JP2008180191A

JP2008180191A - Ｅｇｒフィルタ装置

Info

Publication number: JP2008180191A
Application number: JP2007015900A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ito; 賢児伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-07

Abstract

【課題】排気ガスの温度でフィルタに堆積した微粒子を燃焼除去でき、排気ガスの高圧力に対する強度をもち、圧力損失が小さく、捕集効率が大きいＥＧＲフィルタ装置を得ること。
【解決手段】エンジンから排出する排気ガスの一部から前記エンジンの吸気側に還流されるＥＧＲガス中の微粒子を除去するフィルタを内蔵したＥＧＲフィルタ装置であって、前記ＥＧＲガスの取り出し口は前記エンジンに接続した排気マニホールドに設けられ、前記フィルタは、厚さが５〜５０ｍｍ、気孔率が８８〜９８％、圧縮強度が０．４ＭＰａ以上であり、前記フィルタの排気ガス流入側端面は前記排気マニホールドの内面から前記ＥＧＲガスの流れ方向に大きくとも２０ｍｍの位置に存在することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンから排出される排気ガスの一部をエンジンの吸気側に還流するＥＧＲガスに含まれる微粒子を除去するＥＧＲフィルタ装置に関する。

自動車などに搭載されるエンジンから排出される排気ガス中の窒素酸化物を低減するために、エンジンの排気側から吸気側へ通じるＥＧＲ通路を設け、排気ガスの一部をＥＧＲ通路の途中に設けた冷却装置で冷却して吸気側に還流させる技術が知られている。そして、特にディーゼルエンジンの排気ガス中にはカーボン等の微粒子が含まれているため、ＥＧＲ通路の途中にフィルタ（以降、ＥＧＲフィルタとも称する）を設け、微粒子の冷却装置内への付着による冷却効率の悪化防止や、エンジンへの還流を防止している。

上記ＥＧＲフィルタは微粒子の捕集量が多くなるに従い、ＥＧＲフィルタを流れるガスの通気抵抗が大きくなるため、ＥＧＲフィルタ内に堆積した微粒子を除去することが必要であり、例えば特許文献１には、ＥＧＲフィルタに逆洗気流を流して微粒子を除去する発明が記載されている。

一方、特許文献２には、エンジンに直結した排気マニホールド内からＥＧＲ通路を分岐させ、この分岐点にＥＧＲフィルタを設けた技術が記載されている。この場合、特許文献１に記載される逆洗気流を流す装置のような微粒子を除去する装置を設けなくても、エンジンから排出された直後の温度の高い排気ガスにＥＧＲフィルタが触れるため、ＥＧＲフィルタに堆積した微粒子を燃焼除去することが可能であると期待される。

特開平８−８２２５７号公報特開平７−７１３２９号公報

ところで、ＥＧＲフィルタは、ＥＧＲ通路を流れるガスの通気抵抗を小さくするために、圧力損失は小さいことが望ましい。ＥＧＲフィルタの圧力損失を小さくするには、フィルタ面積を大きくするか、あるいは、フィルタ内の気孔率を大きくしてフィルタの通気度を大きくすることで可能である。

しかしながら、特許文献２に記載のように、排気マニホールド内にＥＧＲフィルタを設ける場合にはフィルタ面積を大きくできず、フィルタ面積が小さくても圧力損失が小さいＥＧＲフィルタが必要であり、一方で、捕集効率が大きいこともＥＧＲフィルタには必要であるから、極端にＥＧＲフィルタの気孔率を大きくすることは避けなければならない。加えて、エンジンから排出される排気ガスの高圧に耐える強度を持っている必要があり、従来、実用化は困難であった。

従って本発明の目的は、排気ガスの温度でフィルタに堆積した微粒子を燃焼除去でき、排気ガスの高圧力に対する強度をもち、圧力損失が小さく、捕集効率が大きいＥＧＲフィルタ装置を得ることである。

