JP4340211B2 - ディーゼルパティキュレートフィルター - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス中に多量に含まれる微粒子（パティキュレート）を除去するために使用されるディーゼルパティキュレートフィルターに関する。

ディーゼルエンジンの排ガス中には、カーボンを主成分とする微粒子（パティキュレート）が多量に含まれている。このパティキュレートが大気中に放出されると環境汚染を引き起こすため、ディーゼルエンジンの排気系にパティキュレートを捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルター（以下「ＤＰＦ」と言う場合がある。）を配し、排ガス中のパティキュレートを大気に放出する以前に除去するようにしている。

従来使用されてきたＤＰＦは、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔（セル）を有する多孔質のハニカム構造体を用い、その端面が市松模様状を呈するように、隣接する流通孔を互いに反対側となる一方の端部で目封じした構造を有するものである（例えば、特許文献１参照。）。

そして、このハニカム構造体の一端面よりディーゼルエンジンの排ガスを通気させると、パティキュレートを含む排ガスは、当該一端面側の端部が封じられていない流通孔より構造体内部に流入し、多孔質の隔壁を通過して、構造体の他端面側の端部が封じられていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に排ガス中のパティキュレートが隔壁に捕捉され、パティキュレートを除去された浄化後の排ガスが構造体の他端面より排出される。

ところで、このような従来構造のＤＰＦは、その主要部分をなすハニカム構造体を押出成形により作製し、得られたハニカム構造体の所定のセルの端部に目詰め材を充填することにより得られるが、ハニカム構造体のような薄肉の構造体を押出成形する場合には、成形性を確保するために、流動性の高い材料を用いなければならない等の材料組成の制限が多く、必ずしもＤＰＦとして好適な組成の材料を用いて作製されているわけではなかった。
特開２００１−２６９５８５号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハニカム構造体を押出成形する場合に比して、成形性を確保するための材料組成の制限が少ないプレス成形等の製法によってその構成部材を作製することが可能な新規構造のＤＰＦを提供することにある。

本発明によれば、多孔質でそれぞれ少なくとも１つの貫通孔からなる第一貫通孔と第二貫通孔とを有する複数枚の内層用平板と、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流入用貫通孔を有する１枚の最上層用平板と、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流出用貫通孔を有する１枚の最下層用平板とを備え、前記複数枚の内層用平板は、前記最上層用平板と前記最下層用平板との間に所定の間隔を置いて積層されるとともに、１枚置きに、その第一貫通孔が上方に隣接する他の内層用平板の第一貫通孔又は前記最上層用平板の前記ガス流入用貫通孔と環状部材により連結され、かつ、その第二貫通孔が下方に隣接する他の内層用平板の第二貫通孔又は前記最下層用平板の前記ガス流出用貫通孔と環状部材により連結され、更に積層された前記最上層用平板、前記内層用平板及び前記最下層用平板の外周部全体が外周壁により覆われた構造を有するディーゼルパティキュレートフィルター、が提供される。

本発明のＤＰＦは、その構成部材がプレス成形等の材料組成の制限が少ない製法により作製可能であるため、従来構造のＤＰＦのようにハニカム構造体を押出成形することにより作製する場合に比して、材料組成の選択の自由度が高く、ＤＰＦとしてより好適な材料組成を用いて作製することができる。

図１は、本発明に係るＤＰＦの実施形態の一例を示す説明図である。本発明のＤＰＦは、図２に示すような、多孔質でそれぞれ少なくとも１つの貫通孔からなる第一貫通孔４と第二貫通孔５とを有する複数枚の内層用平板１と、図３に示すような、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流入用貫通孔６を有する１枚の最上層用平板２と、図４に示すような、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流出用貫通孔７を有する１枚の最下層用平板３とを備える。

図１に示すように、複数枚の内層用平板１は、最上層用平板２と最下層用平板３との間に所定の間隔を置いて積層される。そして、これら積層された複数枚の内層用平板１は、１枚置きに、その第一貫通孔４が上方に隣接する他の内層用平板１の第一貫通孔４又は最上層用平板２のガス流入用貫通孔６と環状部材８により連結され、かつ、その第二貫通孔５が下方に隣接する他の内層用平板１の第二貫通孔５又は最下層用平板３のガス流出用貫通孔７と環状部材９により連結されている。更に、積層された最上層用平板２、内層用平板１及び最下層用平板３は、その外周部全体が外周壁１０により覆われている。

