JP2006233935A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ハニカムフィルタのＰＭ捕集量を増大させ、燃料添加の間隔を長くするとともに、ハニカムフィルタの排気ガス流入側端面にＰＭが堆積して圧力損失が上昇することを防止することにより、ディーゼル機関の燃費効率を改善する排気ガス浄化装置を得る。
【解決手段】 酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくする。
【選択図】 図１
【解決手段】 酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を含む排気ガスを浄化するのに使用される排気ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス中には炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とするＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）が含まれており、これが大気中に放出されると、人体や環境に悪影響を与える。このため、ディーゼルエンジンの排気管の途中に、ＰＭを捕集するためのフィルタを装着することが従来から行われている。図４は、自動車の排気ガス中のＰＭを捕集、浄化する、従来のハニカムフィルタの一例を示し、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は側断面模式図である。図４（ａ）（ｂ）において、ハニカムフィルタ３０は、多孔質セラミックからなり、外周壁１と、この外周壁１の内側に各々直交する隔壁２で仕切られた多数の流路３、４を有するハニカム構造体の流路が、排気ガスの流入側端面７と流出側端面８で交互に封止部５、６で封止されている。また、ハニカム構造体の外周壁１は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材（図示せず）で使用中に動かないように把持され、金属製収納容器（図示せず）内に配置されている
図４に示すハニカムフィルタ３０において、排気ガスの浄化は以下の通り行われる。排気ガス（点線矢印で示す）は、流入側端面７に開口している流路３から流入する。そして、排気ガス中に含まれるＰＭは、隔壁２を通過する際に捕集され、浄化された排気ガスは、流出側端面８に開口している流路４から流出、大気中に放出される。一方、隔壁２に捕集されたＰＭが多くなると、隔壁が目詰まりしてしまい圧力損失が増加してしまうので、圧力損失が増加する前に、ＰＭを燃焼除去してハニカムフィルタを再生する必要がある。しかし、通常のディーゼルエンジンの運転状態では、ＰＭが燃焼するほどの高い排気ガス温度が得られることが少ないため、例えば高比表面積材料であるアルミナに白金族金属や酸化セリウムなどの希土類酸化物を担持した酸化触媒を一体的に担持させた触媒担持型のハニカムフィルタの実用化が進められている。このような触媒担持型のハニカムフィルタを採用すれば、捕集されたＰＭの燃焼反応が触媒により促進されて、ＰＭを燃焼、除去することが可能となる。
ところで、このような触媒担持型のハニカムフィルタを採用したとしても、排気ガス温度の低い運転状態が続くような、渋滞の市街地を走行するような場合には、ＰＭの燃焼除去量よりも捕集量が上回ってしまうので、ハニカムフィルタの再生が良好に進まずに、排気抵抗が増加する虞がある。このため、特許文献１には、ハニカムフィルタの隔壁に捕集されたＰＭを滞りなく良好に燃焼除去するため、触媒担持型のハニカムフィルタの排気ガス流通方向の上流側に、酸化触媒が担持されたハニカム構造体を備え、更にその排気ガス流通方向の上流側に排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段とを備え、該燃料添加手段により添加された燃料により、ＰＭの酸化反応を可能ならしめる温度まで、前記酸化触媒上で、排気温度を上げる昇温手段とを備えた排気浄化装置が開示されている。このような構成の排気浄化装置によれば、排気ガス温度が低い運転領域にあっても、燃料添加手段により排気ガス中に燃料を添加して高濃度の炭化水素を生成し、この炭化水素を酸化触媒で酸化反応させることにより生じた反応熱で排気ガスを大幅に昇温し、この排気ガスをハニカムフィルタに導入してハニカムフィルタを高温化することができるため、ハニカムフィルタがＰＭ過捕集状態になって圧力損失上昇によるエンジン性能への悪影響や、ＰＭ過捕集部分が自己発熱して異常燃焼による隔壁溶損の発生を防ぐことができるとしている。
また、本出願人らは、特許文献２において、触媒担持型ハニカムフィルタの排気ガス流入側端部にＰＭが堆積して圧力損失が上昇するのを防ぐ目的で、図５に示すような、多孔質セラミックハニカム構造体の隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されていることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ４０及び排気ガス浄化方法を開示している。このような構成のセラミックハニカムフィルタによれば、内燃機関運転中にハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量がある一定値以上になった際に、ハニカムフィルタの温度を上昇させる目的で行うフィルタ上流への未燃の燃料及び／又は炭化水素ガス噴射時においては、ＰＭが凝着、堆積しやすい流入側目封止部端面がハニカムフィルタ内の温度の高い部位に配置されることから、当該部位に担持された触媒物質の活性度が高められているため、流入側目封止部端面での微粒子の燃焼が容易に行われ、流入側目封止部端面へのＰＭの堆積を防ぐことができるため、フィルタの破損や溶損の問題を回避すると共に、長期に亘り安定して圧力損失の増加の少ないハニカムフィルタが得られる。
しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置では、ハニカムフィルタの隔壁へのＰＭ捕集量が増加し、ハニカムフィルタの再生が必要となったときに、燃料添加手段により燃料を添加する必要があることから、ディーゼルエンジンの燃費効率が悪くなるという問題点を有していた。この理由について、図３の従来の排気ガス浄化装置２１の模式断面図を用いて説明する。排気ガス浄化装置２１において、ハニカムフィルタへのＰＭの捕集形態は、ハニカムフィルタ内で偏在して、排気ガス流出側目封止部２６の上流側に高濃度で堆積するため、この高濃度に堆積したＰＭが自己発熱により異常燃焼してハニカムフィルタ隔壁を溶損させない程度の捕集量に達した時に、燃料を添加して再生を行っている。従って、燃費効率を改善するためには、燃料添加手段による燃料添加の間隔を極力長くする必要があるが、燃料添加の間隔を長くすると、上述のようにハニカムフィルタへのＰＭ捕集量、特に排気ガス流出側目封止部２６の上流側のＰＭ捕集量が多くなって、燃料添加して再生する際に、ＰＭの自己発熱反応により、排気ガス流出側目封止部２６より上流側の隔壁が高温に曝され、多孔質隔壁を構成するセラミック材料が溶損して、隔壁に大きな貫通孔が形成され、フィルタとして機能しなくなる状況につながることがあった。
一方、特許文献２に記載されたセラミックハニカムフィルタ４０では、燃料及び／又は炭化水素ガス噴射を行うに際し、ハニカムフィルタにおける燃料及び／又は炭化水素ガスの反応は、下流側に向かうに従って、触媒物質表面との接触頻度が増すことにより、活性化するため、ハニカムフィルタにおける温度分布は、排気ガス温度とほぼ等しい排気ガス流入側端面の温度から、排気ガス流出側に向かうにつれて反応熱により徐々に上昇し、ハニカムフィルタの排気ガス流入側端面は常に触媒活性が低い状態にある。このため、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合に、触媒活性が低くなっているハニカムフィルタの排気ガス流入側端面に処理しきれない燃料及び／又は炭化水素ガス中のミスト分が溜り、これによりハニカムフィルタの排気ガス流入側端面が濡れた状態となって、ＰＭが付着し易くなり、ここに堆積したＰＭによってハニカムフィルタ端面が目詰まりを起こし、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇する虞があった。ハニカムフィルタの圧力損失が大きくなるとディーゼル機関の燃費効率低下につながることがあった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、ハニカムフィルタのＰＭ捕集量を増大させ、燃料添加の間隔を長くするとともに、ハニカムフィルタの排気ガス流入側端面にＰＭが堆積して圧力損失が上昇することを防止することにより、ディーゼル機関の燃費効率を改善する排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
本発明の排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくしたことを特徴とする特徴とする。
本発明の排気ガス浄化装置において、前記酸化触媒を担持したセラミックハニカム構造体の前段に、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えることが好ましい。
（本発明の作用効果）
本発明の排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくしたことを特徴とする特徴としている。このような構成とすることにより、排気ガス温度が低い運転状態が続いた場合でも、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路を両端部で目封止したハニカムフィルタとを、この順序で配置した特許文献１に記載された排気浄化装置に比べて、燃料添加手段により燃料を添加する間隔が長くとれ、燃費効率が改善される。また、特許文献２に記載された、セラミックハニカム構造体の隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタに比べて、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、排気ガス流入側端面でＰＭが目詰まりを起こし圧力損失が上昇することを防ぐことができる。この理由について、図１乃至図３を用いて、以下に説明する。
