JP2018009510A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒装置の閉塞を抑制しつつ、フィルタの全域を有効に活用して、フィルタの強制再生の頻度を低下することができる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排気管１の中途位置に、酸化触媒装置１１とフィルタ１２とが流方向ｘに向かって順に配置されており、酸化触媒装置１１が、複数の隔壁１３と、これら隔壁１３により区画された複数のセル１４とを有しており、隔壁１３の入口側の隅部のそれぞれに面取部１８ａ、１８ｂが形成されており、外周部１１ｂの隔壁１３の面取部１８ｂによる面取量Ｃｂが、中央部１１ａの隔壁１３の面取部１８ａによる面取量Ｃａよりも大きい構成にした。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関し、詳しくは、酸化触媒装置の閉塞を抑制する排気ガス浄化装置に関する。

酸化触媒装置の隔壁の入口側の隅部のそれぞれに面取部が形成された排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置においては、入口側の隔壁の隅部を尖鋭に又は丸くなど面取することにより、入口側の隔壁に衝突する排気ガスを円滑に酸化触媒装置の内部に導入している。

特開２０００−２８８４０８号公報

ところで、エンジンから排出された排気ガスは、排気ガス浄化装置に到達するまでの間に排気管の径方向の中央部よりも外周部の速度や流量が低下する傾向にある。つまり、酸化触媒装置に流入する排気ガスの速度や流量は、酸化触媒装置の径方向の中央部に対して外周部で低下する。

これにより、酸化触媒装置の下流側に配置された、ＰＭ（粒子状物質）を捕集するためのフィルタの内部では、外周部でのＰＭの堆積量が中央部に対して少なくなっている。また、これに伴って、フィルタの強制再生時に堆積量の多い中央部が堆積量の少ない外周部に対して堆積したＰＭの燃焼による発熱量が多いため高温になり熱膨張差が生じる。それ故、その熱膨張差によるフィルタの破損を回避するために、中央部のＰＭの堆積量を制限しなければならない。

つまり、外周部の堆積量が少ないことに加えて、中央部の堆積量を制限する必要があることから、フィルタの全域を有効に活用できていない。それ故、フィルタを強制再生する頻度が増加して、燃費が悪化するという問題がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化触媒装置の閉塞を抑制しつつ、フィルタの全域を有効に活用して、フィルタの強制再生の頻度を低下することができる排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の排気ガス浄化装置は、エンジンから排出された排気ガスが通過する排気管の中途位置に、排気ガスに含有された浄化対象成分を酸化する酸化触媒装置と排気ガスに含有された粒子状物質を捕集するフィルタとが排気ガスの流方向に向かって順に配置されており、前記酸化触媒装置が、この酸化触媒装置の入口から出口まで延在する複数の隔壁と、これら隔壁により区画されて入口から出口まで貫通して排気ガスの流路として形成された複数の通気孔とを有している排気ガス浄化装置において、前記隔壁の入口側の隅部のそれぞれに面取部が形成されており、この面取部による面取量が、前記入口の径方向の中央部の隔壁よりも外周部の隔壁の方が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、酸化触媒装置の通気孔の入口側の隔壁の隅部に面取部を形成することで、通気孔に流入する排気ガスの流れを円滑にできる。これにより、通気孔の周囲を囲う隔壁による排気ガスの流れの乱れに起因して生じる酸化触媒装置の入口端面への未燃燃料やＰＭの堆積の回避には有利になり、酸化触媒装置の入口端面の閉塞を抑制できる。これに伴って、酸化性能の低下によるフィルタの再生不足や排気抵抗の増加による燃費悪化を抑制できる。

さらに、面取部の面取量に関して、入口の径方向の中央部の隔壁よりも外周部の隔壁の方を大きくすることで、酸化触媒装置の外周部の通気孔の通路抵抗を中央部の通気孔よりも低減できる。これにより、中央部を通過後の排気ガスの速度や流量を、外周部を通過後の排気ガスの速度や流量に等しくするには有利になり、酸化触媒装置を通過後の排気ガスの速度や流量を均一化することができる。

したがって、通気孔の隔壁の入口側における面取量の調整によりフィルタに流入する排気ガスの速度や流量を均一化することにより、フィルタの径方向の外周部の堆積量を増加できる。また、フィルタの中央部と外周部との堆積量の差が小さくなり、ＰＭ燃焼時の熱膨張差を小さくできるので、フィルタの強制再生に至るまでのＰＭの堆積量を増加できる。つまり、本発明によれば、フィルタの全域を有効に活用して、フィルタの強制再生の頻度を低下することができる。

