JP2002256842A - 排ガス浄化フィルタ - Google Patents
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Abstract
失の発生を抑制することができる排ガス浄化フィルタを
提供すること。 【解決手段】 隔壁11に囲まれた多数のセル10を有
するハニカム状の排ガス浄化フィルタ1であって,セル
10のうち少なくとも一部のセル10は,その両端のい
ずれか一方の端部に栓2,3を有する。流体経路の下流
側に配設されるべき栓の少なくとも一部は,流体が貫通
可能な開口部30を有する部分栓3である。セル10に
進入した流体が隔壁11を通過する際の圧力損失が,部
分栓3を通過する圧力損失よりも小さくなるよう構成さ
れている。
Description
出されるカーボン微粒子等のパティキュレートを浄化す
る手段として,フィルタにより一旦パティキュレートを
捕集し,これをその後ヒータ等による加熱もしくは触媒
により燃焼除去する方法がとられている。
のセルを有するハニカム構造体を排ガス浄化フィルタと
し,その隔壁に触媒をコーティングしたものである。従
来の排ガス浄化フィルタ9は,図10,図11に示すご
とく,セル90の両端の一方を栓95によって交互に栓
詰めした構造のハニカム構造体を用いる。すなわち,図
11に示すごとく,上流側の端面91においては,セル
端部を栓95を用いて,例えば市松模様状に交互に栓詰
めする。そして,下流側の端面92においては,上流側
に栓がないセル90の端部を栓95により栓詰めし,一
方,上流側で栓95があるセル90の端部を開放したま
まとする。そして,隔壁98には触媒を担持させる。
ば,内燃機関の排気ガスが通過する際に隔壁にパティキ
ュレートが捕集され,これが高温の排気ガスの熱により
触媒作用によって燃焼除去される。
ガス浄化フィルタ9においては,次の問題がある。即
ち,図12に示すごとく,上記排ガス浄化フィルタ9に
流入する排気ガス8から捕集されるパティキュレート8
8は,必ずしもタイミングよく燃焼除去されず,徐々に
隔壁98に堆積する場合がある。例えば,内燃機関から
温度の低い排気ガス8が排出されている間は,触媒作用
によっても燃焼が開始せず,パティキュレート88の堆
積のみが進行する。この場合には,排気ガス8がフィル
タ,即ち排ガス浄化フィルタ9を通過する際の圧力損失
が増大し,また燃焼熱によりフィルタが異常加熱され割
れもしくは溶損するという問題を招いてしまう。
れたもので,パティキュレートの堆積による過剰な圧力
損失の発生を抑制また割れや溶損を防止することができ
る排ガス浄化フィルタを提供しようとするものである。
ティキュレートを捕集する排ガス浄化フィルタにおい
て,該排ガス浄化フィルタ内での上記パティキュレート
の堆積量が所定値に達するまでは,上記堆積量の増加に
伴って排気ガスが通過する際の圧力損失が上昇し,上記
パティキュレートの堆積量が所定値を超えた後には,上
記圧力損失が実質的に上昇しないよう構成されているこ
とを特徴とする排ガス浄化フィルタにある。
上記のごとく,パティキュレートの堆積量が増大して排
ガス通過時の圧力損失が上昇してきても,この上昇は上
記堆積量が所定値になった後はほとんど起こらない。そ
のため,堆積したパティキュレートの燃焼除去が遅れて
その堆積量が上記所定値を超える異常状態が生じたとし
ても,過剰な圧力損失の発生を防止することができる。
そのため,上記圧力損失の増大が内燃機関等へ及ぼす影
響を抑制することができる。
ルタとしては,セラミック製のハニカム構造体よりなる
ものだけでなく,金属製のハニカム構造体よりなるもの
を適用することもできる。
量の所定値は,堆積したパティキュレートを燃焼させた
際の熱により上記隔壁が溶損する量よりも少ない量であ
ることが好ましい。この場合には,所定値を超えてパテ
ィキュレートが堆積した場合において,排ガス浄化フィ
ルタが溶損してしまうというトラブルを低減することが
できる。
多数のセルを有するハニカム状の排ガス浄化フィルタに
おいて,上記セルのうち少なくとも一部のセルは,その
両端のいずれか一方の端部に栓を有し,流体経路の下流
側に配設されるべき上記栓の少なくとも一部は,流体が
貫通可能な開口部を有する部分栓であり,かつ,上記セ
