JP4035578B2

JP4035578B2 - ディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ

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Publication number: JP4035578B2
Application number: JP2002093781A
Authority: JP
Inventors: 櫻井眞一郎
Original assignee: 株式会社エス・アンド・エスホールディングス
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003286821A; US7601306B2; EP1348839A2; US20030185719A1; EP1348839A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル・エンジンから排出された排気中のパーティキュレート・マター（ＰＭ）などを捕捉して加熱・燃焼可能なディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタに関する。
【０００２】
【従来技術】
ディーゼル・エンジンから排出される排気中には、煤などの炭素を主成分とする固形状のＰＭが含まれているが、これらは人体にとって有害なので大気中へそのまま排出されないようにする必要がある。
そこで、ディーゼル・エンジンに接続した排気系の途中にパーティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）を設けて、ＤＰＦ内に配置したフィルタ部でＰＭを捕捉し、燃焼させることが行われている。
【０００３】
このような従来のＤＰＦの例としては、１９９７年７月１０日株式会社朝倉書店発行の自動車技術会編集による「自動車技術シリーズ１自動車原動機の環境対応技術」の第１３９ページ〜第１４８ページに記載のものや、平成６年１月１０日株式会社山海堂発行の宮下直也、黒木秀雄著の「自動車用デイーゼルエンジン」の第５３〜５４ページに記載のものなどが挙げられる。
【０００４】
ＤＰＦのフィルタ部で捕捉したＰＭを燃焼させるには、通常の条件ではＰＭの自然燃焼温度である５５０℃程度の温度まで加熱する必要があり、そのため従来のＤＰＦでは電気発熱によるヒーターをＤＰＦに設けるものが多い。
【０００５】
またこれとは別の燃焼方式を採用したものとしては、二酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化アルミニウムの粉末を混合して焼結した担体に、白金を高分散させた酸化アルミニウムを被服した酸化触媒を用いて排気中に二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成促進・確保して、このＮＯ_２をＰＭ燃焼用の触媒として利用することにより、ＰＭの主成分である炭素を２５０℃以上の温度で燃やすようにしたＤＰＦもある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電熱ヒーターを利用するＤＰＦでは、フィルタ部のつまり具合に応じてＰＭを着火させることが可能であるものの、５５０℃以上に発熱させるためには多量の電力を消費し、通常の車両搭載のバッテリで上記温度を確保し続けることはきわめて難しい。
したがって、このような電熱ヒーター方式は、工場などの構内で稼働させているフォークリフトのように休み時間に構内の２００ボルト電源等から充電するような場合には適するものの、構外を走行する通常の輸送トラックのような車両には適さない。
【０００７】
一方、上記従来のＮＯ_２を触媒とするＤＰＦでは、電熱ヒーターが不要となり、確かに電熱ヒーターを利用する場合より低い２５０〜３００℃程度以上の温度でＰＭを燃焼させることが可能なものの、車両走行時におけるＤＰＦ内の排気温度は、市内地の走行時では２００℃弱程度にしか達せず、高速道路を走行してやっと２５０℃強になることがある程度である。
【０００８】
したがって、高速走行の少ない走行中では、ＰＭを燃焼できる温度に達する走行条件となることはほとんどない。また、触媒としてＮＯ_２を生成・利用するので、これらを大気中にそのまま放出することは望ましくない。ＮＯ_２を低減するのにアンモニアを用いることも提案されているが、地上設備の場合はともかく振動が激しく、また場合によっては衝突事故の可能性がある車両へ搭載することは望ましくない。
【０００９】
