JP2018100596A - 排気ガス加温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化部材を効率よく加温できる排気ガス加温装置を提供する。【解決手段】本開示は、内燃機関の排気ガス管路内に設けられる排気ガス加温装置である。排気ガス加温装置は、排気ガス浄化部材と、排気ガス加温部材とを備える。排気ガス浄化部材は、排気ガス中の環境汚染物質を改質又は捕集する。排気ガス加温部材は、排気ガスを加温する。排気ガス加温部材の少なくとも一部は、排気ガス浄化部材の内部に排気ガスの流れ方向に埋め込まれている。排気ガス加温部材の埋め込み部分と排気ガス浄化部材との間の空隙の少なくとも一部には、充填材が充填されている。【選択図】図１

Description

本開示は、排気ガス加温装置に関する。

内燃機関の排気ガス成分に関する規制に対応するため、内燃機関の排気ガス管路には、多くの場合に排気ガス浄化装置が設置される。排気ガス浄化装置には、例えばディーゼル機関であれば、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）、選択触媒還元（ＳＣＲ）用触媒等の排気ガス浄化部材が用いられる。

このような排気ガス浄化部材は、環境汚染物質を改質又は捕集するために一定の温度を必要とする。一方で、排気ガス温度は、内燃機関の運転状態に応じて変動する。特に、コールドスタートや減速時等においては排気ガス温度が低い。そのため、排気ガス浄化部材が十分に機能しない場合がある。

そこで、排気ガス浄化部材の上流に電熱体を配置して排気ガスを加温することで、排気ガス浄化部材の温度を高める技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１５−０３３９１１号公報

特許文献１のように排気ガス加温部材を排気ガス浄化部材の上流側に設置した場合、排気ガス管路を構成する金属製の配管への熱伝達又は熱伝導が生じる。このような外部への放熱により、排気ガス、ひいては排気ガス浄化部材の加温効率が低下する。その結果、排気ガス加温部材が消費する電力等のエネルギーが増大し、内燃機関の燃費が悪化する。

本開示の一局面は、排気ガス浄化部材を効率よく加温することができる排気ガス加温装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、内燃機関の排気ガス管路内に設けられる排気ガス加温装置である。排気ガス加温装置は、排気ガス浄化部材と、排気ガス加温部材とを備える。排気ガス浄化部材は、排気ガス中の環境汚染物質を改質又は捕集する。排気ガス加温部材は、排気ガスを加温する。排気ガス加温部材の少なくとも一部は、排気ガス浄化部材の内部に排気ガスの流れ方向に埋め込まれている。排気ガス加温部材の埋め込み部分と排気ガス浄化部材との間の空隙の少なくとも一部には、充填材が充填されている。

このような構成によれば、排気ガス加温部材を排気ガス浄化部材に埋め込むので、加温される排気ガスからの周囲の配管への熱流出を抑制できる。さらに、排気ガス加温部材と排気ガス浄化部材との間が充填材で充填されるので、これらの部材間を通過する排気ガスによって下流に運ばれる熱量、つまり排気ガス浄化部材の加温に寄与しない熱量を低減できる。これらの結果、排気ガス浄化部材が効率よく加温され、燃料消費量を低減することができる。

本開示の一態様は、排気ガスの流れ方向から視て、空隙の全体に充填材が充填されていてもよい。このような構成によれば、排気ガスが排気ガス加温部材と排気ガス浄化部材との間を通過して下流に流れることを抑制できる。そのため、より効率よく排気ガス浄化部材を加温できる。

本開示の一態様は、空隙のうち、少なくとも排気ガスの流れ方向の最上流部分が充填材により封止されていてもよい。このような構成によれば、排気ガス加温部材と排気ガス浄化部材との間に進入した排気ガスが、充填材に衝突後に上流側へ移動して、熱を上流側の配管へ伝えることが抑制される。その結果、さらに効率よく排気ガス浄化部材を加温できる。

本開示の一態様は、排気ガス加温部材は、排気ガスの流れ方向の上流側の端部が充填材により被覆されていてもよい。このような構成によれば、排気ガス加温部材の上流側の露出部分と接した排気ガスが配管へ熱を伝えることが抑制される。その結果、より効率よく排気ガス浄化部材を加温できる。

