ディーゼルパティキュレートフィルタ
【課題】DPF1を再生するときの該DPFの熱応力による損傷を防止する。
【解決手段】DPF1の排気ガスが通る通路壁面に、捕集したパティキュレートの燃焼を促進するための触媒層を形成するとともに、該触媒層に含まれる触媒金属、酸素吸蔵材又はアルカリ金属を、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分し、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼を促進することにより、再生時におけるフィルタ中心部と外周部との温度差を小さくする。
【解決手段】DPF1の排気ガスが通る通路壁面に、捕集したパティキュレートの燃焼を促進するための触媒層を形成するとともに、該触媒層に含まれる触媒金属、酸素吸蔵材又はアルカリ金属を、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分し、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼を促進することにより、再生時におけるフィルタ中心部と外周部との温度差を小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はディーゼルパティキュレートフィルタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている煤(soot)等のパティキュレートを排気通路に配置したフィルタで捕集するようにした場合、該フィルタに堆積したパティキュレートを適宜燃焼させて除去し、該フィルタの再生を図る必要がある。このフィルタ再生を容易にするため、フィルタにパティキュレートの燃焼促進のための触媒層をコーティングすることは知られている。しかし、フィルタ中心部は排気ガスの流速が高いためパティキュレートがフィルタ外周側よりも多く堆積し易く、その結果、フィルタ再生時にパティキュレート燃焼に伴う発熱量が多くなっている。このため、発熱量が多いフィルタ中心部と、外部から熱が奪われるフィルタ外周部との温度差が大きくなり、フィルタに熱応力によってクラック等の損傷を招くおそれがある。
【0003】
かかる問題に対して、特許文献1には、フィルタにパティキュレートの燃焼促進のための触媒層をコーティングするにあたり、そのコーティング量をフィルタ中心部で多く、フィルタ外周部で少なくすることが記載されている。これは、フィルタ中心部の触媒層を厚くすることにより、該フィルタ中心部の通気抵抗を高めてフィルタ中心部と外周部との堆積量の差を小さくするというものである。
【特許文献1】特開2004−169586号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献に記載された技術の場合、フィルタ再生時のフィルタの中心部と外周部との温度差を小さくする効果はあるものの、フィルタの中心側は熱がこもり易い一方、外周側では熱引き(外部への熱の逃げ)により温度が下がり易いことから、フィルタの中心部と外周部とのパティキュレート堆積量の差が小さくなっても、フィルタ再生時に上記中心部と外周部とで比較的大きな温度差を生ずることは避けられない。また、フィルタ中心部の触媒層を厚く、外周部の触媒層を薄くすると、それだけフィルタ再生時にはフィルタ中心部でパティキュレートが燃焼し易くなる一方、フィルタ外周部ではパティキュレートの燃焼が進み難くなり、上記温度差を小さくする上では不利になる。
【0005】
そこで、本発明は、上記パティキュレート堆積量とは別の観点から上記温度差の縮小を図り、フィルタの損傷を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、このような課題に対して、フィルタの触媒層に含まれている触媒金属等の量によってパティキュレートの燃焼性が変わってくる点に着目し、フィルタ中心側よりも外周側においてパティキュレートが燃焼し易くなるようにした。
【0007】
すなわち、請求項1に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記触媒金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0008】
従って、フィルタの外周側は中心側よりも触媒金属量が多いことから、フィルタ再生時にはフィルタ外周側においてパティキュレートが盛んに燃焼して発熱することになり、熱引きがあっても、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられる。
【0009】
ここに、本発明においては、フィルタ中心を通るように該フィルタを切断した面において、フィルタ中心から外周面に至る距離の中点より外周側に触媒金属が内側(中心側)よりも相対的に多く配分されていればよい。
【0010】
従って、フィルタ単位容積当たりの触媒金属量を、例えば、フィルタ中心から外周面までの距離の2/3の範囲において少なく、その外側において多くしたケース、上記距離の1/3の範囲において少なく、その外側において多くしたケースのいずれであっても、上記切断面においては上記中点から外側の触媒金属配分量(端的にはフィルタ容積1L当たりの触媒金属量)の方が内側の配分量よりも相対的に多くなるから、本発明に含まれることになる。このフィルタ中心側と外周側との相対関係については、次に説明する請求項2の酸素吸蔵材の配分、請求項3のアルカリ金属の配分、請求項4の中空材と中実材の配置、並びに請求項5の触媒層コーティング量に関しても同じである。
【0011】
触媒金属としては、例えば、Pt、Pd、Rh、Ir等の貴金属を採用することがパティキュレートの燃焼促進の点で好ましい。また、上記触媒層を形成するフィルタ本体としては、多孔質セラミックスや金属製フォームからなるモノリスフィルタを採用することができる。この触媒金属及びフィルタ本体に関しては以下に述べる各発明も同じである。
【0012】
請求項2に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0013】
酸素吸蔵材は、フィルタ再生時に酸素を放出してパティキュレートの燃焼を促す。従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0014】
上記酸素吸蔵材としては、CeO2の他、CeとZr、Pr、Ndなど他の金属との複酸化物であってもよい。この点は以下に述べる他の発明も同じである。
【0015】
請求項3に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記アルカリ金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0016】
上記触媒層にアルカリ金属が含まれていると、該アルカリ金属と排気ガス中のNOxと反応して硝酸塩を生成し、この硝酸塩が加熱分解して生ずる活性の高い酸素がパティキュレートの燃焼を促進する。従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0017】
上記アルカリ金属としては、Li、Na、K、Rb、Cs及びFrのうちから選ばれる1種又は2種以上を採用することができる。
【0018】
請求項4に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種は、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0019】
従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0020】
請求項5に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
フィルタ外周側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であり、
フィルタ中心側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材は中実であることを特徴とする。
【0021】
アルミナ又は酸素吸蔵材が中空状であれば、このアルミナ又は酸素吸蔵材を含む触媒層は断熱層としての効果が高くなる。そうして、当該発明によれば、フィルタ外周側の触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であるから、その断熱効果により熱引きが少なくなり、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられる。また、中空状のアルミナ又は酸素吸蔵材は中実である場合に比べてその表面積が大きくなるから、これに触媒金属を担持させるようにした場合、触媒金属の高分散化が図れ、そのシンタリング防止にも有利になる。
【0022】
請求項6に係る発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
上記排気ガスが通る通路の通気抵抗が上記フィルタ外周側よりも上記フィルタ中心側で高くなるように、上記通路壁面の単位面積当たりの上記触媒層のコーティング量は上記フィルタ中心側の方が上記フィルタ外周側よりも多いことを特徴とする。
【0023】
従って、フィルタ外周側と中心側とでパティキュレート堆積量の差が大きくなること、ひいてはパティキュレートの燃焼によるフィルタ中心側の発熱量がフィルタ外周側よりも過度に大きくなることが避けられ、上記温度差を小さくする上で有利になる。
【発明の効果】
【0024】
以上のように、請求項1に係る発明によれば、触媒金属がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ再生時にはフィルタ外周側においてパティキュレートが盛んに燃焼することになり、熱引きがあっても、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられ、フィルタの損傷防止に有利になる。
【0025】
請求項2に係る発明によれば、酸素吸蔵材がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0026】
請求項3に係る発明によれば、アルカリ金属がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0027】
請求項4に係る発明によれば、酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0028】
請求項5に係る発明によれば、フィルタ外周側の触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であるから、熱引きが少なくなり、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0029】
請求項6に係る発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一において、フィルタ中心側の触媒層コーティング量をフィルタ外周側よりも多くして通気抵抗がフィルタ外周側よりもフィルタ中心側で高くなるようにしたから、フィルタ外周側と中心側とでパティキュレート堆積量の差が大きくなることが避けられ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0031】
