JP2018071388A - パティキュレートフィルター - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の低下を防止することができるパティキュレートフィルターを提供すること。
【解決手段】パティキュレートフィルターは、複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接合する接着剤層を備え、パティキュレートフィルターの中心部側に位置するハニカムセグメントの排気ガスの流れ方向における下流側端は、パティキュレートフィルターの外周部側に位置するハニカムセグメントの流れ方向における下流側端より下流側へ延長され、外周部側に位置するハニカムセグメントの下流側端は、接着剤層の流れ方向における同じ位置での中心部側に位置するハニカムセグメント側と外周部側に位置するハニカムセグメント側との間の粒子状物質の燃焼時における温度差が接着剤層の所定耐破壊温度差以下を示す第１位置に設けられる。
【選択図】図２

Description

本開示は、パティキュレートフィルターに関する。

従来、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルターとして、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）が知られている。

ＤＰＦは、粒子状物質の捕集量に限度があるため、堆積した粒子状物質を定期的に焼却除去する再生を行う必要がある。ＤＰＦの再生では、排気管内噴射やポスト噴射により、上流側に設けられた酸化触媒に未燃燃料を供給して、酸化により発生する熱で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する。

例えば、ＤＰＦには、粒子状物質を捕集するための複数の孔を有するハニカム構造体を、複数のハニカムセグメントから構成し、複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接着剤で接合し一体化したものがある。

粒子状物質は、ＤＰＦ内の中心部や下流側端部に堆積する傾向があり、ＤＰＦの再生時において、ＤＰＦ内の中心部や下流側端部の温度が、ＤＰＦ内の他の部位の温度より高くなる。このため、粒子状物質の堆積量が多く、熱暴走が生じると、ＤＰＦ内の中心部や下流側端部に熱損傷が発生する場合がある。

例えば、特許文献１には、排気ガスの流出側にコーン部を有する収容筒部に格納されたハニカム構造体において、ＤＰＦの中心部を、収納筒部の流出側コーン部内の小径開口部の近傍まで延長することにより、ＤＰＦの再生時の熱を中心部から周囲へ放出すると共に、ハニカム構造体の容量を増大する技術が開示されている。

特開２００９−２７５５５４号公報

しかしながら、特許文献１におけるＤＰＦの中心部を延長した目的は、ＤＰＦの再生時の熱を中心部から周囲に放出すると共に、ハニカム構造体の容量を増大するためであり、ＤＰＦの再生時の熱によって接着剤層が破壊されるのを防止することを目的として着想されていない。そのため、ＤＰＦの再生時に、接着剤層が破壊されるおそれがある。これにより、ＤＰＦの耐久性を低下させる場合がある。

本開示の目的は、耐久性の低下を防止することができるパティキュレートフィルターを提供することである。

本開示のパティキュレートフィルターは、
複数のハニカムセグメントが一体化され、各ハニカムセグメントに流入した排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質を燃焼させるパティキュレートフィルターにおいて、
前記複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接合する接着剤層を備え、
前記パティキュレートフィルターの中心部側に位置するハニカムセグメントの排気ガスの流れ方向における下流側端は、前記パティキュレートフィルターの外周部側に位置するハニカムセグメントの前記流れ方向における下流側端より下流側へ延長され、
前記外周部側に位置するハニカムセグメントの前記下流側端は、前記接着剤層の前記流れ方向における同じ位置での前記中心部側に位置するハニカムセグメント側と前記外周部側に位置するハニカムセグメント側との間の前記粒子状物質の燃焼時における温度差が前記接着剤層の所定耐破壊温度差以下を示す第１位置に設けられる。

本開示によれば、耐久性の低下を防止することができる。

本開示の一実施の形態に係るディーゼル排気ガス浄化装置の構成を概略的に示す図 本実施の形態に係るＤＰＦの縦断面 図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図 ハニカムセグメントの側面図 図２のＶ−Ｖ線断面図 接着剤層の両側間における温度差と耐破壊強度との関係を表す図 接着剤を塗布した第１のハニカムセグメントを示す図 接合された第２のハニカムセグメントを示す図 接合された１５個のハニカムセグメントを示す図 接合された１６個のハニカムセグメントを示す図 変形例に係るＤＰＦの横断面図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図において、排気ガスの流れ方向を“ＤＲ”で示し、流れ方向における上流側を“Ｄ１”で、下流側を“Ｄ２”でそれぞれ示す。

図１は、本実施の形態に係るディーゼル排気ガス浄化装置１の構成を概略的に示す図である。
図１に示すディーゼル排気ガス浄化装置１は、ディーゼルエンジン（図示略）の排気ガスの上流側Ｄ１に配置された酸化触媒２と、これと直列的に配置されたパティキュレートフィルター（以下、ＤＰＦと称する）３とを組み合わせたものである。

