JP4564208B2

JP4564208B2 - ディーゼルエンジン排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4564208B2
Application number: JP2001194164A
Authority: JP
Inventors: 和久松本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003013727A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを浄化するディーゼルエンジン排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン排ガス浄化装置としては、下記の装置が知られている。
【０００３】
（１）焼結炭化珪素やコーディライト製のハニカムフィルタを使用し、捕集した粒子を、電気ヒータ或いはバーナで燃焼することにより再生する装置。
【０００４】
（２）焼結炭化珪素やコーディライト製のハニカムフィルタを使用し、このフィルタに酸化触媒を付着させ、捕集した粒子を連続触媒燃焼させる装置。
【０００５】
（３）焼結炭化珪素や焼結コーディライト製のハニカムフィルタを使用し、酸化触媒でＮＯｘを酸化させたＮＯ₂により、フィルタに付着した粒子状物質を連続燃焼させる装置。
【０００６】
（４）綿状の炭化珪素繊維を金網に挟んで蛇腹状のフィルタを形成し、金網に通電して発熱させ、フィルタに付着した粒子状物質を燃焼させる装置。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、焼結炭化珪素製のハニカムフィルタを使用し、電気ヒータやバーナで捕集粒子を燃焼させる装置は、
（イ）割れ易く信頼性が低いこと、
（ロ）割れやすいこと、燃焼時に要する電力が大きいこと、装置が大きいこと等のために、使用可能な車両・条件に制約があること、
（ハ）再生に要する時間が長いこと、
（ニ）値段が高価であること、
などの問題があった。
【０００８】
また、焼結炭化珪素やコーディライト製のハニカムフィルタで、酸化触媒あるいはＮＯ₂により捕集した粒子を連続触媒燃焼させる装置は、
（イ）割れ易く信頼性が低いこと、
（ロ）低硫黄濃度の軽油が必要なこと、
（ハ）走行距離とともに目詰まりが生じ、フィルタの圧力損失が上昇し、所定の距離走行後に洗浄・取り付け向き反転の作業を要すること。
【０００９】
（ニ）排ガス温度が低い走行条件中に燃焼することなく堆積した粒子が、排ガス温度が高温になった時に急激に燃焼し、フィルタが、焼損すること、
（ホ）以上の問題があるため、使用可能な車両・条件に制約があること、
などの問題があった。
【００１０】
また、炭化珪素繊維製の蛇腹フィルタは、
（イ）微粒子の除去が困難なこと、
（ロ）折れた炭化珪素繊維が大気中へ放出されること、
（ハ）再生に要する時間が長いこと、
（ニ）再生に要する電力が大きく、大容量の発電装置に交換する必要があること、
（ホ）フィルタに直接触媒がつけられないこと、
（ヘ）値段が高価であること、
などの問題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微細粒子の除去が容易で、フィルタが破損し難く、再生に要する時間が短く、再生に要する電力が小さく、取り付けが容易で、車両の種類、走行条件によらず使用できるディーゼルエンジン排ガス浄化装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明は、次のように構成されている。
【００１３】
すなわち、本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置のフィルタ部を、通電により発熱する繊維強化セラミックスにより構成し、前記フィルタ部をディーゼルパティキュレートの燃焼温度まで加熱してフィルタに付着したディーゼルパティキュレートの燃焼させるディーゼルエンジン排ガス浄化装置において、前記フィルタ部が、板状のフィルタによって隔てられた排ガス路と清浄ガス路とを交互に有すると共に、前記排ガス路に通ずるガス流入口を上流側に備え、前記清浄ガス路に通ずるガス流出口を下流側に備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