JPH0633734A

JPH0633734A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JPH0633734A
Application number: JP4183912A
Authority: JP
Inventors: Koji Shimado; 幸二島戸; Kozo Takada; 孝三高田; Atsushi Ito; 淳伊藤; Teruo Komori; 照夫小森
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】内燃機関の排気側に連通するケーシングと、
該ケーシング内に配されたハニカム構造の多孔質セラミ
ック・フィルタ３と、からなる排気ガス浄化装置におい
て、該フィルタが、ガスの流れ方向に平行に伸びる多数
のガス通過孔５であって該孔のガスの流れ方向の一端が
交互に封止された孔を有する多孔質のセラミック焼結体
３ａと、該孔の壁面に積層された無機質の耐熱繊維層３
ｂと、からなることを特徴とする。【効果】本装置によれば、同一量のパ−ティキュレ−
トを捕集させるとすれば、セラミック・フィルタの圧損
が小さくて済むため、同一容量のフィルタにおいては、
濾過時間を長く採ることができて装置の利用効率を高め
られる。一方、同一圧損を基準にすると、該フィルタを
小型化でき、しかも耐熱繊維層が支持層としても機能す
ることから移動式の内燃機関、例えば、ディ−ゼル車両
への排ガス浄化装置の実装を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関から排出され
る排ガス中に含まれるパ−ティキュレ−トを除去するた
めの排気ガス浄化装置に関し、特に、ディーゼル車両に
実装するパ−ティキュレ−ト除去装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、例えばディーゼルエンジンか
ら排出される排ガス中に含まれるパ−ティキュレ−トを
除去するための装置としては、ガスの流れ方向に平行に
伸びる多数のガス通過孔であって、該孔のガスの流れ方
向の一端が交互に封止せしめられた孔を有するセラミッ
ク焼結体からなるハニカム状の多孔質セラミック・フィ
ルタに排気ガスを導入し、排気ガス中のパ−ティキュレ
−トを該フィルタにて捕集し排気ガスから分離するもの
が知られている。尚、フィルタ内に捕集されたパ−ティ
キュレ−トは、適当な熱源から供給される熱にて、燃焼
・除去される−以下、再生という−（従来技術の代表的
なものとしては、特開平３−１５６１６号がある）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このパ−ティキュレ−
トの捕集・分離はガス通過孔の壁面及び隣接する該孔の
間の壁部（以下、間壁という）にて行なわれるが、その
捕集割合は、パ−ティキュレ−トの粒度分布が一定だと
すると、フィルタの平均気孔径に左右され、平均気孔径
が小さいほど壁面での捕集割合が増大し、且つ、フィル
タ全体での捕集効率も上がる。逆に、平均気孔径を大き
くすると、間壁での捕集割合が増大するが、フィルタ全
体での捕集効率は低下する。

【０００４】従って、所定の捕集効率を得ようとすれば
平均気孔径を小さくしなければならないが、これはフィ
ルタの圧損を上昇させる結果をもたらすため、内燃機関
の許容圧力内で本装置を運転しようとすると、濾過継続
時間を短くせざるを得なくなる（再生頻度が高くな
る）。一方、内燃機関の許容圧力内で所定量のパ−ティ
キュレ−トを除去しようとすると、フィルタ容量を大き
くしなければならず、、車両への実装において不都合と
なる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決せんとしてなされたものであって、その目的は、内
燃機関の許容圧力内で所定量のパ−ティキュレ−トを除
去し得る小型の排気ガス浄化装置、換言すれば、単位フ
ィルタ容量・単位時間当たりの捕集量が多い排気ガス浄
化装置を提供することにある。

【０００６】すなわち、本発明は、内燃機関（Ｅ）の排
気側に連通するケーシング（２）と、該ケーシング内に
配されたハニカム構造の多孔質セラミック・フィルタ
（３）と、からなる排気ガス浄化装置において、該フィ
ルタが、ガスの流れ方向に平行に伸びる多数のガス通過
孔（５）であって、該孔のガスの流れ方向の一端が交互
に封止せしめられた孔を有する多孔質のセラミック焼結
体（３ａ）と、該孔の壁面（５ａ）に積層せしめられた
無機質の耐熱繊維層（３ｂ）と、からなることを特徴と
する。