本開示の一態様は、空隙のうち、少なくとも排気ガスの流れ方向の最下流部分が充填材により封止されていてもよい。このような構成によれば、下流側から排気ガス加温部材と排気ガス浄化部材との間に巻き込まれた排気ガスが下流に移動して、熱を下流側の配管へ伝えることが抑制される。その結果、より効率よく排気ガス浄化部材を加温できる。

本開示の一態様は、排気ガス加温部材は、排気ガスの流れ方向の下流側の端部が充填材により被覆されていてもよい。このような構成によれば、排気ガス加温部材の下流側の露出部分と接した排気ガスが配管へ熱を伝えることが抑制される。その結果、より効率よく排気ガス浄化部材を加温できる。

本開示の一態様は、充填材は、排気ガス浄化部材を構成する材料の少なくとも一部を含んでもよい。このような構成によれば、排気ガス浄化部材と充填材との熱膨張差を小さくできる。その結果、加温による装置の歪を抑制できる。

本開示の一態様は、排気ガス浄化部材は、非導電性材料を母材としていてもよい。このような構成によれば、排気ガス浄化部材と排気ガス加温部材とを絶縁する手間を省くことができる。

本開示の一態様は、内燃機関は、ディーゼル機関であってもよい。また、排気ガス浄化部材は、ディーゼル酸化触媒、ディーゼル微粒子捕集フィルター、選択触媒還元用触媒、又はこれらを複合したものであってもよい。このような構成によれば、排気ガス浄化装置を備えるディーゼル機関の燃費を改善することができる。

実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な断面図である。 図１の排気ガス加温装置の排気ガス浄化部材を示す模式的な斜視図である。 図３Ａは、図１の排気ガス加温装置の排気ガス加温部材の配置を示す模式的な正面図であり、図３Ｂは、図３Ａと異なる排気ガス加温部材の配置を示す模式的な正面図であり、図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂと異なる排気ガス加温部材の配置を示す模式的な正面図である。 充填材がない場合の排気ガス加温部材からの熱の伝達を説明する模式的な部分断面図である。 図５Ａは、図１とは異なる実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な部分断面図であり、図５Ｂは、図１及び図５Ａとは異なる実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な部分断面図であり、図５Ｃは、図１、図５Ａ及び図５Ｂとは異なる実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な部分断面図であり、図５Ｄは、図１、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃとは異なる実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な部分断面図である。 図１とは異なる実施形態の排気ガス加温装置を示す模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す排気ガス加温装置（以下、単に「加温装置」ともいう。）１は、内燃機関の排気ガス管路１００内に設けられる。加温装置１は、排気ガス浄化部材２と、排気ガス加温部材３とを備え、排気ガスＧ中の環境汚染物質を除去する。

加温装置１が設けられる内燃機関は、特に限定されないが、加温装置１はディーゼル機関から排出される排気ガスに対し、特に好適に使用できる。ディーゼル機関としては、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。

（排気ガス浄化部材）
排気ガス浄化部材２は、排気ガスＧ中の環境汚染物質を改質又は捕集する部材である。ここで、「環境汚染物質」とは、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒状物質（ＰＭ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）等を意味する。

排気ガス浄化部材２の具体例としては、例えばディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）、選択触媒還元（ＳＣＲ）用触媒等が挙げられる。ＤＯＣは、排気ガスに含まれるＰＭ中の可溶有機成分（ＳＯＦ）、ＣＯ及びＨＣを酸化させる触媒である。ＤＰＦは、排気ガスに含まれるＰＭを捕集するフィルターである。ＳＣＲは、ＮＯｘを窒素に還元する技術である。

また、排気ガス浄化部材２は、ＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲ用触媒のうち、２つ以上を複合したものであってもよい。例えば、排気ガス浄化部材２をＤＰＦとＳＣＲ用触媒とを兼ねた複合触媒として使用することも想定される。

排気ガス浄化部材２は、図２に示すように、ハニカム構造を有する筒状体である。排気ガスがハニカム構造内部を通過することで、排気ガス中の環境汚染物質は、排気ガス浄化部材２が含む触媒金属によって改質されたり、排気ガス浄化部材２の表面に捕捉されたりする。

