JP2020163336A - 排ガス浄化フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】捕集率が高く、圧損の低い排ガス浄化フィルタ１を提供する。【解決手段】排ガス浄化フィルタはハニカム構造部１０と、目封じ部１６とを備える。ハニカム構造部１０は、多孔質の隔壁１２と、隔壁１２によって区画され、排ガス流路を形成する複数のセル１３とを有する。目封じ部１６は、セル１３におけるガスの流入側端面１４又は流出側端面１５を互い違いに閉塞する。排ガス浄化フィルタは、水銀圧入法によって測定されるハニカム構造部１０の細孔径が１０μｍ以下となる微細孔１２４を全細孔容積の５％以上含む。隔壁１２は、これに隣接するセル１３間を連通する複数の連通孔１２２を有し、連通孔１２２における最大径Φ１μｍと最小径Φ2μｍとが、Φ１≧５０、１００×Φ２／Φ１≦２０となるくびれ型連通孔１２５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集することができる排ガス浄化フィルタに関する。

ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関、ボイラー等の熱機関から排出される排ガス中には、パティキュレートと呼ばれる粒子状物質が含まれる。パティキュレートのことを以下適宜「ＰＭ」という。排ガス中のＰＭを捕集するために排ガス浄化フィルタが用いられている。

排ガス浄化フィルタは、一般に、多孔質の隔壁によって区画されて形成された複数のセルを有するハニカム構造部と、隣接するセルを互い違いに閉塞する目封じ部とを有する。排ガス浄化フィルタでは、排ガス中に含まれるＰＭが隔壁の細孔内に捕集され、ＰＭの捕集率を高めつつ、圧力損失を低減することが求められている。なお、ＰＭの捕集率を以下適宜「捕集率」といい、圧力損失のことを以下適宜「圧損」という。圧損を低下させるためには、隔壁の気孔率を高めることが有効であるが、気孔率を高めると捕集率が低下する傾向がある。

特許文献１では、フィルタの細孔径分布において、細孔径１０〜５０μｍの細孔容積を７５％以上とし、細孔径１０μｍ以下及び細孔径５０μｍ以上の細孔容積を少なくする技術が開示されている。特許文献１によれば、上記構成を採用することにより、ディーゼルエンジンの改良により小径化したＰＭを高効率に捕集できるとしている。

特許文献２では、水銀圧入法により測定される平均細孔径（Ａ）μｍと、バブルポイント法により測定される平均細孔径（Ｂ）μｍとが、｛（Ａ−Ｂ）／Ｂ｝×１００で表される平均細孔径差率を３５（％）以下とし、平均細孔径（Ｂ）を１５〜３０μｍとし、かつ、バブルポイント法で測定される最大細孔径を１５０μｍ以下とする技術が開示されている。特許文献２によれば、上記構成を採用することにより、ディーゼルエンジンの改良により小径化したＰＭを高効率に捕集できるとしている。

特許第４０９４８３０号 特許第４４７３６９３号

粒径が小さな微小ＰＭはブラウン運動を起こしやすく、微小ＰＭを多く含む排ガス中では、ブラウン運動するＰＭの割合が多い。その結果、細孔内へのＰＭの捕集は、ガス流れによるＰＭの細孔壁との慣性衝突よりも、ブラウン運動による細孔壁との衝突が支配的となる。したがって、特許文献１に開示された細孔径分布の調整によって、ＰＭを高効率に捕集できると考えられる。

しかし、たとえばエンジンの始動時には、排ガスがＳＯＦ（ソルブル・オーガニック・フラクション）を多く含有するため、排ガス中のＰＭの粒径が大きくなる。粒径の大きな粗大ＰＭは、ブラウン運動を起こしにくく、粗大ＰＭの捕集では、ガス流れによる細孔壁との慣性衝突が支配的となる。更に、エンジン始動時は排気温が低くなることも、ブラウン運動するＰＭを少なくし、慣性衝突による捕集が支配的となる要因となる。

特許文献１に記載の技術では、慣性衝突の確率が低くなるため、粗大ＰＭの捕集効率が低下する。その結果、ＰＭの捕集率が低くなる。また、特許文献２に記載の技術では、バブルポイント法で測定された最大細孔径は１５０μｍ以下であることから、連通孔の最も狭い部分が１５０μｍ以下となる。つまり、連通孔の最も狭い部分が例えば１００μｍとなる大きな連通孔が存在することとなり、連通孔の形状次第ではこの大きな連通孔から粗大ＰＭが容易に通過する。その結果、粗大ＰＭの捕集率が低下してＰＭ全体の捕集率も低くなる。また、隔壁の全細孔容積に対する微細孔の割合を増加させることにより、慣性衝突の確率が増えるため、粗大ＰＭの捕集効率を向上できるものの、圧損が大幅に大きくなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、捕集率が高く、圧損の低い排ガス浄化フィルタを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、多孔質の隔壁（１２）と、該隔壁によって区画され、排ガス流路を形成する複数のセル（１３）とを有するハニカム構造部（１０）と、
上記セルにおけるガスの流入側端面（１４）又は流出側端面（１５）を互い違いに閉塞する目封じ部（１６）と、を備える、排ガス浄化フィルタ（１）において、
上記排ガス浄化フィルタは、水銀圧入法によって測定される上記ハニカム構造部の細孔径が１０μｍ以下となる微細孔（１２４）を全細孔容積の５％以上含み、
上記隔壁は、該隔壁に隣接する上記セル間を連通する複数の連通孔（１２２）を有し、該連通孔における最大径Φ_１μｍと最小径Φ₂μｍとが、Φ_１≧５０、１００×Φ_２／Φ_１≦２０となるくびれ型連通孔（１２５）を有する、排ガス浄化フィルタにある。

