KR100498522B1 - 배기 가스 정화 필터 및 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

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히로미치 야나기하라
도시히사 스기야마
요시미츠 헨다
가즈히코 시라타니
렌타로 구로키
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

내연 기관의 배기 가스 중에 포함되는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자를, 내열성의 여과재를 사용하여 포집한다. 포집에 있어서는 배기 가스 중에 포함되는 탄화 수소계 화합물 및 탄소 함유 부유 미립자가, 여과재에 분산된 상태로 포집한다. 이렇게 하면, 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다 저온의 배기 가스 중에 있더라도, 포집된 탄화 수소계 화합물과 해당 배기 가스 중의 산소와의 사이에서 전구적인 산화 반응이 개시된다. 이렇게 해서 얻어진 반응열이나, 반응에 의해서 생성한 활성종을 이용하면, 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를, 필터에 유입되는 온도가 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스를 사용하여 연소시키는 것이 가능해져, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 간편하고 또한 확실하게 정화할 수 있다.

Description

배기 가스 정화 필터 및 배기 가스 정화 장치{Exhaust emission control filter and method of controlling exhaust emission}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 중에 함유되는 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 기술에 관한 것이다.
소위 디젤 엔진의 배기 가스 중에는 흑연(매연) 등의 탄소 함유 부유 미립자가 포함되어 있고, 대기 오염을 막기 위해서, 배출되는 탄소 함유 부유 미립자의 총량을 저감시킬 것을 강하게 요청하고 있다. 또한, 연소실 내에 직접 가솔린을 분사하는 방식인, 소위 통내 분사 가솔린 엔진으로부터도, 운전 조건에 따라서는 배기 가스와 함께 탄소 함유 부유 미립자가 배출되는 경우가 있어, 같은 요청이 존재한다.
이들 내연 기관으로부터 배출되는 탄소 함유 부유 미립자를 대폭 저감 가능한 기술로서, 기관의 배기 통로 중에 내열성의 필터를 설치하고, 배기 가스와 함께 배출되는 탄소 함유 부유 미립자를 해당 필터로 포집하는 기술이 제안되어 있다.
이러한 부유 미립자는 탄소를 주성분으로 함에도 불구하고, 산소를 포함하는 배기 가스 중에서 550℃ 이상의 고온에 노출되면 연소하지 않는다고 되어 있다. 디젤 엔진이나 통내 분사 가솔린 엔진 등의 내연 기관을 통상의 조건으로 운전하는 한, 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 550℃를 넘는 것은 드물다. 이 때문에, 포집한 미립자를 어떠한 방법으로 처리하지 않으면 필터가 막혀버려, 기관 출력의 저하와 같은 여러 가지 폐해를 야기할 우려가 있다.
필터로 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 처리하는 방법으로서는 여러 가지 기술이 개발되어 있지만, 간편하게 처리 가능한 방법으로서, 예를 들면, 필터에 백금 등의 귀금속 촉매를 보유해 두고, 포집한 부유 미립자를, 촉매 작용을 이용하여 비교적 저온의 배기 가스 중에서 연소시키는 기술이 제안되어 있다(일본특공평7-106290호). 혹은, 배기 가스의 온도를 의도적으로 상승시킴으로써, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 필터 상에서 연소시키는 기술도 제안되어 있다(일본특개2000-161044호). 배기 가스의 온도를 상승시키는 수법으로서는 내연 기관의 흡기 통로에 개폐 밸브를 설치해 두고, 해당 밸브를 교축함으로써 배기 온도를 상승시키는 소위 흡기 스로틀이라고 불리는 수법이나, 연료의 분사 시기를 적정 시기로부터 늦추는 것에 의해서 배기 가스의 온도를 상승시키는 수법 등, 여러 가지 수법을 적용할 수 있다.
그러나, 이들 수법에는 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 촉매는 사용과 동시에 성능이 열화되어 가기 때문에, 장기간 사용하고 있으면, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 완전하게 처리하는 것이 곤란하게 되어, 결국에는 필터가 막혀버리는 문제가 있다. 물론, 보유하는 귀금속의 양을 증가시키면 촉매의 열화를 억제할 수 있지만, 귀중한 귀금속의 보유량을 증가시키는 것은 바람직한 것이 아니다.
또한, 배기 가스의 온도를 의도적으로 상승시키는 수법은 모두, 연료의 화학 에너지를 내연 기관의 출력으로 변환하지 않고서, 열로서 배출하여 버릴 수밖에 없고, 기관의 출력 혹은 연료 소비 효율이 저하하여 버리는 문제가 있다.
본 발명은 종래 기술에 있어서의 상술한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 내연 기관의 배기 가스 중에 함유되는 탄소 함유 부유 미립자를, 기관 성능을 저하시키지 않고서, 간편하게, 더구나 장기간에 걸친 사용에 있어서도 확실하게 처리 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 실시예의 미립자 필터를 디젤 엔진에 적용한 배기 가스 정화 시스템의 구성을 도시하는 설명도.
도 2는 본 실시예의 미립자 필터의 외관 형상 및 구조를 도시하는 설명도.
도 3은 본 실시예의 미립자 필터에서 사용되는 엘리먼트의 제조 방법을 도시하는 설명도.
도 4는 미립자 필터에서 배기 가스 중의 미립자가 포집되는 모양을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 5는 본 실시예의 미립자 필터에서 사용되는 부직포의 제원을 예시한 설명도.
도 6은 변형예의 미립자 필터에서 배기 가스 중의 미립자가 포집되는 모양을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 7은 미립자 필터를 디젤 엔진에 설치하기 위한 구조를 도시하는 설명도.
도 8은 미립자 필터가 필터 홀더를 개재하여 디젤 엔진에 설치되어 있는 모양을 도시하는 설명도.
도 9는 본 실시예의 미립자 필터를 디젤 엔진에 적용하였을 때의 필터 온도나 필터 전후 차압의 변화를 도시하는 설명도.
도 10은 본 실시예의 미립자 필터를 장착하여 디젤 엔진을 장시간 운전하였을 때의 필터 전후 차압의 변화를 도시하는 설명도.
도 11은 미립자 필터 전후에 있어서의 배기관 내의 압력 변동의 차이를 도시하는 설명도.
도 12는 시험에 사용한 차량의 주행 패턴을 도시하는 설명도.
도 13은 실시예의 미립자 필터를 디젤 엔진에 적용하여, 10LAP 패턴 주행 중의 필터 온도나 필터 전후 차압을 계측한 결과를 도시하는 설명도.
도 14는 본 실시예의 미립자 필터를 디젤 엔진에 적용하여, 11LAP 패턴 주행중의 필터 온도나 필터 전후 차압을 계측한 결과를 도시하는 설명도.
도 15는 본 실시예의 미립자 필터를 디젤 엔진에 적용하여, 극저속의 주행 패턴으로 주행 중의 필터 온도나 필터 전후 차압을 계측한 결과를 도시하는 설명도.
도 16은 미세 구멍 직경이 적정치보다 작은 부직포를 사용한 미립자 필터를 탑재하여, 10LAP 패턴을 주행하였을 때의, 필터 온도나 필터 전후 차압을 계측한 결과를 도시하는 설명도.
도 17은 디젤 엔진의 배기 가스 중에 포함되는 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물의 조성을 도시하는 설명도.
도 18a 및 18b는 매연의 가연 온도보다 낮은 온도 조건으로 탄화수소가 산소와 완만한 산화 반응을 일으켜, 활성종을 생성하는 모양을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 19a 내지 19c는 본 실시예의 미립자 필터가 배기 가스 중의 매연 등을 분산하여 포집하는 메카니즘을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 20은 평균 미세 구멍 직경이 다른 미립자 필터의 내구 결과를 도시하는 설명도.
도 21a 내지 21c는 부직포의 평균 미세 구멍에 의해서, 막힘의 방법이 다른 모양을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 22a 내지 22c는 미립자 필터의 설치 구조의 각종 변형예를 도시한 설명도
도 23은 제 4 변형예의 미립자 필터의 형상을 모식적으로 도시하는 설명도.
도 24는 제 5 변형예의 미립자 필터의 형상을 모식적으로 도시하는 설명도.
도 25는 제 6 변형예의 배기 가스 정화 장치를 도시하는 설명도.
도 26은 제 7 변형예의 배기 가스 정화 장치를 도시하는 설명도.
도 27a 내지 27c는 본 실시예의 미립자 필터의 자연 재생 기능을 개념적으로 도시하는 설명도.
도 28a 및 28b는 배기 가스의 유동 에너지가 필터 상에서 온도로 변환되는 추정 원리를 도시하는 설명도.
상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서, 본 발명의 배기 가스 정화 필터는 다음 구성을 채용하였다. 즉,
내연 기관의 배기 가스 중에 함유되는 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스 정화 필터에 있어서,
상기 배기 가스 중에 함유되는 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집함으로써, 상기 필터에 유입되는 온도가 해당 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 내열성 여과재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 배기 가스 정화 필터에 대응하는 본 발명의 배기 가스의 정화 방법은,
내연 기관의 배기 가스 중에 함유되는 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스의 정화 방법에 있어서,
상기 배기 가스 중의 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 내열성의 여과재를 사용하여 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집하고,
상기 필터에 유입되는 온도가 상기 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시킴으로써, 해당 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 것을 특징으로 한다.
이러한 배기 가스 정화 필터 및 배기 가스의 정화 방법에 있어서는 내연 기관으로부터 배기 가스와 함께 배출되는 탄소 함유 부유 미립자를, 배기 가스 중의 탄화 수소계 화합물과 함께, 내열성의 여과재를 사용하여 포집한다. 여기서 탄소 함유 부유 미립자란 매연 등과 같은 탄소를 함유하는 미립자이고, 탄화 수소계 화합물이란 연료나 윤활유에 기인하는 미연소 유기 화합물이다. 이들 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물은 여과재에 분산하여 포집되어 있고, 포집된 것 중의 대부분은 배기 가스 중에 포함되어 있는 산소와 접촉 가능한 상태에 있다. 이 때문에, 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다 저온이라도, 포집된 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소의 사이에서 완만한 발열 반응이 진행하여, 결국에는 포집된 탄화 수소계 화합물 및 탄소 함유 부유 미립자를 연소시킬 수 있다. 그 결과, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를, 장기에 걸쳐 확실하고 또한 간편하게 정화하는 것이 가능해진다.
본 발명은 이하에 설명하는 바와 같은 특이한 현상을 발견함으로써 완성된 것이다. 그래서, 본 발명의 작용 및 효과를, 보다 명확하게 설명하기 위해서 발명자들이 발견한 특이한 현상에 대하여, 이하에 간단하게 설명한다.
도 27은 발명자들이 발견한 특이한 현상을 개념적으로 도시한 설명도이다. 도 27a는 실험 장치를 개념적으로 도시한 것이고, 내연 기관A(대표적으로는 디젤 엔진)의 배기관 중에, 필터E가 장착되어 있는 모양을 도시하고 있다. 내연 기관A는 흡기관B로부터 공기를 흡입하여, 연소실C의 내부에서 연료를 태워, 배기 가스를 배기관D로부터 배출한다. 배기 가스 중에는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이 포함되어 있고, 이들은 배기관D에 설치한 필터E로 포집된다. 필터E에 대해서는 나중에 상세하게 설명하지만, 필터E는 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을 분산한 상태에서 포집하는 것이 가능하다. 또한, 필터E에 유입되는 배기 가스 온도Tg 및 필터E의 온도Tf, 필터E의 전후의 차압△P를 계측하고 있다.
도 27b는 배기관D에 신품의 필터E를 장착하여, 내연 기관A를 일정 조건으로 운전하면서, 필터 전후의 차압△P, 및 필터 상류에서의 배기 가스 온도Tg, 필터 온도Tf의 추이를 도시한 것이다. 내연 기관A의 운전을 개시하면, 실온을 나타내고 있던 배기 가스 온도Tg 및 필터 온도Tf가 즉시 상승하여 정상 온도에 도달한다. 이 때, 실제로는 필터 온도Tf는 배기 가스 온도Tg보다도 높은 값이 된다. 배기 가스가 통과할 때에 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg보다 높아지는 현상도 발명자들이 새롭게 찾아낸 현상이지만, 이 현상에 대해서는 나중에 상세하게 설명하기로 하고, 여기서는 설명을 간단하게 하는 관점에서, 필터 온도Tf와 배기 가스 온도Tg는 별다른 차이는 없는 것으로서 설명한다. 운전 개시 후에, 배기 가스 온도Tg 및 필터 온도Tf가 도달하는 정상 온도는 내연 기관A의 운전 조건 등 여러 가지 요인에 영향받지만, 대표적으로는 250℃ 내지 350℃ 전후이다.
온도가 정상 상태에 도달한 후도, 필터 전후의 차압은 점차로 증가해 가지만, 도 27b에 도시하는 바와 같이, 결국에는 일정치가 되어 안정된다. 차압이 안정하는 값은 주로 필터의 설계 제원에 의해서 변화하지만, 대표적으로는 신품일 때 차압의 3배 내지 4배 정도의 값이 되는 경우가 많다. 설명의 편의상, 내연 기관의 운전을 개시하고 나서, 필터 전후의 차압이 안정하기까지의 기간을 「제 1 기」라고 부르기로 한다.
필터 전후의 차압이 안정된 후, 그대로 내연 기관을 운전하고 있으면, 필터에 유입되는 배기 가스 온도Tg는 변화하지 않음에도 불구하고, 필터 온도Tf가 조금씩 상승하기 시작한다. 기관의 운전 계속과 동시에 필터 온도Tf와 배기 가스 온도Tg의 차이는 점차 커지고, 결국에는 필터 온도Tf가 550℃ 전후에 도달한다. 그 동안, 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물이 필터E에서 포집되는 것에 따라서, 필터 전후의 차압△P는 약간 증가하는 경향이 있지만, 별다른 증가량을 계측할 수 없는 경우도 있다.
