WO2014087472A1 - 排気浄化フィルタ - Google Patents

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WO2014087472A1
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partition wall
exhaust
passage
inflow passage
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伊藤　和浩
寛真 西岡
佳久 塚本
大地 今井
寛 大月
亮太 神武
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification filter.
  • a compression ignition type internal combustion engine in which a particulate filter for collecting particulate matter in exhaust gas is disposed in an exhaust passage is known.
  • the particulate filter includes exhaust gas inflow passages and exhaust gas outflow passages arranged alternately, and porous partition walls that separate the exhaust gas inflow passage and the exhaust gas outflow passage from each other. It is blocked by the downstream plug, and the upstream end of the exhaust gas outflow passage is blocked by the upstream plug. Therefore, the exhaust gas first flows into the exhaust gas inflow passage, and then flows into the adjacent exhaust gas outflow passage through the surrounding partition wall. As a result, particulate matter in the exhaust gas is collected on the partition walls and is prevented from being released into the atmosphere.
  • the exhaust gas contains an incombustible component called ash, and this ash is collected by the particulate filter together with the particulate matter.
  • ash does not burn or vaporize and remains on the particulate filter.
  • the engine operation time becomes longer, the ash amount on the particulate filter gradually increases, and the pressure loss of the particulate filter gradually increases.
  • the engine output may be reduced.
  • a particulate filter in which a through hole is formed in the downstream plug so that ash flows out of the particulate filter through the through hole (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 when the engine operation time becomes long, the through hole is blocked by the particulate matter.
  • the particulate filter can collect the particulate matter in the same manner as a conventional particulate filter having no through hole.
  • PM removal processing is performed, the particulate matter that has blocked the through hole is removed, and the through hole is opened. As a result, the ash on the particulate filter is discharged from the particulate filter through the through hole.
  • Patent Document 1 the particulate matter flows out from the particulate filter through the through hole after the engine operation is started or after the PM removal process is completed until the through hole is closed. End up.
  • the diameter of the through hole is set to 0.2 mm or more, and it takes a considerably long time to close such a large diameter through hole by the particulate matter. This means that the amount of particulate matter flowing out from the particulate filter through the through hole is considerably large.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification filter capable of suppressing the increase in pressure loss due to ash while reliably collecting particulate matter.
  • an exhaust purification filter for collecting particulate matter contained in exhaust gas, which is suitable for being disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine, wherein the exhaust gas is alternately disposed.
  • a pore region is partitioned upstream of the partition wall and a rough hole is formed downstream of the partition wall.
  • An exhaust purification filter includes an accelerating member that promotes the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage through the partition wall in the pore region and into the exhaust gas outflow passage.
  • the substrate surface of the partition wall is covered with a coat layer having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the substrate in the pore region, and the substrate surface of the partition wall is covered with the coat layer in the coarse pore region.
  • the coat layer is provided so as to protrude from the surface of the base material facing the exhaust gas inflow passage to the inside of the exhaust gas inflow passage, and the promoting member is constituted by the coat layer. More preferably, the coat layer has a concave groove.
  • the promoting member includes a wall member extending along the partition wall in the exhaust gas inflow passage in the pore region.
  • the promotion member includes a guide member that guides the exhaust gas in the exhaust gas inflow passage toward the partition wall in the pore region.
  • the promoting member includes a throttle disposed at the inlet of the exhaust gas inflow passage.
  • FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. It is a front view of a particulate filter. It is side surface sectional drawing of a particulate filter. It is a partial expanded sectional view of a partition. It is a partial expanded end view of the exhaust gas inlet side of the particulate filter. It is a partial expanded sectional view of a coat layer. It is the schematic explaining the effect
  • FIG. 8B is a partially enlarged end view of the particulate filter on the exhaust gas inlet side in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 8A It is a partial expanded sectional view of the particulate filter which shows another Example by this invention.
  • FIG. 9B is a partially enlarged perspective view of the particulate filter in the embodiment shown in FIG. 9A.
  • FIG. 10A It is a partial expanded sectional view of the particulate filter which shows another Example by this invention. It is a figure explaining the exhaust-gas flow in the Example shown by FIG. 10A.
  • FIG. 11A It is a front view of the particulate filter which shows another Example by this invention. It is side surface sectional drawing of the particulate filter in the Example shown by FIG. 11A.
  • reference numeral 1 denotes a main body of an internal combustion engine
  • 2 denotes an intake passage
  • 3 denotes an exhaust passage
  • 4 denotes an exhaust purification filter disposed in the exhaust passage 3.
  • the exhaust purification filter 4 is constituted by a wall flow type particulate filter.
  • the internal combustion engine is composed of a compression ignition type internal combustion engine.
  • Another embodiment comprises a spark ignition internal combustion engine.
  • FIGS. 2A and 2B show the structure of the particulate filter 4.
  • 2A shows a front view of the particulate filter 4
  • FIG. 2B shows a side sectional view of the particulate filter 4.
  • the particulate filter 4 has a honeycomb structure, and a plurality of exhaust flow passages 5i and 5o extending in parallel with each other, and a partition wall that separates the exhaust flow passages 5i and 5o from each other. 6.
  • the exhaust flow passages 5i and 5o are composed of an exhaust gas inflow passage 5i having an upstream end opened and a downstream end closed by a plug 7d, and an upstream end closed by a plug 7u and a downstream end.
