JP7680928B2

JP7680928B2 - フィルタ試験装置及び方法

Info

Publication number: JP7680928B2
Application number: JP2021162155A
Authority: JP
Inventors: 貴康大塚; 俊之介二村; 直哉大倉
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2025-05-21
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: JP2023051465A

Description

本発明は、フィルタの試験を行うためのフィルタ試験装置及び方法に関する。

ガソリンエンジン及びディーゼルエンジン等のエンジン（内燃機関）を搭載した自動車から排出される排ガスには、炭素を主成分とする煤（ＰＭ）の他、エンジンオイル由来の未燃成分を主成分とするアッシュが含まれる。煤及びアッシュは環境汚染の原因となるため、従来、これらのエンジンの排ガスラインには煤及びアッシュを捕集するＧＰＦやＤＰＦ等のフィルタが装着されている。

フィルタの製品設計の妥当性検証として、フィルタにアッシュが堆積した際の圧力損失を把握する必要がある。このような検証試験では、エンジンオイルを添加した燃料をエンジンで燃焼させたり、エンジンのピストンリングとシリンダとの間を意図的に広げてシリンダ内でエンジンオイルを燃焼させたりして、フィルタにアッシュを加速的に堆積させることが行われる。しかしながら、このようなエンジンを用いてアッシュを加速的に堆積させる方法でも、検証試験に必要な量のアッシュを堆積させるには、１つのフィルタのみでも数か月程度の長い時間を要している。以下、エンジンを用いて加速的に得るアッシュを「エンジン加速アッシュ」と呼ぶことがある。

そこで、下記の特許文献１で開示しているように、必要な量のアッシュをフィルタに堆積させた状態をより早期に得るために、アッシュを模擬した粉体をフィルタに堆積させることを検討している。下記の特許文献１では、アッシュを模擬した粉体として、アッシュの主成分である硫酸カルシウムの粉体を用いることを提案している。

特開２０１９－１２４６０６号公報

特許文献１においては、硫酸カルシウムの粉体を用いるとき、エンジンを用いて得る供試体のアッシュ重量と同重量の硫酸カルシウムの粉体をフィルタに堆積させている。しかしながら、エンジン加速アッシュを用いたときの試験結果と硫酸カルシウムの粉体を用いたときの試験結果との間に少なからず乖離が生じ、試験結果の再現性に改善の必要があった。発明者の検討の結果、エンジン加速アッシュと硫酸カルシウムの粉体とで、粉体としての性状に違いがあることが分かった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、エンジン加速アッシュを用いたときの試験結果により近い試験結果を得ることができるフィルタ試験装置及び方法を提供する。

本発明に係るフィルタ試験装置は、燃焼ガスを生成するためのバーナと、アッシュを模擬した無機粒子を含む粒子含有ガスを生成するための粒子含有ガス生成部と、燃焼ガスと粒子含有ガスとを混合した混合ガスを生成するための混合部と、混合部で生成された混合ガスの流路内に設けられ、混合ガス中の無機粒子を捕集するフィルタを設置するためのフィルタ設置部と、を備え、無機粒子の平均粒径が１０μｍ以上であり、無機粒子の安息角が５０度以下である。

本発明に係るフィルタ試験方法は、バーナによって燃焼ガスを生成する工程と、アッシュを模擬した無機粒子を含む粒子含有ガスを生成する工程と、燃焼ガスと粒子含有ガスとを混合した混合ガスを生成する工程と、混合ガス中の無機粒子をフィルタで捕集することによってフィルタに無機粒子を堆積させ、フィルタの性能を評価する工程と、を含み、無機粒子の平均粒径が１０μｍ以上であり、無機粒子の安息角が５０度以下である。

本発明のフィルタ試験装置及び方法によれば、エンジン加速アッシュを用いたときの試験結果により近い試験結果を得ることができる。

本発明の実施の形態によるフィルタ試験装置を示す説明図である。図１のフィルタの一例を模式的に示す斜視図である。図２のフィルタの一例をセルの延びる方向に直交する方向から観察したときの模式的な断面図である。各種の無機粒子をフィルタに堆積させた際の初期圧損を示すグラフである。各種の無機粒子をフィルタに堆積させた際のＰＭ圧損を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

（フィルタ試験装置）
図１は、本発明の実施の形態によるフィルタ試験装置を示す説明図である。図１に示すフィルタ試験装置は、燃焼ガス１ａを生成するためのバーナ１と、アッシュを模擬した無機粒子２ｂを含む粒子含有ガス２ａを生成するための粒子含有ガス生成部２と、燃焼ガス１ａと粒子含有ガス２ａとを混合した混合ガス３ａを生成するための混合部３と、混合部３で生成された混合ガス３ａの流路内に設けられ、混合ガス３ａ中の無機粒子２ｂ及び煤（ＰＭ）を捕集するフィルタ５を設置するためのフィルタ設置部４とを有している。