上記のようにガソリン・エンジンの排気対策と異なりディーゼル・エンジンの排気対策が進展していないのは、ディーゼル・エンジンの場合、（１）ガソリン・エンジンでは、空燃比がガソリンと空気の理想燃焼比率前後にコントロールされているのに対し、ディーゼル・エンジンでは、空気が燃料である軽油に比べて常に圧倒的に過剰であること、また（２）固体触媒と反応させたい相手側物質との間の触媒作用は、大部分の反応が固体触媒の細孔内で生じるので相手側物質がガスや液体状でなければならないのに対し、ディーゼル・エンジンの場合は排気成分中に、ガソリン・エンジンの排気の場合と異なり互いに固着しやすい固体状のＰＭが多量に含まれることから、ＰＭが固体触媒の細孔内に入ることが容易でなく触媒反応が進まないこと、等に起因している。
【００１０】
実際、発明者の実験にあっても、ＰＭを捕捉するフィルタとしての細孔を多数形成した発泡石にニッケル、コバルト等の卑金属系酸化触媒を固着させただけ場合は、ＰＭは自然燃焼温度よりやや低い４００℃程度で燃えるようになるものの、まだ走行中にＤＰＦ内の排気が到達する温度には達せず、しかも一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）の燃焼がほとんど進まなかった。
一方、貴金属系触媒としての白金を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の担体に固着させて発泡石と混在させただけの実験では、一酸化炭素や炭化水素の燃焼は進行するものの、ＰＭが燃焼せずフィルタ部に堆積してしまった。
【００１１】
【発明の目的】
本発明の目的は、ディーゼル・エンジンから排出される排気中のＰＭを、電熱ヒーターを用いることなく、ＤＰＦ内のできるだけ低い排気温度でも燃焼できるようにして有害なＰＭを除去できるようにしたディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、ディーゼル・エンジンに排気管を介して接続し、排気流入口部および排気流出口部を有する筐体筒と、筐体筒の内部に配置され、ディーゼル・エンジンから排出された排気が流通し、排気中のパーティキュレート・マターを捕捉する粒状群を有するフィルタと、フィルタに貴金属系の低温発熱触媒と卑金属系の中温発熱触媒とを混合分散させた状態で担持させた発熱触媒と、発熱触媒と前記フィルタとを前記筐体筒側に保持する保持構造体と、前記粒状群をこれら間の隙間を詰める方向に押圧する弾性付勢部材と、を備え、前記弾性付勢部材を、パーティキュレート・マターを捕捉可能なフィルタ部材で構成したことを特徴とする。
ここで、貴金属系の低温発熱触媒としては、たとえば白金、卑金属系の中温発熱触媒としては、ニッケルやコバルトを利用する。
【００１３】
請求項２の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記保持構造体を、筐体筒の軸線方向に沿って伸び、半径方向外側へ排気の流出を可能にする連通路を形成した内側保持筒と、内側保持筒の半径方向外側に配置し、半径方向外側へ排気の流出を可能にする連通路を形成した外側保持筒と、内側保持筒および外側保持筒の各流入側端部を筐体筒に支持する流入側支持部材と、内側保持筒および外側保持筒の各流出側端部を筐体筒に支持する流出側支持部材と、を備え、流入側支持部材が、内側保持筒の外周部分から筐体筒の内周部分までが排気の流入を遮断する流入側排気遮断部と、内側保持筒の内部空間と排気流入口部とを連通して排気流入口部から内側保持筒の内部空間への排気の流入を許容する流入側連通口と、を有し、流出側支持部材が、少なくとも内側保持筒の外周側部分の内側部分から排気流出口部への排気の流出を遮断する流出側排気遮断部と、少なくとも外側保持筒の外周部分から筐体筒の内周部分までの間の部分に外側保持筒および筐体筒間に形成した外部空間と排気流出口部とを連通する流出側連通路と、を有するようにし、内側保持筒および外側保持筒間に形成したフィルタ空間にフィルタと触媒を保持させるようにしたこと、を特徴とする。
【００１４】
請求項３の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記低温発熱触媒および中温発熱触媒を、これらのうちの少なくとも一方の発熱触媒を担体に固着させた粒状群として前記フィルタに混在させたこと、を特徴とする。
担体としては、たとえば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などセラミック系物質を用いる。
【００１５】
