JP2010510429A - フロースルー型ハニカム基体並びに排ガス後処理システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ウォールフロー型微粒子の制御された加熱再生のためのウォールフロー型微粒子フィルタの上流に配置された半径方向不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体を含むシステムおよび方法が開示されている。フロースルー型ハニカム基体は、入口面と出口面および入口面と出口面の間に延在する複数の縦方向壁を有する。縦方向壁は、入口面と出口面の間に延在する複数の平行通路を画成する。ハニカム基体は、平行通路の第１の部分を含むフロースルー領域および平行通路の第２の部分を含む流れ制御領域を有する。平行通路の第１の部分は未施栓通路を含み、平行通路の第２の部分は施栓通路を含む。流れ制御領域は、入口面で受け入れられる第１の流速分布を有する流れが、第１の流速分布とは異なる第２の流速分布で出口面から流出するように、基体を通る流速分布を調節する。

Description

本発明は、広く、セラミックハニカム物品に関し、特に、そのようなハニカム物品を備えた、ディーゼル排ガスを浄化するためのシステムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は、フロースルー型ハニカム基体並びにフロースルー型基体とウォールフロー型微粒子フィルタの組合せを備えたシステムおよび方法に関する。

ディーゼル燃料を燃焼させると、煤を含む微粒子が生成される。これらの微粒子は、一酸化炭素、炭化水素、および窒素酸化物などの従来の燃料の燃焼排気物質に加わる。排気ガスから微粒子を除去するために、ディーゼルエンジンシステムにウォールフロー型微粒子フィルタが用いられることが多い。これらのウォールフロー型微粒子フィルタは、一般に、平行な流路と内部多孔質壁を備えたハニカム基体から製造される。これらの流路は、排ガスが、ハニカム基体の内部に一度入ったら、内部多孔質壁に押し通され、それによって、多孔質壁が排ガス中の微粒子の一部を保持するように、通常は市松模様に施栓される。

ウォールフロー型微粒子フィルタは、排ガスから微粒子を除去するのに効果的であることが分かっている。しかしながら、多孔質壁内に捕捉される微粒子が増加するにつれて、ハニカムフィルタの前後の圧力降下が増加する。ディーゼル車両において、このように圧力降下が増加すると、ディーゼルエンジンに対する背圧が徐々に増加する。ハニカム基体の前後の圧力降下があるレベルに到達したときに、ウォールフロー型微粒子フィルタは、その場で加熱再生されるであろう。加熱再生は、ウォールフロー型微粒子フィルタを、煤を完全に燃焼させるのに十分な温度に曝すことを含む。

加熱再生中、ハニカムフィルタ内の様々な地点で過剰な温度急上昇が、加熱再生の制御が不十分なために起こり得る。これらの過剰な温度急上昇により、ハニカムフィルタ内に熱応力が生じるであろう。熱応力が内部機械強度を超えると、ウォールフロー型微粒子フィルタに亀裂が生じ、この亀裂により、ある場合には、性能が劣化してしまうかもしれない。したがって、加熱再生中にウォールフロー型微粒子フィルタ内の再生温度をよりうまく制御する手段が望ましい。

ある広い態様において、本発明は、ウォールフロー型微粒子フィルタの上流に配置されたフロースルー型ハニカム基体を備えた排ガス後処理システムである。このフロースルー型ハニカム基体は、入口面と出口面および入口面と出口面との間に延在する複数の縦セル壁を有する。この縦セル壁は、入口面と出口面との間に延在する複数の平行なセル通路を画成する。フロースルー型ハニカム基体は、平行なセル通路の第１の部分を含むフロースルー領域、および平行なセル通路の第２の部分を含む流れ制御領域を有する。平行なセル通路の第１の部分は、流れが通路を真っ直ぐに通る未施栓通路を含み、平行なセル通路の第２の部分は、施栓された通路を含む。流れ制御領域内の施栓されたセル通路は、入口面に示された第１の流れ分布を有する流れが、第１の流れ分布とは異なる第２の流れ分布で出口面から流出するように、ハニカム基体を通る流れを調節する。詳しくは、調節された流れは、不均一な、施栓通路の半径方向栓密度に起因する。このように得られた流れは、例えば、第１の流れ分布よりも均一にされるであろう。あるいは、任意の所望の流れ分布が生成され、下流の微粒子フィルタに与えられてもよい。したがって、下流のウォールフロー型フィルタ内の半径方向煤分布が制御されるであろう。

