JP4637117B2 - ろ過構造体、特に内燃機関の排気ガスのための微粒子フィルタ、およびこのような構造体のための補強要素 - Google Patents

Description

本発明は、ろ過構造体、特に内燃機関の排気ガスのための微粒子フィルタに関し、このろ過構造体は、以下を備える。すなわち、
・ それぞれ互いに対向して配置される第１および第２の面を有する、少なくとも第１および第２のろ過要素と、
・ 第１および第２の面間に延在する面を接続するための接合部であって、結合剤、およびこの結合剤に埋め込まれる補強手段を備える、接合部と、
を備える。

このタイプの構造体は、特に、内燃機関の排気ガスを浄化するための装置において使用される。これらの装置は、触媒式浄化要素および微粒子フィルタを直列に備える排気消音器を備える。触媒式浄化要素は、気相の汚染排出物を処理するのに適しているのに対して、微粒子フィルタは、エンジンによって排出されるすす粒子を留めておくのに適している。

前述のタイプの知られている構造体において（例えば、欧州特許出願公開第０８１６０６５号明細書参照）、ろ過要素は、隣接した導管のグループを備え、これらの導管は、平行な軸を有し、多孔性のろ過壁によって分離される。これらの導管は、ろ過されるべき排気ガスのための吸気面と、ろ過された排気ガスのための排気面との間に延在する。これらの導管は、吸気面で開口する入口チャンバおよび排気面で開口する出口チャンバの境界を定めるために、その端部のどちらかでさらに閉止される。

この構造体は、一連のろ過段階および再生段階にしたがって作動する。ろ過段階の間、エンジンによって排出されたすす粒子は、入口チャンバの壁に堆積される。フィルタを通る圧力低下は徐々に増加する。この圧力低下が所定値を超えると、再生段階が実行される。

再生段階の間、構造体の本来の特性を復元するために、補助的な加熱手段を使用して、実質的に炭素を含むすす粒子が、入口チャンバの壁で燃焼される。

しかしながら、フィルタのすすは、一様な方法では燃焼されない（フィルタの前部および中央で燃焼し始め、次いで広がる）。その結果として、再生段階の間、高い温度勾配がフィルタ内に発生する。

ろ過構造体内の温度勾配によって、局所的に異なる大きさの膨張が発生し、その結果、様々なろ過要素の中および／または間に、長手方向および横断方向の応力が発生する。

これら高レベルの熱機械的応力によって、ろ過要素および／またはこれらのろ過要素間の接続接合部に、亀裂がもたらされる。

これらの亀裂が発生するリスクを制限するために、欧州特許出願公開第０８１６０６５号明細書において、無機質セメントに埋め込まれるセラミック繊維の三次元網目構造を備える、接続接合部が使用されることが提案されている。繊維を接着結合するための物質によって、繊維の網目が付着し、この網目およびセメント間が接続されるが、そのうちの１つは無機質であり、他方は有機質である。

現在の構造体が、完全に満足のいくものであるというわけではない。ろ過要素間においてこのタイプの接合部を使用することは、特に接合部のレオロジーのため、極めて実用的なものではない。

本発明の主要な目的は、この問題点を解決すること、すなわち、微粒子フィルタとして、補強された接続接合部を備え、使いやすい多孔性のろ過構造体を提供することである。

この目的のために、本発明は、前述のタイプのろ過構造体に関し、補強手段は、少なくとも１つのメッシュ状の補強要素を備え、補強要素は、独立した付着力を有し、全体的にほぼ平面の形状である少なくとも１つの作用部分を備えることを特徴とする。

