(57)【要約】  ディーゼルエンジン排気ろ過システムおよびかかるシステムに対するセラミックハニカム壁フロー排気フィルタであって、当該フィルタは、その外側に半径方向に配置された周辺フィルタ部よりも高い熱容量および／または高いガスフロー抵抗を有する、軸方向の中央フィルタ部を含む。その結果、当該フィルタは、フィルタ再生過熱からの熱損傷に対する抵抗が増加することとなる。
2007533910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックハニカム壁フローフィルタであって、
前記フィルタのガス入口端からガス出口端へのガスフロー方向において中央フィルタ軸と平行に走る多孔質チャンネル壁によって分離された平行チャンネルのアレイを含み、
（ｉ）前記アレイは、前記ガス出口端で閉じられた複数の入口チャンネルを含み、当該入口チャンネルは、前記ガス入口端で閉じられた複数の出口チャンネルから前記多孔質チャンネル壁によって分離され、前記入口チャンネルから前記チャンネル壁を通って前記出口チャンネルへのガス流路を与え、
（ｉｉ）前記中央フィルタ軸に沿って配置された軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁は、当該第１グループのチャンネルの周辺に配置された周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁よりも（ａ）高い熱容量および（ｂ）高いガスフロー抵抗のうちの少なくとも１つを有することを特徴とするセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項２】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁の平均厚さは、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁の平均厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項３】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁のガスフロー抵抗は、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁のガスフロー抵抗よりも高いことを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項４】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルは、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルを形成している材料とは組成が異なる多孔質セラミック材料から形成され且つ当該多孔質セラミック材料は、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルを形成している材料よりも熱容量が高いことを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項５】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルの組織密度は、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルの組織密度と等しく、前記軸グループにおける平均出口チャンネル断面積は、前記周辺グループにおける平均出口チャンネル断面積よりも小さいことを特徴とする請求項２記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項６】
前記軸グループにおける平均入口チャンネル断面積は、前記周辺グループにおける平均入口チャンネル断面積と等しいことを特徴とする請求項５記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項７】
前記軸グループの組織密度は、前記周辺グループの組織密度と等しく、前記周辺グループにおける平均入口チャンネル断面積は、軸グループにおける平均入口チャンネル断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項８】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのバルク密度は、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのバルク密度よりも高いことを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項９】
前記軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルの組織密度は、前記周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルの組織密度よりも高いことを特徴とする請求項８記載のセラミックハニカム壁フローフィルタ。
【請求項１０】
