JP2004084502A - 排気浄化フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸蔵能力の耐久性を向上させた排気浄化フィルタを提供する。
【解決手段】表面及び内部に細孔が設けられた隔壁１５であって上記細孔を通って排気ガスが通過可能な隔壁１５によって画成される複数の通路１１、１９を有し、上記細孔内にはＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が担持されている排気浄化フィルタ１０において、上記複数の通路１１、１９のうちの少なくとも一部の通路１９はその上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方のみが閉塞されていて、下流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁１５の当該通路側表面と、上流側端部開口のみ閉塞された通路１９を画成する隔壁１５の当該通路１９とは反対側の表面とにＳＯｘトラップ触媒１７を担持したことを特徴とする排気浄化フィルタ１０を提供する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等に搭載される内燃機関、例えばディーゼル機関では、排気ガス中に含まれる煤等の排気微粒子を除去すると共に窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することが要求されている。そしてこのような要求に対し、従来より、排気浄化手段を内燃機関の排気ガス通路に配置する方法が採られており、その排気浄化手段として、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、「触媒担持フィルタ」と言う）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような触媒担持フィルタに用いられるパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」と言う）は、通常、多孔質の材料で形成されたハニカム構造体を有しており、このハニカム構造体の複数の通路（以下、フィルタ通路と言う）のうちの幾つかのフィルタ通路がその上流端にて塞がれると共に残りのフィルタ通路がその下流端で塞がれ、フィルタに流入した排気ガスがフィルタ通路を形成している多孔質の壁（以下、フィルタ隔壁と言う）を必ず通ってフィルタから流出するようにされている。そして排気ガスはこのフィルタ隔壁の細孔を通過することができるが排気ガス中の微粒子（パティキュレート）はこれを通過することができないため、ここで排気ガス中の微粒子が捕集され、捕集された微粒子はヒータ加熱等により着火燃焼するか、またはフィルタに担持させた上記触媒の作用によって自己燃焼させることによって除去される。なお、上記のようなフィルタの構成は、排気微粒子を確実に除去するという観点からは好ましい反面、内燃機関の排気系の圧力損失を増大させ、内燃機関の性能に悪影響を与える場合もある。
【０００４】
一方、上記のような触媒担持フィルタに用いられるＮＯｘ吸蔵浄化触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の空燃比が小さくなり、かつ排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元剤が存在していれば吸蔵したＮＯｘを還元浄化する作用（ＮＯｘの吸蔵浄化作用）を有する。この作用を利用して、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵浄化触媒に吸蔵させ、一定期間使用してＮＯｘ吸蔵浄化触媒のＮＯｘ吸蔵効率が低下したときまたは低下する前にＮＯｘ吸蔵浄化触媒に還元剤（燃料）を供給する等して、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒に吸蔵したＮＯｘの還元浄化を行うようにしている。
【０００５】
ところが、上記のようなＮＯｘ吸蔵浄化触媒は、排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘの吸蔵を行うのと全く同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸蔵してしまう。そして、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒のＳＯｘ蓄積量が増大すると、そのＮＯｘ吸蔵容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなる。このため、特に、燃料として比較的硫黄成分を多く含む軽油を使用するディーゼルエンジン等に対して上記触媒担持フィルタを用いた場合には、そのＮＯｘ吸蔵能力に関し、十分な耐久性が得られない場合がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−９４４３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＮＯｘ吸蔵能力の耐久性を向上させた排気浄化フィルタを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された排気浄化フィルタを提供する。
