JP2004124723A

JP2004124723A - 排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法

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Publication number: JP2004124723A
Application number: JP2002286155A
Authority: JP
Inventors: Seiji Ogawara; 大河原　誠治
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP3827157B2

Abstract

【課題】、ＰＭの捕集率を高く確保するとともに、圧力損失の上昇を抑制する。
【解決手段】ウォールフロー構造の中心構造部１３と，中心構造部１３の外周に一体形成されたストレートフロー構造の外周構造部１５と，よりなるウォールフローハニカム構造部１の上流側に近接して、排ガス流を中心構造部１３へ向かうように整流して誘導する整流誘導部２を配置した。
中心構造部１３のガス通過抵抗が小さい間は、ＰＭは中心構造部１３に高捕集率で捕集される。中心構造部１３へのＰＭの堆積が進行するとガス通過抵抗が増大するため、排ガスは外周構造部１５に流入しやすくなる。これにより圧力損失の増大が防止される。
【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からの排ガスなど、パティキュレートを含む排ガスを浄化する排ガス浄化装置と、その排ガス浄化装置を用いた排ガス浄化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少されてきている。しかし、ディーゼルエンジンについては、有害成分がパティキュレート（粒子状物質：炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、高分子量炭化水素微粒子（　ＳＯＦ）等、以下ＰＭという）として排出されるという特異な事情から、規制も技術の進歩もガソリンエンジンに比べて遅れている。
【０００３】
現在までに開発されているディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、大きく分けてトラップ型の排ガス浄化装置（ウォールフロー）と、オープン型の排ガス浄化装置（ストレートフロー）とが知られている。このうちトラップ型の排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルＰＭフィルタ（以下ＤＰＦという））が知られている。このＤＰＦは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するフィルタ隔壁とよりなり、フィルタ隔壁の細孔で排ガスを濾過してＰＭを捕集することで排出を抑制するものである。
【０００４】
しかしＤＰＦでは、ＰＭの堆積によって圧損が上昇するため、何らかの手段で堆積したＰＭを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、圧損が上昇した場合に高温の排ガスを流してＰＭを燃焼させることでＤＰＦを再生することが行われている。しかしながらこの場合には、ＰＭの堆積量が多いほど燃焼時の温度が上昇し、ＤＰＦが溶損したり、熱応力でＤＰＦが破損する場合もある。
【０００５】
そこで近年では、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を配置した排ガス浄化装置や、ＤＰＦのフィルタ隔壁の表面にアルミナなどからコート層を形成し、そのコート層に白金（Ｐｔ）などの触媒金属を担持して触媒層とした連続再生式ＤＰＦが開発されている。この連続再生式ＤＰＦによれば、捕集されたＰＭが触媒金属の触媒反応によって酸化燃焼するため、捕集と同時にあるいは捕集に連続して燃焼させることでＤＰＦを再生することができる。そして触媒反応は比較的低温で生じること、及び捕集量が少ないうちに燃焼できることから、ＤＰＦの溶損を防止でき、作用する熱応力が小さいので破損も防止されるという利点がある。
【０００６】
例えば特開平０１−３１８７１５号公報にはＤＰＦの上流側に酸化触媒を配置した排ガス浄化装置が開示され、特開２００１−３０３９３２号公報などには触媒付きＤＰＦの上流側に酸化触媒を配置した排ガス浄化装置が開示されている。これらの浄化装置によれば、酸化触媒で生成したＮＯ_２　によってＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去することができる。
【０００７】
