JP6251188B2

JP6251188B2 - 非対称の経路を有する排ガス微粒子のためのセラミックフィルタ

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Publication number: JP6251188B2
Application number: JP2014553428A
Authority: JP
Inventors: ジェレミー・パット
Original assignee: ダウグローバルテクノロジーズエルエルシー
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-01-18
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Description

本発明は、一般にはウォールフロー型ハニカム状フィルタに関する。詳細には、本フィルタは、フィルタの総容積を増大すること無く、過度の煤煙または灰充填に起因する圧力低下の低減を実現するために改善されたハニカム状フィルタにおける経路の構造に関する。

ディーゼルエンジンは、それらの排気流において粒子状物質および典型的な有毒エンジン排ガスを排出し、それらの一部は未燃焼の粒子状物質、例えば灰および煤煙である。排出された粒子状物質は、環境および人間に有害であり、したがって排出が認められる粒子状物質の量を抑制する規制が制定されている。典型的なエンジンは、排気が環境規制に従うように、排気流から粒子状物質を除去するためのろ過装置を含む排気システムを有する。加えて、最近の燃費基準を満たすために、自動車メーカーは、燃料消費を低減しなければならず、その結果として自動車の重量の全体的な減少が必要である。したがって、技術者は、ろ過装置を含めた自動車システムの重量およびサイズを減少することを目指している。これらの課題を満足させるために、ディーゼル排気微粒子フィルタの様々なシステムが提案されてきた。

典型的には、フィルタがウォールフロー型フィルタであるディーゼル排気微粒子フィルタは、多孔質セラミックで作られている。ウォールフロー型フィルタは、典型的には、相互接続する薄い多孔質壁が、互いに平行に相互配置された流路を画定する、薄い多孔質壁のあるセラミックのハニカム構造を有する。経路は、構造を通って長手方向に伸び、２つの反対の開放端面を画定する。壁に垂直な方向において、ディーゼル排気微粒子フィルタは一般には、経路の格子の一貫した断面マトリクス状の配列を実証する。吸気口および排気口経路の断面積が等しい場合、例えば図１に例示されるように、通常は対称な断面マトリクスという形で表される。それぞれの端面で、図１において例示的な型で描かれるように、碁盤のパターンにおける１個おきの経路の端部が、塞がれるかまたは密封される。パターンは、構造のそれぞれの経路が１つの端面だけで閉じられるように、両端面で反転している。

排気物質などは、排気物質が塞がれたまたは密封された経路の端部を通り抜けることができないように、下文で「吸気口」経路と呼ばれる、フィルタ構造の「吸気口」端面を通ってウォールフロー型ハニカム状フィルタへ導かれる。フィルタ構造の吸気口側で塞がれた／密封された経路は、下文で「排気口」経路と呼ばれる「排気口」経路である。排気流は、吸気口面端部から、吸気口経路を通って流れ、浄化された排気が、反対の端部である、排気口端面から、排気口経路を通って放出される。一般には、吸気口経路は、通常は排気口経路である隣接している経路と薄い多孔質壁を共有し、隣接している吸気口経路と排気口経路との間に共同で共有されるそれらの壁を通してろ過作用が発生する。捕捉された煤煙は、吸気口経路の内側および／または薄い多孔質壁の細孔内部を画定している表面上に集められる。

吸気口経路の壁上に堆積した捕捉された煤煙の量が増加するにつれて、蓄積物の厚さが気体流に干渉するので、現在の課題の１つが生じる。堆積した煤煙の存在が、フィルタ全体に渡る圧力低下の増加およびエンジンに対する背圧の増加を引き起こし、出力を減少してエンジンの燃料消費を増加する。背圧または圧力低下がその最大予定値を超える場合、フィルタの再生または交換が必要とされる。別の課題は、環境規制に適合するために、自動車の重量を増加するおよび／またはより場所を取る、より効果的なまたはより大きなフィルタが必要とされ、したがって、より軽量な自動車の製造に好都合な燃費規制に適合することを難しくすることである。したがって、両方の必須要件を満足する解を見つける必要がある。

現在、望ましい流速を維持し、より大きい煤煙貯蔵容量を提供するフィルタを提供することなど、これらの問題の一部に対処するための試みが行われている。例えば米国特許第４，２７６，０７１号、米国特許出願公開第２００５／０，０１６，１４１号および第２００５／００７６６２７号のフィルタは、種々の対称および非対称の断面マトリクス配列によってより大きいフィルタ表面積を有する。米国特許第４，４１７，９０８号および第４，４２０，３１６号は、異なる閉塞パターンを採用することにより吸気口経路のより大きいフィルタ表面積を提供する。米国特許第４，６４３，７４９号および第７，２４７，１８４号は、壁厚の変化によって改善された吸気口経路を通る流速を有するフィルタ構造を開示している。

