JPH11502916A - ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンにおける排出ガス燃焼のための乱流沈降分離装置とその関連プロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも、１個のチャネル（１）、好ましくは、平行に配置され、直径が約３ｍｍから３０ｍｍ、長さが約１０ｃｍから１００ｃｍで、全ての側面が空間で囲まれており、排出ガスが約５ｍ／ｓ−５０ｍ／ｓの速度で遮られることなく流れるようになっている数個のフローチャネルと、幅が約１ｍｍ、チャネル軸に垂直方向の深さが約５ｍｍであるくぼみまたはポケット（２）からなる内燃機関エンジン排出エミッション収集用の装置に関する。本発明はさらにその関連プロセスに関する。

Description

【発明の詳細な説明】 ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンにおける排出ガス燃焼のための乱流 沈降分離装置とその関連プロセス 発明の属する技術分野 本発明は、排出ガスからの汚染物質の除去に関する。 発明の背景 乱流沈降分離装置の原理は、液体を乱流状態で、チャネル内に配置されている 少なくとも部分的に固体表面と境界を接している狭く深い多数の空間部を通過さ せることから成り立っている。液体中に浮遊している微細粒子は、乱流速度変動 に従い、前記の狭く深い空間部に流れ込み、その中で乱流は消えて、粒子は慣性 衝撃、遮断またはブラウン拡散（英国特許第ＧＢ２２６４６５５Ｂにはこの原理 が開示されている）により内部の固体表面に堆積することになる。 現存している特許では、乱流沈降分離装置（ＴＦＰ）の原理は、特に、ガス流 の中から微細粒子を捕集することに関連させた形で開示されている。本発明は、 ディーゼルエンジンやガソリンエンジンのような内燃機関エンジンから出る排出 ガス中の粒子状汚染物質を補集し、それを酸化するために、ＴＦＰを特別に使用 しようとするものである。補集された汚染物質は、排出熱により、あるいはバー ナか電気ヒータなどを使用することで自然酸化が可能である。酸化のために必要 な温度を、適当な燃料添加剤を使用したり、捕集機の表面に適当な触媒を配置す ることで低く抑えることができる。 ＴＦＰを、自動車のような内燃機関エンジンからの排出エミッション捕集用に 使うためには、ある特別の要件が満たされていることが必要である。即ち、粒子 サイズの範囲が０．５ミクロン以下のすす粒子を、よい効率で（少なくとも７０ ％）収集および捕集ができること、装置がコンパクトなサイズであり、しかも、 代表的なマフラーの寸法と同程度でおさまっていること、比較的大規模な、典型 的には約５０Ｌ／ｓから５００Ｌ／ｓの範囲のガス流を処理できること、エンジ ン性能、燃料消費に悪影響を与えないように、従って、汚染エミッションを抑え るように比較的低い圧力損失下で稼働できること、エンジンや車両を停止しなく とも、再起動が容易に可能であること。但し、ＴＦＰを静止の装置で使用すると きには、そのような大きさに関する厳しい制限はない。 上記の要件を満たしている多数のＴＦＰモデルがすでに開発されており、それ らすべてに共通する特徴は下記の通りである。即ち、ＴＦＰ構造が、１個のチャ ネルまたは平行に配置された数個のチャネルから成り、その直径は典型的な例で は、約５ｍｍから３０ｍｍの範囲にあるものである。さらに、各チャネルが、ダ クト軸に対して垂直方向に深く、平行方向に狭い状態になっている多数の空間部 または「くぼみ部」で囲まれている。これらの空間部は、互いの側部に沿って配 置されているチャネルの側と接触している場合もあるし、接触していない場合も ある。空間部の側部に沿って配置されているチャネルとチャネルとの間の接触の 度合いは極めて小さく、フローチャネル間での横断方向の流れが阻止されるよう になっている。排出ガスが乱流状態で、典型的には約５ｍ／ｓから約５０ｍ／ｓ の速度でチャネル内を流れるようになっている（他の速度の場合もある）。ここ では、粒子状エミッションが、乱流速度変動によりチャネルを囲んでいる空間部 に運ばれ、その空間部を構成しているウオール（壁部）の上に堆積する。粒子状 エミッションを捕集するトラップはこの空間部から成っている。このチャネル内 では、遮られることはなく排出ガスが自由に流れるようになっている。稼働温度 が低いほど収集効率が高く、稼働温度の高いＴＦＰよりも低いものに適している 。しかし、ＴＦＰそのものは、３１０ステンレスのような高温に耐える金属また はセラミックで製作されている。 