JP2009243274A

JP2009243274A - パティキュレートフィルタ

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Publication number: JP2009243274A
Application number: JP2008087196A
Authority: JP
Inventors: Keiji Yamada; 啓司山田; Koichiro Harada; 浩一郎原田; Kenji Suzuki; 研二鈴木; Kenji Okamoto; 謙治岡本; Akihide Takami; 明秀高見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22
Also published as: US20090241495A1; US8092565B2; EP2106837A1; EP2106837B1

Abstract

【課題】圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタの中央側においてパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを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。
【解決手段】排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた流入側セルと排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた流出側セルとを備えた複数のフィルタセグメントＦ１、Ｆ２が接合材７によって互いに接合されてなるフィルタ本体部８を有するパティキュレートフィルタ１０において、前記パティキュレートフィルタの中央側に位置する前記フィルタセグメントは、前記流入側セルと前記流出側セルの開口面積が略等しく形成され、前記パティキュレートフィルタの外周側に位置する少なくとも１つの前記フィルタセグメントは、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタに関する。

例えば希薄燃焼ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンなどを備えた車両では、エンジンから排出される排気ガス中に炭素成分を含む粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）が含有されているため、ＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタを排気通路内に設けてＰＭの排出を抑制することが行われている。

また、パティキュレートフィルタを備えた車両では、パティキュレートフィルタに捕集したＰＭ捕集量が増大するとエンジンの出力低下や燃費増大などの問題を引き起こし得るので、ＰＭ捕集量が多くなると捕集したＰＭを燃焼させて除去するパティキュレートフィルタの再生処理が行われている。

パティキュレートフィルタの再生処理として、例えば、排気ガスの流れ方向においてパティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を設け、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ成分と酸化触媒とを反応させ、この燃焼熱によってパティキュレートフィルタの温度を上昇させ、ＰＭを燃焼させることが知られている。

また、パティキュレートフィルタとしては、排気ガスが流通可能な微細な流通孔を有するセル壁によって、排気ガスの流れ方向に沿って延び排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた流入側セルと、排気ガスの流れ方向に沿って延び排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた流出側セルとを区画し、流入側セルと流出側セルとを市松模様状に配置したハニカム状のパティキュレートフィルタが一般に良く知られている。

このようなパティキュレートフィルタにおいては、排気ガスが流入する流入側セルの開口面積と排気ガスが流出する流出側セルの開口面積とを略等しく形成したものが多用されているが、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタもまた知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。

特許文献１及び特許文献２に開示されるような流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタでは、流入側セルと流出側セルの開口面積とを略等しく形成したパティキュレートフィルタよりも、同量のＰＭを捕集する際に、ＰＭの堆積厚さを薄くすることができ、パティキュレートフィルタの圧力損失を抑えることが可能である。これにより、パティキュレートフィルタの再生処理間のインターバルを長くすることができるとともにエンジンの出力低下や燃費増大を抑制することができる。

また、エンジンから排出される排気ガス中には、ＰＭに加えてエンジンオイル中の金属成分やリンを含むガラス状化合物からなるアッシュ成分が含まれている。このアッシュ成分もまた、排気通路内に設けたパティキュレートフィルタに堆積することとなるが、アッシュ成分は、パティキュレートフィルタの再生処理を行っても燃焼除去されずに堆積し続ける。したがって、アッシュ成分についても、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタは、アッシュ成分の堆積厚さを薄くすることができ、圧力損失を抑えることができるので、有用である。

実開昭５８−９２４０９号公報特開２００５−１２５２０９号公報

ところで、本願発明者は、種々の試験研究を重ねた結果、具体的には後述するが、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタでは、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成したパティキュレートフィルタと比べて、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタの最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなることを見出した。

前述したように、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタは、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成したパティキュレートフィルタよりも、パティキュレートフィルタの圧力損失の点で優れているものの、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタの最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなるので、パティキュレートフィルタが過昇温状態となり、パティキュレートフィルタの溶損や破損を引き起こし得る。

特に、エンジンの排気通路内にパティキュレートフィルタを設けてＰＭを捕集する場合には、パティキュレートフィルタに捕集されるＰＭは、排気ガスの流れ方向に垂直な断面においてパティキュレートフィルタの外周側よりもパティキュレートフィルタの中央側に多く堆積することとなるので、パティキュレートフィルタの中央側においては、このような傾向がより顕著になり得る。

そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタの圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタの中央側においてパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制する、ことを基本的な目的とする。

このため、本願の請求項１に係るパティキュレートフィルタは、排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セルと、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セルと、排気ガスが流れる流通孔を有し前記流入側セルと前記流出側セルとを区画するセル壁とを備えた複数のフィルタセグメントが接合材によって互いに接合されてなるフィルタ本体部と、前記フィルタ本体部の外周を覆う外周コート部とを有するパティキュレートフィルタであって、前記パティキュレートフィルタの中央側に位置する前記フィルタセグメントは、前記流入側セルと前記流出側セルの開口面積が略等しく形成され、前記パティキュレートフィルタの外周側に位置する前記フィルタセグメントのうちの少なくとも１つの前記フィルタセグメントは、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されていることを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記パティキュレートフィルタにおいて、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成された前記フィルタセグメントの占める割合が、２５％以上７０％以下の範囲であることを特徴としたものである。

本願の請求項１に係るパティキュレートフィルタによれば、パティキュレートフィルタの中央側に位置するフィルタセグメントは、流入側セルと流出側セルの開口面積が略等しく形成され、パティキュレートフィルタの外周側に位置するフィルタセグメントのうちの少なくとも１つのフィルタセグメントは、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されることにより、圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタの中央側の圧力損失をパティキュレートフィルタの外周側よりも若干高くして排気ガスをパティキュレートフィルタの外周側に流れやすくし、パティキュレートフィルタの外周側と中央側とでＰＭ堆積量の差を少なくすることができるので、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタの中央側においてパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。これにより、パティキュレートフィルタが溶損したり割れたりすることを防止することができる。

また、本願の請求項２に係るパティキュレートフィルタによれば、パティキュレートフィルタにおいて、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントの占める割合が、２５％以上７０％以下の範囲であることにより、前記効果をより確実に実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本願発明者は、先ず、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタと、流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタについて、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度について評価した。

具体的には、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を模擬し、パティキュレートフィルタにカーボンを堆積させ、パティキュレートフィルタに堆積させたカーボンを燃焼させ、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定する試験を行った。

試験に用いたパティキュレートフィルタの要部を図９及び図１０に示している。図９は、流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図、図１０は、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。

流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタとして、図９に示すように、排気ガスの流入側端面が開口し排気ガスの流出側端面が目封じされた流入側セル８１と、排気ガスの流出側端面が開口し排気ガスの流入側端面が目封じされた流出側セル８２とが、排気ガスが流通する流通孔（不図示）を有するセル壁８３によって断面正方形状に区画され、流入側セル８１と流出側セル８２とが市松模様状に配置されたパティキュレートフィルタ８０を用いた。

パティキュレートフィルタ８０では、流入側セル８１と流出側セル８２とがそれぞれ、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セル８１のセルピッチＰ８１と流出側セル８２のセルピッチＰ８２との比が１（Ｐ８１／Ｐ８２＝１）に設定され、流入側セル８１の排気ガスの流入側端面の開口面積Ｓ８１と流出側セル８２の排気ガスの流出側端面の開口面積Ｓ８２とが等しく形成されている。

また、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタとして、図１０に示すように、排気ガスの流入側端面が開口し排気ガスの流出側端面が目封じされた流入側セル９１と、排気ガスの流出側端面が開口し排気ガスの流入側端面が目封じされた流出側セル９２とが、排気ガスが流通する流通孔（不図示）を有するセル壁９３によって略断面正方形状に区画され、流入側セル９１と流出側セル９２とが略市松模様状に配置されたパティキュレートフィルタ９０を用いた。

パティキュレートフィルタ９０では、流入側セル９１と流出側セル９２とはそれぞれ、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セル９１のセルピッチＰ９１と流出側セル９２のセルピッチＰ９２との比が１．３（Ｐ９１／Ｐ９２＝１．３）に設定され、流入側セル９１の排気ガスの流入側端面の開口面積Ｓ９１が流出側セル９２の排気ガスの流出側端面の開口面積Ｓ９２よりも大きく形成されている。

また、パティキュレートフィルタ８０、９０には、ＣｅＺｒ複合酸化物（Ｚｒ＝３０ｍｏｌ％）、及び、ランタン（Ｌａ）が５ｗｔ％添加された高比表面積アルミナを３：１（質量比）で混合した粉末に触媒金属Ｐｔを担持した触媒を調製し、水及びバインダーを混合して調製したスラリーを吸引させ、エアブローによって余分なスラリーを除去してウォッシュコートし、乾燥後に５００℃の温度で２時間焼成することにより、ＰＭの燃焼を促進させる触媒材を担持させた。

