JP6819178B2

JP6819178B2 - パティキュレートフィルター

Info

Publication number: JP6819178B2
Application number: JP2016184543A
Authority: JP
Inventors: 遊大景山; 和貴大石
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018048594A

Description

本開示は、パティキュレートフィルターに関する。

従来、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルターとして、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）が知られている。

ＤＰＦは、粒子状物質の捕集量に限度があるため、堆積した粒子状物質を定期的に焼却除去する再生を行う必要がある。ＤＰＦの再生では、排気管内噴射やポスト噴射により、上流側に設けられた酸化触媒に未燃燃料を供給して、酸化により発生する熱で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する。

例えば、ＤＰＦには、粒子状物質を捕集するための複数の孔を有するハニカム構造体を、複数のハニカムセグメントから構成し、複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接着剤で接合し一体化したものがある。

しかし、接着剤の熱容量がハニカムセグメントに比較して大きく、昇温速度が遅いことから、ＤＰＦ内の温度勾配を増大させて、熱応力による欠陥が生じる場合がある。

例えば、特許文献１には、ＤＰＦ内の温度勾配の増大を抑えるために、ハニカムセグメント同士を接着剤で接合する箇所（接着領域）を、軸方向（ハニカムセグメントの長手方向）の中心位置より両端方向へ所定長さ（全長の３０％以下）だけ離間した位置までの範囲にして、ハニカムセグメントの両端部に接着剤で接合しない箇所（非接着領域）を設けた構成が開示されている。

特許第４４３４０７６号公報

しかしながら、特許文献１におけるハニカムセグメントの両端部に設けられた非接着領域は、ＤＰＦ内の温度勾配の増大を抑えることを目的としており、排気ガスを粒子状物質の燃焼温度に昇温するＤＰＦの再生時の熱による接着剤の剥がれを防止することを目的として着想されておらず、接着領域の温度がＤＰＦの再生時に耐熱温度以上に達して、接着剤が剥がれるおそれがあり、剥がれた接着剤が機械振動などによりハニカムセグメントに擦れたり、衝突したりする。これにより、ＤＰＦを損壊させて、ＤＰＦの耐久性を低下させる場合がある。

本開示の目的は、耐久性の低下を防止することができるパティキュレートフィルターを提供することである。

本開示のパティキュレートフィルターは、
複数のハニカムセグメントが一体化され、各ハニカムセグメントに流入した排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質を燃焼させるパティキュレートフィルターにおいて、
前記複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接着剤で接合する接着領域と、
排気ガスの流れ方向における下流側の端を始端として、当該始端から上流側に向かって前記接着領域の下流側の端である終端までの領域に設けられた、前記隣接するもの同士の間に形成された空間としての非接着領域と、
を備え、
前記終端の位置は、前記流れ方向における位置に対して予め求められた温度のうち、前記接着剤の最大耐熱温度または前記最大耐熱温度から所定温度を減じた温度に対応する位置である。

本開示によれば、耐久性の低下を防止することができる。

本開示の一実施の形態に係るディーゼル排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図本実施の形態に係るパティキュレートフィルターの縦断面図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図ハニカムセグメントの側面図図２のＶ−Ｖ線断面図接着剤を塗布した第１のハニカムセグメントを示す図接合された第２のハニカムセグメントを示す図接合された１５個のハニカムセグメントを示す図接合された１６個のハニカムセグメントを示す図変形例に係るパティキュレートフィルターの横断面図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図において、排気ガスの流れ方向を“ＤＲ”で示し、流れ方向における上流側を“Ｄ１”で、下流側を“Ｄ２”でそれぞれ示す。

図１は、本実施の形態に係るディーゼル排気ガス浄化装置１の構成を概略的に示す図である。
図１に示すディーゼル排気ガス浄化装置１は、ディーゼルエンジン（図示略）の排気ガスの上流側Ｄ１に配置された繊維フィルター２と、これと直列的に配置されたパティキュレートフィルター３とを組み合わせたものである。

繊維フィルター２は耐熱性繊維の積層体である。耐熱性繊維には特に限定はないが、例えば、Ｓｉ−Ｃ−Ｏを主成分とする炭化ケイ素系、Ｓｉ−Ｏ−Ｎを主成分とする窒素化ケイ素、Ａｌ−Ｏを主成分とするアルミナ系およびＳｉ−Ｏを主成分とするシリカ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを主成分とするムライト系などのセラミックス、鉄-クロム-アルミニウム系金属線などを使用することができる。

図２は、流れ方向ＤＲに沿って切断したパティキュレートフィルター３の縦断面図、図３は図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面である。
パティキュレートフィルター３は、複数（ここでは、１６個）のハニカムセグメント３０を有する。パティキュレートフィルター３は、図２および図３に示すように、１６個のハニカムセグメント３０を縦横４×４のマトリックス状に配列した集合体である。

