JP2010511126A - 部分ウォールフロー型フィルタおよびディーゼル排気装置および方法 - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジンなどのエンジンからの排ガスを、エンジンに連結された排気ラインに通して排出するための排気装置および方法は、排気ライン内に配置され、エンジンに「密接連結」された第１の微粒子フィルタ、および第１のフィルタから距離（ｄ）だけ離れた第２の微粒子フィルタを含む。第１の微粒子フィルタは、第２の微粒子フィルタよりも大きい程度で受動的再生モードで動作するように「密接結合」されている。第１の微粒子フィルタは、いくつかの施栓通路およびいくつかの開放通路を含む部分ウォールフロー型フィルタであってよい。施栓通路のいくつかは出口端部に隣接して施栓され、他のものは出口端に隣接して施栓されるであろう。いくつかの未施栓の貫流通路およびいくつかの施栓通路を有する部分ウォールフロー型フィルタも記載されており、いくつかの施栓通路は入口端に隣接して位置しており、いくつかは出口端に隣接して位置している。

Description

本発明は広く、排気ガスを濾過するために用いられるウォールフロー型フィルタ、およびそのようなフィルタを備えた排気装置と方法に関する。

ディーゼル排気装置としては、例えば、ディーゼル排気ガスからの煤などの微粒子を除去するためのディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）が挙げられる。多数のＤＰＦを用いて微粒子を除去する場合、これらのＤＰＦは一般に、互いに近接して配列され、特許文献１に教示されているような、共通の筐体内に収容される。最も広く用いられているＤＰＦはウォールフロー型フィルタである。従来のウォールフロー型フィルタは、複数の交差する多孔質壁により形成された長手方向の平行なセル通路を有するセラミックハニカム基体からなる。セル通路の端部は一般に、セラミックの施栓セメントで施栓されて、ハニカム基体の端面で栓の市松模様を形成する。このフィルタのセル通路は一般に、ここでは「入口通路」と称される、ハニカム基体の入口端面で施栓されたいくつかの端部を有する。同様に、一般に、セル通路は、ここでは「出口通路」と称される、ハニカム基体の出口端面で栓の市松模様を形成するように施栓された残りの端部も有する。使用に際して、同伴された煤粒子を含有する排気ガスが入口通路に進入し、多孔質壁を通り抜け（すなわち、ウォールフロー）て出口通路に入り、出口通路を通って流出するが、このとき、多孔質壁は排気ガス中に含まれた粒子の一部を保持している。従来のウォールフロー型フィルタにより、９０％より高い濾過効率が達成されている。

従来のウォールフロー型フィルタは、フィルタが詰まるのを防ぎ、フィルタの前後の適切な圧力降下を所定の上限未満に維持するために、清浄にされる。フィルタの前後の圧力降下が増加すると、一般に、エンジンに対する背圧が増加することとなり、これが、制御されなければ、出力の損失の原因となるであろう。フィルタを清浄にする公知の方法の１つは、熱再生（以後、「再生」）によりフィルタ内に捕捉された煤を除去することである。この再生は、「受動的」または「能動的」もしくはそれらの組合せのいずれであってもよい。「受動的」再生において、フィルタに進入する排気ガスの入口温度は、ウォールフロー型フィルタ内に捕捉された煤の燃焼をそれ自体で開始するほど十分に高い。「能動的」再生において、フィルタの温度は比較的低く、フィルタ内に捕捉された煤を燃焼させるレベルまで排気ガス（およびフィルタ）の温度を上昇させるために、追加のエネルギー入力が必要である。一般に、この追加のエネルギー入力は、フィルタの上流に配置されたディーゼル酸化触媒と組み合わされた排気ガス中への燃料の後噴射により提供される。

「能動的」再生に基づくディーゼル排気装置は、これらの装置が、より低い排ガス温度で望ましく動作し、異なるエンジン負荷サイクル下での適切な煤除去が再生の実施により確実にされるので、業界基準となってきた。

米国特許出願公開第２００４／０１６１３７３号明細書

一方で、「能動的」再生には、燃料の経済性の不利益が伴う。さらに、「能動的」再生中に温度が急上昇する可能性があり、このことはフィルタにとって有害であろう。したがって、動作中に再生を行う回数の少ない装置が望まれている。

