JP6007864B2

JP6007864B2 - 排気浄化フィルタ

Info

Publication number: JP6007864B2
Application number: JP2013121850A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　和浩; 和浩伊藤; 寛真西岡; 大地今井; 佳久塚本; 寛大月; 康正野竹
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: WO2014199210A1; EP3007799A1; US20160138448A1; CN105263601A; JP2014238072A

Description

本発明は排気浄化フィルタに関する。

排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを排気通路内に配置した圧縮着火式内燃機関が公知である。パティキュレートフィルタは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、排気ガス流入通路の下流端が下流側栓により閉塞され、排気ガス流出通路の上流端が上流側栓により閉塞される。したがって、排気ガスはまず排気ガス流入通路内に流入し、次いで周囲の隔壁内を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出する。その結果、排気ガス中の粒子状物質が隔壁上に捕集され、大気中に放出されるのが抑制される。

ところが、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の量が多くなると、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、機関出力が低下するおそれがある。そこで、この内燃機関では、パティキュレートフィルタを酸化雰囲気に維持しつつパティキュレートフィルタの温度を上昇させるＰＭ除去処理を行い、それにより粒子状物質を燃焼させてパティキュレートフィルタから除去するようにしている。

ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分が含まれており、このアッシュは粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。ところが、ＰＭ除去処理が行われても、アッシュは燃焼せず又は気化せず、パティキュレートフィルタ上に残留する。このため、機関運転時間が長くなるにつれて、パティキュレートフィルタ上のアッシュ量が次第に増大し、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、ＰＭ除去処理が繰り返し行われても、機関出力が低下するおそれがある。

そこで、下流側栓に貫通孔を形成し、アッシュが貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出するようにしたパティキュレートフィルタが公知である（特許文献１参照）。この特許文献１では、機関運転時間が長くなると貫通孔が粒子状物質により閉塞される。貫通孔が閉塞されると、パティキュレートフィルタは貫通孔を有していない従来のパティキュレートフィルタと同様に粒子状物質を捕集することができる。次いで、ＰＭ除去処理が行われると、貫通孔を閉塞していた粒子状物質が除去され、貫通孔が開放される。その結果、パティキュレートフィルタ上のアッシュが貫通孔を介してパティキュレートフィルタから排出される。

特開２００４−１３０２２９号公報

しかしながら、特許文献１において、機関運転が開始されてから又はＰＭ除去処理が終了してから貫通孔が閉塞されるまでの間は、粒子状物質が貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出してしまう。しかも、特許文献１では、貫通孔の直径が０．２ｍｍ以上に設定されており、このような大きな直径の貫通孔が粒子状物質により閉塞されるにはかなり長い時間を要する。このことは、貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出する粒子状物質の量がかなり多いことを意味する。

本発明の目的は、粒子状物質を確実に捕集しつつ排気浄化フィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる排気浄化フィルタを提供することにある。

本発明によれば、内燃機関の排気通路内に配置されるのに適した、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための排気浄化フィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されており、コート層が、平均粒子径が互いに異なる複数の粒子群から形成されている、排気浄化フィルタが提供される。

好ましくは、前記複数の粒子群が隔壁基材上にほぼ層状に配置されており、隔壁基材に近い層を形成する粒子群の平均粒子径が隔壁基材から遠い層を形成する粒子群の平均粒子径よりも大きい。

好ましくは、前記複数の粒子群が隔壁基材上にほぼ均一に混合された状態で配置されている。

好ましくは、コート層を形成する粒子が触媒機能を有する金属から構成される。

好ましくは、非コート領域に前記コート層とは異なる別のコート層が設けられており、該別のコート層に触媒が担持されている。

粒子状物質を確実に捕集しつつ、排気浄化フィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。

本発明による実施例の内燃機関の全体図である。パティキュレートフィルタの正面図である。パティキュレートフィルタの側面断面図である。隔壁の部分拡大断面図である。コート層の部分拡大図である。コート層を形成する粒子の粒度分布を示す線図である。本発明の一実施例によるコート層の部分拡大断面図である。本発明の別の実施例によるコート層の部分拡大断面図である。本発明の別の実施例によるコート層の部分拡大断面図である。本発明の別の実施例によるコート層の部分拡大断面図である。本発明の別の実施例によるコート層の部分拡大断面図である。パティキュレートフィルタの作用を説明する概略図である。粒子間隙間を説明する図である。粒子間隙間を説明する図である。粒子間隙間を説明する図である。本発明による実施例の隔壁の部分拡大断面図である。

