JP6801484B2 - シール装置および排気系 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関で生じた排ガスを大気へと導く配管に挿抜可能な後処理装置を備えた排気系と、それに用いられるシール装置と、に関する。

近年、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系には、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）等の他、様々な後処理装置が設けられている。具体的には、従来の排気系は、ＤＰＦの洗浄等のために、ＤＰＦを収容した筒状ケースと、排気系の主要構成である配管とによる二重構造を有し、後処理装置が配管と挿抜可能に構成されている。

上記のような二重構造においては、後処理装置の筒状ケースと、配管との間から、未処理の排ガスがリークし易いので、これらの間にはガスケット等のシール装置を介在させている。

上記のようなシール装置が下記特許文献１に例示されている。このシール装置は、筒状ケースの外周面に装着された台座と、この台座の外周面に装着されたリング状のメタルガスケットと、を備えている。このメタルガスケットには、径外方向に突起する突起部が設けられ、この突起部が配管の内周面と当接するように構成されていた。

特開２００９−１６７９４６号公報

しかし、従来のシール装置を装着した筒状ケースは配管に圧入されることになるため、後処理装置を配管に挿入したり、後処理装置を配管から取り外したりすることが難しいという問題点があった。

本開示の目的は、配管に対し後処理装置を挿抜容易にするシール装置、およびこれを備えた排気系を提供することである。

本開示の一形態は、
排ガスを導く筒状配管であって、向心方向に突出する第一突出部が内周面上に設けられた筒状配管と、前記排ガスの後処理装置を収容した状態で、前記配管に対し挿抜可能な筒状ケースであって、遠心方向に突出する第二突出部が外周面上に設けられた筒状ケースと、を含む排気系に用いられ、
前記第一突出部および前記第二突出部に当接しつつ介在する第一支持部材および第二支持部材であって、それぞれが、前記筒状ケースの外径よりも大きな内径と、前記筒状配管の内径よりも小さな外径とを有する環状の第一支持部材および第二支持部材と、
耐熱性繊維材料を含有し、前記第一支持部材と前記第二支持部材の間に接合される環状のシール部材と、を備える、シール装置に向けられる。

本発明の他の形態は、
排ガスを導く筒状配管であって、向心方向に突出する第一突出部が内周面上に設けられた筒状配管と、
前記排ガスの後処理装置を収容した状態で、前記配管に対し挿抜可能な筒状ケースであって、遠心方向に突出する第二突出部が外周面上に設けられた筒状ケースと、
前記第一突出部および前記第二突出部に当接しつつ介在する第一支持部材および第二支持部材であって、それぞれが、前記筒状ケースの外径よりも大きな内径と、前記筒状配管の内径よりも小さな外径とを有する環状の第一支持部材および第二支持部材と、
耐熱性繊維材料を含有し、前記第一支持部材と前記第二部材の間に接合される環状のシール部材と、を備える、排気系に向けられる。

本開示によれば、配管に対し後処理装置を挿抜容易にするシール装置、およびこれを備えた排気系を提供することが出来る。

本開示の排気系の大略的な構成を模式的に示す断面図 図１の排気系の分解図 図１のシール装置およびその周辺の構成を模式的に示す断面図 図１のシール装置の一部を拡大して示す斜視図 比較例に係るシール装置を示す図

以下、上記図面を参照して、本開示のシール装置および排気系を詳説する。

＜１．定義等＞
各図において、ｘ軸は、後述の第一配管部１１ａおよび筒状ケース１３１の中心軸が延在する方向を示す。ｙ軸は、ｘ軸に直交する方向を示す。本開示では、特に、第一配管部１１ａの内周面からｘ軸に向かう方向を、向心方向という。逆に、ｘ軸から筒状ケース１３１の外周面に向かう方向を、遠心方向という。

ＤＯＣは、Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔの頭字語である。また、ＤＰＦは、Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒの頭字語である。また、ＳＣＲは、Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎである。また、ＲＤＯＣは、Ｒｅａｒ Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔの頭字語である。

＜２．排気系の概略構成＞
各図において、排気系１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関３と流体連通可能に接続され、大略的には、配管１１と、複数の後処理装置１３と、を備えている。

