JP4689680B2 - 濾過構造体、特に内燃機関の排気ガス用粒子フィルタ及び関連排気管路 - Google Patents

Description

本発明は、濾過構造体、特に内燃機関の排気ガス用の粒子フィルタであって、
−少なくとも第１及び第２の濾過要素にして、各々の濾過要素は少なくとも２つの側面によって互いに接続されたガス流入面及びガス排出面を有し、該第１及び該第２の濾過要素は互いに面して配列された第１及び第２の側面をそれぞれ有する、前記濾過要素と、
−前記面を互いに接続し、該面の間に延長する接合部とを備え、
前記第１の側面は、その上流側半分において、該接合部に対する弱い又は零の付着力の第１の領域を備え、該領域は上流方向において該接合部に対する強い付着力の上流側領域によって縦方向に境界付けられ、
前記第１の面の該接合部に対する弱い又は零の付着力の各々の領域は、該第２の面の該接合部に対する強い付着力の領域に実質的に面して位置し、かつ該第１の面の該接合部に対する強い付着力の各々の領域は、該第２の面の該接合部に対する弱い又は零の付着力の領域に実質的に面して位置する、型式の濾過構造体に関する。

この型式の構造体は、特に内燃機関の排気ガスの汚染を除去する装置に使用される。これら装置は、触媒浄化要素と粒子フィルタとを連続して備える排気室を備える。触媒浄化要素は気相の汚染放出物を処理するのに適し、一方粒子フィルタはエンジンによって排出されたすす粒子を保持するのに適している。

上述の型式の公知の構造体（ＦＲ−Ａ−２８５３２５６）において、濾過要素は隣接導管の組立体を備え、該隣接導管は互いに平行な軸を有し、多孔質の濾過壁部によって分離される。これら導管は、濾過されるべき排気ガスの流入面と、濾過された排気ガスの排出面との間に延長する。これら導管はさらにそれらの一端又は他端にて閉鎖されて、流入面にて開口する流入室と、排出面にて開口する流出室とを境界付ける。

これら構造体は、濾過及び再生段階の連続により動作する。エンジンによって排出されたすす粒子は濾過段階中に流入室の壁部に堆積される。フィルタを通じる圧力降下は次第に増加する。この圧力降下が所定値を超えると、再生段階が実行される。

実質的に炭素で構成されるすす粒子は、再生段階中に補助加熱手段を使用して流入室の壁部上で焼却され、構造体の初期の特性が回復される。

しかしながら、フィルタにおけるすすの燃焼は均一には実行されない。燃焼はフィルタの上流側及び中心で始まり、その後拡がって行く。フィルタに再生段階中に温度勾配が現れる。

濾過構造体内の温度勾配は、局所によって大きさの異なる膨張と、その結果として異なった濾過要素内及び／又は濾過要素間に縦及び横応力を生じさせる。

これら高い水準の熱機械的応力は、濾過要素に、及び／又はこれら濾過要素間の接続接合部に割れをもたらす。

これら割れが現れる危険を制限するため、上述の出願ＦＲ−Ａ−２８５３２５６は、接合部に対する弱い又は零の付着力の領域を前記第１及び第２の面に、特にこの領域に付着防止塗膜を適用することにより生成することを提案する。これら領域の存在は、接合部の熱機械的応力が緩和されることを許容し、かつこれら応力の水準が高すぎるときは、接合部に発生し得るすべての割れの伝播がこれら領域に沿って案内されることを許容する。

接合部に対する弱い又は零の付着力の領域の提供はさらに、接合部が割れた時に、濾過要素の流入面に適用される排気ガスの圧力に抗して濾過要素が保持されることを許容する。

本発明の主な目的は、粒子フィルタを排気管路内に組立てるステップ中にフィルタの１つ又は複数の構成部品に適用される圧力、又はフィルタ使用時の排気ガスの圧力に抗して濾過要素の保持性をさらに改良することにある。