また、特開平０６−１８２２０４号公報には、Ｐｄを担持したウォールフロー構造部の外周にＰｔを担持したストレートフロー構造部を一体形成したディーゼル排ガス用の浄化装置が開示されている。この浄化装置によれば、低温域の排ガスは主としてストレートフロー構造部を流れるので、低温活性に優れたＰｔによって　ＳＯＦを分解除去することができる。また高温域の排ガス流は、中心部ほど流速が大きく圧力も高いのでウォールフロー構造部にも流入し、ＰＭが捕集される。そしてＰｄはＳＯ_２　の酸化作用が小さいのでサルフェートの生成が抑制され、その結果ＰＭの排出量が低減される。さらにＰｄは高温における酸化活性が高いので、捕集されたＰＭは高速走行時などに燃焼除去される。
【０００８】
ところがＤＰＦの中心部は温度が速やかに上昇するが、外周部は排ガス流速が小さく外気に最も近いために、温度が上昇しにくくしかも冷めやすい。そのためＤＰＦあるいは触媒付きＤＰＦの上流側に酸化触媒を配置した排ガス浄化装置においても、外周部に堆積したＰＭの浄化が困難となるという問題がある。
【０００９】
そこで特開２０００−１４５４２９号公報には、ＤＰＦの上流側に近接した位置に流れ制御部材を配置し、排ガスを外周部に積極的に流すようにすることが記載されている。また特開平１０−０３０４２８号公報には、ＤＰＦの外周部の入口端面を目封じすることが記載されている。これらの装置によれば、外周部の温度上昇を促進でき、あるいは外周部へのＰＭの堆積を防止できるので、触媒付きＤＰＦに応用することでＰＭ浄化能が向上することが期待される。ところがこれらの装置では、圧力損失が増加するため、エンジン出力が低下するという問題がある。
【００１０】
また、触媒付きＤＰＦにおいても、ＰＭの堆積量が増大した場合に、高温の排ガスを流して堆積したＰＭを燃焼させＤＰＦを再生するという処理が必要となる場合がある。そのためには、ＰＭの堆積量が所定値以上であることを検知しなければならない。この検知は、一般にＤＰＦにおける圧力損失が所定値以上となったことを検出することで行われている。
【００１１】
しかし触媒付きＤＰＦでは、捕集されたＰＭの酸化は触媒金属と接触する界面で生じるために、堆積したＰＭと触媒層との界面でのみＰＭが除去され、ＰＭ堆積層と触媒層の間に空洞が生じる場合がある。このような場合には空洞によって圧力損失が低くなるために、ＰＭ堆積量が所定値を超えていてもそれを検出することが困難となる。
【００１２】
さらに触媒付きＤＰＦにおいては、再生時のＤＰＦの中心部と外周部との温度差は　２００℃にもなり、中心部では溶損などの不具合が生じやすいにも関わらず、外周部ではＰＭの燃え残りが生じる場合もあった。
【００１３】
【特許文献１】特開平０１−３１８７１５号
【特許文献２】特開２００１−３０３９３２号
【特許文献３】特開平０６−１８２２０４号
【特許文献４】特開２０００−１４５４２９号
【特許文献５】特開平１０−０３０４２８号
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＰＭの捕集率を高く確保するとともに、圧力損失の上昇を抑制することを目的とする。また本発明のもう一つの目的は、ＤＰＦの再生処理が必要な時期を確実に判定できるようにして、再生時における溶損などを確実に防止することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、内燃機関から排出されたパティキュレートを含む排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタ触媒であって、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと，流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと，流入側セルと流出側セルを区画するフィルタ隔壁と，フィルタ隔壁の表面及び／又はフィルタ隔壁の細孔の表面に形成された触媒金属を含む触媒層と，からなる中心構造部と、中心構造部の外周に同軸的に一体形成され排ガスが直流するストレートセルからなる外周構造部と、よりなるウォールフローハニカム構造部と、
ウォールフローハニカム構造部の排ガス上流側に近接して設けられ排ガス流を中心構造部へ向かうように整流して誘導する整流誘導部と、からなることにある。
【００１６】
外周構造部あるいは整流誘導部にも触媒層が形成されていることが望ましい。また整流誘導部は、排ガスが直流するストレートフローハニカム構造体よりなることが望ましい。
【００１７】
さらにウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側には、出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段が配置され、ＰＭ濃度が所定値を超えたときに少なくとも中心構造部の再生処理が行われることが望ましい。
【００１８】
また本発明の排ガス浄化方法の特徴は、請求項１に記載の排ガス浄化装置を用い、整流誘導部で整流誘導されたパティキュレートを含む排ガスを主として中心構造部に流してパティキュレートを捕集し、中心構造部におけるパティキュレートの堆積量の増加に伴って外周構造部を流れる排ガス量を多くすることにある。
