JP3390055B2

JP3390055B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3390055B2
Application number: JP20424293A
Authority: JP
Inventors: 幸二島戸
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 2003-03-24
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JPH0754643A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気ガスを
浄化するための排気ガス浄化装置に係り、特には、捕集
した排気ガス中の微粒子を電気ヒータの熱によって燃焼
させるタイプの排気ガス浄化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、いわゆる電気ヒータ再生式の排気
ガス浄化装置に用いられるフィルタとして、セラミック
ス材料を用いたフィルタが提案されている。また、この
ようなセラミックス材料としては、コーディエライト
（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）等が一般的に
良く知られている。そして、かかる材料を用いることに
より、例えばハニカム構造を持つフィルタなどが形成さ
れている。

【０００３】通常、この種のフィルタの一端面には、再
生時にフィルタを所定の温度（６００℃〜８００℃）に
加熱するための発熱体として、電気ヒータが配設され
る。そして、電気ヒータへの通電を行うと、フィルタの
一端面に捕集された微粒子が着火し、最終的にはそれら
が燃焼するようになっている。

【０００４】しかし、上記の構成を有するフィルタの場
合、ヒータの輻射熱によって片面側のみからフィルタが
加熱されることから、加熱面と非加熱面とで温度差がで
き易いという欠点があった。また、この状態で再生を続
けると、微粒子の異常燃焼に起因してフィルタ内の温度
が更に局部的に上昇し、最終的には短期間でクラックの
発生や溶損に到ってしまうという問題があった。このた
め、従来においては再生時における諸条件（捕集量、ヒ
ータ温度、通電時間、燃焼用空気の供給量、エンジンの
運転条件等）を制御するという対策などが採られてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、再生状態を
左右する要因が上記のように複数かつ複雑であることか
ら、これらの要因を厳密に制御することは容易なもので
はなかった。また、輻射熱によって加熱される方式であ
るため、ヒータの温度が必ずしもフィルタの温度になる
とは限らないという不都合もあった。そして、コンピュ
ータ等により厳密な制御を行ったとしても、フィルタの
寿命を２０００時間以上に延ばすことは極めて困難であ
った。

【０００６】そこで、前記ヒータ端面配置型の欠点を解
消する方策としては、例えば電気ヒータをフィルタの外
周面に巻回することが考えられる。つまり、この方法
は、フィルタ全体を外周面側から加熱することによっ
て、再生時におけるフィルタ内の温度差を極力小さくし
ようとしたものである。

【０００７】しかしながら、上記のようなヒータ外周面
配置型のフィルタであっても、フィルタ自体が大型化し
たような場合には、フィルタ内の温度差を充分に解消す
ることが難しくなることが予想された。また、この場合
には、フィルタを再生温度まで昇温させるための時間も
長くなることが予想された。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、短時間のうちに温度ムラなく昇
温することができるため、再生効率及び耐久性を向上さ
せることができ、しかも再生時の温度制御を容易にする
ことができる排気ガス浄化装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、ディーゼルエンジンから排出される
ガス中の微粒子を除去するためのフィルタ構成体を具え
る排気ガス浄化装置であって、そのフィルタ構成体は、
多孔質組織を有するセラミックス焼結体製の柱状フィル
タを複数個隣接して配置してなり、かつこれら各フィル
タの外周面には、その軸線方向に沿って発熱体を接合す
ると共に、その発熱体を互いに隣接して配置された各フ
ィルタの間に介在させてなることを特徴とする排気ガス
浄化装置をその要旨としている。

【００１０】この場合、前記隣接する各柱状フィルタ間
に耐熱性充填物質を介在させたこと、前記発熱体は、前
記柱状フィルタと前記耐熱性充填物質との間に配置され
ること、前記耐熱性充填物質は、セラミックスファイバ
ー、炭化珪素粉末及び無機バインダからなること、前記
耐熱性充填物質は、ペーパー状に押出成形されたもので
あること、およびセラミックスファイバーからなる熱膨
張性の断熱材をその最外周部に配置したことが好まし
い。

