WO2016088796A1 - ハニカムフィルタ - Google Patents

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outlet
porous partition
channel
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Inventor
山本 和弘
健 島田
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住友化学株式会社
国立大学法人名古屋大学
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D39/00Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/022Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters characterised by specially adapted filtering structure, e.g. honeycomb, mesh or fibrous

Definitions

  • the present invention relates to a honeycomb filter.
  • honeycomb filters that remove particulate matter such as soot discharged from an internal combustion engine are known.
  • the pressure loss of the honeycomb filter increases.
  • the fuel efficiency of the internal combustion engine deteriorates.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a honeycomb filter in which pressure loss is unlikely to increase even when particulate matter is deposited.
  • the honeycomb filter according to the present invention includes an inlet end, an outlet end facing the inlet end, an inlet channel in which the inlet end is opened and the outlet end is closed, and the outlet end is opened and the inlet end is A closed outlet channel, and a porous partition wall that separates the inlet channel and the outlet channel.
  • the porosity of the inlet side portion from the surface on the inlet channel side in the porous partition wall to the central portion in the thickness direction of the porous partition wall is ⁇ i
  • the porous partition wall from the surface on the outlet channel side in the porous partition wall A honeycomb filter that satisfies ⁇ i> ⁇ o, where ⁇ o is the porosity of the outlet side portion to the center in the thickness direction.
  • the honeycomb filter can satisfy 0.1 ⁇ ⁇ i ⁇ 0.7 and 0.01 ⁇ ⁇ i ⁇ o ⁇ 0.6.
  • a honeycomb filter in which the pressure loss is hardly increased even when particles are deposited.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view along the axial direction of a honeycomb filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the porous partition wall of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a calculation region used in the calculation example.
  • FIG. 4 is a graph showing the change over time in the pressure loss of the filters in Calculation Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure loss and the soot accumulation amount in Calculation Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a honeycomb filter 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the honeycomb filter 100 includes an inlet end 100in, an outlet end 100out facing the inlet end 100in, an inlet channel 110in in which the inlet end 100in is opened and the outlet end 100out is closed, and the outlet end 100out is opened and the inlet end 100in is opened. It has a closed outlet channel 110out and a porous partition wall 120p that separates the inlet channel 110in and the outlet channel 110out, and has a columnar shape.
  • a porous honeycomb structure 120 having a large number of through-holes 120h, a plurality of sealing portions 130 that seal the inlet ends 100in of some through-holes 120h, and the outlet ends of the remaining through-holes 120h
  • the inlet channel 110in and the outlet channel 110out are formed by a plurality of sealing portions 130 that seal 100out.
  • the shape of the cross section perpendicular to the axis of the inlet channel 110in and the outlet channel 110out is not limited, and may be, for example, a polygon such as a quadrangle, a hexagon, or an octagon; a circle or an ellipse.
  • the arrangement of the inlet channel 110in and the outlet channel 110out when viewed from the end face direction is not particularly limited, and the inlet channel 110in and the outlet channel 110out may be arranged with the porous partition wall 120p interposed therebetween.
  • the flow paths are arranged such that four outlet flow paths 110out are disposed around one inlet flow path 110in via a porous partition wall 120p, and porous partition walls 120p are disposed around one outlet flow path 110out.
  • a so-called square arrangement in which four inlet channels 110in are arranged via the three inlet channels 110in and three outlet channels 110out are arranged around the one inlet channel 110in via the porous partition wall 120p.
  • a so-called HEX2 arrangement in which six inlet channels 110in are arranged around one outlet channel 110out via a porous partition wall 120p, and around one inlet channel 110in via a porous partition wall 120p. Four inlet channels 110in and two outlet channels 110out are arranged around the outlet channel 110out.
  • a so-called HEX3 arrangement in which six inlet channels 110in are arranged via a porous partition 120p, four inlet channels 110in and four outlet flows around one inlet channel 110in via a porous partition 120p. It can be a so-called octosquare arrangement in which the passage 110out is arranged and the four inlet channels 110in are arranged around the one outlet channel 110out through the porous partition wall 120p.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view along the gas passage direction (the direction from the inlet channel to the outlet channel) in the porous partition wall 120p.
  • the direction from the top to the bottom of FIG. 2 is the main flow direction of the gas and also the thickness direction of the porous partition wall 120p.
