ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター
【課題】フィルターセルにクラックが発生難く、長寿命のディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターを提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該ＤＰＦの流入側フィルターセル壁１２の通過係数Ｋが、当該ＤＰＦの入口側４から出口側５に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターを提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該ＤＰＦの流入側フィルターセル壁１２の通過係数Ｋが、当該ＤＰＦの入口側４から出口側５に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のカーボン等の粒子状物質（以下、「ＰＭ」と記載する場合がある。）を捕集し除去するためのディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター（以下、「ＤＰＦ」と略記載する場合がある。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気ガスは、大気汚染の大きな原因の一つであり、排気ガスに含まれる有害成分を除去する技術は極めて重要である。
なかでも、大都市で問題となっている大気汚染物質としてＰＭがある。そしてディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べてＰＭを多く排出する。
【０００３】
そこで、ディーゼルエンジン車においては、エンジン燃焼室や燃料噴射系の改善を行ったりして、ＰＭの排出を抑える努力が行われているものの、抜本的な決め手がない。そこで、排気経路にＤＰＦを設置し、ディーゼルエンジンで生成するＰＭを当該フィルターによって後処理的に捕集し、これを燃焼して除去する技術が最も実用的であると考えられ、検討が続けられている。
【０００４】
上記ＤＰＦの代表的な例として、ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターがある。ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターは、複数のフィルターセルの集合体であり、隣接するフィルターセルの入口側と出口側とを交互に目封じしたもので、排出ガスは当該フィルターセル間を分離する上下左右のいずれかのろ過壁を通過して出口へと導かれる構造となっている。
【０００５】
例えば、特許文献１はＤＰＦのフィルターユニットの前方に金属円板を設けることにより、フィルターユニットの最外周の環状の排気ガス通路からフィルター外周へ透過する排気ガス流速のバラツキを平準化し、パティキュレートの捕集効率の向上を図ることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９６３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、ＤＰＦには、ＰＭ燃焼後に当該ＤＰＦのフィルターユニットを構成するフィルターセルにクラックが発生し、当該ＤＰＦの寿命が短縮するという課題がある。
本発明は、上述の状況の下で成されたものであり、その目的は、当該課題が解決された長寿命のＤＰＦを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、上述の課題を解決するため研究を行った。
そして、ＤＰＦ寿命を短縮させるフィルターセルのクラック発生の原因が、フィルターセル内に灰分が堆積する為であること。さらに、当該灰分が、フィルターセル内に不均一に堆積することが原因であるという画期的な知見を得た。具体的には、主に、当該フィルターセル内の入口側から見て奥部にあたる出口側に、灰分が堆積していたのである。
【０００９】
つまり、排ガス中のＰＭは、主にフィルターセル内の出口側に捕集されていたのである。そして当該捕集されたＰＭは、燃焼処理で排出されるものの、当該燃焼処理時にエンジン潤滑油中に含まれる金属分が灰分となり、フィルターセル内の出口側内表面の細孔に詰まる状態で残留することになる。当該灰分は過熱されやすい為、ＤＰＦが再生燃焼を繰り返すと当該灰分が過熱することになる。ここで、フィルターセル内において灰分が不均一に堆積していることから、熱のかかり方も不均一なものとなり、フィルターセルが不均一な膨張・収縮を繰り返す為、フィルターセルにクラックが発生していたのである。
【００１０】
本発明者等は、当該知見からフィルターセル内部における灰分の付着の不均一状態を解消することができれば、フィルターセルのクラック発生を抑制出来、ＤＰＦを長寿命化出来ることに想到した。
ここで本発明者等は、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させることについて研究を続けた。そして、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させる為には、その前段階として、フィルターセル内部におけるＰＭの付着の不均一状態を解消させることが肝要であること。フィルターセル内部におけるＰＭの付着の不均一状態を解消させる為には、フィルターセルの入口側から出口側に向かって、排気ガスの通過速度を均一化させることが肝要であることに想到した。
【００１１】
そして、当該排気ガスがフィルターセルを通過する速度を均一化させる為に、フィルター壁の厚みδを入口側から出口側に向かって厚くする手段、通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって下げる手段のいずれか、または、両手段を併用することで、フィルターセル内部における灰分の付着の不均一状態を解消させることが可能となり、この結果、ＤＰＦの寿命も延びることを知見し、本発明を完成した。
【００１２】
即ち、上述の課題を解決する為の第１の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Ｋが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１３】
第２の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１４】
第３の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルタ
ーである。
【００１５】
第４の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１６】
第５の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされていることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１７】
第６の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされている構成、
