(57)【要約】【課題】強制再生時に中心部が溶損したり、中心部と外周部との境界部にクラックが発生したりするのを抑制するとともに、PMの除去率を向上させる。【解決手段】触媒コンバータ１の周壁の少なくとも一部に、真空層 100を形成した。  真空層 100の断熱作用によって触媒コンバータ１内部が保温されるため、収納されている DPFなどに温度分布が生じるのが抑制される。また DPFまでの流路で排ガス温度が低下するのも防止される。【選択図】図１
2007205336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒体と、該筒体の排ガス上流側に形成され排気管に連通される上流開口をもつ上流端部と、該筒体の排ガス下流側に形成され排気管に連通される下流開口をもつ下流端部と、を有する金属製の触媒コンバータと、
該筒体の内部に収納されたフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方と、からなる排ガス浄化装置であって、
該筒体、該上流端部及び該下流端部の周壁の少なくとも一部には真空層が形成されていることを特徴とする排ガス処理用触媒コンバータ。
【請求項２】
前記周壁は外殻と内殻とからなる二層構造をなし、該外殻と該内殻とで囲まれた空間の少なくとも一部が前記真空層を構成している請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタ及び前記排ガス浄化用触媒の少なくとも一方は、通気性を有する金属体を介して前記筒体に保持されている請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記金属フォーム体には酸化触媒がコートされている請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排ガス浄化用触媒はフィルタ触媒である請求項１〜４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、自動車エンジンなどの内燃機関からの排ガスを浄化する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PM（主として炭素微粒子からなるスート、高分子量炭化水素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子など）として排出されるという特異な事情から、ガソリンエンジンに比べて排ガス浄化が難しい。
【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、セラミック製の目封じ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を捕集することで排出を抑制するものである。
【０００４】
しかし DPFでは、PMの堆積によって圧損が上昇するため、何らかの手段で堆積したPMを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、圧損が上昇した場合にバーナあるいは電気ヒータ等で加熱する方法、あるいは酸化触媒で生成した高温の排ガスを DPFへ供給する方法などによって、堆積したPMを燃焼させ DPFを強制再生することが行われている。しかしながらこの強制再生時には、PMの堆積量が多いほど燃焼時の温度が上昇し、それによる熱応力で DPFに破損や溶損が生じる場合がある。
【０００５】
例えば DPFの上流側に酸化触媒を配置し、軽油などを排ガス中に噴霧して酸化触媒で燃焼させ、それによって加熱された排ガスを DPFに流入させて強制再生する方法がある。しかしながら、外周部と中心部との温度差が大きくなって中心部が溶損したり、下流端部で中心部と外周部との境界部にクラックが発生したりする場合があった。また外周部は冷却されやすいために、強制再生時に下流側端部でPMの燃え残りが生じる場合もあった。このようになるとPM除去率が低下するとともに、燃え残ったPMが多量に堆積した場合には、失火などによって一気に燃えて溶損に至る場合もある。
【０００６】
このような不具合が生じる原因としては、 DPFは外周部ほど冷却されやすいこと、上流側での燃焼熱で排ガスがさらに加熱されるため上流端部より下流端部の方が高温となること、あるいは中心部の方が外周部よりPM堆積量が多くなること、などがある。
【０００７】
そこで例えば特開2003−148125号公報には、 DPFの外周側に外周通路を設け、中央部に中央通路を設けた排ガス浄化装置が提案されている。この排ガス浄化装置によれば、排ガスは先ず外周通路を通過してから DPF内に流入し、 DPFを通過した排ガスは中央通路を通過して排出される。したがって DPFの外周側と内周側を排ガスで加熱又は保温できるので、PMの燃焼を促進でき、かつ局所的な高温の発生を防止することができる。
【０００８】
ところが上記排ガス浄化装置では、外周通路を形成しているために外径が大きくなり、搭載スペース面で不具合が発生する場合がある。また外周通路を通過する際に排ガスが冷却されるため、再生効率が悪い。
【０００９】
また近年では、 DPF形状の基材のセル隔壁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。このフィルタ触媒によれば、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基材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、基材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】