필터 온도Tf가 상승하여 550℃ 부근에 도달하면, 필터E에 포집된 매연 등이 연소하기 시작한다. 필터 온도Tf는 잠시 동안은 550℃ 이상으로 되지만, 빠르게 배기 가스 온도Tg 부근의 온도로 저하한다. 이 사실로부터, 매연 등의 연소는 비교적 단시간에 종료한다고 생각된다. 배기 가스 중의 매연 등이 포집되는 것에 의한 필터 전후에서의 차압△P의 증가를 검출 가능한 경우에는 필터E로 포집한 매연 등이 연소하는 것에 의한 차압△P의 저하를 검출할 수 있다. 설명의 편의상, 제 1 기가 종료한 후에, 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg에서 점차로 차이가 벌어지고, 다시 배기 가스 온도Tg로 저하하기까지의 기간을 「제 2 기」라고 부르기로 한다. 더욱이, 제 1 기의 기간은 제 2 기의 기간과 비교하여 상당히 짧지만, 도 27에서는 표시상의 이유로부터, 제 1 기의 기간을 제 2 기에 대하여 실제보다도 길게 표시하고 있다.
필터E에 포집된 매연 등이 모두 연소되고, 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg 부근의 온도로 저하하더라도, 얼마간 지나면 재차 필터 온도Tf가 상승하기 시작하고, 이윽고 550℃에 도달하여, 포집한 매연 등이 연소한다. 이와 같이, 필터E는 언제까지나 제 2 기의 상태로 유지되고, 배기 가스 중에 포함되는 매연 등의 포집과 연소를 반복한다.
도 27c는 도 27b의 조건에 대하여, 필터E에 유입되는 배기 가스 온도가 약간(대표적으로는 50℃ 정도) 높아지도록 내연 기관A의 운전 조건을 변경하여, 필터 온도Tf 및 필터 전후에서의 차압△P의 추이를 개념적으로 도시한 설명도이다. 배기 가스 온도에 한정되지 않고, 도 27b의 조건에 대하여 매연 농도 혹은 탄화 수소계 화합물의 농도가 약간 높아지도록 변경한 경우에도, 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 27c에 도시하는 바와 같이, 필터E에 유입되는 배기 가스 온도가 약간 높은 경우에도, 제 2 기에서 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg로부터 점차로 차이가 벌어지고, 결국에는 필터 온도Tf가 550℃에 도달하여, 포집되어 있는 매연이 연소하기 시작한다. 도 27c의 조건에서는 도 27b의 조건보다도 필터E에 유입되는 배기 가스 온도Tg가 약간 높은 몫만큼, 필터 온도Tf가 550℃에 빨리 도달한다. 도 27c의 조건에 있어서도, 포집한 매연의 연소는 비교적 단기간에 종료하여 필터 온도Tf가 저하하지만, 도 27b의 경우와는 달리, 배기 가스 온도Tg보다는 높은 온도로 안정한다. 여기서는 제 2 기의 종료 후, 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg보다도 높은 온도에서 안정하는 기간을 「제 3 기」라고 부르기로 한다. 제 3 기에서의 배기 가스 온도Tg와 필터 온도Tf의 온도차는 내연 기관A의 운전 조건에 따라서 다른 값을 취하는 듯하다. 제 3 기에 일어나고 있는 현상에 대해서는 반드시 아직 명확하지 않지만, 매연 등의 포집과 연소가 국소적으로 반복되고 있는지, 혹은 동일 장소에 있어서 포집과 연소가 동시 진행적으로 행해지고 있는 것으로 예상되어, 어떻든간에 도 27c에 도시하는 바와 같이, 제 3 기에서는 필터 전후의 차압△P는 거의 일정치로 유지되고 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본원의 발명자들은 내연 기관의 배기 가스 중에 포함되는 탄소 함유 부유 미립자를, 배기 가스 중의 탄화 수소계 화합물과 함께, 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 여과재에 분산하여 포집함으로써, 필터에 유입되는 온도가 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 포집한 미립자가 연소하는 현상을 발견하였다. 보다 상세한 시험 내용이나, 저온의 배기 가스를 사용하여 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 것을 가능하게 하는 추정 메카니즘에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.
본 발명의 배기 가스 정화 필터 및 배기 가스의 정화 방법에 있어서는 여과재에 포집한 탄소 함유 부유 미립자를, 이러한 현상을 이용하여 연소시킬 수 있다. 이 때문에, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 촉매를 사용하여 연소시키는 방법이나, 의도적으로 배기 가스 온도를 상승시켜 연소시키는 방법 등과 같이, 장기간 사용하고 있으면 필터가 막히거나, 혹은 기관 성능의 저하를 야기한다는 문제를 발생하지 않고서, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를, 확실하고 또한 간편하게 정화할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 배기 가스 정화 필터가 갖는 기능, 즉 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 상술한 현상을 사용하여 연소시키는 기능을, 본 명세서 중에서는 경우에 따라서 「자연 재생 기능」이라고 부르기로 한다.
이러한 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 내열성의 여과재에 의해서 포집된 탄화 수소계 화합물과 상기 배기 가스 중의 산소의 반응열을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 것으로 하여도 좋다. 탄화 수소계 화합물은 탄소 함유 부유 미립자가 연소하지 않는 저온의 배기 가스 중에서도 산소와 반응하기 시작하기 때문에, 탄화 수소계 화합물과 산소와의 반응열에 의해서 상기 내열성 여과재의 온도를 상승시키면, 필터에 유입되는 온도가 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스를 사용하여, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 것이 가능해진다.
이러한 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 상기 배기 가스 중의 산소와의 반응열에 더하여, 해당 반응에 의해 생기는 활성종을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 것으로 하여도 좋다. 통상, 이러한 활성종이 존재하고 있으면 산화 반응이 촉진되는 경향이 있다. 따라서, 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 산소의 반응열에 의해서 상기 내열성 여과재의 온도를 상승시키고, 더욱이 이러한 반응에 의해서 생긴 활성종을 이용함으로써, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 확실하게 연소시키는 것이 가능해지기 때문에 바람직하다.
상기의 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을, 상기 내열성 여과재의 내부에서 포집하는 것으로 하여도 좋다. 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을, 상기 여과재의 표면에서 주로 포집하는 경우에는 이들을 분산하여 포집하는 것은 용이하지 않지만, 여과재의 내부에서 포집하는 것으로 하면, 용이하게 분산한 채로 포집할 수 있기 때문에 적합하다.
상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을, 상기 여과재 내부에서 포집하는 상기의 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 내연 기관으로부터 배출되는 상기 배기 가스의 압력 변동을 이용하여, 해당 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을 분산한 상태에서 포집하는 것으로 하여도 좋다. 탄소 함유 부유 미립자 혹은 탄화 수소계 화합물에 배기 가스의 압력 변동을 작용시키면, 상기 내열성 여과재에 포집되는 상기 탄소 함유 부유 미립자나 상기 탄화 수소계 화합물을, 용이하게 분산하여 포집하는 것이 가능해진다.
상기의 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 내연 기관으로부터 배출되는 상기 배기 가스의 유동 에너지를, 상기 내열성 여과재에서 열로 변환함으로써, 해당 여과재의 온도를 상승시키는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하여 여과재의 온도를 상승시키면, 필터에 유입되는 배기 가스의 온도가 상기 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온이더라도, 해당 포집한 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을, 보다 용이하게 연소시키는 것이 가능해지기 때문에 적합하다.
이러한 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 배기 가스가 상기 내열성 여과재를 통과할 때, 해당 배기 가스가 동압(動壓)에 의해서 압축되는 것에 의한 배기 가스의 온도 상승을 이용하여, 해당 여과재의 온도를 상승시키는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하여 배기 가스의 동압을 이용하면, 상기 내열성 여과재의 온도를 간편하게 상승시킬 수 있고, 나아가서는 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 확실하게 연소시키는 것이 가능해진다.
상술한 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 내열성 여과재로서, 해당 여과재의 내부에서 3차원적으로 연통하고 또한, 해당 여과재의 표면에 개방된 복수의 통로를 갖는 여과재를 사용하여도 좋다. 상기 내열성 여과재로서, 내부에 이러한 복수의 통로를 갖는 여과재를 사용하면, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을, 해당 여과재의 내부에 분산하여 포집할 수 있기 때문에 바람직하다.
이러한 내열성 여과재로서는 여과재 내부에 형성된 복수의 통로의 평균 내경이 약 11μm 이상이고 또한, 약 13μm 이하의 범위에 있는 여과재를 사용하여도 좋다.
여과재 내부에 형성된 통로의 평균 내경이 11μm보다 작아지면, 배기 가스가 유입되는 측의 여과재 표면이 막히기 쉽게 된다. 반대로, 평균 내경이 13μm보다 커지면, 배기 가스가 유출되는 측의 여과재 표면이 막히기 쉽게 된다. 따라서, 여과재 내부에 형성된 통로의 평균 내경을, 약 11μm 내지 약 13μm의 범위로 하면, 여과재를 막히게 하지 않고서, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물을 여과재 내부에 분산한 상태에서 포집할 수 있다. 또한, 본 명세서 중에서 말하는 평균 내경의 값은 소위 와시번(Washburn)의 식에 기초하여 계측된 미세 구멍 직경의 평균치이고, 미세 구멍 용적의 누적치가 50%가 되는 미세 구멍 직경을 평균 내경으로 하고 있다. 주지의 다른 계측 방법을 사용하여 계측한 경우는 평균 내경의 수치 자체는 변동할 수 있음은 말할 필요도 없다.
또한, 내열성 여과재로서, 내열성 섬유로 구성된 부직포를 사용하는 경우에는 평균 섬유 직경이 약 15μm 이상이고 또한, 약 20μm 이하의 내열성 섬유로 구성된 부직포를 사용하는 것으로 하여도 좋다. 부직포의 내부에 형성되는 통로의 평균 내경과 부직포를 구성하는 섬유의 평균 직경은 경험상, 그다지 명확하지 않더라도 상관 관계가 인정된다. 따라서, 평균 섬유 직경이 약 15μm 내지 약 20μm의 섬유를 사용하면, 용이하게 평균 내경이 약 11μm 내지 약 13μm인 부직포를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 부직포 내부에 형성되는 통로의 평균 내경이 커지면, 그것에 따라서 섬유 밀도(단위 체적당의 부직포 중에 존재하는 섬유의 개수)가 작아지는 경향에 있다. 따라서, 이것에 의한 부직포 강도의 저하를 보충하는 의미에서도, 평균 내경이 약 11μm 내지 약 13μm의 부직포라면, 평균 섬유 직경이 약 15μm 내지 약 20μm의 내열성 섬유를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
더욱이, 이러한 내열성 여과재로서 부직포를 사용하는 경우에는 두께가 약 0.3 mm 내지 약 1.0mm, 보다 바람직하게는 약 0.4mm 내지 약 0.5mm의 부직포를 사용하는 것으로 하여도 좋다. 부직포의 두께가 얇으면 강도가 부족하여 파손되기 쉬워진다. 그렇다고 부직포가 너무 두꺼우면 부직포를 구부리기 어렵기 때문에, 배기 가스 정화 필터를 작성하는 것이 곤란하여, 자연히 필터의 크기가 커져 버린다. 따라서, 내열성 여과재로서, 두께가 약 0.3mm 내지 약 1.0mm, 보다 바람직하게는 약 0.4mm 내지 약 0.5mm의 부직포를 사용하면 여과재의 강도를 실용상 충분한 강도로 확보하면서, 배기 가스 정화 필터를 소형으로 제조가 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다.
내부에서 3차원적으로 서로 연결되어 통하는 복수의 통로를 내포하는 여과재를 사용한 배기 가스 정화 필터에 있어서는, 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을 포집함에 따라서, 해당 복수의 통로를 흐르는 배기 가스의 유로가 바뀌는 것과 같은 내열성 여과재를 사용하여도 좋다. 이렇게 해서 배기 가스의 유로를 바꾸면서 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을 포집하면, 이들을 내열성 여과재 내부에 분산하여 포집할 수 있다. 더욱이, 포집하는 것에 따라서 배기 가스의 유로가 새로운 유로로 바뀌면, 배기 가스가 여과재를 통과할 때의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
이러한 배기 가스 정화 필터에 있어서는 상기 내열성 여과재에 있어서의 압력 손실이, 초기치의 3배 내지 4배로 증가하면, 상기 통로를 흐르는 상기 배기 가스의 유로의 교체가 시작되는 여과재를 사용하여도 좋다. 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이 여과재에 포집되어, 압력 손실이 초기치의 3배 내지 4배까지 증가하면, 그 후는 압력 손실의 증가 비율이 커지는 경향이 있다. 따라서, 압력 손실이 초기치의 3배 내지 4배가 된 시점에서, 여과재 내부를 통과하는 배기 가스의 통로가 바뀌면, 압력 손실의 증가를 억제할 수 있기 때문에 적합하다.
또한, 상술한 배기 가스의 정화 방법에 있어서는 상기 내열성 여과재의 상류로부터 배기 가스 중에 산소를 공급하는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 해서 배기 가스 중에 산소를 공급하면, 여과재에 포집된 탄화 수소계 화합물과 산소와의 반응을 촉진하거나, 혹은 포집된 탄소 함유 부유 미립자와 산소의 연소를 촉진할 수 있기 때문에 바람직하다.
이러한 배기 가스의 정화 방법에 있어서는 상기 배기 가스 중의 질소 산화물을 정화하는 NOx 정화 촉매를, 상기 내열성 여과재의 하류에 배치하여도 좋다. 이렇게 하면, 해당 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자와 질소 산화물을 정화할 수 있기 때문에 바람직하다.
