JP2004108197A

JP2004108197A - ハニカムフィルター

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Publication number: JP2004108197A
Application number: JP2002269830A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Shimoda; 下田　健二朗
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP4293771B2

Abstract

【課題】隔壁の細孔内に担持された触媒とパティキュレートとが十分に接触できるようにして反応効率を高め、フィルターの再生作業の頻度を低下させる。
【解決手段】被処理ガスの流入側端面３及び流出側端面５と、流入側端面３から流出側端面５まで延びる多孔質の隔壁７と、隔壁７により仕切られ、流入側端面３から流出側端面５まで貫通する多数の流通孔とを有し、流入側端面３において所定の流通孔９ａが封止されており、流出側端面５において残余の所定の流通孔９ｂが封止されており、隔壁７に触媒がコーティングされ、被処理ガスが隔壁７を通過することにより当該ガス中のパティキュレートが隔壁７により捕集されるハニカムフィルターである。当該ハニカムフィルターは、隔壁７のガス入口側表面７ａの平均細孔径が２０μｍ以上であり、隔壁７のガス出口側表面７ｂの開口面積を隔壁７のガス入口側表面７ａの開口面積の４〜９０％となるようにしている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集するために使用されるハニカムフィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼルエンジンから排出される排ガスにはスート（黒煙）を主体とするパティキュレート（粒子状物質）が多量に含まれている。このパティキュレートが大気中に放出されると環境汚染を引き起こすため、ディーゼルエンジンの排気系には、パティキュレートを捕集するためのハニカムフィルターが搭載されている。
【０００３】このような目的で使用されるハニカムフィルターは、一般に、被処理ガスの流入側端面及び流出側端面と、前記流入側端面から前記流出側端面まで延びる多孔質の隔壁と、前記隔壁により仕切られ、前記流入側端面から前記流出側端面まで貫通する多数の流通孔とを有し、前記流入側端面において所定の流通孔が封止されており、前記流出側端面において残余の所定の流通孔が封止された構造を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】被処理ガスは、このフィルターの流入側端面において封止されておらず、流出側端面において封止された流通孔に流入し、多孔質の隔壁を通って、流入側端面において封止され、流出側端面において封止されていない流通孔に移動し、当該流通孔から排出される。そして、この際に隔壁が濾過層となり、ガス中のスート等のパティキュレートが隔壁に捕捉され隔壁上に堆積する。
【０００５】なお、近年においては、パティキュレートの燃焼反応を促進するような触媒を隔壁にコーティングし、隔壁に捕捉されたパティキュレートの一部を触媒燃焼させるようにしたハニカムフィルターも使用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２６９５８５公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このように隔壁に触媒がコーティングされたハニカムフィルターにおいては、触媒は隔壁の表面と細孔内に担持されているが、排ガス中のほとんどのパティキュレートを除去し得るような細孔径分布を持つ通常のハニカムフィルターでは、パティキュレートは主に隔壁のガス入口側の表面に多く堆積し、隔壁の細孔内にはほとんど堆積しないので、当該細孔内に担持された触媒は、パティキュレートと十分に接触できず、反応効率が悪い。
【０００８】このため、パティキュレートの燃焼を促進すべく触媒を利用しているにも関わらず、フィルター内には比較的短期間の内にパティキュレートが堆積してしまい、フィルターに逆洗や燃焼を施すなどして堆積したパティキュレートを除去する再生作業を頻繁に行う必要があり、経済性に問題があった。なお、パティキュレートの細孔内部での捕集を謳うタイプのハニカムフィルターにおいても、排ガスが通気抵抗の低い部位のみ通過するため、隔壁の細孔はその一部しか有効に活用されておらず、やはり触媒の一部を無駄にしており、また、この種のハニカムフィルターは強度的にも弱いという問題もあった。
【０００９】本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、隔壁に触媒がコーティングされたハニカムフィルターにおいて、隔壁の細孔内に担持された触媒とパティキュレートとが十分に接触できるようにして反応効率を高め、フィルターの再生作業の頻度を低下させることを主な目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被処理ガスの流入側端面及び流出側端面と、前記流入側端面から前記流出側端面まで延びる多孔質の隔壁と、前記隔壁により仕切られ、前記流入側端面から前記流出側端面まで貫通する多数の流通孔とを有し、前記流入側端面において所定の流通孔が封止されており、前記流出側端面において残余の所定の流通孔が封止されており、前記隔壁に触媒がコーティングされ、被処理ガスが前記隔壁を通過することにより当該ガス中のパティキュレートが前記隔壁により捕集されるハニカムフィルターであって、前記隔壁のガス入口側表面の平均細孔径が２０μｍ以上であり、前記隔壁のガス出口側表面の開口面積を前記隔壁のガス入口側表面の開口面積の４〜９０％となるようにしたことを特徴とするハニカムフィルター、が提供される。
【００１１】また、本発明によれば、前記のハニカムフィルターを缶体に収容してなることを特徴とする排ガス浄化用コンバーター、が提供される。
【００１２】更に、本発明によれば、前記の排ガス浄化用コンバーターを内燃機関からの排ガス流路に搭載してなることを特徴とする排ガス浄化システム、が提供される。
【００１３】なお、本発明において、「隔壁のガス入口側表面」とは、濾過層となる多孔質の隔壁を被処理ガスが通過する際に、当該ガスが入って来る側の隔壁の表面を言い、「隔壁のガス出口側表面」とは、同様に隔壁を被処理ガスが通過する際に、当該ガスが出て行く側の隔壁の表面を言う。すなわち、両者は隔壁の「オモテ面」と「ウラ面」の関係にある。
