JP6838641B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排ガス浄化装置に関する。
内燃機関の排気管には、排ガスに含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集する排ガス浄化装置が設けられている。この排ガス浄化装置は、排ガスに含まれる粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルタを備えている。
排ガス浄化フィルタは、複数のセル壁と、セル壁によって囲まれて形成された複数のセル孔とを有する。そして、排ガス浄化フィルタとしては、複数のセル孔のうちの一部が、上流側の端面が栓部によって閉塞され、複数のセル孔のうちの他の一部が下流側の端面を栓部によって閉塞したものがある。これにより、上流側が開口したセル孔に流入した排ガスが、確実にセル壁を透過した後に、下流側が開口したセル孔から排出されるようにすることができる。
ところが、上記のような構造の排ガス浄化フィルタにおいては、圧力損失が増大しやすいという問題がある。また、エンジンオイルや燃料中に微量に含まれる不純物（Ｓ、Ｃａ等）により生成される灰分（Ａｓｈ）が、排ガスと共に排ガス浄化フィルタに到達するが、この灰分がセル内に堆積しやすいという問題もある。この灰分の堆積によっても、圧力損失が増大する。かかる問題に鑑みて、栓部をハニカム構造体の上流側にのみ配置した排ガス浄化フィルタが提案されている（特許文献１）。
国際公開第２０１２／０４６４８４号
しかしながら、上記のように、栓部をハニカム構造体の上流側にのみ配置した排ガス浄化フィルタは、排ガスの流速が速い場合に生じる排ガスの吹き抜け（排ガス浄化フィルタに上流側から導入された排ガスが、セル壁を透過することなく下流側に抜けること）を抑制する必要がある。そのために、排ガス浄化フィルタ（ハニカム構造体）の基材長を長くする、もしくは２個以上の基材（排ガス浄化フィルタ）を直列配置することで、粒子状物質の捕集率低下を抑制する対策がとられてきた。しかし、この場合には、排ガス浄化フィルタの大型化につながってしまうという問題がある。
上述のように、一様なセル構造を有する排ガス浄化フィルタにおいて、圧力損失の低減と粒子状物質の捕集率の向上との両立は困難である。この課題は、栓部を上流側にのみ配置した排ガス浄化フィルタであっても、上流側と下流側との双方に栓部を配置した排ガス浄化フィルタであっても、同様である。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の捕集率を向上しつつ、小型化を容易にすることができる排ガス浄化装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルタ（１）を、配管内に配置してなる排ガス浄化装置であって、
上記排ガス浄化フィルタ（１）は、ハニカム構造体（２）と、該ハニカム構造体（２）の軸方向（Ｚ）における上流側端面（２１）を部分的に閉塞する上流側栓部（３）と、上記ハニカム構造体（２）の下流側端面（２２）を部分的に閉塞する下流側栓部（３０）とを有し、
上記ハニカム構造体（２）は、複数のセル壁（４）と、該セル壁（４）に囲まれて形成された複数のセル孔（５）とを有し、
上記複数のセル孔（５）には、上記上流側端面（２１）が開放された流入セル孔（５１）と、上記上流側栓部（３）によって上記上流側端面（２１）が閉塞されると共に上記下流側端面（２２）が開放された流出セル孔（５２）とがあり、
上記流入セル孔（５１）は、上記下流側端面（２２）を上記下流側栓部（３０）によって閉塞されており、
上記ハニカム構造体（２）は、中心軸を含む中心側領域（２３）と、該中心側領域（２３）の外周側に配された外周側領域（２４）とを有し、
上記中心側領域（２３）及び上記外周側領域（２４）のそれぞれにおいて、上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｃ１、Ｓｏ１）よりも上記流出セル孔（５２）の流路断面積（Ｓｃ２、Ｓｏ２）が大きく、
上記中心側領域（２３）における上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｃ１）は、上記外周側領域（２４）における上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｏ１）よりも小さく、
上記配管は、上記排ガス浄化フィルタが配された大径配管と、該大径配管の上流側と下流側とにそれぞれ接続されると共に該大径配管よりも内径の小さい小径配管（１０１、１０２）とを有し、
上記ハニカム構造体（２）を軸方向Ｚから見たとき、上記中心側領域（２３）と上記外周側領域（２４）との境界ライン（Ｂ）の内側に、上記小径配管（１０１、１０２）の内周輪郭が、収まっている、排ガス浄化装置にある。