ルに進入した流体が上記隔壁を通過する際の圧力損失
が,上記部分栓を通過する圧力損失よりも小さくなるよ
う構成されていることを特徴とする排ガス浄化フィルタ
にある。
明の排ガス浄化フィルタは,上記セルの下流側において
上記開口部を有する部分栓を有している。そして,この
部分栓は上記の圧力損失関係を有する。言い換えれば,
部分栓の方が隔壁よりも流体の通過抵抗が大きくなるよ
う構成されている。そのため,流体である排気ガスがセ
ル内に進入した際には,部分栓に開口部があってもここ
を殆ど通過せず,隔壁を通過して隣の栓のないセルから
排出される状態が得られる。それ故,排気ガス中のパテ
ィキュレートは隔壁に捕集され,ヒータ等による加熱,
もしくは排ガス浄化フィルタの隔壁に担持される触媒の
作用によって適宜燃焼除去される。
用による燃焼がなかなか生じない場合には,徐々に隔壁
にパティキュレートが堆積する。この場合には,隔壁を
流体が通過する際の圧力損失が大きくなり,部分栓にお
ける圧力損失と逆転する。このようなパティキュレート
の堆積が進んだ異常状態においては,セルに進入した流
体が部分栓の上記開口部から排出される状況を作り出す
ことができる。これにより,異常時における過剰な圧力
上昇は回避される。そして,その後,触媒作用によるパ
ティキュレートの燃焼除去が実施された際には,初期状
態に再生され,隔壁を通過する流体流れが復活し,パテ
ィキュレートの捕集が再開される。
よれば,パティキュレートの堆積による過剰な圧力損失
の発生を抑制すると共に割れや溶損を防止することがで
きる排ガス浄化フィルタを提供することができる。
ス浄化フィルタの各端面上において上記栓のある端部と
無い端部とがそれぞれ交互に位置していることが好まし
い。これにより,排ガスが隔壁を通過する経路を容易に
確立することができる。
側に位置する栓のすべては,流体の通過を完全に遮断す
る完全な栓であることが好ましい。上流側を部分栓にし
た場合には,直接的に部分栓の開口部から流体が進入す
る状態が生まれ,パティキュレートの捕集効率が低下す
るおそれがある。上流側に位置する栓のすべてを完全な
栓にすることによって,捕集効率の低下を抑制すること
ができる。
栓の上記開口部の面積をB,上記セルの開口面積をAと
した場合,栓詰め率((A−B)/A)×100が5〜
80%の範囲にあることが好ましい。上記栓詰め率が5
%未満の場合には,部分栓を流体が通過する際の圧力損
失があまり大きくならず,直接貫通する割合が増加し,
パティキュレートの捕集効率が低下するおそれがある。
一方,上記栓詰め率が80%を超える場合には,完全な
栓を部分栓に変更した上記作用効果が十分に発揮されな
いおそれがある。
ス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓のうち,
上記下流側端面の中央部分に位置する上記栓が上記部分
栓であり,その周囲に位置する上記栓は流体の通過を完
全に遮断する完全な栓とすることができる。流体である
排ガスの流速分布は中央ほど高くなる傾向にあり,中央
部分の圧力上昇がその周囲よりも大きい。そのため,過
剰圧力上昇の回避作用を排ガス浄化フィルタの中央部分
にのみ持たせても上記作用効果を十分に発揮させること
ができる場合がある。
ス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓のすべて
が上記部分栓である構造をとることもできる。この場合
には,流体の流速分布に関係なく,十分に過剰圧力上昇
を回避することができる。
ス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓のうち,
上記部分栓が30%以上を占めることが好ましい。部分
栓が30%未満の場合には,上記の過剰圧力上昇回避効
果が低くなるおそれがある。
ガス浄化フィルタの下流側端面のうち,その中心から外
周までの中点を結んだ線の内側に位置する部分を中央部
分とし,その外側に位置する部分を外周部分とした場
合,上記栓における上記部分栓の割合が,上記外周部分
よりも上記中央部分の方が大きいことが好ましい。これ
により,中央部分における過剰圧力上昇回避効果を外周
部分よりも高くすることができる。
