JP2010229927A

JP2010229927A - アッシュ処理方法及び排気システム

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Publication number: JP2010229927A
Application number: JP2009079785A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Suiso; 文浩水掫; Keita Ishizaki; 啓太石崎; Kazunori Shimatani; 和則縞谷; Masahiko Matsumoto; 雅彦松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Keori KK; Japan Wool Textile Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Keori KK; Japan Wool Textile Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP5317339B2

Abstract

【課題】内燃機関の排気系に設けられたフィルタのアッシュを処理することによって、フィルタの長寿命化を図ることができるアッシュ処理方法、及び排気システムを提供する。
【解決手段】アッシュ処理方法は、エンジン１の排気通路５に設けられ、粒子状物質を捕集するためのフィルタ３３を備える排気システムにおけるアッシュ処理方法であって、フィルタ３３に捕集されている粒子状物質の量が閾値を超える度に、この粒子状物質を燃焼させるためにフィルタ３３を所定温度で熱処理する粒子状物質処理工程（Ｓ２）と、所定温度よりも高い温度でフィルタ３３を熱処理してフィルタ３３に捕集されているアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理工程（Ｓ６）とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関のアッシュ処理方法及び排気システムに関し、特に、内燃機関の排気系に設けられ、粒子状物質を捕集するためのフィルタを備える排気システムにおけるアッシュ処理方法及びこのような排気システムに関する。

従来から、内燃機関の排気システムにおいて、内燃機関の排気には、燃料を燃焼させることで生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、煤等からなる粒子状物質と、内燃機関の潤滑油等が燃焼することで生じる硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳｏ₄）の混合塩からなるアッシュが含まれていることが知られている。そしてこのような排気システムでは、排気に含まれる粒子状物質を、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒によって酸化すると共に、フィルタによって捕集することで大気に排出されるのを防止している。そしてフィルタに多量の粒子状物質が捕集されると、排気システムは、排気の温度を急上昇させてフィルタの温度を６００度程度にして、フィルタに捕集されている粒子状物質を燃焼させることで、フィルタを再生するようになっている。

一方で、排気に含まれるアッシュは、粒子状物質と共にフィルタに捕集されるが、このアッシュの燃焼温度が粒子状物質の燃焼温度と比較して高いこと、及びアッシュの発生量が粒子状物質と比較して少量であることから、アッシュがフィルタに与える影響（圧力損失）について認識されていたのにも関わらず（例えば、特許文献１参照）、アッシュ自体を処理することに関してなんら対策が採られていない。

特開２００２−２４２６６０号公報

しかしながら、近年では、エンジンの長寿命化が進み、例えばディーゼルエンジンを備える車両に関しては、その用途に応じて数十万キロ以上の走行距離が要求に応えるものが開発されている。そして車両の走行距離が長くなれば、フィルタに堆積するアッシュの量も増し、アッシュを処理する対策を講じなければフィルタの寿命が短くなってしまうという問題があった。

そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、内燃機関の排気系に設けられたフィルタのアッシュを処理することによって、フィルタの長寿命化を図ることができるアッシュ処理方法、及び排気システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、粒子状物質を捕集するためのフィルタを備える排気システムにおけるアッシュ処理方法であって、フィルタに捕集されている粒子状物質の量がＰＭ閾値を超える度に、この粒子状物質を燃焼させるためにフィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理工程と、所定温度よりも高い温度でフィルタを熱処理してフィルタに捕集されているアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理工程とを備えることを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、粒子状物質を燃焼させるためにフィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理工程によって粒子状物質を熱処理することに加えて、所定温度よりも高い温度でフィルタを熱処理してフィルタに捕集されているアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理工程によって、フィルタに捕集されているアッシュを処理することができる。これにより、アッシュの体積が減少して、フィルタによる圧力損失が減少し、フィルタの長寿命化を図ることができる。

また、本発明において、好ましくは、さらに、フィルタに粒子状物質を堆積させる粒子状物質堆積工程を備え、アッシュ処理工程は、粒子状物質堆積工程の後に行われる。

このように構成された本発明によれば、フィルタを熱処理する前に、フィルタに粒子状物質を堆積させることができる。そして、粒子状物質が堆積したフィルタを熱処理することによって、粒子状物質を燃焼させ、このとき生じた熱を用いてアッシュを処理することができる。これによりフィルタの熱処理温度をアッシュがシュリンクする温度まで上昇させることなく、アッシュを処理することができるので、昇温のためのエネルギ消費を低減できる。