（１．バーナ）
バーナ１は、主に燃焼ガス１ａを生成するための構成である。一実施形態において、バーナ１は、燃焼室１０、送気装置１１、燃料供給装置１２、パイロットバーナ１３及びメインバーナ１４を有している。

（１．０．燃焼室）
燃焼室１０は、内部で燃焼ガス１ａが生成される容器体である。一実施形態において、燃焼室１０の全体形状は、筒状とすることができ、典型的には円筒状とすることができる。燃焼室１０を区画する壁の材質としては、限定的ではないが、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。燃焼室１０の一端には空気流１１ａが供給される燃焼室入口１０ａが設けられ、燃焼室１０の他端には燃焼ガス１ａが排出される燃焼室出口１０ｂが設けられている。燃焼室１０には、パイロットバーナ１３及びメインバーナ１４が取り付けられている。

燃焼室１０の大きさは、特に限定されないが、空気流１１ａにより、燃料を燃焼させ、フィルタ試験を短時間で行うのに適当な煤を生成させることができる大きさであることが好ましい。例えば、ＧＰＦ及びＤＰＦ（フィルタ５）の一般的な大きさの範囲からみて、燃焼室１０が円筒状であり、空気流１１ａの流量が０．０４Ｎｍ³／分～０．２５Ｎｍ³／分であることが好ましい。また、燃焼室１０の内径（直径）は１３０～２５０ｍｍであることが好ましく、１５０～２００ｍｍであることがより好ましい。また、燃焼室１０の容積は、６，０００～３５，０００ｃｍ³であることが好ましく、６，０００～３０，０００ｃｍ³であることがより好ましい。燃焼室１０の内径が、２５０ｍｍ以下であることで燃焼室１０内に均一な分布で空気流１１ａを流すための最小流量が制限されることを回避できる。燃焼部の容積が６，０００ｃｍ³以上であることで燃焼室１０の壁が高温となり、燃焼室１０が酸化劣化したり、周辺への熱遮蔽が必要となったりすることを回避できる。燃焼室１０の容積が３５，０００ｃｍ³以下であることで、フィルタ試験装置が大きくなることを回避でき、試験装置の製作コストや運転コストを抑えることができる。

（１．１．送気装置）
送気装置１１は、主に燃焼室入口１０ａを通して燃焼室１０内に空気流１１ａを供給するための装置である。燃焼室１０内に供給される空気流１１ａは、主に燃焼室１０内での燃焼に利用される。送気装置１１としては、限定的ではないが、ドライエアー供給装置、送風機、コンプレッサ等が好適に使用できる。本実施の形態の送気装置１１は、送気配管１１ｂを介して燃焼室１０、パイロットバーナ１３及び混合部３に接続されている。送気装置１１は、パイロットバーナ１３及び混合部３にも空気流１１ａを供給することができる。

燃焼室入口１０ａと送気装置１１との間には、燃焼室入口１０ａに向かう空気流１１ａの流量制御を行うための流量制御装置１１ｃを設けることができる。送気装置１１としてのコンプレッサによって空気を加圧することで空気流１１ａ（圧縮空気）を生成し、流量制御装置１１ｃによって流量制御された空気流１１ａを燃焼室１０に供給することが好ましい。送気装置１１とパイロットバーナ１３及び混合部３との間にも流量制御装置１１ｃを設け、パイロットバーナ１３及び混合部３のそれぞれに向かう空気流１１ａの流量制御を行うこともできる。

（１．２．燃料供給装置）
燃料供給装置１２は、パイロットバーナ１３及びメインバーナ１４に燃料１２ａを供給するための装置である。燃料供給装置１２は、これらパイロットバーナ１３等に燃料配管１２ｂを介して接続されている。燃料供給装置１２としては、限定的ではないが、燃料ボンベ、燃料供給ポンプ等が好適に使用できる。燃料１２ａとしては、液体燃料及び気体燃料が使用できるが、取り扱い易さ及び安全面から、気体燃料が好ましい。気体燃料としては、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス等が挙げられる。燃料１２ａは一種類を単独使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。燃料供給装置１２とパイロットバーナ１３等との間には、パイロットバーナ１３等への燃料１２ａの流量を制御する流量制御装置１２ｃを設けることができる。