ディーゼルエンジン排気流から粒子状物質を除去する排気システムであって、
エンジン排気マニホールドから分離されるが排気管の長さによって当該エンジン排気マニホールドに接続されるフィルタ筐体と、
前記筐体に配置されたセラミックハニカム壁フローフィルタと、を含み、
前記フィルタ筐体は、前記筐体に配置されたフィルタの入口端にわたって前記排気管から排気流を分配する入口コーンを含み、前記セラミックハニカム壁フローフィルタは、当該フィルタの入口端から出口端への中央フィルタ軸に平行に走る多孔質チャンネル壁によって分離される平行なガス入口チャンネルおよびガス出口チャンネルのアレイを含み、前記入口端は前記入口コーンに隣接しており、前記出口端は、前記筐体を通る排気流のフロー方向において前記入口端の下流側にあり、前記中央フィルタ軸に沿って配置された軸グループのガス入口チャンネルおよびガス出口チャンネルのチャンネル壁は、当該第１グループのチャンネルの周辺に配置された周辺グループのガス入口チャンネルおよびガス出口チャンネルのチャンネル壁よりも（ｉ）高い熱容量および（ｉｉ）高いガスフロー抵抗のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン排気流から粒子材料を除去するためのフィルタに関し、特に、ディーゼルエンジン排気システムにおいて直面する状況下での熱衝撃および他の損傷に対する改善された耐性を与える、ハニカム構造の多孔質セラミックスディーゼル排気フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックハニカム粒子フィルタまたはトラップは、ディーゼルエンジンの排気からカーボンスーツ（carbon soot）を除去するのに極めて効率的であることが証明されている。かかるフィルタは、一般的にいわゆる壁フローデザインからなり、排気ガスが多孔質セラミック壁を強制的に通らせられてフィルタ入口チャンネルのアレイを隣接的に分散したフィルタ出口チャンネルアレイから分離するときに、すす（soot）がハニカムフィルタ本体の多孔質チャンネル壁に捕獲されることによってエンジン排気流から分離される。壁フローフィルタは、排気フローを大きく妨げることなくすすのほとんど完全な濾過を与えるように設計され得る。
【０００３】
上述の態様でかかるフィルタを使用する通例の場合において、すす層は、フィルタ入口チャンネルの表面上に集まる。このすす層の存在に起因して壁浸透性が低減することによって、フィルタにわたった圧力低下が増大し、その結果、エンジン排気システムにおける背圧が増大することとなる。このことは、エンジンが激しく働くことをもたらし且つエンジン動作効率に悪影響を及ぼす。
【０００４】
すすにより誘起された圧力低下は、フィルタの再生が必要となるポイントまで周期的に増大する。再生は、一般的には燃焼を開始するためにフィルタを加熱して、カーボンスーツ層を酸化することによって除去することを含む。この再生は、数分間にわたってすす堆積物を徐々に燃焼することを含む、エンジン管理の制御された状況下で行われることが望ましい。かかる再生中のフィルタ温度は、約４００〜６００℃から最大で約８００〜１０００℃まで上昇し得る。
【０００５】
しかし、特定の状況下ではいわゆる無制御再生が起こり、すす燃焼は、低流動性の排気ガスおよび相対的に酸素リッチな状況でのエンジンアイドルの時間と同時にまたは当該時間に先立って開始される。その場合には、すすの燃焼は、熱的にフィルタに衝撃を与え且つフィルタにひびを入れまたはフィルタを融解させもする大きな温度勾配および１０００℃よりかなり高い温度スパイクを作り出す。
【０００６】
カーボンスーツを捕獲することに加えて、フィルタは、排気ガスによって運ばれる金属酸化物の灰粒子をもトラップする。これらの粒子は可燃性ではないので、再生中に除去されない。無制御再生中に温度が十分に高い場合には、灰粒子はフィルタに焼結し、および／またはフィルタと反応して部分融解が開始する。
【０００７】
これらの状況を考慮すると、再生周期をより良く管理することができ且つ熱再生損傷に対するこれらのセラミック排気フィルタの耐性を改善することができるフィルタ設計およびエンジン制御システムの開発は、ディーゼルエンジン排気システムの技術的努力についての主要な関心事である。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、無制御のフィルタ再生および使用についての他の悪条件から生じる熱衝撃損傷に対して極めて改善された耐性を与えるセラミック壁フローフィルタのデザインを与える。また、かかるフィルタデザインの使用によって可能となる、ディーゼルエンジン排ガス規制に対する改善された工程も与えられている。
【０００９】
本発明のフィルタは、特に、フィルタの直径にわたって生じ得る高放射温度勾配に起因するフィルタクラッキングまたは他の損傷についての問題に対応するようになされている。使用される特定の排気システムデザインに多少依存するけれども、実質的に高い動作温度および再生温度は、縦方向のフィルタ軸（すなわち、ハニカム構造の入口チャンネルおよび出口チャンネルと平行に走るフィルタの中心軸）の上およびこれに隣接して配置されたフィルタ部で通常は観測されるということが見出されている。フィルタの周辺部分は、フィルタの軸部分よりも一般的により冷却され、フィルタ中心軸からフィルタ外皮への半径方向の温度勾配は特に大きく、問題となり得る。
