JP2012122332A

JP2012122332A - Ｅｇｒフィルタ

Info

Publication number: JP2012122332A
Application number: JP2010271009A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Omori; 安男大森
Original assignee: Sankei Kogyo KK
Current assignee: Sankei Kogyo KK
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】３次元形状に変形させた金属メッシュにより、還流経路の断面より表面積の大きなEGRフィルタを構成することとして、金属メッシュを用いることによる目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりすることを抑制又は防止し、また電解腐食を招かないようにする。
【解決手段】エンジンの排気側から排出される排気ガスの一部を前記エンジンの吸気側に還流させる還流経路23に設けられるEGRフィルタ１であって、交差する金属条相互を拡散接合し、３次元形状に変形させて還流経路23の断面より表面積を大きくした金属メッシュ14,15により構成したEGRフィルタ１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気側から排出される排気ガスの一部を前記エンジンの吸気側に還流させるEGR（Exhaust Gas Recirculation）システムにおいて、還流させる排気ガス（EGRガス）に含まれる微粒子を除去するEGRフィルタに関する。

EGRシステムは、エンジンの排気側から排出される排気ガスの一部を前記エンジンの吸気側に還流させることにより、外部から吸気される空気の量を減らし、エンジンにおける燃焼温度を低下させて窒素酸化物（NOx）の発生を抑える環境対策システムである。EGRシステムは、高温の排気ガスをEGRクーラーで冷却してからエンジンの吸気側に還流させる高圧EGRシステム（High Pressure-EGR）と、前記方式に加えてターボチャージャー（T/C）のコンプレッサー上流にEGRガスを還流させる低圧EGRシステム（Low Pressure-EGR）とに大別できる。

EGRシステムは、様々な自動車に利用されるところ、粒子状物質を除去するDPF（Diesel Particulate Filter）が排気ガスの排出経路に設けられるディーゼル車に適用する場合、前記DPFから混入する虞のある金属粉等の微粒子をEGRガスから除去するEGRフィルタをEGRガスの還流経路に設ける必要がある。特に、Low Pressure-EGRシステムでは、ターボチャージャーのコンプレッサー上流にEGRガスを還流させるため、コンプレッサのインペラーを保護するため、EGRフィルタが必須となる。

特許文献１は、エンジンに接続した排気マニホールドに設けられた厚さ５mm〜50ｍｍ、気孔率88％〜98％、圧縮強度0.4MPa以上で、FGRガス流入側の端面が前記排気マニホールドの内面から前記EGRガスの流れ方向に20ｍｍの位置に存在するEGRフィルタを開示する（特許文献１・請求項１）。特許文献１が開示するEGRフィルタは、ステンレス製のポーラス金属から構成される（特許文献１・請求項２及び請求項３）。

特許文献2は、EGRガスが流通するガス流通部と、多孔体で形成された多孔体部とが断面方向に交互に複数積層された構成で、前記ガス流通部の途中に設けられ、その流路断面の一部を塞ぐことでEGRガスの流れを前記多孔体部に指向させる指向部材を有するEGRフィルタを開示する（特許文献２・請求項１及び請求項４）。ガス流通部は、断面形状が波型で、耐熱性部材が多孔体部の間に挟まれて形成される（特許文献２・請求項２）。また、EGRフィルタが酸化機能を有する触媒を担持していることが好ましいとしている（特許文献２・請求項３）。

特開2008-180191公報特開2010-156272公報

EGRフィルタは、EGRガスが流れる還流経路に介在するため、通気抵抗を減らして圧力損失を小さくすることが望まれる。これから、EGRフィルタは、フィルタ面積を大きくする又は通気度を大きくする必要がある。特許文献１が開示するEGRフィルタは、構成要素であるポーラス金属の厚みと気孔率とを特定範囲に収めることにより、捕集効率を低下させずに圧力損失を小さくする、としている。しかし、ポーラス金属から構成されるEGRフィルタは、気孔径の特定（大きさやばらつき）も必要であると考えられるところ、特許文献１は気孔径について言及しておらず、果たして捕集効率を低下させずに圧力損失を小さくできるかが不明である。