<DPFの構造>
図1及び図2にディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFと略す。)1を模式的に示すように、このDPF1は、ハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数のセル2,3(例えば、1平方インチ(約6.54cm2)当たりセル数300)を備えている。すなわち、DPF1は、下流端が栓4により閉塞された排気ガス流入セル2と、上流端が栓4により閉塞された排気ガス流出セル3とが前後左右に交互に設けられ、排気ガス流入セル2と排気ガス流出セル3とは薄肉の隔壁5を介して隔てられている。なお、図1においてハッチングを付した部分は下流端の栓4を示している。
【0032】
DPF1は、そのフィルタ本体が例えばコーディエライトやSiC焼結体のような多孔質のセラミックスによって形成されており、排気ガス流入セル2内に流入した排気ガスは図2において矢印で示したように周囲の隔壁5を通って隣接する排気ガス流出セル3内に流出する。すなわち、図3に示すように、隔壁5は排気ガス流入セル2と排気ガス流出セル3とを連通する微細な細孔通路6を有し、この細孔通路6を排気ガスが通る。このDPF1のフィルタ本体の上記排気ガス通路(排気ガス流入セル2、排気ガス流出セル3及び細孔通路6)の壁面には、DPF再生時のパティキュレートの燃焼を促進するための触媒層7が形成されている。
【0033】
そうして、上記DPF1の触媒層7にはアルミナと触媒金属とが含まれており、触媒金属は、図4に示すフィルタ中心側8で少なく、フィルタ外周側9で多くなるように配分されている。また、触媒層7には必要に応じて酸素吸蔵材やアルカリ金属が含まれ、この酸素吸蔵材やアルカリ金属に関しても、触媒金属と同様に、フィルタ中心側8で少なく、フィルタ外周側9で多くなるように配分することができる。なお、図4において、「R」はフィルタ本体の半径を表す。さらに、触媒層7のコーティング量に関しても、フィルタ中心側8で多く、フィルタ外周側9で少なくなるようにし、それによって、フィルタ中心側8の排気ガス通路2,3,6の通気抵抗をフィルタ外周側9よりも大きくすることができる。
【0034】
以下、実施例及び比較例に基いて行なった本発明に係る触媒の性能評価について説明する。
【0035】
<触媒金属の配分について>
−実施例1−
サポート材としての活性アルミナに触媒金属としてのPtを担持したPt担持率=0.5質量%(但し、ここでの「質量%」は、触媒粉全量に占めるPtの割合ではなく、サポート材量に対するPtの割合であり、「0.5質量%」はサポート材量が100質量部であるときにPt量が0.5質量部であることを意味する。以下、同じ。)の第1触媒粉とPt担持率=3質量%の第2触媒粉とを、ジニトロジアミン白金硝酸溶液を活性アルミナに加えて混合し、蒸発乾固することによって調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉をフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートして排気ガス通路壁面に触媒層を形成した。フィルタ中心側8及びフィルタ外周側のうちの一方にウォッシュコートするときは他方にマスキングを施した。
【0036】
フィルタ本体は、直径143.7mm、長さ152.4mmのハニカム構造の円筒状のものであり、触媒粉のコート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L(フィルタ容積1L当たり量のこと。以下、同じ。)、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。従って、フィルタ中心側8のPt担持量は0.5g/L、フィルタ外周側9のPt担持量は1.5g/Lである。
【0037】
−比較例1−
活性アルミナにPtを担持した触媒粉(Pt担持率=2質量%)を実施例1と同じ方法で調製し、同じくバインダを含むスラリーとし、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。コート量はサポート材量が62.5g/Lとなるようにした。従って、フィルタ本体におけるPt担持量は1.25g/Lである。
【0038】
−比較例2−
比較例1と同じ触媒粉(Pt担持率=2質量%)を同じくバインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に対して、サポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにウォッシュコートした。従って、フィルタ中心側8のPt担持量は2g/L、フィルタ外周側9のPt担持量は1g/Lである。
【0039】
(評価テスト)
実施例1及び比較例1,2の各DPFについて、エンジンベンチテストで性能評価を行った。すなわち、DPFにパティキュレート(煤)を8g/L堆積させた後、エンジン制御によってDPF入口温度を600℃に上昇させてパティキュレートを着火させた。次いでエンジンをアイドル運転に切り替えて排気ガス流量を低くするとともに、該排気ガスの酸素濃度を高めることにより、パティキュレートを急速に燃焼させ、図4に示すDPF出口側3カ所A〜Cの温度を熱電対により測定した。Aはフィルタ中心位置、Bはフィルタ中心から半径の1/2距離だけ外側に寄った位置、Cはフィルタ外周縁近傍であり、各熱電対はDPFの下流側の端面から1cm程度内側に入った位置の温度を測定するようにした。結果は表1及び図5に示されている。
【0040】
【表1】
【0041】
AとCの温度差が比較例2では500℃弱であるのに対して、実施例1では350℃程度であり、実施例1のようにフィルタ外周側9のPt配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。
【0042】
比較例2は、比較例1よりもフィルタ中心側8のPt担持量が多いが、上記温度差は比較例1よりも小さくなっている。これは、フィルタ中心側8の触媒コート量を外周側9よりも多くしたことによる効果、すなわち、フィルタ中心側8の通気抵抗が外周側9よりも大きくなって、中心部と外周部とのパティキュレートの堆積量の差が小さくなったことによる効果である。実施例1もフィルタ中心側8の触媒コート量が外周側9よりも多くなっているから、同様の効果が得られている。
【0043】
(中心側及び外周側の各Pt担持量が温度差に与える影響)
上記実施例1に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各Pt担持率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表2及び図6に示されている。
【0044】
【表2】
【0045】
フィルタ中心側のPt担持率を0.1質量%(Pt担持量0.1g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっている。これは、フィルタ中心側のPt担持量が少ないため、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。DPFの再生速度は当該中心側の温度に依存するから、当該ケースは上記温度差が小さくてもDPFの速やかな再生の観点からは好ましくない。一方、フィルタ中心側のPt担持率を1.5質量%(Pt担持量1.5g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。なお、当該触媒には、アルミナの他に酸素吸蔵材やアルカリ土類金属が含まれていてもよい。
【0046】
フィルタ外周側のPt担持率を1.5質量%(Pt担持量0.75g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のPt担持率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、Pt担持率が8質量%を越える(例えば、9質量%(Pt担持量4.5g/L))ようにしても、効果が飽和してくることから、コスト高になるだけになる。
【0047】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例1の場合、フィルタ中心側のPt担持量を0.1g/Lよりも多く且つ1.5g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のPt担持量を0.75g/Lよりも多く且つ4.5g/Lよりも少なくすることが好ましいということができる。特に、表2の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のPt担持量を0.25g/L以上1.25g/L以下、フィルタ外周側のPt担持量を1g/L以上4g/L以下とすることが好ましい。
【0048】
<酸素吸蔵材の配分について>
−実施例2−
酸素吸蔵材としてのCeO2と活性アルミナとの混合物(サポート材)にPtを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、CeO2混合率(Ptのサポート材であるCeO2と活性アルミナとの混合物全量に占めるCeO2の割合)=6質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した第1触媒粉と、CeO2混合率=80質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した第2触媒粉とを調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量はサポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。
【0049】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=6g/L,アルミナ=94g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeO2=40g/L,アルミナ=10g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0050】
−比較例3−
実施例2と同じ方法で調製したCeO2と活性アルミナとPtとを含む、CeO2混合率=50質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した触媒粉を、バインダを含むスラリーとし、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。各成分のフィルタにおける担持量は、CeO2=31.3g/L,アルミナ=31.3g/L,Pt=0.31g/Lである。
【0051】
−比較例4−
実施例2と同じ方法で調製したCeO2と活性アルミナとPtとを含む、CeO2混合率=50質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、フィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例2と同じ方法でウォッシュコートした。