本発明のさらに別の実施の形態によれば、栓は、半径方向栓密度が不均一となるようにフロースルー型ハニカム基体内に分布している。より詳しくは、半径方向栓密度は、入口面の半径方向図心区域に関して不均一であってよい。本発明のさらに別の実施の形態によれば、流れ制御領域は、フロースルー領域より高い半径方向栓密度を有するであろう。ある実施の形態は、内側領域から半径方向外側に位置する外側領域よりも比較的高い施栓されたセル通路の半径方向密度を有する内側領域を含む。別の実施の形態において、中間領域は、そこから半径方向内側と外側に位置する領域よりも比較的高い栓密度を有する。さらに他の例示の実施の形態において、栓の最小密度は、図心区域ではない所に位置している。例えば、最小栓密度は、内側領域と外側領域との間の中間領域に位置しているであろう。したがって、これらの実施の形態では、下流のウォールフロー型微粒子フィルタに与えられる流れパターンが所望の改善された流速プロファイルを含むように、ハニカム基体を通る流速プロファイルが改善される。例えば、流速プロファイルは、栓のない、すなわち、未改善の流速プロファイルを有する、同様のフロースルー型基体と比較して、その半径方向外側領域において比較的高い流速レベルを含むであろう。必要に応じて、最大流速は中間領域と一致していてよく、環状領域はより低い流速である。

別の広い態様において、本発明は、不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体、および下流のウォールフロー型微粒子フィルタを備えた排気システムである。ウォールフロー型フィルタには、不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体を通って起こされた流れから生じた改善された流速プロファイルが与えられ、このフィルタはそれを受け取る。詳しくは、前記基体を通った流速プロファイルは、同様の（同じセル構造、壁厚、セル密度など）未施栓のフロースルー型基体と比較して、実質的に改善されているであろう。その流速プロファイルは、例えば、フロースルー型ハニカム基体を出る流速プロファイルにおける高速領域が、同様のセル構造の未改善のフロースルー型基体を備えたシステムと比較して、大きさが減少されるように、改善されているであろう。他の実施の形態において、流速プロファイルは、フロースルー型基体に適切な栓のパターンを提供することによって、下流のウォールフロー型フィルタへの入口で任意の所望の流速プロファイルを提供するように改善されている。ある実施の形態において、流れは、ウォールフロー型フィルタの図心区域から半径方向外側に向かって、より多くの煤が分布するように改善されている。これにより、再生動作中にフィルタ内の温度ピークが減少するであろう。

さらに別の広い態様において、本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関からの排ガスを浄化する方法であって、施栓および未施栓（フロースルー）通路の組合せを有するフロースルー型ハニカム基体の入口面に排ガスを向ける工程を有してなり、ここで、排ガスは、第１の流速分布でフロースルー型ハニカム基体に与えられ、そこに受け入れられ、改善された、第１の流速分布とは異なる第２の流速分布で、フロースルー型ハニカム基体の出口面から流出する方法に関する。流出する流速分布は、例えば、受け入れられた流速分布よりも均一であろう。必要に応じて、フロースルー型基体内の栓の位置とパターンは、フロースルー型基体から流出する任意の所望の流速プロファイルが達成されるように配列されている。所望の流出流速分布を達成するために、栓の密度を半径方向不均一にしてもよい。詳しくは、流れ方向と垂直な面に対して測定したときに、様々な半径領域において栓の密度を高くしてもよい。例えば、図２Ａに示されるように、栓２０８ａは、出口端のみに配置され、中央半径領域（円の内側に示されている）のみに集中していてもよいのに対して、中央半径領域を取り囲む外側半径領域（円の外側に示されている）は施栓されていない。この半径方向に不均一な栓密度の構成は、中心近くの流速を減少させ、半径方向外側の領域の流速を増加させることによって、フロースルー型ハニカム基体から流出する流速プロファイルをより均一にする。本発明の方法はさらに、第２の流速分布を持つ排ガスを、フロースルー型ハニカム基体の下流であって、好ましくは直列に配置されたウォールフロー型微粒子フィルタに通過させる工程を含んでもよい。ある実施の形態において、ウォールフロー型フィルタおよびフロースルー型基体は、間隔が空けられている。それらは、共通の筐体内に収容されていても、または短い移行パイプセクションによって連結された別個の筐体ユニット内に含まれていても、もしくは移行パイプまたは空間を持たずに互いに直接接続されていてもよい。

さらに別の実施の形態によれば、本発明は、フロースルー型ハニカム基体であって、入口面と出口面および入口面と出口面との間に延在する複数の縦セル壁を有するハニカム構造体を備え、縦セル壁が、入口面と出口面との間に延在する複数の平行なセル通路を画成している、施栓されたセル通路の不均一な密度を有するハニカム基体である。半径方向の不均一性は、ハニカム構造体の半径方向の図心区域に対して測定される。好ましい実施の形態において、セル通路の総数に対する施栓されたセル通路の総数の比は、４５％以下、またはさらには３５％以下、またはさらには２５％以下である。ある実施の形態は、そこから半径方向外側に位置する他の領域と比較して、内側の半径方向領域において比較的高い施栓通路の密度を含む。他の施栓パターンとしては、中間領域が比較的高い施栓密度となっているものが挙げられる。さらに、様々な施栓密度の多数の領域を設けてもよい。

