DE102019123873A1

DE102019123873A1 - Abgasreinigungsfilter und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102019123873A1
Application number: DE102019123873.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kayama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2020-04-02
Also published as: US20200101442A1; CN110966065B; CN110966065A

Abstract

Vorgesehen ist ein Abgasreinigungsfilter, der ein hohes Auffangverhältnis von Partikeln (PM) auch bei hoher Porosität aufweist. Der Abgasreinigungsfilter (1) besitzt ein Gehäuse (11), Trennwände (12) und Zellen (13). Die Trennwände (12) sind porös und das Innere des Gehäuses (11) ist durch die Trennwände (12) in eine Mehrzahl der Zellen (13) unterteilt. Die Trennwände (12) weisen mehrere Kommunikationsporen (122) auf, die zwischen Zellen (13) benachbart zu jeweiligen Trennwänden (12) kommunizieren. Der Tortuositätsgrad L/T der Kommunikationsporen (122) erfüllt L/T ≥ 1.1, wobei T [µm] der Dicke der Trennwände (12) entspricht und L [µm] der mittleren Strömungspfadlänge der Kommunikationsporen (122) entspricht. Darüber hinaus wird der Abgasreinigungsfilter unter Verwendung von porösem Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte, die nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist, hergestellt.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Abgasreinigungsfilter mit einem Gehäuse, porösen Trennwänden, die das Innere des Gehäuses aufteilen, und Zellen, die von den Trennwänden umgeben sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Abgasreinigungsfilters.
Zugehöriger Stand der Technik
Das Abgas, welches von Verbrennungskraftmaschinen, wie Diesel- und Ottomotoren, und von Verbrennungsvorrichtungen, wie Kesseln, abgegeben wird, enthält Feststoffe, die im Folgenden der Kürze halber als „PM“ bezeichnet werden, manchmal auch als Partikel bezeichnet. Ein Abgasreinigungsfilter wird verwendet, um das PM im Abgas aufzufangen.
Ein Abgasreinigungsfilter weist im Allgemeinen eine Mehrzahl von Zellen, die dadurch gebildet werden, dass diese durch poröse Trennwände unterteilt sind, und Dichtungsabschnitte, die ein Ende jeder Zelle abdichten, auf. Es besteht eine Anforderung, den Druckverlust, der sich aus einem Abgasreinigungsfilter ergibt, zu reduzieren und gleichzeitig das Auffangverhältnis von PM zu erhöhen. Im Folgenden wird das Auffangverhältnis von PM einfach als das „Auffangverhältnis“ bezeichnet und der Druckverlust durch den Filter wird als der „Druckverlust“ bezeichnet. Ein Erhöhen der Porosität der Trennwände ist wirksam, um den Druckverlust zu verringern. Wenn jedoch die Porosität erhöht wird, nimmt das Auffangverhältnis tendenziell ab.
In den letzten Jahren wurden Versuche unternommen, das Auffangverhältnis zu verbessern und gleichzeitig die Porosität zu erhöhen, indem die innere Struktur der porösen Trennwände definiert wurde. So offenbart beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentoffenlegung mit der Nr. 2017-164691 ( JP 2017-164691 A ), die im Folgenden als PTL1 bezeichnet wird, eine Technologie zur Erhöhung der Netzlänge eines Netzes, das durch Ausdünnen eines 3D-Modells eines Keramikabschnitts einer Wabenwand erhalten wird. Gemäß PTL1 kann die Gestalt der Wabenwand durch diese Konfiguration komplex gemacht werden, und obwohl dadurch die Porosität erhöht wird, können Partikel, wie Ruß, mit hoher Effizienz aufgefangen werden.
Kurzfassung
PM werden jedoch hauptsächlich aufgefangen, wenn dieses durch Poren hindurch gehen, die zwischen Trennwänden eine Verbindung vorsehen. Daher ist eine für die PM-Sammlung wirksame Porenstruktur eine solche, in der es Kommunikationsporen gibt, die sich von der Gaseingangsseite hin zu der Gasausgangsseite der jeweiligen Trennwände erstrecken. Die Konfigurationen der Poren in der Netzwerkstruktur des Keramikteils eines Abgasreinigungsfilters entsprechen jedoch nicht unbedingt in ausreichendem Maße dieser Struktur. Die in PTL 1 beschriebene Technologie zur Verlängerung des Netzes des Keramikteils modifiziert die Struktur der Kommunikationsporen, in denen die PM gesammelt werden, nicht ausreichend. Das heißt, selbst wenn die Netzlänge des Keramikabschnitts erhöht wird, wird die Konfiguration der Kommunikationsporen, durch welche die PM hindurchgehen, nicht unbedingt komplexer gemacht, und daher gibt es eine Grenze für die Verbesserung des Auffangverhältnisses, die durch diese Technologie erreicht werden kann.
Die vorliegende Offenbarung soll das vorstehend genannte Problem lösen, indem ein Abgasreinigungsfilter bereitgestellt wird, wodurch PM mit einem hohen Auffangverhältnis gesammelt werden können, selbst wenn die Porosität des Filters erhöht wird.
Gemäß einem ersten Modus stellt die vorliegende Offenbarung einen Abgasreinigungsfilter mit einem äußeren Gehäuse, porösen Trennwänden, die das Innere des äußeren Gehäuses in eine Mehrzahl von Zellen unterteilen, und einer Mehrzahl von Kommunikationsporen, die zwischen Zellen, die an jeweilige Trennwände angrenzen, kommunizieren, bereit, und wobei, wenn der Grad der Tortuosität bzw. der Tortuositätsgrad der Kommunikationsporen als das Verhältnis der mittleren Strömungspfadlänge L [µm] der Kommunikationsporen zur Dicke T [µm] der Trennwände definiert ist, das Verhältnis der folgenden Gleichung (1) erfüllt ist: $L / T \geq 1,1$
Gemäß einem weiteren Modus stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters bereit, aufweisend einen Mischschritt zum Mischen von porösem Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte von weniger als 0,38 g/cm³, Talk und einer Al-Quelle (Aluminiumquelle), um ein cordieritbildendes Rohmaterial herzustellen, einen Formschritt zum Vorbereiten von Ton, der das cordieritbildende Rohmaterial enthält, und zum Formen des Tons, um einen Formkörper zu bilden, und einen Brennschritt zum Brennen des Formkörpers.
Der vorstehende Abgasreinigungsfilter mit der Konfiguration eines Gehäuses, von Zellen und von Kommunikationsporen weist einen Tortuositätsgrad L/T der Kommunikationsporen auf, der durch das Verhältnis der mittleren Strömungspfadlänge L [µm] der Kommunikationsporen zur Dicke T [µm] der Trennwände definiert ist, wobei der Tortuositätsgrad L/T die vorstehende Gleichung (1) erfüllt. Das heißt, die mittlere Strömungspfadlänge ist so ausgebildet, dass diese zumindest das 1,1-fache der Dicke T [µm] der Trennwände beträgt. Eine solche Konfiguration der Trennwände ist wirksam, um die Kommunikationsporen toruös zu machen.
Das Auffangverhältnis eines Abgasreinigungsfilters hängt von der Häufigkeit von Kollisionen von PM mit den Trennwänden ab. Durch Einstellen des Tortuositätsgrades auf zumindest 1,1 wird die Struktur der Kommunikationsporen, durch welche die PM hindurchgehen, komplex, was zu einer Erhöhung der Kollisionshäufigkeit von PM mit den Trennwänden führt. Das heißt, es kann berücksichtigt werden, dass die Häufigkeit von Trägheitskollisionen von PM aufgrund der Tortuosität der Kommunikationsporen erhöht ist. Dadurch kann der Abgasreinigungsfilter auch bei erhöhter Porosität ein hohes Auffangverhältnis aufweisen.
Das vorstehende Verfahren zum Herstellen des Abgasreinigungsfilters weist einen Mischschritt, einen Formschritt und einen Brennschritt auf. In dem Mischschritt werden poröses Siliziumdioxid, Talk und eine Al-Quelle vermischt, um ein cordieritbildendes Rohmaterial herzustellen. Im Formschritt wird Ton, der das cordieritbildende Rohmaterial enthält, vorbereitet und der Ton wird geformt, um einen Formkörper herzustellen. Im Brennschritt wird der Formkörper gebrannt, wodurch der Abgasreinigungsfilter erhalten wird.
Poröses Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte von 0,38 g/cm³ oder weniger wird im Mischschritt verwendet. Der Volumenanteil, den poröses Siliziumdioxid in dem Cordieritbildungsrohmaterial einnimmt, kann dadurch erhöht werden. Dadurch wird der Tortuositätsgrad L/T der Kommunikationsporen erhöht, wodurch ermöglicht wird, beispielsweise einen Abgasreinigungsfilter herzustellen, der die Beziehung L/T ≥ 1,1 erfüllt. Dadurch kann ein Abgasreinigungsfilter mit einem hohen Auffangverhältnis erhalten werden.
Es ist anzumerken, dass Zahlen in Klammern, die in den beigefügten Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung erscheinen, dazu dienen, Korrespondenzbeziehungen für Elemente von Ausführungsformen zu zeigen, die im Folgenden beschrieben werden, und den technischen Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
Figurenliste
In den beigefügten Abbildungen:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abgasreinigungsfilters gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teilquerschnitts des Abgasreinigungsfilters gemäß der ersten Ausführungsform, aufgenommen in einer Ebene parallel zur Axialrichtung des Filters;
3A und 3B zeigen Beispiele für vergrößerte konzeptionelle Querschnittsansichten von Trennwänden eines Abgasreinigungsfilters gemäß der ersten Ausführungsform;
4A und 4B sind konzeptionelle Querschnittsansichten von Trennwänden, welche die Poren der 3A und 3B entsprechend in vereinfachter Form darstellen;
5 ist eine erläuternde Abbildung bezüglich einer CT-Aufnahme einer Trennwand in der ersten Ausführungsform;
6 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein CT-Scanbild einer Trennwand in der ersten Ausführungsform zeigt;
7 ist eine vergrößerte Ansicht des in 6 gezeigten Scanbildes;
8A ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein CT-Scanbild einer Trennwand in der ersten Ausführungsform zeigt;
8B ist eine Abbildung, welche ein binarisiertes verarbeitetes Bild des CT-Scanbildes zeigt;
9 ist eine Abbildung, welche die Stellen zeigt, an denen Messproben aus einem Abgasreinigungsfilter gemäß der ersten Ausführungsform zur Verwendung beim Messen von Toriuositätsgraden entnommen wurden;
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Trennwand gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche die Positionen von Halsabschnitten in Kommunikationsporen konzeptionell darstellt;
11 ist ein CT-Scanbild einer Trennwand in der zweiten Ausführungsform, welches eine Position eines Halsabschnitts in einer Kommunikationspore zeigt;
12 ist eine Querschnittsansicht einer Halsdurchmesser-Messvorrichtung mit einem darin eingerichteten Prüfkörper bei einem ersten experimentellen Beispiel;
13 zeigt Druckkurven, die Zusammenhänge zwischen Druck und Strömungsrate darstellen, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
14 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Halsdurchmesser und einer Frequenz zeigt, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
15 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Tortuositätsgrad und dem Auffangverhältnis zeigt, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
16 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Tortuositätsgrad und dem Druckverlust zeigt, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
17 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Verhältnis mittlerer Halsdurchmesser Φ₁/mittlerer Porendurchmesser Φ₂ und dem Auffangverhältnis zeigt, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
18 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Verhältnis mittlerer Halsdurchmesser Φ₁/mittlerer Porendurchmesser Φ₂ und dem Druckverlust zeigt, bei dem ersten experimentellen Beispiel;
19 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der geklopften Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid und dem Auffangverhältnis zeigt, bei einem zweiten experimentellen Beispiel;
20 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Auffangverhältnis und dem Verhältnis PD_M/TD_ST der komprimierten Raumdichte PD_M [g/cm³] des cordieritbildenden Rohmaterials zur geklopften Raumdichte TD_ST [g/cm³] eines gemischten Pulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk zeigt, bei dem zweiten experimentellen Beispiel; und
21 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Auffangverhältnis und dem Verhältnis A₁/A₂ der mittleren Partikelgröße A₁ von porösem Siliziumdioxid zur mittleren Partikelgröße A₂ von Aluminiumhydroxid bei dem zweiten experimentellen Beispiel zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
[Erste Ausführungsform]
Eine Ausführungsform eines Abgasreinigungsfilters wird anhand der 1 bis 9 beschrieben. Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, weist der Abgasreinigungsfilter 1 dieser Ausführungsform, der aus Cordierit usw. gebildet ist, ein Gehäuse 11, Trennwände 12 und Zellen 13 auf. Das Gehäuse 11 der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine zylindrische Gestalt, wobei die Axialrichtung des Gehäuses 11 als die Axialrichtung Y bezeichnet wird. Die Pfeile in 2 zeigen die Wege, durch die das Abgas strömt, wenn der Abgasreinigungsfilter zum Durchleiten von Abgas aus einem Abgasrohr usw. angeordnet ist.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, teilen die Trennwände 12 das Innere des Gehäuses 11 in eine große Anzahl von Zellen 13 auf. Solche Trennwände 12 werden manchmal als Zellwände bezeichnet. Die Trennwände 12 dieser Ausführungsform sind in einer Gitterkonfiguration ausgebildet. Der Abgasreinigungsfilter 1 weist einen porösen Körper mit einer Mehrzahl von Poren 121 auf, die in den Trennwänden 12 ausgebildet sind, wie in den 3A und 3B dargestellt, so dass im Abgas enthaltene PM bzw. enthaltenes PM aufgefangen und auf den Oberflächen der Trennwände 12 und im Inneren der Poren 121 abgeschieden wird. Das PM besteht aus feinen Partikeln, die als Feststoffe oder Partikel bezeichnet werden, etc.
