JPH1162552A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急激な圧力損失の発生し難いフィルター素材
を選択し、排気ガス浄化装置のケーシング内に収納する
多層のフィルターに排気ガスが均等に流れるような制御
手段を設けて、該装置全体の捕集効率をあげると共に、
再生時間の延長を図る。 【解決手段】 排気ガス浄化装置のケーシング１内にお
いて、排気ガスの一部は、３次元網目構造を成す平均孔
径が２０μｍ以上で、且つ、排気ガスの流れる方向に直
列に多段に複数層形成するフィルター２内を通過し、排
気ガスの他の一部は、上流のフィルター２の捕集部を通
過しないで直接下流へ流れるバイパス孔８を経由して下
流のフィルター２で浄化し、前記バイパス孔８の開口面
積をフィルター２の排気ガス進入側表面積の０．１〜２
０％の範囲に収める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業機械、建設機
械、自動車、船舶等に使用されるディーゼルエンジンま
たはガソリンエンジンから排出される粒子状物質を捕集
する浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン及び一部のガソリン
エンジンからは、有害な粒子状物質が多量に排出され
る。該粒子状物質をフィルターに捕集して除去する装置
には、各種の先行技術が存在する。このようなフィルタ
ー式の浄化装置は、粒子状物質が捕集されるに従いフィ
ルターの目が詰まり、フィルター内部を通過する際の排
気ガスの圧力損失が増大する。従って、圧力損失を常に
一定値以下に維持するため、一定の稼動時間毎、または
圧力損失が一定値に到達する毎に捕集した粒子状物質を
強制的に燃焼させ、フィルターを再生させる方法が一般
的に採用されている。

【０００３】このようなフィルター式の浄化装置に要求
される特性としては、粒子状物質を捕集する効率が高
く、再生を繰り返しても物理的に安定していて、且つ、
捕集した粒子状物質による圧力損失の上昇が緩やかであ
ることが望まれる。

【０００４】粒子状物質の捕集効率を高めるには、一般
的にフィルターの目を細かくする方法が採られるが、フ
ィルターの目を細かくすると圧力損失が急激に増大する
傾向があり、又、圧力損失を低く抑えるには、捕集表面
積を大きくする方法としてハニカム構造にする等の手段
があるが、フィルター構造が複雑化し経済性が低下す
る。

【０００５】実開昭６４−１３２１５号公報には、図７
に示すように、浄化装置ケース内に複数のフィルターを
間隔をおいて配置し、下流側のフィルターの捕集効率を
上流のフィルターの捕集効率より大きくした技術が提案
されている。つまり、フィルターの目詰まり具合を均等
化させ、一部のフィルターのみが目詰まりして短時間で
フィルター圧力損失が上昇するのを防止する手段であ
る。

【０００６】詳しくは、フィルターとしてハニカム状の
セラミックフィルター１０４Ａ、Ｂ、Ｃがケース１０３
内に、間隔ａ、ｂを開けて配置され、前段のフィルター
から後段のフィルターに至るにしたがって、ハニカム状
の桝目に対する目止め１０４ａ、ｂ、ｃの数が増加する
ことで、フィルターの目詰まり具合を均等化させる技術
が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フィルター素材に急激
な圧力損失を発生させない網目の孔径を見出し、粒子状
物質の捕集を表面からフィルターの厚さ方向に分散させ
る構造を可能にして捕集効率を向上する。さらに、排気
ガスの流れる方向に多段に複数層のフィルターを配置
し、排気ガスの各フィルターへの分配を均等化する誘導
手段を実現して、各フィルターの捕集量を均等化させ
て、一部のフィルターのみが目詰まりして全体のフィル
ターの圧力損失性能を低下させないと共に再生時間の延
長を図る手段を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】排気ガス中の微粒子を除
去するフィルターを有する排気ガス浄化装置のケーシン
グ内において、排気ガスの一部は、３次元網目構造を成
す平均孔径が２０μｍ以上で、且つ、排気ガスの流れる
方向に直列に多段に複数層形成するフィルター内を通過
し、排気ガスの他の一部は、上流のフィルターの捕集部
を通過しないでフィルターの排気ガス進入側表面積の
０．１〜２０％に相当するバイパス孔を経由して下流の
フィルターで浄化する。

