| 【発明の名称】 |
排気ガス浄化装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】古田 孝裕
|
| 【要約】 |
【課題】フィルターに蓄積されたパティキュレートを燃焼除去する再生処理において、上記フィルターの保温効率に優れるため、上記フィルターの再生率に優れる排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスを導入する導入管と、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設置された排気ガス浄化装置であって、上記フィルターの排気ガス流出側に通気性のある熱遮蔽部材が設置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。 |
【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を導入する導入管と、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設置された排気ガス浄化装置であって、前記フィルターの排気ガス流出側に通気性のある熱遮蔽部材が設置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】 熱遮蔽部材は、２０〜６０％の開口率を有する請求項１記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】 熱遮蔽部材は、金属又はセラミックからなる請求項１又は２記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】 熱遮蔽部材は、４００〜７００℃における輻射率が０．５以上である請求項１〜３のいずれか１記載の排気ガス浄化装置。
|
【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３に示したハニカムフィルタ４０のように、多孔質セラミック部材３０が接着剤層４２を介して複数個結束されてセラミックブロック４１を構成をしており、その外周部にシール材４３が形成されている。また、この多孔質セラミック部材３０は、図４に示したように、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がフィルター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４（ｂ）に示したように、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４０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４０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５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る。図５に示した通り、この排気ガス浄化装置５０では、内燃機関からの排気ガスが導入される導入管５４がケーシング５１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４０を通過した排気ガスを外部に排出する排出管５５が設けられている。また、ケーシング５１の内部には、ハニカムフィルタ４０が保持シール体５３を介して設置されている。
【０００７】さらに、ハニカムフィルタ４０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４０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５６が設置されるとともに、温度センサ５７がハニカムフィルタ４０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（図示せず）が接続されている。
【０００８】排気ガスは、導入管５４からケーシング５１の内部に流入し、ハニカムフィルタ４０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５５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４０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】このような従来の排気ガス浄化装置５０を用いたハニカムフィルタ４０の再生処理は、通常、上記配管から空気をケーシング５１内に送り込みながら、上記電気ヒータに通電することでハニカムフィルタ４０の温度をパティキュレートの燃焼温度にまで昇温し、そして、ハニカムフィルタ４０に蓄積されたパティキュレートを燃焼除去することにより行っていた。
【００１０】しかしながら、このような従来の排気ガス浄化装置を用いてフィルターの再生処理を行うと、フィルターを加熱するために加えた熱が、フィルターの排気ガス流出側端面から外部に放射されてしまうため、熱損失が大きく、フィルターの保温効率に劣るものであった。そのため、フィルターに温度分布が発生してしまい、特に、フィルターの周辺部分近傍の温度をパティキュレートの燃焼温度にまで加熱することができず、フィルターの再生率はあまり高いものではなかった。
【００１１】
【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たパティキュレートを燃焼除去する再生処理において、上記フィルターの保温効率に優れるため、上記フィルターの再生率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。
