JP2005512782A - 複数の濾過ユニットを備える、特に粒子フィルタ用に設計された濾過本体 - Google Patents

複数の濾過ユニットを備える、特に粒子フィルタ用に設計された濾過本体 Download PDF

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Abstract

本発明は、特に自動車の内燃機関排気ガス・粒子フィルタ（１）用の濾過本体（３）に関し、この濾過本体は、濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）の間に挟まれた少なくとも１つの連結体（１２）によって組み立てられた複数の濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）を備え、濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）の間の排気ガスの通過を妨害するように構成される。前記濾過本体は、連結体（１２）が、濾過本体（３）内で生じやすい熱機械応力の減衰を最適化するように局所的に適合された、複数の連結体部分（１２ａ〜１２ｅ）を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、特に自動車の内燃機関からの排気ガスに対する粒子フィルタ用に設計されると共に、濾過ユニットの間に挟み込んだ少なくとも１つの連結体により互いに固定され、前記濾過ユニットの間の前記排気ガスの通過を妨害するように適合された複数の濾過ユニットを備える濾過本体に関する。
従来技術
排気ガスを大気に排出する前に、図１および２に示すような粒子フィルタによってそのガスを浄化することができ、これは当技術分野では知られている。
図１は、粒子フィルタ１を図２に示す切断面Ｂ−Ｂにおける断面図で示し、図２は図１に示す切断面Ａ−Ａにおける縦断面図で示している。
粒子フィルタ１は従来、排気ガスが上流面７から下流面９に通過るときに必ず通るように金属収容体５に挿入された少なくとも１つの濾過本体３を備えている。矢印は、排気ガスの流れの方向を示している。
濾過本体３は一般に、ハニカム多孔構造物、一般的にはセラミック（コージェライト、炭化珪素など）からなり、セラミック・セメント連結体１２により結合させることによって互いに組み立てられる複数の濾過ユニット１１ａ〜１１ｉを備えている。従来の連結体１２は厚さが約１ｍｍである。一般にシリカおよび／または炭化珪素および／または窒化アルミニウムからなるセラミック・セメントは、焼結後のヤング係数が約５０００ＭＰａである。
得られるアセンブリをその後、所望の断面、例えば円形または楕円形の断面に機械加工する。
濾過ユニット１１ａ〜１１ｉは、異なる形状と異なる直径の断面をもつ複数の通路１３を備える。各通路１３は一端または他端が互い違いにブロックされる。したがって、排気ガスは通路１３の壁面を通過するように規制され、それによって濾過される粒子が捕らえられる。
一定時間の使用後、濾過本体３の通路内、特に上流面７に堆積し、「煤煙」としても知られる粒子により、濾過本体３によって生じる水頭損失が増し、したがってエンジンの性能が低下する。この理由から、濾過本体を定期的に、例えば５００キロメートル毎に再生させなければならない。
「脱炭」としても知られる再生は煤煙の酸化を伴う。これを行うため、点火する温度まで煤煙を加熱する必要がある。
粒子フィルタ１の動作により、特に再生段階中に、濾過本体３の異なる領域を異なるように加熱させる。
これらの段階中、排気ガスは、煤煙の燃焼により放出される熱エネルギー全てを下流方向に運ぶので、下流面９の近くの濾過本体３の領域は、上流面７の近くの領域よりも熱くなる。
さらに、粒子フィルタ１の形状や太い矢印で示される排気ガスの結果として得られる経路を考慮すると、煤煙は必ずしも均質には堆積しない。例えば、濾過本体３の「中心」としても知られる、長手軸Ｃ−Ｃの近くのフィルタ領域に大部分が堆積する可能性がある。したがって、煤煙の燃焼により、周辺領域よりも濾過本体３の中心でより高い温度上昇が起きる。
同様に、熱い排気ガスの経路と周辺の空気による金属収容体５の冷却は、煤煙を燃焼させないでも、濾過本体３の中心の温度がより高くなることにつながる。ただし、あまり程度は大きくない。
濾過本体３内の温度が非均質性であることと、濾過ユニット１１ａ〜１１ｉと連結体１２に使用される材料の性質が異なる可能性とにより、異なる量だけ局所膨張が生じる。
上流面７と下流面９の間で未濾過ガスが循環するのを防ぐため、濾過本体３と収容体５の間の境界や濾過本体３と連結体１２の間の境界は、ガスを透過させないようにしなければならない。