【００１０】
本発明によると、かかるフィルタ内部で生じる半径方向の温度勾配量は、フィルタ設計の特徴の１つまたは組み合わせによって減少する。１つの方法において、フィルタの軸部の熱容量をフィルタの周辺部の熱容量に対して増加させる。このことは、例えば、フィルタの軸部内部のチャンネル壁の厚さを大きくすることによっておよび／または当該チャンネル壁の組成を変えることによってなされる。第２の方法は、フィルタのチャンネル壁を改良してフィルタの軸部を通る排気ガスフローを低減させることである。フィルタ軸部における壁の多孔率を減少させたりまたはフィルタ軸部における壁厚さを大きくするような手段が、この目的のために効果的である。これらの手段によって、同様の状況下で動作される同様の設計の従来フィルタに存在する量と比較して、それらの部分に存在する可燃性すすの量が減少し且つフィルタ周辺部に存在するすすの量が相対的に増加する、という結果がもたらされる。
【００１１】
フィルタ設計においてこれらの特性の１つまたは両方を含むことによって、無制御フィルタ再生における温度スパイクが実質的に減少する。さらに、無制御再生中の半径方向の温度勾配はより小さくなる。従って、これらのフィルタは、悪い条件動作条件下と同様に通常条件下においても、クラッキング，灰焼結および融解のような熱損傷に対してより耐性を有することとなる。
【００１２】
従って、第１のアスペクトにおいて、本発明は、フィルタのガス入口端からガス出口端へのガスフロー方向において中央フィルタ軸と平行に走る多孔質チャンネル壁によって分離された平行チャンネルのアレイを含むセラミックハニカム壁フローフィルタを含む。チャンネルアレイは、ガス出口端で閉じられた複数の入口チャンネルを含み、当該入口チャンネルは、ガス入口端で閉じられた複数の出口チャンネルから多孔質チャンネル壁によって分離され、入口チャンネルに入ってくる排気ガスが、フィルタ出口からの排出に先立ってチャンネル壁を通って出口チャンネルの中を通過しなければならないようになり、ガス流に存在するすすおよび他の粒子状物質がチャンネル壁の上またはチャンネル壁の内部にトラップされるようになる。
【００１３】
改善された熱耐性のために、本発明のフィルタにおける軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁は、軸グループのチャンネル周囲に配置された周辺グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁とは異なるように作製される。より詳しくは、軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルは、周辺グループのチャンネル内のチャンネルよりも高い熱容量および／または高いガスフロー抵抗を有する。
【００１４】
第２のアスペクトにおいて、本発明は、上述のようなセラミック壁フロー微粒子フィルタを使用して、ディーゼルエンジン排気流から粒子状物質を除去する排気システムを含む。そのシステムは第１に、エンジン排気マニホールドから分離されているが排気管の適当な長さによって当該エンジン排気マニホールドに接続された、フィルタに対する筐体を含む。当該筐体は、一体的に形成されるかまたは永久的に装着された入口コーンを含み、当該入口コーンは、筐体の直径且つフィルタの入口端にわたって筐体に入ってくる排気流を分散させる。
【００１５】
筐体の内部には、上述のような改善されたセラミックハニカム壁フローフィルタが実装される。当該フィルタは、その入口端が入口コーンに隣接して配置され、その出口端が排気流のフロー方向において入口端の下流側に配置される。従って、フィルタ入口からフィルタ出口へと走るフィルタ中心軸と平行である、フィルタの入口チャンネルおよび出口チャンネルは、筐体を通る排気ガスフローの方向と平行である。
【００１６】
機能強化された排気システム性能および耐久性に対して、フィルタは、フィルタ中心軸の上且つフィルタ中心軸に隣接して配置され、フィルタの残りの入口チャンネルおよび出口チャンネルとは少なくとも物理的特性が異なる、軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルを含む。特に、軸グループのチャンネルのチャンネル壁は、フィルタ中心軸に対して軸グループの外側に配置された周辺チャンネルのチャンネル壁よりも高い熱容量および／または高いガスフロー抵抗を有する。軸グループの高い熱容量および／または高いガスフロー抵抗は、フィルタ再生に伴うすすの燃焼中に、フィルタ内部に生じる熱勾配を効果的に低減させ、結果として、排気システムの耐用年数をかなり長くすることとなる。
【発明の詳細な説明】
【００１７】
チャンネルの軸グループのチャンネル壁における高いガスフロー抵抗および高熱容量をもたらすフィルタ設計に対する１つのアプローチは、チャンネル周辺グループに対してチャンネル軸グループのチャンネル壁厚さを厚くすることである。チャンネル壁を厚くすることによって、フィルタ周辺部より高い再生温度に達する傾向にあるフィルタセクションの軸部に材料が付加される。その結果、軸の熱容量が増加し且つ軸のピーク温度が低くなる。
