JP2004076633A

JP2004076633A - 粒子状物質除去装置

Info

Publication number: JP2004076633A
Application number: JP2002236494A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oe; 大江　敏明
Original assignee: IKEDA SANGYO KK; UEMATSU IKUMI; YUNIKONSARU KK
Current assignee: IKEDA SANGYO KK; UEMATSU IKUMI; YUNIKONSARU KK
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】全体容量がコンパクトで、耐久性に富むと共に、従来品に比べて極めて廉価に作製することのできる粒子状物質除去装置を提供する。
【解決手段】入口部１１２、第一の内部空間部１１３および該第一の内部空間部より大きな容量を有する第二の内部空間部１１８、および出口部１１９を有する容器１１０と、容器の第一の内部空間部内で前記入口部側に配設された第一の粒子状物質捕集体１４０と、容器の第一の内部空間部の出口部に開口する開口部を有し、第二の内部空間部内に配設された袋状のフィルター部材１３０と、袋状のフィルター部材の内部で前記第一の内部空間部の出口部側に配設された第二の粒子状物質捕集体１４２と、第一の内部空間部内で第一の粒子状物質捕集体の下流に配設されたヒータ１５０とを備える。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等から排出される未燃焼の粒子状物質、特に黒煙等を捕集し除去する粒子状物質除去装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特に都市部において、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘや黒煙等を含む浮遊微粒子、いわゆる粒子状物質（ＰＭ）による大気汚染が問題となっており、早急な対策が求められている。
【０００３】
従来、この種の大気汚染における黒煙等を含む粒子状物質に対する排気ガス浄化装置としては、２つのセラミックファイバー製のフィルターを並列に配置し、一方のフィルターでは黒煙等の浮遊微粒子を捕集しつつ、他方のフィルターでは捕集した黒煙等の浮遊微粒子を焼却するように交互に切替えて用いるものが知られている。
【０００４】
また、高密度のセラミックハニカム構造体のフィルターを主要構成部材として、いわゆる黒煙に代表される未燃焼の粒子状物質を捕集するトラップシステムを構成し、ある程度堆積した未燃焼の粒子状物質を電気ヒータなどの加熱手段を用いて高温度化し、燃焼除去するようにしたものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような排気ガス浄化装置においてフィルターを並列に配置し切替え使用するものにあっては、黒煙等の浮遊微粒子を捕集するフィルターが２つ必要であり、その分全体容量も大きくならざるを得ず、車載用の装置としては限界があるものであった。さらに、重量およびコスト的にも問題が指摘されている。
【０００６】
また、高密度のセラミックハニカム構造体のフィルターを用いるものは、燃焼除去の際の急激な温度上昇によりハニカム構造体のフィルターに亀裂が生じたりする、燃焼熱によるフィルターの劣化や破損が起こり、未燃焼の粒子状物質を燃焼除去する除去効率が低下するなど耐久性に乏しいことが問題になっている。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる従来の問題を解決し、全体容量がコンパクトで、耐久性に富むと共に、従来品に比べて極めて廉価に作製することのできる粒子状物質除去装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の粒子状物質除去装置は、入口部、第一の内部空間部および該第一の内部空間部より大きな容量を有する第二の内部空間部、および出口部を有する容器と、前記容器の第一の内部空間部内で前記入口部側に配設された第一の粒子状物質捕集体と、前記容器の第一の内部空間部の出口部に開口する開口部を有し、前記第二の内部空間部内に配設された袋状のフィルター部材と、前記袋状のフィルター部材の内部で前記第一の内部空間部の出口部側に配設された第二の粒子状物質捕集体と、前記容器の第一の内部空間部内で前記第一の粒子状物質捕集体の下流に配設されたヒータとを備えることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記袋状のフィルター部材は、セラミックファイバーから形成されたクロスであることが好ましい。
