JPH11500053A - 内燃機関用排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、内燃機関（２）の排気系から排出される煤粒子の量を低減するための装置に関する。燃料に添加剤を加えることにより、後燃焼中の煤粒子の着火温度は約３００〜３５０°Ｃに低下させられ、ユニット（３）の普通の作動温度よりもずっと下方まで下がる。従って、ユニット（３）内のフィルタの再生プロセスが比較的に早く始まる。本発明の重要な構成要素は、複数の巻かれたホース（２２）からなるいわゆる深床フィルタである。このホースは特別なセラミック糸（１２）と耐熱性の弾性鋼ワイヤ（１３）からなっている。本発明によるセラミック積み重ね体（９）の特別な製作方法と特別な構造は、振動や機械的応力に耐え充分な有効寿命を有する煤フィルタを保証する。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関用排気浄化装置 本発明は請求項１の上位概念に記載の内燃機関用排気浄化装置に関する。この 内燃機関は特に自動車、非常用発電機、建設土木機械およびディーゼル機関車の ディーゼルエンジンとして使用される。この場合、煤粒子エミッションが後燃焼 させられるので、排出される煤粒子の量が非常に少なくなる。 セラミックフィルタを備えた排気後処理装置によって煤粒子を低減するための このような方法および装置は、技術水準において周知である。更に、煤粒子の後 燃焼によってろ材を再生することが知られている。この場合、少量の触媒添加剤 が使用燃料に供給される。この添加剤が煤粒子との化学的発熱反応を生じるので 、煤粒子の着火温度が低下する。 モノリス型のセラミックフィルタは過去において、フィルタの運転時間に欠点 があった。というのは、熱応力による局部的な過熱のため短時間で破壊されるか らである。 いわゆる織物フィルタがはるかに有利である。この織物フィルタは原理的には 組み合わせられた多数のセラミック糸からなっている。このフィルタ構造は全体 的に弾性であり、従って発生する熱応力に良好に耐える。エンジンから排出され る煤粒子は、セラミック織物で捕集され、供給された添加剤による燃焼温度の低 下に基づいてフィルタの再生プロセスが約３２０°Ｃで開始される。この温度は エンジン始動後すぐにフィルタで達成される。それによって、フィルタを再生す るために、着火温度にするための他の手段または装置が不要である。付加的なフ ィルタ再生装置は比較的に高価であり、更に多大の供給エネルギーコストを必要 とし、これは装置全体を不経済なものにする。 セラミック糸を織ったあるいは絡ませた、今まで知られているセラミックフィ ルタはすべて、フィルタの中空体内の材料の最初に調節したその密度を、運転中 長い時間にわたって維持できないという重大な欠点がある。なぜなら、互いに滑 って圧縮されるからである。鋼網をフィルタ織物に挿入することによって或る程 度の安定性をフィルタ織物に与える試みは、平凡な結果しか得られなかった。と いうのは、連続運転でのフィルタの寿命が充分でなかったからである。 そこで、本発明の根底をなす課題は、上記の技術水準から出発して、大きな機 械的応力を受けても機械的内部安定性を保つことができる、内燃機関用煤フィル タを提供することである。 この課題は本発明に従い、請求項１記載の特徴によって解決される。 容器がガス入口とガス出口と中空体を備え、この中空体の一部にろ材からなる 編物が充填され、触媒添加物が内燃機関の手前で燃料に供給される、内燃機関特 にディーゼルエンジで排出される煤粒子の量を低減するための本発明による装置 は、ろ材が、編んだ多数のセラミック積み重ね体を備え、このセラミック積み重 ね体が一端から巻かれた、きわめて細いセラミック糸からなる編んだホースであ り、耐熱性のワイヤがこのセラミック糸を通過し、編物ホースの粗い編み目が所 定の寸法を有し、耐熱性のワイヤがセラミック糸に対して平行に編物の個々の編 み目を通過していることを特徴とする。 