(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気ガスの流れの上流側に設けられ、排気ガスを加熱可能な発熱体と、該発熱体の下流側に設けられ、排気ガス中のパーティキュレート・マターを補足可能なフィルタ部と、前記発熱体と前記フィルタ部との間に設けられ、前記発熱体で加熱された排気ガスを衝突させることで排気ガスの流れの方向を変換するガス衝突部と、前記発熱体と前記フィルタ部と前記ガス衝突部を内蔵するケースと、を備え、
前記ガス衝突部は、電気石を含む材料で形成されていること、を特徴とするパーティキュレート・フィルタ。
【請求項２】
前記ガス衝突部は、排気ガスが内外間で流通可能な連通孔を有する平盤状体であること、を特徴とする請求項１に記載のパーティキュレート・フィルタ。
【請求項３】
前記平盤状体は、複数個直列配置され、下流側に上流側の平盤状体より径が大きくされた平盤状体を有すること、を特徴とする請求項２に記載のパーティキュレート・フィルタ。
【請求項４】
前記平盤状体は、上流側の平盤状体に設けた連通孔とこれと隣り合う下流側の平盤状体に設けた連通孔が半径方向あるいは周方向へずれた位置関係となるように設定されていること、を特徴とする請求項３に記載のパーティキュレート・フィルタ。
【請求項５】
前記ガス衝突部は、下流側に底部を有し下流側に向かって拡径するコーン状体に形成され、底部面及びコーン面に排気ガスをコーン状体の内側から外側へ流出可能とする連通孔が設けられていること、を特徴とする請求項１に記載のパーティキュレート・フィルタ。
【請求項６】
前記コーン状体は、内部により小径のコーン状体を内臓していること、を特徴とする請求項５に記載のパーティキュレート・フィルタ。
【請求項７】
前記発熱体は、前記フィルタ部の温度に応じて加熱制御されること、を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のパーティキュレート・フィルタ。
【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から排出された排気ガス中のパーティキュレート・マター（ＰＭ）などを補足して高温で加熱・燃焼可能なパーティキュレート・フィルタに関する。
【０００２】
【従来技術】
ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス中のＰＭ（煤が主である）を除去するものとして、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）が知られている。ＤＰＦは、エンジンの燃焼室から排出された排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒として煤などのＰＭをこれらの自然燃焼温度より低い温度で燃焼させるようにしたり、あるいはＰＭをフィルタで補足しヒーター等で燃焼するようにしている。
これらの例としては、１９９７年７月１０日  株式会社  朝倉書店  発行の  自動車技術会編集による「自動車技術シリーズ１  自動車原動機の環境対応技術」の第１３９ページ〜第１４８ページに記載のものや平成６年１月１０日  株式会社  山海堂  発行の  宮下直也、黒木秀雄  著の「自動車用デイーゼルエンジン」の第５３〜５４ページに記載のものなどが挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＤＰＦのうち、窒素酸化物を触媒として利用する方式のものにあっては、３５０℃程度までＰＭの燃焼温度を下げることが可能なものの、渋滞走行時やバス等の市内走行時などでは排気ガス温度が２００℃より低くなってしまうため機能せず好ましくない。
そこで、排気ガス温度が低くてもＰＭを燃焼させることができるヒーター方式を用いる方が望ましい。
