JP6431823B2

JP6431823B2 - 排ガス浄化フィルタ

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Publication number: JP6431823B2
Application number: JP2015139736A
Authority: JP
Inventors: 須沢　匠; 匠須沢; 裕斗天野; 学大須賀; 石原　幹男; 幹男石原
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Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2018-11-28
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Description

本発明は、内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化フィルタに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の排気管には、排ガスに含まれる粒子状物質（すなわち、ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集する排ガス浄化フィルタが設けられている。この排ガス浄化フィルタは、複数のセル壁と、セル壁によって囲まれて形成された複数のセル孔とを有する。一般には、複数のセル孔のうちの一部については、排ガス流れの上流側の端面が栓部によって閉塞され、複数のセル孔のうちの他の一部については、下流側の端面が栓部によって閉塞される。セル壁は多孔質であり、排ガスは、上流側が開口したセル孔に流入し、セル壁を透過して粒子状物質が除去された後に、下流側が開口したセル孔から排出される。

上記のような構造の排ガス浄化フィルタは、粒子状物質の堆積に伴い、圧力損失が増大しやすい。また、エンジンオイルや燃料中に微量に含まれる不純物（例えば、Ｓ、Ｃａ等）により生成される灰分（すなわち、Ａｓｈ）が、排ガスと共に排ガス浄化フィルタに到達すると、この灰分の堆積によっても、圧力損失が増大する。このため、栓部をハニカム構造体の上流側にのみ配置した、片栓構造の排ガス浄化フィルタが提案されている（例えば、特許文献１）。このような構造においては、開放セル孔から灰分が排出されるので、灰分の堆積を抑制することができる。

国際公開第２０１２／０４６４８６号パンフレット

しかしながら、片栓構造の排ガス浄化フィルタは、排ガスの流速が速い場合にセル壁を透過するガス流量が減少し、排ガスの吹き抜け（すなわち、排ガス浄化フィルタに上流側から導入された排ガスが、セル壁を透過することなく下流側に抜けること）が生じやすくなる。そこで、捕集性能の低下を抑制するために、排ガス浄化フィルタの基材長を長くする対策がとられているが、排ガス浄化フィルタが大型化する問題があった。

一方、排ガスに含まれる有害物質を同時に除去するために、排ガス浄化フィルタに触媒を担持させることが検討されている。ところが、片栓構造の排ガス浄化フィルタにおいては、セル壁内の細孔が触媒コート層で被覆されることにより、セル壁を透過するガス流量がさらに少なくなる。また、ガス流量の減少を抑制しようとすると、触媒コート量が制約されるために、所望の浄化性能が得られない問題があった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、排ガス浄化フィルタを大型化することなく、粒子状物質の捕集性能の向上と、有害物質の浄化性能の向上とを、両立させることができる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、内燃機関から排出される粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタであって、
排ガス流れの方向を軸方向とするハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上記排ガス流れの上流側の端面を部分的に閉塞する栓部と、上記ハニカム構造体に担持される触媒とを有し、
上記ハニカム構造体は、複数のセル壁と、該セル壁に囲まれて形成された複数のセル孔とを有し、上記セル壁には、隣り合うセル孔間を連通する細孔が形成されており、上記複数のセル孔には、上記軸方向に貫通した開放セル孔と、上記栓部によって上流側の端部が閉塞された栓詰めセル孔とがあり、
上記ハニカム構造体の上記排ガス流れの上流側に、上記セル壁に上記触媒が担持されていない第１領域を有し、上記排ガス流れの下流側に、上記セル壁の表面に上記触媒を含む触媒コート層が形成された第２領域を有すると共に、
上記開放セル孔において、上記触媒コート層は、上記排ガス流れの下流側の端部における厚さが、上記排ガス流れの上流側の端部における厚さよりも厚く形成される、排ガス浄化フィルタにある。

上記排ガス浄化フィルタは、栓詰めセル孔と開放セル孔とを有する。栓詰めセル孔は、排ガス流れの上流側が閉塞されており、隣り合う開放セル孔との間に圧力差が生じる。この圧力差により、開放セル孔に流入した排ガスの一部がセル壁を透過して栓詰めセル孔へ流入し、その際に、粒子状物質がセル壁の細孔に捕集される。開放セル孔と栓詰めセル孔との間に生じる圧力差は、排ガス流れの上流側で大きく、下流側へ向けて小さくなる。上記排ガス浄化フィルタは、排ガス流れの上流側に、触媒が担持されない第１領域を有するから、この第１領域において、両セル孔の間に生じる圧力差を利用して、排ガスに含まれる粒子状物質を効率良く捕集し、所望の捕集性能を得ることができる。

また、排ガス流れの下流側に、触媒が担持された第２領域を有するから、この第２領域において、排ガスに含まれる有害物質を浄化することができる。第２領域は、圧力差が小さく粒子状物質の捕集に適さないので、排ガスをセル壁に透過させるために触媒コート量を制限する必要がない。それゆえ、触媒コート量を充分に確保して浄化性能を高めることができる。

