JP2009275554A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同等の収納容器２を用いながら、ハニカムセグメント接合体１の容量を増大し、アッシュの限界堆積量を増量する。
【解決手段】ハニカムセグメント接合体１の一部に、流出側端面から流出側コーン部22内へ延びる延長ハニカムセグメント15を形成した。無駄なスペースとなっていた流出側コーン部22の内部空間をPMの捕集に利用することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。さらに詳しくは、ハニカムセグメントが複数個集積されたハニカムセグメント接合体からなるフィルタ基材をもつ排ガス浄化装置に関する。

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している。一方、ディーゼルエンジンについては、有害成分がPM（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）として排出されるという特異な事情から、ガソリンエンジンの場合より排ガスの浄化が難しい。

そこで従来より、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルパティキュレートフィルタ（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セル隔壁とよりなり、セル隔壁の細孔で排ガスを濾過してPMを捕集する。

しかし DPFでは、PMの堆積によって圧力損失（以下、圧損という）が上昇するため、何らかの手段で堆積したPM（主にスート）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を強制再生することが行われている。例えば DPFの上流側に酸化触媒を配置し、HCやCOの多い排ガスを供給して酸化触媒における反応熱で排ガス温度を上昇させ、その高温の排ガスを DPFに供給することで堆積したPMを酸化する方法が知られている。しかしながらこの場合には、PMの堆積量が多いと加速度的な燃焼が生じ、時には熱暴走が生じて DPFの中心部や下流側端部に熱損傷が生じる場合がある。

そこで近年では、例えば特公平07−106290号公報に記載されているように、 DPFのセル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たフィルタ触媒が開発されている。このフィルタ触媒によれば、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フィルタ触媒を連続的に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、フィルタ触媒に作用する熱応力が小さく破損が防止されるという利点がある。

また特開平09−094434号公報には、セル隔壁のみならず、セル隔壁の細孔内にも触媒金属を担持したコート層を形成したフィルタ触媒が記載されている。細孔内にも触媒金属を担持することで、PMと触媒金属との接触確率が高まり、細孔内に捕集されたPMも酸化燃焼させることができる。

ところが上記したようなフィルタ触媒を用いても、触媒金属の活性化温度未満の低温域ではPMを酸化することは困難であり、PMの堆積によって圧損が上昇するため、強制再生は不可欠である。そしてPMの堆積量が多い場合には、強制再生時に熱損傷が生じる場合がある。

特にSiC 製などのハニカムフィルタ基材を用いた場合には、コージェライト製のものに比べて熱膨張係数が大きいために、大型化するほど熱損傷が生じやすいという問題がある。そのため、例えばWO2003／078026号公報などには、複数のハニカムセグメントを接合材層を介して一体的に接合したハニカムセグメント接合体をフィルタ基材として用いることが提案されている。

また特開2007−252993号公報には、ハニカムセグメント接合体の中央部の接合材層を外周部より厚くすることで中央部の熱容量を小さくし、ハニカムセグメント内の熱を接合材層へ逃がすことで熱損傷の発生を防止したセラミック構造体が提案されている。
特公平07−106290号公報 特開平09−094434号公報 WO2003／078026号公報 特開2007−252993号公報

ところで、ハニカムフィルタ基材には使用時にアッシュが徐々に堆積し、排気圧損が徐々に上昇する。したがって排気圧損が所定値以上に到達する前に、ハニカムフィルタ基材の洗浄あるいは交換が必要となる。この洗浄時期あるいは交換時期を遅らせるためには、アッシュの限界堆積量を増量すること、すなわちハニカムフィルタ基材の容量を大きくする必要がある。

しかしハニカムセグメント接合体は、一対のコーン部間に円筒部が連結されてなる収納容器の円筒部に保持されて用いられるのが一般的である。そのためハニカムフィルタ基材の全長を大きくしようとすると、ハニカムフィルタ基材の端部がコーン部と干渉してしまう。また収納容器を大きくすれば、円筒部に収納されるハニカムフィルタ基材の容量を大きくすることができるが、限られた搭載スペースの中ではそれも困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来と同等の収納容器を用いながらハニカムセグメント接合体の容量を増大し、アッシュの限界堆積量を増量することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、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し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、からなるフィルタ素子を複数個集積したハニカムセグメントが複数個集積され接合材層を介して一体的に接合されてなり、排ガスの流入側端面と流出側端面とを両端にそれぞれもつハニカムセグメント接合体と、
筒状をなし小径開口部と大径開口部をもつ流入側コーン部と、流入側コーン部の大径開口部に接続された収納筒部と、小径開口部と大径開口部をもち大径開口部が収納筒部に接続された流出側コーン部とを有する収納容器と、を備え、収納容器の収納筒部にハニカムセグメント接合体を保持してなる排ガス浄化装置であって、
ハニカムセグメント接合体は、流出側端面から流出側コーン部内へ延びる延長ハニカムセグメントを有することにある。

