排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置
【課題】使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能に優れた排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている排ガス浄化フィルターおよびこれを含む排ガス浄化装置を用いる。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている排ガス浄化フィルターおよびこれを含む排ガス浄化装置を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置に関するものであり、特に使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能に優れた排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に備えられ、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter）、以下、本明細書においてＰＭと称することがある。）を捕集するための排ガス浄化フィルターとして、多孔性のセラミック材料を用いた排ガス浄化フィルターが広く用いられている。
【０００３】
特に、ディーゼル車両の排ガス中に含まれる粒子状物質については、窒素酸化物（ＮＯｘ）とともに、その排出規制が日米欧において段階的に強化されている。かかる規制に適合させるため、粒子状物質を捕集するためのディーゼルパーティキュレートフィルター（ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、以下、本明細書において、ＤＰＦと称することがある。）の開発が盛んに進められてきている。現在、ＤＰＦとしては、主に、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＤＰＦに用いられる多孔性のセラミック材料の中でも、炭化ケイ素は、耐熱性に優れ、高い熱伝導性を有する点で優れ、実用化が進んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３８８７５号公報（２００７年６月７日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、多孔性のセラミック材料として炭化ケイ素を用いる排ガス浄化フィルターでは、使用初期に、ある程度の割合の粒子状物質が捕集されずに排ガス浄化フィルターを通過するという問題がある。また、粒子状物質を捕集した排ガス浄化フィルターは、粒子状物質の堆積により閉塞してしまうので、加熱等により堆積物を酸化させて、再生を行うが、再生中および再生直後にも粒子状物質が捕集されずに通過するという問題があることがわかってきた。
【０００７】
ディーゼル排ガスについては２００９年に導入されたポスト新長期規制で、粒子状物質の濃度はさらに大幅に引き下げられて、使用初期並びに再生中および再生直後においても優れた捕集性能を有する排ガス浄化フィルターの開発が早急に望まれる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能に優れた排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、上記課題を解決するために、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、炭化ケイ素に代表される非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されていることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【００１１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルター、または、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであることが好ましい。
【００１２】
上記構成により、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要がないというさらなる効果を奏する。
【００１３】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、２つの端面間を連通する複数のセルを形成するように配置された多孔性のセル壁を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁の細孔を通過させて隣接セルに流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁で捕集するようになっているハニカム構造を有することが好ましい。
【００１４】
上記構成により、圧力損失を低くできるというさらなる効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は５％以上８０％以下であることが好ましい。
【００１６】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合が５％以上であることにより、非窒化ケイ素質のメインフィルターで捕集されずに通過した粒子状物質を、窒化ケイ素質のサブフィルターでより好適に捕集することができる。また、前記割合が８０％以下であることにより、サブフィルターの配置による使用中の圧力損失の上昇を好適に防ぐことができる。それゆえ、エンジンの出力及び燃費の低下を回避することができるというさらなる効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る排ガス浄化装置は、上記課題を解決するために、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含むことを特徴としている。
【００１８】
上記構成により、ＰＭ中の可溶性有機成分、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯを除去することができる。
【００１９】
本発明に係る排ガス浄化装置では、さらに、排気通路において、必要に応じて前記排ガス浄化フィルターの下流側にＮＯｘ還元システムを配置することができる。
【００２０】
