JP2017227127A - フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭを効果的に捕集でき、フィルタ装置の破損を適切に防止できるようにする。【解決手段】排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置２２０において、排気ガスの排気上流から下流へ複数のフィルタ部２２１，２２２，２２３が直列に配置され、排気上流側に位置するフィルタ部における粒子状物質を捕集するフィルタ層の気孔率を、排気下流側のフィルタ部におけるフィルタ層の気孔率よりも高くすることにより、排気上流側のフィルタ部における粒子状物質の捕集率が、排気下流側のフィルタ部における粒子状物質の捕集率よりも低くなるように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、フィルタという）が知られている。

フィルタにおいては、多くのＰＭが捕集されると、ＰＭを捕集する細孔に目詰まりが発生し、圧損が上昇してしまうこととなるので、捕集されたＰＭを強制的に燃焼させて、フィルタを再生する処理（強制再生処理）が行われる。

強制再生処理においては、燃料を燃焼させることとなるので、頻繁に強制再生処理を実行するようにすると燃料の消費が多くなる。このため、強制再生処理を実行する頻度を減少させるために、フィルタのサイズを大型化し、捕集できるＰＭの量を増加させることが行われている。

しかしながら、フィルタのサイズを大型化すると、燃焼されるＰＭの量が多くなり、強制再生時の燃焼温度が高くなり、その温度に起因する熱応力によってフィルタに割れが生じてしまう虞がある。

これに対して、強制再生処理によらずに、連続してＰＭを燃焼させるようにした、連続再生式フィルタが知られている。

このような連続再生式フィルタにおけるＰＭの堆積による背圧の上昇を抑制し、フィルタの溶損を防止する技術として、例えば、触媒付きフィルタを、セル隔壁の平均細孔径が異なる複数種から構成し、排ガスの上流側から下流側に向かって平均細孔径が大きなものから小さなものへと順に直列に配置するようにして、ＰＭを効率よく燃焼除去することのできる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２２５５４０号公報

強制再生処理の実行を行う必要があるフィルタにおいては、上述したように、強制再生処理の実行頻度を減少させることが要請されており、このために、より多くの量のＰＭを捕集することができ、強制再生処理時にフィルタ装置に損傷が発生しないようにできることが要請されている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ＰＭを効果的に捕集でき、フィルタ装置の破損を適切に防止することのできる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明の一観点に係るフィルタ装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置であって、排気ガスの排気上流から下流へ複数のフィルタ部が直列に配置され、排気上流側に位置するフィルタ部における粒子状物質を捕集するフィルタ層の気孔率を、排気下流側のフィルタ部におけるフィルタ層の気孔率よりも高くすることにより、排気上流側のフィルタ部における粒子状物質の捕集効率が、排気下流側のフィルタ部における粒子状物質の捕集効率よりも低くなっている。

上記フィルタ装置において、フィルタ部の少なくとも一つは、フィルタ層で区画された複数のセルを備え、複数のセルの内の一部のセルは、一端側が目封じされていてもよい。

また、上記フィルタ装置において、フィルタ部の少なくとも一つは、パーシャルフィルタであってもよい。

また、上記フィルタ装置において、それぞれのフィルタ部で捕捉される粒子状物質の量が略同じとなるようにそれぞれのフィルタ部のフィルタ層の気孔率が調整されていてもよい。

また、上記フィルタ装置において、それぞれのフィルタ部のフィルタ層を構成する、骨材と、骨材を結合する結合剤との比率は、略同じであってもよい。

本発明によれば、ＰＭを効果的に捕集でき、フィルタ装置の破損を適切に防止することができる。

本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置を備える排気処理装置の模式的な構成図である。 本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。 本発明の第４実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。 本発明の変形例に係るフィルタ装置の構成を説明する第１の図である。 本発明の変形例に係るフィルタ装置の構成を説明する第２の図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るフィルタ装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置を備える排気処理装置の模式的な構成図である。

車両におけるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、フィルタ装置２２０が設けられている。

酸化触媒２１０は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒２１０は、後述する排気管内噴射装置１２０又はポスト噴射によって炭化水素（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排ガス温度を上昇させる。