上記排ガス浄化フィルタでは、細孔径が１０μｍ以下となる微細孔が全細孔容積の５％以上である。つまり慣性衝突により粗大ＰＭを捕集できる微細孔が多い。その結果、排ガス浄化フィルタでは、粗大ＰＭを慣性衝突により捕集する確率が高くなり、微細孔内で粗大ＰＭを十分に捕集することができる。

さらに、排ガス浄化フィルタは、くびれ型連通孔を有する。くびれ型連通孔は、最大径Φ_１μｍと最小径Φ_２μｍとが、Φ_１≧５０、１００×Φ_２／Φ_１≦２０となる連通孔である。最大径Φ_１が５０μｍ以上となる連通孔には、排ガスの流入が集中し易く、通常は慣性衝突の確率が低くなるが、くびれ型連通孔では、１００×Φ_２／Φ_１≦２０となる最小径の部分（以下、適宜「くびれ部」という）を有するため、慣性衝突の確率が高くなる。その結果、くびれ型連通孔では、粗大ＰＭの捕集効率が高くなる。さらに、くびれ型連通孔では、排ガス流路が最小径Φ_２μｍのくびれ部で絞られるため、最大径Φ₁５０μｍ以上となる大きな径を有しながらも、くびれ型連通孔内への集中的な排ガスの流入が抑制され、よりＰＭに対する捕集効率の高い微細孔などのその他の細孔内へガス流れが分散される。その結果、ＰＭの捕集効率が高くなり、ＰＭの捕集率が高くなる。

上記排ガス浄化フィルタにおいては、圧損を上昇させやすい微細孔を増加させるだけではなく、大細孔を利用してＰＭの捕集効率を向上させているため、圧損の上昇は抑制される。つまり、圧損の上昇を抑制しつつ、ＰＭの捕集率が十分に高くなる。

以上のごとく、上記態様によれば、捕集率が高く、圧損の低い排ガス浄化フィルタを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、排ガス浄化フィルタの斜視図である。 実施形態１における、排ガス浄化フィルタの軸方向における部分断面拡大図である。 実施形態１における、排ガス浄化フィルタの隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、簡略化したくびれ型連通孔の一例を示す隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、簡略化した微細孔内での粗大ＰＭの挙動を示す隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、簡略化したくびれ型連通孔内での粗大ＰＭの挙動の一例を示す隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、簡略化したくびれ型連通孔内での粗大ＰＭの挙動の他の例を示す隔壁の拡大断面模式図である。 図４のVIII−VIII線矢視断面図である。 実施形態１における、隔壁のＣＴスキャンに関する説明図である。 実施形態１における、（ａ）排ガス浄化フィルタの径方向における測定サンプルの採取位置を示した図であり、（ｂ）排ガス浄化フィルタの軸方向及び径方向における測定サンプルの採取位置を示した図である。 実施形態１における、３Ｄモデル化における二値化処理の閾値を示す図である。 実施形態１における、（ａ）微細孔が形成される場合の気孔形成材料の配置の一例を示す図であり、（ｂ）微細孔が形成された隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、（ａ）くびれ型連通孔が形成される場合の気孔形成材料の配置の一例を示す図であり、（ｂ）くびれ型連通孔が形成された隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態１における、触媒が担持された隔壁の拡大断面模式図である。 実施形態２における、排ガス浄化システムの概略図である。 実施形態２における、排気管内に配置された排ガス浄化フィルタの断面模式図である。 比較形態１における、細孔径の大きな大細孔内における微小ＰＭの挙動を示す隔壁の拡大断面模式図である。 比較形態１における、細孔径の大きな大細孔内における粗大ＰＭの挙動を示す隔壁の拡大断面模式図である。 比較形態１における、微細孔内での粗大ＰＭの挙動を示す隔壁の拡大断面模式図である。 実験例１における、微細孔の細孔容積割合と捕集率との関係を示す図である。 実施形態１における、微細孔の細孔容積割合と圧力損失との関係を示す図である。 実施形態１における、くびれ型連通孔の割合と捕集率との関係を示す図である。

（実施形態１）
排ガス浄化フィルタに係る実施形態について、図１〜図１４を参照して説明する。図１〜図３に例示されるように、排ガス浄化フィルタ１は、ハニカム構造部１０と目封じ部１６とを有する。ハニカム構造部１０は、コージェライトなどのセラミックスから形成され、例えば外皮１１と、隔壁１２と、セル１３とを有する。

外皮１１は、例えば、円筒状のような筒状に形成される。本実施形態では、この筒状の外皮１１の軸方向Ｙを排ガス浄化フィルタ１の軸方向Ｙとして以下説明する。また、図２における矢印は、排ガス浄化フィルタ１を排気管などの排ガスの通り道に配置した際の排ガスの流れを示す。

図１および図２に例示されるように、隔壁１２は、外皮１１の内側を多数のセルに区画する。隔壁１２は、一般に、セル壁とも呼ばれる。隔壁１２は、例えば、格子状に設けられる。排ガス浄化フィルタ１は多孔質体であり、図３に例示されるように、隔壁１２には多数の細孔１２１が形成されている。したがって、排ガス浄化フィルタ１は、隔壁１２の表面や細孔１２１内に排ガス中に含まれるＰＭ２を堆積させて捕集することができる。細孔１２１は気孔と呼ばれることもある。ＰＭ２は、粒子状物質、パティキュレートマター、パティキュレートなどと呼ばれる微小粒子である。

