(57)【要約】【課題】排気浄化装置に関し、良好な酸化性能を確保しつつコストを削減する。【解決手段】エンジンの排気通路７に、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ２を設ける。  フィルタ２の内部かつ排気上流側の部位に、前記粒子状物質に対する酸化能を持つ触媒を有する酸化触媒部３を形成するとともに、酸化触媒部３よりも排気下流側に遷移金属を含有した触媒を有する遷移金属系触媒部４を設ける。【選択図】図１
2012077693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの内部に形成され、前記粒子状物質に対する酸化能を持つ触媒を有する酸化触媒部と、
前記酸化触媒部よりも排気下流側に設けられ、遷移金属を含有した触媒を有する遷移金属系触媒部と
を備えたことを特徴とする、排気浄化装置。
【請求項２】
前記酸化触媒部が、前記フィルタの内部かつ排気上流側の部位に形成され、
前記遷移金属系触媒部が、前記フィルタの内部かつ排気下流側の部位に形成される
ことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタが、排気上流側に開口部を持つ入口セル及び下流側に開口部を持つ出口セルを有し、
前記酸化触媒部が、前記入口セルの内部に形成されるとともに、
前記遷移金属系触媒部が、前記出口セルの内部に形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記酸化触媒部が、前記入口セルの内壁に沿って層状にコーティングされてなる
ことを特徴とする、請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記酸化触媒部及び前記遷移金属系触媒部が、前記フィルタの内部の温度分布に応じた位置に形成される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記遷移金属系触媒部が、鉄又は鉄化合物を含有した触媒を有する
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気中に含まれる粒子状物質をフィルタで捕集し、これを焼却除去する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter；以下PMと略す）を除去するための浄化装置として、各種フィルタを用いた粒子状物質捕集装置（Diesel Particulate Filter；以下DPFと略す）が存在する。PMとは、炭素からなる黒煙（すす）の周囲に燃え残った燃料や潤滑油の成分，硫黄化合物等が付着したものであり、DPFのフィルタ上にはこれらのPMに見合った大きさの多数の細孔が形成されている。これにより、PMはフィルタの表面や細孔内部に捕集され、排気が浄化される。
PMの除去方式には、その焼却のタイミングで分類すると、おもに強制再生方式と自然再生（連続再生）方式との二種類がある。
【０００３】
強制再生方式は、フィルタの温度を上昇させる操作を加えることによってフィルタ上のPMを強制的に燃焼させる方式である。この方式は、排気温度の低いエンジンの運転状態が長時間継続したような場合に用いて好適である。一方、自然再生方式は、例えば二酸化窒素（NO2）等の酸化剤をフィルタに供給することによってPMを定常的に燃焼させる方式である。この方式は、車両の通常走行時にフィルタを浄化再生させたい場合に用いて好適である。
【０００４】
上記のような強制再生時及び自然再生時におけるPMの燃焼反応を促進することを目的として、フィルタ上に酸化触媒層を設けたもの（コーテッドDPF）も開発されている。コートされた酸化触媒は、強制再生時にはフィルタの昇温のための酸化反応を促進し、自然再生時にはNO2等の酸化剤の生成を促進する。また、この酸化触媒は、PMの浄化だけでなく排気中に含まれる一酸化炭素（CO）や炭化水素(HC)といった可燃性ガス状成分の浄化にも貢献する。このように、フィルタに酸化触媒をコートすることで、PMの浄化性能が向上しスリップガスが抑制される。
【０００５】
フィルタ上に酸化触媒層を設けた技術例としては、特許文献１に記載のものが挙げられる。この技術では、フィルタの排気流入側に多環式芳香族炭化水素（PAH）の吸着層を設けるとともに、排気流出側に酸化コーティングを設けることで、PAHを効果的に捕集しつつ排気温度の上昇時にPAHを酸化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００７−５３８１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、フィルタ上にコートする酸化触媒として、白金やロジウム等の貴金属を用いたものがある。貴金属触媒は比較的低温の状態から良好な触媒活性を有し、排気浄化性能の向上に大きく寄与する。しかしながら、貴金属触媒は高価であり、排気浄化システムのコストが高くなるという課題がある。
