JP7006662B2 - 排ガス浄化フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンエンジンの排気通路に配置される排ガス浄化フィルタに関する。

ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中には、パティキュレートと呼ばれる粒子状物質が含まれる。パティキュレートのことを以下適宜「ＰＭ」という。この排ガス中のＰＭを捕集して排ガスの浄化を行うため、内燃機関の排気通路には排ガス浄化フィルタが配置される。

この種の排ガス浄化フィルタとしては、例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタが開示されている。具体的には、フィルタの多数のセルのうち、所定のセルの断面積、水力直径を、残余のセルの断面積、水力直径とは異なるものとし、セルの角部を円弧状にする技術が記載されている。同文献によれば、かかる技術により、流入側端面が閉塞されることを抑制し、高強度を維持できるとしている。

特開２００５－２７０９６９号公報

強度向上のために、フィルタの隔壁などの構造を強化すると、隔壁の交差部の断面積が大きくなる。隔壁の断面積の増大は、排ガスの流れを悪化させ、圧力損失を増大させる。一方、圧力損失の低減には、例えば隔壁の気孔率を高くすることが有効であるが、気孔率を高くすると、フィルタの強度が低下する。以下、圧力損失のことを適宜「圧損」という。

一般に、ディーゼルエンジンに比べ、ガソリンエンジンに搭載されるフィルタは、高温環境にあり、排ガスの流速が高くなるため、圧損が増大する傾向にある。したがって、ガソリンエンジンに搭載されるフィルタでは、使用中にフィルタが搭載位置から排ガスの流れ方向の下流側に動くという位置ずれがおこるおそれがある。位置ずれを防ぐためには、フィルタに大きな外圧をかけて搭載位置に固定することが有効であるが、フィルタの寸法精度が悪いと局所的な応力がフィルタにかかり、フィルタに割れが発生する。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧損が低く、強度の高い排ガス浄化フィルタを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、ガソリンエンジン（Ｅ）の排気通路（Ａ）に配置される排ガス浄化フィルタ（１）であって、
フィルタ軸方向（Ｙ）に延びる複数のセル（２１、２１ａ、２１ｂ）と、上記複数のセルを格子状に区画形成する多孔質の隔壁（２２）とから構成されるセル構造部（２）と、
上記セル構造部における上記セルの両端（２１１、２２２）を互い違いに閉塞する封止部（１１）と、
上記セル構造部の外周に形成された筒状のスキン部（１２）と、を有し、
上記隔壁の気孔率が５０～７０％であり、
上記スキン部の厚みＴが０．３～１．０ｍｍであり、
上記セルの外縁（２１３）が上記隔壁の交差位置（２２５）で丸みを帯びており、上記交差位置での曲率半径Ｒが０．０２～０．６ｍｍであり、
上記フィルタ軸方向における、上記排ガス浄化フィルタの外形寸法の変化度合であるゆがみ度δが０を超え、１．５ｍｍ以下であり、
下記式Ｉで表される構造変数Ｘが０．０５～６であり、
上記フィルタ軸方向と直交する平面での、上記セルの断面形状が四角形であり、上記セルの水力直径ｄと上記曲率半径Ｒとが、下記式IIの関係を満足する、排ガス浄化フィルタにある。
Ｘ＝Ｔ×Ｒ／δ ・・・式Ｉ
Ｒ≦０．５×ｄ／２ ・・・式II

上記排ガス浄化フィルタは、上記構成を有している。特に、気孔率、スキン部の厚みＴ、交差位置でのセルの外縁の曲率半径Ｒ、ゆがみ度δが上記範囲内にあり、式Ｉで表される構造変数Ｘが上記範囲内にある。そのため、排ガス浄化フィルタは、圧損が低く、強度が高い。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、排ガス浄化フィルタの模式図。 実施形態１における、排ガス浄化フィタの軸方向における拡大断面図。 実施形態１における、排ガス浄化フィタの軸方向と直交方向における交差位置の拡大断面図。 実施形態１における、排ガス浄化フィタの軸方向と直交方向におけるセルの拡大断面図。 実施形態１における、（ａ）軸方向にゆがみのない排ガス浄化フィルタの外観模式図、（ｂ）軸方向に大きなゆがみを有する排ガス浄化フィルタの外観模式図、（ｃ）排ガス浄化フィルタの軸方向と直交方向での寸法差を示す説明図。 実施形態１における、排気通路に配置された排ガス浄化フィルタの模式図。 実験例における、アイソスタティック強度試験を示す模式図。 実験例における、（ａ）スキン部の材料強度の測定に用いる測定サンプルの断面模式図、（ｂ）セル構造部の材料強度の測定に用いる測定サンプルの断面模式図。 実験例における、４点曲げ試験を示す模式図。 実験例における、材料強度の測定サンプルと断面係数の変数との関係を示す説明図。 実験例における、曲率半径Ｒの測定箇所を示す説明図。 実験例における、スキン部の厚みの測定箇所を示す説明図。 フィルタ軸方向における流入端面から５ｍｍの位置での排ガス浄化フィルタの半径Ｈ、中央部での排ガス浄化フィルタの半径Ｍ、流出端面から５ｍｍの位置での排ガス浄化フィルタの半径Ｌを示す説明図。 実験例１における、構造変数Ｘと圧力損失との関係を示すグラフ。 実験例１における、構造変数Ｘとアイソスタティック強度との関係を示すグラフ。 実験例２における、曲率半径Ｒと圧力損失との関係を示すグラフ。 実験例３における、材料強度とアイソスタティック強度との関係を示すグラフ。 実験例３における、気孔率と材料強度との関係を示すグラフ。

