JP3769818B2 - 排ガスフィルタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、発電機、船舶、工事用車両等のディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化を目的とする排ガスフィルタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車、発電機、船舶、工事用車両等のディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれる窒素酸化物やすす等のカーボンパティキュレート等による環境汚染や人体への影響が重要視されている。このような背景から、排ガスを浄化する排ガスフィルタ及び排ガスフィルタに用いる燃焼触媒の担持体の開発がなされている。このような排気ガスフィルタ又はこれに用いる担持体は高温で使用されるため、耐熱性、耐熱衝撃性、低熱膨張性を有することが要求される。また、排気ガスフィルタはカーボンパティキュレート等を捕集した後、排ガスの浄化機能を再生させるために燃焼再生装置を用いて捕集物を燃焼する必要がある。したがって、再生時における熱伝導率も優れていなければならない。
【0003】
このような排気ガスフィルタには、特開平5−254962号公報や特開平5−254963号公報に記載されているコージェライトが主に用いられている。その理由は、コージェライトの熱膨張係数が2.0×10-6/℃以下と低くかつ耐熱衝撃性に優れているとともに、ムライトやアルミナ等の耐熱材料に比べ、排気ガスフィルタに捕集されたカーボンパティキュレートや再性時の熱応力によるフィルタ割れが発生しにくいためである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のコージェライトを用いる排ガスフィルタでは、熱伝導率が0.25kcal/mh℃以上と比較的大きいため、再生時の温度コントロールが難しく、再生時に排ガスフィルタを加熱するためのヒータ出力を上げたり、カーボンパティキュレートの捕集量を調整したりして、無理に温度コントロールしようとすると排ガスフィルタの温度が1400℃以上となって、異常燃焼によりコージェライトの融点を超えて溶損するため、耐久性に欠けるという問題を有していた。
【0005】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、再生時における温度コントロールが容易で耐久性に優れた排ガスフィルタを提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、主成分がチタン酸アルミニウムからなるハニカム構造体で、前記ハニカム構造体内に形成された各セルの一端部が目封じされている排ガスフィルタであって、熱伝導率が0.07〜0.17kcal/mh℃、好ましくは0.11〜0.13kcal/mh℃である構成よりなる。
【0007】
この構成により、再生時における温度コントロールが容易で耐久性に優れた排ガスフィルタを提供することが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、主成分がチタン酸アルミニウムからなるハニカム構造体で、前記ハニカム構造体内に形成された各セルの一端部が目封止されている排ガスフィルタであって、再生時の耐久性が向上するように、熱伝導率が0.11〜0.13kcal/mh℃であることとしたものであり、再生時における温度コントロールが容易で耐久性が向上するという作用を有する。
【0009】
熱伝導率が0.07kcal/mh℃よりも小さくなると、熱伝導率が低すぎて再生時にカーボンパティキュレートに着火した後に燃焼が伝搬せず立ち消えする傾向を生じ、0.17kcal/mh℃よりも大きくなると、再生時における温度コントロールが困難になる傾向を生じるので、いずれも好ましくない。また、熱伝導率が0.11〜0.13kcal/mh℃の範囲では、再生時の温度コントロールを良好に行うことが可能であり、かつ再生時の排ガスフィルタ内における燃焼の伝搬も良好であることから、特に好適である。
【0010】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、ハニカム構造体の気孔率が45〜55%であることとしたものであり、熱伝導率を最適な範囲に維持できる
という作用を有する。
【0011】
気孔率が25%よりも小さくなると熱伝導率が0.07kcal/mh℃よりも小さくなる傾向を生じ、65%よりも大きくなると熱伝導率が0.17kcal/mh℃よりも大きくなる傾向を生じるため、いずれも好ましくない。また、気孔率が45〜55%の範囲では、熱伝導率を0.11〜0.13kcal/mh℃とすることができることから、特に好適である。
【0012】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、ハニカム構造体のセルの数が100〜200個/inch2であることとしたものであり、熱伝導率を最適な範囲に維持できるという作用を有する。
【0013】
セルの数が70個/inch2よりも小さくなると熱伝導率が0.07kcal/mh℃よりも小さくなる傾向を生じ、250個/inch2よりも大きくなると熱伝導率が0.17kcal/mh℃よりも大きくなる傾向を生じるため、いずれも好ましくない。また、セル数が100〜200個/inch2の範囲では、熱伝導率を0.11〜0.13kcal/mh℃とすることができることから、特に好適である。