【００１２】
【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を導入する導入管と、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設置された排気ガス浄化装置であって、上記フィルターの排気ガス流出側に通気性のある熱遮蔽部材が設置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【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。
【００１４】図１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る。図１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を導入する導入管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、保持シール体１３を介して設置され、フィルター１２の排気ガス流出側には、熱遮蔽部材２０が設置されている。
【００１５】また、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１２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１６が設置されるとともに、温度センサ１７がフィルター１２に接するように設置されている。図示はしないが、燃焼を行う際に、空気等を送り込むための配管が導入管１４に接続されていてもよい。
【００１６】本発明の排気ガス浄化装置１０では、上述した従来の排気ガス浄化装置５０の場合と同様に、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。
【００１７】熱遮蔽部材２０は、フィルター１２の再生処理の際の加熱に伴って加熱されることで、フィルター１２へ熱を輻射する役割を果たすとともに、フィルター１２から放射された赤外線等の電磁波をフィルター１２側へ反射する役割を果しており、本発明の排気ガス浄化装置は、このような熱遮蔽部材２０の熱の輻射と赤外線等の電磁波の反射とから、フィルター１２の保温効率の向上を図っている。また、熱遮蔽部材２０は通気性を有するものである。ケーシング１１内に流入した排気ガスを外部へ排出する必要があるからである。
【００１８】熱遮蔽部材２０は、２０〜６０％の開口率を有することが望ましい。開口率が２０％未満であると、排気ガスの流出をスムーズに行うことができず、内燃機関の燃料の燃焼効率等の低下を招く。一方、開口率が６０％を超えると、熱の輻射率及び赤外線等の電磁波の反射率が低下し、フィルター１２の保温効率を向上させることができなくなるとともに、その強度が低下し変形しやすくなる。
【００１９】また、熱遮蔽部材２０に形成される開口の直径は、２〜１０ｍｍφであることが望ましい。上記開口の直径が２ｍｍφ未満であると、排気ガスの流通をスムーズに行うことができなくなる場合があるとともに、上記開口率を確保するために非常に多数の開口を設ける必要があり、製造コストが高くなる。一方、上記開口の直径が１０ｍｍφを超えると、熱遮蔽部材２０の強度を確保することが困難になるとともに、熱の輻射及び赤外線等の電磁波の反射量が低下してしまうことがある。
【００２０】また、熱遮蔽部材２０は、金属又はセラミックからなるものが望ましい。熱遮蔽部材２０は、フィルター１２の再生処理時の温度によって変形、破損、分解等することがないように、ある程度の耐熱性を有するとともに、排出される排気ガスによって変形等することがないようにある程度の強度を有している必要があるからである。また、これらの金属又はセラミックからなる熱遮蔽部材２０のフィルター１２側表面は鏡面であってもよく、粗面状であってもよい。上記表面が鏡面である場合、赤外線等の電磁波を良好に反射させることができ、また、上記表面が粗面状である場合、熱遮蔽部材２０の伝熱面積を増加することができ、輻射率を向上させることができる。
【００２１】上記金属としては特に限定されず、例えば、ＳＵＳ、鉄等を挙げることができる。これらの金属のなかではＳＵＳが望ましい。より高い耐熱性と強度とを有するからである。
【００２２】上記セラミックとしては特に限定されず、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素、窒化チタン、炭化チタン等の非酸化物系セラミック、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリカ、ジルコニア、チタニア等の酸化物系セラミックを挙げることができる。これらのセラミックのなかでは、炭化珪素が望ましい。耐熱性及び強度の両方に優れるからである。
【００２３】また、熱遮蔽部材２０は、４００〜７００℃における輻射率が０．５以上であることが望ましい。輻射率が０．５未満であると、熱遮蔽部材２０から放射される熱量が少なく、フィルター１２の再生処理の際、フィルター１２の保温効率を向上させることが困難となる。
【００２４】このような熱遮蔽部材２０の形状としては特に限定されず、通常、フィルター１２の断面形状と同形状に形成され、また、熱遮蔽部材２０は、ケーシング１１内に設置した際、ケーシング１１の内壁と熱遮蔽部材２０の外周部との間に隙間がない大きさに調整されることが望ましい。ケーシング１１の内壁と熱遮蔽部材２０の外周部との間から外部に赤外線等の電磁波が漏れ出すことを防止するためである。