また、本発明において、好ましくは、粒子状物質堆積工程における粒子状物質の堆積量の閾値である粒子状物質捕集量閾値は、ＰＭ閾値よりも少ない。

このように構成された本発明によれば、粒子状物質を燃焼させることによって、フィルタの温度の上昇によるフィルタの破損を防ぐことができる。

また、本発明において、好ましくは、アッシュ処理工程は、さらに、フィルタに捕集されているアッシュ量を推定するアッシュ量推定工程と、アッシュ量推定工程における推定結果に基づいてフィルタに捕集されているアッシュ量がアッシュ捕集量閾値を超えたかを判断する判断工程とを備え、アッシュ処理工程では、判断工程においてフィルタに捕集されているアッシュ量がアッシュ捕集量閾値を超えたと判断された場合に、粒子状物質処理工程における粒子状物質の熱処理設定温度以上の温度で粒子状物質を熱処理するようになっている。

このように構成された本発明によれば、判断工程においてアッシュ量がアッシュ捕集閾値を超えた場合に、アッシュ処理工程を実施することができる。これにより、アッシュ処理工程の実施回数を抑制することができ、フィルタの熱処理に伴うエネルギ損失を最小限に抑えることができる。

また、本発明において好ましくは、フィルタは、耐熱繊維不織布を用いたディーゼルパーティキュレートフィルタであり、さらにこの耐熱繊維不織布の気孔率は７０％以上である。
このように構成された本発明によれば、耐熱繊維不織布の気孔率を比較的高く設定することによって、フィルタ内でアッシュを堆積させるための空間を確保することができ、これにより、アッシュが堆積したことによるフィルタの圧損の上昇を遅らせることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の排気系に、粒子状物質を捕集するためのフィルタを備える排気システムであって、フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させるためにフィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理手段と、所定温度よりも高い温度でフィルタを熱処理してフィルタに捕集されたアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理手段とを備えることを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、粒子状物質を燃焼させるためにフィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理手段によって粒子状物質を熱処理することに加えて、所定温度よりも高い温度でフィルタを熱処理してフィルタに捕集されているアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理手段によって、フィルタに捕集されているアッシュを処理することができる。これにより、アッシュの体積が減少して、フィルタによる圧力損失が減少し、フィルタの長寿命化を図ることができる。

このように、本発明によれば、内燃機関の排気系に設けられたフィルタのアッシュを処理することによって、フィルタの長寿命化を図ることができる。

本発明の実施形態による排気システの概略を示すブロック図である。本発明の実施形態による排気システムが備えるフィルタの側断面図である。本発明の実施形態による排気システムが備えるフィルタの正面図である。本発明の実施形態によるアッシュ処理方法の各プロセスを示すフロー図である。本発明の実施形態の変形例にかかる排気システムが備えるフィルタを示す側断面図である。本発明の実施形態の変形例にかかる排気システムが備えるフィルタを示す要部断面図である。本発明の実施例及び比較例における実験で用いた試験筐体を示す側面図である。本発明の実施例及び比較例における実験で用いた試験筐体の正面図である。本発明の実施例及び比較例における実験で用いた試験筐体の断面図である。本発明の実施例１による試験結果を示すグラフである。比較例１による、アッシュを堆積させた状態のフィルタを拡大した写真である。本発明の実施例１による、アッシュを堆積させた状態のフィルタを拡大した写真である。本発明の実施例２による試験結果を示すグラフである。本発明の実施例３による試験結果を示すグラフである。本発明の実施例４による試験結果を示すグラフである。本発明の実施例５による試験結果を示すグラフである。本発明の実施例５による、アッシュを堆積させた状態のフィルタを拡大した写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるアッシュ処理方法及び排気システムについて説明する。ここで本実施形態では、ディーゼルエンジンを用いた乗用車に備えられた排気システムについて詳述する。図１は、排気システの概略を示すブロック図であり、図２は、排気システムが備えるフィルタの側断面図であり、図３は、このフィルタの正面図である。

まず、図１に示すように、排気システムは、エンジン１と、このエンジン１から延びる吸気経路３及び排気通路５と、ＥＣＵ（Electronic control unit）７を備える。エンジン１は、ディーゼルエンジンによって構成されており、燃焼室９と、この燃焼室９に燃料を噴射するインジェクタ１１と、燃焼室９の吸気経路３側に設けられた吸気弁１３と、燃焼室９の排気通路５側に設けられた排気弁１５と、燃焼室９内に設けられたピストン１７を備える。

排気通路５に排気される排気ガスには、燃料の燃焼によって生じる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）と、エンジン１の潤滑油に含まれる添加剤、不純物の未燃焼物質等の燃焼によって生じるアッシュが含まれる。粒子状物質は主に、燃料の未燃焼物質であり、窒素酸化物、炭化水素、煤等を含む。そして、これらの物質の燃焼温度は、約６００度以上である。

