JP2009144672A - 二重管式黒煙除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦでＰＭを燃焼させる場合、ＤＰＦの内部と外周部との間に温度差の発生を回避して、該温度差によって発生する熱応力を低減し、該熱応力によるＤＰＦの破損を回避した二重管式ＤＰＦ装置を提供する。
【解決手段】排気ガス通路の排気ガスを濾過する多孔性部材と、該多孔性部材の下流に設けられて排気ガス中の微小固形物を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）とを備えたＤＰＦ装置において、前記多孔性部材に連設して、前記ＤＰＦの外周を覆う外周空間及びＤＰＦの背部を覆う背部空間を形成するＤＰＦ外側ケーシングでＤＰＦを囲尭するとともに、前記多孔性部材及びＤＰＦ内をこの順に通った排気ガスが、前記ＤＰＦ外側ケーシング内の前記背部空間及び外周空間を通ってから、排気出口管に排出されるように構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス処理装置に適用され、エンジンからの排気ガス通路に設けられて排気ガス中の微小固形物を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）と該ＤＰＦの入口部に排気ガスを濾過する多孔性部材を配置した二重管式黒煙除去装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレート（微小固形物、以下ＰＭという）を除去する黒煙除去装置(以下ＤＰＦという）が設けられているエンジンにおいては、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量が増加して該ＤＰＦ出入口間の排気ガスの差圧が増加すると、ＤＰＦ差圧の上昇によるエンジン出力の低下や排気温度の過大な上昇等の問題点が発生する。

かかる問題を回避するため、限界範囲内で捕集されたＰＭを燃焼させて除去する手段、つまりＰＭの強制再生手段が多く用いられている。
前記ＰＭの強制再生手段では、一般に、筒内燃料噴射や排気管内の燃料添加により、排気ガス後処理装置即ちＤＰＦに未燃成分を供給し、触媒反応によってＤＰＦの入口温度を昇温させ、ＤＰＦにおいて捕集されたＰＭを燃焼させて除去している。

かかるＰＭの強制再生手段として、ＤＰＦにＰＭが不均一に堆積した場合であっても、その堆積量を精度よく求める方法として特許文献１（特開２００６−２６７２号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、エンジンからの排気ガスの空燃比を検出し、その空燃比とエンジン回転数とにもとづいて排気ガスにおけるＰＭ発生量を算出する。そしてＰＭ発生量を積算することによってＤＰＦにおけるＰＭ堆積量を求める。従って、排気ガスの空燃比に基づいてその排気ガスにおけるＰＭ発生量を算出すれば、ＤＰＦにおけるＰＭ堆積状態が均一か不均一かに係らず、ＰＭ堆積量を精度よく求めることができる。

特開２００６−２６７２号公報

特に、排気ガス通路に排気ガス中のＰＭを除去するＤＰＦが設けられているエンジンにおいては、前記のようなＰＭの強制再生手段が多く用いられ、かかるＰＭの強制再生手段では、筒内燃料噴射や排気管内の燃料添加により、排気ガス後処理装置即ちＤＰＦに未燃成分を供給し、触媒反応によってＤＰＦの入口温度を昇温させ、ＤＰＦにおいて捕集されたＰＭを燃焼させて除去している。

