JP5090751B2 - ハニカム構造体 - Google Patents
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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］粒子状物質を捕集するフィルタの前段に設置するためのハニカム構造体であって、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、複数の前記隔壁が、セラミックスから構成されるとともに、２種以上の厚さを有し、前記隔壁の厚さが、前記セルの中心軸に垂直な方向で切断した場合、一定パターンで構成されており、複数の前記隔壁のうち、最小厚の隔壁の厚さに対する最大厚の隔壁の厚さの比の値（最大厚の隔壁の厚さ／最小厚の隔壁の厚さ）が１．２以上、４．０以下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、粒子状物質を捕集する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るとともに、２種以上の厚さを有する（図２では、厚さが大の隔壁を符号１ａで、厚さが小の隔壁を符号１ｂで示す）ように構成されている。このように構成することによって、加熱時には厚さが小の隔壁１ｂの部分が先に加熱され、ハニカム構造体コートされている触媒が速やかに活性温度に達するとともに、排ガス温度の低下時には、厚さが大の隔壁１ａの部分の冷却が遅れ、触媒活性温度域に達している時間を延長することが可能となる。
また、本実施の形態においては、図２に示すように、隔壁１の厚さは、セル２の中心軸に垂直な方向で切断した場合、一定パターンで規則性をもって構成されている。このように構成することによって、ハニカムデザインの設計を容易化することができるとともに、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ができるという効果を確実に発揮させることができる。
また、本実施の形態においては、図２に示すように、隔壁１が、厚さの異なる２種の隔壁１ａ，１ｂから構成されるとともに、厚さの異なる２種の隔壁１ａ，１ｂが、１つの担体内に分散した形で配設されている。このように構成することによって、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ができるという効果を簡易かつ確実に発揮させることができる。
さらに、本実施の形態においては、図２に示すように、最小厚の隔壁１ｂの厚さに対する最大厚の隔壁１ａの厚さの比の値（最大厚の隔壁１ａの厚さ／最小厚の隔壁１ｂの厚さ）が１．２以上、さらに好ましくは、１．６以上であるように構成されている。このように、１．２以上とすることによって、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ができるという効果を簡易かつ確実に発揮させることができる。
ただし、本実施の形態においては、図２に示すように、最小厚の隔壁１ｂの厚さに対する最大厚の隔壁１ａの厚さの比の値（最大厚の隔壁１ａの厚さ／最小厚の隔壁１ｂの厚さ）が４．０より大きくなると、薄壁部分と厚壁部分との隔壁の厚さの差が大きくなりすぎ、成形が困難となるため好ましくない。
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、ヒートスポットを作製することができる。これは、加熱された部分の熱は熱伝導率が低いことで、他の部分への流出を防止することができ、触媒活性温度に達することで、排ガスの酸化により発生する熱量も有効に作用させることが可能となる。熱伝導率が良い金属製では、本発明におけるような、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ができるという効果を期待することはできない。
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に乾燥、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の、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。
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に乾燥、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の、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。
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、ハニカム構造体直後の排ガス温度を測定した。比較例１で得られたハニカム構造体を基準として、平均排ガス温度の上昇が１０℃以上となるものを◎、３℃〜１０℃となるものを○、３℃未満のものを×とした。表１に示すように、隔壁厚さを複数の異なるもので構成することにより平均排ガス温度の上昇を確認することができた。また、隔壁の厚さ比を１．６倍以上とすることで、さらに有効な結果を得ることができることがわかった。
（実施例２〜８、比較例１〜５）
実施例１において、セル構造を表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。
表１中、セル数の単位は、ｃｐｓｉである。
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
１ａ 厚さが大の隔壁又は最大厚の隔壁
１ｂ 厚さが小の隔壁又は最小厚の隔壁
２ セル
１０ ハニカム構造体
Ｓ１，Ｓ２ ２つの端面
１ａ 厚さが大の隔壁又は最大厚の隔壁
１ｂ 厚さが小の隔壁又は最小厚の隔壁
２ セル
１０ ハニカム構造体
Ｓ１，Ｓ２ ２つの端面
Claims (4)
- 粒子状物質を捕集するフィルタの前段に設置するためのハニカム構造体であって、
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、
複数の前記隔壁が、セラミックスから構成されるとともに、２種以上の厚さを有し、前記隔壁の厚さが、前記セルの中心軸に垂直な方向で切断した場合、一定パターンで構成されており、複数の前記隔壁のうち、最小厚の隔壁の厚さに対する最大厚の隔壁の厚さの比の値（最大厚の隔壁の厚さ／最小厚の隔壁の厚さ）が１．２以上、４．０以下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、粒子状物質を捕集するフィルタの前段に設置されている浄化装置。
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