のいずれかの構成から選択される２つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターにおいては、排気ガス中のＰＭがフィルターセルの内側に均一に捕獲される為、燃焼処理後にフィルターセルの内側に残留する灰分の不均一を解消し、燃焼処理の際の膨張・収縮の不均一も解消した。この結果、当該ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターの寿命を延ばすことが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＤＰＦに用いられるフィルターユニットの模式的な外観である。
【図２】図１に示したフィルターユニットのＩ−Ｉ断面図の模式的な拡大図である。
【図３】図２に示したフィルターセルの単体セルの模式的な断面図である。
【図４】フィルターセルの所定位置における排気ガス流速のグラフである。
【図５】フィルターセルの所定位置における排気ガス圧力のグラフである。
【図６】フィルターセルの所定位置におけるＫの値のグラフである。
【図７】本発明に係るフィルターセルの実施形態例である。
【図８】本発明に係るフィルターセルの異なる実施形態例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明について図面を参照しながら説明する。
図１は、ＤＰＦに用いられるフィルターユニット１の模式的な外観である。図１において向かって左側が排ガスの入口側４であり、右側が出口側５である。フィルターユニット１集合体の入口側には目板２が設けられており、当該入口側の目板２には多数の穿孔３が設けられている。一方、フィルターユニット１集合体の出口側には目板６が設けられており、当該出口側の目板６にも多数の穿孔７が設けられている。
【００２１】
図２は、図１に示したフィルターユニット１におけるＩ−Ｉ断面図の模式的な拡大図である。フィルターユニット１は、流入してくる排気ガス１６が流入する多数のフィルターセル１１の集合体である。フィルターユニット１集合体の入口側４には目板２が設けられ、当該入口側の目板２には、排気ガス流入側のフィルターセル１１の位置に合わせて穿孔３が穿たれている。一方、フィルターセル１１集合体の出口側には目板６がある。当該出口側の目板６は目封じ１４となって、排気ガス流入側の各フィルターセル１１を盲管状態とする。さらにフィルターユニット１集合体の入口側４には、電気ヒーター１５が設けられ所定時間の間隔で通電される。
【００２２】
一方、複数の排気ガス流入側のフィルターセル１１が周囲を囲むことで、排気ガス流出側のフィルターセル１８が形成される。当該排気ガス流出側のフィルターセル１８は、前記排気ガス流入側のフィルターセル１１とは逆に入口側４が目板２によって目封じ１７されて盲管状態となるが、出口側は目板６に設けられた穿孔７によって開放されている。
【００２３】
入口側４から流入してくる排気ガス１６は、入口側の穿孔３を介してフィルターセル１１内に流入する。ところがフィルターセル１１は盲管状態なので、流入した排気ガス１６は、ガス透過性を有するフィルターセル壁を透過して排気ガス流出側のフィルターセル１８へ流入する。フィルターセル１８へ流入した排気ガス１９は、出口側の穿孔７を介して出口側５へ向かい流出する。
この排気ガス１６が、ガス透過性を有するフィルターセル壁を透過する際、ＰＭは当該フィルターセル壁を透過することが出来ず、排気ガス流入側のフィルターセル１１内面のフィルターセル壁に沈着する。
【００２４】
尚、本実施形態において、説明の便宜のため排気ガス流入側のフィルターセル１１、排気ガス流出側のフィルターセル１８とも直方体形状としているが、これに限られる訳ではなく、多角形柱状、円柱形状であっても良い。
【００２５】
図３は、図２に示した排気ガス流入側のフィルターセル１１の単体セル１１、および排気ガス流出側のフィルターセル１８の単体セル１８の模式的な断面図である。
以下、まず図３を参照しながら、排気ガス流入側のフィルターセルの単体セル１１によるＰＭの捕集と加熱処理、および問題点について説明する。
【００２６】
上述したように、入口側の目板２に設けられた穿孔３から、出口側の目封じ１４によって盲管状態となったフィルターセル１１に流入した排気ガス１６は、ガス透過性を有するフィルターセル壁１２を透過して排気ガス流出側のフィルターセル１８へ流入し、出口５
へ向かう。この排気ガス１６が、フィルターセル壁１２を透過する際、排気ガス１６中のガス成分は、ここを透過出来るが、ＰＭ２５は透過出来ずにフィルターセル壁１２の内表面に捕獲される。当該ＰＭ２５の捕獲により、排気ガス１９はガス成分のみとなり出口５へ向かい流出する。
尚、図３のフィルターセル壁１２に、〈１〉〈２〉・・・・〈ｎ−２〉〈ｎ−１〉〈ｎ〉の符号が付与されているが、これは、後述する、フィルターセル内における排気ガスの運動モデルを説明するために用いる符号である。
【００２７】
ディーゼルエンジンが作動を続ける限り、排ガス１６は単体セル１１内に流入し続けるので、フィルターセル壁１２に沈着して捕獲されるＰＭ２５量も増加を続ける。そこで、所定時間毎にヒーター１５に通電し、ＰＭ２５を加熱する。ＰＭ２５は、殆どが炭素であるので、当該加熱により燃焼（再生燃焼）して気体の二酸化炭素となりフィルターセル壁１２を透過して行く。ところがＰＭ２５には潤滑油等に由来する金属分が含有されている。当該金属分は、ＰＭ２５が加熱燃焼して気体化する際、灰分２６としてフィルターセル壁１２の内表面の細孔に詰まる状態で残留する。
【００２８】
当該灰分２６は、通過する排気ガス１６量の増加と伴に増加し続ける。ここで、本発明者等は、当該灰分２６が、フィルターセル壁１２の内表面全体に均等に付着するのではなく、出口側５の内表面に多く、入口側４の内表面に少なく付着することを知見した。これは、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６の流速（ｕ）が出口側５にて速く、入口側４にて遅いためであると考えられる（詳細は後述する。）。
結局、フィルターセル壁１２の内表面に不均等に付着した灰分２６が、ＰＭ２５の再生燃焼の度に加熱と冷却とにより、不均一な膨張・収縮を繰り返し、排気ガス流入側のフィルターセル１１にワレが発生していたものと考えられる。
【００２９】
ここで、本発明者等が行った、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６、および、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排ガス１９の内部流動特性に関する検討結果について説明する。
［計算モデル］
排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６、および、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排ガス１９の流れを１次元非定常圧縮性とすると、連続の式（１）式、運動方程式（２）式、エネルギー式（３）式は、次のように記載される。
【００３０】
図３に示すように、排気ガス流入側のフィルターセル１１の内部の長さＬを（ｎ−１）等分し、ｎ個の格子点の排気ガス１６の流速（ｕ）、温度（Ｔ）、圧力（ｐ）の値をもとめた。このとき、ＤＰＦ周辺においては排気ガス１６および排気ガス１９の密度の変化は小さいので、当該排気ガス１６、１９を非圧縮性流体として取り扱うことが出来る。
