JP2018204537A - エンジンの排気ガス処理装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジンの掃気性の低下を抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させる。
【解決手段】エンジンの排気ガス通路に排気ガス中のＰＭを捕集するハニカム状の多孔質フィルタが設けられている。排気ガスは、フィルタの流入側セル１２から該フィルタの隔壁１５の細孔１６を通過して流出側セル１３に流れる。フィルタの流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面及び細孔１６の内面に触媒１７が担持されている。触媒１７は、細孔１６の内面よりも隔壁１５の表面に厚く担持されている。
【選択図】図６
【解決手段】エンジンの排気ガス通路に排気ガス中のＰＭを捕集するハニカム状の多孔質フィルタが設けられている。排気ガスは、フィルタの流入側セル１２から該フィルタの隔壁１５の細孔１６を通過して流出側セル１３に流れる。フィルタの流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面及び細孔１６の内面に触媒１７が担持されている。触媒１７は、細孔１６の内面よりも隔壁１５の表面に厚く担持されている。
【選択図】図６
Description
本発明はエンジンの排気ガス処理装置及びその製造方法に関する。
エンジンから排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の他に、炭素を主成分とする粒子状物質（Particulate Matter、以下、「ＰＭ」という。）が含まれている。このＰＭも、大気汚染の原因となることから、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害ガス成分とともに、その排出規制が強化されてきている。
特許文献１には、排気ガス処理装置の大型化を避けるべく、ＰＭを捕集するフィルタに触媒を担持することにより、ＰＭを捕集するとともに、排気ガスの浄化を図ることが記載されている。そのフィルタは、軸方向に貫通した開放セルと上流端が閉塞された閉塞セルとを有するハニカム構造体であり、多孔質のセラミックスによって形成されている。そのハニカム構造体の排気ガス流れ方向の下流側部分では、触媒がセル壁に担持され、ハニカム構造体の上流側部分では、触媒がセル壁に担持されていない。
上記フィルタの場合、ハニカム構造体の上流側部分において、排気ガスが開放セルからセル壁の細孔を通って閉塞セルに流れることにより、ＰＭが細孔に捕集され、ハニカム構造体の下流側部分においてセル壁に担持された触媒により排気ガスの浄化が促進される。
特許文献１の場合、通気抵抗の増大を避けるべく、ハニカム構造体の上流側のセル壁には触媒が担持されていない。そのため、この上流側では触媒による排気ガスの浄化が図れない。排気ガスの浄化性能を高めるべく、ハニカム構造体の下流側の触媒担持量を多くすると、下流側のセル壁の細孔が触媒によって塞がれるため、排気ガスの通気抵抗が増大し、エンジンの掃気性が低下する。
そこで、本発明は、エンジンの掃気性の低下を抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させることを課題とする。
本発明は、上記課題を解決するために、触媒を、排気ガス中のＰＭを捕集する多孔質フィルタの表面に厚く、該フィルタの細孔内面に薄く担持するようにした。
ここに開示するエンジンの排気ガス処理装置は、エンジンの排気ガス通路に排気ガス中のＰＭを捕集する多孔質フィルタが設けられてなり、
上記排気ガスが上記フィルタの表面から該フィルタの細孔を通過して排出される排気ガス処理装置であって、
上記フィルタ表面及び上記細孔内面に排気ガス浄化用の触媒が担持されており、
上記触媒は、上記細孔内面よりも上記フィルタ表面に厚く担持されていることを特徴とする。
上記排気ガスが上記フィルタの表面から該フィルタの細孔を通過して排出される排気ガス処理装置であって、
上記フィルタ表面及び上記細孔内面に排気ガス浄化用の触媒が担持されており、
上記触媒は、上記細孔内面よりも上記フィルタ表面に厚く担持されていることを特徴とする。
この排気ガス処理装置によれば、触媒をフィルタ表面に厚く担持することによって、細孔内面の触媒の担持厚さを薄くするから、触媒による細孔の閉塞を避けて細孔の通気性を確保することが容易になる。すなわち、フィルタへの触媒の担持によってフィルタによる排気圧損が大きくなること、換言すれば、エンジンの排気行程における掃気効率が低下することが避けられる。
また、フィルタ表面では、触媒が厚く担持されているから、排気ガスの浄化が進み易い。そして、フィルタ表面での触媒反応熱によって温度が高くなった排気ガスが細孔を通過していく。よって、細孔内面には触媒が薄く担持されているものの、細孔を通る排気ガス温度が高いことによって、触媒による排気ガスの浄化が効率良く進む。
一実施形態では、上記フィルタ表面の単位面積当たりの上記触媒の担持量は、上記細孔内面の単位面積当たりの上記触媒の担持量の５０倍以上５００倍以下である。これにより、エンジンの掃気性の低下を抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させる上でさらに有利になる。
一実施形態では、上記排気ガス通路における上記フィルタよりも上流側に上記排気ガスを浄化する触媒コンバータが設けられている。
これによれば、上流側の触媒コンバータによっても排気ガスが浄化されるから、上記フィルタの触媒担持量を少なめにすることができ、排気圧損の増大抑制に有利になる。また、上流側の触媒コンバータと上記フィルタの触媒によって排気ガスを浄化するから、触媒コンバータの容量も低く抑えることができる。すなわち、当該実施形態によれば、排気ガス処理装置全体として、大型化及び排気抵抗の増大を抑制しつつ、所期の排気ガス浄化性能を確保することが容易になる。
一実施形態では、上記触媒コンバータは、炭素数が６〜９である不飽和炭化水素（以下、「不飽和高ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す触媒を備え、
上記フィルタの上記触媒が炭素数が５以下である飽和炭化水素（以下、「飽和低ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す。
上記フィルタの上記触媒が炭素数が５以下である飽和炭化水素（以下、「飽和低ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す。
ここに、飽和炭化水素は不飽和炭化水素は比べて燃えにくい（酸化分解されにくい）ことが知られている。
上記実施形態では、排気ガス中の不飽和高ＨＣが上流側の触媒コンバータの触媒によって酸化浄化され、その触媒反応熱によって排気ガス温度が高くなる。これに伴い、下流側のフィルタの温度が上昇する。そのため、排気ガス中の飽和低ＨＣは、比較的燃えにくいものの、フィルタの温度が上述の如く上昇するから、このフィルタに担持されている触媒が当該飽和低ＨＣの浄化に効率良く働きやすくなる。よって、排気ガス温度が比較的低い場合でも、上記不飽和高ＨＣ及び飽和低ＨＣが効率良く浄化される。