이러한 배기 가스의 정화 방법에 있어서는 상기 NOx 정화 촉매로서, 상기 배기 가스 중에 산소가 과잉으로 존재하는 조건하에서는 상기 질소 산화물을 흡장하여, 해당 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하면 해당 흡장한 질소 산화물을 환원하는 촉매를 배치하여도 좋다. 이와 같이 배기 가스 중의 질소 산화물을 일단 흡장하고 나서 환원하는 NOx 정화 촉매는 배기 가스의 질소 산화물을 효율 좋게 정화하는 것이 가능하고, 나아가서는 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자와 질소 산화물을 효율 좋게 정화하는 것이 가능해져 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술한 배기 가스 정화 필터로서의 예에 한정되지 않고, 예를 들면, 상술한 배기 가스 정화 필터를 적용한 배기 가스 정화 장치로서 파악하는 것도 가능하다. 이러한 본 발명의 배기 가스 정화 장치는,
연소실과, 해당 연소실에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 통로를 구비하는 내연 기관에 적용되고, 해당 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
상기 배기 통로 내에 설치되어 상기 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 포집하는 배기 가스 정화 필터를 구비하고,
상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에는 단열부가 설치되어 있고,
상기 배기 가스 정화 필터는,
상기 배기 가스 중에 포함되는 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집함으로써, 해당 필터에 유입되는 온도가 해당 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 내열성 여과재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 배기 가스 증가 장치에 대응하는 본 발명의 배기 가스 정화 방법은,
연소실과, 해당 연소실에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 통로를 구비하는 내연 기관에 적용되어, 해당 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스의 정화 방법에 있어서,
내열성 여과재를 구비하는 배기 가스 정화 필터를, 상기 배기 통로와의 사이에 단열부가 설치된 상태에서 해당 배기 통로 내에 설치하고,
상기 내열성 여과재를 사용하여, 상기 배기 가스 중의 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집하고,
상기 배기 가스 정화 필터에 유입되는 온도가 상기 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시킴으로써, 해당 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 배기 가스 정화 장치 및 해당 배기 가스 정화 장치에 대응하는 배기 가스 정화 방법에 있어서는 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자와 탄화 수소계 화합물을 분산하여 포집하는 필터가 배기 통로에 설치되어 있고, 해당 배기 가스 정화 필터와 해당 배기 통로 사이에 단열부가 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이, 본원의 발명자들은 이러한 배기 가스 정화 필터에서는 배기 가스가 통과할 때에 필터 온도가 상승하는 현상을 새롭게 발견하였다. 이 사실로부터, 배기 가스 정화 필터와 배기 통로 사이에 단열부를 형성하여 배기 통로에 유출되는 열을 차단하면, 배기 가스 정화 필터의 온도를 효율 좋게 상승시킬 수 있다. 이렇게 해서 필터의 온도를 효율 좋게 상승시킬 수 있으면, 필터 상에 포집한 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물을 간편하고 또한 확실하게 연소시키는 것이 가능해진다.
여기서, 배기 가스가, 상술한 배기 가스 정화 필터를 통과할 때에 필터 온도가 상승하는 현상에 대해서, 도 28을 참조하여 설명한다. 도 28a는 실험 장치를 개념적으로 도시한 것이다. 상술한 도 27과 동일하게, 내연 기관A(대표적으로는 디젤 엔진)의 배기관 중에 필터E가 장착되어 있고, 필터E에 유입되는 배기 가스의 온도Tg, 및 필터의 온도Tf를 계측할 수 있다.
이러한 장치에 있어서, 내연 기관A의 운전 조건을 변경하면서, 필터에 유입되는 배기 가스 온도Tg 및 필터 온도Tf를 계측한 바, 필터 온도Tf는 배기 가스 온도Tg보다도 항상 높은 값을 나타내는 것을 발견하였다. 그래서, 배기 가스 유량 등의 다른 요인은 가능한 한 일정하게 유지한 채로 배기 가스 온도를 변경하여, 입구 배기 가스 온도Tg 및 필터 온도Tf의 상승량dT(=Tf-Tg)을 계측하여 정리한 바, 도 28b에 도시하는 결과가 얻어졌다.
도 28b에 도시된 바와 같이, 필터 온도의 상승량dT는 입구 배기 가스 온도Tg의 상승과 함께 거의 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이러한 결과로부터, 필터 온도Tf가 입구 배기 가스 온도Tg보다도 높아지는 현상은 다음과 같은 메카니즘에 의한 것이라고 추측된다.
즉, 필터E에는 통로 저항이 존재하기 때문에, 큰 유속을 갖는 배기 가스가 필터E를 통과하려고 하면, 필터E에 차단되어 배기 가스의 속도의 일부가 압력으로 변환된다. 이렇게 해서 생긴 압력 상승을 dP라고 한다. 열역학이 가르치는 것에 의하면, 압력P, 온도T, 비용적v의 3개의 변수는 기체 정수를 R이라고 하면,
의 관계를 항상 만족하고 있다. 따라서, 배기 가스의 흐름이 필터E로 차단되는 것에 의해서 압력P가 dP만큼 상승하면, 수학식 1을 만족하도록 배기 가스 온도도 dT만큼 상승한다. 즉, 필터 온도Tf가 배기 가스 온도Tg보다도 항상 높은 값을 나타내는 현상의 메카니즘으로서, 배기 가스가 동압에 의해서 필터로 압축되고, 그것에 따라 가스 온도가 상승하여, 이 배기 가스에 의해서 필터가 따뜻해지기 때문에, 필터의 온도Tf가, 입구 가스 온도Tg보다도 항상 높아지고 있는 것으로 생각된다.
이러한 메카니즘의 타당성을 확인하기 위해서, 도 28b의 계측 결과에 기초하여, 다음과 같은 검토를 하였다. 필터E의 입구부에서의 배기 가스 압력을 Pg라고 하면, 입구부에서의 배기 가스 온도는 Tg 이므로 수학식 1로부터,
가 성립한다. 또한, 배기 가스가 필터E로 차단되는 것에 의해서, 압력과 온도가 각각 dP, dT 상승하였다고 하면, 수학식 1로부터
가 성립한다. 수학식 2, 및 수학식 3을 정리하면,
를 얻을 수 있다. 수학식 4에 따르면, 필터E에서의 온도 상승량dT는 필터에 유입되는 배기 가스 온도Tg에 비례하며, 이러한 결과는 도 28b에 도시한 계측 결과와 일치하고 있다. 즉, 도 28b의 계측 결과는 추정된 상술한 메카니즘의 타당성을 뒷받침하고, 필터 온도Tf가 필터 입구에서의 배기 가스 온도Tg보다도 항상 높아지고 있는 현상은 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스가 필터를 통과할 때, 배기 가스가 압축되어 배기 가스 온도가 상승하고 있는 것에 의한다고 생각된다.
이러한 온도 상승량dT는 수학식 4로부터 분명한 바와 같이, 배기 가스 온도Tg가 높을수록 커진다. 또한, 필터에 유입되는 배기 가스 유속이 커지면, 그 만큼 압력 상승dP도 커지기 때문에, 필터의 온도 상승량dT도 커진다. 일반적으로, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스는 배기관 내를 통과함에 따라서 온도가 저하되어 간다. 또한, 유속에 대해서도, 내연 기관으로부터 배출될 때는 배기 가스는 한번에 분출되기 때문에, 펄스형의 큰 유속을 갖는 흐름으로 되고 있지만, 배기관 내를 통과함에 따라서 펄스형의 흐름이 평균화되어, 유속도 저하하여 간다. 따라서, 필터를 설치하는 위치는 내연 기관에 가까우면 가까울수록 배기 가스의 온도 및 유속이 증가하기 때문에, 필터의 온도 상승량dT가 커져 바람직하다고 생각된다.
이러한 견지에 기초하여, 본 발명의 배기 가스 정화 장치 및 해당 배기 가스 정화 장치에 대응하는 배기 가스 정화 방법에서는 배기 통로 내에 설치한 배기 가스 정화 필터와, 해당 배기 통로 사이에 단열부를 형성하여, 필터로부터 배기 통로로 향하는 열의 흐름을 차단해 준다. 이렇게 하면, 배기 가스 정화 필터의 온도를 효율 좋게 상승시켜, 필터상에 포집한 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물을 간편하고 또한 확실하게 연소시키는 것이 가능해진다.
또한, 복수의 상기 연소실과, 각 연소실로부터의 배기 가스를 적어도 1개의 통로에 집합시키는 배기 집합관을 구비하는 내연 기관에, 이러한 배기 가스 정화 장치를 적용하는 경우에는 상기 배기 가스 정화 필터를, 해당 배기 집합관에 설치하는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 해당 배기 가스 정화 필터를 연소실에 근접하여 탑재할 수 있고, 그 만큼 필터에는 고온의 배기 가스가 높은 유속으로 유입하게 되기 때문에, 배기 가스 정화 필터의 온도를 효과적으로 상승시키는 것이 가능해진다.
이러한 배기 가스 정화 장치에 있어서는 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 틈을 설치하여, 이러한 틈을 단열부로 할 수 있다. 즉, 이렇게 해서 틈을 설치하면, 여기에 공기층이 형성되거나, 혹은 배기 가스가 유입하여 배기 가스층이 형성되기 때문에, 필터와 배기 통로를 효과적으로 단열할 수 있기 때문에 적합하다.
이러한 배기 가스 정화 장치에 있어서는 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 형성된 틈의 일단을 배기 가스의 유로에 개방시킴과 동시에, 해당 개구부에서, 틈이 좁아지도록 하여도 좋다. 이렇게 하면, 배기 가스의 유로로 개방한 부분으로부터 틈으로 배기 가스가 유입되기 때문에, 내연 기관의 시동 직후에 고온의 배기 가스로 필터를 따뜻하게 하여, 필터 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다. 또한, 배기 가스는 좁아진 개방부에서 일단 좁혀지고 나서 틈으로 유입되기 때문에, 배기 가스가 틈에 기세 좋게 유입하여, 틈 내부의 배기 가스가 유동하는 일이 없다. 이 때문에, 필터 온도가 배기 가스 온도보다도 높아졌을 때에, 배기 가스의 유동에 매개되어 필터로부터 배기 통로에 열이 유출되는 일이 없고, 그 만큼 필터와 배기 통로를 효과적으로 단열할 수 있기 때문에 적합하다.
더욱이, 이러한 배기 가스 정화 장치에 있어서는 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 설치된 틈을, 1mm 이하의 두께의 틈으로 함과 동시에, 해당 틈에 일단을 배기 가스의 유로에 개방시켜, 상기 단열부를 구성하여도 좋다. 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로의 격차가 1mm 이하의 작은 값으로 하면, 틈 내부에서 배기 가스가 강하게 유동하는 일은 없다. 따라서, 틈의 두께를 1mm 이하로 하면, 상기 내연 기관의 시동 시에는 상기 개방부로부터 배기 가스가 유입되어 필터 온도를 빠르게 상승시키는 것이 가능하고, 또한, 필터 온도가 높아진 경우에도, 해당 틈 내부로 배기 가스가 유동하여 배기 가스 정화 필터로부터 배기 통로에 열이 유출되는 것을 억제할 수 있기 때문에 적합하다.
또한, 이러한 배기 가스 정화 장치에 있어서는 단열 부재를 개재하여 상기 배기 가스 정화 필터를 상기 배기 통로에 설치하는 것으로 하여도 좋다. 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 단열부를 설치함과 함께, 단열 부재를 개재하여 해당 필터를 설치하면, 해당 필터의 설치 부분으로부터 해당 배기 통로로 열이 유출되는 것을 억제할 수 있다. 그만큼 배기 가스 정화 필터를 효과적으로 단열할 수 있고, 나아가서는 필터 온도를 고온으로 유지하는 것이 가능해져 바람직하다.
이러한 배기 가스 정화 장치에 있어서는 배기 가스 중의 부유 미립자를 포집하는 내열성 여과재와 해당 여과재를 수납하는 수납 용기로 상기 배기 가스 정화 필터를 구성함과 함께, 상기 연소실로부터 배출된 배기 가스를 해당 여과재로 유도하는 가이드부를, 해당 수납 용기에 설치하는 것으로 하여도 좋다. 가이드부를 사용하여 배기 가스를 내열성 여과재로 유도해 주면, 해당 여과재로 큰 동압을 발생시켜, 필터 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있다. 또한, 해당 가이드부가 여과재의 수납 용기에 설치되어 있기 때문에, 배기 가스가 해당 가이드부에 충돌하여 배기 가스가 갖는 열의 일부가 유출하였다고 해도, 유출된 열은 결국은 배기 가스 정화 필터의 온도상승에 이용되게 되어, 그만큼 효율적으로 필터 온도를 상승시킬 수 있다.
혹은, 내열성 여과재와 해당 여과재를 수납하는 수납 용기로 상기 배기 가스 정화 필터를 구성함과 함께, 해당 여과재를, 단부가 상기 연소실측에 돌출한 상태로 수납하는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 상기 내열성 여과재의 단부에서는 배기 가스의 동압에 의해서 생긴 열이 상기 수납 용기에 전해지지 않고서 단부의 온도를 즉시 상승시키기 때문에, 그만큼 여과재의 온도를 빠르게 상승시키는 것이 가능해져서 적합하다.
배기 가스의 유동 에너지를 사용하여 터빈을 구동함으로써 흡입 공기를 공급하는 과급기를 구비한 내연 기관에, 이러한 배기 가스 정화 장치를 적용하는 경우에는 상기 배기 가스 정화 필터의 통로 저항을, 해당 과급기의 터빈측의 통로 저항의 1/2 내지 2/3의 통로 저항으로 설정하여도 좋다. 상기 배기 가스 정화 필터의 통로 저항이, 상기 과급기의 터빈측의 통풍 저항의 1/2 내지 2/3의 범위가 되도록 설정하고 있으면, 필터 상에 탄소 함유 부유 미립자 등이 퇴적하여 필터의 통로 저항이 다소 증가하더라도, 배기 가스를 방출하기 위한 통로 저항은 오로지 과급기의 터빈측의 통로 저항에 의해서 결정되기 때문에, 전체로서의 통로 저항이 증가하는 일이 없기 때문에 바람직하다.
또한, 내연 기관이 복수의 연소실을 구비하고 있고, 각 연소실에서 발생하는 배기 가스를 적어도 1개의 통로에 집합시키고 나서 배출하고 있는 경우에는 각 연소실로부터의 배기 통로가 집합하는 부분에, 상기 배기 가스 정화 필터를 설치하는 것으로 하여도 좋다. 이렇게 하여, 복수의 연소실로부터의 배기 통로가 집합하는 부분에 상기 배기 가스 정화 필터를 설치하면, 개개의 연소실마다 필터를 설치하지 않아도 되기 때문에, 배기 가스 정화 필터의 개수를 적게 할 수 있다. 또한, 배기 통로의 집합 부분은 배기 가스 정화 필터를 탑재하기 위한 공간을 비교적 확보하기 쉬워지기 때문에, 개개의 연소실마다 필터를 설치하는 경우와 비교하여 필터 형상의 자유도가 증대하고 있어, 필터 형상을 보다 최적의 형상으로 할 수 있기 때문에 바람직하다.
