JP2023135121A - フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】温度分布をより低減可能である共に過昇温に伴うフィルタの破損を抑制可能なフィルタを提供する。【解決手段】フィルタ５０は、外壁部５１と、外壁部５１の内部空間５２を複数のセル５４に区画する隔壁部５３と、セル５４のうちの少なくとも中心セル５５の内面５５ｓに形成された第１触媒層５５ｐと、セル５４の端部を目封じするための目封じ部材５７と、セル５４のうちの外縁セル５６に充填された断熱材６０と、を備える。目封じ部材５７は、外縁セル５６の両端を目封じする第２部材５７Ｂを含む。断熱材６０は、第２部材５７Ｂにより目封じされた外縁セル５６に充填されている。【選択図】図２

Description

本開示は、フィルタに関する。

特許文献１には、微粒子捕集装置が記載されている。この微粒子捕集装置は、内部にフィルタを備えている。このフィルタは、多孔質のセラミックのハニカムセルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタである。この微粒子捕集装置は、中央部と外周部とを有している。外周部では、セルの両端部に目封じ部材が配置されている。

特許第６７９０７２８号

特許文献１に記載の微粒子捕集装置では、比較的に低温となりやすい外周部に、保温効果を有する空気層を設けることにより、強制再生時の温度分布を低減することを図っている。

しかし、上述したように、特許文献１に記載の粒子捕集装置では、外周部に空気層が形成されるものの、ウォールフロータイプのセル壁を通じて外周部と中央部とのガスの入れ替わりが発生するため、断熱効果が十分でない。また、特許文献１に記載の粒子捕集装置では、外周部の温度が強制再生時でも中央部ほど上昇せず、外周部のセルに入り込む煤が除去できずに溜まっていく。このため、溜まった煤に着火することで過昇温に伴うフィルタ破損のおそれがある。

本開示は、温度分布をより低減可能である共に過昇温に伴うフィルタの破損を抑制可能なフィルタを提供することを目的とする。

本開示に係るフィルタは、エンジンからの排気ガスが流通する排気通路に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタであって、排気ガスが流通する内部空間を形成する筒状の外壁部と、外壁部の内部空間を、排気ガスの流通方向に沿って延びる複数のセルに区画する多孔質の隔壁部と、複数のセルの少なくとも一部のセルの内面に形成された第１触媒層と、複数のセルの端部を目封じするための目封じ部材と、複数のセルのうちの一部のセルに充填された断熱材と、を備え、複数のセルは、流通方向からみて内部空間の中心部に配置された複数の中心セルと、流通方向からみて内部空間の外縁部に配置された複数の外縁セルと、を含み、目封じ部材は、互いに隣り合う中心セルのうちの一方の中心セルの流通方向の一端と、互いに隣り合う中心セルのうちの他方の中心セルの流通方向の他端と、を交互に目封じする第１部材と、複数の外縁セルの流通方向の両端を目封じする第２部材と、を含み、断熱材は、第２部材により目封じされた外縁セルに充填されている。

このフィルタでは、排気ガスが流通する複数のセルのうち、外縁部に位置するセルの両端が目封じされている。そして、当該目封じされたセルには、断熱材が充填されている。よって、中心部のセルと外縁部のセルとの間でのガスの入れ替わりが抑制され、断熱効果が向上される。よって、外縁部に単に空気層を形成する場合と比較して、温度分布がより低減される。また、同様の理由から、外縁部に位置するセル内に煤が溜まりにくい。よって、過昇温に伴うフィルタの破損が抑制される。

本開示に係るフィルタでは、断熱材は、第１触媒層における煤の燃焼温度よりも低温で煤を燃焼させる第２触媒層を含んでもよい。この場合、外縁部のセルに（わずかに）混入する煤を、過昇温を避けつつ燃焼除去することが可能となる。

本開示に係るフィルタでは、断熱材は、第２触媒層がコートされた複数の中空ビーズを含んでもよい。この場合、外縁部のセルに、中心部のセルと入れ替わりが生じない空気層（中空ビーズの内部の空気）を確保することが可能となり、断熱効果がより向上される。また、第２触媒層の表面積の増大により触媒性能が向上される。この結果、外縁部のセルに混入する煤を効率よく燃焼除去することができる。

