JP3635723B2

JP3635723B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3635723B2
Application number: JP18655295A
Authority: JP
Inventors: 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JPH0913959A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化処理するため、排気管に組み込まれるケース部内に配置された触媒担体、或いはセラミックス繊維、多孔質セラミックス、金網等のフィルタを有する排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃焼は、高温、高圧空気中に燃料を噴射する、所謂、ヘトロジニアス混合によるものである。ヘトロジニアス混合はホモジニアス混合気と異なって空気と燃料が均一に混合していないので、燃料中の炭素成分は、燃焼による高温熱によって煤、ＨＣ等に変化し、それらが凝集してパテキュレートとなり、外部に放出される。従来、ディーゼルエンジンから排気される排気ガス中の有害物質を酸化させて浄化する触媒担体、或いは排気ガス中に含まれるカーボン、煤、ＨＣ等のパティキュレートをフィルタで捕集して焼却するＤＰＦ等の排気ガス浄化装置が知られている。従来の排気ガス浄化装置として、例えば、図７又は図８に示したように、触媒担体やフィルタをケーシング内に充填したものがある。
【０００３】
図７に示す排気ガス浄化装置は、エンジンからの排気ガスを排出する排気管１０に組み込まれた排気ガスを浄化する触媒担体やフィルタ２を収容したケーシング１を有する。ケーシング１は、通路断面積が一様な筒部５、筒部５と流入側排気管１０とを接続する排気ガスを導入する導入部３、及び筒部５と排出側排気管１５とを接続する排出部６から構成されている。また、筒部５の一部には、触媒担体やフィルタ２を収容する保持部４が設けられている。筒部５の通路断面積は排気管１０の通路断面積より大きいサイズに形成され、導入部３は排気管１０側から筒部５側へ向かってテーパ角度θで拡開形状に形成されている。更に、導入部３の長さは、筒部５の長さの四分の一程度に形成されている。
【０００４】
また、図８に示した排気ガス浄化装置は、図７に示したものと実質的に同一の構造を有しているので、同一部品には同一の符号を付している。この例では、筒部５は、その流れ方向全長にわたって触媒担体やフィルタ２を収容する保持部４に構成されており、筒部５、導入部３、及び排出部６がほぼ同一長さに構成されている。この例では、導入部３排気管１０側から筒部５側へ向かってテーパ角度θの半分の緩やかな傾斜で拡開形状に形成されている。
【０００５】
また、実開昭５２−１２８８１４号公報には、自動車の排気ガス浄化装置内流速分布修正装置が開示されている。該排気ガス浄化装置内流速分布修正装置は、排気ガス浄化装置入口側の拡開したディフューザの途中に流速修正用の物体を置たものであり、該物体の近くの後方における流速が少なくなることを利用して触媒層内の流速の大きくなる部分を打ち消すことにより触媒層内の流速分布をほぼ一様に修正したものである。
【０００６】
また、実開昭６１−２００４０９号公報には、内燃機関の排気浄化装置が開示されている。該内燃機関の排気浄化装置は、排気入口部から広がり通路内に排気主流の方向と交差して配設され、排気主流を触媒全域に向けて拡散させる案内板を設け、該案内板に複数の小孔を開設したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示す排気ガス浄化装置は、導入部３のテーパ角度θが大きく、通路断面積が急激に傾斜して大きく変化しているため、導入部３内で排気ガスが矢印Ａで示すように渦流となり、排気ガスがスムースに流れることができないという問題がある。また、図７に示す排気ガス浄化装置での流れをスムースにするため、図８に示すように、導入部３のテーパ角度θを半分にして通路断面積の急激な変化を避ける形状に構成した場合には、導入部３内で排気ガスが矢印Ｂで示すように排気ガスの流れがスムースになるが、導入部３の長さを保持部４と同程度の長さに形成するため、スペース上の効率が悪化するという問題がある。
【０００８】
