JP3909450B2

JP3909450B2 - 自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタ

Info

Publication number: JP3909450B2
Application number: JP10749999A
Authority: JP
Inventors: 浩二西村; 洋西川
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000297625A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集し、通電発熱によってそれを除去する自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガスには、煤、ハイドロカーボン粒子等の可燃性微粒子（以下、「パティキュレート」ともいう。）が多く含まれており、近年、このパティキュレートの環境及び人体に与える影響が問題視されている。このパティキュレートを捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」ともいう。）としては、例えばコーディエライト又は炭化珪素を主成分とするセラミックハニカム型のものが提案されている。
【０００３】
パティキュレートを含む排気ガスは、ハニカム型ＤＰＦの多孔質セル壁を通過する際にパティキュレートが捕集され浄化される。ＤＰＦのセル壁に一定量のパティキュレートが捕集されると、セル壁が目詰まりを起こして通気抵抗が増大し、捕集効率が低下するので、定期的にそれを除去してＤＰＦを再生する必要がある。特に、ディーゼル機関等の排気ガス中には多量のパティキュレートが含まれるので大型のＤＰＦが使用され、再生間隔もある程度調整されている。
【０００４】
従来、ＤＰＦの再生方法としては、バーナの燃焼ガスを直接噴射してパティキュレートを焼失させる方法（特開平８−２６０９４４号公報）、ニクロム線ヒータ等の発熱金属層とフイルタ本体を組み合わせて加熱焼却する方法（特開平８−２６０９４６号公報）、導電性材料で構成されたフイルタ本体に直接通電して自己発熱させ消失させる方法（特開昭５８−１４３８１７号公報、特開平６−３２３１２９号公報）、等が提案されている。
【０００５】
しかしながら、バーナやヒータを使用する燃焼除去方法においては、フィルタ本体の一部分しか加熱されないのでフィルタ本体に著しい温度差が形成される。しかも、このような温度差は、パティキュレートの燃焼による局所的な発熱によって増大されるので、フィルタ本体の熱応力割れはもとより溶損の原因となる。このため、この方法には、パティキュレート捕集量やフィルタ温度等には、厳密な制御が必要であった。また、バーナやヒータといった外部加熱装置を必要とするためにシステム自体が大型化するうえに、加熱装置交換等のメンテナンスも必要となり、実用性に乏しいものであった。
【０００６】
一方、自己発熱型ＤＰＦによる再生方法は、フィルタ全体を発熱させるために温度差が形成され難く、再生時の熱応力割れを抑制できる利点を有している。しかしながら、フィルタ本体の外周部と側面部については、断熱材等で被覆することができるので放熱による熱ロスの問題は小さいが、排ガスの入口部や出口部では、排ガスの導入・排出にともなって熱ロスも大きくなる。このため、再生時にはフィルタ本体に大きな温度差が生じ、低温部にパティキュレートの燃え残りが堆積して再生不良の状態となる。このような状態が続くと、局所的に堆積したパティキュレートが異常燃焼を起こし、上記と同様に熱応力割れが生じたり、捕集効率が低下したりするようになる。
【０００７】
これを解決する方法としては、再生時のＤＰＦ全体の温度を更に高温に設定して燃え残りが生じないようにする、ＤＰＦ温度を高温状態で維持する、等が考えられる。しかしながら、前者では、更に温度差を助長することに繋がるので自己発熱再生のメリットがなく、また温度を上げすぎると、フイルタ本体に熱応力割れが生じる。一方、後者では、高温状態を厳密に保持するための温度制御装置、コントローラユニット等が必要になり、システムが複雑化してコスト高となる。また、何れの手段においても、電力消費量は増えることになり、通常、再生時の給電はディーゼル車等のバッテリからによることから、その供給能力には限界がある。頻繁な通電・再生を繰り返し行い、またフィルタを過剰加熱することは、バッテリの寿命を縮め、電気エネルギー不足による再生不良の原因となる。
【０００８】
