JP2011523585A - 加水分解コーティングを備える粒子フィルタ - Google Patents

Abstract

本発明は、多孔質の壁（２）から形成され、かつ粒子フィルタ（１）の第１の端面（４）と第２の端面（５）との間に延びているチャネル（３）、を有する粒子フィルタ（１）に関し、第１の端面（４）は、チャネル（３）の外側に加水分解コーティング（６）を有する。また、本発明は、排ガスが流れ方向（１９）に流れることができる少なくとも１つの排気ライン（１８）と、アンモニアを含むかまたは形成する還元剤（２１）を導入するためのノズル（２０）と、上述の種の粒子フィルタ（１）とを備えるデバイス（１７）に関し、粒子フィルタ（１）の第１の端面（４）はノズル（２０）の方向に向いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質の壁から形成され、かつ粒子フィルタの第１の端側と第２の端側との間に延びているチャネル、を有する粒子フィルタに関する。この種の粒子フィルタは、特に、例えば車両における可動式の内燃エンジンの排気システムに用いられる。

本明細書に記載される粒子フィルタは、特に、多孔質の、適切な場合には、押出し構造体、例えば、ハニカム構造体の形で形成される。このハニカム構造体の形状に関して特に限定は付さない。しかし、ハニカム構造体の外側断面形状が、例えば円形、楕円、長円の形をとることが可能である。同様に、チャネルの形状に関しても限定は付さないが、角のある断面形状、例えば、三角形、四角形、六角形等の形状が一般的に好ましい。チャネルのセル密度は、同様に、幅広い限定内で様々であってもよいが、１つの構成は、例えば、毎平方インチ当たり５０〜４００のセル（毎平方センチメートル当たり７．８〜６２のセル）の範囲のチャネル密度内であることが好ましい。ここで、多孔質の壁は、例えば、セラミックから形成されてもよい。ここで、炭化ケイ素、またはシリコン金属および炭化ケイ素が、例えば適切であることは証明されている。セラミックが、主な結晶相としてシリコン金属および炭化ケイ素を有する場合、Ｓｉによって規定されるＳｉ含有量（Ｓｉ＋ＳｉＣ）は、好ましくは、合計５〜５０重量％、好ましくは、合計１０〜４０重量％の量となる。

このような粒子フィルタは、しばしば、「ウォールフロー（ｗａｌｌ−ｆｌｏｗ）フィルタ」と呼ばれるが、その理由は、粒子フィルタによって、排ガス流の少なくとも実質的な部分が多孔質の壁を通過するからである。この目的のために、粒子フィルタの隣接配置されたチャネルは交互に両端側で閉鎖されることが知られており、それにより、部分的な排ガス流が、流入側で第１のチャネル開口部に流れることができ、その流れは、第１のチャネルの端部が閉鎖しているために隣接のチャネルへと、多孔質の壁を通過させられて流れ、その隣接のチャネルから流れ出ることができる。流れが多孔質の壁を通過するとき、排ガス中に混入した粒子を蓄積でき、また、可能であれば低減することもでき、または気体成分へと変換することもできる。

多孔質の壁を有するこのような粒子フィルタは、特に大きな内側表面積をしばしば有するので、対応するコーティングを用いて、比較的小さな構造的な大きさで、非常に大きな触媒活性表面を提供することがここで可能である。それゆえ、好ましくはＳＣＲシステムと組み合わせたそのような粒子フィルタの使用もまた提案される。選択的触媒還元（排ガス中の窒素酸化物のＳＣＲ）において、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_２）が、好ましくは還元される一方で、所望されない二次反応（例えば、三酸化硫黄を形成する硫黄酸化物の酸化）が実質的に抑制される。この反応プロセスに対して、排ガスに混ぜられるアンモニア（ＮＨ_３）がしばしば使用される。この反応から生じる生成物は水（Ｈ_２Ｏ）および窒素（Ｎ_２）である。ここで用いられる適切な触媒は、例えば二酸化チタン、五酸化バナジウム、および／または酸化タングステンである。ゼオライトを用いることもできる。ＳＣＲプロセスは特に、窒素酸化物の負荷に関して、汚染物質排出を低減するために、ディーゼル車、主として実用的な車両に用いられる。

