JP2011509816A - 非対称六角形の流路を有するガス濾過構造 - Google Patents
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Abstract
本発明は、粒子を含んだガスの濾過用のハニカムタイプのガスフィルタ構造に関し、この構造は、多孔質濾過壁によって隔てられた相互に平行な軸線を有して長手方向に隣接した流路の集合体を備え、各流出路は、6つの流入壁に共通の壁を有し、各共通壁は流出路の1面を構成し、各流出路は、ほぼ六角形で規則的な断面の流路を形成するために、ほぼ同一の幅aの6面から構成され、各流入路の少なくとも2つの隣接した面が異なる幅を有し、1つの同一の流出路と壁を共有する少なくとも2つの流入路が、その2つの流入路の間に幅bの共通壁を共有し、幅の比率b/aが0より大きく1より小さい。
Description
本発明は、場合によっては触媒成分を含むことがある濾過構造、例えばディーゼル内燃機関の排気ラインに使用される濾過構造の分野に関する。
ガス処理用フィルタ、及び、ディーゼルエンジンから典型的に生じるすす粒子の除去用フィルタは従来技術において広く知られている。通常、これらの構造はすべてハニカム構造を有しており、構造の一面は、処理されるべき排気ガスの流入を可能にし、他面は、処理された排気ガスの流出を可能にする。構造は、流入面と流出面との間に、隣接したダクト又は流路の集合体を備えており、ダクト又は流路は、通常は正方形の断面を有し、多孔質壁によって隔てられた相互に平行な軸線を有している。ダクトは、流入面で開放した流入チャンバと流出面で開放した流出チャンバとを形成するために、その端部のいずれか一方で塞がれる。排気ガスが、ハニカム本体を通り抜ける過程で、流出路に再合流するために流入路の側壁を強制的に通り抜けるような順序で、流路は1つおきに塞がれる。こうして、微粒子やすす粒子はフィルタ本体の多孔質壁に堆積し蓄積する。
現在では、多孔質セラミック材料、例えばキン青石又はアルミナ、特にチタン酸アルミニウム、ムライト又は窒化珪素又は珪素と炭化珪素との混合物又は炭化珪素から形成されるフィルタがガス濾過に用いられる。
その使用時、粒子フィルタは、一連の濾過(すすの蓄積)段階及び再生(すすの除去)段階に曝されることが知られている。濾過段階の間、エンジンによって噴出されたすす粒子はフィルタ内に保持され堆積する。再生段階の間、すす粒子は、フィルタの濾過特性を回復させるために、フィルタ内で焼き払われる。多孔質構造は、従って、微少亀裂を招くことがある半径方向及び接線方向の強い熱機械的応力を受け、熱機械的応力は、その継続期間中、濾過能力の重度の低下又はその完全な非活性化さえをもユニットが受ける結果をもたらす傾向にある。この現象は大径のモノリシックフィルタに特に見受けられる。
これらの問題を解決し、フィルタの寿命を延ばすため、複数のハニカムブロックすなわちモノリスを結合することによって形成されるフィルタ構造を提供することが最近になって提案された。モノリスは、接着剤によって、すなわち、以下の説明中で結合接着剤と呼ばれるセラミック特性の接着剤によって通常は互いに接着される。こうした濾過構造の例は、欧州特許出願公開第816065号明細書、欧州特許出願公開第1142619号明細書、欧州特許出願公開第1455923号明細書、国際公開第2004/090294号パンフレット及び国際公開第2005/063462号パンフレットに例えば記載されている。こうした集合構造において最適な応力緩和を確実にするため、構造の様々な部分(フィルタモノリス、被覆接着剤、結合接着剤)の熱膨張係数がほぼ同じ大きさでなければならないことが知られている。その結果、前記部分が、同じ材料、通常は炭化珪素SiC又はキン青石を基礎として好都合に合成される。この選択肢はまた、フィルタの再生中の均一な熱分布を保証する。
熱機械的強度及び圧力損失に関して最高の性能を得るため、小型自動車に現在利用可能な集合フィルタは、正方形又は長方形の断面を有する約10〜20のモノリスを典型的に備え、モノリスの基本の断面積は約13cm2〜約25cm2である。これらのモノリスは、通常は正方形の断面を有する複数の流路から構成される。圧力損失及びすす蓄積に関する性能を低下させずにフィルタの質量をさらに減少させるため、明白な解決策は、モノリスの個々のサイズを増大させることによって集合体内のモノリスの数を減らすことであろう。こうした増大は、しかしながら、特にSiCのフィルタにおいてはフィルタの熱機械的強度の容認できない低下を伴わない限り、現在では可能ではない。
特に「トラック」に現在用いられている大型の断面を有するフィルタは、小型自動車向けのフィルタを構成するモノリスと同様のサイズを有するモノリスを結合接着剤によって集合させることによって製造される。トラックフィルタタイプのモノリスの数は、その結果、非常に多く、30以下の、又は、80以下のモノリスさえも備えることがある。こうしたフィルタは、その結果、過度に大きな総重量を有し、過度に高い圧力損失を有する。
