JP4037725B2

JP4037725B2 - Filter for exhaust gas purifier

Info

Publication number: JP4037725B2
Application number: JP2002286195A
Authority: JP
Inventors: 幸二島戸
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2003176712A

Description

【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】

【００４０】
【表２】

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a filter for an exhaust gas purification device for purifying exhaust gas of an internal combustion engine, and more particularly, to an exhaust gas purification device of a type that burns particulates in collected exhaust gas by the heat of an electric heater. It relates to the filter to be used.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a filter using a ceramic material has been proposed as a filter used in a so-called electric heater regenerative exhaust gas purification device. As such a ceramic material, cordierite (2MgO · 2Al ₂ O ₃ · 5SiO ₂ ) or the like is generally well known. By using such a material, for example, a filter having a honeycomb structure is formed.
[0003]
Usually, an electric heater is disposed on one end face of this type of filter as a heating element for heating the filter to a predetermined temperature (600 ° C. to 800 ° C.) during regeneration. When the electric heater is energized, fine particles collected on one end face of the filter are ignited and finally burned (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
However, in the case of the filter having the above-described configuration, since the filter is heated only from one side by the radiant heat of the heater, there is a drawback that a temperature difference is easily generated between the heating surface and the non-heating surface. In addition, if regeneration is continued in this state, the temperature inside the filter further increases locally due to abnormal combustion of fine particles, and eventually cracks and melting occur in a short period of time. was there. For this reason, conventionally, measures such as controlling various conditions during regeneration (capture amount, heater temperature, energization time, supply amount of combustion air, engine operating conditions, etc.) have been taken.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-121213
[Problems to be solved by the invention]
However, since there are a plurality of factors that affect the reproduction state as described above, it is not easy to strictly control these factors. In addition, since the system is heated by radiant heat, there is a disadvantage that the temperature of the heater is not necessarily the temperature of the filter. Even if strict control is performed by a computer or the like, it is extremely difficult to extend the life of the filter to 2000 hours or more.
[0007]
Therefore, as a measure for solving the drawbacks of the heater end face arrangement type, for example, it is conceivable to wind an electric heater around the outer peripheral surface of the filter. In other words, this method is intended to minimize the temperature difference in the filter during regeneration by heating the entire filter from the outer peripheral surface side.
[0008]
However, even with the heater outer peripheral surface arrangement type filter as described above, it has been predicted that it is difficult to sufficiently eliminate the temperature difference in the filter when the filter itself is enlarged. In this case, it was expected that the time for raising the temperature of the filter to the regeneration temperature would be longer.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to raise the temperature without unevenness in a short time, so that the reproduction efficiency and durability can be improved and the reproduction can be performed. An object of the present invention is to provide a filter for an exhaust gas purification device that can easily control the temperature at the time.
[0010]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, in the exhaust gas purifying filter constituted by a plurality of filter components for removing particulates in the gas discharged from the diesel engine, the filter component is , an average pore diameter of 1 m to 50 m, and becomes in porosity is formed in a honeycomb shape by a silicon carbide sintered body is 30% to 70%, between the filter structure consisting of the silicon carbide sintered body, each Made of ceramic fiber, silicon carbide powder and inorganic binder, formed by directly applying slurry to the outer peripheral surface of the filter structure , and bonded with an application layer of heat-resistant filling material having sealing properties and adhesiveness The gist of the exhaust gas purifying filter is characterized in that.
[0011]
In this case, the filter may be obtained by carrying metallic elements, and the filter preferably having supported thereon a metal oxide.
[0012]
In the present invention, before xenon La Mick fibers, alumina - silicate ceramic fiber, alumina fiber, zirconia fiber, it is silicon carbide fiber or silica fiber, a thermal expansion of the heat insulating material made of Se la Mick fiber, its From the arrangement at the outermost periphery, the arrangement of the heating element between the columnar filter and the heat-resistant filling material, and eight columnar filters and four columnar filters with an isosceles right angled section. Preferably, it is configured.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the exhaust gas purifying filter of the present invention will be described in detail. In the present invention, Ru is interposed refractory filler material between adjacent filters. The reason is to prevent a decrease in purification efficiency due to air leakage by filling a gap formed when a plurality of filters are combined. The heat-resistant filling material also serves as an adhesive for joining the filters.
[0014]
