(57)【要約】ディーゼル排気をフィルタリングするための受動的微粒子フィルタ組立体。組立体は、吸気ポートおよび排気ポートを有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットを有する。円筒状内部コア部材がフィルタリングチャンバに配設され、第１および第２の対向端を有するプリーツ円筒状フィルタパックによって囲繞される。エンドキャップが、フィルタパックの第１端に取付けられ、排気流が通過するのを妨げるように構成される。エンドプレートが、フィルタパックの第２端に取付けられ、フィルタパックをハウジングユニットに緊締するように構成される。フィルタパックは、平均約２〜約１５μｍの孔を有する、好ましくはステンレス鋼またはニッケル−クロム−鉄合金から製造される金属繊維織物媒体を有する。
2009522495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートおよび排気ポートを有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットと、
フィルタリングチャンバに配設される円筒状内部コア部材と、
第１および第２の対向端を有し、内部コア部材を囲繞するプリーツを有する円筒状フィルタパックと、
フィルタパックの第１端に取付けられ、排気流がそこを通過するのを妨げるように構成されるエンドキャップと、
フィルタパックの第２端に取付けられ、フィルタパックをハウジングユニットに緊締するように構成されるエンドプレートとを有する受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体であって、
フィルタパックは、金属繊維織物媒体を有することを特徴とする受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体。
【請求項２】
フィルタパックが平均約２〜約１５μｍの孔を有する焼結金属繊維織物を有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項３】
フィルタパックがニッケル−クロム−鉄合金およびステンレス鋼から成る群から選ばれる材料で製造されることを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項４】
フィルタパックが外側層および内側層を備える二重積層織物材料を有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項５】
外側層は外孔を有し、内側層は外孔とは異なる内孔を有することを特徴とする請求項４記載のフィルタ組立体。
【請求項６】
外孔は平均約７〜約１５μｍであり、内孔は平均約２〜約７μｍであることを特徴とする請求項５記載のフィルタ組立体。
【請求項７】
ハウジングユニットが、排気ハウジングに連結される吸気ハウジングを有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項８】
約３％未満の燃料消費で動作するように構成されることを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項９】
１リットルあたり約０．５ｇ〜約４ｇの煤収集能力を有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項１０】
フィルタパックの周囲に配設され、フィルタパックを内部コア部材に緊締するように構成される、少なくとも１つの結合ストラップをさらに有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項１１】
フィルタパックが少なくとも１５０の折り曲げ部を有し、約７ｆｔ２よりも広い表面積を有することを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項１２】
ディーゼル排気が、吸気ポートからフィルタリングチャンバ内へ移動し、円筒状フィルタパックを内方向に通過して内部コア部材の内側へ移動し、排気ポートを通って抜け出るように構成されることを特徴とする請求項１記載のフィルタ組立体。
【請求項１３】
吸気ポートおよび排気ポートを有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットと、
フィルタリングチャンバに配設される穿孔された円筒状内部コア部材と、
内部コア部材を囲繞し、第１および第２の対向端を備える二重層焼結金属繊維織物媒体を有するプリーツを有する円筒状フィルタパックであって、最内層は平均約２〜約７μｍの孔を有し、最外層は平均約７〜約１５μｍの孔を有するフィルタパックと、