一般に、それゆえ現在のところ、すべての濾過性能を高めるとともに現在のフィルタの寿命を延ばす必要性がある。
もっと正確に言えば、フィルタの改善は、以下の特性を対比することによって直接的に計測されることが可能で、それらの特性の間で最良で可能性のある折衷点は、エンジン速度が同等の場合に本発明によって探求される。特に、本発明の主題は、
実施時、すなわち、典型的には濾過構造が内燃機関の排気ラインにある時、こうした構造がすす粒子のない時(初期の圧力損失)及び粒子を含んだ時の両方の時のフィルタ構造によって生じた低い圧力損失と、
前記実施中にフィルタをまたがった圧力損失のできる限り小さな増大、すなわち、実施時間に応じて計測された圧力損失の小さな増大、又は、もっと正確に言えば、フィルタへのすす付着レベルに応じて計測された圧力損失の小さな増大と、
濾過のための大きな総表面積と、
それ自身がモノリスの亀裂を引き起こすことがある最大再生温度とフィルタの被る温度勾配とを最小限に抑えるために十分な熱質量を保証することに適したモノリス質量と、
再生の頻度を減らすために、特に一定の圧力損失時における高いすす蓄積量と、
フィルタの長寿命を可能にする高い熱機械的強度と、
高い残留物蓄積量と、
のすべてを同時に有するフィルタ又はフィルタモノリスである。
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フィルタのすす付着のレベルに応じた圧力損失の増大は、ΔPが圧力損失を示し、Msootが、フィルタに蓄積したすすの質量を示す場合に、付着勾配ΔP/Msootによって直接的に計測されることが特に可能である。
上述の特性のいずれか一方を改善するために、従来技術では、様々な方法で濾過構造の流路の形状を変更することがすでに提案されてきた。
例えば、前記フィルタの濾過表面積を一定のフィルタ体積まで増大させるために、国際公開第05/016491号パンフレットは、流入路及び流出路が異なる形状で異なる内部容積のフィルタモノリスを提案した。こうした構造では、壁要素が、正弦曲線形状又は波形状を形成するために、断面において、かつ、流路の水平列及び垂直列の少なくともいずれか一方に沿って、交互に配列される。壁要素は、典型的には流路の幅を通して正弦曲線の半周期の波を形成する。こうした流路形状は、低い圧力損失と高いすす蓄積量とを得ることを可能にする。しかしながら、このタイプの構造は、過度に高いすす付着勾配を伴った過度に高い初期圧力損失を有しており、このタイプの流路形状で製造されたフィルタは、従って、上に規定された必要条件のすべてを満たすわけではない。
別の形状によれば、米国特許第4417908号明細書は、六角形の断面のセルすなわち流路を提案しており、流入路は6つの流出路(特に図11を参照)で囲まれている。しかしながら、こうした構造のすす蓄積量は依然として全般的に低い。
代わりに、欧州特許出願公開第1538133号明細書は、非対称六角形のセルの形状を教示しており、この形状は、正方形の断面を有する構造、又は、一定の流路密度及び一定の壁厚の流路を有する構造を通して、すす及び残留物の蓄積量を増大させることを可能にする。しかしながら、図14に示される形状は、過度に低い残留物蓄積量及び高い付着勾配を招き、濾過面積は依然として低いままである。さらに、流路のこの形状は過度に高いフィルタ重量を招く。フィルタの実施時、出願人によって実施された実験は、前記フィルタが内燃機関の排気ラインに嵌め込まれた時にこのフィルタによって潜在的に蓄積され得る多量の残留物を有することが、フィルタ寿命のかなりの延長を最終的にもたらすことを実証した。
こうして、従来技術の形状の各々が所望の特性の少なくとも1つを改善するけれども、上述されたように、説明されたいずれの解決策も、一連の所望の特性の間で許容し得る折衷点を提供していないことが理解され得る。一般に、従来技術の形状の各々では、フィルタの特性の1つに関して得られた改善が他方で同時に悪化を伴っており、その結果、最終的に得られた改善は、引き起こされた欠点に関して概して大したものではないことが指摘され得る。
従って、本発明の目的は、上述されたように、引き起こされた圧力損失と、付着勾配ΔP/Msootと、質量と、総濾過表面積と、すす及び残留物の蓄積量と、熱機械的強度との間で最良の折衷点を有する濾過構造を提供することを目的とする。
その最も包括的な形態では、本発明は、粒子を含むガスの濾過用のハニカムタイプのガスフィルタ構造に関し、該ガスフィルタ構造は、多孔質濾過壁によって隔てられた相互に平行な軸線を有して長手方向に隣接した流路の集合体を備えており、前記流路は、濾過されるべきガス用の流入路及び流出路を形成するため、かつ、前記ガスに、流入路と流出路とを隔てている多孔質壁を強制的に通り抜けさせるため、構造の一端又は他端で交互に塞がれており、前記構造では、