上記構成により、ＰＭ中のＮＯｘを除去することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、以上のように、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている構成を備えているので、使用初期に加え再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る排ガス浄化装置は、以上のように、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含む構成を備えているので、使用初期に加え再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る排ガス浄化フィルターの一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る排ガス浄化フィルターの一例を示す概略図である。
【図３】炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度を測定した結果を示すグラフである。
【図４】炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターにおける、排ガス浄化フィルターによる圧力損失を測定した結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す模式図であり、（ａ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例の断面を模式的に示す図である。
【図６】ハニカム構造のセルにＰＭのケーキ層が形成される様子を模式的に示す図である。
【図７】窒化ケイ素と炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ａ）は窒化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ｂ）は炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図である。
【図８】ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）ならびに炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおける、気孔率と全細孔表面積との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変形を加えた態様で実施できるものである。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。
【００２５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いる場合と比べて、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度が顕著に低減されることを見出した。
【００２６】
図３は、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度を測定した結果を示すグラフである。なお、このスモーク濃度の測定および後述する圧力損失の測定に用いた排ガス浄化フィルターと測定方法については後述する参考例に示す。図３に示されるように、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合には、スモーク濃度が最大で１８．５％となっており、排ガス浄化フィルターを用いなかった場合のスモーク濃度が２０％であることから、大部分の粒子状物質が通過する時期があることが判る。これに対して、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合（図中、ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）と表示）は、スモーク濃度の最大値が、それぞれ４．５％、７．２％および４．１％であり顕著に漏れが低減されている。
【００２７】
また、再生中および再生直後においても、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターでは一部の粒子状物質が通過するのに対し、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターではかかる粒子状物質の漏れが殆ど無いことが確認された。
【００２８】
粒子状物質の通過は、炭化ケイ素の細孔径を小さくすることによっても防止できると考えられるが、細孔径を小さくすれば排ガス浄化フィルターによる圧力損失が大きくなり、内燃機関の燃費が悪化する。図４は、図３で用いた炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合の圧力損失を示すグラフである。図４に示すように、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターに対して、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの圧力損失は８０〜１００％である。したがって、粒子状物質の通過を防ぐために、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの細孔径をより小さくすると、圧力損失が大きくなってしまうことが判る。
【００２９】
同等以下の圧力損失で、使用初期並びに再生中および再生直後に、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターでは粒子状物質の漏れが顕著に低減される理由としては、図７の（ａ）に示されるように窒化ケイ素に特有の六方晶系の柱状結晶が成長することによるものであると考えられる。なお、図７中、（ａ）は窒化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ｂ）は炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図である。
【００３０】
さらに、窒化ケイ素は、炭化ケイ素と比べて熱容量が小さい。そのため、より少ない熱量での加熱により、粒子状物質の堆積物を酸化させて、再生を行うことが可能であるという利点もある。
【００３１】
このことから、窒化ケイ素は、従来の炭化ケイ素に代わることができる有望な排ガス浄化フィルターの材料であるといえる。
【００３２】
しかしながら、窒化ケイ素は炭化ケイ素と、熱容量および熱伝導率等の熱特性が大きく異なる。かかる熱容量および熱伝導率等の熱特性の差は、ＤＰＦの燃焼性能、つまり再生性能に大きく影響する。ＤＰＦでは、再生時の燃焼状態はディーゼルエンジンの制御によりコントロールされているが、この再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定が非常に重要である。このため従来から用いられている材料に対して一度設定された条件を、材料を代えるために変更するには、相応の手間がかかることとなり、材料を変更する上での障害となっている。