本発明のＥＧＲフィルタ装置は、エンジンから排出する排気ガスの一部から前記エンジンの吸気側に還流されるＥＧＲガス中の微粒子を除去するフィルタを内蔵したＥＧＲフィルタ装置であって、前記ＥＧＲガスの取り出し口は前記エンジンに接続した排気マニホールドに設けられ、前記フィルタは、厚さが５〜５０ｍｍ、気孔率が８８〜９８％、圧縮強度が０．４ＭＰａ以上であり、前記フィルタの排気ガス流入側端面は前記排気マニホールドの内面から前記ＥＧＲガスの流れ方向に大きくとも２０ｍｍの位置に存在することを特徴とする。

また本発明のＥＧＲフィルタ装置は、前記フィルタがポーラス金属からなることが好ましい。

また本発明のＥＧＲフィルタ装置は、前記ポーラス金属がステンレス鋼からなることが好ましい。

（本発明の作用効果）
本発明の作用と効果を、図を用いて説明する。図２は本発明のＥＧＲフィルタ装置を用いたＥＧＲ通路を構成するＥＧＲシステムを説明する図である。エンジン（ＥＮＧ）から排出され排気ガスの大部分は排気マニホールド１を通過した後、排気管４、圧縮機の排気タービン側６、場合によってはパティキュレートフィルタ５を通過して排出される。また、排気マニホールド１を通過する排気ガスの一部は、ＥＧＲガスの取り出し口１ａより分岐し、ＥＧＲ配管３に流れ、さらにＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ８、冷却機９を経由後、吸気マニホールド１２へ還流される。

ここで本発明では、図１に示すように、上記ＥＧＲガスの取り出し口１ａを排気マニホールド１に設け、さらに上記ＥＧＲガスの取り出し口１ａの近傍にＥＧＲフィルタ２を設置する。具体的には図３に示すように、ＥＧＲフィルタ２の排気ガス流入側端面２ｆが排気マニホールド１の内面１ｓから前記ＥＧＲガスの流れ方向に大きくとも２０ｍｍの位置になるように、すなわち図３に示す距離Ｌが２０ｍｍ以下となるようにＥＧＲフィルタ２を設置する。これにより、ＥＧＲフィルタ２に捕集・堆積した微粒子が排気ガスの熱により、燃焼除去される。ここで、ＥＧＲフィルタ２の排気ガス流入側端面２ｆと排気マニホールド１の内面１ｓとの距離Ｌが２０ｍｍより大きくなると、ＥＧＲフィルタ２に到達する排気ガスの温度が低下し、ＥＧＲフィルタ２に捕集・堆積した微粒子が燃焼除去されない場合がある。

一方、上記のようにＥＧＲフィルタ２を排気マニホールド１の内面１ｓに接近して設置した場合、エンジンから排出される排気ガスの高い圧力を受けるため、ＥＧＲフィルタ２が破壊する虞がある。従って本発明では、ＥＧＲフィルタの圧縮強度を０．４ＭＰａ以上と規定する。これにより排気ガスの圧力によるＥＧＲフィルタ２の破壊を防止する。ここで、ＥＧＲフィルタの圧縮強度とは、ＥＧＲフィルタ２の排気ガス流入側端面２ｆと排気ガス流出側端面２ｒとに圧縮応力を加えたときの圧縮強度を表す。ＥＧＲフィルタの圧縮強度は１ＭＰａ以上であることが好ましく、２ＭＰａ以上であることがより好ましい。

また、排気ガスの圧力によるＥＧＲフィルタ２の破壊を防止するためには、上記ＥＧＲフィルタの圧縮強度に加えて、ＥＧＲフィルタ２の厚さ、すなわちＥＧＲフィルタ２の排気ガス流入側端面２ｆと排気ガス流出側端面２ｒとの距離も重要となる。ＥＧＲフィルタの厚さが小さいと、排気ガスの圧力によりＥＧＲフィルタが破壊する虞がある。そこで、本発明ではＥＧＲフィルタ２の厚さを５ｍｍ以上と規定する。ＥＧＲフィルタの厚さは微粒子の捕集効率にも影響し、ＥＧＲフィルタの厚さが大きいほど捕集効率は向上する。上記の理由により、ＥＧＲフィルタの厚さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。一方、ＥＧＲフィルタの厚さが大きくなりすぎると、排気ガスが通過する際の圧力損失が大きくなる。そこで、本発明ではＥＧＲフィルタの厚さを５０ｍｍ以下と規定する。３０ｍｍ以下であることが圧力損失が小さく好ましい。

