JP2009000647A - 排ガス浄化用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】高いＰＭ捕集効率と低い圧力損失とが両立できる排ガス浄化用フィルタの提供。
【解決手段】軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部１１及び１２と、それらセルのうち所定のセルの一方の端部に充填された一端封止材１３を有する封止材とを有する。多数のセルのうちの幾つかについて貫通させた形態を採用することで隔壁の目詰まりによる圧力損失の増大が抑制できる。セルを貫通させたことにより排ガスの流れの大部分は隔壁を通過せずにそのまま流れて行くが、セルの形状は細長いので排ガスの流れは乱流になりセルを区画する隔壁に何度も衝突を繰り返す。その結果、排ガス中に含まれるＰＭはセル内部を流れるうちにセルの隔壁に概ね捕集されることになる。ＰＭが多い場合にはセルの途中にて堆積してその部分を縮径する。棚つり状態が形成されると、その部分においてＰＭの捕集が活発になると考えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの排ガス中に含まれる微粒子物質（ＰＭ）を効果的且つ継続的・連続的に除去できる排ガス浄化用フィルタに関する。

ディーゼルエンジンは非常に空燃比が高い、いわゆるリーン領域で運転が行われるのでＣＯやＨＣの排出量が少ない反面、ＰＭの排出量が多くなり、これを低減することが課題になっている。

ＰＭを低減する方法としては、ディーゼルエンジンの排ガス流路にＰＭを捕集する捕集フィルタ（ＤＰＦ）を配置する方法が知られている。ＤＰＦは、図３に示すように、一般に多数のセル（貫通孔）が隔壁部９１及び９２にて区画されており、それらのセルの両端のうちの一方が封止材９３及び９４により封止されている。フィルタを軸方向から見ると両端とも交互（市松模様状）に封止材が配置されることになる（図３（ａ）、（ｃ））。つまり、排ガスの入り口端で封止されているセルは出口端で開放されており、逆に入り口端で開放されているセルは出口端で封止されている。

そして、隣接するセルの間の隔壁部９２は排ガスは通過できるがＰＭは通過できない程度の細孔が形成されている。ＤＰＦは、このような構造を有するので、排ガスが流されると、入り口端が開放されているセルから排ガスが流入した後、出口端が封止されているので、隣接する出口端が開放されているセルに隔壁を通過して流れていく（図３（ｂ））。

従って、ＤＰＦに流入する排ガスは必ず隔壁を通過するので、排ガス中のＰＭは入り口端が開放されたセルの隔壁上にて捕集されることになる。このようにセルの両端部をそれぞれ市松模様状に封止した構成をもつ従来のＤＰＦは良好なＰＭの捕集効率をもつ。ＤＰＦの隔壁には一般に触媒が担持されており、捕集されたＰＭは担持された触媒によって燃焼除去される。
特開３５０６３３４号公報 特開２００４−１０８１９７号公報

しかしながら、都市部を走行する輸送用トラックなどは低速走行や渋滞によるアイドリングなどにより排ガス温度が高くなり難く、従来のＤＰＦを採用すると触媒活性が高くなる３５０〜６５０℃に保つことは困難であり、ＤＰＦの目詰まり解消を充分に行うことができなくなる場合があった。

目詰まりが解消されないと排ガス流路の圧力損失が大きくなり、最終的には排ガス処理システム全体が機能せずにエンジンが作動困難になるおそれがあった。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、ＰＭの捕集効率を充分に発揮しながら圧力損失の増大が抑制できる排ガス浄化用フィルタを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する目的で本発明者は鋭意検討を行い、以下の発明を完成した。すなわち、本発明の排ガス浄化用フィルタは、多孔質のセラミックスから構成され軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、多数の該セルのうち所定のセルの一方の端部に充填された一端封止材と多数の該セルのうち残余のセルの他方の端部の一部に充填された他端封止材とを有する封止材と、を有することを特徴とする。

