JP2007224792A - 内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガスの有害成分、即ちＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、およびＰＭが低減で
き、その上ＣＯ２をも削減できる、簡便で安価な排気ガス後処理浄化装置を提供する。
【解決手段】樹木精油成分の湿式反応とデュアルタイプのサイクロンを利用する排気ガス
浄化システムに於いて、吸着剤粉末を循環使用することにより、有害成分除去率およびＣ
Ｏ２削減率を大幅に向上させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の排気ガスの浄化・低温化方法及びその装置に関するものであり、更に詳しくは、内燃機関の排気通路途中に装着し、排気ガス中に含まれる有毒気体物質、即ち窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、ならびにその他の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、また地球温暖化の一要因である二酸化炭素（ＣＯ_２）、更にはディーゼルエンジンの場合は粒子状物質（ＰＭ--Particulate Matter）及び黒煙を除去し、かつ排気顕熱をも低減する排気ガス浄化方法及びその装置に関するもので、特に使用過程車にも容易に装着出来る低価格で簡便な有害物質低減装置を提供するものである。

近年、バスやトラック等のディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）や ＮＯ_Ｘ 等の地球環境や人への影響が社会問題となっている。そこで、国や一部の自冶体では一定年度を経過し、一定の基準を満たさないディーゼルエンジン搭載車両に対して ＮＯ_Ｘ と ＰＭ の低減装置の装着を義務付けた法律や、条例改正が行われている。

更には、地球温暖化防止の観点から、ＣＯ_２ 排出量の低減が今後ますます要求されており、低燃費技術と排出ガス低減技術との両立に最大限の配慮が必要となってきている。この観点からガソリンエンジンやＬＰＧエンジンにおいても、安価で、大幅な浄化が可能で、かつ ＣＯ_２ をも除去できる排気後処理浄化装置が利用できれば、エンジン側では低燃費化のみに重点を置くことができ、ＣＯ_２ 排出量の削減に大きく寄与できる。

また、ヒートアイランド現象の防止の観点から、エンジンを含む各種の機器からの排気顕熱の低減も関心をよんでいる。

新車用ディーゼルエンジンに於いては、燃焼システムの最適化（コモンレールシステム等）と吸気システムの最適化（ＥＧＲ排出ガス再循環）、更により一層の排出ガスの低減を図るための排気後処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ 吸蔵触媒、ＤＰＦ--ディーゼルパーティキュレートフィルタ）の適用により、排出ガス平成１７度新長期規制への対応が図られてきた。

しかしながら、前記対応には以下の問題がある。
有害ガスを低減しようとするとＣＯ_２の排出量が増加する。即ち、完全燃焼と浄化処理にはＣＯ_２ の発生が不可避で、ＣＯ_２ 発生量低減の為には燃費の低減が必要である。また、ＮＯｘ の発生を抑制しようとすると燃費が悪化する。
使用過程車に搭載可能な ＮＯｘ と ＰＭ を同時に処理できる排気後処理低減装置は一部国土交通省の認可を受けているものもあるが、ＮＯｘ と ＰＭ でそれぞれの処理系統を必要とし、システムが複雑で、取り付け・調整が難しく、価格も高額である。
浄化率は特に ＮＯｘ で平成１７年度短期規制値をぎりぎりでクリアしているにすぎず、性能的にも不十分であり、長期規制値を下回る為には、更なる浄化率の向上が必要である。つまり、限りなくゼロエミッションおよびゼロ ＣＯ_２ に近づかなければならない。
ＰＭ の処理に利用されている ＤＰＦ（連続再生方式）はディーゼル燃料中に含まれる硫黄により触媒が被毒し、浄化率が低下するため、低硫黄（５０ｐｐｍ以下）の軽油の使用が前提で、地方では低硫黄の軽油が入手し難い場合がある。

