JPH09299731A

JPH09299731A - 排ガスフィルタ

Info

Publication number: JPH09299731A
Application number: JP8118696A
Authority: JP
Inventors: Shinji Wada; 信二和田; Nobuaki Nagai; 伸明永井; Yuichi Murano; 雄一村野; Koichi Watanabe; 浩一渡辺; Yukinori Ikeda; 幸則池田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-25

Abstract

(57)【要約】【課題】再生時に発生する熱応力によるセラミック壁
の交差部分近傍でのクラックの発生を防止した排ガスフ
ィルタを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の排ガスフィルタは、主成分がチ
タン酸アルミニウムからなるセラミック壁４で仕切られ
てセラミック格子２を形成しているハニカム柱状体であ
って、セラミック格子２からなるセル形状が四角形であ
り、セラミック壁４の交差部分の近傍以外のセラミック
壁４の厚みＴはハニカム柱状体内部でほぼ一定であり、
セラミック壁４の交差部分近傍のセラミック壁４の厚み
がそれ以外のセラミック壁４よりも厚い構成としたこと
により、再生時に発生する熱応力によるセラミック壁４
の交差部分近傍でのクラックの発生を防止することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、ディーゼルエンジン等
の燃焼機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物
質を捕集する排ガスフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球の環境問題が深刻化したこと
に伴い、ディーゼルエンジン等から排出される粒子状物
質を排ガスフィルタ等で除去する技術が必要とされてお
り、排ガスフィルタの開発が盛んに行われている。

【０００３】一般に、排ガスフィルタは多数のオープン
ポアをセラミック壁に有するセラミック格子で構成され
たハニカム柱状体である。また、排ガスフィルタは後記
するように１セルごとに目封じが存在しており、この目
封じは他端面においても逆パターンで１セルごとに存在
している。この様な構造を有した排ガスフィルタ内部に
排ガスが入ると、排ガスはセラミック壁のオープンポア
を通じて隣のセルへ移動し排出される。その際、排ガス
中に含まれている粒子状物質は濾過されるので、排ガス
フィルタ内部に捕集される。その後、排ガスフィルタは
フィルタとしての機能を失う前に所定の捕集量に達した
際に粒子状物質の燃焼（排ガスフィルタの再生）が行わ
れる。この様に、排ガスフィルタは粒子状物質の捕集，
排ガスフィルタの再生のサイクルで使用される。

【０００４】排ガスフィルタの再生は、主に電気ヒータ
方式で行われている。この方式は、排ガスの入口側もし
くは出口側に電気ヒータを設置、加熱して粒子状物質に
着火させる。着火した後は、供給空気によって燃焼温度
をコントロールするものである。その際、粒子状物質が
燃焼している部分と燃焼していない部分で熱勾配を生じ
るため、排ガスフィルタには熱勾配によって発生する熱
応力にも耐える低熱膨張，高耐熱衝撃性の材料が求めら
れる。

【０００５】排ガスフィルタとしての条件を満たす材料
としては、一般にコージェライトが知られている。しか
し、コージェライトからなる排ガスフィルタについて
は、排ガスフィルタの再生時に発生する異常燃焼（通常
の粒子状物質の燃焼温度に比べ非常に高い温度で燃焼さ
れること）によって、溶損するという問題がある。この
ことは、現在の技術において粒子状物質の捕集量を正確
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
ィルタに設定値より多くの粒子状物質が捕集された場
合、再生時に粒子状物質の燃焼が急激に促進され、それ
に伴い温度も急上昇する。コージェライトからなる排ガ
スフィルタが形状をとどめる温度は約１４００℃である
が、異常燃焼時は排ガスフィルタ内部が１４００℃付近
の温度に達し溶損を起こすのである。そして排ガスフィ
ルタ内部で溶損が発生すると形状変化に伴う粒子状物質
の捕集能力が低下するばかりでなく、排ガスフィルタ内
部で粒子状物質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、更に排ガスフ
ィルタの機能が低下してエンジンに異常をきたす結果に
なる。

