(57)【要約】【課題】ＤＰＦにおいて、高捕集効率、高再生効率、低圧力損失を実現する。【解決手段】排気上流側が開口し下流側が閉塞した排気流入通路３２ｂと、この排気流入通路３２ｂと隣接し排気上流側が閉塞し下流側が開口した排気流出通路３２ａと、排気流入通路３２ｂと排気流出通路３２ａとを隔てる多孔質材の隔壁３０と、を備えるハニカム構造体であって、排気流入通路３２ｂから流入した排気が隔壁３０の細孔３３を通過して排気流出通路３２ａから流出し、細孔３３に排気中の粒状物質を捕集する排気浄化用フィルタ１３において、隔壁３０の細孔３３に、排気流入通路３２ｂ側に比べて排気流出通路３２ａ側の方が厚い触媒層３４、３５を担持する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気上流側が開口し下流側が閉塞した排気流入通路と、
この排気流入通路と隣接し排気上流側が閉塞し下流側が開口した排気流出通路と、
前記排気流入通路と前記排気流出通路とを隔てる多孔質材の隔壁と、
を備えるハニカム構造体であって、
前記排気流入通路から流入した排気が前記隔壁の細孔を通過して前記排気流出通路から流出し、細孔に排気中の粒状物質を捕集する排気浄化用フィルタにおいて、
前記隔壁の細孔に、前記排気流入通路側に比べて前記排気流出通路側の方が厚い触媒層を担持することを特徴とする排気浄化用フィルタ。
【請求項２】
前記隔壁は気孔率が４５〜７５％であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化用フィルタ。
【請求項３】
前記触媒層は、前記排気流入通路側から前記排気流出通路側まで均一にコーティングした第１触媒層と、前記排気流出通路側の開口部付近にコーティングした第２触媒層と、で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化用フィルタ。
【請求項４】
前記第１触媒層は触媒の粒径が相対的に小さく、前記第２触媒層は触媒の粒径が相対的に大きいことを特徴とする請求項３に記載の排気浄化用フィルタ。
【請求項５】
前記第１触媒層の触媒は平均粒径が０．１〜１０μｍであり、前記第２触媒層の触媒は平均粒径が２０〜５０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化用フィルタ。
【請求項６】
エンジンの排気通路に介装された請求項１〜５のいずれか一つに記載の排気浄化用フィルタと、
前記細孔が粒状物質で埋まったか否かを判断する検知手段を備え、
前記細孔が粒状物質で埋まったこと判断したら前記フィルタの再生制御を開始することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気浄化用フィルタの上下流の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記粒状物質の堆積量を運転状態に基づいて推定する堆積量推定手段と、
を備え、
前記検知手段は、前記堆積量の増大に伴う前記差圧の上昇をモニタし、所定堆積量あたりの差圧上昇の傾きが変化したときに、前記細孔が粒状物質で埋まったと判断することを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記粒状物質の堆積量を運転状態に基づいて推定する堆積量推定手段を備え、
前記検知手段は、前記細孔を埋めるのに必要な堆積量を予め記憶しておき、運転状態に基づいて推定した堆積量がこの記憶した堆積量と等しくなったときに、前記細孔が粒状物質で埋まったと判断することを特徴とする請求項６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、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるパティキュレート（粒子状物質）を捕集するとともに、燃焼除去することで再生される排気浄化用のフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、セラミック等の多孔質の材質で形成された、いわゆるＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が知られている。
【０００３】
ＤＰＦは、排気流の上流側が開放され下流側が閉塞されたセルと、上流側が閉塞され下流側が開放されたセルとが互いに隣り合うハニカム状に構成されており、上流側が開放されているセルから流入した排気は、当該セルの下流側が閉鎖されているため、隔壁を通過して下流側が開口している隣のセルに流れ込み、そこから排出される。この隔壁を通過する際に、パティキュレートは隔壁の細孔に捕集される。
【０００４】
ところで、ＤＰＦでは、パティキュレートの堆積量が所定量になった場合には、パティキュレートを燃焼除去する、いわゆる再生処理を行う必要がある。この再生処理をより効率よく行うために、ＤＰＦのセル隔壁に触媒をコーティングし、触媒反応によってパティキュレートの燃焼を促進させる方法が知られている。
