ディーゼルパティキュレートフィルタ
【課題】使用時及びＰＭ再生時におけるクラック等の欠陥発生を抑制したディーゼルパティキュレートフィルタを提供すること。
【解決手段】ここに開示されるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６０Ａは、該ＤＰＦの上流側端部（Ｆｒ側）および下流側端部（Ｒｒ側）のうちの少なくとも一方の外周端部において、局所的に該ＤＰＦの外方から中心方向に向けて圧縮力がかかっていることを特徴とする。上記ＤＰＦに対する上記圧縮力の負荷手段としては、好適には、該ＤＰＦの外周を拘束バンド８０で締め付けることにより実現することができる。かかるＤＰＦによると、ＤＰＦの使用時またはＰＭ再生時の、ＤＰＦ内における局所的な温度変化に伴うクラック発生を抑制することができ、さらに煤堆積限界量を向上させることができる。
【解決手段】ここに開示されるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６０Ａは、該ＤＰＦの上流側端部（Ｆｒ側）および下流側端部（Ｒｒ側）のうちの少なくとも一方の外周端部において、局所的に該ＤＰＦの外方から中心方向に向けて圧縮力がかかっていることを特徴とする。上記ＤＰＦに対する上記圧縮力の負荷手段としては、好適には、該ＤＰＦの外周を拘束バンド８０で締め付けることにより実現することができる。かかるＤＰＦによると、ＤＰＦの使用時またはＰＭ再生時の、ＤＰＦ内における局所的な温度変化に伴うクラック発生を抑制することができ、さらに煤堆積限界量を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排ガス用の捕集フィルタに関する。詳しくは、使用時及び再生時における熱応力によるクラック等の欠陥発生が抑制された、ディーゼルパティキュレートフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関から排出される粒子状物質（パティキュレートマター、以下「ＰＭ」とも称する。）を捕集するために、ディーゼルエンジン自動車にはディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」ともいう。）が設けられる。一般にＤＰＦは排ガスとの接触面積を高めるために規則的に並んだセルを有するハニカム構造体（ハニカム基材）を備えており、該ハニカム構造体は高耐熱性および多孔質性を有するセラミックス（典型的にはコージェライト、炭化ケイ素等）を主体として構成されていることが多い。このためＤＰＦ自体の脆性および耐衝撃性は比較的低く、これを実際の自動車の排気系において使用するためには、該ＤＰＦの移動を制限するような保持ケースを用いて、該ＤＰＦ全体を覆うことが必要となる。一般に、上記ＤＰＦを用いた排ガスの浄化システムにおいては、該ＤＰＦの外周縁に無機材料（典型的にはアルミナ繊維）から成るマットまたは金属製ネットの様な保持部材（緩衝部材）を巻き付けた上で、これらを金属製触媒コンバータケース（金属シェル）の中に収容することにより触媒コンバータを形成し、これを排気通路に設置して用いる。
特許文献１及び特許文献２には、上記排ガス捕集フィルタ及び該フィルタを収容した触媒コンバータの構成について記載されている。具体的には、特許文献１にはディーゼルパティキュレートフィルタと外方を覆う金属シェルの間に配置される保持シール材から構成されるディーゼルパティキュレートフィルタが開示されている。また、特許文献２にはフィルタ本体外周に設けた補助体と、フィルタとケース間に圧縮状態で配置された保持要素とを係合した排ガス浄化装置が開示されている。
【０００３】
ところで、上記ＤＰＦの排気系における使用過程において、該ＤＰＦの隔壁の表面や細孔において捕集され経時的に堆積した粒子状物質（ＰＭ）は、排ガスの流通抵抗の増大及び内燃機関の出力低下をもたらす。このため、ＤＰＦに堆積した粒子状物質を適宜除去することにより該ＤＰＦを再生（以下「ＰＭ再生」ともいう。）し、排ガス流通能力を回復させる必要がある。この再生処理としては酸化触媒を用いた連続再生方法や、ヒーターやバーナーによる加熱再生方式等の技術が知られている。
しかしながら上記ＰＭ再生時にはＤＰＦ内において不均一な温度上昇が生じ易く、この場合、局所的に熱応力が発生するために該ＤＰＦ内に割れやクラック等の欠陥が生じ易いという不具合があった。
このようなＤＰＦ再生時の熱応力による欠陥発生を抑制するための技術として、例えば特許文献３及び特許文献４に記載された従来技術が知られている。即ち、特許文献３にはセラミックハニカム構造体の外周壁部の熱膨張係数が、セル壁部の径方向の熱膨張係数より小さいセラミックハニカム構造体が開示されている。また、特許文献４には、ガス流入面とガス流出面との両面を結ぶ方向に圧縮応力を負荷させながら使用するセラミックフィルタについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４６５７９２号公報
【特許文献２】特開２００８−８１６２号公報
【特許文献２】特開２００４−７５５２３号公報
【特許文献３】特開２００３−３１１１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上述したような従来のＤＰＦにおいては、使用時（即ちＰＭを捕集して排ガスから除去する時）及びＰＭ再生時（即ちＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼により除去する時）におけるクラック等の欠陥発生の抑制に関して、まだまだ改善の余地があり十分なものとはいえない。
特に、捕集されたＰＭがＤＰＦに多く堆積している状態において、自動車が急減速または急停車した場合などには上記ＰＭが急激燃焼（異常燃焼）する現象が起こり得る。このような上記ＰＭの異常燃焼が起こった場合、ＤＰＦ全体の温度をＰＭ再生に最適な温度域内に制御することはもはや困難であり、いわばＤＰＦが熱暴走した状態となり得る。このとき、特にＤＰＦの下流側端面付近において局所的に、想定以上の急激な温度上昇が生じ、熱膨張差により発生する熱応力によって該ＤＰＦにクラックが生じることが避けられなかった。
【０００６】
これに対し上述した従来技術において、例えば特許文献１や特許文献２に記載されるように、ＤＰＦ外周にマットやネット等を保持部材として巻き付け、これを圧縮しながら金属ケースに収容することにより、ＤＰＦにある程度の圧力（即ち、該ＤＰＦの軸芯に直交する面内方向への面圧）を掛けることが可能である。上記保持部材によるＤＰＦへの上記面内方向への圧力負荷により、ＰＭ再生時の異常燃焼時にＤＰＦ内に発生する熱応力をある程度、緩和することが可能であり、一定のクラック発生抑制効果があると考えられる。
しかしながら上記ＤＰＦでは、走行中に保持部材であるマット繊維やネットが劣化することにより、使用初期に負荷されていた面圧が著しく低下し、クラック発生の抑制効果を失い易いという問題があった。また上記保持部材により負荷される面圧の大きさは、ハニカム構造体や保持部材の寸法精度に依存するため、各触媒コンバータによってバラつきがあり、クラック抑制効果が小さい場合があるという問題があった。
【０００７】
また一方で、ＤＰＦを構成するハニカム構造体の気孔率を下げる、または該ハニカム構造体の壁厚を厚くすることにより、該ハニカム構造体自体の熱容量を増加させ、これにより熱応力に由来するクラックの発生を抑制することが可能である。しかしこの場合、排ガスによる圧力損失が増大し、燃費の悪化を招来するという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる課題を解決すべく創出されたものであり、圧力損失や燃費等の性能に影響を与えることなくＤＰＦのクラック等の欠陥発生を抑制することを目的とする。また、クラック発生に対する煤堆積限界量（Ｓｏｏｔ Ｍａｓｓ Ｌｉｍｉｔ、以下「ＳＭＬ」ともいう。）を向上させることを目的とする。上記ＳＭＬの値は大きいほどＤＰＦ再生までのインターバルを長く設定することができ、燃費及び信頼性の向上に繋がるため重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、様々な角度から検討を加え、上記目的を実現することのできる本発明を創出するに至った。
即ち、ここに開示されるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）は、ディーゼル機関の排ガスを浄化するために、上記ディーゼル機関の排気通路に設置されて使用される筒状のＤＰＦである。ここで上記排気通路において上記排ガスが上記ＤＰＦに流入する側を上流側とし、上記排ガスが上記ＤＰＦ内を通過して流出する側を下流側としたとき、上記ＤＰＦの上記上流側および上記下流側のうちの少なくとも一方の外周端部において、局所的に外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、該ＤＰＦの使用時またはＰＭ再生時において、ＤＰＦ内にたとえ急激な温度変化があった場合であっても、熱応力が緩和され、クラックの発生が抑制される。また、かかるＤＰＦによるとＳＭＬが向上し、これにより燃費の向上、及び信頼性の向上が図られる。特にウォールフロータイプのＤＰＦを使用する場合には、目封じ材が施され、強度が他の部分と比較して相対的に大きい上記ＤＰＦの上流側端部、または下流側端部において上記圧縮力を負荷するため、比較的大きい圧縮力（または圧力）を掛けることが可能となり、より高い熱応力緩和の効果が得られる。さらに、ケース保持用の保持部材とは独立して上記圧縮力を掛けるため、寸法精度に由来するＳＭＬのバラつきおよび低下を抑制することができ、信頼性が向上する。
【００１０】
ここで、上記圧縮力がＤＰＦ下流側端部の外周端部において局所的に負荷されている場合（即ち該圧縮力がＤＰＦ下流側端部の外周端部に局所的に掛けられている場合）、該ＤＰＦはＰＭが堆積した状態でのＰＭの異常燃焼時において、熱膨張差による熱応力を緩和することができるため、上記ＤＰＦ下流側端部におけるクラックの発生を抑制することができる。このためクラック発生に対する煤堆積限界量（ＳＭＬ）が向上し、これによりＰＭ燃焼（ＤＰＦ再生）までのインターバルを長くすることができることから、燃費の向上、及び信頼性の向上が図られる。
【００１１】
また、上記圧縮力がＤＰＦ上流側端部の外周端部において負荷されている場合（即ち該圧縮力がＤＰＦ上流側端部の外周端部に局所的に掛けられている場合）、ＤＰＦ再生時の急速昇温、およびその後の再生急停止による急冷によって生じる熱応力を緩和することができ、上記ＤＰＦ上流側端部におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００１２】
ここに開示されるＤＰＦの好ましい一態様では、上記ＤＰＦの外周端部において、上記局所的圧縮力が外周全域に亘って略一様に掛けられていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、該ＤＰＦの外周端部の外周縁において、該ＤＰＦの軸心に直交する面の面内方向に対し、満遍なくほぼ均一に圧縮力が掛かることとなる。これにより熱応力によるクラック発生に対して、より高い抑制効果が図られる。
【００１３】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記略一様の圧縮力は、拘束バンドで上記ＤＰＦの外周を締め付けることにより実現されていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると拘束バンド（バンド状器具）により、特に熱応力が発生し易い箇所である下流側端部または上流側端部に対して、選択的に略一様の圧縮力を負荷することができる。このためハニカム構造体の素材や規模などに依存して変化するクラックの発生モード、位置、または程度に応じて、適切な大きさの上記圧縮力を簡便に負荷することができる。またかかる拘束バンドを用いると、ＤＰＦの端部に上記圧縮力を負荷しつつ、該ＤＰＦの胴部に対しては上記圧縮力を掛けないようにすることが可能である。このため、リングオフクラックなど、ＤＰＦの胴部への過度な圧縮力の負荷に由来するクラック発生を防止することができる。
