JP2021050710A

JP2021050710A - フィルタ

Info

Publication number: JP2021050710A
Application number: JP2019175528A
Authority: JP
Inventors: 直水上; Sunao Mizukami
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01

Abstract

【課題】排気下流側の端部が目封じされた第１セル内に、排気中の粒子状物質に含まれる成分が堆積した場合でも、排気浄化性能の低下を抑制できるフィルタを提供する。【解決手段】粒子状物質を捕集するためのフィルタ１００であって、排気下流側の端部が目封じされた第１セル１と、排気上流側の端部が目封じされた第２セル２と、排気上流側及び排気下流側の両端部が目封じされた第３セル３と、第１セル１、第２セル２及び第３セル３を仕切る多孔質の隔壁４と、隔壁４の表面に担持された触媒５と、を備え、第３セル３は、断面における第１辺３ｅ1において第１セル１に隣接し、断面における第２辺３ｅ2において第２セル２に隣接する。【選択図】図４

Description

本発明は、フィルタ、特に、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタに関するものである。

排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するためのフィルタとしては、排気下流側の端部が目封じされた第１セルと、排気上流側の端部が目封じされた第２セルと、第１セル及び第２セルを仕切る多孔質の隔壁と、を備えたフィルタが知られている。

このフィルタでは、第１セル及び第２セルが互い違いに市松状になるように配置される。また、隔壁の表面には、排気を浄化するための触媒（例えば、選択還元型ＮＯｘ触媒）が担持される場合がある。

特開２００７−２８９９２６号公報

しかしながら、上記のフィルタにおいては、排気中の粒子状物質に含まれる成分、例えば、エンジンオイルに由来する灰分（Ａｓｈ）が、第１セル内に堆積し易い。このような成分が堆積した部分では、触媒が排気を浄化できなくなる可能性がある。その結果、フィルタにおける排気浄化性能が低下する虞がある。

そこで、本開示の目的は、上記課題を解決して、排気下流側の端部が目封じされた第１セル内に、排気中の粒子状物質に含まれる成分が堆積した場合でも、排気浄化性能の低下を抑制できるフィルタを提供することにある。

本開示の一態様によれば、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタであって、排気下流側の端部が目封じされた第１セルと、排気上流側の端部が目封じされた第２セルと、排気上流側及び排気下流側の両端部が目封じされた第３セルと、前記第１セル、前記第２セル及び前記第３セルを仕切る多孔質の隔壁と、前記隔壁の表面に担持された触媒と、を備え、前記第１セル、前記第２セル及び前記第３セルは、多角形の断面形状を有し、前記第３セルは、断面における第１辺において前記第１セルに隣接し、断面における第２辺において前記第２セルに隣接することを特徴とするフィルタが提供される。

また、前記第１セル及び前記第２セルは、断面における辺同士において互いに隣接しないことが好ましい。

また、前記触媒は、選択還元型ＮＯｘ触媒であることが好ましい。

本開示によれば、排気下流側の端部が目封じされた第１セル内に、排気中の粒子状物質に含まれる成分が堆積した場合でも、排気浄化性能の低下を抑制できるフィルタを提供できる。

フィルタを用いた排気浄化装置の全体を示す概略構成図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図２のＩＶ部を示す拡大断面図である。フィルタの効果を示す断面図である。図５の一部のセルを抽出した断面図である。比較例を示す断面図である。変形例を示す拡大断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本開示の実施形態を説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。また、図中に示す上下前後左右の各方向は、説明の便宜上定められたものに過ぎないものとする。

先ず、図１を参照して、本実施形態に係るフィルタ１００を用いた排気浄化装置１０の全体構成を説明する。図中、点線矢印Ｇは、排気の流れを示す。

図１に示すように、排気浄化装置１０は、内燃機関Ｅからの排気を後処理するための後処理装置である。

内燃機関Ｅは、車両（不図示）に搭載された多気筒のディーゼルエンジンである。但し、内燃機関Ｅの種類、形式、気筒数等は任意であって良く、例えば、ガソリンエンジンであっても良い。内燃機関Ｅには、各気筒（不図示）から排出される排気を集合させる排気マニホールドＥｍが設けられる。