Der mittlere Porendurchmesser der Trennwände 12 kann in einem Bereich von 12 µm bis 30 µm, vorzugsweise 13 µm bis 28 µm, und weiter bevorzugt 15 µm bis 25 µm angepasst werden. Die Porosität der Trennwände 12 kann in einem Bereich von 55 % bis 75 %, vorzugsweise 58 % bis 73 % und weiter bevorzugt 60 % bis 70 % angepasst werden. Liegen der mittlere Porendurchmesser und die Porosität der Trennwände 12 innerhalb dieser Bereiche, kann eine erforderliche Festigkeit bei gleichzeitig hohem Auffangverhältnis und geringem Grad an Druckverlust erreicht werden. Wenn der mittlere Porendurchmesser der Trennwände 12 gleich 12 µm oder mehr ist und die Porosität 55 % oder mehr beträgt, kann der Permeabilitätskoeffizient von Darcy auf beispielsweise 0,8 oder mehr erhöht werden und es kann ein ausreichend geringer Druckverlustgrad erreicht werden. Folglich eignet sich der Abgasreinigungsfilter 1 für Anwendungen wie die Erfassung von PM, das von einem Ottomotor abgegeben wird. Falls der mittlere Porendurchmesser der Trennwände 12 gleich 30 µm oder weniger ist, kann der Tortuositätsgrad der Kommunikationsporen 122, wie nachfolgend beschrieben, auf einfache Art und Weise erhöht werden und das Auffangverhältnis kann weiter verbessert werden. Beträgt die Porosität der Trennwände 12 75 % oder weniger, kann die strukturelle Zuverlässigkeit des Abgasreinigungsfilters 1 auf einfache Art und Weise gewährleistet werden. Die mittlere Porengröße und Porosität der Trennwände 12 kann mittels Quecksilberporosimetrie gemessen werden, wie im Folgenden für experimentelle Beispiele beschrieben.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, weist der Abgasreinigungsfilter 1 eine große Anzahl von Zellen 13 auf. Die Zellen 13 sind von den Trennwänden 12 umgeben, um Gasströmungspfade zu bilden. Die Erstreckungsrichtung einer Zelle 13 stimmt im Allgemeinen mit der axialen Richtung Y überein.
Wie in 1 dargestellt ist, kann die Zellgestalt in der Querschnittsansicht orthogonal zur Axialrichtung Y gesehen rechteckig sein. Die Zellgestalt ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann ein Polygon, wie ein Dreieck, ein Viereck oder ein Sechseck, sein, oder kann ein Kreis oder eine Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen Formen sein.
Der Abgasreinigungsfilter 1 dieser Ausführungsform ist ein säulenförmiger Körper mit zylindrischer Gestalt, dessen Abmessungen nach Bedarf geändert werden können. Der Abgasreinigungsfilter 1 weist eine erste Endoberfläche 14 und eine zweite Endoberfläche 15 auf, die sich an jeweils gegenüberliegenden Enden mit Bezug auf die Axialrichtung Y befinden. Wenn der Abgasreinigungsfilter 1 in einem Abgasdurchlass, wie einem Abgasrohr, angeordnet ist, bildet die erste Endoberfläche 14 eine stromaufwärtige Endfläche, während die zweite Endoberfläche 15 eine stromabwärtige Endoberfläche bildet.
Die Zellen 13 weisen erste Zellen 131 und zweite Zellen 132 auf. Wie in 2 dargestellt ist, ist jede erste Zelle 131 an der ersten Endoberfläche 14 offen und ist durch einen Dichtungsabschnitt 16 an der zweiten Endoberfläche 15 verschlossen. Jede zweite Zelle 132 ist an der zweiten Endoberfläche 15 offen und durch einen Dichtungsabschnitt 16 an der ersten Endoberfläche 14 verschlossen. Die Dichtungsabschnitte 16 können aus einer Keramik, wie Cordierit, hergestellt sein, diese können aber auch aus anderen Materialien hergestellt sein. Obwohl die in 2 dargestellten Dichtungsabschnitte 16 in Gestalt von Stopfen vorliegen, ist die Gestalt nicht besonders beschränkt, solange Zellen an der ersten Endoberfläche 14 und der zweiten Endoberfläche 15 abgedichtet werden können. Obwohl auf die Darstellung einer solchen Struktur verzichtet wird, wäre es auch möglich, die Dichtungsabschnitte 16 zu bilden, indem Teile der Trennwände 12 an den ersten Endflächen 14 und Endflächen 15 verformt werden. Da die Dichtungsabschnitte 16 in diesem Fall aus Teilen der Trennwände 12 bestehen würden, würden die Trennwände 12 und der Dichtungsabschnitt 16 kontinuierlich gebildet.
Die ersten Zellen 131 und zweiten Zellen 132 dieser Ausführungsform sind so ausgebildet, dass diese abwechselnd nebeneinander mit Bezug auf eine Querrichtung orthogonal zur Axialrichtung Y und auch mit Bezug auf eine Längsrichtung orthogonal zu sowohl der Axialrichtung Y als auch der Querrichtung angeordnet sind. Das heißt, wenn die erste Endoberfläche 14 oder die zweite Endoberfläche 15 des Abgasreinigungsfilters 1 aus der Axialrichtung Y betrachtet wird, sind die ersten Zellen 131 oder die zweiten Zellen 132 in einem Schachbrettmuster angeordnet.
Die Trennwände 12 trennen erste Zellen 131 und zweite Zellen 132, die benachbart zueinander liegen, wie in 2 dargestellt ist. In den Trennwänden 12 ist eine große Anzahl von Poren 121 ausgebildet, wie in den 3A und 3B dargestellt ist. Wie dargestellt ist, enthalten die Trennwände 12 neben Kommunikationsporen 122, die zwischen ersten Zellen 131 und zweiten Zellen 132, die benachbart zueinander liegen, kommunizieren, auch Nicht-Kommunikationsporen 123, die keine Kommunikation zwischen einer ersten Zelle 131 und einer zweiten Zelle 132 zulassen. Die 4A und 4B zeigen die Poren 121 der 3A und 3B in vereinfachter Form. Obwohl in den 3 und 4 die Poren 121 zur Vereinfachung zweidimensional dargestellt sind, kann man zumindest bei den Kommunikationsporen 122 berücksichtigen, dass sich die meisten Poren dreidimensional schneiden.
Im Abgasreinigungsfilter 1 der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Tortuositätsgrad der Kommunikationsporen 122 1,1 oder mehr. Der Tortuositätsgrad ist definiert als das Verhältnis der mittleren Strömungspfadlänge L [µm] der Kommunikationsporen 122 zur Dicke T [µm] der Trennwände 12, das heißt, dieser wird durch L/T ausgedrückt. Wenn der Tortuositätsgrad 1,1 oder mehr beträgt, kann der Abgasreinigungsfilter 1 ein hohes Auffangverhältnis aufweisen, auch wenn die Porosität hoch ist. Insbesondere kann der Abgasreinigungsfilter 1 ein ausreichend hohes Auffangverhältnis aufweisen, auch wenn die Porosität beispielsweise auf 55 % oder mehr erhöht ist. Somit kann das Auffangverhältnis erhöht und gleichzeitig ein Anstieg des Druckverlustes unterdrückt werden.
Unter dem Aspekt der Verbesserung des Auffangverhältnisses beträgt der Tortuositätsgrad vorzugsweise 1,15 oder mehr, bevorzugter 1,2 oder mehr und noch bevorzugter 1,3 oder mehr, oder noch bevorzugter 1,35 oder mehr. Falls andererseits der Tortuositätsgrad übermäßig hoch gemacht wird, wird es allmählich schwieriger, das Auffangverhältnis zu verbessern, und es wird schwieriger, den Druckverlust zu reduzieren. Daher ist unter dem Gesichtspunkt der Beschränkung des Druckverlustes der Tortuositätsgrad vorzugsweise auf 1,6 oder weniger, oder noch bevorzugter 1,5 oder weniger, oder noch bevorzugter 1,4 oder weniger eingestellt. Unter dem Gesichtspunkt, sowohl ein hohes Auffangverhältnis als auch einen geringen Druckverlust zu erreichen, ist es noch bevorzugter, den Tortuositätsgrad in einem Bereich von 1,2 bis 1,3 einzustellen.
Der Tortuositätsgrad wurde wie folgt gemessen. Insbesondere wurde, wie in 5 dargestellt ist, ein CT-Scan der Trennwände 12 einer Messprobe durchgeführt, die aus einem Abgasreinigungsfilter entnommen wurde, um ein Scanbild der Wände 12 aufzunehmen. Als die CT-Scan-Vorrichtung wurde ein Xradia 520 Versa der Firma ZEISS verwendet. Die Messbedingungen entsprachen einer Aufnahmespannung von 80 kV und einem Aufnahmestrom von 87 mA. Die Auflösung des aufgenommenen Bildes beträgt 1,6 µm/Pixel. Zu beachten ist, dass 5 einen Teil der Messprobe zeigt.
