JP2003515023A - 低アスペクトレシオディーゼル排気フィルタ - Google Patents
低アスペクトレシオディーゼル排気フィルタInfo
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Abstract
Description
ルタに関し、特に、ディーゼル排気システムが遭遇する諸状況下で溶融および熱
衝撃に対し優れた耐性を有する多孔性セラミック・ディーゼル排気フィルタに関
するものである。
粒子を濾過するのに適した従来のセラミック壁流通フィルタの構成が記載されて
いる。上記特許に記述されているように、米国特許第3,885,977号および
第4,001,028号に開示された種類のコーディエライトセラミック材料がデ
ィーゼル微粒子捕捉フィルタとして一般に用いられており、その理由は、これら
のセラミック材料が、これらのフィルタをしてディーゼルエンジン内で観察され
る排気ガス条件においてさらされる化学的および物理的条件に耐えさせることが
可能な特性を有しているからである。
方インチ(約1.5乃至46.5セル/平方センチメートル)の、より典型的に
は約100乃至200セル/平方インチ(約15.5乃至31セル/平方センチ
メートル)のセル密度を有するハニカム構造体は、コンパクトな構造体内に十分
に薄い壁を提供するのに有用と考えられている。壁厚は、構造体の完全性を保つ
のに必要な最小寸法である約0.002インチ(約0.05mm)から増大方向
に変えることができるが、フィルタ容積を最小にするためには、一般に約0.0
6インチ(約1.5mm)未満である。約0.010インチ乃至0.030イン
チ(約0.25mm乃至0.75mm)の範囲内、例えば0.017インチ(0
.43mm)が好ましいセル密度において選択されることが最も多い。フィルタ
・アスペクトレシオ(フィルタの直径に対する長さの比)は0.8〜1.2の範
囲が、扱い易い直径を有するパッケージユニットにおける適当な濾過容積を提供
するもととして一般に指定されている。
には、薄壁体積の約25%を超える気孔率、通常は約35%を超える気孔率によ
り、流体がより長い距離を通って薄壁を通過することができる。開口気孔の容積
が70%を超えるとディーゼルフィルタの完全性に疑問を生じるから、50%が
一般的である。ディーゼル微粒子の濾過に関しては、開口気孔の気孔率は、チャ
ンネル壁内の平均直径が約1乃至60μmの範囲内、好ましくは10乃至50μ
mの範囲内である気孔によって提供することができる。
でおよびそれ以上の濾過効率が得られる。より小型のディーゼルエンジンの排気
濾過を含む別の濾過用途については、それよりも少ないがそれでもなお意味があ
る微粒子の濾過率(すなわち50%未満)が望ましいかもしれない。勿論濾過効
率は、排気流内で運ばれる微粒子のサイズの範囲と分布とによって変化する。容
積気孔率および平均気孔サイズは、典型的には慣用されている水銀浸透気孔率計
によって測定されて特定される。
るフィルタ再生サイクル中に損傷を受け易いことである。従来のディーゼル排気
濾過システムにおいては、排気ガス流量、したがってエンジンの運転効率は、集
められた炭素質の排気微粒子(煤)がフィルタに蓄積されることによってフィル
タにおける圧力低下が増大することにより影響を受ける。その結果、この圧力低
下は許容できないものであるから、フィルタの再生が必要になる。従来のシステ
ムでは、この再生工程が、フィルタを加熱して煤を燃焼させることを含み、この
高い発熱を伴う再生工程は、もし制御をしない場合には、フィルタ構造に熱衝撃
を与え、クラックや溶融さえも生じさせ得る温度急上昇を発生させる。
されている。このような方法の一つは、H.ミズノ、J.キタガワおよびT.ヒ
ジカタによってSAE Paper No.870010(1987)に「セラ
ミックハニカム・ディーゼル微粒子フィルタの再生におけるセル構造の損傷現象
