JPH06137134A - ディーゼル機関用パティキュレートトラップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃焼室でパティキュレートが速やかに焼却さ
れ、未燃焼のパティキュレートやその灰が滞留して電気
ヒータ等が燃焼熱などで過熱して熱損傷しないパティキ
ュレートトラップを提供する。 【構成】燃焼室を円筒状の耐熱鋼で作り、電気ヒータを
燃焼室の外周に設け、その入口付近に空気の注入口を設
け、燃焼室の混合ガス流に旋回を与える手段を設け、混
合ガス流を旋回させてパティキュレートの焼却を促進す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーセル機関の排気
ガス中のパティキュレート（黒煙粒子）を捕捉して焼却
するパティキュレートトラップに関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスフィルタで捕捉したディー
ゼル機関の排気ガス中のパティキュレートを、逆洗して
別の場所に移してから焼却するパティキュレートトラッ
プとしては、特開平１−７７７１５にクロスフロー型の
セラミックスフィルタを備えるものが、特開平１−１５
９４０８にハミカム型のセラミックスフィルタを備える
ものが提案されている。

【０００３】パティキュレート中には燃えると灰として
残る不燃焼成分が含まれており、セラミックスフィルタ
中にパティキュレートを捕捉した状態でパティキュレー
トを焼却するとフィルターの目詰まりが避けられない。
このため、セラミックスフィルタを逆洗してパティキュ
レートを別の場所に移してから着火して焼却する方がセ
ラミックスフィルタの目詰まりを回避でき、フィルタ上
で焼却する場合にときどき起きるセラミックスフィルタ
の溶損や破損を避けられるというメリットがある。

【０００４】たとえば、船舶用のディーゼル機関、ある
いは固定された状態で使用される発電用のディーゼル機
関などの場合には、高負荷の状態で長時間にわたって運
転されることが多いので、排気ガス中には多量のパティ
キュレートが含まれ、さらに使用される燃料の品種が車
の場合よりも重質であることや添加物が異なることもあ
って、そのパティキュレート中には車のディーゼル機関
から排出される排気ガス中のパティキュレートと比べて
炭素以外の燃えない成分が相当多く含まれているので、
逆洗を行うパティキュレートトラップがより適してい
る。車載のディーゼル機関の排気ガス中のパティキュレ
ートを処理するパティキュレートトラップでは、車載に
適するようにコンパクトであるとともに、道路や走行条
件などによって刻々変化する運転条件に対応でき、長時
間にわたる耐久性と信頼性を有するものであることが要
求される。

【０００５】特開平２−１８５６１１にはクロスフロー
型のセラミックスフィルタを備える車載ディーゼル機関
用のパティキュレートトラップが提案され、捕集したパ
ティキュレートを焼却する部分で燃焼が滞ることがない
ように燃焼用空気を供給することが提案されている。ま
た、特開平３−１６８３１３に提案されているパティキ
ュレートトラップでは、その燃焼室は図４に示された構
成となっている。

【０００６】図４において、１は燃焼室、４は電気ヒー
タ、６は圧縮空気のノズル、７はパティキュレートの再
捕集部、１４はクロスフロー型のセラミックスフィル
タ、１５はケーシング、１６はシール材、２０は排気ガ
スの導入口、２１はセラミックスフィルタの清浄ガス流
路、２２はセラミックスフィルタの含塵ガス流路、２３
は逆洗ノズル、２４、２９は電磁弁、２５は圧縮空気の
タンク、２６は排気管、２７はバタフライ弁、２８はオ
リフィス板である。

【０００７】すなわち、セラミックスフィルタ１４から
逆洗によって離脱せしめられたパティキュレートは排気
ガスの一部分とともに燃焼室（焼却管）１に送られて焼
却されるが、パティキュレートの燃焼を促進するための
空気が燃焼用空気供給用の圧縮空気ノズル６から燃焼室
１に供給されている。