  • the thickness of the porous partition wall 120p is not particularly limited, but can be, for example, 0.1 to 1 mm, and preferably 0.13 to 0.5 mm.
  • the porous partition wall 120p has a distribution in porosity in the thickness direction. As shown in FIG. 2, the porosity of the inlet side portion 120pi from the surface 120a on the inlet channel 110in side of the porous partition wall 120p to the central portion 120c in the thickness direction of the porous partition wall 120p is ⁇ i, and the porous partition wall 120p When the porosity of the outlet side portion 120po from the surface 120b of the outlet channel 110out to the central portion 120c in the thickness direction of the porous partition wall 120p is ⁇ o, the porous partition wall 120p satisfies ⁇ i> ⁇ o.
  • the average pore diameter D50 of the porous partition wall 120p is usually 1 to 100 ⁇ m, preferably 5 to 30 ⁇ m.
  • the average pore diameter D50 first, the pore diameter distribution in the range of 0.0018 to 100 ⁇ m of the object is measured by the mercury intrusion method, and the cumulative volume fraction of the pore diameter is 50% in the pore diameter distribution. Obtained by obtaining the pore diameter.
  • the material of the porous partition wall 120p is not particularly limited, but may be ceramic, for example.
  • the ceramic are an aluminum titanate ceramic, a silicon carbide ceramic, and a cordierite ceramic.
  • the ceramic is preferably an aluminum titanate ceramic.
  • the aluminum titanate-based ceramic can contain magnesium, silicon, and the like.
  • the ceramic may contain trace components derived from raw materials or trace components inevitably contained in the production process.
  • the following effects can be obtained.
  • a gas containing soot is supplied from the inlet end 100in of the honeycomb filter 100 to the inlet channel 110in, the gas flows along the arrow G, the soot is collected by the porous partition wall 120p, and the gas from which the soot has been removed flows into the outlet flow. It is discharged from the path 110out.
  • the pressure loss of the honeycomb filter increases.
  • the increase in pressure loss is reduced even if the amount of soot accumulated increases. Therefore, the fuel consumption of the internal combustion engine can be reduced.
  • honeycomb filter from depth filtration (collection of soot inside the partition walls) to surface layer filtration (partition wall separation).
  • a large pressure loss occurs during the period until the transition to the collection of soot on the surface), but when the porosity of the inlet side portion 120pi increases, the transition occurs compared to the case where the porosity of the inlet side portion 120pi is low. It is conceivable that the increase in pressure loss during the period until is reduced.
  • a sealed honeycomb structure having a uniform porosity in the thickness direction of the porous partition wall 120p is prepared, Next, an appropriate viscosity slurry having ceramic particles and the like is applied from the outlet channel side so that the slurry is immersed to half the thickness of the porous partition wall, dried, and fired as necessary. .
  • the inlet channel 110in and the outlet channel 110out are closed by inserting the plug-shaped sealing portion 130 into the end portion of the through hole 120h, but the porous partition 120p is deformed. Therefore, the channel can be closed without using the plug-like sealing portion.
  • the outer shape of the filter is not particularly limited to a cylindrical shape as long as it is columnar, and may be, for example, a prism.
  • the calculation lattice was 2.5 ⁇ m, and the number of lattices was 380 ⁇ 396.
  • a 0.67 mm ⁇ 0.99 mm filter was placed in the center of the analysis region. Run-up sections of 0.21 mm (85 grids) and 0.06 mm (25 grids) were provided before and after the filter, respectively.
  • a porous structure obtained by measuring an actual filter with X-ray CT was used as reference data, and the reference data was corrected according to a desired porosity to obtain structure data corresponding to each porosity.
  • An example of a porous structure is shown in FIG.
  • the average pore diameter D50 was about 15 ⁇ m.
  • Supply exhaust gas containing soot from the inlet side of the filter The gas passes through the filter.
  • the deposition rate required for soot deposition was 0.0002.
  • the gas inflow rate at the gas inlet boundary was 1.0 m / s, and the gas temperature was 300 ° C.
  • the mass fraction of soot in the inflowing gas was 0.1.
  • the surface of the filter material is a non-slip boundary
  • the lattice Boltzmann method was used to calculate the flow of fluid and soot.
  • Table 1 shows the porosity ⁇ i of the inlet-side portion 120pi, the porosity ⁇ o of the outlet-side portion 120po, and the average porosity ⁇ avg in Calculation Examples 1 and 2 and Comparative Calculation Examples 1 and 2. .
  • FIG. 4 shows the change over time in the pressure loss of the filter in Calculation Examples 1 and 2 and Comparative Calculation Examples 1 and 2, and the relationship between the pressure loss and the soot deposition amount in Calculation Examples 1 and 2 and Comparative Calculation Examples 1 and 2. As shown in FIG.
  • the filters of Calculation Example 1 and Comparative Calculation Example 1 have the same average porosity, but satisfy ⁇ i> ⁇ o and ⁇ i ⁇ o, respectively.
  • the filters of Calculation Example 2 and Comparative Calculation Example 2 have the same average porosity, but satisfy ⁇ i> ⁇ o and ⁇ i ⁇ o, respectively.

