JP2005195010A - 排出ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガスとフィルタが接する有効面積或いは距離、更には管体の総断面積に対して実際に排ガスが流れる実効断面積を十分確保可能なほか、排ガス処理時間を短縮し、排ガス処理量を増やすことが可能な排出ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の排出ガス浄化装置１で、エキゾーストパイプ４１からの排ガスを排ガス処理室２内に備えられたフィルタＦで処理した後テールパイプ４２から排出するものであって、エキゾーストパイプとフィルタの間に接続され、エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが処理室の外周方向に回転し乍らフィルタへ向かって行く様構成された偏向器１０を有するもの、或いは上記の基本構成を有する排出ガス浄化装置１であって、フィルタとテールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどＴを有する絞り部８を備えるものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関からの排出ガス浄化装置に関する。

特開２００２−２２１０２３号公報 特開２００２−４７９１５号公報 実用新案登録第３０３３５７９号公報

内燃機関からの排出ガスの浄化装置、例えばディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）等については、地球環境保護対策の一環として従来よりも更にその開発が盛んなものとなっている。
ここで、排出ガス浄化装置というものは、円筒或いは角柱状の管体からなる本体内に、ＰＭ（粒子状物質）その他の排ガス内物質を捕集する為に金属やセラミック等で出来た捕集手段（フィルタ）、或いは更に触媒その他の付帯設備が格納されたものを言い、これに内燃機関からエキゾーストパイプを介して来る排ガスを導いて通過させ、処理済みのガスをテールパイプを通じて外部に放出するものである。

従来知られた排出ガス浄化装置の場合、エキゾーストパイプを伝って来る排ガスは、フィルタが納められた管体内へ直接導かれていたり、或いは排ガスの入口（ＩＮ側）で一旦排ガスを拡散板に当てて拡散させ、管体の断面領域全体に対して排ガスが入って行く様企図されていたが、作動流体即ち排ガスの流速は、流体摩擦その他の影響により、管体内壁面に比べて管体の中心軸周りの方が速くなる性質上、フィルタが納められた管体内へ排ガスを直接導く場合のほか、唯単に拡散させるだけでは結局フィルタ内で直ぐに排ガスが管体の中心軸周りに集まってしまうことになり、折角、管体の断面領域全体にフィルタが設けられているにも関わらず、排ガスとフィルタが接する有効面積、距離が少ないものとなってしまう、即ち管体の総断面積に対し実際に排ガスが流れる実効断面積が小さいという問題があった。

また、この種排出ガス浄化装置内部に格納されるフィルタは、ＰＭ（粒子状物質）その他の排ガス内物質を捕集する必要上、所謂目が詰まった態様で形成されていることが多く、唯でさえ通過時間が長く掛かる上、処理量を増大させるには断面積を増やす為管体自体を大径化したり、管体を複数本並列配置し、エキゾーストパイプから来る排ガスをこれらに分配して導いて処理する他に無く、小型化、軽量化が難しいという課題があった。

従って本発明は、排ガスとフィルタが接する有効面積或いは距離、更には管体の総断面積に対して実際に排ガスが流れる実効断面積を十分確保出来る排出ガス浄化装置を提供することを課題とする。

又本発明は、排ガス処理時間を短縮し、排ガス処理量を増やすことが可能な排出ガス浄化装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、
ｉ） 流体摩擦即ち、粘性のある流体（実在する流体には全て粘性がある）が流路中を流れる場合には固体表面と流体間には流体の粘性に基づくせん断力が働き、粘性のある流体が固体の表面に沿って流れる場合、固体表面に密接した部分の流体は、固体に密着して速度は零となり、固体表面から離れるに従って速度が増す現象に着目し、管体の中心軸付近を流れる排ガスが管体内壁付近を流れるものよりも高い流速をもって流れて行く点に留意しつつ、排ガスを管体の断面領域全体に何らかの方法で強制的に導入することが出来れば、排ガスとフィルタが接する有効面積、距離を増やし、管体の総断面積に対して実際に排ガスが流れる実効断面積を大きくすることが可能なこと、を見い出したほか、
ｉｉ） フィルタ後段に当たる排ガスの出口（ＯＵＴ側）にベンチュリー管同様の絞り部分を設け、そののど部下流側近傍域に出来る静圧の低い領域（負圧）に流れが吸い込まれることによって排ガスの流速が速くなる様構成すると共に、更にその負圧を利用してフィルタのＯＵＴ側端まで管体内壁近くを流れて来た排ガスを吸い出した上、のど部を通過して流速の速まった排ガスの流れに乗せる様構成することが出来れば、フィルタのＯＵＴ側端付近の領域についても、管体の断面領域全体に排ガスを行き渡らせることが可能となり、排ガスとフィルタが接する有効面積、距離、或いは管体の総断面積に対し実際に排ガスが流れる実効断面積を増やすことができることに加えて、結果として排ガス流速を管体の断面領域全体にわたって高めて処理時間を短縮し、排ガス処理能力を高めることが可能なこと、をも見い出して、本発明を完成した。

