JP2009243273A

JP2009243273A - パティキュレートフィルタ

Info

Publication number: JP2009243273A
Application number: JP2008087195A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Harada; 浩一郎原田; Kenji Suzuki; 研二鈴木; Kenji Okamoto; 謙治岡本; Keiji Yamada; 啓司山田; Akihide Takami; 明秀高見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができるパティキュレートフィルタを提供する。
【解決手段】排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セルと、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セルと、排気ガスが流れる流通孔を有し前記流入側セルと前記流出側セルとを区画するセル壁３とを備え、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタは、前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分８ａに排気ガス中に含まれるパティキュレートの燃焼を促進させる触媒材９が充填され、前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分を除く部分８ｂに前記セル壁の凹状に窪む部分に充填された前記触媒材よりも薄い状態あるいは前記触媒材を点在させた状態で前記触媒材が担持されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタに関する。

例えば希薄燃焼ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンなどを備えた車両では、エンジンから排出される排気ガス中に炭素成分を含む粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）が含有されているため、ＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタを排気通路内に設けてＰＭの排出を抑制することが行われている。

また、パティキュレートフィルタを備えた車両では、パティキュレートフィルタに捕集したＰＭ捕集量が増大するとエンジンの出力低下や燃費増大などの問題を引き起こし得るので、ＰＭ捕集量が多くなると捕集したＰＭを燃焼させて除去するパティキュレートフィルタの再生処理が行われている。

パティキュレートフィルタとして、排気ガスが流通可能な微細な流通孔を有するセル壁によって、排気ガスの流れ方向に沿って延び排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた流入側セルと、排気ガスの流れ方向に沿って延び排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた流出側セルとを区画し、流入側セルと流出側セルとを市松模様状に配置したハニカム状のパティキュレートフィルタが一般に良く知られている。

このようなパティキュレートフィルタにおいては、排気ガスが流入する流入側セルの開口面積と排気ガスが流出する流出側セルの開口面積とを略等しく形成したものが多用されているが、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタもまた知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。

特許文献１及び特許文献２に開示されるような流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタを用いる場合、流入側セルと流出側セルの開口面積とを略等しく形成したパティキュレートフィルタを用いる場合よりも、同量のＰＭを捕集する際に、ＰＭの堆積厚さを薄くすることができ、背圧の上昇を抑えることが可能である。これにより、パティキュレートフィルタの再生処理間のインターバルを長くすることができるとともにエンジンの出力低下や燃費増大を抑制することができる。

また、エンジンから排出される排気ガス中には、ＰＭに加えてエンジンオイル中の金属成分やリンを含むガラス状化合物からなるアッシュ成分が含まれている。このアッシュ成分もまた、排気通路内に設けたパティキュレートフィルタに堆積されることとなるが、アッシュ成分は、パティキュレートフィルタの再生処理を行っても燃焼除去されずに堆積し続ける。したがって、アッシュ成分についても、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタは、アッシュ成分の堆積厚さを薄くすることができ、背圧の上昇を抑えることができるので、有用である。

さらに、近年では、パティキュレートフィルタの再生処理時にＰＭの燃焼を促進させるために、流入側セルと流出側セルとを区画するセル壁に触媒材を担持し、この触媒材と排気ガス中のＨＣ、ＣＯとの反応熱を利用することもまた知られている。例えば特許文献３には、ハニカム構造体の多孔質の格子壁により仕切られた複数のセル空間において、入口側が開口し出口側が封止されている排気流入側のセル空間内に、触媒を担持させたＳｉＣなどの粒子状物質を多数充填したフィルタが開示されている。

実開昭５８−９２４０９号公報特開２００５−１２５２０９号公報特開２００３−５６３２７号公報

ところで、パティキュレートフィルタを備えた車両では、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成したパティキュレートフィルタ、及び、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタの何れを用いる場合においても、前述したようにパティキュレートフィルタの再生処理が行われ、パティキュレートフィルタの再生処理時には、パティキュレートフィルタは、ＰＭの燃焼に伴って最高温度９００℃若しくはそれ以上の温度まで上昇する場合があり、ＰＭ堆積量やアッシュ成分堆積量、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス条件によっては、さらに上昇し得る。

本願発明者は、種々の試験研究を重ねた結果、具体的には後述するが、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタでは、パティキュレートフィルタの再生処理時に、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成したパティキュレートフィルタと比べて、パティキュレートフィルタの最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなり、パティキュレートフィルタが過昇温状態になり得ることを見出した。

このように、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタを用いる場合には、流入側セルと流出側セルの開口面積を略等しく形成したパティキュレートフィルタよりも、パティキュレートフィルタの再生処理時にパティキュレートフィルタが過昇温状態になりやすく、パティキュレートフィルタの溶損や破損を引き起こし得る。

