JP2009019634A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中に含まれるパティキュレートの捕集効率を高めることが可能な排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気経路に設けたケーシング内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを除去する多孔質セラミック焼結体製ハニカムフィルタを備えた排気ガス浄化装置において、前記ハニカムフィルタは、平均気孔径が５〜１５μｍ、平均気孔率が３０〜５０％、気孔のうちの２０％以上が貫通孔であって、かつ総体積が、内燃機関における総排気量の１／４〜２倍である排気ガス浄化装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックハニカムフィルタを配設してなる排気ガス浄化装置に関するものである。

自動車の台数は今世紀に入って飛躍的に増加しており、それに比例して自動車の内燃機関から出される排気ガスの量も急激な増加の一途を辿っている。特にディーゼルエンジンの出す排気ガス中に含まれる種々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在では世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。又、最近では排気ガス中のスス（ディーゼルパティキュレート）が、ときとしてアレルギー障害や精子数の減少を引き起こす原因となるとの研究結果も報告されている。つまり、排気ガス中のディーゼルパティキュレートを除去する対策を講じることが、人類にとって急務の課題であると考えられている。

このような事情のもと、多様多種の排気ガス浄化装置が提案されている。一般的な排気ガス浄化装置は、エンジンの排気マニホールドに連結された排気管の途上にケーシングを設け、その中に微細な孔を有するハニカムフィルタを配置した構造を有している。ハニカムフィルタの形成材料としては、耐熱性・機械的強度・捕集効率が高い、化学的に安定している、圧力損失が小さい等の利点があることから、炭化珪素の多孔質焼結体をフィルタ形成材料として用いることが多い。

ここで「圧力損失」とは、フィルタ上流側の圧力値から下流側の圧力値を引いたものをいう。排気ガスがフィルタを通過する際に抵抗を受けることが、圧力損失をもたらす最大の要因である。

ハニカムフィルタは自身の軸線方向に沿って延びる多数のセルを有している。排気ガスがハニカムフィルタを通り抜ける際、そのセル壁によってディーゼルパティキュレートがトラップされる。従って、ハニカムフィルタ内に捕集されたディーゼルパティキュレートは、ハニカムフィルタ内の温度が所定値（着火温度）に達すると、着火して燃焼する。昨今、粒子径の小さなパティキュレートは肺への定着率が高く健康に対するリスクが高いことが判明している。よって、小さな粒子径のパティキュレートを補足することに対する要求は高くなっている。

ところが、気孔径、気孔率が小さいと、ハニカムフィルタが緻密になりすぎてしまい、排気ガスがハニカムフィルタをスムーズに通過しにくくなり、圧力損失が大きくなる。従って、車両の運転条件を妨げ、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招くという問題がある。

反対に、気孔径、気孔率が大きいと、上記のような問題は解決される。しかし、ハニカムフィルタ中に空隙が多くなりすぎてしまうため、細かい微粒子を捕集することができなくなる。そのため、捕集効率が低下してしまうとともに、ハニカムフィルタの機械的強度が弱くなるという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力損失が小さいばかりでなく機械的強度に優れたハニカムフィルタを使用することによって、排気ガス中に含まれるパティキュレートの捕集効率を高めることが可能な排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために開発した本発明は、内燃機関の排気経路に設けたケーシング内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを除去する多孔質セラミック焼結体製ハニカムフィルタを備えた排気ガス浄化装置において、前記ハニカムフィルタは、平均気孔径が５〜１５μｍ、平均気孔率が３０〜５０％、気孔のうちの２０％以上が貫通孔であって、かつ総体積が、内燃機関における総排気量の１／４〜２倍であることを特徴とする排気ガス浄化装置である。

