JPH0251649B2 - - Google Patents

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JPH0251649B2
JPH0251649B2 JP19156486A JP19156486A JPH0251649B2 JP H0251649 B2 JPH0251649 B2 JP H0251649B2 JP 19156486 A JP19156486 A JP 19156486A JP 19156486 A JP19156486 A JP 19156486A JP H0251649 B2 JPH0251649 B2 JP H0251649B2
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filter cartridge
ceramic foam
cylinder
exhaust gas
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Mitsuraa Teiberiu
Kamuperu Konraato
Riigaa Uorufuharuto
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Alusuisse Holdings AG
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Publication date
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Publication of JPH0251649B2 publication Critical patent/JPH0251649B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は連続気孔セラミツクフオーム（open
pore ceramic foam）のフイルターカートリツ
ジを用いてデイーゼル機関からの排気ガスをスク
ラビングする方法、およびこの方法を実施するた
めのフイルターカートリツジに関する。
デイーゼル機関により放出される廃ガスのすす
含量は基本的には二方法により、すなわち混合物
の調製およびエンジン内の燃焼順序を最適なもの
にする方法によつて、また排気ガス流の通路にフ
イルターを挿入する方法によつて低下させること
ができる。フイルターのデザインによつて、抽出
されるすすの量は通常は50〜90％である。
しかしすすの最適抽出度を達成するために有効
フイルター容積を自由に変えることはできない。
フイルターは排気ガスに作用する背圧を生じる抵
抗の本質をなすからである。この背圧は高すぎて
はならない。さもなければエンジンの出力が低下
し、燃料消費が増加するであろう。排気ガスフイ
ルターを備えた自家用車のデイーゼル機関の場
合、背圧は高くとも0.2バールでなければならな
い。
排気ガスフイルターはすぐにすすで閉塞される
ので、すすを時々燃焼除去しなければならない。
１回の再生時期から次回の再生時期までの間隔を
再生間隔と呼ぶ。特定の運転条件下ではフイルタ
ーはそれ自身自動的に再生する。その際すすの堆
積物は550〜700℃の温度で燃焼し、フイルターが
触媒被膜をもつ場合は燃焼温度を約400℃に低下
させることができる。
不規則な再生が行われると燃焼が制御できず、
これにより熱の蓄積のためいつそう高いピーク温
度に達する可能性がある。すすの燃焼に際して生
じるこの高いピーク温度に続いて排気ガス温度が
低下するので、高温および熱衝撃に耐えうるフイ
ルター材料を用いる必要がある。
米国特許第4264346号明細書から、上記の目的
のために中実円筒状のコージエライトの連続気孔
セラミツクフオームを用いることが知られてい
る。連続気孔セラミツクフオームとは、ここでは
多数の連続した（continuous，interconnecting）
中空空間を含む、三次元網状および気泡性構造を
もつ多孔質セラミツク体であると解すべきであ
る。このセラミツク体はデイーゼル機関の排気ガ
ス流の通路に、排気ガスが末端を向けたセラミツ
ク体に衝突し、その中心軸に平行にこれを貫流す
る様式で置かれる。すすの堆積はガス流が最初に
貫流する部分のフイルターに最も多く、排気ガス
の通路を進むにつれて急激に減少する。その結
果、ガスが最初に接触する部分のフイルターは比
較的短時間後にそのすす捕捉容量に達し、再生さ
れなければならない。フイルターの残りの部分は
なおすすを捕捉しうるが、この時点で同様に、実
際に必要とされるよりも早期に再生処理を施され
る。
コージエライトセラミツクは温度の変化に対し