Die Abtastrichtung S des CT-Scans erfolgte entlang der Dickenrichtung einer Trennwand 12 ausgehend von einer Oberfläche der Trennwand 12 (im Folgenden aus Gründen der Einfachheit als Trennwandoberfläche 12a bezeichnet), die sich auf der Seite einer ersten Zelle 131 befindet, in Richtung hin zu der Oberfläche dieser Trennwand 12 (im Folgenden als Trennwandoberfläche 12b bezeichnet), die sich auf der Seite einer zweiten Zelle 132 befindet, wobei sich die erste Zelle 131 an der ersten Endoberfläche 14 (welche der stromaufwärtigen Endoberfläche entspricht) öffnet und sich die zweite Zelle 132 an der zweiten Endoberfläche 15 öffnet (welche der stromabwärtigen Endoberfläche entspricht). Die 6 und 7 zeigen Beispiele für Scanbilder, wobei 7 eine vergrößerte Ansicht von 6 ist. In den 6 und 7 ist die Richtung entlang der Y-Achse als die Y-Richtung angenommen und die Richtung im rechten Winkel zur Y-Richtung und entlang einer der vier die zweite Zelle 132 umgebenden Trennwände 12 ist als die X-Richtung angenommen, während die andere Richtung im rechten Winkel zur Y-Richtung als die Z-Richtung angenommen ist. Das Symbol M bezeichnet einen Dichtungsabschnitt 16, der sich auf der ersten Endoberfläche 14 befindet.
Somit entspricht in den 6 und 7 die Scanrichtung S der -Z-Richtung. Die Bilder oben links in den 6 und 7 zeigen entsprechende Beispiele für Scanbilder, die in dieser Richtung aufgenommen wurden. Ein Scanbild, das in der -Z-Richtung aufgenommen wurde, liegt in einer XY-Ebene. Als Referenz sind Scanbilder, die in der Y-Richtung aufgenommen wurden (Bilder in einer XZ-Ebene), in den unteren linken Teilen der 6 und 7 entsprechend gezeigt, und Scanbilder, die in der -X-Richtung aufgenommen wurden (Bilder in einer YZ-Ebene), sind in den unteren rechten Teilen der 6 und 7 entsprechend gezeigt.
Anschließend wurde eine Analyse unter Verwendung einer Gruppe von aufgenommenen Bildern in der Scanrichtung S durchgeführt, wobei die Anzahl der in der Scanrichtung S aufgenommenen Bilder gleich der Dicke einer Trennwand 12 (in µm) geteilt durch die Größe von 1 Pixel (1,6 µm) ist. Im folgenden Beispiel ist der Bereich der Analysebildgröße in der XY-Ebene 500 µm × 500 µm, während die Anzahl der für die -Z-Richtung verwendeten Bilder gleich der Dicke einer Trennwand 12 (in µm) geteilt durch 1,6 µm ist.
Die Binarisierungsverarbeitung wurde dann an den aufgenommenen Bildern in Scanrichtung S durchgeführt. Die Analysesoftware Image J des United States National Institute of Health (NIH) wurde für die Binarisierungsverarbeitung verwendet. Der Zweck der Binarisierung liegt darin, zwischen den Porenabschnitten und Rahmenabschnitten in den Trennwänden 12 zu unterscheiden. Ein Rahmenabschnitt ist ein Keramikabschnitt in der Trennwand 12, während ein Porenabschnitt einem anderen Abschnitt als einem Keramikabschnitt entspricht, das heißt, in dem es keine Keramik gibt. Da die Porenabschnitte und Rahmenabschnitte zueinander unterschiedliche Helligkeiten aufweisen, wird die Binarisierungsverarbeitung durchgeführt, nachdem ein in den aufgenommenen Bildern verbleibendes Rauschen entfernt und eine beliebige Schwelle bzw. ein beliebiger Schwellenwert eingestellt wurde. Da der geeignete Schwellenwert in Abhängigkeit der Messprobe variiert, wird für jedes Bild ein Schwellenwert eingestellt, der in der Lage ist, die Porenabschnitte und die Rahmenabschnitte zu trennen, indem das gesamte vom CT-Scan aufgenommene Bild visuell überprüft wird. 8A zeigt ein Beispiel für ein aufgenommenes Bild vor dem Binarisierungsprozess, und 8B zeigt ein Beispiel nach dem Binarisierungsprozess. Die schwarzen Bereiche in 8B entsprechen den Porenabschnitten und die grauen Bereiche entsprechen den Rahmenabschnitten.
Nach der Binarisierungsverarbeitung wurde das aufgenommene Bild in die von der Firma SCSK hergestellte GeoDict Analysesoftware eingelesen und ein virtuelles Modell erstellt, in dem die Struktur der Porenabschnitte und der Rahmenabschnitte unter einer Bedingung von 0,685 µm pro Voxel dreidimensional modelliert wurde. Die Strömungspfadlängen (µm) aller Kommunikationsporen 122 wurden dann für das erhaltene virtuelle Modell gemessen. Das PM strömt zusammen mit dem Gas, das versucht, als ein Fluid durch die kürzesten Strömungspfade in den Kommunikationsporen 122 zu strömen. Die wie vorstehend gemessenen Strömungspfadlängen entsprechend den kürzesten Pfaden bzw. Wegen, die das Gas über die Kommunikationsporen 122 durchströmt. Das heißt, die Strömungspfadlänge einer Kommunikationspore 122 entspricht einem Parameter, der nicht unbedingt mit den Längen von Linien übereinstimmt, welche die Mittelpunkte der Porendurchmesser verbinden. Der Mittelwert aller erhaltenen Strömungspfadlängen der Kommunikationsporen 122 wurde als die mittlere Strömungspfadlänge L [µm] der Kommunikationsporen 122 angenommen. Darüber hinaus wurde die Dicke (µm) des virtuellen Modells als die Dicke T [µm] der Trennwand 12 bei der Berechnung des Tortuositätsgrades eingestellt. Der Tortuositätsgrad der Messprobe wurde dann durch Dividieren der mittleren Strömungspfadlänge L [µm] der Kommunikationsporen 122, wie vorstehend beschrieben bestimmt, durch die Dicke T [µm] der Trennwand 12 berechnet. Aus dem Abgasreinigungsfilter 1 wurden sechs Messproben entnommen und der Tortuositätsgrad im Abgasreinigungsfilter 1 wurde als der Mittelwert der jeweiligen Tortuositätsgrade der Messproben, berechnet wie vorstehend beschrieben, berechnet.
Insbesondere wurden die Messproben, wie in 9 gezeigt, entsprechend an sechs Stellen entnommen, d.h. an einem zentralen Abschnitt 1a, einem inneren Abschnitt 1b, einem inneren Abschnitt 1c, einem zentralen Abschnitt 1d, einem inneren Abschnitt 1e und einem inneren Abschnitt 1f. Der zentrale Abschnitt 1a befindet sich in der Mitte einer Y-Richtungsachse, die sich entlang der Mittelachse des Abgasreinigungsfilters 1 befindet, der innere Abschnitt 1b liegt dicht hinter den Dichtungsabschnitten 16 an der ersten Endoberfläche 14 des Filters, der innere Abschnitt 1c liegt dicht hinter den Dichtungsabschnitten 16 an der zweiten Endoberfläche 15 des Filters, der zentrale Abschnitt 1d befindet sich in der Mitte einer Y-Richtungsachse, die durch die Mitte eines Filterradius verläuft, der innere Abschnitt 1e liegt dicht hinter den Dichtungsabschnitten 16 an der ersten Endoberfläche 14 des Filters und der innere Abschnitt 1f liegt dicht hinter den Dichtungsabschnitten 16 an der zweiten Endoberfläche 15 des Filters. Die Gestalt jeder Messprobe entspricht einem Würfel, dessen Abmessungen in den Richtungen orthogonal zur Axialrichtung Y gleich 5 mm lang × 5 mm breit sind und dessen Länge in der Axialrichtung Y gleich 5 mm ist.
Die Dicke der Trennwände 12 im Abgasreinigungsfilter 1 kann beispielsweise in dem Bereich von 100 µm bis 400 µm angepasst werden. Wie in 9 dargestellt ist, wurde die Dicke der Trennwände 12 als der Mittelwert von jeweiligen Dickenwerten angenommen, die an drei der oben beschriebenen Stellen im Abgasreinigungsfilter 1, d.h. an dem zentralen Abschnitt 1a, dem inneren Abschnitt 1b und dem inneren Abschnitt 1c, gemessen wurden.
Das Auffangverhältnis hängt im Allgemeinen von der Frequenz bzw. Häufigkeit von Kollisionen von PM mit den Trennwänden 12 ab. Durch Einstellen des Tortuositätsgrades L/T auf 1,1 oder mehr, wie bei der vorliegenden Ausführungsform, wird eine komplexe Struktur für die Kommunikationsporen 122 realisiert, durch die PM hindurchgeht. Dadurch wird die Kollisionshäufigkeit von PM in den Kommunikationsporen 122 erhöht. Dies wird als Folge der Tatsache angesehen, dass die Häufigkeit von Trägheitskollisionen von PM durch die Tortuosität der Kommunikationsporen 122 erhöht wird. Folglich kann der Abgasreinigungsfilter 1 ein hohes Auffangverhältnis aufweisen, auch wenn die Porosität erhöht ist. Der Zusammenhang zwischen dem Tortuositätsgrad und dem Auffangverhältnis wird anhand eines im Folgenden beschriebenen ersten experimentellen Beispiels näher beschrieben.
Das Auffangverhältnis des Abgasreinigungsfilters 1 der vorliegenden Ausführungsform kann unter Beibehaltung der Strukturfestigkeit auf beispielsweise 70 % oder mehr erhöht werden. Ein Katalysator kann durch Beschichten des Abgasreinigungsfilters 1 mit einer Schlämme, die einen Katalysator, wie ein Edelmetall, enthält, getragen werden. Wenn dies geschieht, dann wird in Abhängigkeit vom Katalysatorpartikeldurchmesser, der Schlämmenviskosität, der getragenen Menge und der Strömungsratenbedingungen der Schlämme zu der Zeit der Beschichtung usw. ein Teil der Poren 121 blockiert und das Auffangverhältnis wird verringert. Insbesondere wenn die getragene Menge nicht größer als 70 g/L ist, wird das Auffangverhältnis auf etwa 4/5 des Verhältnisses vor dem Tragen bzw. Auftragen reduziert, während, wenn die getragene Menge größer als 70 g/L ist, das Auffangverhältnis auf etwa 2/3 ~ 1/2 des Verhältnisses vor dem Auftragen reduziert wird und dazu neigt, noch niedriger zu werden. Dies liegt daran, da die Strömungspfade durch diese Kommunikationsporen 122, die für die PM-Sammlung wirksam sind, durch den Katalysator blockiert werden.
Es ist vorzuziehen, dass das PM-Auffangverhältnis nach dem Tragen des Katalysators mehr als 60 % beträgt, was die Reaktion auf eine zukünftige Verschärfung der Vorschriften betrifft. Daher beträgt das PM-Auffangverhältnis vor dem Auftragen des Katalysators vorzugsweise 70 % oder mehr. Darüber hinaus ist es im Hinblick auf die Reaktion auf die weitere Verschärfung der Vorschriften weiter bevorzugt, dass das PM-Auffangverhältnis vor dem Auftragen des Katalysators 80 % oder mehr beträgt. Ein Katalysator, der 50 g/L oder mehr trägt, kann auf den Abgasreinigungsfilter 1 aufgebracht werden, und der Tortuositätsgrad L/T in dem Zustand, in dem dieser Katalysator aufgetragen wurde, kann größer als 1,6 und kleiner als 2,5 gemacht werden. Ein Abgasreinigungsfilter wird häufig in einem Zustand verwendet, in dem ein Katalysator aufgetragen wurde, und es ist wichtig, einen ausreichenden Tortuositätsgrad der Kommunikationsporen 122 in den Trennwänden 12 auch bei diesem Zustand des Filters aufrechtzuerhalten. Eine Katalysatormenge von 50 g/L ist notwendig, um zukünftige Emissionsvorschriften zu erfüllen. Mit der vorstehenden Konfiguration kann das Auffangverhältnis verbessert und der Druckverlust auch in dem Zustand, in dem ein Katalysator aufgetragen wurde, unterdrückt werden. Es ist anzumerken, dass der Tortuositätsgrad L/T auch unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens unter dem Zustand, in dem ein Katalysator aufgetragen wurde, bestimmt werden kann. In diesem Zustand wird der Tortuositätsgrad aus den Aspekten der Verbesserung des Auffangverhältnisses und der Unterdrückung eines Druckverlusts usw. vorzugsweise zu 1,7 oder mehr, weiter bevorzugt zu 1,8 oder mehr oder noch weiter bevorzugt zu 2,0 oder mehr gemacht. Darüber hinaus wird der Tortuositätsgrad in dem Zustand, in dem der Katalysator aufgetragen wurde, vorzugsweise zu 2,45 oder weniger, weiter bevorzugt zu 2,4 oder weniger oder noch weiter bevorzugt zu 2,3 oder weniger gemacht. Der Grund für eine Änderung des Tortuositätsgrades nach dem Auftragen des Katalysators liegt darin, dass Strömungspfade durch den Katalysator blockiert werden, so dass die kürzesten Strömungspfade, die vor dem Auftragen des Katalysators gebildet wurden, nicht mehr genommen werden können.