１番目の発明は、表面及び内部に細孔が設けられた隔壁であって上記細孔を通って排気ガスが通過可能な隔壁によって画成される複数の通路を有し、上記細孔内には、流通する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸蔵し流通する排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵浄化触媒が担持されている排気浄化フィルタにおいて、上記複数の通路のうちの少なくとも一部の通路はその上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方のみが閉塞されていて、下流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路側表面と、上流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路とは反対側の表面とにＳＯｘトラップ触媒を担持したことを特徴とする排気浄化フィルタを提供する。
【０００９】
本発明によれば、上記複数の通路のうちの少なくとも一部の通路はその上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方が閉塞されている。これにより、排気ガスが隔壁を通過することになり、排気微粒子捕集機能（フィルタ機能）が得られる。
また、本発明では、下流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路側表面と、上流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路とは反対側の表面とにＳＯｘトラップ触媒が担持されている。排気浄化フィルタに流入し、隔壁を通過する排気ガスは、通路の閉塞位置の関係から、主に、これらのＳＯｘトラップ触媒が担持されている表面から流入することになる。排気ガス流入側表面にＳＯｘトラップ触媒が担持されているため、隔壁を通過する排気ガス中にＳＯｘが含まれている場合には、殆どのＳＯｘはその隔壁表面で捕捉される。このため、隔壁の細孔内に担持されたＮＯｘ吸蔵浄化触媒が吸蔵してしまうＳＯｘ量は低減され、そのＮＯｘ吸蔵能力の耐久性が向上される。
【００１０】
２番目の発明は１番目の発明において、上記複数の通路の一部の通路は閉塞されずに上記排気浄化フィルタを貫通することを特徴とする。
本発明によれば、上記複数の通路の一部の通路は閉塞されずに上記排気浄化フィルタを貫通する。このため、全ての通路に関し上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方が閉塞されていて、排気ガスが必ず隔壁を通過するようにした排気浄化フィルタに比べ、排気浄化フィルタにおける圧力損失を低減することができる。また、本発明では、例えば、閉塞されていない通路と閉塞されている通路との割合を調整することによって、排気浄化フィルタの圧力損失と排気微粒子捕集性能とを調整することができる。
【００１１】
３番目の発明は１番目または２番目の発明において、閉塞された開口は上流側端部開口のみである、または下流側端部開口のみであることを特徴とする。
本発明によっても、１番目または２番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
図１は本発明の一実施形態の排気浄化フィルタ１０の排気ガス流入側端面図であり、図２は排気浄化フィルタ１０の縦断面図である。図１および図２に示したように、排気浄化フィルタ１０はハニカム構造をなす隔壁１５を具備する。
【００１３】
これら隔壁１５によって互いに平行をなして延びる複数個の排気通路１１、１９が画成される。本排気浄化フィルタ１０では、これら排気通路のうちほぼ半数の排気通路１９がその上流側端部開口を栓１３で閉塞されている。以下、これら排気通路１９を上流側閉塞通路と称す。一方、残りの半数の排気通路１１はその上流側端部開口と下流側端部開口とが何れも閉塞されておらず、排気浄化フィルタ１０を貫通している。以下、これら排気通路１１を貫通通路と称す。上流側閉塞通路１９には４つの貫通通路１１が隣接する。一方、貫通通路１１には４つの上流側閉塞通路１９が隣接する。
【００１４】
隔壁１５はコージェライトのような多孔質材料からなり、その表面及び内部に細孔を有している。そして、排気ガスはこの細孔を通って隔壁１５を通過することができる。また、この細孔内にはＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が担持されている。ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とから成る。ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６は、流通する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸蔵し流通する排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸蔵したＮＯｘを還元浄化する作用を有する。なお、本明細書でいう排気ガスの空燃比とは排気浄化フィルタ上流側の排気ガス通路とエンジン燃焼室または吸気通路に供給された空気と燃料との比率をいうものとする。
