JP2018012045A - ハニカムフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】粒子が堆積しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供する。【解決手段】ハニカムフィルタ１００は、入口端１００ｉｎと、入口端と対向する出口端１００ｏｕｔと、入口端が開口され出口端が閉じられた入口流路１１０ｉｎと、出口端が開口され入口端が閉じられた出口流路１１０ｏｕｔと、入口流路と出口流路とを隔てる多孔質隔壁１２０ｐと、を備える。多孔質隔壁における入口流路側の表面から多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分１２０ｐｉの空隙率をεｉとし、多孔質隔壁における出口流路の表面から多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分１２０ｐｏの空隙率をεｏとしたときにεｉ＞εｏを満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。

従来より、内燃機関から排出される煤などの粒子状物質を除去するハニカムフィルタが知られている。

特開２００３−２１０９２２号公報

ハニカムフィルタに堆積する粒子状物質の量が増えるにつれてハニカムフィルタの圧力損失が高くなる。圧力損失が高くなると内燃機関の燃費性能が悪化する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質が堆積しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供することを目的とする。

本発明に係るハニカムフィルタは、入口端と、前記入口端と対向する出口端と、前記入口端が開口され前記出口端が閉じられた入口流路と、前記出口端が開口され前記入口端が閉じられた出口流路と、前記入口流路と前記出口流路とを隔てる多孔質隔壁と、を備える。前記多孔質隔壁における前記入口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分の空隙率をεｉとし、前記多孔質隔壁における前記出口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分の空隙率をεｏとしたときに、εｉ＞εｏを満たす、ハニカムフィルタ。

ここで、このハニカムフィルタは、０．１≦εｉ≦０．７であり、かつ、０．０１≦εｉ−εｏ≦０．６であることができる。

本発明によれば、粒子が堆積しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタが提供される。

図１は、本発明の１実施形態に係るハニカムフィルタの軸方向に沿った概略断面図である。 図２は、図１の多孔質隔壁の拡大断面図である。 図３は、計算例で用いた計算領域を示す概略図である。 図４は、計算例１、２及び比較例１、２におけるフィルターの圧力損失の経時変化を示すグラフである。 図５は、計算例１、２及び比較例１、２における圧力損失と煤堆積量との関係を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るハニカムフィルタ１００の概略断面図である。ハニカムフィルタ１００は、入口端１００ｉｎと、入口端１００ｉｎと対向する出口端１００ｏｕｔと、入口端１００ｉｎが開口され出口端１００ｏｕｔが閉じられた入口流路１１０ｉｎと、出口端１００ｏｕｔが開口され入口端１００ｉｎが閉じられた出口流路１１０ｏｕｔと、入口流路１１０ｉｎと出口流路１１０ｏｕｔとを隔てる多孔質隔壁１２０ｐと、を備え、柱状の形状を有する。

具体的には、多数の貫通孔１２０ｈを有する多孔質のハニカム構造体１２０と、一部の貫通孔１２０ｈの入口端１００ｉｎを封口する複数の封口部１３０、及び、残りの貫通孔１２０ｈの出口端１００ｏｕｔを封口する複数の封口部１３０により、上記入口流路１１０ｉｎ及び出口流路１１０ｏｕｔが形成されている。