現在、使用過程車に搭載可能な排気後処理システムは、触媒、ＰＤＦ、および ＥＧＲ を主体とし、副次的に改質燃料若しくは水蒸気を利用したものである。そして、それら以外にも車両搭載が可能と思われる排気後処理システムとしては、下記の如き種々の技術開示があるが未だ実用には至っていない。
サイクロンによりＰＭを捕集する方法（物理的手法で、主にＰＭのみに有効）
ａ．サイクロンにフィルタ、ブラシ、触媒部材、遊粉塵蓄溜部等を付加しサイクロンでは除去しきれない微細粒子を処理する方法（特許文献１、２，３、４，５）
ｂ．微細粒子を凝集粗大化させ捕集効率を高める方法
粒子に高電圧を印加し、異種極性に帯電させ、衝突頻度を高める方法
コロナ放電の利用（特許文献６、７、８）
スプレー電極の利用（特許文献９）
高周波振動子の利用（特許文献１０）
液体の噴霧もしくは蒸気により、粒子の表面張力を減少させ、凝集粗大化させる方法
水噴霧（特許文献１１、１２，１３，１４）
界面活性剤水溶液噴霧（特許文献１５）
粘性媒質液体蒸気と超音波発信（特許文献１６）
ｃ．サイクロン内壁面に粘着性を賦与する方法（特許文献１７）
ｄ．サイクロン内に燃料油を供給する方法（特許文献１８）
溶液若しくはその蒸気を排気ガスと化学反応させる湿式法（主に有害ガス成分対象）
水（特許文献１９、２０，２１）
アンモニア水溶液（特許文献２２、２３，２４）
燃料油、油脂類（特許文献２５，２６）
サイクロンと湿式法の組み合わせで、溶液の蒸気を排気ガスと反応させ、微細粒子の凝集粗大化を図ると共に化学反応も利用する方法（物理化学的手法で、ＰＭ と有害ガス成分の両方に有効）
特に、ヒノキ、ヒバ等の樹木から抽出した精油は従来、その有害成分の浄化能力が注目されており（特許文献２７）、自動車排気ガス処理用としても、サイクロンとの組み合わせにおいても種々の技術開示がなされている（特許文献２８，２９，３０）。
特開平５−３３２１２３号公報 特開２００２−２４２６５６号公報 特開２００２−２４２６５７号公報 特開２００２−２４２６５８号公報 特開２００２−２９５２３０号公報 特開平５−２２２９１５号公報 特公平６−３１３１号公報 特許第３５２８２１９号公報 特表平１０−５０６８４５号公報 特許第３４３１９１８号公報 特開平１１−６２５５３号公報 特開平１１−６２５５４号公報 特開２００４−３２４６２３号公報 特開２００５−８３３４９号公報 特開平９−１７３７５５号公報 特開２００３−１７２１１８号公報 特開２００１−２２１０３１号公報 特開２００４−１９０４８６号公報 特許第２９９８０２２号公報 特開２００３−２５４０４６号公報 特開２００３−２０９２８号公報 特開２００４−２８０９５号公報 特開２００４−３２４６３０号公報 特開２００５−６９０４１号公報 特許第３３３５６１１号公報 特許第３４３１２０１号公報 特開平８−１３１７５８号公報 特開２０００−２４６０５６号公報 特開２００３−１７２１３０号公報 特開２００５−１４００１２号公報

本発明は、これらの問題の改善策として、サイクロンと樹木精油等の反応液を利用する手段にて、下記の如き、安価で、使用過程車への搭載が容易で、またディーゼルエンジンに於いては低硫黄軽油の使用が不要であり、さらには１系統で ＰＭ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、およびＣＯ_２ の大幅な削減と、排気ガス温度の低減が可能となるシステムとして考案されたものである。

本発明システムの基本は、溶液の蒸気および／もしくはミストを排気ガスと接触させ、有害気体成分を吸着すると共に、固体成分（ＰＭ）を包接・凝集・粗大化させた後、サイクロンにて捕集するシステムに、排気ガス中の有害成分を吸着する微粉末を処理系統に封入し、循環再利用し、浄化効率を高めることにあり、センサ、触媒、ＥＧＲ等の特殊な制御システムが不要の排気後処理タイプの浄化装置を提供することができる。

本発明は、蒸気および／もしくはミストを利用する湿式方式の粉末捕集にデュアルタイプのサイクロンを使用し、その２次集塵室から排気ガスの一部を取り出し、湿式反応容器に還流させ、炭素質の微細粉末を浄化反応に積極的に流用し、更には吸着剤粉末（活性炭粉末、リグニン粉末、ゼオライト粉末、シリカゲル粉末等）を封入し、浄化効率を高めることにその特徴を有する。封入する吸着剤粉末としては、比表面積の大きな粉末以外に、ＮＯ_２ の浄化効果が知られているスギ材のリグニンの如く、化学反応をも併せ持つ材質も好ましい。

