JP2010209744A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アッシュの堆積に伴うパティキュレートの許容堆積能力の低下を抑制し、再生頻度の上昇を抑えた排ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】多孔質隔壁で区画された流入側セル７ａと流出側セル７ｂとを有する排ガス浄化装置である。流入側セル７ａは排ガス下流側で目詰めされ、流出側セル７ｂは排ガス上流側で目詰めされる。流入側セルの目封止部１には、排ガス上流側に向かって開口する凹部１ａが形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガスには、環境汚染の原因となるような炭素を主成分とするパティキュレート（ＰＭ、粒子状物質）が多量に含まれているため、それらの排気系には、パティキュレートを捕集するための排ガス浄化装置が搭載される。

現在までに開発されている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フィルター（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、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ー隔壁で構成され、フィルター隔壁の細孔で排ガスを濾過しＰＭを捕集する。

このようなＤＰＦを一定時間使用すると、上記ＰＭとともに、エンジンオイル中に含まれるカルシウム等の無機物に由来するアッシュが堆積する。ＰＭは炭素を主成分とする有機物であることから、電気ヒーターの通電等による加熱によって燃焼し、二酸化炭素としてＤＰＦの外へ除去される。しかし、無機物であるアッシュはフィルター中から除去できず、ＤＰＦの使用時間が長くなるほどアッシュの堆積量が増加する。その結果、アッシュの堆積によって実質的にフィルター容積が減少するため、圧力損失が上昇したり、パティキュレートの堆積許容量（ＳＭＬ：Soot Mass Limit）が低下したり、という問題があった。ＳＭＬの低下は、フィルターの再生処理の頻度の上昇という更なる問題を伴う。

これらの問題に対し、例えば、ＤＰＦの排ガス下流側の目封止部に貫通孔を開けて、内部に堆積したアッシュの除去を可能とし、ＳＭＬを確保する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ＤＰＦの圧力損失を低く抑えるために、流入側セル及び流出側セルにおける軸方向の断面形状を三角形にし、これらを互い違いに組み合わせた構造とすることで、目封止部の栓詰めを必要としない装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−１３０２２９号公報 特開２００２−３１７６１８公報

しかし上記従来技術では、貫通孔からアッシュと共にＰＭが通り抜ける可能性があり、パティキュレートの捕集能力が低下する場合がある。また貫通孔からアッシュが抜け出すと白煙の原因にもなる。更に、上記従来技術ではＳＭＬの確保が充分ではなかった。

本発明はこのような従来の事情に鑑みてなされたものであり、アッシュの堆積に伴うパティキュレートの許容堆積能力の低下を抑制し、再生頻度の上昇を抑えた排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、
排ガスの流れ方向に延在し、排ガス下流側に目封止部を有する流入側セルと、
前記流入側セルに隣接して排ガスの流れ方向に延在し、排ガス上流側に目封止部を有する流出側セルと、
前記流入側セルと前記流出側セルとを区画する多孔質隔壁と、を有し、
前記流入側セルの前記目封止部は、排ガス上流側に向かって開口した凹部を有する排ガス浄化装置である。

請求項２に係る発明は、
排ガスの流れ方向における前記流入側セルの目封止部の長さが、前記流出側セルの目封止部の長さよりも長い請求項１に記載の排ガス浄化装置である。

本発明によれば、アッシュの堆積に伴うパティキュレートの許容堆積能力の低下を抑制し、再生頻度の上昇を抑えた排ガス浄化装置を提供することができる。

本発明の排ガス浄化装置の実施形態の一例を示す概要説明図であり、（ａ）は排ガス流入側の端面側から見た平面図、（ｂ）はガス流れ方向（軸方向）での断面図である。 本発明の排ガス浄化装置の流入側セルにおける、パティキュレート（ＰＭ）及びアッシュの捕集及び再生の様子を説明する模式図であり、（ａ）が使用開始から１回目の再生処理を行う前まで、（ｂ）が再生処理後、（ｃ）が再生処理後の使用開始時、（ｄ）が再生処理後の一定使用時である。 従来の排ガス浄化装置の流入側セルにおける、パティキュレート（ＰＭ）及びアッシュの捕集及び再生の様子を説明する模式図であり、（ａ）が使用開始から１回目の再生処理を行う前まで、（ｂ）が再生処理後、（ｃ）が再生処理後の使用開始時、（ｃ）が再生処理後の一定使用時である。 流入側セルの目封止部の凹部の形状例を示す断面図で、（ａ）がテーパ状にした場合、（ｂ）が矩形状にした場合である。 本発明における「排ガスの流れ方向における目封止部の長さ」を定義するための説明図である。 流入側セルにおける目封止部の凹部の形成方法を説明する模式図である。 運転走行距離によるＰＭ堆積許容量の変化を示したグラフである。 運転走行距離による再生頻度の変化を示したグラフである。