ここで、入口側４の排気ガス流入側のフィルターセル１１入口を〈１〉点目とし、出口側５の目封じ１４の位置を〈ｎ〉：〈１０１〉点目とした。
まず、〈１〉点目はフィルターセル１１の入口であり、排気ガス１６の流速（ｕ）、温度（Ｔ）、圧力（ｐ）は所与の値である。一方、〈１０１〉点目においては、出口側の目封じ１４により目封じされているので流速（ｕ）＝０となる。
【００３１】
当該条件の下、排気ガス１６が、フィルターセル壁１２を通過する速度（ｕ）を一定とする為の要件を検討した。
【００３２】
まず、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるとして、上記（１）式〜（３）式を解いた。
具体的には、（１）式を差分式とし、〈２〉〜〈１００〉点目までの流速を求めた（尚、〈１０１〉点目は、目封じなので流速は０である。）。
その結果を図４に示す。図４は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス１６の流速（ｕ）をとったグラフである。
そしてフィルターセル壁の縦横内寸を１ｍｍ、フィルターセル長さを１０ｃｍ、入口側４にある穿孔３における排気ガス１６の圧力を０．１０６ＭＰａ、出口側５にある穿孔７における排気ガス１６の圧力を０．１ＭＰａ、フィルターセル１１内の密度（ρ）は１．２ｋｇ／ｍ３で一定、排気ガス流入側のフィルターセル１１外の排気ガス１６の排気入口側における流速を０．１２ｍ／ｓとした。
このときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排気ガス１６の流速（ｕ）を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排気ガス１９の流速（ｕ）を破線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３３】
図４より、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の流速の挙動について次のことが判明した。
（１）排気ガス流入側のフィルターセル１１における排気ガス１６の流速は、入口側４から出口側５へ向かって単調に低下し、〈１０１〉点にてゼロになる。
（２）排気ガス流出側のフィルターセル１８における排気ガス１９の流速は上述した（１）と相反し、入口側４でゼロであるが、出口側５へ向かって単調に増加する。
【００３４】
次に、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の圧力の挙動を（２）式を用いて求めた。
尚、（３）式は、温度一定の解を与えたので実質的に解かれたことになった。
その結果を図５に示す。尚、フィルターセルの各条件は、図４の場合と同様である。
図５は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス１６、１９の圧力をとったグラフであり、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排気ガス１６の圧力を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排気ガス１９の圧力を破線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３５】
図５より、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の圧力の挙動について次のことが判明した。
（１）排気ガス流入側のフィルターセル１１における排気ガス１６の圧力は、入口側４の〈１〉点における０．１０６ＭＰａから出口側５へ向かって徐々に増加する。
（２）排気ガス流出側のフィルターセル１８における、流出する排気ガス１９の圧力は、
上述した（１）と相反して出口側５へ向かって徐々に低下し、〈１０１〉点にて０．１ＭＰａ（大気圧）になる。
【００３６】
以上、図４、５より、本発明者等は、フィルターセル内の位置によらず、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度を一定にするには、フィルターセル壁の通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口に向かって減少させていけば良いことに想到した。
さらに、本発明者等は、通過係数Ｋの値の検討を行うに際し、岩石など多孔質物体の物理的性質の一つで多孔質物体内における流体の流れやすさを表現する「ダルシー則」を適用することに想到した。
当該ダルシー則を適用し、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度をＶｚと表記すると、（４）式という関係が示される。
Ｖｚ＝Ｑ／Ａ＝（κ△Ｐ／μ・δ）＝Ｋ△Ｐ・・・・・（４）式
ここで、κ：絶対浸透率（絶対通過係数）は、その多孔質物体固有のものである。そして、本発明においては、通過係数Ｋについて（５）式という関係が示される。
Ｋ＝κ／（μ・δ）・・・・（５）式
但し、Ｑ：フィルターを通過する排気ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）、Ａ：フィルターセル壁の内側の面積［フィルターセル壁の縦横内寸から算出］（ｍ２）δ：フィルターセル壁の壁厚（ｍ）、μ：排気ガス１６の粘度（Ｐａ・ｓ）。
【００３７】
ここで本発明者等は、１例として、フィルターセル壁の縦横内寸、フィルターセル長さ、入口側４にある穿孔３における排気ガス１６の圧力、出口側５にある穿孔７における排気ガス１６の圧力、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の密度（ρ）、フィルターセル１１外の排気ガス１６の排気入口側における流速を上述の条件としたときに、フィルターセル壁の通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口側に向かってどのように設定すれば、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が一定になるのかを、（４）式、（５）式を解くことで検討した。
【００３８】
当該検討結果を表１および図６に示す。
表１は、排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置ｎ＝１〜１００におけるκとδの値の計算結果を入口の値で無次元化して示した表である。また、図６は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸にＫの値をとったグラフであり、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が一定なる場合の通過係数Ｋの値を実線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３９】
図６より、上述の条件下において、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度を一定とする為には、通過係数Ｋの値を、入口側４の〈１〉点における値から出口側５へ向かって徐々に減少させていけば良いことが知見出来た。