酸化触媒２は、例えば、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造体の担持体もしくは金属製の触媒担体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、パラジウム等の酸化触媒を分散した酸化アルミニウムやゼオライト等をコーティングして形成される。この酸化触媒２は、排気ガスＧ中に未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等があるとこれを酸化し、この酸化で発生する熱により排気ガスＧを昇温して、この昇温した排気ガスＧで下流側のＤＰＦ３を昇温させる。

図２は、流れ方向ＤＲに沿って切断したＤＰＦ３の縦断面図、図３は図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面である。

ＤＰＦ３は、図２および図３に示すように、複数（ここでは、１６個）のハニカムセグメント３０と、接着剤層３４とを有する。

１６個のハニカムセグメント３０は、図３に示すように、縦横４×４のマトリックス状に配列されている。

接着剤層３４は、１６個のハニカムセグメント３０における隣接するもの同士を接着剤で接合した層である。接着剤の種類は、それが用いられるＤＰＦ３の種類に対応している。接着剤は、例えば、無機繊維および無機バインダーなどの材料に水を加えて、混練をすることにより得られる。なお、上記の材料に、有機バインダー、発泡樹脂および分散剤を加えてもよい。

接着剤層３４は耐熱性および耐衝撃性を有する。また、接着剤層３４の耐熱温度とは、接着性能を維持している温度をいう。ここでの接着剤層３４の最大耐熱温度（℃）は、例えば、８００から９００である。また、耐衝撃性とは、熱応力や物理的な衝撃に耐性を有することをいう。また、接着剤層３４は、その両側間の温度差に起因して発生する熱応力による引張り剪断等に対して破壊されずに接着性能を維持する性質を有する。ここで、接着性能を維持できる最大温度差を表す最大耐破壊温度差（℃）は、例えば、８０から１２０である。最大耐熱温度および最大耐破壊温度差は、接着剤の種類、ハニカムセグメント３０の種類および接合方法により異なる。

図４は、上流側Ｄ１から見たハニカムセグメント３０の側面図である。
ハニカムセグメント３０は、多孔性セラミックス製ハニカム構造体である。ハニカムセグメント３０は、図４からわかるように、格子によって区画された多数の細長い気管（セル）３２からなるものである。多数の気管３２における上流側Ｄ１および下流側Ｄ２の開口は、目封じされている。具体的には、多数の気管３２における上流側Ｄ１の開口は、市松模様を呈するように、セラミックスで封止されている。図４に目封じされた開口３２Ａをハッチングで示す。また、目封じされた気管３２に隣接する気管３２の下流側Ｄ２の開口は、セラミックスで封止されている。

上記のように構成されたハニカムセグメント３０において、排気ガスは、例えば、気管３２の開放された上流側Ｄ１の開口から流入し、気管３２のハニカム壁を貫通して隣接する気管３２に流入し、開放された下流側Ｄ２の開口（図示略）から排出される。これにより、ハニカム壁はフィルターとして機能する。排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）は、ハニカム壁を貫通できず、気管３２内に捕集される。

図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。
ＤＰＦ３は、図２、３および図５に示すように、ＤＰＦ３の中心部側に位置するハニカムセグメント３０Ａと、ＤＰＦ３の外周部側に位置するハニカムセグメント３０Ｂとを有する。ここで、「中心部側」および「外周部側」とは、ＤＰＦ３内の複数のハニカムセグメント３０のうちの１つの単体または２以上の集合体においての他の１つの単体または２以上の集合体に対する相対的な位置を示し、絶対的な位置を示すものではない。

ハニカムセグメント３０Ａ、３０Ｂの流れ方向ＤＲにおける長さＬａ，Ｌｂは、接着剤の種類（特に、耐熱温度、耐破壊温度差）、ＤＰＦ３の種類、および、ＤＰＦ３の再生における実験結果などから経験的に求められる長さである。

図２に示すハニカムセグメント３０Ａは長さＬａを有し、ハニカムセグメント３０Ｂより長さＬ分だけ長い。ハニカムセグメント３０Ｂは長さＬｂを有している。

中心部側のハニカムセグメント３０Ａの流れ方向ＤＲにおける下流側端３６Ａは、外周部側のハニカムセグメント３０Ｂの流れ方向ＤＲにおける下流側端３６Ｂより、下流側Ｄ２へ延長されている。

中央部側のハニカムセグメント３０Ａの下流側端３６Ａは、図２に示すように、接着剤層３４の所定耐熱温度以下を示す第２位置Ｐ２まで延長されている。ここで、所定耐熱温度とは、最大耐熱温度であってもよく、例えば出荷時のＤＰＦ３の品質特性のバラツキを考慮して、最大耐熱温度から所定温度を減じた温度であってもよい。