また、例えば特許文献１のように排気流出側のみで可燃性ガス状成分を浄化するフィルタ構成では、フィルタよりも下流側へのスリップガスを抑制すべく、酸化コーティングに要求される酸化性能が高くなりやすい。そのため、貴金属触媒のような高価な触媒を用いる必要が生じ、排気浄化システムのコストを低減させることが難しいという課題がある。
【０００８】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、排気浄化装置に関し、良好な酸化性能を確保しつつコストを削減することである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示する排気浄化装置は、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの内部に形成され、前記粒子状物質に対する酸化能を持つ触媒を有する酸化触媒部と、前記酸化触媒部よりも排気下流側に設けられ、遷移金属を含有した触媒を有する遷移金属系触媒部とを備える。
一般に、遷移金属触媒は貴金属触媒よりも酸化性能が低い。一方、上記の遷移金属系触媒部には、酸化触媒部で昇温した排気が導入されるため、遷移金属系触媒部が常に高温になり良好な酸化性能が確保される。
【００１０】
（２）また、前記酸化触媒部が、前記フィルタの内部かつ排気上流側の部位に形成され、前記遷移金属系触媒部が、前記フィルタの内部かつ排気下流側の部位に形成されることが好ましい。
（３）また、前記フィルタが、排気上流側に開口部を持つ入口セル及び下流側に開口部を持つ出口セルを有し、前記酸化触媒部が、前記入口セルの内部に形成されるとともに、前記遷移金属系触媒部が、前記出口セルの内部に形成されることが好ましい。
【００１１】
（４）また、前記酸化触媒部が、前記入口セルの内壁に沿って層状にコーティングされてなることが好ましい。
（５）また、前記酸化触媒部及び前記遷移金属系触媒部が、前記フィルタの内部の温度分布に応じた位置に形成されることが好ましい。
（６）また、前記遷移金属系触媒部が、鉄又は鉄化合物を含有した触媒を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
開示の排気浄化装置によれば、酸化触媒部で昇温した排気を遷移金属系触媒部に導入することで遷移金属系触媒部の活性化を促進することができ、コストを削減しつつ良好な酸化性能を確保することができる。これにより、酸化触媒部からのスリップガスを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る排気浄化装置の構成を例示する図であり、（ａ）はDPFの全体断面図、（ｂ）はフィルタの模式的な断面図である。
【図２】図１の本排気浄化装置の酸化能力を説明するためのグラフである。
【図３】変形例に係る排気浄化装置の構成を例示する図であり、（ａ）は第一変形例のシステム構成図、（ｂ）は第二変形例のフィルタの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照して排気浄化装置について説明する。なお、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
［１．構成］
本実施形態の排気浄化装置は、図１（ａ）に示すエンジンの排気通路７上に介装されたDPF１として適用される。このDPF１は、ケーシング１ａ内に排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ２が固定された濾過装置である。フィルタ２は、ケーシング１ａの内周面にサポート材１ｂを介して固定される。
このフィルタ２は、排気中に含まれるPM５を捕集する機能と、捕集したPM５を酸化させて除去する機能とを併せ持つ多孔質体（例えば、炭化ケイ素製やコージェライト製のセラミックフィルタ等）である。フィルタ２の内部は多孔質の壁体によって排気の流通方向に沿って複数に分割され、この壁体にPM５の粒径に見合った大きさの多数の細孔が形成される。PM５は排気が壁体の近傍や内部を通過する際に壁体内，壁体表面に捕集され、排気中から濾過される。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、フィルタ２の内部はセル壁２ｃによって排気の流通方向に沿って複数の通路に分割され、ハニカム構造をなす複数のセル２ａ，２ｂが形成される。これらのセル２ａ，２ｂはクローズドフロー型であり、上流側及び下流側の何れか一方の端部がセル壁２ｃと同種の材質の目封じ２ｄで閉塞されている。
以下、排気上流側に開口部を持つセルのことを入口セル２ａと呼び、排気下流側に開口部を持つセルのことを出口セル２ｂと呼ぶ。入口セル２ａ及び出口セル２ｂは、フィルタ２の径方向断面において同種のセルが隣接しない四角格子をなすように千鳥配置されている。これにより、全ての排気はセル壁２ｃの内部を通過してからフィルタ２の下流側へと流れることになり、排気中に含まれるPM５はセル壁２ｃの表面及び内部に捕捉される。フィルタ２内での排気の流れを図１（ｂ）中に破線矢印で例示する。