また、触媒コンバータの触媒による不飽和高ＨＣのクラッキングによって飽和低ＨＣが生成し、該飽和低ＨＣが触媒コンバータよりも下流側のフィルタに流れる。このフィルタに担持されている触媒は不飽和低ＨＣの浄化に活性を示すから、上記クラッキングによって生成する飽和低ＨＣも当該フィルタの触媒によって効率良く浄化されることになる。
ここに開示するエンジンの排気ガス処理装置の製造方法は、
エンジンの排気ガスを通す細孔を有する多孔質フィルタを、排気ガス浄化用の触媒を分散させた第１触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの細孔内面に担持する第１工程と、
上記第１工程を経た上記フィルタを、上記触媒を分散させた第２触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの表面に、上記細孔内面に担持された上記触媒の厚さよりも厚く担持する第２工程と、
上記第２工程を経た上記フィルタを上記エンジンの排気ガス通路に設ける第３工程とを備えていることを特徴とする。
エンジンの排気ガスを通す細孔を有する多孔質フィルタを、排気ガス浄化用の触媒を分散させた第１触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの細孔内面に担持する第１工程と、
上記第１工程を経た上記フィルタを、上記触媒を分散させた第２触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの表面に、上記細孔内面に担持された上記触媒の厚さよりも厚く担持する第２工程と、
上記第２工程を経た上記フィルタを上記エンジンの排気ガス通路に設ける第３工程とを備えていることを特徴とする。
この方法によれば、フィルタの細孔内面への触媒の担持とフィルタ表面への触媒の担持とを別工程で行ない、且つ先にフィルタの細孔内面に触媒を担持するようにしたから、触媒を細孔内面よりもフィルタ表面に厚く担持することが容易になる。
一実施形態では、上記第１触媒スラリーの触媒と上記第２触媒スラリーの触媒とは、その成分が同じである。
一実施形態では、上記第１工程と第２工程の間に、上記フィルタの細孔内面に担持した上記触媒を乾燥させる工程を備え、
上記第２工程と上記第３工程の間に、上記フィルタの表面に担持された上記触媒及び上記細孔内面に担持された上記触媒を焼成する工程を備えている。
上記第２工程と上記第３工程の間に、上記フィルタの表面に担持された上記触媒及び上記細孔内面に担持された上記触媒を焼成する工程を備えている。
フィルタの細孔内面に担持した触媒を乾燥させるから、第２工程において、フィルタの表面に触媒を担持するときに、細孔内面の触媒が流失することが避けられる。
本発明によれば、排気ガス浄化用触媒がフィルタの細孔内面よりもフィルタの表面に厚く担持されているから、換言すれば、フィルタの細孔内面に触媒が薄く担持されているから、エンジンの掃気性の低下を抑えながら（エンジンの燃費を向上させながら）、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
＜排気ガス処理装置＞
図１において、１は自動車の直噴ガソリンエンジン、２はエンジン１の排気マニホールドである。排気マニホールド２の集合部２ａに触媒コンバータ３が連結管４を介して結合され、触媒コンバータ３における排気流れ方向の下流側にＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）装置５が直結されている。ＧＰＦ装置５から排気管６が自動車の後方へ向かって延びている。
図１において、１は自動車の直噴ガソリンエンジン、２はエンジン１の排気マニホールドである。排気マニホールド２の集合部２ａに触媒コンバータ３が連結管４を介して結合され、触媒コンバータ３における排気流れ方向の下流側にＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）装置５が直結されている。ＧＰＦ装置５から排気管６が自動車の後方へ向かって延びている。
図２に示すように、触媒コンバータ３は、前段及び後段２つのハニカム触媒７，８を直列にして触媒容器に収容した２ベッド型である。前段のハニカム触媒７は、ハニカム担体に第１触媒を担持してなる。後段のハニカム触媒８は、ハニカム担体に第２触媒を担持してなる。ハニカム担体としては、容量０．５〜１．５Ｌ程度のものを用いることが好ましい。
第１触媒は、第２触媒よりも低い温度でトルエン等の不飽和高ＨＣの酸化反に活性を示す。一方、第２触媒は、第１触媒よりも低い温度でイソペンタン等の飽和低ＨＣの酸化反応に活性を示す。
ＧＰＦ装置５は、触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容してなる。触媒付フィルタ１０は、コージェライト、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、サイアロン、ＡｌＴｉＯ３等の無機多孔質材料よりなるセラミックス製フィルタ本体に上記第２触媒を担持させてなる。図３乃至図５に模式的に示すように、触媒付フィルタ１０は、ハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数のセル１２、１３を備えている。下流端が栓１４により閉塞された流入側セル１２と、上流端が栓１４により閉塞された流出側セル１３とが交互に設けられている。セル１２とセル１３とは薄肉の隔壁（排気ガス通路壁）１５を介して隔てられている。図３において、符号１１は排気ガス通路を示す。図４おいてハッチングを付した部分は排気ガス流出路１３の上流端の栓１４を示している。
フィルタ本体としては、容量が１．０〜２．０Ｌ、セル密度が２００〜３００cpsi、隔壁１５の厚さが１５０〜２５０μｍ、隔壁１５の気孔率が４０〜６０％、隔壁１５の細孔容積が７０〜４００ｃｍ３程度のものを採用することが好ましい。
図５に示すように、排気ガスは、触媒付フィルタ１０の流入側セル１２に流入し、矢印で示すように、セル１２の周囲の隔壁１５を通って隣接する流出側セル１３に流出する。
図６に示すように、隔壁１５はセル１２とセル１３とを連通する微小な細孔１６を有し、この細孔１６を排気ガスが通る。排気ガス中のＰＭは、主にセル１２及び細孔１６の壁部に付着して堆積する。
第２触媒１７は、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面（フィルタ表面）と、細孔１６の内面に担持されている。第２触媒１７は、細孔１６の内面よりもセル１２を構成する隔壁１５の表面に厚く担持されている。上記隔壁１５の表面の単位面積当たりの第２触媒の担持量が、細孔１６の内面の単位面積当たりの第２触媒の担持量の５０倍以上５００倍以下になるようにすることが好ましい。
そのためには、フィルタ本体に対する触媒総担持量の過半量を、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面に担持するようにすればよい。触媒総担持量の６５％以上８５％以下を、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面に担持することが好ましい。
上記フィルタ本体１Ｌ当たりの第２触媒の担持量は隔壁１５の表面及び細孔１６の内面合わせて２０〜１００ｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面への第２触媒の担持量は、例えば、フィルタ本体１Ｌ当たり１５〜７５ｇ、細孔１６の内面への第２触媒の担持量は、例えば、単位細孔容積当たり０．０８〜０．３７ｇとすればよい。
