JP7368431B2 - 排気浄化フィルタ - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化フィルタに関する。
従来、ガソリンエンジンの燃焼効率を向上させる観点から、自動車に直噴ガソリンエンジンが搭載されているが、粒子状物質（ＰＭ）が排出される。
また、地球環境上の悪影響を軽減するために、自動車の排気規制が一段と進んでいるため、ガソリンエンジンの排気通路にＰＭを捕集するガソリン・パーティキュレート・フィルタ（ＧＰＦ）を設置することが検討されている。
さらに、ガソリンエンジンの排気通路には、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）を脱着温度未満の温度で吸着させ、脱着温度以上で脱着させるＨＣ吸着剤と、排気中に含まれるＨＣをＨ２ＯとＣＯ２に、ＣＯをＣＯ２に、ＮＯｘをＮ２にそれぞれ酸化又は還元する三元触媒（ＴＷＣ）が設置されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１２／０２６０４５号
ここで、排気通路の圧力損失を低減するために、ＨＣ吸着剤およびＴＷＣをＧＰＦに担持させることが考えられる。
しかしながら、ＴＷＣが活性化温度に到達する前に、ＨＣ吸着剤からＨＣが脱着するため、ＨＣを十分に酸化することができず、排気浄化フィルタの排気浄化性能が低下する。
本発明は、排気通路の圧力損失を低減するとともに、排気浄化性能を向上させることが可能な排気浄化フィルタを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、内燃機関の排気通路に設けられており、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、前記排気が流入する側の端面から前記排気が流出する側の端面まで延びる複数のセルが多孔質隔壁により区画形成されており、且つ、前記排気が流出する側の端面が目封じされている流入側セルと、前記排気が流入する側の端面が目封じされている流出側セルと、が交互に配置されているフィルタ基材と、前記多孔質隔壁の内表面に担持されている炭化水素吸着剤と、前記多孔質隔壁の流出側セルの側の外表面に担持されている三元触媒と、を備える。
上記の排気浄化フィルタは、前記三元触媒が担持されている領域の気孔径が１１．７μｍ以下であり、体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）が２０μｍ以上であり、前記フィルタ基材は、気孔率が５５％以上７０％以下であってもよい。
上記の排気浄化フィルタは、前記三元触媒の粒子径が前記炭化水素吸着剤の粒子径よりも大きくてもよい。
前記フィルタ基材は、気孔径分布の半値幅が７μｍ以上１５μｍ以下であってもよい。
上記の排気浄化フィルタは、前記三元触媒が担持されている領域の気孔径が１０μｍ以下であり、体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）が２１μｍ以上２７μｍ以下であり、前記フィルタ基材は、気孔率が６２％以上６８％以下であり、気孔径分布の半値幅が１０μｍ以下であってもよい。
本発明によれば、排気通路の圧力損失を低減するとともに、排気浄化性能を向上させることが可能な排気浄化フィルタを提供することができる。
本実施形態の排気浄化フィルタの一例を示す図である。 図１のＧＰＦを構成するフィルタ基材の構造を示す断面図である。 図２の多孔質隔壁の構造を示す断面図である。 モデルガスを流通させる時間に対するＨＣ吸着剤のＨＣ吸着率の関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の排気浄化フィルタは、内燃機関の排気通路に設けられており、内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する。ここで、内燃機関としては、例えば、直噴ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等が挙げられる。すなわち、本実施形態の排気浄化フィルタは、ＧＰＦ、ＤＰＦ等に適用することができる。
図１に、本実施形態の排気浄化フィルタの一例として、ＧＰＦを示す。
