JPH10220218A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな加振力でもアッシュをフィルタから良
好に剥離させて排出させることが可能な内燃機関の排気
浄化装置を提供すること。 【解決手段】 機関排気通路にパティキュレート捕集用
のフィルタ１が排気上流側端面を下向きに配置され、フ
ィルタ１をフィルタ軸線方向に移動可能に排気通路内に
支持するガイド機構４，６と、フィルタ１に設けられた
当接部４ｂと、当接部４ｂに対して隙間を明けて対向
し、フィルタ１がフィルタ軸線方向へ移動すると当接部
４ｂに当接してフィルタ１のフィルタ軸線方向の移動可
能量を規制するストッパ部材６ｃ、とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、特に、ディーゼル機関の排気
ガス中にはカーボンを主成分とする排気微粒子（パティ
キュレート）が比較的多く含まれており、これが環境汚
染を引き起こすために排気ガスを大気に放出する以前に
除去されることが好ましく、そのために、ディーゼル機
関の排気通路内にはパティキュレートを捕集するための
フィルタが配置されている。

【０００３】ディーゼル機関の使用に伴いフィルタにお
けるパティキュレート捕集量が増加すると排気抵抗が増
大して機関性能を低下させるために、捕集されたパティ
キュレートは定期的に燃焼させられ、フィルタが再生さ
れるようになっている。

【０００４】ディーゼル機関の燃焼に際して、燃料だけ
でなく気筒内へ侵入したエンジンオイルも燃焼するため
に、その成分であるカルシウム及びリン等の酸化物及び
硫化物等が生成される。通常、パティキュレートはこれ
らを成分として有している。カルシウム又はリンの酸化
物又は硫化物は非常に燃焼し難く、前述のフィルタ再生
において、アッシュとしてフィルタ内に残留し、フィル
タを通して排気下流側に排出されることはないために、
フィルタ内に堆積して排気抵抗を増加させる。

【０００５】従って、このようなアッシュは、フィルタ
から排出させなければならないが、物理的にフィルタ排
気下流側に排出させることができないために、フィルタ
排気上流側に排出させるしかない。実開平１−１５２０
１７号公報に開示されている排気浄化装置は、フィルタ
が排気上流側端面を下向きに斜め配置され、フィルタを
収納するケースが、排気上流側接続管及び排気下流側接
続管に、それぞれフレキシブル管を介して接続され、ケ
ースを上下方向に加振する加振装置が設けられ、ケース
の下側にはゴム部材が配置されている。それにより、ア
ッシュをフィルタから排出させようとする時には、加振
装置がフィルタを収納するケースを上下方向に加振して
ゴム部材に衝突させ、その衝撃によってアッシュをフィ
ルタから剥離させ、こうして剥離したアッシュを、重力
及びフィルタの振動によってフィルタ排気上流側に排出
するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】アッシュ粒子の質量は
極めて小さいために、アッシュをフィルタから良好に剥
離させて排出させるためには、フィルタを比較的大きな
加速度で加振する必要がある。前述の従来技術は、フレ
キシブル管を介して固定されたフィルタのケースを上下
方向に加振するものであるために、かなりの重量物をフ
レキシブル管の抵抗に逆らって大きな加速度で加振する
大型の加振装置が必要となり、機関排気系の大型化及び
かなりのコストアップがもたらされる。

【０００７】従って、本発明の目的は、小さな加振力で
もアッシュをフィルタから良好に剥離させて排出させる
ことが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路にパテ
ィキュレート捕集用のフィルタが排気上流側端面を下向
きに配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記
フィルタをフィルタ軸線方向に移動可能に前記排気通路
内に支持するガイド機構と、前記フィルタに設けられた
当接部と、前記当接部に対して隙間を明けて対向し、前
記フィルタがフィルタ軸線方向へ移動すると前記当接部
に当接して前記フィルタのフィルタ軸線方向の移動可能
量を規制するストッパ部材、とを具備することを特徴と
する。

【０００９】本発明による請求項２に記載の内燃機関の
排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化
装置において、前記フィルタの温度が高くなると、前記
隙間が小さくなって前記フィルタのフィルタ軸線方向の
移動可能量は小さくなることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による内燃機関の
排気浄化装置の第１実施形態を示す機関排気系の一部の
概略縦断面図である。同図において、１はパティキュレ
ート捕集用のフィルタである。２はフィルタ１の排気下
流側に位置する第１フランジ管であり、３はフィルタ１
の排気上流側に位置する第２フランジ管である。第１フ
ランジ管２は、ターボチャージャのタービンを介して下
流排気管に接続される。図示したように、フィルタ１は
排気上流側を下にして斜め配置されており、第２フラン
ジ管３の下側には、フィルタ１の排気上流側端面１ａの
垂直投影面にほぼ対向して開口する凹状のアッシュ収容
部３０が形成されている。

