(57)【要約】【課題】全域に排気ガスを拡散させて、且つ粒径別にＰＭを捕集して、ＰＭの燃焼ムラを出来にくくすると共に、ＰＭの燃焼時間を短縮することができる排気ガス浄化方法、排気ガス浄化装置、及びそれを搭載した内燃機関を提供する。【解決手段】エンジン１の排気通路２に設け、段階的に気孔率を小さくし、セルの壁厚を小さくし、及びセル数を多くするハニカムセラミックス１１〜１５を備え、各ハニカムセラミックス１１〜１５が、排気ガスＧ内のＰＭを粒径別に捕集するように、入口１６ａから出口１６ｂに順に配置され、ＰＭの捕集時にＰＭが各ハニカムセラミックスに拡散し、又はＰＭの燃焼時に高温の排気ガスＧが各ハニカムセラミックス１１〜１５の外側へ拡散する拡散板２１ｂ〜２５ｂを備えて構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設け、排気ガスが通過するセルを有する複数のハニカム構造体を備え、各ハニカム構造体の前記排気通路の断面に対する前記セルの捕集粒子径を、排気ガスの上流側から下流側へ、段階的に小さくする排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、
最初に通過する前記ハニカム構造体の上流側と、各前記ハニカム構造体の間の隙間の少なくとも１つとに配置した拡散板で前記排気ガス内の微小粒子を拡散すると共に、各前記ハニカム構造体が前記微小粒子を粒径別に捕集し、前記微小粒子を粒径別に酸化することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【請求項２】
前記微小粒子を燃焼するときに、前記拡散板が高温の排気ガスを各前記ハニカム構造体に拡散し、各前記ハニカム構造体が捕集した前記微小粒子を均一に加熱することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項３】
内燃機関の排気通路に設け、排気ガスが通過するセルを有する複数のハニカム構造体を備え、各ハニカム構造体の前記排気通路の断面に対する前記セルの捕集粒子径を、排気ガスの上流側から下流側へ、段階的に小さくする排気ガス浄化装置において、
各前記ハニカム構造体が、前記排気ガス内の微小粒子を粒径別に捕集するように設定された前記セルの捕集粒子径を有すると共に、
前記微小粒子の捕集時に前記微小粒子が各前記ハニカム構造体に拡散し、又は前記微小粒子の燃焼時に高温の排気ガスが各前記ハニカム構造体に拡散するように、前記排気ガスが最初に通過する前記ハニカム構造体の上流側と、各前記ハニカム構造体の間の隙間の少なくとも１つとに、前記排気ガスを前記ハニカム構造の外側へ拡散する拡散板を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排気ガスの一番下流側の前記ハニカム構造体の気孔率を５０％以上、５５％以下にし、前記セルの壁厚を１ミル以上、４ミル以下にし、前記セルのセル数を４００ｃｐｓｉ以上、５００ｃｐｓｉ以下にすることを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の排気ガス浄化装置を備えることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質（以下、ＰＭという）を拡散させて、且つ粒径別に捕集して、燃焼ムラを防止すると共に、短時間でケーシング近くの外側まで伝熱し易いため、加熱時間が従来よりも短縮することができる排気ガス浄化方法、排気ガス浄化装置、及びそれを搭載した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のディーゼル車に装着されている排気ガス浄化装置（ＰＭ浄化装置）には、酸化触媒と触媒が塗布されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）との組み合わせなどがある。この浄化装置は、蜂の巣状に四角形の形状をしたセルが多数且つ均一に分布したセラミックスであり、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やコージライト（２ＭｇＯ・２ＡＬ２・５ＳｉＯ２）を基材としている場合がほとんどである。
【０００３】
これらはハニカムセラミックスなどとも呼ばれ、この内部表面に貴金属を含む触媒が被覆担持されているのが一般的である。ハニカムセラミックスに排ガスを通すことでＰＭなどを捕集し、装置前後の差圧などからある量以上のＰＭが蓄積してきたと感知したら、加熱してＰＭを酸化し、除去するものである。このＰＭ浄化装置の狙いは全てのＰＭの捕集とその酸化（低減）、及び、くり返し使用するための蓄積ＰＭの除去（再生）である。
【０００４】
