JP2012505339A

JP2012505339A - パティキュレートフィルター装置

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Publication number: JP2012505339A
Application number: JP2011530525A
Authority: JP
Inventors: オーロワ，フィリップ; ブリオ，アントニー; パンチュロー，ダビッド
Original assignee: サン−ゴバンサントルドゥルシェルシェエデトゥードゥユーロペン
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2010040941A1; KR20110066931A; FR2936956A1; FR2936956B1; EP2340099A1; US20110167806A1

Abstract

本発明は、内燃機関のための汚染除去装置であって、セメントによって接続されたモノリシックのハニカム要素の組立体を含み、各要素が、多孔質の壁によって隔てられた互いに平行な軸の隣接するチャンネルの組を組み込み、これらのチャンネルがその端部のいずれか一方においてプラグによって塞がれ、ガス流入面が開口された入口チャンバとガス排出面が開口された出口チャンバとを画定して濾過すべきガスが多孔質の壁を通過するようにし、前記組立体が圧縮された繊維状マットを用いて金属ジャケット内に挿入された汚染除去装置に関する。この装置は、セメントが０．５〜６ＭＰａの３点曲げ破壊係数を有し、セメントが１７ＧＰａ以下の動的ヤング率を有し、マットが０．３０〜０．５４の圧縮状態での平均密度を有し、圧縮状態でのマットの平均厚さが２〜８ｍｍであるようなものである。

Description

本発明は、場合により触媒成分を含む、内燃機関からの粒子を濾過するための装置、特には燃料の燃焼によって生成するススを除去するためにディーゼルエンジンの排気ライン内に設置される装置の分野に関する。

ディーゼルエンジンは大量のススを生成することが知られている。これは、実際のところ燃焼炎内部に酸素がない場合の炭化水素の熱分解現象の結果、及びそうして生成したスス粒子の全部を燃焼させるには十分でない燃焼チャンバ内の温度の結果である。このススは、車から排出された場合には、未燃炭化水素が凝縮する核として作用し、そうして吸い込みうる固体粒子であって、肺胞まで進入しうる小さいサイズの固体粒子を形成する。

車外へのススの排出を制限しそしてますます厳しくなる環境排出基準を満たすために、場合により触媒装置を伴う濾過装置を排気ラインに配置することが知られており、これらの触媒装置は、汚染物質のガス状排出物を不活性ガスに転化することを目的としている。汚染物質のガス状排出物としては特に、未燃炭化水素並びに窒素酸化物（ＮＯｘ）又は一酸化炭素（ＣＯ）がある。

スス濾過装置は、一般に多孔質セラミックで製造された濾過用支持体からなる「パティキュレートフィルター」を含む。この支持体は一般にハニカム構造を有し、当該構造の一方の面は、濾過すべき排気ガスを流入させ、他方の面は濾過された排気ガスを放出する。これらの面の間に、濾過構造体は、多孔質の壁によって隔てられた長手方向の互いに平行なセルの組を有し、当該セルはその端部の一方を塞がれ、排気ガスが多孔質の壁を通過するようにしている。この実在物の適正な封止を確実にするために、構造体の周辺部はコーティングセメントとして公知のセメントによって囲まれている。フィルターはまた、缶内に設置され、これは多くの場合、繊維状マット及び金属ケーシングからなる「キャンニング」として公知である。より優れた耐熱衝撃性を提供するために、フィルターはハニカム構造のモノリシックでかつ平行六面体の要素の集合体から構成され、これらの要素は、接合用コンパウンドとして公知の材料を用いて組み立てられる。

最もよく使用されるセラミクスは、コーディエライト（Ｍｇ₂Ａｌ₄Ｓｉ₂Ｏ₁₈）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）であり、炭化ケイ素はその熱伝導率及び耐腐食性の特性のために好ましい。炭化ケイ素のフィルターは、好ましくは焼結によって得られ、例えば焼結ケイ素によって接続されたＳｉＣフィルター又は再結晶化によって得られたＳｉＣフィルター（Ｒ−ＳｉＣ）がある。フィルターの例は、例えば、欧州特許出願公開第８１６０６５号、同第１１４２６１９号、同第１４５５９２３号又は国際公開第２００４／０６５０８８号において記載されており、それらの構造又は合成方法に関するさらなる詳細については、これらの文献を参照することができる。

エンジンの作動中に、パティキュレートフィルターは、多孔質の壁に堆積したスス粒子でいっぱいになる。ここで、燃焼チャンバにおける場合と同様に、ススを燃焼するのに必要とされる最低温度の問題が生じる。ススはフィルター内に保持されているので、燃焼力学は、燃焼チャンバにおけるよりもゆっくりでよく、したがってススが燃え尽きる温度を約６００℃まで下げることが可能となる。しかしながら、この低下は、エンジンの作動範囲全体を通してフィルター内でススを確実に燃焼させるのに十分なものではない。それゆえ、濾過サイクルの後に、ススを燃焼させる再生サイクルを提供することが必要である。