しかし上記したフィルタ触媒であっても、運転状況によってはPMの堆積量が燃焼量を上回り、それが連続した場合などには DPFと同様の強制再生が必要となる。したがって DPFと同様に基材に破損や溶損が生じる場合がある。
【特許文献１】特開2003−148125号
【特許文献２】特開2004−162537号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
DPFあるいはフィルタ触媒は、アルミナマットなどを介して金属製の触媒コンバータ内に収納され、この触媒コンバータが排気管に連結されて使用に供される。しかし金属製であるために熱伝導率が高く、 DPFの外周部の温度が上昇しにくいことの一因となっている。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、触媒コンバータを改良することで、強制再生時に中心部が溶損したり、中心部と外周部との境界部にクラックが発生したりするのを抑制するとともに、PMの除去率を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、筒体と、筒体の排ガス上流側に形成され排気管に連通される上流開口をもつ上流端部と、筒体の排ガス下流側に形成され排気管に連通される下流開口をもつ下流端部と、を有する金属製の触媒コンバータと、
筒体の内部に収納されたフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方と、からなる排ガス浄化装置であって、
筒体、上流端部及び下流端部の周壁の少なくとも一部には真空層が形成されていることにある。
【００１４】
フィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方は、通気性を有する金属体を介して筒体に保持されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の排ガス浄化装置では、周壁の少なくとも一部に真空層をもつ触媒コンバータを用いている。真空層の断熱作用によって触媒コンバータ内部が保温されるため、収納されている DPFなどに温度分布が生じるのが抑制される。したがって局所的に高温となるのが抑制されるため、 DPFなどの損傷を防止することができる。そして高温、短時間での再生処理が可能となるので、燃費も向上する。
【００１６】
また DPFまでの流路で排ガス温度が低下するのが防止できるので、PMの燃焼に必要な排ガス温度を確保でき再生効率が向上する。
【００１７】
そして、通気性を有する金属体を介して DPFなどを筒体内に収納すれば、 DPFなどの外周部と内周部との温度差をさらに小さくすることができる。また金属体に当接する部位に真空層を形成すれば、金属体を介して熱が逃げるのを防止できるので、 DPFなどの外周部と内周部との温度差をさらに小さくすることができ、上記効果が最大に発現される。
【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は、触媒コンバータと、触媒コンバータ内に収納されたフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方と、から構成される。触媒コンバータは、筒体と、上流開口をもつ上流端部と、下流開口をもつ下流端部と、からなり、上流開口が排ガス上流側で排気管に連通され、下流開口が排ガス下流側で排気管に連通される。この触媒コンバータは金属製であり、筒体内にフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方が収納される。
【００１９】
フィルタは排ガス中のPMを捕集するものであり、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従来の DPFを用いることができる。また、金属フォームからなるフィルタ、金属不織布を用いたフィルタを用いてもよい。
【００２０】
排ガス浄化用触媒としては、従来用いられている酸化触媒、三元触媒、NOx 選択還元触媒、NOx 吸蔵還元触媒、フィルタ触媒などを用いることができる。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 DPFの、セル隔壁表面あるいはセル隔壁の細孔表面に触媒コート層を形成したフィルタ触媒の場合に、本発明は特に効果的である。
【００２１】
筒体内に収納されるフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方は、１個のみでもよいし、２個以上を直列に収納してもよい。
【００２２】
本発明の最大の特徴は、触媒コンバータの周壁の少なくとも一部に真空層が形成されていることにある。この真空層は、少なくとも筒体の周壁に形成することが望ましい。このようにすることで、筒体内に保持されているフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方の保温効果が最大に発現される。したがって外周部と内周部との温度差が小さくなり、外周部でのPMの燃焼効率が向上するとともに、局所的に高温となることによる亀裂の発生などの不具合を未然に防止することができる。
【００２３】
また上流端部に真空層を形成することも好ましい。このようにすれば、筒体内に保持されているフィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方に到達するまでの排ガスの温度低下を抑制することができる。したがってPMの燃焼に必要な排ガス温度を確保でき、PMの堆積を抑制できるとともに再生効率が向上する。
