JP5379070B2 - 黒煙除去装置 - Google Patents
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Description
これらの試験の際、特にディーゼル機関を対象として試験する場合、排気ガス中に炭素微粒子である黒煙など粒子状物質(PM)が多量に含まれることがあり、呼吸する空気に含まれると人体に有害な炭素微粒子である黒煙など粒子状物質(PM)の、大気への拡散防止のための回収と処理方法が問題となっている(例えば、非特許文献1参照)。
この場合の環境試験室について、内燃機関自体であるエンジン単体を試験する室をエンジン試験室、自動車や農業機械、建設機械など(以降、車両という。)に内燃機関を搭載して、その製品における実使用状態で試験する室を車両試験室と称する。環境試験室には平地常温の条件だけを行う室も含まれる。
また、セラミック製フィルタ(DPF)で黒煙を捕集し、セラミックの微細孔に詰まった黒煙を酸素(空気)を通じながらヒータで600℃〜900℃の高温で加熱して燃焼再生する黒煙除去装置が知られている(例えば、特許文献1乃至特許文献4参照)。
これらの排気ガス浄化装置は主に車載型のものであるが、非特許文献1のように、環境試験室の内燃機関の試験で発生する排気ガスの処理に用いた、定置式排気ガス処理装置に応用する場合もある。
また、モノリスハニカム型セラミック製フィルタ(DPF)は、複雑な形状と脆い母材や接合材の材質から、振動によって破損し易く、製品が高価であるという問題があった。
また、セラミック製フィルタ(DPF)は、加熱再生した後の黒煙などの灰化灰分の除去のため、フィルタを逆洗浄するための圧縮空気が必要であった。
そして、加熱再生時には排気ガスを流さずにバッチ式で空間密閉するため、複数のフィルタを設けて黒煙の捕集に従事するフィルタと、加熱再生や逆洗を施されるフィルタとを、順次切り替えるためのダンパや逆洗浄向け圧縮空気用の駆動装置などが必要であり、システムが複雑且つメンテナンス箇所が多いという不具合もあった。
また、フィルタ面に捕集した黒煙の再生は、600℃〜900℃の高温で行われるため、高温の雰囲気中にフィルタの回転機構を設置する必要があり、構造が複雑になるという問題がある。
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3の何れか記載の黒煙除去装置において、前記フィルタは、母材をスラリー化して有機発泡体に含浸した後有機発泡体を焼失させて得られる三次元網状構造多孔体であることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項4に記載の黒煙除去装置において、前記フィルタの母材は、セラミックであることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項1乃至請求項3の何れか記載の黒煙除去装置において、前記フィルタは、金属繊維を積層して押し固めた金属繊維の不織布であることを特徴とする。
請求項9に係る発明は、請求項1乃至請求項8の何れか記載の黒煙除去装置において、前記黒煙濾過部は、前記ドラムの内周と前記排気シャフトの外周との間を複数の隔壁で連結して前記ドラム内を密閉区画し前記複数の開口とそれぞれ連通するように形成される複数の区画部と、前記複数の区画部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に形成される前記フィルタをそれぞれ取り付けるフィルタ取付部とを有することを特徴とする。
請求項11に係る発明は、請求項9記載の黒煙除去装置において、前記フィルタと前記フィルタ取付部との間には、シール材が挟持されており、前記シール材は前記フィルタの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する断熱材料で構成されていることを特徴とする。
請求項12に係る発明は、請求項9記載の黒煙除去装置において、前記フィルタは、その周囲を縁取るフィルタ枠を有し、前記フィルタと前記フィルタ枠との間に、前記フィルタの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する断熱材料で構成されるシール材を挟持していることを特徴とする。
請求項14に係る発明は、請求項1乃至請求項13の何れか記載の黒煙除去装置において、前記排気シャフトは、前記複数の開口を前記排気シャフトの中心線上の複数箇所においてそれぞれ同一円周上に設け、前記ドラムは、前記複数の開口が前記中心軸に直交する2つの面間の中心部に位置するように前記排気シャフトの中心線上に沿って配されることを特徴とする。
請求項16に係る発明は、請求項1乃至請求項15の何れか記載の黒煙除去装置において、前記回転装置は、前記密閉容器の排気ガス出口と対向する前記密閉容器の壁面に設けた開口部を貫通し、前記排気シャフトの一端部と連絡する駆動シャフトを有し、前記駆動シャフトは前記密閉容器の前記排気ガス出口と対向する壁面に連続する部位においてグランドパッキンによる漏れ防止部を介して前記開口部に回転自在に装着されていることを特徴とする。
請求項18に係る発明は、請求項17記載の黒煙除去装置において、前記フィルタは、前記複数の隔壁間に配される支持棒に係止される鈎部を下部に有し、前記ドラムに設けた固定フックに係止されナットによって固定される可倒式のアイボルトを上部に有する略扇形のフィルタ枠に取り付けられ、前記フィルタ取付部に対し着脱自在に取り付けられることを特徴とする。
請求項20に係る発明は、請求項1乃至請求項19の何れか記載の黒煙除去装置において、前記再生装置は、ヒータを内蔵するとともに周囲をシール材で囲繞するヒータボックスから成り、前記フィルタと対向させられる加熱部と、再生時に前記加熱部を前記シール材を介して前記フィルタに密着させ、前記ドラムの回転時には前記加熱部を前記フィルタから離すように動作させる駆動装置とを有し、前記駆動装置は前記密閉容器外に設けられていることを特徴とする。