また、前掲実開昭５２−１２８８１４号公報に開示された排気ガス浄化装置内流速分布修正装置は、流速の速い領域に流速修正用の物体を置いて流速を低減したものであるが、流速修正用の物体は拡開したディフューザの途中に配置されているため、排気ガスの流れはディフューザの壁面との間で剥離現象を引き起こし、排気ガスの通気抵抗が増大するものである。一般に、排気管での排気ガスの通気抵抗が増大すると、エンジンにとっては排圧が上昇し、特に、燃費が悪化するという問題がある。
【０００９】
また、前掲実開昭６１−２００４０９号公報に開示されている内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスの流線を外側に拡げるため、排気入口部から広がり通路内に案内板を設け、内側にも流線を形成させるため、案内板に複数の小孔を形成して該小孔に排気ガスを通過させている。しかしながら、案内板の下流端の背面には渦流が発生することになり、排気ガスの流速を一様にすることはできなく、渦流のため流れ抵抗が大きくなると共に、排気ガスが小孔を通過するため案内板による流れ抵抗が大きくなるという問題がある。
【００１０】
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、エンジンから排出される排気ガスの流れを一様にスムースに流すことを可能にし、排気ガスの通気抵抗を低減するるため、排気管と排気ガス浄化装置の触媒担体やフィルタを収容したケーシング部との連結領域に設けた導入部にガイド部材を設けることによって壁面に対する排気ガスの剥離現象を防止し、しかもガイド部材を排気ガス流れがスムースに且つ流れ抵抗が低減できるような最適の形状に形成した排気ガス浄化装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の目的を達成するため、次のように構成されている。即ち、この発明は、エンジンからの排気ガスを排出する排気管に組み込まれた排気ガスを浄化する触媒担体やフィルタの浄化手段を収容したケーシングを有し、該ケーシングが前記触媒担体やフィルタを保持する保持部と前記排気管に接続する導入部から構成され、前記保持部の通路断面積が前記排気管の通路断面積より大きいサイズに形成され、前記導入部が前記排気管側から前記保持部側へ向かって拡開形状に形成された排気ガス浄化装置において、前記導入部の流れ方向全長にわたって通路中央部にガイド部材が配設され、前記ガイド部材が長手方向断面ひし形に形成され、前記ガイド部材の上下流両端が先尖りのエッジに形成されていることを特徴とする排気ガス浄化装置に関する。
【００１２】
また、前記ガイド部材の前記排気管側の断面ひし形のテーパ角度θ₂と前記ケース部側の断面ひし形のテーパ角度θ₃とはほぼ同一角度に形成され、これらのテーパ角度θ₂，θ₃は前記導入部の前記排気管側から前記保持部側へ向かって拡開するテーパ角度θ₁の二分の一以下にそれぞれ設定されている。
【００１３】
また、前記各テーパ角度θ₂，θ₃は前記テーパ角度θ₁のほぼ三分の一にそれぞれ設定されている。
【００１４】
また、前記ガイド部材は耐熱性で耐腐食性のステンレス、ＳＵＳ、耐熱鋼及びセラミックスから選択される材料で作製されている。
【００１５】
【作用】
この発明による排気ガス浄化装置は、上記のように構成されており、次のように作用する。即ち、この排気ガス浄化装置は、導入部の流れ方向全長にわたって通路中央部にガイド部材が配設され、前記ガイド部材が長手方向断面ひし形に形成されているので、前記ガイド部材によって排気ガス流れに剥離現象、渦流等の流れ抵抗を増大させるような現象が発生することなく、ガイド部材で排気ガスを一様に拡散してスムースに触媒担体やフィルタへ送り込むことができ、燃費等を悪化させることがない。
【００１６】
この排気ガス浄化装置は、特に、前記ガイド部材の上流側先端がエッジに形成され、該エッジの設置位置は前記導入部の拡開開始点に設定されているので、排気ガスは前記ガイド部材に案内されてスムースに流れ、前記導入部の壁面に接して剥離現象が生じることなく、排気ガスの渦流が発生することなく、従来の排気ガス浄化装置に比較して通気抵抗を低減でき、しかも前記触媒担体やフィルタの入口直前での排気ガスの流速を一様にして前記触媒担体やフィルタの入口の全面に排気ガスが一様に拡がって前記触媒担体やフィルタに導入され、前記触媒担体やフィルタでの排気ガスの浄化が良好に行われる。しかも、前記導入部に前記ガイド部材を設置することによって、前記導入部の長さを短く形成でき、スペース上の問題を解決できる。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明による排気ガス浄化装置の実施例を説明する。図１はこの発明による排気ガス浄化装置の一実施例を示す概略説明図、図２は図１の線Ａ−Ａにおける断面図、図３は図１の排気ガス浄化装置の要部の拡大断面図、及び図４は図１の排気ガス浄化装置における排気ガス流れを示す説明図である。この発明による排気ガス浄化装置は、基本的な外形については図７及び図８に示した排気ガス浄化装置と同様な構成を有しているので、同一の部品には同一の符号を付している。
