JP2004137970A - 排気ガス中の微粒子除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気圧を現状維持したまま、微粒子の捕集効率を高められる排気ガス中の微粒子除去装置を提供する。
【解決手段】内燃機関から排気ガス路を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するためのサイクロン１２…を備えた排気ガス中の微粒子除去装置１０において、サイクロン１２…より下流の排気ガス管１１に電動ファン１６を設けた。よって、この電動ファン１６を作動させると、従来のように内燃機関の排気圧を高めることなく、サイクロン１２…内を通過する排ガスを高速化し、微粒子の捕集効率を高めることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は排気ガス中の微粒子除去装置、詳しくはディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出された排気ガス中に含まれる微粒子をサイクロンを利用して除去する排気ガス中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などの内燃機関から排出される排気ガス中には、煤や燃えかすなどの微粒子（煤塵）が含まれている。この煤塵は、カーボン、未燃焼燃料、オイルなどの高分子炭化水素などを主成分としている。
従来、この煤塵を除去する装置として、例えば特開平９−１７３７５５号公報のようなサイクロンを利用した排気ガス中の煤塵除去装置が開発されている。この煤塵除去装置は、内燃機関からの高圧の排気ガスをサイクロンに通し、排ガス中の微粒子に水分を浸透させ、水分を含む微粒子同士を衝突させて結合および凝集させることで造粒増大した粒子をサイクロン部で排ガスと分離させる構成となっていた。
また、サイクロン式の煤塵除去装置の一種として、静電気により排気ガス中の煤塵を凝集した後、サイクロンにより集塵除去するものが知られている。これは、煤塵を帯電により凝集し、サイクロンでは捕らえられない微細な煤塵でも、捕集できるようにした。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来の煤塵除去装置にあっては、以下に示す問題点があった。すなわち、内燃機関から排出された排気ガスの排気圧により、排気ガスをサイクロンの内部流路から通過させていた。そのため、サイクロン内の排気ガスの流速が遅く、煤塵の捕集効率が低かった。仮に、この流速をはやめて煤塵の捕集効率を高めようとすれば、排気圧の増大に基づく、様々な問題が発生することになる。
また、静電気式の煤塵除去装置によれば、煤塵を帯電させるため、捕集されずに大気中に排出された煤塵は、衣服などに付着しやすいという問題があった。さらに、煤塵の帯電時には、例えば１０〜２０ｋＶの高電圧を必要とする。そのため、煤塵除去装置内の絶縁性を高めなければならなかった。
【０００４】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、サイクロンより下流の排気ガス路に吸引手段を設ければ、サイクロン内を通過する排気ガスが高速化し、内燃機関の排気圧を現状維持したままで微粒子の捕集効率を高めることができることを知見し、この発明を完成させた。
また、高周波により排気ガス路を流れる微粒子を凝集し、その後、この凝集物をサイクロンにより捕獲するようにすれば、仮に微粒子が捕集されず大気中に排出された場合でも、静電気の影響により微粒子が衣服などに付着しないとともに、微粒子除去装置の絶縁性を高める必要もないことを知見し、この発明を完成させた。
【０００５】
【発明の目的】
この発明は、内燃機関の排気圧を現状維持したまま、微粒子の捕集効率を高めることができる排気ガス中の微粒子除去装置を提供することを、その目的としている。
また、この発明は、大気放出された微粒子が帯電した静電気の影響で衣服などに付着せず、しかも微粒子除去装置の絶縁性を高める必要がない排気ガス中の微粒子除去装置を提供することを、その目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内燃機関から排気ガス路を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するサイクロンを備えた排気ガス中の微粒子除去装置において、前記サイクロンより下流の排気ガス路に吸引手段を設けた排気ガス中の微粒子除去装置である。
内燃機関の種類は限定されない。例えばディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、プロパンエンジンなどを採用することができる。