請求項22に係る発明は、請求項1乃至請求項21の何れか記載の黒煙除去装置において、前記黒煙濾過部の回転方向で前記再生装置の一側部に沿って灰吸引口を配置され、前記再生装置による黒煙除去後に回転される前記フィルタから灰分除去を行う真空掃除機をさらに備えることを特徴とする。
請求項24に係る発明は、請求項1乃至請求項23の何れか記載の黒煙除去装置において、前記密閉容器外において前記排気シャフトと連絡し、前記複数の開口を介して前記密閉容器内の空気を吸引する排気装置をさらに備えることを特徴とする。
請求項25に係る発明は、請求項24記載の黒煙除去装置において、前記排気装置は、前記排気シャフトとの接合部にグランドパッキンによる漏れ防止部を有することを特徴とする。
請求項27に係る発明は、請求項1乃至請求項20、請求項22乃至請求項25の何れか記載の黒煙除去装置において、前記再生装置は、前記黒煙濾過部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に配される前記フィルタをそれぞれ個別に加熱して前記フィルタに捕捉された黒煙を燃焼させて灰化減量することを特徴とする。
また、本発明によれば、フィルタを有する黒煙濾過部を回転し、所定の箇所でフィルタの再生を行うため、フィルタを連続再生させながら、他の捕集に供されるフィルタで連続して長時間黒煙の捕集ができるようになった。
また、本発明によれば、フィルタは円盤状にしてドラムの外面に設置し、ドラムの中心軸を同心円筒状に囲む駆動シャフトを清浄な排気用の通風路としたので、黒煙の除去と除去後の空気の流れを確実に分けることが可能となり、黒煙の捕集と洗浄のフィルタを切り替えるためのダンパや圧縮空気用の駆動装置などが不必要となり、且つメンテナンス箇所が少なくて済むので、イニシャルコスト及びランニングコストの低減が可能になった。
また、本発明によれば、多数の平板状フィルタをフィルタ毎に内部を区画したドラムの中心軸に直交する2つの面の外面に設置し、ドラムの中心軸を同心円筒状に囲みその表面に開口を区画毎に有する駆動シャフトを清浄な排気用の通風路としたので、排気ガスのフィルタでの黒煙捕集をしながら、密閉容器の上部に再生装置を配置するだけで、重力により作動する開口の封鎖装置を備えることができ、捕集に従事するフィルタと再生に供されるフィルタの切替のための駆動や制御が不要となる合理的な装置を提供することができる。
また、本発明によれば、フィルタを逆洗浄するための圧縮空気は必要なくなった。
また、本発明によれば、従来必要だった切り換え用のダンパが動力不要な封鎖装置により不要となり、メンテナンス箇所も少なくなった。
図1乃至図25は、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1を示す。
本実施形態に係る黒煙除去装置1は、単体又は車両などに搭載された状態で環境試験室に導入された内燃機関がその性能試験時に発生する排気ガスを、大気へ排出する排気ガス径路の途中に設けられ、排気ガスを導入する排気ガス入口11aと黒煙を除去した排気ガスを導出する排気ガス出口12とを有する密閉容器10と、この密閉容器10内に配置され中心軸に直交する2つの面の各外面を平板状の複数のフィルタ31を並べて略全面を塞ぎ且つ前述の中心軸の周りに回転するドラム21とドラム21の中心軸に同心円筒状に配されドラム21の回転軸を形成し表面に開口24を有する排気シャフト22とでロータ形状を為し、フィルタ31で黒煙を除去された排気ガスを密閉容器10の外へ排出する黒煙濾過部20と、この黒煙濾過部20を回転させるギヤモータ(回転装置)50と、黒煙濾過部20のフィルタ31に排気ガス中から分離され堆積する黒煙を燃焼させてフィルタ31の再生を行う再生装置60と、この再生装置60による黒煙除去後に回転されるフィルタ31の表面から灰分除去を行うホッパ状ノズルである灰吸引口71を有する真空掃除機70と、再生装置60によって再生されたフィルタ31がその再生時に位置する領域の黒煙濾過部20内を開口24の閉鎖により他の領域と遮断する封鎖装置80とを備えている。
以下、本実施形態に係る黒煙除去装置1の各要素を順に説明する。
先ず、密閉容器10について説明する。
密閉容器10は、図1乃至図6に示すように、底面10eが円弧形状を為す断面U字型の略かまぼこ形の容器で構成されている。
なお、排気ガス入口として2つの排気ガス入口11a,11bを設ける理由は、以下の通りである。
(1)現場の設置状況に合わせて接続管をどちらの排気ガス入口からでも接続できるようにするためである。
(2)接続管を接続されない側の排気ガス入口には、管末フランジに閉塞板を取り付けるが、その閉塞板を、装置本体の各部強度よりも弱くしておき、『爆発放散口』として、内部で万一粉塵爆発などが発生して激しい内部圧力変化が生じた際に、装置本体が破裂して甚大な被害が生じるのを防止する。また、高感度の圧力検知センサをこの接続されず閉塞された排気ガス入口内に設け、万一粉塵爆発などで、急激な圧力変化が内部で発生した場合に、爆発による急激な圧力変化を1000分の数秒で検出して消化剤を装置内部に撒く『爆発抑制システム』を設けても良い。
差圧は、本装置の効果とフィルタ性能に影響を与え、さらには内燃機関の性能試験そのものにも影響を与えるので、確実に監視する必要がある。監視をさらに確実にするため、排気ガス入口11aと排気ガス出口12とのガス温度と、排気ガス流量を計測してノルマル流量を演算してフィルタ差圧・排気ガス温度と同時に監視することもある。また、差圧は排気ガス入口11aと排気ガス出口12の配管部分における差で求められる。
密閉容器10の天井10fに設けられる構造体16は、例えば、図17に示すように、再生装置60のスライド部65を挿通するために天井10fに設けられた開口16aと、ヒータボックス62に連接するスライド部65のスライドプレート65aを載置し摺動させるために開口16aの外部側の縁部に設けられた摺動板16bとで構成されている。
