JPH10131739A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガス中の微粒子の捕集性能と圧損特性に
優れ、また、装置外径が大きくならず車両の限られた床
下スペースにも組込める排気ガス浄化装置を提供するこ
とである。 【解決手段】 金属多孔体の円筒状フィルタ３、４を組
合わせて作ったトラッパ２を複数個（図は２個）、ケー
ス１内に直列に挿入して装置を構成したので、フィルタ
の厚さを厚くしたのと等価な状態になって捕集効率が良
くなる。また、筒状フィルタが独立して配置されている
ので捕集面積が広く、圧損上昇も抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、エンジンの排気
系の途中に設ける排気ガス浄化装置に関する。詳しく
は、優れた微粒子捕集性能と圧力損失特性を確保し、さ
らに、自動車等に対するスペース面での設置規制も緩和
した排気ガス浄化装置である。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンから発生する排気ガ
スには、カーボンを主体とする可燃性微粒子が含まれて
いる。この微粒子は、パティキュレートマター（以下Ｐ
Ｍと記す）と称され、大気汚染の原因となることから、
これを除去する排気ガス浄化の技術が種々開発されてい
る。

【０００３】例えば、一部で既に実用化されている浄化
装置の中に、セラミックの多孔体を用いてトラッパを構
成し、そのトラッパで捕集したＰＭをヒータやバーナで
焼却して排気ガスの通りが悪くなったトラッパを再生す
るものがある。また、最近では、金属多孔体を用いてト
ラッパを構成する装置も開発されている。

【０００４】これ等の装置によるＰＭ捕集原理は、フィ
ルタによる濾過である。この方式の装置は、特に重要な
性能として、ＰＭ捕集性能が高いこと及び、堆積したＰ
Ｍによって生じるフィルタ部での圧力損失（以下圧損と
いう）が小さいことが要求される。

【０００５】この２つの要求性能のうち、捕集性能につ
いては、フィルタの目孔を微細にしてフィルタに流入す
るＰＭ量と捕集されるＰＭ量の比で決まる捕集効率を高
める方法があるが、この方法を採ると、ＰＭが主にフィ
ルタの排気ガス流入側表面に堆積して圧損が急激に上昇
する。

【０００６】そこで、（１）フィルタの目孔を微細化
し、同時に捕集面積を広げる構造や、（２）フィルタに
よるＰＭ捕集がフィルタ厚さ方向の各部で３次元的に行
われるようにしてフィルタ厚みを増加させる構造、にし
て圧損上昇を抑えることが考えられている。

【０００７】なお、（２）の構造については、フィルタ
を筒状にしたり、平板フィルタ材をつづら折れの状態に
折り曲げた形にして捕集面積を拡大することが提案され
ている。

【０００８】また、（３）特開昭５６−１８０１６号公
報や特開昭５７−１９０６２６号公報などに示されるよ
うに、目の粗いフィルタと目の細かいフィルタを前者が
排気路の上流側にあるように軸方向に積層配置して捕集
効率を高める提案もある。これも、（２）の構造を利用
した装置の一種といえる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術のう
ち、（１）の構造は、フィルタの表面にひだをつけるな
どして捕集面積を拡大する必要があるので、フィルタ形
状が複雑化し、フィルタ製造が難しくなるほか、フィル
タ強度にも影響が出てくる。

【００１０】また、（２）の構造は、筒状フィルタやつ
づら折れのフィルタを用いてその厚みを増加させると、
トラッパの外径が大きくなり、装置外径も大きくなって
しまう。

【００１１】車両用の排気ガス浄化装置は、通常、車両
の床下に消音器と代替えして設けられるが、床下に確保
できる高さスペースには限りがある。車両の低床化が進
んでいる最近の状況においては、大きなスペース確保が
特に難しくなってきているため、外径の大きな浄化装置
はスペース面で設置規制を受ける。

