JP4866353B2

JP4866353B2 - 内燃機関の排気ガス濾過構造体、及び関連の排気管路

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Publication number: JP4866353B2
Application number: JP2007529377A
Authority: JP
Inventors: バルドン，セバスティヤン; ブリヨ，アントニー; グレイズ，ヴァンサン
Original assignee: サン・ゴバン・サーントル・ドゥ・ルシェルシェ・エ・デチュード・ウーロピーン
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: MX2007002474A; BRPI0515636A; US7670404B2; FR2874964A1; WO2006027487A1; EP1792064B1; FR2874964B1; ATE412818T1; EP1792064A1; DE602005010722D1; JP2008512594A; US20080034744A1

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス濾過構造体であって、
−構造体にガスを取り入れる領域及び構造体からガスを排出する領域の間を構造体の長手方向軸線と実質的に平行に延長する少なくとも第１及び第２の濾過手段と、
−前記手段を互いに接続する継手、とを備える型式の濾過構造体に関する。

この型式の構造体は、特に自動車のディーゼル機関の排気ガスを除染する装置に使用される。これらの装置は、触媒浄化手段と粒子フィルタとを直列に備える排気管路を含む。触媒浄化手段は気相の汚染放出物を処理するよう適合されるが、粒子フィルタは機関により放出されたすすの粒子を保持するよう適合される。

前述の型式の公知の構造体（例えば、仏国特許第２８１６００２号参照）において、濾過手段は、互いに隣接した導管の組立体を備え、該隣接した導管は平行な軸を有し、多孔性の濾過壁部で分離される。これらの導管は取入面と排出面との間に延長する。これらの導管はまた、両端の一方又は他方で閉塞され、取入面で開口する流入室と、排出面で開口する流出室とを画成する。

これらの構造体は濾過及び再生段階の連続により動作する。濾過段階時、機関によって放出されたすす粒子は流入室の壁部に堆積する。フィルタを介する圧力降下は徐々に増加する。この圧力降下が所定値を超えると、再生段階が行われる。

再生段階時、構造体に原特性を回復させるため、基本的に炭素で構成されるすす粒子は壁部上で焼かれる。

すす粒子は濾過手段内で均質には蓄積しない。従って、すすは濾過構造体の中心部、及び排気ガスの排出面寄りに優先的に蓄積する。

すすの燃焼を開始するため、点火器が濾過手段の取入面の近くにおいて排気管路に配置される。その結果、燃焼はフィルタの前部及び中心部で始まり、その後後部の方に伝播する。

この型式の構造体は完全には満足できるものではない。濾過手段の上流面の近くにはすすの量が少ないため、しばしば燃焼を開始するのが困難である。さらに、燃焼が排出面に達すると、この面の近くで優勢な温度はすすの量が多いため著しく増加する。それ故、再生段階を制御するのは困難である。

本発明の目的は、再生段階の制御が容易化された内燃機関の排気ガス濾過構造体を提供することにある。

よって、本発明は、前述の型式の濾過構造体であって、継手が該継手の上流部分の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有する下流部分を少なくとも備えることを特徴とする濾過構造体に関する。

”熱的質量”の語は、ある体積の物質について、その体積の物質の質量にこの物質の平均熱容量をかけた積を意味する。

この濾過構造体は、１つ又は複数の次の特徴を単独で又は技術的に可能な任意の組合わせにより有することができる。
−継手は、取入領域と排出領域との間を継手に沿って実質的に連続的に増加する単位長さ当りの熱的質量を有する。
−継手は、各々が実質的に一定の単位長さ当りの熱的質量を有する複数の部分を前記長手方向軸線に沿って有する。
−継手の下流部分は、継手の上流部分の平均厚さより大きい平均厚さを有する。
−継手の厚さは長手方向軸線に沿って実質的に一定である。
−継手の下流部分は、継手の上流部分の密度より大きい密度を有する。
−継手の下流部分は、継手の上流部分の気孔率より低い気孔率を有する。
−第１及び第２の濾過手段の少なくとも一方は、この濾過手段の上流領域の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有する少なくとも１つの下流領域を備える。
−濾過構造体は、該構造体の中心領域の単位体積当りの熱的質量より小さい単位体積当りの熱的質量を有する周辺領域を有する。
−濾過手段は、相互に対向し接続継手により互いに結合された第１及び第２の面をそれぞれ備え、第１の面は、
・第２の面の前記継手に対し弱い又は零の付着力の領域と実質的に面するよう位置づけられた、該継手に対し強い付着力の少なくとも１つの領域と、
・第２の面の前記継手に対し強い付着力の領域と実質的に面するよう位置づけられた、該継手に対し弱い又は零の付着力の少なくとも１つの領域とを備える。