有利な実施形では、入口管と出口管を備えた容器内に、編んだセラミック積み 重ね体を収容する中空体が設けられている。この中空体は円筒形であり、その壁 はガスの通過のための多数の貫通穴を有する。その際、ガスが外側から内側へ向 かってフィルタを通過するかあるいは内側から外側へ向かってフィルタを通過す るかは本発明にとって重要ではない。本発明によるセラミック積み重ね体は好ま しくは編んだホースから作られている。このホースは一端から膨らんだリングの ように巻かれる。 本発明では、編むために使用されるセラミック糸はきわめて細いセラミックフ ィラメントからなり、このセラミックフィラメントは約６μｍの直径を有する。 この場合、出来上がった糸は約１ｍｍの直径を有し、加工されて撚り合わされる 。 糸に対して平行に耐熱性ワイヤを通すことは重要な意味がある。このワイヤは 好ましくはＶＡ鋼で作られている。この鋼ワイヤの直径は約0.2 ｍｍである。Ｖ Ａ鋼ワイヤが編物、すなわち編物ホースの個々のすべての編み目を通過している と、本発明にとってきわめて有利である。それによって、セラミック積み重ね体 全体に内部弾性が除去される。この内部弾性は編物、すなわちセラミック積み重 ね体の後の圧縮の妨げになる。 更に、編物の編み目幅が約４．５ｍｍで、ピッチが約５ｍｍで、表編み−裏編 み−結びを有すると、本発明にとって有利である。 使用されるセラミック糸のきわめて有利な化学的な組成は次の通りである。 93.5％ ≦ SiO₂ 4％ ＝ Al₂O₃ 0.8％ ≧ Na₂O Hakotherm-1200として知られているこの製品は、これまで、実際の試験で、デ ィーゼルエンジンを備えた乗用車の約１００，０００ｋｍの走行距離で実証され た。使用されたセラミック材料は１２００°Ｃまで耐熱性を有する。 電子的に制御される計量装置によって、鉄を含む添加物を、内燃機関の手前で 燃料に供給すると有利である。勿論、鉄を含まない他の種類の添加剤も、ここで 明示しないが、本発明によって有利である。 セラミック積み重ね体を製造するための本発明による有利な方法は、多数の逆 鉤を有する約４ｍｍの太さのワイヤが編物ホースの一端の外周に通され、ワイヤ をその長手軸線回りに回転させる際に、逆鉤が編物に引っかけられ、それによっ て、編物ホースがその他端まで完全に巻かれる。 本発明による他の特徴は従属請求項から明らかである。 次に、図に基づいて本発明を詳細に説明する。 図１は内燃機関（２）の排気管からの煤排出を低減するための装置全体のブロ ック線図、 図２は本発明による中空体（４）と本発明によるセラミック積み重ね体（９） を内蔵する容器（３）の原理的な構造を示す図、 図３は本発明による圧縮されたセラミック積み重ね体（９）と圧縮されていな い積み重ね体（１０）を備えた中空体（４）の一部の断面図、 図４は本発明による金属ワイヤ（１３）と共に本発明によるセラミック糸を備 えた編物の部分図、 図５は本発明による金属ワイヤ（１３）を備えた本発明によるセラミック糸（ １２）の一部の斜視図、 図６はセラミック積み重ね体（９）を製造するための装置の原理図、 図７はセラミック積み重ね体（９）を挿入するための本発明による装置（１７ ，１８）を備えた中空体（４）の原理図である。 図１は内燃機関２からの煤排出を低減するための装置全体のブロック線図であ る。装置は特にディーゼルエンジンにおいて有効で効果的である。というのは、 この場合、煤粒子の排出が比較的に多いからである。内燃機関２で発生した煤粒 子は管２ｂを経て本発明による容器３に達する。この容器は普通の消音器の代わ りに排気系に設けられている。容器３内では、排出される煤粒子が、その燃焼温 度に達するまで、短時間貯蔵される。 