[Zweite Ausführungsform]
Ein Abgasreinigungsfilter gemäß einer zweiten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 9, die vorstehend zur Beschreibung der ersten Ausführungsform verwendet werden, und die 10 und 11 beschrieben. Entsprechen Elemente der zweiten Ausführungsform den Elementen der ersten Ausführungsform, so wird bei der Beschreibung der zweiten Ausführungsform, sofern nicht anders angegeben, das gleiche Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet, und eine weitere Beschreibung selbiger entfällt.
Im Abgasreinigungsfilter 1 der vorliegenden Ausführungsform erfüllt die Beziehung zwischen dem Mittelwert 11 µm des Halsdurchmessers der Kommunikationsporen 122 und dem mittleren Porendurchmesser Φ₂ [µm] der Poren in der Trennwand 12 das folgende Gleichungsverhältnis (3). Der Mittelwert Φ₁ des Halsdurchmessers wird im Folgenden als der „mittlere Halsdurchmesser Φ₁“ bezeichnet. Das heißt, bei dem Abgasreinigungsfilter 1 der vorliegenden Ausführungsform ist das Verhältnis Φ₁/Φ₂ des mittleren Halsdurchmessers Φ₁ zum mittleren Porendurchmesser Φ₂ der Trennwand 12 gleich 0,2 oder mehr. $Φ_{1} / Φ_{1} ≧ 0,2$
Zunächst wird der Halsdurchmesser beschrieben. Wie in 10 dargestellt ist, sind in einer Trennwand 12 eine große Anzahl von Poren 121 ausgebildet, einschließlich einer großen Anzahl von Kommunikationsporen 122, die zwischen benachbarten der Zellen 13 kommunizieren. Der Strömungsdurchlassbereich, durch den das Abgas in einer Kommunikationspore 122 strömt, ist in der Regel nicht konstant, sondern variiert kontinuierlich, und es gibt enge Abschnitte, in denen der Strömungsdurchlassbereich lokal abnimmt. In jeder Kommunikationspore 122 entsprechen die kleinsten schmalen Abschnitte Halsabschnitten 124a, 124b.
11 ist ein Bild, das durch Ausführen eines CT-Scans bei einer Trennwand 12 des Abgasreinigungsfilters 1, wie bei der ersten Ausführungsform, und Anwenden einer Binarisierungsverarbeitung erhalten wird. In 11 ist in einem Strömungspfad Rt der Kommunikationsporen 122, der durch einen Pfeil angegeben ist, der engste Halsabschnitt 124c gezeigt, der von einem kreisförmigen Rahmen umgeben ist. Der äquivalente Kreisdurchmesser des Strömungsdurchlassbereichs des Halsabschnitts ist der Halsdurchmesser. Das heißt, der Durchmesser eines Kreises mit der gleichen Fläche wie der Strömungsdurchlassbereich am Halsabschnitt entspricht dem Halsdurchmesser. Der Halsdurchmesser wird durch den äquivalenten Kreisdurchmesser des Halsabschnitts definiert, bei dem die Strömungsdurchlassfläche bzw. der Strömungsdurchlassbereich der Kommunikationspore 122 einem Minimum entspricht. Obwohl der mit dem Pfeil in 11 angegebene Strömungspfad Rt an der Seite des Scanbildes endet, geht der Pfad tatsächlich von der Trennwandfrontfläche 12a hin zur Trennwandrückfläche 12b weiter.
Der Halsdurchmesser wurde nach dem Blasenpunktverfahren gemessen. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine poröse Messprobe vollständig mit einer Flüssigkeit mit bekannter Oberflächenspannung imprägniert. Anschließend wird von einer Endoberfläche der Probe aus Druck auf die Messprobe ausgeübt. Mit steigendem Druck wird die Flüssigkeit in den Poren der Messprobe herausgedrückt und das Gas beginnt durch die Probe zu strömen. Mit steigendem Druck steigt die Gasströmungsrate. Der Porendurchmesser wird nach folgender Gleichung (4) basierend auf dem Druck, bei dem das Gas von der Endoberfläche gegenüber der Endoberfläche, auf die der Druck ausgeübt wird, strömt, berechnet. In Gleichung (4) entspricht Dp dem Porendurchmesser, γ der Oberflächenspannung der zu imprägnierenden Flüssigkeit und 0 dem Kontaktwinkel der Flüssigkeit, der konstant ist. Die Messvorrichtung, die mit der vorliegenden Ausführungsform verwendet wurde, war CEP-1100AXSHJ hergestellt von der Porous Material Company, und Silwick (Oberflächenspannung: 20,1 [dyne/cm]), hergestellt von derselben Firma, wurde als Reagens verwendet. $D_{P} = 4 \times γ \times cos θ \times α / P$
Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht die im Blasenpunktverfahren verwendete Messprobe einem Teil eines Abgasreinigungsfilters. Da die Messprobe eine große Anzahl von Kommunikationsporen 122 aufweist, wird der Druck, bei dem das Gas bei dem Blasenpunktverfahren aus der Endoberfläche austritt, durch enge Abschnitte in den Kommunikationsporen 122 (insbesondere Halsabschnitte 124a, 124b, 124c) beschränkt. Dies liegt daran, da die Halsabschnitte 124a, 124b, 124c in den Kommunikationsporen 122 den Wert des Widerstands gegen die Gasströmung überwiegend bestimmen. Aus diesem Grund entspricht der Porendurchmesser Dp in Gleichung (4) dem Halsdurchmesser.
Bei dem Blasenpunktverfahren wurden sechs Messproben aus einem Abgasreinigungsfilter 1 verwendet. Die jeweiligen Entnahmeorte dieser Messproben waren die gleichen wie bei den Proben zur Messung des Tortuositätsgrades, die vorstehend für die erste Ausführungsform beschrieben wurden. Die Gestalt einer Messprobe bei dem Blasenpunktverfahren entspricht jedoch dieser eines scheibenförmigen Körpers mit einem Durchmesser Φ von 19 mm in einer Richtung orthogonal zur Axialrichtung Y und einer Dicke von 400 µm bis 500 µm entlang der Axialrichtung Y. Die Endoberflächen, die den Druck verändern, sind Scheibenflächen des scheibenförmigen Körpers. Darüber hinaus wurden keine Dichtungsabschnitte 16 in die gesammelten Messproben aufgenommen. Aus diesem Grund wurden in den ersten Zellen 131 und den zweiten Zellen 132 jeder Messprobe Dichtungsabschnitte 16 vorgesehen, um den gleichen Gasstrom wie im Abgasreinigungsfilter 1 zu erhalten. Der Halsdurchmesser wurde nach dem Blasenpunktverfahren unter Verwendung der sechs Messproben gemessen und der Mittelwert der jeweiligen gemessenen Durchmesser wurde als der mittlere Halsdurchmesser Φ₁ berechnet. Details werden im Folgenden für experimentelle Beispiele beschrieben.
Der mittlere Porendurchmesser Φ₂ in den Trennwänden 12 wurde durch das Quecksilberintrusionsverfahren bestimmt, wie im folgenden experimentellen Beispiel gezeigt. Die Messprobe war ein rechteckiger Festkörper, dessen Abmessungen in den Richtungen orthogonal zur Axialrichtung Y des Abgasreinigungsfilters 1 gleich 15 mm lang × 15 mm breit sind und die Länge in der Axialrichtung Y 20 mm beträgt.
Wenn der mittlere Halsdurchmesser Φ₁ [µm] und der mittlere Porendurchmesser Φ₂ [µm], wie oben beschrieben gemessen, die Beziehung Φ₁/Φ₂ ≧ 0,2 erfüllen, wird der Druckverlust des Abgasreinigungsfilters 1 verringert. Um den Druckverlust weiter zu reduzieren, ist es vorzuziehen, die Beziehung Φ₁/Φ₂ ≧ 0,3 zu erfüllen, weiter bevorzugt, die Beziehung Φ₁/Φ₂ ≧ 0,4 zu erfüllen, oder noch bevorzugter, die Beziehung Φ₁/Φ₂ ≧ 0,5 zu erfüllen.
Weitere Konfigurationen und Betriebseffekte ähneln denen des Abgasreinigungsfilters 1 der ersten Ausführungsform. Ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem hohen Auffangverhältnis und einem geringen Druckverlust kann durch Kombinieren der Konfigurationen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform bereitgestellt werden.
[Dritte Ausführungsform]
Ein Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters, bei dem die Poren einen Tortuositätsgrad von 1,1 oder mehr aufweisen, wie bei der ersten Ausführungsform, wird als nächstes beschrieben. Der Abgasreinigungsfilter der vorliegenden Ausführungsform weist Cordierit als einen Hauptbestandteil auf und wird durch Durchführen eines Mischschritts, eines Formschritts und eines Brennschritts wie folgt hergestellt.
Im Mischschritt werden poröses Siliziumdioxid, Talk und eine Al-Quelle (Aluminiumquelle) gemischt, um ein cordieritbildendes Rohmaterial herzustellen. Im Formschritt wird Ton hergestellt, der das cordieritbildende Rohmaterial enthält, und der Ton wird geformt, um einen Formkörper herzustellen. Im Brennschritt wird der Formkörper gebrannt.
Der Abgasreinigungsfilter 1 weist als dessen Hauptbestandteile Cordierit mit einer chemischen Zusammensetzung von beispielsweise 45 Gew.-% bis 55 Gew.-% SiO₂, 33 Gew.-% bis 42 Gew.-% Al₂O₃ und 12 Gew.-% bis 18 Gew.-% MgO auf. Daher wird bei der Herstellung des Abgasreinigungsfilters 1 ein cordieritbildendes Rohmaterial, das eine Si-Quelle, eine Al-Quelle und eine Mg-Quelle umfasst, zur Herstellung einer Cordieritzusammensetzung verwendet.
Ein cordieritbildendes Rohmaterial entspricht einem Material, das in der Lage ist, eine Cordieritzusammensetzung durch Brennen herzustellen. Bei dieser Ausführungsform wird als das Rohmaterial eine Mischung verwendet, die durch geeignetes Mischen von Siliziumdioxid, Talk, Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Kaolin usw. erhalten wird.
Als das Siliziumdioxid wird poröses Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte von weniger als 0,38 g/cm³ verwendet, wodurch ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem Tortuositätsgrad von 1,1 oder mehr erhalten werden kann. Der Grund dafür ist wie folgt.
In einem cordieritbildenden Rohmaterial sind poröses Siliziumdioxid und Talk porenbildende Materialien. Durch die Verwendung von porösem Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte, die vorgegeben kleiner als der vorstehende Wert ist, wird der Volumenanteil des porenbildenden Materials im cordieritbildenden Rohmaterial erhöht. Folglich wird die Anzahl der Kommunikationsporen erhöht und der Tortuositätsgrad wird erhöht, wodurch ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem hohen Auffangverhältnis erhalten werden kann. Die geklopfte Raumdichte wird nach einem im Folgenden beschriebenen Verfahren mit Bezug auf ein experimentelles Beispiel gemessen.