従来技術の排気装置の非効率に鑑みて、大半は能動的再生モードで動作するディーゼル排ガス後処理装置により、燃料の経済性に関して競争力のある利点が与えられるであろう。ある広い態様において、本発明は、ディーゼルエンジンなどのエンジンからの排気ガスを、そのエンジンに連結された排気ラインを通して放出するように適合された排気装置である。この排気装置は、排気ラインに配置され、「密接結合」された、すなわち、エンジンに近接して位置する第１の微粒子フィルタ、および第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから距離（ｄ）だけ離れた第２の微粒子フィルタを備えている。第１と第２の微粒子フィルタ間の間隔は、第１のフィルタの入口温度（Ｔ₁）と第２のフィルタの入口温度（Ｔ₂）との間の差、すなわち、Ｔ₁−Ｔ₂が２０℃以上であるようなものであることが好ましい。第１のフィルタが、相当な量の「受動的」再生を促進するのに十分であることが好ましい温度で動作するように、エンジンに対して「密接結合」されているのに対して、下流の第２のフィルタは、より低温の環境で動作する、すなわち、煤除去のために能動的再生に一層依存する。受動的再生が第２のフィルタで行われた場合の相対的程度は、第１の（密接結合された）フィルタにおけるよりも相当小さいであろう。ある実施の形態において、第１の微粒子フィルタは、第１の割合の施栓通路および第２の割合の未施栓の貫流通路を有する。追加の実施の形態によれば、施栓通路は、入口端と出口端の両方の付近で施栓されていてよい。好ましい実施の形態において、第２の微粒子フィルタは、第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから１２インチ（３０．５ｃｍ）以上の距離（ｄ）だけ離れている。必要に応じて、その間隔は、第１の微粒子フィルタが第１の入口温度（Ｔ₁）を有し、第２の微粒子フィルタが第２の入口温度（Ｔ₂）を有し、入口温度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）が１．１以上、またはさらには１．１５以上であるようなものであってよい。本発明のさらに別の実施の形態によれば、第１と第２の微粒子フィルタは、別々のハウジング内に搭載されていてもよい。ディーゼル酸化触媒はフィルタの間で装置に含まれていても、酸化触媒の機能が第１のフィルタに含まれていてもよい。

別の広い態様において、本発明は、エンジンに「密接結合」された第１の微粒子フィルタであって、第１の割合の施栓通路および第２の割合の未施栓貫流通路を有する部分ウォーフロー型フィルタである第１の微粒子フィルタ、および第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから１２インチ（３０．５ｃｍ）より大きい距離（ｄ）だけ離れた第２の微粒子フィルタを備えた、ディーゼル排気装置などの排気装置に関する。第２のフィルタは施栓通路のみを有していてもよく、第１のフィルタは、第２のフィルタよりも実質的に大きい程度で受動的再生を示すように、エンジンに対して位置していてもよい。第２のフィルタには「能動的」再生が施されることも好ましいであろう。第１と第２のフィルタは、別個の間隔のおかれたハウジング内に収容されることが好ましい。

別の広い態様において、本発明は、ディーゼル排気装置などの排気装置を動作させる方法において、排気ラインに配置された、第１の入口温度（Ｔ₁）を有する第１の微粒子フィルタに排気ガスを通過させる工程であって、第１の微粒子フィルタが第１の割合の施栓通路および排気ガスが最初に濾過される、第２の割合の未施栓貫流通路を有するものである工程、および第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから間隔が置かれた、第２の入口温度（Ｔ₂）を有する第２の微粒子フィルタに、最初に濾過された排気ガスを通過させる工程であって、第１の排気ガスが第２の濾過を受け、入口温度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）が１．１以上、またはさらには１．１５以上である工程を有してなる方法に関する。

追加の実施の形態において、本発明は、ディーゼル排気装置内に使用するように適合された部分ウォールフロー型フィルタであって、施栓通路と未施栓貫流通路を有し、施栓通路は、いくつかが入口端付近で施栓されており、その他が出口端付近で施栓されているフィルタである。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかである。

以下に説明する添付の図面は、本発明の典型的な実施の形態を例示しており、本発明には他の同等に効果的な実施の形態が認められるので、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではない。図面は必ずしも、一定の縮尺で描かれておらず、図面の特定の特徴構造や特定の図は、明白さと簡潔さの尺度と図式で誇張されて示されているかもしれない。

本発明の実施の形態によるディーゼル排気装置の概略図 本発明の実施の形態によるディーゼル排気装置の概略図 図１Ａ，１Ｂの排気装置に使用される部分ウォールフロー型フィルタの斜視図 図１Ａ，１Ｂの排気装置に使用される部分ウォールフロー型フィルタの斜視図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタに用いられる施栓パターンの例を示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタに用いられる施栓パターンの例を示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタに用いられる施栓パターンの例を示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタに用いられる施栓パターンの例を示す端面図 図２Ａ，２Ｂの部分ウォールフロー型フィルタの両端面に施された部分施栓パターンを示す端面図 部分ウォールフロー型フィルタの両端面に施された代わりの部分施栓パターンを示す端面図 部分ウォールフロー型フィルタの両端面に施された代わりの部分施栓パターンを示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタの両端面に施された代わりの部分施栓パターンを示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタの両端面に施された代わりの部分施栓パターンを示す端面図 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタを備えた装置構成に関する性能をプロットしたグラフ 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタを備えた装置構成に関する性能をプロットしたグラフ 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタを備えた装置構成に関する性能をプロットしたグラフ 本発明の実施の形態による部分ウォールフロー型フィルタを備えた装置構成に関する性能をプロットしたグラフ

