排气净化过滤器.pdf

一种适于配置在内燃机排气通路内的、用于捕集排气中所含的粒子状物质的排气净化过滤器(4)，具备：交替地配置的排气流入通路(5i)以及排气流出通路(5o)；和将排气流入通路以及排气流出通路相互隔开的多孔性的隔壁(6)。在隔壁的上游侧划分有细孔区域(CZ)，并且，在隔壁的下游侧划分有粗孔区域(NCZ)。粗孔区域中的隔壁的平均细孔径被设定得比细孔区域中的隔壁的平均细孔径大，并且，被设定成排气中所含的灰分能够通过隔壁。排气净化过滤器具备促进构件(8)，所述促进构件(8)促进流入到排气流入通路内的排气通过细孔区域中的隔壁而向排气流出通路内流入。

权利要求书
1.  一种排气净化过滤器，是适于配置在内燃机排气通路内的、用于捕集排气中所含的粒子状物质的排气净化过滤器，具备：
交替地配置的排气流入通路以及排气流出通路；和
将这些排气流入通路以及排气流出通路相互隔开的多孔性的隔壁，
在隔壁的上游侧划分有细孔区域，并且，在隔壁的下游侧划分有粗孔区域，
粗孔区域中的隔壁的平均细孔径被设定得比细孔区域中的隔壁的平均细孔径大，并且被设定成排气中所含的灰分能够通过隔壁，
所述排气净化过滤器还具备促进构件，所述促进构件促进流入到排气流入通路内的排气通过细孔区域中的隔壁而向排气流出通路内流入。

2.  根据权利要求1所述的排气净化过滤器，在所述细孔区域中，隔壁的基材表面被平均细孔径比基材的平均细孔径小的涂层覆盖，在所述粗孔区域中，隔壁的基材表面没有被所述涂层覆盖。

3.  根据权利要求2所述的排气净化过滤器，所述涂层被设置为从与所述排气流入通路面对的基材表面向排气流入通路内部突出，所述促进构件由该涂层构成。

4.  根据权利要求3所述的排气净化过滤器，所述涂层具有凹沟槽。

5.  根据权利要求1～4的任一项所述的排气净化过滤器，所述促进构件具备壁构件，所述壁构件在所述细孔区域中在排气流入通路内沿着隔壁延伸。

6.  根据权利要求1～5的任一项所述的排气净化过滤器，所述促进构件具备引导构件，所述引导构件在所述细孔区域中将排气流入通路内的排气向隔壁引导。

7.  根据权利要求1～6的任一项所述的排气净化过滤器，所述促进构件具备配置在排气流入通路的入口的节流件。

说明书排气净化过滤器
技术领域
本发明涉及排气净化过滤器。
背景技术
公知在排气通路内配置了用于捕集排气中的粒子状物质的颗粒过滤器(particulate filter)的压燃式内燃机。颗粒过滤器具备：交替地配置的排气流入通路以及排气流出通路；和将这些排气流入通路以及排气流出通路相互隔开的多孔性的隔壁，排气流入通路的下游端被下游侧塞子闭塞，排气流出通路的上游端被上游侧塞子闭塞。因此，排气首先向排气流入通路内流入，接着通过周围的隔壁内而向相邻的排气流出通路内流出。其结果，排气中的粒子状物质在隔壁上被捕集，抑制了向大气中放出。
但是，若颗粒过滤器上的粒子状物质的量变多，则颗粒过滤器的压力损失逐渐变大。其结果，有可能内燃机输出功率降低。因此，在该内燃机中，进行PM除去处理，所述PM除去处理是一边将颗粒过滤器维持在氧化气氛中一边使颗粒过滤器的温度上升，由此使粒子状物质燃烧而从颗粒过滤器除去。
但是，排气中含有被称为灰分的不燃性成分，该灰分与粒子状物质一起被颗粒过滤器捕集。但是，即使进行PM除去处理，灰分也不燃烧或不气化，残留在颗粒过滤器上。因此，随着内燃机运转时间变长，颗粒过滤器上的灰分量逐渐增大，颗粒过滤器的压力损失逐渐变大。其结果，即使反复进行PM除去处理，也有可能内燃机输出功率降低。
