JP2007023856A

JP2007023856A - 排気ガス浄化装置およびその取付構造

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Publication number: JP2007023856A
Application number: JP2005205505A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Suzuki; 啓一鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガス流路に装着され、排気ガス中のパティキュレートを捕集する排気ガス浄化装置において、構造が簡単で安価に提供でき、しかも捕集したパティキュレートの焼却に余分な電力等のエネルギーを要しない排気ガス浄化装置を得る。
【解決手段】通気パイプ７の外周にフィルタユニット６を設けてフィルタ部材５とし、このフィルタ部材５をケース内に収容する。フィルタユニット６は、フィルタ６１から構成され、このフィルタ６１は、ステンレス鋼線などの金属線材を編んで編成テープとし、この編成テープを巻き回して予備成形物とし、この予備成形物を圧縮成形して得られ、金属線材が互いに三次元的に絡み合った多孔性圧縮成形物から構成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中のカーボン微粒子等のパティキュレートを捕集、除去する排気ガス浄化装置とその取付構造に関する。

ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には、カーボン微粒子などを核とするパティキュレートが含まれており、ディーゼル車両にはこれを捕集するパティキュレートフィルタが装着されている。
このパティキュレートフィルタには、種々のタイプのものが知られており、例えば特開平７−１３９３３号公報には、ステンレス鋼線からなる金網を幾重にも折り畳んだ構造のパティキュレートフィルタが開示されている。

このものでは、車両の走行にともなってパティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートの量が増加し、パティキュレートフィルタが部分的に目詰まりを起こし、排気ガス流路の流路抵抗が増大し、エンジン出力が低下することになる。
このため、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを焼却してパティキュレートフィルタを再生することがなされており、パティキュレートフィルタ内に電気ヒータを内蔵させ、排気ガスを加熱して、この熱によってパティキュレートを燃焼させるようにしている。

したがって、この種のパティキュレートフィルタでは、電気ヒータやこれの動作を制御する制御装置等が必要となり、その構造が複雑になってコストが嵩む問題がある。また、電力も消費することにもなる。
特開平７−１３９３３号公報

よって、本発明における課題は、内燃機関の排気ガス流路に装着され、排気ガス中のパティキュレートを捕集する排気ガス浄化装置において、構造が簡単で安価に提供でき、しかも捕集したパティキュレートの焼却に余分な電力等のエネルギーを要しない排気ガス浄化装置を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、内燃機関の排気ガス流路に装着され、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを備えた排気ガス浄化装置であって、
このフィルタが、金属線材を編んで編成テープとし、この編成テープを巻き回して予備成形物とし、この予備成形物を圧縮成形することにより得られ、金属線材が互いに三次元的に絡み合った多孔性圧縮成形物からなることを特徴とする排気ガス浄化装置である。

請求項２にかかる発明は、上記フィルタには、鉄およびカリウムが添着されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置である。
請求項３にかかる発明は、フィルタが多重構造になっていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置である。

請求項４にかかる発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置を内燃機関の排気ガス流路の酸化触媒装置の上流側および下流側のいずれか一方もしくは両方に配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置の取付構造である。

本発明によれば、金属線材を編んで編成テープとし、この編成テープを巻き回して予備成形物とし、この予備成形物を圧縮成形することにより得られ、金属線材が互いに三次元的に絡み合った多孔性圧縮成形物からなるフィルタは、微細な三次元網目構造を有しており、排気ガス中のパティキュレートの大部分がこれの微細な空間に捕捉、捕集される。

また、フィルタをなす多孔性圧縮成型物の実質的な表面積が極めて広く、これに捕集されたパティキュレートは、排気ガス中の酸素、窒素酸化物などとよく接触し、これによって酸化され、燃焼する。このため、内燃機関の長時間の運転によってもフィルタが目詰まりすることがなく、長期間の使用に耐えることになる。また、フィルタに多量にパティキュレートが堆積することがなくなるので、大量のパティキュレートが一挙に燃焼し、その熱でフィルタが溶損することもない。

さらに、フィルタに鉄とカリウムを添着したものでは、その触媒作用によりパティキュレートの燃焼が低温でより速やかに進行し、フィルタに残留するパティキュレートをほぼ完全に除去することができる。また、電気ヒータ等を設ける必要がなく、これに要するコストも削減できる。