本発明に係る排気ガス浄化装置は、
（ａ）前記ハニカムフィルタは、封止体により端面が交互に封止されたセルが設けられており、そのセルの数は単位平方インチあたり１２０個以上であるとともに、このセルを区画するセル壁の厚みが０．４６ｍｍ以下であること、
（ｂ）前記ハニカムフィルタは、封止体により端面が交互に封止されたセルが設けられており、そのセルの数は単位平方インチあたり１２０個〜１８０個であるとともに、このセルを区画するセル壁の厚みが０．２０ｍｍ〜０．４６ｍｍであること、
（ｃ）前記ハニカムフィルタは、炭化珪素焼結体であること、
（ｄ）前記ハニカムフィルタは、α型炭化珪素焼結体であること、
（ｅ）前記ハニカムフィルタは、不純物の含有量が５質量％以下の炭化珪素焼結体であること、
（ｆ）前記ハニカムフィルタは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｏ、遊離Ｃのいずれか１種以上の不純物を含む炭化珪素焼結体であること、
（ｇ）前記ハニカムフィルタは、セル壁表面に、酸化触媒が担持されていること、
（ｈ）前記酸化触媒は、白金族元素または金属酸化物であること、
（ｉ）前記ハニカムフィルタは、上記に記載のものを、シール材層を介して複数個接着して、一体化してなるフィルタ集合体からなること、
が、好ましい解決手段である。

上記のように構成される本発明の排気ガス浄化装置によれば、ハニカムフィルタの平均気孔径が５μｍ未満では、圧力損失が大きくなるので、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招く。一方、この平均気孔径が１５μｍを超えると、捕集効率が低下し、パティキュレートの濾過機能が損なわれる。また、ハニカムフィルタの平均気孔率が３０％未満だと、圧力損失が大きくなるので、車両の運転条件を妨げ、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招く。一方、この平均気孔率が５０％を超えると、ハニカムフィルタ中に空隙が多くなりすぎてしまうため、細かい微粒子を捕集することができなくなる。そのため、捕集効率が低下してしまうとともに、ハニカムフィルタの機械的強度が弱くなる。更に、貫通気孔が気孔の２０％未満だと、圧力損失が大きくなり、８０％を超えると製造が困難になる。

従って、本発明の排気ガス浄化装置によれば、平均気孔径が５〜１５μｍ、平均気孔率が３０〜５０％、気孔のうちの２０〜８０％が貫通気孔を有するハニカムフィルタを用いているため、圧力損失を低くすることができるとともに、強度を向上させることができる。その上、排気ガス中に含まれるパティキュレートの捕集効率を高めることができる。

なお、本発明によると、平均気孔径は８〜１２μｍ、平均気孔率は３５〜４９％、気孔のうちの２０〜５０％が貫通気孔を有するハニカムフィルタを用いると、排気ガスによる圧力損失をよりいっそう低くすることができるとともに、強度も確実に向上することができる。

また、本発明によると、セル数が単位平方インチあたり１２０個以上であるとともに、セルを区画するセル壁の厚みが０．４６ｍｍ以下のハニカムフィルタを用いているので、排気ガスとの接触面積を大きくすることができ、ハニカムフィルタの浄化性能を向上することができる。

さらに、本発明によると、総体積が内燃機関における総排気量の１／４〜２倍であるハニカムフィルタを用いているので、パティキュレートの堆積量が多くなりすぎないから、ハニカムフィルタの目詰まりがなくなる。又、ハニカムフィルタが大型化しないため、パティキュレートの燃焼時にハニカムフィルタの各部分間で温度差が生じにくくなる。よって、ハニカムフィルタに働く熱応力を低減できる。このことにより、クラックが発生するのを確実に防止することができる。

以上をまとめると、本発明によれば、圧力損失が低く、強度に優れた排気ガス浄化装置を提供することができる。

本発明によれば、ハニカムフィルタによる浄化性能の高い排気ガス浄化装置を提供することができる。

本発明によれば、排気ガス中に含まれるパティキュレートの捕集効率の高い排気ガス浄化装置を提供することができる。

本発明によれば、排気ガスとの接触面積が大きなハニカムフィルタになるので、排気ガス浄化性能の高い装置を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態としてディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置に適用した例につき、図面に基づいて説明する。

