CN113614338B - 废气净化过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种废气净化过滤器(1)，配置在汽油发动机(E)的排气通路(A)中使用，具有具备截面形状为四边形状的多个腔室(21)和分隔壁(22)的腔室构造部(2)、密封部(11)以及外壳部(12)。分隔壁(22)的气孔率P1以及外壳部(12)的气孔率P2均为50％以上70％以下，且满足P1<P2的关系。由P2‑P1定义的气孔率差(ΔP)为20％以下。腔室(21)的外缘(213)在分隔壁(22)的交叉位置(225)处带有圆角，交叉位置(225)处的曲率半径R以及腔室(21)的水力直径(d)的半径r满足0.2<R[mm]/r[mm]<1的关系。

Description

废气净化过滤器
关联申请的相互参照：本申请基于2019年8月20日提交的日本申请2019-150586号，将其记载内容援用于此。
技术领域
本发明涉及一种废气净化过滤器。
背景技术
在从汽油发动机、柴油发动机等内燃机排出的废气中，包含被称为微粒的粒子状物质(以下，适当称为“PM”。)。为了捕集该废气中的PM而进行废气的净化，在内燃机的排气通路中配置有废气净化过滤器。
作为这种废气净化过滤器，例如在专利文献1中公开了对从柴油发动机排出的PM进行捕集的废气净化过滤器(以下，适当称为“DPF”。)。具体而言，在该文献中记载了如下的DPF：在将相对于轴向垂直的截面的中心部处的分隔壁的气孔率以及气孔径分别设为Pi以及Di、将相对于轴向垂直的截面的外周部处的分隔壁的气孔率以及气孔径分别设为Po以及Do的情况下，满足Pi<Po的关系或者Pi>Po且Di<Do的关系。根据该文献，通过所述技术，能够抑制PM再生时的裂纹。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-270569号公报
发明内容
与DPF相比，对从汽油发动机排出的PM进行捕集的废气净化过滤器(以下，适当称为“GPF”。)被暴露于高温环境，因此废气的流速较大，压损容易上升。此外，在GPF中，废气容易流动的过滤器中心部的温度容易成为高温，因此由于在排气管等排气通路中被冷却的过滤器外周部与过滤器中心部之间的温度差而产生热应力，过滤器外周部容易产生裂纹。作为提高过滤器强度的方法之一，可以考虑使分隔壁厚壁化，使过滤器热容量增加。如果过滤器热容量增加，则过滤器内的温度差变小。但是，当过度地使分隔壁厚壁化时，废气的流动变差，压力损失(以下，适当称为“压损”。)上升。反之，当为了抑制压损上升而使分隔壁的气孔率在保持某个一定的下限的同时朝高气孔率侧变动时，由于过滤器重量降低而过滤器热容量降低。
本发明的目的在于提供一种废气净化过滤器，能够在维持低压损的同时提高耐热冲击性。
本发明的一个方案为一种废气净化过滤器，配置在汽油发动机的排气通路中使用，具有：
腔室构造部，具备沿着过滤器轴向延伸且与上述过滤器轴向正交的平面中的截面形状为四边形状的多个腔室、以及划分形成上述多个腔室的多孔质的分隔壁；
密封部，将上述腔室构造部中的上述腔室的两端相互不同地堵塞；以及
筒状的外壳部，形成于上述腔室构造部的外周，
上述分隔壁的气孔率P1以及上述外壳部的气孔率P2均为50％以上70％以下，
满足上述P1<上述P2的关系，
由上述P2-上述P1定义的气孔率差ΔP为20％以下，
上述腔室的外缘在上述分隔壁的交叉位置处带有圆角，上述交叉位置处的曲率半径R以及上述腔室的水力直径的半径r满足0.2<R[mm]/r[mm]<1的关系。
上述废气净化过滤器具有上述构成。因此，上述废气净化过滤器能够在维持低压损的同时提高耐热冲击性。
另外，请求范围所记载的括弧内的符号，表示与后述的实施方式所记载的具体手段之间的对应关系，并不限定本发明的技术范围。
附图说明
通过参照附图进行下述详细描述，本发明的上述目的以及其他的目的、特征、优点将变得更加明确。这些附图为：
图1是实施方式1的废气净化过滤器的示意图；
图2是实施方式1的废气净化过滤器的过滤器轴向上的放大截面图；
图3是实施方式1的废气净化过滤器的与过滤器轴向正交的方向上的分隔壁的交叉位置的放大截面图；
图4是实施方式1的废气净化过滤器的与过滤器轴向正交的方向上的腔室的放大截面图；
图5是表示实施方式1的曲率半径R以及腔室的水力直径的测定部位的说明图；
图6是实施方式1的配置于排气通路的废气净化过滤器的示意图；
图7是实施方式2的废气净化过滤器的与过滤器轴向正交的方向上的外壳部周边的放大截面图；
图8的(a)是实施方式3的在外壳部的材料强度测定中使用的测定试样的截面示意图，图8的(b)是在腔室构造部的材料强度测定中使用的测定试样的截面示意图；
图9是表示实施方式3的4点弯曲试验的示意图；