【００３３】
そこで、本発明者らは、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更せずに、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの優れたＰＭ捕集性能を利用することができないかと考えた。その結果、従来の燃焼状態の条件設定を変更する必要がない排ガス浄化フィルターを用いつつ、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにより従来の排ガス浄化フィルターの問題点を解決することに思い至った。すなわち、従来用いられている炭化ケイ素を主成分とするフィルターと、窒化ケイ素を主成分とするフィルターとを組み合わせ、窒化ケイ素を主成分とするフィルターが、排ガスの流れる方向に沿って、炭化ケイ素を主成分とするフィルターの下流側になるように直列に配置することで、窒化ケイ素を主成分とするフィルターによって、炭化ケイ素を主成分とするフィルターで捕集されなかったＰＭを捕集し、使用初期および再生時にＰＭが漏れることがないとともに再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要もない排ガス浄化フィルターを提供することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００３４】
また、窒化ケイ素を主成分として含むフィルター、すなわち、窒化ケイ素質のフィルターは、使用初期に加え再生中および再生直後における粒子状物質の捕集性能が顕著に優れることから、上流側に配置されるフィルターが、炭化ケイ素質以外の、非窒化ケイ素質である場合にも同様の効果が得られると考えられる。
【００３５】
すなわち、本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されているものである。
【００３６】
以下本発明について、（Ｉ）排ガス浄化フィルター、（ＩＩ）排ガス浄化装置の順に説明する。
【００３７】
（Ｉ）排ガス浄化フィルター
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターとして用いられるものである。ここで、粒子状物質とは、ＰＭ（Particulate Matter）とも称され、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子をいう。
【００３８】
図１に、本発明に係る排ガス浄化フィルター１を模式的に示す。本発明に係る排ガス浄化フィルター１は、非窒化ケイ素質のメインフィルター２と、窒化ケイ素質のサブフィルター３とが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている。
【００３９】
排ガスは、排ガス浄化フィルター１に、図１において矢印で示す方向から流入し、非窒化ケイ素質のメインフィルター２を通過する。排ガスがメインフィルター２を通過するとき、メインフィルター２により排ガス中のＰＭが捕集される。しかし、上述したように、排ガス浄化フィルター１の使用初期並びに再生中および再生直後には一部のＰＭがメインフィルター２を通過する。メインフィルター２を通過した排ガスは、続いて窒化ケイ素質のサブフィルター３を通過する。このとき、メインフィルター２を通過したＰＭは、サブフィルター３により捕集される。
【００４０】
＜窒化ケイ素質のサブフィルター＞
ここで、窒化ケイ素質のサブフィルターとは、窒化ケイ素を主成分とするサブフィルターをいう。また、窒化ケイ素のケイ素と窒素の一部をそれぞれアルミニウムと酸素で置換したサイアロンも窒化ケイ素質に含まれる。
【００４１】
なお、本明細書において、「主成分とする」とは、５０重量％以上、より好ましくは８０重量％以上含むことを意味する。
【００４２】
本発明で用いられる窒化ケイ素質のサブフィルターは、窒化ケイ素を主成分とするフィルターであればよいが、気孔率が５０〜７０％であることが好ましく、５５〜６５％であることがより好ましい。気孔率が５０％以上であることにより圧力損失が大きくなりすぎないためフィルターとして好適である。また、気孔率が７０％以下であることにより十分な強度を維持できるため好ましい。なお、本明細書において、気孔率とはアルキメデス法によって測定された数値である。
【００４３】
また、本発明で用いられる窒化ケイ素質のサブフィルターの全細孔表面積は、０．２〜０．８ｍ２／ｇであることが好ましく、０．３〜０．７ｍ２／ｇであることがより好ましい。なお、本明細書において、全細孔表面積とは水銀圧入法によるポロシメーターで測定された値をいう。
【００４４】
なお、図８に、図３、４に示す測定の対象であるＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）ならびに炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおける、気孔率と全細孔表面積との関係を示す。図８に示されるように、気孔率と全細孔表面積には相関があり、適正な気孔率にフィルターを制御することで、本用途に適した全細孔表面積を得ることができる。
【００４５】
＜非窒化ケイ素質のメインフィルター＞
本発明で用いられる非窒化ケイ素質のメインフィルターは、非窒化ケイ素質の材料を主成分とするフィルターであれば特に限定されるものではない。ここで、非窒化ケイ素質の材料とは、窒化ケイ素質以外の多孔性材料であればよいが、多孔性のセラミック材料であることが好ましく、窒化ケイ素質以外の現行のＤＰＦ用材料であることがより好ましい。
【００４６】
より具体的には、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルターであることがさらに好ましい。前記非窒化ケイ素質のメインフィルターが上記材料である場合、現行のＤＰＦ用材料であることから、ＤＰＦとして用いる場合、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要がないため好ましい。
【００４７】
また、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、単一のフィルターに限定されるものではなく、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであってもよい。
【００４８】
本発明で用いられる非窒化ケイ素質のメインフィルターの最適仕様は、選ばれた材質によって大きく異なるが、ここでは個々の材質が持つ適正値を変えることなく使用することが出来る。
【００４９】
＜ハニカム構造＞
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのフィルターであることが好ましい。
