JP5082398B2

JP5082398B2 - 排ガス浄化フィルタの製造方法

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Publication number: JP5082398B2
Application number: JP2006309643A
Authority: JP
Inventors: 健博林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: DE102007000897A1; JP2008119665A

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集して排ガスの浄化を行う排ガス浄化フィルタに関する。

従来から、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集して排ガスの浄化を行う排ガス浄化フィルタが知られている。
この排ガス浄化フィルタは、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けた基材としてのハニカム構造体を有するものである（特許文献１参照）。そして、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とは、栓部によって閉塞されるのが一般的である。

上記排ガス浄化フィルタを用いて排ガスを浄化する際には、導入通路となるセルに侵入した排ガスが多孔質の隔壁を通過して、隣のセルよりなる排出通路に移動する。このとき、排ガス中のパティキュレートが隔壁に形成されている多数の細孔に捕集され、排ガスが浄化される。また、隔壁に触媒を担持させておくことにより、捕集したパティキュレートを触媒反応により分解除去することができる。

上記排ガス浄化フィルタの基材となるハニカム構造体を作製するに当たっては、造孔材としてのカーボンを添加したセラミック材料を押出成形してハニカム成形体を作製し、乾燥させ、その後焼成する。そして、焼成時にカーボンを焼失させることによって、所望の気孔率を有する多孔質の隔壁を形成する。

ところが、造孔材としてのカーボンやバインダ等の有機分を含有するハニカム成形体を焼成する際には、有機分の反応による反応熱（燃焼熱）が発生する。特に、昇温速度を速くすると、有機分が急激に反応して大きな燃焼熱が生じる。そして、ハニカム成形体に局部的な温度上昇等が生じる。これにより、ハニカム成形体内に熱応力が生じ、割れ等の不具合が発生していた。

そこで、従来は、カーボンやバインダ等の有機分が燃焼する温度領域において、炉内温度を一時的に保持したり、ゆっくり昇温させたりして、これらの有機分を徐々に燃焼させていた。ところが、このような方法では焼成時間が長くなり、生産性の低下を招くことになる。

よって、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができ、焼成時における不具合の発生を抑制することができる排ガス浄化フィルタの製造方法が望まれている。

特開平８−７３２７４号公報

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたものであり、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができ、焼成時における不具合の発生を抑制することができる排ガス浄化フィルタの製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたコーディエライトからなるハニカム構造体を有し、該ハニカム構造体の上記セルのうち、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、上記多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とを栓部によって閉塞してなる排ガス浄化フィルタを製造する方法において、
コーディエライト化原料を含むセラミックス材料を押出成形して、ハニカム成形体を作製する押出成形工程と、
上記ハニカム成形体を乾燥する乾燥工程と、
上記ハニカム成形体を焼成する焼成工程と、
該焼成工程の前において、上記ハニカム成形体の端面における上記セルの開口部のうち、上記栓部によって栓詰めすべき部分に栓詰め用スラリーを配置する栓詰め工程とを有し、
上記焼成工程は、上記栓詰め工程の後に、上記ハニカム成形体を本焼成すると共に、上記栓詰めすべき部分に上記栓部を形成する第１焼成工程のみを有し、
上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成では、少なくとも上記ハニカム成形体に含まれる有機分の分解が開始されてから完了するまでは、炉内の酸素濃度を２％以下とすることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法にある（請求項１）。

本発明の排ガス浄化フィルタの製造方法は、上記のごとく、押出成形工程と乾燥工程と焼成工程と栓詰め工程とを行う。そして、上記焼成工程における第１回目の焼成では、少なくとも上記ハニカム成形体に含まれる有機分の分解が開始されてから完了するまでは、炉内への酸素供給量を抑制する。すなわち、上記ハニカム成形体の第１回目の焼成では、少なくとも上記有機分を燃焼させる間は、上記炉内の雰囲気中の酸素を通常よりも欠乏させた状態にする。

ここで、上記ハニカム成形体の第１回目の焼成では、例えばバインダや造孔材としてのカーボン等の上記有機分が含まれた状態の上記ハニカム成形体を焼成し、この有機分を燃焼させて除去する。このとき、本発明のように、上記炉内雰囲気中の酸素を欠乏させた状態で焼成することにより、酸素供給量を抑制しないで通常の酸素状態で焼成した場合に比べて、上記有機分が燃焼したときの分解反応による反応熱（燃焼熱）が小さくなる。また、分解反応に必要となる酸素の供給量が少なくなるため、分解反応自体が緩やかに進む。