」として報告されたような、フィルタ構造のパラメータを注意深く選択すること
を含む。ミズノ等は、フィルタセル密度が約100〜200セル/平方インチ(
約15.5〜31セル/平方センチメートル)の範囲内で、フィルタ壁厚および
セル密度を増大させることを通じてフィルタ嵩密度を増大させると、フィルタ熱
容量が効果的に増大し、これにより、フィルタ再生時に受けるフィルタ温度ピー
クを緩和させることを発見した。しかしながら、壁が厚目のフィルタは標準的な
フィルタよりも大きい圧力低下を示し、さらに、壁が薄目のフィルタよりも低い
煤負荷状態で短時間に高い排気背圧レベルに達するようであった。このような欠
点は、煤容量と再生特性との理想的な組み合わせが、0.012〜0.017イ
ンチ(0.30〜0.43mm)の範囲のフィルタ壁の厚さと、100〜200
セル/平方インチ(15.5〜31セル/平方センチメートル)の範囲のセル密
度によって特徴づけられる比較的狭い範囲内のフィルタ構造にあることを示唆し
た。
エライト・ディーゼル排気フィルタは、100セル/平方インチ(15.5セル
/平方センチメートル)のセル密度と、0.017インチ(0.43mm)の壁
厚を有する市販の標準的なフィルタを含めて、使用時において、およびディーゼ
ル排気システムで観察されたものと近似する試験条件下において、許容できない
頻度をもって熱的欠陥を生じ続けている。典型的な欠陥は、熱応力および熱衝撃
に起因するフィルタのひび割れのみでなく、多量の煤の堆積が急速および制御不
能の燃焼を生じたときの一時的な溶融である。
融損傷に対して、現存のフィルタ構造よりも遥かに高い耐性を有する優れた構造
を備えた多孔性セラミック排気微粒子フィルタを提供するものである。同時に、
本発明のフィルタは、排気ガスの好ましい初期背圧を維持し、現在入手可能な最
良のセラミックディーゼル排気微粒子フィルタに少なくとも等しいかまたはそれ
を上回る、煤で誘起される背圧上昇に対する耐性を約束する。
ル排気システムにおける高い熱慣性と妥当な圧力低下特性との双方を備えた、端
部を閉塞された多孔性セラミックハニカム構造体を有するセラミックフィルタを
提供するものである。ハニカム構造体の嵩密度を少なくとも0.50グラム/m 3 の値まで高めることによって、フィルタに要求される高い熱慣性または熱質
量が得られる。同時に、初期フィルタ圧力低下および使用時の背圧上昇速度は、
フィルタの濾過表面積を減らすのではなく、フィルタのアスペクトレシオを小さ
くすることによって規制することができる。フィルタ構造におけるこのような変
更により、一般的なディーゼル排気ガス流量において、微粒子の付着していない
クリーンなフィルタの排気ガス圧力低下である水柱160cm以下を維持しつつ
、高い熱慣性を備えたフィルタを提供する。
性材料で形成されていようと、フィルタボディの幾何学的構造を特定の範囲内に
維持しさえすれば、従来の端部を閉塞されたハニカム構造体からなる多孔性セラ
ミック壁流通フィルタボディにおいて上述のようなフィルタ動作特性を確保する
ことができる。特に、本発明のフィルタボディは、少なくとも約0.016イン
チ(0.40mm)のハニカムチャンネル壁の厚さと、少なくとも150セル/
平方インチ(23セル/平方センチメートル)のセル密度とを有するが、直径に
対する長さの実効アスペクトレシオが約0.9を超えない、より典型的には約0
.2乃至0.85であることによって特徴づけられる。
なわち、フィルタの外形寸法から決定される容積)で除算して得られた商である
。フィルタアスペクトレシオとは、フィルタの実効直径に対する、端部を閉塞さ
れたチャンネルの延長方向に平行なフィルタ軸線に沿ったフィルタの長さの比で
ある。非円形断面を有するフィルタのフィルタの実効直径は、円形断面に変換し
た場合のチャンネル軸線に垂直なフィルタ断面の面積から計算された直径として
求められる。勿論、フィルタの断面は円形である必要はなく、用途に応じて選択