【００１０】
また、前記第一および第二の粒子状物質捕集体は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金の細線を張り巡らせて所定の通気性を備えて形成されていることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記第一および第二の粒子状物質捕集体は、ほぼ同一の密度で、約１対３の体積比をもって配置されていることが好ましい。
【００１２】
なお、前記容器は、前記入口部側端部に第一のフランジ、前記第一の内部空間部の出口部側端部に第二のフランジを備えた第一の筒部と、該第二のフランジの前記第一の筒部の逆側に固設され前記第一の筒部よりも大径の第二の筒部と、該第二の筒部よりも大径で、前記第二のフランジに固設され、前記第二の内部空間部を画成する第三の筒部とを備え、前記第二の筒部内に前記第二の粒子状物質捕集体が装填されると共に、前記第二の筒部の外周部に前記袋状のフィルター部材の開口部が挿入されて支持されていてもよい。
【００１３】
そして、前記袋状のフィルター部材の筒部と前記容器の第三の筒部との間には所定の通路空間が存することが好ましい。
【００１４】
さらに、前記ヒータは、複数のシースヒータであり、それらの配設平面が前記容器の軸線とほぼ平行になるように配置されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図において、１００は本発明の一実施の形態にかかる黒煙等を含む粒子状物質（ＰＭ）除去装置全体を表し、１１０は鋼板から形成された容器である。容器１１０は、入口部１１１、第一の内部空間部１１３および該第一の内部空間部１１３より大きな容量を有する第二の内部空間部１１８、および出口部１１９を基本構造として有し、本実施の形態では、さらに、入口部１１１側端部に第一のフランジ１１２、第一の内部空間部１１３の出口部１１４側端部に第二のフランジ１１５を備えた第一の筒部１１６と、該第二のフランジ１１５の第一の筒部１１６の逆側に固設され第一の筒部１１６よりも大径の第二の筒部１１７と、第二の筒部１１７よりも大径で、一端が第二のフランジ１１５にボルト等で固設され、第二の内部空間部１１８を画成すると共に他端に出口部１１９が形成された第三の筒部１２０とを備えている。
【００１７】
なお、出口部１１９の端部にはフランジ１２１が形成されており、入口部１１１側端部のフランジ１１２と共に、排気管への接続のために用いられる。また、第二の内部空間部１１８の容量を第一の内部空間部１１３より大きくするのは、粒子状物質除去装置１００内の排気ガスの流れを円滑にし、排気抵抗を減少させるためと、後述する、袋状のフィルター部材の内表面積を大きく取ることを可能にし、アイドリング時等の未焼却のＰＭの捕集容量を増大させ、負荷時におけるＰＭの焼却を効率よく行わせるためである。
【００１８】
１３０は袋状のフィルター部材を示し、該袋状のフィルター部材１３０は容器１１０の第一の内部空間部１１３の出口部１１４（第二の内部空間部１１８の入口部）に開口する開口部１３２を有し、容器１１０の第三の筒部１２０の第二の内部空間部１１８内に配設されている。袋状のフィルター部材１３０は、セラミックファイバー製のクロスを二重ないしは三重に重ねて、袋状に縫製して形成され、開口部１３２の周りは折り返し縫製などによりさら丈夫に形成されている。
【００１９】
そして、この袋状のフィルター部材１３０は、その開口部１３２が第二の筒部１１７の外周部に挿入された後、その筒部１３４の外側に耐熱性金属からなる金網１３６が被せられ、使用時における形状が保持されるようにされている。さらに、袋状のフィルター部材１３０の開口部１３２周りの折り返し部と保持用の金網１３６とは共に、複数個の締結金具１３８でもって第二の筒部１１７の外周部に固設されている。かくて、袋状のフィルター部材１３０の筒部１３４は保持用の金網１３６と共に、容器１１０の第三の筒部１２０との間に所定の通路空間１２３が存する状態で、第二の内部空間部１１８内に支持されている。
【００２０】
次に、１４０は、容器１１０の第一の内部空間部１１３内で入口部１１１側に配設された第一の粒子状物質捕集体であり、１４２は、容器１１０の第二の筒部内に装填された第二の粒子状物質捕集体である。該第一の粒子状物質捕集体１４０および第二の粒子状物質捕集体１４２は共に、耐食耐熱性のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金の細線を張り巡らせて所定の通気性を有する塊として形成されており、本実施の形態では、第一の粒子状物質捕集体１４０と第二の粒子状物質捕集体１４２とは、ほぼ同一の密度で、約１対３の体積比をもって配置されている。
