DE102010008969A1

DE102010008969A1 - Partikelfilter mit Katalysator

Info

Publication number: DE102010008969A1
Application number: DE102010008969A
Authority: DE
Inventors: Hidemitsu Hayashi; Makoto Kariya Saitoh
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2010-09-02
Also published as: JP2010194430A

Abstract

Ein Partikelfilter, der eine Filterwand umfasst, durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst, die jeweils Poren aufweisen. Die Katalysatorschicht enthält ferner einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis, der die Oxidationstemperatur eines partikelförmigen Materials senkt, bei dem es sich um Abgaspartikel handelt. Die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht ist größer eingestellt als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht und in der Katalysatorschicht ist der Volumenprozentsatz von Poren mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 µm, bezogen auf das Volumen aller Poren in der Katalysatorschicht, auf größer als oder gleich 25% eingestellt. Mit einer solchen Konfiguration können ein hohes Ausmaß des Kontakts zwischen den Partikeln und dem Katalysator, eine hohe Filtrationsrate der Partikel, ein niedriger Druckverlust und eine hohe Beständigkeit gegen Asche gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisiert werden.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter mit einem Katalysator, der eine Filterwand aufweist, durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst.
Stand der Technik
Ein Abgas, das von einer Brennkraftmaschine, wie z. B. einem Dieselmotor, ausgestoßen wird, enthält Partikel, bei denen es sich um feine Partikel eines Abgases handelt, die Kohlenstoff-enthaltenden Ruß oder dergleichen als Hauptbestandteil sowie Verbrennungsrückstände, wie z. B. Aschen, enthalten. Aufgrund dessen wird im Stand der Technik z. B. in einer Abgasvorrichtung eines Dieselmotors oder dergleichen eine Anordnung in Betracht gezogen, in der ein Dieselpartikelfilter oder DPF zur Entfernung der Partikel und der Verbrennungsrückstände bereitgestellt ist. Darüber hinaus wird auch ein DPF mit einem Katalysator in Betracht gezogen, der innerhalb des DPF einen Katalysator zum Oxidieren der Partikel aufweist.
Beispielsweise beschreibt JP Hei 8-332329 A einen Filter zum Reinigen eines Abgases, der zum Einfangen von Dieselpartikeln verwendet wird, wobei der Filter ein Basiselement, das als Wabenstruktur mit vielen Fluidpfaden und vielen Poren ausgebildet ist, und Beschichtungsschichten umfasst, die auf oberen und/oder unteren Oberflächen des Basiselements bereitgestellt sind. In dieser Veröffentlichung ist beschrieben, dass die Beschichtungsschicht ein Verbindungsloch aufweist, das von der Oberfläche der Beschichtungsschicht zur Oberfläche des Basiselements reicht. Es ist auch beschrieben, dass die durchschnittliche Porengröße des Verbindungslochs 10 μm bis 60 μm beträgt und dass die Porosität der Beschichtungsschicht 30% bis 80% beträgt. Es ist ferner beschrieben, dass die Beschichtungsschicht aktives Aluminiumoxid, auf dem ein Katalysator geträgert ist, auf einer Oberfläche der Beschichtungsschicht und der Wandoberfläche des Verbindungslochs umfasst.
JP 2002-519186 A beschreibt eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Ruß-enthaltenden Rauchabgases, bei der eine poröse Filterwand integriert gebunden ist, wobei die Filterwand eine Gaseinlassoberfläche und eine Gasauslassoberfläche aufweist, ein katalytisch aktives Material, das die Oxidation des Rußes katalysiert, auf mindestens einem Teil derjenigen Oberflächenabschnitte von Metall- und/oder Keramikteilchen, die zu Hohlräumen hin freiliegen, abgeschieden ist, wobei jede Filterwand auf der Auslassoberfläche eine Membran mit einer Dicke in einem Bereich von 50 μm bis 400 μm aufweist, die durchschnittliche Porengröße der Membran 1 μm bis 50 μm beträgt, die Porosität der Filterwand 30% bis 90% beträgt und das Material des Filterelements der porösen Filterwand eine durchschnittliche Porengröße in einem Bereich von 10 μm bis 200 mm aufweist.
Die internationale Veröffentlichung Nr. 02/096827 beschreibt eine poröse Keramiksinterstruktur mit einem Verbindungsloch, wobei das Verbindungsloch kleine Poren mit einer geringeren Porengröße als die durchschnittliche Teilchengröße der Keramikteilchen, welche die Sinterstruktur bilden, und große Poren umfasst, die eine größere Porengröße als die Porengröße der kleinen Poren aufweisen, der Prozentsatz der großen Poren in der Sinterstruktur 5% bis 15%, bezogen auf das Volumen, beträgt, die durchschnittliche Porengröße der großen Poren 30 μm bis 80 μm beträgt und die durchschnittliche Porengröße der kleinen Poren 5 μm bis 40 μm beträgt, sowie einen DPF, bei dem ein Katalysator auf einer Oberfläche eines Keramiksubstrats geträgert ist, das eine Keramiksinterstruktur umfasst.
JP 2005-21818 A beschreibt einen Abgaskatalysator, der ein Substrat und eine auf dem Substrat gebildete Katalysatorschicht umfasst, wobei die Katalysatorschicht einen Hohlraum in der Schicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht ein feines partikelförmiges Material einfangen kann, und davon ausgegangen wird, dass eine Verbrennungsreaktion zwischen einem eingefangenen feinen Partikelmaterial und Sauerstoff und/oder Stickstoffdioxid in dem Abgas stattfindet. Es ist beschrieben, dass die durchschnittliche Porosität in der Katalysatorschicht 5% bis 70% beträgt, die durchschnittliche Porengröße der Poren in der Katalysatorschicht 0,2 μm bis 30 μm beträgt, die Porosität des Substrats 30% bis 80% beträgt und die durchschnittliche Porengröße des Substrats 3 μm bis 40 μm beträgt.
JP 2003-56327 A beschreibt einen Filter des selbstregenerierenden Typs zum Einfangen von Abgaspartikeln, bei dem von einer Mehrzahl von Zellenräumen, die durch eine poröse Gitterwand getrennt sind, in einem Zellenraum auf der Abgaseinströmseite, bei dem die Einlassseite geöffnet ist und die Auslassseite durch ein Abdichtmittel abgedichtet ist, ein Partikelmaterial bereitgestellt ist, auf dem ein Katalysator geträgert ist.
JP 2007-244950 A beschreibt einen Katalysator des Partikelfiltertyps zum Reinigen eines Abgases (Abgasreinigungskatalysator), der ein Rahmenelement mit einer Zelle und anorga nische Fasern, auf denen ein Katalysatorbestandteil geträgert ist, aufweist, wobei die anorganischen Fasern in einer Zelle mit einem offenen Ende auf einer Stromaufwärtsseite bezogen auf die Gasströmungsrichtung des Rahmenelements bereitgestellt sind. Darüber hinaus liegen als Dokumente des Standes der Technik in dem Gebiet der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A , der internationalen Veröffentlichung Nr. 02/096827 , JP 2005-21818 A , JP 2003-56327 A und JP 2007-244950 A , JP 2004-42021 A und Hidemitsu Hayashi und Shuichi Kubo, „Computer simulation study an filtration of soot particles in diesel particulate filter [Computersimulationsstudie bezüglich der Filtration von Russpartikeln in einem Dieselpartikelfilter]", Computers and Mathematics with Applications 55, Holland, ELSEVIER, 2008, Seiten 1450 bis 1460, vor.
