JP2007289925A - ハニカム構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】高昇温性能及び高熱容量のいずれをも同時に満足させることは困難であるという二律背反の問題を解決し、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルターの前段に設置する事で、フィルターに捕集されたＰＭの再生を円滑に完結させたり、排ガスを効率良く浄化することが可能なハニカム構造体を提供する。
【解決手段】複数の隔壁１によって２つの端面Ｓ１，Ｓ２間を互いに並行して連通する複数のセル２が形成されたハニカム構造体１０において、複数の隔壁１を、セラミックスから構成し、セル２の形状を略正方形とし、隔壁１の交差部３を、Ｒ形状又はＣ形状とし、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）を、１．６以上とし、セル２の開口率を、５５％以上とする。
【選択図】図１
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【選択図】図１
Description
本発明は、ハニカム構造体に関する。さらに詳しくは、高昇温性能及び高熱容量のいずれをも同時に満足させることは困難であるという二律背反の問題を解決し、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルターの前段に設置することで、フィルターに捕集されたＰＭの再生を円滑に完結させたり、排ガスを効率良く浄化することが可能なハニカム構造体に関する。
ディーゼルエンジンに関する排ガス規制の強化に伴い、ディーゼルエンジンからの排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の捕集にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を使用する方法が種々提案されている。一般的には、ＤＰＦにはＰＭを酸化する触媒がコートされており、且つＤＰＦの前段には同じく触媒がコートされたハニカム構造体が搭載され、このハニカム構造体では排ガスに含まれるＮＯをＮＯ２としてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させたり、エンジン制御によってポストインジェクションを実施し、未燃焼燃料を酸化し、排ガス温度を上昇させ、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼再生する方法が採られている。
ＤＰＦに堆積したＰＭを円滑に燃焼再生させる為には上述のハニカム構造体にコートされている触媒が活性化温度に達している時間をできるだけ長くする必要がある。しかしながら、ディーゼルエンジンは排気温度が低く、低負荷状態ではハニカム構造体が触媒活性温度に至らず、或いは高負荷運転後でも急激な低負荷への移行の際には、ハニカム構造体の温度が急速に低下し触媒活性温度以下となる場合があり、ＰＭの燃焼性を阻害させたり、強制再生が完結しないという問題があった。
上述の問題に鑑み、ハニカム構造体のセル隔壁を薄くしたり、気孔率を上げる等、ハニカム構造体の熱容量を下げ、基材の昇温特性を向上させる事で、触媒活性化温度に早く到達させる事が一般的に行われてきた。
しかしながら、基材の低熱容量化は基材の昇温特性を向上させ、コートされた触媒を早く触媒活性化温度に到達させる事ができるものの、逆に排ガス温度が低下した時には急激に触媒活性化温度以下となる。また、排ガス温度低下時に基材の温度低下を阻止する為に基材の熱容量上げると昇温特性が悪化してしまい、互いに背反の関係となる。すなわち、単純に基材の隔壁厚さや気孔率を変え、熱容量を変更するだけではハニカム構造体にコートされた触媒が活性化温度に達している時間を延長する事は困難であった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高昇温性能及び高熱容量のいずれをも同時に満足させることは困難であるという二律背反の問題を解決し、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルターの前段に設置する事で、フィルターに捕集されたＰＭの再生を円滑に完結させたり、排ガスを効率良く浄化することが可能なハニカム構造体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明によれば、以下のハニカム構造体が提供される。
［１］複数の隔壁によって２つの端面間を互いに並行して連通する複数のセルが形成されたハニカム構造体であって、複数の前記隔壁が、セラミックスから構成されてなり、前記セルの形状が略正方形であり、前記隔壁の交差部が、Ｒ形状又はＣ形状であり、前記隔壁の平均厚さに対する前記交差部の対角距離の比の値（交差部の対角距離／隔壁の平均厚さ）が、１．６以上であり、前記セルの開口率が、５５％以上であるハニカム構造体。
［２］前記隔壁が、コージェライト、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミノシリケート（ＬＡＳ）からなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックスから構成された前記［１］に記載のハニカム構造体。