図１に示す排気ガス浄化装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２から排出される排気ガスを浄化するための装置である。ディーゼルエンジン２は、図示しない複数の気筒を備えている。各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド３の分岐部４がそれぞれ連結されている。各分岐部４は１本のマニホールド本体５にそれぞれ接続されている。従って、各気筒から排出された排気ガスは一箇所に集中する。

排気マニホールド３の下流側には、金属材料からなる第１排気管６及び第２排気管７が配設されている。第１排気管６の上流側端は、マニホールド本体５に連結されている。第１排気管６と第２排気管７との間には、同じく金属材料からなる筒状のケーシング８が配設されている。ケーシング８の上流側端は第１排気管６の下流側端に連結され、ケーシング８の下流側端は第２排気管７の上流側端に連結されている。排気管６，７の途上にケーシング８が配設されていると把握することもできる。そして、この結果、第１排気管６、ケーシング８及び第２排気管７の内部領域が互いに連通し、その中を排気ガスが流れるようになっている。

図１に示すように、ケーシング８はその中央部が排気管６，７よりも大径となるように形成されている。従って、ケーシング８の内部領域は、排気管６，７の内部領域に比べて広くなっている。このケーシング８内には、ハニカムフィルタ９が収容されている。

ハニカムフィルタ９の外周面とケーシング８の内周面との間には、断熱材１０が配設されている。断熱材１０はセラミックファイバを含んで形成されたマット状物であり、その厚みは数ｍｍ〜数十ｍｍである。断熱材１０は熱膨張性を有していることがよい。ここでいう熱膨張性とは、弾性構造を有するため熱応力を解放する機能があることを指す。その理由は、ハニカムフィルタ９の最外周部から熱が逃げることを防止することにより、再生時のエネルギーロスを最小限に抑えるためである。又、再生時の熱によってセラミックファイバを膨張させることにより、排気ガスの圧力や走行による振動等のもたらすハニカムフィルタ９の位置ずれを防止するためである。

本実施形態において用いられるハニカムフィルタ９は、上記のごとくディーゼルパティキュレートを除去するために用いられるものであるため、一般に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれる、図２等に示されるように、ハニカムフィルタ９は円柱状である。

図２、図３、図４に示されるように、本発明装置に配設されているハニカムフィルタ９は、いわゆるハニカム構造を備えるフィルタの例である。このハニカムフィルタにおいて、ハニカム構造を採用した理由は、微粒子の捕集量が増加したときでも圧力損失が小さいという利点があるからである。ハニカムフィルタ９には、断面略正方形状をなす複数の通気孔１２がその軸線方向に沿って規則的に形成されている。各通気孔１２は薄いセル壁１３によって互いに仕切られている。セル壁１３の外表面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やその他の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。各通気孔１２の開口部は、いずれか一方の端面９ａ，９ｂの側において封止体１４により封止されている。従って、端面９ａ，９ｂ全体としてみると市松模様状を呈している。その結果、ハニカムフィルタ９には、断面四角形状をした多数のセルが形成されている。多数あるセルのうち、約半数のものは上流側端面９ａにおいて開口し、残りのものは下流側端面９ｂにおいて開口している。

セルの密度は１２０個／ｉｎｃｈ²（１８個／ｃｍ²）以上、より具体的には１２０〜１８０個／ｉｎｃｈ²の範囲であることが好ましい。セルの密度が１２０個未満であると、排気ガスとの接触面積が小さくなるため、ハニカムフィルタ９の浄化性能が低下するからである。

セル壁１３の厚みは０．４６ｍｍ以下、より具体的には０．２０〜０．４６ｍｍの範囲であることが好ましい。セル壁１３の厚みが０．４６ｍｍを超えると、セルの開口面積が小さくなり、排気ガスとの接触面積が小さくなるため、ハニカムフィルタ９の浄化性能が低下するからである。又、セルの開口面積を確保しつつ、セル壁１３の厚みを０．４６ｍｍよりも大きくすれば、ハニカムフィルタ９全体の大型化につながるからである。