【００５０】
図５に、本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す。（ａ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例の断面を模式的に示す図である。
【００５１】
図５に示すように、本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造は、２つの端面間を連通する複数のセル１１を形成するように配置された多孔性のセル壁１２を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁１２の細孔を通過させて隣接セル１１に流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁１２で捕集するようになっている。
【００５２】
より具体的には、セル１１は、断面の形状が略正方形であり、ハニカム構造の軸方向、すなわち排ガスが流れる方向に沿って規則的に形成されている。そして、セル１１は、多孔性の材料からなるセル壁１２によって仕切られることによって形成されている。各セルは、上流側の端面または下流側の端面のいずれかの端面において目封じされており、隣り合うセル同士は異なる端面で目封じされている。すなわち、各端面において、目封じされているセルは、図５の（ａ）に示すように市松模様を形成する。
【００５３】
上記ハニカム構造では、排ガスは上流側の端面において目封じされていないセル１１から流入し、多孔性のセル壁１２の細孔を通過して、隣接セル１１から流出する。このとき、排気ガスに含まれる粒子状物質がセル壁１２で捕集される。
【００５４】
本発明で用いられるハニカム構造のフィルターにおいて、フィルターの軸方向、すなわちハニカム構造の軸方向に垂直な断面の断面形状は特に限定されるものではなく、図５に示す円形に限らず、楕円形、正方形、長方形、多角形であってもかまわない。ハニカム構造の断面の大きさはエンジンの排気量によってその最適値が決定される。
【００５５】
また、本発明で用いられるハニカム構造において、セル１１の断面形状は、略正方形であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の形状であってもよい。また、セル壁厚も特に限定されるものではないが、例えば、０．２〜０．４ｍｍである。また、単位面積中のセル数も特に限定されるものではないが、例えば、２００〜３００ｃｐｓｉである。
【００５６】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ともに上述したハニカム構造を有することが好ましいが、ハニカム構造の構成は必ずしもこれに限定されるものではなく、セルの断面形状、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面形状、セル壁の厚さ、単位面積中のセル数、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積、フィルターの軸方向の長さ等は、フィルターの用途、設置場所等に応じて適宜選択すればよい。
【００５７】
なお、従来の排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期、再生中または再生直後に、ＰＭが通過してしまうのは以下の理由によるものであると考えられる。
【００５８】
すなわち、排ガス浄化フィルターに用いられる一般的なハニカム構造では、図６に示すように、多孔性のセル壁の表面および細孔に、ＰＭが徐々に堆積してケーキ層を形成する。このとき、図６の左図に示すように、排ガス浄化フィルターの使用初期には、ＰＭは多孔性のセル壁の表面および細孔に捕捉され始めるが、この段階では、ＰＭの捕集効率は悪く、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００５９】
ＰＭがセル壁の表面および細孔に捕捉され、セル壁の表面および細孔への堆積がさらに進むと、図６の右図に示すように、セル壁の表面にＰＭが堆積してなるケーキ層を形成する。かかるケーキ層の層厚が増大するにつれて、排ガス浄化フィルターの圧力損失は上昇し、ＰＭの捕集効率は高くなる。
【００６０】
上記のような理由から、ケーキ層が形成される前の使用初期には、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００６１】
また、ケーキ層の層厚がさらに増大すると、排ガスの流路であるセルが閉塞してしまうので、セルが閉塞する前に、加熱等により堆積物を酸化させて、排ガス浄化フィルターを再生する。再生中および再生直後は、ケーキ層が除去されつつあるかまたは除去されているため、排ガス浄化フィルターの使用初期と同様にＰＭの捕集効率は悪く、ＰＭは一部フィルターを通過する。
【００６２】
上記のような理由から、再生中または再生直後のケーキ層が形成される前には、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００６３】
これに対して、窒化ケイ素質のサブフィルターでは、窒化ケイ素質のセル壁によるＰＭの捕集性能が優れるために、使用初期並びに再生中および再生直後におけるＰＭの通過が顕著に少ないと考えられる。
【００６４】
＜排ガス浄化フィルターの構成＞
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのフィルターであることが好ましいが、メインフィルターのハニカム構造と、サブフィルターのハニカム構造とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００６５】
すなわち、メインフィルターのハニカム構造と、サブフィルターのハニカム構造において、セルの断面形状、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面形状、セル壁の厚さ、単位面積中のセル数、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積、フィルターの軸方向の長さ等は、同じであっても異なっていてもよい。
【００６６】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、図１に示すように、内燃機関の排気通路に、非窒化ケイ素質のメインフィルター２と、窒化ケイ素質のサブフィルター３とが直列に配置されていれば、メインフィルター２とサブフィルター３との間、すなわち、メインフィルター２の下流側の端面と、サブフィルター３の上流側の端面との間の間隔は特に限定されるものではない。
【００６７】
