JP2004150330A - 内燃機関の排気微粒子フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】出荷直後あるいは排気微粒子フィルタの交換直後における排気微粒子の捕集効率を高める。
【解決手段】排気微粒子フィルタは、多孔質セラミックスを用いたハニカム型モノリス構造のフィルタ本体１を備え、上流端が閉塞されたセルと下流端が閉塞されたセルとの間の壁を通過する際に排気微粒子が捕集される。フィルタ本体１の前端面に、通気性を有する紙などの可燃性シート２が予め貼着されている。運転開始直後に可燃性シート２は燃焼し、その際に出るスス等の微粒子がフィルタ本体１に付着するので、初期の捕集効率が高くなる。運転中の排気熱により、可燃性シート２はやがて完全に焼失するので、それ以後は、圧力損失に悪影響を与えることがない。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれる排気微粒子を捕集する排気微粒子フィルタの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガス中に比較的多く含まれているスス（Ｓｏｏｔ）などの排気微粒子を除去するために、従来から、特許文献１、特許文献２に見られるように、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）などと呼ばれる排気微粒子フィルタを排気系に介装し、排気微粒子を捕集することが行われている。そして、この種のフィルタは、排気微粒子の捕集に伴って経時的に目詰まりを生じるので、一般に、何らかの手段でもって捕集した排気微粒子を燃焼させ、フィルタから除去するようにしている。なお、捕集した排気微粒子の酸化発熱反応の促進あるいは排気中のＣＯやＨＣの除去などのために、触媒金属を担持させた所謂触媒付きの排気微粒子フィルタも多く用いられている。
【０００３】
上記排気微粒子フィルタとしては、特許文献１に記載されているような不織布を多数回巻回したもの、特許文献２に記載されているような多孔質セラミックスのハニカム型モノリス構造のもの、などが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６８１１２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平５−２２２９１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記排気微粒子フィルタにおいては、定常的な使用状態の下では、捕集した排気微粒子が完全に燃焼されることはほとんどなく、新品時の状態に比較して、ある程度の量の排気微粒子が残った状態でもって、内燃機関の運転がなされる。そのため、このようなある程度の排気微粒子が残存した状態において、フィルタの圧力損失が適当な値となるように、フィルタの目の粗さ、例えば多孔質セラミックス担体の気孔率が設定されている。定常的な使用状態では、このセラミックス担体の細孔に、排気微粒子が付着ないしは堆積した状態となっており、これが、新たな排気微粒子の捕集に寄与している。
【０００７】
従って、排気微粒子フィルタが新品状態であるとき、つまり出荷直後や排気微粒子フィルタを交換した直後などは、気孔率が過大であると言え、排気ガスに含まれている排気微粒子が、排気ガスの流れとともにフィルタを通過しやすいことから、排気微粒子の捕集効率が低いものとなってしまう。図７は、新品の排気微粒子フィルタを内燃機関に装着し、その運転時間の経過に伴う捕集効率の変化を測定した場合の特性の一例を示している。図示するように、初期は捕集効率が非常に低く、ある程度の時間運転した段階（つまり排気微粒子がある程度捕集された状態）で、目標とする捕集効率に到達する。
【０００８】
なお、仮に、新品時から十分に高い捕集効率が得られるように気孔率を小さく設定すると、定常的な使用状態の下では、圧力損失が過大となりやすい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明では、内燃機関の排気系に介装されて排気ガス中の排気微粒子を捕集する内燃機関の排気微粒子フィルタにおいて、可燃性シートを入口側の端部に設けるようにした。この可燃性シートとしては、通気性を有する紙、不織布、織布などからなるものを、入口側の端部の全面に設けるようにしてもよく、あるいは、入口側の端部の一部の面積を覆うように部分的に設けてもよい。
【００１０】
このようにフィルタの入口側の端部に設けられた可燃性シートは、内燃機関の運転開始後、排気微粒子フィルタを通過する排気の熱によって燃焼するが、その際に、スス等の微粒子が発生し、これが排気微粒子フィルタに付着ないしは堆積する。そのため、内燃機関の排気ガス中に含まれる排気微粒子に対する捕集効率が、直ちに高くなる。そして、この可燃性シートは、内燃機関の運転に伴い、いずれ完全に焼失する。従って、焼失後は、排気微粒子フィルタの圧力損失に悪影響を与えることはない。つまり、定常的な使用状態の下での圧力損失を悪化させることなく、排気微粒子が堆積していない初期の捕集効率が高められる。
【００１１】