また、アッシュは、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウムの混合塩を含み、その融点は約１２００度である。また、このようなアッシュは、その融点以下の温度の約７００〜１１００度でシュリンクする。ここで、アッシュは、通常、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、又はこれらの２種以上の混合物からなる。そして、アッシュの融点は、通常約１４００度である。ところが、フィルタ３３で捕集されたアッシュは、ナノ粒子が凝集しミクロンオーダーの二次粒子を形成しており、融点よりも低い温度でシュリンクし、融着現象が起こる。そして二次粒子を形成している一次粒子間及び二次粒子間には大きな空隙があり、重量以上の体積を占めていので、１１００度以下でも、アッシュ粒子がシュリンク或いは融着現象を起こし、アッシュの体積が１／５から１／２程度に減少する。尚、アッシュをシュリンクさせるためのアッシュ熱処理設定温度は、９００度から１４００度であるのがよい。これは、アッシュ熱処理設定温度を９００度よりも低くすると、アッシュのシュリンクによる体積の変化量が少なく、一方でアッシュ熱処理設定温度を１４００度よりも高くすると、フィルタ３３自体に影響を与え、フィルタ３３の強度が低下してしまうからである。このアッシュ熱処理設定温度のより好ましい値は、１１００度から１２００度である。アッシュ熱処理設定温度を１１００度以上とすることにより、アッシュをシュリンクさせるための時間を短縮することができ、一方で、１２００度以下とすることにより、加熱温度のオーバーシュートから生じるフィルタ３３の強度の低下を確実に防止することができる。

また、エンジン１の排気通路５には、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置１９と、マフラー２１が設けられている。

エンジン１の下流のＤＰＦ装置１９は、酸化触媒２３と、この酸化触媒２３よりも排気通路下流側に設けられたフィルタ部２５と、フィルタ部２５の上下の圧力を検出するための圧力センサ２７，２９と、フィルタ部の下流に設けられた温度センサ３０を備える。酸化触媒２３は、約３００度の温度で、排気中の粒子状物質に含まれる一酸化炭素、一酸化窒素、及びＨＣを酸化して、排気中の約５０％の粒子状物質を無害化するようになっている。また、圧力センサ２７，２９は、それぞれフィルタ部２５の上下における圧力を検出するようになっている。そして圧力の検出結果は、ＥＣＵ７に供給され、ＥＣＵ７がフィルタ部２５の上下の差圧を算出してこれにより、フィルタ部２５の粒子状物質とアッシュの捕集量を推定できるようになっている。また、温度センサ３０は、フィルタ部２５の温度を検出し、検出結果をＥＣＵ７に供給するようになっており、ＥＣＵ７による設定温度の維持の制御に使用される。

図２に示すように、フィルタ部２５は、内部が中空とされる柱状のハウジング３１と、このハウジング３１内に設けられたフィルタ３３と、フィルタの周辺に配置された電気ヒータ３５とを備える。ハウジング３１は、排気通路５の上流側から下流側に向けて延びており、その上端の中央部には酸化触媒を通過した排気を中空部に流入させるための流入口３７が設けられており、その下端の中央部には、フィルタを通過した排気をマフラー２１側に流出させる流出口３９が設けられている。そしてこの流出口３９よりも排気通路上流側の中空部内には、フィルタ３３が位置決めされている。

図２及び図３に示すように、フィルタ３３は、耐熱繊維不織布を三角柱状に形成して、その上端が蓋部４１により閉じられており、その下端が流出口３９と連通するようになっている。フィルタ３３を構成する耐熱繊維不織布としては、珪素を主体とした珪素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等の無機系繊維を用いることができる。また、このようなフィルタ３３は、耐熱繊維不織布の比重に対する耐熱繊維不織布のかさ密度の割合から算出される気孔率（全気孔率）が７０％以上であることが好ましい。このように耐熱繊維不織布の気孔率を比較的高くすることによって、フィルタ内でアッシュを堆積させるための空間を確保することができ、これにより、アッシュが堆積したことによるフィルタの圧損の上昇を遅らせることができる。

フィルタ３３に使用される耐熱繊維不織布の目付は、５０〜１０００ｇ/ｍ²、好ましくは、１００〜５００ｇ/ｍ²、より好ましくは、１５０〜４００ｇ/ｍ²とされる。目付を５０ｇ/ｍ²以上とすることによって、繊維が均一に分散し不織布の厚さが一定となり、１０００ｇ/ｍ²以下であれば、折り曲げ易いなど形状の自由度があるので好ましい。なお、目付とは、例えばJIS-L-1096に沿って測定されたものをいう。また、この耐熱繊維不織布のかさ密度は、０．０１〜０．５ｇ/ｃｍ³、好ましくは、０．０３〜０．３ｇ/ｃｍ³、より好ましくは、０．０５〜０．１ｇ/ｃｍ³とされる。かさ密度を、０．０１ｇ/ｃｍ³以上とすることによって、フェルトとしての形状を十分保持することができ、０．５ｇ/ｃｍ³以下であれば、排ガスが通過する空隙（空間）を十分に確保できるので好ましい。

