JP2016148285A - パティキュレートフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、酸化触媒が担持されるウォールフロー型のパティキュレートフィルタにおいて、フィルタ再生処理の実行時にパティキュレートフィルタ全体を均一に昇温させることができる技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、排気の流れ方向において上流側の端部が閉塞された複数の第１通路と、排気の流れ方向において下流側の端部が閉塞された複数の第２通路と、第１通路と第２通路を隔てる多孔質の部材であって、該部材の上流側の部位と下流側の部位における厚さ及び排気の透過係数が均一になるように形成される隔壁と、隔壁に担持される触媒であって、ＰＭを酸化する能力を有する酸化触媒と、を備えるウォールフロー型のパティキュレートフィルタにおいて、隔壁の下流側の部位に比して上流側の部位に担持される酸化触媒の量を多くすることで、隔壁の上流側の部位におけるＰＭ酸化能力を下流側の部位におけるＰＭ酸化能力よりも高くする。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置されるパティキュレートフィルタに関する。

内燃機関の排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するためのパティキュレートフィルタとして、上流側端部が栓により閉塞された第１通路と下流側端部が栓により閉塞された第２通路とを交互に配置するとともに、第１通路と第２通路の間に多孔質の隔壁を配置するウォールフロー型のパティキュレートフィルタが知られている。

また、ウォールフロー型のパティキュレートフィルタとしては、パティキュレートフィルタの上流側の部位に白金（Ｐｔ）を含み炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する触媒を担持させ、下流側の部位に銀（Ａｇ）を含みＰＭを酸化する触媒を担持させたものも知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−１７２５９７号公報

パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの量（ＰＭ捕集量）が過度に多くなると、内燃機関に作用する背圧の増加等の不具合が生じるため、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを除去するためのフィルタ再生処理を適宜に実行する必要がある。フィルタ再生処理は、例えば、パティキュレートフィルタへ炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の未燃燃料成分を供給して、その未燃燃料成分をパティキュレートフィルタに担持されている酸化触媒で酸化させることで、その際に発生する反応熱でパティキュレートフィルタの温度をＰＭの酸化可能な温度域まで上昇させる処理である。

ところで、パティキュレートフィルタに酸化触媒を担持させる場合に、その担持量がパティキュレートフィルタの全域で均一にされると、上記したようなフィルタ再生処理が実行された際に、パティキュレートフィルタの上流側の部位と下流側の部位との間に温度差が生じ、上流側の部位がＰＭの酸化可能な温度域まで昇温しない可能性がある。その結果、パティキュレートフィルタの上流側の部位に捕集されているＰＭが十分に除去されない虞がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化触媒が担持されるウォールフロー型のパティキュレートフィルタにおいて、フィルタ再生処理の実行時にパティキュレートフィルタ全体を均一に昇温させることができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明のパティキュレートフィルタは、排気の流れ方向において上流側の端部が閉塞された複数の第１通路と、排気の流れ方向において下流側の端部が閉塞された複数の第２通路と、前記第１通路と前記第２通路を隔てる多孔質の部材であって、該部材の上流側の部位と下流側の部位における厚さ及び排気の透過係数が均一になるように形成される隔壁と、
前記隔壁に担持される酸化触媒と、を備えたパティキュレートフィルタにおいて、前記酸化触媒は、前記隔壁の下流側の部位に比して上流側の部位における酸化能力が高くなるように前記隔壁に担持されることを特徴とする。

なお、前記隔壁の下流側の部位に比して上流側の部位における酸化能力を高くする方法としては、隔壁の下流側の部位に比して上流側の部位における酸化触媒の担持量を多くする方法、又は隔壁の上流側の部位に担持される酸化触媒と下流側の部位に担持される酸化触媒の種類を変更する方法等を用いることができる。

本発明によれば、酸化触媒が担持されるウォールフロー型のパティキュレートフィルタにおいて、フィルタ再生処理の実行時にパティキュレートフィルタ全体を均一に昇温させることができる。

本発明を適用するパティキュレートフィルタの概略構成を示す縦断面図である。 本発明を適用するパティキュレートフィルタの概略構成を示す横断面図である。 隔壁の上流側端部から下流側端部までの全域において酸化触媒のＰＭ酸化能力が均一となるように構成された場合において、フィルタ再生処理実行時における隔壁の温度分布を示す図である。 本実施例において触媒コート層の形成例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明が適用されるパティキュレートフィルタの縦断面図であり、図２は、本発明が適用されるパティキュレートフィルタの横断面図である。図１、２に示すパティキュレートフィルタ１は、内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関の排気に含まれるＰＭを捕集するものである。パティキュレートフィルタ１は、筒状のケース２内に円柱状の基材３を内装している。