【００１８】
さらに、チャンネル壁を厚くすることによって、当該チャンネル壁のガスフロー抵抗が増大するというさらなる効果を有することとなり、その結果、排気ガスフローのバランスがチャンネル軸グループからチャンネル周辺の方にシフトすることとなる。このシフトは、従来のフィルタで成長したすす堆積に対して、フィルタの軸部におけるすす堆積の相対的な減少をもたらす。フィルタの軸部分にわたって達するピーク再生温度が低減されるという結果となる。
【００１９】
図１は略図であり（比率または縮尺は真実ではない）、弾性マット１１とともに筐体１２において支持されたディーゼルフィルター１０の断面正面図を示している。筐体は、入口コーン１４を経由して排気管（exhaust conduit)１６に取り付けられている。図１に示されているように、フィルタ１０の縦軸１０ａの周囲に配置されたチャンネル２０の軸グループは、フィルタ１０の外周周辺に配置されたチャンネル２２の周辺グループのチャンネル壁２２ａより厚い。
【００２０】
フィルタ１０の動作において、運転エンジン（図示せず）によって発生する微粒炭素のような微粒汚染物質を含む、矢印８で示されるディーゼル排気ガスは、排気管１６を経由して入口コーン１４および筐体１２の中に運ばれ、フィルタ１０の全面にわたってコーン１４によって分配される。その後、入ってくるガスは、チャンネル２４のようなオープンフィルタ入口チャンネル（すなわち、プラグ２６のようなチャンネルプラグによってその上端でオープンになっており、その下端で閉じられている、チャンネルグループ２０および２２におけるチャンネル）を経由してフィルタ１０に入る。
【００２１】
プラグ２６による閉塞によって、排気ガスはチャンネル壁２０ａおよび２２ａを通り、フィルタの出口チャンネル（すなわち、その上端でふさがれ、その下端でオープンにされるチャンネル２８のようなチャンネルグループ２０および２２におけるチャンネル）の中を通ることを余儀なくされる。それらの出口チャンネルからの排出後に、フィルタにかけられた排気ガスは集められ、矢印８ａによって示されるように筐体１２の底部から排出される。
【００２２】
図１ａは、図１の線１ａ−１ａに沿って取られたフィルタ１０の概略拡大平面図である。図１ａにおける点線３０は、チャンネル軸グループ２０とチャンネル周辺グループ２２との間のおおよその境界を示している。
【００２３】
図１および図１ａにおいて示された特定の場合において、フィルタ１０の全体の壁構造は、一般的な多孔質セラミック材料からなっている。従って、チャンネル軸グループ２０に存在する厚い壁構造の熱容量は、チャンネル周辺グループ２２に存在する壁構造の熱容量よりも高い。さらに、厚いチャンネル壁２０ａは、チャンネル壁２２ａよりも排気ガスに対して浸透性が低く、それらの壁を通る排気ガスフローおよびそれらの壁に堆積される炭素微粒子を減少させる。従って、従来のフィルタの全てのチャンネル壁は、同じガス浸透性および熱容量であるので、通常フィルタ軸１０ａおよびその近辺で生じる、フィルタ１０に対するピーク再生温度は、同じ平均的なチャンネル壁厚さである従来のフィルタよりも低くなる。
【００２４】
もちろん、チャンネル壁厚さを増大させることは、チャンネル軸グループのチャンネル壁のガスフロー抵抗を増大させることおよび／または熱容量を大きくすることに対する１つの方法である。軸グループの特性を変更する他の方法も使用され得る。例えば、フィルタを作製するために使用されるハニカム構造の軸部分は、フィルタの周辺部分を形成するために使用される組成とは異なるセラミック組成から形成され得る。従って、軸部分に対して使用される材料は、周辺部を形成するために使用される材料よりも高い熱容量および／または低い有孔性を有し得る。
【００２５】
チャンネルコーティング方法も、この目的に対して有用である。従って、コーティングが、軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルのチャンネル壁表面に選択的に塗布され得る。当該コーティングは、それらの表面の浸透性を低減させおよび／または熱容量を増大させ得るセラミック材料から形成される。かかるコーティングは、チャンネル壁の組成とは組成が異なっても良く、またはそれらは同じであっても良い。或いは、壁の浸透性を変更するために設計される追加処理が、軸グループまたは周辺グループに選択的に適用され得る。かかる処理は、壁の有孔率を増減するための化学的処理および／またはかかる有孔率を減少させるための熱処理を含む。
【００２６】
図１および図１ａの検討から明らかであるように、本発明の実施例におけるフィルタの組織密度（フィルタ軸に垂直な平面におけるフィルタの単位断面積当たりのチャンネル数）は、チャンネルの軸グループおよび周辺グループにおいて同じである。このことが設計制約である場合には、それらの図に示されているようにチャンネル壁厚さを増加させるために、チャンネルの軸グループにおける入口チャンネルおよび出口チャンネルのサイズを小さくすることは。軸の熱容量を増加させ且つ軸のガスフローを減少させる直接的な方法である。