各流出路が6つの流入壁に共通の壁を有しており、かつ、各共通壁が前記流出路の一面を構成しており、
各流出路が、ほぼ六角形で規則的な断面の流路を形成するためにほぼ同一の幅aの6面から構成され、
各流入路の少なくとも2つの隣接した面が異なる幅を有し、
1つの同一の流出路と壁を共有する少なくとも2つの流入路が、前記2つの流入路の間に幅bの共通壁を共有し、
幅の比率b/aは0より大きく1より小さい、ことを特徴とする。
各流出路が6つの流入壁に共通の壁を有しており、かつ、各共通壁が前記流出路の一面を構成しており、
各流出路が、ほぼ六角形で規則的な断面の流路を形成するためにほぼ同一の幅aの6面から構成され、
各流入路の少なくとも2つの隣接した面が異なる幅を有し、
1つの同一の流出路と壁を共有する少なくとも2つの流入路が、前記2つの流入路の間に幅bの共通壁を共有し、
幅の比率b/aは0より大きく1より小さい、ことを特徴とする。
好適には、幅の比率b/aは、0.1〜0.95であり、好適には0.2〜0.9であり、特に好適には0.3〜0.85である。
可能性のある一実施形態によれば、流入路及び流出路を構成する壁は平面である。
代替実施形態によれば、流入路及び流出路を構成する壁は波形であり、言い替えれば、断面において、流路の軸心に対して、壁は、少なくとも1つの凹面部又は少なくとも1つの凸面部を有する。
流出路は、前記流路の軸心に対して凸面の壁を有してもよい。本発明の範囲から逸脱しない限り、流出路は、前記流路の軸心に対して凹面の壁を一様に有してもよい。
好ましくは、2つの流入路の間の幅bの共通壁は平面である。
本代替実施形態によれば、断面に沿って、凹面壁と1つの凸面壁又は複数の凸面壁との少なくともいずれか一方の極値点と、前記壁の2つの端点を結ぶ直線部分との間の最大距離は、0より大きく、aの0.5倍より小さい。
本発明に係るフィルタ構造は、1cm2あたり約1本〜約280本の流路の密度を有しており、好適には、1cm2あたり約15本〜約40本である。
平均壁厚は、100μm〜1000μmであり、好適には150μm〜450μmである。
本発明に係るフィルタ構造では、流出路の幅aは、典型的には約0.10mm〜約4.00mmであり、好適には約0.20mm〜約2.50mmである。
本発明に係るフィルタ構造では、2つの流入路に共通の壁の幅bは、典型的には約0.05mm〜約4.00mmであり、好適には約0.20mm〜約1.00mmである。
一実施形態によれば、壁は炭化珪素SiCを基礎として形成される。
本発明は、複数の上述の濾過構造を備える集合フィルタに特に関し、前記構造は接着剤によって相互に接着される。
本発明はさらに、ディーゼルエンジン若しくはガソリンエンジン、好適にはディーゼルエンジンの排気ラインの汚染防止装置として、上述のフィルタ構造を使用すること、又は、集合フィルタを使用することに関する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るフィルタの前面の一部の正面図であり、フィルタは、6つの壁を有する流入路及び流出路を備え、前記流入路及び前記流出路では前記壁は平面である。
図2は、本発明の第2実施形態に係るフィルタの前面の一部の正面図であり、フィルタは、6つの壁を有する流入路及び流出路を備え、前記流入路及び前記流出路では前記壁は波形である。本実施形態によれば、流出路は、前記流路の軸心に対して凸面の壁から構成される。
図3は、図2に関してすでに説明された実施形態をより詳細に示す。
図1は、モノリス濾過ユニット1の一部のガス流入面の正面図を示す。ユニットは流入路3と流出路2とを有する。流出路は、栓4によってガス流入面で従来通りに塞がれる。流入路もまたフィルタの反対(背)面で塞がれ、その結果、清浄化されるべきガスが強制的に多孔質壁5を通り抜ける。本発明に係る濾過構造は、流出路2があることを特徴としており、前記流出路2の断面は規則的な六角形状を有しており、言い替えると、六角形の6辺が実質的に同一の長さaを有しており、かつ、2つの隣接した辺がほぼ120度の角度をなしている。規則的な流出路2は、同様に六角形であるものの不規則な全体形状の6つの流入路3に接しており、すなわち、流入路3は、その少なくとも2つが断面において異なる幅を有する隣接した壁で形成される。
本発明によれば、流入路は長さbの共通壁を有する。
本発明に係る構造は、比率b/aが、0より大きく、厳密に1より小さいことを特徴とする。
添付の断面図(図1〜図3)に示されるように、距離a及び距離bは、本発明によれば、該当する壁の2つの頂点S1及び頂点S2を結ぶ距離として規定され、前記頂点S1及び前記頂点S2は前記壁(図1及び以下参照)の中央芯6上に位置している。こうして、壁の厚さとは無関係のaの値及びbの値が得られる。好適には、壁の厚さは、本発明によればフィルタの厚さの全長にわたって一定である。