本発明の排気ガス浄化装置の第一実施形態を例示する斜視図である。 図１の排気ガス浄化装置を例示する排ガスの流方向の縦断面図である。 図１の酸化触媒装置の隔壁を例示する縦断面図であり、（ａ）は酸化触媒装置の中央部の隔壁を、（ｂ）は外周部の隔壁を例示する。 図１の酸化触媒装置を通過後の排気ガスの流れを例示する縦断面図である。 本発明の排気ガス浄化装置の第二実施形態の酸化触媒装置の隔壁を例示する縦断面図であり、（ａ）は酸化触媒装置の中央部の隔壁を、（ｂ）は外周部の隔壁を例示する。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図中では、ｘを排気ガスの流方向（排気管１の管軸方向）とし、ｙを排気管１の径方向（流方向ｘに直交する方向）とする。

図１に例示するように、第一実施形態の排気ガス浄化装置１０は、図示しないエンジンから排出された排気ガスが通過する排気管１の中途位置に配置されている。排気ガス浄化装置１０は、酸化触媒装置１１とフィルタ１２とが排気ガスの流方向ｘに向かって上流側から順に配置されている。排気ガス浄化装置１０は、酸化触媒装置１１及びフィルタ１２を収納する管状のケース２０を備えている。

図２に例示するように、酸化触媒装置１１は、径方向ｙの横断面が円になる円柱状に形成されたフルースルー型のハニカム基材で構成されている。フィルタ１２は、径方向ｙの横断面が円になる円柱状に形成されたウォールフロー型のハニカム基材で構成されている。

酸化触媒装置１１は、コーディエライトなどを原料としたセラミックスで構成された多孔質の隔壁１３を有している。隔壁１３は、流方向ｘに延在している。酸化触媒装置１１は、この隔壁１３により区画されて、排気ガスが流入する入口から流出する出口まで貫通して排気ガスの流路となる複数の通気孔（セル）１４が形成されている。

隔壁１３は、酸化触媒を担持している。この酸化触媒は、排気ガスに含有される浄化対象成分を酸化する触媒である。酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属が例示される。浄化対象成分としては、炭化水素、一酸化炭素、及び一酸化窒素が例示される。

フィルタ１２は、シリコンカーバイドやコーディエライトなどを原料としたセラミックスで構成された多孔質の隔壁１５と目封じ部材１６とを有している。フィルタ１２は、隔壁１５により、排気ガスが流入する入口から流出する出口まで貫通して排気ガスの流路となる複数の通気孔（セル）１７が形成されている。この通気孔１７は、目封じ部材１６により入口又は出口のどちらか一方が塞がれており、フィルタ１２の流入側端面及び流出側端面では、隣り合う通気孔１７が交互に塞がれている。

ケース２０は、接続用拡径管２１、触媒収納管２２、フィルタ収納管２３、及び接続用縮径管２４を有している。接続用拡径管２１、触媒収納管２２、フィルタ収納管２３、及び接続用縮径管２４は、排気ガスの流方向ｘの上流側から下流側に向かって順に配置されて、互いに連結されている。接続用拡径管２１、触媒収納管２２、フィルタ収納管２３、及び接続用縮径管２４のそれぞれの管軸Ｌ１は流方向ｘに直線状に並んでいる。

接続用拡径管２１は、排気管１と触媒収納管２２とを接続しており、流方向ｘの下流側に向かって管径が拡径している。触媒収納管２２は、内部に保持材２５を介して酸化触媒装置１１を収納しており、管径が一定の円管である。フィルタ収納管２３は、内部に保持材２６を介してフィルタ１２を収納しており、管径が一定の円管である。接続用縮径管２４は、フィルタ収納管２３と排気管１とを接続しており、流方向ｘの下流側に向かって管径が縮径している。

保持材２５、２６は、筒状の無機繊維成形マットであり、酸化触媒装置１１の柱面と触媒収納管２２の内筒面との間に、フィルタ１２の柱面とフィルタ収納管２３の内筒面との間にそれぞれ介在している。保持材２５、２６としては、バーミキュライトなどの加熱膨張材やセラミックファイバなどの耐熱材をバインダによりマット状に形成したものが例示される。