排気ガス浄化部材２の材質は、その機能により適宜選択される。触媒として用いられる排気ガス浄化部材２は、触媒機能を奏する触媒金属と、触媒金属を担持する母材とから構成される。一方、フィルターとして用いられる排気ガス浄化部材２は、通常は母材のみから構成されるが、上述のように触媒の機能を複合する場合には、触媒金属が母材によって担持される。

排気ガス浄化部材２の母材は、求められる機能によって適宜選択される。母材としては、例えばセラミック、炭化ケイ素（ＳＩＣ）、ステンレス等を挙げることができる。触媒金属も同様に、機能によって適宜選択される。触媒金属としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられる。

また、排気ガス浄化部材２の母材としては、非導電性材料が好ましい。排気ガス浄化部材２の母材を非導電性とすることで、排気ガス加温部材３が電熱ヒーター等である場合に排気ガス浄化部材２と排気ガス加温部材３とを絶縁する必要がなくなるため、絶縁用の部材のコストや配置の手間を低減することができる。なお、「非導電性材料」とは、電気抵抗率が１×１０^−４Ωｍ以上の材料を意味する。

排気ガス浄化部材２は、排気ガス加温部材３を埋め込むための１又は複数の貫通孔を有する。１又は複数の貫通孔は排気ガスの流れ方向に排気ガス浄化部材２を貫通するように形成されている。

（排気ガス加温部材）
排気ガス加温部材３は、排気ガスを加温することで、排気ガス浄化部材２を間接的に加温する部材である。排気ガス加温部材３は、排気ガスを加温できるものあれば特に限定されず、例えば電熱式のヒーターを採用することができる。

排気ガス加温部材３の形状は、特に限定されない。排気ガス加温部材３は、例えば、図３Ａに示すような複数の棒状体を一定間隔で配置したものであってもよい。また、排気ガス加温部材３は、図３Ｂに示すような蛇腹状に湾曲した１枚の板状体であってもよい。また、排気ガス加温部材３は、図３Ｃに示すような排気ガス浄化部材２を取り囲むように配置される円筒状体であってもよい。

本実施形態では、排気ガス加温部材３は、図１に示すように、全体が排気ガス浄化部材２の内部に埋め込まれている。つまり、排気ガス加温部材３は、排気ガス浄化部材２の貫通孔内に収納されるように挿入されている。また、排気ガス加温部材３の排気ガスの流れ方向の上流端及び下流端は、共に排気ガス浄化部材２の上流端及び下流端よりも内側に位置している。

（充填材）
充填材４は、排気ガス加温部材３の埋め込み部分と排気ガス浄化部材２との間の空隙に充填され、この空隙を封止している。本実施形態では、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃに示すように、排気ガスの流れ方向から視て、空隙の全体が充填材４により封止されている。つまり、排気ガスの流れ方向視で、排気ガス加温部材３の周囲全体が封止されている。

また、図１に示すように、排気ガス加温部材３の埋め込み部分と排気ガス浄化部材２との間の空隙のうち、排気ガスの流れ方向の最上流部分及び最下流部分が少なくとも充填材４により封止されている。なお、最上流部分と最下流部分との間の空隙は封止されていない。

さらに、本実施形態では、排気ガス加温部材３の排気ガスの流れ方向の上流側の端部及び下流側の端部がそれぞれ充填材４により被覆されている。つまり、排気ガス加温部材３の両端面は充填材４で被覆されている。

充填材４の材質は、排気ガスの通過を防止できれば特に限定されない。ただし、排気ガス浄化部材２と充填材４との熱膨張差を小さくする観点から、充填材４は、排気ガス浄化部材２を構成する材料（特に、母材）の少なくとも一部を含むとよい。排気ガス浄化部材２と充填材４との熱膨張差を小さくすることで、加温によって生じる装置の歪を抑制できる。

ここで、加温装置１の充填材４の作用について、図４を用いて説明する。なお、図４中の矢印は熱の移動を示す。図４のように、充填材４が存在しない場合、排気ガス浄化部材２と排気ガス加温部材３との間の空隙を排気ガスが通過する。その結果、排気ガスによって図中の矢印に示すように排気ガス加温部材３が発する熱の一部が下流に運ばれ、熱ロスとなる。