さらに、粒子フィルタ１は排気系統に取り付けられるので、例えば漏れが生じると、排気系統の動作を低下させる恐れがあるので、過剰な変形を防がなければならない。
得られる高い熱的な機械応力により、連結体および／または濾過ユニット１１ａ〜１１ｉ内に割れが生じて、粒子フィルタ１の耐用年数が短くなる可能性がある。
これらの割れが生じる危険性を制限するため、濾過ユニット１１ａ〜１１ｉの結合と熱伝導性を確実にするための能力を考慮して連結体１２のセメントを選択することが当技術分野では知られている。例えば、国際特許出願ＷＯ０１／２３０６９号（Ｉｂｉｄｅｎ）は、厚さが０．３から３ｍｍの範囲で選択され、０．１から１０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率をもつセメントでできている連結体を使用することを提案している。
しかし、この種の連結体は、割れが生じる危険が完全にはなくなっていない。
本発明の目的は、この危険をさらに低くするようになっている濾過ユニットを組み立てる新規の方法を提供することである。
この目的は、特に自動車の内燃機関からの排気ガス用の粒子フィルタ用の濾過本体により達成される。この濾過本体は、濾過ユニットの間に挟み込まれた少なくとも１つの連結体により互いに固定された複数の濾過ユニットを備え、濾過ユニットの間の排気ガスの通過を妨害するように適合されている。
前記連結体が、前記濾過本体内で生じやすい熱的機械応力の減衰を最適化するように局所的に適合された、複数の連結体部分を備えているという点において、濾過本体は注目すべきである。
本発明の濾過本体の他の特徴は以下の通りである。
前記連結体部分の少なくとも２つが、構成および／または構造および／または厚さが異なる材料を含む。
前記連結体部分の前記材料はヤング係数が、１０％より大きいまたはそれと等しい量だけ異なる。
前記連結体部分の少なくとも１つが、異方性弾性性状をもつ。
前記連結体部分は、セメントに含浸させたシリカ織物を備える。
前記連結体部分の少なくとも２つの厚さは、少なくとも２対１の割合で異なる。
前記連結体部分の少なくとも１つは、スロットを備える。
前記スロットは、前記濾過本体の上流面または下流面のいずれかで開口している。
前記スロットは、前記連結体部分によって組み立てられた前記濾過ユニットの面とほぼ平行な平面に形成される。
前記スロットの長さまたは「深さ」は、前記濾過本体の全長の０．１から０．９倍である。
前記スロットは、前記濾過ユニットの１つの面にほぼ近接している。
前記スロットは、前記濾過ユニット、または中に形成される前記連結体部分のセメントに接着しない充填材が少なくとも部分的に充填されている。
充填材は、窒化ホウ素またはシリカである。
本発明はまた、特に自動車の内燃機関からの排気ガスを濾過することを意図した粒子フィルタを提供し、この粒子フィルタは、収容体と、本発明により、連結体によって複数の濾過ユニットを組み立てることにより得られる濾過本体とを備える。
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明を読み、添付の図面を検討すれば、明らかになるだろう。
図面では、同一または同様の項目を示すのに同じ参照記号を使用している。
明瞭性を高めるため、通路１３は、図３、４、５、８には示さない。
図１および２は、前文で説明されている。
説明の残りの部分において、連結体１２と「連結体部分」間で区別を行う。「連結体部分」という用語は、ほぼ一定の性質をもつ連結体１２の連続部分のことを言う。
この濾過本体３の隣接する連結体部分が、単一の連結体１２を形成する。
図３に示す本発明の第１の実施形態では、濾過本体３の濾過ユニット１１ａ〜１１ｉを結合させるのに、２つの異なる組立セメントが使用されている。使用する２つのセメントはヤング係数が異なる。１０％以上のヤング係数の相違は重要であると考えられる、なぜなら測定における変化や材料の異質性により生じる「通常の」変化に関連しているのではなく、異なる挙動を示していると考えられるからである。
最も高い熱的機械応力がかかった領域では、連結体部分１２ａ1、１２ａ2、１２ａ3、１２ａ4、１２ａ5、１２ａ6が使用され、ヤング係数が１０００ＭＰａより小さい第１のセメントからなる。他の領域では、連結体部分１２ｂが使用されており、従来技術に使用され、ヤング係数が５０００ＭＰａである第２のセメントからなる。
第１のセメントは、第２のセメントよりも弾性が大きく、それゆえ分離される濾過ユニットの体積の変化を、割れずに十分吸収することができる。第１のセメントはまた、濾過ユニット１１ａ〜１１ｉの間の応力の伝達を制限し、したがってこれらのユニット内の割れの発生を制限することに寄与するという利点がある。