ハニカムセラミックスの構造を区分する方法としては、セルの壁厚とセル数の表示が一般的であり、壁厚はミル（ｍｉｌ）の単位で表す。１ミルは１／１０００インチである。セル数は、１平方インチあたりの個数（ｃｐｓｉ）が用いられる。１２ミル２００ｃｐｓｉが過去一般的であったが、最近の主流は６ミル１４００ｃｐｓｉなど薄壁品となってきている。３ミルや４ミルなども可能となっており、既に実用化されている。
【０００５】
しかしながら、ＰＭがＰＭ浄化装置全体に均一に蓄積するわけではないため、加熱によるＰＭの酸化、及び除去には当然ながらムラが生じ、強制的にＰＭを完全に除去（運転手がボタンなどにより行う場合）するためには、１５分から３０分程度の時間がかかる。そのため、配送などを行っているトラックなどは、停止して強制的な除去を行う場合も有り、その待ち時間がデメリットとなっている。
【０００６】
また、ＰＭ浄化装置は金属製のケーシングに入っており、加熱しても中心部は温度が上昇するが、ケーシングに近い外側は外気が低温のため、熱が逃げやすく、高温になるまで時間がかかってしまう、又は高温にならずに燃焼しきれないＰＭが残ってしまうのが欠点となっている。
【０００７】
さらには、従来のＰＭ浄化装置では、ＰＭ０．１（０．１μｍ以下の粒子）などの超微小粒子は捕集できなかった。ましてや粒径別に粒子を捕集する装置にはなっていないため、粒径の大きな粒子だけが浄化システムの入口に堆積し、入口付近が略堆積したら、徐々に出口方向へと堆積していくことがわかっている。そのため、入口付近が詰まりやすく、出口付近のＰＭ堆積量は少なく、ＰＭ燃焼による加熱の暴走など温度コントロールを難しくなっている。
【０００８】
そこで、排気ガスの上流から下流に向かってフィルタ層の目の粗さを徐々に細かくした装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、フィルタ層の目の粗さを徐々に細かくすることによって、ＰＭを粒径別に捕集することが可能となったが、ＰＭが拡散せずにフィルタの中心に堆積してしまうという問題がある。そのため、燃焼ムラを解消するに
は至らず、加えて、ケーシングに近い外側のＰＭの燃焼の問題も解決に至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２―０５８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化触媒機能と粒子捕集機能とを兼ね備え、排気ガスに含まれるＰＭを装置内に拡散し、粒径別に捕集して、燃焼ムラを防止すると共に、短時間でケーシング近くの外側まで伝熱することができ、加熱時間を従来よりも短縮することができる排気ガス浄化方法、排気ガス浄化装置、及びそれを搭載した内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を解決するための本発明の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に設け、排気ガスが通過するセルを有する複数のハニカム構造体を備え、各ハニカム構造体の前記排気通路の断面に対する前記セルの捕集粒子径を、排気ガスの上流側から下流側へ、段階的に小さくする排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、前記排気ガスが最初に通過する前記ハニカム構造体の上流側と、各前記ハニカム構造体の間の少なくとも１つとに設けた隙間に配置した拡散板で前記排気ガス内の微小粒子を拡散すると共に、各前記ハニカム構造体が前記微小粒子を粒径別に捕集し、前記微小粒子を粒径別に酸化することを特徴とする方法である。
【００１２】
この方法によれば、排気ガスを拡散板によって、各ハニカム構造体の全体に拡散することができると共に、各ハニカム構造体が、排気ガス浄化装置入口から出口方向に向かって粒径大の微小粒子から粒径小の微小粒子を段階的に捕集することができる。これにより、微小粒子を酸化する加熱工程において、燃焼ムラが出来にくく、微小粒子が各ハニカム構造体の全域で捕集されているため、短時間で外側まで伝熱し易いため、加熱時間が従来よりも短縮することができる。
【００１３】
また、各ハニカム構造体にまんべんなく排気ガスが拡散するため、セルの壁面に貴金属を含む触媒を被覆担持させている場合にも効果的である。
【００１４】
また、上記の排気ガス浄化方法は、前記微小粒子を燃焼するときに、前記拡散板が高温の排気ガスを各前記ハニカム構造体に拡散し、各前記ハニカム構造体が捕集した前記微小粒子を均一に加熱する。この方法によれば、各ハニカム構造体の温度が上昇しにくいケーシング側の外側に、高温の排気ガスを導くことができ、ハニカム構造体の全体を均一に加熱して、微小粒子を燃焼することができる。
【００１５】