これに対し、図１のように充填材４が排気ガス浄化部材２と排気ガス加温部材３との間に存在すると、上述の排気ガスの通過が遮られるため、下流への熱ロスが抑えられる。特に、本実施形態では、空隙の最上流部分に充填材４が存在するため、排気ガスの通過をほぼ無くすことができる。さらに、本実施形態では、空隙の最下流部分にも充填材４が存在するため、排気ガスが下流側から空隙に巻き込まれて熱を奪うことも抑制される。

［１−２．製造方法］
加温装置１は、排気ガス浄化部材２を作製する工程と、排気ガス浄化部材２に排気ガス加温部材３を埋め込むための孔を形成する工程と、排気ガス浄化部材２に排気ガス加温部材３を埋め込む工程と、空隙に充填材４を充填する工程とを備える製造方法によって、得ることができる。

＜排気ガス浄化部材作製工程＞
本工程では、排気ガス浄化部材２を作製する。具体的な方法としては、例えば排気ガス浄化部材２の母材を押し出し成形し、得られた成形品を焼成する方法が採用できる。なお、排気ガス浄化部材２が触媒の場合は、母材の焼成後に金属触媒を担持させる。

＜孔形成工程＞
本工程では、排気ガス浄化部材２に貫通孔を形成する。貫通孔は、例えば切削により形成できる。

＜埋め込み工程＞
本工程では、排気ガス浄化部材２の貫通孔に排気ガス浄化部材２を挿入し、埋め込む。排気ガス加温部材３は、次の充填工程で充填材４により貫通孔内に固定される。

＜充填工程＞
本工程では、排気ガス浄化部材２と排気ガス加温部材３との間の空隙に充填材４を配置する。具体的には、例えば充填材４をディスペンサー等で空隙内に塗布し、その後焼成することで充填材４によって空隙が充填される。なお、充填材４の焼成温度は、排気ガス浄化部材２が担持している金属触媒の沸点以下とする必要がある。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）排気ガス加温部材３が排気ガス浄化部材２に埋め込まれているため、加温される排気ガスからの周囲の配管への熱流出を抑制できる。特に、本実施形態では、排気ガス加温部材３は全体が排気ガス浄化部材２に埋め込まれているので、熱流出抑制効果が高い。そのため、排気ガス浄化部材２が効率よく加温され、燃料消費量を低減することができる。

（１ｂ）排気ガス加温部材３と排気ガス浄化部材２との間が充填材４で封止されるので、排気ガスによって下流に運ばれ、結果として排気ガス浄化部材２の加温に寄与しない熱量を低減できる。そのため、排気ガス浄化部材２が効率よく加温され、燃料消費量を低減することができる。

（１ｃ）排気ガスの流れ方向から視て、排気ガス加温部材３と排気ガス浄化部材２との間の空隙の全体が封止されているので、排気ガスが排気ガス加温部材３と排気ガス浄化部材２との間を通過して下流に流れることを確実に抑制できる。

（１ｄ）排気ガス加温部材３と排気ガス浄化部材２との間の空隙のうち、排気ガスの流れ方向の最上流部分及び最下流部分が封止されている。そのため、空隙から上流側へ排気ガスが移動して熱を配管へ伝えることと、下流側から空隙に巻き込まれた排気ガスが再び下流に移動して熱を配管へ伝えることとが抑制できる。

（１ｅ）排気ガス加温部材３は、排気ガスの流れ方向の上流側の端部及び下流側の端部が充填材４により被覆されているので、排気ガス加温部材３の上流側及び下流側の露出部分と接した排気ガスが配管へ熱を伝えることが抑制できる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の加温装置１において、排気ガス加温部材３と排気ガス浄化部材２との間の空隙は、排気ガスの流れ方向から視た全体に必ずしも充填材４が充填されなくてもよい。つまり、図５Ａに示す加温装置１Ａのように、排気ガスの流れ方向から視た空隙の少なくとも一部に充填材４が充填されていればよい。

（２ｂ）また、排気ガスの流れ方向から視た空隙の全体が封止される場合でも、図５Ｂに示す加温装置１Ｂのように、１又は複数の充填材４が排気ガスの流れ方向の異なる位置に配置されていてもよい。ただし、図５Ｂに矢印で示すように、充填材４を排気ガスの流れ方向の中央付近に配置すると、充填材４で跳ね返る排気ガスによって上流側の配管に熱が伝えられてしまう。そのため、図５Ｃの加温装置１Ｃのように、少なくとも空隙の最上流部分を封止するとよい。