多数のセルのうちの幾つかについて貫通させた形態を採用することで隔壁部の目詰まりによる圧力損失の増大が抑制できる。図１に本発明の排ガス浄化用フィルタの模式図を示す。セルを貫通させたことにより排ガスの流れの大部分は隔壁部を通過せずにそのまま流れて行くが、セルの形状は細長いので排ガスの流れは乱流になりセルを区画する隔壁部に何度も衝突を繰り返す。その結果、排ガス中に含まれるＰＭはセル内部を流れるうちにセルの隔壁部に概ね捕集されることになる（図１（ｂ））。

また、排ガス中のＰＭの量が多い場合にはセルの途中にて堆積してその部分を縮径する、いわゆる「棚つり状態」になることが知られているが（図１（ｄ））、棚つり状態が形成されると、その部分がフィルタ様の作用を発揮してＰＭの捕集が活発になると考えられる。

従って、多数のセルのうちの幾らかについて（フィルタのいずれかの端部についてすべて開放状態にすることもできる。つまり、多数の該セルのうち該所定のセルの他端部と残余のセルの両端部とは封止されていない状態である。）は貫通させても充分なＰＭ捕集効率を発揮することが可能である。

ここで、前記他端封止材が前記残余のセルを封止する部分の面積は５０％以下であることが望ましい。ここで、面積が５０％以下とは、一端部が封止された所定のセルを除いた残余のセルについて、個々のセルを基準としてもよいし、全体を基準にしてもよい。個々のセルを基準とする場合には残余のセルのそれぞれのセルについて５０％以下になるように開口部を一部封止（一部開口）する。例えば、１０のセルがある場合にその１０のセルのそれぞれについて開口部分を封止する面積が開口部分に対して５０％以下になるようにする。そして、全体を基準とする場合には残余のセルをすべて合わせた面積を基準として、残余のセルの他端部を封止した部分の面積が５０％以下になるようにする。個々のセルについてはすべて封止されていてもよいし、それぞれのセルについて開口部分が一部開口（一部封止）されていてもよいし、全部封止と一部封止とが混在してもよい。

そして、前記隔壁部における前記軸方向に垂直方向の断面は碁盤目状であり、前記所定のセル及び前記残余のセルの一端部における前記一端封止材の配置は市松模様を形成するようにすることができる。

本発明の排ガス浄化用フィルタは以上の構成を有することから、以下の作用効果を発揮する。すなわち、本排ガス浄化用フィルタ中を通過する排ガスに含まれるＰＭは、従来の排ガス浄化用フィルタと同様にセル間を区画する隔壁によって除去される。従来の排ガス浄化用フィルタと同様に、排ガス中のＰＭの量が多い場合には、隔壁がＰＭによって目詰まりすることがあるが、その場合でもフィルタの軸方向に貫通しているセルを通じて排ガスが流れるので圧力損失はそれ程には増大しない上に、堆積したＰＭによってＰＭを捕集することが可能になり、高いＰＭ捕集能力が維持できる。

本発明の排ガス浄化用フィルタについて、実施形態に基づき、以下詳細に説明する。本実施形態の排ガス浄化用フィルタは、隔壁部と封止材とを有する。本実施形態の排ガス浄化用フィルタは、その外周形状が特に限定されるものではなく、従来公知の形状とすることができる。例えば、断面が真円や楕円の略円柱状、断面が方形や多角形の角柱状とすることができ、より好ましくは円柱形状である。

隔壁部は軸方向に貫通する多数のセルを区画する部材である。セルの形状は特に限定しないがセルの軸方向に垂直の断面において碁盤の目状になるような四角柱とすることが望ましい。隔壁部は複数の分体を組み合わせて形成されるものであってもよい。

隔壁部はセラミックスから構成される。そのセラミックスは厚み方向に連通する細孔を多数有する多孔質部材であり、特に限定されるものではなく、従来公知のセラミックスを用いることができる。

例えば、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、コーディエライトより選ばれる一種を主成分とすることが好ましい。これらのセラミックスのうち、とくに、チタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックスよりなることが好ましい。

チタン酸アルミニウムよりなるセラミックスは、その内部にマイクロクラックをもつ。そして、このマイクロクラックをもつことで、セラミックスハニカム構造体が熱膨張を生じても、このマイクロクラックの開口が開閉することで熱膨張により生じる応力を緩和し、形状変化や損傷が生じなくなる。

