JP3566913B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用エンジンに適用するための排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策として、図６に示す如く、ディーゼルエンジン１からの排気ガス２が流通する排気管３の途中にパティキュレートフィルタ４を装備することが考えられている。
【０００３】
図７に示すように、パティキュレートフィルタ４は、コージェライトなどのセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路５の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路５については、その出口が目封じされるようになっており、各流路５を区画する多孔質薄壁６を透過した排気ガス２のみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス２中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁６の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタ４の再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジン１の運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、一般的には、電気ヒータなどを付属させて積極的な加熱を行うことが考えられている。
【０００５】
ただし、斯かる従来のパティキュレートフィルタ４では、複雑なハニカム構造の一体成形物として製造しなければならなかったために、その製造コストが高くつくという問題があり、しかも、車種などに応じて容量の異なるパティキュレートフィルタ４が必要となった場合に、容量の異なる複数種類のパティキュレートフィルタ４を高い製造コストをかけて個々に製造しなければならないという問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明者らは、従来におけるパティキュレートフィルタ４に換えて、シンプルな板形状に製造するだけで済む平板フィルタを排気ガス２の流れ方向に複数枚重ね合わせてフィルタ層として使用し、これによって、従来の如き複雑なハニカム構造のパティキュレートフィルタ４を一体成形物として製造する場合よりも製造コストを安価に抑え、しかも、平板フィルタの枚数を加減するだけで極めて簡単に容量を調整し得るようにすることを創案するに到った。
【０００７】
しかも、各平板フィルタについては、酸化触媒を担持させて、各平板フィルタに捕集されたパティキュレートの酸化反応を促進し、比較的低い着火温度にてパティキュレートを効率良く燃焼除去し得るようにすることを更に検討している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような平板フィルタを採用するとした場合、各平板フィルタを筒状の保持体内に装填してユニット化した上で、この保持体ごと各平板フィルタを排気管３の途中に装備することになるが、各平板フィルタの厚さ寸法が小さすぎると、保持体内への装填時に該保持体内で平板フィルタが倒れ易くなり、しかも、保持体内で倒れた平板フィルタは、斜めに傾斜した状態でつかえてしまうので、各平板フィルタの装填作業に非常に手間が掛かる虞れがあった。
【０００９】
即ち、平板フィルタを装填する保持体には、各平板フィルタの円滑な装填を可能ならしめるよう外周囲にクリアランスが確保されることになるので、平板フィルタの厚さ寸法が小さくなりすぎると、外周囲のクリアランスによる自由度が大きくなりすぎて倒れ易くなり、ある程度倒れた姿勢で平板フィルタの矩形側断面の対角同士が外周囲につかえてしまうのである。
【００１０】
他方、各平板フィルタの厚さ寸法が大きすぎると、触媒の粉末をペースト状に溶いた触媒液に各平板フィルタを浸漬させて酸化触媒を担持させる際に、その後処理として行われるエアブローやバキュームによる触媒液の脱離作業が効率良く行えなくなり、各平板フィルタを短時間で目詰まりのない状態に復帰させることが困難になって生産効率が低下してしまう虞れがあった。
【００１１】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、各平板フィルタの適正な厚さ寸法を規定して、その装填作業を容易に行い且つ触媒を担持させる作業の後処理である触媒液の脱離作業を短時間で効率良く行い得るようにすることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パティキュレートを深層濾過し得るよう目を粗くした多孔質構造を成し且つ排気浄化触媒を担持した平板フィルタを排気ガスの流れ方向に複数枚重ね合わせて排気管の途中に装備した排気浄化装置であって、平板フィルタの厚さ寸法を５〜４０ｍｍ、好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とするものである。
