JP2007255284A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サイクロン式集塵装置により排気中のＰＭを除去できるようにする。
【解決手段】エンジン１０の排気管に配設されたサイクロン式集塵装置１６と、その排気上流に配設されたプラズマ発生装置１８と、を含んで排気浄化装置を構成する。そして、プラズマ発生装置１８において、排気中のＰＭを略同数の正負の電荷に帯電させ、異なる電荷に帯電されたＰＭ同士を電気的引力により引き合わせて結合させ、その粒径を成長させる。そして、粒径が成長したＰＭを含む排気をサイクロン式集塵装置１６に導入し、その機能を活用してＰＭを集塵除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種燃焼機関の排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を除去する排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの各種燃焼機関の排気に含まれるＰＭを除去するために、特開２００４−１０８１９４号公報（特許文献１）に記載されるように、多孔性部材からなるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を排気系に配設し、ＰＭを捕集して除去する排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置においては、ＤＰＦによるＰＭ捕集に伴って排気抵抗が増加するので、例えば、エンジン運転状態を変更して排気温度を上昇させることで、ＤＰＦに捕集されたＰＭを焼却する再生処理が不可欠である。しかしながら、ＤＰＦの再生処理が適切に行われなければ、排気抵抗の増加により燃費が低下したり、ＤＰＦに捕集されたＰＭが着火して熱影響が及ぶおそれがあった。

このため、特開平１０−３８４号公報（特許文献２）に記載されるようなサイクロン式集塵装置を排気系に配設し、排気に含まれるＰＭを集塵して除去する排気浄化装置が考えられる。
特開２００４−１０８１９４号公報 特開平１０−３８４号公報

しかしながら、サイクロン式集塵装置は、ＤＰＦとは異なり再生処理が不要であるが、その集塵原理からＰＭのような小径粒子を集塵することは困難であった。このため、従来においては、サイクロン式集塵装置の有用性に着目しながらも、ＰＭ除去機能を十分発揮させることができず、再生処理が不可欠なＤＰＦを採用することが一般的であった。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気系にサイクロン式集塵装置を配設し、その排気上流においてＰＭの粒径を成長させることで、サイクロン式集塵装置によってＰＭ集塵を可能とした排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、燃焼機関の排気系に配設されたサイクロン式集塵装置と、前記サイクロン式集塵装置の排気上流において、排気に含まれる粒子状物質を結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段と、を含んで排気浄化装置を構成したことを特徴とする。
請求項２記載の発明では、前記粒径成長手段は、プラズマ発生装置からなることを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記プラズマ発生装置は、前記排気系の周壁に沿って配設された略円筒状をなす接地電極と、前記接地電極の略全長に亘ってその横断面の略中央に配設された線状をなす放電電極と、を含んで構成されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記プラズマ発生装置とサイクロン式集塵装置との間に位置する排気系に、該プラズマ発生装置により帯電された粒子状物質を一時的に捕集する捕集電極を配設したことを特徴とする。

請求項５記載の発明では、前記捕集電極は、前記排気系の横断面上で網状に配設されることを特徴とする。
請求項６記載の発明では、前記粒径成長手段は、前記排気系を流通する排気を加湿する加湿装置からなることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、燃焼機関の排気系を流通する排気に含まれる粒子状物質は、サイクロン式集塵装置の排気上流において結合されてその粒径が成長する。そして、粒径が成長した粒子状物質を含んだ排気は、サイクロン式集塵装置に導入され、排気流れにより発生する遠心力で粒子状物質が分離集塵される。このとき、サイクロン式集塵装置は、粒径が成長した粒子状物質を集塵するため、その機能を活用して排気浄化を行うことができる。なお、サイクロン式集塵装置で集塵された粒子状物質は、適当な時期又は間隔で適宜除去すればよい。