内燃機関が搭載される装置の種類は限定されない。例えば、車両、船舶、発電機などを採用することができる。
微粒子とは、煤塵を含む粒子状物質（ＰＭ）などが挙げられる。
【０００７】
サイクロンは、円筒内の回転流によって排気ガスに遠心力を与え、排気ガス中の微粒子を分離捕集する装置である。その使用本数は限定されない。１本または２本以上である。
吸引手段の種類は限定されない。例えば、排気ガスを駆動源としたファン、圧縮空気を駆動源としたファン、高圧の液体を駆動源としたファン、電動ファンなどである。並列配置された複数本のサイクロンを使用する場合には、ファンの回転数をアクセルの踏み込み量、すなわち排気ガスの排気量に合わせて増減させ、ファンの回転数の増減に応じてバルブを開閉すれば、サイクロンの実働本数を増減し、捕集効率の変動を防止することができる。ファンの出力を抑えた効率の良い微粒子の捕集を行うことができ、騒音や排気量が小さくなる。
サイクロンは、円筒内の回転流によって排気ガスに遠心力を与え、排気ガス中の微粒子を分離捕集する装置で、円筒部のサイズを調整して消音構造とすれば、マフラーを兼用することができる。その結果、マフラーの一部または全部を省略することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、複数本の前記サイクロンが、前記排気ガス路の途中に、並列状態で配置された請求項１に記載の排気ガス中の微粒子除去装置である。
サイクロンの並列状態とは、各サイクロンの排気ガスの流入部と流出部とが、排気ガス路に対してそれぞれ直接連通されている状態をいう。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、内燃機関から排気ガス路を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するサイクロンを備えた排気ガス中の微粒子除去装置において、前記サイクロンより上流の排気ガス路に、排気ガス中の微粒子を高周波により凝集させる高周波振動発生手段を設けた排気ガス中の微粒子除去装置である。高周波振動発生手段の種類は限定されない。例えば、排気ガス路の周壁を振動させるバイブレータ、圧電素子などを採用することができる。その他の発振源を排気ガス路の途中に設けてもよい。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記高周波振動発生手段が、前記排気ガス路の周壁に固定され、該排気ガス路を通過する排気ガスにカルマン渦を発生させる高周波振動子を有する請求項３に記載の排気ガス中の微粒子除去装置である。
ここでいう高周波振動発生手段の排気ガス路の周壁への固定とは、例えばゴムなどの弾性体を介した弾性的な固定状態を含む。
高周波振動子の素材、大きさなどは限定されない。
高周波振動子は排気ガス路の周壁に対して、例えば片持ち状態での取り付け、両持ち状態での支持の何れでもよい。
【００１１】
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、サイクロンより下流の排気ガス路に設けられた吸引手段を作動させると、従来のように内燃機関の排気圧を高めることなく、サイクロン内を通過する排気ガスを高速化し、微粒子の捕集効率を高めることができる。
【００１２】
特に、請求項２に記載の発明によれば、排気ガス路の途中に複数本のサイクロンを並列状態で配置し、サイクロンの小型化（小径化）を図り、これによりサイクロン内での排気ガスの遠心力を増大する。その結果、微粒子の捕集力を高めることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、サイクロンより排気ガス路の上流において、高周波振動発生手段によって、排気ガス路内で高周波を発生させる。すると、排気ガス路内の微粒子は互いに衝突して凝集し、粒径の大きな凝集物（粒子）となる。その後、この凝集物がサイクロンにより捕獲される。その結果、微粒子の捕集効果が高まる。
また、仮に微粒子が捕集されず大気中に排出されたとしても、あらかじめ帯電した静電気の影響により微粒子が衣服などに付着しないとともに、微粒子除去装置の絶縁性を高める必要もない。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、排気ガスを排気ガス路中に流したとき、ある流速以上では排気ガスが高周波振動子に衝突し、これが高速度で振動する。これは、気体の流路に円柱を置いたとき、円柱の背後において円柱の両側から交互に反対向きの渦（カルマン渦）が発生し、この渦の影響で円柱が高周波振動する現象による。これにより微粒子が凝集される。ここでは、安価な高周波振動子を利用するので、高周波振動発生手段の低コスト化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の一実施例を説明する。ここでは、ディーゼルエンジン車に搭載された排気ガス中の微粒子除去装置を例とする。
