JP4909352B2 - ジオメトリ的に類似した複数の通路を備えたフィルタエレメントおよびパーティキュレートフィルタ - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、内燃機関の排ガスを浄化するためのフィルタエレメント、つまり排ガスの主流れ方向に対して平行に延びる長手方向軸線と、該長手方向軸線に対して平行に延びる多数の流入通路と、該長手方向軸線に対して平行に延びる多数の流出通路とが設けられており、流入通路が、当該フィルタエレメントの流入面を起点として延びて当該フィルタエレメントの流出面のところで閉じられており、流出通路が、前記流入面のところで閉じられていて、前記流出面のところで開口している形式のものに関する。

さらに本発明は、請求項１５の上位概念部に記載の形式の、フィルタエレメントを備えた煤フィルタもしくはパーティキュレートフィルタ、つまりフィルタエレメントと、ハウジングと、流入管路と、流出管路とを備えたパーティキュレートフィルタに関する。

このような形式のフィルタエレメントは、たとえばディーゼル内燃機関のための煤フィルタ（Russfilter）、すなわちパーティキュレートフィルタとして使用される。

フィルタエレメントは、しばしばセラミック材料から成っていて、互いに平行に延びる多数の流入通路および流出通路を有している。

フィルタエレメントはセラミック材料から押出し成形によって製造される。このことは、フィルタエレメントのブランクが、互いに平行に延びる多数の通路を備えた角柱体であることを意味している。１つのブランクのこれらの通路は最初は両端部で開いている。

浄化したい排ガスがフィルタの壁を通って流れるようにするためには、前記通路が２つの通路群に分けられ、この場合、一方の通路群はフィルタエレメントの後端部において閉じられ、他方の通路群はフィルタエレメントの前端部において閉じられる。これにより、２つの通路群、つまりフィルタエレメントの後端部において閉じられている「流入通路」から成る通路群と、フィルタエレメントの始端部において閉じられている「流出通路」から成る通路群とが形成される。

流出通路と流出通路との間には、フィルタエレメントの多孔質の壁を介してしか流れ接続が形成されないので、排ガスは、流入通路からフィルタエレメントの壁を通って流出通路内に流入することによってしかフィルタエレメントを貫流することしかできない。

フィルタエレメントのできるだけ効果的な作動を保証するためには、内燃機関の運転中にフィルタエレメントの横断面にわたってできるだけ均一な温度分布が生じることが目標とされる。

本発明の根底を成す課題は、冒頭で述べた形式の、パーティキュレートフィルタのためのフィルタエレメントを改良して、フィルタエレメントの横断面にわたる温度分布が改善され、ひいては本発明によるフィルタエレメントを備えたパーティキュレートフィルタの作動特性ならびにその寿命が延長されるようなフィルタエレメントを提供することである。さらに、本発明の根底を成す課題は、このようなフィルタエレメントを備えたパーティキュレートフィルタを提供することである。

この課題は本発明によれば、煤を濾過するためのフィルタエレメント、特にディーゼル内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメントであって、排ガスの主流れ方向に対して平行に延びる長手方向軸線と、該長手方向軸線に対して平行に延びる多数の流入通路と、該長手方向軸線に対して平行に延びる多数の流出通路とが設けられており、流入通路が、当該フィルタエレメントの流入面を起点として延びて当該フィルタエレメントの流出面のところで閉じられており、流出通路が、前記流入面のところで閉じられていて、前記流出面のところで開口している形式のものにおいて、当該フィルタエレメントの外側に配置された流入通路および流出通路が、中央側に配置された流入通路および流出通路よりも大きな横断面を有していることを特徴とする、煤を濾過するためのフィルタエレメントにより解決される。

発明の開示
大きな横断面を有する、フィルタエレメントの外側に位置する通路は、流入して来る排ガスに、より小さな流れ抵抗しか付与しないので、互いに等しい大きさの通路横断面しか有しない慣用のフィルタエレメントに比べて、濾過したい排ガスに関して従来よりも大きな排ガス量が、フィルタエレメントの外周部において濾過される。これにより、フィルタエレメントの外周部における温度は、高められた排ガス通過量により高められ、こうして全体的にフィルタエレメントの横断面全体にわたって温度の均一化が達成される。フィルタエレメントの中央側を通って流れる排ガス流は同規模で減少し、このことはフィルタエレメントの内側部分に生ぜしめられる温度の相応する低下をもたらす。