图10是表示实施方式3的材料强度的测定试样与截面系数的变量之间的关系的说明图；
图11是表示实验例1的气孔率差ΔP与热应力σ之间的关系的图；
图12是实验例2的气体透过系数与压力损失之间的关系的图；
图13是表示实验例2的分隔壁的气孔率与气体透过系数之间的关系的图；
图14是表示实验例2的分隔壁的气孔率与腔室构造部的材料强度之间的关系的图；
图15是表示实验例3的R/r值与压力损失之间的关系的图；
图16是表示实验例3的R/r值与腔室构造部的实际截面积之间的关系的图；
图17是表示实验例3的R/r值与1/R2值之间的关系的图；
图18是表示实验例4的所堵塞的不完整腔室的总面积/1个完整腔室的面积与有效腔室开口面积之间的关系的图。
具体实施方式
(实施方式1)
参照图1～图6对实施方式1的废气净化过滤器进行说明。如图1、图2所示，本实施方式的废气净化过滤器1具有腔室构造部2、密封部11以及外壳部12。腔室构造部2、外壳部12由堇青石等的陶瓷构成。
腔室构造部2具备多个腔室21以及多孔质的分隔壁22。腔室21沿着过滤器轴向Y延伸。过滤器轴向Y与腔室21的延伸方向通常一致。分隔壁22将多个腔室21划分形成为格子状。分隔壁22一般也被称作腔室壁。
如图1、图3、图4所示，在与过滤器轴向Y正交的平面中，腔室21的截面形状为四边形状。另外，在四边形的腔室形状的4个角部(4个顶点部)带有圆角的情况下，在外观上为近似于四边形的形状，因此将这样的腔室形状称作四边形状。
外壳部12例如为圆筒状那样的筒状。外壳部12一体地形成于腔室构造部2的外周。外壳部12的轴向通常与过滤器轴向Y一致。分隔壁22将外壳部12的内侧划分成格子状，形成多个腔室21。废气净化过滤器1为多孔质体，在分隔壁22以及外壳部12中形成有多个气孔。废气净化过滤器1能够使废气中包含的PM堆积在分隔壁22的表面、气孔内而进行捕集。PM是被称作粒子状物质、微粒物、微粒等的微小粒子。
废气净化过滤器1例如是圆柱状等的柱状体，其尺寸能够适当变更。在废气净化过滤器1为圆柱状的情况下，例如，能够将过滤器轴向Y的长度L调整为50～200mm的范围，将直径Φ调整为100～165mm的范围。废气净化过滤器1在过滤器轴向Y的两端具有流入端面18、流出端面19。流入端面18是废气流入一侧的端面，流出端面19是废气流出一侧的端面。在未配置于排气管内等的废气流动中的状态下，流入端面18以及流出端面19是指相互相对的面。即，在某一方的端面为流入端面18的情况下，另一方成为流出端面19。例如，也能够将流入端面18称为过滤器轴向Y的第1端面，将流出端面19称为过滤器轴向Y的第2端面。
作为腔室21，能够具有第1腔室21a以及第2腔室21b。如图2所示，第1腔室21a例如在流入端面18开口，在流出端面19被密封部11堵塞。第2腔室21b例如在流出端面19开口，在流入端面18被密封部11堵塞。
密封部11将过滤器轴向Y上的腔室21的两端211、212相互不同地堵塞。换言之，密封部11在流入端面18或者流出端面19将腔室21相互不同地堵塞。密封部11例如由堇青石等的陶瓷形成，但也可以是其他材质。在图2中，形成有塞子状的密封部11，但密封部11的形状只要能够密封腔室21的端部就不特别限定。另外，虽然省略了构成的图示，但是例如也能够通过在流入端面18或者流出端面19使分隔壁22的一部分变形，由此形成密封部11。在该情况下，由于利用分隔壁22的一部分来形成密封部11，因此分隔壁22与密封部11一体地连续形成。
无论是在与过滤器轴向Y正交的横向X上还是在与过滤器轴向Y以及横向X的双方正交的纵向Z上，第1腔室21a与第2腔室21b例如都能够以相互邻接的方式交替地排列形成。即，在从过滤器轴向Y观察废气净化过滤器1的流入端面18或者流出端面19时，第1腔室21a与第2腔室21b例如配置成格子图案状。分隔壁22将第1腔室21a与第2腔室21b隔开。
此处，在废气净化过滤器1中，分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2均为50％以上70％以下。此外，分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2满足P1<P2的关系。此外，由P2-P1定义的气孔率差ΔP为20％以下。基于水银压入法的原理来测定分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2。另外，分隔壁22的气孔率P1是与腔室构造部2的气孔率相同的含义。
具体而言，能够通过使用了水银压入法的原理的水银孔率计，来测定分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2。作为水银孔率计，例如能够使用岛津制作所公司制的AutoPorIV9500。测定条件如下所述。