【０００７】ここで、前記の耐熱繊維層を構成する繊維
材料としては、径が０．５〜５μｍ、長さが５０〜１０
００μｍのアルミナ・ファイバ、シリカ・ファイバ、ア
ルミナ・シリカ・ファイバ、ジルコニア・ファイバ、コ
−ジエライト・ファイバ、炭化珪素ファイバ等が使用で
きるが、耐熱性，コスト，入手のしやすさ（生産量）を
考慮するとアルミナ・ファイバ又はアルミナ・シリカ・
ファイバが好ましい。尚、耐熱繊維層の密度は、０．１
〜１．０ｇ／ｃｍ³ （０．１ｇ／ｃｍ³ 以下では、空隙
が多すぎて所定の濾過性能を得ることが難しくなり、
１．０ｇ／ｃｍ³以上では逆に空隙が少なすぎて圧損の
上昇が著しくなる）厚みは、０．１〜２ｍｍ（０．１ｍ
ｍ以下では、所定の濾過性能を得ることが難しくなり、
２ｍｍ以上では逆に圧損の上昇が著しくなる）の範囲と
なるよう適宜設定する。

【０００８】更に、前記のセラミック焼結体を、炭化珪
素焼結体（３ａ₁ ）又はコ−ジエライトの焼結体（３ａ
₂ ）とし、前記のケーシングの内壁と前記のフィルタと
の間に該フィルタの支持層（４）を具備せしめてもよ
い。

【０００９】ここで、前記のセラミック焼結体として炭
化珪素を用いる場合には、フィルタの再生用熱源の容量
及び前記の支持層の構造に配慮が必要となる。炭化珪素
は、耐熱性に優れた材料であるが高熱伝導率を有する材
料故、フィルタの再生におけるケ−シングからの放熱ロ
スに見合う大容量の熱源を具備するか、又は、支持層を
断熱構造とする（熱源容量は小さいもので済む）必要が
ある。一方、前記のセラミック焼結体としてコ−ジエラ
イトを用いる場合には、炭化珪素とは逆にコ−ジエライ
トは熱伝導率が低く耐熱性に劣る材料故、フィルタの再
生方法に配慮、例えば厳密な再生速度のコントロ−ル、
例えば二次燃焼空気量のこまめなコントロ−ルが必要と
なる。コントロ−ルを行なわないと、燒結体内部に局部
的な温度上昇が生じ、該焼結体が溶損してフィルタとし
ての機能を果たさなくなるからである。

【００１０】前記の支持層は、前記のフィルタを熱や振
動による影響から守るためのものである。この層には、
無機質若しくは有機質の断熱性を有する材料を充填す
る。無機質材料としては、アルミナ−シリケート・セラ
ミック・ファイバ、アルミナ・ファイバ、ジルコニア・
ファイバ、シリカ・ファイバ、ロックウール、石綿、バ
ーミキュライト等を使用でき、有機質材料としては、ナ
イロン、ケプラ等のファイバやウレタン等の発泡体の成
形体、又は、これらを組合せて利用することができる。
好ましくは、無機質ファイバを一部、又は、全体に利用
することである。尚、この層を介して排気ガスがショ−
ト・パスするのを防止するため、この層の材料として
は、加熱された際に膨張するバーミキュライトと無機質
繊維、有機質繊維、無機結合材とから構成されたシート
状物が弾力性、耐熱性等に優れていることからより効果
的である。

【００１１】又、この層を積極的な断熱構造とする場合
には、前記の断熱性を有する材料を充填した層としても
よいし、空気層としてもよい。但し、空気層とする場合
には、フィルタの両端部をケーシングに支持する部材が
必要となる。その部材としては、前記の支持層の材料を
利用し得る。又、空気層内の対流伝熱による熱伝導を防
止するため、空気層をいくつかの隔壁により分割して空
気の対流を防ぐことが有効である。