［実施形態１］
排ガス浄化フィルタ１に係る実施形態について、図１～図６を参照して説明する。本明細書において、「～」を用いてその前後に数値又は物性値を挟んで表現する場合には、その前後の値を含む範囲であることを意味する。図１～図３に示すように、排ガス浄化フィルタ１は、セル構造部２と、封止部１１と、スキン部１２とを有する。セル構造部２、スキン部１２は、コージェライトなどのセラミックスから構成される。

セル構造部２は、多数のセル２１と多孔質の隔壁２２とから構成される。セル２１は、フィルタ軸方向Ｙに延びる。フィルタ軸方向Ｙとセル２１の延び方向とは、通常一致する。フィルタ軸方向を、以下適宜「軸方向」という。隔壁２２は、多数のセル２１を格子状に区画形成する。隔壁２２は、一般にセル壁とも呼ばれる。

図１、図３、図４に示されるように、軸方向Ｙと直交方向のフィルタ断面におけるセル形状は、例えば、四角形状であるが、これに限定されない。セル形状は、三角形状、四角形状、六角形状などの多角形や円形状などであってもよい。また、セル形状は、２種以上の異なる形状の組み合わせであってもよい。なお、多角形のセル形状の頂点が丸みを帯びている場合であっても、外観上は多角形であると言えるため、そのセル形状は、多角形であるとする。

スキン部１２は、例えば、円筒状のような筒状である。スキン部１２は、セル構造部２の外周に一体形成されている。スキン部１２の軸方向は、通常、フィルタ軸方向Ｙに一致する。隔壁２２は、スキン部１２の内側を格子状に区画し、多数のセル２１を形成する。排ガス浄化フィルタ１は多孔質体であり、隔壁２２には多数の細孔が形成されている。排ガス浄化フィルタ１は、隔壁２２の表面や細孔内に、排ガス中に含まれるＰＭを堆積させて捕集することができる。細孔は気孔と呼ばれることもある。ＰＭは、粒子状物質、パティキュレートマター、パティキュレートなどと呼ばれる微小粒子である。

排ガス浄化フィルタ１は、例えば、円柱状等の柱状体であり、その寸法は適宜変更可能である。排ガス浄化フィルタ１が円柱状の場合には、軸方向Ｙの長さＬを５０～２００ｍｍ、直径Φを１００～１６５ｍｍの範囲に調整することができる。排ガス浄化フィルタ１は、フィルタ軸方向Ｙの両端に流入端面１８、流出端面１９を有する。流入端面１８は、排ガスが流入する側の端面であり、流出端面１９は、排ガスが流出する側の端面である。排気管内などの排ガスの流れに配置されていない状態では、流入端面１８及び流出端面１９は、相互に相対的な面を意味する。つまり、いずれか一方の端面が流入端面１８である場合に、他方が流出端面１９となる。例えば、流入端面１８を軸方向Ｙの第１端面、流出端面１９を軸方向Ｙの第２端面ということもできる。

セル２１としては、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとを有することができる。図２に示されるように、第１セル２１ａは、例えば、流入端面１８に開口し、流出端面１９においては封止部１１により閉塞されている。第２セル２１ｂは、例えば、流出端面１９に開口し、流入端面１８においては封止部１１により閉塞されている。