因此，公知在下游侧塞子上形成贯通孔，使灰分经由贯通孔从颗粒过滤器流出的颗粒过滤器(参照专利文献1)。在该专利文献1中，若内燃机运转时间变长，则贯通孔被粒子状物质闭塞。若贯通孔被闭塞，则颗粒 过滤器与不具有贯通孔的以往的颗粒过滤器同样地不能够捕集粒子状物质。接着，若进行PM除去处理，则将贯通孔闭塞的粒子状物质被除去，贯通孔被开放。其结果，颗粒过滤器上的灰分经由贯通孔从颗粒过滤器排出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:特开2004-130229号公报
发明内容
但是，在专利文献1中，从内燃机运转开始或从PM除去处理结束开始到贯通孔被闭塞的期间，粒子状物质会经由贯通孔从颗粒过滤器流出。而且，在专利文献1中，贯通孔的直径被设定为0.2mm以上，这样大的直径的贯通孔被粒子状物质闭塞需要相当长的时间。该情况意味着经由贯通孔从颗粒过滤器流出的粒子状物质的量相当多。
本发明的目的在于，提供能够切实地捕集粒子状物质并且抑制排气净化过滤器的压力损失由于灰分而增大的排气净化过滤器。
根据本发明，提供一种排气净化过滤器，其是适于配置在内燃机排气通路内的、用于捕集排气中所含的粒子状物质的排气净化过滤器，具备：交替地配置的排气流入通路以及排气流出通路；和将这些排气流入通路以及排气流出通路相互隔开的多孔性的隔壁，在隔壁的上游侧划分有细孔区域，并且，在隔壁的下游侧划分有粗孔区域，粗孔区域中的隔壁的平均细孔径被设定得比细孔区域中的隔壁的平均细孔径大，并且被设定成排气中所含的灰分能够通过隔壁，所述排气净化过滤器还具备促进构件，所述促进构件促进流入到排气流入通路内的排气通过细孔区域中的隔壁而向排气流出通路内流入。
优选：在上述细孔区域中，隔壁的基材表面被平均细孔径比基材的平均细孔径小的涂层覆盖，在上述粗孔区域中，隔壁的基材表面没有被所述涂层覆盖。进一步优选：上述涂层被设置为从与上述排气流入通路面对的 基材表面向排气流入通路内部突出，上述促进构件由该涂层构成。进一步优选上述涂层具有凹沟槽。
优选：上述促进构件具备壁构件，所述壁构件在所述细孔区域中在排气流入通路内沿着隔壁延伸。
优选：上述促进构件具备引导构件，所述引导构件在上述细孔区域中将排气流入通路内的排气向隔壁引导。
优选：上述促进构件具备配置在排气流入通路的入口的节流件。
本发明能够切实地捕集粒子状物质，并且抑制排气净化过滤器的压力损失由于灰分而增大。
附图说明
图1是本发明的实施例的内燃机的整体图。
图2A是颗粒过滤器的主视图。
图2B是颗粒过滤器的侧面剖面图。
图3是隔壁的局部放大剖面图。
图4是颗粒过滤器的排气入口侧的局部放大端面图。
图5是涂层的局部放大剖面图。
图6是说明颗粒过滤器的作用的概略图。
图7是表示本发明的另一实施例的隔壁的局部放大剖面略图。
图8A是表示本发明的另一实施例的颗粒过滤器的局部放大剖面图。
图8B是图8A所示的实施例中的颗粒过滤器的排气入口侧的局部放大端面图。
图9A是表示本发明的另一实施例的颗粒过滤器的局部放大剖面图。
图9B是图9A中所示的实施例中的颗粒过滤器的局部放大立体图。
图10A是表示本发明的另一实施例的颗粒过滤器的局部放大剖面图。
