JPS59520A - 内燃機関の微粒子補集用セラミック部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関、例えばディーゼル機関の排気ガス中
のカーボン微粒子を捕集して浄化するようにした内燃機
関の微粒子捕集装置に関するものである。

従来、この種の装置として、米国特許第４　、２７６　
。

０７１号明細書に記載されたものがある。これは、セラ
で″ツタハニカム構造を有したセラミックフィルタ部材
より成り、このフィルタ部材の軸方向に延在した多数の
通路をその両端の開口部分で互い違いに閉塞したもので
あり、かかる構造によりフィルタ部在の入口側より流入
した排気ガスは上記通路を通り、該通路に隣接した他の
通路に隔壁の多孔を経て流入し、フィルタ部在の出口側
より流出するようになっている。

上記従来のハニカム型フィルタ部材では特に上記多数の
通路を隔離する隔離の多孔を通過する間に排気ガス中の
カーボン微粒子が捕捉されるのであるが、この捕集した
カーボン微粒子を燃焼して上記フィルタ部材の再生を図
る必要がある。

そこで、カーボン微粒子を焼失させるための電気ヒータ
が必要となる。この電気ヒータを上記フィルタ部材の人
口側端面に配設することが考えられるが、電気ヒータに
加えた熱が放射損失により失なわれやすい。また、カー
ボン微粒子の捕集量はフィルタ部材の入口側端面では最
大でなく、該入口側端面より成る距離隔てたフィルタ部
材内部で捕集量が最大となるため、カーボン微粒子の着
火が因数である。

一方、上記フィルタ部材では上記隔壁の多孔を排気ガス
が通過する間にカーボン微粒子が捕捉されるが、上記多
孔は非常に小さい径であるため、圧力損失が大きく、従
って内燃機関の不調の原因ともなる。

そこで本発明は、カーボン微粒子の焼失を効率よく行な
うとともにフィルタ部材での圧力損失を軽減することを
目的とするものである。

かかる本発明の目的は、上記したハニカム構造のフィル
タ部材において、その前記隔壁を三次元網目状骨格をも
った多孔質セラミックで構成し、かつ該フィルタ部材の
排気ガス人口側端面に、多孔質セラミックよりなるブリ
フィルタ部材を配設して両フィルタ部材を密着し、電気
ヒータをブリフィルタ部材の内側の位置に配置した構成
により達成される。

以下、本発明を図示の実施例に従って説明する。

第１図において、本発明に係る微粒子捕集装置Ａは内燃
機関特にディーゼル機関１の排気集合管２に接続される
。この装置Ａは排気集合管２に連通ずる排気ガス流入口
３ａ及び同流出口３ｂを持った金属製の容器３を具備し
、その内部に微粒子捕集用のハニカム構造のフィルタ部
材４と、このフィルタ部材４の排気ガス入口側端面に結
合した電気ヒータ５とを有する。電気ヒータ５はフィル
タ部材４に捕集された微粒子燃焼させてフィルタ部材４
を再生するためのもので、バッテリ６による通電が制御
回路７により制御される。制御回路７には、フィルタ部
材４の圧力損失を測定する差圧センサ８からの信号及び
機関の回転数を検出する回転センサ９からの信号が入力
される。

機関１からの排気ガスは流入口３ａから捕集装置Ａの容
器３内に流入し、フィルタ部材１０．４を通過して流出
口３ｂより流出する。排気ガスがフィルタ部材１０．４
を通過する際、同排気ガス中のカーボン微粒子はフィル
タ部材４．１０に捕集され、除去される。

微粒子の捕集が進んで特にフィルタ部材４の通気抵抗が
増大すると、差圧センサ８がそれに応じた信号を出す。

差圧センサ８が検知するフィルタ部材４の上流側、下流
側の圧力差は機関回転数に依存しても変化する。そこで
センサ回路７は差圧センサ８からの信号と回転数センサ
９からの信号とから、フィルタ部材４の真の通気抵抗、
すなわち微粒子の捕集密度を求め、それば所定量に達す
ると、電気ヒータ５への通電を開始する。これによりヒ
ータ５は赤熱し、微粒子（カーボンを主体とする）を燃
焼し得る温度まで温度上昇する。