特許文献２が開示するEGRフィルタは、EGRガスが流通するガス流通部を、多孔体で形成された多孔体部が半径方向（断面方向）に挟み、半径方向内側にある多孔体の指向部材によりEGRガスを半径方向外側にある多孔体に衝突させる構成である。これは、実質的なフィルタ面積を大きくして、圧力損失を小さくしていると考えられる。しかし、圧力損失を小さくするために指向部材を減らせば、指向部材に衝突しないEGRガスをそのまま通過させて捕集効率を低下させる虞があり、逆に指向部材を増やせば圧力損失の増大を免れない問題がある。

特許文献１や特許文献２が開示するEGRフィルタは、大きさの限定される還流経路に設けるにはフィルタ面積が増大しにくいとの知見から、様々に工夫していると見られる。この点、フィルタ面積を大きくするには、金属メッシュを３次元形状に変形させ、還流経路の断面より表面積の大きなEGRフィルタを構成することが考えられる。しかし、還流経路は、流れるEGRガスにより高温及び高圧な環境にあるため、金属メッシュをそのままEGRフィルタに用いると、目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりして、捕集効率が低下したり、微粒子を捕集できなくなったりする。例えば特許文献1も、ポーラス金属からなるEGRフィルタと金属メッシュとの併用（特許文献１・［0020］）を開示しているが、金属メッシュだけでEGRフィルタを構成しない理由は、目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりして、捕集効率が低下したり、微粒子を捕集できなくなったりすることが原因と考えられる。

また、金属メッシュだけでEGRフィルタを構成した場合、金属メッシュを構成する金属条相互に隙間がたくさん形成されるため、前記隙間に微粒子が堆積し、電解腐食を招く虞も解消しなければならない。こうした問題点を有しながら、金属メッシュを用いたEGRフィルタは、フィルタ面積を比較的容易に大きくできる利点があることから、できれば金属メッシュを用いてEGRフィルタを構成したい。そこで、３次元形状に変形させた金属メッシュにより、還流経路の断面より表面積の大きなEGRフィルタを構成することとして、金属メッシュを用いることによる目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりすることを抑制又は防止し、また電解腐食を招かないようにするため、検討した。

検討の結果開発したものが、エンジンの排気側から排出される排気ガスの一部を前記エンジンの吸気側に還流させる還流経路に設けられるEGRフィルタであって、交差する金属条相互を拡散接合し、３次元形状に変形させて還流経路の断面より表面積を大きくした金属メッシュにより構成したEGRフィルタである。金属メッシュを変形させる３次元形状は、表面積が還流経路の断面積より大きくなれば自由であるが、通気抵抗を小さくするため、還流経路の中心軸線を中心に点対称な断面で、前記中心軸線を含む中心部分が下流に向けて凸な形状であるとよい。

本発明は、EGRフィルタを構成する金属メッシュの交差する金属条相互を拡散結合している。拡散接合は、「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法（日本工業規格：溶接用語Z-3001）」である。このため、多数の金属条は、互いが形成する隙間を埋めて一体化され、相互に拘束されることから、EGRガスの高温及び高圧な環境に晒されても、目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりすることがなく、また電解腐食を招く虞がなくなる。

本発明のEGRフィルタは、金属メッシュを３次元形状に変形させてフィルタ面積を大きくできるため、目開きを小さくして捕集効率を高めることができる。ところが、目開きを小さくすると、メッシュ数を増やすために金属条が細くなり、たとえ拡散接合で金属条相互を一体化しても、前記３次元形状を保持し難くなる。そこで、複数の金属メッシュを重ね、各金属メッシュそれぞれの金属条相互と、各金属メッシュの金属条相互とをすべて拡散接合して、EGRフィルタを構成する。これにより、金属条は、各金属メッシュ内だけでなく、重ねた別の金属メッシュの金属条とも一体化し、全体として保形性を向上させる。重ねる金属メッシュそれぞれの金属条は、同種金属であると、電解腐食を招かなくなる。

また、複数の金属メッシュからEGRフィルタを構成する場合、還流経路の上流側に相対的に目開きの小さい金属メッシュ、還流経路の下流側に相対的に目開きの大きい金属メッシュを配してもよい。ここで、「相対的に目開きの小さい」又は「相対的に目開きの大きい」とは、両者を比較した場合、一方の目開きよりも他方の目開きが大きい、逆に言えば他方の目開きよりも一方の目開きが小さいという相対的な目開きの相違を意味する。このEGRフィルタは、上流側の金属メッシュが微粒子を捕集する捕集メッシュで、下流側の金属メッシュが前記捕集メッシュの保形性を補う補強メッシュとなる。捕集メッシュ及び補強メッシュは、それぞれ複数あってもよい。EGRフィルタの通気抵抗は、相対的に目開きの最も小さい捕集メッシュによって決定される。