このように、片栓構造の排ガス浄化フィルタを、上流側の第１領域と下流側の第２領域に分け、それぞれの領域に適した機能を持たせたので、基材長を有効に利用できる。
以上のごとく、上記態様によれば、排ガス浄化フィルタを大型化することなく、粒子状物質の捕集性能の向上と、排ガスの浄化性能の向上とを両立させることができる、排ガス浄化フィルタを提供することができる。

参考形態１における、排ガス浄化フィルタを含む排ガス浄化装置の全体概略断面図。参考形態１における、排ガス浄化フィルタの概略構造を示す斜視図。参考形態１における、排ガス浄化フィルタの主要部構造を示す部分拡大図で軸方向における断面図。実施形態２における、排ガス浄化フィルタを含む排ガス浄化装置の全体概略断面図。実施形態２における、排ガス浄化フィルタの下流側端部における部分拡大図で、図４のＶ−Ｖ線断面図。実施形態２における、排ガス浄化フィルタの主要部構造を示す部分拡大図で軸方向における断面図。実施例１における、排ガス浄化フィルタのセル孔構造を示す部分拡大図で軸方向における断面図。実施例１における、排ガス浄化フィルタの上流側の端面からの位置と、開放セル孔及び栓詰めセル孔の圧力との関係を示す図。実施例１における、排ガス浄化フィルタの上流端面からの位置と、ＰＭ捕集率との関係を示す図。実施例１における、排ガス浄化フィルタの触媒コート量と浄化率との関係を示す図。実施例１における、開放セル孔の上流側端部と下流側端部の開口比率と、捕集率との関係を示す図。実施例１において、排ガス浄化フィルタのセル孔から剥離した灰分の外観を示す電子顕微鏡写真。実施例１において、排ガス浄化フィルタのセル孔から剥離した灰分の粒度分布図。

（参考形態１）
次に、排ガス浄化フィルタの基本構成を示す参考形態について説明する。図１、図２において、参考形態１の排ガス浄化フィルタ１は、図示しない内燃機関から排出される粒子状物質を含む排ガスを浄化するもので、一部に触媒が担持される。排ガス浄化フィルタ１は片栓構造で、排ガス流れＧの方向を軸方向Ｘとするハニカム構造体１０と、栓部４とを有する。栓部４は、ハニカム構造体１０の排ガス流れＧの上流側の端面１１（すなわち、図１、図２の左端面）を、部分的に閉塞している。ハニカム構造体１０は、複数のセル壁２と、該セル壁２に囲まれて形成された複数のセル孔３とを有し、セル壁２には、隣り合うセル孔３間を連通する細孔（図示略）が形成される。複数のセル孔３には、軸方向Ｘに貫通した開放セル孔３１と、栓部４によって排ガス流れＧの上流側の端部が閉塞された栓詰めセル孔３２とがある。

排ガス浄化フィルタ１は、排ガス流れＧの方向において、第１領域Ａと第２領域Ｂの２つの領域を有している。第１領域Ａは、排ガス流れＧの上流側に位置し、開放セル孔３１及び栓詰めセル孔３２を形成するセル壁２に、触媒が担持されない、非担持領域となっている。また、第２領域Ｂは、排ガス流れＧの下流側に位置し、開放セル孔３１及び栓詰めセル孔３２を形成するセル壁２に、触媒が担持された、担持領域となっている。第１領域Ａは、粒子状物質の捕集領域として機能し、第２領域Ｂは、排ガス中の有害物質を浄化する浄化領域として機能する。

図１に示すように、排ガス浄化フィルタ１は、内燃機関の排ガス管路（図示略）の途中に配置されて、排気浄化装置を構成する。排気浄化装置は、排ガス浄化フィルタ１が収容される、円筒状のケース５１を備え、ケース５１の両端部には、排ガスの流入口５２と排ガスの流出口５３がそれぞれ設けられる。ケース５１とハニカム構造体１０の間には、筒状のマット材６１が介設されており、マット材６１の両端部には、ストッパ６２が配置されている。内燃機関は、例えば、自動車用の直噴型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンであり、排ガス浄化フィルタ１は、排ガス管路に排出される排ガス中の粒子状物質を捕集すると共に、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の有害物質を浄化する。

図２に示すように、排ガス浄化フィルタ１は、全体が円柱形状をなしており、円筒状の外皮内にセル壁２が格子状に配設されて、多数のセル孔３を区画形成している。ハニカム構造体１０の多数のセル孔３は、排ガスの流入口５２と対向する上流側の端面１１において、隣り合うセル孔３が交互に栓詰めされている。排ガスの流出口５３と対向する下流側の端面（すなわち、図１、図２の右端面）１２においては、いずれのセル孔３も栓詰めされていない。これにより、ハニカム構造体１０の両端面１１、１２に開口し、両端が開放されている開放セル孔３１と、下流側の端面１２に開口し、上流側の端面１１においてセル孔端部（すなわち、図１、図２の左端部）が閉塞されている栓詰めセル孔３２とが、交互に並んで形成される。