フィルタエレメントの、最も外側に位置する通路が両側で閉じられていることにより、本発明によるフィルタエレメント内部における温度分布をさらに改善することができる。このことは、これらの通路が排ガスによって貫流されるのではなく、これらの通路の内部に断熱体として働く空気が存在していることを意味するに他ならない。これにより、フィルタエレメントの一部の、周辺環境への放熱、ひいてはフィルタエレメントの外周部における温度低下が著しく減じられる。これにより、一層改善された温度分布および本発明によるフィルタエレメントの短縮されたヒートアップ時間が得られる。
本発明の有利な構成では、当該フィルタエレメントの外径部に、両側で閉じられた盲通路の最大５つの層、有利には両側で閉じられた盲通路の１〜３つの層が設けられている。

本発明の別の有利な構成では、前記通路、つまり流入通路と流出通路と盲通路のうち、それぞれ互いに隣接し合う２つの通路の間の半径方向の壁が、互いにずらされて配置されている。これにより、本発明によるフィルタエレメントは半径方向で、よりフレキシブルとなるか、半径方向における熱応力が減じられる。このことは、迅速な温度変化に対する本発明によるフィルタエレメントの耐性を改善する。さもないと、このような迅速な温度変化は場合によっては亀裂を招き、ひいてはフィルタエレメントの故障を招く恐れがある。

本発明のさらに別の有利な構成では、当該フィルタエレメントの長手方向軸線に対する間隔が増大するにつれて、前記通路の横断面が単調に増大している。このことは、フィルタエレメントの中心点に対する通路の間隔と該通路の横断面積との間の関数関係により、フィルタエレメント内部での温度分布に広い範囲で影響を与えることができることを意味する。

しかし、製作技術的な観点から見ると、当該フィルタエレメントの長手方向軸線に対する間隔が増大するにつれて、前記通路の横断面が１つまたは複数の段階で増大していても有利になり得る。

流入通路の横断面が、該流入通路に隣接して配置された流出通路の横断面よりも大きく形成されていると、フィルタエレメントの容量は煤の沈積に合わせて、排ガス背圧が著しく増大することなしに高められる。
当該フィルタエレメントの長手方向軸線に対して互いに等しい間隔を有する流入通路および流出通路に関して、流入通路の横断面が流出通路の横断面よりも１．１〜２．０倍、有利には１．１〜１．７倍だけ大きく形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。

さらに、当該フィルタエレメントが、該フィルタエレメントの長手方向軸線に対して回転対称的または中心対称的であると有利であることが判った。

さらに、（流入）通路のフィルタ壁の、上流側に設置された表面が凹凸状に形成されていると有利であることが判った。これによりこの表面は局所的に、壁全体が位置している平面とは異なる勾配を有している。これにより、慣用のフィルタ装置に比べて、上流側に設置された表面の面積が増大している。その結果、この表面では、フィルタ壁の貫流時に圧力降下の許容し得ない程の増大が生じることなしに、より大きな粒子量を付着させることができる。その結果、本発明によるフィルタエレメントでは慣用のフィルタ装置に比べて再生頻度が少なくて済むようになり、このことは、再生のために全体的に必要となる燃料使用量を低下させる。この燃料消費量の低減は、フィルタ装置の全体寸法が拡大されることなしに可能となる。粒子の沈積のために提供されている面積の増大は、表面の凹凸状の形成によるだけで生ぜしめられるか、または少なくとも主としてこのような凹凸状の形成によって生ぜしめられる。したがって、凹凸状の表面は製造時における付加コストを招かないか、または少なくとも著しい付加コストを招かない。
前記表面が少なくとも所定の範囲において、波状の隆起部を有していると有利であり、この場合、本発明の改良形では、前記波状の隆起部が、三角形および／または正弦形の横断面を有している。

冒頭で述べた課題は、フィルタエレメントと、ハウジングと、流入管路と、流出管路と、流入管路をハウジングに結合するディフューザと、ハウジングを流出管路に結合する円錐体もしくはコーンとを備えた煤フィルタもしくはパーティキュレートフィルタにおいても、本発明によるフィルタエレメントが使用されることにより解決され得る。