また、上記の目的を解決するための排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路に設け、排気ガスが通過するセルを有する複数のハニカム構造体を備え、各ハニカム構造体の前記排気通路の断面に対する前記セルの捕集粒子径を、排気ガスの上流側から下流側へ、段階的に小さくする排気ガス浄化装置において、各前記ハニカム構造体が、前記排気ガス内の微小粒子を粒径別に捕集するように設定された前記セルの捕集粒子径を有すると共に、前記微小粒子の捕集時に前記微小粒子が各前記ハニカム構造体に拡散し、又は前記微小粒子の燃焼時に高温の排気ガスが各前記ハニカム構造体に拡散するように、前記排気ガスが最初に通過する前記ハニカム構造体の上流側と、各前記ハニカム構造体の間の少なくとも１つとに設けた隙間に、前記排気ガスを前記ハニカム構造の外側へ拡散する拡散板を備えて構成される。
【００１６】
この構成によれば、段階的にセルの密度を大きくする複数のハニカム構造体を設けることにより、排気ガス浄化装置入口から出口方向に向かって粒径大の微小粒子から粒径小の微小粒子を段階的に捕集することができると共に、各ハニカム構造体の間に隙間を設けて、その隙間に拡散板を配置することにより、微小粒子及び排気ガスを各ハニカム構造体の全体に拡散して捕集することができる。そのため、微小粒子を酸化するための加熱工程においては燃焼ムラが出来にくく、短時間で外側まで伝熱し易いため、加熱時間を従来よりも短縮することができる。
【００１７】
また、従来では、粒径の大きな粒子だけが入口に堆積し、入口付近がほぼ堆積したら、徐々に出口方向へと堆積していき、入口付近が詰まりやすく、出口付近の微小粒子の堆積量は少なく、微小粒子の燃焼による加熱の暴走など温度コントロールを難しくしていた。上記の構成によれば、排気ガスとその排気ガス内の微小粒子が拡散板に当たり、四方に拡散するため、各ハニカム構造体の全体で微小粒子を捕集することができる。この拡散板を各ハニカム構造体間に設けているため、排気ガスの下流側でも微小粒子を拡散することができる。そのため、その問題を解決することができる。
【００１８】
加えて高温の排気ガスも外側に拡散するため、短時間で各ハニカム構造体のケーシング近くの外側まで伝熱することができる。
【００１９】
また、上記の内燃機関において、前記排気ガスの一番下流側の前記ハニカム構造体の気孔率を５０％以上、５５％以下にし、前記セルの壁厚を１ミル以上、４ミル以下にし、前記セルのセル数を４００ｃｐｓｉ以上、５００ｃｐｓｉ以下にする。
【００２０】
この構成によれば、従来では捕集が困難であったＰＭ０．１を捕集することが出来る。そのため、従来懸念されていた浄化装置でのＰＭ０．１のすり抜けという問題を解消することができる。
【００２１】
上記の問題を解決するための内燃機関は、上記に記載の排気ガス浄化装置を搭載して構成される。この構成によれば、微小粒子の燃焼時間を短縮することができるため、強制的な除去を行っている間の待ち時間を短縮することができる。また、燃焼ムラが起きにくいため、燃焼しきれない微小粒子もなく、浄化装置の再生を行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、酸化触媒機能と粒子捕集機能とを兼ね備え、排気ガスに含まれるＰＭを装置内に拡散し、粒径別に捕集して、燃焼ムラを防止すると共に、短時間でケーシング近くの外側まで伝熱することができ、加熱時間が従来よりも短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置を備えた内燃機関を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置のハニカムセラミックスを示した図であり、（ａ）にハニカムセラミックスの平面図を示し、（ｂ）に（ａ）のｂ−ｂの断面図を示す。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶを示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法、排気ガス浄化装置、及びそれを搭載した内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、図面に関しては、構成が
分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さ等の比率もかならずしも実施に製造するものの比率とは一致させていない。
【００２５】
まず、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置について、説明する。図１に示すように、ＰＭ浄化装置（排気ガス浄化装置）１０を、エンジン（内燃機関）１の排気ガスＧを車外に排出する排気通路２に、配置する。この配置位置は、排気温度の低下を防ぐためにエンジン１の近傍が好ましい。また、このＰＭ浄化装置１０は酸化触媒機能と粒子捕集機能とを兼ね備えた装置である。
【００２６】