それゆえ、パティキュレートフィルターは、以下のやり方で作動する。
排気ガスの温度からそれが可能な場合には、ススを濾過しかつほぼ同時にそれを燃焼する。
排気ガスの温度が低すぎる場合には、フィルターにスス粒子を保持及び蓄積する。
ススの蓄積により生じる圧力降下が許容できなくなる前にフィルターを再生する。

ススの保持段階の際にフィルターが次第に閉塞すると、実際、圧力降下が増大し、結果としてエンジンの燃料消費量が増大し、さらには燃焼システムにダメージを与える場合がある背圧の上昇を招く。

再生工程は、後噴射を用いて排気ガスの温度を上昇させることによって実施され、この後噴射は、燃料をエンジンサイクルの後半で噴射することにあり、排気ラインにおいて燃料を燃焼させるものである。

再生の間、ススの発熱燃焼のためにフィルターは高温になり、さらにはスス粒子はフィルターの中央部及び下流部に堆積する傾向があるので、フィルターは材料の内部で温度が不均一になる。それゆえ、フィルターは、強い半径方向及び接線方向の熱機械応力を受け、この応力によって材料内に微小亀裂が生じてその濾過能力の部分的なさらには完全な損失を招く場合がある。

一般に、フィルターの改良は、同等のエンジン速度について以下の特性の間で可能性のある最良の妥協を得ることを伴う。詳しくは、本発明の目的は、モノリシック要素の組立体から形成される濾過装置において、
・濾過操作中の構造体、すなわち典型的にはこの構造体が内燃機関の排気ラインにある場合に、当該構造体がススを含まない場合とそれが粒子で満たされている場合の両方において構造体によって生じる圧力降下が低いこと、
・再生期間の頻度を低減するための大きなスス貯蔵容積、
・フィルターが受ける最大の再生温度及び勾配を最小にすることができるように十分な熱質量を確実するのに最も適したフィルター質量、
・高い熱機械強度、すなわち濾過装置に長い寿命を提供する熱機械強度
を同時に示す濾過装置を提供することである。

繊維状マットを用いて金属ケーシング内に挿入されるフィルターを含む濾過装置の性能は、一方で、以下の特性によって特徴づけられる。
・装置の機械的な一体性、すなわちフィルターの個々のモノリシック要素、繊維状マット及び金属ケーシングは、装置が振動、特にエンジンの排気ラインにおいてこのような装置が受ける代表的な振動にさらされた後でも、互いに接合した状態のままでなければならない。機械的な一体性が不十分であると、繊維状マットとフィルター若しくは金属ケーシングに関するマットとが分離するか、又は組み立てたフィルターの１つ若しくは複数のモノリシック要素が分離する場合がある。
・濾過すべき高温ガスに対する封止、すなわちマット内、マットとフィルターの間又はマットと金属ケーシングの間のススの通過を回避する必要がある。

上記の課題をすべて解決できる装置、特には改善された熱機械強度及び改善された機械的一体性を有する装置を得ることができるということが重要であると考えられる。

本発明者らは、このような装置を得るのに必要かつ十分なカギとなるパラメータを見出した。

その最も一般的な形態において、本発明の主題は、内燃機関の汚染を低減するための装置であって、接合用コンパウンドによって接続されたハニカムタイプのモノリシック要素の集合体を含み、各要素が、多孔質の壁によって隔てられた互いに平行な軸の隣接するセルの組を組み込み、これらのセルがその端部の一方又は他方においてプラグによって塞がれ、ガス流入面が開口された入口チャンバとガス排出面が開口された出口チャンバとを画定して濾過すべきガスが多孔質の壁を通過するようにし、前記集合体が圧縮された繊維状マットを用いて金属ケーシング内に挿入された装置である。本発明による装置は、
・前記接合用コンパウンドが０．５〜６ＭＰａ、好ましくは１〜５ＭＰａ、特には２〜４ＭＰａの３点曲げ破壊係数を有し、
・前記接合用コンパウンドが１７ＧＰａ以下、好ましくは１０ＧＰａ以下の動的ヤング率を有し、
・前記マットが０．３０〜０．５４、好ましくは０．５０以下の圧縮状態での平均密度を有し、
・圧縮状態での前記マットの平均厚さが２〜８ｍｍである
ことを特徴としている。