空気流１１ａ用の流量制御装置１１ｃ又は燃料１２ａ用の流量制御装置１２ｃとしては、空気流１１ａ又は燃料１２ａの流量を制御するというそれぞれの目的が達成できれば特段の制限はないが、例えば、減圧弁及び流量制御バルブが挙げられる。流量制御バルブの開閉は手動で行ってもよいし、空気式、電気式、油圧式、ソレノイド式等の電磁バルブ及び電動バルブ等のバルブアクチュエータを介して行ってもよい。流量制御バルブの制御はマスフローコントローラを使用して行ってもよい。空気流１１ａ用の流量制御装置１１ｃ及び燃料１２ａ用の流量制御装置１２ｃは、減圧弁等の機器をそれぞれ１つ使用してもよいし、２つ以上の機器を組み合わせて使用してもよい。

（１．３．パイロットバーナ）
パイロットバーナ１３は、主にメインバーナ１４に点火する目的で使用される。メインバーナ１４に着火後にパイロットバーナ１３の運転を停止してもよいが、メインバーナ１４の着火後もパイロットバーナ１３の運転を継続してもよい。メインバーナ１４の着火後にパイロットバーナ１３の運転を停止する場合、メインバーナ１４に着火してから、１０秒以上、例えば１０～２０秒、パイロットバーナ１３の運転を行った後に停止することが好ましい。これによって、安定した燃焼状態を維持することができる。

（１．４．メインバーナ）
メインバーナ１４は、燃焼ガス１ａを発生させる目的で主に使用される。メインバーナ１４の形状には特に制約はないが、例えば筒状にすることができ、典型的には円筒状にすることができる。

メインバーナ１４が生成する燃焼ガス１ａの温度は５００℃以上とすることができる。燃焼ガス１ａの温度の上限は特に設定されないが、安全上の理由から、１０００℃以下とすることが好ましい。

燃焼ガス１ａの温度は、例えば、燃焼室１０に供給される空気流１１ａの流量、及びメインバーナ１４に供給される燃料１２ａの流量を調整することで制御可能である。例えば、流量制御装置１１ｃの制御により空気流１１ａの流量を増やしたり、流量制御装置１２ｃの制御により燃料１２ａの流量を増やしたりすることで燃焼ガス１ａの温度を高くすることができる。

メインバーナ１４の燃料供給孔（燃料噴射口）の開口径は、６ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以下であることがより好ましく、３ｍｍ以下であることが更により好ましい。ここで、燃料供給孔の開口径は円相当径を指す。

１つのメインバーナ１４当たりに設置される燃料供給孔の個数は５以上が好ましく、１０以上がより好ましく、２０以上が更により好ましい。また、複数の燃料供給孔を設置するときは、それらを一列に並べる方が、燃焼安定性等の観点から、好ましい。

メインバーナ１４の運転中、燃焼室１０内での平均空気過剰率は好ましくは２～１０であり、より好ましくは３～８である。燃焼室１０内での平均空気過剰率は、燃焼室入口１０ａから供給される空気流１１ａの全体の流量（Ｎｍ³／分）とメインバーナ１４に供給している燃料１２ａの流量（Ｎｍ³／分）とを用いて算出する。

メインバーナ１４が配置されている位置は、パイロットバーナ１３が配置されている位置から下流側（空気流１１ａの流れ方向における下流側）に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ１３が配置されている位置から上流側（空気流１１ａの流れ方向における上流側）に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内にあることが好ましい。メインバーナ１４が配置されている位置が、パイロットバーナ１３が配置されている位置から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ１３が配置されている位置から上流側に向かって１００ｍｍの位置までの範囲内にあることがより好ましい。

メインバーナ１４を運転させる際に燃焼室１０に供給する空気流１１ａも、コンプレッサによって空気を加圧して生成させることが好ましい。そして、流量制御装置１１ｃによって調整された空気流１１ａ（圧縮空気）が、燃焼室入口１０ａに供給されることが好ましい。燃焼室入口１０ａにおける空気流１１ａの平均流速が１．０ｍ／秒以上であることが好ましく、４．０ｍ／秒以上であることがより好ましい。また、安定した燃焼を確保するという観点からは、燃焼室入口１０ａにおける空気流１１ａの平均流速が４０．０ｍ／秒以下であることが好ましく、２０．０ｍ／秒以下であることがより好ましい。平均流速は、空気の供給流量（Ｎｍ³／秒）÷入口の断面積（ｍ²）により算出される。

燃焼室１０には、少なくとも１つのメインバーナ１４を設けることが好ましい。すなわち、複数のメインバーナ１４を設けてもよい。複数のメインバーナ１４を設けるとき、それぞれのメインバーナ１４が異なる構成を有していてもよい。例えば、各メインバーナ１４の燃料供給孔（燃料噴射口）の向き及び／又は開口径が互いに異なっていてもよい。