例えば、多孔質添加物によって全多孔性を増加させることにより、セメントのヤング係数を小さくすることが可能である。
第２のセメントは、フィルタの動作状態において、第１のセメントより優れた粘着性をもつ。第１のセメントを含む連結体部分を、第２のセメントを含む他の連結体部分と組み合わせると、頑丈で、高い熱的機械応力に適合された濾過本体３がもたらされる。
濾過ユニット１１ａ〜１１ｉ、より詳しくは濾過本体３の周辺部に配置された濾過ユニット１１ａ〜１１ｉは、これらを分離させる連結体部分１２ａ1−6が径方向に配置されるように、適合され、配置されるのが望ましい。これにより、連結体部分１２ａ1−6による径方向の応力の吸収が良くなる。
本発明の別の実施形態では、連結体部分の少なくとも１つのセメントはヤング係数が等方性である。例えば、標準的なセメントに含浸させたシリカ織物を使用することが可能である。織物要素により、異方性の挙動と構造が示され、含浸させたセメントにより標準的な組立機能が与えられる。
この異方性挙動により、１つまたは複数の方向への弾性を優先的に取り扱うことができるようになる。シリカ織物は、連結体部分のヤング係数が長手方向に低くなるように配置されるのが望ましい。
図４に示す本発明の別の実施形態では、影響を受けやすい熱的機械応力の大きさにより連結体の厚さを変えている。
最大熱的機械応力が加えられる領域に配置された連結体部分１２ｃの厚さｅ１は、最小熱的機械応力が加えられる領域で使用された連結体部分１２ｄの厚さｅ２の少なくとも２倍なければならないと考えられる。
連結体部分を構成するセメントは、従来の連結体部分１２を製造するのに使用されるものでさえ、そのヤング係数は濾過ユニット１１ａ〜１１ｉよりも１０の因数だけ小さい。これは、応力を吸収するそれらの能力が、濾過ユニットよりも高いということである。
したがって、弾性のより大きい材料の厚さを増やすことが、応力緩和の助けとなる。
図５および６に示す別の実施形態では、連結体部分１２ｅは、連結体部分１２ｅを通る応力の伝達を制限するように配置された、長さＬ’のスロット１４を備える。
スロット１４は、上流面７または下流面９のいずれかで開口することが好ましい。
下流面９には、再生中に最も高い熱的機械応力が加えられているので、スロット１４が下流面９側に形成されることも好ましい。
もちろん、排気ガスが濾過されずに濾過本体３を通過するのを防ぐため、スロット１４は上流面７と下流面９の両方で開口しないようにしてもい。一方、スロット１４を閉じることもできる。
図５に示すように、スロット１４は連結体部分１２ｅの全幅Ｌ’にわたって形成されていることが好ましい。スロット１４は、連結体部分１２ｅによって互いに固定された隣接する濾過ユニット１１ａと１１ｈ、１１ｂと１１ｉ、１１ｃと１１ｄの面と平行な中間面Ｐで芯合わせされることが好ましい。
スロット１４の長さ（または「深さ」）Ｌ’は、濾過本体３の全長Ｌの０．１から０．９倍であることが好ましい。比率Ｌ’／Ｌが１／１０より小さい場合、重大な影響はないが、比率Ｌ’／Ｌが９／１０より大きい場合、濾過本体３の機械的結合が不十分である。
スロット１４を形成するため、用紙を、例えば焼結ステップの前に、連結体部分１２ｅの厚さ中に挿入する。用紙は、加熱中に燃焼されて、スロット１４を後に残す。
図７に示す実施形態のように、濾過ユニット１１ｉの表面上に、ユニットに接着しない材料、連結体部分１２ｅのセメントに接着しない材料、またはこれらのいずれにも接着しない材料を堆積させることにより、スロット１４を形成することもできる。
この材料は、例えばエアゾールまたは耐火フェルト、例えば繊維のベッドにより堆積させた窒化ホウ素であってもよい。この材料は、連結体部分１２ｅのセメントを塗布する前、かつ焼結ステップの前に、濾過ユニット１１ｉの上に堆積される。得られるスロット１４は、濾過ユニット１１ｉに隣接している。
窒化ホウ素などの材料でスロット１４を充填させることにより、有利には、濾過ユニット１１ｉと連結体部分１２ｅの間の熱エネルギー伝導が良くなる。
また、前に述べた理由により、スロット１４の長さＬは、濾過本体３の全長Ｌの０．１から０．９倍でなければならない。
もちろん、本発明は上に示し、説明した実施形態に限らず、これらの実施形態は例示するためのものであり、限定するための例ではない。
したがって、この濾過本体３は、上に説明した本発明の実施形態の複数の特徴を組み合わせることができる。例えば、濾過本体３は、複数の異なる種類の連結体部分、スロット付きの連結体部分などを備えることができる。