【００１４】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記ＤＰＦの端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に上記拘束バンドの一部が重なるように設置されることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、ＰＭの異常燃焼など急激な温度変化により発生する熱応力に由来する外周端部近傍のクラック発生を効果的に抑制することができる。
【００１５】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記拘束バンドの幅（即ちＤＰＦの外周端部領域を拘束する部分の幅）が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、急激な温度変化により発生する熱応力の主要な発生部位に対し、適切に上記拘束バンドにより圧縮力を負荷することができるため、クラック発生の抑制を図ることができる。
【００１６】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記圧縮力を掛けることにより上記ＤＰＦに負荷される圧力が２５℃において１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると内燃機関が高負荷で作動した場合や、ＤＰＦ内のＰＭ異常燃焼により該ＤＰＦが高温（典型的には４００℃以上９００℃以下）に加熱された場合であっても、上記ＤＰＦに対して正の値である上記圧力（または圧縮力）が負荷された状態（より好ましくはＤＰＦの外周部における温度が５００℃である場合において０．２ＭＰａ以上の圧力が負荷された状態）に保たれ得る。このため、かかる高温状態においても熱応力によるクラック発生を抑制することができる。
【００１７】
ここに開示される排ガス浄化装置は、本明細書に開示されたいずれかのＤＰＦを使用することを特徴とする。
かかる排ガス浄化装置によるとＳＭＬが向上するため、ＰＭ再生までのインターバルが長くなり、燃費の向上及び信頼性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態に係る排ガス浄化装置の概略図である。
【図２】一実施形態に係る排ガス浄化装置における制御部の構成を模式的に説明した図である。
【図３】一実施形態に係るＤＰＦにおいて使用されるハニカム構造体の斜視図である。
【図４】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図５】一実施形態に係るＤＰＦにおいて使用される拘束バンドの斜視図である。
【図６】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図７】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図８】一実施形態に係る排ガス浄化部の断面図である。
【図９】実施例１、３及び比較例１に係るＤＰＦについて、非定常強制再生試験を行った際に設置した熱電対の設置場所を説明する図である。
【図１０】実施例１に係るＤＰＦについて煤堆積量が８．３ｇ／個である場合の、非定常強制再生試験における温度挙動を示した図である（縦軸：温度（℃）、横軸：時間（秒））。
【図１１】比較例１に係るＤＰＦについて煤堆積量が６．７ｇ／個である場合の、非定常強制再生試験における温度挙動を示した図である（縦軸：温度（℃）、横軸：時間（秒））。
【図１２】比較例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：６．７ｇ／個）についての非定常強制再生試験後の下流側端面の写真である。
【図１３】比較例１に係るＤＰＦについての急冷試験後の上流側端面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００２０】
ここで開示されるＤＰＦ及び該ＤＰＦを備える排ガス浄化装置の一実施形態について図面を用いて説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る排ガス浄化装置１００は大まかに言って、ディーゼルエンジンを主体とするエンジン部１（エンジン部１にはエンジンを駆動するためのアクセルその他の操作系を含む。）と、該エンジン部１に連通する排気系に設けられる排ガス浄化部４０と、該排ガス浄化部４０と該エンジン部１との間の制御を司るＥＣＵ（電子制御ユニット）３０とにより構成されている。
【００２１】
エンジン部１は、典型的には複数ある燃焼室２と、燃料タンク２４に連通する燃料ポンプ２３および燃料供給管２２を介して供給されてきた燃料を各燃焼室２に噴射する燃料噴射弁３とを備えている。各燃焼室２は、吸気マニホルド４および排気マニホルド５と連通している。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して、排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に接続されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に接続されている。吸気ダクト６内にはスロットル弁１０が配置されている。吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。排気マニホルド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に接続されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２に接続されている。
【００２２】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは、排ガス再循環（以下、ＥＧＲと称する。）通路１８を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路１８内には、電子制御式の制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りには、ＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。
【００２３】
排気管１２内には、排ガス中に燃料を供給（噴射）する燃料供給弁１５が配置されており、さらに下流側には排ガス浄化部４０が配置されている。排ガス浄化部４０は、排ガス中のＣＯやＨＣを酸化するための酸化触媒５０と、排ガス中のＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６０を備えている。
【００２４】
図２に示すように、ＥＣＵ３０は、エンジン部１と排ガス浄化部４０との間の制御を行うユニットであり、デジタルコンピュータを含んでいる。ＥＣＵ３０は、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを有している。
図示しないアクセルペダルには、アクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサが接続されている。該負荷センサの出力電圧は、対応するＡＤ変換機を介して入力ポートに入力される。更に入力ポートには、クランクシャフトが所定の角度（例えば１５°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサが接続される。
【００２５】
排ガス浄化部４０における温度センサ及び差圧センサからの出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換機を介して入力ポートに入力される。一方、出力ポートは、対応する駆動回路を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、制御弁１９、燃料タンク２４に連通する燃料ポンプ２３及び燃料供給弁１５に接続されている。このように、燃料噴射弁３、燃料供給弁１５等は、ＥＣＵ３０により制御されている。
なお、上述の制御系自体は本発明を特徴付けるものではなく、従来この種の内燃機関（ディーゼルエンジン）で採用されるものでよく、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２６】
次に、本発明を特徴付ける排ガス浄化部４０に備えられたＤＰＦ６０について説明する。ここに開示されるＤＰＦ６０は筒状のハニカム構造体を備える。
図３に示すように、上記ハニカム構造体７０は規則的に配列したセル７２を有する。ここでハニカム構造体７０としては、該ハニカム構造体７０の両端面において隣接するセル７２が、互いに反対側の端面を目封じされていることを特徴とするウォールフロータイプのハニカム構造体７０が好適に用いられる。ウォールフロータイプのハニカム構造体７０は、排ガスが上記ハニカム構造体７０の多孔質隔壁を介してセル７２間を流通する間にＰＭが捕集されるものであり、捕集効率が良好であり製造も容易である。
上記ハニカム構造体７０は、ディーゼル機関が高負荷条件で運転された際に発生する高温（例えば４００℃以上）の排ガスに急激に曝されたときにも安定した性状を有するものであればよく、従来、この種のハニカム構造体７０に用いられる材料を用いることができる。該材料としては、コージェライト、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックス、またはステンレスなどの金属（合金）が挙げられる。この中で、コージェライト及びチタン酸アルミニウムは熱膨張係数が比較的小さく、本明細書に開示された技術により優れた効果、即ち、ＤＰＦ６０外周端部における圧縮力負荷によるクラック発生の抑制効果、が発現し易いため特に好適に用いられ得る。
【００２７】
また、ここに開示されるＤＰＦ６０は上流側端部または下流側端部の少なくとも一方の外周端部において、外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられている。
上記圧縮力を負荷する手段としては、上記ＤＰＦ６０の外周端部において中心方向に向かって圧縮力（または圧力）を負荷することができるものであれば、特に限定されないが、以下に具体的手段を例示する。なお下記の例示は、上記圧縮力の負荷手段を限定する目的で記載したものではない。
上記圧縮力の負荷手段としては、例えば、拘束バンドで上記ＤＰＦ６０の外周を締め付けることが挙げられる。即ち、上記ＤＰＦ６０の外周部に上記拘束バンドを一定の引っ張り力を掛けながら巻き付け、該引っ張り力を維持するようにバンド固定器具（バンドクランプ）により該拘束バンドを固定することにより行うことができる。上記拘束バンドを圧縮力の負荷手段として使用すると、上記ＤＰＦ６０の外周端部において上記圧縮力を外周全域に亘って略一様に掛けることが可能となるため好適である。
また他の例では、ホースクランプまたはホースバンドを上記ＤＰＦ６０の外周部に設置し、付属するねじを締め付ける、または、ばね式固定器具により固定する等により上記ＤＰＦ６０の外周端部において圧縮力を掛けることができる。
上述する圧縮力を掛けるために使用される器具（典型的には上記拘束バンド）の材料としてはチタン、銅、ステンレス、形状記憶合金など、融点が概ね９００℃以上（より好適には１０００℃以上、さらに好適には１３００℃以上）の金属または合金が好適に用いられる。
【００２８】
図４は上記ＤＰＦ６０の下流側端部に上記拘束バンドを局所的に巻き付けることにより局所的に上記圧縮力を掛けている一実施態様について説明した図である。即ち、図４に示すＤＰＦ６０Ａでは、該ＤＰＦ６０Ａを排気通路においた際に排ガスが流出する側（図中では「Ｒｒ側」と記載）の端面近傍の外周縁において、拘束バンド８０を局所的に巻き付けることにより上記圧縮力を掛けている。