【００１１】

【００１２】

【作用】請求項１に記載の発明によると、各々のヒータ
がその周囲にあるフィルタを加熱することになるため、
排気ガス浄化装置がその内部から全体的にかつ万遍なく
加熱されることとなる。よって、排気ガス浄化装置が短
時間のうちに温度ムラなく昇温する。

【００１３】

【００１４】以下、本発明の排気ガス浄化装置について
詳細に説明する。本発明では、隣接するフィルタ間に耐
熱性充填物質を介在させることが望ましい。その理由
は、複数のフィルタを組み合わせたときにできる空隙を
埋めることによって、空気漏れによる浄化効率の低下を
防止するためである。また、耐熱性充填物質は、フィル
タ同士の接合を図るための接着剤としての役目もある。

【００１５】なお、前記耐熱性充填物質は耐熱性のほか
にも、弾力性、熱伝導性及び絶縁性等を備えていること
が好ましい。弾力性に優れていると、加熱によってフィ
ルタに熱応力が加わるようなときでも、その熱応力を確
実に解放することができるからである。また、熱伝導性
に優れていると、発熱体の熱が各フィルタに速やかにか
つムラなく伝導し、排気ガス浄化装置の内部の温度差も
小さくなるからである。更に、絶縁性に優れたものであ
ると、隣接して設けられている発熱体同士のショートを
防止できるからである。

【００１６】耐熱性充填物質の組成は、セラミックスフ
ァイバー、炭化珪素粉末及び無機バインダであることが
望ましい。かかる組成からなる充填物質は、上記の耐熱
性充填物質に望まれる耐熱性、弾力性、熱伝導性及び絶
縁性等を有しているからである。この場合、好適なセラ
ミックスファイバーとしては、例えばアルミナ−シリケ
ートセラミックスファイバー、アルミナファイバー、ジ
ルコニアファイバー、炭化珪素ファイバー及びシリカフ
ァイバー等がある。

【００１７】そして、耐熱性充填物質としてペーパー状
に押出成形されたものを用いることが望ましい。このよ
うな形状であると、フィルタの外周面に巻き付けるだけ
で良いため、耐熱性充填物質を配設するときの作業が容
易になるからである。

【００１８】本発明では、発熱体をフィルタと耐熱性充
填物質との間に配置することが望ましい。つまり、耐熱
性充填物質によって発熱体を被覆した構成とすることに
より、隣接する発熱体同士の間でのショートを未然に防
止できるからである。また、このような配置方法である
と、発熱体からフィルタへの熱の伝導性が良くなるから
である。

【００１９】本発明では、セラミックスファイバーから
なる熱膨張性の断熱材をその最外周部に配置することが
望ましい。ここでいう熱膨張性の断熱材とは、弾性構造
を有するため熱応力を解放する機能がある断熱材のこと
を指す。

【００２０】その理由は、排気ガス浄化装置の最外周部
から熱が逃げてしまう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にするためである。また、再
生時の熱によってセラミックスファイバーを膨張させる
ことにより、排気ガスの圧力・走行による振動等による
フィルタの位置ずれを防止するためである。なお、断熱
材についても、耐熱性充填物質用として先に挙げた各種
セラミックスファイバー（炭化珪素ファイバーを除く）
を使用することが良い。

【００２１】また、本発明では、フィルタは多孔質炭化
珪素焼結体によってハニカム状に形成されたものである
ことが望ましい。多孔質炭化珪素焼結体は耐熱性及び熱
伝導性に優れるためである。ハニカム状のフィルタであ
ると、微粒子の捕集量を増したときでも圧力損失が小さ
いからである。