また、図２に非窒化ケイ素質のメインフィルター２が１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものである場合の一例を示す。かかる場合もメインフィルター２を構成する複数のフィルター相互間の間隔、およびメインフィルター２を構成する最も下流のフィルターとサブフィルター３の間の間隔は特に限定されるものではない。
【００６８】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは直列に配置されていればよいが、非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、例えば、図１、２に示すように、これらを覆うケーシング内に、配置されている。
【００６９】
本発明に係る排ガス浄化フィルターにおいて、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターと前記窒化ケイ素質のサブフィルターとの容積比は、サブフィルター３により、メインフィルター２で捕集されずに通過したＰＭを捕集することができれば特に限定されるものではない。
【００７０】
したがって、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は、５％以上であることが好ましい。また、当該割合の上限も特に限定されるものではないが、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対してサブフィルターは補助的に用いるものであり、１００％以下であってもよく、また使用初期段階における圧力損失の上昇を防ぐ観点からは８０％以下であることが好ましい。
【００７１】
例えば、開発過程での実験データによれば、メインフィルターの代表例である炭化ケイ素の場合、使用初期の段階で２０ｍｇ／ｍ３のPM漏れが確認されており、これはDPF前で測定されるPM濃度（４０ｍｇ／ｍ３）の５０％である。この初期漏れが最長１０分継続されると仮定し、またメインフィルターのPM堆積を除去する再生までの時間を最短で１００分と仮定すると、サブフィルターはメインフィルターの５％の容積があれば、その堆積容量が十分である。他方、使用初期の段階での窒化ケイ素製フィルターの圧力損失は概ね炭化ケイ素の８０％であり、初期段階でのサブフィルターによる圧力損失の上昇を極力避けるためには、サブフィルターはメインフィルターの８０％以下の容量であることが好ましい。メインフィルターとサブフィルターの圧損差は使用中に拡大していくため、８０％は使用初期段階の圧損差を回避するための容量である。
【００７２】
また、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は、例えば、２０〜２５％程度であってもよい。
【００７３】
なお、ここで、メインフィルターおよびサブフィルターの容積とは、多孔性のフィルター材料の細孔部分を含めた容積をいう。フィルターがハニカム構造を有するときは、フィルターの容積は、セル壁の合計容積をいう。セル壁の合計容積は、ハニカム構造を有するフィルター全体の容積からセルの容積を引いて得られる値をいう。ハニカム構造を有するフィルター全体の容積は、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積とフィルターの軸方向の長さとの積として算出される。また、セルの容積は、ハニカム構造を有するフィルターに含まれる全てのセルの断面積の合計とフィルターの軸方向の長さとの積として算出される。
【００７４】
前記割合が５％以上であることにより、メインフィルター２で捕集されずに通過したＰＭを好適に捕集することができる。また、前記割合が８０％以下であることにより、サブフィルターを取り付けることによる使用初期の圧力損失の上昇を防ぐことができる。
【００７５】
本発明にかかる排ガス浄化フィルターは内燃機関、特にディーゼルエンジンに好適に用いることができる。しかしながら、本発明にかかる排ガス浄化フィルターの用途は、必ずしもこれに限定されるものではなく、工場の煤煙等、その他の気体中の粒子状物質にも適用することができる。
【００７６】
（ＩＩ）排ガス浄化装置
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、上記構成により、使用初期並びに再生中および再生直後においても優れた粒子状物質の捕集性能を有する。したがって、かかる排ガス浄化フィルターを含む排ガス浄化装置も本発明に含まれる。
【００７７】
本発明に係る排ガス浄化装置は、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含んでいる。かかる酸化触媒は、ＰＭ中の可溶性有機成分、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯを除去するために設けられる。かかる酸化触媒としては、特に限定されるものではないが、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）として用いられている酸化触媒であればどのようなものであってもよい。
【００７８】
また、本発明に係る排ガス浄化装置は、必要に応じて、排気通路において、本発明に係る排ガス浄化フィルターの下流側に設けられたＮＯｘ還元システムを含んでいてもよい。ＮＯｘ還元システムは、排ガス中のＮＯｘを還元するシステムであれば特に限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ還元システムとして用いられているＮＯｘ選択還元システム（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction for NOＸ））、ＮＯｘ吸蔵システム（ＮＳＲ（NOＸ Storage Reduction））等であればどのようなものであってもよい。
【００７９】
〔参考例〕
炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターについて、使用初期の排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度の測定および圧力損失の測定を行った。
【００８０】
〔窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルター〕
窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターとして円筒形のハニカム構造を有する排ガス浄化フィルターであるＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）を用いた。ハニカム構造の断面の直径は１４０ｍｍ、長さは１５０ｍｍ、セル数は２５０ｃｐｓｉ、セル壁厚は０．３ｍｍであった。
【００８１】
ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）の気孔率、全細孔表面積を下表１に示す。
【表１】
【００８２】
〔炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルター〕
炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターとしては、標準的な炭化ケイ素ハニカムフィルターを用いた。
【００８３】
炭化ケイ素ハニカムフィルターは、断面の直径が１４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒形のハニカム構造であった。ハニカム構造のセル数は３００ｃｐｓｉ、セル壁厚は０．３ｍｍであった。
【００８４】
ハニカム構造の気孔率は４８％、全細孔表面積は０．０６ｍ２／ｇであった。
【００８５】
〔使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度の測定〕
得られた排ガス浄化フィルターを、ベンチ試験に供した。運転条件は、１６８０ｒｐｍ、１００％負荷であった。
【００８６】
排気通路の出口より３分ごとに排気ガスを採取し、排気ガス中に含まれる粒子状物質を、オパシメータを用いて測定した。
【００８７】
結果を図３に示す。図３中、縦軸はスモーク濃度（図中「Smoke Density」と表示。単位：％）を、横軸は時間（図中、「Time」と表示。単位：秒）を示す。
【００８８】
〔圧力損失の測定〕
また、得られた排ガス浄化フィルターによる圧力損失を測定した。圧力損失は、排ガス浄化フィルター前後の圧力を実測し、その圧力差（差圧）から算出した。
【００８９】
結果を図４に示す。図４中、縦軸は圧力損失（図中「Pressure Loss」と表示。単位：kPa）を、横軸は時間（図中、「Time」と表示。単位：秒）を示す。
【００９０】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を用いれば、乗用車、バス、トラック等の車両や、建設機械等の内燃機関から排出されるＰＭを、使用初期並びに再生中および再生直後においても高い捕集性能で捕集することができる。
【００９２】
それゆえ、本発明は、排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を製造する産業分野のみならず、乗用車、バス、トラック等の車両の製造分野や、建設機械等の製造分野においても、利用することができ、しかも非常に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 排ガス浄化フィルター
２ メインフィルター
３ サブフィルター
１０ ハニカム構造を有するフィルター
１１ セル
１２ セル壁
１３ 目封じ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置に関するものであり、特に使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能に優れた排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に備えられ、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter）、以下、本明細書においてＰＭと称することがある。）を捕集するための排ガス浄化フィルターとして、多孔性のセラミック材料を用いた排ガス浄化フィルターが広く用いられている。
【０００３】
特に、ディーゼル車両の排ガス中に含まれる粒子状物質については、窒素酸化物（ＮＯｘ）とともに、その排出規制が日米欧において段階的に強化されている。かかる規制に適合させるため、粒子状物質を捕集するためのディーゼルパーティキュレートフィルター（ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、以下、本明細書において、ＤＰＦと称することがある。）の開発が盛んに進められてきている。現在、ＤＰＦとしては、主に、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＤＰＦに用いられる多孔性のセラミック材料の中でも、炭化ケイ素は、耐熱性に優れ、高い熱伝導性を有する点で優れ、実用化が進んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３８８７５号公報（２００７年６月７日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、多孔性のセラミック材料として炭化ケイ素を用いる排ガス浄化フィルターでは、使用初期に、ある程度の割合の粒子状物質が捕集されずに排ガス浄化フィルターを通過するという問題がある。また、粒子状物質を捕集した排ガス浄化フィルターは、粒子状物質の堆積により閉塞してしまうので、加熱等により堆積物を酸化させて、再生を行うが、再生中および再生直後にも粒子状物質が捕集されずに通過するという問題があることがわかってきた。
【０００７】
ディーゼル排ガスについては２００９年に導入されたポスト新長期規制で、粒子状物質の濃度はさらに大幅に引き下げられて、使用初期並びに再生中および再生直後においても優れた捕集性能を有する排ガス浄化フィルターの開発が早急に望まれる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能に優れた排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、上記課題を解決するために、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、炭化ケイ素に代表される非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されていることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、使用初期並びに再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【００１１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルター、または、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであることが好ましい。
【００１２】
上記構成により、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要がないというさらなる効果を奏する。