この目的のため、本発明は、上述の型式の濾過構造体において、強い付着力の前記上流側領域は、上流方向において該接合部に対する弱い又は零の付着力の第２の領域によって縦方向に境界付けられていることを特徴とする、濾過構造体に関する。

本発明による濾過構造体は、１つ又は複数の以下の特徴を単独で、又は任意の技術的に可能な組合せにより備えることができる。
−前記接合部に対する弱い又は零の付着力の前記第２の領域は流入面まで延長する。
−前記接合部に対する強い付着力の前記上流側領域の最大長さは、接合部に対する弱い又は零の付着力の隣接領域の最小長さより小さいか又は実質的に等しい。
−前記上流側領域の最大長さは前記第１の濾過要素の全長の５分の１より小さい。
−前記第１及び第２の側面の一方は、その下流側半分において、接合部に対する強い付着力の下流側領域を備え、該領域は上流及び下流方向において接合部に対する弱い又は零の付着力のそれぞれの領域によって境界付けられている。
−前記下流側領域と下流方向において隣接する、接合部に対する弱い又は零の付着力の前記領域は、排出面まで延長する。
−前記接合部に対する強い付着力の前記下流側領域の最大長さは、接合部に対する弱い又は零の付着力の隣接領域の最小長さより小さいか又は実質的に等しい。
−前記下流側領域は前記第１の面上に延長する。
−前記第１及び第２の側面の一方は、前記上流側領域及び前記下流側領域間に、接合部に対する強い付着力の中間領域と、該中間領域の上流側及び下流側にそれぞれ位置する、接合部に対する弱い又は零の付着力の隣接領域とを少なくとも備える。
−前記下流側領域、前記上流側領域及び前記中間領域の長さは実質的に同一である。

本発明はまた上に規定した構造体を備えることを特徴とする排気管路に関する。

本発明の代表的な実施の形態を以下添付図面を参照して説明する。

図１に図示する粒子フィルタ１１は、部分的に図示する自動車のディーゼルエンジンのガス排気管路１３内に配列されている。

この排気管路１３は、粒子フィルタ１１の両端を超えて延長し、排気ガスの循環路を境界付ける。

粒子フィルタ１１は排気ガスが循環する縦方向Ｘ−Ｘ’に延長する。それは、接続接合部１７によって互いに接続された複数の濾過ユニット１５を備える。

各々の濾過ユニット１５は、縦方向Ｘ−Ｘ’に細長い実質的に平行六面体の長方形の形態を有する。

”濾過ユニット”の用語はより一般に流入面と、排出面と、流入面を排出面に接続する少なくとも２つの側面（図示の例では４つの側面）を備える組立体を指す。

図２に図示するように、各々の濾過ユニット１５Ａ、１５Ｂは、多孔質の濾過構造体１９と、濾過されるべき排気ガスの流入面２１と、濾過された排気ガスを排出する面２３と、４つの側面２４とを備える。

多孔質の濾過構造体１９は一体構造によって構成される濾過材料、特にセラミック材料（菫青石、炭化珪素その他）から生産される。

この構造体１９は排気ガスの通過を許容するのに十分な気孔率水準を有する。しかしながら、それ自体公知のように、気孔の直径はすす粒子（５及び１００ミクロンの間）を保持するよう十分小さく選択される。

多孔質構造体１９は、縦方向Ｘ−Ｘ’と平行な軸を有する隣接導管の組立体を備える。これら導管は多孔質の濾過壁部２５によって互いに分離される。図２に図示する例において、これら壁部２５は、一定の厚さを有し、濾過構造体１９内を流入面２１から排出面２３まで縦方向に延長する。

