JP2751289B2 - パティキュレートトラップ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ディーゼル機関等の排気ガスに含まれる微
粒子を捕捉、除去するに適したパティキュレートトラッ
プ装置に関する。

［従来の技術］ ディーゼルエンジンの排気ガス中にはカーボンを主と
する微粒子が可成りの濃度（150〜250mg/Nm）で含ま
れ、公害の原因となっている。そこで、ディーゼルエン
ジンの排気ガス中から微粒子を捕捉、除去するための各
種フィルタ装置が提案されている。

例えば特開昭57−35918号には、第７図，第８図に示
すようなフィルタ１が開示されている。このフィルタ１
は、隔壁２で区画された複数のセル３を有するいわゆる
セラミックスハニカム体で、第８図に示すように、一方
の端面Ａにおいては各セル３の端面がシール材４によっ
て交互に市松模様状に塞がれ、他方の端面Ｂにおいては
上記一方の端面Ａにおいて塞がれたセル3aは開口し、上
記一方の端面Ａにおいて開口していたセル3bは、シール
材５によって塞がれた構造をなしている。このフィルタ
１の一方の端面Ｂからディーゼル排気ガスを導入する
と、排気ガスは含塵ガス流路をなすセル3a内に導入され
て通気性のある隔壁２を通過し、その時に含塵ガスに含
まれるパティキュレートが隔壁２の内面に捕捉され、パ
ティキュレートが除去された清浄な排気ガスが清浄ガス
流路をなすセル3bを通って一方の端面Ａより流出する。

また、特開昭56−124417号には、第９図に示すような
セラミックス製のフィルタ20も開示されている。このフ
ィルタ20は、全体として直方体状の外形を有し、相互に
平行な複数枚の長方形状の板状体21,22と、リブ23,25
と、スペーサ24,26とから構成されている。これらの板
状体21,22,リブ23,25およびスペーサ24,26は、いずれも
フィルタ機能を有する通気性多孔質なセラミックスから
なる。板状体21はフィルタ20の上面と下面を形成し、板
状体22は中間面を形成する。隣り合う板状体21,22と中
間部に位置するスペーサ24がいずれも板状体21の一つの
辺に平行に延在する。リブ23およびスペーサ24の上縁は
上側の板状体21または22と一体的に接しており、リブ23
およびスペーサ24の下縁は下側の板状体22または21と一
体的に接している。これにより、両端が開口する複数の
含塵ガス流路27が形成される。板状体22の片側にはこう
したリブ23およびスペーサ24が設けられているのに対
し、同じ板状体22の他の片側にはリブ23およびスペーサ
24とは直交する方向に延在するリブ25とスペーサ26が設
けられている。走行方向が異なる点の他は、リブ25,ス
ペーサ26はそれぞれリブ23,スペーサ24と本質的に同様
である。かくして、両端が開口し、走行方向が含塵ガス
流路27と直交する複数の清浄ガス流路28が形成されてい
る。

このフィルタ20においては、含塵ガス流路27が開口す
る２つの端面のうち一方の端面を直接または間接に閉塞
しておき、他方の端面からディーゼル排気ガスを導入す
る。あるいは、含塵ガス流路27の開口する２つの端面か
ら同時に内方にディーゼル排気ガスを導入する。そし
て、板状体22がフィルタ面となって微粒子が板状体22の
含塵ガス流路27の内面に捕捉され、微粒子が除去された
清浄な排気ガスが清浄ガス流路28を経て系外へ流出され
る。

このようなフィルタを用いたフィルタ装置において
は、捕捉作用によってフィルタの過面に微粒子が堆積
して、フィルタの目詰まりを起こし、排気ガスの通過圧
力損失が次第に増加するという問題を解決する必要があ
った。

このため、実開昭62−35849号には、フィルタ体の排
気ガス入口上流側にバーナを設け、このバーナからの高
温燃焼ガスによってフィルタの壁面上に堆積した微粒子
を着火、燃焼させて焼却するようにしたパティキュレー
トトラップ装置が開示されている。