特に、流入側セルと流出側セルとを区画するセル壁に触媒材を担持させたパティキュレートフィルタでは、パティキュレートフィルタを、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）などの熱伝導率の比較的高い材料で成形したとしても、触媒材は比較的熱伝導率の低い酸化物で構成されるので、パティキュレートフィルタの再生処理時に、ＰＭの燃焼熱がパティキュレートフィルタのセル壁に伝達されにくく、このような傾向がより顕著になり得る。

これに対し、パティキュレートフィルタのセル壁に担持させる触媒材を少なくすることで、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することできるが、かかる場合には、排気ガスの浄化性能やパティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの燃焼性を十分に確保することが困難になる。

そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタに触媒材を担持させる場合においても、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができるパティキュレートフィルタを提供することを目的とする。

このため、本願の請求項１に係るパティキュレートフィルタは、排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セルと、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セルと、排気ガスが流れる流通孔を有し前記流入側セルと前記流出側セルとを区画するセル壁とを備え、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタであって、前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分に排気ガス中に含まれるパティキュレートの燃焼を促進させる触媒材が充填され、前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分を除く部分に前記セル壁の凹状に窪む部分に充填された前記触媒材よりも薄い状態あるいは前記触媒材を点在させた状態で前記触媒材が担持されていることを特徴としたものである。

本願の請求項１に係るパティキュレートフィルタによれば、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分に触媒材が充填され、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分にセル壁の凹状に窪む部分に充填された触媒材よりも薄い状態あるいは触媒材を点在させた状態で触媒材が担持されることにより、パティキュレートフィルタの再生処理時に、ＰＭの燃焼性を確保するとともに、パティキュレートフィルタの熱引きを良好にすることができ、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。これにより、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタに触媒材を担持させる場合においても、パティキュレートフィルタが溶損したり割れたりすることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本願発明者は、先ず、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタを用いるに際し、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタと、流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタについて、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度について評価した。

具体的には、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を模擬し、パティキュレートフィルタにカーボンを堆積させ、パティキュレートフィルタに堆積させたカーボンを燃焼させ、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定する試験を行った。

カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定する試験に用いたパティキュレートフィルタ及び試験条件等について説明する。
試験に用いたパティキュレートフィルタの要部を図９及び図１０に示している。図９は、流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図、図１０は、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。

流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタとして、図９に示すように、排気ガスの流入側端面が開口し排気ガスの流出側端面が目封じされた流入側セル１１と、排気ガスの流出側端面が開口し排気ガスの流入側端面が目封じされた流出側セル１２とが、排気ガスが流通する流通孔（不図示）を有するセル壁１３によって断面正方形状に区画され、流入側セル１１と流出側セル１２とが市松模様状に配置されたパティキュレートフィルタ１０を用いた。

パティキュレートフィルタ１０では、流入側セル１１と流出側セル１２とがそれぞれ、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セル１１のセル間隔Ｐ１１と流出側セル１２のセル間隔Ｐ１２との比が１（Ｐ１１／Ｐ１２＝１）に設定され、流入側セル１１の排気ガスの流入側端面の開口面積Ｓ１１と流出側セル１２の排気ガスの流出側端面の開口面積Ｓ１２とが等しく形成されている。

また、流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタとして、図１０に示すように、排気ガスの流入側端面が開口し排気ガスの流出側端面が目封じされた流入側セル２１と、排気ガスの流出側端面が開口し排気ガスの流入側端面が目封じされた流出側セル２２とが、排気ガスが流通する流通孔（不図示）を有するセル壁２３によって略断面正方形状に区画され、流入側セル２１と流出側セル２２とが略市松模様状に配置されたパティキュレートフィルタ２０を用いた。

パティキュレートフィルタ２０では、流入側セル２１と流出側セル２２とはそれぞれ、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延び、流入側セル２１のセル間隔Ｐ２１と流出側セル２２のセル間隔Ｐ２２との比が１．３（Ｐ２１／Ｐ２２＝１．３）に設定され、流入側セル２１の排気ガスの流入側端面の開口面積Ｓ２１が流出側セル２２の排気ガスの流出側端面の開口面積Ｓ２２よりも大きく形成されている。