黒煙濾過部20は、例えば、図1、図2、図7、図8、図18、図19に示すように、中心軸に直交する2つの面の開口部の略全面を12個の平板状のフィルタ31で塞がれるドラム21と、ドラム21の中心軸周囲を同心円状に囲い、且つ各フィルタ31を通過してドラム21に導入された空気を導く6個の矩形状の開口24を設け空気を密閉容器10外へ導出する排気シャフト22とを有する。排気シャフト22は、ドラム21と一体に回動し、且つ密閉容器10の排気ガス出口12に回転自在に装着される。
排気シャフト22は、一端に閉塞部23を設けるとともに軸線に直交する同一円周上に6個の矩形状の開口24を等間隔で設けている。6個の矩形状の開口24は、長辺が排気シャフト22の軸線方向に沿うように形成されている。
ドラム21及び6個の隔壁25の幅は、6個の矩形状の開口24の長辺の長さより長く、フィルタ31の再生時に6個の矩形状の開口24を封鎖装置80で封鎖する際に封鎖装置80の動きに支障を与えない長さに設定されている。
フィルタ31を取り付けるフィルタ枠32は、例えば、図12乃至図15に示すように、略扇形のフィルタ取付部27の輪郭部と同様の形状を為すように略L字型のアングル状又はチャンネル状の縁取り32aを全周に有する。フィルタ31は、フィルタ枠32の縁取り32内に収まるように略扇形を為し、フィルタ31の輪郭部31aが縁取り32aの内面に当接して支持されるように補強され、機械的強度を持たせるために、中央部で縦方向で分割されて支持部材31bによって保持されて、略扇形のフィルタ取付部27の輪郭部に向かって内側から組み付けられる。つまり、1つのフィルタ枠32に対して2個1組の平板状のフィルタ31を取り付けている。
この金属粉やメッキ金属は、例えば、純ニッケル(Ni)、ニッケル−クロム(Cr)合金、ニッケル−クロム−鉄(Fe)合金にアルミニウム(Al)を1重量%〜6重量%添加した合金、又は、いわゆる一種のステンレス鋼である鉄−クロム−モリブデン(Mo)−ニッケル合金などで構成される。
フィルタ31は、次に望ましい実施例として前述の金属粉をセラミック粉に代替えして製造したセラミックの骨格からなる連通気孔を持つ三次元網状構造多孔体で構成されても良い。
フィルタ31が、ひとつひとつの気泡側面の開口が連続しフィルタ全体の表裏面が貫通連通する気孔を有する三次元網状構造多孔体の場合の、連通気孔の平均孔径は、0.1mm〜0.5mmであることが望ましい。これにより、平板状に成形したフィルタ31の厚みを20mm〜50mm程度で変化すれば、単位面積通過させる排気ガスの流速などから所定の黒煙除去率に設定しながら、フィルタ31の前後差圧も数百Pa程度に抑えることができる。
このドラム21の中心軸を水平に軸支する装置の型式は、試験室の最低限2.1m以上はある天井高さに収まれば、設置面積は小さくできるという、定置式排気ガス処理装置に適したものである。
駆動シャフト40は、例えば、図1、図2、図4乃至図7に示すように、密閉容器10の外部において、スプロケット41を取り付け、ギヤモータ(回転装置)50にチェーン42を介して連絡している。駆動シャフト40には、スプロケット41とは別に回転体44が設けられ、回転体44の外周縁部にリミットスイッチ43が配置されている。リミットスイッチ43は、回転体44に6個の区画部26に対応して設けた外周縁部から突出した6個の作動片により動作されて駆動シャフト40の回動制御を行う。このリミットスイッチ43は、非接触で検知できる光電管に、作動片をマーカに、それぞれ変更しても良い。
その後、ドラム21の次の区画部26への回転動作は、おおよそ10分間隔で実行され、つまり、リミットスイッチ43が叩かれた後、回転停止後制御装置内のタイマの10分カウント後に再び動作指令が制御装置からギヤモータ(回転装置)50へ出力される。
これにより、ドラム21の回動インターバルは10分であり、1回に動作する角度は60度であり、10分×6+回動時間×6回で1回転する。
再生装置60は、例えば、図1、図2、図6、図17乃至図22に示すように、再生用ヒータ63を内蔵するとともに周囲をシール材64で囲繞する略扇形のヒータボックス62から成り、ドラム21の上部の一部においてフィルタ31と対向させられる2つの加熱部61と、再生時に2つの加熱部61をシール材64を介して黒煙濾過部20の両面のフィルタ31にそれぞれ密着させ、ドラム21の回転時には2つの加熱部61を黒煙濾過部20のフィルタ31からそれぞれ離すように加熱部61と連結して動作させるエアシリンダ(駆動装置)66とを有し、2つの加熱部61は、ドラム21の両面に対して挟み込むように設置されている。
ヒータボックス62は、加熱部61を垂下し、密閉容器10の天井10fに設けた穴部16aを挿通して天井10fの面上を摺動するスライドプレート65aを上部に備えるスライド部65を有する。スライドプレート65aの下面と、密閉容器10の天井10fの構造体16の摺動板16b上面との各摺動面には潤滑油18が塗布されている。スライドプレート65aの下面摺動面には、潤滑油18を保持するために削掻加工(0.2mm程度の凹加工)を施している。削掻加工は摺動装置などでは一般的な手法で、高温における摺動部のシールに利用される。スライドプレート65aには、再生用ヒータ63へ電源供給するケーブルを接続する端子63bを挿通する孔が設けてある。
再生装置60は、ドラム21の回転が停止し、所定の再生に供されるフィルタ31が所定のドラム21の上部位置に停止すると、エアシリンダ(駆動装置)66を圧力空気で駆動しロッド部66aをシリンダ部へ格納する方向へ駆動することによって、スライド部65の一部として密閉装置10内に設けられる加熱部61を吊設するスライドプレート65aを動かし、2つの加熱部61同士を引き寄せる方向に駆動してドラム21を挟み込み、フィルタ31に密着する。この場合、密閉容器10の天井10fにある構造体16の開口16aは、ロッド部66aの進退距離分よりも長い長孔状をなし、スライド部65の加熱部61を吊設する部材を貫通させているのは勿論である。高温になると動作が難しいエアシリンダ(駆動装置)66を、密閉装置10の外部に設けることができて、安価に加熱部61の移動が達成できる。
