(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンから排出されるガス中の微粒子を除去するための複数個のフィルタ構成体によって構成される排気ガス浄化装置用フィルタにおいて、
そのフィルタ構成体は、平均気孔径が１μｍ〜50μｍであり、かつ気孔率が30〜70%である炭化珪素焼結体によってハニカム状に形成されてなり、
前記炭化珪素焼結体からなるフィルタ構成体間を、各フィルタ構成体の外周面にスラリーを直接塗布することによって形成された、セラミックファイバー、炭化珪素粉末及び無機バインダからなり、シール性と接着性を有する耐熱性充填物質の塗布層を介在させて接着したことを特徴とする排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項２】
前記セラミックファイバーは、アルミナ−シリケートセラミックスファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、炭化珪素ファイバーまたはシリカファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項３】
セラミックファイバーからなる熱膨張性の断熱材を、その最外周部に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項４】
前記柱状フィルタと耐熱性充填物質との間に、発熱体を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項５】
８本の角柱状フィルタと、４本の断面直角二等辺三角形の柱状フィルタとから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項６】
前記フィルタには、金属元素を担持させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【請求項７】
前記フィルタには、金属酸化物を担持させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置用フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置用フィルタに係り、特には、捕集した排気ガス中の微粒子を電気ヒータの熱によって燃焼させるタイプの排気ガス浄化装置に用いられるフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、いわゆる電気ヒータ再生式の排気ガス浄化装置に用いられるフィルタとして、セラミックス材料を用いたフィルタが提案されている。また、このようなセラミックス材料としては、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）等が一般的に良く知られている。そして、かかる材料を用いることにより、例えばハニカム構造を持つフィルタなどが形成されている。
【０００３】
通常、この種のフィルタの一端面には、再生時にフィルタを所定の温度（６００℃〜８００℃）に加熱するための発熱体として、電気ヒータが配設される。そして、電気ヒータへの通電を行うと、フィルタの一端面に捕集された微粒子が着火し、最終的にはそれらが燃焼するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、上記の構成を有するフィルタの場合、ヒータの輻射熱によって片面側のみからフィルタが加熱されることから、加熱面と非加熱面とで温度差ができ易いという欠点があった。また、この状態で再生を続けると、微粒子の異常燃焼に起因してフィルタ内の温度が更に局部的に上昇し、最終的には短期間でクラックの発生や溶損に到ってしまうという問題があった。このため、従来においては、再生時における諸条件（捕集量、ヒータ温度、通電時間、燃焼用空気の供給量、エンジンの運転条件等）を制御するという対策などが採られていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−１２１２1３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、再生状態を左右する要因が、上記のように複数かつ複雑であることから、これらの要因を厳密に制御することは容易なものではなかった。また、輻射熱によって加熱される方式であるため、ヒータの温度が必ずしもフィルタの温度になるとは限らないという不都合もあった。そして、コンピュータ等により厳密な制御を行ったとしても、フィルタの寿命を２０００時間以上に延ばすことは極めて困難であった。
【０００７】
そこで、前記ヒータ端面配置型の欠点を解消する方策としては、例えば電気ヒータをフィルタの外周面に巻回することが考えられる。つまり、この方法は、フィルタ全体を外周面側から加熱することによって、再生時におけるフィルタ内の温度差を極力小さくしようとしたものである。
【０００８】