この電気ヒータ５の赤熱化により、微粒子は加熱され、
燃焼する。燃焼は電気ヒータ５の挿着部分から始まり、
排気ガス上流側へ燃焼が拡大すると共に、排気ガスの流
れに沿って発熱した熱量が排気ガス下流側へ伝達される
ので、排気ガス下流側へ効率良く燃焼が拡大する。よっ
て電気ヒータ５を上流側端面近傍の微粒子密度が最大な
る位置、即ちブリフィルタ部材１０の内側に配置してお
けば、着火が容易になると共にねフィルタ部材４の全域
に渡って効率良く燃焼を拡大し、捕集された微粒子を除
去することができる。この微粒子の除去によりフィルタ
部材４が再生され、通気抵抗が低減すると、ヒータ５へ
の通電は停止される。勿論ブリフィルタ部材１０の微粒
子も除去される。

本発明では、電気ヒータ５をブリフィルタ部材１０の内
側に配置しているので、ヒータ５の加熱時における放射
損失等の熱損失が少ない。この結果、少ない電力でフィ
ルタ部材１０．４を再生することができる。また、電気
ヒータ５をブリフィルタ部材１０に捕集された微粒子密
度が最大になる位置に配置しているので着火及び燃焼の
効率が良い。また、電気ヒータ５は、ブリフィルタ部材
１０の内側に完全に固定されているので機械的強度を大
きくすることもできる。

次に、本発明装置の具体的構成を、いくつかの実施例に
基づき説明する。

第１実施例を示す第２図〜第５図において金属製容器３
は第２図のごとく２つの容器部片３０゜３０ａの端部ど
うしをプレスでかしめ付けることにより構成された２分
割型で、断面の形状は、オーバル形又は円形をしている
。この容器３の暁々端、下流端は絞られて排気ガスの流
入口３ａ、流出口３ｂをそれぞれ構成する。

上記容器３の内側には熱的クック９ン材としての耐熱性
を有する金属製ワイヤネッｒ３１が配設され、ハニカム
フィルタ部材４およびプリフィル・り部材１０がその内
側に配設される。フィルタ部材４は３次元網目状の骨格
を有した多孔質セラミックのハニカム構造、またブリフ
ィルタ部材１０も同様の骨格を有した多孔質セラミック
からなっていて、両部材４，１０の１０の側外周は、目
の細かい多孔質セラミックよりなる強度部材４３でおお
われ、保護されている。

上記フィルタ部材４は容器３の内面に固定された固定板
３２と当接して、下流側への移動が素子される。ワイヤ
ネット３１と固定板３２との間には耐熱性のシール部材
３３が配設され、排気ガスの全てがフィルタ部材４．１
０の内部を通過するようになされる。フィルタ部材ｌＯ
は２つのフィルタ部材１０１，１０２より構成してあり
、この両フィルタ部１０１．１０２の間に前記電気ヒー
タ５が挟持固定しである。また、このフィルタ部材１０
は前記ハニカムフィルタ部材４の入口側端面に一体的に
接合させである。

フィルタ部１０１，１０２の多孔質セラミックの目の粗
さの程度は、これらの軸方向長さ、横断面積を考慮し、
カーボン微粒子が捕集され、しかも通気抵抗が極度に大
きくならないように適切に選定され得る。一般には５メ
ツシュー１フメソシユ程度が使用され得るが、必ずしも
この範囲に限定されない。

第６図は、本実施例で使用したフィルタ部１０１．１０
２（直径１２ｃｍの円柱状、目の粗さ１３メソシユ）に
おけるカーボン微粒子捕集密度の長さ方向の変化の様子
を示すグラフである。これによれば、上流側端面より長
さ方向１（１＊ｍの位置でカーボン捕集密度が最大にな
っていることが分る。