【０００８】パティキュレートトラップ中においては、
特に逆洗の直後において、セラミックスフィルタ１４か
ら離脱せしめられたパティキュレートの一部は排気ガス
中に浮遊し、浮遊しているパティキュレートを含めたパ
ティキュレートを燃焼室１に送り込み、再度セラミック
スフィルタ１４に堆積しないようにするためには、排気
ガスの一部分（たとえばパティキュレートトラップに導
入される排気ガスの０．２〜５％）をパティキュレート
とともに燃焼室１に送るようにすることが有効である。

【０００９】しかし、燃焼室１に送られたパティキュレ
ートの焼却を比較的短時間に完結せしめるためには、電
気ヒータ４の負荷を大きくする必要があり、未燃焼のパ
ティキュレートやパティキュレートの灰が電気ヒータ４
の近傍に滞留すると、電気ヒータ４の部分に熱がこもっ
たり、パティキュレートの燃焼熱が加わることによって
電気ヒータ４が部分的に過熱することなどにより、電気
ヒータ４が熱損傷しやすく、電気ヒータ４の耐用がいま
ひとつ充分でないという問題を残している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの問題
点を解決してパティキュレートの焼却を速やかに完結せ
しめるとともに、電気ヒータの耐久性を確保し、耐久性
と信頼性のあディーゼル機関用パティキュレートトラッ
プを提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
達成すべくなされたものであり、本発明のディーゼル機
関用パティキュレートトラップは、ディーゼル機関の排
気ガス中のパティキュレートをセラミックスフィルタに
より捕捉し、捕捉したパティキュレートを逆洗によりセ
ラミックスフィルタから離脱せしめ、離脱したパティキ
ュレートを一部分の排気ガスの流れにのせて電気ヒータ
を備える燃焼室に移し、燃焼室中でパティキュレートを
焼却するパティキュレートトラップであって、燃焼室が
円筒状の耐熱鋼からなり、電気ヒータが円筒状の耐熱鋼
の外周に配設され、燃焼室の入口付近にはパティキュレ
ート焼却用の空気の注入口を備え、燃焼室には排気ガス
と空気の混合ガス流に旋回を与える手段を備え、混合ガ
ス流が旋回しつつ燃焼室中でパティキュレートが焼却さ
れることを特徴とする。

【００１２】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップでは、円筒状の耐熱鋼からなる燃焼室の外周
に電気ヒータが配設されていて、燃焼室中で排気ガスと
空気の混合ガスに旋回を与える手段を備えているので、
燃焼室中においてパティキュレートが混合ガスの流とと
もに旋回し、遠心力によってパティキュレートが耐熱鋼
からなる燃焼室の壁に押し付けられて燃焼室の外周に配
設された電気ヒータの熱がパティキュレートに伝わりや
すく、パティキュレートへの着火が確実になされ、空気
と排気ガスの混合ガスの流速が旋回によって大きくなっ
ているので、パティキュレートと混合ガスの接触が良好
であり、燃焼が速やかに進行するという効果を奏する。

【００１３】また、円筒状の耐熱鋼からなる燃焼室の内
側にはガスの流れを妨げる突起がないので、パティキュ
レートやパティキュレートの灰が燃焼室の内側に滞留す
ることがなく、耐熱鋼の壁や耐熱鋼の壁を隔てて配設さ
れている電気ヒータの一部分が過熱して熱損傷する恐れ
もない。

【００１４】電気ヒータとしては、車載用にはシース電
気ヒータを使用するのが好ましく、定置用では耐熱性の
絶縁体で囲んだカンタル線などの裸のコイル状抵抗発熱
体を使用することもできる。また、排気ガスと空気の混
合ガス流に旋回を与える手段としては、空気の注入口を
圧縮空気ノズルとしたり、円筒状の燃焼室への導入管を
偏心して、あるいは円筒状の燃焼室の接線方向に配置
し、燃焼室中に螺旋状の案内フィンを設けるなどの手段
がある。

【００１５】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップの好ましい態様では、燃焼室に送られる排気
ガスがパティキュレートトラップに導入される排気ガス
の０．５〜３％である。セラミックスフィルタに捕捉さ
れ、逆洗によってセラミックスフィルタから離脱したパ
ティキュレートを燃焼室に移動せしめるとともに、排気
ガスと空気の混合ガスによりパティキュレートを燃焼室
中で旋回させるためには０．５％以上の排気ガスを燃焼
室へ送るのが好ましい。