フィルタパックの第１端に取付けられ、排気流がそこを通過するのを妨げるように構成されるエンドキャップと、
フィルタパックの第２端に取付けられ、フィルタパックをハウジングユニットに緊締するように構成されるフランジエンドプレートとを有する受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体であって、
フィルタ組立体は、ディーゼル排気が、吸気ポートからフィルタリングチャンバ内へ移動し、二重層フィルタパックを内方向に通過して内部コア部材の内側へ移動し、排気ポートを通って抜け出るように構成されることを特徴とする受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体。
【請求項１４】
約３％未満の燃料消費で動作するように構成されることを特徴とする請求項１３記載のフィルタ組立体。
【請求項１５】
焼結金属繊維織物媒体がニッケル−クロム−鉄合金およびステンレス鋼から成る群から選ばれる材料で製造されることを特徴とする請求項１３記載のフィルタ組立体。
【請求項１６】
フィルタパックが少なくとも１５０の折り曲げ部を有し、約７ｆｔ２よりも広い表面積を有することを特徴とする請求項１３記載のフィルタ組立体。
【請求項１７】
二重層焼結金属繊維織物媒体によって囲繞される円筒状内部コア部材を有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットを有する受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体であって、金属繊維媒体の最内層が平均約２〜約７μｍの孔を有し、金属繊維媒体の最外層が平均約７〜約１５μｍの孔を有するフィルタ組立体と、
ハウジングユニットに連結され、受動的ディーゼル微粒子フィルタの再生に適した温度までディーゼル排気を選択的に加熱するように構成された二次的噴射組立体とを有することを特徴とするディーゼルエンジン用の排ガスフィルタリングシステム。
【請求項１８】
焼結金属繊維織物媒体がニッケル−クロム−鉄合金およびステンレス鋼から成る群から選ばれる材料で製造されることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
フィルタ組立体は、ディーゼル排気が、フィルタリングチャンバ内へ移動し、二重層フィルタパックを内方向に通過して内部コア部材の内側へ移動し、排気ポートを通って抜け出るように構成されることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
【請求項２０】
二次的噴射組立体が、最大で約３％の燃料消費で、装填されたフィルタ組立体を再生するように構成されることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本開示は、ディーゼルエンジン排ガスの微粒子フィルタリングに関する。
【０００２】
背景
本項における記述は単に本開示に関する背景情報を与えるだけで、先行技術を構成しない。
【０００３】
自動車産業において、環境への関心から、ディーゼルエンジンから排出される煤微粒子および不燃微粒子を含む微粒子の量の継続的な削減が必要とされている。ディーゼル燃料の使用からこれらの微粒子排出物を低減させるために種々の試みがなされてきた。通常の触媒コンバータはいくつかのディーゼルエンジンでしばしばうまく機能しない。なぜなら、内部温度が低すぎて、炭素、油および未燃焼燃料粒子を効率的に燃焼できないからである。現在、微粒子を収集するための、エンジンの排気管に挿入されたディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を有する排ガスフィルタリングシステムを用いて、研究が行われている。通常、ＤＰＦは、中に複数の排ガス通路を規定する多孔質セラミック体で作られている。排ガスが、排ガス通路を規定するＤＰＦの多孔質壁を通過するとき、微粒子はＤＰＦの多孔質壁によって吸着収集される。
【０００４】
収集微粒子がＤＰＦに蓄積すると、圧力損失が増大し、エンジン性能が低下する。ゆえに、適切な時期にＤＰＦを再生するために、収集微粒子を燃焼しＤＰＦから除去する必要がある。ＤＰＦの再生は、バーナもしくはヒータなどの加熱手段によって、またはポスト燃料噴射におけるＤＰＦへの熱排ガス供給によって、ＤＰＦの温度を高めることで実行される。
【０００５】
上記の点に鑑みて、微粒子物質をうまく除去することが可能な受動的ディーゼル排気フィルタシステムが、いまだに求められている。また、整備を要せずに長期間にわたって再生可能で信頼できるフィルタシステムが所望される。
【０００６】
要約
