JP2007528959A - 内燃焼エンジンの排出ガスに含まれる粒子を濾過する濾過ユニット - Google Patents

内燃焼エンジンの排出ガスに含まれる粒子を濾過する濾過ユニット Download PDF

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Abstract

内燃焼エンジンの排出ガスに含まれる粒子を濾過する、この創意に富んだ濾過ユニットは、うろこ状の入力流路（１０、１１）と、隣接する出力流路（１２、１３）とのセットを備え、それらは、その側壁によって流体的に連通する。前記側壁には、入力流路（１０、１１）の総容積が、出力流路（１２、１３）の総容積に対して増加されるように画定される波形が断面に設けられ、それによって入力流路（１０、１１）の総容積（Ｖｅ）が、出力流路（１２、１３）の総容積（Ｖｓ）よりも大きくなる。

Description

本発明は、内燃焼エンジン、特にディーゼル・タイプの排出ガスに含まれる粒子を濾過する濾過ユニットおよび本発明による少なくとも１つの濾過ユニットを含む濾過体に関する。
多孔性の蜂の巣構造が、ディーゼル車によって排出される粒子を濾過するのに濾過体として使用される。これらの濾過体は、一般にセラミック（コージライト、炭化ケイ素等）から作られる。それらはモノリシックでもよく、または別個のユニットから成ることもできる。後者の場合、それらのユニットは、セラミック系接合剤によって一緒に固定化される。その全体が、所要のセクションに加工されるが、それらは一般に円形または楕円形である。この濾過体は複数の通路を含む。それは金属の囲いの中に挿入される。各通路は、その両端部の一方または他方で遮断される。すなわち、入口通路と出口通路がある。したがって排出ガスは、強制的に、入口通路の側壁を通過して出口通路内に至る。したがって粒子と煤が濾過体に堆積する。
ある期間使用すると、煤は濾過体の通路に蓄積し、これが濾過器によって引き起こされる水頭損失を増加させ、エンジンの性能を低下させる。この理由によって、（高速道路で駆動する、約２リットルの排気量のエンジンで、約４リットルの濾過体を備えるもので、）水頭損失が約１５０ｄＰａの値に達すると、濾過体を定期的に、通常約７時間から１０時間の動作の後、再生させなければならない。
再生は、煤を酸化させることにある。この目的のために煤を加熱することが必要であるが、それは、正常動作条件で、排出ガスの温度が３００℃程度であるのに対し、煤の引火点が６００℃程度よりも高いからである。そのような再生にもかかわらず、燃焼残渣が濾過体に残留する。したがって、再生後に濾過体によって引き起こされる水頭損失は、再生前に濾過体によって引き起こされるそれよりも常に大きい。この目詰まりの現象は、再生の度に継続し、販売者が、例えば８００００ｋｍ毎に濾過ブロックを完全に清掃することが必要になる。この清掃は、濾過体の使用に対して欠点を成立させる。
フランス特許第２ ４７３ １１３号は、押出成形によって作ることができる濾過体であって、出口通路よりも大きな断面を有する入口通路を有する濾過体を提案している。その著者は、１２．９ｍｍ2未満の入口通路の一定断面積と、０．７ｍｍ以下の壁の厚みとを備える濾過ユニットの濾過面積７．８９ｃｍ2／ｃｍ3（すなわち０．７８９ｃｍ2／ｌ）を示している。
しかし、フランス特許第２ ４７３ １１３号で記述される濾過体は、大きな水頭損失を引き起こし、それは濾過体を頻繁に再生しなければならないことを意味する。したがって、この濾過体の産業的使用を想定することは困難である。
したがって、全耐用期間中、小さな水頭損失しか有さず、したがって低頻度の清掃しか必要でない濾過体が求められている。本発明はその必要を満たすことを目的とする。
本発明は、より詳しくは内燃焼エンジンの排出ガスに含まれる粒子を濾過する濾過ユニットにおいて、交互配置された隣接し合う入口通路と出口通路のセットを備え、前記入口通路と出口通路が、それらの側壁を通って流体連通し、前記側壁が、出口通路の全体容積を犠牲にして、前記入口通路の全体容積を増加するように形成された起伏を断面に有し、入口通路の全体容積が、出口通路のそれよりも大きい濾過ユニットであって、
前記出口通路の水力直径が、０．９ｍｍから１．４ｍｍ、好ましくは０．９５ｍｍよりも大きいこと、
