JP2002070532A

JP2002070532A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2002070532A
Application number: JP2000257648A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Furuta; 孝裕古田; Kazushige Ono; 一茂大野
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】【課題】フィルターに蓄積されるパティキュレートの
量を、フィルター全体で均一にすることができるため、
その再生処理の際に、フィルターにクラック等が発生す
ることがない耐久性に優れる排気ガス浄化装置を提供す
る。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが通過
する導入管と、上記排気ガスを排出する排出管とが接続
されたケーシング内に、排気ガス浄化用のフィルター
が、フィルター保持シール体を介して設置された排気ガ
ス浄化装置であって、上記導入管を経て上記ケーシング
内に流入する上記排気ガスの流線と、上記フィルターの
軸線とが、平行とならないように設定されていることを
特徴とする排気ガス浄化装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン等の内燃機関から排出される排気ガス中のパティキュ
レート等を除去する排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】バス、トラック等の車両や建設機械等の
内燃機関から排出される排気ガス中に含有されるパティ
キュレートが環境や人体に害を及ぼすことが最近問題と
なっている。この排気ガスを多孔質セラミックを通過さ
せることにより、排気ガス中のパティキュレートを捕集
して排気ガスを浄化するセラミックフィルタが種々提案
されている。

【０００３】このようなセラミックフィルタは、通常、
図２に示したハニカムフィルタ２０のように、多孔質セ
ラミック部材３０が複数個結束された構成をしており、
その外周部にフィルター保持シール体４３が巻き付けら
れている。また、この多孔質セラミック部材３０は、図
３に示すように、長手方向に多数の貫通孔３１が並設さ
れ、貫通孔３１同士を隔てる隔壁３３がフィルタとして
機能するようになっている。

【０００４】即ち、多孔質セラミック部材３０に形成さ
れた貫通孔３１は、図３（ｂ）に示すように、排気ガス
の入り口側又は出口側の端部のいずれかが充填材３２に
より目封じされ、一の貫通孔３１に流入した排気ガス
は、必ず貫通孔３１を隔てる隔壁３３を通過した後、他
の貫通孔３１から流出されるようになっている。このよ
うな多孔質セラミック部材３０の中で、例えば、多孔質
炭化珪素部材は、極めて耐熱性に優れ、再生処理等も容
易であるため、種々の大型車両等に使用されている。

【０００５】排気ガス浄化装置では、このような構成の
ハニカムフィルタ２０が内燃機関の排気通路に設置さ
れ、内燃機関より排出された排気ガス中のパティキュレ
ートは、このハニカムフィルタを通過する際に隔壁３３
により捕捉され、排気ガスが浄化される。

【０００６】図４（ａ）は、従来の排気ガス浄化装置を
模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、排気ガスが導
入管内を通過し、ケーシング内に流入する様子を模式的
に示した部分拡大断面図である。図４（ａ）に示した通
り、この排気ガス浄化装置４０では、内燃機関からの排
気ガスが導入される導入管４４がケーシング４１の一端
部に接続されるとともに、他端部には、ハニカムフィル
タ２０を通過した排気ガスを外部に排出する排出管４５
が設けられている。また、ケーシング４１の内部には、
ハニカムフィルタ２０がフィルター保持シール体４３を
介して設置されている。また、これらの導入管４４、ケ
ーシング４１、ハニカムフィルタ２０及び排出管４５
は、その中心軸が同一線上に重なるように設置されてい
る。

【０００７】さらに、図示はしないが、ハニカムフィル
タ２０に対して排気ガス導入側となる部分には、ハニカ
ムフィルタ２０に蓄積したパティキュレートを燃焼させ
るための電気ヒータが設置されるとともに、温度センサ
がハニカムフィルタ２０に接するように設置されていて
おり、燃焼を行う際に、空気等を送り込むための配管が
接続されている。

【０００８】排気ガスは、導入管４４から上記中心軸に
ほぼ平行な状態でケーシング４１の内部に流入し、ハニ
カムフィルタ２０を通過して、パティキュレートが隔壁
３３に捕捉され、排出管４５から排出される。そして、
パティキュレートの蓄積量が多くなり、ハニカムフィル
タ２０の圧損等が大きくなると、パティキュレートを燃
焼除去する再生処理が行われる。

