JP3219404B2

JP3219404B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3219404B2
Application number: JP20959490A
Authority: JP
Inventors: 亮榎本; 英俊山内; 義美大橋; 淳伊藤
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1990-08-07
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH03179120A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はディーゼルエンジン等の内燃機関において、
排気ガスを浄化処理する排気ガス浄化装置に関する。

［従来の技術］従来、ディーゼルエンジンの排気ガス中に混在してい
る煤を除去処理する方法として、ハニカム状に形成され
た多孔質炭化珪素焼結体製フィルターをディーゼルエン
ジンの排気側に接続し、このフィルターによって前記排
気ガス中に混在している煤を捕集し、フィルター内で前
記煤を燃焼させる方法が考えられている。

前記フィルター内で捕集された煤を燃焼させるために
は、フィルター内を煤の着火温度以上に加熱する必要が
あり、比較的簡便な手段として例えば電気ヒーターの適
用が試みられている。

［発明が解決しようとする課題］ところで、前記多孔質炭化珪素焼結体製フィルター
は、熱伝導率が高く、しかも熱容量も比較的に大きいた
め、フィルター内を煤の着火温度以上に加熱するために
は、比較的短時間で大きな熱量を発生することのできる
電気ヒーターが必要であった。

しかしながら、発熱量の大きな電気ヒーターを使用し
ようとすると、発熱量に見合った電力を供給するために
極めて大きなバッテリーを必要とする等の欠点があっ
た。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目
的は、フィルターに捕集された煤を燃焼させるに際し、
電気ヒーターを使用して、短時間でしかも少ない消費電
力で効率的にフィルター内を煤の着火温度以上に加熱す
ることができる排気ガス浄化装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段及び作用］上記課題を解決するために本発明においては、内燃機
関の排気側に連通する通路を備えたケーシングと、前記
通路内に排気ガス流通方向に並設された複数のフィルタ
ーと、前記通路内において前記各フィルターの上流側及
び下流側に配設された熱源と、前記各熱源のうち、最上
流側及び最下流側の熱源を挟んでフィルターと反対側
に、前記通路の断面略全域にわたって配設された通気性
を有する断熱材とを備えている。

この構成によれば、断熱材により熱源の放熱が抑制さ
れ、カーボンの酸化処理が効率的に行われる。また、こ
の構成の場合、フィルターが複数設けられているため前
記カーボンの酸化処理を行う能力が向上している。これ
により、大排気量の内燃機関に対応可能となっている。
さらに、各フィルターの上流側及び下流側に熱源が設け
られていることから、フィルター全体としてその長手方
向の温度分布がほぼ均一化される。そのためフィルター
の温度分布が不均一なことに由来するクラックの発生が
未然に防止される。

また、熱源が渦巻き状をなしている場合には、フィル
ターの端面がほぼ全域にわたってムラ無く加熱されるた
め、フィルターがより効率的に加熱され、カーボンの酸
化処理の効率化に寄与する。

更に、熱源による加熱と同時に、断熱材の上流側から
フィルターへ向けて二次エアを供給することにより、そ
の二次エアの流れに乗って熱源からの熱がフィルターに
効率的に供給される。このため、発熱量の大きい熱源を
利用することなく、従来の熱源の利用によって、カーボ
ンの酸化処理が可能な温度にまで短時間でフィルターを
加熱することができ、カーボンの酸化処理時間が非常に
短縮される。更に、発熱量の大きい熱源による急激な加
熱を回避することができるため、フィルターの急激な熱
膨張による破損が防止される。