【００１２】以下、この発明を図面に従って詳細に説明
する。

【００１３】図１に示すように、本発明の排気ガス浄化
装置（１）は、断面が丸型（角型でもよい）金属製ケー
シング（２）を備え、内燃機関（Ｅ）の排気管路（Ｅ
ａ）に接続されている。このケーシング（２）内には排
気ガス中のパ−ティキュレ−トを捕集・除去するための
多孔質のセラミック・フィルタ（３）が配設され、該セ
ラミック・フィルタと該ケーシングの内壁との間には支
持層（４）が設けられている。

【００１４】セラミック・フィルタ（３）は、図２乃至
図４に示すように、高い融点（〜３０００℃）を有する
炭化珪素焼結体（３ａ₁ ）又はコ−ジエライトの焼結体
（３ａ₂ ）でもって全体として円柱状（角柱状でもよ
い）に形成されている。この焼結体（３ａ₁ ）又は（３
ａ₂ ）にはガスの流れ方向（図中の矢印方向）に平行に
延びる多数のガス通過孔（５）（図示では、断面が四角
形であるが、六角形と三角形との組み合わせであっても
よい）が穿たれており（その結果、本フィルタは、ハニ
カム構造を有することとなる）、該孔のガス流入側又は
流出側のいずれか一端は、炭化珪素質の小片（６）によ
って交互に封止されている。更に、ガス通過孔（５）の
壁面（５ａ）には無機質の耐熱繊維層（３ｂ）が積層さ
れている。

【００１５】ここで、支持層（４）の厚さは、焼結体
（３ａ₁ ）又は（３ａ₂ ）の外形（直径又は幅）の１／
４０〜１／７に、又、耐熱繊維層（３ｂ）の厚さは、壁
厚み（隣接するガス通過孔間距離）の１／２〜３に設定
されている（該支持層の厚さが１／４０より小さいと、
断熱効果が小となりフィルタの再生において放熱ロスが
大きくなり、一方、１／７より大きいと、該支持層の熱
容量が大きくなってフィルタ全体を加熱するのに時間が
掛かってしまうばかりか、フィルタの外形が大きくなる
ので好ましくない。又、該耐熱繊維層の厚さが１／２よ
り小さいと、この層でのパ−ティキュレ−トの捕集割合
が小さくなり多孔質焼結体（３ａ₁ ）又は（３ａ₂ ）の
隣接するガス通過孔の間壁部（多孔質焼結体（３ａ₁ ）
又は（３ａ₂ ）の実部）への負荷が大きくなりフィルタ
の早期圧損上昇を招くし、３より大きいと逆に該耐熱繊
維層での圧損が著しく上昇するので好ましくない）。
又、パ−ティキュレ−トの捕集層（又は捕集面）となる
耐熱繊維層（３ｂ）及び多孔質焼結体（３ａ₁ ）又は
（３ａ₂ ）の間壁部の平均気孔率は、パ−ティキュレ−
トの粒径分布（ディ−ゼル排気で、平均粒径が０．１〜
０．２μｍ）及び捕集率（少なくとも９５％以上）並び
に圧損（３５００ｍｍＡｑ以下）を考慮し、それぞれ２
５％〜７５％に設定される。

【００１６】更に、セラミック・フィルタ（３）のガス
流出側（流入側に配してもよい。図５参照）には、該フ
ィルタ再生用のセラミックヒータ（７ａ）（再生用の熱
源としてはこれの限定されるものではなく、例えば、軽
油バ−ナ（図６参照）やマイクロ波等を利用してもよ
い。特に、軽油バ−ナは熱源の容量的な制限が少ないの
で好ましい）が配設されている。

【００１７】これらのフィルタは次のようにして作られ
る。

【００１８】燒結体は、炭化珪素焼結体（３ａ₁ ）及び
コ−ジエライトの燒結体（３ａ₂ ）とも、先ず押し出し
成形によって、それぞれの形状の成形体が作られる。そ
の後、炭化珪素焼結体の場合には、前記の成形体を、ガ
ス通過孔（５）を交互に封止した後乾燥し、次いで不活
性ガス雰囲気下約２２００℃で焼成する。一方、コ−ジ
エライト燒結体の場合には、前記の成形体を、ガス通過
孔（５）を交互に封止した後マイクロ波乾燥し、酸化雰
囲気下約１２００℃で焼成する（燒結体が得られる）。