【０００９】しかしながら、このような構成からなる従
来の排気ガス浄化装置４０では、導入管４４内を通過す
る排気ガスは層流に近い状態であり、また、この排気ガ
スには、図４（ｂ）参照に示すように、中心部の流速が
最も速くなるような速度分布が生じていた。なお、図中
の矢印は、排気ガスの流速の違いを示しており、長いも
の程その流速が速いことを示している。

【００１０】従来の排気ガス浄化装置４０では、このよ
うに、排気ガスが速度分布を有する状態でハニカムフィ
ルタ２０を通過するため、速度の早い中心部分にパティ
キュレートが集まりやすく、これに起因して、ハニカム
フィルタ２０の中心部と周辺部とでパティキュレートの
蓄積量に偏りが生じ、中心部付近により多くのパティキ
ュレートが蓄積されていた。

【００１１】このようなパティキュレートの蓄積量が偏
ったハニカムフィルタ２０に再生処理を行うと、パティ
キュレートの燃焼によりハニカムフィルタ２０の中央に
近い部分が周囲に比べて高温となり、この不均一な温度
分布に起因して、ハニカムフィルタ２０に大きな熱応力
が発生し、クラック等が生じやすいという問題があっ
た。

【００１２】また、導入管４４とハニカムフィルタ２０
との間に、邪魔板等の排気ガスの流れを乱す部材を設置
することで、ハニカムフィルタ２０に蓄積されるパティ
キュレートの量を均一にする方法も提案されているが、
この方法では、導入管４４の途中やケーシング４１の内
部に排気ガスの流れを乱す部材を設置する必要があり、
そのために排気ガス浄化装置の構造が複雑になり、メン
テナンスも煩雑になるため、時間的、経済的不利益が大
きかった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの問
題を解決するためになされたもので、フィルターに蓄積
されるパティキュレートの量をフィルター全体で均一に
することができ、その再生処理の際に、温度の不均一性
に起因してフィルターにクラック等が発生することがな
い耐久性に優れる排気ガス浄化装置を提供することを目
的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の排気ガス浄化装
置は、内燃機関から排出された排気ガスが通過する導入
管と、上記排気ガスを排出する排出管とが接続されたケ
ーシング内に、排気ガス浄化用のフィルターが、フィル
ター保持シール体を介して設置された排気ガス浄化装置
であって、上記導入管を経て上記ケーシング内に流入す
る上記排気ガスの流線と、上記フィルターの軸線とが、
平行とならないように設定されていることを特徴とする
ものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の排気ガス浄化装置
の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１（ａ）は、本発明の排気ガス浄化装置
の一例を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、
（ａ）に示した本発明の排気ガス浄化装置の一部を拡大
した部分拡大断面図である。図１（ａ）に示したよう
に、本発明の排気ガス浄化装置１０は、内燃機関から排
出された排気ガスが通過する導入管１４と、上記排気ガ
スを排出する排出管１５とが接続されたケーシング１１
内に、排気ガス浄化用のフィルター１２が、フィルター
保持シール体１３を介して設置されている。

【００１７】また、本発明の排気ガス浄化装置１０は、
導入管１４を経てケーシング１１内に流入する排気ガス
の流線と、フィルター１２の軸線とが、平行とならない
ように設定されている。

【００１８】さらに、図示はしないが、フィルター１２
に対して排気ガス導入側となる部分には、フィルター１
２に蓄積したパティキュレートを燃焼させるための電気
ヒータが設置されるとともに、温度センサがフィルター
１２に接するように設置されていてもよく、燃焼を行う
際に、空気等を送り込むための配管が接続されていても
よい。

【００１９】また、上述した従来の排気ガス浄化装置４
０の場合と同様に、本発明の排気ガス浄化装置１０で
は、導入管１４からケーシング１１の内部に流入した排
気ガスが、フィルター１２を通過し、パティキュレート
がフィルター１２に捕捉され、排出管１５から排出され
る。そして、パティキュレートの蓄積量が多くなり、フ
ィルター１２の圧損等が大きくなると、パティキュレー
トを燃焼除去する再生処理が行われるようになってい
る。