導管は第１の群の流入導管２７と、第２の群の流出導管２９とに分けられる。流入導管２７と流出導管２９とは相互に反転されて配列される。

流入導管２７は、濾過ユニット１５Ａ、１５Ｂの排出面２３の辺りで閉鎖され、それらの他端にて開口する。

逆に、流出導管２９は、濾過ユニット１５Ａ、１５Ｂの流入面２１の辺りで閉鎖され、それらの排出面２３に沿って開口する。

図１に図示する例において、流入導管２７及び流出導管２９は全長に亘って一定の断面を有する。

図２に図示するように、対向するユニット１５Ａ及び１５Ｂの側面２４Ａ及び２４Ｂは平らである。

図２及び３に図示するように、別のユニットに対向して位置する濾過ユニットの各々の平ら面２４Ａ、２４Ｂは、接合部１７に固定接合される少なくとも１つの領域３３と、構造体１９が生産される時に付着防止塗膜で覆われる少なくとも１つの領域３５とを備える。この塗膜は、例えば紙、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、黒鉛又は窒化硼素を基材とする。

接続接合部１７に対する強い付着力の領域３３における該接合部と、濾過ユニット１５の平ら面２４との間の付着力は、接合部１７に対する弱い又は零の付着力の領域３５のそれより少なくとも１０倍は大きい。接合部１７に対する弱い又は零の付着力の領域３５の付着力は、０及び５０ＭＰａの間である。

以下の本文において、”強い付着力の領域”は接合部１７に対する強い付着力の領域３３を指し、”弱い付着力の領域”は接合部１７に対する弱い又は零の付着力の領域３５を指すことが意図される。

濾過ユニット１５の平ら面２４上の領域３３及び領域３５の配列を図２及び３に図示する。

第１の濾過ユニット１５Ａの第１の面２４Ａは、中心横断平面Ｐの上流側に位置する上流側半分３６Ａにおいて、強い付着力の上流側領域３３Ａを備え、該領域は、図の右側の下流方向において、平面Ｐの一側及び他側にて延長する弱い付着力の第１の領域３５Ｃによって境界付けられる。

上流側領域３３Ａはさらに、図の左側の上流方向において、流入面２１及び第１の面２４Ａに共通の縁部３７まで延長する弱い付着力の第２の領域３５Ａによって境界付けられる。

第１の面２４Ａはさらに、その下流側半分３６Ｂにおいて強い付着力の下流側領域３３Ｅを備え、該領域は上流方向において弱い付着力の第１の領域３５Ｃによって境界付けられ、かつ下流方向において、排出面２３及び第１の面２４Ａに共通の縁部３９まで延長する弱い付着力の第３の領域３５Ｇによって境界付けられる。

強い付着力の領域３３及び弱い付着力の領域３５は実質的に長方形であり、かつ第１の面２４Ａの全幅を横断して延長する。

本文の残部において、長さは縦方向Ｘ−Ｘ’と平行なものと理解される。

上流側領域３３Ａの長さは、第１の濾過ユニット１５Ａの全長の４分の１より実質的に小さい。図示の例において、ユニット１５Ａの全長に対する上流側領域３３Ａの長さの比は、０．１０及び０．１５の間である。

この例において、上流側領域３３Ａの長さは、弱い付着力の第１の領域３５Ｃの長さより小さく、かつ弱い付着力の第２の領域３５Ａの長さと実質的に等しい。

このように、上流側領域３３Ａの下流側縁部４１及び縁部３７間の距離は、ユニット１５Ａの全長の２分の１より小さい。上流側領域３３Ａは従って流入面２１の辺りに位置する。

弱い付着力の第１の領域３５Ｃの全長は、ユニット１５Ａの全長の２分の１より大きく、そのため上流側領域３３Ａの下流側縁部４１及び下流側領域３３Ｅの上流側縁部４３間の距離は、ユニット１５Ａの全長の２分の１より大きい。

