JPH10196346A - ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大容量のトラップにおけるフィルターユニッ
トの支持部の負担を軽くし、各フィルターユニットの最
外周の環状の排気ガス通路からフィルター外周へ透過す
る排気ガス流速のバラツキを平準化し、パティキュレー
トの捕集効率の向上を計る。 【解決手段】 ディーゼルエンジンの排気管に接続され
る円筒ケース２内に、前記円筒ケース２の中心からの等
距離にトラップとしての３本の金属製フィルターユニッ
ト３を配置し、排気ガス流入側の前記フィルターユニッ
ト３の前方に、前記円筒ケース２の直径の１／６〜１／
２の距離（Ｌ）に前記円筒ケース２と同芯上に存在する
金属円板６を設け、前記円筒ケース２の中心から等距離
に存在する各フィルターユニット３の中心までをＲａと
し、前記円筒状のフィルター４の最大半径にＲａを加え
た距離をＲｂとした場合、前記金属円板６の半径Ｒは、
Ｒａ≦Ｒ≦Ｒｂの範囲に存在させる。

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
ンの排気ガス中のカーボン等の微粒子（以降パティキュ
レートと言う）を捕集し除去するためのディーゼルエン
ジン用パティキュレートトラップ（以降ＤＰＦと言う）
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の排気ガスは、大気汚染の大きな
原因の一つで、排気ガスに含まれる有害成分を除去する
技術は極めて重要である。

【０００３】特にディーゼルエンジン車においては、排
気再循環（ＥＧＲ）をかけたり燃料噴射系の改善を行な
ったり、有害成分の排出を抑える努力も行われている
が、抜本的な決め手がなく排気経路に排気トラップを設
置し、パティキュレートをトラップによって捕集し、こ
れを燃焼して除去する特開昭５８−５１２３５号公報の
技術が最も実用的であると考えられ、検討が続けられて
いる。

【０００４】ところで、ディーゼルエンジンの排気ガス
に含まれるパティキュレートやＮＯｘを捕集するための
パティキュレートトラップとしては、次のような性能を
満足する必要がある。まず捕集性能では、パティキュレ
ートの排出量の６０％以上捕集する必要があり、フィル
ターの設置による圧力損失は小さい程よく、燃焼による
熱履歴に耐える耐熱耐久性を要求され、且つ、車両の振
動にも耐える機械的強度も維持する必要がある。

【０００５】従来、このようなフィルター材料としては
コーディエライトセラミックスが用いられているが、特
開平６−２９４３１３号公報に提案される金属製トラッ
プが、コーディエライトセラミックスより熱伝導率が高
く、燃焼再生時にヒートスポットやクラックを生じ難
く、また高温排気ガス中でも優れた耐蝕性を示すものと
して注目されている。

【０００６】又，実開平６−３４１１８号公報には，図
９に示すような断面形状が略正方形のフィルター１０４
の前方に所定直径の円形拡散板１０５を所定の間隙Ｓだ
け離して配置し、加熱装置１０６の加熱部から排出され
た高温の加熱ガスの熱をフィルター１０４の外周部へ多
く拡散し、フィルター１０４の中心部と外周部の温度差
を少なくする技術も提案されている。この従来技術は、
フィルターに捕集したパティキュレートを燃焼さす熱量
を均等に配分しょうとするものであり、本発明の技術
は、流入ガスの流速を均一化しフィルターで捕集される
パテイキュレートの分量を均一化しようとするものであ
る。

【０００７】一般に金属フィルターを用いた場合、その
形態は同芯の多重筒型のフィルターであることが、車両
の狭い空間を利用するには有効である。

【０００８】しかし、バスやトラックの如き排気量の大
きいエンジンの排気ガスを浄化するのには、背圧の上昇
を抑えるため円筒ケースの直径は２５０φ前後となり、
収納するフィルターの最外筒の直径は、２３０φを越え
ることになる。仮に従来例のように、円筒ケース内に単
独の多重円筒にてフィルターを配置すると、捕集面積を
稼ぐため円筒数は数個を越える多重とする必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのように構
成すると、図２に示すように円筒ケースとフィルター４
を繋ぐ排気ガスの流入路を形成する側板５との、フィル
ターの最外筒との熔接部に多重円筒フィルター全体の重
量がぶらさがり、車両の振動を拾って該部にクラックが
発生し易く、やがてフィルター全体が脱落する恐れがあ
る。

