JP3147372B2 - 排気ガス微粒子捕集用フィルタ - Google Patents

排気ガス微粒子捕集用フィルタ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はディーゼルエンジン等の燃焼機構より排出さ
れる排気ガス微粒子捕集用フィルタに関する。
〔従来の技術〕
ディーゼルエンジンの排気管には、排気ガス中のカー
ボン粒子等の微粒子を捕集して浄化する浄化装置が設け
られており、その一例を第16図で説明する。
図において、捕集用フィルタ１はハニカム構造を有す
る筒体で、セル壁12（第17図）で仕切られた多数のセル
11を有するとともに、隣接するセル11は上流側と下流側
の端部が交互に閉鎖されている。しかして、フィルタ１
の上流側より至った排気ガスは、上流側へ開口するセル
11内へ流入し、セル壁12の多孔部を通過して隣接するセ
ル11より下流側へ流出する。この時、排気ガス中に含ま
れるカーボン微粒子は上記セル壁12で通過を阻まれてこ
こに捕集され堆積する。
微粒子の堆積が進行すると通気抵抗が増加し、フィル
タ１の前後差圧が増大してエンジンの出力低下を招くた
め、堆積微粒子を周期的に除去する必要がある。そこ
で、例えばフィルタ１の上流側端面に、ヒータ５を設け
て捕集微粒子を加熱燃焼せしめて除去している。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、この燃焼浄化時に、上記捕集フィルタの特
に中心部温度が過度に上昇するとともに、比較的低温の
外周部との間に大きな温度勾配を生じて、熱損傷すると
いう問題があり、また、低温の上記外周部では堆積微粒
子が燃え残り、完全な浄化ができないことがあった。
これを第18図に示し、図中実線はフィルタ１の中心部
領域（第16図の符号14）温度の経時変化、破線は外周部
領域（第16図の符号15）温度の経時変化を示すものであ
る。この場合の中心部領域の最高温度T1は、フィルタ１
に損傷を与える程に上昇する場合があり、また、外周部
領域との大きな温度差ΔT1（約300℃程度）により温度
勾配も過度なものとなっている。なお、外周部領域の温
度が低いのは、フィルタ収納容器３の管壁を経て外部へ
放散され易いからである。
かかる問題のうち、中心部領域での温度上昇を解決す
る試みが例えば実開昭59−152119号公報に開示されてお
り、これはフィルタ中心部領域のセル壁厚を所定の中間
位置を境に外周部領域のそれよりも段状に厚くして、熱
容量を大きくし、温度の急激な上昇を防ぐことを狙った
ものである。しかしながら、これによるとセル壁厚が段
状に変化する部分で熱容量が大きく変わるため、温度差
を生じてしまい、却ってこの部分で熱損傷が生じ易いと
いう問題がある。
本発明はかかる課題を解決するもので、微粒子捕集用
フィルタの再生時の損傷を有効に防止し得るとともに、
フィルタ外周部領域における再生不良も生じない排気ガ
ス微粒子捕集用フィルタを提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、かかる目的を達成するため、請求項１に記
載の発明は、互いに隣接関係にあり、排気ガスが通過し
横断面形状が同一の多数のセルと、該多数のセルを隔離
するとともに、該多数のセルを連通する多数の孔部を有
したセル壁と、前記多数のセルの両端部分に位置し、前
記セルの一端から該セル内に流入した排気ガスが前記セ
ル壁の前記孔部を介して隣りのセルに流出して前記セル
の他端から排出されるようにした閉塞部と、を具備した
排気ガス微粒子捕集用フィルタにおいて、該閉塞部は前
記両端部分の外周領域に比べて中心領域の前記セルに流
入する排気ガスの量が少なくなるようなパターンに配置
されており、かつ前記中心領域の前記セル内には排気ガ
スの流入が確保されているという技術的手段を採用する
ものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフィルタ
において、前記外周領域から前記中心領域に向かって順
次前記閉塞部のセル数を増大するようにしたという技術
的手段を採用するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のフィルタ
において、前記中心領域では９つのセルを１つのユニッ
トとして１ユニット毎に交互に前記閉塞部を配置し、前
記外周領域では１つのセル毎に交互に前記捕集部を配置
したという技術的手段を採用するものである。
〔作用〕
請求項１に記載の発明では、多数のセルの両端部に位
置した閉塞部は、該両端部分の外周領域に比べて中心領
域のセルに流入する排気ガスの量が少なくなるように配
置されているため、排気ガスはフィルタにおける外周領
域に多くの量が流れることになる。
従って、フィルタへの微粒子の堆積量は、該フィルタ
の外周領域が多く、中心領域が少ない態様となる。
請求項２に記載の発明では、微粒子の堆積量の分布を
フィルタの中心から外周に向けて徐々に変更することが
でき、該フィルタの径方向の温度勾配を小さくすること
ができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２と同様に、
微粒子の堆積量の分布をフィルタの中心と外周とで所定
の比率に設定できる。
〔発明の効果〕
このように、請求項１に記載の発明によれば、微粒子
の堆積パターンを中心に比べて外周領域を多くすること
ができるから、この微粒子の燃焼時においては、フィル
タの外周領域で温度が上昇し、中心領域では温度丞相が
抑えられる。従って、その両領域の温度差が小さくな
り、温度勾配も小さくなってフィルタの損傷を効果的に
抑制できる。また、フィルタ外周領域の微粒子の燃えの
残りをも抑制できる。
更に、セル横断面形状を同一形状としているため、該
セルを隔離するセル壁の厚みは他のセル壁と同一とな
る。このことは、フィルタ再生時の該フィルタの外周領
域と中心領域との間の温度勾配を一層小さくすることが
でき、従ってフィルタ外周領域に比べて中心領域のセル
に流入する排気ガスの量を少なくするように閉塞部をフ
ィルタに配置したことと、上記のセル横断面形状を同一
にしてセル壁の厚みを全体に渡って同一にしたこととが
相俟って、フィルタ中心領域の過度な温度上昇をより一
層回避することができ、フィルタの熱損傷を効果的に防
止できる。
また、セル横断面形状を同一にし、且つ閉塞部のパタ
ーンを変えることで外周領域と中心領域への排気ガス流
量を調整することができるため、セル形状を変えること
で排気ガス流量を調整する必要がなく、従ってフィルタ
は従来の押出しダイスで簡単に製造することができる
し、閉塞部の配置パターンを調整することで上記の排気
ガス流量の設定も容易にできる。
また、フィルタの中心領域も排気ガスの流入量が少な
いものの、該中心領域にも排気ガスが流入するため、フ
ィルタの微粒子捕集時における排気圧損を小さくするこ
とができるし、更にフィルタ再生のインターバルが長く
なる。
更に、請求項２及び３によれば、フィルタの熱損傷を
より効果的に防止できる。
〔実施例〕
以下、本発明を図に示す実施例により3.発明の詳細な
説明に説明する。第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）〜第３
図（Ａ），（Ｂ）において、１はフィルタ、11はそのフ
ィルタ１の軸方向に延びかつ互いに隣接配置された多数
のセルで、断面を正方形の形状を有している。12はセル
11を隔離するためのセル壁であり、このセル壁12には第
２図に示すように多数の孔部121が形成されている。こ
の孔部121によって、互いに隣接したセル11は互いに連
通している。この孔部121は自動車ディーゼルエンジン
より排出される排気ガス中のカーボン微粒子は通さない
が、排気ガスは通すことができる程度の数μ・ｍオーダ
の大きさを有している。
上記フィルタ１は公知のハニカム押出成形ダイスから
例えばコージェライ系セラミック材料を押出してこの押
出し物を燃結することで製造される。従って、セル11,
セル壁12は全て一体構造とされている。
13は閉塞部であり、コージェライトの他に、例えばス
ミセラム、アロンセラミック（以上商品名）等のセラミ
ック接着剤をセル中に充填することにより構成されてい
る。この閉塞部13は、セル11の両端開口部分に位置して
いて、この閉塞部13の存在によって、セル11内に入った
排気ガスがそのまま該セル11を通過して排出されること
なく、セル壁12の孔部121を通って隣りのセル11内に流
れ、そして該セル11から排出される。従って、閉塞部13
は第３図（Ｂ）に見られるように多数のセル11の両端開
口部分においては隣り合うセル11毎に交互に位置してい
る。
本実施例では、閉塞部13の配置パターンは次のパター
ンとしてある。即ち、フィルタ１の中心部領域14とその
外周部領域15の閉塞部13のパターンを、外周部領域15で
は第１図（Ｃ）のごとく隣り合う１つのセル毎に交互に
閉塞部13を配置し、中心部領域14では第１図（Ｂ）のご
とく、４つのセル11を１つのユニットとして、隣り合う
４つのセル毎に閉塞部13を交互に配置している。なお、
勿論、第３図（Ｂ）に示すように閉塞部13が配置された
セル11の他端は開放されており、逆に閉塞部13が配置さ
れていないセル11の他端は閉塞部13が配置され、排気ガ
スがセル壁12を通過する際にカーボン微粒子をセル壁面
で捕集するような構成となっている。
このような閉塞部13の配置パターンでは、中心部領域
14,外周部の領域15の排気ガス通過面積は、幾何学的に
はそれぞれ単位断面積当り、 となる。従って、外周部領域15は中心部領域14の２倍の
通過面となる。従って、外周部領域15は中心部領域14の
２倍の通過面積となる。
第４図は実験結果を示すもので、再生時のフィルタ１
の径方向の温度分布を測定した結果である。テスト品は
直径140mm、軸長さ130mm、容積２、セル数150、セル
壁0.45mmの寸法を有し、セルには全て１つおきに閉塞部
が配置されている。
フィルタ１の半径を１とした場合、中心から外周に向
かって半径の0.6程度の部分までは、フィルタ１の中心