The heat-resistant filling material preferably has elasticity, thermal conductivity, insulating properties and the like in addition to heat resistance. This is because if the elasticity is excellent, even when a thermal stress is applied to the filter by heating, the thermal stress can be reliably released. Moreover, if the heat conductivity is excellent, the heat of the heating element is quickly and uniformly conducted to each filter, and the temperature difference inside the exhaust gas purifying device is also reduced. Furthermore, it is because the thing excellent in insulation can prevent the short circuit of the heat generating bodies provided adjacent.
[0015]
The composition of the refractory filler material, a ceramic fiber, Ru silicon carbide powder and inorganic binder der. This is because such a filling material has heat resistance, elasticity, thermal conductivity, insulation, and the like desired for the above heat-resistant filling material. In this case, examples of suitable ceramic fibers include alumina-silicate ceramic fibers, alumina fibers, zirconia fibers, silicon carbide fibers, and silica fibers.
[0017]
In the present invention, it is desirable to arrange the heating element between the filter and the heat-resistant filling material. In other words, it is because a short circuit between adjacent heat generating elements can be prevented beforehand by adopting a configuration in which the heat generating elements are covered with a heat-resistant filling substance. In addition, such an arrangement method improves heat conductivity from the heating element to the filter.
[0018]
In the present invention, it is desirable to dispose a thermally expandable heat insulating material made of ceramic fiber at the outermost periphery. The heat-expandable heat insulating material here refers to a heat insulating material having a function of releasing thermal stress because it has an elastic structure.
[0019]
The reason is to minimize energy loss during regeneration by preventing heat from escaping from the outermost periphery of the exhaust gas purification device. Another reason is to prevent the displacement of the filter due to the pressure of exhaust gas, vibration due to running, etc., by expanding the ceramic fiber by heat during regeneration. For the heat insulating material, it is preferable to use the various ceramic fibers (excluding silicon carbide fibers) mentioned above for the heat-resistant filling material.
[0020]
Further, in the present invention, the filter is Ru der those formed into a honeycomb shape by a porous silicon carbide sintered body. This is because the porous silicon carbide sintered body is excellent in heat resistance and thermal conductivity. This is because the honeycomb filter has a small pressure loss even when the amount of collected fine particles is increased. Furthermore, it is desirable that the average pore diameter is 1 μm to 50 μm and the porosity is 30 to 70%. When the average pore diameter is less than 1 μm, the filter is clogged due to the volume of fine particles. On the other hand, when the average pore diameter exceeds 50 μm, fine particles cannot be collected, and the collection efficiency is lowered.
[0021]
If the porosity is less than 30%, the filter becomes too dense, and exhaust gas may not be allowed to flow inside. Therefore, it may be impossible to collect fine particles. On the other hand, if the porosity exceeds 70%, too many voids are formed in the filter, so that the strength is weakened and the collection efficiency of the fine particles may be lowered.
[0022]
【Example】
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in an exhaust gas purification system for a diesel engine will be described in detail with reference to FIGS.
[0023]
As shown in FIG. 6, the exhaust gas purification system 1 includes a metal casing 2. The passage 2a of the casing 2 is connected to an exhaust pipe Ea of a diesel engine E as an internal combustion engine. In the casing 2, an exhaust gas purification device 10 is disposed in order to remove particulates in the gas discharged from the diesel engine E.
[0024]
As shown in FIG. 4, the exhaust gas purifying apparatus 10 of the present embodiment is configured by eight prismatic filters 3 and four filters 4 having an isosceles right triangular section.
[0025]
As shown in FIGS. 1 to 3, in the prismatic (33 mm × 33 mm × 150 mm) filter 3, communication holes 3 a having a substantially square cross section are regularly formed along the axial direction. The communication holes 3a are separated from each other by an inner wall 3b having a thickness of 0.3 mm. One end on either the exhaust gas inflow side or the outflow side of each communication hole 3a is sealed in a checkered pattern by a sealing piece 3c made of a porous sintered body. As a result, cells C1 and C2 that are open only on either the inflow side or the outflow side of the filter 3 are formed. The inner walls 3b of the cells C1 and C2 carry an oxidation catalyst made of a platinum group element, other metal elements and oxides thereof. The filter 4 has the same configuration as the filter 3 except that the cross-sectional shape is a right-angled isosceles triangle. In the case of the filters 3 and 4 of this embodiment, the average pore diameter is set to 14 μm, the pore diameter is set to 40%, the cell wall thickness is set to 0.3 mm, and the cell pitch is set to 1.8 mm.
[0026]
As shown in FIGS. 1 to 5, a heater 5 as a heating element is joined to the outer peripheral surfaces of the filters 3 and 4. In this embodiment, the heater 5 is a tantalum wire having a diameter of 2 mm bent in a wave shape. In the present embodiment, the heaters 5 of the filters 3 and 4 are connected in series. As shown in FIG. 6, the end of the heater 5 is electrically connected to a battery (12V) 7 via a wiring 6. In this case, a 24V battery may be used instead of the 12V battery 7. Further, a power source having a voltage higher than that of the battery 7 (100V household power source or 200V commercial power source) may be used.
[0027]
4, so that, the filters 3 and 4 shown in FIG. 5 is covered with a sheet Lumpur material (thickness 2.5 mm) 8 as refractory filler material. Therefore, in the case of the exhaust gas purification device 10, the heating element 5 is interposed between the adjacent filters 3 and 4. Further, a heat insulating material 9 having a thickness of 15 mm is disposed on the outermost peripheral portion of the exhaust gas purification device 10.