封止部１１は、フィルタ軸方向Ｙにおけるセル２１の両端２１１、２１２を互い違いに閉塞する。換言すれば、封止部１１は、セル２１を、流入端面１８又は流出端面１９において互い違いに閉塞する。封止部１１は、例えば、コージェライト等のセラミックスにより形成できるが、その他の材質であってもよい。図２では、プラグ状の封止部１１が形成されているが、封止部１１の形状は、セル２１の端部を封止できれば特に限定されない。なお、構成の図示を省略するが、例えば流入端面１８又は流出端面１９において隔壁２２の一部を変形させることにより、封止部１１を形成することも可能である。この場合には、隔壁２２の一部によって封止部１１が形成されるため、隔壁２２と封止部１１とが一体的、連続的に形成される。

第１セル２１ａと第２セル２１ｂとは、フィルタ軸方向Ｙに直交する横方向Ｘにおいても、フィルタ軸方向Ｙおよび横方向Ｘの双方に直交する縦方向Ｚにおいても、例えば、互いに隣り合うよう、交互に並んで形成される。つまり、フィルタ軸方向Ｙから排ガス浄化フィルタ１の流入端面１８または流出端面１９を見たとき、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとが、例えば、チェック模様状に配される。隔壁２２は、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとを隔てている。

隔壁２２の気孔率は、５０～７０％である。気孔率が５０％未満の場合には、圧損が高くなる。気孔率が７０％を超える場合には、フィルタ強度が低下する。圧損を低減しつつ、フィルタ強度を向上させるという観点から、気孔率は、５５～６７％であることが好ましく、５７％～６７％であることがより好ましく、６０％～６６％であることがさらに好ましい。気孔率は、水銀圧入法の原理に基づいて測定され、詳細な測定方法は実験例１にて示す。

セル２１の外縁２１３は、隔壁２２の交差位置２２５で丸みを帯びている。つまり、図３に示すように、フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での断面において、セル２１の外縁２１３が、隔壁２２の交差位置２２５で例えば円弧状のような弧状になっている。上記断面において、隔壁２２の交差位置２２５は、セル２１の角部ということができる。つまり、セル２１の外縁２１３が隔壁２２の交差位置２２５で丸みを帯びていることは、セル２１の角部が弧状であることと実質的に同じである。交差位置２２５が弧状であることにより、交差位置２２５が例えば直角形状である場合に比べて、交差位置２２５での隔壁２２の断面積を大きくすることができる。これにより、隔壁２２が交差位置２２５においてに補強され、フィルタ強度が向上する。特に、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向からの応力に対する強度が向上する。交差位置２２５は、格子状に形成された隔壁２２が交差する位置である。フィルタ軸方向Ｙと直交する方向は、排ガス浄化フィルタ１が円柱状の場合には、径方向である。

排ガス浄化フィルタ１のゆがみ度δについて説明する。ゆがみ度は、フィルタ軸方向Ｙにおける、排ガス浄化フィルタ１の外形寸法の変化度合である。より具体的には、ゆがみ度は、フィルタ軸方向Ｙの両端からそれぞれ５ｍｍ内側の位置、軸方向Ｙの中央位置の合計３箇所における、軸方向Ｙと直交方向での寸法（例えば半径）の最大値と、最小値との差である。

図５（ａ）には、ゆがみ度が０の排ガス浄化フィルタ１の外観形状の例を示し、図５（ｂ）には、ゆがみ度が大きな排ガス浄化フィルタ１の外観形状の例を示す。図５（ａ）、（ｂ）では、図面作成の便宜のため、隔壁２２、セルの図示を省略している。図（ａ）に示される排ガス浄化フィルタ１に対して、図（ｂ）に示される排ガス浄化フィルタ１は軸がゆがんでいる、この場合、図５（ｃ）に示されるようにフィルタ軸方向Ｙと直交方向の外形寸法に差が生じる。この差がゆがみ度δである。排ガス浄化フィルタ１が例えば円柱状の場合には、外形寸法は、例えば半径である。なお、図５（ｃ）では、図の紙面と直交方向がフィルタ軸方向Ｙである。ゆがみ度の測定方法は、実験例にて示す。

排ガス浄化フィルタ１においては、構造変数Ｘが０．０５～６である。構造変数Ｘは、式Ｉに示すように、スキン部１２の厚みＴｍｍと、セル２１の外縁２１３の交差位置２２５での曲率半径Ｒｍｍと、ゆがみ度δｍｍとの関係で表される。ただし、Ｔ、Ｒ、δのとりうる範囲は、０．３≦Ｔ≦１．０、０．０２≦Ｒ≦０．６、０＜δ≦１．５である。
Ｘ＝Ｔ×Ｒ／δ ・・・式Ｉ