Unter dem Aspekt der weiteren Erhöhung des Tortuositätsgrades und des Erhaltens eines Abgasreinigungsfilters 1 mit einem noch höheren Auffangverhältnis wird die geklopfte Raumdichte TDs des porösen Siliziumdioxids vorzugsweise kleiner als 0,38 g/cm³, oder bevorzugter kleiner als 0,33 g/cm³, und noch bevorzugter kleiner als 0,28 g/cm³ gemacht.
Darüber hinaus erfüllen die komprimierte Raumdichte PDM [g/cm³] des cordieritbildenden Rohmaterials und die geklopfte Raumdichte TD_ST [g/cm³] des gemischten Pulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk vorzugsweise die Beziehung PD_M/TD_ST ≧ 1,7, oder bevorzugter PD_M/TD_ST ≧ 1,8, oder noch bevorzugter PD_M/TD_ST ≧ 1,9. In diesem Fall kann der Tortuositätsgrad L/T weiter erhöht werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass das Volumen an porösem Siliziumdioxid und Talk im cordieritbildenden Rohmaterial erhöht werden kann, indem PD_M/TD_ST auf einen der vorstehend genannten vorbestimmten Werte oder höher eingestellt wird.
Der Tortuositätsgrad kann nicht nur durch Erhöhen der geklopften Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid erhöht werden, sondern auch dadurch, dass das Verhältnis PD_M/TD_ST zwischen der komprimierten Raumdichte PDM [g/cm³] des cordieritbildenden Rohmaterials und der geklopften Raumdichte TD_ST [g/cm³] des gemischten Pulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk höher als ein vorbestimmter Wert gemacht wird. Die Werte der geklopften Raumdichte von porösem Siliziumdioxid und Talk variieren in Abhängigkeit von deren Partikeldurchmesser, Oberflächenunregelmäßigkeiten, Rundheit usw. Das gilt auch für das cordieritbildende Rohmaterial, und daher ist das Volumenverhältnis von porösem Siliziumdioxid und Talk der wichtigste Faktor zur Bestimmung des Tortuositätsgrades im Abgasreinigungsfilter 1. Somit kann der Tortuositätsgrad erhöht werden, indem PD_M/TD_ST , welches das Partikelzahlverhältnis des gemischten Pulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk, also des porenbildenden Materials, darstellt, auf einen der vorstehend genannten vorbestimmten Werte oder höher eingestellt wird. Die komprimierte Raumdichte wird nach einem im Folgenden beschriebenen Verfahren mit Bezug auf ein zweites experimentelles Beispiel gemessen.
Die mittlere Partikelgröße A₁ [µm] des porösen Siliziumdioxids und die mittlere Partikelgröße A₂ [µm] der Al-Quelle erfüllen vorzugsweise die Beziehung A₁/A₂ ≦ 3,58, oder bevorzugter A₁/A₂ ≦ 3,43, oder noch bevorzugter A₁/A₂ ≦ 3,28. In diesem Fall kann der Tortuositätsgrad L/T weiter erhöht werden. Dies liegt daran, dass die Packungsdichte der Bestandteile im cordieritbildenden Rohmaterial durch Anpassen des Partikelgrößenverhältnisses zwischen dem porösen Siliziumdioxid, das ein porenbildendes Material ist, und der Al-Quelle, die ein rahmenbildendes Material ist, gesteuert werden kann. Ein porenbildendes Material ist ein Rohmaterial, das die Bildung der Porenabschnitte in den Trennwänden 12 beeinflusst, und im cordieritbildenden Rohmaterial ist das porenbildende Material beispielsweise eine Si-Quelle, wie poröses Siliziumdioxid oder Talk. Andererseits ist das rahmenbildende Material ein Rohmaterial, das die Bildung der keramischen Abschnitte der Trennwände 12 beeinflusst, und im cordieritbildenden Rohmaterial ist das rahmenbildende Material beispielsweise eine Al-Quelle, wie Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid.
Es ist vorzuziehen, Aluminiumhydroxid als eine Al-Quelle zu verwenden, da dadurch die Porosität erhöht werden kann.
Bei der Herstellung des Abgasreinigungsfilters 1 werden Wasser, ein Bindemittel, ein Schmieröl, ein porenbildendes Material bzw. Porenbildner usw. mit dem cordieritbildenden Rohmaterial geeignet vermischt, um einen Ton herzustellen, der das cordieritbildende Rohmaterial umfasst. Zum Mischen kann ein Kneter verwendet werden. Anschließend wird der Ton, z.B. durch Extrusion, zu einer Wabenform geformt. Der Formkörper aus Ton wird dann beispielsweise nach dem Trocknen in vorbestimmte Längen geschnitten.
Der Formkörper wird dann gebrannt, um dadurch einen Sinterkörper mit einer Wabenstruktur zu erhalten. Obwohl in den Abbildungen nicht dargestellt, weist der Sinterkörper mit einer Wabenstruktur die gleiche Konfiguration auf wie der in den 1 und 2 dargestellte Abgasreinigungsfilter 1, mit der Ausnahme, dass keine Dichtungsabschnitte gebildet wurden.
Anschließend werden unter Verwendung eines Spenders oder Druckers usw., um die erste Endoberfläche 14 oder die zweite Endoberfläche 15 der Zelle 13 mit einer Schlämme zu füllen, welche die gleiche Art von keramischem Rohmaterial enthält wie dieses des Sinterkörpers mit einer Wabenstruktur, und anschließendem Brennen des Sinterkörpers Dichtungsabschnitte 16 ausgebildet. Das Verfahren zum Ausbilden der Dichtungsabschnitte 16 ist nicht besonders beschränkt, und es können andere Verfahren verwendet werden. Alternativ können Dichtungsabschnitte vor dem Brennen auf dem Grünling ausgebildet werden, und das Sintern des Grünlings und der Dichtungsabschnitte kann gleichzeitig in einem einzigen Brennschritt erfolgen. Alternativ können die Dichtungsabschnitte ausgebildet werden, indem Teile der Trennwände 12 auf einer Endoberfläche des wabenförmigen Formkörpers vor oder während des Brennens verformt werden.
Ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem Tortuositätsgrad von 1,1 oder mehr kann dadurch hergestellt werden, wodurch ein Filter mit einem hohen Auffangverhältnis bereitgestellt wird.
Darüber hinaus kann, wie bei der zweiten Ausführungsform, das Partikelzahlverhältnis des porenbildenden Materials im Mischpulver erhöht werden, um das Verhältnis Φ₁/Φ₂ auf einen vorbestimmten Wert zu erhöhen. Der Kontaktgrad zwischen den porenbildenden Materialien kann dadurch durch Erhöhen von Φ₁/Φ₂ erhöht werden. Folglich kann ein Abgasreinigungsfilter 1 mit geringem Druckverlust bei nahezu nicht reduziertem Auffangverhältnis erhalten werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Erhöhen des Tortuositätsgrades der Poren und zum Erhöhen des Verhältnisses Φ₁/Φ₂ für den Fall eines Abgasreinigungsfilters mit Cordierit als den Hauptbestandteil beschrieben. Die Prinzipien des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform gelten jedoch auch für einen Abgasreinigungsfilter mit einem anderen Material als Cordierit als dessen Hauptbestandteil, um den Grad der Porentortuosität zu erhöhen und das Verhältnis Φ₁/Φ₂ des Filters zu erhöhen. Das heißt, selbst wenn der Hauptbestandteil ein anderes Material als Cordierit ist, können der Tortuositätsgrad und das Verhältnis Φ₁/Φ₂ basierend auf der Anwendung der Prinzipien des für die vorliegende Ausführungsform beschriebenen Herstellungsverfahrens erhöht werden. Selbst wenn der Abgasreinigungsfilter beispielsweise hauptsächlich aus einem anderen Material als Cordierit besteht, können die Raumdichte, das Partikeldurchmesserverhältnis usw. des porenbildenden Materials und des rahmenbildenden Materials auf die gleiche Weise angepasst werden, wie bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Somit kann auch in diesem Fall ein Abgasreinigungsfilter erhalten werden, der einen Tortuositätsgrad und ein Verhältnis Φ₁/Φ₂ aufweist, die höher als vorbestimmte Werte sind.
[Erstes experimentelles Beispiel]
Bei diesem Beispiel wurden eine Mehrzahl von Abgasreinigungsfiltern 1 mit unterschiedlichen Werten für den Tortuositätsgrad und das Verhältnis Φ₁/Φ₂ hergestellt, und deren PM-Auffangverhältnisse wurden verglichen und ausgewertet.
Insbesondere wurden poröses Siliziumdioxid, Talk und Aluminiumhydroxid geeignet gemischt, um ein cordieritbildendes Rohmaterial vorzubereiten. Ein Porenbildner aus Graphit, Wasser, einem Schmiermittel und einem Bindemittel aus Methylcellulose wurde dem cordieritbildenden Rohmaterial geeignet zugegeben, um einen Ton vorzubereiten, der das cordieritbildende Rohmaterial enthält. Obwohl die Knetzeit des Tons im Allgemeinen etwa 30 Minuten bis 2 Stunden beträgt, wurde die Knetzeit für die als A1 bis A3, A6 bis A11 bzw. A14 bis A17 bezeichneten Prüfkörper verlängert, um die Konnektivität und den Tortuositätsgrad der Poren durch Verbessern des Kontaktes zwischen Partikeln zu verbessern. Wird die Knetzeit des Tons jedoch zu lang gemacht, verdampft das Wasser und es kann keine ausreichende Formbarkeit erreicht werden. Somit wurde bei diesem Beispiel die Knetzeit des Tons um etwa das 1,2- bis 1,5-fache verlängert. Der so hergestellte Ton wurde im Extrusionsverfahren geformt und gebrannt, und dann wurden Dichtungsabschnitte ausgebildet, um einen Abgasreinigungsfilter herzustellen, der Cordierit als eine Hauptkomponente enthält.
In diesem Beispiel wurden siebzehn Typen von Abgasreinigungsfiltern 1 hergestellt, indem der mittlere Partikeldurchmesser, das Mischungsverhältnis von porösem Siliziumdioxid, Talk und Aluminiumhydroxid, das Mischungsverhältnis von Graphit usw. variiert wurden. Diese Abgasreinigungsfilter werden im Folgenden als Prüfkörper A1 bis A6, A8 bis A12 und A14 bis A19 bezeichnet.
Die Porosität, die mittlere Porengröße, der Tortuositätsgrad L/T und das Verhältnis Φ₁/Φ₂ von jedem Prüfkörper wurden gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Das Auffangverhältnis und der Druckverlust jedes Prüfkörpers wurden ebenfalls gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Zusätzlich wurden der Tortuositätsgrad L/T und das Auffangverhältnis jedes Prüfkörpers gemessen, nachdem 60 g/L Katalysator in die Poren eingebracht worden waren, wobei die Ergebnisse in Tabelle 1 gezeigt sind. Zum Aufbringen des Katalysators wurde ein Innenwandbeschichtungsverfahren verwendet, bei dem eine katalysatorhaltige Schlämme zwischen die Trennwände jedes Prüfkörpers gefüllt und die katalysatorhaltige Schlämme dann aus einer Endoberfläche oder aus beiden Endflächen des Prüfkörpers herausgezogen wird.
(Porosität und mittlerer Porendurchmesser)
Die Porosität und der mittlere Porendurchmesser 22 in der Trennwand 12 jedes Prüfkörpers wurden mit einem Quecksilberporosimeter unter Verwendung des Prinzips des Quecksilberintrusionsverfahrens gemessen. Als das Quecksilberporosimeter wurde das AutoPore IV9500 der Firma Shimadzu (Micrometrics Company) verwendet. Die Messbedingungen waren wie folgt.