【０００５】
しかし、パティキュレートが隔壁の細孔ではなく、隔壁の表面に多く堆積すると、パティキュレートと触媒との接触確率が低くなり、触媒反応による燃焼効率が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１では、気孔率を大きくし、かつ気孔径が大きい細孔の開口面積の合計が、全開口面積の半分以上を占めるようにすることで、細孔の内部までを触媒反応場として用い、パティキュレートの燃焼効率を高めることとしている。
【特許文献１】特開２００２−３４９２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように高気孔率かつ大気孔径にすると、パティキュレートが隔壁を通過し易くなるので、初期の捕集効率が低くなるという問題がある。
【０００８】
一方、気孔率を小さくしたり、気孔径を小さくしたりすると、初期の捕集効率は向上するものの圧力損失が増大し、また早期に細孔がパティキュレートで閉塞されてしまい、その後パティキュレートは隔壁の表面に堆積するようになる。このようにパティキュレートが隔壁の表面に堆積すると、前述したようにパティキュレートと触媒との接触確率が低下して、再生時の燃焼効率が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明では、触媒を担持するＤＰＦにおいて、高捕集効率、低圧力損失、高燃焼効率という要求を満足することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、排気上流側が開口し下流側が閉塞した排気流入通路と、この排気流入通路と隣接し排気上流側が閉塞し下流側が開口した排気流出通路と、排気流入通路と排気流出通路とを隔てる多孔質材の隔壁と、を備えるハニカム構造体であって、排気流入通路から流入した排気が隔壁の細孔を通過して排気流出通路から流出し、細孔に排気中の粒状物質を捕集する排気浄化用フィルタに関し、さらに、隔壁の細孔に、排気流入通路側に比べて排気流出通路側の方が厚い触媒層を担持する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排気流出通路側の厚い触媒層により粒状物質を確実に捕集することができるので、圧力損失を低下させるために気孔径を大きくしても、高捕集効率を維持することができる。また、触媒層は排気流入通路側より排気流出通路側の方が厚くなっているので、排気流出通路側が排気流入通路側より先に粒状物質によって閉塞され、排気流出通路側が閉塞された後も細孔内に粒状物質が捕集される。このため、粒状物質と触媒との接触面積が大きくなるので、高い燃料効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本実施形態を適用するディーゼルエンジンのシステム構成図である。１はディーゼルエンジン本体、２は各気筒の燃料噴射弁、３は高圧の燃料を蓄える蓄圧室を有する燃料噴射装置（以下、コモンレール式燃料噴射装置という）、４は吸気コレクタ、５は吸気通路、１０は排気通路、９は目標再生温度の設定や再生処理時の昇温制御等、種々の制御を行うコントロールユニット（検知手段、堆積量推定手段）、１３は排気中のパティキュレート（粒状物質、以下ＰＭという）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、１４はディーゼルエンジン本体１の駆動力を駆動軸に伝達する変速機である。
【００１４】
燃料噴射弁２には、コモンレール式燃料噴射装置３によって高圧燃料が供給される。また、各燃料噴射弁２はコントロールユニット（ＥＣＵ）９からの噴射信号に応じて開閉動作し、高圧燃料を気筒内に噴射する。
【００１５】
ディーゼルエンジン本体１の各吸気ポートに接続する吸気コレクタ４には、吸気通路５が接続し、吸気通路５には、上流側からの過給のための可変ノズル式ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、加圧されて高温となった空気を冷却するインタークーラ７、吸気量を制御する吸気絞弁８を配置する。
【００１６】
また、排気通路１０には、その上流側から、可変ノズル式ターボチャージャ６のタービン６ｂ、排気中の未燃焼成分を酸化処理する酸化触媒１１、排気浄化用フィルタとしてのＤＰＦ１３を順に配置する。
【００１７】
また、排気通路１０のタービン６ｂの上流から分岐して吸気コレクタ４に接続するＥＧＲ通路１５を設け、このＥＧＲ通路１５にはＥＧＲ弁１６を設置し、運転条件に応じて吸気中に還流する排気量を制御する。
【００１８】
ＥＣＵ９には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１７、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１８、また排気通路１０の酸化触媒１１とＤＰＦ１３との間の排気圧力を検出する排気圧センサ１９（差圧検出手段）、ＤＰＦ１３の下流の排気圧力を検出する排気圧センサ１２（差圧検出手段）、ＤＰＦ１３の下流の排気空燃比を検出する排気空燃比センサ２０、ＤＰＦ１３より下流側の吸気温度を検出する温度センサ２１、酸化触媒１１とＤＰＦ１３との間の排気温度を検出する温度センサ２２からの各検出信号が入力される。