第１に粒子低減、第２に窒素酸化物の低減のためにこれまで提案されてきたシステムは、部分的に高度に複雑な構成であり、大掛かりな設置スペースを必要とする。さらに、一部のシステムについては、排ガスの外側および／または排気システム自体の内部において、還元剤（例えば尿素等）の調節を行うことが難しい状況が生じてしまい、完全な変換が確保できない事態が生じる場合がある。それゆえ、いわゆるブロッキング触媒コンバータの提供もまたしばしば提案されており、これは、還元剤が不十分に変換された場合の、窒素酸化物の漏出を回避するためのものである。

このことを出発点として考慮すると、本発明の課題は、従来技術との関連で重要視された問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、ＳＣＲシステムにおいて、ＳＣＲ反応の完全な変換または還元剤の加水分解に関して利点を提供する粒子フィルタを特定することが特に目的とされる。さらに、車両におけるＳＣＲプロセスを実現するために対応し、かつコンパクトでシンプルな構成を有するデバイスを提案することが目的とされる。

これらの課題は特許請求の範囲の請求項１の特徴に係る粒子フィルタによって達成される。さらなる有利な本発明の実施形態は特許請求の範囲の従属の請求項において特定される。特許請求の範囲の従属の請求項において個々に特定される特徴は、互いに、任意の所望される技術的に好都合な方法において組み合わされてよく、かつ本発明のさらなる実施形態を成すことが指摘される。特に図面と併せた記載が、さらに本発明を説明し、好ましいと想定される本発明のさらなる例示的な実施形態を特定する。

本発明に係る粒子フィルタは、多孔質の壁を形成し、かつ粒子フィルタの第１の端側と第２の端側との間に延在するチャネル、から形成され、第１の端側はチャネルの外側に加水分解コーティングを有することを特徴とする。

加水分解コーティングは、好ましくは、二酸化チタンを最も重要な（または唯一の）活性成分として含むので、特に、僅かなアンモニアの貯蔵量が提供される。しかし、適切な場合には、酸化チタンに適用される二酸化タングステンおよびバナジウム−酸化タングステン触媒を用いることも可能である。このコーティングは、特に、熱い排ガスおよび水と共に、尿素含有還元剤を変換、すなわち加水分解して、アンモニア（およびイソシアン酸）を形成する性質を有する。ここで、第１の端側（のみ）は、（また）チャネルの外側に加水分解コーティングが備わっている。ここで、第１の端側とは、第１の端側として平面図において認識される表面を実質的に意味し、かつ、従って特に、チャネルの外側に置かれた表面を実質的に意味する。特に、多孔質の壁を有するこの種の粒子フィルタにおいて、排ガスに衝突される第１の端側は比較的大きい。さらに、この第１の端側は、可能であれば、還元剤のための衝突表面として機能することが考慮される必要がある。ここで、出来る限り還元剤を完全に変換することを実現させるために、加水分解コーティングが、第１の端側の領域において特に外側に提供される。例えば液体の還元剤が衝突し、その後、熱い排ガスと共に還元剤が接触すると、この還元剤は出来る限り完全にアンモニアに変換されるので、完全なるＳＣＲ反応が粒子フィルタの内部にて続いて生じる。この加水分解コーティングは、例えば閉鎖手段（１０〜４０ｍｍ）の長さに亘って、開いたおよび／または閉じたチャネルに明らかに突き出るように形成されてもよいので、適切な場合には、コーティングは、端側の浸し塗りによるシンプルな方法で生成可能である。