＜第１触媒及び第２触媒＞
不飽和高ＨＣの浄化活性が高い第１触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｄを担持させてなるＰｄ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、ＣｅＺｒ系複合酸化物等のＯＳＣ材（酸素吸蔵放出材）、及び該ＯＳＣ材にＲｈを担持させてなるＲｈ触媒を含有するものが好ましい。
不飽和高ＨＣの浄化活性が高い第１触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｄを担持させてなるＰｄ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、ＣｅＺｒ系複合酸化物等のＯＳＣ材（酸素吸蔵放出材）、及び該ＯＳＣ材にＲｈを担持させてなるＲｈ触媒を含有するものが好ましい。
飽和低ＨＣの浄化活性が高い第２触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｔを担持させてなるＰｔ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、上記ＯＳＣ材を含有するものが好ましい。
上述の如く、触媒コンバータ３の前段ハニカム触媒７は、不飽和高ＨＣの浄化に優れた第１触媒を含有するから、排気ガス中の不飽和高ＨＣが当該第１触媒によって酸化浄化され、そのときに発生する触媒反応熱によって排気ガス温度が高くなる。これに伴い、飽和低ＨＣの浄化に優れた第２触媒を含有する後段ハニカム触媒８の温度が上昇する。従って、排気ガス中の飽和低ＨＣが、後段ハニカム触媒８の第２触媒によって効率良く浄化されることになる。
さらに、排気ガスは、ハニカム触媒７，８でのＨＣの浄化に伴う触媒反応熱によって温度が上昇して下流側の触媒付フィルタ１０に流れる。そのため、触媒付フィルタ１０の第２触媒による飽和低ＨＣの浄化が効率良く進むことになる。
また、触媒コンバータ３の前段ハニカム触媒７による不飽和高ＨＣのクラッキングによって飽和低ＨＣが生成し、該飽和低ＨＣが後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０に流れる。後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０の第２触媒は不飽和低ＨＣの浄化に優れているから、上記クラッキングによって生成する飽和低ＨＣも当該後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０の第２触媒によって効率良く浄化されることになる。
触媒付フィルタ１０では、第２触媒が、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面において厚く、細孔１６の内面において薄く担持されている。従って、当該隔壁１５の表面において排気ガスの浄化が活発になるから、それに伴って温度が上昇した排気ガスが細孔１６を通過していく。そのため、細孔１６の内面には第２触媒が薄く担持されているものの、細孔１６を通る排気ガス温度が高いことによって、当該第２触媒による排気ガスの浄化が効率良く進む。
＜排気ガス処理装置の製造方法＞
−フィルタの細孔内面への触媒の担持（第１工程）−
図７に示すように、フィルタ本体（触媒未担持）２１の一端部を、第１容器２２に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２３に浸漬して引き上げる。このフィルタ本体２１は、上述の流入側セル１２と流出側セル１３とが交互に設けられものである。
−フィルタの細孔内面への触媒の担持（第１工程）−
図７に示すように、フィルタ本体（触媒未担持）２１の一端部を、第１容器２２に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２３に浸漬して引き上げる。このフィルタ本体２１は、上述の流入側セル１２と流出側セル１３とが交互に設けられものである。
触媒スラリー２３に対してはフィルタ本体２１の上流端側を浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２３が付着する。
次いで、フィルタ本体２１の下流端に真空引きポンプ２４を接続し、該ポンプ２４を作動させてフィルタ本体２１の流出側１３を負圧にする。この流出側セル１３が負圧になることにより、流入側セル１２の上流端側に付着した触媒スラリー２３が、当該セル１２の下流側に引き寄せられるとともに、隔壁１５の細孔１６に浸み込んでいく。これにより、フィルタ２１の細孔１６の内面に触媒が担持される。
ここに、第１容器２２に貯留する触媒スラリー２３は、隔壁１５の細孔１６に浸み込みやすい粘度に調整する。
−乾燥−
フィルタ本体２１を加熱することにより、隔壁１５の細孔１６の内面に付着した触媒を乾燥させる。この乾燥は、例えば、フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持することにより行なう。
フィルタ本体２１を加熱することにより、隔壁１５の細孔１６の内面に付着した触媒を乾燥させる。この乾燥は、例えば、フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持することにより行なう。
−フィルタ隔壁表面への触媒の担持（第２工程）−
上記乾燥後のフィルタ本体２１の上流端側の端部を第２容器２５に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２６に浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２６が付着する。
上記乾燥後のフィルタ本体２１の上流端側の端部を第２容器２５に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２６に浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２６が付着する。
次いで、フィルタ本体２１の下流端に真空引きポンプ２４を接続し、該ポンプ２４を作動させてフィルタ本体２１の流出側セル１３を負圧にする。この流出側セル１３が負圧になることにより、流入側セル１２の上流端側に付着した触媒スラリー２３が、当該セル１２の下流側に引き寄せられる。これにより、フィルタ２１の流入側セル１２の内面に、すなわち、隔壁１５の表面に触媒が担持される。
ここに、第２容器２５に貯留する触媒スラリー２６は、真空引きポンプ２４による吸引時に隔壁１５の細孔１６に浸入することを抑制されるように、第１容器２２の触媒スラリー２３よりも、粘度を高くする。
なお、触媒スラリー２６を隔壁１５の表面に担持したとき、一部の細孔１６が塞がれるが、隔壁１５の表面に担持された触媒スラリー２６は、その後の焼成によって多孔質の触媒層になるから、排気ガスはその触媒層を通過して細孔１６に流入することができる。
−焼成−
上記第２工程を経たフィルタ本体２１加熱することにより、フィルタ本体２１の隔壁１５の表面に付着した触媒及び細孔１６の内面に付着した触媒を焼成する。この焼成は、例えば、フィルタ本体２１を５００℃の温度に２時間保持することにより行なう。必要に応じて、当該焼成前に、乾燥工程（フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持）を入れる。