【００１８】
この排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンからの排気ガスを排出する排気管１０に組み込まれた排気ガスを浄化する浄化手段となる触媒担体やフィルタ２を収容したケーシング１を有し、ケーシング１が触媒担体やフィルタ２を保持するケーシング部即ち保持部４、流入側排気管１０に接続する導入部３及び流出側排気管１５に接続する排出部６から構成されている。保持部４は一様な断面形状を有する筒部５から形成されている。保持部４、導入部３及び排出部６は、それぞれ別体の３つのケーシング部で構成することができるが、三者が一体構造の二つ割り構造等に構成することもできる。触媒担体やフィルタ２は、排気ガス中に含まれるカーボン、煤、ＨＣ等のパティキュレートを捕集したり、或いはＮＯ_X等の有害ガスを分解させたりできる触媒金属を担持させる担体であり、例えば、粒状の触媒担体がケースに充填されたもの、セラミックス繊維が積層されているもの、多孔質セラミックスで形成されているもの、或いは、これらの材料に金網が加えられているもの等の種々の構造で構成されている。
【００１９】
図３では、ケーシング１を構成する保持部４、導入部３及び排出部６はそれぞれ別体に構成され、上流側排気管１０の端部に設けたフランジ部１１と導入部３の上流側端部に設けたフランジ部１２とが互いに固定され、また、導入部３の下流側端部に設けたフランジ部１３と保持部４の上流側端部に設けたフランジ部１４とが互いに固定されている。また、ケーシング１における保持部４の通路断面積が排気管１０の通路断面積より大きいサイズに形成されている。また、導入部３は上流側排気管１０側から保持部４側へ向かって拡開形状に形成され、また、排出部６は保持部４側から下流側排気管１５側へ向かって縮小形状に形成されている。
【００２０】
この排気ガス浄化装置は、特に、導入部３の流れ方向全長にわたって通路中央部にガイド部材７が保持板８によって導入部３に配設され、しかもガイド部材７が長手方向断面ひし形に形成され、ガイド部材７の上下流の両端が先尖りのエッジ９，９に形成されていることである。ガイド部材７の形状は、言い換えれば、導入部３の形状に対応して決定されるものであり、導入部３が裁頭円錐筒形に形成されている場合には、前端部が円錐形で且つ後端部が円錐形に形成することができ、また、導入部３が裁頭角錐筒形に形成されている場合には、前端部が角錐形で且つ後端部が角錐形に形成することができるものである。
【００２１】
ガイド部材７の形状は、具体的には、図５の（Ａ）に示すように、導入部３の拡開するテーパ角度を２θ₁（以下、半分のθ₁をテーパ角度という）とし、ガイド部材７の上流側排気管１０側の断面ひし形のテーパ角度を２θ₂（以下、半分のθ₂をテーパ角度という）とし、また、ガイド部材７の保持部４側の断面ひし形のテーパ角度を２θ₃（以下、半分のθ₃をテーパ角度という）とする。ここでは、θ₂とθ₃とをほぼ同一角度に形成するものとする。しかも、これらのテーパ角度θ₂，θ₃は、テーパ角度θ₁の二分の一以下にそれぞれ設定されている。特に、各テーパ角度θ₂，θ₃は、テーパ角度θ₁のほぼ三分の一にそれぞれ設定されていることが、排気ガスの流れに剥離現象を発生させることなく、排気ガスの拡開の拡がり状態を良好にすることができる。
【００２２】
また、この排気ガス浄化装置では、ケーシング１を構成する保持部４や排出部６の長手方向長さはほぼ同一長さに形成されているが、導入部３の長手方向長さは保持部４や排出部６の長手方向長さに比較してほぼ半分の長さに形成されている。更に、ガイド部材７は、耐熱性で耐腐食性のステンレス、ＳＵＳ、耐熱鋼及びセラミックスから選択される材料で作製されている。
【００２３】
この排気ガス浄化装置について、ガイド部材７による排気ガスの拡がり状態を図５及び図６を参照して説明する。この排気ガス浄化装置では、ガイド部材７による排気ガスの導入部壁面での剥離現象はガイド部材７のポイントでのテーパ角度θ₂，θ₃の大きさで決定されるのではなく、ガイド部材７の外面のテーパ角度θ₂，θ₃の変化量に起因するものである。即ち、排気ガスの導入部壁面に対する剥離現象は、ガイド部材７のある点でのテーパ角度θ₂，θ₃の変化量に起因している。
【００２４】