されたディーゼル排気システム構造によって、円形、楕円形、正方形、長方形、
またはその他の断面形状を指定すればよい。
がフィルタから流出するのに先立って多孔性セル壁を通り抜けるように処理され
ることが必要な交互チャンネル閉塞(alternate channel plugging)で形成され
る流体通路を備えていることから「壁流通 (wall flow)」フィルタと呼ばれる
形式のものである。当業者は周知のように、壁流通ガスフィルタに関する圧力低
下の主たる原因は、壁を通り抜けるガスの通過に伴う流動抵抗から発生する。こ
の流動抵抗は、壁の気孔率と厚さによって影響を受け、フィルタ全体としては、
壁全体の表面積が濾過に利用される。もし壁の気孔率が一定の場合には、壁流通
抵抗は壁厚に直接比例し、フィルタの幾何学的表面積(GSA)と呼ばれる壁全
体の表面積に反比例する。
多孔性コーディエライトディーゼルフィルタに関する文献から取った、背圧を表
すグラフである。このグラフにおいては、横軸上のフィルタ壁厚および幾何学的
表面積(GSA)に対して、縦軸上のフィルタ背圧ΔPがプロットされている。
さらに詳細に言えば、横軸は、テストされた各フィルタ構造についてのフィルタ
の幾何学的表面積(GSA)に対するフィルタ壁厚の比を示す。3種類の異なる
セル密度がプロットされているが、全てのフィルタは同じ全体寸法を有する。
の一定のガス流量において行なわれた。観察された流動抵抗における相違は、主
として壁厚および幾何学的表面積の差による。予期されたように、このデータは
、フィルタ背圧がこれらのフィルタについての幾何学的表面積に対するフィルタ
壁厚の比に比例していることを反映している。
影響を明確には反映していない。すなわち、ハニカムフィルタ基体における圧力
低下も、セルチャンネルを流れるガス層流に対する抵抗と、二次的な影響として
のガスがセル構造を流れるときに生じる収縮および膨脹とに依存している。
同一であるがアスペクトレシオが異なる一連のフィルタに関して、フィルタ長さ
(インチ)に対するフィルタ背圧(水柱cmで表される圧力低下)の関係をプロ
ットしたものである。これらフィルタの幾何学的表面積は本質的に等しく、壁流
通抵抗はほぼ不変であるが、背圧には著しい変化が観察される。これらは、流体
の流動およびガス圧縮の効果によって生じるものと考えられる。
来実際的と考えられていたよりも高い嵩密度、したがってより高い熱慣性を備え
たフィルタを提供するものである。これらの構成は、単に再生サイクル時の熱に
対して従来の市販品よりも耐性を有するのみでなく、好ましい初期圧力低下と、
従来のフィルタと同じかそれよりも高い閉塞(plugging)に対する抵抗をも提供
する。
的に制御する特定の低アスペクトレシオフィルタ構造の採用によって確立される
。有用な再生熱の緩和および低い圧力低下をもたらす特に好ましいフィルタ構造
は、フィルタ嵩密度が0.60〜0.85の範囲内、セル密度が200〜300
セル/平方インチ(31〜46.5セル/平方センチメートル)の範囲内、壁厚
が約0.016〜0.030インチ(0.41〜0.77mm)の範囲内、アス
ペクトレシオが約0.2〜0.85の範囲内である。この範囲内のハニカム構造
によれば、1.3m3/分 以下の排気ガス流量において水柱160cm未満の
圧力低下がクリーンなフィルタで容易に得られる。
告されていない利点は、使用時に必要になるフィルタ再生の頻度を減らすものと
思われる。この利点は、低アスペクトレシオのフィルタにおいては、フィルタ入
口チャンネルの壁に微粒子物質が蓄積することによる背圧の上昇が従来構造のフ
ィルタよりも緩慢に生じるという事実から結論づけられる。したがって、低アス
ペクトレシオのフィルタの採用により、必要なフィルタ再生サイクルの間隔をか
なり延ばすことができること明らかである。
期間にあるフィルタに関しては、フィルタの入口チャンネル壁における新規な微
粒子物質の定常的な蓄積によって、フィルタにおける圧力低下が時間に比例して