請求項４の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記低温発熱触媒および中温発熱触媒を、これらのうちの少なくとも一方の発熱触媒をフィルタに固着し、他方の発熱触媒を担体に固着させた粒状群として一方の発熱触媒の周りに配置させて構成したこと、を特徴とする。
【００１６】
請求項５の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記粒状群の発熱触媒が、低温発熱触媒であること、を特徴とする。
【００１８】
請求項６の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記粒状群が、発泡石群であること、を特徴とする。
【００２０】
請求項７の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記弾性付勢部材を、外側保持筒で構成し、粒状群を内側保持筒へ向けて弾性付勢力を作用するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項８の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記フィルタ部材を、外側に炭素繊維フェルトを、内側にアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜をそれぞれ配置して重ね併せて構成したこと、を特徴とする。
【００２３】
請求項９の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタは、上記フィルタ部材を、それぞれ半径方向の長さを異ならせた隣り合う山部と谷部とを有する星型形状としたこと、を特徴とする。
【００２４】
【発明の作用・効果】
請求項１の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、ディ−ゼル・エンジンから排出された排気は、ＤＰＦの排気流入口部からＤＰＦの保持構造体内のフィルタを通過して外部空間へ向かう。このとき、排気中の固形状成分であるＰＭは、フィルタに付着・捕捉され、そのまま大気中へ放出されるのが防止される。ＰＭが捕捉された残りの排気成分はフィルタから排気流出口部、排気管を経て大気中へ放出される。
【００２５】
エンジンの始動からしばらくすると、排気やＤＰＦ自体も温められてくるが、ＰＭの自然燃焼温度５５０℃程度まで上昇することはない。
しかしながら、これよりかなり低い２００℃程度まで温度が上昇してくると、貴金属系の低温発熱触媒が機能し始め、排気中のＨＣ等を燃焼して３５０〜４００℃程度まで排気温度を上昇させる。
この貴金属系の低温発熱触媒による排気温度上昇はその触媒機能範囲が低く、さらにＰＭの自然燃焼温度５５０℃程度まで上昇させることはできないが、この状態では３００℃程度で卑金属系の中温発熱触媒が機能し始め、従来固体触媒とＰＭのような大きな固体物質との反応はほとんど生じないと思われた常識と異なり、ＰＭ、ＨＣ、ＣＯを燃焼させ、これら有害成分を無害化することができるようになる。
【００２６】
したがって、電気発熱によるヒーターを設けなくても良い上、ＮＯ_２を触媒として利用する場合に比べても、通常走行時でやや高速あるいはやや高負荷での走行時など、さらに低い排気温度にあっても、ＰＭを燃焼除去できる。
また、ＮＯ_２の排出を抑える場合にも、ディーゼル・エンジン側に軽油に水を含ませたエマルション燃料を用いることで簡単に対処することも可能となり、容易に所領搭載可能である。
また、フィルタをＰＭが捕捉可能な粒状群から構成したので、安価にフィルタを製造することができるとともに、ＰＭ捕捉面積を広くすることができる。さらに、低温発熱触媒と中温発熱触媒の一方をフィルタに担持させることも容易にできるだけでなく、他方の触媒との混在が容易となる。
また、粒状群をこれらの隙間を詰めるように弾性付勢部材で押圧するようにしたので、低温発熱触媒と中温発熱触媒とが密に接触するようになって触媒の相乗効果を高めることができる。さらに、粒状群の一部の粒がＤＰＦの振動等により破損した場合にも弾性付勢部材がその分の隙間を詰めることで、さらに粒状群の粒が破損しやすくなるのを防止することができる。
また、外側保持筒の弾性付勢部材をＰＭの捕捉が可能なフィルタ部材で構成したので、フィルタ空間内のフィルタでたまたま捕捉しかねたＰＭをここで捕捉して燃焼させることができる。しかも、外側保持筒とフィルタ部材との兼用により、コンパクトな構成とすることができる。
【００２７】
