CN107084030A - 蜂窝结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种能够抑制压力损失，增加废气与催化剂的接触的机会，发挥良好的废气的净化性能的蜂窝结构体。蜂窝结构体具备：蜂窝基材，其具有划分形成多个隔室的多孔质的隔壁，上述多个隔室从一端面延伸至另一端面；以及单侧封孔部，其按照预定的配设基准对一端面的隔室进行封孔，隔壁具备：催化剂含浸隔壁，其形成于从设置有单侧封孔部的一端面沿着蜂窝基材的轴向延伸的预定长度的第一区域，并且形成为在隔壁内部含浸有催化剂；以及催化剂层隔壁，其形成于从另一端面沿着蜂窝基材的轴向延伸的预定长度的第二区域，并且在隔壁表面具有以层状涂覆催化剂的催化剂层。

Description

蜂窝结构体
技术领域
本发明涉及蜂窝结构体。更详细而言，涉及使用于对汽油发动机的废气进行净化用的废气净化装置且能够防止该废气的净化性能的降低的蜂窝结构体。
背景技术
近年来，根据省资源化、节能化等各种要求，推进了抑制汽油等化石燃料的燃料消耗，进一步抑制废气的产生量，并且发挥低油耗性能的发动机的开发。特别地，在通常用作汽车的驱动源的汽油发动机中，为了满足上述低油耗化的要求，推进了使汽油向缸内直喷化而进行驱动的直喷式汽油发动机的技术的开发。
直喷式汽油发动机与以往的“进气口喷射式”的汽油发动机相比，能够实现低油耗化。另一方面，存在如下情况，在发动机的启动时、加速时，灰尘等粒状物质(PM：Particulate Matter)的产生量与以往的汽油发动机相比过多。因此，对包含所产生的粒状物质的废气进行适当的处理而将其释放至大气中。
在柴油发动机的情况下，以除去因发动机的运转而产生的废气中的粒状物质为目的，安装有使用了蜂窝结构体的捕集过滤器(废气净化装置)。捕集过滤器所使用的蜂窝结构体使用封孔蜂窝结构体，该封孔蜂窝结构体具备两端面按照预定的配设基准进行封孔的封孔部(例如，参照专利文献1)。由此，废气流入封孔蜂窝结构体的内部，通过由多孔质性的陶瓷材料形成的封孔蜂窝结构体的隔壁，从而使粒状物质捕集在隔壁。
与上述柴油发动机用的捕集过滤器相同地，进行了适合使用了蜂窝结构体的汽油发动机的捕集过滤器的开发。其结果，能够从废气除去粒状物质，将清洁化的净化气体释放至大气。此处，在汽油发动机安装上述捕集过滤器，存在增大压力损失，对行驶性能带来影响的可能性。
因此，因搭载汽油发动机的车辆的规格不同，而存在进行稍微降低粒状物质的捕集效率来抑制压力损失的设计的情况。在该情况下，提出了将仅在蜂窝结构体的一端面侧以预定的配设基准设置封孔的单侧封孔结构的蜂窝结构体用作捕集过滤器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-254034号公报
发明内容
发明所要解决的课题
使用为捕集过滤器的蜂窝结构体存在利用向由陶瓷材料形成的多孔质性的隔壁内部含浸催化剂的蜂窝催化体的情况。通过含浸于隔壁内部的催化剂的作用，能够显著地提高废气的净化性能。此时，在对一端面侧以及另一端面侧分别进行封孔的通常的封孔蜂窝结构体的情况下，通过隔壁的废气必然与催化剂接触。
然而，为了抑制压力损失，在仅在一端面侧设置封孔的单侧封孔结构的蜂窝结构体的情况下，废气的一部分进入在双方的端面未设置封孔的隔室，在该隔室内沿着蜂窝结构体的轴向流动。其结果，存在废气与催化剂不接触，废气从另一端面排出的情况。因此，存在未接受催化剂的净化作用，而使废气的净化效率降低的情况。即，在将相同剂量的催化剂分别涂覆于通常的封孔结构以及单侧封孔结构的蜂窝结构体的情况下，废气的净化性能存在单侧封孔结构的蜂窝结构体显著地降低的可能性。
