JP4731564B2 - 内部機関の排気ガス濾過構造体、及び関連の排気管路 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの濾過部材を備える型式の、内燃機関の排気ガスを濾過する構造体であって、該濾過部材が、
−濾過されるガスの取入導管にして、該取入導管にそれぞれのガス取入開口部が現れ、該取入導管の少なくともいくつかが、該それぞれの取入開口部の下流に設けられた、それぞれの残留物を排出する開口部を通って現れる、取入導管と、
−濾過ガスを取り出す導管にして、該取出導管が、それぞれの濾過ガスを取り出す開口部に現れると共に、多孔質の濾過壁部によって該取入導管から分離される、取出導管とを備える構造体に関する。

この型式の構造体は、特に自動車のディーゼル機関の排気ガスの浄化を制御する装置に使用される。

濾過部材が平行軸を有する一組の隣り合った導管を備え、該導管が多孔質の濾過壁部によって分離される濾過構造体は公知である。導管は取入面と排出面との間に延長する。これらの導管は、両端の一方又は他方で閉鎖され、取入面に開口するガス取入導管と、排出面に開口するガス取出導管とを画成する。

前述の型式の構造体は、濾過段階及び再生段階の連続により動作する。濾過段階時、機関により放出されたすす粒子は流入室の壁部に堆積する。フィルタを通った圧力損失は徐々に増加する。この圧力損失が所定値を超えると、再生段階が実行される。

再生段階時、構造体の原特性を回復するため、基本的に炭素で構成されるすす粒子は壁部上で焼却される。

しかしながら、すすの焼却に起因する残留物は取入導管の基部に蓄積する。故に、構造体を通る初期の圧力損失は各々の再生段階後に増加し、再生段階間の走行距離は車両の寿命の間減少する。

この問題を克服するため、ＥＰ−Ａ−１４０８２０７は、上述の型式の構造体であって、残留物を排出するスロットを、取出導管から取入導管を分離する多孔質壁部に排出面の近くで形成したものを開示する。

濾過段階のスタートのときに、すすは好ましくは残留物排出スロットに蓄積し、これらのスロットを徐々に閉塞して取入室に逆圧を発生させる。再生段階時、すす焼却の残留物はスロットを通って取出導管に流れ込み、濾過部材から排気管路へと排出される。

この型式の構造体は全面的には満足できるものではない。各々の濾過段階のスタートのときに、取込ガス中に存在するすすの一部は濾過されずに濾過部材を通過する。同様に、燃焼残留物は再生段階時に排気管路に排出される。そうであれば、前述の型式の構造体の平均有効性を改善したとしても、この有効性がより劣った段階が残ることになる。

類似の批判は、ＥＰ−Ａ−１４０８２０８及びＥＰ−Ａ−１４１３３５６の文献に記載された前述の型式の濾過構造体についてもなすことができる。

故に、本発明の目的は、改善された実用寿命を有し、同時に長期にわたって実質的に一定の濾過有効性を維持する、内燃機関の排気ガスを濾過する構造体を提供することにある。

よって、本発明は、前述の型式の濾過構造体において、少なくとも一群の取入導管の該排出開口部は、固体の濾過残留物を受け入れる少なくとも１つの共通のマニホールドに開口し、該マニホールドは、前記一群の取入導管の逆圧手段を形成すると共に、該取出導管から隔離されることを特徴とする濾過構造体に関する。

この濾過構造体は、１つ又は複数の次の特徴を単独で又は技術的に可能な任意の組合わせにより備えることができる。
−少なくともいくつかの濾過ガスを取り出す開口部は濾過部材に対し横向きに現れる。
−少なくともいくつかの残留物排出開口部は濾過部材に対し横向きに現れる。
−濾過部材は、隣り合った取入導管の横列及び隣り合った取出導管の横列を備える。
−少なくともいくつかの濾過ガスを取り出す開口部は濾過部材の下流面の近くで延長する。
−排出導管は濾過ガスを取り出す二次開口部に現れ、該二次開口部は濾過部材の中央部分に延長する。
−取入導管及び取出導管は、濾過部材の横方向に細長い断面を有する。
−マニホールドは調節可能な排気手段を備える。
−排気手段は排気管路の出口に接続する導管を備え、該導管は調節可能な弁により閉鎖される。
−マニホールドはすすの焼却を開始させる手段を備える。
−マニホールドは収集残留物を吐き出す手段を備える。

本発明はまた、自動車用排気管路であって、上に規定した濾過構造体を備えることを特徴とするものに関する。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１から３に示す濾過構造体１１は、自動車のディーゼル機関からのガスを排出する、図１に一部が示された管路１３に配列される。