延長ハニカムセグメントは、ハニカムセグメント接合体の流出側端面から突出する部分では互いに接合されていないことが望ましい。

本発明の排ガス浄化装置では、ハニカムセグメント接合体は、流出側端面から流出側コーン部内へ延びる延長ハニカムセグメントを有している。すなわち従来は無駄なスペースとなっていた流出側コーン部内にもハニカムフィルタ基材の一部が収納されているため、延長ハニカムセグメントが流出側コーン部内へ突出している分だけ容量を大きくすることができる。

したがって本発明の排ガス浄化装置によれば、アッシュの限界堆積量が増大するため、ハニカムフィルタ基材の洗浄あるいは交換時期を遅らせることができ、長寿命とすることができる。

さらに延長ハニカムセグメントを、ハニカムセグメント接合体の流出側端面から突出する部分では互いに接合されていない構造とすれば、延長ハニカムセグメントにおいて流出側端面から突出している部分の最外周のセル隔壁を排ガスが通過する。接合材層を介した熱伝導より、排ガスがセル隔壁を通過する際の熱伝導の方が大きいので、内外周の温度差が小さくなり熱損傷をさらに防止することができるとともに、熱損傷を防止できる範囲であるPM堆積許容量を増大することができる。

本発明の排ガス浄化装置は、少なくともハニカムセグメント接合体と収納容器とを備えている。ハニカムセグメント接合体とは、柱状のハニカムセグメントが複数個集積され接合材層を介して一体的に接合されてなるものである。ここでハニカムセグメントとは、フィルタ素子を複数個集積したものであり、フィルタ素子は、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し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、からなるものである。

ハニカムセグメントは、粘土状のセラミック原料をハニカム状に押出成形し、それを焼成した後に、同様の粘土状のセラミック原料を用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、その後に焼成することで製造することができる。

セラミック原料としては、コージェライト粉末、SiC 粉末、SiN 粉末などを用いることができる。中でも熱膨張係数が大きなSiC の場合に、本発明を最適に利用することができる。

ハニカムセグメントには、複数のフィルタ素子が含まれている。ハニカムセグメントにおけるフィルタ素子の数、セル開口の寸法などには特に制限がない。またセル開口の形状は、正方形、六角形などとすることができる。このハニカムセグメントは、一般には四角柱形状をなし、その側面どうしが接合材層を介して接合されることでハニカムセグメント接合体が形成される。

接合材層は、接合材が焼成されてなるものであり、接合材層によって隣接するハニカムセグメントどうしが一体に接合されている。接合材としては、無機繊維、無機粉末、無機バインダ、有機バインダ、液状分散媒などの混合物が用いられる。具体的には、無機繊維としてはアルミノシリケート繊維、アルミナ繊維、SiC 繊維などが例示される。無機粉末としては、アルミナ粉末、SiC 粉末、SiN 粉末、コージェライト粉末、ムライト粉末などが例示される。無機バインダとしてはシリカゾル、アルミナゾル、粘土などが例示され、有機バインダとしてはポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどが例示される。また液状分散媒としては、一般に水が用いられる。

複数のハニカムセグメントを集積してハニカムセグメント接合体を形成するには、柱状のハニカムセグメントの側壁どうしを接合材を介して積層し、その状態で圧着した後、焼成することで行うことができる。焼成の際には、有機バインダなどの有機成分が焼失することで、セル隔壁に連通細孔を形成することができる。

ハニカムセグメント接合体は、通常、切削加工によって外周が削られ、断面円形あるいは楕円形などの形状とされる。そのままでは外周表面にセル隔壁が表出して脆いため、一般には厚さ約 0.2mm程度の外皮層が形成される。この外皮層は、上記した接合材を塗布後に焼成することで形成することができる。

本発明の排ガス浄化装置のもう一つの構成要素は、収納容器である。この収納容器は、筒状をなし小径開口部と大径開口部をもつ流入側コーン部と、流入側コーン部の大径開口部に接続された収納筒部と、小径開口部と大径開口部をもち大径開口部が収納筒部に接続された流出側コーン部と、から一般に構成される金属製のものである。収納筒部にハニカムセグメント接合体が保持されている。

流入側コーン部と流出側コーン部の少なくとも一方は、収納筒部に着脱可能に取り付けられていることが望ましい。こうすることで、収納筒部へのハニカムセグメント接合体の着脱を容易に行うことができる。

収納筒部の断面形状は、ハニカムセグメント接合体の断面形状とほぼ等しくされている。そしてハニカムセグメント接合体と収納筒部との間には、一般に、アルミナマットなどの耐熱性を有する材料から形成された保持筒が介在される。またハニカムセグメント接合体の少なくとも排ガス流出側端面には、ハニカムセグメント接合体の軸方向の移動を規制するために、一般に、リング状のリテーナが配置される。