【0052】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeO2=25g/L,アルミナ=25g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0053】
(評価テスト)
実施例2及び比較例3,4の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表3及び図7に示されている。
【0054】
【表3】
【0055】
AとCの温度差が比較例4では575℃であるのに対して、実施例2では380℃であり、実施例2のようにフィルタ外周側9のCeO2配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。また、触媒コート量をフィルタ全体にわたって均一にした比較例3の上記温度差は650℃弱であって、この温度差は比較例4の方が小さくなっている。これはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果が出たものであって、この効果は実施例2でも得られている。
【0056】
(中心側及び外周側の各CeO2量が温度差に与える影響)
上記実施例2に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各CeO2混合率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表4及び図8に示されている。
【0057】
【表4】
【0058】
フィルタ中心側のCeO2混合率を1質量%(CeO2担持量1g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっているが、これは、パティキュレート燃焼促進のためのCeO2が不足し、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。一方、フィルタ中心側のCeO2混合率を10質量%(CeO2担持量10g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。
【0059】
フィルタ外周側のCeO2混合率を10質量%(CeO2担持量5g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のCeO2混合率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、90質量%(CeO2担持量45g/L)を越えて多くしても、効果が飽和してくる。
【0060】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例2の場合、フィルタ中心側のCeO2担持量を1g/Lよりも多く且つ10g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のCeO2担持量を5g/Lよりも多く且つ45g/L以下とすることが好ましいということができる。特に、表4の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のCeO2担持量を2g/L以上8g/L以下、フィルタ外周側のCeO2担持量を10g/L以上45g/L以下とすることが好ましい。なお、当該触媒には、アルミナや酸素吸蔵材の他に、アルカリ金属やアルカリ土類金属が含まれていてもよい。
【0061】
<アルカリ金属の配分について>
−実施例3−
活性アルミナ(サポート材)にアルカリ金属としてのK(カリウム)とPtとを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、K担持率=3質量%(但し、ここでの「質量%」は、触媒粉全量に占めるKの割合ではなく、サポート材量に対するKの割合であり、「3質量%」はサポート材量が100質量部であるときにK量が3質量部であることを意味する。以下、同じ。)、Pt担持率=0.5質量%の第1触媒粉と、K担持率=30質量%、Pt担持率=0.5質量%の第2触媒粉とを調製した。カリウム源としては酢酸カリウム水溶液を用いた。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量は、サポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。
【0062】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;K=3g/L,Pt=0.5g/L,活性アルミナ=100g/L
外周側;K=15g/L,Pt=0.25g/L,活性アルミナ=50g/L
である。
【0063】
−比較例5−
実施例3と同じ方法で調製したKと活性アルミナとPtとを含む、K担持率=20質量%、Pt担持率=0.5質量%の触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。各成分のフィルタにおける担持量は、K=12.5g/L、Pt=0.31g/L、アルミナ=62.5g/Lである。
【0064】
−比較例6−
実施例3と同じ方法で調製したKと活性アルミナとPtとを含む、K担持率=20質量%、Pt担持率=0.5質量%の触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、中心側8に100g/L、外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例3と同じ方法でウォッシュコートした。
【0065】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;K=20g/L,Pt=0.5g/L,アルミナ=100g/L
外周側;K=10g/L,Pt=0.25g/L,アルミナ=50g/L
である。
【0066】
(評価テスト)
実施例3及び比較例5,6の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表5及び図9に示されている。
【0067】
【表5】
【0068】
AとCの温度差が比較例6では535℃であるのに対して、実施例3では360℃であり、実施例3のようにフィルタ外周側9のK配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。また、触媒コート量をフィルタ全体にわたって均一にした比較例5の上記温度差は670℃であって、この温度差は比較例6の方が小さくなっている。これはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果が出たものであって、この効果は実施例3でも得られている。
【0069】
(中心側及び外周側の各Pt担持量が温度差に与える影響)
上記実施例3に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各K担持率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表6及び図10に示されている。
【0070】
【表6】
【0071】
フィルタ中心側のK担持率を0.5質量%(K担持量0.5g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっているが、これは、パティキュレート燃焼促進のためのK担持量が少ないため、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。一方、フィルタ中心側のK担持率を5質量%(K担持量5g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。
【0072】
フィルタ外周側のK担持率を5質量%(K担持量2.5g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のK担持率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、K担持率が35質量%を越える(例えば40質量%(K担持量20g/L))ようにしても、効果が飽和してくる。
【0073】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例3の場合、フィルタ中心側のK担持量を0.5g/Lよりも多く且つ5g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のK担持量を2.5g/Lよりも多く且つ20g/Lよりも少なくすることが好ましいということができる。特に、表6の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のK担持量を1g/L以上4g/L以下、フィルタ外周側のK担持量を5g/L以上17.5g/L以下とすることが好ましい。
【0074】
以上のように、実施例1〜3により、触媒貴金属、酸素吸蔵材、又はアルカリ金属をフィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分すると、DPFの破損防止に有利になることが理解できる。また、以上の結果から、触媒貴金属及び酸素吸蔵材両者の配分を共に、触媒貴金属及びアルカリ金属両者の配分を共に、酸素吸蔵材及びアルカリ金属両者の配分を共に、或いは触媒貴金属、酸素吸蔵材及びアルカリ金属三者の配分を共に、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多くした場合にも、同様の効果が得られることを期待できることわかるであろう。そこで、次に触媒貴金属、酸素吸蔵材及びアルカリ金属三者の配分を共に、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多くした例について説明する。
【0075】
<Pt、CeO2及びKを含むケース>
−実施例4−
CeO2と活性アルミナとの混合物(サポート材)にPt及びKを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、CeO2混合率=6質量%のサポート材に、Pt担持率=0.5質量%、K担持率=3質量%となるようにPt及びKを担持させた第1触媒粉と、CeO2混合率=80質量%のサポート材に、Pt担持率=3質量%、K担持率=30質量%となるようにPt及びKを担持させた第2触媒粉とを調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lである。
【0076】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=6g/L,アルミナ=94g/L,Pt=0.5g/L,
K=3g/L
外周側;CeO2=40g/L,アルミナ=10g/L,Pt=1.5g/L,
K=15g/L
である。
【0077】
−比較例7−
実施例4と同じ方法によって調製したCeO2と活性アルミナとPtとKとを含む触媒粉(但し、CeO2混合率=50質量%のサポート材に対し、Pt担持率=2質量%、K担持率=20質量%となるようにPt及びKを担持)を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。コート量はサポート材量が62.5g/Lとなるようにした。従って、フィルタ本体におけるCeO2担持量は31.3g/L、アルミナ担持量は31.3g/L、Pt担持量は1.25g/L、K担持量は12.5g/Lである。