発明の概略 これに対して、本発明は、少なくとも、１個のチャネル、好ましくは、平行に 配置され、直径が約３ｍｍから３０ｍｍ、長さが約１０ｃｍから１００ｃｍで、 すべての側面が空間部で囲まれており、排出ガスが約５ｍ／ｓー５０ｍ／ｓの速 度で遮られることなく流れるようになっている数個のフローチャネルと、幅が約 １ｍｍ、チャネル軸に垂直方向の深さが約５ｍｍであるくぼみ部またはポケット から成る、内燃機関エンジン排出エミッション粒子を収集する装置である。 さらに、本発明にかかる装置は、前記の空間部のウオール、くぼみ部またはポ ケットに堆積した粒子を酸化するための装置と、チャネルウオールに配置した適 当な触媒または燃料添加剤またはバーナーまたは電気ヒータを含む装置から成る 。 より正確には、前記チャネルの横断面は、例えば、直角の角度であり、あるい は、円のような丸みのある形状をしている。 さらに、前記の空間部、くぼみ部またはポケットは、前記フローチャネルの円 周上に間断なく広がっており、その結果、そのチャネルがベロー（蛇腹）のよう な形状になっているか、あるいは、ダクト内に狭い間隔で連続して設けられたオ リフィス・プレートにより形成されたチャネルに類似した形状のいずれかになっ ている。 本発明の別の実施例によれば、前記の空間部、くぼみ部またはポケットは、フ ローチャネルの基本軸に垂直な軸を有する管または毛細管から成っている。 さらに、前記の空間部、くぼみ部またはポケットおよび前記フローチャネルが 隣接するフローチャネルとは非連結の構造になっている。 別の構造として、チャネルとチャネルとの間の接触の度合いが極めて小さいた めに、粒子が前記の空間部、くぼみ部またはポケットを通過して、前記のチャネ ルとチャネル間を横断方向に流れるということは起こらない。 本発明は、また、少なくとも１個のチャネル、好ましくは、平行に配置され、 直径が約３ｍｍから３０ｍｍ、長さが約１０ｃｍから１００ｃｍで、そのすべて の側面が、前記の空間部と、幅が約１ｍｍ、チャネル軸に垂直方向の深さが約５ ｍｍであるくぼみ部またはポケットに囲まれており、排出ガスが約５ｍ／ｓー５ ０ｍ／ｓの速度で遮られることなく流れ、前記空間部のウオール、くぼみ部また はポケットには粒子が堆積し、横断面を遮ることのない数個のフローチャネル内 に前記排出ガスを流すことから成る、内燃機関エンジン排出エミッション粒子の 収集方法である。 前記方法は、チャネル・ウオールに配置した適当な触媒あるいは適当な燃料添 加剤やバーナーを使用するかのいずれか方法により、前記の空間部のウオールと くぼみ部またはポケットに堆積した粒子を酸化または除去することから成る。 下記のＡ表とＢ表は、２つの計算例であり、ＴＦＰを小型乗用車用で、５０ｍ ／ｓの排出ガス速度と４５ｋＷの出力で使用した場合の可能性を示したものであ る。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の１つの実施例における乱流沈降分離装置を分かりやすくする ために一部を切断した斜視図である。 図２、２Ａ、２Ｂは、それぞれ、本発明のもう１つの実施例における乱流沈降 装置の斜視図と２つの断面図である。 図２Ｃは、図２Ａで示された構造において使用されている２枚の直交する「ひ だ」付きシートの交差面の斜視図である。 図３Ａから図３Ｃまでは、本発明の別の実施例におけるの乱流沈降分離装置の その他の種々の構造を示した図である。 図３Ｄと３Ｅは、それぞれ、本発明のさらに別の実施例における斜視図と断面 図である。 図４Ａと４Ｂは、それぞれ、本発明の追加実施例におけるダクトの縦断面図と プレートの分解組立図である。 図５は、本発明のさらに別の実施例におけるダクトの縦断面図（図５Ｂ）と数 個のプレートの分解組立図（図５Ａ）である。 図６は、本発明のさらに別の実施例におけるダクトの縦断面図（図６Ｂ、図６ Ｃ）と、そのダクトの一部の斜視図（図６Ａ）である。 図７は、本発明のさらに別の実施例におけるダクトの縦断面図（図７Ｂ）とそ のダクトの一部の斜視図（図７Ａ）である。 図８Ａは、本発明の追加の実施例における個別のプレートの斜視図と排気管内 のプレート組立部品である。 図８Ｂは、本発明の別の実施例の切断図と分割図である。 発明の実施の形態 図１には、ひだ付きウオールが具備された単一チャネル(１)が示されている。 ひだ部は三角形（図示）の形状にしてもよいし、別の形状（例えば、直角形）に してもよい。ひだの高さは約４ｍｍから約４０ｍｍ、ひだのピッチは１ｍｍから １０ｍｍであるが、これ以外の寸法にすることもできる。ひだの高さとひだのピ ッチの比は約１から約８までの範囲である。このひだ構造が微粒子状エミッショ ン収集用のトラップを構成している。 