フィルタ31が平板状であり、且つドラム21の中心軸に直交する2つの面の開口部の略全面を略扇形のフィルタ31で塞ぐ装置に形成したことにより、従来のハニカムモノリス形セラミックフィルタとは異なり、再生用ヒータ63から面状に近く発せられる熱を、そのまま平面で受け止められるので、非常に伝熱効率が良い。従来のハニカムモノリス形セラミックフィルタの場合、フィルタウオールの端部から加熱ヒータの熱を伝えなくてはならず、さらにハニカム断面の空間が縦に延びるので、フィルタ内に空気層が殆どを占め、断熱材に加熱をしているようなもので、非効率甚だしかった。
よって、迅速なフィルタ再生が可能となり、フィルタ全体積にむら無く熱が伝わるので、局部的に黒煙が残存堆積して、次回の再生時に異常燃焼してフィルタ31の破損を引き起こすことがない。
さらに、ドラム21の中心軸に直交する2つの面の開口部の略全面を略扇形のフィルタ31で塞ぐように構成したことでフィルタ31を分割することができ、フィルタ31の熱膨張による変形を、その分割した隙間で吸収すること、及び、ドラム21と密閉容器10との位置関係で、厚み方向は伸縮に対し何も遮るものがないことから、フィルタの母材材質について、コーディエライトのような熱膨張係数の小さい材質にこだわる必要がない。
また、再生用ヒータ63が内装されているヒータボックス62内の、対面するフィルタ31に再生用ヒータ63の反対側に位置する波板は、銀色などの明るい色に着色又はメッキされた鋼板であり、フィルタ31側へ再生用ヒータ63からの熱線を反射するので、さらに有効にフィルタ31を介して付着している黒煙に伝熱することができる。
真空掃除機70は、例えば、図2、図22、図23に示すように、再生装置60による黒煙除去後に回転されるフィルタ31の表面から灰分除去を行うために、黒煙濾過部20の回転方向で再生装置60に近接配置される灰吸引口71を有し、黒煙濾過部20の回転時に図示しないブロワを起動し、黒煙濾過部20の非回転時に図示しないブロワを停止する。
真空掃除機70は、再生装置60の一側部に沿って細長形状の取込口72を配する略ロート形状の灰吸引口71と、この灰吸引口71を斜辺76aに沿って固定する直角三角形状の支持枠76とを有する。
直角三角形状の支持枠76は、取付座76cを天井10fにねじ76dを介して固定されている。
灰吸引口71と直角形状の支持枠76との取付は、2つの支持脚74に先ずそれぞれコイルバネ77を緩く外嵌した後、支持枠76の穴76bに差し込み、穴76bの支持脚74が差し込まれた反対側からナット78を、支持脚74に施された雄ネジに螺着して、ナット78と灰吸引口71との間に規定された長さの間で、コイルバネ77により支持枠76と灰吸引口71とをお互いに反発するように付勢して移動可能に支持する。
灰排出口73には、フレキシブルチューブ79aが取り付けられる。フレキシブルチューブ79aは、配管79bを介して、図示しない真空掃除機本体のブロワにより、灰分を捕集する真空掃除機本体のバグフィルタへ吸引した灰分を導く。
灰吸引口71の取込口72は、支持脚74のコイルバネ77によりフィルタ31面への当接方向に付勢されているが、付勢距離を規制するナット78と、バネ定数の低いコイルバネ77とにより、ソフトにフィルタ31面へ当接できるようになっている。
本装置では、フィルタ31に捕集された黒煙を再生用ヒータ63で燃焼減容してフィルタ31が再生した後で、次のフィルタ31を再生するために、ドラム21が回転動作をするタイミングで、再生装置60の一側部に沿って備わる灰吸引口71から、図示しない起動された真空掃除機本体のブロワ吸引によりフィルタ31の気孔表面や連続気孔の内部の灰などを吸い取る。ドラム21が回転する直前に、図示しない起動された真空掃除機本体のブロワの運転を開始し、ドラム21を60度回転させる間にフィルタ31の気孔表面や連続気孔の内部の灰分を吸い取る。ドラム21の回転動作が止まると図示しない起動された真空掃除機本体のブロワは停止する。
封鎖装置80は、例えば、図1、図8乃至図11に示すように、開口24が排気シャフト22の上方に位置した場合、つまり黒煙濾過部20の最上位に回動してきた場合に区画部26内から排気シャフト22に向かって填り込んで開口24を封鎖する端部を閉じた塞ぎ筒81と、この塞ぎ筒81内に移動自在に配され自重で常に塞ぎ筒81の下部に移動する円柱形状の錘82と、塞ぎ筒81の閉じた端部の中心軸を貫通する軸83と、各区画部26を構成する隔壁25間でドラム21の中心軸に直交する2つの面間の排気シャフト22の外周22aに沿った部位に固着され、軸83を案内する軸ガイド用の窓穴84aを有するガイドプレート84と、ガイドプレート84の外側に位置し軸83に固定され窓穴84aよりも大径である脱落防止プレート85とを有する。
封鎖装置80は、黒煙濾過部20の回転動作に合わせて、ガイドプレート84の軸ガイド用の窓穴84aに沿って移動し、封鎖装置80が丁度真上の位置に来たときに、排気シャフト22の開口24を封止し、真上以外の場所では開口24を開放する。
ガイドプレート84は、塞ぎ筒81の中心軸に直交する端部とわずかな隙間をもって設置されている。
排気シャフト22の各開口24から、その前段のフィルタ31にて黒煙などを捕集された排気ガスが吸い出される際に、本実施形態では、例えば、最大4kPa程度の負圧となる。環境試験室の内燃機関の容量やその黒煙発生条件の違いにより、他現場の黒煙除去装置から負圧の条件に変更があっても、封鎖装置80が移動することができるように、錘82の材質や長さ、直径を設計変更することで開口24の封鎖機能維持に対応する。
先ず、密閉容器10の排気ガス出口12に嵌合する排気シャフト22に連絡する配管22bに排気ブロアなどの排気装置(図示せず)を接続して、密閉容器10内の空気を黒煙濾過部20のフィルタ31から各区画部26に吸引しそれぞれの開口24を介して排気シャフト22外へ吸い出す。
次に、ギヤモータ(回転装置)50を駆動して黒煙濾過部20のドラム21を1回に約15秒で60度回転し、約9分45秒間その位置に止まる間欠運転を行い、約60分で1回転させる。