さらに耐熱繊維不織布を形成する繊維としては、無機系繊維を用いるのがよい。ここで、無機系繊維としては、珪素を主体とした珪素繊維、炭化珪素（ＳｉＣ）繊維、アルミナ繊維が挙げられる。そして、耐アルカリ性能を上げるため、炭化珪素繊維は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ及び／又はＡｌ等の成分を含んでいるのがよく、これらの成分は、繊維全体に対して１〜４０質量％含まれていることが適当である。そしてこのような無機系の耐熱性繊維としては、例えば、炭化珪素繊維として、ニカロン繊維（Ｓｉ−Ｏ−Ｃ組成比57.2：32.7：10、日本カーボン株式会社製）、チラノ繊維（登録商標）耐熱グレードＺＭＩ（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ−Ｚｒ組成比56：34：９：１）、チラノ繊維（登録商標）耐熱グレードＳ（Ｓｉ−Ｏ−Ｃ−Ｔｉ組成比50：30：18：２）チラノ繊維（登録商標）耐熱グレードＳＡ（Ｓｉ−Ｏ−Ｃ−Ａｌ組成比67：31：１：２）（チラノ繊維（登録商標）は、全て、宇部興産株式会社製）を用いることが好ましい。

そしてこの繊維の直径は、平均で３〜４０μｍ、好ましくは、９〜３０μｍ、より好ましくは１２〜２５μｍであるのがよい。直径を３μｍ以上とすることによって、繊維自体が飛散して発ガン性のある物質を大気中に放出するのを防止することができる。また、繊維の繊維長は、平均で１０〜１００ｍｍ、好ましくは、３０〜６０ｍｍであるのがよい。また、繊維の引張強さは、ASTM D-638で測定して、約１〜５ＧＰａ、好ましくは２〜４ＧＰａであるのがよい。そして耐熱性繊維不織布の厚さは、０．１〜４０ｍｍ、好ましくは１〜３０ｍｍであるのがよい。そして耐熱性繊維不織布は、上述のような性質を有する不織布を少なくとも１層、好ましくは、性質の異なる耐熱性繊維不織布を２種以上積層した積層体としてもよい。

また、電気ヒータ３５は、例えばセラミックヒータから構成されている。そしてＤＰＦ装置３１内には、柱状のフィルタ３３の側面と対向するように複数のセラミックヒータが配置されている。この電気ヒータ３５は、ＥＣＵ７によって制御されており、通電時にはフィルタ３３を約６００度で加熱処理するようになっている。
尚、本実施形態では、フィルタに堆積されたアッシュの処理手段として、電気ヒータ３５を用いることとしたが、この処理手段としては、電気ヒータ３５の代わりに、燃料を燃焼室に排気工程で噴射（ポスト噴射）し、フィルタ上流の酸化触媒でその燃料を燃焼させることで排ガス温を上昇させるようなエンジンの燃焼制御システムを用いても良い。

このようなフィルタ部２５のハウジング３１内に流入した排気は、矢印Ａによって示すように、中央部に設けられた流入口３７から流入して、蓋部４１を迂回してハウジング３１の周方向に流れる。そして排気は、電気ヒータ３５とフィルタ３３の間を通ってフィルタに到達し、フィルタを通過する。その後、排気は矢印Ｂに示すように、流出口３９の方向に流れるようになっている。そして排気がフィルタ３３を通過するとき、排気に含まれる粒子状物質及びアッシュは、フィルタ３３の繊維に付着し、フィルタ３３で捕集される。

次に、このような排気システムにおけるアッシュ処理方法について詳述する。図４は、アッシュ処理方法の各プロセスを示すフロー図であり、このフロー図において、「Ｓ」は、「ステップ」を示す。