ハニカムフィルタ９の平均気孔径は５μｍ〜１５μｍ、さらには８μｍ〜１２μｍであることが好ましい。平均気孔径が５μｍ未満であると、パティキュレートの堆積によるハニカムフィルタ９の目詰まりが著しくなる。そのため、圧力損失が大きくなるので、車両の運転条件を妨げ、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招くからである。一方、平均気孔径が５０μｍを越えると、細かい微粒子を捕集することができなくなるため、捕集効率が低下し、パティキュレートの濾過機能が損なわれるからである。

ハニカムフィルタ９の気孔率は３０％〜５０％、さらには３５％〜４９％であることが好ましい。気孔率が３０％未満であると、ハニカムフィルタ９が緻密になりすぎてしまい、内部に排気ガスを流通させることができなくなるおそれがあるからである。一方、気孔率が５０％を越えると、ハニカムフィルタ９中に空隙が多くなりすぎてしまうため、強度的に弱くなりかつ微粒子の捕集効率が低下してしまうおそれがあるからである。

ハニカムフィルタ９に形成されている気孔のうちの２０％以上、より具体的にいうと２０％〜８０％、特には２０％〜５０％が貫通気孔であることが好ましい。ここでいう貫通気孔とは、セル壁１３に形成され、隣接する通気孔１２同士を連通させる空隙部分を意味する。貫通気孔が気孔の２０％未満であると、圧力損失が大きくなるので、車両の運転条件を妨げ、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招くからである。一方、貫通気孔が気孔の８０％を超えると、事実上製造が困難になるおそれがあり、安定的な材料供給が難しくなる。

ハニカムフィルタ９は、その総体積が前記内燃機関における総排気量の１／４〜２倍、さらには１／２〜１．５倍であることが好ましい。１／４倍未満であると、パティキュレートの堆積量が多くなり、ハニカムフィルタ９の目詰まりが著しくなるからである。一方、２倍を超えると、ハニカムフィルタ９が大型化することになる。ハニカムフィルタ９を大型化した場合、燃焼時にフィルタ９の各部分間で温度差が生じ易く、それによってハニカムフィルタ９に働く熱応力が増大し、クラックが発生する確率が高くなるからである。

多孔質炭化珪素焼結体を選択した場合において、ハニカムフィルタ９の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍＫ〜７５Ｗ／ｍＫであることがよく、さらには３０Ｗ／ｍＫ〜７０Ｗ／ｍＫであることが特によい。熱伝導率が小さすぎると、ハニカムフィルタ９内に温度差が生じやすくなり、クラックをもたらす原因となる大きな熱応力の発生につながってしまう。逆に、熱伝導率を高くしようとすると、製造が困難となり、安定的な材料供給が難しくなる。

ハニカムフィルタ９は、セラミック焼結体の一種である多孔質炭化珪素焼結体製である。炭化珪素焼結体を採用した理由は、他のセラミックに比較して、とりわけ強度、耐熱性及び熱伝導性に優れるという利点があるからである。

多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物は、５質量％以下に抑えられている。不純物の量は１質量％以下であることがよく、０．１質量％以下であることが特によい。不純物が５質量％を超えると、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度（結晶粒子間の結合強度）が著しく低下し、粒界破断しやすくなるからである。なお、不純物としては、Ａｌ、Ｆｅ、Ｏ、遊離Ｃ等がある。

又、前記封止体１４の形成材料においても、ハニカムフィルタ９と同じ多孔質炭化珪素焼結体製となっている。ここでも多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物は、５質量％以下に抑えられている。不純物が５質量％を超えると、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度（結晶粒子間の結合強度）が著しく低下し、粒界破断しやすくなるからである。具体的にいうと、封止体１４にクラックが生じるおそれがあるからである。

次に、上記のハニカムフィルタ９を製造する手順を説明する。まず、押出成形工程で使用するセラミック原料スラリー、端面封止工程で使用する封止用ペーストをあらかじめ作製しておく。

セラミック原料スラリーとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。封止用ペーストとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を配合し、かつ混練したものを用いる。