多孔質の隔壁１２の平均細孔径を小さくするほどＰＭ２の捕集率を向上できるが、圧損が高くなる。ＰＭ２、特に粗大ＰＭ２２捕集率の向上と圧損の抑制を高次元で両立させるという観点から、隔壁１２の平均細孔径は、例えば、１５μｍ以上２２μｍ以下の範囲に調整されることが好ましい。この効果をより高めるという観点から、平均細孔径は、１６μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、１６μｍ以上１８μｍ以下であることがさらに好ましい。

隔壁１２の気孔率を高くすると圧損は低く抑えられるが、フィルタ強度が低下する。逆に、気孔率を低くするとフィルタ強度は高くできるが、圧損が高くなる。気孔率が異なっていても本発明の所望の効果が得られるが、圧損とフィルタ強度をより高次元で両立させるという観点から、隔壁１２の気孔率は、例えば、６０％以上７０％以下の範囲に調整されることが好ましい。かかる効果をより高めるという観点から、気孔率は６２％以上６８％以下であることがより好ましく、６４％以上６７％以下であることがさらに好ましい。隔壁１２の平均細孔径、気孔率は、水銀圧入法により測定され、詳細な測定方法は実験例にて示す。

多孔質の隔壁１２は、細孔径分布を有し、細孔径が１０μｍ以下となる微細孔１２４を全細孔容積の５％以上含む。これにより、排ガス浄化フィルタ１は、ＰＭ２を高い捕集率で捕集することができる。細孔径分布、細孔径は、水銀圧入法により測定される。全細孔容積中に微細孔１２４の容積が占める割合のことを、適宜「微細孔の細孔容積割合」という。

図１及び図２に例示されるように、排ガス浄化フィルタ１は、多数のセル１３を有する。セル１３は、隔壁１２に囲まれ排ガス流路を形成する。セル１３の伸長方向は、通常、軸方向Ｙと一致する。

図１に例示されるように、軸方向Ｙと直交方向のフィルタ断面におけるセル形状は、例えば、四角形状であるが、これに限定されない。セル形状は、三角形状、四角形状、六角形状などの多角形や円形状などであってもよい。また、セル形状は、２種以上の異なる形状の組み合わせであってもよい。

排ガス浄化フィルタ１は、例えば、円柱状等の柱状体であり、その寸法は適宜変更可能である。排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｙの両端に流入側端面１４、流出側端面１５を有する。流入側端面１４は、排ガスが流入する側の端面であり、流出側端面１５は、排ガスが流出する側の端面である。排気管内などの排ガスの流れに配置されていない状態では、流入側端面１４及び流出側端面１５は、相互に相対的な面を意味する。つまり、いずれか一方の端面が流入側端面１４である場合に、他方が流出側端面１５となる。例えば、流入側端面１４を軸方向の第１端面、流出側端面１５を軸方向の第２端面ということもできる。

セル１３としては、第１セル１３１と第２セル１３２とを有することができる。図２に例示されるように、第１セル１３１は、流入側端面１４に開口し、流出側端面１５においては目封じ部１６により閉塞されている。第２セル１３２は、流出側端面１５に開口し、流入側端面１４においては目封じ部１６により閉塞されている。

目封じ部１６は、セルの流入側端面１４又は流出側端面１５を互い違いに閉塞する。目封じ部１６は、例えば、コージェライト等のセラミックスにより形成できるが、その他の材質であってもよい。図２では、プラグ状の目封じ部１６が形成されているが、目封じ部１６の形状は、流入側端面１４又は流出側端面１５を封止できれば特に限定されない。なお、構成の図示を省略するが、例えば流入側端面１４又は流出側端面１５において隔壁１２の一部を変形させることにより、目封じ部１６を形成することも可能である。この場合には、隔壁１２の一部によって目封じ部１６が形成されるため、隔壁１２と目封じ部１６とが一体的、連続的に形成される。

第１セル１３１と第２セル１３２とは、軸方向Ｙに直交する横方向においても、軸方向Ｙおよび横方向の双方に直交する縦方向においても、例えば、互いに隣り合うよう、交互に並んで形成される。つまり、軸方向Ｙから排ガス浄化フィルタ１の流入側端面１４または流出側端面１５を見たとき、第１セル１３１と第２セル１３２とが、例えば、チェック模様状に配される。

隔壁１２は、図２に例示されるように、互いに隣接する第１セル１３１、第２セル１３２を隔てている。隔壁１２内には、図３に例示されるように、多数の細孔１２１が形成されている。隔壁１２内の細孔１２１には、互いに隣接する第１セル１３１、第２セル１３２間を連通させる連通孔１２２が含まれる。図３においては連通孔１２２を二次元に簡略化して示してあるが、連通孔１２２は三次元に交差するものが大半を占めると考えられる。

隔壁１２はくびれ型連通孔１２５を有する。図４は、くびれ型連通孔１２５を簡略化して模式的に示す隔壁１２の拡大断面図である。図４では、隔壁１２の細孔（具体的には、くびれ型連通孔１２５）の一例を示しているが、実際の隔壁１２には、様々な形状の細孔が多数存在しており、図６〜図７についても同様である。図４に示されるように、くびれ型連通孔１２５は、最大径Φ₁μｍと最小径Φ₂μｍとが、Φ₁≧５０、１００×Φ₂／Φ₁≦２０の関係を満足する連通孔１２２である。最大径Φ₁が５０μｍ未満の連通孔１２２、最大径Φ₁と最小径Φ₂との関係Φ₂／Φ₁が２０を超える連通孔１２２はくびれ型連通孔１２５に該当しない。隔壁１２は、くびれ型連通孔１２５以外の連通孔１２２や、隔壁１２を連通しない非連通孔１２３を有していてもよい。