上記排ガス浄化フィルタは、流入セル孔と流出セル孔とを有する。それゆえ、排ガス浄化フィルタを通過する排ガスは、まず、上流側から流入セル孔に導入される。このとき生じる流入セル孔内と流出セル孔内との間の圧力差に起因して、排ガスの一部がセル壁を透過して、流出セル孔に流入する。排ガスがセル壁を透過する際、排ガス中の粒子状物質がセル壁に捕集される。
一般に、排ガス流路に配置された排ガス浄化フィルタに対して、その上流側端面から排ガスが導入される際には、その中心軸付近の流速が大きくなりやすい。そのため、中心軸付近において圧力損失が大きくなり、捕集率が低下しやすい。一方、中心軸から遠い部分においては、排ガスの流速が比較的遅いため、圧力損失は大きくなりにくい。
そこで、上記排ガス浄化フィルタにおいて、上記ハニカム構造体の中心側領域における流入セル孔の流路断面積を、外周側領域における流入セル孔の流路断面積よりも小さくしている。これにより、一様なセル構造の場合と比べ、排ガスが外周側領域にも多く流れやすくなる。それゆえ、中心側領域における圧力損失を抑制することができ、捕集率を向上できる。また、外周側領域にも排ガスが充分流れ、外周側領域のセル壁を有効に活用できるため、全体として濾過面積を大きくできる。その結果、粒子状物質の捕集率を向上させることができる。また、これに伴い、充分な捕集率を確保したうえで、ハニカム構造体の基材長を短くすることができる。
以上のごとく、本発明によれば、粒子状物質の捕集率を向上しつつ、小型化を容易にすることができる排ガス浄化装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
参考形態１における、排ガス浄化フィルタの斜視図。 参考形態１における、排ガス浄化フィルタの軸方向に平行な断面図。 参考形態１における、軸方向から見た排ガス浄化フィルタの平面図。 参考形態１における、流入セル孔と流出セル孔との配列状態の説明図。 参考形態１における、中心側領域の流入セル孔と流出セル孔との配列状態の説明図。 参考形態１における、外周側領域の流入セル孔と流出セル孔との配列状態の説明図。 八角形状の流入セル孔と八角形状の流出セル孔との配列状態の説明図。 円形状の流入セル孔と円形状の流出セル孔との配列状態の説明図。 四角形状の流入セル孔と四角形状の流出セル孔との配列状態の説明図。 境界ラインを正方形状とした排ガス浄化フィルタを、軸方向から見た平面図。 参考形態１における、配管内に設置された排ガス浄化フィルタの断面説明図。 実施形態１における、排ガス浄化フィルタの軸方向に平行な断面図。 実施形態１における、下流側端面側から見た、排ガス浄化フィルタの斜視図。 実施形態１における、下流側端面側から見た、排ガス浄化フィルタの平面図。 実験例１における、圧力損失と捕集率との測定結果を示す線図。 実験例２における、圧力損失と捕集率との測定結果を示す線図。
上記排ガス浄化フィルタは、ハニカム構造体の下流側端面を部分的に閉塞する下流側栓部を有していてもよい。そして、上記流入セル孔は、下流側端面を上記下流側栓部によって閉塞されていてもよい。すなわち、上記流入セル孔は、上流側端面が開放され、下流側端面が閉塞されたものであってもよいし、上流側端面と下流側端面との双方が開放された開放セルであってもよい。
（参考形態１）
排ガス浄化フィルタの実施形態につき、図１〜図６を用いて説明する。
本形態の排ガス浄化フィルタ１は、排ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタである。
排ガス浄化フィルタ１は、図１に示すごとく、ハニカム構造体２と、ハニカム構造体２の軸方向Ｚにおける上流側端面２１を部分的に閉塞する上流側栓部３とを有する。
図２〜図６に示すごとく、ハニカム構造体２は、複数のセル壁４と、セル壁４に囲まれて形成された複数のセル孔５とを有する。
複数のセル孔５には、上流側端面２１が開放された流入セル孔５１と、上流側栓部３によって上流側端面２１が閉塞されると共に下流側端面２２が開放された流出セル孔５２とがある。
本形態においては、ハニカム構造体２の上流側端面２１のみが、部分的に上流側栓部３によって閉塞された、いわゆる片栓構造を有する。それゆえ、本形態の排ガス浄化フィルタ１においては、軸方向Ｚに貫通した開放セル孔が流入セル孔５１となり、上流側端面２１が閉塞された栓詰めセル孔が流出セル孔５２となる。
図３、図４に示すごとく、ハニカム構造体２は、中心軸を含む中心側領域２３と、中心側領域２３の外周側に配された外周側領域２４とを有する。
図４〜図６に示すごとく、中心側領域２３及び外周側領域２４のそれぞれにおいて、流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１、Ｓｏ１よりも流出セル孔５２の流路断面積Ｓｃ２、Ｓｏ２が大きい。すなわち、Ｓｃ１＜Ｓｃ２であり、Ｓｏ１＜Ｓｏ２である。
そして、中心側領域２３における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１は、外周側領域２４における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｏ１よりも小さい。