次に、前記セラミック原料スラリーを押出成形機に投入し、かつ金型を介してそれを連続的に押し出す。その後、押出成形されたハニカム成形体を等しい長さに切断し、円柱状のハニカム成形体切断片を得る。さらに、切断片の各セルの片側開口部に所定量ずつ封止用ペーストを充填し、各切断片の両端面を封止する。

続いて、温度・時間等を所定の条件に設定して本焼成を行って、ハニカム成形体切断片及び封止体１４を完全に焼結させることにより、所望のハニカムフィルタ９が完成する。本実施形態では焼成温度を２１００℃〜２３００℃に設定し、かつ焼成時間を０．１時間〜５時間に設定している。又、焼成時の炉内雰囲気を不活性雰囲気とし、そのときの雰囲気の圧力を常圧としている。なお、焼成温度は前記範囲内において極力高めに設定することが望ましい。

次に、上記のハニカムフィルタ９による微粒子トラップ作用について簡単に説明する。ケーシング８内に収容されたハニカムフィルタ９には、上流側端面９ａの側から排気ガスが供給される。第１排気管６を経て供給されてくる排気ガスは、まず、上流側端面９ａにおいて開口するセル内に流入する。次いで、この排気ガスはセル壁１３を通過し、それに隣接しているセル、即ち下流側端面９ｂにおいて開口するセルの内部に到る。そして、排気ガスは、同セルの開口を介してハニカムフィルタ９の下流側端面９ｂから流出する。しかし、排気ガス中に含まれる微粒子はセル壁１３を通過することができず、そこにトラップされてしまう。その結果、浄化された排気ガスがハニカムフィルタ９の下流側端面９ｂから排出される。浄化された排気ガスは、さらに第２排気管７を通過した後、最終的には大気中へと放出される。又、トラップされた微粒子は、ハニカムフィルタ９の内部温度が所定の温度に達すると、前記触媒の作用により着火して燃焼するようになっている。

実施例及び比較例

（実施例１）
平均粒径約１０μｍのα型炭化珪素粉末５１．５質量％と、平均粒径約０．５μｍのα型炭化珪素粉末２２質量％とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダ（メチルセルロース）と水とをそれぞれ６．５質量％、２０質量％ずつ加えて混練した。

次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えてさらに混練したものを押出成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。具体的には、α型炭化珪素粉末として、平均粒径が約１０μｍのものは屋久島電工株式会社製の商品名：Ｃ−１０００Ｆ）を用い、平均粒径が０．５μｍのものは屋久島電工株式会社製の商品名：ＧＣ−１５を用いた。

次に、この生成形体をマイクロ波乾燥機を用いて乾燥した後、成形形体の通気孔１２を多孔質炭化珪素焼結体製の封止用ペーストによって封止した。次いで、再び乾燥機を用いて封止用ペーストを乾燥させた。端面封止工程に続いて、この乾燥体を４００℃で脱脂した後、さらにそれを常圧のアルゴン雰囲気下において２２５０℃で約３時間焼成した。

その結果、気孔径が１０μｍ、気孔率が４２％、気孔に対する貫通気孔の存在率が２５％、セルの密度が１５０個／ｉｎｃｈ²、セル壁１３の厚みを０．４ｍｍである多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタ９を得た。このハニカムフィルタ９は、直径が１００ｍｍ、長さが２００ｍｍ、総体積が２３００ｃｍ³である。総体積とは、ハニカムフィルタ９全体の体積から通気孔１２の体積を差し引いた体積をいう。セル壁１３の厚みは０．４６ｍｍ以下、より具体的には０．２０〜０．４６ｍｍの範囲であることが好ましい。

次に、上記のようにして得られたハニカムフィルタ９に断熱材１０を巻き付け、この状態でハニカムフィルタ９をケーシング８内に収容した。そして、排気量が約３０００ｃｃのエンジンを用いて、排気ガス浄化装置１に流速７ｍ／ｓｅｃの排気ガスを供給した。そして、このときのハニカムフィルタ９の上流側における排気ガスの圧力値と、下流側における排気ガスの圧力値とを測定した。そして、これらの値の差である圧力損失ΔＰ（ｍｍＡｑ）を求めた。又、トラップできなかったパティキュレートの量を調査するために、ハニカムフィルタ９の後方にてスス量を測定した。更に、一定期間経過した後にハニカムフィルタ９を取り出してそれの肉眼観察を行い、クラックの発生状況を調査した。この調査結果を、表１に示す。

