JP2004211692A

JP2004211692A - 開端式ディーゼル微粒子トラップ

Info

Publication number: JP2004211692A
Application number: JP2003417418A
Authority: JP
Inventors: Shi-Wai S Cheng; シ−ワイ・エス・チェン
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US6835224B2; EP1435436A1; US20040128964A1

Abstract

【課題】効率的で機械的にも熱的にも清浄化が簡単なディーゼルエンジン用の微粒子フィルタの提供
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気ガス流から微粒子を除去するための開端式ディーゼル微粒子トラップは、入口開口と出口開口とガス出口とを備えるハウジングと、入口開口からガス出口に延びる排気ガス経路とを含む。排気ガス経路の第１部分は入口からつながっており、排気ガス経路の第２部分とある角度をなして延び、ガス出口に達する。フィルタ要素はハウジング内に配置され、第１経路部分を画定する中央開口を備える。フィルタ要素は中央開口を囲むフィルタ材料の壁を備え、中央開口を介して第２経路部分が延びる。排気ガスが入口開口からガス出口に流れるとき、第１経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子は、リザーバに落下することができ、第２経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子を、フィルタ要素壁中に捕捉することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にディーゼルエンジン内の排気処理システム用の微粒子トラップに関し、詳細には開端式ディーゼル微粒子トラップに関する。

ディーゼルエンジン用の排気処理システムはよく知られている。通常、排気処理システムは、排気配管内に、一般にエンジン排気流から部分的に燃焼した炭化水素から構成される微粒子を除去するために使用される微粒子フィルタを含む。この微粒子フィルタは、ハウジングと、その中に配置された、当技術分野でセラミックウォールフローモノリス微粒子フィルタとして知られるフィルタ要素を含む。典型的なセラミックウォールフローモノリス微粒子フィルタは、フィルタの一端から他端へ外壁の長さ方向に延びる平行チャネルを提供するハネカム構造を画定する、多数の交錯した薄い多孔性の内壁によって相互に連結された外壁を含む。排気ガスは、フィルタの一端から入り、反対端から出る。フィルタの一端で、セルチャネルの開口が１つおきに閉じており、同様に他端で、セルチャネルの開口が、セル１つずつずらして１つおきに閉じており、それによって複数の平行な入口セルおよび出口セルが画定される。このフィルタ装置では、その端部が閉じているので、排気ガスは、所与の入口セルから直接流れることができず、多孔性分割壁から隣接する出口セル中に強制的に流出させられる。排気ガスは、薄い多孔性のモノリスの壁が微粒子を捕捉するので、互いに隣接するセル間の多孔性の壁を通って流れる間に濾過される。典型的な微粒子フィルタは、１５．５〜４６．５セル／ｃｍ²（１００〜３００セル／平方インチ）の間で変化するセル密度、および１５．２４ｃｍ（６インチ）より大きい長さを有する。これらの長く細いチャネルおよび閉じた端部により、この種のフィルタに微粒子を効果的に捕捉することが可能となり、しばしば０．１ミクロンより小さい寸法の微粒子を捕捉することが可能となる。

しかし、最終的にはフィルタのセルは捕捉された微粒子で詰まり、フィルタが効果的であり続けるためには、これを清浄化しなければならない。一般にフィルタは、セルに熱源を導入することなどによって、捕捉された微粒子を酸化するのに十分なセル温度に上げる発熱プロセスを用いて清浄化される。しかし、従来のこれらのフィルタは、チャネルが長く、細くまた端部が閉じているので、熱的に清浄化することが非常に難しい。この熱的再生プロセスを使用することに加えて、フィルタは手でも清浄化することができるが、細いチャネルおよび閉じた端部が手での清浄化をも難しくする。さらに、端部が閉じているので、フィルタからの空気流が閉じた端部の近隣でゼロに低下し、その結果閉じた端部において微粒子の濃度がより高くなり、微粒子の濃度が不均一になる。ディーゼル微粒子中の金属成分である灰は、熱的再生プロセスを用いても清浄化することができないので、手で清浄化しなければならず、維持費が増加することになる。

