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JP2020040004A - パティキュレートフィルタ及びその製造方法 - Google Patents

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幸博 川島
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Abstract

【課題】フィルタ再生時における粒子状物質の燃え残りを抑制することができるパティキュレートフィルタを提供する。【解決手段】パティキュレートフィルタ２３は、複数のセル３２を有するハニカム形状のセグメント２９、３０、３１を複数並列に設けて構成される。外周部に配置されるセグメント３０、３１のセルの密度は、中央部に配置されるセグメント２９のセルの密度より低く設定される。また、外周部に配置されるセグメント３０、３１は、端面の面積が小さいほどセル３２の密度が低くなるように設定される。【選択図】図３

Description

本開示はパティキュレートフィルタ及びその製造方法に関する。
パティキュレートフィルタは、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）を捕集する。
このため、粒子状物質が堆積したパティキュレートフィルタは、その粒子状物質を燃焼させる等してフィルタ再生を行う必要がある。
特開２００３−２７５５２１号公報 特開２０１６−０２９２７２号公報
しかし、パティキュレートフィルタには、フィルタ再生時に粒子状物質の燃え残りが生じるおそれがある。このため、繰り返しフィルタ再生されることでパティキュレートフィルタが徐々に詰まり、再生インターバルが短縮する場合がある。特に粒子状物質の燃え残りは、パティキュレートフィルタの外周部で生じる傾向がある。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、フィルタ再生時における粒子状物質の燃え残りを抑制することができるパティキュレートフィルタ及びその製造方法を提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
複数のセルを有するハニカム形状のセグメントを複数並列に設けて構成されたパティキュレートフィルタであって、
外周部に配置される前記セグメントのセルの密度は、中央部に配置される前記セグメントのセルの密度より低く設定され、
外周部に配置される前記セグメントは、端面の面積が小さいほど前記セルの密度が低くなるように設定された
ことを特徴とするパティキュレートフィルタが提供される。
好ましくは、外周部に配置される前記セグメントは、前記パティキュレートフィルタの中心から遠いほど前記セルの密度が低くなるように設定される。
好ましくは、前記セグメントがシリコンカーバイトで構成される。
また、複数のセルを有するハニカム形状のセグメントを複数並列に設けて構成されたパティキュレートフィルタの製造方法であって、
外周部に配置されるセグメントにおける粒子状物質の燃え残り量をその位置毎に予め測定し、
外周部に配置される前記セグメントのセルの密度を、中央部に配置される前記セグメントのセルの密度より低く設定し、
外周部に配置される前記セグメントを、端面の面積が小さいほど前記セルの密度が低くなるように設定し、
外周部に配置される前記セグメントのセルの密度を、前記粒子状物質の燃え残り量が多い位置ほど低く設定する。
上記の態様によれば、フィルタ再生時における粒子状物質の燃え残りを抑制することができる。
本開示の一実施の形態に係る内燃機関の概略説明図である。 図１の要部拡大図である。 パティキュレートフィルタの斜視図である。 図３のＡ部拡大図である。 再生インターバルが短縮される状態を示す線図である。 粒子状物質の燃え残り量を示すパティキュレートフィルタの正面説明図である。 他の実施の形態を示すパティキュレートフィルタの正面図である。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお、後述する実施の形態では、説明の便宜のため上流側を前方ともいい、下流側を後方ともいう。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る内燃機関（エンジン）の概略説明図である。エンジン１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。
エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。
燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。
吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。
排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２及びパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）２３が設けられる。
図２に示すように、酸化触媒２２及びＤＰＦ２３は、ほぼ同径の円柱状に形成される。酸化触媒２２及びＤＰＦ２３は、キャニングケース２４内に同軸に、かつ、微小な隙間を隔てて配置される。また、酸化触媒２２及びＤＰＦ２３の外周面は、マット２５を介してキャニングケース２４に保持される。キャニングケース２４には、ＤＦＰ２３の入口及び出口の差圧を検出する差圧センサ２６が接続される。差圧センサ２６は、制御装置２７に接続されている。差圧センサ２６は、制御装置２７に差圧情報を電気信号として伝達する。また、キャニングケース２４より上流側の排気管２１には、排気管噴射ノズル２８が設けられる。排気管噴射ノズル２８は、制御装置２７からの命令に応じて排気管２１内に炭化水素（ＨＣ）を含む燃料を噴射する。
酸化触媒２２は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ2に酸化する。
ＤＰＦ２３は、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）を捕集して除去する。ＤＰＦ２３は、所謂ウォールフロータイプである。ＤＰＦ２３は、シリコンカーバイトで構成される。
またＤＰＦ２３は、その内壁にＰｔ等の貴金属を担持させた所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなる。前記貴金属は、その触媒作用により、ＤＰＦ２３に供給された排気中のＨＣを酸化、燃焼させる。この燃焼に伴ってＤＰＦ２３内に堆積しているＰＭは燃焼除去される。
また、ＤＰＦ２３は、フィルタ再生制御によってフィルタ再生（ＰＭの燃焼除去）が行われる。フィルタ再生制御の一例として、ＤＰＦ２３におけるＰＭ堆積量が所定量を超えたとき、その堆積ＰＭを強制的に燃焼除去してＰＭ捕集能を回復させる強制再生制御が挙げられる。ＰＭ堆積量が所定量を超えたか否かは、差圧センサ２６から制御装置２７に伝達される差圧情報に基づいて判断される。堆積ＰＭの燃焼除去は、排気管噴射ノズル２８から排気管２１内に燃料を噴射することで行われる。この噴射により、排気空燃比がリッチ化される。すると排気中のＨＣがＤＰＦ２３内の触媒と反応し、このときの反応熱で堆積ＰＭが酸化、燃焼させられる。すなわち、制御装置２７は、差圧センサ２６から伝達される差圧が所定値を超えたとき、排気管噴射ノズル２８から燃料を噴射してＤＰＦ２３をフィルタ再生（強制再生）する。また、フィルタ再生制御には、ＰＭ堆積量が所定値を超えない状態であっても前回のフィルタ再生制御終了時からの車両の走行距離が所定値を超えたとき、堆積ＰＭを燃焼除去するものもある。なお、フィルタ再生制御は、これに限るものではない。例えばフィルタ再生制御は、排気管噴射ノズル２８からの燃料噴射に替えて、インジェクタ７からのポスト噴射（メイン噴射の後の膨張行程で行う筒内噴射）を行うものであってもよい。また、フィルタ再生には、上述したフィルタ再生制御（自動再生）の他、ＤＦＰ２３の入口及び出口の差圧や車両の走行距離に関わらず、運転者等の手動操作により実行される手動再生もある。
図３はＤＰＦ２３を排ガス流における上流側から視た斜視図である。図４は図３のＡ部を拡大した拡大図である。図４中の網掛けは、セル３２の目封じを表す。説明の便宜上、ＤＰＦ２３の上流側を前方とし、下流側を後方とする。