しかしながら、従来のようにヒーターで排気ガスを加熱した後、直接フィルタ部へ流入させると、排気ガスがかなりの流速を有しているので、フィルタ部の下流側端末まで流れて衝突しこの部分での温度上昇が激しい。それに加熱された排気ガスが、フィルタ部で着火し、かつ着火部分も偏ったスポット点火となるので、フィルタが損傷を受けやすかった。
また、逆にあまり加熱されな排気ガス部分もあり、ＰＭを確実に燃焼して灰分としてしまうことができにくかった。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的は、発熱部を通過した排気ガスを均一に十分加熱し、スポット的な加熱を避け、フィルタ部を損傷させることなく排気ガスを全体にわたって燃焼させることができるようにしたパーティキュレート・フィルタを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るパーティキュレート・フィルタにあっては、エンジンから排出される排気ガスの流れの上流側に設けられ、排気ガスを加熱可能な発熱体と、発熱体の下流側に設けられ、排気ガス中のパーティキュレート・マターを補足可能なフィルタ部と、発熱体と前記フィルタ部との間に設けられ、発熱体で加熱された排気ガスを衝突させることで排気ガスの流れの方向を変換するガス衝突部と、発熱体とフィルタ部とガス衝突部を内蔵するケースと、を備え、前記ガス衝突部は、電気石を含む材料で形成されている構成とする。
【０００６】
上記ガス衝突部は、請求項２に記載のように、排気ガスが内外間で流通可能な連通孔を有する平盤状体に形成してもよい。この平盤状体としては、円盤状あるいは四角平盤状等でいずれであってもよいし、厚さを可変に形成してもよい。
【０００７】
上記平盤状体は、請求項３に記載のように、複数個直列配置され、下流側に上流側の平盤状体より径が大きくされた平盤状体を有するように構成するのが望ましい。
【０００８】
上記平盤状体は、請求項４に記載のように、上流側の平盤状体に設けた連通孔とこれと隣り合う下流側の平盤状体に設けた連通孔が半径方向あるいは周方向へずれた位置関係となるように設定するのが望ましい。
【０００９】
上記ガス衝突部は、請求項５に記載のように、下流側に底部を有し下流側に向かって拡径するコーン状体に形成し、底部面及びコーン面に排気ガスをコーン状体の内側から外側へ流出可能にする連通孔を設けられようにしてもよい。
【００１０】
上記コーン状体は、請求項６に記載のように、内部により小径のコーン状体を内臓するようにしてもよい。
【００１２】
上記発熱体は、請求項７に記載のように、フィルタ部の温度に応じて加熱制御することが望ましい。
【００１３】
【発明の作用・効果】
請求項１に記載のパーティキュレート・フィルタにあっては、エンジンから排出された排気ガスは、発熱部で加熱され温度上昇される。この加熱により、排気ガス中の一部のパーティキュレート・マターが燃焼するなど、一部分のガスがスポット的に温度上昇することもある。このように加熱された排気ガスは、下流のガス衝突部へ導かれ、ガス衝突部に衝突され方向変換させられて減速され、混ぜ合わされる。この結果、スポット的な高温箇所がなくなり、排気ガス全体にわたって温度が略均一になる。また減速されここで着火されるものが多くなるので、従来のように直接フィルタ部へ流れ込んでここで着火燃焼してスポット的に過熱し、フィルタ部を損傷させることはない。また、排気ガスが全体的に略均一に加熱された減速されているので、排気ガスのＰＭをフィルタ部で補足しやすく、フィルタ部全体にわたって略均一に加熱・燃焼させることが可能となり、ＰＭの灰分化がより完全になる。
また、ガス衝突部を、電気石を含む材料で形成したので、排気ガスがガス衝突部に衝突すると摩擦電荷が発生する。この結果、排気ガス中の成分がより燃えやすい成分へと分解される。したがって、排気ガス中のＰＭをより簡単に燃焼し灰分とすることが可能となる。
【００１４】
請求項２のパーティキュレート・フィルタのように、ガス衝突部を、排気ガスが内外間で流通可能な連通孔を有する平盤状体で構成すれば、その形成・取付が容易となる。
