JP2012087680A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部への放熱を抑制すると共に、排気抵抗を径方向で均一にして、再生処理した後の微粒子状物質の燃え残りを防止することができる排気浄化装置を提供することにある。
【解決手段】内燃機関からの排ガス５１が流通する排気管１１に設けられ、酸化触媒１３と、酸化触媒１３の排ガス流通方向下流側に配置され、酸化触媒１３と比べて大径であり、前記排ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートレートフィルタ１５とを備えた排気浄化装置であって、パティキュレートレートフィルタ１５の少なくとも排ガス流入側の端面部１５ｂに設けられ、酸化触媒１３の径断面と同形の前記排ガスが流通可能な穴部１６ｂを有するとともに、穴部１６ｂとパティキュレートレートフィルタ１５の外周縁との間に排ガスの流通を抑制するマスク部１６ａを有する遮蔽部材１６を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、内燃機関、特にディーゼルエンジンなどから排出される排ガスの処理に用いて好適な排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンなどからの排ガスを排出する排気管には、排ガス中のパティキュレートマター（微粒子状物質、Particulate Matter；以下、ＰＭと称す）を捕集するパティキュレートフィルタ（Diesel particulate filter）が設けられている。パティキュレートフィルタを強制的に昇温することで、捕集したＰＭを間欠的に燃焼除去している。すなわち、パティキュレートフィルタの再生処理が間欠的に行われている。

ところで、パティキュレートフィルタを再生処理しても、パティキュレートフィルタが十分に昇温せず、パティキュレートフィルタで捕集したＰＭが燃え残ることがある。パティキュレートフィルタの外周部分は、その中心部からの熱が伝わりにくく、排気管の外部への放熱もある。そのため、パティキュレートフィルタの温度が低下しやすくなっている。その結果、パティキュレートフィルタの外周部分では、その中心部分と比べてＰＭの燃え残りが多くなる。このようにパティキュレートフィルタの径方向にてＰＭの燃え残りに偏りが生じると、パティキュレートフィルタを再生処理するときの昇温挙動にも偏りが生じる。これにより、再生処理時のピーク温度の推定が困難となり、その推定精度が低下する。ピーク温度の推定精度が低下するとパティキュレートフィルタにて過昇温が発生する可能性が高くなり、これに伴ってパティキュレートフィルタの再生処理の制御性が悪化してしまう。

このようなことから、パティキュレートフィルタの外周部分の放熱を防止する技術が種々開発されている。例えば、特許文献１には、ガス流入側とガス流出側の両端面において、その外周部から規定幅（所定幅）の外周領域にあるセルに栓詰めを行って外周保温層を設けたディーゼルパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排ガス浄化装置が記載されている。

特開２００５−４８７５４号公報（例えば、明細書の段落［００３６］−［００４０］、［図１］，［図２］，[図３]（ａ）など参照）

上述した内燃機関の排ガス浄化装置では、外周保温層により外部への放熱を抑制し、再生処理後のＰＭの燃え残りを防止できるものの、排気抵抗の低減を図ることに関しては検討されていなかった。パティキュレートフィルタを昇温するために、パティキュレートフィルタの排ガス流通方向上流側にパティキュレートフィルタと比べて小径である酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst）が配置されることがある。このような場合、排ガスの流通速度がパティキュレートフィルタの径方向で不均一になり、パティキュレートフィルタの外周部近傍にて排気抵抗を増大させていた。これにより、排ガス中のＰＭがパティキュレートフィルタの径方向にて不均一に分布し、パティキュレートフィルタでのＰＭの堆積量もパティキュレートフィルタの径方向にて不均一になり、パティキュレートフィルタを再生処理してもＰＭの燃え残りが生じてしまう可能性があった。

以上のことから、本発明は上述したような問題を解決するために為されたものであって、外部への放熱を抑制すると共に、排気抵抗を径方向で均一にして、再生処理した後の微粒子状物質の燃え残りを防止することができる排気浄化装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る排気浄化装置は、
内燃機関からの排ガスが流通する排気管に設けられ、
前記排ガス中の被酸化成分を酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒の排ガス流通方向下流側に配置され、当該酸化触媒と比べて大径であり、前記排ガス中の微粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排気浄化装置であって、
前記フィルタの少なくとも排ガス流入側の端面に設けられ、前記酸化触媒の径断面と同形の前記排ガスが流通可能な穴部を有するとともに、該穴部と該フィルタの外周縁との間に前記排ガスの流通を抑制するマスク部を有する遮蔽手段を形成した
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る排気浄化装置は、
第１の発明に係る排気浄化装置であって、
前記穴部が、前記排ガスが流通する方向から見て前記酸化触媒の径断面と重なるように設けられる
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る排気浄化装置は、
第１または第２の発明に係る排気浄化装置であって、
前記遮蔽手段が前記フィルタの排ガス流出側の端面に具備される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る排気浄化装置は、
第１〜第３の発明の何れか１つに係る排気浄化装置であって、
前記酸化触媒と前記フィルタが近接して配置される
ことを特徴とする。