このような排気ガス浄化装置１０において、酸化触媒装置１１には、セル１４を構成する隔壁１３の入口側の隅部のそれぞれに面取部１８ａ、１８ｂが形成されている。面取部１８ｂの面取量Ｃｂは、面取部１８ａの面取量Ｃａよりも大きい。なお、ここでいう面取量Ｃａ、Ｃｂの「Ｃ」は、面取りされた量を示す符号であり、日本工業規格Ｂ０００１に規定される面取り形状が直角二等辺三角形を示す「Ｃ」を必ずしも示すものではない。

酸化触媒装置１１は、径方向ｙに関して中央部１１ａと外周部１１ｂとに区分されている。中央部１１ａは、径方向ｙの中心に位置して、流方向ｘに延在する柱状の区分である。外周部１１ｂは、中央部１１ａの外側に隣接して、流方向ｘに延在する環状の区分である。

中央部１１ａと外周部１１ｂとは、酸化触媒装置１１に流入する排気ガスの速度や流量に基づいて区画されている。中央部１１ａに流入する排気ガスの速度は、外周部１１ｂに流入する排気ガスの速度よりも速く、中央部１１ａに流入する排気ガスの流量は、外周部１１ｂに流入する排気ガスの流量よりも大きい。中央部１１ａと外周部１１ｂとは、予め実験や試験により酸化触媒装置１１における速度分布や流量分布を求めておき、それらの速度分布や流量分布に基づいて、中央部１１ａに比して速度、及び流量が低下した部分を外周部１１ｂにするとよい。また、排気ガスを乱流と見做して、排気ガスの速度分布にお
ける極点を結んだ線を、中央部１１ａと外周部１１ｂとの境界としてもよい。

酸化触媒装置１１は、例えば、押出成形により形成されたハニカム基材を乾燥、焼成して製造されている。セル１４の隔壁１３の隅部は、上下方向に延在する隔壁１３ではその左隅、右隅に位置し、左右方向に延在する隔壁１３ではその上隅、下隅に位置する。この隅部の面取部１８ａ、１８ｂは、ハニカム基材の焼成後に、流体研磨やショットピーニングにより、面取り加工されて形成される。この面取部１８ａ、１８ｂは、図３に例示するように、製造時にハニカム基材の隅に形成される角を辺に切削（Ｃ面取りなど）、あるいは丸く切削（Ｒ面取りなど）して形成される。この実施形態で、面取部１８ａ、１８ｂは、面取り形状が三角形状になっている。

酸化触媒装置１１の中央部１１ａの隔壁１３の入口側の隅部に形成されている面取部１８ａは、面取り形状が底辺ａ、斜辺の角度αの直角三角形になっている。面取部１８ａが施された中央部１１ａの隔壁１３は、面取量Ｃａが小さく、入口側の端面として流方向ｘに直交する面が残存している。

一方、酸化触媒装置１１の外周部１１ｂの隔壁１３の入口側の隅部に形成されている面取部１８ｂは、面取り形状が底辺ｂ、斜辺の角度βの直角三角形になっている。面取部１８ｂが施された外周部１１ｂの隔壁１３は、面取量Ｃｂが面取量Ｃａよりも大きく、入口側の端面として流方向ｘに直交する面が無く、流方向ｘの縦断面において尖鋭になっている。

面取量Ｃａ、Ｃｂは、酸化触媒装置１１を通過した排気ガスの速度又は流量を均一にする量に設定するとよい。上述したとおり、中央部１１ａに流入する排気ガスの速度は、外周部１１ｂに流入する排気ガスの速度よりも速く、中央部１１ａに流入する排気ガスの流量は、外周部１１ｂに流入する排気ガスの流量よりも大きい。面取量Ｃａ、Ｃｂは、面取部１８ａ、１８ｂを形成する前の酸化触媒装置１１の通過後の速度分布を求めておき、その速度分布に基づいて、通過後の速度分布が酸化触媒装置１１の全域で均一になるようにするとよい。つまり、中央部１１ａと外周部１１ｂとの速度や流量の差が大きい場合は面取量Ｃａと面取量Ｃｂとの差を大きくし、速度や流量の差が小さい場合は面取量Ｃａと面取量Ｃｂとの差を小さくする。また、排気ガスを乱流と見做して、径方向ｙにおける排気ガスの速度分布の曲線（流方向ｘに凸の曲線）を直線にするように設定してもよい。