本発明の他の特徴および利点が、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになる。

以下に説明する添付の図面は、本発明の典型的な実施の形態を例示しており、本発明には他の同様に効果的な実施の形態が認められるので、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではない。図面は、必ずしも一定の比例に拡大されておらず、図面のある特徴やある見方は、明瞭さと簡潔さのために、一定尺度でまたは略図で誇張されて示されているかもしれない。

排気システム内のフロースルー型ハニカム基体のある実施の形態の断面図 排気システム内のフロースルー型ハニカム基体の別の実施の形態の断面図 不均一な栓密度を示す、図１Ａに示されたフロースルー型ハニカム基体の斜視図 図２Ａに示されたフロースルー型ハニカム基体の縦断面図 不均一な栓密度を示す、図１Ｂに示されたフロースルー型ハニカム基体の斜視図 少なくとも一端の栓を示す、ウォールフロー型微粒子フィルタの斜視図 フロースルー型ハニカム基体の出口での本発明により生じるある不均一な流速プロファイルのグラフ的な図 フロースルー型ハニカム基体の出口での本発明により生じる別の不均一な流速プロファイルのグラフ的な図 フロースルー型ハニカム基体の出口での本発明により生じるさらに別の不均一な流速プロファイルのグラフ的な図 本発明のある実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の別の実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の別の実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の別の実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の別の実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の別の実施の形態による不均一な栓配置を示すフロースルー型ハニカム基体の端面図 本発明の不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体とウォールフロー型フィルタの組合せを含むあるシステムの側面断面図 本発明の不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体とウォールフロー型フィルタの組合せを含む別のシステムの側面断面図

ここで、実施の形態を、添付の図面に示されるように、詳しく説明する。実施の形態を記載する上で、本発明を十分に理解できるように、数々の特定の詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てを含まずに実施してもよいことが当業者には明らかであろう。他の例において、本発明を不必要に分かりにくくしないように、よく知られた特徴および／またはプロセス工程は、詳しくは記載されていない。その上、共通のまたは類似の要素を特定するために、同様のまたは同じ参照番号が用いられている。

実施の形態によれば、本発明は、排ガスが通過するための縦方向に向けられた貫通通路セルを有するフロースルー型ハニカム基体を提供する。排ガスが、流入流速分布で、フロースルー型ハニカム基体の入口面に近づき、それに与えられ、フロースルー型ハニカム基体を通過し、流出流速分布で、フロースルー型ハニカム基体から流出する。フロースルー型ハニカム基体における栓のパターンは、流出流速分布が流入流速分布とは異なるように、フロースルー型基体を通る流速パターンおよび流れ分布が改善される（同じセル構造の施栓されていないフロースルー型基体と比較して）ようなものである。詳しくは、流出流速分布が、流入流速分布よりも均一にされる。本発明により、流入流速分布の最高値がフロースルー型基体の流入面に突き当たる領域において、フロースルー型基体を選択的に施栓することによって、流れ区域を減少させることにより、異なる（例えば、より均一な）流出流速分布が達成されるであろう。この変更すなわち改善された流速プロファイルは、フロースルー型基体を半径方向に不均一に施栓することによって達成される。ある実施の形態において、フロースルー型ハニカム基体の内面は活性触媒種を含むことがあり、次いで、これにより、本発明のフロースルー型基体が、フロースルー型ハニカム基体触媒として役割が倍加する。詳しくは、触媒は、ＨＣとＣＯのガス状汚染物および微粒子、すなわち、煤粒子の両方を、これら汚染物の二酸化炭素および水への酸化を触媒することによって、転化するために、セラミック担体上に分散された白金族金属を備えたディーゼル酸化触媒であってよい。そのような触媒は、一般に、大気中に排出される前に排ガスを処理するためのディーゼルパワーシステムの排気流内に配置されるディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）と呼ばれるユニット内に収容されてきた。

ウォールフロー型微粒子フィルタを含む本発明の排気システムにおいて、フロースルー型ハニカム基体は、ウォールフロー型微粒子フィルタの上流に配置され、入口からウォールフロー型微粒子フィルタまでに亘り所望の、ことによるとより均一な流速分布を生成し、提供するために用いられるであろう。より均一な流速分布により、ウォールフロー型微粒子フィルタ内の微粒子（煤を含む）のより均一な分布を促進できる。ウォールフロー型微粒子フィルタ内の煤分布が比較的より均一であると、ウォールフロー型微粒子フィルタ内のより均一な煤燃焼が促進されるであろう。次いで、このことは、転じて、再生動作中にウォールフロー型微粒子フィルタ中に特異な熱応力を生じさせるかもしれない過剰な局所的な温度急上昇を減少させるかまたはなくすであろう。そのような特異な熱応力により、内部に亀裂が生じるかもしれない。したがって、再生期間中の熱応力を減少させることが、非常に望まれている。