また図５では上記拘束バンド８０の構成について説明する。即ち、上記拘束バンド８０は一定の幅及び厚さを有するバンド部８２と、該バンド部８２を固定するためのバンド固定器具（バンドクランプ）８４とを備えている。
【００２９】
図６は上記ＤＰＦ６０の上流側端部に局所的に上記圧縮力が負荷されている場合の、ＤＰＦ６０Ｂについて説明した図である。即ち、ここに開示されるＤＰＦ６０Ｂは、該ＤＰＦ６０Ｂを排気通路においた際に排ガスが流入する側（図中では「Ｆｒ側」と記載）の端面近傍の外周縁において、上記拘束バンド８０が局所的に巻き付けられることにより、局所的に上記圧縮力が負荷されている。
また図７は上記ＤＰＦ６０の上流側端部および下流側端部の両方に局所的に上記圧縮力が掛けられている場合の、ＤＰＦ６０Ｃについて説明した図である。即ち、ここに開示されるＤＰＦ６０Ｃは、上記上流側（Ｆｒ側）及び上記下流側（Ｒｒ側）の両端面近傍の外周縁において、上記拘束バンド８０が局所的に巻き付けられ、上流側端部および下流側端部の両方に局所的に上記圧縮力が負荷されている。
【００３０】
上記拘束バンド８０は、上記ＤＰＦ６０の端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に上記拘束バンド８０の一部が重なるように設置されることが好ましい。即ち、上記拘束バンド８０の上記端面に近い方の端が、上記ＤＰＦ６０の端面から２０ｍｍ以上離れている状態で巻き付けられることはあまり好ましくない。上記ＤＰＦ６０の端面と該端面に近い方の拘束バンド８０の端までの距離が２０ｍｍより大きい場合、温度が急激に上昇して熱応力が発生し易いＤＰＦ端面近傍の部位と、上記圧縮力の負荷により熱応力緩和が可能である部位との重なりが小さくなるため、クラック発生抑制効果が低下しがちである。またウォールフロータイプのＤＰＦ６０を用いた場合は、目封じ材が施され相対的に強度が増しているＤＰＦの端面近傍部位と、上記拘束バンド８０の巻き付け部位との重なりが小さくなるため、大きい圧縮力を負荷することができなくなり、クラック発生抑制効果が減少する虞がある。
上記ＤＰＦ６０の端面と該端面に近い方の拘束バンド８０の端までの距離は１５ｍｍ以下（さらには１０ｍｍ以下、さらには５ｍｍ以下、例えば０ｍｍ以上３ｍｍ以下）であるとより好適である。
【００３１】
また、上記拘束バンド８０の幅は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下（より好適には６ｍｍ以上１５ｍｍ以下、さらに好適には８ｍｍ以上１３ｍｍ以下）であることが好ましい。上記拘束バンド８０の幅が５ｍｍより細すぎる場合、熱応力が発生するＤＰＦ６０の部位に対して圧縮力の負荷部位の幅が小さすぎるために、クラック発生抑制効果が減少しがちである。また上記拘束バンド８０の幅が５０ｍｍより広すぎる場合は、熱応力緩和の効果が飽和しており、さらに圧縮力の負荷に由来する別モードのクラック（例えばリングオフクラック）を誘発する虞がある。ここで上記リングオフクラックは上記ＤＰＦ６０の軸方向の伸縮を拘束した場合に起こり易い。
【００３２】
上記圧縮力を掛けることにより上記ＤＰＦ６０に負荷される圧力（または圧縮応力）は、２５℃において０．５ＭＰａ以上６ＭＰａ以下（より好適には１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下、さらに好適には１．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下、例えば２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下）であることが好適である。２５℃における上記圧力が０．５ＭＰａより小さすぎる場合、クラック発生の抑制効果が小さくなる虞がある。またこの場合、後述するように上記圧縮力を負荷する手段が金属製の拘束バンドである場合など、上記圧縮力の負荷器具が上記ＤＰＦ６０よりも熱膨張し易いものであった場合、上記ＤＰＦ６０が高温に加熱された場合に適当な圧縮力が負荷されなくなる虞がある。また２５℃における上記圧力が６ＭＰａより大きすぎる場合、ＤＰＦ６０を構成するハニカム構造体の強度を上回って上記圧縮力が負荷される虞があり、クラックまたは割れなどの欠陥発生の要因となり得る。
【００３３】
上記圧縮力負荷のために使用する器具（典型的には拘束バンド８０）はＤＰＦ６０の外周縁に直接触れるように設置することが可能である。一方、該器具と該ＤＰＦ６０との間隙には、耐熱性のある（典型的には無機材料を主体とする）マットなどを緩衝材として挟み込んでもよい。上記緩衝材は、ＤＰＦと上記器具との接触部位において該器具により負荷される圧縮力を均一化する機能（即ち緩衝機能）を有するだけでなく、断熱機能を有するものであるとより好適である。かかる緩衝材（さらには断熱材）によると、ＰＭ再生時などに高温（例えば５００℃程度）となる上記ＤＰＦ６０からの伝熱による上記器具の温度上昇を抑制することができ、上記器具の熱膨張による圧縮力低下が抑制される。上記緩衝材としては、アルミナ繊維またはシリカ繊維を主体とするセラミックマット、あるいはセラミックウールなどが好適に用いられる。
【００３４】
次に、上記ＤＰＦ６０を用いて形成された排ガス浄化部４０の一実施態様を図８に示す。ここに開示される排ガス浄化部４０は、上記ＤＰＦ６０及び該ＤＰＦ６０の上流側に設置される酸化触媒（ＤＯＣ）５０、およびこれらが収容されて形成される触媒コンバータ９０を備える。上記触媒コンバータ９０は、上記ＤＰＦ６０及び酸化触媒５０が、それぞれの胴部外周にマットやネットなどの保持部材９２が配置された上で触媒コンバータケース９４内に圧入収容されて形成される。
上記ＤＰＦ６０において、上記保持部材９２は上記拘束バンド８０を巻き付けた部位と重ならない部位に巻き付けられることが好ましい。具体的には上記保持部材９２は、上記ＤＰＦ６０の両端面から１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下（より好ましくは２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下）離れた胴部外周において使用することが好ましい。
上記保持部材９２は触媒コンバータケース９４の中で上記ＤＰＦ６０、または上記酸化触媒５０が移動し、触媒コンバータケース９４と衝突することにより発生するＤＰＦ６０または酸化触媒５０のクラック、割れ等を防止することを主たる目的として使用されるものであり、従来、この種の目的で用いられているものを用いることができる。上記保持部材９２としては、例えばアルミナ繊維またはシリカ繊維を主体とするセラミックマット、又は金属製ネットなどを好適に用いることができる。
【００３５】
ここに開示されるＤＰＦ６０をＰＭ再生する方法としては、従来知られているような酸化触媒を用いた連続再生方法や、ヒーターやバーナーによる加熱再生方式等の技術により行うことができる。上記図８に示す排ガス浄化部４０では、ＤＰＦ６０の上流側に配置された酸化触媒５０に対し燃料が添加されることにより、該酸化触媒５０において酸化熱が生じ、該酸化熱により下流側のＤＰＦ６０が加熱される。上記ＤＰＦ６０が十分に高温となると堆積したＰＭが燃焼し、該ＤＰＦ６０のＰＭ再生がなされる。
【００３６】
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示
すものに限定することを意図したものではない。
【００３７】
＜実施例１＞
セル数３００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌｓ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）、セル壁厚０．３ｍｍ、セル壁のピッチ１．４７ｍｍ、容量３Ｌ、全長１５０ｍｍ、外径寸法１６０ｍｍであり、気孔率が４８％のコージェライト製ウォールフローＤＰＦを用意した。該ＤＰＦのセル壁表面に所定量のアルミナ及び所定量の貴金属をコートした。
次に上記ＤＰＦの下流側端部において、中心方向への圧縮力を負荷するために拘束バンドを巻き付け固定した。具体的には上記ＤＰＦの軸方向に直交する端面のうち、該ＤＰＦを自動車の排気通路に設置したときに排ガスの流出側となる下流側端面近傍の外周縁に、幅９．６ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのステンレス製バンド（ＢＡＮＤ−ＩＴ社製）を巻き付けた。このときＤＰＦの上記下流側端面と、該端面に近い方のバンド端部との距離が５ｍｍより大きくならないように配置した。上記バンドは常温（２５℃）において、単位幅当たりＳ＝１６３．５ｋｇ／ｃｍの引っ張り力で締め付け、バンドに付属しているバンド締め具（バンドクランプ）によりバンドを固定することにより、上記引っ張り力を維持したままバンドを上記ＤＰＦに装着した。このときバンドクランプ部とＤＰＦとの接触面（あるいは接触点）には少量のセラミックウールを挟み込み緩衝材とした。
【００３８】
上述の様に、一定幅を有するバンド材料を用いて円柱形状（筒状）を有するＤＰＦの外周縁の一部に圧縮応力を負荷した場合、バンド装着部においてＤＰＦに掛かる圧力（面圧）（ｑ）は上記単位幅当たりの引っ張り力（Ｓ）と、ＤＰＦの軸芯に直交する断面の半径（ｒ）を用いて以下の様に算出される。
ｑ＝Ｓ／ｒ＝１６３．５（ｋｇ／ｃｍ）／８（ｃｍ）＝２０．４（ｋｇ／ｃｍ２）
＝２．０ＭＰａ
本実施例のように、常温（２５℃）において上記圧力（２．０ＭＰａ）を負荷した場合、例えＰＭの異常燃焼などによりバンド装着部のＤＰＦ外壁の温度が５００℃まで昇温し、拘束バンド（ステンレス製）の熱膨張によりＤＰＦに負荷される圧力が低下した場合であっても、該圧力（５００℃）は０．５ＭＰａを下回らないことを確認した。
上記製造方法により製造したバンド装着ＤＰＦを実施例１に係るＤＰＦとする。
【００３９】
＜実施例２＞
実施例１に係るＤＰＦの上記製造方法において、バンドの装着部をＤＰＦの下流側端部ではなく、上流側端部のみとしたＤＰＦを製造した。具体的には、上記ＤＰＦの端面のうち、該ＤＰＦを自動車の排気通路に設置したときに排ガスの流入側となる上流側端面近傍の外周縁に、上記実施例１において用いたのと同様のバンド材を巻き付けて固定した。このときＤＰＦの上記上流側端面と、該端面に近い方のバンド端部との距離は５ｍｍより大きくならないように配置した。上記バンドによる引っ張り力、及び、常温（２５℃）におけるバンド装着部において負荷される圧力は上記実施例１と同様とした。かかる製造方法により製造されたバンド装着ＤＰＦを実施例２に係るＤＰＦとする。
＜実施例３＞
実施例１に係るＤＰＦの上記製造方法において、バンドをＤＰＦの下流側端部に加えて上流側端部にも装着（即ち、上流部と下流部の両端部にバンド装着）したＤＰＦを製造した。具体的には実施例１と同様の下流側端部と、実施例２と同様の上流側端部の２箇所にバンドを装着したこと以外は、実施例１及び実施例２に係るＤＰＦと同様の製造方法によりＤＰＦを製造した。かかる製造方法により製造したバンド装着ＤＰＦを実施例３に係るＤＰＦとする。
＜比較例１＞
上記実施例１において、ＤＰＦに対してバンドを装着しないこと以外は実施例１と同様にしたＤＰＦを製造した。これを比較例１に係るＤＰＦとする。
【００４０】
＜煤（ＰＭ）堆積試験＞
上記ＤＰＦにおいてＰＭが十分量堆積し、該ＰＭを燃焼させることによりＤＰＦを再生させる必要がある状態を再現するため、上記実施例及び比較例に係るＤＰＦをエンジン排気管に装着しＰＭを捕集させた。具体的には、まず、上記実施例及び比較例に係るＤＰＦの外周に両端２０ｍｍを空けて保持用のアルミナマット約５０ｇ（厚さ約８ｍｍ）を巻き、該アルミナマットを巻いた状態のＤＰＦを金属製コンバータケースに圧入保持した。
次に、上記触媒コンバータに保持されたＤＰＦを２．２Ｌエンジンの排気管に装着し、エンジン回転数１８００ｒｐｍ、主噴射量１５ｍｍ３／ｓｔ、トルク５５Ｎ・ｍ、入りガス温度２５０℃となるようにエンジンを回転させ、排ガスをＤＰＦに流入させることにより煤の堆積量が所定量（例えばＤＰＦ１個当たり煤が５〜１０ｇの範囲内の所定量）となるようにＰＭをＤＰＦに捕集した。その後、上記ＤＰＦを３００℃で２時間熱処理することにより堆積したＰＭから可溶性有機成分（ＳＯＦ成分）を除去した。
