(57)【要約】【課題】排気圧損の上昇を抑制するとともに、PMの捕集効率をさらに向上させる。【解決手段】上流側及び下流側で目詰めされないストレートセル10と、ストレートセル10に隣接し上流側で目詰めされた下流流出セル11と、ストレートセル10と下流流出セル11を区画するセル隔壁14と、を有し、下流流出セル11の栓詰部12は上流側端面より下流側に形成され、上流側端面に開口し栓詰部12を底部とする袋セル13を有する。  袋セル13に流入した排ガスは栓詰部12に衝突し跳ね返ってからストレートセル10に流入するので、ガス流れ方向がランダムとなりほぼ乱流となる。したがってPMの凝集が抑制されるとともに、凝集していた粗大粒子が分解されて粒径が小さくなるので、PMはセル隔壁14に効率よく捕集される。【選択図】  図１
2005201155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス上流側及び排ガス下流側で目詰めされないストレートセルと、該ストレートセルに隣接し排ガス上流側で目詰めされ排ガス下流側で目詰めされない下流流出セルと、該ストレートセルと該下流流出セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、をもつ半ウォールフロー構造のハニカム構造体であって、
該下流流出セルの栓詰部は該ハニカム構造体の上流側端面より下流側に形成され、該ハニカム構造体は該上流側端面に開口し該栓詰部を底部とする袋セルをもつことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記栓詰部は前記ハニカム構造体の前記上流側端面より５〜15mm下流側に形成されている請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記セル隔壁の表面及び前記細孔内表面には、酸化物担体に触媒金属を担持してなる触媒層が形成されている請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記触媒金属は、貴金属とNOx 吸蔵材を含む請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記ハニカム構造体の前記セル隔壁の気孔率は60〜80％である請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記ハニカム構造体の前記セル隔壁の細孔の平均細孔径は10〜50μｍである請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記ハニカム構造体の排ガス上流側にさらに酸化触媒が配置されている請求項１〜６のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンからの排ガスなど、パティキュレートを含む排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関し、詳しくは高い浄化率と低い圧損を両立した排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少されてきている。しかし、ディーゼルエンジンについては、有害成分がパティキュレート（粒子状物質：炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、 SOF微粒子等、以下PMという）として排出されるという特異な事情から、規制も技術の進歩もガソリンエンジンに比べて遅れている。
【０００３】
現在までに開発されているディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、大きく分けてトラップ型の排ガス浄化装置（ウォールフロー）と、オープン型の排ガス浄化装置（ストレートフロー）とが知られている。このうちトラップ型の排ガス浄化装置としては、セラミック製の目詰めタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ（以下 DPFという））が知られている。この DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁とよりなり、セル隔壁の細孔で排ガスを濾過してPMを捕集することでPMの排出を抑制するものである。しかし DPFでは、PMの堆積によって圧損が上昇するという不具合がある。
【０００４】
一方、オープン型の排ガス浄化装置は、ストレートフローのハニカム体のセル隔壁表面に触媒層を形成し、触媒層に担持されている貴金属によってHC及びCOを酸化浄化するとともに、PMを酸化して浄化するものである。このオープン型の排ガス浄化装置では、圧損の上昇は抑制されるものの、セルを通り抜けるPMが多くPMの浄化率が低いという問題がある。
【０００５】