また、再生装置60は、ドラム21が回転している時には、エアシリンダ(駆動装置)66から突出するロッド部66aが、スライドプレート65aに接続されるロッド部先端のフランジ部にばねなどの弾性体を備えているのでエア駆動により縮められていたロッド部66aは突出方向へ付勢されることによって加熱部61同士が引き離す方向に駆動され、加熱部61をフィルタ31から離した位置に移動させられ、ドラム21が停止すると、加熱部61をエアシリンダ(駆動装置)66が引き寄せる方向に駆動されてフィルタ31の再生が行えるようにしてある。
次に、排気ブロアなどの排気装置(図示せず)によって密閉容器10内が負圧になると、黒煙を含む汚れた空気(自動車の排気ガス)が排気ガス入口11aから導入される。
次に、排気ガス入口11aから導入された黒煙を含む汚れた空気(自動車の排気ガス)は、密閉容器10の内部に充満する。
次に、開口24を通った清浄な空気は、排気シャフト22から配管22bを介して排出される。
以上が、排気ガスの導入と黒煙濾過部20のフィルタ31による主な作用である。
先ず、ドラム21の回転が停止し、フィルタ31が最上位の位置に停止すると、再生装置60の2つの加熱部61がエアシリンダ(駆動装置)66によって引き寄せる方向に駆動されて黒煙濾過部20のドラム21を挟み込まれ、両面のフィルタ31に密着させられる。
同時に、最上位に移動しようとする封鎖装置80の塞ぎ筒81が錘82によって最上位に位置する開口24に填り込むように回転し、且つ排気シャフト22の内部から作用する排気ブロアなどの排気装置(図示せず)による吸引力によって開口24を閉鎖することとなる。このため、この最上位の区画部26内には黒煙を含む内燃機関からの排気ガスがフィルタ31を介して導入されることがない。
次に、約9分45秒が経過すると、再生装置60は、加熱部61がエアシリンダ(駆動装置)66によって引き離す方向に駆動される。
次に、黒煙濾過部20のドラム21を60度回転すると、その位置で停止し、上述するように次のフィルタ31が再生装置60によって約9分45秒間に亘って再生される。
しかも、再生装置60によるフィルタ31の再生は、12枚のフィルタ31中2枚だけで、残りの10枚は黒煙を除去する作用を行うことが可能となり、且つ、再生される2枚のフィルタ31が位置する区画部26内は、封鎖装置80によって排気ブロアなどの排気装置(図示せず)による吸引力を受けることなく行うことができるので、フィルタ31の再生を確実に行うことが可能となる。
先ず、従来型モノリスハニカム形SiCセラミック製フィルタ(DPF)の一般的な仕様は下記の通りである。
形状:円柱288φ×150mm/個 ×3個
モノリスハニカムのウオール濾過面積:5.91Nm2/個 ×3個
風速(フィルタ形状の円柱断面で):6.22m/s
セラミックウオール面の通過速度:0.0157m/s
除去率:95〜99.9%
圧力損失:1,000Pa(初期)〜4,000Pa(最大) (at 300℃)
形状:扇形 0.18m2×厚さ30mm/枚 ×12枚
断面積:0.18m2
風速(フィルタ形状の平板断面):0.129m/s
除去率:90〜99.0%
圧力損失:300Pa(初期)〜2,500Pa(最大) (at 300℃)
フィルタの平均気孔径はおよそ10μmで、気孔率42%程度であり、モノリスハニカムのウオール濾過面積5.91m2に対する風速は0.0157m/sと非常に小さいにもかかわらず、圧力損失が大きい。
圧力損失は1,000Pa(初期)〜4,000Pa(最大)となる。
除去率はさすがに高く、95%〜99.9%となる。
そのため、排気ブロアも高静圧且つ大風量の仕様のものが必要となり、設備が高価になる。
しかし、実際にフィルタの濾過面積も同じ面積であり、フィルタの平均気孔径はおよそ100μm〜500μm(0.1mm〜0.5mm)で大きく、且つ気孔率も80%以上であることから、フィルタ濾過面積2m2で風速(断面)の風速が0.129m/sと速いにもかかわらず、圧力損失が小さい。
圧力損失は300Pa(初期)〜2,500Pa(最大)となる。
除去率は90%〜99.0%を確認した。従来品よりも細穴の大きさが大きいにもかかわらず、同等の黒煙除去率を保持している。
本実施形態に係る黒煙除去装置1の黒煙除去率は90%以上の性能が求められるため、エンジン試験室で求められる除去率を満足できる仕様である。
本発明の第二実施形態に係る黒煙除去装置1Aは、図26乃至図28に示すように、黒煙濾過部20Aが2つのドラム21Aとこれらのドラム21Aに対応して排気シャフト22Aにそれぞれ6個の矩形状の開口24Aによって構成された点で、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1とは相違する。
その他の構成は、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1と同様であるからこれらの説明は省略する。
本実施形態に係る黒煙除去装置1Aにおいても、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1と同様の作用効果を奏することができる。
本発明の第三実施形態に係る黒煙除去装置は、図29乃至図34に示すように、封鎖装置80とは別な構成により重力を利用して開口24を封鎖する機構を有する封鎖装置80Aを備えた点で、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1及び本発明の第二実施形態に係る黒煙除去装置1Aにおける封鎖装置80とは相違する。
封鎖装置80Aは、排気シャフト22(22A)の開口24(24A)を排気シャフト22(22A)の外周22a側から封鎖する蓋86と、2つの錘部87と、それぞれの錘部87を一端部に取り付けるとともに中間部を蓋86に貫通して取り付けられ他端部を排気シャフト22(22A)内に差し込まれる2つの支持軸88と、これらの支持軸88の他端部に取り付けられ排気シャフト22(22A)内において開口24(24A)の前後方向(排気シャフト22の中心軸に並行な方向)に張り出される脱落防止用の脚部89とを有する。