Zunächst wurden aus jedem Prüfkörper Prüflinge zur Messung herausgeschnitten. Jeder Prüfling ist ein rechteckiger Quader, dessen Abmessungen in den Richtungen orthogonal zur Axialrichtung 15 mm lang × 15 mm breit betragen und dessen axiale Länge 20 mm beträgt. Anschließend wurde der Prüfling in die Messzelle des Quecksilberporosimeters gelegt und der Druck in der Messzelle wurde reduziert. Anschließend wurde Quecksilber in die Messzelle eingebracht und unter Druck gesetzt, und die Porengröße und das Porenvolumen wurden dann unter Verwendung des Druckwerts zu der Zeit der Druckbeaufschlagung und des Volumens von Quecksilber, das in die Poren des Prüflings gelangt ist, gemessen.
Die Messung wurde in einem Druckbereich von 0,5 bis 20.000 PSIA durchgeführt. 0,5 PSIA entspricht 0,35 × 10^-3 kg/mm² und 20.000 PSIA entspricht 14 kg/mm². Der Bereich der Porendurchmesser, der diesem Druckbereich entspricht, ist 0,01 bis 420 µm. Ein Kontaktwinkel von 140° und eine Oberflächenspannung von 480 dyn/cm wurden als Konstanten verwendet, um den Porendurchmesser aus dem Druck zu berechnen. Der mittlere Porendurchmesser Φ₂ entspricht dem Porendurchmesser bei einem integrierten Wert von 50 % des Porenvolumens. Die Porosität wurde aus dem folgenden Beziehungsausdruck berechnet, wobei die tatsächliche spezifische Dichte von Cordierit 2,52 beträgt: $\begin{array}{l} Porosität (%) = Gesamtporenvolumen / (Gesamtporenvolumen + 1 / tatsächliche spe- \\ zifische Dichte von Cordierit) \times 100 \end{array}$
(Tortuositätsgrad)
Der Tortuositätsgrad der Poren in den Trennwänden 12 jedes Prüfkörpers wurde nach dem für die erste Ausführungsform beschriebenen Verfahren gemessen. Für die Durchführung der Binarisierung wurde die Bildanalysesoftware ImageJ Version 1.46 verwendet, die von den United States National Institutes of Health (NIH) hergestellt wurde. Zur Messung der Strömungspfadlänge bei der Berechnung des Tortuositätsgrades wurde die Analysesoftware GeoDict Version 2017 der Firma SCSK verwendet.
(Das Verhältnis Φ₁/Φ₂)
Der mittlere Halsdurchmesser Φ₁ der Kommunikationsporen 122 in jedem Prüfkörper wurde nach dem für die zweite Ausführungsform beschriebenen Verfahren gemessen. Das Blasenpunktverfahren wurde mit einem Messgerät CEP-1100AXSHJ der Firma Porous Materials angewendet. Bei der Messung wurde eine ringförmige Spannvorrichtung 4 mit einem Außendurchmesser von 25,4 mm und einem Innendurchmesser von 16,5 mm verwendet, wie in 12 dargestellt. Die Spannvorrichtung 4 ist mit einer Aussparung mit einem Innendurchmesser Φ von 19 mm versehen, in welcher die Messprobe Sp angebracht wurde. Die Messprobe Sp war ein scheibenförmiger Körper mit einem Durchmesser Φ von 19 mm und einer Dicke von 400 bis 500 µm und wurde, wie für die zweite Ausführungsform beschrieben, aus jedem Prüfkörper herausgeschnitten. Die Messprobe Sp wurde so herausgeschnitten, dass die Durchmesserrichtung des scheibenförmigen Körpers rechtwinklig zur Axialrichtung Y des Prüfkörpers ist und die Dickenrichtung des scheibenförmigen Körpers gleich der Axialrichtung Y des Prüfkörpers ist. Die Oberfläche der aus dem Prüfkörper herausgeschnittenen Messprobe Sp wurde mit Schleifpapier #320 endpoliert, und eine luftundurchlässige Kunststoff-Paraffinschicht wurde dann auf beide Endoberflächen der Messprobe Sp aufgebracht. Durch das Ausbilden von Löchern in jeder Schicht wurden die Öffnungen der ersten Zellen 131 und der zweiten Zellen 132 ausgebildet, während Teile der Schicht, in denen keine Löcher ausgebildet waren, als die Dichtungsabschnitte 16 der ersten Zellen 131 und zweiten Zellen 132 dienten. Es ist anzumerken, dass die Schicht und Dichtungsabschnitte 16 aus Gründen der Einfachheit in 12 weggelassen wurden. Die Messprobe Sp, versehen mit Dichtungsabschnitten 16, wurde in der Aussparung der Spannvorrichtung 4 angeordnet. Silwich, hergestellt von der Firma Porous Materials, wurde als die Flüssigkeit verwendet, die nach dem Blasenpunktverfahren mit einer auf 20,1 dyn/cm angepassten Oberflächenspannung in die Messprobe Sp imprägniert wurde. Diese Flüssigkeit wurde mit einer 2 ml-Spritze getropft, bis die Messprobe Sp bedeckt war, und eine Vakuumentgasung wurde durchgeführt, bis die Flüssigkeit vollständig imprägniert war. Anschließend wurde Gas unter Druck in der Dickenrichtung der Messprobe Sp aufgebracht und die Beziehung zwischen Druck und Gasströmungsrate wurde untersucht. Die Richtung, in welcher der Druck ausgeübt wurde, ist durch den Pfeil P in 12 angegeben. Die ersten Zellen 131 waren an der Endoberfläche der Messprobe Sp, wo der Druck aufgebracht wird, offen, während die zweiten Zellen 132 an der Endoberfläche der Messprobe Sp gegenüber der Endfläche, an welcher der Druck aufgebracht wird, offen waren.
Druckkurven, die Zusammenhänge zwischen Druck und Strömungsrate mit dem Blasenpunktverfahren darstellen, sind in 13 gezeigt, insbesondere die Druckkurven, die für den Prüfkörper A1 und den Prüfkörper A2 erhalten wurden. Darüber hinaus können durch Messen des Porendurchmessers (das heißt des Halsdurchmessers) bei jedem Druck aus der Druckkurve, basierend auf der Gleichung (4) der zweiten Ausführungsform, die in 14 gezeigten Beziehungen zwischen Halsdurchmesser und Akkumulationsfrequenz erhalten werden. Der Halsdurchmesser bei einer Frequenz von 50 % in diesem Beziehungsdiagramm entspricht dem Wert des Halsdurchmessers der Messprobe Sp. Darüber hinaus wurden, wie für die zweite Ausführungsform beschrieben, sechs Messproben Sp von jedem Prüfkörper entnommen und der Halsdurchmesser jeder Messprobe Sp wurde gemessen. Der Mittelwert dieser Halsdurchmesser wurde dann berechnet, und das Verhältnis Φ₁/Φ₂ der Werte des mittleren Halsdurchmessers Φ₁ zum vorstehend beschriebenen mittleren Porendurchmesser Φ₂ wurde berechnet.
(Auffangverhältnis und Druckverlust)
Das PM-Auffangverhältnis und der Druckverlust wurden wie folgt gemessen. Der Abgasreinigungsfilter 1 jedes Prüfkörpers wurde am Abgasrohr eines Benzindirekteinspritzmotors befestigt, und ein PM-haltiger Abgasstrom wurde an den Filter geleitet. Zu dieser Zeit wurden die PM-Zahl im Abgas, bevor das Gas in den Abgasreinigungsfilter 1 gelangt ist, und die PM-Zahl im aus dem Filter austretenden Abgas entsprechend zur Berechnung des PM-Auffangverhältnisses gemessen. Die Messbedingungen entsprachen einer Temperatur von 450 °C und einer Abgasströmungsrate von 2,8 m³/min. Der Druck des Abgases vor dem Eintritt in den Abgasreinigungsfilter und der Druck nach dem Austritt aus dem Filter wurden jeweils von Drucksensoren parallel zur Messung des Auffangverhältnisses gemessen, und der Druckverlust des Abgasreinigungsfilters wurde als die Differenz zwischen den jeweils erhaltenen Druckwerten gemessen. Die Messbedingungen entsprachen in diesem Fall einer Temperatur von 720 °C und einer Abgasströmungsrate von 11,0 m³/min. Alle Messungen wurden beginnend mit einem Ausgangszustand durchgeführt, in dem kein PM im Abgasreinigungsfilter abgeschieden war. Die PM-Zahl wurde unter Verwendung eines PM-Partikelzahlzählers (AVL-489) der Firma AVL gemessen.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, weist ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem Tortuositätsgrad von 1,1 oder mehr ein hohes Auffangverhältnis auf. Um den Trend der Beziehung zwischen dem Tortuositätsgrad und dem Auffangverhältnis zu veranschaulichen, ist die Beziehung in 15 für die Prüfmuster dargestellt. Wie in 15 gezeigt ist, wird bei Erhöhung des Tortuositätsgrades das Auffangverhältnis erhöht, und bei einem Tortuositätsgrad von 1,1 oder mehr wird ein hohes Auffangverhältnis von mehr als 65 % erreicht. Falls der Tortuositätsgrad 1,2 oder mehr beträgt, übersteigt das Auffangverhältnis 70 %. Es wird davon ausgegangen, dass dies daran liegt, dass die Häufigkeit von Kollisionen von PM mit den Wandoberflächen aufgrund von Brownscher Bewegung steigt, und die Häufigkeit einer Trägheitskollision von PM ebenfalls steigt, wenn der Tortuositätsgrad zunimmt und der Strömungspfad der Kommunikationsporen in den Trennwänden komplexer wird.
Falls andererseits die Tortuosität 1,6 übersteigt, wird das Verhältnis der Erhöhung des Auffangverhältnisses stark reduziert. Der Grund dafür liegt darin, dass die Überschneidungen der Strömungspfade umso zahlreicher werden, je komplexer der Strömungspfad durch die Kommunikationsporen ist, und während die Häufigkeit der Kollision mit den Trennwänden durch die Brownsche Bewegung zunimmt, wird die Verzweigung der Strömungspfade, durch die PM hindurchgeht, erhöht. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Faktoren zu einer Verringerung von Kollisionen aufgrund von PM-Trägheit führen. Darüber hinaus stehen, wie in 16 gezeigt ist, der Tortuositätsgrad und der Druckverlust in einem proportionalen Verhältnis, wobei der Druckverlust mit zunehmendem Tortuositätsgrad zunimmt. Es ist somit verständlich, dass die Tortuosität vorzugsweise nicht größer als 1,6 gemacht wird, da höhere Werte kaum eine Auswirkung auf die Verbesserung des Auffangverhältnisses haben werden und den Druckverlust erhöhen.
Darüber hinaus wird, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, bei einer Erhöhung des Verhältnisses Φ₁/Φ₂ des mittleren Halsdurchmessers zum mittleren Porendurchmesser der Druckverlust verringert, wobei das Auffangverhältnis nahezu nicht verringert wird. Um die Trends der Beziehung zwischen Φ₁/Φ₂ und dem Auffangverhältnis sowie zwischen Φ₁/Φ₂ und dem Druckverlust zu veranschaulichen, ist in 17 die Beziehung zwischen Φ₁/Φ₂ und dem Auffangverhältnis der Prüfkörper dargestellt, während in 18 die Beziehung zwischen Φ₁/Φ₂ und dem Druckverlust der Prüfkörper gezeigt ist.