因此，本发明鉴于上述实际情况，课题在于提供一种即使为单侧封孔结构的蜂窝结构体，也能够抑制压力损失，并且增加废气与催化剂的接触机会，发挥良好的废气的净化性能的蜂窝结构体。
根据本发明，提供一种解决了上述课题的蜂窝结构体。
[1]一种蜂窝结构体具备：蜂窝基材，其具有划分形成多个隔室的多孔质的隔壁，所述多个隔室从一端面延伸至另一端面；以及单侧封孔部，其按照预定的配设基准对所述一端面的所述隔室进行封孔，所述隔壁具备：催化剂含浸隔壁，其形成于从设置有所述单侧封孔部的所述一端面沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第一长度的第一区域，并且形成为在隔壁内部含浸有催化剂；以及催化剂层隔壁，其形成于从所述另一端面沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第二长度的第二区域，并且在隔壁表面具有以层状涂覆所述催化剂的催化剂层。
[2]根据上述[1]所记载的蜂窝结构体，所述第一区域的第一长度相对于所述蜂窝基材的轴向的全长的比率在1/3～2/3的范围内，所述第二区域的第二长度相对于所述蜂窝基材的轴向的全长的比率在1/3～2/3的范围内。
[3]根据上述[1]或[2]所记载的蜂窝结构体，在所述第一区域以及所述第二区域之间进一步具有沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第三长度的第三区域，所述第三区域构成为均包含所述催化剂含浸隔壁以及所述催化剂层隔壁，或者构成为均不包含所述催化剂含浸隔壁以及所述催化剂层隔壁。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项所记载的蜂窝结构体，所述催化剂使用三元催化剂。
本发明的效果如下。
根据本发明的蜂窝结构体，在具备单侧封孔部的蜂窝结构体中，能够抑制压力损失的上升，并且通过含浸于隔壁内部以及涂布于隔壁表面的各个催化剂来防止废气的净化性能的降低。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一实施方式的蜂窝结构体的一端面侧的简要构成的立体图。
图2是示意性地表示本实施方式的蜂窝结构体的另一端面侧的简要构成的立体图。
图3是示意性地表示与本实施方式的蜂窝结构体的轴向平行的剖面的说明图。
图4是示意性地表示与本发明的蜂窝结构体的其他例子构成的轴向平行的剖面的局部放大说明图。
图5是示意性地表示与本发明的蜂窝结构体的其他例子构成的轴向平行的剖面的局部放大说明图。
图中：
1—蜂窝结构体，2a—一端面，2b—另一端面，3—隔室，4—隔壁，4a—隔壁内部，4b—隔壁表面，10—蜂窝基材，11—单侧封孔部，12—催化剂含浸隔壁，13—催化剂层隔壁，14—催化剂层，15—催化剂共享部，16—非催化剂部，C—催化剂，EG—废气，L1—蜂窝基材的全长，R1—第一区域，R2—第二区域，R3—第三区域。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的蜂窝结构体的实施方式进行详述。此外，本发明的蜂窝结构体不特别地限定于以下的实施方式，只要不脱离本发明的主旨，则能够施加各种设计的变更、修正以及改进等。
[1]蜂窝结构体
主要如图1以及图2所示，本实施方式的蜂窝结构体1主要构成为具备：大致圆柱状的蜂窝基材10，该蜂窝基材10具有划分形成多个隔室3的多孔质性的由陶瓷材料形成的格子状的隔壁4，所述多个隔室3从一端面2a延伸至另一端面2b蜂窝基材10；以及单侧封孔部11，该单侧封孔部11按照预先预定的配设基准对一端面2a的隔室3进行封孔。