本発明の排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくしたことを特徴とする特徴としている。このような構成とすることにより、排気ガス温度が低い運転状態が続いた場合でも、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路を両端部で目封止したハニカムフィルタとを、この順序で配置した特許文献１に記載された排気浄化装置に比べて、燃料添加手段により燃料を添加する間隔が長くとれ、燃費効率が改善される。また、特許文献２に記載された、セラミックハニカム構造体の隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタに比べて、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、排気ガス流入側端面でＰＭが目詰まりを起こし圧力損失が上昇することを防ぐことができる。この理由について、図１乃至図３を用いて、以下に説明する。
図１は、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガス流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくした、本発明の排気ガス浄化装置１１の模式断面図を示したものである。図２は、排気ガス温度の低い運転状態が続いた場合に、本発明の排気ガス浄化装置１１を構成するセラミックハニカムフィルタ１３にＰＭが捕集される様子を模式的に示したものであり、図３は、同じく排気ガス温度の低い運転状態が続いた場合に、従来の排ガス浄化装置２１を構成する所望の流路が両端部で目封止されたセラミックハニカムフィルタ２３にＰＭが捕集される様子を模式的に示したものである。
従来の排ガス浄化装置２１の場合は、図３に示すように、所望の流路が両端部で目封止されたセラミックハニカムフィルタ２３の排出側目封止部の上流にＰＭが高濃度で堆積するようになる。このため、燃料添加手段により燃料を添加してハニカムフィルタ２３の上流に配置された酸化触媒を担持したハニカム構造体２２で排気ガス温度を上昇させてハニカムフィルタ２３に捕集されたＰＭを燃焼させた場合、ＰＭの自己発熱によりハニカムフィルタの排出側目封止部２６の上流部分温度が最も高くなることから、この温度がハニカムフィルタの隔壁２８の溶融温度を超えぬよう燃料を添加するタイミングを制御している。一方、本発明の排ガス浄化装置１１では、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ１３において、図２に示すように排気ガス中のＰＭは、排気ガス流出側目封止部１６の上流だけでなく、排気ガス流入側目封止部１５の上流にも捕集されるため、図３に示す従来の排気ガス浄化装置２１を構成するハニカムフィルタ２３に比べ、フィルタ内に、より分散した形でＰＭが捕集される。このため、燃料添加手段により燃料を添加してハニカムフィルタの上流に配置された酸化触媒を担持したハニカム構造体１２で排気ガス温度を上昇させてハニカムフィルタ１３に捕集されたＰＭを燃焼させると、図３に示す排気ガス浄化装置２１に比べ、そのＰＭの濃度が低いことから、ＰＭの自己発熱により異常燃焼が発生し難く、容易にＰＭを燃焼させることができる。換言すれば、本発明の排気ガス浄化装置１１では、隔壁の溶損を発生させないセラミックハニカムフィルタの総ＰＭ捕集量を、従来の排気ガス浄化装置２１に比べ多くすることができるため、燃料添加手段による燃料添加の間隔を長くすることができ、燃費の改善につながるのである。
また、本発明の排気ガス浄化装置では、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタの排気ガス流通方向の上流側に、このセラミックハニカムフィルタの隔壁厚さより隔壁厚さが小さく、且つセラミックハニカムフィルタの隔壁の気孔率より気孔率が小さなセラミックハニカム構造体に酸化触媒を担持して配置していることから、排気ガス温度の低い運転状態が続くような、渋滞の市街地を走行するような場合には、燃料添加手段から排気ガス中に燃料が添加されて、高濃度の炭化水素が生成され、この炭化水素を酸化触媒で酸化反応させることにより生じた反応熱で排気ガスが大幅に昇温され、この昇温された排気ガスがセラミックハニカムフィルタに導入される。このため、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、セラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面にＰＭが付着して目詰まりを起こし、圧力損失が上昇することを防ぐことができるのである。
ここで、触媒が担持されたハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率をセラミックハニカムフィルタより小さくした理由は、例えばセラミックハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率がセラミックハニカムフィルタと同一である場合には、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したした際には、触媒が担持されたセラミックハニカム構造体の触媒活性が低くなっている流入側端部にミスト分が溜り、これによりハニカムフィルタの排気ガス流入側端面が濡れた状態となりＰＭが付着し易くなって、目詰まりを起こす虞があるからである。通常、セラミックハニカムフィルタではＰＭの捕集性能と圧力損失を両立させるため、その隔壁厚さは０．１〜０．５ｍｍ、隔壁の気孔率は５０〜８０％程度のセラミック材料が使用されており、排気ガス流入側の隔壁端部にＰＭが堆積して、流路が閉塞され易いが、本発明の排気ガス浄化装置においては、上流に配置されたハニカム構造体の隔壁厚さ及び気孔率をセラミックハニカムフィルタより小さくしていることから、ハニカム構造体の隔壁端部へのＰＭ堆積を発生しにくくし、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、セラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面にＰＭが付着して目詰まりを起こし、圧力損失が上昇することを防ぐことができるのである。
