JP4249489B2 - 内燃焼エンジンの排気ガスに含まれる粒子を濾過する濾過体 - Google Patents

Description

本発明は、内燃焼エンジン、特にディーゼル・タイプのエンジンの排気ガスに含まれる粒子を濾過する濾過体に関する。

ディーゼル車から排出される粒子を濾過する濾過体として、多孔型のハニカム構造が使用されている。こうした濾過体は、一般に、セラミック（コーディエライト、炭化珪素等）から作られる。これらは、一体式であることもでき、または異なったブロックから構成されることもある。後者の場合、そのブロックは、セラミック・セメントを用いて結合することによって合体される。次いでその全体が、一般に円形または楕円形などの所要の断面に加工される。濾過体は複数の隣接し合った通路を含む。濾過体は金属製の囲いの中に挿入される。各通路はそれぞれ一方の端で閉鎖される。したがって、排気ガスは、通路の側壁を通過することを余儀なくされ、そのようにして、粒子またはすすが濾過体内に堆積する。

ある期間使用すると、すすが濾過体の通路内に蓄積し、それが、濾過体によって生じるヘッドロスを増大させ、エンジンの性能を低下させる。この理由のために、定期的に（例えば、５００キロメータ毎に）濾過体を再生しなければならない。

再生はすすを酸化することから成る。この目的のために、すすを加熱することが必要である。排気ガスの温度は３００℃程度であるが、すすの発火点は通常の動作条件で６００℃程度である。燃料に添加剤を加えて、すすの酸化反応に触媒作用を及ぼし、発火点をおよそ１５０℃低下させることが可能である。加熱は、排気ガスに対して、濾過体の上流面で行うことができ、あるいは、濾過体に堆積したすすに直接行うことができる。様々な技法が開発されたが、大量のエネルギーが必要とされ、ほとんどの場合、それを制御することは困難である。

より最近の、有利な手法は、（例えば、濾過体の正面で）局所加熱を行うことによってすすを発火させ、その燃焼を開始させ、その燃焼をすすによって濾過体全体に伝播させることにある。このタイプの技法は、例えば、特許出願ＦＲ−Ａ−２７７１４４９およびＤＥ−Ａ−１９５３０７４９に記述されている。

この解決法は欠点を有する。特に、すすが濾過体内に不均等に分布するからである。主に、濾過体に通じる排出パイプの方が濾過体よりも断面積が小さいので、濾過体の周辺部よりもその芯部においてより大きな排気ガスの流れが存在する。したがって、堆積するすすの量も濾過体の芯部においてより大きい。

こうした条件で、燃焼が例えば濾過体の正面などで局所的に開始した場合、すすは長手方向の中心部分で完全に消費されるが、周辺域のすすの量は小さ過ぎるので熱を伝達するに至らず、燃焼が濾過体全体に伝播することはない。

このことは、濾過体の耐用年数に大きな影響を与える２つの結果を有する。熱が濾過体内部で充分に放射状に伝達されないと、熱い芯部とそれよりはるかに冷たい周辺部との間で大きな熱機械応力が生じる。こうした応力は濾過体の構造を脆弱化させる。さらに、すすの燃焼の伝播が、周辺部で不充分なため、フィルタの再生が不完全となり、再生後、フィルタの効率が悪くなる。

そこで、したがって、内燃焼エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスに含まれる粒子を濾過する再生条件を改善する濾過体への要望が存在する。

本発明は、この要望を満たすことを目的とする。

より詳しくは、本発明は、内燃焼エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスを浄化する粒子フィルタ用の濾過体において、前記排気ガスがその側壁を通って濾過される複数の隣接し合った通路から成る濾過体であって、前記濾過体が少なくとも第１濾過領域および第２濾過領域を含み、ガス濾過表面面積が、前記濾過体のガス進入表面の単位面積に対して前記第１領域と前記第２領域で異なることを特徴とする濾過体にある。