本発明のさらに別の利点および有利な実施態様は、以下に図面につき説明する実施例および特許請求の範囲に記載されている。図面、実施例の説明および特許請求の範囲において挙げられている全ての利点は、単独でも、任意に組み合わされた形でも本発明によって重要となり得る。

図面の簡単な説明
図１は、本発明によるフィルタエレメントを備えたパーティキュレートフィルタを示す側面図であり、
図２および図３は、本発明によるフィルタエレメントの種々の実施例を正面から見た図であり、
図４および図５は、通路の横断面積を半径の関数として示す線図であり、
図６は、本発明によるフィルタエレメントの第３実施例を示す概略図であり、
図７は、本発明によるフィルタエレメントの第４実施例を示す概略図である。

発明を実施するための形態
図１には、流入管路３とディフューザ５とハウジング７と本発明によるフィルタエレメント９とを備えた煤フィルタもしくはパーティキュレートフィルタ１が、部分的に断面された側面図で図示されている。

パーティキュレートフィルタ１は矢印１１の方向で貫流される。ハウジング７には、円錐体もしくはコーン１３と流出管路１５とが続いている。フィルタエレメント９はハウジング７にガス密に結合されているので、流入管路３を通って流入する排ガス（図示しない）はフィルタエレメント９を貫流しなければならない。

フィルタエレメント９は流入面１７と流出面１９とを有している。フィルタエレメント９は多数の通路によって貫通されており、これらの通路は流入面１７から流出面１９にまで延びている。

排ガスがフィルタエレメント９の壁（符号なし）を通って流れなければならないようにするために、流入通路２１は流入面１７においては開いていて、流出面１９においては閉じられている。流出通路２３は流入面１７においては閉じられていて、流出面１９においては開いている。流入通路２１および流出通路２３の閉鎖部は、図１において符号なしに黒色面として描かれている。

図１に部分断面して描かれた、それぞれ１つの流入通路２１と、この流入通路２１と交互する流出通路２３とから成るパターンは、フィルタエレメントの横断面全体にわたって自体公知の形式で続いている。

図２には、本発明によるフィルタエレメント９の１実施例の横断面が示されている。

図２に示した実施例は円形の横断面を有していて、長手方向軸線２５に関して中心対称的に形成されている。１つのフィルタエレメント９が、長手方向軸線２５に対して中心対称的に配置された多数の通路を有しているので、図面を見易くするという理由から、全ての通路を横断面の形で書き込むことは断念している。流入通路２１は白色の面として書き込まれており、流出通路２３は黒色の面として描かれている。

しかしもちろん、フィルタエレメント９の横断面全体がこれらの流入通路２１および流出通路２３によって貫通されている。流入通路２１および流出通路２３の機能については、既に図１につき説明した通りであるので、再度の説明は省略する。

図２から判るように、本発明によるフィルタエレメント９の第１実施例の横断面全体にわたってそれぞれ１つの流入通路２１が、１つの流出通路２３に隣接して配置されている。このことは、フィルタエレメント９の外側範囲に位置する流入通路２１および流出通路２３に関しても云える。これらの流入通路２１および流出通路２３は、その他の流入通路２１および流出通路２３に比べて著しく拡大された横断面を有している。長手方向軸線２５の範囲に位置する流入通路２１は、フィルタエレメント９の外径部に位置する流入通路２１にジオメトリ的、つまり幾何学的には類似している。

これらの外側の流入通路２１および流出通路２３は、その大きな横断面に基づき、さらに内側に配置された流入通路２１および流出通路２３よりも小さな流れ抵抗しか有していないので、外側の流入通路２１および流出通路２３では、より高い排ガス通過量が生ぜしめられる。その結果、フィルタエレメント９の縁範囲も、流入する排ガスによって、より強力に加熱されることになるので、フィルタエレメント９の外側範囲における温度は、拡大された横断面を備えた流入通路２１および流出通路２３によって高められる。このことは、流入する排ガスにより供給される熱出力が等しいとすると、フィルタエレメント９の内側部分における温度、つまり長手方向軸線２５のすく近くにおける温度が減じられて、フィルタエレメント９の内側部分における局所的な過熱の危険が低減されることをも意味する。

図３には、本発明によるフィルタエレメント９の第２実施例が示されている。この第２実施例では、半径方向に延びるフィルタ壁（符号なし）が互いに対してずらされて配置されている。これにより、フィルタエレメント９は半径方向において一層フレキシブルとなるので、局所的な温度差に基づき生ぜしめられる熱応力は減じられる。