しかしながら、上記のようなヒータ外周面配置型のフィルタであっても、フィルタ自体が大型化したような場合には、フィルタ内の温度差を充分に解消することが難しくなることが予想された。また、この場合には、フィルタを再生温度まで昇温させるための時間も長くなることが予想された。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、短時間のうちに温度ムラなく昇温することができるため、再生効率及び耐久性を向上させることができ、しかも再生時の温度制御を容易にすることができる排気ガス浄化装置用フィルタを提供することにある。
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明では、ディーゼルエンジンから排出されるガス中の微粒子を除去するための複数個のフィルタ構成体によって構成される排気ガス浄化装置用フィルタにおいて、そのフィルタ構成体は、平均気孔径が１μｍ〜50μｍであり、かつ気孔率が30〜70%である炭化珪素焼結体によってハニカム状に形成されてなり、前記炭化珪素焼結体からなるフィルタ構成体間を、各フィルタ構成体の外周面にスラリーを直接塗布することによって形成された、セラミックファイバー、炭化珪素粉末及び無機バインダからなり、シール性と接着性を有する耐熱性充填物質の塗布層を介在させて接着したことを特徴とする排気ガス浄化装置用フィルタをその要旨としている。
【００１１】
この場合、前記フィルタは、金属元素を担持させたこと、および前記フィルタには、金属酸化物を担持させたことが好ましい。
【００１２】
また、本発明においては、前記セラミックファイバーは、アルミナ−シリケートセラミックスファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、炭化珪素ファイバーまたはシリカファイバーであること、セラミックファイバーからなる熱膨張性の断熱材を、その最外周部に配置したこと、前記柱状フィルタと耐熱性充填物質との間に、発熱体を配置したこと、および８本の角柱状フィルタと、４本の断面直角二等辺三角形の柱状フィルタとから構成されることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気ガス浄化装置用フィルタについて詳細に説明する。本発明では、隣接するフィルタ間に耐熱性充填物質を介在させる。その理由は、複数のフィルタを組み合わせたときにできる空隙を埋めることによって、空気漏れによる浄化効率の低下を防止するためである。また、耐熱性充填物質は、フィルタ同士の接合を図るための接着剤としての役目もある。
【００１４】
なお、前記耐熱性充填物質は、耐熱性のほかにも弾力性、熱伝導性及び絶縁性等を備えていることが好ましい。弾力性に優れていると、加熱によってフィルタに熱応力が加わるようなときでも、その熱応力を確実に解放することができるからである。また、熱伝導性に優れていると、発熱体の熱が各フィルタに速やかにかつムラなく伝導し、排気ガス浄化装置の内部の温度差も小さくなるからである。更に、絶縁性に優れたものであると、隣接して設けられている発熱体同士のショートを防止できるからである。
【００１５】
耐熱性充填物質の組成は、セラミックスファイバー、炭化珪素粉末および無機バインダである。かかる充填物質は、上記の耐熱性充填物質に望まれる耐熱性、弾力性、熱伝導性及び絶縁性等を有しているからである。この場合、好適なセラミックスファイバーとしては、例えばアルミナ−シリケートセラミックスファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、炭化珪素ファイバー及びシリカファイバー等がある。
【００１７】
本発明では、発熱体をフィルタと耐熱性充填物質との間に配置することが望ましい。つまり、耐熱性充填物質によって発熱体を被覆した構成とすることにより、隣接する発熱体同士の間でのショートを未然に防止できるからである。また、このような配置方法であると、発熱体からフィルタへの熱の伝導性が良くなるからである。
【００１８】
本発明では、セラミックスファイバーからなる熱膨張性の断熱材を、その最外周部に配置することが望ましい。ここでいう熱膨張性の断熱材とは、弾性構造を有するため熱応力を解放する機能がある断熱材のことを指す。
【００１９】
その理由は、排気ガス浄化装置の最外周部から熱が逃げてしまうことを防止することにより、再生時のエネルギーロスを最小にするためである。また、再生時の熱によってセラミックスファイバーを膨張させることにより、排気ガスの圧力・走行による振動等によるフィルタの位置ずれを防止するためである。なお、断熱材についても、耐熱性充填物質用として先に挙げた各種セラミックスファイバー（炭化珪素ファイバーを除く）を使用することが良い。
【００２０】