ここで、添付の図面に示されたようないくつかの好ましい実施の形態を参照して、本発明を詳しく説明する。好ましい実施の形態を説明する上で、本発明を完全に理解するように、多くの特定の詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てがなくとも実施されることが当業者には明らかである。他の例において、本発明を不必要に分かりにくくしないように、よく知られた特徴および／またはプロセスは詳しく説明されていない。さらに、共通のまたは同様の要素を特定するために、同様のまたは同じ参照番号が用いられている。

図１Ａは、ディーゼルエンジン１０７の排気マニホールド１０５から排ガスを排出するための、ディーゼル排気装置などの排気装置１００を示している。排気装置１００は、図示されているように、入口端１０１および出口端１０３を有する排気ライン１０２を備えている。入口端１０１は、排気マニホールド１０５を通じてディーゼルエンジン１０７に連結されている。入口端１０１は接続手段１０４を備えてもよく、この手段はどのような適切な形態をとってもよい。例えば、接続手段１０４は、フランジであって、排気マニホールド１０５の接続部分１０９上の同様のフランジに連結できるフランジであり得る。排気ライン１０２はほぼ真っ直ぐに示されているが、実際には、他の形状をとってもよく、真っ直ぐの部分と曲がった部分および／または異なる直径の部分を含んでもよい。

排気装置１００は、エンジン１０７と、もちろん排気マニホールド１０５とに対して「密接結合」されるように排気ライン１０２の入口端１０１に隣接して配置された第１の微粒子フィルタ１０６を備えている。この「密接結合」位置において、第１の微粒子フィルタ１０６は、下流の第２のフィルタと比較して、捕捉した煤の実質的により大きい程度の「受動的」再生を行うためにより高い流入排ガス温度をうまく利用する。ここに用いたような「密接結合」という用語は、フィルタが、排気流に沿って測定して、エンジン１０７に対して近接した、特に、エンジンの燃焼室に対して近接した排気流内の位置にあることを意味する。例えば、「密接結合された」とは、動作サイクルの少なくともある間に関する温度が２５０℃を超えるように、排気ラインに沿って測定して、エンジン１０７に近接していると考えられるであろう。動作の少なくとも５０％に亘り、第１のフィルタの入口温度（Ｔ₁）が２００℃より高いことが好ましい。図１Ａに示されたある実例において、ターボチャージャー１１１が排気ライン１０２内に配置されており、高温ガスが第１のフィルタ１０６に直接当たるように、第１の微粒子フィルタ１０６がターボチャージャー１１１の上流に配置されている。より好ましい実施の形態において、第１のフィルタ１０６はターボチャージャー１１１のすぐ下流に位置している（図１Ｂ参照）。密接結合された位置において、第１のフィルタ１０６は、動作サイクルの１０％より大きい、またはさらには２０％より大きい相当な期間に亘り、２５０℃以上の温度条件を経験する。これらの条件により、相当な期間の「受動的」再生が促進される。フィルタへの望ましくない損傷を避けるために、入口温度Ｔ₁は約４００℃を超えないことが好ましい。

本発明の排気装置１００は、排気ライン１０２内に配置され、第１の微粒子フィルタ１０６から距離（ｄ）だけ離れた第２の微粒子フィルタ１０８をさらに備えている。図１Ａ，１Ｂに示された実例において、第２の微粒子フィルタ１０８はターボチャージャー１１１の下流に配置されている。所望の濾過および背圧の要件を満たすように、追加の微粒子フィルタを第２の微粒子フィルタ１０８の下流の排気ライン１０２内に配置してもよい。第２の微粒子フィルタ１０８の前に上流ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１１４が配置されてもよく、この触媒は、当該技術分野において知られているように、一酸化炭素、炭化水素、および微粒子の可溶性有機分画を酸化するための触媒種などの、排ガスを浄化するための任意の公知の活性触媒種を含んでいてもよい。ＤＯＣ１１４が含まれる場合、第１のフィルタ１０６と第２のフィルタ１０８の間、またはより好ましくは第１のフィルタ１０６とターボチャージャー１１１の間に配置されていてよい。排気装置１００は、微粒子フィルタ内の所望の排気流分布、および／または排気ライン１０２内のサイズと質量の減少を達成するのに役立つように、微粒子フィルタ１０６，１０８の入口端と出口端に拡散および拡張コーン１１０，１１２などの手段をさらに備えてもよい。