더욱이, 상기 배기 가스 정화 필터는 모든 연소실의 배기 통로가 집합하는 부분에 설치하여도 좋지만, 연소실 2개씩 혹은 3개씩마다 배기 통로를 일단 집합시키고, 이렇게 해서 형성한 각 집합 부분에, 상기 배기 가스 정화 필터를 설치하는 것이 보다 바람직하다. 모든 배기 통로를 집합시켜, 이 집합 부분에 상기 배기 가스 정화 필터를 설치하려고 하면, 자연히, 연소실로부터의 거리가 멀어져서 유입되는 배기 가스의 온도가 낮아지는 경향이 있다. 이것에 대하여, 연소실 2개씩 혹은 3개씩이면 연소실의 부근에서 집합시키는 것도 용이하고, 이러한 집합 부분에 배기 가스 정화 필터를 설치하면, 필터에 유입할 때까지 배기 가스 온도가 저하하는 것을 피할 수 있다. 그 결과, 배기 가스의 동압에 의해서 배기 가스 정화 필터를 승온시키는 효과를 더욱 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명의 작용·효과를 보다 명확하게 설명하기 위해서, 다음과 같은 순서에 따라서, 본 발명의 실시예를 설명한다.
A. 장치 구성:
A-1. 전체 시스템의 개요:
A-2. 미립자 필터의 구조:
A-3. 미립자 필터의 설치 구조:
B. 실험 결과:
B-1. 엔진대에서의 시험 결과:
B-2. 실차에 의한 시험 결과:
B-3. 자연 재생 기능의 추정 메카니즘:
B-4. 포집 모델:
B-5. 부직포의 바람직한 제원 범위:
C. 변형예:
A. 장치 구성:
이하, 본 발명의 배기 가스 정화 필터(이하, 미립자 필터)를 디젤 엔진에 적용한 실시예에 대해서 설명한다. 물론, 디젤 엔진에 제한되지 않고, 연료를 실린더내에 직접 분사하여 연소시키는 방식의 가솔린 엔진 등, 다른 내연 기관에 적용할 수도 있다. 또한, 본 발명은 차량이나 선박 탑재용이나 정치용(stationary) 등의 모든 내연 기관에 적용하는 것이 가능하다.
A-1. 전체 시스템의 개요:
도 1은 본 실시예의 미립자 필터를 장착한 디젤 엔진(10)의 개략 구성을 도시한 설명도이다. 디젤 엔진(10)은 소위 4기통 엔진이고, #1 내지 #4의 4개의 연소실을 갖고 있다. 각 연소실에는 흡기관(12)을 통하여 공기가 공급되고, 각 연소실에 설치된 연료 분사 밸브(14)로부터 연료가 분사되면, 연소실 내에서 공기와 연료가 연소하여, 배기 매니폴드(16)를 경유하여 배기관(17)으로부터 배기 가스가 배출된다.
배기관(17)의 도중에는 과급기(20)가 설치되어 있다. 과급기(20)는 배기관(17) 내에 설치된 터빈(21)과, 흡기관(12) 내에 설치된 압축기(22)와, 터빈(21)과 압축기(22)를 연결하는 샤프트(23)로 구성되어 있다. 연소실로부터 배출된 배기 가스가 과급기(20)의 터빈(21)을 돌리면, 샤프트(23)를 통하여 압축기(22)가 회전하고, 공기를 압축하여 각 연소실 내에 공급한다. 압축기(22)의 상류측에는 공기 정화기(26)가 설치되어 있고, 압축기(22)는 공기 정화기(26)로부터 받아들인 공기를 압축하여 연소실 내에 공급한다. 압축기(22)의 하류에는 공기를 냉각하기 위한 인터쿨러(intercooler; 24)가 설치되어 있다. 압축기(22)로 압축하면 공기의 온도가 상승하기 때문에, 압축한 공기를 인터쿨러(24)로 냉각한 후에, 연소실 내로 공급하는 것도 가능하다. 미립자 필터(100)는 #1 내지 #4의 각 연소실마다, 터빈(21)의 상류측에 설치되어 있다. 엔진을 제어하기 위한 컨트롤 유닛(이하, 제어용 ECU; 30)은 기관 회전 속도나, 액셀 개방도 등의 요구 출력 토크에 관한 정보를 넣으면, 이들 정보에 기초하여, 연료 분사 밸브(14)나 연료 공급 펌프(18), 그 밖의 도시하지 않는 각종 액추에이터를 제어함으로써, 디젤 엔진의 운전 조건을 적절하게 제어한다.
A-2. 미립자 필터의 구조:
도 2는 본 실시예의 미립자 필터(100)의 외관 형상을 도시하는 사시도이다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 일부분의 단면을 잡아 내부 구조를 확대하여 표시하고 있다. 미립자 필터(100)는 플랜지가 부착된 원통형의 케이스(102)와, 케이스(102) 내에 삽입되어 외주를 케이스에 용접된 엘리먼트(104)로 구성되어 있다. 엘리먼트(104)는 내열 금속제의 부직포(106)와 동일하게 내열 금속제의 파형판(108)을 겹치고, 중심봉(110)을 코어로 하여 원통형으로 감은 로울 구조로 되어 있다. 본 실시예의 미립자 필터(100)에서 사용하는 엘리먼트(104)는 외경이 약 55mm, 길이가 약 40mm인 것을 사용하고 있다. 물론, 이들 치수는 디젤 엔진의 배기량이나 배기 통로의 내경 등에 맞추어서 적절하게 변경할 수 있다.
도 3은 중심봉(110)을 코어로 하여, 부직포(106)와 파형판(108)을 겹쳐 로울형으로 감은 모양을 개념적으로 도시한 설명도이다. 이렇게 하여 감은 부직포(106)끼리의 간격은 파형판(108)에 의해서 소정의 간격으로 유지되어 있고, 부직포(106)와 파형판(108)의 사이에는 중심봉(110)의 축 방향을 따라서 다수의 통로가 형성되어 있다. 엘리먼트(104)의 양측에는 밀봉판(112)이 용접되어 있다. 밀봉판(112)은 부직포(106)와 파형판(108)의 사이에 형성된 통로를 번갈아서 폐색하여, 배기 가스가 부직포(106)를 통과하는 구조를 형성한다. 도 4를 참조하여, 밀봉판(112)에 의해 배기 가스가 부직포(106)를 통과하는 구조가 형성되는 모양을 설명한다.
도 4는 미립자 필터(100)의 단면 구조를 개념적으로 도시하는 설명도이다. 또한, 도 4에서는 파형판(108)은 표시를 생략하고 있다. 도시하는 바와 같이, 밀봉판(112)은 소정 간격으로 유지되고 인접하는 부직포(106)의 사이에 형성되는 통로를 번갈아서 폐색한다. 이 때문에, 도 4에 화살표로 도시한 바와 같이, 도면의 좌측으로부터 배기 가스가 흘러오면, 밀봉판(112)으로 막히지 않는 통로에 일단은 유입되지만, 통로의 출구측은 밀봉판(112)으로 막힐 수 있다. 그래서 배기 가스는 도면 중에 굵은 화살표로 도시하는 바와 같이, 통로 측면을 구성하는 부직포(106)를 통하여, 출구측이 막혀 있지 않는 통로로 빠져 간다. 이렇게 해서 배기 가스가 부직포(106)를 빠질 때, 배기 가스 중에 포함되어 있는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이 부직포(106)에 의해서 포집된다.
부직포(106)는 철 계통의 내열 합금제의 금속 부직포를 사용하여 형성되어 있다. 본 실시예의 미립자 필터(10O)에서는 부직포(106)로서, 소정 범위의 제원을 갖는 금속제 부직포를 사용하고 있고, 이 때문에, 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을, 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산한 상태에서 포집할 수 있다. 부직포 제원에 의한 영향에 대해서는 나중에 상세하게 설명하지만, 여기서는 하나의 예로서, 부직포(106)의 제원을 도 5에 도시해 둔다. 물론, 도 5에 도시하는 부직포의 제원은 어디까지나 예시이며, 부직포의 제원은 도면 중에 예시된 값에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예에서는 Fe-Cr-Al 합금제의 금속 부직포를 사용하고 있지만, Ni계 합금 등의 공지된 다른 내열성의 금속 부직포나, 혹은 탄화규소 섬유 등의 세라믹 섬유의 부직포를 사용하여도 상관없다.
도 5에 예시하는 바와 같은 소정 제원의 부직포를 사용함으로써, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을 분산하여 포집할 수 있는 메카니즘에 대해서는 명확하게 해명된 것은 아니다. 그러나, 후술하는 추정 메카니즘에 의하면, 금속제의 부직포에 한정하지 않고, 예를 들면 코디어라이트(cordierite)제의 허니콤(honeycomb) 필터와 같은 세라믹스 필터 등을 사용하더라도, 동등한 제원을 갖는 필터라면, 본 실시예와 동등한 결과를 얻을 수 있다고 생각된다.
또한, 상술한 본 실시예의 엘리먼트(104)는 이 엘리먼트(104)의 양단에 밀봉판(112)을 용접하여 형성되어 있는 것으로서 설명하였지만, 이하에 설명하는 바와 같이, 밀봉판(112)을 사용하지 않는 구조로 하여도 좋다.
도 6은 밀봉판을 사용하지 않는 구조의 엘리먼트를 구비하는 미립자 필터(100)의 단면도이다. 도 6에서는 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해서, 파형판(108)의 표시는 생략하고 있다. 상술한 도 4에서는 부직포(106)의 양단에 서로 다른 밀봉판(112)을 용접하였지만, 밀봉판을 용접하는 대신에, 도 6에 도시하는 바와 같이, 부직포끼리를 단부(113)에서 서로 용접하여도 좋다. 이렇게 하면 밀봉판(112)을 생략할 수 있기 때문에, 미립자 필터(100)를 보다 간편하게 제조할 수 있다.
A-3. 미립자 필터의 설치 구조:
도 7은 미립자 필터(100)를 디젤 엔진(10)에 설치하기 위한 구조를 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 연소실의 상부를 구성하는 실린더 헤드(32)와 배기 매니폴드(16) 사이에 필터 홀더(40)를 설치하고, 필터 홀더(40) 내에, 각 연소실마다 미립자 필터(100)를 삽입하여 설치한다. 필터 홀더(40)는 실린더 헤드(32)에 볼트로 체결되어 있다. 필터 홀더(40)에 미립자 필터(100)를 삽입한 후 배기 매니폴드(16)를 볼트로 체결하면, 플랜지부가 필터 홀더(40)와 배기 매니폴드(16) 사이에 끼워지도록 하여, 미립자 필터(100)가 고정된다.
도 8은 미립자 필터(100)가, 필터 홀더(40)를 개재하여 디젤 엔진(10)에 설치되어 있는 모양을 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 필터 홀더(40)의 내경은 미립자 필터(100)보다도 약간 크게 되어 있기 때문에, 미립자 필터(100)를 장착하면, 미립자 필터(100)의 외주부와 필터 홀더(40)의 내주부 사이에 갭(124)이 형성된다. 또한, 미립자 필터(100)의 플랜지부 양면은 유리섬유 등으로 형성된 단열 부재(120, 122)를 개재하여 필터 홀더(40) 및 배기 매니폴드(16)에 의해서 끼워져 있다.
이렇게 하여, 미립자 필터(100)를 디젤 엔진(10)에 설치하면, 배기 가스의 유동 에너지를 효율 좋게 열로 변환하여 필터 온도를 상승시키는 것이 가능해진다. 즉, 이러한 구조에 의하면, 미립자 필터(100)는 연소실에 근접하여 설치할 수 있기 때문에, 디젤 엔진(10)의 배기 밸브를 여는 동시에 연소실 내에서 단숨에 분출하는 배기 가스는 유속이 감소하지 않으며, 게다가, 주위로부터 냉각되지 않고서 미립자 필터(100)에 유입된다. 도 28을 사용하여 설명한 바와 같이, 배기 가스 온도에 대한 필터 온도의 상승량은 유입되는 배기 가스의 온도가 높아질수록 커지고, 또한, 유속이 커질수록 필터에서의 압력 상승이 커져, 그만큼 필터 온도의 상승량도 커진다(상술한 수학식 4 참조).
또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(100)의 외주면과 필터 홀더(40) 내주면의 사이에는 갭(124)이 형성되어 있고, 또한, 플랜지부는 단열 부재(120, 122)를 개재하여 설치되어 있기 때문에, 미립자 필터(100)에서 발생한 열이 필터 홀더(40)나 배기 매니폴드(16)에 전해지기 어려운 구조로 되어 있다. 이 때문에, 필터 내에서 발생한 열을, 필터 홀더(40)나 배기 매니폴드(16)에 전달하지 않고서 미립자 필터(100) 내에 보유해 두는 것이 가능하고, 따라서, 배기 가스의 동압을 효율 좋게 필터 온도로 변환하는 것이 가능해지고 있다.
또한, 미립자 필터(100)의 외주면과 필터 홀더(40)의 내주면 사이에 형성된 갭(124)의 두께는 1mm 이하의 값으로 설정해 두는 것이 바람직하다. 이것은 갭의 두께를 충분히 작게, 즉 1mm 이하의 값으로 설정하면, 갭 내부에서의 배기 가스의 유동을 억제할 수 있기 때문이다. 갭(124)의 내부에서 배기 가스가 유동하면, 미립자 필터(100)의 측면으로부터 배기 가스가 열을 빼앗아 필터 홀더(40)에 전달함으로써, 약간이지만 필터로부터 필터 홀더를 향하여 열이 도망쳐 버린다. 갭(124)의 두께를 1mm 이하로 해 두면, 이러한 약간의 열이 도망치는 것도 억제할 수 있다.
B. 실험 결과:
이하, 상술한 미립자 필터(100)를 디젤 엔진(10)에 적용하여 얻어진 실험 결과에 대해서 설명한다.
B-1. 엔진대에서의 시험 결과:
도 9는 4기통의 디젤 엔진에 본 실시예의 미립자 필터(100)를 세트하여, 엔진 실험대에서 정상 운전하였을 때의, 필터 전후 차압, 및 필터에 유입되는 배기 가스 온도, 필터 출구측의 필터 온도의 변화를 측정한 실험 결과이다. 도 9의 횡축은 엔진의 운전 시간이다. 배기량 4.3L의 4기통 디젤 엔진을, 엔진 회전 속도가 매분 1630 회전, 발생 토크가 95Nm의 조건으로 정상 운전하고 있다. 더욱이, 배기 가스 온도는 필터로부터의 복사의 영향을 피하면서, 필터의 상류 약 50mm 부근에서 계측하였다.
도 9의 상단에 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(100)에 유입되는 배기 가스 온도는 거의 380℃로 일정하지만, 필터 온도는 천천히 상승을 계속하고, 계측 개시로부터 약 1.5시간으로 55O℃에 도달하고, 그 후도 상승을 계속하여 575℃에 도달하고 있다. 또한, 필터 온도는 필터에 유입되는 배기 가스 온도보다도 계측 개시 직후에서 약 40℃ 내지 50℃정도 높아지고 있지만, 이것은 상술한 바와 같이 배기 가스의 유동 에너지가 미립자 필터(100)에서 열로 변환되었기 때문이다.