【0078】
−比較例8−
比較例7と同じ触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量がフィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例4と同じ方法でウォッシュコートした。従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=2g/L,
K=20g/L
外周側;CeO2=25g/L,アルミナ=25g/L,Pt=1g/L,
K=10g/L
である。
【0079】
(評価テスト)
実施例4及び比較例7,8の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表7及び図11に示されている。
【0080】
【表7】
【0081】
AとCの温度差が比較例7では695℃、比較例8では600℃であるのに対して、実施例4では350℃であり、このように実施例4の当該温度差が小さいのは、フィルタ外周側9のPt配分量、K配分量及びCeO2配分量をフィルタ中心側8よりも多くするとともに、フィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果と認められる。
【0082】
<中空材の採用>
−実施例5−
活性アルミナにPtを担持したPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末と、酸素吸蔵材としてのCeZrO2(Zr50moL%の複酸化物)にPtを担持したPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを蒸発乾固法によって調製した。そうして、実施例1と同じフィルタ本体の中心側8には、上記両粉末をそのまま1:1の質量比で混合しさらに水及びバインダと混合してスラリーとしてウォッシュコートした。
【0083】
また、活性アルミナにPtを担持したPt担持率0.83質量%のPt/アルミナ粉末と、酸素吸蔵材としてのCeZrO2(Zr50moL%の複酸化物)にPtを担持したPt担持率0.83質量%のPt/CeZrO2粉末とを蒸発乾固法によって調製した。そうして、上記フィルタ本体の外周側9には、上記両粉末各々を中空材にして1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダと混合してスラリーとしてウォッシュコートした。
【0084】
コート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では30g/Lとなるようにした。
【0085】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeZrO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeZrO2=15g/L,アルミナ=15g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0086】
上記Pt/アルミナ及びPt/CeZrO2各々の中空材は以下のようにして別個に調製した。
【0087】
すなわち、直径0.1〜1μm程度のポリビニルブチラール(PVB)の粉末を5%ポリビニルアルコール(PVA)水溶液に入れて攪拌することにより、PVB溶液を作った。このPVB溶液に上記触媒成分粉末(Pt/アルミナ粉末,Pt/CeZrO2粉末)を添加して混合スラリーを調製した。PVB溶液と触媒成分粉末との比率はPVB溶液を60質量%、触媒成分粉末を40質量%とした。
【0088】
上記混合スラリーを、ロート状滴下器具を用いて、KCl溶液を入れた容器内に滴下していくことにより、PVB粒子表面に触媒成分粉末がコーティングされた球状粒子を生成させた。容器の底に堆積した球状粒子を取り出し、大気雰囲気において150℃の温度に2時間程度保持する乾燥処理、並びに大気雰囲気において500℃の温度に2時間程度保持する焼成処理を施した。この焼成により、PVBは熱分解して焼失し、上記触媒成分の球状中空材が得られた。その直径は0.1〜1μm強となる。
【0089】
図12はPt/アルミナ中空材とPt/CeZrO2中空材との混合物を撮影したSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。大小の球状中空材に混じって、割れた中空材が見られるが、これは、SEM撮影用試料調製時に割れたものである。
【0090】
−比較例9−
実施例5と同じPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末とPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダを加えてスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。上記CeZrO2はZr50moL%の複酸化物である。各成分のフィルタにおける担持量は、CeZrO2=31.3g/L,アルミナ=31.3g/L,Pt=0.31g/Lである。
【0091】
−比較例10−
実施例5と同じPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末とPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダを加えてスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、フィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例5と同じ方法でウォッシュコートした。
【0092】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeZrO2=50g/L,アルミナ=50g/L,
Pt=0.5g/L
外周側;CeZrO2=25g/L,アルミナ=25g/L,
Pt=0.25g/L
である。
【0093】
(評価テスト)
実施例5及び比較例9,10の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表8及び図13に示されている。
【0094】
【表8】
【0095】
AとCの温度差が比較例10では575℃であるのに対して、実施例5では505℃であり、実施例5のようにフィルタ外周側に中空のアルミナ材や酸素吸蔵材(CeZrO2)を採用すると、それらが断熱材として働いてDPF外周面からの熱引きが抑制され、DPF再生時の中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPF損傷防止に有利になることがわかる。特に、実施例5の場合、フィルタ外周側のPt担持量は比較例10のそれよりも少ないにも拘わらず、上記温度差が比較例10よりも小さいことから、上記中空材による断熱効果が顕著であるということができる。
【0096】
また、比較例9の上記温度差と比較例10の上記温度差との違いはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによるものであるが、当該効果は実施例5でも得られている。
【図面の簡単な説明】
【0097】
【図1】DPFの正面図である。
【図2】DPFの縦断面図である。
【図3】DPFの排気ガス流入路と排気ガス流出路とを隔てる壁の拡大断面図である。
【図4】DPFのフィルタ中心側及びフィルタ外周側、並びに測温位置の説明図である。
【図5】実施例1及び比較例1,2の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図6】フィルタ中心側及び外周側の各Pt担持率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図7】実施例2及び比較例3,4の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図8】フィルタ中心側及び外周側の各CeO2混合率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図9】実施例3及び比較例5,6の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図10】フィルタ中心側及び外周側の各K担持率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図11】実施例4及び比較例7,8の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図12】Pt/アルミナ中空材とPt/CeZrO2中空材との混合物のSEM写真である。
【図13】実施例5及び比較例9,10の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【0098】
1 DPF
2 排気ガス流入路
3 排気ガス流出路
4 栓
5 隔壁
6 細孔(排気ガス流路)
7 触媒層
8 フィルタ中心側
9 フィルタ外周側
【技術分野】
【0001】
本発明はディーゼルパティキュレートフィルタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている煤(soot)等のパティキュレートを排気通路に配置したフィルタで捕集するようにした場合、該フィルタに堆積したパティキュレートを適宜燃焼させて除去し、該フィルタの再生を図る必要がある。このフィルタ再生を容易にするため、フィルタにパティキュレートの燃焼促進のための触媒層をコーティングすることは知られている。しかし、フィルタ中心部は排気ガスの流速が高いためパティキュレートがフィルタ外周側よりも多く堆積し易く、その結果、フィルタ再生時にパティキュレート燃焼に伴う発熱量が多くなっている。このため、発熱量が多いフィルタ中心部と、外部から熱が奪われるフィルタ外周部との温度差が大きくなり、フィルタに熱応力によってクラック等の損傷を招くおそれがある。
【0003】
かかる問題に対して、特許文献1には、フィルタにパティキュレートの燃焼促進のための触媒層をコーティングするにあたり、そのコーティング量をフィルタ中心部で多く、フィルタ外周部で少なくすることが記載されている。これは、フィルタ中心部の触媒層を厚くすることにより、該フィルタ中心部の通気抵抗を高めてフィルタ中心部と外周部との堆積量の差を小さくするというものである。
【特許文献1】特開2004−169586号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献に記載された技術の場合、フィルタ再生時のフィルタの中心部と外周部との温度差を小さくする効果はあるものの、フィルタの中心側は熱がこもり易い一方、外周側では熱引き(外部への熱の逃げ)により温度が下がり易いことから、フィルタの中心部と外周部とのパティキュレート堆積量の差が小さくなっても、フィルタ再生時に上記中心部と外周部とで比較的大きな温度差を生ずることは避けられない。また、フィルタ中心部の触媒層を厚く、外周部の触媒層を薄くすると、それだけフィルタ再生時にはフィルタ中心部でパティキュレートが燃焼し易くなる一方、フィルタ外周部ではパティキュレートの燃焼が進み難くなり、上記温度差を小さくする上では不利になる。