【００２７】
均一な組織密度のフィルタ設計に基づいた他の方法は、図１と同様に壁を厚くしたフィルタ設計の仕様を含むが、チャンネル壁を厚くする方法は選択的である。これらの実施例において、壁を厚くすることは、軸グループにおける入口チャンネルのサイズは同じのままチャンネル軸グループにおける出口チャンネルのみのサイズを選択的に減少させることによって実現される。従って、軸グループにおける出口チャンネルの平均断面積は、周辺グループにおける出口チャンネルの平均断面積よりも概して小さい。
【００２８】
通常の場合において、チャンネル軸グループにおける入口チャンネルの平均断面積は、チャンネル周辺グループにおける入口チャンネルの平均断面積に実質的に等しい。しかし、同等の機能性は、チャンネル軸グループにおける入口チャンネルのサイズに対して、チャンネル周辺グループにおける入口チャンネルのサイズを大きくすることによって実現され得る。この方法は、チャンネル軸グループに対してチャンネル周辺グループにおけるチャンネル壁が薄くなることをもたらし、フィルタの軸部分におけるガスフローおよびすす堆積に対してフィルタの周辺部分におけるガスフローおよび粒子状すすの堆積を増加させることとなる。従って、このフローパターンは、フィルタ再生中にフィルタに発生した半径方向の温度勾配をも低減する。
【００２９】
図２および図２ａは、壁フローフィルタの概略側面正面図および部分平面図を含み、軸グループにおける入口チャンネルおよび出口チャンネルの壁を厚くすることは、軸グループにおける出口組織のサイズを選択的に減少させることによって実現される。図２および図２ａにおける要素および当該要素の番号は、図１および図１ａにおける対応要素と一致している。
【００３０】
図２ａにおいてよく見られるように、このフィルタにおけるチャンネル軸グループ２０の内側および外側に配された入口チャンネル２４は、実質的に全て同じ断面積である。しかし、チャンネル軸グループ３０の内部に配された出口チャンネル２６ａは、軸グループの外側に配された出口チャンネル２６と比較して断面積が減少している。フィルタのチャンネル壁２０ａとチャンネル壁２０との間の、軸の壁厚さの相違を生み出すのはこの減少である。
【００３１】
本発明のさらに他の実施例において、軸グループの入口チャンネルおよび出口チャンネルの熱容量は、軸グループ内部のフィルタ組織密度を選択的に増加させることによって大きくなる。上述のような壁を厚くする方法または他の熱容量制御方法を、単独でまたは組み合わせて使用しても、この方法はフィルタの軸部分に存在するチャンネル壁材料の量を増加させ、その結果、フィルタ軸にわたったフィルタ熱を増加させる。
【００３２】
この設計のフィルタの概略平面図が、図３に示されている。図３に示されるように、境界線３０で線引きされたチャンネル軸グループ２０における組織密度は、チャンネル周辺グループ２２における組織密度よりも高い。従って、チャンネルグループ２０、２２におけるチャンネル壁厚さが実質的に同じであるならば、チャンネル軸グループの質量およびそのグループの熱容量は、チャンネル周辺グループの質量および熱容量よりも高い。
【００３３】
本発明は、その具体例および実施例を参照して以下にさらに記載され、限定するよりはむしろ実例となることを意図している。
＜例１−壁が厚くされたフィルタ＞
セラミックハニカムに対する従来の可塑化バッチは、カオリン粘土，タルクおよびアルミナから最初に合成され、これらの成分は、ハニカムにおけるコージライト結晶相を成長するのに適した割合で与えられ、次に乾燥および焼成が続けられる。当該バッチは、このバッチに対する良好な塑性加工特性を与えるのに十分な割合において、メチルセルロースの仮結合剤，ステアレート潤滑剤および水をさらに含む。
【００３４】
従って、与えられたバッチは、従来の設計のスチールハニカムダイを通して押し出され、可塑化混合物は、ダイ入口面に設けられたフィードホールのアレイを通してダイの中に運ばれる。その後、このバッチは、ダイの内部に送り込まれ、交差する排出スロット開口のアレイの中に送り込まれる。当該スロット開口は、交差するハニカム壁構造の中にバッチを形成するためにダイ排出面の上にある。当該ハニカム壁構造は、ハニカム押出物として排出面から直径約１５ｃｍ（６インチ）押し出され且つ概して円柱形状である。当該壁によって形成されたハニカムチャンネルまたは組織は押し出しおよび押出し物のシリンダ軸の方向に平行に走っている。アレイにおけるスロットは、約０．３ｍｍ（０．０１２インチ）の最初のスロット幅を有し、それに続く焼成の後にハニカムの押出し軸に垂直な平面において３１チャンネル／ｃｍ2（２００チャンネル／ｉｎｃｈ2）の組織密度を有する四角チャンネルの円柱状ハニカムを形成するように間隔が開けられる。
【００３５】