き,図1〜図4を用いて説明する。本例の排ガス浄化フ
ィルタ1は,隔壁11に囲まれた多数のセル10を有す
るハニカム状の排ガス浄化フィルタである。上記セル1
0の両端のいずれか一方の端部に栓2,3を有する。そ
して,排ガス浄化フィルタ1の両端面18,19上にお
いて上記栓2,3のある端部と無い端部とがそれぞれ交
互に位置する。
上記栓の少なくとも一部は,流体が貫通可能な開口部3
0を有する部分栓3である。かつ,上記セル10に進入
した流体が上記隔壁11を通過する際の圧力損失が,上
記部分栓を通過する圧力損失よりも小さくなるよう構成
されている。以下,これを詳説する。
2に示すごとく,四角形状の断面空間を有するセル10
を有する円筒状のハニカム構造体よりなる排ガス浄化フ
ィルタである。全体サイズは,直径140mmφ,長さ
130mmとし,セルサイズは12mil,300メッ
シュとした。図1,図2に示すごとく,排ガス浄化フィ
ルタ1の下流側端面19に位置するセル端部は,市松模
様状に栓2,3がある部分と無い部分とが交互に位置さ
れている。
る栓の殆どを開口部30を有する部分栓3とし,若干で
はあるが外周端部に位置するセルには開口部のない完全
な栓2を配置した。上記部分栓3は,図1に示すごと
く,略円形状の開口部30をほぼ中央部に設けたもので
ある。この部分栓3は,開口部30の面積をB,セル1
0の開口面積をAとした場合,栓詰め率((A−B)/
A)×100が5〜80%の範囲にある。大半は約70
%である。
19において栓2,3を設けなかったセル10の反対側
端部,即ち排ガス浄化フィルタ1の上流側端面18に位
置するセル端部には,完全な栓2を設けた。したがっ
て,この上流側端面18においても市松模様状に栓2が
配置されている。
されており,排気ガスが通過できるようになっている。
そして,本例においては,セル10に進入した排気ガス
がこの隔壁11を排気ガスが通過する際の圧力損失が,
セル10から部分栓3の開口部30を通過する際の圧力
損失よりも小さくなっている。
たっては,まず,セラミック原料を秤量し,混合撹拌し
た後,成形機によりハニカム状に押し出し成形する。次
いで得られたハニカム状の成形体を乾燥した後,約14
00℃で焼成した。これにより,まだ栓のない排ガス浄
化フィルタ1が得られる。上記セラミック原料として
は,SiO2原料を19%(重量%,以下同様),Mg
O・SiO2原料を36%,Al2O3原料を45%を主
原料として用いた。これに外%の換算で,造孔剤を2
1.6%,バインダを13.5%,水を34%加えた。
ル10の端部に栓2,3を配設する。本例においては,
完全な栓2も部分栓3もすべてディッピング方法によ
り,以下のように形成した。まず,ディッピング用のス
ラリーを2種類準備した。第1のスラリーは,排ガス浄
化フィルタ1の上流側端面18を浸けるためのものであ
り,比較的濃度の濃いものである。具体的には,上記セ
ラミック原料を主成分とし,外%の換算で水80%を加
えたスラリーである。第2のスラリーは,上記セラミッ
ク原料を主成分とし,外%の換算で水150%を加えた
スラリーである。
排ガス浄化フィルタ1の両端部の外周部に,外周面保護
用のテープ71を貼り付けた。次に,図4(b)に示す
ごとく,上流側端面18及び下流側端面19に樹脂フィ
ルム72を貼り付けた。樹脂フィルム72としては厚さ
0.1mmのビニールテープを用いた。次に,図4
(c)に示すごとく,栓2,3を設けるべき位置に対応
する上記樹脂フィルム72を半田ごてのような加熱した
治具を接触させることにより熱で貫通孔720を設け
た。これは,上流側端面18と下流側端面19のそれぞ
れにおいて行った。
ラリー75を入れた容器76を準備し,これに排ガス浄
化フィルタ1の上流側端部18を浸漬した。そして,上
記樹脂フィルム72の貫通孔720から第1のスラリー
75を適量進入させた。次に,第2のスラリーを入れた
容器を準備して図4(d)と同様にして排ガス浄化フィ
ルタ1の下流側端部19を浸漬した。そして,樹脂フィ
ルム72の貫通孔720から第2のスラリーを適量進入
させた。
℃で焼成し,樹脂フィルム72を焼却除去すると共に上
記2種類のスラリーを乾燥させた。上流側端面18にお
ける第1のスラリーは,水分濃度が低くセル端部に十分