また、パティキュレートフィルタ１０、２０には、ＣｅＺｒ複合酸化物（Ｚｒ＝３０ｍｏｌ％）、及び、ランタン（Ｌａ）が５ｗｔ％添加された高比表面積アルミナを３：１（質量比）で混合した粉末に触媒金属Ｐｔを担持した触媒を調製し、水及びバインダーを混合して調製した粘度１．７ｍＰａ・ｓのスラリーを吸引させ、ブロー圧１．０ｋｇ／ｃｍ^２でエアブローによって余分なスラリーを除去してウォッシュコートし、乾燥後に５００℃の温度で２時間焼成することにより、触媒材を担持させ、評価用サンプルを作製した。

触媒金属Ｐｔは、ＣｅＺｒ複合酸化物と高比表面積アルミナとの総質量に対して１０ｗｔ％担持させ、ＣｅＺｒ複合酸化物は、５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり５ｇ）に設定し、高比表面積アルミナは、１５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり１５ｇ）に設定した。また、パティキュレートフィルタ１０、２０は、直径が１７ｍｍ、容量が１１ｃｃで、セル密度が１平方インチ（約６．４５ｃｍ^２）当たり３００個であり、セルを隔てる壁厚が１２ミル（約０．３ｍｍ）のものを使用した。

このようにして、触媒材を担持させたパティキュレートフィルタ１０、２０に対し、ＰＭの代わりにカーボンブラックを７．５ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり７．５ｇ）均一に堆積させ、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を模擬し、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定した。

カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度測定では、電気炉内に設置した円筒状の石英管の内部に、カーボンを堆積させたパティキュレートフィルタ１０、２０を挿入するとともにパティキュレートフィルタ１０、２０の入口端面中央及び出口端面中央にそれぞれ熱電対を配設した。そして、石英管の一方の端部から評価ガスを導入し、カーボンを燃焼させ、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタ１０、２０の温度を測定した。なお、実機での実使用条件を模擬するため、前記フィルタの電気炉内へのセットは、フィルタ出口端面が電気炉端部に近くなるようにして、次に説明する入口端面中央の温度が６４０℃のとき、出口端面中央の温度が５７０℃になるようにした。

この試験では、パティキュレートフィルタ１０、２０の入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度が６４０℃になるまで、Ｎ_２ガスを空間速度３７，０００／ｈで流しながら電気炉によって加熱し、パティキュレートフィルタ１０、２０の入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタ１０、２０の温度が６４０℃になると、Ｎ_２ガスにＯ_２ガスを導入し、Ｎ_２／Ｏ_２混合ガス（Ｎ_２：Ｏ_２＝８０：２０（体積比））によってパティキュレートフィルタ１０、２０に堆積したカーボンを燃焼させた。カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタ１０、２０の温度が上昇し、パティキュレートフィルタ１０、２０の出口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度を、Ｏ_２ガスの導入時からの時系列で測定した。

図１１は、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの出口端面中央の温度の測定結果を示すグラフである。図１１では、Ｏ_２ガスの導入時からの時間を横軸にとり、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度を縦軸にとって表示し、流入側セル１１と流出側セル１２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ１０のカーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタ１０の出口端面中央の温度曲線Ｌ１を一点鎖線で示し、流入側セル２１の開口面積を流出側セル２２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ２０の出口端面中央の温度曲線Ｌ２を実線で示している。

図１１から分かるように、流入側セル１１と流出側セル１２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ１０では、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度Ｔ０が約５７０℃である状態からパティキュレートフィルタに堆積したカーボンの燃焼が開始され、カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタの出口端面中央の温度が上昇し、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度Ｔ１が最高温度約６８５℃である状態を経て、温度が次第に低下する。

一方、流入側セル２１の開口面積を流出側セル２２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ２０では、カーボン燃焼時に、流入側セル１１と流出側セル１２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ１０に比べて、パティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなっている。また、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの最高温度Ｔ２が約７４０℃であり、流入側セル１１と流出側セル１２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ１０の最高温度Ｔ１よりも高くなっている。

これらの結果から、本願発明者は、流入側セル２１の開口面積を流出側セル２２の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタ２０では、流入側セル１１と流出側セル１２の開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタ１０に比べて、パティキュレートフィルタが過昇温状態になる、すなわち、パティキュレートフィルタ２０の最高温度が高くなるとともにパティキュレートフィルタ２０の温度上昇度合いが大きくなることを見出した。

このように、流入側セル２１の開口面積を流出側セル２２の開口面積よりも大きく形成しパティキュレートフィルタ２０に触媒材を担持させた場合、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタ２０が過昇温状態になり、パティキュレートフィルタが溶損したり割れたりする畏れがあるが、本実施形態では、パティキュレートフィルタ２０に触媒材を担持させる際に、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分に触媒材を充填し、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分にセル壁の凹状に窪む部分に充填した触媒材よりも薄い状態あるいは触媒材を点在させた状態で触媒材を担持させることで、かかる問題を回避する。