本発明はさらに、上に規定した構造体を備えることを特徴とする自動車用排気管路に関する。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１に示す粒子フィルタ１１は、一部が示された自動車のディーゼル機関の排気ガス管路１３内に配置される。

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、排気ガスが移動する通路１４を画成する。

粒子フィルタ１１は、排気ガスが移動する長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って長さＬにわたって延長し、長さＬの複数の並置された濾過器１５を備え、複数の濾過器１５は該濾過器の隣接した面の間に配置された接続継手１７により互いに結合される。それはさらに再生開始手段１８を備える。

各々の濾過器１５は実質的に、長手方向軸線Ｘ−Ｘ’と平行に延びた直角平行六面体の形をしている。

図２、それは２つの濾過器１５Ａ、１５Ｂを示すが、に図示するように、各々の濾過器１５Ａ、１５Ｂは、多孔性の濾過構造体１９と、濾過すべき排気ガスを取り入れる面２１と、濾過された排気ガスを排出する面２３と、作用側面２４（普通の濾過器で４つ）とを備える。

面２１及び２３は平面であり、長手方向軸線Ｘ−Ｘ’と実質的に直交する。

多孔性の濾過構造体１９は、特にセラミック（菫青石、炭化珪素など）の単一構造体から成る濾過材料で作られる。

この構造体１９は、排気ガスの通過を許容すべく十分な気孔率を有する。しかしながら、それ自体は公知であるように、気孔の径はすす粒子の保持を許容すべく十分に小さく選択される。

多孔性の構造体１９は隣接した導管の組立体を備え、該導管の軸は長手方向軸線Ｘ−Ｘ’と実質的に平行である。これらの導管は多孔性の濾過壁部２５によって互いに分離される。図１に図示する例では、これらの壁部２５は一定の厚さであり、濾過構造体１９内を取入面２１から排出面２３まで長手方向に延長する。

導管は第１の群の流入導管２７と第２の群の流出導管２９とに区分される。流入導管２５と流出導管２９とは、頭と尻が逆に配列される。

流入導管２７は濾過器１５Ａ、１５Ｂの排出面２３の領域で閉塞され、他端で開口する。

他方、流出導管２９は濾過器１５Ａ、１５Ｂの取入面２１の領域で閉塞され、排出面２３で開口する。

図１に図示する例では、流入導管２７及び流出導管２９はそれらの全長にわたって一定の断面積を有する。

一方で濾過器１５の取入面２１、他方でそれらの排出面２３は、実質的に平面であり、ガスをフィルタ１１に取り入れる面と、ガスをフィルタ１１から排出する面とをそれぞれ画成する。

図１に示すように、他の濾過器と面する濾過器の側面２４は平面である。排気管路１３に面する側面３１は、この管路１３の筒状内壁部との接触を確保するよう適合された形状である。

接続継手１７は濾過器１５の平らな面２４の間に配置される。この接続継手１７は、例えば、一般にシリカ及び／又は炭化珪素及び／又は窒化アルミニウムから成るセラミックセメントを基礎原料として作られる。焼結の後、このセメントはほぼ５，０００ＭＰａの弾性係数を有する。濾過器１５は従って継手１７によって互いに固定される。

図２に図示する例では、接続継手１７は長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って連続的に増加する厚さを有する。この厚さは、取入面２１の平面における厚さｅ_１と、排出面２３の平面における厚さｅ_２との間を直線的に増加する。

厚さｅ_１は例えば０．５ｍｍと１ｍｍの間であり、厚さｅ_２は例えば２ｍｍと５ｍｍの間である。

また、継手１７はフィルタ１１に沿って均質構造を有する。

図２に図示するように、継手１７の上流及び下流部分４１、４３は、濾過器１５Ａ、１５Ｂの取入面２１と排出面２３との間に位置づけられたフィルタ１１の横断平面Ｐの一方の側にそれぞれ延長する。これらの上流及び下流部分４１、４３はまた、取入面２１の平面及び排出面２３の平面によってそれぞれ画成される。