「濾過表面面積」という表現は、この濾過体の正面断面または「入口」の単位表面積当たりの、粒子を収集するのに利用可能な面積全体を意味する。

本発明の他の特徴によると、
前記第１領域および第２領域は、それぞれ、前記濾過体の周辺部分および中心部分を占め、濾過体の周辺部分はその中心部分よりも大きな濾過表面を有し、
濾過体は円柱の形態をとり、その中で各通路それぞれの軸線が前記円柱の軸線を中心とする螺旋に沿って延び、前記通路の長さおよび側部表面積が前記螺旋の半径の増加関数であり、
より大きな濾過表面面積を有する領域は、前記濾過体の再生を開始するための熱源の付近で動作するよう配置されるように適合され、
前記領域の１つの濾過表面面積は他の領域のそれより少なくとも１０％大きく、
濾過体は炭化珪素またはコーディエライトから作られる。

添付図面を参照する以下の記述は、本発明を説明し、その利点を評価するものである。

本文脈では、この濾過体を構成する材料の特質は濾過表面面積の評価には無関係である。濾過体の領域によって、浸透性、多孔性などに差異がある場合、それらは、形成されたすすの層の厚みによって非常に速やかに補償される。したがって、濾過表面面積は、専ら濾過体の構造だけに関係する。濾過体を作るのに用いる道具細工の公差を考慮して、濾過表面面積同士の差異が５％以上であれば、濾過表面面積は異なるものと見なす。

これより以下、「表面密度」という用語は、所与の領域について、通路の総数をその領域の正面表面面積で割ったものを意味する。

図１は、金属製の囲い２によって囲まれた先行技術の濾過体１の断面図を示す。濾過体１は、セラミック・セメント３によって一緒に結合された異なったブロック１ａ、１ｂ、１ｃから構成される。当業で周知の通り、各ブロックはそれぞれ、多数の四角形の断面の通路４を組み込み、それらは濾過体の上流面と下流面が交互に閉鎖されている。この場合、濾過表面面積は、通路の内側周囲長さに濾過体の表面密度を乗じ、２で割り（通路の２つに１つは閉鎖されている）、これに濾過体の長さを乗じたものに等しい。通路の内側周囲長さは、一般に、４ｍｍから６ｍｍであり、表面密度は、一般に、２００ｃｐｓｉから３００ｃｐｓｉ（１平方インチ当たりのセル数）、即ち、通路３１〜４７本／ｃｍ²、また濾過体の長さは１５ｃｍから３０ｃｍである。フィルタ長さ２５ｃｍに対して、濾過表面面積は、一般に、正面表面面積の毎ｃｍ²当たり２００ｃｍ²から３５０ｃｍ²までである。

図２は、金属製の囲い２によって囲まれた、従来技術の濾過体５の他の例を示す。この濾過体は、一体式であり、濾過体の上流面と下流面が交互に閉鎖された多数の四角形断面の通路６を組み込む。

図３は、本発明による濾過体７の一実施形態であって、その金属製囲い２を取り除いたものを示す。これは、セラミック・セメントで合体された異なったブロック８から２３によって構成されている。各ブロックはそれぞれ、この図で示さない多数の通路を組み込むが、その詳細断面図を図４および５に図式的に示す。

図４は、図３の、中央のブロック８から１１を構成する通路を示す。各通路壁２４はそれぞれ０．５ｍｍの厚さであり、連続した２つの通路間のピッチλは１．８ｍｍに等しい。表面密度は２００ｃｐｓｉ、即ち、通路３１本／ｃｍ²である。明確にするために、通路の交互の閉鎖は図４から６に示さない。図４に示すもののような構造、また、長さ２５ｃｍのフィルタでは、濾過表面面積は正面表面面積の毎ｃｍ²当たり２０１ｃｍ²である。