本発明の排ガス浄化装置に用いるハニカムセグメント接合体は、その流出側端面から流出側コーン部内へ延びる延長ハニカムセグメントを有している。延長ハニカムセグメントの数は特に制限されず、できるだけ多く形成するのが好ましい。また延長ハニカムセグメントの長さは、流出側コーン部と干渉しない範囲で、かつ排気圧損が上昇しない範囲で長くすることが好ましい。流出側コーン部の小径開口部はハニカムセグメント接合体の中心部と対向しているので、少なくとも中心部のハニカムセグメントは小径開口部の近傍まで延長することができる。

隣接する延長ハニカムセグメントどうしは、ハニカムセグメント接合体の内部では接合材層によって一体的に接合されているが、流出側端面から突出している部分では互いに接合されていないことが望ましい。このようにすれば、延長ハニカムセグメントにおいて流出側端面から突出している部分の最外周のセル隔壁を排ガスが通過可能となるため、そのセル隔壁もフィルタとして使用することができ、容量がさらに増加する。また接合材層を介した熱伝導より、排ガスがセル隔壁を通過する際の熱伝導の方が大きいので、少なくとも延長ハニカムセグメントの部分では内外周の温度差が小さくなり熱損傷をさらに防止することができる。

なおハニカムセグメント接合体の流入側端面から流入側コーン部へ向かって突出するような延長ハニカムセグメントを設けると、その延長ハニカムセグメントの先端部分にPMが堆積しやすくなり、圧損が上昇しやすくなってアッシュの限界堆積量も低下してしまう。したがって延長ハニカムセグメントは、ハニカムセグメント接合体の流出側端面から突出するようにのみ設けることが望ましい。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図２に本実施例の排ガス浄化装置の概略断面図を示す。この排ガス浄化装置は、ハニカムセグメント接合体１と、収納容器２とから構成されている。

図１及び図３に示すハニカムセグメント接合体１は、四角柱形状の複数のハニカムセグメント10からなる。SiC 製のハニカムセグメント10は、図３に拡大断面図を示すように、排ガス下流側で目詰めされた流入側セル11と、流入側セル11に隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セル12と、流入側セル11と流出側セル12を区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁13と、からなるフィルタ素子を複数個集積してなる。セル隔壁13の表面及び細孔の内表面には、図示しない触媒層が形成されている。流入側セル11及び流出側セル12のセル開口は、一辺が約 1.5mmの断面正方形をなし、セル隔壁13の厚さは10ミルである。

複数のハニカムセグメント10は、側面どうしが接合材によって接合され、その後、外周を切削加工することで、円柱形状のハニカムセグメント接合体１が形成されている。それぞれのハニカムセグメント10どうしの間には接合材層14が介在している。この接合材はシリカゾル、SiC 粉末、有機バインダなどからなり、接合材層14はSiC とSiO₂とから構成されている。またハニカムセグメント接合体１の外周表面には、接合材と同一成分からなり厚さ約 0.2mmの外皮14' が形成されている。

触媒層は、アルミナ粉末を主とする担体と、その担体に担持されたPtとからなり、ハニカムセグメント接合体１の嵩容積１リットルあたり10ｇ形成されている。またPtは、ハニカムセグメント接合体１の嵩容積１リットルあたり 0.5ｇ担持されている。

ハニカムセグメント接合体１の排ガス流出側端面からは、中心部分に存在する４個のハニカムセグメント10が延長されて突出し、延長ハニカムセグメント15を構成している。ハニカムセグメント接合体１は、直径 143mm、長さ 120mmの円柱形状をなし、セル密度は 300セル／in² である。延長ハニカムセグメント15の突出長さは20mmである。なお、延長ハニカムセグメント15の突出部分では、互いの側壁どうしの間には接合材層14が存在せず空間16が形成されている。

収納容器２は鋼製で、全体として筒状をなし、流入側コーン部20と、収納筒部21と、流出側コーン部22とを有している。流入側コーン部20は円錐台形状をなし、小径開口部23と大径開口部24とを有している。また及流出側コーン部22も円錐台形状をなし、小径開口部25と大径開口部26とを有している。そして収納筒部21は大径開口部24、26と同一径をなし、流入側コーン部20及び流出側コーン部22と一体化されている。なお流入側コーン部20と収納筒部21とは、互いに着脱可能に一体化されている。