2つの錘部87は、例えば、それぞれ円柱状の2つの錘87a,87bを結合して形成され重心を支持軸88の延長上から偏らせている。一方の錘87aは、蓋86の穴86cを挿通しナット86dに螺合される支持軸88と中心軸を揃えて支持軸88の一端部に螺着されている。他方の錘87bは、排気シャフト22(22A)の回転方向に下端部側を傾斜させて一方の錘87aに溶接されている。2つの錘部87は重心を排気シャフト22の中心軸を原点とした同じ象限に位置させれば良く、他の形状でも良い。
その状態を、排気シャフト22から見て最下方に位置する区画部26からドラム21の移動方向に見ていく。
先ず、最下方に位置する区画部26では、開口24周囲の排気シャフト22内側に脱落防止用の脚部89が引っかかって封鎖装置80A全体がぶら下がる。
そのさらにドラム21の回動方向に隣り合う区画部26では、回動方向後方の隔壁25が水平よりも垂直上方に向けて動作しある角度まで回動した際に、隔壁25と排気シャフト22との接合部分で行き止まりになった蓋86の片側の耳部86bが支点となり、蓋86が排気シャフト22に対して回動しだし、一番遠いところに位置する錘部87のモーメントも手伝って、蓋86が開口24周囲の排気シャフト22の外側に被さり、開口24を閉鎖する。
排気シャフト22から見て最上位に位置していた区画部26の回動方向前方の隔壁25が水平方向へ移動していくと、開口24も排気シャフト22の上部から側部へ移動するので、閉鎖装置80A全体が回動方向前方の隔壁25側へ、排気シャフト22に相対的に移動する。これにより、蓋86の回動方向前方の耳部86bが隔壁25と排気シャフト22との接合部分に当接するようになる。
その後は、最上位に上昇する場合と逆の動作で鉛直下方最下方の区画部26へ順次動くことで、最下方に位置する区画部26では、開口24周囲の排気シャフト22内側に脱落防止用の脚部89が引っかかって封鎖装置80A全体がぶら下がることになり、これを繰り返す。
以上のように、本実施形態においても、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1及び第二実施形態に係る黒煙除去装置1Aと同様の作用効果を奏することができる。
本実施形態に係る黒煙除去装置1Bは、本発明の第一実施形態に係る黒煙除去装置1における封鎖装置80を取り除いた構成となっている。
本実施形態に係る黒煙除去装置1Bは、再生装置60によるフィルタ31の再生を連続的に行うのではなく、エンジン試験時間以外の時間にフィルタ31の再生や灰分除去を行う際に用いられる。
例えば、全てのフィルタ31に定格量の黒煙が堆積してから排気ブロアなどの排気装置が停止し、再生用ヒータ63で全ての黒煙を燃焼させてから、ある程度の時間放置して放冷してから、排気ブロアなどの排気装置を使用しない状態、つまり無風の状態でドラム21を回転させて再生装置60の一側部に沿って備わる灰吸引口71を有する真空掃除機70を使って堆積した灰を吸引する。
この際、再生装置60によるフィルタ31の再生は、両面を同時に行わず、例えば、一方の加熱部61を停止し、片面のみを再生し、次に、途方の加熱部61を停止し、一方の加熱部61を用いて未処理のフィルタ31の再生行うよう順番に再生を行って、再生用ヒータ63による単位時間あたりの消費電力を平均化するようにしても良い。
本実施形態に係る黒煙除去装置1Cは、本発明の第二実施形態に係る黒煙除去装置1Aにおける封鎖装置80を取り除いた構成となっている。
本実施形態においても、本発明の第四実施形態に係る黒煙除去装置1Bと同様の作用効果を奏することができる。
また、上記各実施形態では、再生装置60の一側部に沿って備わる灰吸引口71を有する真空掃除機70によって灰を吸引する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、フィルタ31表面をブラシでこする、外部の高圧ブロアでフィルタ31表面に高圧空気を当てて払い落とすなどの手段を採用しても良い。
また、上記実施形態では、黒煙濾過部20のフィルタ取付部27を6分割した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、4分割や8分割などにすることも可能である。
また、上記実施形態では、黒煙濾過部20を60分で1回転させる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、30分で1回転させるとか120分で1回転させるなどにすることも可能である。
また、進行方向側の錘87bの錘87aに対する取付角度を大きくして錘87bが進行方向へ倒れやすい形状としても良い。
10 密閉容器
11a,11b 排気ガス入口
12 排気ガス出口
16 構造体
20 黒煙濾過部
21,21A ドラム
22,22A 排気シャフト
24,24A 開口
25 隔壁
26 区画部
27 フィルタ取付部
27a 格子
29 フィルタ枠取付用の棒材
30 固定金具
31 フィルタ
32 フィルタ枠
33 フィルタ枠爪
34 アイボルト
35 ナット
37,37a,37b グランドパッキン
40 駆動シャフト
41 スプロケット
42 チェーン
43 リミットスイッチ
50 ギヤモータ(回転装置)
60 再生装置
61 加熱部
62 ヒータボックス
64 シール材
65 スライドプレート
66 エアシリンダ(駆動装置)
70 真空掃除機
71 灰吸引口
72 取込口
73 灰排出口
74 支持脚
76 支持枠
80,80A 封鎖装置
81 塞ぎ筒
82 錘
83 軸
84 ガイドプレート
85 脱落防止プレート
Claims (27)
- 内燃機関の排気ガスを大気へ排出する排気ガス径路の途中に設ける黒煙除去装置であって、
排気ガス入口及び排気ガス出口を有する密閉容器と、
中心軸に直交する2つの面の各外面を表裏貫通気孔を有する平板状の複数のフィルタを並べて略全面を塞ぎ且つ前記中心軸の周りに回転するドラムと、前記中心軸周囲を同心円筒状に囲い且つ前記フィルタを通過して前記ドラムに導入された空気を導く複数の開口を設け前記空気を前記密閉容器外へ導出する排気シャフトとを有し、前記排気シャフトを前記密閉容器の排気ガス出口に回転自在に装着する黒煙濾過部と、