（２．粒子含有ガス生成部）
上述のように、粒子含有ガス生成部２は、アッシュを模擬した無機粒子２ｂを含む粒子含有ガス２ａを生成するための構成である。実車輌において、エンジンオイル由来のアッシュがフィルタ５に堆積する速度は非常に緩やかであるため、アッシュを模擬した無機粒子２ｂをフィルタ５に供給し堆積させることで、実車輌に近似したアッシュの堆積状態を短時間で模擬することができる。一実施形態において、粒子含有ガス生成部２は、フィーダ２０及び送気装置２１を有する。

（２．０．フィーダ）
フィーダ２０は、アッシュを模擬した無機粒子２ｂを供給するための構成である。無機粒子２ｂを供給可能である限り、フィーダ２０の構成に特に制限はないが、フィーダ２０は無機粒子２ｂを定量供給可能に構成されていることが、アッシュ又は無機粒子２ｂの堆積速度を管理するという点で好ましい。一実施形態において、フィーダ２０は、無機粒子２ｂを保持するための収容部２００と、収容部２００内の無機粒子２ｂを排出する排出機構２０１とを備える。モータ等の駆動装置によって排出機構２０１を作動させることができる。排出機構２０１としては羽根車等を用いることができる。フィーダ２０からの無機粒子２ｂの排出速度は、例えばモータ等の駆動装置をインバータ制御することにより制御することができる。

短時間でフィルタ５に無機粒子２ｂを堆積させるという観点からは、フィーダ２０からの無機粒子２ｂの供給量を、フィルタ５の体積１Ｌ当たり０．０５ｇ／ｍｉｎ以上となるように、好ましくは１ｇ／ｍｉｎ以上となるように、制御することが有利である。また、フィーダ２０からの無機粒子２ｂの供給量の上限には特に制約はないが、過度に大きくするとフィルタの入口が無機粒子２ｂで閉塞してしまい、フィルタ内部に無機粒子２ｂが堆積しにくくなるのでフィーダ２０からの無機粒子２ｂの供給量を、フィルタの体積１Ｌ当たり３０ｇ／ｍｉｎ以下となるように、好ましくは１５ｇ／ｍｉｎ以下となるように、制御することが有利である。

（２．１．送気装置）
送気装置２１は、無機粒子２ｂを搬送するガス流２１ａを形成するための装置である。送気装置２１としては、限定的ではないが、ドライエアー供給装置、送風機、コンプレッサ等が好適に使用できる。ガス流２１ａは、空気流とすることができる。送気装置２１は、送気配管２１ｂを介してフィーダ２０及び混合部３に接続されている。フィーダ２０は、送気配管２１ｂに無機粒子２ｂを供給する。送気配管２１ｂ内のガス流２１ａに無機粒子２ｂが加わることにより、粒子含有ガス２ａが生成される。送気配管２１ｂには、ガス流２１ａの流量を制御する流量制御装置２１ｃを設けることができる。流量制御装置２１ｃとしては、ガス流２１ａの流量を制御するという目的が達成できれば特段の制限はないが、例えば、減圧弁及び流量制御バルブが挙げられる。流量制御バルブの開閉は手動で行ってもよいし、空気式、電気式、油圧式、ソレノイド式等の電磁バルブ及び電動バルブ等のバルブアクチュエータを介して行ってもよい。流量制御バルブの制御はマスフローコントローラを使用して行ってもよい。流量制御装置２１ｃは、減圧弁等の機器の１つを使用してもよいし、２つ以上の機器を組み合わせて使用してもよい。

ガス流２１ａの圧力は、無機粒子２ｂを円滑に輸送するという観点から、０．０５ＭＰａＧ以上とすることが好ましく、０．１ＭＰａＧ以上とすることがより好ましい。ガス流２１ａの圧力は、過度に大きくする必要はないことから、０．５ＭＰａＧ以下とすることが好ましく、０．３ＭＰａＧ以下とすることがより好ましい。

なお、本実施の形態では、フィーダ２０の上流に設けられた送気装置２１によって形成されるガス流２１ａにより無機粒子２ｂを圧送するようにしている。この態様は、エンジンからの排ガスを模擬するという観点から好ましい。しかしながら、フィーダ２０の下流に吸引装置を設け、その吸引装置によって形成されるガス流により無機粒子２ｂを搬送させてもよい。