Bezüglich der Katalysatoren, die für den DPF verwendet werden, ist es bekannt, dass zwei Typen von Katalysatoren zur Verfügung stehen, nämlich ein „Katalysator auf Edelmetallbasis, wie z. B. Platin”, der CO und Kohlenwasserstoffe in dem Abgas oxidiert und die Partikel mit der durch die Oxidation erzeugten Oxiationswärme verbrennt, und ein „Katalysator auf Oxidbasis, wie z. B. Ceroxid”, der die Oxidationstemperatur der Partikel senkt, so dass die Partikel durch eine Oxidation selbst bei Bedingungen einer relativ niedrigen Temperatur verbrannt werden. Wenn von diesen Katalysatoren der Katalysator auf Oxidbasis verwendet wird, ist es nicht erforderlich, die Temperatur des DPF übermäßig zu erhöhen, eine spezielle Struktur zum übermäßigen Erhöhen der Temperatur des DPF einzusetzen oder den Betrieb unter speziellen Betriebsbedingungen durchzuführen. Wenn beispielsweise der DPF mit Katalysator, der den Katalysator auf Edelmetallbasis aufweist, zum Entfernen der Partikel verwendet wird, muss die Temperatur des DPF übermäßig erhöht werden, und um dies zu erreichen, muss dem Abgas ein Kraftstoff zugeführt werden und die Temperatur des DPF kann durch eine Oxidation des Kraftstoffs erhöht werden. Wenn als DPF mit Katalysator andererseits der Katalysator auf Oxidbasis verwendet wird, ist es nicht erforderlich, dem Abgas einen Kraftstoff zuzuführen, oder selbst wenn der Kraftstoff zugeführt wird, kann die eingesetzte Menge ausreichend vermindert werden.
Wenn für den DPF ein solcher Katalysator auf Oxidbasis verwendet wird, sind die folgenden vier Bedingungen (1) bis (4) als wichtige Bedingungen für den DPF mit Katalysator erforderlich:

(1) Dass der Grad des Kontakts zwischen den Partikeln und dem Katalysator hoch ist,
(2) dass die Filtrationseffizienz der Partikel hoch ist,
(3) dass der Druckverlust in einem Zustand, bei dem die Partikel gesammelt werden, niedrig ist, und
(4) dass die Beständigkeit gegen Asche hoch ist.

Die Bedingung (1) wird zuerst beschrieben. Von den zwei Typen von Katalysatoren wird in dem Fall des Katalysators auf Edelmetallbasis, selbst wenn die Partikel an einem Oberflächenabschnitt des Hauptkörpers der Katalysatorschicht eingefangen werden, die den Katalysator des DPF im Inneren aufweist, und die Partikel und der Katalysator nicht direkt miteinander in Kontakt kommen, d. h., selbst wenn das Ausmaß des Kontakts gering ist, die Oxidationswärme von dem Katalysator durch den Hauptkörper der Katalysatorschicht auf die Partikel übertragen. Deshalb können die Partikel durch Oxidation entfernt werden. Andererseits kann in dem Fall des Katalysators auf Oxidbasis, wenn die Partikel an dem Oberflächenabschnitt des Hauptkörpers der Katalysatorschicht des DPF eingefangen werden und die Partikel und der Katalysator nicht direkt miteinander in Kontakt kommen, d. h. wenn das Ausmaß des Kontakts gering ist, die Oxidationstemperatur der Partikel nicht gesenkt werden und der Vorteil des effektiven Entfernens der Partikel durch Oxidation kann nicht erreicht werden. Daher ist es bei der Verwendung des Katalysators auf Oxidbasis erforderlich, dafür zu sorgen, dass die Partikel in ausreichendem Maß in das Innere des Hauptkörpers der Katalysatorschicht eintreten, und eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen den Partikeln und dem Katalysator sicherzustellen.
Bezüglich der Bedingung (2) muss der DPF in verschiedenen Ländern den Vorschriften bezüglich der Menge des Partikelausstoßes genügen. Insbesondere plant Europa die Anwendung von strengen Vorschriften bezüglich der Anzahl von Abgaspartikeln. Daher ist es bei dem DPF besonders erwünscht, dass die Filtrationseffizienz der Partikel hoch ist.
Bezüglich der Bedingung (3) kann die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs vermindert werden, wenn der Druckverlust in dem Zustand, bei dem die Partikel durch den DPF eingefangen werden, hoch ist. Insbesondere wurde in den letzten Jahren der Bedarf für eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz im Hinblick auf die Förderung einer Energieverbrauchsverminderung höher. Daher ist es bei dem DPF besonders erwünscht, dass der Druckverlust in dem Zustand, bei dem die Partikel eingefangen werden, gering ist.
Bezüglich der Bedingung (4) wird Asche durch den DPF eingefangen. Wenn die Asche in einer übermäßig konzentrierten Weise an einem Abschnitt des Hauptkörpers der Katalysatorschicht eingefangen wird, wie z. B. der Oberfläche der Gaseinströmseite, wird der Druckverlust erhöht, was zu einer Verminderung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs führen kann, das den DPF nutzt, oder eine Verminderung der Lebensdauer des DPF verursacht. Daher ist eine hohe Beständigkeit bezüglich Asche, d. h. die Eigenschaft, dass die Leistungsverminde rung des DPF selbst dann unterdrückt werden kann, wenn die Asche eingefangen wird, besonders erwünscht.
Mit dem Stand der Technik, der in den vorstehend genannten Veröffentlichungen beschrieben ist, nämlich JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A , der internationalen Veröffentlichung Nr. 02/096827 A , JP 2005-21818 A , JP 2003-56327 A und JP 2007-244950 A , können die vier Bedingungen, die vorstehend beschrieben worden sind, aus den folgenden Gründen nicht gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisiert werden. Erstens kann bezüglich der Bedingung (1) zur Realisierung eines hohen Kontaktgrads zwischen den Partikeln und dem Katalysator eine Anordnung in Betracht gezogen werden, bei der die Partikel in Poren abgeschieden werden, die mit dem Katalysator beschichtet sind. Bei der Technik, die in JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A , der internationalen Veröffentlichung Nr. 02/096827 und JP 2005-21818 A beschrieben ist, kann sich jedoch der größte Teil der Partikel auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Filterwand abscheiden und gasartige Aschebestandteile oder die Aschebestandteile, die an den Partikeln anhaftend in den Filter eintreten, können sich ansammeln und die Oberfläche der Filterwand bedecken. Aufgrund dessen wird nicht nur der Druckverlust des DPF erhöht, sondern auch das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Katalysator, der innerhalb des Filters vorliegt, und der Partikel kann nicht erhöht werden, und auch die Beständigkeit gegen Asche wird vermindert. Daher besteht die Möglichkeit, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen (1), (3) und (4) nicht realisiert werden können, und es ist eine Struktur erwünscht, die nicht bewirkt, dass die Partikel übermäßig auf der Oberfläche der Einströmseite der Filterwand abgeschieden werden, und die bewirkt, dass sich die Partikel in einer größeren Menge im Inneren der Poren der Filterwand abscheiden.