このＰＭ浄化装置１０は、図２に示すように、排気ガスＧの上流側から下流側に向かってハニカムセラミックス１１〜１５を順に、ケーシング１６内に配置し、各ハニカムセラミックス１１〜１５の上流側には拡散部２１〜２５を備える。
【００２７】
ハニカムセラミックス１１〜１５は、セルの壁厚やセル数などが異なるが、その構造は同様な構造になるため、ここではハニカムセラミックス１１を例に説明する。ハニカムセラミックス１１は、図３の（ａ）に示すように、４角形状の多数のセル３１を有する、蜂の巣状の多孔質セル３０を備える。この多孔質セル３０を、シリコンカーバイドやコージライトを基材に形成する。
【００２８】
この多孔質セル３０の排気ガスの供給側及び排出側のいずれか一端を、図３の（ｂ）に示すように、シリコンカーバイド又はコージライトの目封じ小片３２によって、交互に封止する。また、多孔質セル３０の内部の壁面には、酸化触媒３３を被覆担持する。この酸化触媒３３を、白金やロジウムなどの触媒金属等で形成する。この酸化触媒３３は、排気ガスＧの上流側においては、可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化すると共に、排気ガスＧ中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化し、下流側においては、ＮＯ２でＰＭを酸化する触媒作用を有する。
【００２９】
なおＮＯ２でＰＭを酸化する代わりに、直接、排気ガスＧ中の酸素（Ｏ２）でＰＭを酸化する場合には、この触媒は、Ｏ２でＰＭを酸化する触媒作用を持つ酸化触媒２３とする必要があり、この酸化触媒２３は、白金及びセリウムなどで形成する。
【００３０】
このハニカムセラミックス１１を排気ガスＧが通過するとき、排気ガスＧ内のＰＭは、（ｂ）に示すように、多孔質セル３０の壁面を通り抜ける過程で、捕集され、また、酸化触媒３３と接触する。
【００３１】
ハニカムセラミックス１１〜１５は、断面形状やその大きさは同じで、気孔率、ミル、及びセル数が異なる円柱型の前述したハニカムセラミックスである。この５層のハニカムセラミックス１１〜１５の気孔率は１１＞１２＞１３＞１４＞１５であり、つまり下流側に向かって減少する。この気孔率は、ハニカムセラミックス１１が約７５％、ハニカムセラミックス１２が約７０％、ハニカムセラミックス１３が約６５％、ハニカムセラミックス１４が約６０％、ハニカムセラミックス１５が約５５％が好ましい。
【００３２】
また、多孔質セル３０の壁厚を示すミルは１１＞１２＞１３＞１４＞１５であり、つまり下流側に向かって減少する。このミルは、ハニカムセラミックス１１が約１２ミル、ハニカムセラミックス１２が約１０ミル、ハニカムセラミックス１３が約８ミル、ハニカムセラミックス１４が約６ミル、ハニカムセラミックス１５が約４ミルが好ましい。
【００３３】
また、セル数は１１＜１２＜１３＜１４＜１５であり、つまり下流側に向かって増加する。このセル数は、ハニカムセラミックス１１が約２００ｃｐｓｉ、ハニカムセラミックス１２が約２５０ｃｐｓｉ、ハニカムセラミックス１３が約３００ｃｐｓｉ、ハニカムセ
ラミックス１４が約３５０ｃｐｓｉ、ハニカムセラミックス１５が約４００ｃｐｓｉが好ましい。
【００３４】
上記のように、５層のハニカムセラミックス１１〜１５の気孔率、ミル、及びセル数を設定することで、排気ガスＧの上流側から下流側になるに従って、気孔率は小さくなり、多孔質セル３０の壁厚が薄くなり、セル３１の個数が増加する。これにより、排気ガス浄化装置１０の入口１６ａから出口１６ｂ方向に向かって、例えば、ＰＭ２．５（２．５μｍ以下の微粒子、以下同様）、ＰＭ１．０、ＰＭ０．５、ＰＭ０．１、そしてそれ以下の粒径のＰＭを粒径別に捕集することができる。そのため、ＰＭを酸化する過程工程において、粒径別に加熱することで、燃焼ムラを出来にくくすることができる。
【００３５】
また、ハニカムセラミックス１１〜１５によって、従来では捕集が困難であったＰＭ０．１を捕集することができる。そのため、従来懸念されていた浄化装置でもＰＭ０．１のすり抜けという問題を解消することができる。
【００３６】
拡散部２１〜２５の構造は同様であるため、ここでは拡散部２１を例に説明する。拡散部２１は、ハニカムセラミックス１１の排気ガスＧの上流側に配置され、隙間２１ａの下流に設けられ、ステンレスなどの金属板を円形に形成した拡散板２１ｂを備える。この拡散板２１ｂを、図４に示すように、支持部材２１ｃによって、ケーシング１６に固定する。この拡散板２１ｂの大きさは、その下のハニカムセラミックス１１よりも小さい構造となっている。
【００３７】