図５は、図３のブロック１２から２３を構成する通路を示す。各通路壁２５はそれぞれ０．２ｍｍの厚さであり壁２４よりも薄い。通路間のピッチλ、および表面密度は、図４の通路のそれらと同一である。図４と比較すると、この場合の濾過表面面積の方がはるかに大きい。この場合、正面表面面積の毎ｃｍ²当たり２４７ｃｍ²に等しい。この濾過表面面積は、実際、全ての通路の内側周囲長さの累計と比例する。

このようにして、濾過体７の外側周辺部に、より大きな濾過表面面積を有するブロックを配置することによって、より大きな割合の流量の排気ガスが、この外側濾過領域を通過することを強いられる。すすの堆積がそれに相応してこの領域で増加し、堆積した粒子の量は、このように、濾過体全体により均等に分布する。これによって、充分な熱再生に必要な条件が確立される。すす中の熱の漸進的伝導は著しく改善され、すすの燃焼を濾過体全体に伝播させることができる。

さらに、フィルタ内のより均等なすすの分布によってヘッドロスが軽減する。これは、本発明の重要な利点をなす。

上記例に代わる手段として、表面密度を高めることにより濾過表面面積を増大させることが考えられる。製造プロセスの改良によって、表面密度を増大させることができ、壁の厚さを縮小することができる。例えば、図４に示す通りの長さ２５ｃｍで、０．２ｍｍに等しい壁の厚さを有する濾過要素では、濾過表面面積は表面密度が１００ｃｐｓｉ、即ち、通路１５．５本／ｃｍ²（λ＝２．５４ｍｍ）に等しい場合、正面表面面積の毎ｃｍ²当たり１８１ｃｍ²に等しく、表面密度が４００ｃｐｓｉ、即ち、通路６２本／ｃｍ²（λ＝１．２７ｍｍ）に等しい場合、同じく３３１ｃｍ²である。この変数によって、壁の厚さを一定にして、濾過表面面積を大幅に増大できることが明白である。

ここで留意されたいのは、すすを燃やした後の燃焼残留物によって通路が封鎖される可能性があるという問題のために、それでもなお、通路の寸法を縮小することには制限があるということである。

図６は、図３の濾過体のブロック１２から２３の他の実施形態を示す。この場合、通路は三角形の断面を有し、表面密度は２００ｃｐｓｉ（通路３１本／ｃｍ²）、壁の厚さは０．３６ｍｍである。この場合、濾過表面面積は、長さ２５ｃｍのフィルタで、正面表面面積の毎ｃｍ²当たり２４５ｃｍ²である。比較のため掲げると、図４および５に示すタイプの構造で、壁の厚さが０．３６ｍｍ、表面密度が２００ｃｐｓｉ、即ち通路３１本／ｃｍ²（λ＝１．８ｍｍ）である濾過体は、長さ２５ｃｍのフィルタに対して、正面表面面積の毎ｃｍ²当たり２２２ｃｍ²に等しい濾過表面面積を有する。図６の実施形態は、したがって、より大きな濾過表面面積をもたらし、すすの堆積も、したがって、より均等なものとなる。しかし、留意されたいのは、こうした比較条件では、三角形の構造は濾過体の質量を増大させ、これが、自動車産業で問題となることがある。

上記実施形態に代わる手段として、また、この問題を回避するものとして、図６と同じタイプの通路で、壁の厚さがより小さいものを使用することが考えられる。こうすると、図４の構成ブロックで全てが作られる濾過体と、図６に示す通りの濾過体とに対して、同じ質量を保持することができるが、後者のブロックの少なくとも１つはより薄い壁を有するより小さな通路から成る。しかし、壁の厚さを縮小することには、通路の生産に伴う問題によって、また、非常に薄い壁を有する通路から成るブロックの脆弱性によって制限があり、現在、壁は５０μｍよりも薄い厚さとすることはできない。