【００１４】また、「表面の開口面積」とは、隔壁に対し垂直方向より超深度形状測定顕微鏡などを使い表面観測域の任意の点Ａ（図３参照）を基準とし、観測域全域の相対的な高さを観測して（図４参照）、高さの頻度分布を取り、分布が一番大きい断面Ｂを基準平面とし（図５参照）、それ以深のものを細孔とした時の基準平面における細孔の面積を言うものとする（図５の非白色部分（図面代用写真の青・黄緑色部分）が細孔。図５の外側の四角で囲われた範囲Ｉにおける非白色部分（図面代用写真の青色部分）：全視野での細孔部分（観測視野）。図５の内側の四角で囲われた範囲ＩＩにおける非白色部分（図面代用写真の黄緑色部分）：細孔の面積を画像処理で求めるために抽出した細孔部分（測定視野）。）。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明のフィルターは、図１（ａ）及び（ｂ）に模式的に示したように、被処理ガスの流入側端面３及び流出側端面５と、流入側端面３から流出側端面５まで延びる多孔質の隔壁７と、隔壁７により仕切られ、流入側端面３から流出側端面５まで貫通する多数の流通孔（セル）とを有し、流入側端面３において所定の流通孔９ａが封止されており、流出側端面５において残余の所定の流通孔９ｂが封止されている。一般的には、図１（ａ）のように、端面が市松模様状を呈するように、隣接する流通孔が互いに反対側となる一方の端部で封止される。
【００１６】隔壁７には、被処理ガスに含まれるスート等のパティキュレートの燃焼反応を促進するような触媒がコーティングされており、コーティングされた触媒は隔壁の表面及び細孔内に固定的に担持されている。なお、触媒としては、酸化触媒又はＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_ｘ及びＰＭの内の少なくとも１種を浄化することができる触媒を好適に使用できる。
【００１７】そして、本発明においては、このような基本的なフィルター構造に加え、隔壁７の入口側表面の平均細孔径が２０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上であり、隔壁７の出口側表面の開口面積を隔壁７の入口側表面の開口面積の４〜９０％、好ましくは３０〜７０％となるようにしたという特徴的な構成を有する。
【００１８】被処理ガスは、このフィルターの流入側端面３において封止されておらず、流出側端面５において封止された流通孔９ｂに流入し、濾過層である多孔質の隔壁７を通って、流入側端面３において封止され、流出側端面５において封止されていない流通孔９ａに移動し、当該流通孔９ａから排出されるが、前記のように隔壁７のガス入口側表面７ａの平均細孔径が２０μｍ以上であるフィルターを用い、更にその隔壁７のガス出口側表面７ｂの開口面積を隔壁７のガス入口側表面７ａの開口面積の４〜９０％となるようにして、ガス出口側において意図的にガス流れに抵抗を与えると、従来のフィルターではガスがほとんど流れなかった細孔にまでガスが流通するようになる。
【００１９】そして、このように被処理ガスを意図的により多くの細孔内に積極的に流通させることにより、ガス中に含まれるスート等のパティキュレートが当該細孔内に担持された触媒と十分に接触して、細孔内の触媒が有効に利用できるようになり、その結果、反応効率が向上してフィルター内に所定量のパティキュレートが堆積するまでに要する時間が長くなり、フィルターの再生作業を行う頻度を下げることが可能となる。
【００２０】なお、本発明において、隔壁のガス入口側表面の平均細孔径を２０μｍ以上としたのは、当該平均細孔径が２０μｍ未満では、隔壁のガス入口側表面に大部分のスート等のパティキュレートが堆積し、隔壁の細孔内にはほとんど堆積しないからである。また、隔壁のガス出口側表面の開口面積を隔壁のガス入口側表面の開口面積の４〜９０％としたのは、４％未満では通気抵抗が大きくなりすぎ、９０％を越えると通気抵抗が小さすぎて従来の触媒付きハニカムフィルターと性能に大差が無いからである。
【００２１】本発明のハニカムフィルターの製造方法としては、例えば、平均細孔径が２０μｍ以上であるハニカムフィルターを用意し、そのフィルターと同材質の微紛をスラリー化するなどして隔壁のガス出口側表面から塗布した後に乾燥、焼成を行うことで、隔壁のガス出口側表面の細孔を埋めたり、あるいはウォッシュコート及び触媒を、隔壁のガス出口側表面からコーティングして行くことで、ガス出口側表面からガス入口側表面に向かって担持量に勾配ができるようにして、隔壁のガス出口側表面の開口面積をガス入口側表面の開口面積の４〜９０％となるようにするという方法が好ましい。なお、このように細孔を埋めるために微粉や触媒等を塗布することで、フィルターの強度を向上させることもできる。
【００２２】本発明において、ハニカムフィルターの材質としては、セラミック材料が好適に使用でき、特にハニカムフィルターの主結晶の材質がコーディエライト、炭化珪素、アルミナ、ムライト及び窒化珪素のうちの何れかであることが、強度、耐熱性、耐蝕性等の観点から好ましい。また、本発明の要件を満たす限り、ハニカムフィルターの材質として金属材料を用いてもよい。
【００２３】本発明のハニカムフィルターは、これを缶体に収容してなる排ガス浄化用コンバーターの形態で好適に使用することができ、また、当該排ガス浄化用コンバーターは、これを内燃機関からの排ガス流路に搭載してなる排ガス浄化システムとして、ディーゼルエンジン等の排ガス浄化に好適に使用することができる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例）
流入側端面と流出側端面とで互い違いになるように、流通孔の端部が市松模様状に封止された平均細孔径３０μｍ、気孔率６０％の炭化珪素質のハニカムフィルター（容量：２．５Ｌ、隔壁厚さ：１２ｍｉｌ、セル密度：３００セル／平方インチ、）を用意した。このハニカムフィルターに対し、隔壁のガス出口側表面からウォッシュコートを塗布して行くことにより、隔壁のガス出口側表面の開口面積をガス入口側表面の開口面積の３５％とし、更に酸化触媒としてＰｔを２ｇ／Ｌコーティングして実施例のハニカムフィルターを得た。
【００２６】
（比較例１）
流入側端面と流出側端面とで互い違いになるように、流通孔の端部が市松模様状に封止された平均細孔径３０μｍ、気孔率６０％の炭化珪素質のハニカムフィルター（容量：２．５Ｌ、隔壁厚さ：１２ｍｉｌ、セル密度：３００セル／平方インチ、）を用意し、これをそのまま比較例１のハニカムフィルターとした。
【００２７】
（比較例２）
流入側端面と流出側端面とで互い違いになるように、流通孔の端部が市松模様状に封止された平均細孔径３０μｍ、気孔率６０％の炭化珪素質のハニカムフィルター（容量：２．５Ｌ、隔壁厚さ：１２ｍｉｌ、セル密度：３００セル／平方インチ、）を用意した。このハニカムフィルターに対し、前記実施例１と同量・同種のウォッシュコートを、隔壁のガス出口側表面とガス入口側表面とで均一の担持量となるように塗布し、更に酸化触媒としてＰｔを２ｇ／Ｌ均一にコーティングして、隔壁表面全体の開口率がほぼ均一である比較例２のハニカムフィルターを得た。
【００２８】
（評価１）
前記実施例及び比較例１、２のハニカムフィルターを排気量２０００ｃｃのディーゼルエンジンの排気系に取り付け、２０００ｒｐｍでハニカムフィルターへの流入ガス温度２５０℃という条件で２時間運転を行った。運転開始直後、５分後、１０分後、２０分後、４０分後、６０分後、８０分後、１１０分後、１２０分後の時点でそれぞれスートの発生量、フィルターでの捕集効率、フィルターに堆積した堆積スート量を測定し、測定結果を表１に示した。なお、表中に併記した計算捕集スート量は、触媒反応によるスートの燃焼を考慮せず、単純にスート発生量などから計算によって求められたフィルターの捕集スート量である。また、本評価試験では、燃料として硫黄分５０ｐｐｍ以下の低硫黄軽油を用いているため、硫黄成分による触媒性能の劣化は無視できると考えられる。
【００２９】
【表１】