このようなことから、自己発熱型ＤＰＦにおいては、再生時の通電量を最小限に抑えて電力消費を節約し、しかも効率的にフイルタ全体を加熱再生できるものが要求されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、自己発熱型ＤＰＦにおいて、フィルタ本体端面に形成される電極層の形成面積及び形状を最適化することによって、フィルタ本体の温度差を低減し、燃え残りが少なくなる、再生効率の高いＤＰＦを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、多孔質導電性セラミックスからなるフイルタ本体の両端面に、その中心部を除く周囲に電極層を形成させてなることを特徴とする自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタであり、特にフィルタ本体端面の面積に対する電極層の面積の比が０．４〜０．８であることを特徴とするものである。また、上記多孔質導電性セラミックスが炭化珪素質であることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１２】
本発明に使用されるフイルタ本体の形状としては、ハニカム構造体、パイプ形状、コルゲート形状等を用いることができるが、中でも捕集効率に優れたハニカム構造体が好適である。ハニカム構造体の形状としては、例えば軸方向長さが２０〜５００ｍｍ、多孔質壁の厚みが０．１〜１．０ｍｍ、貫通孔セルピッチが１．１４〜３．５９ｍｍ、貫通孔セル密度が１平方インチあたり５０〜５００個である。ハニカムフィルタの外周形状及び貫通孔の形状は、丸形あるいは四角形や六角形等の何れでも構わない。
【００１３】
フィルタ本体の材質については、直接通電して自己発熱させることのできる導電性材料であれば特に制約なく、例えば、炭化珪素、炭化チタン、ほう化チタン、珪化モリブデン等の導電性セラミックスやＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料及びそれらの複合材、サーメット等を使用することができるが、ＤＰＦとして必要な耐酸化性や耐熱性及び耐熱衝撃性の点から、炭化珪素質のフィルタが好ましい。フィルタ本体の抵抗は、パティキュレートが燃焼し始める約５００℃以上に通電して加熱できる範囲であれば特に制約はないが、通常の車両用バッテリ電源を使用して通電加熱できることを考慮すると、室温抵抗で１００Ω以下、更に好ましくは１０^-2〜１０²Ωである。
【００１４】
ＤＰＦを自己発熱性とするため、フイルタ本体の両端面に形成させる電極層の材質としては、ＳＵＳ−３１０に代表される耐熱鋼、ニッケル基耐熱性合金、コバルト基耐熱性合金、銀基合金等である。これらの中でも、ＤＰＦとして必要な耐熱性や耐酸化性、耐熱衝撃性の付与を考慮すると、銀３５〜９０重量％、パラジウム５〜３０重量％、金属珪素５〜５０重量％からなる金属粉１００重量部に対し、炭化珪素、窒化珪素、二珪化モリブデン、アルミナ、シリカ、ジルコニア等のセラミックス粉０．５〜３０重量部を含有してなる貴金属系複合粉末（特開平１０−２８７９３７号公報参照）や、銀粉４０〜８０重量％、金属珪素粉４〜４０重量％、ニッケル、コバルト、クロムの金属及びそれらの化合物から選ばれた少なくとも一種の耐熱性導電粉を金属成分換算で２〜２５重量％、及び炭化珪素、窒化珪素、二珪化モリブデン、アルミナ、シリカ、ジルコニア等のセラミックス粉０．５〜２５重量％を含有してなる耐熱性・導電性複合粉末（特願平９−２７６９２５号明細書参照）を用いて形成された電極層を使用することが望ましい。
【００１５】
電極層の形成法としては、溶射法、真空焼き付け法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等を採用することができる。電極層の形成厚みとしては、１００μｍ以下、特に５０〜１０μｍが適切である。
【００１６】
本発明においては、電極層の形成位置が重要であり、図１〜４に示されるように、フイルタ本体端面の中心部を除く外周部に形成される。フィルタ本体の端面部は、上記放熱による熱ロスが大きく、特に外周部では放熱の影響を外壁からも受けるために温度低下が激しい。そこで、本発明のように、フイルタ本体端面の外周部にのみ電極層を形成することによって、通電時には電極層近傍の電流密度が高くなり、より効率的に外周部を加熱することができ、放熱の問題を緩和することができる。
【００１７】
本発明において、フイルタ本体端面に形成される電極層の面積比は、フィルタ本体の端面面積に対して０．４〜０．８とすることが好ましく、更に好ましくは、０．５〜０．７である。この理由としては、電極層を形成する面積比が０．８より大きいと、電極層を外周部に形成した意味が少なく、フィルタ本体の温度差を低減させる効果が不十分となる。また、０．４未満であると、電極層近傍の電流密度が高くなり過ぎて温度分布の逆転が生じ、温度差が増加して割れが生じることになる。また、このように局所的な異常発熱は、電極部及びフィルタ本体に多大な熱疲労を与えることになり、ひいてはフィルタ本体の強度劣化や電極層の性能劣化を招くことになる。
【００１８】
フイルタ本体端面の外周部に形成される電極層の形状は、フイルタ本体端面の中心点に対して対象形であることが好ましく、しかも途中で途切れることのない連続面であることが特に好ましい。これを図面に基づいて説明すると、図１〜図４は、いずれもフイルタ本体端面の正面図であり、図１、図２は、フィルタ本体の外周形状が丸形のハニカム、図３、図４はフィルタ本体の外周形状が四角形のハニカムであって、いずれもそのフイルタ本体端面１に、中心部以外の外周部に電極層２が形成されていることを示したものである。そして、電極層を形成させない中心部の形状が、図１の例が円形、図２、図３の例が正方形、図４の例が菱形である。