ここで、触媒が担持されたハニカム構造体の隔壁厚さは、セラミックハニカムフィルタの隔壁厚さの、１０〜９０％が好ましい。１０％未満の場合は、隔壁厚さが薄くなって強度の低下することもあるからであり、９０％を超えると隔壁端部へのＰＭ堆積防止効果が得られないこともあるからである。更に好ましいハニカム構造体の隔壁厚さはセラミックハニカムフィルタの３０〜８０％である。また、触媒が担持されたセラミックハニカム構造体の隔壁の気孔率は、セラミックハニカムフィルタの０〜９０％が好ましい。９０％を超えると、セラミックハニカムフィルタに近い多孔性を有することになり、隔壁端部の気孔にＰＭが堆積し易くなり、ハニカムフィルタ端面の目詰まり防止効果が得られないこともあるからである。更に、好ましいハニカム構造体の隔壁の気孔率は、セラミックハニカムフィルタの３０〜７０％である。３０％未満であると、緻密質となって熱衝撃で破損することもあるからである。
本発明の排気ガス浄化装置において、重要なことは、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタの上流側に、このセラミックハニカムフィルタの隔壁厚さより隔壁厚さが小さく、且つセラミックハニカムフィルタの隔壁の気孔率より気孔率が小さなハニカム構造体に酸化触媒を担持して配置し、排気ガス温度低い状態続いた際に、セラミックハニカムフィルタに捕集されたＰＭを、排気ガス流通方向の上流側に配置された酸化触媒の力を借りて、強制的に燃焼させることである。このような構成とすることにより、初めて、燃料添加の間隔を長くすることができ、且つ排気ガス流入側端面へのＰＭの堆積、目詰まりを防ぐことができるからである。
また、本発明の排気ガス浄化装置において、排気ガス温度の低い状態が続く場合には、上記の様に、セラミックハニカムフィルタ内のＰＭ捕集形態が、分散した形となることから、従来の排気ガス浄化装置に比べ、圧力損失の上昇が低く押さえられるという効果もある。
また、前記ハニカムフィルタに触媒物質を担持しているのは、排気ガス温度の高い高速走行などの運転状態の場合、触媒物質の作用により煤を連続的に燃焼させることができるからである。
ここで前記ハニカムフィルタに担持される触媒物質は、白金族金属を含む酸化触媒や微粒子燃焼触媒であると好ましい。尚、白金族金属を含む酸化触媒は、たとえば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ又はその組合せ、白金族金属酸化物等が含まれるが、アルカリ土類金属酸化物や希土類酸化物等を含んでも良い。また、白金族金属を含む触媒物質には、公知のγアルミナ等の活性アルミナからなる高比表面積材料が含まれると、白金族金属等と排気ガスとの接触面積を大きくすることができ、排気ガスの浄化効率を高めることができることから好ましい。また、微粒子燃焼触媒としては、ベース金属触媒、典型的にはランタン、セシウム、バナジウム（Ｌａ／Ｃｓ／Ｖ２Ｏ３）類よりなる触媒物質であると好ましい。
本発明の排気ガス浄化装置において、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているハニカムフィルタに担持される触媒物質が白金族金属を含む触媒物質である場合には、その白金族金属担持量は、酸化触媒を担持したハニカム構造体の白金族金属担持量に比べて少なくすることが好ましい。このような構成とすることにより、上流のセラミックハニカム構造体に担持された酸化触媒での酸化反応により生じた反応熱で排気ガス温度が高められて、ハニカムフィルタに導入されることから、ハニカムフィルタに担持する酸化触媒の白金族金属量を、排気ガス流通方向の上流側に配置されたハニカム構造体よりも少なくしても、捕集したＰＭを問題なく燃焼除去してハニカムフィルタの再生が行われるのと共に、排気ガス浄化装置全体として、高価な白金族金属の使用料を低減できるという大きな効果もある。
更に、本発明の排気ガス浄化装置において、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部１５が排気ガス流入側端面より離れて配置されているハニカムフィルタに担持される触媒物質が白金族金属を含む触媒物質である場合には、酸化触媒を担持したセラミックハニカム構造体の白金族金属担持量に比べて、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているハニカムフィルタの排気ガス流入側目封止部１５より上流側隔壁１８ａへの白金族金属担持量を少なくし、更にハニカムフィルタの排気ガス流入側目封止部より下流側隔壁１８ｂへの白金族金属担持量を少なくすると、より好ましい。このような構成とすることにより、上流のハニカム構造体に担持された酸化触媒での酸化反応により生じた反応熱で排気ガス温度が高められて、ハニカムフィルタに導入され、更に排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁１８ａに担持された酸化触媒での酸化反応により生じた反応熱で排気ガス温度が高められて、排気ガス流入側目封止部より下流側の流路に導入されることから、ハニカムフィルタに担持する酸化触媒の白金族金属量を、排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁１８ｂに対して、上流側の隔壁１８ａよりも少なくしても、捕集したＰＭを問題なく燃焼除去してハニカムフィルタの再生が行われるのと共に、排気ガス浄化装置全体として、高価な白金族金属の使用料を更に低減できるという大きな効果もある。