燃料効率への不利益を最小化しながら十分なろ過効率を提供する微粒子のウォールフロー型ハニカム状フィルタの必要性はなお存在する。エンジンへの背圧が増加することによって燃料効率が減少するフィルタは、再生のために余分な燃料を必要とし、追加的な質量およびサイズを車両に加える。自動車メーカーは、競合するパッキングサイズおよび重量を最小化するという要求とバランスを取りながら、圧力低下および再生頻度を最小化することを望んでいる。異なるエンジン技術および負荷サイクルは煤煙および灰の堆積の速度ならびにろ過する必要がある排ガスの流速に影響を与えるので、それぞれの有用性は固有である。具体的には、より多い煤煙および灰充填において圧力低下の程度がより小さいウォールフロー型フィルタに対する需要がある。自動車メーカーは、選択されたパッキングサイズおよび選択された最大許容圧力低下のためにより長い再生頻度を提供するようにフィルタ配列が選択され得る、微粒子ウォールフロー型フィルタデザインを切望している。さらには、アナログな方法でハニカム配列を調整することができ、フィルタの特有配列が所与のフィルタサイズのために圧力低下性能と再生頻度との間の連続的な関係を最適化するように選択され得る、ウォールフロー型フィルタを提供することはさらにより望ましいであろう。

可能な一実施形態には、全ての内部壁は吸気口経路と排気口経路との間に配置され、内部壁は吸気口経路の断面の外周および排気口経路の断面の外周を画定し、吸気口経路の断面の外周は多角形の形状および吸気口経路外周長を有し、それぞれの排気口経路の断面の外周は多角形の形状および排気外周長を有し、排気口経路は２つの対向する鋭角を形成する２対の内部壁を有し、排気口経路の断面の外周によって画定される排気口経路の断面積に対する吸気口経路の断面の外周によって画定される吸気口経路の断面積の比が１．０より大きい、複数の吸気口経路および複数の排気口経路を画定している複数の内部壁を含むハニカム状フィルタが含まれる。一実施形態において、吸気口経路の外周長は、排気口経路の外周長に等しい。

一実施形態において、吸気口経路の断面の外周は、長さが等しい４つの辺、および約９０度に等しい４つの角を有する。好ましくは、排気口経路の断面の外周の鋭角は、９０度より小さくかつ約５０度より大きい。別の実施形態において、本発明のハニカム状フィルタには、全ての内部壁厚が本質的に実質的に均一でありかつ実質的に等しいフィルタが含まれる。

別の実施形態において、ハニカム状フィルタは、吸気口経路の全ての内部壁が隣接している排気口経路と共同で共有され、排気口経路の断面積に対する吸気口経路の断面積の比が約２．０より小さいように配置された、吸気口経路および排気口経路を有する。本発明の別の可能な実施形態には、排気口経路の表面積に対する吸気口経路の表面積の比が約１．０である、ハニカム状フィルタが含まれる。別の可能な実施形態には、吸気口経路の内部壁の長さおよび排気口経路の内部壁の長さが本質的に１つの端面から別の端面への長手方向において同寸法である、ハニカム状フィルタが含まれる。本明細書に述べるハニカム状フィルタの利点は、煤煙貯蔵容量を犠牲にすることなくサイズ（すなわち長さ、直径、断面積、またはそれらの組み合わせ）を縮小し得ることである。

別の実施形態において、本発明には、吸気口経路の容積は吸気口経路の断面積に吸気口経路の内部壁の長手方向の長さを乗じたものとして定義され、排気口経路の容積は排気口経路の断面積に排気口経路の内部壁の長手方向の長さを乗じたものとして定義され、フィルタの相対的な総容積は、（Ｖ）が全ての吸気口経路の容積および全ての排気口経路の容積の和によって定義される総容積であり、（Ｖ_ｍａｘ）が全ての吸気口経路の容積および全ての排気口経路の最大容積の和の最大値を有する、ＶとＶ_ｍａｘとの比として定義され、かつ比は１．０より小さい、ハニカム状フィルタが含まれる。

本明細書に説明されるような本発明は、任意の燃焼機関において用いられ得る。本発明は、非対称の断面マトリクス配列を利用することにより、排気口経路に対する吸気口経路の断面積の比が１より大きいこととなる、最適なエンジン性能のためのフィルタ設計に適応させることを可能にする。比が１より大きい場合、望ましい流速および小さい圧力低下を長時間維持することが可能になる。本発明は、全体的なフィルタ容積の増加を必要とせずかつフィルタ煤煙貯蔵容量の減少を伴わず１より大きい比を提供する。さらには、本発明は、比の増加と同時に全体のフィルタ容積を減少することを可能にする、または、言い換えれば、所与の煤煙貯蔵容量としてはより小さいフィルタ容積を提供する。加えて、本発明は、１より大きい比の値を有しながら、等しい吸気口経路表面積と排気口経路表面積を維持する。これらの利点は、本発明の全ての実施形態において両方の経路が同じ外周長を有する、吸気口および排気口経路の断面積の特有の配列を有することにより達成される。本発明は、配列または他の考慮事項によって制限されず、それによって様々なエンジンの特有のニーズによりよく対処し、大きい煤煙容量と小さい圧力低下の要件との間の最適バランスの微調整を可能にする比の値の選択において連続的変化を提供する。具体的には、本発明は、ディーゼルエンジンにおいて用いられてよく、清掃可能であり得る。微粒子フィルタシステムは、据置型または移動型用途のための任意の燃焼機関に組み込んでまたは取り付けてよい。例えば、微粒子フィルタシステムは、乗用車、トラック、船舶、重機、発電機、または化石燃料を使用して発電する任意の他のモーターに組み込んでよい。