【００１６】また、車載のディーゼル機関の排気ガス中
には、大きな負荷で運転されるごく限られた期間を除い
て、パティキュレートを焼却できる酸素が含まれてお
り、パティキュレート焼却用の空気はタンクを含めた圧
縮空気の供給系がかさばるものとならないように、排気
ガスをできるだけ利用して圧縮空気を節減するのが好ま
しい。

【００１７】他方、あまり多量の排気ガスを燃焼室へ送
ると、パティキュレートの燃焼室中における滞留時間が
短くなって焼却が完結しなくなる恐れがあるので、燃焼
室の大きさにもよるが通常３％以下とするのが好まし
い。特に、ディーゼル機関の負荷が大きく、排気ガス中
に酸素が少ないような場合には、燃焼室に送る排気ガス
の量を絞って焼却用空気の注入量を多くするとよい。

【００１８】本発明によるディーゼル機関用パティキュ
レートトラップの他の好ましい態様では、混合ガスに旋
回流を与える手段として螺旋状の案内フィンが備えられ
ている。案内フィンは混合ガスにある程度の流量があれ
ば、混合ガスを確実に旋回せしめる好ましい手段であ
る。また、案内フィンは燃焼室の軸心に沿って設け、パ
ティキュレートが滞留する場所ができないように燃焼室
の壁とは離して配置するのが好ましい。

【００１９】本発明によるディーゼル機関用パティキュ
レートトラップの他の好ましい態様では、該燃焼室の軸
心付近にシース電気ヒータが備えられている。燃焼室の
軸心部にシースヒータを配設することによって、ヒータ
に投入可能な熱量を増し、ディーゼル機関の起動時にお
けるパティキュレートトラップの立ち上がりを迅速化で
き、燃焼室内の温度の迅速な制御にも利用できる。

【００２０】さらに軸心付近に設けるシース電気ヒータ
と案内フィンを一体とすれば、シース電気ヒータの熱が
案内フィンに速やかに伝導され、燃焼室内の温度の均一
なコントロールが容易となり、パティキュレートの焼却
をより確実かつ速やかに完結することができる。

【００２１】また、円筒状の燃焼室の外側に配設される
電気ヒータは円筒の周方向および／または軸方向に分割
して各々の部分について温度コントロールをすれば、燃
焼室内の部分的な異常燃焼や過熱防止などに対応でき、
電気ヒータや円筒状の耐熱鋼の熱損傷を確実に防ぐこと
ができる。さらに燃焼用圧縮空気の注入量を加減すれ
ば、燃焼室内の緊急冷却など、燃焼室内の温度制御をす
ることも可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に沿って説明
するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定さ
れるものではない。

【００２３】図１は本発明によるディーゼル機関用パテ
ィキュレートトラップの一実施例の概要を示す側面断面
図であり、図２は図１の燃焼器より下流の平面断面図で
ある。両図において、１は円筒状の耐熱鋼（ステンレス
鋼）からなる燃焼室、２、９は捕集されたパティキュレ
ートを含む排気ガスと空気の混合ガスの導入管、３は出
口管、４は電気ヒータ、５は断熱材、６は圧縮空気のノ
ズル、７はパティキュレートの再捕集部、８、１２は空
気の電磁弁、１１は均圧室、１０は電磁仕切弁、１３は
絞り弁、１４はクロスフロー型のセラミックスフィル
タ、１５はケーシング、１６はシール材である。

【００２４】セラミックスフィルタ１４で捕集されたデ
ィーゼル機関（図示していない）の排気ガス中のパティ
キュレートは、逆洗（逆洗手段は図示していない）によ
ってセラミックスフィルタ１４から払い落とされてケー
シング１５の下部に設けられた再捕集部７に集められ、
排気ガスの一部分とともに導入管２へと送られる。