本発明に係る排気浄化装置によれば、遮蔽部材によりフィルタの外周部近傍を閉塞し同箇所への排ガスの流入が抑制される。フィルタの外周部近傍に排ガスが流入しないことから保温層として機能する。これにより、フィルタの温度が中央部分からこの外周部近傍に亘って均一になる。また、酸化触媒を通過した排ガスが排気管の径方向に拡散せずフィルタに流入し、排ガスの流通速度がフィルタの径方向で均一となり、排気抵抗がフィルタの径方向で均一になる。

本発明の第１の実施例に係る排気浄化装置の概略断面図である。 排気浄化装置が具備する遮蔽部材の説明図であって、図２（ａ）にその模式を示し、図２（ｂ）にパティキュレートフィルタの中心からの距離と再生処理時（微粒子状物質の燃焼時）の温度との関係を示す。 本発明の第２の実施例に係る排気浄化装置が具備するパティキュレートフィルタ近傍の断面図である。 本発明の第３の実施例に係る排気浄化装置が具備する遮蔽部材の説明図であって、図４（ａ）にその平面を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。

以下に、本発明に係る排気浄化装置を実施するための形態について、各実施例にて説明する。

本発明の第１の実施例に係る排気浄化装置について、図１および図２に基づいて具体的に説明する。

本実施例に係る排気浄化装置１０は、図１に示すように、ディーゼルエンジンなど内燃機関からの排気ガスが流通する排気管１１内に設けられる、酸化触媒１３とパティキュレートフィルタ（フィルタ）１５とを具備する。パティキュレートフィルタ１５は、酸化触媒１３の排ガス流通方向下流側に配置される。排気管（外筒）１１は、小径をなす小径部１１ａと、小径部１１ａと比べて大径をなす大径部１１ｂと、小径部１１ａと大径部１１ｂとを接続し、拡径する拡径部１１ｃとを有する。排気管１１の小径部１１ａには酸化触媒１３が配置される。排気管１１の大径部１１ｂにはパティキュレートフィルタ１５が配置される。

排気管１１の小径部１１ａの端部にはフロントコーン１８が設けられる。排気管１１の大径部１１ｂの端部にはリヤコーン１９が設けられる。フロントコーン１８は、排気管１１の小径部１１ａの外周部分に沿う筒部１８ａと、筒部１８ａの端部に接続し、縮径する縮径部１８ｂとで構成される。リヤコーン１９は、排気管１１の大径部１１ｂの外周部分に沿う筒部１９ａと、筒部１９ａの端部に接続し、縮径する縮径部１９ｂとで構成される。

酸化触媒１３は、筒内ポスト噴射や排気管噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、排ガス中の被酸化成分、例えば、未燃炭化水素類、一酸化炭素、窒素酸化物や黒鉛炭素成分を酸化し、酸化反応により発熱する触媒である。この熱がパティキュレートフィルタ１５に伝わりパティキュレートフィルタ１５が昇温することにより、パティキュレートフィルタ１５に捕集したパティキュレートマター（微粒子状物質、以下、ＰＭと称す）を燃焼除去している。

パティキュレートフィルタ１５は、ハニカム形状に形成されたフィルタであって、排ガスに含まれるＰＭを捕集するフィルタである。パティキュレートフィルタ１５は酸化触媒１３と比べて大径をなす形状に形成されている。パティキュレートフィルタ１５の担体材料としては、従来のパティキュレートフィルタの担体材料と同じもの、例えば、炭化ケイ素、コージェライト、アルミニウムチタネートなどが挙げられる。

酸化触媒１３の外周部１３ａには、マット状担体保持部材１２が巻き掛けられている。パティキュレートフィルタ１５の外周部１５ａには、マット状担体保持部材１４が巻き掛けられている。マット状担体保持部材１２，１４としては、ガラスウールなどが挙げられる。
酸化触媒１３の直径は、パティキュレートフィルタ１５の直径より僅かに小径である。これは、酸化触媒１３の直径がパティキュレートフィルタ１５の直径に対しあまりに小さいと、酸化触媒１３での酸化反応による熱をパティキュレートフィルタ１５の径方向全体に亘って均一に伝えることができなくなるためである。酸化触媒１３及びパティキュレートフィルタ１５は、互いの軸心が一致するよう配置することが好ましい。これにより、酸化触媒１３を通過した排ガス５２をパティキュレートフィルタ１５に効率よく流通させることができる。