相対的に目開きの小さい金属メッシュの保形性をより強固に保持するには、前記相対的に目開きの小さい金属メッシュ（捕集メッシュ）を、還流経路の上流側及び下流側から相対的に目開きの大きい金属メッシュ（上流の保護メッシュと下流の補強メッシュ）で挟むとよい。「相対的に目開きの小さい」又は「相対的に目開きの大きい」の意味は、上述同様である。保護メッシュ及び補強メッシュは、それぞれ捕集メッシュと一体となって保形性を補う補強の働きを有し、特に上流側の保護メッシュは、捕集メッシュを傷つける虞のある大きなゴミが前記捕集メッシュに衝突することを防ぐ保護の働きも有する。捕集メッシュ、保護メッシュ及び補強メッシュは、それぞれ複数あってもよい。EGRフィルタの通気抵抗は、相対的に目開きの最も小さい捕集メッシュによって決定される。保護メッシュ及び補強メッシュの各目開きは、捕集メッシュより大きければ、同じ大きさ又は異なる大きさのいずれでもよい。

本発明のEGRフィルタは、金属メッシュを構成する金属条相互を拡散接合したことにより、EGRガスによる高温及び高圧な環境下にあっても、目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりすることが抑制又は防止され、電解腐食も防止できる効果を有する。また、金属メッシュは、フィルタ面積の増減が容易であり、目開きの大きさにより通気抵抗の調整も容易であることから、本発明のEGRフィルタは、設計値通りの圧力損失を有するEGRフィルタを製造しやすい利点もある。そして、金属メッシュ自体は安価であることから、本発明のEGRフィルタは、EGRフィルタを安価に製造できる利点もある。

本発明のEGRフィルタを加えた低圧EGRシステムの一例を表すブロック図である。本例のEGRフィルタの部分破断断面図である。本例のEGRフィルタの斜視図である。図２中Ａ矢視部拡大断面図である。保護メッシュを加えた別例の図４相当断面図である。捕集メッシュと補強メッシュとを別々に表す斜視図である。捕集メッシュと補強メッシュとを重ねて表す斜視図である。拡散接合した捕集メッシュと補強メッシュとを表す斜視図である。拡散接合した捕集メッシュと補強メッシュとから切り抜いた円錐台側面及び円錐台上面を表す斜視図である。円錐台側面を丸めて円錐台上面に接合する状態を表す斜視図である。半割した卵形状である別例のEGRフィルタの図3相当斜視図である。

本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。本発明のEGRフィルタ１は、図１に見られるように、例えば低圧EGRシステムにおける還流経路23に設けられる。本例の低圧EGRシステムは、エンジン２の排気側からターボチャージャー３のタービン31を介在させて延びる排気経路22と、エンジン２の吸気側からターボチャージャー３のコンプレッサ32を介在させて延びる吸気経路21とを、前記コンプレッサ32の上流とタービン31の下流との間で、還流経路23により結んだ構成である。

吸気経路21は、上述の通り、ターボチャージャー３のコンプレッサ32の上流に還流経路22の下流を接続し、前記コンプレッサ32の下流にインタークーラー７及び吸気スロットル８を介在させて、エンジン２の吸気ポート（図示略、吸気側）に接続される。排気経路22は、エンジン２の排気ポート（図示略、排気側）をターボチャージャー３のタービン31の上流に接続し、前記タービン31の下流からDPF（触媒を含む）４を介在させて、前記DPF４の下流に還流経路22の上流を接続している。

還流経路23は、ターボチャージャー３のタービン31の下流とコンプレッサ32の上流とを結び、上流からEGRフィルタ１（EGRフィルタ１は、後述するように、還流経路23に介在する円筒状ケース11に内蔵されている）、EGRクーラー５、そしてEGRバルブ６の順に設けている。EGRフィルタ１は、還流経路23の最も上流に位置し、ターボチャージャー３のタービン31に向けて還流させる排気ガス（各図中、白抜き矢印で図示）から、前記タービン31を破損させる虞のある微粒子を捕集し、除去する。こうした低圧EGRシステムは、既に知られているところであるが、本発明は、前記低圧EGRシステムに対し、フィルタ面積の大きな金属メッシュを用いたEGRフィルタ１を提供する。