图10B是说明图10A中所示的实施例中的排气流动的图。
图11A是表示本发明的另一实施例的颗粒过滤器的主视图。
图11B是图11A中所示的实施例中的颗粒过滤器的侧面剖面图。
具体实施方式
参照图1，1表示内燃机的主体、2表示吸气通路、3表示排气通路、4表示配置在排气通路3内的排气净化过滤器。在图1所示的实施例中，排气净化过滤器4由壁流型颗粒过滤器构成。另外，在图1所示的实施例中，内燃机为压燃式内燃机。在另一实施例中，为火花点火式内燃机。
图2A以及图2B示出颗粒过滤器4的结构。再者，图2A表示颗粒过滤器4的主视图，图2B表示颗粒过滤器4的侧面剖面图。如图2A以及图2B所示，颗粒过滤器4为蜂窝结构，具备相互平行地延伸的多个排气流通路5i、5o，和将这些排气流通路5i、5o相互隔开的隔壁6。在图2A所示的实施例中，排气流通路5i、5o，由上游端开放并且下游端被塞子7d闭塞的排气流入通路5i、和上游端被塞子7u闭塞并且下游端开放的排气流出通路5o构成。再者，在图2A中带有阴影线的部分表示塞子7u。因此，排气流入通路5i以及排气流出通路5o隔着薄壁的隔壁6交替地配置。换言之，排气流入通路5i以及排气流出通路5o被配置成：各排气流入通路5i被4个排气流出通路5o包围，各排气流出通路5o被4个排气流入通路5i包围。在另一实施例中，排气流通路由上游端以及下游端开放的排气流入通路、和上游端被塞子闭塞并且下游端开放的排气流出通路构成。
如图2B所示，在隔壁6上划分有涂布区域CZ、和位于涂布区域CZ的下游侧的非涂布区域NCZ。如图3所示，在涂布区域CZ中，隔壁6的基材6s的表面被涂层8覆盖。与此相对，在非涂布区域NCZ中，隔壁基材6s的表面没有被上述的涂层8覆盖。
如图3以及图4所示，涂层8被设置为从与排气流入通路5i面对的隔壁基材6s的一表面向排气流入通路5i的内部突出。
在图2B所示的实施例中，涂布区域CZ的上游边缘与隔壁6的上游端大体一致。在另一实施例中，涂布区域CZ的上游边缘位于隔壁6的上游端的下游侧。另外，在图2B所示的实施例中，非涂布区域NCZ的下游边缘与隔壁6的下游端大体一致。在另一实施例中，非涂布区域NCZ的下 游边缘位于隔壁6的下游端的上游侧。涂布区域CZ的长度方向的长度被设定为颗粒过滤器4的长度方向的长度的例如50％～90％。
隔壁基材6s由多孔质材料、例如堇青石、碳化硅、氮化硅、氧化锆、二氧化钛、氧化铝、二氧化硅、莫来石、硅酸铝锂、磷酸锆之类的陶瓷形成。
另一方面，涂层8如图5所示由多个粒子9形成，在粒子9彼此之间具有多个间隙或细孔10。因此，涂层8具有多孔性。因此，如图2B中箭头所示，排气首先向排气流入通路5i内流入，接着通过周围的隔壁6内，向相邻的排气流出通路5o内流出。
在图5所示的实施例中，粒子9由具有氧化功能的金属构成。作为具有氧化功能的金属，能够使用铂Pt、铑Rh、钯Pd之类的铂族金属、铜Cu、铁Fe、银Ag、铯Cs之类的金属。在另一实施例中，粒子9由与隔壁基材6s同样的陶瓷构成。在另一实施例中，粒子9由陶瓷和金属中的一者或两者构成。
隔壁基材6s的平均细孔径被设定为25μm以上且100μm以下。本申请发明人已确认出：当隔壁基材6s的平均细孔径为25μm以上时，排气中所含的灰分的大部分能够通过隔壁6。因此，换言之，在非涂布区域NCZ中设定隔壁6的细孔径使得排气中所含的灰分能够通过隔壁6。再者，若考虑粒子状物质的平均粒径比灰分的平均粒径小，则能够想到在非涂布区域NCZ中设定隔壁6的细孔径使得粒子状物质以及灰分能够通过隔壁6。
