JPS60237109A - 内燃機関の微粒子捕集用セラミツクフイルタ - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、内燃機関たとえばディーゼル機関の排ガス中
に含まれる微粒子、たとえばカーボン微粒子（ディーゼ
ル／臂ティキュレート）を捕集して排ガスを浄化するセ
ラミックフィルタに関する。

〔発明の技術的背景〕

ディーゼル機関にあっては、排ガス中に含まれるカーボ
ン微粒子をフィルタで捕集することによシ排ガスの浄化
を図っていることは知られておシ、その微粒子捕集装置
の構成について第１図にもとづき説明する。

ディーゼル機関１の排気集合管２には金属容器３を接続
してあシ、この金属容器３は上記排気集合管２に連通す
る排ガス流入口４および図示しない排気管に連通する排
ガス流出口５を有するとともに、その内部に微粒子捕集
用フィルタ６と、このフィルタ６の排ガス導入口側端部
に取シ付けた電気ヒータ７を備えている。電気ヒータ７
は上記フィルタ６に捕集された微粒子を燃焼させてこの
フィルタ６を再生するものである。この電気ヒータ７は
バッテリ８から通電され、この通電は制御回路９によ多
制御する。

なおこの制御はフィルタ６部位の圧力損失、燃料消費量
、走行距離などを測定する各種センサ１０・・・からの
検知信号によル行われる。なお１１は吸気集合管を示す
。

ディーゼル機関１からの排ガスは流入口４よシ容器３に
流入し、フィルタ６を通過して流出口６から排出される
。排ガスがフィルタ６内を通過する際、排ガス中のカー
ビン微粒子はフィルタ６に捕集されるので排ガスから除
去される。

このような微粒子捕集装置における上記フィルタ６は、
従来、［米国特許第４２６４３４６号明細書」に示され
ているごとき構造を有していた。

すなわち従来のフィルタは、三次元網目状骨格をもつ多
孔質セラミックよりなシ、多数の隔壁によシ区分された
多数個の通路を備えて全体として筒状のハニカム構造を
成している。との）・ニカム構造体の両端に開口する上
記通路はその一部を閉塞することによシ、通路内に流入
した排ガスを隔壁における三次元網目状骨格の空間を通
過させて隣接する通路へ通す構造となっている。

このよう外構端のフィルタは、第１図の流入口４から流
入した排ガスを通路の隔壁を通過させることにより、排
ガス中のカービン微粒子を該隔壁を構成するセラミック
骨格に衝突させ、この衝突によシセラミック骨格表面に
カービン微粒子を付着、堆積させるものであシ、基本的
に衝突捕集のメカニズムによって捕集機能を奏するもの
である。

ところで、この種のフィルタは、制約された一定容積で
効率よくカーがン微粒子を捕集することおよびフィルタ
を通過する排ガスの圧力損失上昇を最小限に留めること
等が重要であり、これらの条件を満足しない場合には機
関の性能にきわめて大きな影響を与える。このためフィ
ルタにあっては、全ての隔壁で均一にカービン　１微粒
子が付着堆積されることを必要とする。

〔背景技術の問題点〕

このような要請のもとで、前記米国特許に示された構造
のフィルタについてカーボン微粒子の付着状況を調べて
みると、第２図の特性Ａで示す通電、排ガスの流れ方向
上流端から下流端に向って徐々にカービン微粒子の付着
量が増していることが判った。隔壁における上流側よシ
も下流側のカーボン微粒子材、着量が多いことは、上流
側よシも下流側の排ガス通過量が多いことを示しておシ
、したがって従来の構造では三次元網目状骨格の空間を
通過する排ガス量が一様でない不具合がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、三
次元網目状骨格によシ形成される隔壁を通過する排ガス
が全体に亘って均等となり、排ガス中の微粒子の付着量
も均等化される内燃機関の微粒子捕集用セラミックフィ
ルタの提供を目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明は、フィルタにおける隔
壁の肉厚を、排ガス流れの上流側から下流側に向かって
漸次増大させるように構成し１、上流端側では肉厚が小
さいので三次元網目状骨格内の排ガス通路長が短刀・＜
なって通路抵抗が小さくなるのでガスの通過量が増し、
また下流端側では肉厚が太きいから排ガス通路長が長く
なって通路抵抗が増すのでガスの通過量が抑止され、よ
って全体として均等なガス通過量となるようにしたこと
を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下本発明について第３図ないし第５図に示す一実施例
にもとづき説明する。