フィルタ装置２２０は、排気上流側から直列に配置された第１フィルタ部２２１と、第２フィルタ部２２２と、第３フィルタ部２２３とを有し、排気中のＰＭを捕集する。第１フィルタ部２２１、第２フィルタ部２２２、及び第３フィルタ部２２３の詳細については後述する。

フィルタ装置２２０に対しては、例えば、堆積しているＰＭ量が所定量に達した場合には、ＰＭを燃焼除去する、いわゆる強制再生処理が実行される。強制再生処理は、排気管内噴射装置１２０又はポスト噴射により酸化触媒２１０に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、フィルタ装置２２０に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。

排気管１１０の酸化触媒２１０の排気上流には、排気管内噴射装置１２０が設けられている。排気管内噴射装置１２０は、図示しないＥＣＵから出力される指示信号に応じて、排気管１１０内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射することにより、フィルタ装置２２０の強制再生を行う。なお、強制再生にエンジン１００の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１２０を省略してもよい。

次に、第１実施形態に係るフィルタ装置２２０について詳細に説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。なお、図２は、フィルタ装置２２０の一部を排気上流側から下流側の方向（排気流れ方向）に沿って切断した断面図である。

フィルタ装置２２０は、第１フィルタ部２２１と、第２フィルタ部２２２と、第３フィルタ部２２３とを有する。本実施形態では、第１フィルタ部２２１と、第２フィルタ部２２２と、第３フィルタ部２２３とは、外形形状が円柱状に構成され、排気流れ方向に対して所定の間隔を空けて配置されている。

第１フィルタ部２２１は、例えば、セラミックス等で構成された多孔質性のフィルタ層２２１Ａで区画された排気流路を成す複数のセル２２１Ｃを有する。セル２２１Ｃの排気上流側から下流側に垂直な面での断面形状は、矩形であっても、多角形であっても、円形であってもよい。複数のセル２２１Ｃは、目封じ壁２２１Ｂによって上流側と下流側とが交互に目封じされている。

第１フィルタ部２２１においては、排気ガスは、図中の破線矢印に示すように、上流側が目封じされていないセル２２１Ｃからフィルタ層２２１Ａを通過して下流側が目封じされていないセル２２１Ｃに流れ込む。このため、排気ガス中のＰＭは、フィルタ層２２１Ａの表面や、フィルタ層２２１Ａ内の細孔により捕集されて堆積する。

第２フィルタ部２２２は、例えば、セラミックス等で構成された多孔質性のフィルタ層２２２Ａで区画された排気流路を成す複数のセル２２２Ｃを有する。セル２２２Ｃの排気上流側から下流側に垂直な面での断面形状は、矩形であっても、多角形であっても、円形であってもよい。複数のセル２２２Ｃは、目封じ壁２２２Ｂによって上流側と下流側とが交互に目封じされている。本実施形態では、第２フィルタ部２２２の上流側が目封じされているセル２２２Ｃと、第１フィルタ部２２１の下流側が目封じされていないセル２２１Ｃと、が対向するように構成されている。

第２フィルタ部２２２においては、排気ガスは、図中の破線矢印に示すように、上流側が目封じされていないセル２２２Ｃからフィルタ層２２２Ａを通過して下流側が目封じされていないセル２２２Ｃに流れ込む。このため、排気ガス中のＰＭは、フィルタ層２２２Ａの表面や、フィルタ層２２２Ａ内の細孔により捕集されて堆積する。

第３フィルタ部２２３は、例えば、セラミックス等で構成された多孔質性のフィルタ層２２３Ａで区画された排気流路を成す複数のセル２２３Ｃを有する。セル２２３Ｃの排気上流側から下流側に垂直な面での断面形状は、矩形であっても、多角形であっても、円形であってもよい。複数のセル２２３Ｃは、目封じ壁２２３Ｂによって上流側と下流側とが交互に目封じされている。本実施形態では、第３フィルタ部２２３の上流側が目封じされているセル２２３Ｃと、第２フィルタ部２２２の下流側が目封じされていないセル２２２Ｃと、が対向するように構成されている。

第３フィルタ部２２３においては、排気ガスは、図中の破線矢印に示すように、上流側が目封じされていないセル２２３Ｃからフィルタ層２２３Ａを通過して下流側が目封じされていないセル２２３Ｃに流れ込む。このため、排気ガス中のＰＭは、フィルタ層２２３Ａの表面や、フィルタ層２２３Ａ内の細孔により捕集されて堆積する。