本発明によるろ過構造体は、分離して、または技術的に可能な任意の組合せによって、以下の特徴を１つ以上備えることができる。すなわち、
・ 作用部分は、第１の方向とほぼ平行に配置される複数のビームを備える、
・ 作用部分は、複数の横部材を備え、これら横部材は、ビームを接続し、第１の方向とは別の第２の方向とほぼ平行に配置される、
・ ビームおよび横部材によって境界が定められる開口部の総量は、ビームおよび横部材の総量より大きい、
・ 補強要素は、金属材料から製作される、
・ 補強要素は、温度が１５０℃を超えると劣化する材料から製作される、
・ 補強要素は、ろ過要素の隣接した２つの面に対向する作用部分を備え、この作用部分は、相互に接続されている、
・ ろ過構造体は、４つのろ過要素を備える少なくとも１つの室と、ろ過要素のための屈曲した形状を有する共通の補強要素とを備え、共通の補強要素は、室のろ過要素の隣接した面に対向して配置される、少なくとも３つの連続した作用部分を備える、
・ ろ過構造体は、少なくとも第１および第２の室を備え、第１の室の補強要素の少なくとも１つの作用部分が、第２の室のろ過要素の面に対向して配置される。

本発明は、さらに、前述のようなろ過構造体のための補強要素に関する。

次に、添付の図面を参照しつつ、本発明の適用例を説明する。

図１に示される微粒子フィルタ１１は、自動車のディーゼルエンジンの部分的に示された排気路１３に配置される。

この排気路１３は、微粒子フィルタ１１の端部を越えて延在し、排気ガスを循環させるための通路の境界を定める。

排気ガスを循環させるために、微粒子フィルタ１１は、長手方向Ｘ−Ｘ’に延在する。微粒子フィルタは、接続接合部１７によって相互に接続される複数のろ過ユニット１５を備える。

各ろ過ユニット１５は、長手方向Ｘ−Ｘ’に細長い、ほぼ平行六面体である直方体の形状を有する。

より一般に、「ろ過ユニット」という用語は、吸気面と、排出面と、吸気面を排出面とつなげる少なくとも３つの側面（例では４つの側面が示される）とを備える、アセンブリを意味する。

図２において示されるように、２つの重ね合わされたろ過ユニット１５Ａおよび１５Ｂが示され、各ろ過ユニット１５は、多孔性のろ過構造体１９と、ろ過される排気ガスのための吸気面２１と、ろ過された排気ガスのための排気面２３と、４つの側面２４とを備える。

多孔性のろ過構造体１９は、モノリシック構造からなるろ過材料、特にセラミック材料（コージライトまたは炭化ケイ素）から製作される。

この構造体１９は、十分に多孔性であるため、排気ガスが通過することが可能である。しかしながら、本来知られているように、確実にすす粒子を留めておけるように、孔の直径は十分に小さく選択される。

多孔性の構造体１９は、長手方向Ｘ−Ｘ’に平行である軸を有する、隣接した導管のアセンブリを備える。これらの導管は、多孔性のろ過壁２５によって分離される。図２に示される例において、これらの壁２５は一定の厚さを有し、ろ過構造体１９内で吸気面２１から排気面２３まで長手方向に延在する。

導管は、吸込管２７の第１のグループおよび排出管２９の第２のグループに分配される。吸込管２７および排出管２９は、入れ換えで配置される。

吸込管２７は、ろ過ユニット１５の排気面２３の領域で閉じられ、反対側端部で開いている。

反対に、排出管２９は、ろ過ユニット１５の吸気面２１の領域で閉じられ、その排気面２３に沿って開く。

図２を参照しつつ示される例において、吸込管２７および排出管２９は、その全長に沿って一定の横断面を有する。

さらにまた、ろ過ユニット１５Ａおよび１５Ｂの対向する側面２４Ａおよび２４Ｂは、平面である。

図２に示されるように、ろ過ユニット１５Ａおよび１５Ｂの対向する面２４Ａおよび２４Ｂ間に、接続接合部１７が配置される。この接続接合部１７は、結合剤４１と、この結合剤４１に埋め込まれる補強手段４３とを備える。

結合剤４１は、シリカ（二酸化ケイ素）および／または炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムによって一般に構成される、セラミックセメントを主成分として作成される。焼結すると、このセメントは、５００ＭＰａから５０００ＭＰａまでの弾性係数を有する。