請求項２の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、保持構造体を、内側保持筒と、この外側に配置した外側保持筒と、流入側支持部材と、流出側支持部材とで構成し、これらで形成されるフィルタ空間内にフィルタや発熱触媒を入れた状態で筐体筒に支持するとともに、ディーゼル・エンジンから排出された排気が内側保持筒の内部空間に直接入り、流出側支持部材の排気遮断部に衝突して方向変換され、内側保持筒の連通路を通じて内外側保持筒間のフィルタ空間に入る。
【００２８】
したがって、軸方向に伸びた内側保持筒の広い面積から排気がフィルタ空間に入ることができ、排気の流通抵抗を小さく抑えることができ、全体が目づまりする虞が小さくなる。
また、排気が流出端側の排気遮断部に衝突して半径方向外側へ方向転換するため、この流出端側を容易かつ短時間に温度上昇させることが可能となり、この流出側のフィルタ空間から流入側のフィルタ空間へ向かって加熱・燃焼を伝えていくことが可能となる。
さらに、フィルタに粒状群を用いる場合は、その保持や交換が容易にとなる。
【００２９】
請求項３の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、低温発熱触媒と中温発熱触媒とのうちの少なくとも一方を担体に固着させた粒状群としたので、触媒を担体の表面だけに固着すればよく、少ない量の触媒で必要な触媒の広い表面積を安価に得ることが可能となる。
また、粒状群としていることから、他方の触媒との混在が容易となり、両触媒による相乗効果をより期待できる。
【００３０】
請求項４の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、低温発熱触媒と中温発熱触媒とのうち一方をフィルタに固着させ、他方を担体に固着させて粒状群としたので、フィルタを一方の担体として利用でき、安価になる。また、一方の担体分のスペース分、全体容積を小さくすることが可能となる。
【００３１】
請求項５の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、白金などの高価な貴金属を担体に固着させ、粒状群の発熱触媒を低温発熱触媒としたので、必要な触媒の表面積を確保しながら貴金属の量を少なくして安価にすることができるとともに、排気が貴金属系の低温発熱触媒に接触しやすくなり、ＨＣ等を低温燃焼させることが容易になる。
これにより、ＰＭの堆積で卑金属系の中温発熱触媒が被われていても、これらを発熱・燃焼させやすくなる。
【００３３】
請求項６の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、粒状群を発泡石群から構成したので、安価で多くの細孔を有するフィルタを得ることが可能となる。また、このフィルタを触媒の担体としても利用することができるようになる。
【００３５】
請求項８の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、弾性付勢部材を外側保持筒で構成したので、コスト低減やサイズのコンパクト化を図ることが可能となる。
また、外側保持筒の弾性付勢部材が粒状群を内側保持筒へ向けて押圧するようにしたので、このような弾性付勢力を持たせるのに外側保持筒の形状・構造を簡単なものとすることができる。
【００３７】
請求項８の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、外側に炭素繊維フェルト、内側にアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜を用いて上記フィルタ部材を構成したので、両者でＰＭを捕捉することはもちろん、炭素繊維フェルトが温度を高く保ちＰＭを燃焼させ、またその弾性付勢力で粒状群へ適当な押圧力を作用させることができる。
また、炭素繊維フェルトが高温で焼けてしまうのを防ぐアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜の繊維がばらけるのを炭素繊維フェルトで抑制することが可能となる。
【００３８】
請求項９の本発明に係るディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタにあっては、フィルタ部材を星型形状としたので、フィルタの表面積を大きくすることが可能となるとともに、粒状群を押圧するための弾性付勢力を炭素繊維フェルトで容易に出すことのできる形状とすることができる。
【００３９】
【実施態様】
以下、本発明に係る実施例のパーティキュレート・フィルタを図１〜図３に基づき説明する。
ディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ１は、いずれもステンレス材で形成した、筐体筒２と、この筐体筒２のディーゼル・エンジン側端部に取りつける排気流入口部３と、筐体筒２の排気流入口部３と反対側の端部に取りつける排気流出口部４を有する。
【００４０】
排気流入口部３は、ディーゼル・エンジン側の排気管に接続する小径の排気管接続部分３ａと、この排気管接続部分３ａから筐体筒２へ向かって拡径していく接続拡径部分３ｂと、この接続拡径部分３ｂの大径部分に半径方向外側に広がるように形成し複数のボルト穴を設けたフランジ部分３ｃと、を有する。
【００４１】
排気流入口部３は、このフランジ部分３ｃのボルト穴を、筐体筒２の外周に設けたフランジ部分２ａに溶接固定した環状の流入側支持部材５のボルト穴と位置合わせして、これらにボルト・ナット６を通して筐体筒２に一体固定する。
一方、排気管接続部分３ａは、図示しないエンジン側の排気管に同じく図示しないフランジ部同士を突き合わせてボルト・ナットで接続する。
【００４２】
排気流出口部４は、図示しない大気開放側の排気管に接続する小径の排気管接続部分４ａと、筐体筒２から排気管接続部分４ａへ向かって縮径していく接続縮径部分４ｂと、接続縮径部分４ｂの大径端部分に半径方向外側に広がるように形成し複数のボルト穴を設けたフランジ部分４ｃとを有する。
【００４３】
排気流出口部４は、このフランジ部分４ｃおよび円盤部材２２のボルト穴を、筐体筒２のフランジ部分２ａに溶接固定した環状の流出側支持部材７のボルト穴に位置合わせして、ボルト・ナット８で筐体筒２に一体固定する。
一方、排気管接続部分４ａは、図示しない大気開放側の排気管に同じく図示しないフランジ部同士を突き合わせてボルト・ナットで接続する。
【００４４】
筐体筒２の内部には、保持構造体４０が設けられる。保持構造体４０は、後述の内側保持筒９、外側保持筒１１、流入側支持部材５、流出側支持部材７、補強支持部材１９、介在部材２０、補強支持部材２１で構成する。
【００４５】
内側保持筒９は、小径で軸方向寸法が筐体筒２より若干短めとなるように設定し、筐体筒２と実質同軸に配置する。内側保持筒９は、多数の連通孔を設けた、いわゆるパンチング・メタルで構成する。すなわち、内側保持筒９には、この内側保持筒９の内部空間２４から内外側保持筒9、１１間に形成したフィルタ空間２６へ排気が貫流可能に連通する多数の小径孔からなる連通路１０を設ける。
【００４６】
内側保持筒９の半径方向外側には、内側保持筒９や筐体筒２と実質同心で、かつ内側保持筒９より大径で内側保持筒９と同じ軸方向長さの外側保持筒１１を設ける。
外側保持筒１１は、図２に拡大して示すように、その多数の山部１１ａが筐体筒２の内周面近くまで伸び,各隣り合う山部１１ａ間に形成した多数の谷部１１ｂが筐体筒２と内側保持筒９との約半分の高さ位置まで来るような星型形状とする。なお、山部１１ａと谷部１１ｂとは曲面で形成する。
【００４７】
外側保持筒１１は、図３に図２の一部をさらに拡大して示すように、外側部分を炭素繊維フェルト１２にて、またその内側部分をアルミナ連続繊維クロスからなるフィルタ膜１３にて構成し、これらを内外両側から多数の細孔を有する薄いパンチング・メタルからなる薄板１６、１７ではさみ込み、一体的に重ね合わせて構成している。
【００４８】
なお、上記炭素繊維フェルト１２およびアルミナ連続繊維クロスからなるフィルタ膜１３は、いずれも排気をそれらの内部のフィルタ空間２６からそれらの外部空間２５へ貫流可能な微小隙間をそれぞれ有し、排気の連通路１４、１５を構成する。炭素繊維フェルト１２およびアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜１３の流出側連通路１４、１５は、ＰＭを捕捉することが可能な大きさに設定してある。
なお、炭素繊維フェルト１２は、自身の弾性付勢力を、外側保持筒１１自身を内側保持筒９へ向けて作用可能に形成している。
【００４９】
内側保持筒９と外側保持筒１１とは、これらの流入側端部を、中心部に内側保持筒９の外径とほぼ同径の流入側連通口１８を形成した環状の流入側支持部材５により支持する。この流入側支持部材５のエンジン側には、これまた中心部に内側保持筒９の外径とほぼ同径の流入側連通口１８を形成した、やや厚めの環状の補強支持部材１９を取りつけてある。
【００５０】
したがって、流入側連通口１８を通じて排気は、接続拡径部３ｂの内部空間２７から内側保持筒２の内部空間２４へ流入可能となっているのに対し、流入側支持部材５と補強支持部材１９との内側保持筒９の外周部分から筐体筒２の内周部分までの部分は、この間を通じて排気が流入・流出できないような流入側排気遮断部を構成する。