下流部分４３の単位長さ当りの熱的質量は、長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って測ると、上流部分４１の単位長さ当りの熱的質量より大きい。

図１を参照すると、再生開始手段１８は、排気ガスが移動する通路１４の中に上流面２１の近くで突出する点火器５１を備える。これらの点火器５１は、例えば仏国特許第２８１６００２号に説明された型式のものである。

本発明による第１のフィルタ１１の動作を次に説明する。

濾過段階時（図１）、粒子を含む排気ガスは排気管路１３を介して濾過器１５の流入面２１まで案内される。図２に矢印で表すように、排気ガスはその後流入管路２７に入り込み、多孔性の構造体１９の壁部２５を通過する。この通過時、すすは流入管路２７の壁部２５に堆積される。このすすは、粒子フィルタ１１の中心部、及び濾過器１５の排出面２３寄りに（図面の右に）優先的に堆積される。

濾過された排気ガスは排出導管２９を介して逃げ、排気管路１３の出口の方に案内される。

一たび車両がほぼ５００ｋｍ走行すると、フィルタ１１を介する圧力降下は顕著に増加する。再生段階はその後行われる。

この段階時、点火器５１は排気ガスの温度が取入面２１の近くで増加するよう作動される。これらのガスが十分な温度に達すると、それらにより濾過器１５内で、すなわち取入面２１の近くに位置するフィルタの上流領域７１内ですすの燃焼が開始される。

上流領域７１の低い単位長さ当りの熱的質量のため、そこで優勢な温度は、この領域７１における少ないすすの量にもかかわらず、すすの燃焼を許容するよう適合された範囲まで急速に上昇する。

燃焼はその後排出面２３の方に伝播する。フィルタ１１の下流領域７３におけるすすの量が多いため、このすすの燃焼により発生する熱的出力はこの領域７３で高い。

しかしながら、この下流領域７３での温度上昇は、継手１７の下流部分４３の高い単位長さ当りの熱的質量により制限される。

従って、再生段階時、本発明によるフィルタ１１は、取入面２１の近くでのすすの燃焼開始を容易化し、燃焼が排出面２３の近くに及んだときはこの燃焼の暴走を制限する。再生段階の制御は、従ってこのフィルタ１１において容易化される。

図３に示す、本発明による第２のフィルタ１０１では、継手１７は長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って一定の厚さを有する。

継手１７は、長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って上流から下流に複数の部分１０３、１０５、１０７を備え、各々の部分１０３、１０５、１０７は一定の密度を有する。継手１７の部分１０３、１０５、１０７の密度は、下流部分１０７が中間部分１０５の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有し、中間部分１０５が上流部分１０３の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有するようフィルタに沿って増加する。

故に、下流部分１０７の密度は例えば２及び３の間であり、中間部分１０５の密度は例えば１．５及び２．５の間であり、上流部分１０３の密度は例えば１及び１．５の間である。

このフィルタ１０１の第１の変形例では、継手１７は長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って上流から下流に複数の部分１０３、１０５、１０７を備え、各々の部分は一定の気孔率を有する。

部分１０３、１０５、１０７の気孔率は、下流部分１０７が中間部分１０５の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有し、中間部分１０５が上流部分１０３の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有するようフィルタ１０１に沿って減少する。

故に、上流部分１０３の気孔率は例えば４５％及び５０％の間であり、中間部分１０５の気孔率は例えば４０％及び４５％の間であり、下流部分１０７の気孔率は例えば３５％及び４０％の間である。

このフィルタ１０１の第２の変形例では、継手の気孔率及び／又は密度は、単位長さ当りの熱的質量が継手１７に沿って連続的に変化するよう継手１７に沿って連続的に変化する。

このフィルタ１０１の第３の変形例では、濾過器１５Ａ、１６Ｂの壁部自体も長手方向軸線Ｘ−Ｘ’に沿って減少する気孔率を有する。濾過器１５Ａ、１５Ｂは従って、単位長さ当りの熱的質量が上流領域１１３の単位長さ当りの熱的質量より大きい下流領域１１１を、フィルタ１０１に沿って有する。故に、濾過器１５Ａ、１５Ｂの単位長さ当りの熱的質量はフィルタ１０１に沿って増加する。

