JP2014051888A - パティキュレートフィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの耐久性を確保しつつ、パティキュレートフィルタの圧力損失を低く維持する。
【解決手段】パティキュレートフィルタ24の各ハニカムセグメント24sにおいて、排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁72に、コート層75により基材表面72sが覆われたコート領域CZと、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域NCZとが区画される。非コート領域においてアッシュが隔壁を通過できる。互いに隣接するハニカムセグメント同士の間に、ハニカムセグメントを互いに接着する接着剤80が設けられた接着領域AZと、接着領域の下流側においてこれらハニカムセグメントが互いに離間している非接着領域NAZとが区画される。長手方向L−Lに関し接着領域がコート領域と重なっている。
【選択図】図5

Description

本発明はパティキュレートフィルタに関する。
排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタであって、複数のハニカムセグメントを備え、各ハニカムセグメントは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、互いに隣接するハニカムセグメントを接着剤により互いに接合した、パティキュレートフィルタが公知である(特許文献1参照)。このように複数のハニカムセグメントからパティキュレートフィルタを構成すると、パティキュレートフィルタに亀裂が生じるのを抑制することができ、したがってパティキュレートフィルタの耐久性を高めることができる。なお、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質は燃焼され、パティキュレートフィルタから除去される。
特開2005−118747号公報
ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分が含まれており、このアッシュは粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。ところが、アッシュは燃焼せず又は気化せず、パティキュレートフィルタ上に残留する。このため、機関運転時間が長くなるにつれて、パティキュレートフィルタ上のアッシュ量が次第に増大し、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなるおそれがある。その結果、機関出力が低下するおそれがある。
上述の特許文献1ではこの問題点について何ら考慮されておらず、ましてその解決策も開示されていない。
本発明によれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタであって、複数のハニカムセグメントを備え、各ハニカムセグメントは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、長手方向L−Lに関し、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されており、互いに隣接するハニカムセグメント同士の間に、長手方向L−Lに関し、これらハニカムセグメントを互いに接着する接着剤が設けられた接着領域と、接着領域の下流側においてこれらハニカムセグメントが互いに離間している非接着領域とが区画され、長手方向に関し接着領域がコート領域と少なくとも部分的に重なっている、パティキュレートフィルタが提供される。
好ましくは、長手方向に関し接着領域がコート領域のほぼ全部と重なっている。
パティキュレートフィルタの耐久性を確保しつつ、パティキュレートフィルタの圧力損失を低く維持することができる。
内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの正面図である。 パティキュレートフィルタの側面断面図である。 ハニカムセグメントの正面図である。 ハニカムセグメントの側面断面図である。 隔壁の部分拡大断面図である。 コート層の部分拡大図である。 パティキュレートフィルタの部分側面断面図である。 パティキュレートフィルタの作用を説明する概略図である。 パティキュレートフィルタの作用を説明する概略図である。
図1を参照すると、1は圧縮着火式内燃機関の本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7cの出口に連結され、コンプレッサ7cの入口はエアフローメータ8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内には電気制御式スロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7tの入口に連結され、排気タービン7tの出口は排気後処理装置20に連結される。
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路12を介して互いに連結され、EGR通路12内には電気制御式EGR制御弁13が配置される。また、EGR通路12周りにはEGR通路12内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置14が配置される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管15を介してコモンレール16に連結される。このコモンレール16内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ17から燃料が供給され、コモンレール16内に供給された燃料は各燃料供給管15を介して燃料噴射弁3に供給される。図1に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。