Abstract

 ハニカムフィルタ100は、入口端100inと、入口端と対向する出口端100outと、入口端が開口され出口端が閉じられた入口流路110inと、出口端が開口され入口端が閉じられた出口流路110outと、入口流路と出口流路とを隔てる多孔質隔壁120pと、を備える。多孔質隔壁における入口流路側の表面から多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分120piの空隙率をεiとし、多孔質隔壁における出口流路の表面から多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分120poの空隙率をεoとしたときにεi>εoを満たす。

Description

ハニカムフィルタ
 本発明は、ハニカムフィルタに関する。
 従来より、内燃機関から排出される煤などの粒子状物質を除去するハニカムフィルタが知られている。
特開2003-210922号公報
 ハニカムフィルタに堆積する粒子状物質の量が増えるにつれてハニカムフィルタの圧力損失が高くなる。圧力損失が高くなると内燃機関の燃費性能が悪化する。
 本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質が堆積しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供することを目的とする。
 本発明に係るハニカムフィルタは、入口端と、前記入口端と対向する出口端と、前記入口端が開口され前記出口端が閉じられた入口流路と、前記出口端が開口され前記入口端が閉じられた出口流路と、前記入口流路と前記出口流路とを隔てる多孔質隔壁と、を備える。前記多孔質隔壁における前記入口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分の空隙率をεiとし、前記多孔質隔壁における前記出口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分の空隙率をεoとしたときに、εi>εoを満たす、ハニカムフィルタ。
 ここで、このハニカムフィルタは、0.1≦εi≦0.7であり、かつ、0.01≦εi-εo≦0.6であることができる。
 本発明によれば、粒子が堆積しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタが提供される。
図1は、本発明の1実施形態に係るハニカムフィルタの軸方向に沿った概略断面図である。 図2は、図1の多孔質隔壁の拡大断面図である。 図3は、計算例で用いた計算領域を示す概略図である。 図4は、計算例1、2及び比較例1、2におけるフィルターの圧力損失の経時変化を示すグラフである。 図5は、計算例1、2及び比較例1、2における圧力損失と煤堆積量との関係を示す図である。
 本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るハニカムフィルタ100の概略断面図である。ハニカムフィルタ100は、入口端100inと、入口端100inと対向する出口端100outと、入口端100inが開口され出口端100outが閉じられた入口流路110inと、出口端100outが開口され入口端100inが閉じられた出口流路110outと、入口流路110inと出口流路110outとを隔てる多孔質隔壁120pと、を備え、柱状の形状を有する。
 具体的には、多数の貫通孔120hを有する多孔質のハニカム構造体120と、一部の貫通孔120hの入口端100inを封口する複数の封口部130、及び、残りの貫通孔120hの出口端100outを封口する複数の封口部130により、上記入口流路110in及び出口流路110outが形成されている。
 入口流路110in及び出口流路110outの軸に対して垂直な断面の形状に制限はなく、例えば、四角形、六角形、八角形等の多角形;円形又は楕円形であることができる。