図１〜図４において、１０はこの発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置（以下、微粒子除去装置）で、この微粒子除去装置１０は、図示しないディーゼルエンジンから排気ガス管（排気ガス路）１１を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するサイクロン１２…と、各サイクロン１２…の下部にそれぞれ連通された集塵容器１３…と、各サイクロン１２…によって微粒子が除去された排気ガスを集めるガス集合ボックス１４と、サイクロン１２…より下流の排気ガス管１１に取り付けられた電動ファン（吸引手段）１６とを備えている。サイクロン１２…は、排気ガス管１１に対して、合計８本が並列配置されている。電動ファン１６の排気口部には、マフラー１７が連通されている。
【００１６】
排気ガス管１１は、下流に向かって順次配される、ディーゼルエンジンのマニホールドに連通した第１の排気管１１ａと、環状の第２の排気管１１ｂと、第２の排気管１１ｂおよび各サイクロン１２…を連通する合計８本の第３の排気管１１ｃ…と、各サイクロン１２…とガス集合ボックス１４とを連通する合計８本の第４の排気管１１ｄ…と、ガス集合ボックス１４と電動ファン１６とを連通する第５の排気管１１ｅとを有している。このうち、第１の排気管１１ａの途中には、第１の排気管１１ａの半径方向に延びたピン形状の高周波振動子１８が、一対の環状を有するゴム製の弾性体１９を介して、その高周波振動子１８の両端部を第１の排気管１１ａの周壁に弾性的な固定状態で収納されている（図４（ａ），（ｂ））。各第３の排気管１１ｃ…には、電磁弁１１ｆ…がそれぞれ設けられている。各サイクロン１２…は、第２の排気管１１ｂに対して周方向に４５度間隔で配設されている。
【００１７】
サイクロン１２…は、真鍮製の円筒ブロック１２ａ…をそれぞれ本体とし、各円筒ブロック１２ａ…の上部内に円筒部がそれぞれ形成され、各円筒ブロック１２ａ…の下部に、対応する円筒部と連通する円錐筒部が一体形成されている。円錐筒部は下方に向かうほど徐々に先細り化し、それぞれの下端が対応する集塵容器１３…に連通されている。
円筒ブロック１２ａ…の周壁の上端部には、ガス導入部１２ｂ…が円筒部の接線方向に沿って突出されている。ガス導入部１２ｂ…には第３の排気管１１ｃ…が連通されている。また、円筒ブロック１２ａ…の上端板の中央部には、第４の排気管１１ｄ…が連通される小径なガス導出管１２ｃ…が垂設されている。各ガス導入部１２ｂ…を介して、接線方向から円筒部内に導入された排気ガスは、円筒部および円錐筒部の各内周面に沿って徐々に旋回しながら下降し（下降流）、その後、円錐筒部の最下端付近に達したところで、この下降流の内方に画成された空間を旋回しながら上昇していく（上昇流）。その際、排気ガス中に含まれた微粒子は、先細りの円錐筒部の周壁に衝突して速度が低下し、円錐筒部の下部で分離捕集される。一方、上昇中の排気ガスは円筒部の上端部付近に達すると、ガス導出管１２ｃ…に流れ込む。そして、この排気ガスはガス導出管１２ｃ…を上昇し、第４の排気管１１ｄ…に流れ込む。
電動ファン１６の出力は、排気ガス管１１を流れる排気ガスの流速が、５０ｍ／秒以上となるように設定されている。
【００１８】
次に、この発明の一実施例に係る微粒子除去装置１０の作動を説明する。
図１〜図４に示すように、図示しないディーゼルエンジン車のディーゼルエンジンを駆動すると、排気ガスがマニホールドを通して、第１の排気管１１ａに流れ込む。このとき、電動ファン１６を作動させて、排気ガス管１１中を流れる排気ガスの流速をはやめる。これにより、高速の排気ガスが高周波振動子１８に衝突し、その結果、高周波振動子１８の下流領域において、高周波振動子１８の両側から交互にカルマン渦が生じる。こうして、高周波振動子１８が１００００Ｈｚ程度で振動する。よって、第１の排気管１１ａ内の微粒子は互いに衝突して凝集し、粒径の大きな凝集物（粒子）となる。
その後、排気ガスは環状の第２の排気管１１ｂを経たのち、対応する第３の排気管１１ｃ…を通過して各サイクロン１２…にそれぞれ流れ込む。ここで、遠心分離作用により排気ガス中の凝集物（凝集されなかった微粒子を含む）が捕獲される。捕獲物は、対応する集塵容器１３…内に落下し、回収される。
各サイクロン１２…により微粒子が除去された排気ガスは、第４の排気管１１ｄ…を介してガス集合ボックス１４に流れ込む。その後、このガス集合ボックス１４内でひとつに纏められた排気ガスは、第５の排気管１１ｅを経て電動ファン１６内を通過し、マフラー１７から大気中に排出される。
【００１９】