図2は、そこを介して清浄化されるべきガスが本発明のハニカム構造に流入する前面の正面図における一連のガスの流出路2及び流入路3の配置を示しており、流出路2の壁及び流入路3の壁は波形である。流出路は、その軸心に対して凸面の壁から構成される。この構造の範囲内で、及び、図3に示されるように、断面において最大距離cは、波形壁の極値点7と、壁の2つの端点S1及び端点S2を結ぶ直線部分8との間の距離として規定される。
壁が波形、凹面又は凸面である本発明に係る実施形態では、距離cは、0より大きく、かつ、aの0.5倍(0.5×a)より小さい。好適には、この比率は、aの0.01倍より大きく、特に好適にはaの0.03倍より大きく、さらにはaの0.05倍より大きい。好適には、この比率は、aの0.30倍より小さく、特に好適にはaの0.20倍より小さい。
可能性のある一実施形態によれば、流入路の60度の2つの(平面又は波形の)壁は、本発明に係る構造では同一の幅である。可能性のある一実施形態によれば、本発明に係る構造における流入路の2つの隣接した壁は異なる幅である。
本発明と、既知の構造に対する本発明の利点とは、それに限定されない以下の例を読むことでさらに明確に理解されるであろう。
例1
炭化珪素から形成されたハニカム形状のモノリスの第1集団は、従来技術に従って、例えば欧州特許第816065号明細書、欧州特許第1142619号明細書、欧州特許第1455923号明細書又は国際公開第2004/090294号パンフレットに記載されているモノリスで合成された。
炭化珪素から形成されたハニカム形状のモノリスの第1集団は、従来技術に従って、例えば欧州特許第816065号明細書、欧州特許第1142619号明細書、欧州特許第1455923号明細書又は国際公開第2004/090294号パンフレットに記載されているモノリスで合成された。
合成にあたって、以下のものが混合機で混合された。
98%より大きな純度を有するとともに2つの粒子サイズ部分から構成された炭化珪素の粒状物又は粒子の混合物、3000g。第1部分は5μm〜50μmのメジアン径d50を有しており、この部分を構成する粒子の少なくとも10重量%が5μmより大きな径を有していた。第2部分は5μm未満のメジアン粒子径を有する。本発明の内容の範囲内では、用語「メジアン径」は、粒子の集団の50重量%がそのメジアン粒子径を下回る粒子の径を意味することが理解される。
セルロース系の有機結合剤、150g。
98%より大きな純度を有するとともに2つの粒子サイズ部分から構成された炭化珪素の粒状物又は粒子の混合物、3000g。第1部分は5μm〜50μmのメジアン径d50を有しており、この部分を構成する粒子の少なくとも10重量%が5μmより大きな径を有していた。第2部分は5μm未満のメジアン粒子径を有する。本発明の内容の範囲内では、用語「メジアン径」は、粒子の集団の50重量%がそのメジアン粒子径を下回る粒子の径を意味することが理解される。
セルロース系の有機結合剤、150g。
その後、水が加えられて、押出成形に適した柔軟性を有する均質なペーストが得られるまで混合され、押出成形用金型は、正方形の断面を有するモノリスブロックを得るように構成され、前記ブロックの内部流路はまた、例えば現在流通しているブロックなどのような正方形の断面を有する。
得られた未焼成のモノリスは、化学的非結合水の含水量を1重量%より小さくするために十分な長時間にわたってマイクロ波で乾燥させられた。
モノリスの各面の流路は、よく知られている技術、例えば国際公開第2004/065088号パンフレットに記載されている技術を用いて1つおきに塞がれた。
モノリス(要素)は、その後、摂氏2100度より高い温度で焼成され、前記温度は5時間維持された。得られた多孔質材料は、39%の開放細孔率と、約15μmの平均細孔径分布とを有していた。こうして得られたモノリスの寸法特性は下記の表1に示されており、構造の周期性すなわち2つの隣接した流路間の距離は1.89mmであった。
集合フィルタは、その後、モノリスから形成された。同一の混合物から得られた16個の要素は、従来の技術を用いて接着することによってお互いに集められ、接着にあたって、以下の化学組成を有する接着剤が用いられ、接着剤は、72重量%のSiC(炭化珪素)と、15重量%のAl2O3(酸化アルミニウム)と、11重量%のSiO2(二酸化珪素)と、不純物、大部分を占めるFe2O2(酸化鉄)及びアルカリ及びアルカリ土類金属酸化物で構成される残りの部分と、で組成された。2つの隣接したブロック間の接合部の平均厚さは約1mm〜約2mmであった。その後、約14.4cmの径を有する円筒形状の集合フィルタを構成するために、集合体の全体が機械加工された。
例2