以下、本実施形態に係るパティキュレートフィルタについて、図１〜８を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図、図２は、前記パティキュレートフィルタの要部を示す断面説明図である。

本実施形態に係るパティキュレートフィルタ１は、所謂ウォールフロータイプのパティキュレートフィルタであって、例えばディーゼルエンジン等のエンジンの排気経路に介設され、該エンジンから排出される排気ガスに含まれる煤などのＰＭを捕集するためのものであり、図１に示すように、円柱状に形成され、その外周部が外周塗布材２によって覆われている。

パティキュレートフィルタ１は、排気ガスの流れ方向に沿って平行に延びる複数の流入側セル５と、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の流出側セル６と、流入側セル５と流出側セル６とを区画するセル壁３とを備え、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）などの材料からハニカム状に成形されている。流入側セル５は、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口し、排気ガスの流れ方向下流側端面を目封止する目封止部５ａによって排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされている。一方、流出側セル６は、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口し、排気ガスの流れ方向上流側端面を目封止する目封止部６ａによって排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされている。

パティキュレートフィルタ１では、図１０に示すパティキュレートフィルタ２０と同様に、流入側セル５と流出側セル６とが略市松模様状に配置され、流入側セル５のセル間隔と流出側セルのセル間隔との比が１．３に設定され、流入側セル５の排気ガスの流入側端面の開口面積が流出側セル６の排気ガスの流出側端面の開口面積よりも大きく形成されている。また、パティキュレートフィルタ１では、パティキュレートフィルタ２０と同様に、流入側セル５と流出側セル６とが略断面正方形状に区画され、具体的には、流入側セル５が八角柱状に開口され、流出側セル６が四角柱状に開口され、セル壁３の厚さが略一定となるように形成されている。

図３は、前記パティキュレートフィルタのセル壁を拡大して示す断面説明図であり、図３では、セル壁にＰＭが堆積した状態が示されている。なお、図３では、セル壁に担持された触媒材を取り除いて示している。また、図４は、図３のＡ部を拡大し、パティキュレートフィルタに担持される触媒材を示す断面説明図であり、図４では、セル壁に堆積したＰＭを取り除いて示している。

図３に示すように、流入側セル５と流出側セル６とを区画するセル壁３には、多数の流通孔８が形成され、図３では、セル壁３の一部の断面のみを示しているために多数の流通孔８が繋がって示されていないが、流通孔８は、流入側セル５から流出側セル６まで繋がっており、該流通孔８を通じて、排気ガスが流入側セル５から流出側セル６へ流通することができるようになっている。

また、パティキュレートフィルタ１のセル壁３には、排気ガス中に含まれるＰＭの燃焼を促進させる触媒材９が担持され、触媒材９は、流入側セル５や流出側セル６を区画するセル壁３の表面３ａや流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに担持されている。流通孔８は、凹凸を有する複雑な形状で形成されており、本実施形態では、図４に示すように、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに担持される触媒材９が、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに充填され、流通孔８を形成するセル壁３の凸状に突出する部分や平坦な部分など流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに、セル壁３の凹状に窪む部分８ａに充填された触媒材９よりも薄い状態で触媒材９が担持されている。

このようにして触媒材９が担持されたパティキュレートフィルタ１では、図２に示すように、排気ガスの流れ方向上流側端面が開口した流入側セル５から流入した排気ガスは、セル壁３に設けられた流通孔８を通じて、排気ガスの流れ方向下流側端面が開口した流出側セル６へ流れて排出され、その間に排気ガスに含まれる煤などのＰＭが捕集されるようになっている。この捕集されたＰＭは、図３に示すように、セル壁３の表面３ａに堆積するだけでなく、セル壁３に設けられる流通孔８にも堆積することとなる。

本実施形態ではまた、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９を充填し、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに凹状に窪む部分８ａに充填した触媒材９よりも薄い状態で触媒材９を担持させたパティキュレートフィルタ（実施例）について、カーボンの燃焼性及びパティキュレートフィルタの熱引き性について評価した。

なお、流通孔を形成するセル壁の内壁面に触媒材を均一に薄い状態で担持させたパティキュレートフィルタを比較例１として用い、流通孔を形成するセル壁の内壁面に触媒材を均一に厚い状態で担持させたパティキュレートフィルタを比較例２として用い、これらについても、カーボンの燃焼性及びパティキュレートフィルタの熱引き性について評価した。比較例１及び比較例２では、図１０に示すパティキュレートフィルタ２０と同様のパティキュレートフィルタを用いた。