対称配列のウォールフロー型フィルタにおける例示的なハニカム経路構造を示す概略斜視図を図示する。ウォールフロー型フィルタの実施形態の１つの、例示的な概略部分斜視図を図示する。図２の概略部分断面図の例示的な構成図を図示する。図３の拡大された切り取り図を図示する。ウォールフロー型フィルタのマトリクス配列の１つの可能な構成を示す例示的な概略断面図を図示する。ウォールフロー型フィルタのマトリクス配列の別の可能な構成を示す例示的な概略断面図を図示する。鋭角の異なる値に対応する、排気口経路の断面積に対する吸気口経路の断面積の比の計算の結果を図示する（数値結果は、表１に概説する）。鋭角の異なる値に対応する、相対フィルタ容積の値の計算の結果を図示する（数値結果は、表１に概説する）。

本明細書に提示される説明および図は、当業者に本発明、その原理、およびその実際の用途を知らせることを意図するものである。当業者は、特定の使用の要件に最も適し得るように、その多数の形態において本発明を適応および応用してもよい。記載の本発明の特有の実施形態は、包括的であることまたは本発明を限定するものであることは意図されない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲が権利を付与される範囲と同等の全範囲と共に、かかる特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。特許出願および公開を含め、全ての論文および参照の開示は、全ての目的のために参照により組み込まれる。

本発明は、全体的なフィルタ容積の増加を必要とすることなくかつ動作時の平均圧力低下を増加することなく改善された煤煙および灰貯蔵容量ならびに等しい吸気口および排気口経路表面積を有する、ディーゼル排気微粒子フィルタとして有用な、改善されたセラミックのウォールフロー型ハニカム状フィルタを提供することを前提とする。本発明のハニカム状フィルタにおいて、吸気口経路の有効流量範囲は、排気口経路の有効流量範囲より大きく、したがって、より多い煤煙および灰充填においても、圧力低下のさらなる低減を実現する。これは、図５および６に例証されるように、吸気口および排気口経路の非対称の断面マトリクス配列において表される。本発明の提案される全ての配列は、ほぼ１００％の壁領域を貫流フィルタ表面として用いることおよび吸気口および排気口経路の等しい表面積を提供することなどの一般的な利点を保持する。同時に、本発明は、煤煙貯蔵容量または平均圧力低下に影響を及ぼすこと無くフィルタの全体的な容積の減少も可能にする。

ウォールフロー型フィルタは、ウォールフロー型フィルタとして利用され得るような、究極的に望ましいセラミックの本体の形状およびサイズを有し得る。ウォールフロー型フィルタは、２つの反対の端面に平行な全ての面に一貫する断面形状を呈する。断面形状は、意図される使用法に適し、不規則な形状あるいは円形、楕円形または多角形などの任意の知られた形状であり得る、任意の形状であってよい。ウォールフロー型フィルタまたはそのセグメントは、２つの反対の端面の間を長手方向に伸び相互に平行にフィルタの本体を通り抜ける複数の経路を画定する、複数の内部の薄い多孔質の交差している壁によって形成されるハニカム構造を含む。それぞれの端面で、図１に示されるように、碁盤のパターンにおいて１個おきの経路の端部が、塞がれるかまたは密封されていてよい。パターンは、構造のそれぞれの経路が一方の端面だけで閉じられるように、両端面で反転している。経路の端部は、任意の充填剤材料でかつ薄壁の材料およびフィルタの運用と適合する任意の方法で封鎖、密封または閉塞されていてよい。栓は、ハニカムと同一または異なるセラミックであってもよく、単に経路を遮断するために一緒に挟まれたハニカムの隔壁であってもよい。

ウォールフロー型フィルタは、吸気口端面および排気口端面を含んでいてよい。ウォールフロー型フィルタの内側で内部の薄い多孔質壁は、例えば排気物質などの流体が、吸気口端面を通って取り込まれ、吸気口経路を通って流れ、排気に含有される粒子状物質の少なくとも一部分を伴わず、排気口経路を通って、排気口端面から放出されることを可能にする。吸気口経路は、流体が閉塞された吸気口経路の端部を通り抜けることができないように、フィルタ構造の排気口端面において閉塞／密封される。経路の数は限定されない。好ましくは、吸気口経路の数は、フィルタにおける排気口経路の数と実質的に等しくなるように設定され得る。排気口経路は、フィルタ構造の反対の側面、例えば吸気口端面で閉塞／密封される。したがって、流体は、微粒子フィルタとしての機能を果たす薄い多孔質壁を通り抜ける。フィルタ煤煙貯蔵容量は、まだ許容可能な最大背圧を提供している間にフィルタが保持できる粒子状物質の量である。吸気口および排気口経路は、長さを含んでいてよい。経路の長さは、一般にはフィルタの長手方向において反対の端面間の距離である。吸気口および排気口経路は、フィルタ全体に渡って実質的に同じ長さを有していてもよい。ウォールフロー型フィルタは、特に限定されないセル密度を有していてよい。