【００１２】さらに、（３）の構造は、目孔サイズの異
なるフィルタが縦列に並べられており、フィルタ厚みを
増加させてもトラッパの軸方向長さが長くなるだけでト
ラッパ径は大きくならないが、フィルタの捕集面積が小
さいため、圧損特性の改善効果が薄く、頻繁な再生が必
要となる結果、トラッパ寿命が短かくなる。

【００１３】この発明は、フィルタ形状が複雑にならな
い３次元捕集原理のトラッパを用いて高捕集効率と低圧
損の両特性を両立させ、さらに、装置の外径増加を抑え
てスペース面での設置規制も緩和できるようにすること
を課題としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の排気ガス浄化
装置は、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタ部が、
複数の筒状の３次元的に入り込んだ骨格をもつフィル
タ、もしくは３次元的に入り込んだ骨格をもつ平板フィ
ルタ材をつづら折れの状態に折り曲げたフィルタで形成
され、このフィルタ部を備えるトラッパをケース内に複
数個直列配置にして設置したものである。

【００１５】この装置は、フィルタ部の捕集面積に差を
つけたトラッパを、捕集面積大のトラッパほど排気路の
上流側にあるように並べたり、フィルタ部の軸方向長さ
に差をつけたトラッパを、フィルタ部長さ大のトラッパ
ほど排気路の上流側にあるように並べたりすると望まし
い。

【００１６】また、直列に並べるトラッパのうち、排気
路の下流側にあるものほどフィルタを厚くしたり、フィ
ルタの目孔を小さくしたりするのも有効なことであり、
この構造と上記の望ましいとした構造を併用するとより
好ましい。

【００１７】

【作用】ＰＭを３次元的に捕集する場合の捕集効率η
は、トラッパを構成するフィルタの厚さｔ、フィルタの
単位厚さｔ₀ の比ｔ／ｔ₀ をｎ（無次元数）とし、さら
にフィルタの単位厚さ当りの捕集効率をη₀ とすると、
次式で表される。

【００１８】η＝１−（１−η₀ ）ⁿ この発明の装置は、トラッパが直列に複数個数並べられ
ており、全体的に見るとフィルタを多層構造にしたのと
等価な状態になっているため、フィルタの実質厚みが増
加し、捕集効率ηが向上する。さらに、ＰＭ捕集に最も
有効なフィルタの表面が複数あり、表面での捕集が複数
回繰返えされるので、捕集効率はより向上する。

【００１９】また、各トラッパが筒状又はつづら折れの
フィルタを用いて構成されており、しかも、それぞれの
フィルタが独立しているので捕集面積も広く、多量のＰ
Ｍを捕集したときの圧損上昇も小さく抑えられる。

【００２０】更に、トラッパ数をひとつにし、そのトラ
ッパの筒状フィルタやつづら折れのフィルタの厚みを増
加させる方法で捕集性能と圧損特性を向上させると、ト
ラッパ外径が増大し、フィルタ製造も難しくなってくる
（厚いものは製造し難い）が、この発明の装置は、多層
構造のフィルタで必要厚みを確保するため、各層のフィ
ルタを厚くする必要がなく、トラッパ外径（つまりは装
置外径）を小さく抑えることができ、フィルタの製造が
困難になることもない。

【００２１】なお、複数個のトラッパを直列配置したこ
とによって装置の長さが長くなるが、車両の床下スペー
スは、長さ方向には充分な余裕があるので、装置径を小
さくすれば長さは増加しても設置規制が緩和される。

【００２２】次に、上流側のトラッパほど捕集面積を大
きくすると、圧損の上昇を抑えて装置の更なる小型化を
図ることができる。その理由を下に述べる。

【００２３】排気ガス中のＰＭ濃度は、トラッパ通過に
よって下がっていくので下流側のトラッパほど流入する
ＰＭ量が減少して捕集するＰＭ量が少なくなる。一方、
圧損は、一般に捕集ＰＭ量が増加するに従って増大す
る。従って、捕集量が少なくて済む下流側のトラッパ
は、上流側トラッパと同等の圧損特性を捕集面積を小さ
くして確保することができ、この捕集面積縮小により装
置が更に小型化される。