【００１３】
而して、このように平板フィルタの厚さ寸法を設定すれば、通常の自動車におけるマフラなどを含む排気管途中の流路径として想定される約６０〜約３００ｍｍ（この径内に含まれる楕円形流路も同様）に関し、各平板フィルタを筒状の保持体などに装填して排気管の途中に装備する際に、各平板フィルタが保持体などの内部で倒れ難くなり、その装填作業に手間が掛からなくなる。
【００１４】
また、触媒の粉末をペースト状に溶いた触媒液に各平板フィルタを浸漬させて酸化触媒を担持させる際に、その後処理として行われるエアブローやバキュームによる触媒液の脱離作業が効率良く行えるようになり、各平板フィルタを短時間で目詰まりのない状態に復帰させることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、自動車のディーゼルエンジン１（図６参照）から排出された排気ガス２が流通している排気管３のマフラ７の外筒をフィルタケース８とした場合を例示している。
【００１７】
即ち、マフラ７の入口パイプ９と出口パイプ１０及びインナーパイプ１１との間に第一セパレータ１２と第二セパレータ１３とにより画定された所要の大きさの収容空間１４が確保されており、この収容空間１４に、パティキュレートを深層濾過し得るよう目を粗くした多孔質構造を有し且つ円盤状に形成された複数枚の平板フィルタ１５（図２参照）が、排気ガス２の流れ方向に重ね合わされて収容されるようになっている。
【００１８】
ここで、各平板フィルタ１５は、発泡金属、発泡セラミック、金属線の圧縮体、金属繊維または無機繊維の圧縮体などにより製造されており、従来におけるセラミック製のパティキュレートフィルタとは細孔の大きさが著しく異なっている。
【００１９】
即ち、従来のパティキュレートフィルタが表層濾過を意図してパティキュレートの粒子径より小さな径の細孔となるように目を細かくしていたのに対し、ここに示している各平板フィルタ１５では、パティキュレートの粒子を各平板フィルタ１５の細孔を形成している柱部分に繰り返し何度も衝突させることで何れかの柱部分に捕集させるようにした深層濾過を意図してパティキュレートの粒子径より細孔の径が大きくなるようにしており、より具体的には、約０．７ｍｍから２．０ｍｍ程度の径の細孔が形成されるようにしてある。
【００２０】
更に、各平板フィルタ１５には、アルミナゾルに白金やパラジウムなどの貴金属の粉末をペースト状に溶いた触媒液に各平板フィルタ１５を浸漬させた後、エアブローやバキュームなどの手法で触媒液を脱離させることにより酸化触媒を担持させるようにしてあり、この酸化触媒によって、捕集したパティキュレートの酸化反応を促進し得るようにしてある。
【００２１】
ここで、各平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔ（図１及び図２参照）は、後述する理由により５〜４０ｍｍの範囲、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲で設定するようにしている。
【００２２】
また、図３に上側部分の断面を拡大して示してあるように、各平板フィルタ１５の相互間には、各平板フィルタ１５同士が直接接触しないよう環状のスペーサ１６が介装され、各平板フィルタ１５が成すフィルタ層１７の外周面には、円筒状に巻かれたスペーサ１８が保持体として被包されており、このスペーサ１８とフィルタケース８の内周面に固着したキャニング外筒１９との間には、弾性クッション材２０，２１が介装され、該各弾性クッション材２０，２１の相互間には、シール材２２が介装されて排気ガス２の迂回を阻止し得るようにしてある。
【００２３】
ここで、各弾性クッション材２０，２１は、金属線をニット状に編んで蛇腹円筒状に形成したものであり、各平板フィルタ１５の半径方向への移動（排気ガス２の流れ方向に対し略直角な向きへの移動）を抑制し得るよう前記各平板フィルタ１５の外周部分を弾性力で加圧保持するようになっている。
【００２４】
更に、前方の弾性クッション材２０の前端部分２０ａが、最前列の平板フィルタ１５の前面側外縁部分に回り込むように縮径していると共に、後方の弾性クッション材２１の直後には、最後列の平板フィルタ１５の後面側外縁部分にも掛かるようにした環状のシール材２２が配置されており、これら前方の弾性クッション材２０の前端部分２０ａとシール材２２とを前後に介在させた状態でフィルタ層１７がフィルタストッパ２３，２４により前後に挾圧され、前記前方の弾性クッション材２０の前端部分２０ａによる弾性力で各平板フィルタ１５が排気ガス２の流れ方向に移動しないよう加圧保持されるようにしてある。