（２．２．無機粒子）
上述のように無機粒子２ｂは、エンジンで生成されるアッシュ、特に、フィルタ５の検証試験の際にエンジンを用いて加速的に得るアッシュ、を模擬するための粒子である。以下、エンジンを用いて加速的に得るアッシュを「エンジン加速アッシュ」と呼ぶことがある。エンジン加速アッシュを得る方法としては、エンジンオイルを添加した燃料をエンジンで燃焼させる方法、及びエンジンのピストンリングとシリンダとの間を意図的に広げてシリンダ内でエンジンオイルを燃焼させる方法を例示的に挙げることができる。後に説明するように、無機粒子２ｂの平均粒径が１０μｍ以上であり、無機粒子２ｂの安息角が５０度以下であることで、エンジン加速アッシュを用いたときの試験結果により近い試験結果を得ることができる。

無機粒子２ｂの平均粒径が１０μｍ以上であることで、慣性により無機粒子２ｂがフィルタ５の出側端部まで到達しやすく、出側端部に向かう途中の隔壁に無機粒子２ｂが付着することを抑えることができる。無機粒子２ｂの平均粒径は、２５μｍ以上であることがより好ましい。無機粒子２ｂが途中の隔壁に付着することをより確実に抑えることができる。無機粒子２ｂの平均粒径は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることが更により好ましい。無機粒子２ｂの平均粒径は、光散乱法を測定原理とするレーザー回折／散乱式粒度測定装置により体積基準の累積粒度分布を測定したときの５０％粒子径とすることができる。

無機粒子２ｂの安息角が５０度以下であることで、無機粒子２ｂの流動性をある程度高く確保し、無機粒子２ｂの付着性を低く抑え、フィルタ５の入側で無機粒子２ｂによりフィルタ５のセルが閉塞するという状況を回避できる。無機粒子２ｂの安息角は、４５度以下であることがより好ましい。フィルタ５の入側で無機粒子２ｂによりフィルタ５のセルが閉塞するという状況をより確実に回避できる。無機粒子２ｂの安息角は、３０度以上であることが好ましく、３８度以上であることがより好ましい。無機粒子２ｂの安息角は、ＪＩＳＲ９３０１－２－２：１９９９の規定に沿った操作により測定することができる。同規定はアルミナ粉末についての規定であるが、他の粉末の安息角についても同様の操作で測定することができる。

無機粒子２ｂとしては、フィルタ試験装置を用いた試験における温度範囲において熱分解しない粉体を使用する。無機粒子２ｂとして１種又は２種以上の粉体を使用できる。無機粒子２ｂとしては、アルミナ及び炭化珪素の少なくとも一方を好適に使用することができる。

（３．混合部）
上述のように、混合部３は、燃焼ガス１ａと粒子含有ガス２ａとを混合した混合ガス３ａを生成するための部分である。一実施形態において、混合部３は、混合室３０を有している。

（３．０．混合室）
混合室３０は、内部で混合ガス３ａが生成される容器体である。一実施形態において、混合室３０は、全体形状を筒状とすることができ、典型的には円筒状とすることができる。混合室３０を区画する壁の材質としては、限定的ではないが、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。

混合室３０には、混合室入口３０ａ、第１接続口３０ｂ、混合室出口３０ｃ及び第２接続口３０ｄが設けられている。

混合室入口３０ａは、混合室３０の一端に設けられており、燃焼室出口１０ｂに接続されている。バーナ１からの燃焼ガス１ａが混合室入口３０ａを通して混合室３０内に導入される。第１接続口３０ｂは、混合室３０の側面に設けられており、粒子含有ガス生成部２の送気配管２１ｂに接続されている。粒子含有ガス生成部２からの粒子含有ガス２ａが第１接続口３０ｂを通して混合室３０内に導入される。混合室出口３０ｃは、混合室３０の他端に設けられている。この混合室出口３０ｃを通して、混合室３０から混合ガス３ａが排出される。

第２接続口３０ｄは、混合室３０の側面に設けられており、バーナ１の送気配管１１ｂに接続されている。送気装置１１からの空気流１１ａが第２接続口３０ｄを通して混合室３０内に供給される。混合室３０内に供給される空気流１１ａは、主に混合室３０内の冷却に利用される。流量制御装置１１ｃにより混合部３に向かう空気流１１ａの流量制御を行うことで、混合室３０内の温度を調整することができる。また、フィルタ５に向かうガスの総流量を調整することもできる。第２接続口３０ｄは、第１接続口３０ｂの位置から燃焼ガス１ａの流れ方向にずれた位置に設けられることが好ましい。混合ガス３ａの流れの乱れを抑えるためである。図示の例では、第２接続口３０ｄは、燃焼ガス１ａの流れ方向における第１接続口３０ｂの上流側に配置されている。

なお、本実施の形態では、混合室３０内の冷却等にバーナ１の送気装置１１からの空気流１１ａを利用している。しかしながら、他の送気装置からの空気流を混合室３０内に供給してもよい。