、フィルタ部を、ベース部と濾過部との多層構造又は濾過部単層構造とし、前記ベース部を、炭化珪素繊維製の織布又は不織布で形成し、前記濾過部を、炭化珪素繊維からなる不織布と、少なくとも前記不織布の空孔へ充填させた極く短い炭素繊維又は極く短い炭素繊維と炭化珪素繊維とにより構成し、前記ベース部と濾過部とを構成している繊維の表面に、気相蒸着法による炭化珪素のコーティング層を形成することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、フィルタ部を構成している濾過部の空孔にセラミックス又は金属製の粒子を含浸させると共に、少なくとも粒子表面をセラミックスによって被覆することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、フィルタ部を構成している繊維の表面へ被覆した炭化珪素の表面、或いは濾過部を構成している繊維の表面へ被覆した炭化珪素の表面に、酸化触媒を付着することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、自動車に積載されている発電機で発電された交流出力をフィルタへ供給することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力をフィルタへ供給することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力を蓄電している蓄電池から、直流出力をフィルタへ供給することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に係るディーゼルエンジン排ガス浄化装置は、自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力を電気二重層コンデンサーに蓄電し、このコンデンサーから直流出力をフィルタへ供給することを特徴とするものである。
【００２３】
ここで、フィルタとしては、次の何れか一つを適用することが望ましい。
【００２４】
（イ）ペーパ、マット、又はフェルト
（ロ）空孔に短繊維を有するか、或いは空孔および表面に短繊維を有するペーパ、マット、又はフェルト
（ハ）最外層にもペーパ、マット、又はフェルトを有し、かつ、空孔に短繊維を有するか、或いは空孔および表面に短繊維を有するペーパ、マット、又はフェルト
また、空孔に充填する繊維としては、ペーパ、マット、又はフェルトの繊維径より細く、且つ、ペーパ、マット、又はフェルトの空孔へ浸透する長さの繊維が好ましい。
【００２５】
また、空孔へ充填する粒子としては、セラミックス又は金属が好ましい。また、粒子に被覆する被覆材料としては、セラミックス塗料、セラミックス接着剤、気相蒸着法により析出させた炭化珪素が好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２７】
図１において、１はディーゼルエンジン、２はディーゼルエンジン１に接続させた排気管、３は排気管２の途中に設けられていた消音器（マフラ）を取り外し、その箇所に新たに取り付けた排ガス浄化装置収容器、４は排ガス浄化装置収容器３内にセットした排ガス浄化装置、５はディーゼルエンジン１に取り付けた発電機、６は発電機５で発電された交流電力を所定の時間間隔で通電できるタイマー式スイッチ或いはフィルタの圧力損失が所定の値に達すると所定の時間通電する制御装置であり、ディーゼルエンジン１の排ガス管２から排出される排ガスａは、排ガス浄化装置４によって浄化され、清浄なガスａ′となって大気中に排出されるようになっている。なお、排ガス浄化装置収容器３は、車体側のマフラ固定装置（図示せず）を利用して車体に固定できるようになっている。
【００２８】
また、同じ部品には、同じ符号を付けて詳しい説明を省略するが、図２及び図３に示すように、発電機５で発電され、かつ、整流された直流出力を蓄電している蓄電池７あるいは電気二重層コンデンサ７′から上記のタイマー式スイッチ或いは制御装置６′に直流出力を供給することもできる。なお、必要に応じて発電機出力端に、電圧などを制御する制御装置を設置する。
【００２９】