この排気管路１３は、濾過されるガスの上流取入ディフューザ１５により、また濾過ガスの下流収集器１７により、構造体１１の両端を超えて延長する。排気管路１３は、排気ガスが循環する通路１９を画成する。

濾過構造体１１は、すす濾過装置２１と、燃焼残留物を受け入れるマニホールド２５とを備える。

濾過装置２１は実質的に、軸線Ｘ−Ｘ’と平行に延びた直方体の形をしている。

図２に示すように、濾過ブロック２１は、多孔質の濾過枠組２７と、濾過される排気ガスの取入面２９と、排出面３１と、側面３３とを備える。

取入及び排出面２９及び３１は平面であり、軸線Ｘ−Ｘ’と実質的に直交する。

多孔質の濾過枠組２７は、特にセラミック（菫青石又は炭化珪素）又は金属の単一構造体からなる濾過材料で作られる。

この枠組２７は排気ガスが通過するのを許容するよう十分に多孔質である。しかしながら、それ自体は公知のように、気孔の径はこれらのガスに含まれるすす粒子の保持を許容するよう十分小さく選択される。

図２に示すように、多孔質の枠組２７は一組の隣り合った導管を規定し、該導管は軸線Ｘ−Ｘ’と実質的に平行な軸を有する。導管は第１の群の取入導管３５と第２の群の取出導管３７とに区分される。

図３に示すように、取入導管３５及び取出導管３７はそれぞれ互い違いの横列３９及び４１に集められ、各々の取入導管３５Ａは少なくとも１つの取入導管３５Ｂと、少なくとも１つの取出導管３７Ａに隣接する。この例では、取入導管３５及び取出導管３７の断面は実質的に正方形の形状である。横列３９及び４１は水平として図示される。

取入導管３５Ａは、図３において水平な多孔質の濾過壁部４３によって隣り合った取出導管３７Ａから分離され、３５Ａ及び３５Ｂ等の隣り合った取入導管は、図３において垂直な構造体壁部４５によって分離される。同様に、３７Ａ及び３７Ｂ等の隣り合った取出導管は、図３において垂直な構造体壁部４６によって分離される。

壁部４３、４５、４６は一定の厚さであり、構造体１１の長手方向に、取入面２９から排出面３１まで延長する。

図２を参照すると、各々の取入導管３５は、取入面２９におけるガス取入開口部４７と、面３１において残留物マニホールド２５に開口する残留物排出開口部４９との間に連続的に延長する。導管３５を画成する壁部４３、４５は連続的である。

各々の取出導管３７は上流部分５１及び下流部分５３を備え、該下流部分は垂直壁部４６に排出面３１の近くで形成されたガス取出側部通路５５を有する。

上流部分５１は取入面２９と通路５５の上流縁部５９との間に延長する。それは取入面２９の領域において端部キャップ５２により閉鎖される。導管３７の壁部４３、４６は上流部分５１において連続的である。

下流部分５３は上流部分５１と排出面３１との間に延長する。それは排出面３１の領域において端部キャップ５４により閉鎖される。

各々の隣り合った導管３７の横列４１に関し、取出通路５５は互いに面して延長し、横向きに延長する濾過ガスを収集する室６１を規定する。

図１に示すように、収集室６１は濾過装置２１の両側の垂直側面３３に、これらの面３３に形成されたガス取出開口部６３を通って横向きに現れる。

収集器１７に管６７によって接続された側部収集器６５は、側面３３に固定され、取出開口部６３を堅く覆う。図１では一個の収集器６５のみを示す。

室６１は、例えばレーザー光により枠組２７を貫通除去して形成される。

図２を参照すると、残留物マニホールド２５は受け器８１によって形成される。この受け器８１は、排出面３１の全体に面して延長する収集開口部を除き閉鎖される。

受け器８１は取入面３１を堅く覆い、燃焼残留物を収集する連続的な内部容積８３を画成する。

この例では、すべての残留物排出開口部４９は内部容積８３に開口する。さらに、内部容積８３は端部キャップ５４によって取出導管３７から完全に隔離される。

内部容積８３と取入導管３５の全容積との比は、例えば１より大きい。受け器８１は取入導管３５の逆圧手段を形成する。

本発明による第１の構造体１１の機能を次に説明する。

濾過段階時（図１）、すす粒子で満たされた排気ガスは、排気管路１３によりディフューザ１５内を濾過装置２１の取入面２９まで案内される。

図２の矢印で表すように、これらのガスはその後取入導管３５に進入する。残留物マニホールド２５がこれらの導管３５の逆圧手段を形成するので、排気ガスは大部分が枠組２７の多孔質壁部４３を通過する。