【００４１】
＜非定常強制再生試験；ＤＰＦ内温度測定とクラック発生の観測＞
煤を所定量溜めたＤＰＦに対し、該ＤＰＦ内の温度を測定するために所定位置（後に詳述する。）に熱電対を設置し、再度エンジンの排気管に装着した。このとき上記図８に示すように該ＤＰＦの上流側である排気通路内に酸化触媒（ＤＯＣ）を配置した。
上記酸化触媒は、セル数４００ｃｐｓｉ、φ１６０ｍｍ×Ｌ１００ｍｍ、容量２Ｌのハニカム基材に対して、アルミナ及びゼオライトを主体（１２０ｇ／Ｌ）とし、白金２ｇ／Ｌ、パラジウム１ｇ／Ｌを混合したスラリーをコートし、乾燥後、３５０℃で１時間焼成させることにより製造した。
次に、エンジンを回転させ排ガスを排気通路内に流通させることにより酸化触媒（ＤＯＣ）で酸化熱を発生させ、これにより下流側のＤＰＦを加熱した。具体的にはまずエンジンをバイパス排管に接続し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、トルク１００Ｎ・ｍ、空気の質量流量（Ｇａ）７５±３ｇ／秒となるようにエンジンを回転させたのち、排管をメイン排管に切り替え３分間保持した。その後、燃料添加前の触媒床温度であるベース床温が２９０℃である状態において、酸化触媒の上流から排気管へ燃料添加を開始し、酸化触媒で燃焼させることによりＤＰＦを加熱した。
その後、ＤＰＦの入口における排ガス温度が６８０℃に達したところで直ちに燃料添加を止め、エンジン回転数を８００ｒｐｍ、空気質量流量（Ｇａ）が９ｇ／秒となるまで低下させた（いわゆるアイドリング状態にした）。上記操作により比較的低流量で酸素濃度の高いガスがＤＰＦ内に流入するため、ＤＰＦ内に堆積したＰＭが一気に燃焼し、急速にＤＰＦ内床温が上昇する。
上記試験条件は、実車走行においてＤＰＦを再生し始めたとき（即ちＰＭが堆積した状態でＤＰＦ入りガス温度が６８０℃近傍となったとき）に急減速または停車することによりＤＰＦ内の煤が一気に燃焼して熱暴走を起こす最悪な条件を模擬している。
上記、非定常強制再生試験時のＤＰＦ内の温度挙動、及び該試験が終了した後のクラック発生の有無を観測した。クラック発生の観測については、上記試験後に上記ＤＰＦを取り出し、該ＤＰＦの全体（特に下流端部付近、及び外周付近）を目視、または顕微鏡（光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡）により観察することにより行った。
【００４２】
＜ＤＰＦ内温度分布とクラック発生＞
上記非定常強制再生試験を行っている時のＤＰＦ内部、及び外部における温度変化について測定した。ここで実施例及び比較例に係るＤＰＦ内に設置した熱電対の位置（１６箇所）は図９に示す通りである。即ち、ＤＰＦの上流側（Ｆｒ側）端面の近傍に、ＤＰＦの軸芯に直交する断面である円の中心から端部に向かって、（１）〜（５）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。またＤＰＦの上流側端面と下流側端面の中間地点であるＤＰＦの軸芯に直交する断面（以下「中間断面」ともいう。）において断面の中心から端部に向かって、（６）〜（１０）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。さらにＤＰＦの下流側（Ｒｒ側）端面の近傍に、ＤＰＦの軸芯に直交する円形断面の中心から端部に向かって、（１１）〜（１５）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。合わせて、上記ＤＰＦに対して排ガスが流入する入口付近のガス温度を測定するため、ＤＰＦの外部であって該ＤＰＦの上流側端面から約１ｃｍの距離にある（１６）の場所に熱電対を設置した。
上記熱電対により測定された非定常強制再生試験時におけるＤＰＦの温度挙動について図１０（実施例１）及び図１１（比較例１）に示す。
図１０は、実施例１に係るＤＰＦにおいて、煤堆積量が８．３ｇ／個と比較的多い場合における温度挙動を示す。図１０では試験開始から約１１０秒後に、入りガス温度（１６）が６８０℃に到達している。この時点で、燃料添加を直ちに止めたことにより、一旦、各箇所における温度は下降する傾向を示した。しかしながら、ＤＰＦの中間断面の中央部付近である（６）〜（８）、及び下流側端面の中央部付近である（１１）〜（１３）においては、温度が再び上昇する傾向を示し、試験開始から１６０〜２２０秒付近において温度の極大値を示した。ＤＰＦ内で最も高い温度を示したのは下流側端面の中心付近である（１１）あるいは（１２）であり、その最高温度は約９００℃に達した。これらの結果から煤が一定量堆積した場合における急速な煤の燃焼において、ＤＰＦの下流側端面中心部が最も高温に加熱され易い部位であることが確認された。
【００４３】
上記実施例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：８．３ｇ／個）を上記試験後に取り出して、クラック発生の有無を観察した。その結果、上記ＤＰＦのいずれの部位においてもクラック等の欠陥は発生していないことが確認された。即ち、下流側端部にバンドを装着した場合（実施例１）では、ＤＰＦ内の温度が急上昇し、その最高温度が約９００℃に達した場合であっても熱応力によるクラックは発生しないことが確認された。また、本試験条件における煤堆積限界量（ＳＭＬ）は少なくとも８．３ｇ／個であることが確認された。
【００４４】
図１１は、比較例１に係るＤＰＦにおいて、煤堆積量が６．７ｇ／個である場合における温度挙動を示す。試験開始から約１１０秒後に、入りガス温度（１６）が６８０℃に到達し、その後、燃料添加を止めたことにより、ＤＰＦの中間断面の中央部（６）〜（８）、及び下流側断面の中央部（１１）〜（１３）において高い温度上昇を示した。最も高い温度を示したのは下流側端面の中心付近である（１１）あるいは（１２）であり、その最高温度は約８５０℃であった。
【００４５】
上記比較例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：６．７ｇ／個）を上記試験後に取り出して、クラック発生の有無を観察した。その結果、下流側端面の外周部から中央部にかけてクラックが発生していることが確認された。この時の下流側端面の写真を図１２に示す。図１２において矢印はクラックが発生した部位を指し示している。
以上の結果より、バンドを装着していない場合においては、ＤＰＦ内の最高温度が約８５０℃である場合であっても熱応力によりＤＰＦの下流側端面においてクラックが発生することが確認された。また、本試験条件における煤堆積限界量（ＳＭＬ）は６．７ｇ／個未満であることが明らかとなった。
【００４６】
これらの結果より、バンドを下流側端面に装着することにより、ＰＭ（または煤）の急激燃焼による下流側端面付近の温度上昇に対して、クラック発生が抑制されることが確認された。またバンドの下流側端面装着により、ＳＭＬが向上（少なくとも１．２４倍）することが確認された。
【００４７】
＜急冷試験＞
次に、特にＤＰＦの上流側端面におけるクラック発生に対して過酷な条件、即ち、上流側端面における高温からの急速な温度低下を実現し、該端面付近のクラック発生挙動を観測した。
具体的には実施例２、３、及び比較例１に係る合計３種類のＤＰＦ（即ち、上流側端部にバンド装着（実施例２）、上流側及び下流側の両端部にバンド装着（実施例３）、バンド非装着（比較例１））に対し、上記煤堆積試験と同様にして所定量の煤（５〜２０ｇ／個）を堆積させた。その後、上記非定常強制再生試験と同様に、上記ＤＰＦ及びＤＯＣをエンジンの排気管に装着し、エンジンを始動させることによりＤＰＦの入りガス温度を６８０℃まで昇温させ、６８０℃に達した直後にイグニッションスイッチを切ってエンジンを停止させた。一般にＤＰＦが再生温度（６８０℃）まで加熱された状態で上記のように直ちにエンジンが停止された場合、ＤＰＦの上流側端面近傍が急速に放冷され、上流側外周部において最大温度勾配が生じる。よってこの場合、ＤＰＦの上流側端部で熱応力によるクラックが発生し易い状態となる。
【００４８】
＜クラック発生挙動の観察結果＞
上記急冷試験の後、排気通路からＤＰＦを取り出しクラック発生の有無を観測した。その結果、実施例２及び実施例３に係るＤＰＦでは煤の堆積量に関係なく、いずれの場合においてもクラックが発生していないことが確認された。これに対し比較例１に係るＤＰＦでは、煤の堆積量に関係なく、いずれの場合においても上流側端面においてクラックが発生していることが確認された。
図１３に比較例１に係るＤＰＦの上記急冷試験の後における上流側端面の写真を示す。図１３において矢印で指し示した部位にクラックが発生している。即ち、比較例１に係るＤＰＦは上流側端面の外周に近傍する部分においてクラックが発生していることが判る。
これらの結果より、バンドを上流側端面に装着することにより、高温（６８０℃）のＤＰＦを急速に放冷した場合であっても、上流側端面のクラック発生を抑制することができることが確認された。
【００４９】
また、実施例３に係るＤＰＦ（即ち、上流側及び下流側の両端面に圧力を負荷したＤＰＦ）では、上記非定常強制再生試験及び上記急冷試験に係る結果より、最大煤堆積量（ＳＭＬ）が向上し、また下流側端面及び上流側端面におけるクラック発生も抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１ エンジン部
２ 燃焼室
１２ 排気管
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
４０ 排ガス浄化部
５０ 酸化触媒（ＤＯＣ）
６０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ａ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ｂ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ｃ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
７０ ハニカム構造体
７２ セル
８０ 拘束バンド
８２ バンド部
８４ バンド固定具（バンドクランプ）
９０ 触媒コンバータ
９２ 保持部材
９４ 触媒コンバータケース
１００ 排ガス浄化装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は排ガス用の捕集フィルタに関する。詳しくは、使用時及び再生時における熱応力によるクラック等の欠陥発生が抑制された、ディーゼルパティキュレートフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関から排出される粒子状物質（パティキュレートマター、以下「ＰＭ」とも称する。）を捕集するために、ディーゼルエンジン自動車にはディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」ともいう。）が設けられる。一般にＤＰＦは排ガスとの接触面積を高めるために規則的に並んだセルを有するハニカム構造体（ハニカム基材）を備えており、該ハニカム構造体は高耐熱性および多孔質性を有するセラミックス（典型的にはコージェライト、炭化ケイ素等）を主体として構成されていることが多い。このためＤＰＦ自体の脆性および耐衝撃性は比較的低く、これを実際の自動車の排気系において使用するためには、該ＤＰＦの移動を制限するような保持ケースを用いて、該ＤＰＦ全体を覆うことが必要となる。一般に、上記ＤＰＦを用いた排ガスの浄化システムにおいては、該ＤＰＦの外周縁に無機材料（典型的にはアルミナ繊維）から成るマットまたは金属製ネットの様な保持部材（緩衝部材）を巻き付けた上で、これらを金属製触媒コンバータケース（金属シェル）の中に収容することにより触媒コンバータを形成し、これを排気通路に設置して用いる。