上記第２工程を経たフィルタ本体２１加熱することにより、フィルタ本体２１の隔壁１５の表面に付着した触媒及び細孔１６の内面に付着した触媒を焼成する。この焼成は、例えば、フィルタ本体２１を５００℃の温度に２時間保持することにより行なう。必要に応じて、当該焼成前に、乾燥工程（フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持）を入れる。
以上により、フィルタ本体２１の流入側セル１２における隔壁１５の表面と細孔１６の内面に第２触媒が担持された触媒付フィルタ１０が得られる。
−アセンブリー（第３工程）−
触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容したＧＰＦ装置５を、ハニカム触媒７，８を触媒容器に収容した触媒コンバータ３と結合し、触媒コンバータ３を排気マニホールド２に連結管４を介して接続し、ＧＰＦ装置５と排気管６を接合する。これにより、エンジンの排気ガス処理装置が得られる。
触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容したＧＰＦ装置５を、ハニカム触媒７，８を触媒容器に収容した触媒コンバータ３と結合し、触媒コンバータ３を排気マニホールド２に連結管４を介して接続し、ＧＰＦ装置５と排気管６を接合する。これにより、エンジンの排気ガス処理装置が得られる。
＜実施例及び比較例＞
フィルタ本体２１として、容量１．３Ｌのコージェライト製フィルタを準備した。そのセル密度は２５０cpsi、隔壁厚は２００μｍ、隔壁の気孔率は５０％、隔壁の細孔容積は約１００ｃｍ３である。
フィルタ本体２１として、容量１．３Ｌのコージェライト製フィルタを準備した。そのセル密度は２５０cpsi、隔壁厚は２００μｍ、隔壁の気孔率は５０％、隔壁の細孔容積は約１００ｃｍ３である。
実施例では、当該フィルタ本体２１の細孔内面に第２触媒を１５ｇ／Ｌ（上記第１工程での担持量）、流入側セル１２を構成する隔壁面に第２触媒を４５ｇ／Ｌ（上記第２工程での担持量）担持させることによって触媒付フィルタを得た。
フィルタ本体２１の流入側セル１２を構成する隔壁面の総面積は１．８２ｍ２、水力直径の概念から計算したフィルタ本体２１の細孔内面の総面積は２５８．０９ｍ２である。従って、流入側セル１２を構成する隔壁面（フィルタ表面）の単位面積当たりの触媒担持量は２４．７３ｇ／ｍ２、細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量は０．０５８ｇ／ｍ２である。よって、流入側セル１２を構成する隔壁面の単位面積当たりの触媒担持量は、細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量の約４２６倍である。
比較例では、当該フィルタ本体２１の細孔内面に第２触媒を６０ｇ／Ｌ担持させることによって触媒付フィルタを得た。流入側セル１２を構成する隔壁面への触媒担持量は零とした。細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量は０．２３ｇ／ｍ２である。
[昇温特性]
実施例及び比較例各々の触媒付フィルタに模擬排気ガスとしてのメタンガス（フィルタ入口でのガス温度３００℃，ＣＨ４濃度１６０ｐｐｍＣ）を流したときの、細孔に流入するガス温度を試算した。
実施例及び比較例各々の触媒付フィルタに模擬排気ガスとしてのメタンガス（フィルタ入口でのガス温度３００℃，ＣＨ４濃度１６０ｐｐｍＣ）を流したときの、細孔に流入するガス温度を試算した。
ＣＨ４濃度、ガス流量１０ｇ／秒及びガス流通時間６０秒からフィルタに流入するＣＨ４総量（０．０６mol）を求めた。実施例フィルタでは、ＣＨ４総量の７５％が流入側セル１２の隔壁面に担持されている第２触媒で浄化されると仮定し、そのときのガスの上昇温度をフィルタの熱容量７３６Ｊ／ｋｇ・Ｋ及び重量０．４５ｋｇとＣＨ４の下記燃焼熱から求めた。比較例フィルタでは流入側セルでのＣＨ４浄化率は零である。結果を表１及び図８に示す。
ＣＨ４ ＋ ２Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ ＋ ８９１ｋＪ／mol
実施例のように、流入側セル１２を構成する隔壁面に触媒を担持すると、触媒反応熱によって細孔に流入する排気ガス温度が上昇し、細孔内面に担持されている触媒による排気ガスの浄化に有利になることがわかる。
[排気圧損］
実施例及び比較例各々の触媒担持量は同じく６０ｇ／Ｌである。比較例ではその触媒全量を細孔内面に担持しているのに対して、実施例では、触媒全量の３／４を流入側セル１２を構成する隔壁面に担持することにより、細孔内面への触媒担持量を１５ｇ／Ｌとしている。そのため、実施例フィルタでは、比較例フィルタに比べて、隔壁の気孔率が５．４％程度大きくなっている。
実施例及び比較例各々の触媒担持量は同じく６０ｇ／Ｌである。比較例ではその触媒全量を細孔内面に担持しているのに対して、実施例では、触媒全量の３／４を流入側セル１２を構成する隔壁面に担持することにより、細孔内面への触媒担持量を１５ｇ／Ｌとしている。そのため、実施例フィルタでは、比較例フィルタに比べて、隔壁の気孔率が５．４％程度大きくなっている。
触媒付フィルタによるエンジンの排気圧損は気孔率のみに依存すると仮定して、比較例を基準（１００％）とする実施例の排気圧損の低下率を算出した。その算出において、排気ガス流量は０．１５ｇ／ｓとし、排気ガス温度は５５０℃とした。結果を図９に示す。
実施例では、排気圧損が比較例比で９３％程度になっている。これから、実施例のように、触媒の一部を流入側セルを構成する隔壁面に担持すると、排気圧損が小さくなり、エンジンの掃気性の向上、ひいては燃費の向上に有利になることがわかる。
１ ガソリンエンジン
２ 排気マニホールド
３ 触媒コンバータ
５ ＧＰＦ装置
７ 前段ハニカム触媒
８ 後段ハニカム触媒
１０ 触媒付フィルタ
１２ 流入側セル
１３ 流出側セル
１４ 栓
１５ 隔壁
１６ 細孔
１７ 第２触媒
２ 排気マニホールド
３ 触媒コンバータ
５ ＧＰＦ装置
７ 前段ハニカム触媒
８ 後段ハニカム触媒
１０ 触媒付フィルタ
１２ 流入側セル
１３ 流出側セル
１４ 栓
１５ 隔壁
１６ 細孔
１７ 第２触媒
本発明はエンジンの排気ガス処理装置に関する。
エンジンから排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の他に、炭素を主成分とする粒子状物質（Particulate Matter、以下、「ＰＭ」という。）が含まれている。このＰＭも、大気汚染の原因となることから、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害ガス成分とともに、その排出規制が強化されてきている。
特許文献１には、排気ガス処理装置の大型化を避けるべく、ＰＭを捕集するフィルタに触媒を担持することにより、ＰＭを捕集するとともに、排気ガスの浄化を図ることが記載されている。そのフィルタは、軸方向に貫通した開放セルと上流端が閉塞された閉塞セルとを有するハニカム構造体であり、多孔質のセラミックスによって形成されている。そのハニカム構造体の排気ガス流れ方向の下流側部分では、触媒がセル壁に担持され、ハニカム構造体の上流側部分では、触媒がセル壁に担持されていない。