首先，从废气净化过滤器1的腔室构造部2、外壳部12采集测定试样。但是，排除存在密封部11的部分。腔室构造部2的测定试样是过滤器轴向Y的长度为1cm、分隔壁22的厚度方向的长度为1cm、与过滤器轴向Y以及上述分隔壁22的厚度方向正交的方向的长度为1cm的大致立方体。外壳部12的测定试样是过滤器轴向Y的长度为1cm、从外壳部12外表面朝向过滤器中心部的过滤器径向的长度为外壳部12的厚度量、外壳部12周向的长度为1cm的大致长方体。将测定试样收纳在水银孔率计的测定腔室内，对测定腔室内进行减压。之后，向测定腔室内导入水银并加压，根据加压时的压力以及导入到测定试样的气孔内的水银的体积，来测定气孔径。在压力0.5～20000psia的范围内进行测定。另外，0.5psia相当于0.35×10-3kg/mm2，20000psia相当于14kg/mm2。与该压力范围相当的气孔径的范围为0.01～420μm。作为根据压力来计算气孔径时的常数，使用接触角140°以及表面张力480dyn/cm。分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2分别通过如下的关系式来计算。
分隔壁22的气孔率P1(％)＝气孔总容积/(气孔总容积+1/分隔壁材料的真比重)×100
外壳部12的气孔率P2(％)＝气孔总容积/(气孔总容积+1/外壳部材料的真比重)×100
另外，在分隔壁材料、外壳部材料为堇青石的情况下，作为堇青石的真比重，能够使用2.52。
在废气净化过滤器1中，腔室21的外缘213在分隔壁22的交叉位置225处带有圆角。即，如图3以及图4所示，在通过与过滤器轴向Y正交的平面的截面中，腔室21的外缘213在分隔壁22的交叉位置225处例如成为圆弧状那样的弧状。在上述截面中，能够将分隔壁22的交叉位置225称作腔室21的角部。即，腔室21的外缘213在分隔壁22的交叉位置225处带有圆角，与腔室21的角部为弧状实质上相同。另外，交叉位置225是形成为格子状的分隔壁22交叉的位置。此外，在废气净化过滤器1为圆柱状的情况下，与过滤器轴向Y正交的方向是过滤器径向。
如图3所示，将与分隔壁22的交叉位置225处的腔室21的外缘213带有圆角的部分邻接的最大圆的半径设为曲率半径R。此外，如图4所示，一般情况下，即使供废气流动的腔室21的开口截面为四边形状，废气也在具有被称作水力直径d的直径的圆的内侧流动。将该腔室21的水力直径d的半径设为r(＝d/2)。分隔壁22的交叉位置225处的曲率半径R、腔室21的水力直径d的半径r如以下那样测定。
如图5所示，分隔壁22的交叉位置225处的曲率半径R的测定部位，是与过滤器轴向Y正交的方向上的中心部O、相对于该中心部O分别位于45度方向的位置且位于中心部O与外壳部12之间的距离的一半的位置的4个部位的位置。即，曲率半径R的测定位置是在图5中由圆圈包围的合计5个部位。在各测定位置处，对形成于一个交叉位置225的4个曲率半径进行测定。即，合计对20个部位的曲率半径进行测定，并将这些平均值设为分隔壁22的交叉位置225处的曲率半径R。
水力直径一般是指流体流动的管内的内径。在如废气净化过滤器1的截面四边形状的腔室21那样流路截面不是圆形时，使用腔室21的截面积A以及腔室21的截面长度L，根据d＝4A/L的算式来计算水力直径d。由此，通过r＝d/2的算式来计算水力直径d的半径r。另外，在腔室21的截面形状为四边形状的情况下，截面长度L是四边形的各边的总和，将腔室21的截面形状中带有圆角的顶点视为不带有圆角的直角的顶点，而测定各边的长度。测定位置以上述曲率半径R的测定位置为准。对这5个部位的测定位置的水力直径进行测定，将它们的平均值设为腔室21的水力直径d。
在废气净化过滤器1中，分隔壁22的交叉位置225处的曲率半径R与腔室21的水力直径d的半径r之比即R[mm]/r[mm]大于0.2且小于1。即，废气净化过滤器1满足0.2<R[mm]/r[mm]<1的关系。
废气净化过滤器1为，如上述那样规定的分隔壁22的气孔率P1、外壳部12的气孔率P2、气孔率差ΔP以及R[mm]/r[mm]处于上述特定范围。由此，废气净化过滤器1能够在维持低压损的同时提高耐热冲击性。以下，对得到这种效果的理由进行说明。