【００１１】フィルタ１は、二組の耐熱性金属繊維の不
織布と耐熱性金属の波板とを互い違いに厚さ方向に積層
して螺旋状に巻き、排気上流側端部において不織布の一
方の面同士を互いに密着させて螺旋状に連続して溶接
し、排気下流側端部において不織布の他方の面同士を互
いに密着させて螺旋状に連続して溶接することにより、
排気上流側で閉鎖されて排気下流側で開口する不織布と
波板との間の空間と、排気下流側で閉鎖されて排気上流
側で開口する不織布と波板との間の空間とが形成されて
いるものである。もちろん、多孔性物質からなるハニカ
ム状の隔壁を備えた一般的なハニカム状フィルタも使用
可能である。これらのフィルタは、排気ガスがその軸線
方向に吹き抜けることを防止し、金属繊維不織布又は多
孔性物質から成る隔壁を排気ガスが一旦半径方向に通過
するようになっており、その際にパティキュレートが捕
集されるようになっている。

【００１２】フィルタ１は、その軸線中心に円柱状の棒
部材４が同心配置され、ケース５内に保持されいる。こ
の棒部材４は、その両端部には円形断面の凹部４ａが形
成されている。これらの凹部４ａには、それぞれ、支持
部材６の円柱状の摺動部６ａが嵌合している。各支持部
材６はフィルタ１の半径方向に延在する足部６ｂを有し
ており、一方の支持部材６は足部６ｂによって第１フラ
ンジ管２に固定され、他方の支持部材６は足部６ｂによ
って第２フランジ管３に固定されている。

【００１３】第１フランジ管２及び第２フランジ管３
は、それぞれ排気下流側及び排気上流側に接続された接
続管（図示せず）等によって、独立して所定位置に保持
されている。フィルタ１が収容されたケース５の外周部
における排気下流側端部及び排気上流側端部は、それぞ
れ、第１フランジ管２のフィルタ側開口部及び第２フラ
ンジ管３のフィルタ側開口部に嵌合されているだけであ
り固定されてはいない。このように構成された内燃機関
の排気浄化装置において、フィルタ１内の棒部材４に形
成された凹部４ａと、この凹部４ａに嵌合する支持部材
６の摺動部６ａとは、フィルタ１を軸線方向に移動可能
に支持するガイド機構を形成する。フィルタ１が軸線方
向に移動する際には、ケース５の外周面と第１及び第２
フランジ管２，３の開口部内周面とが摺動することにな
るが、排気ガスの外部漏れを防止するために、この二箇
所の摺動部にはシール構造を設けることが好ましい。ま
た、第１フランジ管２及び第２フランジ管３は、フィル
タ１の軸線方向の移動が可能となっていれば、特に離間
配置される必要はなく、それぞれを延長してフランジ等
を介して接続するようにしても良い。このようにするこ
とで、排気ガスの外部漏れに対するシール構造は不必要
となる。

【００１４】フィルタ１の軸線方向の移動に際して、フ
ィルタ１内の棒部材４の環状端面４ｂは、支持部材６に
おける摺動部６ａ根元回りの環状面６ｃに当接し、フィ
ルタ１の軸線に沿った斜め上方向及び斜め下方向の移動
可能量が規制されている。このように、支持部材６の環
状面６ｃは、当接部としての棒部材５の環状端面４ｂに
対して隙間を明けて対向し、フィルタ１の軸線方向の移
動可能量を規制するストッパ部材として機能する。

【００１５】フィルタ１へのパティキュレートの捕集量
がかなり増加すると排気抵抗が大幅に増大するために、
この時には、例えば、フィルタ１に配置された電気ヒー
タを通電発熱させ、パティキュレートを定期的に燃焼さ
せるようになっている。もちろん、電気ヒータに代え
て、又は電気ヒータに加えて、燃料及び二次空気をパテ
ィキュレート捕集用フィルタへ供給したり、触媒を担持
させることにより排気ガスの熱で捕集したパティキュレ
ートを燃焼させるような他のパティキュレート燃焼手段
を設けることも可能である。