三角形の断面の通路を使用することは、このタイプの構造の熱伝導率が四角形断面の通路列の熱伝導率よりも良いので、とりわけ有益である。

他の実施形態は、図３に示す通りの濾過体に関連するが、この場合、ブロック１４、１７、２０、および２３は、他のブロックよりも大きな濾過表面面積を有する。例えば、ブロック１４、１７、２０、および２３は図５および６に示すような通路を、他のブロックは図４に示すような通路を備える。この実施形態は、燃焼を開始するための高温箇所がブロック１４、１７、２０、および２３の付近に位置すると、特に有益である。局部で濾過表面面積が増大すると、確実に、すすの良好な堆積が促され、こうした区域で再生が適切に開始することが保障される。

図７は、本発明の他の実施形態を示すが、これは、濾過領域２６および２７を形成する２つの部分をセラミックの継ぎ手２８で同心に結合することによって得られる。領域２６は、図４に示す通りの通路で構成させることができる。領域２７は、図５または６に示す通りの通路とすることができる。この実施形態でも、濾過体の最も外側の部分は、より大きな濾過表面面積を有し、これが、すすの堆積を均等にし、その結果、再生効率が向上し、熱機械応力が軽減する。

上記例に代わる手段として、２つの部分２６および２７を同一の一体式濾過体の２つの濾過領域とすることもできる。この２つの領域間で、より穏やかな移行を行うことも考えられる。

本発明のこれらの実施形態は、その製造または使用の点で不利益を生ずることなく、既に述べた利点を提供するものである。特に、図１で示す従来技術の濾過体と比較して、これらは追加の加工処置または結合処置を必要としない。さらに、濾過体の全体の形状は、変化することがなく、したがって、自動車産業で使用される通りのオートメーション化組み立てラインに対して、影響を及ぼすことがない。

また、図８および９に示す、本発明による濾過体の実施形態と同様に、濾過体の芯部から周辺部にかけて、漸進的に濾過表面面積を増大させることができる。

これらの図で分かるように、濾過体３０は、半径Ｒ_O、２つの基底３１と３２の間の長さｌ_Oの円柱の形態をとる。

濾過体の１つの通路３３が占める堆積を太い破線で示し、他の通路は図を明確にするために省略する。全ての通路が円柱の軸線Ｘに直角をなす平面の断面で同じ表面面積を有する。

本発明によると、通路３３などの濾過体の任意の通路の軸線は例えば一定ピッチの螺旋の弧に沿って延び、その螺旋は円柱３２の軸線Ｘを中心とし、その弧は角度θに対応し（図９参照）、軸線Ｘから測定した半径ｒを有する。

この螺旋の弧の長さｌ_cは、以下の式によって与えられることを示すことができる。

図１０のグラフは、θの値π／２およびπの２つにおける、通路の軸線に沿って延びる螺旋の弧の半径ｒに対するｌ_c／ｌ_Oの比率の増加を示すが、この増加は、明らかに、濾過体の軸線Ｘからその周辺部にかけての通路の側表面面積、したがって、局部の濾過表面面積の相関的な増加を伴う。

濾過体によって、ガスにもたらされる濾過表面の総面積ＳＦは、また、通路によって範囲が定められる角度θの関数でもあるが、それは、濾過体全体にわたって一定である。

例えば、長さｌ_O＝１５２ｍｍ、半径Ｒ_O＝７２ｍｍの濾過体では、総濾過表面面積ＳＦは、軸線Ｘと平行な長さｌ_Oの直線の通路を有する濾過体のそれより１２％（θ＝π／２）、または４３％多い（θ＝π）。

セラミックを含む様々な材料に対して日常的に使用する３次元印刷製造工程が、図８および９の濾過体を製造するのに、極めて適切であることが、当業者に明らかであろう。

以上に述べた様々な実施形態は、単に例として記述したに過ぎず、決して、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、通路の形状および大きさに関わらず、任意のタイプの濾過体を包含するものである。但し、濾過体が、濾過表面面積の異なる少なくとも２つの別個の領域を含み、その領域のうちの１つが、他よりも、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％大きい濾過表面を有するものとする。

