JP2012172597A - 排気浄化フィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＨＣ、ＣＯ及びＰＭを効率良く浄化できる排気浄化フィルタを提供すること。
【解決手段】ウォールフロー構造のフィルタ本体１０を備える排気浄化フィルタ１であって、フィルタ本体１０の上流側部分に、Ｐｔを含みＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンＺ１と、フィルタ本体１０の下流側部分に、Ａｇを含みＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３と、これら触媒ゾーン間に触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンＺ２と、から構成され、排気浄化フィルタ１の排気の流れ方向の長さをＬとし、酸化触媒ゾーンＺ１の排気の流れ方向の長さをＤとし、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さをＧとしたときに、ギャップ率（＝Ｇ／（Ｌ−Ｄ）×１００）が１５％未満であることを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】ウォールフロー構造のフィルタ本体１０を備える排気浄化フィルタ１であって、フィルタ本体１０の上流側部分に、Ｐｔを含みＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンＺ１と、フィルタ本体１０の下流側部分に、Ａｇを含みＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３と、これら触媒ゾーン間に触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンＺ２と、から構成され、排気浄化フィルタ１の排気の流れ方向の長さをＬとし、酸化触媒ゾーンＺ１の排気の流れ方向の長さをＤとし、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さをＧとしたときに、ギャップ率（＝Ｇ／（Ｌ−Ｄ）×１００）が１５％未満であることを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、排気浄化フィルタに関する。詳しくは、内燃機関から排出される排気中のＨＣ、ＣＯ及びＰＭを浄化する排気浄化フィルタに関する。
ディーゼルエンジン等の希薄燃焼内燃機関は、二酸化炭素の排出量が少ない一方で、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ、以下、「ＰＭ」という）の排出量が多いことが知られている。ＰＭは、人体に有害であり、エミッション規制対象物質である。このため、ディーゼルエンジンの排気通路には、ＰＭを浄化するための排気浄化フィルタが設けられている。
排気浄化フィルタとしては、排気中のＰＭを捕捉するＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）や、このＤＰＦに捕捉したＰＭを浄化する触媒を担持させたものが用いられる。これらの排気浄化フィルタでは、ＰＭが捕捉されて堆積すると、その上流側と下流側との間で差圧が生じ、出力の低下や燃費の悪化を招く。このため、ＰＭがある程度堆積した段階で、堆積したＰＭを燃焼除去する再生処理が実行される。
再生処理は、排気浄化フィルタに担持されたＰＭ酸化触媒による酸化反応により行われるが、この酸化反応を進行させるためには、排気浄化フィルタを所定温度まで昇温する必要がある。このため、排気浄化フィルタの上流側に酸化触媒を設け、この酸化触媒により排気中のＨＣ及びＣＯを酸化浄化するとともに、その際に生ずる反応熱を利用して、下流側の排気浄化フィルタを昇温することが行われている。
例えば本出願人は、排気通路の上流側に、排気中のＨＣ及びＣＯを酸化浄化する第１浄化体を設け、その下流側に、排気中のＰＭを捕捉して酸化浄化する排気浄化フィルタからなる第２浄化体を設ける技術を提案している（特許文献１参照）。この技術では、第１浄化体は、ＨＣ及びＣＯ酸化性能が高いＰｔを含む酸化触媒を備え、第２浄化体は、ＰＭ酸化性能が高いＡｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されたウォールフロー構造の排気浄化フィルタを備える。
ところで、排気浄化フィルタを効率良く昇温する方法として、排気浄化フィルタの上流側部分に酸化触媒を担持した酸化触媒ゾーンを設け、下流側部分にＰＭ酸化触媒を担持したＰＭ酸化触媒ゾーンを設けることが考えられる。しかしながら、ＨＣ及びＣＯ酸化性能が高いＰｔを含む酸化触媒と、ＰＭ酸化性能が高いＡｇを含むＰＭ酸化触媒とを用いた場合には、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの境界部において、ＰｔとＡｇの担持重なり（以下、「オーバーラップ」という）が生ずる。すると、そのオーバーラップ部においてＰｔとＡｇが共存することで、ＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能が低下する、という問題があった。