実際、本発明による濾過装置が上記の種々の課題を解決できるのは、これらの種々のパラメータを注意深く組み合わせているためである。

多孔質の壁は、典型的にはコーディエライト（Ｍｇ₂Ａｌ₄Ｓｉ₂Ｏ₁₈）、チタン酸アルミニウムで作られるか又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）をベースとするセラミック材料から製造されることが好ましく、炭化ケイ素はその熱伝導率及び耐腐食性の特性のために好ましい。本明細書の範囲内で「ＳｉＣをベースとする材料」という語で意図されるのは、材料が少なくとも３０ｗｔ％のＳｉＣ、好ましくは少なくとも７０ｗｔ％のＳｉＣ、特に好ましくは少なくとも９８ｗｔ％のＳｉＣを含むということである。

壁の材料は、好ましくは３５〜６５％、より好ましくは４０％〜６０％の開放気孔率を有する。特にパティキュレートフィルターへの適用では、気孔率が低すぎると圧力降下が高くなりすぎる。逆に、気孔率が高すぎると機械的強度が過度に低くなる。材料の多孔性を構成する気孔の体積に基づく中央径ｄ５０は、好ましくは５〜２５μｍ、特には１０〜３０μｍである。一般に、意図される用途では、孔径が小さすぎると圧力降下が大きくなりすぎ、一方で、中央孔径が大きすぎると濾過効率が低くなることが一般に認められている。

一般に、組み立てられた構造体を構成するモノリシック要素の断面は正方形であり、この要素の幅は３０ｍｍ〜５０ｍｍである。有利には、壁の厚さは２００〜５００μｍである。濾過用要素のセルの数は好ましくは７．７５〜６２個／ｃｍ²であり、セルは約０．５〜９ｍｍ²の断面積を有する。セルはさまざまな形状を有することができる。これらのセルの形状及びサイズは同一であっても異なるものであってもよく、特には正方形、六角形、八角形又は三角形の形状である。セルは、例えば、すべて正方形で同じサイズのものであってもよい。これらはまた、例えば、交互に正方形と六角形そして正方形と八角形の形状であってもよい。セルはまた、例えば、国際公開第０５／０１６４９１号において記載されているように、壁の波形に関連するより複雑な形状を有することもできる。

フィルターは、好ましくはガス入口面が開口された入口チャンバの合計容積がガス排出面が開口された出口チャンバの合計容積よりも大きなフィルターである。例えば、入口セルの数は出口セルの数よりも多くすることができ（特に入口セルと出口セルがすべて同じ断面積を有する場合）及び／又は入口セルは出口セルよりも大きな断面積を有することができる（特に入口セルの数が出口セルの数に等しい場合）。入口セルと出口セルがそれぞれ意味するものは、それぞれガスの入口面及び排出面が開口されたセルである。このようなフィルターは非対称フィルターとして公知であり、より大量のススを貯蔵でき、連続する２回の再生間の時間を延長させ、フィルターがススで満たされるのに伴う圧力降下の増大を低減することができるという利点を有する。本発明の実施は、このようなフィルターの場合に特に有利であることがわかった。というのも、本発明者らが、このようなフィルターが標準的なフィルターに比べてより高い熱機械応力によって影響を受けやすいことを実証できたからである。

接合用コンパウンドの平均厚さは好ましくは０．５〜４ｍｍ、特には少なくとも１ｍｍである。厚さが小さいとフィルターの機械的一体性が低く、モノリシック要素の平担性が拡大すると局所的な熱機械応力が生じ、接合用コンパウンドによる応力の緩和が低下する場合がある。厚さが過度に大きい場合には、特に非常に多数のモノリシック要素が存在する場合、すなわちフィルターの軸に対して垂直なフィルターの断面を横断する接合部の数が多い場合には、フィルターの圧力降下が大きくなり過ぎる。

接合用コンパウンドは、本明細書では、固体として硬化でき、かつ周囲温度であるいはモノリシック要素を構成する１つ又は複数の材料の耐火性を規定する軟化又は崩壊温度以下の温度での乾燥及び／又は熱処理後に十分な機械的強度を有することができる、湿った又は乾燥した微粒子及び／又は繊維状ミックスから形成される成形可能な組成物を意味すると解される。

「成形可能な」とは、モノリシック要素の接合面にわたって塗布するのに必要とされる塑性変形が可能であり、そしてこれらの要素を互いに保持できるかあるいは接合作業の直後に又は必要な場合には熱処理若しくは化学処理又は紫外線照射などの他の処理の後にフィルターをその組み立てられた状態で取り扱うことができるようにこれらの要素に関して十分な接着を示す組成物を意味する。

接合用コンパウンドは、好ましくは、非酸化物、例えばＳｉＣ、アルミニウム及び／又は窒化ケイ素、アルミニウム酸窒化物から選択されるか、あるいは酸化物、特にはＡｌ₂Ｏ₂、ＳｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂又はそれらの任意の混合物を含む酸化物から選択される、セラミク又は耐火材料の粒子及び／又は繊維を含む。