【００５１】
また、内側保持筒９と外側保持筒１１とは、これらの流出側端部を、それぞれ中心部に内側保持筒９の外径とほぼ同径の流入側連通口１８を形成した環状でやや厚めの介在部材２０、補強支持部材２１を取りつけた流出側支持部材７により支持している。
なお、流出側支持部材７と円盤部材２２とは、その中心位置でボルト・ナットにより固定してある。
【００５２】
上記流出側支持部材７は、その外側保持筒１１の谷部１１ｂより内側の部分に排気が貫流できない流出側排気遮断部を構成するとともに、上記内側部分より外側の部分に、介在部材２０、補強支持部材２１、流出側接続部４の円盤部材２２の上記外側部分に対応する部分とともに、これらを通じて排気を外側保持筒１１と筐体筒２との間に形成した外部空間２５から流出側接続部４の内部空間２８へ排気が貫流可能な多数の連通孔からなる流出側連通部３３を構成する。
【００５３】
内側保持筒９、外側保持筒１１、流入側支持部材５、流出側支持部材７（介在部材２０および補強支持部材２１を介して）にて囲まれたフィルタ空間２６には、ＰＭを捕捉するフィルタとしての、多数の細孔を有する多数の発泡石骨粒２９ａからなる発泡石群２９を入れてある。
この発泡石骨粒２９ａは、たとえば本出願人の出願にかかる特願平１１―１２６６１１号明細書に記載のものなどを用いる。
【００５４】
この発泡石骨粒２９ａの表面には、ニッケルやコバルトからなる卑金属系の中温発熱触媒を固着させてある。
また、このフィルタ空間２６内には、上記卑金属系の触媒付き発泡石骨粒２９ａに混在するように、白金などの貴金属系の低温発熱触媒３０ａをその表面に担持させた酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の担体からなる低温発熱触媒粒状群３０を多数入れてある。
【００５５】
なお、流入側支持部材５と補強支持部材１９とには、流入側から温度センサ３１をフィルタ空間２６内へ挿入してフィルタ空間２６内温度を検出し、ハーネスを介して図示しないコントローラへ温度信号を入力可能としてある。
【００５６】
次に、上記構成のパーティキュレート・フィルタの作用につき、説明する。
エンジン・スタートでディーゼル・エンジンから排出された排気が、排気管を通ってＤＰＦ１へ流入してくる。ＤＰＦ１へ流入してきた排気は、順次、ＤＰＦ１内を図１に矢印で示すように進む。
【００５７】
流入側接続部３の内部空間２７へ流入した排気は、排気管接続部分３ａから接続拡径部３ｂへ入るものの、ほぼそのまま直進して流入側連通口１８から内側保持筒９内側の内部空間２４に入る。
一部の排気は、半径方向外側へ向かうものの、排気の大部分は流出側支持部材２３の連通遮断部分７ａに一旦衝突してから方向変換し、半径方向外側のフィルタ空間２６へ向かう。
【００５８】
このようにして半径方向外側へ向かった内部空間２４内の排気は、内側保持筒９の連通路１０を介してフィルタ空間２６内へ進み、この中に入れた卑金属系の中温発熱触媒を担持した発泡石群２９や貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０に当たりながら、外側保持筒１１側へ向かって半径方向外側へ流れる。
【００５９】
このフィルタ空間２６内を排気が通過するとき、エンジンをスタートしてしばらくは、ＤＰＦ１や排気の温度が低いため、上記貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０や卑金属系の中温発熱触媒を担持した発泡石群２９の酸化触媒作用によりＰＭやＣＯ、ＨＣなどが燃焼するまでには至らないが、ＰＭは発泡石群２９に付着・捕捉され、ここに蓄積されていく。
【００６０】
その後、しばらく経って、ＤＰＦ１や排気が暖まってくると、２００℃前後で貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０によりＨＣ等が燃焼し始め、排気温度を３５０〜４００℃程度まで上昇させる。
ただし、この貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０による温度上昇は、上限が低く、これ単独ではＰＭを自然燃焼させる温度まで上昇させることはできない。
【００６１】
しかしながら、貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０により排気温度が３５０〜４００℃程度まで上昇すると、固体触媒である卑金属系の中温発熱触媒を担持した発泡石群２９に付着されていたＰＭが、これら単独だけの場合であれば本発明者が上述した実験ではほとんど燃焼しなかったにもかかわらず、ＰＭの自然燃焼温度よりかなり低い３００℃程度で燃焼し始めることが本発明者による実験で分かった。なお、このとき、同時にＨＣやＣＯも燃焼する。