図３に示すように、ＤＰＦ２３は、複数のセグメント２９、３０、３１を隣接させて且つ並列に設けて構成される。セグメント２９、３０、３１は、複数のセル３２を有するハニカム形状に形成されると共に、セル３２の両端開口を互い違いに市松状に閉塞して形成される。ＤＰＦ２３は、断面矩形状のセグメント２９、３０、３１を複数製造し、これらセグメント２９、３０、３１を複数並列に接着し、その外面をキャニングケース２４の形状に合わせるように削ることで作成される。キャニングケース２４及びＤＰＦ２３は、断面円形に形成される。接着材は、例えば、シリコンカーバイトで構成される。セグメント２９、３０、３１同士が接着された面は、排ガスをほとんど通さず、排ガス中のＰＭを捕集する機能を有しない。
また、ＤＰＦ２３は、セル３２の密度（以下、「セル密度」という）が異なる複数種類のセグメント２９、３０、３１を組み合わせて構成される。ＤＰＦ２３の中央部には、これら複数種類のセグメント２９、３０、３１のうち、最もセル密度が高いセグメント２９が配置される。ＤＰＦ２３の外周部には、中央部よりもセル密度が低いセグメント３０、３１が配置される。
また、ＤＰＦ２３の外周部に配置されるセグメント３０、３１は、端面の面積が小さくなる位置ほどセル密度が低くなるように設定される。これにより、フィルタ再生時にＰＭが燃え残り易い位置ほどセグメント３０、３１に流れるガスを増やすことができる。そして、キャニングケース２４への伝熱による外周部のセグメント３０、３１の温度低下を抑制することができる。
本実施の形態において、ＤＰＦ２３は、３種類（複数種類）のセグメント２９、３０、３１を組み合わせて構成される。図３及び図４に示すように、ＤＰＦ２３は、高密度セグメント２９と、セル密度が高密度セグメント２９より低い中密度セグメント３０と、セル密度が中密度セグメント３０より低い低密度セグメント３１とを備える。高密度セグメント２９は、従来の同型のＤＰＦと同程度のセル密度に設定される。中密度セグメント３０及び低密度セグメント３１のセル密度は、実験、シミュレーション等によってフィルタ再生時の再生性能（燃え残りなく再生できる性能）、ＰＭ捕集性能及び温度変化に対する耐性等が最適となるように決定される。
ＤＰＦ２３の中央部は、縦横に２つずつの高密度セグメント２９の組で構成される。ＤＰＦ２３の外周部のうち、端面の面積が比較的大きい位置、すなわち、高密度セグメント２９の組の上下左右の各面に隣接する位置の外周部は、中密度セグメント３０で構成される。そして、端面の面積が比較的小さい位置、すなわち、高密度セグメント２９の組の対角線方向に隣接する位置の外周部は、低密度セグメント３１で構成される。
次に本実施の形態の作用について述べる。
エンジン１が作動されるとエンジン本体２からの排ガスが排気管２１に流れる。この後、排ガスは、酸化触媒２２を経てＤＰＦ２３に流れる。ＤＰＦ２３に流れた排ガスは、前端が解放されたセル３２内に流入し、セル３２間の隔壁３３に形成された微細な細孔（図示せず）を通過して隣接するセル３２内に流れる。このとき、ＰＭは細孔を通過しない。このため、ＰＭはセル３２間の隔壁３３に捕集される。またこのとき、セグメント２９、３０、３１の隔壁３３同士が接着されて形成される隔壁３４には、通気性はない。
また、制御装置２７は、所定の周期で差圧センサ２６から差圧情報を取得し、差圧が所定値を超えたか否かを判断する。そして、制御装置２７は、差圧が所定値を超える場合、排気管噴射ノズル２８から燃料を噴射し、ＤＰＦ２３をフィルタ再生（強制再生）させる。
ところで、従来のＤＰＦ（図示せず）は、中央部に多くの排ガスが流れ、外周部に流れる排ガスは少ない。また、ＤＰＦの外周部はキャニングケース２４に近接されている。このため、ＤＰＦの外周部はキャニングケース２４への伝熱により冷えやすい。このため、従来のＤＰＦでは、フィルタ再生時に中央部より外周部の温度が低くなり易く、外周部でＰＭの燃え残りが発生し易い。
図５は、従来のＤＰＦにおけるＰＭ堆積重量及び差圧と走行距離との関係を表すグラフである。実線はＰＭ堆積重量を示し、一点鎖線は差圧センサ２６で検出される差圧を示す。縦軸はＰＭ堆積重量及び差圧であり、横軸は走行距離である。図示するように、差圧が所定値を超える度に差圧及びＰＭ堆積重量が急激に落ちている。これは、フィルタ再生制御によるものである。すなわち、差圧が所定値を超える度に燃料噴射が行われてＤＰＦのフィルタ再生（強制再生）が行われた結果である。また、ＰＭ堆積重量の再生直後の初期値は、フィルタ再生を繰り返すことで増加する傾向がある。すなわち、フィルタ再生で燃え残ったＰＭは累積的に溜まっていく。
