JP5045614B2 - ディーゼルパティキュレートフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃焼排気に含まれる粒子状物質（以下ＰＭと称す。）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（以下ＤＰＦと称す。）に関する。

近年、環境対策として、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出されるススや、未燃燃料を含むＰＭの低減が、大きな課題となっている。そのため、従来、ＰＭを捕集するＤＰＦを備えた排ガス浄化装置を排気管の途中に設置することが行われている。
ＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナやヒータ等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている（例えば特許文献１、特許文献２等参照）。

ＤＰＦに一定量以上のＰＭが堆積した場合、ＤＰＦ内の温度の上昇によりＰＭが自己燃焼することがある。この際、運転条件によっては、ＰＭの急速燃焼による急発熱が起こり、ＤＰＦの温度が過度に上昇してＤＰＦを損傷させたり、ＰＭの燃焼温度を低下すべくＤＰＦに触媒を担持させた構造では、触媒を劣化させたりする等の不具合が生じる虞があり、ＤＰＦを利用するシステムにとって大きな問題となっている。このような急発熱は、特にＤＰＦ内が高温状態である時に、減速運転が行われることによって生じ易いことが知られている。

特許文献１のＤＰＦでは、被処理排気の流入する入口側端面と処理済排気の排出する出口側端面とにおいて、所定の形成パターンで封止栓を形成してＤＰＦの軸方向におけるＰＭの捕集量を均一化して、ＰＭの局所的な堆積による燃焼時の発熱集中を抑制している。

特許文献２には、ワックス等の低融点物質をハニカム構造体の端面に塗布し、開口となる所定の位置の低融点物質を加熱して抜き出して、所望の目封止パターンを形成すべくマスキングを施し、これをセラミックス充填剤に浸漬し、封止栓となる部位にセラミックス充填剤を充填し、これを焼成することによって、低融点物質を除去しつつ、所望の目封止パターンを簡易に形成するＤＰＦの製造方法が開示されている。
特開１９９２−３０１１１４号公報 特開平５−２２２９１３号公報

ところが、従来広く行われている捕集セルと排出セルとを交互に配設したものや、特許文献１や特許文献２にあるような形成パターンでは、ＰＭの堆積するセルが、少なくとも対角線方向には、必ず隣接して配設されている。このため、セルを区画する隔壁の交差する角部においては隔壁の対角線方向の両側にＰＭが堆積する虞がある。したがって、極めて薄い隔壁の両側でＰＭの燃焼が起こると互いの燃焼エネルギが伝播しＰＭの燃焼が加速され、局所的な急発熱を抑制できない虞があることが判明した。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、セラミック多孔質体からなる隔壁によって区画された多数のセルをハニカム構造となし、隔壁の細孔にＰＭを捕集するＤＰＦにおいて、ＤＰＦ内のＰＭが急速燃焼するのを抑制し、ＤＰＦの損傷や触媒の劣化を防止して、より安全性、耐久性に優れたＤＰＦ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、請求項１の発明では、内燃機関の燃焼排気管内に設置されて燃焼排気中の粒子状物質を捕集すべく、多孔質セラミックスからなる隔壁によって区画した略筒状のセルを多数設けてハニカム構造となし、上記燃焼排気の流入する上記セルの入口側を開口せしめて出口側を閉塞せしめた捕集セルと、入口側を閉塞せしめて出口側を開口せしめた排出セルとを具備し、複数の上記排出セルによって上記捕集セルの周囲を完全に包囲せしめたディーゼルパティキュレートフィルタであって、複数の上記捕集セルを隣接せしめて１単位の捕集セル群となし、複数の上記排出セルによって該捕集セル群の周囲を完全に包囲せしめた構成とする。

請求項１の発明によれば、捕集セルと捕集セルとの間に必ず排出セルが介在するので、捕集セルのＰＭが堆積した隔壁と他の捕集セルのＰＭが堆積した隔壁との距離が離れ、ＰＭ燃焼時の燃焼エネルギの伝播が抑制され、局所的な過剰燃焼を起こす虞がなくなる。
本発明のように、複数の捕集セルを捕集セル群として、その周囲を包囲するように排出セルを配設すると、単位内の複数の捕集セル同士が隣接する隔壁の両側の圧力は殆ど等しいので、捕集セル間の隔壁にはＰＭが堆積し難くなり、専ら、捕集セルと排出セルとの間を区画する隔壁にＰＭが堆積することとなる。
このような状態で、ＰＭの燃焼が起きた場合にも、ＰＭの堆積する隔壁同士が排出セルによって隔離されているので、過剰なＰＭの燃焼によるＤＰＦの損傷や触媒の劣化を避けることができる。
加えて、複数の捕集セル群によって捕集セル群を構成することによって、捕集セル群当たりの開口面積を拡大させ、圧力損失増加を抑制しつつ、捕集セル群内に存在する隔壁によって捕集セル群の熱容量を増加させることができる。
したがって、限界ＰＭ捕集量を向上させつつ、基材の熱的耐久性の向上が期待できる。
また、単位セル内に隔壁が形成されているので、該単位セルと同様の開口面積又は水力直径を有するセルを1つのセルで構成する場合に比べＤＰＦを構成する基材のアイソスタティック強度も向上できる。
したがって、ＰＭの急速燃焼によるＤＰＦの損傷や触媒の劣化を防止して、より安全性、耐久性に優れたＤＰＦが実現できる。