また、排気ガスは、平盤状体に略垂直方向から衝突させられるので、流速が大きく減速させられ、また衝突後の排気ガスの流れと衝突前の排気ガスの流れが反対方向から衝突合うので混合がより促進させることが可能となる。
【００１５】
請求項３のパーティキュレート・フィルタにあっては、平盤状体を、複数個直列配置するので、排気ガスはその都度平盤状体に衝突し、方向を変えられ減速し、混合が促進される。また、滞留時間も長くなるので、フィルタ部に流入する前で排気ガスの着火促進し、かつ全体にわたって略均一な温度にすることが可能となる。
また、下流側に上流側の平盤状体より径が大きくされた平盤状体を置くようにすることで、ガス衝突部での衝突を増やすことが可能となり混合をより促進できるようになる。
【００１６】
請求項４のパーティキュレート・フィルタのように、平盤状体を、上流側の平盤状体に設けた連通孔とこれと隣り合う下流側の平盤状体に設けた連通孔が半径方向あるいは周方向へずれた位置関係となるように設定すれば、排気ガスは次々と平盤状体に衝突していくこととなり、減速度合い・方向変換による混合度合いを強めることが可能となる。
【００１７】
請求項５のパーティキュレート・フィルタのように、ガス衝突部を、下流側に底部を有し下流側に向かって拡径するコーン状体に形成し、底部面及びコーン面に排気ガスをコーン状体の内側から外側へ流出可能とする連通孔を設けるようにすれば、簡単な形状で排気ガスの減速、方向変換が可能となり、発熱体で過熱された排気ガスを混合して全体の温度の略均一化を図ることが可能となる。
この結果、一部の排気ガスの温度が低くＰＭが燃焼されないのを防ぐことが可能となる。
また、同時にガス衝突部での滞留時間も長くなり流速も遅くなるので、フィルタ部で燃焼してスポット的に高温となりフィルタ部に損傷を与えるといったことを避けることが可能となる。
【００１８】
請求項６のパーティキュレート・フィルタのように、コーン状体の内部に、より小径のコーン状体を内臓するようにすれば、排気ガスを小径のコーン状体に衝突させて方向変換・減速させて混合を促進した後、大径のコーン状体に再度衝突させて方向変換・減速させることで、排気ガスの混合による全体での温度均一化、フィルタ部でのスポット的燃焼の抑制が可能となる。
【００２０】
請求項７のパーティキュレート・フィルタにあっては、発熱体を、フィルタ部の温度に応じて加熱制御するようにする。すなわち、フィルタ部の温度が排気ガス中のＰＭを燃焼させることができない程低い場合は発熱体を加熱させ、フィルタ部の温度がフィルタ部損傷可能温度になったら発熱体による加熱を停止する。この結果、フィルタ部でのＰＭの燃焼を促進できるとともに、フィルタ部の過熱による損傷を防止できる。
【００２１】
【実施態様】
以下、本発明に係る第１実施例のパーティキュレート・フィルタを図１に基づき説明する。
パーティキュレート・フィルタ１は、ケース６内に上流から下流に向かって発熱体２、ガス衝突部３、フィルタ部４及び灰分蓄積室５をそれぞれ内蔵する。
ケース６は、図示しないエンジン側の排気管に接続され、上流から下流に向かって順に小径の円筒部分と下流側がコーン状に広がった入口管６ａと、フランジ部同士をがボルト・ナットにより固定されることで上流側端が入口管６ａの下流側端に接続され、発熱体２を内蔵する中径の発熱管６ｂと、発熱管６ｂの外周部分を覆うとともに下流側に向かってコーン状に拡径され、ガス衝突部３を内蔵する接続拡大管６ｃと、フランジ部同士がボルト・ナットにより固定されることで上流端が接続拡大管６ｃの下流側端に接続され、フィルタ部４及び灰分蓄積室５を内蔵する大径の円筒状のフィルタ管６ｄと、上流側端がフィルタ管６ｄの下流側端にフランジ部同士をボルト・ナットにより固定することで接続され、下流側に向かって縮径し、小径の円筒状の出口管６ｅとからなる。このようにボルト・ナットで固定することで、内部のフィルタ部４等を交換・補修可能にしてある。