以上に、本発明による濾過体の設計は、濾過体内のすすの分布を最適化することを指摘した。ここで、最適化という言葉は、堆積領域をよりうまく制御することを意味する。これは、必要に応じて、濾過体の様々な領域で堆積するすすの量が均等化され、あるいは、例えば、再生が始まるべき高温箇所の付近などの的確な点ですすが「強制的に」蓄積されるという形で表れる。

本発明を、何ら特定の理論に関連づけることを希望せず、これらの結果が、濾過体内の全ての点のヘッドロスを釣り合わせることに関係していると考える。均衡条件で、濾過体の全ての点でヘッドロスは同じになる。ヘッドロスは、本質的には、濾過体を構成する通路の側壁をガスが通過することによって生じる。ガスの通過速度は全ての点で同じであるので、排気ガスの流量が濾過表面面積の差異を補償するはずである。濾過表面面積が異なる領域を提起することによって、濾過表面面積を増大させることで、排気ガス流量が増加し、したがって、この増加がない場合より、堆積されるすすの量が大きくなる領域が生まれる。

９つのブロックを組み立てることによって作られた従来技術の濾過体の断面図である。 四角形の断面を有する通路を備えた従来技術の一体式濾過体の断面図である。 １６個のブロックを組み立てることによって作られた本発明による濾過体の上流面の図である。 図３の濾過体の、１つの領域の、１つのブロックの、上流面の一部分の線図である。 図３の濾過体の、他の領域の、１つのブロックの、上流面の一部分の線図である。 図３の濾過体の、１つの領域の、１つのブロックの、他の実施形態の上流面の一部分の線図である。 異なった特徴を有する２つの同心領域を有する本発明による濾過体の他の実施形態を示す図である。 本発明による濾過体のさらなる実施形態の透視図である。 本発明による濾過体のさらなる実施形態の平面図である。 図８および９に示す濾過体の特徴を示すグラフである。

Claims (9)

1. ディーゼル・エンジンの排気ガスを浄化する粒子フィルタ用の濾過体において、前記排気ガスが側壁（２４、２５）を通って濾過させられ、隣接し合った交互に閉じられている通路の複数のブロック（８から２３）から成る濾過体であって、前記ブロック（８から２３）が、少なくとも第１濾過領域（１２から２３、２７）と第２濾過領域（８から１１、２６）に配置され、ガス濾過表面面積が、前記濾過体（７）のガス進入表面の単位面積に対して、前記第１濾過領域（１２から２３、２７）と、前記第２濾過領域（８から１１、２６）とで異なり、前記第１濾過領域と第２濾過領域とで通路の断面形状が異なることを特徴とする濾過体。
2. 前記第１濾過領域（１２から２３）と前記第２濾過領域（８から１１）のブロックの通路が、同一のピッチと、異なった厚さの壁を有することを特徴とする請求項１に記載の濾過体。
3. 前記第１濾過領域（１２から２３）と前記第２濾過領域（８から１１）のブロックとの表面通路密度が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の濾過体。
4. 前記第１濾過領域（１２から２３、２７）と前記第２濾過領域（８から１１、２６）が、それぞれ、濾過体（７）の周辺部分と中心部分を占め、濾過体（７）の周辺部分が、中心部分よりも大きな濾過表面面積を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の濾過体。
5. 前記濾過体の再生を開始するための熱源の付近で動作するよう配置されるように適合された、少なくとも１つの、より大きな濾過表面面積を有する領域を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の濾過体。
6. 前記濾過領域の１つの濾過表面面積が、他の濾過領域のそれより、少なくとも１０％大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の濾過体。
7. 炭化珪素またはコーディエライトから作られることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の濾過体。
8. 前記第１濾過領域の通路が断面三角形の形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の濾過体。
9. 前記第１濾過領域の通路の壁の厚さが、前記第２濾過領域の通路の壁の厚さより薄いことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の濾過体。

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