【００２１】
さらに、容器１１０の第一の内部空間部１１３内で第一の粒子状物質捕集体１４０の下流にはヒータ１５０が配設されている。ここで用いているヒータ１５０は、シースヒータであり、図４に示すように、容器１１０の第一の筒部１１６に溶着された蓋状固定部材１７０により固定支持されている。なお、本実施の形態では、ヒータ１５０は３個のシースヒータ１５２，１５４，１５６で構成され、それらの配設平面が容器１１０の軸線（矢印Ａで示す）とほぼ平行になるように配置されている。これは、排気ガスの流れに無用な抵抗を与えず、所要の熱量を排気ガスに与えるためである。
【００２２】
ここで、本発明の粒子状物質除去装置１００に適したフィルター部材１３０および第一および第二の粒子状物質捕集体１４０、１４２について、さらに詳しく説明する。
【００２３】
フィルター部材１３０は、黒煙を含む粒子状物質を捕捉しつつ、例えば、黒煙燃焼時の高温（１２００℃）にも耐え、通気性にも優れ、黒煙の燃焼ガス（灰）やその他の排気ガス中の塵埃等を透過させる機能を有することが必要であり、かかる要求を満たす材料としては、ネクステル（登録商標）３１２セラミックファイバー（化学組成：Ａｌ_２Ｏ_３；６２Ｗｔ％，　ＳｉＯ_２；２４Ｗｔ％，　Ｂ_２Ｏ_３；１４Ｗｔ％）で形成されたクロス（住友スリーエム社製：ＡＦ−１４、ＡＦ−４０，ＡＦ−６２等）が好ましい。これは、連続使用温度１２００℃に耐え、３００ないし７００℃における熱伝導率０．１４〜０．１７および１平米当りの空気透過度約６〜３２．５ｍ^３／分の特性を有するものである。なお、これは使用されるヤーンタイプ、糸密度、織り方と複合的に関連しているので、捕集効果を阻害せず排気抵抗を増大させないように、適切なクロスとその重ね枚数とを選択して調節することが好ましく、本実施の形態では、かかるクロスを二重ないしは三重に重ねて袋状に縫製して用いている。
【００２４】
また、第一および第二の粒子状物質捕集体１４０、１４２は、黒煙等の吸着捕集性に優れ、また、黒煙燃焼時の高温（１２００℃）や熱衝撃にも耐えると共に燃焼を助成する機能を有することが必要であり、かかる要求を満たす材料としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（Ｆｅ−１８Ｃｒ−３Ａｌ、Ｆｅ−１９Ｃｒ−３．２５Ａｌ、Ｆｅ−１５Ｃｒ−５Ａｌ、Ｆｅ−２２Ｃｒ−５．５Ａｌ、Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、Ｆｅ−１７Ｃｒ−４Ａｌ等）が好ましい。これらは、高温においてその表面にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を生じ、赤外線をよく吸収して高い赤外線放射率を有していると考えられている。
【００２５】
この合金の特性として、いわゆる「水性化反応」により、粒子状物質の除去に効果的な温度上昇を促進させる要因となるＨ_２（水素）を発生させる反面、ＣＯ（一酸化炭素）をも発生させることが判明した。従って、黒煙を含む粒子状物質の燃焼効果のみを考慮した場合には、この合金の量を増大させればよいが、単に増大させると、ＣＯの発生量が規制値を超える程に増大してしまい、排気ガス浄化装置として満足し得ないものとなってしまう。また、エンジンから排出される排気ガスの背圧が過剰に上昇しないようにして、エンジンの出力低下を防ぎつつ所定の浄化能力を発揮するような合金の量を選ぶことが重要である。
【００２６】
また、ディーゼルエンジンの運転特性をも考慮して、第一および第二の粒子状物質捕集体１４０，１４２の割合を設定することも重要である。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、かかるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金の細線（０．２〜０．３ｍｍ径）を通気孔径が３〜４ｍｍとなるように張り巡らして第一および第二の粒子状物質捕集体の前後において差圧が生じないようなほぼ同じ通気性（充填密度）にしている。そして、第一の粒子状物質捕集体１４０においては、直径約１５０ｍｍ、厚さ（高さ）約５０ｍｍの円柱状の塊（細線の重量約４０ｇ）、および第二の粒子状物質捕集体１４２においては、直径約２５０ｍｍ、厚さ（高さ）約５０ｍｍの円柱状の塊（細線の重量約１２０ｇ）とし、両者の体積比または重量比が約１対３になるようにしている。
【００２８】