収納筒部21には、上記したハニカムセグメント接合体１が収納されている。ハニカムセグメント接合体１の外周表面と収納筒部21の内周表面との間には、アルミナ製のマット３が介在されている。収納筒部21の流出側コーン部22側の端部には、その内周表面に、断面Ｌ字形状をなすリング状で鋼製のリテーナ４が溶接され、リテーナ４は内周側へ突出する突出端部40を有している。突出端部40のハニカムセグメント接合体１に対向する表面にはリング状のワイヤネット５が配置され、ハニカムセグメント接合体１の排ガス流出側端面がワイヤネット５を介して突出端部40に当接することで、ハニカムセグメント接合体１の収納筒部21に対する軸方向の移動が規制されている。

そしてハニカムセグメント接合体１は、延長ハニカムセグメント15が流出側コーン部22内に延びるように、収納筒部21に配置されている。

従来のハニカムセグメント接合体は、延長ハニカムセグメント15を有していない。また外周部分のフィルタ素子の流出側セル12の開口の一部は、リテーナ４の突出端部40で覆われているため排ガスの流通が困難であって、その部分のフィルタ素子を利用することができない、したがってアッシュ限界堆積量が益々少なくなっていた。

しかし本実施例の排ガス浄化装置によれば、延長ハニカムセグメント15でもPMを捕集することができ、従来はデッドスペースであった流出側コーン部22の内部空間をPMの捕集に利用することができる。また延長ハニカムセグメント15の全ての側壁表面は空間16に面しているので、延長ハニカムセグメント15の最外周のフィルタ隔壁でもPMを捕集することができる。したがって従来と同様の限られた搭載スペースの中で、従来に比べてPMの堆積許容量が増大し、アッシュ限界堆積量も増大するため、洗浄あるいは交換の時期を遅らせることができる。

（実施例２）
本実施例に用いたハニカムセグメント接合体の拡大断面図を図４に示す。本実施例の排ガス浄化装置は、ハニカムセグメント接合体１の延長ハニカムセグメント15の側壁どうしの間にも接合材層14が形成されていること以外は、実施例１と同様である。

本実施例の排ガス浄化装置によれば、延長ハニカムセグメント15はそれぞれ二つの側壁表面が接合材層14によって覆われているものの、残りの二つの側壁表面は流出側コーン部22の内部空間に表出し、その最外周のフィルタ隔壁でPMでPMを捕集することができる。したがって実施例１に比べれば若干劣るものの、従来の排ガス浄化装置に比べてPMの堆積許容量が増大し、アッシュ限界堆積量も増大する。

（実施例３）
図５に本実施例の排ガス浄化装置の概略断面図を、図６に用いたハニカムセグメント接合体の拡大断面図を示す。本実施例では、ハニカムセグメント接合体１の延長ハニカムセグメント15の周囲に、延長ハニカムセグメント15より突出量が短い延長ハニカムセグメント17を形成したこと以外は実施例１と同様である。延長ハニカムセグメント15と延長ハニカムセグメント17の間には、接合材層14が形成されず空間18が存在している。

本実施例の排ガス浄化装置によれば、流出側コーン部22の内部空間をさらに有効利用することができる。また実施例１に比べてPMの堆積許容量が増大し、アッシュ限界堆積量も増大するため、洗浄あるいは交換の時期をさらに遅らせることができる。

上記実施例ではフィルタ触媒に本発明を適用したが、触媒をもたないDPF に本発明を適用できることは言うまでもない。

本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いたハニカムセグメント接合体の斜視図である。 本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置に用いたハニカムセグメント接合体の要部拡大断面図である。 本発明の第２の実施例に係る排ガス浄化装置に用いたハニカムセグメント接合体の要部拡大断面図である。 本発明の第３の実施例に係る排ガス浄化装置を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施例に係る排ガス浄化装置に用いたハニカムセグメント接合体の要部拡大断面図である。

符号の説明

１：ハニカムセグメント接合体 ２：収納容器
３：マット ４：リテーナ
10：ハニカムセグメント 14：接合材層
15：延長ハニカムセグメント 16：空間
21：収納筒部 22：流出側コーン部

Claims (4)

1. 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し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、からなるフィルタ素子を複数個集積したハニカムセグメントが複数個集積され接合材層を介して一体的に接合されてなり、排ガスの流入側端面と流出側端面とを両端にそれぞれもつハニカムセグメント接合体と、
   筒状をなし小径開口部と大径開口部をもつ流入側コーン部と、該流入側コーン部の該大径開口部に接続された収納筒部と、小径開口部と大径開口部をもち該大径開口部が該収納筒部に接続された流出側コーン部とを有する収納容器と、を備え、該収納容器の該収納筒部に該ハニカムセグメント接合体を保持してなる排ガス浄化装置であって、
   該ハニカムセグメント接合体は、該流出側端面から該流出側コーン部内へ延びる延長ハニカムセグメントを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 前記延長ハニカムセグメントは、前記ハニカムセグメント接合体の該流出側端面から突出する部分では互いに接合されていない請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記ハニカムセグメントはSiC 製である請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
4. 前記セル隔壁の表面及び細孔表面には触媒コート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。

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