配管１１は、主として金属製の配管からなり、例えば、車両の下部に設けられる。この配管１１は、内燃機関３において燃料の燃焼により生じた排ガスを大気中に導く。

複数の後処理装置１３は、配管１１の途中に取り付けられて、配管１１を導かれてくる排ガスに対し所定の処理を行って、配管１１において排ガスの流れ方向の下流側に送り出す。本開示では、複数の後処理装置１３として、ＤＯＣ１３ａと、ＤＰＦ１３ｂと、ＳＣＲ１３ｃと、ＲＤＯＣ１３ｄとが例示される。これらは一般に、配管１１において上流側から、ＤＯＣ１３ａ、ＤＰＦ１３ｂ、ＳＣＲ１３ｃ、ＲＤＯＣ１３ｄの順で配置される。

ＤＯＣ１３ａは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。このハニカム担体には多数の貫通孔が形成される。各貫通孔は、円柱形状のＤＯＣ１３ａの中心軸方向において対向しあう上流側端面から下流型端面まで貫通する。また、貫通孔の表面（即ち、ハニカム壁面）には貴金属触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＤＯＣ１３ａは、自身の中心軸が排ガスの流れ方向に沿うように配置されて、主に、配管１１を案内されてきた排ガス中の未燃焼ガスを酸化する。

ＤＰＦ１３ｂは、例えば、円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。本開示では、ＤＰＦ１３ｂは、所謂ウォールフロー型フィルタである。ウォールフロー型では、ハニカム担体の上流側端面と下流側端面とは交互に封口され、このようなハニカム壁面が濾過面として使用される。なお、ハニカム壁面にも、貴金属触媒が担持またはコーティングされても良い。

上記のようなＤＰＦ１３ｂは、配管１１において上記ＤＯＣ１３ａの直ぐ下流側に、自身の中心軸が排ガスの流れ方向に沿うように配置される。ＤＰＦ１３ｂでは、配管１１を案内されてきた排ガスが上流側端面から下流側端面まで通過する。その過程で、ＤＰＦ１３ｂは、排ガス中の粒子状物質をハニカム壁面にて捕集する。

ＳＣＲ１３ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、ゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ１３ｃは、配管１１において上記ＤＰＦ１３ｂの下流側に、自身の中心軸が排ガスの流れ方向に沿うように配置される。また、配管１１においてＤＰＦ１３ｂとＳＣＲ１３ｃとの間には、還元剤としての尿素水が噴射され、ＤＰＦ１３ｂを通過した排ガスに供給される。その結果、尿素がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排ガスがＳＣＲ１３ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（所謂ＮＯｘ）が窒素と水に反応する。これにより、排ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ＲＤＯＣ１３ｄは、上記ＤＯＣ１３ａと同様の構成を有しており、配管１１において上記ＳＣＲ１３ｃの直ぐ下流に配置されて、ＳＣＲ１３ｃからスリップしてきたアンモニアを酸化する。

上記のような各後処理装置１３で浄化された排ガスは、マフラー等を介して配管１１から大気に放出される。

＜３．配管・ＤＰＦの詳細な構成＞
以下では、配管１１において、ＤＯＣ１３ａおよびＤＰＦ１３ｂが設けられる部分を、第一配管部１１ａと呼ぶ。また、ＳＣＲ１３ｃおよびＲＤＯＣ１３ｄが設けられる部分を、第三配管部１１ｃと呼ぶ。また、配管１１において、第一配管部１１ａおよび第三配管部１１ｃの間の部分を、第二配管部１１ｂと呼ぶ。

第一配管部１１ａはｘ軸方向に沿って延在する筒状配管である。この第一配管部１１ａの下流端には、後述の筒状ケース１３１の挿抜のための貫通孔１５が形成される。貫通孔１５は、後述のシール装置１７を第一配管部１１ａに圧入する必要性を無くすべく、ｘ軸方向からの平面視で、後述の支持部材１７３，１７５の外径φＡよりも若干大きい径寸法φＢを有する円形形状を有する（図３を特に参照）。