本形態では、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２は、同一形状で、いずれも内周形状が正方形状をなしている。セル孔３の形状は、正方形状に限らず、四角形状、多角形状、円形状その他、任意の形状とすることができる。また、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２とは、同一形状でなくてもよく、異なる形状とすることもできる。また、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２は、軸方向と直交する方向における流路断面積が異なっていてもよい。その場合は、開放セル孔３１の流路断面積よりも栓詰めセル孔３２の流路断面積を大きくするのがよく、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の圧力差を大きくして、粒子状物質の捕集率を高めることが可能である。

ハニカム構造体１０のセル壁２は、多孔質構造を有するセラミック材料からなり、その内部に形成される細孔が互いに連通して、隣り合うセル孔３同士を連通させている。セラミック材料としては、例えば、コージェライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム等が用いられる。ハニカム構造体１０の栓部４も、同様のセラミック材料を用いて形成される。ハニカム構造体１０は、セル壁２の内部の細孔による気孔率を、セラミック材料に添加される造孔材によって調整することができる。ハニカム構造体１０の気孔率は、例えば、４０〜７０％の範囲に設定される。

排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｘにおいて、上流側の端面１１から所定長の領域を、第１領域Ａとしている。第１領域Ａは、粒子状物質の捕集領域として用いられ、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２を形成するセル壁２には、触媒は担持されない。そして、図３に示すように、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の間に生じる圧力差ΔＰは、排ガス流れＧが流入する上流側の端面１１近傍で高くなるので、上流側に位置する第１領域Ａでは、この圧力差ΔＰを利用してセル壁２に排ガスを透過させることができる。排ガスは、流入側の開口から開放セル孔３１に入り、隣り合う栓詰めセル孔３２へ、セル壁２を透過して移動する。その間に、粒子状物質（すなわち、図３中のＰＭ）は、排ガスから分離して、セル壁２の表面又は内部の細孔に捕集される。このように、第１領域Ａでは、セル壁２に触媒が担持されず、当初の気孔率が保持されるので、セル壁２を透過するガス流量の減少を抑制できる。したがって、排ガスに含まれる粒子状物質を効率良く捕集して、所望の捕集率とすることができる。

ここで、排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｘにおける基材長Ｌｘが長くなるに従い、セル壁２の容積が増加し、粒子状物質の捕集率も上昇していく。このとき、基材長Ｌｘが比較的短い範囲では、基材長Ｌｘの延長にほぼ比例して捕集率が上昇するが、基材長Ｌｘがより長くなると、基材長Ｌｘの延長に伴う捕集率の上昇は、次第に緩やかになる。そして、基材長Ｌｘがある一定の長さにおいて、粒子状物質の捕集率がある値に収束し、ある一定の長さを超えても、それ以上の捕集率の上昇はみられないことが判明している。これは、基材長Ｌｘがある一定の長さとなるまでは、排ガスがセル壁２を透過する割合が増えることで、基材長Ｌｘの延長に伴って、粒子状物質の捕集率が上昇を続けるが、その後は、セル壁２への透過の割合が増えなくなるためと考えられる。つまり、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘを、ある一定の長さよりも長くした場合、上流端からある一定の長さまでの領域においては、排ガスがセル壁２を透過するが、当該領域よりも下流側まで達した排ガスは、そのまま下流側へ吹き抜けてしまう、と考えられる。

このように、排ガス浄化フィルタ１には、基材長Ｌｘがある一定の長さに達すると、粒子状物質の捕集率が安定し、それ以上変化しなくなる（すなわち、最大捕集率となる）。つまり、ある一定の長さとは、最大捕集率となる基材長Ｌｘのうちの最短の長さであるので、この最短の基材長Ｌｓを基準として、第１領域Ａの軸方向長ＬＡを決定するとよい。具体的には、第１領域Ａの軸方向長ＬＡを、最短の基材長Ｌｓ以上の長さに設定することで、第１領域Ａにおける粒子状物質の捕集率が、最大捕集率に達するようにすることができる。なお、捕集率とは、排ガス浄化フィルタ１に導入される排ガスに含まれる粒子状物質の数に対する、排ガスフィルタ１から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の数の割合をいう（単位：％）。

あるいは、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘに制約がある場合などには、最大捕集率より低い所定の捕集率を設定し、この所定の捕集率となる基材長を基準として、第１領域Ａの軸方向長ＬＡを決定することもできる。所定の捕集率は、例えば、５０％以上、好適には、９０％以上とするのがよい。第１領域Ａの最大捕集率は、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の断面積比や、セル壁２の厚さ、セル密度、平均細孔径、気孔率等に応じて変化するので、これら基材仕様と捕集率の関係を予め知り、その関係に基づいて、第１領域Ａの軸方向長ＬＡを設定するとよい。これにより、第１領域Ａの軸方向長ＬＡを最適化して、所望の捕集率を実現し、排ガス浄化フィルタ１の大型化を抑制することができる。