ここで、チャネルのための第１の閉鎖手段が第１の端側に提供されることが好ましく、この第１の閉鎖手段は前表面を有し、粒子フィルタの第１の端側の一部を形成し、前表面は加水分解コーティングを有して形成される。閉鎖手段は、例えば、第１の端側において、チャネルの一部を閉鎖するために、粒子フィルタの第１の端側の領域内に配置されるプラグである。ここで、チャネルに部分的に延びる第１の閉鎖手段の前表面は外側を向いており、特に、後の使用の際には排ガスによって衝突され得る。特に、この場合、それゆえ粒子フィルタの端表面全体（端側およびチャネル）の５０％よりも多くが加水分解コーティングを有して形成される。

さらに、チャネルのための第２の閉鎖手段が第２の端側に提供されることもまた提案され、第２の閉鎖手段は底表面を有し、チャネルを画定し、底表面は加水分解コーティングを用いて形成される。この第２の閉鎖手段は、第１の閉鎖手段が提供されていないこれらのチャネル内に一般的には配置され、通常は、第２の端側上にそれと同一平面で配置される。この第２の閉鎖手段はここで、底表面を形成し、この底表面は通常、チャネルの内部に配置される。ここで、第２の閉鎖手段の底表面は、一般に、第１の閉鎖手段の前表面と同じ方向に向いている。この底表面は、それゆえ、また、還元剤および／または排ガスのための衝突表面として機能することができる。加水分解コーティングは同様に提供され、その結果、このようなチャネルを介して程なく移動する還元剤の液滴はその上に衝突して加水分解されることがここで提案される。

１つの改良形態において、粒子フィルタはあらかじめ規定された長さのチャネルを有し、これらのチャネルはその長さの第１の部分に亘って加水分解コーティングを有して形成され、第１の部分は粒子フィルタの第２の端側まで延びていることが提案される。それゆえ、特に、下流に配置されたチャネルのその部分は加水分解コーティングを有して形成される。特に、この第１の部分は第２の閉鎖手段の底表面まで延在している。第１の部分は、好ましくは、チャネルの長さの１０％〜７０％の範囲を占める。

さらに、チャネルはある長さを有し、チャネルは、その長さの第２の部分に亘ってＳＣＲコーティングが備わっており、第２の部分は、粒子フィルタの第１の端側と第２の端側との間に配置されていることが有利であることもまた考慮される。言い換えれば、これは、ＳＣＲコーティングが、粒子フィルタの第１の端側および第２の端側に対して、相当な間隔を置いて配置されていることを特に意味する。これは特に、ＳＣＲコーティングは、第１の端側において、第１の閉鎖手段を有さないそれらのチャネルにおいて実現される状況に関連する。単に簡便さのために、そのチャネルはまた、ＳＣＲコーティング無しで対処し得る、すなわち、特に、コーティング部分無しで、対処し得ることが指摘される。第２の部分に亘るＳＣＲコーティングは、しかしながら、第２の端側において第２の閉鎖手段を有さない各チャネル（のみ）に提供されることが好ましい。このチャネルは、しかしながら、その長さ全体に亘ってＳＣＲコーティングを有してもよい。ＳＣＲコーティングは、特に、五酸化バナジウムおよび／またはゼオライト等のさらなる成分が提供される理由により、加水分解コーティングよりも、より高いアンモニア貯蔵容量を有する。

導入部で述べた状況のために、しかし、特に、ＳＣＲコーティングが第１の端側に第１の連結手段を有さないチャネルにおいて、第２の部分に提供されるとした上述の状況のために、これらのチャネルは、その長さの第３の部分に亘って加水分解コーティングを有して形成され、かつその第３の部分が、粒子フィルタの第１の端側まで延在することが好ましい。このように、第１の端側に隣接するチャネルの流入領域は、実際には、同様に、加水分解コーティングを有して形成される。この加水分解コーティングは、第１の端側に近接する還元剤が斜めに衝突することが実現される場合に、その還元剤のための衝突表面として特に機能してよい。

１つの改良形態において、チャネルの少なくとも一部は、少なくとも部分的に湾曲しているか、またはチャネルに突き出る構造体が備わっていることが提案される。「湾曲した」形状とは、例えば曲がりくねったチャネル形状を提供するように、多孔質の壁の波形の形状のことを特に意味する。同様に、らせん状の形状をしたチャネルが形成されることもまた可能である。また、適切な場合には、チャネルに突き出る構造体を形成することも可能である。この構造体は、ガイド表面、チャネル締め付け等の形状において形成されてもよい。