尤も、これらの値は、エンジンの種類や運転条件によって異なる。そこで、予め、上述の方法で計算を行い、試作品を作製し空気流を用いて性能を確認するといった試作段階を経て、量産段階に移行すれば良い。
【００４０】
ここで、排気ガス１６を発生するディーゼルエンジンが、発電用ディーゼルエンジンのように運転状況が安定しているものであれば、ＤＰＦ入口圧力、温度、排気流量、大気圧力等に応じ、例えば、図６に記載する様にκとδとの値を計算して、通過係数Ｋの値を定めれば良い。
他方、排気ガス１６を発生するディーゼルエンジンが、様々な状態で作動する車両用等のディーゼルエンジンにおいては、ＰＭが多量に排出される運転条件を基準として、ＤＰＦ入口圧力、温度、排気流量、大気圧力等に応じ、例えば、図６に記載する様にκとδと
の値を計算して、通過係数Ｋの値を定めれば良い。
【００４１】
上述の検討結果より得られた、通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口側に向かって減少させていく構成を、実際のフィルターセルにおいて実現する手段として、本発明者等は次の手段に想到した。
１）フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる。
２）フィルターセル壁の壁厚δを、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる。
３）フィルターセル壁に、フィルターの通過係数Ｋを増加させるコーティングを施す。その際、当該コーティングの厚みを入口側から出口側に向かって増加させる。または、当該コーティングの材質を入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものに変えていく。
４）上記１）〜３）の手段を併用する。
【００４２】
上述の手段について、より具体的に説明する。
１）フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる手段
図７に、当該１）の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
該１）の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル１１Ｂにおいて、フィルターセル壁１２Ｂは、例えばセラミック素材で構成されている。このようにフィルターセル壁１２Ｂが、セラミック素材で構成されている場合は、フィルターセル１１Ｂの製造時に、フィルターセル壁１２Ｂの密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させる（図７においては、ドットの密度で記載している。）ことで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁１２Ｂの密度および／または充填率を変化させる方法として、セラミック生成の際の焼成条件を変化させる、セラミック生成の際の原料粉に膨潤剤等の添加剤を予め加えた上で焼成を行う、といった方法がある。
【００４３】
２）フィルターセル壁の壁厚δを、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる手段
図８に、当該２）の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
当該２）の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル１１Ｃにおいて、フィルターセル壁１２Ｃも、例えばセラミック素材で構成されている。このフィルターセル壁１２Ｃは、壁厚δが入口側から出口側に向かって増加していることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁１２Ｃの壁厚δを変化させる方法として、セラミック生成の際に用いる金型をＣＡＤ／ＣＡＭ加工する等の方法がある。
【００４４】
３）フィルターセル壁に、通過係数Ｋを減少させるコーティングを施す。その際、当該コーティングの厚みを入口側から出口側に向かって増加させる。または、当該コーティングの材質を入口側から出口側に向かって、フィルター通過係数Ｋをより大きく増加させるものに変えていく手段
当該コーティングとしては、フィルターセル壁を構成するセラミック素材より通過係数Ｋ値の低い物質、例えば、よりガラス質の高いコーティング剤を用いれば良い。
【００４５】
４）上記１）〜３）の手段を併用する手段
上述した１）〜３）の手段は単独で行っても良いが、２以上の手段を併用することも好
ましい方法である。
【００４６】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るＤＰＦにおいては、排気ガス中のＰＭがフィルターセルの内側に均一に捕獲される為、当該ＤＰＦの寿命を延ばすことが出来た。
この結果、産業用および輸送機器用等のディーゼルエンジンの保守コストを低減することが出来、産業上有効である。
【符号の説明】
【００４８】
１． フィルターユニット
２． 目板（入口側）
３． 穿孔（入口側）
６． 目板（出口側）
７． 穿孔（出口側）
１１． フィルターセル（流入側）
１１Ｂ．本発明の実施形態に係るフィルターセル（流入側）
１１Ｃ．本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル（流入側）
１２． フィルターセル壁
１２Ｂ．本発明の実施形態に係るフィルターセル壁
１２Ｃ．本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル壁
１４． 目封じ（出口側）
１５． ヒーター
１６． 排気ガス（流入側）
１７． 目封じ（入口側）
１８． フィルターセル（流出側）
１９． 排気ガス（流出側）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のカーボン等の粒子状物質（以下、「ＰＭ」と記載する場合がある。）を捕集し除去するためのディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター（以下、「ＤＰＦ」と略記載する場合がある。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気ガスは、大気汚染の大きな原因の一つであり、排気ガスに含まれる有害成分を除去する技術は極めて重要である。
なかでも、大都市で問題となっている大気汚染物質としてＰＭがある。そしてディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べてＰＭを多く排出する。
【０００３】
そこで、ディーゼルエンジン車においては、エンジン燃焼室や燃料噴射系の改善を行ったりして、ＰＭの排出を抑える努力が行われているものの、抜本的な決め手がない。そこで、排気経路にＤＰＦを設置し、ディーゼルエンジンで生成するＰＭを当該フィルターによって後処理的に捕集し、これを燃焼して除去する技術が最も実用的であると考えられ、検討が続けられている。
【０００４】