触媒金属Ｐｔは、ＣｅＺｒ複合酸化物と高比表面積アルミナとの総質量に対して１０ｗｔ％担持させ、ＣｅＺｒ複合酸化物は、５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり５ｇ）に設定し、高比表面積アルミナは、１５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり１５ｇ）に設定した。また、パティキュレートフィルタ８０、９０は、直径が１７ｍｍ、容量が１１ｃｃで、セル密度が１平方インチ（約６．４５ｃｍ^２）当たり３００個であり、セルを隔てる壁厚が１２ミル（約０．３ｍｍ）のものを使用した。

このようにして、触媒材を担持させたパティキュレートフィルタ８０、９０に対し、ＰＭの代わりにカーボンブラックを７．５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり７．５ｇ）均一に堆積させ、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を模擬し、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定した。

カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度測定では、電気炉内に設置した円筒状の石英管の内部に、カーボンを堆積させたパティキュレートフィルタ８０、９０を挿入するとともにパティキュレートフィルタ８０、９０の入口端面中央及び出口端面中央にそれぞれ熱電対を配設した。そして、石英管の一方の端部から評価ガスを導入し、カーボンを燃焼させ、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタ８０、９０の温度を測定した。なお、実機での実使用条件を模擬するため、前記フィルタの電気炉内へのセットは、フィルタ出口端面が電気炉端部に近くなるようにして、次に説明する入口端面中央の温度が６４０℃のとき、出口端面中央の温度が５７０℃になるようにした。

この試験では、パティキュレートフィルタ８０、９０の入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度が６４０℃になるまで、Ｎ_２ガスを空間速度３７，０００／ｈで流しながら電気炉によって加熱し、パティキュレートフィルタ８０、９０の入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタ８０、９０の温度が６４０℃になると、Ｎ_２ガスにＯ_２ガスを導入し、Ｎ_２／Ｏ_２混合ガス（Ｎ_２：Ｏ_２＝８０：２０（体積比））によってパティキュレートフィルタ８０、９０に堆積したカーボンを燃焼させた。カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタ８０、９０の温度が上昇し、パティキュレートフィルタ８０、９０の出口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度を、Ｏ_２ガスの導入時からの時系列で測定した。

図１１は、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの出口端面中央の温度の測定結果を示すグラフである。図１１では、Ｏ_２ガスの導入時からの時間を横軸にとり、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度を縦軸にとって表示し、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０のカーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタ８０の出口端面中央の温度曲線Ｌ１を一点鎖線で示し、流入側セル９１の開口面積を流出側セル９２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ９０の出口端面中央の温度曲線Ｌ２を実線で示している。

図１１から分かるように、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０では、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度Ｔ０が約５７０℃である状態からパティキュレートフィルタに堆積したカーボンの燃焼が開始され、カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタの出口端面中央の温度が上昇し、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度Ｔ１が最高温度約６８５℃である状態を経て、温度が次第に低下する。

一方、流入側セル９１の開口面積を流出側セル９２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ９０では、カーボン燃焼時に、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０に比べて、パティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなっている。また、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの最高温度Ｔ２が約７４０℃であり、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０の最高温度Ｔ１よりも高くなっている。

これらの結果から、本願発明者は、流入側セル９１の開口面積を流出側セル９２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ９０では、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０に比べて、パティキュレートフィルタ９０の最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタ９０の温度上昇度合いが大きくなることを見出した。

このように、流入側セル９１の開口面積を流出側セル９２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ９０をエンジンの排気通路内に配設する場合、流入側セル８１と流出側セル８２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ８０に比べて、パティキュレートフィルタの圧力損失を抑えることができるものの、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタ９０の最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタ９０の温度上昇度合いが大きくなり、ＰＭ堆積量が多くなるパティキュレートフィルタの中央側においてはパティキュレートフィルタが過昇温状態になり得るが、本実施形態では、パティキュレートフィルタの中央側では、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成し、パティキュレートフィルタの外周側の少なくとも一部は、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成することで、かかる問題を回避する。

