JP2018145928A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置において、コストを抑えるとともに汎用性を高める。【解決手段】排気浄化装置１０は、排気浄化用の多孔質体１と二つの排気管３，４とを備えている。多孔質体１は、筒状の外壁１１と、外壁１１の内側で複数の排気流路を区画形成する隔壁１２とを有する。多孔質体１の外壁１１の外周面上には、気密なガラスコーティング層２が形成される。また、二つの排気管３，４は、多孔質体１の軸方向の両側に配置され、多孔質体１を挟持した状態で互いに締め付け固定される。【選択図】図２

Description

本発明は、排気を浄化するための多孔質体を備えた排気浄化装置に関する。

エンジンの排気浄化装置には、排気が流通可能な多数の細孔を有する多孔質体が備えられる。このような多孔質体としては、例えば、排気中の粒子状物質（PM）を捕集する機能を持ったフィルターや、排気中の成分を酸化，還元する機能を持った触媒用の担体が挙げられる。一般に、多孔質体は、エンジンの排気通路上に介装された筒状のケーシング内に収容される。これにより、多孔質体の細孔内に排気が流通する（例えば特許文献１参照）。

特開2012-92684号公報

しかしながら、上述したように多孔質体がケーシング内に収容される構成では、多孔質体のサイズ（容量）ごとにケーシングを用意する必要がある。そのため、多孔質体のサイズが互いに異なる複数種類の排気浄化装置を製造する場合には、多孔質体だけでなくケーシングのサイズも変えなければならず、コストが嵩むという課題がある。また、多孔質体だけを変更することができないため、汎用性が低いという課題もある。

本件の排気浄化装置は、上述したような課題に鑑み創案されたものであり、コストを抑えるとともに汎用性を高めることを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示する排気浄化装置は、筒状の外壁と前記外壁の内側で複数の排気流路を区画形成する隔壁とを有するとともに前記外壁の外周面上に気密なガラスコーティング層が形成された排気浄化用の多孔質体と、前記多孔質体の軸方向の両側に配置され、前記多孔質体を挟持した状態で互いに締め付け固定された二つの排気管と、を備えている。

（２）前記外壁が、前記隔壁よりも厚く形成され、前記二つの排気管が、前記外壁の両端部に当接して設けられていることが好ましい。
（３）前記二つの排気管と前記多孔質体との接触面が屈曲した形状であることが好ましい。

（４）本排気浄化装置は、前記多孔質体の外周において前記外壁と隙間をあけて設けられるとともに前記二つの排気管の夫々に固定された筒状のカバー部材を備えていることが好ましい。
（５）この場合、前記二つの排気管の夫々が、締結具で互いに固定されるフランジ部を有し、前記カバー部材が、二つの前記フランジ部間の距離よりも軸方向に長く形成されていることが好ましい。

開示の排気浄化装置によれば、多孔質体が二つの排気管で両側から挟持されることで保持されるため、多孔質体のサイズごとにケーシングを用意する必要がなく、多孔質体のサイズを変更する場合には、二つの排気管を締め付け固定するための締結具の長さを変更するだけで済む。このため、コストを抑えることができるとともに、汎用性を高めることができる。なお、ガラスコーティング層によって多孔質体からの排気の漏出を防止することができる。

実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジンの模式図である。 排気浄化装置を排気の流れ方向に沿う平面で切断した図（図５のＡ−Ａ矢視断面図）である。 図２の排気浄化装置の外観図である。 排気管と多孔質体との接触面を説明するための断面図（図２のＢ部を拡大して排気管と多孔質体とを分解した図）である。 図３のＣ−Ｃ矢視断面図である。 排気浄化装置の作用を説明するための外観図であり、図２の多孔質体よりも軸方向長さが短い多孔質体を備えた排気浄化装置を示す。 変形例に係る排気管と多孔質体との接触面を説明するための断面図（図２のＢ部に対応する部分の拡大図）である。

図面を参照して、実施形態としての排気浄化装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。

［１．装置構成］
本実施形態に係る排気浄化装置１０は、図１に示すエンジン２０に適用される。このエンジン２０は、例えば軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載される。エンジン２０には、例えば、排気の一部を吸気側に再循環させる排気再循環システム（図示略）や、吸気通路２１と排気通路２２とに跨って配置されたターボチャージャー２３が設けられる。なお、図１には、エンジン２０に設けられる複数のシリンダーのうちの一つを例示する。