【００２５】再捕集部７と導入管２の間には圧縮空気を
噴出する圧縮空気のノズル６が燃焼室１の方向に向けて
設けられており、電磁弁８を開いて圧縮空気（圧力はた
とえば５ｋｇ／ｃｍ² ）を圧縮空気のノズル６から噴出
すると噴出された圧縮空気はエゼクタ効果によって周囲
の排気ガスを巻き込んで混合ガスとなって燃焼室１に流
入し、燃焼室１中に旋回流を生ぜしめる。この場合、導
入管２を導入管９の位置に設けても燃焼室１中に同様の
旋回流を得ることができる。

【００２６】燃焼室１に流入した混合ガス中のパティキ
ュレートは、遠心力によって燃焼室１の壁と接触して着
火される。燃焼室１の外周には４分割されたカンタル線
のコイルからなる電気ヒータ４が配置されており、分割
された各電気ヒータ４は近接する燃焼室１の壁が過熱し
ないように、かつ適切な温度に保たれるよう別々に温度
制御されている。

【００２７】電気ヒータ４の外側は断熱材５によって保
温されており、燃焼室１中ではパティキュレートの燃焼
による熱が発生しているため、電気ヒータ４にそれほど
多くの電気を消費する必要はない。着火したパティキュ
レートは旋回しながら燃焼室１中を移動し、この間に燃
えてごく少量の灰となり、混合ガスとともに出口管３へ
と送られる。

【００２８】出口管３の下流には電磁仕切弁１０が２個
直列に接続され、その間に均圧室１１が設けられてい
る。均圧室１１はセラミックスフィルタ１４を逆洗する
ときに発生する圧力波が燃焼室１に到達してパティキュ
レートを巻き込んだ未燃焼のパティキュレートを含む混
合ガスが出口管３から排出されるのを防ぐものであり、
逆洗を行うときには直前に電磁仕切弁１０を閉じ、セラ
ミックスフィルタ１４に圧縮空気を吹き込むのと同じタ
イミングで均圧用の電磁弁１２を開いて圧力波とそれに
ともなう未燃焼のパティキュレートの排出を阻止する。

【００２９】逆洗の数秒間後に電磁弁１２を閉じ、電磁
仕切弁１０を開いて再度パティキュレートの焼却が続行
される。絞り弁１３は排気ガスの燃焼室への流入量を制
御するために設けられ、排気ガスの燃焼室へのブローダ
ウン量は、たとえばパティキュレートトラップに流入す
る全排気ガスの１％程度に保持される。絞り弁１３の下
流では排ガスをそのまま外系に放出したり、清浄化され
た排気ガスの排気管に合流させたり、灰を除いてから外
系に放出したりする。

【００３０】この電磁仕切弁１０としては、たとえば貨
物自動車などでエキゾーストブレーキに使用されている
バタフライ弁が好ましく使用できる。パティキュレート
が未燃焼のまま出口管から外へ吹き出すことを防ぐ手段
としては、他に均圧室１１とセラミックスフィルタ１４
が納められたケーシング１５中の空間とを配管で接続し
て圧力をバランスさせる方法もある。

【００３１】パティキュレートトラップによってディー
ゼル機関から排出される排気ガスを連続的に処理するた
めには、２系列のパティキュレートトラップを並列に接
続して逆洗を交互に行うようにする。

【００３２】図３は本発明によるパティキュレートトラ
ップの燃焼室中に挿入されるフィン付きシース電気ヒー
タの一例の平面図である。図において１７はシース電気
ヒータ、１８は案内フィン、１９はシース電気ヒータの
端子箱である。この案内フィン付きシース電気ヒータを
燃焼室の軸心部に挿入することによって、混合ガス流に
確実に旋回を与えて焼却を加速せしめることができ、デ
ィーゼル機関の始動時には燃焼室のヒートアップを速や
かに行うことができる。

【００３３】試験例 図１と図２に示した構成のパティキュレートトラップに
よって発電用のディーゼル機関から排出される排気ガス
のパティキュレート除去を試みた。すなわち、燃焼室１
にステンレス鋼からなる内径２００ｍｍ、肉厚７ｍｍ、
長さ７２０ｍｍの円筒を使用し、電気ヒータ４として４
分割され、合計の発熱容量が５ｋＷのカンタル線コイル
を使用し、燃焼室１の加熱部分の長さを約５００ｍｍと
した。