以下、本実施形態に係るパティキュレートフィルタについて、図１〜８を参照しながら説明する。

図１は、エンジンの排気通路に本実施形態に係るパティキュレートフィルタが組み付けられた状態を示す説明図である。前記パティキュレートフィルタ１０は、例えばディーゼルエンジン等のエンジン（不図示）から排出される排気ガスＧに含まれる煤などのＰＭを捕集するためのものであり、図１に示すように、エンジンの排気経路２に、具体的には排気通路２の拡径された部分に介設されている。

図２は、前記パティキュレートフィルタの要部を模式的に示す断面説明図である。この図に示すように、パティキュレートフィルタ１０は、所謂ウォールフロータイプのパティキュレートフィルタであって、排気ガスＧの流れ方向に沿って平行に延びる複数の流入側セル３と、排気ガスＧの流れ方向に沿って平行に延びる複数の流出側セル４と、排気ガスＧが流通可能な流通孔（不図示）を有し流入側セル３と流出側セル４とを区画するセル壁５とを備え、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）などの材料からハニカム状に成形されている。

流入側セル３は、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し、排気ガスの流れ方向下流側端面を目封止する目封止部６によって排気ガスＧの流れ方向下流側端面が目封じされている。一方、流出側セル４は、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し、排気ガスの流れ方向上流側端面を目封止する目封止部７によって排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされている。

パティキュレートフィルタ１０では、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口した流入側セル３から流入した排気ガスＧは、セル壁５に設けられた前記流通孔を通じて、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口した流出側セル４へ流れて排出され、その間に排気ガスに含まれる煤などのＰＭが捕集されるようになっている。

図３は、前記パティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図、図４は、流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントを模式的に示す正面説明図、図５は、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントを模式的に示す正面説明図である。なお、図３では、フィルタセグメントを接合する接合材を拡大して示している。

前述したように、パティキュレートフィルタ１０は、排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セル３と、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セル４と、流入側セル３と流出側セル４とを区画するセル壁５とを備えているが、本実施形態では、複数の流入側セル３と、複数の流出側セル４と、流入側セル３と流出側セル４とを区画するセル壁３とを備えた複数のフィルタセグメントＦ１、Ｆ２が互いに接合されて、パティキュレートフィルタ１０が構成されている。

具体的には、パティキュレートフィルタ１０は、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成された４個のフィルタセグメント（以下、適宜「第１のフィルタセグメント」という）Ｆ１と、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成された１２個のフィルタセグメント（以下、適宜「第２のフィルタセグメント」という）Ｆ２とが互いに接合されて構成されている。

図３に示すように、パティキュレートフィルタ１０では、４個の第１のフィルタセグメントＦ１と１２個の第２のフィルタセグメントＦ２が接合材７によって互いに接合されてフィルタ本体部８が構成され、フィルタ本体部８の外周が外周コート部９で覆われている。また、第１のフィルタセグメントＦ１は、排気ガスの流れ方向に垂直な断面においてパティキュレートフィルタ１０の中央側に配置され、第２のフィルタセグメントＦ２は、排気ガスの流れ方向に垂直な断面においてパティキュレートフィルタ１０の外周側に配置されている。

第１のフィルタセグメントＦ１は、図４に示すように、パティキュレートフィルタ８０と同様に、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延びる複数の流入側セル３ａと、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の流出側セル４ａと、排気ガスＧが流通可能な流通孔（不図示）を有し流入側セル３ａと流出側セル４ａとを区画するセル壁５ａとを備え、流入側セル３ａは、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされる一方、流出側セル４ａは、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされている。

第１のフィルタセグメントＦ１では、流入側セル３ａと流出側セル４ａとが市松模様状に配置され、流入側セル３ａのセルピッチと流出側セル４ａのセルピッチとの比が１に設定され、流入側セル３ａの排気ガスの流入側端面の開口面積と流出側セル４ａの排気ガスの流出側端面の開口面積とが等しく形成されている。また、第１のフィルタセグメントＦ１では、流入側セル３ａと流出側セル４ａとが断面正方形状に区画され、流入側セル３ａ及び流出側セル４ａが四角柱状に開口されている。

一方、第２のフィルタセグメントＦ２は、図５に示すように、パティキュレートフィルタ９０と同様に、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延びる複数の流入側セル３ｂと、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の流出側セル４ｂと、排気ガスＧが流れる流通孔（不図示）を有し流入側セル３ｂと流出側セル４ｂとを区画するセル壁５ｂとを備え、流入側セル３ｂは、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされる一方、流出側セル４ｂは、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされている。