図４は、上流側Ｄ１から見たハニカムセグメント３０の側面図である。
ハニカムセグメント３０は、多孔性セラミックス製ハニカム構造体である。ハニカムセグメント３０は、図４からわかるように、格子によって区画された多数の細長い気管（セル）３２からなるものである。多数の気管３２における上流側Ｄ１および下流側Ｄ２の開口は、目封じされている。具体的には、多数の気管３２における上流側Ｄ１の開口は、市松模様を呈するように、セラミックスで封止されている。図４に目封じされた開口３２Ａをハッチングで示す。また、目封じされた気管３２に隣接する気管３２の下流側Ｄ２の開口は、セラミックスで封止されている。

上記のように構成されたハニカムセグメント３０において、排気ガスは、例えば、気管３２の開放された上流側Ｄ１の開口から流入し、気管３２のハニカム壁を貫通して隣接する気管３２に流入し、開放された下流側Ｄ２の開口（図示略）から排出される。これにより、ハニカム壁はフィルターとして機能する。排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）は、ハニカム壁を貫通できず、気管３２内に捕集される。

図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。
パティキュレートフィルター３は、図２、３および図５に示すように、隣接するハニカムセグメント３０同士を接着剤３４で接合する接着領域Ａ１と、隣接するハニカムセグメント３０同士の間に形成された空間３６としての非接着領域Ａ２とを有する。

接着剤３４は、例えば、無機繊維および無機バインダーなどの材料、に水を加えて、混練をすることにより得られる。なお、上記の材料に、有機バインダー、発泡樹脂および分散剤を加えてもよい。上記方法により得られた接着剤３４は耐熱性および耐衝撃性を有する。接着剤３４の種類は、それが用いられるパティキュレートフィルター３の種類に対応している。ここでの接着剤３４の最大耐熱温度（℃）は、例えば、８００から９００である。また、接着剤３４の耐熱温度とは、接着性能を維持している温度をいう。また、耐衝撃性とは、熱応力や物理的な衝撃に耐性を有することをいう。

非接着領域Ａ２は、流れ方向ＤＲにおける下流側Ｄ２の端を始端Ｅ１として、始端から上流側Ｄ１に向かって粒子状物質の燃焼時（パティキュレートフィルター３の再生時）に接着剤３４の所定耐熱温度以下を示す終端Ｅ２までを空間３６とする領域である。ここで、所定耐熱温度とは、最大耐熱温度であってもよく、出荷時のパティキュレートフィルター３の品質特性のバラツキを考慮して、最大耐熱温度から所定温度を減じた温度であってもよい。

非接着領域Ａ２の終端Ｅ２は、接着剤３４の種類（特に、最大耐熱温度）、パティキュレートフィルター３の種類、および、パティキュレートフィルター３の再生における実験結果などから経験的に求められる位置である。パティキュレートフィルター３の再生時において、パティキュレートフィルター３の中心側の温度の方が外周側の温度より高いことが知られている。つまり、流れ方向ＤＲにおける位置が同じであっても、パティキュレートフィルター３の外周側の温度が接着剤３４の最大耐熱温度以下である一方、中心側の温度が接着剤３４の最大耐熱温度に達している場合がある。以上の結果を、非接着領域Ａ２の終端Ｅ２の位置にそのまま反映すると、各々の非接着領域Ａ２の終端Ｅ２は、パティキュレートフィルター３の中心側の方が外周側の方より上流側に位置することになる。本実施の形態では、パティキュレートフィルター３の製造し易さを加味し、非接着領域Ａ２の終端Ｅ２は、各々の非接着領域Ａ２の終端Ｅ２の流れ方向ＤＲにおける位置は、パティキュレートフィルター３の中心側の終端Ｅ２の位置で相互に一致している。

接着領域Ａ１は、ハニカムセグメント３０に作用する熱応力を緩和するために、なるべく広いことが好ましい。接着領域Ａ１は、具体的には、ハニカムセグメント３０の流れ方向ＤＲにおける上流側Ｄ１の端Ｅ３から終端Ｅ２までの領域に連続して設けられる。

次に、パティキュレートフィルター３の製造方法の一例について図６Ａから図６Ｄを参照して説明する。ここでは、１６個のハニカムセグメント３０を用いて、パティキュレートフィルター３を製造するものとする。なお、１６個のハニカムセグメント３０を接着剤３４で接合する順番は予め決められているものとする。

（接合工程）
先ず、第１番目のハニカムセグメント３０１の側面に接着剤３４を塗布する（図６Ａ参照）。なお、本接合工程において、流れ方向ＤＲおいて接着剤３４を塗布する領域は、図２に示す接着領域Ａ１である。つまり、接着剤３４を、流れ方向ＤＲにおける上流側Ｄ１の端Ｅ３から終端Ｅ２までの領域に連続して塗布する。