【００１９】
本発明の排ガス浄化方法において、ウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側には出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段が配置され、ＰＭ濃度が所定値を超えたときに少なくとも中心構造部の再生処理を行うことが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化装置では、ウォールフローハニカム構造部は、ウォールフロー構造の中心構造部とストレートフロー構造の外周構造部とから構成され、ウォールフローハニカム構造部の上流側に近接配置された整流誘導部が排ガス流を中心構造部へ向かうように整流して誘導する。したがって中心構造部のガス通過抵抗が小さい間は、排ガスはほとんどが中心構造部へ流入し、ＰＭは中心構造部に高捕集率で捕集される。そして捕集されたＰＭは、触媒層に含まれる触媒金属の触媒作用によって酸化燃焼される。
【００２１】
中心構造部へのＰＭの堆積が進行すると、中心構造部のガス通過抵抗が増大するため、整流誘導部から出た排ガスは外周構造部に流入しやすくなる。これによりＰＭの捕集率は低下する方向に行くものの圧力損失の増大は防止され、エンジン出力の低下などの不具合がない。また外周構造部にも触媒層が形成されていれば、排ガスが通過しやすいことから外周構造部の温度が上昇するため、外周構造部においても　ＳＯＦなどを酸化浄化することができＰＭの排出を抑制することができる。
【００２２】
そして中心構造部に堆積したＰＭを燃焼させて再生する場合には、外周構造部が断熱層として作用するため、中心構造部の外周部分の温度低下が防止され、ＰＭの燃え残りを防止することができる。
【００２３】
さらに整流誘導部にも触媒層が形成されていれば、整流誘導部においても　ＳＯＦなどを酸化浄化することができる。また整流誘導部で生成したＮＯ_２　によって、中心構造部に捕集されたＰＭの酸化がより促進される。したがってＰＭの排出をさらに抑制することができる。
【００２４】
本発明の排ガス浄化装置において、中心構造部へのＰＭの堆積が進行すると、整流誘導部から出た排ガスは外周構造部に流入しやすくなり、外周構造部からの出ガス中のＰＭが増加してＰＭ捕集率が低下するようになる。そこでウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側に、出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段を配置することが望ましい。このようにすれば、出ガス中のＰＭ濃度が所定量を超えた場合に中心構造部へのＰＭの堆積量が所定量を超えたと判定されるので、その時点で高温の排ガスを流すなどして堆積したＰＭを燃焼させ中心構造部のＰＭ捕集能を再生することができる。したがって圧力損失を指標として再生処理を行う場合に比べて、再生処理を行う時期判断の精度が向上し、中心構造部の溶損や熱応力による破損などの不具合を確実に防止することができる。
【００２５】
また再生処理後にも出ガス中のＰＭ濃度が所定量を超えている場合には、中心構造部にアッシュが堆積していると判断されるので、その場合にはウォールフローハニカム構造部を取り出して洗浄又は交換が行われる。したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、アッシュによる閉塞などの異常も容易に検知することができる。
【００２６】
中心構造部と外周構造部とよりなるウォールフローハニカム構造部は、コーディエライトなどの耐熱性セラミックスから製造することができる。そして両者を一体に構成するには、先ずストレートハニカム形状の構造体を押出成形により形成し、外周部を除く中心部のみにおいて、一端面のセル開口を市松状などに目詰めを施して流出側セルを形成し、流出側セルに隣接するセルの反対側の端面に目詰めして流入側セルを形成し、その後に焼成すればよい。
【００２７】
少なくとも中心構造部のフィルタ隔壁は、気孔率が４０〜８０％であり平均細孔径が１０〜４０μｍの範囲が好ましく、気孔率が６０〜７５％、平均細孔径が２２〜３５μｍであることが特に望ましい。これによりＰＭを効率よく捕集できるとともに、触媒層を　１００〜　２００ｇ／Ｌ形成しても圧損の増大を抑制することができる。フィルタ隔壁に細孔を形成するには、コーディエライト粉末など主成分とするスラリー中にカーボン粉末、木粉、澱粉、ポリマーなどの可燃物粉末などを混合しておき、可燃物粉末が焼成時に消失することで細孔を形成することができる。またフィルタ隔壁の気孔率及び平均細孔径を調整するには、可燃物粉末の粒径と量を調整することで行うことができる。
【００２８】