このように、ＤＰＦでＰＭを燃焼させる場合、燃焼熱はＤＰＦの内部方向から外周部に伝達されるが、ＰＭが限界値近くまで蓄積している場合や、ＤＰＦで断面中央部への蓄積が著しい場合には、ＤＰＦの内部と外周部との間に温度差が発生し、かかる温度差が大きくなると、該温度差によって発生する熱応力でＤＰＦが破損するという問題が発生する。
前記特許文献１の技術においては、排気ガスの空燃比に基づいてその排気ガスにおけるＰＭ発生量を算出すれば、ＤＰＦにおけるＰＭ堆積状態が均一か不均一かに係らずＰＭ堆積量を精度よく求めることができる手段が、提供されているにとどまり、温度差によって発生する熱応力でＤＰＦが破損するという問題の解決には触れられていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ＤＰＦでＰＭを燃焼させる場合、ＤＰＦの内部と外周部との間に温度差の発生を回避して、該温度差によって発生する熱応力を低減し、該熱応力によるＤＰＦの破損を回避した二重管式ＤＰＦ装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、排気ガス中の微小固形物を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）を備えたＤＰＦ装置において、前記ＤＰＦの外周を覆う外周空間及びＤＰＦの背部を覆う背部空間を形成するＤＰＦ外側ケーシングでＤＰＦを囲尭するとともに、前記ＤＰＦ内を通った排気ガスが、前記ＤＰＦ外側ケーシング内の前記背部空間及び外周空間を通ってから、排気出口管に排出されるように構成されたことを特徴とする（請求項１）。
かかる発明において、具体的には、前記ＤＰＦ外側ケーシングは、前記ＤＰＦの下流部に前記背部空間を配置し、前記ＤＰＦの外周部に前記外周空間を配置し、該ＤＰＦ外側ケーシングの外壁に前記排気出口管を接続して構成し、前記ＤＰＦを貫流した排気ガスが、前記背部空間を通ってから前記外周空間をこの順に通り、前記排気出口管に到達するように構成されるのが好ましい（請求項２）。

また、本発明は、前記ＤＰＦ外側ケーシングの外周を覆うように環状の集合管を設け、前記ＤＰＦ外側ケーシングの外周と前記集合管の内側とを連結する複数個のパイプヘッダーを設けて、各パイプヘッダーは、前記ＤＰＦ外側ケーシングの内部と前記集合管の内部とを連通してなることを特徴とする（請求項３）。

本発明によれば、ＤＰＦの外周を覆う外周空間及びＤＰＦの背部を覆う背部空間を形成するＤＰＦ外側ケーシングでＤＰＦを囲尭するとともに、ＤＰＦ内を通った排気ガスが、前記ＤＰＦ外側ケーシング内の前記背部空間及び外周空間を通ってから、排気出口管に排出され（請求項１）、
さらに具体的には、ＤＰＦの下流部に背部空間を配置し、ＤＰＦの外周部に外周空間を配置し、ＤＰＦを貫流した排気ガスが背部空間を通ってから外周空間を通り、前記排気出口管に到達するように構成されるので（請求項２）、
ＤＰＦ内で未燃成分の触媒反応やＰＭの燃焼によって昇温された排気ガスが、ＤＰＦの外周及び背部を覆うＤＰＦ外側ケーシングの内部のＤＰＦ背部に形成された背部空間に入って、該背部空間でＤＰＦの背部外周部位を加熱し、次いで前記背部空間で加熱された排気ガスはＤＰＦ外側ケーシングの内部のＤＰＦ外周部に形成された該外周空間でＤＰＦの外周部位を加熱してから、排気出口管に到達する。

このため、ＤＰＦは、前記背部空間で触媒反応や燃焼によって昇温された排気ガスによりＤＰＦの背部部位の温度が上昇し、次いで前記外周空間で前記排気ガスにより加熱されて、ＤＰＦの外周部位の温度が上昇することとなり、ＤＰＦは背部外周部位から外周部位に至る全面で触媒反応や燃焼によって昇温された排気ガスにより加熱されることにより、ＤＰＦ外周部位の温度が上昇して、高温のＤＰＦ中央部位と該ＤＰＦ外周部位との温度差が小さくなる。
従って、かかる温度差が小さくなることによって、該温度差によって発生する熱応力が抑制され、ＤＰＦの破損が回避できる。

また、本発明は、ＤＰＦ外側ケーシングの外周を覆うように環状の集合管を設け、ＤＰＦ外側ケーシングの外周と集合管の内側とを連結する複数個のパイプヘッダーを設け、各パイプヘッダーは、ＤＰＦ外側ケーシングの内部と集合管の内部とを連通したので（請求項３）、
ＤＰＦ外側ケーシングの内部と集合管の内部とを連通するパイプヘッダーを、好ましくは円周方向等間隔に設けることにより、前記外周空間で前記排気ガスにより加熱されるＤＰＦの外周部位の温度が万遍なく上昇することにより、さらに温度差の低減効果が大きくなり、熱応力の抑制効果も大きくなる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図４は本発明が適用される４サイクルディーゼルエンジンの概略構成図である。
図４において、１００はエンジン（４サイクルディーゼルエンジン）、１はエンジン１００のシリンダ１内に形成された燃焼室、２はピストン、３はクランク軸である。
４は各シリンダヘッドに形成された吸気ポート、５は各吸気ポート４を開閉する吸気弁、１２は前記各吸気ポート４への吸気が集合する吸気マニホールド、６は各シリンダヘッドに形成された排気ポート、７は前記各排気ポート６を開閉する排気弁、１１は前記各排気ポート６からの排気ガスが集合する排気マニホールドである。