この問題を解決する方法として、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの間に、触媒が担持されていないギャップゾーンを設けることが考えられる。しかしながら、ギャップゾーンを設けた場合には、ＰＭの一部がギャップゾーンで捕捉され、下流側のＰＭ酸化触媒に流入するＰＭ量が減少する。すると、ＰＭ酸化触媒で浄化されるＰＭ量が減少する結果、ＰＭ浄化率が低下するという問題があった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＰＭを効率良く浄化できる排気浄化フィルタを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、ウォールフロー構造のフィルタ本体（例えば、後述のＤＰＦ１０）を備える排気浄化フィルタ（例えば、後述の排気浄化フィルタ１）を提供する。本発明の排気浄化フィルタは、前記フィルタ本体の上流側部分に、Ｐｔを含みＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーン（例えば、後述の酸化触媒ゾーンＺ１）と、前記フィルタ本体の下流側部分に、Ａｇを含みＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーン（例えば、後述のＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３）と、前記酸化触媒ゾーンと前記ＰＭ酸化触媒ゾーンの間に、触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーン（例えば、後述のギャップゾーンＺ２）と、から構成され、前記排気浄化フィルタの排気の流れ方向の長さをＬとし、前記酸化触媒ゾーンの排気の流れ方向の長さをＤとし、前記ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さをＧとしたときに、下記式（１）で表されるギャップ率が１５％未満であることを特徴とする。
本発明では、排気浄化フィルタを、フィルタ本体の上流側部分にＰｔを含む酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンと、フィルタ本体の下流側部分にＡｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンと、これらのゾーン間に触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンと、から構成した。
これにより、Ｐｔを含む酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンと、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンとの間にギャップゾーンが存在することで、Ｐｔを含む酸化触媒とＡｇを含むＰＭ酸化触媒のオーバーラップが回避される。これにより、Ａｇの影響によるＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能の低下を回避でき、ＨＣ及びＣＯを効率良く浄化できる。
これにより、Ｐｔを含む酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンと、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンとの間にギャップゾーンが存在することで、Ｐｔを含む酸化触媒とＡｇを含むＰＭ酸化触媒のオーバーラップが回避される。これにより、Ａｇの影響によるＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能の低下を回避でき、ＨＣ及びＣＯを効率良く浄化できる。
ここで、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒では、ＰＭはＡｇと接触することで燃焼除去される。このため、排気中に含まれるアッシュ（エンジンの燃料や潤滑油の燃えかすであり、エンジンの燃料や潤滑油に含まれるマグネシウム等の添加剤が燃焼することで生成する。）がＡｇの表面に付着して堆積すると、ＰＭとＡｇの接触が阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下し、ＰＭ浄化率が低下する。
この点、本発明ではギャップゾーンを設けたため、アッシュの一部はギャップゾーンで捕捉される。アッシュの一部がギャップゾーンで捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するアッシュ量が減少する。これにより、ＰＭとＡｇの接触がアッシュにより阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下するのを抑制でき、ギャップゾーンを設けない場合に比してＰＭ浄化率を向上できる。
この点、本発明ではギャップゾーンを設けたため、アッシュの一部はギャップゾーンで捕捉される。アッシュの一部がギャップゾーンで捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するアッシュ量が減少する。これにより、ＰＭとＡｇの接触がアッシュにより阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下するのを抑制でき、ギャップゾーンを設けない場合に比してＰＭ浄化率を向上できる。
また、ギャップゾーンを設けた場合には、ＰＭの一部もギャップゾーンで捕捉される。ＰＭの一部がギャップゾーンで捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するＰＭ量が減少する。このとき、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さが短い場合には、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンで捕捉されたＰＭ全体に伝わる。その結果、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭのほぼ全てが燃焼除去され、ＰＭ浄化率を維持できる。
ところが、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さが長過ぎると、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンで捕捉されたＰＭの一部にしか伝わらなくなる。その結果、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭの一部しか燃焼除去されず、ＰＭ浄化率が低下する。