さらに、請求項２の発明のように、上記捕集セルは、ディーゼルパティキュレートフィルタの有効断面積に対して２０％以上８０％以下の範囲で設けるのが望ましい。

請求項２の発明によれば、ＰＭの堆積する隔壁同士が排出セルによる隔離によって過剰なＰＭの燃焼によるＤＰＦの損傷や触媒の劣化を避けつつ、捕集セルの圧力損失を抑えて、ＤＰＦの捕集可能な限界ＰＭ量を増加させることができる。捕集セルと排出セルとを必ずしも同一の形状に形成する必要はなく、捕集セルの周囲を排出セルが包囲しつつ、捕集セルの断面積が請求項３に記載の範囲となるように、捕集セルと排出セルの断面形状を、三角形、四角形、六角形のいずれかを適宜組み合わせて形成することもできる。
また、捕集セルと排出セルの大きさも同一である必要はなく、捕集セルの周囲を排出セルが包囲しつつ、捕集セルの断面積が請求項２に記載の範囲となるように、大小異なる大きさのセルを組み合わせた構成としても良い。

請求項３の発明では、上記捕集セルと上記排出セルとの間を区画する隔壁を薄肉に形成し、複数の上記排出セル同士を区画する隔壁を厚肉に形成する。

請求項３の発明によれば、捕集セルから排出セルへの燃焼排気の移動が容易となり圧力損失を抑え、機関の燃焼への影響を抑制しつつ、隣接する排出セル同士を区画する隔壁を厚くすることにより排出セル間の拡散抵抗が高くなるので捕集セル側から導入されたＰＭ除去済みの排気が隣接する他の排出セル側に逆流することなく下流側へと速やかに排出される。

請求項４の発明では、上記捕集セル群の１単位当たりに隣接する捕集セルは７個以下とする。

請求項４の発明によれば、捕集セル群の周囲を排出セルで包囲してＰＭ燃焼時の過剰昇温を抑制しつつ、複数の捕集セル群を１単位とすることによる圧力損失の低減効果を最大限有効に利用できる。請求項４の発明に記載の範囲を外れ捕集セル群の１単位当たりに隣接する捕集セルを８個以上とすると、この周囲を完全に包囲する排出セルの数が多くなり必要な捕集セルの面積を確保できなくなる虞があることが判明した。
また、本発明の範囲を外れる場合には、セルの形状によっては、実質的にセル密度の低いＰＤＦと同じだけのＰＭ補修量しか確保できなくなってしまう虞もある。

本発明のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃焼排気中に含まれる粒子状物質ＰＭを捕集するものであり、多孔質セラミックスからなる隔壁によって区画されたセルを複数設けたハニカム構造体の両端面において所定の目封止パターンによって目封止して、ＰＭを捕集する捕集セルＣ_１とＰＭの捕集された後の燃焼排気を排出する排出セルＣ_２、Ｃ_３と構成している。本発明の特徴は、隣接する複数の捕集セルＣ_１からなる１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴの周囲を排出セルＣ_２、Ｃ_３によって完全に包囲した構成とした点にある。

多孔質セラミックスを構成する材料としては、例えば、コーディエライト（２ＭｇＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５） 等の酸化物材料、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化硼素（Ｂ_４Ｎ）、炭化チタン（ＴｉＣ）等の炭化物材料、珪化チタン（ＴｉＳｉ_２）等の珪化物材料等を用いることができる。また、ＰＭを効率的に燃焼すべく触媒として、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｈ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の金属を多孔質セラミックスの表面に担持させた構成としても良い。本実施形態においては、多孔質セラミック材料として広く一般に用いられているコーディエライトを用いた場合を例に説明する。

焼成によりコーディエライト（２ＭｇＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）組成となる原料、即ち、タルク（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カオリン（Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２・２Ｈ_２Ｏ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ベーマイト（ＡｌＯＯＨ）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）等から適宜選択されたセラミック原料粉末を所定の配合比で調合して所定の粒度分布を有する調合原料に調整する。
また、触媒を担持すべくイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）や、タングステン（Ｗ）、白金（ＰＴ）等の遷移金属等を添加しても良い。
次いで、結合剤、可塑剤、分散剤、潤滑剤、邂逅剤、界面活性剤、造孔剤等の助剤として、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、デンプン糊、ポリアルキレン誘導体、グリセリン、ゼラチン、ワックスエマルジョン、カーボン、おがくず等から適宜必要な材料を選択して、上記調合原料と混練してセラミック坏土とし、さらに、セラミック坏土を所定の流動特性となるよう含水率や粘度の調整を行う。 本実施形態においては、例えば、重量比でシリカ原料を１９％、タルク原料を３６％、アルミナ原料を４５％の割合で混合し、これを１００として、造孔剤２１．６％、バインダ１３．５％、水３４％を加えたものを用いた。