ハニカム構造部１０が、隔壁１２内にくびれ型連通孔１２５を有することにより、微細孔１２４を５％以上に増やしても圧損の増大を抑制しながら、ＰＭ２の捕集率を大幅に高めることができる。つまり、排ガス浄化フィルタ１は、高捕集率と低圧損とを高いレベルで両立できる。特に、粗大ＰＭ２２に対して高い捕集率を示しながら、圧損を低く保つことができる。これは、以下の理由によるものと考えられる。

粗大ＰＭ２２は、ブラウン運動を起こし難く、細孔内への捕集は、細孔内での慣性衝突が支配的となる。しかし、粗大ＰＭ２２は、後述の比較形態にて参照される図１８に例示されるように、細孔径が例えば５０μｍを超えるような細孔径の大きな大細孔内では細孔壁との慣性衝突の確率が低くなる。したがって、粒径の大きな粗大ＰＭ２２は、大細孔をすり抜けやすく、捕集されにくい。

これに対し、図５に例示されるように、細孔径が１０μｍ以下となる微細孔１２４内では、粗大ＰＭ２２が、排ガスの流れによって細孔壁に衝突しやすい。つまり、慣性衝突の確率が高い。したがって、粒径の大きな粗大ＰＭ２２は、微細孔１２４に捕集されやすい。水銀圧入法による細孔径が１０μｍ以下となる微細孔１２４を全細孔容積の５％以上含む隔壁１２では、粗大ＰＭ２２の慣性衝突が起こり易い細孔が多くなるため、粗大ＰＭ２２の捕集効率が高くなり、ＰＭ２の捕集率が高くなる。

また、くびれ型連通孔１２５を有する隔壁１２では、粗大ＰＭ２２などのＰＭ２が捕集されやすい。これは以下の理由によるものである。図４、図７、図８に例示されるように、くびれ型連通孔１２５は、例えば５０μｍ以上の大径部１２５ｂを有しながらも、連通孔１２２内での径が大幅に小さくなるくびれ部１２５ａを有している。このくびれ部１２５ａの存在により、くびれ型連通孔１２５では、粗大ＰＭ２２が細孔壁に衝突しやすくなる。つまり、慣性衝突の確率が高くなる。その結果、くびれ型連通孔１２５では、粗大ＰＭの捕集効率が高くなり、粗大ＰＭ２２が捕集されやすい。また、１００×Φ₂／Φ₁≦２０となるくびれ部１２５ａでは、排ガスの流れが絞られる。そのため、排ガスは、くびれ型連通孔１２５に集中して流れにくくなり、くびれ型連通孔１２５の周囲に存在する細孔１２１内に分散される。その結果、くびれ部１２５ａは存在しないが、もともと粗大ＰＭ２２等のＰＭ２に対する捕集効率が高い、例えば微細孔１２４のような他の細孔内に、排ガスが流れやすくなる。つまり、隔壁１２では、粗大ＰＭ２２等のＰＭ２を捕集し易い微細孔１２４が増えるだけでなく、通常は粗大ＰＭ２２が捕集されにくいとされる細孔径の大きな大細孔が粗大ＰＭ２２を捕集しやすく改良されていると共に、大細孔への排ガスの流れが抑制されるように改良されている。その結果、全細孔で粗大ＰＭ２２などのＰＭ２を捕集することができる。したがって、圧損の上昇を抑制しながら、ＰＭ２の捕集率を十分高めることができる。

くびれ型連通孔１２５は、隔壁１２のＸ線ＣＴ像の画像解析により調べることができる。図４及び図８に例示されるように、くびれ型連通孔１２５などの連通孔１２２の径の最大径Φ₁、最小径Φ₂は、隔壁１２の厚み方向と直交方向における径の最大値、最小値である。連通孔１２２の径は、円相当径を意味し、隔壁１２の厚み方向と直交方向の断面における連通孔１２２の面積Ａと同面積の円の直径である。

最大径Φ₁、最小径Φ₂は、次のようにして測定される。まず、Ｘ線ＣＴスキャンにより隔壁１２のＸ線ＣＴ像を得る。図９に例示されるように、ＣＴスキャンにおけるスキャン方向Ｓは、例えば、隔壁１２の厚み方向に沿う方向であって、上流側端面となる流入側端面１４に開口する第１セル１３１側の隔壁１２の面（以下、適宜、隔壁表面１２ａという。）から下流側端面となる流出側端面１５に開口する第２セル１３２側の隔壁１２の面（以下、適宜、隔壁裏面１２ｂという。）に向かう方向とされる。図９では、軸方向Ｙに沿う方向がＹ方向とされ、Ｙ方向に垂直で、第２セル１３２を囲む４つの隔壁１２うちの一つに沿う方向がＸ方向とされ、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向がＺ方向とされている。図９における記号Ｍｓは、流入側端面１４における目封じ部１６を意味している。なお、スキャン方向Ｓは、隔壁裏面１２ｂから隔壁表面１２ａに向かう方向とすることも可能である。Ｘ線ＣＴ装置としては、Ｘｒａｄｉａ社製の「Ｖｅｒｓａ ＸＲＭ−５００」を用いる。測定条件は、電圧：８０ｋＶ、ステップ：０．１°、分解能：０．６８７４７８７μｍである。

ＣＴスキャンは、具体的には、以下のようにして行う。まず、排ガス浄化フィルタ１の隔壁１２から測定サンプルを採取する。具体的には、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示されるように、排ガス浄化フィルタ１における直径の中心部を通る軸方向Ｙの、中央部分１ａ、流入側端面１４側の目封じ部１６の直ぐ内側部分１ｂ、流出側端面１５側の目封じ部１６の直ぐ内側部分１ｃ、排ガス浄化フィルタ１における半径の中心部を通る軸方向Ｙの、中央部分１ｄ、流入側端面１４側の目封じ部１６の直ぐ内側部分１ｅ、および、流出側端面１５側の目封じ部１６の直ぐ内側部分１ｆの６か所から採取する。測定サンプルのサイズについては、軸方向Ｙの長さが５００μｍ、壁厚方向の厚みが壁厚、軸方向Ｙと壁厚方向に直交する方向の長さが５００μｍである。