排気通路２２におけるタービン２３Ａよりも排気流れの下流側には、排気を浄化するための酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；ディーゼル酸化触媒）２４が介装される。酸化触媒２４は、例えば、多孔質体で形成された担体に貴金属を保持させたものである。酸化触媒２４は、排気中の一酸化炭素（CO）及び炭化水素（HC）を酸化させて二酸化炭素（CO₂）及び水（H₂O）を生成するとともに、排気中の酸化窒素（NO）を酸化させて二酸化窒素（NO₂）を生成する機能を持つ。本実施形態の酸化触媒２４は、板金で形成された筒状のケーシング２４Ａ内に収容されている。

本実施形態に係る排気浄化装置１０は、排気通路２２における酸化触媒２４よりも下流側に設けられている。排気浄化装置１０は、排気浄化用のフィルター（Diesel Particulate Filter；ディーゼル微粒子捕集フィルター）１と、排気の流れ方向においてフィルター１を挟んで対向配置された二つの排気管３，４と、フィルター１の外周を囲うように設けられたカバー部材５とを備えている。

フィルター１は、排気が流通可能な多数の細孔を持つ多孔質体であり、例えばセラミックスで形成される。フィルター１は、細孔を通過する排気を濾過し、排気中の粒子状物質（PM）を捕集する機能を持つ。本実施形態のフィルター１は、PMを捕集する機能に加えて、捕集したPMを酸化（燃焼）させて除去する機能も併せ持つ。すなわち、フィルター１には、PMを酸化させるための触媒として機能する貴金属が担持されている。フィルター１は、例えば酸化触媒２４で生成されたNO₂を酸化剤として、捕集したPMを所定の温度条件下で焼却する。これにより、フィルター１で捕集されたPMが除去され、フィルター１が再生する。

図２及び図５に示すように、本実施形態のフィルター１は、円筒状に形成された外壁１１と、外壁１１の内側に設けられた隔壁１２とを有する。図２に示すように、フィルター１は、その軸方向（外壁１１の軸方向）が排気通路２２における排気の流れ方向に沿うように配置される。すなわち、フィルター１は、外壁１１の一端部が排気流れの上流側を向き、外壁１１の他端部が下流側を向く姿勢で排気通路２２に介装される。

外壁１１は、その厚み（外径と内径との寸法差の半分）が軸方向において一様に形成される。本実施形態の外壁１１は、隔壁１２と比べて厚みが大きく形成されている。これにより、外壁１１は、隔壁１２よりも軸方向の荷重に対して高い剛性を持つ。また、本実施形態の外壁１１は、隔壁１２と比べて低い気孔率を有する。このように、本実施形態の外壁１１は、隔壁１２よりも厚く、かつ、隔壁１２よりも気孔率が低いことから、隔壁１２よりも排気が通りにくい性質を持つ。

隔壁１２は、外壁１１で囲まれた円柱状の空間に複数の排気流路を区画形成するものである。本実施形態の隔壁１２は、ハニカム状又は網目状とされ、外壁１１の軸方向に沿って延びる複数のセル１３を排気流路として区画形成する。なお、フィルター１では、セル１３だけでなく、隔壁１２が持つ多数の細孔も排気流路として機能する。

本実施形態のフィルター１は、各セル１３の上流端及び下流端の何れか一方に配置された端壁１４を有する。端壁１４は、セル１３を目封じして排気の通り抜けを阻止する機能を持つ。つまり、端壁１４により、セル１３に流れ込んだ排気は隔壁１２の細孔を通過しないとフィルター１の下流側へ到達できなくなる。このため、フィルター１において排気中のPMが捕集されやすくなる。

外壁１１の外周面上には、気密なガラスコーティング層２が形成される。ガラスコーティング層２は、外壁１１の外周面にあいた細孔を密閉するものであって、排気が外壁１１の外側へ漏れ出ることを防止する機能を持つ。図３に示すように、ガラスコーティング層２は、外壁１１の外周面が露出しないように、外壁１１の外周面の全体にわたって設けられる。なお、図３では、ガラスコーティング層２を見やすくするために、カバー部材５を二点鎖線で示している。