フィルタ隔壁に形成される触媒層は、多孔質酸化物に触媒金属を担持してなるものであり、多孔質酸化物としては　Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２などの酸化物あるいはこれらの複数種からなる複合酸化物を用いることができる。この触媒層は、フィルタ隔壁の表面ばかりでなく、可燃物粉末の消失によって形成された細孔内の表面にも形成されていることが望ましい。
【００２９】
このフィルタ隔壁に形成されている触媒層は、中心構造部の体積１リットルあたり５０〜　２００ｇのコート量とするのが好ましい。コート量が５０ｇ／Ｌ未満では触媒活性の耐久性の低下が避けられず、　２００ｇ／Ｌを超えると圧損が高くなりすぎて実用的ではない。
【００３０】
触媒層となるコート層を形成するには、酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末をアルミナゾルなどのバインダ成分及び水とともにスラリーとし、そのスラリーをフィルタ隔壁に付着させた後に焼成すればよい。スラリーをフィルタ隔壁に付着させるには通常の浸漬法を用いることができるが、エアブローあるいは吸引によって細孔内に入ったスラリーの余分なものを除去することが望ましい。
【００３１】
触媒層に担持される触媒金属としては、触媒反応によってＰＭの酸化を促進するものであれば用いることができるが、少なくともＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄなどの白金族の貴金属から選ばれた一種あるいは複数種を担持することが好ましい。さらにＮＯ_ｘ　吸蔵材を担持することも好ましい。貴金属の担持量は、中心構造部の体積１リットルあたり１〜５ｇの範囲とすることが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持しても活性が飽和するとともにコストアップとなってしまう。
【００３２】
また貴金属を担持するには、貴金属の硝酸塩などを溶解した溶液を用い、吸着担持法、含浸担持法などによって酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末からなるコート層に担持すればよい。また酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末に予め貴金属を担持しておき、その触媒粉末を用いて触媒層を形成することもできる。
【００３３】
触媒層に担持されるＮＯ_ｘ　吸蔵材としては、Ｋ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｌｉなどのアルカリ金属、Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒなどのアルカリ土類金属、あるいはＳｃ，Ｙ，Ｐｒ，Ｎｄなどの希土類元素から選択して用いることができる。中でもＮＯ_ｘ　吸蔵能に長けたアルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一種を用いることが望ましい。
【００３４】
このＮＯ_ｘ　吸蔵材の担持量は、中心構造部の体積１リットルあたり０．２５〜０．４５モルの範囲とすることが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持すると貴金属を覆って活性が低下するようになる。
【００３５】
またＮＯ_ｘ　吸蔵材を担持するには、酢酸塩、硝酸塩などを溶解した溶液を用い、吸水担持法などによって触媒層に担持すればよい。また酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末に予めＮＯ_ｘ　吸蔵材を担持しておき、その粉末を用いて触媒層を形成することもできる。
【００３６】
外周構造部は中心構造部と通常は一体に形成されるので、目詰めされていないこと以外は中心構造部と同様の構造とするのが便利である。したがって外周構造部のセル隔壁はフィルタ隔壁と同様の細孔構造をもち、触媒層も中心構造部と同様に形成することが好ましい。
【００３７】
整流誘導部は、排ガス流を中心構造部へ向かうように整流して誘導するものであればその材質及び形状は特に制限されない。一般にはガス通路をもち、そのガス通路が中心構造部の端面に向かって開口するものが用いられ、例えば金属製の波板と平板を交互に積層したハニカム構造体、あるいは耐熱性セラミック製のストレートフローハニカム構造体などを用いることができる。またフィルタ隔壁が圧力損失を生じさせない程度の十分な大きさの細孔をもつＤＰＦを用いてもよい。この整流誘導部の下流側端面の径は、中心構造部の上流側端面の径と同一又はそれ以下とするのが望ましい。
【００３８】