図１Ａおよび１Ｂは、ディーゼルエンジン（図示せず）などの内燃機関からの排気ガスを処理し、排気するための、本発明の態様による排ガス後処理システム１００を概略的に示している。排ガス後処理システム１００は、スチールなどの金属から製造されることが好ましい、筐体１０２を備えている。ある実例において、筐体１０２は、エンジン（図示せず）に相互に連結されるように適合された入口部分１０４、随意的なディフューザ部分１０６、浄化部分１０８、随意的な集束部分１１０、および必要に応じて排気管（図示せず）に相互に連結されていてよい、出口部分１１２を備えている。排気後処理システム１００は、その中に、直列方向に配列された、半径方向不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体２００およびウォールフロー型微粒子フィルタ３００を備えている。基体２００およびフィルタ３００は、筐体１０２内に、端と端がつながれた構成で配置されており、浄化部分１０８内に配置されることが好ましい。この基体およびフィルタは、バーミキュライト系膨張性マットまたはアルミナ繊維系非膨張性マットなどの、マット手段（図示せず）内に搭載されていてよい。図６に示されるような随意的な排気システム１００Ａは、排ガスの浄化を支援するフロースルー型基体２００Ａおよびウォールフロー型フィルタ３００Ａに加え、他の装置を備えてもよい。例えば、フロースルー型ハニカム基体２００Ａが活性触媒種を含んでいない場合、１つ以上のディーゼル用酸化触媒４００Ａを、フロースルー型ハニカム基体２００Ａの前方に配置してもよい。他のディーゼル排ガス後処理システムにおいて、リーン酸化窒素（ＮＯｘ）触媒またはＳＣＲ触媒などの酸化触媒５００Ａをウォールフロー型微粒子フィルタ３００Ａの後方に配置してもよい。このシステム内で、基体およびフィルタは、心合わせされていても、外れていてもよい。例えば、図１Ａにおいて、入口部分１０４の縦軸１０３は、浄化部分１０８の縦軸１０５と心合わせされているまたは実質的に心合わせされている。図１Ｂにおいて、入口部分１０４の縦軸１０３は、浄化部分１０８の縦軸１０５に対してある角度で傾斜している。

図１Ａおよび１Ｂにおいて、フロースルー型ハニカム基体２００にウォールフロー型微粒子フィルタ３００が直接続いて配置されており、フロースルー型ハニカム基体２００の縦軸はウォールフロー型微粒子フィルタ３００の縦軸と心合わせされているまたは実質的に心合わせされている。その上、フロースルー型基体２００は、フロースルー型基体２００のそれぞれの出口面が、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００の入口面から間隔がおかれるように、フィルタ３００から縦方向に間隔がおかれていてもよい。

フロースルー型ハニカム基体２００とウォールフロー型微粒子フィルタ３００の対向する面の間の間隔（ｄ）は、フロースルー型ハニカム基体２００から出る流速プロファイル分布が、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００に進入する前に実質的に放物線形状を構成するように再び著しく変わる（パイプ流れのために）機会があるほど大きくはないことが好ましい。ある実例において、間隔（ｄ）は６インチ（１５．２ｃｍ）未満である。別の実例において、間隔（ｄ）は３インチ（７．６ｃｍ）未満である。さらに別の実例において、間隔（ｄ）は、フロースルー型基体２００の最大径である（Ｄ）より小さい、すなわち、ｄ＜Ｄである。図１Ａに示されるように、Ｄ／ｄの比は、フロースルー型基体から流出した際に生じる流速プロファイルが、放物線プロファイルを再形成する機会を持たないような、２以上、またはさらには３または５以上であろう。図７に示されるように、間隔（ｄ）が、改善された流速プロファイルの利益が、再形成されたプロファイルを有するために損なわれないほど十分に短い限り、フロースルー型基体２００Ｂおよびフィルタ３００Ｂを、より小さな寸法の短い移行部分１０７により相互に連結された別個の筐体１０２Ｂ、１０２Ｂ’内に収容されてもよい。言い換えれば、流速プロファイル１１５Ｂ’、１１７Ｂ’は、実質的に異なり、所望のプロファイル形状を有する。