【００６２】
従来のように触媒と相手側成分が固体同士で触媒の細孔に入らない大きさだと触媒による反応がほとんど進行しないと一般に言われている（たとえば、１９９７年１０月２０日三共出版株式会社発行菊池英一・瀬川幸一・多田旭男・射水雄三・服部英共著「新しい触媒化学第２版」の第１４、１５ページの記載）が、おそらく低温発熱触媒粒状群３０によりＨＣ等が燃焼し始め、排気ガス温度を３５０〜４００℃程度になると、卑金属系の中温発熱触媒を担持した発泡石群２９で酸素のスピル・オーバーが生じ、これによりＰＭの燃焼が促進されたものと推定される。
【００６３】
上記のようにＰＭがフィルタ空間２６の発泡石群２９で捕捉され、低温発熱触媒粒状群３０と卑金属系の中温発熱触媒を担持した発泡石群２９で燃焼され無害化されたＰＭ等は、排気と一緒に外側保持筒１１の連通路１４、１５を通過して外側保持筒１１の半径方向外側の外部空間２５に至り、介在部材２０、補強支持部材２１を取りつけた流出側支持部材７の流出側連通路３０を通って接続縮径部４、大気開放側排気管から大気中へ放出される。
【００６４】
なお、上記外側保持筒１１を排気が通過するとき、たまたまフィルタ空間２６内で捕捉されなかったＰＭは、炭素繊維フェルト１２やアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜１３により捕捉される。また、炭素繊維フェルト１２も温度がある程度高く保たれるので、ＰＭの燃焼に寄与することも可能である。
アルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜１３は、ＰＭを捕捉するとともに、炭素繊維フェルト１２が高温になりすぎて破損するのを防止することができる。
【００６５】
以上のように、本実施例にあっては、ディーゼル・エンジンから排出された排気中に含まれるＰＭを発泡石骨粒２９ａからなるフィルタに付着して捕捉し、貴金属系の低温発熱触媒を担持した低温発熱触媒粒状群３０にて排気温度が２００℃程度になると排気中のＨＣ等を燃焼させ、３５０〜４００℃程度まで排気温度を上昇させる。
排気温度が３００℃程度まで上昇すると、発泡石骨粒２９ａに担持させた卑金属系中温発熱触媒によりＰＭ、ＣＯ、ＨＣが燃焼し、無害化される。このように電熱ヒーターを用いることなしに、かなり低い排気温度でもＰＭを燃焼させることが可能となる。
【００６６】
また、両発熱触媒をそれぞれ粒の担体に担持させたので、貴金属、卑金属の量をできるだけ少なくしながら触媒作用に必要な触媒の接触面積を広く確保することができる。また、粒状群としているので、両発熱触媒の混在が容易にできるようになる。
さらに、外側保持筒１１を炭素繊維フェルト１２とアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜１３とで構成したので、たまたまフィルタ空間２６から逃れたＰＭもここで捕捉・燃焼させることが可能となる。
また、炭素繊維フェルト１２に弾性付勢力を持たせ、発熱触媒を担持した粒状群を内側保持筒９側へ押圧して粒間の隙間を詰めるようにしたので、長期使用により粒の一部が破損しても、そのスペース分を詰めることで粒同士が激しく衝突しあってさらに破損する粒が増えるのを防止できる。
【００６７】
なお、本発明は、上記実施例に限られることなく下記のようにしても良い。
低温発熱触媒と中温発熱触媒は、フィルタとは別の粒にそれぞれ担持させるようにしてもよく、同じ粒に担持させるようにしても良い。
また、フィルタは粒状でなくセラミックを成形したハニカム構造としても良い。
また、上記排気が衝突する流出側支持部材７の流通遮断部を電気石で形成しておくと、排気ガスの衝突により摩擦電荷が生じ、未燃ガスを分解し燃焼を促進することが可能となる。
また、フィルタ空間に粒を入れたものの場合、炭素繊維フェルト１２に代えて外側保持筒をパンチング・メタルピストンの筒で構成し、その内部側方からピストンをスプリングで押すことにより、粒間隙間を詰めるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタの軸方に沿って切断した断面図である。
【図２】図１のＩＩ線に沿って切断して拡大したディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタの横断面拡大図である。
【図３】図２の外側保持筒の一部を拡大した図である。