与DPF相比，对从汽油发动机排出的PM进行捕集的废气净化过滤器1(GPF)被暴露于高温环境，因此废气的流速较大，压损容易上升。因此，需要增大分隔壁22的气孔率P1。废气净化过滤器1为，分隔壁22的气孔率P1为50％以上这样的高气孔率，因此能够抑制分隔壁22的气体透过系数降低，并维持低压损。另一方面，由于分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2为70％以下，因此还能够担保在封装时所需要的过滤器强度。此处，在废气净化过滤器1中，满足P1<P2的关系，由P2-P1定义的气孔率差ΔP为20％以下。当处于这样的气孔特性的关系时，腔室构造部2的杨氏模量E1以及外壳部12的杨氏模量E2满足E1>E2的关系。热应力σ由σ＝E(杨氏模量)×α(热膨胀系数)×ΔT(温度差)的算式表示。杨氏模量的性质由原子间的聚合力决定，因此气孔率越高，则杨氏模量越小。因此，根据杨氏模量E＝σ(应力)/ε(应变)的关系，杨氏模量越小，则越容易产生应变，成为相对于应力柔软的材质。因此，在废气净化过滤器1中，外壳部12如缓冲垫那样吸收从在使用时成为高温的过滤器中心部对外壳部12施加的热膨胀时的压力。即，由于外壳部12的杨氏模量较小，因此在最外周的外壳部12产生承受热冲击的效果。其结果，在废气净化过滤器1中，热应力得到缓和，耐热冲击性提高。进而，在废气净化过滤器1中，由于交叉位置225为弧状，因此与交叉位置225例如为直角形状的情况相比，能够增大交叉位置225处的分隔壁22的截面积。因此，分隔壁22在交叉位置225处被加强，过滤器强度提高。尤其是，针对来自与过滤器轴向Y正交的方向的应力的强度提高。此时，在废气净化过滤器1中，R[mm]/r[mm]小于1，因此交叉位置225处的分隔壁22处于在水力直径d的圆的外侧被厚壁化的状态。因此，即使在分隔壁22的交叉位置225处使腔室21的外缘213成为带有圆角的形状(使腔室21的角部成为弧状)，也不会损害废气的流动而能够抑制压损的上升。进而，通过交叉位置225处的分隔壁22的厚壁化，能够提高热容量(≈重量)。即，废气净化过滤器1通过使R[mm]/r[mm]小于1，由此能够将对压损的影响限制为最小限度，并且通过热容量的增加还能够相应地提高耐热冲击性。此时，由于使R[mm]/r[mm]大于0.2，因此还能够抑制热应力的显著增加。根据以上所述，废气净化过滤器1能够在通过高气孔率维持低压损的同时，提高耐热冲击性。
在废气净化过滤器1中，在分隔壁22的气孔率P1小于50％的情况下，分隔壁22的气体透过系数降低而压损上升，难以维持低压损。从容易维持低压损等的观点出发，分隔壁22的气孔率P1优选为55％以上，更优选为57％以上，进一步优选为60％以上。另一方面，在分隔壁22的气孔率P1超过70％的情况下，过滤器强度降低，无法保证在封装时所需要的过滤器强度。从过滤器强度的提高等的观点出发，分隔壁22的气孔率P1优选为68％以下，更优选为67％以下，进一步优选为66％以下，更进一步优选为65％以下。此外，在外壳部12的气孔率P2小于50％的情况下，难以通过外壳部12吸收内侧的分隔壁22的热膨胀，难以实现应力缓和所带来的耐热冲击性的提高。从容易实现耐热冲击性的提高、容易确保与分隔壁22的气孔率P1之差等的观点出发，外壳部12的气孔率P2优选为55％以上，更优选为57％以上，进一步优选为60％以上。另一方面，在外壳部12的气孔率P2超过70％的情况下，过滤器强度降低，无法保证在封装时所需要的过滤器强度。从过滤器强度的提高等的观点出发，外壳部12的气孔率P2优选为68％以下，更优选为67％以下，进一步优选为66％以下，更进一步优选为65％以下。
在废气净化过滤器1中，在气孔率差ΔP超过20％的情况下，难以将分隔壁22的气孔率P1以及外壳部12的气孔率P2收敛在上述特定范围内，两个气孔率的选择宽度变窄。此外，在气孔率差ΔP超过20％的情况下，腔室构造部2与外壳部12的基于一体成型的制造变得困难，另行追加工序的必要性变高，过滤器制造性变差。在气孔率差ΔP为0的情况下，分隔壁22以及外壳部12均成为均匀的材料特性。因此，在由于废气流动而容易成为高温的过滤器中心部热膨胀、且应力到达气孔率相对于分隔壁22均匀(杨氏模量均匀)的外壳部12时，变得无法耐受应变，外壳部12会产生裂纹。从可靠地确保气孔率差ΔP的、成型时的外壳部12与腔室构造部2之间的成型压力差等的观点出发，气孔率差ΔP优选为1％以上，更优选为3％以上，进一步优选为5％以上。此外，从制造容易性、原料的粒度分布等的观点出发，气孔率差ΔP优选为15％以下，更优选为12％以下，进一步优选为10％以下。
在废气净化过滤器1中，在分隔壁22的交叉位置225处的曲率半径R与腔室21的水力直径d的半径r之比即R[mm]/r[mm]超过1的情况下，交叉位置225处的分隔壁22被厚壁化至水力直径d的圆的内侧而被加强，因此压损上升，变得无法维持低压损。在R[mm]/r[mm]小于0.2的情况下，由于与过滤器轴向Y正交的平面中的实际截面积变小，因此废气净化过滤器1的热容量变小，其结果，热应力容易显著地增加，变得无法提高耐热冲击性。从容易维持低压损等的观点出发，R[mm]/r[mm]优选为0.9以下，更优选为0.8以下，进一步优选为0.7以下。此外，从可靠地提高耐热冲击性等的观点出发，R[mm]/r[mm]优选为0.25以上，更优选为0.3以上，进一步优选为0.35以上。