【0005】
そこで、本発明は、上記パティキュレート堆積量とは別の観点から上記温度差の縮小を図り、フィルタの損傷を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、このような課題に対して、フィルタの触媒層に含まれている触媒金属等の量によってパティキュレートの燃焼性が変わってくる点に着目し、フィルタ中心側よりも外周側においてパティキュレートが燃焼し易くなるようにした。
【0007】
すなわち、請求項1に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記触媒金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0008】
従って、フィルタの外周側は中心側よりも触媒金属量が多いことから、フィルタ再生時にはフィルタ外周側においてパティキュレートが盛んに燃焼して発熱することになり、熱引きがあっても、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられる。
【0009】
ここに、本発明においては、フィルタ中心を通るように該フィルタを切断した面において、フィルタ中心から外周面に至る距離の中点より外周側に触媒金属が内側(中心側)よりも相対的に多く配分されていればよい。
【0010】
従って、フィルタ単位容積当たりの触媒金属量を、例えば、フィルタ中心から外周面までの距離の2/3の範囲において少なく、その外側において多くしたケース、上記距離の1/3の範囲において少なく、その外側において多くしたケースのいずれであっても、上記切断面においては上記中点から外側の触媒金属配分量(端的にはフィルタ容積1L当たりの触媒金属量)の方が内側の配分量よりも相対的に多くなるから、本発明に含まれることになる。このフィルタ中心側と外周側との相対関係については、次に説明する請求項2の酸素吸蔵材の配分、請求項3のアルカリ金属の配分、請求項4の中空材と中実材の配置、並びに請求項5の触媒層コーティング量に関しても同じである。
【0011】
触媒金属としては、例えば、Pt、Pd、Rh、Ir等の貴金属を採用することがパティキュレートの燃焼促進の点で好ましい。また、上記触媒層を形成するフィルタ本体としては、多孔質セラミックスや金属製フォームからなるモノリスフィルタを採用することができる。この触媒金属及びフィルタ本体に関しては以下に述べる各発明も同じである。
【0012】
請求項2に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0013】
酸素吸蔵材は、フィルタ再生時に酸素を放出してパティキュレートの燃焼を促す。従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0014】
上記酸素吸蔵材としては、CeO2の他、CeとZr、Pr、Ndなど他の金属との複酸化物であってもよい。この点は以下に述べる他の発明も同じである。
【0015】
請求項3に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記アルカリ金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0016】
上記触媒層にアルカリ金属が含まれていると、該アルカリ金属と排気ガス中のNOxと反応して硝酸塩を生成し、この硝酸塩が加熱分解して生ずる活性の高い酸素がパティキュレートの燃焼を促進する。従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0017】
上記アルカリ金属としては、Li、Na、K、Rb、Cs及びFrのうちから選ばれる1種又は2種以上を採用することができる。
【0018】
請求項4に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種は、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とする。
【0019】
従って、当該発明によれば、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0020】
請求項5に係る発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
フィルタ外周側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であり、
フィルタ中心側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材は中実であることを特徴とする。
【0021】
アルミナ又は酸素吸蔵材が中空状であれば、このアルミナ又は酸素吸蔵材を含む触媒層は断熱層としての効果が高くなる。そうして、当該発明によれば、フィルタ外周側の触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であるから、その断熱効果により熱引きが少なくなり、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられる。また、中空状のアルミナ又は酸素吸蔵材は中実である場合に比べてその表面積が大きくなるから、これに触媒金属を担持させるようにした場合、触媒金属の高分散化が図れ、そのシンタリング防止にも有利になる。
【0022】
請求項6に係る発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
上記排気ガスが通る通路の通気抵抗が上記フィルタ外周側よりも上記フィルタ中心側で高くなるように、上記通路壁面の単位面積当たりの上記触媒層のコーティング量は上記フィルタ中心側の方が上記フィルタ外周側よりも多いことを特徴とする。
【0023】
従って、フィルタ外周側と中心側とでパティキュレート堆積量の差が大きくなること、ひいてはパティキュレートの燃焼によるフィルタ中心側の発熱量がフィルタ外周側よりも過度に大きくなることが避けられ、上記温度差を小さくする上で有利になる。
【発明の効果】
【0024】
以上のように、請求項1に係る発明によれば、触媒金属がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ再生時にはフィルタ外周側においてパティキュレートが盛んに燃焼することになり、熱引きがあっても、フィルタの中心側と外周側との温度差が大きくなることが避けられ、フィルタの損傷防止に有利になる。
【0025】
請求項2に係る発明によれば、酸素吸蔵材がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0026】
請求項3に係る発明によれば、アルカリ金属がフィルタ中心側よりも外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側でのパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0027】
請求項4に係る発明によれば、酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されているから、フィルタ外周側ではフィルタ中心側よりもパティキュレートの燃焼促進が図れ、上記請求項1に係る発明の場合と同様に上記温度差を小さくする上で有利になる。
【0028】
請求項5に係る発明によれば、フィルタ外周側の触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であるから、熱引きが少なくなり、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【0029】
請求項6に係る発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一において、フィルタ中心側の触媒層コーティング量をフィルタ外周側よりも多くして通気抵抗がフィルタ外周側よりもフィルタ中心側で高くなるようにしたから、フィルタ外周側と中心側とでパティキュレート堆積量の差が大きくなることが避けられ、上記温度差を小さくしてフィルタを損傷を防止する上で有利になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0031】
<DPFの構造>
図1及び図2にディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFと略す。)1を模式的に示すように、このDPF1は、ハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数のセル2,3(例えば、1平方インチ(約6.54cm2)当たりセル数300)を備えている。すなわち、DPF1は、下流端が栓4により閉塞された排気ガス流入セル2と、上流端が栓4により閉塞された排気ガス流出セル3とが前後左右に交互に設けられ、排気ガス流入セル2と排気ガス流出セル3とは薄肉の隔壁5を介して隔てられている。なお、図1においてハッチングを付した部分は下流端の栓4を示している。
【0032】
DPF1は、そのフィルタ本体が例えばコーディエライトやSiC焼結体のような多孔質のセラミックスによって形成されており、排気ガス流入セル2内に流入した排気ガスは図2において矢印で示したように周囲の隔壁5を通って隣接する排気ガス流出セル3内に流出する。すなわち、図3に示すように、隔壁5は排気ガス流入セル2と排気ガス流出セル3とを連通する微細な細孔通路6を有し、この細孔通路6を排気ガスが通る。このDPF1のフィルタ本体の上記排気ガス通路(排気ガス流入セル2、排気ガス流出セル3及び細孔通路6)の壁面には、DPF再生時のパティキュレートの燃焼を促進するための触媒層7が形成されている。
【0033】
そうして、上記DPF1の触媒層7にはアルミナと触媒金属とが含まれており、触媒金属は、図4に示すフィルタ中心側8で少なく、フィルタ外周側9で多くなるように配分されている。また、触媒層7には必要に応じて酸素吸蔵材やアルカリ金属が含まれ、この酸素吸蔵材やアルカリ金属に関しても、触媒金属と同様に、フィルタ中心側8で少なく、フィルタ外周側9で多くなるように配分することができる。なお、図4において、「R」はフィルタ本体の半径を表す。さらに、触媒層7のコーティング量に関しても、フィルタ中心側8で多く、フィルタ外周側9で少なくなるようにし、それによって、フィルタ中心側8の排気ガス通路2,3,6の通気抵抗をフィルタ外周側9よりも大きくすることができる。
【0034】
以下、実施例及び比較例に基いて行なった本発明に係る触媒の性能評価について説明する。
【0035】
<触媒金属の配分について>
−実施例1−