次に、第１フィルタ部２２１のフィルタ層２２１Ａと、第２フィルタ部２２２のフィルタ層２２２Ａと、第３フィルタ部２２３のフィルタ層２２３Ａとの構成の違いについて説明する。

本実施形態では、ＰＭの捕集効率が低い方から、フィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの順番となるように、捕集効率に影響する各フィルタ層の気孔率を、気孔率の高い方からフィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの順番となるようにそれぞれのフィルタ層を構成している。

このように、排気上流側に配置されるフィルタ層の捕集効率を低くするようにしたので、各フィルタ部に捕捉されるＰＭの総量を均一化させるように作用させることができる。なお、各フィルタ部で捕捉されるＰＭの総量が略同一となるような捕集効率となるように各フィルタ層の気孔率を設定することが好ましい。

ここで、フィルタ層の気孔率は、例えば、フィルタ層を製造する際に用いる造孔材の量、焼結助剤量、焼成雰囲気などを変えることにより調整することができる。

なお、フィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの平均細孔径が同じ又は近い値（略同じ）となるようにしてもよい。このように、各フィルタ層の平均細孔径をほぼ同じにすると、実際に発生するＰＭの粒径の分布の影響によらずに、各フィルタ部で捕捉されるＰＭの量を均一化させるように機能させることができる。また、フィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの材料となる骨材と、骨材同士を結合する結合剤との比率は、一定又は近い値（略一定）としてもよい。骨材と結合剤との比率を略一定とすると、これらにより構成される細孔径の分布は、略同じ分布となり易い。

以上説明したように、第１実施形態に係るフィルタ装置２２０によると、フィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの気孔率を、ＰＭの捕集効率が低い方から、フィルタ層２２１Ａ、フィルタ層２２２Ａ、フィルタ層２２３Ａの順番となるように調整するようにしたので、各フィルタ部で捕集されるＰＭの量を均一化させることができる。これにより、フィルタ装置２２０により捕集されるＰＭ量を効果的に増加させることができる。また、各フィルタ部自体のサイズを小さくすることができるので、強制再生処理における熱応力により、フィルタ部が損傷してしまうことを適切に低減することができる。

次に、第２実施形態に係るフィルタ装置について詳細に説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。なお、図３は、フィルタ装置２２０の一部を排気上流側から下流側の方向（排気流れ方向）に沿って切断した断面図である。

第２実施形態に係るフィルタ装置２２０は、第１実施形態に係るフィルタ装置２２０において、第２フィルタ部２２２と、第１フィルタ部２２１及び第３フィルタ部２２３とのセルの配置関係を変えたものである。

具体的には、第２実施形態に係るフィルタ装置２２０では、第２フィルタ部２２２の上流側が目封じされているセル２２２Ｃと、第１フィルタ部２２１の下流側が目封じされていないセル２２１Ｃと、が対向するように構成され、第３フィルタ部２２３の上流側が目封じされているセル２２３Ｃと、第２フィルタ部２２２の下流側が目封じされていないセル２２２Ｃと、が対向するように構成されている。

この第２実施形態に係るフィルタ装置２２０によっても、第１実施形態と同様に、各フィルタ部で捕集されるＰＭの量を均一化させることができ、フィルタ装置２２０により捕集されるＰＭ量を効果的に増加させることができる。

次に、第３実施形態に係るフィルタ装置について詳細に説明する。

図４は、本発明の第３実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。なお、図４は、フィルタ装置２２０の一部を排気上流側から下流側の方向（排気流れ方向）に沿って切断した断面図である。

第３実施形態に係るフィルタ装置２２０は、第１実施形態に係るフィルタ装置２２０において、第１フィルタ部２２１を第４フィルタ部２２４に変えたものである。

第４フィルタ部２２４は、複数のセル２２１Ｃの内の一部のセル２２１Ｃの一端側（図４では、下流側）に目封じ壁２２１Ｂが形成され、残りのセル２２１Ｃには、目封じ壁２２１Ｂが形成されていない。この構成によると、フィルタ層２２１Ａの気孔率の調整では十分にＰＭの捕捉効率を低下できない場合であっても、第４フィルタ部２２４のＰＭの捕捉効率を容易に低減することができる。

