JP3570197B2

JP3570197B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3570197B2
Application number: JP00975798A
Authority: JP
Inventors: 義正渡辺; 康荒木; 良光辺田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-01-21
Also published as: JPH11210440A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、カーボンを主成分とする有害なパティキュレートが含まれており、排気ガスを大気に放出する以前にこのようなパティキュレートを除去することが要求されている。そのために、ディーゼルエンジンの排気系にはパティキュレートトラップを配置することが提案されている。このようなパティキュレートトラップは、パティキュレート捕集量の増加に伴い大きな排気抵抗となるために、捕集したパティキュレートを燃焼させ、パティキュレートトラップ自身を再生する必要がある。
【０００３】
このようなパティキュレートトラップの再生には、一般的に、機関高負荷高速運転時における高温度の排気ガス熱が利用され、この運転毎にパティキュレートトラップは再生される。しかしながら、機関高負荷高速運転が頻繁に行われる保証はなく、再生時においてパティキュレートトラップには多量のパティキュレートが捕集されている可能性がある。パティキュレートの燃焼はパティキュレートトラップの排気上流側から下流側へ向かい伝播し、燃焼熱がパティキュレートトラップの排気下流部に集中する。従って、再生時におけるパティキュレート捕集量がある程度以上であると、全体的なパティキュレート燃焼熱が大きくなるために、パティキュレートの燃焼熱が集中するパティキュレートトラップの排気下流部において溶損の可能性がある。
【０００４】
特開昭６０−６５２１９号公報には、パティキュレートトラップを長手軸線に沿って二分割して隙間を形成することが提案されている。このパティキュレートトラップは、ある程度のパティキュレートがパティキュレートトラップに捕集され、パティキュレートトラップの流路抵抗が非常に増加すると、それ以後は、排気ガスが主に隙間を通過し、パティキュレートトラップにおいてパティキュレートがほとんど捕集されなくなるために、パティキュレート捕集量が制限されてパティキュレートトラップの溶損を防止できるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、排気ガスがパティキュレートトラップの隙間を通過すると、排気ガス中に含まれるパティキュレートの多くは排気ガスと共に隙間を通過するが、一部のパティキュレートは隙間の内壁面に付着堆積し、徐々に比較的大きなパティキュレートの塊となる。
【０００６】
このようなパティキュレートの塊は、排気ガス温度が高まったり又は排気ガス量が多くなると隙間の内壁面から離脱し、大気中に放出される排気ガス中のパティキュレート濃度を一時的に異常に高め、この時の排気ガスを黒煙状態とする問題が発生する。
【０００７】
また、パティキュレートには、カルシウム又はリンの酸化物又は硫化物等の非常に燃焼し難い成分も含まれており、これらは、パティキュレート燃焼後にもアッシュとしてパティキュレートトラップのトラップ壁に徐々に堆積する。前述の従来技術では、このようなアッシュを除去することができないために、遂には、アッシュが比較的多量に堆積し、パティキュレートを燃焼させてもパティキュレートトラップの流路抵抗が十分に下がらず、排気ガスはパティキュレートトラップの隙間を通過し続けることになる。それにより、これ以降は、排気ガス中のパティキュレートの捕集は不可能となる。
【０００８】
本発明の目的は、これらの問題を同時に解決することであり、すなわち、パティキュレートトラップの溶損を確実に防止し、パティキュレートトラップからのアッシュの除去を可能とし、大気中に放出される排気ガスが黒煙状態となることを防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明による内燃機関の排気浄化装置は、排気上流側が閉塞された複数のトラップ通路と、排気上流側及び排気下流側の両方が開放された複数の連通路とを有するパティキュレートトラップを具備し、前記各トラップ通路は、長手方向に延在して排気ガスを通過させるトラップ壁を有し、前記トラップ壁を介して前記連通路と隣接しており、少なくとも一つの前記連通路には、パティキュレートの塊を保持するための保持手段が設