JP2010144575A - 粒子状物質捕集方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子状物質捕集部材の再生時における粒子状物質の大気放出をなくする粒子状物質捕集方法及びその装置を提供する。
【解決手段】エンジンから大気までの排気ガス配管２中に粒子状物質捕集部材（ＤＰＦ３）を配置して排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する方法において、ＤＰＦ３を加熱して再生する際に、ＤＰＦ３の下流から排気ガスを取り出してＤＰＦ３より上流に循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子状物質捕集部材の再生時における粒子状物質の大気放出をなくする粒子状物質捕集方法及びその装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関では、排気ガスに含まれる排出物が問題となる。排出物の中でも、粒子状物質（Particurate Matter,パティキュレート；以下、ＰＭという）は、人体の呼吸器などに悪影響を及ぼすほか、発ガン性の可能性も指摘されている。ＰＭは、粒径が１０μｍ以下であることから、ナノ粒子とも呼ばれる。ＰＭは、未燃燃料として大気に放出される。

近年、環境問題が注目される中、ＰＭの排出規制が行われようとしている。

ＰＭ排出を抑制する技術として、従来より、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）の技術が知られている。ＤＰＦは、主としてセラミックからなるハニカム細孔状のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。エンジンから大気までの排気ガス配管中に配置することで、排気ガス中のＰＭを捕集することができる。

ＤＰＦに捕集したＰＭを、適時、燃料噴射などによって高温燃焼させて分解する。この動作をＤＰＦの再生（又は強制再生）という。

特開２００６−１５２８４１号公報 特開平１０−２６６８２６号公報

ところで、ＤＰＦの再生時に、ＰＭが瞬間的に多量にＤＰＦの下流に放出されることがある。これは、ＤＰＦの再生時にＤＰＦが高温となり、この高温によって既に捕集されているＰＭがガス状になり、その未燃燃料ガスがハニカム細孔状のフィルタを容易に通過し、その下流で未燃燃料ガスが冷却されて再びＰＭとなるからである。

このように、従来の粒子状物質捕集方法及びその装置には、ＤＰＦの再生時にＰＭが放出されてしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、粒子状物質捕集部材の再生時における粒子状物質の大気放出をなくする粒子状物質捕集方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の粒子状物質捕集方法は、エンジンから大気までの排気ガス配管中に粒子状物質捕集部材を配置して排気ガス中の粒子状物質を捕集する方法において、上記粒子状物質捕集部材を加熱して再生する際に、上記粒子状物質捕集部材の下流から排気ガスを取り出して上記粒子状物質捕集部材より上流に循環させるものである。

上記粒子状物質捕集部材の下流から取り出した排気ガスをブローバイガス配管に循環させてもよい。

上記粒子状物質捕集部材の下流から取り出した排気ガスを上記粒子状物質捕集部材の上流に循環させてもよい。

上記目的を達成するために本発明の粒子状物質捕集装置は、エンジンから大気までの排気ガス配管中に粒子状物質捕集部材を配置して排気ガス中の粒子状物質を捕集する装置において、上記粒子状物質捕集部材を加熱して再生する際に上記粒子状物質捕集部材よりも下流で上記排気ガス配管を閉じる排気弁と、該排気弁と上記粒子状物質捕集部材との間から排気ガスを取り出して上記粒子状物質捕集部材より上流に循環させる戻り配管とを備えたものである。

上記戻り配管がブローバイガス配管に接続されてもよい。

上記戻り配管が上記粒子状物質捕集部材よりも上流で上記排気ガス配管に接続されてもよい。

上記粒子状物質捕集部材の再生がエンジンアイドル時に行われ、該再生開始時に排気ブレーキが起動され、該排気ブレーキの起動に同期して上記排気弁が閉じられることにより、上記粒子状物質捕集部材を通過した排気ガスが上記戻り配管に取り出されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）粒子状物質捕集部材の再生時における粒子状物質の大気放出をなくすることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る粒子状物質捕集装置１は、エンジン（図示せず）から大気（図示しない排出口）までに至る排気ガス配管２中に粒子状物質捕集部材（本実施形態ではＤＰＦを用いる）３を配置して排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するものである。粒子状物質捕集装置１は、ＤＰＦ再生時にＤＰＦ３よりも下流で排気ガス配管２を閉じる排気弁４と、排気弁４とＤＰＦ３との間から排気ガスを取り出してＤＰＦ３より上流に循環させる戻り配管５とを備える。