本例のEGRフィルタ１は、図２及び図３に見られるように、還流経路23の延在方向に中間部が拡径した円筒状ケース11の前記中間部上流寄りに、開放された円錐台下面を囲む周縁をリベット止め又はスポット溶接（ケース溶接ビード17にて図示）して固定される円錐台形状である。円錐台形状は、還流経路23の中心軸線を中心に点対称な断面で、前記中心軸線を含む中心部分が下流に向けて凸な３次元形状であり、還流経路23の断面より表面積を大きくできる。また、円錐台形状は、後述するように、構成要素を円錐台側面及び円錐台上面に分けてEGRフィルタ１を簡単に作ることができ、保形性にも優れる利点がある。EGRフィルタ１は、このほか円錐形状や半割した卵形状を例示できる。

本発明のEGRフィルタ１は、図４に見られるように、還流経路23の上流側（図４中上側）に相対的に目開きの小さい捕集メッシュ14、前記還流経路23の下流側（図４中下側）に相対的に目開きの大きい補強メッシュ15を配し、捕集メッシュ14の金属条141と補強メッシュ15の金属条151とを拡散接合により一体化した（図４中一部抜粋拡大部分参照）円錐台側面12及び円錐台上面13を、前記円錐台上面13の周縁でスポット溶接又はTIG溶接（上面溶接ビード18にて図示）により接合して、構成されている。

捕集メッシュ14は、EGRフィルタ１としての捕集性能を決定する主たる金属メッシュで、目開きが50μm〜250μmのものを使用する。この場合、金属条141は、例えばφ39μm〜φ170μmとなる。捕集メッシュ14は、目開きが50μmより小さくなりすぎると通気抵抗が増加し過ぎて排気ガスを十分に還流できなくなる。また、捕集メッシュ14は、目開きが250μmより大ききなりすぎると、捕集性能が低下し、EGRフィルタ１としての本来の働きを損なってしまう。金属条141は、防錆性能の高いステンレス条が好ましい。

補強メッシュ15は、上記捕集メッシュ14と一体化して捕集メッシュ14の保形性を図る金属メッシュで、目開きが250μm〜560μmのものを使用する。この場合、金属条151は、例えばφ170μm〜φ290μmとなる。補強メッシュ15は、目開きが250μmより小さくなりすぎると通気抵抗を増加させるほか、捕集メッシュ14の捕集性能を妨げてしまう。また、補強メッシュ15は、目開きが560μmより大ききなりすぎると、拡散接合により金属条141,151同士が一体化する部分が減り、捕集メッシュ14の保形する本来の働きを損なってしまう。金属条151も、防錆性能の高いステンレス条が好ましい。捕集メッシュ14の金属条141と補強メッシュ15の金属条151とを同種金属にすれば、電解腐食をより発生しにくくできる。

捕集メッシュ14の保形性を高めるには、図５に見られるように、還流経路23の上流側（図５中上側）に配した保護メッシュ16と前記還流経路23の下流側（図５中下側）に配した補強メッシュ15とにより捕集メッシュ14を挟んでEGRフィルタ１を構成するとよい。保護メッシュ16は、拡散接合により捕集メッシュ14と一体化し、上記補強メッシュ15と相俟って捕集メッシュ14の保形性を図る金属メッシュで、目開きが150μm〜250μmのものを使用する。この場合、金属条161は、例えばφ100μm〜φ170μmとなる。これは、捕集メッシュ14と補強メッシュ15との中間の仕様である。

保護メッシュ16は、目開きが150μmより小さくなりすぎると通気抵抗を増加させるほか、捕集メッシュ14の捕集性能を妨げてしまう。また、保護メッシュ16は、目開きが250μmより大ききなりすぎると、拡散接合により金属条141,151同士が一体化する部分が減り、捕集メッシュ14の保形する本来の働きを損なってしまう。金属条161も、防錆性能の高いステンレス条が好ましい。捕集メッシュ14の金属条141と保護メッシュ16の金属条161とを同種金属にすれば、電解腐食をより発生しにくくできる。