【００２４】ここで、捕集面積の縮小は、（イ）フィル
タの長さを短くする、（ロ）多重筒フィルタの場合には
筒数を少なくする、（ハ）つづら折れフィルタの場合は
平板フィルタ材の折り曲げ回数を少なくするの各方法で
行える。（イ）の方法を採ると装置長さが短縮され、ま
た、（ロ）、（ハ）の方法を採ると装置径が縮小され
る。先に述べたように、装置長さは、装置の設置規制に
対して大して影響しないが、装置は取扱いの便や無駄な
設置スペースの削減の面からより小型であるに越したこ
とはなく、この点で、長さの短縮も有効なことと言え
る。

【００２５】また、トラッパのフィルタ厚を厚くするこ
とにより捕集性能が向上する。上流側、下流側に関係な
く、各トラッパともフィルタ厚を厚くすれば捕集性能の
改善が図れるが、圧損特性の面からは、下流側トラッパ
のフィルタ厚を厚くするのが望ましい。圧損は、捕集Ｐ
Ｍ量に対して２次関数的に増大するので、ひとつのフィ
ルタで多量のＰＭを捕集するよりも、複数のフィルタで
平均的に捕集する方が装置の総圧損が小さく抑えられる
からである。下流側トラッパは、上流側トラッパに比べ
て流入する総ＰＭ量が少なく、従って、下流側トラッパ
のフィルタ厚を厚くして下流側トラッパの捕集効率を上
流側トラッパの捕集効率よりも高くすると、複数フィル
タによるＰＭ捕集量の平均化が図れる。

【００２６】下流側トラッパの捕集効率は、フィルタの
目孔を小さくすることによっても高め得るが、この発明
では、３次元捕集のメカニズムによって捕集がなされる
フィルタを用いるので、目孔を小さくする構造よりもフ
ィルタ厚を増加させて捕集効率を上げる方が有利であ
る。

【００２７】図１は、フィルタの厚さと充填率（孔径が
小さいほど充填率が高い）を変化させたときの捕集効率
と圧損の変化を比較している。これから判るように、捕
集効率は、フィルタ厚を厚くする、フィルタの充填率を
高める（目孔を小さくする）のどちらによっても向上す
るが、充填率を高めると圧損が上昇するのに対し、フィ
ルタ厚を増大させる場合にはその圧損増加がなく、圧損
特性を悪化させずに捕集性能を改善することができる。

【００２８】なお、この発明の装置は、複数のトラッパ
をひとつのケースに収納する。複数トラッパの直列配置
は、ひとつのケースにひとつのトラッパを収納した装置
を直列に接続する構造でも実現できるが、これは圧損特
性及びトラッパ再生時の熱効率の面で得策でない。即
ち、ＰＭ捕集の特に初期の圧損は、トラッパによるもの
よりもケースによるものの方が圧倒的に大きい。このケ
ースによる圧損は、排気路が小径配管から大径ケース、
その後再度小径配管へと拡大、縮小を繰り返すことによ
って生じるので、ケース（即ち装置）を多段に配置する
と、その段数に比例して圧損が増加する。

【００２９】また、ケースを多段に配置すると、捕集し
たＰＭを電気ヒータで加熱して燃焼させる際の熱効率も
低下する。ケースの外周部は断熱材を巻いて熱の逃げを
抑制できるが、ケースの両端部は断熱材で包むことがで
きず、そこが放熱面となって内部の熱が外に逃げる。ケ
ースの数が多くなれば、それだけ放熱面が増えて外部に
逃げる熱量が多くなり、安定したＰＭ燃焼のためにはヒ
ータ出力が余分に必要になる。ケースをひとつにするこ
の発明の装置は、かかる不具合が生じない。