図１は、本発明の排ガス浄化装置の実施形態の一例を示す概要説明図であり、（ａ）は排ガス流入側の端面側から見た平面図、（ｂ）はガス流れ方向（軸方向）での断面図である。

本発明の排ガス浄化装置は、多孔質の隔壁５により区画された軸方向に貫通する複数のセルを有する。この複数のセルのうち一方は、排ガス下流部に目封止部１を有する流入側セル７ａであり、他方は排ガス上流側に目封止部３を有する流出側セル７ｂであって、流入側セル７ａと流出側セル７ｂとはそれぞれが隣り合って設けられる。
更に、本発明の排ガス浄化装置では、流入側セル７ａの目封止部１が、排ガス上流側に向かって開口する凹部１ａを有する。

本発明の排ガス浄化装置において、排ガスはまず排ガス上流側が開口している流入側セル７ａに流入する（太点線）。この流入側セル７ａは排ガス下流側が目封止部１で閉じているため、排ガスは多孔質の隔壁５を通過して流出側セル７ｂに流入し外へ排出される（細点線）。

図２は、本発明の排ガス浄化装置の流入側セル７ａ内における、パティキュレート（ＰＭ）１１及びアッシュ１３の捕集及び再生の様子を説明する模式図である。
図２（ａ）は、使用を開始してから１回目の再生処理を行う前までの流入側セルにおける内部の様子を表す。排ガスが多孔質の隔壁５を通過する際、排ガスに含まれるパティキュレート（ＰＭ）１１やアッシュ１３は多孔質の隔壁５に付着し、パティキュレート１１やアッシュ１３が除かれた排気ガスが流出側セル７ｂに流入する。このように多孔質の隔壁５は濾過フィルターの効果を果たす。

流入側セル７ａは排ガス下流部に目封止部１を有し、目封止部１は排ガス上流側に向かって開口する凹部１ａを有する。多孔質の隔壁５における、凹部１ａが形成された部分（領域Ｒ）の孔は、凹部１ａを構成する材質で塞がれているため、排ガスを通過させない。よって、多孔質の隔壁５のＰＭ捕獲可能な領域は、目封止部１が形成されていない領域Ｌ１である。
また、上記領域Ｒにおける隔壁５は排ガスを通過させないので、凹部１ａには排ガスが入り込まない。よって、凹部１ａにはパティキュレート（ＰＭ）１１やアッシュ１３が付着しない。

一定時間使用すると、ＰＭ捕獲可能領域Ｌ１にパティキュレート１１やアッシュ１３が蓄積し、多孔質の隔壁５の孔が塞がれて排ガスが流出側セル７ｂに流れにくくなり、圧力損失が増大するため、再生処理を行う。
再生処理は、図２（ｂ）に示すように、電気ヒーターの通電や燃料添加等の方法により排ガス浄化装置を加熱して、炭素を主成分とするパティキュレート１１を燃焼し、二酸化炭素として流出側セル７ｂに排出し、最終的に外へ除去される。
他方、アッシュ１３はカルシウム等の無機物であり、加熱しても除去されず、流入側セル７ａの内部に残留する。

再生処理後、流入側セル７ａに排ガスを流入させると、図２（ｃ）に示すように、排ガスの流れによって、流入側セル７ａの内部に残留したアッシュ１３が、排ガス下流側に設けられた凹部１ａに押しやられる。