そこで、本実施の形態に係るＤＰＦ２３では、中央部に配置されるセグメント２９より外周部に配置されるセグメント３０、３１のセル密度が低く設定される。このため、ＤＰＦ２３の外周部において排ガスの流量を従来のＤＰＦより大きくすることができる。そして、ＤＰＦ２３の外周部に配置されるセグメント３０、３１の温度低下を抑えることができる。このため、従来のＤＰＦをフィルタ再生したときに発生する外周部におけるＰＭの燃え残りを解消又は抑制することができる。
また、従来のＤＰＦには、ＰＭの燃え残りが非常に発生しやすい外周部の位置と、そうでない外周部の位置とがある。
図６は、セル密度が均一に形成されたＤＰＦ５０におけるフィルタ再生時の燃え残り量の一例を示す説明図である。ＤＰＦ５０は、実験用に作成されたものであり、本実施の形態に係るＤＰＦ２３を模して形成される。図中のａ、ｂ、ｃは、燃え残り量（ｇ／Ｌ）を示す。ａ、ｂ、ｃの関係は、ａ＜ｂ＜ｃである。図示するように、端面の面積が小さいセグメント５１ほどＰＭが多く燃え残る傾向がある。
そこで、本実施の形態では、外周部に配置されるセグメント３０、３１は、端面の面積が小さくなる位置ほどセル密度が低くなるように設定される。すなわち、端面の断面積が小さく、多くのＰＭが燃え残り易い位置の外周部は、低密度セグメント３１で構成される。これにより、ＰＭの燃え残りが防止又は抑制される。またその反面、端面の断面積が大きく、ＰＭの燃え残りが比較的少ない位置の外周部は、中密度セグメント３０で構成される。これにより、必要以上にセル密度が低くなることが防止又は抑制され、ＰＭ捕集性能の低下が防止又は抑制される。そして、ＰＭ捕集性能と再生性能とのバランスを最適化できる。
なお、キャニングケース２４が配置される位置等の条件によっては、端面の面積が同じであるにもかかわらず、ＰＭの燃え残り量に差が生じる場合も考えられる。このような場合、ＰＭの燃え残り量に応じて適宜セグメント３０、３１の種類を変更するとよい。具体的な方法としては、まず、外周部に位置されるセグメントにおけるＰＭの燃え残り量をその位置毎に予め測定する。次に、外周部に位置されるセグメント３０、３１のセル密度を、中央部に位置されるセグメント２９のセル密度より低く設定する。そして、外周部に配置されるセグメント３０、３１を、端面の面積が小さいほどセル密度が低くなるように設定する。そしてさらに、外周部に配置されるセグメント３０、３１は、ＰＭの燃え残り量が多い位置ほどセル密度が低くなるように設定されるとよい。
また、従来のＤＰＦを酸化触媒２２と同一のキャニングケース２４に収容した場合、酸化触媒２２においても中心側より外周部の流量が小さくなり、酸化触媒２２の外周部にＰＭが詰まり易い。しかし、本実施の形態に係るＤＰＦ２３は外周部の流量が従来のＤＰＦより大きい。このため、本実施の形態に係るＤＰＦ２３は、酸化触媒２２と同一のキャニングケース２４に収容された状態であっても、酸化触媒２２の外周部に排ガスを良好に流通させることができる。そして、酸化触媒２２の外周部におけるＰＭの詰まりを改善できる。
［第２実施形態］
ＤＰＦ２３は断面円形に形成されるものとしたが、これに限るものではない。図７に示すように、例えばＤＰＦ４０は断面楕円形に形成されてもよい。また、ＤＰＦ４０の外周部には、ＤＰＦ４０の中心Ｏから遠い位置ほどセル密度が低くなるようにセグメント３０、３１、４１が配置されてもよい。
具体的には、本実施の形態において、ＤＰＦ４０は、４種類のセグメント２９、３０、３１、４１を組み合わせて構成される。ＤＰＦ４０は、高密度セグメント２９と、中密度セグメント３０と、低密度セグメント３１と、超低密度セグメント４１とを組み合わせて構成される。超低密度セグメント４１は、低密度セグメント３１よりセル密度を低く設定される。
高密度セグメント２９は、ＤＰＦ４０の中央部に配置される。ここでいう中央部とは、外周面の全てを他のセグメント３０、３１、４１に囲まれる位置である。具体的には、高密度セグメント２９は、ＤＰＦ４０の中心Ｏに臨む位置と、この位置に長半径方向（左右方向）に隣接する位置とに計６個配置される。ここで長半径方向とは、ＤＰＦの端面形状である楕円を基準とする方向である。
中密度セグメント３０は、外周部の位置のうち、ＤＰＦ４０の中心Ｏに最も近い位置に配置される。具体的には、中密度セグメント３０は、中央部を構成する６個の高密度セグメント２９のうち、左右方向の中央に位置する上下の高密度セグメント２９の上面及び下面に隣接する位置に配置される。
