DE112008000035T5

DE112008000035T5 - Wabenstruktur

Info

Publication number: DE112008000035T5
Application number: DE112008000035T
Authority: DE
Inventors: Koji Tajimi-shi Tsuneyoshi; Osamu Tajimi-shi Takagi
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-07-16
Also published as: PL2077153T3; CA2661361C; EP2077153A4; US7842372B2; WO2009004912A1; JP2009011908A; EP2077153B1; EP2077153A1; CA2661361A1; US20100098903A1; JP4130216B1

Abstract

Wabenstruktur, umfassend
eine Vielzahl von Zellen, die durch eine Vielzahl von Trennwänden abgetrennt werden, die aus poröser Siliciumcarbid-Keramik gebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander gereiht sind,
dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser der Trennwände 1 μm bis 15 μm beträgt, und eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird, und
der Prozentsatz der Poren mit dem Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wabenstruktur und im Besonderen auf eine Wabenstruktur, die sich zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas eines Dieselmotors eignet.
STAND DER TECHNIK
Eine Wabenstruktur, die eine Vielzahl von Zellen umfasst, die durch eine Vielzahl von Trennwänden abgetrennt werden, die aus poröser Keramik gebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander gereiht sind, wird üblicherweise als ein Filter verwendet, der in dem von einem Dieselmotor emittierten Abgas enthaltene Partikel (im Folgenden als "PM" bezeichnet) wie beispielsweise Ruß einfängt und entfernt. Bei einer solchen Wabenstruktur sind im Allgemeinen Zellen, deren eine Enden verschlossen sind, und Zellen, deren andere Enden verschlossen sind, abwechselnd angeordnet. Das Gas strömt vonseiten der in einer Richtung geöffneten Zellen ein, durchquert die porösen Trennwände und strömt aus den in der anderen Richtung geöffneten Zellen aus. Wenn das Gas die Trennwände durchquert, werden mithin PM im Gas durch Oberflächen und Poren der porösen Trennwände eingefangen und entfernt.
Wenn Porendurchmesser zu groß sind, nehmen demzufolge PM zu, welche die Trennwände durchqueren, ohne eingefangen zu werden, so dass die Filtrationswirksamkeit abnimmt. Wenn Porendurchmesser zu klein sind, wird andererseits wegen des Widerstands gegen den Durchtritt des Gases der Druckverlust groß, so dass die Last auf dem Motor zunimmt. Um die Filtrationswirksamkeit und den Druckverlust, die invers korreliert sind, auszubalancieren, wird folglich ein Filter vorgeschlagen, bei dem Porendurchmesser der porösen Keramik, aus denen die Trennwände bestehen, kontrolliert sind (siehe beispielsweise die Patentdokumente 1 und 2).
Diese Filter sollen eine verhältnismäßige Anzahl von zum Einfangen von PM geeigneten Poren aufweisen, indem Porendurchmesser der Trennwände in einem begrenzten engen Bereich festgelegt werden. Ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser ist im ersten Fall (Patentschrift 1) auf 1 μm bis 15 μm und im letzteren (Patentschrift 2) Fall auf 20 μm bis 60 μm festgelegt, wobei eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung auf 0,20 oder weniger festgelegt ist, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird.

[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 3272746
[Patentdokument 2] Japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 2002-242655

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Ein Filter hat allerdings im ersteren Fall einen geringen Anfangsdruckverlust, doch weist er nach wie vor ein Problem auf, dass der Druckverlust hiervon einhergehend mit dem Einfangen von PM drastisch ansteigt. Auf der anderen Seite hat ein Filter im letzteren Fall einen Vorteil, dass der Druckverlustanstieg unterdrückt wird, weil eine große Zahl von Poren im Filter relativ groß ist und ein Katalysator auch dann nur schwerlich durch die Ablagerung von PM gefüllt wird, wenn der Filter den Katalysator trägt, doch weist er ein Problem auf, dass die Filtrationswirksamkeit ungenügend ist.
Angesichts der oben genannten Sachlage ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wabenstruktur bereitzustellen, bei der die Filtrationswirksamkeit von Partikeln (PM) im Abgas hoch ist, der Anfangsdruckverlust gering ist und der mit dem Einfangen von PM einhergehende Druckverlust unterdrückt wird.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Wabenstruktur bereitgestellt, "die eine Vielzahl von Zellen umfasst, die durch eine Vielzahl von Trennwänden abgetrennt werden, die aus poröser Siliciumcarbid-Keramikgebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander gereiht sind, wobei ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser der Trennwände 1 μm bis 15 μm beträgt, eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird, und der Prozentsatz der Poren mit dem Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt."