図１および図２は、本発明の排気ガス浄化装置の一例を示すもので、図１中符号１は、ケースを示す。
このケース１は、ステンレス鋼などからなる中空円筒状のもので、その一方の端部には流入パイプ２が同軸として接続されている。この流入パイプ２は、ケース１よりも小径のパイプであって、その端部には、フランジ３が取り付けられている。

また、ケース１の他方の端部には、固定プレート４が溶接等によって取り付けられている。この固定プレート４は、円形のプレートの中心に大きな円形の開口部が形成されたものであり、その外周部分には、複数のボルト孔が均等に形成されている。
さらに、このケース１内には、フィルタ部材５が着脱可能に取り付けられている。

このフィルタ部材５は、図２に示すように、フィルタユニット６と通気パイプ７と取付プレート８と流出パイプ９とから概略構成されている。
フィルタユニット６は、リング状のフィルタ６１、６１・・を複数個軸線方向に重ねてなる円筒状のものであって、通気パイプ７の外側に挿入、固定されている。

このフィルタ６１は、ステンレス鋼線などの金属線材を編んで編成テープとし、この編成テープを巻き回して予備成形物とし、この予備成形物を圧縮成形して得られ、金属線材が互いに三次元的に絡み合った多孔性圧縮成形物から構成されている。
この多孔性圧縮成形物に関しては、特許第３４８１８９０号公報、特許第３３４２６８１号公報に詳細に開示されている。

この多孔性圧縮成形物は、具体的には以下のようにして製造される。
まず、上記金属線材を編んで編成テープとする。これには金属線材を扁平に袋編みする方法または金属線材を筒状に丸編みしたのちに扁平に成形する方法がある。この金属線材の編成には、１本または複数本の金属線材を使用して行うことができるが、１本の金属線材を用いて編成することが好ましい。
ついで、この編成テープをその長さ方向に巻き回して予備成形物とする。この巻き回しに先立って、編成テープに幅方向に平行なヒダ、好ましくは幅方向に傾斜したヒダを形成しておくことが望ましい。ついで、この予備成形物を圧縮型に充填し、編成テープの幅方向を押圧軸として圧縮して成形する。

この圧縮成形の際に、柱状部を有する圧縮型を用い、これの柱状部に編成テープを巻き付けて予備成形物とし、圧縮成形することもできる。また、圧縮型の形状を変化させることにより、任意の形状の多孔性圧縮成形物を成形することができる。また、編成テープを圧縮型に充填するに際して、編成テープの端末部を予備成形物の外周に沿って少なくとも１周させることもできる。さらに、編成テープを圧縮型に充填するに際して、予備成形物の外側となる編成テープの端末部を折り返して予備成形物の内部または内側に挿入してもよい。また、圧縮型として、押圧軸に沿って互いに対向する面の少なくとも一方に凹部または凸部が形成されたものを用いることもできる。

このようにして得られた多孔性圧縮成形物にあっては、編成テープをテープ幅方向に圧縮する際に編み目を形成しているループが厚み方向に押し出され、隣接する部分どうしがこの押し出されたループによって互いに絡み合い、強固な結合を形成する。このループの結合により、多孔性圧縮成形物はサイズの大小に係わらずほぐれや形崩れが起こり難くなり、外圧が加えられても精密な立体形状を維持することができる。また、圧縮成形物の表面に線材の切端がなく、周囲を損傷したり金属細片が流出することもない。

さらに、この多孔性圧縮成形物では、全体が金属線材を編んで得られた編成テープで形成されているので、多孔性をなし良好な通気性を具備している。また、金属線材のループが３次元的に絡み合って強固に結合しているので、全方位的な弾性を有している。
この多孔性圧縮成形物は、東亜鉄網株式会社（栃木県安蘇郡田沼町）から販売されている。
なお、この例では、フィルタ６１にはリング状の多孔性圧縮成形物を用いているが、フィルタ６１の形状はこれに限られることなく、例えば円筒状の形状のものでもよく、シート状のものを通気パイプ７に巻き付けてもよい。

通気パイプ７は、周壁全面に径３〜８ｍｍの多数の貫通孔７１、７１・・・が形成されたもので、例えばパンチングメタルを円筒状に形成したものを用いることができる。
通気パイプ７の一端には、円板状の固定板７２が取り付けられ、通気パイプ７にリング状のフィルタ６１、６１・・を複数個挿入したのち、この固定板７２を通気パイプ７に取り付けることで、フィルタ６１を固定できるようになっている。また、この固定板７２によって通気パイプ７の一端が閉じられている。

