CN105793531A - 排气净化装置和微粒过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明的排气净化装置设置有配置在内燃机的排气通道的、捕集从该内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质的微粒过滤器国。微粒过滤器包括壁流部(20)和直流部(30)，该壁流部(20)包括仅排出气体流入侧的端部开口的入侧单元(22)、与该入侧单元(22)相邻且仅排出气体流出侧的端部开口的出侧单元(24)和将入侧单元(22)与出侧单元(24)分隔的多孔的分隔壁(26)，该直流部(30)包括排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部这两者开口的、沿轴向贯通过滤器的贯通单元(32)。

Description

排气净化装置和微粒过滤器
技术领域
本发明涉及配置在内燃机的排气通道的排气净化装置。详细而言，涉及设置有捕集从内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质的微粒过滤器的排气净化装置。
另外，本申请基于2013年12月2日在日本提出申请的特愿2013-249170号主张优先权，在本说明书中作为参考引入该申请的全部内容。
背景技术
一般已知在从内燃机排出的排出气体中含有以碳为主要成分的颗粒状物质(PM：ParticulateMatter)、包含不可燃成分的灰尘等，成为大气污染的原因。因此，对于颗粒状物质的排出量，与排出气体中含有的碳化氢(HC)、一氧化碳(CO)、碳氧化物(NOx)等有害成分同样，限制逐渐加强。因此，提案有用于从排出气体中将这些颗粒状物质捕集而除去的技术。
例如，在柴油发动机的排气通道内设置有用于捕集上述颗粒状物质的柴油微粒过滤器(DieselParticulateFilter：DPF)。此外，汽油发动机将比柴油发动机少的一定量的颗粒状物质与排出气体一起排出，因此在汽油发动机中也存在着在排气通道内安装汽油微粒过滤器(GasolineParticulateFilter：GPF)的情况。作为该微粒过滤器，已知有由基材包含多孔质材料的多个单元构成、将多个单元的入口和出口交替地堵塞的、被称为壁流型的结构的微粒过滤器。在壁流型微粒过滤器中，从单元入口流入的排出气体从被分隔的多孔质的单元分隔壁通过，向单元出口排出。于是，在排出气体从多孔质的单元分隔壁通过的期间，颗粒状物质被捕集至分隔壁表面和分隔壁内部的细孔内而被除去。作为这种现有技术，能够列举专利文献1。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-210992号公报
发明内容
但是，在上述的壁流型微粒过滤器中，能够捕集到单元分隔壁的颗粒状物质的量存在界限，当在过滤器中堆积了超过该界限的量的颗粒状物质时，过滤器发生网孔堵塞而压力损失(以下称为压损)变大。由此，存在发生燃料消费效率(燃料消耗量)的劣化和发动机的故障等的问题。因此，例如在DPF中，当在过滤器堆积了规定量以上的颗粒状物质时，流动高温的排出气体而使颗粒状物质燃烧，从而进行过滤器的再生(再利用)。此外，在GPF中，例如通过在断油时使颗粒状物质燃烧而进行过滤器的再利用。
但是，例如在由于控制不良而没有进行恰当的再生处理的情况下、或者在发动机起动时或怠速等的排气温度较低的运行状态持续等的情况下，存在发生PM的异常堆积、过滤器发生网眼堵塞，结果压损上升的问题。为了防止燃料消费效率的劣化和发动机的故障等问题发生，要尽量抑制压损的上升。
本发明是鉴于该情况而提出的，其主要目的在于，在该微粒过滤器和具有该微粒过滤器的排气净化装置中，提供即使过滤器发生网眼堵塞也能够避免压损变大的新的结构。
由本发明提供的排气净化装置是设置有配置在内燃机的排气通道中的、捕集从该内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质的微粒过滤器的排气净化装置。该微粒过滤器典型的是设置在包括铂族元素(PGM)的催化剂部的下游侧。上述微粒过滤器包括：壁流部，其包括仅排出气体流入侧的端部开口的入侧单元、与该入侧单元相邻且仅排出气体流出侧的端部开口的出侧单元和将上述入侧单元与上述出侧单元分隔的多孔的分隔壁；和直流部，其包括排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部这两者开口的、沿轴向贯通上述过滤器的贯通单元。
根据该结构，当在被导入排出气体的壁流部持续发生颗粒状物质(PM)的堆积时，排出气体优先流至直流部，因此作为整个微粒过滤器能够将压损的上升抑制得较小。此外，即使在壁流部网眼完全堵塞的情况下，排出气体也会在直流部流动，因此能够使压损的最大值较小。由此，能够防止燃料消费效率的劣化和发动机的故障等问题。因而能够提供更高性能的排气净化装置。
在排气净化装置一个优选方式中，在令从上述过滤器通过的排出气体的总量为100(体积)％时，设定为从上述直流部通过的排出气体的量为0.1％～10％(优选为1％以上10％以下，更优选为3％以上8％以下)。换言之，设定为从上述壁流部通过的排出气体的量为90％～99.9％(优选为90％以上99％以下，更优选为92％以上97％以下)。根据该结构，从直流部通过的排出气体的量与从壁流部通过的排出气体的量的比率具有很好的平衡性，因此能够恰当地发挥通过设置直流部而实现的过滤器性能提高的效果(例如，抑制PM的堆积引起的压损上升的效果)，在壁流部捕集适量的PM。因而，能够可靠地发挥更良好的过滤器性能。