前記フィルターは多孔質炭化珪素焼結体によってハニ
カム状に形成されていることが好ましい。

その理由は、多孔質炭化珪素焼結体は耐熱性及び機械
的強度に優れ、かつ高い気孔率を有しているため、フィ
ルター材料として好適だからである。

前記断熱材は通気孔が設けられてなる断熱材であるこ
とが好ましい。

この構成によれば、通気孔によって排気ガスの流通経
路が確保される。

あるいは、前記断熱材はセラミックス繊維によって網
目状に形成された断熱材であることが好ましい。

この構成によれば、排気ガスの流通経路が確保される
のみならず、排気抵抗が低く抑えられるからである。

以下に、実施例１〜３を図面に従って説明する。

［実施例１］第１図は排気ガス浄化装置１及びその実験装置を示す
図であり、第２図は排気ガス浄化装置１を拡大して示す
図である。排気ガス浄化装置１は金属パイプ製のケーシ
ング２を備え、そのケーシング２の通路2aが内燃機関Ｅ
の排気管路Eaに接続されている。このケーシング２内に
は排気ガスを浄化するためのフィルター３が配設され、
そのフィルター３とケーシング２の通路2a内壁との間に
は断熱材４が設けられている。

フィルター３は、第4,5図に示すように、多孔質炭化
珪素焼結体によってハニカム状に形成されると共に、全
体として円柱状をなしている。そして、このフィルター
３には軸線方向に平行に延びる多数のガス通過孔５が形
成され、各ガス通過孔５の供給側及び排出側のいずれか
一端が炭化珪素質の小片６によって交互に封止されてい
る。更に、フィルター３の各ガス通過孔５の内壁面に、
アルミナ、シリカ、ムライト等の酸化膜を形成し、その
酸化膜に白金族元素やその他の金属元素及びその酸化物
等からなる酸化触媒を担持させることもできる。

又、前記断熱材４は円筒状をなし、適宜な厚さで形成
されている。

フィルター３の上流側、即ち排気ガス導入側の近傍に
は、ケーシング２の入口側を覆うようにカーボンの酸化
処理用の熱源としての電気ヒーター７が配設されてい
る。また、その電気ヒーター７の上流側には、同じくケ
ーシング２の入口側を覆うように断熱材８が配設されて
いる。

第2,3図に示すように、断熱材８は円板状をなし、排
気ガスの流通方向へ連通する多数の通気孔としてのガス
通過孔９及び連通孔10が形成されている。通過孔９及び
連通孔10は、流通するガスの圧力損失を極力小さくする
ように設計されることが望ましい。この断熱材８はケー
シング２に対して取付けられている。電気ヒーター７は
渦巻き状をなし、断熱材８の下流側壁面に対して組付け
られている。

また、この実施例１において、前記両断熱材4,8につ
いては、無機質若しくは有機質の断熱材料によって構成
することができる。無機質の断熱材料としては、アルミ
ナ−シリカセラミックファイバー，アルミナファイバ
ー，ジルコニアファバー，シリカファイバー，ロックウ
ール，石綿等を使用でき、有機質の断熱材料としては、
ナイロン，ケブラー等のファイバーやウレタン等の発泡
体の成形体、又はこれらを組合せて利用することができ
る。好ましくは、無機質ファイバーを一部、又は全体に
利用することである。

内燃機関Ｅに接続された排気管路Ea内には、その圧力
を検出する圧力センサPsが配設され、同センサPsの検出
信号が圧電変換素子Peを介して制御装置Ｃに入力され、
制御装置Ｃによって圧力値が監視されるようになってい
る。又、排気管路Ea内には、ケーシング２の入口側に向
けて二次エアを供給するための供給管Caが接続され、同
供給管CaにはコンプレッサCoからの二次エアが導入され
るようになっている。

そして、制御装置Ｃにて監視される圧力が所定値に達
すると、フィルター３にて捕集されたカーボン（煤）等
の量が所定量に達してフィルター３内のカーボンの酸化
処理が必要になったものとして、制御装置Ｃはカーボン
の酸化処理の制御を実行するために、スイッチＳを閉成
させて電気ヒーター７への通電を開始させると共に、コ
ンプレッサCoを動作させてエア供給管Caからケーシング
２の入口側へ二次エアを供給する。