上記課題を解決可能な本発明の排出ガス浄化装置は、内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと、内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、テールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、前記エキゾーストパイプと前記フィルタの間に接続され、前記エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが前記処理室の外周方向に回転しながら前記フィルタへ向かって行く様構成された偏向器を有することを特徴とするものである。

又本発明の排出ガス浄化装置は、エキゾーストパイプと、内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、テールパイプが連結された基本構成を有するものであって、前記フィルタと前記テールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどを有する絞り部が備えられていることを特徴とするものである。

その他本発明の排出ガス浄化装置は、内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと排ガス処理室とテールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、前記エキゾーストパイプと前記フィルタの間に接続され、前記エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが前記処理室の外周方向に回転しながら前記フィルタへ向かって行く様構成された偏向器と、前記フィルタの後段に備えられ、前記排ガスを前記テールパイプに向けて収束させる様、前記テールパイプ側へ向かって漏斗状に先細に形成された隔壁と、前記隔壁と前記テールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどを有する絞り部と、前記隔壁の後段に備えられ、少なくとも前記隔壁と前記絞り部に囲まれて規定された空洞と、前記処理室から前記空洞へ前記排ガスが放出されるよう前記隔壁に設けられた第１の通気口と、前記空洞へ放出された前記排ガスを前記テールパイプを通じて外部に放出すべく、前記絞り部において、前記のどよりも下流側に設けられた第２の通気口と、からなることを特徴とするものである。
後記実施例にて説明する通り、上記フィルタは、前記排ガス処理室内において、セラミック触媒フィルタと金属触媒フィルタとが、エキゾーストパイプ側から順にテールパイプ側に向かって夫々複数個、互い違いに設置されたものが好適である。

尚本明細書では、排ガスがＩＮ側からＯＵＴ側に向かって流れる様子を、上流側から下流側に向かって流れる、と言うこともある。また、ある構成要素よりもＩＮ側に設けることを、ある構成要素よりも「前段に」設けると言うこともあれば、反対に、ある構成要素よりもＯＵＴ側に設けることを、ある構成要素よりも「後段に」設ける、と言うこともある。更に、本明細書に言う粘性とは作動流体である排ガスをずれ応力にさらしたときに受ける抵抗をいう。

本発明によれば、排出ガス浄化装置に備えられたフィルタの前段（ＩＮ側）では、排ガスが管体の中心軸周りに渦を描きながらフィルタ内に進んで行く様構成されているので管体の断面領域全体に排ガスを拡散させ、排ガスとフィルタが接する有効面積或いは距離、更には管体の総断面積に対して実際に排ガスが流れる実効断面積を増やすことが出来る上、後段（ＯＵＴ側）では、後記の通りリアカバー６内に、隔壁７と絞り部８、及びこれらにより規定される空洞Ｃ、並びに空洞Ｃへの通気を可能ならしめる穴（第１及び第２の通気口；７２，８２）からなる構成を設けることで、結果として排ガス流速を管体の断面領域全体にわたって高めて処理時間を短縮し、排ガス処理量を増やすことができる様構成されているので、装置の排ガス処理能力を向上させつつ、装置の小型化、軽量化をも達成することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。

発明を実施するための形態

［第１形態］
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一態様に付き説明する。図１は本発明の排出ガス浄化装置の一形態を正面側から見た中央縦断面図である。図２はＩＮ側に設けられた偏向スペーサ（偏向器）を表わした図であり、ＡはこれをＩＮ側から見た図、Ｂはこれを正面側から見た図である。図３は図１に示す装置をＯＵＴ側より見た図である。図４はＯＵＴ側に設けられた隔壁を表わした図であり、ＡはこれをＯＵＴ側から見た図、Ｂはこれを正面側から見た図である。図５はリアカバーを正面側から見た中央縦断面図、図６は絞り部を正面側から見た中央縦断面図、図７はＯＵＴ側における排ガスの流れを表わした図である。図８は偏向スペーサの別の構成例を表わした図であり、ＡはこれをＩＮ側から見た図、Ｂはこれを正面側から見た図である。

［構成］
図１から明らかな様に本例に係る排出ガス浄化装置１は、円筒状の外筒３内部にある、フィルタＦその他が格納された内筒２（排ガス処理室）に、そのＩＮ側端にはフロントカバー５が、ＯＵＴ側端にはリアカバー６が、それぞれ蓋の如き態様で、ボルト９を用いて接続されたものである。
フィルタＦに関し、本例では、例えば特開２００３−２３２２１４号公報に示される様な、波形又は凹凸状の山部又は谷部に突出部を周縁に持つ貫通孔が多数穿設された帯状の金属薄板からなる金属フィルタをロール状に巻いて構成したものを、内筒２内において複数段（３〜５段）カスケード（縦続）に装備して用いている（図１並びに後記図９及び図１０参照）。尚本例でフィルタＦとして用いる金属フィルタは、排ガス内物質の捕集機能のみに限らず、排ガスが貫通孔周辺に設けられた突出部の各突起に衝突しながら適宜フィルタ内を回遊して行くことでその衝撃波を弱める働きをすることから、消音器としての機能をも有するものである。内筒２内に収容されるフィルタＦその他の詳細は、後記実施例１にて説明する。