本発明による変更された壁構造でハニカムを押し出すために、この押出しダイの排出スロットアレイは、押出しに先立って修正されて排出面の中央部における排出スロットの幅を増加させる。それらのスロット部を広くする方法は、米国特許第６，５７０，１１９号に開示されているような放電加工（ＥＤＭ）であり、その内容は本願に引用して援用される。外側に延在するブレードのアレイを含むＥＤＭ電極は、ダイ排出面の中央部に選択的に適用され、その中央部の内部のスロット部のみを広くする。排出面の周辺部におけるスロットは機械加工されない。排出空間の中央部における機械加工されたスロットは、約０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）の幅を有する。
【００３６】
このスロットの広がりの当然の結果として、押出しダイの中央部における幅広いスロットによって定められ且つ囲まれたいわゆる全ての”ピン”は、サイズが低減される。このことは、ダイによって形成されたハニカム押出物の断面の中央部における厚い壁構造と同様に、小さい入口チャンネル断面および出口チャンネル断面を形成する。
【００３７】
従って、設けられたハニカム押出し物から切断された部分は、乾燥され且つ焼成され、当該部分はコージライトハニカムに変わる。その後、ハニカムの選択された部分は、セラミック壁フローフィルタに対する従来式の方法で市松模様パターンに交互にプラグされる。従来構成の流動性セラミックセメントは、フィルタ入口面に出口チャンネルをプラグするために、フィルタ排出面に入口チャンネルをプラグするために使用される。従って、設けられたセメントプラグは、乾燥および焼成によって硬化されて、完成した壁フローフィルタを形成する。
【００３８】
壁フローフィルタの中央部におけるガスフロー抵抗および熱容量は、その部分におけるチャンネルサイズおよびチャンネル壁厚さにおける変更によって極めて高められる、ということが計算によって示されている。従って、[各チャンネル][中央ハニカム部]の熱容量は、壁を厚くすることによって約５６％増加する。同時に、フィルタの中央部を通るガスフロー抵抗は、入口チャンネルサイズおよび出口チャンネルサイズにおける低減および壁を厚くすることによって、約４０％まで増加する。従って、このハニカムフィルタの軸に沿ったピーク再生温度が大幅に低下することとなる。
＜例２−選択的な壁厚さを有する壁フローフィルタ＞
粘度，タルク，アルミナ，仮結合剤，潤滑油および水を組み込んだセラミックハニカムに対する可塑化バッチは、上述の例１において記載されているように混合される。その後、設けられたバッチは、概して例１において説明されたようなスチールハニカムダイを通して押し出され、壁フローフィルタへの変換に適した円柱状ハニカム押出し物を形成する。このハニカムダイに対する排出スロットアレイにおけるスロットは、約０．３ｍｍ（０．０１２インチ）の周辺スロット幅を有し、次に続く焼成の後に、ハニカム押出し物において３１チャンネル／ｃｍ2（２００チャンネル／ｉｎｃｈ2）の四角チャンネルハニカム組織密度を形成するように間隔が開けられる。
【００３９】
本発明による改良された壁構造を有するハニカムを押し出すために、この押出しダイの排出スロットアレイは、ダイ排出面の中央部における排出スロットの幅を大きくするために、押出しに先立って選択的に変更される。例１のように、それらのスロット部を幅広くする方法は、米国特許第６，５７０，１１９号に記載されたような放電加工（ＥＤＭ）法である。外側に延在するブレードアレイを含むＥＤＭ電極は、ダイ排出面の中央部に選択的に適用される。
【００４０】
しかし、この例によると、ＥＤＭによるスロット広げは、スロットによって定められたピンアレイにおける交互ピンからのみ材料を機械加工することによって選択的に実行され、それらのピンのみのサイズが減少するようになる。アレイにおける残りのピンは機械加工されず、それらの元のサイズのままである。
【００４１】
この機械加工法の結果、図２および図２ａに示されたようなハニカム断面を形成する改良されたスロットアレイが得られ、図２ａにおけるチャンネル２６ａのようなハニカムの中央部におけるチャンネルの半分のみの断面が減少される。ダイ排出面の中央部におけるスロット部分は、この機械加工後に、約０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）の幅を有する。
【００４２】
このダイによって形成されたハニカム押出し物から切断された部分は、乾燥され且つ焼成され、当該部分をコージライトハニカムに変化させる。その後、ハニカムの選択された部分は、例１に記載されたように市松模様パターンに交互にプラグされる。従来構成の流動性セラミックセメントは、フィルタ入口面における出口チャンネルおよびフィルタ排出面における入口チャンネルをプラグするために使用される。入口面にプラグされる出口チャンネルの全ては、上述の押出しダイの選択的ＥＤＭ加工によって形成される減少した断面を有するチャンネルである。プラギングに続いて、設けられたセメントプラグは乾燥、焼成によって硬化され、完成した壁フローフィルタを形成する。
【００４３】
壁フローフィルタの中央部におけるガスフロー抵抗および熱容量は、チャンネルサイズおよびチャンネル壁厚さにおけるこれらの変更によってかなり高められる、ということが計算によって示されている。中央ハニカム部の熱容量は約５６％まで増加し、フィルタの中央部を通るガスフロー抵抗は、壁を厚くすることおよび出口チャンネルサイズを小さくすることの組み合わせによって約４０％まで増加する。しかし、この設計の特定の利点は、エンジン排気流からの粒子状物質がトラップされる入口チャンネルの容積が、フィルタの中央部において減少しないということである。従って、フィルタの微粒子堆積容量は減少しない。