排気後処理装置20は排気タービン7tの出口に連結された排気管21と、排気管21に連結された触媒コンバータ22と、触媒コンバータ22に連結された排気管23とを具備する。触媒コンバータ22内にはウォールフロー型のパティキュレートフィルタ24が配置される。
触媒コンバータ22には、パティキュレートフィルタ24の温度を検出するための温度センサ25が設けられる。別の実施例では、パティキュレートフィルタ24に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管21に配置される。更に別の実施例では、パティキュレートフィルタ24から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管23に配置される。これら排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ24の温度を表している。
触媒コンバータ22には更に、パティキュレートフィルタ24の圧力損失を検出するための圧力損失センサ26が設けられる。図1に示される実施例では、圧力損失センサ26はパティキュレートフィルタ24の上流及び下流の圧力差を検出するための圧力差センサから構成される。別の実施例では、圧力損失センサ26は排気管21に取り付けられて機関背圧を検出するセンサから構成される。
一方、排気マニホルド5には燃料添加弁27が取り付けられる。この燃料添加弁27にはコモンレール16から燃料が添加され、燃料添加弁27から排気マニホルド5内に燃料が添加される。別の実施例では、燃料添加弁27が排気管21に配置される。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータから構成され、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35及び出力ポート36を具備する。エアフローメータ8、温度センサ25、及び圧力差センサ26の出力信号はそれぞれ対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル39にはアクセルペダル39の踏み込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ40が接続され、負荷センサ40の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ41が接続される。CPU34ではクランク角センサ41からの出力パルスに基づいて機関回転数Neが算出される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10駆動装置、EGR制御弁13、燃料ポンプ17、及び燃料添加弁27に接続される。
図2A及び図2Bはウォールフロー型パティキュレートフィルタ24の構造を示している。なお、図2Aはパティキュレートフィルタ24の正面図を示しており、図2Bはパティキュレートフィルタ24の側面断面図を示している。図2A及び図2Bに示されるようにパティキュレートフィルタ24は長手方向L−Lに延びる円柱状をなしており、複数のハニカムセグメント24sを備える。このようにパティキュレートフィルタ24を複数のハニカムセグメント24sから構成すると、パティキュレートフィルタ24に亀裂が生じるのを抑制することができ、したがってパティキュレートフィルタの耐久性を高めることができる。
図3A及び図3Bは各ハニカムセグメント24sの構造を示している。なお、図3Aはハニカムセグメント24sの正面図を示しており、図3Bはハニカムセグメント24sの側面断面図を示している。各ハニカムセグメント24sは長手方向L−Lに延びる角柱状をなしている。また、各ハニカムセグメント24sはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして複数個の排気流通路71i,71oと、これら排気流通路71i,71oを互いに隔てる隔壁72とを具備する。この場合、排気流通路71i,71o及び隔壁72は長手方向に延びている。図3Aに示される実施例では、排気流通路71i,71oは、上流端が開放されかつ下流端が栓73dにより閉塞された排気ガス流入通路71iと、上流端が栓73uにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路71oとにより構成される。なお、図3Aにおいてハッチングを付した部分は栓73uを示している。したがって、排気ガス流入通路71i及び排気ガス流出通路71oは薄肉の隔壁72を介して交互に配置される。言い換えると、図3Aからわかるように、半径方向に関し、排気ガス流入通路71i及び排気ガス流出通路71oは各排気ガス流入通路71iが4つの排気ガス流出通路71oによって包囲され、各排気ガス流出通路71oが4つの排気ガス流入通路71iによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。
図3Bに示されるように、隔壁72には、長手方向L−Lに関し、コート領域CZと、コート領域CZの下流側に位置する非コート領域NCZとが区画される。図4Aに示されるように、コート領域CZでは、隔壁72の基材72sの表面がコート層75により覆われる。これに対し、非コート領域NCZでは、隔壁基材72sの表面が上述のコート層75により覆われていない。
図4Aに示される実施例では、コート層75が排気ガス流入通路71iに対面する隔壁基材72sの一表面に設けられる。別の実施例では、コート層75が排気ガス流出通路71oに対面する隔壁基材72sの一表面に設けられる。更に別の実施例では、コート層75が排気ガス流入通路71i及び排気ガス流出通路71oに対面する隔壁基材72sの両表面に設けられる。