次に、測定サンプルのＸ線ＣＴ像に基づいて、解析ソフト：Ｍａｔｈ２Ｍａｒｋｅｔ社製の「Ｇｅｏ Ｄｉｃｔ」により隔壁１２内の細孔の３Ｄモデルを作成する。３Ｄモデルは、解析ソフトによるイメージ像である。具体的には、Ｘ線ＣＴで得られたＴＩＦ形式の連続断層画像を、解析ソフトのｉｍｐｏｒｔＧｅｏ−Ｖｏｌ機能で最小単位０．６８７４７８７μｍ／ｖｏｘｅｌとして取り込む。次いで、取り込んだ画像の細孔部分と実部分を分離するため、図１１に示すようにグレー値（ｇｒａｙ ｖａｌｕｅ）のグラフを二つの山に分離した時の交差部を閾値として３Ｄモデル化する。つまり、二値化処理により３Ｄモデルを作成する。実部分は、セラミックス部分、すなわち骨格部分であり、細孔部分は、セラミックスが存在しない部分である。隔壁１２以外の部分（つまり、本来はセラミックスも細孔も存在しない何もない部分）のノイズを除去するため、サンプル形状に合わせて不要部分を切り取る。

次に、３Ｄモデルの各連通孔１２２の最大径Φ₁μｍ、最小径Φ₂μｍを解析ソフト「Ｇｅｏ Ｄｉｃｔ」により測定する。具体的には、解析ソフトにおける「Ｐｒｏｄｉｃｔ」の「Ｐｅｒｕｃｏｌａｔｉｏｎ Ｐａｔｈ」の機能で、連通孔数と各連通孔１２２の最小径を求める。次いで、３Ｄモデルの隔壁１２をその厚み方向に対して垂直な断面でスライスし、スライス面での各連通孔１２２の円相当径を求める。そして、各連通孔１２２の円相当径の最大値、最小値を求める。各連通孔１２２の最大値がその連通孔１２２の最大径Φ₁であり、各連通孔１２２の最小値がその連通孔１２２の最小径Φ₂である。各連通孔１２２の最大径Φ₁、最小径Φ₂は、隔壁１２をその厚み方向でのｖｏｘｅｌ毎にスライスして求められる。Φ₁≧５０、１００×Φ₂／Φ₁≦２０となる連通孔１２２がくびれ型連通孔１２５である。なお、最大径Φ₁、最小径Φ₂は、上述の６箇所から採取した測定サンプルについての値の算術平均値である。くびれ型連通孔の占める割合についても同様である。

また、全ての連通孔１２２のうちくびれ型連通孔１２５の占める割合は２０％以上であることが好ましい。この場合には、捕集率の上昇効果がより顕著になる。全ての連通孔１２２のうちくびれ型連通孔１２５の占める割合のことを、適宜「くびれ型連通孔の割合」という。くびれ型連通孔１２５の割合は、８０％以下が好ましい。なお、くびれ型連通孔１２５の割合は、次のようにして測定される。まず、解析ソフト「Ｇｅｏ Ｄｉｃｔ」を用いて、全連通孔の数と、各連通孔１２２の円相当径を求める。次いで、各連通孔１２２の最大径Φ_１、最小径Φ₂が、Φ₁≧５０、１００×Φ₂／Φ₁≦２０となるくびれ型連通孔１２５の数と、全連通孔の数とから、１００×くびれ型連通孔の数／全連通孔の数を算出する。その算出結果がくびれ型連通孔１２５の割合である。全連通孔の数、連通孔１２２の円相当径は、上述の通りの方法から求められる。

本形態の排ガス浄化フィルタ１は、通常のガソリンエンジンから排出される排ガスの浄化に適用することもできるが、ガソリンエンジンの停止、始動が頻繁に起こるハイブリッド車のエンジンから排出される排ガスの浄化に好適である。ハイブリッドエンジン車のように、停止、始動が頻繁に起こるエンジンからは、ＳＯＦを多く含む粗大ＰＭ２２が排出されるが、本形態の排ガス浄化フィルタ１は、隔壁１２に微細孔１２４が多く、くびれ型連通孔１２５を有するため、圧損を抑制しつつ、粗大ＰＭ２２の慣性衝突の確率が高くなるためＰＭ２の捕集率が高くなる。

また、粒径の小さな微小ＰＭの捕集においては、ブラウン運動による細孔壁との衝突が支配的となる。したがって、微小ＰＭ２１は、本形態の排ガス浄化フィルタ１のくびれ型連通孔１２５においても十分に捕集される。さらに、微小ＰＭ２１は、微細孔１２４などのくびれ型連通孔１２５以外の連通孔１２２、細孔１２１においても十分に捕集される。

排ガス浄化フィルタ１は、捕集率が６５％以上であり、圧損が７ｋＰａ以下であることが好ましい。捕集率は、７０％以上であることがより好ましく、圧損は、６ｋＰａ以下であることがより好ましい。

排ガス浄化フィルタ１は、例えば次のようにして製造される。まず、コージェライト形成原料を含む坏土を作製する。坏土は、タルク、シリカ、水酸化アルミニウムなどをコージェライト組成となるように調整し、さらにバインダ、潤滑剤、水を加えて混合することにより作製される。コージェライト組成となるように、アルミナ、カオリンを配合してもよい。

