JP2004332571A

JP2004332571A - パティキュレートフィルター

Info

Publication number: JP2004332571A
Application number: JP2003126210A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kondo; 伸明金銅; Akiko Kobayashi; 晶子小林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】偏温Δｔ（℃／ｃｍ）による割れを防止し、更に燃費向上を達成し得るパティキュレートフィルターを提供すること。
【解決手段】一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターである。
このハニカム担体は、ガス入口側端面の中央部の圧損が他の圧損より大きいこと、ガス入口側端面の中央部近傍のセルを排気ガス流と対向する方向に突出させたこと、ガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔを１００℃／ｃｍ以下にしたこと、及び捕集されるＰＭのＭＡＸΔｓｏｏｔを２．５ｇ／ｃｍ以下にしたことなどの特徴を有する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パティキュレートフィルターに係り、更に詳細には、耐久性やパティキュレートマター（ＰＭ）除去性能などを向上させたパティキュレートフィルター、特にディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）及びＤＰＦに触媒を担持させた触媒付きＤＰＦに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジンから排出されるスス（ｓｏｏｔ）を一時的に捕集し、燃焼によって再生させるＤＰＦ、ＤＰＦに触媒を担持させた触媒付きＤＰＦがよく知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、エンジンの制御でｓｏｏｔがあまり溜まらないうちに▲１▼燃料を余計に噴射（ポストインジェクション）、▲２▼点火時期の遅延（リタード）をすることで、排気ガス温度を上げ、ｓｏｏｔの一部に着火し、燃焼除去させていた（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１４８６０７号公報
【特許文献２】
特開２００３−００３８３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＰＦや触媒付きＤＰＦは、通常の触媒と同様に端面がフラットな形状となっていることから、一般的なディフューザー形状を持つ容器の場合、各セルに流れるガス量に偏りが生じるため、中央部近傍のセルに大量のガスが偏って当たり、ｓｏｏｔが大量に堆積し、その外周部とのｓｏｏｔ堆積量の差が大きくなる。その結果ｓｏｏｔを燃焼除去する際、ｓｏｏｔ量の違いにより発熱量に差が生じ、偏温Δｔ（℃／ｃｍ）が大きくなり、ＤＰＦが割れるという問題点があった。
また、上述の▲１▼、▲２▼とも燃費悪化の要因となり、更に、▲２▼は運転性にも悪影響を及ぼすという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、偏温Δｔ（℃／ｃｍ）による割れを防止し、更に燃費向上を達成し得るパティキュレートフィルターを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ハニカム担体のガス入口側端面の中央部の圧損を他の圧損より大きくすること、ハニカム担体のガス入口側端面の中央部近傍のセルを排気ガス流と対向する方向に突出させること、ハニカム担体のガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔを１００℃／ｃｍ以下にすること、及び捕集されるＰＭのＭＡＸΔｓｏｏｔを２．５ｇ／ｃｍ以下にすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の第１パティキュレートフィルターは、一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体（いわゆるチェッカードハニカム）を備え、このハニカム担体が、ガス入口側端面の中央部の圧損が他の圧損より大きいことを特徴とする。
また、本発明の第２パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムが、ガス入口側端面の中央部近傍に位置するセルを排気ガス流と対向する方向に突出させて成る。
