(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質材からなる隔壁を介して互いにほぼ平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路は下流端が閉塞されかつ上流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とを含んでおり、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが隔壁を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出するようになっているパティキュレートフィルタにおいて、隔壁上に触媒が担持されており、複数の排気ガス流入通路を互いに隣接配置すると共に、排気ガス流入通路と排気ガス流出通路間の隔壁上に担持される触媒の量よりも、排気ガス流入通路同士間の隔壁上に担持される触媒の量を多くしたパティキュレートフィルタ。
【請求項２】
排気ガス流入通路の下流端及び排気ガス流出通路の上流端をシール材により閉塞した請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。
【請求項３】
排気ガス流入通路の下流端周りを画定する隔壁及び排気ガス流出通路の上流端周りを画定する隔壁をそれぞれ内向きに折り曲げることによりこれら下流端及び上流端を少なくとも部分的に閉塞した請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。
【請求項４】
前記触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させるＮＯＸ触媒から形成した請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。
【請求項５】
複数の排気ガス流出通路を互いに隣接配置すると共に、排気ガス流入通路と排気ガス流出通路間の隔壁上に担持される触媒の量よりも、排気ガス流出通路同士間の隔壁上に担持される触媒の量を多くした請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。
【請求項６】
排気流通路が形成されているフィルタ半完成品の隔壁のほぼ全体に触媒を含むスラリーを適用すると共に排気ガス流入通路の下流端及び排気ガス流出通路の上流端を閉塞し、次いで隔壁上のスラリーを部分的に除去するためにフィルタ半完成品の上流端又は下流端から気体を吹き付ける、請求項１から５までのいずれか一項に記載のパティキュレートフィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパティキュレートフィルタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、排気ガス中の微粒子を捕集するために排気通路内にパティキュレートフィルタを配置した内燃機関が知られており、このパティキュレートフィルタの一つとして、多孔質材からなる隔壁を介して互いにほぼ平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路は下流端が閉塞されかつ上流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とを含んでおり、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが隔壁を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出するようになっているパティキュレートフィルタが知られている。
【０００３】
一方、流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させるＮＯＸ触媒をパティキュレートフィルタの隔壁上に触媒を担持させ、流入する排気ガス中のＮＯＸをＮＯＸ触媒内に蓄えるようにしたパティキュレートフィルタも、従来より知られている。
【０００４】
この場合、ＮＯＸ触媒内に蓄えられるＮＯＸの量をできるだけ多くするためには、隔壁上に担持されるＮＯＸ触媒の量をできるだけ多くすればよい。そこで、隔壁の表面上だけでなく細孔内壁面上にもＮＯＸ触媒を担持させたパティキュレートフィルタが公知である（特開平９−９４４３４号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、細孔内壁面上に触媒を担持させると細孔の流路面積が小さくなってパティキュレートフィルタの圧損が増大するので、細孔内壁面上には必ずしも十分な量の触媒を担持させることができないという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、パティキュレートフィルタの圧損を増大させることなくパティキュレートフィルタ上に担持される触媒の量を多くすることができるパティキュレートフィルタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、多孔質材からなる隔壁を介して互いにほぼ平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路は下流端が閉塞されかつ上流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とを含んでおり、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが隔壁を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出するようになっているパティキュレートフィルタにおいて、隔壁上に触媒が担持されており、複数の排気ガス流入通路を互いに隣接配置すると共に、排気ガス流入通路と排気ガス流出通路間の隔壁上に担持される触媒の量よりも、排気ガス流入通路同士間の隔壁上に担持される触媒の量を多くしている。