【００１６】
入口セル２ａの内壁には、PM燃焼触媒層３が形成され、出口セル２ｂの内壁には、遷移金属系触媒層４が形成されている。PM燃焼触媒層３（酸化触媒部）は、PM５に対する酸化能を持つ触媒を有する層である。ここに担持させる触媒の種類としては、貴金属触媒（白金やロジウム等），セリア系酸化物触媒（CeO2やCeO2-ZrO2等），ペロブスカイト型酸化物触媒（CaMnO3，LaCoO3，LaFeO3等）が考えられる。PM燃焼触媒層３は、遷移金属系触媒層４に含まれる触媒よりも酸化能が強く、PM５や可燃性ガス状成分（HC，CO等）を酸化させやすいものを用いることが好ましい。
なお、PM燃焼触媒層３は入口セル２ａの内壁に沿って層状にコーティング形成されることが好ましい。例えば、粒子状のスラリー（焼成前の触媒懸濁液）を入口セル２ａの内部に充填した後に乾燥，焼成して形成することで、セル壁２ｃへの浸透が少ないコーティング層を形成可能である。
【００１７】
遷移金属系触媒層４（遷移金属系触媒部）は、遷移金属を含有した触媒を有する層である。この遷移金属系触媒層４は、アルミナ，シリカ等を含むセラミック担体に遷移金属を担持させて形成される。遷移金属の種類としては鉄又は鉄化合物を含有することが好ましい。
なお、遷移金属系触媒層４は、出口セル２ｂの内壁に沿って層状にコーティング形成されたものとしてもよいし、あるいは触媒をセル壁２ｃの内部にまで浸透させて形成してもよい。セル壁２ｃの内部に遷移金属系触媒層４を形成する場合、例えば、触媒となる金属の無機塩水溶液にフィルタ２を含浸させた後に焼成し、金属酸化物を水素還元する手法を用いてもよい。
【００１８】
図２に遷移金属及び貴金属のそれぞれの触媒としての酸化性能を示す。実線のグラフは貴金属触媒の酸化性能と温度との関係を示し、破線のグラフは遷移金属触媒の酸化性能と温度との関係を示す。比較的温度の低い通常運転領域では、遷移金属触媒よりも貴金属触媒の方が酸化性能に優れているが、これよりも温度の高い強制再生領域では、遷移金属触媒と貴金属触媒との間に酸化性能の差がほとんど見られない。したがって、DPF１の強制再生時のスリップガス（CO，HC等を含む排気）を抑制する上では、酸化活性の低い遷移金属触媒を用いたとしても十分な効果が期待される。また、高価な貴金属触媒を使う必要がなくなるため、コストが削減される。
【００１９】
［２．作用，効果］
排気温度が比較的低温である通常運転領域にある場合、可燃性ガス成分（例えば、CO，HC）は、フィルタ２の内部の排気上流側、すなわち、入口セル２ａの内壁に形成されたPM燃焼触媒層３で酸化され（例えば、CO2，H2Oとなり）排気が浄化される。また、排気中に含まれる一酸化窒素（NO）がPM燃焼触媒層３で酸化されると活性の高い二酸化窒素（NO2）が生成され、これにより比較的低温であってもPM５が酸化されて自然再生が行われる。
【００２０】
PM５や可燃性ガス成分の燃焼によってフィルタ２の排気上流側で生じた熱は、フィルタ２のセル壁２ｃを介して排気下流側に伝達される。これにより、出口セル２ｂの内壁に形成された遷移金属系触媒層４の温度が昇温されるため、遷移金属系触媒層４の活性化が促進され、出口セル２ｂ側の酸化性能も向上する。つまり、仮に出口セル２ｂ側に可燃性ガス成分が流出してきたとしても、遷移金属系触媒層４上で浄化される。したがって、フィルタ２よりも下流側へのスリップガスを抑制することができる。
【００２１】
一方、排気温度が比較的高温である強制再生領域にある場合、フィルタ２上ではPM５に含まれる炭素成分がO2と結合して焼却される。また、排気中の可燃性ガス成分は、PM燃焼触媒層３で酸化される。これらの酸化反応で生じた熱は、排気下流側に伝達される。ここで、仮に強制再生時における燃料噴射量の増大等によって排気中の可燃性ガス成分の量が過剰であったとしても、排気下流側の遷移金属系触媒層４が高温となっているため、可燃性ガス成分は遷移金属系触媒層４でも酸化され、排気が浄化される。したがって、この場合もフィルタ２よりも下流側へのスリップガスを抑制することができる。
【００２２】
特に、上記のDPF１では、PM燃焼触媒層３の下流側に遷移金属系触媒層４を配置することで、比較的高温の触媒活性温度を要するという遷移金属の弱点を克服している。すなわち、上記のレイアウトによってPM燃焼触媒層３には、PM５や可燃性ガス成分を酸化させるという従前の機能だけでなく、遷移金属系触媒層４を昇温させるという新たな機能が付与されている。これにより、十分に昇温した排気を遷移金属系触媒層４に導入することができるというメリットがある。また、同じフィルタ２にPM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４を設けることでダウンサイジングが可能となり、さらにコストを削減することができる。