排気ガス浄化装置１０においては、排気ガスが酸化触媒装置１１、フィルタ１２の順に通過する。酸化触媒装置１１では、担持された酸化触媒により、流入した排気ガスに含有された炭化水素を水蒸気と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に、一酸化窒素を二酸化窒素にそれぞれ酸化する。フィルタ１２では、目封じ部材１６により、流入した排気ガスが多孔質の隔壁１５を通過するときに、この隔壁１５で排気ガスに含有されるＰＭ（粒子状物質）を濾し取り、捕集する。

図示しないエンジンから排出された排気ガスは、排気管１の内部を流れて、排気ガス浄化装置１０に到達する。排気ガス浄化装置１０に到達するまでの間に、排気ガスの速度や流量は、排気管１の内筒面との摩擦などにより、排気管１の径方向ｙの中央部よりも外周部で低下する。

ここで、排気ガス浄化装置１０のフィルタ１２に流入する排気ガスの速度や流量について、図４を参照しながら説明する。図４では、それぞれの矢印の長さが、排気ガスの速度や流量の大きさを表している。

排気ガス浄化装置１０においては、酸化触媒装置１１の隔壁１３の入口側の隅部のそれ
ぞれに面取部１８ａ、１８ｂが形成されている。つまり、面取部１８ａ、１８ｂにより、酸化触媒装置１１の入口端面における隔壁１３の総面積が小さくなる。合わせて、面取部１８ａ、１８ｂにより、酸化触媒装置１０の各通気孔１４の入口は、漏斗状になる。これにより、排気ガスが各通気孔１４に流入する際の損失が低減するので、酸化触媒装置１１の入口側の排気ガスの流れが円滑になる。

また、外周部１１ｂの隔壁１４の入口側に施された面取部１８ｂの面取量Ｃｂが、中央部１１ａの隔壁１４の入口側に施された面取部１８ａの面取量Ｃａよりも大きい。つまり、面取量Ｃａ、Ｃｂの差により、外周部１１ｂにおける排気ガスの通過抵抗が、中央部１１ａにおける通過抵抗よりも小さくなる。これにより、中央部１１ａを通過する排気ガスの速度や流量を、外周部１１ｂを通過する排気ガスの速度や流量が等しくなり易くなるので、フィルタ１２に流入する排気ガスの速度や流量は均一化することになる。

以上のように、排気ガス浄化装置１０は、隔壁１３の入口側の隅部に面取部１８ａ、１８ｂを形成することで、酸化触媒装置１１の入口側の排気ガスの流れを円滑にできる。これにより、酸化触媒装置１１の入口端面への未燃燃料やＰＭの堆積の回避には有利になり、酸化触媒装置１１の入口端面の閉塞を抑制できる。これに伴って、酸化性能の低下によるフィルタ１２の再生不足や排気抵抗の増加によるエンジンの燃費悪化を抑制できる。

特に、酸化触媒装置１１に流入する際に速度や流量が低下する外周部１１ｂの面取部１８ｂの面取量Ｃｂを大きくして、入口側に流方向ｘに直交する面を無くすことが好ましい。この実施形態のようり、外周部１１ｂの隔壁１３の入口側の流方向ｘの縦断面形状を尖鋭形状にすることで、未燃燃料やＰＭの堆積を抑制できるので外周部１１ｂの入口端面の閉塞回避には有利になる。

さらに、外周部１１ｂに施された面取部１８ｂの面取量Ｃｂを、中央部１１ａに施された面取部１８ａの面取量Ｃａよりも大きくすることで、酸化触媒装置１１の外周部１１ｂの通路抵抗を中央部１１ａよりも低減できる。これにより、中央部１１ａを通過後の排気ガスの速度や流量を、外周部１１ｂを通過後の排気ガスの速度や流量に等しくするには有利になり、フィルタ１２に流入する排気ガスの速度や流量を均一化することができる。

したがって、フィルタ１２の径方向ｙの外周部の堆積量を従来に比して増加できる。また、フィルタ１２の中央部と外周部とのＰＭの堆積量の差が小さくなるので、ＰＭ燃焼時の熱膨張差を小さくでき、フィルタ１２の強制再生に至るまでのＰＭの堆積量を増加できる。つまり、上記の排気ガス浄化装置１０によれば、フィルタ１２の全域を有効に活用して、フィルタ１２が従来に比してフィルタ１２を強制再生させるまでに捕集できるＰＭが増加するので、フィルタ１２の強制再生の頻度を低下することができる。