このようにPMの捕集効率と排気圧損とは排反事象の関係にあるため、両者を満足させるために種々の提案がある。例えば特開2002−256842号公報には、 DPFの流入側セルの栓詰部の少なくとも一部を、セルと外部を連通する開口部をもつ部分栓から構成した半ウォールフロー構造の排ガス浄化フィルタが記載されている。この排ガス浄化フィルタによれば、部分栓をもつ流入側セルに流入した排ガスは、セル隔壁のPMの堆積量が少ない間はセル隔壁を通過し、セル隔壁のPMの堆積量が多くなると部分栓の開口部を通過するので、PMの高い捕集効率と圧損上昇の抑制とを両立することができる。
【０００６】
しかしこの技術では、部分栓の開口部の通気抵抗はセル隔壁の通気抵抗より高くなるように設定されるために、PMの堆積量が多くなった場合の圧損が高いという問題がある。
【０００７】
また特開2003−035126号公報には、酸化触媒の下流側に、上流側端面のみを市松模様状に交互に目詰めし下流側端面は全て開放した半ウォールフロー構造のフィルタを配置した排ガス浄化装置が開示されている。この排ガス浄化装置によれば、低負荷運転時には酸化触媒でPMを浄化することでPM量を低減でき、フィルタに堆積するPM量を低減することができる。また高負荷運転時にはフィルタに堆積したPMを燃焼させることができ、フィルタを再生することができる。
【０００８】
さらに特開2003−214141号公報には、流入側セルの栓詰部の少なくとも一部を貫通孔を有する部分栓状の酸化触媒から形成した半ウォールフロー構造の DPFが記載されている。この技術によれば、酸化触媒によって堆積したPMを浄化できるので、圧損の上昇を抑制することができる。
【０００９】
さらに近年では、例えば特開平09−173866号公報に記載されているように、 DPFのセル隔壁の表面及び細孔内にアルミナなどからコート層を形成し、そのコート層に白金（Pt）などの触媒金属を担持した連続再生式 DPF（フィルタ触媒）が開発されている。この連続再生式 DPFによれば、捕集されたPMが触媒金属の触媒反応によって酸化燃焼するため、捕集と同時にあるいは捕集に連続してPMを燃焼させることで DPFを再生することができる。そして触媒反応は比較的低温で生じること、及び捕集量が少ないうちにPMを燃焼できることから、 DPFに作用する熱応力が小さく破損が防止されるという利点がある。
【００１０】
しかしながら従来の DPF及びフィルタ触媒においては、流出側セルの上流側端面に栓詰部が形成され、排ガスが流入側セルに誘導されやすい構造となっている。そのため排ガスはほぼ層流となって流入側セルに流入するため、PMが凝集しやすくセル隔壁の細孔を閉塞して圧損が上昇しやすいという不具合があった。
【００１１】
また半ウォールフロー構造の DPFにおいては、栓詰部をもたないあるいは部分栓をもつストレートセルに流入した排ガスの流速が大きく、隣接する下流流出セル内のガスとの間に差圧が生じる。したがってストレートセルからセル隔壁を通じて下流流出セルへ向かうガス流れが生じ、その際にセル隔壁にPMが捕集される。しかしほぼ層流となってストレートセルに流入した排ガス中のPMが凝集すると、セル隔壁中へ進入しにくくなり、粗大なPMがストレートセルからそのまま排出されてしまう場合がある。
【特許文献１】特開2003−035126号
【特許文献２】特開2003−214141号
【特許文献３】特開平09−173866号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、排気圧損の上昇を抑制するとともに、PMの捕集効率をさらに向上させることを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、排ガス上流側及び排ガス下流側で目詰めされないストレートセルと、ストレートセルに隣接し排ガス上流側で目詰めされ排ガス下流側で目詰めされない下流流出セルと、ストレートセルと下流流出セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、をもつ半ウォールフロー構造のハニカム構造体であって、下流流出セルの栓詰部はハニカム構造体の上流側端面より下流側に形成され、ハニカム構造体は上流側端面に開口し栓詰部を底部とする袋セルをもつことにある。
【００１４】
栓詰部は、ハニカム構造体の上流側端面より５〜15mm下流側に形成されていることが望ましい。
【００１５】
またセル隔壁の表面及び細孔内表面には、酸化物担体に触媒金属を担持してなる触媒層が形成されていることが望ましく、触媒金属は、貴金属とNOx 吸蔵材を含むことが好ましい。
【００１６】