【００１５】
更に本排気浄化フィルタ１０においては、上流側閉塞通路１９を画成する隔壁の当該上流側閉塞通路１９とは反対側の表面、すなわち隣接する貫通通路１１側の表面に、ＳＯｘを捕捉するＳＯｘトラップ触媒１７がコーティングされて担持されている。このＳＯｘトラップ触媒１７は、例えばバリウムＢａを含むものであり、流通する排気ガスの空燃比がリーンの時にＳＯｘを捕捉し、ＳＯｘトラップ触媒１７の温度が硫黄分離脱温度以上（例えば６００℃以上）に昇温され、且つ流通する排気ガスの空燃比がほぼストイキまたはリッチになると捕捉していたＳＯｘを離脱させる作用を有する。また、このＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層は、コーティング粒子の大きさ等を調整し、排気微粒子がこのコーティング層を通過できるように形成される。
【００１６】
次に、以上のような構成の排気浄化フィルタ１０を排気ガス通路内に配置した場合の作用及び効果について説明する。排気ガス通路内に配置された排気浄化フィルタ１０に到達した排気ガスは、上記貫通通路１１から流入し、その一部がそのまま貫通通路１１を通って排気浄化フィルタ１０から出て行く一方、残りは上記隔壁１５を通過して、すなわち上記隔壁１５の細孔を通って、隣接する上流側閉塞通路１９へ流れ込む（図２参照）。
【００１７】
上述の説明からも明らかなように、本排気浄化フィルタ１０の構成では上記貫通通路１１の内面にＳＯｘトラップ触媒１７がコーティングされているので、上記隔壁１５を通過する排気ガスは、まずＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通る。そしてその後、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が担持された上記隔壁１５内の細孔を通って隣接する上流側閉塞通路１９へ流れ込む。排気ガスの空燃比がリーンである場合、排気ガスが上記ＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通過する時にＳＯｘが吸蔵される。次いで、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６によってＮＯｘが除去され、上記隔壁１５の細孔によって排気微粒子が捕集される。
【００１８】
本実施形態の排気浄化フィルタ１０においては、ほぼ半数の排気通路が上流側端部開口と下流側端部開口とが何れも閉塞されていない貫通通路１１である。このため、全ての通路に関し上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方が閉塞されていて、排気ガスが必ず隔壁を通過するようにした排気浄化フィルタに比べ、排気浄化フィルタにおける圧力損失を低減することができる。
【００１９】
その一方、本排気浄化フィルタ１０では、残りのほぼ半数の排気通路がその上流側端部開口を栓１３で閉塞された上流側閉塞通路１９である。このため、排気ガスの一部は隔壁１５を通過することとなり、全ての排気通路が貫通通路１１である場合に比べて高い排気微粒子除去性能が得られる。
なお、本排気浄化フィルタ１０では、貫通通路１１と上流側閉塞通路１９がほぼ半数ずつであったが、必要な排気微粒子除去性能や許容される圧力損失等に応じて貫通通路１１と上流側閉塞通路１９との割合を調整するようにしてもよい。
【００２０】
また、上述したように、本排気浄化フィルタ１０において、排気ガスが上記隔壁１５を通過する場合には、まずＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通る。このため、排気ガス中にＳＯｘが含まれている場合には、殆どのＳＯｘがこのコーティング層で捕捉され、隔壁１５内部へ入ることが抑制される。
【００２１】
ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６は、一般に、排気ガスの空燃比がリーンである場合には排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘの吸蔵を行うのと全く同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸蔵してしまう。そして、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６のＳＯｘ蓄積量が次第に増大し、そのＮＯｘ吸蔵容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなる、いわゆる硫黄被毒の問題が生じる。
【００２２】
本排気浄化フィルタ１０では、上述のようにＳＯｘが隔壁１５の内部へ入ることが抑制されるので、隔壁１５の細孔内に担持されたＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が吸蔵してしまうＳＯｘ量は低減され、硫黄被毒の問題は生じ難くなる。この結果、排気浄化フィルタ１０のＮＯｘ吸蔵能力の耐久性が向上される。