【００２２】
入口管６ａのコーン部分の内周には円筒状のスペーサリング７が溶接され、発熱管６ｂ内を発熱体２まで延ばされている。スペーサリング７は、両端が開口とされるとともに、円筒面には複数の連通孔７Ａが形成され内側から外側への排気ガスの流れを許容するようにしてある。
【００２３】
発熱管６ｂの下流側端には、円盤状のベースプレート８が固定されている。ベースプレート８には、複数の連通孔８Ａが形成されて、排気ガスを通すことができるようにしてある。このベースプレート８の上流側面には、４個の発熱体２ａ〜２ｄ（但し、図１では発熱体２ｃ、２ｄはそれぞれ発熱体２ａ、２ｂの後面に隠れている。）が固定されている。これらの発熱体２ａ〜２ｄは、内部に炭素で形成したフェルトを両側端から１対の電極で挟み、電極へ図示しない電源から電力を供給することで炭素フェルトを加熱可能としてある。なお、これらの電極は、電線９ａ〜９ｄを介して電源及びコントローラ１０へ接続される。
【００２４】
一方、ベースプレート８の上流側面から下流側面に向けてボルト１１が貫通固定されている。ボルト１１には、下流側に向けてスペーサ１２ａ、小径円盤状の第１ガス衝突体（平盤状体）１３、スペーサ１２ｂ、中径円盤状の第２ガス衝突体（平盤状体）１４、スペーサ１２ｃ、大径円盤状の第３ガス衝突体（平盤状体）１５が取り付けられ、下流端側からナット１６で固定されている。
第１ガス衝突体１３、第２ガス衝突体１４、第３ガス衝突体１５は、ガス衝突部３を構成するが、電気石を砕いたものを固めて円盤状に成型し、それぞれ複数の連通孔１３Ａ、１４Ａ、１５Ａが形成されている。これらの連通孔１３Ａ〜１５Ａは、隣り合うガス衝突体同士で円周方向あるいは半径方向にずらした位置となるように形成してある。
【００２５】
フィルタ管６ｄの上流面側にはドーナツ状の仕切板１６が固定される。仕切板１６は、外周部分がフランジとなって拡径部６ｃのフランジと重ね合わせ可能とされ、中心の穴部にこれを貫通する内側フィルタ管１７が、またこの外周側位置でその下流側面に外側フィルタ管１８がそれぞれ固定される。内側フィルタ管１７と外側フィルタ管１８とには、各々連通孔１７Ａ、１８Ａを設け、排気ガスが半径方向外側へ向かって流出可能としてある。
また、内側フィルタ管１７と外側フィルタ管１８との間には、酸化触媒としてのニッケル等を表面に浸透させた発泡石骨粒２６を充満させてある。そして、その下流側端をドーナツ状の蓋部材１９で塞ぐ。蓋部材１９は、スペーサ２０を介して円盤状の上流側灰分蓄積板２１により位置規制される。
なお、外側フィルタ管１９の下流側でこの内部の最外周部分には、必要に応じて炭素製フェルト２４が設けられている。
仕切板１６、内側フィルタ管１７、外側フィルタ管１８、酸化触媒としてのニッケル等を表面に浸透させた発泡石骨粒２６、炭素製フェルト２４、蓋部材１９は、フィルタ部を構成する。
【００２６】
上流側灰分蓄積板２１の下流側には所定距離離れて円盤状の下流側灰分蓄積板２２がフィルタ管６ｄと出口管６ｅの各フランジ間に挟まれてボルト・ナットで固定される。上流側灰分蓄積板２１と下流側灰分蓄積板２２との間には、炭素で形成されたフェルト２３が充填されている。
炭素製フェルト２３は、上流側灰分蓄積板２１を上流側へ押すように作用するだけの弾性力を有するように構成してある。
一方、上流側灰分蓄積板２１の上流側面には、パーティキュレート・フィルタ１の中心軸に沿って延びる円筒状のガイド部２１ａが設けられて、内側フィルタ管１７の下流側端内周部に相対移動可能に挿入され支持している。
この支持は、内側フィルタ管１７の下流側端と上流側灰分蓄積板２１の上流側面との間に隙間が生じるようにして行われ、この結果、上流側灰分蓄積板２１上流側へ移動可能となり、炭素製フェルト２３の弾性力によりスペーサ２０を介して蓋部材１９を上流側へ付勢することが可能になるように設定してある。