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、排気ガス流入通路の下流端及び排気ガス流出通路の上流端をシール材により閉塞している。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、排気ガス流入通路の下流端周りを画定する隔壁及び排気ガス流出通路の上流端周りを画定する隔壁をそれぞれ内向きに折り曲げることによりこれら下流端及び上流端を少なくとも部分的に閉塞している。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させるＮＯＸ触媒から形成している。
また、５番目の発明によれば１番目の発明において、数の排気ガス流出通路を互いに隣接配置すると共に、排気ガス流入通路と排気ガス流出通路間の隔壁上に担持される触媒の量よりも、排気ガス流出通路同士間の隔壁上に担持される触媒の量を多くしている。
【００１１】
また、６番目の発明によれば１番目から５番目の発明のうちいずれか一つのパティキュレートフィルタの製造方法において、排気流通路が形成されているフィルタ半完成品の隔壁のほぼ全体に触媒を含むスラリーが適用されると共に排気ガス流入通路の下流端及び排気ガス流出通路の上流端が閉塞され、次いで隔壁上のスラリーを部分的に除去するためにフィルタ半完成品の上流端又は下流端から気体が吹き付けられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１はリーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に配置されるようになっているパティキュレートフィルタに本発明を適用した場合を示している。
【００１３】
図１はパティキュレートフィルタ１の構造を示しており、（Ａ）はパティキュレートフィルタ１の正面図を、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１の側面断面図をそれぞれ示している。
【００１４】
例えばコージェライトのような多孔質材から形成されるパティキュレートフィルタ１は図１（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路２，３を具備する。各排気流通路２，３の断面形状はどのような形状でもよいが、図１に示される例では互いに同一の正方形状をなしている。これら排気流通路は上流端が開放されかつ下流端が通気性のないシール材４により閉塞された排気ガス流入通路２と、下流端が開放されかつ上流端が通気性のないシール材５により閉塞された排気ガス流出通路３とにより構成される。なお、図１（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材５を示している。
【００１５】
図１に示される例では、四つの排気ガス流入通路２が薄肉の隔壁６を介して正方形状に互いに隣接配置され、四つの排気ガス流出通路３が薄肉の隔壁７を介して正方形状に互いに隣接配置され、これら四つの排気ガス流入通路２及び四つの排気ガス流出通路３が薄肉の隔壁８を介して交互に並べられる。即ち、正方形状に隣接配置された四つの排気ガス流入通路２を流入通路群と称し、正方形状に隣接配置された四つの排気ガス流出通路３を流出通路群と称すると、流入通路群が四つの流出通路群によって包囲され、流出通路群が四つの流入通路群によって包囲されるようにこれら排気ガス流入通路２及び排気ガス流出通路３が配置される。
【００１６】
ここで、一つの排気ガス流入通路２についてみると、四つの側面のうち二つの側面において隔壁６を介し排気ガス流入通路２に隣接配置され、残りの二つの側面において隔壁８を介し排気ガス流出通路３に隣接配置されるということになる。一方、一つの排気ガス流出通路３についてみると、四つの側面のうち二つの側面において隔壁７を介し排気ガス流入通路２に隣接配置され、残りの二つの側面において隔壁８を介し排気ガス流出通路３に隣接配置されるということになる。なお、図１に示される例では排気ガス流入通路２の数と排気ガス流出通路３の数とは概ね等しくされている。
【００１７】
各隔壁６，７，８上、例えば各隔壁６，７，８の両側面上及び細孔内壁面上には触媒、図１に示される例ではＮＯＸ触媒がそれぞれ担持されている。各隔壁の一方又は両方の側面上のみに触媒を担持させることもできる。このＮＯＸ触媒は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。なお、触媒をアルミナからなる担体上に担持された白金Ｐｔのような貴金属触媒又はセリウムＣｅのような希土類触媒から形成することもできる。
【００１８】
このＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室５、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１９】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２０】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３−の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２１】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３−→ＮＯ２）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯ２の形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２が存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯ２が放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２２】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。