なお、流路断面積Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｏ１、Ｓｏ２は、各セル孔５それぞれの流路断面積を意味する。
本形態の排ガス浄化フィルタ１は、自動車の内燃機関、例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンにおいて発生した排気ガスの浄化に用いることができる。
図１に示すごとく、排ガス浄化フィルタ１は、円柱形状の外形をなしている。そして、排ガス浄化フィルタ１を構成するハニカム構造体２は、軸方向Ｚに沿って形成された複数のセル壁４によって、その内部が仕切られている。セル壁４は、多孔質構造を有するコージェライト等のセラミック材料からなり、その内部には、隣り合うセル孔５同士を連通する細孔（図示略）が形成されている。
図１、図２に示すごとく、排ガス浄化フィルタ１は、内燃機関の排気系に設置されたときに排ガスの上流側を向く上流側端面２１に、部分的に、上流側栓部３が設けられている。すなわち、流出セル孔５２は、上流側端面２１において、上流側栓部３によって閉塞されている。一方、ハニカム構造体２の下流側端面２２には、上流側栓部３は設けられておらず、流出セル孔５２の下流側は、開放されている。また、流入セル孔５１は、上流側も下流側も開放されており、軸方向Ｚに貫通している。また、図３に示すごとく、ハニカム構造体２の外周部２０に面するセル孔については、他のセル孔５とは異なり、位置によって形状及び流路断面積が種々変更される。それゆえ、本明細書において、特に言及しない限り、セル孔５（流入セル孔５１、流出セル孔５２）は、外周部２０に面するセル孔以外のセル孔を意味する。
図３〜図６に示すごとく、ハニカム構造体２を軸方向Ｚから見たとき、流出セル孔５２は八角形状であり、流入セル孔５１は四角形状である。特に、本形態においては、流入セル孔５１は正方形状であり、流出セル孔５２は１／４回転対称の八角形状である。なお、実際のハニカム構造体２において、各セル孔５の形状は、その角部において多少の曲線やテーパが形成された形状となる。上記の四角形状（正方形状）、八角形状とは、そのような形状も含み、概略形状として、四角形状（正方形状）、八角形状であるものも含む概念である。
なお、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状は、必ずしも、四角形状と八角形状との組み合わせに限らない。例えば、図７に示すごとく、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状を、いずれも八角形状としてもよい。あるいは、図８に示すごとく、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状を、いずれも円形状としてもよい。
なお、図９に示すごとく、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状を、いずれも正方形状としてもよいが、この場合、流出セル孔５２の対角線上におけるセル壁４が薄くなりやすいため、強度が低下しやすくなる。逆に、流出セル孔５２の対角線上におけるセル壁４の厚みを確保しようとすると、設計上、他の箇所のセル壁４を厚くせざるを得ないため、圧力損失が増大しやすくなる。かかる観点で、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状は、図５、図６に示すような、四角形状と八角形状との組み合わせとする、或いは、図７に示すように、いずれも八角形状とすることが好ましい。また、排ガスの濾過面積を確保する観点においても、図８に示す、流入セル孔５１及び流出セル孔５２の形状をいずれも円形状とする構成に比べて、図５、図６に示す四角形状と八角形状との組み合わせ、或いは、図７に示すごとく、八角形状同士の組み合わせ、とすることが好ましい。
図３、図４に示すごとく、ハニカム構造体２を軸方向Ｚから見たとき、中心側領域２３と外周側領域２４とにわたって、複数のセル孔５が、互いに交差する二つの方向である第１方向Ｘと第２方向Ｙとに整列している。そして、第１方向Ｘにおいても第２方向Ｙにおいても、流入セル孔５１と流出セル孔５２とが交互に配列している。中心側領域２３におけるセル壁４は、外周側領域２４におけるセル壁４よりも厚い。
本形態においては、第１方向Ｘと第２方向Ｙとは互いに直交している。そして、流入セル孔５１と流出セル孔５２とが、市松模様状に配置されている。この配列パターンは、中心側領域２３と外周側領域２４とを含め、ハニカム構造体２の全体にわたって連続的に形成されている。