Ｔ＜０．３の場合、Ｒ＜０．０２の場合、δ＞１．５の場合には、フィルタ強度が不十分になる。特に、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向からの応力に対する強度が不十分となる。したがって、例えば、排ガス浄化フィルタ１にセラミックマットを巻き付けてフィルタケースに挿入する、キャニングと呼ばれる組み付け作業時に、排ガス浄化フィルタ１に割れが発生するおそれがある。Ｔ＜０．３の場合には、スキン部１２の厚みが小さすぎるためである。Ｒ＜０．０２の場合には、交差位置２２５での補強が不十分となるためである。δ＞１．５の場合には、ゆがみが大きいため、フィルタに局所的な応力がかかりやすくなり、その応力が大きくなるためである。

Ｔ＞１．０の場合、Ｒ＞０．６ｍの場合、圧損が大きくなる。Ｔ＞１．０の場合には、スキン部１２の厚みが大きすぎるためである。Ｒ＞０．６の場合には、交差位置２２５での隔壁２２の断面積が大きくなりすぎるためである。δ＝０の場合には、フィルタは歪みを伴わない理想体となるが、焼成中に収縮するというセラミックの性質に反するため、δは実質的に０とはなりえない。

構造変数Ｘについて説明する。構造変数Ｘは、式Ｉに示される通り、厚みＴｍｍと、曲率半径Ｒｍｍと、ゆがみ度δｍｍとの関数である。式Ｉにおいて、０．３≦Ｔ≦１．０、０．０２≦Ｒ≦０．６、０＜δ≦１．５である。構造変数Ｘを０．０５～６の範囲内にすることにより、低圧損を維持しながら、フィルタ強度を向上させることができる。特に、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向からの応力に対する強度が向上するため、上記のキャニング時の割れを防止することができる。低圧損と高強度とがより高いレベルで両立するという観点から、構造範囲Ｘは、０．１～６であることが好ましく、１～６であることがより好ましく、１～３であることがさらに好ましい。構造変数Ｘと、圧損、フィルタ強度との関係は、実験例１にて具体的に示す。

フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での、セル２１の断面形状が四角形であり、セル２１の水力直径ｄと曲率半径Ｒとが式IIの関係を満足することが好ましい。この場合には、低圧損と高強度とをより高いレベルで両立させることができる。図４に示されるセル２１の断面形状のように、一般に、ガスが流れる開口断面が四角形状であってもガスは水力直径と呼ばれる直径を有する円の内側を流れる。したがって、水力直径の円の外側であれば、セル２１の角部を弧状にしても理論的には圧力損失は増大しない。しかし、排ガス浄化フィルタ１では、隔壁２２が多孔質であり、隔壁２２内をガスが通過するため、水力直径の円の外側で曲率半径Ｒを設定した構造であっても、圧損が上昇する境界点が水力直径よりも外側となる曲率半径Ｒの数値範囲内に存在する。式IIの詳細については、実験例２で示す。
Ｒ≦０．５×ｄ／２ ・・・式II

セル構造部２の材料強度Ｓ_Aとスキン部１２の材料強度Ｓ_Bとが、式IIIの関係を満足することが好ましい。この場合には、排ガスの流れが平準化され圧損上昇がさらに抑制されると共に、フィルタ強度がより向上する。式IIIの関係の詳細は、実験例３で示す。
Ｓ_A＜Ｓ_B ・・・式III

セル構造部２の気孔率Ｐ_Aと、スキン部１２の気孔率Ｐ_Bとが、下記式IVの関係を満足することが好ましい。この場合にも、排ガスの流れが平準化され圧損上昇がさらに抑制されると共に、フィルタ強度がより向上する。セル構造部２の気孔率Ｐ_Aは、隔壁２２の気孔率と同じ意味である。式IVの関係の詳細は、実験例３で示す。
Ｐ_A＞Ｐ_B ・・・式IV

図６に示すように、排ガス浄化フィルタ１は、ガソリンエンジンＥの排気通路Ａに配置される。具体的には、例えば、排ガス浄化フィルタ１を内部に収容するフィルタケースＣを排気通路Ａが連結される。排ガス浄化フィルタ１は、そのスキン部１２にセラミックマットＭが巻回された状態でフィルタケースＣ内に収容される。使用中の位置ずれを防ぐため、フィルタケース内Ｃ内の排ガス浄化フィルタ１には、軸方向Ｙと直交する方向に外圧が付与される。

気孔率、スキン部１２の厚みＴ、交差位置２２５でのセル２１の外縁２１３の曲率半径Ｒ、ゆがみ度δが上記範囲内にあり、構造変数Ｘが上記範囲内にある排ガス浄化フィルタ１は、圧損が低く、フィルタ強度が高い。つまり、低圧損を維持しつつ、軸方向Ｙと直交する方向に外圧をかけても、排ガス浄化フィルタ１に割れが発生することを防止できる。

