JP2005146975A - Particulate filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パティキュレートフィルタに関する。 The present invention relates to a particulate filter.
内燃機関から排出される排気ガス中にパティキュレートが含まれていることがあり、この場合、排気ガスが大気に排出される前に、排気ガス中からパティキュレートを除去することが要求される。特許文献1には、こうした排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのいわゆるウォールフロー型の排ガス浄化用フィルタが開示されている。このフィルタは、多孔質の隔壁によって画成された多数のセル(排気ガスを通すための通路)を具備し、これらセルの両端の開口は、フィルタに流入した排気ガスがセルを画成する隔壁を通った後にフィルタから流出するように、プラグによって交互に塞がれている(特許文献1の図1参照)。
Particulates may be contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine. In this case, it is required to remove the particulates from the exhaust gas before the exhaust gas is discharged to the atmosphere.
また、フィルタが捕集可能なパティキュレートの量には限界があることから、フィルタに捕集されたパティキュレートの量がフィルタの捕集限界値を超える前に、捕集されているパティキュレートをフィルタから除去する必要がある。このために、特許文献1記載のフィルタでは、セルを画成する隔壁に酸化能を有する触媒を担持させ、この触媒を利用してパティキュレートをフィルタ内にて燃焼させ、フィルタから除去するようにしている(段落0012参照)。
In addition, since the amount of particulates that can be collected by the filter is limited, the collected particulates must be collected before the amount of particulates collected by the filter exceeds the collection limit value of the filter. Need to be removed from the filter. For this purpose, in the filter described in
ところで、様々な理由から、排気ガス中に炭化水素(HC)が含まれていることがある。このHCは大気に排出されるべきではないことから、上述したようなパティキュレートフィルタにおいて、HCを浄化できれば好ましい。 By the way, hydrocarbon (HC) may be contained in exhaust gas for various reasons. Since this HC should not be discharged to the atmosphere, it is preferable if the particulate filter as described above can purify HC.
そこで、本発明の目的は、パティキュレートフィルタにおいて、HCを浄化することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to purify HC in a particulate filter.
上記課題を解決するために、1番目の発明では、内燃機関から排出される排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタであって、多孔質材料からなる隔壁によって画成され且つ通路断面積が互いに略等しい複数のセルを具備し、所定のセルを一方の端部の側で塞ぐと共に、残りのセルを他方の端部の側で塞ぎ、上記隔壁に酸化能を有する触媒を担持させたパティキュレートフィルタにおいて、隔壁を通過した排気ガスが流入するほうのセル内に該セルを分割する隔壁を追加し、該追加された隔壁にも酸化能を有する触媒を担持させた。 In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, there is provided a particulate filter for collecting particulates in exhaust gas discharged from an internal combustion engine, the particulate filter being defined by a partition made of a porous material and having a passage cut. A plurality of cells having substantially the same area are provided, a predetermined cell is closed on one end side, and the remaining cells are closed on the other end side, and a catalyst having oxidizing ability is supported on the partition wall. In the particulate filter, a partition that divides the cell was added to the cell into which the exhaust gas that passed through the partition flowed, and a catalyst having oxidation ability was supported on the added partition.
2番目の発明では、1番目の発明において、上記追加された隔壁の厚みが上記セルを画成する隔壁の厚みよりも薄い。 In the second invention, in the first invention, the thickness of the added partition is thinner than the thickness of the partition defining the cell.
3番目の発明では、1番目の発明において、上記追加された隔壁に担持された触媒が、当該パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のNOxを保持し且つ当該パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチであるときには保持しているNOxを還元浄化するNOx触媒である。 According to a third aspect, in the first aspect, the catalyst carried on the added partition holds NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is lean, and This is a NOx catalyst that reduces and purifies the stored NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is the stoichiometric air-fuel ratio or rich.
4番目の発明では、1番目の発明において、上記セルを画成する隔壁に担持される触媒が活性酸素生成能の高い触媒であり、上記追加された隔壁に担持される触媒がNOx還元能の高い触媒である。 According to a fourth aspect, in the first aspect, the catalyst supported on the partition walls defining the cell is a catalyst having a high active oxygen generation capacity, and the catalyst supported on the additional partition walls has a NOx reduction capacity. High catalyst.