サポート材としての活性アルミナに触媒金属としてのPtを担持したPt担持率=0.5質量%(但し、ここでの「質量%」は、触媒粉全量に占めるPtの割合ではなく、サポート材量に対するPtの割合であり、「0.5質量%」はサポート材量が100質量部であるときにPt量が0.5質量部であることを意味する。以下、同じ。)の第1触媒粉とPt担持率=3質量%の第2触媒粉とを、ジニトロジアミン白金硝酸溶液を活性アルミナに加えて混合し、蒸発乾固することによって調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉をフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートして排気ガス通路壁面に触媒層を形成した。フィルタ中心側8及びフィルタ外周側のうちの一方にウォッシュコートするときは他方にマスキングを施した。
【0036】
フィルタ本体は、直径143.7mm、長さ152.4mmのハニカム構造の円筒状のものであり、触媒粉のコート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L(フィルタ容積1L当たり量のこと。以下、同じ。)、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。従って、フィルタ中心側8のPt担持量は0.5g/L、フィルタ外周側9のPt担持量は1.5g/Lである。
【0037】
−比較例1−
活性アルミナにPtを担持した触媒粉(Pt担持率=2質量%)を実施例1と同じ方法で調製し、同じくバインダを含むスラリーとし、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。コート量はサポート材量が62.5g/Lとなるようにした。従って、フィルタ本体におけるPt担持量は1.25g/Lである。
【0038】
−比較例2−
比較例1と同じ触媒粉(Pt担持率=2質量%)を同じくバインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に対して、サポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにウォッシュコートした。従って、フィルタ中心側8のPt担持量は2g/L、フィルタ外周側9のPt担持量は1g/Lである。
【0039】
(評価テスト)
実施例1及び比較例1,2の各DPFについて、エンジンベンチテストで性能評価を行った。すなわち、DPFにパティキュレート(煤)を8g/L堆積させた後、エンジン制御によってDPF入口温度を600℃に上昇させてパティキュレートを着火させた。次いでエンジンをアイドル運転に切り替えて排気ガス流量を低くするとともに、該排気ガスの酸素濃度を高めることにより、パティキュレートを急速に燃焼させ、図4に示すDPF出口側3カ所A〜Cの温度を熱電対により測定した。Aはフィルタ中心位置、Bはフィルタ中心から半径の1/2距離だけ外側に寄った位置、Cはフィルタ外周縁近傍であり、各熱電対はDPFの下流側の端面から1cm程度内側に入った位置の温度を測定するようにした。結果は表1及び図5に示されている。
【0040】
【表1】
【0041】
AとCの温度差が比較例2では500℃弱であるのに対して、実施例1では350℃程度であり、実施例1のようにフィルタ外周側9のPt配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。
【0042】
比較例2は、比較例1よりもフィルタ中心側8のPt担持量が多いが、上記温度差は比較例1よりも小さくなっている。これは、フィルタ中心側8の触媒コート量を外周側9よりも多くしたことによる効果、すなわち、フィルタ中心側8の通気抵抗が外周側9よりも大きくなって、中心部と外周部とのパティキュレートの堆積量の差が小さくなったことによる効果である。実施例1もフィルタ中心側8の触媒コート量が外周側9よりも多くなっているから、同様の効果が得られている。
【0043】
(中心側及び外周側の各Pt担持量が温度差に与える影響)
上記実施例1に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各Pt担持率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表2及び図6に示されている。
【0044】
【表2】
【0045】
フィルタ中心側のPt担持率を0.1質量%(Pt担持量0.1g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっている。これは、フィルタ中心側のPt担持量が少ないため、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。DPFの再生速度は当該中心側の温度に依存するから、当該ケースは上記温度差が小さくてもDPFの速やかな再生の観点からは好ましくない。一方、フィルタ中心側のPt担持率を1.5質量%(Pt担持量1.5g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。なお、当該触媒には、アルミナの他に酸素吸蔵材やアルカリ土類金属が含まれていてもよい。
【0046】
フィルタ外周側のPt担持率を1.5質量%(Pt担持量0.75g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のPt担持率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、Pt担持率が8質量%を越える(例えば、9質量%(Pt担持量4.5g/L))ようにしても、効果が飽和してくることから、コスト高になるだけになる。
【0047】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例1の場合、フィルタ中心側のPt担持量を0.1g/Lよりも多く且つ1.5g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のPt担持量を0.75g/Lよりも多く且つ4.5g/Lよりも少なくすることが好ましいということができる。特に、表2の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のPt担持量を0.25g/L以上1.25g/L以下、フィルタ外周側のPt担持量を1g/L以上4g/L以下とすることが好ましい。
【0048】
<酸素吸蔵材の配分について>
−実施例2−
酸素吸蔵材としてのCeO2と活性アルミナとの混合物(サポート材)にPtを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、CeO2混合率(Ptのサポート材であるCeO2と活性アルミナとの混合物全量に占めるCeO2の割合)=6質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した第1触媒粉と、CeO2混合率=80質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した第2触媒粉とを調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量はサポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。
【0049】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=6g/L,アルミナ=94g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeO2=40g/L,アルミナ=10g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0050】
−比較例3−
実施例2と同じ方法で調製したCeO2と活性アルミナとPtとを含む、CeO2混合率=50質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した触媒粉を、バインダを含むスラリーとし、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。各成分のフィルタにおける担持量は、CeO2=31.3g/L,アルミナ=31.3g/L,Pt=0.31g/Lである。
【0051】
−比較例4−
実施例2と同じ方法で調製したCeO2と活性アルミナとPtとを含む、CeO2混合率=50質量%のサポート材にPtをPt担持率=0.5質量%で担持した触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、フィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例2と同じ方法でウォッシュコートした。
【0052】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeO2=25g/L,アルミナ=25g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0053】
(評価テスト)
実施例2及び比較例3,4の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表3及び図7に示されている。
【0054】
【表3】
【0055】
AとCの温度差が比較例4では575℃であるのに対して、実施例2では380℃であり、実施例2のようにフィルタ外周側9のCeO2配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。また、触媒コート量をフィルタ全体にわたって均一にした比較例3の上記温度差は650℃弱であって、この温度差は比較例4の方が小さくなっている。これはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果が出たものであって、この効果は実施例2でも得られている。
【0056】
(中心側及び外周側の各CeO2量が温度差に与える影響)
上記実施例2に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各CeO2混合率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表4及び図8に示されている。
【0057】
【表4】
【0058】
フィルタ中心側のCeO2混合率を1質量%(CeO2担持量1g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっているが、これは、パティキュレート燃焼促進のためのCeO2が不足し、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。一方、フィルタ中心側のCeO2混合率を10質量%(CeO2担持量10g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。
【0059】
フィルタ外周側のCeO2混合率を10質量%(CeO2担持量5g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のCeO2混合率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、90質量%(CeO2担持量45g/L)を越えて多くしても、効果が飽和してくる。