さらに、第２の端側の方向に開いているそれらのチャネルの流出領域に、酸化コーティングが提供されてもよい。このような酸化コーティングは、特にプラチナを含み、好ましくは、排ガスが、それが去る前に粒子フィルタと接触する領域（例えば１０〜４０ｍｍ）を覆う。

排ガスが流れ方向に流れて通過することができる少なくとも１つの排気ラインを有するデバイスもまた有利であると想定され、ここで、アンモニアを含むかまたは形成する還元剤を供給するためのノズルと、本発明に係る種の粒子フィルタとがまた提供され、ここで粒子フィルタの第１の端側はノズルの方向に向いている。ノズルは、特に、液体の還元剤が注入可能であるノズルである。還元剤は、それ自体アンモニアを含んでよいが、その還元剤はまた、アンモニアを形成し、かつ（部分的に）前駆体（のみ）を含むことが好ましい。その還元剤が液体尿素を含むことが特に非常に好ましい。本発明によれば、記載された粒子フィルタは、ここで、浄化されるために近づいてくる排ガスが、還元剤と共に粒子フィルタの第１の端側に衝突するように、排気ライン内に配置されるべきである。還元剤および排ガスからなる混合物がここで、特に、第１の端側において、還元剤をさらに完全に加水分解することが実現され得る。

これに関連して、ノズルは、排ガスの第１の端側または流れ方向に対して、斜めに配置される注入方向で置かれることが有利であることもまた想定される。適切な場合には、第１の端側と流れ方向との両方に対する斜めの配置構成は、第１の端側に亘って還元剤を均一に分散することを実現するために、そしてそれによって加水分解コーティングとそこで緊密に接触することを実現するために特に有利である。

さらに、酸化触媒コンバータが排気ラインに提供されてよく、この酸化触媒コンバータは、排ガスの流れ方向において見た場合、ノズルの上流に置かれ、かつ粒子フィルタから少なくとも１５０ｍｍ離れて距離を置いている。酸化触媒コンバータは、例えば、粒子フィルタにおいて捕らえられた粒子（煤（ｓｏｏｔ））を継続的に変換でき、それによって、粒子フィルタの多孔質の壁が閉鎖されてしまうことを回避する、二酸化窒素（ＮＯ_２）のためのソースとして機能する。酸化剤（ＮＯ_２）および還元剤が十分に分散されるために、可能であれば、酸化触媒コンバータは、粒子フィルタから特定された距離において、排気ライン中で上流に置かれるべきである。

本発明は、内燃エンジンおよび排気システムを有する車両において用いられることが特に非常に好まれ、この排気システムは、本発明に従って記載された少なくとも１つの粒子フィルタまたは上述の種のデバイスを有する。

本発明および本技術分野はここで図面を元にしてさらに詳細に説明される。図面は特に、本発明の特に好ましい構成の変形を示すが、これらに本発明が限定されるわけではない。各々の図面は概略的に示される。

図１は、本発明に係る粒子フィルタの構成の変形の斜視図である。 図２は、本発明に係る粒子フィルタのさらなる構成の変形の長手方向における断面図である。 図３は、粒子フィルタのさらなる構成の変形の詳細図である。 図４は、ＳＣＲプロセスを実行するためのデバイスの構成図である。

図１は、円形の断面を有する粒子フィルタ１の斜視図を示す。粒子フィルタ１は複数のチャネル３が形成されている多孔質の壁２を有する押出し成形のセラミック材料から形成される。円筒形状の粒子フィルタ１は、ここで第１の端側４および第２の端側５を有し、これらの間にチャネル３が直線的に延びている。チャネル３は交互の形で両端側において閉じている。ここで、それらのチャネル３の一部に、第１の閉鎖手段７を見ることができる。ここで、第１の端側４を形成する全ての構成要素（多孔質の壁２のくもの巣状をしたもの、および第１の閉鎖手段７の前表面）は加水分解コーティング６を有する。