したがって、本発明は、効率的で、機械的にも熱的にも清浄化が簡単なディーゼルエンジン用の微粒子フィルタを提供することを目的とする。

本発明は、ディーゼルエンジンなど内燃機関の排気システムに取り付けて動作可能な微粒子フィルタに関する。本発明による微粒子フィルタは、入口および出口を備えるハウジングを含む。ハウジングの入口は、好ましくはディーゼルエンジンから延びる配管に連結している。ハウジングの出口は、好ましくは外気中に延びる配管に連結している。フィルタハウジングが入口から出口への排気ガス経路を画定する。排気ガス経路の第１部分は入口からつながっており、排気ガス経路の第２部分とある角度をなして延び、出口に達する。排気ガス経路の第１部分は、排気ガス経路の第２部分とほぼ直交することが好ましい。少なくとも１つの細長い、ほぼ管状のフィルタ要素がハウジング内に配置され、第１端と第２端の間を延びる中央開口を囲む壁を備える。フィルタ要素の壁およびハウジングの壁が、それらの間の出口チャンバを画定する。フィルタ開口の第１端はハウジング入口に連結され、第１経路部分は開口の長手方向軸に沿って延びる。微粒子リザーバがハウジングに取り付けられ、フィルタ要素開口の第２端に連結される。排気ガスが入口に入り、開口に沿って少なくとも１つのフィルタ要素壁を通って流れ、出口チャンバに入り出口から出ると、排気ガス中の微粒子の一部は、少なくとも１つのフィルタ要素内に残り、少なくとも１つのフィルタ要素が加熱されたとき、燃焼されて灰を生成し、その灰は微粒子リザーバに落下しその中に収集される。排気ガスが方向を変えて第２経路部分をたどるとき、第１経路部分の他の微粒子は、微粒子リザーバ内に落下することができる。

フィルタはセラミックフィルタ型であることが好ましい。一実施形態では、フィルタはその中に形成された中央開口を備える単一のフィルタ要素である。あるいは、フィルタが複数のウォールフロー型フィルタ要素であり、各フィルタ要素が中央開口を含み、平行なガス流経路をもたらすように配置される。

動作においては、微粒子フィルタは内燃機関の排気システムに取り付けられる。ハウジングの入口は内燃機関から延びる配管に連結しており、ハウジングの出口は外気中に延びる配管に連結している。エンジンは普通に操作され、その中に飛沫同伴された微粒子を含む排気流をもたらす。排気流はハウジングの入口に入り、第１経路部分に沿った中央開口に沿って移動し、第２経路部分に沿ったフィルタ要素の壁を通って移動し、出口チャンバに入りハウジングの出口から出る。

動作の際に、飛沫同伴された微粒子の一部は、第１経路部分に沿って移動する排気ガスから微粒子リザーバ内に重力によって落下することができる。壁を通過する排気ガス中の飛沫同伴された微粒子はフィルタ要素で捕捉することできる。閉じられた端部がないので、ウォールフローフィルタの下端部における排気流速度は有利なことにゼロではない。したがって、微粒子がウォールフローフィルタ要素の軸の長さ方向に沿ってより均一に堆積する。熱的再生プロセスがフィルタ要素の上流側から開始されると、開端式であるので、熱い酸化剤が容易にフィルタの下端部に達することができ、したがってより完全な再生がもたらされる。熱的再生の後、金属の灰がこの場合も重力によって微粒子リザーバに落下することができる。車両の通常の振動もフィルタ表面から堆積した微粒子および灰の一部を振り落とすことになる。この特定のフィルタおよび排気ガス経路の幾何形状によって、剥がれて薄片となった微粒子が微粒子リザーバに落下することが可能となる。微粒子リザーバをハウジングから取り外すと、開端式であるので、フィルタ表面にアクセス可能であり、したがってフィルタ表面を機械的に清浄化することができる。

従来技術の微粒子フィルタに勝る、本発明によるこの微粒子フィルタの別の利点は、フィルタの排気側よりも、フィルタの吸気側により広い前部開口面積を割り当てることができることである。一般に、従来技術の微粒子フィルタは、吸気側用および排気側用で同じ面積を有する。微粒子が吸気側の表面上に堆積するので、流れの制限を最小限に抑えるために、より広い前部開口面積が必要になる。

本発明によるこの微粒子フィルタは、従来技術の微粒子フィルタより、耐久性があり、熱的再生の際に消費するエネルギーがより少ない。機械的再生および清浄化が必要な応用例の場合、本発明は、従来技術の微粒子フィルタに勝る最大の利点をもたらす。

以下の好ましい実施形態の詳細な記載から、添付の図面を考慮に入れれば、本発明の上記その他の利点が、当分野の技術者には容易に明白になるであろう。

次に図１を参照すると、本発明による開端式ディーゼル微粒子トラップまたはディーゼル微粒子フィルタの全体を１０で示している。微粒子フィルタ１０は、車両（図示せず）に取り付けるディーゼルエンジンなどの内燃機関（図示せず）の排気システムの配管に取り付けるように構成されている。微粒子フィルタ１０は、ほぼ垂直に延びる長手方向軸１３と、入口開口１５がその中でハウジングの上端において形成された第１端壁１４とを備えるほぼ円筒形の中空ハウジング１２を含む。排気ガス出口１６は、ハウジング１２の側壁１７から長手方向軸１３とほぼ直交して延びる。入口開口１５は、好ましくは、内燃機関の排気マニホールド（図示せず）から延びる配管（図示せず）に連結される。ガス出口１６は、好ましくはさらに外気中に延びる配管（図示せず）に連結される。