排ガス浄化フィルタ１は例えば次のようにして製造される。まず、コージェライト形成原料を含む坏土を作製する。坏土は、シリカ、タルク、水酸化アルミニウムなどをコージェライト組成となるように調整し、さらにメチルセルロースなどのバインダ、グラファイトなどの造孔材、潤滑油、水等を適宜加えて混合することにより作製される。コージェライト組成となるように、アルミナ、カオリンを配合してもよい。シリカとしては、多孔質シリカを用いることができる。コージェライト形成原料において、シリカ、タルクは、細孔形成原料となりうる。細孔形成原料は、細孔を形成する材料である。細孔形成原料は、焼成時に液相成分を生成し、これにより細孔が形成される。一方、コージェライト形成原料において、水酸化アルミニウム、アルミナ、カオリンは、骨材原料となりうる。骨材原料は、細孔以外のセラミックス部分を形成する材料である。

次いで、坏土を成形、乾燥、焼成する。これにより、一体形成されたスキン部１２とセル構造部２とを有するハニカム構造体が形成される。ハニカム構造体は、スキン部１２と隔壁２２とセル２１とから構成される。封止部１１は、ハニカム構造体の焼成後に形成されるか、又は焼成前に形成される。具体的には、例えば、封止部形成用のスラリーを用いて、焼成後のハニカム構造体あるいは焼成前のハニカム構造の成形体のセル２１の端面を交互に封止し、焼成することにより封止部１１が形成される。

スキン部１２の厚みＴ、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒ、セル２１の水力直径は、例えば、成形時の金型設計により調整することができる。ゆがみ度は、例えば、押出速度などの成形条件、成形体の乾燥条件、焼成条件などを変更することにより調整することができる。気孔率、材料強度は、例えば、原料組成、成形時に使用する金型の設計変更、押出成形圧力等の成形条件などにより調整することができる。

［実験例］
まず、実験例において用いる各種測定方法について説明する。なお、実験例以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

・アイソスタティック強度試験
アイソスタティック強度試験は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格(つまり、ＪＡＳＯ)Ｍ５０５－８７に基づいて測定する。図７に示すように、排ガス浄化フィルタ１の軸方向Ｙの両端面に厚さ２０ｍｍのアルミニウム板５１、５２を当接して両端面１８、１９を密閉し、スキン部１２の表面に厚さ２ｍｍのゴム５３を密着させた。この排ガス浄化フィルタ１を圧力容器に入れ、圧力容器内に水を導入し、スキン部１２の表面から静水圧を加えた。排ガス浄化フィルタ１が破壊した時の圧力をアイソスタティック強度とする。

・圧損
排ガス浄化フィルタ１を２．０Ｌのガソリン直噴エンジンの排気管内に取り付け、吸入空気量（Ｇａ）が１００ｇ／ｓとなる状態（定常）にした。そして、排ガス浄化フィルタ１内にＰＭを含む排ガスを流した。このとき、排ガス浄化フィルタ１の前後の圧力を測定し、その差分を圧損として計測した。

・材料強度
まず、排ガス浄化フィルタ１から、図８（ａ）、（ｂ）に示すように測定サンプルＳ１、Ｓ２を採取した。具体的には、排ガス浄化フィルタ１におけるフィルタ軸方向Ｙと直交方向（具体的には、径方向）の中心部から半径方向に３０ｍｍの範囲から５本の測定サンプルＳ２を採取し、フィルタ軸方向Ｙと直交方向の最外周から半径方向に３０ｍｍの範囲から５本の測定サンプルＳ１を採取した。図８（ａ）に示すように、最外周から半径方向に３０ｍｍの範囲からは、スキン部１２を含む測定サンプルＳ１を採取する。測定サンプルＳ１、Ｓ２は、幅方向に４セル分、厚み方向に２セル分のセル２１を含む。測定サンプルＳ１、Ｓ２のフィルタ軸方向Ｙの長さは５０ｍｍであり、測定サンプルはブロック体である。

図９に示すように、測定サンプルＳ１、Ｓ２について、ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８「ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法」に準拠して、４点曲げ試験を行い、測定サンプルにクラックが発生したときの曲げモーメント（単位：Ｎ・ｍ）を、フィルタ断面を考慮した断面係数で除した値を材料強度とした。セル構造部２の材料強度Ｓ_Aは、５本の測定サンプルＳ２の材料強度の平均値である。スキン部１２の材料強度Ｓ_Bは、５本の測定サンプルＳ１の材料強度の平均値である。

材料強度は、以下の式で表される。
材料強度（ＭＰａ）＝曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）／断面係数（ｍｍ³）