この通過時、すすは取入導管３５の壁部４３に堆積される。

濾過排気ガスはその後壁部４３に沿って上流部分５１内を案内され、その後下流部分５３に至り、室６１に集められる。それらはその後連続して開口部６３と側部収集器６５とを通って排気管路１３の収集器１７へと流れる。

車両が数百キロメートル、例えば５００キロメートル走行すると、構造体１１を通った圧力損失は著しく増加する。その後、例えば管路１３への燃料後噴射により再生段階が実行され、枠組２７の温度が上昇する。

すすの焼却は取入面２９の近くで始まり、その後排出面３１の方へ広がる。壁部４３に集められたすすはその後燃焼残留物に変質する。

これらの燃焼残留物は排気ガスにより装置２１の下流に運ばれ、残留物排出開口部４９を通って残留物マニホールド２５に移動する。

濾過壁部４３は従ってきれいにされ、装置２１の有効濾過表面積は実質的にその初期状態を取り戻す。すなわち、実質的にすす収集のスタート前に利用可能な有効表面積が得られる。

よって、濾過構造体１１の実用寿命はもはや取入導管３５の容積によらず、残留物マニホールドの容積８３に起因し、そして該容積は所望の実用寿命の関数として調節することができる。

従って、本発明による構造体１１は次の利点を有する。
−構造体１１を通った初期の圧力損失は各々の再生段階後に実質的に回復される。
−圧力損失の変動は構造体の実用寿命を通じて実質的に一定のままである。
−再生段階間の走行距離は実質的に一定のままであり、従って車両の燃料消費量及びエンジンの摩耗は限られたものとなることが許容される。
−構造体１１の濾過有効性は長期にわたって実質的に一定に保たれる。

この結果は、簡単で安価な手段により、特に排気管路１３の実質的な改変なしに得られる。

この第１の構造体１１の変形例では、濾過段階時マニホールド２５に移動するすすの焼却を許容するため、点火器９１を受け器８１の基部に配列することもできる。この点火器９１は、例えば仏国出願ＦＲ−Ａ−２８１６００２に記載された型式のものである。

図４に示す本発明による第２の構造体１０１は、単に取入導管３５及び取出導管３７が水平に延長した長方形の形状の断面を有するという事実の点で、上記の構造体と異なる。

従って、各々の断面に関し、各々の導管３５、３７から構造体壁部４５Ｃ、４５Ｄ又は４６Ｃ、４６Ｄを分離する距離ｄ１は、各々の導管３５、３７から多孔質壁部４３Ｃ、４３Ｄを分離する距離ｄ２より大きい。これらの距離間の比ｄ１／ｄ２は、濾過壁部４３の有効表面積を最大にし同時に装置２１の機械的特性を維持するため、好ましくは１より大きく、より好ましくは１及び１５０の間である。

図５に示す第３の濾過構造体２０１は複数の同じ長さＬの並置された濾過装置２１を備え、該濾過装置は、第１の構造体１１のそれと類似であり、装置２１の隣り合った側面間に配列された接続ジョイント２０３によって相互接続される。

一方で装置２１の取入面２９、他方ではそれらの排出面３１は、実質的に同一平面上にあり、それぞれ構造体へのガスの取入面と、構造体からの排出面とを規定する。

接続ジョイント２０３は、例えば一般にシリカ及び／又は炭化珪素及び／又は窒化アルミニウムからなるセラミックセメントを基礎材料とする。濾過装置２１は従ってジョイント２０３により互いに接合される。

図５に示すように、各々の隣り合った導管３７の横列に関し、装置２１の収集室６１はジョイント２０３を通じて相互接続される。構造体２０１の側面３３を規定する装置２１の収集室６１は側部収集器６５に現れる。

室６１は、例えば装置２１を互いに接合した後に、レーザ光を使用して側面３３から構造体２０１を貫通除去して形成される。

図６に示す本発明による第４の構造体３０１は、単に陰影付きゾーン３０３で図示する室６１の、軸線Ｘ−Ｘ’と平行に計った幅が構造体２０１の外周から中心に向け横軸Ｙ−Ｙ’に沿って減少するという事実の点で、上記の構造体と異なる。

図７に示す第５の構造体４０１は図５のそれと類似する。しかしながら、陰影付きゾーン４０３で図示する濾過ガスを取り出す二次室が、室６１の上流の、各々の取出導管の横列の中央部分に形成される。各々の導管の横列の二次室は相互接続され、構造体４０１の側面３３を規定する装置２１のそれらは二次収集器４０５に開口する。二次収集器は構造体４０１の垂直側面３３の対応する部分を堅く覆い、二次管（図示せず）によって収集器１７に接続される。