さらに、図５Ｃに示す加温装置１Ｃのように空隙の最上流部分のみを封止した場合、矢印で示すように、下流側から巻き込まれて再び下流側に流れる排気ガスによって、熱ロスが生じやすい。そのため、図１の加温装置１のように、空隙の最上流部分と共に最下流部分も封止するとさらによい。なお、空隙の最下流部分のみを封止したものも本開示の意図する範囲内である。

（２ｃ）上記実施形態の加温装置１において、排気ガス加温部材３の上流側の端部及び下流側の端部は、必ずしも充填材４により被覆されなくてもよい。つまり、図５Ｄに示す加温装置１Ｄのように、排気ガス加温部材３の端部は露出していてもよい。また、排気ガス加温部材３の上流側の端部及び下流側の端部のいずれか一方のみを被覆してもよい。

（２ｄ）上記実施形態の加温装置１において、排気ガス加温部材３は、全体が排気ガス浄化部材２に埋め込まれていなくてもよい。つまり、排気ガス加温部材３は、排気ガスの流れ方向の上流端又は下流端が排気ガス浄化部材２の端面よりも突出していてもよい。なお、この場合には、排気ガス浄化部材２の端面よりも突出している部分も充填材４で被覆するとよい。

（２ｅ）上記実施形態の加温装置１において、排気ガス加温部材３を埋め込むための孔は貫通孔でなくてもよい。つまり、排気ガス加温部材３を一端に底を有する有底筒状の孔に埋め込んでもよい。

（２ｆ）図６に示す加温装置１Ｅのように、排気ガス加温部材３を埋め込んだ排気ガス浄化部材２の下流側に、排気ガス加温部材３を埋め込まない第２の排気ガス浄化部材１２を配置してもよい。排気ガス浄化部材２は、排気ガス加温部材３の埋め込みにより、反応面積が減少する。そこで、下流側に第２の排気ガス浄化部材１２を追設することで、浄化機能の低下を補填することができる。

（２ｇ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…加温装置、２…排気ガス浄化部材、
３…排気ガス加温部材、４…充填材、１２…第２の排気ガス浄化部材、
１００…排気ガス管路、Ｇ…排気ガス。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気ガス管路内に設けられる排気ガス加温装置であって、
   排気ガス中の環境汚染物質を改質又は捕集する排気ガス浄化部材と、
   前記排気ガスを加温する排気ガス加温部材と
   を備え、
   前記排気ガス加温部材の少なくとも一部は、前記排気ガス浄化部材の内部に前記排気ガスの流れ方向に埋め込まれており、
   前記排気ガス加温部材の埋め込み部分と前記排気ガス浄化部材との間の空隙の少なくとも一部には、充填材が充填されている、排気ガス加温装置。
2. 前記排気ガスの流れ方向から視て、前記空隙の全体に前記充填材が充填されている、請求項１に記載の排気ガス加温装置。
3. 前記空隙のうち、少なくとも前記排気ガスの流れ方向の最上流部分が前記充填材により封止されている、請求項１又は請求項２に記載の排気ガス加温装置。
4. 前記排気ガス加温部材は、前記排気ガスの流れ方向の上流側の端部が前記充填材により被覆されている、請求項３に記載の排気ガス加温装置。
5. 前記空隙のうち、少なくとも前記排気ガスの流れ方向の最下流部分が前記充填材により封止されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排気ガス加温装置。
6. 前記排気ガス加温部材は、前記排気ガスの流れ方向の下流側の端部が前記充填材により被覆されている、請求項５に記載の排気ガス加温装置。
7. 前記充填材は、前記排気ガス浄化部材を構成する材料の少なくとも一部を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の排気ガス加温装置。
8. 前記排気ガス浄化部材は、非導電性材料を母材としている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の排気ガス加温装置。
9. 前記内燃機関は、ディーゼル機関であり、
   前記排気ガス浄化部材は、ディーゼル酸化触媒、ディーゼル微粒子捕集フィルター、選択触媒還元用触媒、又はこれらを複合したものである、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の排気ガス加温装置。

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