【符号の説明】
１ディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ
２筐体筒
３排気流入口部
４排気流出口部
５流入側支持部材
７流出側支持部材
９内側保持筒
１０連通部
１１外側保持筒
１２炭素繊維フェルト
１３アルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜
１４、１５連通路
２４内部空間
２５外部空間
２６フィルタ空間
２９中温発熱触媒を担持した粒状群
２９ａ発泡石骨粒
３０低温発熱触媒粒状群
４０保持構造体

Claims

ディーゼル・エンジンに排気管を介して接続し、排気流入口部および排気流出口部を有する筐体筒と、
該筐体筒の内部に配置され、ディーゼル・エンジンから排出された排気が流通し、該排気中のパーティキュレート・マターを捕捉する粒状群を有するフィルタと、
該フィルタに貴金属系の低温発熱触媒と卑金属系の中温発熱触媒とを混合分散させた状態で担持させた発熱触媒と、
該発熱触媒と前記フィルタとを前記筐体筒側に保持する保持構造体と、
前記粒状群をこれら間の隙間を詰める方向に押圧する弾性付勢部材と、
を備え、
前記弾性付勢部材を、パーティキュレート・マターを捕捉可能なフィルタ部材で構成したことを特徴とするディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記保持構造体は、前記筐体筒の軸線方向に沿って伸び、半径方向外側へ排気の流出を可能にする連通路を形成した内側保持筒と、
該内側保持筒の半径方向外側に配置し、半径方向外側へ排気の流出を可能にする連通路を形成した外側保持筒と、
前記内側保持筒および前記外側保持筒の各流入側端部を前記筐体筒に支持する流入側支持部材と、
前記内側保持筒および前記外側保持筒の各流出側端部を前記筐体筒に支持する流出側支持部材と、
を備え、
前記流入側支持部材が、前記内側保持筒の外周部分から前記筐体筒の内周部分までが排気の流入を遮断する流入側排気遮断部と、前記内側保持筒の内部空間と前記排気流入口部とを連通して前記排気流入口部から前記内側保持筒の内部空間への排気の流入を許容する流入側連通口と、を有し、
前記流出側支持部材が、少なくとも前記内側保持筒の外周側部分の内側部分から前記排気流出口部への排気の流出を遮断する流出側排気遮断部と、少なくとも前記外側保持筒の外周部分から前記筐体筒の内周部分までの間の部分に前記外側保持筒および前記筐体筒間に形成した外部空間と前記排気流出口部とを連通する流出側連通路と、
を有するようにし、
前記内側保持筒および前記外側保持筒間に形成したフィルタ空間に前記フィルタと前記触媒を保持させるようにしたこと、
を特徴とする請求項１に記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記低温発熱触媒および前記中温発熱触媒は、これらのうちの少なくとも一方の発熱触媒を担体に固着させた粒状群として前記フィルタに混在させたこと、を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記低温発熱触媒および前記中温発熱触媒は、これらのうちの少なくとも一方の発熱触媒を前記フィルタに固着し、他方の発熱触媒を担体に固着させた粒状群として前記一方の発熱触媒の周りに配置させて構成したこと、を特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記粒状群の発熱触媒は、低温発熱触媒であること、を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記粒状群は、発泡石群であること、を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記弾性付勢部材は、前記外側保持筒で構成し、粒状群を前記内側保持筒へ向けて弾性付勢力を作用させるようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記フィルタ部材は、外側に炭素繊維フェルトを、内側にアルミナ連続繊維クロスのフィルタ膜をそれぞれ配置して重ね併せて構成したこと、を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。
前記フィルタ部材は、それぞれ半径方向の長さを異ならせた隣り合う山部と谷部とを有する星型形状としたこと、を特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のディーゼル・エンジン用パーティキュレート・フィルタ。