上記フィルタの場合、ハニカム構造体の上流側部分において、排気ガスが開放セルからセル壁の細孔を通って閉塞セルに流れることにより、ＰＭが細孔に捕集され、ハニカム構造体の下流側部分においてセル壁に担持された触媒により排気ガスの浄化が促進される。
特許文献１の場合、通気抵抗の増大を避けるべく、ハニカム構造体の上流側のセル壁には触媒が担持されていない。そのため、この上流側では触媒による排気ガスの浄化が図れない。排気ガスの浄化性能を高めるべく、ハニカム構造体の下流側の触媒担持量を多くすると、下流側のセル壁の細孔が触媒によって塞がれるため、排気ガスの通気抵抗が増大し、エンジンの掃気性が低下する。
そこで、本発明は、エンジンの掃気性の低下を抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させること、すなわち、排気ガス処理装置全体として、大型化及び排気抵抗の増大を抑制しつつ、所期の排気ガス浄化性能を確保することを課題とする。
本発明は、上記課題を解決するために、触媒を、排気ガス中のＰＭを捕集する多孔質フィルタの表面に厚く、該フィルタの細孔内面に薄く担持するようにした。
ここに開示するエンジンの排気ガス処理装置は、エンジンの排気ガス通路に設けられた触媒コンバータと、
上記排気ガス通路における上記触媒コンバータよりも下流側に設けられフィルタ装置とを有する排気ガス処理装置であって、
上記触媒コンバータは、炭素数が６〜９である飽和炭化水素（以下、「不飽和高ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す第１触媒を有する前段触媒と、該前段触媒よりも下流側に配置され炭素数が５以下である不飽和炭化水素（以下、「飽和低ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す第２触媒を有する後段触媒と、上記前段触媒及び上記後段触媒を共に収容する触媒容器とを備え、
上記フィルタ装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集する多孔質フィルタと、該多孔質フィルタを収容するフィルタ容器とを備え、上記排気ガスが上記フィルタの表面から該フィルタの細孔を通過して排出されるものであり、
上記触媒コンバータは、上記エンジンの排気マニホールドに連結管を介して結合され、
上記フィルタ装置は上記触媒コンバータに直結され、
上記フィルタ表面及び上記細孔内面に上記第２触媒が担持されており、
上記第２触媒は、上記細孔の内面よりも上記フィルタ表面に厚く担持されていることを特徴とする。
上記排気ガス通路における上記触媒コンバータよりも下流側に設けられフィルタ装置とを有する排気ガス処理装置であって、
上記触媒コンバータは、炭素数が６〜９である飽和炭化水素（以下、「不飽和高ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す第１触媒を有する前段触媒と、該前段触媒よりも下流側に配置され炭素数が５以下である不飽和炭化水素（以下、「飽和低ＨＣ」という。）の酸化反応に活性を示す第２触媒を有する後段触媒と、上記前段触媒及び上記後段触媒を共に収容する触媒容器とを備え、
上記フィルタ装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集する多孔質フィルタと、該多孔質フィルタを収容するフィルタ容器とを備え、上記排気ガスが上記フィルタの表面から該フィルタの細孔を通過して排出されるものであり、
上記触媒コンバータは、上記エンジンの排気マニホールドに連結管を介して結合され、
上記フィルタ装置は上記触媒コンバータに直結され、
上記フィルタ表面及び上記細孔内面に上記第２触媒が担持されており、
上記第２触媒は、上記細孔の内面よりも上記フィルタ表面に厚く担持されていることを特徴とする。
この排気ガス処理装置によれば、排気マニホールドに連結管を介して結合した触媒コンバータにフィルタ装置を直結し、この触媒コンバータとフィルタ装置によって排気ガスを浄化するようにしたから、フィルタの触媒担持量を少なめにすることができ、排気圧損の増大抑制に有利になるとともに、触媒コンバータの容量も低く抑えることができる。すなわち、排気ガス処理装置全体として、大型化及び排気抵抗の増大を抑制しつつ、所期の排気ガス浄化性能を確保することが容易になる。
上記排気ガス処理装置では、排気ガス中の不飽和高ＨＣが上流側の触媒コンバータの前段触媒の第１触媒によって酸化浄化され、その触媒反応熱によって排気ガス温度が高くなる。これに伴い、下流側の後段触媒及びフィルタの温度が上昇する。そのため、排気ガス中の飽和低ＨＣは、不飽和炭化水素に比べて燃えにくい（酸化分解されにくい）ものの、後段触媒及びフィルタの温度が上述の如く上昇するから、この後段触媒及びフィルタの第２触媒が当該飽和低ＨＣの浄化に効率良く働きやすくなる。よって、排気ガス温度が比較的低い場合でも、上記不飽和高ＨＣ及び飽和低ＨＣが効率良く浄化される。
また、前段触媒の第１触媒による不飽和高ＨＣのクラッキングによって飽和低ＨＣが生成し、該飽和低ＨＣが下流側の後段触媒及びフィルタに流れる。この後段触媒及びフィルタに担持されている第２触媒は飽和低ＨＣの浄化に活性を示すから、上記クラッキングによって生成する飽和低ＨＣも当該後段触媒及びフィルタの第２触媒によって効率良く浄化されることになる。
そうして、フィルタ装置では、第２触媒をフィルタ表面に厚く担持することによって、細孔内面の触媒の担持厚さを薄くするから、第２触媒による細孔の閉塞を避けて細孔の通気性を確保することが容易になる。すなわち、フィルタへの第２触媒の担持によってフィルタによる排気圧損が大きくなること、換言すれば、エンジンの排気行程における掃気効率が低下することが避けられる。
また、フィルタ表面では、第２触媒が厚く担持されているから、排気ガスの浄化が進み易い。そして、フィルタ表面での触媒反応熱によって温度が高くなった排気ガスが細孔を通過していく。よって、細孔内面には第２触媒が薄く担持されているものの、細孔を通る排気ガス温度が高いことによって、第２触媒による排気ガスの浄化が効率良く進む。
一実施形態では、上記フィルタ表面の単位面積当たりの上記触媒の担持量は、上記細孔内面の単位面積当たりの上記触媒の担持量の５０倍以上５００倍以下である。これにより、エンジンの掃気性の低下を抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させる上でさらに有利になる。
ここに開示するエンジンの排気ガス処理装置の製造方法は、
エンジンの排気ガスを通す細孔を有する多孔質フィルタを、排気ガス浄化用の触媒を分散させた第１触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの細孔内面に担持する第１工程と、
上記第１工程を経た上記フィルタを、上記触媒を分散させた第２触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの表面に、上記細孔内面に担持された上記触媒の厚さよりも厚く担持する第２工程と、
上記第２工程を経た上記フィルタを上記エンジンの排気ガス通路に設ける第３工程とを備えていることを特徴とする。
エンジンの排気ガスを通す細孔を有する多孔質フィルタを、排気ガス浄化用の触媒を分散させた第１触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの細孔内面に担持する第１工程と、