下流側領域３３Ｅの長さは、上流側領域３３Ａの長さ及び弱い付着力の第３の領域３５Ｇの長さと実質的に等しい。

第１の面２４Ａの強い付着力の各々の領域３３Ａ、３３Ｅは、第２の面２４Ｂ上で実質的に同一の形状を有する弱い付着力の領域３５Ｂ、３５Ｆに実質的に面して配列される。

その上、第１の面２４Ａの弱い付着力の各々の領域３５Ａ、３５Ｃ、３５Ｇは、第２の面２４Ｂ上で実質的に同一の形状を有する強い付着力の領域３３Ｂ、３３Ｄ、３３Ｈに面して位置する。

本発明による第１の濾過構造体の動作を以下に説明する。

濾過段階（図１）中に、粒子を含んだ排気ガスは、排気管路１３により濾過ユニット１５の流入面２１まで案内される。図２の矢印で示すように、その後排気ガスは流入導管２７に入り、そして多孔質構造体１９の壁部２５を通過する。この通過中にすすは流入導管２７の壁部２５に堆積される。このすすは好ましくは粒子フィルタ１１の中心軸の辺り、かつ濾過ユニット１５の排出面２３寄り（図面右側）に堆積される。

濾過された排気ガスは、排出導管２９を経て排出され、排気室の出口へと案内される。

車両が大よそ５００ｋｍ走行すると、フィルタ１１を通じる圧力降下は著しく増加する。再生段階はその後実行される。

この段階において、すすはフィルタ１１の温度を増加させることにより酸化される。この酸化は発熱性であり、フィルタの中心及び上流側にて始まる。従って、これにより上流側及び下流側部分間に、及びフィルタの周辺及び中心間に温度勾配が引起される。

その上、濾過ユニット１５及び接合部１７は温度の影響を受けて膨張する。この膨張の局所での大きさは温度に左右される。

温度勾配の影響を受けたこれら膨張の大きさのばらつきは、著しい水準の熱機械的応力を引起す。弱い付着力の領域３５の存在は応力が緩和されるのを許容し、かつ濾過ユニット１５又は接続接合部１７において割れの形成が防止されるのを許容する。

その上、図４に図示するように、熱機械的応力の水準が構造体にとって大きすぎれば、接合部１７は縦方向に割れ得る。しかしながら、弱い付着力の領域３５及び強い付着力の領域３３は、割れが好ましい帯域に発生するよう配列される。

このように、図４に図示するように、接合部１７における割れの伝播は、濾過ユニット１５の平ら面２４上の弱い付着力の領域３５に沿って、かつこれら領域間を横断して案内される。

その結果、接合部１７が完全に割れたとしても、上流側領域３３Ａに面して位置する接合部の部分５１Ａは、第１のユニット１５Ａに固定接合される平行六面体の上流側突出部を形成する。その上、弱い付着力の領域３５Ａ及び３５Ｃにそれぞれ面して配列される接合部の部分５３Ａ及び５３Ｂは、第２のユニット１５Ｂに固定接合されたままである。これら部分５３Ａ及び５３Ｂは、突出部５１Ａを受け入れる中空の上流側切欠き５５Ａを境界付ける。

このように、接合部１７が完全に割れたとしても、上流側突出部５１Ａ及び上流側切欠き５５Ａ間の協働により、ユニット１５Ａ及び１５Ｂの下流側への移動は流入面２１に適用される排気ガスの圧力に抗して防止される。

上流側突出部５１Ａ及び上流側切欠き５５Ａは、熱応力の水準が比較的低い流入面２１の辺りで、ユニット１５Ａ、１５Ｂの上流側部分に面して延長する。その結果、濾過ユニット１５Ａ、１５Ｂは、高い水準の熱応力を受けやすいこれらユニット１５Ａ、１５Ｂの下流側部分が損傷したとしても、効率的に保持される。

その上、第１の面２４Ａの下流側領域３３Ｅに対向して位置する接合部の部分５１Ｂは、第１のユニット１５Ａに固定接合される下流側突出部を形成する。下流側突出部５１Ｂは、弱い付着力の領域３５Ｃ及び３５Ｇに面して延長する接合部部分５３Ｂ、５３Ｃによって境界付けられる中空の下流側切欠き５５Ｂと協働し、部分５３Ｂ及び５３Ｃは第２の面２４Ｂに固定接合されたままである。