【０００９】本発明における「平均孔径」とは、金属多
孔体の金属骨格にて形成される網目の孔径の平均値を意
味する。「排気ガス進入側表面積」とは、シート状のフ
ィルターを筒状に形成したときの排気ガス進入側の最表
面積のことである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を具体化した好適
の実施例を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の排気ガス浄化装置の代表的な実施例の
断面図である。

【００１１】排気ガス浄化装置のケーシング１内に、Ｆ
ｅやＮｉを主原料とし、耐食性を向上させるためＣｒと
Ａｌを拡散浸透したＦｅ−Ｃｒ−ＡｌもしくはＮｉ−Ｃ
ｒ−Ａｌの３次元網目構造の平均孔径２０μｍ以上の金
属多孔体をシート状にしたフィルター２を、多層の円筒
に形成し、円筒間のドーナツ状空間を均一に保持する目
止め板３及び固定板４を円筒の前後に接合させ、固定板
４を介してケーシング１に熔接する。又、固定板４に
は、フィルター２通過後の排気ガスを圧力損失を招くこ
となく、下流側に通過せしめるのに充分な面積を有する
排出孔７を設ける。

【００１２】そして、円筒間のドーナツ状空間のフィル
ター２に接触しない位置に、捕集した粒状物質を強制的
に燃焼させる板状ヒーター５を絶縁層を介して固定板４
に支持させる。ケーシング１内にこの様な多層の円筒ユ
ニット６を排気ガスの流れる方向の矢印Ｘに対し直列に
多段に配置する。さらに、目止め板３乃至固定板４の如
き排気ガスを遮断する箇所に、フィルター２の排気ガス
進入表面積の０．１〜２０％の開口面積を有するバイパ
ス孔８を設けた。

【００１３】尚、３次元網目構造の金属多孔体の製法
は、特公昭５７−３９３１７号公報に詳しく提案され、
セラミックス多孔体より遥かに肉厚のフィルターで熱伝
導性が良く空隙と素材形状のコントロールが容易で、且
つ、触媒の担持にも適したフィルター２である。

【００１４】又、フィルター２の平均孔径を２０μｍ以
上に選定した理由を以下に説明する。一般に、ディーゼ
ルエンジンから排出される粒子状物質の粒径は１μｍ以
下に中心値を持ち、２０μｍ以上の粒径を持つものは少
ない。従って、３次元網目構造の平均孔径を２０μｍ以
上にすると、粒子はフィルター２の最表面のみでは捕集
されず、フィルター２の厚み方向の深部にまで捕集さ
れ、フィルター２のシート厚ｔを厚くすれば捕集効率の
増大が図れる。一方、フィルター２の平均孔径を２０μ
ｍ以下にすると、粒子状物質は主にフィルター２の最表
面で捕集され圧力損失を急激に増大させると言う問題が
発生する。

【００１５】本発明のシート状のフィルター２の厚さ
は、セラミックス多孔体より充分に厚い４〜２２ｍｍが
好ましい。ケーシング１内に流入した粒子状物質は、フ
ィルター２の最表面の金属骨格に衝突して捕集される。
最表面の金属骨格で捕集されなかった粒子状物質は更に
奥の金属骨格に捕集される。該部でも捕集されなかった
粒子状物質は、更に深部の金属骨格に捕集される。この
ように、３次元網目構造のフィルター２では、最表面で
最も多くの粒子状物質が捕集され、深部又は下流に進む
につれ捕集される粒子量は少なくなる。故に、フィルタ
ー２の最表面は目が詰まり圧力損失が上昇してきても、
深部又は下流の圧力損失は小さい。