ディーゼルエンジンなどのエンジンの正常動作中、エンジン１０７および排気マニホールド１０５からの排ガスは、図１Ａにおける矢印１１６によって示されるように、第１の微粒子フィルタ１０６、ターボチャージャー１１１（存在する場合）、酸化触媒１１４（存在する場合）、および第２の微粒子フィルタ１０８を順次通過する。排ガス中の微粒子は、排ガスがそこを通過するときに、第１と第２の微粒子フィルタ１０６，１０８の内部に捕捉される。詳しくは、煤の一部は第１のフィルタ内に捕捉される一方で、残りの煤のいくらかが第２のフィルタ内に捕捉される。エンジンの動作条件およびエンジン１０７に対する第１のフィルタの位置は、第１のフィルタ１０６での排ガスの入口温度Ｔ₁が、第１のフィルタ１０６内に捕捉された煤の燃焼をそれ自体で開始する、すなわち、「受動的」再生を促進するのに十分であるように設定される。これとは反対に、第２のフィルタ１０８は、入口温度Ｔ₂が第１のフィルタ１０６の入口温度Ｔ₁と比較して低いように、第１のフィルタ１０６から距離（ｄ）だけ離れている。詳しくは、距離（ｄ）は概して、入口温度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）が１．１以上、またはさらには１．１５以上であるようなものである。フィルタの間隔は、温度差Ｔ₁−Ｔ₂が２０℃以上、またはさらにはその差が２５℃以上であるようなものであることが好ましい。

本発明の実施の形態によれば、第１の微粒子フィルタ１０６は、第２の微粒子フィルタ１０８と比較して、比較的低い圧力降下を有する。ある実例において、第１の微粒子フィルタ１０６は、排気マニホールド１０５とターボチャージャー１１１の間の、またはターボチャージャーのすぐ下流の、排気マニホールド１０５の近くの利用できる空間中に組み込まれるほど十分に小さい。本発明の追加の態様によれば、第１の微粒子フィルタ１０６を収容するのに必要な物理的空間（体積）は、第２のフィルタ１０８を収容するための空間（体積）よりも比較的小さい。何故ならば、第２の微粒子フィルタ１０８には、濾過要件を満たすのに必要な追加の体積があるからである。好ましい実施の形態において、第２の微粒子フィルタ１０８は、例えば、従来のウォールフロー型フィルタであってよい。しかしながら、従来のウォールフロー型フィルタは、「密接結合」位置にあるフィルタに関するサイズの圧力降下の要件のために、第１の微粒子フィルタ１０６として使用するのには一般的に適していないであろう。とりわけ、第１のフィルタが低い圧力降下を示すことが望ましい。低い圧力降下の要件のために、第１の微粒子フィルタ１０６は、第２の微粒子フィルタ１０８よりも低い濾過効率を有するであろう。例として、第１の微粒子フィルタ１０６は、約８０％未満の初期濾過効率を有する。しかしながら、ここに記載した特定の構成において、第１のフィルタにおいて、４０％以上、またはさらには５０％以上、またはさらには６０％または７０％以上などの、高い濾過効率を達成することが可能であり、一方で、第２の微粒子フィルタ１０８は、約８０％より大きい、またはさらには９０％以上の濾過効率を有することが好ましい。ある実施の形態において、第１のフィルタは４０％より大きいが８０％未満の初期濾過効率を示し、第２のフィルタは９０％より大きい初期濾過効率を示す。第１の微粒子フィルタ１０６は、上述した特徴を１つ以上示す任意の適切なフィルタであってよい。例えば、第１の微粒子フィルタ１０６はセラミックフォーム型フィルタであってよい。あるいは、第１の微粒子フィルタ１０６は部分ウォールフロー型フィルタであってよい。部分ウォールフロー型フィルタは、施栓通路と未施栓貫流通路の組合せを有するために、そのような名称が付けられている。未施栓貫流通路において、流れは、通路を真っ直ぐに通る、すなわち、壁を通らない。それゆえ、「部分」とは、流れの一部しか壁を通らないことを示す。４５％より大きい高い気孔率を示し、施栓通路と未施栓通路の組合せを有する本発明による部分ウォールフロー型フィルタが、最も効果的であることが分かった。５０％以上の総気孔率を有する部分ウォールフロー型フィルタが、優れた濾過効率および低い圧力降下を示す。