ハニカム構造体２は、中心側領域２３と外周側領域２４とにわたって、セルピッチが一定である。すなわち、第１方向Ｘにおいても第２方向Ｙにおいても、セル孔５の配列ピッチは、中心側領域２３と外周側領域２４とにわたって一定となっている。したがって、中心側領域２３と外周側領域２４とにおける流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１、Ｓｃ２の相違は、セル壁４の厚みの相違によって構成されている。
具体的に、セルピッチは、例えば、１．１４〜２．５４ｍｍとすることが好ましい。セルピッチを１．１４ｍｍ以上とすることで、圧力損失の増大を抑制しやすい。一方、セルピッチを２．５４ｍｍ以下とすることで、ハニカム構造体２の強度を確保しやすい。
さらに、セルピッチは、例えば、１．２７〜１．８０ｍｍとすることがより好ましい。また、セルピッチは、捕集率にも影響しうるため、圧力損失及び強度に加え、捕集率も考慮しつつ、適宜設定することができる。
また、中心側領域２３における流出セル孔５２の流路断面積Ｓｃ２に対する流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１の比である流路断面積比Ｒｃ（＝Ｓｃ１／Ｓｃ２）は、外周側領域２４における流出セル孔５２の流路断面積Ｓｏ２に対する流入セル孔５１の流路断面積Ｓｏ１の比である流路断面積比Ｒｏ（＝Ｓｏ１／Ｓｏ２）よりも、小さい。
中心側領域２３において、流路断面積比Ｒｃは、０．３６〜０．７１とすることが好ましい。Ｒｃ≦０．７１とすることで、排ガスの流速が速くなりやすい中心側領域２３における捕集率を確保することができる。また、Ｒｃ≧０．３６とすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。さらには、流路断面積比Ｒｃは、０．４〜０．５９とすることがより好ましい。
外周側領域２４において、流路断面積比Ｒｏは、０．４〜０．９１とすることが好ましい。Ｒｃ≦０．９１とすることで、セル孔５間の圧力差を確保して、外周側領域２４における捕集率を確保することができる。また、Ｒｃ≧０．４とすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。さらには、流路断面積比Ｒｃは、０．５〜０．９１とすることがより好ましい。
中心側領域２３における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１は、外周側領域２４における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｏ１よりも小さい。一方、流出セル孔５２の流路断面積Ｓｃ２、Ｓｏ２は、中心側領域２３と外周側領域２４とにおいて、同等である。すなわち、本形態においては、Ｓｃ２＝Ｓｏ２である。これにより、Ｒｃ＜Ｒｏとなるように、ハニカム構造体２のセル孔５が配列されている。そして、図５、図６に示すごとく、中心側領域２３におけるセル壁４の厚みｔｃは、外周側領域２４におけるセル壁４の厚みｔｏよりも厚くなっている。
中心側領域２３におけるセル壁４の厚みｔｃは、０．１５〜０．３５ｍｍとすることが好ましい。ｔｃ≧０．１５ｍｍとすることにより、セル壁４を粒子状物質が透過することを抑制して、捕集率を向上させることができる。また、ｔｃ≦０．３５ｍｍとすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。さらには、中心側領域２３におけるセル壁４の厚みｔｃは、０．１８〜０．２８ｍｍとすることが更に好ましい。
外周側領域２４におけるセル壁４の厚みｔｏは、０．１０〜０．３０ｍｍとすることが好ましい。ｔｃ≧０．１０ｍｍとすることにより、セル壁４の強度を確保することができる。また、ｔｃ≦０．３０ｍｍとすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。さらには、外周側領域２４におけるセル壁４の厚みｔｏは、０．１３〜０．２５ｍｍとすることが更に好ましい。
また、中心側領域２３における各セル孔５の流路断面積Ｓｃ１、Ｓｃ２の好ましい範囲は、上述のセル壁４の厚み、流路断面積比Ｒｃ、セルピッチを基に、それぞれ算出することができる。例えば、０．３５ｍｍ2≦Ｓｃ１≦４．７９ｍｍ2、０．７２ｍｍ2≦Ｓｃ２≦８．２３ｍｍ2とすることが好ましい。さらには、０．５９ｍｍ2≦Ｓｃ１≦１．９８ｍｍ2、１．２２ｍｍ2≦Ｓｃ２≦３．６７ｍｍ2とすることがより好ましい。
同様に、外周側領域２４における各セル孔５の流路断面積Ｓｏ１、Ｓｏ２の好ましい範囲は、上述のセル壁４の厚み、流路断面積比Ｒｃ、セルピッチを基に、それぞれ算出することができる。例えば、０．４２ｍｍ2≦Ｓｏ１≦５．６７ｍｍ2、０．７２ｍｍ2≦Ｓｏ２≦８．２３ｍｍ2とすることが好ましい。さらには、０．７１ｍｍ2≦Ｓｏ１≦２．６６ｍｍ2、１．２２ｍｍ2≦Ｓｏ２≦３．６７ｍｍ2とすることがより好ましい。
また、本形態において、中心側領域２３における流出セル孔５２と、外周側領域２４における流出セル孔５２とは、形状も大きさも同様である。それゆえ、本形態の排ガス浄化フィルタ１は、図３、図４に示すごとく、市松模様状に整然と配列された複数のセル孔５のうち、流入セル孔５１の大きさ（流路断面積）のみを、中心側領域２３と外周側領域２４とで変更している。