図４に示すように、一連の処理が開始すると、Ｓ１において排気システムは、フィルタ３３に捕集されている粒子状物質の量が、所定のＰＭ閾値を超えたか否かを判断する。ＰＭ閾値は、フィルタ３３によってある程度の粒子状物質が捕集され、フィルタ３３を再生する必要があるか否かを判断するための値である。そしてこの処理は、ＥＣＵ７がフィルタ３３の上下の圧力の検出結果に基づいて粒子状物質の捕集量を算出し、算出された捕集量がＰＭ閾値を超えたか否かを判断することで行われる。これにより、排気システムは、フィルタ３３から粒子状物質を除去してフィルタ３３を再生する必要があるか否かを判断することができる。この処理は、フィルタ３３を再生する必要があると判断されるまで繰り返し実行される。尚、本実施形態では、フィルタ３３の上下の差圧に基づいてフィルタ３３を再生する必要があるか否かを判断することとするが、前回のフィルタ再生時からの走行距離が所定の距離、例えば６００ｋｍを超えたか否かを判断して、フィルタ３３を再生するか否かを判断するようにしてもよい。

次いで、Ｓ２において排気システムは、ＤＰＦ装置３１のフィルタ３３の粒子状物質を加熱処理する。かかる処理は、ＥＣＵ７が、電気ヒータ３５を制御して、フィルタ３３を約６００度に加熱することで行われる。これにより、フィルタ３３に捕集された粒子状物質が燃焼し、フィルタ３３が再生される。このとき、ＥＣＵ７は、温度センサ３０によって検出される温度が、粒子状物質を処理することができるような温度として設定される粒子状物質処理設定温度（約６００度）となるように、電気ヒータ３５を制御する。

次いで、Ｓ３において排気システムは、フィルタ３３に捕集されているアッシュの量を推定する。この処理は、ＥＣＵ７が、圧力センサ２７，２９の検出結果からフィルタ再生直後におけるフィルタ３３の上下の差圧を検出して、その結果に基づいてアッシュの量を推定することで行われる。このようにフィルタ再生直後のフィルタ３３の上流側と下流側の差圧を検出することによって、粒子状物質が殆ど存在しない状態でのフィルタ３３の圧力損失、すなわちフィルタ３３に捕集されているアッシュによる圧力損失を検出して、これによりアッシュの量を推定することができる。

次いで、Ｓ４において排気システムは、推定したアッシュの量がアッシュ捕集量閾値を超えたか否かを判断する。このアッシュ捕集量閾値は、アッシュを処理する必要があるか否かを判断するための閾値であり、エンジンの種類等に応じて予め決定された値である。そしてＥＣＵ７は、アッシュ捕集量閾値を読み出して、アッシュ捕集量閾値と、推定されたアッシュの堆積量を比較する。ここで、アッシュの推定量が、アッシュ捕集量閾値を超えていないと判断された場合には、アッシュの処理が不要であるとして、排気システムはＳ１〜Ｓ３の一連の処理を繰り返す。これにより、アッシュの推定量が、アッシュ捕集量閾値を超えるまでは、粒子状物質が所定量を超える度にフィルタを再生する。一方で、アッシュの推定量がアッシュ捕集量閾値を超えたと判断した場合には、排気システムは、Ｓ５以降の処理を実行する。

次いで、Ｓ５において排気システムは、フィルタ３３に堆積した粒子状物質の量が粒子状物質捕集量閾値となったか否かを判断する。熱処理中の減速時のように、温度と酸素濃度が高く、排ガス流量が少ないと、粒子状物質が急速に燃焼し、フィルタの温度が熱処理設定温度以上になる場合があるが、この粒子状物質捕集量閾値は、いかなる場合においても、フィルタの耐熱温度を超えないように設定する。
そしてこの判断は、ＥＣＵ７が、アッシュ量の推定時からのフィルタ３３の上流側と下流側での差圧の上昇量を検出して実行される。そして、フィルタ３３にアッシュが所定量以上堆積した後、Ｓ６において排気システムは、電気ヒータ３５を用いてフィルタ３３を熱処理する。このときフィルタ３３の温度は、電気ヒータ３５による加熱と、フィルタ３３に捕集された粒子状物質の燃焼により、約１１００度まで上昇する。これにより、アッシュのシュリンクが発生し、フィルタ３３を構成する繊維間の開口が広がるので、フィルタ３３による圧力損失を低減させることができる。

このように本実施形態によれば、フィルタ３３に捕集されたアッシュをシュリンクさせてフィルタ３３による圧力損失を低減させることができるので、フィルタ３３の長寿命化を図ることができる。

次に、上記実施形態の変形例について詳述する。図５は、変形例にかかる排気システムが備えるフィルタを示す側断面図であり、図６は、このフィルタの要部断面図である。

図５に示すように、変形例にかかる排気システムのフィルタ５１は、ハニカム構造を備えたセラミックから形成されており、ＤＰＦ装置の酸化触媒側からマフラー側に延びる通路状の多数のセル５３を備える。多数のセル５３には、酸化触媒側又はマフラー側の何れか一方に壁部５５，５７が設けられており、多数のセル５３は、壁部５５，５７によって酸化触媒側又はマフラー側の何れか一方が塞がれ、排気が流入し、又は流出しないようになっている。