  • the exhaust gas outflow passage 5o is opened.
  • the hatched portion indicates the plug 7u. Therefore, the exhaust gas inflow passages 5 i and the exhaust gas outflow passages 5 o are alternately arranged via the thin partition walls 6.
  • each exhaust gas inflow passage 5i is surrounded by four exhaust gas outflow passages 5o
  • each exhaust gas outflow passage 5o is surrounded by four exhaust gas inflow passages 5i.
  • the exhaust flow passage is constituted by an exhaust gas inflow passage whose upstream end and downstream end are opened, and an exhaust gas outflow passage whose upstream end is closed by a plug and whose downstream end is opened.
  • the partition wall 6 is divided into a coat area CZ and a non-coat area NCZ located on the downstream side of the coat area CZ.
  • the surface of the base 6 s of the partition wall 6 is covered with the coat layer 8 in the coat region CZ.
  • the non-coated region NCZ the surface of the partition wall base 6s is not covered with the above-described coat layer 8.
  • the coat layer 8 is provided so as to protrude inward of the exhaust gas inflow passage 5i from one surface of the partition wall base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i.
  • the upstream edge of the coating region CZ substantially coincides with the upstream end of the partition wall 6.
  • the upstream edge of the coat region CZ is located downstream of the upstream end of the partition wall 6.
  • the downstream edge of the uncoated region NCZ substantially coincides with the downstream end of the partition wall 6.
  • the downstream edge of the uncoated region NCZ is located upstream of the downstream end of the partition wall 6.
  • the longitudinal length of the coat region CZ is set to, for example, 50% to 90% of the longitudinal length of the particulate filter 4.
  • the partition wall substrate 6s is formed of a porous material, for example, a ceramic such as cordierite, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, titania, alumina, silica, mullite, lithium aluminum silicate, and zirconium phosphate.
  • a ceramic such as cordierite, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, titania, alumina, silica, mullite, lithium aluminum silicate, and zirconium phosphate.
  • the coat layer 8 is formed of a large number of particles 9 as shown in FIG. 5, and has a large number of gaps or pores 10 between the particles 9. Therefore, the coat layer 8 has porosity. Therefore, as indicated by an arrow in FIG. 2B, the exhaust gas first flows into the exhaust gas inflow passage 5i, and then flows into the adjacent exhaust gas outflow passage 5o through the surrounding partition wall 6.
  • the particles 9 are made of a metal having an oxidation function.
  • a platinum group metal such as platinum Pt, rhodium Rh, or palladium Pd, or a metal such as copper Cu, iron Fe, silver Ag, or cesium Cs can be used.
  • the particles 9 are made of the same ceramic as the partition wall substrate 6s.
  • the particles 9 are composed of one or both of ceramic and metal.
  • the average pore diameter of the partition wall substrate 6s is set to 25 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the inventors of the present application have confirmed that most of the ash contained in the exhaust gas can pass through the partition wall 6 when the average pore diameter of the partition wall substrate 6s is 25 ⁇ m or more. Therefore, in other words, the pore diameter of the partition wall 6 is set so that the ash contained in the exhaust gas can pass through the partition wall 6 in the uncoated region NCZ.
  • the average particle size of the particulate material is smaller than the average particle size of ash
  • the pore diameter of the partition wall 6 is set so that the particulate material and ash can pass through the partition wall 6 in the uncoated region NCZ. You can also see that.
  • the average pore diameter of the coat layer 8 is set smaller than the average pore diameter of the partition wall substrate 6s. Specifically, the average pore diameter of the coat layer 8 is set so that the coat layer 8 can collect the particulate matter contained in the exhaust gas. Furthermore, the average diameter of the particles 9 (secondary particles) is set to 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. When the average diameter of the particles 9 is smaller than 1 ⁇ m, the amount of the particulate matter passing through the coat layer 8 becomes larger than the allowable amount. If the average diameter of the particles 9 is larger than 10 ⁇ m, the pressure loss of the particulate filter 4 or the coating layer 8 becomes larger than the allowable value.
  • the pore region is partitioned upstream of the partition wall 6 and the coarse pore region is partitioned downstream of the partition wall 6, and the average pore diameter of the partition wall 6 in the coarse pore region is the pore region. It is set to be larger than the average pore diameter of the partition walls 6 and so that the ash contained in the exhaust gas can pass through the partition walls 6.
  • the pore region is composed of the coated region CZ and the rough pore region is composed of the non-coated region NCZ.
  • the average pore diameter of the partition wall substrate means the median diameter (50% diameter) of the pore diameter distribution obtained by the mercury intrusion method, and the average particle diameter is the laser diffraction / scattering. This means the median diameter (50% diameter) of the volume-based particle size distribution obtained by the method.
  • the exhaust gas contains particulate matter mainly formed from solid carbon. This particulate matter is collected on the particulate filter 4.
  • ash is contained in the exhaust gas, and this ash is also collected by the particulate filter 4 together with the particulate matter. It has been confirmed by the present inventors that this ash is mainly formed from calcium salts such as calcium sulfate CaSO 4 and zinc phosphate calcium Ca 19 Zn 2 (PO 4 ) 14 .