排ガス浄化フィルタ１は、軸方向Ｘにおいて、第１領域Ａの下流端を上流端とし、下流側の端面１２に至る領域を、第２領域Ｂとしている。第２領域Ｂは、排ガス中の有害物質を浄化する浄化領域として用いられ、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２を形成するセル壁２には、触媒が担持される。具体的には、第２領域Ｂにおいて、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２に面するセル壁２の表面及びセル壁２の内部の細孔表面が、触媒を含む触媒コート層２１にて被覆される。触媒は、例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の貴金属触媒であり、浄化対象とする排ガスに応じて選択することができる。触媒コート層２１は、これら貴金属触媒を、セリア−ジルコニア複合酸化物等の助触媒、アルミナ等を含む多孔質担体に担持させたもので、セル壁２の表面に均等に形成される。

図３において、上流側の第１領域Ａを通過した排ガスが、次いで、下流側の第２領域Ａに流入すると、開放セル孔３１又は栓詰めセル孔３２の表面において、触媒コート層２１と接触する。排ガスは、多孔質の触媒コート層２１内に拡散し、排ガスに含まれる有害物質が貴金属触媒によって浄化される。図示するように、第２領域Ａにおいて、隣り合う開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２との間に生じる圧力差ΔＰは、排ガス流れＧが流出する下流側の端面１２へ向けて低くなる。そのため、セル壁２を透過するガス流量は減少するが、上述したように、第１領域Ａにおいて所望の捕集率を確保できるので、捕集性能への影響は小さい。また、下流側の端面１２において、開放セル孔３１及び栓詰めセル孔３２の両方が開放されているので、排ガスに含まれる灰分（すなわち、図３中のＡｓｈ）は、開放セル孔３１又は栓詰めセル孔３２の開口から外部に放出され、排ガス浄化フィルタ１の内部に残留することはない。

第２領域Ｂにおいて、触媒コート層２１を形成するための触媒コート量は、例えば、５０〜２５０ｇ／Ｌとすることができる。好適には、触媒コート量を、例えば、１００ｇ／Ｌ以上にするとよい。排ガスの浄化性能を高めるには、触媒コート量が多い方がよく、また、冷熱サイクルを繰り返すことによる浄化性能の低下を抑制できるため、好ましい。ここで、触媒コート量は、排ガス浄化フィルタ１の容積１Ｌ当たりに担持される触媒コート層２１の質量である。排ガス浄化フィルタ１において、触媒コート量を増大させることは、通常は粒子状物質の捕集性能の悪化につながるが、本形態では、上流側の第１領域Ａにて所望の捕集率が確保される。そのため、浄化領域である第２領域Ｂにおいて、必要な浄化率が得られるように、触媒コート量を任意に設定することができる。

浄化領域となる第２領域Ｂの軸方向長ＬＢは、任意に設定することができる。第２領域Ｂにおいては、軸方向長ＬＢが長くなるに従い、触媒担持面積が増加することで、排ガスの浄化性能が向上する。また、第１領域Ａの下流に第２領域Ｂを配置することで、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘが長くなり、例えば、排ガスの流速が速い場合に吹抜けを抑制する効果が高まる。一方で、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘが長くなると、排ガス浄化装置が大型化しやすい。そのため、例えば、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘが設定長を超えない範囲で、第２領域Ｂにおいて所望の浄化性能が得られるように、第２領域Ｂの軸方向長ＬＢと、第２領域Ｂの触媒コート量を調整するとよい。

このように、本形態の排ガス浄化フィルタ１は、排ガス流れＧの上流側のみ栓詰めされた片栓構造として灰分の堆積を抑制し、さらに、上流側に触媒が担持されない第１領域Ａを設け、下流側に触媒が担持された第２領域Ｂを設けて、２つの領域に機能分けすることで、粒子状物質の捕集性能と排ガスの浄化性能とを両立させることができる。

（実施形態２）
上記参考形態１のように、排ガス浄化フィルタ１は、触媒が担持される第２領域Ｂにおいて、セル壁２を被覆する触媒コート層２１が、セル孔３の全体に均等に形成されていても、触媒コート層２１の厚さが、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２とで異なっていてもよい。後者の場合は、開放セル孔３１における触媒コート層２１の厚さがより厚く形成されるのがよく、その一例を、次に説明する。

図４、図５に示すように、実施形態２の排ガス浄化フィルタ１は、第２領域Ｂにおいて、開放セル孔３１の表面を被覆する触媒コート層２１の厚さが、上流側の端部と下流側の端部とで異なっている。具体的には、少なくとも開放セル孔３１の下流側の端部において、触媒コート層２１の厚さを他の部位よりも厚く形成し、例えば、図４に示すように、下流側へ向けて触媒コート層２１による被覆厚さが徐々に厚くなるテーパ状部２２を形成する。栓詰めセル孔３２の表面を被覆する触媒コート層２１の厚さは略一定であり、排ガス浄化フィルタ１の下流側の端面１２において、栓詰めセル孔３２よりも開放セル孔３１のセル開口が小さくなる。テーパ状部２２に代えて、触媒コート層２１が段階的に下流側ほど厚くなる段付状に形成することもできる。また、下流側端部に限らず、第２領域Ｂの全体がテーパ状あるいは段付状となるようにしてもよい。なお、実施形態２の排ガス浄化フィルタ１は、触媒コート層２１以外の構成は、上記参考形態１と同じであり、説明を省略する。