ところが、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さが長過ぎると、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンで捕捉されたＰＭの一部にしか伝わらなくなる。その結果、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭの一部しか燃焼除去されず、ＰＭ浄化率が低下する。
そこで本発明では、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さを所定の範囲に設定した。具体的には、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さとＰＭ酸化触媒ゾーンの排気の流れ方向の長さの合計に対する、ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さの割合（即ち、上述の式（１）で表されるギャップ率）を、１５％未満に設定した。これにより、ギャップゾーンにおけるアッシュの捕捉効果により得られるＰＭ浄化率の向上分が、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭが燃焼除去されず残存することによるＰＭ浄化率の低下分より大きくなるため、効率良くＰＭを浄化できる。
この場合、前記フィルタ本体は、多孔質の耐火性セラミックスからなることが好ましい。
この発明では、フィルタ本体を、多孔質の耐火性セラミックスで構成した。これにより、上記発明の効果がより高められる。
またこの場合、前記酸化触媒は、Ｐｔがアルミナに担持された酸化触媒であり、前記ＰＭ酸化触媒は、Ａｇ及びＰｄがセリア及びジルコニアに担持されたＰＭ酸化触媒であることが好ましい。
この発明では、酸化触媒として、Ｐｔがアルミナに担持された酸化触媒を用い、ＰＭ酸化触媒として、Ａｇ及びＰｄがセリア及びジルコニアに担持されたＰＭ酸化触媒を用いた。これにより、上記発明の効果がさらに高められる。
本発明によれば、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＰＭを効率良く浄化できる排気浄化フィルタを提供できる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
本発明の一実施形態に係る排気浄化フィルタ１は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＰＭを浄化する。排気浄化フィルタ１は、フィルタ本体としてのＤＰＦ１０と、このＤＰＦ１０に担持されてＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒と、同じくＤＰＦ１０に担持されてＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒と、を備える。
本発明の一実施形態に係る排気浄化フィルタ１は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＰＭを浄化する。排気浄化フィルタ１は、フィルタ本体としてのＤＰＦ１０と、このＤＰＦ１０に担持されてＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒と、同じくＤＰＦ１０に担持されてＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒と、を備える。
図１は、本実施形態に係る排気浄化フィルタ１を上流側から見た図である。また、図２は、本実施形態に係る排気浄化フィルタ１の縦端面図である。
図１及び図２に示すように、フィルタ本体としてのＤＰＦ１０は、円柱形状を呈するウォールフロー構造のＤＰＦである。ウォールフロー構造のＤＰＦは、優れたＰＭ捕捉率を有し、捕捉したＰＭと後述するＰＭ酸化触媒との良好な接触性を確保できるため、優れたＰＭ浄化率を有する。
図１及び図２に示すように、フィルタ本体としてのＤＰＦ１０は、円柱形状を呈するウォールフロー構造のＤＰＦである。ウォールフロー構造のＤＰＦは、優れたＰＭ捕捉率を有し、捕捉したＰＭと後述するＰＭ酸化触媒との良好な接触性を確保できるため、優れたＰＭ浄化率を有する。
ＤＰＦ１０は、互いに平行に延びる複数の排気流入路１２及び排気流出路１４を備える。これら排気流入路１２及び排気流出路１４は、ＤＰＦ１０に設けられた複数のセルを、交互に市松状に目封止することで形成される。排気流入路１２は、その上流端が開口されており、その下流端が目封止材１６により閉塞されている。排気流出路１４は、その上流端が目封止材１６により閉塞されており、その下流端が開口されている。これら排気流入路１２及び排気流出路１４は、薄肉の隔壁１８により区画形成されている。
ＤＰＦ１０は、多孔質の耐火性セラミックスにより形成される。多孔質の耐火性セラミックスとしては、例えば、炭化珪素やコージェライトが挙げられる。細孔径や細孔率については、隔壁１８が排気中のＰＭを濾過する濾過材として機能する範囲内で、適宜設定される。
次に、本実施形態に係る排気浄化フィルタ１に担持されている触媒について、図３を参照して説明する。
図３は、排気浄化フィルタ１に担持された触媒を模式的に示す縦端面図である。図３に示すように、排気浄化フィルタ１は、上流側から順に配置された、酸化触媒ゾーンＺ１、ギャップゾーンＺ２、ＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３の３つのゾーンで構成される。
図３は、排気浄化フィルタ１に担持された触媒を模式的に示す縦端面図である。図３に示すように、排気浄化フィルタ１は、上流側から順に配置された、酸化触媒ゾーンＺ１、ギャップゾーンＺ２、ＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３の３つのゾーンで構成される。