これにより、上記ハニカム成形体の第１回目の焼成において、上記ハニカム成形体に含まれる上記有機分を安定的に燃焼除去することができる。それ故に、上記有機分の急激な燃焼及びそれに伴う大きな燃焼熱の発生を抑制し、さらには上記ハニカム成形体に大きな熱応力が生じて割れ等が発生することを抑制することができる。
また、上記有機分を安定的に燃焼させることができることから、従来よりも昇温速度を速くすることができる。これにより、焼成時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

このように、本発明の排ガス浄化フィルタの製造方法によれば、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができ、焼成時における不具合の発生を抑制することができる。

本発明においては、上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成では、少なくとも上記ハニカム成形体に含まれる有機分の分解が開始されてから完了するまでは、上記焼成炉内の酸素濃度を８％以下とする。
上記焼成炉内の酸素濃度が８％を超える場合には、上記ハニカム成形体の第１回目の焼成において、上記ハニカム成形体に含まれる上記有機分を安定的に燃焼させることができないおそれがある。
また、上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成では、少なくとも炉内温度が室温から５００℃までにおける上記炉内の酸素濃度を２％以下とすることが好ましい（請求項２）。

また、上記焼成工程は、上記栓詰め工程の後に、上記ハニカム成形体を本焼成すると共に、上記栓詰めすべき部分に上記栓部を形成する第１焼成工程のみを有する。
この場合には、上記第１焼成工程における１回の焼成のみで、上記ハニカム成形体と上記栓詰め用スラリーとを同時に焼成することができる。これにより、上記ハニカム構造体と上記栓部とを一体的に設けることができる。

また、上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成の焼成温度は、１４００〜１４５０℃であることが好ましい（請求項３）。
上記本焼成の焼成温度が１４００℃未満の場合には、上記ハニカム成形体を完全にコーディエライト化することができないおそれがある。一方、１４５０℃を超える場合には、上記ハニカム成形体の主成分となるコーディエライトの融点を超えて、溶損してしまうおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例について、図を用いて説明する。
本例において製造する排ガス浄化フィルタ１は、図１、図２に示すごとく、多孔質の隔壁１１をハニカム状に配し、断面四角形状のセル１２を多数設けてなるハニカム構造体１０を有する。ハニカム構造体１０は、コーディエライトを主成分とするセラミックより構成されており、円筒形状を呈している。

また、同図に示すごとく、ハニカム構造体１０のセル１２のうち、排ガスＧを導入する導入通路１２１となるセル１２の下流端と、多孔質の隔壁１１を通過した排ガスＧを排出する排出通路１２２となるセル１２の上流端とは、栓部１３によって閉塞されている。本例では、隣り合うセル１２が交互に導入通路１２１及び排出通路１２２となるように、栓部１３を配してある。両端面から見ると、それぞれ縦方向及び横方向１つおきに、いわゆる市松模様状に栓部１３が配された状態となっている。

本例の排ガス浄化フィルタは、粘土質のセラミック材料を押出成形し（押出成形工程）、得られたハニカム成形体を乾燥する（乾燥工程）。その後、ハニカム成形体に栓詰め用スラリーを配置し（栓詰め工程）、ハニカム成形体を本焼成して、栓部を設けたハニカム構造体を作製する（第１焼成工程）ことによって製造される。
以下、本例の製造方法について説明する。

まず、カオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク等を含有し、化学組成が重量比にて最終的にＳｉＯ₂：４５〜５５％、Ａｌ₂Ｏ₃：３３〜４２％、ＭｇＯ：１２〜１８％よりなるコーディエライトを主成分とする組成となるように調整したコーディエライト化原料を水に混合し、有機バインダとしてのメチルセルロースを添加した。このとき、有機バインダの添加量はコーディエライト化原料１００重量％に対して３〜１０重量％とした。さらに、造孔材としてのカーボンや成形用潤滑油等の有機分を添加して混練し、粘土質のセラミック材料を得た。

次いで、粘土質のセラミック材料を押出成形機により押出成形し、所望の長さで切断してハニカム成形体を作製した。このハニカム成形体は、最終的なハニカム構造体と略同形状を呈し、ハニカム状に設けられた隔壁と、これによって仕切られると共に軸方向を貫通する複数のセルとを有する。本例においては、粘度質のセラミック材料を直径１６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、隔壁の厚み０．３ｍｍ、セル数３００メッシュのハニカム成形体に成形した。なお、ハニカム成形体のサイズ等は、用途に応じて変更可能である。

次いで、ハニカム成形体を乾燥した後、ハニカム成形体の端面におけるセルの開口部において、縦方向及び横方向１つおきに、いわゆる市松模様状に栓部となる栓詰め用スラリーを配置した。