【００１６】従って、フィルター２を多層に形成しバイ
パス孔８を設けると、フィルター２の最表面に粒子状物
質が溜り圧力損失が増大すれば、排気ガスの一部はフィ
ルター２の捕集部を通過せずに、バイパス孔８から矢印
Ｙのように直接下流に流出する。バイパス孔８が無い場
合には、上流のフィルター２の深部へと捕集範囲が浸透
したのち、下流のフィルター２でも粒子状物質の捕集が
始まる。ところがバイパス孔８が存在することにより、
粒子状物質がフィルター２の厚さ方向又は下流にもより
均一に捕集されることになり、一定重量の粒子状物質を
捕集した時の圧力損失を排気ガス浄化装置全体として低
下させることができる。

【００１７】３次元網目構造のフィルター２では、粒子
状物質が捕集されていない捕集初期には、フィルター内
での圧力損失は無視できる程小さい。従って、バイパス
孔８の開口面積をフィルターの排気ガス進入側表面積の
２０％以下に設定すれば、捕集初期における排気ガスの
バイパス孔８を経由して直接下流に流れる割合は小さ
く、ほとんどの排気ガスは多層に形成したフィルター２
のすべてを通過し下流のフィルター２に排出させる。

【００１８】一方、粒子状物質が捕集され圧力損失が増
大するに従って、上流のフィルター２を通過せずバイパ
ス孔８を経由して下流に流出する割合が増大する。圧力
損失の増大がエンジン特性に影響を及ぼし始める３０ｋ
Ｐａ近くに達した時、多量の排気ガスを直接下流に流す
のには、バイパス孔８の開口面積をフィルター２の排気
ガス進入側表面積の０．１％以上に設定すればよい。

【００１９】図１の実施例において、バイパス孔８の開
口面積を変更して実験した結果を図２に示し、バイパス
孔８の開口面積の適正範囲を説明する。

【００２０】図２は、フィルター２の排気ガス進入側表
面積を分母とし、バイパス孔８の開口面積を分子とした
場合の面積比を基準に、左側縦軸に捕集開始直後のＡ・
初期黒煙濃度低減率を、右側縦軸に捕集３時間後のＢ・
粒子状物質付着時の圧力損失を計測し、横軸のバイパス
孔の開口面積比に対するそれぞれの値を片対数表にプロ
ットしたものである。試験対象試料としての、図１の排
気ガス浄化装置の仕様を、図中に示す記号に従って表１
に記載する。

【００２１】

【表１】

【００２２】尚、バイパス孔８は、本実施例のように目
止め板３乃至固定板４のみならずフィルター２に形成し
ても同様の効果が得られる。しかし、フィルター２には
金属多孔体を用いているので、バイパス孔８を設けるこ
とにより強度が低下し、耐久性に劣るのみならず孔径を
精度よく形成することが困難である。このためステンレ
ス板等で形成される目止め板３や固定体４にバイパス孔
８を設けることが望ましい。

【００２３】表１の仕様に対し、バイパス孔８の直径ま
たは、数を変化させながら固定板４にプロット点のよう
に、バイパス孔なしも含めて６種類の試験試料につきＡ
／Ｂの試験結果を得た。そして、初期黒煙濃度低減率に
ついては、バイパス孔８の開口面積比２０％以上で黒煙
濃度低減率が急激に低下し、粒子状物質付着時の圧力損
失については、バイパス孔８の開口面積比０．１％以下
では、エンジン特性に悪影響のある３０ｋＰａに接近し
てしまうことが判明した。

【００２４】参考までに黒煙濃度は、ＪＩＳ Ｄ ８０
０４「自動車用ディーゼルエンジン排気煙濃度測定用反
射式スモークメータ」にて計測した黒煙率をもとに、単
位体積当たりの黒煙重量を求めた。尚、スモークメータ
は、所定の時間、所定の容量の排気ガスがろ紙を通過す
る際のろ紙の汚染度を、光電素子にて電気信号に変換し
指示部に％で表示するものである。

【００２５】次に、バイパス孔８の有効性につき説明す
る。試験対象試料は、表１の内、フィルター２のシート
厚ｔ＝６ｍｍ、フィルター２の平均孔径ρ＝１００μ
ｍ、排気ガスの環状通過幅ｂ＝５ｍｍの他は同一仕様に
て、上流側の固定板４に直径５ｍｍのバイパス孔８を１
０個設けた（バイパス孔の開口面積比は約０．２％）も
のとバイパス孔８なしの２種類の試料を用意した。