けられ、前記保持手段は、所定大きさ以上の塊物質だけしか保持できず、排気ガス中のパティキュレートを通過させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の本発明による内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記トラップ通路の流路断面積は前記連通路の流路断面積より大きいことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の本発明による内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記保持手段は、前記連通路の排気下流側に配置された網部材であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す断面図である。同図において、１は機関排気通路であり、２はパティキュレートトラップである。パティキュレートトラップ２は、例えば、図２及び図２のＡ−Ａ断面の部分図である図３に示すように、セラミック等の多孔性物質からなる多孔性物質パティキュレートトラップである。このパティキュレートトラップは、複数の長手方向に延在する隔壁２１によって細分化された複数の軸線方向空間が形成され、これらの軸線方向空間は、一つ飛ばしに隔壁２２によってさらに四つに細分化されている。さらに細分化はされていない軸線方向空間の排気上流側は、閉塞材２３によって閉塞されている。２５は、詳しくは後述するが、非常に目の粗い網部材であり、さらに細分化された軸線方向空間２０の排気下流側に配置されているが、この軸線方向空間は実質的に排気上流側及び排気下流側において開放されている連通路である。
【００１３】
こうして、連通路２０のそれぞれは、流路断面積が小さいために、比較的大きな流れ抵抗（Ｆ１）を有している。これに対して、閉塞材２３によって排気上流側が閉塞された軸線方向空間２４のそれぞれは、流路断面積が大きいために、排気下流側へ向かうその流れ抵抗（Ｆ２）は比較的小さく、排気ガスが隔壁２１を通過する際の通過抵抗（Ｆ３）を加えても、連通路２０の流れ抵抗を下回っている。すなわち、Ｆ１＞Ｆ２＋Ｆ３の関係が成り立っている。
【００１４】
それにより、排気ガスは、連通路２０へ流入するが、その後は、実線矢印で示すように、主に隔壁２１を通過し、排気上流側が閉塞された軸線方向空間２４を通りパティキュレートトラップ２から排出される。多孔質の隔壁２１は、排気ガス通過の際にパティキュレートを捕集するトラップ壁として機能し、排気上流側が閉塞された軸線方向空間２４はトラップ通路となる。
【００１５】
こうして、各トラップ壁２１によってパティキュレートは良好に捕集され、機関高負荷高速運転が実施される時に、高温度の排気ガス熱によって捕集されたパティキュレートは燃焼し、パティキュレートトラップ２は再生される。しばらくの間、このような機関高負荷高速運転が実施されないと、捕集されたパティキュレートによって各トラップ壁２１の通過抵抗Ｆ３がかなり増加し、前述の三つの抵抗の関係は、Ｆ１＜Ｆ２＋Ｆ３となる。こうなると、排気ガスは、一点鎖線矢印で示すように、トラップ通路２４を通ることなく、主に連通路２０をそのまま通過する。
【００１６】
それにより、各トラップ壁２１へさらにパティキュレートが捕集されることはなく、パティキュレートトラップ２におけるパティキュレート捕集量をある程度に制限することができる。この時において、機関高負荷高速運転が実施されれば、高温の排気ガスは、トラップ壁２１を通過しないが、連通路２０を通過する際にトラップ壁２１へ熱を伝達するために、パティキュレートの燃焼を十分に開始させることができる。このパティキュレートの燃焼に際して、パティキュレートトラップ２には、ある程度に制限されたパティキュレートしか捕集されていないために、パティキュレートトラップ２の排気下流部における溶損の問題が発生することはない。こうして、パティキュレートトラップ２の再生が完了すれば、トラップ壁２１の通過抵抗が小さくなり、排気ガスは主に各トラップ通路２４を流れ、パティキュレートの捕集が再開される。本実施形態において、十分な数のトラップ通路２４を設けることにより、ある程度のパティキュレートがパティキュレートトラップ２に捕集されるまで、トラップ通路２４だけに排気ガスを通過させることができ、パティキュレートの良好な捕集が可能となる。
【００１７】
ところで、内燃機関の燃焼において、燃料だけでなく気筒内へ侵入したエンジンオイルも燃焼するために、その成分であるカルシウム及びリン等の酸化物及び硫化物等が生成される。通常、パティキュレートはこれらを成分として有している。カルシウム又はリンの酸化物又は硫化物は非常に燃焼し難く、パティキュレート燃焼の際にアッシュとして燃え残る。