排ガス浄化装置４は、図４及び図５に示すように、筒形の外枠７０内に所定の間隔を隔てて複数の板状フィルタ９を並設させている。板状フィルタ９は、対向している上下の側板８ａ，８ｂの内面に取り付けた硬質断熱板１７の内面に設けた溝１０にガスの漏れがないように差し込まれ、排ガス路１２と清浄ガス路１３とを交互に形成している。１１は、左右両側の側板である。
【００３０】
図５に示すように、外枠７０の上流側には、排ガス路１２に通ずる排ガス流入口２８が設けられ、ガス流入口以外の部分は、電極を兼ねる蓋３１b によって塞がれている。また、外枠７０の下流側には、清浄ガス路１３に通ずるガス流出口２９が設けられ、ガス流出口以外の部分は、電極を兼ねる蓋３１a によって塞がれている。また、清浄ガス路１３内には、板状フィルタ９に作用する差圧を支持するために、多孔質セラミックあるいは金属メッシュ製のスペーサ（図示せず）が、必要な場合は電気絶縁材を介して、板状フィルタ９と接触するように設けられている。
【００３１】
そして、板状フィルタ９は、フィルタ間を所定の間隔に保持するためのスペーサ１４および電極を兼ねる蓋３１を挟んだ状態で、板状のフィルタ９の最外部の板に接する金属製板１５，１６間に挟まれ、側板１１a 側の金属製板１５に断熱板１７ａを接触させ、更に、この断熱板１７ａの外側に金属製板１５を接触させ、この金属製板１５を外枠７０の外部に設けたねじ込み可能なボルト１８及びナット１９によって押すことにより、ガス漏れが生じないように構成部材を強力に接触させている。また、ガス流れ方向は、外枠７０内に設けた支持板３０ａ，３０ｂにより保持されている。また、２０ａは外枠７０の後端板、２０ｂは外枠７０の前端板を示している。なお、電気的に絶縁する必要がある箇所には、絶縁材料を介して組み立てられている。
【００３２】
図５において、電極３１ａ，３１ｂは、板状フィルタ９へ通電できるように組み立てられているが、電極３１ａ，３１ｂと板状フィルタ９の間には、両者の接触抵抗を小さくするために、導電性のペースト３２を介在させることが好ましい。２１は、電極に接続させた電線を示している。
【００３３】
図６に板状フィルタの構成の一例を示す。図６に示すように、板状フィルタ９は、ベース部２２と濾過部２３との多層構造になっており、ベース部２２は、炭化珪素繊維からなる平織布２４で形成され、濾過部２３は、炭化珪素繊維からなる不織布（ペーパ）２５と、極めて繊維長の短い繊維（炭素繊維）２６から形成され、炭素繊維２６は、図７に示すように、ペーパ２５を形成している炭化珪素繊維２５a の間に存在する空孔２７に充填されると共に、ペーパ２５の表面に層状に堆積されている。
【００３４】
また、ベース部２２と濾過部２３とを構成している繊維２４a 、２５a 、２６の表面には、気相蒸着法（ＣＶＤ法）による炭化珪素のコーティング層３３が析出されている（図８参照）。
【００３５】
次に、上記排ガス浄化装置の作用について説明する。
【００３６】
図９に示すように、排ガス浄化装置４のガス流入口２８から排ガス路１２へ流入した排ガスａは、矢印で示すように、板状フィルタ９を通過して清浄ガス路１３に流入する。その際、板状フィルタ９の濾過部によって排ガスａ中に含まれているディーゼルパティキュレート（以下、ＰＭという）が捕集される。フィルタ９の差圧が所定値に達すると、板状フィルタ９へ通電され、フィルタ９が所定温度に加熱され、板状フィルタ９に捕集されたＰＭが燃焼し、フィルタ９が再生され、再生が終了すると通電が停止される。ＰＭが除去された清浄なガスａ′は、ガス流出口２９から排気管２に排出され、更に大気中に排出される。
【００３７】
なお、捕集されたＰＭを燃焼させるために必要な酸素は、排ガスを流した状態で通電する方法、又は、排ガス流入を止め、新鮮な空気を供給する方法で供給する。しかして、フィルタに直接通電して加熱するため、捕集したＰＭを燃焼させるために必要な電力は、従来技術と比較して少ない。
【００３８】
また、所望により、フィルタ９にセラミックス又は金属製の粒子を含浸させると、濾過部２３を形成している繊維２５ａの間に存在している空孔２７の大きさを容易に調整することができる。この含浸させた粒子の脱落を防止する目的で粒子にセラミックスを被覆する方法としては、気相蒸着法、セラミックス接着剤、溶射法などを適用することができる。
【００３９】
また、所望により、フィルタ９に酸化触媒を付着させることができる。
【００４０】