【００１９】
そして、これら検出信号に基づいて可変ノズル式ターボチャージャ６の可変ノズルベーンの開度を制御するための信号、ＥＧＲ弁１６の開度を制御するための信号、及び吸気絞弁８の開度を制御するための信号を出力する。さらには、ＤＰＦ１３内のＰＭ堆積量を推定し、これに基づいてＤＰＦ１３の再生時期を判断し、再生時期であると判断した場合には、再生に必要な温度まで排気温度を上昇させるように燃料噴射量、噴射時期等を制御する。
【００２０】
図２は、ＤＰＦ１３の排気流方向に沿った断面の一部を示した図であり、図中左側が排気流れの上流側、右側が下流側である。
【００２１】
ＤＰＦ１３は、セラミック等の多孔質体で形成されるハニカム構造体であって、排気流の上流側開口部が栓３１で閉塞され下流側が開口しているセル３２ａ（排気流出通路）と、上流側が開口し下流側が栓３１で閉塞されたセル３２ｂ（排気流入通路）とが互いに隣り合うように配列されている。このため、排気は図２中に矢印で示したように上流側が開口しているセル３２ｂに流入し、そこから隔壁３０を通過して隣のセル３２ａに流入して、下流側の開口部から排出される。
【００２２】
フィルタの気孔率（フィルタ容積に対する細孔部分の容積の割合）は、一般的に高気孔率といわれる４５〜７５％程度とする。
【００２３】
図３は、隔壁３０の細孔部分の構造を模式的に表した断面図であり、（ａ）はパティキュレートが堆積していない状態、（ｂ）はパティキュレートが堆積している状態を表わしている。図３において、排気は図面上側から下側に向けて流れるものとする。つまり、図３中の上側は排気流上流側が開口しているセル３２ｂであって、下側は排気流下流側が開口しているセル３２ａである。
【００２４】
なお、ここでいう細孔３３は、ハニカム構造体を成形する際の粉末原料を焼成する段階で、可燃物の焼失によって生じた多数の空隙が連なって、隣り合うセル３２ａとセル３２ｂを連通しているものである。したがって、実際には途中に枝分かれや合流があるが、便宜上、図３においては隣り合うセル３２ａとセル３２ｂをほぼ最短距離で連通する通路のように表している。また、細孔３３は、気孔径が一般的には大径といわれる大きさ、例えば平均気孔径が２０〜５０μｍ程度の大きさとする。
【００２５】
隔壁３０の表面３０ａ及び細孔３３の壁面には、触媒金属（例えば、白金等の貴金属）をコーティングする。これは、触媒反応によってフィルタ再生時におけるパティキュレートの酸化を促進させるためである。
【００２６】
本実施形態では、粒径が相対的に小さい触媒（以下、小粒径触媒という）を、隔壁３０の表面３０ａ及び細孔３３の壁面の全体に均一にコーティングした触媒層３４と、粒径が相対的に大きい触媒（以下、大粒径触媒という）を、細孔３３の排気流下流側開口部（図３中の下側の開口部）付近の壁面にコーティングした触媒層３５の２つの触媒層を設ける。大粒径触媒は、パティキュレートが通過できず、かつ排気は通過できる程度の密度でコーティングする。
【００２７】
このような構成のＤＰＦ１３では、パティキュレート捕集開始の初期段階では、隔壁３０の表面３０ａ及び細孔３３の壁面の全域にわたってパティキュレートが堆積する。このとき、細孔３３の出口付近には大粒径触媒がコーティングされているため、低気孔率かつ小気孔径のフィルタと同等の捕集効率を確保することができる。
【００２８】
細孔３３の出口付近を除く部分は大気孔径となっているので、その後もボトルネック部（細孔３３の入口から出口までの間で、流路断面積が小さくなっている部分）がパティキュレートで封鎖されるようなことはない。
【００２９】
大粒径触媒をコーティングしてある出口付近は、他の部分に比べて早期にパティキュレートにより封鎖される。しかし、封鎖された状態となっても、排気は隣り合うパティキュレートの隙間や隣り合う大粒径触媒の隙間を通過できるので、細孔３３中を排気が流れる状態は続き、細孔３３の壁面全域及び大粒径触媒コーティング部分のパティキュレート堆積量は増加し続ける。このため、小気孔径の場合と比べて、細孔３３内に多くのパティキュレートを捕集することができる。
【００３０】
そして、細孔３３内のパティキュレート堆積量が増大することによって狭くなったボトルネック部がパティキュレートで封鎖され、または細孔３３内がパティキュレートで埋め尽くされると、パティキュレートは隔壁３０の壁面３０ａに堆積し始める。
【００３１】
図４は、パティキュレート堆積量とＤＰＦ１３の前後差圧（上流側圧力と下流側圧力との差）との関係を示す図である。縦軸はＤＰＦ前後差圧、横軸はパティキュレート堆積量であり、図中の実線はＤＰＦ１３が高気孔率の場合、破線はＤＰＦ１３が低気孔率の場合について示している。
【００３２】
