(57)【要約】【課題】初期状態の捕集率を向上させる。【解決手段】フィルタ装置２２０は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ、排気ガスを通過させる孔３６０が複数形成されたフィルタ壁３２４と、フィルタ壁３２４上に設けられ、複数の炭素粒子を含んで構成される捕集層３５０と、を備える。捕集層３５０を備えることにより、初期状態における粒子状物質の捕集率を向上させることが可能となる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ、前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁と、
前記フィルタ壁上に設けられ、複数の炭素粒子を含んで構成される捕集層と、
を備えるフィルタ装置。
【請求項２】
前記捕集層は、前記フィルタ壁における、前記排気ガスの流れ方向の上流側に位置する面に配される請求項１に記載のフィルタ装置。
【請求項３】
前記捕集層は、前記排気ガス中の煤に含まれる炭素粒子と同じ構造の炭素粒子を含んで構成される請求項１または２に記載のフィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排気された排気ガスに含まれる、煤やオイル由来のアッシュ等の粒子状物質を取り除く車両用のフィルタ装置として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）が知られている。
【０００３】
このようなフィルタ装置では、フィルタに形成された孔で粒子状物質を捕捉することで、排気ガスから粒子状物質を取り除いている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４７９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、フィルタに蓄積した粒子状物質は、排気ガスに含まれる粒子状物質を吸着する。このため、上記従来のフィルタ装置は、フィルタに粒子状物質がほとんど蓄積していない初期状態において粒子状物質の捕集率が低く、使用時間（排気ガスの通過時間）が増加するに従って捕集率が向上する。したがって、初期状態において粒子状物質の捕集率を向上させる技術の開発が希求されている。
【０００６】
本発明は、初期状態の捕集率を向上させることが可能なフィルタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のフィルタ装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉しつつ、前記排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁と、前記フィルタ壁上に設けられ、複数の炭素粒子を含んで構成される捕集層と、を備える。
【０００８】
また、前記捕集層は、前記フィルタ壁における、前記排気ガスの流れ方向の上流側に位置する面に配されてもよい。
【０００９】
また、前記捕集層は、前記排気ガス中の煤に含まれる炭素粒子と同じ構造の炭素粒子を含んで構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、初期状態の捕集率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】エンジンシステムの構成を示す概略図である。
【図２】排気ガス浄化ユニットの構成を示す概略図である。
【図３】フィルタ装置の構成を示す概略図である。
【図４】フィルタ装置における捕集層を説明する図である。
【図５】従来のフィルタ装置による粒子状物質の捕捉を説明する概念図である。
【図６】実施形態のフィルタ装置による粒子状物質の捕捉を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
図１は、エンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。
【００１４】
エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。
【００１５】
また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラー１４２が連通され、排気路１４０に、後述する排気ガス浄化ユニット２００が設けられる。
【００１６】
エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。
【００１７】
エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。
【００１８】
これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。
【００１９】
ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２として機能する。
【００２０】
信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号に基づき、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。
【００２１】
空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。
【００２２】
噴射量決定部１８６は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量に基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。
【００２３】
点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。
【００２４】
駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。
【００２５】
このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになる。排気ガスには、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ：Particulate matter）が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に排気ガス浄化ユニット２００を設けておき、排気ガス浄化ユニット２００において、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物、粒子状物質を除去する。
【００２６】
（排気ガス浄化ユニット２００）
図２は、排気ガス浄化ユニット２００の構成を示す概略図である。なお、図２中、信号の流れを破線の矢印で示す。図２に示すように、排気ガス浄化ユニット２００は、三元触媒（Three-Way Catalyst）２１０と、フィルタ装置２２０と、差圧センサ２３０とを含んで構成される。
【００２７】
三元触媒２１０は、排気路１４０内に設けられる。三元触媒２１０は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を担持した担体で構成され、排気ポート１３６から排出された排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去する。
【００２８】
フィルタ装置２２０は、排気路１４０内における三元触媒２１０の下流側に設けられ、排気ポート１３６から排気された排気ガス中の粒子状物質を捕捉する。本実施形態のフィルタ装置２２０は、ウォールフロー型である。フィルタ装置２２０については、後に詳述する。
【００２９】
差圧センサ２３０は、フィルタ装置２２０における上流側と下流側との差圧を検出する。差圧センサ２３０が検出した差圧が所定の上限値を上回ると、ＥＣＵ１１０は、粒子状物質（煤）を燃焼させて除去する再生処理を遂行する。再生処理では、新たな粒子状物質を吸着させるために必要な所定量の粒子状物質を残しつつ、その他の粒子状物質を燃焼させて圧力損失を減少させる。
【００３０】
図３は、フィルタ装置２２０の構成を示す概略図であり、図３（ａ）は、フィルタ装置２２０の斜視図を示し、図３（ｂ）はフィルタ装置２２０の正面図を示し、図３（ｃ）は図３（ａ）のＹＺ断面図を示す。なお、図３（ａ）、中、排気ガスの流れを白抜き矢印で示し、図３（ｃ）中、排気ガスの流れを矢印で示す。また、理解を容易にするために、図３（ｂ）、図３（ｃ）中、捕集層３５０を省略する。さらに、本実施形態にかかる図３では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸（排気ガスの流れ方向、排気路１４０の延在方向）、Ｚ軸を図示の通り定義している。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、フィルタ装置２２０は、ウォールフロー型の装置であり、フィルタ構造体３１０と、捕集層３５０とを含んで構成される。図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、フィルタ構造体３１０は、フィルタユニット３２０と、上流プラグ部３３０と、下流プラグ部３４０とを含んで構成される。
【００３２】
フィルタユニット３２０は、円筒形状の外筒３２２と、排気ガスを通過させるフィルタ壁３２４とを含んで構成される。また、詳しくは後述するが、フィルタ壁３２４には、捕集層３５０が積層されている。
【００３３】
フィルタ壁３２４は、図３中、ＸＹ面と平行な面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第１壁３２４ａと、ＹＺ面と平行な面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第２壁３２４ｂとを含んで構成される。そして、図３（ｂ）に示すように、２つの第１壁３２４ａと、２つの第２壁３２４ｂに囲繞された空間、もしくは、第１壁３２４ａ、第２壁３２４ｂ、外筒３２２に囲繞された空間がセル３２６として形成される。
【００３４】
したがって、複数のセル３２６は、外筒３２２（フィルタユニット３２０）内において、軸方向（図３中、Ｙ軸方向）に延在するとともに、軸方向と直交する方向（図３中、Ｘ軸方向およびＺ軸方向）に並列して形成される。なお、セル３２６の数に限定はない。
【００３５】
そして、図３（ｃ）に示すように、セル３２６のうち、第１セル群に分類されるセル３２６Ａは、上流側の上流開口部３２８ａが上流プラグ部３３０で封止されており、その他のセル３２６（第２セル群に分類されるセル３２６Ｂ）は、下流側の下流開口部３２８ｂが下流プラグ部３４０で封止されている。
【００３６】
フィルタ構造体３１０では、セル３２６Ａとセル３２６Ｂとが交互に配置されているため、フィルタ構造体３１０（フィルタ装置２２０）に到達した排気ガスは、セル３２６Ｂに導入され、セル３２６Ｂを区画するフィルタ壁３２４を通過して、セル３２６Ａに導入される。この際、フィルタ壁３２４の通過過程において、排気ガスに含まれる粒子状物質がフィルタ壁３２４（後述する孔３６０）で捕捉されることとなる。そして、セル３２６Ａに導入された排気ガスは、セル３２６Ａの下流側の開口を通じてマフラー１４２（図１参照）に導かれることとなる。
【００３７】
以下、フィルタ壁３２４に配される捕集層３５０について具体的に説明する。図４は、フィルタ装置２２０における捕集層３５０を説明する図である。
【００３８】
図４に示すように、捕集層３５０は、フィルタ壁３２４における、排気ガスの流れ方向（図４中、Ｚ軸方向）の上流側に位置する面（上流面）３２４ｃに積層される。捕集層３５０は、排気ガス中の煤に含まれる炭素粒子（例えば、アモルファスカーボン）と同じ構造の炭素粒子を複数含んで構成される。捕集層３５０は、フィルタ壁３２４の上流側から塗布される（吹きつけられる）ことによって形成される。捕集層３５０の厚み（図４中、Ｚ軸方向の長さ）は、フィルタ壁３２４の厚みよりも薄い。捕集層３５０は、フィルタ壁３２４に形成された孔を閉塞しない程度にフィルタ壁３２４に塗布される。
【００３９】
フィルタ装置２２０は、捕集層３５０を備えることにより、初期状態における粒子状物質の捕集率を向上させることができる。以下、まず、従来のフィルタ装置の問題点について説明し、続いて、本実施形態のフィルタ装置２２０について説明する。