請求項２記載の発明によれば、排気に含まれる粒子状物質は、プラズマ発生装置により略同数の正負の電荷に帯電される。そして、極性が異なる電荷に帯電した粒子状物質は、電気的引力により引き合って結合することで、その粒径を成長させることができる。
請求項３記載の発明によれば、排気に含まれる粒子状物質は、放電電極の放電により負極に帯電され、接地電極との間に作用する電気的引力を受けて、接地電極に捕集される。接地電極に捕集された粒子状物質は、その電荷を失った後、誘導帯電により逆極性（正極）に帯電され、電界による力を受けて接地電極から放出され排気中に引き戻される。排気中に引き戻された粒子状物質は、放電電極の放電により再度負極に帯電される。このような現象が繰り返し行われることで、粒子状物質同士が衝突して結合し、その粒径が成長する。このため、排気に含まれる粒子状物質は、極性が異なる電荷の電気的引力により引き合って結合することに加え、接地電極に繰り返し捕集されるときに衝突して結合するので、その粒径を一層成長させることができる。そして、サイクロン式集塵装置における粒子状物質集塵能力が向上し、排気性状を向上させることができる。

請求項４記載の発明によれば、プラズマ発生装置により略同数の正負の電荷に帯電された粒子状物質は、その排気下流に配設された捕集電極により一時的に捕集されることで、これが衝突してその粒径をさらに成長させることができる。そして、サイクロン式集塵装置における粒子状物質集塵能力が向上し、排気性状をより向上させることができる。
請求項５記載の発明によれば、捕集電極は排気系の横断面上で網状に配設されているため、プラズマ発生装置により帯電された粒子状物資が捕集される確率を向上させることができ、その粒径成長の実効を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、排気に含まれる粒子状物質は、加湿装置により加湿された排気から水分を受け取り、これをバインダとして結合し合うことで、その粒径を成長させることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という）に本発明を適用して構築した排気浄化装置の第１実施形態を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流れを旋回させて発生する遠心力を利用して、排気からＰＭを分離集塵するサイクロン式集塵装置１６が配設される。サイクロン式集塵装置１６は、図２に示すように、鉛直下方が小径をなす略裁頭円錐形状の外筒部１６Ａと、その上部かつ外周部において接線方向に接続された導入筒部１６Ｂと、外筒部１６Ａの天板を貫通してその下部近傍まで鉛直方向に延びる排出筒部１６Ｃと、を含んで構成される。また、サイクロン式集塵装置１６の排気上流には、排気に含まれるＰＭを結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段として、プラズマ発生装置１８が配設される。

かかる排気浄化装置によれば、エンジン１０から排出された排気は、排気マニフォールド１２及び排気管１４を経て、プラズマ発生装置１８に導入される。プラズマ発生装置１８では、排気に含まれるＰＭが略同数の正負の電荷に帯電し、極性の異なる電荷に帯電したＰＭ同士が電気的引力により引き合って結合することで、その粒径が成長する。そして、粒径が成長したＰＭを含んだ排気は、排気管１４を経てサイクロン式集塵装置１６に導入される。サイクロン式集塵装置１６では、導入筒部１６Ｂから外筒部１６Ａの内部に導入された排気は、外筒部１６Ａの内周面に沿って排出筒部１６Ｃの周りで旋回しつつ下方に流れ、その下方に位置する開口から排出筒部１６Ｃに入り込んで排出される。このとき、排気が外筒部１６Ａの内部で高速旋回することで、粒径が成長したＰＭに大きな遠心力が作用し、外筒部１６Ａの底部にこれが分離集塵される。

従って、プラズマ発生装置１８によりＰＭの粒径が成長するので、サイクロン式集塵装置１６を用いて排気浄化を行うことができる。このとき、サイクロン式集塵装置１６では、ＤＰＦを用いた排気浄化装置のように、その再生処理及びこれに起因する熱影響などを考慮する必要がなく、長期間に亘って排気浄化装置としての機能を維持することができる。なお、サイクロン式集塵装置１６で集塵されたＰＭは、適当な時期又は間隔で適宜除去すればよい。