また、特開昭56−92318号には、排気ガス流路を２系
統に分割し、それぞれの流路にパティキュレートトラッ
プを配置し、これらの流路においてフィルタの再生、微
粒子の捕捉を交互に行わせる方式が提案されている。こ
の場合の再生も、上記と同様に微粒子を着火、燃焼させ
て焼却する方法が採用されている。

しかしながら、捕捉された微粒子を燃焼させる上記従
来方法では、パティキュレートの燃焼熱によってフィル
タが溶損したり、熱衝撃あるいは温度分布に起因してク
ラックが発生し易いという問題点があった。さらに、デ
ィーゼル排気ガス中には無視できない量の不燃成分が含
有され、これらの不燃成分は燃焼によっても除去されず
にフィルタ上に堆積され続け、長期間の運転と共にフィ
ルタの通気圧損が増大するという問題もあった。

このような問題点を解決するため、本出願人は第３図
に示すようなパティキュレートトラップ装置を既に提案
している。

すなわち、上方、下方および一つの側方に開口部を有
するケーシング37a,37bの内部に、所要のシール部材32
を介して外形直方体状のフィルタ33a,33bが収容されて
いる。フィルタ33a,33bは、上方から下方に貫通する含
塵ガス流路34と、一端が閉じられ他端が側方に開口する
清浄ガス流路35と通気性多孔質な材質の隔壁で区画され
て形成されている。

ディーゼルエンジン101に接続された排気管102が２本
の排気ガスの導入管102a,102bに分岐され、各々ケーシ
ング37a,37bの上部に接続されている。そして、各々清
浄ガス流路が開口する側のケーシング37a,37bには、各
々清浄ガスの導出管103a,103bが接続されている。さら
に、各々導出管103a,103bには、上流側に向けて開口す
る加圧気体噴射用の逆洗ノズル108a,108bおよび開閉弁1
04a,104bが設けられている。

各々ケーシング37a,37bの下部には微粒子受け部41が
設けられている。微粒子受け部41は、トレイ42,電気ヒ
ータ46を備える補助フィルタ43、開閉可能かつ通常時は
閉じている蓋47を備えている灰分取出し口44を有する。

トレイ42には、底部がくりぬかれて補助フィルタ43が
はめこまれており、このトレイ42と補助フィルタ43とが
全体としてすべての含塵ガス流路34の下側開口端をとり
囲んでいる。補助フィルタ43は通気性多孔質固体からな
り、その通気ガス量として、導入管102a,102bから導入
された排気ガスの内、約20％以下、特には0.5〜５％程
度となるように、その通気抵抗およびフィルタ面積が選
定されている。

ディーゼルエンジンからの排気ガスは、導入管37a,37
bを経てフィルタ33a,33bの含塵ガス流路34にその上流開
口端から導入される。排気ガスの大部分は、隔壁を通過
して清浄ガス流路35を経て導出管103a,103bに流出する
が、排気ガス中の微粒子は隔壁を通過できず、含塵ガス
流路34の内面に付着堆積する。排気ガスの一部は、前述
のとうり、微粒子受け部41の補助フィルタ43を通過して
系外へ排出されるが、この場合にも、排気ガス中の微粒
子は補助フィルタ43の内面に付着、堆積する。

こうした集塵操作を適宜な時間継続した後、短時間の
逆洗をおこなう。逆洗は、それぞれのフィルタ35に対し
て交互に行う。

逆洗操作では、先ず開閉弁104aもしくは104bを閉じ、
０〜１秒の後に、逆洗ノズル108aもしくは108bから加圧
気体、特には加圧空気を例えば0.1〜１秒程度の時間噴
射する。噴射された気体は、パルス流となって清浄ガス
流路35に流れ込み、隔壁を通って含塵ガス34へと通常時
と逆の方向へ流れる。その際に、含塵ガス流路34の内面
に付着、堆積していた微粒子は剥落し、その一部は含塵
ガス流路34内に浮遊するが、多くは落下して微粒子受け
部41に集積される。

