JP6940999B2 - フィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に関する。

エンジンから排気された排気ガスに含まれる、煤やオイル由来のアッシュ等の粒子状物質を取り除く車両用のフィルタ装置として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）が知られている。ＤＰＦやＧＰＦとして、粒子状物質を捕捉しつつ、排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁で区画された複数のセルを有する、ウォールフロー型フィルタ装置が採用されている。

ウォールフロー型フィルタ装置として、両栓のウォールフロー型フィルタ装置と、片栓のウォールフロー型フィルタ装置が知られている。両栓のウォールフロー型フィルタ装置は、上流側の開口部が封止され下流側の開口部が封止されていないセルと、上流側の開口部が封止されておらず下流側の開口部が封止されたセルとが交互に並列して配されたフィルタ装置である（例えば、特許文献１）。また、片栓のウォールフロー型フィルタ装置は、上流側の開口部が封止されておらず下流側の開口部が封止されたセルと、上流側および下流側の開口部が両方とも封止されていないセルとが並列に配されたフィルタ装置である（例えば、特許文献２）。

国際公開第２００４／０５２５０２号 特開２００２−２５６８４２号公報

両栓のウォールフロー型フィルタ装置は、エンジンの稼働時間（排気ガスの通過時間）が増加するに従って、フィルタ壁における粒子状物質の蓄積量が増加し、圧力損失が高くなってしまう。一方、片栓のウォールフロー型フィルタ装置は、圧力損失は低減できるものの、初期状態における粒子状物質の捕集率が低いという課題がある。

そこで、本発明は、初期状態の捕集率の向上と、圧力損失の低減とを両立させることが可能なフィルタ装置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、本発明のフィルタ装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁で区画された複数のセルを有するフィルタユニットと、前記複数のセルのうち、第１セル群に分類されるセルにおける前記排気ガスの流れ方向上流側の上流開口部を封止する上流プラグ部と、前記複数のセルのうち、前記第１セル群のセルに隣接する第２セル群に分類されるセルの少なくとも一部のセルにおける前記排気ガスの流れ方向下流側の下流開口部を封止する、カーボンおよび樹脂のうちいずれか一方または両方で構成された第１の下流プラグ部と、を備え、前記上流プラグ部は、前記フィルタ壁に捕捉された粒子状物質を燃焼させる再生処理が実行された場合であっても焼失しない材料で構成され、前記第１の下流プラグ部は、前記再生処理が１または複数回実行されると焼失する。

また、前記第２セル群に分類されるセルにおける前記下流開口部のうち、前記第１の下流プラグ部によって封止されていない下流開口部を封止する第２の下流プラグ部を備え、前記第２の下流プラグ部は、前記フィルタ壁に捕捉された粒子状物質を燃焼させる再生処理が実行された場合であっても焼失しない材料で構成されてもよい。

また、前記樹脂は、炭素原子および水素原子で構成される樹脂、または、炭素原子、水素原子、および、酸素原子で構成される樹脂であってもよい。

本発明によれば、初期状態の捕集率の向上と、圧力損失の低減とを両立させることが可能となる。

エンジンシステムの構成を示す概略図である。 本実施形態のフィルタ装置の構成を示す概略図である。 初期状態のフィルタ装置と、再生処理によって下流プラグ部が焼失した後のフィルタ装置を説明する図である 本実施形態のフィルタ装置と、比較例のフィルタ装置との捕集率および圧力損失を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。

また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラー１４２が連通され、排気路１４０に、後述する三元触媒２００、および、フィルタ装置２１０が設けられる。

エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。

エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。

これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。

ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２として機能する。

信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号に基づいて、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。

空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。

噴射量決定部１８６は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量に基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。

点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。

駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。

このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになる。排気ガスには、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に三元触媒２００およびフィルタ装置２１０を設けておき、三元触媒２００において、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去（浄化）し、フィルタ装置２１０において粒子状物質を除去する。

三元触媒（Three-Way Catalyst）２００は、排気路１４０内に設けられる。三元触媒２００は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を担持した担体で構成され、排気ポート１３６から排出された排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を浄化（除去）する。