Andererseits kann bei den Techniken, die in JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A , der internationalen Veröffentlichung Nr. 02/096827 und JP 2005-21818 A offenbart sind, von einer anderen Anordnung ausgegangen werden, bei der die durchschnittliche Porengröße der Filterwand und die Porosität einfach erhöht werden, um die Abscheidung der Partikel in den Poren zu bewirken. In diesem Fall ist in dem DPF die Filtrationseffizienz der Partikel vermindert und folglich ist es wahrscheinlicher, dass die Anordnung die Vorschriften bezüglich der Anzahl der Abgaspartikel verletzt. Beispielsweise ist in der Technik, die in JP 2002-519186 A beschrieben ist, eine Membran am Auslass der Filterwand angeordnet, um die Verminderung der Filtrationseffizienz zu unterdrücken. Bei dieser Technik ist es jedoch schwierig, die mechanische Festigkeit sicherzustellen, die für den DPF erforderlich ist, während die Porosität erhöht wird. Wenn die mechanische Festigkeit, die für den DPF erforderlich ist, bei der in JP 2002-519186 A beschriebenen Technik sichergestellt werden soll, muss die Porosität ver mindert werden und in diesem Fall wird der Druckverlust aufgrund der Abscheidung der Partikel im Inneren der Filterwand erhöht.
Bei den Techniken, die in JP 2003-56327 A und JP 2007-244950 A beschrieben sind, sind ein Filter, in dem ein Partikelmaterial, auf dem der Katalysator geträgert ist, in dem Zellenraum der Abgaseinströmseite bereitgestellt ist, bei dem es sich um den Strömungsweg auf der Abgaseinströmseite des DPF handelt ( JP 2003-56327 A ), und ein Abgasreinigungskatalysator beschrieben, bei dem anorganische Fasern, auf denen ein Katalysatorbestandteil geträgert ist, innerhalb einer Zelle bereitgestellt sind, bei der es sich um einen Strömungsweg auf der Abgaseinströmseite handelt, der ein offenes Ende auf einer Stromaufwärtsseite bezüglich der Gasströmungsrichtung des Rahmenelements aufweist ( JP 2007-244950 A ). Bei diesen Techniken ist es gegebenenfalls möglich, das Ausmaß des Kontakts zwischen den Partikeln und dem Katalysator zu erhöhen, ohne zu bewirken, dass die Partikel in den Poren der Filterwand abgeschieden werden. Um das Ausmaß des Kontakts zwischen den Partikeln und dem Katalysator zu erhöhen, muss bzw. müssen das Partikelmaterial oder die anorganischen Fasern jedoch sehr klein und dicht gemacht werden, um die Kontaktfläche zwischen den Partikeln und dem Katalysator zu erhöhen. In diesem Fall kann bzw. können das Partikelmaterial oder die anorganischen Fasern den Strömungsweg blockieren und eine Zunahme des Druckverlusts des DPF verursachen. Insbesondere besteht unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das entlang des Strömungswegs strömt, im Allgemeinen etwa das 100-fache der Strömungsgeschwindigkeit des Gases beträgt, das durch die Filterwand hindurchtritt, die Möglichkeit, dass der Druckverlust des DPF signifikant erhöht wird. Daher können bei den Techniken, die in JP 2003-56327 A und JP 2007-244950 A beschrieben sind, die Bedingungen (1) und (3), d. h., der hohe Kontaktgrad zwischen den Partikeln und dem Katalysator und der niedrige Druckverlust, nicht gleichzeitig realisiert werden.
Wie es beschrieben worden ist, offenbaren JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A , die internationale Veröffentlichung Nr. 02/096827 , JP 2005-21818 A , JP 2003-56327 A und JP 2007-244950 A keine Struktur, welche die vier Bedingungen, die vorstehend beschrieben worden sind, gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisieren kann, insbesondere keine Struktur, die das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Katalysator und den Partikeln ausreichend erhöhen kann, wenn der Katalysator auf Oxidbasis für den DPF mit Katalysator verwendet wird. JP 2004-42021 A beschreibt die Verwendung von Silber- und/oder Kobalt-stabilisiertem Ceroxid als Washcoat mit einer hohen Katalysatoraktivität für einen DPF mit Katalysator. Eine Struktur, die gleichzeitig die vier vorstehend beschriebenen Bedingungen auf einem hohen Niveau realisieren kann, einschließlich eine Struktur, welche die Kontakteigenschaften zwischen dem Katalysator und den Partikeln erhöhen kann, ist in dieser Veröffentlichung jedoch nicht beschrieben.
Zusammenfassung
Ein Vorteil des Partikelfilters mit Katalysator der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Struktur realisiert wird, welche die vier vorstehend beschriebenen Bedingungen, die erforderlich sind, wenn ein Katalysator auf Oxidbasis als Katalysator verwendet werden soll, gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisieren kann.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter mit einem Katalysator bereitgestellt, der eine Filterwand aufweist, durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst, die jeweils Poren aufweisen, wobei die Katalysatorschicht ferner einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthält, der die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln senkt, die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht und in der Katalysatorschicht der Volumenprozentsatz von Poren mit einer Porengröße, die größer als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer bestimmten Porengröße ist, bezogen auf das Volumen aller Poren in der Katalysatorschicht, so eingestellt ist, dass dann, wenn das Abgas durch die Filterwand hindurchtritt, zumindest dann, wenn die Abscheidung der Abgaspartikel beginnt, die Abgaspartikel mehr um einen Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht und der Substratschicht als an anderen Abschnitten in der Filterwand abgeschieden werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter mit einem Katalysator bereitgestellt, der eine Filterwand aufweist, durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst, die jeweils Poren aufweisen, wobei die Katalysatorschicht ferner einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthält, der die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln senkt, die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht und in der Katalysatorschicht der Volumenprozentsatz von Poren mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren in der Katalysatorschicht, auf größer als oder gleich 25% eingestellt ist.
Gemäß dem einen oder dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass in dem Partikelfilter mit Katalysator der Katalysatorbestandteil Ceroxid oder Perowskit ist.
Gemäß dem einen oder dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Partikelfilter mit Katalysator ferner eine Mehrzahl von Kanälen umfasst, die durch eine Mehrzahl von Zellenwänden, bei denen es sich um Filterwände handelt, voneinander getrennt sind, wobei die Mehrzahl von Kanälen in zwei Gruppen von Kanälen gruppiert ist, wobei die Kanäle in einer Gruppe auf einer Gasstromaufwärtsseite durch eine Verschlusswand blockiert sind, die Kanäle in der anderen Gruppe auf einer Gasstromabwärtsseite durch eine Verschlusswand blockiert sind, die Mehrzahl von Kanälen so angeordnet ist, dass sie eine Wabenform mit einem schachbrettförmigen Querschnitt bilden, ein Teil der Kanäle der einen Gruppe durch die Kanäle der anderen Gruppe umgeben ist und ein Teil der Kanäle der anderen Gruppe durch die Kanäle der einen Gruppe umgeben ist.