排気浄化装置１０は、排気管１１と、排気管１１の途中に設けられた第１触媒ケーシング１２、第２触媒ケーシング１３、排気管インジェクタ１４及び尿素水添加弁１５と、第１触媒ケーシング１２内に設けられた酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）２０と、第２触媒ケーシング１３内に設けられたフィルタ１００と、を備える。なお、一点鎖線Ｃは、排気管１１、第１触媒ケーシング１２、第２触媒ケーシング１３、ＤＯＣ２０及びフィルタ１００の中心軸を表す。

排気管１１は、排気マニホールドＥｍに接続され、排気マニホールドＥｍからの排気を下流方向に流して大気に放出する管である。

排気管１１には、上流側から順に、排気管インジェクタ１４、第１触媒ケーシング１２、尿素水添加弁１５、第２触媒ケーシング１３が設けられる。第１及び第２触媒ケーシング１２，１３は、排気管１１よりも拡径された拡径部１２ａ，１３ａを有する管部材である。

排気管インジェクタ１４は、第１触媒ケーシング１２よりも上流側の排気管１１内に、燃料を噴射するように構成される。尿素水添加弁１５は、第１触媒ケーシング１２よりも下流側で且つ第２触媒ケーシング１３よりも上流側の排気管１１内に、尿素水を噴射するように構成される。

排気管インジェクタ１４及び尿素水添加弁１５は、電子制御式の弁であり、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）により電子制御される。

ＤＯＣ２０は、円柱状に形成され、断熱緩衝マットＭ１を介して、第１触媒ケーシング１２の拡径部１２ａに同軸に内設される。図示しないが、ＤＯＣ２０は、コージェライト等の多孔質材料で形成された所謂フロースルー型のＤＯＣ担体に、白金Ｐｔ等の貴金属（酸化触媒）を担持して成る。

本実施形態のＤＯＣ２０は、排気中の未燃成分、特に、排気管インジェクタ１４から噴射された燃料に含まれる炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯを酸化して浄化すると共に、その酸化熱で排気を昇温するために用いられる。また、ＤＯＣ２０は、排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化し、排気中のＮＯ₂濃度を高める機能を有する。

フィルタ１００は、円柱状に形成され、断熱緩衝マットＭ２を介して、第２触媒ケーシング１３の拡径部１３ａに同軸に内設される。詳細は後述するが、フィルタ１００は、コージェライト等の多孔質材料で形成された所謂ウォールフロー型のフィルタ担体に、鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケート等のゼオライト（ＮＯｘ触媒）を担持して成る。

本実施形態のフィルタ１００は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するために用いられる。また、フィルタ１００は、ＤＯＣ２０で昇温された排気により、捕集したＰＭを燃焼除去する。また、本実施形態のフィルタ１００は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して浄化する機能を有する。
次に、図２〜図４を参照して、フィルタ１００の構造を詳しく説明する。図４は、図２のＩＶ部を示す拡大断面図である。

図２及び図３に示すように、フィルタ１００は、排気下流側の端部が目封じされた第１セル１と、排気上流側の端部が目封じされた第２セル２と、排気上流側及び排気下流側の両端部が目封じされた第３セル３と、第１セル１、第２セル２及び第３セル３を仕切る隔壁としてのフィルタ隔壁４と、を備える。また、図４に示すように、フィルタ１００は、フィルタ隔壁４の表面に担持された選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）５を備える。なお、図３において、符号Ｓは、各セル１，２，３の目封じ部を表し、符号Ｏ₁は、第１セル１の排気上流側の開口部を表し、符号Ｏ₂は、第２セル２の排気下流側の開口部を表す。また、符号６は、フィルタ１００の外周壁を表す。

フィルタ隔壁４は、外周壁６の径方向内側に形成される。フィルタ隔壁４は、フィルタ１００の軸方向に垂直な断面視において、縦方向及び横方向に並んだ井桁状ないし四角格子状に形成される。

図４に示すように、ＮＯｘ触媒５は、尿素水添加弁１５（図１を参照）から噴射された尿素水が排気中で加水分解されて生成されたアンモニア（ＮＨ₃）により、ＮＯｘを連続的に還元する。一方、図示しないが、フィルタ隔壁４には、アンモニア（ＮＨ₃）を含む排気を通過させ、且つＰＭを捕集する微細孔が形成される。