また、本発明では、フィルタは多孔質炭化珪素焼結体によってハニカム状に形成されたものである。多孔質炭化珪素焼結体は耐熱性及び熱伝導性に優れるためである。ハニカム状のフィルタであると、微粒子の捕集量を増やしたときでも圧力損失が小さいからである。更に、平均気孔径を１μｍ〜５０μｍにし、気孔率を３０〜７０％にすることが望ましい。平均気孔径が１μｍ未満であると、微粒子の体積によるフィルタの目詰まりが著しくなる。一方、平均気孔径が５０μｍを超えると、細かい微粒子を捕集することができなくなるため、捕集効率が低下してしまう。
【００２１】
気孔率が３０％未満であると、フィルタが緻密になり過ぎてしまい、内部に排気ガスを流通させることができなくなる虞れがある。よって、微粒子の捕集が不可能になりかねない。一方、気孔率が７０％を越えると、フィルタ中に空隙が多くなり過ぎてしまうため、強度的に弱くなりかつ微粒子の捕集効率が低下してしまう虞れがある。
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明をディーゼルエンジン用の排気ガス浄化システムに具体化した実施例を図１〜図７に基づき詳しく説明する。
【００２３】
図６に示されるように、排気ガス浄化システム１は、金属製のケーシング２を備えている。ケーシング２の通路２ａは、内燃機関としてのディーゼルエンジンＥの排気管路Ｅａに接続されている。ケーシング２内には、ディーゼルエンジンＥから排出されるガス中の微粒子を除去するために、排気ガス浄化装置１０が配設されている。
【００２４】
図４に示されるように、本実施例の排気ガス浄化装置１０は、８本の角柱状のフィルタ３と４本の断面直角二等辺三角形状のフィルタ４とによって構成されている。
【００２５】
図１〜図３に示されるように、角柱状（３３mm×３３mm×１５０mm）のフィルタ３には、断面略正方形状の連通孔３ａがその軸線方向に沿って規則的に形成されている。各連通孔３ａは、厚さ０．３mmの内壁３ｂによって互いに隔てられている。各連通孔３ａの排気ガス流入側または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼結体製の封止片３ｃによって市松模様状に封止されている。その結果、フィルタ３の流入側または流出側のいずれか一方のみに開口するセルＣ1 ，Ｃ2 が形成された状態となっている。セルＣ1、Ｃ2の内壁３ｂには、白金族元素やその他の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。また、フィルタ４は、断面形状が直角二等辺三角形状であることを除いてフィルタ３と同様の構成を有している。そして、本実施例のフィルタ３，４の場合、平均気孔径が１４μm、気孔径が４０％、セル壁の厚さが０．３mm、セルピッチが１．８mmに設定されている。
【００２６】
図１〜図５に示されるように、フィルタ３，４の外周面には、発熱体としてのヒータ５が接合されている。本実施例では、前記ヒータ５は波状に屈曲した直径２mmのタンタル線である。また、本実施例では各フィルタ３，４のヒータ５同士は直列に接続されている。図６に示されるように、ヒータ５の末端は、配線６を介してバッテリー（１２Ｖ）７に電気的に接続されている。この場合、１２Ｖのバッテリー７の代わりに２４Ｖのバッテリーを使用しても良い。また、前記バッテリー７よりも高電圧（１００Ｖの家庭用電源または２００Ｖの商用電源等）の電源を使用しても良い。
【００２７】
図４、図５に示されるように、各フィルタ３、４は、耐熱性充填物質としてのシール材（厚さ２．５ｍｍ）８によって被覆されている。従って、この排気ガス浄化装置１０の場合、隣接するフィルタ３、４間に発熱体５が介在させた状態となっている。また、排気ガス浄化装置１０の最外周部には、厚さ１５ｍｍの断熱材９が配設されている。
【００２８】
次に、この排気ガス浄化装置１０を製造する手順の一例を紹介する。α型炭化珪素粉末７０重量％、β型炭化珪素粉末３０重量％の混合粉を湿式混合した後、混合物に有機バインダ（メチルセルロース）と水とを所定分量づつ加えて混練する。そして、この混練物を押出成形することにより、ハニカム状の成形体を得る。次いで、マイクロ波による乾燥機を用いて成形体を乾燥させる。更に、成形体の連通孔３ａを多孔質焼結体製の封止片３ｃ形成用のペーストによって封止した後、再び乾燥機を用いて封止片３ｃ用ペーストを乾燥させる。そして、乾燥体を６００℃で脱脂した後、更にそれをアルゴン雰囲気下にて２２００℃で焼成する。この結果、多孔質でハニカム状のフィルタ３、４が得られる。
【００２９】
ここで、セラミックファイバー（アルミナシリケートセラミックスファイバー）７５重量部、炭化珪素粉末１０重量部及び無機バインダとしての二酸化ケイ素１５重量部を混合・混練してスラリーとし、これを各フィルタ３、４の外周面にヒータ５を接合してなる構成体Ｓに直接塗布することによって、耐熱性充填物質からなるシール材８の層を形成する。
【００３０】
続いて、上記の排気ガス浄化装置１０を所定の位置に配置し、ディーゼルエンジンＥを始動させたときの排気ガスの流れについて説明する。図２にて矢印Ａ1で示されるように、排気ガスはまずフィルタ３、４の流入側に開口するセルＣ1内に導入される。次いで、排気ガスは内壁３ｂを通過し、隣接するセルＣ2 、即ち流出側に開口するＣ2 内に導入される。このとき、排気ガス中に含まれる微粒子の移動が内壁３ｂによって阻止される。よって、微粒子のみが内壁３ｂにトラップされる。そして、浄化された排気ガスは、流出側に開口するセルＣ2 内を抜けて、最終的にフィルタ３、４から排出されることになる。