【００２２】

【００２３】

【実施例】以下に、本発明をディーゼルエンジン用の排
気ガス浄化システムに具体化した実施例を図１〜図７に
基づき詳しく説明する。

【００２４】図６に示されるように、排気ガス浄化シス
テム１は、金属製のケーシング２を備えている。ケーシ
ング２の通路２ａは、内燃機関としてのディーゼルエン
ジンＥの排気管路Ｅａに接続されている。ケーシング２
内には、ディーゼルエンジンＥから排出されるガス中の
微粒子を除去するために、排気ガス浄化装置１０が配設
されている。

【００２５】図４に示されるように、本実施例の排気ガ
ス浄化装置１０は、８本の角柱状のフィルタ３と４本の
断面直角二等辺三角形状のフィルタ４とによって構成さ
れている。

【００２６】図１〜図３に示されるように、角柱状（３
３mm×３３mm×１５０mm）のフィルタ３には、断面略正
方形状の連通孔３ａがその軸線方向に沿って規則的に形
成されている。各連通孔３ａは、厚さ０．３mmの内壁３
ｂによって互いに隔てられている。各連通孔３ａの排気
ガス流入側または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼
結体製の封止片３ｃによって市松模様状に封止されてい
る。その結果、フィルタ３の流入側または流出側のいず
れか一方のみに開口するセルＣ1 ，Ｃ2 が形成された状
態となっている。セルＣ1 ，Ｃ2 の内壁３ｂには、白金
族元素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。また、フィルタ４は、断面形
状が直角二等辺三角形状であることを除いてフィルタ３
と同様の構成を有している。そして、本実施例のフィル
タ３，４の場合、平均気孔径が１４μｍ、気孔径が４０
％、セル壁の厚さが０．３mm、セルピッチが１．８mmに
設定されている。

【００２７】図１〜図５に示されるように、フィルタ
３，４の外周面には、発熱体としてのヒータ５が接合さ
れている。本実施例では、前記ヒータ５は波状に屈曲し
た直径２mmのタンタル線である。また、本実施例では各
フィルタ３，４のヒータ５同士は直列に接続されてい
る。図６に示されるように、ヒータ５の末端は、配線６
を介してバッテリー（１２Ｖ）７に電気的に接続されて
いる。この場合、１２Ｖのバッテリー７の代わりに２４
Ｖのバッテリーを使用しても良い。また、前記バッテリ
ー７よりも高電圧（１００Ｖの家庭用電源または２００
Ｖの商用電源等）の電源を使用しても良い。

【００２８】図４，図５に示されるように、各フィルタ
３，４は、耐熱性充填物質としてのペーパー状のシール
材（厚さ２．５mm）８によって被覆されている。従っ
て、この排気ガス浄化装置１０の場合、隣接するフィル
タ３，４間に発熱体５が介在させた状態となっている。
また、排気ガス浄化装置１０の最外周部には、厚さ１５
mmの断熱材９が配設されている。

【００２９】次に、この排気ガス浄化装置１０を製造す
る手順の一例を紹介する。α型炭化珪素粉末７０重量
％、β型炭化珪素粉末３０重量％の混合粉を湿式混合し
た後、混合物に有機バインダ（メチルセルロース）と水
とを所定分量づつ加えて混練する。そして、この混練物
を押出成形することにより、ハニカム状の成形体を得
る。次いで、マイクロ波による乾燥機を用いて成形体を
乾燥させる。更に、成形体の連通孔３ａを多孔質焼結体
製の封止片３ｃ形成用のペーストによって封止した後、
再び乾燥機を用いて封止片３ｃ用ペーストを乾燥させ
る。そして、乾燥体を６００℃で脱脂した後、更にそれ
をアルゴン雰囲気下にて２２００℃で焼成する。この結
果、多孔質でハニカム状のフィルタ３，４が得られる。

