JPH0929022A - ディーゼルエンジン排ガスフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、主として自動車、発電機、船舶、
工事用車両のディーゼルエンジンから排出される排気ガ
スの浄化を目的とするディーゼルエンジン排ガスフィル
ターを供給することを目的とする。 【構成】 主成分がチタン酸アルミニウムのハニカム構
造体であって、ハニカム構造体の所定のセルの一端面を
チタン酸アルミニウム又は他耐熱材料の目封止材で封止
するとともに、残りの未封止セルの他端面も同様に目封
止したことを特徴とするディーゼルエンジン排ガスフィ
ルター。ハニカム構造体の熱膨張係数α _Hと、目封止材
の熱膨張係数α_Pとの関係が｜α_H-α_P｜≦２．８×１０
^-6／℃であることを特徴とするディーゼルエンジン排ガ
スフィルター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として自動車、発電
機、船舶、工事用車両等のディーゼルエンジンから排出
される排気ガスの浄化を目的とするディーゼルエンジン
排ガスフィルターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気、海洋、土壌汚染等の地球規
模での環境破壊が深刻化している。中でも、ディーゼル
自動車、発電機、船舶、工事用車両などのディーゼルエ
ンジンから排出される排気ガス中に含まれるＮＯＸ、カ
ーボンパティキュレート（スス）等による環境汚染の問
題及び人体への悪影響が重要視されている。その対策と
して、高温で使用される燃焼触媒の担持体及び排気ガス
フィルターの開発がなされている。この触媒担持体及び
ディーゼルエンジン排ガスフィルターは高温で使用され
るため、高温域での耐熱性、耐熱衝撃性、低熱膨張性を
有する素材の開発が要望されている。特に、ディーゼル
エンジン排ガスフィルターはカーボンパティキュレート
を捕集後、直接パティキュレートを燃焼させるため、１
０００℃以上の高温にさらされる。よって、触媒担持体
より優れた上記特性が要求される。現在この用途で主に
使用されているセラミックフィルターの材質は特開平５
−２５４９６２号公報、特開平５−２５４９６３号公報
に記載のコージェライトである。その理由としてコージ
ェライトは熱膨張係数が２．０×１０^-6／℃以下と低熱
膨張で耐熱衝撃性に強く、ムライトやアルミナ等の耐熱
材料に比べ、排気ガス濾過時やススの燃焼再性時に熱応
力によるフィルター割れが発生しにくいためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コージ
ェライトは材料の基本特性として、融点が低く、高純度
なものでも１４５０〜１４６０℃である。ましては、現
在、使用しているディーゼルエンジン排ガスフィルター
のコージェライト組成は焼成しやすいように種々の添加
剤を加えているので融点は理論組成のものより低く１４
００℃付近である。このため、上記従来のコージェライ
トからなるディーゼルエンジン排ガスフィルターは、排
ガスフィルターの再生時に度々発生する異常燃焼によっ
て溶損すると言う問題点があった。

【０００４】これは、現在の技術においてはカーボンパ
ティキュレートの捕集量を正確に検知できず、目標捕集
量に対して±４０％の捕集量の変動が頻繁に発生するこ
とに起因する。即ち、排ガスフィルターに設定値より多
くのカーボンパティキュレートが捕集された場合、再生
時にカーボンパティキュレートの燃焼が急激に促進さ
れ、それに伴い温度も急上昇し、１４００℃を越える高
温となり、コージェライトからなるディーゼルエンジン
排ガスフィルターの内部の一部に溶損を起こす。

【０００５】そして排ガスフィルター内部で溶損が発生
すると形状変化にともなうカーボンパティキュレートの
捕集能力が低下するばかりでなく、排ガスフィルター内
部でカーボンパティキュレートの捕集量の部分的なばら
つきが起きるので新たな溶損を誘発する可能性が大き
く、さらに排ガスフィルターの機能が低下してエンジン
に異常をきたす結果になる。また、コージェライトは焼
成温度幅が狭く、一定の温度を超えると急激に収縮し溶
融する。このため、焼成するのが難しい。

【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、本発明でフィルター素材として用いるチタン酸アル
ミニウムは熱膨張係数が１．５×１０^-6／℃以下と低
く、且つ、融点が１７００℃以上と高い。よって、コー
ジェライトよりも優れた材料であって、チタン酸アルミ
ニウムをフィルター素材に用いることで、１４００℃以
上の高熱や、そのときに生じる熱衝撃、熱応力によく耐
えることができる。本発明では、チタン酸アルミニウム
をフィルター素材の主成分に用い、燃焼再生時に、溶損
やクラックが発生しないディーゼルエンジン排ガスフィ
ルターを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１に記載のディーゼルエンジン排ガス
フィルターは主成分がチタン酸アルミニウムのハニカム
構造体であって、ハニカム構造体の所定のセルの一端面
を目封止材で封止するとともに、残りの未封止セルの他
端面も同様に目封止しする構成を備えている。