Siliciumcarbid wird als "Keramik" verwendet.
"Quecksilber-Porosimetrie" ist ein Verfahren, bei dem Quecksilber unter Druck in eine Öffnungspore infiltriert und der Durchmesser der als zylindrisch angenommenen Poren mit der Washburn-Gleichung unter Verwendung des Druckwerts und des Volumens von Quecksilber berechnet wird. Der über keramische Grünkörper definierte JIS R1655 kann auf die Quecksilber-Porosimietrie angewendet werden. Des Weiteren bezieht sich "ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser" auf den Durchmesser (Mediandurchmesser), wenn das kumulative Porenvolumen 50% des Gesamtporenvolumens beträgt.
Die vorliegenden Erfinder haben Folgendes untersucht und herausgefunden. Und zwar, dass eine Wabenstruktur, bei der der Druckverlust bis zu einem gewissen Grad gering ist und die Filtrationswirksamkeit hoch ist, realisiert werden kann, indem der mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessene Mittelwert der Porendurchmesser der Trennwände auf 1 μm bis 15 μm festgelegt wird und die Standardabweichung bei der Porendurchmesserverteilung auf 0,20 oder weniger festgelegt wird, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird, aber die Wabenstrukturen immer noch ein Problem aufweisen, dass der Druckverlust einhergehend mit dem Einfangen von PM, nachdem die Struktur verwendet wurde, drastisch ansteigt. Dieser drastische Druckverlustanstieg ist eng an den Prozentsatz der Poren gebunden, die den Durchmesser von weniger als 2 μm haben. Dies wurde angenommen, weil in einer kurzen Zeit nach Beginn der Verwendung der Wabenstruktur Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm wegen des Einfangens von PM mit dem Partikeldurchmesser von 0,1 bis 0,3 μm vor Poren mit einem Durchmesser gleich oder größer als 2 μm verschlossen werden. Im Besonderen wurde der Druckverlustanstieg signifikant, wenn der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% überschrei tet.
Folglich hat die vorliegende Erfindung eine Ausgestaltung, bei der die Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm, die wegen des Einfangens von PM unverzüglich verschlossen werden, 5 Vol.-% oder weniger bezogen auf die Gesamtheit der Poren betragen. Wie schematisch mit Bezug auf 1 beschrieben, welche die als Modell normalisierte Poren durchmesserverteilung darstellt, betragen hier bei beiden der Verteilungen A und B, deren Standardabweichungen 0,08 betragen, und der Verteilungen C und D, deren Standardweichungen 0,20 betragen, die mittleren Porendurchmesser 1 bis 15 μm und die Standardabweichungen liegen im Bereich von 0,20 oder weniger. Bei diesen Verteilungen sind Wabenstrukturen, welche die Porendurchmesserverteilung wie die Verteilungen A und C aufweisen, bei denen der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt, im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten, während Wabenstrukturen, welche die Porendurchmesserverteilung wie die Verteilungen B und D aufweisen, bei denen der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm größer als 5 Vol.-% ist, nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Mit der obigen Ausgestaltung können gemäß der vorliegenden Erfindung PM mit einer hohen Filtrationswirksamkeit eingefangen werden, während der Anfangsdruckverlust gering gehalten wird. Indes ist es wünschenswerter, dass der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 1 Vol.-% oder weniger beträgt.
Die Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausgestaltung aufweisen, bei der "die Trennwände einen Katalysator tragen, der mindestens ein Metall aus der von Platin, Palladium und Rhodium gebildeten Gruppe umfasst." Des Weiteren kann die Wabenstruktur eine Ausgestaltung aufweisen, bei der "die Trennwände einen Katalysator tragen, der mindestens ein Metall aus der von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen gebildeten Gruppe umfasst."