本開示はディーゼル排気をフィルタリングする受動的微粒子フィルタ組立体を提供する。種々の実施形態において、組立体は、吸気ポートおよび排気ポートを有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットを有する。円筒状内部コア部材が、フィルタリングチャンバに配設され、第１および第２の対向端を有するプリーツを有する円筒状フィルタパックによって囲繞される。エンドキャップが、フィルタパックの第１端に取付けられ、排気流が通過するのを妨げるように構成される。エンドプレートが、フィルタパックの第２端に取付けられ、フィルタパックをハウジングユニットに緊締するように構成される。フィルタパックは、平均約２〜約１５μｍの孔を有する、好ましくはステンレス鋼またはニッケル−クロム−鉄合金から製造される金属繊維織物媒体を有する。
【０００７】
他の実施形態において、本開示は、吸気ポートおよび排気ポートを有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットを有する受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体を提供する。穿孔された円筒状内部コア部材がフィルタリングチャンバ内に配設される。二重層焼結金属繊維織物媒体を有するプリーツを有する円筒状フィルタパックが、内部コア部材を囲繞し、第１および第２の対向端を有する。フィルタパックの最内層は平均約２〜約７μｍの孔を有し、フィルタパックの最外層は平均約７〜約１５μｍの孔を有する。エンドキャップが、フィルタパックの第１端に取付けられ、排気流が通過するのを妨げるように構成される。フランジエンドプレートが、フィルタパックの第２端に取付けられ、フィルタパックをハウジングユニットに緊締するように構成される。種々の実施形態において、フィルタ組立体は、ディーゼル排気が、吸気ポートからフィルタリングチャンバ内へ移動し、二重層フィルタパックを内方向に通過して内部コア部材の内側へ移動し、排気ポートを通って抜け出るように構成される。
【０００８】
さらに別の実施形態において、本開示はディーゼルエンジン用の排ガスフィルタリングシステムを提供する。本システムは、二重層焼結金属繊維織物媒体によって囲繞される円筒状内部コア部材を有するフィルタリングチャンバを規定するハウジングユニットを有する受動的ディーゼル微粒子フィルタ組立体を有する。フィルタパックの最内層は、平均約２〜約７μｍの孔を有し、フィルタパックの最外層は平均約７〜約１５μｍの孔を有する。システムはさらに、ハウジングユニットに連結され、受動的ディーゼル微粒子フィルタの再生に適した温度にまでディーゼル排気を選択的に加熱するように構成された二次的噴射組立体を有する。
【０００９】
さらなる応用領域は、ここで与えられる記載から明らかとなるであろう。当然のことながら、記載および具体例は、例示の目的にのみ向けられてり、本開示の範囲を限定することを目的としていない。
【００１０】
ここで記載される図面も、例示のためだけであり、決して本開示の範囲を限定することを目的とはしていない。
【００１１】
以下の記載は本質的に単なる例に過ぎず、本開示、適用または使用を限定することを意図していない。当然のことながら、全ての図面を通して、対応する参照符号は類似のまたは対応する部分および特徴を示す。
【００１２】
図１は、本開示の教示に従う典型的な受動的微粒子フィルタ組立体の分解斜視図である。フィルタ組立体は参照符号２０で表わされている。フィルタ組立体２０は、主にディーゼルエンジンの排ガスから微粒子物質を除去するためのものであり、好ましくは、製造、使用および整備の簡易さの理由から円筒形状である。フィルタ組立体２０は受動的であるので、フィルタ自体の内部に複雑で高価な電源および接続部を備える必要はない。種々の実施形態において、二次的噴射システムを設けてフィルタを再生する。詳細を以下に記載する。
【００１３】
示したように、組立体は、フィルタリングチャンバを規定するとともに、排気ポート２８を備える排気ハウジング２６に連結された、吸気ポート２４を備える吸気ハウジング２２を有するハウジングユニットを有している。図２および図３にさらに示したように、組立体２０はさらに、フィルタリングチャンバ内部に配設され、第１および第２の対向端３４，３６を有するプリーツを有する円筒状フィルタパック３２によって囲繞される円筒状内部コア部材３０を有する。エンドキャップ３８が、フィルタパック３２の第１端３４に取付けられ、排気流が通過するのを妨げるように構成される。エンドプレート４０が、排気ポート２８付近でフィルタパック３２の第２端３６に取付けられ、フィルタパック３２をハウジングユニットの排気ハウジング部２６に緊締するように構成される。エンドプレート４０は、通常、排気ハウジング２６に取付けられ、および／または機械的に排気ハウジング２６に緊締され、高温耐性材でできた適切なガスケット４２によって分離される。吸気ハウジング２２および排気ハウジング２４は、ねじ４４または当該技術において周知の他の機械的手段によって連結し得る適切な開口部２１およびフランジ２３，２７を有してもよい。種々の実施形態において、組立体はさらに、フィルタパック３２を内部コア部材３０に緊締するために、フィルタパック３２の周囲に配設される、２２〜２４規格のステンレス鋼または別の耐食性高強度材などの１つ以上の結合ストラップ４６を有する。