【００２５】
即ち、本形態例においては、フィルタケース８が最後列の平板フィルタ１５より後方位置にて前後に分割構成されており、前述した前方のフィルタストッパ２３が、前側のフィルタケース８に対しキャニング外筒１９を介して装着され、後方のフィルタストッパ２４が、後側のフィルタケース８に対して装着されるようになっているので、後側のフィルタケース８を取り外して各平板フィルタ１５を前側のフィルタケース８内に収容させた後に後側のフィルタケース８を再び取り付ける際に、後方のフィルタストッパ２４により各平板フィルタ１５が前方に押し込まれて両フィルタストッパ２３，２４間で挾圧されるようになっているのである。
【００２６】
尚、フィルタケース８の分割された相互の接続側端部にはフランジ２５が夫々形成されており、このフランジ２５同士をガスケット２６を介しボルト締結することにより前後のフィルタケース８の接続が行われるようにしてある。
【００２７】
而して、このように構成された排気浄化装置では、排気ガス２が各平板フィルタ１５から成るフィルタ層１７を通過する際に、パティキュレートの粒子が、フィルタ層１７内で細孔を形成している柱部分に対し繰り返し何度も衝突して何れかの柱部分に捕集されることになり、各平板フィルタ１５に捕集されたパティキュレートの粒子は、各平板フィルタ１５の酸化触媒により酸化反応を促進されて比較的低い着火温度にて効率良く燃焼除去されることになるが、本形態例において、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔを５〜４０ｍｍの範囲、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲で設定したことは、以下に詳述する如き優れた作用効果を奏する。
【００２８】
即ち、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔを５〜４０ｍｍの範囲、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲で設定すれば、通常の自動車におけるマフラ７などを含む排気管３途中の流路径として想定される約６０〜約３００ｍｍ（この径内に含まれる楕円形流路も同様）に関し、各平板フィルタ１５をスペーサ１８内に装填するに際して、該スペーサ１８内で各平板フィルタ１５が倒れ難くなり、その装填作業に手間が掛からなくなる。
【００２９】
ここで、各平板フィルタ１５の装填作業につき補足して説明すると、各平板フィルタ１５をマフラ７の収容空間１４に収容させるにあたっては、円筒状に巻かれた保持体を成すスペーサ１８内に各平板フィルタ１５を環状のスペーサ１６を介装させつつ順次装填してユニット化し、更に、前記スペーサ１８の外周部を各弾性クッション材２０，２１及びシール材２２により被包させた状態とした後に、フィルタケース８の内周面に固着したキャニング外筒１９内に後方から押し込んで前記各弾性クッション材２０，２１によりスペーサ１８ごと各平板フィルタ１５を加圧保持させるようにしているので、マフラ７の収容空間１４への収容が完了した段階では、スペーサ１８が縮径して各平板フィルタ１５周囲のクリアランスは消失することになるが、マフラ７の収容空間１４へ収容する前の段階では、スペーサ１８と各平板フィルタ１５との間に、該各平板フィルタ１５の円滑な装填を可能ならしめるよう外周囲にクリアランスが確保されているので、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔに下限値を設けることで前記クリアランスによる各平板フィルタ１５の自由度を倒れが生じ難くなるよう抑制しているのである。
【００３０】
また、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔを５〜４０ｍｍの範囲、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲で設定すれば、触媒液に各平板フィルタ１５を浸漬させて酸化触媒を担持させる際に、その後処理として行われるエアブローやバキュームによる触媒液の脱離作業が効率良く行えるようになり、各平板フィルタ１５を短時間で目詰まりのない状態に復帰させることが可能となる。
【００３１】