Wenn PM fortwährend mit der Wabenstruktur eingefangen werden und die Ablagerungsmenge der PM auf den Trennwänden zunimmt, wird es wegen des Druckverlustanstiegs schwierig, das Gas so zu verteilen, dass der Prozess der Verbrennung der PM mit Erhitzung für die Oxidationsbehandlung ausgeführt wird. Hier sind lösliche organische Bestandteile (im Folgenden als "SOF" bezeichnet), die aus unverbranntem Kraftstoff oder dergleichen resultieren, ebenso wie Ruß in den PM enthalten. Die SOF sind schwierig mit Verbrennung oxidativ zu behandeln, so dass der Katalysator, der Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium umfasst, gewöhnlich verwendet wird, um die SOF mit Leichtigkeit oxidativ zu behandeln, indem die SOF mit dem Sauerstoff im Abgas reagieren gelassen werden und das Reaktionsprodukt in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt wird. Alternativ kann der Katalysator, der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle umfasst, verwendet werden. Die Rußverbrennungstemperatur kann mit dem Katalysator, der solche Metalle umfasst, gesenkt werden.
Die gegenwärtigen Erfinder haben untersucht und herausgefunden, dass fast alle Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm verschlossen sind, wie in 10 dargestellt ist, wenn die Trennwände der Wabenstruktur zum Tragen des Katalysators bearbeitet sind. Indes zeigt 10 ein COMP- Bild, in dem der Querschnitt der Wabenstruktur mit einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet wird, wobei Bereiche mit der dunkelsten Farbe P Poren angeben, Bereiche mit der Zwischenfarbe M die keramische Matrix angeben und weiße Bereiche C den Katalysator angeben, der ein Zer-basiertes Edelmetall umfasst.
Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung der obigen Ausgestaltung der Anfangsdruckverlust so unterdrückt werden, dass er gering ist, indem der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm, die durch das Tragen des Katalysators leicht verschlossen werden, so unterdrückt wird, dass er bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt. Des Weiteren kann Vergeudung, bei der nicht zum Einfangen von PM beitragende Poren den teures Edelmetall verwendenden Katalysator tragen, verhindert werden. Sodann kann eine Wabenstruktur bereitgestellt werden, die sowohl eine Funktion zum wirksamen Entfernen eingefangener PM durch Reaktion mit dem Katalysator und zum kontinuierlichen Reproduzieren als auch eine Funktion zum Sammeln von PM hat.
Es ist zu beachten, dass die Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung poröse Siliciumcarbid-Keramik als poröse Keramik verwendet.
Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung, indem Siliciumcarbid, das eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Hitzebeständigkeit aufweist, als poröse Keramik verwendet wird, eine Ausgestaltung bereitgestellt, bei der viele Räume mit aneinander gereihten Trennwänden vorhanden sind, und die Ausgestaltung eignet sich für eine Wabenstruktur, die in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird. Ferner weist Siliciumcarbid eine hervorragende Hitzebeständigkeit auf, so dass eine Wabenstruktur bereitgestellt werden kann, die auch nicht durch Erhitzung zum Zeitpunkt der Reproduktion, wenn PM verbrannt werden, ohne Weiteres Verformung oder Schmelzschäden verursacht.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, kann als die Wirkung der vorliegenden Erfindung eine Wabenstruktur bereitgestellt werden, bei der die Filtrationswirksamkeit von PM im Abgas hoch ist, der Anfangsdruckverlust gering ist und der mit dem Einfangen von PM einhergehende Druckverlustanstieg unterdrückt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Diagramm, das die Porendurchmesserverteilungen von Trennwänden der Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
2 ist eine Seitenschnittansicht, die eine Ausgestaltung der Wabenstruktur der vorliegenden Ausführungsform schematisch darstellt.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem mittleren Porendurchmesser und dem Anfangsdruckverlust darstellt.
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem mittleren Porendurchmesser und der Druckfestigkeit darstellt.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem auf die Gesamtheit der Poren bezogenen Prozentsatz (Vol.-%) der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm und dem Druckverlust darstellt.
6 ist ein Diagramm, das eine Kurve der Porendurchmesserverteilung der Wabenstruktur gemäß der Ausführungsform im Vergleich zu denen von Vergleichsbeispielen darstellt.
7 ist ein Diagramm, das eine Kurve der Porendurchmesserverteilung der Wabenstruktur gemäß der Ausführungsform im Vergleich zu denen von Vergleichsbeispielen darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die mit der Zunahme der PM-Ablagerungsmenge einhergehende Änderung des Druckverlusts der Wabenstruktur gemäß der Ausführungsform im Vergleich zu denen von Vergleichsbeispielen darstellt.