このように、サイクロン１２…より下流の排気ガス管１１の部分に電動ファン１６を設けたので、従来のようにディーゼルエンジンの排気圧を高めることなく、サイクロン１２…内を通過する排気ガスを高速化し、微粒子の捕集効率を高めることができる。
また、第２の排気管１１ｂに８本のサイクロン１２…を、第２の排気管１１ｂの軸線方向に向かって並列状態で設けたので、サイクロン１２…の小型化（小径化）が図れ、サイクロン１２…内での排気ガスの遠心力が増大し、微粒子の捕集力を高めることができる。
さらに、サイクロン１２…よりも上流の排気ガス管１１に高周波振動子１８を設けたので、排気ガス中の微粒子を高周波により凝集させて回収することができる。しかも、大気排出された微粒子が、従来のようにあらかじめ帯電した静電気の影響で衣服などに付着しないとともに、微粒子除去装置１０の絶縁性を高める必要がない。また、高周波振動子１８がピン形状の安価なものであるので、高周波振動発生手段の低コスト化も図ることができる。
【００２０】
また、電動ファン１６の回転数は、アクセルの踏み込み量、すなわち排気ガスの排気量に合わせて増減させ、同時に、所定の電磁弁１１ｆ…を開閉することで、サイクロン１２…の実働本数を増減し、排気量に合わせた捕集効率の変動のない装置とすることができる。電動ファン１６の出力を抑えた効率の良い微粒子の捕集を行うことができ、電動ファン１６の出力を抑えれば騒音や排気量が小さくなる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、サイクロンより下流の排気ガス路に吸引手段を設けたので、内燃機関の排気圧を現状維持したまま、微粒子の捕集効率を高めることができる。
【００２２】
特に、請求項２に記載の発明によれば、排気ガス路の途中に、排気ガス路の軸線方向に向かって所定長さごとに複数本のサイクロンを並列状態で配設し、サイクロンの小型化（小径化）を図り、サイクロン内での排気ガスの遠心力を増大し、微粒子の捕集効果を高めることができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、サイクロンより上流の排気ガス路に高周波振動発生手段を設けたので、排気ガス中の微粒子を高周波により凝集させ、微粒子の捕集効果を高めることができる。しかも、大気放出された微粒子が帯電した静電気の影響で衣服などに付着せず、微粒子除去装置の絶縁性を高める必要もない。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、高周波振動発生手段として、排気ガスにカルマン渦を発生させる安価な高周波振動子を採用したので、高周波振動発生手段の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置の正面図である。
【図２】この発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置の平面図である。
【図３】この発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置に組み込まれたサイクロンの拡大縦断面図である。
【図４】（ａ）は、この発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置の高周波振動子の取り付け部分を示す要部拡大縦断面図である。（ｂ）は、この発明の一実施例に係る排気ガス中の微粒子除去装置の高周波振動子の取り付け部分を示す要部拡大横断面図である。
【符号の説明】
１０　排気ガス中の微粒子除去装置、
１１　排気ガス管（排気ガス路）、
１２　サイクロン、
１６　電動ファン（吸引手段）、
１８　高周波振動子（高周波振動発生手段）。

Claims (4)

1. 内燃機関から排気ガス路を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するサイクロンを備えた排気ガス中の微粒子除去装置において、
   前記サイクロンより下流の排気ガス路に吸引手段を設けた排気ガス中の微粒子除去装置。
2. 複数本の前記サイクロンが、前記排気ガス路の途中に、並列状態で配置された請求項１に記載の排気ガス中の微粒子除去装置。
3. 内燃機関から排気ガス路を通して排出される排気ガス中の微粒子を捕集するサイクロンを備えた排気ガス中の微粒子除去装置において、
   前記サイクロンより上流の排気ガス路に、排気ガス中の微粒子を高周波により凝集させる高周波振動発生手段を設けた排気ガス中の微粒子除去装置。
4. 前記高周波振動発生手段が、
   前記排気ガス路の周壁に固定され、該排気ガス路を通過する排気ガスにカルマン渦を発生させる高周波振動子を有する請求項３に記載の排気ガス中の微粒子除去装置。

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