図２Ａおよび２Ｂは、エンジン１０７に対して密接結合の関係に位置する第１の微粒子フィルタ（図１における１０６）として使用するための例示の部分ウォールフロー型フィルタ２００を示している。本発明の部分ウォールフロー型フィルタ２００は、例えば、略円柱形を有する多孔質ハニカム基体２０２を含む。ハニカム基体２０２の横断面は、必要に応じて、円形、楕円形、正方形であっても、または他の形状を有してもよい。ハニカム基体２０２は、反対の端部２０４，２０６および端部２０４，２０６の間に延在する内部多孔質壁２０８を有する。内部多孔質壁２０８は略平行な流れ通路２１０を画成し、これらの流路も端部２０４，２０６の間に延在する。通路２１０は、正方形断面または他のタイプの断面、例えば、三角形、円形、八角形、矩形、六角形またはそれらの組合せを有していてもよい。ハニカム基体２０２は、コージエライト、チタン酸アルミニウム、または炭化ケイ素などの多孔質セラミック材料から製造されることが好ましい。ハニカム基体２０２の内部多孔質壁２０８は、多孔質壁内の蓄積した微粒子の受動的再生に有用な活性触媒種をその上に含んでもよい。

ディーゼル排気装置について、多孔質壁２０８は、１から６０μｍの範囲、より一般的には１０から５０μｍの範囲の平均直径を有する細孔を含んでよく、ハニカム基体２０２は、約１０および４００セル／平方インチ（１．５および６２セル／ｃｍ²）の間、より一般的には約１００および３２０セル／平方インチ（１５．５および４０．６セル／ｃｍ²）の間のセル密度を有してよい。多孔質壁２０８の厚さは、約０．００２インチから０．０６０インチ（０．０５ｍｍから１．５ｍｍ）、より一般的には約０．０１０インチおよび０．０３０インチ（０．２５ｍｍおよび０．７６ｍｍ）の間に及んでよく、この壁の全気孔率は４５％より大きい、またはさらには５０％より大きい、またはさらには５５％より大きい、またはさらには６０％より大きくてもよい。

栓２１２は、例えば、通路２１０のいくつかの端面で挿入され、一方で、残りの通路２１０は開いたまま（未施栓）であってもよい。これは、セル通路の全てが端部で施栓されている従来のウォールフロー型フィルタとは異なる。両端２０４，２０６で開いたおり、その全長に亘り施栓されていない未施栓の貫流通路２１０ａは、施栓通路２１０ｂの中に均一に分布していることが好ましく、もしくはその逆も同様である。栓は、端部２０４，２０６の内の一方のみで、または端部２０４，２０６の両方で含まれてもよい。必要に応じて、栓は、端部から間隔がおかれて含まれていてもよい。一方の側のみに栓を有する部分ウォールフロー型フィルタにおいて、排ガスが壁のいくらかを通ることによって、部分濾過が行われ、一方でいくらかの流れはフィルタを真っ直ぐに通過する。栓が、フィルタの出口端に隣接して配置されている場合、施栓通路と未施栓の貫流通路との間の圧力差により、排ガスが施栓通路から未施栓の貫流通路に移動し、煤が施栓通路内に蓄積するであろう。栓がフィルタの入口端に隣接して配置されている場合、排ガスは未施栓の貫流通路に入り、未施栓の貫流通路と隣接する施栓通路との間の圧力差により、いくらかの排ガスが壁に押し通されて、施栓通路の出口側から排出される。この場合、煤は未施栓の貫流通路の壁に蓄積する。ある実例において、栓はフィルタの出口端面に隣接して配置されるだけである。気孔率が４５％より大きい、５０％より大きい、６０％より大きい、出口端のみの栓と未施栓の貫流通路の組合せを有するフィルタが、第１のフィルタとして特に効果的であり、第１のフィルタ内の高い煤捕捉を促進し、低い圧力降下を示すことが分かった。必要に応じて、栓は入口面に隣接してのみ含まれてもよい。

別の実例において、栓は第１のフィルタの両端に隣接して配置されている。それゆえ、この実施の形態において、施栓通路と未施栓の貫流通路を有してなり、施栓通路は、入口端に隣接して施栓されたいくつかの通路、および出口端に隣接して施栓された他の通路を含む、部分ウォールフロー型フィルタが提供される。好ましい実施の形態は、入口端よりも出口端に隣接して形成された栓が比較的多い。この構造および４５％より大きい高気孔率を有する実施の形態は、煤付着量の関数として比較的最小の圧力降下を有する。例えば、図８は、栓が２５％の比率で入口端に隣接して位置し、栓が２５％の比率で出口端に隣接して位置し、６０％より大きい気孔率を有する構成が、０から２ｇ／ｌの煤付着量で、０．５ｋＰａ未満の圧力降下を示すことを表している。約５０％の後方栓を有する、６０％より大きい高気孔率を有する部分ウォールフロー型フィルタも、煤付着量の関数として、低い圧力降下の変化を示す。ある例において、出口端よりも入口端に隣接した栓の割合のほうが大きいことが望ましいかもしれない。