特許文献１及び特許文献２には、上記排ガス捕集フィルタ及び該フィルタを収容した触媒コンバータの構成について記載されている。具体的には、特許文献１にはディーゼルパティキュレートフィルタと外方を覆う金属シェルの間に配置される保持シール材から構成されるディーゼルパティキュレートフィルタが開示されている。また、特許文献２にはフィルタ本体外周に設けた補助体と、フィルタとケース間に圧縮状態で配置された保持要素とを係合した排ガス浄化装置が開示されている。
【０００３】
ところで、上記ＤＰＦの排気系における使用過程において、該ＤＰＦの隔壁の表面や細孔において捕集され経時的に堆積した粒子状物質（ＰＭ）は、排ガスの流通抵抗の増大及び内燃機関の出力低下をもたらす。このため、ＤＰＦに堆積した粒子状物質を適宜除去することにより該ＤＰＦを再生（以下「ＰＭ再生」ともいう。）し、排ガス流通能力を回復させる必要がある。この再生処理としては酸化触媒を用いた連続再生方法や、ヒーターやバーナーによる加熱再生方式等の技術が知られている。
しかしながら上記ＰＭ再生時にはＤＰＦ内において不均一な温度上昇が生じ易く、この場合、局所的に熱応力が発生するために該ＤＰＦ内に割れやクラック等の欠陥が生じ易いという不具合があった。
このようなＤＰＦ再生時の熱応力による欠陥発生を抑制するための技術として、例えば特許文献３及び特許文献４に記載された従来技術が知られている。即ち、特許文献３にはセラミックハニカム構造体の外周壁部の熱膨張係数が、セル壁部の径方向の熱膨張係数より小さいセラミックハニカム構造体が開示されている。また、特許文献４には、ガス流入面とガス流出面との両面を結ぶ方向に圧縮応力を負荷させながら使用するセラミックフィルタについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４６５７９２号公報
【特許文献２】特開２００８−８１６２号公報
【特許文献２】特開２００４−７５５２３号公報
【特許文献３】特開２００３−３１１１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上述したような従来のＤＰＦにおいては、使用時（即ちＰＭを捕集して排ガスから除去する時）及びＰＭ再生時（即ちＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼により除去する時）におけるクラック等の欠陥発生の抑制に関して、まだまだ改善の余地があり十分なものとはいえない。
特に、捕集されたＰＭがＤＰＦに多く堆積している状態において、自動車が急減速または急停車した場合などには上記ＰＭが急激燃焼（異常燃焼）する現象が起こり得る。このような上記ＰＭの異常燃焼が起こった場合、ＤＰＦ全体の温度をＰＭ再生に最適な温度域内に制御することはもはや困難であり、いわばＤＰＦが熱暴走した状態となり得る。このとき、特にＤＰＦの下流側端面付近において局所的に、想定以上の急激な温度上昇が生じ、熱膨張差により発生する熱応力によって該ＤＰＦにクラックが生じることが避けられなかった。
【０００６】
これに対し上述した従来技術において、例えば特許文献１や特許文献２に記載されるように、ＤＰＦ外周にマットやネット等を保持部材として巻き付け、これを圧縮しながら金属ケースに収容することにより、ＤＰＦにある程度の圧力（即ち、該ＤＰＦの軸芯に直交する面内方向への面圧）を掛けることが可能である。上記保持部材によるＤＰＦへの上記面内方向への圧力負荷により、ＰＭ再生時の異常燃焼時にＤＰＦ内に発生する熱応力をある程度、緩和することが可能であり、一定のクラック発生抑制効果があると考えられる。
しかしながら上記ＤＰＦでは、走行中に保持部材であるマット繊維やネットが劣化することにより、使用初期に負荷されていた面圧が著しく低下し、クラック発生の抑制効果を失い易いという問題があった。また上記保持部材により負荷される面圧の大きさは、ハニカム構造体や保持部材の寸法精度に依存するため、各触媒コンバータによってバラつきがあり、クラック抑制効果が小さい場合があるという問題があった。
【０００７】
また一方で、ＤＰＦを構成するハニカム構造体の気孔率を下げる、または該ハニカム構造体の壁厚を厚くすることにより、該ハニカム構造体自体の熱容量を増加させ、これにより熱応力に由来するクラックの発生を抑制することが可能である。しかしこの場合、排ガスによる圧力損失が増大し、燃費の悪化を招来するという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる課題を解決すべく創出されたものであり、圧力損失や燃費等の性能に影響を与えることなくＤＰＦのクラック等の欠陥発生を抑制することを目的とする。また、クラック発生に対する煤堆積限界量（Ｓｏｏｔ Ｍａｓｓ Ｌｉｍｉｔ、以下「ＳＭＬ」ともいう。）を向上させることを目的とする。上記ＳＭＬの値は大きいほどＤＰＦ再生までのインターバルを長く設定することができ、燃費及び信頼性の向上に繋がるため重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、様々な角度から検討を加え、上記目的を実現することのできる本発明を創出するに至った。
即ち、ここに開示されるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）は、ディーゼル機関の排ガスを浄化するために、上記ディーゼル機関の排気通路に設置されて使用される筒状のＤＰＦである。ここで上記排気通路において上記排ガスが上記ＤＰＦに流入する側を上流側とし、上記排ガスが上記ＤＰＦ内を通過して流出する側を下流側としたとき、上記ＤＰＦの上記上流側および上記下流側のうちの少なくとも一方の外周端部において、局所的に外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、該ＤＰＦの使用時またはＰＭ再生時において、ＤＰＦ内にたとえ急激な温度変化があった場合であっても、熱応力が緩和され、クラックの発生が抑制される。また、かかるＤＰＦによるとＳＭＬが向上し、これにより燃費の向上、及び信頼性の向上が図られる。特にウォールフロータイプのＤＰＦを使用する場合には、目封じ材が施され、強度が他の部分と比較して相対的に大きい上記ＤＰＦの上流側端部、または下流側端部において上記圧縮力を負荷するため、比較的大きい圧縮力（または圧力）を掛けることが可能となり、より高い熱応力緩和の効果が得られる。さらに、ケース保持用の保持部材とは独立して上記圧縮力を掛けるため、寸法精度に由来するＳＭＬのバラつきおよび低下を抑制することができ、信頼性が向上する。
【００１０】
ここで、上記圧縮力がＤＰＦ下流側端部の外周端部において局所的に負荷されている場合（即ち該圧縮力がＤＰＦ下流側端部の外周端部に局所的に掛けられている場合）、該ＤＰＦはＰＭが堆積した状態でのＰＭの異常燃焼時において、熱膨張差による熱応力を緩和することができるため、上記ＤＰＦ下流側端部におけるクラックの発生を抑制することができる。このためクラック発生に対する煤堆積限界量（ＳＭＬ）が向上し、これによりＰＭ燃焼（ＤＰＦ再生）までのインターバルを長くすることができることから、燃費の向上、及び信頼性の向上が図られる。
【００１１】
また、上記圧縮力がＤＰＦ上流側端部の外周端部において負荷されている場合（即ち該圧縮力がＤＰＦ上流側端部の外周端部に局所的に掛けられている場合）、ＤＰＦ再生時の急速昇温、およびその後の再生急停止による急冷によって生じる熱応力を緩和することができ、上記ＤＰＦ上流側端部におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００１２】
ここに開示されるＤＰＦの好ましい一態様では、上記ＤＰＦの外周端部において、上記局所的圧縮力が外周全域に亘って略一様に掛けられていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、該ＤＰＦの外周端部の外周縁において、該ＤＰＦの軸心に直交する面の面内方向に対し、満遍なくほぼ均一に圧縮力が掛かることとなる。これにより熱応力によるクラック発生に対して、より高い抑制効果が図られる。
【００１３】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記略一様の圧縮力は、拘束バンドで上記ＤＰＦの外周を締め付けることにより実現されていることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると拘束バンド（バンド状器具）により、特に熱応力が発生し易い箇所である下流側端部または上流側端部に対して、選択的に略一様の圧縮力を負荷することができる。このためハニカム構造体の素材や規模などに依存して変化するクラックの発生モード、位置、または程度に応じて、適切な大きさの上記圧縮力を簡便に負荷することができる。またかかる拘束バンドを用いると、ＤＰＦの端部に上記圧縮力を負荷しつつ、該ＤＰＦの胴部に対しては上記圧縮力を掛けないようにすることが可能である。このため、リングオフクラックなど、ＤＰＦの胴部への過度な圧縮力の負荷に由来するクラック発生を防止することができる。
【００１４】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記ＤＰＦの端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に上記拘束バンドの一部が重なるように設置されることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、ＰＭの異常燃焼など急激な温度変化により発生する熱応力に由来する外周端部近傍のクラック発生を効果的に抑制することができる。
【００１５】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記拘束バンドの幅（即ちＤＰＦの外周端部領域を拘束する部分の幅）が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると、急激な温度変化により発生する熱応力の主要な発生部位に対し、適切に上記拘束バンドにより圧縮力を負荷することができるため、クラック発生の抑制を図ることができる。
【００１６】
ここに開示されるＤＰＦの他の好ましい一態様では、上記圧縮力を掛けることにより上記ＤＰＦに負荷される圧力が２５℃において１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることを特徴とする。
かかるＤＰＦによると内燃機関が高負荷で作動した場合や、ＤＰＦ内のＰＭ異常燃焼により該ＤＰＦが高温（典型的には４００℃以上９００℃以下）に加熱された場合であっても、上記ＤＰＦに対して正の値である上記圧力（または圧縮力）が負荷された状態（より好ましくはＤＰＦの外周部における温度が５００℃である場合において０．２ＭＰａ以上の圧力が負荷された状態）に保たれ得る。このため、かかる高温状態においても熱応力によるクラック発生を抑制することができる。
【００１７】
ここに開示される排ガス浄化装置は、本明細書に開示されたいずれかのＤＰＦを使用することを特徴とする。
かかる排ガス浄化装置によるとＳＭＬが向上するため、ＰＭ再生までのインターバルが長くなり、燃費の向上及び信頼性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態に係る排ガス浄化装置の概略図である。
【図２】一実施形態に係る排ガス浄化装置における制御部の構成を模式的に説明した図である。
【図３】一実施形態に係るＤＰＦにおいて使用されるハニカム構造体の斜視図である。
【図４】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図５】一実施形態に係るＤＰＦにおいて使用される拘束バンドの斜視図である。
【図６】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図７】一実施形態に係るＤＰＦの斜視図である。
【図８】一実施形態に係る排ガス浄化部の断面図である。
【図９】実施例１、３及び比較例１に係るＤＰＦについて、非定常強制再生試験を行った際に設置した熱電対の設置場所を説明する図である。
【図１０】実施例１に係るＤＰＦについて煤堆積量が８．３ｇ／個である場合の、非定常強制再生試験における温度挙動を示した図である（縦軸：温度（℃）、横軸：時間（秒））。
