JP5560490B2 - ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター - Google Patents
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なかでも、大都市で問題となっている大気汚染物質としてPMがある。そしてディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べてPMを多く排出する。
本発明は、上述の状況の下で成されたものであり、その目的は、当該課題が解決された長寿命のDPFを提供することである。
そして、DPF寿命を短縮させるフィルターセルのクラック発生の原因が、フィルターセル内に灰分が堆積する為であること。さらに、当該灰分が、フィルターセル内に不均一に堆積することが原因であるという画期的な知見を得た。具体的には、主に、当該フィルターセル内の入口側から見て奥部にあたる出口側に、灰分が堆積していたのである。
ここで本発明者等は、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させることについて研究を続けた。そして、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させる為には、その前段階として、フィルターセル内部におけるPMの付着の不均一状態を解消させることが肝要であること。フィルターセル内部におけるPMの付着の不均一状態を解消させる為には、フィルターセルの入口側から出口側に向かって、排気ガスの通過速度を均一化させることが肝要であることに想到した。
フィルターセル壁にコーティングが施されているディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Kを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Kをより減少させるものがコーティングされており、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Kが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
第1の発明に記載のディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、
さらに、当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および/または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Kを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、のいずれかの構成から選択される1つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
図1は、DPFに用いられるフィルターユニット1の模式的な外観である。図1において向かって左側が排ガスの入口側4であり、右側が出口側5である。フィルターユニット1集合体の入口側には目板2が設けられており、当該入口側の目板2には多数の穿孔3が設けられている。一方、フィルターユニット1集合体の出口側には目板6が設けられており、当該出口側の目板6にも多数の穿孔7が設けられている。
この排気ガス16が、ガス透過性を有するフィルターセル壁を透過する際、PMは当該フィルターセル壁を透過することが出来ず、排気ガス流入側のフィルターセル11内面のフィルターセル壁に沈着する。
以下、まず図3を参照しながら、排気ガス流入側のフィルターセルの単体セル11によるPMの捕集と加熱処理、および問題点について説明する。
へ向かう。この排気ガス16が、フィルターセル壁12を透過する際、排気ガス16中のガス成分は、ここを透過出来るが、PM25は透過出来ずにフィルターセル壁12の内表面に捕獲される。当該PM25の捕獲により、排気ガス19はガス成分のみとなり出口5へ向かい流出する。
尚、図3のフィルターセル壁12に、〈1〉〈2〉・・・・〈n−2〉〈n−1〉〈n〉の符号が付与されているが、これは、後述する、フィルターセル内における排気ガスの運動モデルを説明するために用いる符号である。
結局、フィルターセル壁12の内表面に不均等に付着した灰分26が、PM25の再生燃焼の度に加熱と冷却とにより、不均一な膨張・収縮を繰り返し、排気ガス流入側のフィルターセル11にワレが発生していたものと考えられる。
[計算モデル]
排気ガス流入側のフィルターセル11内の排ガス16、および、排気ガス流出側のフィルターセル18内の排ガス19の流れを1次元非定常圧縮性とすると、連続の式(1)式、運動方程式(2)式、エネルギー式(3)式は、次のように記載される。
ここで、入口側4の排気ガス流入側のフィルターセル11入口を〈1〉点目とし、出口側5の目封じ14の位置を〈n〉:〈101〉点目とした。
まず、〈1〉点目はフィルターセル11の入口であり、排気ガス16の流速(u)、温度(T)、圧力(p)は所与の値である。一方、〈101〉点目においては、出口側の目封じ14により目封じされているので流速(u)=0となる。
具体的には、(1)式を差分式とし、〈2〉〜〈100〉点目までの流速を求めた(尚、〈101〉点目は、目封じなので流速は0である。)。
その結果を図4に示す。図4は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル11における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス16の流速(u)をとったグラフである。
そしてフィルターセル壁の縦横内寸を1mm、フィルターセル長さを10cm、入口側4にある穿孔3における排気ガス16の圧力を0.106MPa、出口側5にある穿孔7における排気ガス16の圧力を0.1MPa、フィルターセル11内の密度(ρ)は1.2kg/m3で一定、排気ガス流入側のフィルターセル11外の排気ガス16の排気入口側における流速を0.12m/sとした。
このときの、排気ガス流入側のフィルターセル11内の排気ガス16の流速(u)を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル18内の排気ガス19の流速(u)を破線で当該グラフにプロットしたものである。
(1)排気ガス流入側のフィルターセル11における排気ガス16の流速は、入口側4から出口側5へ向かって単調に低下し、〈101〉点にてゼロになる。
(2)排気ガス流出側のフィルターセル18における排気ガス19の流速は上述した(1)と相反し、入口側4でゼロであるが、出口側5へ向かって単調に増加する。
尚、(3)式は、温度一定の解を与えたので実質的に解かれたことになった。
その結果を図5に示す。尚、フィルターセルの各条件は、図4の場合と同様である。
図5は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル11における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス16、19の圧力をとったグラフであり、排気ガス流入側のフィルターセル11内の排気ガス16の圧力を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル18内の排気ガス19の圧力を破線で当該グラフにプロットしたものである。
(1)排気ガス流入側のフィルターセル11における排気ガス16の圧力は、入口側4の〈1〉点における0.106MPaから出口側5へ向かって徐々に増加する。