상술한 바와 같이, 배기 가스 중에 포함되는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자는 550℃ 이상의 고온이 되지 않으면 연소하지 않는다고 생각되고 있다. 따라서, 필터에 유입되는 배기 가스 온도 380℃의 조건으로, 필터 온도가 점차로 상승해 가는 것은 매연 등이 아닌 배기 가스 중에 포함되는 탄화 수소계 화합물이 미립자 필터에 포집되고, 배기 가스 중의 산소와 어떠한 발열 반응을 행하고 있는 것으로 생각된다. 이렇게 해서 필터 온도가 550℃에 도달하면, 필터 상에 포집되어 있는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자가 연소를 개시한다.
도 9의 하단에는 필터 전후에서의 차압을 계측한 결과를 도시하고 있다. 필터 전후의 차압은 계측 개시 직후에는 증가하고 있지만, 그 후는 전체로서 거의 같은 값으로 유지되고 있다. 또한, 주의 깊게 보면, 계측 개시로부터 조금씩 차압이 증대하여, 필터 온도가 최고 온도에 도달한 시점에서, 차압이 감소하는 경향이 보인다.
도 10은 도 9와 동일한 운전 조건으로 엔진의 운전을 계속하면서, 필터 전후의 차압을 계측한 결과를 도시한 것이다. 필터 전후의 차압은 다소의 변동은 보이지만, 엔진의 운전을 계속하더라도 차압이 증대하는 경향은 없다. 일반적으로는 배기 가스와 함께 배출되는 탄소 함유 부유 미립자를 필터로 포집하면서 디젤 엔진의 운전을 계속하면, 포집한 미립자를 어떠한 방법으로 처리하지 않는 한, 필터가 막혀서 차압이 증대할 것이다. 그런데 상술한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터를 장착한 경우에는 필터 전후의 차압이 증대하는 경향이 보이지 않기 때문에, 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 380℃임에도 불구하고, 포집한 탄소 함유 부유 미립자 등이 필터 상에서 연소하고 있는 것으로 생각된다. 또한, 계측을 개시하고 나서 18시간 경과 후에 엔진의 부하를 증대시킨 바, 도면 중의 화살표로 도시하는 바와 같이 필터 전후의 차압이 감소하였다. 이것은 부하를 증대시킴으로써, 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 상승하여, 필터에 포집된 탄소 함유 부유 미립자의 연소가 촉진되었다고 생각된다.
도 11은 디젤 엔진 운전 중에, 배기 통로 내의 압력 변동을 계측한 결과의 하나의 예를 도시하는 설명도이다. 디젤 엔진에서는 배기 밸브가 열린 순간에, 연소실 내의 고압의 배기 가스가 배기 밸브로부터 분출하여, 배기관 내를 압력파로 되어 진행한다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(100)의 상류에서는 배기 밸브가 열린 순간에 큰 압력 변동이 생기고 있지만, 미립자 필터(100)의 하류에서는 압력파가 급격히 감쇠(減衰)하고 있다. 이 사실로부터, 배기 밸브가 열리는 동시에 배기관 내에 분출한 배기 가스의 흐름이, 본 실시예의 미립자 필터(100)를 빠져나갈 때에 감쇠하여 열로 변환되고 있는 것으로 생각된다.
이상, 도 9 내지 도 11을 사용하여 설명한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)를 사용하면, 디젤 엔진의 배기 가스 중에 포함되는 탄소 함유 부유 미립자를 포집하여, 포집한 미립자를, 특별한 제어를 하지 않고서 연소시키는 것이 가능하다. 이러한 것이 가능해지는 추정 메카니즘에 대해서는 후술한다.
B-2. 실제 차량에 의한 시험 결과:
다음에, 본 실시예의 미립자 필터(100)를, 차량에 탑재된 디젤 엔진에 적용하여 얻어진 시험 결과에 대해서 설명한다. 시험은 가속과 감속을 반복하는 소정의 주행 패턴으로 차량을 주행시키면서, 미립자 필터(100)에 유입되는 배기 가스 온도, 필터 온도, 및 필터 전후의 차압을 계측하였다. 차량의 주행 패턴은 도 12에 도시하는 바와 같은 「10LAP 패턴」이라고 불리는 주행 패턴과, 「11LAP 패턴」이라고 불리는 주행 패턴의, 2개의 주행 패턴을 주로 사용하였다.
10LAP 패턴은 도시되어 있는 바와 같이, 차량 정지 상태로부터 시속 60km까지 가속한 후, 시속 6Okm로부터 감속하여 정지하는 패턴을 1산(山)으로 하고, 10산을 반복하여 주행하는 패턴이다. 11LAP 패턴은 10LAP 패턴의 맨마지막에 11산째로서, 차량정지 상태로부터 시속 100km까지 가속한 후, 시속 100km로부터 감속하여 정지하는 패턴의 산을 추가한 패턴이다.
(1) 10LAP 주행 중의 계측 결과:
도 13은 10LAP 패턴을 반복하면서 주행하였을 때에, 미립자 필터(100)에 유입되는 배기 가스 온도, 필터 온도, 및 필터 전후의 차압을 계측한 결과를 도시하는 설명도이다.
도시되어 있는 바와 같이, 주행 중에 필터에 유입되는 배기 가스 온도는 370℃ 내지 400℃의 범위에서 변동하고 있다. 이것에 대하여 필터 온도는 계측 개시 직후는 400℃이지만, 520℃ 부근까지 점차로 상승하여 간다. 계측 개시 직후로부터, 필터 온도가 필터에 유입되는 배기 가스 온도보다 30℃ 정도 높은 값을 나타내는 것은 상술한 바와 같이, 필터에서 배기 가스의 유동 에너지가 열로 변환되고 있기 때문이다. 또한, 미립자 필터(100)를, 상술한 바와 같이 단열 구조로 하고 있기 때문에, 필터 온도가 빠르게 상승하고 있다.
계측 개시 후, 약 140km 주행한 시점에서 필터 온도가 급격하게 상승하여, 순간적으로 650℃에 도달한 후, 빠르게 470℃ 부근까지 저하한다. 이와 같이 필터 온도가 급격하게 상승하는 것은 미립자 필터에 포집되어 있는 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화수소계 화합물이 격렬하게 연소하였기 때문이며, 그 후, 빠르게 필터 온도가 저하하는 것은 연소하는 미립자 등이 없어졌기 때문이라고 생각된다. 포집한 미립자 등이 연소하는 것과 대응하여, 필터 전후의 차압도 급격하게 저하하고 있다.
필터에 포집한 탄소 함유 부유 미립자 등을 연소하여, 필터 온도가 470℃까지 저하한 후도, 주행 계속과 함께 필터 온도가 점차로 상승하여 간다. 그리고 520℃ 부근에 도달한 후, 390km 주행 시점에서, 필터 온도는 다시 스파이크형으로 상승하여 순간적으로 600℃에 도달하고, 그 후, 490℃까지 빠르게 저하한다. 140km 주행 시점의 경우와 마찬가지로, 이 때에도 미립자 필터에 포집된 탄소 함유 부유 미립자 등이 격렬하게 연소하고 있는 것으로 생각된다.
더욱이, 도 13에 도시하는 바와 같이, 390km 주행 시점에서 필터 온도가 스파이크형으로 상승하고 다시 490℃로 저하한 직후에, 필터 전후의 차압이나, 필터에 유입되는 배기 가스 온도, 필터 온도가 변동하고 있는 것은 차량의 점검을 위해, 차속을 시속 30km로 떨어뜨려 5분간 주행하고 있기 때문이다. 차속을 시속 30km로 감속하면 필터 온도가 42O℃ 부근까지 저하하고 있다. 후술하는 바와 같이, 차속이 시속 30km의 경우라도, 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물의 반응을 유지할 수 있다.
이상, 도 13에 도시한 바와 같이, 10LAP 패턴으로 주행 중은 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물의 포집과 연소가, 필터 상에서 반복하고 있다고 생각된다. 이에 대응하여, 필터 전후의 차압은 다소 변동하지만 거의 안정하고 있어, 주행을 계속하더라도 필터가 막히는 징후는 보이지 않는다.
(2) 11LAP 주행 중의 계측 결과:
도 14는 11LAP 패턴을 반복하면서 주행하였을 때의, 미립자 필터(100)의 필터 온도, 및 필터 전후의 차압을 계측한 결과를 도시한 설명도이다.
도 12를 사용하여 상술한 바와 같이, 11LAP이라고 불리는 주행 패턴은 10LAP이라고 불리는 패턴으로, 차량 정지 상태로부터 시속 100km까지의 가속을 포함하는 11산째의 주행 패턴을 추가한 것이다. 11산째의 가속 시에, 필터 온도는 일시 60O℃에 도달하기 때문에, 필터에 포집되어 있는 탄소 함유 부유 미립자 등은 이 때에 연소한다고 생각된다. 즉, 11LAP 패턴으로 주행한 경우에는 주행 중에 포집한 미립자 등을, 11산째의 가속으로 정기적으로 연소시키면서 주행하게 된다. 이것에 착안하여, 11산째의 가속 전과 가속 후에, 필터 온도나 필터 차압이 차량 주행과 동시에 어떻게 변화하는지를 계측하였다. 또한, 「11산째의 가속전」의 계측치로서는 구체적으로는 10산째의 가속 시의 타이밍에서의 계측치를, 「11산째의 가속 후」로서는 1산째의 가속 시의 타이밍에서의 계측치를 각각 나타내고 있다.
도 14에는 11LAP의 11산째의 가속전과 가속 후에, 필터 온도 및 필터 전후의 차압이 어떻게 변화할지가 도시되어 있다. 도면 중에, 흑색 동그라미 「●」로 도시되어 있는 것이 11산째의 가속전(구체적으로는 10산째의 가속 시)의 계측 결과이고, 백색 동그라미 「○」로 도시되어 있는 것이 11산째의 가속 후(구체적으로는 1산째의 가속시)의 계측 결과이다. 또한, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스 온도는 400℃에서 거의 일정하다. 이하에서는 설명이 복잡해지는 것을 피하기 위해서, 11산째의 가속전의 것을 「100킬로 가속전」이라고 약칭하고, 11산째의 가속 후의 것을 「100킬로 가속 후」라고 약칭하기로 한다.
도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 11LAP 주행 중의 필터 온도 및 필터 전후차압은 대략적으로는 다음과 같이 추이함을 알 수 있다. 즉, 10O 킬로 가속 후의 차압(○로 표시)은 낮은 상태로 유지되고 있지만, 시속 60km까지의 저속의 산을 10산만큼, 주행한 후의 100킬로 가속전의 차압(●로 표시)은 점차로 커진다. 이것은 100킬로 가속 시에 필터 온도가 600℃에 도달하고, 포집한 매연 등이 연소하여 버리기 때문에, 100 킬로 가속 후의 필터 온도 및 필터 차압이 저하하는 것으로 생각된다.
또한, 10O 킬로 가속전의 필터 온도(●로 표시)에 착안하면, 주행 개시 후 2000km까지의 기간은 약 460℃이지만, 주행 거리 2OO0km로부터 3000km까지의 기간에 점차로 높아져서, 주행 거리 3000km 이후에서는 50O℃을 조금 넘는 온도로 거의 안정하고 있다. 이 사실로부터, 주행 거리에 따라서, 2000km까지의 기간과, 2000km로부터 3000km까지의 과도적인 기간과, 3000km 이후의 3개의 기간으로 나누어 생각할 수 있다. 필터 온도가 낮은 기간인 주행 개시 후 200Okm까지의 기간은 저속의 10산을 주행 중은 탄화 수소계 화합물이 반응하여, 고속의 11산째를 주행할 때에 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자가 연소하고 있는 것으로 생각된다. 이것에 대하여, 주행거리 30O0km 이후에서는 저속의 10산을 주행 중에도 단속적으로 필터 온도가 550℃에 도달하고, 포집한 탄소 함유 부유 미립자의 연소가 일어나고 있는 것으로 예상된다.
더욱이, 100 킬로 가속 전후의 필터 온도차에 착안하면, 주행 거리 3000km 이후에서는 저속의 10산 주행 중에도 매연 등이 일부 연소하는 것과 대응하여, 주행 개시 후 2000km까지의 기간은 약 20℃이었던 필터 온도차가, 주행 거리 3000km 이후에서는 약 50℃로 증가하고 있다.
(3) 극저속 주행 중의 계측 결과:
도 13을 사용하여 상술한 바와 같이, 10LAP 주행 중에 차속을 시속 30km로 저하시키면, 필터 온도도 급격하게 저하하였다. 그러나, 이것은 저속 주행 시에는 포집한 탄소 함유 부유 미립자가 연소할 수 없는 것을 의미하는 것은 아니며, 시속 30km 주행이더라도, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시킬 수 있다. 도 15는 차량이 정지 상태로부터 시속30km까지의 가속과 감속을 반복하는 극저속의 주행 패턴으로 주행 중의 필터 온도를 계측한 결과를 도시하는 설명도이다. 필터에 유입되는 배기 가스 온도는 약 300℃이다. 도시한 바와 같이, 극저속 주행 시에도, 필터 온도는 점차로 상승해 가고, 160km 정도 주행하면 500℃에 도달한다. 필터 온도는 그 후 변동을 반복하지만, 필터 차압은 안정하고 있어, 막힘을 일으킬 징후는 보이지 않는다.