図５は、比較例として用いるパティキュレートフィルタに触媒材が担持された状態を説明するための説明図であり、図５の（ａ）は、比較例１として用いるパティキュレートフィルタにおいて、流通孔を形成するセル壁の内壁面に触媒材が均一に薄い状態で担持された状態を示し、図５の（ｂ）は、比較例２として用いるパティキュレートフィルタにおいて、流通孔を形成するセル壁の内壁面に触媒材が均一に厚い状態で担持された状態を示している。なお、図５では、実施例として用いるパティキュレートフィルタ１と担持される触媒材の状態が異なる以外は同様であり、同様の構成については同一符号を付している。

図５（ａ）に示すように、比較例１として用いるパティキュレートフィルタでは、セル壁３に担持される触媒材９は、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに均一に比較的薄く担持され、一方、図５（ｂ）に示すように、比較例２として用いるパティキュレートフィルタでは、セル壁３に担持される触媒材９は、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに均一に比較的厚く担持される。

（触媒材の調製）
次に、カーボンの燃焼性及びパティキュレートフィルタの熱引き性について評価するに際し、パティキュレートフィルタに担持させる触媒材の調製方法について説明する。
本実施形態では、ＣｅＺｒ複合酸化物粉末（Ｚｒ＝３０ｍｏｌ％）と、ランタン（Ｌａ）が５ｗｔ％添加された高比表面積アルミナ粉末との混合粉末（ＣｅＺｒ複合酸化物粉末：高比表面積アルミナ粉末＝１：３（質量比））に対して、ジニトロジアミン白金硝酸溶液及びイオン交換水を加えて混合し、混合後に蒸発乾固させ、十分に乾燥させた後、大気中において５００℃の温度に２時間保持することにより焼成し、ＣｅＺｒ複合酸化物粉末とランタン（Ｌａ）が添加されたアルミナ粉末とにＰｔが担持された触媒粉末（触媒材）を得た。

なお、触媒材９として、ＣｅＺｒ複合酸化物粉末と高比表面積アルミナ粉末との混合粉末とにＰｔを担持させた触媒粉末を用いているが、これに限定されるものでなく、ＰＭの燃焼を促進させるその他のＣｅＺｒ系複合酸化物などを用いることも可能である。また、貴金属として、Ｐｔを使用しているが、例えばＰｄなどのその他の貴金属を使用することも可能である。

（触媒材のコーティング）
次に、上記触媒材をパティキュレートフィルタにコーティングする方法について説明する。図６は、実施例、比較例１及び比較例２について、パティキュレートフィルタに触媒材を担持させる方法を説明するための図である。

実施例については、上記触媒材に、バインダーとイオン交換水とを混合し、粘度２．６ｍＰａ・ｓのスラリーを調製し、このスラリーにパティキュレートフィルタ１を浸漬させるとともに他方の端部においてアスピレータによる吸引を行い、吸引により除去できないスラリーは、上記スラリーに浸漬させた端面よりブロー圧４ｋｇ／ｃｍ^２でエアブローを行って除去し、ウォッシュコートする。そして、ウォッシュコートしたパティキュレートフィルタを乾燥させる。なお、前記粘度は、リオン株式会社製、ビィスコテスター（ＶＴ−０３）を用いて測定した。

実施例では、この乾燥させたパティキュレートフィルタをまた、上記触媒材にバインダーとイオン交換水とを混合して調製される粘度１．５ｍＰａ・ｓのスラリーに浸漬させるとともに他方の端部においてアスピレータによる吸引を行い、吸引により除去できないスラリーは、上記スラリーに浸漬させた端面よりブロー圧１ｋｇ／ｃｍ^２でエアブローを行って除去し、再びウォッシュコートする。そして、ウォッシュコートを２回行ったパティキュレートフィルタ１を乾燥させ、該乾燥後に、大気中で５００℃の温度に２時間保持することにより焼成した。なお、ウォッシュコート量は、６０ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり６０ｇ）に設定し、Ｐｔの担持量は、２ｇ／Ｌ（パティキュレートフィルタの１Ｌ当たり２ｇ）に設定した。

このようにして、セル壁３に触媒材９を担持させた実施例として用いるパティキュレートフィルタ１を得た。実施例として用いるパティキュレートフィルタ１では、粘度の高いスラリーと粘度の低いスラリーをそれぞれ異なるブロー圧でエアブローすることにより、図４に示すように、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９が充填され、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂにセル壁３の凹状に窪む部分８ａに充填された触媒材９よりも薄い状態で触媒材９が担持される。なお、セル壁３の表面３ａにおいても、セル壁３の凹状に窪む部分に触媒材が充填され、セル壁３の凹状に窪む部分を除く部分にセル壁の凹状に窪む部分に充填された触媒材よりも薄い状態で触媒材が担持されている。