【０００６】ところで、耐熱衝撃性に関して優れた他の
セラミック基材としてチタン酸アルミニウムがある。こ
のチタン酸アルミニウムは、コージェライトの溶融温度
が約１４００℃であるのに対し１６００℃以上と高耐熱
性であるため、排ガスフィルタの再生時に発生する異常
燃焼に関して優れている。しかし、チタン酸アルミニウ
ムは結晶軸の異方性によるマイクロクラックで低熱膨張
となるため、一般に機械的強度が低い。

【０００７】チタン酸アルミニウムの強度を向上するた
めに、特開昭６３−１１５８５公報にはＳｉＯ₂：１〜
１０ｗｔ％，Ａｌ₂Ｏ₃：１〜１０ｗｔ％，Ｆｅ₂Ｏ₃：
０．１〜５ｗｔ％を含んだチタン酸アルミニウムの多孔
質成形体の技術が開示されている。また、先願の特許で
はチタン酸アルミニウムの粒子径の比率を限定した排ガ
スフィルタの技術を開示している。これらの方法は、機
械的強度を高めることができるため耐熱衝撃性や耐振動
性に対して効果はある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハニカ
ム柱状体内部のセラミック壁の厚みがほぼ一定でセル形
状が四角形である主成分がチタン酸アルミニウムからな
る排ガスフィルタにおいては、材料の強度向上が実現で
きたとしても、セラミック自体の強度を十分に発揮でき
ないままクラックが発生してしまう。そのクラックは排
ガスフィルタを再生する際に生じる熱応力によってハニ
カム柱状体のセラミック壁に発生するのではなくセラミ
ック壁の交差部分近傍に発生しやすい傾向にあり、セラ
ミック壁の交差部分近傍で発生したクラックは熱膨張と
収縮の繰り返しにより進行してしまうという課題を有し
ていた。

【０００９】本発明は以上の課題を解決し、再生時に発
生する熱応力によるセラミック壁の交差部分近傍でのク
ラックの発生を防止した排ガスフィルタを提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この問題を解決するため
に本発明は、主成分がチタン酸アルミニウムからなるセ
ラミック壁で仕切られてセラミック格子を形成している
ハニカム柱状体であって、セラミック格子からなるセル
形状が四角形であり、セラミック壁の交差部分の近傍以
外のセラミック壁の厚みｔはハニカム柱状体内部でほぼ
一定であり、セラミック壁の交差部分近傍のセラミック
壁の厚みがそれ以外のセラミック壁の厚みｔよりも大き
い構成としたものである。

【００１１】この発明によれば、再生時に発生する熱応
力によるセラミック壁の交差部分近傍でのクラックの発
生を防止した排ガスフィルタを提供することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、主成分がチタン酸アルミニウムからなるセラミック
壁で仕切られてセラミック格子を形成しているハニカム
柱状体であって、セラミック格子からなるセル形状が四
角形であり、セラミック壁の交差部分の近傍以外のセラ
ミック壁の厚みはハニカム柱状体内部でほぼ一定であ
り、セラミック壁の交差部分近傍のセラミック壁の厚み
がそれ以外のセラミック壁の厚みよりも厚い構成とした
ものであり、再生時に発生する熱応力によるセラミック
壁の交差部分近傍でのクラックの発生を防止できるとい
う作用を有する。

【００１３】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１において、対向するセラミック壁間の距離Ｌabと、交
差するセラミック壁の厚みがほぼ一定である部分の長さ
Ｌtabとの間に、Ｌtab／Ｌab＝０．８０〜０．９５の関
係が成り立つ構成としたものであり、再生時に発生する
熱応力によるセラミック壁の交差部分近傍でのクラック
の発生を防止できるという作用を有する。

【００１４】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
１、２いずれか１において、セラミック壁の交差部分の
断面形状が略円形を含む構成としたものであり、再生時
に発生する熱応力によるセラミック壁の交差部分近傍で
のクラックの発生を防止できるという作用を有する。