酸化触媒ゾーンＺ１は、ＤＰＦ１０の上流側部分に、Ｐｔを含む酸化触媒が担持されて形成される。Ｐｔを含む酸化触媒は、ＨＣ及びＣＯ酸化性能が高く、排気流入路１２や排気流出路１４内に流入した排気中のＨＣ及びＣＯを効率良く酸化して浄化する。ＨＣ及びＣＯの酸化反応により生ずる反応熱は、下流側のＰＭの酸化反応に利用される。酸化触媒としては、例えば、Ｐｔがアルミナに担持された酸化触媒が好ましく用いられる。酸化触媒の担持量は、エンジンの排気特性に応じて適宜設定され、例えば、ＤＰＦ１０の単位容量当り、２５〜７０ｇ／Ｌである。
ＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３は、ＤＰＦ１０の下流側部分に、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されて形成される。Ａｇを含むＰＭ酸化触媒は、ＰＭ酸化性能が高く、ＤＰＦ１０で捕捉されたＰＭを効率良く酸化して浄化する。ＰＭ酸化触媒としては、例えば、Ａｇ及びＰｄがセリア及びジルコニアに担持されたＰＭ酸化触媒が好ましく用いられる。ＰＭ酸化触媒の担持量は、エンジンの排気特性に応じて適宜設定され、例えば、ＤＰＦ１０の単位容量当り、２０〜４０ｇ／Ｌである。
ギャップゾーンＺ２は、上述の酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの間に、触媒が担持されることなく形成される。即ち、ギャップゾーンには、いずれの触媒も担持されていない。
上述の３つのゾーンは、ＤＰＦ１０に対して、ゾーンコート法を適用することで形成される。ここで、「ゾーンコート」とは、ＤＰＦの所定のゾーンに触媒を担持させることをいう。
具体的には、例えば、上述の酸化触媒を所定量含むスラリーを作製し、このスラリー中にＤＰＦ１０の上流側部分のみを浸漬させる。このとき、ＤＰＦ１０の軸方向が鉛直方向に平行となるようにして、ＤＰＦ１０をスラリー中に浸漬させる。所定時間が経過した後、ＤＰＦ１０を引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させる。これにより、上流側部分に所定量の酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンＺ１が形成される。
次いで、上述のＰＭ酸化触媒を所定量含むスラリーを作製し、このスラリー中にＤＰＦ１０の下流側部分のみを浸漬させる。このとき、ＤＰＦ１０の軸方向が鉛直方向に平行となるようにするとともに、酸化触媒ゾーンがスラリー中に浸漬することがないようにして、ＤＰＦ１０をスラリー中に浸漬させる。所定時間が経過した後、ＤＰＦ１０を引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させる。これにより、下流側部分に所定量のＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３が形成される。同時に、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの間に、いずれの触媒も担持されていないギャップゾーンＺ２が形成される。
具体的には、例えば、上述の酸化触媒を所定量含むスラリーを作製し、このスラリー中にＤＰＦ１０の上流側部分のみを浸漬させる。このとき、ＤＰＦ１０の軸方向が鉛直方向に平行となるようにして、ＤＰＦ１０をスラリー中に浸漬させる。所定時間が経過した後、ＤＰＦ１０を引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させる。これにより、上流側部分に所定量の酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンＺ１が形成される。
次いで、上述のＰＭ酸化触媒を所定量含むスラリーを作製し、このスラリー中にＤＰＦ１０の下流側部分のみを浸漬させる。このとき、ＤＰＦ１０の軸方向が鉛直方向に平行となるようにするとともに、酸化触媒ゾーンがスラリー中に浸漬することがないようにして、ＤＰＦ１０をスラリー中に浸漬させる。所定時間が経過した後、ＤＰＦ１０を引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させる。これにより、下流側部分に所定量のＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３が形成される。同時に、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの間に、いずれの触媒も担持されていないギャップゾーンＺ２が形成される。
ここで、本実施形態では、図３に示すように、排気浄化フィルタ１の排気の流れ方向の長さをＬとし、酸化触媒ゾーンＺ１の排気の流れ方向の長さをＤとし、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さをＧとしたときに、下記式（１）で表されるギャップ率が、１５％未満となるように設定されている。
上記式（１）において、排気浄化フィルタ１の排気の流れ方向の長さＬは、円柱形状の排気浄化フィルタ１の上流側端面から下流側端面までの長さを意味する。ここで、上述のゾーンコート法により形成される３つのゾーンの各境界面は、いずれも、排気浄化フィルタ１の上流側端面及び下流側端面に対して平行である。このため、酸化触媒ゾーンＺ１の排気の流れ方向の長さＤは、排気浄化フィルタ１の上流側端面から、酸化触媒ゾーンＺ１とギャップゾーンＺ２の境界面までの長さを意味し、この長さは一義的に決定される。また、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さＧは、酸化触媒ゾーンＺ１とギャップゾーンＺ２の境界面から、ギャップゾーンＺ２とＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３の境界面までの長さを意味し、この長さは一義的に決定される。
以上のような構成からなる排気浄化フィルタ１に排気が導入されると、先ず、排気は排気流入路１２内に流入する。すると、排気流入路１２内に流入した排気は、下流側に向かって流れる過程で、多孔質の隔壁１８を通過する。このとき、排気中のＰＭは、隔壁１８を通過できず、排気流入路１２の内壁表面や、隔壁１８の細孔内表面に付着して堆積する。一方、隔壁１８を通過した排気は、その排気流入路１２に隣接する排気流出路１４内に流入し、下流側に向かって流れて、排出される。