通気パイプ７の他端には、取付プレート８が取り付けられている。この取付プレート８は、通気パイプ７よりも大きな径の円環状の板材であって、その中心には通気パイプ７に通じる同径の開口部が形成されており、この開口部の外縁において通気パイプ７の他端に溶接されている。また、この取付プレート８には、複数のボルト孔が形成されている。

さらに、取付プレート８には、流出パイプ９が取り付けられている。この流出パイプ９は、通気パイプ７とほぼ同じ径のものであって、その一端が取付プレート８の開口部の外縁において溶接されており、通気パイプ７と取付プレート８を介して連通している。この流出パイプ９の他端にはフランジ９１が固着されている。

このような構造のフィルタ部材５は、ケース１の流入パイプ２の反対側の開口部からケース１内に挿入され、フィルタ部材５の取付プレート８とケース１の固定プレート４とをボルトによって固定することにより、ケース１内に収容、固定され、この例の排気ガス浄化装置となっている。

この排気ガス浄化装置は、そのケース１の流入パイプ２のフランジ３とフィルタ部材５の流出パイプ９のフランジ９１とを用いて、内燃機関の排気ガスパイプに接続されて、内燃機関の排気ガス流路に装着される。
そして、内燃機関からの排気ガスは、ケース１の流入パイプ２を通って、ケース１内に入り、フィルタユニット６を通過し、通気パイプ７から流出パイプ９を経て外部に排出される。

この排気ガスの流れにおいて、排気ガスに含まれるパティキュレートの大部分がフィルタユニット６に捕集され、一部がフィルタユニット６を通過して排出される。フィルタユニット６に捕集されたパティキュレートの大部分はここで燃焼し、わずかの残部がフィルタユニット６に付着したままの状態となる。
これにより、この排気ガス浄化装置に流入した排気ガス中のパティキュレートの大部分がここで捕集、除去され、排気ガスが浄化されることになる。

また、本発明では、フィルタユニット６を構成するフィルタ６１の表面に鉄およびカリウムを添着することにより、フィルタユニット６に捕集されたパティキュレートがほぼ完全に燃焼し、フィルタユニット６にパティキュレートが堆積することがほとんどなくなる。
この添着の具体的な方法は以下のようにして行われる。

まず、硝酸鉄などの鉄塩と水酸化カリウムなどのカリウム塩の微粉末をメタノールなどの有機溶剤に分散した分散液を作製する。この分散液をフィルタに塗布、噴霧、浸漬するなどの手段によって付着させ乾燥することで、鉄およびカリウムの添着を行うことができる。

鉄およびカリウムが添着されたフィルタでは、これの触媒作用によりパティキュレートの酸化燃焼が低温で効率よく進行する。このため、フィルタユニット６に捕集されたパティキュレートはここで完全に消滅し、しかもフィルタユニット６自体の熱劣化や溶損も抑えることができる。

図３は、排気ガス浄化装置におけるフィルタ部材の他の例を示すもので、この例ではフィルタユニット６を二重重ねにしたものである。
すなわち、図２に示したフィルタ部材５におけるフィルタユニット６の外側に間隙を置いて通気パイプ７と同様の貫通孔が多数形成された第２の通気パイプ１０を設け、この第２の通気パイプ１０の外周全体に第２のフィルタユニット１１を取り付けた構造となっている。

ここでの第２のフィルタユニット１１には、先のフィルタユニット６と同様のものを用いることができるが、これ以外にステンレス鋼線などの金属線材を編んで得られた編成メッシュなどの通気性の良好なフィルタ類を用いることができる。
この構造のフィルタ部材５では、排気ガスは、初めに第２のフィルタユニット１１を通過し、ついでフィルタユニット６を通過して行き、第２のフィルタユニット１１で燃え残ったパティキュレートがフィルタユニット６において燃焼する。またフィルタユニット６での蓄熱効果が高くなってさらにパティキュレートを燃焼し易くなる。第２のフィルタユニット１１を通過時パティキュレートが火の粉になり、内側のフィルタユニット６に当たり、ここに捕集されているパティキュレートを燃焼させる。これらにより、パティキュレートの捕集効率が高くなり、排気ガス中のパティキュレートをより多く除去することができる。