フィルタ装置２１０は、排気路１４０内における三元触媒２００の下流側に設けられ、排気ポート１３６から排気された排気ガス中の粒子状物質を捕捉する。

図２は、本実施形態のフィルタ装置２１０の構成を示す概略図であり、図２（ａ）は、フィルタ装置２１０の斜視図を示し、図２（ｂ）はフィルタ装置２１０の正面図を示し、図２（ｃ）は初期状態におけるフィルタ装置２１０のＹＺ断面図を示す。なお、図２（ａ）中、排気ガスの流れを白抜き矢印で示し、図２（ｃ）中、排気ガスの流れを実線の矢印で示す。また、本実施形態にかかる図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸（排気ガスの流れ方向、排気路１４０の延在方向）、Ｚ軸を図示の通り定義している。さらに、図２（ａ）〜図２（ｃ）において、理解を容易にするために、外筒３１２に対してセル３１６を大きく示す。

図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、フィルタ装置２１０は、ウォールフロー型の装置であり、フィルタユニット３１０と、上流プラグ部３２０と、下流プラグ部３３０（第１の下流プラグ部）とを含んで構成される。

フィルタユニット３１０は、円筒形状の外筒３１２と、排気ガスを通過させるフィルタ壁３１４とを含んで構成される。外筒３１２は、例えば、セラミックで構成される。外筒３１２（フィルタユニット３１０）の図２中Ｙ軸方向の長さは、例えば、１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度である。

フィルタ壁３１４は、例えば、セラミックで構成される。フィルタ壁３１４には、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ排気ガスを通過させる孔が複数形成されている。フィルタ壁３１４は、図２中、ＸＹ面と平行な面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第１壁３１４ａと、ＹＺ面と平行な面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第２壁３１４ｂとを含んで構成される。そして、図２（ｂ）に示すように、２つの第１壁３１４ａと、２つの第２壁３１４ｂに囲繞された空間、もしくは、第１壁３１４ａ、第２壁３１４ｂ、外筒３１２に囲繞された空間がセル３１６として形成される。

したがって、複数のセル３１６は、外筒３１２（フィルタユニット３１０）内において、軸方向（図２中、Ｙ軸方向）に延在するとともに、軸方向と直交する方向（図２中、Ｘ軸方向およびＺ軸方向）に並列して配される。なお、セル３１６の数に限定はないが、例えば、３００セル／インチ程度である。また、フィルタ装置２１０では、第１セル群に分類されるセル３１６Ａと、第２セル群に分類されるセル３１６Ｂとが交互に配置される。つまり、セル３１６Ａとセル３１６Ｂとは隣接して交互に配される。

上流プラグ部３２０は、図２（ｃ）に示すように、セル３１６のうち、第１セル群に分類されるセル３１６Ａの上流側の上流開口部３１８ａを封止する。上流プラグ部３２０は、例えば、セラミックで構成される。

下流プラグ部３３０は、図２（ｃ）に示すように、セル３１６Ａ以外の（第２セル群に分類される）セル３１６Ｂの下流側の下流開口部３１８ｂを封止する。下流プラグ部３３０は、カーボンおよび樹脂のいずれか一方または両方を含んで構成される。

本実施形態において、ＥＣＵ１１０は、フィルタ装置２１０に対し、所定の走行距離ごとに再生処理を実行する。再生処理は、排気路１４０に外気を供給して、フィルタ装置２１０のフィルタ壁３１４に捕捉（蓄積）された粒子状物質（煤およびアッシュ）のうち、煤を燃焼させて除去する処理である。

上記したように、上流プラグ部３２０は、セラミックで構成されるため、再生処理が実行されたとしても焼失することはない。これに対し、下流プラグ部３３０は、カーボンおよび樹脂のいずれか一方または両方を含んで構成されるため、再生処理が実行されると、燃焼されて焼失する。

図３は、初期状態のフィルタ装置２１０と、再生処理によって下流プラグ部３３０が焼失した後のフィルタ装置２１０を説明する図である。なお、図３中、排気ガスの流れを実線の矢印で示す。

上記したように、フィルタ装置２１０では、セル３１６Ａとセル３１６Ｂとが交互に配置されている。このため、図３（ａ）に示すように、上記再生処理が１度も実行されていない初期状態において、フィルタ装置２１０に到達した排気ガスは、上流開口部３１８ａを通じてセル３１６Ｂに導入され、セル３１６Ｂを区画するフィルタ壁３１４を通過して、セル３１６Ａに導入される。この際、フィルタ壁３１４の通過過程において、排気ガスに含まれる粒子状物質がフィルタ壁３１４の孔で捕捉される。そして、セル３１６Ａに導入された排気ガスは、セル３１６Ａの下流開口部３１８ｂを通じてマフラー１４２（図１参照）に導かれることとなる。