上記第１工程を経た上記フィルタを、上記触媒を分散させた第２触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの表面に、上記細孔内面に担持された上記触媒の厚さよりも厚く担持する第２工程と、
上記第２工程を経た上記フィルタを上記エンジンの排気ガス通路に設ける第３工程とを備えていることを特徴とする。
この方法によれば、フィルタの細孔内面への触媒の担持とフィルタ表面への触媒の担持とを別工程で行ない、且つ先にフィルタの細孔内面に触媒を担持するようにしたから、触媒を細孔内面よりもフィルタ表面に厚く担持することが容易になる。
一実施形態では、上記第１触媒スラリーの触媒と上記第２触媒スラリーの触媒とは、その成分が同じである。
一実施形態では、上記第１工程と第２工程の間に、上記フィルタの細孔内面に担持した上記触媒を乾燥させる工程を備え、
上記第２工程と上記第３工程の間に、上記フィルタの表面に担持された上記触媒及び上記細孔内面に担持された上記触媒を焼成する工程を備えている。
上記第２工程と上記第３工程の間に、上記フィルタの表面に担持された上記触媒及び上記細孔内面に担持された上記触媒を焼成する工程を備えている。
フィルタの細孔内面に担持した触媒を乾燥させるから、第２工程において、フィルタの表面に触媒を担持するときに、細孔内面の触媒が流失することが避けられる。
本発明によれば、排気マニホールドに連結管を介して結合した触媒コンバータにフィルタ装置を直結し、触媒コンバータが不飽和高ＨＣの酸化反応に活性を示す第１触媒を有する前段触媒と、飽和低ＨＣの酸化反応に活性を示す第２触媒を有する後段触媒とを備え、フィルタ装置の多孔質フィルタでは、上記第２触媒がフィルタの細孔内面よりもフィルタの表面に厚く担持されているから、換言すれば、フィルタの細孔内面に触媒が薄く担持されているから、エンジンの掃気性の低下を抑えながら（エンジンの燃費を向上させながら）、そして、排気ガス処理装置全体が大型化することを抑えながら、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
＜排気ガス処理装置＞
図１において、１は自動車の直噴ガソリンエンジン、２はエンジン１の排気マニホールドである。排気マニホールド２の集合部２ａに触媒コンバータ３が連結管４を介して結合され、触媒コンバータ３における排気流れ方向の下流側にＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）装置５が直結されている。ＧＰＦ装置５から排気管６が自動車の後方へ向かって延びている。
図１において、１は自動車の直噴ガソリンエンジン、２はエンジン１の排気マニホールドである。排気マニホールド２の集合部２ａに触媒コンバータ３が連結管４を介して結合され、触媒コンバータ３における排気流れ方向の下流側にＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）装置５が直結されている。ＧＰＦ装置５から排気管６が自動車の後方へ向かって延びている。
図２に示すように、触媒コンバータ３は、前段及び後段２つのハニカム触媒７，８を直列にして触媒容器に収容した２ベッド型である。前段のハニカム触媒７は、ハニカム担体に第１触媒を担持してなる。後段のハニカム触媒８は、ハニカム担体に第２触媒を担持してなる。ハニカム担体としては、容量０．５〜１．５Ｌ程度のものを用いることが好ましい。
第１触媒は、第２触媒よりも低い温度でトルエン等の不飽和高ＨＣの酸化反に活性を示す。一方、第２触媒は、第１触媒よりも低い温度でイソペンタン等の飽和低ＨＣの酸化反応に活性を示す。
ＧＰＦ装置５は、触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容してなる。触媒付フィルタ１０は、コージェライト、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、サイアロン、ＡｌＴｉＯ３等の無機多孔質材料よりなるセラミックス製フィルタ本体に上記第２触媒を担持させてなる。図３乃至図５に模式的に示すように、触媒付フィルタ１０は、ハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数のセル１２、１３を備えている。下流端が栓１４により閉塞された流入側セル１２と、上流端が栓１４により閉塞された流出側セル１３とが交互に設けられている。セル１２とセル１３とは薄肉の隔壁（排気ガス通路壁）１５を介して隔てられている。図３において、符号１１は排気ガス通路を示す。図４おいてハッチングを付した部分は排気ガス流出路１３の上流端の栓１４を示している。
フィルタ本体としては、容量が１．０〜２．０Ｌ、セル密度が２００〜３００cpsi、隔壁１５の厚さが１５０〜２５０μｍ、隔壁１５の気孔率が４０〜６０％、隔壁１５の細孔容積が７０〜４００ｃｍ３程度のものを採用することが好ましい。
図５に示すように、排気ガスは、触媒付フィルタ１０の流入側セル１２に流入し、矢印で示すように、セル１２の周囲の隔壁１５を通って隣接する流出側セル１３に流出する。
図６に示すように、隔壁１５はセル１２とセル１３とを連通する微小な細孔１６を有し、この細孔１６を排気ガスが通る。排気ガス中のＰＭは、主にセル１２及び細孔１６の壁部に付着して堆積する。
第２触媒１７は、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面（フィルタ表面）と、細孔１６の内面に担持されている。第２触媒１７は、細孔１６の内面よりもセル１２を構成する隔壁１５の表面に厚く担持されている。上記隔壁１５の表面の単位面積当たりの第２触媒の担持量が、細孔１６の内面の単位面積当たりの第２触媒の担持量の５０倍以上５００倍以下になるようにすることが好ましい。
そのためには、フィルタ本体に対する触媒総担持量の過半量を、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面に担持するようにすればよい。触媒総担持量の６５％以上８５％以下を、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面に担持することが好ましい。
上記フィルタ本体１Ｌ当たりの第２触媒の担持量は隔壁１５の表面及び細孔１６の内面合わせて２０〜１００ｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面への第２触媒の担持量は、例えば、フィルタ本体１Ｌ当たり１５〜７５ｇ、細孔１６の内面への第２触媒の担持量は、例えば、単位細孔容積当たり０．０８〜０．３７ｇとすればよい。
＜第１触媒及び第２触媒＞
不飽和高ＨＣの浄化活性が高い第１触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｄを担持させてなるＰｄ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、ＣｅＺｒ系複合酸化物等のＯＳＣ材（酸素吸蔵放出材）、及び該ＯＳＣ材にＲｈを担持させてなるＲｈ触媒を含有するものが好ましい。
