JP5452961B2

JP5452961B2 - ハニカム構造体

Info

Publication number: JP5452961B2
Application number: JP2009086946A
Authority: JP
Inventors: 正悟廣瀬; 知佳齋藤; 敏弘平川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010234315A; EP2246107B1; EP2246107A1

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、ディーゼルエンジン等から排出される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ＮＯ_２とすることで、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を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。

そこで、２種以上の厚さを有する隔壁で構成されたハニカム構造体が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１のハニカム構造体は、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である。

特開２００７−２８９９２４号公報

特許文献１では、隔壁の厚い部分で熱容量が大であることによる保温性大、薄い部分で熱容量が小であることによる昇温性大の効果があったが、昇温性及び保温性がさらに良好なハニカム構造体が望まれている。

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、ディーゼルエンジン等から排出される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。

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るとともに、第１の厚さを有する第１隔壁と、その第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁の２種の異なる厚さを有する隔壁とが１つの担体内に分散した形で配設されることによって前記セルが形成されており、前記セルは、連通方向に垂直な断面において、四角形状に形成されており、第１隔壁が２〜５列連続して配置され、次に第２隔壁が２〜５列連続して配置された繰り返し単位が格子状に設けられたハニカム構造体。

［２］四角形状を形成する４辺のうち、前記第１隔壁によって形成された辺が対向しない２辺であるか、前記第１隔壁によって形成された辺が１辺以下である薄壁部セル面積と、四角形状を形成する４辺のすべてが前記第１隔壁によって囲まれたセルの、前記連通方向に垂直な断面における厚壁部セル面積と、の面積比である薄壁部セル面積／厚壁部セル面積が２．０以上１６以下である前記［１］に記載のハニカム構造体。

本発明のハニカム構造体は、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することができる。そして、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により、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である。

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る。ハニカム構造体の一方の端面の実施形態１を示す説明図である。ハニカム構造体の一方の端面の実施形態２を示す説明図である。ハニカム構造体の一方の端面の実施形態３を示す説明図である。ハニカム構造体の一方の端面の実施形態４を示す説明図である。比較例（従来）のハニカム構造体の一方の端面を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（実施形態１）
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の実施形態１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である。そして、複数の隔壁１が、セラミックスから構成されるとともに、例えば、図２に示すように、第１の厚さを有する第１隔壁１ａと、その第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁１ｂの２種の異なる厚さを有する隔壁１によってセル２が形成されており、セル２は、連通方向に垂直な断面において、四角形状に形成されており、セル２のうち、四角形状を形成する４辺のうち３辺または４辺が第１隔壁１ａによって形成されているセル２と、四角形状を形成する４辺のうち３辺または４辺が第２隔壁１ｂによって形成されているセル２と、を有するように構成されている。

このように構成することにより、第１隔壁１ａにおいて熱容量が大となり、第１隔壁１ａに囲まれたセル２では、ガスの流入抵抗が高く、ガスの流入量が少ないため、低温ガスの流入による抜熱を防いでより保温性が向上する。また、第２隔壁１ｂにおいて熱容量が小となり、第２隔壁１ｂに囲まれたセル２では、ガスの流入量が多く、高温ガスからの熱伝達による昇温が速いため、より昇温性が向上する。

図２は、実施形態１の端面の部分拡大図であり、第１の厚さを有する第１隔壁（厚さが大の隔壁であり、以下厚壁ともいう。）１ａが２列連続して配置され、次に第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁（厚さが小の隔壁であり、以下薄壁ともいう。）１ｂが２列連続して配置されている。つまり、第１隔壁１ａが２列、第２隔壁１ｂが２列という組み合わせで繰り返し隔壁１が設けられている。

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第２隔壁１ｂの部分が先に加熱され、ハニカム構造体１０に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、隣接する厚さが大の第１隔壁１ａとの温度勾配が急峻となって、第１隔壁１ａは排ガスからの受熱に加え厚さが小の第２隔壁１ｂからの伝熱によって昇温が加速される。排ガス温度の低下時には、上記と反対の現象により、厚さが大の第１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。

本発明のハニカム構造体１０は、四角形状を形成する４辺のうち、第１隔壁１ａによって形成された辺が対向しない２辺であるか、第１隔壁１ａによって形成された辺が１辺以下である薄壁部セル面積と、四角形状を形成する４辺のすべてが第１隔壁１ａによって囲まれたセル２の、連通方向に垂直な断面における厚壁部セル面積と、の面積比である薄壁部セル面積／厚壁部セル面積が２．０以上１６以下であるように構成することが好ましい。

具体的には、図２において、厚壁部セル面積とは、領域Ａの面積である。すなわち領域Ａは、４辺のすべてが厚壁である第１隔壁１ａによって形成されている。また、薄壁部セル面積とは、領域Ｂの面積である。領域Ｂを構成するセル２は、９つあるが、そのすべてのセル２が、厚壁である第１隔壁１ａによって形成された辺が対向しない２辺であるか、第１隔壁１ａによって形成された辺が１辺以下である。領域Ａは、厚壁に囲まれているため、ガスが流入しにくい。一方、領域Ｂは、薄壁１ｂに囲まれたセル２が多く、ガスが流入しやすい。つまり、領域Ａは、ガスの流入抵抗が高く、ガスの流入量が少ない。領域Ｂは、ガスの流入抵抗が低く、ガスの流入量が多い。領域Ｂにおいてガスの流入量が多いということは、熱せられたガスが多く通過することを意味し、加熱されやすいということを意味する。領域Ａでは、ガスの流入量が少ないが、厚壁に囲まれているため、保温性がよい。

このように構成することにより、昇温性のよい第２隔壁１ｂによって囲まれたセル２にガスを多く流入させ、より昇温性を高めることができる。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。