好ましくは、組成物は少なくとも２０％のＳｉＣを含む。その硬化を促進させるために、接合用コンパウンドは、熱硬化性樹脂を無機充填剤に対して０．０５ｗｔ％以上でかつ５ｗｔ％以下の数量において含むことが好ましい。樹脂の硬化を促進させるのに意図される、好ましくは粉末の形態の触媒硬化剤を混合物に添加してもよい。接合用コンパウンドは、可塑性及びその成形可能な性質を促進させるために粘土を含むことができる。接合用コンパウンドはまた、無機繊維及び有機及び／又は無機結合剤を含むことができる。有機結合剤とは、特には仮の結合剤（ｔｅｍｐｏｒａｒｙｂｉｎｄｅｒ）、例えばセルロース又はリグニンの誘導体、例えばカルボキシメチルセルロース、デキストリン又はポリビニルアルコールを意味する。無機結合剤とは、特には化学的硬化剤、例えばリン酸、モノリン酸アルミニウム、又はシリカ、アルミナ及び／又はジルコニアをベースとするゾル、又は場合により焼結促進剤、例えば二酸化チタン又は水酸化マグネシウム、さらには造形剤、例えばステアリン酸カルシウム又はステアリン酸マグネシウムを意味する。接合用コンパウンドは好ましくはセラミック及び／又は耐火性セメントである。

好ましくは、濾過用モノリシック要素はＳｉＣをベースとしており、２０〜８００℃のすべての温度について０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する接合用コンパウンドによって組み立てられる。接合用コンパウンドの熱伝導率が高いと、有利にはフィルター内部の熱伝達を安定させることができ、一方で、熱伝導率が低い場合、特には熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ（典型的には６００℃の温度で測定されたもの）未満である場合、接合部内及びフィルター内部の温度勾配及び熱機械応力が増大する。

モノリシック要素は、例えば欧州特許出願公開第１７２６８００号又は仏国特許出願公開第２８３３８５７号において記載されているように、フィルター内の熱機械応力を緩和させるために、モノリシック要素間の空間が接合用コンパウンドによって完全には満たされない程度まで、好ましくは部分的な結合によって組み立てられる。国際公開第２００５／０８４７８２号又は同第２００４／０９０２９４号において記載されているような接合用コンパウンドの構成もまた可能であり、これらの文献に記載の構成は、接合用コンパウンドと濾過用要素の間の接着力が低いか又はゼロである領域、及び接合用コンパウンドと濾過用要素の間の接着力が強い領域を含む。

組み立てられたフィルターは、好ましくは、熱機械応力を低減するために、特には接合用コンパウンドと同じ鉱物組成を有する組み立てられたフィルターに固定されたコーティングセメントを有する。

汚染低減用装置は、ＣＯ又はＨＣ及び／又はＮＯｘタイプの汚染ガスを処理するための触媒コーティングをさらに含むことができる。

繊維状マットは、好ましくは、本願に関して要求される断熱特性を提供するために無機繊維から形成される。無機繊維は、好ましくは、セラミック繊維、例えば、アルミナ、ムライト、ジルコニア、酸化チタン、シリカ、炭化ケイ素又は窒化ケイ素の繊維、あるいはガラス繊維、例えばガラスＲ繊維である。これらの繊維は、溶融酸化物の浴又は有機金属前駆体の溶液から紡糸により得ることができる（ゾル−ゲル法）。繊維状マットは好ましくは非膨張性である。それは有利にはニードルフェルトの形態である。

圧縮状態でのマットの密度は、特には圧縮前のこのマットの構成材料の単位体積あたりの質量及び圧縮後のマットの厚さに左右される。圧縮状態で所要の密度を示すことのできるマットは、例えば、Ｓａｆｆｉｌ社により１６００、１２５０又は２４００の品番で又はＩｂｉｄｅｎ社によりＮ４−１５１５又はＮ４−１２５３の品番で市販されている。