第３図ないし第５図に示すセラミックフィルタは第１図
の微粒子捕集装置に使用されるもので、微粒子捕集装置
はすでに説明しであるのでここでは省略する。

第３図ないし第５図のセラミックフィルタ２０は、三次
元網目状骨格をもつ多孔質セラミック、たとえばコージ
ェライトよシなる。このフィルタ２０は多数個の隔壁２
ノ・・・により隔置された多数個の通路２２・・・、２
３・・・を備え、全体として円形筒状のハニカム構造を
成している。

一方の通路２２・・・は排ガスの流れ方向（白抜き矢印
で示す）の下流端が閉止壁２２ａにより閉塞されておシ
、このため該通路２２・・・は流入通路となっている。

またこれら流入通路２２・・・に隣接する他方の通路２
３・・・は上流端が閉止壁２３ｈによシ閉塞されており
、したがってこれら通路２３・・・は流出通路となって
いる。

隔壁２１・・・は多孔質セラミックによ多形成されてい
るので、第３図に拡大して示す通電、三次元網目状骨格
２５間に連続気泡状の空間２６・・・が形成されている
。このため流入側通路２２・・・と流出側通路２３・・
・は上記空間２６・・・を介して連通し、この空間２６
・・・を排ガスが通過する。

上記隔壁２１・・・におっては、上流側から下流側に向
かってその肉厚が漸次増大するように形成されている。

このよう々構成に係る実施例のフィルタ２０の作用につ
いて説明する。

第１図の流入口４に導びかれた排ガスは第３図および第
４図のフィルタ２０における流入側通路２２・・・に流
入し、隔壁２１・・・の空間２６・・・を通過して流出
側通路２２・・・を通電、第１図の流出口５へ排出され
る。

上記排ガスが隔壁２ノ・・・を通過する際、排ガス中に
含まれているカーボン微粒子は空間２６・・・に衝突し
て堆積し、このため排ガスからカーがン微粒子が除去さ
れ、カービン微粒子を含まない排ガスが流出口５へ送ら
れる。

しかして、上記フィルタ２０は上流側から下流側に向か
って隔壁２１・・・の厚みを徐々に増しであるので、上
流側においてはセラミック骨格２５・・・間に形成され
た空間２６・・・による通路長が短かくなり、このため
排ガスの流路抵抗が小さくなるのでガス通過量が増す。

このため排ガスの衝突量が増えるのでカービン微粒子が
骨格２５・・・に付着する量も増大する。

これに対し、隔壁２ノ・・・の下流側にあっては厚みが
大きいことによシ骨格２５・・・間の空間２６・・・に
よって形成される通路長が長くなシ、流路抵抗が大きく
なるためガス通過量が抑止される。したがってカービン
微粒子の骨格２５・・・に対する付着量が減少する。

このようなことからフィルタ全体としては、第２図の特
性Ｂで示す通り、カーボン微粒子の付着量が均等化され
る。

したがって上記フィルタ２０によれば、カービン微粒子
の付着量が均等化することによシ、従来と同容積のフィ
ルタの場合、フィルタ内の隔壁全体、すなわち空間２６
・・・全体をカーボン微粒子付着面として有効に利用で
きるので単位時間当シのカーボン微粒子捕集量が増す。

また、従来の場合下流端近傍において骨格２５・・・間
の空間２６・・・がカービン微粒子の付着によシ短時間
で目詰まりし、このため排ガスの通り抜けが悪くなって
圧力損失を押し上げる現象が見られたが、上記本発明実
施例のものは、カーピン微粒子の付着量が全体に亘って
均等化することから、短時間に局部的な目詰まシを生じ
ることがなくなり、排ガスの通過有効空間がいつまでも
確保されて圧力損失の上昇が軽減される。

また捕集したカービン微粒子は第１図の電気ヒータ７に
よシ燃焼除去されるのでフィルタ２０が再生される。こ
の再生に際して、１００ｇのセラミックマトリックスに
対して２５〜３．０ｇのカーがン微粒子が付着堆積した
場合に良好な再生が可能であるが、これを越える量の付
着があるとカービン燃焼にもとづく発生熱量が多量とな
ってフィルタ自身を溶損する不具合があり、また逆に２
．５１！未満のカービン微粒子の付着量では燃焼熱のカ
ーボン間伝導量が小さくてヒータ７の近傍のみ燃焼され
、全体の再生が不可能となる傾向をもつ。従来のフィル
タでは下流端部に局部的にカービン微粒子が多量に付着
することから、フィルタの下流端部が溶損する現象がし
ばしば見られたが、本発明実施例に係るフィルタはカー
ボン微粒子の付着量が均等化するため、上記の不具合も
防止される。