第２のフィルタセグメントＦ２では、流入側セル３ｂと流出側セル４ｂとが略市松模様状に配置され、流入側セル３ｂのセルピッチと流出側セル４ｂのセルピッチとの比が１．３に設定され、流入側セル３ｂの排気ガスの流入側端面の開口面積が流出側セル４ｂの排気ガスの流出側端面の開口面積よりも大きく形成されている。また、第２のフィルタセグメントＦ２では、流入側セル３ｂと流出側セル４ｂとが略断面正方形状に区画され、具体的には、流入側セル３ｂが八角柱状に開口され、流出側セル３ｂが四角柱状に開口され、セル壁５ｂの厚さが略一定となるように形成されている。

このようにして構成される第１のフィルタセグメントＦ１及び第２のフィルタセグメントＦ２を接合材７によって互いに接合してフィルタ本体部８を形成した後に、フィルタ本体部８を円柱状に加工し、すなわちパティキュレートフィルタ１０の外周側に位置する第２のフィルタセグメントＦ２を加工し、その後に、フィルタ本体部８の外周を外周コート部で覆うことにより、パティキュレートフィルタ１が作製される。

なお、外周コート部９は、例えばセラミックファイバ等から成形されており、第１及び第２のフィルタセグメントＦ１、Ｆ２が互いに接合されたフィルタ本体部８を排気通路２内に保持・固定するとともに、排気ガスＧからの熱を逃がすことができるようになっている。

また、流入側セル３ｂの開口面積が流出側セル４ｂの開口面積よりも大きく形成された第２のフィルタセグメントＦ２は、流入側セル３ａと流出側セルの開口面積を等しく形成した第１のフィルタセグメントＦ１に比べて、ＰＭ堆積時の圧力損失が小さいので、第２のフィルタセグメントＦ２を用いることで、圧力損失を抑えることができる。

パティキュレートフィルタ１０では、パティキュレートフィルタ１０の外周側全体に第２のフィルタセグメントＦ２を配置しているが、パティキュレートフィルタ１０の外周側に第１のフィルタセグメントＦ１及び第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、パティキュレートフィルタ１０の外周側の一部に第２のフィルタセグメントＦ２を配置するようにしてもよい。

このように、本実施形態に係るパティキュレートフィルタ１０によれば、パティキュレートフィルタの中央側に位置するフィルタセグメントは、流入側セルと流出側セルの開口面積が略等しく形成され、パティキュレートフィルタの外周側に位置するフィルタセグメントのうちの少なくとも１つのフィルタセグメントは、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されることにより、圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタの中央側の圧力損失をパティキュレートフィルタの外周側よりも若干高くして排気ガスをパティキュレートフィルタの外周側に流れやすくし、パティキュレートフィルタの外周側と中央側とでＰＭ堆積量の差を少なくすることができるので、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタの中央側においてパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。これにより、パティキュレートフィルタが溶損したり割れたりすることを防止することができる。

また、本実施形態では、パティキュレートフィルタ１０の中央側に第１のフィルタセグメントを配置し、パティキュレートフィルタの外周側の少なくとも一部に第２のフィルタセグメントを配置したパティキュレートフィルタについて、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合と、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失との関係についても評価した。

図３に示すように、パティキュレートフィルタ１０の中央側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタ１０の外周側に１２個の第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が６７％であるパティキュレートフィルタ１０（実施例１）に加えて、パティキュレートフィルタ１０の中央側に第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタ１０の外周側に第１のフィルタセグメントＦ１及び第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が２９％、４０％、５７％であるパティキュレートフィルタ（実施例２、実施例３、実施例４）について、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失を調べた。

図６は、実施例として用いるパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図であり、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が２９％、４０％、５７％である実施例２、実施例３、実施例４として用いるパティキュレートフィルタ２０、３０、４０を示している。

図６（ａ）に示すように、パティキュレートフィルタの中央側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に８個の第１のフィルタセグメントＦ１及び４個の第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が２９％であるパティキュレートフィルタ２０を実施例２として用い、図６（ｂ）に示すように、パティキュレートフィルタの中央側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１及び８個の第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が４０％であるパティキュレートフィルタ３０を実施例３として用い、図６（ｃ）に示すように、パティキュレートフィルタの中央側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に４個の第１のフィルタセグメントＦ１及び８個の第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が５７％であるパティキュレートフィルタ４０を実施例４として用いた。なお、パティキュレートフィルタ２０、３０、４０、及び、後述するパティキュレートフィルタ５０、６０についても、１６個のフィルタセグメントを接合した後に円柱状に加工されている。