これは、フィルタ部１０１，１０２の目の粗さに依存し
５メソシユ〜２０メツシユのとき３０鶴〜　　′３ｆｉ
である。このように、カーボンの捕集密度が最大になる
位置をフィルタ部１０１，１０２の目の粗さに応じて、
実験により決定することができ、最大密度を示す位置（
フィルタ部材１０の入口３顛〜３０ｎの間）に、電気ヒ
ータ５が配置されるようにフィルタ部材の厚さを選定す
れば良い。例えばフィルタ部材１０の目の粗が２０メツ
シユのときは約３１１１フイルタ部材１０の目の粗さが
８メツシ９のときは約１０ｔｍに、フィルタ部材１０の
目の粗さが５メツシユのときは約３０ｔｍに選定すれば
良い。従って、この数値を満足するよいに、フィルタ部
材１０を構成するフィルタ部１０１．１０２の軸方向長
さ、目の粗さを選定すればよい。

また、ブリフィルタ部材１０の軸方向長さはハニカムフ
ィルタ部材４との通気抵抗の関係で決められるが、ハニ
カムフィルタ部材４の軸方向長さに対して１／３程度が
好ましい。

前記電気ヒータ５のヒータ線５ａ両端はフィルタ部材１
０を貫通するよいにして端子部５０のターミナル５１．
５２に接続され、これを介して制御回路７　（第１図）
と接続される。ヒータ線５ａの両端部は、その際、小さ
な輪をなすよう曲げられて応力吸収部５ｂが設けられ、
振動等によってもヒータ線５ａ及びそのターミナル５１
．５２とのせつぞ部が断線しないようになされる。端子
部５０においては、第３図に示す通り、基体５３が容器
３の外面上に溶接により固定され、その内側　　・に絶
縁対５４を回してターミナル５１．５２が配設される。

そして、絶縁材よりなるパツキン５５が装設され、カバ
ー５６がビス５７にて基体５３に固定される。

上記ハニカムフィルタ部材４は第２図の構造から明白で
あるが、斜めより見ると第５図の構造を有している。即
ち、両図において、フィルタ部材４は多数の通路４ａが
多数の隔壁４ｂにより隔置されたハニカム構造を有して
いて、上記多数の通路４ａの両端は通路の１つ置きに互
い違いにして閉塞しである（第５図では斜線部分が閉塞
部）。

従って、フィルタ部材４内に入った排気ガスは、第２図
の矢印に示すごとく、隔壁４ｂを通過する。

次に、上記ハニカムフィルタ部材４．１０の製法につい
て詳細に説明する。まず、ハニカムフィルタ部材４を作
る成形型について述べる。

第７図は本発明に使用される成形型容器部を図示したも
のであり第７図（ａ）は平面図、第７図（ｂ）は軸断面
図である。成形型容器部２０は基盤状に区画した１つ置
きの区画においてその区画面積よりも小さな正方形断面
を有する柱状部材２１を垂直に固着した端面２２と側壁
２３とからなり、他の端面ば開口されている。一方、第
８図は、本発明に使用される成形型蓋部を図示したもの
であり、第８図（ａ＋は平面図、第８図（ｂ）は軸断面
図である。成形型蓋部６０は、前記の成形型容器部２０
と同様に柱状部材６１を垂直に固着した平板蓋６２かう
なる。柱状部材６１の取付位置は、成形型容器部２０に
おいて柱状部材６１が取付けられてない格子状区画に取
付る。また成形型蓋部６０の平板には各区画に連通穴６
３が設けられ、平板の側周には連通孔６４がもうけられ
ている。そして成形型容器部２０と成形型蓋部６０とを
組み合わせて成形型を作成する。第９図は組み合わされ
た成形型の軸断面を示したものである。成形型の内部は
製造されるべきハニカム型多孔質セラミックと同一形状
のキャビティ７０が形成される。成形型蓋部６０と成形
型容器部２０とは所定の組み合わせがなされるべく成形
型蓋部６０の側集に設けた連通孔６４を通してビス８０
によって取りはずし自在に固着される。予め雛形剤が内
部に塗布された第９図に示す組合わされた成形型に１つ
置きに選択された連通孔６３からウレタンフオーム原料
液を注入する。このとき成形型内部の空気は他の残りの
連通孔６３から排出され、ウレタンフオームの注入を良
くしている。