本発明の排気ガス浄化装置において、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の排気ガス流通方向の上流に、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えることが好ましいのは、前述の様に、ハニカムフィルタの隔壁へのＰＭ捕集量が増加し、ある一定値以上になったときに、燃料添加手段により燃料を添加して、酸化触媒で排気ガス温度を上昇させ、ハニカムフィルタに捕集されたＰＭを燃焼浄化するからである。
本発明の排気ガス浄化装置１１を構成するセラミックハニカムフィルタの流入側目封止部１５の排気ガス流入側端面は、セラミックハニカムフィルタ流入側端面１９から該セラミックハニカムフィルタ全長の０．７倍の長さの区間に配置されていると好ましい。流入側端面から該セラミックハニカムフィルタ全長の０．７倍の長さの区間を越えて配置すると、セラミックハニカムフィルタの全体の長さには制約があるため、排気ガス流入側目封止部１５より流出側の隔壁１８ｂの面積が少なくなるため、セラミックハニカムフィルタ全体の圧力損失が上昇することもあるからである。また、本発明の排気ガス浄化装置のＰＭを均一に分散させる効果を十分得るためには、流入側目封止部は流入側端面から１０ｍｍ以上に離れて配置されていることがさらに好ましい。また、更に好ましい流入側目封止部１５端面の配置区間は、セラミックハニカムフィルタ流入側端面１９から該セラミックハニカムフィルタ全長の０．１〜０．４倍の長さの区間である。
次に本発明の排気ガス浄化装置に用いられる、酸化触媒を担持したハニカム構造体及び、セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタの隔壁を構成する材料としては、本発明が主にディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子を除去するために使用されるため、耐熱性に優れた材料を使用することが好ましく、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、チタン酸アルミ、窒化アルミ及びＬＡＳからなる群から選ばれた少なくとも１種を主結晶とするセラミック材料を用いることが好ましい。中でも、コージェライトを主結晶とする材料は、安価で耐熱性、耐食性に優れ、また低熱膨張であることから最も好ましい。また、酸化触媒を担持したセラミックハニカム構造体及び、セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタの隔壁を構成する材料は、同一であっても、異なっていても構わず、例えば酸化触媒を担持したセラミックハニカム構造体の隔壁は、コーディエライトを主結晶とする材料とし、セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタの隔壁は、炭化珪素を主結晶とする材料で構成しても良い。また、本発明の排気ガス浄化装置に用いられる、酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁を構成する材料としては、上記以外に耐熱性ステンレス鋼等の耐熱性金属材料でも良い。このような金属材料を用いることにより、セラミック材料を用いる場合に比べ、隔壁の厚さをより薄くすることが可能となるため、ハニカム構造体の流入側端面での目詰まりがより防止しやすくなる。
本発明の排気ガス浄化装置に用いられる酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁ピッチは、セラミックハニカムフィルタの隔壁ピッチより大きいことがより、好ましい。具体的には、セラミックハニカムフィルタの隔壁ピッチは１．２〜２ｍｍが好ましく、ハニカム構造体の隔壁ピッチはセラミックハニカムフィルタの隔壁ピッチの１．１〜２倍程度が好ましい。上流に配置したハニカム構造体の隔壁ピッチを大きくすることにより、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、ハニカム構造体の排気ガス流入側端面にＰＭが付着して目詰まりを起こし、圧力損失が上昇することを防ぐことができるのである。
本発明の排気ガス浄化装置によれば、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくしていることから、セラミックハニカムフィルタ内のＰＭ分布がより均一化し、ＰＭ許容捕集量が増大するため、燃料添加手段による燃料添加の間隔を長くすることができるとともに、ハニカム構造体及びセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端部にＰＭが堆積して圧力損失が上昇することを防ぐことができ、結果として、ディーゼル機関の燃費効率を改善することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る、排気ガス浄化装置の横断面模式図である。酸化触媒が担持されたハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタが、把持部材を介して、金属製収納容器５２内に収納されている。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る、排気ガス浄化装置の横断面模式図である。酸化触媒が担持されたハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタが、把持部材を介して、金属製収納容器５２内に収納されている。