粘度調整されたセラミック坏土を、プランジャ式押出成形機やスクリュ式押出成形機を用いて所定の格子溝を設けた金型から押出、所望の断面形状を持つ筒状のセルが多数区画されたハニカム構造体を形成する。
得られたハニカム構造体の入口側と出口側との両端面において、所定のセルに封止剤を充填し、入口側が開口し出口側が閉鎖した捕集セルＣ_１と、入口側が開口し出口側が開口した排出セルＣ_２、Ｃ_３とを設ける。
この時、捕集セルＣ_１と排出セルＣ_２、Ｃ_３とは、隣接する複数の捕集セルＣ_１によって構成される１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴの外周が排出セルＣ_２、Ｃ_３によって完全に包囲されるように配設する。

封止剤の充填方法として、例えば、ハニカム構造体の端面を樹脂フィルム等で覆い、封止剤を充填するセルを覆う部位の樹脂フィルムを加熱等により除去し、所望の目封止形成パターンを有するマスキングを施し、マスキングを施したハニカム構造体の端面をスラリー状に調整した充填剤中に浸漬し、マスキングを除去したセル内に充填剤を充填し、乾燥する等の方法が適宜採用し得る。
入口側端面と出口側端面とのそれぞれに、所望のパターンで封止剤を充填し目封止栓を形成した後、乾燥後、樹脂フィルムの除去と同時に焼成を行う。この時、充填剤も同持に焼成される。コーディエライトの場合には、例えば、１４００℃で焼成される。
以上により、入口側が開口し出口側が閉塞する捕集セルＣ_１と、この周囲を完全に包囲するように配設された入口側が開口し出口側が閉塞する排出セルＣ_２、Ｃ_３とで構成されたＤＰＦ１が形成できる。
充填剤としては、ハニカム構造体を形成するセラミック原料と同質のものを主成分とし、水等の分散媒によってスラリー状にしたものを用いるのが望ましい。また、封止栓ＳＴＰ_ＥＮ、ＳＴＰ_ＥＸは燃焼排気の通過を阻止すべく、隔壁よりも緻密な微構造とするのが望ましく、封止剤に造孔剤を添加する必要はない。

多孔質セラミックスからなる隔壁Ｗ_ＩＯ、Ｗ_ＯＯの厚みは、５０μｍから５００μｍに形成され、捕集セルＣ_１及び排出セルＣ_２、Ｃ_３の大きさは一辺が０．５ｍｍから２ｍｍ程度の三角形、四角形、六角形のいずれか又はこれらを組み合わせた形状を用いることができる。捕集_セルＣ１と排出セルＣ_２、Ｃ_３とは、同一断面形状であっても良いし、それぞれが異なる断面形状であっても良い。
セル密度は、１平方インチ当たり１５０セルから４００セル即ち、１５０ｃｐｉから４００ｃｐｉに形成され、ＤＰＦ１の断面積に対する保守セルＣ_１の開口面積比が２０％から８０％の範囲で形成するが望ましい。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦ１の詳細について説明する。
捕集セルＣ_１は、多孔質セラミックスからなる隔壁Ｗ_ＩＯによって断面四角形に区画された筒状に形成されており、燃焼排気の流入する入口側は開口しており、出口側は出口封止栓ＳＴＰ_ＥＸによって閉塞されている。本実施形態においては隣接する２個の捕集セルＣ_１によって１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴが形成されている。
排出セルＣ_２、Ｃ_３は、多孔質セラミックスからなる隔壁Ｗ_ＩＯ及び隔壁Ｗ_ＯＯによって断面四角形に区画された筒状に形成されており、燃焼排気の流入する入口側は入口封止栓ＳＴＰ_ＥＮによって閉鎖されており、出口側は開口している。
排出セルＣ_２、Ｃ_３は、複数の捕集セルＣ_１からなる１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴの周囲を完全に包囲するように配設されている。
本実施形態においては、図１（ａ）に示すように、捕集セルＣ_１は、正方形に形成され、排出セルＣ_２は、１辺の長さが捕集セルＣ_１の１辺の長さと等しく、他辺の長さがその半分の長さに等しい長方形に形成され、排出セルＣ_３は、１辺の長さが捕集セルＣ_１の半分の正方形に形成されている。

図１（ｂ）に示すように、捕集セルＣ１の入口側の開口から導入された未処理の燃焼排気は、捕集セルＣ_１の出口側が閉塞されているため、捕集セルＣ１の隔壁Ｗ_ＩＯを透過して排出セルＣ_２、Ｃ_３へ排出される。このとき、燃焼排気に含まれる酸化炭素ＣＯ２、窒素酸化物ＮＯｘ等の気体は隔壁Ｗ_ＩＯを通過し、隔壁Ｗ_ＩＯに無数に存在する細孔にＰＭは捕集され、隔壁Ｗ_ＩＯの内側に堆積する。