付着した状態となっていたので,焼成後に穴のない完全
な状態の栓2になった。一方,下流側端面19における
第2のスラリーは,水分濃度が高くセル端部に付着しに
くいので,焼成後に開口部30を残したまま部分栓3と
なった。なお,本例では,下流側端面19の外周端部に
位置する,一部が欠けた四角形状のセルは,開口面積が
小さい関係から,完全な栓2となった部分があった。
果につき説明する。上記排ガス浄化フィルタ1は,開口
部30を有する部分栓3を下流側に有している。そし
て,この部分栓3は上記のごとき圧力損失関係を有す
る。即ち,部分栓3の方が隔壁11よりも排気ガス8の
通過抵抗が大きくなるよう構成されている。そのため,
図2に示すごとく,正常な状態においては,排気ガス8
がセル10内に進入した際には,部分栓3に開口部30
があってもここを殆ど通過せず,隔壁11を通過して隣
の栓のないセル10に移動してから排出される。それ
故,排気ガス中のパティキュレートは隔壁11に捕集さ
れ,ヒータ等による加熱もしくは触媒作用によって適宜
燃焼除去される。
加熱もしくは触媒作用による燃焼がなかなか生じない場
合には,徐々に隔壁にパティキュレート88が堆積す
る。この場合には,隔壁11を排気ガス8が通過する際
の圧力損失が大きくなり,部分栓3における圧力損失と
逆転する。このようなパティキュレートの堆積が進んだ
異常状態においては,同図に示すごとく,セル10に進
入した排気ガス8が部分栓3の開口部30から排出され
る状況を作り出すことができる。これにより,異常時に
おける過剰な圧力上昇は回避される。そして,その後,
ヒータ等による加熱もしくは触媒作用によるパティキュ
レート88の燃焼除去が実施された際には,初期状態に
再生され,隔壁11による捕集が再開される。
形状を変更した例である。具体的には,図5(a)に示
すごとく,実施形態例1と同様の円形状の開口部30を
有する部分栓3の他に,同図(b)に示す楕円形の開口
部30,同図(c)に示す樽型の開口部30,同図
(d)に示す四角形の開口部30を有する部分栓3を適
宜採用することができる。
開口部30を中央部ではなく周辺に設けた構造をとるこ
ともできる。これらの形状は,主に製造方法によって左
右される。いずれの形状の開口部30を有する部分栓3
を採用しても,隔壁11との圧力損失の関係が実施形態
例1と同様に維持される以上,実施形態例1と同様の作
用効果を得ることができる。
部分栓3の配設方法の別例を示す例である。即ち,本例
においては,実施形態例1における第1のスラリーと同
様のスラリー77を準備する。そして,図6に示すごと
く,部分栓3を配設したいセル端部の内面に少しずつス
ラリー77を付着させ,開口面積を徐々に小さくする。
そして,焼成することにより,開口部を有する部分栓を
設けることができる。この場合にも,実施形態例1と同
様の作用効果が得られる。
ーにディッピングした後,乾燥前に細い棒状の治具によ
り穴をあけてから焼成する方法,あるいは,焼成した後
にドリルで穴をあける方法を採用することもできる。さ
らに,あらかじめ開口部を設けた板状のセラミック板を
セル端部の開口部分に接着する方法もある。
流側端面19において,その中央部分の領域300のみ
に部分栓を採用し,その周囲の領域200には完全な栓
詰めを採用した例である。その他は実施形態例1と同様
である。この場合にも,実施形態例1と同様の作用効果
が得られる。
用い,排気ガス中のパティキュレートの堆積量と,排気
ガスの圧力損失(圧損)との関係を測定した例である。
具体的には,パティキュレートを含む排気ガスと同様の
構成の流体を上記排ガス浄化フィルタ1中に流し,パテ
ィキュレートの堆積量と圧力損失とを測定した。
ィキュレート堆積量(PM堆積量)を,縦軸に圧力損失
(圧損)をとったものである。同図に示すごとく,本例
の排ガス浄化フィルタ1は,排ガス浄化フィルタ1内で
のパティキュレートの堆積量が所定値Sに達するまで
は,上記堆積量の増加に伴って排気ガスが通過する際の
圧力損失が上昇し,上記パティキュレートの堆積量が所
定値Sを超えた後には,上記圧力損失が実質的に上昇し
ないよう構成されていることが分かった。
排ガス浄化フィルタ1の下流側端面19の中央部分の領
域300に完全な栓詰めを行い,その周囲の領域200