【図１１】比較例１に係るＤＰＦについて煤堆積量が６．７ｇ／個である場合の、非定常強制再生試験における温度挙動を示した図である（縦軸：温度（℃）、横軸：時間（秒））。
【図１２】比較例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：６．７ｇ／個）についての非定常強制再生試験後の下流側端面の写真である。
【図１３】比較例１に係るＤＰＦについての急冷試験後の上流側端面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００２０】
ここで開示されるＤＰＦ及び該ＤＰＦを備える排ガス浄化装置の一実施形態について図面を用いて説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る排ガス浄化装置１００は大まかに言って、ディーゼルエンジンを主体とするエンジン部１（エンジン部１にはエンジンを駆動するためのアクセルその他の操作系を含む。）と、該エンジン部１に連通する排気系に設けられる排ガス浄化部４０と、該排ガス浄化部４０と該エンジン部１との間の制御を司るＥＣＵ（電子制御ユニット）３０とにより構成されている。
【００２１】
エンジン部１は、典型的には複数ある燃焼室２と、燃料タンク２４に連通する燃料ポンプ２３および燃料供給管２２を介して供給されてきた燃料を各燃焼室２に噴射する燃料噴射弁３とを備えている。各燃焼室２は、吸気マニホルド４および排気マニホルド５と連通している。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して、排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に接続されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に接続されている。吸気ダクト６内にはスロットル弁１０が配置されている。吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。排気マニホルド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に接続されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２に接続されている。
【００２２】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは、排ガス再循環（以下、ＥＧＲと称する。）通路１８を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路１８内には、電子制御式の制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りには、ＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。
【００２３】
排気管１２内には、排ガス中に燃料を供給（噴射）する燃料供給弁１５が配置されており、さらに下流側には排ガス浄化部４０が配置されている。排ガス浄化部４０は、排ガス中のＣＯやＨＣを酸化するための酸化触媒５０と、排ガス中のＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６０を備えている。
【００２４】
図２に示すように、ＥＣＵ３０は、エンジン部１と排ガス浄化部４０との間の制御を行うユニットであり、デジタルコンピュータを含んでいる。ＥＣＵ３０は、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを有している。
図示しないアクセルペダルには、アクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサが接続されている。該負荷センサの出力電圧は、対応するＡＤ変換機を介して入力ポートに入力される。更に入力ポートには、クランクシャフトが所定の角度（例えば１５°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサが接続される。
【００２５】
排ガス浄化部４０における温度センサ及び差圧センサからの出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換機を介して入力ポートに入力される。一方、出力ポートは、対応する駆動回路を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、制御弁１９、燃料タンク２４に連通する燃料ポンプ２３及び燃料供給弁１５に接続されている。このように、燃料噴射弁３、燃料供給弁１５等は、ＥＣＵ３０により制御されている。
なお、上述の制御系自体は本発明を特徴付けるものではなく、従来この種の内燃機関（ディーゼルエンジン）で採用されるものでよく、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２６】
次に、本発明を特徴付ける排ガス浄化部４０に備えられたＤＰＦ６０について説明する。ここに開示されるＤＰＦ６０は筒状のハニカム構造体を備える。
図３に示すように、上記ハニカム構造体７０は規則的に配列したセル７２を有する。ここでハニカム構造体７０としては、該ハニカム構造体７０の両端面において隣接するセル７２が、互いに反対側の端面を目封じされていることを特徴とするウォールフロータイプのハニカム構造体７０が好適に用いられる。ウォールフロータイプのハニカム構造体７０は、排ガスが上記ハニカム構造体７０の多孔質隔壁を介してセル７２間を流通する間にＰＭが捕集されるものであり、捕集効率が良好であり製造も容易である。
上記ハニカム構造体７０は、ディーゼル機関が高負荷条件で運転された際に発生する高温（例えば４００℃以上）の排ガスに急激に曝されたときにも安定した性状を有するものであればよく、従来、この種のハニカム構造体７０に用いられる材料を用いることができる。該材料としては、コージェライト、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックス、またはステンレスなどの金属（合金）が挙げられる。この中で、コージェライト及びチタン酸アルミニウムは熱膨張係数が比較的小さく、本明細書に開示された技術により優れた効果、即ち、ＤＰＦ６０外周端部における圧縮力負荷によるクラック発生の抑制効果、が発現し易いため特に好適に用いられ得る。
【００２７】
また、ここに開示されるＤＰＦ６０は上流側端部または下流側端部の少なくとも一方の外周端部において、外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられている。
上記圧縮力を負荷する手段としては、上記ＤＰＦ６０の外周端部において中心方向に向かって圧縮力（または圧力）を負荷することができるものであれば、特に限定されないが、以下に具体的手段を例示する。なお下記の例示は、上記圧縮力の負荷手段を限定する目的で記載したものではない。
上記圧縮力の負荷手段としては、例えば、拘束バンドで上記ＤＰＦ６０の外周を締め付けることが挙げられる。即ち、上記ＤＰＦ６０の外周部に上記拘束バンドを一定の引っ張り力を掛けながら巻き付け、該引っ張り力を維持するようにバンド固定器具（バンドクランプ）により該拘束バンドを固定することにより行うことができる。上記拘束バンドを圧縮力の負荷手段として使用すると、上記ＤＰＦ６０の外周端部において上記圧縮力を外周全域に亘って略一様に掛けることが可能となるため好適である。
また他の例では、ホースクランプまたはホースバンドを上記ＤＰＦ６０の外周部に設置し、付属するねじを締め付ける、または、ばね式固定器具により固定する等により上記ＤＰＦ６０の外周端部において圧縮力を掛けることができる。
上述する圧縮力を掛けるために使用される器具（典型的には上記拘束バンド）の材料としてはチタン、銅、ステンレス、形状記憶合金など、融点が概ね９００℃以上（より好適には１０００℃以上、さらに好適には１３００℃以上）の金属または合金が好適に用いられる。
【００２８】
図４は上記ＤＰＦ６０の下流側端部に上記拘束バンドを局所的に巻き付けることにより局所的に上記圧縮力を掛けている一実施態様について説明した図である。即ち、図４に示すＤＰＦ６０Ａでは、該ＤＰＦ６０Ａを排気通路においた際に排ガスが流出する側（図中では「Ｒｒ側」と記載）の端面近傍の外周縁において、拘束バンド８０を局所的に巻き付けることにより上記圧縮力を掛けている。
また図５では上記拘束バンド８０の構成について説明する。即ち、上記拘束バンド８０は一定の幅及び厚さを有するバンド部８２と、該バンド部８２を固定するためのバンド固定器具（バンドクランプ）８４とを備えている。
【００２９】
図６は上記ＤＰＦ６０の上流側端部に局所的に上記圧縮力が負荷されている場合の、ＤＰＦ６０Ｂについて説明した図である。即ち、ここに開示されるＤＰＦ６０Ｂは、該ＤＰＦ６０Ｂを排気通路においた際に排ガスが流入する側（図中では「Ｆｒ側」と記載）の端面近傍の外周縁において、上記拘束バンド８０が局所的に巻き付けられることにより、局所的に上記圧縮力が負荷されている。
また図７は上記ＤＰＦ６０の上流側端部および下流側端部の両方に局所的に上記圧縮力が掛けられている場合の、ＤＰＦ６０Ｃについて説明した図である。即ち、ここに開示されるＤＰＦ６０Ｃは、上記上流側（Ｆｒ側）及び上記下流側（Ｒｒ側）の両端面近傍の外周縁において、上記拘束バンド８０が局所的に巻き付けられ、上流側端部および下流側端部の両方に局所的に上記圧縮力が負荷されている。
【００３０】
上記拘束バンド８０は、上記ＤＰＦ６０の端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に上記拘束バンド８０の一部が重なるように設置されることが好ましい。即ち、上記拘束バンド８０の上記端面に近い方の端が、上記ＤＰＦ６０の端面から２０ｍｍ以上離れている状態で巻き付けられることはあまり好ましくない。上記ＤＰＦ６０の端面と該端面に近い方の拘束バンド８０の端までの距離が２０ｍｍより大きい場合、温度が急激に上昇して熱応力が発生し易いＤＰＦ端面近傍の部位と、上記圧縮力の負荷により熱応力緩和が可能である部位との重なりが小さくなるため、クラック発生抑制効果が低下しがちである。またウォールフロータイプのＤＰＦ６０を用いた場合は、目封じ材が施され相対的に強度が増しているＤＰＦの端面近傍部位と、上記拘束バンド８０の巻き付け部位との重なりが小さくなるため、大きい圧縮力を負荷することができなくなり、クラック発生抑制効果が減少する虞がある。
上記ＤＰＦ６０の端面と該端面に近い方の拘束バンド８０の端までの距離は１５ｍｍ以下（さらには１０ｍｍ以下、さらには５ｍｍ以下、例えば０ｍｍ以上３ｍｍ以下）であるとより好適である。
【００３１】
また、上記拘束バンド８０の幅は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下（より好適には６ｍｍ以上１５ｍｍ以下、さらに好適には８ｍｍ以上１３ｍｍ以下）であることが好ましい。上記拘束バンド８０の幅が５ｍｍより細すぎる場合、熱応力が発生するＤＰＦ６０の部位に対して圧縮力の負荷部位の幅が小さすぎるために、クラック発生抑制効果が減少しがちである。また上記拘束バンド８０の幅が５０ｍｍより広すぎる場合は、熱応力緩和の効果が飽和しており、さらに圧縮力の負荷に由来する別モードのクラック（例えばリングオフクラック）を誘発する虞がある。ここで上記リングオフクラックは上記ＤＰＦ６０の軸方向の伸縮を拘束した場合に起こり易い。
【００３２】