1番目の発明では、セルを画成する隔壁を排気ガスが通過するときに、排気ガス中のHCが該隔壁に担持されている触媒によって浄化されやすい形に改質される。そして、1番目の発明では、隔壁を通過した排気ガスが流入するほうのセル内に該セルを分割する隔壁が追加されており、そして、該追加された隔壁にも酸化能を有する触媒が担持されているので、浄化されやすい形に改質されたHCは、追加された隔壁に担持されている触媒によって確実に浄化されることになる。 In the first invention, when the exhaust gas passes through the partition walls defining the cells, the HC in the exhaust gas is reformed so as to be easily purified by the catalyst supported on the partition walls. In the first invention, a partition that divides the cell is added to the cell into which the exhaust gas that has passed through the partition flows, and a catalyst having an oxidizing ability is also carried on the added partition. Therefore, the HC reformed into a form that can be easily purified is surely purified by the catalyst supported on the added partition wall.
2番目の発明では、追加された隔壁の厚みがセルを画成する隔壁の厚みよりも薄いので、隔壁を追加したことによるセル内の流抵抗の上昇が抑えられる。 In the second invention, since the thickness of the added partition is thinner than the thickness of the partition defining the cell, an increase in the flow resistance in the cell due to the addition of the partition is suppressed.
3番目の発明では、セルを画成する隔壁を通過して改質されたHCと、追加された隔壁に担持されたNOx触媒とによって、排気ガス中のNOxが確実に還元浄化される。 In the third aspect of the invention, NOx in the exhaust gas is reliably reduced and purified by the HC reformed through the partition walls defining the cell and the NOx catalyst supported on the added partition walls.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1(A)は、本発明の第1の実施形態のパティキュレートフィルタ(以下単に「フィルタ」という)の端面図であり、図1(B)は、図1(A)のB−B線に沿ったフィルタの断面図である。フィルタは、例えば、内燃機関の燃焼室に接続されている排気通路内に配置され、燃焼室から排出される排気ガス中のパティキュレート(微粒子)を捕集するものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is an end view of a particulate filter (hereinafter simply referred to as “filter”) according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a BB line in FIG. It is sectional drawing of the filter in alignment with. For example, the filter is disposed in an exhaust passage connected to a combustion chamber of an internal combustion engine, and collects particulates (fine particles) in exhaust gas discharged from the combustion chamber.
本実施形態では、フィルタ1は、略円筒形をしており、フィルタ1の中心軸線Cに沿って互いに平行に延びる複数のセル21,22を具備する。セルは、多孔質材料からなる隔壁3mによって画成されており、フィルタ1の中心軸線Cに対して垂直なセル21,22の断面(以下単に「セルの断面」または「セル断面」という)は、略正方形である。また、各セル21,22の断面は、互いに略等しい。
In the present embodiment, the
以下では、セル断面が略正方形であるフィルタを例に本発明を説明するが、本発明は、断面が正方形を含む四角形であるセルを具備するフィルタ、あるいは、セル断面が正三角形を含む三角形であるフィルタ、セル断面が正六角形を含む六角形であるフィルタ、あるいは、セル断面がその他の形状であるフィルタにも適用可能である。 In the following, the present invention will be described by taking a filter having a substantially square cell cross section as an example. However, the present invention is a filter having a cell whose cross section is a quadrangle including a square, or a triangle whose cell cross section includes a regular triangle. The present invention can also be applied to a certain filter, a filter whose cell cross section is a hexagon including a regular hexagon, or a filter whose cell cross section is another shape.