【００２０】上記「排気ガスの流線」とは、排気ガスが
導入管１４からケーシング１１内に流入してくる際の、
排気ガスの流れの方向を意味し、通常、導入管１４の長
手方向の軸線と平行である。また、上記「フィルター１
２の軸線」とは、例えば、フィルター１２が円柱状であ
る場合、フィルター１２の中心線のことを意味し、通
常、フィルタ１２を構成する多孔質セラミック部材３０
の長さ方向（貫通孔）と平行である。

【００２１】このように、排気ガスの流線とフィルター
１２の軸線とが、平行とならないように設定すること
で、排気ガスの進行方向が、導入管１４内とケーシング
１１内とで異なるものとなる。その結果、導入管１４内
をほぼ層流状態で通過してきた排気ガスは、ケーシング
１１内で乱流となり、パティキュレートが周囲に分散し
やすくなるため、排気ガスは、フィルター１２の全体を
均一に通過し、パティキュレートが一部に偏って蓄積す
ることがない。

【００２２】排気ガスの流線とフィルター１２の軸線と
がなす角度θ（図１（ｂ）参照）は、１０〜７０°であ
ることが好ましい。１０°未満であると、排気ガスをケ
ーシング１１内で殆ど乱流にすることがことができず、
フィルター１２に蓄積されるパティキュレートの量に偏
りが生じる。一方、７０°を超えると、ケーシング１１
の内壁に大量のパティキュレートが付着しやすく、ま
た、構造的にも歪んだ構造となり、排気ガスが当たる導
入管１４とケーシング１１の一部の温度が高くなるた
め、導入管１４とケーシング１１とが接続している部分
に大きな応力が集中し、破損しやすくなる。

【００２３】上記角度θは、２０〜４０°であることが
より好ましい。この範囲であると、層流状態で流入した
排気ガスを最もスムーズに乱流に変えつつ、フィルター
１２を流通させることができる。

【００２４】フィルター１２は、多数の貫通孔が長手方
向に並設され、上記貫通孔を隔てる隔壁がフィルターと
して機能するように構成された多孔質セラミック焼結体
からなる排気ガス浄化用のハニカムフィルタであること
が好ましい。充分な耐熱性を有するとともに、耐久性及
びパティキュレートの捕集効率に優れ、また、その再生
処理において、再生時間を比較的短くすることができ、
その再生率も高いからである。なお、上記多孔質セラミ
ック焼結体の具体的構造については、上述した従来技術
の多孔質セラミック部材３０とほぼ同様であるので、こ
こでは、その説明を省略する。その他のフィルターとし
ては、例えば、柱状の多孔質セラミックフィルタ等を挙
げることができる。

【００２５】フィルター１２の形状は特に限定されず、
円柱形状でも角柱形状でも構わないが、通常、図２に示
したように円柱形状のものがよく用いられている。

【００２６】上記ハニカムフィルタの材質は特に限定さ
れず、種々のセラミックを挙げることができるが、これ
らのなかでは、耐熱性が大きく、機械的特性に優れ、か
つ、熱伝導率も大きい炭化珪素が好ましい。

【００２７】フィルター保持シール体１３は、フィルタ
ー１２の外周部に断熱等の目的で巻き付けられており、
従来から用いられていたセラミックファイバー等の断熱
性の高いものを使用することができる。また、その厚さ
は、フィルター１２をケーシング１１内に設置した際、
フィルター１２とケーシング１１の内壁とが形成する空
間を完全に塞ぐことができるように調製される。

【００２８】ケーシング１１の材質としては特に限定さ
れず、例えば、ステンレス等を挙げることができる。ま
た、その形状も特に限定されず、筒状であってもよく、
筒をその軸方向に２分割した２分割シェル状であっても
よい。ケーシング１１の大きさは特に限定されず、フィ
ルター保持シール体１３を介してフィルター１２を設置
することができるように適宜調製される。