【００３１】
本実施例の排気ガス浄化システム１の場合、図６に示されるように、排気管路Ｅａにおける排気ガス浄化装置１０の上流側の位置には、圧力センサＰｓが設置されている。この圧力センサＰｓは、圧電変換素子Ｐｅに電気的に接続されている。そして、圧電変換素子Ｐｅは、圧力センサＰｓから出力される検知信号に基づき、所定の電気信号を制御装置Ｃに出力するようになっている。制御装置Ｃは、圧電変換素子Ｐｅからの検知信号に基づいて、配線６上に設けられたスイッチＳｗをオン・オフするようになっている。
【００３２】
また、排気管路Ｅａにおける排気ガス浄化装置１０の下流側の位置には、エア供給管Ｃａが配設されている。エア供給管ＣａはコンプレッサＣｏに接続されている。このため、再生時にはエア供給管Ｃａを介して排気管路Ｅａ内に燃焼促進用の二次エアが供給されるようになっている。
【００３３】
次に、上記のような排気ガス浄化システム１に排気ガス浄化装置３，４を組み込んだ状態で行った特性評価試験について説明する。この特性評価試験では、実施例に対する比較例１，２として、コーディエライト製の排気ガス浄化装置を二種類作製した。比較例１では、図７（ｂ）に示されるようにフィルタＦの外周部にヒータＨ1 を巻回した。比較例２では、図７（ｃ）に示されるようにフィルタＦの下流側端面にヒータＨ2 を配設した。
【００３４】
そして、ディーゼルエンジンＥを作動し、まず排気ガス浄化装置１０による排気ガス中の微粒子の捕集を行った。その際、制御装置Ｃに捕集動作中における排気管路Ｅａ内の圧力変化を監視させた。そして、前記圧力値が一定値に到達するまで捕集動作を継続した。この間に捕集された微粒子の量を算出したところ、１５ｇ／リットルであった。なお、この算出値は、排気ガス浄化装置１０の容積をガス通過部分の総量とし、捕集処理の前後における重量変化に基づいて計算されたものである。
【００３５】
捕集動作の完了を検知した後、今度は制御装置ＣによってスイッチＳｗを閉成することにより、ヒータ５への通電を開始した。通電開始から所定時間経過後（昇温過程終了後）にはコンプレッサＣｏを作動させ、エア供給管Ｃａから燃焼促進用の二次エアを２０cm3 ／分の割合で供給した。
【００３６】
そして、図７（ａ）に示されるように、排気ガス浄化装置１０の各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における温度Ｔ1 〜Ｔ6 を熱電対によって経時的に測定した。比較例１， ２についても同様に各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における温度Ｔ1 〜Ｔ6 の測定を行った。
【００３７】
この試験では、通電を開始してから温度Ｔ1 〜Ｔ6 の平均値が６００℃になるまでの過程を「昇温過程」とした。また、昇温過程が終了して二次エアの供給が始まってから微粒子の燃焼が終了するまでの過程を「再生過程」とした。そして、昇温過程及び再生過程に要した時間（分）を求め、これらの和を通電時間（分）とした。更に、昇温過程及び再生過程のそれぞれについて各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における最大温度差ΔＴ（℃）を求めた。これらの結果を表１に示す。
【００３８】
また、この試験では排気ガス浄化装置１０を構成するフィルタ３，４がクラックに到るまでの時間（時間）も調査した。同様に比較例１，２についても前記試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３９】
【表１】
0004037725.tif 000002
【００４０】
【表２】
0004037725.tif 000003
【００４１】
表１から明らかなように、実施例では昇温過程に要する時間も再生過程に要する時間も比較例１，２に比べて短かった。しかも、各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における最大温度差ΔＴ（℃）も比較例１，２に比べて小さかった。
【００４２】
つまり、本実施例によれば、排気ガス浄化装置１０を短時間のうちに温度ムラなく昇温することができ、かつ短時間で再生を行うことができるということを意味する。また、昇温過程及び再生過程に要する時間が短くなるということは、トータルの通電時間が短くなるということを意味する。従って、実施例によると、少ない電気エネルギーによって効率の良い再生を行うことができるということになる。しかも、実施例の場合、各位置Ｐ1 〜Ｐ6 における最大温度差ΔＴ（℃）も比較的小さくなることから、再生時の温度制御を容易にすることができるという利点がある。
【００４３】