不飽和高ＨＣの浄化活性が高い第１触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｄを担持させてなるＰｄ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、ＣｅＺｒ系複合酸化物等のＯＳＣ材（酸素吸蔵放出材）、及び該ＯＳＣ材にＲｈを担持させてなるＲｈ触媒を含有するものが好ましい。
飽和低ＨＣの浄化活性が高い第２触媒としては、Ｌａ２Ｏ３を４質量％含有する活性アルミナにＰｔを担持させてなるＰｔ担持Ｌａ２Ｏ３含有アルミナを必須成分として含有し、さらに、上記ＯＳＣ材を含有するものが好ましい。
上述の如く、触媒コンバータ３の前段ハニカム触媒７は、不飽和高ＨＣの浄化に優れた第１触媒を含有するから、排気ガス中の不飽和高ＨＣが当該第１触媒によって酸化浄化され、そのときに発生する触媒反応熱によって排気ガス温度が高くなる。これに伴い、飽和低ＨＣの浄化に優れた第２触媒を含有する後段ハニカム触媒８の温度が上昇する。従って、排気ガス中の飽和低ＨＣが、後段ハニカム触媒８の第２触媒によって効率良く浄化されることになる。
さらに、排気ガスは、ハニカム触媒７，８でのＨＣの浄化に伴う触媒反応熱によって温度が上昇して下流側の触媒付フィルタ１０に流れる。そのため、触媒付フィルタ１０の第２触媒による飽和低ＨＣの浄化が効率良く進むことになる。
また、触媒コンバータ３の前段ハニカム触媒７による不飽和高ＨＣのクラッキングによって飽和低ＨＣが生成し、該飽和低ＨＣが後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０に流れる。後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０の第２触媒は不飽和低ＨＣの浄化に優れているから、上記クラッキングによって生成する飽和低ＨＣも当該後段ハニカム触媒８及び触媒付きフィルタ１０の第２触媒によって効率良く浄化されることになる。
触媒付フィルタ１０では、第２触媒が、流入側セル１２を構成する隔壁１５の表面において厚く、細孔１６の内面において薄く担持されている。従って、当該隔壁１５の表面において排気ガスの浄化が活発になるから、それに伴って温度が上昇した排気ガスが細孔１６を通過していく。そのため、細孔１６の内面には第２触媒が薄く担持されているものの、細孔１６を通る排気ガス温度が高いことによって、当該第２触媒による排気ガスの浄化が効率良く進む。
＜排気ガス処理装置の製造方法＞
−フィルタの細孔内面への触媒の担持（第１工程）−
図７に示すように、フィルタ本体（触媒未担持）２１の一端部を、第１容器２２に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２３に浸漬して引き上げる。このフィルタ本体２１は、上述の流入側セル１２と流出側セル１３とが交互に設けられものである。
−フィルタの細孔内面への触媒の担持（第１工程）−
図７に示すように、フィルタ本体（触媒未担持）２１の一端部を、第１容器２２に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２３に浸漬して引き上げる。このフィルタ本体２１は、上述の流入側セル１２と流出側セル１３とが交互に設けられものである。
触媒スラリー２３に対してはフィルタ本体２１の上流端側を浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２３が付着する。
次いで、フィルタ本体２１の下流端に真空引きポンプ２４を接続し、該ポンプ２４を作動させてフィルタ本体２１の流出側１３を負圧にする。この流出側セル１３が負圧になることにより、流入側セル１２の上流端側に付着した触媒スラリー２３が、当該セル１２の下流側に引き寄せられるとともに、隔壁１５の細孔１６に浸み込んでいく。これにより、フィルタ２１の細孔１６の内面に触媒が担持される。
ここに、第１容器２２に貯留する触媒スラリー２３は、隔壁１５の細孔１６に浸み込みやすい粘度に調整する。
−乾燥−
フィルタ本体２１を加熱することにより、隔壁１５の細孔１６の内面に付着した触媒を乾燥させる。この乾燥は、例えば、フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持することにより行なう。
フィルタ本体２１を加熱することにより、隔壁１５の細孔１６の内面に付着した触媒を乾燥させる。この乾燥は、例えば、フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持することにより行なう。
−フィルタ隔壁表面への触媒の担持（第２工程）−
上記乾燥後のフィルタ本体２１の上流端側の端部を第２容器２５に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２６に浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２６が付着する。
上記乾燥後のフィルタ本体２１の上流端側の端部を第２容器２５に貯留した上記第２触媒に係る触媒スラリー２６に浸漬して引き上げる。これにより、フィルタ本体２１の流入側セル１２の上流端側の内面に触媒スラリー２６が付着する。
次いで、フィルタ本体２１の下流端に真空引きポンプ２４を接続し、該ポンプ２４を作動させてフィルタ本体２１の流出側セル１３を負圧にする。この流出側セル１３が負圧になることにより、流入側セル１２の上流端側に付着した触媒スラリー２３が、当該セル１２の下流側に引き寄せられる。これにより、フィルタ２１の流入側セル１２の内面に、すなわち、隔壁１５の表面に触媒が担持される。
ここに、第２容器２５に貯留する触媒スラリー２６は、真空引きポンプ２４による吸引時に隔壁１５の細孔１６に浸入することを抑制されるように、第１容器２２の触媒スラリー２３よりも、粘度を高くする。
なお、触媒スラリー２６を隔壁１５の表面に担持したとき、一部の細孔１６が塞がれるが、隔壁１５の表面に担持された触媒スラリー２６は、その後の焼成によって多孔質の触媒層になるから、排気ガスはその触媒層を通過して細孔１６に流入することができる。
−焼成−
上記第２工程を経たフィルタ本体２１加熱することにより、フィルタ本体２１の隔壁１５の表面に付着した触媒及び細孔１６の内面に付着した触媒を焼成する。この焼成は、例えば、フィルタ本体２１を５００℃の温度に２時間保持することにより行なう。必要に応じて、当該焼成前に、乾燥工程（フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持）を入れる。
上記第２工程を経たフィルタ本体２１加熱することにより、フィルタ本体２１の隔壁１５の表面に付着した触媒及び細孔１６の内面に付着した触媒を焼成する。この焼成は、例えば、フィルタ本体２１を５００℃の温度に２時間保持することにより行なう。必要に応じて、当該焼成前に、乾燥工程（フィルタ本体２１を１５０℃の温度に２時間保持）を入れる。
以上により、フィルタ本体２１の流入側セル１２における隔壁１５の表面と細孔１６の内面に第２触媒が担持された触媒付フィルタ１０が得られる。
−アセンブリー（第３工程）−
触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容したＧＰＦ装置５を、ハニカム触媒７，８を触媒容器に収容した触媒コンバータ３と結合し、触媒コンバータ３を排気マニホールド２に連結管４を介して接続し、ＧＰＦ装置５と排気管６を接合する。これにより、エンジンの排気ガス処理装置が得られる。