【００４０】
図５は、従来のフィルタ装置１０による粒子状物質の捕捉を説明する概念図である。図５（ａ）に示すように、従来のフィルタ装置１０は、フィルタ壁３２４のみを備えており、捕集層３５０を備えていない。フィルタ壁３２４に形成された孔３６０は、流路断面積が一定ではなく、また、湾曲している。
【００４１】
従来のフィルタ装置１０は、粒子状物質（図５中、黒い丸で示す）の堆積状態に応じて、粒子状物質の捕集率が相違する。具体的に説明すると、孔３６０への粒子状物質の堆積量に応じて、粒子状物質が孔３６０を通過できる確率が異なる。図５（ｂ）に示すように、孔３６０に粒子状物質が捕捉されていない初期状態（孔３６０における粒子状物質の堆積量がゼロ、または、少量である状態）において、孔３６０の壁面には粒子状物質が付着していない。したがって、従来のフィルタ装置１０に到達した粒子状物質のすり抜けが生じやすく（通過する確率が高く）、粒子状物質は孔３６０に捕捉されずに通過しやすい。つまり、粒子状物質は、フィルタ壁３２４の孔３６０を通過し、フィルタ壁３２４の下流側に流出する。したがって、初期状態においては、フィルタ壁３２４の捕集率が低くなる。
【００４２】
一方、従来のフィルタ装置１０の使用時間（排気ガスの通過時間）が増加するに従って、フィルタ壁３２４の孔３６０の壁面に粒子状物質が付着（堆積）していくと、図５（ｃ）に示すように、付着した粒子状物質によって流路（孔３６０）が狭まり、排気ガスに含まれる粒子状物質が捕捉されやすくなる（深層ろ過）。このため、孔３６０における粒子状物質の堆積量が増加すると、粒子状物質が孔３６０を通過できる確率が低くなり、捕集率が向上する。
【００４３】
このように、従来のフィルタ装置１０では、使用時間が所定時間を超えると、捕集率が所定値まで向上するが、初期状態では、捕集率が低い。
【００４４】
図６は、本実施形態のフィルタ装置２２０による粒子状物質の捕捉を説明する概念図である。図６（ａ）に示すように、フィルタ装置２２０の捕集層３５０は、フィルタ壁３２４の上流面３２４ｃに積層されている。図６（ａ）に示すように、初期状態において、フィルタ装置２２０のフィルタ壁３２４を構成する孔３６０の壁面には、従来のフィルタ装置１０と同様に、粒子状物質（図６中、黒い丸で示す）が付着していない。しかし、フィルタ装置２２０では、フィルタ壁３２４の上流面３２４ｃに捕集層３５０が積層されている。したがって、初期状態において、排気ガスに含まれる粒子状物質は、捕集層３５０によって捕捉されることになる（表層ろ過）。このため、初期状態において、捕集率を向上させることができる。なお、粒子状物質以外の排気ガスは捕集層３５０を通過し、孔３６０に流入する。
【００４５】
そして、フィルタ装置２２０の使用時間が経過し、差圧センサ２３０が検出した差圧が所定の上限値を上回ると、再生処理が遂行される。そうすると、図６（ｂ）に示すように、捕集層３５０を構成する炭素粒子および粒子状物質の一部が燃焼され、小粒子となって孔３６０の壁面に付着する。これにより、捕集層３５０に加えて、孔３６０に付着した小粒子（粒子状物質）によって、排気ガスに含まれる粒子状物質が捕捉される。つまり、フィルタ装置２２０において、表層ろ過と深層ろ過とが行われることになり、粒子状物質の捕集率が向上する。
【００４６】
その後、再生処理を繰り返すことにより、捕集層３５０を焼失させることができ、捕集層３５０による圧力損失を削減することが可能となる。なお、捕集層３５０が焼失しても、孔３６０における粒子状物質の堆積量が所定量に維持されるため、捕集率は所定値以上に維持されることになる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のフィルタ装置２２０は、捕集層３５０を備えることにより、初期状態において粒子状物質の捕集率を向上させることができる。また、捕集層３５０が炭素粒子を含んで構成されることにより、再生処理によって捕集層３５０を徐々に低減することが可能となる。したがって、使用時間の経過に伴って、従来のフィルタ装置１０と同様の捕集率を確保するとともに、圧力損失の上昇を回避することができる。
【００４８】
また、上記したように、捕集層３５０は、煤に含まれる炭素粒子を複数含んで構成される。これにより、粒子状物質との親和性（吸着率）を向上させることができ、捕集率を向上させることが可能となる。また、煤に含まれる炭素粒子は、静電気を有するため、粒子状物質の吸着率が高い。したがって、捕集層３５０は、捕集率をさらに向上させることが可能となる。
【００４９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５０】
なお、上記実施形態において、フィルタ装置２２０がウォールフロー型のフィルタ装置を例に挙げて説明した。しかし、フィルタ装置２２０は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉し、排気ガスを通過させる孔が複数形成されたフィルタ壁を有していれば構成に限定はない。
【００５１】
また、上記実施形態において、捕集層３５０が、煤に含まれる炭素粒子を複数含んで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、捕集層３５０を構成する炭素粒子に限定はない。例えば、捕集層３５０を構成する炭素粒子として、グラファイトや他のアモルファスカーボン（例えば、活性炭）を採用してもよい。
【００５２】
また、上記実施形態において、捕集層３５０が、フィルタ壁３２４の上流面３２４ｃに配される構成を例に挙げて説明した。しかし、捕集層３５０は、フィルタ壁３２４に設けられていれば、設置位置に限定はない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
２２０  フィルタ装置
３２０  フィルタユニット
３２４  フィルタ壁
３２６Ａ、３２６Ｂ  セル
３３０  上流プラグ部
３４０  下流プラグ部
３５０  捕集層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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