図３に示すごとく、ハニカム構造体２を軸方向Ｚから見たとき、中心側領域２３と外周側領域２４との境界ラインＢは八角形状である。特に、本形態においては、境界ラインＢは、１／４回転対称の八角形状に形成されている。ここで、図１、図４において、境界ラインＢは、外周側領域２４における内周端に配された複数の流入セル孔５１を結ぶように描かれるラインとして示されているが、中心側領域２３における外周端に配された複数の流入セル孔５１若しくは流出セル孔５２を結ぶように描かれるラインであってもよい。これらは、いずれも相似形となるため、境界ラインとしていずれを選んでも形状としては同じとなるためである。
なお、境界ラインＢの形状は、八角形状に限らず、例えば、図１０に示すごとく、四角形状としてもよい。境界ラインＢを四角形状とする場合、特に正方形状とすることが好ましい。境界ラインＢを四角形状、特に正方形状とする場合、ハニカム構造体２の製造を容易にすることができる。すなわち、ハニカム構造体２を成形するための金型を放電加工する際、その放電加工用の電極形状を四角形に統一できる。その結果、ハニカム構造体２の製造を容易にすることができる。
一方、境界ラインＢを四角形状とする場合に比べ、八角形状とした場合には、境界ラインＢと外周面との間の距離が、周方向の位置によって変動しにくい。その結果、配管内へ排ガス浄化フィルタ１を設置する際の耐荷重を大きくしやすい。
また、境界ラインＢは、その内接円が、排ガス浄化フィルタ１の前後の配管の内径以上となるような大きさ及び形状とすることが好ましい。すなわち、排ガス浄化フィルタ１は、図１１に示すごとく、配管内に配置される。そして、排ガス浄化フィルタ１が配された部分の前後は、排ガス浄化フィルタ１の外径よりも小さい内径の配管１０１、ｌ０２が接続されている。この前後の配管の内径以上に、境界ラインＢの内接円の直径を設定することが好ましい。特に、軸方向Ｚから見たとき、境界ラインＢの内側に、配管の内周輪郭が収まるような状態とすることが好ましい。
また、境界ラインＢの内接円の直径は、ハニカム構造体２の直径の３／４以下とすることが好ましい。このようにすることで、外周側領域２４への排ガスの流れを確保し、圧力損失の増大を抑制しやすい。
なお、境界ラインＢは、必ずしも、ハニカム構造体２の中心軸を中心とした点対称の形状、位置に形成されている必要はない。例えば、排ガス浄化フィルタ１とその前後の配管との相対位置との関係により、境界ラインＢの位置や形状を適宜変更することもできる。
また、排ガス浄化フィルタ１には、触媒が担持されていてもよい。すなわち、セル壁４にＰｔ、Ｒｈ、及びＰｄのうち少なくとも１種を含有する三元触媒等の触媒をコーティングした構成とすることもできる。また、ハニカム構造体２の材質としては、例えば、コージェライト、ＳｉＣ（すなわち炭化ケイ素）、チタン酸アルミニウム等を用いることができる。
次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記排ガス浄化フィルタ１は、流入セル孔５１と流出セル孔５２とを有する。それゆえ、図２に示すごとく、排ガス浄化フィルタ１を通過する排ガスＧは、まず、上流側から流入セル孔５１に導入される。このとき生じる流入セル孔５１内と流出セル孔５２内との間の圧力差に起因して、排ガスＧの一部がセル壁４を透過して、流出セル孔５２に流入する。排ガスＧがセル壁４を透過する際、排ガスＧ中の粒子状物質がセル壁４に捕集される。
ところが、上述のごとく、排ガスＧの流速が速い場合、十分な基材長さを確保しないと、流入セル孔５１に導入された排ガスＧのうち、セル壁４を透過せずに下流側端面２２へ吹き抜けてしまう割合が多くなってしまうおそれがある。一般に、排ガス流路に配置された排ガス浄化フィルタ１に対して、その上流側端面２１から排ガスＧが導入される際には、その中心軸付近の流速が大きくなりやすいため、中心軸付近において吹き抜けが生じやすい。一方、中心軸から遠い部分においては、排ガスＧの流速が比較的遅いため、吹き抜けは生じにくい。
そこで、排ガス浄化フィルタ１において、ハニカム構造体２の中心側領域２３における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｃ１を、外周側領域２４における流入セル孔５１の流路断面積Ｓｏ１よりも小さくしている。これにより、一様なセル構造の場合と比べ、排ガスが外周側領域２４にも多く流れやすくなる。それゆえ、中心側領域における圧力損失を抑制することができ、捕集率を向上できる。また、外周側領域２４にも排ガスが充分流れ、外周側領域２４のセル壁４を有効に活用できるため、全体として濾過面積を大きくできる。その結果、粒子状物質の捕集率を向上させることができる。また、これに伴い、充分な捕集率を確保したうえで、ハニカム構造体２の基材長（軸方向Ｚの長さ）を短くすることができる。