第２領域Ｂにおいて、開放セル孔３１にテーパ状部２２を設けると、流出端部側ほど触媒コート層２１の厚さが厚くなり、図５に示すように、下流側の端面１２における開放セル孔３１の開口面積Ｓ１が、上流側の端面１１における開放セル孔３１の開口面積Ｓ２に対して充分小さくなる（すなわち、Ｓ１＜Ｓ２）。このとき、下流側の端面１２において、テーパ状部２２の開口２３は、略円形状となる。また、開放セル孔３１の内部の圧力が上昇し、隣り合う栓詰めセル孔３２との圧力差ΔＰがより大きくなる。これにより、図６に示すように、上流側の第１領域Ａにおいて、セル壁２を透過するガス流量が増加して、排ガス中の粒子状物質の捕集率をより高めることができる。

また、第２領域Ｂでは、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の表面に形成された触媒コート層２１において、排ガス中の有害物質が浄化される。開放セル孔３１は下流端部にテーパ状部２２を有するので、開放セル孔３１に流入する排ガスは、テーパ状部２２に沿って流れ、又は、テーパ状部２２の内部に容易に拡散する。これにより、触媒との接触機会が増加し、有害物質の浄化率をより高めることができる。また、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２は、共に下流側の端面１２に開口しているので、排ガスに含まれる灰分（すなわち、図６中のＡｓｈ）は、外部に容易に排出される。

ここで、開放セル孔３１は、下流端部の開口面積Ｓ１が小さくなるに従い、内部の圧力が上昇するため、隣り合う栓詰めセル孔３２との圧力差ΔＰも大きくなる。この圧力差ΔＰによる捕集率の向上効果を得るには、下記式で表される、開口比率（単位：％）が、例えば８０％以下であることが好ましい。
開口比率＝（Ｓ１／Ｓ２）×１００・・・(式)
開口比率は、上流側の端面１１における開放セル孔３１の開口面積Ｓ２に対する、下流側の端面１２における開放セル孔３１の開口面積Ｓ１の比率である。

一方、開口面積Ｓ１が小さくなると、排ガスに含まれる灰分が、開放セル孔３１の内部に残留して堆積しやすくなり、下流側の端面１２において、テーパ状部２２の開口２３が閉塞されるおそれがある。そこで、好適には、排ガスに含まれる灰分の粒径よりも、テーパ状部２２の開口２３が、十分大きくなるようにする。例えば、灰分の粒径は、通常、１〜１００μｍ程度であり、最大で２００μｍ（すなわち、０．２ｍｍ）程度であるから、開放セル孔３１の下流端部におけるセル開口径（すなわち、開口２３の直径）が、０．２ｍｍ以上となるように、触媒コート層２１を形成するとよい。

本形態のように、開放セル孔３１の触媒コート層２１の厚さを、下流側において厚く形成し、排ガスが流出する下流端部の開口面積Ｓ１を小さくすることで、第１領域Ａにおける粒子状物質の捕集性能と、第２領域Ｂにおける有害物質の浄化性能とを、さらに向上させることができる。また、開放セル孔３１の触媒コート層２１は、下流端部にテーパ状部２２を有するので、テーパ形状を変更することで、触媒コート量を増減し、あるいは下流側の端面１２におけるセル開口径を任意に変更可能である。そして、触媒コート量やセル開口径を調整することで、灰分の堆積を抑制しつつ、隣り合うセル孔３の圧力差ΔＰをより大きくすることができる。したがって、コンパクトな構成で効率良く排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタ１とすることができる。

（実施例１）
次に、上記構成の排ガス浄化フィルタ１を、以下の方法により作製した。ここで、排ガス浄化フィルタ１は、円柱体形状のハニカム構造体１０の一端面側を栓部４で閉塞したものであり、ハニカム構造体１０はコージェライト製で、φ１３２ｍｍ×Ｌ１００ｍｍのサイズとした。ハニカム構造体１０は、内周形状が正方形の多数のセル孔３を有し、セル密度：３００個／ｉｎｃｈ^２、セル壁２の厚さ：０．２８ｍｍ、平均細孔径：１８μｍ、気孔率：６０％である。

まず、コージェライト原料として、カオリン、タルク、溶融シリカ、アルミナを用い、モル比が２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２のコージェライト組成となるように、各原料粉末を配合した。配合した原料粉末を、湿式にて粉砕混合し、造孔材としてカーボンを添加した。さらに、増粘剤としてメチルセルロースを用いて粘性を高めた混合物を、混練して、坏土を形成した。得られた坏土を、金型を用いて押出成形し、所定のサイズに切断した後、乾燥させて乾燥体を得た。その乾燥体を、１４００〜１４４０℃で焼成して、コージェライト製のハニカム構造体１０を得た。その後、ハニカム構造体１０の一方の端面において、セル孔３の開口を、セラミック材を用いて、格子状に交互に閉塞させた。次いで、５００℃以上で焼成して、片栓構造のハニカム構造体１０を得た。