パティキュレートフィルタ１５における、排ガス流入側の端面部１５ｂおよび排ガス流出側の端面部１５ｃには、遮蔽部材（遮蔽手段）１６，１７がそれぞれ設けられる。遮蔽部材１６，１７は、外周部にマスク部１６ａ，１７ａがパティキュレートフィルタ１５と同じ外径で設けられ、中央部に穴部１６ｂ，１７ｂが設けられた形状である。マスク部１６ａの大きさｄ１とマスク部１７ａの大きさｄ２は同じである。遮蔽部材１６，１７の穴部１６ｂ，１７ｂは、酸化触媒１３の直径と同じ大きさである。これにより、酸化触媒１３を通過した排ガス５２は、パティキュレートフィルタ１５の外周部分へ拡散することなく、パティキュレートフィルタ１５の中央部分を通ってそのまま排出することになる。マスク部１６ａ，１７ａとしては、パティキュレートフィルタ１５の再生処理時の熱への耐性を有する材質であれば良く、例えば、鉄や鋼などが挙げられる。

よって、ディーゼルエンジンなど内燃機関からの排ガス５１が酸化触媒１３に流入し、酸化触媒１３を通過した排ガス５２がパティキュレートフィルタ１５に流入し、パティキュレートフィルタ１５でＰＭが捕集された排ガス５３がパティキュレートフィルタ１５の端面部１５ｃから排出することになる。

上述した構成の排気浄化装置の組み立て手順について説明する。
まず、酸化触媒１３の外周部１３ａにマット状担体保持部材１２を巻き掛ける。パティキュレートフィルタ１５の外周部１５ａにマット状保持部材１４を巻き掛ける。パティキュレートフィルタ１５の端面部１５ｂ，１５ｃに遮蔽部材１６，１７をそれぞれ取り付ける。

続いて、排気管１１の一方の端部から酸化触媒１３を圧入し、排気管１１の小径部１１ａにおける所定の位置に酸化触媒１３を配置する。

続いて、排気管１１の他方の端部から遮蔽部材１６，１７を取り付けたパティキュレートフィルタ１５を圧入し、排気管１１の大径部１１ｂにおける所定の位置にパティキュレートフィルタ１５を配置する。

続いて、排気管１１の一方の端部にフロントコーン１８を取り付け、排気管１１の他方の端部にリヤコーン１９を取り付ける。よって、マット状担体保持部材１２，１４が巻き掛けられた、酸化触媒１３およびパティキュレートフィルタ１５がそれぞれ排気管１１の所定の位置に配置される。酸化触媒１３とパティキュレートフィルタ１５の軸心が一致するように配置される。

ここで、パティキュレートフィルタ１５の中心からの距離と再生処理時（ＰＭ燃焼時）の温度との関係について図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ｂ）にて、直線Ｌ１が遮蔽部材１６，１７のマスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２が１０ｍｍの場合を示し、直線Ｌ２がマスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２が５ｍｍの場合を示し、直線Ｌ３がマスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２が０ｍｍの（マスク部が無い）場合を示す。温度Ｐ１が微粒子状物質の燃焼開始温度を示す。

図２（ｂ）から分かるように、マスク部が無い場合やマスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２が５ｍｍの場合には、パティキュレートフィルタ１５の外周部分（最外周位置）にて燃焼開始温度Ｐ１よりも低くなり、パティキュレートフィルタ１５に捕集したＰＭの全てを燃焼除去することができず、ＰＭの燃え残りが生じる可能性があることが分かる。これに対し、マスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２を１０ｍｍにすることにより、パティキュレートフィルタ１５の外周部分（最外周位置）にて燃焼開始温度Ｐ１に到達し、パティキュレートフィルタ１５に捕集したＰＭを燃焼除去することができることが分かる。すなわち、マスク部１６ａ，１７ａの幅ｄ１，ｄ２を少なくとも１０ｍｍ以上とすることにより、パティキュレートフィルタ１５の外周部分にて燃焼開始温度Ｐ１に到達し、パティキュレートフィルタ１５に捕集したＰＭを燃焼除去することができる。

