JPWO2011125772A1 - ハニカムフィルタ - Google Patents
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Abstract
Description
一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部と、該隔壁部上に形成され前記流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層と、を有する2以上のハニカムセグメントと、
前記2以上のハニカムセグメントの間に介在し、該2以上のハニカムセグメントの外周面同士を接合する接合層と、を備え、
前記流路に直交する直交面に含まれるハニカムセグメントの最外周の隔壁に形成されている捕集層の厚さが、内周領域の隔壁に形成されている捕集層の厚さの60%以下であるハニカムセグメントを少なくとも1以上含むものである。
SiC粉末及び金属Si粉末を80:20の質量割合で混合し、これにメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して混練し、可塑性の坏土を得て、所定の金型を用いて坏土を押出成形し、所望形状のハニカムセグメント成形体を成形した。ここでは、隔壁部の厚さが305μm、断面が35mm×35mm、長さが152.4mmの形状に成形した。次に、得られたハニカムセグメント成形体をマイクロ波により乾燥させ、更に熱風にて乾燥させたあと、目封止をして、酸化雰囲気において550℃、3時間で仮焼きした後に、不活性雰囲気下にて1400℃、2時間の条件で本焼成を行った。目封止部の形成は、セグメント成形体の一方の端面のセル開口部に交互にマスクを施し、マスクした端面をSiC原料を含有する目封止スラリーに浸漬し、開口部と目封止部とが交互に配設されるように行った。また、他方の端面にも同様にマスクを施し、一方が開口し他方が目封止されたセルと一方が目封止され他方が開口したセルとが交互に配設されるように目封止部を形成した。得られたハニカムセグメント焼成体の排ガス流入側の開口端部より、隔壁の平均細孔径よりも小さい平均粒径を有するSiC粒子を含む空気を流入させ、且つハニカムセグメントの流出側より吸引しながら、排ガス流入側の隔壁の表層に堆積させた。この際に、セグメントの側面にエポキシ系樹脂(商品名「スペシフィックスエポキシ系樹脂」(ストルアス社製))、硬化剤(商品名「スペシフィックス−20 硬化剤」(ストルアス社製))をローラーによりコートすることで、セグメント最外周の隔壁の透過抵抗を大きくし、捕集層形成時に捕集層形成粒子が最外周の隔壁に堆積しにくいように調整した。具体的には、上記エポキシ系樹脂へ有機溶剤(エタノール)を添加することで隔壁への含浸量を調整して透過抵抗を制御し、上述のようにして求めたセグメント最外周の隔壁に形成された捕集層の厚さA(μm)と、それ内周領域の隔壁に形成された捕集層の厚さB(μm)とを、A/Bが所定の値となるように調整した。次に、大気雰囲気下にて1300℃、2時間の条件の熱処理により、隔壁の表層に堆積させたSiC粒子同士、及び堆積させたSiC粒子と隔壁を構成するSiC及びSi粒子と結合させた。このように、隔壁部上に捕集層を形成したハニカムセグメントを作製した。このようにして得られたハニカムセグメントの側面に、アルミナシリケートファイバ、コロイダルシリカ、ポリビニルアルコール、炭化珪素、および水を混練してなる接合用スラリーを塗布し、互いに組み付けて圧着した後、加熱乾燥して、全体形状が四角形状のハニカムセグメント接合体を得た。さらに、そのハニカムセグメント接合体を、円柱形状に研削加工した後、その周囲を、接合用スラリーと同等の材料からなる外周コート用スラリーで被覆し、乾燥により硬化させることにより所望の形状、セグメント形状、セル構造を有する円柱形状のハニカムフィルタを得た。ここでは、ハニカムフィルタは、断面の直径が144mm、長さが152mmの形状とした。また、後述する実施例1〜7及び比較例1〜6の隔壁部の気孔率は40体積%であり、平均細孔径は15μmであり、捕集層を形成する粒子の平均粒径は2.0μmであった。この際、表1に示すように、セルピッチ1.47mm,接合剤の気孔率30%のもの(サンプル1)、セルピッチ1.80mm,接合剤の気孔率50%のもの(サンプル2)、セルピッチ2.01mm、接合剤の気孔率70%のもの(サンプル3)の3水準を作成した。なお、隔壁部,接合材の気孔率及び平均細孔径は水銀ポロシメータ(Micromeritics社製Auto PoreIII型式9405)を用いて測定した。また、捕集層の原料粒子の平均粒径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所社製LA−910)を用い、水を分散媒として測定したメディアン径(D50)である。