また、上記のようにＥＧＲフィルタは排気ガスが通過する際の圧力損失が小さいことが要求されるため、その気孔率は大きいことが望ましく、本発明においてＥＧＲフィルタ２の気孔率は８８％以上と規定する。一方ＥＧＲフィルタの気孔率が大きすぎると微粒子の捕集効率が小さくなる。従ってＥＧＲフィルタ２の気孔率は９８％以下と規定する。

また、ＥＧＲフィルタ２は、ポーラス金属からなることが好ましい。ポーラス金属をＥＧＲフィルタ２として用いることで、上記厚さ、気孔率、圧縮強度を満足したＥＧＲフィルタを容易に得ることが可能であることに加え、たとえばＥＧＲフィルタをコーディエライトなどのセラミックスにて製造したものの比較して、熱伝導率が大きいために、エンジン始動直後よりＥＧＲフィルタの温度が上昇し、微粒子が多量にＥＧＲフィルタに堆積することなく、微粒子の燃焼除去が開始される。

また、ＥＧＲフィルタ２は、前記ポーラス金属がステンレス鋼からなることが好ましく、これにより、燃料中に含まれる硫黄分により生じる排気ガス中に含まれる酸性物質によりＥＧＲフィルタが侵食されることを防止する。

また、図４に示すように、ＥＧＲフィルタ２のＥＧＲガスの流れ方向下流側に、金属メッシュまたは多孔性金属板からなるカバー２０を更に設置することができる。これによりＥＧＲフィルタ２が万一破損した場合に、破損したＥＧＲフィルタの破片がエンジンに還流することを防止する。同様なカバー２１をＥＧＲフィルタの上流側に設置することもでき、これにより、ＥＧＲフィルタ２が万一破損した場合に、破損したＥＧＲフィルタの破片が圧縮機の排気タービン側６に進入することを防止する。

また、図５に示すように、ＥＧＲフィルタの上流側端面２ｆを排気マニホールド１の内面１ｓに突出して配置することもできる。これによりエンジン始動直後よりＥＧＲフィルタの温度が上昇し易く、微粒子が多量にＥＧＲフィルタに堆積することなく、微粒子の燃焼除去がより早く開始される。この場合、図５に示すように金属メッシュまたは多孔性金属板からなるカバー２２をＥＧＲフィルタを覆うように設置することで、ＥＧＲフィルタ２が万一破損した場合に、破損したＥＧＲフィルタの破片が圧縮機の排気タービン側６に進入することを防止する。

本発明により、排気ガスの温度でフィルタに堆積した微粒子を燃焼除去でき、排気ガスの高圧力に対する強度をもち、圧力損失が小さく、捕集効率が大きいＥＧＲフィルタ装置を得ることができる。

次に本発明を実施例により具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
まず実施例１にて使用するＥＧＲフィルタ２を製造する。このＥＧＲフィルタ２は公知の方法で製造でき、すなわち、例えばバインダと金属粉末を混合し、混練した金属粉スラリーに任意形状のオープンセル構造をもつテンプレート材料、例えばポリウレタンフォームを浸漬し、引き上げた後、余分な前記金属粉スラリーを重力または高圧流体、例えば高圧空気により除去して乾燥後、９００℃以上に加熱して前記テンプレート材料を燃焼消失させると同時にテンプレート材に付着している前記金属粉スラリーを焼結することにより、高気孔率のオープンセル構造体を有するポーラス金属フィルタを製造できる。気孔率の調整は、浸漬するテンプレート材の空隙の大きさにより調整することにより、平均孔径は、０．５ｍｍから３ｍｍまで、気孔率は、６０％〜９９％まで調整することができる。気孔率はアルキメデス法により測定される。また、金属粉スラリーの金属分の材質としては、ＳＵＳ３１０やＳＣＨ２２や純Ｎｉ材も焼結が可能な材料は全て使用可能である。本実施例１では、材質がＳＵＳ３１０の気孔率９８％のポーラス金属フィルタを焼結し、ＥＧＲフィルタ２の上流側端面２ｆの直径２６ｍｍ、下流側端面２ｒの直径３０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＥＧＲフィルタとした。このＥＧＲフィルタを３ヶ製造し、内１ヶを用いて圧縮強度を測定する。