図２を参照して本発明の原理について説明する。本図（ａ）に示すように、本発明のＤＰＦ１の場合、１辺がＤ_ＥＮの正方形をした捕集セルＣ_１のＰＭ堆積面と他の捕集セルＣ_１のＰＭ堆積面とは、最短でも、排出セルＣ_２の幅Ｄ_ＥＸと隔壁Ｗ_ＩＯの壁厚ｔｗの２倍、即ちＤ_ＥＸ＋２ｔｗだけ離れている。
したがって、捕集セルＣ１と他の捕集_セルＣ１との間に必ず排出セルＣ２、Ｃ３が介在するので、堆積したＰＭを燃焼させた時に、燃焼エネルギが他の捕集_セルＣ_１でのＰＭ燃焼に伝播するのを抑制し、ＤＰＦ１の過剰な温度上昇を招く虞がない。
また、隣接する複数の捕集セルＣ_１のそれぞれを流れる流体の圧力は等しいので、隣接する複数の捕集セルＣ_１間を区画する隔壁Ｗ_ＩＩを流体が透過することはほとんど無く隔壁Ｗ_ＩＩにはＰＭが堆積し難い。

一方、本図（ｂ）に示すように、捕集セルＣ_ＥＮＺと排出セルＣ_ＥＸＺとが交互に配設された従来のＤＰＦ１_Ｚの場合、対角線方向に捕集セルＣ_ＥＮＺが隣接した状態となっている。このため、１の捕集セルＣ_ＥＮＺのＰＭ堆積面と他の捕集セルＣ_ＥＮＺとのＰＭ堆積面とは、セルを区画する隔壁が交差する角部においては、最短で隔壁の厚みｔｗの√２倍の距離しか離れていない。隔壁の両側に対角線方向に並んだ捕集セルＣ_ＥＮＺの１の捕集セルＣ_ＥＮＺのＰＭ堆積面でＰＭの燃焼が起こると、燃焼エネルギが他の捕集セルＣ_ＥＮＺにも伝播し、ＰＭの燃焼速度が加速され、異常燃焼を引起し、ＤＰＦ１_Ｚの過剰な温度上昇によってＤＰＦ１_Ｚの損傷や担持された触媒の劣化を招く虞がある。

図３を参照して、試験によって確認された本発明の効果について説明する。
ＤＰＦの試験片を形成し、ＰＭを含んだ空気を該ＤＰＦ試験片に一定時間導入し、ＰＭ捕集セルにＰＭを堆積させた後、本図（ａ）に示す条件にてＤＰＦに導入される空気の温度を上昇させ、ＰＭの燃焼が始まる６００℃に達した時に導入する空気の流速を急減速に切り換える。
昇温時の条件は、空気流速を３５ｇ／ｓ、昇温時間を約９０秒、減速時の条件は、空気流量を７ｇ／ｓとした。
ＤＰＦ内に導入される空気流量が急減速されると、ＤＰＦ内に堆積したＰＭが自己燃焼し、ＤＰＦ内の温度が急上昇する。
本試験は、吸気スロットルの開度を閉じ側に制御して、燃焼排気の流速を急減速し、ＤＰＦのＰＭを燃焼除去するＤＰＦの再生条件を模したものである。
ＤＰＦ内に堆積させるＰＭの量を変化させた時の最高温度を測定し、最高温度がＤＰＦにコーディエライトを用いた場合の耐久温度である１１０℃を超えた時を過剰燃焼と判断し、この時のＰＭ捕集量を限界ＰＭ量とした。
隔壁の厚みが０．３ｍｍで、セルの１辺が１．１ｍｍの正方形に区画したセルが複数設けられたハニカム構造体を用いて、１個の捕集セルの周囲６個のセルが排出セルとなるように目封止パターンを形成したＤＰＦを用いた時の限界ＰＭ量の試験結果を実施例１とし、同形状のハニカム構造体を用いて、捕集セルと排出セルとが交互に配設されるように目封止パターンを形成したＤＰＦを用いた時の限界ＰＭ量の試験結果を比較例１として、本図（ｂ）に示す。
この結果、実施例１は比較例１よりも限界ＰＭ量を向上させることができることが確認された。

図４を参照して、本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦの変形例について説明する。本図（ａ）から（ｃ）に示すように、連続的に隣接した複数の捕集セルＣ_１を１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとして、その周囲を排出セルＣ_２、Ｃ_３で包囲する構成とすることによって上記実施形態と同様の効果が得られる。
捕集セルＣ_１同士を区画する隔壁Ｗ_ＩＩの両側では捕集セルＣ_１内を流れる燃焼排気の流速が略等速であるので、隣接する捕集セルＣ_１間での気体の流れは小さく、隔壁Ｗ_ＩＩにＰＭは余り堆積せず、ＰＭの堆積は専ら、捕集セルＣ_１と排出セルＣ_２とを区画する隔壁Ｗ_ＩＯの内側で行われる。このため、本図（ａ）から（ｃ）のいずれの場合においても、ＰＭ燃焼時には、ＰＭ堆積面が排出セルＣ_２によって離隔されているので、過剰なＰＭ燃焼が抑制され、ＤＰＦの損傷を抑制することができる。