【０００８】本発明の請求項２に記載のディーゼルエン
ジン排ガスフィルターは前記請求項１記載のハニカム構
造体の室温〜８００℃までの熱膨張係数α_Hと、目封止
材の室温〜８００℃までの熱膨張係数α_Pとの関係が｜
α_H-α_P｜＜２．８×１０^-6／℃である構成を備えてい
る。

【０００９】本発明の請求項３に記載のディーゼルエン
ジン排ガスフィルターは主成分がチタン酸アルミニウム
のハニカム構造体であって、ハニカム構造体の所定のセ
ルの一端面を主成分がチタン酸アルミニウムの目封止材
で封止するとともに、残りの未封止セルの他端面も同様
に目封止しする構成を備えている。

【００１０】本発明の請求項４に記載のディーゼルエン
ジン排ガスフィルターは、請求項１又は３のいずれか１
において、ハニカム成形体に、目封止材を充填した後、
一体焼成して得られる構成を備えている。

【００１１】本発明の請求項５に記載のディーゼルエン
ジン排ガスフィルターは、請求項１又は３のいずれか１
において、ハニカム構造体に、目封止材を充填した後、
熱処理して得らる構成を備えている。

【００１２】ここで用いるチタン酸アルミニウムは、従
来から低熱膨張を示す材料として注目されており、コー
ジェライトに比べ、熱膨張係数は同等であるが、融点が
１７００℃以上で耐熱性が非常に高い。本発明ではこの
点に着目し、請求項１や３に示すようにハニカム構造体
及び封止材の主成分にチタン酸アルミニウムを採用し
た。また、条件によって異なるが、コージェライトは焼
成温度幅が非常に狭いため、焼結しにくく、変形が起き
やすい。つまり、低温で長時間焼成（例えば１３５０℃
−２４ｈ）しなければ変形歪みのない、強度のあるハニ
カム構造体が得られない。チタン酸アルミニウムはこの
ようなことがなく、短時間の焼成で強度のあるハニカム
構造体が得られれる。また、本発明のハニカム構造体及
び封止材の材料組成にチタン酸アルミニウム以外の若干
の不純物や添加剤（Ｆｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ムライト、Ｙ₂
Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄等）を含有していてもかまわない。これ
らの不純物や添加剤はチタン酸アルミニウムの１２００
℃前後での分相を防止したり、強度アップする効果があ
ることが多い。

【００１３】次に、ハニカム構造体と封止材の組成が両
方ともに請求項３の様にチタン酸アルミニウムを主成分
にしていれば問題ないが、封止材にハニカム構造体と異
なる材料を用いた場合、ハニカム構造体の熱膨張係数α
_Hと封止材の熱膨張係数α_Pの関係が｜α_H-α_P｜≦２．
８×１０^-6／℃、好ましくは｜α_H-α_P｜≦２．０×１
０^-6／℃がよい。

【００１４】｜α_H-α_P｜が２．０×１０^-6／℃より大
きくなると、燃焼再生時に熱膨張係数の差のためにハニ
カム構造体のセル壁と封止材の界面にクラックが発生
し、それにより、排ガス中のカーボンパティキュレート
の漏洩が生じ、極端にフィルター効率が低下する。｜α
_H-α_P｜が２．０×１０^-6／℃以上２．８×１０^-6／℃
以下だと再生回数３５０回でもセル壁と封止材の界面に
クラックが発生しない。さらに、｜α_H-α_P｜が２．０
×１０^-6／℃以下だと再生回数５００回以上でもセル壁
と封止材の界面にクラックが発生しない。

【００１５】次に、ハニカム構造体と封止材の焼成方法
についてであるが、基本的に、ハニカム構造体の焼成前
（ハニカム成形体）に封止材を充填して焼成（１５００
〜１６００℃−５Ｈ）する方法とハニカム構造体の焼成
後に封止材を充填して熱処理する方法とあまり差異はな
い。しかしながら、前者はハニカム構造体のセル壁と封
止材が強く反応し、界面の強度が増す反面、焼成前のセ
ル壁は強度が弱いため、封止材の充填の際にセル壁を損
傷する恐れがあり注意を要する。また、後者はセル壁が
強いため封止材を充填しやすいが、封止材を充填して熱
処理する際は、熱処理後の強度やハニカム構造体と封止
材双方の収縮率を考慮に入れて熱処理条件を選定する必
要がある。