かくして、集塵操作において含塵ガス流路34内面に捕
捉された微粒子は、逆洗操作によって、微粒子受け部41
の補助フィルタ43の内面に移しかえられ。フィルタ33a,
33bのフィルタ機能は再生される。補助フィルタ43上の
微粒子は、電気ヒータ46によって着火、焼却される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながらこのパティキュレートトラップ装置で
は、有効な逆洗効果を確保するために、それぞれの導出
管に開閉弁を配置し、その開閉弁を作動させるための駆
動装置（例えばアクチュエータ）および制御信号がそれ
ぞれ別途必要とされていた。その為に、軽量、小型かつ
低コストが要求される当該装置に対して、開閉弁自体の
重量、コスト、さらには駆動装置の重量、制御回路の追
加によるコストアップが問題となっていた。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされ
たものであり、その目的は、軽量、小型かつ低コストな
パティキュレートトラップ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気
通路に、壁で区画された含塵ガス流路と清浄ガス流路
とを有するフィルタと、該含塵ガス流路に含塵ガスを導
入する導入管と、該清浄ガス流路から該壁を通って該
含塵ガス流路へ流れるガス流を間欠的に発生させる逆洗
手段と、該含塵ガス流路からのパティキュレートを受け
るように配置された微粒子受け部とが配置され、さらに
該逆洗手段によって発生させられた噴流を利用して該清
浄ガスの流れを一時的に遮断する閉鎖手段とが配置され
ていることを特徴とする。

本発明において、前記フィルタが一対の対向する端面
の一方の端面から他方の端面へ貫通して複数の孔が形成
されている通気性の多孔質材質からなる板状体を、前記
端面を揃えるようにして複数枚平行に積層し、前記板状
体相互間に前記複数の孔とは前記板状体の多孔質壁によ
り区画される別の流路を構成されていることが好まし
い。

また、前記微粒子受け部に電気ヒータもしくは燃焼バ
ーナからなる加熱手段が配置されていることが好まし
い。

さらに、本発明において、前記閉鎖手段が排気ガス排
出口、逆洗流噴出口および弁板とを有し、該弁板が逆洗
流の噴出力によって該排気ガス排出口を閉塞するように
作動することが好ましく、また、前記閉鎖手段が逆洗終
了時点に前記弁板を押し戻して前記排気ガス排出口を開
放するための弁板戻し手段を有していることが好まし
い。

本発明では、フィルタの再生を逆洗ノズルからの高圧
ガスを噴出する逆洗方式で行うので、フィルタ面上で微
粒子を燃焼させる方式におけるフィルタの熱損傷や不燃
性成分の堆積などの問題を解決することができる。

また、微粒子受け部に、パティキュレート着火用の加
熱手段を設けているので払い落とされたパティキュレー
トを継続的に燃焼、焼却することができる。

さらに、逆洗の噴出力を利用して作動させる弁板を用
いて逆洗操作中に排気ガスの流れを一時的に遮断するの
で、逆洗用加圧気体が導出管よりそのまま流出してしま
うことが防げ、効果的な逆洗効果が得られる。また、特
別な開閉弁、弁駆動装置および駆動用制御回路等の追加
設備を必要としていない為、装置全体としても、軽量、
小型かつ低コストな装置を提供することができる。

以下、本発明を図面を参照して説明する。

第１図に、本発明によるパティキュレートトラップ装
置の一実施例を示す。

ディーゼルエンジン101には排気管などで構成された
排気通路102が接続されており、この排気通路102は、２
つの排気通路102a,102bに分岐されている。排気通路102
a,102bの途中には、それぞれフィルタケーシング37a,37
bが取付けられており、フィルタケーシング37a,37bに
は、微粒子を捕捉するためのフィルタ33a,33bが配置さ
れている。

フィルタ33aの清浄ガス流路出口端面を囲む様にケー
シング出口チャンバ38aが配置され、当該出口チャンバ3
8aに逆洗ノズル108aおよび排気管103aが接続されてい
る。また、当該出口チャンバ38aには、逆洗ノズル108a
からの逆洗噴流の力によって排出管103aの導入口を塞ぐ
様に作動する弁板104aが同じく配置されている。逆洗ノ
ズル108aは、電気駆動弁107aおよび導入管106aを介して
高圧タンク105に接続されている。第１図では、丁度、
逆洗ノズル108aより逆洗噴流が噴出して、弁板104aが押
し上げられ、排気管103aの導入口を塞ぐ状態を示してい
る。また、フィルタケーシング37aの下部の微粒子受け
部42には、パティキュレート加熱用の電気ヒータ46が配
置されている。