【００１５】以下、本発明の実施の形態について図１〜
図６を参照しながら説明する。（実施の形態）図１は本発明の一実施の形態による排ガ
スフィルタの斜視図である。図２は本発明の一実施の形
態による排ガスフィルタの拡大部分断面図であり、図１
のＡ−Ａ線で切断したものの部分拡大断面図である。図
３〜図５は本発明の一実施の形態による排ガスフィルタ
のセラミック格子の部分拡大図であり、図６は比較例の
排ガスフィルタの部分拡大図である。図１〜図６におい
て、１は排ガスフィルタを構成するハニカム柱状体であ
り、セラミック格子２、目封じ３、セラミック壁４を備
えている。また、矢印Ｂは排ガスの流れを示し、Ｌはセ
ラミック格子２間の距離、Ｔはセラミック壁４の厚みで
ある。排ガスは、図２における矢印Ｂのようにセラミッ
ク格子２に入り、セラミック壁４に形成されたオープン
ポアを通じて隣接するセラミック格子２へ移動し排出さ
れる。その際、排出ガス中に含まれる粒子状物質はセラ
ミック壁４によって濾過され排ガスフィルタ内部に捕集
される。

【００１６】本実施の形態における押出成形したハニカ
ム柱状体１の寸法は、円柱の直径φを約１４４ｍｍ、円
柱の長さを１５２ｍｍ、セラミック壁４の厚みＴを約
０．４５ｍｍ、セラミック格子２間の距離Ｌを約２ｍｍ
となるように形成されている。そして、円柱の長さ方向
の一端にハニカム柱状体１と同じ材料（乾燥・焼成の収
縮率が一致すれば、材料の化学組成が若干異なってもよ
い）をセラミック格子２内に長さ５〜１０ｍｍ程度充填
し、更に、他端のセラミック格子２内には一端で目封じ
３が形成されていないセラミック格子２内に、一端と同
様に同じ材料を充填して図１のような排ガスフィルタを
形成させる。

【００１７】以下、本実施の形態の製造方法について説
明する。まず、排ガスフィルタのセラミック基材となる
チタン酸アルミニウム質粉末と、オープンポアを形成さ
せるための造孔剤と、チタン酸アルミニウム質粉末と造
孔剤粉末を坏土状にするための結合剤とをミキサーに投
入し乾式混合し混合粉末を作製する。次に、混合粉末に
可塑剤と水を加えてニーダー、更に３本ローラによって
混練して坏土状物を作製する。ここで使用したチタン酸
アルミニウム質粉末は、シリカを約５％含有している。
また、造孔剤には樹脂粉末、結合剤にはメチルセルロー
ス、可塑剤にはグリセリンを使用し、それぞれの添加量
は一定にした。

【００１８】次に、作成した坏土状物を真空押出成形装
置に投入する。投入された坏土状物は、混練，真空脱気
され真空押出成形装置の先端に取り付けられたハニカム
ダイスを通過し、ハニカム柱状体１が形成される。次い
で、押出成形したハニカム柱状体１を所定の温度で乾燥
し硬化させる。次いで、ハニカム柱状体１の両端面に交
互に目封じ３を充填する。更に、電気炉にて焼成するこ
とにより、造孔剤の焼失とチタン酸アルミニウム質粉末
の焼結を行う。焼成過程において、造孔剤が焼失する温
度範囲の昇温速度は１０℃／時間で処理し、焼成温度，
焼成時間は１５００℃，４時間とした。ここで、造孔剤
が焼失する温度範囲の昇温速度を１０℃／時間に設定し
た理由は、昇温速度があまり大きすぎると造孔剤の分解
及び酸化反応が急激に起こり、セラミック壁４にクラッ
クが発生するためである。また、焼成温度を１５００℃
にした理由は、焼成温度が低すぎる（約１４００℃以
下）とドメイン組織を形成せず材料が低熱膨張化しない
ためである。