図２Ａには、４個のひだ付きウオールチャネルから成るハニカム構造体が示さ れている。この構造体の２つの断面（ＡＡ，ＢＢ）も示されている。 断面ＡＡ（図２Ａ）は、前記ひだ付きウオールチャネルの上部半分に位置して おり、断面ＢＢ（図２Ｂ）は、底部半分に位置している。このような構造にする ことにより、このユニットを４個のコンパートメントに分割しているウオールは 、上部（断面ＡＡ）と底部（断面ＢＢ）では、異なった交差の仕方をすることに なる。 図２Ｃには、ひだ付きウオールチャネルがハニカム形状になっている構造的な 原理が示されている。交差する各ひだ付きプレートには、切り欠きまたはスロッ トが付いており、その切り欠きまたはスロットの幅は、ひだの高さと等しく、そ の深さは、各プレートの下方距離の半分の位置である。 図３Ａには、自動車の触媒コンバータ用に使用されている従来型のセラミック ハニカム・モノリスが示されている。当初型のモノリスでは、その直径が約１ｍ ｍの毛細管で構成されているが、図３Ｂはそれを図示したものである。図３Ｂは 、モノリスがスライスＡに切断された状態を示し、これらのスライスのいくつか がさらにストリップＢに切断された状態を示している。適当な高温セメントを使 用して、このスライスＡとストリップＢは、再度組立てられ、最終的に、ＴＦＰ (乱流沈降装置)を形成することになる。図Ｃに示されたように、典型的な例では 、その周囲に毛細管２が付いた、直径が約５ｍｍから１０ｍｍのオープンチャネ ル１が具備されている。排出ガスは、直径が約５ｍｍから１０ｍｍ（これ以外の 直径のものにしてもかまわない）で、チャネル１の中を遮られることなく流れ、 微粒子エミッションが直径が約１ｍｍの毛細管２内に堆積し、それは乱流速度変 動に従ってより運搬されていく。 従来のセラミックハニカムを使って、ＴＦＰを製作する別の方法については図 ３Ｄに示されている。ここでは、フローチャネルは、ハニカムを打ち抜く方法が 採用されている。 図４Ａと４Ｂには、圧縮プレートまたは展開プレート３またはセラミックから 作成された単一のＴＦＰが示されている。図４Ａで示されているように、プレー ト３は、エンドハウジングを通して伝達された、ダクト内の引張力により圧縮さ れる。プレートを、例えば、１０個づつまとめて、耐火ペーストまたは溶接によ り、ダクトに接着させる。ダクトとチャネル１は、ポケット２の付いた正方形の 形状に作成できるが、別の形状にしてもかまわない。展開部の縁部は連続した小 さな隆起になっており、分離が容易になるようになっている。 図５Ａと５Ｂには、打ち抜きプレート３またはセラミックから製作された４個 のチャネルＴＦＰが示されている。プレートは、エンドハウジングを通して伝達 された、ダクト内の引張力により圧縮される。プレートを、例えば、１０個づつ まとめて、耐火ペーストまたは溶接によりダクトに接着させる。４個のチャネル １は、ポケット２が付いた形で示されているが、このチャネル１は１個でもよい し、多数でもかまわない。ここでは、ダクトとチャネルは、正方形で示されてい るが、別の多くの形状が有り得る。 図６Ａ，Ｂ，Ｃには、セラミックまたは金属鋳込により製作された４個のチャ ネルＴＦＰが示されている。図６Ａは斜視図であり、図６Ｂは断面図、図６Ｃは 縦断面図である。この構造であれば金属アウターハウジングに収容でき、断面部 を縦方向または別の方向に金属鋳込が可能であり、さらに、断面を圧着させるこ とができる。これらの断面部は耐火セメントによりハウジングに接着される。４ 個のチャネルが示されているが、１個でも多数でもかまわない。ブロックとチャ ネルは正方形で示されているが、別の多くの形状が可能である。単一のフローチ ャネルを横断する１個の断面が示されている。黒線で示したように、チャネルが 縦方向に分割され、分割された半分部分がそれぞれ同型となるように鋳込がなさ れている。上記のエンドハウジングを適当な圧力ハウジングの中に積み重ねるこ とにより、任意の数のフローチャネルを形成させることも可能である。短く鋳造 して適当なインタロック器具で一緒に差し込むこともできる。 フローチャネルは２個の半分部分からなるように鋳込がなされている。図中の 対角線上に引かれた実線５は、その２個の半分部分が接合されている境界線を示 したものである。各半分部分を、個別に見た場合、それらは、山型鋼に似た直角 支持エレメントから成る単一の成形部を構成しており、その内側表面には、狭い 間隔をあけて設けられた、図で示されたような形状の多数の「歯」が付いている 。 図６Ｃの縦断面は、固体ウオール４により分割され、囲まれた２個のチャネル １に歯がついている状態を示したものである。