従って、この実施例の排気ガス浄化装置１では、多孔
質炭化珪素焼結体の耐熱性を有効に利用して、耐熱性に
優れたフィルター３を形成することができる。そして、
内燃機関Ｅの排気ガスがケーシング２の入口側から断熱
材８のガス通過孔９及び連通孔10を介してフィルター３
に導入されると、フィルター３のガス通過孔５の壁部に
よって、排気ガス中のカーボンが濾過される。前記フィ
ルター３に酸化触媒が担持させてある場合には、酸化触
媒によりCOやHC等が酸化される。そして、浄化された排
気ガスがフィルター３から排出される。

そして、圧力センサPsにて検出される圧力の値が所定
値に達すると、フィルター３にて捕集されたカーボン量
が酸化処理を要する所定量に達したものとして、制御装
置Ｃはカーボンの酸化処理の制御を実行する。このカー
ボンの酸化処理に際して、フィルター３に所定量のカー
ボンが滞留した状態で、電気ヒーター７によってフィル
ター３の加熱が開始されると共に、コンプレッサCoが動
作して二次エアの供給が開始される。そして、この処理
を継続することにより、フィルター３内のカーボン等を
燃焼させてフィルター３の再生が行われる。

そして、この実施例１の排気ガス浄化装置１では、フ
ィルター３の上流側に電気ヒーター７が配設され、更に
その電気ヒーター７の上流側に断熱材８が配設されてい
るので、電気ヒーター７からその上流側の通路2aの外部
への放熱が断熱材８によって抑えられる。また、電気ヒ
ーター７による加熱と同時に、断熱材８の上流側からフ
ィルター３へ向けて二次エアが供給されるので、その二
次エアの流れに乗って電気ヒーター７からの熱がフィル
ター３へ効率的に供給される。また、この実施例の排気
ガス浄化装置１では、フィルター３とケーシング２の内
壁部との間に断熱材４が設けられているので、フィルタ
ー３の周縁部からの放熱が抑えられる。

この結果、電気ヒーター７の発熱量を特別に大きくす
ることなく、通常の発熱量によって、フィルター３の温
度をカーボンの酸化処理が十分に可能な温度にまで短時
間で上昇させることができ、カーボンの酸化処理を極め
て短時間で行うことができる。つまり、電気ヒーター７
からの熱エネルギーを有効に利用して、フィルター３の
再生処理を効率良く行うことができる。また、電気ヒー
ター７の省力化によって、バッテリの電力消費量を小さ
くすることができ、同バッテリの耐用寿命の低下を防止
することもできる。

また、発熱量の大きい電気ヒーターによって急激な加
熱が行われることがないことから、フィルター３の各部
分間における温度差を小さく保つことができ、フィルタ
ー３の急激な熱膨張によりクラック等の発生を抑えて、
フィルター３の破損を未然に防止することができる。

ここで、フィルター３の再生処理に関する具体的な実
験データ及びその比較実験データについて説明する。

実験条件として、フィルター３は、直径140mm,長さ14
0mm,熱伝導率0.029cal/cm.sec.℃，比熱0.34cal/g.℃の
ものを使用した。フィルター３の外周の断熱材４は、セ
ラミックファイバー製，厚さ25mm,熱伝導率0.08kcal/m.
hr.℃のものを使用した。フィルター３の上流側の断熱
材８は、セラミックファイバー製，厚さ15mm,熱伝導率
0.15kcal/m.hr.℃のものを使用した。また、電気ヒータ
ー７は12V−2.5kWのものを使用した。更に、コンプレッ
サCoからの二次エア供給量は50/minとした。

排気ガス中のカーボン捕集については、圧力センサPs
にて検出される圧力が所定値に到達するまで捕集動作を
継続した。この間のカーボン捕集量の算出については、
フィルター３の容積をガス通過孔５の部分の総量とし、
カーボン捕集量は捕集処理の前後における重量変化に基
づいて求めた。