また、中心側領域２３における流路断面積比Ｒｃ（＝Ｓｃ１／Ｓｃ２）が、外周側領域２４における流路断面積比Ｒｏ（＝Ｓｏ１／Ｓｏ２）よりも小さい。これにより、中心側領域２３と外周側領域２４とにおける排ガスの流速のばらつきを効果的に抑制することができる。その結果、排ガスの吹き抜けを抑制しつつ、排ガス浄化フィルタ１の小型化を図りやすくなる。
また、図３、図４に示すごとく、中心側領域２３と外周側領域２４とにわたって、複数のセル孔５が、第１方向Ｘと第２方向Ｙとに整列しており、第１方向Ｘにおいても第２方向Ｙにおいても、流入セル孔５１と流出セル孔５２とが交互に配列している。そして、中心側領域２３におけるセル壁４は、外周側領域２４におけるセル壁４よりも厚い。ハニカム構造体２がかかる構成となっていることにより、中心側領域２３と外周側領域２４とにおいて、セル孔５の配列構造に大きな変化が生じることを防ぐことができる。これにより、中心側領域２３と外周側領域２４との間の境界に、セル壁４とは異なる境界隔壁を設ける必要がない。その結果、製造容易であり、低コストにて、排ガス浄化フィルタ１を得ることができる。また、中心側領域２３と外周側領域２４との間の境界に応力が集中することも抑制することができ、耐久性に優れた排ガス浄化フィルタ１を得ることができる。
また、図４〜図６に示すごとく、流出セル孔５２は八角形状であり、流入セル孔５１は四角形状である。これにより、互いに直交する第１方向Ｘと第２方向Ｙとに沿って、流入セル孔５１と流出セル孔５２とを交互に配列することが容易となる。
また、図３に示すごとく、中心側領域２３と外周側領域２４との境界ラインＢは八角形状である。これにより、中心側領域２３と外周側領域２４との間に境界隔壁を設けることなく、中心側領域２３と外周側領域２４とにおいて、流入セル孔５１の流路断面積を容易に変更することができる。また、境界ラインＢをハニカム構造体２の中心軸を中心とした円形に近づけることができるため、ハニカム構造体２の全体にわたり、排ガスの流速のばらつきを効果的に抑制することができる。
また、流出セル孔５２の流路断面積Ｓｃ２、Ｓｏ２は、中心側領域２３と外周側領域２４とにおいて同等である。すなわち、Ｓｃ２＝Ｓｏ２となっている。これにより、製造容易であると共に構造的に安定した排ガス浄化フィルタ１を得ることができる。
以上のごとく、本形態によれば、粒子状物質の捕集率を向上しつつ、小型化を容易にすることができる排ガス浄化フィルタを提供することができる。
（実施形態１）
本実施形態は、図１２〜図１４に示すごとく、流入セル孔５１の下流側端面２２に下流側栓部３０を設けた形態である。
すなわち、本実施形態の排ガス浄化フィルタ１は、ハニカム構造体２の下流側端面２２を部分的に閉塞する下流側栓部３０を有している。そして、流入セル孔５１は、下流側端面２２を下流側栓部３０によって閉塞されている。
その他の構成は、参考形態１と同様である。なお、実施形態１以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本実施形態の排ガス浄化フィルタ１においては、流入セル孔５１に流入した排ガスＧが、下流側端面２２から吹き抜けることを防ぐことができる。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。
（実験例１）
本例においては、排ガス浄化フィルタにつき、通過する排気ガスの圧力損失と、粒子状物質の捕集率とを調べた。
試料としては、まず、参考形態１に示した、いわゆる片栓構造の排ガス浄化フィルタ１を基本構造として、外周側領域２４における流出セル孔５２の開口幅を４種類に変更した試料１〜４を用意した。ただし、ここで用意した排ガス浄化フィルタ１は、図１０に示すごとく、境界ラインＢを正方形状としたものである。この正方形状の境界ラインＢは、６０ｍｍ四方の正方形である。これら４つの試料１〜４における各部の寸法等は、表１に示すとおりである。
Figure 0006838641
また、ハニカム構造体２は円柱状であり、その直径は１１８．４ｍｍ、軸方向Ｚの長さは１１８ｍｍとした。また、セルピッチは１．５０５ｍｍである。
また、中心側領域２３と外周側領域２４との区別なく、全領域にわたり一様なセル構造を有する排ガス浄化フィルタを、試料５〜１３として用意した。これらの排ガス浄化フィルタの外形寸法は、試料１〜４と同様である。試料５〜１３の各部の寸法等は、表２に示すとおりである。
Figure 0006838641
なお、圧力損失と捕集率は、ハニカム構造体の外径、長さ、流出セル孔の大きさ、流入セル孔の大きさ、セル壁厚さ、セルピッチ、気孔特性（すなわち、平均気孔径及び気孔率）に依存する。そのため、本実験例においては、ハニカム構造体の外径、長さ、セルピッチ、気孔特性は固定した。固定パラメータは次の通りである。ハニカム構造体の外径、長さは上述の通りである。また、セルピッチは、１．５０５ｍｍである。セルピッチｐは、図５に示すように、流出セル孔５２の幅と流入セル孔５１の幅との平均値と、セル壁の厚さとを足した値として定義できる。すなわち、図５に示す寸法２ｐの半分の長さとして、セルピッチｐを定義できる。