曲げモーメントは、以下の式で表される。
曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）＝荷重（Ｎ）×４点曲げ試験の支点間距離（ｍｍ）／４

断面係数は、下記式Ｖで表される。図１０に示されるように、式Ｖにおいて、ａ：フィルタ軸方向Ｙに直交する面での測定サンプルの断面積（ｍｍ²）、ｙ：各基準軸から部材表面までの距離（ｍｍ）、b：測定サンプルの幅（ｍｍ）、h：測定サンプルの高さ（ｍｍ）、i：各セル部の断面二次モーメント（ｍｍ⁴）とする。図１０では、測定サンプルＳ１を示すが、測定サンプルＳ２についても同様である。

・隔壁の交差位置での曲率半径Ｒ
図３に示されるように、曲率半径は、隔壁２２の交差位置２２５におけるセル２１の丸みを帯びた部分に隣接する最大円の半径Ｒである。図１１に示すように、測定箇所は、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向での中心部Ｏ、この中心部Ｏからそれぞれ４５度方向の位置にあり、かつ、中心部Ｏとスキン部１２との距離の半分の位置にある４箇所の位置である。つまり、測定位置は計５箇所である。各測定位置において、１つの交差位置２２５に形成される４つの曲率半径を測定した。つまり、合計２０箇所の曲率半径を測定した。これらの平均値を、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径とする。

・水力直径ｄ
水力直径は、流体の流れる管内の内径を指す。排ガス浄化フィルタの断面四角形状のセルのように流路断面が円形でないときには、水力直径ｄは、セルの断面積Ａとセルの断面長Ｌとから、次の式VIから算出される。なお、セルの断面形状が四角形の場合には、断面長Ｌは、四角形の各辺の総和であり、セルの断面形状で丸みを帯びた頂点を、丸みを帯びていない直角な頂点とみなして、各辺の長さを測定する。測定位置は、上述の曲率半径Ｒに準ずる。
Ｄ＝４Ａ／Ｌ ・・・式VI

・スキン部の厚みＴ
フィルタの軸方向Ｙの端面（流入端面１８又は流出端面１９）におけるスキン部１２の厚みを８箇所について測定した。スキン部１２の厚みＴは、８箇所での厚みの平均値である。測定には、工具顕微鏡を用いた。測定位置は、フィルタ軸方向Ｙと直交方向での中心部Ｏから格子方向に沿ってスキン部１２に向けて引いた線のスキン部１２との４つの交点、中心部Ｏから格子方向と４５°傾いた方向に沿ってスキン部１２に向けて引いた線のスキン部１２との４つの交点である。つまり、測定位置は、合計８箇所であり、図１２における８箇所の破線の円印内である。

・ゆがみ度
レーザー測定装置を用いて、両端面（流入端面１８及び流出端面１９）からそれぞれフィルタ軸方向Ｙの内側に５ｍｍの位置、フィルタ軸方向Ｙの中央位置において、排ガス浄化フィルタ１の外周の半径寸法を測定した。これにより、図１３に例示される排ガス浄化フィルタ１の外周の半径寸法図が得られる。３箇所の半径寸法図における最大半径と最小半径との差をゆがみ度とする。なお、図１３では、流入端面１８から５ｍｍの位置での半径寸法がＨ、中央位置における半径寸法がＭ、流出端面１９から５ｍｍの位置での半径寸法がＬで表されている。図１３に示される半径寸法図は、ゆがみが少ないほど真円に近づき、ゆがみがない場合には真円となる。

・セル構造部の気孔率Ｐ_A、スキン部の気孔率Ｐ_B
排ガス浄化フィルタ１の隔壁２２における気孔率を、水銀圧入法の原理を用いた水銀ポロシメータにより測定した。水銀ポロシメータとしては、島津製作所社製のオートポアＩＶ９５００を用いた。測定条件は、以下の通りである。

まず、排ガス浄化フィルタ１のセル構造部２、スキン部１２から測定サンプルを採取した。セル構造部２の測定サンプルは、フィルタ軸方向Ｙの長さが１ｃｍ、隔壁２２の厚み方向の長さが１ｃｍ、フィルタ軸方向Ｙと壁厚方向に直交する長さが１ｃｍの略立方体である。スキン部１２の測定サンプルは、フィルタ軸方向Ｙの長さが１ｃｍ、隔壁２２厚み方向の長さが、スキン部を含み、スキン部からフィルタ中心部に向かう長さが１ｃｍ、フィルタ軸方向Ｙと壁厚方向に直交する長さが１ｃｍの略立方体である。測定サンプルを水銀ポロシメータの測定セル内を収納し、測定セル内を減圧した。その後、測定セル内に水銀を導入して加圧し、加圧時の圧力と測定サンプルの細孔内に導入された水銀の体積より、気孔径を測定した。