【００２９】本発明の排気ガス浄化装置は、上記のよう
に構成されており、導入管内をほぼ層流状態で通過して
きた排気ガスが、ケーシング内に流入すると、その進行
方向が変えられ、乱流となる。その結果、排気ガスは、
フィルターの全体を均一に通過し、一部に偏って通過す
ることがない。即ち、フィルターに蓄積されるパティキ
ュレートの量をフィルター全体で均一にすることがで
き、その再生処理の際、フィルタの全体に温度が上昇
し、熱応力が発生することがないため、クラック等が生
じることのない、耐久性に優れる排気ガス浄化装置とな
る。

【００３０】また、本発明の排気ガス浄化装置において
は、フィルターの圧力損失を測定するための背圧センサ
等を備えるとともに、背圧が所定の値より上昇した際
に、再生処理を行う必要があることを表示する装置等を
備えていてもよい。

【００３１】また、車両に本発明の排気ガス浄化装置を
配設する場合、本発明の排気ガス浄化装置が２台以上並
設されたものであってもよい。この場合には、排気ガス
の配管に２つの排気ガス浄化装置を接続し、切替え弁等
を用いて、どちらか一方を使用し、その間に他の一方を
再生する。

【００３２】さらに、本発明の排気ガス浄化装置中にＮ
ＯｘやＳＯｘ等の有害ガスを除去するための触媒層を付
設し、有害ガスの除去とパティキュレートの除去の両方
を行うことができるようにしてもよい。また、本発明で
は、再生時に、排気ガスを助燃用気体とすることができ
る。また、別に、ポンプを用いて再生処理を行う場合に
は、上記ポンプを用いて空気をフィルター内に送り込む
ことにより、再生処理を行うことができる。

【００３３】本発明の排気ガス浄化装置を組み立てる際
には、図２に示した構造のハニカムフィルタ２０を用意
し、このハニカムフィルタ２０にフィルター保持シール
体１３を巻き付けた後、ケーシング１１内に設置し、こ
のハニカムフィルタ２０を有するケーシング１１を導入
管１４と排出管１５との間に配設するか、または、ケー
シング１１に排出管１５を取り付けた後、導入管１４に
連結すればよい。

【００３４】この際、導入管１４の長手方向の軸線と、
ケーシング１１の長手方向の軸線とがなす角度が１０〜
７０°となるように、両者の角度を設定する。

【００３５】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００３６】実施例１炭化珪素粉末に有機バインダー、水等を加えて混練した
後、押し出し成形を行い、ハニカム形状の生成形体を作
製し、続いて、乾燥、脱脂、焼成を行うことにより、図
３に示すような平均気孔径が５〜２０μｍで、セル数が
３１個／ｃｍ² で、隔壁の厚さが０．３ｍｍの炭化珪素
焼結体からなる多孔質セラミック部材３０を作製した。

【００３７】次に、この多孔質セラミック部材３０を、
セラミックファイバー等の無機繊維や炭化珪素等の無機
粒子等を含む耐熱性の接着剤を用いて多数結束させ、続
いて、ダイヤモンドカッターを用いて切断することによ
り、図２に示したような直径が１６５ｍｍでその長さが
１５０ｍｍのハニカムフィルタ２０を作製した。

【００３８】そして、その外周部に、耐熱性の接着剤と
同様の組成のフィルター保持シール体４３の層を形成し
た。なお、フィルター保持シール体４３の厚さは、１３
ｍｍであった。

【００３９】上記方法により作製したハニカムフィルタ
２０を用いて図１に示したような排気ガス浄化装置１０
を作製した。このとき、図１（ｂ）に示した排気ガスの
流線とフィルター（ハニカムフィルタ２０）の軸線とが
なす角度θは３０°に設定した。

【００４０】次に、この排気ガス浄化装置１０の導入管
１４をエンジンの排気ガス排出口に接続し、上記エンジ
ンを無負荷状態で、最高の回転数にして８時間運転する
パティキュレート捕集試験を行った。