まず、重量比でアルミナ:白金:セリア系材料=7:0.5:2.5とし、セリア系材料を重量比でCe:Zr:Pr:Y:Mn=60:20:10:5:5とした原料を混合し、溶媒を水とした触媒のスラリーを調製した。次に、上述のように作成したハニカムフィルタの出口端面(排ガスが流出する側)を所定の高さまで浸漬させ、入口端面(排ガスが流入する側)より、所定の吸引圧力と吸引流量に調整しながら所定時間にわたって吸引し、隔壁に触媒を担持し、120℃2時間で乾燥させた後、550℃1時間で焼付けを行った。ハニカムフィルタの単位体積当たりの触媒量が30g/Lとなるようにした。
上述したハニカムフィルタの作製工程において、B=50μm,A/B=0%を目標値として捕集層を形成したものを実施例1とした。また、B=50μm,A/B=30%を目標値として捕集層を形成したものを実施例2とした。また、B=50μm,A/B=60%を目標値として捕集層を形成したものを実施例3とした。
上述したハニカムフィルタの作成工程において、B=50μm,A/B=70%を目標値として捕集層を形成したものを比較例1とした。また、B=50μm,A/B=100%を目標値として捕集層を形成したものを比較例2とした。
上述したハニカムフィルタの作成工程において、B=70μm,A/B=0%を目標値として捕集層を形成したものを実施例4とした。また、B=70μm,A/B=60%を目標値として捕集層を形成したものを実施例5とした。
上述したハニカムフィルタの作成工程において、B=70μm,A/B=70%を目標値として捕集層を形成したものを比較例3とした。また、B=70μm,A/B=100%を目標値として捕集層を形成したものを比較例4とした。
上述したハニカムフィルタの作成工程において、B=30μm,A/B=0%を目標値として捕集層を形成したものを実施例6とした。また、B=30μm,A/B=60%を目標値として捕集層を形成したものを実施例7とした。
上述したハニカムフィルタの作成工程において、B=30μm,A/B=70%を目標値として捕集層を形成したものを比較例5とした。また、B=30μm,A/B=100%を目標値として捕集層を形成したものを比較例6とした。
実施例1〜7及び比較例1〜6の断面のSEM撮影を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製S−3200N)を用いて行い、最外周隔壁部上の捕集層の厚さA及び内周領域隔壁部上の捕集層の厚さBを測定した。まず、ハニカムセグメントの隔壁基材を樹脂埋めした後に流体の流通方向に垂直な断面を観察面とするように切断・研磨した観察用試料を用意し、SEM観察を行い、得られた画像を解析することによって捕集層を形成する粒子群の厚さを求めた。最外周隔壁部の捕集層の厚さAの測定位置は、ハニカムセグメントの上流側端面から15mm、中央部、下流側端面から15mmの断面において、最外周隔壁部によって形成される正方形の各辺の中央部4箇所、合計12箇所とした(図5参照)。内周領域隔壁部の捕集層の厚さBの測定位置は、ハニカムセグメントの上流側端面から15mm、中央部、下流側端面から15mmの断面において、ハニカムフィルタの中心1箇所及びハニカムセグメントの中心と最外周隔壁部の捕集層厚さの測定箇所とを結ぶ各線分の中央部4箇所、合計15箇所とした(図5参照)。撮影した画像において、隔壁表面に対して垂直の方向からこの隔壁表面に仮想平行光を照射したものとしたときに得られる投影線を隔壁の最外輪郭線として仮想的に描画した。また、同様に、捕集層表面に対して垂直の方向からこの捕集層を形成する粒子群の表面に仮想平行光を照射したものとしたときに得られる投影線を粒子群の最外輪郭線として仮想的に描画した。続いて、描画した隔壁の最外輪郭線の上面線分の各々の高さ及び長さに基づいて隔壁の最外輪郭線の平均線である隔壁の標準基準線を求めた。また、隔壁の標準基準線と同様に、描画した粒子群の最外輪郭線の上面線分の各々の高さ及び長さに基づいて粒子群の最外輪郭線の平均線である粒子群の平均高さを求めた。そして、得られた粒子群の平均高さと隔壁の標準基準線との差をとり、この差(長さ)を、この撮影画像における捕集層の厚さ(粒子群の厚さ)とした。求めた捕集層の厚さを平均してそれぞれ最外周隔壁部の捕集層厚さA及び内周領域隔壁部の捕集層厚さBを求めた。