同様に、フィルタ33bについては、清浄ガス流路出口
端面を囲む様にケーシング出口チャンバ38bが配置さ
れ、当該出口チャンバ38bには、逆洗ノズル108bおよび
排気管103b、さらには逆洗ノズル108bからの逆洗噴流の
力によって排出管103bの導入口を塞ぐ様に作動する弁板
104b配置されている。また、逆洗ノズル108bは、電気駆
動弁107bおよび導入管106bを介して高圧タンク105に接
続されている。第１図では、通常の捕捉操作中で、逆洗
ノズル108aより逆洗噴流は噴出させず、弁板104aは通常
の位置に戻され、逆洗ノズル108aの噴出口を塞ぎ、排気
ガスが排出管103aの導入口より排出されている状態を示
している。また、フィルタケーシング37bの下部の微粒
子受け部42には、同様に、パティキュレート加熱用の電
気ヒータ46が配置されている。

なお、高圧タンク105は、図示していないコンプレッ
サに接続されている。

本発明においてフィルタ33a,33bとしては、通気性多
孔質なセラミックスを材質とするものが好ましく、例え
ば前述した第７図、第９図に示すようなものが自由に使
用できる。しかし、本発明のより好ましい形態として
は、第４図および第５図に示すようなフィルタが使用さ
れる。

第４図は上記フィルタを構成するフィルタ素子51を示
している。このフィルタ素子51は、通気性多孔質なセラ
ミックスを材質とする板状体52からなる。板状体52の主
面とは異なる一対の対向する端面53,54には、それぞれ
を貫通する複数の孔55が形成されている。この実施例で
は、上記孔55として円形断面の孔が採用されているが、
楕円形断面の孔や、正方形、六角形などの多角形断面の
孔なども採用することができる。また、板状体52の孔55
が開口する端面53,54に沿う一対の端縁部には、孔55の
軸方向に対し垂直方向に突出するリブ58が端面53,54に
沿って延在している。

第５図は上記フィルタ素子51を複数枚積層、接合して
構成したフィルタ61が示されている。フィルタ素子51の
リブ58は、隣接するフィルタ素子51と、耐熱性の接着剤
による接合、パッキンなどを挟み込んで圧縮押付け、あ
るいはセラミックス焼結時に反応焼結させて一体化させ
るなどの手段によって気密的に接合されている。この結
果、フィルタ素子51相互の間隙には、リブ58によって区
画された清浄ガス通路62が孔55の開口面とは異なる端面
に開口するように形成される。一方、孔55は排気ガスの
通路を構成することになる。

また、第２図には本発明によるパティキュレートトラ
ップ装置の他の実施例が示されている。装置全体構成と
しては、第１図と実質的に同じなため、主要なケーシン
グ出口チャンバ38の部分のみを拡大図示した。

この実施例では、出口チャンバ38に弁板戻し機構190
が追加されている。当該弁板戻し機構190は、ピン191、
バネ192およびバネケーシング193より構成される。

通常運転時、即ちパティキュレート捕捉操作時には、
第２図（ａ）に示した通り、弁板104はそれ自身の重さ
により下に下がり、逆洗ノズル108の噴出口を塞ぐ形で
保たれている。そして、図示されていないフィルタ33よ
り導かれた清浄ガスは図中黒矢印で示したように、排気
管103より排出される。

逆洗操作時には、逆洗ノズル108より噴出される逆洗
用加圧気体の噴出力を受けて、第２図（ｂ）に示した通
り、弁板104は上方へ跳ね上げられ、排出管103の導入口
を塞ぐ形で保持される。この時、弁板104は、弁板戻し
機構190のピン191も押し上げている。なおこの場合、弁
板104による排出管103の導入口の閉塞具合は、必ずしも
密閉である必要はなく、排出管103の導入口の開口面積
の60％以上、特に好ましくは90％以上が塞がれていれば
十分である。