一方、連続的に隣接する捕集セルＣ_１の数が増えると、ＤＰＦの断面積に対して捕集セルＣ_１の断面積比が高くなる。しかし、連続して隣接する捕集セルＣ_１が８個以上になると、捕集セルＣ_１間を区画する隔壁Ｗ_ＩＩが増えて有効なＰＭ堆積面が減少する。したがって、連続的に隣接する捕集セルＣ_１は、７個以下とするのが望ましい。
加えて、複数の捕集セルＣ_１によって１単位の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴを構成することによって、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴ当たりの開口面積を拡大させ、圧力損失増加を抑制しつつ、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴ内に存在する隔壁によって単位セルの熱容量を増加させることができる。したがって、限界ＰＭ捕集量を向上させつつ、基材の熱的耐久性の向上が期待できる。また、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴ内に隔壁Ｗ_ＩＩが形成されているので、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴと同等の開口面積あるいは水力直径を有するセルを1つのセルで形成する場合に比べ、ＤＰＦ１を構成する基材のアイソスタティック強度も向上できる。

図５（ａ）から（ｃ）に、本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦ１の他の変形例を示す。本図（ａ）から（ｃ）に示すように、連続して隣接する５個の捕集セルＣ_１の周囲を１６個の排気セルＣ_２によって包囲した構成としても良い。本図（ａ）、（ｂ）に示すように、捕集セルＣ１が直線的に並んだ構成でも良いし、本図（ｃ）に示すように、略Ｌ字形に屈曲して並んだ構成でも良い。
また、上記実施形態においては、捕集セルＣ_１と排気セルＣ_２とを異なる大きさに形成した例を示したが、本実施形態に示すように、捕集セルＣ_１と排気セルＣ_２とを同一の大きさで構成しても良い。

さらに、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、直線的に並んだ６個の捕集セルＣ１の周囲を１８個の排気セルＣ２で包囲する構成としても良いし、本図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、連続して並んだ３個の捕集セルＣ_１が２列並んで６個の捕集セル群Ｃ_ＵＮＴを構成し、その周囲を１０個の排気セルＣ_２が包囲する構成としても良い。

また、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、７個の捕集セルＣ_１を階段状に並べて捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１６個の排気セルＣ_２で包囲する構成としても良い。

図８（ａ）から（ｄ）に、本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦ１ａ及びその変形例の要部拡大図を示す。本図（ａ）、（ｂ）は、捕集セルＣ_１ａが２個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１６個の排出セルＣ_２ａが包囲している構成を示し、本図（ｃ）、（ｄ）は、捕集セルＣ_１ａが３個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１６個の排出セルＣ_２ａが包囲している構成を示す。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ａのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ａが必ず介在し、捕集セルＣ_１ａに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図９（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦ１ａの別の変形例における要部拡大図を示す。本図（ａ）及び（ｂ）は、捕集セルＣ_１ａが４個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１８個の排出セルＣ_２ａが包囲している構成を示す。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ａのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ａが必ず介在し、捕集セルＣ_１ａに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１０（ａ）から（ｄ）に、本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦ１ａの別の変形例における要部拡大図を示す。本図（ａ）及び（ｂ）は、捕集セルＣ_１ａが５個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を２０個の排出セルＣ_２ａが包囲している構成を示し、本図（ｃ）及び（ｄ）は、捕集セルＣ１ａが６個並んで配設され、これを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１８個の排出セルＣ_２ａが包囲している構成を示す。
本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ａのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ａが必ず介在し、捕集セルＣ_１ａに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１１（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦ１ｂとその変形例の要部拡大図を示す。本実施形態においては、単位セルの断面形状が六角形に区画した点が上記実施形態と相異する。本図に示すように、断面六角形に区画された捕集セルＣ_１ｂが２個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を８個の排出セルＣ_２ｂが包囲している構成を示す。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ｂのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ｂが必ず介在し、捕集セルＣ_１ｂに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１２（ａ）から（ｃ）に、本発明の第３の実施形態における他の変形例の要部拡大図を示す。本図（ａ）から（ｃ）は、捕集セルＣ_１ｂが３個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を９個の排出セルＣ_２ｂが包囲している構成を示す。本図（ａ）から（ｃ）に示すように連続的に隣接する複数の捕集セルＣ_１ｂによって構成した捕集セル群Ｃ_ＵＮＴの並び方によって３パターンの配設方法がある。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ｂのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ｂが必ず介在し、捕集セルＣ_１ｂに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１３（ａ）から（ｃ）に、本発明の第３の実施形態における他の変形例の要部拡大図を示す。本図（ａ）から（ｃ）は、捕集セルＣ_１ｂが４個並んで配設されこれを捕集セル群とし、その周囲を１０個の排出セルＣ_２ｂが包囲している構成を示す。本図（ａ）から（ｃ）に示すように連続的に隣接する複数の捕集セルＣ_１ｂによって構成した捕集セル群の並び方によって３パターンの配設方法がある。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ｂのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ｂが必ず介在し、捕集セルＣ_１ｂに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１４（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第３の実施形態における他の変形例の要部拡大図を示す。本図（ａ）及び（ｂ）は、捕集セルＣ_１ｂが５個並んで配設されこれを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとし、その周囲を１１個の排出セルＣ_２ｂが包囲している構成を示す。本図（ａ）に示すように、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴが同一方向を向いて並ぶように配設しても良いし、本図（ｂ）に示すように、捕集セル群Ｃ_ＵＮＴの向きが交互に入れ替わるように配設しても良い。本実施形態のいずれの場合においても、上記実施形態と同様に、捕集セルＣ_１ｂのＰＭ捕集面間に排出セルＣ_２ｂが必ず介在し、捕集セルＣ_１ｂに堆積したＰＭの燃焼時に過剰な温度上昇が抑制される。