上記ＤＰＦの代表的な例として、ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターがある。ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターは、複数のフィルターセルの集合体であり、隣接するフィルターセルの入口側と出口側とを交互に目封じしたもので、排出ガスは当該フィルターセル間を分離する上下左右のいずれかのろ過壁を通過して出口へと導かれる構造となっている。
【０００５】
例えば、特許文献１はＤＰＦのフィルターユニットの前方に金属円板を設けることにより、フィルターユニットの最外周の環状の排気ガス通路からフィルター外周へ透過する排気ガス流速のバラツキを平準化し、パティキュレートの捕集効率の向上を図ることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９６３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、ＤＰＦには、ＰＭ燃焼後に当該ＤＰＦのフィルターユニットを構成するフィルターセルにクラックが発生し、当該ＤＰＦの寿命が短縮するという課題がある。
本発明は、上述の状況の下で成されたものであり、その目的は、当該課題が解決された長寿命のＤＰＦを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、上述の課題を解決するため研究を行った。
そして、ＤＰＦ寿命を短縮させるフィルターセルのクラック発生の原因が、フィルターセル内に灰分が堆積する為であること。さらに、当該灰分が、フィルターセル内に不均一に堆積することが原因であるという画期的な知見を得た。具体的には、主に、当該フィルターセル内の入口側から見て奥部にあたる出口側に、灰分が堆積していたのである。
【０００９】
つまり、排ガス中のＰＭは、主にフィルターセル内の出口側に捕集されていたのである。そして当該捕集されたＰＭは、燃焼処理で排出されるものの、当該燃焼処理時にエンジン潤滑油中に含まれる金属分が灰分となり、フィルターセル内の出口側内表面の細孔に詰まる状態で残留することになる。当該灰分は過熱されやすい為、ＤＰＦが再生燃焼を繰り返すと当該灰分が過熱することになる。ここで、フィルターセル内において灰分が不均一に堆積していることから、熱のかかり方も不均一なものとなり、フィルターセルが不均一な膨張・収縮を繰り返す為、フィルターセルにクラックが発生していたのである。
【００１０】
本発明者等は、当該知見からフィルターセル内部における灰分の付着の不均一状態を解消することができれば、フィルターセルのクラック発生を抑制出来、ＤＰＦを長寿命化出来ることに想到した。
ここで本発明者等は、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させることについて研究を続けた。そして、フィルターセル内部において灰分の付着の不均一状態を解消させる為には、その前段階として、フィルターセル内部におけるＰＭの付着の不均一状態を解消させることが肝要であること。フィルターセル内部におけるＰＭの付着の不均一状態を解消させる為には、フィルターセルの入口側から出口側に向かって、排気ガスの通過速度を均一化させることが肝要であることに想到した。
【００１１】
そして、当該排気ガスがフィルターセルを通過する速度を均一化させる為に、フィルター壁の厚みδを入口側から出口側に向かって厚くする手段、通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって下げる手段のいずれか、または、両手段を併用することで、フィルターセル内部における灰分の付着の不均一状態を解消させることが可能となり、この結果、ＤＰＦの寿命も延びることを知見し、本発明を完成した。
【００１２】
即ち、上述の課題を解決する為の第１の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Ｋが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１３】
第２の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１４】
第３の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルタ
ーである。
【００１５】
第４の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１６】
第５の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされていることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【００１７】
第６の発明は、
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされている構成、
のいずれかの構成から選択される２つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターにおいては、排気ガス中のＰＭがフィルターセルの内側に均一に捕獲される為、燃焼処理後にフィルターセルの内側に残留する灰分の不均一を解消し、燃焼処理の際の膨張・収縮の不均一も解消した。この結果、当該ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターの寿命を延ばすことが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＤＰＦに用いられるフィルターユニットの模式的な外観である。
【図２】図１に示したフィルターユニットのＩ−Ｉ断面図の模式的な拡大図である。
【図３】図２に示したフィルターセルの単体セルの模式的な断面図である。
【図４】フィルターセルの所定位置における排気ガス流速のグラフである。
【図５】フィルターセルの所定位置における排気ガス圧力のグラフである。
【図６】フィルターセルの所定位置におけるＫの値のグラフである。
【図７】本発明に係るフィルターセルの実施形態例である。
【図８】本発明に係るフィルターセルの異なる実施形態例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明について図面を参照しながら説明する。
図１は、ＤＰＦに用いられるフィルターユニット１の模式的な外観である。図１において向かって左側が排ガスの入口側４であり、右側が出口側５である。フィルターユニット１集合体の入口側には目板２が設けられており、当該入口側の目板２には多数の穿孔３が設けられている。一方、フィルターユニット１集合体の出口側には目板６が設けられており、当該出口側の目板６にも多数の穿孔７が設けられている。
【００２１】
図２は、図１に示したフィルターユニット１におけるＩ−Ｉ断面図の模式的な拡大図である。フィルターユニット１は、流入してくる排気ガス１６が流入する多数のフィルターセル１１の集合体である。フィルターユニット１集合体の入口側４には目板２が設けられ、当該入口側の目板２には、排気ガス流入側のフィルターセル１１の位置に合わせて穿孔３が穿たれている。一方、フィルターセル１１集合体の出口側には目板６がある。当該出口側の目板６は目封じ１４となって、排気ガス流入側の各フィルターセル１１を盲管状態とする。さらにフィルターユニット１集合体の入口側４には、電気ヒーター１５が設けられ所定時間の間隔で通電される。