一方、本発明の第３パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムが、ガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔが１００℃／ｃｍ以下という関係を満足する。
更に、本発明の第４パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムは、ＰＭの捕集状態を表すＭＡＸΔｓｏｏｔが２．５ｇ／ｃｍ以下という関係を満足する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパティキュレートフィルターについて、詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【０００９】
上述の如く、本発明の第１〜第４パティキュレートフィルターは、一端が閉塞した複数個のセルを有し、隣接するセル間では、ひとつのセルの閉塞端と他のセルの開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備える。
ここで、このような構造のハニカム担体は、いわゆるチェッカードハニカムなどと称されるものであり、その端面が、複数個の異なるセルの閉塞端と開放端とで市松模様又はチェッカー板のような模様をなしているものであり、一方の端面と他方の端面とで、かかる市松模様におけるセル端部の開閉関係が逆転しているものである。
【００１０】
図１に、このようなハニカム担体を備える従来のパティキュレートフィルターの一例を示す。図１（Ａ）にはパティキュレートフィルターの斜視図、（Ｂ）には排気ガス流方向と平行な長径における断面図が示されている。同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パティキュレートフィルター１ａは、ハニカム担体２にセル１０を有し、更に一方の端部に交互に目詰め２０を有している。かかるパティキュレートフィルター１ａを用いると、排気ガスの流れは矢印ｆで示されているようなものとなり、排気ガスが必ずセル壁を通過するため、ＰＭなどが有効に補足され、ｓｏｏｔ３０ａのように堆積し、堆積量は曲線Ｓ_１で示されているようなものとなる。
【００１１】
本発明の第１パティキュレートフィルターは、備えるチェッカードハニカムのガス入口側端面の中央部の圧損が他の圧損より大きいことを特徴とする。
パティキュレートフィルター１ａのガス入口側端面の中央部の圧損（流入抵抗）を、他の圧損より大きくすることで、中央部から周囲のセル１０にガスが分散するので、各セル１０に流れるガスの流量の偏りを小さくすることができる。
このように各セルの堆積量の差を小さくすることでパティキュレートフィルターの割れが防止でき、そのためには各セルに流れるガスの流量の偏りを小さくすることが考えられる。その代表例としては、ハニカム担体２の中央部近傍のセル１０のメッシュを細かくすること、又はハニカム担体２のガス入口側端面の中央部近傍のセル１０を突出させること、及びこれらの任意の組合せに係る改良を行ったパティキュレートフィルターなどが挙げられる。
【００１２】
次に、ハニカム担体２のガス入口側端面の中央部近傍のセル１０を突出させる場合について更に詳細に説明する。
上述の如く、本発明の第２パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムが、ガス入口側端面の中央部近傍に位置するセルを排気ガス流に抗する方向に突出させて成る。
【００１３】
図２に、このようなハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターの一例を示す。図２（Ａ）にはパティキュレートフィルターの斜視図、（Ｂ）には排気ガス流方向と平行な長径における断面図が示されている。同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パティキュレートフィルター１ｂは、ハニカム担体２にセル１０と、ガス入口側端面の中央部近傍の突出セル１２ａとを有し、更に一方の端部に交互に目詰め２０を有している。かかるパティキュレートフィルターを用いると、排気ガスの流れは矢印ｆで示されているようなものとなり、排気ガスが必ずセル壁を通過するため、ＰＭなどが有効に補足され、ｓｏｏｔ３０ｂのように堆積し、堆積量は曲線Ｓ_２で示されているようなものとなる。
【００１４】