【００３０】

【発明の実施の形態】図２乃至図８に、この発明の排気
ガス浄化装置の実施形態を簡略化して示す。図２の装置
は、金属製のケース１内に、トラッパ２を２個、直列配
置にして収納したものである。

【００３１】トラッパ２は、金属多孔体製の異径円筒状
フィルタ３、４を同心的に配置し、必要箇所を端板７等
で塞いで上流側と下流側からケース軸方向に交互に内部
に入り込む流路８、９を生じさせ、さらに、流路８に電
気ヒータ１０を挿入して作られている。電気ヒータ１０
は、流路９内に配置してもよいが、流路８、９のどちら
に組込む場合も、フィルタの表面に広く対面する面状ヒ
ータが好ましい。

【００３２】この装置は、図中左側を入口とすると、そ
こからケース１内に流入した排気ガスが矢印で示すよう
に流れ、その間に２つのトラッパ２を通過して浄化され
る。

【００３３】排気ガスは、図中右側からケース１内に導
入してもよく、このときには、ガスの流れが図とは逆に
なる。

【００３４】図３の装置は、下流側（図中右側）トラッ
パ２のフィルタ部長さを上流側トラッパのフィルタ部長
さよりも短かくして各トラッパの圧損を平均化したも
の、さらに、図４の装置は、ケース１内に収納するトラ
ッパ２を３個とし、下流側（図中右側）のトラッパほど
フィルタ部長さを短かくして各トラッパの圧損の平均化
を図ったものである。

【００３５】また、図５の装置は、金属多孔体製の１個
の円筒状フィルタ３を用いてトラッパ１２を形成し、か
つ下流側（図中右側）トラッパ１２のフィルタ厚を上流
側トラッパ１２のフィルタ厚よりも大きくし、このトラ
ッパ１２を２個、金属ケース１内に直列に収納してお
り、装置外径の縮小効果が特に高い。また、下流側トラ
ッパの捕集効率が高くなっており、各トラッパの圧損の
平均化も図られている。

【００３６】図６の装置は、金属ケース１内に３個のト
ラッパ１２を直列に収納し、下流側トラッパのフィルタ
部長さを図中左端の最上流トラッパのフィルタ部長さよ
りも短かくし、さらに、下流側トラッパほどフィルタ厚
を厚くしたもので、この点が図５の装置と異なる。

【００３７】図７の装置は、金属多孔体製の異径円筒状
フィルタ３、４、５を同心的に組合わせて作ったトラッ
パ２２と、図１の装置のトラッパと同様の構成にしたト
ラッパ２を、トラッパ２２が排気路の上流側にあるよう
にして金属ケース１内に直列に挿入したもので、上流側
トラッパの捕集面積が大きいため、これも各トラッパの
圧損の平均化が図れる。なお、以上の装置に用いるフィ
ルタは角筒状のものであってもよい。

【００３８】図８の装置は、金属多孔体製の平板フィル
タ材をつづら折れにし、その両側と外周を側板（図示せ
ず）及び端板７で塞いで作ったフィルタ６を用いてトラ
ッパ３２を形成し、このトラッパ３２をケース１内に２
個、直列に収納したものである。ここでは、下流側（図
中右側）トラッパのフィルタ部長さを上流側トラッパの
フィルタ部長さよりも短かくして各トラッパの圧損を平
均化しているが、この装置も、上流側トラッパと下流側
トラッパのフィルタ厚、捕集面積、或いはフィルタの目
孔径に差をつける方法で各トラッパの圧損を平均化する
ことができる。