図1(B)において左側からフィルタ1に排気ガスが流入し、図1(B)において右側から排気ガスが流出し、図1(B)において左側を「上流側」と称し、図1(B)において右側を「下流側」と称すると、略半数のセル21は、下流側の端部開口をプラグ41によって塞がれており、残りの略半数のセル22は、上流側の端部開口をプラグ42によって塞がれている。プラグ41によって下流側の端部開口を塞がれているセル21を「第1セル」と称し、プラグ42によって上流側の端部開口を塞がれているセル22を「第2セル」と称したときに、第1セル21と第2セル22とは、図1(A)を参照すると判るように、交互に位置する。
In FIG. 1B, exhaust gas flows into the
したがって、フィルタ1に到来する排気ガスは、図1(B)に矢印で示されているように、始めに、第1セル21に流入する。次いで、排気ガスは、第1セル21を画成している隔壁3m内部の細孔を通り、隣接する第2セル22に流入する。そして、排気ガスは、第2セル22から流出する。このように排気ガスがフィルタ1内を流れる間に、排気ガス中のパティキュレート(微粒子)が、第1セル21を画成している隔壁3mの壁面上および該隔壁3m内部の細孔を画成している壁面上に捕集される。もちろん、これに比べて少ない量ではあるが、第2セル22を画成している隔壁3mの壁面上にもパティキュレートは捕集される。
Therefore, the exhaust gas arriving at the
ところで、図2および図3に示されているように、隔壁3mの壁面上および隔壁3m内部の細孔5を画成している壁面上には、酸化能を有する触媒(例えば、白金等の貴金属)がアルミナ等からなるコート層6に保持された形で担持されている。また、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を吸収する或いは吸着する等して保持することができるNOx保持剤が、上記コート層6に担持されていてもよい。このNOx保持剤は、例えば、アルカリ金属(例えば、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs))、アルカリ土類(例えば、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca))、希土類(例えば、ランタン(La)、イットリウム(Y))から選ばれた少なくとも1つと、白金(Pt)のような貴金属とからなる。NOx保持剤は、フィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中のNOxを保持し、フィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはそれよりもリッチとなると、保持しているNOxを排気ガス中の還元剤(例えば、炭化水素や一酸化炭素)によって還元浄化する。
By the way, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, on the wall surface of the
なお、排気ガスの空燃比とは、内燃機関の燃焼室に接続されている排気通路内にフィルタが配置されている場合において、燃焼室に供給された燃料の量に対する燃焼室に吸入された空気の量の比を意味する。 Note that the air-fuel ratio of the exhaust gas is the air sucked into the combustion chamber with respect to the amount of fuel supplied to the combustion chamber when a filter is disposed in the exhaust passage connected to the combustion chamber of the internal combustion engine. Means the ratio of the amount of
ところで、図1(B)に示されているように、第2セル22内には、隔壁3sが追加されており、この追加された隔壁(以下「サブ隔壁」という)によって第2セル22は分割されている。フィルタ1の下流側の端面を示している図4に示されているように、サブ隔壁3sは、略正方形断面の第2セル22内を対角線に沿って延びる。もちろん、こうしたサブ隔壁3sの構成は、単なる一例であって、例えば、図5に示されているように、対角線に沿って延び且つ互いに垂直に交わる2つのサブ隔壁3sが第2セル22内に追加されてもよい。また、図6に示されているように、第2セル22の対向する隔壁(以下「メイン隔壁」という)3m間で延び且つ互いに垂直に交わる2つのサブ隔壁3mが第2セル内に追加されてもよい。また、図5に示されているサブ隔壁の構成と図6に示されているサブ隔壁の構成とを組み合わせ、第2セル22内に配置されるサブ隔壁3sの構成を図7に示されている構成としてもよい。
By the way, as shown in FIG. 1B, a
また、サブ隔壁3sの厚みはメイン隔壁3mの厚みよりも薄い。このように厚みの薄いサブ隔壁3sを採用することによって、第2セル22内にサブ隔壁3sを追加したことによる第2セル22における排気ガスに対する流抵抗の上昇を小さく抑えることができる。
The
次に、フィルタの作用について説明する。上述したように、排気ガスがフィルタ1内を流れる間に、排気ガス中のパティキュレートがフィルタ1に捕集される。こうして捕集されたパティキュレートは、隔壁3m、3sに担持されている触媒によって酸化除去される。
Next, the operation of the filter will be described. As described above, particulates in the exhaust gas are collected by the
また、隔壁3m、3sにNOx保持剤が担持されている場合には、フィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンである間は、NOx保持剤は排気ガス中のNOxを保持し続ける。そして、排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなりと、あるいは、排気ガスの空燃比を強制的に理論空燃比またはリッチとすると、NOx保持剤に保持されているNOxは、排気ガス中の還元剤(例えば、炭化水素や一酸化炭素)によって還元浄化される。
When the NOx holding agent is supported on the