在排气净化装置一个优选方式中，上述壁流部的多个上述入侧单元和多个上述出侧单元交替地配置成栅格状。而且，上述贯通单元配置在沿着上述入侧单元和上述出侧单元所形成的上述栅格的对角线方向的一个入侧单元和与其相邻的一个入侧单元之间以及一个出侧单元和与其相邻的一个出侧单元之间。根据该结构，从壁流部溢出的排出气体会迅速地流入贯通单元，因此能够更好地抑制压损的上升。即，能够更高水平地发挥本发明的效果。
在排气净化装置一个优选方式中，上述贯通单元的与上述过滤器的轴向正交的截面为四角形，上述入侧单元和上述出侧单元的与上述过滤器的轴向正交的截面为八角形。根据该结构，能够在过滤器的有限的单元装载空间中实现高效的单元配置。还有助于排气净化装置的小型化。
在排气净化装置一个优选方式中，在上述过滤器的与轴向正交的截面中，包含于该截面的外周区域的贯通单元的截面积比包含于该截面的中央区域的贯通单元的截面积大。根据该结构，在内燃机的高负载运转区域中，在过滤器外周区域的直流部流动的排出气体的流量变多。因此，能够有效地抑制高负载运转区域的压损的上升。
在排气净化装置一个优选方式中，上述过滤器的与轴向正交的截面为大致圆形，在令该截面的半径为R时，上述中央区域规定为从上述截面的中心点至上述半径R的至少1/2R的区域，上述外周区域规定为从上述截面的外缘至上述半径R的至少1/5R的区域。通过这样规定中央区域和外周区域，能够更好地抑制PM的堆积引起的压损的上升。
在一个优选方式中，在令从上述中央区域通过的排出气体的总量为100(体积)％时，设定为从上述中央区域的直流部通过的排出气体的量为10％以下。根据该结构，在过滤器的中央区域中，从壁流部通过的排出气体的量与从直流部通过的排出气体的量的比率具有很好的平衡性，因此能够更好地发挥上述效果。
在又一优选方式中，在令从上述外周区域通过的排出气体的总量为100(体积)％时，设定为从上述外周区域的直流部通过的排出气体的量为1％～15％。根据该结构，在过滤器的外周区域中，从壁流部通过的排出气体的量与从直流部通过的排出气体的量的比率具有很好的平衡性，因此能够不降低PM的捕集效率地抑制压损的上升。
在排气净化装置一个优选方式中，包含于上述外周区域的各贯通单元的截面积大致相同，且一致地比包含于上述中央区域的贯通单元的截面积大。在使用这样的排气净化装置时，能够简便地抑制压损的上升。
在排气净化装置一个优选方式中，上述过滤器形成有从上述截面的中心点向外缘去而截面积逐渐变大的贯通单元。在使用这样的排气净化装置时，在过滤器内，能够随着从截面的中心点向外缘去对从贯通单元(直流部)通过的排出气体的量更细致地进行设定。由此，能够更可靠地抑制压损的上升。
此外，根据本发明，提供优选用于上述排气净化装置的微粒过滤器。即，配置在内燃机的排气通道，捕集从该内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质的微粒过滤器。该微粒过滤器包括：壁流部，其包括仅排出气体流入侧的端部开口的入侧单元、与该入侧单元相邻且仅排出气体流出侧的端部开口的出侧单元和将上述入侧单元与上述出侧单元分隔的多孔的分隔壁；和直流部，其包括排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部这两者开口的、沿轴向贯通上述过滤器的贯通单元。使用该微粒过滤器，能够实现即使在壁流部网眼堵塞的情况下也能够防止燃料消费效率的劣化和发动机的故障等问题的更高性能的排气净化装置。
附图说明
图1是示意性地表示一个实施方式的排气净化装置的图。
图2是示意性地表示一个实施方式的过滤器的立体图。
图3是示意性地表示一个实施方式的过滤器的端面的主要部分的图。
图4是示意性地表示图3的IV-IV截面的图。
图5是表示PM堆积时间与压损的关系的图表。
图6是示意性地表示一个实施方式的排气净化装置的过滤器的立体图。
图7是示意性地表示一个实施方式的过滤器的端面的一部分的图。
图8是示意性地表示一个实施方式的过滤器的端面的一部分的图。
图9是表示PM堆积时间与压损的关系的图表。
图10是示意性地表示一个实施方式的过滤器的立体图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的优选实施方式。另外，本说明书中特别提及的事项以外的内容中本发明的实施所需的内容(例如关于微粒过滤器在汽车中的配置等的一般事项)，能够作为基于该领域中的现有技术的本领域技术人员的设计事项获得。本发明能够基于本说明书中公开的内容和该领域的技术常识来实施。
首先，参照图1对本发明的一个实施方式的排气净化装置的结构进行说明。此处公开的排气净化装置1设置在该内燃机的排气系统中。图1是示意性地表示内燃机2和设置在该内燃机2的排气系统中的排气净化装置1的图。
向本实施方式的内燃机(发动机)供给含有氧和燃料气体的混合气体。内燃机使该混合气体燃烧，将燃烧能量转化为力学能量。此时燃烧后的混合气体成为排出气体向排气系统排出。图1所示的结构的内燃机2以汽车的汽油发动机为主体构成，但也能够使用汽油发动机以外的发动机(例如柴油发动机)。
对上述发动机2的排气系统进行说明。在使上述发动机2与排气系统连通的排气口(未图示)连接有排气歧管3。排气歧管3与排出气体所流通的排气管4连接。通过排气歧管3和排气管4形成本实施方式的排气通道。