[0028]
Next, an example of a procedure for manufacturing the exhaust gas purification device 10 will be introduced. A wet mixed powder of 70% by weight of α-type silicon carbide powder and 30% by weight of β-type silicon carbide powder is wet-mixed, and an organic binder (methyl cellulose) and water are added to the mixture in predetermined amounts and kneaded. The kneaded product is extruded to obtain a honeycomb-shaped formed body. Next, the molded body is dried using a microwave dryer. Furthermore, after sealing the communicating hole 3a of the molded body with a paste for forming a sealing piece 3c made of a porous sintered body, the paste for the sealing piece 3c is dried again using a dryer. And after degreasing a dry body at 600 degreeC, it is further baked at 2200 degreeC by argon atmosphere. As a result, porous and honeycomb-like filters 3 and 4 are obtained.
[0029]
Here, 75 parts by weight of ceramic fiber (alumina silicate ceramic fiber), 10 parts by weight of silicon carbide powder and 15 parts by weight of silicon dioxide as an inorganic binder are mixed and kneaded to form a slurry, which is the outer peripheral surface of each filter 3, 4. by applying directly to the structure adult S ing by joining the heater 5 to form a layer of sealing material 8 of a heat-resistant filler material.
[0030]
Next, the flow of exhaust gas when the exhaust gas purification device 10 is placed at a predetermined position and the diesel engine E is started will be described. As shown by an arrow A1 in FIG. 2, the exhaust gas is first introduced into a cell C1 that opens to the inflow side of the filters 3 and 4. Next, the exhaust gas passes through the inner wall 3b and is introduced into the adjacent cell C2, that is, C2 opened to the outflow side. At this time, the movement of the fine particles contained in the exhaust gas is blocked by the inner wall 3b. Therefore, only the fine particles are trapped on the inner wall 3b. The purified exhaust gas passes through the cell C2 opened to the outflow side and is finally discharged from the filters 3 and 4.
[0031]
In the case of the exhaust gas purification system 1 of this embodiment, as shown in FIG. 6, a pressure sensor Ps is installed at a position upstream of the exhaust gas purification device 10 in the exhaust pipe Ea. The pressure sensor Ps is electrically connected to the piezoelectric conversion element Pe. The piezoelectric conversion element Pe outputs a predetermined electrical signal to the control device C based on the detection signal output from the pressure sensor Ps. The control device C is configured to turn on / off a switch Sw provided on the wiring 6 based on a detection signal from the piezoelectric conversion element Pe.
[0032]
Further, an air supply pipe Ca is disposed at a position downstream of the exhaust gas purification device 10 in the exhaust pipe line Ea. The air supply pipe Ca is connected to the compressor Co. For this reason, at the time of regeneration, secondary air for promoting combustion is supplied into the exhaust pipe Ea via the air supply pipe Ca.
[0033]
Next, a characteristic evaluation test performed in a state where the exhaust gas purification devices 3 and 4 are incorporated in the exhaust gas purification system 1 as described above will be described. In this characteristic evaluation test, two types of exhaust gas purification devices made of cordierite were produced as Comparative Examples 1 and 2 for the example. In Comparative Example 1, a heater H1 was wound around the outer periphery of the filter F as shown in FIG. In Comparative Example 2, a heater H2 is disposed on the downstream end face of the filter F as shown in FIG.
[0034]
Then, the diesel engine E was operated, and first, the particulates in the exhaust gas were collected by the exhaust gas purification device 10. At that time, the control device C was allowed to monitor the pressure change in the exhaust pipe Ea during the collecting operation. Then, the collecting operation was continued until the pressure value reached a certain value. The amount of fine particles collected during this period was calculated to be 15 g / liter. This calculated value is calculated based on the change in weight before and after the collection process, with the volume of the exhaust gas purification device 10 as the total amount of the gas passage portion.
[0035]
After detecting the completion of the collecting operation, the control device C then closes the switch Sw to start energization of the heater 5. After a predetermined time elapsed from the start of energization (after the temperature raising process), the compressor Co was operated, and secondary air for promoting combustion was supplied from the air supply pipe Ca at a rate of 20 cm ³ / min.
[0036]
Then, as shown in FIG. 7 (a), the temperatures T1 to T6 at the positions P1 to P6 of the exhaust gas purification device 10 were measured over time with a thermocouple. For Comparative Examples 1 and 2, the temperatures T1 to T6 at the positions P1 to P6 were similarly measured.
[0037]
In this test, the process from the start of energization until the average value of the temperatures T1 to T6 reached 600 ° C. was defined as the “heating process”. Further, the process from the end of the temperature raising process to the start of the supply of secondary air to the end of the combustion of the fine particles was defined as a “regeneration process”. Then, the time (minutes) required for the temperature raising process and the regeneration process was obtained, and the sum of these was defined as the energization time (minutes). Further, the maximum temperature difference ΔT (° C.) at each position P1 to P6 was determined for each of the temperature raising process and the regeneration process. These results are shown in Table 1.
[0038]
Further, in this test, the time (time) until the filters 3 and 4 constituting the exhaust gas purification device 10 reach a crack was also investigated. Similarly, the above tests were performed for Comparative Examples 1 and 2. The results are shown in Table 2.
[0039]
[Table 1]