表１に示されるように、実施例１では圧力損失ΔＰが約８０ｍｍＡｑであり、その値は極めて小さいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．０１ｇ／ｋｍであり、その値は極めて小さいものであった。ハニカムフィルタ９の曲げ強度は６．５Ｍｐａであり、極めて高い機械的強度が付与されていた。ハニカムフィルタ９にクラックの発生は認められなかった。

（実施例２、３）
実施例２、３においても、基本的には実施例１と同様にハニカムフィルタ９を製造することとした。ただし、実施例２、３では、ハニカムフィルタ９の総体積のみを実施例１と同じにした。又、形成材料の配合比、焼成温度、焼成時間等を変更することにより、ハニカムフィルタ９の気孔径、気孔率、気孔に対する貫通気孔の存在率を以下のように調整した。

すなわち、実施例２では、気孔径が６μｍ、気孔率が３２％、貫通気孔の存在率が３０％である多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタ９を得た。そして、実施例１と同様の試験を行ったところ、圧力損失ΔＰが約１００ｍｍＡｑであり、その値は極めて小さいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．０１ｇ／ｋｍであり、その値は極めて小さいものであった。ハニカムフィルタ９の曲げ強度は６．２Ｍｐａであり、高い機械的強度が付与されていた。更に、ハニカムフィルタ９にクラックの発生は認められなかった。

実施例３では、気孔径が１４μｍ、気孔率が４８％、貫通気孔の存在率が４５％である多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタ９を得た。この実施例の試験結果は、圧力損失ΔＰが約６０ｍｍＡｑであり、その値は極めて小さいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．０１５ｇ／ｋｍであり、その値は極めて小さいものであった。ハニカムフィルタ９の曲げ強度は６．０Ｍｐａであり、高い機械的強度が付与されていた。ハニカムフィルタ９にクラックの発生は認められなかった。

（比較例１〜３）
比較例１〜３においても、基本的には実施例１と同様にハニカムフィルタを製造することとした。ただし、比較例１では、ハニカムフィルタの総体積を排気量（３０００ｃｃ）の１／４倍未満である７００ｃｍ³とした。又、ハニカムフィルタの気孔径、気孔率、気孔に対する貫通気孔の存在率を以下のようにした。

比較例１では、気孔径が３μｍ、気孔率が１０％、貫通気孔の存在率が１０％である多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタを得た。比較例１の試験結果は、圧力損失ΔＰが約３００ｍｍＡｑであり、その値は極めて大きいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．００５ｇ／ｋｍであり、その値は極めて小さいものであった。ハニカムフィルタの曲げ強度は７．２Ｍｐａであり、高い機械的強度が付与されていた。ハニカムフィルタにクラックの発生は認められなかった。

比較例２では、ハニカムフィルタの総体積を実施例１〜３よりも大きい、すなわち排気量（３０００ｃｃ）の２倍以上である７０００ｃｍ³とした。又、気孔径が２０μｍ、気孔率が７０％、貫通気孔の存在率が１５％である多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタを得た。比較例２の試験結果は、圧力損失ΔＰが約４０ｍｍＡｑであり、その値は極めて小さいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．０４ｇ／ｋｍであり、その値は極めて大きいものであった。ハニカムフィルタの曲げ強度は２．５Ｍｐａであり、十分な機械的強度を得ることができなかった。ハニカムフィルタにクラックの発生が認められた。