には一切栓を設けずセルの開口部を開放したままとした
例である。その他は実施形態例1と同様である。この場
合にも,実施形態例1と同様の作用効果が得られる。
排ガス浄化フィルタ1の下流側端面19の中央部分の領
域300に完全な栓詰めを行い,その周囲の領域200
に部分栓を設けた例である。その他は実施形態例1と同
様である。この場合にも,実施形態例1と同様の作用効
果が得られる。
全な栓に代えた場合も含み,栓の配置状態の変形例を示
す。図9の(a)〜(f)に示すごとく,開放したセル
100と,完全な栓又は部分栓よりなる栓部300との
配置状態は,様々な態様を取ることができる。
下流側端面を示す説明図。
長手方向断面を示す説明図。
トが堆積した際の排気ガス流れを示す説明図。
図。
変形例を示す説明図。
示す説明図。
と完全な栓詰めのエリアを分けた例を示す説明図。
との関係を示す説明図。
形例を示す説明図。
側端面を示す説明図。
方向断面を示す説明図。
積した際の問題点を示す説明図。
Claims (10)
- 【請求項1】 排気ガス内のパティキュレートを捕集す
る排ガス浄化フィルタにおいて,該排ガス浄化フィルタ
内での上記パティキュレートの堆積量が所定値に達する
までは,上記堆積量の増加に伴って排気ガスが通過する
際の圧力損失が上昇し,上記パティキュレートの堆積量
が所定値を超えた後には,上記圧力損失が実質的に上昇
しないよう構成されていることを特徴とする排ガス浄化
フィルタ。 - 【請求項2】 請求項1において,上記堆積量の所定値
は,堆積したパティキュレートを燃焼させた際の熱によ
り上記隔壁が溶損する量よりも少ない量であることを特
徴とする排ガス浄化フィルタ。 - 【請求項3】 隔壁に囲まれた多数のセルを有するハニ
カム状の排ガス浄化フィルタにおいて,上記セルのうち
少なくとも一部のセルは,その両端のいずれか一方の端
部に栓を有し,流体経路の下流側に配設されるべき上記
栓の少なくとも一部は,流体が貫通可能な開口部を有す
る部分栓であり,かつ,上記セルに進入した流体が上記
隔壁を通過する際の圧力損失が,上記部分栓を通過する
圧力損失よりも小さくなるよう構成されていることを特
徴とする排ガス浄化フィルタ。 - 【請求項4】 請求項3において,上記排ガス浄化フィ
ルタの各端面上において上記栓のある端部と無い端部と
がそれぞれ交互に位置していることを特徴とする排ガス
浄化フィルタ。 - 【請求項5】 請求項3において,上記上流側に位置す
る栓のすべては,流体の通過を完全に遮断する完全な栓
であることを特徴とする排ガス浄化フィルタ。 - 【請求項6】 請求項3〜5のいずれか1項において,
上記部分栓の上記開口部の面積をB,上記セルの開口面
積をAとした場合,栓詰め率((A−B)/A)×10
0が5〜80%の範囲にあることを特徴とする排ガス浄
化フィルタ。 - 【請求項7】 請求項3〜6のいずれか1項において,
上記排ガス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓
のうち,上記下流側端面の中央部分に位置する上記栓が
上記部分栓であり,その周囲に位置する上記栓は流体の
通過を完全に遮断する完全な栓であることを特徴とする
排ガス浄化フィルタ。 - 【請求項8】 請求項3〜6のいずれか1項において,
上記排ガス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓
のすべてが上記部分栓であることを特徴とする排ガス浄
化フィルタ。 - 【請求項9】 請求項3〜6のいずれか1項において,
上記排ガス浄化フィルタの下流側端面に位置する上記栓
のうち,上記部分栓が30%以上を占めることを特徴と
する排ガス浄化フィルタ。 - 【請求項10】 請求項3〜8のいずれか1項におい
て,上記排ガス浄化フィルタの下流側端面のうち,その
中心から外周までの中点を結んだ線の内側に位置する部
分を中央部分とし,その外側に位置する部分を外周部分
とした場合,上記栓における上記部分栓の割合が,上記
外周部分よりも上記中央部分の方が大きいことを特徴と
する排ガス浄化フィルタ。
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