この部分フロー型の実施の形態が、例えば、図２Ａおよび２Ｂに示されており、そこでは、未施栓の貫流通路が２１０ａで示され、端部２０４に栓が配置されている施栓通路が２１０ｃで示され、端部２０６に栓を有する施栓通路が２１０ｂで示されている。

部分ウォールフロー型フィルタ２００において、排ガスがフィルタを通過するときに、煤が多孔質壁２０８上に蓄積する。この煤の蓄積により、壁２０８の透過性が減少し、未施栓の貫流通路２１０ａに隣接した通路への排ガス流が減少する。それゆえ、煤がフィルタ内に蓄積するにつれて、部分ウォールフロー型ＤＰＦ２００の煤を捕捉する能力が減少する。濾過効率が減少するフィルタの利点の１つは、フィルタについて最大煤付着量を定めることができ、フィルタ内の煤の過剰付着が部分ウォールフロー型フィルタにおいてあまり生じなさそうなことである。従来のウォールフロー型フィルタにおいて、多孔質壁上の煤の付着量が増加するにつれて、濾過効率は一般に増加し、フィルタが煤の過剰付着をより受けやすくなる。煤の過剰付着は、再生中にフィルタが遭遇する最高温度が煤の付着量に正比例するので、望ましくない。部分ウォールフロー型フィルタ２００は、煤の過剰付着から生じる高温暴走に対する保護機能を備えている。

部分施栓パターンの様々な実例をここで説明する。しかしながら、これらの実例は、ここにそうではないと記載されていない限り、本発明を制限するものと考えるべきではない。

図３Ａは、施栓通路３０２の数が未施栓の貫流通路３０４の数よりも多い部分施栓パターン３００を示している。また、未施栓の貫流通路３０４は施栓通路３０２の中に均一に分布している。例として、百分率として表される、通路の総数に対する施栓通路３０２の数の比は、５０％より多く、またはさらには６０％より多く、さらには７５％より多くを構成してもよい。この配置の施栓通路は出口端に配置されることが好ましい。４５％より大きい、またはさらには５０％より大きい高気孔率と組み合わせて、出口端での栓の比率を高くすることは、４０％より大きい、またはさらには５０％より大きい、もしくは６０％以上の初期濾過効率を提供するようである（図７参照）。

図３Ｂは、未施栓の貫流通路３０８の数が施栓通路３１０の数よりも多い代わりの施栓パターン３０６を示している。重ねて、施栓通路３１０は未施栓の貫流通路３０８の中で均一に分布されている。例として、未施栓の貫流通路３０８の数は、通路の総数の５０％より多く、またはさらには通路の総数の６０％より多く、またはさらには７５％以上を構成してもよい。

図３Ｃは、施栓通路３１６と未施栓の貫流通路３１４の水力直径が異なっている、未施栓の貫流通路３１４および施栓通路３１６を含む第１のフィルタに関する部分施栓パターン３１２を示している。詳しくは、施栓通路３１６の水力直径は、未施栓の貫流通路３１４の水力直径よりも大きい。重ねて、施栓通路は出口端に隣接して配置されることが好ましい。特に、フィルタの開放面積に対する施栓面積の面積比は１．２より大きいことが好ましい。

図３Ｄは、未施栓の貫流通路３２０の水力直径が施栓通路３２２の水力直径よりも大きい、未施栓の貫流通路３２０および施栓通路３２２を含む部分施栓パターン３１８を示している。図３Ｃおよび３Ｄにおいて、未施栓の貫流通路は施栓通路の中で均一に分布しており、またその逆も同様である。

上述した部分施栓パターンおよびその変更例は、ハニカム基体（図２Ａ，２Ｂにおける２０２）の一方または両方の端面に適用できる。例えば、図４Ａは、図３Ｂの部分施栓パターンがハニカム基体２０２の両端面に適用された場合の、ハニカム基体２０２の部分平面図を示している。未施栓の貫流通路が２１０ａで示されている。ハニカム基体２０２の端面の一方にある施栓通路が２１０ｂで示されている。ハニカム基体２０２の端面の他方の施栓通路（重複斜線で示されている）が２１０ｃで示されている。この実例において、施栓通路２１０ｂ，２１０ｃがハニカム基体２０２における全通路の約５０％を占め、未施栓の貫流通路２１０ａがハニカム基体２０２内に均一に分布している。図４Ｂおよび４Ｃは別の部分施栓配置を示しており、出口端が図４Ｂに示され、入口端が図４Ｃに示されている。この実施の形態は、入口通路よりも出口通路のほうが多く施栓されている配置を示している。詳しくは、入口端で施栓された通路はセル通路の総数の約２５％を占めるのに対して、出口端では、施栓通路は通路の総数の約５０％を占める。図示された端部に隣接して施栓された通路は重複斜線で示されているのに対して、他端に隣接して施栓された通路は一重斜線で示されている。貫流通路は斜線が記載されていない。

