JP2008064026A

JP2008064026A - パティキュレートフィルタ

Info

Publication number: JP2008064026A
Application number: JP2006242756A
Authority: JP
Inventors: Keiji Yamada; 啓司山田; Koichiro Harada; 浩一郎原田; Kenji Okamoto; 謙治岡本; Kenji Suzuki; 研二鈴木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】灰分がセルに堆積することに起因した排気流動抵抗の上昇及びＰＭ捕集効率の低下等を長期に亘って効果的に抑制できるようにする。
【解決手段】多孔質材料からなる区画壁１により区画された複数のセル２が排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置されたパティキュレートフィルタであって、上記各セル２の開口面積が略等しく設定され、各セル２の排気ガス導入側端部または排気ガス導出側端部の何れか一方がプラグ材４で閉塞されるとともに、排気ガス導入側端部にはプラグ材４によるセル２の閉塞部が分散して配置され、かつ排気ガス導出側端部にはプラグ材４によるセル２の閉塞部が連続した連続閉塞部７が設けられた。
【選択図】図３

Description

本発明は、多孔質材料からなる区画壁により区画された複数のセルが排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置されたパティキュレートフィルタの改良に関するものである。

従来、軽油を主体とした燃料が用いられるディーゼルエンジンや、ガソリンを主体とした燃料を希薄燃焼させるガソリンエンジンの排気ガス中には、パティキュレート（以下ＰＭという）が含有され、このＰＭが外気に排出されることによる環境への影響を防止するために、ＰＭを捕集するパティキュレートフィルタを排気経路に設置し、排気ガス中のＰＭをパティキュレートフィルタに捕集させるとともに、このパティキュレートフィルタに所定量のＰＭが堆積した時点で、これを酸化して焼却除去することが行われている。

例えば下記特許文献１に示されるように、上記パティキュレートフィルタとして、排気ガス等からなる流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部が開口され、かつ他方の端部が目封じされた所定のセルと、一方の端部が目封じされる、かつ他方の端部が開口された残余のセルとが交互に配設され、上記所定のセルが開口する一方の端部から流入した流体を、上記隔壁を透過させて残余のセル内に透過流体として流出させ、この透過流体を残余のセルが開口する他方の端部から流出させるように構成されたハニカムフィルタを用い、上記セルがＰＭで閉塞されるのを抑制するため、前記所定のセルの断面積と、残余のセルの断面積とを異ならせるとともに、断面積の大きいセルが開口する側の端部から排気ガスを流入させるように構成したものが知られている。

また、下記特許文献２に示されるように、内燃機関の排気側に連通するケーシング内に、排気ガスの流入側が開口するとともに排気ガスの導出側が閉塞されたセルと、排気ガスの流入側が閉塞されるとともに排気ガスの導出側が開口したセルとを交互に配設するとともに、かつ各セルの内壁によって内燃機関の排気ガスを浄化するハニカムフィルタにおいて、上記各セル断面形状を異ならせることにより、排気ガス流入側の開口率を６０〜７０％に設定するとともに、流出側の開口率を２０〜３０％に設定し、上記排気導入側にて開口する各セルのセルピッチを２．５〜５．０ｍｍに設定することにより、小型で圧力損失が低いハニカムフィルタにより高いＰＭの捕集効率が得られるようにしたものが知られている。
特開２００５−２７０９６９号公報特開平５−６８８２８号公報

上記特許文献１，２に開示されているように、パティキュレートフィルタを構成する複数のセルを、少なくとも排気ガスの導入側及び導出側の何れか一方において開口させるとともに、排気ガス導入側端部の開口率を流出側の開口率よりも大きく設定した場合には、排気ガス導入側部に位置する開口がＰＭにより閉塞されるのを抑制することが可能であるという利点を有する反面、排気ガス中に含まれるリン、亜鉛またはカルシウム等の金属成分が堆積することに起因した目詰まりが発生することが避けられないという問題がある。

すなわち、エンジンには、ピストンスカート、ピストンリング、シリンダライナ面または動弁系部品等の摺動部が摩耗するのを抑制することを目的として潤滑油が用いられ、この潤滑油には、上記リン等の金属成分を含有する化合物が添加されている。そして、例えば上記ピストンリングとシリンダライナとの摺動面は、エンジンの燃焼室に望む部分であるため、この部分を潤滑する上記潤滑油成分も僅かではあるが排気ガスとともに排気系路に排出され、この排気系路に配設されたパティキュレートフィルタの内部に上記潤滑油中の金属成分が酸化物として堆積し、次第にガラス状体化した灰分となる。このようなガラス状体化した灰分は、上記ＰＭの酸化燃焼処理を行っても除去することができず、この灰分がパティキュレートフィルタに残存することに起因した目詰まりが発生し、これを放置しておくとＰＭの捕集効率が低下し、その酸化燃焼処理の頻度が高まることが避けられないという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、灰分がセルに堆積することに起因した排気流動抵抗の上昇及びＰＭ捕集効率の低下等を長期に亘って効果的に抑制することができるパティキュレートフィルタを提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、多孔質材料からなる区画壁により区画された複数のセルが排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置されたパティキュレートフィルタであって、上記各セルの開口面積が略等しく設定され、各セルの排気ガス導入側端部または排気ガス導出側端部の何れか一方がプラグ材で閉塞されるとともに、排気ガス導入側端部にはプラグ材によるセルの閉塞部が分散して配置され、かつ排気ガス導出側端部にはプラグ材によるセルの閉塞部が連続した連続閉塞部が設けられたものである。