図１に示すフィルタ１１と対照的に、図４に示すフィルタ２０１では、周辺の濾過器１５Ｄは、少なくとも横断平面において、フィルタ２０１の中心部に位置する濾過器１５Ｃの単位体積当りの熱的質量より小さい単位体積当りの熱的質量を有する。

故に、比較的多いすすの量を有する中心領域２０３は、比較的少ないすすの量を有する周辺領域２０３より大きい単位体積当りの熱的質量を有する。

また、図１のフィルタ１１と同様、継手１７は、この継手１７の上流部分の単位長さ当りの熱的質量より大きい単位長さ当りの熱的質量を有する下流部分を備える。

上述した本発明により、再生段階の実行及び制御が容易化された濾過構造体を有することが可能である。該構造体の熱的質量は、その中のすすの分布に効果的に適合され、大量のすすの蓄積を有する領域は、小さいすすの蓄積を有する領域より大きい熱的質量を有する。

特に、該構造体におけるこの熱的質量の分布は、再生段階時、取入面の近くでのすすの燃焼開始を促進し、排出面の近くでの温度増加を制限する。

図５に示すフィルタ３０１は、図１及び２に示すフィルタ１１と次の特徴によって異なる。

第１及び第２の濾過器１５Ａ及び１５Ｂのそれぞれの側面２４Ａ及び２４Ｂは、互いに対向し、各々が継手１７に固着された少なくとも１つの領域３０３と、フィルタ３０１の製造時に粘着しない塗膜で覆われた少なくとも１つの領域３０５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礎原料として形成される。

故に、各々の領域３０３は、以下”強い付着力の領域”と呼ぶ、継手１７に対し強い付着力の領域を形成するが、各々の領域３０５は、以下”弱い又は零の付着力の領域”と名づける、継手１７に対し弱い又は零の付着力の領域を形成する。

強い付着力の領域３０３における接続継手１７と側面２４との付着力は、弱い又は零の付着力の領域３０５における接続継手１７と側面２４との付着力、それは０及び５０ＭＰａの間であるが、より少なくとも１０倍は大きい。

図５に示す例では、第１の濾過器１５Ａの側面２４Ａは、取入面２１から排出面２３の方に連続して、強い付着力の第１の領域３０３Ａ、弱い又は零の付着力の領域３０５Ａ、及び強い付着力の第２の領域３０３Ｃを備える。

第１の面２４Ａの強い付着力の各々の領域３０３Ａ、３０３Ｃは、第２の面２４Ｂの弱い又は零の付着力の領域３０５Ｂ、３０５Ｄと実質的に面するよう配置される。同様に、第１の面２４Ａの弱い又は零の付着力の各々の領域３０５Ａは、第２の面２４Ｂの強い付着力の領域３０３Ｂと実質的に面するよう配置される。

この変形例は図３に示すフィルタ２０１にも用いることができる。

本発明による第１のフィルタの斜視図である。図１のフィルタの平面ＩＩ−ＩＩ上の部分断面図である。本発明による第２のフィルタの図２と同様な図である。本発明による第３のフィルタの図１と同様な図である。本発明による第５のフィルタの変形例の図２と同様な図である。

符号の説明

１１・・・・・・粒子フィルタ
１５Ａ・・・・・濾過器
１５Ｂ・・・・・濾過器
１７・・・・・・接続継手
２１・・・・・・排気ガス取入面
２３・・・・・・排気ガス排出面
２４Ａ・・・・・作用側面
２４Ｂ・・・・・作用側面
４１・・・・・・上流部分
４３・・・・・・下流部分
１０１・・・・・フィルタ
１０３・・・・・上流部分
１０５・・・・・中間部分
１０７・・・・・下流部分
１１１・・・・・下流領域
１１３・・・・・上流領域
２０１・・・・・フィルタ
２０３・・・・・中心領域
２０５・・・・・周辺領域
３０１・・・・・フィルタ
３０３Ａ・・・・強い付着力の領域
３０３Ｂ・・・・強い付着力の領域
３０３Ｃ・・・・強い付着力の領域
３０５Ａ・・・・弱い又は零の付着力の領域
３０５Ｂ・・・・弱い又は零の付着力の領域
３０５Ｄ・・・・弱い又は零の付着力の領域