図１を参照すると、１は内燃機関の本体、２は吸気通路、３は排気通路、４は排気通路３内に配置された排気浄化フィルタをそれぞれ示す。図１に示される実施例では排気浄化フィルタ４はウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成される。また、図１に示される実施例では内燃機関は圧縮着火式内燃機関から構成される。別の実施例では火花点火式内燃機関から構成される。

図２Ａ及び図２Ｂはパティキュレートフィルタ４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ４は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５ｉ，５ｏと、これら排気流通路５ｉ，５ｏを互いに隔てる隔壁６とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路５ｉ，５ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７ｄにより閉塞された排気ガス流入通路５ｉと、上流端が栓７ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路５ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏは薄肉の隔壁６を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏは各排気ガス流入通路５ｉが４つの排気ガス流出通路５ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路５ｏが４つの排気ガス流入通路５ｉによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。

別の実施例では、排気ガス流入通路５ｉの下流端周りの隔壁６を変形することによって当該下流端が閉塞され、排気ガス流出通路５ｏの上流端周りの隔壁６を変形することによって当該上流端が閉塞される。このようにすると、栓７ｕ，７ｄが不要となる。

図２Ｂに示されるように、隔壁６には、コート領域ＣＺと、コート領域ＣＺの下流側に位置する非コート領域ＮＣＺとが区画される。図３に示されるように、コート領域ＣＺでは、隔壁６の基材６ｓの表面がコート層８により覆われる。これに対し、非コート領域ＮＣＺでは、隔壁基材６ｓの表面が上述のコート層８により覆われていない。

図３に示される実施例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられる。別の実施例では、コート層８が排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられる。更に別の実施例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの両表面に設けられる。なお、コート層８の一部が隔壁６の細孔内表面の一部又は全部にまで到る場合もある。

図２Ｂに示される実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁６の上流端にほぼ一致している。別の実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁６の上流端よりも下流側に位置する。また、図２Ｂに示される実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁６の下流端にほぼ一致している。別の実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁６の下流端よりも上流側に位置する。コート領域ＣＺの長手方向長さはパティキュレートフィルタ４の長手方向長さの例えば５０％から９０％に設定される。

隔壁基材６ｓは多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、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、リン酸ジルコニウムなどのセラミックから形成される。

一方、コート層８は図４に示されるように多数の粒子９から形成され、粒子９同士の間に多数の隙間ないし細孔１０を有する。したがって、コート層８は多孔性を有する。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路５ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁６内を通って隣接する排気ガス流出通路５ｏ内に流出する。

図４に示される実施例では、粒子９は触媒機能を有する金属から構成される。触媒機能として、酸化機能、ＨＣ、アンモニアなどの還元剤の存在下でＮＯｘを還元する作用などが挙げられる。酸化機能を有する金属として、白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄなどの白金族の金属、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、銀Ａｇ、セシウムＣｓなどの金属を用いることができる。別の実施例では、粒子９は隔壁基材６ｓと同様のセラミック、又は酸化物、例えばＹ−Ｐｒ−Ｃｅの酸化物，ＣｅＯ２，ＳｉＯ２など、から構成される。更に別の実施例では、粒子９は上述の金属とセラミック又は酸化物とから構成される。

隔壁基材６ｓの平均細孔径は２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される。隔壁基材６ｓの平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁６を通過できる。したがって、言い換えると、非コート領域ＮＣＺにおいて排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁６を通過できるように隔壁６の細孔径が設定される。更に言い換えると、非コート領域ＮＣＺにおけるアッシュの捕集率が許容率よりも低くなるように隔壁６の細孔径が設定される。この許容率は例えば５０％である。なお、粒子状物質の平均粒径がアッシュの平均粒径よりも小さいことを考えると、非コート領域ＮＣＺにおいて粒子状物質及びアッシュが隔壁６を通過できるように隔壁６の細孔径が設定されるという見方もできる。

コート層８の平均細孔径は隔壁基材６ｓの平均細孔径よりも小さく設定される。具体的には、コート層８の平均細孔径は、コート層８が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集できるように設定される。

なお、本発明による実施例では、隔壁基材の細孔の平均径は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味し、粒子の平均径はレーザ回折・散乱法により得られた体積基準の粒度分布のメディアン径（５０％径）を意味する。