比較例３では、前記比較例１、２と異なり、公知である製造方法によってコージェライト製のハニカムフィルタを得た。そして、このハニカムフィルタの総体積は７００ｃｍ³であった。又、ハニカムフィルタは、気孔径が３０μｍ、気孔率が２０％、貫通気孔の存在率が１５％であった。比較例３の試験結果は、圧力損失ΔＰが約１２０ｍｍＡｑであり、その値は大きいものであった。パティキュレートの漏れ量は、０．０１５ｇ／ｋｍであり、その値は大きいものであった。ハニカムフィルタの曲げ強度は３．１Ｍｐａであり、十分な機械的強度を得ることができなかった。ハニカムフィルタにクラックの発生が認められた。

以上のように、実施例１〜３、比較例１〜３について比較検討した結果を表１に示す。
（試験結果）
上記の表１から明らかなように、実施例１〜３では、いずれも排気ガスがハニカムフィルタ９をスムーズに通過することが認められた。又、パティキュレートの漏れ量がほとんどないとともに、ハニカムフィルタ９の機械的強度を確保することができた。これに対し、比較例１では、ハニカムフィルタの機械的強度を確保することはできた。しかし、排気ガスがハニカムフィルタをスムーズに通過することが認められなかった。又、比較例２では、排気ガスがハニカムフィルタをスムーズに通過することが認められた。しかし、ハニカムフィルタの機械的強度を確保することはできなかった。更に、比較例３では、排気ガスがハニカムフィルタをスムーズに通過することが認められないとともに、ハニカムフィルタの機械的強度を確保することもできなかった。

従って、本実施形態の実施例によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）ディーゼルエンジン２の排気側にはケーシング８が設けられ、このケーシング８内には、多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタ９が設けられている。そして、ハニカムフィルタ９は、その平均気孔径が５〜１５μｍ、平均気孔率が３０〜４０％、気孔に対する貫通気孔の存在率が２０％以上に設定されている。そのため、ハニカムフィルタ９が緻密になりすぎないので、内部に排気ガスをスムーズに通過させることができ、圧力損失を小さくすることができる。従って、燃費が向上し、運転フィーリングの悪化するのを防止することができる。又、ハニカムフィルタ９の空隙量が多くなりすぎないので、細かいパティキュレートを確実に捕集することができ、捕集効率の向上につなげることができる。更に、ハニカムフィルタ９が多孔質であったとしても十分な機械的強度を確保することができる。よって、振動や熱衝撃により破壊しにくいハニカムフィルタ９を得ることができる。

（２）ハニカムフィルタ９は、その平均気孔径が８〜１２μｍ、平均気孔率が３５〜４９％、気孔に対する貫通気孔の存在率が２０〜５０％以上に設定されている。そのため、圧力損失をよりいっそう低くすることができるとともに、強度も確実に向上することができる。

（３）ハニカムフィルタ９の両端面には、封止体１４により交互に封止されたセルが形成されている。そして、セルの数が単位平方インチあたり１２０個以上、かつセル壁１３の厚みが０．４６ｍｍ以下に設定されている。そのため、排気ガスとの接触面積を大きくすることができる。従って、ハニカムフィルタ９の浄化性能を向上することができる。

（４）ハニカムフィルタ９は、その総体積がディーゼルエンジン２における総排気量の１／４〜２倍に設定されている。そのため、パティキュレートの堆積量が多くなりすぎないので、ハニカムフィルタ９が目詰まりを起こすのを防止することができる。又、ハニカムフィルタ９が大型化することがないので、燃焼時にハニカムフィルタ９の各部分間で温度差が生じるのを防止できる。よってハニカムフィルタ９に働く熱応力を低減でき、クラックが発生するのを確実に防止することができる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
ハニカムフィルタ９の形状は、実施形態のような円柱状に限定されることはなく、三角柱状、四角柱状、六角柱状等に変更しても構わない。

ハニカムフィルタとしては、図５に示される別例のように、複数個（ここでは１６個）のハニカムフィルタ２３を組み合わせて１つのセラミックフィルタ集合体２１であってもよい。このフィルタ集合体において、ハニカムフィルタ２３の外周面は、セラミック質シール材層２２を介して互いに接着されている。その結果、各ハニカムフィルタ２３が束ねられた状態で一体化されている。このような構成にすれば、加熱による温度勾配に起因する応力によってクラックが発生するのを防止でき、熱衝撃にも強くなる。従って、比較的容易にフィルタの大型化を達成することができる。