【００３９】なお、図２の装置は方向性がないが、図２
〜図８の装置はケース１の左側を排気路の上流側に配置
して使用する。

【００４０】また、例示の装置は、各トラッパのフィル
タ材質として、耐熱性、耐腐食性に優れるＮｉ−Ｃｒ−
Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金などを用いたが、使用するフ
ィルタがＡｌ₂ Ｏ₃ 及びその複合成分で構成されるセラ
ミック材のファイバの集合体で作られている場合にも同
様の性能を得ることができる。

【００４１】以下に、より詳細な実施例を挙げる。

【００４２】

【実施例】表１及び表２に示す仕様のＡ〜Ｇの排気ガス
浄化装置を試作した。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】図９は、図２の装置（表１の試料Ａ）と同
じトラッパをケース１内に１個収納した従来構造の浄化
装置（これを比較例Ｈとする）である。また、図１０
は、図９の装置のフィルタ厚を２倍にした装置（これを
比較例Ｉとする）である。

【００４６】図１１は、試作装置の中から表１のＡを代
表として選び、これと比較例Ｈ、Ｉの捕集性能を調べて
比較したものである。このように、発明品Ａは、捕集効
率が比較例Ｈに比べて向上している。なお、図１０の比
較例Ｉは、表１の発明品Ａとほぼ同等の捕集性能が得ら
れるが、僅かに発明品Ａの方が優れている。一方、寸法
面では、比較例Ｉは最外層フィルタの外径が１３６ｍｍ
になって装置外径が大きくなる。

【００４７】図１２は、発明品Ａと比較例Ｈの圧損特性
を比較した結果であり、発明品Ａは比較例Ｈよりも圧損
特性に優れている。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の排気ガ
ス浄化装置は、捕集性能と圧損特性に優れる。また、そ
れ等の性能を犠牲にせずに装置外径を縮小でき、高さ方
向のスペースを大きく確保できない車両の床下にも設置
可能となる。従って、スペース上の制限が厳しく、ま
た、ＰＭ排出が問題となっているディーゼルエンジン搭
載車の排気ガス浄化装置として利用すると特に効果的で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】トラッパのフィルタの厚さと充填率を変化させ
たときの圧損と捕集効率を比較した図

【図２】この発明の排気ガス浄化装置の実施形態を簡略
化して示す断面図

【図３】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図４】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図５】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図６】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図７】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図８】他の実施形態を簡略化して示す断面図

【図９】従来例を簡略化して示す断面図

【図１０】図９のものと比較してフィルタ厚を２倍にし
た装置の断面図

【図１１】図２、図９、図１０の装置の捕集性能を比較
した図

【図１２】図２と図９の装置の圧損特性を比較した図

【符号の説明】 １ ケース ２、１２、２２、３２ トラッパ ３、４、５ 円筒状フィルタ ６ つづら折れのフィルタ ７ 端板 ８、９ 流路 １０ 電気ヒータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの排気系の途中に設置される排
   気ガス浄化装置であって、排気ガス中の微粒子を捕集す
   るフィルタ部が、複数の筒状の３次元的に入り込んだ骨
   格をもつフィルタ、もしくは３次元的に入り込んだ骨格
   をもつ平板フィルタ材をつづら折れの状態に折り曲げた
   フィルタで形成され、このフィルタ部を備えるトラッパ
   をケース内に複数個直列配置にして設置したことを特徴
   とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】 排気路の上流側にあるトラッパほどフィ
   ルタ部の捕集面積を大としてある請求項１記載の排気ガ
   ス浄化装置。
3. 【請求項３】 排気路の上流側にあるトラッパほどフィ
   ルタ部の軸方向長さを大としてある請求項１記載の排気
   ガス浄化装置。
4. 【請求項４】 排気路の下流側にあるトラッパほどフィ
   ルタ厚みを厚くしてある請求項１乃至３のいずれかに記
   載の排気ガス浄化装置。
5. 【請求項５】 排気路の下流側にあるトラッパほどフィ
   ルタ部の目孔を小さくしてある請求項１乃至４のいずれ
   かに記載の排気ガス浄化装置。