したがって、本実施例に係る排気浄化装置１０によれば、遮蔽部材１６，１７を構成するマスク部１６ａ，１７ａによりパティキュレートフィルタ１５の外周部１５ａ近傍を閉塞し同箇所への排ガス５２への流入が抑制されて、同箇所へのＰＭの侵入が抑制される。パティキュレートフィルタ１５の外周部１５ａ近傍に排ガス５２が流入しないことから保温層として機能する。これにより、パティキュレートフィルタ１５の温度が中央部分から外周部１５ａ近傍に亘って均一になる。また、酸化触媒１３を通過した排ガス５２が排気管１１の径方向に拡散せずにパティキュレートフィルタ１５に流入し、排ガスの流通速度がパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一となり、排気抵抗がパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一になる。これにより、排ガス中のＰＭがパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一に分布することになり、パティキュレートフィルタ１５に捕集し当該パティキュレートフィルタ１５に堆積するＰＭはパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一になる。よって、パティキュレートフィルタ１５を再生処理した後のＰＭの燃え残りを防止することができる。

また、酸化触媒１３とパティキュレートフィルタ１５が近接して配置されることにより、酸化触媒１３を通過した排ガス５２の排気管１１の径方向へ拡散をより一層低減することができる。さらに、酸化触媒１３とパティキュレートフィルタ１５間での排ガス５２の滞留を低減し、排ガス５２をパティキュレートフィルタ１５に導入することができる。よって、排ガス中のＰＭがパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一に分布することになり、パティキュレートフィルタ１５で捕集し当該パティキュレートフィルタ１５に堆積するＰＭがパティキュレートフィルタ１５の径方向で均一になる。よって、パティキュレートフィルタ１５を再生処理した後のＰＭの燃え残りをより一層確実に防止することができる。

本発明の第２の実施例に係る排気浄化装置について、図３に基づいて具体的に説明する。
本実施例は、上述した第１の実施例における排気管および遮蔽手段を変形したものであって、それ以外は第１の実施例に係る排気浄化装置と同一の構成である。すなわち、パティキュレートフィルタの排ガス流通方向上流側には、パティキュレートフィルタよりも小径な酸化触媒が配置される。

本実施例に係る排気浄化装置では、図３に示すように、マット状担体保持部材１４が巻き掛けられたパティキュレートフィルタ１５が筒状の排気管（コンバータ）２１内に配置される。排気管２１は、筒部２１ａと底面部２１ｂと穴部２１ｃとを有する。底面部２１ｂは、筒部２１ａの一方の端部に接続される。穴部２１ｃは、底面部２１ｂの中央に設けられ、酸化触媒１３の直径と同じ大きさとなっており、排ガスが流通可能となっている。パティキュレートフィルタ１５の一方の端面部１５ｃが排気管２１の底面部２１ｂと接触して配置される。パティキュレートフィルタ１５の他方の端面部１５ｂには、遮蔽部材（遮蔽手段）２３が接触して設けられる。遮蔽部材２３は、板状であって、固定部（マスク部）２３ａとフランジ部２３ｂと穴部２３ｃを有する。フランジ部２３ｂは、固定部２３ａの外周部に接続し、固定部２３ａに直交する方向に延在している。穴部２３ｃは、固定部２３ａの中央に設けられ、酸化触媒１３の直径と同じ大きさとなっている。これにより、酸化触媒１３を通過した排ガス５２は、パティキュレートフィルタ１５の外周部分へ拡散することなく、パティキュレートフィルタ１５の中央部分を通ってそのまま排出することになる。

排気管２１の入口側端部には、フロントコーン２２が設けられる。フロントコーン２２は、排気管２１の筒部２１ａの外周部分に沿う筒部２２ａと、筒部２２ａの端部に接続し、縮径する縮径部２２ｂとを有する。

ここで、上述した構成の排気浄化装置の組み立て手順について説明する。
排気管２１の一方の端部からパティキュレートフィルタ１５を挿入し、パティキュレートフィルタ１５の端面部１５ｃと排気管２１の底面部２１ｂとを接触させる。続いて、排気管２１の一方の端部から遮蔽部材２３をさらに挿入し、遮蔽部材２３の固定部２３ａとパティキュレートフィルタ１５の端面部１５ｂとを接触させる。続いて、遮蔽部材２３のフランジ部２３ｂを排気管２１に固定する。これにより、パティキュレートフィルタ１５が排気管２１の所定の位置に配置される。