9 ist ein Diagramm, das die Filtrationswirksamkeit der Wabenstruktur gemäß der Ausführungsform im Vergleich zu denen von Vergleichsbeispielen darstellt.
10 ist ein Bild (COMP-Bild), das durch Betrachtung eines Querschnitts der Wabenstruktur mit einem Rasterelektronenmikroskop erhalten wurde.
BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Wabenstruktur einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 2 bis 9 beschrieben. Hier wird im Ausführungsbeispiel ein Fall als ein Beispiel beschrieben, in dem die Wabenstruktur der Erfindung als Dieselpartikelfilter (im Folgenden als "DPF" bezeichnet) angewendet wird, der PM aus dem Abgas eines Dieselmotors einfängt.
Eine Wabenstruktur 10 der Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von Zellen 3, die durch eine Vielzahl von Trennwänden 2 abgetrennt werden, die aus poröser Siliciumcarbid-Keramik gebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander angereiht sind, wie in der 2 dargestellt ist. Bei der Wabenstruktur 10 beträgt ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser der Trennwände 2 1 μm bis 15 μm und eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung beträgt 0,20 oder weniger, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird, und ein Prozentsatz der Poren, die den Porendurchmesser von weniger als 2 μm haben, beträgt bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger.
Wie im Einzelnen beschrieben, ist bei der Ausführungsform jede der Vielzahl von aneinander gereihten Zellen 3 an einem Ende hiervon durch einen Schließabschnitt 6 so verschlossen, dass jede der in einer Richtung geöffneten Zellen 3a und jede der in der anderen Richtung geöffneten Zellen 3b abwechselnd angeordnet sind.
Wenn das PM enthaltende Dieselabgas bei der Wabenstruktur 10 mit einer derartigen Ausgestaltung vonseiten der Öffnungsenden der Zellen 3a einströmt, durchquert das Gas die porösen Trennwände 2 und strömt dann aus den Öffnungsenden der Zellen 3b aus, die in der anderen Richtung geöffnet sind. Wenn das Gas die Trennwände 2 durchquert, werden mithin PM durch die Oberflächen von Trennwänden und Poren eingefangen. Hier stellt 2 Ströme des Gases durch gestrichelte Linien dar.
Als Nächstes wird unten ein Untersuchungsergebnis über die Beziehung zwischen dem Porendurchmesser und dem Anfangsdruckverlust und die Beziehung zwischen dem Porendurchmesser und der Druckfestigkeit beschrieben. In der Untersuchung wurde, mit Ausnahme des mittleren Porendurchmessers, die obige Ausgestaltung verwendet, und eine Vielzahl von Wabenstrukturen mit einer Porosität von ungefähr 57%, einer Zellendichte von 169 Zellen/in² und verschiedenen mittleren Porendurchmessern wurde für den Gebrauch hergestellt. Ferner wurde der Anfangsdruckverlust erhalten, indem eine zylindrische Wabenstruktur mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm und einer Länge von ungefähr 140 mm in der Größe bei Gaskanälen in dem Zustand, dass überhaupt keine PM eingefangen werden, angeordnet wurde, Luft mit einem Volumenstrom von 5 Nm³/min strömen gelassen wurde und die Druckdifferenz zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite gemessen wurde. Zu beachten ist, dass der mittlere Porendurchmesser aus der mittels Quecksilber-Porosimetrie unter Verwendung eines von der SHIMADZU CORPORATION hergestellten Pore Sizer 9310 gemessenen Porendurchmesserverteilung als Mediandurchmesser erhalten wurde. Außerdem wurde die Porosität durch die archimedische Methode erhalten.
Wie in 3 dargestellt, war als Ergebnis der Anfangsdruckverlust in dem Bereich, in dem der Porendurchmesser ungefähr 25 μm oder mehr betrug, im Wesentlichen konstant und mit weniger als 6 kPa niedrig, während sich der Anfangsdruckverlust drastisch erhöhte, wenn der mittlere Porendurchmesser kleiner als etwa zehn μm war.