  • Calcium Ca, zinc Zn, phosphorus P and the like are derived from engine lubricating oil, and sulfur S is derived from fuel. That is, taking calcium sulfate CaSO 4 as an example, engine lubricating oil flows into combustion chamber 2 and burns, and calcium Ca in the lubricating oil combines with sulfur S in the fuel to produce calcium sulfate CaSO 4. Is done.
  • a conventional particulate filter having an average pore diameter of about 10 ⁇ m to 25 ⁇ m and not including the coat layer 8 in other words, a particulate filter that hardly allows ash to pass through, is disposed in the engine exhaust passage, It is confirmed that the particulate matter tends to be deposited on the upstream portion of the partition wall 6 rather than the downstream portion of the partition wall 6, and the ash tends to be deposited on the downstream portion of the partition wall 6 rather than the upstream portion of the partition wall 6. Has been.
  • the coat region CZ is provided on the upstream side of the partition wall 6 and the non-coat region NCZ is provided on the downstream side of the partition wall 6.
  • the particulate matter 20 is collected by the partition walls 6 in the upstream coat region CZ, and the ash 21 passes through the partition walls 6 in the downstream non-coat region NCZ. Therefore, it is possible to suppress the accumulation of ash on the particulate filter 4 while suppressing the particulate matter from passing through the particulate filter 4. In other words, it is possible to suppress the pressure loss of the particulate filter 4 from being increased by ash while reliably collecting the particulate matter.
  • the temperature of the particulate filter is raised while the particulate filter is maintained in an oxidizing atmosphere, whereby the particulate matter is combusted.
  • the particulate matter when the particulate matter reaches the non-coated region NCZ without being collected by the partition wall 6 in the coated region CZ, the particulate material passes through the partition wall 6 in the non-coated region NCZ and is discharged into the atmosphere.
  • the coat layer 8 protrudes inward of the exhaust gas inflow passage 5i from one surface of the partition wall substrate 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i. It is provided to do. Therefore, the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 5i travels in the longitudinal axis direction of the exhaust gas inflow passage 5i as compared with the case where the coat layer 8 is not provided or the thickness of the coat layer 8 is considerably small. To be suppressed. Alternatively, the flow path resistance of the exhaust gas inflow passage 5 i in the longitudinal axis direction is increased by the coat layer 8.
  • the particulate filter 4 includes an accelerating member that promotes the flow of the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 5i through the partition wall 6 in the pore region and into the exhaust gas outflow passage 5o. become.
  • the accelerating member is composed of a coat layer 8.
  • the coat layer 8 is provided on one surface of the partition base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i, and the partition base 6s facing the exhaust gas outflow passage 5o. It is not provided on one surface. In another embodiment, the coat layer 8 is provided on both surfaces of the partition wall base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i and the exhaust gas outflow passage 5o.
  • FIG. 7 shows another embodiment according to the present invention. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
  • the coat layer 8 constituting the promoting member is provided with a concave groove 30.
  • the thickness of the coat layer 8 in the concave groove 30 is small, and the flow path resistance in the thickness direction of the partition wall 6 is small in the concave groove 30.
  • the flow path resistance in the thickness direction of the partition wall 6 is smaller than that of the embodiment of FIG. Therefore, it is further promoted that the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 5i passes through the partition wall 6 in the coat region CZ and flows into the exhaust gas outflow passage 5o.
  • the diameter of the opening of the concave groove 30 is larger than the pore diameter of the coat layer 8.
  • the concave groove 30 is formed as follows, for example. That is, a surface opening agent such as a foaming agent is mixed in the slurry forming the coat layer 8 and applied to the substrate together with the slurry. The substrate is then fired. At this time, the foaming agent foams, and thereby the concave groove 30 is formed in the coat layer 8.
  • a surface opening agent such as a foaming agent
  • 8A and 8B show still another embodiment according to the present invention.
  • 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 8B.
  • FIGS. 3 and 4 differences from the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
  • the accelerating member includes a wall member 40 that extends along the partition wall 6 in the exhaust gas inflow passage 5i in the coat region CZ.
  • the wall member 40 has a portion 41 extending in the vertical direction and a portion 42 extending in the horizontal direction.
  • the flow resistance of the exhaust gas inflow passage 5i in the longitudinal axis direction is increased by the wall member 40, and the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 5i travels in the longitudinal axis direction of the exhaust gas inflow passage 5i. It is suppressed.
  • the exhaust gas in the exhaust gas inflow passage 5i is promoted to flow out to the exhaust gas outflow passage 5o through the partition wall 6 in the coat region CZ.
  • the wall member 40 has only one of the portions 41 and 42.
  • the wall member 40 is formed of, for example, a porous material similar to the partition wall substrate 6s. In another embodiment, a catalyst is supported on the wall member 40.
  • the wall member 40 is provided only in the coat region CZ. In another embodiment, the wall member 40 is provided only in the uncoated region NCZ. In yet another embodiment, the wall member 40 is provided in both the coated area CZ and the uncoated area NCZ.
  • the coat layer 8 is provided on one surface of the partition base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i, and the partition base 6s facing the exhaust gas outflow passage 5o. It is not provided on one surface.
  • the coat layer 8 is provided on both surfaces of the partition wall base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i and the exhaust gas outflow passage 5o.
  • the promoting member includes the coat layer 8 and the wall member 40.
  • the coat layer 8 is provided on one surface of the partition wall base 6s facing the exhaust gas outflow passage 5o, and is not provided on one surface of the partition base 6s facing the exhaust gas inflow passage 5i. In this case, the promoting member does not include the coat layer 8.