【００１６】このようなパティキュレート燃焼手段によ
って、パティキュレートの可燃成分はフィルタ１から除
去されるが、パティキュレートの成分として含まれるカ
ルシウム又はリンの酸化物又は硫化物等は、燃焼せずに
アッシュとしてパティキュレート捕集用のフィルタ１に
堆積する。

【００１７】このようなアッシュは、少なくとも定期的
にフィルタ１から剥離させてフィルタ１の排気上流側へ
排出しなければならない。本実施形態においては、前述
したように、フィルタ１が軸線方向に移動可能となって
いるために、機関始動時の車両振動等のような小さな加
振力がフィルタ１に作用しさえすれば、フィルタ１は、
まず軸線に沿って斜め上方向に容易に移動して、棒部材
５の上側の環状端面４ｂが第１フランジ管２内に位置す
る支持部材６の環状面６ｃに衝突し、次いで、フィルタ
１は、軸線に沿って斜め下方向に容易に移動して、棒部
材５の下側の環状端面４ｂが第２フランジ管３内に位置
する支持部材６の環状面６ｃに衝突する。このようなフ
ィルタ１の移動が繰り返されれば、衝突によってフィル
タ１の移動方向が逆転する際にフィルタ１には非常に大
きな加速度が発生し、フィルタに堆積するアッシュは容
易にフィルタから剥離し、次いでフィルタから第２フラ
ンジ管３内へ排出され、アッシュ収容部３０に収容され
る。

【００１８】図２は、本発明による内燃機関の排気浄化
装置の第２実施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断
面図である。第１実施形態との違いについてのみ以下に
説明する。本実施形態においては、第１実施形態におけ
る第１フランジ管２及び第２フランジ管３に相当するフ
ランジ管７は、一体として形成されている。しかしなが
ら、フィルタの内部組み立てを容易にするためには、略
中央部において長手軸線に対して垂直に二分割され、フ
ランジ等によって接合することが好ましい。

【００１９】このフランジ管７内には、第１実施形態と
同様なフィルタ１がケース５に収納されて配置され、こ
のフィルタ１は第１実施形態と同様なガイド機構によっ
て軸線方向に移動可能に支持されている。ケース５回り
には、フランジ管７との間に空間が形成されている。ケ
ース５の排気上流側端部及び排気下流側端部とフランジ
管７とは、この空間を閉鎖するように、それぞれ、弾性
部材、例えば、金属板からなる環状ベローズ８によって
接続されている。

【００２０】この環状ベローズ８は、ケース５回りの空
間を介しての排気ガスの内部漏れを防止すると共に、フ
ィルタ１を重力に逆らって所定位置に付勢するものであ
る。それにより、機関始動時の車両振動等のような小さ
な加振力がフィルタ１に作用しさえすれば、第１実施形
態と同様に、フィルタ１は、軸線に沿って斜め上方向に
容易に移動して、棒部材５の上側の環状端面４ｂが第１
フランジ管２内に位置する支持部材６の環状面６ｃに衝
突し、次いで、フィルタ１は、軸線に沿って斜め下方向
に容易に移動して、棒部材５の下側の環状端面４ｂが第
２フランジ管３内に位置する支持部材６の環状面６ｃに
衝突する。このようなフィルタ１の移動において、本実
施形態では、第１実施形態に比較して、環状ベローズ８
の付勢力によってフィルタ１が斜め上方向に移動し易く
なっているために、さらに小さな加振力によってもフィ
ルタ１の前述の移動を可能とし、フィルタ１からアッシ
ュを良好に排出させることができる。

【００２１】図３は本発明による内燃機関の排気浄化装
置の第３実施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面
図である。第２実施形態との違いについてのみ以下に説
明する。本実施形態では、ケース５回りの空間を閉鎖す
るように、ケース５の排気下流側端部とフランジ管７と
は、弾性部材、例えば、金属板からなる筒状ベローズ９
によって接続されている。このような形状の筒状ベロー
ズ９も第２実施形態の環状ベローズ８と同様に、ケース
５回りの空間を介しての排気ガスの内部漏れを防止する
と共に、フィルタ１を重力に逆らって所定位置に付勢す
るものである。それにより、第２実施形態と同様に、非
常に小さな加振力によってもフィルタ１は容易に軸線方
向に移動し、アッシュをフィルタ１から良好に排出させ
ることができる。