表１に、使用過程ディーゼル車に実施例１の装置を用いた場合の排気ガスの浄化率を示す。
この例では、反応液には、青森ヒバ油０．５％、スギ油０．５％、界面活性剤（ＨＬＢ１６．７） ０．５％ の Ｏ／Ｗ 型エマルジョンを、また吸着剤粉末には活性炭粉末（平均粒径１．５μｍ）とリグニン粉末（平均粒径５μｍ）を１：１に混合したものを用いた。
尚、比較のため、吸着剤粉末を封入しない装置による測定も実施した。

表２に、ディーゼル新車(2005型車)に実施例１の装置を用いた場合の排気ガスの浄化率を示す。
反応液と吸着剤粉末は表１の例と同一である。

表３に、ガソリン使用過程車(平成１２適合車型車)に実施例１の装置を用いた場合の排気ガスの浄化率を示す。反応液と吸着剤粉末は表１の例と同一である。

表４に、ガソリン新車(平成１７適合車型車)に実施例１の装置を用いた場合の排気ガスの浄化率を示す。
反応液と吸着剤粉末は表１の例と同一である。

これらの測定結果から判るとおり、排気成分の顕著な低減がみられる。特に、ＣＯ_２の低減がガソリン車でも達成されており、ＣＯ_２ 排出量削減のニーズに充分応えられるものである。

表５に排気ガス温度の測定結果を示す。
この様に、排気顕熱の低下にも効果がみられる。

本発明の実施形態である内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置は、図１に示したように、反応容器１０、粒子捕集用のサイクロン２０、反応液を貯留する容器３０、および排気ガスを吸引する吸引ファン４０により構成される。

粒子捕集用のサイクロン２０はデュアルタイプのサイクロンであり、その２次集塵室２２と限定された開口部で連結される粉末供給室２４には吸着剤粉末が封入されており、吸引ファン４０により一部の吸着剤粉末が反応容器１０の排気ガス導入口に送られ、導入排気ガスと混合される。

混入された吸着剤粉末は、反応容器１０内で、その大きな比表面積の効果で反応液の凝集効果を促進させると共に、有害ガス成分を吸着除去する。そして、粗大化した吸着剤粉末は１次集塵室２１の粉塵回収容器２３で回収廃棄され、残りの微細吸着粉末は２次集塵室２２を経由して循環使用される。

次に、このように構成された内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置の動作について、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置の基本システムを示す実施例の断面図であって、反応容器１０、粒子捕集用のサイクロン２０、反応液を貯留する容器３０、および排気ガスを吸引する吸引
ファン４０により構成される。

反応容器１０は、排気ガス取り入れ口、反応液１６を貯留する容器１１、および蒸気の凝縮液化を促進させるための多孔体１２で構成される。
排気ガスの流路には、ガスの滞留を増進させるための仕切り板１８が設けてあり、ガスが容器内全体に行き渡るよう配慮されている。

反応液１６は導入された排気ガスにより加熱され、蒸発・気化し、排気ガスと反応する。

反応液１６は、下記の如き種々の植物からの抽出油若しくは抽出油に乾溜液を添加したものを、界面活性剤にて水中に分散させた Ｏ／Ｗ 型エマルジョンで、界面活性剤を含めたトータル含有率は０．５〜５％が好ましい。
・針葉樹の材、葉、樹皮
ヒノキ、ネズコ、青森ヒバ、ニオイヒバ、アスナロ、スギ、トドマツ、サワラ、ユーカリ、セダーウッド
・広葉樹の材、葉、樹皮
シキミ、クスノキ、タブノキ、ミヤマシキミ、クローブリーフ、サッサフラス
・草、その他
アロエ、ハーブ、茶葉、ヤシの実、果実皮、食用油

反応液１６は、植物からの抽出油若しくは抽出油に乾溜液を添加したものに、界面活性剤を撹拌しながら少量づつ添加していき、この混合液を等量の水に撹拌しながら添加した後、ホモゲナイザー若しくはその他の適宜な撹拌装置によりミセル粒子の各分子クラスタをせん断し、その粒径を２μｍ以下と小さくしたものを原液とし、この原液を１００倍程度に希釈して使用するのが好ましい。