【００２２】
一方、複数の排気ガス流入側のフィルターセル１１が周囲を囲むことで、排気ガス流出側のフィルターセル１８が形成される。当該排気ガス流出側のフィルターセル１８は、前記排気ガス流入側のフィルターセル１１とは逆に入口側４が目板２によって目封じ１７されて盲管状態となるが、出口側は目板６に設けられた穿孔７によって開放されている。
【００２３】
入口側４から流入してくる排気ガス１６は、入口側の穿孔３を介してフィルターセル１１内に流入する。ところがフィルターセル１１は盲管状態なので、流入した排気ガス１６は、ガス透過性を有するフィルターセル壁を透過して排気ガス流出側のフィルターセル１８へ流入する。フィルターセル１８へ流入した排気ガス１９は、出口側の穿孔７を介して出口側５へ向かい流出する。
この排気ガス１６が、ガス透過性を有するフィルターセル壁を透過する際、ＰＭは当該フィルターセル壁を透過することが出来ず、排気ガス流入側のフィルターセル１１内面のフィルターセル壁に沈着する。
【００２４】
尚、本実施形態において、説明の便宜のため排気ガス流入側のフィルターセル１１、排気ガス流出側のフィルターセル１８とも直方体形状としているが、これに限られる訳ではなく、多角形柱状、円柱形状であっても良い。
【００２５】
図３は、図２に示した排気ガス流入側のフィルターセル１１の単体セル１１、および排気ガス流出側のフィルターセル１８の単体セル１８の模式的な断面図である。
以下、まず図３を参照しながら、排気ガス流入側のフィルターセルの単体セル１１によるＰＭの捕集と加熱処理、および問題点について説明する。
【００２６】
上述したように、入口側の目板２に設けられた穿孔３から、出口側の目封じ１４によって盲管状態となったフィルターセル１１に流入した排気ガス１６は、ガス透過性を有するフィルターセル壁１２を透過して排気ガス流出側のフィルターセル１８へ流入し、出口５
へ向かう。この排気ガス１６が、フィルターセル壁１２を透過する際、排気ガス１６中のガス成分は、ここを透過出来るが、ＰＭ２５は透過出来ずにフィルターセル壁１２の内表面に捕獲される。当該ＰＭ２５の捕獲により、排気ガス１９はガス成分のみとなり出口５へ向かい流出する。
尚、図３のフィルターセル壁１２に、〈１〉〈２〉・・・・〈ｎ−２〉〈ｎ−１〉〈ｎ〉の符号が付与されているが、これは、後述する、フィルターセル内における排気ガスの運動モデルを説明するために用いる符号である。
【００２７】
ディーゼルエンジンが作動を続ける限り、排ガス１６は単体セル１１内に流入し続けるので、フィルターセル壁１２に沈着して捕獲されるＰＭ２５量も増加を続ける。そこで、所定時間毎にヒーター１５に通電し、ＰＭ２５を加熱する。ＰＭ２５は、殆どが炭素であるので、当該加熱により燃焼（再生燃焼）して気体の二酸化炭素となりフィルターセル壁１２を透過して行く。ところがＰＭ２５には潤滑油等に由来する金属分が含有されている。当該金属分は、ＰＭ２５が加熱燃焼して気体化する際、灰分２６としてフィルターセル壁１２の内表面の細孔に詰まる状態で残留する。
【００２８】
当該灰分２６は、通過する排気ガス１６量の増加と伴に増加し続ける。ここで、本発明者等は、当該灰分２６が、フィルターセル壁１２の内表面全体に均等に付着するのではなく、出口側５の内表面に多く、入口側４の内表面に少なく付着することを知見した。これは、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６の流速（ｕ）が出口側５にて速く、入口側４にて遅いためであると考えられる（詳細は後述する。）。
結局、フィルターセル壁１２の内表面に不均等に付着した灰分２６が、ＰＭ２５の再生燃焼の度に加熱と冷却とにより、不均一な膨張・収縮を繰り返し、排気ガス流入側のフィルターセル１１にワレが発生していたものと考えられる。
【００２９】
ここで、本発明者等が行った、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６、および、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排ガス１９の内部流動特性に関する検討結果について説明する。
［計算モデル］
排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排ガス１６、および、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排ガス１９の流れを１次元非定常圧縮性とすると、連続の式（１）式、運動方程式（２）式、エネルギー式（３）式は、次のように記載される。
【００３０】
図３に示すように、排気ガス流入側のフィルターセル１１の内部の長さＬを（ｎ−１）等分し、ｎ個の格子点の排気ガス１６の流速（ｕ）、温度（Ｔ）、圧力（ｐ）の値をもとめた。このとき、ＤＰＦ周辺においては排気ガス１６および排気ガス１９の密度の変化は小さいので、当該排気ガス１６、１９を非圧縮性流体として取り扱うことが出来る。
ここで、入口側４の排気ガス流入側のフィルターセル１１入口を〈１〉点目とし、出口側５の目封じ１４の位置を〈ｎ〉：〈１０１〉点目とした。
まず、〈１〉点目はフィルターセル１１の入口であり、排気ガス１６の流速（ｕ）、温度（Ｔ）、圧力（ｐ）は所与の値である。一方、〈１０１〉点目においては、出口側の目封じ１４により目封じされているので流速（ｕ）＝０となる。
【００３１】
当該条件の下、排気ガス１６が、フィルターセル壁１２を通過する速度（ｕ）を一定とする為の要件を検討した。
【００３２】
まず、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるとして、上記（１）式〜（３）式を解いた。
具体的には、（１）式を差分式とし、〈２〉〜〈１００〉点目までの流速を求めた（尚、〈１０１〉点目は、目封じなので流速は０である。）。
その結果を図４に示す。図４は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス１６の流速（ｕ）をとったグラフである。
そしてフィルターセル壁の縦横内寸を１ｍｍ、フィルターセル長さを１０ｃｍ、入口側４にある穿孔３における排気ガス１６の圧力を０．１０６ＭＰａ、出口側５にある穿孔７における排気ガス１６の圧力を０．１ＭＰａ、フィルターセル１１内の密度（ρ）は１．２ｋｇ／ｍ３で一定、排気ガス流入側のフィルターセル１１外の排気ガス１６の排気入口側における流速を０．１２ｍ／ｓとした。
このときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排気ガス１６の流速（ｕ）を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排気ガス１９の流速（ｕ）を破線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３３】
図４より、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の流速の挙動について次のことが判明した。
（１）排気ガス流入側のフィルターセル１１における排気ガス１６の流速は、入口側４から出口側５へ向かって単調に低下し、〈１０１〉点にてゼロになる。