（４．フィルタ設置部）
上述のように、フィルタ設置部４は、フィルタ５を設置するための部分である。フィルタ設置部４は内部にフィルタ５を収容する容器体とすることができる。一実施形態において、フィルタ設置部４は、全体形状を筒状とすることができ、典型的には円筒状とすることができる。フィルタ設置部４を区画する壁の材質としては、限定的ではないが、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。燃焼室１０、混合室３０及びフィルタ設置部４が共に筒状である場合、これらを同軸上に配列することができる。

フィルタ設置部４には、設置部入口４ａ及び設置部出口４ｂが設けられている。設置部入口４ａは、フィルタ設置部４の一端に設けられており、混合室３０の混合室出口３０ｃに接続されている。この設置部入口４ａを通してフィルタ設置部４内に混合ガス３ａが供給される。設置部出口４ｂは、フィルタ設置部４の他端に設けられている。

これら設置部入口４ａ及び設置部出口４ｂの間にフィルタ５が設置される。フィルタ設置部４内にフィルタ５を設置した上でフィルタ試験装置を稼働させて混合ガス３ａを生成させると、無機粒子２ｂを含む混合部３からの混合ガス３ａはフィルタ５を通過する。混合ガス３ａ中の無機粒子２ｂはフィルタ５で捕集されるので、フィルタ５の出側端部からは、フィルタ５の性能に応じて浄化されたガスが排出される。フィルタ５から排出されたガスは設置部出口４ｂを通して外部に排出される。設置部出口４ｂにはダクト等の排気系統が接続され得る。

フィルタ５の入口における混合ガス３ａの温度は、バーナ１で生成された燃焼ガス１ａの温度に依存するが、例えば１００～１１００℃の範囲に制御することができる。

（５．フィルタ）
本発明に係るフィルタ試験装置の試験対象となるフィルタ５としては、煤及びアッシュを捕集可能な構造を有することができれば特に制限はない。典型的なフィルタとして、燃焼装置の排ガスラインに装着される煤及びアッシュを捕集するＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）及びＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が挙げられる。

図２には、フィルタ５の一例を模式的に示す斜視図が記載されている。図３には、フィルタ５の一例をセルの延びる方向に直交する方向から観察したときの模式的な断面図が記載されている。図示のフィルタ５は外周壁５０と、外周壁５０の内側に配設され、第１端面５１から第２端面５２まで延び、第１端面５１で開口して第２端面５２で目封止された複数の第１セル５３と、外周壁５０の内側に配設され、第１端面５１から第２端面５２まで延び、第１端面５１で目封止されて第２端面５２で開口する複数の第２セル５４とを備える。また、図示のフィルタ５においては、第１セル５３及び第２セル５４を区画形成する多孔質の隔壁５５を備えており、第１セル５３及び第２セル５４が隔壁５５を挟んで交互に隣接配置されている。

フィルタ５の上流側の第１端面５１にアッシュを模擬した無機粒子２ｂを含む混合ガス３ａが供給されると、混合ガス３ａは第１セル５３に導入されて第１セル５３内を下流に向かって進む。第１セル５３は下流側の第２端面５２が目封止されているため、混合ガス３ａは第１セル５３と第２セル５４を区画する多孔質の隔壁５５を透過して第２セル５４に流入する。無機粒子２ｂは隔壁５５を通過できないため、第１セル５３内に捕集され、堆積する。無機粒子２ｂが除去された後、第２セル５４に流入した清浄な排ガスは第２セル５４内を下流に向かって進み、下流側の第２端面５２から流出する。このような向きでフィルタ５を設置したとき、第１端面５１側のフィルタ５の端部を入側端部と呼び、第２端面５２側のフィルタ５の端部を出側端部と呼ぶことができる。

フィルタ５の材質としては、限定的ではないが、多孔質セラミックスを挙げることができる。セラミックスとしては、コージェライト、ムライト、ジルコン、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ジルコニア、スピネル、インディアライト、サフィリン、コランダム、チタニア等が挙げられる。そして、これらのセラミックスは、１種を単独で含有するものでもよいし、２種以上を同時に含有するものであってもよい。

フィルタ５の外周壁５０とフィルタ設置部４の内壁の間に隙間が生じないように、フィルタ５の外周壁５０をキャニングすることが好ましい。

（フィルタ試験方法）
本発明のフィルタ試験方法は、バーナ１によって燃焼ガス１ａを生成する工程と、アッシュを模擬した無機粒子２ｂを含む粒子含有ガス２ａを生成する工程と、燃焼ガス１ａと粒子含有ガス２ａとを混合した混合ガス３ａを生成する工程と、混合ガス３ａ中の無機粒子２ｂをフィルタ５で捕集することによってフィルタ５に無機粒子２ｂを堆積させ、フィルタ５の性能を評価する工程と、を含む。このフィルタ試験方法は、図１のフィルタ試験装置において実施可能である。無機粒子２ｂの平均粒径、安息角及び材質については上述の通りである。