整流誘導部の排ガス出口側端面は中心構造部の入口側端面と近接していることが必要であり、その間隔は２０ｍｍ以下であることが望ましい。この間隔が大きすぎると整流誘導作用が低下し、中心構造部にＰＭが堆積していない場合でも外周構造部へ流入する排ガスが多くなるためＰＭ捕集率が低下してしまう。また整流誘導部と中心構造部の間の間隙に、排ガスが外周構造部へ向かうのを抑制する案内板を設けることも好ましい。なお整流誘導部と中心構造部との間に間隙が無い場合には、中心構造部にＰＭが堆積した場合でも排ガスが外周構造部に流入できないので、圧力損失が増大してしまう。したがって整流誘導部と中心構造部との間には間隙が必要であるが、その最小量は排ガス流量や外周構造部と中心構造部の比率などによって異なる。
【００３９】
また中心構造部の整流誘導部に対向する端面には、排ガスを流入側セルへ案内する傾斜部を有することが望ましい。これにより排ガスを流入側セルへより流しやすくなるとともに、整流誘導部に対向する端面へのＰＭの堆積を抑制することができる。この傾斜部は、フィルタ隔壁の変形により形成された流出側セルの目詰め部であることが望ましい。フィルタ隔壁の変形により形成された目詰め部であれば、排ガスの流通が可能であり傾斜部でもＰＭを濾過することができる。そして目詰め部といえども、その傾斜部の熱容量はフィルタ隔壁と同等であり従来の目詰め栓に比べて小さい。したがって昇温特性が向上し、傾斜部に堆積するＰＭの酸化浄化活性が向上する。
【００４０】
整流誘導部にも触媒層を形成することが好ましい。この触媒層は酸化触媒層、ＮＯ_ｘ　吸蔵還元型触媒層などとすることができる。したがって、ウォールフローハニカム構造部と同様の構造の触媒層とすることができ、上記と同様にして形成することができる。
【００４１】
ＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段としては、ＰＭ濃度を直接的に検知できるスモークセンサー、ＰＭ濃度を間接的に検知できる酸素センサー，Ａ／Ｆセンサーなどを用いることができる。
【００４２】
そして本発明の排ガス浄化方法では、上記した排ガス浄化装置を用い、整流誘導部で整流誘導されたＰＭを含む排ガスを主として中心構造部に流してＰＭを捕集し、中心構造部におけるＰＭの堆積量の増加に伴って外周構造部を流れる排ガス量を多くする。これによりＰＭの堆積量が多くなっても圧力損失の増大を抑制でき、エンジン出力の低下を防止することができる。
【００４３】
さらにＰＭ濃度検知手段を設け、ＰＭ濃度が所定値を超えたときに中心構造部の再生処理を行えば、外周構造部からのＰＭの排出量を所定以下に抑制することができる。そして再生時の発熱量を抑制できるので、中心構造部の溶損などを防止することができる。また外周構造部が断熱層として作用するため、中心構造部の外周部分の温度低下が防止され、ＰＭの燃え残りを防止することができる。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１に本実施例の排ガス浄化装置の断面図を示す。この排ガス浄化装置は、ウォールフローハニカム構造部１と、ウォールフローハニカム構造部１の排ガス上流側に配置されたストレートフローハニカム構造体２（整流誘導部）とから構成されている。
【００４６】
ウォールフローハニカム構造部１は、排ガス下流側で目詰めされた流入側セル１０と、流入側セル１０に隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セル１１と、流入側セル１０と流出側セル１１を区画するフィルタ隔壁１２とよりなる中心構造部１３と、中心構造部１３の外周に同軸的に一体形成され排ガスが直流するストレートセル１４からなる外周構造部１５と、から構成され、フィルタ隔壁１２及びストレートセル１４の表面及び細孔表面には触媒層が形成されている。
【００４７】
またストレートフローハニカム構造体２は、上流側ストレートセル２０と上流側ストレートセル２０どうしを区画する上流側セル隔壁２１と、上流側セル隔壁２１に形成された触媒層とから構成され、その外径は中心構造部１３の外径と同一に構成されている。そしてストレートフローハニカム構造体２は、中心構造部１３と同軸位置で、中心構造部１３の排ガス上流側端面からｔ＝１０ｍｍ離間した位置に配置されている。
【００４８】
以下、この排ガス浄化装置の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。
【００４９】
直径　１２９ｍｍ，長さ　１５０ｍｍ，体積２０００ｃｃ，セル数４６．５セル／ｃｍ^２　の、四角形セルをもつストレートハニカム形状のコーディエライト製の基材を用意した。基材の気孔率は６５％、平均細孔径は３０μｍである。
【００５０】
次にアルミナ，タルク，カオリン，シリカからなるコーディエライト組成の粉末に所定量の有機バインダと水を混合し、安定した保形性のあるクリーム状のペーストを調製する。このペーストを用い、所定長さのパイプをもつペースト注入機（ディスペンサ）を用いて、基材の上流側端面で外周部の約　６００個のセルを除いて１マス置きに目詰めし、基材の下流側端面では外周部の約　６００個のセルを除いて上流側端面で目詰めされていないセルを目詰めした。その後１４００℃で焼成し、中心構造部１３と外周構造部１５を形成した。