【００３０】表１に示す結果から分かるとおり、計算捕集スート量に対する実際の堆積スート量は、実施例では５割程度であるが、触媒を持たない比較例１ではほぼ完全にスートが堆積されており、また、隔壁表面全体の開口率がほぼ均一である比較例２では７割程度である。捕集効率は何れも９０％程度に達しているので、この差分はスートの一部が、触媒反応により燃焼浄化されているためと考えられ、実施例では明らかに反応効率が向上した。
【００３１】これは、実施例では隔壁のガス出口側表面の開口面積をガス入口側表面の開口面積の７０％とし、ガス出口側において意図的にガス流れに抵抗を与えることで、比較例のような通常のフィルターではガスがほとんど流れていない細孔にまでガスが流れ、その結果、ガス中のスート粒子が当該細孔内に担持された触媒と十分に接触して、細孔内の触媒が有効に利用され反応効率が向上したためと考えられる。
【００３２】
（評価２）
前記実施例及び比較例２のハニカムフィルターに対し、その全周および両端面に静水圧を加圧して、フィルターの任意の場所が破壊したときの圧力を測定し、その圧力を圧縮強度として比較した。なお、強度測定にはバラツキが伴うため、実施例と比較例２とについてそれぞれ５体の測定を行った。結果は図２に示すとおりであり、ウォッシュコートの塗布の方法を変えたことにより、実施例は比較例２に対して１割程度圧縮強度が向上していることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ガス中に含まれるスート等のパティキュレートが隔壁の細孔内に担持された触媒と十分に接触して、細孔内の触媒が有効に利用できるようになり、その結果、反応効率が向上してフィルター内に所定量のパティキュレートが堆積するまでに要する時間が長くなり、フィルターの再生作業を行う頻度を下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハニカムフィルターの基本的に構造を示す模式図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図２】実施例の評価２の結果を示すグラフである。
【図３】本発明における「表面の開口面積」を説明するための隔壁の超深度形状測定顕微鏡写真である。
【図４】本発明における「表面の開口面積」を説明するための隔壁の超深度形状測定顕微鏡写真である。
【図５】細孔部分の画像処理写真である。
【符号の説明】
３…流入側端面、５…流出側端面、７…隔壁、７ａ…ガス入口側表面、７ｂ…ガス出口側表面、９ａ…流通孔、９ｂ…流通孔。