図１５（ａ）から（ｄ）に本発明の第３の実施形態における他の変形例の要部拡大図を示す。本図（ａ）及び（ｂ）は、捕集セルＣ_１ｂが３個並んで配設されさらにこれが２列並んで６個の捕集セルＣ_１ｂを捕集セル群とし、その周囲を１３個の排出セルＣ_２ｂが包囲している構成を示す。本図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、７個の捕集セルＣ_１ｂによって捕集セル群とし、その周囲を１２個の排気セルＣ_２ｂで包囲した構成としても良い。

図１６に本発明の第４の実施形態におけるＤＰＦ１ｃの概要を示す。
本実施形態においては、例えば、上記第２の実施形態と同様に断面三角形に形成したセルを多数設けたハニカム構造体の目封止パターンをＤＰＦ１ｅの中心部分と外周部分とで変化させた構成とし、図１６に示すように、ＤＰＦ１ｃの外周部は、４個の捕集セルＣ１ａを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとして、その周囲を１８個の排出セルＣ２ａによって包囲した構成とし、中心部は、２個の捕集セルＣ１ａを捕集セル群Ｃ_ＵＮＴとして、その周囲を１４個の排出セルＣ２ａによって包囲した構成としている。
本実施形態によれば、捕集セル群の周囲を排出セルで包囲することによって異常昇温を抑制する本発明の効果に加え、ＤＰＦの中心部を流れる燃焼排気の流速と外周部を流れる流速とが異なる場合において、外周部と中心部との目封止パターンを変化さえることにより、捕集セルＣ１ａに捕集されるＰＭ量を均一化して、さらに限界ＰＭ量を向上させることも可能となる。

図１７（ａ）は、本発明の第６の実施形態におけるＤＰＦ１ｄの目封止パターン及びセル隔壁の詳細を示す要部拡大図、（ｂ）は、本実施形態におけるハニカム構造体の成形に用いられる金型５０の特徴を示す要部断面図である。
本図（ａ）に示すように、捕集セルＣ１ｂと排出セルＣ２ｂとの間を区画する隔壁Ｗ_ＩＯを薄肉に形成し、複数の排出セルＣ２ｂ同士を区画する隔壁Ｗ_ＯＯを厚肉に形成してある。このような構成とすることにより、捕集セルＣ１ｂから排出セルＣ２ｂへの燃焼排気の移動が容易となり圧力損失を抑え、内燃機関２０の燃焼への影響を抑制しつつ、隣接する排出セルＣ２ｂ同士を区画する隔壁Ｗ_ＯＯを厚くすることにより排出セルＣ２ｂ間の拡散抵抗が高くなるので捕集セルＣ１ｂ側から導入されたＰＭ除去済みの排気が隣接する他の排出セルＣ２ｂ側に逆流することなく下流側へと速やかに排出することができる。
また、このように、セルを区画する隔壁の厚みを変化させるためには、本図（ｂ）に示すように、金型５０において、捕集セルＣ_１ｂ同士を区画する隔壁Ｗ_ＩＩ及び捕集セルＣ_１ｂと排出セルＣ_２ｂとの間を区画する隔壁Ｗ_ＩＯとを押し出すための溝部Ｓ_ＩＩ及びＳ_ＩＯの隙間を狭くし、排出セルＣ２ｂ同士を区画する隔壁Ｗ_ＯＯを押し出すための溝部Ｓ_ＯＯの隙間を広くし、さらに、溝部Ｓ_ＩＩ、Ｓ_ＩＯに連なる下孔Ｈ_ＩＩ、Ｈ_ＩＯは小径に形成し、溝部Ｓ_ＯＯに連なる下孔Ｈ_ＯＯを大径に形成すれば、溝部Ｓ_ＩＩ、Ｓ_ＩＯ、Ｓ_ＯＯから押し出されるセラミック坏土の流速を等しくすることができる。また、下孔Ｈ_ＩＯの数を少なく、下孔Ｈ_ＯＯの数を多く形成することによって、溝部Ｓ_ＩＩ、Ｓ_ＩＯ、Ｓ_ＯＯから押し出されるセラミック坏土の流速を調整しても良い。