次に、排気流入路１２の内壁表面や隔壁１８の細孔内表面にＰＭがある程度堆積した段階で、堆積したＰＭを燃焼除去する再生処理を実行する。具体的には、ポスト噴射を実行することで、ＨＣ及びＣＯを多量に含んだ排気を排気浄化フィルタ１に導入する。すると、先ず上流側の酸化触媒ゾーンＺ１に当該排気が流入し、酸化触媒によるＨＣ及びＣＯの酸化反応が進行する。これにより、ＨＣ及びＣＯが酸化されて浄化されるとともに、酸化反応により生じた反応熱により、下流側のＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３が昇温される。
次いで、昇温されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３が所定温度に達すると、ＰＭ酸化触媒によるＰＭの酸化反応が進行し、ＤＰＦ１０に捕捉されていたＰＭが酸化されて浄化される。
次いで、昇温されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３が所定温度に達すると、ＰＭ酸化触媒によるＰＭの酸化反応が進行し、ＤＰＦ１０に捕捉されていたＰＭが酸化されて浄化される。
本実施形態に係る排気浄化フィルタ１によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、排気浄化フィルタ１を、フィルタ本体１０の上流側部分にＰｔを含む酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンＺ１と、フィルタ本体１０の下流側部分にＡｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３と、これらのゾーン間に触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンＺ２と、から構成した。
これにより、Ｐｔを含む酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンＺ１と、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３との間にギャップゾーンＺ２が存在することで、Ｐｔを含む酸化触媒とＡｇを含むＰＭ酸化触媒のオーバーラップが回避される。これにより、Ａｇの影響によるＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能の低下を回避でき、ＨＣ及びＣＯを効率良く浄化できる。
本実施形態では、排気浄化フィルタ１を、フィルタ本体１０の上流側部分にＰｔを含む酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンＺ１と、フィルタ本体１０の下流側部分にＡｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３と、これらのゾーン間に触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンＺ２と、から構成した。
これにより、Ｐｔを含む酸化触媒が担持された酸化触媒ゾーンＺ１と、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３との間にギャップゾーンＺ２が存在することで、Ｐｔを含む酸化触媒とＡｇを含むＰＭ酸化触媒のオーバーラップが回避される。これにより、Ａｇの影響によるＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能の低下を回避でき、ＨＣ及びＣＯを効率良く浄化できる。
ここで、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒では、ＰＭはＡｇと接触することで燃焼除去される。このため、排気中に含まれるアッシュがＡｇの表面に付着して堆積すると、ＰＭとＡｇの接触が阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下し、ＰＭ浄化率が低下する。
この点、本実施形態ではギャップゾーンＺ２を設けたため、アッシュの一部はギャップゾーンＺ２で捕捉される。アッシュの一部がギャップゾーンＺ２で捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するアッシュ量が減少する。これにより、ＰＭとＡｇの接触がアッシュにより阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下するのを抑制でき、ギャップゾーンＺ２を設けない場合に比してＰＭ浄化率を向上できる。
この点、本実施形態ではギャップゾーンＺ２を設けたため、アッシュの一部はギャップゾーンＺ２で捕捉される。アッシュの一部がギャップゾーンＺ２で捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するアッシュ量が減少する。これにより、ＰＭとＡｇの接触がアッシュにより阻害されてＡｇのＰＭ酸化性能が低下するのを抑制でき、ギャップゾーンＺ２を設けない場合に比してＰＭ浄化率を向上できる。
また、ギャップゾーンＺ２を設けた場合には、ＰＭの一部もギャップゾーンＺ２で捕捉される。ＰＭの一部がギャップゾーンＺ２で捕捉されると、ＰＭ酸化触媒に流入するＰＭ量が減少する。このとき、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さが短い場合には、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭ全体に伝わる。その結果、ギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭのほぼ全てが燃焼除去され、ＰＭ浄化率を維持できる。