Auf der anderen Seite wurde für die oben beschriebene Vielzahl von Wabenstrukturen eine Beziehung zwischen dem Porendurchmesser und der Druckfestigkeit aufgewiesen, indem eine Druckfestigkeit in einer durch das Gas verlaufenden Richtung (A-Achse) und in einer zu der durch das Gas verlaufenden Richtung perpendikularen Richtung (B-Achse) bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1 mm/min gemäß M505-87 der Japanese Automobile Standards Organization (JASO) gemessen wurde. Ein Ergebnis hiervon ist in 4 dargestellt. Im Allgemeinen ist die mechanische Festigkeit umgekehrt mit dem Porendurchmesser korreliert und der Verlauf in 4 ist signifikant. Die Druckfestigkeit nahm in hohem Maße ab, wenn der mittlere Porendurchmesser größer als ungefähr 20 μm war.
Infolge des oben Gesagten gilt, dass der Grenzwert des Porendurchmessers, bis zu dem der Porendurchmesser erhöht und zugleich die mechanische Festigkeit auf einem gewissen Grad gehalten werden kann, ungefähr 20 μm beträgt. In Anbetracht des Ergebnisses der Untersuchung über den Anfangsdruckverlust entsprechend der Wabenstruktur der Ausführungsform, bei welcher der Mittelwert der Porendurchmesser auf 1 μm bis 15 μm festgelegt ist, kann der Anfangsdruckverlust daher so unterdrückt werden, dass er gering ist, wobei die mechanische Festigkeit auf einem bestimmten Grad gehalten werden kann.
Als Nächstes wird unten ein Untersuchungsergebnis über eine Beziehung zwischen dem Druckverlust und dem Prozentsatz (Vol.-%) von Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren beschrieben. Verschiedene Arten von Wabenstrukturen, die eine Porosität von 50% und unterschiedliche Porendurchmesserverteilungen aufweisen, wurden mit zylindrischen Formen, die jeweils einen Durchmesser von ungefähr 140 mm und eine Länge von ungefähr 150 mm aufwiesen, hergestellt und bei der Untersuchung ver wendet. Dann wurden diese Wabenstrukturen jeweils in Gaskanälen angeordnet, und PM enthaltendes Gas wurde mit einem Volumenstrom von 5 Nm³/min verteilt. Die Druckdifferenz zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite wurde gemessen, als sich 2 g PM pro Liter des Volumens der Wabenstruktur (2 kg PM pro m³ der Wabenstruktur) abgelagert hatten. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt.
Wie aus 5 ersichtlich ist, steigt der Druckverlust mit zunehmendem Prozentsatz (Vol.-%) der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren an, und der Grad des Druckverlustanstiegs wird mit zunehmendem Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm signifikant. Hier kann unter der Annahme, dass der Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 10 Vol.-% oder weniger beträgt, der Druckverlust so unterdrückt werden, dass er das Dreifache des Anfangsdruckverlusts beträgt, bei dem auch in dem Stadium, in dem PM eingefangen wurden, keine PM abgelagert werden.

Nachstehend wird ein bestimmtes Beispiel der Ausführungsform im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen beschrieben. In dem Beispiel und in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurde zuerst jedes der Pulver aus einem Materialgemisch mit den in Tabelle 1 dargelegten Zusammensetzungen mit einem organischen Binder (Methylcellulose), Wasser und Tensid gemischt und das Ergebnis wurde geknetet. Dann wurde das geknetete plastifizierte Gemisch durch eine Wabendüse extrudiert und der extrudierte Grünkörper wurde in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 2300°C für 10 Minuten gesintert, um eine Wabenstruktur herzustellen. Zu beachten ist, dass alle Wabenstrukturen im Beispiel und in den Ver gleichsbeispielen 1 bis 3 zylindrische Formen mit jeweils einer Zellendichte von 200 Zellen/in², einer Trennwanddicke von 0,4 mm, einem Durchmesser von ungefähr 140 mm und einer Länge von ungefähr 150 mm aufwiesen. [Tabelle 1]

	Pulver aus Materialgemisch (100 wt%)		Mittlerer Porendurchmesser (μm)	Standardabweichung	Prozent von Poren mit Durchmesser weniger als 2 μm (vol.-%)
Beispiel	SiC Pulver (Durchmesser: 12 μm)	75 wt%	8	0.16	5
	Si₃N₄ Pulver (Durchmesser: 10 μm)	20 wt%
	C Pulver (Durchmesser: 15 μm)	5 wt%
Vergleichsbeispiel 1	SiC Pulver (Durchmesser: 12 μm)	80 wt%	2	0.18	23
	SiC Pulver (Durchmesser: 1 μm)	20 wt%
Vergleichsbeispiel	SiC Pulver (Durchmesser: 40 μm)	80 wt%	14	0.42	5
	SI Pulver (Durchmesser: 5 μm)	20 wt%
Vergleichsbeispiel 3	SiC Pulver (Durchmesser: 9,5 μm)	50 wt%	22	0.14	0.03
	Si₃N₄ Pulver (Durchmesser: 10 μm)	40 wt%
	C Pulver (Durchmesser: 15 μm)	10 wt%

Die Porendurchmesserverteilung wurde wie oben beschrieben bei jeder der Wabenstrukturen mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessen. Die resultierenden Kurven der Porendurchmesserverteilungen sind in den 6 und 7 dar gestellt. Die aus den Porendurchmesserverteilungen erhaltenen mittleren Porendurchmesser sind auch in Tabelle 1 dar gestellt. Des Weiteren sind auch die Standardabweichungen der Porendurchmesserverteilungen, wenn die mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessenen Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben werden, und die Prozentsätze (Vol.-%) der Poren mit dem auf Grundlage eines kumulativen Porendurchmessers berechneten Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren in Tabelle 1 dargestellt.