以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を例示するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

（１．フィルタの用意）
試験用に以下の仕様のＤＰＦを用意した。
材質：ＳｉＣ製
形状：円柱状
寸法：直径２２８．６ｍｍ×高さ１８４．２ｍｍ（体積：７５６０１７７ｍｍ³）
セル密度：４６．５セル／ｃｍ²
隔壁の厚さ：１５０μｍ
セル形状（セルの長さ方向に垂直な断面におけるセルの断面形状）：正方形
隔壁の気孔率：４１％
隔壁の平均細孔径：１１μｍ
構造：第１端面から第２端面まで延び、第１端面が開口して第２端面が目封止された複数の第１セルと、第１端面から第２端面まで延び、第２端面が開口して第１端面が目封止された複数の第２セルと、第１セル及び第２セルを区画形成する多孔質の隔壁とを有する柱状のハニカム構造部を有する。第１セル及び第２セルは隔壁を挟んで交互に隣接配置されており、各端面は市松模様状を呈する。

（２．試験装置の構成）
図１に示す構造のフィルタ試験装置を作製した。各部の仕様は以下の通りである。燃焼室、混合室及びフィルタ設置部は略円筒状であり、これらを同軸上に配列した。

（３．フィルタへの無機粒子の蓄積）
フィルタ設置部にフィルタを設置した上でフィルタ試験装置のメインバーナ、粒子含有ガス生成部を以下の条件で稼働させて混合ガスを生成し、混合ガス中の無機粒子をフィルタで捕集した。
＜メインバーナ＞
高温再生用バーナは、以下の基準で可動させた。
燃焼用空気：マスフローコントローラを用いてコンプレッサからの圧縮空気を７．５Ｎｍ³／分の流量で供給、平均流速１４ｍ／秒
燃料：マスフローコントローラを用いてボンベからのプロパンガスを０．０３３Ｎｍ³／分の流量で供給
平均空気過剰率：４．６
フィルタ入口における燃焼ガス温度：３００℃
＜フィーダ＞
構造：粉体定量供給装置（株式会社アイシンナノテクノロジーズ製マイクロンフィーダーＴＦ－７０－ＣＴ）
無機粒子の種類：炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、１７種重質炭酸カルシウム、Ｎｏ．４白色溶融アルミナ、Ｎｏ．５白色溶融アルミナ及び炭化珪素（ＳｉＣ）（それぞれＪＩＳＺ８９０１で規定される試験用粉体、それぞれの平均粒径及び安息角については後の表１を参照）
無機粒子の供給量：１．０ｇ／ｍｉｎ（上記フィルタの体積１Ｌ当たり）
方式：圧送式（フィーダの上流に配置された送気装置に接続された送気配管に無機粒子を供給）
空気圧力：０．１ＭＰａＧ

上記のような条件の下、体積基準でエンジン加速アッシュと同程度の無機粒子をフィルタにそれぞれ堆積させた。より具体的には、フィルタに堆積させる無機粒子の体積量をエンジン加速アッシュ試験におけるアッシュの体積量に対して±５体積％以内とした。

上述のように各種の無機粒子をフィルタに堆積させた供試体を用いて、フィルタの初期の圧力損失を測定した。フィルタの初期の圧力損失は、大型風洞試験機を用いて圧力損失を測定した。このとき、ガス温度は２５℃とし、ガス流量は２Ｎｍ³／分から、２Ｎｍ³／分ずつ流量を変化させ、１０Ｎｍ³／分まで測定した。初期圧損の測定結果を図４に示す。なお、無機粒子として炭酸カルシウム及び１７種重質炭酸カルシウムを用いたとき、フィルタのセルで詰まりがおき初期圧損の測定は困難であった。このため、炭酸カルシウム及び１７種重質炭酸カルシウムを用いたときの初期圧損については図４に示していない。一方、図４には、比較対象として、エンジン加速アッシュを堆積させたフィルタにおける初期圧損を示している。