図６に示すように、セル５３間を仕切るフィルタ壁５９には、多数の気孔６１が設けられている。この気孔６１の大きさは、約９〜２５μｍとなっており、フィルタ壁５９の気孔率は、約４０〜７０％とされる。そして、酸化触媒を通過した排気は、酸化触媒側が開口したセル５３に流入し、この気孔６１を通って隣接するマフラー側が開口したセル５３に流れる。そしてこのとき、粒子状物質とアッシュは、気孔６１を通過せずにフィルタ壁５９に捕集される。

このような構造のフィルタ５１を備える排気システムにおいても、図４において詳述したアッシュ処理方法を適用することにより、フィルタ５１に捕集されたアッシュをシュリンクさせてフィルタ５１による圧力損失を低減させることができるので、フィルタ５１の長寿命化を図ることができる。但し、このようなフィルタ５１を用いた場合のアッシュ処理設定温度は、ＤＰＦ装置１９の耐クラック温度以下に限定され、例えば、材料がフィルタ５１を構成する材料がSiCの場合、アッシュ処理設定温度は、９００度から１０００度とされるのが望ましい。

尚、上述の実施形態では、フィルタとして、耐熱繊維不織布を用いたフィルタと、ハニカム構造のフィルタを例に挙げて詳述したが、これらを比較した場合、以下の理由により、耐熱繊維不織布を用いたフィルタの方がより好ましい。即ち、熱容量が大幅に小さいため、昇温が早く、熱処理時間が短くできる。また、耐熱繊維不織布を用いたフィルタは、ハニカム構造のフィルタと比べて、粒子状物質燃焼による昇温量が大きいため、昇温時に消費されるエネルギが少なくなるので、燃費が良い。また、耐熱繊維不織布を用いたフィルタは、高温でのクラックが発生しにくいので、アッシュ処理での高温処理に対する信頼性が高い。そしてこれにより、耐熱繊維不織布を用いた方が、アッシュ処理時の処理温度を高く設定することができ、これによりアッシュを早期にシュリンクさせて、処理時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

〔実施例１〕
［１］試験筐体
図７は、以下の実施例及び比較例における実験で用いた試験筐体を示す側面図であり、図８は、この試験筐体の正面図であり、さらに図９は、この試験筐体の断面図である。

図７から図９に示すように、試験筐体１０１は、直方体形状のハウジング１０３の各々の端面に、エンジンの排気を流入させるための流入口１０５と、排気を流出させるための流出口１０７を形成し、ハウジング１０３内に８個のセラミックヒータ１０９を配置して構成される。セラミックヒータ１０９は、ハウジング１０３の４つの側面に各２個ずつ取り付けられている。また、ハウジング１０３内には、金網１１１によって挟持された三角柱状のフィルタ１１３が配置されている。

［２］耐熱性繊維フィルタの構成
フィルタ１１３に用いる耐熱性繊維としては、炭化珪素繊維（チラノ繊維（登録商標）耐熱グレードＺＭＩ（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ−Ｚｒの組成比56:34:9:1））を用いた。使用した各炭化珪素繊維は、２６μｍ、２４μｍ、２２μｍ、２０μｍ、１８μｍ、１６μｍ、１４μｍ、１２μｍの繊維径であった。この炭化珪素繊維を、特開２０００−１９９１６０公報（発明の名称：「無機短繊維フェルトの製造方法及び装置」）に記載の方法により本発明の耐熱性繊維フィルタ層用の不織布とした。具体的には、各炭化珪素繊維を４０ｍｍの長さに切断し、直径１ｍ×高さ２ｍの円筒中に入れて空気を流し、結束した繊維を解繊した。解繊した繊維をはかり取り、必要に応じて複数種の繊維を混合した。その後、繊維を空気流中に導入し、繊維を３ｍの高さから基板上に自然落下させて積層し、不織布を得た。得られた不織布は、繊維がランダム方向に交絡した構造を有していた。

また、得られた耐熱性繊維フィルタ層用不織布の目付は２３０ｇ／ｍ²、かさ密度は０．０２ｇ／ｃｍ³であった。この不織布を１８ｃｍ×１４ｃｍにカットして、繊維径の太い順に８枚積層した。これを、耐熱性のステンレスの金網１１１（直径０．２９ｍｍのＳＵＳ３０４製、２４メッシュサイズ（インチ基準））によって挟持させて多層のフィルタ層を製造した。フィルタ層の厚さは２６ｍｍ、かさ密度は、０．０７ｇ／ｃｍ³であった。これを３枚組み合わせて三角柱型ディーゼルパーティキュレートフィルタを製造した。三角柱型ディーゼルパーティキュレートフィルタは、その３つの側面に太い繊維径の繊維から構成されるフィルタ層(Ａ₁)を外側とし、より細い繊維径の繊維から構成されるフィルタ層(Ａ_n)を内側に配置した構造を有する。