【００２４】
真空層を形成するには、例えば触媒コンバータの周壁を外殻と内殻とからなる二層構造とし、外殻と内殻とで囲まれた空間の少なくとも一部に真空層を形成することができる。また周壁の内周表面側に、例えば真空粒子を充填した別部材からなる真空層を形成してもよい。
【００２５】
真空層の真空度は、1333Pa（10Torr）以下とすることが望ましい。真空度が1333Paを超えると、断熱作用の低下により上記した効果の発現が困難となる。真空層は、触媒コンバータの全周を一周する断面無端のリング形状に形成することが望ましい。またその厚さ（触媒コンバータの径方向）は特に制限されないが、２mm〜20mmの範囲が好ましい。真空層の厚さがこれより薄いと伝熱量が大きくなって好ましくなく、これより厚くなると全体形状が大きくなって搭載スペース面で不利となる。
【００２６】
フィルタ及び排ガス浄化用触媒の少なくとも一方は、通気性を有する金属体を介して筒体に保持されていることが望ましい。通気性を有する金属体を介して DPFなどを筒体内に収納すれば、金属体内を排ガスが流通することで、 DPFなどの外周部と内周部との温度差をさらに小さくすることができる。また金属体に当接する部位に真空層を形成すれば、金属体を介して熱が逃げるのを防止できるので、 DPFなどの外周部と内周部との温度差をさらに小さくすることができる。この金属体としては、発泡金属からなる金属フォーム、金属箔製の波板と平板を厚さ方向に交互に積層したメタル担体などを用いることができる。
【００２７】
また金属体に触媒コート層を形成することも好ましい。これにより金属体を通過する排ガス中の有害成分を浄化することができるので、浄化率が向上する。また有害成分の浄化反応熱で DPFなどを加熱することができるので、PMの燃焼が促進され再生効率が向上する。
【実施例】
【００２８】
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。
【００２９】
（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、触媒コンバータ１と、触媒コンバータ１内に収納されたハニカム形状の酸化触媒２と、酸化触媒２の下流側で触媒コンバータ１内に収納されたフィルタ触媒３と、から構成されている。酸化触媒２の外周表面と触媒コンバータ１の内周面との間には、アルミナマット20が介在し、フィルタ触媒３の外周表面と触媒コンバータ１の内周面との間には、ステンレス製のフォームフィルタ30が介在している。
【００３０】
触媒コンバータ１は、酸化触媒２及びフィルタ触媒３を収納保持する円筒形状の筒体10と、筒体10の排ガス上流側に形成されたコーン形状の上流端部11と、筒体10の排ガス下流側に形成されたコーン形状の下流端部12と、上流端部11及び下流端部12からそれぞれ上流側又は下流側へ突出する直管部13と、を備えている。
【００３１】
図２〜図５に示すように、触媒コンバータ１は、互いに同一形状の一対の半割形状体14を合わせたクラムシェル構造であり、半割形状体14はそれぞれ内殻15と外殻16とからなる二層構造をなしている。内殻15及び外殻16は厚さ 1.5mmの鋼板からプレス成形により形成され、それぞれ径方向に突出するとともに直管部13を構成するフランジ部17、18を備え、フランジ部17、18どうしが互いに溶接されている。
【００３２】
ここで筒体10、上流端部11及び下流端部12においては、内殻15は外殻16より一回り小さな径とされ、直管部13では内殻15と外殻16とが当接するように形成されている。これにより内殻15と外殻16との間には、約５mmの間隙をもつ密閉空間 100が形成されている。この密閉空間 100は筒体10、上流端部11及び下流端部12の全周に形成され、フランジ部17、18の一部から真空ポンプで吸引した直後にフランジ部17、18を溶接することによって 133Paの真空度をもつ真空層を構成している。
【００３３】
以下、酸化触媒２とフィルタ触媒３の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。
【００３４】
＜酸化触媒２の調製＞
直径 130mm、 400セル／inch2、１リットル のストレートフロー構造のコージェライト製ハニカム基材を用意した。一方、アルミナ粉末をイオン交換水及びバインダと共にミリングしてスラリーを調製した。このスラリーをハニカム基材にウォッシュコートし、 120℃で２時間乾燥後 600℃で２時間焼成してコート層を形成した。コート層は、ハニカム基材１リットル当たり 150ｇ形成された。
【００３５】
次に、ジニトロジアンミン白金溶液の所定量をコート層に含浸し、 120℃で２時間乾燥後 500℃で１時間焼成してPtを担持した。こうして、ハニカム基材１リットル当たりPtが２ｇ担持された酸化触媒３を調製した。
【００３６】
＜フィルタ触媒３の調製＞
直径 130mm、長さ 150mm、 200セル／inch2のウォールフローハニカム構造の市販の DPF基材を用意し、その外周部に内径 110mm、外径 140mm、長さ 150mmのフォームフィルタ30を取り付け、ハニカム構造体とした。
【００３７】
一方、アルミナ粉末をイオン交換水及びバインダと共にミリングしてスラリーを調製した。このスラリーを上記ハニカム構造体の流入側セルの開口から注入し、流出側セルの開口から吸引する方法でセル隔壁とフォームフィルタ30にウォッシュコートした。その後 120℃で２時間乾燥後 600℃で２時間焼成してコート層を形成した。コート層は、ハニカム構造体１リットル当たり 150ｇ形成された。