（２）排気ガス流出側のフィルターセル１８における排気ガス１９の流速は上述した（１）と相反し、入口側４でゼロであるが、出口側５へ向かって単調に増加する。
【００３４】
次に、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の圧力の挙動を（２）式を用いて求めた。
尚、（３）式は、温度一定の解を与えたので実質的に解かれたことになった。
その結果を図５に示す。尚、フィルターセルの各条件は、図４の場合と同様である。
図５は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸に排気ガス１６、１９の圧力をとったグラフであり、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の排気ガス１６の圧力を実線で当該グラフにプロットし、排気ガス流出側のフィルターセル１８内の排気ガス１９の圧力を破線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３５】
図５より、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が、一定であるときの、排気ガス流入側のフィルターセル１１および排気ガス流出側のフィルターセル１８における、排気ガス１６、１９の圧力の挙動について次のことが判明した。
（１）排気ガス流入側のフィルターセル１１における排気ガス１６の圧力は、入口側４の〈１〉点における０．１０６ＭＰａから出口側５へ向かって徐々に増加する。
（２）排気ガス流出側のフィルターセル１８における、流出する排気ガス１９の圧力は、
上述した（１）と相反して出口側５へ向かって徐々に低下し、〈１０１〉点にて０．１ＭＰａ（大気圧）になる。
【００３６】
以上、図４、５より、本発明者等は、フィルターセル内の位置によらず、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度を一定にするには、フィルターセル壁の通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口に向かって減少させていけば良いことに想到した。
さらに、本発明者等は、通過係数Ｋの値の検討を行うに際し、岩石など多孔質物体の物理的性質の一つで多孔質物体内における流体の流れやすさを表現する「ダルシー則」を適用することに想到した。
当該ダルシー則を適用し、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度をＶｚと表記すると、（４）式という関係が示される。
Ｖｚ＝Ｑ／Ａ＝（κ△Ｐ／μ・δ）＝Ｋ△Ｐ・・・・・（４）式
ここで、κ：絶対浸透率（絶対通過係数）は、その多孔質物体固有のものである。そして、本発明においては、通過係数Ｋについて（５）式という関係が示される。
Ｋ＝κ／（μ・δ）・・・・（５）式
但し、Ｑ：フィルターを通過する排気ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）、Ａ：フィルターセル壁の内側の面積［フィルターセル壁の縦横内寸から算出］（ｍ２）δ：フィルターセル壁の壁厚（ｍ）、μ：排気ガス１６の粘度（Ｐａ・ｓ）。
【００３７】
ここで本発明者等は、１例として、フィルターセル壁の縦横内寸、フィルターセル長さ、入口側４にある穿孔３における排気ガス１６の圧力、出口側５にある穿孔７における排気ガス１６の圧力、排気ガス流入側のフィルターセル１１内の密度（ρ）、フィルターセル１１外の排気ガス１６の排気入口側における流速を上述の条件としたときに、フィルターセル壁の通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口側に向かってどのように設定すれば、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が一定になるのかを、（４）式、（５）式を解くことで検討した。
【００３８】
当該検討結果を表１および図６に示す。
表１は、排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置ｎ＝１〜１００におけるκとδの値の計算結果を入口の値で無次元化して示した表である。また、図６は、横軸に排気ガス流入側のフィルターセル１１における入口からの位置を示す点の符号をとり、縦軸にＫの値をとったグラフであり、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度が一定なる場合の通過係数Ｋの値を実線で当該グラフにプロットしたものである。
【００３９】
図６より、上述の条件下において、排気ガス１６がフィルターセル壁１２を通過する速度を一定とする為には、通過係数Ｋの値を、入口側４の〈１〉点における値から出口側５へ向かって徐々に減少させていけば良いことが知見出来た。
尤も、これらの値は、エンジンの種類や運転条件によって異なる。そこで、予め、上述の方法で計算を行い、試作品を作製し空気流を用いて性能を確認するといった試作段階を経て、量産段階に移行すれば良い。
【００４０】
ここで、排気ガス１６を発生するディーゼルエンジンが、発電用ディーゼルエンジンのように運転状況が安定しているものであれば、ＤＰＦ入口圧力、温度、排気流量、大気圧力等に応じ、例えば、図６に記載する様にκとδとの値を計算して、通過係数Ｋの値を定めれば良い。
他方、排気ガス１６を発生するディーゼルエンジンが、様々な状態で作動する車両用等のディーゼルエンジンにおいては、ＰＭが多量に排出される運転条件を基準として、ＤＰＦ入口圧力、温度、排気流量、大気圧力等に応じ、例えば、図６に記載する様にκとδと
の値を計算して、通過係数Ｋの値を定めれば良い。
【００４１】
上述の検討結果より得られた、通過係数Ｋの値をフィルターセルにおける入口側から出口側に向かって減少させていく構成を、実際のフィルターセルにおいて実現する手段として、本発明者等は次の手段に想到した。
１）フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる。
２）フィルターセル壁の壁厚δを、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる。
３）フィルターセル壁に、フィルターの通過係数Ｋを増加させるコーティングを施す。その際、当該コーティングの厚みを入口側から出口側に向かって増加させる。または、当該コーティングの材質を入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものに変えていく。
４）上記１）〜３）の手段を併用する。
【００４２】
上述の手段について、より具体的に説明する。
１）フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる手段
図７に、当該１）の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