また、第一配管部１１ａの内周面において、第一配管部１１ａの下流端からｘ軸の負方向に所定距離だけ離れた位置には、向心方向（即ち、ｘ軸に向かう方向）に突出する第一突出部１１１が設けられている（図２を特に参照）。なお、第一突出部１１１は、内周面の周方向全域にわたって設けられても良いし、全域ではなく部分的に設けられてもよい。

具体的には、第一配管部１１ａの下流端および第一突出部１１１の間では、第一配管部１１ａの内周面の内径φＣは、貫通孔１５の径寸法φＢと実質的に同じである。それに対し、第一突出部１１１の内径φＤは、内径φＣよりも小さい（図３を特に参照）。

第二配管部１１ｂは、好ましくは、第一配管部１１ａの下流側端部の上端部に接続される。この第二配管部１１ｂは、最上流端からｙ軸方向に延在し屈曲した後に、第三配管部１１ｃの上流側端部に接続される。

ＤＰＦ１３ｂは、貫通孔１５から第一配管部１１ａに対して、ｘ軸方向への挿抜により着脱可能な筒状ケース１３１に収納される（図２を特に参照）。

上記筒状ケース１３１は、例えば円筒形状を有している。この筒状ケース１３１において、排ガスは上流側開口１３３から流入し、内蔵のＤＰＦ１３ｂを通過後、下流側開口１３５より流出して、第二配管部１１ｂに流入する。

ここで、上流側開口１３３は、例えば、筒状ケース１３１の一端を閉止せずに開放することで形成される。

それに対し、下流側開口１３５は、筒状ケース１３１の他端は、蓋１３７で閉止されて塞がれているため、筒状ケース１３１の他端近傍に周方向に沿って形成された少なくとも一つの貫通孔である。この蓋１３７は、上記貫通孔１５の径寸法φＢよりも大きな径寸法を有しており、これによって、この蓋１３７の周縁部分はフランジになっている。

また、筒状ケース１３１の外周面において、下流側開口１３５よりも筒状ケース１３１の一端よりには、例えば、全周にわたって遠心方向（即ち、ｘ軸から離れる方向）に向かって突出する第二突出部１３９が設けられている。この第二突出部１３９は、前述の第一突出部１１１を基準として、ｘ軸の正方向に所定距離ｄだけ離れた位置にある。所定距離ｄは、後述のシール装置１７のｘ軸方向における厚さｗよりも小さい値に設計される。なお、この第二突出部１３９は、外周面の周方向全域にわたって設けられていても良いし、部分的に設けられても良い。

上記の通り、第一配管部１１ａの下流端には、筒状ケース１３１の挿抜するために貫通孔１５が形成される。筒状ケース１３１は、この貫通孔１５から、蓋１３７が第一配管部１１ａの下流端に突き当たるまで第一配管部１１ａに挿入される（図２を特に参照）。この状態で、蓋１３７のフランジを貫通孔１５の周縁に、ボルトとナットとを用いて固定することが出来る。逆に、ナットを外すことで筒状ケース１３１は、第一配管部１１ａから取り外すことも出来る。

上記筒状ケース１３１の外周面と、第一配管部１１ａの内周面との間には隙間が出来るため、筒状ケース１３１を第一配管部１１ａに挿入する際、第一突出部１１１と第二突出部１３９との間には、シール装置１７を介在させる。これによって、隙間に流れ込んだ排ガスが第二配管部１１ｂに流入することを防止している。

＜４．シール装置の詳細な構成＞
シール装置１７は、シール部材１７１と、第一支持部材１７３と、第二支持部材１７５と、を備えている。

シール部材１７１は、耐熱セラミックファイバを含有し弾性変形可能なマットから作製される。ここで、本開示の場合、ＤＰＦ１３ｂに堆積した粒子状物質（主に煤）が燃焼させられる（再生処理）。従って、耐熱セラミックファイバには、再生処理における加熱温度（即ち、煤の再生温度）に耐えることが要求される。この耐熱セラミックファイバ製マットは、シール性向上のために、加熱により膨張する材料をさらに含有していることが好ましい。このような耐熱セラミック製マットとしては、例えばインタラムマット（商標）が例示される。