本開示によれば、温度分布をより低減可能である共に過昇温に伴うフィルタの破損を抑制可能なフィルタを提供できる。

図１は、一実施形態に係る排気浄化装置を示す模式図である。 図２は、図１に示されたＤＰＦ装置のフィルタの模式的な断面図である。 図３は、図２に示されたフィルタを概略的に示す正面図である。 図４は、図２に示されたフィルタの効果を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照して一実施形態に係るフィルタについて説明する。なお、各図において、同一の要素又は相当する要素には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る排気浄化装置を示す模式図である。図１に示される排気浄化装置１は、例えばバスやトラック等の大型車両、産業車両に搭載され、エンジン１０によって発生した排気ガスを浄化するためのものである。排気浄化装置１が搭載される車両は、例えばエンジン１０を発電用の動力源として利用する、いわゆるシリーズ方式のハイブリッド車であってもよい。エンジン１０から発生する一酸化炭素（ＮＯ）や二酸化炭素（ＮＯ_２）等をまとめて窒素酸化物（ＮＯｘ）と称する場合がある。

エンジン１０は、ディーゼルエンジン等の内燃機関であり、例えばハイブリッド車である場合、バッテリの残存容量が低下したときに駆動する。エンジン１０は、複数のシリンダ１０ａを備えている。複数のシリンダ１０ａには、複数のシリンダ１０ａ内に空気を供給する吸気マニホールド１２、及び、複数のシリンダ１０ａから排出ガスを排出する排気マニホールド１３が接続されている。

吸気マニホールド１２には、吸気通路１４が接続されている。吸気通路１４には、吸気の上流側からコンプレッサ１５及びインタークーラー１６が順に設けられている。コンプレッサ１５には、吸気が流入する導入管１７が接続されている。導入管１７にはエアクリーナ１８が設けられている。

排気マニホールド１３には、タービン１９を介して排気通路２０が接続されている。タービン１９は、連結軸を介してコンプレッサ１５に連結されている。タービン１９は、エンジン１０の排気マニホールド１３から排出された排出ガスの流れによって回転する。コンプレッサ１５は、タービン１９の回転に伴って回転し、導入管１７から空気（吸気）を取り込み、圧縮された空気を吸気通路１４へ送り出す。すなわち、コンプレッサ１５及びタービン１９は、ターボチャージャーを構成する。吸気通路１４内に導入された空気は、吸気マニホールド１２を通って複数のシリンダ１０ａへ導入される。複数のシリンダ１０ａ内に導入された空気は各シリンダ１０ａ内で圧縮される。

また、エンジン１０の複数のシリンダ１０ａに近接した位置には、複数のインジェクタ２４がそれぞれ設けられている。複数のインジェクタ２４は、燃料供給路２３が接続されている。燃料供給路２３には、燃料ポンプが接続されている。燃料ポンプは、燃料タンクに貯えられた軽油等の燃料を、燃料供給路を介して複数のインジェクタに圧送する。複数のインジェクタ２４は、燃料タンクから供給された燃料を複数のシリンダ１０ａ内にそれぞれ噴射する。

インジェクタ２４からの燃料は、圧縮された空気中に噴射されることより各シリンダ１０ａ内で燃焼され、各シリンダ１０ａ内に配置されたピストンをシリンダ１０ａ内で往復移動させる。ピストンが往復運動することにより、エンジン１０が駆動される。

排気浄化装置１は、排気通路２０に設けられた浄化ユニット３０を備えている。浄化ユニット３０は、排気通路２０に配置されたＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置３１を有している。ＤＰＦ装置３１は、例えば多数の通気孔が形成されたセラミック製のフィルタ５０（図２参照）であり、排気ガスに含まれる煤等を含む粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するためのものである。

また、浄化ユニット３０は、ＤＰＦ装置３１よりも排気ガスの上流側に配置されたＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）装置３２を有している。ＤＯＣ装置３２は、例えばセラミック製の担体と当該担体上に担持される酸化触媒を含み、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）等を酸化して浄化する。ＤＯＣ装置３２に含まれる酸化触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属触媒が挙げられる。