入口流路１１０ｉｎ及び出口流路１１０ｏｕｔの軸に対して垂直な断面の形状に制限はなく、例えば、四角形、六角形、八角形等の多角形；円形又は楕円形であることができる。

端面方向から見た場合の入口流路１１０ｉｎ及び出口流路１１０ｏｕｔの配置も特に制限はなく、多孔質隔壁１２０ｐを間に挟んで入口流路１１０ｉｎ及び出口流路１１０ｏｕｔが配置されていれば良い。例えば、上記流路の配置は、１つの入口流路１１０ｉｎの周りに多孔質隔壁１２０ｐを介して４つの出口流路１１０ｏｕｔが配置され、かつ、１つの出口流路１１０ｏｕｔの周りに多孔質隔壁１２０ｐを介して４つの入口流路１１０ｉｎが配置されたいわゆるスクエア配置；１つの入口流路１１０ｉｎのまわりに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、３つの入口流路１１０ｉｎ及び３つの出口流路１１０ｏｕｔが配置され、１つの出口流路１１０ｏｕｔの周りに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、６つの入口流路１１０ｉｎが配置されたいわゆるＨＥＸ２配置、１つの入口流路１１０ｉｎのまわりに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、４つの入口流路１１０ｉｎ及び２つの出口流路１１０ｏｕｔが配置され、１つの出口流路１１０ｏｕｔの周りに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、６つの入口流路１１０ｉｎが配置されたいわゆるＨＥＸ３配置、１つの入口流路１１０ｉｎのまわりに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、４つの入口流路１１０ｉｎ及び４つの出口流路１１０ｏｕｔが配置され、１つの出口流路２２０のまわりに、多孔質隔壁１２０ｐを介して、４つの入口流路が配置された、いわゆるオクトスクエア配置であることができる。

多孔質隔壁１２０ｐにおけるガスの通過方向（入口流路から出口流路に向かう方向）に沿う断面図を、図２に示す。図２の上から下に向かう方向が、ガスの主たる流れ方向であり、多孔質隔壁１２０ｐの厚み方向でもある。

多孔質隔壁１２０ｐの厚みは、特に限定されないが、例えば、０．１〜１ｍｍであることができ、好ましくは、０．１３〜０．５ｍｍであることができる。

この多孔質隔壁１２０ｐは、その厚み方向において空隙率に分布を生じている。図２に示すように、多孔質隔壁１２０ｐにおける入口流路１１０ｉｎ側の表面１２０ａから多孔質隔壁１２０ｐの厚み方向の中央部１２０ｃまでの入口側部分１２０ｐｉの空隙率をεｉとし、多孔質隔壁１２０ｐにおける出口流路１１０ｏｕｔの表面１２０ｂから多孔質隔壁１２０ｐの厚み方向の中央部１２０ｃまでの出口側部分１２０ｐｏの空隙率をεｏとしたときに、この多孔質隔壁１２０ｐは、εｉ＞εｏを満たす。

ここで、０．１≦εｉ≦０．７であることができ、典型的には、０．０１≦εｉ−εｏ≦０．６であり、好ましくは、０．０５≦εｉ−εｏ≦０．４である。
多孔質隔壁１２０ｐの平均細孔径Ｄ５０は、通常、１〜１００μｍ、好ましくは、５〜３０μｍであることができる。

多孔質隔壁１２０ｐの材質は特に限定されないが、例えば、セラミックであることができる。セラミックの例は、チタン酸アルミニウム系セラミック、炭化ケイ素系セラミック、コージェライト系セラミックである。

これらのなかでも、セラミックは、チタン酸アルミニウム系セラミックであることが好ましい。チタン酸アルミニウム系セラミックは、マグネシウムやケイ素などを含むことができる。セラミックは、原料由来の微量成分又は製造工程において不可避的に含まれる微量成分を含有し得る。

このようなハニカムフィルタ１００によれば、以下のような効果を得ることができる。ハニカムフィルタ１００の入口端１００ｉｎから入口流路１１０ｉｎに煤を含むガスを供給すると、矢印Ｇに沿ってガスが流れ、多孔質隔壁１２０ｐにより煤が捕集され、煤が除去されたガスが出口流路１１０ｏｕｔから排出される。捕集した煤の量が増えるにつれてハニカムフィルタの圧力損失が増加する。しかしながら、本実施形態に係るハニカムフィルタによれば、煤の堆積量が増加しても圧力損失の増加量が低減される。したがって、内燃機関の燃費の低減が可能となる。

本実施形態に係るハニカムフィルタによって圧力損失の増加量が低減される原因は明らかではないが、１つの要因としては、ハニカムフィルタでは深層ろ過（隔壁内部における煤の捕集）のから表層ろ過（隔壁の表面での煤の捕集）に遷移するまでに大きな圧力損失が生じるが、入口側部分１２０ｐｉの空隙率が高くなると、入口側部分１２０ｐｉの空隙率が低い場合に比べて、その遷移時の圧力損失の増加が低くなることが考えられる。