此处公开的排气净化装置1设置在上述发动机2的排气系统中。该排气净化装置1包括催化剂部5、过滤器部6和ECU7，净化上述排出的排出气体中所含的有害成分(例如一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)、氮氧化物(NOx))，并且捕集排出气体中所含的颗粒状物质(PM)。
ECU7是进行发动机2与排气净化装置1之间的控制的机构，与一般的控制装置一样，作为构成部件包括数字计算机和其它电子设备。典型的是在ECU7设置有输入端口，与设置在发动机2和排气净化装置1的各部位的传感器(例如压力传感器8)电连接。由此，由各传感器检测到的信息经输入端口作为电信号传递至ECU7。此外，在ECU7还设置有输出端口。ECU7通过该输出端口与发动机2和排气净化装置1的各部位连接，通过发送控制信号来控制各部件的工作。
催化剂部5作为能够净化排出气体中所含的三效成分((threewayCatalyst)三效催化剂的对应成分)(NOx、HC、CO)的部件构成，设置在与上述发动机2连通的排气管4。具体而言，如图1所示那样设置在排气管4的下游侧。催化剂部5的种类没有特别限定。催化剂部5例如也可以是担载有铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rd)等贵金属的催化剂。另外，还可以进一步在过滤器部6的下游侧的排气管4配置下游侧催化剂部。该催化剂部5的具体结构并不赋予本发明以特征，因此此处省略详细的说明。
过滤器部6设置在催化剂部5的下游侧。过滤器部6包括能够将排出气体中所含的颗粒状物质(以下仅称为“PM”)捕集除去的汽油微粒过滤器(GPF)。以下，对本实施方式的微粒过滤器进行详细说明。
图2是微粒过滤器100的立体图。如图2所示，微粒过滤器100包括过滤器基材10和设置在该过滤器基材10的内部的、规则地排列的单元(cell)22、24。作为构成此处公开的微粒过滤器的上述过滤器基材10，能够使用现有的该种用途中使用的各种原料和形态的基材。例如，能够优选采用由堇青石、碳化硅(SiC)等陶瓷或合金(不锈钢等)形成的、具有蜂窝结构的蜂窝基材。作为一个例子能够列举外形为圆筒形(本实施方式)的蜂窝基材。不过，关于基材整体的外形，也可以代替圆筒形而采用椭圆筒形、多角筒形。
图3是将微粒过滤器100的排出气体流入侧的端面的一部分放大后的示意图，图4是图3的IV-IV截面图。如图3所示，微粒过滤器100具有壁流部20和直流部30。
＜壁流部＞
如图3和图4所示，壁流部20是在过滤器基材10的两个端面中相邻的单元22、24的彼此的相反侧的端面被封堵而形成的部位，具有入侧单元22、出侧单元24和分隔壁26。在本实施方式中，多个入侧单元22和多个出侧单元24交替地配置成栅格状。
入侧单元22仅排出气体流入侧的端部开口，出侧单元24与入侧单元22相邻、仅排出气体流出侧的端部开口。在本实施方式中，入侧单元22的排出气体流出侧的端部被密封部22a封堵，出侧单元24的排出气体流入侧的端部被密封部24a封堵。入侧单元22和出侧单元24可以考虑供给至过滤器100的排出气体的流量和成分而设定为适当的形状和大小。例如，入侧单元22和出侧单元24的形状可以为正方形、平行四边形、长方形、梯形等矩形、三角形和其它多角形(例如六角形、八角形)、圆形等各种几何形状。在本实施方式中，入侧单元22和出侧单元24是与过滤器基材10的轴向正交的截面为八角形的八角单元。此外，在上述截面中，入侧单元22和出侧单元24分别由相同大小(截面积)的单元形成。
在相邻的入侧单元22与出侧单元24之间形成有分隔壁26。通过该分隔壁26分隔入侧单元22和出侧单元24。分隔壁26为排出气体能够通过的多孔结构。作为分隔壁26的气孔率，没有特别限定，不过大致适合为50％～70％，优选为55％～65％。如果分隔壁26的气孔率过小，则存在PM穿过的情况，另一方面，如果分隔壁26的气孔率过大，则存在过滤器100的机械强度降低的趋势，因此不优选。作为分隔壁26的厚度，没有特别限定，不过可以大致为200μm～800μm左右。当处于这样的分隔壁的厚度范围内时，能够不损害PM的捕集效率地获得抑制压损上升的效果。
＜直流部＞
如图3所示，直流部30是在过滤器基材10的两个端面中贯通单元32没有被封堵的部位，包括贯通单元32。在本实施方式中，多个贯通单元32配置在沿着入侧单元22和出侧单元24所形成的栅格的对角线方向的一个入侧单元22和与其相邻的一个入侧单元22之间以及一个出侧单元24和与其相邻的一个出侧单元24之间。
贯通单元32沿轴向贯通过滤器100。换言之，贯通单元32与上述的入侧单元22和出侧单元24不同，排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部双方均开口。贯通单元32可以考虑供给至过滤器100的排出气体的流量和成分而设定为适当的形状和大小。例如，贯通单元32的形状可以为正方形、平行四边形、长方形、梯形等矩形、三角形和其它多角形(例如六角形、八角形)、圆形等各种几何形状。贯通单元32既可以为与入侧单元22和出侧单元24相同的形状也可以为不同的形状。在本实施方式中，贯通单元32是与过滤器100的轴向正交的截面为四角形的四角单元。此外，在本实施方式中，在上述截面中，以贯通单元32的四角形的一个边与入侧单元22和出侧单元24的八角形的一个边平行且相对的方式配置。