上記酸化触媒が担持されたハニカム構造体は、以下のようにして製造する。カオリン、タルク、シリカ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ２：４８〜５２％、Ａｌ２Ｏ３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％となるようコージェライト化原料粉末を準備し、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤を添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作成する。次に、押出し成形用金型を用いて坏土を押出し成形し、切断して、乾燥して、ハニカム構造を有する乾燥体とする。次に、この乾燥体の外周部を加工により除去し、最外周に位置する流路が、外部との間の隔壁を有しないことによって、外部に開口して軸方向に延びる凹溝を有するハニカム構造の乾燥体とした。更に１４００℃で焼成した後、外部に開口して延びる流路にコーディエライト粒子とコロイダルシリカを含有するコーティング剤を塗布、焼成して、外周壁を形成し、外周壁の内側に隔壁で仕切られた断面が四角形状の多数の流路が形成されたコージェライト質セラミックハニカム構造体とする。なお、ハニカム構造体の外径は２６７ｍｍ、全長は１００ｍｍで、隔壁の気孔率、隔壁厚さ、隔壁ピッチは、表１に示すとおりである。
このようにして得られたハニカム構造体に対して、Ｐｔ、酸化セリウム、及び活性アルミナからなる触媒物質を隔壁に担持させた。担持量はＰｔ量で２ｇ／Ｌ（ハニカムフィルタ容積１Ｌに対して２ｇ担持の意味）とした。
このようにして得られたハニカム構造体に対して、Ｐｔ、酸化セリウム、及び活性アルミナからなる触媒物質を隔壁に担持させた。担持量はＰｔ量で２ｇ／Ｌ（ハニカムフィルタ容積１Ｌに対して２ｇ担持の意味）とした。
上記、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとは、以下のようにして製造する。カオリン、タルク、シリカ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ２：４８〜５２％、Ａｌ２Ｏ３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％となるようコージェライト化原料粉末を準備し、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤、造孔剤を添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作成する。次に、押出し成形用金型を用いて坏土を押出し成形し、切断して、乾燥して、ハニカム構造を有する乾燥体とする。次に、乾燥体の外周部を加工により除去し、最外周に位置する流路が、外部との間の隔壁を有しないことによって、外部に開口して軸方向に延びる凹溝を有するハニカム構造の乾燥体とした後、１４００℃で焼成した。
更に、排気ガス流入側目封止部の流入側端面がハニカム構造体排気ガス流入側端面から１００ｍｍと成るように、外径０．５ｍｍ、内径０．３ｍｍのステンレス製のノズルを流路端部から挿入して、別に準備したコーディエライト製のペーストをノズルから注入して長さ約１０ｍｍの目封止部を形成し、その後、公知の方法で、排気ガス流出側端部に長さ１０ｍｍの目封止部を形成して、１４００℃で焼成一体化し、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタを作製した。更に、このハニカムフィルタの外部に開口して延びる流路にコーディエライト粒子とコロイダルシリカを含有するコーティング剤を塗布、焼成して、外周壁を形成し、外周壁の内側に隔壁で仕切られた断面が四角形状の多数の流路が形成されたコージェライト質セラミックハニカムフィルタとした。なおセラミックハニカムフィルタの、外径は２６７ｍｍ、全長が３０４ｍｍで、隔壁の気孔率、隔壁厚さ、隔壁ピッチは、表１に示すとおりである。
前記のセラミックハニカムフィルタに対して、排気ガス流入側目封止部より排気ガス流入側の隔壁にはＰｔ、酸化セリウム、及び活性アルミナからなる触媒物質を担持させた。担持量はＰｔ量で１ｇ／Ｌとした。一方、排気ガス流入側目封止部より排気ガス流出側の隔壁表面には同様の触媒物質を、担持量、Ｐｔ量で０．５ｇ／Ｌとした。
（実施例２及び３）
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、原料粉末の種類、粒径を調整することによってハニカム構造体の気孔率を３１％、４０％とした以外は実施例１と同様にして実施例２及び３の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、原料粉末の種類、粒径を調整することによってハニカム構造体の気孔率を３１％、４０％とした以外は実施例１と同様にして実施例２及び３の排気ガス浄化装置を作製した。