对于本实施方式的蜂窝结构体1的单侧封孔部11而言，对蜂窝基材10的一端面2a侧的隔室3每隔一个交替地进行封孔，作为整体按照交错格子状(或者方格花纹，或者棋盘图案)的配设基准进行配设(参照图1)。此外，在另一端面2b侧未进行上述的封孔，全部的隔室3均开口(参照图2)。由此，在废气EG从蜂窝结构体1的一端面2a侧朝向另一端面2b侧流动的情况下，与在一端面2a以及另一端面2b交替地进行封孔的通常的封孔蜂窝结构体(未图示)相比，具有抑制压力损失的上升的优点。由此，在进行废气EG的净化的情况下，不存在使用本实施方式的蜂窝结构体1而形成的废气净化装置的搭载车辆的行驶性能降低的担忧。
如图3示意性地表示的那样，本实施方式的蜂窝结构体1在蜂窝基材10的内部具有催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13。若更详细地进行说明，则具备：催化剂含浸隔壁12，该催化剂含浸隔壁12形成于从设置有单侧封孔部11的一端面2a沿着蜂窝基材10的轴向(相当于图3的从纸面左方向朝向右方向)延伸的预定长度的第一区域R1，并且形成为催化剂C含浸于隔壁4的隔壁内部4a；以及催化剂层隔壁13，该催化剂层隔壁13形成于从另一端面2b沿着蜂窝基材10的轴向(相当于图3的从纸面右方向朝向左方向)延伸的预定长度的第二区域R2，并且具有在隔壁4的隔壁表面4b以呈层状涂覆催化剂C的催化剂层14。
此处，催化剂含浸隔壁12定义为在沿着隔壁4的厚度方向的剖面中，“承载于细孔内的催化剂的质量”为80％以上的情况。另外，具有在隔壁表面4b以层状涂覆催化剂的催化剂层14的催化剂层隔壁13定义为承载于细孔内的“催化剂的质量”为“构成催化剂层14的催化剂的质量”的30％以下的情况。此外，基于这些质量比的催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13能够根据对利用扫描式电子显微镜(SEM)拍摄沿着隔壁4的厚度方向的剖面的SEM图像进行图像处理的面积比来决定。
从一端面2a侧开口的隔室3流入蜂窝基材10的内部(图3的从纸面左侧朝向右侧)的废气EG的一部分向与蜂窝基材10的轴向正交的方向扩展，并且通过形成于一端面2a的附近的第一区域R1的隔壁内部4a。然后，在通过隔壁内部4a后，朝向另一端面2b侧流动(参照图3箭头)。由此，在通过隔壁内部4a时，含浸于隔壁4的催化剂C与废气EG接触，灰尘等粒状物质(未图示)被多孔质性的隔壁4捕集，并且能够利用接触的催化剂的净化性能对废气EG进行净化。
另一方面，未通过隔壁4的剩余的废气EG从一端面2a侧开口的隔室3侵入蜂窝基材10的内部，沿着蜂窝基材10的轴向通过第一区域R1，进一步相同地沿着轴向进入第二区域R2的隔室3的内部。此时，在隔壁表面4b形成有以层状涂覆的催化剂层14。因此，进入第二区域R2的废气EG与隔壁表面4b的催化剂层14接触。由此，能够对废气EG发挥催化剂作用。因此，与以往的封孔蜂窝结构体相比，能够抑制压力损失，获得基于隔壁4的粒状物质的捕集与基于隔壁内部4a以及催化剂层14的催化剂C的废气EG的净化效果。
[2]催化剂、催化剂含浸隔壁以及催化剂层隔壁的形成
在本实施方式的蜂窝结构体1中，作为含浸于隔壁内部4a以及涂覆于隔壁表面4b的催化剂C，例如，能够使用“三元催化剂”。三元催化剂是主要对烃(HC)、一氧化碳(CO)以及氮氧化物(NOx)进行净化的催化剂，例如，也可以包含铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)。通过三元催化剂，将烃氧化或者还原反应成水与二氧化碳，将一氧化碳氧化或者还原反应成二氧化碳，将氮氧化物氧化或者还原反应成氮气而进行净化。