【００４１】その後、ハニカムフィルタ２０を取り出
し、パティキュレートの蓄積状態を観察するとともにパ
ティキュレートの蓄積量を測定したところ、パティキュ
レートは、ハニカムフィルタ２０の全体にほぼ均一に蓄
積されており、その量は６５ｇであった。そして、ハニ
カムフィルタ２０を加熱して、パティキュレートを燃焼
除去する再生処理を行い、ハニカムフィルタ２０の状態
を観察したところ、ハニカムフィルタ２０にクラック等
は発生していなかった。

【００４２】比較例１実施例１と同様にして、ハニカムフィルタを作製した。
次に、作製したハニカムフィルタを用い、図４（ａ）に
示すような、導入管からケーシング内に流入する排気ガ
スの流線とフィルターの軸線とが、平行になるように設
定され排気ガス浄化装置４０を作製し、実施例１と同様
にして、パティキュレートの捕集試験を行った。

【００４３】その結果、パティキュレートは、ハニカム
フィルタの中心付近に偏って蓄積されており、その蓄積
量は、６５ｇであった。また、実施例１と同様にして、
このハニカムフィルタの再生処理を行ったところ、ハニ
カムフィルタの一部にクラックが観察された。

【００４４】実施例１に示した結果より、排気ガス浄化
装置の排気ガスの流線とフィルターの軸線とを平行とな
らないように設定することで、層流状態の排気ガスが、
フィルターを通過する際には乱流となるため、実施例１
に係るフィルターのパティキュレートの蓄積量に偏りが
生じることはなく、均一にパティキュレートを捕集する
ことができる。一方、比較例１に示した結果より、排気
ガス浄化装置の排気ガスの流線とフィルターの軸線とを
一直線に設定することで、排気ガスは、層流状態のまま
フィルターを通過するため、比較例１に係るフィルター
のパティキュレートの蓄積量は中央付近に偏ってしま
う。

【００４５】

【発明の効果】本発明の排気ガス浄化装置は、上述の通
りであり、フィルターに蓄積されるパティキュレートの
量をフィルター全体で均一にすることができるため、そ
の再生処理の際、フィルターにクラック等が発生するこ
とはなく、耐久性に優れたものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の排気ガス浄化装置の一例を
模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、その部分拡大
断面図である。

【図２】排気ガス浄化装置に用いるハニカムフィルタの
一例を模式的に示した斜視図である。

【図３】（ａ）は、図２に示したハニカムフィルタに用
いる多孔質セラミック部材を模式的に示した斜視図であ
り、（ｂ）は、その縦断面図である。

【図４】（ａ）は、従来の排気ガス浄化装置の一例を模
式的に示した断面図であり、（ｂ）は、その部分拡大断
面図である。

【符号の説明】

１０、４０排気ガス浄化装置１１、４１ケーシング１２フィルター１３、４３フィルター保持シール体１４、４４導入管１５、４５排出管２０ハニカムフィルタ３０多孔質セラミック部材３１貫通孔３２充填材３３隔壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3G090 AA02 BA04 CA01 CA03 DA13 EA01 4D019 AA01 BA05 BB06 BC07 BC12 CA01 CB09 4D058 JA32 JB06 KA12 KA18 KC28 MA41 QA01 QA11 QA17 SA08 TA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関から排出された排気ガスが通過
する導入管と、前記排気ガスを排出する排出管とが接続
されたケーシング内に、排気ガス浄化用のフィルター
が、フィルター保持シール体を介して設置された排気ガ
ス浄化装置であって、前記導入管を経て前記ケーシング
内に流入する前記排気ガスの流線と、前記フィルターの
軸線とが、平行とならないように設定されていることを
特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】排気ガスの流線とフィルターの軸線とが
なす角度が、１０〜７０°である請求項１に記載の排気
ガス浄化装置。
【請求項３】排気ガスの流線とフィルターの軸線とが
なす角度が、２０〜４０°である請求項１に記載の排気
ガス浄化装置。
【請求項４】フィルターは、多数の貫通孔が長手方向
に並設され、前記貫通孔を隔てる隔壁がフィルターとし
て機能するように構成された多孔質セラミック焼結体か
らなる排気ガス浄化用のハニカムフィルタである請求項
１〜３のいずれか１に記載の排気ガス浄化装置。