入口通路の全体容積の、出口通路の全体容積に対する比率が、１．１５から４、好ましくは１．３５よりも大きく、かつ／または３未満であり、
濾過面積が、前記濾過ユニットのリットル当たり０．８２５ｍ2から１．４ｍ2であり、
前記起伏の非対称の比率が２０％未満であることを特徴とする濾過ユニットに関する。
以下により詳しく明らかになるように、これは、濾過ユニットによって引き起こされる水頭損失を大幅に縮小し、したがってこれが一部を形成する本体の再生頻度を縮小させることができる。
本発明の好ましい特徴は以下の通りである。
前記出口通路は、前記濾過ユニットの長さ全体にわたって一定面積の断面を有し、
前記入口通路と出口通路は、真っ直ぐで並行であり、
前記入口通路と出口通路は、いずれの入口通路によっても濾過されたガスの全てが、前記入口通路に隣接する出口通路内に至るように相互に配置され、
前記起伏が、正弦曲線形状の断面を有し；前記起伏の非対称の比率が１５％未満、好ましくは１２％未満、かつ／または５％よりも大きく、好ましくは６％よりも大きく、
前記起伏が周期的であり、前記起伏の半周期が前記流路の１つの幅にわたって延び、
前記入口流路と出口流路が、前記ユニットの水平列または垂直列に交互に配設され、そのようにしてユニットの正面または背面に格子状構造を形成する。
本発明はまた、本発明による少なくとも１つの濾過ユニットを含むことを特徴とする粒子濾過器として意図される濾過体にも関する。
添付図面と実施形態を参照した以下の記述は、本発明およびその利点を説明する。
図１から３は全て濾過ユニットの部分的な図に対応し、モノリシックな濾過体の部分図、または濾過ユニットを組み合わせることによって形成された濾過体の部分図に関する。
図では、通路同士間の壁の厚みは実物大ではなく、本発明を限定しない。
図１ａは、ディーゼル・エンジンによって推進された、モータ車の排出ガスに含まれる粒子を捕捉するのに現在使用されている濾過ユニットの正面の図である。この濾過ユニットは同一通路を有し、それらの断面は正方形であり、濾過体の長さ全てにわたって一定の寸法である。この正面で、通路の２つに１つが遮断されている。通路１、２は開いており、したがって入口通路を構成する。通路３、４は遮断され、したがって出口通路を構成する。図１ｂは図１ａの線ＡＡによる縦断面図である。排出ガスの流れＦが、入口通路を経て濾過ユニットに進入し、通路の側壁を通過して出口通路内に至る。図１ｃは、現在使用されている、図１ａに表す濾過ユニットを作るのに使用する押出ダイスの断面図である。この図では、実線は、セラミックの缶状体が通過するように加工された開口部を表す。
図２ａは、本発明の濾過ユニットの第１実施形態の正面の図である。通路１０、１１は開いており、入口通路を構成する。通路１２、１３は遮断されており、出口通路を構成する。これらの通路は、出口通路の全体容積を犠牲にして、入口通路の全体容積を増加するように変形された３角形状の断面を有する通路の列として配置されている。このようにして、入口通路と出口通路の間の平らでない中間壁は、図２ａで示すように入口通路側では凹状であり、出口通路側では凸状である。
図２ｂは、図２ａの線ＡＡによる断面図である。排出ガスの流れＦは、入口通路を経て濾過体に進入し、通路の壁を通過して、出口通路内に至る。上述の、入口通路の全体容積の増加のために、入口通路の壁の利用可能な面積、または「濾過面積」は、図１で示すもののような従来技術の濾過体と比較して、出口通路の壁を犠牲にして増加されている。
１つまたは複数の入口通路には、他の入口通路内に開かれた部分がないので、入口通路の全面積が、有利に排出ガスを濾過するように使用される。他の入り口通路に開かれた部分は、排出ガスがそれらを両方向に通過することができるので、濾過器として役に立たない。
入口通路と出口通路は、並行であり、真っ直ぐであることが好ましい。したがって、本発明の濾過ユニットを押出成形によって作り出すことが可能であり、それが有利である。
図２ｃは、図３ａで示す濾過ユニットを作り出すのに使用する押出ダイスの断面図である。この図では、実線は、セラミック缶状体が通過することのできる加工された開口部を表す。このダイスは、濾過ユニットの長さ全てにわたって断面が一定の通路を作り出すのに使用され、それは、濾過ユニットを押出成形するのを容易にする。
通路は濾過体の長さに沿って真っ直ぐである。したがって、縦断面で（図２ｂ参照）通路は、それらの長さＬ全体にわたって一定の断面を有する。これは、濾過ユニットの製造を容易にする。