【００２３】
本発明による実施例では、排気ガス流入通路２と排気ガス流出通路３間の隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量（例えば、単位体積のパティキュレートフィルタに担持されるＮＯＸ触媒の質量、ｇ／ｌ）が排気ガス流入通路２同士間の隔壁６上又は排気ガス流出通路３同士間の隔壁７上に担持されるＮＯＸ触媒の量よりも少なくされている。言い換えると、隔壁８の両側面上及び細孔内壁面上に形成されるＮＯＸ触媒層の厚さが隔壁６，７の両側面上及び細孔内壁面上に形成されるＮＯＸ触媒層の厚さよりも小さくされている。
【００２４】
さて、パティキュレートフィルタ１が内燃機関の排気通路内に配置されると、排気ガス流入通路２内に流入した排気ガスは図１（Ｂ）において矢印で示されるように隔壁８内を通って隣接する排気ガス流出通路３内に流出する。このとき、排気ガス流入通路２内に流入した排気ガスの少なくとも一部は排気ガス流入通路２間の隔壁６に接触し、排気ガス流出通路３内に流出した排気ガスの少なくとも一部は排気ガス流出通路３間の隔壁７に接触する。しかしながら、排気ガス流入通路２から隔壁６を通って隣接する排気ガス流入通路２内に流出する排気ガス、及び排気ガス流出通路３から隔壁７を通って隣接する排気ガス流出通路３内に流出する排気ガスはほとんどない。
【００２５】
排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子は隔壁６，７，８上に捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われ、また、ＮＯＸ触媒は酸化作用を有しているので、パティキュレートフィルタ１の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ１上で微粒子が酸化せしめられ除去される。一方、排気ガス中のＮＯＸは隔壁６，７，８上のＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２６】
ところで、パティキュレートフィルタ１を通過するためには排気ガスは排気ガス流入通路２と排気ガス流出通路３間の隔壁８を通過する必要があり、しかしながら排気ガス流入通路２同士間の隔壁６及び排気ガス流出通路３同士間の隔壁７を通過する必要は必ずしもない。しかも、隔壁６，７には排気ガスが接触する。
【００２７】
そこで本発明による実施例では、隔壁６，７を形成すると共に隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量を比較的多くし、隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量を比較的少なくしている。このようにすると、パティキュレートフィルタ１の圧損を増大させることなくパティキュレートフィルタ１上に担持されるＮＯＸ触媒の量を多くすることができる。その結果、多量のＮＯＸをＮＯＸ触媒に蓄えることができ、微粒子の酸化を促進することができる。また、パティキュレートフィルタ１の強度を高めることができ、パティキュレートフィルタ１の熱による劣化を抑制することもできる。
【００２８】
図２は隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量と隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量とを互いに異ならせるための触媒担持工程を示している。図２を参照すると、まず排気流通路２，３即ち隔壁６，７，８が形成されているフィルタ半完成品を用意し（ステップ１００）、次いでＮＯＸ触媒の担体（例えばアルミナ）をコーティング液をフィルタ半完成品全体に適用して隔壁６，７，８上にＮＯＸ触媒の担体を付着させる（ステップ１０１）。次いで、ＮＯＸ触媒粒子（例えば白金Ｐｔ及びバリウムＢａ）を含むスラリーをフィルタ半完成品全体に適用して隔壁６，７，８上にＮＯＸ触媒粒子を付着させる（ステップ１０２）。
【００２９】
次いで、排気ガス流入通路２の下流端及び排気ガス流出通路３の上流端を閉塞し（ステップ１０３）、次いでフィルタ半完成品にその下流端又は上流端からガス流を適用する（ステップ１０４）。このガス流は上述したように隔壁８内を通過し、しかしながら隔壁６，７内をほとんど通過しない。その結果、隔壁８上に付着したＮＯＸ触媒粒子の一部がこのガス流によって除去され、しかしながら隔壁６，７上に付着したＮＯＸ触媒粒子はほとんど除去されない。次いで、フィルタ半完成品が乾燥、焼成されてＮＯＸ触媒が隔壁６，７，８上に固定される（ステップ１０５）。このようにして隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量が隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量よりも少なくされる。
【００３０】
なお、排気ガス流入通路２の下流端及び排気ガス流出通路３の上流端を閉塞した後にコーティング液及びスラリーを順次適用してもよい。或いは、排気ガス流入通路２の下流端及び排気ガス流出通路３の上流端を閉塞しコーティング液を適用した後でかつスラリーを適用する前にガス流を適用し、隔壁８上に付着したＮＯＸ触媒の担体を部分的に除去するようにしてもよい。次いで、スラリーを適用するとＮＯＸ触媒粒子は担体上に担持され、従ってこの場合にも隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量が隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量よりも少なくされる。