更に一定時間使用すると、図２（ｄ）に示すように、多孔質の隔壁５にパティキュレート１１やアッシュ１３が付着する。このときＰＭ捕獲可能な領域は、再生処理前の領域Ｌ１と同じ長さである。よって、一定時間使用後であっても、パティキュレートの堆積許容量（ＳＭＬ）が低下しない。結果、再生頻度の上昇も抑えられる。

以後、図２（ｄ）の一定時間の使用後、図２（ｂ）の再生処理、図２（ｃ）のアッシュの凹部への蓄積、という一連のサイクルが繰り返される。

なお、図（ｃ）のアッシュの凹部１ａへの蓄積は、図２（ｄ）のようなパティキュレート１１やアッシュ１３の捕獲とともに起こると推測されるが、本発明の理解のために、図２（ｃ）と図２（ｄ）とを分けて図示した。このように図２は本発明の排ガス浄化装置を説明するためのイメージ図であり、図２で説明する機構によって本発明は限定されない。

図３は、従来の排ガス浄化装置の流入側セル内における、パティキュレート（ＰＭ）１１及びアッシュ１３の捕集及び再生の様子を説明する模式図である。
図３（ａ）は、使用を開始してから１回目の再生処理を行う前までの流入側セルにおける内部の様子を表す。従来の排ガス浄化装置における多孔質の隔壁のＰＭ捕獲可能な領域は、流入側セルの目封止部が形成されていない領域Ｌ１１である。よって、排ガスは、目封止部まで到達し、目封止部にもパティキュレート（ＰＭ）１１やアッシュ１３が付着する。

一定時間使用後、再生処理を行ってパティキュレート１１を二酸化炭素として流出側セルに排出する（図３（ｂ））。アッシュ１３は除去されず、流入側セルの内部に残留する。

再生処理後、流入側セルに排ガスを流入させると、残留したアッシュ１３はガスの流れに押しやられて、排ガス下流側に設けられた目封止部の上に堆積する（図３（ｃ））。アッシュ１３の堆積した部分には排ガスが入り込めない。

よって、従来の排ガス浄化装置では、再生処理後の多孔質の隔壁５のＰＭ捕獲可能な領域は、アッシュ１３が堆積していない領域Ｌ１２であり、使用前のＰＭ捕獲可能領域Ｌ１１よりも短くなっている。このため、再生処理後において、パティキュレートの堆積許容量（ＳＭＬ）が低下し、再生頻度が上昇する。

再生処理後、更に一定時間使用すると、図３（ｄ）に示すように、多孔質の隔壁５にパティキュレート１１やアッシュ１３が付着する。このとき、堆積したアッシュ１３にまで排ガスが到達することから、堆積したアッシュ１３の上にもパティキュレート１１やアッシュ１３が付着する。
よって、従来の排ガス浄化装置では、再生処理を行なうまでの間に刻々とＰＭ捕獲可能領域Ｌ１３が狭まり、パティキュレートの堆積許容量（ＳＭＬ）が益々低下する。

このように目封止部に凹部を有さない従来の排ガス浄化装置では、走行距離が長くなるにつれてＳＭＬが刻々と低下するのに比して、本発明の排ガス浄化装置では、一定のＰＭ捕獲可能領域が維持されることからＳＭＬの低下が抑制され、再生頻度の上昇が抑えられる。

本発明の排ガス浄化装置において、流入側セル７ａの目封止部１の形状は、凹部１ａを有するのであれば特に限定されない。凹部１ａの形状の一例として、図４を示す。
図４は、流入側セル７ａの目封止部１の凹部１ａの形状例を示す断面図である。図４（ａ）は、凹部１ａにおける隔壁５からの距離(厚み)が、ガスの流入方向において徐々に厚くなる、テーパ状にした場合、図４（ｂ）は、隔壁５からの距離(厚み)が一定の、矩形状にした場合である。

本発明の排ガス浄化装置では、凹部１ａの大きさ（図５におけるＴ１１）を確保するよう、目封止部１の長さＴ１を決定する。
また、図５に示すように、排ガス通過領域Ｌが短くならないよう、目封止部１の長さＴ１と目封止部３の長さＴ２とを足し合わせた長さが必要以上に長くならないように設計することが好適である。