シール部材１７１は、好ましくは、このような耐熱セラミックマットを細長い棒状に巻いた後に、環状（無端状）に成形したものである（図４を特に参照）。このシール部材１７１の内径φＥは、筒状ケース１３１の外周面の外径φＦより若干大きな値に設計される。シール部材の外径φＧは、前述の内径φＣより若干小さな値に設計される。また、シール部材１７１の太さｔは、前述の所定距離ｄよりも若干大きな値に設計される。

第一支持部材１７３と、第二支持部材１７５とはいずれも、ステンレスで作製される。より具体的には、ステンレスの平板を打ち抜き加工等で環状の中間部材が成形された後に、プレス加工により中間部材の内周縁および外周縁が、中間部材の主面に対して同一方向に略垂直に折り曲げられて内周側突出部１７７と外周側突出部１７９とが形成される。これにより、第一支持部材１７３および第二支持部材１７５が完成する。

両支持部材１７３，１７５は上述の外径φＡである。それに対し、それらの内径φＧは、上述の外径φＦよりも若干大きな値に設計される。

上記のような第一支持部材１７３および第二支持部材１７５は、それぞれの主面同士が互いに正対するように、上記シール部材１７１を挟み込むと共に、バインダ等でシール部材１７１と接合される。ここで、本開示では、両支持部材１７３，１７５にそれぞれ備わる内周側突出部１７７と外周側突出部１７９は、シール部材１７１側を向いている。

＜５．筒状ケースの第一配管部への取り付け（作用・効果）＞
上記のようなシール装置１７は、各支持部材１７３，１７５の主面をｙ軸と平行にした状態で、筒状ケース１３１の外周面に填められる。ここで、上述の通り、内径φＥ，φＧは、外径φＦより若干大きな値に設計されるため、シール装置１７を筒状ケース１３１に圧入する必要は無い。

筒状ケース１３１は、シール装置１７を填めた状態で、貫通孔１５から、蓋１３７が第一配管部１１ａの下流端に突き当たるまで第一配管部１１ａに挿入される（図２を特に参照）。上述の通り、外径φＡ，φＧは、内径φＣより若干小さいため、筒状ケース１３１を第一配管部１１ａに圧入する必要も無い。

蓋１３７を突き当てた状態で、蓋１３７のフランジが貫通孔１５の周縁に、ボルトとナットとを用いて固定される。上述の通り、太さｔは所定距離ｄよりも若干大きいため、固定により、シール装置１７において、第一支持部材１７３および第二支持部材１７５は、第一突出部１１１および第二突出部１３９に当接しつつこれらの間に介在して、ｘ軸の正負両方向から圧力を受ける。その結果、シール部材１７１が弾性変形して、その一部が両支持部材１７３，１７５の間からはみ出す。また、排ガスの熱によって、シール部材１７１は膨張する。これによって、シール部材１７１は、第一配管部１１ａの内周面と、筒状ケース１３１の外周面とに密着して、これらの間がシールされる。その結果、ＤＰＦ１３ｂで未処理の排ガスが第二配管部１１ｂにリークすることを防止出来る。

＜６．筒状ケースの第一配管部から取り外し（作用・効果）＞
長期使用等によりＤＰＦ１３ｂを取り外す際、第５で説明したのと逆の操作により、筒状ケース１３１が第一配管部１１ａから取り外される。

上記の通り、内径φＥ，φＧは、外径φＦより若干大きく、外径φＡ，φＧは、内径φＣより若干小さいため、筒状ケース１３１を第一配管部１１ａから簡単に取り外すことが可能となる。

＜７．その他の作用・効果＞
その他の作用・効果を説明するために、両支持部材１７３，１７５が無く、筒状ケースにシール部材だけを巻き付けたシール装置を本開示のシール装置１７との比較例として挙げる。

比較例では、シール部材が加熱により劣化する場合があるため、筒状ケースを第一配管部から取り外す際に、筒状ケースの外周面および／または第一配管部の内周面にシール部材がへばりついたまま残留することがある。このような場合、筒状ケースおよび／または第一配管部を清掃する必要が生じる。

それに対し、本開示のシール装置１７では、シール部材１７１が両支持部材１７３，１７５に挟み込まれてバインダ等で接合している。よって、筒状ケース１３１を第一配管部１１ａから取り外す際に、シール部材１７１が両支持部材１７３，１７５と一緒に外れやすく、筒状ケースの外周面および／または第一配管部の内周面にシール部材がへばりついたまま残留することを低減することが出来る。

