
造を採用しているが、バティキュレートと呼ばれる微粒
子はサブミクロンから数十ミクロンのサイズであるた
め、フィルタの開口部が必然的に狭くなって圧力損が大
きくなり、エンジンの燃費が低下するとともにエンジン
出力が低下する。さらに、フィルタの使用に伴なって、
フィルタの目詰りがはげしくなり、捕集効率が低下す
る。このため、フィルタに直接電熱ヒータを配置して、
フィルタを高温に過熱して微粒子を焼却除去する方法が
採られているが、ＤＰＦが自動車や他の乗物に搭載され
たときに、熱応力および振動によってひび割れが生じて
破損に至るケースが多い。しかも、フィルタの微小口に
微粒子の焼却灰が残留して、圧力損が高くなると同時に
微粒子の捕集効率が著しく劣化する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 従来のエンジンにお
いて、ＤＰＦはマフラーと一緒に使用しなければならな
いため、圧力損が高まって燃費も悪くなる。しかも排ガ
ス中の有害成分の分解用としてフィルタ表面に白金、パ
ラジウム等の希少金属からなる触媒金属を付着したもの
は排ガス中の黄硫成分による触媒劣化がはげしく、短寿
命である。他の重大な欠点は、従来のＤＰＦはバティキ
ュレートの捕集効率が低いだけでなく、エンジン出力が
低下し、しかも、非常に高価であるため、広く普及させ
ることが困難である。

【０００５】 本発明の目的は排気系の圧力損を少なく
してエンジン出力を向上させ、消音効果が高く、しか
も、パティキュレートの捕集効率が高く、長寿命で極め
て低コストの消音装置および排ガス浄化消音装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【問題を解決するための手段】 本願第１発明の消音装
置は、排ガス導入用インレットパイプとアウトレットパ
イプを有するケーシングと、ケーシング内に形成されて
いてインレットパイプおよびアウトレットパイプに連通
する拡張室と、拡張室内に配置された複数段のスクリー
ン部材とを備え、各スクリーン部材が排ガスから多数の
分流を形成しながらこれらを収縮、拡張させ、さらに直
進流と偏向流とに分割してこれらを衝突干渉させるとと
もに排ガス中の微粒子をトラップするガス流分割手段を
備えることにより達成される。

【０００７】 本願第２発明の排ガス浄化消音装置は、
排ガス導入用インレットパイプとアウトレットパイプを
有するケーシングと、ケーシングを仕切って第１および
第２コンパートメントに区画する隔壁板と、第１コンパ
ートメント内に形成されてそれぞれインレットパイプお
よびアウトレットパイプに連通する第１および第２拡張
室と、第１および第２拡張室との間に形成されてインレ
ットパイプおよび第１拡張室と連通する中間室と、中間
室内に配置されて排ガスを消音するとともに粗大微粒子
を分離して１次清浄ガスを生成する１次分離手段と、第
１拡張室に配置されていて１次清浄ガスから多量の分流
を形成しながら直進流と偏向流とに分割してこれらを衝
突干渉させるとともに１次清浄ガス中の残存微粒子を分
離して第１拡張室内で２次清浄ガスを生成する２次分離
手段と、第１拡張室内の２次清浄ガスを第２拡張室に流
入させる連通パイプとを備えることにより達成される。

【０００８】

【作用】 本発明の消音装置および排ガス浄化消音装置
において、ケーシング内に形成された拡張室内に、排ガ
スを直進流と偏向流とに分割してこれらを衝突干渉させ
て消音させながら微粒子をトラップするガス流分割手段
を備えるスクリーン部材を複数枚積層して配置すること
により、高い消音効果と高い微粒子捕集効果を同時に達
成するようにしたものである。