Claims

内燃機関の排気ガスの濾過構造体（１１、１０１、２０１、３０１）であって、
−該構造体（１１、１０１、２０１、３０１）にガスを取り入れる領域（２１）及び該構造体からガスを排出する領域（２３）の間を該構造体の長手方向軸線（Ｘ−Ｘ’）と実質的に平行に延長する少なくとも第１及び第２の濾過手段（１５Ａ、１５Ｂ）と、
−前記手段（１５Ａ、１５Ｂ）を接続する継手（１７）とを備える型式のものにおいて、
該継手（１７）は、セラミックセメントを基礎原料として作られ、該継手（１７）の上流部分（４１、１０３）の前記濾過構造体の軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量より大きい前記軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量を有する下流部分（４３、１０７）を少なくとも備え、
該継手（１７）の該下流部分（４３）は、該継手（１７）の上流部分（４１）の平均厚さより大きい平均厚さを有することを特徴とする、構造体。
内燃機関の排気ガスの濾過構造体（１１、１０１、２０１、３０１）であって、
−該構造体（１１、１０１、２０１、３０１）にガスを取り入れる領域（２１）及び該構造体からガスを排出する領域（２３）の間を該構造体の長手方向軸線（Ｘ−Ｘ’）と実質的に平行に延長する少なくとも第１及び第２の濾過手段（１５Ａ、１５Ｂ）と、
−前記手段（１５Ａ、１５Ｂ）を接続する継手（１７）とを備える型式のものにおいて、
該継手（１７）は、セラミックセメントを基礎原料として作られ、該継手（１７）の上流部分（４１、１０３）の前記濾過構造体の軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量より大きい前記軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量を有する下流部分（４３、１０７）を少なくとも備え、
該継手（１７）の該下流部分（１０７）は、該継手（１７）の該上流部分（１０３）の密度より大きい密度を有することを特徴とする、構造体。
内燃機関の排気ガスの濾過構造体（１１、１０１、２０１、３０１）であって、
−該構造体（１１、１０１、２０１、３０１）にガスを取り入れる領域（２１）及び該構造体からガスを排出する領域（２３）の間を該構造体の長手方向軸線（Ｘ−Ｘ’）と実質的に平行に延長する少なくとも第１及び第２の濾過手段（１５Ａ、１５Ｂ）と、
−前記手段（１５Ａ、１５Ｂ）を接続する継手（１７）とを備える型式のものにおいて、
該継手（１７）は、セラミックセメントを基礎原料として作られ、該継手（１７）の上流部分（４１、１０３）の前記濾過構造体の軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量より大きい前記軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量を有する下流部分（４３、１０７）を少なくとも備え、
該継手（１７）の該下流部分（１０７）は、該継手（１７）の該上流部分（１０３）の気孔率より低い気孔率を有することを特徴とする、構造体。
請求項１乃至３の何れかに記載の構造体（１１、２０１、３０１）において、該継手（１７）は、該取入領域（２１）及び該排出領域（２３）の間を該継手（１７）に沿って実質的に連続的に増加する前記軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量を有することを特徴とする、構造体。
請求項１乃至３の何れかに記載の構造体（１０１）において、該継手（１７）は、各々が実質的に一定の単位長さ当りの熱的質量を有する複数の部分（１０３、１０５、１０７）を前記長手方向軸線（Ｘ−Ｘ’）に沿って有することを特徴とする、構造体。
請求項１乃至３のいずれかに記載の構造体（１０１）において、該第１及び第２の濾過手段（１５Ａ、１５Ｂ）の少なくとも一方は、この濾過手段（１５Ａ、１５Ｂ）の上流領域（１１３）の前記軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量より大きい該軸方向Ｘ−Ｘ´の単位長さ当りの熱的質量を有する少なくとも１つの下流領域（１１１）を備えることを特徴とする、構造体。
請求項１乃至３のいずれかに記載の構造体（２０１）において、該構造体（２０１）は、該構造体の中心領域（２０３）の単位体積当りの熱的質量より小さい単位体積当りの熱的質量を有する周辺領域（２０５）を有することを特徴とする、構造体。
自動車用排気管路（１３）であって、請求項１乃至７のいずれかに記載の構造体（１１、１０１、２０１、３０１）を備えることを特徴とする、排気管路