図１に示すように、筒Ｓは二重管構造になっており、内筒２と外筒３とからなっている。同様にフロントカバー５及びリアカバー６についても、内壁５１或いは周壁６１はテーパをもって形成されているものの、構成としては単体或いは内筒２中に組み込まれた状態では二重管構造になっており、酸素過多等の予期しない状況下で内筒２他が破裂等した際の安全性を確保している。内筒２の内径は、本例では１５０ｍｍ〜３００ｍｍ程度のものとされる。
ここで、本例における各構成要素については、フロントカバー５、内管２及びリアカバー６は内部に排ガスを通す性質上、耐熱及び耐酸性能を特に有する厚さｔ＝１．５ｍｍのステンレススチールから、外管３は耐熱性能を特に有する厚さｔ＝２．０ｍｍのステンレススチールからなっている。絞り部８は、鉄又はステンレススチールからなっている。

図１に示すフロントカバー５は、内管２内径と実質上同径に形成された円筒状の外周壁５３と、そのＩＮ側に蓋の如き態様で設けられる端部壁５２の他、テーパをもって形成された内壁５１と第１の端壁３１とからなっている。フロントカバー５の内壁５１は漏斗状をなしており、そのＩＮ側はエキゾーストパイプ４１と実質上同径に、そしてＯＵＴ側は内管２内径と実質上同径に形成され、直径の異なるエキゾーストパイプ４１と偏向スペーサ１０の間をそれぞれ繋いでいる。本例において、第１の端壁３１は円環状をなしており、中央部に開けられた孔部内径は、偏向スペーサ１０の外径に実質上一致させてある。図１に示す様に、フロントカバー５の内壁５１のＩＮ側端には、端部壁５２を貫いて伸びるエキゾーストパイプ４１が接続され、ＯＵＴ側端には図２の偏向スペーサ１０が外周壁５３内に収まる様に設置されている。

図１に示す通り、フロントカバー５の内壁５１のＯＵＴ側端と第１の端壁３１との間には、偏向スペーサ（偏向器）１０が接続されている。図２ＡにこれをＩＮ側から見た図、又図２Ｂにこれを正面側から見た図を示す。偏向スペーサ１０は、エキゾーストパイプ４１から入ってきた排ガスを、羽根１２の配置に沿って偏向させ、内筒２円周方向に回転する渦流を形成する様機能する。従って、内筒２内のフィルタＦには、内筒２円周方向に回転しながら進む排ガスが入力されるかたちになっている（図２Ｂ参照）。本例では、エキゾーストパイプ４１から入ってきた排ガスが時計回りに回転しながらフィルタＦ内に進んで行く様、各羽根１２のＩＮ側端１２１及びＯＵＴ側端１２２の配置やその角度が調節されている。本例では、羽根１２は内筒の中心軸方向よりθ＝３０°の傾きをもって取り付けられている。
又本例では、羽根１２により流れを変えられた排ガスは、フィルタＦ内に入ると、金属フィルタに穿設された貫通孔周辺に設けられた突出部の各突起に適宜衝突して乱流を発生させながら、フィルタＦ内を逐次ＯＵＴ側に向けて流れる様になっている。

図３にＯＵＴ側から見た様子、そして図５に正面側から見た中央縦断面図が示されているリアカバー６は、テーパをもって形成された周壁６１と、第２の端壁３２と、第２の端壁３２からＩＮ側に向かって伸び、丁度２つの円錐を背中合わせにした様な態をなしている絞り部８とからなっている。リアカバー６の周壁６１は漏斗状をなしており、そのＩＮ側は内管２内径と実質上同径に、そしてＯＵＴ側はテールパイプ４２と実質上同径に形成され、直径の異なる内筒２とテールパイプ４２の間をそれぞれ繋いでいる。図１及び図７から明らかな通り、図５に示すリアカバー６の周壁６１のＩＮ側端には図４の隔壁７が設置され、ＯＵＴ側端にはフランジ６２を介してテールパイプ４２が取り付けられる。隔壁７については、図４ＡにＯＵＴ側から見た図を、図４Ｂに正面側から見た図を示す。又図３に示す様に、リアカバー６のＯＵＴ側端には、取付穴が形成されたフランジ６２が設けられており、テールパイプ４２を接続できる様になっている。

図１、４及び７に示す通り、フロントカバー５の内壁５１やリアカバー６の周壁６１同様、内筒２のＯＵＴ側に設置される隔壁７も、漏斗状即ちテーパをもって形成されており、それぞれ径の異なる内筒２の内壁と絞り部８のＩＮ側端に接続されている。
即ち、隔壁７の表面７１のＩＮ側端は、リアカバー６の周壁６１のＩＮ側端と接している。反対に隔壁７の表面７１のＯＵＴ側端は、絞り部８のＩＮ側端に接続される。
従って、図１又は図７に示す通り、リアカバー６内部には、リアカバー６の周壁６１と、隔壁７の表面７１と、絞り部８の外側表面に囲まれた中空環状の空洞部Ｃが形成されることとなる。又隔壁７の表面７１と、絞り部８ののどＴよりも下流側の壁にはそれぞれ、前記フィルタ側から空洞内へ排ガスが放出される様に、或いは空洞へ放出されたその排ガスをテールパイプを通じて外部に放出するべく、第１及び第２の通気口（穴７２及び８２）が設けられている（図４〜図７参照）。