上述の構成になる粒子状物質除去装置１００がディーゼルエンジン（不図示）の排気系に装着され、エンジンが作動されると、エンジンから排出された排気ガスが入口部１１１から粒子状物質除去装置１００に流入することになる。排気ガスが流入すると、黒煙に代表される未燃焼の粒子状物質は、第一の粒子状物質捕集体１４０、第二の粒子状物質捕集体１４２および袋状フィルター部材１３０で捕集され、粒子状物質成分が除去された浄化排気ガスが通路空間１２３を通り出口部１１９へ流れる。
【００２９】
エンジンのアイドリング時等の排気ガスの温度が低い（約１２０℃）ときには、粒子状物質は第一の粒子状物質捕集体１４０では燃焼されず、これにある程度付着し、多くの粒子状物質はヒータ１５０で加熱されつつ部分的に燃焼するものと考えられる。そして、燃焼されなかった粒子状物質は下流の第二の粒子状物質捕集体１４２にさらにある程度付着すると共に、第二の粒子状物質捕集体１４２で捕捉され得なかった黒煙を含む粒子状物質は最終的に袋状フィルター部材１３０で捕集されるものと考えられる。
【００３０】
エンジンが中高負荷運転に移行すると、エンジンの排気ガスの温度は比較的高くなり（約６００℃）、アイドリング時に捕捉されながらも焼却され得なかった分も含めて、第一の粒子状物質捕集体１４０やこれを通過して第二の粒子状物質捕集体１４２に順次捕捉される黒煙等を含む粒子状物質が、排気ガスの熱とＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製の第一および第二の粒子状物質捕集体１４０、１４２の水性化反応による放射熱とにより自発的に連続的に燃焼し、焼却される。なお、袋状フィルター部材１３０に捕集されていた粒子状物質も、これを通過する燃焼ガスが高温であるためここで焼却されるものと考えられる。かくて、排気ガス中に含まれている粒子状物質は、この粒子状物質除去装置１００により車両の運転中連続的に大半が除去され、大気を汚染するのが防止される。
【００３１】
このように、例えば、車載のディーゼルエンジンのように、アイドリング運転と中高負荷運転とを繰り返すようなエンジンの場合には、アイドリング時に捕集された粒子状物質は中高負荷時における排気ガス温度の上昇により自発的に燃焼するので、必ずしもヒータ１５０を常時作動させる必要はない。
【００３２】
上述のように、ヒータ１５０は常時動作させる必要はないので、例えば、粒子状物質除去装置１００内に温度センサを設け、温度がある時間に亘り所定温度以下に低下したときに通電して加熱するようにしてもよい。もちろん、電源に余裕がある場合には常時通電するようにしてもよい。
【００３３】
【実施例】
本発明の粒子状物質除去装置の実施例による試験結果を以下に示す。
【００３４】
第一の内部空間部１１３を形成する第一の筒部１１６の外径；約１５０ｍｍ、長さ；約２１０ｍｍ、第二の筒部１１７の外径；約２５０ｍｍ、長さ；約５０ｍｍ、および、第二の内部空間部１１８を形成する第三の筒部１２０の外径；約３００ｍｍ、長さ；約５５０ｍｍの鋼板製容器１００：
ネクステル３１２（登録商標）セラミックファイバーＡＦ−４０（通気度；１１．６ｍ／ｍｉｎ）で形成されたクロスを三重に重ね、内径；約２５０ｍｍ、長さ；約５５０ｍｍの袋状に縫製して形成したフィルター部材１３０：
線径０．２ｍｍで、１巻の長さ１９．５ｍ、総重量８ｇのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（Ｆｅ；４０．４５２Ｗｔ％、Ｃｒ；２１．５３２Ｗｔ％、Ａｌ；３７．５６９Ｗｔ％、Ｓｉ；０．４４７Ｗｔ％）を、第一の粒子状物質捕集体１４０に３〜５巻、第二の粒子状物質捕集体１４２に１２〜１５巻用い、その使用量比を約３対１として構成した第一および第二の粒子状物質捕集体１４０、１４２：および三晃電気工業（株）製シースヒータ（定格；ＤＣ２４Ｖ　３１５Ｗ、電力密度；３．５Ｗ／ｃｍ^２）３本にて構成したヒータ１５０：
でもって粒子状物質除去装置を構成した。
【００３５】
この粒子状物質除去装置を、原動機型式：４Ｄ３３（４サイクル、４気筒）、総排気量：４２１４ｃｃ、最高出力：８８（１２０）／３２００ｋｗ（ＰＳ）／ｍｉｎ^−１、正規噴射時期：１０°ＢＴＤＣ、圧縮比：１８．０、燃焼室形式：直噴式のディーゼルエンジンを搭載した車両（車名・型式：三菱・Ｕ−ＦＥ４３７Ｅ）のテールパイプへ装着し、ディーゼル１３モード排出ガス試験（粒子状物質測定を含む）および排気煙濃度試験を、財団法人日本自動車輸送技術協会にて行った。なお、ヒータ１５０には２０Ａ・２０Ｖを通電した。
【００３６】