次に上記キャビティ７０でウレタンフオームを発泡させ
て、８０℃で１５〜６０分加、熱し硬化させた。その後
に成形型腰部２０と成形型蓋部６０を取りはずしてハニ
カム構造のウレタンフオーム成形を得る。以上の手段に
よって作成したハニカム構造のウレタンフオーム成形体
は三次元網状をなす骨格間に細胞壁とよばれるＷＩＲを
有するのでこのウレタンフオーム成形体を容器中に設置
し可燃性ガスと空気又は酸素を導入してこれに火花点火
し細胞壁を燃焼させて除去した。次に焼成によりコージ
ェライト組成となるＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３゜Ｓ　ｉ　Ｏ２
を含む粉末と水とポリビニルアルコールとを混合撹拌し
たセラミックスラリ−の中に前記成形体を浸漬し、余分
なスラリーを除いた後、１００〜１２０°Ｃで加熱乾燥
させ、この浸漬、乾燥を数回繰り返した。

一方、細胞壁を除去した円筒形のウレタンフオームを２
１１１用意し、上記ハニカム部材４で説明したのと同じ
セラミックスラリ−中に２個のウレタンフオームを浸漬
する。余分なスラリーを除いた後、１００〜１２０°Ｃ
で加熱乾燥させ、この浸漬、乾燥を数回繰り返した。ま
た、例えばＣｒ２１〜２３％、Ａ１５．３〜５．７％、
残部Ｆｅよりなる螺旋状に巻回したヒータ線を用意し、
このヒータ線を上記スラリーを付着させた上記ウレタン
フオームの間に挟持する。

次に、前述した、スラリー含浸のハニカム構造ウレタン
フオームに上述の、ヒータ線を間に挾持したスラリー含
浸のウレタンフオームを圧接した状態で１３００〜１４
７０°Ｃで２〜６時間焼成した。

これにより、第２図に示したごとく、フィルタ部材４．
１０が一体構造となる。勿論、フィルタ部材１０のフィ
ルタ部１０１，１０２も間にヒータ線５ａを挾持した状
態で互いに一体構造となる。

これらフィルタ部材４．１０を構成する多孔質セラミッ
クスは第４図に示す三次元網目状の骨格を有している。

なお、ハニカムフィルタ部材４において、前述のウレタ
ン材料の発泡時に材料が容器部２０、蓋部６０の内面に
圧接してフオームの目がつぶれたり、あるいは目が極め
て微細となるので、前記閉塞部４Ｃは充分な目詰り状態
となる。

次に、第２図を用いて本発明装置の作動を説明する。デ
ィーゼル機関（第１図参照）より排出された排気ガスは
フィルタ部材１０のフィルタ部１０１．１０２を通過す
る。つまり、両フィルタ部１０１．１０２を構成する多
孔質セラミックの三次元網目状骨格間に形成される空間
（第４図参照）を排気ガスが通過するのである。

そして、このフィルタ部材１０を通過した排気ガスはハ
ニカムフィルタ部材４の多数の通ＦＩｔ１４ａに入り、
隔壁４ｂを経て隣接する他の通路４ａに流出していく。

隔壁４ｂは第４図の構造を有しており、排気ガスは上記
フィルタ部１０１．１０２と同様に三次元網目状骨格間
の空間を通過するのである。

排気ガス中のカーボン微粒子は格フィルタ部材４．１０
の多孔質セラミックの三次元網目状の骨格上に衝突して
該骨格上に捕捉される。

第６図に示したようにフィルタ部材１０の内部で捕集さ
れたカーボン微粒子の密度が最大となる。

そして、この密度が最大となる位置に電気ヒータ５を配
置しているため、再生に際して電気ヒータ５に通電すれ
ばカーボン微粒子の密度の最大の領域がまず最小に着火
、燃焼し、これを火種として下流側に捕集されたカーボ
ン微粒子が燃焼する。