図１８を参照して、本発明のＤＰＦ１を用いた燃焼排気浄化システムの例について説明する。ＤＰＦ１は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関２０の燃焼排気流路に設けられ、燃焼排気中のＰＭを捕集する。
内燃機関２０は、高圧ポンプＰによって高圧に昇圧された高圧燃料を蓄圧する各気筒２００に共通のコモンレールＲと、該コモンレールＲに連結されて各気筒２００の燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料噴射弁ＩＮＪを有し、内燃機関２０の吸気マニホールド２１０は、吸気管２１８に連結しており、連結部に設けられる吸気スロットル２１４によって、吸気流量が調整されるようになっている。

内燃機関２０の排気マニホールド２２０は、排気管２２４に連結しており、排気管２２４の経路には、本発明のＤＰＦ１が設置されている。
内燃機関２０からの排出ガスは、入口側が開口している捕集セルＣ_１からＤＰＦ１内に入り、多孔性の隔壁Ｗ_ＩＯを通過する際にＰＭが捕集される。
排気と接触するＤＰＦ１内の隔壁Ｗ_ＩＯの表面に、ＰＭの酸化を促進するための触媒を担持させることもできる。また、ＤＰＦ１の上流側に酸化触媒１１０を設けた構成としても良い。さらに、ＤＰＦ１の下流側には、図略の尿素ＳＣＲ装置を設けて、ＤＰＦ１によってＰＭを除去された排気中のＮＯｘの除去処理を行う構成としても良い。

排気管２２４のＤＰＦ１の上流側２２３には、遠心過給機のタービン２２１が設けられ、吸気管２１８に設けられるコンプレッサ２１６とタービン軸２２２を介して連結されている。これにより、排気の熱エネルギを利用してタービン２２１を駆動するとともに、タービン軸２２２を介してコンプレッサ２１６を駆動し、吸気管２１８から吸気フィルタ２１７を介して導入された吸気をコンプレッサ２１６内で圧縮する。吸気スロットル２１４の上流には、インタクーラ２１５が設けられ、コンプレッサ２１６で圧縮されて高温となった吸気が冷却される。

排気マニホールド２２０は、ＥＧＲ通路２１２によって、吸気マニホールド２１０と連結されており、排気の一部が、ＥＧＲ通路２１２を経て吸気に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路２１２の、吸気マニホールド２１０への出口部には、ＥＧＲ弁２１１が設けられ、その開度を調節することにより吸気へ還流される排気の量を調整できるようになっている。ＥＧＲ通路２１２の途中には、還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１３が設けられる。

排気管２２３、２２４には、ＤＰＦ１にて捕集されたＰＭ捕集量を知るために、ＤＰＦ１の前後差圧を検出する差圧センサ１００が設けられる。差圧センサ１００の一端側はＤＰＦ１上流の排気管２２３に、他端側はＤＰＦ１下流の排気管２２４にそれぞれ圧力導入管を介して接続されており、ＤＰＦ１の前後差圧に応じた信号を出力するようになっている。また、ＤＰＦ１の出口部には、ＤＰＦ温度Ｔ_ＥＸを検出する排気温センサＴ_ＳＥＮと、ＤＰＦ１下流の酸素濃度λを検出する酸素濃度検出手段としての空燃比センサλ_ＳＥＮが設置されている。これらセンサからの信号は、いずれも制御手段であるＥＣＵ３０に入力される。

ＥＣＵ３０には、さらに、吸気スロットル２１４の開度ＯＰ_ＩＮ、ＥＧＲ弁２１１の弁開度ＯＰ_ＥＧＲ、エンジン回転数ＮＥ、車速ＳＰ、アクセル開度ＡＣ、冷却水温ＴＷ、クランク位置ＣＡ、燃料圧Ｐ_ＣＹＬ等を検出する各種センサから信号が入力されて、内燃機関２０の運転状態を検出するようになっている。ＥＣＵ２０は、運転状態に応じた最適な燃料噴射量、ＥＧＲ量を算出して、吸気スロットル２１４、燃料噴射弁ＩＮＪ、ＥＧＲ弁２１１等をフィードバック制御する。ＥＣＵ３０は、また、吸気管２１８に導入される吸気量を検出する吸気量センサＡＲ_ＳＥＮと排気温センサＴ_ＳＥＮの検出値から算出される排ガス流量（体積流量）と、差圧センサ１００にて検出されるＤＰＦ１の前後差圧を基に、ＰＭ捕集量を演算して、ＤＰＦ１の再生を制御することもできる。一般に、ある排気流量に対して、ＰＭ捕集量の増加に伴い差圧が増加することから、この関係を利用してＰＭ捕集量を算出することができる。そして、算出されたＰＭ捕集量が所定値を越えた時に、ＤＰＦ１を昇温させて、ＰＭを燃焼、除去する再生処理を行う。