入口通路は出口通路よりも大きな断面を有し、煤を溜めるのに利用できる容積が増加する。入口通路と出口通路は、あらゆる入口通路によって濾過されたガスの全てが、その入口通路に隣接する出口通路内に至るように、相互に対して配置され、それが、濾過ユニットの所与容量で利用可能な表面積を最大限にする。
図３は、本発明の濾過ユニットの他の実施形態の正面の図式である。通路１０、１１は開いており、入口通路を構成する。通路１２、１３は遮断され、出口通路を構成する。これらの通路は、出口通路の全体容積を犠牲にして、入口通路の全体容積を増加するように変形された正方形状の断面を有する通路の列として配置される。任意の水平列（ｘ）または垂直列（ｙ）で、入口流路と出口流路は交互に配設されて、格子状構造を形成する。したがって、入口通路１１の側壁１４は、４つの側壁部分１４ａ〜１４ｄから形成され、それらはその通路の内部容積を、４つのそれぞれの隣接する出口通路の内部容積から分離する。
通路の２つの水平列Ｒ1とＲ2、ならびに／または垂直列の間の平らでない（それらの通路の側壁１６1から１６8の一連の部分によってそのように形成される）中間壁１５は、入口通路側で凹状であり、出口通路の側で凸状であることが好ましい。
通路の水平列に（ｘ軸に沿って）または垂直列に沿って（ｙ軸に沿って）中間壁１５は、断面で起伏するまたは「波状の」形状を有することが好ましく、壁１５は、通路幅にわたる起伏長さの実質的に２分の１分だけ起伏している。
起伏の「長さ」とは、同じ高さに位置する、同じ方向の傾斜偏差を有する２つの起伏の点の間の距離である。周期的起伏の場合、起伏の「長さ」は「周期」と呼ばれる。
この起伏は周期的であることが好ましいが、起伏の振幅は一定でもよくまた変化してもよいが、一定であることが好ましい。また、この起伏が有する正弦曲線の半周期が、図３で示すように通路列のピッチ「ｐ」に等しいのが好ましい。
最後に、ユニットの全ての垂直中間壁または水平中間壁１５が、断面が厳密に同一形状とされた起伏を有するのも好ましい。
「非対称の比率」という表現は、振幅「ｈ」と前記起伏の半分の長さとの比率（あるいは周期的起伏の場合で、振幅「ｈ」と半周期の比率）を指す。表１に要約した以下の例は、例証として提供するのであって、本発明を限定するものではない。図４、５は、表１からの特定の例に対応した、清潔な濾過器と目詰まりした濾過器それぞれについての、時間の関数としての増加する水頭損失の曲線を表す。
試験を行なった濾過体は、１ｍｍ厚さのジョイントによって一緒に固定された１６個の濾過ユニットを組み立てることによって作られた。これらの濾過体は、直径１４４ｍｍ、長さ９インチ（２２８．６ｍｍ）の円筒状であった。通路は図３で表すタイプのもので、壁は実質的に正弦曲線の輪郭を有し、出口通路と入口通路は、濾過体の長さＬにわたって一定面積の断面を有する。
計算のために、排出ガスが、温度２５０℃、流速３２０ｍ3／時で、試験用濾過体の入口通路内に導入された。排出ガスの粒子の濃度は２．２*１０-5ｋｇ／ｍ3とした。
目詰まりした濾過体を試験するために、入口通路の燃焼残渣の濃度は、排出ガスの１．８*１０-9ｍ3／ｍ3とした。
参考例の「参考」は、１ｍｍ厚さのジョイントで一緒に固定された１６個の濾過ユニットを組み立てることによって構成された濾過器に対応する。この濾過器は、直径１４４ｍｍ、長さ９インチ（２２８．６ｍｍ）の円筒状であった。通路は、図１で表すタイプのもので、出口通路と入口通路は、濾過体の長さＬを通して一定面積の正方形状の断面を有する。列のピッチは１．８ｍｍ、壁の厚みは３５０μｍであった。
濾過面積、通路容積、水頭損失は、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｄｅ Ｍｅｃａｎｉｑｕｅｓ ｄｅｓ Ｆｌｕｉｄｅｓ ｏｆ Ｔｏｕｌｏｕｓｅ（フランス）で算出された。
断面または通路に関連して使用する「水力直径」という表現は、通路断面の４倍と通路周囲との比率を指す。
通路の密度は、平方インチ当たりの通路の数（平方インチ当たりのセル数（ｃｐｓｉ））として表す。
Ｖｅは入口通路の総容積を示し、Ｖｓは出口通路の総容積を示す。比率ｒは以下のように規定される。ｒ＝Ｖｅ／Ｖｓ
「濾過面積」という表現は、濾過するガス流が通過することができる入口通路の壁の面積を指す。この濾過面積は、濾過ユニットのリットル当たりの平方メートルで評価される。