図２は、図１に示されたＤＰＦ装置のフィルタを示す模式的な断面図である。図３は、図２に示されたフィルタを概略的に示す正面図である。図２では、排気ガスの流通方向に沿った断面が示され、図３では、排気ガスの流通方向からの正面が示されている。図２，３に示されるように、フィルタ５０は、外壁部５１を含む。外壁部５１は、排気ガスが流通する内部空間５２を形成している。外壁部５１は、例えば円筒といった筒状に形成されており、両端部が開放されている。

フィルタ５０は、隔壁部５３を含む。隔壁部５３は、外壁部５１内に設けられ、内部空間５２を複数のセル５４に区画している。セル５４は、それぞれ、内部空間５２における排気ガスの流通方向ＦＤに沿って延在している。セル５４は、流通方向ＦＤからみたとき、例えば、六角形といった多角形状を呈しており、ハニカム構造を成すように配列されている。隔壁部５３は、例えば、多孔質のコージュライトやＳｉＣといったセラミック材料により形成され、例えばコージュライトやＳｉＣで形成された外壁部５１と接合されている。これにより、フィルタ５０は、ウォールフロータイプのフィルタとして構成されている。

ここで、内部空間５２（フィルタ５０）は、中心部５２Ａと外縁部５２Ｂとを含む。ここでは、内部空間５２は、例えば円柱といった柱状の中心部５２Ａを、例えば円筒といった筒状の外縁部５２Ｂが囲うように配置されて形成されている。中心部５２Ａは、流通方向ＦＤからみて、内部空間５２の中心Ｃを含む領域である。

一般に、フィルタ５０のような構造を有するフィルタにあっては、排気ガスの流通方向からみたとき、中心から外縁に向かうにつれて排気ガスの温度が低くなる傾向がある。そして、フィルタ５０にあっては、中心部５２Ａと外縁部５２Ｂとの境界は、例えば、中心Ｃからの距離Ｒが、一般のフィルタ（後述する目封じ部材５８及び断熱材６０を有さないフィルタ）における中心からの距離の変化量に対する排気ガスの温度の変化量の絶対値が最も大きくなる位置に設定され得る。フィルタ５０では、中心Ｃから当該境界までの範囲ＤＡが中心部５２Ａとされ、当該境界から外縁までの範囲ＤＢが外縁部５２Ｂとされ得る。ただし、中心部５２Ａと外縁部５２Ｂとの境界は、別の基準に基づいて設定されてもよい。

このように、フィルタ５０の内部空間５２は、中心部５２Ａと外縁部５２Ｂとを含む。したがって、複数のセル５４は、中心部５２Ａに配置された複数の中心セル５５と、外縁部５２Ｂに配置された複数の外縁セル５６と、を含むこととなる。そして、フィルタ５０では、少なくとも中心セル５５の内面５５ｓ（隔壁部５３の表面）に形成された第１触媒層５５ｐを含む。第１触媒層５５ｐは、粒子状物質の煤等を燃焼させるための酸化触媒であり、例えば酸化アルミニウム等の担体と白金系の材料から構成され得る。

フィルタ５０は、以上の複数のセル５４のそれぞれの端部を目封じするための目封じ部材５７を含む。より具体的には、目封じ部材５７は、互いに隣り合う中心セル５５のうちの一方の中心セル５５の流通方向ＦＤの一端５４ｐと、互いに隣り合う中心セル５５のうちの他方の中心セル５５の流通方向ＦＤの他端５４ｒと、を交互に目封じする第１部材５７Ａを含む。また、目封じ部材５７は、複数の外縁セル５６の流通方向ＦＤの両端（一端５４ｐ及び他端５４ｒ）を目封じする第２部材５７Ｂを含む。第１部材５７Ａ及び第２部材５７Ｂは、例えばセラミック等の材料から形成され得る。