その結果、ユニット１５Ａ、１５Ｂの下流側部分が損傷されないとしても、下流側突出部５１Ｂ及び下流側切欠き５５Ｂ間の協働はまたユニット１５Ａ及び１５Ｂを保持することに寄与する。

図５及び６に図示するフィルタ１１は、以下の特徴により図５に図示するそれと異なる。

第１の面２４Ａは、実質的に第１の面２４に沿った中間に位置する強い付着力の中間領域３３Ｊを備える。

この領域３３Ｊは、上流側領域３３Ａ及び下流側領域３３Ｅのそれと実質的に等しい長さを有する。領域３３Ｊの長さはさらに、弱い付着力の隣接領域３５Ｃ及び３５Ｋのそれより小さい。

動作中に、もし接合部１７が割れれば、中間領域３３Ｊに対向して位置する接合部の部分５１Ｃは中間突出部を形成する。この突出部５１Ｃは、接合部部分５３Ｂ及び５３Ｄによって境界付けられる中空の中間切欠き５５Ｃと協働するが、該接合部部分は第２の面２４Ｂに固定接合され、かつ中間領域３３Ｊに隣接した弱い付着力の領域３５Ｃ、３５Ｋとそれぞれ対向して位置する。

図７及び８に図示するフィルタ１１は、弱い付着力の第２の領域３５Ｃの長さに対する上流側領域３３Ａの長さの比が０．６より大きい点で図５及び６に図示するフィルタと異なる。この例において、比は０．７５と実質的に等しい。

変形例において、上流側領域３３Ａと実質的に等しい長さを有する強い付着力の下流側領域３３Ｅは第２の面２４Ｂ上に延長する。

本発明による第１の濾過構造体の斜視図である。 図１の濾過構造体の部分分解斜視図である。 図２の濾過要素の互いに面した２つの面の平面図である。 数回の再生サイクル後の第１の濾過構造体の図１の縦平面IV−IVに沿った部分断面図である。 本発明による第２の濾過構造体の図３に類似する図である。 本発明による第２の濾過構造体の図４に類似する図である。 本発明による第３の濾過構造体の図３に類似する図である。 本発明による第３の濾過構造体の図４に類似する図である。

符号の説明

１１・・・・・・濾過構造体（粒子フィルタ）
１３・・・・・・排気管路
１５Ａ・・・・・第１の濾過要素（濾過ユニット）
１５Ｂ・・・・・第２の濾過要素（濾過ユニット）
１７・・・・・・接合部
２１・・・・・・ガス流入面
２３・・・・・・ガス排出面
２４Ａ・・・・・第１の側面
２４Ｂ・・・・・第２の側面
３３・・・・・・強い付着力の領域
３３Ａ・・・・・上流側領域
３３Ｅ・・・・・下流側領域
３３Ｊ・・・・・中間領域
３５・・・・・・弱い又は零の付着力の領域
３５Ａ・・・・・第２の領域
３５Ｃ・・・・・第１の領域
３５Ｇ・・・・・第３の領域
３６Ａ・・・・・上流側半分
３６Ｂ・・・・・下流側半分

Claims (12)