ＧＰＦ１１は、直噴ガソリンエンジン１２の排気通路１３に設けられており、直噴ガソリンエンジン１２の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する。ここで、ＧＰＦ１１は、フィルタ基材と、ＨＣ吸着剤と、ＴＷＣと、を備える。
図２に、ＧＰＦ１１を構成するフィルタ基材の構造を示す。
フィルタ基材２０は、排気が流入する側の端面２１から排気が流出する側の端面２２まで延びる複数のセルが多孔質隔壁２３により区画形成されており、且つ、端面２２が目封じ部２４により目封じされている流入側セル２５と、端面２１が目封じ部２６により目封じされている流出側セル２７と、が交互に配置されている。このため、流入側セル２５に流入した排気は、多孔質隔壁２３を経由して、流出側セル２７に流出する。
フィルタ基材２０の形状としては、特に限定されないが、例えば、円柱形状等が挙げられる。
フィルタ基材２０を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等が挙げられる。
目封じ部２４および２６は、それぞれ流入側セル２５および流出側セル２７の端面からセメントを封入することにより、形成することができる。
図３に、多孔質隔壁２３の構造を示す。
多孔質隔壁２３の内表面（気孔内表面）に、ＨＣ吸着剤３１が担持されており、多孔質隔壁２３の流出側セル２７の側の外表面および流出側セル２７の側の外表面の近傍の内表面にＴＷＣ３２が担持されている。このとき、流入側セル２５に流入した排気が、多孔質隔壁２３を経由して、流出側セル２７に流出する際に、多孔質隔壁２３は、内表面よりも外表面の温度が高くなる。その結果、ＴＷＣ３２が活性化温度に到達する前に、ＨＣ吸着剤３１からＨＣが脱着することが抑制される。
なお、ＴＷＣ３２は、多孔質隔壁２３の流出側セル２７の側の外表面のみに担持されていてもよい。
これに対して、多孔質隔壁２３の外表面に、ＴＷＣ３２およびＨＣ吸着剤３１を積層すると、ＴＷＣ３２が活性化温度に到達する前に、ＨＣ吸着剤３１からＨＣが脱着するため、ＨＣを十分に酸化することができない。
図４に、モデルガスを流通させる時間に対するＨＣ吸着剤のＨＣ吸着率の関係を示す。
図４から、多孔質隔壁の外表面にＨＣ吸着剤が担持されている場合よりも、多孔質隔壁の内表面にＨＣ吸着剤が担持されている場合の方が、ＨＣの脱着が約３０秒間遅延することがわかる。
ここで、多孔質隔壁の外表面にＨＣ吸着剤が担持されているサンプルは、ＢＥＡ型ゼオライトのウォッシュコート量が５０ｇ／Ｌとなるように、ＢＥＡ型ゼオライトの高粘度スラリーをハニカムにコートした後、空気雰囲気下、５００℃で２時間焼成することにより製造されたものである。
また、多孔質隔壁の内表面にＨＣ吸着剤が担持されているサンプルは、ＢＥＡ型ゼオライトのウォッシュコート量が５０ｇ／Ｌとなるように、ＢＥＡ型ゼオライトの低粘度スラリーをハニカムに含浸させた後、空気雰囲気下、５００℃で２時間焼成することにより製造されたものである。
ここで、ハニカムは、３００セル／ｉｎｃｈ２、直径２５．４ｍｍ、長さ６０ｍｍ（容積３０ｃｃ）、空間速度（ＳＶ）５０，０００ｈ－１相当であり、ゼオライトは、ケイバン比（［ＳｉＯ２］／［Ａｌ２Ｏ３］）が４０である。また、モデルガスの組成は、ＮＯ（５００ｐｐｍ）、プロピレン（３４８ｐｐｍＣ）、イソペンタン（１０８ｐｐｍＣ）、トルエン（４０８ｐｐｍＣ）、イソオクタン（３３６ｐｐｍＣ）、Ｈ２（０．１７％）、ＣＯ（０．５％）、Ｏ２（０．４９％）、ＣＯ２（１４％）、Ｈ２Ｏ（１０％）、Ｎ２（残余）である。
なお、ＨＣ吸着剤のＨＣ吸着率は、昇温速度２０℃／ｍｉｎで、５０℃から５００℃まで昇温させながら、２５Ｌ／ｍｉｎでモデルガスを流通させ、式
［（入口側ＨＣ濃度）－（出口側ＨＣ濃度）］／（入口側ＨＣ濃度）×１００
により算出される。ここで、ＨＣ吸着剤のＨＣ吸着率を測定する前に、ＨＣ吸着剤に残存しているＨＣを除去するため、空気雰囲気下、７００℃で１０分間サンプルを前処理し、５０℃まで降温させる。
ＧＰＦ１１は、フィルタ基材２０の内表面に、ＴＷＣがさらに担持されていてもよい。この場合、フィルタ基材２０の内表面と、ＨＣ吸着剤３１との間に、ＴＷＣがさらに担持されていることが好ましい。これにより、ＧＰＦ１１の排気浄化性能が向上する。