次に、上記で製造したＥＧＲフィルタの１ヶを用いて、圧力損失と微粒子の捕集効率を測定する。まず、圧力損失はＥＧＲフィルタを圧力損失測定装置（図示せず）に設置し、ＥＧＲフィルタの厚さ方向に１０ｍ／ｓの速度で空気を通過させ、ＥＧＲフィルタの上流側と下流側の差圧を測定し、これをＥＧＲフィルタの圧力損失とする。

次に、図２に示す構造を模した、エンジン（ＥＮＧ）、ＥＧＲガスの取り出し口１ａを設けた排気マニホールド１、ＥＧＲ配管３、吸気マニホールド１２から構成される実験装置を用い、上記の圧力損失を測定したＥＧＲフィルタをＥＧＲガスの取り出し口に設置して、ＥＧＲフィルタ捕集効率を測定する。この際、ＥＧＲフィルタの排気ガス流入側端面２ｆが排気マニホールドの内面１ｓから２０ｍｍとなるようにＥＧＲフィルタを設置する。用いたエンジンは排気量２０００ｃｃの４気筒ディーゼルエンジンである。次に、エンジンから排出される排気ガスの温度が、排気マニホールド１内のＥＧＲガスの取り出し口１ａの位置において３２０℃となるようにエンジン負荷を調整し、排気ガスをＥＧＲフィルタに３時間通過させて、排気ガス中の微粒子をＥＧＲフィルタに捕集させる。微粒子を捕集させる前後のＥＧＲフィルタの重量差を捕集効率とする。

次にＥＧＲフィルタ２に捕集される微粒子の燃焼除去状態を確認する。上記捕集効率を測定したＥＧＲフィルタの表面は、微粒子で覆われて黒色を呈している。このＥＧＲフィルタを上記実験装置のＥＧＲガスの取り出し口に再度設置し、エンジンから排出される排気ガスの温度が、排気マニホールド１内のＥＧＲガスの取り出し口１ａの位置において５００℃となるようにエンジン負荷を調整し、排気ガスをＥＧＲフィルタに５００秒間通過させて、ＥＧＲフィルタに捕集されている微粒子を燃焼除去する。次にＥＧＲフィルタを実験装置から取り外し、微粒子の燃焼除去状態を目視観察する。観察結果、ＥＧＲフィルタを覆っていた微粒子が燃焼除去され、ＥＧＲフィルタの基材が目視確認できるものを○、できないものを×として判定する。

次に上記と同じく図２に示す構造を模した、エンジン（ＥＮＧ）、ＥＧＲガスの取り出し口１ａを設けた排気マニホールド１、ＥＧＲ配管３、吸気マニホールド１２から構成される実験装置を用い、ＥＧＲの破損状況を確認する。上記で製造したＥＧＲフィルタの残り１ヶをＥＧＲガスの取り出し口に設置する。この際、ＥＧＲフィルタの排気ガス流入側端面２ｆが排気マニホールドの内面１ｓから２０ｍｍとなるようにした。

エンジンは、低負荷運転と高負荷運転を繰り返すように運転し、低負荷運転時の排気ガス温度は排気マニホールド１内のＥＧＲガスの取り出し口１ａの位置において３５０℃となるように調整し、高負荷運転時の排気ガス温度は７２０℃となるように調整した。そして、低負荷運転にて９分間エンジンを運転した後、続いて高負荷運転にて１分間エンジンを運転し、これを１サイクルとして３０００サイクル連続してエンジンを運転した後、ＥＧＲフィルタ２をＥＧＲガスの取り出し口１ａから取り出し、破損状況を目視確認する。

（実施例２〜７、比較例１〜５）
実施例２〜７、比較例１〜５は、実施例１に対してＥＧＲフィルタの厚さ、気孔率、圧縮強度、ＥＧＲフィルタの排気ガス流入側端面２ｆから排気マニホールド１の内面1ｓまでの距離を変化させたものである。実施例１〜７、比較例１〜５におけるＲＧＲフィルタの厚さ、気孔率、圧縮強度を表１に示す。次に実施例１と同様に、実施例２〜７、比較例１〜５で用いるＥＧＲフィルタの圧力損失と微粒子の捕集効率の測定、及び微粒子の燃焼除去状態を判定する。結果を表１に示す。なお、圧力損失と微粒子の捕集効率は実施例１を１００として示している。