図５および６は、部分ウォールフロー型フィルタに使用してよい栓パターンの追加の実施の形態を示している。これらの実施の形態において、入口端で施栓されたセルは、一重斜線で示されており、出口端で施栓されたセルは重複斜線で示されており、貫流セルは斜線が記載されていない。これらの実例において、セル通路の約５０％が施栓されており、その施栓通路のあるものが入口端に隣接して配置され、他のものが出口端に隣接して配置されている。部分ウォールフロー型フィルタに施栓セルと未施栓セルの他の組合せを用いてもよい。例えば、通路の総数と比較して、通路の５０％より多く、または６０％より多く、もしくは７５％以上が施栓されてもよい。第１のフィルタの壁の全気孔率は、４５％より大きい、またはさらには５０％より大きい、５５％より大きい、もしくはさらには６０％以上であってよい。優れた初期濾過効率および低い圧力降下の好ましい組合せとしては、５０％より多くが施栓された通路（通路の総数と比較して）、および４５％より大きい全気孔率が挙げられる。６０％より大きい比較的高い気孔率を示し、５０％（またはさらには６０％）より多くが施栓された通路を備えた実施例では、清浄な状態と煤の付着した状態の両方で、圧力降下に対する濾過効率の比が比較的高い（図１０参照）。第１のフィルタが、６０％より大きい全気孔率、および５０％より多くが施栓された通路を有し、施栓通路のあるものは入口端に隣接して施栓され、あるものは出口端に隣接して施栓され、出口端で施栓された通路の比率が高い部分フローフィルタである実施例で、初期濾過効率およびおよび低い圧力降下の最良の組合せが達成される（２５％入口、５０％出口、２００／１２／６３％の実施の形態を参照のこと）。

図７〜１０は、本発明の装置および部分フローフィルタについて調査した実験実施例を示すグラフである。図７〜１０から分かるように、部分フローフィルタが高い気孔率および後方の施栓を示す場合、その第１のフィルタにおいて、比較的高い初期濾過効率（５０％より大きい）および第１のフィルタの前後の低い圧力降下の組合せを達成できる。４５％より大きい、またはさらには５０％より大きい、またはさらには５５％より大きい、もしくはさらには６０％より大きい気孔率を有するフィルタが望ましい。詳しくは、テストした実施例の概要が以下の表１にまとめられている。フィルタが、５０％および７５％施栓された通路（通路の総数と比較して）並びに高い（５０％）および非常に高い（６３％）の気孔率を有するのが分かる。入口が施栓されたもの、出口が施栓されたもの、入口と出口が組合せで施栓されたものとして、いくつかのセル密度および壁厚をテストした。各場合において、施栓されたと考えられない残りの通路は、施栓されていなかった。各場合、部分フローフィルタは、通路の５０％が各端部で市松模様に通常施栓された、２００／１２セル配置、５０％の気孔率、１６μｍの平均細孔径のフィルタに合わせた。５０％より大きい気孔率、入口端に隣接して位置する１０％より多い施栓通路、および出口端に隣接して位置する４０％より多い施栓通路を有する部分ウォールフロー型フィルタのある実施例が、優れた濾過効率および低い圧力降下を示す。

図７は、清浄な状態、すなわち、煤の付着していない状態（表１の実施例番号に対応し、下側の点線の輪郭「Ｌ」の内部に位置するものの％施栓入口／出口、気孔率、セル密度、および壁厚に合わせてラベルが付けられた点を参照のこと）、および人工煤の２ｇ／ｌ煤添加量での煤付着状態（表１の実施例番号に対応し、上側の点線の輪郭「Ｕ」の内部に位置するものの％施栓入口／出口、気孔率、セル密度、および壁厚に合わせてラベルが付けられた）における様々なテスト実施例を比較している。５０％より多い施栓通路および出口に隣接したより多くの栓を組み合わせた、比較的高い気孔率の実施の形態により、低い圧力降下と共に優れた濾過効率が達成されることが分かった。これにより、比較的より多くの煤を第１の部分フローフィルタ内に捕捉することが可能になり、ここで、そのような煤に、受動的再生を高い相対割合で施すことができる。

図８は、部分ウォールフロー型フィルタの追加の実施例を示しており、煤付着量のグラム毎リットルの関数としての様々な実施の形態に関する圧力降下を示している。ある実施の形態は、煤の付着量の関数としてほとんど圧力降下の増加を示さないことを認識すべきである。例えば、６０％より大きい気孔率を含む、後方を５０％施栓した実施の形態は、高い煤付着速度でさえも（２ｇ／ｌ以上）、低い圧力降下を示す。