【００５１】
続いてアルミナ粉末とセリア−ジルコニア複合酸化物粉末とを主とするスラリーを全体にウォッシュコートし、　１１０℃で乾燥後　４５０℃で焼成してコート層を形成した。コート層は基材１リットルあたり７５ｇ形成され、フィルタ隔壁１２及びストレートセル１４の表面及び細孔の表面に形成された。次いで含浸担持法によりＰｔを担持して、触媒層を形成し、ウォールフローハニカム構造部１を調製した。基材１リットルあたりのＰｔの担持量は２ｇである。
【００５２】
一方、直径　１１７ｍｍ，長さ６０ｍｍ，体積　７００ｃｃ，セル数６２セル／ｃｍ^２　の、四角形セルをもつストレートハニカム形状のコーディエライト製の基材を用意した。そしてアルミナ粉末を主とするスラリーを全体にウォッシュコートし、　１１０℃で乾燥後　４５０℃で焼成してコート層を形成した。コート層は基材１リットルあたり　２７０ｇ形成された。次いで含浸担持法によりＰｔ，Ｌｉ，Ｂａ及びＫをそれぞれ担持して触媒層を形成し、ストレートフローハニカム構造体２を調製した。基材１リットルあたりの担持量は、Ｐｔが２ｇ、Ｌｉが　０．２モル、Ｂａが　０．１モル、Ｋが０．０５モルである。
【００５３】
そして触媒コンバータ中に、ストレートフローハニカム構造体２が排ガス上流側、ウォールフローハニカム構造部１が排ガス下流側となり、両者の間隔が１０ｍｍとなるように配置して、実施例１の排ガス浄化装置とした。
【００５４】
（実施例２）
図２に本実施例の排ガス浄化装置の断面図を示す。この排ガス浄化装置は、ウォールフローハニカム構造部１の中心構造部１３において、排ガス上流側で目詰めされた流出側セル１１の目詰め部１６がストレートフローハニカム構造体２に向かって先鋭状となっていること以外は実施例１と同様の構成である。
【００５５】
アルミナ，タルク，カオリン，シリカからなるコーディエライト組成の粉末に所定量の有機バインダと水及びカーボン粉末を混合したペーストを用い、直径　１２９ｍｍ，長さ　１５０ｍｍ，体積２０００ｃｃ，セル数４６．５セル／ｃｍ^２　の、四角形セルをもつストレートハニカム形状のグリーン基材を、押出成形により形成した。
【００５６】
一方、図３に示す押圧治具４を用意した。この押圧治具４はヒータ部４０と、ヒータ部４０から突出する複数の針４１とよりなる剣山状をなし、複数の針４１はヒータ部４０によって加熱可能となっている。また複数の針４１は、断面正方形のストレート部４２と、ストレート部４２の先端に形成された高さ３ｍｍのピラミッド形状の先端部４３とから構成され、ストレート部４２の断面の一辺及び先端部４３の底辺の長さは、グリーン基材３のセル開口の一辺のルート２倍となっている。
【００５７】
そしてヒータ部４０によって複数の針４１を加熱した状態で、図３に示すようにグリーン基材３の一端面から外周部の約　６００個のセルを除くセル内へ１マス置きに挿入した。これによりグリーン基材３のセルの排ガス流入側が変形して、これを焼成することで、先鋭状の目詰め部１６をもつ流出側セル１１が形成された。なお形成された基材の気孔率は６０％、平均細孔径は３０μｍである。
【００５８】
以後、実施例１と同様にして、実施例２の排ガス浄化装置を製造した。
【００５９】
（比較例１）
外周構造部１５も中心構造部１３と同様のウォールフロー構造のウォールフローハニカム構造部１としたこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の排ガス浄化装置を製造した。
【００６０】
（比較例２）
ストレートフローハニカム構造体２（整流誘導部）を配置しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の排ガス浄化装置を製造した。
【００６１】
（比較例３）
ストレートフローハニカム構造体２とウォールフローハニカム構造部１の間隔を５０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例３の排ガス浄化装置を製造した。
【００６２】
＜試験・評価＞
上記の各排ガス浄化装置を２Ｌディーゼルエンジンの排気系にそれぞれ装着し、２４５０　ｒｐｍ×５０Ｎｍ，リーン定常，入りガス温度　３００℃，入りスモーク濃度１２．５％の条件の排ガスを流通させて、ＰＭ捕集量、圧力損失の経時変化を測定した。そしてＰＭ捕集率を算出し、ＰＭ捕集量に対するＰＭ捕集率の関係を図４に、ＰＭ捕集量に対する圧力損失を図５にそれぞれ示す。
【００６３】
図４，５より、実施例１の排ガス浄化装置は、比較例２，３に比べて圧力損失は同等又は少し劣るが、ＰＭ捕集量が増大しても高いＰＭ捕集率を維持している。また比較例１はＰＭ捕集率の低下度合いは実施例１より小さいものの、圧力損失が大きい。すなわち実施例１の排ガス浄化装置は、各比較例に比べてＰＭ捕集率及び圧力損失のバランスが取れていることがわかる。これは、ストレートフローハニカム構造体２とウォールフローハニカム構造部１を近接して配置し、ウォールフローハニカム構造部１にストレートフロー構造の外周構造部１５を形成した効果である。