[0040]
[Table 2]

[0041]
As is apparent from Table 1, in the example, the time required for the temperature raising process and the time required for the regeneration process were shorter than those of Comparative Examples 1 and 2. Moreover, the maximum temperature difference ΔT (° C.) at each of the positions P1 to P6 was also smaller than those of Comparative Examples 1 and 2.
[0042]
That is, according to the present embodiment, it means that the exhaust gas purification device 10 can be heated without temperature unevenness in a short time and can be regenerated in a short time. In addition, shortening the time required for the temperature raising process and the regeneration process means that the total energization time is shortened. Therefore, according to the embodiment, efficient regeneration can be performed with less electrical energy. In addition, in the case of the embodiment, the maximum temperature difference ΔT (° C.) at each of the positions P1 to P6 is also relatively small.
[0043]
Further, as is apparent from Table 2, in the examples, the filters 3 and 4 did not reach cracks even when used for more than 20000 hours. On the other hand, it was impossible to withstand 3000 hours in Comparative Example 1 and 2000 hours in Comparative Example 2. That is, it can be seen that the exhaust gas purifying apparatus 10 of this embodiment is extremely excellent in durability as compared with Comparative Examples 1 and 2.
[0044]
In addition, according to the structure of the exhaust gas purification apparatus 10 of a present Example, it was confirmed that it can reproduce | regenerate reliably even if the supply amount of secondary air is small. Therefore, there is an advantage that the compressor Co is small and can be improved.
[0045]
In addition, this invention is not limited only to the said Example, It can be changed into the following structures. For example,
(A) The number of combinations of the structures S does not have to be 12 as in the above embodiment, and can be any number. In this case, as a matter of course, it is possible to use a combination of the structures S having different sizes and shapes as appropriate. It should be noted that adopting a configuration characterized by combining a plurality of components S is particularly advantageous when manufacturing a large exhaust gas purification device.
[0046]
(B) The exhaust gas purification apparatus 10 of the above-described embodiment can be regarded as a state where one large filter is divided into a plurality of parts along the axial direction. Thus, for example, a modification in which the filter is divided into a donut shape, or is divided perpendicularly to the axial direction can be considered.
[0047]
(C) The present invention is not limited to the honeycomb-shaped filters 3 and 4 as shown in the above-described embodiment, and it is of course possible to adopt, for example, a three-dimensional network structure, a foam shape, a noodle shape, or a fiber shape. Of course, materials other than silicon carbide may be selected as the ceramic material for the filters 3 and 4.
[0048]
(D) The heater 5 is not limited to being a metal wire as in the above embodiment. That is, the heater 5 can also be produced by methods such as metal metallization, conductor paste printing, sputtering, and the like.
[0050]
(Ef) Also, a slurry for the