另外，对蜂窝基材10形成催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13的方法能够利用公知的方法。例如，将上述的催化剂C添加于水、乙醇等溶剂，生成粘度比较低的催化剂溶液。然后，将一端面2a侧向下，使蜂窝基材10从上方逐渐接近催化剂溶液，将蜂窝基材10浸渍(Dipping)至预定的深度(相当于第一区域R1)。在经过预定的含浸时间后，从催化剂溶液捞起蜂窝基材10，使其干燥。由此，形成催化剂C含浸于第一区域R1的隔壁内部4a的催化剂含浸隔壁12。隔壁4由多孔质性的陶瓷材料形成，因此催化剂溶液浸入至隔壁4的细孔，能够含浸催化剂C。
另一方面，对于形成催化剂层隔壁13的方法而言，例如，准备粘度高于用于形成上述催化剂含浸隔壁12的催化剂溶液的催化剂层14用的催化剂溶液，将另一端面2b侧向下，使蜂窝基材10从上方逐渐接近该催化剂溶液，而将蜂窝基材10浸渍(Dipping)至预定的深度(相当于第二区域R2)。在经过预定的含浸时间后，从催化剂溶液捞起蜂窝基材10，使其干燥。由此，能够获得在第二区域R2的隔壁表面4b形成有催化剂层14的催化剂层隔壁13。
使用粘度高于催化剂含浸隔壁12的催化剂溶液，从而该催化剂溶液仅浸入隔壁4的隔壁表面4b的细孔，直至隔壁4的隔壁内部4a的浸入被限制。由此，在隔壁表面4b形成有层状的催化剂层14。在本发明的蜂窝结构体中，上述催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13的形成不限定于下述，也可以以其他各种方法形成。
此处，第一区域R1的长度相对于蜂窝基材10的全长L1的比率在1/3～2/3(33％～66％)的范围内，更加优选在1/2～2/3(50％～66％)的范围内。另一方面，第二区域R2的长度相对于蜂窝基材10的全长L1的比率在1/3～2/3(33％～66％)的范围内，更加优选在1/2～1/3(50％～66％)的范围内。
即，与第二区域R2的长度相比，第一区域R1的长度短。此处，若第一区域R1过短(换言之，若第二区域R2过长)，则通过隔壁内部4a的废气EG的通过量变小，粒状物质的捕集效率显著地降低。另一方面，若第一区域R1的长度过长(换言之，若第二区域R2过短)，则不通过隔壁内部4a，沿着轴向在隔室3流经的废气EG与催化剂C(催化剂层14)接触的机会变短，进而无法获得基于催化剂C的充分的净化作用。因此，对于本发明的蜂窝结构体而言，将第一区域R1以及第二区域R2的长度的比率相对于蜂窝基材10的全长L1规定为上述范围。
[3]第三区域
另外，本发明的蜂窝结构体也可以在上述第一区域R1以及第二区域R2之间具有第三区域R3。例如，如图4所示，本发明的其他例子构成的蜂窝结构体1’具备第三区域R3，该第三区域R3具有以相互重叠的方式形成有催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13的催化剂共享部15。通过具有催化剂共享部15，均能够起到催化剂含浸隔壁12或催化剂层隔壁13的作用效果。然而，在第三区域R3中，废气EG的隔壁内部4a的通过被形成于隔壁表面4b的催化剂层14阻碍，具有压力损失上升的可能性。
另一方面，如图5所示，又一其他例子构成的蜂窝结构体1”具备在第一区域R1以及第二区域R2之间具有不是催化剂含浸隔壁12或催化剂层隔壁13的非催化剂部16的第三区域R3。通过具有非催化剂部16，不起到隔壁内部4a的催化剂C的净化效果，使废气EG通过。
在上述的第三区域R3分别设置催化剂共享部15或者非催化剂部16，能够将蜂窝基材10浸渍于催化剂溶液，简化分别形成催化剂含浸隔壁12以及催化剂层隔壁13的作业。即，不需要精度良好地进行将蜂窝基材10浸渍于催化剂溶液时的浸渍的位置。因此，用于制造本实施方式的蜂窝结构体的作业效率变得良好。