また、図4Aに示される実施例では、コート領域CZにおける隔壁基材72sが非コート領域NCZにおける隔壁基材72sよりも薄くなっており、コート領域CZにおける隔壁72の厚さと非コート領域NCZにおける隔壁72の厚さとが互いにほぼ等しくなっている。したがって、コート領域CZにおける排気ガス流入通路と71iの流路面積と、非コート領域NCZにおける排気ガス流入通路と71iの流路面積とが互いにほぼ等しくなっている。別の実施例では、コート領域CZにおける隔壁基材72sの厚さと非コート領域NCZにおける隔壁基材72sの厚さとがほぼ等しくなっており、コート領域CZにおける排気ガス流入通路71iの流路面積が非コート領域NCZにおける排気ガス流入通路と71iの流路面積よりも、コート層75の分だけ小さくなっている。
更に、図3Bに示される実施例では、コート領域CZの上流縁は隔壁72の上流端にほぼ一致している。別の実施例では、コート領域CZの上流縁は隔壁72の上流端よりも下流側に位置する。また、図3Bに示される実施例では、非コート領域NCZの下流縁は隔壁72の下流端にほぼ一致している。別の実施例では、非コート領域NCZの下流縁は隔壁72の下流端よりも上流側に位置する。コート領域CZの長手方向長さはパティキュレートフィルタ24の長手方向長さの例えば50%から90%に設定される。
隔壁基材72sは多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。
一方、コート層75は図4Bに示されるように多数の粒子76から形成され、粒子76同士の間に多数の隙間ないし細孔77を有する。したがって、コート層75は多孔性を有する。したがって、図3Bに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路71i内に流入し、次いで周囲の隔壁72内を通って隣接する排気ガス流出通路71o内に流出する。
図4Bに示される実施例では、粒子76は酸化機能を有する材料から構成される。酸化機能を有する材料として白金Pt、ロジウムRh、パラジウムPdのような貴金属が用いられる。別の実施例では、酸化機能を有する材料として、セリウムCe、プラセオジムPr、ネオジムNd、ランタンLaのような卑金属を含む複合酸化物が用いられる。更に別の実施例では、貴金属及び複合酸化物の組み合わせが用いられる。
隔壁基材72sの平均細孔径は25μm以上かつ50μm以下に設定される。隔壁基材72sの平均細孔径が25μm以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁72を通過できる。したがって、言い換えると、非コート領域NCZにおいて排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁72を通過できるように隔壁72の細孔径が設定される。なお、粒子状物質の平均粒径がアッシュの平均粒径よりも小さいことを考えると、非コート領域NCZにおいて粒子状物質及びアッシュが隔壁72を通過できるように隔壁72の細孔径が設定されるという見方もできる。一方、隔壁基材72sの平均細孔径が50μm以下であると、隔壁72の機械的強度を確保することができる。
コート層75の平均細孔径は隔壁基材72sの平均細孔径よりも小さく設定される。具体的には、コート層75の平均細孔径は、コート層75が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集できるように設定される。更に、粒子76(二次粒子)の平均径は1μm以上かつ10μm以下に設定される。粒子76の平均径が1μmよりも小さいと、コート層75を通過する粒子状物質の量が許容量よりも多くなる。また、粒子76の平均径が10μmよりも大きいと、パティキュレートフィルタ24ないしコート層75の圧力損失が許容値よりも大きくなる。
再び図2A及び図2Bを参照すると、互いに隣接するハニカムセグメント24s,24s同士は接着剤80によって互いに接着される。なお、図2Aにおいてハッチングを付した部分は接着剤80を示している。図2Aからわかるように、半径方向に関し、各ハニカムセグメント24sは接着剤80によって包囲される。接着剤80は、アルミナゾル、シリカゾル、セメントのような無機接着剤、又は、メチルセルロース、エチルセルロースのような有機接着剤から構成される。このような接着剤80の熱容量は排気ガスの熱容量よりも大きい。
この場合、図2Bに示されるように、互いに隣接するハニカムセグメント24s,24s同士の間には、長手方向L−Lに関し、これらハニカムセグメント24s,24sを互いに接着する接着剤80が設けられた接着領域AZと、接着領域AZの下流側においてこれらハニカムセグメント24s,24sが互いに離間している非接着領域NAZとが区画される。
すなわち、図5に示されるように、一方のハニカムセグメント24sの最も外側の隔壁72omと、他方のハニカムセグメント24sの最も外側の隔壁72omとが接着領域AZにおいて接着剤80によって互いに接着される。これに対し、一方のハニカムセグメント24sの最も外側の隔壁72omと、他方のハニカムセグメント24sの最も外側の隔壁72omとの間に非接着領域NAZにおいて空間81が形成される。
したがって、図5に矢印で示されるように、各ハニカムセグメント24sの最も外側の排気ガス流入通路71iom内に流入した排気ガスの一部は隔壁72を通って隣接する排気ガス流出通路71o内に流出し、残りの排気ガスは非接着領域NAZにおいて、最も外側の隔壁72omを通って空間81内に流出する。
更に、図5に示される実施例では、接着領域AZの上流縁はハニカムセグメント24sの上流端にほぼ一致し、非接着領域NAZの下流端はハニカムセグメント24sの下流端にほぼ一致している。別の実施例では、接着領域AZの上流縁はハニカムセグメント24sの上流端よりも下流側に位置する。
更に、図5に示される実施例では、接着領域AZの上流端はコート領域CZの上流端にほぼ一致する。別の実施例では、接着領域AZの上流端はコート領域CZの上流端よりも上流側又は下流側に位置する。また、図5に示される実施例では、接着領域AZの下流端はコート領域CZの下流端よりも下流側に位置する。別の実施例では、接着領域AZの下流端はコート領域CZの下流端よりも上流側に位置し又はほぼ一致する。
