JPH09268910A - ディーゼル機関の排気浄化装置 - Google Patents

ディーゼル機関の排気浄化装置

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JPH09268910A
JPH09268910A JP8121626A JP12162696A JPH09268910A JP H09268910 A JPH09268910 A JP H09268910A JP 8121626 A JP8121626 A JP 8121626A JP 12162696 A JP12162696 A JP 12162696A JP H09268910 A JPH09268910 A JP H09268910A
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康 荒木
Yoshimasa Watanabe
義正 渡辺
Yoshimitsu Henda
良光 辺田
Kiyoshi Obata
喜代志 小端
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    • F01N3/02Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来に比較して簡単な構造を有し、パティキ
ュレート捕集用フィルタから確実にアッシュを除去する
ことである。 【解決手段】 排気集合部21と各気筒とを連通する排
気ポート22〜25のそれぞれには、各気筒毎のパティ
キュレート捕集用フィルタ42〜45が配置され、排気
集合部より排気下流側に位置する排気通路の通路抵抗
は、パティキュレート捕集用フィルタが配置された各排
気ポートの通路抵抗より大きくなっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼル機関の
排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼル機関の排気ガス中にはカーボ
ンを主成分とする排気微粒子(カーボンパティキュレー
ト)が比較的多く含まれており、これが環境汚染を引き
起こすために排気ガスを大気に放出する以前に除去され
ることが好ましく、そのために、ディーゼル機関の排気
通路内にはカーボンパティキュレートを捕集するための
フィルタが配置されている。
【0003】ディーゼル機関の使用に伴いフィルタにお
けるカーボンパティキュレート捕集量が増加すると排気
抵抗が増大して機関性能を低下させるために、捕集され
たカーボンパティキュレートは定期的に燃焼させられ、
フィルタが再生されるようになっている。
【0004】ディーゼル機関の燃焼に際して、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
硫化物が生成される。通常、カーボンパティキュレート
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、前述のフィル
タ再生において、アッシュとしてフィルタ内に残留し、
堆積して排気抵抗を増加させる。
【0005】特開平2−75711号公報には、フィル
タからアッシュを除去するために、、排気通路内に配置
されたフィルタへ排気下流側から高圧ガスを供給するこ
とが開示されている。アッシュは、排気ガス流に対し
て、できるだけ排気抵抗を増加させないようにフィルタ
内に堆積するために、排気ガスとは逆方向のガス流に対
しては大きな抵抗となり、このガス流によって容易に剥
離して除去される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように、前述の従
来技術によってフィルタからアッシュを除去することが
できる。しかしながら、この従来技術は、フィルタへ排
気下流側から高圧ガスを供給するための装置が必要であ
る。また、フィルタへ高圧ガスを供給してアッシュを除
去する際には、排気ガスは別のフィルタを通過させなけ
ればならず、機関排気系を二系統にする必要がある。こ
のようにして、かなりのコストアップがもたらされるだ
けでなく、機関排気系が複雑化する。
【0007】従って、本発明の目的は、従来に比較して
簡単な構造を有し、パティキュレート捕集用フィルタか
ら確実にアッシュを除去可能なディーゼル機関の排気浄
化装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による請求項1に
記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、排気集合部と
各気筒とを連通する排気ポートのそれぞれには、各気筒
毎のパティキュレート捕集用フィルタが配置され、前記
排気集合部より排気下流側に位置する排気通路の通路抵
抗は、前記パティキュレート捕集用フィルタが配置され
た各排気ポートの通路抵抗より大きくなっていることを
特徴とする。