図６は、接着剤層３４の両側間における温度差Δｔと耐破壊強度との関係を表す図である。ここで、接着剤層３４の両側間における温度差とは、接着剤層３４の流れ方向ＤＲにおける同じ位置での中心部側のハニカムセグメント３０Ａ側と外周部側のハニカムセグメント３０Ｂ側との間のＤＰＦ３の再生時における温度差に対応する。

図６に示す温度差Δｔａ（本発明の「所定耐破壊温度差」に対応）のとき、耐破壊強度は所定の許容値Ｖａを示す。所定の許容値Ｖａに対応する温度差Δｔａは、それ以下であれば、接着剤層３４が破壊されない温度差を意味する。

したがって、外周部側のハニカムセグメント３０Ｂの下流側端３６Ｂは、次のように設定される。ハニカムセグメント３０Ｂの下流側端３６Ｂは、接着剤層３４の流れ方向ＤＲにおける同じ位置での中心部側のハニカムセグメント３０Ａ側と外周部側のハニカムセグメント３０Ｂ側とのＤＰＦ３の再生時における温度差が接着剤層３４の所定耐破壊温度差Δｔａ以下を示す位置Ｐ１に設けられる（図２参照）。ここで、所定耐破壊温度差は、最大耐破壊温度差であってもよく、例えば出荷時のＤＰＦ３の品質特性のバラツキを考慮して、最大耐破壊温度差から所定温度を減じた温度差であってもよい。

図２に示すハニカムセグメント３０Ａ，３０Ｂの上流側端３８Ａ，３８Ｂの流れ方向ＤＲにおける位置は、一致している。

次に、ＤＰＦ３の製造方法の一例について図７Ａから図７Ｄを参照して説明する。ここでは、１６個のハニカムセグメント３０を用いて、ＤＰＦ３を製造するものとする。なお、１６個のハニカムセグメント３０を接着剤３４０で接合する順番は予め決められているものとする。

（接合工程）
先ず、第１番目のハニカムセグメント３０１の側面に接着剤３４０を塗布する（図７Ａ参照）。

次に、接着剤３４０を塗布した側面に第２番目および第３番目のハニカムセグメント３０２，３０３の側面を接合する（図７Ｂ参照）。

次に、第２番目および第３番目のハニカムセグメント３０２、３０３の側面に接着剤３４０を塗布し、接着剤３４０を塗布した側面に次の順番のハニカムセグメント３０の側面を接合する。

ＤＰＦ３内の中心部側に位置するハニカムセグメント３０には全長の長いハニカムセグメント３０を用いる。ＤＰＦ３内の外周部側に位置するハニカムセグメント３０には全長の短いハニカムセグメント３０を用いる。全長の長短に拘わらず、それぞれのハニカムセグメント３０の上流側端を揃えて、ハニカムセグメント３０同士を接合する。

このような接着剤３４０による接合を順次繰り返す。接合を繰り返すことで、図７Ｃに示すように、第１４番目および第１５番目のハニカムセグメント３０４，３０５を一体化し、第１４番目および第１５番目のハニカムセグメント３０４，３０５の側面に接着剤３４０をそれぞれ塗布する。さらに、図７Ｄに示すように、接着剤３４０を塗布した側面に第１６番目のハニカムセグメント３０６を接合する。以上により、１６個のハニカムセグメント３０を一体化する。

（乾燥工程）
一体化したハニカムセグメント３０を、例えば１５０℃から１８０℃の温度で乾燥する。乾燥に要する時間は、例えば、３時間から４時間である。

（成形）
乾燥したハニカムセグメント３０の外周部を、図３に示すように、円形状になるようにカットし、ＤＰＦ３の外周形状を成形する。なお、変形例として、ＤＰＦ３の外周形状を、図８に示すように、楕円形状になるようにカットしてもよい。

＜本実施の形態の効果＞
上記実施の形態に係るＤＰＦ３によれば、ＤＰＦ３の中心部側に位置するハニカムセグメント３０Ａの排気ガスの流れ方向ＤＲにおける下流側端３６Ａは、ＤＰＦ３の外周部側に位置するハニカムセグメント３０Ｂの流れ方向における下流側端３６Ｂより下流側へ延長され、外周部側に位置するハニカムセグメント３０Ｂの下流側端３６Ｂは、接着剤層３４の流れ方向ＤＲにおける同じ位置での中心部側のハニカムセグメント３０Ａ側と外周部側のハニカムセグメント３０Ｂ側との間の粒子状物質の燃焼時（ＤＰＦ３の再生時）における温度差が接着剤層３４の所定耐破壊温度差Δｔａ以下を示す位置Ｐ１に設けられる。これにより、ＤＰＦ３の再生時に接着剤層３４が破壊されないため、ＤＰＦ３の耐久性の低下を防止することができる。