ミセル粒子の粒径を２μｍ以下と小さくすれば、排気ガス成分との反応が活性化されると同時に、長期間原液を保存しても水と油分との分離が生じにくく、長期間ミセル構造を維持しうる。

界面活性剤（乳化剤・分散剤）としては、親水性が強く(ＨＬＢ値１３以上)、揮発成分が無害であるものが適しており、食品添加剤として認可されているポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルなどの非イオン界面活性剤が好ましい。

乾溜液を反応液として利用する際は、界面活性剤は、場合によりＨＬＢ８〜１３のものを併用するのが好ましい。

容器１１には液の液面を監視するフロートスイッチ１４が取り付けられており、液面が一定レベル以下となった場合に液送ポンプ１３により反応液貯蔵タンクから反応液が補充される。

多孔体１２は反応液の蒸気を接触液化させ、有害成分の一部を回収するためのものであり、金網積層体、発泡金属、金属繊維集合体等が適しており、気孔率９５〜９８％、孔径０．１〜１ｍｍのものが好ましい。

サイクロン２０はデュアルタイプのものが必需で、取り付けスペースの観点から、横型が必要である。

サイクロン２０の１次集塵室２１には、集塵された粗大粉末を廃棄するための着脱可能な容器２３が付設される。

サイクロン２０の２次集塵室２２には、開口部２５を設け、その先に粉末供給用の容器２４が着脱可能な形態で付設されている。開口部２５の面積は排気ガス導入管面積の２５〜５０％が適当である。

サイクロン２０の２次集塵室２２から反応容器１０の排気ガス導入部までの循環経路には、吸引ファン４０を設けるのが好ましい。この吸引ファン４０は、サイクロン２０の渦流の速度を上げ、集塵効率の向上に寄与すると同時に、吸引力の調整（ファンの回転数の調整）により排出する浄化排気ガスと循環させる排気ガスの割合を調整するのに有用である。また、本吸引ファン４０により排気ガスの循環経路内への逆流が防止される。吸引ファン４０は、取り付けスペースの面から、ラジアル型のインペラーが好ましい。

本発明の実施の別形態を実施例２（図２）に示す。

本実施例形態は、ディーゼルエンジン専用のシステムである。
粉末の供給は不要で、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＰＭのうち微細（粒径１０ミクロン以下）な粉末を循環利用するものである。

本発明の更なる別の実施形態を実施例３（図３）に示す。

本実施例は、反応液の蒸気を利用するのではなく、遠心噴霧器５０に排気ガスの一部を導入し、噴霧器内で排気ガスと反応液のミストを混合した後、反応容器１０に導く方式である。

遠心噴霧器は筒状のポンプから吸引した液体を回転円板の下面に沿わせて拡散させ、回転による遠心力で円板の周囲に配設された櫛歯状突起のスクリーンに液を衝突させて水滴に砕き、ミストを発生させる方式で、ミストのサイズは、高圧空気による噴霧や超音波方式と比較して小さいのが（１μｍ以下）特徴である。

通常、液体は微細に粉砕されるほど非表面積が増大し、気体側（排気ガス側）の界面に存在する分子がイオン化してマイナスイオンとなる。このガス成分分子のマイナスイオン化は反応液の吸着・化学反応を促進させることになる。

尚、反応液のミストを発生させる手段として、遠心噴霧器に限定されるものではなく、高圧空気による噴霧や超音波方式のものも利用できる。

更に、反応液と排気ガスを混合する手段として、毛細管現象を利用したフィルター気化方式のものも利用できる。

循環粉末の供給手段としては、実施例１および実施例３記載の、２次集塵室に容器を付設する方法以外に、循環経路に別途粉末供給装置（ベンチュリ、スクリューフィーダ、ホッパー等）を設けることも可能であり、ベンチュリ方式のものを実施例４（図４）に示す。