上流側灰分蓄積板２１は、この内側フィルタ管１７より半径方向外側の部分に複数の連通孔２１Ａが形成されるもの、内側フィルタ管１７以内の部分からは排気ガスが貫通することができないようにされる。
これに対し、下流側灰分蓄積板２２には、全面にわたって複数の連通孔２３Ａを設ける。
なお、上流側灰分蓄積板２１、下流側灰分蓄積板２２、炭素製フェルト２３は、灰分蓄積室を構成する。
【００２７】
フィルタ管６ｄには、温度センサ２５が取り付けられ、そのセンサ部２５ａが外側フィルタ管１８を貫通して発泡石骨粒２６の所まで延び、フィルタ部４の温度を検出可能とされる。
温度センサ２５の信号は、コントローラ１０へと送られ、発熱体２ａ〜２ｄ等の加熱制御に利用される。
【００２８】
次に、上記構成のパーティキュレート・フィルタの作用につき、説明する。
エンジンスタートでコントローラ１０は、温度センサ２５で検出した温度が所定値以上でないかぎり、発熱体２ａ〜２ｄへ電力を供給し、これらを加熱する。
数分のうちに発熱体２ａ〜２ｄの温度が急上昇するので、以後排気ガス温度が５００℃〜６００℃になるように制御する。
図示しないディーゼルエンジンから排出された排気ガスは、同じく図示しない排気管等を通って、入口管６ａからパーティキュレート・フィルタ１へ流入する。
【００２９】
入口管６ａから流入した排気ガスの大部分は、スペーサリング７内をそのまま直進し発熱体２ａ〜２ｄ間の隙間を通る。このとき、排気ガスが周りから４本の発熱体２ａ〜２ｄで加熱される。排気ガス中には煤等を主成分とするＰＭが多く含まれているので、これらは容易に着火・燃焼し始める。発熱体２ａ〜２ｄ間の隙間を通過した排気ガスは、第１ガス衝突体１３へ衝突する。
一方、スペーサリング７へ導入された排気ガスの一部は、発熱体２ａ〜２ｄ間の隙間を通らずに連通孔７Ａからスペーサリング７の外周側へ流れ出る。この排気ガスは、発熱体２ａ〜２ｄの外周側部分で加熱されながら、発熱管６ｂの連通孔６ｂＡから半径方向外側へ、またベースプレート８の連通孔８Ａから軸方向へ流れ出る。
【００３０】
発熱体２ａ〜２ｄ間から流れ出て第１ガス衝突体１３に衝突した排気ガスは、ここで方向を変えられ速度が落とされた状態で燃焼し続ける。排気ガスの大部分が連通孔１３Ａを通り第２ガス衝突体１４へ向かうが、第２ガス衝突体１４の連通孔１４Ａが第１ガス衝突体１３の連通孔１３Ａとずれた位置にあるので、排気ガスはここで再度衝突し方向を変えられることで流速が低下する。
なお、一部は、第１ガス衝突体１３との隙間を半径方向外側へ向かうが、それでもかなりの排気ガスがより大径の第２ガス衝突体１４の外周部分に衝突する。
一方、第２ガス衝突体１４を通過した排気ガスは、同様に第３ガス衝突体１５に衝突し方向を変えられて流速が落とされる。
一部は、これまた同様に第２ガス衝突体１４と第３ガス衝突体１５の間を半径方向外側へ流れる。
このように、ガス衝突部３において、排気ガスは流速が低下され排気ガスが均一の加熱され、ＰＭが一部燃焼される。また、より下流のフィルタ部４へ排気ガスが直接流れ込んで、フィルタ部４内で燃焼してスポット的に温度上昇しフィルタ部４を劣化、あるいは破損するのを防ぐことが可能となる。
また、上記各ガス衝突体１３〜１５を電気石で形成しておくと、排気ガスの衝突により摩擦電荷が生じ、未燃ガスを分解し燃焼を促進することが可能となる。
【００３１】
第３ガス衝突体１５の連通孔１５Ａから流れ出てきた排気ガスも、あるいは第３ガス衝突体１５の外周から流れ出た排気ガスも、第３ガス衝突体１５の下流側の中心部分へ導かれ、内側フィルタ管１７内へ流入する。
このとき、排気ガスも減速されたとはいえある程度の流速を有しているので、軸方向に流れ上流側灰分蓄積いた２１に衝突し、その後、連通孔１７Ａを介して半径方向外側へ流れ、フィルタ部４内に入る。
このフィルタ部４内を排気ガスが通過するとき、未燃のＰＭは発泡石骨粒２６に付着・補足される。
また、発泡石骨粒２６自体も排気ガスの熱により略均一に加熱され、かつ発泡石骨粒２６にニッケルやコバルト等の酸化触媒が付いてより低温でも燃えやすくなっているので、ＰＭは酸化・燃焼されることになる。