【００２２】前述した三つの実施形態において、棒部材
４は、例えば、第１フランジ管２、第２フランジ管３、
及びフランジ管７の材料と同じ線膨張係数が比較的小さ
なフェライト鋼から形成されている。金属繊維不織布か
らなるフィルタ１の線膨張係数は比較的小さく、このフ
ィルタ１が固定される棒部材４の線膨張係数が大きい
と、フィルタ１及び棒部材４の軸線方向の熱膨張時に、
フィルタ１に非常に大きな熱応力が発生することにな
る。

【００２３】このように、第１実施形態において、第１
及び第２フランジ管２，３と、棒部材４とは同じ材料か
ら形成されているが、機関運転時においては、排気ガス
流の中心に位置する棒部材４の方が高温度となり軸線方
向に大きく熱膨張する。それにより、機関始動時に比較
して、機関運転時には、棒部材４の環状端面４ｂと支持
部材６の環状面６ｃとの間の隙間は小さくなる。フィル
タ１及び支持部材６等は、温度が高くなるほど強度が低
下するために、これらが高温となる機関運転時におい
て、機関始動時と同様にフィルタ１を移動させると、衝
撃によってフィルタ１及び支持部材６等が破損する可能
性がある。本実施形態においては、機関運転時には、前
述の隙間が小さくなり、機関始動時に比較してフィルタ
１の軸線方向の移動可能量が小さく抑制されるために、
フィルタ１の移動時における衝撃力が小さくなりフィル
タ１及び支持部材６の破損を防止することができる。そ
の一方で、この時には、フィルタ１からアッシュが排出
され難くなるが、機関始動毎にフィルタ１からアッシュ
を排出させれば特に問題とはならない。

【００２４】第２及び第３実施形態においては、フィル
タ１の回りに空間が形成されてフランジ管７が配置され
ているために、排気ガス流の中心に位置する棒部材４と
フランジ管７との熱膨張差は第１実施形態より大きくな
り、機関運転時において、前述の隙間がさらに小さくな
ってフィルタ１及び支持部材の破損をさらに確実に防止
することができる。

【００２５】図４は本発明による内燃機関の排気浄化装
置の第４実施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面
図である。第２実施形態との違いについてのみ以下に説
明する。本実施形態において、フィルタ１は、その軸線
中心に、筒部材１０が同心配置され、フィルタ１の金属
繊維不織布がこの筒部材１０に固定されている。この筒
部材１０は、例えば、フランジ管７の材料と同じ線膨張
係数が比較的小さなフェライト鋼から形成されている。
それにより、軸線方向の熱膨張時におけるフィルタ１の
熱応力が大きくなることはない。

【００２６】この筒部材１０内には、例えば、フェライ
ト鋼より大きな線膨張係数を有するオーステナイト鋼か
ら成る棒部材１１が挿入され、中央部だけのかしめ等に
よって固定される。支持部材６の円柱状の摺動部６ａ
は、筒部材１０に嵌合されている。各支持部材６の足部
６ｄは、フィルタ１の軸線方向に延在し、一方の支持部
材６は足部６ｄによってフランジ管７の排気下流側に固
定され、他方の支持部材６は足部６ｄによってフランジ
管７の排気上流側に固定されている。

【００２７】本実施形態では、筒部材１０と、この筒部
材１０に嵌合する支持部材６の摺動部６ａとは、フィル
タ１を軸線方向に移動可能に支持するガイド機構を形成
する。また、フィルタ１の軸線方向の移動に際して、棒
部材１１の端面１１ａは、支持部材６における摺動部６
ａの端面６ｅに当接し、フィルタ１の軸線に沿った斜め
上方向及び斜め下方向の移動可能量が規制されている。
このように、支持部材６の摺動部の端面６ｅが、当接部
としての棒部材１１の端面１１ａに対して隙間を明けて
対向し、フィルタ１の軸線方向の移動可能量を規制する
ストッパ部材として機能する。

【００２８】このようにして本実施形態は、第２実施形
態と同様に機関始動時においてフィルタ１から容易にア
ッシュを排出することが可能となる。また、当接部を形
成する棒部材１１は、大きな線膨張係数を有し、筒部材
１０に対して自由に膨張可能であり、さらに、支持部材
６の足部６ｄがフィルタ１の軸線方向に配置されてい
る。それにより、機関運転時においては、第２実施形態
に比較して、棒部材１１の端面１１ａと支持部材６の摺
動部６ａの端面６ｅとの間の隙間は非常に小さくするこ
とができ、フィルタをほとんで移動させないようにし
て、フィルタ１及び支持部材６の破損を完全に防止する
ことができる。