ここで、フィルタ５０は、複数のセル５４のうちの一部のセル５４に充填された断熱材６０をさらに含む。より具体的には、断熱材６０は、複数のセル５４のうち、上記のように第２部材５７Ｂにより両端が目封じされた外縁セル５６のそれぞれに充填されている。断熱材６０は、例えばセラミック等から構成される中空ビーズ６２と、中空ビーズ６２の表面に形成された第２触媒層６３と、を含む。

換言すれば、断熱材６０は、第２触媒層６３がコートされた複数の中空ビーズ６２を含む。中空ビーズ６２の径は、隔壁部５３の細孔の径よりも大きくされており、例えば２０μ～５０μｍ程度である。第２触媒層６３は、第１触媒層５５ｐにおける煤の燃焼温度よりも低温で煤を燃焼させるための触媒であり、例えば、ＡｇＣｅＯ_２、ＣｅＯ_２／ＡｒＯ_２等の材料から構成され得る。このように、外縁セル５６に断熱材６０が充填されることにより、外縁セル５６内に、少なくとも中空ビーズ６２の内部の空間６２ｓに相当する空気層であって、中心セル５５を流通する排気ガスと入れ替わらない空気層が確保される。

引き続いて、フィルタ５０の作用・効果について説明する。図４の（ａ）の各グラフは、フィルタの中心からの位置と温度の関係を示している。グラフＡ１は、第１比較例に係る従来のフィルタのグラフであり、グラフＡ２は第２比較例に係る従来のフィルタのグラフであり、グラフＡ３は本実施形態に係るフィルタ５０のグラフである。第１比較例（グラフＡ１）は、外縁部に両端が目封じされたセルを含まず、全てのセルが交互に目封じされたフィルタであり、第２比較例（グラフＡ２）は、外縁部に両端が目封じされたセルを含むものの、当該目封じされたセルに断熱材が充填されていないフィルタの場合を示している。

グラフＡ１，Ａ２に示されるように、外縁部に両端が目封じされたセルが設けられていない第１比較例に比べて、外縁部に両端が目封じされたセルが設けられた第２比較例によれば、外縁部の温度低下がやや抑制される。これに対して、グラフＡ３に示されるように、外縁部の両端が目封じされたセル（外縁セル５６）に断熱材６０が充填されたフィルタ５０によれば、外縁部５２Ｂでの温度低下がさらに抑制される。

図４の（ｂ）の各グラフは、一定時間使用した後の、フィルタの中心からの位置と煤の堆積量との関係を示すグラフである。グラフＢ１は、第１比較例に係る従来のフィルタのグラフであり、グラフＢ２は第２比較例に係る従来のフィルタのグラフであり、グラフＢ３は本実施形態に係るフィルタ５０のグラフである。

グラフＢ１に示されるように、第１比較例に係るフィルタでは、相対的に低温となる外縁部に向かうにつれて、煤の堆積量が増加する。また、グラフＢ２に示されるように、第２比較例に係るフィルタによれば、第１比較例と比較して、外縁部の煤の堆積量が低減されているものの、或る程度の煤が堆積する。これに対して、グラフＢ３に示されるように、本実施形態に係るフィルタ５０によれば、外縁部の煤の堆積量がさらに低減される。

以上説明したように、フィルタ５０では、排気ガスが流通する複数のセル５４のうち、外縁部５２Ｂに位置する外縁セル５６の両端が目封じされている。そして、当該目封じされた外縁セル５６には、断熱材６０が充填されている。よって、中心部５２Ａの中心セル５５と外縁部５２Ｂの外縁セル５６との間でのガスの入れ替わりが抑制され、断熱効果が向上される。よって、外縁部５２Ｂに単に空気層を形成する場合と比較して、温度分布がより低減される。この結果、フィルタ５０の中心部５２Ａをより均一に暖めて煤の再生効率が向上されると共に、フィルタ５０の外縁部５２Ｂにわずかに混入する煤も燃焼除去することが可能となる。また、同様の理由から、外縁部５２Ｂに位置する外縁セル５６内に煤が溜まりにくい。よって、過昇温に伴うフィルタ５０の破損が抑制される。