図１、図５、図６Ａ及び図７に示す様に絞り部８は、中央が細くくびれた管であって、２つのテーパーをもったパイプの間に断面積が外側よりも小さなのどＴを有している。作動流体即ち排ガスは、こののどＴの近傍域で圧力が最小、速度は最大となり、続く下流の断面積拡大部分で運動エネルギーが回復する様になっている。
尚、絞り部８ののどＴ内径とフランジ部６２付近周りの内径の比率は、本例では６０ｍｍ：１００ｍｍ、又は８０ｍｍ：１２０ｍｍとしてある。

［使用状態］
以下では、本発明の排出ガス浄化装置によって排ガスが処理される様子に付き説明する。エキゾーストパイプ４１を通じて内燃機関側から伝わる排ガスは、フロントカバー５及びフロントカバー５のＯＵＴ側端に設けられた偏向スペーサ１０を通って内筒２内のフィルタＦ他に入って行き、フィルタＦ他による排ガス内物質の捕集処理又は消音処理を受けた後、処理済みのガスは、リアカバー６内の隔壁７及び絞り部８、或いは更に空洞Ｃを通って、リアカバー６のフランジ６２に接続されたテールパイプ４２側へと排出される。

はじめに、排出ガス浄化装置１のＩＮ側では、内管２よりも小径のエキゾーストパイプ４１を通って流れ込んで来た排ガスを、羽根１２を用いて偏向させることで流れを変え、排ガスがフィルタＦの断面領域全体に均一に行き渡る様にして排ガスとフィルタの接する有効面積・距離を増やして排ガス内物質の捕集能力を確保する。

フィルタＦ内では、内管２の中心軸付近を流れる排ガスは、元々内管２内壁付近を流れるものよりも高い流速をもって流れて行く上、ＯＵＴ側に設けられた絞り部８で更に加速されるほか、ＯＵＴ側まで内管２内壁付近を流れて来た排ガスについても、隔壁表面７１に開けられた穴７２を通じて空洞Ｃ内に流入したものについては、内筒２のＯＵＴ側端に設けた絞り部８ののどＴより下流側において排ガス流速に応じて発生する負圧によって、絞り部８ののどＴよりも下流側の外周部に設けられた穴８２から吸い出されてテールパイプ側に排出される。即ち、空洞Ｃ内に流入した排ガスは、絞り部８ののどＴを通過して流速が速くなった流れに引張られる様なかたちで、のどＴ下流側に吸い出される。

次に、排出ガス浄化装置１のＯＵＴ側周りにおける排ガスの詳細な振る舞いに付き説明する。
絞り部８では、その入り口から流路の断面がしだいに細くなるにつれて、排ガスの流速は増し、のどＴの下流側近傍域において流速（流量）に見合った負圧が発生することとなる。本発明はこの、のどＴの下流側近傍域に出来る静圧の低い領域に流れが吸い込まれることによって作動流体の流速が速まる性質を利用している。

又本例では、隔壁７の表面７１に、円周方向に穴７２を設け、隔壁７の表面７１と、リアカバー６の周壁６１と、絞り部８に囲まれてできた空洞Ｃ内に排ガスを導き、これを絞り部８ののどＴ下流に設けられた穴８２から排出即ち、上記のどＴの下流側近傍域において発生する負圧を利用して空洞Ｃから排ガスを吸い出した上、のどＴを通過して流速の速まった排ガスの流れに乗せる様構成している。上記の作動原理については、内燃機関用の公知の吸い出しジェット式キャブレターと同様なものと考えて良い。

［第２形態］
又別の態様として、図６Ｂ及び図７Ｂに示す様に、絞り部８の後側に、絞り部内径と同じ外形を有する円筒形の直管１５を絞り部８中央部から第２の端壁３２付近まで伸ばしておくことで、隔壁７表面７１に開けられた穴７２を通じて空洞部Ｃに流入した排ガスをより効率的に吸い出して行くことが出来た。
その他、ＩＮ側に関しても、図８に示す様に、偏向スペーサ１０のＩＮ側端に、適宜寸法、例えばエキゾーストパイプ４１内径より大径の衝突板１４を追加することで、エキゾーストパイプ４１から流入した排ガスをより効果的に内筒２の断面領域全体に拡散させることが出来た。