増大する。しかしながら、この最初の作動期間中、および正常なフィルタ使用期
間中の増大率は、壁厚、セル密度およびフィルタ容積を一定にした場合、フィル
タのアスペクトレシオに大きく依存することが判明した。
関数として、単位時間当たりの背圧の相対上昇率を示すグラフである。縦軸上の
相対目盛りで示される背圧上昇率(ΔP時間当たりの上昇量)は、グラフの横軸
上のフィルタのアスペクトレシオファクタ1/D2 (直径の自乗の逆数)に対
してプロットされている。テストされたすべてのフィルタのセル密度、壁厚およ
び容積は同一であった。フィルタの背圧上昇率がフィルタのアスペクトレシオに
大きく依存することは、フィルタの背圧上昇率がフィルタ直径の二乗の逆数にほ
ぼ比例することによって示されている。
とを意図するものではない)、およびそれから得られる利点が下記に示す具体例
により良く理解されるであろう。
物をハニカム押出しダイを通じて押し出して未焼成ハニカムを形成することによ
って、ハニカムの長さ方向を横切る前面表面積の1平方インチ当り約200セル
(1平方センチメートル当り約31セル)と、0.020インチ(0.5mm)
の壁厚とを有する直径5.66インチ(14.4cm)、長さ4.7インチ(1
1.9cm)の円柱状コーディエライトセラミックハニカムが提供される。この
未焼成ハニカムは、次に乾燥され、かつ焼成されて、約5×10−7/℃の熱膨
張係数と約50容積%の相互連結された気孔を備えた壁を有する焼成されたハニ
カムが生成される。チャンネル壁の平均気孔サイズは約13μmである。
ミックシーリングコンパウンドによって市松模様の閉塞パターンをもって閉塞さ
れ、残りのチャンネルはそれらの出口端において同様に閉塞される。その後、こ
の閉塞されたハニカムは再度焼成されてセラミックシールを硬化させ、チャンネ
ルを永久的に閉塞して、壁流通フィルタボディを形成する。その結果、直径に対
する長さのアスペクトレシオが約0.83で、フィルタ容積の1cm3 当り0
.62グラムのフィルタ嵩密度を備えた、閉塞され、焼成されたハニカム壁フィ
ルタが得られる。
フィルタを円筒状スチール製フィルタ容器内に収容し、かつフィルタ側壁と容器
の側壁との間に耐火性の可撓性マットを介在させる。次に、交互に閉塞されたチ
ャンネルに排気ガスを導き、かつフィルタの多孔性壁を通すために、入口コーン
と出口コーンが容器の両端に取り付けられる。
とを排気の濾過に利用することを確実にするために、この特殊な場合におけるハ
ニカムの取付けは、ハニカムの前面と後面とを完全に遮られないようにする態様
で行なわれる。別の構成では、フィルタは僅かに大きい直径、例えば焼成された
外径が約6.4インチ(約16.3cm)の円柱に押し出されかつ焼成され、次
に、ハニカムを容積および壁の表面積が減少しないようにフィルタ容器内に固定
するために従来から用いられているエッジガスケットおよび保持スリーブを取り
付ける。
仮定すると、同じセル密度を有する(しかしながら、より高いアスペクトレシオ
と、より薄い壁厚と、より小さい嵩密度とを有する)フィルタに関し文献に報告
されたクリーンフィルタの圧力低下データから推定すると、このフィルタに関し
ては、水柱約13cmの初期圧力低下を示す。この初期圧力低下は、より高いア
スペクトレシオを有する従来のフィルタと比較すると、本発明のフィルタの嵩密
度は従来のフィルタよりも遥かに高いから、再生サイクル時の温度スパイクに対
するフィルタの耐性は著しく改良される。
されることによって煤が蓄積されるときの圧力低下の増大速度が低いことが期待
できることにある。図3に示されているように、このようなフィルタにおける煤
の蓄積による圧力低下の増大速度は、フィルタのアスペクトレシオに大きく依存
することが予想され、低アスペクトレシオのフィルタは、同一の容積、セル密度
および壁厚を有する、より高いアスペクトレシオのフィルタよりも顕著な性能上
の利点を提供する。図3で報告されたデータに反映されているこの効果の大きさ