次に上記セラミックフィルタ２０を製造する方法につい
て説明する。

一般にこの種のフィルタは、ポリウレタンフォームなど
の有機化合物を母材とし、その表面にセラミック原料を
付着させ、これを高温加熱することにより上記有機化合
物の母材を燃焼飛散させるとともに周囲のセラミック材
を焼成させることによって、上記母材の形状と同一形状
のフィルタが得られることを利用して作られている。し
たがって有機化合物の母材を成形する際に所望する形状
のものを設定すれば、出来上がったフィルタの形状も希
望のものが得られる。

上記実施例のフィルタ２０を製造する具体的な方法を以
下に説明する。

（第１の製造方法） 第１の製造方法について第６図ないし第８図にもとづき
説明する。第６図は成形型容器部を図示したものであシ
、第６図（ａ）は平面図、第６Ｎ６）は軸断面図である
。成形型容器部５０は、基盤状に区画した１つおきの区
画において、その区画面積より小さな正方形断面を有し
かつ先端部に向かってその正方形断面積が連続的に減少
するチー／４′形柱状部５１を垂直に固着した端面５２
と、側壁５３とからなり、他の端面は開口されている。

第７図は上記成形型容器部５０に施蓋される成形型蓋部
を示したもので、第７図（、）は平面図、第７Ｎ６）は
軸断面図である。成形型蓋部６０は、上記成形型容器部
５０の柱状部材５１が取付けられていない格子状区画に
対向Ｌ７正方形断面を有するストレート状柱状部材６ノ
を垂直に固着した平板蓋６２からなる。この成形型蓋部
６０の平板蓋６２には各区画に連通穴６３が設けられ、
平板蓋６２の周側部には連結孔６４が設けられている。

このような成形型容器部５０と蓋部６０は第８図に示す
ように組み合されることにより成形型が完成される。

成形型の内部は製造されるべきノ・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　１形成される。

容器部５０と蓋部６０は所定の組み合せがなされるぺ〈
蓋部６０の側周に設けた連結孔６４にビス８ｏを通して
取シ外し可能に固着される。

予め離型剤が内面に塗布された第８図のように組み合わ
された成形型に、１つ擬きに選択された連通穴６３よシ
各キャビティｚｏ内にウレタン７オーム原料液を注入す
る。

ウレタンフオーム原料液は、たとえはポリオール１００
部とイソシマネート２５〜３５部を均一に混合攪拌した
ものであシ、キャビティ７０に注入されたウレタンフオ
ーム原料液はこのキャビティ７０内で発泡する。この発
泡後１２０℃で２０〜６０分間加熱することにより硬化
させる。硬化後に容器部５ｏと蓋部６ｏを取シ外すこと
によシ、ハニカム構造のウレタンフオーム成形体、つま
り骨材が得られる。

このように作成した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薄膜を有するので、
たとえばウレタンフオーム成形体を容器に収容して可燃
性ガスと空気または酸素を導入してこれに火花点火する
ことにょす上記細胞壁を燃焼除去するが、またはウレタ
ンフオーム成形体を水酸化ナトリウムな゛どの強アルカ
リ溶液中に浸漬して細胞壁を劣化させて除去する。

次にコージェライト組成となるＭｇＯ，Ａ／２０３゜５
Ｉ０２を含む粉末１００部と、水６０〜８０部およびポ
リビニルアルコール６〜１０部とを混合攪拌したセラミ
ックスラリ−の中に上記ウレタンフオーム成形体を浸漬
し、この成形体の表面にセラミックスラリ−を付着させ
る。セラミックスラリ−から取シ出して余分なスラリー
を遠心分離などの手段で取υ除いた後、１００〜２００
℃で加熱乾燥させる。このような浸漬と乾燥を複数回繰
シ返す。

次に上記スラリー含浸のウレタンフオーム成形体を１３
００〜１４７０℃の温度で２〜６時間焼成する。この焼
成によシ有機化合物のウレタンフオーム成分が燃焼飛散
され、かつセラミックスラリ−が焼き上げられる。そし
てこのセラミックは、ウレタンフオーム骨格が飛散され
るので、この部位に空間２６が形成される。

このような方法によシ第３図および第４図に示すような
、上流端から下流端に向けて隔壁２ノの肉厚が徐々に増
大した構造の三次元網目状骨格をもつハニカム構造の多
孔質セラミックフィルタ２０が得られる。