(4) 비교예의 계측 결과:
도 16은 참고를 위해, 내열 금속제의 부직포의 미세 구멍 직경 분포가 소정범위보다도 작은 미립자 필터를 장착하여, 차량 주행 중의 필터 온도, 및 필터 전후 차압의 추이를 계측한 결과를 도시하는 설명도이다. 주행 패턴은 10LAP 패턴이다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 내열 금속제 부직포의 미세 구멍 직경 분포가 적절하지 않는 경우에는 80km 주행 시점에서 필터 전후의 차압이 100kPa를 넘어, 미립자 필터가 파손되어 버린다. 또한, 필터가 막혀서 배압이 상승하기 때문에 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 상승하고 있지만, 본 실시예의 미립자 필터를 사용한 경우와 같이, 필터 온도와 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 점차로 차이가 벌어지는 현상은 생기지 않는다. 이 사실로부터, 내열 금속제 부직포의 미세 구멍 직경 분포가 지나치게 작으면, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자 등에 의해서 필터가 막혀버려, 포집한 탄화 수소계 화합물에 배기 가스 중의 산소를 충분히 공급할 수 없으며, 탄화 수소계 화합물과 산소의 발열 반응이 생기지 않는 것으로 생각된다. 이것에 대하여, 본 실시예의 미립자 필터와 같이, 적절한 제원의 부직포를 사용하면, 포집한 탄소 함유 부유 미립자와 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소를 충분히 공급하여, 비교적 저온의 배기 가스 중에서도 탄화 수소계 화합물과 산소의 발열 반응을 유지할 수 있다. 이러한 반응을 유지함으로써, 반응열이나 반응에 의해서 생긴 활성종이 축적되고, 결국에는 포집한 탄소 함유 부유 미립자가 연소하여, 자연 재생 기능이 발현하는 것으로 생각된다.
B-3. 자연 재생 기능의 추정 메카니즘:
본 실시예의 미립자 필터(100)에서 발생하고 있는 현상, 즉 필터에 포집된 탄소 함유 부유 미립자가, 가연 온도보다도 낮은 배기 가스 중에서 연소하는 현상은 반드시 모든 메카니즘이 해명되고 있는 것은 아니지만, 현시점에서 추정되는 자연 재생 기능의 메카니즘에 대해서, 이하에 설명한다.
디젤 엔진의 배기 가스 중에는 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이, 도 17에 도시하는 바와 같은 비율로 포함되어 있는 것으로 알고 있다. 즉, 대략적으로 말하면, 탄소 함유 부유 미립자와, 연료에 기인하는 탄화 수소계 화합물과, 윤활유에 기인하는 탄화 수소계 화합물이 각각 거의 같은 비율로 포함되어 있다. 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자는 상술한 바와 같이 산소를 포함한 배기 가스 분위기에서 550℃ 이상으로 되지 않으면 연소하지 않는다고 되어 있다. 이것에 대하여, 연료나 윤활유에 기인하는 탄화 수소계 화합물은 산소만 공급되면, 550℃보다 낮은 온도라도 산화 반응이 일어날 수 있다고 예상된다.
또한, 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스 중에서, 내열 금속제의 부직포에 포집된 탄소 함유 부유 미립자가 연소하기 시작하는 현상은 부직포의 미세 구멍 직경이 부적절하거나, 혹은 통상 사용되고 있는 세라믹제의 허니콤 필터 등을 사용하였다면 발현하지 않는다. 상술한 바와 같이, 소정 범위의 제원을 갖는 부직포를 사용함으로써, 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하도록 분산된 상태로 포집한 경우에 발현하고 있다. 본 실시예의 부직포가, 탄소 함유 부유 미립자 등을 분산한 상태로 포집하는 추정 메카니즘에 대해서는 후술한다.
이것에 더하여, 부직포의 온도는 다음과 같이 변화한다. 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 낮은 온도에서, 어느 정도의 기간에 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을 포집하고 있으면, 곧 부직포의 온도가 천천히 상승해가고, 최종적으로는 탄소 함유 부유 미립자의 연소 가능 온도인 550℃에 도달한다.
이러한 사실로부터, 미립자 필터(100)의 자연 재생 기능이 발현할 때는 부직포 상에서는 다음과 같은 현상이 일어나고 있는 것으로 추정된다. 우선, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이, 부직포에 분산한 상태에서 포집된다. 필터에 유입되는 배기 가스 온도는 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다 낮기 때문에, 포집된 미립자가 즉시 연소를 개시하는 일은 없지만, 탄화 수소계 화합물은 배기 가스 중의 산소와 어떠한 반응을 개시한다. 필터 온도는 천천히 상승해 가기 때문에, 이 반응은 완만한 발열 반응이라고 생각된다. 이러한 발열 반응이 얼마간 계속되면, 반응열이 축적되거나, 혹은 반응에 의해서 생성한 활성종이 축적되어, 탄소 함유 부유 미립자의 연소가 개시되는 것으로 생각된다.
한편, 소위 코디어라이트제의 허니콤 필터나, 미세 구멍 직경 등의 제원 이 부적절한 부직포를 사용한 경우에는 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을, 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하도록 고분산 상태에서 포집하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 산소의 공급이 부족하여, 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소의 완만한 발열 반응을 유지할 수 없고, 반응열 혹은 반응에 의해서 생성하는 활성종을 축적할 수 없다. 그 결과, 본 실시예의 미립자 필터로 확인되는 자연 재생 기능이 발현하지 않는 것으로 생각된다.
또한, 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 높으면, 그 만큼 필터 온도가 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도에 도달하기 쉽게 되기 때문에, 직감적으로는 포집한 탄소 함유 부유 미립자가 연소하기 쉬워진다고 생각되지만, 실제로는 필터에 유입되는 배기 가스 온도가 지나치게 높아지면, 오히려 자연 재생 기능이 발현하지 않고서 탄소 함유 부유 미립자가 연소하기 어려워지는 경우가 있다. 이것은 배기 가스 온도가 높아지면, 탄화 수소계 화합물과 산소 사이에서 일어나고 있는 반응의 반응 경로가 변해 버려, 반응에 의해서 생기고 있는 활성종을 축적할 수 없게 되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
도 18은 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다 낮은 온도에 있어서, 부직포에 포집된 탄화 수소계 화합물과, 배기 가스 중의 산소와의 사이에서 발생하고 있는 전구적인 반응을 시뮬레이션 계산한 결과를 모식적으로 도시한 설명도이다. 포집되어 있는 탄화 수소계 화합물로서, 부탄(C4H10)을 선택하여, 부탄 분자와 산소와의 화학 반응을 계산 화학이라고 불리는 수법을 사용하여 시뮬레이션 계산하고 있다. 계산 화학이라고 불리는 수법에도 여러 가지 방법이 제안되어 있지만, 여기서는 반실험적인 수법, 즉, 계산이 곤란한 부분은 실험 데이터를 사용하면서, 분자의 전자 궤도를 기술하는 파동 방정식을 푸는 것에 의해, 화학 반응을 추적하는 수법을 사용하였다.
계산 결과에 따르면, 도 18a에 도시하는 바와 같이, 처음에 부탄 분자의 수소원자가 1개 튀어나와 반응이 시작된다. 수소 원자가 튀어나온 후의 부탄 분자에는 홀전자(unpaired electron)가 1개 발생하고, 이 위치에, 배기 가스 중의 산소가 결합한다. 도면중의 작은 흑색 동그라미는 홀전자가 발생하고 있는 장소를 모식적으로 도시한 것이다. 산소는 부탄 분자에 결합할 때에 다른 장소에서 수소 원자를 뽑아 오기 때문에, 수소가 뽑힌 부분에 새로운 홀전자가 발생한다. 이렇게 해서 새로운 홀전자가 발생한 위치에도, 배기 가스 중의 산소가 결합한다. 이와 같이 부탄 분자는 배기 가스 중의 산소와, 천천히 결합하여, 부분적으로 산화된 활성종을 형성해간다. 이 산화 반응은 발열 반응이고, 반응이 진행함에 따라서, 온도가 상승함과 함께 부분적으로 산화된 활성종이 축적된다.
이러한 제 1 단계의 반응이 진행하여, 온도가 상승하거나, 혹은 부분적으로 산화된 활성종이 축적되어 가면, 이윽고 제 2 단계의 반응으로 이행한다. 즉, 도 18(b)에 도시하는 바와 같이, 부탄 분자가 부분적으로 산화된 활성종으로부터, 0H 라디칼이 발생한다. 0H 라디칼은 매우 반응성이 풍부한 라디칼이고, 나머지의 탄화 수소계 화합물이나 탄소 함유 부유 미립자를 급격하게 연소시킨다.
상술한 계산 결과에 따르면, 제 1 단계의 반응으로 부분 산화 상태의 활성종을 충분히 축적해두면, 제 2 단계의 반응에서는 그 만큼 0H 라디칼이 다량으로 발생하여, 나머지의 탄화 수소계 화합물이나 탄소 함유 부유 미립자가 급격하게 연소하게 된다. 또한, 부탄 분자가 아니라, 보다 탄소수가 많은 탄화 수소계 화합물을 사용하면, 1개의 분자에 의해 많은 산소가 결합할 수 있기 때문에, 그 만큼 많은 0H 라디칼을 발생하여, 급격한 연소가 일어나는 것으로 생각된다. 상술한 도 27에 도시하는 제 2 기에서는 배기 가스 중에 포함되는 탄화 수소계 화합물과 산소가, 미립자 필터 상에서, 도 18에 도시하는 바와 같은 반응을 일으키고 있고, 이러한 반응에 의한 열이나 활성종이 충분히 축적되면, 필터 상에 포집되어 있는 탄소 함유 부유 미립자의 연소가 개시되는 것으로 생각된다.
B-4. 포집 모델:
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)는 소정 제원의 부직포를 사용하고 있기 때문에, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을 분산한 상태에서 포집할 수 있다. 이것은 후술하는 메카니즘에 의해서, 매연 등의 미립자를 부직포 내부에 적극적으로 넣으면서 포집하기 위해서라고 생각된다. 이하, 현시점에서 추정되는 포집 메카니즘에 대해서, 간단하게 설명한다.
도 19는 내열 금속제의 부직포 단면의 구조를 개념적으로 도시한 설명도이다. 도면 중의 사선을 그은 둥근 표시는 각각이 부직포 섬유의 단면을 도시하고 있다. 부직포는 무수한 섬유가 복잡하게 얽혀 형성되어 있고, 내부에는 복잡하게 연결되어 통하는 3차원적인 통로가 무수하게 형성되어 있다.
도 19a는 아직 새로운 부직포의 단면 구조를 개념적으로 표시한 것이다. 배기 가스는 상방으로부터 하방으로 향하여 흐르는 것으로 한다. 섬유의 분포에 밀도가 작기 때문에 부직포 표면에는 여러 가지 크기의 개구부가 형성되어 있지만, 작은 개구부라도 배기 가스의 기체 분자에 있어서는 충분히 크기 때문에, 배기 가스는 부직포 전면을 거의 균등하게 통과한다고 생각된다. 도 19a에서는 부직포의 섬유 사이를 통과하는 배기 가스를, 굵은 화살표를 사용하여 모식적으로 표시하고 있다.
배기 가스가 부직포를 통과하면, 배기 가스 중에 포함되는 매연 등의 미립자가 섬유 사이에 포착되고, 점차로 부직포 표면의 개구부가 폐색되어 간다. 이 때문에, 도 19b에 도시하는 바와 같이, 부직포 표면의 작은 개구부는 매연 등의 미립자로 폐색되어 버려, 배기 가스는 폐색되지 않고서 남아 있는 비교적 큰 개구부에 집중한다. 이 결과, 부직포를 통과하는 배기 가스의 흐름은 표면에 폐색되지 않고서 남은 큰 개구부로부터 계속해서 흐름이 집약되어 간다. 도 19b에서는 매연 등의 미립자를 작은 검정 동그라미로 모식적으로 표시하고 있다.
배기 가스가 집중하여 흐르면, 그만큼 유속이 증가하여, 통로 내에 큰 압력구배가 발생한다. 이 현상을, 흐름이 부직포의 섬유와 충돌하여 큰 압력이 발생하고 있다고 생각하여도 좋다. 상술한 바와 같이, 부직포 내부에 형성되어 있는 통로는 복잡하게 연통하고 있기 때문에, 집약되어 흐르는 통로의 압력이 높아지면, 즉시 다른 통로로 분기해간다. 이 때문에, 부직포 전후의 차압은 소정치 이상으로 증가하지 않고서 일정 범위로 유지된다.
도 19c는 주류가 다른 통로에 분기하여 흐르는 모양을 개념적으로 도시하고 있다. 이와 같이, 부직포 내부에서 배기 가스의 흐름이 분기하는 결과, 배기 가스 중에 포함되는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자는 부직포의 내부 전체로 포집되는 것으로 된다. 가령, 부직포 내부의 어떤 장소가 매연으로 폐색되었다고 해도, 통로는 3차원적으로 복잡하게 연통하고 있기 때문에, 즉시 다른 통로로 분기하는 것이 가능하다. 즉, 부직포 내부에서는 어떤 장소가 매연 등에 의해서 폐색하더라도, 통로가 자동적으로 바뀌어 배기 가스가 새로운 통로를 흐르기 때문에, 매연 등이 분산된 상태에서 포집되는 것으로 생각된다.
이상으로 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)를 사용하여, 배기 가스 중에 포함되어 있는 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자를 포집하면, 포집한 매연 등을 자연스럽게 연소시킬 수 있다. 즉, 특별한 제어를 필요로 하지 않기 때문에, 배기 가스 중에 포함되어 있는 탄소 함유 부유 미립자를 간편하게 정화할 수 있다.
또한, 포집한 탄소 함유 부유 미립자는 자연스럽게 연소를 개시하기 때문에, 예를 들면 매연의 포집 상황을 추정하여 연소를 개시시킨다고 하는 곤란한 처리가 불필요하고, 결국은 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 확실하게 정화할 수 있다.
또한, 매연 등의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물이 포집되면, 자연히 연소를 개시하기 때문에, 필터가 막혀서 파손될 우려가 없다.
종래부터 사용되고 있는 내연 기관의 배기관 중에, 본 실시예의 미립자 필터를 장착하는 것만으로 충분하고, 극히 간소하고 신뢰성이 높은 배기 가스 정화 시스템을 구성할 수 있다. 물론, 미립자 필터를 장착하는 것만으로 충분하기 때문에, 시스템을 구성하는 비용도 크게 저감할 수 있다.
B-5. 부직포의 바람직한 제원 범위:
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)에서는 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자나 탄화 수소계 화합물을 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능한 상태에 분산하여 포집한다. 이 때문에, 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온의 배기 가스 중에서, 포집한 미립자를 연소시키는 것이 가능하다. 이것에 대하여, 상술한 바와 같이 미세 구멍 직경의 작은 금속 부직포나, 코디어라이트제의 허니콤 필터를 사용한 경우에는 이러한 현상은 발현하지 않는다. 이 사실로부터, 자연 재생 기능이 발현하기 위해서는 부직포의 제원이 소정 범위 내에 있는 것이 필요하다고 생각된다. 소정 범위를 명확하게 하기 위해서는 더욱 계통적인 확인 실험을 행할 필요가 있지만, 지금까지의 실험 결과에 따르면, 적어도, 부직포 내부에 형성된 미세 구멍의 평균 내경이, 약 5μm 내지 약 25μm의 범위에 있는 것이 바람직하다고 생각된다. 이하, 이 이유에 대하여 설명한다.