よって、図５に示すように、目封止部１の長さＴ１は、目封止部３の長さＴ２よりも長くなるよう設計して、凹部１ａの大きさを確保しつつ、排ガス通過領域Ｌが短くなくならないよう配慮することが望ましい。

本発明の排ガス浄化装置のセラミックハニカム構造体は、強度、耐熱性等の観点から、コーディエライト、炭化ケイ素などの耐熱性セラミックスから製造することが好ましい。
セラミックハニカム構造体の製造は、例えばコーディエライト粉末を主成分とする粘土状のスラリーを調製し、それを押出成形などで成形し、焼成する。コーディエライト粉末に代えて、アルミナ、マグネシア及びシリカの各粉末をコーディエライト組成となるように配合することもできる。

上記セラミックハニカム構造体は、一端面のセル開口を同様の粘土状のスラリーなどで市松模様状などに目封じし、他端面では一端面で目封じされたセルに隣接するセルの開口を目封じする。その後焼成などで目封じ材を固定する。
目封止部の材質は、セラミックハニカム構造体の材質と同一にすると、両者の熱膨張率が一致するため好ましい。

図６に、流入側セル７ａの目封止部１に凹部１ａを形成する方法の一例を示す。
上記セラミックハニカム構造体２１を、図５に示す長さＴ１の位置まで粘土状のスラリー等の目封じ材２３に浸漬して、多孔質の隔壁５の孔を塞ぐ。その後、図５に示す長さＴ１２の位置まで、再度目封じ材に浸漬して、セル開口を目封じする（図６の符号２５）。

隔壁５に細孔を形成するには、上記したスラリー中にカーボン粉末、木粉、澱粉、樹脂粉末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、可燃物粉末の粒径及び添加量を調整することで表面空孔及び内部細孔の径の分布と開口面積を制御することができる。

多孔質の隔壁５における細孔分布は、気孔率が２０〜７０％、平均細孔径が５〜５０μｍの範囲とすることができる。

多孔質の隔壁５の表面及び細孔内表面には、酸化物担体に触媒金属を担持してなる触媒層を形成することが好ましい。酸化物担体は、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア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。

酸化触媒の触媒作用により、触媒担持部分に堆積したパティキュレートは、通常の燃焼温度（６００℃程度）よりも低い温度（例えば４５０℃程度）で燃焼するので、アッシュの排出をより容易に行うことができる。好適な酸化触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等を含む触媒が挙げられる。

触媒金属としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ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用いることが好ましい。触媒金属の担持量は、排ガス浄化装置の体積１Ｌあたり０．１〜５ｇとするのが好ましい。

本発明の排ガス浄化装置は、特にその用途を限定するものではないが、これまで説明したように、流通孔を仕切る隔壁が濾過能を有し、内燃機関の排ガス等の含塵流体中に含まれるパティキュレート（粒子状物質）を捕集除去するフィルターとして用いるのが、その特性を発揮させる上で最も好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

[実施例１]
＜排ガス浄化装置の作製＞
粒度を１０〜１５μｍに調整したＡｌ_２Ｏ_３粉末、ＭｇＯ粉末及びＳｉＯ_２粉末をコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）組成となるように配合し、平均粒径１５μｍのカーボン粉末を２５体積％、平均粒径３０μｍのカーボン粉末を１５体積％となるように添加した後、水を加えて混練し粘土状のスラリーを調製した。

このスラリーを所定の押出金具を用いて押出成形してハニカム形状の成形体を形成し、乾燥後約１４００℃で焼成することでコーディエライト組成を有するハニカム構造体を形成した。
このセラミックハニカム構造体は約２リットルの体積を有し、セル数が３００／ｉｎｃｈ^２（４６．５セル／ｃｍ^２）で、多孔質の隔壁の厚さは０．３ｍｍで、多孔質の隔壁の気孔率は６５％であり、平均細孔径は２５μｍであった。

上記粘土状スラリーを用い、得られたハニカム構造体の一端面のセル開口を市松状に目封じし、流出側セルの目封止部を形成した。流出側セルの目封止部における排ガスの流れ方向での長さ（軸方向の長さ）は、２ｍｍであった。