＜例３−挿入されたコア部を有する壁フローフィルタ＞
粘度，タルク，アルミナ，仮結合剤，潤滑油および水を組み込んだセラミックハニカムに対する可塑化バッチは、上述の例１において記載されているように混合される。その後、設けられたバッチは、概して例１において説明されたようなスチールハニカムダイを通して押し出され、壁フローフィルタへの変換に適した、約１５ｃｍ（６インチ）の直径の円柱状ハニカム押出し物を形成する。このハニカムダイに対する排出スロットアレイにおけるスロットは、約０．３ｍｍ（０．０１２インチ）のスロット幅を有し、次に続く焼成の後に、ハニカム押出し物において３１チャンネル／ｃｍ2（２００チャンネル／ｉｎｃｈ2）の四角チャンネルハニカム組織密度をもたらすように間隔が開けられる。
【００４４】
このダイによって形成されたハニカム押出し物から切断された部分は、乾燥され且つ焼成されて、当該部分を均一なチャンネル壁厚さおよびチャンネル断面のコージライトハニカムに変える。次に、図３の点線３０によって境界が示された中央ハニカム部に、形状および位置において近付ける、約５ｃｍ（２インチ）の直径の円柱状コア部が、焼成されたハニカムの各々からコア穴開けされ、シリンダ軸にある大きな円柱状開口を有する円柱状ハニカムを形成する。
【００４５】
これらのコア穴開けされたハニカム形状の１つから複合セラミックハニカムを与えるために、サイズおよび形状において円柱状開口に対応した円柱状ハニカム部が、コア穴開けされた形状の中に挿入され、熱設定可能なセラミックセメントで所定の位置にセメント固化される。この目的のために選択された円柱状ハニカム部は、約３１チャンネル／ｃｍ2（２００チャンネル／ｉｎｃｈ2）の組織密度および約０．４ｍｍ（０．０１６インチ）のチャンネル壁厚さを有する。それは、炭化ケイ素および非酸化セラミック材料から形成される。当該非酸化セラミック材料は、６００℃から１１００℃の間で約１．９６Ｊ／ｃｍ3／℃のバルク熱容量，多結晶コージライトに対して報告されているよりも高い約２４％の容量を有する。米国特許第５，９１４，１８７号に記載されているようなアルミノケイ酸塩ファイバ，粉末炭化ケイ素，シリカゾル，メチルセルロース仮結合剤および水からなるコンプライアント熱設定可能セラミックセメントが、この目的に対して適している。
【００４６】
炭化ケイ素のコア部のセメント固化に続いて、複合ハニカム本体は、例１に説明されているように市松模様パターンにおいてプラグされ、フィルタ入口面に出口チャンネルをプラグし、フィルタ排出面に入口チャンネルをプラグする。従来構成の流動性セラミックセメントは、この目的のために適している。
【００４７】
このプラギングセメントの乾燥および設置に続いて、複合壁フローフィルタが設けられる。ここでは、セメント固化されたフィルタコア部の入口チャンネルおよび出口チャンネルの軸グループは、コア部を取り囲む入口チャンネルおよび出口チャンネルの周辺グループと比較してかなり高い熱容量を有する。従って、複合フィルタは、コージライトのみから構成される単一フィルタよりも、フィルタ再生中にフィルタ軸にわたったピーク温度が大きく減少することとなる。従って、クラッキングなしに複数のフィルタ再生に持ちこたえることができる。
【００４８】
上述の例３に説明されたような複合フィルタは、許容できる熱耐性を示すが、コアおよび周辺のセラミック材料の熱膨張特性が実質的に異なることによって、２つのフィルタ部分の間のコンプライアントセメント接合部において大きな歪みが発生する。従って、この接合部は、フィルタ破壊の発生源となる可能性がある。この問題を解決するための代わりの複合フィルタ設計は、以下の例４において説明されている。
＜例４−複合フィルタ設計＞
上述の例３において説明されたように作製された、焼成されコア穴開けされたコージライトセラミックハニカム形状は、さらなる工程に対して選択される。この形状の中央開口部には、中央開口部にサイズおよび形状が適合した円柱状コージライトハニカムコアエレメントが挿入される。挿入のために選択されたコージライトコアエレメントは、コア穴開けされたハニカム形状のチャンネル壁厚さに近いチャンネル壁厚さを有するが、ハニカム断面が約４６．５ｃｅｌｌｓ／ｃｍ2（約３００ｃｅｌｌｓ／ｉｎｃｈ2）である高い組織密度を有する。
【００４９】
このコアエレメントは、上述の例１〜３におけるチャンネルプラギングに使用されたセメント組成に適合した従来の組成の流動性セラミックセメントで、所定の位置にセメント固化される。その後、セメント固化され且つコア穴開けされた形状およびハニカムコアの入口チャンネルおよび出口チャンネルは、上述の例１に説明されたように市松模様パターンにプラグされる。
【００５０】