涂层8的平均细孔径被设定得比隔壁基材6s的平均细孔径小。具体地说，涂层8的平均细孔径被设定成涂层8能够捕集排气中所含的粒子状物质。进而，粒子9(二次粒子)的平均粒径被设定为1μm以上且10μm以下。当粒子9的平均粒径小于1μm时，通过涂层8的粒子状物质的量比容许量多。另外，当粒子9的平均粒径大于10μm时，颗粒过滤器4和/或涂层8的压力损失比容许值大。
因此，在本发明的实施例中，在隔壁6的上游侧划分有细孔区域，并且，在隔壁6的下游侧划分有粗孔区域，粗孔区域中的隔壁6的平均细孔 径被设定得比细孔区域中的隔壁6的平均细孔径大，并且被设定成排气中所含的灰分能够通过隔壁6。而且，在图2以及图3所示的实施例中，细孔区域由涂布区域CZ构成，粗孔区域由非涂布区域NCZ构成。
再者，在本发明的实施例中，隔壁基材的细孔的平均孔径意指通过水银压入法得到的细孔径分布的中值直径(50％直径)，粒子的平均粒径意指通过激光衍射-散射法得到的体积基准的粒度分布的中值直径(50％直径)。
在排气中主要含有由固体碳形成的粒子状物质。该粒子状物质在颗粒过滤器4上被捕集。
另外，在排气中也含有灰分，该灰分也与粒子状物质一起被颗粒过滤器4捕集。本申请发明人已确认出：该灰分主要由硫酸钙CaSO4、磷酸锌钙Ca19ZN2(PO4)14之类的钙盐形成。钙Ca、锌Zn、磷P等来自于内燃机润滑油，硫S来自于燃料。即，以硫酸钙CaSO4为例进行说明，内燃机润滑油流入到燃烧室2内进行燃烧，润滑油中的钙Ca与燃料中的硫S结合，由此生成硫酸钙CaSO4。
本申请发明人已确认出：在将平均细孔径为10μm～25μm左右且不具有涂层8的以往的颗粒过滤器，换言之，灰分几乎不能通过的颗粒过滤器配置在内燃机排气通路内的情况下，存在与隔壁6的下游侧部分相比，粒子状物质向隔壁6的上游侧部分堆积的倾向，存在与隔壁6的上游侧部分相比，灰分向隔壁6的下游侧部分堆积的倾向。
因此，在本发明的实施例中，在隔壁6的上游侧设置了涂布区域CZ，在隔壁6的下游侧设置了非涂布区域NCZ。其结果，如图6所示，粒子状物质20在上游侧的涂布区域CZ中被隔壁6捕集，灰分21在下游侧的非涂布区域NCZ中通过隔壁6。因此，能够抑制粒子状物质通过颗粒过滤器4，并且抑制灰分在颗粒过滤器4中堆积。换言之，能够切实地捕集粒子状物质并且抑制颗粒过滤器4的压力损失由于灰分而增大。
另外，在图1所示的实施例中，每当在颗粒过滤器4上被捕集的粒子状物质的量变得比上限量多，就进行从颗粒过滤器4除去粒子状物质的PM 除去处理。在PM除去处理中，例如颗粒过滤器一边被维持在氧化气氛中一边使颗粒过滤器的温度上升，由此粒子状物质被燃烧。
但是，若粒子状物质在涂布区域CZ中未被隔壁6捕集而到达到非涂布区域NCZ，则粒子状物质通过非涂布区域NCZ中的隔壁6，排出到大气中。
这一点，在图3以及图4所示的实施例中，如上述那样，涂层8被设置为从与排气流入通路5i面对的隔壁基材6s的一表面向排气流入通路5i的内部突出。因此，与未设置涂层8的情况或者涂层8的厚度相当小的情况相比，能够抑制流入到排气流入通路5i内的排气向排气流入通路5i的长度轴线方向行进。或者，关于长度轴线方向的排气流入通路5i的流路阻力因涂层8而提高。其结果，能够促进排气流入通路5i内的排气通过涂布区域CZ中的隔壁6而向排气流出通路5o流出。因此，能够抑制粒子状物质通过非涂布区域NCZ中的隔壁6。