Gemäß den Partikelfiltern mit Katalysator der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können die vier Bedingungen, die erforderlich sind, wenn der Katalysator auf Oxidbasis als Katalysator verwendet wird, d. h. der hohe Kontaktgrad zwischen Partikeln und dem Katalysator, die hohe Filtrationsrate von Partikeln, der niedrige Druckverlust und die hohe Beständigkeit gegen Asche, gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine teilweise aufgeschnittene, schematische perspektivische Ansicht, die eine Gesamtstruktur eines Partikelfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das den Durchgang von Abgas durch einen Kanal und eine Filterwand in dem in der 1 gezeigten Filter zeigt.
3 ist ein Querschnittsdiagramm, das schematisch eine Filterwand zeigt, die ein Teil des in der 1 gezeigten Filters ist.
4 ist ein Diagramm, das die Abscheidung von partikelförmigem Material innerhalb des Filters in der 3 zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite einer Filterwand und der Porosität der Filterwand in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden sind.
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite einer Filterwand und der Porosität der Filterwand in den Beispielen 1 bis 3 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden sind.
7 ist ein Diagramm, das Porengrößenverteilungen im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 2 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden sind.
8 ist ein Diagramm, das Porengrößenverteilungen in den Beispielen 1 bis 3 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden sind.
9 ist ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen Materials an einem Filter des Vergleichsbeispiels 1 bezogen auf den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
10 ist ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen Materials an einem Filter des Vergleichsbeispiels 2 bezogen auf den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen Materials an einem Filter des Beispiels 1 bezogen auf den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
12 ist ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen Materials an einem Filter des Beispiels 2 bezogen auf den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
13 ist ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen Materials an einem Filter des Beispiels 3 bezogen auf den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
14 ist ein Diagramm, das die Filtrationseffizienzen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 bezogen auf die Masse an abgeschiedenem partikelförmigen Material in einem Einheitsvolumen der Filterwand in einem Simulationsergebnis zeigt.
15 ist ein Diagramm, das die Druckverluste von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 bezogen auf die Masse an abgeschiedenem partikelförmigen Material in einem Einheitsvolumen der Filterwand in einem Simulationsergebnis zeigt.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Diagramme detailliert beschrieben. Die 1 ist eine teilweise aufgeschnittene, schematische perspektivische Ansicht, die eine Gesamtstruktur eines Partikelfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 2 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das den Durchgang von Abgas durch einen Kanal und eine Filterwand in dem in der 1 gezeigten Filter zeigt. Die 3 ist ein Querschnittsdiagramm, das schematisch die Filterwand zeigt, die ein Teil des in der 1 gezeigten Filters ist. Die 4 ist ein Diagramm, das die Abscheidung von partikelförmigem Material innerhalb des Filters in der 3 zeigt.
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, wird ein Partikelfilter mit einem Katalysator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zum Sammeln von Partikeln (partikelförmigen Materialien) und zum Verbrennen von Rückständen wie z. B. Asche verwendet, bei denen es sich um Abgaspartikel handelt, die in einem Abgas eines Dieselmotors (nicht gezeigt) enthalten sind, bei dem es sich um eine Brennkraftmaschine handelt, sowie zum Entfernen der Partikel durch Oxidation, d. h., Verbrennen. Der Partikelfilter 10 ist in einer Wabenform mit einer Mehrzahl von mit Boden versehenen Kanälen der Gasstromaufwärtsseite 12 und von mit Boden versehenen Kanälen der Gasstromabwärtsseite 13 ausgebildet und die Kanäle 12 und 13 sind durch eine Filterwand 14, bei der es sich um eine Zellenwand handelt, voneinander getrennt. Die benachbarten Kanäle 12 und 13 sind so angeordnet, dass sich Seiten, bei denen Bodenabschnitte 16 angeordnet sind, bezüglich der Längsrichtung (Richtung von links nach rechts in den 1 und 2) unterscheiden. Aufgrund dessen sind Endoberflächen des Partikelfilters 10 in einem schachbrettartigen Muster geöffnet. Die Filterwand 14 ermöglicht das Hindurchtreten des Abgases und der Bodenabschnitt 16 wirkt als Verschlusswand, die ein Hindurchtreten von Abgas nicht zulässt.
Der Partikelfilter 10 wird in einem Zustand eingesetzt, bei dem der Partikelfilter 10 in der Abgasleitung des Dieselmotors bereitgestellt, d. h., montiert ist. In diesem Zustand strömt das Abgas des Dieselmotors in der Richtung des Pfeils α in den 1 und 2 und wird von einem offenen Ende des Kanals der Gasstromaufwärtsseite 12, bei dem es sich um einen Teil der Kanäle handelt, in den Partikelfilter 10 geleitet und tritt durch die Poren, die an der Filterwand 14 bereitgestellt sind, und durch die Filterwand 14 zu dem angrenzenden Kanal der Gasstromabwärtsseite 13 hindurch, bei dem es sich um den verbleibenden Teil der Kanäle handelt. Das zu dem Kanal der Gasstromabwärtsseite 13 geleitete Abgas wird durch ein offenes Ende des Kanals der Gasstromabwärtsseite 13 zur Außenseite des Partikelfilters 10 abgegeben. Die Partikel und Verbrennungsrückstände, wie z. B. die Asche, die in dem Abgas vorliegt, können nur schwer durch die Filterwand 14 hindurchtreten. Daher fängt der Partikelfilter 10 die Partikel und dergleichen ein und reinigt das Abgas, das durch den Partikelfilter 10 hindurchtritt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist in der Filterwand 14 ein Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthalten, der die Oxidationstemperatur der Partikel senkt. Insbesondere weist die Filterwand 14 gemäß der 3 eine Zweischichtstruktur auf, die eine Katalysatorschicht 18 an einer Stromaufwärtsseite einer in der 3 durch den Pfeil β gezeigten Gasströmungsrichtung, d. h. einer Gaseinströmseite, und eine Substratschicht 20 an einer Stromabwärtsseite, d. h. einer Gasausströmseite, umfasst. Die Katalysatorschicht 18 und die Substratschicht 20 weisen viele Poren 22 auf (der Fall der Substratschicht 20 ist in den Zeichnungen nicht gezeigt), welche die jeweiligen Schichten in einer dreidimensionalen Netzform durchdringen. Die Katalysatorschicht 18 weist einen darauf geträgerten Katalysator auf Oxidbasis auf (nicht gezeigt), der die Oxidationstemperatur der Abgaspartikel an dem Abschnitt von vielen Poren 22 senkt, die in einem Hauptkörper 24 der Katalysatorschicht vorliegen, so dass der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthalten ist.
Der Hauptkörper 24 der Katalysatorschicht ist mit Keramik oder dergleichen aufgebaut und der Volumenprozentsatz von Poren 22 mit einer Porengröße, die größer als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer bestimmten Porengröße ist, bezogen auf das Gesamtvolumen der Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, wird in der Katalysatorschicht 18 derart eingestellt, dass dann, wenn das Abgas durch die Filterwand 14 geleitet wird, zumindest wenn die Abscheidung der Partikel beginnt, die Partikel mehr um den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 als an den anderen Abschnitten in der Filterwand 14 abgeschieden werden. Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform Poren 22 mit einer Porengröße von 30 μm in der Katalysatorschicht 18 in einem Prozentsatz von größer als oder gleich 25%, bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, enthalten. Mit anderen Worten: Der Volumenprozentsatz von Poren 22 mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, wird auf größer oder gleich 25% eingestellt. Darüber hinaus wird z. B. die Porosität des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht auf etwa 30% bis 95%, mehr bevorzugt auf etwa 50% bis 94% eingestellt. Dabei bezieht sich die Porosität des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht auf den Prozentsatz des Gesamtvolumens der Poren 22 des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht, bezogen auf das scheinbare Volumen des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht.