도 19를 사용하여 상술한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)에서는 부직포 내부에서 배기 가스의 통로가 자동적으로 바뀜으로써, 탄소 함유 부유 미립자나 탄화수소 직경 화합물을 분산하여 포집하고 있는 것으로 생각된다. 배기 가스의 통로가 바뀌기 위해서는 미세 구멍에 의해서 부직포 표면에 형성된 개구부 중, 작은 개구부는 포집한 탄소 함유 부유 미립자에 의해서 폐색되지만, 폐색되지 않는 큰 개구부도 어느 정도의 비율로 존재하지 않으면 안된다(도 19b, 도 19c 참조할 것). 큰 개구부가 어느 정도의 비율로 존재하지 않으면 안되기 때문에, 부직포의 평균 미세 구멍 직경은 소정치보다 크지 않으면 안된다고 생각된다. 실제로, 평균 미세 구멍 직경이 5μm인 부직포를 사용한 시험에서는 미립자 필터가 금새 막혀 버리기 때문에, 부직포의 평균 미세 구멍 직경은 약 5μm보다 큰 것이 바람직하다고 생각된다. 상술한 도 16에 도시한 실험 결과는 이 사실을 뒷받침하는 것이다.
반대로, 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 너무 큰 경우에도, 부직포 표면의 개구부가 거의 폐색되지 않고, 따라서 부직포 내부에서 배기 가스의 통로가 바뀌는 일은 없다. 이 사실로부터 부직포의 평균 미세 구멍 직경은 소정치보다도 작지 않으면 안된다고 생각된다. 실제로, 평균 미세 구멍 직경이 약 25μm의 필터를 사용하여 행한 시험에서는 본 실시예의 미립자 필터와 같은 자연 재생 기능이 발현하지 않기 때문에, 평균 미세 구멍 직경은 약 25μm보다 작은 것이 바람직하다고 생각된다.
더욱이, 본 명세서 중에서 평균 미세 구멍 직경이란, 소위 와시번(Washburn)의 식에 기초하여 계측된 미세 구멍 직경의 평균치를 사용하고 있다. 와시번(Washburn)의 식이란, 필터에 액체를 침지한 경우, 미세 구멍 직경이 작아질수록 액체의 표면 장력으로 미세 구멍이 폐색되기 쉽기 때문에 필터의 통풍 저항이 증가한다는 현상에 착안하여, 필터의 전후에 가하는 차압과, 액체의 표면 장력과, 필터와 액체의 접촉각과, 필터의 미세 구멍 직경과의 사이에 성립하는 관계를 기술한 식이다. 와시번의 식에 기초하는 계측 방법은 미세 구멍 직경 분포의 계측 방법으로서 널리 사용되고 있기 때문에, 상세한 계측 방법에 대해서는 설명을 생략한다. 여기서는 와시번의 식에 기초하여 계측된 미세 구멍 용적의 누적치가 50%가 되는 미세 구멍 직경을 평균 미세 구멍 직경으로 하고 있다. 물론, 주지의 다른 계측 방법을 사용하여 계측한 경우는 평균 내경의 수치 자체는 변동할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 미립자 필터(100)의 내구성의 관점에서는 부직포의 평균 미세 구멍 직경은 약 11μm 이상이고 또한, 약 13μm 이하로 하는 것이 보다 바람직한 것으로 알고 있다. 이하에서는 그 이유에 대하여 설명한다.
미립자 필터(100)의 열화는 필터 상에 애시(ash)라고 불리는 미립자가 퇴적함으로써 생긴다고 생각된다. 여기서, 애시란, 엔진 오일의 첨가제에 포함되는 Ca, Mg, Zn 등의 금속 성분이 연료 중의 유황분과 화합하여 황산염이 되고, 소위 재로서 석출한 것이다. 금속 황산염은 열적으로 매우 안정된 화합물이므로, 필터 상에 일단 애시가 퇴적하면, 탄소 함유 부유 미립자와는 달리 연소시킬 수 없고, 미립자 필터(100)를 막아버린다. 그래서, 애시에 대한 내구성을 평가하기 위해서, 의도적으로 애시의 발생량을 늘린 디젤 엔진을 사용하여, 평균 미세 구멍 직경이 다른 각종 미립자 필터의 내구 시험을 행하였다. 구체적으로는 엔진 오일의 소비량을 통상의 5배 정도로 많게 한 엔진을 사용하여, 전부하 조건으로 20시간의 내구 시험을 행한 후, 자연히 재생 기능의 유무를 평가하였다.
도 20은 얻어진 결과를 정리한 것이다. 미립자 필터는 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 10μm, 12μm, 14μm의 3종류의 필터를 평가하고 있다. 어느쪽의 미립자 필터도, 필터가 신품일 때에는 자연 재생 기능을 갖고 있다. 도 20 중의 「◎」는 양호한 자연 재생 기능을 확인할 수 있었음을 뜻하고 있다. 평균 미세 구멍 직경 12μm의 미립자 필터는 내구 시험후에도 양호한 자연 재생 기능을 갖고 있다. 이것에 대하여 평균 미세 구멍 직경 10μm의 필터, 혹은 평균 미세 구멍 직경 14μm의 필터에서는 내구에 의해서 필터의 막힘 평가 중에 필터가 파손하였기 때문에, 모두 자연 재생 기능의 유무를 확인할 수 없었다.
내구 후의 각 필터의 부직포를 광학 현미경으로 관찰한 바, 평균 미세 구멍 직경 10μm의 부직포에서는 배기 가스가 유출되는 측의 표면(출구측 표면)은 아직 부직포의 섬유를 확인할 수 있지만, 배기 가스가 유입되는 측의 표면(입구측 표면)은 애시에 의해서 막힌 후에 또한 탄소 함유 부유 미립자가 퇴적하고, 부직포의 섬유를 확인하는 것이 곤란하였다. 반대로 평균 미세 구멍 직경 14μm의 부직포는 입구측 표면에서는 막혀져 있지 않지만, 출구측 표면에서는 섬유간에 형성된 개구부가 애시나 탄소 함유 부유 미립자에 의해서 폐색되어 있는 모양이 관찰되었다. 평균 미세 구멍 직경 12μm의 부직포에서는 입구측 표면 및 출구측 표면의 모두, 부직포 섬유의 부분적으로 애시가 부착되어 있는 모양이 관찰되지만, 섬유간의 개구부가 애시에 의해서 폐색되어 있는 모양은 전혀 보이지 않았다.
도 21은 부직포의 평균 미세 구멍 직경에 의해서, 막힘의 방법이 다른 모양을 개념적으로 도시하는 설명도이다. 도면은 미립자 필터(100)의 부직포(106)와 파형판(108)의 사이에 형성된 통로를 따라서, 미립자 필터(100)의 단면을 잡아, 일부의 통로를 확대하여 도시하고 있다. 배기 가스는 지면을 향하여 좌측으로부터 필터에 흘러들어와, 화살표로 도시한 바와 같이 부직포(106)를 통과하여, 오른쪽으로 빠져 간다. 도면 중에서 부직포의 일부를 검게 전부 칠하고 있는 것은 부직포의 표면에 애시나 탄소 함유 부유 미립자가 퇴적하고 있는 것을 모식적으로 도시한 것이다.
도 21a는 평균 미세 구멍 직경이 10μm인 미립자 필터의 경우를 도시하고 있다. 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 10μm인 경우는 부직포의 입구측 표면, 즉 배기 가스가 흘러 들어오는 측의 표면에 애시 및 탄소 함유 부유 미립자가 편재하여 퇴적하고, 부직포의 미세 구멍을 폐색하고 있다. 도 21b는 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 12μm인 미립자 필터의 경우를 도시한다. 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 12μm인 경우는 애시는 부직포 전체에 남김없이 분산하여, 탄소 함유 부유 미립자는 자연 재생 기능에 의해서 연소하기 때문에, 그다지 퇴적하고 있지 않고, 미세 구멍의 폐색은 보이지 않는다. 도 21c는 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 14μm인 미립자 필터의 경우를 도시한다. 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 14μm가 되면, 애시나 탄소 함유 부유 미립자는 입구측 표면에는 그다지 퇴적하지 않지만, 출구측 표면, 즉 부직포를 통과한 배기 가스가 흘러 나가는 측의 표면에 편재하여 퇴적하여, 출구측의 미세 구멍을 폐색하고 있다.
부직포의 평균 미세 구멍 직경이 커지면, 출구측 표면에 애시나 탄소 함유 부유 미립자가 편재하여 퇴적하기 쉽게 되는 이유는 미세 구멍 직경이 큰 몫만큼 부직포 내부에서 배기 가스가 통과하는 유로가 바뀌기 어렵게 되어 있기 때문이라고 생각된다. 즉, 도 19를 사용하여 상술한 바와 같이, 본 실시예의 미립자 필터(100)는 부직포 내부에서 배기 가스의 유로를 바꾸는 것에 의해, 탄소 함유 부유 미립자를 분산한 상태로 포집하고 있다고 생각된다. 부직포의 미세 구멍 직경 이 커지면, 탄소 함유 부유 미립자 있거나 혹은 애시가 입구측 표면에서 포집되는 일이 없다고 해도, 배기 가스의 유로가 바뀌지 않기 때문에, 결과로서 출구측 부근에 편재하여 퇴적하는 것으로 생각된다.
이상으로 설명한 바와 같이, 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 10μm 이하에서는 미립자 필터를 장기간, 사용하고 있는 동안에, 부직포의 입구측 표면에 애시 및 탄소 함유 부유 미립자가 퇴적하여, 필터를 막히게 할 우려가 있다. 또한, 부직포의 평균 미세 구멍 직경이 14μm 이상에서는 장시간, 사용하고 있는 동안에, 부직포의 출구측 표면에 애시 및 탄소 함유 부유 미립자가 퇴적하여, 필터를 막게 할 우려가 있다. 따라서, 미립자 필터의 부직포는 평균 미세 구멍 직경이 약 11μm 이상이고 또한, 약 13μm 이하의 부직포를 사용하는 것이 바람직하다고 생각된다. 별도로 행한 실험에 따르면, 평균 미세 구멍 직경이 12μm±10%의 부직포를 사용하였을 때에 가장 좋은 결과가 얻어지고 있다.
이상, 부직포의 평균 미세 구멍 직경에 착안하여 설명하였지만, 부직포의 미세 구멍 직경을 이러한 범위로 하려고 하면, 부직포의 섬유 직경이 바람직한 범위도 저절로 정해진다. 즉, 미세 구멍 직경을 크게 하면, 그것에 따라 부직포 내의 섬유 밀도도 적어진다. 섬유 밀도가 적어지면 부직포의 강도가 저하하기 때문에, 이것을 보충하기 위해서, 하나 하나의 섬유 직경을 크게 하게 된다. 결국, 부직포 강도를 확보하려고 하면, 미세 구멍 직경이 커지면 섬유 직경도 굵게 되는 경향이 있다. 또한, 부직포의 제법에도 의하지만, 부직포의 제조상의 이유로부터, 미세 구멍 직경이 커질수록 섬유 직경도 커지기 쉬운 것을 경험으로부터 알고 있다. 이러한 이유로부터, 부직포의 평균 미세 구멍 직경을 약 11μm 내지 13μm로 하기 위해서는 섬유 직경을 약 15μm 이상이고 또한, 약 20μm 이하로 해 두는 것이 바람직하다.
C. 변형예:
상술한 배기 가스 정화 장치에는 각종 변형예가 존재한다. 도 22는 미립자 필터(100)의 설치 구조의 각종 변형예를 도시한 설명도이다. 이하에서는 이들 각종 변형예에 대해서 설명한다.
(1) 제 1 변형예:
도 22a는 제 1 변형예의 설치 구조를 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 제 1 변형예에 있어서는 갭(124)의 입구에 상당하는 장소의 필터 홀더(40)의 내주면에 돌기(126)가 설치되어 있다. 이와 같이 필터 홀더(40)의 내주면에 돌기(126)를 설치하면, 배기 가스의 흐름이 돌기(126)에 차단되기 때문에, 갭(124)에 직접 유입되는 일이 없고, 갭(124) 내부에서의 배기 가스의 유동을 억제할 수 있다. 그 결과, 필터 홀더(40)로의 전달열량이 감소하기 때문에, 미립자 필터(100)의 온도를 고온으로 유지할 수 있다.
(2) 제 2 변형예:
도 22b는 제 2 변형예의 설치 구조를 도시하는 설명도이다. 제 2 변형예에 있어서는 도시하는 바와 같이, 필터 홀더(40)의 내주면에 계단이 설치되어 있고, 배기 가스의 흐름이 갭(124)에 직접 유입되지 않게 되어 있다. 이 때문에, 갭 내부에서 배기 가스의 유동이 억제되어 있다.
더욱이, 제 2 변형예에 있어서는 필터 홀더(40) 내주면의 계단이 미립자 필터(100)의 끝면에 근접하여 설치되어 있고, 필터 단면과 계단의 사이에, 도시하는 바와 같이, 스로틀(throttle; 128)이 형성되어 있다. 이러한 스로틀(128)의 기능에 의해서, 배기 가스의 유입이 방해되고, 갭(124) 내부에서의 배기 가스의 유동을 억제할 수 있다. 그 때문에, 필터 홀더(40)로의 전달열량이 감소하게 되고, 미립자 필터(100)의 온도를 고온으로 유지하는 것이 가능하다.
(3) 제 3 변형예:
도 22c는 제 3 변형예의 설치 구조를 도시하는 설명도이다. 제 3 변형예에 있어서는 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(100)의 선단측 외주에, 단열 부재(130)가 설치되어 있고, 미립자 필터(100)를 장착하면, 단열 부재(130)의 배후에 갭(124)이 형성된다. 이러한 제 3 변형예의 설치 구조에 있어서는 단열 부재(130)에 차단되어, 배기 가스가 갭(124)으로 유입되기 어렵게 되어 있기 때문에, 미립자 필터(100)의 온도를 고온으로 유지할 수 있다.