フィルター３の再生処理時間については、フィルター
３の上流側側面の中心を計測点Ｐとして、図示しない熱
電対を配置してその温度変化を監視した。計測点Ｐの温
度は、フィルター３に捕集されたカーボンの燃焼終了時
に急激に降下するため、電気ヒーター７への通電開始時
から温度降下時点までの時間を再生処理時間として計測
した。

その結果、この実施例の実験装置を使用して行った再
生処理時間は７〜８分であった。

一方、上記実験の比較実験として、電気ヒーター７の
上流側の断熱材８を省略して電気ヒーター７のみとし、
上記実験と同様の実験条件に基いてカーボン捕集を行
い、前記実験時と同等のカーボン捕集量が得られた後に
カーボンの酸化処理を行って、その再生処理時間を計測
した。

その結果、再生処理時間は18分であった。

以上の結果からも明らかなように、フィルター３の上
流側に断熱材８を設けた実験では、比較実験の断熱材８
を省略したものに比べて約半分の再生処理時間となり、
カーボンが効率的に燃焼していることが分かる。

尚、本実施例１の構成を次のように変更して実施する
こともできる。

（１）前記構成では、第1,2図に示すように断熱材８に
対して電気ヒーター７を組付けたが、第６図に示すよう
に、熱源としの電気ヒーター11の上流側において断熱材
12をケーシング２の内壁に固着して設けることもでき
る。

（２）前記構成では、第1,2図に示すようにフィルター
３の上流側の電気ヒーター７を組付けた断熱材８と、フ
ィルター３の外周の断熱材４とを別々に設けたが、第７
図に示すようにフィルター３の外周及び上流側を囲む断
熱材13を設けると共に、その断熱材13においてフィルタ
ー３の上流側に熱源としての電気ヒーター14を組付ける
こともできる。

（３）前記構成では、フィルター３の外周に断熱材４を
設けたが、その断熱材４を省略することもできる。

（４）前記構成では、熱源として電気ヒーター７を設け
たが、内燃機関の発熱を利用した加熱器を設けることも
できる。

［実施例２］第８図に示すように、本実施例２においては、フィル
ター３の上流側に熱源としての電気ヒーター７が配設さ
れると共に、更にその上流側には耐熱性繊維を使用して
網目状に形成された網状断熱材15が配設されている。そ
して、この網状断熱材15の存在により電気ヒーター７か
らの輻射熱がフィルター３と反対方向へ向かうことが抑
制され、フィルター３が効率的に加熱される。

また、本実施例２の網状断熱材15は、ハニカム状フィ
ルター３の端面の開口率よりも大きな開口率を確保する
ことができるため、前記実施例１において使用したガス
通過孔９を有する断熱材８よりも通気性に優れ、排気抵
抗を増大させることなく、円滑に排気ガスを通過させる
ことができる。

ここで、前記耐熱性繊維としては、アルミナ−シリカ
セラミックファイバー、アルミナファイバー、シリカフ
ァイバー等の1000℃以上の耐熱性を有するセラミックス
繊維を使用することができる。

また、前記網状断熱材15は、例えば、太さが0.5〜1.0
mmの耐熱性の糸を目開き1.0〜2.0mm、開口率40〜60％の
網目状に形成することが望ましい。この範囲内の目開
き、開口率とすることにより、網状断熱材15は断熱性と
通気性とを高いレベルで兼ね備えることができる。

尚、前記電気ヒーター７及び網状断熱材15は、ケーシ
ング２の下流側に設けられてもよい。

［実施例３］第９図に示すように、本実施例３においては、ケーシ
ング２が前記実施例1,2よりも長く形成され、そのケー
シング２内には３分割されたフィルター部材16a〜16cか
らなるフィルター16が配設されている。第10図に示すよ
うに、これら３つのフィルター部材16a〜16cはハニカム
状に形成され、それぞれが相互に連通するガス通過孔５
を多数有している。そして、上流側に配置されるフィル
ター部材16aに設けられたガス通過孔５の供給側端部、
及び下流側に配置されるフィルター部材16cに設けられ
たガス通過孔５の排出側端部において、３つのフィルタ
ー部材を相互に連通する各ガス通過孔５の供給側又は排
出側のいずれか一方が炭化珪素質の小片６によって封止
されており、これら３つのフィルター部材16a〜16cが一
体となってフィルター16としての機能を発揮する。