従来のパティキュレートフィルター１ａと比べて、本発明のパティキュレートフィルター１ｂにおいては、ハニカム担体２の排気ガス入口側端面の中央部近傍のセルを排気ガス流に抗する方向に突出させた突出セル１２ａを有することにより、中央部の圧損が他の圧損と比して大きくなり、中央部からその周囲のセル１０にガスが分散するので、その結果を示す曲線Ｓ_２で示される堆積量は従来の場合の曲線Ｓ_１と比較して偏りが小さくなったことからも明らかなように、各セルに流れるガスの流量の偏りを小さくできる。
【００１５】
また、上記突出させたセルが複数個あり、その存在位置が中央部から縁部方向へ移行するにしたがって、これらセルの突出長が減少していることが望ましく、漸次減少していることが更に望ましい。
図３に、このようなハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターの一例を示す。図３（Ａ）にはパティキュレートフィルターの斜視図、（Ｂ）には排気ガス流方向と平行な長径における断面図が示されている。同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パティキュレートフィルター１ｃは、ハニカム担体２にセル１０と、排気ガス入口側端面の中央部近傍の突出セル１２ｂ及び１２ｃとを有し、更に一方の端部に交互に目詰め２０を有している。かかるパティキュレートフィルターを用いると、排気ガスの流れは矢印ｆで示されているようなものとなり、排気ガスが必ずセル壁を通過するため、ＰＭなどが有効に補足され、ｓｏｏｔ３０ｃのように堆積し、堆積量は曲線Ｓ_３で示されているようなものとなる。
【００１６】
ハニカム担体２の排気ガス入口側端面の中央部近傍のセルを排気ガス流と対向する方向に突出させた突出セル１２ａを有するパティキュレートフィルター１ｂと、１２ｂ及び１２ｃを有するパティキュレートフィルター１ｃを比較した場合に、パティキュレートフィルター１ｃの方が各セルに流れるガスの流量の偏りをより小さくできていることが、堆積量を示す曲線Ｓ_２と曲線Ｓ_３を比較することからわかる。
【００１７】
また、これらの結果から、ガスの流量は連続的に変化していると考えられるので、本発明の第２パティキュレートフィルターにおいては、突出長を減少させるに際し、その突出長もガスの流量に対応させて漸次減少させることが望ましい。
一方、上述したように理想的には突出長をガスの流量に対応させて漸次減少させることが望ましいが、本発明においては、所望の偏温Δｔ（℃／ｃｍ）以下であればよく、複数個の突出セル１２が中央部に位置するセルを頂部とする段付き先細形状をなすことにより、各セルに流れるガスの流量の偏りを小さくできる。このような形状は、突出長が漸次減少している形状と比較して、一般的にそのハニカム担体の作成容易性や経済性の面において優れている。
【００１８】
上述したような突出セル１２を備える本発明の第２パティキュレートフィルターは、ハニカム担体２のガス入口側端面において、上記突出セル１２の占有面積率が２〜１５％であることが好ましい。２％未満では、機械的強度や圧損の差によるガスの分散作用が不十分であるなどの面から好ましくなく、１５％を超えると、過度の圧損、軽量化、小型化及び触媒圧入時の製造性などの面から好ましくない。
また、突出セル１２の突出部６の体積が、ハニカム担体２の総体積の２〜１５％であることが好ましい。２％未満では、十分な圧損の効果が表れない可能性があり、１５％を超えると、過度の圧損、軽量化、小型化及び触媒圧入時の製造性などの面から好ましくない。
更に、突出長が、上記ハニカム担体２から突出セル１２を除いたハニカム本体４の長さの６〜３２％であることが好ましい。６％未満では、十分な圧損の効果が表れない可能性があり、３２％を超えると、逆の偏りが生じてしまう。本発明における具体的な数値としては、突出長は、３０〜５０ｍｍであることが好ましく、最大長の代表例としては５０ｍｍ、最小長の代表例としては２０ｍｍである。
【００１９】
このような、突出させたセルが複数個あり、その存在位置が中央部から縁部方向へ移行するにしたがって、これらセルの突出長が減少しているハニカム担体をディフューザーに収容する場合には、ディフューザーの開度ｄ（°）と、上記ハニカム担体の突出セルがなす先細形状の頂角ｔ（°）との比ｄ／ｔが０．５〜２．４であることが好ましい。０．５未満では、圧損の差によるガス分散作用の不足などの悪影響を及ぼす可能性があり、２．４を超えると、過度の圧損、機械的強度及び触媒圧入時の製造性などの悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２０】
図４に、ディフューザー４０内に上述したハニカム担体２を収容したパティキュレートフィルターの一例を示す。同図に示すように、ディフューザー４０内に、セル１０と複数個の突出セル１２とを有するハニカム担体２が設置されている。