［構成］
図９に示す様に、上記各構成要素からなる装置の円筒２内に、以下に例示する公知のセラミック触媒フィルタ及び金属触媒フィルタを組合わせて設置することで、良好な排出ガス浄化性能を得ることが出来た。即ち、内筒２内に備えられるフィルタＦの好適な一構成例として、エキゾーストパイプ４１側に配置されたセラミック触媒フィルタＡｃの後段に金属触媒フィルタＡｍが配置され、更にこれら２種のフィルタの組合せが複数段、カスケードに設置されたものが挙げられる。以下、この一実施例に付き説明する。
尚セラミック触媒フィルタ及び金属触媒フィルタの作用には、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を触媒反応により低減すると共に、ＮＯ_２の生成を図りＰＭを酸化処理する点等が挙げられる。この他、金属触媒フィルタには更に、ＰＭを捕集し、酸化させる等の作用がある。

本実施例では、図９に示す通り、上記の通り排出ガスの組成変化をもたらすセラミック触媒フィルタをＩＮ側に配置すると共に、やはり上記の通りＰＭを捕集し、酸化させる役割を持つ金属触媒フィルタをその次段に配置し、さらに、この組合せを装着車両のエンジン排気量に合わせて３〜５段（図９に示す例では４段）カスケードに設置する構成とした。尚本実施例では、内筒２内で交互に配置される上記セラミック触媒フィルタと金属触媒フィルタとの間には夫々、適宜数ｍｍ〜４０ｍｍ程度の任意の大きさの空隙Ｖが設けられている。

次に、上記セラミック触媒フィルタ及び金属触媒フィルタに付き夫々説明する。
まず、セラミック触媒フィルタに関し説明すると、これは、セラミックからなる円柱状体であって、軸方向に多数の貫通孔が形成されているものに触媒物質がコーティングされたものである。貫通孔形状は、例えば角穴形状或いはハニカム形状のものとされる。
この種金属触媒フィルタについては既に公知であるが、具体的な構成例としては、本体表面にアルミナ等からなる中間層を形成し、その上に排ガス成分と反応する触媒物質を担持させたもの等が挙げられる。
触媒物質に関しては、自動車排気ガスの処理に好適なもの、例えば白金、パラジウム、ロジウム等或いはこれらの合金等の触媒活性金属種が選ばれる。又この触媒には例えば、炭化水素及び一酸化炭素等の物質と酸化反応をするほか、ＮＯ還元反応を行うような物質が選ばれる。このほか、反応を開始する温度等、詳細に関しては触媒物質によって種々変化するが、一例によればＬＯＴ（５０％以上の浄化反応開始温度）がＣＯに対しては１１０〜１３０℃前後、ＨＣに対しては１７０〜１８０℃前後のものが選ばれる。

他方、金属触媒フィルタに関し説明すると、これは、図１０に概要が示されている金属フィルタの表面に触媒物質を担持させたものである。この種金属触媒フィルタについては既に公知であるが、具体的な構成例としては、担持母体となる金属フィルタの表面に形成された酸化アルミニウムや酸化ケイ素等、表面積の大きな多孔質物質（担体）上に上記触媒活性金属種を分散させて触媒層を形成したもの等が挙げられる。
金属フィルタ自体の構成については上記した通りである。即ち、これは図１０Ａ及びＢに示す通り、波形又は凹凸状の山部又は谷部に突出部Ｒ（各突起Ｒ１〜Ｒ４）を周縁に持つ貫通孔Ｈａ，Ｈｂが多数穿設された帯状の金属薄板がロール状に巻回されて一単位が構成されるものである。本実施例の金属フィルタは、上記形状からなる金属薄板単板を巻回して構成されたもののほか、図１０Ｃ〜Ｅに示す様に、波型のピッチＰ_Ｌや突出部Ｒの各突起Ｒ１〜Ｒ４の突出方向や形状が種々異なる金属薄板を重ね合わせ、これら複数枚の金属薄板を同時に巻回して構成されたものである。尚上記金属薄板は、厚さ数μｍ〜１００μｍ程度、幅３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度のものとされる。又、巻回済みの金属フィルタの直径は、内管２の内径に合わせられる（１５０〜３００ｍｍ程度）。
触媒物質に関しては、自動車排気ガスの処理に好適なもの、例えば酸化チタン、或いはこれと白金との合金等の触媒活性金属種が選ばれる。この触媒は、例えば炭素、炭化水素、及び一酸化炭素等の物質と酸化反応をする物質が選ばれる。このほか、反応を開始する温度等、詳細に関しては触媒物質によって種々変化するが、一例によれば２００℃以上で反応を開始するものが選ばれる。
このような構成からなる金属触媒フィルタは、排気ガスの酸化処理と排気ガス中のＰＭの捕集がフィルタ全体で均一に行えるものである。一例によれば、金属触媒フィルタ一巻での捕集能力は、２００ｍｍ径のもので５０ｇ程度、２５０ｍｍ径のもので７５ｇ程度である。

