JP4048926B2

JP4048926B2 - 内燃機関の排気微粒子フィルタ

Info

Publication number: JP4048926B2
Application number: JP2002334537A
Authority: JP
Inventors: 晶子宮原; 勝弘柴田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004169586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれる排気微粒子を捕集する排気微粒子フィルタ、特に多数のセルを備えたハニカム型モノリスフィルタからなる排気微粒子フィルタの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガス中に比較的多く含まれているスス（Soot）などの排気微粒子を除去するために、従来から、特許文献１に見られるように、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）などと呼ばれる排気微粒子フィルタを排気系に介装し、排気微粒子を捕集することが行われている。そして、この種のフィルタは、排気微粒子の捕集に伴って経時的に目詰まりを生じるので、一般に、何らかの手段でもって捕集した排気微粒子を燃焼させ、フィルタから除去するようにしている。なお、捕集した排気微粒子の酸化発熱反応の促進あるいは排気中のＣＯやＨＣの除去などのために、触媒金属を担持させた所謂触媒付きの排気微粒子フィルタも多く用いられている。
【０００３】
上記排気微粒子フィルタとしては、特許文献１に記載されているようなセラミックス等の多孔質材料を用いたハニカム型モノリス構造のものが知られている。
【０００４】
これは、例えば多孔質セラミックスにて円柱状に形成され、その内部に、軸方向に沿って多数の微細な通路つまり多数のセルを有し、各セルが、薄い壁で仕切られている。そして、多数のセルの中の一部のものは、フィルタの上流端で閉塞（いわゆる目詰め、目封じ）され、残りのものは、フィルタの下流端で閉塞されている。典型的には、上流端が閉塞されたセル（これを閉塞セルと呼ぶ）と下流端が閉塞されたセル（これを開口セルと呼ぶ）とが、互いに隣接して交互に配置されている。従って、上流側から開口セルに流入した排気ガスは、多孔質の壁を通って隣接する閉塞セルに流入し、この閉塞セルの開口した下流端から流出することになる。排気ガスに含まれていた排気微粒子は、主に、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、ここで捕集除去される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２２２９１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような排気微粒子フィルタにおいては、排気ガスの流速分布として、中心部ほど流速が高い特性となるため、中心部により多くの排気微粒子が堆積する傾向がある。図１４は、このようなハニカム型モノリスフィルタにおける排気微粒子の堆積状態の説明図であって、この例では、開口セル５１と閉塞セル５２とが交互に隣接して配置されており、排気ガスから除去された排気微粒子が、符号５３として示すように、開口セル５１の下流側の端部に溜まっていくのであるが、図示するように、フィルタ外周部に溜まる排気微粒子は少なく、フィルタ中心部ほど多量の排気微粒子が堆積する。
【０００７】
従って、このように不均一に排気微粒子が堆積した状態で、排気微粒子フィルタの再生つまり排気微粒子の燃焼除去が行われると、排気微粒子が多く堆積している中心部の発熱量が大となり、図１５に一例を示すように、フィルタ下流側部分における中心部と外周部との間の温度勾配が非常に大きくなる。この結果、セラミックス等からなるフィルタ内部の応力が大となり、クラックが発生するなど損傷に至る虞がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上流端が閉塞された多数の閉塞セルと下流端が閉塞された多数の開口セルとを有する多孔質材料を用いたハニカム型モノリスフィルタからなり、内燃機関の排気系に介装されて排気ガス中の排気微粒子を捕集し、かつ捕集された排気微粒子を焼却除去する内燃機関の排気微粒子フィルタを対象としている。
【０００９】