【００１９】次に、押出成形用のハニカムダイスについ
て説明する。使用したハニカムダイスは４タイプであ
る。これらのハニカムダイスは坏土状物が通過するスリ
ットの形状が異なり、押出成形されたセラミック格子２
は図３〜図６の形状となる。このように、セラミック格
子２の形状はハニカムダイスのスリットの形状で決定さ
れる。図６のようにセラミック格子２を作製した比較例
については、セル形状が正方形で、セラミック壁４の厚
みＴがほぼ一定（約０．４５ｍｍ）である。この場合、
使用したハニカムダイスは、図６のセラミック壁４のパ
ターンとなるようにスリットが加工されている。一方、
図３〜図５のようにセラミック格子２を作製した実施例
及び比較例については、セル形状が正方形に近くてセラ
ミック壁４の厚みＴもほぼ一定（約０．４５ｍｍ）の部
分が多いが、セラミック壁４の交差部分近傍のセラミッ
ク壁４の厚みがそれ以外のセラミック壁の厚みＴよりも
厚い。この場合、使用したハニカムダイスは、図３〜図
５のセラミック壁４のパターンとなるようにそれぞれス
リットが加工されている。ハニカムダイスのスリットの
交差部分の加工について、図３に使用したハニカムダイ
スはドリル式穴あけで、図４〜図５に使用したハニカム
ダイスは放電研磨のあと加工で行った。後者について
は、セラミック格子２の１つのセルにおいて、対向する
セラミック壁４間の距離をＬab、セラミック壁４の厚み
Ｔがほぼ一定の部分の長さをＬtabとすれば、まずＬtab
／Ｌabの値が最も大きくなるようにハニカムダイスを作
製し（Ｌtab／Ｌab＝０．９５）、そのハニカムダイス
で一度押出成形し、更に放電研磨してＬtab／Ｌabの値
を下げていく。これを繰り返して、最後にはＬtab／Ｌa
b＝０．７０になるようにした。

【００２０】このような製造方法で製造されたハニカム
柱状体１の特性は、平均気孔径が約１１μｍ、気孔率が
約３６％であった。なお、このデータは、水銀ポロシメ
ータにて測定したものである。（表１）に実施例と比較
例の結果を示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】次に、本実施の形態の排ガスフィルタにつ
いて、圧力損失、機械的強度、耐熱衝撃性がどのような
ものであるかを、（表１）に示した実施例と比較例の実
験結果について説明する。

【００２３】（１）圧力損失排ガスフィルタの圧力損失とは、排ガスフィルタの排ガ
ス入口側の圧力と出口側の圧力の差をいう。排ガスフィ
ルタの初期の圧力損失が大きすぎる場合、粒子状物質を
捕集する際に圧力損失の上昇が大きいので、粒子状物質
の捕集量は低い方に限定されてしまう。また、排ガスフ
ィルタの初期の圧力損失が小さすぎる場合、排ガスフィ
ルタの機械的強度が小さくなる（材料がチタン酸アルミ
ニウムであると顕著）ので、粒子状物質の捕集または燃
焼の際にセラミック格子２にクラックが発生する可能性
を高めてしまう。従って、排ガスフィルタの圧力損失に
は適正な範囲がある。圧力損失に影響する因子として
は、セラミック壁４の厚みＴ，セラミック壁４の平均気
孔径や気孔率，排ガスフィルタの濾過面積があげられ
る。実施例及び比較例では、セラミック壁４の厚みＴ，
セラミック壁４の平均気孔径や気孔率は前述したように
一定として行った。

【００２４】排ガスフィルタの圧力損失については、圧
力損失測定装置を用いて測定した。圧力損失測定装置は
ブロアー部，空気流量調節部，排ガスフィルタ固定治
具，差圧計（水）からなる（図示せず）。なお、測定中
の空気流量は３ｍ³／ｍｉｎに設定した。