［３］アッシュ堆積方法
エンジンの排気中にアッシュとなる成分を含ませるために、燃料にアッシュになる成分（Ｃａ：２６ｐｐｍ，Ｍｇ：１２ｐｐｍ，Ｍｏ：３．６ｐｐｍ）を添加し、加速度テストを行った。このときの調合条件を表１に示す。

調合条件（１００Ｌ調液時）

そして、１００Ｌの燃料に対する各成分の含有量は、以下のようになった。
Ｃａスルホネートの含有量
１００Ｌ×０．８１９８（軽油比重）×０．０２６（ｇ）÷０．１１６（Ｃａイオン濃度）
＝１８．３７ｇ
Ｍｇスルホネートの含有量
１００Ｌ×０．８１９８×０．０１２（ｇ）÷０．０９２３（Ｍｇイオン濃度）
＝１０．６５ｇ
ＭｏＤＴＣの含有量
１００Ｌ×０．８１９８×０．００３６（ｇ）÷０．０５（Ｍｏイオン濃度）
＝７．３８ｇ

また、排気を発生させるために、２０００ｃｃディーゼル車（三菱デリカ、エンジン型番ＫＱ−ＳＫＦ２ＶＭ）を使用した。そして、このエンジンを上述の燃料を用いて３５００ｒｐｍ×１４０Ｎｍの運転条件で定常運転させることで、排気を発生させ、その排気を上述の試験筐体１０１の流入口１０５に流入させた。

［４］アッシュ堆積量の測定方法
フィルタ１１３によって捕集されたアッシュの量（ｇ）を測定するために、エンジンの駆動前後のフィルタ１１３の質量を測定し、その質量差をアッシュの堆積量とした。

［５］評価方法
評価方法としては、試験筐体１０１の上流側と下流側の圧力損失を算出した。この圧力損失（ｋＰａ）は、試験筐体１０１の上流側における排気の圧力と、試験筐体１０１の下流側における排気の圧力との差を求めることで算出した。

［６］試験方法・試験結果
試験方法としては、上記燃料を用いて、３時間エンジンを定常運転させた後、セラミックヒータ１０９を用いてフィルタ１１３を９００度で４時間処理する工程を１サイクルとして、このサイクルを５回行った。これにより、フィルタ１１３に１８．０ｇのアッシュを堆積させた。そして試験筐体１０１の通気量を、２〜８ｍ³／分で変化させて、上下の圧力損失を測定した。その結果を表２、及び図１０に示す。ここで表１及び図１０中の比較例１は、アッシュを堆積させる前の圧力損失を示し、比較例２は、アッシュを１８．０ｇ堆積させて熱処理を行う前の圧力損失を示し、実施例１は、熱処理後の圧力損失（ｋＰａ）を示す。そして、図１１には、アッシュを堆積させた状態（比較例１）のフィルタを拡大した写真を示し、図１２には、アッシュを熱処理した後（実施例１）のフィルタを拡大した写真を示す。

表２及び図１０を参照して、通気量が８ｍ³／ｍｉｎのときに、比較例１と比較例２の結果を比較すると、比較例１と比較例２の間では、圧力損失が９０．１％上昇していることが分かる。また、比較例１と実施例１の結果を比較すると、比較例１と実施例１の間では、圧力損失が２２．５％上昇していることが分かる。即ち、比較例２と実施例１との間では、フィルタ１１３の熱処理によって６７．６％の圧力損失が回復していることが分かる。

〔実施例２〕
試験方法としては、上記燃料を用いて、３時間エンジンを定常運転させた後、セラミックヒータ１０９を用いてフィルタ１１３を１０００度で１０分処理する工程を１サイクルとして、このサイクルを４回行った。これ以外の条件は、全て実施例１と同じである。そして、上記運転によりフィルタ１１３に１５．２ｇのアッシュを堆積させた。そして試験筐体１０１の通気量を、２〜８ｍ³／分で変化させて、上下の圧力損失を測定した。その結果を表３、及び図１１に示す。ここで表３及び図１３中の比較例３は、アッシュを堆積させる前の圧力損失を示し、比較例４は、アッシュを１５．２ｇ堆積させて熱処理を行う前の圧力損失を示し、実施例３は、熱処理後の圧力損失（ｋＰａ）を示す。