低密度セグメント３１は、外周部の位置のうち、ＤＰＦ４０の中心Ｏからの距離が中位となる位置に配置される。中心Ｏからの距離が中位となる位置とは、ＤＰＦ４０の中心Ｏからの距離が最大でなく、最小でない位置である。具体的には、低密度セグメント３１は、中密度セグメント３０の左右の各面に隣接する位置に配置される。またさらに、低密度セグメント３１は、高密度セグメント２９の組の左右の各面に隣接する位置にも配置される。
超低密度セグメント４１は、外周部の位置のうち、ＤＰＦ４０の中心Ｏから最も遠い位置に配置される。具体的には、超低密度セグメント４１は、高密度セグメント２９の組に対し対角線方向に隣接する位置に配置される。
次に本実施の形態の作用について述べる。
本実施の形態では、ＤＰＦ４０の中心Ｏから遠い位置ほどセル密度が低くなるようにセグメント３０、３１、４１が配置される。例えば、ＤＰＦ４０の中心Ｏから最も遠く、多くのＰＭが燃え残り易い最外周部は、超低密度セグメント４１で構成される。これにより、ＰＭの燃え残りが防止又は抑制される。またその反面、超低密度セグメント４１よりＤＰＦ４０の中心Ｏに近く、ＰＭの燃え残りが超低密度セグメント４１より少ない外周部は、中密度セグメント３０及び低密度セグメント３１で構成される。これにより、必要以上にセル密度が低くなることが防止又は抑制され、ＰＭ捕集性能の低下が防止又は抑制される。そして、ＰＭ捕集性能と再生性能とのバランスを最適化できる。
なお、前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
１ エンジン
２ エンジン本体
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ 燃料噴射装置
７ インジェクタ
８ コモンレール
９ シリンダ
１０ 吸気マニホールド
１１ 吸気管
１２ エアクリーナ
１４ ターボチャージャ
１４Ｃ コンプレッサ
１４Ｔ タービン
１５ インタークーラ
１６ 吸気スロットルバルブ
２０ 排気マニホールド
２１ 排気管
２２ 酸化触媒
２３ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２４ キャニングケース
２５ マット
２６ 差圧センサ
２７ 制御装置
２８ 排気管噴射ノズル
２９ 高密度セグメント（セグメント）
３０ 中密度セグメント（セグメント）
３１ 低密度セグメント（セグメント）
３２ セル
３３ 隔壁
３４ 隔壁
４０ ＤＰＦ
４１ 超低密度セグメント（セグメント）
Ｏ 中心

Claims (4)

  1. 複数のセルを有するハニカム形状のセグメントを複数並列に設けて構成されたパティキュレートフィルタであって、
    外周部に配置される前記セグメントのセルの密度は、中央部に配置される前記セグメントのセルの密度より低く設定され、
    外周部に配置される前記セグメントは、端面の面積が小さいほど前記セルの密度が低くなるように設定された
    ことを特徴とするパティキュレートフィルタ。
  2. 外周部に配置される前記セグメントは、前記パティキュレートフィルタの中心から遠いほど前記セルの密度が低くなるように設定された
    請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。
  3. 前記セグメントがシリコンカーバイトで構成された
    請求項１又は２に記載のパティキュレートフィルタ。
  4. 複数のセルを有するハニカム形状のセグメントを複数並列に設けて構成されたパティキュレートフィルタの製造方法であって、
    外周部に配置されるセグメントにおける粒子状物質の燃え残り量をその位置毎に予め測定し、
    外周部に配置される前記セグメントのセルの密度を、中央部に配置される前記セグメントのセルの密度より低く設定し、
    外周部に配置される前記セグメントを、端面の面積が小さいほど前記セルの密度が低くなるように設定し、
    外周部に配置される前記セグメントのセルの密度を、前記粒子状物質の燃え残り量が多い位置ほど低く設定する
    ことを特徴とするパティキュレートフィルタの製造方法。
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