ハニカム構造体のセル隔壁の気孔率は60〜80％であることが好ましく、ハニカム構造体のセル隔壁の細孔の平均細孔径は10〜50μｍであることが好ましい。さらに、ハニカム構造体の排ガス上流側にさらに酸化触媒が配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の排ガス浄化装置によれば、袋セルによって排ガスが撹拌され乱流となってストレートセルに流入する。したがってPMの凝集が生じにくく、セル隔壁で微小粒径のPMを効率よく捕集することができるので、PM捕集効率が大きく向上する。またストレートセルにより、圧損の上昇が抑制されている。そしてセル隔壁に触媒層を形成すれば、触媒層によって捕集されたPMを連続的に酸化燃焼させることができるので、過熱が防止されハニカム構造体のヒートショックを防止することができるとともに、PM捕集能を再生することができる。また触媒層に貴金属と共にNOx 吸蔵材を担持すれば、NOx も効率よく浄化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の排ガス浄化装置では、図２に示すように、上流側端面に袋セル13を有しているので、袋セル13に流入した排ガスは栓詰部12に衝突し跳ね返ってからストレートセル10に流入する。したがってガス流れ方向がランダムとなり、ストレートセル10内の排ガスはほぼ乱流となる。したがってPMの凝集が抑制されるとともに、凝集していた粗大粒子が分解されて粒径が小さくなる。
【００１９】
そして流入する流速の大きな排ガスによって、ストレートセル10内の圧力は栓詰部12をもつ下流流出セル11内の圧力より高いものとなる。したがってストレートセル10内を流れる排ガスはセル隔壁14を通過して下流流出セル11内に流入し、排ガス中の微小粒径のPMはセル隔壁14に捕集される。また下流流出セル11内に流入した排ガスの圧力は、セル隔壁14通過時の抵抗によってストレートセル10内の圧力より低い状態が維持されるので、ストレートセル10から下流流出セル11へ向かうガス流れが途絶えることはなく、微小粒径のPMはセル隔壁14に捕集され続けることになる。
【００２０】
したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、PMを効率よく捕集することができ、PM捕集効率が大きく向上し、またストレートセルを有しているので圧損の上昇が抑制される。
【００２１】
ハニカム構造体は、排ガス上流側及び排ガス下流側で目詰めされないストレートセルと、ストレートセルに隣接し排ガス上流側で目詰めされ排ガス下流側で目詰めされない下流流出セルと、ストレートセルと下流流出セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、を有し、下流流出セルの栓詰部はハニカム構造体の上流側端面より下流側に形成され、ハニカム構造体は上流側端面に開口し栓詰部を底部とする袋セルを備えた半ウォールフロー構造のものである。
【００２２】
このハニカム構造体は、コーディエライト、炭化ケイ素などの耐熱性セラミックスから製造することができる。例えばコーディエライト粉末を主成分とする粘土状のスラリーを調製し、それを押出成形などで成形し、焼成する。コーディエライト粉末に代えて、アルミナ、マグネシア及びシリカの各粉末をコーディエライト組成となるように配合することもできる。その後、上流側の一端面のセル開口を端面から下流側の位置で同様の粘土状のスラリーなどで市松状などに目封じすることでハニカム構造体が製造される。
【００２３】
ハニカム構造体のセル隔壁に細孔を形成するには、上記したスラリー中にカーボン粉末、木粉、澱粉、樹脂粉末などの可燃物粉末などを混合しておき、可燃物粉末が焼成時に消失することで細孔を形成することができ、可燃物粉末の粒径及び添加量を調整することで表面空孔及び内部細孔の径の分布と開口面積を制御することができる。
【００２４】
ハニカム構造体のセル隔壁における細孔分布は、気孔率が60〜80％あるいは平均細孔径が10〜50μｍの範囲とすることが好ましい。気孔率または平均細孔径がこの範囲から外れると、微小粒径のPMの捕集効率が低下したり、圧損が上昇したりする場合がある。
【００２５】
袋セルの栓詰部は、ハニカム構造体の上流側端面より５〜15mm下流側に形成されていることが望ましい。栓詰部の深さが５mm未満では、撹拌作用が発現されずPM捕集効率の向上が望めない。また15mmを超えると、袋セルが深くなりすぎて撹拌作用が得にくくなるとともに、栓詰部にPMが堆積しやすくなり燃焼時の発熱量が大きくなってヒートショックが生じるようになる。
【００２６】
セル隔壁の表面及び細孔内表面には、酸化物担体に触媒金属を担持してなる触媒層を形成することが好ましい。この触媒層を形成することで、排ガス中のHCやCOなどを浄化できるとともに、セル隔壁に捕集されたPMを連続的に酸化燃焼することができ、過熱が防止されハニカム構造体のヒートショックを防止することができるとともに、PM捕集能を再生することができる。また触媒層に貴金属と共にNOx 吸蔵材を担持すれば、NOx も効率よく浄化することができる。
【００２７】
酸化物担体としては、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニアなどの酸化物あるいはこれらの複数種からなる複合酸化物を用いることができる。触媒金属としては、Pt、Rh、Pd、Ir、Ruなどの白金族の貴金属から選ばれた一種あるいは複数種を用いることが好ましい。触媒金属の担持量は、ハニカム構造体の体積１Ｌあたり 0.1〜５ｇとするのが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持しても活性が飽和するとともにコストアップとなってしまう。