図２は、長手方向断面における粒子フィルタ１のさらなる実施形態をここで示す。ここで、直線状に延びる複数のチャネル３を形成する多孔質の壁２を見ることができる。隣接するチャネル３は、第１の端側４または第２の端側において、閉鎖手段により、交互の形で密封されているので、第１の端側４において入ってくる排ガスは、チャネル３内で、押されて多孔質の壁２を通過する。ここで、図２の下側の部分的な領域において、第１の端側４における第１の閉鎖手段７の前表面８は、第２の端側５の第２の閉鎖手段９の底表面１０と同じ方向を向いている。

さらに、チャネル３のいくつかの部分が、上側の部分的領域において示される。チャネル３は、基本的には、両端側の間であらかじめ規定された長さ１１を有する。チャネル３（一番上に図示されている）に示されるように、粒子フィルタ１は、第１の端側４近くに加水分解コーティング６を有しており、この加水分解コーティングは第１の端側４まで及んでおり、チャネル３の第３の部分１５に延びている。この第３の部分１５に隣接して形成されているのは、ＳＣＲコーティング１４が提供されているチャネルの第２の部分１３である。第２の部分１３に隣接して提供され、第２の閉鎖手段９まで延在しているのは、ここでも加水分解コーティング６を有する第１のコーティング１２である。第１の閉鎖手段７が提供された隣接配置されたチャネル３は、ＳＣＲコーティング１４で完全に満たされている。ここで、ＳＣＲコーティング１４はまた、チャネル３の外側の第２の端側５全体に亘って延在している。

図３は、ここで、中央のチャネル３のための粒子フィルタ１の詳細を概略的に示し、ここで排ガスはあらかじめ決定された流れ方向１９で流入することができる。ここで、流入領域は左側に図示され、流出領域は右側に図示される。左側に示されるのは加水分解コーティング６を有する第１の端側４であり、これはまた、第１の閉鎖手段７の前表面８に延びている。排ガス、および、適切な場合には、還元剤は、このようにして、中央に図示されたチャネル３に流入し、ここで、真っ直ぐに移動する還元剤の成分は、第２の閉鎖手段９に、その対向する端部において、衝突する。第２の閉鎖手段９の底表面１０と、その第２の閉鎖手段９に直接隣接する、第１の部分１２内の壁２とは、加水分解コーティング６を有して形成されているので、この場合、衝突する還元剤の液滴、例えば、尿素水溶液の液滴は加水分解可能である。このようにして生成された還元剤、またはアンモニアは、排ガスとともに多孔質の壁２に押しやられ、今度はＳＣＲコーティング１４が提供されている隣接するチャネル３を通過する。ここで、チャネル３はさらに構造体１６を有して形成されているので、チャネル３の湾曲した形状が実現される。

図４はここで、ＳＣＲシステムが統合された車両２５を概略的に示す。内燃エンジン２６（例えばディーゼルエンジン）内で生成された排ガスは、この場合において示される流れ方向１９に、排ガスシステム２７を介して流れる。排ガスは、これにより、粒子フィルタ１から少なくとも１５０ｍｍの距離２４で離れて配置された酸化触媒コンバータ２４にまず衝突する。さらに、例えば尿素水溶液を導入するためのノズル２０が、酸化触媒コンバータ２３と粒子フィルタ１との間に提供される。ノズル２０は傾いており、流れ方向１９に対して、かつ粒子フィルタ１の第１の端側４に対して斜めになっている注入方向２２で還元剤２１を注入する。還元剤２１、特に尿素水溶液はタンク２９に貯蔵され、適切な場合、内燃エンジン２６に連結されたコントローラ２８の命令により、例えば投与ポンプの形での、投与ユニット３０を用い、要請に従って、ノズル２０を経由して測定可能である。