一方、比較例１については、パティキュレートフィルタを、上記触媒材にバインダーとイオン交換水とを混合して調製される粘度１．７ｍＰａ・ｓのスラリーに浸漬させるとともに他方の端部においてアスピレータによる吸引を行い、吸引により除去できないスラリーは、上記スラリーに浸漬させた端面よりブロー圧１ｋｇ／ｃｍ^２でエアブローを行って除去し、ウォッシュコートした。そして、ウォッシュコートしたパティキュレートフィルタを乾燥させ、該乾燥後に、大気中で５００℃の温度に２時間保持することにより焼成した。なお、ウォッシュコート量は、２０ｇ／Ｌに設定した。

このようにして、セル壁３に触媒材９を担持させた比較例１として用いるパティキュレートフィルタを得た。比較例１として用いるパティキュレートフィルタでは、粘度の低いスラリーを用いて、図５（ａ）に示すように、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９が薄く均一に担持されている。なお、セル壁３の表面３ａにおいても、触媒材が薄く均一に担持されている。

また、比較例２については、パティキュレートフィルタを、上記触媒材にバインダーとイオン交換水とを混合して調製される粘度２．６ｍＰａ・ｓのスラリーに浸漬させるとともに他方の端部においてアスピレータによる吸引を行い、吸引により除去できないスラリーは、上記スラリーに浸漬させた端面よりブロー圧１ｋｇ／ｃｍ^２でエアブローを行って除去し、ウォッシュコートした。そして、ウォッシュコートしたパティキュレートフィルタを乾燥させ、該乾燥後に、大気中で５００℃の温度に２時間保持することにより焼成した。なお、ウォッシュコート量は、６０ｇ／Ｌに設定した。

このようにして、セル壁３に触媒材９を担持させた比較例２として用いるパティキュレートフィルタを得た。比較例２として用いるパティキュレートフィルタでは、粘度の高いスラリーを用いて、図５（ｂ）に示すように、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９が厚く均一に担持されている。なお、セル壁３の表面３ａにおいても、触媒材が厚く均一に担持されている。

なお、実施例、比較例１及び比較例２として用いるパティキュレートフィルタ１はそれぞれ、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成され、セル密度が１平方インチ（約６．４５ｃｍ^２）当たり３００個であり、セルを隔てる壁厚が１２ミル（約０．３ｍｍ）であり、直径１７ｍｍ、長さ５０ｍｍ、容量１１ｃｃのものを使用した。

（カーボンの燃焼性評価）
次に、実施例、比較例１及び比較例２のパティキュレートフィルタ１を用いて、カーボンの燃焼性を評価した。
カーボンの燃焼性を評価するために、先ず、１０ｇ／Ｌのカーボンブラックにイオン交換水を１０ｃｃ加え、スターラを用いてカーボンブラックを５分間混合して十分に分散させた混合液に、実施例、比較例１及び比較例２として用いるパティキュレートフィルタについてそれぞれの一方の端部を浸漬させるとともに、他方の端部においてアスピレータによる吸引を行った。

この吸引により除去できない水分は、上記混合液に浸漬させた端面よりエアブローを行って除去した。そして、このパティキュレートフィルタを、例えば１５０℃等の温度で２時間保持することにより乾燥させた。このようにして、実施例、比較例１及び比較例２についてカーボンの燃焼性を評価するための評価用サンプルを作製した。

上記評価用サンプルを、固定床式のモデルガス流通装置に取り付け、モデルガスを流し、カーボンの燃焼により生成されるＣＯ及びＣＯ_２の量を測定した。このモデルガスのガス組成は、以下の表１に示しており、モデルガスの総流量に対する割合で表示している。

上記ＣＯ及びＣＯ_２量に対し、以下の式を用いてカーボン燃焼速度を算出した。
カーボン燃焼速度(g/h・L)
={ガス流速(L/h)×[(CO+CO₂)濃度(ppm)/1×10⁶]}×40×12/22.4
上記カーボン燃焼速度は、触媒に流入させる上記モデルガスのガス温度を常温から漸次上昇させ、触媒入口のガス温度が５９０℃であるときに生成されるＣＯ及びＣＯ_２の量を測定して評価する。なお、上記カーボン燃焼性評価では、空間速度が８００００ｈ^−１、昇温速度は１５℃／分とした。

図７には、実施例、比較例１及び比較例２について、カーボン燃焼速度を示したグラフが表されている。図７では、実施例、比較例１及び比較例２として用いたパティキュレートフィルタのカーボン燃焼速度を縦軸にとって表示し、カーボン燃焼速度を表すグラフの上方に各カーボン燃焼速度のデータを表示している。