Wie in den 17 und 18 gezeigt ist, kann der Druckverlust durch Erhöhen des Verhältnisses Φ₁/Φ₂ nahezu ohne Änderung des Auffangverhältnisses reduziert werden. Insbesondere kann durch die Einstellung von Φ₁/Φ₂ auf 0,2 oder mehr der Druckverlust deutlich reduziert werden, ohne dass eine wesentliche Änderung des Auffangverhältnisses hervorgerufen wird. Im Allgemeinen wird die Erhöhung des mittleren Porendurchmessers als eine Methode zur Unterdrückung des Druckverlustes verwendet. Bei den Kommunikationsporen ist jedoch die Verbreiterung der Halsabschnitte der Poren, welche Engpässe darstellen, besonders effektiv. Insbesondere kann eine effektive Reduktion des Druckverlustes durch Erhöhen des Verhältnisses Φ₁/Φ₂ des mittleren Halsdurchmessers zum mittleren Porendurchmesser erreicht werden, und insbesondere kann ein signifikanter Effekt bei der Reduktion des Druckverlustes durch Einstellen von Φ₁/Φ₂ auf 0,2 oder mehr erreicht werden.
Darüber hinaus kann dadurch, dass das Verhältnis Φ₁/Φ₂ zu 0,2 oder mehr gemacht wird und außerdem der Tortuositätsgrad zu 1,1 oder mehr gemacht wird, ein ausgezeichneter Kompromiss zwischen dem Erreichen eines hohen Auffangverhältnisses und dem Halten eines geringen Druckverlustbetrags erzielt werden.
Die Zusammenhänge zwischen Strömungspfadgestaltfaktoren, wie dem Tortuositätsgrad und dem Verhältnis Φ₁/Φ₂, und dem Auffangverhältnis und Druckverlust wurden durch dieses Beispiel aufgezeigt, und es kann gesagt werden, dass ähnliche Zusammenhänge für Abgasreinigungsfilter mit einem anderen Material als Cordierit als deren Hauptbestandteil bestehen. Das heißt, die gleichen Effekte wie in diesem Beispiel können durch eine ähnliche Anpassung des Tortuositätsgrades und des Verhältnisses Φ₁/Φ₂ erhalten werden, wenn der Hauptbestandteil eines Abgasreinigungsfilters 1 ein Material, wie Aluminosilikat, mit SiC, Ceroxid-Zirkonoxid und Mullit als dessen Hauptkomponenten ist.
[Zweites experimentelles Beispiel]
Mit diesem Beispiel wird ein Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters mit einem hohen Tortuositätsgrad untersucht. Wenn der Abgasreinigungsfilter Cordierit als eine Hauptkomponente enthalten soll, wird ein cordieritbildendes Rohmaterial, das eine Si-Quelle, eine Al-Quelle und eine Mg-Quelle umfasst, zur Herstellung einer Cordieritzusammensetzung verwendet. Eine Mischung, die poröses Siliziumdioxid, Talk, Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Kaolin usw. in geeigneter Weise kombiniert, kann als das cordieritbildende Rohmaterial verwendet werden. Bei der Herstellung des Abgasreinigungsfilters 1 werden Wasser, ein Bindemittel, ein Schmieröl und ein Porenbildner usw. mit dem cordieritbildenden Rohmaterial geeignet vermischt, um einen Ton vorzubereiten, der das cordieritbildende Rohmaterial umfasst. Der Abgasreinigungsfilter wird dann durch das Durchführen der Schritte des Extrusionsformens des Tons, des Brennens, der Ausbildung von Dichtungsabschnitten usw. erhalten, wie für das erste experimentelle Beispiel beschrieben.
Poröses Siliziumdioxid und Talk können bei hoher Temperatur geschmolzen werden, um Poren 121 zu bilden, und diese können somit als porenbildende Materialien bezeichnet werden. Je höher das Partikelzahlverhältnis des porenbildenden Materials ist, desto besser wird der Kontakt zwischen Partikeln, und dadurch kann der Tortuositätsgrad erhöht werden. Wenn somit ein Ton, der das cordieritbildende Rohmaterial enthält, extrudiert wird, kann das Partikelzahlverhältnis von porösem Siliziumdioxid zu Talk, die im Ton enthalten sind, so gesteuert werden, dass der Tortuositätsgrad erhöht wird.
Das Partikelzahlverhältnis ist jedoch schwer zu messen, und es kann davon ausgegangen werden, dass der Messwert je nach den Formbedingungen variiert. Daher ist es wünschenswert, einen Index einzusetzen, der verwendet werden kann, um den Tortuositätsgrad durch Steuern der Bedingungen von pulverförmigen Rohmaterialien, wie Siliziumdioxid, Talk und der Al-Quelle, anzupassen. Vor diesem Hintergrund wurde die folgende Untersuchung durchgeführt, die sich auf die geklopfte Raumdichte von porösem Siliziumdioxid, die komprimierte Raumdichte des cordieritbildenden Rohmaterials usw. konzentrierte.
Ein Ton mit der in Tabelle 2 gezeigten spezifischen Zusammensetzung wird berücksichtigt. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, wird das cordieritbildende Rohmaterial durch geeignetes Mischen von porösem Siliziumdioxid, Talk und Aluminiumhydroxid vorbereitet. Als das poröse Siliziumdioxid wurden drei Arten von Siliziumdioxid mit jeweils unterschiedlichen Werten der geklopften Raumdichte verwendet. Die in Tabelle 3 gezeigten geklopften Raumdichten dieser porösen Siliziumdioxide wurden wie folgt gemessen.
(Geklopfte Raumdichte)
Die Messung der geklopften Raumdichte wurde unter Verwendung einer Strömungshaftungsmessvorrichtung für die geklopfte Raumdichte durchgeführt, insbesondere mit einem von Seishin Enterprise Co., Ltd. hergestellten Tap-Denser. Das zu messende Pulver wurde in den Zylinder der Messvorrichtung gefüllt und dann durch Klopfen verdichtet, und die Raumdichte wurde aus der Masse des Pulvers im verdichteten Zustand und dem Volumen des Zylinders berechnet. Diese Raumdichte entspricht der geklopften Raumdichte. Poröses Siliziumdioxid oder ein Mischpulver aus porösem Siliziumdioxid und Talk wurde als das Pulver verwendet.

Es wurde ein Typ von Aluminiumhydroxid oder zwei Typen mit jeweils unterschiedlichen mittleren Partikelgrößen verwendet. Dem cordieritbildenden Rohmaterial wurden ein porenbildendes Material aus Graphit, Wasser, ein Schmieröl und ein Bindemittel aus Methylcellulose geeignet zugesetzt. Es kann davon ausgegangen werden, dass aus dem Mischen solcher Rohmaterialen ein Ton entsteht. Für die Prüflinge B14 und B15 würde im Allgemeinen eine Knetzeit von etwa 30 Minuten bis 2 Stunden angewendet, jedoch wurde die Knetzeit verlängert, um die Konnektivität und den Tortuositätsgrad durch verbesserten Kontakt zwischen den Partikeln zu erhöhen. Ist die Knetzeit des Tons jedoch zu lang, verdampft das Wasser, so dass keine ausreichende Formbarkeit erreicht werden kann. Daher wurde bei diesem Beispiel die Knetzeit des Tons um etwa das 1,2-bis 1,5-fache verlängert. [Tabelle 2]

MUSTER-Nr.		Prüfkörper B5	Prüfkörper B14	Prüfkörper B1	Prüfkörper B15	Prüfkörper B13
Poröses Siliziumdioxid	Mittlere Partikelgröße [µm]	21	16	21	16	21
Poröses Siliziumdioxid	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	20,5	20,5	20,5	20,5	20,5
Talk	Mittlere Partikelgröße [µm]	35	14	20	20	35
Talk	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	35,3	35,3	35,3	35,3	35,3
Aluminiumhydroxid A	Mittlere Partikelgröße [µm]	5	3	3	3	5
Aluminiumhydroxid A	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	44,2	13,3	13,3	22,1	44,2
Aluminiumhydroxid B	Mittlere Partikelgröße [µm]	-	8	8	8	-
Aluminiumhydroxid B	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	0	30,9	30,9	22,1	0
Methylcellulose	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	9	9	9	9	9
Graphit	Mittlere Partikelgröße [µm]	25	-	-	-	-
Graphit	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	20	0	0	0	0
Schmieröl	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	5,5	5,5	5,5	5,5	5,5
Wasser	MischungsVerhältnis [Gew.-%]	46	34	34	66	45

Die komprimierte Raumdichte des cordieritbildenden Rohmaterialpulvers (im Folgenden das Mischpulver bezeichnet) wurde gemessen, um ein Bewertungsverfahren zu prüfen, welches Ton simuliert. Konkret wurde das Mischpulver zunächst in ein „Autograph“-Druckmessinstrument der Firma Shimadzu mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 20 mm geladen und das Verdichten des Mischpulvers wurde begonnen. Die Verdichtungsgeschwindigkeit betrug 1 mm/min. Die Verdichtung wurde durch eine Grenzsteuerung gestoppt, als eine Last von 7 kN, entsprechend einem tatsächlichen Formdruck von 15 MPa, erreicht wurde. Durch diese Verdichtung wurden zylindrische Pellets aus dem Mischpulver erhalten. Das Gewicht und die Höhe des Pellets wurden gemessen.
Die Messung der Höhe eines Pellets kann unter Verwendung eines Messschiebers, eines Mikrometers, einer dreidimensionalen Messmaschine oder dergleichen durchgeführt werden. In diesem Fall wurde die Messung unter Verwendung eines Mikrometers durchgeführt. Da der Durchmesser des Pellets 25 mm beträgt, wurde das Volumen des Pellets als das Produkt aus dem Durchmesser und der Höhe berechnet.
Die Dichte wurde aus dem Volumen und Gewicht des Pellets berechnet, das heißt, durch Dividieren des Gewichts durch das Volumen. Diese Dichte wurde als die komprimierte Raumdichte angenommen. Dem Mischpulver wurde die von Matsumoto Yushi-Seiyaku Co. Ltd. hergestellte Methylcellulose „65 MP-4000“ als ein Bindemittel zugesetzt. Das Bindemittel dient zur Erleichterung der Handhabung des pelletartigen Mischpulvers. Es wäre auch möglich, ein anderes Bindemittel zu verwenden. Konkret wurden 1,5 g Mischpulver und 0,5 g Bindemittel, also insgesamt 2 g, verwendet.
Im Allgemeinen besteht eine Korrelation zwischen der Partikelgröße und der Raumdichte, und je kleiner die Partikelgröße ist, desto kleiner ist die Raumdichte, da zwischen den Partikeln Räume ausgebildet sind. Die Anzahl der in einem bestimmten Volumen angeordneten Partikel nimmt mit abnehmendem Partikeldurchmesser zu. Daher ist die Anzahl der Partikel umso größer, je kleiner die Raumdichte ist, das heißt, die Raumdichte und die Anzahl von Partikeln stehen in umgekehrtem Verhältnis zueinander.
Das Partikelzahlverhältnis R des porenbildenden Materials im Mischpulver wird unter Verwendung der folgenden Gleichung (i) aus der Partikelzahl N_ST von porösem Siliziumdioxid und Talk allein und der Partikelzahl N_M aller bei der Herstellung des Abgasreinigungsfilters verwendeten Rohmaterialmischpulver berechnet. Das porenbildende Material war poröses Siliziumdioxid und Talk. $R = N_{ST} / N_{M}$
Unter Anwendung der vorstehenden Beziehung zwischen Raumdichte und Partikelzahl auf die Formel (i) wird das Partikelzahlverhältnis R des porenbildenden Materials durch die folgende Gleichung (ii) aus der Raumdichte D_M des gesamten Rohmaterials, das heißt, der Mischpulver aus porösem Siliziumdioxid, Talk und Aluminiumhydroxid, und der Raumdichte D_ST aus porösem Siliziumdioxid und Talk ausgedrückt: $R = D_{M} / D_{ST}$
Das heißt, wie in Gleichung (ii) gezeigt ist, steigt das Partikelanzahlverhältnis gemäß einer Erhöhung der Raumdichte von Aluminiumhydroxid und gemäß einer Verringerung der Raumdichte von porösem Siliziumdioxid und Talk. In diesem Beispiel wird die geklopfte Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid als die Raumdichte Ds des porösen Siliziumdioxids verwendet, die geklopfte Raumdichte TD_ST des Mischpulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk wird als die Raumdichte D_ST des Mischpulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk verwendet, und die komprimierte Raumdichte PDM des cordieritbildenden Rohmaterials wird als die Raumdichte D_M des cordieritbildenden Rohmaterials verwendet.