Der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis wird auf einen Abschnitt der Poren 22 innerhalb des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht aufgebracht und darauf geträgert. Der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis ist z. B. Ceroxid (CeO₂), das durch mindestens eines von Silber (Ag) und Kobalt (Co) stabilisiert ist. Der Katalysatorbestandteil ist nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt und es ist auch möglich, z. B. ein stabilisiertes Ceroxid, bei dem ein Teil des Cers durch mindestens eines von Oxiden von Seltenerdmetallen ersetzt ist, oder einen Perowskit (AgxLal·xMnOy) oder dergleichen mit einem x-Wert von 0,02 bis 0,9 und frei wählbaren l- und y-Werten zu verwenden.
Die Substratschicht 20 ist mit einem porösen Material wie z. B. Cordierit oder einer Keramik wie z. B. porösem Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet. Die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht 20 beträgt 5 μm bis 50 μm und mehr bevorzugt 10 μm bis 20 μm und wird so eingestellt, dass die Bedingung erfüllt ist, dass die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht 18 größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht 20.
Alternativ kann ein Verbindungsloch ausgebildet sein, das von der Oberfläche der Katalysatorschicht 18 zu der Oberfläche der Substratschicht 20 durch die Katalysatorschicht 18 verläuft, und zwar entsprechend der Struktur, die in der vorstehend genannten JP Hei 8-332329 beschrieben ist. Beispielsweise kann die Porengröße des Verbindungslochs auf 10 μm bis 60 μm eingestellt werden und die durchschnittliche Porengröße kann auf etwa 30 μm eingestellt werden. In diesem Fall ist es durch Bedecken der Oberfläche der Substratschicht 20, die viele Poren aufweist, mit einem Gemisch aus einem Keramikpulver und einem Verbindungsloch-bildenden Material und Erwärmen des Gemischs möglich, die Katalysatorschicht 18 auf der Oberfläche der Substratschicht 20 durch Sintern des Keramikpulvers auszubilden und das Verbindungsloch, das durch die Katalysatorschicht 18 von der Oberfläche der Katalysa torschicht 18 zu der Oberfläche der Substratschicht 20 verläuft, durch Entfernen des Verbindungsloch-bildenden Materials zu bilden. In diesem Fall ist der Katalysator auf Oxidbasis auf der Katalysatorschicht 18 geträgert. Alternativ ist es auch möglich, für das Verbindungsloch-bildende Material z. B. ein gaserzeugendes Material zu verwenden, wie z. B. Micro-sphere, das von Matsumoto Yushi-Seiyaku Co., Ltd. hergestellt wird, bei dem Butangas in einem thermoplastischen Harz eingeschlossen ist. In diesem Fall wird, wenn durch Erwärmen Gas aus dem gaserzeugenden Material erzeugt wird, das Gas zur Außenseite der Katalysatorschicht 18 entweichen gelassen, so dass das Verbindungsloch, das von der Oberfläche der Katalysatorschicht 18 zu der Oberfläche der Substratschicht 20 durch die Katalysatorschicht 18 verläuft, gebildet werden kann. Darüber hinaus kann als Verbindungsloch-bildendes Material ein verbrennbares Material, wie z. B. Kohlenstoff, Harz, Wachs, usw., mit einer Größe verwendet werden, die mit der Dicke der Katalysatorschicht 18 identisch ist oder größer als die Dicke der Katalysatorschicht 18 ist. Wenn das verbrennbare Material verschwindet, kann das Verbindungsloch, das das von der Oberfläche der Katalysatorschicht 18 zu der Substratschicht 20 durch die Katalysatorschicht 18 verläuft, gebildet werden. Die Porosität in dem Fall, wenn das Verbindungsloch in der Katalysatorschicht 18 auf diese Weise gebildet wird, ist ein Prozentsatz der Poren, einschließlich des Verbindungslochs und kleiner Löcher, bezogen auf das scheinbare Volumen des Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht.
Der Partikelfilter mit Katalysator gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform arbeitet in der folgenden Weise. Wenn das Abgas durch den Partikelfilter 10 (1) in einem Zustand geleitet wird, bei dem der Partikelfilter 10 in der Abgasleitung des Dieselmotors montiert ist, strömt das Abgas in der Filterwand 14 in der Richtung des Pfeils β, wie es in der 4 gezeigt ist. In diesem Fall tritt das partikelförmige Material (PM) 26, bei dem es sich um die Partikel handelt, die in dem Abgas mitgeführt werden, in die Katalysatorschicht 18 ein, die ein Teil der Filterwand 14 ist, und viele der Partikel werden durch die Oberfläche der Gaseinströmseite der Substratschicht 20 blockiert und an einer tieferen Stelle der Katalysatorschicht 18 abgeschieden. Während die Menge an partikelförmigem Material 26, die auf der Filterwand 14 abgeschieden wird, gering ist, tritt das partikelförmige Material 26 durch das Innere der Katalysatorschicht 18 hindurch und wird in der Umgebung der Oberfläche der Substratschicht 20 eingefangen. Es ist jedoch bekannt, dass das partikelförmige Material 26 das später eintretende partikelförmige Material 26 einfängt, und wenn die Menge des partikelförmigen Materials 26 erhöht wird, wird es für das partikelförmige Material 26 unmöglich, einen Bereich in der Nähe der Oberfläche der Substratschicht 20 zu erreichen, und es wird um ein Zentrum des Inneren der Katalysatorschicht 18 abgeschieden. In diesem Zustand stehen der Katalysatorbestandteil, der auf der Katalysatorschicht 18 aufgebracht ist, und das partikelförmige Material 26 mit einem hohen Kontaktgrad miteinander in Kontakt. Als Ergebnis senkt der Katalysatorbestandteil die Oxidationstemperatur des partikelförmigen Materials 26, so dass das partikelförmige Material 26 bei einer relativ niedrigen Temperatur oxidiert, d. h., verbrannt wird, und das partikelförmige Material 26 von der Filterwand 14 entfernt wird.
Gemäß dem Partikelfilter mit Katalysator der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können die vier Bedingungen, die erforderlich sind, wenn der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis als Katalysator verwendet wird, d. h. ein großes Ausmaß des Kontakts zwischen dem partikelförmigen Material 26, bei dem es sich um die Partikel handelt, und dem Katalysatorbestandteil, eine hohe Filtrationsrate des partikelförmigen Materials 26, ein niedriger Druckverlust und eine hohe Beständigkeit gegen Asche, auf einem hohen Niveau gleichzeitig realisiert werden. Bezüglich des hohen Ausmaßes des Kontakts zwischen dem partikelförmigen Material 26 und dem Katalysatorbestandteil können, wie es später detailliert beschrieben wird, viele der partikelförmigen Materialien 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden werden und folglich können die Kontakteigenschaften zwischen dem in der Katalysatorschicht 18 bereitgestellten Katalysatorbestandteil und dem partikelförmigen Material 26 verbessert werden. Aufgrund dessen kann die Oxidationstemperatur des in dem Partikelfilter 10 abgeschiedenen partikelförmigen Materials 26 gesenkt werden, und selbst dann, wenn ein Kraftstoff zur Regenerierung des Filters 10 verwendet wird und die Temperatur des Filters 10 erhöht werden muss, kann die eingesetzte Menge des Kraftstoffs vermindert werden und die Kraftstoffeffizienz kann verbessert werden.