次いで、坏土を成形、乾燥、焼成する。これにより、ハニカム構造部１０が形成される。目封じ部１６は、ハニカム構造部１０の焼成後に形成するか、又は焼成前に形成される。つまり、目封じ部形成用のスラリーを用いて、焼成後のハニカム構造部１０あるいは焼成前のハニカム構造の成形体のセルの端面を交互に封止し、焼成することにより形成される。

コージェライト形成原料１２８のうち、気孔形成材料１２９の粒径や配合を調整することにより、ハニカム構造部１０の細孔径分布を制御することができる（図１２（ａ）及び（ｂ）、図１３（ａ）及び（ｂ）参照）。これにより、微細孔１２４の細孔容積割合を例えば５％以上に増やしたり、くびれ型連通孔１２５を形成したり、くびれ型連通孔１２５の割合を例えば２０％以上に増やしたりすることができる。気孔形成材料は、焼成時に溶融して細孔となる材料であり、シリカ、タルクなどのＳｉ源である。特に、シリカの割合を調整することにより、微細孔１２４の細孔容積割合やくびれ型連通孔１２５の割合を調整できる。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に例示されるように、連通孔１２２は、多数の気孔形成材料１２９がコージェライト形成原料１２８内で隣接することにより形成される。微細孔１２４の細孔容積割合、くびれ型連通孔１２５の割合は、気孔形成材料の粒径、配合割合を変えることにより調整される。具体的には、排ガス浄化フィルタ１の細孔分布に対応する粒径分布の気孔形成材料１２９ｂに加え、細孔径１０μｍ以下の細孔、および連通孔１２２（具体的にはくびれ型連通孔１２５）の最小径に対応する粒径の気孔形成材料１２９ａを追加する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に例示されるように、追加した気孔形成材料（例えばタルク同士、シリカ同士、タルクとシリカ）が隣接した場合には、１０μｍ以下の細孔が形成される。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に例示されるように、追加した気孔形成材料１２９ａの粒子が、粒径の大きなもとの気孔形成材料１２９ｂの粒子と隣接した場合には、連通孔１２２の最小径が形成されてくびれ型連通孔１２５が形成される。このように、例えば追加する気孔形成材料の粒径および添加量を調整することにより、微細孔１２４の細孔容積割合、くびれ型連通孔１２５の割合を調整することができる。

排ガス浄化フィルタ１には、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄなどの貴金属からなる触媒１７１を担持することができる。触媒１７１は、アルミナ、助触媒などと共に担持される。助触媒としては、セリア、ジルコニア、セリア−ジルコニア固溶体などが例示される。具体的には、図１４に例示されるように、隔壁１２に、触媒１７１、アルミナ、助触媒などを含むコート層１７を形成することができる。

触媒を含むコート層１７は、少なくとも細孔壁１２２ａに担持されておればよく、隔壁１２の表面（セルに面する隔壁１２の面）にも担持されていてよい。細孔壁１２２ａに触媒２を担持させる方法としては、例えば、吸引により触媒含有スラリーを隔壁１２の連通孔１２２内に導入するインウォールコート法などを挙げることができる。

排ガス浄化フィルタ１には、貴金属の触媒を例えば０．１〜５．０ｇ／Ｌ、コート層を例えば５０〜１２０ｇ／Ｌ担持することができる。触媒が担持された隔壁１２においても、細孔径が１０μｍ以下となる微細孔１２４を５％以上含み、くびれ型連通孔１２５を有することが好ましい。さらに、触媒が担持された状態において、くびれ型連通孔１２５の割合が２０％以上であることが好ましい。

排ガス浄化フィルタ１は、触媒を含むコート層が担持された状態で使用されることが多く、コート層担持後も隔壁１２のくびれ型連通孔１２５を保つことが好ましい。５０ｇ／Ｌ以上というコート層の量は、今後の排ガス規制を満たす上で好ましい担持量である。上記構成によれば、コート層が担持された状態でも、捕集率の向上と圧損の抑制を図ることができる。なお、触媒を含むコート層が担持された状態における連通孔１２２の最大径Φ_１μｍと最小径Φ_２μｍ、くびれ型連通孔１２５の割合は、上述した３Ｄモデルに基づいた手法に準じて求められ、微細孔１２４の細孔容積割合は、水銀圧入法により測定される。

以上のように、本形態によれば、圧損が低く、捕集率の高い排ガス浄化フィルタ１を提供することができる。

（実施形態２）
次に、排ガス浄化フィルタを備える排ガス浄化システムの実施形態について説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１５に例示されるように、排ガス浄化システム５は、ハイブリッド駆動装置３と排気管４と排ガス浄化フィルタ１とを備える。ハイブリッド駆動装置３は、少なくともエンジンＥを備える。エンジンＥは例えばガソリンエンジンである。ハイブリッド駆動装置３は、さらに、モータＭ、バッテリＢを備えることができる。

モータＭは、車両の加速時や発進時にエンジンＥによる駆動をアシストし、慣性走行時や制動時において回生発電する。バッテリＢは、充放電が可能であり、加速時や発進時に放電して電力を供給してモータＭを駆動し、慣性走行時や制動時にモータＭで回生発電した電力を充電する。

エンジンＥには、排気管４が接続される。図１６に例示されるように、排気管４内にはＰＭ２を含む排ガスが流れる。この排ガスを浄化するために、排気管４内には実施形態１の排ガス浄化フィルタ１が配置される。

ＰＭ２には、粒径が小さな微小ＰＭ２１、粒径が大きな粗大ＰＭ２２がある。ハイブリッド駆動装置３では、エンジンＥの停止、始動が頻繁に行われる結果、排気管４内にはＳＯＦを多く含有する排ガスが流れ易く、粗大ＰＭ２２が排出される頻度が高くなる。