図４には、流入通路２１および流出通路２３の横断面Ａと、半径Ｒとの関係を第１の線２９の形で示す線図が示されている。この第１の線２９は１つの段部を有する階段状の形状を有しており、したがってこの第１の線２９は、図２に示した実施例による横断面Ａと、流入通路２１および流出通路２３の間隔との間の関係を表している。

択一的には、図５に示したように、横断面Ａと半径Ｒとの間の第２の線３１による線形の関係または第３の線３３による非線形の関係を設定することも可能である。個別事例において、図４および図５に示した、横断面Ａと半径Ｒとの間のこのような質的な関係のうちのどちらを優先させるかは、個別事例の事情に関連している。

図６に示した実施例では、フィルタエレメント９の外径部に一列のブラインドチャンネル、つまり盲通路２７が設けられている（全ての盲通路が図示されているわけではない）。これらの盲通路２７は流入面１７においても流出面１９においても閉じられているので、これらの盲通路２７は、浄化したい排ガスによって貫流され得ない。それどころか、これらの盲通路２７内には多かれ少なかれ純粋な空気が存在している。図面を見易くするという理由から、この場合にも幾つかの盲通路２７だけが、第１象限においてほぼ９０゜の円周角にわたって例示的に図示されている。しかしもちろん、その他の象限においても、同じく盲通路２７が設けられている。

空気は劣悪な熱伝導体であるので、フィルタエレメント９の外周部に存在する盲通路２７から成る周壁は断熱部として作用するので、外部への放熱は盲通路２７によって減じられる。これによっても、フィルタエレメント９の外側範囲において温度増大が生ぜしめられるので、フィルタエレメント９の横断面全体にわたって所望の温度均一化が一層改善される。

もちろん、種々の流入通路２１、流出通路２３および／またはフィルタエレメント９の外周部に設けられた盲通路２７の本発明による配置は、円筒状のフィルタエレメント９に限定されているわけではなく、たとえば正方形または方形の横断面を有するフィルタエレメント９にも転用可能である。

また、図示の例では第１近似で方形に相当している流入通路２１、流出通路２３および盲通路２７の横断面の形状も、本発明によるフィルタエレメントのための前提条件を成すものではない。たとえば、横断面の六角形の形状、十字形の形状またはその他の形状も可能である。

本発明の別の実施態様では、フィルタ壁、つまりフィルタ通路の壁が構造化されていてよい。特に流入通路の、上流側に設置された表面は、たとえば少なくとも所定の範囲において波状の隆起部を備えている。言い換えれば、表面の勾配は一方の方向でのみ、壁全体が位置している平面の勾配とは異なっており、それに対して、この方向に対して直交する方向では、凹凸状の範囲においても、壁全体が位置している平面の勾配に相当している。波状の設計により、有効フィルタ面を増大させ、ひいてはフィルタ特性を改善し、特に自動車運転中に生じる排ガス背圧を低下させることが可能となる。この場合、フィルタ基板は製造プロセス時に、たとえば押出し成形時に、半径方向の通路壁および／または同心的に配置された通路壁が波形構造を有するように製造される。図７には、概略的な部分横断面図（１／４区分）において、このような択一的なフィルタエレメント４９が図示されている。このフィルタエレメント４９では、フィルタ壁の、上流側に設置された表面５１が、波状成形された構造体５３を有している。波線を有する構造体５３の図示は、ほぼ、つまり図示の横断面で見て同心的な円環線に従う平坦な通路壁を除いて、表面、つまり少なくともその上流側に位置する表面が、波状成形された構造を有している通路壁によって代えられることを表している。したがって、図示の円環線はフィルタエレメントの長手方向軸線に対する各通路壁の平均間隔を表している。この波状の構造は図７において同心的な通路壁に関して図示されているが、択一的にまたは組合せの形で、半径方向に配置された通路壁のためにも設けられ得る。波形成形は（最も外側の壁を除いて）有利には仮想の半径方向の、もしくは同心的な理想線を中心にして正弦状に行われるが、択一的には別の規則的な波形形状を持って行われる。この波の振幅Ａ（理想線に対する波山部もしくは波谷部の間隔）は０．１〜０．５ミリメートルの範囲、有利には０．１〜０．３ミリメートルの範囲にある。この波の周期Ｐは０．１〜０．５ミリメートルの範囲にある。振幅高さ対周期長さの比Ａ／Ｐは、有利には０．２〜３．０の範囲にある。このように波状成形された表面構造を用いて、フィルタ通路、特に流入通路は、同一の横断面積を有する方形またはほぼ方形の横断面の、波状成形されていないフィルタ通路に比べて、より大きな円周を有しており、ひいてはより大きな濾過面積を有している。