ここで、プラズマ発生装置１８としては、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、排気管１４の周壁に沿って配設された略円筒状をなす接地電極１８Ａと、接地電極１８Ａの略全長に亘ってその横断面の略中央に配設された線状をなす放電電極１８Ｂと、を含んで構成されることが望ましい。
このようにすれば、排気に含まれるＰＭは、同図（Ｃ）に示すように、放電電極１８Ｂの放電により負極に帯電され、接地電極１８Ａとの間に作用する電気的引力を受けて、接地電極１８Ａに捕集される。接地電極１８Ａに捕集されたＰＭは、その電荷を失った後、誘導帯電により逆極性（正極）に帯電され、電界による力を受けて接地電極１８Ａから放出され排気中に引き戻される。排気中に引き戻されたＰＭは、放電電極１８Ｂの放電により再度負極に帯電される。このような現象が繰り返し行われることで、ＰＭ同士が衝突して結合し、その粒径が成長する。このため、排気に含まれるＰＭは、極性が異なるＰＭ同士が電気的引力により引き合って結合することに加え、接地電極１８に繰り返し捕集されるときに衝突して結合するので、その粒径を一層成長させることができる。そして、サイクロン式集塵装置１６におけるＰＭ集塵能力が向上し、排気性状を向上させることができる。

図４は、本発明を適用して構築した排気浄化装置の第２実施形態を示す。なお、先の第１実施形態と同一構成については、同一符号を付すことでその説明を省略する。
本実施形態においては、プラズマ発生装置１８とサイクロン式集塵装置１６との間に位置する排気管１４には、プラズマ発生装置１８により帯電されたＰＭを一時的に捕集する捕集電極２０が配設される。捕集電極２０では、ＰＭを一時的に捕集すべく、正弦波の交流を流したり、電流を所定周期でＯＮ／ＯＦＦしたり、エアパージなどを行えばよい。

かかる排気浄化装置によれば、プラズマ発生装置１８により略同数の正負の電荷に帯電されたＰＭは、その排気下流に配設された捕集電極２０により一時的に捕集されるため、これが衝突してその粒径をさらに成長させることができる。このため、サイクロン式集塵装置１６におけるＰＭ集塵能力が向上し、排気性状をより向上させることができる。
ここで、捕集電極２０としては、図５に示すように、排気管１４の横断面上で網状に配設されることが望ましい。このようにすれば、プラズマ発生装置１８により帯電されたＰＭが捕集電極２０に捕集される確率が向上し、その粒径成長の実効を図ることができる。

なお、サイクロン式集塵装置１６の排気上流において、排気に含まれるＰＭを結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段として、プラズマ発生装置１８に代えて、排気管１４を流通する排気を加湿させる加湿装置を用いてもよい。加湿装置としては、例えば、電気ヒータや超音波により水を水蒸気にし、これを排気中に略均等に供給するものを適用することができる。このようにすれば、排気に含まれるＰＭは、加湿装置により加湿された排気から水分を受け取り、これをバインダとして結合し合うことで、その粒径を成長させることができる。

また、以上説明した実施形態では、本発明は、エンジンからの排気を浄化対象としたが、ボイラーなどの外燃機関からの排気も浄化対象とすることができる。

本発明に係る排気浄化装置の第１実施形態を示す全体構成図 サイクロン式集塵装置の具体的構成を示し、（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）はその横断面図 プラズマ発生装置の具体的構成を示し、（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）はその横断面図、（Ｃ）はＰＭ粒径成長メカニズムの説明図 本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態を示す全体構成図 捕集電極の好ましい実施形態を示す説明図

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
１６ サイクロン式集塵装置
１６Ａ 外筒部
１６Ｂ 導入筒部
１６Ｃ 排出筒部
１８ プラズマ発生装置
１８Ａ 接地電極
１８Ｂ 放電電極
２０ 捕集電極

Claims (6)

1. 燃焼機関の排気系に配設されたサイクロン式集塵装置と、
   前記サイクロン式集塵装置の排気上流において、排気に含まれる粒子状物質を結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記粒径成長手段は、プラズマ発生装置からなることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記プラズマ発生装置は、前記排気系の周壁に沿って配設された略円筒状をなす接地電極と、前記接地電極の略全長に亘ってその横断面の略中央に配設された線状をなす放電電極と、を含んで構成されたことを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
4. 前記プラズマ発生装置とサイクロン式集塵装置との間に位置する排気系に、該プラズマ発生装置により帯電された粒子状物質を一時的に捕集する捕集電極を配設したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記捕集電極は、前記排気系の横断面上で網状に配設されることを特徴とする請求項４記載の排気浄化装置。
6. 前記粒径成長手段は、前記排気系を流通する排気を加湿する加湿装置からなることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。

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