此外，在本实施方式中，在上述截面中，贯通单元32以与入侧单元22和出侧单元24相比截面积较小的单元形成。例如，入侧单元22和出侧单元24的与过滤器的轴向正交的截面的面积S1和贯通单元32的与过滤器的轴向正交的截面的面积S2之比(S2/S1)适合为大致1/10以下，优选为3/100以下，特别优选为1/50以下。作为此处公开的贯通单元32、入侧单元22和出侧单元24，优选上述面积比(S2/S1)满足1/300≤(S2/S1)≤1/10，更优选满足1/200≤(S2/S1)≤3/100，特别优选满足1/100≤(S2/S1)≤1/50。在本实施方式中，入侧单元22和出侧单元24的截面积S1均为3.2mm2左右。另一方面，贯通单元32的截面积S2为0.05mm2左右。这样，在本实施方式中，与入侧单元22和出侧单元24相比，使贯通单元32的截面积一致地较小。另外，如后所述，贯通单元32、入侧单元22和出侧单元24也可以在其内壁表面进一步设置有催化剂涂层(未图示)。在各单元具有催化剂涂层的情况下，在与涂敷了规定量的状态下的催化剂涂层的合计计算中，满足上述面积比(S2/S1)即可。
在制造上述的过滤器100时，例如调制以堇青石、碳化硅(SiC)等陶瓷粉末为主要成分的浆料，并将该浆料通过挤出成形等进行成形而烧制即可。此时可以利用密封部22a封堵入侧单元22的排出气体流出侧的端部，利用密封部24a封堵出侧单元24的排出气体流入侧的端部。多孔的分隔壁26通过在上述浆料中混合碳粉末、淀粉、树脂粉末等可燃物粉末并使该可燃物粉末焚尽而进行成形即可。此时，能够通过改变可燃物粉末的粒径/添加量来任意地控制分隔壁26的气孔率。
如图4所示，该排气净化装置中，排出气体从设置在过滤器100的壁流部20的入侧单元22流入。从入侧单元22流入的排出气体通过多孔的分隔壁26到达出侧单元24。在图4中，以箭头表示从入侧单元22流入的排出气体通过分隔壁26到达出侧单元24的路径。此时，因为分隔壁26具有多孔结构，所以在排出气体从该分隔壁26通过的期间，PM被捕集在分隔壁26表面和分隔壁26内部的细孔内。通过分隔壁26而到达出侧单元24的排出气体从排出气体流出侧的开口向过滤器的外部排出。
该排气净化装置从设置在过滤器100的壁流部20的入侧单元22连续地流入排出气体。如上述那样，当在壁流部20的分隔壁26进行PM的捕集时，PM堆积在分隔壁26表面和分隔壁26内部的细孔内。于是，当PM堆积在壁流部20时，壁流部20的排气阻力上升，因此从壁流部20通过的排出气体的量减少，从壁流部20溢出的排出气体流入直流部30。这样，在该排气净化装置中，当PM在壁流部20处堆积时，从壁流部20通过的排出气体的量减少，排出气体优先流向直流部30。
在这种情况下，虽然在堆积了PM的壁流部20压损变大，但是在没有被封堵的直流部30压损被抑制得较小。因此，作为过滤器100整体，能够将压损的上升抑制得较小。此外，即使在壁流部20完全被堵塞的情况下，在直流部30也能够流动排出气体，因此能够将压损的最大值减小。由此，能够防止燃料消费效率的劣化和发动机的故障等问题。因而，能够提供更高性能的排气净化装置。
在这种情况下，例如在平均流速为3～20m3/min的条件下，在令从过滤器100通过的排出气体的总量为100(体积)％时，优选以使得从直流部30通过的排出气体的量为0.1％～10％(进一步优选成为2％～5％，特别优选成为3±1％)的方式设定。当处于这样的排出气体的流量比的范围内时，从直流部30通过的排出气体的量与从壁流部20通过的排出气体的量的比率具有很好的平衡性，因此能够恰当地发挥通过设置直流部30而实现的过滤器性能提高的效果(例如，抑制PM的堆积引起的压损上升的效果)，并且在壁流部20能够捕集适量的PM。因而能够可靠地发挥更良好的过滤器性能。
此外，在本排气净化装置1中，壁流部20的多个入侧单元22和多个出侧单元24交替地配置成栅格状。而且，贯通单元32配置在沿着上述栅格的对角线方向的一个入侧单元22和与其相邻的一个入侧单元22之间以及一个出侧单元24和与其相邻的一个出侧单元24之间。通过采用这样的结构，从壁流部20溢出的排出气体迅速地流入贯通单元32，因此能够更有效地抑制压损的上升。
另外，壁流部20和直流部30也可以进一步包括催化剂涂层(未图示)。例如，壁流部20能够在分隔壁26表面和/或分隔壁26内部的细孔设置有催化剂涂层。直流部30能够进一步包括在贯通单元32的内壁表面形成的催化剂涂层。在这种情况下，催化剂涂层可以包含多孔的担体和担载在该担体的贵金属催化剂。根据这样的结构，能够将从壁流部20和直流部30通过的排出气体中的有害成分(例如，一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)、NOx等)适当地净化。
在上述催化剂涂层中使用的担体能够包括选自碱金属元素(典型的是碱金属氧化物)、碱土类金属元素(典型的是碱土金属氧化物)，稀土类元素(典型的是稀土类氧化物)、Zr(典型的是氧化锆)、Si(典型的是二氧化硅)、Ti(典型的是二氧化钛)和Al(典型的是氧化铝)等的1种或2种以上的元素(典型的是氧化物)。通过使用含有这些成分的担体，能够实现机械强度的增加、耐久性(热稳定性)的提高、催化剂的烧结抑制和催化剂的中毒防止中的至少一项(优选为全部)。作为碱土类金属元素，能够例示镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)等。作为稀土类金属元素，能够例示镧(La)、钪(Sc)、钇(Y)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、镱(Yb)等。例如，能够优选使用氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)等氧化物的一种或二种以上。