上記圧縮力を掛けることにより上記ＤＰＦ６０に負荷される圧力（または圧縮応力）は、２５℃において０．５ＭＰａ以上６ＭＰａ以下（より好適には１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下、さらに好適には１．５ＭＰａ以上４ＭＰａ以下、例えば２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下）であることが好適である。２５℃における上記圧力が０．５ＭＰａより小さすぎる場合、クラック発生の抑制効果が小さくなる虞がある。またこの場合、後述するように上記圧縮力を負荷する手段が金属製の拘束バンドである場合など、上記圧縮力の負荷器具が上記ＤＰＦ６０よりも熱膨張し易いものであった場合、上記ＤＰＦ６０が高温に加熱された場合に適当な圧縮力が負荷されなくなる虞がある。また２５℃における上記圧力が６ＭＰａより大きすぎる場合、ＤＰＦ６０を構成するハニカム構造体の強度を上回って上記圧縮力が負荷される虞があり、クラックまたは割れなどの欠陥発生の要因となり得る。
【００３３】
上記圧縮力負荷のために使用する器具（典型的には拘束バンド８０）はＤＰＦ６０の外周縁に直接触れるように設置することが可能である。一方、該器具と該ＤＰＦ６０との間隙には、耐熱性のある（典型的には無機材料を主体とする）マットなどを緩衝材として挟み込んでもよい。上記緩衝材は、ＤＰＦと上記器具との接触部位において該器具により負荷される圧縮力を均一化する機能（即ち緩衝機能）を有するだけでなく、断熱機能を有するものであるとより好適である。かかる緩衝材（さらには断熱材）によると、ＰＭ再生時などに高温（例えば５００℃程度）となる上記ＤＰＦ６０からの伝熱による上記器具の温度上昇を抑制することができ、上記器具の熱膨張による圧縮力低下が抑制される。上記緩衝材としては、アルミナ繊維またはシリカ繊維を主体とするセラミックマット、あるいはセラミックウールなどが好適に用いられる。
【００３４】
次に、上記ＤＰＦ６０を用いて形成された排ガス浄化部４０の一実施態様を図８に示す。ここに開示される排ガス浄化部４０は、上記ＤＰＦ６０及び該ＤＰＦ６０の上流側に設置される酸化触媒（ＤＯＣ）５０、およびこれらが収容されて形成される触媒コンバータ９０を備える。上記触媒コンバータ９０は、上記ＤＰＦ６０及び酸化触媒５０が、それぞれの胴部外周にマットやネットなどの保持部材９２が配置された上で触媒コンバータケース９４内に圧入収容されて形成される。
上記ＤＰＦ６０において、上記保持部材９２は上記拘束バンド８０を巻き付けた部位と重ならない部位に巻き付けられることが好ましい。具体的には上記保持部材９２は、上記ＤＰＦ６０の両端面から１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下（より好ましくは２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下）離れた胴部外周において使用することが好ましい。
上記保持部材９２は触媒コンバータケース９４の中で上記ＤＰＦ６０、または上記酸化触媒５０が移動し、触媒コンバータケース９４と衝突することにより発生するＤＰＦ６０または酸化触媒５０のクラック、割れ等を防止することを主たる目的として使用されるものであり、従来、この種の目的で用いられているものを用いることができる。上記保持部材９２としては、例えばアルミナ繊維またはシリカ繊維を主体とするセラミックマット、又は金属製ネットなどを好適に用いることができる。
【００３５】
ここに開示されるＤＰＦ６０をＰＭ再生する方法としては、従来知られているような酸化触媒を用いた連続再生方法や、ヒーターやバーナーによる加熱再生方式等の技術により行うことができる。上記図８に示す排ガス浄化部４０では、ＤＰＦ６０の上流側に配置された酸化触媒５０に対し燃料が添加されることにより、該酸化触媒５０において酸化熱が生じ、該酸化熱により下流側のＤＰＦ６０が加熱される。上記ＤＰＦ６０が十分に高温となると堆積したＰＭが燃焼し、該ＤＰＦ６０のＰＭ再生がなされる。
【００３６】
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示
すものに限定することを意図したものではない。
【００３７】
＜実施例１＞
セル数３００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌｓ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）、セル壁厚０．３ｍｍ、セル壁のピッチ１．４７ｍｍ、容量３Ｌ、全長１５０ｍｍ、外径寸法１６０ｍｍであり、気孔率が４８％のコージェライト製ウォールフローＤＰＦを用意した。該ＤＰＦのセル壁表面に所定量のアルミナ及び所定量の貴金属をコートした。
次に上記ＤＰＦの下流側端部において、中心方向への圧縮力を負荷するために拘束バンドを巻き付け固定した。具体的には上記ＤＰＦの軸方向に直交する端面のうち、該ＤＰＦを自動車の排気通路に設置したときに排ガスの流出側となる下流側端面近傍の外周縁に、幅９．６ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのステンレス製バンド（ＢＡＮＤ−ＩＴ社製）を巻き付けた。このときＤＰＦの上記下流側端面と、該端面に近い方のバンド端部との距離が５ｍｍより大きくならないように配置した。上記バンドは常温（２５℃）において、単位幅当たりＳ＝１６３．５ｋｇ／ｃｍの引っ張り力で締め付け、バンドに付属しているバンド締め具（バンドクランプ）によりバンドを固定することにより、上記引っ張り力を維持したままバンドを上記ＤＰＦに装着した。このときバンドクランプ部とＤＰＦとの接触面（あるいは接触点）には少量のセラミックウールを挟み込み緩衝材とした。
【００３８】
上述の様に、一定幅を有するバンド材料を用いて円柱形状（筒状）を有するＤＰＦの外周縁の一部に圧縮応力を負荷した場合、バンド装着部においてＤＰＦに掛かる圧力（面圧）（ｑ）は上記単位幅当たりの引っ張り力（Ｓ）と、ＤＰＦの軸芯に直交する断面の半径（ｒ）を用いて以下の様に算出される。
ｑ＝Ｓ／ｒ＝１６３．５（ｋｇ／ｃｍ）／８（ｃｍ）＝２０．４（ｋｇ／ｃｍ２）
＝２．０ＭＰａ
本実施例のように、常温（２５℃）において上記圧力（２．０ＭＰａ）を負荷した場合、例えＰＭの異常燃焼などによりバンド装着部のＤＰＦ外壁の温度が５００℃まで昇温し、拘束バンド（ステンレス製）の熱膨張によりＤＰＦに負荷される圧力が低下した場合であっても、該圧力（５００℃）は０．５ＭＰａを下回らないことを確認した。
上記製造方法により製造したバンド装着ＤＰＦを実施例１に係るＤＰＦとする。
【００３９】
＜実施例２＞
実施例１に係るＤＰＦの上記製造方法において、バンドの装着部をＤＰＦの下流側端部ではなく、上流側端部のみとしたＤＰＦを製造した。具体的には、上記ＤＰＦの端面のうち、該ＤＰＦを自動車の排気通路に設置したときに排ガスの流入側となる上流側端面近傍の外周縁に、上記実施例１において用いたのと同様のバンド材を巻き付けて固定した。このときＤＰＦの上記上流側端面と、該端面に近い方のバンド端部との距離は５ｍｍより大きくならないように配置した。上記バンドによる引っ張り力、及び、常温（２５℃）におけるバンド装着部において負荷される圧力は上記実施例１と同様とした。かかる製造方法により製造されたバンド装着ＤＰＦを実施例２に係るＤＰＦとする。
＜実施例３＞
実施例１に係るＤＰＦの上記製造方法において、バンドをＤＰＦの下流側端部に加えて上流側端部にも装着（即ち、上流部と下流部の両端部にバンド装着）したＤＰＦを製造した。具体的には実施例１と同様の下流側端部と、実施例２と同様の上流側端部の２箇所にバンドを装着したこと以外は、実施例１及び実施例２に係るＤＰＦと同様の製造方法によりＤＰＦを製造した。かかる製造方法により製造したバンド装着ＤＰＦを実施例３に係るＤＰＦとする。
＜比較例１＞
上記実施例１において、ＤＰＦに対してバンドを装着しないこと以外は実施例１と同様にしたＤＰＦを製造した。これを比較例１に係るＤＰＦとする。
【００４０】
＜煤（ＰＭ）堆積試験＞
上記ＤＰＦにおいてＰＭが十分量堆積し、該ＰＭを燃焼させることによりＤＰＦを再生させる必要がある状態を再現するため、上記実施例及び比較例に係るＤＰＦをエンジン排気管に装着しＰＭを捕集させた。具体的には、まず、上記実施例及び比較例に係るＤＰＦの外周に両端２０ｍｍを空けて保持用のアルミナマット約５０ｇ（厚さ約８ｍｍ）を巻き、該アルミナマットを巻いた状態のＤＰＦを金属製コンバータケースに圧入保持した。
次に、上記触媒コンバータに保持されたＤＰＦを２．２Ｌエンジンの排気管に装着し、エンジン回転数１８００ｒｐｍ、主噴射量１５ｍｍ３／ｓｔ、トルク５５Ｎ・ｍ、入りガス温度２５０℃となるようにエンジンを回転させ、排ガスをＤＰＦに流入させることにより煤の堆積量が所定量（例えばＤＰＦ１個当たり煤が５〜１０ｇの範囲内の所定量）となるようにＰＭをＤＰＦに捕集した。その後、上記ＤＰＦを３００℃で２時間熱処理することにより堆積したＰＭから可溶性有機成分（ＳＯＦ成分）を除去した。
【００４１】
＜非定常強制再生試験；ＤＰＦ内温度測定とクラック発生の観測＞
煤を所定量溜めたＤＰＦに対し、該ＤＰＦ内の温度を測定するために所定位置（後に詳述する。）に熱電対を設置し、再度エンジンの排気管に装着した。このとき上記図８に示すように該ＤＰＦの上流側である排気通路内に酸化触媒（ＤＯＣ）を配置した。
上記酸化触媒は、セル数４００ｃｐｓｉ、φ１６０ｍｍ×Ｌ１００ｍｍ、容量２Ｌのハニカム基材に対して、アルミナ及びゼオライトを主体（１２０ｇ／Ｌ）とし、白金２ｇ／Ｌ、パラジウム１ｇ／Ｌを混合したスラリーをコートし、乾燥後、３５０℃で１時間焼成させることにより製造した。
次に、エンジンを回転させ排ガスを排気通路内に流通させることにより酸化触媒（ＤＯＣ）で酸化熱を発生させ、これにより下流側のＤＰＦを加熱した。具体的にはまずエンジンをバイパス排管に接続し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、トルク１００Ｎ・ｍ、空気の質量流量（Ｇａ）７５±３ｇ／秒となるようにエンジンを回転させたのち、排管をメイン排管に切り替え３分間保持した。その後、燃料添加前の触媒床温度であるベース床温が２９０℃である状態において、酸化触媒の上流から排気管へ燃料添加を開始し、酸化触媒で燃焼させることによりＤＰＦを加熱した。
その後、ＤＰＦの入口における排ガス温度が６８０℃に達したところで直ちに燃料添加を止め、エンジン回転数を８００ｒｐｍ、空気質量流量（Ｇａ）が９ｇ／秒となるまで低下させた（いわゆるアイドリング状態にした）。上記操作により比較的低流量で酸素濃度の高いガスがＤＰＦ内に流入するため、ＤＰＦ内に堆積したＰＭが一気に燃焼し、急速にＤＰＦ内床温が上昇する。
上記試験条件は、実車走行においてＤＰＦを再生し始めたとき（即ちＰＭが堆積した状態でＤＰＦ入りガス温度が６８０℃近傍となったとき）に急減速または停車することによりＤＰＦ内の煤が一気に燃焼して熱暴走を起こす最悪な条件を模擬している。
上記、非定常強制再生試験時のＤＰＦ内の温度挙動、及び該試験が終了した後のクラック発生の有無を観測した。クラック発生の観測については、上記試験後に上記ＤＰＦを取り出し、該ＤＰＦの全体（特に下流端部付近、及び外周付近）を目視、または顕微鏡（光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡）により観察することにより行った。
【００４２】
＜ＤＰＦ内温度分布とクラック発生＞
上記非定常強制再生試験を行っている時のＤＰＦ内部、及び外部における温度変化について測定した。ここで実施例及び比較例に係るＤＰＦ内に設置した熱電対の位置（１６箇所）は図９に示す通りである。即ち、ＤＰＦの上流側（Ｆｒ側）端面の近傍に、ＤＰＦの軸芯に直交する断面である円の中心から端部に向かって、（１）〜（５）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。またＤＰＦの上流側端面と下流側端面の中間地点であるＤＰＦの軸芯に直交する断面（以下「中間断面」ともいう。）において断面の中心から端部に向かって、（６）〜（１０）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。さらにＤＰＦの下流側（Ｒｒ側）端面の近傍に、ＤＰＦの軸芯に直交する円形断面の中心から端部に向かって、（１１）〜（１５）の順で合計５箇所に熱電対を設置した。合わせて、上記ＤＰＦに対して排ガスが流入する入口付近のガス温度を測定するため、ＤＰＦの外部であって該ＤＰＦの上流側端面から約１ｃｍの距離にある（１６）の場所に熱電対を設置した。