本実施形態では、排気ガス配管２には、上流から順に、ディーゼル酸化触媒部材（Diesel Oxidation Catalyst；以下、ＤＯＣという）６、選択的触媒還元部材（Selective Catalytic Reduction；以下、ＳＣＲという）７、ＤＰＦ３が配置される。

排気弁４は、エンジンアイドル時のＤＰＦ再生時に、排気ブレーキの起動に同期して閉鎖され、排気ブレーキの停止に同期して開放されるようになっている。

戻り配管５は、その一端が排気弁４とＤＰＦ３との間の排気ガス配管２に、循環弁８を介して接続される。戻り配管５の反対端はブローバイガス配管９に接続される。ブローバイガス配管９は、燃焼室から漏れた燃料ガスを吸気系に戻すものである。すなわち、本発明の粒子状物質捕集装置１では、排気弁４が閉じられ、循環弁８が開かれているとき、排気弁４とＤＰＦ３との間から排気ガスを取り出して戻り配管５、ブローバイガス配管９を介して吸気系に循環させることができる。

戻り配管５とブローバイガス配管９の接続部には、戻り配管５からブローバイガス配管９への排気ガスの流れを遮断・開放する第一戻り弁１０が配置される。ＤＰＦ３の上流、本実施形態ではＤＯＣ６の上流において、排気ガス配管２に戻り配管５が第二戻り弁１１を介して接続される。すなわち、本発明の粒子状物質捕集装置１では、第一戻り弁１０と第二戻り弁１１の遮断・開放により、ブローバイガス配管９とＤＯＣ６の上流に選択的に排気ガスを循環させることができる。

粒子状物質捕集装置１の動作を説明する。

まず、排気弁４が開放され、循環弁８が遮断され、第二戻り弁１１が遮断された状態とする。エンジンから排気ガス配管２に排出された排気ガスは、ＤＯＣ６、ＳＣＲ７、ＤＰＦ３、排気弁４を通過して大気へ排出される。

本発明では、ＤＰＦ再生がエンジンアイドル時に行われる。ＤＰＦ再生において、エンジンへの燃料噴射、電気的な加熱などによってＤＰＦ３が昇温され、ＤＰＦ３に捕集されているＰＭが高温燃焼により分解される。本発明では、そのＤＰＦ再生開始時に排気ブレーキが起動される。排気ブレーキの起動に伴い、排気弁４が遮断される。同時に、循環弁８が開放され、第二戻り弁１１は遮断されたままであるが、第一戻り弁１０が開放される。これにより、ＤＰＦ３を通過した排気ガスが循環弁８を介して戻り配管５に取り出され、さらに第一戻り弁１０を介してブローバイガス配管９に循環される。すなわち、戻り配管５には、ガス状、固形状を問わず、未燃の（又は未分解の）炭化水素（以下、未分解ＨＣという）と黒煙分（又は微小スート；以下、Ｓｏｏｔという）が流入することになる。ＤＰＦ３に捕集されているＰＭがガス状になった未燃料ガス及び未燃燃料ガスが再凝固したＰＭは、これら未分解ＨＣ、Ｓｏｏｔに含まれる。

この結果、ＤＰＦ３を通過した排気ガスは、ＤＰＦ３より上流である吸気系に循環されるので、ＰＭの大気放出をなくすることができる。

排気ガスが循環弁８を介して戻り配管５に取り出されたことで、戻り配管５の内圧が上昇し、ＤＯＣ６の上流における排気ガス配管２の内圧が上昇する。

次に、ＤＰＦ再生終了時に排気ブレーキが停止される。排気ブレーキの停止に伴い、排気弁４が開放される。これにより、ＤＯＣ６の上流における排気ガス配管２の内圧が低下する。ＤＯＣ６の上流における排気ガス配管２の内圧が低下するのに同期して、循環弁８と第一戻り弁１０が遮断され、第二戻り弁１１が開放される。なお、循環弁８と第一戻り弁１０の遮断及び第二戻り弁１１の開放は、ＤＯＣ６の上流における排気ガス配管２の内圧の低下を圧力センサで検出するか又は排気ブレーキの停止と同時あるいは適宜な時間遅延を経て行うとよい。これにより、ＤＰＦ３を通過した排気ガスは、排気弁４を通過して大気へ排出されるようになる。一方、戻り配管５内に溜まった排気ガスは、第二戻り弁１１を介してＤＯＣ６の上流の排気ガス配管２へ排出される。