【0060】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例2の場合、フィルタ中心側のCeO2担持量を1g/Lよりも多く且つ10g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のCeO2担持量を5g/Lよりも多く且つ45g/L以下とすることが好ましいということができる。特に、表4の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のCeO2担持量を2g/L以上8g/L以下、フィルタ外周側のCeO2担持量を10g/L以上45g/L以下とすることが好ましい。なお、当該触媒には、アルミナや酸素吸蔵材の他に、アルカリ金属やアルカリ土類金属が含まれていてもよい。
【0061】
<アルカリ金属の配分について>
−実施例3−
活性アルミナ(サポート材)にアルカリ金属としてのK(カリウム)とPtとを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、K担持率=3質量%(但し、ここでの「質量%」は、触媒粉全量に占めるKの割合ではなく、サポート材量に対するKの割合であり、「3質量%」はサポート材量が100質量部であるときにK量が3質量部であることを意味する。以下、同じ。)、Pt担持率=0.5質量%の第1触媒粉と、K担持率=30質量%、Pt担持率=0.5質量%の第2触媒粉とを調製した。カリウム源としては酢酸カリウム水溶液を用いた。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量は、サポート材量がフィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lとなるようにした。
【0062】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;K=3g/L,Pt=0.5g/L,活性アルミナ=100g/L
外周側;K=15g/L,Pt=0.25g/L,活性アルミナ=50g/L
である。
【0063】
−比較例5−
実施例3と同じ方法で調製したKと活性アルミナとPtとを含む、K担持率=20質量%、Pt担持率=0.5質量%の触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。各成分のフィルタにおける担持量は、K=12.5g/L、Pt=0.31g/L、アルミナ=62.5g/Lである。
【0064】
−比較例6−
実施例3と同じ方法で調製したKと活性アルミナとPtとを含む、K担持率=20質量%、Pt担持率=0.5質量%の触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、中心側8に100g/L、外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例3と同じ方法でウォッシュコートした。
【0065】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;K=20g/L,Pt=0.5g/L,アルミナ=100g/L
外周側;K=10g/L,Pt=0.25g/L,アルミナ=50g/L
である。
【0066】
(評価テスト)
実施例3及び比較例5,6の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表5及び図9に示されている。
【0067】
【表5】
【0068】
AとCの温度差が比較例6では535℃であるのに対して、実施例3では360℃であり、実施例3のようにフィルタ外周側9のK配分量をフィルタ中心側8よりも多くすると、DPF再生時のフィルタ中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPFの損傷防止に有効であることがわかる。また、触媒コート量をフィルタ全体にわたって均一にした比較例5の上記温度差は670℃であって、この温度差は比較例6の方が小さくなっている。これはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果が出たものであって、この効果は実施例3でも得られている。
【0069】
(中心側及び外周側の各Pt担持量が温度差に与える影響)
上記実施例3に関して、フィルタ中心側8及び外周側9の各K担持率を適宜変化させたDPFを作製し、上記評価テスト方法でAとCとの温度差を測定した。結果は表6及び図10に示されている。
【0070】
【表6】
【0071】
フィルタ中心側のK担持率を0.5質量%(K担持量0.5g/L)としたケースでは上記温度差が小さくなっているが、これは、パティキュレート燃焼促進のためのK担持量が少ないため、再生時に該中心側の温度が上がらないことによるものである。一方、フィルタ中心側のK担持率を5質量%(K担持量5g/L)としたケースでは、該中心側の温度が上昇し易いため、再生速度の観点からは好ましいものの、上記温度差が大きくなっており、DPFの破損防止に不利になってくる。
【0072】
フィルタ外周側のK担持率を5質量%(K担持量2.5g/L)としたケースでは、DPF全体の温度が上がり難いため、上記温度差が小さい場合でも再生速度の観点からは不利になってくる。一方、フィルタ外周側のK担持率を大きくすることは、再生速度上昇及び上記温度差の縮小の観点から好ましいが、K担持率が35質量%を越える(例えば40質量%(K担持量20g/L))ようにしても、効果が飽和してくる。
【0073】
従って、DPFの損傷を招くことなく速やかな再生を図るためには、実施例3の場合、フィルタ中心側のK担持量を0.5g/Lよりも多く且つ5g/Lよりも少なくし、フィルタ外周側のK担持量を2.5g/Lよりも多く且つ20g/Lよりも少なくすることが好ましいということができる。特に、表6の太線で囲まれた範囲、すなわち、フィルタ中心側のK担持量を1g/L以上4g/L以下、フィルタ外周側のK担持量を5g/L以上17.5g/L以下とすることが好ましい。
【0074】
以上のように、実施例1〜3により、触媒貴金属、酸素吸蔵材、又はアルカリ金属をフィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分すると、DPFの破損防止に有利になることが理解できる。また、以上の結果から、触媒貴金属及び酸素吸蔵材両者の配分を共に、触媒貴金属及びアルカリ金属両者の配分を共に、酸素吸蔵材及びアルカリ金属両者の配分を共に、或いは触媒貴金属、酸素吸蔵材及びアルカリ金属三者の配分を共に、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多くした場合にも、同様の効果が得られることを期待できることわかるであろう。そこで、次に触媒貴金属、酸素吸蔵材及びアルカリ金属三者の配分を共に、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多くした例について説明する。
【0075】
<Pt、CeO2及びKを含むケース>
−実施例4−
CeO2と活性アルミナとの混合物(サポート材)にPt及びKを蒸発乾固法によって担持した2種類の触媒粉、すなわち、CeO2混合率=6質量%のサポート材に、Pt担持率=0.5質量%、K担持率=3質量%となるようにPt及びKを担持させた第1触媒粉と、CeO2混合率=80質量%のサポート材に、Pt担持率=3質量%、K担持率=30質量%となるようにPt及びKを担持させた第2触媒粉とを調製した。これら触媒粉各々について水及びバインダと混合してスラリーを調製し、第1触媒粉を実施例1と同じフィルタ本体の中心側8全域に、第2触媒粉をフィルタ本体の外周側9全域に、それぞれウォッシュコートした。コート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では50g/Lである。
【0076】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=6g/L,アルミナ=94g/L,Pt=0.5g/L,
K=3g/L
外周側;CeO2=40g/L,アルミナ=10g/L,Pt=1.5g/L,
K=15g/L
である。
【0077】
−比較例7−
実施例4と同じ方法によって調製したCeO2と活性アルミナとPtとKとを含む触媒粉(但し、CeO2混合率=50質量%のサポート材に対し、Pt担持率=2質量%、K担持率=20質量%となるようにPt及びKを担持)を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。コート量はサポート材量が62.5g/Lとなるようにした。従って、フィルタ本体におけるCeO2担持量は31.3g/L、アルミナ担持量は31.3g/L、Pt担持量は1.25g/L、K担持量は12.5g/Lである。
【0078】
−比較例8−
比較例7と同じ触媒粉を、バインダを含むスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量がフィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例4と同じ方法でウォッシュコートした。従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=2g/L,
K=20g/L
外周側;CeO2=25g/L,アルミナ=25g/L,Pt=1g/L,
K=10g/L
である。
【0079】
(評価テスト)
実施例4及び比較例7,8の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表7及び図11に示されている。
【0080】
【表7】
【0081】
AとCの温度差が比較例7では695℃、比較例8では600℃であるのに対して、実施例4では350℃であり、このように実施例4の当該温度差が小さいのは、フィルタ外周側9のPt配分量、K配分量及びCeO2配分量をフィルタ中心側8よりも多くするとともに、フィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによる効果と認められる。
【0082】
<中空材の採用>
−実施例5−
活性アルミナにPtを担持したPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末と、酸素吸蔵材としてのCeZrO2(Zr50moL%の複酸化物)にPtを担持したPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを蒸発乾固法によって調製した。そうして、実施例1と同じフィルタ本体の中心側8には、上記両粉末をそのまま1:1の質量比で混合しさらに水及びバインダと混合してスラリーとしてウォッシュコートした。
【0083】
また、活性アルミナにPtを担持したPt担持率0.83質量%のPt/アルミナ粉末と、酸素吸蔵材としてのCeZrO2(Zr50moL%の複酸化物)にPtを担持したPt担持率0.83質量%のPt/CeZrO2粉末とを蒸発乾固法によって調製した。そうして、上記フィルタ本体の外周側9には、上記両粉末各々を中空材にして1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダと混合してスラリーとしてウォッシュコートした。