【００１０】従ってフィルターの円筒数は、板状の電気
ヒーター７を挟んで対峙する２個から、側板との接合部
に負担を掛けないよう４個程度に抑えるのが好ましい。

【００１１】２５０φの円筒ケース内で、単独の多重円
筒のフィルターと等価の捕集面積を得るフィルターユニ
ット数は、３個が最もバランスが良い。この形態であれ
ば、側板とフィルターとの熔接部に関する不具合は解消
するものの、最外筒のフィルターとその内側に存在する
フィルターで形成される環状の排気ガス通路の円周内の
排気ガス流速にバラツキを生ずると言う別の問題が残
る。

【００１２】つまり、図３に示す円筒ケース内の３本の
フィルターユニットの断面図における、最外周の環状の
排気ガス通路Ｘに関するフィルター外周へ透過する排気
ガス流速につき、円筒ケースの内側と接近している領域
Ａは、流出通路が狭くて抵抗が大きく、排気ガス流速は
小さくなる。一方、領域Ｂは円筒ケースと充分離れてい
るため、領域Ａと較べ流出抵抗は少なく排気ガスの流速
は領域Ｂの方が大きい。

【００１３】排気ガス通路Ｘより内側の環状の通路につ
いては、排気ガスのフィルター透過後の内外の環境が円
周上略均一であるため排気ガスの流速の乱れは生じ難
い。

【００１４】排気ガスのフイルター透過流速が速くなる
と、パティキュレートの捕集効率の低下することは、経
験則として認識するところである。又、本発明の実施例
である図１の構成に対し、実際にパティキュレートの捕
集テストを行い、加熱燃焼の後工程を省いてフィルター
のパティキュレートの初期の捕集状況を観察すると、通
路Ｘ中の領域Ｂよりも領域Ａの方がカーボンにより黒く
汚れていることが認められる。

【００１５】つまり、排気ガスの流れを制御する金属円
板がないと、捕集初期に排気ガスの流れがフィルターの
特定の部分に集中しやすく、環状の排気ガス通路Ｘから
フィルター外周へ透過する排気ガスの流速が不均一とな
り捕集初期における捕集効率が低いと言う問題があっ
た。

【００１６】本発明は、３本のフィルターユニット中の
環状の通路Ｘに対する排気ガス流速を制御し、トラップ
全体としてのパティキュレート捕集効率の改善を計ろう
とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】ディーゼルエンジンの排
気管に接続される円筒ケース内に、前記円筒ケースの中
心からの等距離にトラップとしての３本の多重円筒状の
金属製フィルターを配置し、排気ガス流入側の前記金属
製フィルターの前方に、前記円筒ケースの直径の１／６
〜１／２の距離（Ｌ）に前記円筒ケースと同芯上に存在
する金属円板を設けることにより、前記円筒ケースに流
入する排気ガスは前記金属円板に衝突して放射状に偏向
し、フィルター外周部と円筒ケース内壁の間隙に偏って
流入する。

【００１８】放射状に偏向した排気ガスの流入量の最適
値を決める前記金属円板の半径Ｒは、前記円筒ケースの
中心から等距離に存在する各フィルターの中心までをＲ
ａとし、前記円筒状のフィルターの最大半径にＲａを加
えた距離をＲｂとした場合、Ｒａ≦Ｒ≦Ｒｂの範囲に存
在することが好ましい。

【００１９】前記多重円筒状のフィルターは、耐熱金属
製の３次元網状構造多孔体を素材とする同芯状の２〜４
個の円筒から構成されることが好ましく、各円筒フィル
ター間には金属製の板状ヒーターがフィルターに接触し
ない位置に設けられる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の概念を示す斜視
図である。ディーゼルエンジンの排気管に円筒ケース２
の中心から等距離に３本のフィルターユニット３を側板
５に熔接にて固定した本発明のＤＰＦを接続する。前記
フィルターユニット２の排気ガス流入側に、排気ガスの
流入量を制御する金属円板６を配置する。

【００２１】

【実施例】図２に、フィルターユニット３の詳細断面図
を示す。フィルターユニット３は、同芯状の２〜４個の
円筒フィルター４から構成され、対峙するフィルター４
の環状の排気ガス通路にパティキュレートを適宜、加熱
燃焼さすための金属製の板状電気ヒーター７が挿入さ
れ、最外周のフィルター４の排気ガス流入側の端面は側
板５に熔接され、これより内側のフィルター４の端面
は、ドーナツ状の目板８にて連結され環状の排気ガス通
路が形成される。フィルター４の終端も同様にドーナツ
状の目板９にて連結される。従って、フィルターユニッ
ト３全体の重量は、最外周のフィルター４と側板５の接
合部にぶらさがることになる。