て特に抵抗性であるが、上記の種類のフイルター
の取扱いによれば比較的頻繁に再生される必要が
あるためフイルターが比較的短時間で機械的損傷
を受ける。この種のフイルターの他の欠点は、
過が全長にわたつて均一な効力をもたず、効力が
比較的低い部分のセラミツクフイルターは実質的
に冒頭に述べた背圧に関与する点である。
本発明の目的は、連続気孔セラミツクフオーム
を用いるデイーゼル機関排気ガススクラビングに
際して遭遇する前記の欠点を少なくとも一部は排
除することである。
この目的は、排気ガスがフイルターカートリツ
ジの有効部分をフイルターの長手方向に対し本質
的に横方向に貫流する本発明によつて達成され
る。
本発明方法を実施するための連続気孔セラミツ
クフオームのフイルターカートリツジは円筒形で
あり、軸が円筒の軸と一致する円筒形の開口をも
つ。
連続気孔セラミツクフオーム製であり、本発明
方法の実施に用いられる他のフイルターカートリ
ツジは、一端が閉じた中空円筒形であり、円筒、
底面および円筒形開口（その軸が円筒の軸と一致
する）からなる。
フイルターカートリツジを形成するセラミツク
フオームの材料特性およびデザインに関連する本
発明によるフイルターカートリツジの他の有利な
形態は特許請求の範囲第４〜１１項に明示され
る。
本発明方法によれば、排気ガスが横断して流れ
るべきフイルターの断面積は、排気ガスがフイル
ターの中心軸に平行に流れるフイルターの場合よ
りも増大している。一定の排気ガス流について
は、これによつて背圧が低下する。
本発明によるフイルターカートリツジの連続気
孔セラミツクフオームは、同一の背圧について、
排気ガスが中心軸に平行に流れる同一多孔度の連
続気孔フオーム構造をもつ一般のフイルターより
も大きな容積を占める。従つて、本発明によるフ
イルターカートリツジはすす捕捉容量がより大き
く、その結果再生処理の間隔がより長いという利
点をもつ。
本発明の他の利点および詳細は図面および後記
に例示する実施態様によつて明らかになる。
概略図はすなわち下記のものである。
第１図および第２図はフイルターカートリツジ
の透視図を示す。
第３図および第４図は第１図および第２図のフ
イルターカートリツジを排気ガススクラビング設
備に使用した状態につき断面で示す。
第５図は他のフイルターカートリツジを排気ガ
ススクラビング設備に使用した状態につき断面で
示す。
第１図は円筒形開口５が完全に貫通した円筒形
４の形の連続気孔セラミツクフオームのフイルタ
ーカートリツジ１を示す。その表面構造がカート
リツジ１の一部についてのみ示されている。開口
５の中心軸は円筒４の中心軸と一致する。
第２図は円筒形開口５５をもつ円筒４４の形の
連続気孔セラミツクフオームのフイルターカート
リツジ２を示す。開口５５の中心軸も円筒４４の
中心軸と一致する。その表面構造がカートリツジ
２の一部のみについて示される。しかし開口５５
は円筒４４を完全には貫通しておらず、一端にお
いて円筒４４の底面８により、すなわち排気ガス
が実際上不透過性である密な材料により閉じられ
ている。底面８と円筒４４の厚さの間には関係が
ない。しかし底面８も連続気孔セラミツクフオー
ム製である場合、底面８の厚さをこれが円筒４４
の厚さと同一であるように選ぶことが有用であ
る。
第３および４図は、それぞれフイルターカート
リツジ１および２をデイーゼル機関排気ガスのス
クラビングのために装置１０に挿入する様式を例
により示す。ガスが通る通路を矢印で示す。デイ
ーゼル機関から排出された排気ガスは入口Ｅ、次
いで開口５または５５を経て装置に入り、フイル
ターカートリツジ１または２を貫流し、多かれ少
なかれ最短経路を経て、すなわち長手方向に対し
横方向に内面６から外面７へ、かつ必要な場合は
底面８（透過性であるか否かにかかわらず）の型
に応じてわずかにフイルターカートリツジ２の底
面８を通つて流れる。このように、排気ガスが貫
流するフイルターカートリツジの断面全体がフイ
ルターとして均一に有効である。精製されたガス
は出口Ａを経て装置１０から出る。
第５図は第３図に示したものと類似の別形を示
す。しかしエンジンから出る汚染された排気ガス
は廃ガススクラバー１０の入口Ｅを経てまずフイ
ルターカートリツジ３の表面７に出会う。カート
リツジ３は円筒形の開口５（その軸は円筒４の軸
と一致する）を備えた円筒４の形である。排気ガ
スはフイルターカートリツジ３を内面６へ向かつ
て貫流し、開口５に入り、出口Ａを経て装置１０
から出る。フイルターカートリツジ３は２個の円
筒形の密に結合した連続気孔セラミツクフオーム
層３１，３２からなる。これらの中心軸はフイル
ターカートリツジ３の長手方向の軸と一致する。