特に、円形でない断面を有するフィルターの場合、マットの圧縮状態での密度及び／又は厚さは、それがフィルターと金属ケーシングの間に形成される空間の領域に応じて変動し得るかぎり、均一でないことが有利である。再生中、このタイプのフィルターは、実際、その周囲で温度の非均一性を示す傾向にある。したがって、フィルター周囲の特定の領域の温度とフィルターの中心部における温度の間の差は、フィルターの周囲温度と中心部での温度の間の平均差よりも２０％以上大きい場合があり、この温度の不均一性は、これらの領域に強く局在化した高い応力集中を発生させる可能性がある。それゆえ、熱機械応力のより有利な分布を達成するために、再生段階の間に熱機械応力が集中している場合がある領域と接触した状態で、マットの密度は好ましくは平均密度よりも低く及び／又はマットの厚さは好ましくは平均厚さよりも大きい。本発明による濾過装置の全体的な熱機械強度を最もうまく最適化するためには、最も高い熱機械応力を受けるフィルターの周囲領域における圧縮状態でのマットの厚さは、最も低い熱機械応力を受ける周囲領域におけるマットの厚さよりも好ましくは少なくとも２０％、特には少なくとも５０％、さらには少なくとも１００％大きいものである。代替的に又は組み合わせにおいて、最も低い応力を受けるフィルターの周囲領域における圧縮状態のマットの密度は、最も高い応力を受ける領域における密度よりも好ましくは少なくとも２０％、特には少なくとも５０％、さらには少なくとも１００％高いものである。「収縮」タイプの方法（この場合、金属ケーシングはマットの周りで収縮される）によると、マットの密度及び／又は厚さを変更し、この応力集中の影響を最も大きく受ける傾向がある領域の中により密度が低く及び／又は厚さが大きい領域を作り出すことが可能である。楕円又は実質的に楕円のフィルターの場合、楕円の短軸及び長軸の端部が再生中に最も高い熱機械応力を受けることから、これらの端部においてマットの密度がより低く及び／又はマットの厚さがより大きくなることが特に好ましい。

圧縮状態での密度が均一でない場合、測定される値は平均値に対応する。

圧縮状態での繊維状マットの平均厚さは、フィルターの幾何学的中心を通過する２本の互いに垂直な直線の４つのセグメント上でフィルターの軸に対して垂直な平面内で取られた４つの厚さの測定値の平均を計算することにより、その金属ケーシング内に配置されたフィルターについて決定される。

圧縮状態でのマットの密度は以下のように測定することができる。そのマットにより包囲されているフィルターをその金属ケーシングから取り出し、次いで広げてその表面積を測定できるようにし、秤量してその相対密度をｇ／ｃｍ²で測定する。圧縮状態での密度は、先に決定した相対密度をｃｍ単位のマットの平均厚さで割ることによって得られる。

金属ケーシングへの挿入は、当業者に公知の種々の方法を用いて行なうことができる。特には、「ターニケット」法、「収縮」法、「クラムシェル」法又は「詰め込み」法として公知の方法を挙げることができる。

接合用コンパウンドの破壊係数は、１５０×２５×２５ｍｍ³の試験片について周囲温度で測定される。ＮＦＢ４１−１０４規格に従った３点曲げ試験のための設定は、２つの下部支持体間の距離を１２０ｍｍとして実施され、荷重プランジャーの下降速度は０．５ｍｍ／分に等しい。値は、連続する３回の測定から算出した平均である。

動的ヤング率は、Ｊ．Ｗ．Ｌｅｍｍｅｎｓ社のＧｒｉｎｄｏｓｏｎｉｃＭＫ５の品番で市販されている試験装置を用いて、先に使用したものと同じ寸法の試験片について、ＡＳＴＭＣ１２５９−０１規格に従って測定される。動的ヤング率は、いわゆる「動的」モードで接合用コンパウンド試験片の周囲温度における曲げ振動の固有振動数を測定することによって決定される。試験片は、ゴム状タイプの２つの支持体上に設置され、試験中の試験片の振動モードと相互作用しないようになっている。支持体は、試験片に沿って中ほどで中心に対して対称に位置づけされる。支持体間の距離は１００ｍｍである。試験片は、必要とされる励起エネルギーが小さいため、例えば器具とともに供給されるスティック又はペンシル又は小型ハンマーを用いて、反対側の面が支持体上にある状態でその上部面上でその中心にできるだけ近いところでの機械的インパルスによって励起される。この励起は、試験片の材料内に振動をもたらす。次いで、試験片と接触して配置された圧電検出器によってこれらの振動を記録し、それらを電気信号へと変換し、この信号から振動の固有振動数が表示される。

次いで、動的ヤング率Ｅが、以下の式を用いて試験片の質量ｍ（ｇ）及び曲げ共振周波数ｆ（Ｈｚ）の関数としてＧＰａ単位で算出される。
Ｅ＝９．１５８４×１０^-9×ｍ×ｆ²

すべての測定（密度、厚さ、破壊係数及びヤング率）は周囲温度で行なわれる。

係数を測定するために、接合用コンパウンドの試験片は、組成物を成形することによって調製され、次いで、モノリシック要素を互いに組み立てるのに使用される場合に接合用コンパウンドが受けるものと同じ処理（例えば熱処理）を受け、最終的に１１０℃で乾燥した後、周囲温度まで冷却される。

本発明及びその利点は、以下の実施例を読むことでより良く理解されるであろう。当然ながら、これらの実施例は、記載されている態様のいずれにおいても、本発明を限定するものとみなされてはならない。