再度、図１Ａを参照すると、フロースルー型ハニカム基体２００の直径は、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００と同じであっても、またはそれより大きくてもよい。フロースルー型ハニカム基体２００およびウォールフロー型微粒子フィルタ３００の両方が、以下にさらに説明するように、通路を有するハニカム基体を含んでいる。フロースルー型ハニカム基体２００およびウォールフロー型微粒子フィルタ３００のセル密度は、同じであってもなくてもよく、ここで、セル密度は、ハニカム基体の断面積当たりの通路の数である。

図２Ａおよび２Ｂは、フロースルー型ハニカム基体２００を、それぞれ、斜視図と断面図で示している。フロースルー型ハニカム基体２００はハニカム構造体２０２を含み、この構造物は、例えば、任意の公知の可塑化セラミック前駆体材料を使用した押出しにより製造してもよい。焼成の際に、例えば、コージエライト、チタン酸アルミニウム、または炭化ケイ素などのセラミックが形成される。図示されていないが、ハニカム構造体２０２は、筐体（図１Ａまたは１Ｂにおいては１０２）内にフロースルー型ハニカム基体２００を挿入する前に、金属スリーブ内に配置しても、もしくは上述したように、表皮２１１とスリーブとの間に挟まれた膨張性マットにより取り巻いてもよい。ハニカム構造体２０２の横断面形状は、円形、楕円形、正方形、矩形であってもよく、または用途に適した他の幾何学形状を有していてもよい。ハニカム構造体２０２は、入口面２０４および出口面２０６を有しており、ここで、入口面２０４は、出口面２０６の反対にあり、その長手方向に沿って入口面２０４から出口面２０６まで延在する平行な通路２０８を有する。通路２０８は、入口面２０４から出口面２０６まで延在する複数の交差する縦方向のセル壁２１０により画成される。第１の流速分布を有する流れ１１４が入口面２０４で受け入れられる。この流れは、ハニカム構造体２０２に入り、貫通通路２０８を通って、出口面２０６まで通過し、それゆえ、改変される。第２の流速分布を有する流れ１１４ａが出口面２０６を通ってハニカム構造体２０２から流出する。施栓された通路の不均一な半径方向の栓密度により、半径方向流速が再分配される（施栓されていないフロースルー型基体と比較して）。

通路２０８を画成するハニカム構造体２０２の交差する壁２１０は多孔質であることが好ましく、例示の実施の形態は、６５％未満、または約２０％と５５％の間、もしくは２５％と４０％の間の全気孔率を示す。壁の平均細孔径は１μｍと１５μｍの間、またはさらには５μｍと１０μｍの間であってよい。ＣＴＥは、２５℃および８００℃の間で測定して１．０×１０^-7／℃から約９×１０^-7／℃の間であることが好ましい。壁２１０は、酸化触媒種などの活性触媒種を担持しても、していなくてもよい。壁２１０が活性触媒種を担持する場合、その活性触媒種は、壁２１０に施された多孔質ウォッシュコート内に設けられても、または他のやり方で壁２１０上に組み込まれてもよい。ウォッシュコートが施される場合、そのウォッシュコートは、アルミナ、ジルコニア、またはセリアなどの材料を含むであろう。フロースルー型ハニカム基体２００は、一酸化炭素、炭化水素、および微粒子の可溶性有機分画を減少させるための酸化触媒種などの、排気ガスを浄化するための任意の公知の触媒種を組み込んでもよい。触媒は、ＰＧＭ（主に、Ｐｔ、Ｐｄ、ＲｈまたはＲｕＯ₂）またはペロブスカイト、酸素貯蔵材料、および担持された金属触媒などの他の種類の混合酸化物触媒を含む任意の種類の酸化触媒であって差し支えない。

本発明のフロースルー型ハニカム基体２００は、フロースルー領域２１２および流れ制御領域２１４（説明のための円の内側）を含む。この実施の形態において、通路２０８のどれも、フロースルー領域２１２においては施栓されておらず、排気ガスは、未施栓通路を真っ直ぐに通り抜ける。この実施の形態の流れ制御領域２１４において、第１組２０８ａの通路２０８は施栓されており、一方で、第２組２０８ｂの通路２０８は施栓されておらず、排気ガスは、施栓通路２０８ａを通過せず（または著しく制限されて通過し）、未施栓通路２０８ｂのみしか通過しない。通路２０８ａは、通路２０８ａの一端または両端、もしくは長手方向に沿った通路２０８ａ内のどこかに充填材料２０９を挿入することによって、施栓してもよい。必要に応じて、通路は完全に充填されていてもよい。入口面２０４で大きな乱流が生じるのを防ぐために、充填材料２０９は、出口面２０６またはその近くで施栓チャンネル２０８ａ内に挿入されることが好ましい。この場合、施栓通路２０８ａは、排気ガスからいくらかの微粒子を収集するよう働きをするであろう。流れ制御領域２１４における未施栓通路２０８ｂおよびフロースルー領域２１２における未施栓通路２０８は、充填材料を含有しない。