部と大きな温度差がないが、それより外周部では容器２
（第３図（Ａ），（Ｂ）を介して熱が逃げるため、急激
な温度低下をきたすことがわかる。これにより、カーボ
ン微粒子の着火温度以下にまで冷却された部分では燃え
残ってしまう。なお、温度はフィルタに挿通、配置した
温度センサで測定した。
従って、このような場合には、第１図（Ａ）におい
て、フィルタ１の半径の0.6〜0.7を境にしてそれよりも
外側の部分と内側の部分との閉塞部13の配置パターンを
変更すればよい。例えば、第１図（Ａ）においては上記
テスト品と同じ寸法を有し、かつ中心部領域14は直径10
0mm程度がよい。
ところで、かかる微粒子捕集用フィルタ１の上流側端
面には、第５図に示す如くヒータ5A〜5Eが設けてあり、
このヒータとしては導電性セラミックやニクロム線等が
使用できる。これらヒータ5A〜5Eはフィルタ端面の中心
部領域14と、外周部領域15の四つの区画にそれぞれ配設
されて、外部の通電回路６に至っている（ヒータ5A、5E
の配線のみ図示）。
通電回路６は、最初にヒータ5Aに通電し、この後、順
次ヒータ5B〜5Dへ通電する。そして、フィルタ外周部領
域15の微粒子を燃焼せしめて再生が終了した後、ヒータ
5Eへ通電したフィルタ中心部領域14の微粒子を燃焼せし
める。
本発明者の実験によると、フィルタ上に堆積した微粒
子の重量と再生時のフィルタ内温度（ピーク値）、およ
び再生率（堆積重量の減少割合）とは大きな相関があ
り、第７図に示すように、堆積量が多いほど再生率は高
いが、フィルタ内温度も高くなり、クラックの発生、或
いは溶損に至る場合があり、逆に堆積量が少ないと、フ
ィルタ内温度は低く抑えられるが、特に熱の逃げ易い外
周部で微粒子の着火温度に至らず、燃え残ってしまうこ
とがわかった。このことから、熱が逃げにくく高温に至
りやすい中心部では堆積量を少なく、逆に熱が逃げて燃
え残りを生じ易い周辺部では堆積量を多くしてやればよ
いことがわかる。
本実施例によれば第３図（Ｂ）のように、フィルタ１
の中心部領域14の通過面積が外周部領域15に比べ少なく
なり、これにより外周部領域15への排気ガス通過量が多
く、従って堆積量が多くなる。そして外周部領域15には
既述の如く、多量の微粒子が捕集されているから、容易
に着火燃焼し、速やかにフィルタ再生がなされる。そし
て、上記外周部領域15の燃焼熱が加わった状態で中心部
ヒータ5Eに通電するから、フィルタ中心部領域14の捕集
微粒子が少なくても良好に着火し、速やかな燃焼がなさ
れる。
そして、この燃焼再生時に、フィルタ外周部領域15で
は捕集微粒子量が多いから、燃焼温度は上昇し、一方、
フィルタ中心部領域14では捕集微粒子量が少ないことに
より燃焼温度は下降する。しかして、第６図に示す如
く、再生時のフィルタ中心部領域の温度（図中実線）と
外周部領域温度（図中破線）の差ΔT2は小さくなり、か
つ上記中心部領域14の最高温度T2は低くなる。これによ
り、フィルタ中心部領域14と外周部領域15との間の温度
勾配が小さくなるとともに、フィルタ中心部領域14にお
ける温度上昇が過度となることはないから、フィルタ１
の損傷は効果的に防止される。
また、フィルタ外周部領域15の温度が上昇することに
より、微粒子の未燃が防止され、完全な再生が可能であ
る。なお、第６図および第７図は後述の第14図のフィル
タに基づく結果である。
なお、本実施例において、外周部ヒータを分割したの
は、電源の容量を考慮したものであり、電源に余裕があ
る場合には5A〜5Dを一体か更には5A〜5Eを一体のものと
して良い。また、逆に、更に余裕がない場合には分割数
をもっと増加してもよい。
なお、第３図（Ａ），（Ｂ）においては、３はクッシ
ョン材、４はガスシール材、７はエンジン、８は排気
管、９はバイパス管、10は差圧センサを示しており、差
圧センサ10からの信号によりフィルタ１のカーボン微粒
子による目詰りが検出されると、第５図の通電回路６に
通電され、かつバイパス管のバルブ11が開く。
第８図〜第10図は本発明の他の実施例を示すもので、
中心部領域の閉塞部14の配置パターンをそれぞれ2,3,3
セルを１つのユニットとして行ったもので、外周部領域
は先の実施例と同様１セル毎に閉塞部14を配置したもの
である。この実施例によれば、周辺部領域の通過面積は
中心部領域のそれぞれ4/3,3/2,3/2倍となり、カーボン
微粒子の堆積量の比率を先の実施例と変えることができ
る。
第11図および第12図は本発明になる更に他の実施例を
示すもので、カーボン微粒子の堆積量の分布をフィルタ
１の中心からその周辺にかけて徐々に変更することによ
り、フィルタ１の径方向温度勾配を小さくすることを狙
ったものである。外周部では１セル毎に閉塞部13を配置
し、中心部に向かって２セル,3セル，…毎と、閉塞部13
の配置パターンを変更したものである。
第13図および第14図は本発明の更に他の実施例を示す
ものである。第13図は中心部領域14内において９つのセ
ル11を１つのユニットとして、１ユニット毎に交互に閉
塞部13を配置し、外周部領域15は１つのセル毎に交互に