図７に示されるように、カーボン燃焼速度について、比較例１では０．８ｇ／ｈであるのに対し、比較例２では０．９４ｇ／ｈであり、実施例１では０．９６ｇ／ｈであった。すなわち、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を薄く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例１）に対し、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を厚く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例２）、及び、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９を充填させ、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに凹状に窪む部分８ａに充填させた触媒材９よりも薄い状態で触媒材９を担持させたパティキュレートフィルタ（実施例１）では、カーボン燃焼速度が高いことが分かる。

このように、パティキュレートフィルタ１に触媒材９を担持させる際に、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに充填し、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに凹状に窪む部分８ａに充填した触媒材９よりも薄い状態で触媒材９を担持させることで、触媒材のウォッシュコート量が同程度であれば、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材を均一に担持させた場合と同程度のカーボン燃焼速度を得ることができることが分かる。

（パティキュレートフィルタの熱引き性評価）
また、実施例、比較例１及び比較例２のパティキュレートフィルタ１を用いて、パティキュレートフィルタの熱引き性を評価した。
実施例、比較例１及び比較例２のパティキュレートフィルタに対し、ＰＭの代わりにカーボンブラックを７．５ｇ／Ｌ均一に堆積させてパティキュレートフィルタの熱引き性を評価するための評価用サンプルを作製し、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度を模擬したカーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定した。

カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度測定では、電気炉内に設置した円筒状の石英管の内部に、カーボンを堆積させたパティキュレートフィルタを挿入するとともにパティキュレートフィルタの入口端面中央及び出口端面中央にそれぞれ熱電対を配設した。そして、石英管の一方の端部から評価ガスを導入し、カーボンを燃焼させ、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度を測定した。

この試験では、パティキュレートフィルタの入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度が６４０℃になるまで、Ｎ_２ガスを空間速度３７，０００／ｈで流しながら電気炉によって加熱し、パティキュレートフィルタの入口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度が６４０℃になると、Ｎ_２ガスにＯ_２ガスを導入し、Ｎ_２／Ｏ_２混合ガス（Ｎ_２：Ｏ_２＝８０：２０（体積比））を空間速度４４，０００／ｈで流しながらパティキュレートフィルタに堆積したカーボンを燃焼させた。カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタの温度が上昇し、パティキュレートフィルタの出口端面中央に配設した熱電対によって測定されるパティキュレートフィルタの温度を、Ｏ_２ガスの導入時からの時系列で測定した。

図８は、実施例、比較例１及び比較例２について、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度の測定結果を示すグラフである。図８では、Ｏ_２ガスの導入時からの時間を横軸にとり、パティキュレートフィルタの出口端面中央の温度を縦軸にとって表示し、実施例として用いたパティキュレートフィルタの温度曲線を実線で示し、比較例１として用いたパティキュレートフィルタの温度曲線を破線で示し、比較例２として用いたパティキュレートフィルタの温度曲線を一点鎖線で示している。

図８から分かるように、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度については、比較例１では、パティキュレートフィルタの温度が約５７０℃である状態からパティキュレートフィルタに堆積したカーボンの燃焼が開始され、カーボンの燃焼に伴ってパティキュレートフィルタの温度が上昇し、パティキュレートフィルタの温度が最高温度約７４０℃である状態を経て、パティキュレートフィルタの温度が次第に低下する。また、比較例２では、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度は、比較例１に比べて、パティキュレートフィルタの温度上昇度合いが大きくなるとともに、パティキュレートフィルタの最高温度が高くなっている。

すなわち、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を薄く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例１）に対し、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を厚く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例２）では、触媒材のウォッシュコート量が多くカーボンの燃焼性が優れていることから、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度が高くなることが分かる。

これに対し、カーボン燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度について、実施例では、比較例１に比べて、パティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度が高くなるものの、比較例２に比べて、パティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度が低くなっている。

すなわち、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９を充填させ、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに凹状に窪む部分８ａに充填した触媒材９よりも薄い状態で触媒材９を担持させたパティキュレートフィルタ（実施例）では、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を薄く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例１）に対し、触媒材のウォッシュコート量が多くカーボンの燃焼性が優れていることから、パティキュレートフィルタの再生処理時におけるパティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度が高くなるものの、流通孔８を形成するセル壁３の内壁面３ｂに触媒材９を厚く担持させたパティキュレートフィルタ（比較例２）に比べ、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度が低くなっている。実施例では、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂに触媒材９を薄い状態で担持させたことにより、この薄い状態で触媒材９が担持された部分８ｂを通じて、カーボンの燃焼熱をセル壁３により伝達することができ、比較例２に比べて、パティキュレートフィルタの熱引き性が向上したものと考えられる。