【００１６】

【作用】この構成により、本発明のディーゼルエンジン
排ガスフィルターはフィルターの素材にチタン酸アルミ
ニウムを用いているので熱膨張係数が小さく、コージェ
ライトに比べ融点が高いため耐熱性、耐熱衝撃性に優れ
る。また、コージェライトに比べ、焼成温度幅が大き
く、焼成条件の選定が容易で、焼成コストが少ない。ハ
ニカム構造体とセル壁封止材の熱膨張係数の差を小さく
することにより、燃焼再生時に、セル壁と封止材の界面
に起こるクラックをなくすことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例及びその製造方法につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００１８】（実施例１）図１は本発明の第１実施例に
おけるディーゼルエンジン排ガスフィルターの全体斜視
図であり、図２は本発明の第１実施例におけるディーゼ
ルエンジン排ガスフィルターの要部拡大図であり、図３
は本発明の第１実施例におけるディーゼルエンジン排ガ
スフィルターのフィルター構造図である。１はチタン酸
アルミニウムハニカム構造体のセル壁、２は封止材であ
る。

【００１９】以上のように構成された本実施例のディー
ゼルエンジン排ガスフィルターについて、以下その製造
方法について、説明する。

【００２０】主成分がチタン酸アルミニウムの粉末１０
０重量部に対して粒状ポリエチレンや活性炭などの造孔
剤を２０重量部の割合で加え、さらに、チタン酸アルミ
ニウム粉末と造孔剤粉末を結合させる結合剤を７〜１２
重量部添加し、ミキサーによって乾式混練する。

【００２１】次に、有機系の可塑剤を３〜６重量部と水
を３１〜３８重量部とを加えてニーダー、更に三本ロー
ラによって試料を混練する。尚、上記の結合剤、可塑
剤、水の添加割合は後述するハニカム成形体を容易に形
成するためのものである。この試料を真空押出成形機に
投入して、ディーゼルエンジン排ガスフィルターとなる
ハニカム成形体を押出成形し、乾燥した。この後、図１
及び図２に示すような市松模様のパターンで主成分がチ
タン酸アルミニウムの封止材２をフィルター端面のセル
内に封入し、フィルター状の成形体を得た。この成形体
を１５００℃の焼成温度で封止材及び成形体を焼結させ
て気孔率約４０％、セル厚０．３ｍｍ、φ５．６６×６
ｉｎｃｈのディーゼルエンジン排ガスフィルターを得
た。この際、急激な収縮、変形歪は無かった。

【００２２】（実施例２〜９）実施例１と同様にしてチ
タン酸アルミニウムを主成分としたハニカム成形体を作
製し、これを１５００℃で焼成してハニカム構造体を得
た。この後に実施例２として実施例１と同様にチタン酸
アルミニウムを主成分とした封止材２をフィルター端面
のセル内に封入し、次に１５００℃で数１０分間熱処理
し、セル厚０．３ｍｍ、φ５．６６×６ｉｎｃｈのディ
ーゼルエンジン排ガスフィルターを得た。また、再度の
熱処理による変形・歪みは無かった。

【００２３】次に、実施例２と同様にしてハニカム構造
体を６個作製した。次に封止材の主成分として、熱膨張
係数が０．５×１０^-6／℃のチタン酸アルミニウム粉末
と熱膨張係数が１．５×１０^-6／℃のコージェライト粉
末と熱膨張係数が４．０×１０^-6／℃のムライト粉末を
用意した。念のためにつけ加えると電気ヒータ再生方式
の場合、排ガスフィルター端面（封止材の部分）は８０
０以上の高温になることはなく、チタン酸アルミニウム
以外の耐熱性の低熱膨張材料を用いても問題ない。これ
らの粉末１００重量部に対して１０重量部の無機結合剤
のシリカゾルを熱処理（８００℃）後の封止材の熱膨張
係数が０．９、１．１、１．３、１．５、１．７、２．
２×１０^-6／℃になるように混合した。その配合量と熱
膨張係数を（表１）に示す。尚、これが実施例３〜８に
それぞれ対応する。

【００２４】

【表１】

【００２５】この配合組成の封止材を先に作製したハニ
カム構造体に封入し、８００℃の熱処理で１０重量部添
加したシリカゾルの作用により封止材を結合させた。こ
れにより、６個のセル厚０．３ｍｍ、φ５．６６×６ｉ
ｎｃｈのディーゼルエンジン排ガスフィルターを得た。
尚、実施例８のフィルターは熱処理後、セル壁と封止材
の界面にクラックが発生していた。