最も簡単な場合には、煤粒子の着火温度を下げるための触媒添加剤が既に燃料 に含まれている。この燃料は燃料タンク１１に保存されている。添加剤としては 、銅、ニッケルおよびコバルトのような重金属が考慮の対象となる。この重金属 は着火温度を大きく下げる。しかし、この重金属は環境にとって危険であるとい う理由で、最初から除外される。更に、希土類が触媒的に有効な金属として知ら れている。しかし、環境に対するこの希土類の危険性は今まで完全には究明され ていない。これに対して、鉄が添加剤のための適切な作用物質として出現した。 この鉄は同様に、煤粒子の着火温度を約３２０〜３５０°Ｃまで大幅に低下させ 、更に環境にとって危険性がないと考えられる。内燃機関における特別なディー ゼル燃料仕様を維持するために、今までは、ディーゼル燃料に似た溶剤内で有機 的な鉄化合物が開発され、添加剤として既に効果があることが試験で確かめられ た。添加剤濃度は非常に低く、中型車両の場合１００，０００ｋｍで約３〜４リ ットルである。これは、粒子フィルタの再生のために必要な添加剤量がきわめて 少ないことを意味する。 添加剤は添加剤タンク１６から計量装置１４によって取り出され、燃料タンク １１に入れられる。そして、ディーゼル燃料と添加剤からなる燃料混合物は、デ ィーゼルエンジンの場合に必要な噴射ポンプ１９を経て、エンジン２の燃焼室に 達する。 原理的には、添加剤はバイパス１４ｂを経て噴射ポンプ１９の手前で燃料流入 管に供給可能である。計量装置１４は、電子的に制御可能な図示していない特別 な計量弁を備えている。 燃料を内燃機関２で燃焼する際に、比較的に多量の煤粒子が発生する。この煤 粒子はどんなことがあっても低減することが必要である。なぜなら、煤微粒子が 恐らく生物に対して強い発癌作用を有するからである。 既に述べたように、煤粒子は内燃機関２から排気管２ａを経て容器３に達する 。この容器内には本発明による煤粒子フィルタが設けられている。 図２には、本発明による中空体４を内蔵する容器３の原理的な構造が示してあ る。内燃機関２から来る煤粒子はガスと共に容器３内のガス入口管５に流入する 。ガス入口管５は、容器３が円筒形に形成されているときには、容器３に対して 同心的に配置されていると有利である。端面１６，１６′は通常は平らに形成さ れているがしかし、円錐形に先細になっている接続部であってもよい。 容器３は普通の消音器の代わりに内燃機関２の排気系に挿入される。本実施の 形態では、中空体４が容器３とガス入口管５に対して同心的に設けられている。 この中空体４は外周面７に多数の貫通穴８を有する円筒部材からなっている。中 空体４の端面は平らな蓋２０，２１によって閉鎖されている。この場合、蓋２１ はガス入口管５のための開口を有する。 煤粒子を含む排気はガス入口管５を通って中空体４の内部に流入し、上昇する 圧力によって押されてろ材を通過する。この場合、排気中の煤粒子は９０パーセ ント以上ろ過除去される。 従って、中空体４の内部の差圧が極端に上昇しないようにするために、ろ材の 特性を適切に選択する必要がある。この選択に、実際の難点と本発明の課題が存 する。すなわち、比較的に低い差圧と、煤粒子の正常なろ過作用を保証するろ材 を提供することが本発明の課題である。 中空体４の左側端部に、本発明によるセラミック積み重ね体９が象徴的に示し てある。同様に、本発明による金属ワイヤ１３が象徴的に示してある。この金属 ワイヤは編物全体に通されている。本発明によるセラミック積み重ね体９の構造 については後で詳しく述べる。円筒中空体４は本発明によるこのセラミック積み 重ね体９を多数含んでいる。このセラミック積み重ね体は機械的な圧力によって 所定の厚さに圧縮される。 セラミック積み重ね体のセラミック糸１２の表面でろ過された煤粒子は、エン ジン２の始動後短時間で既に、約３２０〜３５０°Ｃの着火温度に達するので、 低い温度の場合でも煤粒子の迅速な燃焼が生じる。