【0009】本発明による請求項2に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、前記排気ポートにおける前
記パティキュレート捕集用フィルタよりディーゼル機関
側部分には、重力方向に延在して排気ガスが淀む空間が
形成されていることを特徴とする。
【0010】本発明による請求項3に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、前記排気集合部より排気下
流側には、通路抵抗を増加させる抵抗体が配置されてい
ることを特徴とする。
【0011】本発明による請求項4に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、前記パティキュレート捕集
用フィルタが、前記排気ポートの前記排気集合部近傍に
配置されていることを特徴とする。
【0012】本発明による請求項5に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、隣接する二つの前記パティ
キュレート捕集用フィルタが、排気集合部側端部におい
てディーゼル機関側端部より互いに近接するように非平
行配置されていることを特徴とする。
【0013】本発明による請求項6に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、前記パティキュレート捕集
用フィルタには触媒が担持されていることを特徴とす
る。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明によるディーゼル
機関の排気浄化装置を示す概略縦断面図である。同図に
おいて、10は例えば四気筒のディーゼル機関、20は
そのエキゾーストマニホルド、30はエキゾーストマニ
ホルド20の排気下流側に接続された排気通路の一部で
ある。図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B
断面図である。
【0015】これらの図に示すように、エキゾーストマ
ニホルド20は、排気集合部21と、この排気集合部2
1と各気筒とを連通する四本の排気ポート22〜25と
から構成されている。各排気ポート22〜25は、ディ
ーゼル機関10のシリンダヘッド10aへの略水平な接
続部分から上方向に延在し、各排気ポート22〜25の
配列方向Fに延在する排気集合部21の下面に接続され
ている。排気通路の一部30は排気集合部21の側面開
口部に接続されている。
【0016】各排気ポート22〜25の上方向に延在す
る部分には、それぞれ排気ガス中のカーボンパティキュ
レートを捕集するためのパティキュレート捕集用フィル
タ42〜45が配置されている。これらのパティキュレ
ート捕集用フィルタ42〜45は、一般的なものであ
り、例えば、多孔性物質からなるハニカム状の隔壁を備
えたハニカム状フィルタで、隔壁で囲まれた通路の隣接
する二つにおいて、一方が排気上流側を、他方が排気下
流側をセラミック製の閉塞材によって閉塞されているも
のである。それにより、排気ガスは隔壁を通過し、その
際に多孔性物質からなる隔壁によってカーボンパティキ
ュレートが捕集されるようになっている。また、各パテ
ィキュレート捕集用フィルタ42〜45には、電気ヒー
タが配置されている。
【0017】パティキュレート捕集用フィルタへのカー
ボンパティキュレートの捕集量がかなり増加すると排気
抵抗が大幅に増大するために、この時には電気ヒータを
通電発熱させ、カーボンパティキュレートを定期的に燃
焼させるようになっている。もちろん、電気ヒータに代
えて、又は電気ヒータに加えて、燃料及び二次空気をパ
ティキュレート捕集用フィルタへ供給するような他のパ
ティキュレート燃焼手段を設けることも可能である。
【0018】このようなパティキュレート燃焼手段によ
って、カーボンパティキュレートの可燃成分はパティキ
ュレート捕集用フィルタから除去されるが、カーボンパ
ティキュレートの成分として含まれるカルシウム又はリ
ンの酸化物又は硫化物等は、燃焼せずにアッシュとして
パティキュレート捕集用フィルタに堆積する。
【0019】本実施形態の排気浄化装置は、前述したよ
うに、各排気ポート22〜25のそれぞれにパティキュ
レート捕集用フィルタ42〜45が配置されている。各
パティキュレート捕集用フィルタは、ある程度の通路抵
抗となるために、エキゾーストマニホルド20におい
て、各排気ポート22〜25における各パティキュレー
ト捕集用フィルタ42〜45よりディーゼル機関側に位
置する機関側部分22a〜25a内と、排気集合部21
内とは、異なる圧力となる。
【0020】各排気ポートの機関側部分では、図4に実
線で示すように(クランク角度0°〜180°において
排気行程を行う気筒で例示されている)、対応する気筒
の排気行程初期において気筒内から瞬間的に多量の排気
ガスが供給されるために、この時において圧力は非常に
高くなり、その後、圧力は徐々に低下し、この排気行程