この結果、戻り配管５に溜まった排気ガスは、ＤＰＦ３より上流であるＤＯＣ６の上流の排気ガス配管２に循環されるので、ＰＭの大気放出をなくすることができる。

その後、適宜な時間に、第二戻り弁１１が遮断されることにより、粒子状物質捕集装置１は最初に述べた状態に戻る。

本発明の粒子状物質捕集装置１の効果を確かめるために、従来の粒子状物質捕集装置との性能比較を行った。その結果を図２により説明する。

図２（ａ）に示されるように、従来の粒子状物質捕集装置では、排気ガスは、エンジン（ＥＮＧ）から、ＤＯＣ、ＤＰＦを経由して大気（ＯＵＴ）に排出される。なお、ここではＳＣＲは省略してある。このとき、ＤＰＦ出口における未分解ＨＣの濃度は５０ｐｐｍであり、Ｓｏｏｔの密度は１×１０⁶個／ｃｍ³であった。排気ガス配管の出口における未分解ＨＣの濃度は５０ｐｐｍであり、Ｓｏｏｔの密度は１×１０⁶個／ｃｍ³であった。

図２（ｂ）に示されるように、本発明の粒子状物質捕集装置では、排気ガスは、ＥＮＧから、ＤＯＣ、ＤＰＦ、ＤＯＣ、ＤＰＦを循環されて、最終的にＯＵＴに排出される。なお、この図では、ブローバイガス配管への循環を省略してある。このとき、ＤＰＦ再生開始時のＤＰＦ出口における未分解ＨＣの濃度は５０ｐｐｍであり、Ｓｏｏｔの密度は１×１０⁶個／ｃｍ³であった。ＤＰＦから排出された排気ガスがＤＯＣに循環されることにより、ＤＯＣにおいて未分解ＨＣが分解され、ＤＰＦではＰＭが捕集されると共に燃焼された。ＤＰＦから取り出した排気ガス中のＰＭのうち、戻り配管に５０％が残留したが、その後、排気ガスの循環が継続された。最終的に、排気ガス配管の出口における未分解ＨＣの濃度は２０．５ｐｐｍであり、Ｓｏｏｔの密度は４．７５×１０⁵個／ｃｍ³であった。

この試験結果をさらに分析すると、まず、ＤＰＦ３から排出される排気ガスの未分解ＨＣ濃度が５０ｐｐｍ、Ｓｏｏｔ密度が１×１０⁶個／ｃｍ³であるとする。従来はこの排気ガスが大気に排出される。本発明では、この排気ガスの５％がブローバイガス配管９へ循環され、９５％が戻り配管５に残留するものとする。つまり、ブローバイガス配管９へ循環される排気ガスと戻り配管５に残留する排気ガスの体積比は、５：９５である。未分解ＨＣ及びＳｏｏｔも同じ比率で循環・残留する。

ブローバイガス配管９へ循環される未分解ＨＣ及びＳｏｏｔは、全てエンジンにおいて燃焼するものとする。戻り配管５に残留した未分解ＨＣの濃度は４７．５ｐｐｍ、Ｓｏｏｔの濃度は９．５×１０⁵個／ｃｍ³である。戻り配管５に残留した排気ガスの５０％がＤＯＣ６に循環されるものとする。よって、ＤＯＣ６に循環される未分解ＨＣの濃度は２３．８ｐｐｍ、Ｓｏｏｔの濃度は４．７５×１０⁵個／ｃｍ³となる。

ＤＯＣ６においてＨＣが再分解され、これによってＤＯＣ６に戻ったＦｒｅｅ−ＨＣの１０％が酸化されるものとする。よって、ＤＯＣ６から排出された排気ガスでは、未分解ＨＣの濃度は２０．５ｐｐｍ、Ｓｏｏｔの濃度は４．７５×１０⁵個／ｃｍ³となる。

ＤＯＣ６から排出された排気ガスがＤＰＦ３をそのまま通過したとしても、大気に排出される排気ガスは、未分解ＨＣの濃度が２０．５ｐｐｍ、Ｓｏｏｔの濃度が４．７５×１０⁵個／ｃｍ³となる。