内部薄壁は、多孔質である。内部壁の多孔率は、不定であってよい。多孔率は、流体に含有される粒子状物質の十分なろ過が達成され、かつフィルタの構造的完全性は妥協しないようなものであってよい。多孔率は、流体、例えばディーゼル排気からの、粒子状物質の十分なろ過が達成されるようなものであってよい。内部の薄い多孔質壁は、厚さを有していてよい。内部の薄い多孔質壁の厚さは、特に限定されない。内部壁の厚さは、好ましくは約１．０ｍｍより小さくてよく、より好ましくは約０．５ｍｍより小さくてよい。内部壁の厚さは、好ましくは約０．１ｍｍより大きくてよく、さらにより好ましくは０．１５ｍｍより大きくてよい。好ましくは、内部の薄い多孔質壁の厚さは、フィルタ全体にわたって実質的に均一であってよく、壁厚は好ましくは、約２０パーセント以下の標準偏差を示す。内部の薄い多孔質壁の領域は、吸気口および排気口経路の内表面を画定していてもよい。内部の薄い多孔質壁は、隅角部を形成していてもよい。隅角部は、平縁または面取りした面を含んでいてもよい。平縁は、半径を有していてもよい。平縁の半径は、壁の厚さがフィルタ全体にわたって均一であり得るように決めてよい。一般には、図３において例証されるように、それぞれの吸気口経路は４つの隣接する吸気口経路を有していてよく、それぞれの排気口経路は４つの隣接する排気口経路を有していてよい。全ての実施形態において、任意の２つの隣接する吸気口経路間の接点間の隅角部の厚さは、任意の２つの隣接する排気口経路間の接点間の隅角部の厚さに実質的に等しくてよい。好ましくは、任意の２つの隣接する吸気口経路の多角形断面の隅角部は、これらの経路間の接点のみである。好ましくは、任意の２つの隣接する排気口経路の多角形断面の隅角部は、これらの経路間の接点のみである。好ましくは、全ての吸気口経路は、任意の２つの隣接する吸気口経路と任意の２つの隣接する排気口経路との接点を除いて、排気口経路と共同で壁を共有していてもよい。任意の２つの隣接する吸気口経路と任意の２つの隣接する排気口経路との接点は、隅角部であり得る。全ての実施形態において、全ての吸気口経路は、接点を除いて排気口経路と共同で壁を共有していてもよい。好ましくは、全ての実施形態において、壁領域の全ての非接触部分は、ろ過プロセスのために有効であり得る。ウォールフロー型フィルタにおいて流体流は、吸気口経路を通って取り込まれ、流されて排気口経路を通り、内部の薄い多孔質壁を通り抜け、壁上または内部に粒子状物質を残す。一般には、ろ過作用は主として、隣接している吸気口経路と排気口経路との間の共同で共有される薄壁を通して生じる。それ故、一般には、内部壁は、一部の薄い多孔質の吸気口経路が他の吸気口経路と共有された壁を有するフィルタと比較すると、壁の最大量が吸気口経路と排気口経路との間で共有される場合に、より効果的に利用され得る。したがって、上述の本発明の全ての実施形態は、壁表面の最大活用を可能にすることにより、高いフィルタ効率を容易にする。

ウォールフロー型フィルタは、壁に直交する方向において断面の外周を形成し得る吸気口および排気口経路を含んでいてもよい。好ましくは、吸気口経路領域の外周の長さは、排気口経路領域の外周の長さと等しくて良い。したがって、排気口経路領域の外周の長さに対する吸気口経路領域の外周の長さの比は、約１．０に等しくて良い。吸気口経路の断面の外周は、所定の形状を有していてよい。排気口経路の断面の外周は、所定の形状を有していてよい。吸気および排気口端面の断面の外周は、吸気口および排気口経路の断面の外周形状の繰り返しによって構成される所定のマトリクス状の配列を示していてよい。所定のマトリクス状の配列は、フィルタ全体に渡って一貫していてよい。吸気口経路の断面の外周の形状は、排気口経路の断面の外周の形状と異なっていてよい。好ましくは、吸気口および排気口経路領域の断面配列は、多角形形状を有していてもよい。好ましくは、多角形形状は、四角形である。好ましくは、吸気口経路の多角形形状は、排気口経路の多角形形状と異なっていてよい。多角形形状は、隅角部を有していてよい。

吸気口経路の断面の外周の多角形形状は、４つの辺および４つの角を含んでいてもよい。より好ましくは、吸気口経路の断面の外周の多角形の４つの角は、同じサイズおよび度数であり得る。より好ましくは、吸気口経路の断面の外周の多角形の４つのそれぞれの角は、約９０度であってよい。好ましくは、吸気口経路の断面の外周の多角形の対辺は、長さが等しくてよい。対辺は、平行であってよい。好ましくは、吸気口経路の断面の外周の多角形形状は、矩形であってよい。より好ましくは、吸気口経路の断面の外周の多角形形状は、正方形であってよい。一般には、フィルタ全体に渡って、実質的に全ての吸気口経路は、上述の均一な多角形形状を有する。

排気口経路の断面の外周の多角形形状は、４つの辺および４つの角を有していてもよい。より好ましくは、排気口経路の断面の外周の多角形の２つの対角は、同じサイズおよび度数であってよく、それぞれが９０度より大きくてよく、他の２つの対角は、同じサイズおよび度数であってよく、それぞれが９０度より小さくてよい。９０度より小さい角は、下文では「鋭角」と呼ばれる。より好ましくは、上述の鋭角は、約３０度以上、４０度以上、約５０度以上、または約６０度以上である。好ましくは、鋭角は、９０度より小さく、または約８５度以下であり、および約８０度以下である。好ましくは、吸気口および排気口経路の外周の長さは、鋭角の度数と無関係であってよい。好ましくは、排気口経路の断面の外周の多角形の対辺は、長さが等しくてよい。排気口経路の断面の外周の多角形の対辺は、互いに平行であってよい。より好ましくは、排気口経路の断面の外周の多角形形状は、平行四辺形であってよい。より好ましくは、排気口経路の断面の外周の多角形形状は、菱形であってよい。