【００１８】
このようなアッシュの一部は、トラップ壁２１を通過する排気ガスによって、排気下流側が開放されたトラップ通路２４を介して排出される。しかしながら、特に、トラップ壁２１の連通路側に位置するアッシュは、このようにして排出され難く、その位置で徐々に堆積し、遂には、トラップ壁２１の通過抵抗をかなり高めることとなる。こうして堆積したアッシュは、その大きさによってトラップ壁２１を通過することは不可能となる。
【００１９】
本実施形態において、排気上流側が閉塞された複数のトラップ通路２４のそれぞれは、トラップ壁２１を介して必ず連通路２０と隣接している。それにより、各トラップ壁２１の通過抵抗がアッシュによって高まる場合には、パティキュレート燃焼後においても排気ガスは各トラップ壁２１に接する連通路２０を通過することになるが、この排気ガスの通過によってトラップ壁２１の連通路側に堆積するアッシュはトラップ壁２１から離脱させられ、連通路２０を介して排出される。こうして、トラップ壁２１からのアッシュの除去が可能となり、トラップ壁２１へのアッシュの堆積によって排気ガスが連通路２０を通過し続けてパティキュレートが捕集不可能となることは防止される。
【００２０】
また、連通路２０内を排気ガスが通過すると、排気ガス中に含まれるパティキュレートの多くは排気ガスと共に連通路２０を通過するが、その一部は連通路２０の内壁面に付着堆積し、パティキュレートの塊となる。このパティキュレートの塊は、排気ガス温度が高まったり又は排気ガス量が多くなると、連通路２０の内壁面から離脱する。所定大きさ以上のパティキュレートの塊が複数の連通路２０から離脱して排出されると、この時の排気ガス中のパティキュレート濃度は異常に高まって排気ガスが黒煙状態となる。
【００２１】
本実施形態では、これを防止するために、各連通路２０の排気下流側には網部材２５が配置されている。この網部材２５の目は、所定大きさ以上の塊物質だけを保持する大きさであり、前述したように離脱させたアッシュ等は容易に通過させるものである。こうして、前述した本実施形態の効果を阻害することなく、網部材２５は、離脱する所定大きさ以上のパティキュレートの塊を、機関高負荷高速運転時となって焼失するまで保持し、排気ガスの黒煙状態を防止することができる。このような網部材は、トラップ通路２４の排気下流側に配置しても特に問題を発生させることがないために、連通路２０だけに配置することに代えて、パティキュレートトラップ２の排気下流側全体を覆うような一体の網部材を配置するようにしてもよい。
【００２２】
また、図４は、図２におけるＣ部拡大図である。同図に示すように、トラップ壁２１の細孔にはパティキュレートが捕集される。また、トラップ壁２１の連通路２０側の表面は、連通路２０の内壁面の一部であるために、前述したように連通路２０を通過する排気ガス中のパティキュレートが付着堆積すると共に、トラップ壁２１を通過する排気ガス中のパティキュレートの一部も付着堆積する。
【００２３】
本実施形態においては、連通路２０の内壁面には、トラップ壁２１の表面を含みゼオライト等の炭化水素吸着材の層５０が形成されており、パティキュレートは、この層５０に付着堆積するようになっている。パティキュレート同士及びパティキュレートと連通路内壁面との付着は、炭化水素ＨＣをバインダとして行われる。
【００２４】
図６は、パティキュレートの塊が連通路内壁面へ直接的に付着している様子を概略的に示すものであり、排気ガス温度が高くなると、パティキュレートの塊の外側の炭化水素ＨＣ、すなわち、パティキュレートの塊を連通路内壁面に保持する炭化水素ＨＣが容易に消失し、パティキュレートの塊が連通路内壁面から離脱することになる。
【００２５】
これに対して、本実施形態では、図５に示すように、パティキュレートの塊は炭化水素吸着材の層５０に付着しているために、パティキュレートの塊を保持する炭化水素ＨＣは消失し難くなっており、機関高負荷高速運転時に排気ガス温度がかなり高くなって燃焼が開始されるまでパティキュレートの塊を保持し続けることができる。
【００２６】
炭化水素吸着材の層５０は、パティキュレートの塊を保持する炭化水素ＨＣを消失させ難くするだけでなく、保持力を高めるようにも機能するために、排気ガス量の増加に対してもパティキュレートの塊が離脱し難くなり、機関高負荷高速運転時までパティキュレートの塊を保持することができる。
【００２７】