在上述催化剂涂层中使用的贵金属催化剂能够含有选自铂族金属元素中的1种或2种以上的元素。通过使用含有这些成分的贵金属催化剂，能够更可靠地净化从壁流部20和直流部30通过的排出气体中的有害成分(例如一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)、NOx等)。优选一起使用钯(Pd)或铂(Pt)和铑(Rh)。通过一起使用Pd或Pt和Rh，能够一次性有效地将排出气体中的有害成分净化。贵金属催化剂的担载量没有特别限定，不过优选过滤器的每体积1L为0.5g～20g左右(优选为1g～10g)。如果贵金属催化剂的担载量过少，则存在不能获得充分的催化剂活性的情况，如果贵金属催化剂的担载量过多，则通过担载贵金属催化剂获得的效果降低而且成为成本上升的主要原因，因此不优选。
催化剂涂层的成形量没有特别限制，例如优选过滤器的每体积1L为5g～500g左右(优选为10g～200g)。在过滤器的每体积1L的催化剂涂层的量过少的情况下，存在作为催化剂涂层的功能弱而导致担载的贵金属催化剂的颗粒生长的问题。此外，如果催化剂涂层的量过多，则存在排出气体在壁流部20和直流部30通过时的压损上升的问题。
作为在过滤器担载催化剂涂层的方法，例如可以将过滤器基材10浸渍于分散有催化剂成分的浆料中。在使过滤器基材10浸于浆料后，进行干燥和烧制，将催化剂成分固定担载于分隔壁26和贯通单元32的内壁。
此外，催化剂涂层也可以形成为叠层结构，该叠层结构具有将靠近过滤器基材10的表面的一方作为下层、将相对远的一方作为上层的上下层。此时，例如可以分离地将Pd或Pt担载在一个层、将Rh担载在另一个层。由此，能够获得抑制Rh与Pd或Pt合金化而导致的催化剂活性降低的效果。也可以为在两个层之外还具有其它层的三层以上的叠层结构。
本发明的发明人们对于该排气净化装置1，准备设置有图3所示的直流部30的过滤器(实施例1)和没有设置直流部30的过滤器(比较例1)，分别在相同的条件下流动排出气体，测定出PM堆积时间(Hr)和压损(kPa)。具体而言，将各例的排气净化装置安装在汽油发动机的排气系统中，进行额定运转，使排出气体流通。在过滤器的前后安装有压力传感器。使PM堆积于过滤器并测定压损。此处以两个压力传感器的测定值的差作为压损。在图5表示结果。如图5所示，使用设置有直流部30的过滤器的排气净化装置(实施例1)与使用未设置直流部30的过滤器的排气净化装置(比较例1)相比，PM堆积后的压损低。根据该结果能够确认，通过在过滤器100设置直流部30，PM堆积后的压损的上升能够得到抑制。
以上，对本发明的一个实施方式的排气净化装置1进行了说明，不过本发明的排气净化装置并不限定于上述实施方式。
例如，在上述的实施方式中，在过滤器的与轴向正交的截面中，设置于直流部30的贯通单元32的截面积一致而相同。设置在直流部30的贯通单元32的截面积并不限定于该方式。例如，如图6所示的过滤器200那样，包含于过滤器200的外周区域B的贯通单元的截面积也可以比包含于中央区域A的贯通单元的截面积大。
例如，在图6所示的例子中，过滤器200的与轴向正交的截面为大致圆形。在这种情况下，在令过滤器200的该截面的半径为R时，例如，中央区域A可以规定为从过滤器200的截面的中心点C至半径R的至少1/2R(优选为2/3R，例如3/4R，至多4/5R)的区域。此外，外周区域B可以规定为从过滤器200的截面的外缘D至半径R的至少1/5R(优选为1/4R，例如1/3R，至多1/2R)的区域。在本实施方式中，中央区域A规定为从过滤器200的截面的中心点C至半径R的4/5R的区域。此外，外周区域B规定为从过滤器200的截面的外缘D至半径R的1/5R的区域。
图7表示中央区域A的排出气体流入侧的端面的一部分。图8表示外周区域B的排出气体流入侧的端面的一部分。如图7所示，包含于中央区域A的多个贯通单元32A分别由截面积相同的四角单元形成。此外，如图8所示，包含于外周区域B的多个贯通单元32B分别由截面积相同的四角单元形成。
如图7和图8所示，包含于外周区域B的贯通单元32B比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积大。例如，包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3与包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4之比(S3/S4)适合为2/3以下，优选为1/2以下，特别优选为1/3以下。作为此处公开的贯通单元32A、32B，上述面积比(S3/S4)优选满足1/10≤(S3/S4)≤2/3，进一步优选满足1/5≤(S3/S4)≤1/2，特别优选满足1/4≤(S3/S4)≤1/3。此外，包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4优选比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3大0.01mm2以上，进一步优选大0.03mm2以上。此处公开的技术例如能够以包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3大0.05mm2mm2以上的方式优选实施。在该实施方式中，包含于中央区域A的多个贯通单元32A的截面积S3均为0.25mm2左右。另一方面，包含于外周区域B的多个贯通单元32B的截面积S4均为0.30mm2左右。这样，在该实施方式中，与包含于中央区域A的贯通单元32A相比，令包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积一致地较大。另外，如上所述，贯通单元32A、32B还可以在其内壁表面进一步设置有催化剂涂层。在各单元具有催化剂涂层的情况下，在与涂敷规定量的状态下的催化剂涂层的合计计算中，满足上述面积比(S3/S4)即可。