吸気口および排気口経路は、それらの対応する断面の外周によって画定される断面積を有していてよい。吸気口および排気口経路の断面積は、排気口経路領域に対する吸気口経路領域の断面積の比を規定していてもよい。吸気口経路の断面積は、鋭角の度数と無関係であってよい。排気口経路の断面積は、鋭角の度数に依存していてよい。排気口経路の断面積に対する吸気口経路の断面積の比は、好ましくは約１．０より大きくてよく、より好ましくは、約２．０以下、さらにより好ましくは約１．６以下、さらにより好ましくは約１．４以下、最も好ましくは約１．２以下であってよい。これらの比の値は、より長時間の煤煙および灰充填時の圧力低下をより低くさせる、吸気口経路のより大きい有効流量範囲をもたらす。圧力低下は、流体圧力の上流と下流との間の差であり、差はフィルタおよびその上の微粒子の存在によって生じる。流速は、その上に集められた微粒子があるフィルタを通り抜ける流体の時間当たりの体積である。したがって、流速は、集められた微粒子の量によって大きく影響を受ける。吸気口経路の領域が排気口経路の領域より大きいフィルタ構造は、以下の利点を提供する：煤煙および灰集積時のより長い時間、より小さい圧力低下を提供しながら望ましい流速を維持する。

吸気口および排気口経路は、内部表面積を含んでいてよい。吸気口／排気口経路の表面積は、吸気口／排気口経路の断面の外周と吸気口／排気口経路の長さとの積として定義され得る。フィルタ全体に渡って吸気口経路の表面積は、排気口経路の表面積と等しくてよい。全ての実施形態において吸気口および排気口経路の表面積は、鋭角の度数と無関係であってよい。本構成は、最大許容可能圧力低下をまだ提供しながらフィルタが保持できる煤煙の量である、十分に大きい煤煙貯蔵容量を維持する利点を有する。ウォールフロー型フィルタにおいて実質的に全ての煤煙は、吸気口経路の内側を画定する壁の上または内部に堆積する。ウォールフロー型フィルタは典型的には、サイクルの初めには吸気口経路のフィルタ細孔内に微粒子が捕捉され、より長い時間においては微粒子が「ケーク」を形成しその上に微粒子が捕集される、２つの基本方式で粒子を捕集する。最終的には、「ケーク」蓄積物は、吸気口経路の有効流量範囲を減少することにより吸気口経路を通る気体流に干渉する厚さに達する。フィルタ全体に渡る圧力低下は、フィルタおよびその上に堆積した煤煙の存在により生じる気体圧力の上流と下流との間の差であり、流速にも依存する。吸気口および排気口経路の等しい表面積を提供する吸気口および排気口経路の等しい外周は、フィルタの煤煙貯蔵容量が十分に大きいため、より長いフィルタ稼働時間も可能にする。吸気口および排気口経路の同表面積の維持の別の利点は、より低い背圧、すなわち下流圧力および圧力低下に依存する上流の気圧を提供することである。吸気口経路の表面上により多くの煤煙が堆積するほど、背圧がより増加し、燃焼機関の燃料消費を増加する。背圧が予定値を超える場合、フィルタの再生または交換が必要とされる。

ウォールフロー型フィルタは、総容積を含んでいてよい。総容積は、吸気口経路の容積および排気口経路の容積を含み、Ｖで示される。排気口経路の容積の変化は、排気口経路の断面の外周の鋭角の値の変化に関係し得る。排気口経路の容積は、最大値を有していてもよい。排気口経路の容積は、排気口断面の外周の全ての角度が約９０度の場合に最大値を有し得る。ウォールフロー型フィルタは、総容積の最大値を有していてもよい。フィルタの総容積の最大値は、吸気口経路の容積および排気口経路の容積の最大値の和である。ウォールフロー型フィルタの総容積の最大値は、Ｖ_ｍａｘで示される。ウォールフロー型フィルタは、相対総容積を含んでいてもよい。ウォールフロー型フィルタの相対総容積は、吸気口および排気口経路容積の和の最大値（Ｖ_ｍａｘ）に対する吸気口および排気口経路容積の和（Ｖ）の比である。ウォールフロー型フィルタの相対総容積は、排気口経路の断面の外周の鋭角の値に関係し得る。例えば、排気口経路の鋭角の大きさが減少するにつれて、排気口経路の容積は減少し、その結果として、フィルタの総容積（Ｖ）も同様に減少する。故に、フィルタ相対総容積、Ｖ／Ｖ_ｍａｘも同様に減少する。好ましくは、相対総フィルタ容積は、１．０未満であってよく、約０．９５以下、より好ましくは約０．９０以下であってよい。したがって、全ての実施形態において、吸気口および排気口経路の表面積は鋭角の度数と無関係であり得るので、本フィルタ構造は、所与の煤煙貯蔵容量のためにより小さいフィルタ容積を提供し得る。フィルタ構造は、全体的なフィルタ容積を減少し同じ大きさのフィルタ貯蔵容量を維持しながら、改善された圧力低下性能、例えば約１．０より大きい断面比を提供し得る。さらには、ウォールフロー型フィルタのサイズの縮小は、ディーゼル排気微粒子フィルタの煤煙貯蔵容量を減少せず、排気システムの効率を低下せず、排気システムのシステムコストを削減し、より小さいパッケージング空間、またはそれらの組み合わせを提供する、他の排出構成要素の包含のためのより多くの空間を排気システム内に提供し得る。