（第２の製造方法） 母材となるウレタンフオームを自由空間にて発泡させる
ことによりバルク状発泡体を得る。

この発泡体から所望の外観形状の発泡体を線状ヒータな
どを使用して切シ出す。次にこの発泡体の各両端面よシ
、ニクロム線などの発熱体を内蔵したシース形であって
かつ外観が柱状で基部から先端部に向けてその断面形状
が徐々に小さくなるような形状のヒータを他端に向けて
ウレタンフオームを熱融解させながら挿入する。

この操作を繰り返すことにより、第１の製造方法と同一
形状のウレタンフオーム成形体を得る。

以下第１の製造方法と同じである。

（第３の製造方法） バルク状発泡体よシ切り出しだ所望の外観形状を有する
ウレタンフオームに、その各端面より内部に向けてレー
ザ光を照射し、その熱的作用によりもう一方の端面まで
貫通する通路を設ける。

この際にレーザ光はある一点にて光が収束し、その近傍
では光自身に幅がある性質を用いると、通路間に存在す
る隔壁はチー・２状となる。

次に両端に開口する通路の一部をウレタン状態あるいは
セラミック固着化後の状態にて閉塞すると第１の製造方
法と同一構造のフィルタを得る。

（第４の製造方法） バルク状発泡体より切り出したウレタンフオームにセラ
ミック原料を固着し、次にこれを焼成することによりバ
ルク状のセラミック体を得る。

とのバルク状セラミック体の各端面より、円柱状をなし
基部から先端部に向けてその断面積が徐々に小さくなる
ような構造をもっとともにダイヤモンド粉末でその表面
を覆ったドルリを内部に向けて挿入することによシ通路
を削シ出す。この操作を繰シ返すことによシ、第１の製
造方法と同一構造のフィルタを得る。

なお本発明のセラミックフィルタは第３図および第４図
の構造に御約されるものではない。

たとえば、各通路２２．２３の断面形状は角形に制約さ
れるものではなく、丸形、長方形、星形、菱形など適宜
形状を選定することができる。　ｌまた、流入通路２２
は下流側に向がって断面積が小さくなる形状となってい
るが、流出通路２３を下流側に向かって断面積が小さく
、もしくは大きくなるようにしてもよい。

フィルタの材質はコープイライトに限らず、種々のセラ
ミック材料を使用することができ、かつ製造時に母材と
なるウレタンフオーム成形体も、ウレタンフオームに代
って他の材料を用いることができる。

〔発明の効果〕

以上詳述した通電本発明によると、セラミックフィルタ
の隔壁を通過するガス流量が全体に亘って均等となるの
で、カーピン微粒子の付着量も平均化され、一定容積で
効率よくカーボン微粒子を捕集することができるととも
に、局部的な目詰まシがなくなるので排ガスの圧力損失
上昇が最小限に留められ、機関の性能を良好に保つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は７”イーゼル機関の微粒子捕集装置を示す構成
図、第２図はセラミックフィルタのカーボン付着量を示
す特性図、第３図は本発明の一実施例に係るセラミック
フィルタを一部切欠して示す斜視図、第４図はその軸断
面図、第５図は第４図中ｖ部の拡大した断面図である。 第６図ないし第８図は本発明のセラミックフィルタを製
造する場合に使用する成形型を示し、第６図（ａ）は容
器部の平面図、第６図軸）は第６図（ａ）中Ｘ−Ｘ線に
沿う断面図、第７図＜＝＞は蓋部の平面図、第７図（ｂ
）は第７図（、）中Ｙ−Ｙ線に沿う断面図、第８図は組
み合せ状態の断面図である。 ２０・・・セラミックフィルタ、２１・・・隔壁、２２
・・・流入通路、２３・・・流出通路、２２ａｒ２３ｇ
・・・閉止壁、２５・・・骨格、２６・・・空間。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 （Ｔ雀１１１１） ［ 第３図 ０ 第４図 く 第６図 （ａ） 第７図 （ａ） （ｂ）

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シなシ多数
   の隔壁によシ装置された多数個の通路を備えて全体とし
   て筒状のハニカム構造をもち、両端に開口する上記通路
   の一部を閉塞することによってこれら通路に流入した排
   ガスが上記隔壁の三次元網状骨格における空間を経て隣
   接する他の通路へ流出することによシこの空間に微粒子
   を捕獲するセラミックフィルタにおいて、上記隔壁は排
   ガスの導入側端部かも導出側端部に向けて肉厚を漸次増
   大したことを特徴とする内燃機関の微粒子捕集用セラミ
   ックフィルタ０