１０は過給機で、前記排気マニホールド１１及び排気管３０を通った排気ガスにより駆動されるタービン１０ａ、及び該タービン１０ａにより直結駆動されて前記吸気マニホールド１２側に吸気を圧送するコンプレッサ１０ｂをそなえている。
前記過給機１０のコンプレッサ１０ｂによって圧送された給気は、給気冷却器２０で冷却された後、スロットル弁２１で流量を調整され、吸気マニホールド１２及び吸気ポート６を経て、吸気弁５の開弁により燃焼室１内に供給され、燃焼に供される。
そして、前記各燃焼室１での着火燃焼後の排気ガスは、排気弁７の開弁により排気ポート６を通って排気マニホールド１１に溜められてから、排気管３０を通って過給機１０に送り込まれて該過給機１０のタービン１０ａを駆動する。

前記過給機１０のタービン１０ａ出口に接続される出口側の排気管１３の管路中には、排気ガス中のパティキュレート（微小固形物、以下ＰＭという）を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）１４が設けられている。
前記タービン１０ａ駆動後の排気ガスは前記出口側の排気管１３を通って前記ＤＰＦ１４に入り、ここでＰＭを除去されて図示しない排ガス浄化触媒装置で浄化されて外気中に排出される。

本発明は、以上のような４サイクルディーゼルエンジンにＰＭを除去するＤＰＦの改良に関するものである。

図１は本発明の第1実施例にかかるＤＰＦの側面斜視図である。
図１において、５０はＤＰＦ装置で次のように構成されている。
５５は入口管、５３は加熱膨張性マットである。前記ＤＰＦ１４は該加熱膨張性マット５３に連結されており、該加熱膨張性マット５３の外径は前記ＤＰＦ１４の外径よりも大きくなっている。即ち前記両者間には段差１４ａが形成される。

前記加熱膨張性マット５３の下流側にはＤＰＦ外側ケーシング５２が連設されている。該ＤＰＦ外側ケーシング５２の外径は前記加熱膨張性マット５３と略同一で、従って、前記ＤＰＦ１４の外径と前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の内径との間に前記段差１４ａが形成されることとなる。
したがって、前記ＤＰＦ１４の外径と前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の内径との間には、環状の外周空間５６が形成されることとなる。
また、前記ＤＰＦ１４の背面と前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の背面５７ａとの間には、背部空間５７が形成される。

従って、前記ＤＰＦ１４は前記ＤＰＦ外側ケーシング５２で、間に外周空間５６及び背部空間５７を形成して囲尭されることとなる。
そして、前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の外壁の、加熱膨張性マット５３の近傍に、対を成す排気出口管５４，５４が接続される。

かかる二重管式ＤＰＦ装置において、ＰＭの強制再生時には、筒内燃料噴射や排気管内の燃料添加により未燃成分が前記ＤＰＦ１４に供給され、該ＤＰＦ１４で触媒反応や燃焼によって前記未燃成分やＰＭが燃焼して、ＤＰＦ１４の中央部の温度が総じて上昇し、この排気ガス５８が、図１の矢印のように流れる。
即ちＤＰＦ１４内で昇温した排気ガス５８は、図１の矢印のように流れ、ＤＰＦ１４の前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の内部のＤＰＦ１４背部に形成された背部空間５７に入って、該背部空間５７でＤＰＦ１４の背部の外周部位を加熱する。
次いで、排気ガス５８は、ＤＰＦ外側ケーシング５２の内部のＤＰＦ１４外周部に形成された外周空間５６でＤＰＦ１４の外周部位を加熱してから、排気出口管５４，５４に到達し、該排気出口管５４，５４から外部に排出される。