本教示は、吸気口経路のより大きい有効流量範囲を提供することならびに煤煙および灰貯蔵容量を増加することによりウォールフロー型フィルタの圧力低下性能を改善または維持する。さらには、ウォールフロー型フィルタは、鋭角が上述の範囲内の任意の角度の大きさを有し得るように、容易に形成され得る。故に、排気口経路の鋭角の大きさは、わずかに変更されてもよく、望ましいなだらかな断面比の変化を生じ、したがってある程度の差で流速に影響を及ぼす。したがって、比の値の選択における連続的変化は、様々なエンジンの特定のニーズに合わせて調整され得る圧力低下性能の選択における連続的変化に対応する。排気口経路の鋭角の大きさにおける小さな変更は、上述のような、相対フィルタ容積においても同様に望ましいなだらかな変化を生じ得る。排気口経路の鋭角の大きさは、配列または他の考慮事項によって制限されず、小さい圧力低下、再生頻度、およびより軽い自動車重量の要件の間の最適バランスの微調整を可能にする。一般には、本発明は、フィルタの貯蔵容量を増加する、フィルタの容積を小型化する、フィルタ再生の間の期間を延長する、またはそれらの組み合わせのために用いられ得る。セラミック部品は、ディーゼル排気微粒子フィルタおよび流路触媒分岐（触媒コンバータ）を有することが有用である任意の用途において用いられ得る。

鋭角の値の範囲（Φ）についての計算結果の概要を表１に示す。

ウォールフロー型ハニカム状フィルタは、最も一般的なのはセラミック微粒子および押出成形添加剤（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｄｄｉｔｉｖｅ）、界面活性剤、有機結合剤ならびに塊プラスチックを作り微粒子を結合するための液体からなるセラミックプラスチック塊の押出成形である、当技術分野において知られている物などの、任意の適したプロセスによって形成され得る。押し出されたハニカム構造は、この時典型的にはキャリア液を乾燥させた物であり、有機添加剤、例えば潤滑剤、結合剤、ポロゲンおよび界面活性剤は、加熱することにより除去される。さらなる加熱は、セラミック微粒子を合わせて融合または焼結させるか、または新しい微粒子を作り出しその後に融合させる。ムライトの場合は、ＳｉＦ_４中でセラミック体が加熱されてムライトを形成する。こうした方法は、次の米国特許第４，３２９，１６２号、第４，７４１，７９２号、第４，００１，０２８号、第４，１６２，２８５号、第３，８９９，３２６号、第４，７８６，５４２号、第４，８３７，９４３号および第５，５３８，６８１号は単に一部の代表例である、非常に多くの米国特許および公開論文に記載されており、全て参照により本書に組み込まれる。

ウォールフロー型フィルタのハニカム構造のセグメントは、米国特許第４，３０４，５８５号、第４，３３５，７８３号、第４，６４２，２１０号、第４，９５３，６２７号、第５，９１４，１８７号、第６，６６９，７５１号および第７，１１２，２３３号、欧州特許第１５０８３５５号、第１５０８３５６号、第１５１６６５９号、ならびに日本国特許公開第６−４７６２０号に記述されているものが例である、セラミック熱交換器、触媒およびフィルタ技術において良く知られている物などの任意の有用な量、サイズ、配置、および形状であってよい。壁の厚さは、前述および米国特許第４３２９１６２号に記載されている物などの任意の有用な厚さであってよい。ウォールフロー型フィルタ本体は、輪郭が円形、楕円または四角形であり得る滑らかな外表面または外皮も備えるが、本発明は、いかなる特定の外皮輪郭にも限定されない。

ウォールフロー型フィルタは、排気システムを出る排気が環境基準に適合するように、排気流からの煤煙を除去する指定された用途に適した任意のサイズであってよい。ウォールフロー型フィルタのサイズは、エンジンのサイズおよび決められた動作条件に依存して変わり得る。ウォールフロー型フィルタは、直径を有していてよい。ウォールフロー型フィルタの長さは、微粒子フィルタの直径に基づいて変わり得る。例えば、より長いウォールフロー型フィルタはより小さい直径を有し、より短い微粒子フィルタはより長い直径を有し、またはそれらの組み合わせを有し得る。ウォールフロー型フィルタは、端面を有していてよい。端面面積は、約１５００ｃｍ^２以下、約１２００ｃｍ^２以下、または約１０００ｃｍ^２以下であってよい。端面面積は、約３００ｃｍ^２以上、約４００ｃｍ^２以上、または約５００ｃｍ^２以上であってよい。フィルタは、リットルで容積を有していてよい。フィルタの容積は、フィルタが排気流から汚染物質を適切に除去できるように十分大きくてよい。エンジンサイズに対するフィルタサイズの比は、排気流から汚染物質を適切に除去する任意の比であってよい。

ウォールフロー型フィルタは、能動的再生サイクルまたは受動的再生サイクルによって再生されてよい。能動的再生サイクルは、煤煙が二酸化炭素、一酸化炭素、または両方に変換されるように、燃料（例えばディーゼル燃料）が排気システムに注入され、燃料が点火して微粒子フィルタ内の煤煙を加熱する場合に生じる。受動的システムは、ディーゼルエンジンの稼働プロセス中に連続的に生じる。例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）が微粒子フィルタに入る時、ディーゼル排気微粒子フィルタ内の煤煙がＮＯ_２によって酸化し、煤煙（例えば炭素）を二酸化炭素、一酸化炭素、または両方に変換する。