図４ないし図８は、いずれも、この排気ガス浄化装置の排気ガス流路への装着形態の例を示すものである。
これらの図において、符号２１は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関を、２２はその排気マニホールドを、２３は排気マニホールド２２に接続された排気ガスパイプを示す。

図４に示した形態では、酸化触媒装置２４の上流側に本発明の排気ガス浄化装置２５を装着したものである。この形態では、排気ガス浄化装置２５のフィルタに捕集されたパティキュレートを排気マニホールド２２から出てくる火の粉で燃焼させることができる。排気マニホールド２２に近いので排気ガスの温度が高くなり、６３０℃以上で完全にパティキュレートを燃やすことができる。低温では炭化水素、一酸化炭素を酸化することができる。また、排気ガスの流れが絞られ、排気ガス浄化装置２５に流入する排気ガスの温度が高くなり、上述の効果が得られ易くなる。

図５に示した形態では、酸化触媒装置２４の下流側に本発明の排気ガス浄化装置２５を装着したものである。この形態では、酸化触媒装置２４の性能を上げ、触媒の反応時間を長くすることにより、パティキュレートをより効果的に燃焼させることができる。また、単純な構造で効果を発揮する。酸化触媒装置２４までパティキュレートが届くのでパティキュレートを効果的に触媒上で燃焼させることができ、残ったパティキュレートは排ガス浄化装置２５ｆｒ捕集して燃焼することができる。

図６に示した形態では、酸化触媒装置２４の上流側と下流側にそれぞれ本発明に排気ガス浄化装置２５、２５を装着したものである。このものでは、図４と図５とに示した形態での効果が同時に得られるとともに、触媒装置２４の触媒温度を高くしやすく、さらに触媒との反応時間を長くすることができる。上流側の浄化装置２５で燃え残ったパティキュレートおよび通過したパティキュレートを下流側の浄化装置２５で再度捕集し、燃焼することができる。

図７に示した形態では、排気マニホールド２２の直下の位置と酸化触媒装置２４の下流側にそれぞれ本発明の排気ガス浄化装置２５、２５を配置したものである。この形態では、排気マニホールド２２から高温の排気ガスが排気ガス浄化装置２５に流入するので、パティキュレートの燃焼が効率よく行われる。また、図５に示した形態での効果が得られる。

図８に示した形態では、排気マニホールド２２の直下の位置と酸化触媒装置２４の上流側と下流側にそれぞれ本発明の排気ガス浄化装置２５、２５、２５を配置したものである。このものでは、図６に示した形態での効果に加えて、排気マニホールド２２に近いので、高温の排気ガスが排気ガス浄化装置２５に流入し、パティキュレートの燃焼が効果的に行える。３個の排気ガス浄化装置を設けることで極め高い浄化効果が得られる。

このような排気ガス浄化装置２５の装着形態は、内燃機関の種類、発生する排ガス中のパティキュレートの含有量、排気ガス環境基準などに応じて、適宜選択することができる。

以下、具体例を示す。
本発明の排気ガス浄化装置の性能評価を行った。
試験車両には、三菱自動車製ＫＣ−ＦＥ５０７Ｂエンジン型式４Ｄ３３（ディーゼルエンジン）初度登録平成７年９月を使用した。
この車両の排気パイプの終端から大気中に排出される排気ガス中のパティキュレートの量を光学的に測定した。

測定機器
光透過式スモークメータＭＥＸＡ−１３０Ｓ堀場製作所製
ディーゼルスモークメータＤＳＭ−２０ＡＮバンザイ製
シャシーダイナモメータＳＭ−５００ＢＤ−１バンザイ製
測定手順
シャシーダイナモ上に車両をセットし、約１０分間の暖気運転を行った後、最大出力時の回転数の４０％、６０％、８０％回転の時に最大出力（全負荷）の時の排気ガスの黒煙濃度を計測した。