高気孔率の場合は、堆積量の増大に伴ってＤＰＦ前後差圧も増大しており、堆積量Ｍ１を超えるとＤＰＦ前後差圧増大の傾きは小さくなる。低気孔率の場合も同様であり、変曲点は堆積量Ｍ２となっている。
【００３３】
壁面３０ａに堆積する場合は、細孔３３内に堆積する場合に比べて、同じ量のパティキュレートが堆積したときの厚さ方向の変化量が小さいので、流路断面積の変化割合が小さい。すなわち、図４の変曲点は、パティキュレートが細孔３３内に堆積できなくなり、隔壁３０の壁面３０ａに堆積し始めたことを示している。なお、低気孔率の場合は高気孔率の場合と比べて、細孔３３の数が少ないので、早期に壁面３０ａに堆積し始める。このため、変曲点となる堆積量は、Ｍ１よりもＭ２の方が小さくなる。
【００３４】
ところで、パティキュレートの燃焼効率は、パティキュレートと触媒との接触面積が大きいほど高くなる。つまり、同量のパティキュレート堆積量であれば、細孔３３に堆積している方が壁面３０ａに堆積しているよりも触媒との接触面積が大きいので、パティキュレートの燃焼効率も高くなる。
【００３５】
そこで、所定堆積量ごとのＤＰＦ前後差圧の変化量をモニタし、変曲点を検知したら再生制御を開始することとする。これにより、パティキュレートの燃焼効率のよい状態で再生を行うことができる。ＤＰＦ前後差圧は、排気圧センサ１２、１９の検出値から求める。
【００３６】
また、使用するＤＰＦ１３の細孔３３が埋まるだけのパティキュレート堆積量（堆積量Ｍ１、Ｍ２に相当する堆積量）を実験等により予め求めて記憶しておき、運転中に運転状態に基づいてパティキュレート排出量を推定し、この推定値が予め記憶しておいたパティキュレート堆積量に達したら、変曲点に達したと判断することもできる。
【００３７】
なお、上記説明では粒径の異なる触媒を用い、細孔３３の出口側付近に大粒径触媒をコーティングしたが、出口の気孔径を入口の気孔径より小さくできるのであれば、これに限られるわけではない。例えば、小粒径触媒を細孔３３全域にコーティングした後、再度小粒径触媒をコーティングしてもよい。この場合、２回目のコーティング時には、触媒をブローする際の雰囲気温度及びブロー圧を、出口付近のコーティング層の厚さが厚くなるよう管理する。具体的には、１回目は均一にコーティングするために低温かつ高ブロー圧とし、２回目は触媒が主に出口部分に付着するように、高温かつ低ブロー圧とする。
【００３８】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
【００３９】
（１）排気上流側が開口し下流側が閉塞したセル３２ｂと、このセル３２ｂと隣接し排気上流側が閉塞し下流側が開口したセル３２ａと、セル３２ａとセル３２ｂとを隔てる多孔質材の隔壁３０と、を備えるハニカム構造体であって、セル３２ｂから流入した排気が隔壁３０の細孔３３を通過してセル３２ａから流出し、細孔３３に排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ１３において、細孔３３に、セル３２ｂ側に比べてセル３２ａ側の方が厚い触媒層３４、３５を担持するので、セル３２ａ側で確実にパティキュレートすることができる。また、セル３２ａ側が先に閉塞されるので、細孔３３内により多くのパティキュレートを捕集することができ、これにより高い再生効率を実現することができる。
【００４０】
（２）隔壁３０は気孔率が４５〜７５％という高気孔率なので、セル３２ａ側の触媒層３５で確実にパティキュレートを捕集することによる高い捕集効率と、低圧力損失を両立することができる。
【００４１】
（３）細孔３３が粒状物質で埋まったこと判断したら再生制御を開始するので、パティキュレートの燃焼効率が高い状態で再生を行うことができる。
【００４２】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態を適用するシステムの構成図である。
【図２】ＤＰＦの断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれＤＰＦの細孔部分の断面を模式的に表した図である。
【図４】パティキュレート堆積量とＤＰＦ前後差圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    ディーゼルエンジン
２    燃料噴射弁
３    燃料噴射装置
４    吸気コレクタ
５    吸気通路
６    可変ノズル式ターボチャージャ
７    インタークーラ
８    吸気絞弁
９    コントロールユニット
１０  排気通路
１１  酸化触媒
１２  排気圧センサ
１３  ＤＰＦ
１４  変速機
１５  ＥＧＲ通路
１６  ＥＧＲ弁
１７  エンジン回転数センサ
１８  アクセル開度センサ
１９  排気圧センサ
２０  排気空燃比センサ
２１  温度センサ
２２  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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