【００１４】
図３は図２の断面図であり、内部コア部材３０ならびにフィルタパック３２、エンドキャップ３８およびエンドプレート４０の斜視図を示す。示したように、典型的な排ガスエアー流経路３００は、ハウジングの吸気領域３０２からフィルタリングチャンバ内へ達するように規定されている。エアーは通常エンドキャップ３８周りを流れ、フィルタパック３２および内部コア部材３０の多数の穿孔４８を内方向に通過してコア３０の内部領域に移動し、排気ポート２８を通って抜け出る。
【００１５】
図４はプリーツを有するフィルタパック３２の側面図であり、図５は図４の基準線５−５に沿った断面図である。本発明のフィルタパック３２は金属繊維織物媒体または合金繊維織物媒体を含む。種々の実施形態において、金属繊維は、焼結または非焼結の繊維であるか、焼結繊維と非焼結繊維との混合体を有してもよい。そのような多孔質織物材の１つの非限定的な例は、Martin Kurz & Co., Inc.社（ニューヨーク）から販売されているＤＹＮＡＰＯＲＥ（登録商標）である。好ましくは、繊維は、たとえば３０４，３０６，３１０および３１６の合金を含む、たとえばｌｃｏｎｅｌ（登録商標）といったニッケル−クロム−鉄合金またはステンレス鋼などの材料から製造される。織物媒体は好ましくは平均約２〜約１５μｍの孔を有する。種々の実施形態において、織物媒体は、外孔を有する外側層、および外孔とは異なる内孔を有する内側層を備える二重層積層材を含む。たとえば、最外層は平均約７〜約１５μｍの孔を有し、最内層は平均約２〜約７μｍの孔を有してもよい。当然のことながら、この実施形態は、フィルタの設計および共に使用されるエンジンの大きさに応じて、多孔度の多数の組合せを含む。現在好ましい組合せは、外側／内側層の平均した孔の比が８／３．５，１５／３および１５／８μｍであることを含むが、これらに限定されるわけではない。二重層媒体はまた、所望するのならば、平均して同一または近似の孔を有する織物材料の二層を含んでもよい。本開示の微粒子フィルタ組立体２０の典型的な煤収集能力は通常、エンジン排気量の１リットルあたり約０．５ｇ〜約４ｇの範囲であり、設計パラメータおよび所望の効率に基づいて変化するであろう。
【００１６】
種々の実施形態において、プリーツを有するフィルタパック３２の表面積はエンジン排気量の約２．５〜約８倍であり、好ましくはエンジン排気量の約４〜約８倍である。たとえば、６リットルエンジンは、総表面積が約１５〜約４８ｆｔ２、より好ましくは約２４〜約４８ｆｔ２であるフィルタ組立体を有してもよい。表面積はまた所望のフィルタ効率次第であり、効率は本教示に従えば、約２０％という低い値から１００％にまでわたる。
【００１７】
図６は図５の部分拡大図であり、織物媒体のプリーツの配置を示す。種々の実施形態において、フィルタパックは少なくとも約１５０のプリーツを有するように構成され、約１７５のプリーツを有してもよく、フィルタ組立体２０およびエンジンの大きさおよび構成次第で、約２００よりもずっと多いプリーツを有してもよい。プリーツ間の距離Ｄはプリーツの高さＨおよび所望の角度αに依存する。ピーク間の距離Ｄを最大にするプリーツパック形状を有するのが好ましい。現在好ましい種々の配置において、プリーツフィルタパック３２は、高さが約０．５インチで角度αが約２２度の約１７０のプリーツを有する。
【００１８】
図７は本教示に従うフランジエンドプレート４０の平面図である。図８は図７の断面図であり、図９は図８の部分拡大図である。エンドプレート４０は好ましくは、フィルタパック３２の第２端３４に取付けられ第２端３４を緊締する開口部５６を形成するように構成された内部直立壁５２および外部直立壁５４を備える基部５０を有する。内部直立壁５２は、フィルタリングされた排ガスが排気ポートを貫流するのを許可する開口部５８を規定する。基部５０の外側エッジは、エンドプレート４０を排気ハウジング２６に緊締するよう構成されたフランジ６０を規定する。フランジ６０は、エンドプレート４０のハウジング２６との機械的固着を許可する適切な開口部（不図示）を備えてもよい。
【００１９】