第１セル１、第２セル２及び第３セル３は、四角形の断面形状を有する。また、第１セル１、第２セル２及び第３セル３は、縦方向及び縦方向に整列して並べられる。

また、本実施形態では、図４中の二点鎖線で囲んだ領域Ｌ１に示すように、第３セル３（図示、左上セル）は、断面における第１辺３ｅ₁（図示、右辺）において第１セル１に隣接し、断面における第２辺３ｅ₂（図示、下辺）において第２セル２に隣接する。ここで、一般的に、断面における第１辺とは、断面における任意の一辺のことを言い、断面における第２辺とは、断面において第１辺とは異なる任意の一辺のことを言う。
また、本実施形態では、第１セル１及び第２セル２は、断面における全ての辺１ｅ，２ｅ同士において互いに隣接しない。

すなわち、第１セル１及び第２セル２は、縦方向及び横方向の並びにおいて、互いに隣接せず、第３セル３を介して接続される。なお、斜め方向の並びにおいては、第１セル１及び第２セル２は互いに隣接しているが、これは、各セルの頂点同士が近接しているだけであり、辺同士は隣接していない。

また、本実施形態では、第１セル１及び第２セル２同士だけでなく、同じ種類のセル１，２，３同士でも、それぞれの全ての辺において互いに隣接しない。そのため、例えば、本実施形態では、図２及び図３に示すように、縦方向及び横方向の並びにおいて、第１セル１及び第２セル２が、第３セル３を挟んで交互に配置され、第１セル１、第３セル３、第２セル２、第３セル３、第１セル１・・・の順に繰り返して並べられる。

本実施形態のフィルタ１００では、図３に点線矢印Ｇで示すように、排気は、第１セル１の排気上流側の開口部Ｏ₁から第１セル１内に導入された後、第１セル１のフィルタ隔壁４内を通過して第３セル３内に流れ込む。第３セル３内に流れ込んだ排気は、第３セル３のフィルタ隔壁４内を通過して第２セル２内に流れ込んだ後、第２セル２の排気下流側の開口部Ｏ₂から排出される。そして、排気中のＰＭは、排気が第１セル１のフィルタ隔壁４内を通過する際に捕集される。また、捕集されたＰＭは、ＤＯＣ２０で昇温された排気により燃焼除去される。

また、尿素水が排気中で加水分解されて生成されたアンモニア（ＮＨ₃）は、排気と共に第１セル１、第２セル２、第３セル３の順に流れる。これにより、各セル１，２，３内において、ＮＯｘ触媒５により排気中のＮＯｘが連続的に還元されて、排気が浄化される。

ところで、図示しないが、一般的なフィルタは、第３セルを備えずに、第１セル及び第２セルのみを互い違いに市松状に配置させて構成される。

しかしながら、第１セルは、排気上流側の端部が開口され、排気下流側の端部が目封じされているので、ＰＭに含まれる成分を堆積させ易い。特に、エンジンオイルに由来する灰分（Ａｓｈ）は、第１セル内の排気下流側の部分に多く堆積し、また、ＤＯＣで昇温された排気でも燃焼除去され難い。そして、灰分等の成分が堆積した部分では、排気及びアンモニア（ＮＨ₃）がＮＯｘ触媒に接触し難くなるので、ＮＯｘ触媒によりＮＯｘを還元できなくなる可能性がある。その結果、ＮＯｘを還元できる触媒の領域が、灰分が堆積していない第１セル内の上流側の部分と第２セル内だけに減少され、フィルタにおける排気浄化性能が低下する虞がある。

これに対して、図２及び図３に示したように、本実施形態のフィルタ１００は、第１セル１及び第２セル２だけでなく、第３セル３をも備える。

図４中の領域Ｌ１に示したように、第３セル３は、断面における第１辺３ｅ₁において第１セル１に隣接し、断面における第２辺３ｅ₂において第２セル２に隣接するので、第１セル１内に導入された排気及びアンモニア（ＮＨ₃）は、第３セル３を経由して第２セル２内に流れる。また、第３セル３は、第１セル１とはフィルタ隔壁４で仕切られており、且つ、排気上流側の端部が目封じされているので、灰分（Ａｓｈ）等の成分を堆積させ難い。

これにより、図４及び図５に示すように、第１セル１内の排気下流側の部分に灰分Ｘが堆積し、この部分でＮＯｘ触媒５が排気中のＮＯｘを還元できなくなった場合でも、第３セル３内のＮＯｘ触媒５により排気中のＮＯｘを還元できる。すなわち、本実施形態によれば、ＮＯｘを還元できる触媒の領域を、第３セル３内にまで増加できる。