【００３４】各電気ヒータは別個に温度制御して燃焼室
の壁の温度を約８００℃となるように制御した。燃焼室
１と電気ヒータ４および断熱材５を含む部分の寸法は外
径約５６０ｍｍ、全長約１０００ｍｍであった。燃焼室
１の導入管２には２０Ａ（内径約２０ｍｍ）のステンレ
ス鋼管が、出口管３には３２Ａ（内径役３２ｍｍ）のス
テンレス鋼管（ＳＵＳ３１０Ｓ）を使用した。

【００３５】パティキュレート再捕集部７と導入管２を
経てパティキュレートを０．４２ｋｇ／時間、排気ガス
を３．２Ｎｍ³ ／時間（パティキュレートトラップに導
入される排気ガス量の１％程度）の流量で燃焼室１に送
るとともに、ノズル６から燃焼用空気を６．３Ｎｍ³ ／
時間で噴出させ、混合ガスとして燃焼室１に送り込んで
旋回せしめ、パティキュレートを燃焼室１中で焼却して
燃焼ガスを出口管３から排気した。また、この試験では
セラミックスフィルタを逆洗する約１０秒の間はディー
ゼル機関の排気ガスをバイパスから直接外系に排気する
ようにした。

【００３６】出口管３から排出される排気ガスを調べた
ところ、この排気ガス中のパティキュレートの燃え残り
と灰分からなる全固体粒子の含有量は０．０２ｋｇ／時
間以下に維持されていた。次いでディーゼル機関を種々
の運転状態に保ち、同様にセラミックスフィルタに捕捉
され、逆洗によって再捕集部７に集められたパティキュ
レートをその時点の全排気ガス量の１％程度とともに燃
焼室１に送り込み、適度の量の燃焼用空気を圧縮空気ノ
ズル６から燃焼室１に送り込むことにより、燃焼室１の
内部でパティキュレートをほぼ完全に焼却せしめること
ができた。

【００３７】本試験例では、燃焼室の壁の温度を８００
℃に制御することにより燃焼室に流入したパティキュレ
ートの全重量に対し、出口管３での固体粒子（主に灰）
を２重量％以下に抑えることができた。また、出口管３
での固体粒子は、パティキュレートトラップに導入され
る排気ガスの１％程度の排気ガスとともに大気中に排出
されたが、煙として肉眼では殆ど認められない程度の量
であった。

【００３８】また、約１０のパティキュレートトラップ
の使用後に燃焼室を開いて点検したが、燃焼室中にはパ
ティキュレートやパティキュレートの灰の残留は全く認
められなかった。また、燃焼室１内の温度を９００℃に
上げて保持すると、燃焼室１に導入されたパティキュレ
ートの全重量に対し出口管３から排出される全固体粒子
を１．５重量％以下に抑えることができた。

【００３９】この例では出口管３の下流に電磁仕切弁１
０を２個直列に設けて、その間に均圧室１１を設けてお
り、パティキュレートトラップのセラミックスフィルタ
１４を逆洗するときに発生する圧力波が燃焼室１に到達
し、パティキュレートを巻込んで燃焼しないまま出口管
３から排出されるのを防止するようになっている。

【００４０】また、セラミックスフィルタ１４を逆洗す
る際には電磁仕切弁１０を閉じ、均圧用空気の電磁弁１
２を開いて前記の圧力波とそれに伴う未燃焼パティキュ
レートの流出を阻止し、逆洗終了後も数秒間この均圧空
気の供給を続けた。その後均圧用空気の電磁弁１２を閉
じ、電磁仕切弁１０を開けて、通常運転に復帰せしめ
た。

【００４１】なお、ブローダウンガス量を１％程度にコ
ントロールするための絞り弁１３を具備しているとき、
電磁仕切弁１０には、たとえばトラックなどでエキゾー
ストブレーキに使用されているバタフライ弁が使用でき
る。