このハニカム構造体１０に、さらに、触媒を担持して触媒コート層２１を形成し、排ガス浄化フィルタ１とした。触媒コート層２１は、貴金属触媒として、ＰｔとＲｈを用い、担体として、セリア・ジルコニア複合酸化物とγアルミナを用いて粘度調整した触媒スラリーに、ハニカム構造体１０のもう一方の端面側を浸漬し、乾燥させた後、焼付を行って形成した。このようにして、栓部４を形成した端面側に、触媒が担持されない第１領域Ａを有し、栓部４を形成していない端面側に、触媒コート層２１が形成された第２領域Ｂを有する、排ガス浄化フィルタ１を得た。

また、得られた排ガス浄化フィルタ１の開放セル孔３１について、さらに、第２領域Ｂ側の開口端部に、上記のようにして調整した触媒スラリーを低粘度化させたものを含浸させた。含浸時間は１〜２秒とした。開放セル孔３１に選択的にスラリーを浸入させることにより、開放セル孔３１の触媒コート層２１のテーパがより強調される。その後、乾燥、焼付を行って、図７に示すように、触媒コート層２１の下流端部にテーパ状部２２を形成した。このとき、開放セル孔３１の開口比率（すなわち、上流端部の開口面積Ｓ２に対する下流端部の開口面積Ｓ１の比率；Ｓ１／Ｓ２）は、８０％とした。また、栓詰めセル孔３２については、排ガス浄化フィルタ１の基材長Ｌｘ（すなわち、１００ｍｍ）に対し、上流端から所定長の部位が、栓部４にて閉塞される。

図８には、このようにして得た、テーパ状部２２を有する排ガス浄化フィルタ１について、栓部４を形成した端面側からモデルガスを流入させたときの、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の圧力分布を示した。また、図９には、上記のようにして形成した触媒コート層２１の触媒コート開始位置、すなわち第１領域Ａと第２領域Ｂの境界位置を変更して、粒子状物質の捕集率（すなわち、図中のＰＭ捕集率）を調べた結果を示している。ＰＭ捕集率は、Ｖ型６気筒の直噴タイプガソリンエンジンを、回転数：２０００ｒｐｍ、ガス流量：２５ｇ／ｓｅｃ、燃料噴射時期：３３０度ＢＤＴＣ、フィルタ床温：４００℃で運転し、排ガス浄化フィルタ１を通過する前後のモデルガス中のＰＭ数を、東京ダイレック（株）製リアルタイム自排微粒子解析装置ＥＥＰＳ３０９０にて計測し、前後のＰＭ数の差分から、捕集率を算出した。

図８において、開放セル孔３１の圧力Ｐ１は、上流端で最も高く、下流側へ向けて低下して、下流端では栓詰めセル孔３２の圧力Ｐ２とほぼ同じになる。開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の圧力差ΔＰは、上流側で大きく、下流側へ向けて小さくなって、下流端部で急減している。この傾向は、テーパ状部２２を有する場合のＰ１（すなわち、テーパあり）、有しない場合のＰ１（すなわち、テーパなし）のいずれも、同様である。また、参考のため図中に示す、触媒を担持する前の開放セル孔３１の圧力Ｐ１１（すなわち、触媒なし）に比べ、触媒を担持した開放セル孔３１の圧力Ｐ１（すなわち、テーパなし）が、全体に上昇している。一方、図９において、触媒コート開始位置が０〜２０ｍｍ（すなわち、基材Ｌｘ長の０〜２０％）程度までは、ＰＭ捕集率が２０％前後でほぼ一定であり、その後、ＰＭ捕集率が急上昇している。また、テーパ状部２２を有する場合は、テーパ状部２２を有しない場合よりＰＭ捕集率が高くなる。

このとき、触媒コート開始位置が０〜３０ｍｍ（すなわち、基材長Ｌｘの０〜３０％）程度までは、ＰＭ捕集率はいずれも２０〜４０％程度で大きな差は見られないが、４０ｍｍ（すなわち、基材長Ｌｘの４０％）以上でＰＭ捕集率の差が大きくなる。例えば、テーパ状部２２を有する場合は、触媒コート開始位置が４０ｍｍで、ＰＭ捕集率が５０％を超え、触媒コート開始位置が５０〜６０ｍｍ（すなわち、基材長Ｌｘの５０〜８０％）で、ＰＭ捕集率は６０％超となり、６０ｍｍ以上はほぼ同等である。テーパ状部２２を有しない場合のＰＭ捕集率は、触媒コート開始位置が５０〜６０ｍｍで５５〜６０％未満であり、６０ｍｍ以上はほぼ同等である。

したがって、排ガス浄化フィルタ１は、上流側の圧力差ΔＰを利用して所望のＰＭ捕集率が得られるように、第１領域Ａを設定するとよい。好適には、第１領域Ａの軸方向長ＬＡが、ＰＭ捕集率がほぼ安定する、基材長Ｌｘの５０％以上の長さ、好ましくは、ＰＭ捕集率が最大となり変化しなくなる、基材長の６０％以上の長さとすることで、開放セル孔３１と栓詰めセル孔３２の圧力差ΔＰを有効に利用することができる。