［使用状態］
図９に示す通り、最初にエキゾーストパイプ４１から流れて来た排気ガスは、衝突板１４、及び羽根１２からなる偏向スペーサ１０を通過した後、内筒２内に配置された、ＩＮ側端から見て１段目にあるセラミック触媒フィルタＡｃに流入する。内筒２では、まずセラミック触媒フィルタＡｃで排気ガスを酸化反応によって処理するほか、次段の金属触媒フィルタＡｍで、流入した排気ガスの酸化処理を再び行うと共に、排気ガス中のＰＭの捕集を行う。
本実施例では、セラミック触媒フィルタＡｃの反応開始温度と金属触媒フィルタＡｍの反応開始温度に差があることに着目し、反応開始温度の低いセラミック触媒フィルタＡｃを前段に配置することにより、酸化反応による発熱を利用して内筒２内の排気温度を保持し、それによって反応開始温度の高い金属触媒フィルタＡｍでの酸化反応を促す構成としている。更に本実施例では、上記セラミック触媒フィルタＡｃと金属触媒フィルタＡｍとの組合せを複数段、カスケードに設置する構成としている。上のようにして、本実施例では内筒２内の排気温度低下を抑え、触媒作用の低下を防止している。
従って本実施例によれば、セラミック触媒フィルタＡｃと金属触媒フィルタＡｍとを組合わせることで、低温域からの排気ガスの酸化反応が実現できる上、排気ガス中のＰＭの捕集と排気ガスの酸化反応を効率良く行うことが出来る、所謂連続再生型触媒マフラーを得ることが可能となる。さらに、本実施例装置の構成では、内筒２内のＯＵＴ側端に配置された金属触媒フィルタＡｍから出た排出ガスは、絞り部８を通過することによって速い流速でテールパイプ４２へと送り出されるので、所謂背圧の上昇をも抑えることが可能となる。

本実施例の実機を排気量１１Ｌ程度のディーゼルエンジン車両に装着して所謂ディーゼル１３モード試験を実施した結果、装着前と比較して、６０％を超えるＰＭ除去効果（ＰＭ低減率）が得られた。このほか、ＣＯやＨＣの排出量も、装着前と比較して著しく減少しており、触媒が有効に作用していることが確認された。試験条件その他については、表１に列記する通りである。

その他、本実施例の実機を適宜車両に装着して走行試験を行なった結果、排出ガス浄化装置１のＯＵＴ側の排気温度が、試験期間及び区間全領域で装置１のＩＮ側よりも高く、即ち排気温度が装置１の前後で逆転しており、ノーマル時より内部で温度が上がっている事が確認された。これは、触媒の作用により排気温度の保持が良好に行われていることのほか、排ガス処理室が二重管構造になっているので、内筒２内における排気温度の保持が良好に行われることが寄与しているものと考えられる。又このことから、装置１の装着前に比べてエンジンを始動した直後から触媒の反応開始温度に至る迄の時間が短縮されると共に、一度上昇した排気温度が下がりにくくなり、高速走行ののち低速走行に移行した後も高温を保持し広い領域で確実に触媒による酸化処理反応が行われていることが明らかとなった。

この様に、従来知られた排出ガス浄化装置の場合、排ガスは管体の中心軸周りに集中した儘下流側へと流れて行ってしまうので、折角、管体の断面領域全体にフィルタが設けられているにも関わらず、排ガスとフィルタが接する有効面積・距離が少なく、管体の総断面積に対し実際に排ガスが流れる実効断面積が小さいという問題があったところ、本発明によれば、金属フィルタ及びこれと触媒の組み合わせ等からなるフィルタＦが収容された排出ガス浄化装置１の内筒２の前段（ＩＮ側）に偏向板に相当する羽根１２を備えて排ガスの流れを変え、排ガスが渦を描きながらフィルタＦ内へ入る様にすることで、管体の断面領域全体に排ガスを拡散させ、排ガスとフィルタが接する有効面積或いは距離、更には管体の総断面積に対して実際に排ガスが流れる実効断面積を十分確保することができる。

又従来であれば、フィルタＦのＯＵＴ側端付近の領域については、テールパイプへ排ガスが収束する必要上、管体の断面領域全体に排ガスを行き渡らせることは困難であり、管体の総断面積に対し実際に排ガスが流れる実効断面積が小さく、排ガスとフィルタが接する有効面積、距離が少ないものとなってしまっていた。ところが、本発明によれば、フィルタＦのＯＵＴ側にある隔壁７の後段に、排ガス流速を高める働きをする絞り部８を設置することに加え、隔壁７の表面７１に、円周方向に穴７２を設け、空洞Ｃに排ガスを導き、これを絞り部８ののどＴ下流に設けられた穴８２から排出する、即ち絞り部８をベンチュリー管同様に構成し、そののどＴの下流側近傍域に出来る静圧の低い領域（負圧）に流れが吸い込まれることによって排ガスの流速が速くなる様構成すると共に、その負圧を利用して空洞Ｃから排ガスを吸い出した上、のどＴを通過して流速の速まった排ガスの流れに乗せる様構成することで、フィルタＦのＯＵＴ側端付近の領域についても、管体の断面領域全体に排ガスを行き渡らせることが可能となり、排ガスとフィルタが接する有効面積、距離、或いは管体の総断面積に対し実際に排ガスが流れる実効断面積を増やすことができる。金属フィルタと同様に、空洞Ｃには消音器としての効果も期待し得る。