【０００９】

【実施例】 以下、本発明の望ましい実施例につき図面
を参照して詳細に説明する。図１および図２は本発明の
望ましい実施例による排ガス浄化消音装置１０を示す。
消音装置１０はディーゼルエンジン等の内燃機関の排気
系に連結されて排ガスを導入するインレットパイプ１２
と、大気に清浄排ガスを放出するアウトレットパイプ１
４を備えたケーシング１６を備える。ケーシング１６は
その上部および下部にそれぞれ第１および第２コンパー
トメント１８、２０を備え、これらは水平に延びる隔壁
板２２により仕切られている。第１コンパートメント１
８内には間隔をおいて仕切板２４、２６が配置され、こ
れらにより第１、第２拡張室２８、３０および共鳴室ま
たは拡張室として機能する中間室３２が区画される。一
方、第２コンパートメント２０は後述の如く微粒子回収
チャンバとして機能する。第１、第２拡張室２８、３０
は連通パイプ３８で連通しており、これは仕切板２４、
２６により支持される。

【００１０】 図１において、インレットパイプ１２の
後流側開口部１２ａ内には螺旋部材からなる旋回流発生
部材３４が配置され、排ガスＧに旋回流が与えられる。
中間室３２内には排ガス中の粗大微粒子を分離するとと
もに騒音を減衰する増速分離装置３６が配置される。増
速分離装置３６は同心的な外筒３８および内筒４０と、
コーン状案内路４２と、環状通路４４と、粗大微粒子Ｐ
と１次清浄ガスＣ１とを分離する分離ディスク４６と、
内筒４０の内側に延びていて仕切板２４に支持された連
結パイプ４８とを備える。外筒３８の前縁はインレット
パイプ１２の開口部１２ａに連結され、支持部材５０に
より隔壁板２２に固定される。隔壁板２２は分離ディス
ク４６から排出された粗大微粒子Ｐを回収するための透
孔５２を備える。外筒３８の後縁には内側に延びていて
微粒子Ｐを透孔５２内へ進入させるための折曲部３８ａ
が形成される。このように旋回流発生手段３４および増
速分離手段３６は消音と同時に排ガスＧ中の粗大微粒子
Ｐを分離するための１次分離手段として機能する。中間
室３２は大容積の微粒子回収チャンバ２０と透孔５２を
介して連通しているため、大容積の共鳴室を構成する。
このため、排ガスの一部は中間室３２および第２コンパ
ートメント２０に進入し、拡散共鳴作用により消音され
る。

【００１１】 第１拡張室２８において、連通パイプ３
８と連結パイプ４８との間には消音と残存微粒子分離の
ための２次分離手段５４が配置される。２次分離手段５
４は振動板５６、５８間に保持された複数段の積層され
たスクリーン部材６０を備える。振動板５６、５８はそ
れぞれケーシング１６の上部内壁および隔壁板２２にそ
れぞれ固定されたガイド部材６２、６４の内側にスライ
ド可能に保持され、それぞれ振動バネ６６、６８により
弱いバネ圧で押圧されている。上部振動板５６はガス抜
き穴５６ａを備え、一方、下部振動板５８はスクリーン
部材６０にトラップされた微粒子を下方に落下させて、
これを複数の透孔２２ａを介して第２コンパートメント
２２に回収するための透孔５８ａを有する。振動板５
６、５８と振動バネ６６、６８は２次分離手段５４を垂
直方向に振動させるための振動手段として作用する。第
１拡張室２８に流入した第１清浄ガスＣ１はその中で膨
張、拡散、共鳴作用を通じて消音され、さらに、２次分
離手段５４により多量の乱流が発生され、乱流どおしが
干渉して効率よく消音する。さらに、排ガス中の残留微
粒子がトラップされ、第２清浄ガスＣ２を生成する。