【００１９】
これらの例においては、いずれもフイルタ本体端面の中心点に対して対象形に電極層が形成されているので、通電時には上下左右がほぼ均等に発熱し、フィルタ本体の外周形状に関係なく温度差を著しく小さくすることができる。本発明においては、発熱をより均一化させるという点からは、フイルタ本体の両端面に形成される電極層の形状は同じものにすることが最適であるが、必ずしも同形状にする必要はない。また、電極層形状は、フイルタ本体端面の中心点に対して対象形でなくてもよく、また連続面でなくてもよい。例えば、市松模様状に電極層を形成してもよい。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２１】
実施例１〜４比較例１
端面寸法φ８０ｍｍ、軸方向長さ１００ｍｍ、壁厚０．３８ｍｍ、貫通孔セルピッチ２．００ｍｍ、貫通孔セル密度１６９個／平方インチで、両端面が封止材により市松模様に交互に目封じされた炭化珪素質セラミックス焼結体からなるハニカム構造体（フイルタ本体）の両端面に、通電加熱するための電極層を、中心部以外の外周部に、図１に示す形状で、その電極形成面積比を変えて種々形成し、ＤＰＦを作製した。
【００２２】
電極層は、銀粉、金属珪素粉、酸化ニッケル粉及び炭化珪素粉からなる混合粉末を用いて真空焼き付けして形成したものであり、その厚みは３０μｍ程度である。
【００２３】
実施例５〜８比較例２
端面寸法□８０ｍｍ、軸方向長さ１００ｍｍ、壁厚０．３８ｍｍ、貫通孔セルピッチ２．００ｍｍ、貫通孔セル密度１６９個／平方インチで、両端面が封止材により市松模様に交互に目封じされた炭化珪素質セラミックス焼結体からなるハニカム構造体（フイルタ本体）の両端面に、図３に示される形状の電極層を、その電極形成面積比を変えて種々形成したこと以外は、上記実施例、比較例に準じてＤＰＦを種々作製した。
【００２４】
上記で得られたＤＰＦに、ハニカム容積換算で５ｇ／リットルのカーボンブラック粉（粒子径２２ｎｍ）を室温圧縮空気（９．８ｋｇ／ｃｍ²）とともにフイルタ本体端面に吹き付けてカーボンブラック粉を付着捕集した。
【００２５】
次いで、フィルタ本体の両端面に取り付けられた電極層とフィルタ加熱用の電源装置とを結線し、所定の金属缶体ケースの中にセットした。続いて、フィルタ本体の両端面を除く外壁部をアルミナ繊維質断熱材（５０ｍｍ厚）で被覆し、ハニカム入口側には再生時の助燃ガスを流すためのエア供給管を配備し、以下の再生試験を行った。
【００２６】
すなわち、室温２０℃に設置した状態でＤＰＦに通電を開始し、フイルタ本体中央部の昇温速度を１００℃／ｍｉｎとして８００℃まで加熱した後、通電を止め、室温まで自然冷却した。エア供給量は、５リットル／ｍｉｎとし、フイルタ本体の中央部の温度が５００℃以上においては常に供給し続けた。再生中のフイルタ本体の温度差及び再生試験による再生率を、以下に従って測定した。また、試験後にＤＰＦを取り出して外観検査を行い、割れの有無を判定した。それらの結果を表１に示す。
【００２７】
（１）フイルタ本体の温度差
フイルタ本体中央部（径方向で外周から４０ｍｍ、軸方向で端面から５０ｍｍの位置）及び入口端面部（径方向で外周から５ｍｍ、軸方向で端面から５ｍｍの位置）に熱電対を配置し、１秒間隔で所定の設定温度に到達するまで計測し、上記２点間の温度差のうち最も大きい値を記録した。
（２）再生率
再生試験前後のＤＰＦの重量変化からカーボンブラックの燃焼量を求めて算出した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、フイルタ本体の温度差が低減されるので、パティキュレートの燃え残りが少なくなり、高い再生率のＤＰＦが提供される。また、再生後には、割れ等の異常もなく、安全性の高いＤＰＦである。
【図面の簡単な説明】
【図１】フィルタ本体端面の正面図。
【図２】フィルタ本体端面の正面図。
【図３】フィルタ本体端面の正面図。
【図４】フィルタ本体端面の正面図。
【符号の説明】
１フィルタ本体端面
２電極層

Claims

多孔質導電性セラミックスからなるフイルタ本体の両端面に、その中心部を除く周囲に電極層を形成させてなることを特徴とする自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタ。
フィルタ本体端面の面積に対する電極層の面積の比が０．４〜０．８であることを特徴とする請求項１記載の自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタ。
多孔質導電性セラミックスが炭化珪素質であることを特徴とする請求項１又は２記載の自己発熱型ディーゼルパティキュレートフィルタ。