Wie man aus Tabelle 1 ersieht, ist jedes der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 ein Beispiel, das irgendeine von drei Anforderungen, dass "ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert des Porendurchmessers 1 μm bis 15 μm beträgt", dass "eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird", und dass der "Prozentsatz der Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt" nicht erfüllt.
Anschließend wurden der Druckverlust und die Filtrationswirksamkeit bei jeder der Wabenstrukturen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 bewertet. Hier wurde der Druckverlust bewertet, indem das PM enthaltende Gas mit einem Volumenstrom von 5 Nm³/min durch die bei Gaskanälen angeordnete Wabenstruktur verteilt und die mit der Zunahme der PM-Ablagerungsmenge einhergehende Druckverluständerung gemessen wurde. Des Weiteren wurde die Filtrationswirksamkeit mit der folgenden Methode bewertet. Zuerst wurde jede der Wabenstrukturen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 als DPF am Automobil (2500 ccm Hubraum, SERENA, hergestellt von NISSAN MORTOR CO., Ltd) angebaut, das mit einem Dieselmotor ausgestattet war, um das Automobil in einem Leerlaufzustand (700 U/min) zu halten. Unmittelbar danach wurden Gase auf der Einströmseite und der Ausströmseite der Wabenstruktur aufgefangen. Die aufgefangenen Gase wurden in den elektrischen Niederdruckimpaktor (ELPI, hergestellt von Dekati, Ltd.) eingeleitet, die Partikeldurchmesserverteilung wurde im Bereich von 0,01 bis 10 μm gemessen und die Filtrationswirksamkeit wurde anhand der Partikelzahlkonzentration auf der Einströmseite und der Ausströmseite berechnet. Die Messung wurde drei Mal ausgeführt und der Mittelwert hiervon wurde als Messergebnis verwendet.
Das Messergebnis des Druckverlusts ist in 8 dargestellt und das Messergebnis der Filtrationswirksamkeit ist in 9 dargestellt. Wie aus 8 ersichtlich ist, stieg der Druckverlust im Vergleichsbeispiel 1 in dem Stadium in signifikanter Weise an, in dem die PM-Ablagerungsmenge 0 bis 2 (kg/m³) betrug, nämlich im Anfangsstadium, in dem die PM begannen, eingefangen zu werden. Dies wurde der Tatsache zugeschrieben, dass im Vergleichsbeispiel 1 der Prozentsatz von Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm mit 23 Vol.-% hoch ist, wobei der Prozentsatz von Poren, die durch das Einfangen von PM sofort verschlossen werden, bezogen auf die Gesamtheit der Poren hoch ist. Demgemäß war die Filtrationswirksamkeit bei der Wabenstruktur des Vergleichsbeispiels 1 mit 99% oder mehr hoch, während erwartet wurde, dass die Last für die Gasverteilung mit der Zeit in hohem Maße zunehmen würde.