終了後にほぼ大気圧まで低下し、この気筒の次回の排気
行程までほぼ大気圧に維持される。一方、排気集合部2
1内は、図4に点線で示すように、全ての気筒の排気行
程初期において、対応する排気ポートの機関側部分から
多量の排気ガスが各パティキュレート捕集用フィルタ4
2〜45を介して排気集合部へ供給されるために、この
時において圧力は比較的高くなり、その後、圧力は徐々
に低下し、各気筒の排気行程末期にはほぼ大気圧まで低
下する。
【0021】排気集合部21より排気下流側に位置する
排気通路には、一般的に触媒及びマフラ等が配置されて
いる。従って、この排気通路全体としては、パティキュ
レート捕集用フィルタが配置された排気ポートに比較し
て、かなり大きな通路抵抗を有している。それにより、
任意の気筒の排気行程において、この気筒に対応する排
気ポートでは、機関側部分から排気集合部21へ排気ガ
スが流れる。しかしながら、この排気ポート以外の三つ
の排気ポートにおいては、前述したように、機関側部分
内の圧力は、ほぼ大気圧に維持されるのに対して、排気
集合部21内の圧力は、大気圧を上回っており、それに
より、排気ガスは排気集合部21からこれらの三つの部
分へ流れる。このように、任意の気筒の排気行程におい
て、この気筒に対応するパティキュレート捕集用フィル
タでは、通常通り排気ガスが通過するが、他のパティキ
ュレート捕集用フィルタでは、排気ガスが逆方向に通過
する。
【0022】カーボンパティキュレートは、パティキュ
レート捕集用フィルタに強固に付着するために、逆流す
る排気ガスによって剥離することはないが、カーボンパ
ティキュレートの燃焼によるフィルタ再生後にパティキ
ュレート捕集用フィルタに堆積するアッシュは、それほ
ど強固に付着しておらず、また、通常の排気ガス流に対
して、できるだけ排気抵抗を増加させないように堆積す
るために、逆流する排気ガスに対しては大きな抵抗とな
り、この排気ガス流によって容易に剥離し、この排気ガ
ス流によって主に排気ポートの機関側部分へ除去され
る。
【0023】各排気ポート22〜25の機関側部分22
a〜25aには、下方向、すなわち、重力が作用する方
向に延在し、排気ガスが淀む空間22b〜25bが設け
られている。それにより、前述のように剥離したアッシ
ュは、重力によってこの空間内に容易に堆積し、通常の
排気ガス流れによって再びパティキュレート捕集用フィ
ルタへ移送され難くなっている。各空間22b〜25b
に、気密に密閉可能な外部への開口部を形成し、この開
口部からアッシュを外部へ取り出し可能とすることもで
きる。また、各空間22b〜25bからパティキュレー
ト捕集用フィルタ41〜45及び排気集合部21をバイ
パスするバイパス通路と、このバイパス通路を閉鎖する
閉鎖弁を設けることによって、各空間22b〜25b内
に所定量のアッシュが堆積する毎に、対応する気筒の排
気行程において閉鎖弁を開弁してバイパス通路を開放す
ることにより、排気ガスの一部を利用して各空間22b
〜25bからアッシュを大気中に放出させることもでき
る。
【0024】各パティキュレート捕集用フィルタ42〜
45は、ディーゼル機関10のシリンダヘッド10aか
ら上方向に延在する各排気ポート22〜25に略垂直に
配置されおり、それにより、パティキュレート捕集用フ
ィルタから剥離したアッシュには重力が作用して、排気
ポートの機関側部分へ移動しやすく、また、この部分か
らパティキュレート捕集用フィルタへは移動し難くな
り、前述の各空間22b〜25b内にさらに容易に堆積
させることが可能となる。
【0025】本実施形態において、エキゾーストマニホ
ルド20の排気下流に接続された排気通路の一部30に
は、ターボチャージャのタービン30aが配置されてい
る。このようなタービン30aは、排気抵抗を増加させ
る抵抗体である。このような抵抗体が配置されること
で、排気集合部21より排気下流側に位置する排気通路
全体における排気集合部21近傍の通路抵抗が増大し、
排気集合部21から排気下流に排気ガスが流出し難くな
り、各排気行程初期における排気集合部21内の最大圧
力を高めることができ、排気行程を迎えていない気筒に
おける排気ポートの機関側部分との間の圧力差が大きく
なる。それにより、逆流する排気ガスの流速が速まり、
アッシュの剥離作用を増大させることができる。
【0026】また、本実施形態において、各パティキュ
レート捕集用フィルタ42〜45は、各排気ポートの排
気集合部21近傍に配置されている。それにより、各気
筒の排気行程において排気集合部21内が最大圧力とな
る時間を短縮でき、その分、この時間において排気集合
部21から排気下流に流出する排気ガス量が低減する。
従って、排気集合部21内の最大圧力が高まり、排気行
程を迎えていない気筒における排気ポートの機関側部分
との間の圧力差が大きくなって、逆流する排気ガスの流
速が速まり、アッシュの剥離作用を増大させることがで
きる。さらに、この構成によって排気集合部21内の容