図１は、対称的な断面図の吸気口端面１０２（図示せず）および排気口端面１０４、ならびに厚さ１０７を有する多孔質壁１０６のアレイを有する、従来型のハニカムウォールフロー型フィルタ構造１００を図示する。吸気口経路１０８は、排気口端面１０４で閉塞され、排気口経路１１０は、吸気口端面１０２（図示せず）で閉塞される。経路は、吸気口端面１０２（図示せず）と排気口端面１０４との間で長手方向に伸び、本図においては碁盤のパターンを有する対称な断面マトリクス状の配列を画定する。

図２は、本発明の一実施形態によるウォールフロー型フィルタの本体内部で取られた概略部分斜視図２００の例示的な絵を図示する。フィルタの構造の断片２００は、端面２１２（図示せず）と端面２１６との間に互いに平行に伸び、複数の吸気口経路２２０、および複数の排気口経路２２４を画定する、複数の壁２１０を含む。図１に示される従来型のハニカム対称型フィルタ構造と対照的に、図２は、異なる多角形形状、正方形および菱形の、吸気口経路２２０および排気口経路２２４の断面の外周を示す非対称のマトリクス状の配列の例を図示する。

図３は、図２の概略部分断面図の例示的な構成図を図示する。図は、異なる多角形形状、正方形および菱形の、吸気口経路２２０および排気口経路２２４の断面の外周を示す非対称のマトリクス配列の例を描く、栓の無い端面２１２（図示せず）の端面図を図示する。影付き部分２２８および２３０は、対応して４つの隣接する吸気口および排気口経路を有する吸気口および排気口経路を示す。それぞれの排気口経路２２４は、４つの吸気口経路２２０と共通壁を共有し、４つの排気口経路２２４と共通隅角部を共有する。それぞれの吸気口経路２２０は、４つの排気口経路２２４と共通壁を共有し、４つの吸気口経路２２０と共通隅角部を共有する。図は、吸気口経路が、それらの接点２３２を除いて、排気口経路のみと共同で壁を共有し、吸気口および排気口経路両方の断面の外周の全ての側面は長さが等しい２３６であることを図示する。

図４は、吸気口経路断面積（ｉｎｌｅｔｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌｃｈａｎｎｅｌａｒｅａ）２０４、吸気口外周長２６０、排気口経路断面積２０６、排気口外周長２７０、および排気断面の外周の鋭角２８０を示す、拡大された図３の切り取り図２４０を図示する。

図５は、これらの実施形態の教示によるウォールフロー型フィルタのマトリクス配列の別の可能な構成を示す例示的な概略断面図を図示する。図は、例示的な目的のために鋭角２８０が約６０度である、フィルタ断片の例を示す。影付きの領域は、吸気口経路２０４の断面積を表し、影なしの領域は、排気口経路の断面積２０６を表す。

図６は、これらの実施形態の教示によるウォールフロー型フィルタのマトリクス配列の別の可能な構成を示す例示的な概略断面図を図示する。図は、例示的な目的のために鋭角２８０が約３０度である、フィルタ断片の例を示す。影付きの領域は、吸気口経路２０４の断面積を表し、影なしの領域は、排気口経路の断面積２０６を表す。

図７は、排気口経路の断面積に対する吸気口経路の断面積の比の計算の結果を図示し、鋭角の関数としてプロットされ、度数で表される。比の値は、表１に集約する。

図８は、相対総フィルタ容積の計算の結果を図示し、鋭角の関数としてプロットされ、度数で表される。比の値は、表１に集約する。図７に示されるように、鋭角は排気口経路に対する吸気口の断面積の正確な比を定めるために選択され得る。この無限の調節は、先行技術のいずれにおいても不可能である。これにより排気口経路領域に対する吸気口の任意の所望の比を選択することによって最適性能のためにフィルタ設計を調整することが可能になる。この比は、フィルタ圧力低下と同調して灰および煤煙貯蔵のためのフィルタ容量のバランスをとるために選択され得る。最適比は、それぞれの固有のＤＰＦ用途のために決定され選択され得る。図８に示されるように、相対総フィルタ容積は、鋭角の縮小につれて減少する。排気口経路容積は吸気口経路容積の変更を伴わず変わり得るので、煤煙貯蔵容量は、フィルタが小型化され得ても変わらないことは明白である。本発明は、先行技術においては不可能である利益の組み合わせ、具体的には、煤煙および灰貯蔵、フィルタ材料の最大活用（隣接している吸気口経路により共有される壁がない）、ならびにフィルタ内のそれぞれの吸気口および排気口経路について等しい外周を最適化するために、排気口経路領域に対する吸気口経路領域の比の設計において無限の調節を可能にする非対称の経路設計を有する。