排気管３，４は、フィルター１の前後の排気通路２２を形成する管状の部材である。すなわち、排気管３，４は、フィルター１の軸方向の両側に配置される。以下、フィルター１の上流側に配置された排気管３を上流管３ともいい、フィルター１の下流側に配置された排気管４を下流管４ともいう。本実施形態の上流管３及び下流管４は、開口端部付近の形状が互いに略同一に形成されている。

図２に示すように、上流管３は、内径が軸方向において一様な円筒部３１と、内径が下流側に向かって次第に拡大するテーパ部３２と、内径が軸方向において段状に変化する段部３３とを有する。これらの部位３１〜３３は、下流側に向かってこの順に設けられる。なお、これらの部位３１〜３３では、円筒部３１及びテーパ部３２の間と、テーパ部３２及び段部３３の間とにおいて、内周面に段差が生じないように内径が設定される。

段部３３は、上流管３の下流側の端部を構成する部位である。図４に示すように、段部３３は、上流側の部分よりも下流側の部分において内径が拡大されている。つまり、段部３３は、上流側の内周面３３ａよりも下流側の内周面３３ｂの方が大径となるように形成されている。以下、段部３３における上流側の内周面３３ａを小径面３３ａといい、下流側の内周面３３ｂを大径面３３ｂという。また、これらの小径面３３ａと大径面３３ｂとの間を繋ぐ面を接続面３３ｃという。小径面３３ａ及び大径面３３ｂは軸中心側を向いた曲面であり、接続面３３ｃは下流側を向いた円環形状の平面である。

小径面３３ａの直径は、フィルター１の外壁１１の内径と略同一とされる。また、大径面３３ｂの直径は、フィルター１の外径と略同一とされる。大径面３３ｂと接続面３３ｃとは、屈曲した面を構成する。つまり、大径面３３ｂと接続面３３ｃとの境界部分には、平面や曲面ではなく、角が形成される。段部３３の大径面３３ｂで囲まれる空間には、フィルター１の一端部が配置される。フィルター１は、大径面３３ｂ及び接続面３３ｃのそれぞれに面接触して設けられる。すなわち、本実施形態の上流管３とフィルター１とが互いに接触する面は、屈曲した形状である。

図２に示すように、本実施形態の上流管３は、段部３３から径方向の外側に向かって突設されたフランジ部３４を有する。フランジ部３４は、上流管３と下流管４とを互いに締め付け固定するための部位である。フランジ部３４には、ボルト（締結具）６が挿通される複数の孔部３４ａが形成される。本実施形態では、二つの孔部３４ａがフランジ部３４の周方向において等間隔で設けられる場合を例示する。各孔部３４ａは、上流管３の軸方向に沿って貫設される。本実施形態の孔部３４ａは、ボルト６と螺合可能な螺子孔である。

下流管４は、上述した上流管３の四つの部位３１〜３４のそれぞれに対応する部位４１〜４４を有する。ただし、下流管４は上流管３に対してフィルター１を挟んで対向配置されることから、下流管４では円筒部４１，テーパ部４２，段部４３が上流側に向かってこの順に設けられ、テーパ部４２の内径が上流側に向かって次第に拡大する。また、下流管４のフランジ部４４に形成される孔部４４ａは、螺子孔ではなく、滑らかな曲面で囲まれた貫通孔とされる。なお、下流管４とフィルター１とが接触する面も、上流管３とフィルター１とが接触する面と同様に、屈曲した形状である。

二つの排気管３，４は、フィルター１を間に挟んだ状態で、夫々のフランジ部３４，４４に形成された孔部３４ａ，４４ａが同軸上に位置するように配置される。そして、排気管３，４は、下流管４の孔部４４ａに対して下流側から挿通されたボルト６が上流管３の孔部３４ａにねじ込まれることにより、フィルター１を挟持した状態で互いに締め付け固定される。すなわち、排気管３，４のフランジ部３４，４４は、ボルト６によって互いに固定される。また、本実施形態の排気管３，４は、互いに固定された状態では、フィルター１の外壁１１の両端部に当接して設けられる。なお、螺子孔の代わりにナットを使用して締結してもよい。