1. 濾過構造体（１１）であって、
   −少なくとも第１及び第２の濾過要素（１５Ａ、１５Ｂ）にして、各々の濾過要素（１５Ａ、１５Ｂ）は少なくとも２つの第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）によって互いに接続されたガス流入面（２１）及びガス排出面（２３）を有し、該第１及び該第２の濾過要素（１５Ａ、１５Ｂ）は互いに面して配列された第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）をそれぞれ有する、前記濾過要素（１５Ａ、１５Ｂ）と、
   −前記第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）を接続し、該第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）の間に延長する接合部（１７）とを備え、
   前記第１の側面（２４Ａ）は、その上流側半分（３６Ａ）において、該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の第１の領域（３５Ｃ）を備え、該領域は上流方向において該接合部（１７）に対する強い付着力の上流側領域（３３Ａ）によって縦方向に境界付けられ、
   前記第１の側面（２４Ａ）の該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の各々の領域（３５）は、該第２の側面（２４Ｂ）の該接合部（１７）に対する強い付着力の領域（３３）に実質的に面して位置し、かつ該第１の側面（２４Ａ）の該接合部（１７）に対する強い付着力の各々の領域（３３）は、該第２の側面（２４Ｂ）の該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の領域（３５）に実質的に面して位置する、型式の濾過構造体において、
   強い付着力の前記上流側領域（３３Ａ）は、上流方向において該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の第２の領域（３５Ａ）によって縦方向に境界付けられていることを特徴とする、前記濾過構造体。
2. 請求項１に記載の濾過構造体（１１）において、
   前記接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の前記第２の領域（３５Ａ）は該流入面（２１）まで延長することを特徴とする、前記濾過構造体。
3. 請求項１又は２に記載の濾過構造体（１１）において、
   前記接合部（１７）に対する強い付着力の前記上流側領域（３３Ａ）の最大長さは、該接合部に対する弱い又は零の付着力の隣接領域（３５Ａ、３５Ｃ）の最小長さより小さいか又は実質的に等しいことを特徴とする、前記濾過構造体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の濾過構造体（１１）において、
   前記上流側領域（３３Ａ）の最大長さは該第１の濾過要素（１５Ａ）の全長の５分の１より小さいことを特徴とする、前記濾過構造体。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の濾過構造体（１１）において、
   前記第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）の一方は、その下流側半分（３６Ｂ）において、該接合部（１７）に対する強い付着力の下流側領域（３３Ｅ）を備え、該領域は上流及び下流方向において該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力のそれぞれの領域（３５Ｃ；３５Ｋ、３５Ｇ）によって境界付けられていることを特徴とする、前記濾過構造体。
6. 請求項５に記載の濾過構造体（１１）において、
   前記下流側領域（３３Ｅ）と下流方向において隣接する、該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の前記領域（３５Ｇ）は、該排出面（２３）まで延長することを特徴とする、前記濾過構造体。
7. 請求項５又は６に記載の濾過構造体（１１）において、
   前記接合部（１７）に対する強い付着力の前記下流側領域（３３Ｅ）の最大長さは、該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の隣接領域（３５Ｃ；３５Ｋ、３５Ｇ）の最小長さより小さいか又は実質的に等しいことを特徴とする、前記濾過構造体。
8. 請求項５乃至７のいずれかに記載の濾過構造体（１１）において、
   前記下流側領域（３３Ｅ）は該第１の側面（２４Ａ）上に延長することを特徴とする、前記濾過構造体。
9. 請求項５乃至８のいずれかに記載の濾過構造体（１１）において、
   前記第１及び第２の側面（２４Ａ、２４Ｂ）の一方は、該上流側領域（３３Ａ）及び該下流側領域（３３Ｅ）間に、該接合部（１７）に対する強い付着力の中間領域（３３Ｊ）と、該中間領域（３３Ｊ）の上流側及び下流側にそれぞれ位置する、該接合部（１７）に対する弱い又は零の付着力の隣接領域（３５Ｃ、３５Ｋ）とを少なくとも備えることを特徴とする、前記濾過構造体。
10. 請求項９に記載の濾過構造体（１１）において、
    前記下流側領域（３３Ｅ）、前記上流側領域（３３Ａ）及び前記中間領域（３３Ｊ）の長さは実質的に同一であることを特徴とする、前記濾過構造体。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の濾過構造体（１１）において、該濾過構造体（１１）は、内燃機関の排気ガス用の粒子フィルタであることを特徴とする、前記濾過構造体。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の濾過構造体（１１）を備えることを特徴とする、排気管路（１３）。

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