このＤＰＦにおいては、最上層用平板２のガス流入用貫通孔６と各内層用平板１の第一貫通孔４とによってガス流入用通路１１が形成される。同様に、最下層用平板３のガス流出用貫通孔７と各内層用平板１の第二貫通孔５とによってガス流出用通路１２が形成される。ガス流入用通路１１は、互いの第二貫通孔５同士が環状部材９により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１３、及び最下層用平板３と最下層用平板３に隣接する内層用平板１との間の間隙１５に連通しており、一方、ガス流出用通路１２は、互いの第一貫通孔４同士が環状部材８により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１４、及び最上層用平板２と最上層用平板２に隣接する内層用平板１との間の間隙１６に連通している。

このような構造を有するＤＰＦにおいて、微粒子（パティキュレート）を含んだ排ガスを、最上層用平板２のガス流入用貫通孔６からガス流出用通路内１１に流入させると、その排ガスは、まずガス流入用通路１１に連通している、互いの第二貫通孔５同士が環状部材９により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１３あるいは最下層用平板３と最下層用平板３に隣接する内層用平板１との間の間隙１５に入った後、それら間隙の上方及び／又は下方の内層用平板１の内部（細孔）を通過して、互いの第一貫通孔４同士が環状部材８により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１４あるいは最上層用平板２と最上層用平板２に隣接する内層用平板１との間の間隙１６に抜け、更に、これら間隙１４、１６に連通したガス流出用通路１２に移動して、最終的に最下層用平板３のガス流出用貫通孔７から外部に排出される。ＤＰＦ内をこのように流通する排ガスは、多孔質の内層用平板１の内部（細孔）を通過する際に、当該排ガス中に含まれる微粒子が内層用平板１の表面に捕捉され、微粒子が除去された状態でＤＰＦの外部に排出される。

なお、本発明において、最上層用平板２と最下層用平板３とは、ほとんど細孔が存在しないような緻密質のものであってもよいし、内層用平板１と同様に多孔質であってもよい。最上層用平板２と最下層用平板３とが緻密質である場合は、多孔質である場合に比して高い強度が得られるという利点がある。一方、最上層用平板２と最下層用平板３とが多孔質である場合は、ガス流入用貫通孔６やガス流出用貫通孔７のみならず、最上層用平板２や最下層用平板３の細孔を通じてもＤＰＦ内外のガスの流通が生じる。すなわち、前述のようなガスの流通に加え、ＤＰＦ外部から最上層用平板２の細孔を通じて間隙１６に入り、ガス流出用通路１２を経てガス流出用貫通孔７から外部に排出されるガスの流れと、ガス流入用貫通孔６からガス流入用通路１１を経て間隙１５に入り、最下層用平板３の細孔を通じて部に排出されるガスの流れとが生じる。この場合には、最上層用平板２と最下層用平板３も、内層用平板１と同様に濾過層として作用することになるので、フィルターの効率が向上するという利点がある。

図５は、本発明に係るＤＰＦの実施形態の他の一例を示す説明図である。この実施形態は、環状部材８により互いの第一貫通孔４同士が連結された隣接する内層用平板１間の間隙１４の間隔Ｄ₁を、環状部材９により互いの第二貫通孔５同士が連結された隣接する内層用平板１間の間隙１３の間隔Ｄ₂よりも狭くなるように構成したものである。

前述した微粒子の除去機構からわかるように、互いの第二貫通孔５同士が環状部材９により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１３は、微粒子が除去される前の排ガスがそのまま入り込む、濾過膜手前側の間隙であるため、使用時間の経過とともに、次第に濾過された微粒子が堆積して行く。したがって、短期間の内にこの間隙１３に堆積した微粒子によってＤＰＦの圧力損失が上昇したり濾過能が低下しないように、ある程度の余裕を持たせた広めの間隔とする必要がある。