本発明のEGRフィルタ１は、例えば次の手順で製造する。まず、図６に見られるように、捕集メッシュ14及び補強メッシュ15を構成するメッシュ素材を重ね合わせる。捕集メッシュ14及び補強メッシュ15は、同じ形状に揃えておくと、例えばクランプ等を用いて重ね合わせた状態を保持しやすい。このように重ね合わせただけの捕集メッシュ14及び補強メッシュ15は、図７に見られるように、どんなに密着させても、金属条141,151は折れ曲がりの部分で接触しているだけで、一体化していない（図７中拡大丸枠参照）。金属条141,151は、金属条141同士及び金属条151同士もバラバラであり、この段階では目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりしやすくなっている。

しかし、重ね合わせた捕集メッシュ14及び補強メッシュ15は、そのまま真空焼結炉に投入し、面直交方向に0.002MPa〜0.006MPaの圧力を加えて1200℃〜1300℃で30時間〜40時間加熱することにより、金属条141,151が拡散接合する。圧力は、水平にした捕集メッシュ14及び補強メッシュ15に重量物を載せて加える。こうして、捕集メッシュ14及び補強メッシュ15は、図８に見られるように、金属条141,151を折れ曲がりの部分で一体化し（図８中拡大丸枠参照）、例えば表側（図８中上側）が目開きが小さく、裏側（図８中破断部分）が目開きの大きなメッシュ素材となる。

金属条141,151は、互いに一体化するだけでなく、金属条141同士及び金属条151同士も一体化している。これにより、金属条141及び金属条151は、相互に位置拘束をし合う関係となり、目開きが拡大したり、目の開口形状が変形したりすることが抑制又は防止される。また、相対的に目開きが大きく、それだけ太くできる金属条151が金属条141と一体化することにより、金属条141によるメッシュ構造が保形されることになる。

EGRフィルタ１を構成する円錐台側面12及び円錐台上面13は、図９に見られるように、金属条141,151を一体化させた捕集メッシュ14及び補強メッシュ15から切り出し、図10に見られるように、前記円錐台側面12を丸めて上縁（図10中右奥）に円錐台上面13を宛てがって接合すれば、EGRフィルタ１となる。捕集メッシュ14及び補強メッシュ15は、一体化しているので、捕集メッシュ14及び補強メッシュ15をずらすことなく、こうした部材取りや折り曲げ加工を容易にすることができる。

一体化させた捕集メッシュ14及び補強メッシュ15の加工が容易な利点を活かせば、例えば図11に見られるように、半割した卵形状のEGRフィルタ１を形成することもできる。この場合、金属条141及び金属条151を拡散接合させた捕集メッシュ14及び補強メッシュ15を１枚のメッシュ素材として塑性変形させる（あくまで面材として外形状を変化させる意味であり、金属条141,151を変形させるものではない）。この別例のEGRフィルタ１は、上記例示の円錐台形状のEGRフィルタ１（図２及び図３参照）に比べて表面積が小さく、通気抵抗の観点で若干劣るものの、全体が湾曲面により形成されるため、保形性に優れる利点がある。

１ EGRフィルタ
11 円筒状ケース
12 円錐台側面
13 円錐台上面
14 捕集メッシュ
15 補強メッシュ
16 保護メッシュ
17 ケース溶接ビード
18 上面溶接ビード
２エンジン
21 吸気経路
22 排気経路
23 還流経路
３ターボチャージャー
４ DPF（触媒含む）
５ EGRクーラー
６ EGRバルブ
７インタークーラー
８吸気スロットル

Claims

エンジンの排気側から排出される排気ガスの一部を前記エンジンの吸気側に還流させる還流経路に設けられるEGRフィルタであって、
交差する金属条相互を拡散接合し、３次元形状に変形させて還流経路の断面より表面積を大きくした金属メッシュにより構成してなるEGRフィルタ。
複数の金属メッシュを重ね、各金属メッシュそれぞれの金属条相互と、各金属メッシュの金属条相互とをすべて拡散接合した請求項１記載のEGRフィルタ。
還流経路の上流側に相対的に目開きの小さい金属メッシュ、還流経路の下流側に相対的に目開きの大きい金属メッシュを配した請求項２記載のEGRフィルタ。
相対的に目開きの小さい金属メッシュを、還流経路の上流側及び下流側から相対的に目開きの大きい金属メッシュで挟んだ請求項２記載のEGRフィルタ。