施栓通路２０８ａは、流れ制御領域２１４における流動区域を減少させる効果を有し、それゆえ、流れ制御領域に流れ制限を加える。これにより、流れ制御領域２１４からの流れをフロースルー領域２１２に、そこを通すように向け直す。したがって、これにより、フロースルー型ハニカム基体を流出する流速プロファイルが改善される。このことを使用して、フロースルー型ハニカム基体２００の出口面から流出するより均一な流れ分布を生成してもよい。

図１Ａおよび１Ｂは、フロースルー型ハニカム基体２００の入口面２０４へと入口部分１０４を通過するそれほど均一ではない（ピークが高い）流速分布１１５および不均一な施栓の結果としてのフロースルー型ハニカム基体２００の出口面２０６から流出するより均一な流速分布１１７を示している。この実施の形態において、流れ制御領域２１４はフロースルー型ハニカム基体２００内に位置しており、ここで、流入する流速分布１１５の最大振幅がフロースルー型ハニカム基体２００の入口面２０４に衝突するであろ（施栓されていない場合）。しかしながら、本発明では、様々な望ましい出口流速プロファイル、例えば、図４Ａ〜４Ｃに示された出口流速プロファイルを達成するために、フロースルー型ハニカム基体２００に様々な不均一な施栓パターンを使用してよいことが理解されよう。

図２Ａに戻ると、流れ制御領域２１４内では、施栓通路２０８ａのパターンと数は、様々であってよく、ハニカム構造体２０２の入口面２０４に衝突する流れの分布に依存する。例えば、ある実施の形態において、施栓通路２０８ａは、流れ制御領域内で実質的に均一に分布していてもよい。ハニカム構造体２０２内の流れ制御領域２１４の位置は様々であって差し支えなく、その位置は、ハニカム構造体２０２の入口面に衝突する流れの分布に依存する。一般に、流れのモデル化を用いて、流入する流速分布のプロファイル、およびフロースルー型ハニカム基体２００における流れ制御領域２１４の最適位置が決定されるであろう。その上、流入する流速分布が１つより多く極大を有する場合、フロースルー型ハニカム基体２００は、このフロースルー型ハニカム基体２００の入口面２０６に渡りより均一な流速分布を達成するために、１つより多くの流れ制御領域２１４を含んでもよい。

流れ制御領域２１４の外側、すなわち、フロースルー領域２１２において、施栓通路の密度は、流れ制御領域２１４におけるよりも小さく、それによって、半径方向不均一な栓密度が生じる。フロースルー領域は、その構造物内で、流れを局部的に増加させることが望ましい任意の位置に配置されてもよい。

流れ制御領域における通路の施栓は、薄い透明マスクを施し、施栓すべきセル通路に孔をレーザ切断し、セル中に施栓セメントを約３から２５ｍｍの間などの所望の深さまで挿入することなどにより、任意の公知の施栓手段によって行ってもよい。例えば、２００６年７月１４日付けの「Plugging Material For Aluminum Titanate Ceramic Wall Flow Filter Manufacture」と題する米国特許出願第１１／４８６６９９号明細書、国際公開第２００５／０５１８５９号パンフレット、同第２００５／０７４５９９号パンフレット、米国特許第６８０９１３９号明細書および同第４４５５１８０号明細書に教示され、記載されているような、任意の適切な施栓材料を用いてもよい。

流れ制御領域２１４の２つの異なる位置が、図２Ａおよび２Ｃに例示されている。図２Ａにおいて、流れ制御領域２１４の中心が、ハニカム基体２００の図心区域（Ｃ）と一致し、それに関して実質的に中心に向けられている。流れ制御領域２１４のこの位置は、流入する流速分布の最大がハニカム構造体２０２の入口面２０４の中心に衝突する場合に適している。これは、例えば、入口面１０４の縦軸１０３がフロースルー型基体２００の縦軸１０５と実質的に心合わせされている、図１Ａに示した排気システムに関する場合である。これとは反対に、図２Ｃにおいては、流れ制御領域２１４の中心がハニカム基体２００の中心から外れている。流れ制御領域２１４のこの位置は、流入する流速分布の最大が、ハニカム構造体２０２の流入面２０４の中心に衝突しない場合に適している。これは、例えば、入口面１０４の縦軸１０３がフロースルー型基体２００の縦軸１０５に対して傾斜している、図１Ｂに示した排気システムに関する場合である。