ここで、「ディフューザーの開度ｄ（°）」とは、ディフューザー４０の拡開壁面のなす角をいう（図４参照。）。
また、「先細形状の頂角ｔ（°）」とは、各突出セル１２同士の頂部を結んだ線分（Ｌ_１、Ｌ_２）のなす角をいう（図４参照。）。
【００２１】
次に、ハニカム担体２のガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔが１００℃／ｃｍ以下に制御されている場合について説明する。
上述の如く、本発明の第３パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムが、ガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔが１００℃／ｃｍ以下という関係を満足する。
【００２２】
図５、図６及び図７にそれぞれパティキュレートフィルター１ａ、１ｂ及び１ｃの再生時における温度分布の一例を示す。
従来のパティキュレートフィルター１ａに比べて、本発明の一例であるパティキュレートフィルター１ｂ及び１ｃは偏温Δｔ（℃／ｃｍ）即ち温度勾配が小さく、本発明の上述の例においては、突出セル１２ａを中央部からその縁部方向へ移行するにしたがって、突出量を減少させた突出セル１２ｂ及び１２ｃを有するパティキュレートフィルター１ｃの方が、パティキュレートフィルター１ａと比較して温度勾配が小さいことがわかる。
上述したように、各セルに流れるガスの流量の偏りが小さくなったため、各セルのｓｏｏｔ３０の堆積量も差が小さくなり、その結果ｓｏｏｔ３０を燃焼除去する際の発熱量の差が小さくなり温度勾配が小さくなり、パティキュレートフィルターの割れが防止できる。
偏温Δｔが１００℃／ｃｍ以下の場合は、パティキュレートフィルターの割れが防止でき、耐久性が向上する。
【００２３】
次に、ハニカム担体のＰＭの捕集状態を表すＭＡＸΔｓｏｏｔが２．５ｇ／ｃｍ以下に制御されている場合について説明する。
上述の如く、本発明の第４パティキュレートフィルターは、上記同様のチェッカードハニカムを備えるが、このチェッカードハニカムは、捕集されるＰＭの捕集状態を表すＭＡＸΔｓｏｏｔが２．５ｇ／ｃｍ以下という関係を満足する。
ここで、「ＭＡＸΔｓｏｏｔ」とは、最大堆積セルと最少堆積セルの堆積量差の絶対値である。
ＭＡＸΔｓｏｏｔが２．５ｇ／ｃｍを超える場合は、再生時における堆積したＰＭからの燃焼による発熱量に差が生じ偏温が大きくなりパティキュレートフィルターが割れる可能性がある。
【００２４】
ところで、本発明に用いるハニカム担体２には、更に触媒を担持させることも可能である。触媒を担持させることにより、ｓｏｏｔ３０が着火し易くなり、更に着火温度を低下させることも可能となる。このような結果、各セル１０に堆積するｓｏｏｔ３０も少なくなり、偏温Δｔ（℃／ｃｍ）を小さくすることができ好ましい。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２６】
（実施例１）
単位となるセルを所定長さにカットし、筒状に接着等で接合するなどして、表１所定の突出タイプ及び突出量である本例のパティキュレートフィルターを作製した。
【００２７】
（実施例２〜９及び比較例１）
表１所定の突出タイプ及び突出量とした以外は、実施例１と同様の構成を採用し、本例のパティキュレートフィルターを作製した。
【００２８】
［性能評価］
上記各例２台のパティキュレートフィルターをそれぞれ図４に示すようなディフューザーに設置し、実機を用いて、下記条件で２台同時にｓｏｏｔを堆積させ、１台を堆積量測定に用い、もう１台にはポストインジェクションを行い、ｓｏｏｔを燃焼除去し、その時のパティキュレートフィルター温度測定（触媒温度測定）に用い、性能評価をした。得られた結果を表１に示す。また、各例のパティキュレートフィルター仕様を表１に併記する。
【００２９】
（測定条件）
・エンジン回転数：１５００ｒｐｍ
・触媒入口温度：２００℃
・時間：２時間
・ディフューザー角度：６０°
・ガス流量：４ｍ^３／ｍｉｎ
・ｓｏｏｔ量：１５ｇ／Ｌ（触媒１Ｌ当たりｓｏｏｔ１５ｇ）
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１より、本発明の範囲に属する実施例１〜９のパティキュレートフィルターは、本発明外の比較例１に対し、各セルの堆積量の偏りが小さく、偏温Δｔ（℃／ｃｍ）も小さいことが分かる。