微粒子フィルタ１０は、入口開口１５からハウジング１２の内部を通って排気ガス出口１６に達する排気ガス経路１８を画定する。排気ガス経路１８のほぼ垂直な第１部分２０は、長手方向軸１３と平行に、第１端壁１４からハウジング１２の底部の第２端壁２１まで延びる。出口開口２２が端壁２１内に形成され、入口開口１５と同様に長手方向軸１３を中心としている。複数の線は、排気ガス経路１８の第２部分２３を示す。第２部分２３は、第１経路部分２０とある角度をなして、ほぼ水平に延び、排気ガス出口１６に達する。

壁２５を備えるほぼ管状なフィルタ要素２４が、ハウジング１２の内部に配置され、壁２５の外部表面はハウジング壁１７の内部表面より内側に径方向に間隔をおいて配置され、壁１７と２５の間の空間を占有する出口チャンバ１９を形成する。フィルタ要素２４は、第１端壁１４に隣接する第１端または上端２６と、第２端壁２１に隣接する第２端または下端２８とを備える。中央開口２９は、軸方向にフィルタ要素２４を通って延び、壁２５によって画定される。中央開口２９は、入口開口１５と出口開口２２の間に延び、入口開口１５および出口開口２２と流体連通する。フィルタ要素２４は、排気ガス流中で飛沫同伴された微粒子を捕捉するのに適したフィルタ材料から形成された壁２５を備えるセラミック型フィルタであることが好ましい。排気ガス経路１８の第１経路部分２０は、入口開口１５から中央開口２９に沿って出口開口２２に延びる。排気ガス経路１８の第２経路部分２３は、フィルタ要素２４の中央開口２９から壁２５を通り、出口チャンバ１９を通り、ガス出口１６に延びる。

ほぼカップ形状の微粒子リザーバ３０が、第２端壁２１において解除可能にハウジング１２に取り付けられる。リザーバ３０の開口は、出口開口２２と連通している。フィルタ１０の動作の際に、飛沫同伴された微粒子の一部は第１経路部分２０に沿って移動する排気ガスから微粒子リザーバ３０内に重力によって落下することができる。フィルタ壁２５を通過する排気ガス中に飛沫同伴された残留微粒子をフィルタ要素２４によって捕捉することができる。中央開口２９の低い方の端部は閉じていないので、第１経路部分２０の下端部における排気流速度は有利なことにゼロではない。したがって、微粒子がウォールフローフィルタ要素２４の軸の長さ方向に沿ってより均一に堆積する。熱的再生がフィルタ要素２４の上流側から開始されると、開端式であるので、熱い酸化剤が容易にフィルタの下端部に達することができ、したがってより完全な再生がもたらされる。熱的再生の後、金属の灰がこの場合も重力によって微粒子リザーバ３０に落下することができる。車両の通常の振動もフィルタ表面２５から堆積した微粒子および灰の一部を振り落とすことになる。この特定のフィルタ２４および排気ガス経路１８の幾何形状によって、剥がれて薄片となった微粒子が微粒子リザーバ３０に落下することが可能となる。微粒子リザーバ３０をハウジング１２から取り外すと、開端式であるので、フィルタ表面にアクセス可能であり、したがってフィルタ表面を機械的に清浄化することが可能となる。

従来技術の微粒子フィルタに勝る、本発明によるこの微粒子フィルタ１０の別の利点は、フィルタの排気側によりも、フィルタの吸気側により広い前部開口面積を割り当てることができることである。一般に、従来技術の微粒子フィルタは、吸気側用および排気側用に同じ面積を有する。微粒子が吸気側の表面上に堆積するので、流れの制限を最小限に抑えるために、より広い前部開口面積が必要になる。排気ガスは、複数の第２経路部分２３で示すように、どの径方向にも、第１経路部分２０に沿ったどの高さにおいても流れることができるので、フィルタ１０の吸気側は、フィルタ壁２５の内部表面積である。次に、ガスは出口チャンバ１９内に集まり、ガス出口１６を通ってハウジング１２から出る。