また、可燃性シートをフィルタの端部に部分的に設けた場合には、運転開始初期に、可燃性シートにより覆われていない部分のみを排気が通過するので、この部分に排気微粒子が速やかに堆積し、部分的に捕集効率が高まる。可燃性シートを備えた部分では、前述したように、該可燃性シートが燃焼してスス等の微粒子を生じることにより、捕集効率が高まる。そして、可燃性シートはいずれ完全に焼失し、以後は排気微粒子フィルタの圧力損失に何ら悪影響を与えることはない。なお、このように一部にのみ可燃性シートを設ける場合には、可燃性シートは、必ずしも通気性を有していなくともよい。また、初期に排気流路を制限するとともにススを効果的に発生させるためには、可燃性シートが適度に緩慢に燃焼することが望ましく、従って、例えば三酸化アンチモン等の難燃剤を含浸させて、可燃性シートの燃焼を抑制することも効果的である。
【００１２】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気微粒子フィルタによれば、定常的な使用状態の下での圧力損失を何ら悪化させることなく、初期の排気微粒子の捕集効率を高めることができ、出荷直後あるいは排気微粒子フィルタ交換直後から良好な排気微粒子捕集性能を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、ディーゼル機関の排気微粒子の捕集に用いられる排気微粒子フィルタつまりディーゼルパティキュレートフィルタとして構成した本発明の一実施例を示しており、この実施例では、多孔質セラミックスを用いたハニカム型モノリス構造のフィルタとして構成されている。全体として円柱状をなすセラミックス製のフィルタ本体１は、その軸方向に沿って、多数の微細な通路つまり多数のセルを有し、各セルが、薄い壁で仕切られている。そして、多数のセルの中の一部のものは、フィルタの上流端で閉塞（いわゆる目封じ、目詰め）され、残りのものは、フィルタの下流端で閉塞されている。典型的には、上流端が閉塞されたセルと下流端が閉塞されたセルとが、互いに隣接して交互に配置されている。従って、下流端が閉塞されたセルに流入した排気ガスは、多孔質の壁を通って隣接するセルに流入し、このセルの開口した下流端から流出することになる。排気ガスに含まれていた排気微粒子は、主に、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、ここで捕集除去される。
【００１４】
本発明においては、矢印で示す方向に排気ガスが通流するフィルタ本体１の入口側の端面に、その全面に亘って、通気性を有する可燃性シート２、具体的にはティッシュペーパなどの比較的薄い紙が予め貼着されている。この可燃性シート２としては、ティッシュペーパよりも厚い洋紙、あるいは和紙、あるいはガーゼなどの織布、あるいは不織布、などを用いることもできる。
【００１５】
このようにフィルタ本体１の前端面に設けられた通気性を有する紙などの可燃性シート２は、排気微粒子フィルタの使用開始の直後に、排気微粒子フィルタを通過する排気の熱によって燃焼するが、その際に、主にススからなる微粒子が発生し、これがセラミックスからなるフィルタ本体１に付着ないしは堆積する。これにより、排気微粒子フィルタの捕集効率が、直ちに高くなる。
【００１６】
図２は、新品の排気微粒子フィルタにおける運転開始後の捕集効率の変化を測定した結果を示しており、特に、上記のように可燃性シート２（紙）を前端面に貼着した実施例の排気微粒子フィルタの特性と、可燃性シート２を具備しない参考例の特性と、を対比して示している。ここでは、運転開始後、５分経過時点から捕集効率の測定を開始しているが、図示するように、可燃性シート２を貼着することで、初期の捕集効率が大幅に向上している。
【００１７】
また、上記の可燃性シート２は、内燃機関の運転に伴い、いずれ完全に焼失する。従って、焼失後は、排気微粒子フィルタの圧力損失に何ら悪影響を与えることがない。
【００１８】
なお、捕集した排気微粒子の酸化発熱反応の促進あるいは排気中のＣＯやＨＣの除去などのために、セラミックスからなるフィルタ本体１に触媒金属を担持させた所謂触媒付きの排気微粒子フィルタにおいても、同様に、可燃性シート２を貼着して捕集効率向上を図ることができる。
【００１９】
次に、可燃性シート２をフィルタ本体１の前端面の一部に部分的に設けた第２の実施形態について説明する。
【００２０】
図３は、前述した円柱状をなすハニカム型モノリス構造のフィルタ本体１の前端面の中心部に可燃性シート２を円形に貼着した実施例を示す。つまりフィルタ本体１の前端面の中心部が可燃性シート２により覆われ、外周部が円環状に露出した構成となっている。上記可燃性シート２としては、例えば濾紙のような多少厚手の紙を用いることが望ましいが、前述した実施例と同じく、洋紙、和紙、ガーゼなどの織布、あるいは不織布、などを用いることもできる。また、排気微粒子がフィルタ本体１にある程度捕集されるまでは可燃性シート２が焼失しないことが望ましいので、紙などからなる可燃性シート２に、燃焼を抑制する難燃剤を予め含浸させておくことが望ましい。
【００２１】
難燃剤としては、例えば三酸化アンチモンを用いることができ、そのほか、好適なものとして、５酸化アンチモン、トリクレジルホスフェート、クレジルジニフェニルホスフェート、ポリリン酸アンモニュウム／アミド、テトラブロモビスフェノールＡ（ＴＢＡ）−ビス、ヘキサブロモシクロドデカン（ＨＢＣＤ）、テトラブロモ無水フタル酸、などを挙げることができる。
【００２２】