【００２２】そしてフィルター４の材質は、特公昭５７
−３９３１７号公報に記載される製法で造られた３次元
網状構造の、金属骨格が太さ５〜１００μｍｍで、孔径
が１５０〜４００μｍｍ連通孔のＮｉを主原料とし、Ｃ
ｒとＡｌを拡散浸透した金属多孔体を用いるのが好まし
い。

【００２３】又、フィルターユニット３の最外筒同志は
接触してはならず、フィルター最外筒半径の１／１０程
度離間して配置することが望ましい。

【００２４】図１に示す金属円板６とフィルター４との
設置距離（Ｌ）及び図３に示す金属円板６の半径Ｒａ、
Ｒｂについては、コンピュータによる流体シミュレーシ
ョン計算により求めた。また金属円板６は、円筒ケース
２に熔接されるステー１０により所定位置に固定され
る。

【００２５】流体シミュレーションは、円筒ケース２の
内径２５０φの中に、前記円筒ケース２の中心からフィ
ルターユニット３の中心までの距離７０ｍｍの位置に、
最外周半径５０ｍｍの長さ２６０ｍｍのフィルターユニ
ット３を配置し、フィルター４の厚さが６ｍｍで環状の
排気ガス通路の幅５ｍｍの円筒を４個設置し、排気ガス
流入量を２０ｍ³／ｍｉｎとして、図３に示すフィルタ
ーユニット３の最外周の環状の排気ガス通路Ｘからフィ
ルター４の外周へ透過する排気ガス流速を計算した。

【００２６】先ず極端なケースとして、図１において金
属円板６が存在しない場合のフィルターユニットの最外
周の環状の排気ガス通路Ｘからフィルター外周へ透過す
る排気ガス流速のシミュレーション計算結果を図４に示
す。円筒ケース１の内側と接近したいる領域Ａに対し、
円筒ケース１の内側と充分離れている領域Ｂの流速は、
長手方向全域に亘り約２倍以上速くなっている。

【００２７】この結果は、実際にパティキュレートの捕
集テストを行い、加熱燃焼の後工程を省いてフィルター
のパティキュレート捕集状況を定量的に観察した結果と
も整合性がとれた。

【００２８】つぎにフィルター４の前方７０ｍｍに、半
径８０ｍｍの大きさの金属円板６を設置した場合のフィ
ルターユニットの最外周の環状の排気ガス通路Ｘからフ
ィルター外周へ透過する排気ガス流速のシミュレーショ
ン計算結果を図５に示す。長手方向全域に亘り領域Ａ、
Ｂの流速の接近しているのが判る。

【００２９】図５からだけでは、金属円板６の設置距離
（Ｌ）と半径Ｒの有効値を模索することはできない。そ
こで平均流速比と言う概念を用いて、図６に金属円板の
半径Ｒ＝８０ｍｍと仮定して金属円板６の設置距離
（Ｌ）に対応する平均流速比を、図７に金属円板の設置
距離Ｌ＝７０ｍｍと仮定して金属円板６の半径Ｒに対応
する平均流速比を示す。ここで、平均流速比＝（領域Ｂ
の平均流速／領域Ａの平均流速）と定義する。

【００３０】図６には、金属円板設置距離（Ｌ）に対応
したフィルターユニットの最外周の環状の排気ガス通路
Ｘからフィルター外周へ透過する排気ガス流速の平均流
速比のシミュレーション計算結果を示すが、平均流速比
が１±２０％の範囲に存在し臨界的意義の認められるの
は、設置距離（Ｌ）＝４１．６〜１２５ｍｍである。図
７には、金属円板設置距離（Ｌ）に対応したフィルター
ユニットの最外周の環状の排気ガス通路Ｘからフィルタ
ー外周へ透過する排気ガス流速の平均流速比のシミュレ
ーション計算結果を示すが、平均流速比が１±２０％の
範囲に存在し臨界的意義の認められるのは、金属円板半
径Ｒ＝７０〜９５ｍｍである。つまり、金属円板の設置
距離（Ｌ）は円筒ケースの１／６〜１／２の範囲に存在
するのが好ましく、金属円板の半径Ｒは、円筒ケース２
の中心から等距離に存在する各フィルターユニットの中
心までをＲａとし、前記円筒状のフィルターの最大半径
にＲａを加えた距離をＲｂとした場合、Ｒａ≦Ｒ≦Ｒｂ
の範囲に存在するのが好ましい。