また、上述のように各種の無機粒子をフィルタに堆積させた供試体を用いて、フィルタにＰＭを堆積させながら圧力損失（ＰＭ圧損）を測定した。軽油を燃料としたバーナによりスート（煤）を発生させるスートジェネレータを用いて、スートを含む２００℃の排ガスを発生させた。この排ガスを、５．３Ｎｍ³／分の流量でフィルタに流入させ、フィルタ内にＰＭ堆積量を徐々に増やしながら、８ｇ／Ｌまでの数点の圧損を測定した。ＰＭ圧損の測定結果を図５に示す。なお、無機粒子として炭酸カルシウム及び１７種重質炭酸カルシウムを用いたとき、フィルタのセルで詰まりが起きＰＭ圧損の測定も困難であった。このため、炭酸カルシウム及び１７種重質炭酸カルシウムを用いたときのＰＭ圧損については図５に示していない。一方、図５には、比較対象として、エンジン加速アッシュを堆積させたフィルタにおけるＰＭ圧損を示している。

以下の表１に、無機粒子の物性値（平均粒径及び安息角）を示す。また、表１に、各無機粒子を堆積させたフィルタにおける初期圧損及びＰＭ圧損と、エンジン加速アッシュを堆積させたフィルタにおける初期圧損及びＰＭ圧損との比較結果も示す。

図４及び図５に示すように、無機粒子として硫酸カルシウムを用いたとき（比較例２）の初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果は、エンジン加速アッシュを用いたときの初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果と大きく乖離している。一方で、無機粒子としてＮｏ．４白色溶融アルミナ、Ｎｏ．５白色溶融アルミナ及びＳｉＣを用いたとき（実施例１～３）の初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果は、比較例２と比べて、エンジン加速アッシュを用いたときの初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果と近い結果になった。特に、無機粒子としてＮｏ．５白色溶融アルミナを用いたとき（実施例２）の初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果は、エンジン加速アッシュを用いたときの初期圧損及びＰＭ圧損の測定結果とかなり近い結果になった。

無機粒子２ｂの平均粒径が過小であると、慣性が小さいため、無機粒子２ｂがフィルタ５の出側端部まで到達できず、出側端部に向かう途中の隔壁に無機粒子２ｂが付着してしまう。また、無機粒子２ｂの安息角が過大であると、無機粒子２ｂの流動性を確保できず、無機粒子２ｂの付着性を高く、フィルタ５の入側で無機粒子２ｂによりフィルタ５のセルが閉塞してしまう。

実施例１～３のうち、平均粒径が最も小さくかつ無機粒子２ｂが最も大きなＮｏ．４白色溶融アルミナを基準とし、無機粒子の平均粒径が１０μｍ以上であり、無機粒子の安息角が５０度以下であることが好ましいと理解できる。また、実施例２，３を基準に無機粒子の安息角が４５度以下であることがより好ましいと理解できる。また、実施例２を基準に無機粒子の平均粒径が２５μｍ以上であることがより好ましいと理解できる。

１：バーナ
１ａ：燃焼ガス
２：粒子含有ガス生成部
２ａ：粒子含有ガス
２ｂ：無機粒子
３：混合部
３ａ：混合ガス
４：フィルタ設置部
５：フィルタ

Claims

燃焼ガスを生成するためのバーナと、
アッシュを模擬した無機粒子を含む粒子含有ガスを生成するための粒子含有ガス生成部と、
前記燃焼ガスと前記粒子含有ガスとを混合した混合ガスを生成するための混合部と、
前記混合部で生成された前記混合ガスの流路内に設けられ、前記混合ガス中の前記無機粒子を捕集するフィルタを設置するためのフィルタ設置部と、
を備え、
前記無機粒子の平均粒径が１０μｍ以上であり、前記無機粒子の安息角が５０度以下である、
フィルタ試験装置。
前記無機粒子は、アルミナ及び炭化珪素の少なくとも一方である、
請求項１に記載のフィルタ試験装置。
前記無機粒子の安息角が４５度以下である、
請求項１又は２に記載のフィルタ試験装置。
前記無機粒子の平均粒径が２５μｍ以上である、
請求項１～３のいずれか一項に記載のフィルタ試験装置。
バーナによって燃焼ガスを生成する工程と、
アッシュを模擬した無機粒子を含む粒子含有ガスを生成する工程と、
前記燃焼ガスと前記粒子含有ガスとを混合した混合ガスを生成する工程と、
前記混合ガス中の前記無機粒子をフィルタで捕集することによって前記フィルタに前記無機粒子を堆積させ、前記フィルタの性能を評価する工程と、
を含み、
前記無機粒子の平均粒径が１０μｍ以上であり、前記無機粒子の安息角が５０度以下である、
フィルタ試験方法。
前記無機粒子は、アルミナ及び炭化珪素の少なくとも一方である、
請求項５に記載のフィルタ試験方法。
前記無機粒子の安息角が４５度以下である、
請求項５又は６に記載のフィルタ試験方法。
前記無機粒子の平均粒径が２５μｍ以上である、
請求項５～７のいずれか一項に記載のフィルタ試験方法。