上述のモノリス合成技術が同様にまた繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、内部流路の波形形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。モノリスは、国際公開第05/016491号パンフレットの図3に関して説明された技術に従って得られた。断面において、壁の波形は、国際公開第05/016491号パンフレットで規定されるような非対称度を有しており、非対称度は11%と同等であることを特徴とする。こうして得られた要素の寸法特性は、下記の表1に示されており、構造の周期性すなわち隣接した2つの流路間の距離は1.95mmであった。
上述のモノリス合成技術が同様にまた繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、内部流路の波形形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。モノリスは、国際公開第05/016491号パンフレットの図3に関して説明された技術に従って得られた。断面において、壁の波形は、国際公開第05/016491号パンフレットで規定されるような非対称度を有しており、非対称度は11%と同等であることを特徴とする。こうして得られた要素の寸法特性は、下記の表1に示されており、構造の周期性すなわち隣接した2つの流路間の距離は1.95mmであった。
例3
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、欧州特許出願公開第1495791号明細書の図6bに示されているように内部流入路(当分野ではたいてい正方形/八角形構造と呼ばれている)の八角形の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。こうして得られた要素の寸法特性は下記の表1に示されており、構造の周期性すなわち隣接した2つの流路間の距離は2.02mmであった。
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、欧州特許出願公開第1495791号明細書の図6bに示されているように内部流入路(当分野ではたいてい正方形/八角形構造と呼ばれている)の八角形の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。こうして得られた要素の寸法特性は下記の表1に示されており、構造の周期性すなわち隣接した2つの流路間の距離は2.02mmであった。
例4
上述の合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、コーニング(Corning)社の米国特許第4417908号明細書の図11の教示に従って、規則的な六角形状の断面を有するとともに平面壁によって形成される内部流入路及び内部流出路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。こうして得られた規則的な六角形の流路を有する構造のパラメータはa=b=1.45mmであった。
上述の合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、コーニング(Corning)社の米国特許第4417908号明細書の図11の教示に従って、規則的な六角形状の断面を有するとともに平面壁によって形成される内部流入路及び内部流出路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。こうして得られた規則的な六角形の流路を有する構造のパラメータはa=b=1.45mmであった。
例5
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、欧州特許出願公開第1538133号明細書の図14に示されるように、内部流入路の六角形の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成され、以下のa及びbのパラメータ、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52を有する。
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、欧州特許出願公開第1538133号明細書の図14に示されるように、内部流入路の六角形の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成され、以下のa及びbのパラメータ、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52を有する。
例6(本発明に係る)
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、前述に示されるように、平面壁を有する図1の内部流路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。流路の形状は、以下の値、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52で特徴づけられた。