在废气净化过滤器1中，外壳部12的厚度通常比分隔壁22的厚度更厚。外壳部12的厚度例如为分隔壁22的厚度的2倍以上4倍以下。具体而言，分隔壁22的厚度为150μm以上240μm以下。分隔壁22的厚度如以下那样测定。使用工具显微镜，对过滤器端面上的5个部位的分隔壁22的厚度进行测定，将其平均值设为分隔壁22的厚度。另外，上述5个部位的测定位置与上述曲率半径R的测定位置相同。
具体而言，外壳部12的厚度为0.3mm以上1.0mm以下。外壳部12的厚度如以下那样测定。使用工具显微镜，对过滤器端面上的8个部位的外壳部12的厚度进行测定，将其平均值设为外壳部12的厚度。另外，上述8个部位的测定位置，是从与过滤器轴向Y正交的方向上的中心部O沿着格子方向朝向外壳部12引出的线与外壳部12的4个交点、以及从中心部O沿着相对于格子方向倾斜45°的方向朝向外壳部12引出的线与外壳部12的4个交点。
如图6所示，废气净化过滤器1配置于汽油发动机E的排气通路A中进行使用。具体而言，例如，在内部收纳废气净化过滤器1的过滤器壳体C与排气通路A连结。废气净化过滤器1以在外壳部12的外周上卷绕有陶瓷垫M的状态收纳在过滤器壳体C内进行使用。为了防止使用中的位置偏移，从与过滤器轴向Y正交的方向朝向内侧对过滤器壳体C内的废气净化过滤器1施加外压。
废气净化过滤器1例如能够如以下那样制造。首先，制作包含堇青石形成原料的原料土。将氧化硅、滑石、氢氧化铝等调整为堇青石组成，再适当加入甲基纤维素等粘合剂、石墨等造孔材、润滑油、水等而进行混合，由此制作原料土。也可以以成为堇青石组成的方式配合氧化铝、高岭土。作为氧化硅，能够使用多孔质氧化硅。在堇青石形成原料中，氧化硅、滑石能够成为气孔形成原料。气孔形成原料是形成气孔的材料。气孔形成原料在烧成时生成液相成分，由此形成气孔。另一方面，在堇青石形成原料中，氢氧化铝、氧化铝、高岭土能够成为骨架原料。骨架原料是形成气孔以外的陶瓷部分的材料。
接着，使用模具对原料土进行挤出成型，并对所得到的蜂窝成型体进行干燥、烧成。由此，形成具有一体形成的外壳部12与腔室构造部2的蜂窝构造体。蜂窝构造体具备外壳部12、分隔壁22以及腔室21。密封部11在蜂窝构造体的烧成后形成或者在烧成前形成。具体而言，例如，使用密封部形成用的浆料，对烧成后的蜂窝构造体或者烧成前的蜂窝成型体的腔室21的端面交替地封闭并烧成，由此形成密封部11。
例如，能够通过有无造孔材、气孔形成原料的配合、粒径等，来调整分隔壁22的气孔率P1、外壳部12的气孔率P2。例如，能够通过原料土的搅拌时间、模具设计等，来调整气孔率差ΔP。具体而言，通过缩短原料土的搅拌时间，形成原料粒子间的间隙，由此能够产生气孔率差。当缩短原料土的搅拌时间时，粒子表面的润湿性变差(即，等于有意图地形成聚合体)，因此在原料土中的粒子与粒子之间形成间隙(＝空气部分)。当对这样的原料土进行挤出成型时，在供原料土通过的部分即模具的狭缝的宽度被调整得相对窄的分隔壁形成部位，由于对原料土施加的压力而原料土中的间隙被破坏。另一方面，在模具的狭缝宽度被调整得相对宽的外壳部形成部位，间隙直接残留在原料土中。通过对这样的挤出成型体进行烧成，能够使外壳部12的气孔率P2大于分隔壁22的气孔率P1，产生气孔率差ΔP。能够通过模具设计等来调整R[mm]/r[mm]。
(实施方式2)
使用图7对实施方式2的废气净化过滤器进行说明。另外，在实施方式2以后使用的符号中的与在已出现的实施方式中使用的符号相同的符号，只要不特别地示出，则表示与已出现的实施方式中的构成要素相同的构成要素等。
如图7所示，在本实施方式的废气净化过滤器1中，腔室构造部2具备位于腔室构造部2的最外周的多个不完整腔室212a。将与过滤器轴向Y正交的平面中的截面形状为四边形状的腔室21设为完整腔室211a。与该完整腔室211a相对比，不完整腔室212a是与外壳部12相接且与过滤器轴向Y正交的平面中的截面形状不是四边形状的腔室。即，不完整腔室212a不仅由分隔壁22划分、还由外壳部12划分，由此截面形状不成为完整的四边形状。
在本实施方式的废气净化过滤器1中，对于处于腔室构造部2的最外周的多个不完整腔室212a中的、腔室开口面积为完整腔室211a的腔室开口面积的30％以下的不完整腔室212a，通过堵塞部210堵塞。对过滤器端面中的5个部位的完整腔室211a的腔室开口面积进行测定，将其平均值设为成为基准的完整腔室211a的腔室开口面积。另外，上述5个部位的测定位置与上述曲率半径R的测定位置相同。