（実験例１）
上記のようにして得た、排ガス浄化フィルタ１について、第２領域Ｂの触媒コート量を変更して、排ガスの浄化性能を調べた。結果を図１０に示す。触媒コート層２１にはテーパ状部２２を形成せず、貴金属触媒量、担体量は、以下の通りとした。第１領域Ａの軸方向長ＬＡは６０ｍｍ、第２領域Ｂの軸方向長ＬＢは４０ｍｍとした。
貴金属触媒量Ｐｔ・Ｒｈ＝０．６ｇ／Ｌ・０．１５ｇ／Ｌ：固定
担体量セリア・ジルコニア複合酸化物４０％、γアルミナ６０％：５０〜２５０ｇ/Ｌ
ハニカム構造体１０：０．９Ｌ、３ミル/６００セル
浄化性能は、２．４Ｌの４気筒直噴タイプガソリンエンジンを用い、以下の耐久条件で運転した後に、排ガスを導入して、排ガス中のＣＯとＮＯｘの浄化率曲線がクロスする空燃比での浄化率の値で評価した。評価条件は、以下の通りとした。
耐久条件：回転数３８００ｒｐｍ、ガス流量１８ｇ／ｓｅｃ、９５０℃リッチリーン耐久法
評価条件：回転数２２００ｒｐｍ、ガス流量１０．２ｇ／ｓｅｃ、入りガス温度５００℃

図１０に示されるように、浄化率は、触媒コート量が５０〜１００ｇ/Ｌで８０％前後から９５％前後まで急上昇し、１５０ｇ/Ｌを超えると１００％よりやや低い値で安定する。したがって、第２領域Ｂの触媒コート量を、好ましくは１００ｇ/Ｌ以上とすることで、ほぼ最大に近い浄化率とすることができる。また、触媒コート層２１にテーパ状部２２を形成する場合は、触媒コート量をより多くすることで、所望の形状のテーパ状部２２を形成して、下流端部の開口面積を調整することができる。

（実験例２）
上記のようにして得た、排ガス浄化フィルタ１について、開放セル孔３１の開口比率Ｓ１／Ｓ２を変化させて、粒子状物質の捕集率を調べた。結果を図１１に示す。開口比率Ｓ１／Ｓ２は、第２領域Ｂにおける触媒コート層２１の触媒コート量を変更することにより、下流端部の開口面積Ｓ１を上流端部の開口面積Ｓ２に対して、５〜１００％の範囲で変化させた。第１領域Ａの軸方向長ＬＡは、基材長Ｌｘ１００ｍｍに対して捕集率が最大となる６０ｍｍとした。

図１１に示されるように、開口比率Ｓ１／Ｓ２が１００％から小さくなるに従い、捕集率が５０％から上昇し、開口比率Ｓ１／Ｓ２が８０％のとき、捕集率は６０％を超えている。開口比率Ｓ１／Ｓ２が８０％以下では、捕集率の上昇は緩やかとなり、開口比率Ｓ１／Ｓ２が１０％で、捕集率は６５％前後、開口比率Ｓ１／Ｓ２が５％で、捕集率は７０％よりやや低い値となる。したがって、第２領域Ｂにテーパ状部２２を形成する場合は、好ましくは、開口比率Ｓ１／Ｓ２が８０％以下となるようにすると、効率良く粒子状物質を捕集できる。

ただし、開口比率Ｓ１／Ｓ２が小さくなると、排ガスに含まれる灰分が、セル孔３内に堆積しやすくなることが判明した。図１２に示されるように、セル孔３から剥離した灰分のＳＥＭ写真に基づいて、粒度分布を測定した結果を、図１３に示した。図１３において、灰分の粒径は、１〜１０００μｍの間に分布しており、１０μｍ前後にピークを有している。この粒度分布に基づいて、灰分の累積量が９０％となる粒径（すなわち、Ｄ９０）を算出したところ、Ｄ９０：１９２μｍであった。この結果から、開口比率Ｓ１／Ｓ２によらず、開放セル孔３１の下流端部の開口面積Ｓ１を、例えば２００μｍ（すなわち、０．２ｍｍ）以上とすることで、灰分の９０％以上を排出可能となることがわかる。

そこで、排ガス浄化フィルタ１の開放セル孔３１について、下流端部の開口面積Ｓ１を０．０５〜０．５ｍｍの範囲で変更し、耐久試験後の灰分の堆積による目詰りの有無を調べた。耐久試験には、Ｖ型６気筒の直噴タイプガソリンエンジンを用い、以下の条件で、２分毎に燃料カットするサイクルで３０時間運転した。耐久終了後に、開放セル孔３１を観察し、初期の開口面積Ｓ１に対して、灰分の堆積によるセル閉塞率から、以下の条件で目詰りの有無を評価し、結果を表１に示した。
耐久条件：回転数３２００ｒｐｍ、ガス流量１５ｇ／ｓｅｃ、燃料噴射時期３３０度ＢＤＴＣ
使用燃料：エンジンオイル成分１％添加ガソリン
評価条件：セル閉塞率が２０％以上である場合は、目詰り有、セル閉塞率が２０％未満である場合は、目詰り無