外套を形成する層３１はたとえば１インチ（2.54
cm）当たりの気孔数（以下においては慣用される
表示に従つてppiと表わす）５０の多孔度を示し、
開口５に面した内層はたとえば70ppiの多孔度を
もつ。断面全体にわたつて均一な気孔数をもち、
同程度のすすを析出させる連続気孔セラミツクフ
オーム製の一般的フイルターと対比して、多孔質
セラミツクを通るガス流の方向に多孔度（ppi）
が増大するフイルターカートリツジ３を用いると
背圧が低くなる。これにより、汚染した排気ガス
はまず、この種のフイルターの、より粗大な多孔
度のセラミツクフオーム層を備えた側に衝突す
る。
均一な多孔度をもつ本発明によるフイルターカ
ートリツジを製造するためには、目的のセラミツ
クフイルターカートリツジの幾何学的形状をも
ち、セラミツク素材を〓焼した際に起こる既知の
収縮を考慮した連続気孔プラスチツクフオーム
を、スラリーすなわち粒度100μm以下および平均
粒度約7μmのセラミツク粉末の水性懸濁液で飽和
させる。この含浸フオームをたとえば100℃で24
時間乾燥させたのち、この湿態強度体を好ましく
は電気的に加熱した炉内でセラミツクの焼結温度
にまで加熱し、これによりベークする。すでに
300℃の温度でフオームは燃焼消失し、連続気孔
セラミツクフオームが残される。これは多数の連
続中空空間を含む気泡構造を備えた三次元網状構
造をもつ。約1200〜1360℃の焼結温度にまで加熱
する時間は約24時間である。焼結温度に保持する
ために要求される時間は２〜10時間、好ましくは
６時間である。このベークされた連続気孔セラミ
ツクフオームが、使用できる状態のフイルターカ
ートリツジである。これを所望により、触媒作用
物質で被覆することもできる。
下記の成分からなるセラミツク粉末を用いるこ
とにより、本発明によるフイルターカートリツジ
用として、熱衝撃に対し特に不感受性の連続気孔
セラミツクフオームを製造しうることが認められ
た。
ペータライト 68〜95重量％ ベントナイト １〜５重量％ カオリン １〜５重量％ および アルミナ ０〜30重量％ 熱衝撃に対する感受性が特に低く、かつ機械的
摩擦に対して高い抵抗性を示すものは下記の混合
物である。
ペータライト 79重量％ ベントナイト ３重量％ カオリン ３重量％ および アルミナ 15重量％ 上記の原料は下記の分析組成をもつものであ
る。
ペータライト：Li2O4重量％、Al2O316重量％、
SiO278重量％、残部は不純物（Fe、Ca、Mg、
Na、Ｋ）； カオリン：SiO248重量％、Al2O337重量％、強熱
時に33.1重量％の損失、残部は不純物（Fe、
Ti、Ca、Mg、Ｋ、Na）； ベントナイト：SiO267重量％、Al2O317重量％、
Fe2O32重量％、CaO1重量％、MgO3重量％、
Na2O4重量％、強熱時に６重量％の損失； アルミナ（コランダム）：Al2O399.8重量％。
スラリーを調製するためには、ボールミル中で
３：１の水と共に、ダーバン（Darvan）No.７を
希釈剤として添加して、原料を前記の粒度にまで
粉砕した。所望により、ベーキングされていない
フイルター体の湿態強度を高めるための添加物た
とえばタイロース（Tylcse）を含有させうる水
をさらに添加することによつて、プラスチツクフ
オームの含浸に際してこれを十分に湿潤させる粘
度をもつスラリーを調製しうる。
実施例 １ 連続した交差した空間を含む35ppiの三次元網
状および気泡状構造をもち、浸透用開口を備えた
円筒形のポリウレタンフオームに、固体としてペ
ータライト68重量％、アルミナ25重量％、ベント
ナイト３重量％、およびカオリン４重量％を含有
するスラリーを含浸させ、1340±15℃の温度範囲
で６時間焼結させた。焼結体は40ppiの連続気孔
セラミツクフオームからなり、第１図に示した本
発明によるフイルターカートリツジである。この
セラミツクフオームの熱膨張率は２×10-6／℃で
あつた。スラリー中に固体成分を含む上記組成物
の特別な利点は、これを用いて製造されるセラミ
ツクフオームの機械的強度が高いこと、およびセ
ラミツク体の製造に際して焼結温度の間隔が大き
くてもよいことである。
Ｘ線分析により、この焼結セラミツクフオーム
は本質的にケイ酸アルミニウムリチウム
（ASTMインデツクス15−27）からなり、これよ
りも少量のコランダムおよびムライトを含有する
ことが認められた。鏡検により、小部分のガラス
相を含むことがわかつた。機械的強度がより高い
のは、ムライトによる。焼結に対する感受性が低
いのは（これは焼結温度間隔が大きいという形で
現われる）はガラス相部分によるものと思われ
る。