従って、効率的に、捕集されたカーボン微粒子を焼失し
、除去することができるのである。

また、上記したハニカムフィルタ部材４の隔壁４ｂは、
上述のように三次元網目状骨格の間に形成された空間が
通孔となるので、通気抵抗は小さく圧力損失を低減でき
る。ちなみに、従来のハニカム構造フィルタ部材と本発
明ハニカムフィルタ部材とをカーボン微粒子の捕集効率
４５％と一定にして比較した場合、従来例は９０〜１０
０　ｍ１１ｇの圧力損失であるのに対し、本発明では４
５〜５Ｑｍｌ１ｇと１／２の圧力損失ですむ。

なお、本発明は上述の実施例に限定されず、次のような
種々の変更が可能である。

（１）第１０図のごとく、フィルタ部材１０は一層構造
でもよい。

（２）ハニカムフィルタ部材４とフィルタ部材１０とを
予め独立に製作した後、両者をセラミック接着剤により
接着し焼成するようにしても勿論よい。

（３）フィルタ部材１０は一般のハニカム構造としても
よい。

（４）電気ヒータ５の材質はＳｉＣ，ＭｏＳ＋　２　、
　Ｔｉｃ−＾ｌ２ｏ３系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−へ１２０３
系、ＴｉＮ−へ１２０３系などのセラミック質のもので
もよい。また、前記実施例以外の他の金属材質の電気ヒ
ータを用いてもよい。

（５）各フィルタ部材４．１０の材質もコージェライト
に限らず、種々のセラミック材料を用いることができる
。

（６）各フィルタ部材４．１０は一体化しなくてもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微粒子捕集装置の取付位置を示す部分
破断面図、第２図は本発明装置の一実施例を示す断面図
、第３図は第２図の電気−ヒータの端子構造を示す断面
図、第４図は第２図のフィルタ部材４．１０の組織を示
す斜視図、第５図は第２図のハニカムフィルタ部材４を
示す斜視図、第６図は本発明の作用説明に供する特性図
、第７図ｆａｌ、（ｂｌおよび第８図（ａｌ、ｆｂ）は
第２図のハニカムフィルタ部材４の製造に用いる型を示
すもので、各図＋８１は平面図、各図（ｂｌは各図（８
）のＸ−Ｘ、Ｙ−Ｙ断面図、第９図は第７．８図の型を
組合せた状態を示す断面図、第１０図は本発明の他の実
施例を示す断面図である。 ４・・・ハニカムフィルタ部材、４ａ・・・通路、４ｂ
・・・隔壁、４Ｃ・・・閉塞部、５・・・電気ヒータ、
ＩＯ・・・フィルタ部材。 代理人弁理士　岡　部　　　隆 第４図 第２図 第３図 へａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 三次元網目状骨格をもつ多孔質セラミックよりなる多数
   の隔壁に隔置された多数の通路を有し全体として筒状の
   ハニカム構造をもち、その両端において開口する通路の
   一部を閉塞することにより通路内に流入した排気ガスが
   前記隔壁の前記骨格間の空間を経て隣接する他の通路へ
   流出するようにしたハニカムフィルタ部材を備え、この
   ハニカムフィルタ部材の排気ガス上流側に多孔質セラミ
   ックよりなるブリフィルタ部材を配置し、このブリフィ
   ルタ部材を前記ハニカムフィルタ部材の排気ガス入側端
   面に密着し、前記ブリフィルタ部材の内側に電気ヒータ
   を配置した内燃機関用微粒子捕集装置。