この構成によれば、排気ガスＧが各ハニカムセラミックス１１〜１５を通過する前に、各拡散板２１ｂに当たることによって、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全体に排気ガスＧを拡散することができる。そのため、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域にわたってＰＭを拡散させることができる。また、ＰＭの燃焼時には高温の排気ガスＧも同様に各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域に拡散することができるため、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域を均一に加熱することができる。この高温の排気ガスＧの拡散と、前述の粒径別にＰＭを捕集することから、従来では伝熱しにくかったケーシング１６近くの各ハニカムセラミックス１１〜１５の外側に短時間で伝熱することができる。
【００３８】
この拡散部２１〜２５を各ハニカムセラミックス１１〜１５の間に設けているため、出口１６ｂ付近、つまり、排気ガスＧの下流側にも設けることで、ＰＭ浄化装置１０の入口１６ａから出口１６ｂまで、排気ガスＧを拡散することができる。
【００３９】
上記の拡散部２１〜２５は、排気ガスＧを拡散することができればよく、上記の構成に限定しない。例えば、拡散板２１ａを多角形状に形成してもよく、また、拡散板２１ａを上流側に頂点を持つ円錐で形成してもよい。
【００４０】
次に、この排気ガス浄化方法について説明する。エンジン１から排出された排気ガスＧは、排気通路２を通って、入口１６ａからケーシング１６内に流入する。ケーシング１６に流入した排気ガスＧは、拡散板２１ａに当たり、外側に拡散して、ハニカムセラミックス１１の全域に拡散する。その拡散した排気ガスＧは、ハニカムセラミックス１１を通過する。ハニカムセラミックス１１は、例えばＰＭ２．５以上の大きさのＰＭを捕集する。ハニカムセラミックス１１を通過し、ＰＭ２．５以上の大きさのＰＭを捕集された排気ガスＧは、拡散板２２ａに当たり、再度外側に拡散する。そして、ハニカムセラミックス１２は、例えばＰＭ１．０の大きさのＰＭを捕集する。このように、排気ガスＧは、各拡散部２１〜２５による拡散と、各ハニカムセラミックス１１〜１５による粒径別の捕集を繰り返されて、出口１６ｂから排気通路２へと流れる。
【００４１】
各ハニカムセラミックス１１〜１５にＰＭがある程度堆積すると、ＰＭを酸化除去するために、高温の排気ガスＧをＰＭ浄化装置１０に導入する。高温の排気ガスＧも前述と同様に、各拡散部２１〜２５によって、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域に拡散する。そして、ＰＭを加熱して、除去する。
【００４２】
上記の構成によれば、各ハニカムセラミックス１１〜１５が粒径別にＰＭを捕集することができるため、ＰＭを酸化するための加熱工程においては燃焼ムラを出来にくくすることができる。また、各拡散部２１〜２５によって、ＰＭが１箇所に集中して捕集されることなく、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域に渡って捕集することができる。ＰＭの加熱工程においては、高温の排気ガスＧも拡散部２１〜２５によって、各ハニカムセラミックスの全域に拡散することができる。それらにより、短時間で外側まで伝熱し易いため、加熱時間が従来よりも短縮することができる。
【００４３】
加えて、各ハニカムセラミックス１１〜１５の全域に渡って排気ガスＧが拡散しているため、ＰＭを多孔質セル３０の壁面に被覆担持されている酸化触媒３３と、効率よく接触させることができる。
【００４４】
上記のＰＭ浄化装置１０と搭載したエンジン１は、ＰＭの燃焼時間を短縮することができるため、強制的な除去を行っている間の待ち時間を短縮することができる。また、燃焼ムラが起きにくいため、燃焼しきれないＰＭもなく、ＰＭ浄化装置１０の再生を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の排気ガス浄化装置は、酸化触媒機能と粒子捕集機能とを兼ね備え、加えて、拡散板によって、ハニカムセラミックスの全域に拡散したＰＭを粒径別に捕集することができるため、ＰＭの燃焼ムラを出来にくくし、短時間で外側まで伝熱して、加熱時間を短縮することができるため、特にディーゼルエンジンを搭載した車両に利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  エンジン（内燃機関）
２  排気通路
１０  ＰＭ浄化装置（排気ガス浄化装置）
１１〜１５  ハニカムセラミックス
１６  ケーシング
２１〜２５  拡散部
２１ａ〜２５ａ  隙間
２１ｂ〜２５ｂ  拡散板
２１ｃ  支持部材
３０  多孔質セル
３１  セル
３２  目封じ小片
３３  酸化触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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