また、セル壁の平均気孔径は１８μｍ、気孔率は６０％である。
また、各試料は、次のような材料及び製法にて得た。まず、ハニカム構造体は、化学組成がＳｉＯ2：４５〜５５重量％、Ａｌ2Ｏ3：３３〜４２重量％、ＭｇＯ：１２〜１８重量％よりなるコーディエライトを主成分として構成されている。材料は、少なくとも、カオリン、シリカ、多孔質シリカ、タルク、水酸化アルミニウム、アルミナの原料が３種類以上混合された材料を使用した。この混合原料に、水、潤滑油、バインダ等を添加し混練及び成形・乾燥することでハニカム構造体を得た。
ハニカム構造体を成形する際の金型を作製するにあたっては、次の通りの加工を行った。すなわち、試料５〜１３の成形用の金型を作製するにあたっては、同じ構造の電極を用いて放電加工を行った。一方、試料１〜４の成形用の金型に関しては、中央の構造と外周側の構造が異なる為、それぞれ構造の異なる電極を準備して、放電加工を行うことにより、金型を作製した。
その後、当該金型によって成形したハニカム構造体における上流側端面に、スラリーを市松模様に注入した。これにより、ハニカム構造体の所定部位に栓部を設けた。そして、栓部を備えたハニカム構造体を、焼成炉にて１４３０℃×２０時間、熱処理することにより、焼成を行った。
そして、表１、表２に示すように、流出セル孔の大きさ、流入セル孔の大きさ、セル壁の厚さを、種々変更した各試料１〜１３について、それらの圧力損失と捕集率とを測定した。
評価方法は、以下の通りである。
まず、各試料の排ガス浄化フィルタをガソリン直噴エンジンの排気管内に取り付けた。そして、排ガス浄化フィルタの前後の差圧を測定することで、圧力損失を測定した。また、排ガス浄化フィルタの前後の粒子状物質の粒子数を測定することにより、各試料の捕集率を測定した。なお、排ガスの温度を４５０℃、流量を２．７６ｍ3／分とした。
測定結果を、表１、表２に示すと共に、図１５に圧力損失と捕集率との関係として示した。同図において、符号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を付したプロットが、それぞれ試料１、試料２、試料３、試料４の測定結果を表す。その他のプロットは、試料５〜１３の測定結果を表す。
試料５〜１３の測定結果を見ると、捕集率を向上させると圧力損失も大きくなっている。そして、この試料５〜１３についての圧力損失と捕集率との測定値のプロット群は、一つの緩やかな曲線であるトレードオフラインＬｔ１によって、概略つなげることができる。すなわち、捕集率と圧力損失との関係は、捕集率を高めると圧力損失も大きくなってしまい、圧力損失を小さくすると捕集率が低下してしまうという、いわゆるトレードオフの関係にあることが分かる。
これに対し、試料１〜４の測定結果を見ると、いずれも、上記のトレードオフラインＬｔ１よりも上側、すなわち捕集率が高い側にプロットＥ１〜Ｅ４が存在する。つまり、圧力損失を抑制しつつ捕集率を向上させることができている。
また、試料１〜４の中では、特に試料２、試料３、試料４のプロットＥ２、Ｅ３、Ｅ４が、トレードオフラインＬｔ１から大きく離れている。試料１はＳｃ２＞Ｓｏ２、試料２及び試料３はＳｃ２＜Ｓｏ２、試料４はＳｃ２＝Ｓｏ２である。
本例の結果から、参考形態１の排ガス浄化フィルタは、一様なセル構造を備えた排ガス浄化フィルタに比べて、圧力損失を抑制しつつ捕集率を向上させることができると言える。そして、特に、Ｓｃ２≦Ｓｏ２とすることが好ましいことも分かる。
（実験例２）
本例においては、いわゆる両栓構造の排ガス浄化フィルタにつき、通過する排気ガスの圧力損失と、粒子状物質の捕集率とを調べた。
試料としては、まず、実施形態１に示した排ガス浄化フィルタ１を基本構造として、外周側領域２４における流出セル孔５２の開口幅を４種類に変更した試料２１〜２４を用意した。ただし、ここで用意した排ガス浄化フィルタ１は、図１０に示すごとく、境界ラインＢを正方形状としたものである。この正方形状の境界ラインＢは、６０ｍｍ四方の正方形である。これら４つの試料２１〜２４における各部の寸法等は、表１に示すとおりである。
Figure 0006838641
また、中心側領域２３と外周側領域２４との区別なく、全領域にわたり一様なセル構造を有する排ガス浄化フィルタを、試料２５〜２９として用意した。これらの排ガス浄化フィルタの外形寸法は、試料２１〜２４と同様である。試料２５〜２９の各部の寸法等は、表４に示すとおりである。
Figure 0006838641
その他、各試料共通のパラメータは、実験例１に示す試料１〜１３と同様である。
また、各試料の製法、評価方法等も、特に示さない限り、実験例１と同様である。