実施例 ２ 実施例１と同様に、71ppiをもつ第２図に示し
た中空円筒の形状のポリウレタンフオームに、ペ
ータライト95重量％、アルミナ３重量％、ベント
ナイト１重量％およびカオリン１重量％を固形分
として含有するスラリーをソーキングし、次いで
乾燥させた。次いで、底面をスラリーに反復浸漬
することにより、プラスチツクフオーム体の底面
内の空間にスラリーの粒状固体材料を完全に充填
した。この湿態強度体を1280℃で４時間焼結ベー
クした。密な底面を備えた80ppiの連続気孔セラ
ミツクフオーム円筒からなる焼結体が本発明によ
るフイルターであつた。焼結後に底面は気相に対
しきわめて低い透過性を示したにすぎない。残存
する透過性はポリウレタンフオームの燃焼消失に
よるものである。
実施例１と比べてスラリーのペータライト含量
がより高いため、この連続気孔セラミツクフオー
ムは0.7×10-6／℃の熱膨張率を示した。これは
この材料に、温度変化に対する高度の安定性を与
える。品質的には実施例１の場合と同じであるが
予想されるようにより多量のケイ酸アルミニウム
リチウム部分を含む組成物を用いると、機械的強
度は実施例１の場合よりも若干低い。焼結温度も
より正確に保持しなければならない。さもなけれ
ば焼結体の変形が認められるであろう。
実施例 ３ ペータライト79重量％、ベントナイト３重量
％、カオリン３重量％、およびアルミナ15重量％
を固体として含有するスラリーを用いると、温度
変動抵抗性と機械的強度の最適な割合が得られ
る。
第１図に示すように長さ150mm、直径140mmおよ
び壁厚40mmの開放円筒形の53ppiのポリウレタン
フオームを常法により上記スラリーに浸漬し、乾
燥させ、次いで1300℃で６時間ベークした。
焼結体は60ppiの連続気孔セラミツクフオーム
からなり、本発明によるフイルターカートリツジ
の代表例である。
このフイルターカートリツジをデイーゼル機関
からの排気ガスのスクラビングに用いた。この目
的のために、これを第３図に概略的に示した配列
の装置内に取付けた。80％のすす抽出効率が得ら
れた。堆積したすすはフイルターカートリツジの
長軸を横切るすべての断面においてほぼ均一な量
であつた。0.2バールの背圧になるまでの再生間
隔は1.2時間に達した。
これと比較して、同一外径の中実円筒形であ
り、排気ガスが軸方向に流れる60ppiの一般の連
続気孔セラミツクフオームは、わずか72％のすす
抽出効率を示した。初期背圧は0.16バールであ
り、再生間隔（すなわち背圧が0.2バールに達す
るまで）はわずか15分であつた。従つて一般のフ
イルターカートリツジは本発明によるフイルター
カートリツジの５倍の頻度で再生されなければな
らず、またこれはすす抽出効率がより低い。この
フイルターカートリツジを縦軸に対し横方向の切
片に切断した。これにより、排気ガス流の方向に
すすの含量が低下していることが明らかになつ
た。
実施例 ４ 本発明による連続気孔セラミツクフオーム製フ
イルターカートリツジの製造に適した他のセラミ
ツクはコージエライトを含む。このセラミツクは
コージエライト−耐火粘土を主成分として含有し
うる。これに関しては、コージエライト−耐火粘
度55重量％、アルミナ32重量％、およびタルク13
重量％のスラリーが有利であることが認められ
た。
第５図に示すように長さ150mm、直径140mm、お
よび壁厚40mmの開放円筒形であり、厚さ20mm、
46ppiの外層および厚さ20mm、64ppiの内層をもつ
二層ポリウレタンフオームをスリツカーに浸漬
し、1330℃の温度で10時間ベークした。その結
果、全体的に機械的安定性であり、50ppiの連続
気孔セラミツクフオーム外層、および70ppiの内
層をもつフイルター体が得られた。これを第５図
に示すようにデイーゼル機関からの排気ガスのス
クラビング用装置中に用いて、使用中に平均背圧
0.11バールが得られ、84％のすす抽出効率が達成
された。これに対し、単層のポリウレタンフオー
ムおよび同一スラリーを用いて製造された、同一
寸法の70ppiの連続気孔セラミツクフオーム製フ
イルターカートリツジでは86％という比較しうる
すす抽出効率が達成されたが、使用中の背圧は
0.18バールであつた。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図はフイルターカートリツジ
の透視図である。第３図および第４図は第１図お
よび第２図のフイルターカートリツジを排気ガス
スクラビング設備に使用した状態につき断面で示
す。第５図は他のフイルターカートリツジを排気
ガススクラビング設備に使用した状態につき断面