そして、逆洗終了時には、逆洗ノズル108より噴出さ
れる逆洗用加圧気体の噴出力も無くなるので、弁板104
はその自重により下方へ移動する筈である。しかしなが
ら、弁板104による排気ガス流の閉塞によって、ケーシ
ングおよび出口チャンバ38内の圧力が大きく上昇して弁
板104に内側より静圧が加わり、排出管103の導入口方向
に押付ける力が弁板104の自重に優ることがある。この
ような場合にも、弁板104にバネ192の反発力が作用し
て、確実に弁板104を押し下げることができる。

なお、本発明において、逆洗手段によって発生させら
れた噴流を利用して一時的に清浄ガスの流れを遮断する
閉鎖手段としては、好ましい例として示した実施例のほ
かに、種々の手段が可能である。

［実施例］ さらに、第１図のパティキュレートトラップ装置を用
いた本発明のパティキュレート捕捉方法の実施例につい
て説明する。

通常のエンジン運転状態では、弁板104a,104bは両方
とも下方に下がり、それぞれ逆洗ノズル108a,108bを塞
ぐ形で保たれている。微粒子を含んだ排気ガスは、ディ
ーゼルエンジン101から排気通路102および分岐された排
気通路102a,102bを通り、それぞれのフィルタケーシン
グ37a,37bのフィルタ33a,33bに流出する。フィルタ33a,
33bにより排気ガス中の微粒子が捕捉、除去され、清浄
ガスとなってそれぞれ出口チャンバ38a,38bおよび排出
管103a,103bを経て外気へ放出される。

捕捉された微粒子はフィルタ33a,33bの壁に堆積
し、その結果、フィルタ33a,33bの通気圧力損失が時間
経過と共に増加してくる。そこで、フィルタの再生を、
２分割されたフィルタ33a,33bについて時間をずらして
交互に行う。

先ず、電気駆動弁107aをt2秒間のみ開放して、逆洗ノ
ズル108aより高圧空気をt2秒の間噴出させる。この逆洗
流噴出により弁板104aは排出管103aの導入口を閉鎖す
る。その結果．エンジン101からの排気ガスは、フィル
タ33b、出口チャンバ38b、および排気管102bにのみ流れ
る。t2秒間の高圧空気噴出が終了した時点で、弁板104a
は下方へ落ち、再び排気管103aの導入口が開放され、エ
ンジン101からの排気ガスは、フィルタ33b,33a、出口チ
ャンバ38a,33bおよび排出管103a,103bの両方へ流れる。

さらに、フィルタ33aの逆洗終了後t5秒後に、今度は
フィルタ33bの逆洗が、上記と同様になされる。これら
の一連の作動によりフィルタ33a,33bの逆洗、再生が終
了する。また、これらの一連の逆洗操作は、t6秒後に再
開され、以降、このような逆洗、再生を集塵操作中継続
的に行う。

t2,t5,t6の時間については、フィルタ33a,33bの圧力
損失が長期に亙って一定レベル以下に維持されるよう
に、個々のケースによって調節されるものである。

通常、t2は0.1〜２秒、好ましくは0.1〜0.3秒、またt
5は10〜600秒、t6は10〜600秒程度とされる。

一例として、第５図に示した構造のフィルタ体を試作
し、第１図に示した構成のディーゼル排気黒煙除去装置
に組込んだものを試作した。

試験条件および試験結果を以下に示す。

（１）試験条件 ＊フィルタ103a,103bの有効過面積:7m² ＊高圧タンク107の内容積： 35 ＊高圧タンク107の内圧 ： 5〜7kg/cm² ＊逆洗ノズル108a,108bの有効径： 28mm ＊ディーゼルエンジン排気量： 6560cc ＊ディーゼルエンジン出力:145PS/2700rpm ＊逆洗時間 t2: 0.2sec ＊逆洗間隔 t5: 10sec ＊逆洗サイクルt6: 300sec ＊電気ヒータ容量： 200w/12VDC （２）試験結果 本発明による排気ガス流閉鎖手段の効果を比較するた
めに、 ＊ 本発明による排気ガス流閉鎖手段を採用した場合 ＊ 従来の開閉弁を採用した場合 の２形式の試作、運転を行った。その結果、下表の如
く、本発明による排気ガス流閉鎖手段を採用した場合に
は、装置全体の重量が約10％軽減し、さらに、逆洗圧力
の立上がりが鋭くなり、逆洗空気消費量を約15％削減す
ることができた。