カバー部材５は、石や砂といった飛散物からフィルター１を保護するためのものである。カバー部材５は、筒状に形成され、フィルター１の外壁１１と隙間Ｓをあけて配置される。図３に示すように、本実施形態のカバー部材５は、その内径が各排気管３，４のフランジ部３４，４４の外径よりも大きく、かつ、軸方向の寸法Ｌが両フランジ部３４，４４の間の距離Ｄよりも長く形成されている。つまり、カバー部材５は、二つの排気管３，４の間で露出するガラスコーティング層２の全域を覆い隠すような大きさとされている。

カバー部材５は、排気管３，４の夫々にブラケット７を介して固定される。ブラケット７は、例えば板金をＺ字状に屈曲させたものであって、その一端部が排気管３，４の何れか一方に溶接され、他端部がボルト８によってカバー部材５の内周面に固定される。本実施形態のカバー部材５は、三つのブラケット７と三つのボルト８とを介して排気管３，４に固定されている。本実施形態では、カバー部材５が、上流管３に対して二点で固定され、下流管４に対して一点で固定される場合を例示する。図５に示すように、これらの三つの固定点は、カバー部材５の周方向において等間隔となるように配置される。

［２．作用及び効果］
（１）上述した排気浄化装置１０では、二つの排気管３，４がフィルター１を挟持した状態で互いに締め付け固定されることから、フィルター１が二つの排気管３，４で両側から締め付けられることで保持される。このため、図６に例示するように、上述したフィルター１に代えて軸方向の寸法が異なるフィルター１′を用いる場合、上述したボルト６に代えて長さが異なるボルト６′を用いるだけで、上述した二つの排気管３，４にフィルター１′を保持させることができる。

このように、上述した排気浄化装置１０によれば、フィルター１，１′ごとにケーシングを用意する必要がなく、フィルター１，１′のサイズを変更する場合にはボルト６の長さを変更するだけで済む。このため、コストを抑えることができるとともに、汎用性を高めることができる。

また、フィルター１の外壁１１の外周面上には気密なガラスコーティング層２が形成されるため、フィルター１からの排気の漏出が防止される。したがって、上述した排気浄化装置１０によれば、例えば酸化触媒２４のケーシング２４Ａのような部材にフィルター１を収容しなくても、排気を外部に漏出させることなくフィルター１を保持することができる。また、フィルター１，１′をケーシング内に収容する場合と比べて、放熱性を高めることができる。

（２）上述した排気管３，４は、フィルター１の外壁１１の両端部に当接して設けられており、外壁１１を両側から締め付けることによりフィルター１を保持する。ここで、上述したフィルター１は、外壁１１が隔壁１２よりも厚く形成されることから、外壁１１の剛性が隔壁１２の剛性よりも高くなっている。つまり、上述した排気浄化装置１０によれば、フィルター１において剛性が高い外壁１１を二つの排気管３，４で挟持するため、フィルター１をより強固に保持することができ、フィルター１の位置を安定させることができる。

また、上述した外壁１１は、隔壁１２よりも厚く、かつ、気孔率が低いことから、隔壁１２よりも排気を通しにくい性質を持つ。このため、フィルター１から外部への排気の漏出をより確実に防止することができる。一方、隔壁１２は、外壁１１よりも薄く、かつ、気孔率が高いことから、排気の流通性を確保することができ、排気をより適切に浄化することができる。

（３）上述した排気浄化装置１０では、二つの排気管３，４とフィルター１との接触面が屈曲した形状であることから、排気が排気管３，４とフィルター１との隙間を通過しにくくなる。このため、排気管３，４とフィルター１との隙間からの排気の漏出を抑制することができる。

（４）上述したフィルター１の外周には、外壁１１と隙間Ｓをあけてカバー部材５が設けられるため、フィルター１の放熱性を確保しつつ、例えば車輪で巻き上げられた石や砂などの飛散物からフィルター１を保護することができる。また、カバー部材５を排気管３，４の夫々に固定することで両持ち支持とすることができるため、カバー部材５の支持強度を高めることができる。

（５）二つの排気管３，４の夫々がボルト６で互いに固定されるフランジ部３４，４４を有し、カバー部材５がこれらのフランジ部３４，４４間の距離Ｄよりも軸方向に長く形成されるため、フィルター１をより適切に保護することができる。つまり、カバー部材５が、両フランジ部３４，４４の間で露出するガラスコーティング層２を軸方向にわたって覆うように設けられるため、ガラスコーティング層２に飛散物が当たることをより適切に防止することができる。したがって、フィルター１の保護性を高めることができる。