【００１２】 図３、図４において、各スクリーン部材
６０は約３０°〜４０°の鋭角θで分岐している複数の
第１、第２波状部７０、７２と、これら波状部により形
成された斜交ハニカム開口部７４とを備える。第１波状
部７０はその中央に向って下方向に傾斜している第１、
第２傾斜部７０ａ、７０ｃと、中央傾斜部７０ｂとを備
え、第２波状部７２は上方向に湾曲した曲面形状を有す
る。第１波状部７０の中央傾斜部７０ｂと第２波状部７
２の中央部７２ａは互いに連結されている。第１、第２
傾斜部７０ａ、７０ｃおよび中央傾斜部７０ｂと第２波
状部７２はスクリーン部材６０の平面Ａに対して鋭角α
の中心線Ｂを有する斜交ハニカム開口部７４を有する。
図４に示すように、中心線Ｂにおいて斜交ハニカム開口
部７４は最大の開口率約９０〜９５％を有するため、圧
損が極めて小さい。排ガスＣ１がスクリーン部材６０に
衝突すると、微粒子は波状部７０、７２によりトラップ
され、ガス成分は波状部７０、７２によりガイドされて
収縮され、多数のハニカム開口部７４に流入してガス流
Ｃ１に対して斜交するように分流され、ハニカム開口部
７４から分流が流出したときに、これらの分流は拡張さ
れる。このとき、平面Ａに対して直角な直進流Ｆ１がガ
ス流Ｃ１から分流されてハニカム開口部７４に進入し、
ハニカム開口部７４を通過した他の分流、すなわち、偏
向流Ｆ２と衝突干渉する。このように、第１清浄ガスＣ
１はスクリーン部材６０の収縮、拡張作用による１次消
音と、直進流と偏向流との衝突干渉による２次消音とに
より騒音が減衰される。１次清浄ガスの進行方向に沿っ
て多数段のスクリーン部材６０がスタックされているた
め、１次消音と２次消音は多数段で繰り返し行なわれ、
圧損を増大させることなく騒音エネルギーが効果的に低
減される。

【００１３】 図１、図２に戻って、第２清浄ガスＣ２
は連通パイプ３８を経て第２拡張室３０に流入し、ここ
で膨張、拡散、共鳴作用を通じてさらに消音される。図
１において、第２拡張室３０はアウトレットパイプ１４
の上流側開口部に隣接して配置されたプラズマ処理手段
８０を備える。プラズマ処理手段８０はケーシング１６
に支持された絶縁端子台８２、８４、８６、８８と絶縁
部材９０と、複数の放射電極９２と、図３、図４に示し
たスクリーン部材からなるスクリーン電極９４とを備え
る。放射電極９２は電極板９６を介して高周波プラズマ
電源９８に接続され、スクリーン電極９４は接地され
る。放射電極９２とスクリーン電極９４との間には高周
波パルス電源９８からパルスピーク電圧１ｋＶ〜３０ｋ
Ｖ、パルス周波数１０Ｈｚ〜３０ｋＨ、パルス幅１ナノ
秒〜２０マイクロ秒、立ち上り時間１００ｋＶ／ナノ秒
〜１００Ｖ／ナノ秒の高電圧パルスが印加されてスクリ
ーン電極９４の表面上に多量の非平衡プラズマ１００が
発生される。このとき、排ガスＣ２中のＨＣ、ＣＯ、Ｎ
ＯＸ、ＳＯＸが分解され、無害化される。このように、
第２清浄ガスＣ２中のＮＯＸ、ＳＯＸは９８％以上の確
率で清浄化されてアウトレットパイプ１４から大気に放
出される。