このシステムにおいて、ウォールフロー型微粒子フィルタ（図１Ａまたは１Ｂにおける３００）は、任意の従来の構造のものであっても差し支えない。例えば、図３に示されるように、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００は、反対の端面３０４，３０６を備えたハニカム構造体３０２および端面３０４，３０６の間に延在する内部多孔質壁３０８を有し、その内部多孔質壁３０８は、ハニカム構造体３０２内に平行通路３１０を画成する。通路３１０は、端面３０４，３０６で市松模様で充填材料３１２で端部施栓されている。ウォールフロー型微粒子フィルタ３００が、フロースルー型モノリス（図２Ａ〜２Ｃにおける２００）の場合におけるような未施栓通路を有さないことが好ましい。何故ならば、ウォールフロー型微粒子フィルタに未施栓通路があると、排気ガスが濾過されずに通り抜けてしまうからである。

フィルタのハニカム構造体３０２は、例えば、セラミックバッチ前駆体および成形助剤から押出しにより形成され、焼成されて、コージエライト、チタン酸アルミニウム、または炭化ケイ素のセラミックハニカムを生成することにより形成される。通路３１０を施栓するための施栓材料３１２は、上述したようなコージエライトまたはチタン酸アルミニウム系組成物などの任意の適切なセラミック形成材料を含んでよく、ＣＴＥは一般に、ハニカム構造体のＣＴＥに緊密に適合されている。受動的再生について、フィルタの多孔質壁３０８は活性触媒種を含んでもよい。さらに、リーンＮＯｘ触媒５００Ａなどの酸化触媒を、図６に示されるようなウォールフロー型微粒子フィルタ３００Ａの端面の一方に、このシステムに加えてよい。

ディーゼル排ガス浄化に関して、フィルタ３００の多孔質壁３０８は、１から６０μｍの範囲、より典型的には１０から５０μｍ、またはさらには１０から２５μｍの範囲の平均直径を有する細孔を含んでよく、ハニカム構造体３０２は、約１０および３００セル／平方インチ（１．５および４６．５セル／ｃｍ²）の間、より典型的には１００および２００セル／平方インチ（１５．５および３１セル／ｃｍ²）の間のセル密度を有するであろう。多孔質壁３０８の厚さは約０．００２インチから０．０６０インチ（０．０５ｍｍから１．５ｍｍ）まで、より典型的に約０．０１０インチおよび０．０３０インチ（０．２５ｍｍおよび０．７６ｍｍ）の間に及んでよい。通路３１０は、正方形断面または他のタイプの断面、例えば、三角形、矩形、八角形、六角形またはそれらの組合せの断面を有していてもよい。

図１Ａまたは１Ｂを再度参照すると、動作において、内燃機関、例えば、ディーゼルエンジンからの排気ガス１１４が入口部分１０４内に受け入れられる。排気ガス１１４は、不均一な流速分布１１５を有する入口部分１０４を通過し、拡散部分１０６を通過し、フロースルー型モノリス２００に進入する。フロースルー型ハニカム基体２００が活性触媒種を含む場合、排気ガス１１４がフロースルー型ハニカム基体２００を通って流れている間、様々な酸化プロセスが生じるであろう。排気ガス１１４は、入ったときとは異なり、より均一であり得る流速分布１１７で、フロースルー型ハニカム基体２００から流出する。より均一な流速分布１１７を有する排気ガス１１４は、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００に進入し、このウォールフロー型微粒子フィルタ３００内の内部多孔質壁に押し通される。排気ガス１１４中の微粒子の一部は、多孔質壁内に捕捉される。濾過された排気ガス１１６は、ウォールフロー型微粒子フィルタ３００から流出し、集束部分１１０を流動し、出口部分１１２を通って排気システム１００から流出する。

さらに、図４Ａ〜４Ｂに示されるように、不均一に施栓されたフロースルー型ハニカム基体２００の出口面から出る際に生じるであろう不均一な流速プロファイルを示すいくつかの流速プロファイルが図示されている。図４Ａおよび４Ｂは、例えば、プロファイルの真ん中部分の流速が、プロファイルの他の地点よりも小さい、流速プロファイル１１７Ａ，１１７Ｂを示している。図４Ａは、ピーク流速が、排気管１０２の壁１０２ａにも、その中心線にも位置していないプロファイル１１７Ａを示している。同様に、図４Ｂは、最大流速が排気管の中心線になく、外壁１０２ａに隣接している流速プロファイル１１７Ｂを示している。図４Ｃは、最小流速が中心と壁１０２ａとの間の中間領域にある流速プロファイル１１７Ｃを示している。