Die Werte der geklopften Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid, der geklopften Raumdichte TD_ST des Mischpulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk und der komprimierten Raumdichte PDM von cordieritbildendem Rohmaterial wurden für die in der Tabelle gezeigten Tone gemessen. Die geklopfte Raumdichte TDs und die komprimierte Raumdichte PDM wurden nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Der Abgasreinigungsfilter 1 jedes Prüfkörpers wurde durch das Durchführen von Extrusionsformen, Brennen und Ausbilden von Dichtungsabschnitten in ähnlicher Weise wie bei dem experimentellen Beispiel 1 unter Verwendung von jedem der in Tabelle 2 gezeigten Tone erhalten. Der Tortuositätsgrad L/T, das Verhältnis Φ₁/Φ₂ vom mittleren Halsdurchmesser zum mittleren Porendurchmesser, das Auffangverhältnis und der Druckverlust jedes Prüfkörpers wurden auf die gleiche Weise gemessen wie beim ersten experimentellen Beispiel. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Die Prüfkörper B1, B5, B14 und B15 stammen aus dem gleichen Abgasreinigungsfilter 1 wie die Prüfkörper A1, A5, A14 und A15 des experimentellen Beispiels 1. Der Prüfkörper B13 ist ein Abgasreinigungsfilter mit einem Tortuositätsgrad von 1,12, hergestellt für dieses Beispiel. [Tabelle 3]

Muster-Nr.	Prüfkörper B5	Prüfkörper B14	Prüfkörper B1	Prüfkörper B15	Prüfkörper B13
Typ von porösem Siliziumdioxid	Poröses Siliziumdioxid A	Poröses Siliziumdioxid B	Poröses Siliziumdioxid C	Poröses Siliziumdioxid B	Poröses Siliziumdioxid A
Geklopfte Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid [g/cm³]	0,51	0,22	0,26	0,22	0,51
Geklopfte Raumdichte TD_ST von Mischpulver aus porösem Siliziumdioxid und Talk [g/ cm³]	0,91	0,76	0,79	0,79	0,91
Komprimierte Raumdichte PDM von cordieritbildenden Mittel [g/cm³]	1,42	1,56	1,56	1,56	1,42
PD_M/TD_ST	1,56	2,05	1,97	1,97	1,56
Mittlere Partikelgröße A₁ von porösem Siliziumdioxid/Mittlere Partikelgröße A₂ von Aluminiumhydroxid	4,2	2,5	3,2	2,9	4,2
Tortuositätsgrad L/T	1,07	1,23	1,26	1,34	1,12
Mittlerer Halsdurchmesser Φ₁/Mittlerer Porendurchmesser Φ₂	0,4	0,42	0,22	0,34	3
Auffangverhältnis [%]	60,2	83	72,3	74,6	69
Druckverlust [kPa]	4,7	6,1	5,6	5,9	6,6

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, wird unter Verwendung von porösem Siliziumdioxid B und porösem Siliziumdioxid C mit einer kleinen geklopften Raumdichte TDs das Partikelzahlverhältnis von porösem Siliziumdioxid und Talk erhöht, wobei dieses Partikelzahlverhältnis durch das Verhältnis PD_M/TD_ST der komprimierten Raumdichte PDM des cordieritbildenden Rohmaterials zur geklopften Raumdichte TD_ST des Mischpulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk ausgedrückt wird. Darüber hinaus kann die Raumdichte von Aluminiumhydroxid erhöht und die Fülleigenschaft verbessert werden, indem eine Mischung aus Aluminiumhydroxid mit einer relativ großen mittleren Partikelgröße und Aluminiumhydroxid mit einer relativ kleinen mittleren Partikelgröße verwendet wird.
Im Allgemeinen wird durch Einstellen des Anteils von Aluminiumhydroxid mit einer kleinen mittleren Partikelgröße auf 25 Gew.-% bis 30 Gew.-% der Gesamtmenge an Aluminiumhydroxid die Fülleigenschaft weiter verbessert. Das optimale Kombinationsverhältnis zur Verbesserung der Fülleigenschaft wird jedoch in Abhängigkeit der Kombination von Partikelgrößen, Partikelgestalt, Verteilung usw. variieren.
Bei diesem experimentellen Beispiel, wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, wurde Aluminiumhydroxid mit einer mittleren Partikelgröße von 5 µm allein als das Aluminiumhydroxid in den Prüfkörpern B5 und B13 verwendet, während Aluminiumhydroxid mit einem Verhältnis von kleiner Partikelgröße zu großer Partikelgröße von 3:7 (kleine Partikelgröße : große Partikelgröße) in den Prüfkörpern B1 und B14 verwendet wurde, und Aluminiumhydroxid mit einem Verhältnis von kleiner Partikelgröße zu großer Partikelgröße von 5:5 im Prüfkörper B15 verwendet wurde. Infolgedessen weisen, wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, die Werte der Raumdichte des cordieritbildenden Rohmaterials für das Mischen von Anteilen von 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% kleiner Partikel eine ähnliche Reihenfolge auf.
Darüber hinaus steigt, wie in Tabelle 3 gezeigt ist, das Verhältnis PD_M/TD_ST zwischen der komprimierten Raumdichte PDM des cordieritbildenden Rohmaterials und der geklopften Raumdichte TD_ST des Mischpulvers aus porösem Siliziumdioxid und Talk, das dem porenbildenden Material entspricht, in der Reihenfolge der Prüfkörper B5 und B13, der Prüfkörper B1 und B15 und des Prüfkörpers B14 sequentiell an. Diese Rangfolge von PD_M/TD_ST korreliert etwa mit der Rangfolge der Tortuositätsgrade L/T und der Rangfolge der Auffangverhältnisse. Es ist somit verständlich, dass durch die Reduzierung der geklopften Raumdichte des porösen Siliziumdioxids und die Erhöhung des Verhältnisses PD_M/TD_ST der Tortuositätsgrad und damit das Auffangverhältnis erhöht werden kann.
19 zeigt den Zusammenhang zwischen der geklopften Raumdichte TDs von porösem Siliziumdioxid und dem Auffangverhältnis. 20 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis PD_M/TD_ST und dem Auffangverhältnis. 21 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis A₁/A₂ des mittleren Partikeldurchmessers A₁ von porösem Siliziumdioxid zum mittleren Partikeldurchmesser A₂ von Aluminiumhydroxid und dem Auffangverhältnis.
Wie aus 19 ersichtlich ist, kann das Auffangverhältnis unter Verwendung von porösem Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte von 0,38 g/cm3 oder weniger zu 70 % oder mehr gemacht werden. Darüber hinaus kann, wie aus 20 ersichtlich ist, das Auffangverhältnis durch Einstellen das Verhältnisses PD_M/TD_ST auf 1,7 oder mehr zu 70 % oder mehr gemacht werden. Darüber hinaus kann, wie aus 21 ersichtlich ist, das Auffangverhältnis durch Einstellen des Verhältnisses A₁/A₂ auf 3,58 oder weniger zu 70 % oder mehr gemacht werden.
In diesem Beispiel wurden Siliziumdioxid, Talk und Aluminiumoxidhydroxid als cordieritbildende Rohmaterialien verwendet, wobei die cordieritbildenden Rohmaterialien jedoch auch Rohmaterialien wie Kaolin und Aluminiumoxid umfassen können. Darüber hinaus kann, wenn es zulässig ist, eine geringere Porosität zu erreichen, Aluminiumoxid als eine Al-Quelle verwendet werden. Insbesondere kann Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid oder beides als ein Al-Quelle verwendet werden. Das Aluminiumhydroxid und Aluminiumoxid können die gleiche mittlere Partikelgröße aufweisen oder unterschiedliche mittlere Partikelgrößen aufweisen. Die Anteile davon können unter den Aspekten Formbarkeit, Schrumpfbarkeit, Kosten usw. geeignet angepasst werden.
Die Technologie der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen und experimentellen Beispiele beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die durch entsprechende Ausführungsformen und experimentelle Beispiele veranschaulichten Konfigurationen beliebig kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017164691 [0004]
JP 2017164691 A [0004]

Claims

Abgasreinigungsfilter (1), aufweisend: ein Gehäuse (11); und poröse Trennwände (12), welche das Innere des Gehäuses in eine Mehrzahl von Zellen (13) unterteilen, wobei die Trennwände mehrere Kommunikationsporen (122) aufweisen, die zwischen Zellen kommunizieren, die an jeweilige Trennwände angrenzen, und wobei ein Tortuositätsgrad L/T, definiert durch das Verhältnis der mittleren Weglänge L [µm] der Kommunikationsporen zu der Dicke T [µm] der Trennwände, die folgende Gleichung (1) erfüllt: $L / T \geq 1,1$
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1, wobei ein Mittelwert eines Halsdurchmessers Φ₁ [µm] und ein mittlerer Porendurchmesser Φ₂ [µm] in den Trennwänden die folgende Gleichung (3) erfüllen, wobei der Mittelwert des Halsdurchmessers Φ₁ [µm] durch den Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser von Halsabschnitten mit den kleinsten Strömungspfadflächen in den Kommunikationsporen definiert ist: $Φ_{2} / Φ_{2} \geq 0,2$
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Porosität der Trennwände größer oder gleich 55 % und kleiner oder gleich 75 % ist und der mittlere Porendurchmesser größer oder gleich 12 µm und kleiner oder gleich 30 µm ist.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Auffangverhältnis von Partikeln durch den Abgasreinigungsfilter größer oder gleich 70 % ist.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Tortuositätsgrad L/T ferner die folgende Gleichung (2) erfüllt: $L / T \leq 1,6$
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Katalysator von mehr als oder gleich 50 g/L getragen ist und der Tortuositätsgrad L/T größer oder gleich 1,6 und kleiner oder gleich 2,5 ist.
Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters (1), aufweisend: einen Mischschritt zum Mischen von porösem Siliziumdioxid mit einer geklopften Raumdichte, die kleiner oder gleich 0,38 g/cm³ ist, Talk und einer Aluminiumquelle, um ein cordieritbildendes Rohmaterial vorzubereiten; einen Formschritt zum Vorbereiten von Ton, welcher das cordieritbildende Rohmaterial umfasst, und zum Formen des Tons, um einen Formkörper vorzubereiten; und einen Brennschritt zum Brennen des Formkörpers.
Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters nach Anspruch 7, wobei im Mischschritt ein cordieritbildendes Rohmaterial vorbereitet wird, das PD_M/TD_ST ≥ 1,7 erfüllt, wobei PDM [g/cm³] der komprimierten Raumdichte des cordieritbildenden Rohmaterials entspricht und TD_ST [g/cm³] der geklopften Raumdichte von Mischpulvern aus dem porösen Siliziumdioxid und dem Talk entspricht.
Verfahren zum Herstellen eines Abgasreinigungsfilters nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei eine Beziehung A₁/A₂ ≤ 3,58 erfüllt ist, wobei A₁ [µm] der mittleren Partikelgröße des porösen Siliziumdioxids entspricht und A₂ [µm] der mittleren Partikelgröße der Aluminiumquelle entspricht.