ところが、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さが長過ぎると、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭの一部にしか伝わらなくなる。その結果、ギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭの一部しか燃焼除去されず、ＰＭ浄化率が低下する。
そこで本実施形態では、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さを所定の範囲に設定した。具体的には、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さとＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３の排気の流れ方向の長さの合計に対する、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さの割合（即ち、上述の式（１）で表されるギャップ率）を、１５％未満に設定した。これにより、ギャップゾーンＺ２におけるアッシュの捕捉効果により得られるＰＭ浄化率の向上分が、ギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭが燃焼除去されず残存することによるＰＭ浄化率の低下分より大きくなるため、効率良くＰＭを浄化できる。
ところが、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さが長過ぎると、再生時に各触媒ゾーンで生ずる反応熱がギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭの一部にしか伝わらなくなる。その結果、ギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭの一部しか燃焼除去されず、ＰＭ浄化率が低下する。
そこで本実施形態では、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さを所定の範囲に設定した。具体的には、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さとＰＭ酸化触媒ゾーンＺ３の排気の流れ方向の長さの合計に対する、ギャップゾーンＺ２の排気の流れ方向の長さの割合（即ち、上述の式（１）で表されるギャップ率）を、１５％未満に設定した。これにより、ギャップゾーンＺ２におけるアッシュの捕捉効果により得られるＰＭ浄化率の向上分が、ギャップゾーンＺ２で捕捉されたＰＭが燃焼除去されず残存することによるＰＭ浄化率の低下分より大きくなるため、効率良くＰＭを浄化できる。
また本実施形態では、フィルタ本体１０を、多孔質の耐火性セラミックスで構成した。これにより、上記の効果がより高められる。
また本実施形態では、酸化触媒として、Ｐｔがアルミナに担持された酸化触媒を用い、ＰＭ酸化触媒として、Ａｇ及びＰｄがセリア及びジルコニアに担持されたＰＭ酸化触媒を用いた。これにより、上記の効果がさらに高められる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
＜実施例１：ギャップ率５％＞
先ず、以下の特性を有する円柱形状のＤＰＦを作製した。ここで、下記のＤＰＦの長さは、排気浄化フィルタの排気の流れ方向の長さＬに相当する。
［ＤＰＦ特性］
材質：ＳｉＣ
直径：１４３．８ｍｍ
長さ：１５２．４ｍｍ
セル密度：３００セル／ｉｎ２
平均細孔径：２３μｍ
細孔率：５２％
先ず、以下の特性を有する円柱形状のＤＰＦを作製した。ここで、下記のＤＰＦの長さは、排気浄化フィルタの排気の流れ方向の長さＬに相当する。
［ＤＰＦ特性］
材質：ＳｉＣ
直径：１４３．８ｍｍ
長さ：１５２．４ｍｍ
セル密度：３００セル／ｉｎ２
平均細孔径：２３μｍ
細孔率：５２％
次いで、上記ＤＰＦに対してゾーンコート法を適用し、上流側部分に酸化触媒ゾーン、下流側部分にＰＭ酸化触媒ゾーン、これらゾーンの間にギャップゾーンを形成した。
具体的には、Ｐｔをアルミナに担持してなる酸化触媒（Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３）を含むスラリーを作製し、このスラリー中に、上記ＤＰＦの上流側部分のみを浸漬させた。このとき、ＤＰＦの軸方向が鉛直方向に平行となるようにして、上流側端面から５０ｍｍの位置まで、スラリー中に浸漬させた。所定時間が経過した後、ＤＰＦを引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させた。これにより、上流側部分に酸化触媒（Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３）が担持された酸化触媒ゾーンを形成した。形成した酸化触媒ゾーンの排気の流れ方向の長さＤは、５０ｍｍであった。
具体的には、Ｐｔをアルミナに担持してなる酸化触媒（Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３）を含むスラリーを作製し、このスラリー中に、上記ＤＰＦの上流側部分のみを浸漬させた。このとき、ＤＰＦの軸方向が鉛直方向に平行となるようにして、上流側端面から５０ｍｍの位置まで、スラリー中に浸漬させた。所定時間が経過した後、ＤＰＦを引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させた。これにより、上流側部分に酸化触媒（Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３）が担持された酸化触媒ゾーンを形成した。形成した酸化触媒ゾーンの排気の流れ方向の長さＤは、５０ｍｍであった。