因此，颗粒过滤器4具备促进构件，所述促进构件促进流入到排气流入通路5i内的排气通过细孔区域中的隔壁6向排气流出通路5o内流入。进而，在图3以及图4所示的实施例中，促进构件由涂层8构成。
再者，在图3以及图4所示的实施例中，涂层8被设置在与排气流入通路5i面对的隔壁基材6s的一表面，而不设置在与排气流出通路5o面对的隔壁基材6s的一表面。在另一实施例中，涂层8被设置在与排气流入通路5i以及与排气流出通路5o面对的隔壁基材6s的两表面上。
图7示出本发明的另一实施例。以下说明与图3以及图4所示的实施例的不同点。
在图7所示的例子中，构成促进构件的涂层8具有凹沟槽30。因此，凹沟槽30处的涂层8的厚度变小，在凹沟槽30处隔壁6的厚度方向的流路阻力变小。其结果，与不具有凹沟槽30的例如图3的实施例相比，隔壁6的厚度方向的流路阻力小。因此，能进一步促进流入到排气流入通路5i内的排气通过涂布区域CZ中的隔壁6而向排气流出通路5o内流入。再者，凹沟槽30的开口的直径比涂层8的细孔径大。
例如如以下那样形成凹沟槽30。即，发泡剂之类的表面开口剂混合到用于形成涂层8的浆液中，与浆液一起涂布于基材上。接着，对基材进行烧成。此时，发泡剂进行发泡，由此在涂层8上形成凹沟槽30。
图8A以及图8B表示本发明的另一实施例。再者，图8A是沿着图8B的线A-A的剖面图。以下说明与图3以及图4所示的实施例的不同点。
在图8A以及图8B所示的例子中，促进构件具有在涂布区域CZ中在排气流入通路5i内沿着隔壁6延伸的壁构件40。由图8B可知，壁构件40具有在纵向上延伸的部分41和在横向上延伸的部分42。其结果，关于长度轴线方向的排气流入通路5i的流路阻力因壁构件40而提高，能够抑制流入到排气流入通路5i内的排气在排气流入通路5i的长度轴线方向上行进。其结果，能够促进排气流入通路5i内的排气通过涂布区域CZ中的隔壁6向排气流出通路5o流出。再者，在另一实施例中，壁构件40仅具有部分41、42中的任一者。
壁构件40例如由与隔壁基材6s同样的多孔质材料形成。在另一实施例中，在壁构件40上担载有催化剂。
在图8A以及图8B所示的实施例中，壁构件40仅设置在涂布区域CZ。在另一实施例中，壁构件40仅设置在非涂布区域NCZ。在另一实施例中，壁构件40设置在涂布区域CZ和非涂布区域NCZ这两者中。
另外，在图8A以及图8B所示的实施例中，涂层8被设置在与排气流入通路5i面对的隔壁基材6s的一表面，而不设置在与排气流出通路5o面对的隔壁基材6s的一表面。在另一实施例中，涂层8被设置在与排气流入通路5i以及排气流出通路5o面对的隔壁基材6s的两表面上。该情况下，促进构件具有涂层8以及壁构件40。在另一实施例中，涂层8被设置在与排气流出通路5o面对的隔壁基材6s的一表面，而不设置在与排气流入通路5i面对的隔壁基材6s的一表面。该情况下，促进构件不具有涂层8。
图9A以及图9B表示本发明的另一实施例。以下说明与图8A以及图8B所示的实施例的不同点。