腔室开口面积为完整腔室211a的腔室开口面积的30％以下的不完整腔室212a，是废气的流动较少而对压损上升无影响那样的较小腔室。因而，通过选择性地堵塞处于腔室构造部2的最外周的多个不完整腔室212a中的这种不完整腔室212a，由此能够不使压损上升而通过废气净化过滤器1的实际体积增加(重量增加)来局部地增大热容量，能够进一步提高耐热冲击性。另外，当堵塞腔室开口面积超过完整腔室211a的腔室开口面积的30％的不完整腔室212a时，虽然有利于耐热冲击性的提高，但压损会上升。因此，在堵塞不完整腔室212a的情况下，可以设定为腔室开口面积为完整腔室211a的腔室开口面积的30％以下的不完整腔室212a。
在本例中，沿着过滤器轴向Y延伸且应当被堵塞的不完整腔室212a内整体由堵塞部210堵塞。即，沿着过滤器轴向Y延伸且应当被堵塞的不完整腔室212a内整体被填充堵塞部210。根据该构成，能够高效地实施废气净化过滤器1的实际体积增加所带来的热容量的增加，因此能够容易更进一步实现耐热冲击性的提高。
另外，也可以构成为，沿着过滤器轴向Y延伸且应当被堵塞的不完整腔室212a内的一部分由堵塞部210堵塞。另外，通过挤出成型时的模具设计，能够容易地形成堵塞部210。除此以外，还能够与上述密封部11相同地形成堵塞部210。其他的构成以及作用效果与实施方式1相同。
(实施方式3)
使用图8至图10对实施方式3的废气净化过滤器进行说明。本实施方式的废气净化过滤器1为，腔室构造部2的材料强度SA以及外壳部12的材料强度SB满足SB<SA的关系。根据该构成，过滤器强度提高。进而，根据该构成，在被暴露于高温时，腔室构造部2在过滤器基材内变得更高温，热膨胀变大，但由于材料强度较大而能够相应地耐受其热膨胀，因此热应力难以到达外壳部12，容易抑制外壳部12的裂纹。
腔室构造部2的材料强度SA、外壳部12的材料强度SB如以下那样测定。首先，如图8的(a)、(b)所示那样，从废气净化过滤器1采集测定试样S1、S2。具体而言，在从废气净化过滤器1中的与过滤器轴向Y正交的方向(具体而言为过滤器径向)的中心部沿着半径方向为30mm的范围内采集5个测定试样S2，在从与过滤器轴向Y正交的方向的最外周沿着半径方向为30mm的范围内采集5个测定试样S1。如图8的(a)所示，在从最外周沿着半径方向为30mm的范围内，采集包括外壳部12在内的测定试样S1。测定试样S1、S2包括在宽度方向上为4个腔室量、在厚度方向上为2个腔室量的腔室21。测定试样S1、S2的过滤器轴向Y的长度为50mm，测定试样为块体。另外，在图8中，为了方便而省略了分隔壁22的交叉位置225处的腔室21的外缘213的圆角。
如图9所示，对于测定试样S1、S2，按照JIS R1601：2008“精细陶瓷的室温弯曲强度试验方法”，进行4点弯曲试验，将测定试样产生了裂纹时的弯曲力矩(单位：N·m)除以将过滤器截面考虑在内的截面系数而得到的值，设为材料强度。腔室构造部2的材料强度SA是5个测定试样S2的材料强度的平均值。外壳部12的材料强度SB是5个测定试样S1的材料强度的平均值。另外，在测定试样S1的4点弯曲试验中，将外壳部12侧作为下侧，以便对外壳部12施加由于弯曲而产生的拉伸应力。
各材料强度由以下的算式表示。
材料强度(MPa)＝弯曲力矩(N·mm)/截面系数(mm3)
弯曲力矩由以下的算式表示。
弯曲力矩(N·mm)＝载荷(N)×4点弯曲试验的支点间距离(mm)/4
截面系数由下述算式V表示。如图10所示，在算式V中，a：与过滤器轴向Y正交的面中的测定试样的截面积(mm2)，y：从各基准轴到部件表面的距离(mm)，b：测定试样的宽度(mm)，h：测定试样的高度(mm)，i：各腔室部的截面惯性矩(mm4)。在图10中虽然示出测定试样S2，但对于测定试样S1也相同。
[数式1]
其他的构成以及作用效果与实施方式1相同。此外，实施方式3也可以应用于实施方式2。
以下，使用实验例对上述废气净化过滤器进行更具体的说明。另外，按照上述测定方法来测定各物理参数。
(实验例1)
在本实验例中，通过将分隔壁的气孔率P1设为50％、55％、60％、65％，并使外壳部的气孔率P2变化，由此制作出针对各P1的水准而气孔率差ΔP在5～20％的范围内不同的多个废气净化过滤器。各废气净化过滤器中的R[mm]/r[mm](以下，简单表记为R/r)为大于0.2且小于1的范围内的一定值。在各废气净化过滤器中，过滤器轴向Y的长度L为100mm，直径Φ为118mm，分隔壁的厚度为0.2mm，外壳部的厚度为0.6mm，腔室间距为1.47mm。在各废气净化过滤器中，能够通过E(杨氏模量)×α(热膨胀系数)×ΔT(温度差)的算式来计算热应力σ。另外，能够通过ΔQ(热量)/{M(重量)×Cp(比热)}的算式来计算ΔT(温度差)。在本例中，具体而言，通过对分隔壁和外壳部的气孔率差ΔP与热应力之间的关系进行CAE分析，来求出热应力σ。此时，作为分析软件，使用了AnsysclassicV.17.2。图11中示出了气孔率差ΔP(横轴)与热应力σ(纵轴)之间的关系。