上記作製したハニカムフィルタを2.0Lディーゼルエンジンに搭載し、エンジン回転数2500rpm、トルク60Nmの定常状態にてPMを堆積させた。このとき、内周領域隔壁部へのPM堆積量が20g/L,30g/L,40g/Lとなるように堆積処理時間を調整した。堆積PM量の算出は、エンジン試験前後にハニカムフィルタの重量を測定し、試験後の重量から試験前の重量を引くことで行った。なお、上述したPM堆積量は、通常使用される際の再生限界値に比べて大きい、いわゆる過堆積の状態を再現するものである。
上述のようにPMを堆積させたあと、ポストインジェクションによりハニカムフィルタの入口ガス温度を680℃まで上昇させ、ハニカムフィルタに堆積しているPMが燃焼しはじめ、ハニカムフィルタの圧力損失が下がり始めたところでポストインジェクションを停止すると同時にエンジン状態をアイドル状態に切り替えた。その際、高い酸素濃度と低流量によりハニカムフィルタ内部で残存PMの異常燃焼が起こり、ハニカムフィルタ内部温度は急上昇する。この場合、ハニカムセグメントにおいても中央部分が最も早く燃焼するため、セグメント中央部分と接合部近傍との温度差により熱膨張差が生じるなどして、セグメントと接合層との界面にて熱膨張差による応力が発生し、セグメントの剥離が発生することがある。本実施例では、PMの過堆積と強制再生時の異常燃焼とが同時に発生するような異常状態においてセグメントの剥離の有無を目視によって観察して強制再生評価を行った。
実施例1〜7及び比較例1〜6についての測定結果等を表2に示した。なお、各結果は、上述した表1に示す3水準のサンプルについての平均値である。PM堆積量を20g/L,30g/Lとしたものでは、実施例1〜7及び比較例1〜6のいずれにおいてもセグメントの剥離は生じなかった。このことから、特にPM堆積量が大過剰でなければ、セグメントの剥離は生じないことが分かった。また、PM堆積量を40g/Lとしたものでは、A/Bが60%以下の実施例1〜7ではセグメントの剥離は生じなかった。以上のことから、A/Bが60%以下となるように捕集層を形成することでセグメントと接合層との間の熱膨張差をより軽減することができ、特にPM堆積量が過剰である場合であってもセグメントの剥離を抑制可能であることが分かった。この傾向は上述した表1に示す3水準のサンプルいずれにおいても同じ傾向を示した。なお、実施例及び比較例では、全てのセグメントについてA/Bが所定の値となるように作成したが、一部にこの要件を満たさないものがあっても、全体としては剥離等が生じにくく、同様の効果が得られるものと推察された。
Claims (4)
- 一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部と、該隔壁部上に形成され前記流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層と、を有する2以上のハニカムセグメントと、
前記2以上のハニカムセグメントの間に介在し、該2以上のハニカムセグメントの外周面同士を接合する接合層と、を備え、
前記流路に直交する直交面に含まれるハニカムセグメントの最外周の隔壁に形成されている捕集層の厚さが、内周領域の隔壁に形成されている捕集層の厚さの60%以下であるハニカムセグメントを少なくとも1以上含む、ハニカムフィルタ。 - 前記内周領域の隔壁に形成されている捕集層の厚さが10μm以上80μm以下である、請求項1に記載のハニカムフィルタ。
- 前記隔壁部及び前記捕集層のうち少なくとも一方には、触媒が担持されている、請求項1又は2に記載のハニカムフィルタ。
- 前記隔壁部は、コージェライト、SiC、ムライト、チタン酸アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア及びシリカから選択される1以上の無機材料を含んで形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のハニカムフィルタ。
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