【００２６】図５は、ディーゼルエンジンを含めた評価
装置全体の構成を示したものである。ディーゼルエンジ
ンは、直列６気筒２８００ｃｃでスモークメータの黒煙
率が１０％になるようダイナモメータに負荷を掛け、排
気ガスの排出量が１．５ｍ３／ｍｉｎになるよう運転を
制御した。

【００２７】その結果を、図３に捕集時間に対する圧力
損失を、図４に捕集時間に対する黒煙濃度低減率として
示す。黒煙濃度低減率は、バイパス孔８付が若干劣るも
のの、圧力損失の上限を３０ｋＰａとするなら、バイパ
ス孔８の無いものは３．６時間毎にフィルター２の再生
をする必要があるのに比べ、バイパス孔８付は５．８時
間毎に実施すれば良い。

【００２８】エンジンの容量が増大すれば、図６の如き
実施例が有効である。つまり、ケーシング１内に多重の
フィルター２を目止め板３と固定板４に接合し、円筒ユ
ニット６としてケーシング１内に熔接したものを、排気
ガスの流れる方向に直列に配置し、目止め板３乃至固定
板４に８ａ、８ｂ、８ｃのバイパス孔を設け、矢印Ｙ
ａ、Ｙｂ、Ｙｃの如く排気ガスを誘導すれば図１の実施
例と同等の効果が得られる。

【００２９】図６の実施例では、バイパス孔８ａ、ｂ、
ｃの開口面積が、下流に至る程狭くなっていると円筒ユ
ニット６間の粒子状物質の捕集量がより均一となり、圧
力損失の上昇しにくいことが図３及び図４の結果と同様
の手法で確認できた。

【００３０】

【発明の効果】排気ガス中の微粒子を除去するフィルタ
ーに３次元網目構造の金属多孔体を用いて、微粒子の捕
集をフィルターの表面から厚さ方向に分散させて捕集効
率を向上させ、排気ガス浄化装置のケーシング内の排気
ガスの流れる方向に直列に多層のフィルターを配置し
て、排気ガスの流れをバイパス孔を利用して均等に分配
し、一部のフィルターのみの目詰まりを防ぎ、排気ガス
浄化装置全体の捕集効率を上げると共に、再生時間の延
長を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の断面図である。

【図２】本発明のバイパス孔の適正開口範囲を示す実験
結果である。

【図３】本発明のバイパス孔の有無に対する圧力損失の
実験結果である。

【図４】本発明のバイパス孔の有無に対する黒煙濃度低
減率の実験結果である。

【図５】本発明の効果を確認した評価装置全体の構成図
である。

【図６】本発明の他の実施例の断面図である。

【図７】従来の実施例の断面図である。

【符号の説明】

１：ケーシング ２：フィルター ３：目止め板 ４：固定板 ５：ヒーター ６：円筒ユニット ７：排出孔 ８：バイパス孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの排気マニホールドに接続され
   る排気管の途中に配置される、排気ガス中の微粒子を除
   去する多段に複数層形成されたフィルターを有する排気
   ガス浄化装置のケーシング内において、排気ガスの一部
   は、３次元網目構造を成す平均孔径が２０μｍ以上で、
   且つ、排気ガスの流れる方向に直列にフィルター内を通
   過し、排気ガス他の一部は、上流のフィルターを通過し
   ないで直接下流へ流れるバイパス孔を経由して下流のフ
   ィルターで浄化し、前記バイパス孔の開口面積がフィル
   ターの排気ガス進入側表面積の０．１〜２０％の範囲に
   有ることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】 フィルターは多重の筒部からなり、筒部
   同士を連結する目止め板とフィルターを浄化装置ケース
   に支持する固定板とにより保持され、バイパス孔は前記
   目止め板もしくは固定板に配置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。
3. 【請求項３】 バイパス孔の開口面積は、下流の目止め
   板もしくは固定板に配置されるバイパス孔に至る程、狭
   いことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装
   置。