【００６４】
そして実施例２は実施例１に比べて、ＰＭ捕集量が増大しても高いＰＭ捕集率を維持することができ、これは、流出側セル１１の目詰め部１６を先鋭形状として流入側セル１０に排ガスをより流入しやすくした効果である。
【００６５】
次に、実施例１，２及び比較例１，２の各排ガス浄化装置に対し、上記と同様の排ガスを流通させ、ウォールフローハニカム構造部１の１リットルあたりＰＭをそれぞれ４ｇ捕集した。その後、ストレートフローハニカム構造体２の上流側において排ガス中に軽油を噴霧注入し、ウォールフローハニカム構造部１の中心温度が　６００℃となる条件で５分間保持する再生処理をそれぞれ行った。再生処理前後の重量差から残存ＰＭ量を算出し、結果を図６に示す。
【００６６】
図６より、各実施例の浄化装置は各比較例に比べて残存ＰＭ量が少ないことがわかり、これは、各比較例では外周部に堆積したＰＭが燃焼せずに残存したためと考えられる。つまり比較例１の浄化装置では、外周構造部までウォールフロー構造であるために外周構造部にもＰＭが堆積し、再生処理時には外周構造部の温度が低いためにＰＭが燃え残ったと考えられる。また比較例２では、ストレートフローハニカム構造体２をもたないために、フィルタ本体１の前側の温度が上昇しにくく燃え残りが多かったと考えられる。しかし実施例１，２の浄化装置によれば、外周構造部１５が断熱層として作用し、中心構造部１３に堆積したＰＭが燃焼しやすいために残存ＰＭ量が少ない。
【００６７】
（実施例３）
外周構造部１５における触媒層のコート量を、外周構造部１５の体積１リットルあたり　２７０ｇとしたこと以外は、実施例１と同様の構成とした。中心構造部１３における触媒層のコート量は、中心構造部１３の体積１リットルあたり７５ｇである。
【００６８】
このように外周構造部１５の触媒層を厚くすると、外周構造部１５へのガス流入抵抗が大きくなる。したがって排ガスがより外周部に流れにくくなり、ＰＭ捕集量に対するＰＭ捕集率の減少速度が低下するため、ＰＭ浄化率が向上する。また触媒金属の担持密度が低くなるので、貴金属の粒成長、あるいはＮＯ_ｘ　吸蔵材と基材との反応などが防止され、耐久性が向上する。
【００６９】
（実施例４）
図７に示す本実施例の排ガス浄化装置では、実施例１の浄化装置をケーシングする際に、ストレートフローハニカム構造体２とウォールフローハニカム構造部１の間に整流筒５を形成している。整流筒５はストレートフローハニカム構造体２の外表面を覆い、ストレートフローハニカム構造体２の下流側端面から突出し、ウォールフローハニカム構造部１の上流側端面から５ｍｍの位置まで延びている。
【００７０】
この浄化装置によれば、中心構造部１３のガス通過抵抗が小さい間は、ストレートフローハニカム構造体２の出ガスが外周構造部１５に流入するのがより規制されるので、ＰＭ浄化率がさらに向上する。なお、このように整流筒５を形成する場合には、ストレートフローハニカム構造体２とウォールフローハニカム構造部１との間隔は２０ｍｍ以下にこだわらないが、整流筒５が整流誘導部の一部であるので、整流筒５の端面とウォールフローハニカム構造部１との間隔を２０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００７１】
（実施例５）
図８に本実施例の排ガス浄化装置を示す。本実施例では、実施例１の排ガス浄化装置のウォールフローハニカム構造部１の下流側に、透過式のスモークセンサー６を配置している。スモークセンサー６からの検出信号はＥＣＵ７に送られ、ＥＣＵ７はその検出信号に応じて再生処理の可否を判定して燃料噴射装置８を制御している。
【００７２】
以下、ＥＣＵ７の制御内容を図９のフローチャートに従って説明する。
【００７３】
先ずステップ　１００では、エンジンの現実の負荷及び回転数が読み込まれ、ステップ　１０１で単位時間当りのＰＭ発生量（ａ）が算出される。これは予め記憶されたマップから算出される。
【００７４】
次にステップ　１０２でスモークセンサー６からの検出信号が読み込まれ、出ガス中のＰＭ濃度が測定される。そしてステップ　１０３では、測定されたＰＭ濃度から単位時間当りのＰＭすり抜け量（ｂ）が算出され、ステップ　１０４でｂ／ａが演算されてＰＭ捕集率Ｒが求められる。
【００７５】
そしてステップ　１０５では所定値（ｘ）と演算された（Ｒ）とが比較され、ＰＭ捕集率が所定値（ｘ）以上である場合にはまだ再生処理は行われず、処理はステップ　１００に戻る。一方、ＰＭ捕集率が所定値（ｘ）未満である場合には、ＰＭが所定量以上堆積していると判定され、ステップ　１０６で燃料噴射装置から燃料を排ガス中に噴射するなどの再生処理が行われる。
【００７６】