【0084】
コート量は、サポート材量が、フィルタ中心側8では100g/L、フィルタ外周側9では30g/Lとなるようにした。
【0085】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeZrO2=50g/L,アルミナ=50g/L,Pt=0.5g/L
外周側;CeZrO2=15g/L,アルミナ=15g/L,Pt=0.25g/L
である。
【0086】
上記Pt/アルミナ及びPt/CeZrO2各々の中空材は以下のようにして別個に調製した。
【0087】
すなわち、直径0.1〜1μm程度のポリビニルブチラール(PVB)の粉末を5%ポリビニルアルコール(PVA)水溶液に入れて攪拌することにより、PVB溶液を作った。このPVB溶液に上記触媒成分粉末(Pt/アルミナ粉末,Pt/CeZrO2粉末)を添加して混合スラリーを調製した。PVB溶液と触媒成分粉末との比率はPVB溶液を60質量%、触媒成分粉末を40質量%とした。
【0088】
上記混合スラリーを、ロート状滴下器具を用いて、KCl溶液を入れた容器内に滴下していくことにより、PVB粒子表面に触媒成分粉末がコーティングされた球状粒子を生成させた。容器の底に堆積した球状粒子を取り出し、大気雰囲気において150℃の温度に2時間程度保持する乾燥処理、並びに大気雰囲気において500℃の温度に2時間程度保持する焼成処理を施した。この焼成により、PVBは熱分解して焼失し、上記触媒成分の球状中空材が得られた。その直径は0.1〜1μm強となる。
【0089】
図12はPt/アルミナ中空材とPt/CeZrO2中空材との混合物を撮影したSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。大小の球状中空材に混じって、割れた中空材が見られるが、これは、SEM撮影用試料調製時に割れたものである。
【0090】
−比較例9−
実施例5と同じPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末とPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダを加えてスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体全体にわたって均一にウォッシュコートした。上記CeZrO2はZr50moL%の複酸化物である。各成分のフィルタにおける担持量は、CeZrO2=31.3g/L,アルミナ=31.3g/L,Pt=0.31g/Lである。
【0091】
−比較例10−
実施例5と同じPt担持率0.5質量%のPt/アルミナ粉末とPt担持率0.5質量%のPt/CeZrO2粉末とを1:1の質量比で混合し、さらに水及びバインダを加えてスラリーとして、実施例1と同じフィルタ本体に、サポート材量が、フィルタ中心側8に100g/L、フィルタ外周側9に50g/Lとなるように、それぞれ実施例5と同じ方法でウォッシュコートした。
【0092】
従って、各成分のフィルタ中心側8及びフィルタ外周側9における担持量は、
中心側;CeZrO2=50g/L,アルミナ=50g/L,
Pt=0.5g/L
外周側;CeZrO2=25g/L,アルミナ=25g/L,
Pt=0.25g/L
である。
【0093】
(評価テスト)
実施例5及び比較例9,10の各DPFについて、先に説明した触媒金属の配分に関する評価と同じ方法でA〜Cの温度を測定した。結果は表8及び図13に示されている。
【0094】
【表8】
【0095】
AとCの温度差が比較例10では575℃であるのに対して、実施例5では505℃であり、実施例5のようにフィルタ外周側に中空のアルミナ材や酸素吸蔵材(CeZrO2)を採用すると、それらが断熱材として働いてDPF外周面からの熱引きが抑制され、DPF再生時の中心部と外周部との温度差が小さくなり、DPF損傷防止に有利になることがわかる。特に、実施例5の場合、フィルタ外周側のPt担持量は比較例10のそれよりも少ないにも拘わらず、上記温度差が比較例10よりも小さいことから、上記中空材による断熱効果が顕著であるということができる。
【0096】
また、比較例9の上記温度差と比較例10の上記温度差との違いはフィルタ中心側の触媒コート量をフィルタ外周側よりも多くしたことによるものであるが、当該効果は実施例5でも得られている。
【図面の簡単な説明】
【0097】
【図1】DPFの正面図である。
【図2】DPFの縦断面図である。
【図3】DPFの排気ガス流入路と排気ガス流出路とを隔てる壁の拡大断面図である。
【図4】DPFのフィルタ中心側及びフィルタ外周側、並びに測温位置の説明図である。
【図5】実施例1及び比較例1,2の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図6】フィルタ中心側及び外周側の各Pt担持率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図7】実施例2及び比較例3,4の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図8】フィルタ中心側及び外周側の各CeO2混合率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図9】実施例3及び比較例5,6の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図10】フィルタ中心側及び外周側の各K担持率が測温位置A−Cの温度差に与える影響を示すグラフ図である。
【図11】実施例4及び比較例7,8の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【図12】Pt/アルミナ中空材とPt/CeZrO2中空材との混合物のSEM写真である。
【図13】実施例5及び比較例9,10の測温位置A〜Cの温度を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【0098】
1 DPF
2 排気ガス流入路
3 排気ガス流出路
4 栓
5 隔壁
6 細孔(排気ガス流路)
7 触媒層
8 フィルタ中心側
9 フィルタ外周側
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記触媒金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項2】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項3】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記アルカリ金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項4】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種は、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項5】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
フィルタ外周側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であり、
フィルタ中心側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材は中実であることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
上記排気ガスが通る通路の通気抵抗が上記フィルタ外周側よりも上記フィルタ中心側で高くなるように、上記通路壁面の単位面積当たりの上記触媒層のコーティング量は上記フィルタ中心側の方が上記フィルタ外周側よりも多いことを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項1】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記触媒金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項2】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項3】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記アルカリ金属が、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項4】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材とアルカリ金属と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
上記酸素吸蔵材、アルカリ金属及び触媒金属のうちから選ばれる少なくとも2種は、フィルタ中心側よりもフィルタ外周側に多く配分されていることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項5】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタであって、
上記排気ガスが通る通路の壁面にアルミナと酸素吸蔵材と触媒金属とを含有する触媒層が形成されていて、
フィルタ外周側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材の少なくとも一方は、その少なくとも一部が中空状であり、
フィルタ中心側の上記触媒層に含まれているアルミナ及び酸素吸蔵材は中実であることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
上記排気ガスが通る通路の通気抵抗が上記フィルタ外周側よりも上記フィルタ中心側で高くなるように、上記通路壁面の単位面積当たりの上記触媒層のコーティング量は上記フィルタ中心側の方が上記フィルタ外周側よりも多いことを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図13】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図13】
【図12】
【公開番号】特開2006−88027(P2006−88027A)
【公開日】平成18年4月6日(2006.4.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−276060(P2004−276060)
【出願日】平成16年9月22日(2004.9.22)
【出願人】(000003137)マツダ株式会社 (6,115)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年4月6日(2006.4.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年9月22日(2004.9.22)
【出願人】(000003137)マツダ株式会社 (6,115)
【Fターム(参考)】
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