そして、第１の発明では、上記モノリスフィルタの表面に触媒層がフィルタ中心部では厚く、フィルタ外周部では薄くなるようコーティングされているとともに、この触媒層のコーティング量が、フィルタ中心部では多く、かつフィルタ外周部では少なく構成され、フィルタ中心部の通気抵抗がフィルタ外周部の通気抵抗に比べて大きくなっている。
【００１０】
上記触媒層は、触媒成分を含むいわゆるウォッシュコートとして、モノリスフィルタの表面つまり各セルの内壁面にコーティングされる。
【００１１】
排気ガスは、上流側から開口セル内に入り、かつセル間を仕切る多孔質の壁を通して閉塞セルへと流れることになるが、触媒層のコーティング量が多く、つまり触媒層が厚くなると、通気抵抗が増加して排気ガスが流れにくくなる。従って、上記のようにコーティング量を異ならせることで、フィルタ全体の流速分布として、フィルタ中心部の流速が抑制される。その結果、フィルタ中心部とフィルタ外周部とにおける排気微粒子の堆積状態の差が小さくなり、堆積した排気微粒子の燃焼つまりフィルタ再生時の温度勾配が小さくなる。
【００１６】
【発明の効果】
この発明によれば、触媒層のコーティング量、多孔質材料の気孔率もしくは気孔径、あるいはセル密度を異ならせることによって、フィルタ中心部とフィルタ外周部との排気微粒子の堆積状態の差を小さくすることができ、フィルタ再生時の内部の温度勾配が小さくなることから、内部応力によるフィルタの破損を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、ディーゼル機関の排気微粒子の捕集に用いられる排気微粒子フィルタつまりディーゼルパティキュレートフィルタとして構成した本発明の第１実施例を示しており、この実施例では、多孔質セラミックスを用いたハニカム型モノリス構造のフィルタとして構成されている。全体として円柱状をなす一体構造のセラミックス製フィルタ１は、その軸方向に沿って、多数の微細な通路つまり多数のセル２を有し、各セル２が、薄い壁３で仕切られている。そして、多数のセル２の中の一部のものは、フィルタ１の上流端で二次的に閉塞（いわゆる目封じ、目詰め）された閉塞セル２Ａとして構成され、残りのものは、逆にフィルタ１の下流端で二次的に閉塞された開口セル２Ｂとして構成されている。図示例では、断面略正方形をなすセル２が碁盤の目状に配置され、上流端が閉じた閉塞セル２Ａと上流端が開いた開口セル２Ｂとが、互いに隣接して交互に配置されている。従って、上流側から開口セル２Ｂに流入した排気ガスは、多孔質の壁３を通って隣接する閉塞セル２Ａに流入し、この閉塞セル２Ａの開口した下流端から流出する。そして、排気ガスに含まれていた排気微粒子は、主に、排気ガスが多孔質の壁３を通過する際に、ここで捕集除去される。また、上記フィルタ１は、その表面に、適宜な触媒金属を分散した触媒層４がコーティングされており、いわゆる触媒付きフィルタとして構成されている。
【００１９】
ここで、本発明においては、上記触媒層４のコーティング量が、フィルタ中心部においては相対的に多く、フィルタ外周部においては相対的に少なくなっている。つまり、フィルタ中心部では触媒層４が相対的に厚くコーティングされ、フィルタ外周部では相対的に薄くコーティングされている。
【００２０】
上記のようにフィルタ中心部における触媒層４のコーティング量を多くすることにより、フィルタ中心部での通気抵抗が相対的に大きくなり、前述したフィルタ１の流速分布が相殺される。つまり、フィルタ中心部で高くなる傾向にある流速分布が、より平均化する。そのため、各開口セル２Ｂ内に堆積する排気微粒子の量が、フィルタ中心部とフィルタ外周部とで、より均一なものとなる。従って、堆積した排気微粒子が燃焼するフィルタ再生時に、例えば図２に温度分布の例を示すように、極端な温度差が生じず、フィルタ１内部の温度勾配が緩やかとなる。なお、図２は円柱状フィルタ１の縦断面図に対応し、左側が上流端、右側が下流端である。
【００２１】
上記の触媒層４のコーティング量について、さらに具体例を説明する。図３に示すように、円柱状フィルタ１を同心円状に３つの領域に区分し、それぞれを中心部１１、中間部１２および外周部１３とする。そして、それぞれの触媒層４のコーティング量を異ならせ、中心部１１を１３０ｇ／Ｌのコーティング量とし、中間部１２を１００ｇ／Ｌのコーティング量とし、外周部１３を５０ｇ／Ｌのコーティング量としたフィルタ１を試作した。なお、フィルタ１全体の外形寸法としては、直径１４３．７ｍｍ、全長１５２．４ｍｍであり、その中で、外周部１３および中間部１２をそれぞれ半径２４ｍｍの領域とし、中心部１１を残りの直径４７．７ｍｍの領域とした。この試作したフィルタ１に排気微粒子としてススを堆積させ、その堆積量を変えながら、再生時のフィルタ１内部の最大温度勾配を計測した。また、従来品として、コーティング量を各部で均一（１００ｇ／Ｌ）としたフィルタ１を試作し、同様に再生時の最大温度勾配を計測した。図４は、その結果をまとめたものである。図４に示すように、本実施例によれば、従来のものに比べて再生時の温度勾配が明らかに緩和され、特に、従来のものよりも多量のススが堆積している状態でも、温度勾配を小さくすることができる。