すなわち本実施例の排ガス浄化装置では、ＰＭ堆積の進行とともにＰＭ捕集率が低下する本発明特有の現象を利用し、ウォールフローハニカム構造部１の外周構造部１５からのＰＭのすり抜け量が所定量となると、それを判定して再生を行っている。したがってストレートフロー構造の外周構造部１５を有していても、高いＰＭ浄化率を維持することができる。
【００７７】
【発明の効果】
すなわち本発明の排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法によれば、排ガスを中心構造部に優先的に流すことができるので、ＰＭを効率よく捕集することができる。そして中心構造部のＰＭ堆積量が多くなると、排ガスは外周構造部に流れるので、圧力損失の増大を防止することができ、エンジン出力の低下を防止することができる。したがってＰＭ捕集率の低下度合いと圧力損失の増大度合いとがバランスされる。
【００７８】
またウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側には出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段を備えれば、外周構造部をすり抜けたＰＭ量を検知することができ、それによって中心構造部のＰＭ堆積量を推定できるので、再生処理の時期を正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の概略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置の製造方法を示す説明図である。
【図４】ＰＭ捕集量とＰＭ捕集率との関係を示すグラフである。
【図５】ＰＭ捕集量と圧力損失との関係を示すグラフである。
【図６】実施例及び比較例の排ガス浄化装置の再生後のＰＭ残存量を示すグラフである。
【図７】本発明の第４の実施例の排ガス浄化装置の概略断面図である。
【図８】本発明の第５の実施例の排ガス浄化装置のブロック図である。
【図９】本発明の第５の実施例の排ガス浄化装置におけるＥＣＵの制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：ウォールフローハニカム構造部
２：ストレートフローハニカム構造体（整流誘導部）
１０：流入側セル　　　　１１：流出側セル　　　　１２：フィルタ隔壁
１３：中心構造部　　　　１４：ストレートセル　　１５：外周構造部

Claims

内燃機関から排出されたパティキュレートを含む排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタ触媒であって、
排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと，該流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと，該流入側セルと該流出側セルを区画するフィルタ隔壁と，該フィルタ隔壁の表面及び／又は該フィルタ隔壁の細孔の表面に形成された触媒金属を含む触媒層と，からなる中心構造部と、該中心構造部の外周に同軸的に一体形成され排ガスが直流するストレートセルからなる外周構造部と、よりなるウォールフローハニカム構造部と、
該ウォールフローハニカム構造部の排ガス上流側に近接して設けられ排ガス流を該中心構造部へ向かうように整流して誘導する整流誘導部と、からなることを特徴とする排ガス浄化装置。
前記外周構造部にも触媒層が形成されている請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記整流誘導部は排ガスが直流するストレートフローハニカム構造体よりなる請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
前記整流誘導部にも触媒金属を含む触媒層が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
前記ウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側には出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段が配置され、該ＰＭ濃度が所定値を超えたときに少なくとも前記中心構造部の再生処理が行われる請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス浄化装置を用い、該整流誘導部で整流誘導されたパティキュレートを含む排ガスを主として該中心構造部に流してパティキュレートを捕集し、該中心構造部におけるパティキュレートの堆積量の増加に伴って該外周構造部を流れる排ガス量を多くすることを特徴とする排ガス浄化方法。
前記ウォールフローハニカム構造部の排ガス下流側には出ガス中のＰＭ濃度を検知するＰＭ濃度検知手段が配置され、該ＰＭ濃度が所定値を超えたときに少なくとも前記中心構造部の再生処理を行う請求項６に記載の排ガス浄化方法。