【００３１】
ところで、上述した四つの排気ガス流入通路２からなる流入通路群は単一の排気ガス流入通路を十字状の隔壁６により長手軸線に沿って四つに分割されたものと考え、上述した四つの排気ガス流出通路３からなる流出通路群は単一の排気ガス流出通路を十字状の隔壁７により長手軸線に沿って四つに分割されたものと考えれば、流入通路群を包囲する隔壁８上に担持される触媒の量及び流出通路群を包囲する隔壁８上に担持される触媒の量を、隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量よりも少なくしているという見方もできる。このように考えれば隔壁６，７は必ずしも通気性を有しなくてもよいことになる。
【００３２】
図３はパティキュレートフィルタ１の別の実施例の構造を示す、図１（Ａ）と同様なパティキュレートフィルタ１の正面図である。図３に示される例では、二つの排気ガス流入通路２が隔壁６を介して互いに隣接配置され、二つの排気ガス流出通路３が隔壁７を介して互いに隣接配置され、これら二つの排気ガス流入通路２及び二つの排気ガス流出通路３が隔壁８を介して交互に並べられる。ここで、一つの排気ガス流入通路２についてみると、四つの側面のうち一つの側面において隔壁６を介し排気ガス流入通路２に隣接配置され、残りの三つの側面において隔壁８を介し排気ガス流出通路３に隣接配置されるということになる。一方、一つの排気ガス流出通路３についてみると、四つの側面のうち一つの側面において隔壁７を介し排気ガス流出通路３に隣接配置され、残りの三つの側面において隔壁８を介し排気ガス流入通路２に隣接配置されるということになる。
【００３３】
図３に示される実施例でも、隔壁８上に担持されるＮＯＸ触媒の量が隔壁６，７上に担持されるＮＯＸ触媒の量よりも少なくされている。その他のパティキュレートフィルタ１の構成及び作用は図１に示される実施例と同様であるので説明を省略する。
【００３４】
図４はパティキュレートフィルタ１の更に別の実施例の構造を示しており、（Ａ）はパティキュレートフィルタ１の部分拡大正面図を、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１の側面断面図をそれぞれ示している。
【００３５】
図４に示されるパティキュレートフィルタ１は図１に示されるパティキュレートフィルタと概ね同様に形成され、しかしながら排気ガス流入通路２の下流端及び排気ガス流出通路３の上流端がシール材によって閉鎖されていない点で図１に示されるパティキュレートフィルタと構成を異にしている。即ち、図４に示される例では、排気ガス流入通路２の下流端周りを画定する隔壁８及び排気ガス流出通路３の上流端周りを画定する隔壁８を、図４に矢印で示されるようにそれぞれ内向きに折り曲げてこれら下流端及び上流端を閉鎖するようにしている。
【００３６】
このようにすると排気ガスのわずかな一部が排気ガス流入通路２の下流端及び排気ガス流出通路３の上流端を通って流通するようになる。しかも、これら下流端及び上流端がテーパ状をなすことになり、これら下流端及び上流端における排気ガス流れの乱れが抑制される。このため、パティキュレートフィルタ１の圧損が小さくなる。
【００３７】
このような閉塞工程は例えば図５に示される治具１０を用いて行うことができる。なお、図５において、（Ａ）は治具１０の斜視図を、（Ｂ）は治具１０の底面図をそれぞれ示している。この治具１０は斜面１１を備えた四角錐状をなし、その底部には四つの稜線に沿いつつ治具１０の長手方向に延びる十字状の溝１２が形成されている。
【００３８】
閉塞工程を簡単に説明すると、排気流通路２，３即ち隔壁６，７，８が形成されている焼成工程前のフィルタ半完成品を用意する。次いで、溝１２を例えば排気ガス流入通路２同士間の隔壁６に一致させ、治具１０を長手軸線に沿いつつ排気ガス流入通路２内に押し込む。焼成工程前のフィルタ半完成品の隔壁は変形可能であり、従って排気ガス流入通路２と排気ガス流出通路３間の隔壁８が治具１０の斜面１１により排気ガス流入通路２から見て外向きに、排気ガス流出通路３から見て内向きに変形され、このようにして隣接する排気ガス流出通路３の上流端が閉塞される。排気ガス流入通路２の下流端についても同様である。このとき隔壁６，７は溝１２内に収容されるのでほとんど変形しない。
【００３９】
これまで述べてきた実施例ではシール材４，５は通気性を有していない。しかしながら、これらシール材４，５を通気性を有するものから形成することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
パティキュレートフィルタの圧損を増大させることなくパティキュレートフィルタ上に担持される触媒の量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図２】触媒担持工程を示すフローチャートである。
【図３】パティキュレートフィルタの別の実施例を示す図である。
【図４】パティキュレートフィルタの更に別の実施例を示す図である。
【図５】パティキュレートフィルタを形成するためのジグを示す図である。
【符号の説明】
１…パティキュレートフィルタ
２…排気ガス流入通路
３…排気ガス流出通路
６…排気ガス流入通路同士間の隔壁
７…排気ガス流出通路同士間の隔壁
８…排気ガス流入通路と排気ガス流出通路間の隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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