根据发明人的研究可知，在气孔率差ΔP为0的情况下，分隔壁以及外壳部均成为均匀的材料特性，因此在由于废气流动而容易成为高温的过滤器中心部热膨胀、且应力到达气孔率相对于分隔壁均匀(杨氏模量均匀)的外壳部时，变得无法承受应变，外壳部会产生裂纹。与此相对，如图11所示，如果分隔壁的气孔率P1处于50％以上70％以下的范围内，则不论分隔壁具有何种程度的气孔率，气孔率差ΔP越大、热应力越向减少方向变化。即，通过热应力的缓和，能够提高耐热冲击性。
(实验例2)
在本实验例中，制作出分隔壁的气孔率P1不同的多个废气净化过滤器。在各废气净化过滤器中，将气孔率差ΔP设为5％，将R/r设为大于0.2且小于1的范围内的一定值。在各废气净化过滤器中，过滤器轴向Y的长度L为100mm，直径Φ为118mm，分隔壁的厚度为0.2mm，外壳部的厚度为0.6mm，腔室间距为1.47mm。对于各废气净化过滤器，测定了气体透过系数、压力损失。另外，具体而言，基于日本特开2019-2298号公报所公开的公知的测定方法，测定了气体透过系数以及压损。另外，日本特开2019-2298号公报所公开的公知的测定方法，能够通过参照而编入到本说明书中。图12中示出气体透过系数(横轴)与压力损失(纵轴)之间的关系。图13中示出分隔壁的气孔率(横轴)与气体透过系数(纵轴)之间的关系。此外，对于各废气净化过滤器，测定了腔室构造部的材料强度。图14中示出分隔壁的气孔率(横轴)与腔室构造部的材料强度(纵轴)之间的关系。
如图12所示，压力损失依赖于气体透过系数，在气体透过系数为0.5以上的范围内能够维持低压损。如图13所示，气体透过系数与分隔壁的气孔率处于比例关系。气体透过系数为0.5的分隔壁的气孔率为50％，因此可以理解为，为了维持低压损，应当将分隔壁的气孔率的下限值设为50％。此外，如图14所示，分隔壁的气孔率越高，则腔室构造部的材料强度越降低。将废气净化过滤器收纳于过滤器壳体时的封装时的压力，最大为1MPa。当分隔壁的气孔率超过70％时，难以确保在封装时所需要的过滤器强度。因此，将分隔壁的气孔率设为70％以下。另外，上述理由对于外壳部也同样适用。
(实验例3)
在本实验例中，制作出R/r值不同的多个废气净化过滤器。在各废气净化过滤器中，分隔壁的气孔率以及外壳部的气孔率均为50％以上70％以下的范围内的一定值，气孔率差ΔP为超过0％且20％以下的范围内的一定值。在各废气净化过滤器中，过滤器轴向Y的长度L为100mm，直径Φ为118mm，分隔壁的厚度为0.2mm，外壳部的厚度为0.6mm，腔室间距为1.47mm。对于各废气净化过滤器测定了压力损失。压力损失如以下那样测定。将废气净化过滤器安装在2.0L的汽油直喷发动机的排气管内，并设为吸入空气量(Ga)为100g/s的状态(稳定)。然后，在废气净化过滤器1内流动包含PM的废气。此时，测定废气净化过滤器1前后的压力，将其差分计测为压损。图15中示出R/r值(横轴)与压力损失(纵轴)之间的关系。图16中示出R/r值(横轴)与腔室构造部的实际截面积(纵轴)之间的关系。图17中示出R/r值(横轴)与1/R2值(纵轴)之间的关系。
如图15所示，当R/r值成为1以上时，压力损失急剧地上升，与此相对，当R/r值小于1时，能够维持低压损。这是因为，即使废气流动的腔室开口截面为四边形状，废气也以被称作水力直径的圆为边界而在该圆内流动，因此如果是水力直径外侧的区域，则即使增厚分隔壁的交叉位置处的壁厚而使腔室的外缘带有圆角，也不会损害废气的流动。根据该结果，为了维持低压损，将R/r值设为小于1。
另一方面，如图16所示，随着R/r值变得小于1，腔室构造部的实际截面积变小，热容量变小。如图16所示，腔室构造部的实际截面积与(R/r)2呈比例，因此热容量与(R/r)2呈比例。此处，根据σ(热应力)＝E(杨氏模量)×α(热膨胀系数)×ΔT(温度差)、ΔT(温度差)＝ΔQ(热量)/{M(重量)×Cp(比热)}的算式，在将废气净化过滤器的外部原因即ΔQ固定而进行考虑的情况下，热应力与热容量呈反比例。因而，热应力与R/r值成为图17所示那样的关系。即，随着R/r值变得小于1，产生热应力显著增大的边界。根据图17可知，在R/r值成为小于0.2的值时，热应力增大。根据该结果，为了抑制热应力的显著增大而提高耐热冲击性，将R/r值设为大于0.2的范围。因此可以说，通过以满足0.2<R/r<1的关系的方式构成废气净化过滤器，由此能够在维持低压损的同时提高耐热冲击性。
(实验例4)