更に、フィルタＦのＯＵＴ側のリアカバー６内に、隔壁７と絞り部８、及びこれらにより規定される空洞Ｃ、並びに空洞Ｃへの通気を可能ならしめる穴（７２，８２）からなる構成を設けることで、結果として排ガス流速を管体の断面領域全体にわたって高めて処理時間を短縮し、排ガス処理量を増やすことができる様になっているので、処理量を増やしつつも、装置の小型化、軽量化を達成することができる。
又排ガス流速が管体の断面領域全体にわたって高くなることから、排出ガス浄化装置１を通過する排ガスの抜けが良くなり、排ガス内物質の捕集性能や消音性能を犠牲にすることなくフィルタＦが詰まるのを抑制出来るほか、排出ガス浄化装置のＩＮ側とＯＵＴ側との差圧を少なく出来、排気系の圧力損失低減を図ることも出来る。

その他、従来知られた排出ガス浄化装置では構造上、排ガス処理能力を増やすには装置全体を大型化していた他、フィルタが詰まって装置自身が破裂してしまうのを防止する必要上、フィルタに付着した物質を燃焼処理するためのヒータ装置を設けたり、或いはその前に警告を出すための排気圧センサを設けたりしていたが、本発明によればＰＭ等の排ガス内物質を捕集する性能を犠牲にすることなく排ガス流速を高めることが出来る上、装置一基当りの排ガス処理量を増やすことが出来るので、大型内燃機関にも対応可能な他、定期的又は不定期にフィルタ交換等のメンテナンスをする必要が無く、信頼性に富んだ排出ガス浄化装置を提供することが可能となる。

［変形例］
尚本発明は上記各例に限定されず、種々の設計事項の変更が可能である。
例えば、外管３と内管２で構成される筒Ｓや、これに接続されるフロントカバー５やリアカバー６、更にこれらに内蔵される偏向スペーサ１０、隔壁７又は絞り部８の外形或いは内側断面の形状は、円形断面に限らず、楕円形や種々の多角形状をなすものとして構わない。偏向スペーサ１０或いはこれを構成する羽根１２や衝突版１４の配置位置に関しても、図１に示す通りフロントカバー５の内壁５１のＯＵＴ側端に限られず、図９に示す通り上記内壁５１のＩＮ側端であっても良い。排出ガス浄化装置１のＩＮ側又はＯＵＴ側には、エキゾーストパイプ４１又はテールパイプ４２を、１本に限らず複数本接続しても構わないほか、逆に１本のエキゾーストパイプ４１又はテールパイプ４２から、複数の排出ガス浄化装置１にそれぞれ分岐して接続された状態であっても排ガスの処理機能を発揮し得ることは言うまでもない。

又内筒２内には、上記各例に係る金属フィルタをロール状に巻いて構成したものだけを順次カスケードに接続して備えても良いし、ＩＮ側に、表面に触媒加工を施した金属フィルタからなるフィルタアセンブリをまず設置し、その後段に上記各例に係る金属フィルタからなるフィルタアセンブリを縦続接続したものを備えても良いほか、ＩＮ側に触媒物質を担持した適宜構造体（セラミックフィルタ等）を設置し、次段以降に上記各例に係る金属フィルタからなるフィルタアセンブリを縦続接続したものを備えても良い。

さらに、上記実施例では、内筒２内に備えられるフィルタＦの好適な一構成例として、エキゾーストパイプ４１側に配置されたセラミック触媒フィルタＡｃの後段に金属触媒フィルタＡｍが配置され、更にこれら２種のフィルタの組合せが複数段、カスケードに設置されたものに付き説明したが、交互に配置されるセラミック触媒フィルタＡｃと金属触媒フィルタＡｍの順序を逆にしても十分、排出ガス浄化性能を発揮し得る。これら２種のフィルタの組合せをカスケードに設置する段数に関しても、上記実施例で挙げた数に特に限定されない。
さらに、内筒２のＩＮ側半分にセラミック触媒フィルタＡｃを設置し、残りのＯＵＴ側半分に金属触媒フィルタＡｍを設置する態様、或いはその逆の態様としても構わない。
要するに、内筒２内に設置されるフィルタＦに関しては、特に限定無く従来知られた種々のものを用いることが可能である。

従ってフィルタの種類についても、上記各例に係る金属フィルタや従来知られた金属フィルタ（特許文献１，２参照）に限定されず、公知のセラミックフィルタ、ハニカムフィルタや公知のコロナ放電現象を使用した電気式フィルタ（特許文献３参照）等を使用し得る事は言うまでもなく、また金属フィルタの材質も、上記ステンレス材料に限定されず、アルミニウムその他の金属を含有するものであっても構わない。

偏向スペーサ１０に設置された各羽根１２の数や取り付け角度θ、或いはそのＩＮ側端１２１及びＯＵＴ側端１２２の形状や設置の仕方、更に衝突板１４の外径等についても、上記のものに限定されず、適宜調節の上、種々の態様のものを選択し得る。
図５他に示す絞り部８ののどＴ内径とフランジ部６２付近周りの内径の比率についても、上記の値に限定されない。
排出ガスの浄化装置１の適用対象も、ディーゼルエンジンに何ら限定されず、種々の内燃機関に対して適用できることは言うまでもない。