Darüber hinaus kann die Filtrationseffizienz des partikelförmigen Materials 26 verbessert werden, da viele der partikelförmigen Materialien 26, die in das Innere der Katalysatorschicht 18 eindringen, auf dem Oberflächenabschnitt der Substratschicht 20 abgeschieden werden, die eine Porosität aufweist, die geringer ist als die Porosität der Katalysatorschicht 18. Aufgrund dessen kann z. B. der Filter 10, der den strengen Vorschriften bezüglich der Anzahl von Abgaspartikeln entspricht, die in Europa geplant sind, effektiver realisiert werden. Darüber hinaus kann eine ausreichende Festigkeit für den Filter 10 selbst dann sichergestellt werden, wenn die Porosität der Katalysatorschicht 18 wie in der vorliegenden Ausführungsform erhöht ist, da die Filterwand 14 eine Zweischichtstruktur mit der Substratschicht 20 aufweist.
Darüber hinaus wird das partikelförmige Material 26 nicht in einer übermäßig konzentrierten Weise auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden und über einem breiten Bereich in der Gasdurchgangsrichtung (Richtung des Pfeils β in den 3 und 4), wobei es sich um die Dickenrichtung der Katalysatorschicht 18 handelt, verteilt. Aufgrund dieser Struktur kann der Druckverlust des Filters 10 vermindert werden und als Ergebnis kann die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs, bei dem der Filter 10 eingesetzt wird, weiter verbessert werden.
Da ferner die Asche, die nicht gezeigt ist, zusammen mit dem partikelförmigen Material 26 ebenfalls in das Innere der Katalysatorschicht 18 eintritt, kann eine hohe Beständigkeit gegen Asche realisiert werden. Mit anderen Worten: Selbst wenn sich die Asche ansammelt, kann eine Verminderung des Leistungsvermögens des Filters 10 unterdrückt werden, z. B. kann eine Erhöhung des Druckverlusts aufgrund der Asche unterdrückt werden, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs, bei dem der Filter 10 eingesetzt wird, kann verbessert werden, und die Lebensdauer des Filters 10 kann verbessert werden.
Im Gegensatz zu der Struktur der vorliegenden Ausführungsform offenbaren JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A und die internationale Veröffentlichung Nr. 02/096827 die Struktur einer Filterwand, die einen Teil aufweist, der mit der in der 3 gezeigten Struktur identisch ist. Diese Veröffentlichungen offenbaren jedoch keine effektiven Spezifikationen, die von der Filterwand erfüllt werden müssen, um eine Abscheidung des partikelförmigen Materials innerhalb der Katalysatorschicht zu verursachen. Andererseits haben die vorliegenden Erfinder verschiedene Simulationen durchgeführt und effektive Spezifikationen berücksichtigt, die für die Filterwand 14 erforderlich sind, um eine Abscheidung des partikelförmigen Materials 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 zu verursachen, und haben die vorliegende Erfindung gemäß diesen Spezifikationen gemacht.

Als nächstes wird das Ergebnis einer Simulation beschrieben, bei welcher der durch die vorliegende Erfindung erreichte Vorteil bestätigt wird. Die Simulation wurde mit den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und den Beispielen 1 bis 3 mit Partikelfiltern 10 mit Filterwänden 14 mit den in der Tabelle 1 und den 5 bis 8 gezeigten Spezifikationen und einer in der 1 gezeigten Struktur durchgeführt. In der folgenden Beschreibung werden Elementen, die mit den in den 1 bis 4 gezeigten Elementen identisch sind oder diesen entsprechen, zur Beschreibung die gleichen Bezugszeichen zugeordnet. Tabelle 1

		Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
Katalysatorschicht	Durchschnittliche Porengröße (μm)	15,3	23,9	35,0	28,4	25,8
	Prozentsatz größer als oder gleich 30 μm (%)	2,8	24,4	66,1	45,6	38,1
	Porosität (%)	71,6	93,6	94,0	79,4	69,6
Substratschicht	Durchschnittliche Porengröße (μm)	13,8
Substratschicht	Porosität (%)	66,4

In der Tabelle 1 sind die Vergleichsbeispiele 1 und 2 Filter mit Spezifikationen, die nicht innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, und die Beispiele 1 bis 3 sind Filter 10 mit einer Spezifikation innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Die Tabelle 1 zeigt durchschnittliche Porengrößen und Porositätsverteilungen in der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 und Volumenprozentsätze von Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm in der Katalysatorschicht 18, bezogen auf alle Poren 22 in der Katalysatorschicht 18.
Die 5 zeigt Porositätsverteilungen in der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und die 6 zeigt Porositätsverteilungen in der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 in den Beispielen 1, 2 und 3. In den 5 und 6 wurden die Spezifikationen der Substratschicht 20 auf identische Werte eingestellt, die Gesamtporosität betrug 66,4% und die Porosität bezüglich eines Abstands von der Oberfläche der Gaseinströmseite zu der Gasausströmseite der Filterwand 14 (nachstehend einfach als „Abstand von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand” bezeichnet) betrug 60% bis 70%. Wie es aus den in den 5 und 6 gezeigten Verteilungen ersichtlich ist, ist dann, wenn nur die Porositätsverteilung betrachtet wird, zwischen den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 kein signifikanter Unterschied ersichtlich. Wie es aus den
5 und 6 ersichtlich ist, ist die Oberfläche der Gaseinströmseite der Substratschicht 20 bezüglich des „Abstands von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand” bei etwa 150 μm angeordnet.
Die 7 zeigt andererseits die Porengrößenprozentsätze für verschiedene Porengrößen, d. h. eine Porengrößenverteilung bezüglich aller Poren 22 im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 2. Wie es aus der 7 ersichtlich ist, weist das Vergleichsbeispiel 2 verglichen mit dem Beispiel 1 mehr Poren 22 mit einer Porengröße von kleiner als oder gleich 30 μm auf.
Andererseits weist das Beispiel 1 bezüglich des Prozentsatzes der Poren 22 mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm mehr solche Poren auf als das Vergleichsbeispiel 2. Die 8 zeigt die Porengrößenprozentsätze verschiedener Porengrößen in den Beispielen 1 bis 3. Wie es aus der 8 ersichtlich ist, sind anders als in der 7 die Tendenzen bei den Porengrößenverteilungen in den Beispielen 1 bis 3 ähnlich, obwohl sich der Absolutwert der Porengröße mit dem maximalen Porengrößenprozentsatz (etwa 13 μm) in jedem der Beispiele 1 bis 3 unterscheidet. Mit anderen Worten: In jedem der Beispiele 1 bis 3 ist der Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm verglichen mit dem in der 6 gezeigten Vergleichsbeispiel 2 höher. Die Tabelle 1 zeigt den Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22. Während der Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22, für die Beispiele 1 bis 3 größer als oder gleich 25% ist, beträgt der Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22, für die Vergleichsbeispiele 1 und 2 weniger als 25%.