図４に示される実施例では、コート層８が、平均粒子径が小さい小径粒子群と、平均粒子径が大きい大径粒子群とから形成されている。言い換えると、図５に示されるように、コート層８を形成する粒子の粒度分布には互いに異なる２つのピークが現れている。図５において、ＰＳは小径粒子群を表しており、ＰＬは大径粒子群を表している。

図６はコート層８の一例を示している。図６に示される例では、コート層８を形成する小径粒子群ＰＳ及び大径粒子群ＰＬが隔壁基材６ｓ上にほぼ層状に配置されている。すなわち、コート層８は隔壁基材６ｓに近い層８ｎと隔壁基材６ｓから遠い層８ｆとを備えている。隔壁基材６ｓに近い層８ｎは主として大径粒子群ＰＬから形成され、隔壁基材６ｓから遠い層８ｆは主として小径粒子ＰＳから形成される。言い換えると、隔壁基材６ｓに近い層８ｎを形成する粒子群の平均粒子径が隔壁基材６ｓから遠い層８ｆを形成する粒子群の平均粒子径よりも大きい。なお、大径粒子群ＰＬの粒子が層８ｆ内に存在し、小径粒子群ＰＳの粒子が層８ｎ内に存在する場合もある。

図６に示される例では、大径粒子群ＰＬを含むスラリが隔壁基材６ｓに適用され、それによって隔壁基材６ｓ上に層８ｎが形成される。次いで、小径粒子群ＰＳを含むスラリが隔壁基材６ｓに適用され、それによって層８ｎ上に層８ｆが形成される。その結果、層状のコート層８が形成される。

図７Ａから７Ｄはコート層８の別の例を示している。図７Ａから７Ｄに示される例では、コート層８を形成する小径粒子群ＰＳ及び大径粒子群ＰＬが隔壁基材６ｓ上にほぼ均一に混合された状態で配置されている。

図７Ａから７Ｄに示される例では、互いに混合された大径粒子群ＰＬ及び小径粒子群ＰＳを含むスラリが隔壁基材６ｓに適用され、それによってコート層８が形成される。

図７Ａに示される例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一面と、隔壁細孔６ｐの内表面の一部とに設けられる。図７Ｂに示される例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一面と、隔壁細孔６ｐの内表面の全部とに設けられる。図７Ｃに示される例では、コート層８が隔壁細孔６ｐの内表面の全部に設けられ、排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの両表面には設けられない。図７Ｄに示される例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一面と、隔壁細孔６ｐの内部空間全体とに設けられる。

なお、小径粒子群ＰＳの平均粒子径は例えば０．１から１０μｍ程度である。大径粒子群ＰＬの平均粒子径は例えば隔壁基材６ｓの平均細孔径のたかだか１／２程度であり、隔壁基材６ｓの平均細孔径が７５μｍの場合には大径粒子群ＰＬの平均粒子径は３７．５μｍ以下である。また、小径粒子群ＰＳは例えば酸化物から形成され、大径粒子群ＰＬは金属から形成される。

さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ４上に捕集される。

また、排気ガス中にはアッシュも含まれており、このアッシュも粒子状物質と共にパティキュレートフィルタ４に捕集される。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ_４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ_１９Ｚｎ_２（ＰＯ_４）_１４などのカルシウム塩から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成される。

本願発明者らによれば、平均細孔径が１０μｍから２５μｍ程度でコート層８を備えていない従来のパティキュレートフィルタ、言い換えるとアッシュがほとんど通過できないパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置した場合、粒子状物質は隔壁６の下流側部分よりも隔壁６の上流側部分に堆積する傾向にあり、アッシュは隔壁６の上流側部分よりも隔壁６の下流側部分に堆積する傾向にあることが確認されている。

そこで、本発明による実施例では、隔壁６の上流側にコート領域ＣＺを設け、隔壁６の下流側に非コート領域ＮＣＺを設けている。その結果、図８に示されるように粒子状物質２０が上流側のコート領域ＣＺにおいて隔壁６に捕集され、アッシュ２１が下流側の非コート領域ＮＣＺにおいて隔壁６を通過する。したがって、粒子状物質がパティキュレートフィルタ４を通過するのを抑制しつつ、アッシュがパティキュレートフィルタ４に堆積するのを抑制することができる。言い換えると、粒子状物質を確実に捕集しつつパティキュレートフィルタ４の圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。