図３に示されるように、補強手段は、ろ過構造体１１の第１の横断方向軸Ｙ−Ｙ’と平行（図３において水平方向）に移動すると、あらゆる他のろ過ユニット１５の周囲に交互に配置されるスリーブ４３を備える。さらにまた、スリーブ４３は、構造体１１の第２の横断方向軸Ｚ−Ｚ’と平行（図３において鉛直）に移動すると、あらゆる他のろ過ユニット１５Ａの周囲に交互に配置される。

このように、スリーブ４３によって取り囲まれる各ろ過ユニット１５Ａは、ろ過ユニット１５Ｂに隣接し、ろ過ユニット１５Ｂは、固定されていない、すなわちスリーブ４３によって取り囲まれない。さらにまた、各固定されていないろ過ユニット１５Ｂは、スリーブによって取り囲まれるろ過ユニット１５Ａに隣接している。

各スリーブ４３は、４つの作用部分４５を備え、これら作用部分は、全体的にほぼ平面の形状を有し、各作用部分は、実質的に対応するユニット１５Ａの隣接した表面全体にわたり延在する。

「全体的にほぼ平面の形状を有する作用部分」とは、横断方向に水平な軸Ｙ−Ｙ’または鉛直な軸Ｚ−Ｚ’と平行な寸法が、他の横断方向に鉛直または水平方向の軸に平行な部分４５の寸法の少なくとも２倍より小さく、かつろ過構造体１１の長手方向Ｘ−Ｘ’と平行な部分４５の寸法よりも小さな、部分４５であると理解される。

図３に示されるように、各作用部分４５は、スリーブ４３によって取り囲まれるユニット１５Ａの面２４Ａと、固定されていないユニット１５Ｂの面２４Ｂとの間に配置される。

図２を参照すると、各作用部分４５は、構造体の長手方向Ｘ−Ｘ’と平行して配置される複数の金属製のビーム４７を備える。さらにまた、作用部分４５は、ビーム４７を接続する複数の金属製の横部材４９を備える。これらの横部材４９は、構造体の横断方向軸Ｙ−Ｙ’と平行に、長手方向Ｘ−Ｘ’に対して垂直に配置される。

このように、ビーム４７および横部材４９が、複数の開口部５１の境界を定める。このように、作用部分４５はメッシュ状であり、このことによって作用部分がセメント４１に埋め込まれることが可能となり、不規則な方法でセメントに埋め込まれる繊維の集まりとは対照的に、作用部分自体のあるいは独立した付着力または機械的強度を有する。

図２に示される例において、ビーム４７および横部材４９は、ロッドによって構成され、それらのロッドは、構造体の長手方向Ｘ−Ｘ’または横断方向軸Ｙ−Ｙ’と平行する、２本の連続したロッドを分離する間隔よりも小さい直径を有する。このように、開口部５１の量は、ビーム４７および横部材４９の全量より大きい。

したがって、これらの開口部５１は、長手方向Ｘ−Ｘ’および軸Ｙ−Ｙ’に沿って周期的な構造体を画定する。

ビーム４７および横部材４９の向きは、ろ過ユニット１５Ａおよび１５Ｂの対向する面２４Ａおよび２４Ｂと平行する面において、接合部１７の機械的特性を強化する。

さらにまた、ビーム４７および横部材４９が金属材料から製作されるので、接合部１７内の熱流束を伝播するのに好適な軸を構成する。このように、ビームおよび横部材によって、すすの燃焼により放出された熱が、より均一な方法によって接合部１７内で分配され、この接合部１７内のホットスポットの形成を減少させることが可能となる。

熱機械的応力のレベルが、構造体１１においてあまりに大きい場合、構造体１１の緩和により接合部１７に生じる亀裂は、ビーム４７および横部材４９に沿って向けられる。

図３に示されるように、スリーブ４３によって取り囲まれる各ユニット１５の２つの隣接する面２４Ｃおよび２４Ｄに対向する作用部分４５Ｃおよび４５Ｄは、相互に接続される。この特別の構成によってもまた、これらの２つの面２４Ｃと２４Ｅの間に配置される作用部分４５Ｃによって画定される平面に対して直角方向における、２つの対向する面２４Ｃと２４Ｅ間の接合部１７の付着が改善される。