請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載のパティキュレートフィルタにおいて、排気ガス導出側端部におけるセルの閉塞率を、排気ガス導入側端部におけるセルの閉塞率の略２倍に設定したものである。

請求項１に係る発明によれば、排気ガス導入側端部の近傍から、排気ガス導出側端部に至る区画壁の全範囲を排気ガスが通過するとともに、その際に排気ガス中に含まれるリン、亜鉛またはカルシウム等の金属成分を、上記区画壁の全体に均一に分散して堆積させることができる。このため、パティキュレートフィルタの上流側開口部からセル内に流入した排気ガス中の金属成分がセルの下流端側の閉塞部近傍等に偏在して堆積するとともに、この金属成分がガラス状体化した灰分により目詰まりが発生することを防止し、この目詰まりに起因した排気流動抵抗の上昇及びＰＭ捕集効率の低下が生じるのを効果的に防止できるという利点がある。

請求項２に係る発明では、排気ガス導出側端部におけるセルの閉塞率を、排気ガス導入側端部におけるセルの閉塞率の略２倍に設定したため、使用開始当初に開ける排気ガスの圧力損失が増加する程度を抑えつつ、排気ガス中に含まれるリン、亜鉛またはカルシウム等の金属成分を、上記区画壁の全体に効率よく分散させて堆積させることができ、これによってパティキュレートフィルタが早期に機能が低下するのを効果的に防止できるという利点がある。

図１及び図２は、本発明に係るパティキュレートフィルタの実施形態を示している。このパティキュレートフィルタは、外形が円筒状に形成された所謂ウォールフロータイプのフィルタであって、多孔質材料からなる区画壁１により区画され、排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置された複数のセル２を有するハニカム状に形成されたフィルタ本体３と、各セル２の排気ガス導入側端部ＩＮまたは排気ガス導出側端部ＯＵＴの何れか一方を閉塞するプラグ材（目封じ材）４とを備えている。上記区画壁１は、多数の流通孔５を有するコージェライトやＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックス等により構成されている。

上記各セル２を構成する区画壁１には、ＰＭの燃焼を促進するパティキュレート酸化触媒がコーティングされることにより、酸化触媒層６が形成されている。この酸化触媒層６は、ＰＭの燃焼を促進する触媒貴金属と、この触媒貴金属を担持する担体としての複酸化物とを有している。上記触媒貴金属は、例えば白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等から選択される少なくとも１種を有している。また、上記触媒貴金属を担持する複酸化物としては、例えばランタン（Ｌａ）等の希土類元素を含有するアルミナと、セリウム（Ｃｅ）を主成分とするセリウム系複酸化物との少なくとも１種を有している。

上記各セル２は、図３に示すように、その排気ガス導入側端部ＩＮまたは排気ガス導出側端部ＯＵＴの一方がプラグ材４で閉塞されることにより、排気ガス導入側端部ＩＮが開口したセル２内に導入された排気ガスが、そのまま排気ガス導出側端部ＯＵＴから下流側に導出することがないように構成されている。すなわち、排気ガス導入側端部ＩＮが開口したセル２の上流側開口部２ａからセル２内に導入された排気ガスは、上記多孔質材料からなる区画壁１に形成された流通孔５（図２参照）を通って、排気ガス導出側端部ＯＵＴが開口した隣接するセル２内に流動し、その際に排気ガス中のＰＭ等が捕集された後、下流側開口部２ｂから導出されるように構成されている。

また、上記各セル２は、図４及び図５に示すように、その開口部が断面正方形に形成されるとともに、各セル２の開口面積が略等しく設定されている。そして、上記パティキュレートフィルタの排気ガス導入側端部ＩＮには、図４に示すように、プラグ材４によるセル２の閉塞部が分散して配列され、かつ排気ガス導出側端部ＯＵＴには、図５に示すように、プラグ材４によるセル２の閉塞部が連続した連続閉塞部７が所定間隔で配設されている。