Die Simulation wurde unter Verwendung der Partikelfilter 10 der Beispiele 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit derartigen Spezifikationen durchgeführt. Bei der Durchführung der Simulation wurde zuerst ein vorliegender Partikelfilter 10, der als Basis verwendet wurde, mittels Röntgen-CT vermessen und ein Modell, das eine dreidimensionale Basis bildet, wurde mit einem Computer erzeugt. Dann wurde die Größe der Poren in der Katalysatorschicht des erzeugten Modells verändert und eine Simulation wurde unter Verwendung des Modells durchgeführt. Bei der Simulation wurde eine Anzahl von Abscheidungen der partikelförmigen Materialien 26 (Anzahl von abgeschiedenen Partikeln) bezogen auf den Abstand von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Filterwand 14 durchgeführt, wenn eine vorgegebene Menge an partikelförmigen Materialien 26 (Partikel), die im Vorhinein festgelegt worden ist, in einem scheinbaren Einheitsvolumen der Filterwand 14 abgeschieden worden ist (d. h., wenn davon ausgegangen wird, dass die Filterwand 14 eine feste Struktur ist, die keine Lochabschnitte, wie z. B. die Poren 22, in der Wand aufweist), d. h. wenn angenommen wird, dass die abgeschiedene Masse in einem Einheitsvolumen eine vorgegebene Menge ist. Die 9 bis 13 zeigen Simulationsergebnisse der Abscheidungsverteilung von partikelförmigen Materialien 26 in der Filterwand 14 (Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel). In den 9 bis 13 stellt die breite durchgezogene Linie einen Fall dar, bei dem 0,3 g eines partikelförmigen Materials 26 auf einem scheinbaren Einheitsvolumen der Filterwand 14 abgeschieden worden sind, und die gestrichelte Linie stellt einen Fall dar, bei dem 0,1 g eines partikelförmigen Materials 26 auf einem scheinbaren Einheitsvolumen der Filterwand 14 abgeschieden worden sind.
Die 9 zeigt ein Simulationsergebnis der Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel von Vergleichsbeispiel 1. Die durchschnittliche Porengröße und die Porosität der Katalysatorschicht 18 liegen innerhalb eines Bereichs, der in JP Hei 8-332329 A , JP 2002-519186 A und der internationalen Veröffentlichung Nr. 02/096827 beschrieben ist. In dem Fall von Vergleichsbeispiel 1, das eine solche Struktur aufweist, scheidet sich das partikelförmige Material 26, wie es in der 9 gezeigt ist, größtenteils auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 ab und nahezu kein partikelförmiges Material 26 wird innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden.
Andererseits zeigt die 10 ein Simulationsergebnis der Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel für das Vergleichsbeispiel 2, bei dem die durchschnittliche Porengröße und die Porosität der Katalysatorschicht 18 verglichen mit dem Fall von Vergleichsbeispiel 1 erhöht sind. Wie es aus der 10 ersichtlich ist, wird auch in dem Fall von Vergleichsbeispiel 2 wie in dem Fall von Vergleichsbeispiel 1 das partikelförmige Material 26 größtenteils auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden und nahezu keines wird innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden. D. h., auf der Basis dieser Simulationsergebnisse ist ersichtlich, dass eine einfache Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße und der Porosität der Katalysatorschicht 18 nicht dazu führt, dass das partikelförmige Material 26 leichter in das Innere der Katalysatorschicht 18 eintritt.
Die 11 zeigt ein Simulationsergebnis der Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel für das Beispiel 1, das eine andere Porenstruktur wie die Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufweist. Wie es aus der 11 ersichtlich ist, wurde in dem Fall von Beispiel 1, das im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegt, d. h. in einem Fall, bei dem der Prozentsatz von Poren 22 mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22, größer als oder gleich 25% beträgt, das partikelförmige Material 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden. Wie es in der Tabelle 1 und den 5 und 6 gezeigt ist, waren bei dem Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 die Porosität und der Verteilungsprozentsatz der Poren bezogen auf den Abstand von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand etwa gleich. Wie es in der 11 gezeigt ist, wurde jedoch im Beispiel 1 bei jedweder Abscheidungsmasse im Einheitsvolumen der größte Teil des partikelförmigen Materials 26 um einen Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 abgeschieden, wobei es sich um einen Bereich nahe an der Oberfläche der Substratschicht 20 handelt, d. h., um eine Position etwa 150 μm entfernt von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand. Insbesondere wurde bestätigt, dass das partikelförmige Material 26 in einem Bereich in der Nähe des Grenzbereichs zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 stärker abgeschieden worden ist als in den anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18. Gemäß dem Beispiel 1 ist ersichtlich, dass das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Katalysatorbestandteil, der innerhalb der Katalysatorschicht 18 bereitgestellt ist, und dem partikelförmigen Material 26 erhöht werden kann.
Die 12 und 13 zeigen Simulationsergebnisse der Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel für die Beispiele 2 und 3, bei denen die Porosität der Katalysatorschicht 18 verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 2 vermindert ist. Gemäß diesen Simulationsergebnissen wurde bestätigt, dass in den Beispielen 2 und 3 mehr partikelförmige Materialien 26 in einem Bereich um die Oberfläche der Substratschicht 20 abgeschieden worden sind, d. h. in der Position etwa 150 μm entfernt von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand, als im Vergleichsbeispiel 2. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass mehr partikelförmige Materialien 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden worden sind als im Vergleichsbeispiel 2, obwohl die durchschnittliche Porengröße von Beispiel 3 verglichen mit dem Fall von Vergleichsbeispiel 2 etwa identisch ist. Darüber hinaus wurde im Beispiel 2, das in der 12 gezeigt ist, bestätigt, dass die partikelförmigen Materialien 26 bei jedweder Abscheidungsmasse im Einheitsvolumen stärker um den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 abgeschieden worden sind als in anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18. Ferner wurde in dem in der 13 gezeigten Beispiel 3 bestätigt, dass die partikelförmigen Materialien 26 bei einer abgeschiedenen Masse im Einheitsvolumen von 0,1 g/L mehr um den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 als in den anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18 abgeschieden worden sind.
Wie es aus diesen Simulationsergebnissen ersichtlich ist, führt bezüglich einer Struktur, die bewirkt, dass mehr partikelförmige Materialien 26 in die Katalysatorschicht 18 eintreten und sich dort im Inneren abscheiden, eine einfache Erhöhung der Porosität der Katalysatorschicht 18 oder eine einfache Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße, wie z. B. bei der Struktur, bei der die Porosität und die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht 18 eingestellt sind, nicht zu einem effektiven Ergebnis, und eine Struktur, bei welcher der Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22, größer als oder gleich 25% ist, wie es in der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, ist erforderlich. In den Fällen der Beispiele 1 bis 3, die innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, ist diese Bedingung erfüllt, und als Ergebnis kann der Vorteil eines hohen Ausmaßes des Kontakts zwischen dem partikelförmigen Material 26 und dem Katalysatorbestandteil erhalten werden.