そこで、粒子状物質除去装置の装着前と装着後におけるディーゼル１３モード排出ガス試験結果を表１に、排気煙濃度試験結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
以上のように、本発明の粒子状物質除去装置によれば、表１および表２の試験結果から明らかなように、粒子状物質は、（０．７２０−０．２９８）／０．７２０＝０．５９から約６０％除去され、排気煙濃度は、全エンジン回転数範囲に亘りほぼ２０％低減された。
【００４０】
【発明の効果】
上述のように、本発明の粒子状物質除去装置は、東京都粒子状物質減少装置指定要項に記する粒子状物質減少率３０％以上削減（カテゴリー２、５）、また粒子状物質減少率４０％以上削減（カテゴリー４）を大幅に上回る６０％削減の粒子状物質除去効果を奏している。さらに
（１）エンジンの運転状態で、黒煙等の粒子状物質の捕捉とその焼却処理を連続的に同時に行うので、従来のフィルターを並列に配置し切替え使用するタイプのものに比べ、コンパクトに構成することができる。その分、軽量化が可能である。
（２）粒子状物質捕集体としてＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を用いることにより、従来のセラミックハニカム構造体のフィルターに比べ、劣化、破損等がなく、耐久性に優れ、しかも廉価な粒子状物質除去装置を得ることが出来る、という効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る粒子状物質除去装置の一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】ヒータの取付け状態の一例を示す斜視図である。
【図５】袋状フィルター部材の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１０　　容器
１１３　　第一の内部空間部
１１６　　第一の筒部
１１７　　第二の筒部
１１８　　第二の内部空間部
１２０　　第三の筒部
１２３　　通路空間
１３０　　袋状フィルター部材
１３２　　開口部
１４０　　第一の粒子状物質捕集体
１４２　　第二の粒子状物質捕集体
１５０　　ヒータ

Claims

入口部、第一の内部空間部および該第一の内部空間部より大きな容量を有する第二の内部空間部、および出口部を有する容器と、
前記容器の第一の内部空間部内で前記入口部側に配設された第一の粒子状物質捕集体と、
前記容器の第一の内部空間部の出口部に開口する開口部を有し、前記第二の内部空間部内に配設された袋状のフィルター部材と、
前記袋状のフィルター部材の内部で前記第一の内部空間部の出口部側に配設された第二の粒子状物質捕集体と、
前記容器の第一の内部空間部内で前記第一の粒子状物質捕集体の下流に配設されたヒータと
を備えることを特徴とする粒子状物質除去装置。
前記袋状のフィルター部材は、セラミックファイバーから形成されたクロスであることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質除去装置。
前記第一および第二の粒子状物質捕集体は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金の細線を張り巡らせて所定の通気性を備えて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子状物質除去装置。
前記第一および第二の粒子状物質捕集体は、ほぼ同一の密度で、約１対３の体積比をもって配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の粒子状物質除去装置。
前記容器は、
前記入口部側端部に第一のフランジ、前記第一の内部空間部の出口部側端部に第二のフランジを備えた第一の筒部と、
該第二のフランジの前記第一の筒部の逆側に固設され前記第一の筒部よりも大径の第二の筒部と、
該第二の筒部よりも大径で、前記第二のフランジに固設され、前記第二の内部空間部を画成する第三の筒部とを備え、
前記第二の筒部内に前記第二の粒子状物質捕集体が装填されると共に、前記第二の筒部の外周部に前記袋状のフィルター部材の開口部が挿入されて支持されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の粒子状物質除去装置。
前記袋状のフィルター部材の筒部と前記容器の第三の筒部との間には所定の通路空間が存することを特徴とする請求項５に記載の粒子状物質除去装置。
前記ヒータは、複数のシースヒータであり、それらの配設平面が前記容器の軸線とほぼ平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の粒子状物質除去装置。