JP2021001554A

JP2021001554A - フィルタ装置

Info

Publication number: JP2021001554A
Application number: JP2019114292A
Authority: JP
Inventors: 智也小澤; Tomoya Ozawa; 翔太向来; Shota Korai; 裕人矢島; Hiroto Yajima
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2021-01-07

Abstract

【課題】圧力損失の低減をする。【解決手段】フィルタ装置２１０は、排気ガスに含まれる粒子状物質３４２を捕捉しつつ排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁３１４で区画された複数のセルを有するフィルタユニットと、複数のセルのうち、第１セル群に分類される第１セル３１６Ａにおける排気ガスの流れ方向上流側の上流開口部を封止する上流封止部３２０と、複数のセルのうち、第１セル群のセルに隣接する第２セル群に分類される第２セル３１６Ｂにおける排気ガスの流れ方向下流側の下流開口部を封止する下流封止部３３０と、隣り合う第２セル３１６Ｂ同士を連通する連通孔３４０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に関する。

エンジンから排気された排気ガスに含まれる、Ｓｏｏｔ（煤、カーボンスート）やオイル由来のアッシュ等の粒子状物質を取り除く車両用のフィルタ装置として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１３０２３１号公報

ところで、フィルタ装置は、エンジンの稼働時間（排気ガスの通過時間）が増加するに従って、フィルタ壁における粒子状物質の蓄積量が増加し、圧力損失が高くなってしまう。

そこで、本発明は、圧力損失の低減をすることが可能なフィルタ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のフィルタ装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁で区画された複数のセルを有するフィルタユニットと、前記複数のセルのうち、第１セル群に分類される第１セルにおける前記排気ガスの流れ方向上流側の上流開口部を封止する上流封止部と、前記複数のセルのうち、前記第１セル群のセルに隣接する第２セル群に分類される第２セルにおける前記排気ガスの流れ方向下流側の下流開口部を封止する下流封止部と、隣り合う前記第２セル同士を連通する連通孔と、を備える。

また、前記第２セルのうち、最も鉛直下方に位置する前記第２セルに接続される貯留部を備えてもよい。

また、前記連通孔は、前記下流封止部に隣接して設けてもよい。

また、所定の第１セルと隣り合う前記第１セルの数よりも、前記所定の第１セルと隣り合う前記第２セルの数が多くてもよい。

本発明によれば、圧力損失の低減をすることが可能となる。

エンジンシステムの構成を示す概略図である。本実施形態のフィルタ装置の構成を示す概略図である。本実施形態のフィルタ装置を説明するための概略断面図である。本実施形態のフィルタ装置と、比較例のフィルタ装置との圧力損失を説明する図である。第１の変形例におけるフィルタ装置を説明するための概略断面図である。第２および第３の変形例におけるフィルタ装置を説明するための概略図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。

また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラ１４２が連通され、排気路１４０に、後述する三元触媒２００、および、フィルタ装置２１０が設けられる。

エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。

エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。

これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。

ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２として機能する。

信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号に基づいて、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。

空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。

噴射量決定部１８６は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量に基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。

点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。

駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。

このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになる。排気ガスには、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に三元触媒２００およびフィルタ装置２１０を設けておき、三元触媒２００において、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去（浄化）し、フィルタ装置２１０において粒子状物質を除去する。

三元触媒（Three-Way Catalyst）２００は、排気路１４０内に設けられる。三元触媒２００は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を担持した担体で構成され、排気ポート１３６から排出された排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を浄化（除去）する。

フィルタ装置２１０は、排気路１４０内における三元触媒２００の下流側に設けられ、排気ポート１３６から排気された排気ガス中の粒子状物質を捕捉する。

図２は、本実施形態のフィルタ装置２１０の構成を示す概略図である。図２（ａ）は、フィルタ装置２１０の斜視図を示し、図２（ｂ）はフィルタ装置２１０の正面図を示している。また、図３は、本実施形態のフィルタ装置２１０を説明するための概略断面図であり、図２（ｂ）中のＡ−Ａ断面を示している。なお、図２（ａ）中、排気ガスの流れを白抜き矢印で示す。また、図３中、排気ガスの流れを実線の矢印で示す。また、本実施形態にかかる図２、３では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸（排気ガスの流れ方向、排気路１４０の延在方向）、Ｚ軸を図示の通り定義している。なお、図２、３において、理解を容易にするために、外筒３１２に対してセル３１６を大きく示す。