よって、未分解ＨＣの濃度に対する低減効果は、
（１−２０．５／５０）×１００＝５０％
であり、Ｓｏｏｔの濃度に対する低減効果は、
（１−４７５０００／１００００００）×１００＝５２．５％
である。

本発明の効果は、以下のようになる。

１）アイドル再生時（エンジンアイドル時に行われるＤＰＦ再生のとき）に、一時的に排出過多となるＥｍｉｓｓｉｏｎ（Ｓｏｏｔ、ＨＣなど；ＰＭを含む）を低減させることができる。

２）ＤＰＦ再生時における分解、排出されたＳｏｏｔ、未分解ＨＣが循環される。このとき、循環されたＳｏｏｔ、未分解ＨＣがエンジンから出るＳｏｏｔに吸着されることにより、粒成長が促進され、粒径が大きくなることにより、ＤＰＦ３における捕集効率が高まる。

３）未分解ＨＣをＤＯＣ６で再分解させることができる。

４）戻り配管５にＳｏｏｔが堆積し、そのＳｏｏｔが粒成長の核となる。

以上説明したように、本発明の粒子状物質捕集方法では、ＤＰＦ３の下流から排気ガスを取り出してＤＰＦ３より上流に循環させるようにしたので、ＤＰＦ再生時におけるＰＭの大気放出をなくすることができる。

ＤＰＦ３の下流から戻り配管５に排気ガスを回収する際に、ブローバイガス配管９の吸引力を利用することができる。また、このとき一部のＳｏｏｔ、未分解ＨＣはブローバイガスと共にエンジンに戻され再燃焼される。

本発明の粒子状物質捕集装置１は、ＤＰＦ再生時にＳｏｏｔ排出量が多いエンジン・排気システムに適用すると効果的である。

本発明の一実施形態を示す粒子状物質捕集装置の構成図である。 （ａ）は従来の粒子状物質捕集装置における排気ガスの流れ図、（ｂ）は本発明の粒子状物質捕集装置における排気ガスの流れ図である。

符号の説明

１ 粒子状物質捕集装置
２ 排気ガス配管
３ 粒子状物質捕集部材（ＤＰＦ）
４ 排気弁
５ 戻り配管
６ ディーゼル酸化触媒部材（ＤＯＣ）
７ 選択的触媒還元部材（ＳＣＲ）
８ 循環弁
９ ブローバイガス配管
１０ 第一戻り弁
１１ 第二戻り弁

Claims (7)

1. エンジンから大気までの排気ガス配管中に粒子状物質捕集部材を配置して排気ガス中の粒子状物質を捕集する方法において、上記粒子状物質捕集部材を加熱して再生する際に、上記粒子状物質捕集部材の下流から排気ガスを取り出して上記粒子状物質捕集部材より上流に循環させることを特徴とする粒子状物質捕集方法。
2. 上記粒子状物質捕集部材の下流から取り出した排気ガスをブローバイガス配管に循環させることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質捕集方法。
3. 上記粒子状物質捕集部材の下流から取り出した排気ガスを上記粒子状物質捕集部材の上流に循環させることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子状物質捕集方法。
4. エンジンから大気までの排気ガス配管中に粒子状物質捕集部材を配置して排気ガス中の粒子状物質を捕集する装置において、上記粒子状物質捕集部材を加熱して再生する際に上記粒子状物質捕集部材よりも下流で上記排気ガス配管を閉じる排気弁と、該排気弁と上記粒子状物質捕集部材との間から排気ガスを取り出して上記粒子状物質捕集部材より上流に循環させる戻り配管とを備えたことを特徴とする粒子状物質捕集装置。
5. 上記戻り配管がブローバイガス配管に接続されることを特徴とする請求項４記載の粒子状物質捕集装置。
6. 上記戻り配管が上記粒子状物質捕集部材よりも上流で上記排気ガス配管に接続されることを特徴とする請求項４又は５記載の粒子状物質捕集装置。
7. 上記粒子状物質捕集部材の再生がエンジンアイドル時に行われ、該再生開始時に排気ブレーキが起動され、該排気ブレーキの起動に同期して上記排気弁が閉じられることにより、上記粒子状物質捕集部材を通過した排気ガスが上記戻り配管に取り出されることを特徴とする請求項４〜６いずれか記載の粒子状物質捕集装置。

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