［３．変形例］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。

上述した実施形態で示した排気管３，４の形状は一例である。二つの排気管３，４は、互いに異なる形状であってもよいし、フランジ部３４，４４以外の部位で互いに締め付け固定されてもよい。また、上述した実施形態では、排気管３，４とフィルター１との接触面が屈曲した形状である場合の一例として、排気管３，４に段部３３，４３が設けられる場合を示したが、段部３３，３４は排気管３，４に必須の構成ではない。

例えば図７に示すように、上流管３が、上述した段部３３に代えて、内径が軸方向において一様な端部３５を有していてもよい。この場合、上流管３の端部３５において下流側を向く端面３５ａに、断面矩形状の凸部３５ｂを形成するとともに、フィルター１の外壁１１において上流側を向く端面１１ａに、凸部３５ｂが嵌合可能な凹部１１ｂを形成してもよい。このように、上流管３及びフィルター１の夫々に凸部３５ｂ及び凹部１１ｂを設けることによっても、上流管３とフィルター１との接触面を屈曲した形状とすることができる。このため、上述した実施形態と同様に、上流管３とフィルター１との隙間からの排気の漏出を抑制することができる。

なお、図７には上流管３とフィルター１との接触面の構成を例示したが、これと同様に、下流管４とフィルター１との接触面を上述したような凸部及び凹部により屈曲した形状としてもよい。また、上述した実施形態の段部３３，４３に凸部を組み合わせて、排気管３，４とフィルター１との接触面をより複雑な屈曲形状としてもよい。この場合、排気の漏出を更に抑制することができる。また、図７に例示したものとは逆に、フィルター１に凸部を設け、排気管３，４に凹部を設けてもよい。

上述した実施形態では、多孔質体の一例としてフィルター１を示したが、本排気浄化装置で用いられる多孔質体の種類は特に限定されない。例えば、多孔質体が、上述した酸化触媒２４であってもよいし、触媒を担持していないフィルターであってもよい。また、多孔質体の外壁の形状は筒状であればよく、上述したような円筒状に限定されない。なお、上述したフィルター１は、外壁１１が隔壁１２よりも厚く、かつ、外壁１１が隔壁１２よりも低い気孔率を有しているが、外壁１１と隔壁１２との構成はこれに限られない。ただし、厚み及び気孔率のうちの少なくとも一方が上述した構成であることが好ましい。

上述した実施形態で示したボルト６の個数は一例である。排気管３，４は、三つ以上のボルト６で互いに締め付け固定されてもよい。また、排気管３，４は、ボルト６以外の締結具で互いに締め付け固定されてもよい。なお、カバー部材５の固定点の数や固定方法も上述したものに限定されない。また、多孔質体１を飛散物の影響がない位置に配置することでカバー部材５を省略してもよい。

１，１′ フィルター（多孔質体）
２ ガラスコーティング層
３ 上流管（排気管）
４ 下流管（排気管）
５ カバー部材
６，６′ ボルト（締結具）
１０ 排気浄化装置
１１ 外壁
１２ 隔壁
３４，４４ フランジ部

Claims (5)

1. 筒状の外壁と前記外壁の内側で複数の排気流路を区画形成する隔壁とを有し、前記外壁の外周面上に気密なガラスコーティング層が形成された排気浄化用の多孔質体と、
   前記多孔質体の軸方向の両側に配置され、前記多孔質体を挟持した状態で互いに締め付け固定された二つの排気管と、を備えた
   ことを特徴とする、排気浄化装置。
2. 前記外壁が、前記隔壁よりも厚く形成され、
   前記二つの排気管が、前記外壁の両端部に当接して設けられている
   ことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記二つの排気管と前記多孔質体との接触面が屈曲した形状である
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排気浄化装置。
4. 前記多孔質体の外周において前記外壁と隙間をあけて設けられ、前記二つの排気管の夫々に固定された筒状のカバー部材を備えている
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の排気浄化装置。
5. 前記二つの排気管の夫々が、締結具で互いに固定されるフランジ部を有し、
   前記カバー部材が、二つの前記フランジ部間の距離よりも軸方向に長く形成されている
   ことを特徴とする、請求項４記載の排気浄化装置。

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