［３］前記［１］又は[２]に記載のハニカム構造体に触媒がコーティングされている触媒コートハニカム構造体。
［４］前記［１］又は[２]に記載のハニカム構造体又は前記［３］に記載の触媒コートハニカム構造体が、フィルタの前段に設置されている浄化装置。
本発明によって、高昇温性能及び高熱容量のいずれをも同時に満足させることは困難であるという二律背反の問題を解決し、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルターの前段に設置する事で、フィルターに捕集されたＰＭの再生を円滑に完結させたり、排ガスを効率良く浄化することが可能なハニカム構造体が提供される。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本発明のハニカム構造体の一の実施の形態を示す斜視図であり、図２は図１に示すハニカム構造体における一方の端面を示す説明図であり、図３は、本実施の形態における交差部の対角距離の定義を説明する説明図である。図１に示すように、本実施の形態のハニカム構造体は、複数の隔壁１によって２つの端面Ｓ１，Ｓ２間を互いに並行して連通する複数のセル２が形成されたハニカム構造体１０であって、複数の隔壁１が、後述するセラミックスから構成されてなり、図２に示すように、セル２の形状が略正方形であり、図２に示すように、隔壁１の交差部３が、Ｒ形状又はＣ形状であり、図３に示すように、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）が、１．６以上、好ましくは１．８以上であり、セル２の開口率が、５５％以上、好ましくは６０％以上であるように構成されている。
ここで、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）について説明する。図３に示すように、隔壁１に沿って平行線ＡＢ及びＣＤを引き、その平均距離を「隔壁１の平均厚さＴ」とする。また、平行線ＡＢ及びＣＤの交点をそれぞれＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈとすると、交点Ｅ、Ｆ、交点Ｇ，Ｈを通るように測定した交差部３の平均長さを「交差部３の対角距離Ｌ」と定義する。
また、セル２の開口率とは、ハニカム構造体を軸方向に対し垂直に切断した断面の総面積に対する開口部分の比率を意味する。
本実施の形態においては、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）を１．６以上として、隔壁１の平均厚さＴを比較的薄く構成することによって、昇温性能を改善するとともに、熱容量の低下については、上述のように、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）を１．６以上にするとともに、交差部３をＲ形状又はＣ形状として、交差部３の体積を増加させ、その体積増加効果を十分に発揮させることによって熱容量の確保を図っている。
また、本実施の形態においては、セル２の開口率を５５％以上として、圧力損失の上昇によるエンジンの出力低下を防止している。
本実施の形態において、ハニカム構造体１０を構成する隔壁１は、コージェライト、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミノシリケート（ＬＡＳ）からなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックスから構成されている。このように構成することによって、特に、熱伝導率が低いコージェライト等で構成することにより、昇温時には、比較的薄い隔壁１の部分の温度上昇が先に行われ、ハニカム構造体にコートされている触媒が活性温度に達する。その後、熱容量が高い交差部３が加熱されることとなるため、隔壁１の全体を厚くして熱容量を大きくするよりも、触媒活性温度に達する時間を早くすることができる。逆に、排気温度の低下時には、比較的薄い隔壁１の部分が先に温度低下することとなるが、交差部３には熱量が蓄えられているため、通常の隔壁１の厚さが薄い構造よりも温度低下を防止することが可能となる。ハニカム構造体の温度分布をできるだけ均一化することは、反応の促進のため効果的であるが、隔壁１の熱容量を低下させる一方で、交差部３の熱容量を逆に増加させることによって、マクロ的に見た全体的な温度分布を均一化することができ、反応の促進を図ることができる。
本発明によれば、上述のいずれかに記載のハニカム構造体に触媒がコーティングされている触媒コートハニカム構造体が提供される。ここで、触媒としては、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、ＳＣＲ触媒等を挙げることができる。
また、本発明によれば、上述のいずれかに記載のハニカム構造体又は上述の触媒コートハニカム構造体が、フィルタの前段に設置されている浄化装置が提供される。
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
（実施例１）