１ 粒子フィルタ
２ 壁
３ チャネル
４ 第１の端側
５ 第２の端側
６ 加水分解コーティング
７ 第１の閉鎖手段
８ 前表面
９ 第２の閉鎖手段
１０ 底表面
１１ 長さ
１２ 第１の部分
１３ 第２の部分
１４ ＳＣＲコーティング
１５ 第３の部分
１６ 構造体
１７ デバイス
１８ 排気ライン
１９ 流れ方向
２０ ノズル
２１ 還元剤
２２ 注入方向
２３ 酸化触媒コンバータ
２４ 距離
２５ 車両
２６ 内燃エンジン
２７ 排気システム
２８ コントローラ
２９ タンク
３０ 投与ユニット

Claims (11)

1. 多孔質の壁（２）から形成され、かつ粒子フィルタ（１）の第１の端側（４）と第２の端側（５）との間に延びているチャネル（３）、を有する粒子フィルタ（１）であって、前記第１の端側（４）は、前記チャネル（３）の外側に加水分解コーティング（６）を有する、粒子フィルタ（１）。
2. チャネル（３）のための第１の閉鎖手段（７）は前記第１の端側（４）に提供され、前記第１の閉鎖手段（７）は、前表面（８）を有し、前記粒子フィルタ（１）の前記第１の端側（４）の一部を形成し、前記前表面（８）は加水分解コーティング（６）を有して形成される、請求項１に記載の粒子フィルタ（１）。
3. チャネル（３）のための第２の閉鎖手段（９）は前記第２の端側（５）に提供され、前記第２の閉鎖手段（９）は、底表面（１０）を有し、チャネル（３）を画定し、前記底表面（１０）は加水分解コーティング（６）を有して形成される、請求項１または請求項２に記載の粒子フィルタ（１）。
4. チャネル（３）は長さ（１１）を有し、前記チャネル（３）は、前記長さ（１１）の第１の部分（１２）に亘って加水分解コーティング（６）を有して形成され、前記第１の部分（１２）は、前記粒子フィルタ（１）の前記第２の端側（５）まで延在する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の粒子フィルタ（１）。
5. チャネル（３）は長さ（１１）を有し、前記チャネル（３）は、前記長さ（１１）の第２の部分（１３）に亘ってＳＣＲコーティング（１４）を有して形成され、前記第２の部分（１３）は、前記粒子フィルタ（１）の前記第１の端側（４）と前記第２の端側（５）との間に配置される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の粒子フィルタ（１）。
6. 前記チャネル（３）は、前記長さ（１１）の第３の部分（１５）に亘って加水分解コーティング（６）を有して形成され、前記第３の部分（１５）は、前記粒子フィルタ（１）の前記第１の端側（４）まで延在する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の粒子フィルタ（１）。
7. 前記チャネル（３）の少なくとも一部は、少なくとも部分的に湾曲しているか、または、前記チャネル（３）に突き出る構造体（１６）が備わっている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の粒子フィルタ（１）。
8. 排ガスが流れ方向（１９）に流れて通過することができる少なくとも１つの排気ライン（１８）と、アンモニアを含むかまたは形成する還元剤（２１）を導入するためのノズル（２０）と、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の粒子フィルタ（１）とを備え、前記粒子フィルタ（１）の前記第１の端側（４）は前記ノズル（２０）の方向に向いている、デバイス（１７）。
9. 前記ノズル（２０）は、前記第１の端側（４）または前記排ガスの前記流れ方向（１９）に対して、斜めに配置されている注入方向（２２）で配置される、請求項８に記載のデバイス（１７）。
10. 酸化触媒コンバータ（２３）は、前記排気ライン（１８）に提供され、前記酸化触媒コンバータ（２３）は、前記排ガスの前記流れ方向（１９）に対して、前記ノズル（２０）の上流に配置され、前記粒子フィルタ（１）から、少なくとも１５０ミリメートルの距離（２４）で離れて置かれる、請求項８または請求項９に記載のデバイス（１７）。
11. 内燃エンジン（２６）と排気システム（２７）とを有する車両（２５）であって、前記排気システム（２７）は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの粒子フィルタ（１）、または請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のデバイス（１７）を有する、車両（２５）。

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