在本实施方式中，如图7和图8所示，包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积比包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积小。例如，包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5与包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6之比(S5/S6)适合为大致20/19以上，优选为15/14以上，特别优选为10/9以上(例如32/27以上)。作为此处公开的入侧单元22A、22B和出侧单元24A、24B，上述面积比(S5/S6)优选满足20/19≤(S5/S6)≤2，进一步优选满足15/14≤(S5/S6)≤3/2，特别优选满足10/9≤(S1/S2)≤4/3。此外，包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5优选比包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6大0.1mm2以上，进一步优选大0.3mm2以上。此处公开的技术例如能够以包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5比包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6大0.5mm2以上的方式优选实施。在本实施方式中，包含于中央区域A的多个入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5均为3.2mm2左右。另一方面，包含于外周区域B的多个入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6均为2.7mm2左右。
在此处公开的一个优选方式中，在中央区域A，入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5与贯通单元32A的截面积S3之比(S5/S3)适合为大致6以上，优选为10以上，特别优选为12以上。作为包含于中央区域A的入侧单元22A、出侧单元24A和贯通单元32A，上述面积比(S5/S3)优选满足6≤(S5/S3)≤20，进一步优选满足10≤(S5/S3)≤18，特别优选满足12≤(S5/S3)≤15。此外，包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5优选比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3大2mm2以上，进一步优选大2.5mm2以上。此处公开的技术例如能够以包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3大2.9mm2以上的方式优选实施。
在此处公开的一个优选方式中，在外周区域B，入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6与贯通单元32B的截面积S4之比(S6/S4)适合为大致5以上，优选为6以上，特别优选为9以上。作为包含于外周区域B的入侧单元22B、出侧单元24B和贯通单元32B，上述面积比(S6/S4)优选满足5≤(S1/S3)≤20，进一步优选满足6≤(S6/S4)≤15，特别优选满足9≤(S6/S4)≤12。此外，包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6优选比包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4大1.5mm2以上，进一步优选大2mm2以上。此处公开的技术例如能够以包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6比包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4大2.4mm2以上的方式优选实施。