閉塞部13を配置している。
一方、第14図は４つのゾーンに区分し、中心部領域14
では９つのセル11を１つのユニットとして１ユニット毎
に交互に閉塞部13を配置し、外周部領域15では１つのセ
ル毎に交互に閉塞部13を配置し、中間領域では、中心部
領域14に近い側では４つのセルを１ユニットとして１ユ
ニット毎に交互に閉塞部13を配置し、外周部領域15に近
い側では２つのセルを１ユニットとして１ユニット毎に
交互に閉塞部13を配置している。
なお、第13図のフィルタは先の第４図および第７図の
実験に供したものであり、その寸法について述べると、
直径140mm、軸長130mm、容積２、セル数150、セル壁
厚0.45mm、中心部領域14の直径は100mmである。
第15図はフィルタ１の再生手段の他の例を示してい
る。この例では軽軸を燃料とするバーナ16を用いたもの
である。17は点火プラグである。
本発明はフィルタに適用される再生手段の種類は問わ
ず、フィルタの外周にヒータ線を巻き付けるようにして
もよい。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）は本発明のフィルタの一実施例を示すもの
で、フィルタを端面より見た図、第１図（Ｂ）は第１図
（Ａ）のＥ部拡大図、第１図（Ｃ）は第１図（Ａ）のＦ
拡大図、第２図は、セル壁12の詳細図、第３図（Ａ）は
本発明のフィルタを用いた浄化装置の一例を示す部分断
面図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）のフィルタの要部を
拡大して示す断面図、第４図は本発明の説明に供する特
性図、第５図は本発明のフィルタに対するヒータ配置パ
ターンを説明する斜視図、第６図および第７図は本発明
の説明に供する特性図、第８図〜第12図、第13図および
第14図は本発明のフィルタの他の実施例を示すもので、
フィルタを端面より見た図であり、第12図は第11図のＤ
部拡大図、第15図はフィルタの再生手段の一例を示す断
面図、第16図は従来例を示す断面図、第17図は第16図の
フィルタの端面を示す図、第18図は従来の説明に供する
特性図である。 １……フィルタ,11……セル,12……セル壁,13……閉塞
部,14……中心部領域,15……外周部領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平２−115908（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−149714（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−19021（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−127918（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−111121（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−95518（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−139319（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/02 301 - 341

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに隣接関係にあり、排気ガスが通過し
    横断面形状が同一の多数のセルと、該多数のセルを隔離
    するとともに、該多数のセルを連通する多数の孔部を有
    したセル壁と、前記多数のセルの両端部分に位置し、前
    記セルの一端から該セル内に流入した排気ガスが前記セ
    ル壁の前記孔部を介して隣りのセルに流出して前記セル
    の他端から排出されるようにした閉塞部と、を具備した
    排気ガス微粒子捕集用フィルタにおいて、該閉塞部は前
    記両端部分の外周領域に比べて中心領域の前記セルに流
    入する排気ガスの量が少なくなるようなパターンに配置
    されており、かつ前記中心領域の前記セル内には排気ガ
    スの流入が確保されていることを特徴とする排気ガス微
    粒子捕集用フィルタ。
  2. 【請求項２】前記外周領域から前記中心領域に向かって
    順次前記閉塞部のセル数を増大するようにしたことを特
    徴とする請求項１に記載の排気ガス微粒子捕集用フィル
    タ。
  3. 【請求項３】前記中心領域では９つのセルを１つのユニ
    ットとして１ユニット毎に交互に前記閉塞部を配置し、
    前記外周部領域では１つのセル毎に交互に前記閉塞部を
    配置したことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス微
    粒子捕集用フィルタ。
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