【００３０】ここで、セラミックスファイバー（アルミ
ナシリケートセラミックスファイバー）７５重量部、炭
化珪素粉末１０重量部及び無機バインダとしての二酸化
珪素１５重量部を混合・混練したものを厚さ３mmのシー
ト状に押出成形する。そして、各フィルタ３，４の外周
面にヒータ５を接合してなる構成体Ｓを、前記シート状
のシール材８で被覆する。次に、シール材８で被覆され
た構成体Ｓを組み合わせる。最後に、構成体Ｓの最外周
部をセラミックスファイバーの断熱材（セラミックスフ
ァイバー６３重量％、α−セピオライト７重量％、未膨
張バーミキュライト２０重量％及び有機結合剤１０重量
％）９で被覆する。すると、図４に示されるような所望
の排気ガス浄化装置１０が得られる。

【００３１】続いて、上記の排気ガス浄化装置１０を所
定の位置に配置し、ディーゼルエンジンＥを始動させた
ときの排気ガスの流れについて説明する。図２にて矢印
Ａ1で示されるように、排気ガスはまずフィルタ３，４
の流入側に開口するセルＣ1内に導入される。次いで、
排気ガスは内壁３ｂを通過し、隣接するセルＣ2 、即ち
流出側に開口するＣ2 内に導入される。このとき、排気
ガス中に含まれる微粒子の移動が内壁３ｂによって阻止
される。よって、微粒子のみが内壁３ｂにトラップされ
る。そして、浄化された排気ガスは、流出側に開口する
セルＣ2 内を抜けて、最終的にフィルタ３，４から排出
されることになる。

【００３２】本実施例の排気ガス浄化システム１の場
合、図６に示されるように、排気管路Ｅａにおける排気
ガス浄化装置１０の上流側の位置には、圧力センサＰｓ
が設置されている。この圧力センサＰｓは、圧電変換素
子Ｐｅに電気的に接続されている。そして、圧電変換素
子Ｐｅは、圧力センサＰｓから出力される検知信号に基
づき、所定の電気信号を制御装置Ｃに出力するようにな
っている。制御装置Ｃは、圧電変換素子Ｐｅからの検知
信号に基づいて、配線６上に設けられたスイッチＳｗを
オン・オフするようになっている。

【００３３】また、排気管路Ｅａにおける排気ガス浄化
装置１０の下流側の位置には、エア供給管Ｃａが配設さ
れている。エア供給管ＣａはコンプレッサＣｏに接続さ
れている。このため、再生時にはエア供給管Ｃａを介し
て排気管路Ｅａ内に燃焼促進用の二次エアが供給される
ようになっている。

【００３４】次に、上記のような排気ガス浄化システム
１に排気ガス浄化装置３，４を組み込んだ状態で行った
特性評価試験について説明する。この特性評価試験で
は、実施例に対する比較例１，２として、コーディエラ
イト製の排気ガス浄化装置を二種類作製した。比較例１
では、図７（ｂ）に示されるようにフィルタＦの外周部
にヒータＨ1 を巻回した。比較例２では、図７（ｃ）に
示されるようにフィルタＦの下流側端面にヒータＨ2 を
配設した。

【００３５】そして、ディーゼルエンジンＥを作動し、
まず排気ガス浄化装置１０による排気ガス中の微粒子の
捕集を行った。その際、制御装置Ｃに捕集動作中におけ
る排気管路Ｅａ内の圧力変化を監視させた。そして、前
記圧力値が一定値に到達するまで捕集動作を継続した。
この間に捕集された微粒子の量を算出したところ、１５
ｇ／リットルであった。なお、この算出値は、排気ガス
浄化装置１０の容積をガス通過部分の総量とし、捕集処
理の前後における重量変化に基づいて計算されたもので
ある。

【００３６】捕集動作の完了を検知した後、今度は制御
装置ＣによってスイッチＳｗを閉成することにより、ヒ
ータ５への通電を開始した。通電開始から所定時間経過
後（昇温過程終了後）にはコンプレッサＣｏを作動さ
せ、エア供給管Ｃａから燃焼促進用の二次エアを２０cm
³／分の割合で供給した。