【００２９】第２、第３、及び第４実施形態において、
フィルタ回りに空間が形成されているために、フィルタ
外周部において放熱が起こり難く、フィルタ内の温度が
比較的均一となるために、局部的に大きな熱応力が発生
してフィルタ１が破損することを防止することができ
る。また、全ての実施形態において、フィルタは、二つ
の支持部材によって排気下流側及び排気上流側から支持
されて軸線方向の移動をガイドされるようになっている
が、これは、本発明を限定するものではなく、フィルタ
１のいずれかの側からだけガイドするようにしても良
い。

【００３０】ガイド機構は、フィルタの軸線中心に設け
られる必要はなく、例えば、第１実施形態にように、フ
ィルタのケースとフランジ管との間にガイド機構を設け
るようにしても良い。また、フィルタの軸線方向の移動
可能量を規制してフィルタに衝撃を発生させるストッパ
部材は、前述の全ての実施形態にように、排気下流側及
び排気下流側、すなわち、上側及び下側に設ける必要は
なく、いずれか一方に設ければ、この方向へのフィルタ
の移動時に衝撃を発生させることができ、従来に比較し
て小さな加振力によってアッシュをフィルタから良好に
排出させることができる。ただし、下側のストッパ部材
を省略する時には、例えば、第２、第３、及び第４実施
形態で設けられているようなベローズ等によってフィル
タ１を支持する必要がある。全ての実施形態において、
機関始動時の車両振動ではフィルタからのアッシュの排
出が不十分である場合には、フィルタを軸線方向に加振
するための小型の加振装置を設けても良い。

【００３１】

【発明の効果】このように、本発明による請求項１に記
載の内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気通路に
パティキュレート捕集用のフィルタが排気上流側端面を
下向きに配置され、ガイド機構が、フィルタをフィルタ
軸線方向に移動可能に排気通路内に支持し、フィルタに
設けられた当接部に対して隙間を明けて対向するストッ
パ部材が、フィルタがフィルタ軸線方向へ移動する時
に、当接部に当接してフィルタのフィルタ軸線方向の移
動可能量を規制するために、機関始動時における車両振
動等の小さな加振力によってもフィルタは容易に軸線方
向に移動してストッパ部材に衝突し、この時の衝撃力に
よってアッシュをフィルタから良好に剥離させ、フィル
タから排出させることができる。

【００３２】また、本発明による請求項２に記載の内燃
機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機
関の排気浄化装置において、フィルタの温度が高くなる
と、隙間が小さくなってフィルタのフィルタ軸線方向の
移動可能量は小さくなるために、請求項１に記載の内燃
機関の排気浄化装置と同様な効果を得られると共に、フ
ィルタが高温度となって強度が低下する時には、ストッ
パ部材に衝突する際の衝撃力が小さくなり、フィルタの
破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置の第１実
施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面図である。

【図２】本発明による内燃機関の排気浄化装置の第２実
施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面図である。

【図３】本発明による内燃機関の排気浄化装置の第３実
施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面図である。

【図４】本発明による内燃機関の排気浄化装置の第４実
施形態を示す機関排気系の一部の概略縦断面図である。

【符号の説明】

１…フィルタ ２…第１フランジ管 ３…第２フランジ管 ４…棒部材 ６…支持部材 ７…フランジ管 ８…環状ベローズ ９…筒状ベローズ １０…筒部材 １１…棒部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辺田 良光 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岡本 曉 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 (72)発明者 下田 浩平 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 (72)発明者 永井 陽一 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】 機関排気通路にパティキュレート捕集用
   のフィルタが排気上流側端面を下向きに配置された内燃
   機関の排気浄化装置において、前記フィルタをフィルタ
   軸線方向に移動可能に前記排気通路内に支持するガイド
   機構と、前記フィルタに設けられた当接部と、前記当接
   部に対して隙間を明けて対向し、前記フィルタがフィル
   タ軸線方向へ移動すると前記当接部に当接して前記フィ
   ルタのフィルタ軸線方向の移動可能量を規制するストッ
   パ部材、とを具備することを特徴とする内燃機関の排気
   浄化装置。
2. 【請求項２】 前記フィルタの温度が高くなると、前記
   隙間が小さくなって前記フィルタのフィルタ軸線方向の
   移動可能量は小さくなることを特徴とする請求項１に記
   載の内燃機関の排気浄化装置。