次に実施例１と同様に図２に示す構造を模した、エンジン（ＥＮＧ）、ＥＧＲガスの取り出し口１ａを設けた排気マニホールド１、ＥＧＲ通路３、吸気マニホールド１２から構成される実験装置を用い、ＥＧＲフィルタ２の排気ガス流入側端面２ｆから排気マニホールド１の内面1ｓまでの距離を表１に示す大きさとして、実施例１と同様にエンジンを高負荷・低負荷運転にて連続３０００サイクル運転した後のＥＧＲフィルタの破損状況を確認する。結果を表１に示す。なお、ＥＧＲフィルタの破損状況の確認結果は、破損が確認されたものを×、確認されなかったものを○として示している。

表１より、本発明である実施例１〜７のＥＧＲフィルタ装置は、排気ガスの温度でフィルタに捕集された微粒子を燃焼除去でき、排気ガスの高圧力に対する十分な強度をもち、圧力損失が小さく、捕集効率が大きいことが理解できる。

一方、比較例１のＥＧＲフィルタ装置では、ＥＧＲフィルタの厚さが５ｍｍ未満と薄いことが原因と思われる破損が確認され×判定となり、総合判定は×となった。また、比較例２のＥＧＲフィルタ装置では、気孔率が９８％より大きいため捕集効率が悪く、また圧縮強度が０．４ＭＰａに満たないことが原因と思われる破損が確認され×判定となり、総合判定は×となった。また、比較例３のＥＧＲフィルタ装置では、ＥＧＲフィルタの厚さが５０ｍｍより大きいため、圧力損失が大きくなり総合判定は×となった。また、比較例４のＥＧＲフィルタ装置では、気孔率が８８％未満であるため圧力損失が極端に大きくなり総合判定は×となった。また、比較例５のＥＧＲフィルタ装置では、ＥＧＲフィルタの排気ガス流入側端面２ｆから前記ＥＧＲガスの流れ方向に排気マニホールド１の内面1ｓまでの距離が２０ｍｍより大きいため、微粒子の燃焼除去が十分に行われていないことが確認され、総合判定は×となった。

本発明のＥＧＲフィルタ装置の構造を示す模式図である。本発明のＥＧＲフィルタ装置を用いたＥＧＲ通路を説明する模式図である。本発明のＥＧＲフィルタ装置の構造の一例を示す模式図である。本発明のＥＧＲフィルタ装置の構造の一例を示す模式図である。本発明のＥＧＲフィルタ装置の構造の一例を示す模式図である。

符号の説明

１：排気マニホールド
１ａ：ＥＧＲガスの取り出し口
１ｓ：排気マニホールドの内面
２：フィルタ（ＥＧＲフィルタ）
２ｆ：フィルタの上流側端面（ＥＧＲフィルタの上流側端面）
２ｒ：フィルタの下流側端面（ＥＧＲフィルタの下流側端面）
３：ＥＧＲ配管
４：排気通路
５：パティキュレートフィルタ
６：圧縮機の排気タービン側
７：圧縮機のコンプレッサー側
８：ＥＧＲバルブ
９：冷却機
１０：ＥＧＲセンサ
１１：インタークーラ
１２：吸気マニホールド
１３：吸気通路
２０〜２２：カバー

Claims

エンジンから排出する排気ガスの一部から前記エンジンの吸気側に還流されるＥＧＲガス中の微粒子を除去するフィルタを内蔵したＥＧＲフィルタ装置であって、前記ＥＧＲガスの取り出し口は前記エンジンに接続した排気マニホールドに設けられ、前記フィルタは、厚さが５〜５０ｍｍ、気孔率が８８〜９８％、圧縮強度が０．４ＭＰａ以上であり、前記フィルタの排気ガス流入側端面は前記排気マニホールドの内面から前記ＥＧＲガスの流れ方向に大きくとも２０ｍｍの位置に存在することを特徴とするＥＧＲフィルタ装置。
前記フィルタがポーラス金属からなることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲフィルタ装置。
前記ポーラス金属がステンレス鋼からなることを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲフィルタ装置。