Ferner zeigt die 14 Simulationsergebnisse zum Berechnen der Filtrationseffizienz bezogen auf die Abscheidungsmenge des partikelförmigen Materials 26 unter Verwendung der Partikelfilter 10 von Beispiel 1 und von Vergleichsbeispiel 3, das nicht innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, d. h., des Einfangprozentsatzes, wenn eine bestimmte Menge des partikelförmigen Materials 26 dem Filter 10 zugeführt wird. Das Vergleichsbeispiel 3 weist als Filter einen handelsüblichen Partikelfilter mit einer Filterwand mit einer Einschichtstruktur mit einer Porosität der Filterwand von 65% und einer durchschnittlichen Porengröße von 25 μm auf. In der 14 stellt die „Menge an abgeschiedenen partikelförmigen Materialien” die abgeschiedene Masse pro Einheitsvolumen (g/L) dar, wobei es sich um die Masse des partikelförmigen Materials 26 handelt, das pro Einheitsvolumen der Filterwand des Partikelfilters 10 abgeschieden worden ist. Wie es aus den in der 14 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass im Beispiel 1 die Filtrationseffizienz der partikelförmigen Materialien 26 verglichen mit dem Fall von Vergleichsbeispiel 3 ausreichend erhöht werden kann, obwohl die Porosität der Katalysatorschicht 18 94% beträgt, was einen hohen Wert darstellt, da die Substratschicht 20, die eine niedrigere Porosität aufweist, bereitgestellt wurde.
Die 15 zeigt ein Simulationsergebnis, bei dem der Druckverlust berechnet wird, wenn ein partikelförmiges Material 26 unter Verwendung der Partikelfilter 10 von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 im Inneren abgeschieden wird. Der Druckverlust wird hier als relativer Wert durch eine dimensionslose Einheit (A. U.) dargestellt. Die Struktur von Vergleichsbeispiel 3 ist mit derjenigen identisch, die in dem in der 14 dargestellten Simulationsergebnis verwendet worden ist. Wie es aus dem in der 15 gezeigten Ergebnis ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass im Beispiel 1 der Druckverlust auf einen ausreichend niedrigen Wert abgesenkt werden kann, obwohl in dem Beispiel 1 eine Zweischichtstruktur aus der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 eingesetzt wird.
Auf der Basis dieser Simulationsergebnisse wurde bestätigt, dass mit der vorliegenden Ausführungsform von den vier Bedingungen, die erforderlich sind, wenn der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis als Katalysator verwendet werden soll, das hohe Ausmaß des Kontakts zwischen dem partikelförmigen Material 26 und dem Katalysatorbestandteil, die hohe Filtrationsrate der partikelförmigen Materialien 26 und der niedrige Druckverlust gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisiert werden können. Darüber hinaus können die partikelförmigen Materialien 26 gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht nur auf dem Oberflächenabschnitt der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden werden, sondern auch über einen breiten Bereich in der Dickenrichtung der Katalysatorschicht 18 verteilt werden. Aufgrund dessen tritt auch die Asche zusammen mit dem partikelförmigen Material 26 in das Innere der Katalysatorschicht 18 ein, und folglich wird die Asche selbst dann, wenn die Asche auf der Filterwand 14 abgeschieden wird, nachdem die partikelförmigen Materialien 26 verbrannt worden sind, nicht in einer übermäßig konzentrierten Weise auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden, so dass die Zunahme des Druckverlusts des Filters aufgrund der Asche unterdrückt werden kann, die Lebensdauer des Filters 10 erhöht werden kann und folglich eine hohe Beständigkeit gegen Asche realisiert werden kann.
In den vorstehend beschriebenen Beispielen ist in der Katalysatorschicht 18 der Volumenprozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, auf größer als oder gleich 25% eingestellt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt, und der Volumenprozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße von größer als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer bestimmten Porengröße, bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, kann in der Katalysatorschicht 18 so eingestellt werden, dass dann, wenn ein Abgas durch die Filterwand 14 geleitet wird, zumindest zu Beginn der Abscheidung des partikelförmigen Materials 26 das partikelförmige Material 26 stärker um den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 als in den anderen Abschnitten der Filterwand 14 abgeschieden wird. Auch mit einer solchen Konfiguration können die vorstehend beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Hidemitsu Hayashi und Shuichi Kubo, „Computer simulation study an filtration of soot particles in diesel particulate filter [Computersimulationsstudie bezüglich der Filtration von Russpartikeln in einem Dieselpartikelfilter]”, Computers and Mathematics with Applications 55, Holland, ELSEVIER, 2008, Seiten 1450 bis 1460 [0008]

Claims

Partikelfilter mit einem Katalysator, umfassend: eine Filterwand (14), durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht (18) auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht (20) auf einer Gasausströmseite umfasst, die jeweils Poren (22) aufweisen, wobei die Katalysatorschicht (18) ferner einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthält, der die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln (26) senkt, die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht (18) größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht (20) und in der Katalysatorschicht (18) der Volumenprozentsatz von Poren (22) mit einer Porengröße, die größer als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer bestimmten Porengröße ist, bezogen auf das Volumen aller Poren (22) in der Katalysatorschicht (18), so eingestellt ist, dass dann, wenn das Abgas durch die Filterwand (14) hindurchtritt, zumindest dann, wenn die Abscheidung der Abgaspartikel (26) beginnt, die Abgaspartikel (26) mehr um einen Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht (18) und der Substratschicht (20) als an anderen Abschnitten in der Filterwand (14) abgeschieden werden.
Partikelfilter mit einem Katalysator, umfassend: eine Filterwand (14), durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht (18) auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht (20) auf einer Gasausströmseite umfasst, die jeweils Poren (22) aufweisen, wobei die Katalysatorschicht (18) ferner einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis aufweist, der die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln (26) senkt, die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht (18) größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht (20) und in der Katalysatorschicht (18) der Volumenprozentsatz von Poren (22) mit einer Porengröße von größer als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren (22) in der Katalysatorschicht (18), auf größer als oder gleich 25% eingestellt ist.
Partikelfilter mit einem Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Katalysatorbestandteil Ceroxid oder Perowskit ist.
Partikelfilter mit einem Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine Mehrzahl von Kanälen (12, 13), die durch eine Mehrzahl von Zellenwänden, bei denen es sich um Filterwände (14) handelt, voneinander getrennt sind, wobei die Mehrzahl von Kanälen (12, 13) in zwei Gruppen von Kanälen gruppiert ist, wobei die Kanäle in einer Gruppe (13) auf einer Gasstromaufwärtsseite durch eine Verschlusswand (16) blockiert sind, die Kanäle in der anderen Gruppe (12) auf einer Gasstromabwärtsseite durch eine Verschlusswand (16) blockiert sind, die Mehrzahl von Kanälen (12, 13) so angeordnet ist, dass sie eine Wabenform mit einem schachbrettförmigen Querschnitt bilden, ein Teil der Kanäle der einen Gruppe (13) durch die Kanäle der anderen Gruppe (12) umgeben ist und ein Teil der Kanäle der anderen Gruppe (12) durch die Kanäle der einen Gruppe (13) umgeben ist.