これに対し、互いの第一貫通孔４同士が環状部材８により連結された隣接する内層用平板１間の間隙１４には、内層用平板１の表面に微粒子が捕捉されることによって、含有していた微粒子が既に除去された排ガスしか流れ込まない。したがって、この間隙１４は微粒子の堆積による影響を考慮する必要がなく、狭い間隔でも必要な機能を果たし得る。

そこで、図５に示すように、環状部材８により互いの第一貫通孔４同士が連結された隣接する内層用平板１間の間隙１４の間隔Ｄ₁を、環状部材９により互いの第二貫通孔５同士が連結された隣接する内層用平板１間の間隙１３の間隔Ｄ₂よりも狭くなるように構成すれば、内層用平板１の枚数を同一としたまま、すなわち、同一の濾過能力を保ったまま、より容積の小さい小型のＤＰＦとすることができる。

図６は、本発明に係るＤＰＦの実施形態の更に他の一例を示す説明図である。この実施形態は、上層に位置する一部の内層用平板１’に寸法及び配置の異なる２つの第一貫通孔４、４’を設けるとともに、最上層用平板２にそれら第一貫通孔とほぼ同一の寸法及び配置で２つのガス流入用貫通孔６、６’を設けたものである。なお、残部の内層用平板１及び最下層用平板３の構成は、図１に示す実施形態と同様である。

本発明のＤＰＦにおいては、前述の図１に示す実施形態のように、各内層用平板の第一貫通孔と第二貫通孔とを全て同一の数、寸法、配置で形成する必要はなく、一部の内層用平板について第一貫通孔や第二貫通孔の数、寸法、配置を変え、それに対応して最上層用平板のガス流入用貫通孔や最下層用平板のガス流出用貫通孔の数、寸法、配置を適宜選択するようにしてもよい。図６の例では、ガス流入用通路１１の他に、最上層用平板２のガス流入用貫通孔６’と内層用平板１’の第一貫通孔４’とによってＤＰＦ中央部付近に通じるもう１つのガス流入用通路１１’が形成されており、ＤＰＦ内部へのガスの流入がより容易になされるようになっている。なお、ここに挙げた実施形態以外の例として、例えば、各内層用平板の第一貫通孔の孔径が下層に行くほど小さくなるようにしたり、第二貫通孔の孔径が下層に行くほど大きくなるようにしたりすることで、ＤＰＦの圧力損失の改善を図ることも可能である。

本発明のＤＰＦは、例えば、図７に示すように、最上層と最下層にそれぞれ最上層用平板２と最下層用平板３が位置するようにし、それらの間において、内層用平板１と外周部材１７及び環状部材８又は９とを交互に積層して一体化することにより作製することができる。外周部材１７は、内層用平板１等の平板の外周と同等の寸法・形状の外周を有し、かつ、得ようとする平板間の間隙と同等の高さ（厚さ）を有する環状の部材であり、一体化後には、内層用平板１等の平板の外縁部とともに外周壁を構成する。また、環状部材８、９は、得ようとする平板間の間隙と同等の高さを有する環状の部材であり、隣接する内層用平板１の第一貫通孔４同士、第二貫通孔５同士、内層用平板１の第一貫通孔４と最上層用平板２のガス流入用貫通孔６、内層用平板１の第二貫通孔５と最下層用平板３のガス流出用貫通孔７の何れかを連結する部材である。

なお、平板間には、必要に応じて、これら外周部材１７や環状部材８、９とともに、得ようとする平板間の間隙と同等の高さを有する柱状のスペーサーを挟み込み、構造体としての強度を向上させるようにしてもよい。その場合、スペーサーの寸法や配置は特に限定されないが、ＤＰＦ内の排ガスの流通をできるだけ妨げないような寸法・配置とすることが好ましい。

また、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、予め内層用平板１に外周部材１７及び環状部材８又は９が一体的に形成されたものをプレス成形等により作製し、これらを交互に積層するようにすれば、本発明のＤＰＦをより容易に作製することができる。前記のようなスペーサーを配する場合は、そのスペーサーも一体的に形成しておくことが好ましい。