この実施形態では、セル２の排気ガス導入側端部ＩＮにおいて、その横方向（図４の左右方向）及び縦方向（図４の上下方向）にそれぞれプラグ材４が２個置き配設されることにより、上記排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の閉塞率が約３３％に設定されている。また、上記プラグ材４によるセル２の閉塞部が、その横方向及び縦方向に連続することのないように配置されることにより、上記セル２の閉塞部が排気ガス導入側端部ＩＮに分散して配列されている。

一方、図５に示すセル２の排気ガス導出側端部ＯＵＴには、上記排気ガス導入側端部ＩＮが開口したセル２にプラグ材４が配設されることにより、各セル２の排気ガス導入側端部ＩＮまたは排気ガス導出側端部ＯＵＴの何れか一方がプラグ材４で閉塞されるようになっている。具体的には、上記排気ガス導出側端部ＯＵＴには、その横方向及び縦方向にプラグ材４が２個連続して設けられた連続閉塞部７が１個置きに配列されることにより、上記排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の閉塞率が約６７％に設定されている。この構成により排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の閉塞率が、上記排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の閉塞率の略２倍に設定されている。

上記のように多孔質材料からなる区画壁１により区画された複数のセル２が排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置されたパティキュレートフィルタにおいて、上記各セル２の開口面積を略等しく設定し、各セル２の排気ガス導入側端部ＩＮまたは排気ガス導出側端部ＯＵＴの何れか一方をプラグ材４で閉塞するとともに、排気ガス導入側端部ＩＮに、プラグ材４によるセル２の閉塞部を分散して配置し、かつ排気ガス導出側端部ＯＵＴに、プラグ材４によるセル２の閉塞部が連続した連続閉塞部７を設けたため、上記セル２に灰分が堆積することに起因した排気流動抵抗の上昇及びＰＭ捕集効率の低下を長期に亘って効果的に抑制できるという利点がある。

すなわち、開口面積が略等しく設定された複数のセル２を有するパティキュレートフィルタにおいて、上記各セル２の排気ガス導入側端部ＩＮまたは排気ガス導出側端部ＯＵＴの何れか一方をプラグ材４で閉塞するとともに、排気ガス導入側端部ＩＮに、プラグ材４によるセル２の閉塞部を分散して配置し、かつ排気ガス導出側端部ＯＵＴに、プラグ材４によるセル２の閉塞部が連続した連続閉塞部７を設けた構成とした場合には、この連続閉塞部７の上流側部、つまりセル２の排気ガス導入側端部ＩＮにのみ、プラグ材４の非配設部が連続した連続開口部１０（図４参照）が形成されるため、排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の開口率が、排気ガス導出側端部ＯＵＴに比べて大きくなる。したがって、排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の開口率を、排気ガス導出側端部ＯＵＴと略同じに設定した場合、または排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の開口率を、排気ガス導出側端部ＯＵＴよりも小さく設定した場合に比べ、上記連続開口部１０等に排気ガスを分散させた状態でスムーズに各セル２内へ導入させることができる。

そして、上記連続開口部１０が設けられたセル２の下流側部は、プラグ材４で閉塞されて連続閉塞部７が形成されているので、これらのセル２内に導入された排気ガスは、下流側に至るのに従って背圧が顕著に上昇し、これに応じて上記セル２内を流動する排ガスが、互いに隣接するセル２内へ移動しようとして衝突することにより、その流れが緩慢状態となる。この結果、排気ガス導入側端部ＩＮの近傍から、排気ガス導出側端部ＯＵＴに至る区画壁１の全範囲を排気ガスが通過するとともに、その際に排気ガス中に含まれるリン、亜鉛またはカルシウム等の金属成分が上記区画壁１の全体に均一に分散して堆積することになる。したがって、パティキュレートフィルタの上流側開口部２ａからセル２内に流入した排気ガス中の金属成分がセルの下流端側の閉塞部近傍等に偏在して堆積することが
抑制されるとともに、この金属成分がガラス状体化した灰分により目詰まりが発生することが防止され、この目詰まりに起因した排気流動抵抗の上昇及びＰＭ捕集効率の低下が生じるのを効果的に防止できるという利点がある。

これに対して図６及び図７に示すように、排気ガス導入側端部ＩＮ及び排気ガス導出側端部ＯＵＴにそれぞれプラグ材４を１個置きに配設して排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の開口率を、上記排気ガス導入側端部ＩＮと略同程度に設定した場合には、上記本発明例に比べて排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の開口率が小さく、かつ排気ガス導出側端部ＯＵＴにおける開口率が大きいため、上流側開口部２ａから各セル２に所定量の排気ガスが集中して導入される。図６では、排気ガス量の大きさを矢印の太さで示しており、この図６に示すように、排気ガスの流動抵抗が比較的低いので、上記排気ガスが早期に排気ガス導出側端部ＯＵＴに到達し、上記プラグ材４による閉塞部近傍から隣接するセル２内に集中的に移動した後、その下流側開口部２ｂからパティキュレートフィルタの外部に導出されることになる。したがって、上記比較例に係るパティキュレートフィルタでは、排気ガス導出側端部ＯＵＴのプラグ材４による閉塞部近傍においてＰＭ及び上記金属成分が密に堆積する傾向があり、この部分が灰分で閉塞される目詰まりが早期に発生することが避けられない。