なお、図１に示される内燃機関では、パティキュレートフィルタ４上に捕集されている粒子状物質の量が上限量よりも多くなるごとに、パティキュレートフィルタ４から粒子状物質を除去するＰＭ除去処理が行われる。ＰＭ除去処理では例えばパティキュレートフィルタが酸化雰囲気に維持されつつパティキュレートフィルタの温度が上昇され、それにより粒子状物質が燃焼される。

上述したように、本発明による実施例ではコート層８が小径粒子群ＰＳ及び大径粒子群ＰＬから形成される。このようにすると、粒子状物質２０を確実に捕集することができる。これは次の理由による。

すなわち、径の大きな粒子からコート層８を形成した場合には、図９Ａに示されるように、粒子Ｐ間に形成される隙間ないし細孔Ｇが大きくなる。これに対し、径の小さな粒子からコート層８を形成すると、図９Ｂに示されるように粒子Ｐ間の隙間Ｇが小さくなる。また、径の小さい粒子と径の大きい粒子とを組み合わせてコート層８を形成すると、図９Ｃに示されるように粒子Ｐ間の隙間Ｇが小さくなる。図６及び図７Ａから７Ｄに示される実施例では、図９Ｂ又は図９Ｃに示されるような小さな粒子間隙間が形成されている。その結果、アッシュを逃がしつつ、径の小さい粒子状物質を確実に捕集することができる。また、コート層８を酸化機能を有する粒子から形成した場合には、粒子状物質の酸化を促進することができる。

ところで、径の小さな粒子のみからコート層８を形成した場合にも、粒子状物質を確実に捕集できると考えられる。しかしながら、コート層８によって粒子状物質を捕集するためには、コート層８によって隔壁６の細孔６ｐの開口を覆うことが必要である。一方、本発明による実施例では、アッシュが通過できるように隔壁６の細孔径が設定されており、すなわち隔壁６の細孔径は比較的大きい。このため、径の小さな粒子のみからコート層８を形成すると、コート層８によって隔壁６の細孔６ｐの開口を十分に覆うことができない。

これに対し、図６及び図７Ａから７Ｄに示される実施例では、コート層８を形成する粒子に大径粒子群ＰＬが含まれている。したがって、コート層８によって隔壁６の細孔６ｐの開口を確実に覆うことができる。この場合、小径粒子群ＰＳが大径粒子群ＰＬによって保持されているという見方もできる。

これまで述べてきた本発明による実施例では、コート層８が、平均粒子径が互いに異なる２つの粒子群から形成されている。別の実施例では、コート層８は、平均粒子径が互いに異なる３つ以上の粒子群から形成される。したがって、コート層８は、平均粒子径が互いに異なる複数の粒子群から形成されるということになる。この場合、コート層８を形成する粒子の粒度分布には互いに異なる複数のピークが現れる。

また、これまで述べてきた本発明による実施例では、非コート領域ＮＣＺにコート層が設けられていない。図１０に示される別の実施例では、非コート領域ＮＣＺに、コート層８とは異なる別のコート層１１が設けられる。この場合、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁６の平均細孔径は別のコート層１１が設けられた状態において、２５μｍ以上１００μｍ以下に設定される。この別のコート層１１には例えば酸化機能を有する金属が担持される。その結果、非コート領域ＮＣＺに到達した粒子状物質を容易に酸化除去することができる。別のコート層１１として、ゾルコート層などの嵩密度が低いコート層が用いられる。

１機関本体
３排気通路
４パティキュレートフィルタ
５ｉ排気ガス流入通路
５ｏ排気ガス流出通路
６隔壁
８コート層
ＣＺコート領域
ＮＣＺ非コート領域
ＰＬ大径粒子群
ＰＳ小径粒子群

Claims

内燃機関の排気通路内に配置されるのに適した、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための排気浄化フィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されており、コート層が、平均粒子径が互いに異なる複数の粒子群から形成されており、前記複数の粒子群が隔壁基材上にほぼ層状に配置されており、隔壁基材に近い層を形成する粒子群の平均粒子径が隔壁基材から遠い層を形成する粒子群の平均粒子径よりも大きい排気浄化フィルタ。
コート層を形成する粒子が触媒機能を有する金属から構成される、請求項１に記載の排気浄化フィルタ。
非コート領域に前記コート層とは異なる別のコート層が設けられており、該別のコート層に触媒が担持されている、請求項１又は２に記載の排気浄化フィルタ。