本実施形態は、前述の網部材２５と炭化水素吸着材の層５０とによって、連通路内にパティキュレートの塊を焼失するまで確実に保持して、排気ガスが黒煙状態となることを確実に防止することを可能とする。しかしながら、このようなパティキュレートの塊の保持手段として、網部材２５及び炭化水素吸着材の層５０のいずれか一つを設ければ、従来に比較して黒煙が発生し難くなることは明らかである。
【００２８】
本実施形態のパティキュレートトラップ２は、多孔性物質パティキュレートトラップとして説明したが、もちろん、図７及び図７のＢ矢視の部分図である図８に示すような耐熱性金属繊維の不織布と耐熱性金属の波板から構成された金属繊維パティキュレートとすることも可能である。このパティキュレートトラップは、二枚の不織布２６ａ及び２６ｂと二枚の波板２７ａ及び２７ｂとが互いに違いに厚さ方向に積層されて螺旋状に巻かれ、不織布と波板とによって複数の軸線方向空間が形成されているものである。不織布を構成する耐熱性金属繊維及び波板を構成する耐熱金属として、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金等が利用可能である。一方の波板２７ａは、波高さ及び波幅の小さなものであり、二枚の不織布における他方の波板２７ｂに当接する面同士だけを排気上流側において接合したものである。こうして、通常の波板２７ｂによる軸線方向空間が前述同様なトラップ通路２４’となり、小さな波板２７ａによる軸線方向空間が、トラップ通路２４’にトラップ壁（金属繊維不織布）を介して隣接する前述同様な連通路２０’となる。
【００２９】
このような構成においても、連通路２０’の排気下流側には網部材２５’を配置することができ、また、連通路２０’の内壁面には炭化水素吸着材の層を設けることができ、前述のパティキュレートトラップと同様な効果を得ることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートトラップは、排気上流側が閉塞された複数のトラップ通路に加えて複数の連通路を有するために、ある程度のパティキュレートがトラップ壁に捕集されてトラップ通路の流路抵抗が増加すると、それ以降は、排気ガスは連通路を通過するために、さらにパティキュレートがパティキュレートトラップに捕集されることはなく、再生時にパティキュレート燃焼熱が大きくなってパティキュレートトラップが溶損することを防止することができる。さらに、各トラップ通路は、トラップ壁を介して連通路と隣接しているために、トラップ壁に付着堆積するアッシュは連通路を通過する排気ガス流によって連通路を介して除去可能である。さらに、少なくとも一つの連通路には、パティキュレートの塊を保持するための保持手段が設けられているために、パティキュレートの塊が焼失せずに連通路から排出されることはなく、排気ガスが黒煙状態となることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の排気浄化装置に使用されるパティキュレートトラップの長手方向断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面の部分図である。
【図４】図２のＣ部拡大図である。
【図５】パティキュレートの塊が炭化水素吸着材の層へ付着している様子を示す概略図である。
【図６】パティキュレートの塊が連通路内壁面へ付着している様子を示す概略図である。
【図７】図１の排気浄化装置に使用されるもう一つのパティキュレートトラップの長手方向断面図である。
【図８】図７のＢ矢視の部分図である。
【符号の説明】
１…機関排気通路
２…パティキュレートトラップ
２０，２０’…連通路
２４，２４’…トラップ通路
２５，２５’…網部材
５０…炭化水素吸着材の層

Claims

排気上流側が閉塞された複数のトラップ通路と、排気上流側及び排気下流側の両方が開放された複数の連通路とを有するパティキュレートトラップを具備し、前記各トラップ通路は、長手方向に延在して排気ガスを通過させるトラップ壁を有し、前記トラップ壁を介して前記連通路と隣接しており、少なくとも一つの前記連通路には、パティキュレートの塊を保持するための保持手段が設けられ、前記保持手段は、所定大きさ以上の塊物質だけしか保持できず、排気ガス中のパティキュレートを通過させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記トラップ通路の流路断面積は前記連通路の流路断面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記保持手段は、前記連通路の排気下流側に配置された網部材であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。