【００２８】
触媒層には、アルカリ金属，アルカリ土類金属及び希土類元素から選ばれるNOx 吸蔵材を含むことが望ましい。触媒層にNOx 吸蔵材を含めば、触媒金属による酸化によって生成したNO2 をNOx 吸蔵材に吸蔵できるので、NOx の浄化活性がさらに向上する。NOx 吸蔵材の担持量は、ハニカム構造体の体積１リットルあたり0.05〜0.45モルの範囲とすることが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持すると触媒金属を覆って活性が低下するようになる。
【００２９】
ハニカム構造体に触媒層を形成するには、酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末をアルミナゾルなどのバインダ成分及び水とともにスラリーとし、そのスラリーをセル隔壁に付着させた後に焼成し、その後に触媒金属を担持すればよい。また酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末に予め触媒金属を担持した触媒粉末からスラリーを調製することもできる。スラリーをセル隔壁に付着させるには通常の浸漬法を用いることができるが、エアブローあるいは吸引によって、セル隔壁の細孔に強制的にスラリーを充填するとともに、細孔内に入ったスラリーの余分なものを除去することが望ましい。
【００３０】
触媒層の形成量は、ハニカム構造体の体積１Ｌあたり30〜 200ｇとすることが好ましい。触媒層が30ｇ／Ｌ未満では、触媒金属あるいはNOx 吸蔵材の耐久性の低下が避けられず、 200ｇ／Ｌを超えると圧損が高くなりすぎて実用的ではない。
【００３１】
このハニカム構造体の排ガス上流側には、さらに酸化触媒が配置されていることが望ましい。酸化触媒を配置することで、PM中の SOFが分解されPMがより微粒化する。したがって袋セルによる乱流化と相まってPMの凝集をさらに抑制することができ、PM捕集効率がさらに向上する。また排ガス中のHC、COなどの浄化性能が向上するとともに、NOの酸化によって生成するNO2 によって捕集されたPMが酸化されるためPMの燃焼特性も向上する。
【００３２】
この酸化触媒は、ペレット触媒、ハニカム触媒を用いることができる。例えばストレートフロー構造のハニカム構造体に酸化物担体からコート層を形成し、そのコート層に貴金属を担持したものを用いることができる。酸化物担体としては、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニアなどの酸化物あるいはこれらの複数種からなる複合酸化物を用いることができる。貴金属としては、Pt、Rh、Pd、Ir、Ruなどの白金族の貴金属から選ばれた一種あるいは複数種を用いることができるが、酸化活性に優れたPt、Pdなどが好ましい。貴金属の担持量は、ハニカム構造体の体積１Ｌあたり 0.1〜５ｇとするのが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持しても活性が飽和するとともにコストアップとなってしまう。
【００３３】
酸化触媒は、本発明のハニカム構造体の排ガス上流側に配置される。ターボチャージャの上流側など、ハニカム構造体と間隔を隔てて配置することもできるが、排ガスの温度低下を抑制するためなどには、ハニカム構造体と隣接して配置することが望ましい。また酸化触媒及びハニカム構造体の構成比率は、体積比で酸化触媒：ハニカム構造体＝３〜１：１〜３の範囲とすることが望ましい。
【００３４】
また酸化触媒のセルの出口開口は、ハニカム構造体の袋セルの入口開口に対向していることが好ましい。これにより乱流化の効果がより大きくなり、PM捕集効率がさらに向上する。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００３６】
（実施例１）
図１に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、図示しない触媒層をもつハニカム構造体１が触媒コンバータ２内に配置されてなる。
【００３７】
以下、ハニカム構造体１の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。
【００３８】
コージェライト製の半ウオールフロー構造のハニカム構造体を用意した。このハニカム構造体１は直径 130mm、長さ 150mmで約２リットルの体積を有し、セル数が 300／incｈ2 （46.5セル／cm2 ）で厚さ 0.3mmのセル隔壁14を有している。セル隔壁14の気孔率は65％であり、平均細孔径は25μｍである。このハニカム構造体１は、両端で目詰めされていないストレートセル10と、上流側端面から５mm下流側に入った位置に栓詰部12が形成され下流側端面で目詰めされていない流出側セル11と、を有し、ストレートセル10と下流流出セル11とが交互に配置されている。ストレートセル10と下流流出セル11とは、セル隔壁14によって区画されている。
【００３９】