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、前述に示されるように、平面壁を有する図1の内部流路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。流路の形状は、以下の値、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52で特徴づけられた。
例7(本発明に係る)
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、本発明に従って、かつ、図2に示された代表例に従って、すなわち、波形壁を有する内部流路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。流路の形状は、以下の値、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52、
c=0.20mmすなわちaの0.14倍で特徴づけられた。
上述のモノリス合成技術がまた同様に繰り返されたが、今回は押出成形用金型が、本発明に従って、かつ、図2に示された代表例に従って、すなわち、波形壁を有する内部流路の形状を特徴とするモノリスブロックを作り出すように形成された。流路の形状は、以下の値、
a=1.45mm、
b=0.76mm、
b/a=0.52、
c=0.20mmすなわちaの0.14倍で特徴づけられた。
例1〜7に従って得られたモノリスの主な構造上の特徴は下記の表1に示される。フィルタ集合体/生産技術は、すべての例で同じであり、例1で示された。
得られた試料は、以下の実施方法に従って評価され、特徴づけられた。
A−すすを含んだ状態及びすすなし状態における圧力損失測定、及び、付着勾配測定
用語「圧力損失」は、本発明の範囲内では、フィルタの上流端及び下流端の間に存在する圧力差を意味することが理解される。圧力損失は、未使用のフィルタ上で最初に250kg/hのガス流量及び摂氏250度の温度で標準的な技術を用いて測定された。
すすを含んだフィルタの損失測定のため、全出力(4000rpm)で30分間にわたって作動する2.0リットルのディーゼルエンジンの排気ラインに予め様々なフィルタが装着され、その後、フィルタの初期質量を決定するためにフィルタが取り外されてその重さが測定された。その後、フィルタは、エンジンの試験台に戻され、フィルタ内で7g/lのすす付着量を得るために3000rpmの速度及び50Nmのトルクで稼働させられた。こうして、未使用のフィルタで測定されたように、すすを含んだフィルタをまたがった圧力損失が測定された。付着勾配ΔP/Msootを確立するために、1リットル中0グラム〜1リットル中10グラムの間の様々な付着レベルに応じて圧力損失が同様に測定された。
B−熱機械的強度測定
全出力(4000rpm)で30分間にわたって作動する2.0リットルの直接噴射ディーゼルエンジンの排気ラインにフィルタが装着され、その後、フィルタの初期質量を決定するためにフィルタが取り外されてその重さが測定された。その後、フィルタは、エンジンの試験台に戻されて、(フィルタの容量で)8g/lのすす付着量を得るために3000rpmの回転速度及び50Nmのトルクで様々な時間で稼働させられた。こうしてすすを含んだフィルタは、以下に規定された厳密な再生を受けるためにラインに戻された。95Nmのトルクに対して1700rpmのエンジン速度で2分間にわたって安定化された後、18mm3/サイクルの後噴射体積で70度の移相シフトを有する後噴射が実行される。すす燃焼が一旦開始されると、もっと正確に言えば、圧力損失が少なくとも4秒にわたって減少すると、エンジン速度は、すす燃焼を促進させるために5分間にわたって40Nmのトルクに対して1050rpmまで下げられる。その後、フィルタは、残存したすすを除去するために30分間にわたって4000rpmのエンジン速度に曝される。
再生されたフィルタは、肉眼で視認し得る亀裂の見込まれる存在を明らかにするために、切断された後に検査された。フィルタの熱機械的強度は、亀裂の数に応じて評価され、亀裂の少なさは、粒子フィルタとしての使用に際して許容できる熱機械的強度を示す。
表2に示されるように、以下の評価がフィルタの各々に割り振られた。
+++:かなり多数の亀裂あり、
++ :多数の亀裂あり、
+ :少しの亀裂あり、
− :亀裂なし又はほとんど亀裂なし。
+++:かなり多数の亀裂あり、
++ :多数の亀裂あり、
+ :少しの亀裂あり、
− :亀裂なし又はほとんど亀裂なし。
当分野でよく知られた通常の技術に従って各フィルタに対して残留物蓄積量及び濾過表面積が決定された。