【００２２】
図５は、上記のようにコーティング量を段階的に異ならせたフィルタ１の製造方法の一例を示しており、まず各部に均一に触媒層４のコーティングを施したフィルタ１を製造し（工程ａ）、上記の外周部１３に相当する部分にマスキング１５を施し（工程ｂ）、残りの部分に再度、触媒層４のコーティングを行う（工程ｃ）。さらに、上記の中心部１１に相当する部分のみを残してマスキング１６を施し（工程ｄ）、中心部１１のみ再度触媒層４のコーティングを行う（工程ｅ）。これにより、３段階のコーティング量が得られる。勿論、さらにマスキングとコーティングとを繰り返すことで、より多段階にコーティング量を変化させることも可能である。
【００２３】
上記の例のフィルタ１においては、フィルタ外周部のコーティング量に対しフィルタ中心部のコーティング量が２倍以上のものとなっているが、図６は、フィルタ最外周部とフィルタ中心部とのコーティング量の比と、それぞれのスス堆積量の比、との関係を示したものである。この図に示すように、コーティング量の比が１．５倍以上であれば、スス堆積量の比が１に近づき、つまり、フィルタ外周部とフィルタ中心部とのスス堆積量の差が殆ど無くなる。従って、フィルタ中心部のコーティング量は、フィルタ最外周部のコーティング量の１．５倍以上とすることが望ましい。
【００２４】
なお、前述した特開平５−２２２９１３号公報のものでは、開口セル２Ｂと閉塞セル２Ａとの配置パターンをフィルタ中心部とフィルタ外周部とで異ならせることで、フィルタ中心部の通気抵抗を相対的に高めるようにしているが、本発明によれば、図１に示したように、開口セル２Ｂと閉塞セル２Ａとの配置パターンは、各部で一様とすることができる。そのため、上記公報で課題として挙げられているような開口セル２Ｂのみが多数集まることによる局部的な温度上昇の問題を招来することがない。
【００２５】
次に、図７は、本発明の第１参考例を示している。この参考例は、ハニカム型モノリスフィルタ１を構成する多孔質セラミックス材料の気孔率が、フィルタ中心部では相対的に小さく、フィルタ外周部では相対的に大きく構成されているものであり、例えば１２ミル／３００セルのセル構造のフィルタ１において、中心部２１を形成するセラミックス材料の気孔率を４０パーセントとし、外周部２２を形成するセラミックス材料の気孔率を６０パーセントとした。そして、試作したフィルタ１に排気微粒子としてススを堆積させ、その堆積量を変えながら、再生時のフィルタ１内部の最大温度勾配を計測した。また、従来品として、気孔率を４０パーセントの均一としたフィルタ１を試作し、同様に再生時の最大温度勾配を計測した。図８は、その結果をまとめたものである。図８に示すように、本参考例によれば、従来のものに比べて再生時の温度勾配が明らかに緩和され、特に、従来のものよりも多量のススが堆積している状態でも、温度勾配を小さくすることができる。
【００２６】
図９は、上記のように部分的に異なる材質からなるフィルタ１を製造する製造方法を示したものであり、一例として、Ａ，Ｂ，Ｃの三種類の異なる材質の多孔質セラミックス材料を用いている。このフィルタ１は、前述したように、多数のセルを備えているが、例えば、縦５個×横５個の計２５個のセルが、１つのセグメント６を構成しており、各セグメント６が、Ａ，Ｂ，Ｃのいずれかの材料からそれぞれ予め角柱状に形成されている。そして、工程ａとして示すように、材質の異なるセラミックス材料からなる複数のセグメント６を所望のパターンに沿って組み合わせ、かつ一体に接合することで、例えば大きな角柱状のブロックとする。次に、これを必要な円柱状の寸法に裁断し、かつ外周面にセラミックスのコーティング７を施して、円柱状フィルタ１とする（工程ｂ）。
【００２７】