測定は、圧力０．５～２００００ｐｓｉａの範囲で行った。なお、０．５ｐｓｉａは、０．３５×１０^-3ｋｇ／ｍｍ²に相当し、２００００ｐｓｉａは１４ｋｇ／ｍｍ²に相当する。この圧力範囲に相当する気孔径の範囲は０．０１～４２０μｍである。圧力から気孔径を算出する際の常数として、接触角１４０°および表面張力４８０ｄｙｎ／ｃｍを使用した。気孔率は、次の関係式より算出した。なお、コージェライトの真比重は２．５２である。
気孔率（％）＝総気孔容積／（総気孔容積＋１／コージェライトの真比重）×１００

（実験例１）
本例では、製造条件を変えて、複数の排ガス浄化フィルタ１を製造した。排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｙの長さＬが１２０ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、セル２１の断面形状が四角形、隔壁２２の厚さが０．２ｍｍ、セルピッチが１．４７ｍｍ、気孔率が６４％である。排ガス浄化フィルタ１について、スキン部１２の厚みＴ、交差位置２２５での曲率半径Ｒ、ゆがみ度δ、圧損、アイソスタティック強度をそれぞれ測定した。また、式Ｉに基づいて、構造変数Ｘを算出した。その結果を表１～表８、図１４、図１５に示す。

表１～４、図１４より知られるように、スキン部１２の厚みＴ又はゆがみ度δをそれぞれ単独で変化させても、圧力損失の値は変化しない。式Ｉで表される構造変数Ｘに着目することにより、低圧損を維持したままキャニング強度向上を狙うことができる。また、図１４より知られるように、曲率半径Ｒを変化させると、曲率半径がある値以上になると圧力損失が上昇する。この圧力損失の上昇を防ぐという観点から、構造変数Ｘは６以下である。

表５～８、図１５より知られるように、スキン部１２の厚みＴ、ゆがみ度δ、又は曲率半径Ｒを、それぞれ単独で変化させてもアイソスタティック強度に影響を及ぼす。これらの各パラメータの値を、アイソスタティック強度の効果をもたらす方向へ動かすと、アイソスタティック強度は向上する。各パラメータの変化を組み合わせると、構造変数Ｘが小さい値の範囲でもアイソスタティック強度の向上効果をもたらす。ガソリンエンジンの排気通路への搭載時の割れを防ぐために要求される強度（例えばキャニング強度）を満足するという観点から、構造変数Ｘは０．０５以上である。

このように、構造変数Ｘを０．０５～６に調整することにより、排ガス浄化フィルタ１の圧損を低く保ちつつ、フィルタ強度を十分に高めることができる。

（実験例２）
本例では、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒの異なる複数の排ガス浄化フィルタ１を製造した。排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｙの長さＬが１００ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、隔壁厚さが０．２ｍｍであり、セル２１の断面形状が四角形、セルピッチが１．４７ｍｍ、気孔率が６３％である。排ガス浄化フィルタ１について、曲率半径Ｒ、圧損を測定した。曲率半径Ｒと圧損との関係を図１６に示す。

あるセル仕様の排ガス浄化フィルタ１について、理論から計算されるセル２１の水力直径ｄは１．２７ｍｍであり、曲率半径Ｒの上限値は、０．６３５ｍｍである。一方、図１６に示す実測結果によると、曲率半径Ｒを０から０．４ｍｍにすると圧損が７．１％上昇し、曲率半径Ｒには、圧損が大きく上昇する特異点がある。この特異点以下にするという観点から、曲率半径Ｒの上限を０．３ｍｍとする。つまり、Ｒ≦０．３であれば、圧損を低く保つことができる。ただし、隔壁２２の厚み、セルピッチに設計仕様範囲があるため、曲率半径Ｒと水力直径ｄの１／２（つまり、水力直径の円の半径）との比Ｒ／（０．５×ｄ）により、圧損を低く保つことができる上限を設定する。つまり、Ｒ／（０．５×ｄ）＝０．３／０．６３５＝０．４７≒０．５である。
したがって、式II：Ｒ≦０．５×ｄ／２を満足すれば、圧損をより低減することができる。

（実験例３）
本例では、セル構造部２とスキン部１２とで、材料強度、気孔率が異なる複数の排ガス浄化フィルタ１を製造した。排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｙの長さＬが１００ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、隔壁厚さが０．２ｍｍであり、セル２１の断面形状が四角形、セルピッチが１．４７ｍｍである。排ガス浄化フィルタ１について、材料強度、アイソスタティック強度、気孔率を測定した。材料強度とアイソスタティック強度との関係を図１７に示し、気孔率と材料強度との関係を図１８に示す。