以下，对本发明的蜂窝结构体的实施例进行说明，但本发明的蜂窝结构体不特别地限定于这些实施方式。
【实施例】
总结本发明的蜂窝结构体的实施例1～7以及比较例1、2，进一步总结基准蜂窝的各自的蜂窝结构体的直径、长度(全长)、隔室密度、隔壁厚度、孔隙率、细孔径、封孔图案、第一区域长度、第二区域长度、第三区域的有无、催化剂涂覆量，并表示于下述的表1。
此处，实施例、比较例以及基准蜂窝的蜂窝结构体均使用直径118.4mm、长度127mm、隔室密度46.5个/cm2、隔壁厚度216μm、孔隙率以及细孔径20μm的相同规格的蜂窝结构体，且催化剂涂覆量也相同。即，改变了封孔图案为入口或者出口、第一区域长度、第二区域长度以及第三区域的有无的各参数。
此处，对于基准蜂窝而言，在一端面以及另一端面两面以预定的配设基准形成封孔部。另外，比较例1仅在入口侧(一端面侧)形成封孔部，并且相对于流路的整体仅实施第一区域。比较例2仅在入口侧形成封孔部，并且相对于流路的整体仅实施第二区域。
另一方面，实施例1～7改变了第一区域以及第二区域相对于蜂窝基材的全长(表1的长度)的长度，使第一区域长度以及第二区域长度分别在32mm～95mm(25％～75％)的范围内变化。另外，实施例3具有第一区域以及第二区域重复的第三区域，重复部分的长度为20mm。
【表1】
针对上述实施例1～7、比较例1、2以及基准蜂窝的蜂窝结构体，按照以下所示的测定方法，分别计测(1)净化率、(2)PM排出个数以及(3)压力损失，针对(1)～(3)的项目分别进行了评价。另外，基于(1)～(3)的评价，进行针对废气净化装置的(4)综合评价。
(1)净化率的测定方法
将安装了上述的实施例、比较例以及基准蜂窝的蜂窝结构体的废气净化装置分别安装于搭载了排气量2.0升的直喷式汽油发动机的轿车的排气系统。然后，作为基于底盘测功机的车辆试验，根据国际协调废气试验模式(WLTC)的运转条件测定运转时的废气中的一氧化碳(CO)、烃(HC)以及氮氧化物(NOx)的排放，获得排放值。将所获得的排放值与基准体的蜂窝结构体的值对比，将一氧化碳、烃以及氮氧化物的全部的成分的上升值0～小于10％的情况设为“A”，将10％～小于20％的范围内的情况设为“B”，将20％以上的情况设为“C”。此外，在表2中，净化率的测定的评价项目表示为“净化率(CO、HC、NOx)”。
(2)PM排出个数的测定方法
将安装了实施例、比较例以及基准蜂窝的蜂窝结构体的废气净化装置安装于搭载了排气量2.0升的直喷式汽油发动机的轿车的排气系统。然后，作为基于底盘测功机的车辆试验，根据国际协调废气试验模式(WLTC)的运转条件，并基于按照欧洲EURO6法规草案的方法测定运转时的废气中的PM排出个数。此处，将PM排出个数为3×1011个/km以下的情况设为“A”，将3×1011个/km～小于6×1011个/km的范围内的情况设为“B”，将6×1011个/km以上设为“C”。
(3)压力损失的测定方法
在排气量2.0升的直喷式汽油发动机的台架试验中，首先，在排气系统安装对隔室密度：46.5个/cm2、隔壁厚度：216μm、蜂窝直径：118.4mm、蜂窝长度：127mm、催化剂涂覆量：100g/l的两端进行了封孔的蜂窝结构体(基准蜂窝)。测定此时的发动机满载运转时的压力损失，将该值设为压力损失的基准值。将使用了实施例以及比较例的蜂窝结构体的废气净化装置相同地安装于搭载了排气量2.0升的直喷式汽油发动机的轿车的排气路径上，测定与上述相同条件的发动机满载运转时的压力损失。然后，相对于由基准体获得的压力损失的基准值，将压力损失的减少量为40％以上的情况设为“A”，将压力损失的减少量20％～小于40％的情况设为“B”，将压力损失的减少量为20％以下的情况设为“C”。