【００３８】
次に、ジニトロジアンミン白金溶液の所定量をコート層に含浸し、 120℃で２時間乾燥後 500℃で１時間焼成してPtを担持した。Ptの担持量は、ハニカム構造体１リットル当たり２ｇである。
【００３９】
＜排ガス浄化装置の作製＞
そして酸化触媒２の外周にアルミナマット20を取り付けて筒体10の排ガス上流側に配置し、Ptを担持したコート層をもつフィルタ触媒３とフォームフィルタ30とからなるハニカム構造体を筒体10の酸化触媒２の下流側に配置した。
【００４０】
＜試験＞
この排ガス浄化装置をディーゼルエンジンの排気管に装着し、定常運転にて10ｇのPMを堆積させた。
【００４１】
堆積したPMを燃焼させるために、酸化触媒２の入りガス温度が 300℃になる条件で５分間運転し、次いで酸化触媒２の上流側に軽油を２ｇ／分の添加量で添加しながら５分間運転した。その後フィルタ触媒３を取り出し、クラック及び破損の有無を目視で判定した。
【００４２】
同様の方法にてPMの堆積量が12ｇ、14ｇ、16ｇ、18ｇ、20ｇとなるように変化させ、同様の試験を行ってフィルタ触媒３のクラック及び破損の有無を目視で判定した。それぞれの結果を表１に示す。
【００４３】
さらに、10ｇ及び12ｇのPMが堆積した場合について、上記試験を行う前後の重量差からPM除去率を測定し、結果を表２に示す。
【００４４】
（実施例２）
直径90mmであること以外は実施例１と同一の DPF基材を用い、フォームフィルタ30の内径を DPF基材の外径に対応させ、実施例１と同様にしてフィルタ触媒３を調製し、実施例１と同様の酸化触媒３と共に触媒コンバータ１に配置した。
【００４５】
この排ガス浄化装置について実施例１と同様の試験を行い、結果を表１及び表２に示す。
【００４６】
（実施例３）
触媒コンバータ１内に酸化触媒２を配置せず、フィルタ触媒３とフォームフィルタ30のみを配置したこと以外は実施例２と同様である。この排ガス浄化装置について実施例１と同様の試験を行い、結果を表１及び表２に示す。
【００４７】
（比較例１）
内殻15と外殻16とが全面で当接して密閉空間 100をもたないこと以外は実施例１と同様の触媒コンバータを用い、それ以外は実施例１と同様にして試験を行った。結果を表１及び表２に示す。
【００４８】
（比較例２）
内殻15と外殻16とが全面で当接して密閉空間 100をもたないこと以外は実施例１と同様の触媒コンバータを用い、それ以外は実施例２と同様にして試験を行った。結果を表１及び表２に示す。
【００４９】
（比較例３）
内殻15と外殻16とが全面で当接して密閉空間 100をもたないこと以外は実施例１と同様の触媒コンバータを用い、それ以外は実施例３と同様にして試験を行った。結果を表１及び表２に示す。
【００５０】
（比較例４）
密閉空間 100内に大気圧の空気を充填したこと以外は実施例１と同様の触媒コンバータを用い、それ以外は実施例２と同様にして試験を行った。結果を表１及び表２に示す。
【００５１】
＜評価＞
【００５２】
【表１】
2007205336.tif 000003
【００５３】
【表２】
2007205336.tif 000004
【００５４】
実施例１〜３の排ガス浄化装置と、対応する比較例１〜３の排ガス浄化装置との試験結果をそれぞれ比較すると、各実施例の方が DPF基材の損傷を抑制でき、PM除去率も高いことがわかる。これは触媒コンバータに真空の密閉空間 100を形成したことで、 DPF基材における外周と内周との温度差が小さくなったこと、及び DPF基材に流入する排ガス温度が上昇したことによる効果であることが明らかである。
【００５５】
また比較例１の排ガス浄化装置では、実施例１と同様に DPF基材の損傷を抑制できているものの、PM除去率が実施例１より若干劣っている。したがって密閉空間 100は、空気層とするより真空層とする方が望ましいことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いた半割形状体の要部斜視図である。
【図３】本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いた半割形状体の断面図であり、図２のＡ−Ａ断面図又は図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いた半割形状体の断面図であり、図２のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いた半割形状体の断面図であり、図２のＤ−Ｄ断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：触媒コンバータ      ２：酸化触媒            ３：フィルタ触媒
10：筒体                11：上流端部            12：下流端部
13：直管部              14：半割形状体          15：内殻
16：外殻            17、18：フランジ部         100：密閉空間（真空層）
20：アルミナマット      30：フォームフィルタ
【図１】
2007205336.tif 000005
【図２】
2007205336.tif 000006
【図３】
2007205336.tif 000007
【図４】
2007205336.tif 000008
【図５】
2007205336.tif 000009