【0014】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、ハニカム構造体のセル壁の厚みが0.15〜0.75mmであることとしたものであり、ハニカム構造体の強度が向上するとともに、熱伝導率を最適な範囲に維持できるという作用を有する。
【0015】
セル壁の厚みが0.15mmよりも小さくなると、ハニカム構造体の強度が低下する傾向を生じ、0.75mmよりも大きくなると、熱伝導率が0.17kcal/mh℃よりも大きくなる傾向を生じるため、いずれも好ましくない。
【0016】
以下に、本発明の実施の形態の具体例について説明する。
(実施の形態)
図1は本発明の一実施の形態における排ガスフィルタの断面図、図1は本発明の一実施の形態における排ガスフィルタの上面図である。
【0017】
図1及び図2において、1はセル、2はセル壁、3は目封じ、4は外周壁である。本実施の形態における排ガスフィルタは、図1に示したように、主成分がチタン酸アルミニウムからなる外周壁4とセル壁2によりハニカム状に形成されており、セル壁2によって仕切られたセル1の一端部が目封じ3により密閉されている。また、目封じ3は排ガスフィルタの上面及び下面において、図2に示したように市松模様状に形成されている。尚、図1に示したaはセル壁2の厚みを示している。
【0018】
このような排ガスフィルタの一側部の開放されたセル1から流入した排ガスは、セル壁2に形成された多数の空孔(図示せず)を通して他のセル1との間で流入・流出が可能で、この際セル壁2にカーボンパティキュレート等が捕集された後、排ガスフィルタの他側部の開放されたセル1から流出する。カーボンパティキュレート等が設定捕集量まで捕集されると、排ガスフィルタは燃焼再生装置(図示せず)により所定温度で燃焼され、カーボンパティキュレート等が燃焼除去されて再生される。
【0019】
本実施の形態における排ガスフィルタが従来例と異なっているのは、排ガスフィルタの熱伝導率が0.07〜0.17kcal/mh℃、好ましくは0.11〜0.13kcal/mh℃であり、ハニカム構造体の気孔率が25〜65%、好ましくは45〜55%であり、ハニカム構造体のセルの数が70〜250個/inch2、好ましくは100〜200個/inch2であり、図2に示したハニカム構造体のセル壁の厚みaが0.15〜0.75mmに形成されていることである。
【0020】
この構成により、再生時における温度コントロールが容易で、かつ強度の高いハニカム構造体からなる耐久性に優れた排ガスフィルタが得られる。
【0021】
次に、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。
【0022】
【実施例】
(実施例1)
チタン酸アルミニウムと、粒状ポリエチレンや活性炭などの造孔剤を5、9、14、18、22、26重量部と、チタン酸アルミニウム粉末と造孔剤粉末を結合させる結合剤を7〜12重量部添加し、ミキサーにより乾式混合した6種類の組成物を得た。
【0023】
各組成物に、有機系可塑剤3〜6重量部と水31〜38重量部を加えて、ニーダ及び三本ローラによって混練した後、真空押出成型機に投入してハニカム用ダイスを用いてハニカム構造体に押出成形してから乾燥した。この後、1500℃の焼成温度で焼成し、外形が直径5.66inchで高さ6inch、セル壁の厚みが0.45mm、セル数100個/inch2であって、気孔率だけが15%、25%、45%、55%、65%、75%と異なる6種類の排ガスフィルタを作製した。
【0024】
これらの各排ガスフィルタに対して行った熱伝導率の測定方法及び捕集再生試験について、以下に説明する。
【0025】
図3は熱伝導率測定用及び捕集再生試験用の排ガスフィルタの要部斜視図である。
【0026】
図3において、5は測定面であり、セル1、セル壁2は第1実施の形態と同様のものであるので、同一の符号を付して説明を省略する。
【0027】
上記の6種類の排ガスフィルタを、それぞれ図3に示したような幅50mm、高さ20mm、奥行き100mmの形状に切り出した後、測定面5に対して垂直方向のセル壁を研磨して削り取り、平坦な測定面5を形成した。この測定面5に対して、プローブ式熱伝導率計のプローブを当接させ、得られた対数軸の時間に対する測定面5の温度上昇のグラフの傾きから、熱伝導率を決定した。
【0028】
次に、捕集再生試験について説明する。排ガス発生装置として、約3500ccのディーセルエンジンを用い、回転数1500rpm、トルク21kgm条件で排ガスを発生させ、前述の排ガスフィルタを用いて、排ガス1リットル当たり12.0〜14.0gのカーボンパティキュレートを捕集させた。捕集量の判定は、各排ガスフィルタの重量増加量を測定して行った。
【0029】
次に、カーボンパティキュレートを捕集した排ガスフィルタを、排ガスフィルタの前面に設置されたヒータを用いて、排ガスフィルタのガス流入口の温度を約600℃としてカーボンパティキュレートが着火するまで加熱した。着火後、ヒータによる加熱を中止してからブロワーにより約0.1m3/min前後のエアーを送風して、排ガスフィルタ内部全体に火炎が伝搬させるように燃焼させ、排ガスフィルタの再生を行った。
【0030】