濾過体の性能は、特定の水頭損失「ｄＰ」に到達する分時間「ｔ」を測定することによって、また初期の水頭損失（ｔ＝０についてｄＰ）によって評価される。ｘ ｍｂａｒの水頭損失「ｄＰ」を達成するための測定分時間「ｔ」は、ｔ/xとして示される。
濾過体が以下の基準に一致することは有利であると考えられる。
初期水頭損失＜５０ｍｂａｒ。
清潔な濾過器でｔ/100≧３００。
清潔な濾過器でｔ/150≧５００。
目詰まりした濾過器でｔ/150≧２００。
Figure 2007528959
表１と図４，５は以下のことを表している。
新しい濾過体では、濾過面積が大きい程、時間とともに水頭損失がよりゆっくりと増加する。言い換えると、濾過面積が増加する程、負荷勾配は縮小する。しかし、例１５と参考例を比較して示すように、濾過面積だけが判定基準ではない。この比較は、本発明によると、高い比率ｒほど、濾過器が目詰まりした時、より小さな濾過面積を補償する利点を有するということである。
いかなる理論によっても束縛されずに、本出願人はこの現象を以下の形で説明する。
高い比率ｒは、燃焼残渣を溜める入口通路のより大きな容積を意味する。所与の濾過面積と所与の燃焼残渣容積（すなわち所与数の再生）に対して、燃焼残渣によって覆われるために有効でない濾過面積の割合が、より低い。引き起こされる水頭損失もしたがってより低い。２回の再生同士の間、濾過体によって引き起こされる水頭損失は、したがってよりゆっくりと増加する。
さらに、入口通路の大きな容積は、より大きな量の燃焼残渣を溜めることができる。したがって濾過器を取り外す／再装備する前の再生の回数を増加させることができる。
一定厚さの壁では、非対称の比率の増加は、入口通路の溜め容量の増加と、ユニットの濾過面積の増加とを意味する。
しかし、非対称の比率は、過度に増加させてはならない。それは、これが出口通路の断面を、水頭損失の不利益な増加の点まで縮小する可能性があるからである。
したがって妥協点に至らなくてはならない。非対称の比率は２０％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１２％未満であり、５％、好ましくは６％より大きい。
本発明によると、濾過体の２回の取り外し／清掃作業の間の時間の増加は、各再生後の燃焼残渣による濾過面積の目詰まりが縮小する、つまり２回の再生の間の煤による目詰まりを遅くするだけではなく、より多くの回数の再生が可能で、燃焼残渣の溜め容積がより大きくなるあるからである。
したがって自動車運転者は、濾過器に対してメンテナンスを行なわずにより長い距離を走行することができる。
本発明によると、最適条件は：
１．１５以上、好ましくは１．３５より大きく、４より小さい、好ましくは３未満の比率ｒと、
濾過ユニットのリットル当たり０．８２５ｍ2に少なくとも等しい、好ましくは濾過ユニットのリットル当たり０．９２ｍ2以上の濾過面積とを有することと考えられる。
入口通路と出口通路は、濾過ユニットの長さ全体にわたって一定面積の断面を有し、比率ｒの増加は、入口通路の水力直径を増加させ、かつ／または出口通路の水力直径を縮小させる結果である。表１（特定の例３、６、１０参照）は、出口通路の水力直径が極めて小さい場合、清潔な濾過体によって引き起こされる水頭損失は、高くなり過ぎることを示している。エンジンの公式出力定格は、排ガス・ラインを考慮するので、これは容認不可能となる可能性がある。
本発明によると、出口通路の水力直径は、０．９ｍｍ以上でなければならず、好ましくは０．９５から１．４ｍｍである。
当然ながら、本発明は、ここに示し以上に述べた実施形態に限られず、それらは、例示的な制限しない例として掲げた。
このように、本発明は等しくモノリシックな濾過体にも関する。その濾過ユニットは、任意の形状と任意の配置の通路を有することができる。
最後に、通路の断面は、ここに述べた形状に限られない。
図１ａは、従来型濾過ユニットの（すなわち排出ガスが突き当たる）部分的正面図であり、図１ｂは、図１ａの線ＡＡによるそのユニットの断面図であり、図１ｃは上記濾過ユニットを作り出す押出ダイスの断面図である。 図２ａから２ｃはそれぞれ、図１ａから図１ｃと類似の図であり、本発明の濾過体の第１実施形態を示す。 本発明の濾過ユニットの第２実施形態の部分的正面図である。 様々な新しい「清潔な」検査済みの濾過体についての、使用時間の関数としての水頭損失を表す図である。 様々な検査済み濾過体についての、使用時間の関数としての水頭損失を表す図であり、それらの濾過体では、燃焼残渣が、参考基準濾過器の入口通路の容積の５０％に相当する容積を占め、それは、約８００００ｋｍの車による走行距離に相当する。このような濾過体は「目詰まりした」と呼ばれる。この残渣は一般に入口通路の遠端にある。