次に、本発明による第１のろ過構造体の作用について説明する。

ろ過段階の間（図１）、粒子を含んだ排気ガスは、排気路１３を通じてろ過ユニット１５の吸気面２１まで案内される。次いで、排気ガスは吸込管２７に入り、多孔性の構造体１９の壁２５を通過する（図２）。この移動の間、すすは、吸込管２７の壁２５に堆積する。このすすは、微粒子フィルタ１１の中央で、ろ過ユニット１５の排気面２３の方に（図面の右側に）、好ましくは堆積される。

ろ過された排気ガスは、排出管２９を通じて排出され、排気消音器の排出口に案内される。

車が約５００ｋｍを移動したときに、フィルタ１１を介する圧力損失が著しく増加する。次いで、再生段階が実行される。

この段階の間、フィルタ１１の温度が上昇することによって、すすが酸化される。この酸化は、発熱性のものである。再生およびすすの一様でない分配がフィルタ１１内に広がることによって、すすが著しく蓄積しているゾーンと、すすがほとんど蓄積していないゾーンとの間の温度勾配がもたらされる。

さらにまた、ろ過ユニット１５および接合部１７は、温度の影響で膨張する。このような膨張の局所的な程度は、温度によるものである。

温度勾配の影響をうけて、このように膨張の大きさが変動することによって、高レベルの熱機械的応力が生じる。

前述のように、これらの高レベルの応力を受ける時、スリーブ４３は、接合部１７の付着をもたらす。

熱機械的応力のレベルが、構造体においてあまりに大きい場合、構造体１１の緩和によって接合部１７に生じる亀裂は、スリーブ４３のビーム４７および横部材４９に沿って向けられる。

さらにまた、スリーブ４３を通じて熱流束をより良好に拡散することによって、温度勾配の範囲が減少する。

図４を参照しつつ示される変形において、構造体は、４つの隣接したろ過ユニット１５を含む室６１を備える。

室の中では、各ろ過ユニット１５Ｃは、室６１の２つの別のろ過ユニット１５Ｄおよび１５Ｅそれぞれの２つの面と対向する、２つの隣接した面２４を備える。

各室６１は、４つのろ過ユニット１５のための共通の補強要素４３をさらに備える。

図４に示されるように、各室の補強要素４３は、屈曲した形状を有し、相互に直列に接続される、ほぼ平面の形状の複数の連続した作用部分４５を備える。

各作用部分４５は、このように、補強要素４３の最大２つの他の作用部分４５に接続される。

さらにまた、相互に接続される作用部分４５は、直交面に沿って延在する。

その結果として、各室６１の中において、補強要素４３は、各ろ過ユニット１５の隣接する２つの面２４にそれぞれ対向する、少なくとも２つの作用部分４５を備える。

ろ過室６１内の付着は、このように、構造体１１の長手方向Ｘ−Ｘ’と平行に、この構造体１１の水平軸Ｙ−Ｙ’と平行に、および垂直軸Ｚ−Ｚ’と平行に、強化される。

さらにまた、ろ過構造体１１は、複数の室６１を備える。図４に示されるように、様々な室６１間の機械的な付着を提供するために、各組の隣接した室に対して、第１の室６１Ａの補強要素４３Ａの少なくとも１つの作用部分４５Ａが、第２の隣接した室６１Ｂのろ過ユニット１５Ｂの面２４Ｂに対向して配置される。

変形において、ビーム４７および横部材４９は、他の向き、例えば、軸Ｘ−Ｘ’およびＹ−Ｙ’に対して４５°、または、これらの軸のうち１つに対して３０°の向きを有することができる。

さらにまた変形において、補強要素は、製織されたウェブ（ｗｏｖｅｎ ｗｅｂ）から形成される作用部分を備える。製織されたウェブは、例えば、有機質であり、１５０℃を超える温度で劣化する繊維から作成される。

この補強要素は、ろ過構造体を製作する間、または接合部内を局部的に加熱する間のどちらかにおいて、燃焼することによって消滅する。しかしながら、補強要素の有機繊維によってあらかじめ占められる空間に作られた通路によって、ろ過接合部の応力の緩和が促進され、そして、熱機械的応力のレベルがあまりにも大きい場合、これらの通路に沿ってあらゆる亀裂が確実に広がる。