表１に明らかなように、開放セル孔３１の下流端部の開口面積Ｓ１が、２ｍｍに満たない場合は、灰分の堆積によるセル閉塞率が２０％以上となった。これに対し、開口面積Ｓ１を２ｍｍ以上とすることで、灰分の堆積を抑制して、セル閉塞率を小さくすることができる。

（比較例１）
比較のため、実施例１の排ガス浄化フィルタ１と同様の構成において、さらに、第１領域Ａに相当する上流側領域に、触媒を担持させた比較用の排ガス浄化フィルタを作製した。触媒は、実施例１における触媒コート層２１と同様に、貴金属触媒とセリア・ジルコニア複合酸化物を配合したアルミナ担体を含み、触媒コート量は、第１領域Ａに相当する上流側領域では２０ｇ／Ｌ、第２領域Ｂに相当する下流側領域では１６０ｇ／Ｌ以上とした。触媒スラリーの調整に際しては、セリア・ジルコニア複合酸化物をゾル化して、アルミナゾル１０％と混合してスラリー状とした。次いで、所定の貴金属触媒を添加した触媒スラリーを、フィルタ基材に投入し、エアブローにより余剰の触媒を吸引して、細孔の閉塞を抑制しながら触媒コートを行った。このとき、フィルタ基材長１００ｍｍに対して、上流側領域の軸方向長は６０ｍｍ、下流側領域の軸方向長は４０ｍｍとした。

このようにして得られた比較用の排ガス浄化フィルタについて、上記した方法で排ガスの浄化率を測定したところ、上流側領域に触媒が担持されない実施例１の排ガス浄化フィルタ１と、ほぼ同等であった。一方、上流側領域の細孔が閉塞されないように、触媒スラリーをゾル化して低粘度とする必要があり、触媒コートの工程管理に手間を要した。この結果から、本発明のように、触媒が担持される領域を、下流側の第２領域Ｂのみとすることで、触媒スラリーの調整や触媒コートの工程を簡素化し、より効率良く排ガスを浄化することができる。

１排ガス浄化フィルタ
１０ハニカム構造体
１１上流側の端面
１２下流側の端面
２セル壁
２１触媒コート層
２２テーパ状部
２３開口
３セル孔
３１開放セル孔
３２栓詰めセル孔
４栓部
Ａ第１領域
Ｂ第２領域
Ｇ排ガス流れ
Ｘ軸方向

Claims

内燃機関から排出される粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタ（１）であって、
排ガス流れ（Ｇ）の方向を軸方向（Ｘ）とするハニカム構造体（１０）と、該ハニカム構造体（１０）の上記排ガス流れ（Ｇ）の上流側の端面（１１）を部分的に閉塞する栓部（４）と、上記ハニカム構造体（１０）に担持される触媒とを有し、
上記ハニカム構造体（１０）は、複数のセル壁（２）と、該セル壁（２）に囲まれて形成された複数のセル孔（３）とを有し、上記セル壁（２）には、隣り合うセル孔（３）間を連通する細孔が形成されており、上記複数のセル孔（３）には、上記軸方向（Ｘ）に貫通した開放セル孔（３１）と、上記栓部（４）によって上流側の端部が閉塞された栓詰めセル孔（３２）とがあり、
上記ハニカム構造体（１０）の上記排ガス流れ（Ｇ）の上流側に、上記セル壁（２）に上記触媒が担持されていない第１領域（Ａ）を有し、上記排ガス流れ（Ｇ）の下流側に、上記セル壁（２）の表面に上記触媒を含む触媒コート層（２１）が形成された第２領域（Ｂ）を有すると共に、
上記開放セル孔（３１）において、上記触媒コート層（２１）は、上記排ガス流れ（Ｇ）の下流側の端部における厚さが、上記排ガス流れ（Ｇ）の上流側の端部における厚さよりも厚く形成される、排ガス浄化フィルタ（１）。
上記第１領域（Ａ）の軸方向長（ＬＡ）は、粒子状物質の捕集率が最大捕集率となる、最短の長さを基準として設定される、請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ（１）。
上記触媒コート層（２１）における触媒コート量は、１００ｇ／Ｌ以上である、請求項１又は２に記載の排ガス浄化フィルタ（１）。
上記開放セル孔（３１）は、上記ハニカム構造体（１０）の上記排ガス流れ（Ｇ）の下流側の端面（１２）における開口面積（Ｓ１）と、上記上流側の端面（１１）における開口面積（Ｓ２）との比率である、開口比率（Ｓ１／Ｓ２）が、８０％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化フィルタ（１）。
上記開放セル孔（３１）は、上記ハニカム構造体（１０）の上記排ガス流れ（Ｇ）の下流側の端面（１２）におけるセル開口径が、０．２ｍｍ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化フィルタ（１）。