  • FIGS. 8A and 8B show still another embodiment according to the present invention. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIGS. 8A and 8B will be described.
  • the promotion member includes a guide member 50 that guides the exhaust gas in the exhaust gas inflow passage 5i toward the partition wall 6 in the coat region CZ.
  • the guide member 50 is provided in the exhaust gas inflow passage 5 i and is formed in the base 51, a plate-like base 51 extending on the surface of the coat layer 8, a guide piece 52 rising from the base 51.
  • a communication hole 53 is provided for communicating the exhaust gas inflow passage 5 i with the partition wall 6 or the coat layer 8.
  • the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 5i collides with the guide piece 52, travels along the guide piece 52, and reaches the partition wall 6 or the coat layer 8 through the communication hole 53. In this way, the exhaust gas is facilitated to pass through the partition wall 6 in the coat region CZ.
  • the guide member 50 is not provided in the uncoated region NCZ.
  • FIGS. 8A and 8B show still another embodiment according to the present invention. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIGS. 8A and 8B will be described.
  • the promoting member includes a throttle 60 disposed at the inlet 5ii of the exhaust gas inflow passage 5i.
  • the exhaust gas that has passed through the throttle 60 spreads outward in the radial direction in the exhaust gas inflow passage 5i.
  • the exhaust gas is facilitated to pass through the partition wall 6 in the coat region CZ.
  • no coating layer is provided in the non-coated region NCZ.
  • another coating layer different from the coating layer 8 is provided in the uncoated region NCZ.
  • the average pore diameter of the partition walls 6 in the non-coated region NCZ is set to 25 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less in a state where another coat layer is provided.
  • This other coat layer is formed, for example, from a catalyst coat layer supporting a metal having an oxidation function. As a result, the particulate matter that has reached the uncoated region NCZ can be easily oxidized and removed.
  • FIGS. 2A to 4 show still another embodiment according to the present invention. In the following, differences from the embodiment shown in FIGS. 2A to 4 will be described.
  • the particulate filter 4 is formed from a single nonwoven fabric.
  • This nonwoven fabric is folded concentrically, and concentric exhaust gas inflow passages 75i and 75o are formed between the folded nonwoven fabric portions.
  • the exhaust gas inflow passage 75o and the exhaust gas outflow passage 75o are separated from each other by a partition wall 76 formed of a concentric nonwoven fabric portion.
  • the non-woven fabric is formed of, for example, metal fibers and thus has air permeability.
  • the partition wall 76 is divided into a pore region FZ and a coarse pore region RZ located on the downstream side of the pore region FZ.
  • the non-woven fabric portion or the pore diameter of the partition wall 76 in the rough pore region RZ is set so that the ash can pass through the partition wall 76.
  • the pore diameter of the nonwoven fabric portion or partition 76 in the pore region FZ is smaller than the pore diameter of the nonwoven fabric portion or partition 76 in the coarse pore region RZ, and is set so as to collect particulate matter.
  • the promoting member includes a wall member 740 extending along the partition wall 76 in the exhaust gas inflow passage 75i in the pore region FZ.
  • These wall members 740 are formed from cylindrical plates arranged concentrically.
  • the cylindrical plate is composed of an electric heater for heating the particulate filter 4, for example.
  • the pore diameter of the nonwoven fabric portion or the partition wall 76 is substantially constant over the entire pore region FZ and the coarse pore region RZ.
  • the above-described coat layer 8 is provided on the surface of the nonwoven fabric portion or partition wall 76 in the pore region FZ, and the coat layer 8 is not provided on the surface of the nonwoven fabric portion or partition wall 76 in the rough pore region RZ.
  • the promoting member includes one or two of the coat layer 8, the wall member 40, the guide member 50, the aperture 60, and the wall member 740. In another embodiment, the promoting member comprises at least three of the coat layer 8, the wall member 40, the guide member 50, the aperture 60, and the wall member 740.