例えば、図６及び図７に示す比較例と、図３及び図４等に示す本発明例とにおいて、２．５Ｌの容量を有するパティキュレートフィルタに、排気ガスを２０ｍ^３／ｍｉｎの流量で導入させつつ、車両の走行距離（ｋｍ）に対する排気ガスの圧力損失（ｋＰａ）を測定する試験を行ったところ、図８に示すようなデータが得られた。このデータから、試験開始の初期段階では、本発明例の方が上記比較例よりも圧力損失が大きいが、車両の走行距離が増大するのに応じて比較例に係るパティキュレートフィルタの方が、排気ガスの圧力損失が顕著に上昇することに起因して早期に機能が低下した状態となることが分かる。

また、上記実施形態に示すように、排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の閉塞率を約３３％に設定するとともに、上記排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の閉塞率を約６７％に設定することにより、排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の閉塞率を、上記排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の閉塞率の略２倍に設定した場合には、使用開始当初に開ける排気ガスの圧力損失が増加する程度を防止しつつ、排気ガス中に含まれるリン、亜鉛またはカルシウム等の金属成分を、上記区画壁１の全体に効率よく分散させて堆積させることができるため、パティキュレートフィルタが早期に機能が低下した状態となるのを効果的に防止できるという利点がある。

さらに、図９に示すように、１辺ａが１７ｍｍに設定された正六角形状のセル２０と、１辺ｂが１．４５ｍｍに設定された正三角形状のセル２１とが連続して配設されるとともに、この正三角形状のセル２１の上流側端部がプラグ材２３で閉塞されてなる上記特許文献２に係るパティキュレートフィルタでは、排気ガス導入側部ＩＮの１インチ平方当たりにおいて灰分が堆積する区画壁長は、約６０１．８ｍｍとなる。これに対して上記実施形態に示すようにセル２の排気ガス導入側端部ＩＮの横方向及び縦方向にそれぞれプラグ材４が２個置き配設されることにより、上記排気ガス導入側端部ＩＮにおけるセル２の閉塞率が約３３％に設定されるとともに、各セル２の１辺の長さが約１．３ｍｍに設定された本発明に係るパティキュレートフィルタでは、排気ガス導入側端部ＩＮの１インチ平方当たりにおける区画壁長が約１４８０ｍｍとなり、上記引用文献２に係るパティキュレートフィルタに比べて上記区画壁長が長いため、上記灰分が堆積することに起因した目詰まりが発生しにくい構造となっている。

なお、上記プラグ材４の配設パターンを上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能であり、例えば図１０に示すように、セル２の排気ガス導出側端部ＯＵＴにおいて、その横方向にプラグ材４が１個置き配設された第１列部１１と、プラグ材４が横方向に三個連続して設けられた連続閉塞部３０が所定間隔で配列された第２列部１２と、プラグ材４が横方向に５個連続して設けられた連続閉塞部４０が所定間隔で配列された第３列部１３とが縦方向に連続して配列されることにより、排気ガス導出側端部ＯＵＴにおけるセル２の閉塞率が約６７％に設定された構成としてもよい。

本発明の実施形態に係るパティキュレートフィルタの全体構造を示す説明図である。区画壁の構造を示す拡大断面図である。本発明例における排気ガスの流動状態を示す説明図である。排気ガス導入側端部の構成を示す説明図である。排気ガス導出側端部の構成を示す説明図である。比較例における排気ガスの流動状態を示す説明図である。比較例における排気ガス導入側端部の構成を示す説明図である。排気ガスの圧力損失と走行距離との対応関係を示す実験データである。従来例における排気ガス導入側端部の構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係るパティキュレートフィルタの別の実施形態を示す図５相当図である。

符号の説明

１区画壁
２セル
４プラグ材
７連続閉塞部

Claims

多孔質材料からなる区画壁により区画された複数のセルが排気ガスの流れ方向に沿って略平行に設置されたパティキュレートフィルタであって、上記各セルの開口面積が略等しく設定され、各セルの排気ガス導入側端部または排気ガス導出側端部の何れか一方がプラグ材で閉塞されるとともに、排気ガス導入側端部にはプラグ材によるセルの閉塞部が分散して配置され、かつ排気ガス導出側端部にはプラグ材によるセルの閉塞部が連続した連続閉塞部が設けられたことを特徴とするパティキュレートフィルタ。
排気ガス導出側端部におけるセルの閉塞率を、排気ガス導入側端部におけるセルの閉塞率の略２倍に設定したことを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。