このように可燃性シート２をフィルタ本体１の前端面に部分的に設けた場合には、運転開始初期に、可燃性シート２により覆われていない部分のみを排気が通過するので、この部分に排気微粒子が速やかに堆積し、部分的に捕集効率が高まる。一方、可燃性シート２により覆われた部分では、前述した実施例と同様に、やがて可燃性シート２が燃焼を開始した際にスス等の微粒子を生じることにより、効果的に捕集効率が高まる。従って、排気微粒子フィルタ全体として、初期から高い捕集効率を確保することができる。
【００２３】
そして、可燃性シート２はいずれ完全に焼失するので、以後は排気微粒子フィルタの圧力損失に何ら悪影響を与えることがない。
【００２４】
図４は、図３とは逆に、フィルタ本体１の前端面の外周部に可燃性シート２を設け、中心部を円形に露出させた例を示している。
【００２５】
図５は、前端面の半円形の領域に可燃性シート２を設け、残りの半円形の領域を露出させた例を示している。
【００２６】
図６は、小さな矩形の可燃性シート２を複数用い、市松模様を描くように配置した例を示している。
【００２７】
なお、可燃性シート２のレイアウトとしては、図３〜図６の例に限定されるものではないが、フィルタ本体１前端の面積の中で可燃性シート２が占める割合が過度に小さいと、上述した作用効果が十分に得られない。初期の捕集効率の上で十分な効果を得るためには、前端面の１／３以上を可燃性シート２で覆うようにすることが望ましい。
【００２８】
次に、第２の実施形態についてのより具体的な実施例を説明する。本発明の評価のために、表１に示すように、実施例１〜１２および比較例１，２の排気微粒子フィルタを試作した。いずれもフィルタ本体１の形状（寸法）およびセル構造は、同一である。また、可燃性シート２としては、予め難燃剤として三酸化アンチモンを約２％含浸した濾紙を用いた。比較例１に対し、比較例２は、セラミックスの材質ならびに気孔率を異ならせたもので、実施例１〜６は、比較例１に、実施例７〜１２は、比較例２に、それぞれ対応する。実施例１〜３は、いずれも図３のパターンで濾紙を貼着したもので、それぞれ濾紙の大きさを異ならせてある。実施例４は、図４のパターンで、実施例５は、図５のパターンで、実施例６は、図６のパターンで、それぞれ濾紙を配置したものである。実施例７〜１２も、濾紙のパターンおよび大きさは、実施例１〜６と同様である。なお、フィルタ本体１の前端面の面積は、約１６０ｃｍ^２であり、従って、実施例３〜６などの紙面積８０ｃｍ^２は、約１／２の領域が覆われていることを意味する。同様に、紙面積３２ｃｍ^２は、約１／５、紙面積５４ｃｍ^２は、約１／３となる。
【００２９】
そして、これらの排気微粒子フィルタを、内燃機関に装着し、図２に示した例と同様に、運転時間の経過に伴う捕集効率の変化を測定し、運転開始後、５分の時点の捕集効率を、「初期捕集率」として、表１にまとめた。
【００３０】
【表１】

【００３１】
この表１に明らかなように、フィルタ本体１の前端面に一部でも濾紙を貼着することで、初期の捕集効率が向上する結果が得られた。特に、１／３以上の面積を覆うようにすれば、初期の捕集効率を非常に高く得ることができた。
【００３２】
以上、本発明を、多孔質セラミックスを用いたハニカム型モノリス構造の排気微粒子フィルタに適用した実施例について説明したが、本発明は、これに限定されず、金属製モノリス担体やセラミックス繊維もしくは金属繊維の不織布を用いたものなど、種々の形式の排気微粒子フィルタに適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気微粒子フィルタの一実施例を示す斜視図。
【図２】この実施例の排気微粒子フィルタの捕集効率の経時的な特性を参考例と対比して示す特性図。
【図３】中心部に可燃性シートを貼着した配置パターンを示す斜視図。
【図４】外周部に可燃性シートを貼着した配置パターンを示す斜視図。
【図５】半円部分に可燃性シートを貼着した配置パターンを示す斜視図。
【図６】市松模様に可燃性シートを貼着した配置パターンを示す斜視図。
【図７】従来の排気微粒子フィルタにおける捕集効率の経時的変化を示す特性図。
【符号の説明】
１…フィルタ本体
２…可燃性シート

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に介装されて排気ガス中の排気微粒子を捕集する内燃機関の排気微粒子フィルタにおいて、可燃性シートを入口側の端部に設けたことを特徴とする内燃機関の排気微粒子フィルタ。
2. 通気性を有する可燃性シートを、入口側の端部の全面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。
3. 入口側の端部の一部の面積を覆うように可燃性シートを部分的に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。
4. 上記可燃性シートに、難燃剤を含浸させてあることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。
5. 多孔質材料を用いたハニカム型モノリスフィルタからなり、その端面に、上記可燃性シートを貼着したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。
6. 上記可燃性シートは、紙、不織布、もしくは織布からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。

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