しかして、温度が高温のディーゼル排ガスの場合には、濾過部２３で捕集した粒子状物質を比較的低温で触媒燃焼させることができる。温度が低温のディーゼル排ガスの場合には、フィルタ９に直接通電し、酸化触媒が活性化する温度になるまで加熱することにより、捕集した粒子状物質を触媒燃焼でき、あらゆる走行条件で触媒燃焼が可能となる。
【００４１】
また、フィルタ９は、繊維強化セラミックス製であるので、割れ難く、信頼性の高い排ガス浄化装置が供給できる。
【００４２】
また、マフラとの交換が可能であり、従来車両に搭載されてきた電力系に、小型の制御装置及び蓄電池類を付加するだけでよいので、取り付けが短時間ででき、取り付け費も安価である。
【００４３】
【実施例】
（実施例）
（１）排ガス除去装置
（ａ）構成：炭化珪素（ＳｉＣ）繊維（チラノＬｏｘＭ平織布１枚）／ＳｉＣペーパ（長さ６mm、太さ１５μmの繊維で構成。厚さ０．３mm）／ミルド炭素繊維（太さ７μｍ、長さ３００μｍ、５００ｇ／ｍ²）／ＳｉＣ被覆（気相蒸着法）
（ｂ）フィルタの成型・蒸着
（イ）ＳｉＣ（チラノＬｏｘＭ；繊維径１１μｍ）の平織布（目付重量１５０ｇ／ｍ²）に下記の結合剤を含浸
・繊維結合剤：四塩化炭素で希釈したフェノール樹脂（重量濃度：２０％）
（ロ）ＳｉＣペーパ（繊維径１５μｍ、長さ６ｍｍ、厚さ０．３mm、目付重量２０ｇ／ｃｍ²）の片面へ炭素繊維のミルドファイバ（トレカＴ３００；直径７μｍ、長さ３００μｍ）のスラリ（エタノール中へ分散）をかけて、厚さ０．５ｍｍの不織布を形成
（ハ）上記（ロ）に（イ）の結合剤を含浸
（ニ）上記（ハ）を（イ）に積層して板を成型
(ホ) 離型布・余分の樹脂を含浸するための綿状布を表面に張り付け、プラスチックフィルムで覆い、オートクレーブ中で繊維結合剤を硬化
（ヘ）上記成型品を８００℃のアルゴンガス中で無機化した後、ＣＶＤ（化学気相蒸着法）によりＳｉＣをコーティング（平織布の表面５０ケ所での平均膜厚１０μｍ）。
【００４４】
（ｃ）フィルタの寸法・構造
・板状フィルタ：幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１ｍｍ
・枚数：２０枚
・フィルタ間隔：５ｍｍ
・清浄ガス路のフィルタ間のスぺーサ：厚さ０．５ｍｍのアルミナ・シリカ繊維ペーパに同質材のモルタルを含浸させて成型したハニカム
・フィルタ間の間隔を所定値に保持するためのスペーサ：厚さ２ｍｍのアルミナ・シリカ繊維ペーパに同質材のモルタルを含浸させて成型した外径１０ｍｍの円筒
・電気的絶縁に使用した絶縁材料：厚さ０．５ｍｍのアルミナ・シリカ繊維ペーパ
・電極とフィルタとの接触面：銀ペースト塗布
・電極：ＳＵＳ３０４
・外寸：断面２５０ｍｍ×１５０ｍｍ、長さ４００ｍｍ
・両端シール：板状フィルタ挿入溝付きの耐熱合金製蓋に１つおきに排ガス通路、清浄ガス通路形成（濾過部のある通路へ排ガス）
（ｄ）電力供給
（イ）オルタネータから電気二重層コンデンサへ蓄電し、電気二重層コンデンサからフィルタ２０枚へ並列で電力を供給。
【００４５】
（ロ）電気二重層コンデンサの仕様
・定格電流：２００Ａ
・定格電圧：２７Ｖ
・蓄電容量：２００Ｗh
・充電条件：２８Ｖ、２０Ａで充電
（ハ）通電制御：差圧が２０ｋＰａに達すると通電を開始し、差圧が１５ｋＰａに低下すると通電停止。
【００４６】
（２）特性
（ａ）平成５年製造の積載重量４．５トンのトラックのマフラと交換し、都市部近郊及び都市部で８時間走行。
【００４７】
（ｂ）再生条件
・２分／１回、１回／１時間走行
（ｃ）フィルタの圧損
運転中：１５ｋＰａ〜２０ｋＰａ
（ｄ）捕集率：９４．６％
（ｅ）通過粒子の中位径：０．３μｍ
（ｆ）所要電力：８０Ｗh ／回
（比較例）
（１）フィルタ：通過速度が実施例と同一の炭化珪素繊維製蛇腹フィルタ
（２）実施例と同一の走行試験を実施
（３）特性
（ａ）再生条件
・１０分／１回、１回／２時間走行
（ｃ）フィルタの圧損
運転中：１４ｋＰａ〜２５ｋＰａ
（ｄ）捕集率：７５．６％
（ｅ）通過粒子の中位径：１．７μｍ
（ｆ）所要電力：３５０Ｗh ／回
【００４８】
【発明の効果】
上記のように、本発明の排ガス浄化装置は、従来の排ガス浄化装置に比べて構造が非常にシンプルであるから既存の消音器との交換が可能である。また、フィルタで捕集した捕集粒子を少ない電力で焼却できるので、排ガス浄化装置を取り付けるための改造が少なく、種々の車両へ取り付けることができる。
【００４９】
また、フィルタが繊維強化セラミックスで構成されているため、強度が高く、かつ、靱性が高いので、割れ難く、種々の走行条件に対応できる。