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。

（実施形態２）
次に、実施形態２のハニカム構造体１０について説明する。図３は、実施形態２のハニカム構造体１０の端面の部分拡大図である。図３に示すように、第１の厚さを有する第１隔壁（厚さが大の隔壁）１ａが３列連続して配置され、次に第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁（厚さが小の隔壁）１ｂが３列連続して配置されている。つまり、第１隔壁１ａが３列、第２隔壁１ｂが３列という組み合わせで繰り返し隔壁１が設けられている。

（実施形態３）
次に、第１隔壁１ａと第２隔壁１ｂの列数が異なる異数配列の例について説明する。図４は、実施形態３のハニカム構造体１０の端面の部分拡大図である。図４に示すように、第１の厚さを有する第１隔壁（厚さが大の隔壁）１ａが２列連続して配置され、次に第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁（厚さが小の隔壁）１ｂが３列連続して配置されている。つまり、第１隔壁１ａが２列、第２隔壁１ｂが３列という組み合わせで繰り返し隔壁が設けられている。

（実施形態４）
図５は、実施形態４のハニカム構造体１０の端面の部分拡大図である。図５に示すように、第１の厚さを有する第１隔壁（厚さが大の隔壁）１ａが３列連続して配置され、次に第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁（厚さが小の隔壁）１ｂが５列連続して配置されている。つまり、第１隔壁１ａが３列、第２隔壁１ｂが５列という組み合わせで繰り返し隔壁１が設けられている。

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１０（上記実施形態に限定されるわけではない）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。触媒コート量は、１００〜３００ｇ／Ｌであることが好ましい。

また、上述のいずれかに記載のハニカム構造体１０又は上述の触媒コートハニカム構造体をフィルターの前段に設置した浄化装置として用いることができる。具体的には、本発明は、ディーゼル車の浄化装置のフィルターの前段に設置される、ＤＯＣ（ＤｉｅｓｅｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ、ディーゼル用酸化触媒）用途のハニカムとして利用することができる。ディーゼル車の排ガス温度は低く、ＤＯＣに付いている触媒が有効に働かないということがある。それを改善する技術として、早期昇温、遅い降温を実現する技術が重要であるが、本発明のハニカム構造体１０は、昇温しやすく、保温性も有する。また、ガソリン車に用いられる三元触媒でも、早期昇温、遅い降温を実現することができるため、ガソリン車の浄化装置として用いることにより、更なる排ガスクリーン化が実現可能である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に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２の形状が略正方形となるハニカム構造体１０を作製した。実施例１は、隔壁１ａ（厚壁）と隔壁１ｂ（薄壁）が２列ずつ繰り返された構造のハニカム構造体１０である（図２参照）。

得られたハニカム構造体１０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した。排ガス規制モード（ＪＣ−０８）を走行した際のハニカム構造体１０直後の排ガス温度を測定し、平均ガス温度を求めた。平均ガス温度とは、領域Ａと領域Ｂ（図２参照）の平均ガス温度を指す。なお、温度の測定には、太さ０．５ｍｍのＫタイプシース熱電対を使用し、測定位置はハニカム担体（ハニカム構造体１０）の中心に入った位置とした。規制モード走行時に、排気管と接続したパイプから、排ガスをサンプリングし、バッグと呼ばれる袋に貯めた後、走行終了後に、溜まった排ガスを分析計に通すことで、ＨＣエミッションを測定した（ＪＣ−０８の規定による）。浄化性能は、そのＨＣエミッションの逆数の比として求めた。

（実施例２〜５、比較例１〜４）
実施例２〜５は、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と同様にしたものである（実施例５は、図４参照）。比較例１は、隔壁１の厚さがすべて同一のハニカム構造体である。比較例２〜４は、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と同様にしたものである（比較例２は、図６参照。）。なお、すべての実施例で、隔壁１ａ（厚壁）と隔壁１ｂ（薄壁）は、それぞれ直線状に形成されている。

平均ガス温度、浄化性能について表１に示す。平均ガス温度、浄化性能は、比較例１のハニカム構造体を基準として表した。なお、面積Ａ／Ｂは、実施形態で説明した薄壁部セル面積／厚壁部セル面積である。また、ＯＦＡ比は、４辺が厚壁（第１隔壁１ａ）で囲まれたセル１つの開口の面積／４辺が薄壁（第２隔壁１ｂ）で囲まれたセル１つの開口の面積、を示す。

表１に示すように、隔壁１の厚さを複数の異なるもので構成し、さらに薄壁部セル面積／厚壁部セル面積（面積Ａ／Ｂ）を２．０〜１６．０（実施例１〜５）とすることにより、平均ガス温度の上昇、浄化性能の向上を確認することができた。

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（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）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：第１隔壁（厚壁）、１ｂ：第２隔壁（薄壁）、２：セル、１０：ハニカム構造体。

Claims

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るとともに、第１の厚さを有する第１隔壁と、その第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する第２隔壁の２種の異なる厚さを有する隔壁とが１つの担体内に分散した形で配設されることによって前記セルが形成されており、
前記セルは、連通方向に垂直な断面において、四角形状に形成されており、前記第１隔壁が２〜５列連続して配置され、次に前記第２隔壁が２〜５列連続して配置された繰り返し単位が格子状に設けられたハニカム構造体。
四角形状を形成する４辺のうち、前記第１隔壁によって形成された辺が対向しない２辺であるか、前記第１隔壁によって形成された辺が１辺以下である薄壁部セル面積と、
四角形状を形成する４辺のすべてが前記第１隔壁によって囲まれたセルの、前記連通方向に垂直な断面における厚壁部セル面積と、の面積比である薄壁部セル面積／厚壁部セル面積が２．０以上１６以下である請求項１に記載のハニカム構造体。