前記排気シャフトを回転させる回転装置と、
前記フィルタの何れかと対向し前記フィルタに捕捉された黒煙を燃焼させて灰化減量する再生装置と
を備えることを特徴とする黒煙除去装置。 - 内燃機関の排気ガスを大気へ排出する排気ガス径路の途中に設ける黒煙除去装置であって、
排気ガス入口及び排気ガス出口を有する密閉容器と、
中心軸に直交する2つの面の各外面を表裏貫通気孔を有する平板状の複数のフィルタを並べて略全面を塞ぎ且つ前記中心軸の周りに回転するドラムと、前記中心軸周囲を同心円筒状に囲い且つ前記フィルタを通過して前記ドラムに導入された空気を導く複数の開口を設け前記空気を前記密閉容器外へ導出する排気シャフトとを有し、前記排気シャフトを前記密閉容器の排気ガス出口に回転自在に装着する黒煙濾過部と、
前記排気シャフトを回転させる回転装置と、
前記フィルタの何れかと対向し前記フィルタに捕捉された黒煙を燃焼させて灰化減量する再生装置と、
前記フィルタの再生時に前記開口を封鎖する封鎖装置と
を備えることを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1又は請求項2記載の黒煙除去装置において、
前記再生装置は、前記黒煙濾過部の一つの前記フィルタを前記ドラムの前記外面から覆う形状を為し、
前記回転装置は、前記黒煙濾過部の一つの前記フィルタを前記再生装置と対向させる位置に回転させ、前記再生装置による再生時には前記黒煙濾過部の回転を停止し、再生後に次の前記フィルタを前記再生装置と対向させる位置に回転させる
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタは、母材をスラリー化して有機発泡体に含浸した後有機発泡体を焼失させて得られる三次元網状構造多孔体である
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項4に記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタの母材は、Niを含む金属である
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項4に記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタの母材は、セラミックである
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタは、金属繊維を積層して押し固めた金属繊維の不織布である
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項4乃至請求項7の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタの表裏貫通気孔は、平均気孔径が0.1mm〜0.5mmである
ことを特徴としている黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項8の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記黒煙濾過部は、
前記ドラムの内周と前記排気シャフトの外周との間を複数の隔壁で連結して前記ドラム内を密閉区画し前記複数の開口とそれぞれ連通するように形成される複数の区画部と、
前記複数の区画部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に形成される前記フィルタをそれぞれ取り付けるフィルタ取付部と
を有することを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項9記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタ取付部は、
前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面を形成し、前記フィルタの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する断熱材料で構成されている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項9記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタと前記フィルタ取付部との間には、シール材が挟持されており、前記シール材は前記フィルタの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する断熱材料で構成されている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項9記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタは、
その周囲を縁取るフィルタ枠を有し、前記フィルタと前記フィルタ枠との間に、前記フィルタの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する断熱材料で構成されるシール材を挟持している
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項12の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記排気シャフトは、一端に閉塞部を設けるとともに同一円周上に前記複数の開口を設ける
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項13の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記排気シャフトは、前記複数の開口を前記排気シャフトの中心線上の複数箇所においてそれぞれ同一円周上に設け、
前記ドラムは、前記複数の開口が前記中心軸に直交する2つの面間の中心部に位置するように前記排気シャフトの中心線上に沿って配される