焼成後にコージェライトとなるように、タルク、カオリン、アルミナ、シリカ等を所定の配合割合で調合し、バインダー、界面活性剤、水を加え、所定の配合割合で混合して坏土を得た。コージェライト化原料については、粒度、成分等は最終的には気孔率、熱膨脹率に影響するが、適宜、当業者であれば選定することが可能であり、また、バインダー、界面活性剤についても適宜設定することが可能である。得られた坏土を、焼成後に表１に示すセル構造となるよう、乾燥、焼成段階での収縮率を考慮して、スリット幅を調整した口金を付けた押し出し成形機を用いて押し出し成形を行い、乾燥、焼成後に直径が１００ｍｍで長さが１００ｍｍで、セルの形状が略正方形となるハニカム構造体を作製した。なお、表１に示す交点部のＲ又はＣ寸法は、前記口金のスリット交点部にＲ又はＣ加工することにより設定する。この設定により交差部の対角距離も決定される。また、隔壁の平均厚さは口金のスリット幅を調整することにより決定される。開口率は口金のスリット幅とセルピッチ及びＲ又はＣ寸法で決定される。なお、口金の寸法がそのままハニカム構造体におけるセル構造の寸法に反映されるわけではなく、乾燥／焼成工程の寸法収縮がハニカム構造体のセル構造寸法に影響する。
焼成後にコージェライトとなるように、タルク、カオリン、アルミナ、シリカ等を所定の配合割合で調合し、バインダー、界面活性剤、水を加え、所定の配合割合で混合して坏土を得た。コージェライト化原料については、粒度、成分等は最終的には気孔率、熱膨脹率に影響するが、適宜、当業者であれば選定することが可能であり、また、バインダー、界面活性剤についても適宜設定することが可能である。得られた坏土を、焼成後に表１に示すセル構造となるよう、乾燥、焼成段階での収縮率を考慮して、スリット幅を調整した口金を付けた押し出し成形機を用いて押し出し成形を行い、乾燥、焼成後に直径が１００ｍｍで長さが１００ｍｍで、セルの形状が略正方形となるハニカム構造体を作製した。なお、表１に示す交点部のＲ又はＣ寸法は、前記口金のスリット交点部にＲ又はＣ加工することにより設定する。この設定により交差部の対角距離も決定される。また、隔壁の平均厚さは口金のスリット幅を調整することにより決定される。開口率は口金のスリット幅とセルピッチ及びＲ又はＣ寸法で決定される。なお、口金の寸法がそのままハニカム構造体におけるセル構造の寸法に反映されるわけではなく、乾燥／焼成工程の寸法収縮がハニカム構造体のセル構造寸法に影響する。
得られたハニカム構造体について、排気量２．０Ｌのガソリンエンジンの排気管にキャニングを実施し、設置した。エンジンは２００℃と４００℃の繰り返しのサイクルとなるよう、エンジン負荷、回転数を調整し、ハニカム直後の排ガス温度を測定した。表１に示す比較例１を基準として、平均排ガス温度の上昇が１０℃以上となるものを◎、３℃〜１０℃のものを○、３℃未満のものを×とした。表１に示すように、交差部３の対角距離Ｌを大きくすることにより、平均排ガス温度の上昇が確認できた。また、隔壁１の平均厚さＴに対する交差部３の対角距離Ｌの比の値（Ｌ／Ｔ）を１．８以上とすることで、さらに有効な結果を得ることができることがわかった。なお、平均排ガス温度の上昇温度自体は高くても１０℃程度であり、一見すると僅かな差のように見えるが、その分ハニカム構造体にコートされている触媒が触媒活性温度以上の温度を保持する時間が長くなるため、その効果は非常に大きなものとなる。
（実施例２〜７、比較例１〜５）
実施例１において、セルの構造を表１に示すように変えたこと以外は、実施例１と同様にした。平均排ガス温度の上昇について表１に示す。
実施例１において、セルの構造を表１に示すように変えたこと以外は、実施例１と同様にした。平均排ガス温度の上昇について表１に示す。
本発明のハニカム構造体は、比較的排ガス温度が低いディーゼルエンジンの排気ガス浄化に特に有効であり、ＤＰＦ前段用のハニカム構造体の他、排ガス中のＮＯＸ浄化のためのＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒用の基材、ディーゼル酸化触媒としても有効に利用することが可能である。また、比較的高温の排ガスとなるガソリンエンジンにおいても、排気対応としては有効に利用される。
１ 隔壁
２ セル
３ 交差部
１０ ハニカム構造体
Ｓ１，Ｓ２ ２つの端面
ＡＢ 平行線
ＣＤ 平行線
Ｔ 隔壁の平均厚さ
Ｌ 交差部の対角距離
Ｅ、Ｆ、Ｇ，Ｈ 交点
２ セル
３ 交差部
１０ ハニカム構造体
Ｓ１，Ｓ２ ２つの端面
ＡＢ 平行線
ＣＤ 平行線
Ｔ 隔壁の平均厚さ
Ｌ 交差部の対角距離
Ｅ、Ｆ、Ｇ，Ｈ 交点
Claims (4)
- 複数の隔壁によって２つの端面間を互いに並行して連通する複数のセルが形成されたハニカム構造体であって、複数の前記隔壁が、セラミックスから構成されてなり、前記セルの形状が略正方形であり、前記隔壁の交差部が、Ｒ形状又はＣ形状であり、前記隔壁の平均厚さに対する前記交差部の対角距離の比の値（交差部の対角距離／隔壁の平均厚さ）が、１．６以上であり、前記セルの開口率が、５５％以上であるハニカム構造体。
- 前記隔壁が、コージェライト、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミノシリケート（ＬＡＳ）からなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックスから構成された請求項１に記載のハニカム構造体。
- 請求項１又は２に記載のハニカム構造体に触媒がコーティングされている触媒コートハニカム構造体。
- 請求項１又は２に記載のハニカム構造体又は請求項３に記載の触媒コートハニカム構造体が、フィルタの前段に設置されている浄化装置。
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