次に図２を参照すると、本発明によるディーゼル微粒子フィルタの代替実施形態の全体を３２で示している。微粒子フィルタ３２は、車両（図示せず）に取り付けるディーゼルエンジンなどの内燃機関（図示せず）の排気システムの配管に取り付けるように構成されている。微粒子フィルタ３２は、第１端壁３６と、第２端壁３７と、ガス出口３８とを備える、ハウジング１２に類似の円筒形の中空ハウジング３４を含む。リザーバ３０に類似の微粒子リザーバ５０が、下部端壁即ち第２端壁３７において解除可能にハウジング３４に取り付けられる。

フィルタ要素２４に類似し、より小さな直径をもつ、複数の個別のフィルタ要素４１を含むフィルタ手段４０が、ハウジング３４内に保持される。各フィルタ要素４１は、複数の関連する入口開口４３の１つと微粒子リザーバ５０との間を延びる中央開口４２を備える。出口チャンバ３９が、ハウジング３４の複数の壁とフィルタ要素４１の複数の壁との間の空間を占有する。排気ガス経路４４は、入口開口４３のところで、それぞれ中央開口４２の１つに関連する、複数の第１経路部分４５に分かれる。第２経路部分４６は、各第１経路部分からフィルタ要素４１の壁を通って延び、ガス出口３８で合流する。したがって、フィルタ３２は、フィルタ１０に類似の方法で機能し、微粒子および灰が取り外し可能な微粒子リザーバ５０中に落下する。

動作においては、微粒子フィルタ１０または３２は、内燃機関の排気システムに取り付けられる。フィルタ要素２４または４１の入口開口１５または４３は、内燃機関から延びる配管に連結しており、ハウジング１２または３４の出口１６または３８は、さらに外気中に延びる配管に連結している。内燃機関は普通に操作され、その中に飛沫同伴された微粒子（図示せず）を含む排気ガス（図示せず）をもたらす。排気ガスが、入口開口１５または４３に入り中央開口２９または４２を通って流れるとき、第１経路部分の排気ガス中の微粒子は、リザーバ３０または５０内に落下することができる。第２経路部分２３または４６の排気ガス中の微粒子は、フィルタ要素２４または複数のフィルタ要素４１が加熱されたとき、フィルタ壁材料中に捕捉されて、燃焼する。得られた灰は、微粒子リザーバ３０または５０中に落下し、後で処分するために収集される。

特許諸法の規定に従って、本発明を、好ましい実施形態を示すと考えられる形で記載された。しかし、本発明は、その趣旨および範囲を逸脱することなく、具体的に図示し記載したのとは別の形でも実施できることに留意されたい。

本発明による微粒子フィルタの部分透視図である。本発明による微粒子フィルタの代替実施形態の部分透視図である。

符号の説明

１０開端式ディーゼル微粒子トラップまたはディーゼル微粒子フィルタ
１２ほぼ円筒形の中空ハウジング
１３長手方向軸
１４、３６第１端壁
１５、４３入口開口
１６排気ガス出口
１７側壁
１８、４４排気ガス経路
１９、３９出口チャンバ
２０ほぼ垂直な第１部分
２１、３７第２端壁
２２出口開口
２３第２部分
２４ほぼ管状フィルタ要素
２５フィルタ壁
２６第１端または上端
２８第２端または下端
２９、４２中央開口
３０ほぼカップ型の微粒子リザーバ
３２ディーゼル微粒子フィルタ
３４中空ハウジング
３８ガス出口
４０フィルタ手段
４１個別のフィルタ要素
４５第１経路部分
４６第２経路部分
５０微粒子リザーバ