此处，在发动机的高负载运行区域(例如在2.0L发动机中，吸入空气量为20g/sec以上时)，排出气体的流量多，因此存在排出气体在整个过滤器200流动的趋势。另一方面，在发动机的低负载运行区域(例如在2.0L发动机中，吸入空气量不到20g/sec时)，排出气体的流量少，因此存在排出气体集中在过滤器200的中央区域A的趋势。在本实施方式中，包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积大。因此，在过滤器200的外周区域B中，与中央区域A相比，排出气体容易在贯通单元32B(直流部30B)流动。在使用该过滤器200时，在发动机的高负载运行区域，在外周区域B的直流部30B流动的排出气体的流量变多。因此，特别在发动机的高负载运行区域中，能够有效地抑制压损的上升。
在这种情况下，例如在平均流速为15～30m3/min的条件下，在令从中央区域A通过的排出气体的总量为100(体积)％时，优选以使得从中央区域A的直流部30A通过的排出气体的量为10％以下(进一步优选为2％～5％，特别优选为3±1％)的方式设定。换言之，优选以在PM堆积之前的状态中，在中央区域A流动的排出气体的总量的90％以上(进一步优选为95％～98％，特别优选为97±1％)在壁流部20A流动的方式设定。当处于这样的排出气体的流量比的范围内时，能够以更高的水平发挥上述效果。
此外，例如在平均流速为15～30m3/min的条件下，在令从外周区域B通过的排出气体的总量为100％时，优选以使得从外周区域B的直流部30B通过的排出气体的量为1％～15％(进一步优选为3％～10％，特别优选为5±1％)的方式设定。换言之，优选以在PM堆积之前的状态中，在外周区域B流动的排出气体的总量的85％～99％(进一步优选为90％～97％，特别优选为95±1％)在壁流部20B流动的方式设定。当处于这样的排出气体的流量比的范围内时，能够不使PM的捕集效率降低地抑制压损的上升。
在图7和图8所示的实施方式中，包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5为3.2mm2。包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5并不限定于此。例如，包含于中央区域A的入侧单元22A和出侧单元24A的截面积S5能够设定为大致9mm2以下(例如3mm2以上9mm2以下)。
此外，在上述的实施方式中，包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6为2.7mm2。包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6并不限定于此。例如，包含于外周区域B的入侧单元22B和出侧单元24B的截面积S6能够设定为大致8.6mm2以下(例如2.8mm2以上8.6mm2以下)。
此外，在上述的实施方式中，包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3为0.25mm2。包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3并不限定于此。例如，包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3能够设定为大致1.5mm2以下(例如0.1mm2以上1.5mm2以下)。
此外，在上述的实施方式中，包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4为0.3mm2。包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积S3大即可，并不限定于此。例如，包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积S4能够设定为大致1.8mm2以下(例如0.11mm2以上1.8mm2以下)。
当处于这样的各单元22A、24A、22B、24B、32A、32B的截面积S3～S6的范围内时，能够更好地发挥上述效果。
本发明的发明人们对于该排气净化装置，准备如图6～图8所示与中央区域A的贯通单元32A相比使外周区域B的贯通单元32B的截面积较大的过滤器(实施例2)和使两个区域的贯通单元32A、32B为相同大小的过滤器(实施例3)，在相同条件下分别流动排出气体，测定出PM堆积时间(Hr)和压损(kPa)。具体而言，将各例的排气净化装置安装在汽油发动机的排气系统中，进行额定运转，使排出气体流通。在过滤器的前后安装有压力传感器。使PM堆积于过滤器并测定压损。此处以两个压力传感器的测定值之差作为压损。结果在图9表示。如图9所示，使用与中央区域A的贯通单元32A相比使外周区域B的贯通单元32B的截面积较大的过滤器的排气净化装置(实施例2)，相比于使用两个区域的贯通单元32A、32B为相同大小的过滤器的排气净化装置(实施例3)，PM堆积后的压损进一步变低。根据该结果能够确认，通过使外周区域B的贯通单元32B的截面积比中央区域A的贯通单元32A大，PM堆积后的压损的上升能够被更好地抑制。
另外，在图6、图7和图8所示的例子中，包含于外周区域B的贯通单元32B的截面积一致地比包含于中央区域A的贯通单元32A的截面积大。形成于过滤器的贯通单元32A、32B的截面积并不限定于该方式。例如，也可以如图10所示的过滤器300那样，形成从截面的中心点C向外缘D去而截面积逐渐(阶段性地)变大的贯通单元。
在图10所示的例子中，中央区域A规定为从过滤器300的截面的中心点C至半径R的1/2R的区域。此外，外周区域B规定为从过滤器300的截面的外缘D至半径R的1/5R的区域。而且，除外周区域B和中央区域A以外的区域规定为中间区域E。在这种情况下，也可以在中央区域A形成截面积最小的贯通单元。此外，也可以在中间区域E形成与在中央区域A形成的贯通单元相比截面积较大的贯通单元。进一步，也可以在外周区域B形成截面积最大的贯通单元。这样，在图10所示的过滤器300中形成从截面的中心点C向外缘D去截面积阶段性地变大的贯通单元。