また、表２から明らかなように、実施例では２００００時間を越える使用によってもフィルタ３，４がクラックに到るということがなかった。それに対し、比較例１では３０００時間、比較例２では２０００時間の使用に耐えることが不可能であった。つまり、本実施例の排気ガス浄化装置１０は、比較例１，２に比較して極めて耐久性に優れたものであるということがわかる。
【００４４】
なお、本実施例の排気ガス浄化装置１０の構成によると、二次エアの供給量が少量であっても、確実に再生を行うことができるということが確認された。従って、コンプレッサＣｏも小型のもので良くなるという利点がある。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施例のみに限定されることはなく、以下のような構成に変更することが可能である。例えば、
（ａ）構成体Ｓの組み合わせ数は前記実施例のように１２個でなくても良く、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の異なる構成体Ｓを適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。なお、構成体Ｓを複数個組み合わせるということを特徴とする構成を採ることは、大型の排気ガス浄化装置を作製するときに特に有利である。
【００４６】
（ｂ）前記実施例の排気ガス浄化装置１０は、いわば１つの大きなフィルタが軸線方向に沿って複数個に分割された状態になっているとも捉えることができる。そこで、例えばフィルタをドーナツ状に分割した状態、軸線方向に垂直に分割した状態などにするというような変形例も考えられる。
【００４７】
（ｃ）前記実施例にて示したようなハニカム状のフィルタ３，４のみに限られず、例えば三次元網目構造、フォーム状、ヌードル状、ファイバー状等を採用することが勿論可能である。また、フィルタ３，４用のセラミックス材料として、炭化珪素以外のものを選択しても勿論良い。
【００４８】
（ｄ）ヒータ５は上記実施例のように金属線であることのみに限定されない。つまり、ヒータ５は、金属メタライズ、導体ペーストの印刷、スパッタリング等といった方法によっても作製することが可能である。
【００５０】
（ｅｆ）また、フィルタ３，４形成用のスラリーと、耐熱性充填物質形成用のスラリーとを用い、一つの押出成形機から同時に前記両スラリーを押し出しても良い。つまり、押出形成機の治具の中央部からフィルタ３，４形成用のスラリーを押し出し、かつそれと同時に前記治具の外周部から耐熱性充填物質層形成用のスラリーを押し出すということを行う。この方法によると、短い時間で効率良く構成体Ｓを作製することができる。
【００５１】
（ｇ）排気ガス浄化装置１０を構成する場合、必ずしも前記実施例のようにフィルタ３，４にヒータ５を設けてなる構成体Ｓを用いなくても良い。例えば、フィルタ３，４を複数個組み合わせた後、隣接するフィルタ３，４間の空隙にヒータ５を装入し、同空隙に耐熱性充填物質層形成用のスラリーを充填するという手順によって、排気ガス浄化装置１０を作製することもできる。
【００５２】
（ｈ）各ヒータ５を直列配線にした実施例に代え、それらを並列配線にしても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の排気ガス浄化装置用フィルタによれば、隣接するフィルタ間に耐熱性充填物質を介在させることにより、フィルタ間からの空気漏れによる浄化効率の低下を防ぐことができると共に、短時間のうちに温度ムラなく昇温することができるため、再生効率及び耐久性を向上させることができ、しかも再生時の温度制御を容易にすることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気ガス浄化装置の構成体を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における一部破断拡大断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線における拡大断面図である。
【図４】複数の構成体からなる排気ガス浄化装置を示す一部破断斜視図である。
【図５】排気ガス浄化装置を示す部分拡大断面図である。
【図６】排気ガス浄化装置を組み込んだ状態を示す概略断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は実施例及び比較例１，２の比較試験の実施方法を説明するための概略図である。
【符号の説明】
３，４…フィルタ、５…発熱体としてのヒータ、８…耐熱性充填物質としてのシール材、９…断熱材、１０…排気ガス浄化装置、Ｓ…構成体
【図１】
0004037725.tif 000004
【図２】
0004037725.tif 000005
【図３】
0004037725.tif 000006
【図４】
0004037725.tif 000007
【図５】
0004037725.tif 000008
【図６】
0004037725.tif 000009
【図７】
0004037725.tif 000010