また、前記フィルター16の上流側及び下流側、並びに
各フィルター部材16a〜16c間には、それぞれ断面網目状
のセラミックヒーター17が配設され、これらは円筒状の
断熱材４に包まれてケーシング２内に配置されている。
更に、フィルター16の両端に位置するセラミックヒータ
ー17の近傍には、前記実施例２と同様に網状断熱材15が
配設されている。

この構成によれば、排気ガス浄化装置の排気ガスの処
理能力を向上させることができるため、8000cc以上とい
う大排気量のディーゼルエンジンにも使用することがで
きる。また、ケーシング２の断面積を広げることなく、
フィルター16の全長を長くしてフィルター面積を確保し
ているため、スペースの限られる車載用の排気ガス浄化
装置として極めて好適である。

更に、フィルター16を３分割し、各フィルター部材16
a〜16c間にセラミックヒーター17を設けたことにより、
フィルター全体として、その長手方向の温度分布をほぼ
均一化させることができる。そのため、フィルターの温
度分布が不均一なことに由来するクラックの発生を未然
に防止することができる。特に、フィルター16を炭化珪
素焼結材料のような熱膨張率の大きい材料で構成する場
合には、従来以上に信頼性を向上させることができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、カーボンの酸化
処理を効率的に行うことができると共に、フィルターを
多数設けることによってその処理能力を向上させながら
フィルター全体の温度分布をほぼ均一にしてクラックの
発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】第１〜７図は実施例１を示し、第１図は排気ガス浄化装
置及びその実験装置を示す部分断面図、第２図はその排
気ガス浄化装置を拡大して示す断面図、第３図は断熱材
を示す正面図、第４図はフィルターの断面図、第５図は
フィルターの正面図、第６図及び第７図は排気ガス浄化
装置の別例を示す断面図、第８図は実施例２の排気ガス
浄化装置を示す断面図、第9,10図は実施例３を示し、第
９図は排気ガス浄化装置を示す断面図、第10図は分割フ
ィルターの断面図である。２……ケーシング、2a……通路、3,16……フィルター、
7,11,14……熱源としての電気ヒーター、8,12,13……断
熱材、９……通気孔としてのガス通過孔、10……通気孔
としての連通孔、15……網状断熱材、17……熱源として
のセラミックヒーター、Ｅ……内燃機関。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ０１Ｄ 53/86 Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ＰＢ０１Ｊ 35/04 ３０１Ｂ０１Ｄ 53/36 Ｂ (72)発明者伊藤淳岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１―１イビデン株式会社大垣北工場内 (56)参考文献実開平３−17223（ＪＰ，Ｕ) 実開平３−47413（ＪＰ，Ｕ) 特表平４−504297（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 341 B01D 39/20 B01D 46/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気側に連通する通路を備えた
ケーシングと、前記通路内に排気ガス流通方向に並設された複数のフィ
ルターと、前記通路内において前記各フィルターの上流側及び下流
側に配設された熱源と、前記各熱源のうち、最上流側及び最下流側の熱源を挟ん
でフィルターと反対側に、前記通路の断面略全域にわた
って配設された通気性を有する断熱材とを備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】前記熱源は渦巻き状に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】前記フィルターは多孔質炭化珪素焼結体に
よってハニカム状に形成されていることを特徴とする請
求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】前記断熱材はセラミックス繊維によって網
目状に形成された断熱材であることを特徴とする請求項
１に記載の排気ガス浄化装置。