すべての例1〜7に対するテストで得られた結果が以下の表2に示される。
結果の分析
表2に示された結果は、例6及び7に係るフィルタが、自動車の排気ライン内の粒子フィルタとしての適用における様々な所望の特性の間の最良の折衷点を有することを示している。
表2に示された結果は、例6及び7に係るフィルタが、自動車の排気ライン内の粒子フィルタとしての適用における様々な所望の特性の間の最良の折衷点を有することを示している。
例6及び7に係るフィルタはまた、従来技術に係るフィルタよりも優れた熱機械的強度を有している。
さらに特に、この優れた折衷点のおかげで、本発明によれば、フィルタがさらに長寿命を有することをなお保証する一方で、これまでよりも大きなサイズのモノリスから集合構造を合成することが可能になった。
Claims (15)
- 粒子を含んだガスの濾過用のハニカムタイプのガスフィルタ構造であって、前記構造は、多孔質濾過壁によって隔てられた相互に平行な軸線を有して長手方向に隣接した流路の集合体を備え、前記流路は、濾過されるべきガス用の流入路(3)及び流出路(2)を形成するために、かつ、前記ガスに、前記流入路(3)と前記流出路(2)とを隔てる多孔質壁(5)を強制的に通り抜けさせるために、前記構造の一端又は他端で交互に塞がれており、前記構造では、
i.各前記流出路が、6つの流入壁に共通の壁を有し、各前記共通壁は前記流出路の1面を構成し、
ii.各前記流出路が、ほぼ六角形で規則的な断面の流路を形成するために、ほぼ同一の幅aの6面から構成され、
iii.各前記流入路の少なくとも2つの隣接した面が異なる幅を有し、
iv.1つの同一の前記流出路と壁を共有する少なくとも2つの流入路が、前記2つの流入路の間に幅bの共通壁を共有し、
v.幅の比率b/aが0より大きく1より小さいことを特徴とするフィルタ構造。 - 幅の比率b/aは、0.1〜0.95であり、好適には0.2〜0.9であり、極めて好適には0.3〜0.85である請求項1に記載のフィルタ構造。
- 前記流入路又は前記流出路を構成する壁は平面である請求項1又は2に記載のフィルタ構造。
- 前記流入路及び前記流出路を構成する壁は、波形であり、言い替えれば、断面において、かつ、流路の軸心に対して、前記壁は、少なくとも1つの凹面部又は少なくとも1つの凸面部を有する請求項1又は2に記載のフィルタ構造。
- 前記流出路は、前記流路の前記軸心に対して凸面である壁を有する請求項4に記載のフィルタ構造。
- 前記流出路は、前記流路の前記軸心に対して凹面である壁を有する請求項4に記載のフィルタ構造。
- 2つの前記流入路の間にある幅bの前記共通壁は平面である請求項4〜6のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 断面に沿って、凹面壁及び凸面壁の少なくともいずれか一方の極値点(7)と、前記壁の2つの端点(S1、S2)を結ぶ直線部分との間の最大距離は、0より大きく、aの0.5倍よりも小さい請求項4〜7のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 前記流路の密度は、1cm2あたり約1本〜約280本であり、好適には1cm2あたり約15本〜約40本である請求項1〜8のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 平均壁厚は、好適には100μm〜1000μmであり、好適には150μm〜450μmである請求項1〜9のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 前記流出路の幅aは、約0.1mm〜約4.00mmであり、好適には約0.20mm〜約2.50mmである請求項1〜10のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 2つの前記流入路に共通の前記壁の幅bは、約0.05mm〜約4.00mmであり、好適には約0.20mm〜約1.00mmである請求項1〜11のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 前記壁は炭化珪素SiCを基礎とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のフィルタ構造。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の前記フィルタ構造を複数備える集合フィルタであって、前記構造は接着剤によってお互いに接着される集合フィルタ。
- ディーゼルエンジン又はガソリンエンジン、好適にはディーゼルエンジンの排気ラインの汚染防止装置としての、請求項1〜14のいずれか1項に記載の前記フィルタ構造の使用又は前記集合フィルタの使用。
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