本明細書で使用する場合、重量部は、具体的に言及される組成物の１００重量部を指す。本発明の例示的な実施形態が開示されている。当業者は、変更は本出願の教示の範囲に入ることを認識する。任意の低い値と任意の高い値との間に少なくとも２単位の乖離があるという条件で、上記出願に列挙されるいかなる数値も、低い値から高い値までの１単位の増分における全ての値を含む。列挙される最低値と最高値との間の全ての可能な数値の組み合わせは、本出願において明示的に定められると見なされる。特に明記しない限り、全ての範囲は、両端点および端点間の全ての数値を含む。範囲に関連して「約（ａｂｏｕｔ）」または「凡そ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」の使用は、範囲の両限界に適用される。故に、「約２０から３０」は、少なくとも指定の端点を含めて、「約２０から約３０」を対象とすることが意図される。組み合わせを記述する「本質的に〜からなる」と言う語には、特定される要素、成分、構成要素またはステップ、ならびに組み合わせの基本的および新規の特徴に実質的に影響を及ぼさないこうした他の要素、成分、構成要素またはステップが含まれなくてはならない。本明細書の要素、成分、構成要素またはステップの組み合わせを記述する「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」と言う語の使用も、本質的に要素、成分、構成要素またはステップからなる実施形態を予期する。複数の要素、成分、構成要素またはステップは、単一の統合された要素、成分、構成要素またはステップによって提供され得る。あるいは、単一の統合された要素、成分、構成要素またはステップは、分離した複数の要素、成分、構成要素またはステップに分けられてもよい。要素、成分、構成要素またはステップを記述する「１つ（ａ）」または「１つ（ｏｎｅ）」の開示は、追加的な要素、成分、構成要素またはステップを除外することは意図されない。

Claims

複数の吸気口経路および複数の排気口経路を画定する複数の内部壁であって、全ての前記内部壁が前記吸気口経路と前記排気口経路との間に配置され、前記内部壁が前記吸気口経路の断面の外周および前記排気口経路の断面の外周を画定する、複数の前記内部壁を含むハニカム状フィルタであって、
前記吸気口経路の前記断面の外周が多角形の形状を有し、前記断面の外周が吸気口外周長を有し、
前記吸気口経路の前記断面の外周は、長さが等しい４つの辺、および９０度に等しい４つの角を有し、
前記排気口経路のそれぞれの前記断面の外周が前記多角形の形状を有し、前記排気口経路の前記断面の外周は、長さが等しい４つの辺を有し、２対の内部壁が２つの対向する鋭角を形成し、前記排気口経路の前記断面の外周の前記鋭角は、５０度〜８５度であり、前記断面の外周が排気口外周長を有し、かつ前記排気口経路の前記断面の外周によって画定される前記排気口経路の断面積に対する前記吸気口経路の前記断面の外周によって画定される前記吸気口経路の前記断面積の比が１．０より大きく、
前記吸気口経路のそれぞれは、隣接する吸気口経路に接触する４つの共通隅角部を含み、前記排気口経路のそれぞれは、隣接する排気口経路に接触する４つの共通隅角部を含み、隣接する吸気口経路に接触する吸気口経路の前記共通隅角部の厚さは、隣接する排気口経路に接触する排気口経路の前記共通隅角部の厚さに等しく、
前記吸気口経路の表面積は、前記吸気口外周長に長手方向における前記吸気口経路の前記内部壁の長さを乗じたものとして定義され、
前記排気口経路の表面積は、前記排気口外周長に長手方向における前記排気口経路の前記内部壁の長さを乗じたものとして定義され、
前記排気口経路の前記表面積に対する前記吸気口経路の前記表面積の比は、１．０である、前記ハニカム状フィルタ。
複数の吸気口経路および複数の排気口経路を画定する複数の内部壁であって、全ての前記内部壁が前記吸気口経路と前記排気口経路との間に配置され、前記内部壁が前記吸気口経路の断面の外周および前記排気口経路の断面の外周を画定する、複数の前記内部壁を含むハニカム状フィルタであって、
前記吸気口経路の前記断面の外周が多角形の形状を有し、前記断面の外周が吸気口外周長を有し、
前記吸気口経路の前記断面の外周は、長さが等しい４つの辺、および９０度に等しい４つの角を有し、
前記排気口経路のそれぞれの前記断面の外周が前記多角形の形状を有し、前記排気口経路の前記断面の外周は、長さが等しい４つの辺を有し、２対の内部壁が２つの対向する鋭角を形成し、前記排気口経路の前記断面の外周の前記鋭角は、５０度〜８５度であり、前記断面の外周が排気口外周長を有し、かつ前記排気口経路の前記断面の外周によって画定される前記排気口経路の断面積に対する前記吸気口経路の前記断面の外周によって画定される前記吸気口経路の前記断面積の比が１．０より大きく、
前記吸気口経路のそれぞれは、隣接する吸気口経路に接触する４つの共通隅角部を含み、前記排気口経路のそれぞれは、隣接する排気口経路に接触する４つの共通隅角部を含み、隣接する吸気口経路に接触する吸気口経路の前記共通隅角部の厚さは、隣接する排気口経路に接触する排気口経路の前記共通隅角部の厚さに等しく、
前記吸気口外周長は前記排気口外周長に等しい、前記ハニカム状フィルタ。
排気口経路の前記断面積に対する前記吸気口経路の前記断面積の比は、２．０未満である、請求項１または２に記載のハニカム状フィルタ。
前記フィルタは０．９以下の比Ｖ／Ｖ_ｍａｘを有し、ここで、Ｖは前記排気口経路の前記断面の外周の前記鋭角が５０度〜８５度未満における全ての前記吸気口経路の容積および全ての前記排気口経路の容積の和によって定義される総容積であり、Ｖ_ｍａｘは前記排気口経路の前記断面の外周の前記鋭角が８５度における全ての前記吸気口経路の容積および全ての前記排気口経路の最大容積の和の最大値である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム状フィルタ。