一方、再生処理が複数回実行され、下流プラグ部３３０が焼失すると、図３（ｂ）に示すように、上流開口部３１８ａを通じてセル３１６Ｂに導入された排気ガスの一部は、上記初期状態と同様に、フィルタ壁３１４を通過した後、セル３１６Ａ、および、セル３１６Ａの下流開口部３１８ｂを通じてマフラー１４２に導かれる。また、上流開口部３１８ａを通じてセル３１６Ｂに導入された排気ガスのうち、フィルタ壁３１４を通過しない排気ガスは、セル３１６Ｂをそのまま通過し、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂを通じてマフラー１４２に導かれる。

つまり、本実施形態のフィルタ装置２１０は、初期状態においては、上流開口部３１８ａが封止され下流開口部３１８ｂが封止されていないセル３１６Ａと、上流開口部３１８ａが封止されておらず下流開口部３１８ｂが封止されたセル３１６Ｂとが並列に配された両栓のウォールフロー型フィルタ装置として機能する。そして、再生処理が複数回実行されると、フィルタ装置２１０は、両栓のウォールフロー型フィルタ装置から、上流開口部３１８ａが封止され下流開口部３１８ｂが封止されていないセル３１６Ａと、上流開口部３１８ａおよび下流開口部３１８ｂの両方が封止されていないセル３１６Ｂとが並列に配された片栓のウォールフロー型フィルタ装置に切り換わる。

図４は、本実施形態のフィルタ装置２１０と、比較例のフィルタ装置との捕集率および圧力損失を説明する図である。なお、図４中、フィルタ装置２１０を実線で示し、比較例１を破線で示し、比較例２を一点鎖線で示す。また、比較例１は、両栓のウォールフロー型フィルタ装置である。また、比較例２は、片栓のウォールフロー型フィルタ装置である。

図４（ａ）に示すように、比較例１は、設置当初において捕集率が例えば５０％程度であり、走行距離が増加するに従って、粒子状物質の蓄積量が増加し、捕集率が例えば８０％程度まで上昇する。比較例２は、設置当初において捕集率が例えば１０％程度と低いが、走行距離が増加するに従って、粒子状物質の蓄積量が増加し、捕集率が例えば４０％程度まで上昇する。

これに対し、本実施形態のフィルタ装置２１０は、設置当初において、両栓のウォールフロー型フィルタ装置として機能するため、比較例１と同様に捕集率が例えば５０％程度と、比較例２よりも高くなる。そして、走行距離の増加に伴うフィルタ壁３１４への粒子状物質の蓄積量の増加により、フィルタ装置２１０の捕集率は上昇するが、再生処理が実行される度に下流プラグ部３３０が焼失していく。これにより、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂから排気ガスが排出されるため、フィルタ装置２１０の捕集率は徐々に低下することとなる。なお、フィルタ装置２１０は、最終的に片栓のウォールフロー型フィルタ装置に切り換わるが、この際には、フィルタ壁３１４に十分な量の粒子状物質が蓄積されていることから、比較例２と同様に４０％程度の捕集率が確保されることになる。

また、比較例１は、再生処理が実行されたとしても下流プラグ部が焼失することはないため、図４（ｂ）に示すように、走行距離が増加するに従って、フィルタ壁への粒子状物質の蓄積量が増加し、圧力損失が増加する。比較例２も比較例１と同様に、走行距離が増加するに従って、フィルタ壁への粒子状物質の蓄積量が増加し、圧力損失が増加するものの、比較例１とは異なり下流プラグ部を備えないため、比較例１よりも圧力損失が低い。

これに対し、本実施形態のフィルタ装置２１０は、設置当初において、両栓のウォールフロー型フィルタ装置として機能するため、比較例２より大きい比較例１と同程度の圧力損失となる。そして、走行距離の増加に伴うフィルタ壁３１４への粒子状物質の蓄積量の増加により、フィルタ装置２１０の圧力損失は上昇するが、再生処理が実行される度に下流プラグ部３３０が焼失していく。これにより、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂから排気ガスが排出されるため、フィルタ装置２１０の圧力損失は、比較例１よりも小さくなる。そして、フィルタ装置２１０は、最終的に片栓のウォールフロー型フィルタ装置に切り換わり、比較例２と同様の低い圧力損失となる。