複数の要素２から形成された非円形フィルター１を概略的に示す。複数の要素２から形成された非円形フィルター１を概略的に示す。

図１及び２は、複数の要素２から形成された非円形フィルター１を概略的に示す。ハッチングされた領域３は、フィルターの中心温度と比べた温度の差が、再生中にフィルターの周囲温度と中心温度の間の平均の温度差よりも２０℃以上大きくなる可能性がある周囲領域を表している。この温度の不均一性は、これらの領域において非常に局在化した高い応力集中を発生させる可能性がある。それゆえ、マットの厚さがより大きいこの領域の近くでマットの密度がより低いことが有利である。

以下の実施例では、比較を目的として提供され本発明の基準を満たしていない別の一連の装置と比べた利点を示す本発明による一連の濾過装置を作製した。

すべてのモノリシック濾過用要素は、以下の方法を用いて作製した。

まず、ミキサーを用いて、炭化ケイ素、ポリエチレンタイプの気孔形成剤、及びメチルセルロースタイプの有機結合剤を混合した。水を加え、その寸法的特徴が表１に与えられる正方形断面のハニカムモノリシック構造のダイを通した押出し加工を可能にする可塑性を備えた均一なペーストが得られるまで混合を継続した。

次いで、得られた素地要素を、化学結合していない水の含有量を１ｗｔ％未満にするのに十分な時間にわたってマイクロ波を用いて乾燥した。

次いで、ブロックの各面上のセルを、例えば、国際公開第２００４／０６５０８８号において記載されている周知の技術を用いて交互に塞いだ。

次いで、およそ２２００℃の温度になるまで２０℃／ｈの温度上昇で要素を焼成し、次いでこの温度を２時間保持した。

こうして最終的に、炭化ケイ素から製造された一連のモノリシック濾過用要素を得、それらの微細構造特性は実質的に同一であった。

次いで、欧州特許出願公開第８１６０６５号の教示に従って、セラミックの性質を持つ接合用コンパウンドを用いて結合することにより１６個の濾過用モノリシック要素を互いに組み立て、次いで機械加工して適切な直径のフィルターを形成した。接合用コンパウンドの厚さは１ｍｍであった。

比較例Ｃ１〜Ｃ３及び本発明による実施例１の場合、接合用コンパウンドは、以下のコンパウンドＪ１、すなわち、
・１０〜２００μｍの粒径を有するＳｉＣ粉末を８１ｗｔ％と、
・Ａｌｍａｔｉｓ社によって市販されている中央径が約５μｍのか焼アルミナ粉末を４ｗｔ％と、
・Ａｌｍａｔｉｓ社によって市販されている中央径が約３μｍの反応性アルミナ粉末を８ｗｔ％と、
・Ｅｌｋｅｍ９７１タイプのシリカヒュームを６％と、
・セルロースタイプの可塑化仮結合剤を０．８ｗｔ％と、
・ＳＴＰＰ（ポリリン酸ナトリウム）タイプの解膠剤を０．２ｗｔ％と
を混合することによって調製した。

この混合物の質量の約１５％に対応する量の水を添加して、適切な粘度のペーストを得た。

フィルターを機械加工した後、接合用コンパウンドに使用したものと同じ鉱物組成のコーティングセメントを、およそ２．４８リットルの容量を持つ円筒形状のフィルターに適用した。次いで、組み立てたフィルターを空気中７５０℃で熱処理し、最高温度で２時間保持した。比較例Ｃ３の場合には、熱処理を７５０℃ではなく９５０℃の温度で実施し、これには接合用コンパウンドの破壊係数及びヤング率を増大させる効果があった。

比較例Ｃ４及び本発明による実施例２及び３の場合、接合用コンパウンドは、以下のコンパウンドＪ２、すなわち、
・１０〜２００μｍの粒径を有するＳｉＣ粉末を６７ｗｔ％と、
・Ａｌｍａｔｉｓ社によって市販されている中央径が約３μｍの反応性アルミナ粉末を３ｗｔ％と、
・６０％のＳｉＯ₂と４０％のＡｌ₂Ｏ₃を含む典型的な化学組成を有し、中央径がおよそ１００μｍである、Ｅｎｖｉｒｏ−ｓｐｅｒｅｓ社によって「ｅ−ｓｐｈｅｒｅｓ」の名称で市販されている中空球を２４％と、
・Ｅｌｋｅｍ９７１タイプのシリカヒュームを６％と、
・セルロースタイプの可塑化仮結合剤を０．８ｗｔ％と、
・ＳＴＰＰ（ポリリン酸ナトリウム）タイプの解膠剤を０．２ｗｔ％と
を混合することによって調製した。

フィルターを機械加工した後、接合用コンパウンドに使用したものと同じ鉱物組成のコーティングセメントを、およそ２．４８リットルの容量を持つ円筒形状のフィルターに適用した。次いで、組み立てたフィルターを空気中９５０℃で熱処理し、最高温度で２時間保持した。