で示す。 これらの図面において各記号は下記のものを表
わす。１，２，３：フイルターカートリツジ；
４，４４：円筒；５，５５：開口；６：円筒の内
面；７：円筒の外面；８：円筒の底面；１０：排
気ガススクラビング装置；３１：セラミツクフオ
ーム外層；３２：セラミツクフオーム内層；Ｅ：
１０の入口；Ａ：１０の出口。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 排気ガスがフイルターカートリツジの有効部
    分をフイルターの長手方向に対し本質的に横方向
    に貫流するように配置された円筒４の形であり、
    円筒を貫通する円筒形開口５を備え、この開口の
    軸は円筒４の軸と一致し、 ベーキング前にペータライト68〜95重量％、ベ
    ントナイト１〜５重量％、カオリン１〜５重量％
    およびアルミナ０〜30重量％、（特にペータライ
    ト79重量％、ベントナイト３重量％、カオリン３
    重量％、およびアルミナ15重量％）を含む、デイ
    ーゼル機関からの排気ガスのスクラビングのため
    の連続気孔セラミツクフオームのフイルターカー
    トリツジ。 ２ セラミツクフオームが本質的にケイ酸アルミ
    ニウムリチウムからなる、特許請求の範囲第１項
    に記載のフイルターカートリツジ。 ３ セラミツクフオームが40〜80ppiの多孔度を
    示す、特許請求の範囲第１項に記載のフイルター
    カートリツジ。 ４ セラミツクフオームがその体積全体にわたつ
    て均一な多孔度を示す、特許請求の範囲第３項に
    記載のフイルターカートリツジ。 ５ １インチ（2.54cm）当たりの気孔数が排気ガ
    ス流の方向に増加する、特許請求の範囲第３項に
    記載のフイルターカートリツジ。 ６ セラミツクフオームが二層３１，３２から構
    成され、排気ガスが衝突する第１層３１は60ppi
    であり、第２層３２は70ppiである、特許請求の
    範囲第４項に記載のフイルターカートリツジ。 ７ セラミツクフオームがコージエライトを含
    み、特にベーキング前にコージエライト−耐火粘
    度55重量％、アルミナ32重量％及びタルク13重量
    ％を含む、特許請求の範囲第６項に記載のフイル
    ターカートリツジ。 ８ 一端の閉じた中空円筒形であり、円筒４４、
    底面８、および一端が閉じており且つ円筒４４の
    軸と一致する中心軸をもつ円筒形開口５５からな
    り、 ベーキング前にペータライト６８〜９５重量
    ％、ベントナイト１〜５重量％、カオリン１〜５
    重量％およびアルミナ０〜30重量％、（特にペー
    タライト79重量％、ベントナイト３重量％、カオ
    リン３重量％、およびアルミナ15重量％）を含
    む、デイーゼル機関からの排気ガスのスクラビン
    グのための連続気孔セラミツクフオームのフイル
    ターカートリツジ。 ９ 底面８が気体に対し不透過性の材料からな
    る、特許請求の範囲第８項に記載のフイルターカ
    ートリツジ。 １０ セラミツクフオームが本質的にケイ酸アル
    ミニウムリチウムからなる、特許請求の範囲第８
    項に記載のフイルターカートリツジ。 １１ セラミツクフオームが40〜80ppiの多孔度
    を示す、特許請求の範囲第８項に記載のフイルタ
    ーカートリツジ。 １２ セラミツクフオームがその体積全体にわた
    つて均一な多孔度を示す、特許請求の範囲第１１
    項に記載のフイルターカートリツジ。 １３ １インチ（2.54cm）当たりの気孔数が排気
    ガス流の方向に増加する、特許請求の範囲第１１
    項に記載のフイルターカートリツジ。 １４ セラミツクフオームが二層３１，３２から
    構成され、排気ガスが衝突する第１層３１は
    60ppiであり、第２層３２は70ppiである、特許請
    求の範囲第１２項に記載のフイルターカートリツ
    ジ。 １５ セラミツクフオームがコージエライトを含
    み、特にベーキング前にコージエライト−耐火粘
    度55重量％、アルミナ32重量％及びタルク13重量
    ％を含む、特許請求の範囲第１４項に記載のフイ
    ルターカートリツジ。
JP61191564A 1985-08-16 1986-08-15 デイ−ゼルエンジンからの排気ガスのスクラビング法およびこの方法の実施に用いられるフイルタ−カ−トリツジ Granted JPS6245309A (ja)

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