変形例では、室６１は濾過構造体の全長にわたって配置でき、側部収集器６５は、例えば排気管路の一部の水平延長によって側面３３の全範囲を蓋することができる。

図８及び９に示す本発明による第６の構造体５０１では、残留物マニホールド２５は調節可能な排気手段５０３を備える。これらの手段５０３は、受け器８１及び収集器１７の間を接続する先細導管５０５と、この導管５０５を閉鎖する弁５０７と、弁５０７を制御する手段５０９と、受け器８１及び接続導管の間に置かれた多孔質フィルタ５１１とを備える。

多孔質フィルタ５１１は、装置２１、受け器８１、フィルタ５１１及び収集器２５をガスが通過することにより誘起される圧力損失が、装置２１、側部収集器６５及び管６７をガスが通過することにより誘起される圧力損失より小さくなるよう適切に多孔質とされる。

濾過段階時、弁５０７は制御手段５０９により閉鎖状態に保たれて、この構造体５０１が本発明による第１の構造体と同様に機能するようにされる。

再生段階時、弁５０７は制御手段５０９により開口される。装置２１、受け器８１、フィルタ５１１及び収集器２５をガスが通過することにより誘起される圧力損失が、装置２１、側部収集器６５及び管６７をガスが通過することにより誘起される圧力損失に対しより低いと仮定すれば、排気ガスは好ましくは残留物排出開口部４９を通って取入導管３５に流れ込む。従って、それらは受け器８１に進入し、その後フィルタ５１１を、そして導管５０５を通過して収集器１７に至る。従って、排気ガスは取入導管３５に蓄積された燃焼残留物の受け器８１への移動を容易にする。

これらの燃焼残留物はまたフィルタ５１１によって受け器８１に保持される。

図１に鎖線で表す第１の構造体１１の変形例では、残留物マニホールド２５は収集残留物を吐き出す手段５１３を備える。これらの手段は、例えば受け器８１の下壁部に設けられた引込式ハッチからなる。

別の変形例（図示せず）では、残留物マニホールド２５は面３１の延長における収集器１７の上流部分からなる。この上流部分には取入導管３５に逆圧を生じさせるためシャッターを配列する。

図１０に示す第１の構造体１１の変形例６０１では、各々の取出導管３７は、取入面２９及び排出面３１間の連続的な壁部によって画成される。取出導管３７は取入面２９の領域において閉鎖され、排出面３１の領域において取出開口部６０２を通って開口する。

さらに、構造体１１と対照をなして、各々の取入導管３５は上流部分６０３と下流部分６０５とを備え、該下流部分は垂直壁部４６に排出面３１の近くで形成された残留物排出側部開口部６０７を有する。

上流部分６０３はそれが現れる取入面２９と、排出開口部６０７の上流縁部６０７との間に連続的に延長する。

下流部分６０５は、上流部分６０３と排出面３１との間に延長し、該排出面の領域において下流部分は端部キャップ６０６により閉鎖される。

各々の取入導管３５の横列に関し、側部開口部６０７は互いに面して配列され、横向きの残留物収集空間６１１を画成し、該空間は装置２１の側面３３に横向きに現れる。

さらに、構造体６０１は２つの残留物マニホールド２５（１つのみ図１０に示す）を備え、該マニホールドは装置２１の側面３３に面して配列されると共に、これらの面３３に現れる側部開口部６０７を堅く覆う。

さらに、この構造体は本発明による第１の構造体と同様に機能する。

本発明による第１の構造体の斜視図である。 図１の中央の垂直平面に沿って一部を切り欠いた部分拡大図である。 図１の垂直平面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 本発明による第２の濾過構造体の図３と類似の図である。 本発明による第３の構造体の関連部分の図１と類似の部分図である。 本発明による第４の構造体の図５と類似の図である。 本発明による第５の構造体の図５と類似の図である。 本発明による第６の構造体を備える本発明による排気管路の水平平面に沿った、濾過段階時の部分断面図である。 再生段階時の図８と類似の図である。 本発明による第７の構造体の図１と類似の図である。