このように、パティキュレートフィルタに触媒材を担持させる際に、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９を充填し、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂには触媒材９を薄い状態で担持させることで、触媒材のウォッシュコート量が同程度であっても、触媒材を流通孔８の内壁面３ｂに均一に堆積させた場合に比して、パティキュレートフィルタの再生処理時に、パティキュレートフィルタの温度上昇度合い及び最高温度を低下させることができる。

なお、本実施形態では、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分に触媒材を充填し、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分に凹状に窪む部分に充填した触媒材よりも薄い状態で触媒材を担持させているが、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分に触媒材を点在させた状態で触媒材を担持するようにしてもよい。

また、本実施形態では、粘度の高いスラリー及び粘度の低いスラリーを用いてウォッシュコートを２回行い、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分に触媒材を充填し、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分に凹状に窪む部分に充填した触媒材よりも薄い状態で触媒材を担持させているが、スラリーの粘度及びエアブローのブロー圧を好適に設定し、１回のウォッシュコートで、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分に触媒材を充填し、流通孔を形成するセル壁の凹状に窪む部分を除く部分に凹状に窪む部分に充填した触媒材よりも薄い状態あるいは触媒材を点在させた状態で触媒材を担持させるようにしてもよい。

このように、本実施形態に係るパティキュレートフィルタ１によれば、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａに触媒材９が充填され、流通孔８を形成するセル壁３の凹状に窪む部分８ａを除く部分８ｂにセル壁３の凹状に窪む部分８ａに充填された触媒材９よりも薄い状態あるいは触媒材を点在させた状態で触媒材９が担持されることにより、パティキュレートフィルタの再生処理時に、ＰＭの燃焼性を確保するとともに、パティキュレートフィルタの熱引きを良好にすることができ、パティキュレートフィルタが過昇温状態になることを抑制することができる。これにより、流入側セルの開口面積が流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタに触媒材を担持させる場合においても、パティキュレートフィルタが溶損したり割れたりすることを防止することができる。

なお、パティキュレートフィルタ１では、流入側セル５が八角柱状に開口され、流出側セル６が四角柱状に開口されているが、流入側セル５の開口面積を流出側セル６の開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタであれば、例えば流入側セル５及び流出側セル６を円柱状など他の形状に成形するようにしてもよい。

以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、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に関するものであり、例えば希薄燃焼ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンなどを備えた車両の排気系に好適に適用することができる。

本実施形態に係るパティキュレートフィルタを模式的に示す正面説明図である。前記パティキュレートフィルタの要部を示す断面説明図である。前記パティキュレートフィルタのセル壁を拡大して示す断面説明図である。図３のＡ部を拡大し、パティキュレートフィルタに担持される触媒材を示す断面説明図である。比較例として用いるパティキュレートフィルタに触媒材が担持された状態を説明するための説明図である。実施例、比較例１及び比較例２について、パティキュレートフィルタに触媒材を担持させる方法を説明するための図である。実施例、比較例１及び比較例２について、カーボン燃焼速度を示したグラフである。実施例、比較例１及び比較例２について、カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度の測定結果を示すグラフである。流入側セルと流出側セルの開口面積を等しく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。流入側セルの開口面積を流出側セルの開口面積よりも大きく形成したパティキュレートフィルタの一部を模式的に示す正面説明図である。カーボンの燃焼時におけるパティキュレートフィルタの温度の測定結果を示すグラフである

符号の説明

１パティキュレートフィルタ
３セル壁
５流入側セル
６流出側セル
７パティキュレート
８流通孔
８ａセル壁の凹状に窪む部分
８ｂセル壁の凹状に窪む部分を除く部分
９触媒材

Claims

排気ガスの流れ方向下流側端面が目封じされた複数の流入側セルと、排気ガスの流れ方向上流側端面が目封じされた複数の流出側セルと、排気ガスが流れる流通孔を有し前記流入側セルと前記流出側セルとを区画するセル壁とを備え、前記流入側セルの開口面積が前記流出側セルの開口面積よりも大きく形成されたパティキュレートフィルタであって、
前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分に排気ガス中に含まれるパティキュレートの燃焼を促進させる触媒材が充填され、前記流通孔を形成する前記セル壁の凹状に窪む部分を除く部分に前記セル壁の凹状に窪む部分に充填された前記触媒材よりも薄い状態あるいは前記触媒材を点在させた状態で前記触媒材が担持されていることを特徴とするパティキュレートフィルタ。