또한, 이러한 제 3 변형예에 있어서는 단열 부재(130)에 의해서 미립자 필터(100)가 가이드되는 결과, 미립자 필터(100)와 필터 홀더(40)의 간격을 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 필터의 장착 작업이 용이하게 된다는 이점도 있다.
더욱이, 이러한 제 3 변형예에 있어서는 미립자 필터(100) 외주의 선단부에만 단열 부재(130)가 설치되어 있는 것으로서 설명하였지만, 외주의 전체 영역에 단열 부재(130)를 설치할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
(4) 제 4 변형예:
본 실시예의 배기 가스 정화 장치에 있어서는 다음과 같은 미립자 필터(100)를 사용하여도 좋다. 도 23은 이러한 제 4 변형예에서 사용되는 미립자 필터(100)의 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 도 23에서는 미립자 필터(100)의 일부 단면을 잡아 표시하고 있다. 제 4 변형예의 미립자 필터(100)는 케이스(102)에 도시하는 바와 같은 가이드부(103)가 설치되어 있다. 이 때문에, 가이드부(103)에 유도되도록 하여 배기 가스가 미립자 필터(100)에 흘러들어 오기 때문에 배기 가스의 동압을 유효하게 이용하여 필터 온도를 효율적으로 상승시키는 것이 가능해진다.
또한, 이러한 제 4 변형예에 있어서는 가이드부(103)는 미립자 필터(100)의 케이스(102)에 설치되어 있고, 필터 홀더(40)는 갭(124)에 의해서 사이를 막고 있다. 이 때문에 배기 가스가, 가이드부(103)에 유도되어 미립자 필터(100)에 흘러 들어 올 때에, 배기 가스의 열 에너지의 일부가 가이드부(103)에 전해졌다고 해도, 이러한 열 에너지는 필터 홀더(40)에 유출하지 않도록 필터의 온도 상승에 쓰인다. 따라서, 그만큼 미립자 필터(100)를 고온으로 유지해 두는 것이 가능해진다.
(5) 제 5 변형예:
도 24는 제 5 변형예의 미립자 필터(100)의 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 도 24에서는 미립자 필터(100)의 일부 단면을 잡아 표시하고 있다. 제 5 변형예의 미립자 필터(100)는 엘리먼트(104)의 선단부가 케이스(102)로부터 밀려 나온 상태에서 수납되어 있다. 이 때문에, 배기 가스의 동압이 필터 선단부에서 온도로 변환되면, 선단부에서는 필터로부터 케이스(102)로 열이 도망치는 일이 없기 때문에, 필터 선단부를 빠르게 승온시키는 것이 가능해진다. 또한 필터 내부에 온도 구배가 발생하는 몫만큼, 필터 선단부를 필터 본체보다도 고온으로 유지하여 두는 것이 가능해진다.
(6) 제 6 변형예:
상술한 각종의 실시예에 있어서는 미립자 필터(100)는 연소실마다 설치되어 있는 것으로서 설명하였지만, 반드시 연소실마다 설치하지 않아도 좋다. 예를 들면, 복수의 연소실로부터의 배기 가스를 일단 집합시켜, 집합 부분에 필터를 설치하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 도 25에 예시하는 바와 같이, 2 내지 3 기통씩의 배기 가스를 집합시켜, 각 집합 부분에 필터를 설치하는 것으로 하여도 좋다. 연소실의 근방은 필터를 탑재하기 위한 스페이스를 확보하는 것은 반드시 용이하지 않지만, 집합 부분이면 스페이스의 확보도 비교적 용이하고, 따라서, 미립자 필터(100)를 보다 큰 것으로 하거나, 혹은 보다 최적의 형상인 것을 탑재하는 것이 가능해져 바람직하다.
(7) 제 7 변형예:
또한, 이상으로 설명한 각종 실시예의 미립자 필터(100)를, 예를 들면, NOx 정화 촉매 등의 촉매와 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 이하에서는 이러한 제 7 변형예에 대해서 설명한다.
도 26은 본 실시예의 미립자 필터(100)와, 소위 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)와 조합하여 구성한 제 7 변형예의 배기 가스 정화 장치를 도시하는 설명도이다. NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(20O)는 배기 가스 중에 산소가 과잉으로 존재하는 조건 하에서는 배기 가스 중의 질소 산화물을 흡장하고, 배기 가스 중의 산소농도가 저하하면, 흡장해 둔 질소 산화물을 배기 가스 중의 탄화수소나 일산화탄소 등을 사용하여 환원한다. 이렇게 해서, 질소 산화물의 흡장과 환원을 반복함으로써, 배기 가스 중의 질소 산화물을 정화할 수 있다.
도 26에 도시하는 배기 가스 정화 시스템에 있어서는 배기 가스 중에 포함되는 탄소 함유 부유 미립자를, NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)의 상류에서 정화하기 때문에, 후류의 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)가 매연 등으로 덮여, 성능이 저하한다는 문제의 발생을 회피할 수 있다.
또한, 이러한 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)는 배기 가스 중의 질소 산화물의 흡장 시, 혹은 흡장한 질소 산화물의 환원 시에 활성 산소를 방출한다. 활성산소는 매우 반응성이 풍부한 산소이고, 탄소 함유 부유 미립자를 용이하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 미립자 필터(100)의 하류측에 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)를 조합해 두면, 예를 들어 탄소 함유 부유 미립자가 미립자 필터(100)를 통과하였다고 해도, 하류측의 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)로 정화할 수 있기 때문에 적합하다.
혹은, 본 실시예의 미립자 필터를, NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(20O)의 후류에 설치함으로써, 배기 가스 중의 질소 산화물이나 매연 등을 효과적으로 정화할 수 있는 경우도 있다. 예를 들면, 매연 등의 배출량은 비교적 적지만, 질소 산화물의 배출량이 많은 경우에는 NOx 흡장 환원형 삼원 촉매(200)를 미립자 필터의 상류측에 설치하면, 질소 산화물의 환원 동작을 개시하는 즉시 탄화수소를 공급하여, 질소 산화물을 민첩하게 정화할 수 있다.
이상, 각종 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 모든 실시예에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 예로 실시할 수 있다.
예를 들면, 이상의 실시예에 있어서는 미립자 필터(100)의 상류측에, 리드 밸브 혹은 전동 펌프 등을 사용하여 공기를 공급하도록 하여도 좋다. 이렇게 하면, 필요에 따라서 배기 가스 중에 산소를 공급함으로써, 포집한 탄화 수소계 화합물과 산소와의 반응을 촉진할 수 있기 때문에 적합하다.
또한, Fe, Cu, Co 등의 적절한 산화 활성을 나타내는 금속 촉매를 부직포에 보유하여도 좋다. 이렇게 하면 저온의 배기 가스 중에서, 포집된 탄화 수소계 화합물과 산소와의 반응을 촉진함으로써, 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 확실히 연소시킬 수 있기 때문에 적합하다.
더욱이, 상술한 각종 실시예에 있어서는 미립자 필터는 필터 홀더(40)를 이용하지 않고서 설치되는 것으로 하였지만, 필터 홀더(40)를 사용하지 않고서, 실린더 헤드의 배기 포트 내에 미립자 필터를 직접 삽입하여 설치하는 것으로 하여도 좋다. 혹은, 배기 매니폴드(16)에 상류측에서 삽입하여 성립시키도록 하여도 상관 없는 것은 물론이다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 배기 가스 정화 장치에 의하면, 배기 가스 온도를 상승시키기 위한 특별한 제어를 행하거나, 혹은 귀중한 귀금속을 사용하지 않고서, 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 간편하게, 더구나 장기에 걸쳐 확실하게 정화할 수 있다. 따라서, 각종 내연 기관의 배기 가스를 정화하는 정화 필터, 이러한 필터를 이용한 배기 가스 정화 장치, 또한, 이러한 배기 가스 정화 장치를 탑재한 내연 기관, 각종 차량, 선박에 적합하게 적용할 수 있다. 물론, 고정배치식의 내연 기관에도 적용 가능하다.

Claims (29)

  1. 내연 기관의 배기 가스 중에 포함되는 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스 정화 필터에 있어서,
    상기 배기 가스 중에 함유되는 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집함으로써, 상기 필터에 유입되는 온도가 해당 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 내열성 여과재를 구비하고, 상기 내열성 여과재는 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소의 반응열을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 여과재이고, 상기 내열성 여과재는 해당 여과재 내부에서 3차원적으로 연통하여, 해당 여과재 표면에서 개방하는 복수의 통로를 내포하고 있으며, 상기 내포하는 통로의 평균 내경이 약 11μm 내지 약 13μm의 어느 하나의 값을 가지며, 상기 내열성 여과재는 내열성 섬유를 이용하여 구성된 부직포인 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 필터.
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  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 상기 배기 가스 중의 산소의 반응열에 더하여, 해당 반응에 의해 생기는 활성종을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을 해당 여과재의 내부에서 포집하는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 상기 내연 기관으로부터 배출되는 상기 배기 가스의 압력 변동을 이용하여, 상기 탄소 함유 부유 미립자 및 상기 탄화 수소계 화합물을 분산하여 포집하는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 상기 내연 기관으로부터 배출되는 상기 배기 가스의 유동 에너지를 열로 변환하여, 자신의 온도를 상승시키는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 상기 배기 가스가 동압으로 압축될 때의 온도 상승에 의해서 승온하는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 여과재가 평균 섬유 직경이 약 15μm 내지 약 20μm의 내열성섬유로 구성된 부직포인 배기 가스 정화 필터.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 내열성 여과재가 두께가 약 0.4mm 내지 약 0.5mm의 부직포인 배기 가스 정화 필터.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 탄소 함유 부유 미립자 및 탄화 수소계 화합물을 포집함에 따라서, 상기 복수의 통로를 흐르는 배기 가스의 유로가 교체되는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 내열성 여과재는 포집에 따르는 압력 손실이, 초기치의 3배 내지 4배로 증가하면, 상기 복수의 통로를 흐르는 배기 가스의 유로가 교체되는 여과재인 배기 가스 정화 필터.
  14. 연소실과, 해당 연소실에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 통로를 구비하는 내연 기관에 적용되고, 해당 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    상기 배기 통로 내에 설치되어 상기 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 포집하는 배기 가스 정화 필터를 구비하고,
    상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 단열부가 설치되어 있고,
    상기 배기 가스 정화 필터는,
    상기 배기 가스 중에 함유되는 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집함으로써, 해당 필터에 유입되는 온도가 해당 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 내열성 여과재를 구비하고, 상기 내열성 여과재는 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소의 반응열을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 여과재이고, 상기 내열성 여과재는 해당 여과재 내부에서 3차원적으로 연통하여, 해당 여과재 표면에서 개방하는 복수의 통로를 내포하고 있으며, 상기 내포하는 통로의 평균 내경이 약 11μm 내지 약 13μm의 어느 하나의 값을 가지며, 상기 내열성 여과재는 내열성 섬유를 이용하여 구성된 부직포인것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 내연 기관은 복수의 상기 연소실과, 각 연소실에서의 배기 가스를 적어도 1개의 통로에 집합시키는 배기 집합관을 구비함과 함께,
    상기 배기 가스 정화 필터가 상기 배기 집합관에 설치되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 단열부는 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로 사이에 형성된 틈인 배기 가스 정화 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 단열부는 일단이 배기 가스의 유로로 개방하고 있음과 함께, 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로와의 간격이 해당 개구부에서 좁아져 있는 틈인 배기 가스 정화 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 단열부는 일단이 배기가스의 유로로 개방하고 있음과 함께, 상기 배기 가스 정화 필터와 상기 배기 통로의 격차가 1mm 이하의 틈인 배기 가스 정화 장치.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 배기 가스 정화 필터가 단열 부재를 개재하여 상기 배기 통로에 설치되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 배기 가스 정화 필터는 상기 내열성 여과재를 수납하는 수납 용기를 구비하고,
    상기 수납 용기에는 상기 연소실에서 배출된 배기 가스를 상기 내열성 여과재로 유도하는 가이드부가 설치되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 배기 가스 정화 필터는 상기 내열성 여과재를 수납하는 수납 용기를 구비하고,
    상기 내열성 여과재는 해당 여과재의 단부가 연소실측으로 돌출한 상태로 상기 용기에 수납되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 내연 기관은 배기 가스의 유동 에너지를 사용하여 터빈를 구동함으로써, 해당 내연 기관의 흡입 공기를 과급하는 과급기를 구비하고 있고,
    상기 배기 가스 정화 필터는 상기 과급기의 터빈측에서의 통로 저항의 1/2 내지 2/3의 통로 저항을 갖는 배기 가스 정화 장치.
  23. 복수의 연소실을 구비함과 함께 각 연소실의 배기 가스를 적어도 1개의 통로에 집합시키고 나서 배출하는 내연 기관에 적용되고, 해당 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 정화하는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    상기 배기 가스 중의 탄소 함유 부유 미립자를 포집하는 배기 가스 정화 필터가 상기 각 연소실에서의 배기 가스가 집합하는 부분에 설치되어 있고,
    상기 배기 가스 정화 필터는,
    상기 배기 가스 중에 함유되는 탄화 수소계 화합물 및 상기 탄소 함유 부유 미립자를, 해당 배기 가스 중의 산소와 접촉 가능하게 분산하여 포집함으로써, 해당 필터에 유입되는 온도가 해당 탄소 함유 부유 미립자의 가연 온도보다도 저온인 배기 가스를 사용하여, 해당 포집한 탄화 수소계 화합물과 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 내열성 여과재를 구비하고, 상기 내열성 여과재는 상기 포집한 탄화 수소계 화합물과 배기 가스 중의 산소의 반응열을 이용하여, 상기 포집한 탄소 함유 부유 미립자를 연소시키는 여과재이고, 상기 내열성 여과재는 해당 여과재 내부에서 3차원적으로 연통하여, 해당 여과재 표면에서 개방하는 복수의 통로를 내포하고 있으며, 상기 내포하는 통로의 평균 내경이 약 11μm 내지 약 13μm의 어느 하나의 값을 가지며, 상기 내열성 여과재는 내열성 섬유를 이용하여 구성된 부직포인것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 내연 기관은 상기 각 연소실로부터 배출되는 배기 가스를, 해당 연소실 2개마다 혹은 3개마다 1개의 통로에 집합시키고 나서 배출하는 내연 기관이고,
    상기 배기 가스 정화 필터는 상기 2개 혹은 3개의 연소실에서의 배기 가스가 집합하는 부분에 각각 설치되어 있는 배기 가스 정화 장치.
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