符号の説明

１１・・・・・・構造体
１３・・・・・・排気管路
２１・・・・・・濾過部材
２５・・・・・・マニホールド
３１・・・・・・下流面（排出面）
３５・・・・・・取入導管
３７・・・・・・取出導管
３９・・・・・・横列
４１・・・・・・横列
４３・・・・・・濾過壁部
４７・・・・・・ガス取入開口部
４９・・・・・・残留物排出開口部
５５・・・・・・濾過ガス取出開口部（通路）
６３・・・・・・濾過ガス取出開口部
１０１・・・・・構造体
２０１・・・・・構造体
３０１・・・・・構造体
４０１・・・・・構造体
４０３・・・・・二次開口部
５０１・・・・・構造体
６０１・・・・・構造体
６０２・・・・・濾過ガス取出開口部
６０７・・・・・残留物排出開口部

Claims (11)

1. 少なくとも１つの濾過部材（２１）を備える型式の、内燃機関の排気ガスを濾過する構造体（１１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）であって、該濾過部材が、
   −濾過されるガスの取入導管（３５）にして、該取入導管にそれぞれのガス取入開口部（４７）が接続され、該取入導管（３５）の少なくともいくつかが、該それぞれのガス取入開口部（４７）の下流に設けられた、それぞれの残留物を排出する残留物排出開口部（４９、６０７）に接続される、取入導管（３５）と、
   −濾過ガスを取り出す導管（３７）にして、該取出導管（３７）が、それぞれの濾過ガスを取り出す濾過ガス取出開口部（５５、６３、６０２）に接続されると共に、多孔質の濾過壁部（４３）によって該取入導管（３５）から分離される、前記取出導管（３７）とを備える構造体において、
   少なくとも一群の取入導管（３５）の該残留物排出開口部（４９、６０７）は、固体の濾過残留物を受け入れる少なくとも１つの共通のマニホールド（２５）に開口し、該共通のマニホールド（２５）は該取出導管（３７）から隔離され、
   該濾過ガスを取り出すための濾過ガス取出開口部（５５、６３）の少なくともいくつか、及び／又は該残留物排出開口部（６０７）の少なくともいくつかは該濾過部材（２１）中のガスの流れ方向に直交する方向に濾過部材（２１）の側面に開口し、かつ該濾過部材（２１）は、隣り合った取入導管（３５）の横列（３９）、及び隣り合った取出導管（３７）の横列（４１）とを備え、
   前記ガス取入導管（３５）に接続された前記共通のマニホールド（２５）は、燃焼残留物を収集するための受け器（８１）により形成され、該受け器（８１）はガス取入導管（３５）に対して逆圧を付与する逆圧形成手段として形成されることを特徴とする、構造体。
2. 請求項１に記載の構造体（１１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）において、該取入導管（３５）は多孔質のフィルタ壁部によって該隣り合った取出導管（３７）から分離され、該取入導管（３５）は構造体壁部によって該隣り合った取入導管から分離され、かつ該取出導管（３７）は構造体壁部によって該隣り合った取出導管（３７）から分離されることを特徴とする、構造体。
3. 請求項１又は２に記載の構造体（１１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）において、各々の隣り合った取入導管（３５）からなる横列（３９）において、該残留物排出開口部（６０７）が濾過部材（２１）の側面に開口し、及び／又は各々の隣り合った取出導管（３７）からなる横列（４１）において、複数の濾過ガス取出開口部（５５、６３）が濾過部材（２１）の側面に開口することを特徴とする、構造体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の構造体（１１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）において、該濾過ガス取出開口部（５５、６３、６０２）の少なくともいくつかは、該濾過部材（２１）の下流面（３１）の近くに配置されることを特徴とする、構造体。
5. 請求項４に記載の構造体（４０１）において、該取出導管（３７）は濾過ガスを取り出す二次開口部（４０３）に現れ、該二次開口部は該濾過部材（２１）の中央部分に配置されることを特徴とする、構造体。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の構造体（１０１）において、該取入導管（３５）及び該取出導管（３７）は該濾過部材（２１）の横方向に細長い断面を有することを特徴とする、構造体。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の構造体（１０１）において、該マニホールド（２５）は排気ガス流量を調節可能な排気手段（５０３）を備えることを特徴とする、構造体。
8. 請求項７に記載の構造体（５０１）において、該排気手段（５０３）は排気管路（１３）の出口（１７）に接続する導管（５０５）を備え、該導管（５０５）は調節可能な弁（５０７）により閉鎖されることを特徴とする、構造体。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の構造体（１１）において、該マニホールド（２５）はすすの焼却を開始させる手段（９１）を備えることを特徴とする、構造体。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の構造体（１１）において、該マニホールド（２５）は収集在留物を吐き出す手段（５１３）を備えることを特徴とする、構造体。
11. 排気管路（１３）であって、請求項１乃至１０のいずれかに記載の構造体（１１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）を備えることを特徴とする、排気管路。

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