filter

3, 4 form, using a slurry of heat-resistant packing material formed from one extruder may be simultaneously extruding the two slurry. That is, the slurry for forming the filters 3 and 4 is extruded from the central part of the jig of the extrusion molding machine, and at the same time, the slurry for forming the heat-resistant filling material layer is extruded from the outer peripheral part of the jig. According to this method, the structure S can be produced efficiently in a short time.
[0051]
(G) When the exhaust gas purification device 10 is configured, the structure S in which the heaters 5 are provided in the filters 3 and 4 as in the above-described embodiment is not necessarily used. For example, after a plurality of filters 3 and 4 are combined, the heater 5 is inserted into the gap between the adjacent filters 3 and 4, and the gap is filled with slurry for forming a heat-resistant filling material layer. The gas purification apparatus 10 can also be produced.
[0052]
(H) Instead of the embodiment in which the heaters 5 are connected in series, they may be connected in parallel.
[0053]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the exhaust gas purifying filter of the present invention, it is possible to prevent a decrease in purification efficiency due to air leakage from between the filters by interposing a heat-resistant filling substance between adjacent filters. In addition, the temperature can be raised without temperature unevenness within a short time, so that the reproduction efficiency and durability can be improved, and the temperature control during reproduction can be facilitated. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a component of an exhaust gas purification device.
FIG. 2 is a partially broken enlarged sectional view taken along line AA of FIG.
3 is an enlarged cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a partially cutaway perspective view showing an exhaust gas purifying apparatus comprising a plurality of components.
FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view showing an exhaust gas purification device.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a state in which an exhaust gas purification device is incorporated.
FIGS. 7A to 7C are schematic views for explaining a method for carrying out a comparative test of Examples and Comparative Examples 1 and 2; FIG.
[Explanation of symbols]
3, 4 ... Filter, 5 ... Heater as heating element, 8 ... Sealing material as heat-resistant filling material, 9 ... Heat insulating material, 10 ... Exhaust gas purification device, S ... Constituent body

Claims

In a filter for an exhaust gas purification device constituted by a plurality of filter components for removing particulates in gas discharged from a diesel engine,
The filter structure is formed in a honeycomb shape by a silicon carbide sintered body having an average pore diameter of 1 μm to 50 μm and a porosity of 30 to 70%,
It is made of ceramic fiber, silicon carbide powder and inorganic binder formed by directly applying slurry to the outer peripheral surface of each filter component between the filter components composed of the silicon carbide sintered body . A filter for an exhaust gas purifying apparatus, characterized in that it is bonded with an application layer of a heat-resistant filling substance having

2. The exhaust gas purifier filter according to claim 1 , wherein the ceramic fiber is an alumina-silicate ceramic fiber, an alumina fiber, a zirconia fiber, a silicon carbide fiber, or a silica fiber.

The exhaust gas purifying filter according to claim 1 or 2 , wherein a thermally expandable heat insulating material made of ceramic fiber is disposed on an outermost peripheral portion thereof.

The exhaust gas purifying filter according to any one of claims 1 to 3 , wherein a heating element is disposed between the columnar filter and the heat-resistant filling substance.

The exhaust gas purifying filter according to any one of claims 1 to 4 , wherein the filter is composed of eight prismatic filters and four columnar filters having a right-angled isosceles triangle in cross section.

The exhaust gas purifying filter according to any one of claims 1 to 5 , wherein the filter carries a metal element.

The exhaust gas purifying filter according to any one of claims 1 to 6 , wherein a metal oxide is supported on the filter.