【００２５】結果を（表１）に示す。試料８〜１０は、
従来のセラミック格子形状である試料７の７９ｍｍＡｑ
に比べ１１０ｍｍＡｑ以上とかなり大きくなった。一
方、試料１〜６は、従来の試料７に比べ８１〜９６ｍｍ
Ａｑと若干大きくなった。試料８〜１０と試料１〜６の
圧力損失のレベルが異なる理由は、濾過面積の違いによ
る。試料１〜６のＬtab／Ｌabは０．８０〜０．９５で
ありセラミック壁４の交差部分が比較的小さいのに対
し、試料８〜１０のＬtab／Ｌabは０．７０でありセラ
ミック壁４の交差部分が大きい。セラミック壁４の交差
部分は殆ど濾過機能を果たしていないので、セラミック
壁４の交差部分が大きすぎると、濾過面積が減り圧力損
失を引き上げてしまう。

【００２６】（２）機械的強度主成分がチタン酸アルミニウムからなる排ガスフィルタ
の課題は、前述したように粒子状物質の燃焼中に発生す
るクラックである。クラックは主にセラミック壁４の交
差部分において剥離するような状態で進行しており、粒
子状物質の燃焼中に引張応力，圧縮応力がセラミック壁
４の交差部分に集中したと考えられる。そこで、実施例
及び比較例では、破壊部分を確認するために機械的強度
は引張強度として評価した。また、測定方向は、排ガス
が流れる流路方向，流路方向に対し垂直方向である層方
向，の２方向とした。測定装置は万能試験機を、試料は
ハニカム柱状体１を所定の寸法に細かく切断したものを
使用した。測定回数は１０回以上とし、引張強度の平均
値と主な破壊部分（層方向測定時）を調べた結果を（表
１）に示した。

【００２７】試料１〜６及び試料８〜１０の流路方向の
引張強度は、従来の試料７の２４ｋｇｆ／ｃｍ²に比べ
高く、耐熱衝撃性が向上される傾向にある。また、層方
向の引張強度についても同様な傾向にある。ここで、流
路方向の引張強度はＬtab／Ｌabが小さくなる（セラミ
ック格子２の断面積が大きくなる）に伴い徐々に大きく
なるが、層方向の引張高度は従来の試料７が４．６ｋｇ
ｆ／ｃｍ²であるのに対し、試料１〜６及び試料８〜１
０は６．７〜７．２ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲で一定してい
る。層方向測定時の破壊の傾向をみても、従来の試料７
がセラミック壁４の交差部分近傍で剥離するように破壊
しているのに対し、他の試料がセラミック壁４の交差部
分近傍ではなくセラミック壁４で破壊している。このこ
とは、試料１〜６及び試料８〜１０についてセラミック
壁４の交差部分近傍の引張強度がセラミック壁４（厚み
約０．４５ｍｍで一定の部分）の引張強度より大きくな
っており、セラミック壁４の交差部分近傍が引張応力に
対し強くなっているといえる。

【００２８】（３）耐熱衝撃性捕集再生試験装置を用いて排ガスフィルタの耐熱衝撃性
を調べた。捕集再生試験装置の構成は、捕集入口側にア
セチレンカーボン噴霧部、出口側にアセチレンカーボン
を燃焼（排ガスフィルタの再生）させる電気ヒータ部と
空気供給部とアセチレンカーボンの漏れを検知するスモ
ーク測定部、格子２の中に熱電対を挿入し温度を測定す
る温度測定部、捕集入口側と出口側の圧力差を検出する
圧力損失測定部を備えている（図示せず）。スモーク測
定値は、ペーパーにアセチレンーカーボンを吹き付ける
前のペーパー表面の輝度Ｌｘ₀と吹き付けた後のペーパ
ー表面の輝度Ｌｘから（Ｌｘ₀−Ｌｘ）／Ｌｘ₀を求め、
これを百分率で表したものである。

【００２９】捕集再生試験は、アセチレンカーボンを一
定時間捕集した後に、電気ヒータと供給空気で排ガスフ
ィルタ内部の温度コントロールをしながらアセチレンカ
ーボンを燃焼させて再生する。この捕集・再生のサイク
ルを１回とし、１００回繰り返した。試験条件は、捕集
量約１０ｇ／ｌ，電気ヒータ温度６００〜７００℃，供
給空気量約６０ｌ／ｍｉｎである。