本発明のＤＰＦは、このように貫通孔を有する平板や厚みの薄い環状の部材等を用いて作製することができるが、これらの部材は、ハニカム構造体を押出成形する場合に比して、材料組成の選択の自由度が高いプレス成形等の製法により作製することが可能であるので、ＤＰＦとしてより好適な材料組成を用いて作製することができる。

例えば、従来のＤＰＦの作製のようにハニカム構造体を押出成形する場合には、成形性を確保するために、メチルセルロース等のバインダーを比較的多量に材料に加える必要があるが、材料中にバインダーを多量に含んでいると、焼成工程で過燃焼を引き起こしやすく、製品不良の原因となる等の問題がある。本発明のＤＰＦの作製には、バインダーを使用するとしても少量で済むので、そのような問題は起こらない。また、メチルセルロース等のバインダーは高価であるので、その使用量を抑えられれば製造コストの点でも有利である。

なお、本発明おいては、第一貫通孔、第二貫通孔、排ガス流入用貫通孔、排ガス流出用貫通孔を必要に応じて各々複数個設けるようにしてもよい。更に、各平板の材質や気孔率・気孔径、貫通孔の寸法・形状、使用する内層用平板の枚数等も特に制限されるものではなく、使用形態や必要とする濾過性能等に応じて適宜選択することができる。

また、本発明においては、説明の便宜上、最上層用平板や最下層用平板といった上下方向の配置を表すような部材の名称を用いているが、これは実際のＤＰＦ使用時における配置の方向を制限するものではない。すなわち、本発明のＤＰＦは、最上層用平板が最上部に位置し、最下層用平板が最下部に位置するような配置での使用のみならず、例えば、その軸方向が水平方向となり、最上層用平板と最下層用平板とがそれぞれ前方と後方に位置するように配置するなど任意の向きに配置して使用することができる。

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス中に多量に含まれる微粒子を除去するためのディーゼルパティキュレートフィルターとして好適に使用することができる。

本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの実施形態の一例を示す説明図である。 内層用平板の構造の一例を示す説明図である。 最上層用平板の構造の一例を示す説明図である。 最下層用平板の構造の一例を示す説明図である。 本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの実施形態の他の一例を示す説明図である。 本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの実施形態の更に他の一例を示す説明図である。 本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの製造方法の一例を示す説明図である。 本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの製造に使用される部材の一例を示す説明図である。 本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターの製造に使用される部材の一例を示す説明図である。

符号の説明

１…内層用平板、２…最上層用平板、３…最下層用平板、４…第一貫通孔、５…第二貫通孔、６…ガス流入用貫通孔、７…ガス流出用貫通孔、８…環状体、９…環状体、１０…外周壁、１１…ガス流入用通路、１２…ガス流出用通路、１３…間隙、１４…間隙、１５…間隙、１６…間隙、１７…外周部材。

Claims (2)

1. 多孔質で第一貫通孔と第二貫通孔とをそれぞれ少なくとも１つ有する複数枚の内層用平板と、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流入用貫通孔を有する１枚の最上層用平板と、少なくとも１つの貫通孔からなるガス流出用貫通孔を有する１枚の最下層用平板とを備え、前記複数枚の内層用平板は、前記最上層用平板と前記最下層用平板との間に所定の間隔を置いて積層されるとともに、１枚置きに、その第一貫通孔が上方に隣接する他の内層用平板の第一貫通孔又は前記最上層用平板の前記ガス流入用貫通孔と環状部材により連結され、かつ、その第二貫通孔が下方に隣接する他の内層用平板の第二貫通孔又は前記最下層用平板の前記ガス流出用貫通孔と環状部材により連結され、更に積層された前記最上層用平板、前記内層用平板及び前記最下層用平板の外周部全体が外周壁により覆われた構造を有するディーゼルパティキュレートフィルター。
2. 前記環状部材により互いの前記第一貫通孔同士が連結された隣接する前記内層用平板間の間隔が、前記環状部材により互いの前記第二貫通孔同士が連結された隣接する前記内層用平板間の間隔よりも狭い請求項１に記載のディーゼルパティキュレートフィルター。

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