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Abstract

　内燃機関の排気通路内に配置されるのに適した、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための排気浄化フィルタ（４）は、交互に配置された排気ガス流入通路（５ｉ）及び排気ガス流出通路（５ｏ）と、排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁（６）とを備える。隔壁の上流側に細孔領域（ＣＺ）が区画されると共に隔壁の下流側に粗孔領域（ＮＣＺ）が区画される。粗孔領域における隔壁の平均細孔径が細孔領域における隔壁の平均細孔径よりも大きく設定されていると共に排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように設定されている。排気浄化フィルタは、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが細孔領域における隔壁を通過して排気ガス流出通路内に流入するのを促進する促進部材（８）を備える。

Description

排気浄化フィルタ
　本発明は排気浄化フィルタに関する。
　排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを排気通路内に配置した圧縮着火式内燃機関が公知である。パティキュレートフィルタは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、排気ガス流入通路の下流端が下流側栓により閉塞され、排気ガス流出通路の上流端が上流側栓により閉塞される。したがって、排気ガスはまず排気ガス流入通路内に流入し、次いで周囲の隔壁内を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出する。その結果、排気ガス中の粒子状物質が隔壁上に捕集され、大気中に放出されるのが抑制される。
　ところが、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の量が多くなると、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、機関出力が低下するおそれがある。そこで、この内燃機関では、パティキュレートフィルタを酸化雰囲気に維持しつつパティキュレートフィルタの温度を上昇させるＰＭ除去処理を行い、それにより粒子状物質を燃焼させてパティキュレートフィルタから除去するようにしている。
　ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分が含まれており、このアッシュは粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。ところが、ＰＭ除去処理が行われても、アッシュは燃焼せず又は気化せず、パティキュレートフィルタ上に残留する。このため、機関運転時間が長くなるにつれて、パティキュレートフィルタ上のアッシュ量が次第に増大し、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、ＰＭ除去処理が繰り返し行われても、機関出力が低下するおそれがある。
　そこで、下流側栓に貫通孔を形成し、アッシュが貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出するようにしたパティキュレートフィルタが公知である（特許文献１参照）。この特許文献１では、機関運転時間が長くなると貫通孔が粒子状物質により閉塞される。貫通孔が閉塞されると、パティキュレートフィルタは貫通孔を有していない従来のパティキュレートフィルタと同様に粒子状物質を捕集することができる。次いで、ＰＭ除去処理が行われると、貫通孔を閉塞していた粒子状物質が除去され、貫通孔が開放される。その結果、パティキュレートフィルタ上のアッシュが貫通孔を介してパティキュレートフィルタから排出される。
特開２００４－１３０２２９号公報
　しかしながら、特許文献１において、機関運転が開始されてから又はＰＭ除去処理が終了してから貫通孔が閉塞されるまでの間は、粒子状物質が貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出してしまう。しかも、特許文献１では、貫通孔の直径が０．２ｍｍ以上に設定されており、このような大きな直径の貫通孔が粒子状物質により閉塞されるにはかなり長い時間を要する。このことは、貫通孔を介してパティキュレートフィルタから流出する粒子状物質の量がかなり多いことを意味する。
　本発明の目的は、粒子状物質を確実に捕集しつつ排気浄化フィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる排気浄化フィルタを提供することにある。
　本発明によれば、内燃機関の排気通路内に配置されるのに適した、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための排気浄化フィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁の上流側に細孔領域が区画されると共に隔壁の下流側に粗孔領域が区画され、粗孔領域における隔壁の平均細孔径が細孔領域における隔壁の平均細孔径よりも大きく設定されていると共に排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように設定されており、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが細孔領域における隔壁を通過して排気ガス流出通路内に流入するのを促進する促進部材を備える、排気浄化フィルタが提供される。
　好ましくは、前記細孔領域において平均細孔径が基材の平均細孔径よりも小さいコート層により隔壁の基材表面が覆われており、前記粗孔領域において隔壁の基材表面が前記コート層により覆われていない。更に好ましくは、前記コート層が前記排気ガス流入通路に対面する基材表面から排気ガス流入通路内方に突出するよう設けられており、前記促進部材が該コート層から構成される。更に好ましくは、前記コート層が凹溝を備える。
　好ましくは、前記促進部材が前記細孔領域において排気ガス流入通路内を隔壁に沿って延びる壁部材を備える。
　好ましくは、前記促進部材が前記細孔領域において排気ガス流入通路内の排気ガスを隔壁に向けて案内する案内部材を備える。
　好ましくは、前記促進部材が排気ガス流入通路の入口に配置された絞りを備える。
　粒子状物質を確実に捕集しつつ、排気浄化フィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。