さらに、両支持部材１７３，１７５において、内周側突出部１７７と外周側突出部１７９とがシール部材１７１の方向に屈曲しているため、シール部材１７１はこれらにより受けられていることになる。これにより、シール装置１７を取り外す際、筒状ケースの外周面または第一配管部の内周面からシール部材１７１を両支持部材１７３，１７５が剥がすことが出来る。その結果、筒状ケースの外周面および／または第一配管部の内周面にシール部材がへばりついたまま残留することをさらに低減することが出来る。

さらに他の作用・効果を説明するために、耐熱セラミック製マットを巻いたシール部材１７１に代えて、図５に示すように、耐熱セラミック製マットを遠心方向に複数枚積層したシール部材１７１を備えたシール装置１７を、本開示のシール装置１７との比較例として挙げる。

図５において、積層タイプのシール部材１７１をｘ軸の正負両方向から両支持部材１７３，１７５により挟み込むと、ある層の耐熱セラミック製マットが別の層から剥がれてシール性が低下する恐れがある。

それに対し、本開示のように、巻くタイプのシール部材１７１であれば、耐熱セラミック製マットの殆どの部分がｘ軸と非平行になるため、耐熱セラミック製マット同志が剥がれにくくなる。これによって、シール性の低減を抑制出来る。

なお、図５の比較例も本開示の一部であり、図５の比較例を本開示の範囲から除外するものでは無い。

＜８．付記＞
上述では、ＤＰＦ１３ｂを収納した筒状ケース１７に、シール装置１７は適用されていた。しかし、これに限らず、他の後処理装置１３（ＳＣＲ１３ｃ等）に提供しても構わない。

本発明に係るシール装置および排気系は、配管に対し後処理装置を挿抜容易にし、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車や商用車に好適である。

１ 排気系
１１ 配管
１１ａ 第一配管部（筒状配管）
１１１ 第一突出部
１３ 後処理装置
１３ｂ ＤＰＦ
１３１ 筒状ケース
１３９ 第二突出部
１７ シール装置
１７１ シール部材
１７３ 第一支持部材
１７５ 第二支持部材
１７７ 内周側突出部
１７９ 外周側突出部

Claims (4)

1. 排ガスを導く筒状配管であって、向心方向に突出する第一突出部が内周面上に設けられた筒状配管と、前記排ガスの後処理装置を収容した状態で、前記配管に対し挿抜可能な筒状ケースであって、遠心方向に突出する第二突出部が外周面上に設けられた筒状ケースと、を含む排気系に用いられ、
   前記第一突出部および前記第二突出部に当接しつつ介在する第一支持部材および第二支持部材であって、それぞれが、前記筒状ケースの外径よりも大きな内径と、前記筒状配管の内径よりも小さな外径とを有する環状の第一支持部材および第二支持部材と、
   耐熱性繊維材料を含有し、前記第一支持部材と前記第二支持部材の間に接合される環状のシール部材と、を備える、シール装置。
2. 前記シール部材は、耐熱性繊維材料を含有するマットを巻いたものである、請求項１に記載のシール装置。
3. 前記第一支持部材および前記第二支持部材はそれぞれ、内周縁および外周縁から前記シール部材に向かって突出する内周側突出部および外周側突出部と、を含む、請求項１または２に記載のシール装置。
4. 排ガスを導く筒状配管であって、向心方向に突出する第一突出部が内周面上に設けられた筒状配管と、
   前記排ガスの後処理装置を収容した状態で、前記配管に対し挿抜可能な筒状ケースであって、遠心方向に突出する第二突出部が外周面上に設けられた筒状ケースと、
   前記第一突出部および前記第二突出部に当接しつつ介在する第一支持部材および第二支持部材であって、それぞれが、前記筒状ケースの外径よりも大きな内径と、前記筒状配管の内径よりも小さな外径とを有する環状の第一支持部材および第二支持部材と、
   耐熱性繊維材料を含有し、前記第一支持部材と前記第二部材の間に接合される環状のシール部材と、を備える、排気系。

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