在图9A以及图9B所示的例子中，促进构件具有在涂布区域CZ中将 排气流入通路5i内的排气向隔壁6引导的引导构件50。引导构件50如图9B所示，设置在排气流入通路5i内，具备：在涂层8的表面上扩展的板状的基部51；从基部51立起来的引导片52；和形成于基部51，将排气流入通路5i与隔壁6和/或涂层8连通的连通孔53。其结果，流入到排气流入通路5i内的排气冲撞引导片52，沿着引导片52行进，经由连通孔53到达隔壁6和/或涂层8。这样，能够促进排气在涂布区域CZ中通过隔壁6。再者，在图9A以及图9B所示的例子中，引导构件50未设置在非涂布区域NCZ。
图10A以及图10B表示本发明的另一实施例。以下说明与图8A以及图8B表示的实施例的不同点。
在图10A以及图10B所示的例子中，促进构件具有配置在排气流入通路5i的入口5ii的节流件60。其结果，如图10B中箭头所示，通过节流件60的排气在排气流入通路5i内朝向径向外扩展来行进。其结果，能够促进排气在涂布区域CZ中通过隔壁6。
到此为止所述的本发明的实施例中，在非涂布区域NCZ没有设置涂层。在另一实施例中，在非涂布区域NCZ设置有与涂层8不同的别的涂层。该情况下，非涂布区域NCZ中的隔壁6的平均细孔径，在设置有别的涂层的状态下，被设定为25μm以上且100μm以下。该别的涂层例如由担载了具有氧化功能的金属的催化剂涂层形成。其结果，能够容易地氧化除去到达了非涂布区域NCZ的粒子状物质。
图11A以及图11B表示本发明的另一实施例。以下说明与从图2A～图4所示的实施例的不同点。
在图11A以及图11B所示的例子中，颗粒过滤器4由1块无纺布形成。该无纺布被折叠成同心状，在被折叠的无纺布部分彼此之间，分别形成有同心状的排气流入通路75i以及排气流出通路75o。这些排气流入通路75o以及排气流出通路75o，被由同心状的无纺布部分形成的隔壁76相互隔开。无纺布例如由金属纤维形成，因此具有通气性。其结果，排气首先向排气流入通路75o内流入，接着，通过隔壁76而向排气流出通路75o内流入。
另外，在隔壁76上划分有细孔区域FZ和位于细孔区域FZ的下游侧的粗孔区域RZ。粗孔区域RZ中的无纺布部分或隔壁76的细孔径被设定成灰分能够通过隔壁76。另一方面，细孔区域FZ中的无纺布部分或隔壁76的细孔径被设定成比粗孔区域RZ中的无纺布部分或隔壁76的细孔径小，能够捕集粒子状物质。
进而，在图11A以及图11B所示的例中，促进构件具备在细孔区域FZ中在排气流入通路75i内沿着隔壁76延伸的壁构件740。这些壁构件740由配置成同心状的圆筒状板形成。圆筒状板例如由用于加热颗粒过滤器4的电加热器构成。其结果，与图8A以及图8B所示的实施例同样，能够促进排气流入通路75i内的排气通过细孔区域FZ中的隔壁76而向排气流出通路75o流出。
再者，在另一实施例中，无纺布部分或隔壁76的细孔径，遍及细孔区域FZ以及粗孔区域RZ整体地大体上恒定。进而，在细孔区域FZ中的无纺布部分或隔壁76的表面上设置有前述的涂层8，在粗孔区域RZ中的无纺布部分或隔壁76的表面上没有设置涂层8。
到此为止所述的本发明的各实施例中，促进构件具备涂层8、壁构件40、引导构件50、节流件60和壁构件740中的一者或两者。在另一实施例中，促进构件具备涂层8、壁构件40、引导构件50、节流件60和壁构件740中的至少三者。
附图标记说明
1   内燃机主体
3   排气通路
4   颗粒过滤器
5i  排气流入通路
5o  排气流出通路
6   隔壁
8   涂层
CZ  涂布区域
NCZ 非涂布区域