次いで、フィルターを種々の繊維状マットでコーティングし、次に、表２にまとめられたとおりの圧縮状態での密度及び圧縮状態でのマット厚さを得るように、欧州特許出願公開第１３８２３７４号の図５に関連する教示（いわゆる「ターニケット」法）に従って金属ケーシング内に挿入した。

金属ケーシングは、厚さ１．５ｍｍでクロム１３％の耐火性ステンレス鋼シートから形成される２枚の部品で構成された。

こうして得た装置を以下の特性評価試験に付した。

Ａ）熱機械強度試験
３０分間全出力（４０００ｒｐｍ）で作動させた２．０リットルの直噴式ディーゼルエンジンの排気ラインに装置を取り付け、次いで取り外して秤量しその初期質量を決定した。次いで、装置を、３０００ｒｐｍのエンジン速度及び５０Ｎｍのトルクで８ｇ／リットル（フィルター容積に関して）のスス充填を得るために種々の長さの時間にわたってエンジンテストベッド上に再度装着した。こうしてススで満たされた装置をライン上に再度装着して、以下のとおり規定される厳しい再生作業を受けさせた。すなわち、２分間９５Ｎｍのトルクに対して１７００ｒｐｍのエンジン速度で安定化させた後、１８ｍｍ²／ショットの後噴射送出のため７０°の位相角で後噴射を実施した。ススの燃焼を開始した後、より具体的には圧力降下が少なくとも４秒間低下した後、エンジン速度を５分間４０Ｎｍのトルクに対して１０５０ｒｐｍまで低下させてススの燃焼を加速させた。次いで、装置を３０分間４０００ｒｐｍのエンジン速度に付して残留するススを除去した。

肉眼で見える亀裂が存在する可能性を明らかにするため、スライシングの後、再生したフィルターを検査した。フィルターの熱機械強度を亀裂数に照らして評価し、少ない亀裂数は、パティキュレートフィルターとしての使用に対して許容できる熱機械強度を意味する。

表２にまとめたとおり、以下の評点を各フィルターに対して割り当てた。
＋＋＋＋：非常に多くの亀裂が存在
＋＋：多くの亀裂が存在
＋：わずかな亀裂が存在
−：亀裂なし又は亀裂が極めて希少

過酷な再生が特に極端な条件によって特徴づけられたので、わずかな亀裂の存在（評点「＋」）は許容できるものである。これに対し、評点「＋＋」及び「＋＋＋」は熱機械強度が低いことを表す。

Ｂ）一体性の評価方法
金属ケーシングと繊維状マットとともにフィルターを含む装置を、種々のポイントに配置した加速度計を備えた電気力学試験装置上に設置した。第１の加速度計をフィルターと接触した状態でその平担面の１つの中心に設置し、第２の加速度計をキャンニングの金属ケーシング上に配置した。少なくとも２軸の加速度計であるこれら２つの加速度計は、フィルターの軸方向の振動及び半径方向の振動並びにフィルターとそのキャンニングの間の如何なる分断も測定し、電気力学試験装置に対するキャンニングされたフィルターの取り付けの安定性を監視することができる。フィルターを、それぞれ所与の加速に対応する連続した複数の１５分レベルを含む１８５Ｈｚの振動数での振動サイクルに付した。第１のレベルは５Ｇの加速度に対応し、第２のレベルは１０Ｇの加速度に対応し、次いで加速度をそれぞれの連続したレベルについて１０Ｇのステップで増大させた。この振動試験は、３５ｋＮの能力を有しかつ０〜５００Ｈｚの振動数範囲で動作する最大力１０ｋＮの油圧ラム及び２１ｌ／分の流速を有する２００バール油圧システムを具備したＬＤＳＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬＬＣ社によって市販されている電気力学試験装置によって実施することができる。

次いで、装置を濾過効率試験に付した。振動試験後の濾過装置の濾過効率を、フィルターの出口において排出された煤煙の量を入口における数量と比べて測定することによって決定した。これを行うため、濾過装置の上流側と下流側に煤煙計を配置した。なお、濾過装置はディーゼルエンジンの排気ラインに配置した。煤煙計によって、煤煙に起因する黒化を測定することによって排出されたスス粒子の量を決定することができた。測定中、好ましくはエンジンをその最大出力に対応する作動点にセットした。濾過装置が十分な一体性の特性を有する場合、濾過効率指数は８５％超にとどまる必要がある。