ＨＣ吸着剤３１としては、排気中に含まれるＨＣを脱着温度未満の温度で吸着させ、脱着温度以上で脱着させることが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ゼオライト等が挙げられる。
ＴＷＣ３２としては、排気中に含まれるＨＣをＨ２ＯとＣＯ２に、ＣＯをＣＯ２に、ＮＯｘをＮ２にそれぞれ酸化又は還元することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、貴金属触媒と酸素吸蔵材（ＯＳＣ材）とが担持されている担体を用いることができる。
貴金属触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等が挙げられる。
ＯＳＣ材としては、例えば、ＣｅＯ２、ＣｅＺｒ複合酸化物等が挙げられる。
担体としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア等が挙げられる。
ＧＰＦ１１は、例えば、フィルタ基材２０に、ＨＣ吸着剤３１の低粘度スラリーを含浸させ、貴金属触媒と、ＯＳＣ材と、担体と、を含むＴＷＣ３２の高粘度スラリーをコートした後、焼成することにより、得られる。ＴＷＣ３２の高粘度スラリーをコートする際に、フィルタ基材２０の一方の端面（排気が流出する側の端面２２）に、ＴＷＣ３２の高粘度スラリーを配置し、フィルタ基材２０の他方の端面（排気が流入する側の端面２１）から吸引することが好ましい。このとき、ＴＷＣ３２の粒子径がＨＣ吸着剤３１の粒子径よりも大きいことが好ましい。これにより、フィルタ基材２０の内表面にＴＷＣ３２が担持されることが抑制される。
ＴＷＣ３２のウォッシュコート量は、３０ｇ／Ｌ以上１５０ｇ／Ｌ以下であることが好ましい。ＴＷＣ３２のウォッシュコート量が３０ｇ／Ｌ以上１５０ｇ／Ｌ以下であると、排気通路１３の圧力損失が低減されるとともに、ＧＰＦ１１の排気浄化性能が向上する。
ＧＰＦ１１の体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）は、２０μｍ以上であることが好ましく、２１μｍ以上２７μｍ以下であることがさらに好ましい。ＧＰＦ１１の体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）が２０μｍ以上であると、フィルタ基材２０にＨＣ吸着剤３１およびＴＷＣ３２を担持しても、多孔質隔壁２３の内部に流入する排気の流路が十分に確保されるため、排気通路１３の圧力損失が低減される。また、排気とＨＣ吸着剤３１との接触確率が高くなるため、ＧＰＦ１１の排気浄化性能が向上する。
フィルタ基材２０の気孔径分布の半値幅は、７μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上１０μｍ以下ｂであることがさらに好ましい。フィルタ基材２０の気孔径分布の半値幅が７μｍ以上１５μｍ以下であると、フィルタ基材３０にＨＣ吸着剤３１を担持する際に、ＨＣ吸着剤３１の低粘度スラリーが毛細管現象によって気孔径の小さい気孔に優先的に流入することにより、気孔が塞がれることが抑制される。その結果、多孔質隔壁２３の内部に流入する排気の流路が十分に確保されるため、排気通路１３の圧力損失が低減される。また、排気とＨＣ吸着剤３１との接触確率が高くなるため、ＧＰＦ１１の排気浄化性能が向上する。
なお、フィルタ基材２０の気孔径分布の半値幅は、ＨＣ吸着剤３１およびＴＷＣ３２が担持されていないフィルタ基材２０の気孔径分布の半値幅を意味する。
フィルタ基材２０の気孔率は、５５％以上７０％以下であることが好ましく、６２％以上６８％以下であることがさらに好ましい。フィルタ基材２０の気孔率が５５％以上７０％以下であると、フィルタ基材２０にＨＣ吸着剤３１およびＴＷＣ３２を担持しても、排気通路１３の圧力損失が低減される。
なお、フィルタ基材２０の気孔率は、ＨＣ吸着剤３１およびＴＷＣ３２が担持されていないフィルタ基材２０の気孔率を意味する。
ＧＰＦ１１のＴＷＣ３２が担持されている領域の気孔径は、１１．７μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましい。ＧＰＦ１１のＴＷＣ３２が担持されている領域の気孔径が１１．７μｍ以下であると、ＧＰＦ１１のＰＭ捕集性能が向上する。