それによって、深床フィルタ の必要な再生が行われる。 図３は中空体４の一部を断面図で示している。この図から、本発明によるセラ ミック積み重ね体９が組み込み状態でどのようにして中空体４内に収納および保 持されているかが判る。この図から更に、個々のセラミック積み重ね体９，１０ が一端から巻かれた、特別なセラミック糸からなる編んだホース２２で作られて いることが明らかである。セラミック積み重ね体１０はプレスおよび変形されて いない。従って圧縮されていないろ材の元の状態を示している。 既に述べたように、本発明によるセラミック積み重ね体９，１０は巻かれた縦 長のホース２２からなっている。このホースは所定の編み方で円筒形に編まれて いる。編物は図４に示すように、4.5 〜7.5mm の編み目幅と約５ピッチを有する 表編み−裏編み−結び（右−左−結び）からなっている。この編み方と編み目は 長期間の試験で最も望ましい編み方であることが判った。なぜなら、排気系内で 、適当に圧縮された状態で、必要な差圧を保証するからである。そのために、個 々の編み目のすべてを通過する金属ワイヤ１３が重要な役割を有する。この金属 ワイヤは一方ではセラミック積み重ね体９全体の必要な弾力性を生じ、他方では 編物が徐々に圧縮されるのを防止する。それによって、煤フィルタの長い寿命が 保証される。 ホースを編むために必要な特別な糸１２は、平均直径が約６μｍのきわめて細 いセラミックフィラメント１２′からなっている。このセラミックフィラメント は商品名Hakotherm-1200で市場から入手可能である。このセラミックフィラメン トの化学的な組成は次の通りである。 93.5％ ≦ SiO₂ 4％ ＝ Al₂O₃ 0.8％ ≧ Na₂O このセラミック材料は１０００°Ｃ以上のきわめて高い長期耐久温度を有する。 この材料は更に、弗化水素酸と燐酸と強いアルカリ液を除く、ほとんどの化学製 品に対して耐え得る。このセラミック材料は更に、皮膚を傷めず、健康上問題が ない。 糸１２は加工され撚り合わせられた多数の微細なセラミックフィラメント１２ ′からなっている。 糸１２の隣にあるいは糸の横断面内に、本発明による金属ワイヤ１３が収納さ れている。この金属ワイヤはホースの編物の個々の編み目を通過している。本実 施の形態では、金属ワイヤはＶ４Ａ鋼からなっている。この鋼は耐熱性があり、 充分な弾性作用を有する。 図６は、編んだ縦長のホース２２からなる本発明によるセラミック積み重ね体 ９，１０を製造するための装置を示している。工具はワイヤ１５からなっている 。このワイヤは最後の数センチメートル（１０〜１５ｃｍ）に逆鉤１９を備えて いる。この逆鉤はいわゆるフレックスヒンジ（可撓性ヒンジ）２５によって約４ ｍｍの太さのワイヤ１５に固定されている。逆鉤を有するワイヤの端部はセラミ ック編物ホースの一端でホース２２の全周にわたって通され、そして詳細に説明 しない駆動装置２４によって回転させられる。一端でのみフレックスヒンジ２５ によってワイヤ１５に接続された逆鉤の遠心力により、逆鉤が編物に引っ掛かり 、それによってホース２２を巻取り、膨らみ部材、すなわちいわゆるセラミック 積み重ね体９を形成する。 出来上がった積み重ね体９または１０はその後、図７に示すように、特別な装 置によって中空体４に挿入される。中空体４の外側縁部の開放端部に、嵌込みリ ング１７が装着される。このリングは縦断面が漏斗の形をしている。中空体４の 中央には心棒１８が設けられている。この心棒は上述のセラミック積み重ね体９ ，１０の内径にほぼ一致する直径を有する。予め製作されたセラミック積み重ね 体１０は手でまたは機械で中空体４に挿入可能である。所定の数のセラミック積 み重ね体１０を挿入した後で、押圧工具２３によって、ろ材がその都度の使用目 的に合致する程度に圧縮される。機械的な圧力は３８ｍｍの外径のフィルタの場 合、約２ｋｇ／ｃｍ²である。