【００３０】１００回目の捕集時に測定したスモーク値
の結果を（表１）に示す。従来の試料７についてはスモ
ーク値が４．２％であるのに対し、試料１〜６及び試料
８〜１０についてはスモーク値が０．１〜０．４％であ
った。ここで、実施例及び比較例で使用したスモークメ
ーター（スモーク測定部に設置）はある程度の誤差を生
じ、その誤差範囲は約０．５％である。従って、試料１
〜６及び試料８〜１０のスモーク値は誤差範囲であり、
ほとんどのアセチレンカーボンが排ガスフィルタによっ
て捕集されていると考えてよい。しかし、試料７のスモ
ーク値は４．２％であるので、排ガスフィルタのクラッ
クによりアセチレンカーボンが抜けているといえる。

【００３１】捕集・再生を１００回行った後、装置を分
解して排ガスフィルタの状態を確認した。試料７の排ガ
スフィルタにはセラミック壁４の交差部分に層剥離のよ
うにしてクラックが発生していたが、試料１〜６及び試
料８〜１０の排ガスフィルタにはクラックが発生してい
なかった。このことは、前述した機械的強度でも明らか
なように、試料１〜６及び試料８〜１０の排ガスフィル
タはセラミック壁４の交差部分近傍が熱応力に対し強く
なっていることを示している。

【００３２】以上、（１）〜（３）の実験結果からわか
るように、実施例の試料１〜６の排ガスフィルタは圧力
損失の増加を防ぎながらで機械的強度を大幅に向上さ
せ、また耐熱衝撃性に優れた排ガスフィルタを同時に実
現できるものである。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明の排ガスフィルタ
は、セラミック格子からなるセル形状が四角形であり、
セラミック壁の交差部分の近傍以外のセラミック壁の厚
みはハニカム柱状体内部でほぼ一定であり、セラミック
壁の交差部分近傍のセラミック壁の厚みをそれ以外の部
分のセラミック壁より厚く構成したことにより、排ガス
フィルタの再生中にセラミック壁の交差部分近傍で発生
するクラックを抑制し排ガスフィルタの材料強度を限界
まで発揮でき、耐熱衝撃性や耐振動性に優れると共にコ
ストを抑えた排ガスフィルタを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による排ガスフィルタの
斜視図

【図２】本発明の一実施の形態による排ガスフィルタの
拡大部分断面図

【図３】本発明の一実施の形態による排ガスフィルタの
セラミック格子の部分拡大図

【図４】本発明の一実施の形態による排ガスフィルタの
セラミック格子の部分拡大図

【図５】本発明の一実施の形態による排ガスフィルタの
セラミック格子の部分拡大図

【図６】比較例の排ガスフィルタの部分拡大図

【符号の説明】

１ハニカム柱状体２セラミック格子３目封じ４セラミック壁Ｂ矢印Ｌ距離Ｔ厚み

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者池田幸則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

【特許請求の範囲】

【請求項１】主成分がチタン酸アルミニウムからなるセ
ラミック壁で仕切られてセラミック格子を形成している
ハニカム柱状体であって、セラミック格子からなるセル
形状が四角形であり、セラミック壁の交差部分の近傍以
外のセラミック壁の厚みはハニカム柱状体内部でほぼ一
定であり、セラミック壁の交差部分近傍のセラミック壁
の厚みがそれ以外のセラミック壁の厚みよりも厚いこと
を特徴とする排ガスフィルタ。
【請求項２】対向するセラミック壁間の距離Ｌabと、交
差するセラミック壁の厚みがほぼ一定である部分の長さ
Ｌtabとの間に、Ｌtab／Ｌab＝０．８０〜０．９５の関
係が成り立つことを特徴とする請求項１記載の排ガスフ
ィルタ。
【請求項３】セラミック壁の交差部分の断面形状が略円
形を含むことを特徴とする請求項１、２いずれか１記載
の排ガスフィルタ。