ところで、排気ガス中の炭化水素(HC)は、概して、メイン隔壁3mに担持されている触媒によって酸化除去されるが、酸化除去されずにメイン隔壁3mを通過して第2セル22に流入するものもある。ここで、第2セル22内にサブ隔壁3sが追加されていない場合、HCが触媒に接触する機会が少ないことから、第2セル22に流入したHCは酸化除去されないまま第2セル22から流出してしまう可能性が高い。しかしながら、本実施形態では、第2セル22内にサブ隔壁3sが追加されているので、第2セル22に流入したHCが触媒に接触する機会が増えることから、フィルタ1においてHCが確実に酸化除去されることになる。
By the way, the hydrocarbon (HC) in the exhaust gas is generally oxidized and removed by the catalyst supported on the
また、HCはメイン隔壁3mを通過する間に、少なくとも、触媒によって反応性の高いHCに改質される。したがって、酸化除去されずにメイン隔壁3mを通過して第2セル22に流入するHCの量が多くなったとしても、第2セル22に流入するHCは反応性の高いHCであるので、サブ隔壁3sに担持されている触媒によって十分に酸化除去されることになる。
Also, HC is reformed to highly reactive HC by at least the catalyst while passing through the
さらに、サブ隔壁3sにNOx保持剤が担持されている場合には、メイン隔壁3mに担持されているNOx保持剤に保持されずに、メイン隔壁3mを通過して第2セル22に流入するNOxは、サブ隔壁3sに担持されているNOx保持剤に保持されることになる。そして、サブ隔壁3sのNOx保持剤に保持されているNOxは、メイン隔壁3mを通過して第2セル22に流入するHCによって還元除去される。そして、メイン隔壁3mを通過して第2セル22に流入するHCは反応性の高いものに改質されているので、サブ隔壁3sのNOx保持剤に保持されているNOxは、HCによって確実に還元除去される。
Further, when the NOx holding agent is supported on the
もちろん、パティキュレートがメイン隔壁3mに担持されている触媒によって酸化除去されずにメイン隔壁3mを通過してしまったとしても、これらパティキュレートはサブ隔壁3sに担持されている触媒によって酸化除去される。
Of course, even if the particulates pass through the
なお、上述した実施形態では、メイン隔壁3mに担持される触媒やNOx保持剤とサブ隔壁3sに担持される触媒やNOx保持剤とは同じであることを前提にしているが、例えば、第1セル21を画成する側のメイン隔壁3mの壁面上および該壁面に近い側の細孔5を画成する壁面上に、酸化能の高い触媒(特に、活性酸素生成能の高い触媒)を担持し、第2セル22を画成する側のメイン隔壁3mの壁面上および該壁面に近い側の細孔5を画成する壁面上、ならびに、サブ隔壁3sの壁面上に、還元能の高い触媒を担持してもよい。すなわち、メイン隔壁3mおよびサブ隔壁3sに担持される触媒やその他の物質をこれら隔壁3m、3sの所定の領域毎に変えてもよい。この場合、排気ガス中に含まれている様々な物質に対応した触媒や物質を隔壁3m、3sに担持させるようにすれば、排気ガス中の様々な物質を浄化し或いは除去することができる。
In the above-described embodiment, it is assumed that the catalyst or NOx holding agent supported on the
また、本発明は、図8(A)および図8(B)に示されているようなフィルタにも適用可能である。このフィルタ1では、第1セル21を画成する4つのメイン隔壁3mの下流側の端部3md同士が接続され、これにより、第1セル21の下流側の端部開口が塞がれている。一方、第2セル22に関しては、第2セル22を画成する4つのメイン隔壁3mの上流側の端部3mu同士が接続され、これにより、第2セル22の上流側の端部開口が塞がれている。こうして各セル21,22の端部開口を塞いでいる隔壁部分3md、3meは、フィルタ1の中心軸線Cに対して斜めになっている。そして、各セル21,22の端部開口を塞いでいる隔壁部分3md、3meによってフィルタ1の外側に向かって凸となった四角錐の部分が形成される。
The present invention can also be applied to filters as shown in FIGS. 8A and 8B. In this
さらに、第1実施形態と同様に、第2セル22内には、サブ隔壁3sが追加されている。もちろん、第1実施形態と同様に、メイン隔壁3mおよびサブ隔壁3sには、酸化能を有する触媒やNOx保持剤が担持される。
Further, similarly to the first embodiment, a
また、図9(A)および図9(B)に示されているようなフィルタにも適用可能である。このフィルタ1では、第1セル21内にもサブ隔壁3sが追加されている。
Moreover, it is applicable also to a filter as shown in FIG. 9 (A) and FIG. 9 (B). In the
また、サブ隔壁3sに担持させる触媒の量をメイン隔壁3mに担持させる触媒の量よりも多くしてもよい。これによれば、メイン隔壁3mを通過してくるHCの酸化除去やNOxの還元浄化がより確実に行われることになる。また、メイン隔壁3mは排気ガスを通過させることができなければならないが、サブ隔壁3sは必ずしも排気ガスを通過させることができなくてもよいので、サブ隔壁3sに担持させる触媒の量を多くすることによってサブ隔壁3s内部の細孔の平均径が小さくなったとしても、これによる第2セルの排気ガスに対する流抵抗はさほど大きくならない。
Further, the amount of the catalyst supported on the
もちろん、メイン隔壁3mの第2セル22側の領域に担持させる触媒の量を、メイン隔壁3mの第1セル21側の領域に担持させる触媒の量よりも多くしてもよい。このように、メイン隔壁3mに担持させる触媒の量を領域毎に異ならせたり、メイン隔壁3mに担持させる触媒の量とサブ隔壁3sに担持させる触媒の量とを異ならせたりすることにより、各隔壁内部の細孔5の平均径が各領域毎に異なることになる。これによれば、様々な粒径のパティキュレートをいずれかの領域で確実に捕集することができ、全体として、フィルタのパティキュレート捕集能力およびパティキュレート酸化除去能力が向上する。