【００４２】また、図３に示すような太めのシース電気
ヒータの外周に螺旋状の案内フィン（ステンレス製）を
取り付け、これを燃焼室１の中心に挿入したパティキュ
レートトラップの試験を試みた。この場合には、パティ
キュレートの案内フィンを含めた燃焼室の壁面との接触
機会を増し、強制的に旋回せしめることによってパティ
キュレートの燃焼をより完全に完結せしめることができ
た。

【００４３】その結果、燃焼室内の温度をやや低く保持
することができ、燃焼室を構成する耐熱鋼と電気ヒータ
の耐用をさらに伸ばすことができ、電気ヒータの消費電
力を全体として減少させることもできた。なお、螺旋状
の案内フィン（ステンレス製）を省いてシース電気ヒー
タのみを燃焼室１に挿入しても、ある程度同様の効果が
得られた。

【００４４】

【発明の効果】未燃焼のパティキュレートやその燃えた
灰が電気ヒータの近傍や燃焼室の一部分に滞留すること
がなくなったので、電気ヒータの過熱による断線などの
損傷や、燃焼室壁の過熱による変形、損傷などの不都合
が回避された。また、未燃焼のパティキュレートを含む
灰などの固体粒子を時々パティキュレートトラップから
取り出すメンテナンスが不要で、しかも複数のセラミッ
クスフィルタから１つの燃焼室にパティキュレートを集
めて焼却することも可能であり、パティキュレートトラ
ップ全体の小型化も可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるディーゼル機関用パティキュレー
トトラップの一例の概要を示す側面断面図。

【図２】図１の燃焼器より下流の平面断面図。

【図３】本発明によるパティキュレートトラップの燃焼
室中に挿入される案内フィン付きシース電気ヒータの一
例の平面図。

【図４】従来の技術によるディーゼル機関用パティキュ
レートトラップの一例の概要を示す断面図。

【符号の説明】

１：燃焼室 ２、９：導入管 ３：出口管 ４：電気ヒータ ５：断熱材 ６：圧縮空気のノズル ７：パティキュレート再捕集部 ８、１２、２４、２９：電磁弁 １０：電磁仕切弁 １１：均圧室 １３：絞り弁 １４：セラミックスフィルタ １５：ケーシング １６：シール材 １７：シース電気ヒータ １８：案内フィン １９：端子箱 ２０：導入口 ２１：清浄ガス流路 ２２：含塵ガス流路 ２３：逆洗ノズル ２５：圧縮空気タンク ２６：排気管 ２７：バタフライ弁 ２８：オリフィス板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガス中のパティキュレートをセラミッ
   クスフィルタにより捕捉し、捕捉したパティキュレート
   を逆洗によりセラミックスフィルタから離脱せしめ、離
   脱したパティキュレートを一部分の排気ガスの流れにの
   せて電気ヒータを備える燃焼室に移し、燃焼室中でパテ
   ィキュレートを焼却するパティキュレートトラップであ
   って、該燃焼室が円筒状の耐熱鋼からなり、電気ヒータ
   が円筒状の耐熱鋼の外周に配設され、該燃焼室の入口付
   近にパティキュレート焼却用の空気の注入口を有し、該
   燃焼室中には排気ガスと空気の混合ガス流に旋回を与え
   る手段を備え、混合ガス流が燃焼室中で旋回しつつパテ
   ィキュレートが焼却されることを特徴とするディーゼル
   機関用パティキュレートトラップ。
2. 【請求項２】燃焼室に送られる排気ガスがパティキュレ
   ートトラップに導入される排気ガスの０．５〜３％であ
   る請求項１に記載のディーゼル機関用パティキュレート
   トラップ。
3. 【請求項３】混合ガスに旋回流を与える手段として螺旋
   状の案内フィンが備えられている請求項１または２に記
   載のディーゼル機関用パティキュレートトラップ。
4. 【請求項４】該燃焼室の軸心付近にシース電気ヒータが
   備えられている請求項１〜３のいずれか１つに記載のデ
   ィーゼル機関用パティキュレートトラップ。