図４のグラフは本発明者らによる検証実験の結果を示したものであり、このグラフにおける横軸は、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔを示し、一方の縦軸は、平板フィルタ１５の倒れ量ｇ、即ち、図５に示す如き平板フィルタ１５が正常な直立姿勢から倒れて該平板フィルタ１５の矩形側断面の対角同士が外周囲のスペーサ１８につかえるまでの軸心方向へのズレ量を倒れ量ｇとして示し、他方の縦軸は、触媒液に各平板フィルタ１５を浸漬させて酸化触媒を担持させる際に、その後処理としてエアブローやバキュームによる触媒液の脱離作業を行なった場合における単位時間当たりの触媒液の脱離量を示している。
【００３２】
そして、このグラフにおける倒れ量ｇの推移を示す曲線Ａは、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔが５ｍｍより小さい領域で平板フィルタ１５が殆ど完全に倒れてしまって倒れ量ｇを計測することが困難となり、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔが最低限５ｍｍ必要であることを表しているが、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔが５ｍｍ増えて１０ｍｍとなるだけで大幅な倒れ量ｇの低下が認められ、しかも、これ以上の厚さ寸法ｔの増加は緩慢な倒れ量ｇの低下しか示さないので、より好ましい厚さ寸法ｔの下限値が１０ｍｍであることを表し、更には、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔが２０ｍｍとなった段階で平板フィルタ１５に倒れが生じなくなることを表している。
【００３３】
また、このグラフにおける触媒液の脱離量の推移を示す曲線Ｂは、平板フィルタ１５の厚さ寸法ｔが２０ｍｍを超えた段階で急激に脱離量が低下し、厚さ寸法ｔが４０ｍｍを超えた段階では、機械的な大量生産に適した脱離量の限界値ｘを下まわってしまうので、少くとも厚さ寸法ｔの上限値が４０ｍｍを超えないようにする必要があることを表し、しかも、厚さ寸法ｔを平板フィルタ１５に倒れが生じなくなる２０ｍｍまで減らすだけで大幅な脱離量の増加が認められるので、より好ましい厚さ寸法ｔの上限値が２０ｍｍであることを表している。
【００３４】
従って、上記形態例によれば、各平板フィルタ１５の適正な厚さ寸法ｔを規定したことにより、該各平板フィルタ１５の保持体であるスペーサ１８への装填作業を容易に行い且つ酸化触媒を担持させる作業の後処理である触媒液の脱離作業を短時間で効率良く行い得るようにすることができるので、各平板フィルタ１５の装填作業に要する労力を大幅に軽減し且つ各平板フィルタ１５の生産効率を大幅に向上することができる。
【００３５】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、触媒を酸化触媒以外のＮＯｘ低減触媒としても良いこと、また、フィルタケースをマフラとは別に独立して設けても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、各平板フィルタの適正な厚さ寸法を規定したことにより、各平板フィルタを筒状の保持体などに装填して排気管の途中に装備する際に、各平板フィルタを保持体などの内部で倒れ難くして、その装填作業を容易に行い得るようにすることができ、しかも、酸化触媒を担持させる作業を行う際に、その後処理である触媒液の脱離作業を短時間で効率良く行い得るようにすることもできるので、各平板フィルタの装填作業に要する労力を大幅に軽減し且つ各平板フィルタの生産効率を大幅に向上することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１の各平板フィルタの斜視図である。
【図３】図１の各平板フィルタの保持構造を拡大して示す断面図である。
【図４】平板フィルタの厚さ寸法と倒れ量及び触媒液の脱離量との関係を示すグラフである。
【図５】平板フィルタの倒れ状態を示す説明図である。
【図６】従来例を示す概略図である。
【図７】図６のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。
【符号の説明】
２ 排気ガス
３ 排気管
１５ 平板フィルタ
ｔ 厚さ寸法

Claims (1)

1. パティキュレートを深層濾過し得るよう目を粗くした多孔質構造を成し且つ排気浄化触媒を担持した平板フィルタを排気ガスの流れ方向に複数枚重ね合わせて排気管の途中に装備した排気浄化装置であって、平板フィルタの厚さ寸法を５〜４０ｍｍ、好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする排気浄化装置。

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