本実施形態では、粗大ＰＭ２２の捕集性能に優れた実施形態１と同様の構成の排ガス浄化フィルタ１が排気管４内に配置されている。したがって、ハイブリッド駆動装置３のエンジンＥから排出される粗大ＰＭ２２を十分に捕集することできる。さらに、圧損も低く保つことができるため、燃費がさらに向上する。

（比較形態１）
本形態では、細孔径分布を細孔径が大きな大細孔側に調整した排ガス浄化フィルタ９について説明する。図１７に例示されるように、ディーゼルエンジンの改良により小径化した微小ＰＭ２１は、大細孔１２７内でブラウン運動を起こしやすい。したがって、微小ＰＭ２１は、細孔壁１２２ａと衝突確率が高くなり、隔壁１２内に捕集されやすい。

一方、ＳＯＦなどを含む粗大ＰＭ２２は、ブラウン運動を起こし難い。したがって、図１８に例示されるように、粗大ＰＭ２２は、大細孔１２７内では細孔壁１２２ａと衝突確率が低くなり、大細孔１２７の細孔壁１２２ａに捕集されにくい。

一方、図１９に例示されるように、単に隔壁１２の微細孔１２４を増やすと、粗大ＰＭ２２の細孔壁１２２ａとの衝突確率が高くなって捕集率も高くなるが、圧損が高くなる。

（実験例１）
本例では、細孔径１０μｍ以下の微細孔１２４の細孔容積割合、くびれ型連通孔１２５の割合、捕集率、及び圧損の関係を調べる。まず、微細孔１２４の細孔容積割合、くびれ型連通孔１２５の割合がそれぞれ異なる排ガス浄化フィルタ１を複数作製した。

排ガス浄化フィルタ１は、以下のようにして作製した。具体的には、まず、タルク、シリカ、水酸化アルミニウムを焼成後にコージェライト組成となるように調整し、これに、バインダ、潤滑剤、水を加え、混合することで坏土を作製した。この坏土を押出成形し成形体を得た。次いで、成形体を乾燥してハニカム構造の乾燥体を得た。この乾燥体の端面をチェック模様状になる様に、各端面においてセルを交互に目封じした。その後、焼成することで、排ガス浄化フィルタ１を得た。

排ガス浄化フィルタ１は、直径が１１８ｍｍで、軸方向の長さが１２０ｍｍの円柱状である。セル壁厚は８．５ｍｉｌ、セル密度は３００ｃｐｓｉ、軸方向と直交方向の断面でのセル形状は四角形である。

本例では、コージェライト化原料のシリカ、タルクの粒径比を調整することにより、くびれ型連通孔１２５を細孔容積の２０％以上有し、細孔径１０μｍ以下の微細孔１２４の細孔容積割合が異なる複数の排ガス浄化フィルタ１を作製した。また、微細孔１２４の細孔容積割合が５％であり、くびれ型連通孔１２５の割合が異なる複数の排ガス浄化フィルタ１を作製した。

各排ガス浄化フィルタ１は、平均細孔径が１５〜２２μｍ、気孔率が６０〜７０％に調整されている。気孔率、平均細孔径は、以下のようにして測定される。

（気孔率、平均細孔径）
各排ガス浄化フィルタ１の隔壁１２における気孔率および平均細孔径を、水銀圧入法の原理を用いた水銀ポロシメータにより測定した。平均細孔径は、平均気孔径とも呼ばれる。水銀ポロシメータとしては、島津製作所社製のオートポアＩＶ９５００を用いた。測定条件は、以下の通りである。

まず、各試験体から測定用の試験片を切り出した。試験片は、軸方向Ｙと直交方向の寸法が縦１５ｍｍ×横１５ｍｍであり、軸方向Ｙの長さが２０ｍｍである直方体である。なお、試験片は、上述のＣＴスキャンの測定サンプルと同様の６箇所の位置から採取し、これらの算術平均値を測定結果とする。次いで、水銀ポロシメータの測定セル内に試験片を収納し、測定セル内を減圧した。その後、測定セル内に水銀を導入して加圧し、加圧時の圧力と試験片の細孔内に導入された水銀の体積より、気孔径と気孔容積とを測定した。

測定は、圧力０．５〜２００００ｐｓｉａの範囲で行った。なお、０．５ｐｓｉａは、０．３５×１０^-3ｋｇ／ｍｍ²に相当し、２００００ｐｓｉａは１４ｋｇ／ｍｍ²に相当する。この圧力範囲に相当する気孔径の範囲は０．０１〜４２０μｍである。圧力から気孔径を算出する際の常数として、接触角１４０°および表面張力４８０ｄｙｎ／ｃｍを使用した。平均細孔径は、気孔容積の積算値５０％での気孔径のことである。気孔率は、次の関係式より算出した。なお、コージェライトの真比重は２．５２である。
気孔率（％）＝総気孔容積／（総気孔容積＋１／コージェライトの真比重）×１００

各排ガス浄化フィルタ１における微細孔１２４の細孔容積割合、つまり、細孔径１０μｍ以下の細孔容積割合を以下のようにして測定した。

（微細孔の細孔容積割合）
水銀圧入法により、各排ガス浄化フィルタ１の細孔径分布を測定した。水銀圧入法は、上述の気孔率、平均細孔径と同様の条件で行った。次いで、細孔径分布に基づいて、細孔径１０μｍ以下の細孔容積割合、つまり微細孔１２４の細孔容積割合を求めた。

各排ガス浄化フィルタ１のくびれ型連通孔１２５の割合は、実施形態１に示すＣＴスキャンによる方法により測定した。各排ガス浄化フィルタ１のＰＭ２の捕集率、圧損を以下のようにして測定した。