本発明によるフィルタエレメントを備えたパーティキュレートフィルタを示す側面図である。 本発明によるフィルタエレメントの１実施例を正面から見た図である。 本発明によるフィルタエレメントの別の実施例を正面から見た図である。 通路の横断面積を半径の関数として示す線図である。 別の実施例による通路の横断面積を半径の関数として示す線図である。 本発明によるフィルタエレメントの第３実施例を示す概略図である。 本発明によるフィルタエレメントの第４実施例を示す概略図である。

Claims (12)

1. ディーゼル内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメントであって、排ガスの主流れ方向に対して平行に延びる長手方向軸線（２５）と、該長手方向軸線（２５）に対して平行に延びる多数の流入通路（２１）と、該長手方向軸線（２５）に対して平行に延びる多数の流出通路（２３）とが設けられており、流入通路（２１）が、当該フィルタエレメント（９）の流入面（１７）を起点として延びて当該フィルタエレメント（９）の流出面（１９）のところで閉じられており、流出通路（２３）が、前記流入面（１７）のところで閉じられていて、前記流出面（１９）のところで開口している形式のものにおいて、当該フィルタエレメント（９）の外側に配置された流入通路（２１）および流出通路（２３）が、中央側に配置された流入通路（２１）および流出通路（２３）よりも大きな横断面を有しており、当該フィルタエレメント（９）の長手方向軸線（２５）に対して互いに等しい間隔（Ｒ）を有する流入通路（２１）および流出通路（２３）に関して、流入通路（２１）の横断面が流出通路（２３）の横断面よりも大きく形成されており、当該フィルタエレメント（９）が、該フィルタエレメント（９）の長手方向軸線（２５）に対して回転対称的または中心対称的であることを特徴とする、ディーゼル内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメント。
2. 当該フィルタエレメント（９）の外側に盲通路（２７）が配置されており、該盲通路（２７）の両端部が閉じられている、請求項１記載のフィルタエレメント。
3. 当該フィルタエレメント（９）の外径部に、両側で閉じられた盲通路（２７）の最大５つの層が設けられている、請求項２記載のフィルタエレメント。
4. 前記通路（２１，２３，２７）のうち、それぞれ互いに隣接し合う２つの通路の間のほぼ半径方向に延びる壁が、互いにずらされて配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
5. 当該フィルタエレメント（９）の長手方向軸線（２５）に対する間隔（Ｒ）が増大するにつれて、前記通路（２１，２３，２７）の横断面が単調に増大している、請求項１から４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
6. 当該フィルタエレメント（９）の長手方向軸線（２５）に対する間隔（Ｒ）が増大するにつれて、前記通路（２１，２３，２７）の横断面が複数の段階で増大している、請求項１から４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
7. 当該フィルタエレメント（９）の長手方向軸線（２５）に対して互いに等しい間隔（Ｒ）を有する流入通路（２１）および流出通路（２３）に関して、流入通路（２１）の横断面が流出通路（２３）の横断面よりも１．１〜２．０倍だけ大きく形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
8. 少なくとも１つのフィルタ壁、特に流入通路のフィルタ壁の、上流側に設置された表面が、少なくとも所定の範囲において凹凸状に形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
9. 前記表面が少なくとも所定の範囲において、波状の隆起部を有している、請求項８記載のフィルタエレメント。
10. 前記波状の隆起部が、三角形および／または正弦形の横断面を有している、請求項９記載のフィルタエレメント。
11. 前記隆起部の振幅（Ａ）対周期（Ｐ）の比（Ａ／Ｐ）が、０．２〜３である、請求項９または１０記載のフィルタエレメント。
12. フィルタエレメント（９）と、ハウジング（７）と、流入管路（３）と、流出管路（１５）とを備えたパーティキュレートフィル
    タにおいて、フィルタエレメントが、請求項１から１１までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（９）であることを特徴とするパーティキュレートフィルタ。

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