該１）の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル１１Ｂにおいて、フィルターセル壁１２Ｂは、例えばセラミック素材で構成されている。このようにフィルターセル壁１２Ｂが、セラミック素材で構成されている場合は、フィルターセル１１Ｂの製造時に、フィルターセル壁１２Ｂの密度および／または充填率を、入口側から出口側に向かって増加させる（図７においては、ドットの密度で記載している。）ことで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁１２Ｂの密度および／または充填率を変化させる方法として、セラミック生成の際の焼成条件を変化させる、セラミック生成の際の原料粉に膨潤剤等の添加剤を予め加えた上で焼成を行う、といった方法がある。
【００４３】
２）フィルターセル壁の壁厚δを、入口側から出口側に向かって増加させることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させる手段
図８に、当該２）の手段に係るフィルターセルの実施形態例を示す。
当該２）の手段に係る排気ガス流入側のフィルターセル１１Ｃにおいて、フィルターセル壁１２Ｃも、例えばセラミック素材で構成されている。このフィルターセル壁１２Ｃは、壁厚δが入口側から出口側に向かって増加していることで、フィルターセル壁の通過係数Ｋを入口側から出口側に向かって減少させることが出来る。
ここで、フィルターセル壁１２Ｃの壁厚δを変化させる方法として、セラミック生成の際に用いる金型をＣＡＤ／ＣＡＭ加工する等の方法がある。
【００４４】
３）フィルターセル壁に、通過係数Ｋを減少させるコーティングを施す。その際、当該コーティングの厚みを入口側から出口側に向かって増加させる。または、当該コーティングの材質を入口側から出口側に向かって、フィルター通過係数Ｋをより大きく増加させるものに変えていく手段
当該コーティングとしては、フィルターセル壁を構成するセラミック素材より通過係数Ｋ値の低い物質、例えば、よりガラス質の高いコーティング剤を用いれば良い。
【００４５】
４）上記１）〜３）の手段を併用する手段
上述した１）〜３）の手段は単独で行っても良いが、２以上の手段を併用することも好
ましい方法である。
【００４６】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るＤＰＦにおいては、排気ガス中のＰＭがフィルターセルの内側に均一に捕獲される為、当該ＤＰＦの寿命を延ばすことが出来た。
この結果、産業用および輸送機器用等のディーゼルエンジンの保守コストを低減することが出来、産業上有効である。
【符号の説明】
【００４８】
１． フィルターユニット
２． 目板（入口側）
３． 穿孔（入口側）
６． 目板（出口側）
７． 穿孔（出口側）
１１． フィルターセル（流入側）
１１Ｂ．本発明の実施形態に係るフィルターセル（流入側）
１１Ｃ．本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル（流入側）
１２． フィルターセル壁
１２Ｂ．本発明の実施形態に係るフィルターセル壁
１２Ｃ．本発明の異なる実施形態に係るフィルターセル壁
１４． 目封じ（出口側）
１５． ヒーター
１６． 排気ガス（流入側）
１７． 目封じ（入口側）
１８． フィルターセル（流出側）
１９． 排気ガス（流出側）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Ｋが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項２】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項３】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項４】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項５】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされていることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項６】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされている構成、
のいずれかの構成から選択される２つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項１】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の通過係数Ｋが、当該フィルターの入口側から出口側に向かって減少しているものであることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項２】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項３】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項４】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加していることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項５】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされていることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【請求項６】
ディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルターであって、当該フィルターにおいて、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側のフィルターセルを流入側フィルターセルとし、ディーゼルエンジン排気ガスが流入する側を入口側、流出する側を出口側とするとき、
当該流入側フィルターセル壁を構成する素材の密度および／または充填率が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁の壁厚が、入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの厚みが入口側から出口側に向かって増加している構成、
当該流入側フィルターセル壁に、当該フィルターセル壁の通過係数Ｋを減少させるコーティングが施され、当該コーティングの材質が入口側から出口側に向かって、通過係数Ｋをより減少させるものがコーティングされている構成、
のいずれかの構成から選択される２つ以上の構成を備えることを特徴とするディーゼルエンジン用ウォールフローハニカム型パティキュレートフィルター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−３８４１０（Ｐ２０１１−３８４１０Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８３８６７（Ｐ２００９−１８３８６７）
【出願日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
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