(2)排気ガス流出側のフィルターセル18における、流出する排気ガス19の圧力は、
上述した(1)と相反して出口側5へ向かって徐々に低下し、〈101〉点にて0.1MPa(大気圧)になる。
さらに、本発明者等は、通過係数Kの値の検討を行うに際し、岩石など多孔質物体の物理的性質の一つで多孔質物体内における流体の流れやすさを表現する「ダルシー則」を適用することに想到した。
当該ダルシー則を適用し、排気ガス16がフィルターセル壁12を通過する速度をVzと表記すると、(4)式という関係が示される。
Vz=Q/A=(κ△P/μ・δ)=K△P・・・・・(4)式
ここで、κ:絶対浸透率(絶対通過係数)は、その多孔質物体固有のものである。そして、本発明においては、通過係数Kについて(5)式という関係が示される。
K=κ/(μ・δ)・・・・(5)式
但し、Q:フィルターを通過する排気ガスの体積流量(m3/s)、A:フィルターセル壁の内側の面積[フィルターセル壁の縦横内寸から算出](m2)δ:フィルターセル壁の壁厚(m)、μ:排気ガス16の粘度(Pa・s)。
表1は、排気ガス流入側のフィルターセル11における入口からの位置n=1〜100におけるκとδの値の計算結果を入口の値で無次元化して示した表である。また、図6は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル11における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸にKの値をとったグラフであり、排気ガス16がフィルターセル壁12を通過する速度が一定なる場合の通過係数Kの値を実線で当該グラフにプロットしたものである。
尤も、これらの値は、エンジンの種類や運転条件によって異なる。そこで、予め、上述の方法で計算を行い、試作品を作製し空気流を用いて性能を確認するといった試作段階を経て、量産段階に移行すれば良い。
他方、排気ガス16を発生するディーゼルエンジンが、様々な状態で作動する車両用等のディーゼルエンジンにおいては、PMが多量に排出される運転条件を基準として、DPF入口圧力、温度、排気流量、大気圧力等に応じ、例えば、図6に記載する様にκとδと
の値を計算して、通過係数Kの値を定めれば良い。
1)フィルターセル壁を構成する素材の密度および/または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Kを入口側から出口側に向かって減少させる。
2)フィルターセル壁の壁厚δを、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Kを入口側から出口側に向かって減少させる。
3)フィルターセル壁に、フィルターの通過係数Kを増加させるコーティングを施す。その際、当該コーティングの厚みを入口側から出口側に向かって増加させる。または、当該コーティングの材質を入口側から出口側に向かって、通過係数Kをより減少させるものに変えていく。
4)上記1)〜3)の手段を併用する。
1)フィルターセル壁を構成する素材の密度および/または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Kを入口側から出口側に向かって減少させる手段
図7に、当該1)の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
該1)の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル11Bにおいて、フィルターセル壁12Bは、例えばセラミック素材で構成されている。このようにフィルターセル壁12Bが、セラミック素材で構成されている場合は、フィルターセル11Bの製造時に、フィルターセル壁12Bの密度および/または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させる(図7においては、ドットの密度で記載している。)ことで、フィルターセル壁の通過係数Kを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁12Bの密度および/または充填率を変化させる方法として、セラミック生成の際の焼成条件を変化させる、セラミック生成の際の原料粉に膨潤剤等の添加剤を予め加えた上で焼成を行う、といった方法がある。
図8に、当該2)の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
当該2)の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル11Cにおいて、フィルターセル壁12Cも、例えばセラミック素材で構成されている。このフィルターセル壁12Cは、壁厚δが入口側から出口側に向かって増加していることで、フィルターセル壁の通過係数Kを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁12Cの壁厚δを変化させる方法として、セラミック生成の際に用いる金型をCAD/CAM加工する等の方法がある。
当該コーティングとしては、フィルターセル壁を構成するセラミック素材より通過係数K値の低い物質、例えば、よりガラス質の高いコーティング剤を用いれば良い。
上述した1)〜3)の手段は単独で行っても良いが、2以上の手段を併用することも好
ましい方法である。
この結果、産業用および輸送機器用等のディーゼルエンジンの保守コストを低減することが出来、産業上有効である。
2. 目板(入口側)
3. 穿孔(入口側)
6. 目板(出口側)
7. 穿孔(出口側)
11. フィルターセル(流入側)
11B.本発明の実施形態に係るフィルターセル(流入側)
11C.本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル(流入側)
12. フィルターセル壁
12B.本発明の実施形態に係るフィルターセル壁
12C.本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル壁
14. 目封じ(出口側)
15. ヒーター
16. 排気ガス(流入側)
17. 目封じ(入口側)
18. フィルターセル(流出側)
19. 排気ガス(流出側)
Claims (2)
- フィルターセル壁にコーティングが施されているディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Kを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Kをより減少させるものがコーティングされており、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Kが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。 - 請求項1に記載のディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、
さらに、当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および/または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Kを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、のいずれかの構成から選択される1つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
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