図２に示す切断面Ｂ−Ｂにおける、従来技術の粒子フィルタの断面図である。 図１に示す切断面Ａ−Ａにおける、同粒子フィルタの縦断面図である。 本発明の第１および第２の実施形態による濾過本体の断面図である。 本発明の第３の実施形態による濾過本体の左側面図、すなわち下流面９が見える図である。 図５に示す切断面Ｄ−Ｄにおける、図５に示す濾過本体の詳細の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態による濾過本体の詳細の縦断面図である。

Claims (15)

  1. 特に自動車の内燃機関からの排気ガスに対する粒子フィルタ（１）用の濾過本体において、濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）の間に挟み込まれた少なくとも１つの連結体（１２）により互いに固定された複数の濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）を備え、濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）の間の前記排気ガスの通過を妨害するように適合された濾過本体であって、
    前記連結体（１２）が、濾過本体（３）内で生じやすい熱的機械応力の減衰を最適化するように局所的に適合された、複数の連結体部分（１２ａ〜１２ｅ）を備えることを特徴とする濾過本体。
  2. 前記連結体部分の少なくとも２つ（１２ａ、１２ｂ；１２ｃ、１２ｄ）が、構成および／または構造および／または厚さが異なる材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の濾過本体。
  3. 前記連結体部分（１２ａ、１２ｂ）の前記材料はヤング係数が、１０％より大きいまたはこれと等しい量だけ異なることを特徴とする請求項２に記載の濾過本体。
  4. 前記連結体部分の少なくとも１つが、異方性弾性性状をもつことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の濾過本体。
  5. 前記連結体部分が、セメントに含浸させたシリカ織物を含むことを特徴とする請求項４に記載の濾過本体。
  6. 少なくとも２つの前記連結体部分（１２ｃ、１２ｄ）の厚さが、少なくとも２対１の割合で異なることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の濾過本体。
  7. 前記連結体部分の少なくとも１つ（１２ｅ）が、スロット（１４）を備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の濾過本体。
  8. 前記スロット（１４）が、前記濾過本体（３）の上流面（７）または下流面（９）のいずれかで開口することを特徴とする請求項７に記載の濾過本体。
  9. 前記スロット（１４）が、前記濾過本体（３）の前記下流面（９）で開口することを特徴とする請求項８に記載の濾過本体。
  10. 前記スロット（１４）が、前記連結体部分（１２ｅ）によって組み立てられた、前記濾過ユニット（１１ｂ、１１ｉ）の面とほぼ平行な平面（Ｐ）に形成されることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の濾過本体。
  11. 前記スロット（１４）の長さＬ’が、前記濾過本体（３）の全長Ｌの０．１から０．９倍であることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の濾過本体。
  12. 前記スロット（１４）が、前記濾過ユニットの１つ（１１ｉ）の面にほぼ隣接していることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の濾過本体。
  13. 前記濾過ユニット（１１ｉ）、または中に形成される前記連結体部分（１２ｅ）のセメントに接着しない充填材で、前記スロット（１４）が少なくとも部分的に充填されていることを特徴とする請求項１１に記載の濾過本体。
  14. 前記充填材が、窒化ホウ素またはシリカであることを特徴とする請求項１３に記載の濾過本体。
  15. 特に自動車の内燃機関からの排気ガスを濾過することを意図した粒子フィルタにおいて、収容体（５）と、連結体（１２）により複数の濾過ユニット（１１ａ〜１１ｉ）を組み立てることによって得られる濾過本体（３）とを備える粒子フィルタであって、前記濾過本体（３）が前記請求項のいずれかと同様であることを特徴とする粒子フィルタ。
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