この第３実施形態に係るフィルタ装置２２０によっても、各フィルタ部で捕集されるＰＭの量を均一化させることができ、フィルタ装置２２０により捕集されるＰＭ量を効果的に増加させることができる。

次に、第４実施形態に係るフィルタ装置について詳細に説明する。

図５は、本発明の第４実施形態に係るフィルタ装置の構成を説明する図である。なお、図５は、フィルタ装置２２０の一部を排気上流側から下流側の方向（排気流れ方向）に沿って切断した断面図である。

第４実施形態に係るフィルタ装置２２０は、第２実施形態に係るフィルタ装置２２０において、第１フィルタ部２２１と、第２フィルタ部２２２と、第３フィルタ２２３とを間を空けずに配置させるようにしたものである。

この第４実施形態に係るフィルタ装置２２０によっても、第２実施形態と同様に、各フィルタ部で捕集されるＰＭの量を均一化させることができ、フィルタ装置２２０により捕集されるＰＭ量を効果的に増加させることができる。

なお、本発明は、上述の実施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、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記第３実施形態では、第４フィルタ部において、セル２２１Ｃの下流側に目封じ壁２２１Ｂを設けるようにしていたが、本発明はこれに限られず、セル２２１Ｃの上流側に目封じ壁２２１Ｂを設けるようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、フィルタ装置２２０は、３つのフィルタ部を備えるようにしていたが、フィルタ部の数は、２つであってもよく、４以上であってもよい。

また、上記各実施形態では、フィルタ装置２２０のフィルタ部を、複数のセルを有し、セルを区画するフィルタ層によりＰＭを捕集する構成としていたが、本発明はこれに限られず、フィルタ部の少なくとも何れか一つを、パーシャルフィルタとするようにしてもよい。

また、上記第４実施形態では、各フィルタ部を、複数のセルの一部について上流側を目封じし、残りのセルについて下流側を目封じするようにしていたが、本発明はこれに限られず、隣接するフィルタ部の目封じ壁が対向するセルについては、いずれか一方のセルについては、目封じ壁を備えないようにしてもよい。例えば、図６に示すように、２番目以降のフィルタ部については、複数のセルの一部について下流側のみに目封じをし、残りのセルについては目封じをしないようにしてもよく、また、図７に示すように、複数のセルの一部について上流側を目封じし、残りのセルについて下流側を目封じするようにしている２つのフィルタ部に挟まれるフィルタ部においては、すべてのセルについて目封じを行わないようにしてもよい。

１００ エンジン
１１０ 排気管
１２０ 排気管内噴射装置
２１０ 酸化触媒
２２０ フィルタ装置
２２１ 第１フィルタ部
２２２ 第２フィルタ部
２２３ 第３フィルタ部
２２４ 第４フィルタ部
２２１Ａ，２２２Ａ，２２３Ａ フィルタ層
２２１Ｂ，２２２Ｂ，２２３Ｂ 目封じ壁
２２１Ｃ，２２２Ｃ，２２３Ｃ セル

Claims (5)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置であって、
   前記排気ガスの排気上流から下流へ複数のフィルタ部が直列に配置され、
   排気上流側に位置するフィルタ部における前記粒子状物質を捕集するフィルタ層の気孔率を、排気下流側のフィルタ部におけるフィルタ層の気孔率よりも高くすることにより、排気上流側の前記フィルタ部における前記粒子状物質の捕集率が、排気下流側の前記フィルタ部における前記粒子状物質の捕集率よりも低くなっている
   フィルタ装置。
2. 前記フィルタ部の少なくとも一つは、前記フィルタ層で区画された複数のセルを備え、
   前記複数のセルの内の一部のセルは、すくなくとも一端側が目封じされている
   請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 前記フィルタ部の少なくとも一つは、パーシャルフィルタである
   請求項１又は請求項２に記載のフィルタ装置。
4. それぞれの前記フィルタ部で捕捉される前記粒子状物質の量が略同じとなるようにそれぞれの前記フィルタ部の前記フィルタ層の前記気孔率が調整されている
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載のフィルタ装置。
5. それぞれの前記フィルタ部の前記フィルタ層を構成する、骨材と、前記骨材を結合する結合剤との比率は、略同じである
   請求項１から請求項４の何れか一項に記載のフィルタ装置。

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