なお、上述のように、多孔質隔壁１２０ｐの厚み方向において空隙率に差を設ける方法としては、例えば、多孔質隔壁１２０ｐの厚み方向の空隙率が均一な封口済のハニカム構造体を用意し、次に、出口流路側からセラミック粒子などを有する適切な粘度のスラリーを、多孔質隔壁の厚みの半分まで当該スラリーが浸漬するように塗布し、乾燥させ、必要に応じて焼成することが挙げられる。

なお、上記実施形態では、入口流路１１０ｉｎ及び出口流路１１０ｏｕｔが、プラグ状の封口部１３０を貫通孔１２０ｈの端部に挿入することにより閉じられているが、多孔質隔壁１２０ｐを変形することによってプラグ状の封口部を用いずに流路を閉じることもできる。

また、フィルターの外形形状も柱状であれば特に、円柱状に限定されず、例えば、角柱等でもよい。

（計算例）
厚み方向に空隙率に差を設けた場合の煤の堆積による圧力損失の増加について、コンピュータシミュレーションを行った。

図３のような０．９５ｍｍ×０．９９ｍｍの２次元領域を解析領域とした。計算格子は２．５μｍとし、格子数は３８０×３９６とした。解析領域の中央に０．６７ｍｍ×０．９９ｍｍのフィルターを配置した。フィルターの前後にそれぞれ、０．２１ｍｍ（８５格子）、及び、０．０６ｍｍ（２５格子）の助走区間を設けた。

実際のフィルターをＸ線ＣＴで測定することにより得られた多孔質構造を基準データとし、所望の空隙率にあわせて当該基準データを修正して各空隙率に対応する構造データを得た。多孔質構造の例を図３に示す。平均細孔径Ｄ５０は１５μｍ程度であった。

フィルターの入口側から煤を含む排気ガスを供給する。ガスはフィルターを通過する。煤が堆積する際に必要な堆積割合を０．０００２とした。ガスの入口境界でのガス流入速度を１．０ｍ／ｓ、そのガスの温度を３００℃とした。流入するガス中の煤の質量分率は０．１とした。

ガス入口（Ｘ＝０）を流入境界とし、フィルター材料の表面をnon-slip境界とし、上下の壁（Ｙ＝０，０．９９）は対称境界とし、ガス出口（Ｘ＝０．９５）を自由流出境界とした。

流体及び煤の流れの計算には、格子ボルツマン法を用いた。

計算例１、２、及び、比較計算例１、２における、多孔質隔壁１２０ｐの入口側部分１２０ｐｉの空隙率εｉ、出口側部分１２０ｐｏの空隙率εｏ、及び、平均空隙率εａｖｇを表１に示す。

また、計算例１、２及び比較計算例１、２におけるフィルターの圧力損失の経時変化を図４に、計算例１、２及び比較計算例１、２における圧力損失と煤堆積量との関係を図５に示す。

計算例１及び比較計算例１のフィルターは互いに同じ平均空隙率を有するが、それぞれεｉ＞εｏ、εｉ＜εｏを満たす。計算例２及び比較計算例２のフィルターは互いに同じ平均空隙率を有するが、それぞれεｉ＞εｏ、εｉ＜εｏを満たす。

計算例１及び比較計算例１の比較、及び、計算例２及び比較計算例２との比較からわかるように、εｉ＜εｏに比べて、εｉ＞εｏであると、圧力損失の上がり方が抑制される。

１００ｉｎ…入口端、１００ｏｕｔ…出口端、１１０ｉｎ…入口流路、１１０ｏｕｔ…出口流路、１２０ｐ…多孔質隔壁、１２０ｐｉ…入口側部分、１２０ｐｏ…出口側部分、１００…ハニカムフィルタ。

Claims (2)

1. 入口端と、
   前記入口端と対向する出口端と、
   前記入口端が開口され前記出口端が閉じられた入口流路と、
   前記出口端が開口され前記入口端が閉じられた出口流路と、
   前記入口流路と前記出口流路とを隔てる多孔質隔壁と、を備え、
   前記多孔質隔壁における前記入口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分の空隙率をεｉとし、前記多孔質隔壁における前記出口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分の空隙率をεｏとしたときに、
   εｉ＞εｏを満たす、ハニカムフィルタ。
2. ０．１≦εｉ≦０．７であり、かつ、０．０１≦εｉ−εｏ≦０．６である、請求項１記載のハニカムフィルタ。

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