また、現時点では、偏温Δｔが最も小さいという観点から、実施例９が最も良好な結果をもたらすものと思われる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、ハニカム担体のガス入口側端面の中央部の圧損を他の圧損より大きくすること、ハニカム担体のガス入口側端面の中央部近傍のセルを排気ガス流と対向する方向に突出させること、ハニカム担体のガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔを１００℃／ｃｍ以下にすること、及び捕集されるＰＭのＭＡＸΔｓｏｏｔを２．５ｇ／ｃｍ以下にすることなどとしたため、偏温Δｔ（℃／ｃｍ）による割れを防止し、更に燃費向上を達成し得るパティキュレートフィルターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパティキュレートフィルターの一例を示す斜視及び断面図である。
【図２】本発明のパティキュレートフィルターの一例を示す斜視及び断面図である。
【図３】本発明のパティキュレートフィルターの一例を示す斜視及び断面図である。
【図４】本発明のパティキュレートフィルターの一例を示す説明図である。
【図５】従来のパティキュレートフィルターの再生時における温度分布の一例を示す模式図である。
【図６】本発明のパティキュレートフィルターの再生時における温度分布の一例を示す模式図である。
【図７】本発明のパティキュレートフィルターの再生時における温度分布の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１パティキュレートフィルター
２ハニカム担体
４ハニカム担体本体
６ハニカム担体突出部
１０セル
１２突出セル
２０目詰め
３０ｓｏｏｔ
４０ディフューザー

Claims

一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターであって、
上記ハニカム担体のガス入口側端面の中央部の圧損が、他の圧損より大きいことを特徴とするパティキュレートフィルター。
一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターであって、
上記ハニカム担体のガス入口側端面の中央部近傍に位置するセルを排気ガス流と対向する方向に突出させたことを特徴とするパティキュレートフィルター。
上記突出させたセルが複数個あり、その存在位置が中央部から縁部方向へ移行するにしたがって、これらセルの突出長が減少していることを特徴とする請求項２に記載のパティキュレートフィルター。
上記複数個の突出セルの突出長が漸次減少していることを特徴とする請求項３に記載のパティキュレートフィルター。
上記複数個の突出セルが中央部に位置するセルを頂部とする段付き先細形状をなすことを特徴とする請求項３に記載のパティキュレートフィルター。
上記ハニカム担体のガス入口側端面において、
上記突出セルの占有面積率が２〜１５％であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの項に記載のパティキュレートフィルター。
上記突出セルの突出部体積が、ハニカム担体の総体積の２〜１５％であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つの項に記載のパティキュレートフィルター。
上記突出長が、上記ハニカム担体から突出セルを除いたハニカム本体の長さの６〜３２％であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つの項に記載のパティキュレートフィルター。
上記突出長が３０〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つの項に記載のパティキュレートフィルター。
請求項３〜９のいずれか１つの項に記載のハニカム担体をディフューザーに収容して成るパティキュレートフィルターであって、
ディフューザーの開度ｄ（°）と、上記ハニカム担体の突出セルがなす先細形状の頂角ｔ（°）との比ｄ／ｔが０．５〜２．４であることを特徴とするパティキュレートフィルター。
一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターであって、
上記ハニカム担体のガス出口側端面における長径上の任意の２点における偏温Δｔが１００℃／ｃｍ以下であることを特徴とするパティキュレートフィルター。
一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有するハニカム担体を備えるパティキュレートフィルターであって、
捕集されるパティキュレートマターのＭＡＸΔｓｏｏｔが２．５ｇ／ｃｍ以下であることを特徴とするパティキュレートフィルター。
請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載のハニカム担体に更に触媒を担持したことを特徴とするパティキュレートフィルター。