フィルタ装置２１０は、フィルタユニット３１０と、上流封止部３２０と、下流封止部３３０とを含んで構成される。

フィルタユニット３１０は、円筒形状の外筒３１２と、排気ガスを通過させるフィルタ壁３１４とを含んで構成される。外筒３１２は、例えば、セラミックで構成される。外筒３１２（フィルタユニット３１０）の図２中Ｙ軸方向の長さは、例えば、１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度である。

フィルタ壁３１４は、例えば、セラミックで構成される。フィルタ壁３１４には、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ排気ガスを通過させる孔が複数形成されている。そして、図２（ｂ）に示すように、フィルタ壁３１４によって囲繞され、断面形状が六角形に形成された空間がセル３１６としてそれぞれ形成される。

複数のセル３１６は、外筒３１２（フィルタユニット３１０）内において、軸方向（図２中、Ｙ軸方向）に延在するとともに、軸方向と直交する方向（図２中、Ｘ軸方向およびＺ軸方向）に規則的に配されるハニカム構造を呈している。なお、セル３１６の数に限定はないが、例えば、３００セル／インチ^２程度である。

また、図３に示すように、フィルタ装置２１０では、第１セル群に分類される第１セル３１６Ａと、第２セル群に分類される第２セル３１６Ｂとが配置される。上流封止部３２０は、図３に示すように、第１セル群に分類される第１セル３１６Ａの上流側の上流開口部３１８ａを封止する。

また、下流封止部３３０は、第１セル３１６Ａ以外の（第２セル群に分類される）第２セル３１６Ｂの下流側の下流開口部３１８ｂを封止する。

本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、フィルタユニット３１０には、中心に下流封止部３３０が設けられ、その周囲を上流封止部３２０が囲み、そのさらに外周を下流封止部３３０が囲むように規則的に配置されている。このように、上流封止部３２０と下流封止部３３０が順々に、中心の下流封止部３３０を囲むように配置されている。ただし、中心の下流封止部３３０から、鉛直下方に位置するセル３１６には、すべて下流封止部３３０が配置されている。

換言すると、中心に第２セル３１６Ｂが設けられ、その周囲を第１セル３１６Ａが囲み、そのさらに外周を第２セル３１６Ｂが囲むように規則的に配置されている。このように、第１セル３１６Ａと第２セル３１６Ｂが順々に、中心の第２セル３１６Ｂを囲むように配置されている。そして、中心の第２セル３１６Ｂから、鉛直下方に位置するセル３１６には、すべて第２セル３１６Ｂが配置されている。

上記のような配列をとることによって、例えば、図２（ｂ）の位置Ｐの第２セル３１６Ｂは、隣り合う第２セル３１６Ｂの数（２つ）よりも、隣り合う第１セル３１６Ａの数（４つ）を多くすることができるため、排気ガスに含まれる粒子状物質を効率よく捕捉することが可能となる。

フィルタユニット３１０に到達した排気ガスは、第２セル３１６Ｂに導入され、第２セル３１６Ｂを区画するフィルタ壁３１４を通過して、隣接する第１セル３１６Ａに導入される。この際、フィルタ壁３１４の通過過程において、排気ガスに含まれる粒子状物質がフィルタ壁３１４で捕捉されることとなる。そして、第１セル３１６Ａに導入された排気ガスは、第１セル３１６Ａの下流開口部３１８ｂを通じてマフラ１４２（図１参照）に導かれることとなる。

また、図３に示すように、第２セル３１６Ｂのフィルタ壁３１４には、隣り合う第２セル３１６Ｂ同士を連通する連通孔３４０が形成されている。連通孔３４０は、下流封止部３３０の近傍に配置されている。また、連通孔３４０の開口面積は、フィルタ壁３１４に堆積する粒子状物質３４２の断面積よりも大きく形成されている。これにより、第２セル３１６Ｂ内を流通する排気ガスに押し流されて下流側へと到達した粒子状物質３４２は、連通孔３４０を通って、自重により鉛直下方へと落下することとなる。連通孔３４０を通って鉛直下方へと落下した粒子状物質３４２は、最も鉛直下方側に位置する第２セル３１６Ｂに溜まる。以上のように、各第２セル３１６Ｂにおいて堆積するはずであった粒子状物質３４２を、各第２セル３１６Ｂ内から排出することによって、フィルタ装置２１０の圧力損失の上昇を抑制することが可能となるとともに、フィルタ装置２１０の寿命を延ばすことも可能となる。