（実施例４及び５）
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、押出成形用金型の寸法を調整することによってハニカム構造体の隔壁厚さを０．１２ｍｍ、０．１５ｍｍとした以外は実施例１と同様にして実施例４及び５の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、押出成形用金型の寸法を調整することによってハニカム構造体の隔壁厚さを０．１２ｍｍ、０．１５ｍｍとした以外は実施例１と同様にして実施例４及び５の排気ガス浄化装置を作製した。
（実施例６）
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、押出成形用金型の寸法を調整することによってハニカム構造体の隔壁ピッチを１．７ｍｍとした以外は実施例１と同様にして実施例６の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、押出成形用金型の寸法を調整することによってハニカム構造体の隔壁ピッチを１．７ｍｍとした以外は実施例１と同様にして実施例６の排気ガス浄化装置を作製した。
（実施例７及び８）
実施例１の排気ガス浄化装置に使用したセラミックハニカムフィルタを製造する際に、
排気ガス流入側目封止部の流入側端面がハニカム構造体排気ガス流入側端面から７０ｍｍ、１３０ｍｍと成るように、ステンレス製ノズルの挿入位置を調整した以外は実施例１と同様にして実施例７及び８の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置に使用したセラミックハニカムフィルタを製造する際に、
排気ガス流入側目封止部の流入側端面がハニカム構造体排気ガス流入側端面から７０ｍｍ、１３０ｍｍと成るように、ステンレス製ノズルの挿入位置を調整した以外は実施例１と同様にして実施例７及び８の排気ガス浄化装置を作製した。
（比較例１）
実施例１において、セラミックハニカムフィルタが両端部で目封止されている以外は、実施例１と同様にして、図３に模式断面図を示す、排気ガス浄化装置を得た。なお、ハニカムフィルタの触媒担持量はＰｔ量で１ｇ／Ｌとした。
実施例１において、セラミックハニカムフィルタが両端部で目封止されている以外は、実施例１と同様にして、図３に模式断面図を示す、排気ガス浄化装置を得た。なお、ハニカムフィルタの触媒担持量はＰｔ量で１ｇ／Ｌとした。
（比較例２）
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、セラミックハニカムフィルタに用いたセラミックハニカム構造体を用いた以外は、実施例１と同様にして比較例２の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置に使用した酸化触媒が担持されたハニカム構造体を製造する際に、セラミックハニカムフィルタに用いたセラミックハニカム構造体を用いた以外は、実施例１と同様にして比較例２の排気ガス浄化装置を作製した。
（比較例３）
実施例１の排気ガス浄化装置において、酸化触媒が担持されたセラミックハニカム構造体を配置しないこと以外は、実施例１と同様にして比較例３の排気ガス浄化装置を作製した。
実施例１の排気ガス浄化装置において、酸化触媒が担持されたセラミックハニカム構造体を配置しないこと以外は、実施例１と同様にして比較例３の排気ガス浄化装置を作製した。
上記のように作製した実施例１〜８及び比較例１〜３の排気ガス浄化装置を、ディーゼルエンジンの排気管に配置し、市街地走行を模したパターン走行条件で、排気ガス温度が触媒物質の活性下限温度を下まわるような運転状態が続くような状態を発生させ、ＰＭがフィルタ上に堆積するような条件を作り出した上で、この時のＰＭ捕集量に応じて、酸化触媒を担持したハニカム構造体の上流側に燃料を噴射して、ＰＭを燃焼させた。そして、１０，０００ｋｍ走行に相当する時点での、排気ガス浄化装置の圧力損失を測定し、比較例１の排気ガス浄化装置の圧力損失を１として相対値で示した。
また、同様に、実施例１〜８及び比較例１〜３の排気ガス浄化装置を、ディーゼルエンジンの排気管に配置し、市街地走行を模したパターン走行条件で、排気ガス温度が触媒物質の活性下限温度を下まわるような運転状態が続くような状態を発生させ、ＰＭがフィルタ上に堆積するような条件を作り出した上で、ＰＭ捕集量に応じて、酸化触媒を担持したハニカム構造体の上流側に燃料を噴射して、ＰＭを燃焼させた。このとき燃料噴射する直前のＰＭ捕集量を変化させて試験を繰り返し、フィルタに溶損が発生しない、溶損限界ＰＭ捕集量をもとめ、比較例１のセラミックハニカムフィルタの溶損限界ＰＭ捕集量を１として相対値で示した。
また、同様に、実施例１〜８及び比較例１〜３の排気ガス浄化装置を、ディーゼルエンジンの排気管に配置し、市街地走行を模したパターン走行条件で、排気ガス温度が触媒物質の活性下限温度を下まわるような運転状態が続くような状態を発生させ、ＰＭがフィルタ上に堆積するような条件を作り出した上で、ＰＭ捕集量に応じて、酸化触媒を担持したハニカム構造体の上流側に燃料を噴射して、ＰＭを燃焼させた。このとき燃料噴射する直前のＰＭ捕集量を変化させて試験を繰り返し、フィルタに溶損が発生しない、溶損限界ＰＭ捕集量をもとめ、比較例１のセラミックハニカムフィルタの溶損限界ＰＭ捕集量を１として相対値で示した。