【００２５】また、熱遮蔽部材２０の厚さは、１．０〜５ｍｍであることが望ましい。厚さが１．０ｍｍ未満であると、強度が不充分であるため変形してしまうことがある。一方、厚さが５ｍｍを超えると、充分な強度を有するため、これ以上厚くすると熱を吸収してしまい輻射効果がなくなる。さらには、経済的に不利となり、また、排気ガス浄化装置１０の重量が重くなる。
【００２６】熱遮蔽部材２０は、その主面がフィルター１２の端面と平行になるようにケーシング１１内に設置されることが望ましい。輻射熱及び反射した赤外線等の電磁波を効率よくフィルター１２に伝搬させるためである。
【００２７】また、熱遮蔽部材２０のケーシング１１内での設置位置は、フィルター１２の排気ガス流出側端面から１〜１００ｍｍの位置であることが望ましい。上記設置位置が１ｍｍ未満であると、熱遮蔽部材２０がフィルター１２に接近しすぎるため設置の際にフィルターに破損が生じるおそれがあり、また、排気ガス浄化装置１０の使用中に生じる振動等により、フィルター１２と熱遮蔽部材２０とが接触し、フィルター１２に欠けやクラックが発生する場合がある。また、フィルター１２の貫通孔３１を塞いでしまい、フィルター１２の圧損を高くする可能性がある。一方、上記設置位置が１００ｍｍを超えると、フィルター１２との距離が長すぎるため、熱遮蔽部材２０からの輻射熱及び反射した赤外線等の電磁波をフィルター１２に充分に伝搬させることができず、フィルター１２の保温効率を向上させることができない場合がある。上記設置位置は５〜１０ｍｍであることがより望ましい。
【００２８】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と略同様であるので、ここでは、その説明を省略する。また、その他のフィルターの例としては、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。
【００２９】また、上記多孔質セラミック部材は、平均粒径が２〜１５０μｍのセラミック結晶からなるものであることが望ましく、１０〜７０μｍがより望ましい。上記平均粒径が２μｍ未満であると、多孔質セラミック部材の内部に存在する気孔の気孔径が小さくなりすぎ、直ぐに目詰まりを起こすため、フィルターとして機能することが困難となる。一方、上記平均粒径が１５０μｍを超えると、その内部に存在する気孔の気孔径が大きくなりすぎ、多孔質セラミック部材の強度が低下してしまうおそれがある。また、所定の割合の開放気孔を有し、平均粒径が１５０μｍを超えるようなセラミック結晶を有する多孔質セラミック部材を製造すること自体が余り容易でない。また、このような多孔質セラミック部材の平均気孔径は１〜４０μｍであることが望ましい。
【００３０】また、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３に示したように円柱形状のものがよく用いられている。
【００３１】フィルター１２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。
【００３２】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用いることができる。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整される。
【００３３】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、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整される。
【００３４】以上説明した通り、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、フィルターに再生処理を施した際、該フィルターは、電気ヒータ等により直接加熱されるとともに、熱遮蔽部材からの輻射熱、及び、熱遮蔽部材により反射された赤外線等の電磁波によっても加熱されることとなる。従って、本発明の排気ガス浄化装置は、フィルターの保温効率を向上させることができ、上記フィルターに発生する温度分布を小さく抑えることができ、フィルターの再生率を優れたものとすることができる。
【００３５】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。
【００３６】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。
【００３７】さらに、本発明の排気ガス浄化装置中にＮＯｘやＣＯ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。
【００３８】また、本発明の排気ガス浄化装置は、電気ヒータを用いてフィルターを加熱する方式に代えて、例えば、フィルターに酸化触媒を担持させ、この酸化触媒を担持したフィルターに炭化水素を流入させることで、上記フィルターを発熱させる方式であってもよく、また、フィルターの上流部に酸化触媒を配置し、該酸化触媒の排気ガス流入側に炭化水素を供給することで、上記酸化触媒を発熱させ、上記フィルターを加熱する方式であってもよい。酸化触媒と炭化水素との反応は、発熱反応であるので、この反応時に発生する多量の熱を利用することにより、排気ガスの浄化と並行して、フィルターの再生を行うことができるのである。しかしながら、このような場合であっても、上記本発明の排気ガス浄化装置において説明した通り、フィルターの排気ガス流出側に通気性のある熱遮蔽部材を設置することにより、フィルターの保温効率を向上させることができる。その結果、フィルターに温度分布が発生することを防止することができ、フィルターの再生率を優れたものとすることができる。