図１７は、排ガス浄化フィルタ１の材料強度と、アイソスタティック強度との関係を示す。図１７に示すように、データを線形近似すると、材料強度が大きくなると、アイソスタティック強度も大きくなる傾向があることがわかる。また、図１８は、気孔率と材料強度との関係を示す。図１８に示すように、データを線形近似すると、材料強度は、気孔率に対して負の比例関係があることがわかる。つまり、気孔率が高くなると、材料強度は小さくなる傾向にある。

キャニング時の応力は、排ガス浄化フィルタ１の最外周、つまりスキン部１２に集中する。したがって、キャニング時の割れを防止するという観点からは、スキン部１２の材料強度が大きい方が有利である。一方、気孔率が高くなると材料強度が低くなるため、セル構造部２の材料強度が低いことは、隔壁２２にガスの通り穴が多いことを意味する。排ガスは、排ガス浄化フィルタ１の軸方向Ｙと直交方向における中心部側に流れ易く、スキン部１２側（つまり、外周側）には流れ難いため、排ガス浄化フィルタ１での排ガス流量は、中心部側が外周側よりも支配的である。したがって、スキン部１２の材料強度を大きくしても、フィルタ内を流れる排ガス流量に与える影響は小さく、圧損上昇も抑制される。

このように、圧損を抑制しつつ、フィルタ強度をより向上させ、例えばキャニング時における割れを防止するという観点から、スキン部１２の材料強度Ｓ_Bは、セル構造部２の材料強度Ｓ_Aより大きいことが好ましい。つまり、Ｓ_A＜Ｓ_Bが好ましい。同様の観点から、セル構造部２の気孔率Ｐ_Aはスキン部１２の気孔率Ｐ_Bよりも大きいことが好ましい。つまり、Ｐ_A＞Ｐ_Bであることが好ましい。

本発明は上記実施形態、実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、排ガス浄化フィルタは、ガソリンエンジンから排出される排ガスの浄化に好適であるが、ディーゼルエンジンから排出される排ガスの浄化に用いることもできる。排ガス浄化フィルタは、両端面の開口セルが、互い違いに、封止部により閉塞される四角セル形状のフィルタに好適であるが、互い違いに閉塞されていれば四角セル形状に限定されるものではない。

１ 排ガス浄化フィルタ
１１ 封止部
１２ スキン部
２ セル構造部
２１ セル
２２ 隔壁
２２５ 交差位置

Claims (3)

1. ガソリンエンジン（Ｅ）の排気通路（Ａ）に配置される排ガス浄化フィルタ（１）であって、
   フィルタ軸方向（Ｙ）に延びる複数のセル（２１、２１ａ、２１ｂ）と、上記複数のセルを格子状に区画形成する多孔質の隔壁（２２）とから構成されるセル構造部（２）と、
   上記セル構造部における上記セルの両端（２１１、２２２）を互い違いに閉塞する封止部（１１）と、
   上記セル構造部の外周に形成された筒状のスキン部（１２）と、を有し、
   上記隔壁の気孔率が５０～７０％であり、
   上記スキン部の厚みＴが０．３～１．０ｍｍであり、
   上記セルの外縁（２１３）が上記隔壁の交差位置（２２５）で丸みを帯びており、上記交差位置での曲率半径Ｒが０．０２～０．６ｍｍであり、
   上記フィルタ軸方向における、上記排ガス浄化フィルタの外形寸法の変化度合であるゆがみ度δが０を超え、１．５ｍｍ以下であり、
   下記式Ｉで表される構造変数Ｘが０．０５～６であり、
   上記フィルタ軸方向と直交する平面での、上記セルの断面形状が四角形であり、上記セルの水力直径ｄと上記曲率半径Ｒとが、下記式IIの関係を満足する、排ガス浄化フィルタ。
   Ｘ＝Ｔ×Ｒ／δ ・・・式Ｉ
   Ｒ≦０．５×ｄ／２ ・・・式II
2. 上記セル構造部の材料強度Ｓ_Aと、上記スキン部の材料強度Ｓ_Bとが、下記式IIIの関係を満足する、請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ。
   Ｓ_A＜Ｓ_B ・・・式III
3. 上記セル構造部の気孔率Ｐ_Aと、上記スキン部の気孔率Ｐ_Bとが、下記式IVの関係を満足する、請求項１又は２に記載の排ガス浄化フィルタ。
   Ｐ_A＞Ｐ_B ・・・式IV

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