表３及び図１３を参照して、通気量が８ｍ³／ｍｉｎのときに、比較例３と比較例４の結果を比較すると、比較例３と比較例４の間では、圧力損失が８３．８％上昇していることが分かる。また、比較例３と実施例２の結果を比較すると、比較例３と実施例２の間では、圧力損失が３．７％上昇していることが分かる。即ち、比較例３と実施例２との間では、フィルタ１１３の熱処理によって８０．１％の圧力損失が回復していることが分かる。

〔実施例３〕
試験方法としては、上記燃料を用いて、３時間エンジンを定常運転させた後、セラミックヒータ１０９を用いてフィルタ１１３を９００度で４時間処理する工程を１サイクルとして、このサイクルを４回行った。これ以外の条件は、全て実施例１と同じである。そして試験筐体１０１の通気量を、８ｍ³／分とし、上下の圧力損失を測定した。

〔実施例４〕
試験方法としては、上記燃料を用いて、３時間エンジンを定常運転させた後、セラミックヒータ１０９を用いてフィルタ１１３を１０００度で１０分処理する工程を１サイクルとして、このサイクルを４回行った。これ以外の条件は、全て実施例１と同じである。そして試験筐体１０１の通気量を、８ｍ³／分とし、上下の圧力損失を測定した。

〔実施例５〕
試験方法としては、上記燃料を用いて、３時間エンジンを定常運転させた後、セラミックヒータ１０９を用いてフィルタ１１３を１１００度で１０分処理する工程を１サイクルとして、このサイクルを４回行った。これ以外の条件は、全て実施例１と同じである。そして試験筐体１０１の通気量を、８ｍ³／分とし、上下の圧力損失を測定した。

そして表４、並びに図１４乃至図１６は、実施例３乃至実施例５の結果を示すものである。表４及び図１４中の比較例５は、実施例３の実験において、アッシュを堆積させ、熱処理を行う前の圧力損失を示し、表４及び図１５中の比較例６は、実施例４の実験でアッシュを堆積させ、熱処理を行う前の圧力損失を示し、表４及び図１６中の比較例７は、実施例３の実験において、アッシュを堆積させ、熱処理を行う前の圧力損失を示す。また、図１７は、実施例５の処理を行った後のフィルタを拡大した写真を示す。

これら実施例３乃至５の実験によっても、好適にアッシュを処理することができたのが分かる。特に実施例５によれば、図１７に示すように、アッシュを視認することができない程、アッシュを処理することができている。

１エンジン
５排気通路
７ＥＣＵ
１９ＤＰＦ装置
２５フィルタ部
３３，５１フィルタ

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、粒子状物質を捕集するためのフィルタを備える排気システムにおけるアッシュ処理方法であって、
前記フィルタに捕集されている粒子状物質の量がＰＭ閾値を超える度に、この粒子状物質を燃焼させるために前記フィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理工程と、
前記所定温度よりも高い温度で前記フィルタを熱処理して前記フィルタに捕集されているアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理工程とを備えること、
を特徴とするアッシュ処理方法。
さらに、前記フィルタに粒子状物質を堆積させる粒子状物質堆積工程を備え、
前記アッシュ処理工程は、粒子状物質堆積工程の後に行われる請求項１に記載のアッシュ処理方法。
前記粒子状物質堆積工程における粒子状物質の堆積量の閾値である粒子状物質捕集量閾値は、前記ＰＭ閾値よりも少ない請求項２に記載のアッシュ処理方法。
前記アッシュ処理工程は、さらに、
前記フィルタに捕集されているアッシュ量を推定するアッシュ量推定工程と、
前記アッシュ量推定工程における推定結果に基づいて前記フィルタに捕集されているアッシュ量がアッシュ捕集量閾値を超えたかを判断する判断工程とを備え、
前記アッシュ処理工程では、前記判断工程において前記フィルタに捕集されているアッシュ量が前記アッシュ捕集量閾値を超えたと判断された場合に、前記粒子状物質処理工程における粒子状物質の熱処理設定温度以上の温度で熱処理するようになっている請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアッシュ処理方法。
前記フィルタは、耐熱繊維不織布を用いたディーゼルパーティキュレートフィルタである請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアッシュ処理方法。
前記耐熱繊維不織布の気孔率は７０％以上である請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のアッシュ処理方法。
内燃機関の排気系に、粒子状物質を捕集するためのフィルタを備える排気システムであって、
前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させるために前記フィルタを所定温度で熱処理する粒子状物質処理手段と、
前記所定温度よりも高い温度で前記フィルタを熱処理して前記フィルタに捕集されたアッシュをシュリンクさせるアッシュ処理手段とを備えること、
を特徴とする排気システム。