本発明の排出ガス浄化装置の一形態を正面側から見た中央縦断面図である。 ＩＮ側に設けられた偏向スペーサを表わした図である。 図１に示す装置をＯＵＴ側より見た図である。 ＯＵＴ側に設けられた隔壁を表わした図である。 リアカバーを正面側から見た中央縦断面図である。 絞り部を正面側から見た中央縦断面図である。 ＯＵＴ側における排ガスの流れを表わした図である。 偏向スペーサの別の構成例を表わした図である。 本発明装置の一実施例を示す構造図である。 金属フィルタの一例を示した図である。

符号の説明

Ａｃ セラミック触媒フィルタ
Ａｍ 金属触媒フィルタ
Ｃ 空洞部
Ｆ フィルタ
Ｈａ，Ｈｂ 孔
Ｒ 突出部
Ｒ１〜Ｒ４ 突起
Ｓ 筒
Ｔ のど
Ｖ 空隙
１ 排出ガス浄化装置
２ 内筒
３ 外筒
５ フロントカバー
６ リアカバー
７ 隔壁
８ 絞り部
９ ボルト
１０ 偏向スペーサ
１１ 外周部
１２ 羽根
１３ 穴
１４ 衝突板
１５ 直管
３１ 第１の端壁
３２ 第２の端壁
４１ エキゾーストパイプ
４２ テールパイプ
５１ 内壁
５２ 端部壁
５３ 外周壁
６１ 周壁
６２ フランジ
７１ 表面
７２ 穴
８２ 穴
１２１ ＩＮ側端
１２２ ＯＵＴ側端

Claims (7)

1. 内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと、内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、テールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、
   前記エキゾーストパイプと前記フィルタの間に接続され、前記エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが前記処理室の外周方向に回転しながら前記フィルタへ向かって行く様構成された偏向器を有することを特徴とする排出ガス浄化装置。
2. 内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと、内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、テールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、
   前記フィルタと前記テールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどを有する絞り部が備えられていることを特徴とする排出ガス浄化装置。
3. 内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと排ガス処理室とテールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、
   内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、
   前記フィルタの後段に備えられ、前記排ガスを前記テールパイプに向けて収束させる様、前記テールパイプ側へ向かって漏斗状に先細に形成された隔壁と、
   前記隔壁と前記テールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどを有する絞り部と、
   前記隔壁の後段に備えられ、少なくとも前記隔壁と前記絞り部に囲まれて規定された空洞と、
   前記処理室から前記空洞へ前記排ガスが放出されるよう前記隔壁に設けられた第１の通気口と、
   前記空洞へ放出された前記排ガスを前記テールパイプを通じて外部に放出すべく、前記絞り部において、前記のどよりも下流側に設けられた第２の通気口と、
   からなることを特徴とする排出ガス浄化装置。
4. 前記空洞が、前記隔壁と前記絞り部と前記処理室内壁に囲まれて規定されていることを特徴とする請求項３に記載の排出ガス浄化装置。
5. 前記エキゾーストパイプと前記フィルタの間に接続され、前記エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが前記処理室の外周方向に回転しながら前記フィルタへ向かって行く様構成された偏向器を更に含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の排出ガス浄化装置。
6. 内燃機関の排出ガス浄化装置で、エキゾーストパイプと排ガス処理室とテールパイプが連結されており、エキゾーストパイプから排出された排ガスを前記処理室内のフィルタで処理した後テールパイプから排出するものであって、
   内部にフィルタの備えられた排ガス処理室と、
   前記エキゾーストパイプと前記フィルタの間に接続され、前記エキゾーストパイプから排出されてきた排ガスが前記処理室の外周方向に回転しながら前記フィルタへ向かって行く様構成された偏向器と、
   前記フィルタの後段に備えられ、前記排ガスを前記テールパイプに向けて収束させる様、前記テールパイプ側へ向かって漏斗状に先細に形成された隔壁と、
   前記隔壁と前記テールパイプの間に接続され、排ガス流速を速めるべく、その流路の一部に断面積が狭められたのどを有する絞り部と、
   前記隔壁の後段に備えられ、少なくとも前記隔壁と前記絞り部に囲まれて規定された空洞と、
   前記処理室から前記空洞へ前記排ガスが放出されるよう前記隔壁に設けられた第１の通気口と、
   前記空洞へ放出された前記排ガスを前記テールパイプを通じて外部に放出すべく、前記絞り部において、前記のどよりも下流側に設けられた第２の通気口と、
   からなることを特徴とする排出ガス浄化装置。
7. 前記フィルタは、前記排ガス処理室内において、セラミック触媒フィルタと金属触媒フィルタとが、エキゾーストパイプ側から順にテールパイプ側に向かって夫々複数個、互い違いに設置されたものからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排出ガス浄化装置。

Images