Claims (14)

  1. 内燃焼エンジンの排出ガスに含まれる粒子を濾過する濾過ユニットにおいて、側壁を通って流体連通する隣接し合う入口通路（１０、１１）と出口通路（１２、１３）の交互配置されたセットを備え、入口通路（１０、１１）と出口通路（１２、１３）との間に中間壁（１５）を形成し、前記出口通路（１２、１３）の全体容積を犠牲にして、前記入口通路（１０、１１）の全体容積を増加するように形成された起伏を断面に有する１セットの側壁部分（１６1から１６8）を含み、前記入口通路（１０、１１）の全体容積（Ｖｅ）が、前記出口通路（１２、１３）の全体容積（Ｖｓ）よりも大きい濾過ユニットであって；
    前記出口通路（１２、１３）の水力直径が、０．９から１．４ｍｍであり、
    前記入口通路（１０、１１）の全体容積（Ｖｅ）の、前記出口通路（１２、１３）の全体容積（Ｖｓ）に対する比率が、１．１５から４であり、
    濾過面積が、前記濾過ユニットのリットル当たり０．８２５ｍ2から１．４ｍ2であり、
    前記起伏の非対称の比率が２０％未満であることと
    を特徴とする濾過ユニット。
  2. 前記出口通路（１２、１３）の水力直径が、０．９５ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の濾過ユニット。
  3. 前記比率ｒが１．３５よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の濾過ユニット。
  4. 前記比率ｒが３未満であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  5. 濾過面積が、前記濾過ユニットのリットル当たり０．９２ｍ2よりも大きいことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  6. 前記出口通路（１２、１３）が、前記濾過ユニットの長さ（Ｌ）全体にわたって一定面積の断面を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  7. 前記入口通路（１０、１１）と出口通路（１２、１３）が真っ直ぐで並行であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  8. 前記入口通路（１０、１１）と出口通路（１２、１３）が、いずれの入口通路（１０、１１）によっても濾過されたガスの全てが、前記入口通路（１０、１１）に隣接する出口通路（１２、１３）内に至るように相互に対して配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  9. 前記起伏の非対称の比率が、１５％未満であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  10. 前記起伏の非対称の比率が、１２％未満であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  11. 前記起伏の非対称の比率が、５％未満であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  12. 前記起伏が周期的であり、前記起伏の半周期が、前記流路（１０、１１、１２、１３）の１つの幅にわたって延びることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  13. 前記起伏が正弦曲線状の断面を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の濾過ユニット。
  14. 前記請求項のいずれか一項によるユニットを少なくとも１つ含むことを特徴とする粒子濾過器として意図された濾過体。
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