従って、適用されたセラミックセメントの乾燥および設置は、全体的にコージライトから構成された複合壁フローフィルタを形成する。しかし、セラミックコアエレメントは、その高い組織密度のために高いバルク密度を有する。従って、コアエレメントの熱容量は、コア穴開けされたフィルタ周辺の熱容量よりも約２０％高い。コアは、そのチャンネルサイズが小さくなることによって、増加したガスフロー抵抗（圧力降下が約５％増加する）を示す。大きくはないけれども、熱容量およびフロー抵抗におけるこの相違は、複合ハニカムにおける再生クラッキングの発生を実質的に減少させるのに十分である。さらに、コージライトコアの熱膨張特性は、周辺コージライトハニカムの熱膨張特性に実質的に適合しているので、複合構造における膨張不一致ストレスに関する問題は、完全に回避される。
【００５１】
上述の実施例は、コアから周辺へのフィルタにおける階段状変化を組み込んだフィルタ設計の実例となるけれども、特性におけるさらに緩やかに傾斜した変化または多段階変化も、かかるハニカムの周辺部に対してコアの平均熱容量または平均ガスフロー抵抗を増加させるのに効果的である。例えば、フィルタは、中央から外側への距離（例えば、コアから周辺に０．０２４インチから０．０１６インチ）で直線的に変化する壁厚さを有することによって、中央チャンネルから外側チャンネルへの壁特性を連続的に変化させて設計され得る。
【００５２】
図４は、段階的な壁厚さ変化に基づいたフィルタに対する断面設計を示している。図４のフィルタ断面に示されているように、ハニカムの入口チャンネル２４および出口チャンネル２６の壁は、断面の外側部からその中央にかけて連続的に厚さが増している。従って、この設計において点線３０で境界が示された中央フィルタ部における平均的なチャンネル壁厚さおよび熱容量は、断面の外側部における平均壁厚さよりも大きい。
【００５３】
フィルタの壁厚さは、無制御の再生中に上昇し得るフィルタ温度における変動に対して正比例に変化し得る。従って、フィルタは最大の壁厚さ（例えば０．０２４インチ）および最小の壁厚さ（例えば０．０１６インチ）を有し得る。当該最大の壁厚さにおいて、最も高い無制御再生温度が、均一な壁厚さを有する同じサイズのテストフィルタで観察される。当該最小の壁厚さにおいて、かかる観察された温度は最も低い。その後、全ての他の壁厚さは、均一フィルタにおける特定の壁位置で観察された無制御再生温度に対して厚さにおいて比例している。かかる設計の特定の例として、均一フィルタにおいて観察された最大再生温度が１０００℃であり、最小観察温度が６００℃である場合には、８００℃の再生温度を有するそのフィルタにおける壁は、厚さ０．０２インチのままであるが、９００℃の温度を有する壁は０．０２２インチの厚さに増加される。
【００５４】
同じ概念が、全てのフィルタにわたって拡大適用され、実際に軸方向および半径方向のフィルタ寸法に適用され得る。さらに、特定のフィルタ設計に対する繰り返し変化が、第１世代の厚さが調整された設計における無制御再生を開始することによってなされることができ、その後、温度勾配および全体的なフィルタ質量をさらに低減させるために第２およびその後の世代において壁厚さ再調整することによってなされ得る。
【００５５】
本発明のあらゆるフィルタ設計によって共用されるさらに重要な利点は、従来のフィルタよりもより均一で完全な再生を与える可能性である。このことは、主に、本発明のフィルタの外部における再生温度が、均一な壁厚さのフィルタにおいて安全に実現され得る温度より高いという事実によっている。
【００５６】
十分な壁厚さ（例えば０．０２０インチ以上の厚さ）のフィルタは、大きな温度勾配が存在するにも関わらず無制御再生に持ちこたえるように設計され得るが、かかるフィルタは、周辺すす濃度および再生温度が相対的に低い場所では完全に再生しないかもしれない。それに反して、例えば０．０１６インチの厚さの外壁および０．０２４インチの内壁を有する、同等の全体質量のフィルタは、より均一なすす再分布および減少した周辺質量によって、均一なフィルタより高い周辺温度を示す。従って、フィルタ直径にわたったすす燃焼は、より均一であり且つ完全である。
【００５７】
上述の例は、本発明の特定の実施例の実例であるが、フィルタ効率およびフィルタ性能において同様な利点が、添付の特許請求の範囲内で代わりの材料，設計および方法の使用を通して認識されるであろう。
【００５８】
本発明は、添付図面を参照してさらにいかに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明によって与えられる、第１の実施例の排気フィルタおよび筐体の概略図である。
【図１ａ】本発明によって与えられる、第１の実施例の排気フィルタおよび筐体の概略図である。
【図２】本発明によって与えられる、別の１つの実施例の排気フィルタおよび筐体の概略図である。
【図２ａ】本発明によって与えられる、別の１つの実施例の排気フィルタおよび筐体の概略図である。
【図３】本発明によって与えられる、さらに別の実施例の排気フィルタの概略図である。
【図４】本発明によって与えられる、さらに別の実施例の排気フィルタの概略図である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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