積は小さくなり、それによっても排気集合部21内の最
大圧力が高まる。
【0027】また、本実施形態において、隣接する二つ
のパティキュレート捕集用フィルタは、排気集合部側端
部においてディーゼル機関側端部より互いに近接するよ
うに非平行配置されているために、排気集合部21の容
積を小さくすることが可能となり、前述同様、各気筒の
排気行程における排気集合部21内の最大圧力を高める
ことができ、さらに、エキゾーストマニホルド20の小
型化が実現される。
【0028】一般的なディーゼル機関の排気系において
は、パティキュレート捕集用フィルタは排気集合部の排
気下流側に配置されている。これに比較して、本実施形
態では、パティキュレート捕集用フィルタがディーゼル
機関近傍に配置されるために、各気筒からパティキュレ
ート捕集用フィルタに流入する排気ガスは、あまり温度
低下することはない。それにより、機関運転状態によっ
ては、かなり高温度の排気ガスがパティキュレート捕集
用フィルタに流入するために、前述したパティキュレー
ト燃焼手段を特に設けなくても、捕集されたカーボンパ
ティキュレートの燃焼が可能となる。また、パティキュ
レート燃焼手段を設ける場合においても、この燃焼手段
において消費されるエネルギを低減することが可能とな
る。
【0029】また、パティキュレート燃焼手段として、
各パティキュレート捕集用フィルタ42〜45に酸化触
媒を担持させた場合を以下に説明する。一般的には、パ
ティキュレート捕集用フィルタに酸化触媒を担持させる
と、ディーゼル機関の排気ガス中に含まれるSO2 ガス
が酸化されてSO3 粒子が生成され、更に、このSO 3
粒子が容易に水分と結合して非常に有毒な硫酸ミスト等
のサルフェート(硫酸化合物)が生成されることにな
る。
【0030】しかしながら、本実施形態のように各排気
ポート22〜25にパティキュレート捕集用フィルタ4
2〜45が配置される場合には、それらに酸化触媒を担
持させても、各気筒から排出される排気ガスは、非常に
高速度で各パティキュレート捕集用フィルタを通過する
ために、排気ガス中のSO2 ガスはあまり酸化されるこ
とはなく、それにより、サルフェートも殆ど生成される
ことはない。
【0031】パティキュレート捕集用フィルタに捕集さ
れたパティキュレートの可溶有機成分(以下、SOFと
称する)は高い沸点を有するが、本実施形態におけるパ
ティキュレート捕集用フィルタは機関本体に近いために
比較的高温度に維持され、SOFを良好に気化させる。
もし、パティキュレート捕集用フィルタを常に高速度の
排気ガスが通過するならば、このように気化したSOF
は酸化触媒によってあまり酸化されることなく排気ガス
と共に大気中に放出されることになるが、本実施形態に
おける各パティキュレート捕集用フィルタ22〜25で
は、前述したように、任意の気筒の排気行程において、
他の気筒のパティキュレート捕集用フィルタでは、それ
ほど高速度でない排気ガスの逆流が起こっており、この
時に、気化させたSOFの酸化触媒による良好な酸化、
すなわち、パティキュレートの燃焼を実現することがで
きる。
【0032】
【発明の効果】このように、本発明による請求項1に記
載のディーゼル機関の排気浄化装置によれば、排気集合
部と各気筒とを連通する排気ポートのそれぞれには、各
気筒毎のパティキュレート捕集用フィルタが配置され、
排気集合部より排気下流側に位置する排気通路の通路抵
抗は、パティキュレート捕集用フィルタが配置された各
排気ポートの通路抵抗より大きくなっているために、一
つの気筒の排気行程において、他の気筒における排気ポ
ートのパティキュレート捕集用フィルタよりディーゼル
機関側部分の圧力は、排気集合部の圧力より低くなり、
他の気筒のパティキュレート捕集用フィルタ内では、排
気ガスの逆流が発生する。この逆流する排気ガスは、パ
ティキュレート捕集用フィルタ内のアッシュを剥離して
除去するために、このような簡単な構造でパティキュレ
ート捕集用フィルタ内のアッシュの除去を実現すること
ができる。
【0033】本発明による請求項2に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載のディー
ゼル機関の排気浄化装置において、排気ポートにおける
パティキュレート捕集用フィルタよりディーゼル機関側
部分には、重力方向に延在して排気ガスが淀む空間が形
成されているために、逆流する排気ガスによって剥離除
去されたアッシュが、重力の作用によって容易にこの空
間内に堆積し、通常流れの排気ガスによって再びパティ
キュレート捕集用フィルタへ移送され難くなっている。
【0034】本発明による請求項3に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載のディー
ゼル機関の排気浄化装置において、排気集合部より排気
下流側には、通路抵抗を増加させる抵抗体が配置されて
いるために、排気集合部から排気ガスが下流側に流出し
難くなり、その分、各気筒の排気行程における排気集合