本発明による実施例の内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの正面図である。 パティキュレートフィルタの側面断面図である。 隔壁の部分拡大断面図である。 パティキュレートフィルタの排気ガス入口側の部分拡大端面図である。 コート層の部分拡大断面図である。 パティキュレートフィルタの作用を説明する概略図である。 本発明による別の実施例を示す隔壁の部分拡大断面略図である。 本発明による更に別の実施例を示すパティキュレートフィルタの部分拡大断面図である。 図８Ａに示される実施例におけるパティキュレートフィルタの排気ガス入口側の部分拡大端面図である。 本発明による更に別の実施例を示すパティキュレートフィルタの部分拡大断面図である。 図９Ａに示される実施例におけるパティキュレートフィルタの部分拡大斜視図である。 本発明による更に別の実施例を示すパティキュレートフィルタの部分拡大断面図である。 図１０Ａに示される実施例における排気ガス流れを説明する図である。 本発明による更に別の実施例を示すパティキュレートフィルタの正面図である。 図１１Ａに示される実施例におけるパティキュレートフィルタの側面断面図である。
　図１を参照すると、１は内燃機関の本体、２は吸気通路、３は排気通路、４は排気通路３内に配置された排気浄化フィルタをそれぞれ示す。図１に示される実施例では排気浄化フィルタ４はウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成される。また、図１に示される実施例では内燃機関は圧縮着火式内燃機関から構成される。別の実施例では火花点火式内燃機関から構成される。
　図２Ａ及び図２Ｂはパティキュレートフィルタ４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ４はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５ｉ，５ｏと、これら排気流通路５ｉ，５ｏを互いに隔てる隔壁６とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路５ｉ，５ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７ｄにより閉塞された排気ガス流入通路５ｉと、上流端が栓７ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路５ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏは薄肉の隔壁６を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏは各排気ガス流入通路５ｉが４つの排気ガス流出通路５ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路５ｏが４つの排気ガス流入通路５ｉによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。
　図２Ｂに示されるように、隔壁６には、コート領域ＣＺと、コート領域ＣＺの下流側に位置する非コート領域ＮＣＺとが区画される。図３に示されるように、コート領域ＣＺでは、隔壁６の基材６ｓの表面がコート層８により覆われる。これに対し、非コート領域ＮＣＺでは、隔壁基材６ｓの表面が上述のコート層８により覆われていない。
　図３及び図４に示されるように、コート層８は排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面から、排気ガス流入通路５ｉの内方に突出するよう設けられている。
　図２Ｂに示される実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁６の上流端にほぼ一致している。別の実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁６の上流端よりも下流側に位置する。また、図２Ｂに示される実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁６の下流端にほぼ一致している。別の実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁６の下流端よりも上流側に位置する。コート領域ＣＺの長手方向長さはパティキュレートフィルタ４の長手方向長さの例えば５０％から９０％に設定される。
　隔壁基材６ｓは多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。
　一方、コート層８は図５に示されるように多数の粒子９から形成され、粒子９同士の間に多数の隙間ないし細孔１０を有する。したがって、コート層８は多孔性を有する。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路５ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁６内を通って隣接する排気ガス流出通路５ｏ内に流出する。
　図５に示される実施例では、粒子９は酸化機能を有する金属から構成される。酸化機能を有する金属として、白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような白金族の金属、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、銀Ａｇ、セシウムＣｓのような金属を用いることができる。別の実施例では、粒子９は隔壁基材６ｓと同様のセラミックから構成される。更に別の実施例では、粒子９はセラミック及び金属の一方又は両方から構成される。
　隔壁基材６ｓの平均細孔径は２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される。隔壁基材６ｓの平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁６を通過できることが本願発明者らにより確認されている。したがって、言い換えると、非コート領域ＮＣＺにおいて排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁６を通過できるように隔壁６の細孔径が設定される。なお、粒子状物質の平均粒径がアッシュの平均粒径よりも小さいことを考えると、非コート領域ＮＣＺにおいて粒子状物質及びアッシュが隔壁６を通過できるように隔壁６の細孔径が設定されるという見方もできる。
　コート層８の平均細孔径は隔壁基材６ｓの平均細孔径よりも小さく設定される。具体的には、コート層８の平均細孔径は、コート層８が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集できるように設定される。更に、粒子９（二次粒子）の平均径は１μｍ以上かつ１０μｍ以下に設定される。粒子９の平均径が１μｍよりも小さいと、コート層８を通過する粒子状物質の量が許容量よりも多くなる。また、粒子９の平均径が１０μｍよりも大きいと、パティキュレートフィルタ４ないしコート層８の圧力損失が許容値よりも大きくなる。
　したがって、本発明による実施例では、隔壁６の上流側に細孔領域が区画されると共に隔壁６の下流側に粗孔領域が区画され、粗孔領域における隔壁６の平均細孔径が細孔領域における隔壁６の平均細孔径よりも大きく設定されていると共に排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁６を通過できるように設定されているということになる。その上で、図２及び図３に示される実施例では、細孔領域がコート領域ＣＺから構成され、粗孔領域が非コート領域ＮＣＺから構成される。
　なお、本発明による実施例では、隔壁基材の細孔の平均径は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味し、粒子の平均径はレーザ回折・散乱法により得られた体積基準の粒度分布のメディアン径（５０％径）を意味する。
　さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ４上に捕集される。
　また、排気ガス中にはアッシュも含まれており、このアッシュも粒子状物質と共にパティキュレートフィルタ４に捕集される。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ１９Ｚｎ２（ＰＯ４）１４のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ４が生成される。
　本願発明者らによれば、平均細孔径が１０μｍから２５μｍ程度でコート層８を備えていない従来のパティキュレートフィルタ、言い換えるとアッシュがほとんど通過できないパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置した場合、粒子状物質は隔壁６の下流側部分よりも隔壁６の上流側部分に堆積する傾向にあり、アッシュは隔壁６の上流側部分よりも隔壁６の下流側部分に堆積する傾向にあることが確認されている。
　そこで、本発明による実施例では、隔壁６の上流側にコート領域ＣＺを設け、隔壁６の下流側に非コート領域ＮＣＺを設けている。その結果、図６に示されるように粒子状物質２０が上流側のコート領域ＣＺにおいて隔壁６に捕集され、アッシュ２１が下流側の非コート領域ＮＣＺにおいて隔壁６を通過する。したがって、粒子状物質がパティキュレートフィルタ４を通過するのを抑制しつつ、アッシュがパティキュレートフィルタ４に堆積するのを抑制することができる。言い換えると、粒子状物質を確実に捕集しつつパティキュレートフィルタ４の圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。
　なお、図１に示される実施例では、パティキュレートフィルタ４上に捕集されている粒子状物質の量が上限量よりも多くなるごとに、パティキュレートフィルタ４から粒子状物質を除去するＰＭ除去処理が行われる。ＰＭ除去処理では例えばパティキュレートフィルタが酸化雰囲気に維持されつつパティキュレートフィルタの温度が上昇され、それにより粒子状物質が燃焼される。
　ところで、粒子状物質がコート領域ＣＺにおいて隔壁６に捕集されることなく非コート領域ＮＣＺまで到達すると、粒子状物質が非コート領域ＮＣＺにおける隔壁６を通過し、大気中に排出されてしまう。
　この点、図３及び図４に示される実施例では、上述したように、コート層８が排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面から排気ガス流入通路５ｉの内方に突出するよう設けられている。このため、コート層８が設けられていない場合あるいはコート層８の厚さがかなり小さい場合に比べて、排気ガス流入通路５ｉ内に流入した排気ガスが排気ガス流入通路５ｉの長手軸線方向に進行するのが抑制される。あるいは、長手軸線方向に関する排気ガス流入通路５ｉの流路抵抗がコート層８により高められている。その結果、排気ガス流入通路５ｉ内の排気ガスがコート領域ＣＺにおける隔壁６を通って排気ガス流出通路５ｏに流出するのが促進される。したがって、粒子状物質が非コート領域ＮＣＺにおける隔壁６を通過するのが抑制される。
　したがって、パティキュレートフィルタ４が排気ガス流入通路５ｉ内に流入した排気ガスが細孔領域における隔壁６を通過して排気ガス流出通路５ｏ内に流入するのを促進する促進部材を備えているということになる。その上で、図３及び図４に示される実施例では、促進部材がコート層８から構成される。
　なお、図３及び図４に示される実施例では、コート層８は排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられ、排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられない。別の実施例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの両表面に設けられる。
　図７は本発明による別の実施例を示している。以下では、図３及び図４に示される実施例との相違点を説明する。
　図７に示される例では、促進部材を構成するコート層８が凹溝３０を備えている。このため、凹溝３０におけるコート層８の厚さが小さくなっており、凹溝３０において隔壁６の厚さ方向の流路抵抗が小さくなっている。その結果、凹溝３０を備えていない例えば図３の実施例に比べて、隔壁６の厚さ方向の流路抵抗が小さい。したがって、排気ガス流入通路５ｉ内に流入した排気ガスがコート領域ＣＺにおける隔壁６を通過して排気ガス流出通路５ｏ内に流入するのが更に促進される。なお、凹溝３０の開口の直径はコート層８の細孔径よりも大きくなっている。
　凹溝３０は例えば次のようにして形成される。すなわち、発泡剤のような表面開口剤がコート層８を形成するスラリに混合され、スラリと共に基材に塗布される。次いで、基材が焼成される。このとき発泡剤が発泡し、それによりコート層８に凹溝３０が形成される。
　図８Ａ及び図８Ｂは本発明による更に別の実施例を示している。なお、図８Ａは図８Ｂの線Ａ－Ａに沿う断面図である。以下では、図３及び図４に示される実施例との相違点を説明する。
　図８Ａ及び図８Ｂに示される例では、促進部材は、コート領域ＣＺにおいて排気ガス流入通路５ｉ内を隔壁６に沿って延びる壁部材４０を備えている。図８Ｂからわかるように、壁部材４０は縦方向に延びる部分４１と横方向に延びる部分４２とを有している。その結果、長手軸線方向に関する排気ガス流入通路５ｉの流路抵抗が壁部材４０により高められ、排気ガス流入通路５ｉ内に流入した排気ガスが排気ガス流入通路５ｉの長手軸線方向に進行するのが抑制される。その結果、排気ガス流入通路５ｉ内の排気ガスがコート領域ＣＺにおける隔壁６を通って排気ガス流出通路５ｏに流出するのが促進される。なお、別の実施例では、壁部材４０は部分４１，４２のいずれか一方のみを有する。
　壁部材４０は例えば隔壁基材６ｓと同様の多孔質から形成される。別の実施例では壁部材４０に触媒が担持される。
　図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例では、壁部材４０はコート領域ＣＺのみに設けられている。別の実施例では、壁部材４０が非コート領域ＮＣＺのみに設けられる。更に別の実施例では、壁部材４０がコート領域ＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの両方に設けられる。
　また、図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例では、コート層８は排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられ、排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられない。別の実施例では、コート層８が排気ガス流入通路５ｉ及び排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの両表面に設けられる。この場合、促進部材はコート層８及び壁部材４０を備えることになる。更に別の実施例では、コート層８が排気ガス流出通路５ｏに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられ、排気ガス流入通路５ｉに対面する隔壁基材６ｓの一表面に設けられない。この場合、促進部材はコート層８を備えていない。