本実施例４では、吸引ファン４０の手前に管径を小さくした部分を設け、ベンチュリ効果により吸着微粉末を供給している。

尚、本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である

本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置は、ディーゼルエンジンの使用過程車に装着し、有害成分を規制値以下に浄化できる簡便で安価な装置を提供しうるのみならず、ガソリンエンジンに於いては、ＣＯ_２ ガスの削減に多大に寄与しうるものである。

本発明装置の基本システムを示す説明図である。（実施例１） 本発明装置の別の基本システムを示す説明図である。（実施例２） 本発明装置の更なる別の基本システムを示す説明図である。（実施例２） 本発明装置の更なる別の基本システムを示す説明図である。（実施例２）

符号の説明

１０---反応容器
１１---反応液容器
１２---多孔体フィルター
１３---液送ポンプ
１４---フロートスイッチ
１５---反応液仕切り板
１６---反応液
１７---ドレイン
１８---反応室仕切り板
２０---サイクロン
２１---１次集塵室
２２---２次集塵室
２３---１次集塵室廃棄容器
２４---２次集塵室粉末供給容器
２５---循環開口部
３０---反応液貯留容器
４０---吸引ファン
５０---遠心噴霧器
５１---モータ
５２---ファン
５３---吸引ノズル
５４---フロートスイッチ
５５---液送ポンプ

Claims (14)

1. 内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を除去・捕集するための湿式反応容器とサイクロン式集塵器を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、サイクロン式集塵器にデュアルタイプ（内・外二重構造）のものを使用し、その２次集塵室の微細粉末を含むガスを湿式反応容器手前の排気ガスに戻し循環させることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
2. 請求項１記載の循環ガスに、別途吸着剤の微細粉末を供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
3. 請求項２記載の供給吸着剤微細粉末を、デュアルタイプサイクロン式集塵器の２次集塵室内に封入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
4. 請求項１記載の微細粉末が、内燃機関の燃焼により発生する炭素質粉末であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
5. 請求項２記載の供給吸着剤微細粉末が、比表面積の大きな（１４０ｍ^２／ｇ以上）無機質吸着剤粉末、例えば、活性炭粉末、ゼオライト粉末、シリカゲル粉末、活性アルミナ粉末、ホージャサイト粉末などの単独物および／もしくは混合物であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
6. 請求項５記載の無機質吸着剤粉末が、各種の方法で賦活処理がなされたものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
7. 請求項５記載の活性炭粉末が、各種の方法で賦活処理がなされたもの、例えばＣａＣｌ₂、ＭｇＣｌ₂、ＭｇＳＯ₄などの化学吸着剤を附与したもの、リグニン質を含有した天然物由来の有機物を炭化させたものなどであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
8. 請求項２記載の供給吸着剤微細粉末が、内燃機関の排出ガス中の有害成分と化学的に反応し、その有害成分を除去することに寄与する有機質材料、例えば、木質系のリグニン、ヘミセルロース、およびセルロースを粉砕したもの、天然物由来のリグニンを原料に用いたリグノフェノール誘導体およびリグニン由来陽イオン交換剤、柑橘類の果皮を乾燥粉砕したもの、あるいはハーブやアロエなどエッセンシャルオイルの原料となる植物や茶葉を乾燥粉砕したものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
9. 前記リグニン粉末が、オゾン酸化により芳香環を開裂させた開環リグニンであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
10. 前記リグニン粉末が、パルプ廃液から回収された各種のリグニン誘導体であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
11. 前記請求項目１の湿式反応用の液体が、樹木から抽出した精油、アロエ油などのエッセンシャルオイル、一般植物油、植物乾溜液、および木酢液から選ばれた１種以上を、界面活性剤にて水中に分散させた Ｏ／Ｗ 型のエマルジョンであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
12. 前記湿式反応用の液体に、天然の樹木精油、植物乾溜液、もしくは木酢液の構成成分と同等の合成成分、即ち、カジネン、カジノール、リモネン、α‐ピネン、β‐ピネン、カンファー、オイゲノール、ヒノキチオール、タンニン、テルピネオール、およびサビネン等の、テルペン類（ポリフェノール、フィトンチッド等とも呼ばれている）も使用することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
13. 微細粉末の循環経路に吸引ファンを設置することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。
14. 反応液と排気ガスを混合する手段として、遠心噴霧方式に排気ガスの一部を導入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化方法及びその装置。