また、パティキュレートフィルタの中央側及び外周側に第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が０％であるパティキュレートフィルタ（比較例１）と、パティキュレートフィルタの中央側及び外周側に第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が１００％であるパティキュレートフィルタ（比較例２）についても、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失を調べた。

図７は、比較例として用いるパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図であり、図７の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が０％、１００％である比較例１、比較例２として用いるパティキュレートフィルタ５０、６０を示している。

図７（ａ）に示すように、パティキュレートフィルタの中央側及び外周側に１６個の第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が０％であるパティキュレートフィルタ５０を比較例１として用い、図７（ｂ）に示すように、パティキュレートフィルタの中央側及び外周側に１６個の第２のフィルタセグメントＦ２を配置し、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が１００％であるパティキュレートフィルタ６０を比較例２として用いた。

このようにして構成されるパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０、５０、６０にはそれぞれ、触媒金属Ｐｔを担持したＣｅＺｒ複合酸化物（Ｚｒ＝３０ｍｏｌ％）、及び、ランタン（Ｌａ）が５ｗｔ％添加された高比表面積アルミナを３：１（質量比）で混合した粉末に触媒金属Ｐｔを担持した触媒を調製し、水及びバインダーを混合して調製したスラリーを吸引させ、エアブローによって余分なスラリーを除去してウォッシュコートし、乾燥後に５００℃の温度で２時間焼成することにより、ＰＭの燃焼を促進させる触媒材を担持させた。

触媒金属Ｐｔは、ＣｅＺｒ複合酸化物と高比表面積アルミナとの総質量に対して５ｗｔ％担持させ、ＣｅＺｒ系複合酸化物は、５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり５ｇ）に設定し、高比表面積アルミナは、１５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり１５ｇ）に設定した。また、パティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０、５０、６０は、セル密度が１平方インチ（約６．４５ｃｍ^２）当たり３００個、セルを隔てる壁厚が１２ミル（約０．３ｍｍ）、直径が１４３ｍｍ、長さが１５２．４ｍｍ、容量が２．５Ｌのものを使用した。

そして、触媒材を担持させたパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０、５０、６０を、実車においてエンジンの排気通路２に配置し、ＰＭを７．５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり７．５ｇ）堆積させ、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失について測定した。

パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度測定では、１６個のフィルタセグメントのそれぞれに、排気ガスの流れ方向下流側端面から１ｃｍ上流側の位置に熱電対を挿入し、パティキュレートフィルタの再生処理時に前記熱電対によって測定されるフィルタセグメントの温度のうち最も高い温度をパティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度とした。

なお、パティキュレートフィルタの再生処理は、エンジンの排気通路２においてパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０、５０、６０の上流側に酸化触媒を配設してポスト噴射を行い、排気ガス中に含まれるＨＣ成分を酸化触媒と燃焼させ、この燃焼熱でＰＭを燃焼させることにより行った。

また、パティキュレートフィルタの圧力損失測定では、エンジンの排気通路２に配設したパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０、５０、６０の前後に圧力計を設け、圧力計によって測定されるパティキュレートフィルタの前後の圧力差から、パティキュレートフィルタの圧力損失を測定した。

図８は、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失の測定結果を示すグラフであり、図８では、パティキュレートフィルタにおいて第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合（第２のフィルタセグメント占有率）を横軸にとり、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度（前記、排気ガスの流れ方向下流側端面から１ｃｍ上流側の位置の温度）を左側縦軸にとって表示し、パティキュレートフィルタの圧力損失を右側縦軸にとって表示している。

パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度については、図８から分かるように、第１のフィルタセグメントＦ１をパティキュレートフィルタの中央側に配置し、第２のフィルタセグメントＦ２をパティキュレートフィルタの外周側に配置したパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０（実施例１、実施例２、実施例３、実施例４）は、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が０％であるパティキュレートフィルタ５０（比較例１）に比べて、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度が低くなっており、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が大きくなるにつれて、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度が低くなっている。なお、第２のフィルタセグメントの占める割合が１００％であるパティキュレートフィルタ（比較例２）ではさらに、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度が低くなっている。なお、いずれの実施例、比較例においても最も高い温度が検出されたのは中央部の４個のセグメントに挿入された内の１つであった。