 端面方向から見た場合の入口流路110in及び出口流路110outの配置も特に制限はなく、多孔質隔壁120pを間に挟んで入口流路110in及び出口流路110outが配置されていれば良い。例えば、上記流路の配置は、1つの入口流路110inの周りに多孔質隔壁120pを介して4つの出口流路110outが配置され、かつ、1つの出口流路110outの周りに多孔質隔壁120pを介して4つの入口流路110inが配置されたいわゆるスクエア配置;1つの入口流路110inのまわりに、多孔質隔壁120pを介して、3つの入口流路110in及び3つの出口流路110outが配置され、1つの出口流路110outの周りに、多孔質隔壁120pを介して、6つの入口流路110inが配置されたいわゆるHEX2配置、1つの入口流路110inのまわりに、多孔質隔壁120pを介して、4つの入口流路110in及び2つの出口流路110outが配置され、1つの出口流路110outの周りに、多孔質隔壁120pを介して、6つの入口流路110inが配置されたいわゆるHEX3配置、1つの入口流路110inのまわりに、多孔質隔壁120pを介して、4つの入口流路110in及び4つの出口流路110outが配置され、1つの出口流路110outのまわりに、多孔質隔壁120pを介して、4つの入口流路110inが配置された、いわゆるオクトスクエア配置であることができる。
 多孔質隔壁120pにおけるガスの通過方向(入口流路から出口流路に向かう方向)に沿う断面図を、図2に示す。図2の上から下に向かう方向が、ガスの主たる流れ方向であり、多孔質隔壁120pの厚み方向でもある。
 多孔質隔壁120pの厚みは、特に限定されないが、例えば、0.1~1mmであることができ、好ましくは、0.13~0.5mmであることができる。
 この多孔質隔壁120pは、その厚み方向において空隙率に分布を生じている。図2に示すように、多孔質隔壁120pにおける入口流路110in側の表面120aから多孔質隔壁120pの厚み方向の中央部120cまでの入口側部分120piの空隙率をεiとし、多孔質隔壁120pにおける出口流路110outの表面120bから多孔質隔壁120pの厚み方向の中央部120cまでの出口側部分120poの空隙率をεoとしたときに、この多孔質隔壁120pは、εi>εoを満たす。
 ここで、0.1≦εi≦0.7であることができ、典型的には、0.01≦εi-εo≦0.6であり、好ましくは、0.05≦εi-εo≦0.4である。
 多孔質隔壁120pの平均細孔径D50は、通常、1~100μm、好ましくは、5~30μmであることができる。ここで、平均細孔径D50は、まず水銀圧入法により対象物の0.0018~100μmの範囲での気孔径分布を測定し、当該気孔径分布において気孔径の累積体積分率が50%となる気孔径を取得することにより得られる。
 多孔質隔壁120pの材質は特に限定されないが、例えば、セラミックであることができる。セラミックの例は、チタン酸アルミニウム系セラミック、炭化ケイ素系セラミック、コージェライト系セラミックである。
 これらのなかでも、セラミックは、チタン酸アルミニウム系セラミックであることが好ましい。チタン酸アルミニウム系セラミックは、マグネシウムやケイ素などを含むことができる。セラミックは、原料由来の微量成分又は製造工程において不可避的に含まれる微量成分を含有し得る。
 このようなハニカムフィルタ100によれば、以下のような効果を得ることができる。ハニカムフィルタ100の入口端100inから入口流路110inに煤を含むガスを供給すると、矢印Gに沿ってガスが流れ、多孔質隔壁120pにより煤が捕集され、煤が除去されたガスが出口流路110outから排出される。捕集した煤の量が増えるにつれてハニカムフィルタの圧力損失が増加する。しかしながら、本実施形態に係るハニカムフィルタによれば、煤の堆積量が増加しても圧力損失の増加量が低減される。したがって、内燃機関の燃費の低減が可能となる。
 本実施形態に係るハニカムフィルタによって圧力損失の増加量が低減される原因は明らかではないが、1つの要因としては、ハニカムフィルタでは深層ろ過(隔壁内部における煤の捕集)から表層ろ過(隔壁の表面での煤の捕集)に遷移するまでの期間に大きな圧力損失が生じるが、入口側部分120piの空隙率が高くなると、入口側部分120piの空隙率が低い場合に比べて、その遷移するまでの期間の圧力損失の増加が低くなることが考えられる。