純セラミックスの重量は５００ｍｍの長さで約８ ５０ｇである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．容器（３）がガス入口（５）とガス出口（６）と中空体（４）を備え、この 中空体の一部にろ材からなる編物が充填され、触媒添加物が内燃機関（２）の手 前で燃料に供給される、内燃機関（２）特にディーゼルエンジから排出される煤 粒子の量を低減するための装置において、ろ材が編んだ多数のセラミック積み重 ね体（９）を備え、このセラミック積み重ね体（９）が一端から巻かれた、きわ めて細いセラミック糸（１２′）からなる編んだホース（２２）であり、耐熱性 のワイヤがこのセラミック糸を通過し、ホースの粗い編み目が所定の寸法を有し 、耐熱性のワイヤ（１３）が編物の個々の編み目を通過していることを特徴とす る装置。 ２．容器（３）と中空体（４）が、セラミック積み重ね体（９）を収容するため に、任意の適切な形に形成可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．ガス入口（５）が容器（３）と同心的に設けられていることを特徴とする請 求項１記載の装置。 ４．巻かれた複数のセラミック積み重ね体（９）が所定の圧力で所定の長さに圧 縮されて集積されることを特徴とする請求項１記載の装置。 ５．編むために使用されるセラミック糸（１２）がきわめて細い（６μ）セラミ ックフィラメント（１２′）によって形成され、セラミック糸（１２）が約１ｍ ｍの直径を有し、加工されて撚り合わされることを特徴とする請求項１記載の装 置。 ６．中空体（４）の壁（７）が多数の貫通穴（８）を有することを特徴とする請 求項１，２記載の装置。 ７．編物ホース（２２）の編み目幅（ａ）が約４．５ｍｍで、ピッチが約５ｍｍ で、表編み−裏編み−結びを有することを特徴とする請求項１記載の装置。 ８．ろ材の化学的な組成が 93.5％ ≦ SiO₂ 4％ ＝ Al₂O₃ 0.8％ ≧ Na₂O であることを特徴とする請求項１，５記載の装置。 ９．耐熱性ワイヤがＶ４Ａ鋼であることを特徴とする請求項１記載の装置。 10．耐熱性セラミック編物が１２００°Ｃまでの温度に耐えることを特徴とする 請求項１〜９のいずれか一つに記載の装置。 11．二重壁状の中空体（４）が端部（２０）で閉鎖されていることを特徴とする 請求項１，２記載の装置。 12．セラミック編物積み重ね体（９）の充填密度が単位時間あたりのガス流量に 応じて選択可能であることを特徴とする請求項１，４記載の装置。 13．添加剤が鉄を含み、煤粒子の着火温度を３００〜３５０°Ｃに低下させるこ とを特徴とする請求項１記載の装置。 14．添加剤がポンプ装置（１２）によって燃料（ディーゼル燃料）に供給される ことを特徴とする請求項１記載の装置。 15．ポンプ装置（１２）が電子的に制御されることを特徴とする請求項１５記載 の装置。 16．深床フィルタが差込みフィルタとして形成されていることを特徴とする請求 項１記載の装置。 17．多数の逆鉤を有する約４ｍｍの太さのワイヤ（１５）が編物ホース（２２） の一端（２３）に挿入され、この逆鉤が編物に引っかけられ、編物ホース（２２ ）が巻かれるまで、ワイヤ（１５）が駆動装置（２４）によってその長手軸線回 りに回転させられることを特徴とする、請求項１記載の装置を製作するための方 法。 18．巻かれた編物ホース（２２）がセラミック積み重ね体（９）として特別な装 置（１７，１８）によって中空体（４）に挿入され、かつ押圧工具（２３）によ って２ｋｇ／ｃｍ²に圧縮され、それによって中空体（４）の内径が３８ｍｍの ときにセラミック積み重ね体（９）のセラミック重量が５００ｍｍの長さで８５ ０ｇであることを特徴とする請求項１８記載の方法。 19．逆鉤（１９）がそれぞれ一端にヒンジ（２５）を備えていることを特徴とす る請求項１８記載の方法。