各セルを区画する隔壁部の厚みは特に限定しないが、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下程度にすることができる。隔壁部は、その細孔表面に、アルミナ等よりなる多孔質酸化物、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ等の酸化反応を促進する触媒金属の少なくともひとつを担持することが好ましい。これらの物質を担持することで、ＤＰＦとしてＰＭ浄化性能が向上する。

封止材はセルの一端部にて封止する一端封止材とセルの他端部にて封止する他端封止材とをもつ。封止材は多数のセルの所定の端部に充填・封止された部材である。封止材は、隔壁部と同様の多孔質部材から構成することも、通気性をもたない材料から構成することもできる。隔壁部と同じ材料・構成を採用することで封止材においてもＰＭの捕集能力を発揮することができる。

一端封止材は隔壁部が区画する多数のセルのうちの所定のセルの一端部に充填された部材である。所定のセルとしては特に限定しないが、一端側から見たときに所定のセルと残余のセルとが交互に配列（多数のセルが四角柱の集合である場合には市松模様状となるように）することが望ましい（図１（ａ））。

ここで、一端側とは排ガスが流入する入り口側とすることが効果的であり望ましいが反対に排気ガスが流出する出口側にすることを排除するものではない。

他端封止材は多数のセルのうちの残余のセルにおける他方の端部の一部に充填された部材である。つまり、残余のセルは一部に他端封止材が充填されており残部が開放状態にある。他端封止材は１つのセルをそのまま充填するような形態のほか、１つのセルの断面の一部を封止する形態にすることもできる。他端封止材は他端における端部に配設する形態のほか、他端の端部からセルの内部に進入した（離れた）部分に配設することもできる。また、残余のセルの軸方向に複数個の他端封止材を配設することもできる。１つのセルを２以上の他端封止材にて封止する場合には、複数の他端封止材の一部にてそのセルの断面の一部を封止する形態とし、残部にてそのセルの断面全部を封止する形態とすることもできる。

他端封止材が残余のセルを封止する部分の面積は５０％以下であることが望ましい。ここで、面積が５０％以下とは、一端部が封止された所定のセルを除いた残余のセルについて、個々のセルを基準としてもよいし、全体を基準にしてもよい。

個々のセルを基準とする場合には残余のセルのそれぞれのセルについて、セルの軸方向から見て５０％以下になるように開口部を一部封止（一部開口）する。例えば、１０のセルがある場合にその１０のセルのそれぞれについて開口部分を封止する面積が開口部分に対して５０％以下になるようにする。そして、全体を基準とする場合には残余のセルをすべて合わせた面積を基準として、残余のセルの他端部を封止した部分の面積が５０％以下になるようにする。個々のセルについてはすべて封止されていてもよいし、それぞれのセルについて開口部分が一部開口（一部封止）されていてもよいし、全部封止と一部封止とが混在してもよい。

特に残余のセルの他端部を封止する他端封止材を採用せずにすべてを開放する形態を採用することもできる。この場合には残余のセルはすべて一端から他端に向けて連通した状態になる。

本実施形態の排ガス浄化用フィルタの製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下の製造方法で製造することができる。

まず、隔壁部によって軸方向にセルが区画された角柱状のセラミックス分体を従来公知の製造方法で製造する。そして、焼成したときにセラミックス分体を構成するセラミックスを主成分とするセラミックスを形成できるスラリーを調製し、このスラリーをセラミックス分体の接合体のセルの端部に注入し封止材とする。このスラリーの注入は、一端が市松模様をなすようになされ（一端封止材）、他端では一端封止材が充填された以外の残余のセルのうちの所定のセルについてスラリーが充填される（他端封止材）。スラリーの注入はセラミックス分体を製造するのと同時に行うことも可能である。

その後、スラリーを加熱焼成して、封止材を形成した。その後、ＳｉＣなどの接合材を用いて複数の目封じされたセラミックス分体を接合し、加熱焼成する。つづいて、焼成体の周方向の外周面を切削等の手段で成形する。所定の触媒金属を含有する溶液に形成した排ガス浄化用フィルタを浸漬した後、還元などを行うことで触媒金属を担持する。これにより、本発明のセラミックスハニカム構造体を製造できる。