次いで、焼成炉において本焼成を行った。
本例で用いた焼成炉２は、図３に示すごとく、複数のゾーンで構成され、被処理物（ハニカム成形体１００）を台車２９に載せて搬送しながら焼成することができる連続炉（トンネル炉）である。焼成炉２は、脱脂ゾーン２１、焼成ゾーン２２及び冷却ゾーン２３を有しており、各ゾーンは、温度調整することができるように構成されている。

また、図４に示すごとく、脱脂ゾーン２１は、二次燃焼炉３１とバーナー３２とを有しており、炉内の酸素濃度を調整することができるように構成されている。
具体的には、炉内から未燃分の有機物を含んだ排気を回収する。回収された排気は、空燃比調整されたバーナー３２にて所定の温度に調整される。そして、温度調整した排気と二次燃焼炉３１から供給される低酸素濃度の排気とを混合し、所定量をファンにて炉内に供給する。そして、温度及び酸素濃度を調整した熱風を脱脂ゾーン２１に送り込む。炉内に供給された熱風の残量については、二次燃焼炉３１に戻され、６５０℃で処理された後、所定量を炉内排気との混合へと送られる。炉内の酸素濃度は常時モニタリングされており、混合比と空燃比とをフィードバッグしながら、脱脂ゾーン２１の酸素濃度を調整する。

また、本例の焼成は、図５に示すような焼成パターンＥで行った。すなわち、焼成炉２の脱脂ゾーン２１において、室温から焼成温度１４００℃まで昇温速度１００℃／ｈで昇温する。このとき、ハニカム成形体１００に含まれる有機分を燃焼除去する。脱脂ゾーン２１における炉内の酸素濃度は２％以下に調整し、炉内の雰囲気中の酸素を通常よりも欠乏させた状態とした。そして、焼成ゾーン２２において、焼成温度１４００℃で４時間保持する。その後、冷却ゾーン２３において、室温まで冷却し、焼成を終了する。焼成に要した時間は２９時間であった。
以上により、図１に示すごとく、栓部１３を設けたハニカム構造体１０を有する排ガス浄化フィルタ１を作製した。

次に、比較例として、従来の方法で排ガス浄化フィルタを作製した。
比較例の焼成は、図５に示すような焼成パターンＣで行った。すなわち、焼成炉２の脱脂ゾーン２１において、室温から１６０℃までを３時間、１６０℃から６５０℃までを２４時間かけて昇温し、６５０℃から１４００℃までを１５時間かけて昇温する。なお、脱脂ゾーン２１における炉内の酸素濃度は調整せず、通常の状態（酸素濃度１６％）とした。そして、焼成ゾーン２２において、焼成温度１４００℃で４時間保持する。その後、冷却ゾーン２３において、室温まで冷却し、焼成を終了する。焼成に要した時間は５７時間であった。
その他の工程は、上記と同様である。

次に、本例の排ガス浄化フィルタ１の製造方法における作用効果について、比較例と比較しながら説明する。
本例の排ガス浄化フィルタ１の製造方法において、本焼成工程では、ハニカム成形体１００に含まれる有機分の分解が開始されてから完了するまでは、炉内への酸素供給量を抑制している。すなわち、ハニカム成形体１００の第１回目の焼成では、室温から焼成温度１４００℃まで昇温する焼成炉２の脱脂ゾーン２１において、炉内の雰囲気中の酸素を通常よりも欠乏させた状態にしている。

ここで、本焼成工程では、バインダや造孔材としてのカーボン等の有機分が含まれた状態のハニカム成形体１００を焼成し、この有機分を燃焼させて除去する。このとき、本例のように、炉内雰囲気中の酸素を欠乏させた状態で有機分を燃焼除去することにより、通常の酸素状態で焼成した比較例に比べて、有機分が燃焼したときの分解反応による反応熱（燃焼熱）が小さくなる。また、分解反応に必要となる酸素の供給量が少なくなるため、分解反応自体が緩やかに進む。

これにより、本焼成工程において、ハニカム成形体１００に含まれる有機分を安定的に燃焼除去することができる。それ故に、有機分の急激な燃焼及びそれに伴う大きな燃焼熱の発生を抑制し、さらにはハニカム成形体１００に大きな熱応力が生じて割れ等が発生することを抑制することができる。
また、ハニカム成形体１００に含まれる有機分を安定的に燃焼させることができることから、比較例よりも昇温速度を速くすることができる。これにより、焼成時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。実際に焼成に要した時間は、本例２９時間に対して比較例５７時間であり、焼成時間を大幅に短縮することができる。

このように、本例の排ガス浄化フィルタの製造方法によれば、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができ、焼成時における不具合の発生を抑制することができる。