次に、接着剤３４を塗布した側面に第２番目および第３番目のハニカムセグメント３０２，３０３の側面を接合する（図６Ｂ参照）。

次に、第２番目および第３番目のハニカムセグメント３０２、３０３の側面に接着剤３４を塗布し、接着剤３４を塗布した側面に次の順番のハニカムセグメント３０の側面を接合する。

このような接着剤３４による接合を順次繰り返すことで、図６Ｃに示すように、第１４番目および第１５番目のハニカムセグメント３０４，３０５を一体化し、第１４番目および第１５番目のハニカムセグメント３０４，３０５の側面に接着剤をそれぞれ塗布する。さらに、図６Ｄに示すように、接着剤を塗布した側面に第１６番目のハニカムセグメント３０６を接合する。以上により、１６個のハニカムセグメント３０を一体化する。

（乾燥工程）
一体化したハニカムセグメント３０を、例えば１５０℃から１８０℃の温度で乾燥する。乾燥に要する時間は、例えば、３時間から４時間である。

（成形）
乾燥したハニカムセグメント３０の外周を、図２および図３に示すように、円形状になるようにカットし、パティキュレートフィルター３の外周形状を成形する。なお、変形例として、パティキュレートフィルター３の外周形状を、図７に示すように、楕円形状になるようにカットしてもよい。

上記実施の形態に係るパティキュレートフィルター３によれば、排気ガスの流れ方向ＤＲにおける下流側の端を始端Ｅ１として、始端Ｅ１から上流側に向かって粒子状物質の燃焼時に接着剤３４の所定耐熱温度以下を示す終端Ｅ２までの領域を非接着領域Ａ２とする。これにより、パティキュレートフィルター３の再生時の熱によって接着剤３４が剥がれることがなく、接着剤３４がハニカムセグメント３０に擦れたり、衝突したりすることもなく、パティキュレートフィルター３の耐久性の低下を防止することができる。

また、各々の非接着領域Ａ２の終端Ｅ２の流れ方向ＤＲにおける位置が相互に一致する。つまり、複数のハニカムセグメント３０の接合工程において、接着剤３４の塗布を開始する位置および終了する位置が一致する。これにより、複数のハニカムセグメント３０を容易に接合することが可能となる。

なお、本発明は、各々の非接着領域Ａ２の終端Ｅ２の流れ方向ＤＲにおける位置を、パティキュレートフィルター３の外周側に位置する方が、中心側に位置する方より下流側に位置させてもよい。これにより、パティキュレートフィルター３の外周側の接着領域Ａ１を、中心側の接着領域Ａ１より下流側に拡張させることができ、それに応じて、耐衝撃性を上げることができる。

また、本発明においては、パティキュレートフィルター３の再生時において、パティキュレートフィルター３の中心側から外周側に近づくほど温度が下降する傾向にあることから、各々の非接着領域Ａ２の終端Ｅ２の流れ方向ＤＲにおける位置を、パティキュレートフィルター３の中心側から外周側に近づくほど下流に位置させてもよい。これにより、中心側から外周側に近づく位置に設けられた接着領域Ａ１ほど下流側に拡張させることができ、さらに、耐衝撃性を向上させることができる。

本開示のパティキュレートフィルターは、耐久性の低下を防止することが要求されるディーゼル排気ガス洗浄装置として有用である。

Ａ１接着領域
Ａ２非接着領域
１ディーゼル排気ガス浄化装置
２繊維フィルター
３パティキュレートフィルター
３０ハニカムセグメント
３２気管
３４接着剤
３６空間

Claims

複数のハニカムセグメントが一体化され、各ハニカムセグメントに流入した排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質を燃焼させるパティキュレートフィルターにおいて、
前記複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接着剤で接合する接着領域と、
排気ガスの流れ方向における下流側の端を始端として、当該始端から上流側に向かって前記接着領域の下流側の端である終端までの領域に設けられた、前記隣接するもの同士の間に形成された空間としての非接着領域と、
を備え、
前記終端の位置は、前記流れ方向における位置に対して予め求められた温度のうち、前記接着剤の最大耐熱温度または前記最大耐熱温度から所定温度を減じた温度に対応する位置であるパティキュレートフィルター。
各々の前記非接着領域の終端の前記流れ方向における位置は、相互に一致している請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
各々の前記非接着領域の終端の前記流れ方向における位置は、前記パティキュレートフィルターの外周側に位置する方が、中心側に位置する方より前記下流側に位置している請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
各々の前記非接着領域の終端の前記流れ方向における位置は、前記パティキュレートフィルターの中心側から外周側に近づくほど前記下流側に位置している請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
前記接着領域は、前記流れ方向における上流側の端から前記終端までの領域に連続して設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のパティキュレートフィルター。