次に、アルミナ、チタニア、ジルコニア及びセリアの各粉末が水中に分散された混合スラリーを用意し、ウオッシュコート法にて上記ハニカム構造体１のセル隔壁14表面及びセル隔壁14内部の細孔表面にコート層を 150ｇ／Ｌ形成した。その後、吸水担持法にてPtを２ｇ／Ｌ担持して焼成し 500℃で焼成して、触媒層を形成した。
【００４０】
この触媒層をもつハニカム構造体１を触媒コンバータ２内に配置し、本実施例の排ガス浄化装置とした。
【００４１】
（実施例２）
栓詰部12を、上流側端面から10mm下流側に入った位置としたこと以外は実施例１と同様のハニカム構造体を用い、同様に触媒層を形成した。
【００４２】
この触媒層をもつハニカム構造体１を触媒コンバータ２内に配置し、本実施例の排ガス浄化装置とした。
【００４３】
（実施例３）
栓詰部12を、上流側端面から15mm下流側に入った位置としたこと以外は実施例１と同様のハニカム構造体を用い、同様に触媒層を形成した。
【００４４】
この触媒層をもつハニカム構造体１を触媒コンバータ２内に配置し、本実施例の排ガス浄化装置とした。
【００４５】
（比較例１）
栓詰部12を、上流側端面に形成したこと以外は実施例１と同様のハニカム構造体を用い、同様に触媒層を形成した。
【００４６】
この触媒層をもつハニカム構造体を触媒コンバータ２内に配置し、本比較例の排ガス浄化装置とした。
【００４７】
（比較例２）
栓詰部12を、上流側端面から20mm下流側に入った位置としたこと以外は実施例１と同様のハニカム構造体を用い、同様に触媒層を形成した。
【００４８】
この触媒層をもつハニカム構造体を触媒コンバータ２内に配置し、本比較例の排ガス浄化装置とした。
【００４９】
＜試験＞
実施例及び比較例の排ガス浄化装置を排気量２Ｌのディーゼルエンジンの排気系に搭載し、ディーゼルエンジンを回転数 2900rpm、排ガス温度 300℃で１時間駆動し、その間のPM捕集率を測定した。PM捕集率は、比較例１の排ガス浄化装置のPM捕集率を 100とした指数で示した。また測定後の各ハニカム構造体について、袋セル13内を目視で観察してPMの堆積程度を判定した。これらの結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2005201155.tif 000003
【００５１】
表１より、栓詰部12の深さがゼロである比較例１ではPM捕集率が低く、深さが20mmである比較例２では栓詰部12へのPM堆積量が多い。しかし各実施例の排ガス浄化装置によれば、PM捕集率が高くPM堆積量が少ないことが明らかであり、栓詰部12は上流側端面より下流側に形成するのが必要であり、上流側端面より５〜15mm下流側に形成するのが特に望ましいことが明らかである。
【００５２】
（実施例４）
図３に本実施例の排ガス浄化装置を示す。この排ガス浄化装置は、酸化触媒３と、実施例１と同様の触媒層が形成されたハニカム構造体１が触媒コンバータ２内に、上流側から下流側にこの順で配置されてなる。
【００５３】
酸化触媒３は、ストレートフロー構造で直径 130mm、長さ 150mmで約２リットルの体積を有し、セル数が 400／inch2 のコージェライト製のハニカム構造体30と、ハニカム構造体30のセル隔壁31表面に形成された図示しない触媒層とから構成されている。触媒層はPtが担持されたアルミナ粉末から形成され、ハニカム構造体30の１リットルあたり 150ｇ形成されている。Ptの担持量はハニカム構造体１リットルあたり２ｇである。
【００５４】
本実施例の排ガス浄化装置によれば、排ガス中のHC及びCOが酸化触媒３で酸化浄化されるとともに、PM中の SOFも酸化分解する。これによりPMが微粒化され、それがハニカム構造体１のストレートセル10に流入するので、袋セル13における撹拌作用による乱流化と相まってPMの凝集がさらに抑制されるので、PM捕集効率がさらに向上する。また酸化触媒３においてNOがNO2 に酸化され、酸化活性の高いNO2 がハニカム構造体１に流入するため、袋セル13内に堆積したPMを酸化燃焼でき、かつセル隔壁14の捕集されたPMを酸化燃焼できるので、ハニカム構造体１の温度上昇を抑制しつつPM捕集能を再生することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンなどPMを含む排ガスが排出される内燃機関に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の作用を示す説明図である。
【図３】本発明の第４の実施例の排ガス浄化装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：ハニカム構造体    ２：触媒コンバータ      ３：酸化触媒
10：ストレートセル    11：下流流出セル        12：栓詰部
13：袋セル            14：セル隔壁
【図１】
2005201155.tif 000004
【図２】
2005201155.tif 000005
【図３】
2005201155.tif 000006