在使用该过滤器300时，在过滤器300内，能够随着从过滤器300的截面的中心点C向外缘D去、将从贯通单元(直流部)通过的排出气体的量更细致地设定。由此，能够更可靠地抑制压损的上升。此外，此时也能够通过恰当地设定中央区域A、中间区域E和外周区域B的贯通单元的截面积的大小，不损害PM的捕集效率地抑制压损的上升。
另外，在图10所示的过滤器300中，从过滤器300的截面的中心点C向外缘D去、将贯通单元分为3阶段的截面积尺寸，不过并不限定于该方式。例如，在从过滤器的截面的中心点C至外缘D形成有多列贯通单元时，也可以使多列贯通单元从截面的中心点C向外缘D去按列使截面积逐渐变大。
此外，作为其它方式，也可以省略过滤器的中央区域A和中间区域E的贯通单元(直流部)。即，能够仅在过滤器的外周区域B设置不被封堵的贯通单元(直流部)。在这种情况下，也能够通过恰当地设定外周区域B的贯通单元的截面积的大小，不损害PM的捕集效率地抑制压损的上升。
以上，对排气净化装置1特别是微粒过滤器例示了各种改变例，排气净化装置1和微粒过滤器的结构并不限定于上述的任一实施方式。此外，对排气净化装置1的各部件、部位的形状和构造也可以进行变更。该排气净化装置1例如特别优选用作捕集汽油发动机等排气温度较高的排出气体中所含的PM的装置。不过，本发明的排气净化装置1并不限定于捕集汽油发动机的排出气体中的PM的用途，能够用于捕集从其它发动机(例如柴油发动机)排出的排出气体中的PM的各种用途。
工业上的可利用性
根据本发明，能够提供能够抑制过滤器的压损的上升的排气净化装置。

Claims (11)

1.一种排气净化装置，其设置有配置在内燃机的排气通道的、捕集从该内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质的微粒过滤器，该排气净化装置的特征在于：
所述微粒过滤器包括：
壁流部，其包括仅排出气体流入侧的端部开口的入侧单元、与该入侧单元相邻且仅排出气体流出侧的端部开口的出侧单元和将所述入侧单元与所述出侧单元分隔的多孔的分隔壁；和
直流部，其包括排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部这两者开口的、沿轴向贯通所述过滤器的贯通单元，
在所述过滤器的与轴向正交的截面中，包含于该截面的外周区域的贯通单元的截面积比包含于该截面的中央区域的贯通单元的截面积大。
2.如权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于：
在令从所述过滤器通过的排出气体的总量为100％时，
设定为从所述直流部通过的排出气体的量为0.1％～10％。
3.如权利要求1或2所述的排气净化装置，其特征在于：
所述壁流部的多个所述入侧单元和多个所述出侧单元交替地配置成栅格状，
所述贯通单元配置在沿着所述栅格的对角线方向的一个入侧单元和与其相邻的一个入侧单元之间以及一个出侧单元和与其相邻的一个出侧单元之间。
4.如权利要求1～3中任一项所述的排气净化装置，其特征在于：
所述贯通单元的与所述过滤器的轴向正交的截面为四角形，
所述入侧单元和所述出侧单元的与所述过滤器的轴向正交的截面为八角形。
5.如权利要求1～4所述的排气净化装置，其特征在于：
所述过滤器的与轴向正交的截面为大致圆形，在令该截面的半径为R时，
所述中央区域规定为从所述截面的中心点至所述半径R的至少1/2R的区域，
所述外周区域规定为从所述截面的外缘至所述半径R的至少1/5R的区域。
6.如权利要求1～5所述的排气净化装置，其特征在于：
在令从所述中央区域通过的排出气体的总量为100％时，
设定为从所述中央区域的直流部通过的排出气体的量为10％以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的排气净化装置，其特征在于：
在令从所述外周区域通过的排出气体的总量为100％时，
设定为从所述外周区域的直流部通过的排出气体的量为1％～15％。
8.如权利要求1～7中任一项所述的排气净化装置，其特征在于：
包含于所述外周区域的各贯通单元的截面积大致相同，且一致地比包含于所述中央区域的贯通单元的截面积大。
9.如权利要求1～8中任一项所述的排气净化装置，其特征在于：
所述过滤器形成有从所述截面的中心点向外缘去而截面积逐渐变大的贯通单元。
10.如权利要求1～9中任一项所述的排气净化装置，其特征在于：
所述内燃机是汽油发动机。
11.一种微粒过滤器，其配置在内燃机的排气通道，捕集从该内燃机排出的排出气体中的颗粒状物质，该微粒过滤器的特征在于，包括：
壁流部，其包括仅排出气体流入侧的端部开口的入侧单元、与该入侧单元相邻且仅排出气体流出侧的端部开口的出侧单元和将所述入侧单元与所述出侧单元分隔的多孔的分隔壁；和
直流部，其包括排出气体流入侧的端部和排出气体流出侧的端部这两者开口的、沿轴向贯通所述过滤器的贯通单元，
在所述过滤器的与轴向正交的截面中，包含于该截面的外周区域的贯通单元的截面积比包含于该截面的中央区域的贯通单元的截面积大。
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