上記熱電対により測定された非定常強制再生試験時におけるＤＰＦの温度挙動について図１０（実施例１）及び図１１（比較例１）に示す。
図１０は、実施例１に係るＤＰＦにおいて、煤堆積量が８．３ｇ／個と比較的多い場合における温度挙動を示す。図１０では試験開始から約１１０秒後に、入りガス温度（１６）が６８０℃に到達している。この時点で、燃料添加を直ちに止めたことにより、一旦、各箇所における温度は下降する傾向を示した。しかしながら、ＤＰＦの中間断面の中央部付近である（６）〜（８）、及び下流側端面の中央部付近である（１１）〜（１３）においては、温度が再び上昇する傾向を示し、試験開始から１６０〜２２０秒付近において温度の極大値を示した。ＤＰＦ内で最も高い温度を示したのは下流側端面の中心付近である（１１）あるいは（１２）であり、その最高温度は約９００℃に達した。これらの結果から煤が一定量堆積した場合における急速な煤の燃焼において、ＤＰＦの下流側端面中心部が最も高温に加熱され易い部位であることが確認された。
【００４３】
上記実施例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：８．３ｇ／個）を上記試験後に取り出して、クラック発生の有無を観察した。その結果、上記ＤＰＦのいずれの部位においてもクラック等の欠陥は発生していないことが確認された。即ち、下流側端部にバンドを装着した場合（実施例１）では、ＤＰＦ内の温度が急上昇し、その最高温度が約９００℃に達した場合であっても熱応力によるクラックは発生しないことが確認された。また、本試験条件における煤堆積限界量（ＳＭＬ）は少なくとも８．３ｇ／個であることが確認された。
【００４４】
図１１は、比較例１に係るＤＰＦにおいて、煤堆積量が６．７ｇ／個である場合における温度挙動を示す。試験開始から約１１０秒後に、入りガス温度（１６）が６８０℃に到達し、その後、燃料添加を止めたことにより、ＤＰＦの中間断面の中央部（６）〜（８）、及び下流側断面の中央部（１１）〜（１３）において高い温度上昇を示した。最も高い温度を示したのは下流側端面の中心付近である（１１）あるいは（１２）であり、その最高温度は約８５０℃であった。
【００４５】
上記比較例１に係るＤＰＦ（煤堆積量：６．７ｇ／個）を上記試験後に取り出して、クラック発生の有無を観察した。その結果、下流側端面の外周部から中央部にかけてクラックが発生していることが確認された。この時の下流側端面の写真を図１２に示す。図１２において矢印はクラックが発生した部位を指し示している。
以上の結果より、バンドを装着していない場合においては、ＤＰＦ内の最高温度が約８５０℃である場合であっても熱応力によりＤＰＦの下流側端面においてクラックが発生することが確認された。また、本試験条件における煤堆積限界量（ＳＭＬ）は６．７ｇ／個未満であることが明らかとなった。
【００４６】
これらの結果より、バンドを下流側端面に装着することにより、ＰＭ（または煤）の急激燃焼による下流側端面付近の温度上昇に対して、クラック発生が抑制されることが確認された。またバンドの下流側端面装着により、ＳＭＬが向上（少なくとも１．２４倍）することが確認された。
【００４７】
＜急冷試験＞
次に、特にＤＰＦの上流側端面におけるクラック発生に対して過酷な条件、即ち、上流側端面における高温からの急速な温度低下を実現し、該端面付近のクラック発生挙動を観測した。
具体的には実施例２、３、及び比較例１に係る合計３種類のＤＰＦ（即ち、上流側端部にバンド装着（実施例２）、上流側及び下流側の両端部にバンド装着（実施例３）、バンド非装着（比較例１））に対し、上記煤堆積試験と同様にして所定量の煤（５〜２０ｇ／個）を堆積させた。その後、上記非定常強制再生試験と同様に、上記ＤＰＦ及びＤＯＣをエンジンの排気管に装着し、エンジンを始動させることによりＤＰＦの入りガス温度を６８０℃まで昇温させ、６８０℃に達した直後にイグニッションスイッチを切ってエンジンを停止させた。一般にＤＰＦが再生温度（６８０℃）まで加熱された状態で上記のように直ちにエンジンが停止された場合、ＤＰＦの上流側端面近傍が急速に放冷され、上流側外周部において最大温度勾配が生じる。よってこの場合、ＤＰＦの上流側端部で熱応力によるクラックが発生し易い状態となる。
【００４８】
＜クラック発生挙動の観察結果＞
上記急冷試験の後、排気通路からＤＰＦを取り出しクラック発生の有無を観測した。その結果、実施例２及び実施例３に係るＤＰＦでは煤の堆積量に関係なく、いずれの場合においてもクラックが発生していないことが確認された。これに対し比較例１に係るＤＰＦでは、煤の堆積量に関係なく、いずれの場合においても上流側端面においてクラックが発生していることが確認された。
図１３に比較例１に係るＤＰＦの上記急冷試験の後における上流側端面の写真を示す。図１３において矢印で指し示した部位にクラックが発生している。即ち、比較例１に係るＤＰＦは上流側端面の外周に近傍する部分においてクラックが発生していることが判る。
これらの結果より、バンドを上流側端面に装着することにより、高温（６８０℃）のＤＰＦを急速に放冷した場合であっても、上流側端面のクラック発生を抑制することができることが確認された。
【００４９】
また、実施例３に係るＤＰＦ（即ち、上流側及び下流側の両端面に圧力を負荷したＤＰＦ）では、上記非定常強制再生試験及び上記急冷試験に係る結果より、最大煤堆積量（ＳＭＬ）が向上し、また下流側端面及び上流側端面におけるクラック発生も抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１ エンジン部
２ 燃焼室
１２ 排気管
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
４０ 排ガス浄化部
５０ 酸化触媒（ＤＯＣ）
６０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ａ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ｂ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
６０Ｃ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
７０ ハニカム構造体
７２ セル
８０ 拘束バンド
８２ バンド部
８４ バンド固定具（バンドクランプ）
９０ 触媒コンバータ
９２ 保持部材
９４ 触媒コンバータケース
１００ 排ガス浄化装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の排ガスを浄化するために、前記ディーゼル機関の排気通路に設置されて使用される筒状のディーゼルパティキュレートフィルタであって、
前記排気通路において前記排ガスが前記ディーゼルパティキュレートフィルタに流入する側を上流側とし、前記排ガスが前記ディーゼルパティキュレートフィルタ内を通過して流出する側を下流側としたとき、
前記パティキュレートフィルタの前記上流側および前記下流側のうちの少なくとも一方の外周端部において局所的に外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられていることを特徴とする、ディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項２】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周端部において、前記局所的圧縮力が外周全域に亘って略一様に掛けられていることを特徴とする、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。
【請求項３】
前記略一様の圧縮力は、拘束バンドで前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周を締め付けることにより実現されていることを特徴とする、請求項２に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項４】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に前記拘束バンドの一部が重なるように設置されることを特徴とする、請求項３に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項５】
前記拘束バンドの幅が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項３または４に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項６】
前記圧縮力を掛けることにより前記ディーゼルパティキュレートフィルタに負荷される圧力が２５℃において１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタを備えることを特徴とする、排ガス浄化装置。
【請求項１】
ディーゼル機関の排ガスを浄化するために、前記ディーゼル機関の排気通路に設置されて使用される筒状のディーゼルパティキュレートフィルタであって、
前記排気通路において前記排ガスが前記ディーゼルパティキュレートフィルタに流入する側を上流側とし、前記排ガスが前記ディーゼルパティキュレートフィルタ内を通過して流出する側を下流側としたとき、
前記パティキュレートフィルタの前記上流側および前記下流側のうちの少なくとも一方の外周端部において局所的に外方から中心方向に向けて圧縮力が掛けられていることを特徴とする、ディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項２】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周端部において、前記局所的圧縮力が外周全域に亘って略一様に掛けられていることを特徴とする、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。
【請求項３】
前記略一様の圧縮力は、拘束バンドで前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周を締め付けることにより実現されていることを特徴とする、請求項２に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項４】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの端面から少なくとも２０ｍｍよりも近い外周端部領域に前記拘束バンドの一部が重なるように設置されることを特徴とする、請求項３に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項５】
前記拘束バンドの幅が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項３または４に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項６】
前記圧縮力を掛けることにより前記ディーゼルパティキュレートフィルタに負荷される圧力が２５℃において１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタを備えることを特徴とする、排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−２４１４６（Ｐ２０１３−２４１４６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０２１６（Ｐ２０１１−１６０２１６）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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