Auch im Vergleichsbeispiel 2 erhöhte sich der Druckverlust im Anfangsstadium, in dem PM begannen, eingefangen zu werden, in signifikanter Weise. Dies wurde der Tatsache zugeschrieben, dass im Vergleichsbeispiel 2 die Anzahl von Po ren mit dem Durchmesser, der im Anfangsstadium leicht verschlossen wird, relativ groß ist, weil die Standardabweichung groß ist und weil die Variation der Porendurchmesser groß ist, obwohl der Prozentsatz von Poren mit dem Durchmesser von weniger als 2 μm gering ist. Es wurde angenommen, dass, wie in 9 dargestellt, die Filtrationswirksamkeit im Vergleichsbeispiel 2 ungefähr 95% betrug und geringer als die im Beispiel war, so dass die Anzahl von Poren mit dem zum Einfangen von PM geeigneten Durchmesser im Vergleichsbeispiel 2 relativ klein war.
Andererseits war im Vergleichsbeispiel 3 der Anfangsdruckverlust gering und der mit der PM-Ablagerungsmenge einhergehende Druckverlustanstieg war gering, doch die Filtrationswirksamkeit war mit ungefähr 87% gering. Es wurde angenommen, dass der Widerstand für die Verteilung des Gases gering war, dass aber PM leicht Poren durchquerten, ohne eingefangen zu werden, weil der mittlere Porendurchmesser mit 22 μm groß war und die Porendurchmesser gleichmäßig groß waren, wie aus der Standardabweichung und einer Kurve der Porendurchmesserverteilung ermessen wurde.
In Hinblick hierauf war im Beispiel die Filtrationswirksamkeit mit 99% oder mehr unerwartet hoch, obwohl der Anfangsdruckverlust gering war und der mit der PM-Ablagerungsmenge einhergehende Druckverlustanstieg wie im Vergleichsbeispiel 3 mäßig war. Mit anderen Worten können im Beispiel PM wirksam eingefangen werden, während das Gas leicht im gleichen Maße wie bei einer Wabenstruktur mit einem großen Porendurchmesser verteilt wird.
Wie oben beschrieben, konnten gemäß der Wabenstruktur der Ausführungsform, welche die drei Anforderungen erfüllt, dass "ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser 1 μm bis 15 μm beträgt", dass "eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird", und dass der "Prozentsatz der Poren mit dem Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt", PM mit einer hohen Filtrationswirksamkeit eingefangen werden, während der Anfangsdruckverlust niedrig gehalten wurde.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, und wie unten beschrieben wird, können innerhalb des Umfangs verschiedene Abwandlungen und Änderungen an der Gestaltung vorgenommen werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise wurde ein Fall beschrieben, in dem eine Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung als DPF angewendet wird, doch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung weitgehend als Filter angewendet werden, der das von einer internen Verbrennung wie ein Verbrennungsmotor oder ein Heizkessel emittierte Abgas reinigt.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Wabenstruktur bereitgestellt, bei der die Filtrationswirksamkeit von Partikeln (PM) im Abgas hoch ist, der Anfangsdruckverlust gering ist und der mit dem Einfangen von PM einhergehende Druckverlustanstieg unterdrückt wird.
Die Wabenstruktur umfasst eine Vielzahl von Zellen, die durch eine Vielzahl von Trennwänden abgetrennt werden, die aus poröser Siliciumcarbid-Keramik gebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander gereiht sind, wobei ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener mittlerer Porendurchmesser der Trennwände 1 μm bis 15 μm beträgt, eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus ngegeben wird, und der Prozentsatz der Poren mit dem Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 3272746 [0004]
- JP 2002-242655 [0004]

Claims

Wabenstruktur, umfassend eine Vielzahl von Zellen, die durch eine Vielzahl von Trennwänden abgetrennt werden, die aus poröser Siliciumcarbid-Keramik gebildet sind und in einer einzigen Richtung aneinander gereiht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessener Mittelwert der Porendurchmesser der Trennwände 1 μm bis 15 μm beträgt, und eine Standardabweichung bei einer Porendurchmesserverteilung 0,20 oder weniger beträgt, wenn der Porendurchmesser als Zehnerlogarithmus angegeben wird, und der Prozentsatz der Poren mit dem Porendurchmesser von weniger als 2 μm bezogen auf die Gesamtheit der Poren 5 Vol.-% oder weniger beträgt.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände einen Katalysator tragen, der mindestens ein Metall aus der von Platin, Palladium und Rhodium gebildeten Gruppe umfasst.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände einen Katalysator tragen, der mindestens ein Metall aus der von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen gebildeten Gruppe umfasst.