【００３２】
なお、このフィルタ部４にあっては、排気ガスが内側灰分蓄積板２１に当たるまで直進してくるので、下流側部分が上流側より多量のＰＭを補足し高熱で燃焼させ、灰分に変えるようになる。
そこで、炭素製フェルト２４にて灰分が多く流出するのを防ぐとともに、発熱体２ａ〜２ｄへの電力供給を停止したり排気ガスの排出温度が下がった場合でも炭素の蓄熱効果でより長時間加熱し続けることが可能となる。
【００３３】
フィルタ部４の外側フィルタ管１８に形成した連通孔１８Ａから半径方向外側へ流出した排気ガス及び一部の灰分は、下流側へ流れ上流側灰分蓄積板２１の連通孔２１Ａから灰分蓄積室５内へ流入する。したがって、排気ガス中の灰分は、炭素製フェルト２３により補足され、排気ガスだけが下流側灰分蓄積板２２の連通孔２２Ａから出口管６ｅを通じて外へ放出される。
【００３４】
エンジン稼働中、温度センサ２５は、たえずフィルタ部４内の温度を検出してコントローラ１０へ温度信号を送る。コントローラ１０は、温度信号からフィルタ温度が燃焼可能温度より低い場合は、発熱体２ａ〜２ｄへ電力を供給しこれらを加熱する。しかしながら、フィルタ温度がフィルタ損傷可能性温度以上になると、電力供給を停止してフィルタ部４が過熱し損傷するのを防止する。
【００３５】
次に、本発明の第２実施例に基づくパーティキュレート・フィルタにつき図２に基づき説明する。
この実施例では、ガス衝突部の構成が図１に示した第１実施例のものと異なるだけで他は同一なのでそれらの説明は、省略する。
【００３６】
ガス衝突部４は、ベースプレート８から下流側に向かうにしたがって拡径したコーン部３１にこの下流側を底部３２で塞いだコーン状体３０で構成する。
コーン部３１のコーン面と底部３２の底面には、それぞれ複数の連通孔３１Ａ、３２Ａを形成する。
また、コーン部３１と底部３２は、電気石を含む材料で形成し、ボルト３３・ナット３４でベースプレート８に取り付けてある。
【００３７】
このようにしても、第１実施例同様に、排気ガスがコーン状体３０に当たり方向変更させられて流速が低下させられ、均一に加熱燃焼させられる。また、円盤状体と異なり円盤状体間から半径方向外側へ抜け円盤状体に衝突しなかった排気ガスを減らすことができる。
この場合、コーン状体３０の内側にこれより小径のコーン状体を入れ二十構造にしたり、あるいは底部を２個としてこれらの連通孔の位置をずらすようにしてもよい。
【００３８】
なお、上記両実施例にあって、フィルタ部４の炭素製フェルト２４は、下流側の内側フィルタ管１７の外周に巻き付ける位置に配置してもよく、またはまったく用いなくてもよい。
また、フィルタ部４には、発泡石骨粒２６ではなくセラミック等を用いてもよいことは言うまでもない。
さらに、ガス衝突部は電気石を含む材料で形成しなくても耐熱性に優れ保熱性に優れた材料を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパーティキュレート・フィルタの断面図である。
【図２】  本発明の他の実施例に基づくパーティキュレート・フィルタの断面図である。
【符号の説明】
１        パーティキュレート・フィルタ
２        発熱部
２ａ〜２ｄ  発熱体
３        ガス衝突部
４        フィルタ部
５        灰分蓄積部
６        ケース
１３      第１ガス衝突体（平盤状発熱体）
１３Ａ    連通孔
１４      第２ガス衝突体（平盤状発熱体）
１４Ａ    連通孔
１５      第３ガス衝突体（平盤状発熱体）
１５Ａ    連通孔
２３      炭素製フェルト（灰分蓄積室）
２６      発泡石骨粒（フィルタ部）
３０      コーン状体（コーン状発熱体）
【図１】
0004611547.tif 000002
【図２】
0004611547.tif 000003