次いで、Ａｇ及びＰｄをセリア及びジルコニアに担持してなるＰＭ酸化触媒（ＰｄＡｇ／ＣｅＯ２ＺｒＯ２）を含むスラリーを作製し、このスラリー中に、上流側部分に酸化触媒ゾーンが形成されたＤＰＦの下流側部分のみを浸漬させた。このとき、ＤＰＦの軸方向が鉛直方向に平行となるようにするとともに、酸化触媒ゾーンをスラリー中に浸漬させることなく、上述の式（１）で表されるギャップ率が５％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた。所定時間が経過した後、ＤＰＦを引き上げて余分なスラリーを除去し、乾燥させた。これにより、下流側部分にＰＭ酸化触媒が担持されたＰＭ酸化触媒ゾーンを形成した。同時に、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンとの間に、いずれの触媒も担持されていないギャップゾーンを形成した。
以上のようにして、ギャップ率が５％の排気浄化フィルタを得た。
以上のようにして、ギャップ率が５％の排気浄化フィルタを得た。
＜実施例２：ギャップ率１０％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が１０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が１０％の排気浄化フィルタを得た。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が１０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が１０％の排気浄化フィルタを得た。
＜比較例１：オーバーラップ率５％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、酸化触媒ゾーンの一部をスラリー中に浸漬させ、オーバーラップ率が５％となるように調整した以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、オーバーラップ率が５％の排気浄化フィルタを得た。
なお、オーバーラップ率は、上述の式（１）におけるギャップゾーンの排気の流れ方向の長さＧを、オーバーラップ部における排気の流れ方向の長さに置き換えることで算出した。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、酸化触媒ゾーンの一部をスラリー中に浸漬させ、オーバーラップ率が５％となるように調整した以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、オーバーラップ率が５％の排気浄化フィルタを得た。
なお、オーバーラップ率は、上述の式（１）におけるギャップゾーンの排気の流れ方向の長さＧを、オーバーラップ部における排気の流れ方向の長さに置き換えることで算出した。
＜比較例２：ギャップ率０％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が０％、即ち酸化触媒とＰＭ酸化触媒とがオーバーラップすることなく、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンが隙間無く隣接した排気浄化フィルタを得た。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が０％、即ち酸化触媒とＰＭ酸化触媒とがオーバーラップすることなく、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンが隙間無く隣接した排気浄化フィルタを得た。
＜比較例３：ギャップ率１５％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が１５％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が１５％の排気浄化フィルタを得た。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が１５％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が１５％の排気浄化フィルタを得た。
＜比較例４：ギャップ率２５％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が２５％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が２５％の排気浄化フィルタを得た。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が２５％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が２５％の排気浄化フィルタを得た。
＜比較例５：ギャップ率３０％＞
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が３０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が３０％の排気浄化フィルタを得た。
ＰＭ酸化触媒ゾーンを形成する際に、ギャップ率が３０％となるように調整して、ＤＰＦをスラリー中に浸漬させた以外は、実施例１と同様の操作を実施した。これにより、ギャップ率が３０％の排気浄化フィルタを得た。
＜評価＞
［ＰＭ浄化性能］
台上エンジン（２２００ｃｃディーゼルエンジン）を用いてＮＥＤＣ（欧州サイクル）走行相当の運転を行い、その排気を、実施例及び比較例で得た各排気浄化フィルタに導入した。これにより、排気中に含まれるＰＭを各排気浄化フィルタで捕捉し、堆積させた。堆積したＰＭの堆積量は、運転前後における各排気浄化フィルタの重量差から算出した。
［ＰＭ浄化性能］
台上エンジン（２２００ｃｃディーゼルエンジン）を用いてＮＥＤＣ（欧州サイクル）走行相当の運転を行い、その排気を、実施例及び比較例で得た各排気浄化フィルタに導入した。これにより、排気中に含まれるＰＭを各排気浄化フィルタで捕捉し、堆積させた。堆積したＰＭの堆積量は、運転前後における各排気浄化フィルタの重量差から算出した。
ＰＭの堆積量が所定量に達した後、上記の台上エンジンによるポスト噴射を実行し、ＰＭが堆積した各排気浄化フィルタの再生処理を実行した。具体的には、ポスト噴射により各排気浄化フィルタ内の温度を約６００℃まで昇温させた後、２分間、堆積したＰＭを燃焼除去させた。ＰＭの燃焼量は、再生処理の実行前後における各排気浄化フィルタの重量差から算出した。