よって、ＰＭに含まれる成分が第１セル１内に堆積した場合でも、フィルタ１００における排気浄化性能の低下を抑制できる。

ここで、図６は、図４における領域Ｌ１とこれに隣接する第３セル３とを含む領域を示す本実施形態の断面図である。また、図７は、図６における右下の第３セル３を第１セル１に置換した比較例を示す断面図である。

図７に示すように、この比較例では、右下の第１セル１と左下の第２セル２とが、断面における辺１ｅ，２ｅ同士において互いに隣接しているので、右下の第１セル１内に導入された排気及びアンモニア（ＮＨ₃）が、第２セル２内に直接流れてしまう。そのため、右下の第１セル１内に灰分等が堆積したときに、第３セル内の触媒により排気中のＮＯｘを還元できず、フィルタ１００における排気浄化性能が低下する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、図６に示すように、第１セル１及び第２セル２は、断面における全ての辺１ｅ，２ｅ同士において互いに隣接しない。そのため、第１セル１内に導入された排気及びアンモニア（ＮＨ₃）は、第２セル２内に直接流れずに、必ず第３セル３を経由する。これにより、第１セル１内に灰分等が堆積したときでも、第３セル３内の触媒により排気中のＮＯｘを確実に還元できるので、フィルタ１００における排気浄化性能の低下の抑制に有利である。

他方、上述した基本実施形態は、以下のような変形例またはその組み合わせとすることができる。下記の説明においては、上記の実施形態と同一または対応する構成要素に同じ符号を用い、それらの詳細な説明は省略する。

（第１変形例）
第１セル１、第２セル２及び第３セル３の断面形状は、四角形以外の多角形（例えば、三角形、六角形）であっても良い。

具体的には、図８に示すように、第１変形例では、フィルタ１００の軸方向に垂直な断面視において、フィルタ隔壁４が三角格子状に形成されており、第１セル１、第２セル２及び第３セル３が三角形の断面形状を有する。そして、上下反転した第１セル１、第２セル２及び第３セル３が、交互に上限反転しながら縦方向及び縦方向に並べられる。

また、第１変形例では、図８中の二点鎖線Ｌ２で囲んだ領域に示すように、第３セル３（図示、左上セル）は、断面における第１辺３ｅ₁（図示、右上辺）において第１セル１に隣接し、断面における第２辺３ｅ₂（図示、下辺）において第２セル２に隣接する。また、第１セル１及び第２セル２は、断面における全ての辺１ｅ，２ｅ同士において互いに隣接しない。よって、第１変形例によれば、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第２変形例）
図示しないが、フィルタ隔壁の表面に担持される触媒は、任意の種類であって良く、例えば、酸化触媒であっても良い。

具体的には、第２変形例では、フィルタ隔壁の表面に酸化触媒としての白金Ｐｔ等の貴金属が担持される。これにより、図１に示したＤＯＣ２０と同様の機能をフィルタに持たせることができる。

（第３変形例）
第１セル及び第２セルについては、許容範囲内であれば、断面における辺同士において互いに隣接する箇所があっても良い。また、同じ種類のセル同士（例えば、第３セル同士）についても、断面における辺同士において互いに隣接する箇所があって良い。

例えば、第３変形例では、縦方向及び横方向並びにおいて、一部の第１セル及び第２セルが互いに隣接して配置され、第１セル、第２セル、第３セル、第１セル、第２セル、第３セル、第１セル・・・の順に繰り返して並べられる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態は上述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って、本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１第１セル
２第２セル
３第３セル
４フィルタ隔壁（隔壁）
５選択還元型ＮＯｘ触媒（触媒）
１００フィルタ
Ｅ内燃機関
Ｇ排気

Claims

内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタであって、
排気下流側の端部が目封じされた第１セルと、
排気上流側の端部が目封じされた第２セルと、
排気上流側及び排気下流側の両端部が目封じされた第３セルと、
前記第１セル、前記第２セル及び前記第３セルを仕切る多孔質の隔壁と、
前記隔壁の表面に担持された触媒と、を備え、
前記第１セル、前記第２セル及び前記第３セルは、多角形の断面形状を有し、
前記第３セルは、断面における第１辺において前記第１セルに隣接し、断面における第２辺において前記第２セルに隣接する
ことを特徴とするフィルタ。
前記第１セル及び前記第２セルは、断面における辺同士において互いに隣接しない
請求項１記載のフィルタ。
前記触媒は、選択還元型ＮＯｘ触媒である
請求項１または２記載のフィルタ。