このように、流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントＦ１のみからなるパティキュレートフィルタ５０に対し、パティキュレートフィルタの中央側に流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントＦ２を配置することで、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を低くすることができる。

また、パティキュレートフィルタの中央側に流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントを配置することで、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントが冷却されやすいパティキュレートフィルタの外周側に配置されるので、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。

パティキュレートフィルタの圧力損失については、第１のフィルタセグメントＦ１をパティキュレートフィルタの中央側に配置し、第２のフィルタセグメントＦ２をパティキュレートフィルタの外周側に配置したパティキュレートフィルタ１０、２０、３０、４０（実施例１、実施例２、実施例３、実施例４）は、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が１００％であるパティキュレートフィルタ６０（比較例２）に比べて、パティキュレートフィルタの圧力損失が低くなっており、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が小さくなるにつれて、パティキュレートフィルタの圧力損失が低くなっている。なお、第２のフィルタセグメントＦ２の占める割合が０％であるパティキュレートフィルタ（比較例１）ではさらに、パティキュレートフィルタの圧力損失が低くなっている。

このように、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントＦ２のみからなるパティキュレートフィルタ６０に対し、パティキュレートフィルタの中央側に流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントＦ２を配置することで、パティキュレートフィルタの圧力損失を小さくすることができる。

また、パティキュレートフィルタの中央側に第１のフィルタセグメントＦ１を配置し、パティキュレートフィルタの外周側に第２のフィルタセグメントＦ２を配置することで、パティキュレートフィルタの中央側をパティキュレートフィルタの外周側よりも圧力損失を若干高くし、ＰＭ捕集量をパティキュレートフィルタの中央側と外周側において均一化させることができる。

これらの結果から、パティキュレートフィルタの圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制するためには、パティキュレートフィルタにおいて、第２のフィルタセグメントの占める割合は、２５％以上７０％以下の範囲であることが好ましい。

このように、本実施形態に係るパティキュレートフィルタによれば、パティキュレートフィルタの中央側に位置するフィルタセグメントは、流入側セルと流出側セルの開口面積が略等しく形成され、パティキュレートフィルタの外周側に位置する少なくとも１つのフィルタセグメントは、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されることにより、圧力損失を抑えつつ、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタの中央側においてパティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。

なお、パティキュレートフィルタ１０では、第２のフィルタセグメントＦ２において、流入側セル３ｂが八角柱状に開口され、流出側セル４ｂが四角柱状に開口されているが、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したフィルタセグメントであれば、例えば流入側セル及び流出側セルを円柱状など他の形状に成形するようにしてもよい。

以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタに関するものであり、例えば希薄燃焼ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンなどを備えた車両の排気系に好適に適用することができる。

エンジンの排気通路に本実施形態に係るパティキュレートフィルタが組み付けられた状態を示す説明図である。前記パティキュレートフィルタの要部を模式的に示す断面説明図である。前記パティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図である。流入側セルと流出側セルの開口面積が等しく形成されたフィルタセグメントを模式的に示す正面説明図である。流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたフィルタセグメントを模式的に示す正面説明図である。実施例として用いるパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図である。比較例として用いるパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図である。パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度及びパティキュレートフィルタの圧力損失の測定結果を示すグラフである。流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

３、３ａ、３ｂ、８１、９１流入側セル
４、４ａ、４ｂ、８２、９２流出側セル
５、５ａ、５ｂ、８３、９３セル壁
７接合材
８フィルタ本体部
９外周コート部
１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０、９０パティキュレートフィルタ
Ｆ１、Ｆ２フィルタセグメント

Claims

排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セルと、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セルと、排気ガスが流れる流通孔を有し前記流入側セルと前記流出側セルとを区画するセル壁とを備えた複数のフィルタセグメントが接合材によって互いに接合されてなるフィルタ本体部と、前記フィルタ本体部の外周を覆う外周コート部とを有するパティキュレートフィルタであって、
前記パティキュレートフィルタの中央側に位置する前記フィルタセグメントは、前記流入側セルと前記流出側セルの開口面積が略等しく形成され、前記パティキュレートフィルタの外周側に位置する前記フィルタセグメントのうちの少なくとも１つの前記フィルタセグメントは、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されていることを特徴とするパティキュレートフィルタ。
前記パティキュレートフィルタにおいて、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成された前記フィルタセグメントの占める割合が、２５％以上７０％以下の範囲である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。