引き続き、ハニカム構造体の他端面において、その端部から８ｍｍの位置まで上記粘土状スラリーに浸漬し、その後引き上げ、余分なスラリーを真空吸引により除去して、多孔質の隔壁にコート層を形成した（図５におけるＴ１）。
コート層は、ハニカム構造体の容積１リットルあたり約６０ｇ形成された。

更に、上記粘土状スラリー中に、ハニカム構造の他端面を端部から５ｍｍの位置まで浸漬し、その後引き上げ、余分なスラリーを真空吸引により除去して、他端面のセル開口を市松状に目封じた（図５におけるＴ１２）。
その後、１２０℃で乾燥し、５００℃で６０分間焼成して、流入側セルの目封止部を形成した。

得られた排ガス浄化装置は、排ガス流れ方向における、流入側セル及び流出側セルの目封止部の総長さが、１０ｍｍであった（流入側セルの目封止部：２ｍｍ、流出側セルの目封止部：８ｍｍ）。

＜試験＞
上記排ガス浄化装置を排気量２Ｌのディーゼルエンジンの排気系に搭載し、ディーゼルエンジンを回転数２９００ｒｐｍ、排ガス温度３００℃で駆動し、ＰＭの捕集と再生を繰り返し、最長３０万ｋｍの走行試験を行った。

（ＰＭ堆積許容量低下率）
ＰＭ堆積許容量は、以下の手順に従って測定した。
未使用、１５万ｋｍ及び３０万ｋｍの走行距離の排ガス浄化装置において、ＰＭ捕集量の異なるサンプルを準備した。各サンプルを加熱したときにセルが破壊する等、ＰＭ許容堆積能力の低下と判断される限界のＰＭ捕集量を「ＰＭ堆積許容量」（ＳＭＬ：Soot Mass Limit）として測定した。
表１及び図７に、未使用時におけるＰＭ堆積許容量を基準（１００％）としたときの、走行距離によるＰＭ堆積許容量の低下率（％）の結果を示す。

（再生頻度）
排ガス浄化装置の排ガス流入側から圧縮空気を流し、入口側と出口側の差圧を測定し、一定以上の圧力損失となったときに強制的に再生処理を行なった。このときの再生頻度を測定した。
表１及び図８に、未使用時の再生頻度を基準（１００％）としたときの、走行距離による再生頻度の上昇の結果を示す。

[比較例１]
実施例１において、多孔質の隔壁にコート層（図５における長さＴ１のコート層）を形成せずに、流入側セルの目封止部を形成して、比較の排ガス浄化装置２を作製した。この流入側セルの目封止部は、排ガス流れ方向の長さ（軸方向の長さ）が５ｍｍであり、流出側セルの目封止部の長さは５ｍｍであった。よって、比較の排ガス浄化装置２において、流入側セル及び流出側セルの目封止部の総長さは、１０ｍｍであった。
得られた比較の排ガス浄化装置２の試験を、実施例１と同様に行なった。

＜評価＞

表１、図７及び図８より、実施例１の排ガス浄化装置では、比較例１の排ガス浄化装置に比べて、パティキュレートの許容堆積能力の低下が抑えられ、且つ再生頻度の上昇も抑えられていることがわかる。特に、走行距離が長くなるにつれて、その差が顕著になることがわかる。

１ 流入側セルの目封止部
１ａ 凹部
３ 流出側セルの目封止部
５ 隔壁
７ｂ 流出側セル
７ａ 流入側セル
１１ パティキュレート（ＰＭ）
１３ アッシュ
２１ セラミックハニカム構造体
２３ 目封じ材

Claims (2)

1. 排ガスの流れ方向に延在し、排ガス下流側に目封止部を有する流入側セルと、
   前記流入側セルに隣接して排ガスの流れ方向に延在し、排ガス上流側に目封止部を有する流出側セルと、
   前記流入側セルと前記流出側セルとを区画する多孔質隔壁と、を有し、
   前記流入側セルの前記目封止部は、排ガス上流側に向かって開口した凹部を有する排ガス浄化装置。
2. 排ガスの流れ方向における前記流入側セルの目封止部の長さが、前記流出側セルの目封止部の長さよりも長い請求項１に記載の排ガス浄化装置。

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