(4)综合判断
在上述(1)净化率(CO、HC、NOx)、(2)PM排出个数以及(3)压力损失的各评价项目中，将全部的评价项目为“A”或者两个以上为“A”的情况综合判断为“A”，将两个评价项目中存在“B”的情况综合判断为“B”，将其一项目为“C”的情况综合判断为“C”。在综合判断中，“A”、“B”为合格，“C”为不合格。
【表2】
如表2所示，在第一区域的长度相对于蜂窝基材的全长为100％的比较例1的情况下，虽存在压力损失的减少效果，但确认了净化率(CO、HC、NOx)显著地劣化。另一方面，在第二区域的长度相对于蜂窝基材的全长为100％的比较例2的情况下，PM排出个数的评价特别地降低。由此，相对于蜂窝基材的全长仅100％地设置第一区域以及第二区域的任一个的情况在综合判断中成为较低的评价。
与此相对，本发明中满足预定的条件的实施例1～7的蜂窝结构体在各个项目中获得至少B以上的评价。例如，在入口侧(一端面侧)设置单侧封孔部，使第一区域以及第二区域的长度分别变化的情况下，相对于第二区域增长第一区域的蜂窝结构体表示良好的结果的情况根据实施例1以及实施例2的对比变得明确。特别地，实施例2的蜂窝结构体在三个评价项目的全部中获得A判定。此外，若第一区域过长，则确认净化率的降低(实施例4)。
另一方面，在出口侧(另一端面侧)设置单侧封孔部的情况下，认为是与上述相反的趋势，相对于第一区域增长第二区域的蜂窝结构体表示良好的结果的情况根据实施例6以及实施例7的对比变得明确。另外，能够确认即使是具有第一区域以及第二区域重复的第三区域的蜂窝结构体(实施例3)，也发挥实用方面的充分的功能。
工业上的利用可能性
本发明的蜂窝结构体能够特别地适当利用于用于从汽油发动机的废气捕集粒状物质来进行净化的捕集过滤器(废气净化装置)。

Claims (4)

1.一种蜂窝结构体，其特征在于，具备：
蜂窝基材，其具有划分形成多个隔室的多孔质的隔壁，所述多个隔室从一端面延伸至另一端面；以及
单侧封孔部，其按照预定的配设基准对所述一端面的所述隔室进行封孔，
所述隔壁具备：
催化剂含浸隔壁，其形成于从设置有所述单侧封孔部的所述一端面沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第一长度的第一区域，并且形成为在隔壁内部含浸有催化剂；以及
催化剂层隔壁，其形成于从所述另一端面沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第二长度的第二区域，并且在隔壁表面具有以层状涂覆所述催化剂的催化剂层。
2.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，
所述第一区域的第一长度相对于所述蜂窝基材的轴向的全长的比率在1/3～2/3的范围内，
所述第二区域的第二长度相对于所述蜂窝基材的轴向的全长的比率在1/3～2/3的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝结构体，其特征在于，
在所述第一区域以及所述第二区域之间进一步具有沿着所述蜂窝基材的轴向延伸的第三长度的第三区域，
所述第三区域构成为均包含所述催化剂含浸隔壁以及所述催化剂层隔壁，或者构成为均不包含所述催化剂含浸隔壁以及所述催化剂层隔壁。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的蜂窝结构体，其特征在于，
所述催化剂使用三元催化剂。
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