かかるフィルタ集合体において、ハニカムフィルタ２３の組み合わせ数は、前記ように１６個に限定されるものはなく、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の異なるハニカムフィルタ２３を適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。

なお、本発明は、上述した例に加えて、下記の構成を含むものであってもよい。
（１）単位平方センチあたりのセル数を：１８個以上であるとともに、前記セル壁の厚みが０．４６ｍｍ以下にする。この構成によれば、排気ガス浄化性能がより向上する。

（２）炭化珪素結晶粒子によって多孔質組織を構成した焼結体からなるハニカムフィルタを構成部材として用い、それらの外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各ハニカムフィルタを一体化してなる集合体であって、前記気孔径が８〜１２μｍかつ気孔率が３５〜４９％であり、気孔の２０％以上が貫通気孔であることを特徴とするハニカムフィルタ集合体。

（３）前記（２）において、前記セラミック質シール材層は、セラミック繊維及び炭化珪素粉末を含むものであること。この構成にすれば、セラミック質シール材層はセラミック繊維及び炭化珪素粉末を含むものであるため、耐熱性に優れるばかりでなく、熱膨張係数が多孔質炭化珪素焼結体からなるハニカムフィルタのそれに近似している。よって、当該セラミック質シール材層の使用は、排気ガスの大きな背圧の印加に起因する集合体の破壊防止に貢献する。

上掲の説明においては、ディーゼルエンジン２に取り付けられる排気ガス浄化装置用フィルタとして具体化していた。勿論、本発明は、排気ガス浄化装置用フィルタ以外のものとして具体化することができる。その例としては、熱交換器用部材、高温流体や高温蒸気のための濾過フィルタ等が挙げられる。さらに、本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、フィルタ以外の用途にも適用可能である。

本発明を具体化した一実施形態の排気ガス浄化装置の全体概略図。 実施形態のハニカムフィルタの斜視図。 実施形態のハニカムフィルタのＡ−Ａ線における断面図。 前記排気ガス浄化装置の要部拡大断面図。 複数個のハニカムフィルタを用いて構成される別例のセラミックフィルタ集合体の斜視図。

符号の説明

２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
８ ケーシング
９ ハニカムフィルタ
１３ セル壁。

Claims (10)

1. 内燃機関の排気経路に設けたケーシング内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを除去する多孔質セラミック焼結体製ハニカムフィルタを備えた排気ガス浄化装置において、
   前記ハニカムフィルタは、平均気孔径が５〜１５μｍ、平均気孔率が３０〜５０％、気孔のうちの２０％以上が貫通孔であって、かつ総体積が、内燃機関における総排気量の１／４〜２倍であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記ハニカムフィルタは、封止体により端面が交互に封止されたセルが設けられており、そのセルの数は単位平方インチあたり１２０個以上であるとともに、このセルを区画するセル壁の厚みが０．４６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記ハニカムフィルタは、封止体により端面が交互に封止されたセルが設けられており、そのセルの数は単位平方インチあたり１２０個〜１８０個であるとともに、このセルを区画するセル壁の厚みが０．２０ｍｍ〜０．４６ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記ハニカムフィルタは、炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記ハニカムフィルタは、α型炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記ハニカムフィルタは、不純物の含有量が５質量％以下の炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
7. 前記ハニカムフィルタは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｏ、遊離Ｃのいずれか１種以上の不純物を含む炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
8. 前記ハニカムフィルタは、セル壁表面に、酸化触媒が担持されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
9. 前記酸化触媒は、白金族元素または金属酸化物であることを特徴とする請求項８に記載の排気ガス浄化装置。
10. 前記ハニカムフィルタは、請求項１〜請求項９のいずれか１に記載のものを、シール材層を介して複数個接着して、一体化してなるフィルタ集合体からなることを特徴とする排気ガス浄化装置。

Images