評価結果を表３、表４に示すと共に、図１６に圧力損失と捕集率との関係として示した。同図において、符号Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ２３を付したプロットが、それぞれ試料１、試料２、試料３、試料４の測定結果を表す。その他のプロットは、試料２５〜２９の測定結果を表す。
試料２５〜２９の測定結果を見ると、捕集率を向上させると圧力損失も大きくなっている。そして、この試料２５〜２９についての圧力損失と捕集率との測定値のプロット群は、実験例１の場合と同様に、一つのトレードオフラインＬｔ２によって、概略つなげることができる。すなわち、捕集率と圧力損失との関係は、捕集率を高めると圧力損失も大きくなってしまい、圧力損失を小さくしようとすると捕集率が低下してしまうという、いわゆるトレードオフの関係にあることが分かる。
これに対し、試料２１〜２４の測定結果を見ると、いずれも、上記のトレードオフラインＬｔ２よりも上側、すなわち捕集率が高い側にプロットＥ２１〜Ｅ２４が存在する。つまり、圧力損失を抑制しつつ捕集率を向上させることができている。
また、試料２１〜２４の中では、特に試料２２、試料２３、試料２４のプロットＥ２２、Ｅ２３、Ｅ２４が、トレードオフラインＬｔ１から大きく離れている。試料２１はＳｃ２＞Ｓｏ２、試料２２及び試料２３はＳｃ２＜Ｓｏ２、試料２４はＳｃ２＝Ｓｏ２である。
本例の結果から、実施形態１の排ガス浄化フィルタについても、一様なセル構造を備えた排ガス浄化フィルタに比べて、圧力損失を抑制しつつ捕集率を向上させることができると言える。そして、特に、Ｓｃ２≦Ｓｏ２とすることが好ましいことも分かる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、参考形態１においては、流入セル孔５１を四角形状、流出セル孔５２を八角形状とした排ガス浄化フィルタ１を示したが、例えば、流入セル孔及び流出セル孔の形状を、いずれも四角形状（正方形状）とすることもできる。この場合、流出セル孔の四角形状を、角部が曲線状に形成された形状とすることが好ましい。
また、流出セル孔の流路断面積を中心側領域と外周側領域とで異ならせた態様とすることもできる。この場合は、中心側領域における流出セル孔の流路断面積を、外周側領域における流出セル孔の流路断面積よりも小さくすることが好ましい。
１ 排ガス浄化フィルタ
２ ハニカム構造体
２１ 上流側端面
２３ 中心側領域
２４ 外周側領域
３ 上流側栓部
４ セル壁
５ セル孔
５１ 流入セル孔
５２ 流出セル孔

Claims (2)

  1. 排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルタ（１）を、配管内に配置してなる排ガス浄化装置であって、
    上記排ガス浄化フィルタ（１）は、ハニカム構造体（２）と、該ハニカム構造体（２）の軸方向（Ｚ）における上流側端面（２１）を部分的に閉塞する上流側栓部（３）と、上記ハニカム構造体（２）の下流側端面（２２）を部分的に閉塞する下流側栓部（３０）とを有し、
    上記ハニカム構造体（２）は、複数のセル壁（４）と、該セル壁（４）に囲まれて形成された複数のセル孔（５）とを有し、
    上記複数のセル孔（５）には、上記上流側端面（２１）が開放された流入セル孔（５１）と、上記上流側栓部（３）によって上記上流側端面（２１）が閉塞されると共に上記下流側端面（２２）が開放された流出セル孔（５２）とがあり、
    上記流入セル孔（５１）は、上記下流側端面（２２）を上記下流側栓部（３０）によって閉塞されており、
    上記ハニカム構造体（２）は、中心軸を含む中心側領域（２３）と、該中心側領域（２３）の外周側に配された外周側領域（２４）とを有し、
    上記中心側領域（２３）及び上記外周側領域（２４）のそれぞれにおいて、上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｃ１、Ｓｏ１）よりも上記流出セル孔（５２）の流路断面積（Ｓｃ２、Ｓｏ２）が大きく、
    上記中心側領域（２３）における上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｃ１）は、上記外周側領域（２４）における上記流入セル孔（５１）の流路断面積（Ｓｏ１）よりも小さく、
    上記配管は、上記排ガス浄化フィルタが配された大径配管と、該大径配管の上流側と下流側とにそれぞれ接続されると共に該大径配管よりも内径の小さい小径配管（１０１、１０２）とを有し、
    上記ハニカム構造体（２）を軸方向Ｚから見たとき、上記中心側領域（２３）と上記外周側領域（２４）との境界ライン（Ｂ）の内側に、上記小径配管（１０１、１０２）の内周輪郭が、収まっている、排ガス浄化装置。
  2. 上記ハニカム構造体は、一体成形体である、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
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