部内の最大圧力が高まる。それにより、排気行程にない
気筒のパティキュレート捕集用フィルタ内を逆流する排
気ガスの流速が速まり、アッシュの剥離作用が高まる。
【0035】本発明による請求項4に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載のディー
ゼル機関の排気浄化装置において、パティキュレート捕
集用フィルタが、排気ポートの排気集合部近傍に配置さ
れているために、各気筒の排気行程において、この気筒
から排気集合部へ排気ガスが流入しやすく、それによ
り、排気集合部内の最大圧力が高まり、前述同様、逆流
する排気ガスによるアッシュの剥離作用を高めることが
できる。
【0036】本発明による請求項5に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載のディー
ゼル機関の排気浄化装置において、隣接する二つのパテ
ィキュレート捕集用フィルタが、排気集合部側端部にお
いてディーゼル機関側端部より互いに近接するように非
平行配置されているために、排気集合部の容積を小さく
することができ、それにより、排気集合部内の最大圧力
が高まり、前述同様、逆流する排気ガスによるアッシュ
の剥離作用を高めることができ、また、エキゾーストマ
ニホルドを小型化することもできる。
【0037】本発明による請求項6に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載のディー
ゼル機関の排気浄化装置において、パティキュレート捕
集用フィルタには触媒が担持されているために、有害な
サルフェートを殆ど生成させることなく、簡単でエネル
ギを必要としない触媒によって捕集したパティキュレー
トを良好に燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置を
示す概略縦断面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1のB−B断面図である。
【図4】排気集合部内の圧力と、排気ポートのパティキ
ュレート捕集用フィルタより機関側部分内の圧力との変
化を示すグラフである。
【符号の説明】
10…ディーゼル機関 20…エキゾーストマニホルド 21…排気集合部 22〜25…排気ポート 22a〜25a…機関側端部 22b〜25b…空間 42〜45…パティキュレート捕集用フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小端 喜代志 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気集合部と各気筒とを連通する排気ポ
    ートのそれぞれには、各気筒毎のパティキュレート捕集
    用フィルタが配置され、前記排気集合部より排気下流側
    に位置する排気通路の通路抵抗は、前記パティキュレー
    ト捕集用フィルタが配置された各排気ポートの通路抵抗
    より大きくなっていることを特徴とするディーゼル機関
    の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 前記排気ポートにおける前記パティキュ
    レート捕集用フィルタよりディーゼル機関側部分には、
    重力方向に延在して排気ガスが淀む空間が形成されてい
    ることを特徴とする請求項1に記載のディーゼル機関の
    排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 前記排気集合部より排気下流側には、通
    路抵抗を増加させる抵抗体が配置されていることを特徴
    とする請求項1に記載のディーゼル機関の排気浄化装
    置。
  4. 【請求項4】 前記パティキュレート捕集用フィルタ
    が、前記排気ポートの前記排気集合部近傍に配置されて
    いることを特徴とする請求項1に記載のディーゼル機関
    の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 隣接する二つの前記パティキュレート捕
    集用フィルタが、排気集合部側端部においてディーゼル
    機関側端部より互いに近接するように非平行配置されて
    いることを特徴とする請求項1に記載のディーゼル機関
    の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 前記パティキュレート捕集用フィルタに
    は触媒が担持されていることを特徴とする請求項1に記
    載のディーゼル機関の排気浄化装置。
JP12162696A 1996-02-02 1996-05-16 ディーゼル機関の排気浄化装置 Expired - Fee Related JP3374654B2 (ja)

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