（排ガス浄化用フィルタの製造）
図１に示す排ガス浄化用フィルタを作成した。図１に示す排ガス浄化用フィルタは、隔壁部１１及び１２をもち、一端を一端封止材１３にて市松模様状に封止しており、他端を封止していない、他端封止材を備えない形態をもつ。

炭化ケイ素微粉末（平均粒径５μｍ）を１００質量部に対して、水を１５質量部、有機バインダ及び可塑剤をそれぞれ１０質量部を加え、ヘンシェルミキサーを用いて混合し、得られた混練物を押し出し成形によって軸方向に延びる多数のセルが形成されたハニカム成形体を得た。

このハニカム成形体を２００℃で乾燥した後、多数のセルの一端（入り口側）に市松模様状にプラグ（一端封止材）を充填封止した後に２３００℃で焼結し、本実施例の排ガス浄化用フィルタ（ＤＰＦ）とした。また、他端（出口側）においても、一端側が封止されていない残余のセルのすべてについて、プラグを充填封止して焼結を行い、比較例の排ガス浄化用フィルタとした。

なお、実用的にはＰｔなどの触媒金属を担持することが望ましいが、本実施例においては排ガス浄化用フィルタによるＰＭの捕集効果を検討するために触媒金属の担持をしていない。

（試験）
実施例及び比較例の排ガス浄化用フィルタを図２に示すようにそれぞれ実際のエンジンの排気系に接続して１０時間運転してＰＭ捕集率と１０時間後の圧力損失とを測定した。排ガスはエンジン２から排出され、排ガス流路３１を通じて試験用の排ガス浄化用フィルタ１に流入し、排ガス流路３２に流れていく。エンジンは２．７７Ｌのディーゼルエンジンを用い、運転条件としては１８００ｒｐｍで一定となるようにＥＣＵ４にて制御した。ＥＣＵ４は排ガス浄化用フィルタ１の前後の排ガスの圧力損失を測定している。結果を表１に示す。

表より明らかなように、実施例の排ガス浄化用フィルタは比較例の排ガス浄化用フィルタと遜色がないＰＭ捕集率を示すことができる上に圧力損失が５０ｍｍＨｇと比較例の１５０ｍｍＨｇよりも３分の１と圧倒的に低く保つことが可能になった。

本発明の排ガス浄化用フィルタを模式的に示す図であり、一端側から見た正面図（ａ）、軸方向での断面図（ｂ）、他端側から見た裏面図（ｃ）、断面図（ｂ）の一部拡大図（ｄ）である。 実施例で用いた排気系システムを示した模式図である 比較例の排ガス浄化用フィルタを模式的に示す図であり、一端側から見た正面図（ａ）、軸方向での断面図（ｂ）、他端側から見た裏面図（ｃ）である。

符号の説明

１…排ガス浄化用フィルタ
１１、１２…隔壁部 １３…一端封止材
２…ディーゼルエンジン
３１、３２…排ガス流路
４…ＥＣＵ

Claims (5)

1. 多孔質のセラミックスから構成され軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、
   多数の該セルのうち所定のセルの一方の端部に充填された一端封止材と多数の該セルのうち残余のセルの他方の端部の一部に充填された他端封止材とを有する封止材と、
   を有することを特徴とする排ガス浄化用フィルタ。
2. 前記他端封止材が前記残余のセルを封止する部分の面積は５０％以下である請求項１に記載の排ガス浄化用フィルタ。
3. 前記他端封止材の一部は前記残余のセルのそれぞれにおいて一部開口した状態で封止している請求項１又は２に記載の排ガス浄化用フィルタ。
4. 多孔質のセラミックスから構成され軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、
   多数の該セルのうち所定のセルの一端部に充填された一端封止材を有する封止材と、を有し、
   多数の該セルのうち該所定のセルの他端部と残余のセルの両端部とは封止されていないことを特徴とする排ガス浄化用フィルタ。
5. 前記隔壁部における前記軸方向に垂直方向の断面は碁盤目状であり、
   前記所定のセル及び前記残余のセルそれぞれの一端部における前記一端封止材の配置は市松模様を形成する請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化用フィルタ。

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