図１０は本教示に従うエンドキャップ３８の平面図を示す。図１１は図１０の断面図であり、図１２は図１１の部分拡大図である。エンドキャップ３８は好ましくは、排気流が通過するのを妨げるように構成された基部６０を有する。基部６０は、フィルタパック３２の第１端３４に連結し第１端３４を緊締する開口部６６を規定する内部直立壁６２および外部直立壁６４を有する。一度組み立てられると、種々の実施形態において、図３に最適に示されるように、内部コア部材３０は、エンドプレート４０の内部直立壁５２とエンドキャップ３８の内部直立壁６２との間に緊締されてもよい。好ましい実施形態において、エンドキャップ３８およびエンドプレート４０は、ステンレス鋼または同等の高強度耐食材で製造される。
【００２０】
種々の実施形態において、本教示のディーゼル微粒子フィルタ組立体は、フィルタパック内に捕捉された蓄積微粒子物質を燃焼するための二次的噴射手段によって再生される。したがって、フィルタ組立体２０の各構成要素はかなり高温耐性である。再生のための１つの共通したアプローチは、流入排気を、蓄積微粒子物質を焼却および燃焼するのに適した温度へと加熱することである。一般に、燃料噴射バルブから対応する燃焼チャンバへ燃料を噴射するとき、ポスト燃料噴射または燃料噴射タイミングの遅延が実行されるか、あるいは、スロットルバルブを開口する程度が、排気フィルタリングシステムの通常の動作期間用に設定されるスロットルバルブの通常の開口程度と比較して、小さくされる。このようにして、燃焼エネルギの一部が、たとえばイグニション時期の遅延によって、回転駆動力に変換されるのではなく熱エネルギに変換されて、流入排気の温度が高められる。ゆえに、より高温の排ガスが導入される。同様に、スロットルバルブの開口程度が通常のスロットルバルブの開口程度と比較して小さくされると、摂取エアーの流量は低下し、エンジンの対応する燃焼チャンバに供給されるガスの熱容量が小さくなり、排ガス温度は高くなる。複数の再生手段を設けることができ、エンジンの動作状態に基づいて適切な再生手段の１つを使用することができることに注目すべきである。さらに、バーナまたはヒータを、再生手段の代わりに、または再生手段に加えて使用することもできる。本開示の独自のフィルタパック組立体は、再生のために消費する燃料が約３％未満で動作するように構成される。
【００２１】
フィルタパックに収集された微粒子の量および再生がいつ必要かを決定するのに用いることができる、当該技術において周知の多くの方法がある。微粒子フィルタのチャージング状態を決定する１つの共通した方法は、排ガスシステムの背圧を監視することである。通常の手段は、フィルタ組立体の背圧を測定するための差圧センサの使用を含んでもよい。差圧センサは、フィルタ組立体の上流側と下流側との圧力差を測定する。通常、信号が、たとえば排ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）といったコントローラに送信される。煤層に存在するあらゆる穴が実際、チャージング状態を低すぎると偽って示す比較的低い背圧をもたらすであろうから、背圧それ自身は、特定のチャージング状態に適した基準を常に表すわけではないが、それでもなお、背圧を監視することによって、チャージング状態を決定するのにさらなる確実性を与えることができる。
【００２２】
温度だけでは再生目的の効果的な燃料の二次的噴射に適した基準を示せないかもしれないが、当然のことながら、どの場合にも燃料の二次的噴射すなわち後噴射は、特定の排気温度内で生じる発熱反応によって排ガス温度を上昇させるという目的に役立つ。ゆえに、排ガス温度センサおよびエアー／燃料比センサをフィルタ組立体の排気ポートに配置して、適切な再生時間を決定するためのデータをコントローラに与えるさらなる検知手段として機能させるようにしてもよい。代わりに、再生と再生の間の時間が閾値を超えないようにする規定を設けることもできる。同様に、再生時間の再活性化を、エンジンの使用に応じた所定の要因に基づいて、行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本開示に従うディーゼル排気用受動的微粒子フィルタシステムの分解斜視図である。
【図２】フィルタ組立体の斜視図である。
【図３】図２の断面図であり、内部コア部材ならびにエンドキャップおよびエンドプレートを示す。
【図４】プリーツを有するフィルタパックの側面図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【図７】フランジエンドプレートの平面図である。
【図８】図７の断面図である。
【図９】図８の部分拡大図である。
【図１０】エンドキャップの平面図である。
【図１１】図１０の断面図である。
【図１２】図１１の部分拡大図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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