Of course, the amount of the catalyst supported in the region on the
また、NOx保持剤が保持可能なNOxの量には限界があることから、NOx保持剤が保持しているNOxの量がその限界値を超える前に、フィルタに理論空燃比またはリッチの排気ガスを供給し、NOx保持剤が保持しているNOxを還元浄化する必要がある。そこで、上述したように隔壁3m、3sにNOx保持剤が担持されている場合、所定のタイミング毎に、フィルタに理論空燃比またはリッチの排気ガスを供給する。このとき、フィルタには通常よりも多量のHCが供給されることになる。このようにフィルタに供給されるHCの量が多くなると、NOxの還元浄化に利用されずにメイン隔壁3mを通過してしまうHCの量も多くなる。ここで、上述した実施形態によれば、第2セル22内にサブ隔壁3sが追加されていることから、メイン隔壁3mを通過してしまったHCもNOxの還元浄化に利用される。したがって、フィルタに供給されるHCが無駄にならずに十分に利用される。
Further, since the amount of NOx that can be held by the NOx holding agent is limited, before the amount of NOx held by the NOx holding agent exceeds the limit value, the stoichiometric air-fuel ratio or rich exhaust gas is supplied to the filter. It is necessary to reduce and purify NOx retained by the NOx retention agent. Therefore, as described above, when the NOx holding agent is carried on the
また、排気ガス中に硫黄酸化物(SOx)が含まれている場合、NOx保持剤はこのSOxをも保持してしまう。この場合、NOx保持剤が保持可能なNOxの量が少なくなってしまう。ここで、フィルタの温度が比較的高温となり且つフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると、SOxはNOx保持剤から排除される。したがって、上述したように隔壁3m、3sにNOx保持剤が担持されている場合、定期的に、フィルタの温度を比較的高温とすると共にフィルタに理論空燃比またはリッチの排気ガスを供給する。この場合にも、フィルタには通常よりも多量のHCが供給されることになるが、ここでも、第2セル22内にサブ隔壁3sが追加されていることから、メイン隔壁3mを通過してしまったHCもSOxの排除に利用される。したがって、フィルタに供給されるHCが無駄にならずに十分に利用される。
Further, when the exhaust gas contains sulfur oxide (SOx), the NOx retention agent also retains this SOx. In this case, the amount of NOx that can be held by the NOx holding agent is reduced. Here, when the temperature of the filter becomes relatively high and the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the filter becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich, SOx is excluded from the NOx holding agent. Therefore, when the NOx holding agent is supported on the
さらに、上述した実施形態によれば、フィルタにおけるパティキュレート酸化除去能力、HC酸化除去能力、および、NOx還元浄化能力が高まるので、フィルタ自体を小型化することもできる。また、従来、フィルタから流出するパティキュレート、HC、または、NOxを捕らえるためのいわゆるスイーパをフィルタ下流の排気通路に配置していることもあるが、上述した実施形態によれば、こうしたスイーパをフィルタ下流の排気通路に配置する必要がなく、その分だけ、コストが低減される。 Furthermore, according to the above-described embodiment, the particulate oxidation removal capability, the HC oxidation removal capability, and the NOx reduction purification capability of the filter are increased, and therefore the filter itself can be downsized. In addition, conventionally, a so-called sweeper for capturing particulates, HC, or NOx flowing out from the filter may be disposed in the exhaust passage downstream of the filter. According to the above-described embodiment, such a sweeper is filtered. It is not necessary to arrange in the downstream exhaust passage, and the cost is reduced accordingly.
また、第2セル22内に配置されたサブ隔壁3sは補強材としての働きもするので、フィルタ全体の剛性が高くなる。
Further, since the
1…フィルタ
21,22…セル
3m、3s…隔壁
41,42…プラグ
5…細孔
6…コート層
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