（実施例２）
本例は、焼成炉２の脱脂ゾーン２１の酸素濃度を変化させて作製した排ガス浄化フィルタ１について、不良率を調べたものである。
本例では、焼成炉２の脱脂ゾーン２１における酸素濃度を２〜１６％の範囲で変化させ、排ガス浄化フィルタ１を作製した。具体的には、実施例１と同様のサイズのハニカム成形体１００を用いて、実施例１と同様の焼成パターンＥで焼成を行い、室温から５００℃までの酸素濃度をそれぞれ２％、５％、８％、１２％、１６％に調整した。なお、５００℃以降については、いずれも酸素濃度を９％に調整した。そして、作製した排ガス浄化フィルタ１について割れ等の不良を目視により観察し、その発生割合から不良率を求めた。その結果を図６に示す。

図６は、縦軸に不良率（％）、横軸に室温から５００℃までの酸素濃度（％）を示したものである。
同図から知られるように、酸素濃度１６％での不良率は１００％であったが、酸素濃度１２％での不良率は約１０％であり、不良率が大幅に低下した。さらに、酸素濃度２％、５％、８％での不良率はほぼ０％であり、不良の発生は見られなかった。

この結果から、炉内雰囲気中の酸素を欠乏させた状態で焼成し、ハニカム成形体１００に含まれる有機分を燃焼除去することにより、その有機分を安定的に燃焼除去できることがわかる。特に、酸素濃度を８％以下とすることにより、有機分の急激な燃焼及びそれに伴う大きな燃焼熱の発生をより一層抑制することができ、ハニカム成形体１００の割れ等の不良の発生を防止できることがわかる。

（実施例３）
次に、焼成炉２の脱脂ゾーン２１の酸素濃度を変化させて焼成した際のハニカム成形体１００の内外温度を調べたものである。
本例では、焼成炉２の脱脂ゾーン２１における酸素濃度を２％又は１６％に調整し、ハニカム成形体１００を焼成した。具体的には、実施例１と同様のサイズのハニカム成形体１００を用いて、実施例１と同様の焼成パターンＥで焼成を行い、室温から５００℃までの酸素濃度を２％、１６％に調整した。そして、ハニカム成形体１００の中心部、外周部及び炉内温度を白金熱電対により測定した。その結果を図７に示す。

図７（ａ）、（ｂ）は、縦軸に温度（℃）、横軸に時間を示したものである。また、中心部の温度をＳ₁、外周部の温度をＳ₂、炉内温度をＳ₃として示している。
同図から知られるように、酸素濃度１６％の場合では、ハニカム成形体１００に内外温度差が生じているが、酸素濃度２％の場合では、内外温度差がほとんど見られない。

この結果から、炉内雰囲気中の酸素を欠乏させた状態で焼成し、ハニカム成形体１００に含まれる有機分を燃焼除去することにより、その有機分を安定的に燃焼除去できることがわかる。そして、有機分の急激な燃焼を抑制し、ハニカム成形体１００に局部的な温度上昇が生じることを抑制できることがわかる。

実施例における、排ガス浄化フィルタを示す斜視図。実施例における、排ガス浄化フィルタを示す断面説明図。実施例における、焼成炉の構成を示す説明図。実施例における、脱脂ゾーンの構成を示す説明図。実施例における、焼成パターンを示す説明図。実施例における、不良率と酸素濃度との関係を示す説明図。実施例における、ハニカム成形体の温度と時間との関係を示す説明図。

符号の説明

１排ガス浄化フィルタ
１０ハニカム構造体
１１隔壁
１２セル
１２１導入通路
１２２排出通路
１３栓部
Ｇ排ガス

Claims

多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたコーディエライトからなるハニカム構造体を有し、該ハニカム構造体の上記セルのうち、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、上記多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とを栓部によって閉塞してなる排ガス浄化フィルタを製造する方法において、
コーディエライト化原料を含むセラミックス材料を押出成形して、ハニカム成形体を作製する押出成形工程と、
上記ハニカム成形体を乾燥する乾燥工程と、
上記ハニカム成形体を焼成する焼成工程と、
該焼成工程の前において、上記ハニカム成形体の端面における上記セルの開口部のうち、上記栓部によって栓詰めすべき部分に栓詰め用スラリーを配置する栓詰め工程とを有し、
上記焼成工程は、上記栓詰め工程の後に、上記ハニカム成形体を本焼成すると共に、上記栓詰めすべき部分に上記栓部を形成する第１焼成工程のみを有し、
上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成では、少なくとも上記ハニカム成形体に含まれる有機分の分解が開始されてから完了するまでは、炉内の酸素濃度を２％以下とすることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。
請求項１において、上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成では、少なくとも炉内温度が室温から５００℃までにおける上記炉内の酸素濃度を２％以下とすることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。
請求項１又は２において、上記焼成工程における上記第１焼成工程の上記本焼成の焼成温度は、１４００〜１４５０℃であることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。