なお、第６図には、上記各方法における逆洗時の逆洗
圧力（フィルタ上流の圧力とフィルタ下流の圧力の差）
の比較を示す。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、逆洗の噴出流
の力を利用して作動させる弁板を採用しているので、特
別な開閉弁およびそれを駆動させるための駆動装置、制
御回路等の追加設備を必要としないので、軽量、小型か
つ低コストなパティキュレートトラップ装置を提供する
ことがせきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパティキュレートトラップ装置の
一実施例を示す概略構成図、第２図は本発明によるパテ
ィキュレートトラップ装置の他の実施例を主要部を示す
部品概略構成拡大図、第３図は本出願人が先に提案して
いるディーゼル排気黒煙除去装置を示す概略構成図、第
４図は本発明によるパティキュレートトラップ装置に好
ましく適用されるフィルタのフィルタ素子を示す斜視
図、第５図は上記フィルタ素子で構成されたフィルタを
示す斜視図、第６図は逆洗時のフィルタ下流と上流の各
圧力の経時変化の比較説明図、第７図は従来のパティキ
ュレートトラップ装置で用いられているフィルタの一例
を示す斜視図、第８図は従来のパティキュレートトラッ
プ装置で用いられているフィルタの捕捉原理を説明する
ための構造説明図であり、第９図は従来のパティキュレ
ートトラップ装置で用いられているフィルタの他の一例
を示す斜視図である。 図中、101はディーゼルエンジン、102は排気通路、102
a,102bは分岐された排気通路、33a,33bはフィルタ、105
は高圧タンク、107a,107bは電気駆動弁、108a,108bは逆
洗ノズル、104a,104bは弁板、42は微粒子受け部であ
る。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気通路に、壁で区画された
   含塵ガス流路と清浄ガス流路とを有するフィルタと、該
   含塵ガス流路に含塵ガスを導入する導入管と、該清浄ガ
   ス流路から該壁を通って該含塵ガス流路へ流れるガス
   流を間欠的に発生させる逆洗手段と、該含塵ガス流路か
   らのパティキュレートを受けるように配置された微粒子
   受け部とが配置され、さらに該逆洗手段によって発生さ
   せられた噴流を利用して該清浄ガスの流れを一時的に遮
   断する閉鎖手段とが配置されていることを特徴とするパ
   ティキュレートトラップ装置。
2. 【請求項２】前記フィルタが、一対の対向する端面の一
   方の端面から他方の端面へ貫通して複数の孔が形成され
   ている通気性の多孔質材質からなる板状体を、前記端面
   を揃えるようにして複数枚平行に積層し、前記板状体相
   互間に前記複数の孔とは前記板状体の多孔質壁により区
   画される別の流路を構成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のパティキュレートトラップ装
   置。
3. 【請求項３】前記微粒子受け部に電気ヒータもしくは燃
   焼バーナからなる加熱手段が配置されている特許請求の
   範囲第１項記載のパティキュレートトラップ装置。
4. 【請求項４】前記閉鎖手段が、排気ガス排出口、逆洗流
   噴出口および弁板とを有し、該弁板が逆洗流の噴出力に
   よって該排気ガス排出口を閉塞するように作動する特許
   請求の範囲第１項記載のパティキュレートトラップ装
   置。
5. 【請求項５】前記閉鎖手段が、逆洗終了時点に前記弁板
   を押し戻して前記排気ガス排出口を開放するための弁板
   戻し手段を有している特許請求の範囲第１項記載のパテ
   ィキュレートトラップ装置。