図６Ｃで示された２個のチャネル の縦断面は、２個のベロー（蛇腹）のように見える。この実施例での幾何学的形 状は基本的に図１、２で示されたものとは異なっている。 図７Ａと７Ｂは、金属またはセラミックメッシュ製の４個のチャネルＴＦＰを 図示したものであり、ここでは、マットまたはスポンジなどの部品全部が金属ア ウターハウジングに収容されている状態を示している。斜線部分は、メッシュ、 マットまたはスポンジを示している。ハニカム構造にしてもよい。正方形形状の ４個のチャネルが示されているが、別の多くの形状をしたチャネルが１個または 多数あるようにしてもかまわない。ハニカム構造にした場合の横断面（中心に分 離部がある）が図７Ｂに示されている。ウオールを分割している部分の交差面は 種々の接合の方法があり、望みの長さが得られるようになっている。オープン型 のスポンジ構造にすることも可能である。 図８Ａは、プレート６から成る４個のチャネルＴＦＰで、ワッシャ７により分 離されている状態を示したものである。ここでは、圧縮ロッド８が長さ方向に広 がっており、前記エレメント６、７に類似している。 図８Ｂは、セラミックプレート６のスタックで構成されているＴＦＰを示した もので、ここでは、スペーサとしての機能が働くようにプレート上に隆起部を設 けている。換言すれば、前記プレートの深さ方向に大きなくぼみ部を作ることで 、プレート表面に空隙を形成させている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも、１個のチャネル（１）、好ましくは、平行に配置され、直径が 約３ｍｍから３０ｍｍ、長さが約１０ｃｍから１００ｃｍで、すべての側面が空 間部で囲まれており、排出ガスが約５ｍ／ｓー５０ｍ／ｓの速度で遮られること なく流れるようになっている数個のフローチャネルと、幅が約１ｍｍ、チャネル 軸に垂直方向の深さが約５ｍｍであるくぼみ部またはポケット（２）から成る内 燃機関エンジン排出エミッション粒子の収集装置。 ２．前記の空間部のウオール、くぼみ部またはポケットに堆積した粒子を酸化す るための装置を更に含み、該装置がチャネルウオールに配置した適当な触媒また は燃料添加剤またはバーナーまたは電気ヒータを含んでいる請求項１に記載の装 置。 ３．高温に耐えることのできる金属またはセラミックから構成される請求項１ま たは２に記載の装置。 ４．前記チャネル（１）の横断面が、直角あるいは円のような丸みのある形状で ある請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。 ５．前記の空間部、くぼみ部またはポケット（２）が、前記フローチャネル(１) の円周上に間断なく広がっており、その結果、そのチャネルがベロー（蛇腹）の ような形状になっているか、あるいは、ダクト内に狭い間隔で連続して設けられ たオリフィスプレートにより形成されたチャネルに類似した形状のいずれかにな っている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。 ６．前記の空間部、くぼみ部またはポケット（２）が、フローチャネルの基本軸 に垂直な軸を有する管または毛細管から成る請求項１から４までのうちのいずれ か１項に記載の装置。 ７．前記の空間部、くぼみ部またはポケット(２)および前記フローチャネル(１) が隣接するフローチャネルとは非連結の構造になっている請求項１ないし６のい ずれか１項に記載の装置。 ８．前記の空間部、くぼみ部またはポケット（２）および前記フローチャネル間 の接触の度合いが極めて小さいために、前記の空間部、くぼみ部またはポケット （２）を通過することはなく、前記チャネルの間の横断方向への流れが阻止され るようになっている請求項１から６までのうちのいずれか１項に記載の装置。 ９．少なくとも１個のチャネル、好ましくは、平行に配置され、直径が約３ｍｍ から３０ｍｍ、長さが約１０ｃｍから１００ｃｍで、そのすべての側面が、空間 部と、幅が約１ｍｍ、チャネル軸に垂直方向の深さが約５ｍｍであるくぼみ部ま たはポケットに囲まれており、排出ガスが約５ｍ／ｓー５０ｍ／ｓの速度で遮ら れることなく流れ、前記空間部のウオール、くぼみ部またはポケットには粒子が 堆積し、横断面を遮ることのない数個のフローチャネル内に前記排出ガスを流す ことから成る、内燃機関エンジン排出エミッション粒子の収集方法。 １０．チャネルウオールに配置した適当な触媒あるいは適当な燃料添加剤、バー ナーを使用するかのいずれかにより、前記の空間部のウオール、くぼみ部または ポケットに堆積した粒子を酸化または除去することから成る請求項９に記載の方 法。