在本实验例中，制作出如下的废气净化过滤器：分隔壁的气孔率P1以及外壳部的气孔率P2均为50％以上70％以下，且满足P1<P2的关系，气孔率差ΔP为20％以下，满足0.2<R/r<1的关系。在各废气净化过滤器中，过滤器轴向Y的长度L为101.6mm，直径Φ为118.4mm，分隔壁的厚度为0.216mm，外壳部的厚度为0.6mm，腔室间距为1.47mm，腔室角部的曲率半径R为0.2mm。
通过堵塞位于腔室构造部的最外周的未成为完整的四边形状的不完整腔室，由此废气净化过滤器部分的热容量增加。可以说，根据ΔT＝ΔQ(热量)/{M(重量)×Cp(比热)}的算式，如果热量增加，则向难以形成温度差ΔT的方向移位，根据σ(热应力)＝E(杨氏模量)×α(热膨胀系数)×ΔT(温度差)的算式，废气净化过滤器的耐热冲击性提高。
在本例中，从有效腔室开口面积的观点出发，对将位于腔室构造部的最外周的多个不完整腔室堵塞多少才不会对压损造成影响进行研究。另外，有效腔室开口面积是在以使废气在分隔壁中流动的方式交替地封闭了两个过滤器端面时、废气能够在废气的流入端面中流动的腔室(＝有效腔室)的开口面积。
将制作出的废气净化过滤器中的完整腔室的腔室开口面积设为a，并测定了位于腔室构造部的最外周的全部不完整腔室的腔室开口面积(按照面积从小到大的顺序为a1、a2、a3……)。接着，按照腔室开口面积从小到大的顺序依次堵塞不完整腔室，并且求出废气净化过滤器的有效腔室开口面积。具体而言，将一个完整腔室的腔室开口面积a作为基准，计算按照面积从小到大的顺序依次堵塞了与该面积a的X腔室量相同面积的不完整腔室时的有效腔室开口面积。另外，满足a×X＝a1+a2+a3+……。图18中示出堵塞的不完整腔室的总腔室开口面积/1个完整腔室的腔室开口面积、与有效腔室开口面积之间的关系。另外，图18中的横轴表示按照腔室开口面积从小到大的顺序依次堵塞的不完整腔室的总腔室开口面积相当于几个完整腔室的腔室开口面积。
如图18所示，可知当堵塞的不完整腔室的总腔室开口面积大于15个完整腔室15的腔室开口面积时，存在有效腔室开口面积大幅度减少的倾向。即，可以说由于不完整腔室的堵塞而压损上升。按照腔室开口面积从小到大的顺序依次堵塞与15个完整腔室相同面积的不完整腔室时，成为最大的不完整腔室的腔室开口面积在本例中为0.4549mm2。此外，完整腔室的腔室开口面积在本例中为1.5382mm2。于是，将不完整腔室按照从小到大的顺序堵塞15个腔室量时的不完整腔室的最大腔室开口面积相对于完整腔室的腔室开口面积成为29.6％(＝100×0.4549/1.5382)。因此，根据该结果可以说，通过利用堵塞部堵塞多个不完整腔室中的腔室开口面积为完整腔室的腔室开口面积的30％以下的不完整腔室，由此能够不使压损上升而通过实际体积增加(重量增加)来局部地增大热容量，能够进一步提高耐热冲击性。
本发明并不限定于上述各实施方式、各实验例，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。此外，各实施方式、各实施例所示的各构成能够分别任意地组合。即，虽然根据实施方式对本发明进行了记述，但应当理解本发明并不限定于该实施方式、构造等。本发明也包括各种变形例、均等范围内的变形。并且，各种组合、方式、甚至是仅包含其中一个要素、其以上或以下的其他组合、方式也落入本发明的范畴、思想范围内。

Claims (2)

1.一种废气净化过滤器(1)，配置在汽油发动机(E)的排气通路(A)中使用，具有：
腔室构造部(2)，具备沿着过滤器轴向(Y)延伸且与上述过滤器轴向正交的平面中的截面形状为四边形状的多个腔室(21、21a、21b)、以及划分形成上述多个腔室的多孔质的分隔壁(22)；
密封部(11)，将上述腔室构造部中的上述腔室的两端(211、212)相互不同地堵塞；以及
筒状的外壳部(12)，形成于上述腔室构造部的外周，
上述分隔壁的气孔率P1以及上述外壳部的气孔率P2均为50％以上70％以下，
满足上述P1<上述P2的关系，
上述腔室的外缘(213)在上述分隔壁的交叉位置(225)处带有圆角，上述交叉位置处的曲率半径R以及上述腔室的水力直径的半径r满足0.2<R/r<1的关系，其中曲率半径R及水力直径的半径r的单位均为mm。
2.根据权利要求1所述的废气净化过滤器，其中，
上述腔室构造部具备多个不完整腔室(212a)，该不完整腔室位于上述腔室构造部的最外周而与上述外壳部相接，并且与上述过滤器轴向正交的平面中的截面形状不是四边形状，
当将截面形状为四边形状的上述腔室设为完整腔室(211a)时，
通过堵塞部(210)堵塞多个上述不完整腔室中的腔室开口面积为上述完整腔室的腔室开口面积的30％以下的上述不完整腔室。
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