Claims

排気ガス流から微粒子を除去するために、内燃機関の排気システムの配管に取り付けるための装置であって、
第１端における入口開口と、第２端における出口開口と、側部におけるガス出口とを備える中空ハウジングと、
第１端と第２端の間に延びフィルタ壁によって画定される中央開口を備えるフィルタ手段であって、前記フィルタ手段が、前記入口開口および前記出口開口と連通する前記中央開口を備える前記ハウジング内に配置され、前記中央開口が、前記入口開口から前記ハウジングを通って前記ガス出口に達する排気ガス経路の第１経路部分と、前記第１経路部分とある角度をなして前記中央開口から前記フィルタ壁を通って前記ガス出口に延びる前記排気ガス経路の第２経路部分とを画定するフィルタ手段と、
前記出口開口に連通する前記ハウジングに取り付けられた微粒子リザーバであって、前記ハウジングが、内燃機関排気システムおよび前記排気ガス経路に沿った前記排気ガス流の配管に取り付けられるとき、前記第１経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子が、前記出口開口を通って前記リザーバに落下することができ、前記第２経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子を前記フィルタ壁内で捕捉することができる微粒子リザーバとを含む装置。
前記ハウジングがほぼ円筒形の形状を有する請求項１に記載の装置。
前記フィルタ手段が、ほぼ管状の自由流セラミック型フィルタ要素である請求項１に記載の装置。
前記フィルタ手段が、各々前記第１経路部分を画定する中央開口を備える複数の管状フィルタ要素である請求項１に記載の装置。
前記微粒子リザーバが、前記ハウジングに解除可能に取り付けられる請求項１に記載の装置。
前記第１経路部分がほぼ垂直方向に延び、前記第２経路部分がほぼ水平方向に延びる請求項１に記載の装置。
ディーゼルエンジンの排気ガス流から微粒子を除去するための微粒子トラップであって、
第１端における入口開口と、第２端における出口開口と、側部におけるガス出口とを備える中空ハウジングと、
第１端と第２端の間に延びフィルタ壁によって画定される中央開口を備えるフィルタ手段であって、前記フィルタ手段が、前記入口開口および前記出口開口と連通する前記中央開口を備える前記ハウジング内に配置され、前記中央開口が、前記入口開口から前記ハウジングを通って前記ガス出口に達する排気ガス経路の第１経路部分と、前記第１経路部分とある角度をなして前記中央開口から前記フィルタ壁を通って前記ガス出口に延びる前記排気ガス経路の第２経路部分とを画定するフィルタ手段と、
前記出口開口に連通する前記ハウジングに解除可能に取り付けられる微粒子リザーバであって、前記ハウジングが、ディ−ゼルエンジン排気システムおよび前記排気ガス経路に沿った前記排気ガス流の配管に取り付けられるとき、前記第１経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子が、前記出口開口を通って前記リザーバに落下することができ、前記第２経路部分に沿って流れる排気ガス中の微粒子を前記フィルタ壁内で捕捉することができる微粒子リザーバとを含む微粒子トラップ。
前記ハウジングがほぼ円筒形の形状を有する請求項７に記載の微粒子トラップ。
前記フィルタ手段が、ほぼ管状の自由流セラミック型フィルタ要素である請求項７に記載の微粒子トラップ。
前記フィルタ手段が、各々前記第１経路部分を画定する中央開口を備える複数の管状フィルタ要素である請求項７に記載の微粒子トラップ。
各前記フィルタ要素が、ほぼ管状の自由流セラミック型フィルタ要素である請求項１０に記載の微粒子トラップ。
前記第１経路部分がほぼ垂直の方向に延び、前記第２経路部分がほぼ水平の方向に延びる請求項７に記載の微粒子トラップ。
前記フィルタ手段の前記フィルタ壁の外部表面が、前記ハウジングの壁の内部表面より内側に径方向に間隔をおいて配置される請求項７に記載の微粒子トラップ。
ディーゼルエンジンの排気ガス流から微粒子を除去するための開端式ディーゼル微粒子トラップであって、
第１端壁内に形成された入口開口と、第２端壁内に形成された出口開口と、側壁内に形成されたガス出口とを備え、さらに前記入口開口から前記ガス出口に延びる排気ガス経路を備える中空ハウジングと、
それぞれ中央開口を囲むフィルタ材料の壁を備える複数の管状フィルタ要素であって、前記中央開口が、前記排気ガス経路の第１経路部分と、前記フィルタ要素壁を通過し前記第１端とある角度をなして延びる前記排気ガス経路の第２経路部分とを画定する管状フィルタ要素と、
前記ハウジングに解除可能に取り付けられ、前記フィルタ要素の前記中央開口に連通する微粒子リザーバであって、前記ハウジングが、ディ−ゼルエンジン排気システムおよび前記排気ガス経路に沿った前記排気ガス流の配管に取り付けられるとき、前記第１経路部分内を流れる排気ガス中の微粒子が、前記リザーバに落下することができ、前記第２経路部分内を流れる排気ガス中の微粒子を前記フィルタ要素壁内で捕捉することができる微粒子リザーバとを含む微粒子トラップ。
前記ハウジングがほぼ円筒形の形状を有する請求項１４に記載の微粒子トラップ。
各前記フィルタ要素が、ほぼ管状の自由流モノリス型フィルタ要素である請求項１４に記載の微粒子トラップ。
前記第１経路部分がほぼ垂直方向に延び、前記第２経路部分がほぼ水平方向に延びる請求項１４に記載の微粒子トラップ。
前記フィルタ壁の各々の外部表面が、前記ハウジングの壁の内部表面より内側に径方向に間隔をおいて配置される請求項１４に記載の微粒子トラップ。