ＤＰＦ１の再生手段として、具体的には、燃料噴射弁ＩＮＪから燃焼室に燃料を噴射する際に、ポスト噴射や噴射時期の遅角を行う、あるいは、吸気スロットル２１４を通常より閉じ側とする等により排気を昇温させる方法が採用できる。例えば、ポスト噴射や遅角を行うと、着火時期の遅れ等により、エネルギの一部が動力に返還されずに排気の熱エネルギになるために、通常噴射の場合の排気温度（１５０〜４００）に対し、高温（３００〜７００）の排気がＤＰＦ１内に導入される。吸気スロットル２１４を閉じ側とした場合も同様で、吸気量が減少し、内燃機関２０の燃焼室内に流入するガスの熱容量が減少するために、排気温度が上昇する。この高温の排気により、ＤＰＦ１内に付着したＰＭを燃焼させ、捕集能力を回復させることができる。運転状態に応じて、複数の再生手段を使い分けたり、再生手段として、バーナやヒータといった加熱装置を用いたりすることもできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、１又は連続する複数の捕集セルの周囲を排気セルで完全に包囲することによって、ＰＭ燃焼時における捕集セル間の燃焼エネルギの伝達を抑制し、ＰＭ限界捕集量の増加を図る本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更可能である。例えば捕集セルと排気セルとを予め異なる形状に形成しても良いし、単一の形状からなるセルを複数設けて、目封止パターンによって捕集セルと排気セルとを分けても良い。

本発明の第１の実施の形態におけるＤＰＦの概要を示し、（ａ）は入口側と出口側とのそれぞれ端面における目封止パターンを示す要部拡大図、（ｂ）は本図中Ａ−Ａに沿った断面図。 （ａ）は本発明のＤＰＦの要部拡大図、（ｂ）は比較例として示す従来のＤＰＦの要部拡大図。 （ａ）は試験条件を示す特性図、（ｂ）は本発明の効果を比較例とともに示す特性図。 本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）から（ｃ）に示す要部拡大図。 本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）から（ｃ）に示す要部拡大図。 本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）から（ｄ）に示す要部拡大図。 本発明の第１の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）及び（ｂ）に示す要部拡大図。 本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）から（ｄ）に示す要部拡大図。 本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）及び（ｂ）に示す要部拡大図。 本発明の第２の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）から（ｄ）に示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの変形例を（ａ）及び（ｂ）に示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）から（ｃ）に示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）から（ｃ）に示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）及び（ｂ）に示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンの他の変形例を（ａ）から（ｄ）に示す要部拡大図。 本発明の第５の実施形態におけるＤＰＦの目封止パターンを示す要部拡大図。 （ａ）は、本発明の第６の実施形態における目封止パターン及びセル隔壁の詳細を示す要部拡大図、（ｂ）は、本実施形態におけるハニカム構造体の成形に用いられる金型の特徴を示す要部断面図。 本発明のＤＰＦを用いた内燃機関の燃焼排気処理システム全体の概要を示す構成図。

符号の説明

１ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
Ｃ_１ 捕集セル
Ｃ_ＵＮＴ 捕集セル群
Ｃ_２、Ｃ_３ 排出セル
Ｗ_ＩＯ 捕集セル−排出セル間隔壁
Ｗ_ＯＯ 排出セル−排出セル間隔壁
Ｗ_ＩＩ 捕集セル−捕集セル間隔壁
ＳＴＰ_ＥＮ 入口側目封止
ＳＴＰ_ＥＸ 出口側目封止

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼排気管内に設置されて燃焼排気中の粒子状物質を捕集すべく、多孔質セラミックスからなる隔壁によって区画した略筒状のセルを多数設けてハニカム構造となし、上記燃焼排気の流入する上記セルの入口側を開口せしめて出口側を閉塞せしめた捕集セルと、入口側を閉塞せしめて出口側を開口せしめた排出セルとを具備し、複数の上記排出セルによって上記捕集セルの周囲を完全に包囲せしめたディーゼルパティキュレートフィルタであって、
   複数の上記捕集セルを隣接せしめて１単位の捕集セル群となし、複数の上記排出セルによって該捕集セル群の周囲を完全に包囲せしめたことを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
2. 上記捕集セルは、ディーゼルパティキュレートフィルタの有効断面積に対して２０％以上８０％以下の範囲で設けたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
3. 上記捕集セルと上記排出セルとの間を区画する隔壁を薄肉に形成し、複数の上記排出セル同士を区画する隔壁を厚肉に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
4. 上記捕集セル群の１単位当たりに隣接する捕集セルは７個以下としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。

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