【００２３】
さらに、PM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４を単一のフィルタ２内で互いに隣接するセルの内壁に設けることで、PM燃焼触媒層３と遷移金属系触媒層４との間の熱損失を減少させることができる。これにより、遷移金属系触媒層４に導入される排気温度を確実にPM燃焼触媒層３で上昇させることができ、遷移金属系触媒層４の昇温効果を向上させることができ、延いてはスリップガスの抑制効果を高めて排気浄化効率を向上させることができる。また、PM燃焼触媒層３，遷移金属系触媒層４といった種類の異なる二つの触媒層を別々のセル内に設けることで、フィルタ２の製造が容易となり、さらなるコストダウンが期待できるという利点がある。
【００２４】
また、上記のDPF１では、PM燃焼触媒層３が入口セル２ａの内壁に沿って層状にコーティングされて形成されている。これにより、PM燃焼触媒層３をセル壁２ｃに浸透させた場合と比較して、粒子状物質との接触面積を確保することができ、排気の昇温効果を高めることができる。また、確実に昇温した排気を遷移金属系触媒層４に導入することができ、排気浄化効率をさらに向上させることができる。
また、遷移金属系触媒層４は、鉄，鉄化合物といった遷移金属を触媒としているため、PM燃焼触媒層３で昇温された排気に対する十分な酸化性能を確保しつつ、安価なシステムを構築することができ、コストをさらに削減することができる。
【００２５】
［３．変形例等］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
上述の実施形態では、単一のフィルタ２内にPM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４を設けたものを例示したが、これらを物理的に分離して配置してもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、PM燃焼触媒層３を有するフィルタ２とは別体の触媒６を設け、この触媒６に上記の遷移金属系触媒層４を設けることが考えられる。これにより、遷移金属触媒の機能をフィルタ２から分離可能となり、排気浄化システムのレイアウト設計時の自由度を高めることができる。また、遷移金属系触媒層４がフィルタ２とは別体に設けられるため、PM燃焼触媒層３を備えた既存のフィルタ２への適用が容易であるというメリットがある。
【００２６】
また、上述の実施形態では、PM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４をセル毎に相違させたものを例示したが、同一のセル内にこれらを形成してもよい。例えば、図３（ｂ）に示すように、フィルタ２全体をその排気上流側及び排気下流側に二分し、上流側の部位に含まれるセル壁２ｃの表面にPM燃焼触媒層３を形成するとともに、下流側の部位に含まれるセル壁２ｃの表面に遷移金属系触媒層４を形成する。このような構成においても、PM燃焼触媒層３で生じた熱が排気下流側へと移動するため、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。また、セルの種類を区別することなく、フィルタ２上の位置に応じて種類の異なる二つの触媒層を設けることで、上述の実施形態の場合よりもフィルタ２の製造が容易となる。特に、含浸法を用いたフィルタ２の製造に用いて好適である。
【００２７】
さらに、上記の変形例におけるPM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４の境界となる位置に関して、フィルタ２内での温度分布に応じてセル毎に境界の位置を設定することも考えられる。すなわち、比較的低温の排気が流通する位置にはPM燃焼触媒層３を設け、PM燃焼触媒層３での酸化反応によって昇温した排気が流通する位置には遷移金属系触媒層４を設ける。
各セル内でのPM燃焼触媒層３及び遷移金属系触媒層４の境界となる位置を、等温度線に対応する位置とすることにより、PM燃焼触媒層３で生成された熱を均等に遷移金属系触媒層４へと分散させることができ、排気浄化効率をさらに向上させることができる。
なお、上述のエンジンの燃焼形式は任意であり、上記の排気浄化装置はディーゼルエンジンの排気系にもガソリンエンジンの排気系にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１  DPF（ディーゼルパティキュレートフィルター）
２  フィルタ
２ａ  入口セル
２ｂ  出口セル
２ｃ  セル壁
３  PM燃焼触媒層（酸化触媒部）
４  遷移金属系触媒層（遷移金属系触媒部）
【図１】
2012077693.tif 000003
【図２】
2012077693.tif 000004
【図３】
2012077693.tif 000005