図５の（Ｂ）には、導入部にガイド部材を設けた通路構造ＴＧとガイド部材を設けていない通路構造ＮＧとの排気ガスの拡がり状態の比較が示されている。通路構造ＴＧでは、ガイド部材７を導入部３に配置したものであり、ガイド部材７をθ₂＝θ₃＝θ₁／２の関係の寸法に形成したものである。排気管１０内では、一様な筒体であり、通路断面積の変化量は零であり、従って、排気ガスの拡がりは発生しない。また、導入部３内でのテーパ角度の変化量がθ₁以上では排気ガスの剥離現象が発生する限界角度であるとする。図５のＡ点では、通路構造ＴＧのテーパ角度の変化量はθ₁−θ₂＝θ₁／２であるのに対して、通路構造ＮＧの変化量はθ₁である。図５のＢ点では、通路構造ＴＧのテーパ角度の変化量は（θ₁＋θ₃）−（θ₁−θ₂）＝θ₂＋θ₃であるのに対して、通路構造ＮＧの変化量は０である。即ち、導入部でのテーパ角度の変化量は、通路構造ＮＧが実線で示す状態になり、通路構造ＴＧは点線で示す状態になる。導入部に排気ガスを流して観察すると、通路構造ＴＧはＡ点ではθ₁より小さく、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象は発生しなかったのに対し、通路構造ＮＧではＡ点ではθ₁となり、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象が発生した。また、通路構造ＴＧは、Ｂ点ではテーパ角度の変化量はθ₂＋θ₃＝θ₁となり、Ｂ点ではθ₁となり、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象が発生した。上記の現象から、通路構造ＴＧにおけるＢ点でのテーパ角度の変化量がθ₁以下になれば、排気ガスの剥離現象が発生しないことになる。従って、排気ガス浄化装置では、導入部３に設けるガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃は導入部３の拡開するテーパ角度θ₁の二分の一以下にそれぞれ設定すれば、排気ガスの剥離現象が発生しないことになる。
【００２５】
また、図５の（Ｃ）には、導入部にガイド部材を設けた通路構造ＴＧとガイド部材を設けていない通路構造ＮＧとの排気ガスの拡がり状態の比較が示されている。通路構造ＴＧでは、ガイド部材７を導入部３に配置したものであり、ガイド部材７をθ₂＝θ₃＝θ₁／３の関係の寸法に形成したものである。排気管１０内では、一様な筒体であり、通路断面積の変化量は零であり、従って、排気ガスの拡がりは発生しない。また、導入部３内でのテーパ角度の変化量がθ₁以上では排気ガスの剥離現象が発生する限界角度であるとする。図５のＡ点では、通路構造ＴＧのテーパ角度の変化量はθ₁−θ₂＝（２／３）θ₁であるのに対して、通路構造ＮＧの変化量はθ₁である。図５のＢ点では、通路構造ＴＧのテーパ角度の変化量は（θ₁＋θ₃）−（θ₁−θ₂）＝θ₂＋θ₃＝（２／３）θ₁であるのに対して、通路構造ＮＧの変化量は０である。即ち、導入部でのテーパ角度の変化量は、通路構造ＮＧが実線で示す状態になり、通路構造ＴＧは点線で示す状態になる。導入部に排気ガスを流して観察すると、通路構造ＴＧはＡ点ではθ₁より小さく、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象は発生しなかったのに対し、通路構造ＮＧではＡ点ではθ₁となり、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象が発生した。また、通路構造ＴＧは、Ｂ点ではテーパ角度の変化量はθ₂＋θ₃＝（２／３）θ₁となり、Ｂ点ではθ₁より小さくなり、導入部３の壁面に対する排気ガスの剥離現象が発生しなかった。即ち、ガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃をθ₁／３に設定すれば、排気ガスの剥離現象が発生しないことになる。従って、排気ガス浄化装置では、導入部３に設けるガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃は導入部３の拡開するテーパ角度θ₁の三分の一にそれぞれ設定すれば、排気ガスの剥離現象が発生しないことになる。
【００２６】