したがって、長手方向L−Lに関し接着領域AZがコート領域CZと少なくとも部分的に重なっているということになる。特に図5に示される実施例では、長手方向L−Lに関し接着領域AZがコート領域CZの全部と重なっている。
また、図5に示される実施例では、排気ガス流入通路71i同士が互いに隣接しかつ排気ガス流出通路71o同士が互いに隣接するように互いに隣接する2つのハニカムセグメント24s,24sが互いに接着される。別の実施例では、排気ガス流入通路71iと排気ガス流出通路71oとが互いに隣接するようにハニカムセグメント24s,24sが互いに接着される。
さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ24上に捕集される。
また、排気ガス中にはアッシュも含まれており、このアッシュも粒子状物質と共にパティキュレートフィルタ24に捕集される。このアッシュは主として硫酸カルシウムCaSO、リン酸亜鉛カルシウムCa19Zn(PO14のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムCa,亜鉛Zn,リンP等は機関潤滑油に由来し、イオウSは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムCaSOを例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室2内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムCaが燃料中のイオウSと結合することにより硫酸カルシウムCaSOが生成される。
本願発明者らによれば、平均細孔径が10μmから25μm程度でコート層75を備えていない従来のパティキュレートフィルタ、言い換えるとアッシュがほとんど通過できないパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置した場合、粒子状物質は隔壁72の下流側部分よりも隔壁72の上流側部分に堆積する傾向にあり、アッシュは隔壁72の上流側部分よりも隔壁72の下流側部分に堆積する傾向にあることが確認されている。
そこで、本発明による実施例では、隔壁72の上流側にコート領域CZを設け、隔壁72の下流側に非コート領域NCZを設けている。その結果、図6A及び図6Bに示されるように、粒子状物質90が上流側のコート領域CZにおいてコート層75に捕集され、アッシュ91が下流側の非コート領域NCZにおいて隔壁72及び最も外側の隔壁72omを通過してそれぞれ排気ガス流出通路71o及び空間81に流出する。したがって、粒子状物質がパティキュレートフィルタ24を通過するのを抑制しつつ、アッシュがパティキュレートフィルタ24に堆積するのを抑制することができる。言い換えると、粒子状物質を確実に捕集しつつパティキュレートフィルタ24の圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。
燃焼室2では酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁3及び燃料添加弁27から燃料が2次的に供給されない限り、パティキュレートフィルタ24は酸化雰囲気にある。また、コート層75は酸化機能を有する材料から構成される。その結果、コート層75に捕集された粒子状物質は順次酸化される。
上述したように、接着領域AZは長手方向L−Lに関しコート領域CZと重なっており、接着剤80の熱容量は排気ガスの熱容量よりも大きい。その結果、コート領域CZの温度を高く維持することができ、コート領域CZに捕集された粒子状物質の酸化を促進することができる。したがって、パティキュレートフィルタ24の圧力損失が低く維持される。
しかも、非接着領域NAZすなわち空間81が設けられているので、排気ガスが最も外側の隔壁72omを通過して空間81内に流出することができる。したがって、パティキュレートフィルタ24の圧力損失が更に低く維持される。
これまで述べてきた本発明による実施例では、非コート領域NCZにコート層が設けられていない。別の実施例では、非コート領域NCZに、コート層75とは異なる別のコート層が設けられる。この場合、非コート領域NCZにおける隔壁72の平均細孔径は別のコート層が設けられた状態において、25μm以上50μm以下に設定される。別のコート層は例えば酸化機能を有する金属を担持した触媒コート層から形成される。その結果、非コート領域NCZに到達した粒子状物質を容易に酸化除去することができる。
1 機関本体
21 排気管
24 パティキュレートフィルタ
24s ハニカムセグメント
72 隔壁
75 コート層
80 接着剤
CZ コート領域
NCZ 非コート領域
AZ 接着領域
NAZ 非接着領域

Claims (2)

  1. 排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタであって、
    複数のハニカムセグメントを備え、各ハニカムセグメントは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、長手方向L−Lに関し、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されており、
    互いに隣接するハニカムセグメント同士の間に、長手方向L−Lに関し、これらハニカムセグメントを互いに接着する接着剤が設けられた接着領域と、接着領域の下流側においてこれらハニカムセグメントが互いに離間している非接着領域とが区画され、
    長手方向に関し接着領域がコート領域と少なくとも部分的に重なっている、
    パティキュレートフィルタ。
  2. 長手方向に関し接着領域がコート領域のほぼ全部と重なっている請求項1に記載のパティキュレートフィルタ。
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