前記基材３には、軸方向（排気の流れ方向）に延在する複数の通路４、５が形成されるとともに、それら複数の通路４、５がハニカム状に配置されている。言い換えると、前記基材３は、ハニカム状に配置される複数の通路４、５を画定するように形成されている。なお、図１、２に示す通路４、５の本数は一例に過ぎず、それら通路４、５の本数は車両や内燃機関の諸元に応じて適宜決定されればよい。

複数の通路４、５のうち、一部の通路４は、排気の流れ方向における上流側端部が栓体４０により閉塞されている。複数の通路４、５のうち、残りの通路５は、排気の流れ方向における下流側端部が栓体５０により閉塞されている。通路４と通路５は、交互に配置されている。以下では、通路４を第１通路４と称し、通路５を第２通路５と称する。

前記基材３において、第１通路４と第２通路５とを隔てる部材（隔壁）３０は、多孔質体により形成されている。なお、前記基材３のうちの隔壁３０のみが多孔質体により形成されてもよく、前記基材３の全体が多孔質体により形成されていてもよい。ここでいう多孔質体の材料としては、排気中のＰＭを捕集するのに適した公知の材料を採用することが
できる。ただし、強度や耐熱性の観点から、好ましくは、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、又はリン酸ジルコニウムなどのセラミックスを用いることができる。

前記隔壁３０は、その厚さが上流側端部から下流側端部まで均一になるように形成される。また、前記隔壁３０は、その細孔を排気が通過する際の透過率（気体透過係数）が上流側端部から下流側端部まで均一になるように形成される。なお、ここでいう透過率は、パティキュレートフィルタ１がＰＭを捕集していない新品の状態にあるときの透過率である。このように隔壁３０が構成されると、ケース２に排気が流入した際に排気中のＰＭが前記隔壁３０の上流側端部から下流側端部までの全域に略均一に捕集される。その結果、排気中のＰＭを効率的に捕集することができる。

このように構成されたパティキュレートフィルタ１において、該パティキュレートフィルタ１のＰＭ捕集量が過剰に多くなると、該パティキュレートフィルタ１の圧力損失の増加に伴って内燃機関に作用する背圧も大きくなるため、内燃機関の燃料消費率が低下する等の不具合を生じる。よって、パティキュレートフィルタ１の圧力損失が過剰に大きくなる前に、該パティキュレートフィルタ１に捕集されているＰＭを除去する必要がある。

ＰＭは高温且つ酸素過剰な雰囲気にあるときに酸化されるため、パティキュレートフィルタ１に捕集されているＰＭを除去する場合は内燃機関から排出される排気の空燃比が理論空燃比より高いリーン空燃比となる状況下でパティキュレートフィルタ１の温度をＰＭの酸化可能な温度域まで上昇させればよい。そこで、パティキュレートフィルタ１より上流の排気通路に酸化触媒を配置し、該酸化触媒へ未燃燃料成分（ＨＣやＣＯ）を供給することで、未燃燃料成分の酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ１へ流入する排気の温度をＰＭの酸化可能な温度域まで昇温させる方法が考えられる。ところで、パティキュレートフィルタ１と別体の酸化触媒を排気通路に配置すると、車両搭載性が低下する可能性がある。このような実情を鑑みると、ＰＭ酸化能力を有する酸化触媒及び未燃燃料成分の酸化能力を有する酸化触媒をパティキュレートフィルタ１の基材３に担持させることが望ましい。具体的には、前記隔壁３０の表面や細孔内に酸化触媒を担持させればよい。そして、パティキュレートフィルタ１に捕集されたＰＭを除去する場合は、内燃機関から排出される排気の空燃比がリーン空燃比であるときに、パティキュレートフィルタ１へ流入する排気中に未燃燃料成分を供給する処理（フィルタ再生処理）を実行すればよい。

なお、隔壁３０の表面や細孔内に酸化触媒を担持させる構成において、隔壁３０の上流側端部から下流側端部の全域において酸化触媒のＰＭ酸化能力が均一にされると、フィルタ再生処理の実行時に隔壁３０の上流側の部位がＰＭの酸化可能な温度域まで昇温しない可能性がある。ここで、隔壁３０の上流側端部から下流側端部までの全域において酸化触媒のＰＭ酸化能力が均一となるように構成された場合において、フィルタ再生処理実行時における隔壁３０の温度分布を図３に示す。図３中の横軸は、排気の流れ方向における隔壁３０の位置を示し、図３中の縦軸は、隔壁３０の各部の温度を示す。図３に示すように、隔壁３０の上流側端部（図３中のＰｕ）と下流側端部（図３中のＰｄ）との間の所定の位置Ｐ０より下流側の部位（図３中のＢ）は、ＰＭの酸化に適した目標温度以上に昇温するが、前記所定の位置Ｐ０より上流側の部位（図３中のＡ）は、前記目標温度まで昇温しない。そのため、前記所定の位置Ｐ０より上流側の部位Ａに捕集されたＰＭが十分に酸化及び除去されない可能性がある。