使用した排気ガス浄化装置は、以下のものである。
フィルタ６１として、上記多孔性圧縮成形物（径０．２ｍｍのステンレス鋼線を用いたリング状のもので、密度３．０ｇ／ｃｍ^３、幅１５ｍｍ、厚さ２．８ｍｍ、内径６７ｍｍ、外径７２ｍｍ）を用い、このフィルタ６１を１１個外径６７ｍｍの通気パイプ７に装着して、フィルタ部材５とした。このフィルタ部材５を外径１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍのステンレス鋼製ケース１に収容して、排気ガス浄化装置とした。

１）マフラーのみ装着（比較例１）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０４０３０７０２８００
光透過式スモークメータの読み
２８．７％３２．２％６２．７％
ディーゼルスモークメータの読み
１６．６％２０．１％２７．３％

２）マフラー取り外し、酸化触媒装置（ユニキャット製）のみ装着（比較例２）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３１００３１２０２８６０
光透過式スモークメータの読み
２２．５％１９．３％３１．４％
ディーゼルスモークメータの読み
１６．２％１８．６％１９．８％

３）酸化触媒装置装着、その上流側に上記排気ガス浄化装置装着（実施例１）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０００３０１０２７６０
光透過式スモークメータの読み
１５．６％１７．２％２６．１％
ディーゼルスモークメータの読み
１０．２％１１．８％１５．１％

４）酸化触媒装置装着、その上流側と下流側に上記排気ガス浄化装置装着（実施例２）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０４０３０００２６９０
光透過式スモークメータの読み
１６．２％２０．０％２３．６％
ディーゼルスモークメータの読み
１１．４％１３．５％１４．５％

５）排気マニホールド直下と酸化触媒装置の下流側とに上記排気ガス浄化装置装着（実施例３）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０３０３０３０２７６０
光透過式スモークメータの読み
１５．７％１４．３％２２．１％
ディーゼルスモークメータの読み
１０．３％１１．３％１３．１％

６）酸化触媒装置の下流側に上記排気ガス浄化装置装着（実施例４）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０２０３０５０２７９０
光透過式スモークメータの読み
１７．０％１６．４％２６．０％
ディーゼルスモークメータの読み
１１．８％１３．６％１４．７％

６）酸化触媒装置の下流側に、図３に示したフィルタユニットを二重重ねした排気ガス浄化装置を装着（第２のフィルタユニット６には、径０．２ｍｍのステンレス鋼線を編んだ編成メッシュを用いた。実施例５）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０２０３０５０２８００
光透過式スモークメータの読み
１７．２％１４．７％２６．１％
ディーゼルスモークメータの読み
１２．６％１３．５％１６．１％

８）排気マニホールド直下と酸化触媒装置の上流側および下流側とに上記排気ガス浄化装置装着（実施例６）
回転４０％６０％８０％
負荷（Ｎ）３０１０３０１０２７２０
光透過式スモークメータの読み
１１．１％１５．３％１９．３％
ディーゼルスモークメータの読み
７．２％１０．０％１１．３％

以上の実施例、比較例の結果から、本発明の排気ガス浄化装置を装着することにより、排気ガス中の黒煙濃度が明らかに低下しており、パティキュレートの除去がなされていることが判明した。

本発明の排気ガス浄化装置の一例を示す概略断面図である。本発明におけるフィルタ部材の構造の一例を示す一部断面視した概略側面図である。本発明におけるフィルタ部材の構造の他の例を示す一部断面視した概略側面図である。本発明における排気ガス浄化装置の取付構造の例を示す概略構成図である。本発明における排気ガス浄化装置の取付構造の例を示す概略構成図である。本発明における排気ガス浄化装置の取付構造の例を示す概略構成図である。本発明における排気ガス浄化装置の取付構造の例を示す概略構成図である。本発明における排気ガス浄化装置の取付構造の例を示す概略構成図である。

符号の説明

５・・フィルタ部材、６・・フィルタユニット、６１・・フィルタ

Claims

内燃機関の排気ガス流路に装着され、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを備えた排気ガス浄化装置であって、
このフィルタが、金属線材を編んで編成テープとし、この編成テープを巻き回して予備成形物とし、この予備成形物を圧縮成形することにより得られ、金属線材が互いに三次元的に絡み合った多孔性圧縮成形物からなることを特徴とする排気ガス浄化装置。
上記フィルタには、鉄およびカリウムが添着されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
フィルタが多重構造になっていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置を内燃機関の排気ガス流路の酸化触媒装置の上流側および下流側のいずれか一方もしくは両方に配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置の取付構造。