上記再生の直後に、再び排ガス発生装置により排ガスフィルタ内に排ガスを流入させ、排ガスフィルタの排ガス流出口の後方に設置したスモークメータによりJIS規格D8004に準拠して排ガス濃度を測定し、スモークメータの値が1%以上となった場合には、再生不可能と判断して捕集再生試験を中止した。また、外観の形状変化や打音試験により、排ガスフィルタ内部にクラックが発生したと考えられる場合にも、捕集再生試験を中止した。以上のような捕集再生試験において、各排ガスフィルタ毎の再生回数を決定した。
【0031】
尚、再生回数が500回を超えた場合には、十分な耐久性を有するものとして捕集再生試験を中止した。
【0032】
(表1)に各排ガスフィルタ毎に得られた熱伝導率の測定結果と再生回数を示した。
【0033】
【表1】
【0034】
(表1)に示したように、気孔率が25〜65%の場合の熱伝導率は0.07〜0.17kcal/mh℃であり、300回以上の捕集再生試験においてクラックの発生が認められないことが明らかとなった。また、気孔率が45〜55%の場合の熱伝導率は0.11〜0.13kcal/mh℃であり、この時の再生回数は500回で、気孔率及び熱伝導率をこの範囲にすることによって、排ガスフィルタの耐久性が向上することが判明した。
【0035】
(実施例2)
セル数が異なる排ガスフィルタを作製するため、セル数の異なる6種類のハニカム用ダイスを用いたことを除いて、第1実施例と同様な条件・方法により、外形が直径5.66inchで高さ6inch、セル壁の厚みが0.45mm、気孔率45%であって、セル数だけが50、70、100、200、250、270個/inch2と異なる6種類の排ガスフィルタを作製した。これらの各排ガスフィルタを、第1実施例と同様に図3に示したような幅50mm、高さ20mm、奥行き100mmの形状に切り出した後、熱伝導率及び再生回数を測定した。その結果を(表2)に示した。
【0036】
【表2】
【0037】
(表2)に示したように、セル数が70〜250個/inch2の場合の熱伝導率は0.07〜0.17kcal/mh℃であり、300回以上の捕集再生試験においてクラックの発生が認められないことが明らかとなった。また、セル数が100〜200個/inch2の場合の熱伝導率は0.11〜0.13kcal/mh℃であり、この時の再生回数は500回で、セル数及び熱伝導率をこの範囲にすることによって、排ガスフィルタの耐久性が向上することが判明した。
【0038】
(実施例3)
セル数が異なる排ガスフィルタを作製するため、セル厚の異なる6種類のハニカム用ダイスを用いたことを除いて、第1実施例と同様な条件・方法により、外形が直径5.66inchで高さ6inch、気孔率45%、セル数100個/inch2であって、セル壁の厚みだけが0.10、0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90mmと異なる7種類の排ガスフィルタを作製した。これらの各排ガスフィルタを、第1実施例と同様に図3に示したような幅50mm、高さ20mm、奥行き100mmの形状に切り出した後、熱伝導率及び再生回数を測定した。その結果を(表3)に示した。
【0039】
【表3】
【0040】
(表3)に示したように、セル壁の厚みが0.15〜0.75mmの場合の熱伝導率は0.07〜0.17kcal/mh℃であり、300回以上の捕集再生試験においてクラックの発生が認められず、セル壁の厚み及び熱伝導率をこの範囲にすることによって、排ガスフィルタの耐久性が向上することが判明した。
【0041】
尚、セル壁の厚みが0.10mmの場合については、焼成後に顕著な変形や歪みの発生が認められたため、熱伝導率の測定及び捕集再生試験は行わなかった。また、第1実施例〜第3実施例における排ガスフィルタの軸方向の熱膨張係数は、1.0×10-6(1/℃)程度であった。
【0042】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、再生時において溶損やクラックの発生がない、耐久性に優れた排ガスフィルタが得られることから、高い浄化効率で長期間排ガスを浄化することができるという優れた効果が得られる。また、本発明の排ガスフィルタを用いる自動車、発電機、船舶、工事用車両等の耐久性及び信頼性を向上させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における排ガスフィルタの断面図
【図2】本発明の一実施の形態における排ガスフィルタの上面図
【図3】熱伝導率測定用及び捕集再生試験用の排ガスフィルタの要部斜視図
【符号の説明】
1 セル
2 セル壁
3 目封じ
4 外周壁
5 測定面
Claims (4)
- 主成分がチタン酸アルミニウムからなるハニカム構造体で、前記ハニカム構造体内に形成された各セルの一端部が目封じされている排ガスフィルタであって、再生時の耐久性が向上するように、熱伝導率が0.11〜0.13kcal/mh℃であることを特徴とする排ガスフィルタ。
- 前記ハニカム構造体の気孔率が45〜55%であることを特徴とする請求項1に記載の排ガスフィルタ。
- 前記ハニカム構造体の前記セルの数が100〜200個/inch2であることを特徴とする請求項1又は2に記載の排ガスフィルタ。
- 前記ハニカム構造体のセル壁の厚みが0.15〜0.75mmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の排ガスフィルタ。
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