以上説明したように、本実施形態のフィルタ装置２１０は、再生処理が実行されるまで焼失しない材質で下流プラグ部３３０を構成することにより、初期状態の捕集率を、片栓のウォールフロー型フィルタ装置より向上させることができる。また、再生処理の実行によって下流プラグ部３３０が焼失する構成により、両栓のウォールフロー型フィルタ装置と比較して、圧力損失を低減することができる。つまり、フィルタ装置２１０は、初期状態の捕集率の向上と、圧力損失の低減とを両立させることが可能となる。

なお、下流プラグ部３３０の材質および厚みは、再生処理の実行を考慮し、粒子状物質（煤およびアッシュ）がフィルタ壁３１４に蓄積することで捕集率が目標値となる走行距離に到達した際に、すべて焼失するように設計されるとよい。ただし、下流プラグ部３３０の厚みは、強度を勘案して、５ｍｍ以上とするとよい。

また、下流プラグ部３３０を構成する樹脂は、炭素原子および水素原子で構成される樹脂、または、炭素原子、水素原子、および、酸素原子で構成される樹脂であるとよい。これにより、下流プラグ部３３０が焼失した場合に、窒素酸化物や硫黄酸化物が排出されてしまう事態を回避することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂがすべて下流プラグ部３３０で封止される構成を例に挙げて説明した。しかし、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂのうち、一部の下流開口部３１８ｂが下流プラグ部３３０で封止され、その他の下流開口部３１８ｂは初期状態においても封止されずともよい。これにより、フィルタ装置２１０の圧力損失をさらに低減することができる。

また、セル３１６Ｂの下流開口部３１８ｂのうち、一部の下流開口部３１８ｂが下流プラグ部３３０で封止され、その他の下流開口部３１８ｂが、セラミック等の再生処理の実行によっても焼失しない材料で構成された下流プラグ部（第２の下流プラグ部）で封止されてもよい。これにより、フィルタ装置２１０の捕集率をさらに上昇することができる。

また、上記実施形態において、再生処理が複数回実行されると焼失するように、下流プラグ部３３０の材料および厚みが設計される構成を例に挙げて説明した。しかし、下流プラグ部３３０は、再生処理が１回実行されると焼失するように材料および厚みが設計されてもよい。また、複数の下流プラグ部３３０それぞれの焼失タイミングが異なるように設計されてもよいし、複数の下流プラグ部３３０の焼失タイミングが等しくなるように設計されてもよい。

本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に利用できる。

２１０ フィルタ装置
３１０ フィルタユニット
３１４ フィルタ壁
３１６、３１６Ａ、３１６Ｂ セル
３１８ａ 上流開口部
３１８ｂ 下流開口部
３２０ 上流プラグ部
３３０ 下流プラグ部（第１の下流プラグ部）

Claims (3)

1. 排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁で区画された複数のセルを有するフィルタユニットと、
   前記複数のセルのうち、第１セル群に分類されるセルにおける前記排気ガスの流れ方向上流側の上流開口部を封止する上流プラグ部と、
   前記複数のセルのうち、前記第１セル群のセルに隣接する第２セル群に分類されるセルの少なくとも一部のセルにおける前記排気ガスの流れ方向下流側の下流開口部を封止する、カーボンおよび樹脂のうちいずれか一方または両方で構成された第１の下流プラグ部と、
   を備え、
   前記上流プラグ部は、前記フィルタ壁に捕捉された粒子状物質を燃焼させる再生処理が実行された場合であっても焼失しない材料で構成され、
   前記第１の下流プラグ部は、前記再生処理が１または複数回実行されると焼失するフィルタ装置。
2. 前記第２セル群に分類されるセルにおける前記下流開口部のうち、前記第１の下流プラグ部によって封止されていない下流開口部を封止する第２の下流プラグ部を備え、
   前記第２の下流プラグ部は、前記フィルタ壁に捕捉された粒子状物質を燃焼させる再生処理が実行された場合であっても焼失しない材料で構成される請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 前記樹脂は、炭素原子および水素原子で構成される樹脂、または、炭素原子、水素原子、および、酸素原子で構成される樹脂である請求項１または２に記載のフィルタ装置。

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