【００２３】
なお、本排気浄化フィルタ１０においてＳＯｘトラップ触媒１７の捕捉したＳＯｘ量がその許容上限値に達した場合には、ＳＯｘトラップ触媒１７からＳＯｘを離脱させる硫黄分離脱制御を実施する必要がある。この硫黄分離脱制御は、例えばＳＯｘトラップ触媒１７の温度を硫黄分離脱温度以上（例えば６００℃以上）に昇温し、且つ流通する排気ガスの空燃比をほぼストイキまたはリッチにすることにより行われる。そして、この硫黄分離脱制御の際には、ＳＯｘトラップ触媒１７に捕捉していたＳＯｘが排気ガス中へ離脱されるので、離脱されたＳＯｘが今度は隔壁１５の細孔内に担持されているＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６に吸蔵され、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が硫黄被毒されてしまうことが懸念される。
【００２４】
しかしながら、実際には、本排気浄化フィルタ１０の構成においては、このような場合に離脱されたＳＯｘは隔壁１５の細孔内に担持されているＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６にあまり吸蔵されず、硫黄被毒は起こり難いことが確認されている。このメカニズムについては明らかではない部分もあるが、隔壁１５の排気ガス流入側表面にＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層が形成されるために隔壁１５の細孔内を流通する排気ガスの流速が低くなることや、ＳＯｘトラップ触媒１７から離脱されるＳＯｘの多くが貫通通路１１へ離脱されること等が理由として考えられる。
【００２５】
次に本発明の他の実施形態の排気浄化フィルタ２０について説明する。図３は排気浄化フィルタ２０の排気ガス流入側端面図であり、図４は排気浄化フィルタ２０の縦断面図である。本排気浄化フィルタ２０は、排気ガス浄化フィルタ１０と同様、ハニカム構造をなす隔壁１５を具備し、これら隔壁１５によって互いに平行をなして延びる複数個の排気通路１１、２３が画成される。
【００２６】
本排気浄化フィルタ２０では、排気浄化フィルタ１０と異なり、これら排気通路のうちほぼ半数の排気通路２３がその下流側端部開口を栓２１で閉塞されている。以下、これら排気通路２３を下流側閉塞通路と称す。一方、残りの半数の排気通路１１は、排気浄化フィルタ１０と同様、その上流側端部開口と下流側端部開口とが何れも閉塞されていない貫通通路１１である。下流側閉塞通路２３には４つの貫通通路１１が隣接する。一方、貫通通路１１には４つの下流側閉塞通路２３が隣接する。
【００２７】
排気浄化フィルタ１０と同様、隔壁１５はコージェライトのような多孔質材料からなり、その表面及び内部に細孔を有していて、排気ガスはこの細孔を通って隔壁１５を通過することができる。また、この細孔内には上述したＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が担持されている。
【００２８】
更に本排気浄化フィルタ２０においては、下流側閉塞通路２３を画成する隔壁１５の当該下流側閉塞通路２３側の表面、すなわち隣接する貫通通路１１を画成する隔壁１５の当該貫通通路１１とは反対側の表面に、ＳＯｘを捕捉するＳＯｘトラップ触媒１７がコーティングにより担持されている。このＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層は、排気浄化フィルタ１０と同様のものである。
【００２９】
このような構成の排気浄化フィルタ２０が排気ガス通路内に配置された場合、排気浄化フィルタ２０に到達した排気ガスは、上記貫通通路１１と上記下流側閉塞通路２３との両方に流入する。上記貫通通路１１に流入した排気ガスは主にそのまま貫通通路１１を通って排気浄化フィルタ２０から出て行く一方、上記下流側閉塞通路２３に流入した排気ガスは上記隔壁１５を通過して、すなわち上記隔壁１５の細孔を通って、隣接する貫通通路１１へ流れ込む（図４参照）。
【００３０】
上述の説明からも明らかなように、本排気浄化フィルタ２０の構成では上記下流側閉塞通路２３の内面にＳＯｘトラップ触媒１７がコーティングされているので、上記隔壁１５を通過する排気ガスは、まずＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通る。そしてその後、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が担持された上記隔壁１５内の細孔を通って隣接する貫通通路１１へ流れ込む。排気浄化フィルタ１０の場合と同様、排気ガスがリーンである場合、排気ガスが上記ＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通過する時にＳＯｘが吸蔵され、次いでＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６によってＮＯｘが吸蔵される。また、排気微粒子は上記隔壁１５の細孔によって捕集される。