次に、図１０は、本発明の第２参考例を示している。この参考例は、ハニカム型モノリスフィルタ１を構成する多孔質セラミックス材料の気孔径が、フィルタ中心部では相対的に小さく、フィルタ外周部では相対的に大きく構成されているものであり、例えば１２ミル／３００セルのセル構造のフィルタ１において、中心部３１を形成するセグメント６のセラミックス材料の気孔径を９μｍとし、外周部３２を形成するセグメント６のセラミックス材料の気孔径を１３μｍとした。製造方法としては、前述した第１参考例と同様である。そして、試作したフィルタ１に排気微粒子としてススを堆積させ、その堆積量を変えながら、再生時のフィルタ１内部の最大温度勾配を計測した。また、従来品として、気孔径を９μｍの均一としたフィルタ１を試作し、同様に再生時の最大温度勾配を計測した。図１１は、その結果をまとめたものである。図１１に示すように、本参考例によれば、従来のものに比べて再生時の温度勾配が明らかに緩和され、特に、従来のものよりも多量のススが堆積している状態でも、温度勾配を小さくすることができる。
【００２８】
次に、図１２は、本発明の第３参考例を示している。この参考例は、ハニカム型モノリスフィルタ１のセル密度が、フィルタ中心部では相対的に高く、フィルタ外周部では相対的に低く構成されているものであり、例えば、中心部４１を形成するセグメント６を１２ミル／３００セルのセル構造とし、外周部４２を形成するセグメント６を１２ミル／２００セルのセル構造とした。製造方法としては、前述した第１参考例と同様である。そして、試作したフィルタ１に排気微粒子としてススを堆積させ、その堆積量を変えながら、再生時のフィルタ１内部の最大温度勾配を計測した。また、従来品として、１２ミル／２００セルの均一なセル構造を有するフィルタ１を試作し、同様に再生時の最大温度勾配を計測した。図１３は、その結果をまとめたものである。図１３に示すように、本参考例によれば、従来のものに比べて再生時の温度勾配が明らかに緩和され、特に、従来のものよりも多量のススが堆積している状態でも、温度勾配を小さくすることができる。
【００２９】
以上、ハニカム型モノリスフィルタとして多孔質セラミックスを用いた実施例について説明したが、このほか、金属製フォームからなるハニカム型モノリスフィルタにも本発明を適用することが可能である。
【００３０】
また、第１〜第３参考例において、捕集した排気微粒子の酸化発熱反応の促進あるいは排気中のＣＯやＨＣの除去などのために、触媒層を均一にコーティングして、所謂触媒付きの排気微粒子フィルタとして構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気微粒子フィルタの第１実施例を示す正面図。
【図２】その再生時の温度分布を示す説明図。
【図３】コーティング量の異なる領域を示す説明図。
【図４】再生時の最大温度勾配を示す特性図。
【図５】コーティング量の異なるフィルタの製造方法を示す工程説明図。
【図６】中心部と外周部のコーティング量の比とスス堆積量の比との関係を示す特性図。
【図７】第１参考例を示す正面図。
【図８】第１参考例の再生時の最大温度勾配を示す特性図。
【図９】第１参考例の製造方法を示す工程説明図。
【図１０】第２参考例を示す正面図。
【図１１】第２参考例の再生時の最大温度勾配を示す特性図。
【図１２】第３参考例を示す正面図。
【図１３】第３参考例の再生時の最大温度勾配を示す特性図。
【図１４】従来の排気微粒子フィルタにおける微粒子堆積状態を示す断面図。
【図１５】従来の排気微粒子フィルタにおける再生時の温度分布を示す説明図。
【符号の説明】
１…フィルタ
２…セル
２Ａ…閉塞セル
２Ｂ…開口セル
４…触媒層

Claims

上流端が閉塞された多数の閉塞セルと下流端が閉塞された多数の開口セルとを有する多孔質材料を用いたハニカム型モノリスフィルタからなり、内燃機関の排気系に介装されて排気ガス中の排気微粒子を捕集し、かつ捕集された排気微粒子を焼却除去する内燃機関の排気微粒子フィルタにおいて、上記モノリスフィルタの表面に触媒層がフィルタ中心部では厚く、フィルタ外周部では薄くなるようコーティングされているとともに、この触媒層のコーティング量が、フィルタ中心部では多く、かつフィルタ外周部では少なく構成され、フィルタ中心部の通気抵抗がフィルタ外周部の通気抵抗に比べて大きくなっていることを特徴とする内燃機関の排気微粒子フィルタ。
上記コーティング量が、フィルタ外周部で最も少なくなるように、フィルタ中心部からフィルタ外周部へ向かって、徐々に少なくなっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。
フィルタ中心におけるコーティング量が、フィルタ最外周部のコーティング量の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気微粒子フィルタ。