【００２６】実施例９において実施例１〜８で得られた
ディーゼルエンジン排ガスフィルターの燃焼再生テスト
を実施した。エンジンは約３５００ｃｃのものを使用
し、エンジン回転数１５００ｒｐｍ、トルク２１ｋｇ・
ｍの条件でカーボンパティキュレートを発生させ、本実
施例で作製したディーゼルエンジン排ガスフィルターを
用いて、カーボンパティキュレートを１リッター当たり
５．０ｇ捕集した。この時、フィルター後方に設置され
たスモークメーターにて排ガスの浄化率を測定する。フ
ィルターの燃焼再生は電気ヒータ方式のシステムを使用
し行った。次に再生について説明する。フィルターの前
面に設置されたヒータの出力をフィルター前面が約６０
０℃、カーボンパティキュレートが着火するまで負荷し
続け、着火したのちヒータ出力をＯＦＦにして、ブロワ
ーにて約１００Ｌ／ｍｉｎ前後のエアーを送風し、炎の
伝搬を行う。この時のフィルター内部の温度はセルを通
して所定の位置に９本熱電対を設置し測定した。また、
クラック有無の判断は外観、打音試験、フィルタ後方に
設置されたスモークメータによって行った。この一連の
捕集と再生で約１時間３０分ほど費やし、このサイクル
をフィルタに何らかの異変が起こるまで繰り返し行っ
た。今回の実験結果を（表２）に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】（表２）から解るように、｜α_H-α_P｜が
２．０×１０^-6／℃以上２．８×１０^-6／℃以下だと再
生回数３５０回でもセル壁１と封止材２の界面にクラッ
クが発生しない。さらに、｜α_H-α_P｜が２．０×１０
^-6／℃以下だと再生回数５００回以上でもセル壁１と封
止材２の界面にクラックが発生しない。また、最高温度
が１４００℃を越えても溶融、溶損していないことがわ
かる。よって本発明のディーゼルエンジン排ガスフィル
ターはディーゼルエンジンから排出される排ガスの浄化
フィルターとして十分使用可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明は、フィルター素材
にチタン酸アルミニウムを主原料として用いているの
で、熱膨張係数が非常に小さく、加えて融点が１７００
℃以上と高いため、耐熱性、耐熱衝撃性に優れた排ガス
浄化フィルターを与えることができる。また、コージェ
ライトに比べ、焼成温度幅が大きく、焼成条件の選定が
容易で、焼成コストが少なので、低製造コストで安価に
優れた排ガス浄化フィルターを与えることができる。次
に、ハニカム構造体とセル壁封止材の熱膨張係数の差を
２．８×１０^-6／℃以下と小さくすることにより、燃焼
再生時に、セル壁と封止材の界面に起こるクラックが発
生せず、燃焼再生試験にて５００回以上耐え、大幅に耐
久性を改善することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるディーゼルエンジ
ン排ガスフィルターの全体斜視図

【図２】本発明の第１実施例におけるディーゼルエンジ
ン排ガスフィルターの要部拡大図

【図３】本発明の第１実施例におけるディーゼルエンジ
ン排ガスフィルターのフィルター構造図

【符号の説明】

１ セル壁 ２ 封止材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 浩一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主成分がチタン酸アルミニウムのハニカム
   構造体であって、ハニカム構造体の所定のセルの一端面
   を目封止材で封止するとともに、残りの未封止セルの他
   端面も同様に目封止したことを特徴とするディーゼルエ
   ンジン排ガスフィルター。
2. 【請求項２】室温〜８００℃までの熱膨張係数α_Hと、
   目封止材の室温〜８００℃までの熱膨張係数α_Pとの関
   係が｜α_H-α_P｜≦２．８×１０^-6／℃であることを特
   徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン排ガスフィ
   ルター。
3. 【請求項３】主成分がチタン酸アルミニウムのハニカム
   構造体であって、ハニカム構造体の所定のセルの一端面
   を、主成分がチタン酸アルミニウムの目封止材で封止す
   るとともに、残りの未封止セルの他端面も同様に目封止
   したことを特徴とするディーゼルエンジン排ガスフィル
   ター。
4. 【請求項４】ハニカム成形体に、目封止材を充填した
   後、一体焼成して得られる請求項１又は３いずれか１記
   載のディーゼルエンジン排ガスフィルター。
5. 【請求項５】焼成後のハニカム構造体に、目封止材を充
   填した後、熱処理して得らる請求項１又は３いずれか１
   記載のディーゼルエンジン排ガスフィルター。