このため、ＤＰＦ１４は、触媒反応やＰＭの燃焼により昇温された排気ガス５８により加熱されて、ＤＰＦ１４の背部部位の温度が上昇し、次いで前記外周空間５６で前記排気ガス５８により加熱されてＤＰＦ１４の外周部位の温度が上昇することとなり、ＤＰＦ１４は背部部位から外周部位に至る全面で触媒反応や燃焼によって昇温された排気ガス５８により加熱されることとなる。
これにより、ＤＰＦ１４外周部位の温度が上昇して、ＤＰＦ中央部位との温度差が小さくなる。
従って、かかる温度差が小さくなることにより、該温度差によって発生する熱応力が抑制され、これによりＤＰＦ１４の破損が回避できる。

図２は本発明の第２実施例を示す図１対応図である。図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
かかる第２実施例においては、前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の外周を覆うように環状の集合管６１を設け、前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の外周と前記集合管６１の内側とを連結する複数個（この例では円周方向等間隔に８個）のパイプヘッダー６０を設けている。
そして前記各パイプヘッダー６０は、前記ＤＰＦ外側ケーシング５２の内部即ち前記外周空間５６と、前記集合管６１の内部とを連通して構成されている。
その他の構成は、前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

かかる第２実施例によれば、ＤＰＦ外側ケーシング５２の内部即ち前記外周空間５６と、集合管６１の内部とを連通するパイプヘッダー６０を、円周方向等間隔８個に設けることにより、前記外周空間５６で前記排気ガスにより加熱されるＤＰＦ１４の外周部位の温度が万遍なく上昇することにより、さらに温度差の低減効果が大きくなり、熱応力の抑制効果も大きくなる。

本発明によれば、ＤＰＦでＰＭを燃焼させる場合、ＤＰＦの内部と外周部との間に温度差の発生を回避して、該温度差によって発生する熱応力を低減し、該熱応力によるＤＰＦの破損を回避した二重管式ＤＰＦ装置を提供できる。

図１は本発明の第1実施例にかかるＤＰＦの側面斜視図である。 図２は本発明の第２実施例を示す図１対応図である。 図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明が適用される４サイクルディーゼルエンジンの概略構成図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ ピストン
３ クランク軸
４ 吸気ポート
５ 吸気弁
６ 排気ポート
７ 排気弁
１４ ＤＰＦ
１４ａ 段差
５０ ＤＰＦ装置
５２ ＤＰＦ外側ケーシング
５３ 加熱膨張性マット
５４ 排気出口管
５６ 外周空間
５７ 背部空間
６０ パイプヘッダー
６１ 集合管

Claims (3)

1. 排気ガス中の微小固形物を除去するＤＰＦ等黒煙除去装置を備えた装置において、前記黒煙除去装置の外周を覆う外周空間及び黒煙除去装置の背部を覆う背部空間を形成する黒煙除去装置外側ケーシングで黒煙除去装置を囲尭するとともに、多孔性部材及び黒煙除去装置内をこの順に通った排気ガスが、前記黒煙除去装置外側ケーシング内の前記背部空間及び外周空間を通ってから、排気出口管に排出されるように構成されたことを特徴とする二重管式黒煙除去装置。
2. 前記黒煙除去装置外側ケーシングは、前記黒煙除去装置の下流部に前記背部空間を配置し、前記黒煙除去装置の外周部に前記外周空間を配置し、該黒煙除去装置外側ケーシングの外壁に前記排気出口管を接続して構成し、前記黒煙除去装置を貫流した排気ガスが、前記背部空間を通ってから前記外周空間をこの順に通り、前記排気出口管に到達するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の二重管式黒煙除去装置。
3. 前記黒煙除去装置外側ケーシングの外周を覆うように環状の集合管を設け、前記黒煙除去装置外側ケーシングの外周と前記集合管の内側とを連結する複数個のパイプヘッダーを設けて、各パイプヘッダーは、前記黒煙除去装置外側ケーシングの内部と前記集合管の内部とを連通してなることを特徴とする請求項１記載の二重管式黒煙除去装置。
   
   

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