なお、図３では、第２セル３１６Ｂ同士が上下方向に並んだ場合について示したため、第２セル３１６Ｂの底面に連通孔３４０が設けられているが、連通孔３４０は隣り合う第２セル３１６Ｂ同士を連通する位置、すなわち、隣り合う第２セル３１６Ｂに接する面に設けられていればよい。

図４は、本実施形態のフィルタ装置２１０と、比較例のフィルタ装置との圧力損失を説明する図である。なお、図４中、フィルタ装置２１０を実線で示し、比較例１を破線で示す。また、比較例１は、各セルの断面形状が正方形であり、上流封止部と下流封止部とが市松模様を呈するように交互に配置されたフィルタ装置である。

比較例１は、図４に示すように、走行距離が増加するに従って、フィルタ壁への粒子状物質の蓄積量が増加し、圧力損失が増加する。

これに対し、本実施形態のフィルタ装置２１０は、走行距離の増加に伴うフィルタ壁３１４への粒子状物質の蓄積量の増加による圧力損失の上昇幅は、比較例１よりも小さくなる。

以上説明したように、本実施形態のフィルタ装置２１０によれば、圧力損失を低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

（第１の変形例）
図５は、第１の変形例におけるフィルタ装置１２１０を説明するための概略断面図である。図５中、排気ガスの流れを実線の矢印で示す。なお、上記実施形態のフィルタ装置２１０と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

フィルタ装置１２１０は、最も鉛直下方に位置する第２セル３１６Ｂの外筒３１２に開口部１３４０が形成されている。開口部１３４０には貯留部１３４４が接続されている。貯留部１３４４には、各第２セル３１６Ｂ内から排出され、連通孔３４０を介して落下してきた粒子状物質３４２が貯留される。

例えば、貯留部１３４４を取り外し可能に構成すれば、メンテナンス時に貯留部１３４４内部に溜まった粒子状物質３４２を簡単に処理することも可能となる。

（第２および第３の変形例）
図６は、第２および第３の変形例におけるフィルタ装置２２１０、３２１０を説明するための概略図である。上記実施形態および第１の変形例では、セル３１６の断面形状が六角形である場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、セルの断面形状は、任意の多角形あるいは円形としてもよい。以下に、セルの断面形状が四角形（正方形）である場合の変形例について示す。

第２の変形例におけるフィルタ装置２２１０では、中心に下流封止部３３０が設けられ、その周囲を上流封止部３２０が囲み、そのさらに外周を上流封止部３２０が囲むように規則的に配置されている。ただし、中心の下流封止部３３０から、鉛直下方に位置するセル３１６には、すべて下流封止部３３０が配置されている。

また、第３の変形例におけるフィルタ装置３２１０では、上記フィルタ装置２２１０におけるセル３１６と同じ形状のセル３１６を４５度回転させて配置している。そして、中心に下流封止部３３０が設けられ、その周囲を上流封止部３２０が囲み、そのさらに外周を上流封止部３２０が囲むように規則的に配置されている。ただし、中心の下流封止部３３０、および、中心の下流封止部３３０の図中右斜め下に位置するセル３１６から、鉛直下方に位置するセル３１６には、すべて下流封止部３３０が配置されている。

本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に利用できる。

２１０、１２１０、２２１０、３２１０フィルタ装置
３１０フィルタユニット
３１２外筒
３１４フィルタ壁
３１６セル
３１６Ａ第１セル
３１６Ｂ第２セル
３２０上流封止部
３３０下流封止部
３４０連通孔
３４２粒子状物質
１３４０開口部
１３４４貯留部

Claims

排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁で区画された複数のセルを有するフィルタユニットと、
前記複数のセルのうち、第１セル群に分類される第１セルにおける前記排気ガスの流れ方向上流側の上流開口部を封止する上流封止部と、
前記複数のセルのうち、前記第１セル群のセルに隣接する第２セル群に分類される第２セルにおける前記排気ガスの流れ方向下流側の下流開口部を封止する下流封止部と、
隣り合う前記第２セル同士を連通する連通孔と、
を備えるフィルタ装置。
前記第２セルのうち、最も鉛直下方に位置する前記第２セルに接続される貯留部を備える請求項１に記載のフィルタ装置。
前記連通孔は、前記下流封止部に隣接して設けられる請求項１または２に記載のフィルタ装置。
所定の第１セルと隣り合う前記第１セルの数よりも、前記所定の第１セルと隣り合う前記第２セルの数が多い請求項１から３のいずれか一項に記載のフィルタ装置。