また、中心部側のハニカムセグメント３０Ａの下流側端３６Ａが、ＤＰＦ３の再生時における接着剤層３４の所定耐熱温度以下を示す位置Ｐ２まで延長される。これにより、ＤＰＦ３の耐久性の低下を防止しつつ、粒子状物質の堆積容量を最大限増やすことができる。

なお、上記実施の形態では、１６個のハニカムセグメント３０が縦横４×４のマトリックス状に配列されたＤＰＦ３において、中心部側の４個のハニカムセグメント３０を、中心部側のハニカムセグメント３０Ａとし、それらの下流側端３６Ａを下流側へ延長し、それら以外の１２個のハニカムセグメント３０を外周部側のハニカムセグメント３０Ｂとし、それらの下流側端３６Ｂを下流側へ延長しなかったが、本発明はこれに限らず、複数個のハニカムセグメント３０がｎ×ｎ（例えば、ｎ≧５）状に配列されたＤＰＦ３において、ハニカムセグメント３０の下流側端を、ＤＰＦ３の中心部に近いほど下流側へ延長するようにしてもよい。

例えば、３６個のハニカムセグメント３０が６×６に配列されたＤＰＦ３において、中心部側の２×２に配列された４個のハニカムセグメント３０およびその周囲に配列された１２個のハニカムセグメント３０を中心部側のハニカムセグメント３０Ａとし、上記４個のハニカムセグメント３０の下流側端３６を下流側に延長すると共に、１２個のハニカムセグメント３０の下流側端３６を上記４個のハニカムセグメント３０の下流側端３６より少なく下流側に延長する。これにより４個のハニカムセグメント３０ばかりでなく、１２個のハニカムセグメント３０も下流側に延長することができ、粒子状物質の堆積容量を効率的に増やすことができる。

上記１２個のハニカムセグメント３０の下流側端３６を上記４個のハニカムセグメント３０の下流側端３６より少なく下流側に延長する理由を述べる。前述したように、「中心部側」および「外周部側」とは、複数のハニカムセグメント３０のうちの１つの単体または２以上の集合体においての他の１つの単体または２以上の集合体に対する相対的な位置を示すものである。ここでは、上記１２個のハニカムセグメント３０は、その周囲に配列された２０個のハニカムセグメント３０に対しては中央部側のハニカムセグメント３０Ａとなるが、上記４個のハニカムセグメント３０に対しては外周部のハニカムセグメント３０Ｂとなる。したがって、１２個のハニカムセグメント３０Ｂの下流側端３６Ｂは、接着剤層３４の所定耐破壊温度差以下を示す位置に設けられる。これにより、ＤＰＦ３の再生時に接着剤層３４が破壊されないため、ＤＰＦ３の耐久性の低下を確実に防止することができる。

本開示のパティキュレートフィルターは、耐久性の低下を防止することが要求されるディーゼル排気ガス浄化装置として有用である。

１ ディーゼル排気ガス浄化装置
２ 酸化触媒
３ ＤＰＦ
３０ ハニカムセグメント
３０Ａ ハニカムセグメント
３０Ｂ ハニカムセグメント
３２ 気管
３４ 接着剤層
３４０ 接着剤
３６ 下流側端
３６Ａ 下流側端
３６Ｂ 下流側端
３８ 上流側端
３８Ａ 上流側端
３８Ｂ 上流側端

Claims (3)

1. 複数のハニカムセグメントが一体化され、各ハニカムセグメントに流入した排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質を燃焼させるパティキュレートフィルターにおいて、
   前記複数のハニカムセグメントにおける隣接するもの同士を接合する接着剤層を備え、
   前記パティキュレートフィルターの中心部側に位置するハニカムセグメントの排気ガスの流れ方向における下流側端は、前記パティキュレートフィルターの外周部側に位置するハニカムセグメントの前記流れ方向における下流側端より下流側へ延長され、
   前記外周部側に位置するハニカムセグメントの前記下流側端は、前記接着剤層の前記流れ方向における同じ位置での前記中心部側に位置するハニカムセグメント側と前記外周部側に位置するハニカムセグメント側との間の前記粒子状物質の燃焼時における温度差が前記接着剤層の所定耐破壊温度差以下を示す第１位置に設けられるパティキュレートフィルター。
2. 前記中心部側に位置するハニカムセグメントの前記下流側端は、前記粒子状物質の燃焼時における前記接着剤層の所定耐熱温度以下を示す第２位置に位置している請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
3. 前記ハニカムセグメントにおける前記下流側端は、前記パティキュレートフィルターの中心部に近いほど前記下流側へ長く延長されている請求項１または２に記載のパティキュレートフィルター。

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