　図９Ａ及び図９Ｂは本発明による更に別の実施例を示している。以下では、図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例との相違点を説明する。
　図９Ａ及び図９Ｂに示される例では、促進部材は、コート領域ＣＺにおいて排気ガス流入通路５ｉ内の排気ガスを隔壁６に向けて案内する案内部材５０を備えている。案内部材５０は図９Ｂに示されるように、排気ガス流入通路５ｉ内に設けられ、コート層８の表面上に拡がる板状の基部５１と、基部５１から立ち上がる案内片５２と、基部５１に形成されて排気ガス流入通路５ｉと隔壁６ないしコート層８とを連通する連通孔５３とを備えている。その結果、排気ガス流入通路５ｉ内に流入した排気ガスは案内片５２に衝突し、案内片５２に沿いつつ進行して連通孔５３を介し隔壁６ないしコート層８に到る。このようにして、排気ガスがコート領域ＣＺにおいて隔壁６を通過するのが促進される。なお、図９Ａ及び図９Ｂに示される例では案内部材５０は非コート領域ＮＣＺに設けられない。
　図１０Ａ及び図１０Ｂは本発明による更に別の実施例を示している。以下では、図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例との相違点を説明する。
　図１０Ａ及び図１０Ｂに示される例では、促進部材は、排気ガス流入通路５ｉの入口５ｉｉに配置された絞り６０を備えている。その結果、図１０Ｂに矢印で示されるように、絞り６０を通過した排気ガスは排気ガス流入通路５ｉ内において半径方向外向きに広がって進行する。その結果、排気ガスがコート領域ＣＺにおいて隔壁６を通過するのが促進される。
　これまで述べてきた本発明による実施例では、非コート領域ＮＣＺにコート層が設けられていない。別の実施例では、非コート領域ＮＣＺに、コート層８とは異なる別のコート層が設けられる。この場合、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁６の平均細孔径は別のコート層が設けられた状態において、２５μｍ以上１００μｍ以下に設定される。この別のコート層は例えば酸化機能を有する金属を担持した触媒コート層から形成される。その結果、非コート領域ＮＣＺに到達した粒子状物質を容易に酸化除去することができる。
　図１１Ａ及び図１１Ｂは本発明による更に別の実施例を示している。以下では、図２Ａから図４に示される実施例との相違点を説明する。
　図１１Ａ及び図１１Ｂに示される例では、パティキュレートフィルタ４は１枚の不織布から形成される。この不織布は同心状に折り畳まれ、折り畳まれた不織布部分同士の間には同心状の排気ガス流入通路７５ｉ及び排気ガス流出通路７５ｏがそれぞれ形成される。これら排気ガス流入通路７５ｏ及び排気ガス流出通路７５ｏは同心状の不織布部分から形成される隔壁７６により互いに隔てられる。不織布は例えば金属繊維から形成され、したがって通気性を有している。その結果、排気ガスはまず排気ガス流入通路７５ｏ内に流入し、次いで隔壁７６を通過して排気ガス流出通路７５ｏ内に流入する。
　また、隔壁７６には、細孔領域ＦＺと、細孔領域ＦＺの下流側に位置する粗孔領域ＲＺとが区画される。粗孔領域ＲＺにおける不織布部分ないし隔壁７６の細孔径はアッシュが隔壁７６を通過できるように設定される。一方、細孔領域ＦＺにおける不織布部分ないし隔壁７６の細孔径は粗孔領域ＲＺにおける不織布部分ないし隔壁７６の細孔径よりも小さく、粒子状物質を捕集できるように設定される。
　更に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される例では、促進部材は、細孔領域ＦＺにおいて排気ガス流入通路７５ｉ内を隔壁７６に沿って延びる壁部材７４０を備えている。これら壁部材７４０は同心状に配置された円筒状板から形成される。円筒状板は例えばパティキュレートフィルタ４を加熱するための電気ヒータから構成される。その結果、図８Ａ及び図８Ｂに示される実施例と同様に、排気ガス流入通路７５ｉ内の排気ガスが細孔領域ＦＺにおける隔壁７６を通って排気ガス流出通路７５ｏに流出するのが促進される。
　なお、別の実施例では、不織布部分ないし隔壁７６の細孔径が細孔領域ＦＺ及び粗孔領域ＲＺ全体に亘りほぼ一定とされる。その上で、細孔領域ＦＺにおける不織布部分ないし隔壁７６の表面上に前述のコート層８が設けられ、粗孔領域ＲＺにおける不織布部分ないし隔壁７６の表面上にコート層８が設けられない。
　これまで述べてきた本発明による各実施例では、促進部材がコート層８、壁部材４０、案内部材５０、絞り６０、及び壁部材７４０のうち１つ又は２つを備えている。別の実施例では、促進部材がコート層８、壁部材４０、案内部材５０、絞り６０、及び壁部材７４０のうち少なくとも３つを備えている。
　１　　機関本体
　３　　排気通路
　４　　パティキュレートフィルタ
　５ｉ　　排気ガス流入通路
　５ｏ　　排気ガス流出通路
　６　　隔壁
　８　　コート層
　ＣＺ　　コート領域
　ＮＣＺ　　非コート領域

Claims (7)

  1. 　内燃機関の排気通路内に配置されるのに適した、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための排気浄化フィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁の上流側に細孔領域が区画されると共に隔壁の下流側に粗孔領域が区画され、粗孔領域における隔壁の平均細孔径が細孔領域における隔壁の平均細孔径よりも大きく設定されていると共に排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように設定されており、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが細孔領域における隔壁を通過して排気ガス流出通路内に流入するのを促進する促進部材を備える、排気浄化フィルタ。
  2. 　前記細孔領域において平均細孔径が基材の平均細孔径よりも小さいコート層により隔壁の基材表面が覆われており、前記粗孔領域において隔壁の基材表面が前記コート層により覆われていない、請求項１に記載の排気浄化フィルタ。
  3. 　前記コート層が前記排気ガス流入通路に対面する基材表面から排気ガス流入通路内方に突出するよう設けられており、前記促進部材が該コート層から構成される、請求項２に記載の排気浄化フィルタ。
  4. 　前記コート層が凹溝を備える、請求項３に記載の排気浄化フィルタ。
  5. 　前記促進部材が前記細孔領域において排気ガス流入通路内を隔壁に沿って延びる壁部材を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
  6. 　前記促進部材が前記細孔領域において排気ガス流入通路内の排気ガスを隔壁に向けて案内する案内部材を備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
  7. 　前記促進部材が排気ガス流入通路の入口に配置された絞りを備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
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