に基づくと、アスペクトレシオが0.83であるこの具体例に関する煤の蓄積に
よる圧力低下の増大速度は、同一の容積、セル密度および壁厚を有するがアスペ
クトレシオが1.2のフィルタにおける増大速度の約25%である。そして、流
体力学的法則は、この具体例のフィルタが、従来の高アスペクトレシオのフィル
タよりも僅かに大きい再生前煤保持容量を有することを示している。
ィルタの他の具体例が下記の表1に報告されている。本発明により提供された低
アスペクトレシオ、高嵩密度の代表的な具体例とともに、文献から取ったいくつ
かの標準的な構成が含まれている。表に報告されている各フィルタについて、フ
ィルタのサイズ、アスペクトレシオ、壁厚および嵩密度が、利用できる推定初期
圧力低下および背圧上昇データとともに記録されている。
ている嵩密度レベルと比較した場合、著しく大きい熱質量(嵩密度)を提供する
。したがって、再生による損傷の実質的な軽減、煤容量および煤閉塞度における
有用な改善が予想される。
クフィルタに関する排気流背圧データを示すグラフ
フィルタのアスペクトレシオに対するフィルタ背圧をプロットしたグラフ
ラミックフィルタに関する、微粒子の蓄積による相対フィルタ背圧上昇率を比較
したグラフ
Claims (8)
- 【請求項1】 ディーゼル排気微粒子を捕捉しかつ燃焼させるための、端部
が閉塞され多孔性セラミックハニカム構造体を備えたセラミックフィルタにおい
て、 少なくとも約0.50グラム/cm3 のハニカム嵩密度と、約0.9を超え
ない、直径に対する長さの実効アスペクトレシオと、 を有することを特徴とするセラミックフィルタ。 - 【請求項2】 1.3m3/分 の排気ガス流量において、微粒子が蓄積さ
れていないときの排気の圧力低下が水柱約160cmを超えないことを特徴とす
る請求項1記載のセラミックフィルタ。 - 【請求項3】 実質的にコーディエライトからなることを特徴とする請求項
2記載のセラミックフィルタ。 - 【請求項4】 多孔性セラミック材料からなる閉塞された、壁流通ハニカム
フィルタボディを備え、該ボディを前面の入口端から出口端まで横切る、一端を
閉塞された複数の平行なチャンネルを備えたディーゼル排気微粒子フィルタにお
いて、 前記ハニカムボディが、少なくとも約0.60グラム/cm3 のハニカム嵩
密度と、前面入口面積における少なくとも150セル/平方インチ(23セル/
平方センチメートル)のセル密度と、少なくとも約0.016インチ(0.40
mm)のセル壁の厚さと、約0.9を超えない、直径に対する長さの実効アスペ
クトレシオと、 を有することを特徴とするディーゼル排気微粒子フィルタ。 - 【請求項5】 実質的にコーディエライトからなることを特徴とする請求項
4記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。 - 【請求項6】 約0.2乃至0.85の範囲内の直径に対する長さの実効ア
スペクトレシオを有することを特徴とする請求項5記載のディーゼル排気微粒子
フィルタ。 - 【請求項7】 0.60乃至0.85グラム/cm3 の範囲内のフィルタ
嵩密度と、約200乃至300セル/平方インチ(約31セル乃至46.5/平
方センチメートル)の範囲内のセル密度と、約0.016乃至0.030インチ
(0.40乃至0.76mm)のセル壁の厚さとを有することを特徴とする請求
項6記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。 - 【請求項8】 1.3m3/分 を超えない排気ガス流量において、クリー
ンなフィルタの圧力低下が水柱約160cmを超えないことを特徴とする請求項
7記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。
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