 なお、上述のように、多孔質隔壁120pの厚み方向において空隙率に差を設ける方法としては、例えば、多孔質隔壁120pの厚み方向の空隙率が均一な封口済のハニカム構造体を用意し、次に、出口流路側からセラミック粒子などを有する適切な粘度のスラリーを、多孔質隔壁の厚みの半分まで当該スラリーが浸漬するように塗布し、乾燥させ、必要に応じて焼成することが挙げられる。
 なお、上記実施形態では、入口流路110in及び出口流路110outが、プラグ状の封口部130を貫通孔120hの端部に挿入することにより閉じられているが、多孔質隔壁120pを変形することによってプラグ状の封口部を用いずに流路を閉じることもできる。
 また、フィルターの外形形状も柱状であれば特に、円柱状に限定されず、例えば、角柱等でもよい。
 (計算例)
 厚み方向に空隙率に差を設けた場合の煤の堆積による圧力損失の増加について、コンピュータシミュレーションを行った。
 図3のような0.95mm×0.99mmの2次元領域を解析領域とした。計算格子は2.5μmとし、格子数は380×396とした。解析領域の中央に0.67mm×0.99mmのフィルターを配置した。フィルターの前後にそれぞれ、0.21mm(85格子)、及び、0.06mm(25格子)の助走区間を設けた。
 実際のフィルターをX線CTで測定することにより得られた多孔質構造を基準データとし、所望の空隙率にあわせて当該基準データを修正して各空隙率に対応する構造データを得た。多孔質構造の例を図3に示す。平均細孔径D50は15μm程度であった。
 フィルターの入口側から煤を含む排気ガスを供給する。ガスはフィルターを通過する。煤が堆積する際に必要な堆積割合を0.0002とした。ガスの入口境界でのガス流入速度を1.0m/s、そのガスの温度を300℃とした。流入するガス中の煤の質量分率は0.1とした。
 ガス入口(X=0)を流入境界とし、フィルター材料の表面をnon-slip境界とし、上下の壁(Y=0,0.99)は対称境界とし、ガス出口(X=0.95)を自由流出境界とした。
 流体及び煤の流れの計算には、格子ボルツマン法を用いた。
 計算例1、2、及び、比較計算例1、2における、多孔質隔壁120pの入口側部分120piの空隙率εi、出口側部分120poの空隙率εo、及び、平均空隙率εavgを表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 また、計算例1、2及び比較計算例1、2におけるフィルターの圧力損失の経時変化を図4に、計算例1、2及び比較計算例1、2における圧力損失と煤堆積量との関係を図5に示す。
 計算例1及び比較計算例1のフィルターは互いに同じ平均空隙率を有するが、それぞれεi>εo、εi<εoを満たす。計算例2及び比較計算例2のフィルターは互いに同じ平均空隙率を有するが、それぞれεi>εo、εi<εoを満たす。
 計算例1及び比較計算例1の比較、及び、計算例2及び比較計算例2との比較からわかるように、εi<εoに比べて、εi>εoであると、圧力損失の上がり方が抑制される。
 100in…入口端、100out…出口端、110in…入口流路、110out…出口流路、120p…多孔質隔壁、120pi…入口側部分、120po…出口側部分、100…ハニカムフィルタ。

Claims (2)

  1.  入口端と、
     前記入口端と対向する出口端と、
     前記入口端が開口され前記出口端が閉じられた入口流路と、
     前記出口端が開口され前記入口端が閉じられた出口流路と、
     前記入口流路と前記出口流路とを隔てる多孔質隔壁と、を備え、
     前記多孔質隔壁における前記入口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの入口側部分の空隙率をεiとし、前記多孔質隔壁における前記出口流路側の表面から前記多孔質隔壁の厚み方向の中央部までの出口側部分の空隙率をεoとしたときに、εi>εoを満たす、ハニカムフィルタ。
  2.  0.1≦εi≦0.7であり、かつ、0.01≦εi-εo≦0.6である、請求項1記載のハニカムフィルタ。
PCT/JP2015/083866 2014-12-02 2015-12-02 ハニカムフィルタ WO2016088796A1 (ja)

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