そこで、本実施例のパティキュレートフィルタ１においては、前記所定の位置Ｐ０より上流側の部位ＡにおけるＰＭ酸化能力が下流側の部位ＢにおけるＰＭ酸化能力より高くなるように、酸化触媒を担持させるようにした。具体的には、前記所定の位置Ｐ０より上流側の部位Ａにおいては、図４中の（ａ）に示すように、隔壁３０の表面及び細孔３００内
に触媒コート層３１０を形成する。ここでいう触媒コート層３１０は、未燃燃料成分の酸化能力を有する酸化触媒（たとえば、Ｐｔ又はＰｄ等）とＰＭ酸化能力を有する酸化触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｄＣｅＺｒ系粉末、ＣｅＡｇ、又はＡｇ_２ＳＯ_４等）とを含むコート層であり、上記した酸化触媒を含むスラリーを隔壁３０の表面や細孔内に塗布した後に、乾燥及び焼成して形成される。一方、前記所定の位置Ｐ０より下流側の部位Ｂにおいては、図４中の（ｂ）に示すように、隔壁３０の表面及び細孔３００内のいずれにも触媒コート層を形成しない。このように隔壁３０が形成されると、該隔壁３０の上流側の部位ＡにおけるＰＭ酸化能力は、下流側の部位Ｂの酸化能力より高くなる。

図４に示したように、隔壁３０の上流側の部位ＡにおけるＰＭ酸化能力が下流側の部位Ｂの酸化能力より高くなると、フィルタ再生処理が実行された際に、前記上流側の部位Ａに捕集されているＰＭが前記下流側の部位Ｂに捕集されているＰＭに優先して酸化されるようになる。そのため、前記上流側の部位Ａにおける排気の透過率が前記下流側の部位Ｂにおける排気の透過率より先に高くなり、それに伴って、前記上流側の部位Ａの細孔３００内へ単位時間あたりに流入する排気の量が前記下流側の部位Ｂの細孔３００内へ単位時間あたりに流入する排気の量より多くなる。その結果、フィルタ再生処理の実行時に、前記上流側の部位Ａの細孔３００内へ流入する未燃燃料成分の量が多くなるため、前記上流側の部位Ａにおいて酸化される未燃燃料成分の量が多くなる。前記上流側の部位Ａにおいて酸化される未燃燃料成分の量が多くなると、該上流側の部位Ａにおいて発生する酸化反応熱の量が多くなるため、該上流側の部位ＡがＰＭの酸化に適した目標温度以上に昇温しやすくなる。したがって、本実施例のパティキュレートフィルタ１によれば、フィルタ再生処理の実行時に、パティキュレートフィルタ１の全域を前記目標温度以上まで昇温させることできるため、パティキュレートフィルタ１の全域においてＰＭを酸化及び除去することが可能になる。

なお、本実施例においては、隔壁３０の下流側の部位Ｂに、未燃燃料成分の酸化能を有する触媒とＰＭ酸化能を有する触媒とのいずれも担持させない例について述べたが、ＰＭ酸化能を有する触媒のみを担持させるようにしてもよい。ただし、その際の担持量は、上流側の部位Ａより少なくし（例えば、ＰＭ酸化能力を有する酸化触媒を隔壁３０の表面のみに担持させ）、又は上流側の部位Ａに担持される酸化触媒よりＰＭ酸化能力の弱い酸化触媒を担持させればよい。

また、フィルタ再生処理の実行時に隔壁３０の温度が急激に昇温すると、隔壁３０を構成する基材３にクラック等が発生する可能性があるため、上流側の部位Ａにおける一部（例えば、上流側端部から下流側へ所定距離までの範囲）には、触媒コート層を形成せず、若しくは触媒コート層に含まれる酸化触媒の量を少なくしてもよい。

１ パティキュレートフィルタ
２ ケース
３ 基材
４ 第１通路
５ 第２通路
３０ 隔壁
４０ 栓体
５０ 栓体
３００ 細孔
３１０ 触媒コート層

Claims (1)

1. 排気の流れ方向において上流側の端部が閉塞された複数の第１通路と、
   排気の流れ方向において下流側の端部が閉塞された複数の第２通路と、
   前記第１通路と前記第２通路を隔てる多孔質の部材であって、該部材の上流側の部位と下流側の部位における厚さ及び排気の透過率が均一になるように形成される隔壁と、
   前記隔壁に担持される触媒であって、粒子状物質を酸化する能力を有する酸化触媒と、を備えたパティキュレートフィルタにおいて、
   前記酸化触媒は、前記隔壁の下流側の部位に比して上流側の部位における酸化能力が高くなるように、前記隔壁に担持されることを特徴とするパティキュレートフィルタ。

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