したがって、本実施例に係る排気浄化装置によれば、上述した第１の実施例に係る排気浄化装置と同様、外部への放熱が抑制される。排気抵抗が径方向で均一となる。これにより、パティキュレートフィルタ１５を再生処理した後のＰＭの燃え残りを防止することができる。さらに、排気管２１の一部を利用してパティキュレートフィルタ１５を固定することができる。遮蔽部材２３にフランジ部２３ｂを設けたことにより遮蔽部材２３を排気管２１に容易に固定することができる。

本発明の第３の実施例に係る排気浄化装置について、図４に基づいて具体的に説明する。
本実施例は、上述した第１，第２の実施例に係る排気浄化装置が具備する遮蔽手段を変形したものであって、それ以外は第１，第２の実施例に係る排気浄化装置と同一の構成である。

本実施例に係る排気浄化装置は、図４に示すように、パティキュレートフィルタにおける、排ガス流入側の端面部および排ガス流出側の断面部のそれぞれに設けられた遮蔽部材３１を具備する。

遮蔽部材（遮蔽手段）３１は、板状であって、中央に円形状の穴部３１ｂを有すると共に、円形状の外周部（マスク部）３１ａを有する円盤形状である。遮蔽部材３１は、一方の側面部３１ｄ側で突出し、他方の側面部３１ｃ側で凹んだビード３２が穴部３１ｂに沿って設けられている。このような形状の遮蔽部材３１をパティキュレートフィルタに取り付けた際に、遮蔽部材３１自体の撓みが抑制され、パティキュレートフィルタの外周部分への排ガスの流入が抑制されて、同箇所へのＰＭの侵入が抑制される。

したがって、本実施例に係る排気浄化装置によれば、上述した第１，第２の実施例に係る排気浄化装置と同様、外部への放熱が抑制される。排気抵抗が径方向で均一となる。これにより、パティキュレートフィルタを再生処理した後のＰＭの燃え残りを防止することができる。遮蔽部材３１にビード３２を設けたことにより遮蔽部材３１の撓みを抑制でき、パティキュレートフィルタの外周部近傍への排ガスの流入を抑制して、同箇所へのＰＭの侵入をより一層確実に防止できる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、遮蔽部材の形状や排気管の形状を変更することは可能である。
例えば、上述の実施例では、パティキュレートフィルタ１５とは別部材の遮蔽手段を用いたがこれに限定されない。すなわち、パティキュレートフィルタ１５の外周部への排ガス流入が抑制されればよくパティキュレートフィルタ１５の最外周壁の壁厚を厚くすることでマスク部として用い遮蔽手段としてもよい。
また、上述の実施例では、遮蔽手段がパティキュレートフィルタ１５における、排ガス流入側の端面部および排ガス流出側の端面部のそれぞれに設けられているがこれに限定されない。すなわち、少なくとも遮蔽手段が排ガス流入側の端面部に具備されればよいことは言うまでもない。

本発明に係る排気浄化装置は、外部への放熱を抑制すると共に、排気抵抗を径方向で均一にして、再生処理した後の微粒子状物質の燃え残りを防止することができるので、自動車産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。

１０ 排気浄化装置
１１ 排気管
１３ 酸化触媒
１５ パティキュレートフィルタ
１６，１７ 遮蔽部材（遮蔽手段）
２１ 排気管
２３ 遮蔽部材（遮蔽手段）
３１ 遮蔽部材（遮蔽手段）
３２ ビード
５１ 排ガス
５２ 酸化触媒を通過した排ガス
５３ パティキュレートフィルタを通過した排ガス

Claims (4)

1. 内燃機関からの排ガスが流通する排気管に設けられ、
   前記排ガス中の被酸化成分を酸化する酸化触媒と、
   前記酸化触媒の排ガス流通方向下流側に配置され、当該酸化触媒と比べて大径であり、前記排ガス中の微粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排気浄化装置であって、
   前記フィルタの少なくとも排ガス流入側の端面に設けられ、前記酸化触媒の径断面と同形の前記排ガスが流通可能な穴部を有するとともに、該穴部と該フィルタの外周縁との間に前記排ガスの流通を抑制するマスク部を有する遮蔽手段を形成した
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載された排気浄化装置であって、
   前記穴部は、前記排ガスが流通する方向から見て前記酸化触媒の径断面と重なるように設けられる
   ことを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１または２に記載された排気浄化装置であって、
   前記遮蔽手段が前記フィルタの排ガス流出側の端面に具備される
   ことを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された排気浄化装置であって、
   前記酸化触媒と前記フィルタが近接して配置される
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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