【００３７】そして、図７（ａ）に示されるように、排
気ガス浄化装置１０の各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における温度Ｔ
1 〜Ｔ6 を熱電対によって経時的に測定した。比較例
１，２についても同様に各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における温度
Ｔ1 〜Ｔ6 の測定を行った。

【００３８】この試験では、通電を開始してから温度Ｔ
1 〜Ｔ6 の平均値が６００℃になるまでの過程を「昇温
過程」とした。また、昇温過程が終了して二次エアの供
給が始まってから微粒子の燃焼が終了するまでの過程を
「再生過程」とした。そして、昇温過程及び再生過程に
要した時間（分）を求め、これらの和を通電時間（分）
とした。更に、昇温過程及び再生過程のそれぞれについ
て各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における最大温度差ΔＴ（℃）を求
めた。これらの結果を表１に示す。

【００３９】また、この試験では排気ガス浄化装置１０
を構成するフィルタ３，４がクラックに到るまでの時間
（時間）も調査した。同様に比較例１，２についても前
記試験を行った。その結果を表２に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表１から明らかなように、実施例では昇温
過程に要する時間も再生過程に要する時間も比較例１，
２に比べて短かった。しかも、各位置Ｐ1 〜Ｐ6 におけ
る最大温度差ΔＴ（℃）も比較例１，２に比べて小さか
った。

【００４３】つまり、本実施例によれば、排気ガス浄化
装置１０を短時間のうちに温度ムラなく昇温することが
でき、かつ短時間で再生を行うことができるということ
を意味する。また、昇温過程及び再生過程に要する時間
が短くなるということは、トータルの通電時間が短くな
るということを意味する。従って、実施例によると、少
ない電気エネルギーによって効率の良い再生を行うこと
ができるということになる。しかも、実施例の場合、各
位置Ｐ1 〜Ｐ6 における最大温度差ΔＴ（℃）も比較的
小さくなることから、再生時の温度制御を容易にするこ
とができるという利点がある。

【００４４】また、表２から明らかなように、実施例で
は２００００時間を越える使用によってもフィルタ３，
４がクラックに到るということがなかった。それに対
し、比較例１では３０００時間、比較例２では２０００
時間の使用に耐えることが不可能であった。つまり、本
実施例の排気ガス浄化装置１０は、比較例１，２に比較
して極めて耐久性に優れたものであるということがわか
る。

【００４５】更に、本実施例の排気ガス浄化装置１０の
構成によると、二次エアの供給量が少量であっても、確
実に再生を行うことができるということが確認された。
従って、コンプレッサＣｏも小型のもので良くなるとい
う利点があった。

【００４６】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ることはなく、以下のような構成に変更することが可能
である。例えば、（ａ）構成体Ｓの組み合わせ数は前記実施例のように１
２個でなくても良く、任意の数にすることが可能であ
る。この場合、サイズ・形状等の異なる構成体Ｓ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、構
成体Ｓを複数個組み合わせるということを特徴とする構
成を採ることは、大型の排気ガス浄化装置を作製すると
きに特に有利である。

【００４７】（ｂ）前記実施例の排気ガス浄化装置１０
は、いわば１つの大きなフィルタが軸線方向に沿って複
数個に分割された状態になっているとも捉えることがで
きる。そこで、例えばフィルタをドーナツ状に分割した
状態、軸線方向に垂直に分割した状態などにするという
ような変形例も考えられる。

【００４８】（ｃ）前記実施例にて示したようなハニカ
ム状のフィルタ３，４のみに限られず、例えば三次元網
目構造、フォーム状、ヌードル状、ファイバー状等を採
用することが勿論可能である。また、フィルタ３，４用
のセラミックス材料として、炭化珪素以外のものを選択
しても勿論良い。

【００４９】（ｄ）ヒータ５は上記実施例のように金属
線であることのみに限定されない。つまり、ヒータ５
は、金属メタライズ、導体ペーストの印刷、スパッタリ
ング等といった方法によっても作製することが可能であ
る。