図８〜１０の点／曲線は、表１の実施例番号に対応するものの％施栓入口／出口、気孔率、セル密度、および壁厚に合わせてラベルが付けられている。

図９および１０は、ある例示の実施の形態が、第１のフィルタにおける高い濾過効率および低い圧力降下の両方を示すことを示している。詳しくは、図１０は、様々な例示の実施の形態に関する、圧力降下で割られた濾過効率の比（％／ｋＰａで表されている）をプロットしている。特に、いくつかの実施の形態により、圧力降下を著しく増加させずに、第１のフィルタにおいて比較的多量の煤を捕捉可能になる。例えば、６０％以上の気孔率および５０％以上が施栓された通路を示し、並びにより詳しくは、入口で施栓された通路よりも出口が施栓された通路のほうが多い実施の形態は、低い圧力降下と組み合わされた優れた濾過効率を示す。煤の大半に第１のフィルタ内で受動的再生が施され、それゆえ、第２のフィルタにおける能動的再生期間の数が少なくなる。

本発明を限られた数の実施の形態に関して説明してきたが、この開示の恩恵を受けた当業者には、ここに開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態が考え出されることが明白であろう。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

１００ 排気装置
１０２ 排気ライン
１０５ 排気マニホールド
１０６ 第１の微粒子フィルタ
１０７ ディーゼルエンジン
１０８ 第２の微粒子フィルタ
１１１ ターボチャージャー
１１４ 上流のディーゼル酸化触媒
２００ ウォールフロー型フィルタ
２０２ ハニカム基体
２０８ 多孔質壁
２１０ 通路

Claims (10)

1. エンジンから該エンジンに連結された排気ラインを通して排ガスを排出するためのディーゼル排気装置であって、
   前記排気ライン内に配置され、前記エンジンに密接結合された第１の微粒子フィルタであって、第１の相対的な程度で受動的再生モードで動作する第１の微粒子フィルタ、および
   前記第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから距離がおかれ、前記第１の相対的な程度よりも実質的に少ない第２の相対的な程度で受動的再生モードで動作する第２の微粒子フィルタ、
   を備えたディーゼル排気装置。
2. 前記第１の微粒子フィルタが４５％より大きい初期濾過効率を示すことを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気装置。
3. 前記第１の微粒子フィルタが、通路の総数と比較して、５０％より多く施栓された通路を有することを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気装置。
4. 前記第１の微粒子フィルタが、４５％より大きい全気孔率、通路の総数と比較して５０％より多く施栓された通路、および少なくともいくらかの未施栓通路を示すことを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気装置。
5. 前記第１の微粒子フィルタが、６０％より大きい全気孔率、通路の総数と比較して６０％より多く施栓された通路、および少なくともいくらかの未施栓貫流通路を示すことを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気装置。
6. ディーゼル排気装置において、
   排気マニホールドに密接結合された第１の微粒子フィルタであって、第１の割合の施栓通路および第２の割合の未施栓貫流通路を有する第１の微粒子フィルタ、および
   前記第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこから１２インチ（３０．５ｃｍ）以上の距離（ｄ）だけ離され、第１の微粒子フィルタが第２の微粒子フィルタよりも実質的に大きい程度で受動的再生を示すようにしか施栓通路を含まない第２の微粒子フィルタ、
   を備えたディーゼル排気装置。
7. ディーゼル排気装置を動作させる方法であって、
   排気ライン内に配置された第１の微粒子フィルタに排気ガスを通過させる工程であって、前記第１の微粒子フィルタが、第１の入口温度（Ｔ₁）を含み、第１の割合の施栓通路および第２の割合の未施栓貫流通路を有し、前記排気ガスが最初に濾過される工程、および
   前記第１の微粒子フィルタと直列に位置し、そこからある距離だけおかれた第２の微粒子フィルタに、前記最初に濾過された排気ガスを通過させる工程であって、前記第２の微粒子フィルタが第２の入口温度（Ｔ₂）を含み、前記最初に濾過された排気ガスが第２の濾過を経験し、入口温度の比（Ｔ₁／Ｔ₂）が１．１以上である工程、
   を有してなる方法。
8. 部分ウォールフロー型フィルタであって、
   施栓通路および未施栓の貫流通路を備え、前記施栓通路は、ある通路が入口端に隣接して施栓され、他の通路が出口端に隣接して施栓されていることを特徴とする部分ウォールフロー型フィルタ。
9. 前記入口端に隣接して施栓された通路の数が、前記出口端に隣接して施栓された通路の数よりも少ないことを特徴とする請求項８記載の部分ウォールフロー型フィルタ。
10. 前記出口端に隣接して施栓された通路の数が、前記入口端に隣接して施栓された通路の数よりも少ないことを特徴とする請求項８記載の部分ウォールフロー型フィルタ。

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