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項14の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記排気シャフトは、前記密閉容器の排気ガス出口の外面に連続する部位においてグランドパッキンによる漏れ防止部を介して前記排気ガス出口に回転自在に装着されている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項15の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記回転装置は、前記密閉容器の排気ガス出口と対向する前記密閉容器の壁面に設けた開口部を貫通し、前記排気シャフトの一端部と連絡する駆動シャフトを有し、前記駆動シャフトは前記密閉容器の前記排気ガス出口と対向する壁面に連続する部位においてグランドパッキンによる漏れ防止部を介して前記開口部に回転自在に装着されている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項9記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタ及び前記フィルタ取付部は、略扇形を為していて、
前記フィルタは、前記フィルタ取付部の略扇形よりも小さい面積の略扇形で、且つ隣り合うフィルタ同士の間には空間が設けられている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項17記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタは、
前記複数の隔壁間に配される支持棒に係止される鈎部を下部に有し、前記ドラムに設けた固定フックに係止されナットによって固定される可倒式のアイボルトを上部に有する略扇形のフィルタ枠に取り付けられ、前記フィルタ取付部に対し着脱自在に取り付けられる ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項17記載の黒煙除去装置において、
前記フィルタ取付部は、前記フィルタの形状の補強及び前記フィルタの反り防止のための格子を有する
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項19の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記再生装置は、ヒータを内蔵するとともに周囲をシール材で囲繞するヒータボックスから成り、前記フィルタと対向させられる加熱部と、再生時に前記加熱部を前記シール材を介して前記フィルタに密着させ、前記ドラムの回転時には前記加熱部を前記フィルタから離すように動作させる駆動装置とを有し、前記駆動装置は前記密閉容器外に設けられている
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項2乃至請求項20の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記黒煙濾過部は、
前記ドラムの内周と前記排気シャフトの外周との間を複数の隔壁で連結して前記ドラム内を密閉区画し前記複数の開口とそれぞれ連通するように形成される複数の区画部と、
前記複数の区画部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に形成される前記フィルタをそれぞれ取り付けるフィルタ取付部と
を有し、
前記封鎖装置は、
前記フィルタの再生時に再生される前記フィルタが位置する前記区画部に連通する前記開口を封鎖する
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項21の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記黒煙濾過部の回転方向で前記再生装置の一側部に沿って灰吸引口を配置され、前記再生装置による黒煙除去後に回転される前記フィルタから灰分除去を行う真空掃除機をさらに備える
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項22記載の黒煙除去装置において、
前記真空掃除機は、前記黒煙濾過部の回転時に起動し、前記黒煙濾過部の非回転時に停止する
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項23の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記密閉容器外において前記排気シャフトと連絡し、前記複数の開口を介して前記密閉容器内の空気を吸引する排気装置をさらに備える
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項24記載の黒煙除去装置において、
前記排気装置は、前記排気シャフトとの接合部にグランドパッキンによる漏れ防止部を有する
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項20、請求項22乃至請求項25の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記再生装置は、前記黒煙濾過部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に配される前記フィルタをそれぞれ同時に加熱して前記フィルタに捕捉された黒煙を燃焼させて灰化減量する
ことを特徴とする黒煙除去装置。 - 請求項1乃至請求項20、請求項22乃至請求項25の何れか記載の黒煙除去装置において、
前記再生装置は、前記黒煙濾過部の前記ドラムの中心軸に直交する2つの面の各外面に配される前記フィルタをそれぞれ個別に加熱して前記フィルタに捕捉された黒煙を燃焼させて灰化減量する
ことを特徴とする黒煙除去装置。
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