【００５０】（ｅ）耐熱性充填物質としてのシール材８
は、必ずしも実施例のようなペーパー状のものでなくて
も良い。例えば、ペーパー状に成形される以前のスラリ
ーをフィルタ３，４の外周面に直接塗布することによっ
て、耐熱性充填物質からなる層を形成するという方法で
あっても良い。

【００５１】（ｆ）また、前記（ｅ）の製造方法の場
合、フィルタ３，４形成用のスラリーと、耐熱性充填物
質層形成用のスラリーとを用い、一つの押出成形機から
同時に前記両スラリーを押し出しても良い。つまり、押
出成形機の治具の中央部からフィルタ３，４形成用のス
ラリーを押し出し、かつそれと同時に前記治具の外周部
から耐熱性充填物質層形成用のスラリーを押し出すとい
うことを行う。この方法によると、短い時間で効率良く
構成体Ｓを作製することができる。

【００５２】（ｇ）排気ガス浄化装置１０を構成する場
合、必ずしも前記実施例のようにフィルタ３，４にヒー
タ５を設けてなる構成体Ｓを用いなくても良い。例え
ば、フィルタ３，４を複数個組み合わせた後、隣接する
フィルタ３，４間の空隙にヒータ５を装入し、同空隙に
耐熱性充填物質層形成用のスラリーを充填するという手
順によって、排気ガス浄化装置１０を作製することもで
きる。

【００５３】（ｈ）各ヒータ５を直列配線にした実施例
に代え、それらを並列配線にしても良い。

【００５４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の排気ガス
浄化装置によれば、短時間のうちに温度ムラなく昇温す
ることができるため、再生効率及び耐久性を向上させる
ことができ、しかも再生時の温度制御を容易にすること
ができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気ガス浄化装置の構成体を示す斜視図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における一部破断拡大断面図で
ある。

【図３】図２のＢ−Ｂ線における拡大断面図である。

【図４】複数の構成体からなる排気ガス浄化装置を示す
一部破断斜視図である。

【図５】排気ガス浄化装置を示す部分拡大断面図であ
る。

【図６】排気ガス浄化装置を組み込んだ状態を示す概略
断面図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は実施例及び比較例１，２の比
較試験の実施方法を説明するための概略図である。

【符号の説明】

３，４…フィルタ、５…発熱体としてのヒータ、８…耐
熱性充填物質としてのシール材、９…断熱材、１０…排
気ガス浄化装置、Ｓ…構成体。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/20 B01D 46/00 B01D 46/42 B01D 53/86 B01J 35/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンから排出されるガス
中の微粒子を除去するためのフィルタ構成体を具える排
気ガス浄化装置であって、そのフィルタ構成体は、多孔
質組織を有するセラミックス焼結体製の柱状フィルタを
複数個隣接して配置してなり、かつこれら各フィルタの
外周面には、その軸線方向に沿って発熱体を接合すると
共に、その発熱体を互いに隣接して配設された各フィル
タの間に介在させてなることを特徴とする排気ガス浄化
装置。
【請求項２】前記隣接する各柱状フィルタ間に耐熱性
充填物質を介在させたことを特徴とする請求項１に記載
の排気ガス浄化装置。
【請求項３】前記発熱体は、前記柱状フィルタと前記
耐熱性充填物質との間に配置されることを特徴とする請
求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】前記耐熱性充填物質は、セラミックスフ
ァイバー、炭化珪素粉末及び無機バインダからなること
を特徴とする請求項２または３に記載の排気ガス浄化装
置。
【請求項５】前記耐熱性充填物質は、ペーパー状に押
出成形されたものであることを特徴とする請求項２乃至
４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】セラミックスファイバーからなる熱膨張
性の断熱材をその最外周部に配置したことを特徴とする
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装
置。