【００３１】
以上の説明からも明らかなように、本排気浄化フィルタ２０においても、排気浄化フィルタ１０とほぼ同様の作用によってほぼ同様の効果を得ることができる。すなわち、本排気浄化フィルタ２０によっても、全ての通路に関し上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方が閉塞されていて、排気ガスが必ず隔壁を通過するようにした排気浄化フィルタに比べ、排気浄化フィルタにおける圧力損失を低減することができる。また同時に、全ての排気通路が貫通通路である場合に比べて高い排気微粒子除去性能が得られる。
【００３２】
なお、本排気浄化フィルタ２０では、貫通通路１１と下流側閉塞通路２３がほぼ半数ずつであったが、排気ガス浄化フィルタ１０の場合と同様に、必要な排気微粒子除去性能や許容される圧力損失等に応じて貫通通路１１と下流側閉塞通路２３との割合を調整するようにしてもよい。
【００３３】
また、本排気浄化フィルタ２０においても、排気ガスが上記隔壁１５を通過する場合には、まずＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層を通るので、排気ガス中のＳＯｘの殆どがこのコーティング層で捕捉され、隔壁１５内部へ入ることが抑制される。これにより、排気ガス浄化フィルタ１０の場合と同様に、隔壁１５の細孔内に担持されたＮＯｘ吸蔵浄化触媒１６が吸蔵してしまうＳＯｘ量が低減され、硫黄被毒の問題が生じ難くなる。この結果、排気浄化フィルタ２０のＮＯｘ吸蔵能力の耐久性は向上される。
【００３４】
なお、以上で説明した排気浄化フィルタ１０、２０は、貫通通路１１と上流側閉塞通路１９との組合せ、または貫通通路１１と下流側閉塞通路２３との組合せという、いわゆる片栓詰構成とされていて、その圧力損失を低減するような構成となっているが、これにはＳＯｘトラップ触媒１７のコーティング層の付加による排気浄化フィルタの圧力損失の増加を抑制するという目的もある。
【００３５】
また、その一方で本発明はこのような片栓詰構成に限定されるものではなく、貫通通路１１と、上流側閉塞通路１９と、下流側閉塞通路２３とが任意に組み合わされてもよい。この場合、上記の各種通路１１、１９、２３の割合は必要な排気微粒子除去性能や許容される圧力損失等に応じて決定することができ、例えば、上流側閉塞通路１９と下流側閉塞通路２３のみが組み合わされてもよい。また、このような場合においても、ＳＯｘトラップ触媒１７は、上流側閉塞通路１９を画成する隔壁１５の当該上流側閉塞通路１９とは反対側の表面と、下流側閉塞通路２３を画成する隔壁１５の当該下流側閉塞通路２３側表面とに担持される。これによって、上述した排気浄化フィルタ１０、２０と同様に、排気浄化フィルタのＮＯｘ吸蔵能力の耐久性が向上される。
【００３６】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵能力の耐久性を向上させた排気浄化フィルタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である排気浄化フィルタの排気ガス流入側端面図である。
【図２】図２は、図１の排気浄化フィルタの縦断面図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態の排気浄化フィルタの排気ガス流入側端面図である。
【図４】図４は、図３の排気浄化フィルタの縦断面図である。
【符号の説明】
１０、２０…排気浄化フィルタ
１１…貫通通路
１３…栓
１５…隔壁
１６…ＮＯｘ吸蔵浄化触媒
１７…ＳＯｘトラップ触媒
１９…上流側閉塞通路
２１…栓
２３…下流側閉塞通路

Claims (3)

1. 表面及び内部に細孔が設けられた隔壁であって上記細孔を通って排気ガスが通過可能な隔壁によって画成される複数の通路を有し、上記細孔内には、流通する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸蔵し流通する排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵浄化触媒が担持されている排気浄化フィルタにおいて、
   上記複数の通路のうちの少なくとも一部の通路はその上流側端部開口と下流側端部開口とのうちの何れか一方のみが閉塞されていて、
   下流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路側表面と、上流側端部開口のみ閉塞された通路を画成する隔壁の当該通路とは反対側の表面とにＳＯｘトラップ触媒を担持したことを特徴とする排気浄化フィルタ。
2. 上記複数の通路の一部の通路は閉塞されずに上記排気浄化フィルタを貫通することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化フィルタ。
3. 閉塞された開口は上流側端部開口のみである、または下流側端部開口のみであることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化フィルタ。

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