【００１９】次に、耐熱繊維層（３ｂ）を作る訳である
が、前記のファイバの水スラリ（スラリ濃度：１ｗｔ
％）にポリアクリロニトリルやラテックスのような有機
質のバイダ（対ファイバにて約２ｗｔ％）及びアルミナ
ゾルのような接着材（対ファイバにて約４ｗｔ％）をそ
れぞれ加えた懸濁液に更に硫酸バンド水溶液（対ファイ
バにて約５ｗｔ％）を添加して該ファイバを凝集させ、
その凝集物の懸濁液中に前記の焼結体を浸漬、次いで該
焼結体の一方の端面から３００ｍｍＨｇ程度の圧力にて
吸引・脱水（該懸濁液が該焼結体の隣接する通過孔の間
壁部を通して吸引されるので、必然的に該凝集物が該孔
の壁面に積層される。この際、該懸濁液が凝集していな
いと、該ファイバが該間壁部の空隙に入り込んでしまい
フィルタの機能を害することになる）し、最後に８０〜
１００℃で該焼結体を乾燥させる。

【００２０】

【作用】次に、図１及び図３に例示する本発明の装置を
基に、本発明の装置の作用について説明する。

【００２１】図１に矢印で示すように、内燃機関（Ｅ）
の排気ガスがフィルタ（３）に導入されると、該ガス
は、ガス流入側が小片（６）によって封止されていない
ガス通過孔（５）に流入し、図３に示すように、耐熱繊
維層（３ｂ）、燒結体の間壁部を通って、ガス流出側が
小片（６）によって封止されていない隣接するガス通過
孔（５）に抜ける際に、耐熱繊維層（３ｂ）及び燒結体
の間壁部にてガス中のパ−ティキュレ−トが濾過・捕捉
され、そして、浄化された排気ガスがフィルタ（３）か
ら排出される。尚、前記の耐熱繊維層におけるパ−ティ
キュレ−トの捕捉は、該層全体にて行なわれる（全層濾
過）。

【００２２】パ−ティキュレ−トの捕捉が進行し、フィ
ルタ（３）での圧損が所定の値に達すると、該フィルタ
は再生処理を施される。セラミックヒーター（７ａ）に
てフィルタ（３）を加熱し、ヒーター近傍の該フィルタ
の温度が所定温度（３００〜８００℃）に達した時、ケ
ーシング２に燃焼促進用の二次エアの供給を開始し、該
フィルタ内に捕捉されたパ−ティキュレ−トを燃焼・除
去し、該フィルタ前流部の温度が急激に低下した時点を
もって再生を終了する。

【００２３】

【実施例】次に、本発明を例示する実施例について説明
する。

【００２４】（実施例１）セラミック・フィルタ（３）
として、直径：１４４ｍｍ、長さ：１５２ｍｍのハニカ
ム構造の多孔質炭化珪素焼結体（３ａ₁ ）と、該炭化珪
素焼結体のガス通過孔（５）の壁面に積層せしめられた
径：１〜３μｍ、長さ：２００〜２５０μｍのアルミナ
・ファイバからなる耐熱繊維の層（３ｂ）と、からなる
ものを製作した（図１乃至図３参照）。ここで、多孔質
炭化珪素焼結体（３ａ₁ ）及び耐熱繊維層（３ｂ）の詳
細諸元は下記の通りである。

【００２５】［多孔質炭化珪素焼結体（３ａ₁ ）］（１）ガス通過孔（５）：１．６ｍｍ×１．６ｍｍ，１
７０個／平方インチ（２）隣接するガス通過孔の間壁部の厚み：０．３ｍｍ（３）平均気孔径：１５μｍ（４）気孔率：５０％（５）密度：２ｇ／ｃｍ³ （６）熱伝導率：４０〜７０ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃

【００２６】［耐熱繊維層（３ｂ）］（１）積層厚さ：０．３ｍｍ（２）密度：０．４ｇ／ｃｍ³ （３）熱伝導率：０．２ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃

【００２７】尚、支持層（４）は、厚さが２０ｍｍであ
り、熱伝導率：０．２ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃のアルミ
ナ−シリカ・ファイバを充填した。又、再生用加熱源と
して１２ｖ−２．５ｋｗのセラミックヒーターを１本使
用した。図１に示すように、上記諸元の排気ガス浄化装
置（１）をディ−ゼルエンジン（Ｅ）に接続し、該エン
ジンを作動させ、排気ガスをフィルタ（３）に流速１５
ｍ／ｓ（フィルタ（３）の断面積基準）にて導入した。
排気ガスの導入中、排気管路（Ｅａ）内の圧力を圧力セ
ンサ（Ｐｓ）及び圧電変換素子（Ｐｅ）を介して監視・
制御装置（Ｃ）によって監視した。排気ガス中のパ−テ
ィキュレ−トを２０ｇ／ｍ² 捕集した時点でのフィルタ
（３）の圧損は、２３００ｍｍＡｑであった。尚、濾過
時間（排気ガスの導入から前記の圧損計測までの時間）
は、１０時間であった。

【００２８】次に、前記の監視・制御装置（Ｃ）によっ
てスイッチ（Ｓ）を閉成させ、ヒーター（７ａ）への通
電を開始し、位置（Ｐ₁ ）の温度（Ｔ₁ ）が約７５０℃
に達した時点でコンプレッサ（Ｃｏ）を動作させ、エア
供給管（Ｃａ）からフィルタ（３）に二次エアを５０ l
／ｍｉｎの割合で供給し、フィルタ（３）のガス流入側
端部（Ｐ₂ ）の温度（Ｔ₂ ）が急激に降下する時点にて
ヒーター（７ａ）への通電を停止し、再生を終了した。
因に、再生時間（通電時間）は、１０分であった。

【００２９】この一連の操作を２０回繰り返したが、フ
ィルタ（３）の圧損は急激に上昇することなく、しか
も、熱衝撃にて該フィルタが破損することもなかった。

【００３０】（実施例２）実施例１の耐熱繊維をアルミ
ナ・ファイバが７０％、アルミナ−シリカ・ファイバが
３０％（重量比）の混合物（ファイバ径及びファイバ長
さは実施例１に同じ）とした以外実施例１と同じ装置構
成のものにて、実施例１と同様の排気ガス浄化操作を行
なった。尚、耐熱繊維層（３ｂ）の詳細諸元は、下記の
通りである。

【００３１】（１）積層厚さ：０．３ｍｍ（２）密度：０．５ｇ／ｃｍ³ （３）熱伝導率：０．２２ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃

【００３２】排気ガス中のパ−ティキュレ−トを２０ｇ
／ｍ² 捕集した時点でのフィルタ（３）の圧損は、１９
５０ｍｍＡｑであった。尚、濾過時間は、１０時間、再
生時間は、９分であった。

【００３３】又、２０回の一連の操作を繰り返してもフ
ィルタ（３）の圧損が大幅に変化することなく、しか
も、熱衝撃にて該フィルタが破損することもなかった。（実施例３）実施例１の多孔質炭化珪素焼結体（３ａ
₁ ）をコ−ジエライトの焼結体（３ａ₂ ）と、耐熱繊維
をアルミナ・ファイバが７０％、アルミナ−シリカ・フ
ァイバが３０％（重量比）の混合物（詳細諸元は実施例
２に同じ）と、支持層（４）の厚さを１０ｍｍと、した
以外実施例１と同じ装置構成のものにて、実施例１と同
様の排気ガス浄化操作を行なった。尚、コ−ジエライト
の焼結体（３ａ₂ ）の詳細諸元は、下記の通りである。

【００３４】（１）ガス通過孔（５）：２．１１ｍｍ×
２．１１ｍｍ，１００個／平方インチ（２）隣接するガス通過孔の間壁部の厚み：０．４３ｍ
ｍ（３）平均気孔径：１７μｍ（４）気孔率：５０％（５）密度：１．４ｇ／ｃｍ³ （６）熱伝導率：０．１ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃

【００３５】排気ガス中のパ−ティキュレ−トを２０ｇ
／ｍ² 捕集した時点でのフィルタ（３）の圧損は、３２
００ｍｍＡｑであった。尚、濾過時間は、７時間、再生
時間は、２０分であった。

【００３６】又、２０回の一連の操作を繰り返してもフ
ィルタ（３）の圧損が大幅に変化することなく、しか
も、熱にて焼結体（３ａ₂ ）が溶損することもなかっ
た。

【００３７】（比較例１〜３）実施例１〜３のセラミッ
ク・フィルタ（３）のガス通過孔（５）の壁面に耐熱繊
維層（３ｂ）を積層せしめなかった以外、それぞれ各実
施例と同じ装置構成のものにて、実施例１と同様の排気
ガス浄化操作を行なった。

【００３８】排気ガス中のパ−ティキュレ−トを２０ｇ
／ｍ² 捕集した時点でのフィルタ（３）の圧損は、夫々
４１２０ｍｍＡｑ（濾過時間：１０時間，再生時間：１
５分）、４１２０ｍｍＡｑ（濾過時間：１０時間，再生
時間：１５分）、４６００ｍｍＡｑ（濾過時間：１０時
間，再生時間：２０分）であった。

【００３９】

【発明の効果】上述の通り、本発明の装置によれば、同
一量のパ−ティキュレ−トを捕集させるとすれば、セラ
ミック・フィルタ（３）の圧損が小さくて済むため、同
一容量のフィルタにおいては、濾過時間を長く採ること
ができる（浄化処理サイクルは、濾過と再生とからなる
ため、濾過時間を長く採れるということは、該装置の利
用効率が良くなることを意味する）し、一方、同一圧損
を基準にすると、該フィルタを小型化でき、しかも耐熱
繊維層（３ｂ）が支持層としても機能することから移動
式の内燃機関、例えば、ディ−ゼル車両への排ガス浄化
装置の実装を容易にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一態様をそれを用いたシステムととも
に例示する部分断面図。

【図２】図１に示す排気ガス浄化装置のセラミック・フ
ィルタの断面図。

【図３】図２に示すセラミック・フィルタの部分拡大断
面図。

【図４】図２に示すセラミック・フィルタの正面図。

【図５】再生用熱源としてのセラミックヒ−タをセラミ
ック・フィルタの排気ガス流入側に配設した本発明の一
態様をそれを用いたシステムとともに例示する部分断面
図。

【図６】再生用熱源としての軽油ヒ−タをセラミック・
フィルタの排気ガス流入側に配設した本発明の一態様を
それを用いたシステムとともに例示する部分断面図。

【符号の説明】

１・・・・・・排気ガス浄化装置、２・・・・・・ケーシング、３・・
・・・・セラミック・フィルタ、３ａ・・・・・・セラミック燒結
体、３ａ₁ ・・・・・・炭化珪素焼結体、３ａ₂ ・・・・・・コ−ジ
エライトの燒結体、３ｂ・・・・・・耐熱繊維層、４・・・・・・支
持層、５・・・・・・ガス通過孔、６・・・・・・小片、７ａ・・・・・・
セラミック・ヒ−タ、７ｂ・・・・・・軽油バ−ナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０１Ｎ 3/02 Ｒ (72)発明者小森照夫岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１−１イビデン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関（Ｅ）の排気側に連通するケー
シング（２）と、該ケーシング内に配されたハニカム構
造の多孔質セラミック・フィルタ（３）と、からなる排
気ガス浄化装置において、該フィルタが、ガスの流れ方
向に平行に伸びる多数のガス通過孔（５）であって該孔
のガスの流れ方向の一端が交互に封止せしめられた孔を
有する多孔質のセラミック焼結体（３ａ）と、該孔の壁
面（５ａ）に積層せしめられた無機質の耐熱繊維層（３
ｂ）と、からなることを特徴とする装置。