次に、図６を参照して、導入部３に設置するガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃の最も適した数値が如何なるものかを考察する。図６では、縦軸に排気ガスの拡がり角（＝θ₁）をとり、横軸にガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃をとると、導入部３にガイド部材７を設けた場合には、Ａ点での拡がり角は直線ＡＧのように変化し、また、Ｂ点での拡がり角は直線ＢＧのように変化する。グラフから分かるように、Ａ点での拡がり角とＢ点での拡がり角とが一致する点が、導入部３の全長にわたって一様に排気ガスが拡がり、排気ガスの流れの剥離現象が発生しないことになる。従って、導入部３に設置するガイド部材７のテーパ角度θ₂，θ₃をθ₁／３に設定することが最も好ましいことが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明による排気ガス浄化装置は、上記のように構成されており、次のような効果を有する。即ち、この排気ガス浄化装置は、排気管と触媒担体やフィルタの浄化手段を保持する保持部とを接続する導入部の流れ方向全長にわたって通路中央部にガイド部材を配設し、前記ガイド部材が長手方向断面ひし形に形成され、前記ガイド部材の上下流両端が先尖りのエッジに形成されているので、排気ガスの導入部壁面に対する剥離現象の発生を防止することができる。しかも、前記ガイド部材のテーパ角度を導入部のテーパ角度の二分の一以下に設定すれば、剥離現象の発生を確実に防止することができ、特に、テーパ角度を三分の一に設定すれば、導入部の全長にわたって剥離現象の発生を確実に防止することができる。しかも、導入部にガイド部材を設けることによって、導入部じたいの長さを短く形成することができ、排気ガス浄化装置を排気管に組み込むための排気ガス浄化装置自体が占めるスペースを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による排気ガス浄化装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】図１の排気ガス浄化装置の要部の拡大断面図である。
【図４】図１の排気ガス浄化装置における排気ガス流れを示す説明図である。
【図５】排気ガス浄化装置における排気ガスの拡がり状態を示す説明図である。
【図６】排気ガス浄化装置における排気ガスの拡がり状態を示すグラフである。
【図７】従来の排気ガス浄化装置の一例を示す概略説明図である。
【図８】従来の排気ガス浄化装置の別の例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１ケーシング
２触媒担体やフィルタ
３導入部
４保持部
５筒部
６排出部
７ガイド部材
８保持板
９先尖りエッジ
１０排気管
θ₁ 導入部の拡開するテーパ角度
θ₂ ガイド部材の排気管側先端のテーパ角度
θ₃ ガイド部材の保持部側先端のテーパ角度

Claims

エンジンからの排気ガスを排出する排気管に組み込まれた排気ガスを浄化する触媒担体やフィルタを収容したケーシングを有し、該ケーシングが前記触媒担体やフィルタを保持する保持部、流入側排気管に接続する導入部及び流出側排気管に接続する排出部から構成され、前記保持部の通路断面積が前記排気管の通路断面積より大きいサイズに形成され、前記導入部が前記排気管側から前記保持部側へ向かって拡開形状に形成された排気ガス浄化装置において、前記導入部の流れ方向全長にわたって通路中央部にガイド部材が配設され、前記ガイド部材が長手方向断面ひし形に形成され、前記ガイド部材の上下流両端が先尖りのエッジに形成されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
前記ガイド部材の前記排気管側の断面ひし形のテーパ角度θ₂と前記保持部側の断面ひし形のテーパ角度θ₃とはほぼ同一角度に形成され、これらのテーパ角度θ₂，θ₃は前記導入部の前記排気管側から前記保持部側へ向かって拡開するテーパ角度θ₁の二分の一以下にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
前記各テーパ角度θ₂，θ₃は前記テーパ角度θ₁のほぼ三分の一にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
前記導入部の長手方向長さは前記排出部の長手方向長さに比較してほぼ半分の長さに形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかにに記載の排気ガス浄化装置。
前記ガイド部材は耐熱性で耐腐食性のステンレス、ＳＵＳ、耐熱鋼及びセラミックスから選択される材料で作製されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。