図５に例示するように、第二実施形態の排気ガス浄化装置１０は、面取部１８ａ、１８ｂの面取り形状が第一実施形態とは異なる。この実施形態の面取部１８ａは隅部の面取り後の形状が円弧になっている。

中央部１１ａの隔壁１３に施された面取部１８ａは、隅部の面取り後の形状が半径ａの円弧になっていて、面取量Ｃａが小さく、入口側の端面として流方向ｘに直交する面が残存している。

一方、外周部１１ｂの隔壁１３に施された面取部１８ｂは、隅部の面取り後の形状が半径ｂの円弧になっている。この実施形態で、半径ｂは、隔壁１３の厚さの半分の値に設定されている。また、面取量Ｃｂが面取量Ｃａよりも大きく、入口側の端面が球面になっており、流方向ｘの縦断面形状が半円形状になっている。なお、円弧でなくて楕円形状であ
ってもよい。この場合には、流方向ｘの縦断面形状が半楕円形状となる。

この実施形態においても、上述したとおり、酸化性能の低下によるフィルタ１２の再生不足や排気抵抗の増加によるエンジンの燃費悪化を抑制でき、且つフィルタ１２に流入する排気ガスの速度や流量の均一化によりフィルタ１２の強制再生の頻度を低下することができる。

特に、面取部１８ａ、１８ｂを隅部の面取り後の形状が円弧になるようにして、入口側の端面を球面状に近づける、あるいは球面状にすると、排気ガスが各通気孔１４に流入する際の損失をより効果的に低減するには有利になる。また、酸化触媒装置１０の入口端面の閉塞回避にも有利になる。

既述した実施形態では、酸化触媒装置１１を径方向ｙの中心に位置する中央部１１ａとその外側に位置する外周部１１ｂとに区分して、その区分に応じてセル１４を構成する隔壁１２の入口側にそれぞれに異なる面取部１８ａ、１８ｂを形成したこの面取部１８ｂに代えて、面取量を酸化触媒装置１１の径方向ｙの中心から外周に向かって徐々に大きくした面取部を形成してもよい。この場合に、面取量の大きさは、酸化触媒装置１１に流入する排気ガスの流速や流量に基づいて設定するとよい。

既述した実施形態では、排気ガス浄化装置１０は、酸化触媒装置１１の下流側にフィルタ１２が配置されていることが望ましいので、酸化触媒装置１１の下流側にフィルタ１２を配置した例を説明したが、フィルタ１２を備えていなくてもよい。

既述した実施形態では、酸化触媒装置１１をセラミックスで構成したが、金属の隔壁で構成されたフルースルー型のハニカム基材としてもよい。また、フィルタ１２をウォールフロー型のハニカム基材で構成したが、金属メッシュ型のフィルタを用いてもよい。また、フィルタ１２の下流側に、排気ガスに含有される窒素酸化物を還元除去する選択的還元触媒装置を備えてもよい。

１ 排気管
１０ 排気ガス浄化装置
１１ 酸化触媒装置
１１ａ 中央部
１１ｂ 外周部
１８ａ、１８ｂ 面取部
Ｃａ、Ｃｂ 面取量

Claims (4)

1. エンジンから排出された排気ガスが通過する排気管の中途位置に、排気ガスに含有された浄化対象成分を酸化する酸化触媒装置と排気ガスに含有された粒子状物質を捕集するフィルタとが排気ガスの流方向に向かって順に配置されており、前記酸化触媒装置が、この酸化触媒装置の入口から出口まで延在する複数の隔壁と、これら隔壁により区画されて入口から出口まで貫通して排気ガスの流路として形成された複数の通気孔とを有している排気ガス浄化装置において、
   前記隔壁の入口側の隅部のそれぞれに面取部が形成されており、
   この面取部による面取量が、前記入口の径方向の中央部の隔壁よりも外周部の隔壁の方が大きいことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記面取量が、前記酸化触媒装置を通過した排気ガスの速度又は流量を均一にする量に設定されている請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記面取量が、前記中央部から前記外周部に向かって徐々に大きくなる請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記外周部の前記隔壁の前記入口側の前記流方向における縦断面形状が、尖鋭形状又は半円形状又は半楕円形状に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。

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