【００１４】 図１、図２において、第２コンパートメ
ント２０はその中の微粒子に空気を供給するための空気
供給パイプ１０２と、微粒子を空気の存在下で着火して
これを焼却除去するための電熱ヒータ１０４とを備え
る。エアパイプ１０２はその前端にほこりや雨の進入を
防止するためのキャップ１０６と、空気供給口１０８と
を備える。自動車が前進するとき、空気は空気供給口１
０８を経由して、多数の噴出口１０２ａから第２コンパ
ートメント２０内に空気を供給する。ヒータ１０４は端
子１１０を経て図示しない制御回路を介して公知のバッ
テリに接続され、断続的に電力が供給されて微粒子を着
火点以上に加熱する。なお、図示していないが、第２コ
ンパートメント２０内に微粒子センサを配置して、この
レベルが一定量に達したときにヒータに電力を供給する
ようにしても良い。ケーシング１６の底部には焼却灰を
外部に取り出すためのシャッター１１２と、長手方向に
延びるシャッターガイド１１４が配置され、シャッター
１１２はシャッターガイド１１４内でスライドする。

【００１５】 上記構成において、インレットパイプ１
２の排ガスＧに旋回部材３４により旋回流が与えられ、
排ガスＧは旋回しながら増速分離装置３６内に侵入し、
環状通路４４に流入する。このとき、遠心力により粗大
微粒子Ｐは環状通路４４の内周を後流側方向に通過して
ディスク４６から外筒３８の外側に排出され、１次清浄
ガスＣ１は内筒４０と連結パイプ４８との間を通過し
て、連結パイプ４８を経て第１拡張室２８に流入する。
中間室３２では清浄作用と同時に排ガスが共鳴作用によ
り消音される。第１拡張室２８内において１次清浄ガス
Ｃ１は膨張、拡散、共鳴作用により消音され、さらに、
２次分離手段５４の複数段のスクリーン部材６０によっ
て、何度も、すなわち、複数段において収縮、拡張、吸
音作用が繰り返されて効率的に消音される。しかも、前
述したように１次清浄ガスＣ１中の残留微粒子もスクリ
ーン部材６０によって効率的に除去されて２次清浄ガス
Ｃ２が生成される。スクリーンにトラップされた微粒子
は自動車の上下振動もしくは排ガスの脈動に反応して振
動する振動手段５６、５８、６６、６８によってスクリ
ーン部材６０が上下動するときにスクリーン表面から自
然に落下して、透孔２２ａを経て第２コンパートメント
２０内に落下し、そこに堆積される。２次清浄ガスＣ２
は連通パイプ３８を経て第２拡張室３０に流入し、ここ
で膨張、拡散、共鳴作用により再度消音され、排気パイ
プ１４の上流側開口部のスクリーン電極９４を通過して
パイプ１４内に流入する。このとき、スクリーン電極９
４の表面上には複数のプラズマ領域１００が形成されて
いるため、２次清浄ガスＣ２のほぼ１００％がプラズマ
と接触して効率的にＮＯＸ、ＳＯＸ、ＨＣ等が分離され
た後、アウトレットパイプ１４から大気に放出される。

【００１６】

【発明の効果】 以上より明らかなように、本発明の消
音装置および排ガス浄化消音装置は小型高性能、低コス
ト、長寿命とすることができ、圧損も極めて小さくで
き、エンジンの燃費およびエンジン出力を著しく向上す
る。そのため、本発明の消音装置はトラック、バス、Ｓ
ＵＶ（スポーツ ユティリティ ビークル）やガスター
ビンあるいはディーゼル発電機、もしくは船舶に広く普
及させることが可能となり、環境上貢献度大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の望ましい排ガス浄化消音装置の断面
図である。