（ＰＭ捕集率）
排ガス浄化フィルタ１を２．０Ｌのガソリン直噴エンジンの排気管内に取り付け、吸入空気量（Ｇａ）が２０ｇ／ｓとなる状態（定常）にした。そして、排ガス浄化フィルタ１内にＰＭ２を含む排ガスを流した。このとき、排ガス浄化フィルタ１に流入する前の排ガス中のＰＭ濃度、排ガス浄化フィルタ１から流出する排ガス中のＰＭ濃度を測定し、ＰＭ２の捕集率を算出した。

（圧力損失）
排ガス浄化フィルタ１を２．０Ｌのガソリン直噴エンジンの排気管内に取り付け、吸入空気量（Ｇａ）が１００ｇ／ｓとなる状態（定常）にした。そして、排ガス浄化フィルタ１内にＰＭ２を含む排ガスを流した。このとき、排ガス浄化フィルタ１の前後の圧力を測定し、その差分を圧損として計測した。

各排ガス浄化フィルタ（具体的には、試験体１〜２５）についての測定結果を表１、表２に示す。また、各測定結果を図２０〜図２２のグラフに示す。

図２０には、くびれ型連通孔１２５の割合が２０％以上又は２０％未満の場合における、微細孔１２４の細孔容積割合と捕集率の関係を示す。図２１には、くびれ型連通孔１２５の割合が２０％以上又は２０％未満の場合における、微細孔１２４の細孔容積割合と圧損の結果を示す。また、図２２には、微細孔１２４の細孔容積が５％の場合におけるくびれ型連通孔１２５の割合と捕集率の関係を示す。

図２０、図２１に示されるように、微細孔１２４の細孔容積割合が大きくなるほど、捕集率が高くなり、微細孔１２４の細孔容積割合が５％以上にすることにより、捕集率が十分に高くなる。さらに、図２０及び図２２より知られるように、くびれ型連通孔１２５を形成し、その割合を増やすことにより、捕集率の向上効果が増大する。くびれ型連通孔１２５の割合が２０％以上の場合には、捕集率が大幅に増加する。くびれ型連通孔１２５の割合が２０％以上の場合には、微細孔１２４の細孔容積が５％に到達するまでは、捕集率が急激に向上する。そして、微細孔の細孔容積割合が５％になると捕集率は６５％に到達し、微細孔１２４の細孔容積割合が５％以上では捕集率は緩やかに向上する。一方、くびれ型連通孔１２５の割合が２０％未満の場合には、捕集率６５％に達するのは、微細孔の細孔容積が３０％の場合となる。また、微細孔の細孔容積割合が大きくなるほど、圧損は高くなる傾向がある。したがって、圧損をより低くし、捕集率を向上できるという観点から、くびれ型連通孔１２５の割合は２０％以上であることが好ましい。なお、くびれ型連通孔の割合が２０％未満であっても、圧損を低くしながら、捕集率が高くなる効果を生じうる。

くびれ型連通孔の割合が２０％以上の場合には、微細孔の細孔容積割合が２５％に到達するまでは圧損が緩やかに上昇し、圧損は７ｋＰａに到達する。さらに微細孔の細孔容積割合が大きくなると、圧損は急激に高くなる。これに対し、くびれ型連通孔の割合が２０％未満の場合には、圧損は次第に大きくなり、微細孔の細孔容積割合が２７％で圧損は７．２ｋＰａとなり、７ｋＰａを越える。排ガス浄化フィルタの圧損をより低減させるという観点から、微細孔１２４の細孔容積割合は２５％以下が好ましく、２０％以下がより好ましく、１５％以下がさらに好ましい。

捕集率をさらに高めるという観点からは、くびれ型連通孔１２５の割合は４０％以上がより好ましく、６０％以上がさらに好ましい。同様の観点から、微細孔１２４の細孔容積割合は、１０％以上がより好ましく、２１％以上がさらに好ましい。

本発明は上記の各実施形態などに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態２では、ハイブリッド駆動装置３を有する排ガス浄化システム５に、実施形態１の排ガス浄化フィルタ１を適用した形態を示しているが、ハイブリッド駆動装置３の代わりに例えばディーゼルエンジン又はガソリンエンジンを備える排ガス浄化システムに適用することも可能である。排ガス浄化フィルタ１はディーゼルエンジン、ガソリンエンジン以外の内燃機関から排出されるＰＭの捕集に利用することもできる。

１ 排ガス浄化フィルタ
１０ ハニカム構造部
１２ 隔壁
１２４ 微細孔
１２５ くびれ型連通孔
１３ セル
１４ 流入側端面
１５ 流出側端面
１６ 目封じ部

Claims (3)

1. 多孔質の隔壁（１２）と、該隔壁によって区画され、排ガス流路を形成する複数のセル（１３）とを有するハニカム構造部（１０）と、
   上記セルにおけるガスの流入側端面（１４）又は流出側端面（１５）を互い違いに閉塞する目封じ部（１６）と、を備える、排ガス浄化フィルタ（１）において、
   上記排ガス浄化フィルタは、水銀圧入法によって測定される上記ハニカム構造部の細孔径が１０μｍ以下となる微細孔（１２４）を全細孔容積の５％以上含み、
   上記隔壁は、該隔壁に隣接する上記セル間を連通する複数の連通孔（１２２）を有し、該連通孔における最大径Φ_１μｍと最小径Φ₂μｍとが、Φ_１≧５０、１００×Φ_２／Φ_１≦２０となるくびれ型連通孔（１２５）を有する、排ガス浄化フィルタ。
2. 全ての上記連通孔のうち、上記くびれ型連通孔の占める割合が２０％以上である、請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ。
3. 上記微細孔を全細孔容積の２５％以下含む、請求項１又は２に記載の排ガス浄化フィルタ。

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