【００５０】
また、濾過部が、気相蒸着法により炭化珪素を被覆したセラミック繊維で形成されているから、排ガス中に含まれている粒子状物質の捕集率が向上すると共に、粒子状物質の燃焼によるフィルタの劣化が少なくなり、再利用可能なフィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排ガス浄化装置を有するディーゼルエンジンの排ガス系統を示す概略図である。
【図２】本発明に係る排ガス浄化装置を有するディーゼルエンジンの排ガス系統の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る排ガス浄化装置を有するディーゼルエンジンの排ガス系統の更に他の例を示す概略図である。
【図４】本発明係る排ガス浄化装置の正面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ′断面図である。
【図６】板状フィルタの拡大断面図である。
【図７】図６のＢ部拡大図である。
【図８】繊維の拡大断面図である。
【図９】本発明に係る排ガス浄化装置の作用説明図である。
【符号の説明】
ａ排ガス
１ディーゼルエンジン
４排ガス浄化装置
９板状のフィルタ
１２排ガス路
１３排ガス路
２２フィルタベース部
２３フィルタ濾過部
２４織布
２５不織布
２６極短い繊維
２８ガス流入口
２９ガス流入口
３１電極（蓋）
３３コーティング層

Claims

ディーゼルエンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置のフィルタ部を、通電により発熱する繊維強化セラミックスにより構成し、前記フィルタ部をディーゼルパティキュレートの燃焼温度まで加熱してフィルタに付着したディーゼルパティキュレートの燃焼させるディーゼルエンジン排ガス浄化装置において、前記フィルタ部が、板状のフィルタによって隔てられた排ガス路と清浄ガス路とを交互に有すると共に、前記排ガス路に通ずるガス流入口を上流側に備え、前記清浄ガス路に通ずるガス流出口を下流側に備えていることを特徴とするディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
フィルタ部を、ベース部と濾過部との多層構造又は濾過部単層構造とし、前記ベース部を、炭化珪素繊維製の織布又は不織布で形成し、前記濾過部を、炭化珪素繊維からなる不織布と、少なくとも前記不織布の空孔へ充填させた極く短い炭素繊維又は極く短い炭素繊維と炭化珪素繊維とにより構成し、前記ベース部と濾過部とを構成している繊維の表面に、気相蒸着法による炭化珪素のコーティング層を形成することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
フィルタ部を構成している濾過部の空孔にセラミックス又は金属製の粒子を含浸させると共に、少なくとも粒子表面をセラミックスによって被覆することを特徴とする請求項１又は２記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
フィルタ部を構成している繊維の表面へ被覆した炭化珪素の表面、或いは濾過部を構成している繊維の表面へ被覆した炭化珪素の表面に、酸化触媒を付着することを特徴とする請求項１、２又は３記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
自動車に積載されている発電機で発電された交流出力をフィルタへ供給することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力をフィルタへ供給することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力を蓄電している蓄電池から、直流出力をフィルタへ供給することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。
自動車に積載されている発電機で発電され、整流された直流出力を電気二重層コンデンサーに蓄電し、このコンデンサーから直流出力をフィルタへ供給することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のディーゼルエンジン排ガス浄化装置。