ＰＭ浄化性能の評価は、ギャップ率を０％とした比較例２の排気浄化フィルタのＰＭ燃焼量を１００として、これに対する各排気浄化フィルタのＰＭ燃焼量を算出することで実施した。結果を表１に示した。
［ＨＣ及びＣＯ浄化性能］
実施例及び比較例で得た各排気浄化フィルタについて、モデルガス昇温試験を実施し、ＨＣ及びＣＯ浄化率を測定した。モデルガス昇温試験条件は、以下の通りとした。上記ＰＭ浄化性能の評価と同様に、ＨＣ及びＣＯ浄化性能の評価は、ギャップ率を０％とした比較例２の排気浄化フィルタのＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率をそれぞれ１００として、これに対する各排気浄化フィルタのＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率を算出することで実施した。結果を表１に示した。
（モデルガス組成）
ＣＯ：１１００ｐｐｍ
ＨＣ：４２０ｐｐｍＣ
ＮＯ：１６０ｐｐｍ
ＣＯ２：３．６％
Ｏ２：１５％
Ｈ２Ｏ：３．５％
Ｎ２：バランスガス
（昇温条件）
昇温速度：２０℃／分
ＳＶ：５００００ｈ−１
実施例及び比較例で得た各排気浄化フィルタについて、モデルガス昇温試験を実施し、ＨＣ及びＣＯ浄化率を測定した。モデルガス昇温試験条件は、以下の通りとした。上記ＰＭ浄化性能の評価と同様に、ＨＣ及びＣＯ浄化性能の評価は、ギャップ率を０％とした比較例２の排気浄化フィルタのＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率をそれぞれ１００として、これに対する各排気浄化フィルタのＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率を算出することで実施した。結果を表１に示した。
（モデルガス組成）
ＣＯ：１１００ｐｐｍ
ＨＣ：４２０ｐｐｍＣ
ＮＯ：１６０ｐｐｍ
ＣＯ２：３．６％
Ｏ２：１５％
Ｈ２Ｏ：３．５％
Ｎ２：バランスガス
（昇温条件）
昇温速度：２０℃／分
ＳＶ：５００００ｈ−１
表１において、比較例１のギャップ率−５％とは、オーバーラップ率５％を意味し、比較例２のギャップ率０％とは、酸化触媒とＰＭ酸化触媒とがオーバーラップすることなく、酸化触媒ゾーンとＰＭ酸化触媒ゾーンが隙間無く隣接していることを意味する。これらの記載は説明の便宜上のものであり、実際には、ギャップ率はギャップゾーンの存在が前提となるものであり、ギャップ率の取り得る値は０％より大きい値である。
表１の結果に基づいて、ギャップ率と、ＨＣ、ＣＯ及びＰＭ浄化性能との関係を図４に示した。表１及び図４に示すように、ギャップゾーンを設けない場合（比較例１〜２）には、ＨＣ浄化性能及びＣＯ浄化性能が低下することが確認された。これは、酸化触媒とＰＭ酸化触媒とがオーバーラップ又は隙間無く隣接しているため、ＰＭ酸化触媒中のＡｇによる影響で、酸化触媒中のＰｔのＨＣ及びＣＯ酸化性能が低下したことが原因であると考えられた。
また、ギャップ率が１５％以上の場合（比較例３〜５）には、ＰＭ浄化性能が低下することが確認された。これは、ギャップゾーンによるアッシュ捕捉効果により得られるＰＭ浄化性能の向上分よりも、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭが燃焼除去されず残存することによるＰＭ浄化性能の低下分の方が大きくなる結果、ギャップゾーンを設けないものよりもＰＭ浄化性能が低下したものと考えられた。
一方、ギャップ率が１５％未満の場合（実施例１〜２）には、ＨＣ及びＣＯ浄化性能が低下しないうえ、ＰＭ浄化性能が向上していることが確認された。これは、ギャップゾーンによるアッシュの捕捉効果により得られるＰＭ浄化性能の向上分が、ギャップゾーンで捕捉されたＰＭが燃焼除去されず残存することによるＰＭ浄化性能の低下分よりも大きくなる結果、ギャップゾーンを設けないものよりもＰＭ浄化性能が向上したものと考えられた。これにより、本発明の効果が検証された。
１…排気浄化フィルタ
１０…ＤＰＦ（フィルタ本体）
Ｚ１…酸化触媒ゾーン
Ｚ２…ギャップゾーン
Ｚ３…ＰＭ酸化触媒ゾーン
１０…ＤＰＦ（フィルタ本体）
Ｚ１…酸化触媒ゾーン
Ｚ２…ギャップゾーン
Ｚ３…ＰＭ酸化触媒ゾーン
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、ウォールフロー構造のフィルタ本体を備える排気浄化フィルタであって、
前記排気浄化フィルタは、
前記フィルタ本体の上流側部分に、Ｐｔを含みＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒が担持されて形成された酸化触媒ゾーンと、
前記フィルタ本体の下流側部分に、Ａｇを含みＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒が担持されて形成されたＰＭ酸化触媒ゾーンと、
前記酸化触媒ゾーンと前記ＰＭ酸化触媒ゾーンの間に、触媒が担持されることなく形成されたギャップゾーンと、から構成され、
前記排気浄化フィルタの排気の流れ方向の長さをＬとし、前記酸化触媒ゾーンの排気の流れ方向の長さをＤとし、前記ギャップゾーンの排気の流れ方向の長さをＧとしたときに、下記式（１）で表されるギャップ率が１５％未満であることを特徴とする排気浄化フィルタ。
- 前記フィルタ本体は、多孔質の耐火性セラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の排気浄化フィルタ。
- 前記酸化触媒は、Ｐｔがアルミナに担持された酸化触媒であり、
前記ＰＭ酸化触媒は、Ａｇ及びＰｄがセリア及びジルコニアに担持されたＰＭ酸化触媒であることを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化フィルタ。
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