【００３１】図４〜５とに示す結果は、環状の排気ガス
通路Ｘからフィルター外周へ透過する排気ガスの流速を
推定したものである。それでは図４〜５のシミュレーシ
ョン条件と同一仕様のＤＰＦに対し、トラップ全体とし
て捕集効率がどの程度改善されたのか、図８に示す実験
装置により確認した。その構成は、エンジンダイナモメ
ーター上に設置した排気量１１２００ｃｃの６気筒直噴
式の大型ディーゼルエンジンの排気ガスをミニダイリュ
ウショントンネル１０１に導入する中間にＤＰＦ１を配
置して評価するものである。

【００３２】ここで、ＤＰＦ接続直前の排気ガス濃度を
Ｃｉとし、ＤＰＦ通過後の排気ガス濃度をＣｏとしたと
き、捕集効率＝（Ｃｉ−Ｃｏ）／Ｃｉ×１００％と定義
する。

【００３３】金属円板６の存在しない場合（図４）と金
属円板６が存在する場合（図５）の初期捕集効率の試験
結果を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】各フィルターユニット３の環状の排気ガス
通路Ｘ内の排気ガス流速を制御するために、金属円板の
設置距離（Ｌ）及び半径Ｒを数値限定範囲に設定すれ
ば、トラップ全体の捕集効率の向上することが表１から
判明する。そして、捕集性能も所定の目標を充分に達成
するものである。

【００３６】

【発明の効果】バスやトラックのような大排気量のディ
ーゼルエンジンの排気ガスを浄化するのには、背圧が上
昇しないようにトラップの容量も大きくなる。パティキ
ュレートを捕集するフィルター面積を単純に増加する
と、フィルターユニットの支持部に負担が掛かるので、
この負担を分散するため複数のフィルターユニットを配
置することになる。

【００３７】ところが、各フィルターユニットの最外周
の環状の排気ガス通路を透過する排気ガス流速にバラツ
キがあってパティキュレートの捕集効率が低下するた
め、排気ガス流入側のフィルター前方に、所定の大きさ
の金属円板を所定の位置に設置すれば、各フィルターユ
ニットの最外周の環状の排気ガス通路を透過する排気ガ
ス流速は、平準化されトラップ全体としてパティキュレ
ート捕集効率を向上さすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を示す斜視図である。

【図２】本発明のフィルターユニットの詳細断面図であ
る。

【図３】本発明の円筒ケース内のフィルターユニットの
断面図である。

【図４】本発明の金属円板を設置しない場合の、シミュ
レーション計算結果である。

【図５】本発明の金属円板を設置した場合の、シミュレ
ーション計算結果である。

【図６】本発明の金属円板の半径を８０ｍｍとした場合
の、シミュレーション計算結果である。

【図７】本発明の金属円板の設置距離を７０ｍｍとした
場合の、シミュレーション計算結果である。

【図８】本発明のＤＰＦの性能を評価する実験装置であ
る。

【図９】従来技術のＤＰＦの断面図である。

【符号の説明】

１：ＤＰＦ ２：円筒ケース ３：フィルターユニット ４：フィルター ５：側板 ６：金属円板 ７：電気ヒーター ８、９：目板 １０：ステー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３０１Ｄ (72)発明者 渡邊 容子 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンの排気管に接続され
   る円筒ケース内に、前記円筒ケースの中心からの等距離
   にトラップとしての３本の金属製フィルターユニットを
   配置し、排気ガス流入側の前記フィルターユニットの前
   方に、前記円筒ケースの直径の１／６〜１／２の距離
   （Ｌ）に前記円筒ケースと同芯上に存在する金属円板を
   設け、前記円筒ケースの中心から等距離に存在する各フ
   ィルターユニットの中心までをＲａとし、前記円筒状の
   フィルターの最大半径にＲａを加えた距離をＲｂとした
   場合、前記金属円板の半径Ｒは、Ｒａ≦Ｒ≦Ｒｂの範囲
   に存在することを特徴とするディーゼルエンジン用パテ
   ィキュレートトラップ。
2. 【請求項２】 前記フィルターユニットは、耐熱金属製
   の３次元網状構造多孔体を素材とする同芯状の２〜４個
   の円筒から構成され、各円筒フィルター間に金属製の板
   状ヒーターがフィルターに接触しない位置に設けられて
   いることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエン
   ジン用パティキュレートトラップ。