また、フィルタ５０では、断熱材６０が、第１触媒層５５ｐにおける煤の燃焼温度よりも低温で煤を燃焼させる第２触媒層６３を含んでいる。このため、外縁部５２Ｂの外縁セル５６にわずかに混入する煤を、例えば強制再生の際に、過昇温を避けつつ燃焼除去することが可能となる。

さらに、フィルタ５０では、断熱材６０が、第２触媒層６３がコートされた複数の中空ビーズ６２を含んでいる。このため、外縁部５２Ｂの外縁セル５６に、中心部５２Ａの中心セル５５と入れ替わりが生じない空気層（中空ビーズ６２の内部の空間６２ｓの空気）を確保することが可能となり、断熱効果がより向上される。また、第２触媒層６３の表面積の増大により触媒性能が向上される。この結果、外縁部５２Ｂの外縁セル５６に混入する煤を効率よく燃焼除去することができる。なお、中空ビーズ６２の粒径を隔壁部５３の細孔径よりも大きくすることにより、外縁セル５６からの断熱材６０の漏れを防ぐことが可能となる。

以上の実施形態は、本開示の一側面を説明したものである。したがって、本開示は、上述したフィルタ５０を任意に変形したものとされ得る。例えば、中心セル５５の内面５５ｓに加えて、外縁セル５６の内面にも第１触媒層５５ｐを形成してもよい。或いは、外縁セル５６の内面に対して第２触媒層６３を形成してもよい。このように、第１触媒層５５ｐは、複数のセル５４のうちの少なくとも一部（中心セル５５）の内面に形成されていればよい。

また、断熱材６０は、中空ビーズ６２に第２触媒層６３をコートしたものに限定されず、任意である。例えば、断熱材６０では、中空ビーズ６２に代えて中実のビーズが使用されてもよいし、粒子状（ビーズ）でなくてもよい。さらには、断熱材６０は、ビーズを使用するものに限定されず、空気層のみの状態よりも断熱効果が高ければよい。

さらに、外壁部５１、隔壁部５３、第１触媒層５５ｐ、及び、第２触媒層６３といった各部の材料は、上記の例に限定されず任意に選択され得る。

５０…フィルタ、５１…外壁部、５２…内部空間、５２Ａ…中心部、５２Ｂ…外縁部、５３…隔壁部、５４…セル、５４ｐ…一端、５４ｒ…他端、５５…中心セル、５５ｓ…内面、５５ｐ…第１触媒層、５６…外縁セル、５７…目封じ部材、５７Ａ…第１部材、５７Ｂ…第２部材、６０…断熱材、６２…中空ビーズ、６３…第２触媒層。

Claims (3)

1. エンジンからの排気ガスが流通する排気通路に配置され、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタであって、
   前記排気ガスが流通する内部空間を形成する筒状の外壁部と、
   前記外壁部の前記内部空間を、前記排気ガスの流通方向に沿って延びる複数のセルに区画する多孔質の隔壁部と、
   前記複数のセルの少なくとも一部の前記セルの内面に形成された第１触媒層と、
   前記複数のセルの端部を目封じするための目封じ部材と、
   前記複数のセルのうちの一部の前記セルに充填された断熱材と、
   を備え、
   前記複数のセルは、
   前記流通方向からみて前記内部空間の中心部に配置された複数の中心セルと、
   前記流通方向からみて前記内部空間の外縁部に配置された複数の外縁セルと、
   を含み、
   前記第１触媒層は、少なくとも前記中心セルの前記内面に形成されており、
   前記目封じ部材は、
   互いに隣り合う前記中心セルのうちの一方の前記中心セルの前記流通方向の一端と、互いに隣り合う前記中心セルのうちの他方の前記中心セルの前記流通方向の他端と、を交互に目封じする第１部材と、
   前記複数の外縁セルの前記流通方向の両端を目封じする第２部材と、
   を含み、
   前記断熱材は、前記第２部材により目封じされた前記外縁セルに充填されている、
   フィルタ。
2. 前記断熱材は、前記第１触媒層における煤の燃焼温度よりも低温で前記煤を燃焼させる第２触媒層を含む、
   請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記断熱材は、前記第２触媒層がコートされた複数の中空ビーズを含む、
   請求項２に記載のフィルタ。

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