【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。

【図３】 図１のスクリーン部材の拡大図である。

【図４】 図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。

【符号の説明】

１２ インレットパイプ、 １４ アウトレットパイ
プ、１６ ケーシング、 ２８、３０ 第１、第２拡張
室、３２ 中間室、 ３４ 螺旋部材、 ３６ １次増
速分離手段、３８ 連通管、 ５４ ２次分離手段、
８０ プラズマ処理手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 1/08 Ｆ０１Ｎ 1/08 Ｒ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガス導入用インレットパイプとアウト
   レットパイプを有するケーシングと、ケーシング内に形
   成されていてインレットパイプおよびアウトレットパイ
   プに連通する拡張室と、拡張室内に配置された複数段の
   スクリーン部材とを備え、各スクリーン部材が排ガスか
   ら多数の分流を形成しながらこれらを収縮、拡張させ、
   さらに直進流と偏向流とに分割してこれらを衝突干渉さ
   せるとともに排ガス中の微粒子をトラップするガス流分
   割手段を備える消音装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、ガス流分割手段が互
   いに連結された第１および第２波状部と、これらの間に
   形成された斜交ハニカム開口部とを備え、第１および第
   ２波状部の中間部が互いに連結されていて、第１波状部
   が排ガスの分流を収縮させ、斜交ハニカム開口部が直進
   流と偏向流とを形成する消音装置。
3. 【請求項３】 排ガス導入用インレットパイプとアウト
   レットパイプを有するケーシングと、ケーシングを仕切
   って第１および第２コンパートメントに区画する隔壁板
   と、第１コンパートメント内に形成されてそれぞれイン
   レットパイプおよびアウトレットパイプに連通する第１
   および第２拡張室と、第１および第２拡張室との間に形
   成されてインレットパイプおよび第１拡張室と連通する
   中間室と、中間室内に配置されて排ガスを消音するとと
   もに粗大微粒子を分離して１次清浄ガスを生成する１次
   分離手段と、第１拡張室に配置されていて１次清浄ガス
   から多量の分流を形成しながら直進流と偏向流とに分割
   してこれらを衝突干渉させるとともに１次清浄ガス中の
   残存微粒子を分離して第１拡張室内で２次清浄ガスを生
   成する２次分離手段と、第１拡張室内の２次清浄ガスを
   第２拡張室に流入させる連通パイプとを備える排ガス浄
   化消音装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、さらに、第２拡張室
   内に配置されていて２次清浄ガスをプラズマ処理するプ
   ラズマ処理手段を備える排ガス浄化消音装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、プラズマ処理手段が
   アウトレットパイプの前縁に隣接するスクリーン電極と
   放射電極とを備える排ガス浄化消音装置。
6. 【請求項６】 請求項３において、１次分離手段がイン
   レットパイプの後流側で排ガスに旋回流を発生させる旋
   回流発生手段と、旋回流を増速させながら排ガス中の粗
   大微粒子と１次清浄ガスとを分離する増速分離手段と、
   １次清浄ガスを第１拡張室に供給する連結パイプとを備
   える排ガス浄化消音装置。
7. 【請求項７】 請求項４または５において、第２コンパ
   ートメントが微粒子回収チャンバとして機能し、さら
   に、隔壁板が１次および２次分離手段から分離された微
   粒子を第２コンパートメント内に流入させる複数の透過
   口を備える排ガス浄化消音装置。
8. 【請求項８】 請求項４または５において、２次分離手
   段が複数枚のスクリーン部材を備え、各スクリーン部材
   が１次清浄ガスから多数の分流を形成しながら直進流と
   偏向流とに分割してこれらを衝突干渉させるとともに１
   次清浄ガス中の残存微粒子を分離するガス流分割手段を
   備える排ガス浄化消音装置。
9. 【請求項９】 請求項８において、ガス流分割手段が１
   次清浄ガス中の残存微粒子をトラップする互いに連結さ
   れた第１および第２波状部と、第１および第２波状部間
   に形成されて多数の分流を形成する斜交ハニカム開口部
   とを備える排ガス浄化消音装置。
10. 【請求項１０】 請求項６または７において、さらに、
    第２コンパートメント内に微粒子を焼却除去する加熱手
    段を備える排ガス浄化消音装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、加熱手段が空気
    供給パイプと、微粒子を着火させる電熱手段を備える排
    ガス浄化消音装置。
12. 【請求項１２】 請求項８において、さらに、スクリー
    ン部材を振動させてトラップ微粒子を分離落下させる振
    動手段を備える排ガス浄化消音装置。