下表２は、比較例Ｃ１〜Ｃ４及び本発明による実施例１〜３について以下の特性を記載している。
・接合用コンパウンドの性質（Ｊ１又はＪ２、上で示したコーディングを用いた）
・組み立て後の熱処理の温度（℃）及び長さ（時間）
・上記の方法を用いて測定しＭＰａ単位の「ＭＯＲ」と呼ばれる破壊係数
・上記の方法に従って測定しＧＰａ単位の「ＭＯＥ」と呼ばれる動的ヤング率
・上記の方法に従って測定した圧縮状態でのマットの密度
・上記の方法に従って測定したｍｍ単位の圧縮状態でのマットの平均厚さ
・熱機械強度試験の結果
・振動後の一体性試験の結果：「Ｘ」という記号は、フィルターの一体性が試験により影響を受けなかったことを意味し、「Ｏ」という記号はその反対を意味する。
・％単位の一体性試験後のフィルターの効率

種々の実施例及び比較例は、上記の技術的な課題をすべて解決するためには、本発明の４つの必須の特徴を同時にそれゆえ組み合わせて満たさなければならないということを示している。圧縮状態でマットに対して過度に高い密度を選択すると（実施例Ｃ１）、低い破壊係数及びヤング率を持つ接合用コンパウンドを選択したにもかかわらず、過酷な再生の後に非常に多くの亀裂が存在することによって示されるように過度に低い熱機械強度がもたらされる。このことは、適切な密度の選択にもかかわらず、圧縮状態でのマットの厚さが過度に小さい場合（実施例Ｃ２）にも当てはまる。逆に言うと、密度が低すぎると（実施例Ｃ４）、優れた一体性を得るには不利である。すなわち、得られるフィルターは高い振動に耐えることができず、装置の様々な要素が剥離した状態となり、濾過効率の著しい低下を招く。最後に、適切なマット厚さと適切なマット密度を選択しても、一方で接合用コンパウンドのヤング率及び破壊係数が過度に高い場合、そのフィルターが熱機械強度に関して許容可能なものとはならない（実施例Ｃ３）。本発明による実施例１〜３によって示されるように、真に高性能な濾過装置を得ることを可能にするのは、実際、第一に適切な密度と厚さを持つマットそして第二に適切なヤング率と適切な破壊係数を有する接合用コンパウンドの組み合わせである。

上記の記載は、本発明の幾つかの可能性のある実施態様を示すものである。しかし、当然ながら、この記載は限定的なものではなく、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の他の変形態様を考え出すことができるであろう。

Claims

内燃機関の汚染を低減するための装置であって、接合用コンパウンドによって接続されたハニカムタイプのモノリシック要素の集合体を含み、各要素が、多孔質の壁によって隔てられた互いに平行な軸の隣接するセルの組を組み込み、これらのセルがその端部の一方又は他方においてプラグによって塞がれ、ガス流入面が開口された入口チャンバとガス排出面が開口された出口チャンバとを画定して濾過すべきガスが多孔質の壁を通過するようにし、前記集合体が圧縮された繊維状マットを用いて金属ケーシング内に挿入され、
・前記接合用コンパウンドが０．５〜６ＭＰａの３点曲げ破壊係数を有し、
・前記接合用コンパウンドが１７ＧＰａ以下の動的ヤング率を有し、
・前記マットが０．３０〜０．５４の圧縮状態での平均密度を有し、
・圧縮状態での前記マットの平均厚さが２〜８ｍｍである
ことを特徴とする、装置。
前記破壊係数が１〜５ＭＰａ、特には２〜４ＭＰａである、請求項１に記載の装置。
前記動的ヤング率が１０ＧＰａ以下である、請求項１又は２に記載の装置。
前記圧縮状態での平均密度が０．５０以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
前記多孔質の壁が炭化ケイ素（ＳｉＣ）をベースとするセラミック材料から製造される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
前記接合用コンパウンドの熱伝導率が２０〜８００℃で０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項５に記載の装置。
前記接合用コンパウンドの平均厚さが０．５〜４ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
前記モノリシック要素が部分的な結合によって組み立てられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
前記マットの圧縮状態の密度及び／又は厚さが不均一であり、特には再生段階の間に熱機械応力が集中している場合がある領域と接触した状態で、前記マットの密度が平均密度よりも低く及び／又は前記マットの厚さが平均厚さよりも大きい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
最も高い熱機械応力を受けるフィルターの周囲領域における圧縮状態での前記マットの厚さが、最も低い熱機械応力を受ける周囲領域における前記マットの厚さよりも少なくとも２０％、特には少なくとも５０％、さらには少なくとも１００％大きいものであり、及び／又は最も低い応力を受けるフィルターの周囲領域における圧縮状態の前記マットの密度が、最も高い応力を受ける領域における密度よりも少なくとも２０％、特には少なくとも５０％、さらには少なくとも１００％高いものである、請求項９に記憶の装置。
ＣＯ又はＨＣ及び／又はＮＯｘタイプの汚染ガスを処理するための触媒コーティングをさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。