なお、気孔径分布は、水銀圧入法により測定される。気孔径分布は、横軸を気孔径（μｍ）とし、縦軸をＬｏｇ微分気孔容積分布ｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ）（ｍｌ／ｇ）として表される。
多孔質隔壁２３の厚みは、５ｍｉｌ以上１５ｍｉｌ以下であることが好ましい。多孔質隔壁２３の厚みが５ｍｉｌ以上１５ｍｉｌ以下であると、排気通路１３の圧力損失が低減されるとともに、ＧＰＦ１１の排気浄化性能が向上する。
なお、排気浄化性能をさらに向上させるために、直噴ガソリンエンジン１２の排気通路１３に、ＧＰＦ１１以外の排気浄化部がさらに設けられていてもよい。この場合、ＧＰＦ１１以外の排気浄化部は、ＧＰＦ１１の上流側に設けられていてもよいし、ＧＰＦ１１の下流側に設けられていてもよい。
ＧＰＦ１０以外の排気浄化部としては、特に限定されないが、例えば、多孔質隔壁の内表面にＴＷＣが担持されているハニカム等が挙げられる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
１１ ＧＰＦ
１２ 直噴ガソリンエンジン
１３ 排気通路
２０ フィルタ基材
２１、２２ 端面
２３ 多孔質隔壁
２４、２６ 目封じ部
２５ 流入側セル
２７ 流出側セル
３１ ＨＣ吸着剤
３２ ＴＷＣ

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられており、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、
    前記排気が流入する側の端面から前記排気が流出する側の端面まで延びる複数のセルが多孔質隔壁により区画形成されており、且つ、前記排気が流出する側の端面が目封じされている流入側セルと、前記排気が流入する側の端面が目封じされている流出側セルと、が交互に配置されているフィルタ基材と、
    前記多孔質隔壁の内表面の略全域に担持されている炭化水素吸着剤と、
    実質的に前記多孔質隔壁の流出側セルの側の外表面のみに担持されている三元触媒と、を備える、排気浄化フィルタ。
  2. 前記三元触媒の粒子径が前記炭化水素吸着剤の粒子径よりも大きい、請求項１に記載の排気浄化フィルタ。
  3. 内燃機関の排気通路に設けられており、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、
    前記排気が流入する側の端面から前記排気が流出する側の端面まで延びる複数のセルが多孔質隔壁により区画形成されており、且つ、前記排気が流出する側の端面が目封じされている流入側セルと、前記排気が流入する側の端面が目封じされている流出側セルと、が交互に配置されているフィルタ基材と、
    前記多孔質隔壁の内表面に担持されている炭化水素吸着剤と、
    前記多孔質隔壁の流出側セルの側の外表面に担持されている三元触媒と、を備え、
    前記三元触媒の粒子径が前記炭化水素吸着剤の粒子径よりも大きい、排気浄化フィルタ。
  4. 前記三元触媒が担持されている領域の気孔径が１１．７μｍ以下であり、
    体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）が２０μｍ以上であり、
    前記フィルタ基材は、気孔率が５５％以上７０％以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
  5. 前記フィルタ基材は、気孔径分布の半値幅が７μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
  6. 前記三元触媒が担持されている領域の気孔径が１０μｍ以下であり、
    体積基準のメジアン気孔径（Ｄ５０）が２１μｍ以上２７μｍ以下であり、
    前記フィルタ基材は、気孔率が６２％以上６８％以下であり、気孔径分布の半値幅が１０μｍ以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の排気浄化フィルタ。
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