別の変形において、構造体内の温度勾配の大きさを減少させるため、補強要素の作用部分は、メッシュ状のプレートまたは波形のメッシュ状のシートを備える。

上述の本発明により、多くの再生段階に耐えることができる一方で、その機械的強度を保持し、すすを密封する、ろ過構造体を有することが可能となる。

この構造体において、熱機械的応力の緩和と、接合部の亀裂の考えられる形成は、好適な方向に向けられる。

補強要素が金属材料から製作される場合、この構造体は、接合部内の温度をさらにより良好に分配することができる。

本発明による第１のろ過構造体の斜視図である。 図１のろ過構造体の部分的な分解斜視図である。 図１のろ過構造体の端面図である。 図３と類似した、本発明による第２のろ過構造体の図である。

Claims (11)

1. それぞれ互いに対向して配置される第１および第２の面（２４Ａ、２４Ｂ）を有する、少なくとも第１および第２のろ過要素（１５Ａ、１５Ｂ）と、
   第１および第２の面（２４Ａ、２４Ｂ）間に延在する、面（２４Ａ、２４Ｂ）を接続するための接合部（１７）とを備え、該接合部（１７）が、結合剤（４１）、および該結合剤（４１）に埋め込まれる補強手段（４３）を備える、ろ過構造体（１１）であって、
   補強手段（４３）が、少なくとも１つのメッシュ状の補強要素を備え、該補強要素が、全体的にほぼ平坦な形状であり結合剤に埋め込まれた、開口が設けられた少なくとも１つの作用部分（４５）を有する少なくとも１つの補強部材を備え、作用部分が、自体の機械的強度を有することを特徴とする、ろ過構造体（１１）。
2. ろ過構造体（１１）が、内燃機関の排気ガスのための微粒子フィルタであることを特徴とする、請求項１に記載の構造体（１１）。
3. 作用部分（４５）が、ろ過構造体の長手方向である第１の方向（Ｘ−Ｘ’）とほぼ平行に配置される複数のビーム（４７）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の構造体（１１）。
4. 作用部分（４５）が、複数の横部材（４９）を備え、該横部材（４９）が、ビーム（４７）を接続しかつ該ビームと交差し、第１の方向（Ｘ−Ｘ’）とは別の第２の方向（Ｙ−Ｙ’）とほぼ平行に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の構造体（１１）。
5. ビーム（４７）および横部材（４９）によって境界が定められる開口部（５１）の面積の総量が、ビーム（４７）および横部材（４９）の面積の総量より大きいことを特徴とする、請求項４に記載の構造体（１１）。
6. 補強要素（４３）が、金属材料から製作されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の構造体（１１）。
7. 補強要素（４３）は、温度が１５０℃を超えると劣化する材料から製作されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の構造体（１１）。
8. ろ過要素が、２つの隣接した面（２４Ｃ、２４Ｄ）を有し、補強要素（４３）が、相互に接続される２つの作用部分（４５Ｃ、４５Ｄ）を有し、各作用部分が、ろ過要素の隣接した面に対向す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構造体（１１）。
9. ろ過構造体（１１）が、４つの隣接したろ過要素（１５）を備える少なくとも１つの室（６１）と、ろ過要素（１５）のための屈曲した形状を有する共通の補強要素（４３）とを備え、共通の補強要素（４３）が、室（６１）のろ過要素（１５）の隣接した面（２４）に対向して配置される少なくとも３つの接続された作用部分（４５）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の構造体（１１）。
10. ろ過構造体（１１）が、少なくとも第１および第２の室（６１Ａ、６１Ｂ）を備え、第１の室（６１Ａ）の補強要素（４３Ａ）の少なくとも１つの作用部分（４５Ａ）が、第２の室（６１Ｂ）のろ過要素（１５Ｂ）の面（２４Ｂ）に対向して配置されることを特徴とする、請求項９に記載の構造体（１１）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のろ過構造体のための補強要素。

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