【００３９】本発明の排気ガス浄化装置を組み立てる際には、例えば、図３に示した構造のハニカムフィルタ４０を用意し、このハニカムフィルタ４０に保持シール体１３を巻き付けた後、所定箇所に熱遮蔽部材２０を設置したケーシング１１内に設置し、このハニカムフィルタ４０及び熱遮蔽部材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。
【００４０】
【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。
【００４１】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４に示した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。
【００４２】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３に示したような直径が１６５ｍｍでその長さが１５０ｍｍのセラミックブロック４１を作製した。
【００４３】そして、セラミックブロック４１の外周部に、耐熱性の接着剤と同様の組成の保持シール体１３の層を形成することでハニカムフィルタ４０を作製した。なお、保持シール体１３の厚さは、４ｍｍであった。
【００４４】上記方法により作製したハニカムフィルタ４０を用いて、図１に示したようなその内部にハニカムフィルタ４０及び熱遮蔽部材２０を有する排気ガス浄化装置１０を作製した。なお、図示しないが、ハニカムフィルタ４０の排気ガス導入側となる部分には、ハニカムフィルタ４０を加熱するための電気ヒータが設けられるとともに、温度センサがハニカムフィルタ４０の端面に接するように設けられている。
【００４５】ここで、熱遮蔽部材２０の形態は、図２（ａ）に示したような、円板状の基板２１ａに多数の開口２２ａを有するＳＵＳからなる熱遮蔽部材２０ａであり、開口径は８．０ｍｍφ、開口率は４１．９％、開口ピッチは１２ｍｍ、厚さは２ｍｍ、直径は１４３．８ｍｍ、輻射率は４００〜７００℃において０．９であった。このような熱遮蔽部材２０ａを、ケーシング１１内のハニカムフィルタ４０の排気ガス流出側の端面から５ｍｍの位置に設置した。
【００４６】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１５００ｍｉｎ-1、２０Ｎ・ｍにして３時間運転するパティキュレート捕集試験を行った。
【００４７】その後、上記電気ヒータを用いて、ハニカムフィルタ４０を６００℃に加熱することで蓄積されたパティキュレートを燃焼除去する再生処理を４０分間行い、再生時のハニカムフィルタの中心付近と周辺付近の温度差を測定したところ約５０℃であり、その後、ハニカムフィルタ４０の再生率を測定したところ９４．０％であった。
【００４８】実施例２熱遮蔽部材を図２（ｂ）に示したような円板状の基板２１ｂに多数の開口２２ｂを有するＳＵＳからなる熱遮蔽部材２０ｂとしたほかは、実施例１と同様にして排気ガス浄化装置を作製した。
【００４９】ここで、熱遮蔽部材２０ｂの開口径は２．５ｍｍφ、開口率は３５％、開口ピッチは４ｍｍ、厚さは１ｍｍ、直径は１４３．８ｍｍ、輻射率は４００〜７００℃において０．９５であり、ハニカムフィルタの排気ガス流出側端面から１０ｍｍの位置に設置した。
【００５０】このようにして作製した実施例２に係る排気ガス浄化装置を、実施例１と同条件でパティキュレート捕集試験、及び、その後のパティキュレート燃焼除去する再生処理を行い、ハニカムフィルタの中心付近と周辺付近の温度差を測定したところ約４０℃であり、その後、その再生率を測定したところ９６％であった。
【００５１】比較例１熱遮蔽部材２０ａを使用しなかったほかは、実施例１と同様にして排気ガス浄化装置を作製した。
【００５２】このようにして作製した比較例１に係る排気ガス浄化装置を、実施例１と同条件でパティキュレート捕集試験、及び、その後のパティキュレート燃焼除去する再生処理を行い、ハニカムフィルタの中心付近と周辺付近の温度差を測定したところ約１００℃であり、その後、その再生率を測定したところ７８．９％であった。
【００５３】実施例１、２及び比較例１に示した結果から明らかなように、実施例１及び２に係るハニカムフィルタの再生処理において、ハニカムフィルタの中心付近と周辺付近の温度差、及び、ハニカムフィルタの再生率は、いずれも、比較例１に係るハニカムフィルタの中心付近と周辺付近の温度差、及び、再生率より優れたものであった。
【００５４】
【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、フィルターの再生処理において、該フィルターの保温効率を向上させることができるため、上記フィルターに温度分布が発生することを防止することができ、上記フィルターの再生率を高いものとすることができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】００００００１５８
【氏名又は名称】イビデン株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１２年１１月２９日（２０００．１１．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６５８６
【弁理士】
【氏名又は名称】安富 康男 （外２名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００２−１６１７３０（Ｐ２００２−１６１７３０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６３６８９（Ｐ２０００−３６３６８９） |
|