評価結果を表１に示す。実施例１〜８の排気ガス浄化装置は、比較例１の排気ガス浄化装置に比べ、圧力損失が低く、溶損限界ＰＭ捕集量の多いことが判る。このため、実施例１〜８の排気ガス浄化装置は、比較例１の排気ガス浄化装置に比べ、排気ガス温度が低い低速走行が続いたり、燃料が過剰に添加されたり、ＰＭが多く発生したりした場合であっても、セラミックハニカム構造体の排気ガス流入側端面にＰＭが付着して目詰まりを起こし、圧力損失が上昇することを防ぐことができると共に、溶損限界ＰＭ捕集量が多いことから、燃料供給手段からの燃料供給の間隔を長くとれる。これによって、ディーゼル機関の燃費改善に効果があることがわかる。
一方、比較例２の排気ガス浄化装置は、酸化触媒が担持されたセラミックハニカム構造体の隔壁厚さ及び気孔率がセラミックハニカムフィルタと同一であることから、比較例２の排気ガス浄化装置は酸化触媒が担持されたハニカム構造体が配置されていないことから、比較例１の排気ガス浄化装置に比べ、溶損限界ＰＭ捕集量は多かったものの、圧力損失が大きくなった。
１：外周壁
２：隔壁
３、４：流路
５：排気ガス流入側目封止部
６：排気ガス流出側目封止部
７：流入側端面
８：流出側端面
１１：排気ガス浄化装置
１２：ハニカム構造体
１３：セラミックハニカムフィルタ
１５：排気ガス流入側目封止部
１６：排気ガス流出側目封止部２１：排気ガス浄化装置
１７：ハニカム構造体の隔壁
１８：セラミックハニカムフィルタの隔壁
１８ａ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
１８ｂ：排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁
２２：ハニカム構造体
２３：セラミックハニカムフィルタ
２５：排気ガス流入側目封止部
２６：排気ガス流出側目封止部
２７：ハニカム構造体の隔壁
２８：セラミックハニカムフィルタの隔壁
３０：セラミックハニカムフィルタ
４０：隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ
４５：排気ガス流入側目封止部
４６：排気ガス流出側目封止部
４８ａ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
４８ｂ：排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁
５０、５１：ＰＭ
２：隔壁
３、４：流路
５：排気ガス流入側目封止部
６：排気ガス流出側目封止部
７：流入側端面
８：流出側端面
１１：排気ガス浄化装置
１２：ハニカム構造体
１３：セラミックハニカムフィルタ
１５：排気ガス流入側目封止部
１６：排気ガス流出側目封止部２１：排気ガス浄化装置
１７：ハニカム構造体の隔壁
１８：セラミックハニカムフィルタの隔壁
１８ａ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
１８ｂ：排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁
２２：ハニカム構造体
２３：セラミックハニカムフィルタ
２５：排気ガス流入側目封止部
２６：排気ガス流出側目封止部
２７：ハニカム構造体の隔壁
２８：セラミックハニカムフィルタの隔壁
３０：セラミックハニカムフィルタ
４０：隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ
４５：排気ガス流入側目封止部
４６：排気ガス流出側目封止部
４８ａ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
４８ｂ：排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁
５０、５１：ＰＭ
Claims (2)
- ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、セラミックハニカム構造体の所望の流路が目封止されたセラミックハニカムフィルタの隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタとを、排気ガスの流通方向に、この順序で配置し、前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の隔壁厚さ及び隔壁の気孔率を前記セラミックハニカムフィルタより小さくしたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
- 前記酸化触媒を担持したハニカム構造体の排気ガス流通方向の上流に、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
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| JP2005053254A JP2006233935A (ja) | 2005-02-28 | 2005-02-28 | 排気ガス浄化装置 |
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|---|---|
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