触媒付フィルタ１０をフィルタ容器に収容したＧＰＦ装置５を、ハニカム触媒７，８を触媒容器に収容した触媒コンバータ３と結合し、触媒コンバータ３を排気マニホールド２に連結管４を介して接続し、ＧＰＦ装置５と排気管６を接合する。これにより、エンジンの排気ガス処理装置が得られる。
＜実施例及び比較例＞
フィルタ本体２１として、容量１．３Ｌのコージェライト製フィルタを準備した。そのセル密度は２５０cpsi、隔壁厚は２００μｍ、隔壁の気孔率は５０％、隔壁の細孔容積は約１００ｃｍ３である。
フィルタ本体２１として、容量１．３Ｌのコージェライト製フィルタを準備した。そのセル密度は２５０cpsi、隔壁厚は２００μｍ、隔壁の気孔率は５０％、隔壁の細孔容積は約１００ｃｍ３である。
実施例では、当該フィルタ本体２１の細孔内面に第２触媒を１５ｇ／Ｌ（上記第１工程での担持量）、流入側セル１２を構成する隔壁面に第２触媒を４５ｇ／Ｌ（上記第２工程での担持量）担持させることによって触媒付フィルタを得た。
フィルタ本体２１の流入側セル１２を構成する隔壁面の総面積は１．８２ｍ２、水力直径の概念から計算したフィルタ本体２１の細孔内面の総面積は２５８．０９ｍ２である。従って、流入側セル１２を構成する隔壁面（フィルタ表面）の単位面積当たりの触媒担持量は２４．７３ｇ／ｍ２、細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量は０．０５８ｇ／ｍ２である。よって、流入側セル１２を構成する隔壁面の単位面積当たりの触媒担持量は、細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量の約４２６倍である。
比較例では、当該フィルタ本体２１の細孔内面に第２触媒を６０ｇ／Ｌ担持させることによって触媒付フィルタを得た。流入側セル１２を構成する隔壁面への触媒担持量は零とした。細孔内面の単位面積当たりの触媒担持量は０．２３ｇ／ｍ２である。
[昇温特性]
実施例及び比較例各々の触媒付フィルタに模擬排気ガスとしてのメタンガス（フィルタ入口でのガス温度３００℃，ＣＨ４濃度１６０ｐｐｍＣ）を流したときの、細孔に流入するガス温度を試算した。
実施例及び比較例各々の触媒付フィルタに模擬排気ガスとしてのメタンガス（フィルタ入口でのガス温度３００℃，ＣＨ４濃度１６０ｐｐｍＣ）を流したときの、細孔に流入するガス温度を試算した。
ＣＨ４濃度、ガス流量１０ｇ／秒及びガス流通時間６０秒からフィルタに流入するＣＨ４総量（０．０６mol）を求めた。実施例フィルタでは、ＣＨ４総量の７５％が流入側セル１２の隔壁面に担持されている第２触媒で浄化されると仮定し、そのときのガスの上昇温度をフィルタの熱容量７３６Ｊ／ｋｇ・Ｋ及び重量０．４５ｋｇとＣＨ４の下記燃焼熱から求めた。比較例フィルタでは流入側セルでのＣＨ４浄化率は零である。結果を表１及び図８に示す。
ＣＨ４ ＋ ２Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ ＋ ８９１ｋＪ／mol
実施例のように、流入側セル１２を構成する隔壁面に触媒を担持すると、触媒反応熱によって細孔に流入する排気ガス温度が上昇し、細孔内面に担持されている触媒による排気ガスの浄化に有利になることがわかる。
[排気圧損］
実施例及び比較例各々の触媒担持量は同じく６０ｇ／Ｌである。比較例ではその触媒全量を細孔内面に担持しているのに対して、実施例では、触媒全量の３／４を流入側セル１２を構成する隔壁面に担持することにより、細孔内面への触媒担持量を１５ｇ／Ｌとしている。そのため、実施例フィルタでは、比較例フィルタに比べて、隔壁の気孔率が５．４％程度大きくなっている。
実施例及び比較例各々の触媒担持量は同じく６０ｇ／Ｌである。比較例ではその触媒全量を細孔内面に担持しているのに対して、実施例では、触媒全量の３／４を流入側セル１２を構成する隔壁面に担持することにより、細孔内面への触媒担持量を１５ｇ／Ｌとしている。そのため、実施例フィルタでは、比較例フィルタに比べて、隔壁の気孔率が５．４％程度大きくなっている。
触媒付フィルタによるエンジンの排気圧損は気孔率のみに依存すると仮定して、比較例を基準（１００％）とする実施例の排気圧損の低下率を算出した。その算出において、排気ガス流量は０．１５ｇ／ｓとし、排気ガス温度は５５０℃とした。結果を図９に示す。
実施例では、排気圧損が比較例比で９３％程度になっている。これから、実施例のように、触媒の一部を流入側セルを構成する隔壁面に担持すると、排気圧損が小さくなり、エンジンの掃気性の向上、ひいては燃費の向上に有利になることがわかる。
１ ガソリンエンジン
２ 排気マニホールド
３ 触媒コンバータ
５ ＧＰＦ装置
７ 前段ハニカム触媒
８ 後段ハニカム触媒
１０ 触媒付フィルタ
１２ 流入側セル
１３ 流出側セル
１４ 栓
１５ 隔壁
１６ 細孔
１７ 第２触媒
２ 排気マニホールド
３ 触媒コンバータ
５ ＧＰＦ装置
７ 前段ハニカム触媒
８ 後段ハニカム触媒
１０ 触媒付フィルタ
１２ 流入側セル
１３ 流出側セル
１４ 栓
１５ 隔壁
１６ 細孔
１７ 第２触媒
Claims (6)
- エンジンの排気ガス通路に排気ガス中の粒子状物質を捕集する多孔質フィルタが設けられてなり、
上記排気ガスが上記フィルタの表面から該フィルタの細孔を通過して排出される排気ガス処理装置であって、
上記フィルタ表面及び上記細孔内面に排気ガス浄化用の触媒が担持されており、
上記触媒は、上記細孔内面よりも上記フィルタ表面に厚く担持されていることを特徴とするエンジンの排気ガス処理装置。 - 請求項１において、
上記フィルタ表面の単位面積当たりの上記触媒の担持量は、上記細孔内面の単位面積当たりの上記触媒の担持量の５０倍以上５００倍以下であることを特徴とするエンジンの排気ガス処理装置。 - 請求項１又は請求項２において、
上記排気ガス通路における上記フィルタよりも上流側に上記排気ガスを浄化する触媒コンバータが設けられていて、
上記触媒コンバータは、炭素数が６〜９である不飽和炭化水素の酸化反応に活性を示す触媒を備え、
上記フィルタの上記触媒が炭素数が５以下である飽和炭化水素の酸化反応に活性を示すことを特徴とするエンジンの排気ガス処理装置。 - エンジンの排気ガスを通す細孔を有する多孔質フィルタを、排気ガス浄化用の触媒を分散させた第１触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの細孔内面に担持する第１工程と、
上記第１工程を経た上記フィルタを、上記触媒を分散させた第２触媒スラリーに浸漬し、該触媒を上記フィルタの表面に、上記細孔内面に担持された上記触媒の厚さよりも厚く担持する第２工程と、
上記第２工程を経た上記フィルタを上記エンジンの排気ガス通路に設ける第３工程とを備えていることを特徴とするエンジンの排気ガス処理装置の製造方法。 - 請求項４において、
上記第１触媒スラリーの触媒と上記第２触媒スラリーの触媒とは、その成分が同じであることを特徴とするに分散させたエンジンの排気ガス処理装置の製造方法。 - 請求項４又は請求項５において、
上記第１工程と上記第２工程の間に、上記フィルタの細孔内面に担持した上記触媒を乾燥させる工程を備え、
上記第２工程と上記第３工程の間に、上記フィルタの表面に担持された上記触媒及び上記細孔内面に担持された上記触媒を焼成する工程を備えていることを特徴とするエンジンの排気ガス処理装置の製造方法。
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