Claims

被処理ガスの流入側端面及び流出側端面と、前記流入側端面から前記流出側端面まで延びる多孔質の隔壁と、前記隔壁により仕切られ、前記流入側端面から前記流出側端面まで貫通する多数の流通孔とを有し、前記流入側端面において所定の流通孔が封止されており、前記流出側端面において残余の所定の流通孔が封止されており、前記隔壁に触媒がコーティングされ、被処理ガスが前記隔壁を通過することにより当該ガス中のパティキュレートが前記隔壁により捕集されるハニカムフィルターであって、
前記隔壁のガス入口側表面の平均細孔径が２０μｍ以上であり、前記隔壁のガス出口側表面の開口面積を前記隔壁のガス入口側表面の開口面積の４〜９０％となるようにしたことを特徴とするハニカムフィルター。
ハニカムフィルターの材質がセラミック材料である請求項１記載のハニカムフィルター。
ハニカムフィルターの主結晶の材質がコーディエライト、炭化珪素、アルミナ、ムライト及び窒化珪素のうちの何れかである請求項１記載のハニカムフィルター。
ハニカムフィルターの材質が金属材料である請求項１記載のハニカムフィルター。
請求項１記載のハニカムフィルターを缶体に収容してなることを特徴とする排ガス浄化用コンバーター。
請求項５記載の排ガス浄化用コンバーターを内燃機関からの排ガス流路に搭載してなることを特徴とする排ガス浄化システム。