図５Ａ〜５Ｆは、本発明による様々な半径方向不均一なセル密度パターンを示している。例えば、図５Ｂおよび５Ｃは、図４Ｂに示されたような改善された流速パターンが得られるいくつかの施栓パターンを示している。図５Ａのパターンは、図心区域Ｃに位置する中央領域２１９に比較的高密度の栓、中央領域を取り囲む比較的低密度の領域２２０、および外周表皮２１１に隣接する外側領域２１８に別の比較的低密度の施栓領域を含む。未施栓フロースルー領域２１２が、流れ制御領域２１８，２２０の間に含まれている。未施栓領域は、栓のない、流れ制御領域の外側の環状領域を含んでもよい。図５Ｂは、比較的高密度の中央領域２１９および比較的低い栓密度の包囲領域２２０および表皮２１１に隣接するフロースルー領域２１２を含む。図５Ｃは、図５Ｂと類似の設計のものであるが、周囲領域２２０により高い栓密度を有する。図５Ｄの実施の形態は、内側と外側のフロースルー領域２１２Ａ，２１２Ｂの間の比較的高密度の中間流れ制御領域２２２を含む。図５Ｄのこの不均一な栓パターンにより、例えば、図４Ｃに示されるような流速プロファイルが生じるであろう。フィルタ内に所望の煤付着分布を達成するために、システムの流動ダイナミクスに基づいて、他の栓パターンを用いてもよい。

本発明を、限られた数の実施の形態に関して説明してきたが、この開示の恩恵を受けた当業者には、ここに開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態が考え出されることが理解されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって制限されるべきである。

１００ 排ガス後処理システム
１０２，１０２Ｂ，１０２Ｂ’ 筐体
１０４ 入口部分
１０６ 拡散部分
１０８ 浄化部分
１１０ 集束部分
１１２ 出口部分
２００，２００Ａ フロースルー型ハニカム基体
３００，３００Ａ ウォールフロー型微粒子フィルタ
４００Ａ，５００Ａ 酸化触媒

Claims (10)

1. 排ガス後処理システムにおいて、
   ウォールフロー型微粒子フィルタ、および
   前記ウォールフロー型微粒子フィルタの上流に配置されたフロースルー型ハニカム基体であって、該フロースルー型ハニカム基体が入口面と出口面および該入口面と該出口面の間に延在する複数の縦方向壁を有し、該壁が、前記入口面と前記出口面の間に延在する複数の平行通路を画成し、前記フロースルー型ハニカム基体が、前記平行通路の第１の部分を含むフロースルー領域および該平行通路の第２の部分を含む流れ制御領域を有し、該平行通路の第１の部分が未施栓通路を含み、該平行通路の第２の部分が施栓通路を含み、該施栓通路の半径方向の栓密度が不均一であるフロースルー型ハニカム基体、
   を備えたシステム。
2. 前記流れ制御領域が、施栓通路と未施栓通路の組合せを含み、前記入口面に与えられた第１の流速分布を有する流れが、該第１の流速分布とは異なる第２の流速分布で前記出口面から流出するように前記基体を通る流れを調節することを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記第２の流速分布が、該第２の流速分布の中心以外に位置するピーク流速を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記フロースルー型ハニカム基体の総セル面積に対する施栓面積の比が４５％未満であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記ハニカム基体における栓の分布が、該ハニカム基体の図心区域に対して不均一であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 内燃機関からの排気ガスを浄化する方法において、
   施栓通路と未施栓通路の組合せおよび半径方向不均一なセル密度を有するフロースルー型ハニカム基体の入口面に排気ガスを向ける工程であって、前記排気ガスが、前記フロースルー型ハニカム基体に第１の流速分布で与えられ、該第１の流速分布とは異なる第２の流速分布で該フロースルー型ハニカム基体の出口面から流出するものである工程、および
   前記第２の流速分布を有する前記排気ガスを、前記フロースルー型ハニカム基体と直列に配置されたウォールフロー型微粒子フィルタに通過させる工程、
   を有してなる方法。
7. フロースルー型ハニカム基体において、
   入口面と出口面および該入口面と該出口面の間に延在する複数の縦方向壁を有するハニカム構造体であって、前記縦方向壁が、前記入口面と前記出口面の間に延在する複数の平行セル通路を画成し、半径方向不均一な施栓セル通路の密度を有し、少なくともある程度の未施栓通路を有するハニカム構造体、
   を備えたフロースルー型ハニカム基体。
8. 前記半径方向不均一な施栓セル通路の密度が前記ハニカム構造体の半径方向図心区域に対するものであり、セル通路の総数に対する前記施栓セル通路の比が４５％以下であることを特徴とする請求項７記載のフロースルー型ハニカム基体。
9. 前記半径方向不均一な密度が、半径方向心区域に隣接する比較的高い栓密度の領域から、前記ハニカム構造体の外周に隣接する比較的低い栓密度の領域まで変動することを特徴とする請求項７記載のフロースルー型ハニカム基体。
10. 前記ハニカム構造体の周囲と半径方向図心区域の間に位置する中間領域をさらに含み、該中心領域の栓密度が、そこから半径方向内側と外側の領域よりも比較的低いことを特徴とする請求項７記載のフロースルー型ハニカム基体。

Images