【００１３】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、２つの端面間を連通する複数のセルを形成するように配置された多孔性のセル壁を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁の細孔を通過させて隣接セルに流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁で捕集するようになっているハニカム構造を有することが好ましい。
【００１４】
上記構成により、圧力損失を低くできるというさらなる効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は５％以上８０％以下であることが好ましい。
【００１６】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合が５％以上であることにより、非窒化ケイ素質のメインフィルターで捕集されずに通過した粒子状物質を、窒化ケイ素質のサブフィルターでより好適に捕集することができる。また、前記割合が８０％以下であることにより、サブフィルターの配置による使用中の圧力損失の上昇を好適に防ぐことができる。それゆえ、エンジンの出力及び燃費の低下を回避することができるというさらなる効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る排ガス浄化装置は、上記課題を解決するために、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含むことを特徴としている。
【００１８】
上記構成により、ＰＭ中の可溶性有機成分、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯを除去することができる。
【００１９】
本発明に係る排ガス浄化装置では、さらに、排気通路において、必要に応じて前記排ガス浄化フィルターの下流側にＮＯｘ還元システムを配置することができる。
【００２０】
上記構成により、ＰＭ中のＮＯｘを除去することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、以上のように、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている構成を備えているので、使用初期に加え再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る排ガス浄化装置は、以上のように、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含む構成を備えているので、使用初期に加え再生中および再生直後においても粒子状物質の捕集性能が優れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る排ガス浄化フィルターの一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る排ガス浄化フィルターの一例を示す概略図である。
【図３】炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度を測定した結果を示すグラフである。
【図４】炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターにおける、排ガス浄化フィルターによる圧力損失を測定した結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す模式図であり、（ａ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例の断面を模式的に示す図である。
【図６】ハニカム構造のセルにＰＭのケーキ層が形成される様子を模式的に示す図である。
【図７】窒化ケイ素と炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ａ）は窒化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ｂ）は炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図である。
【図８】ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）ならびに炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおける、気孔率と全細孔表面積との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変形を加えた態様で実施できるものである。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。
【００２５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いる場合と比べて、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度が顕著に低減されることを見出した。
【００２６】
図３は、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度を測定した結果を示すグラフである。なお、このスモーク濃度の測定および後述する圧力損失の測定に用いた排ガス浄化フィルターと測定方法については後述する参考例に示す。図３に示されるように、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合には、スモーク濃度が最大で１８．５％となっており、排ガス浄化フィルターを用いなかった場合のスモーク濃度が２０％であることから、大部分の粒子状物質が通過する時期があることが判る。これに対して、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合（図中、ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）と表示）は、スモーク濃度の最大値が、それぞれ４．５％、７．２％および４．１％であり顕著に漏れが低減されている。
【００２７】
また、再生中および再生直後においても、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターでは一部の粒子状物質が通過するのに対し、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターではかかる粒子状物質の漏れが殆ど無いことが確認された。
【００２８】
粒子状物質の通過は、炭化ケイ素の細孔径を小さくすることによっても防止できると考えられるが、細孔径を小さくすれば排ガス浄化フィルターによる圧力損失が大きくなり、内燃機関の燃費が悪化する。図４は、図３で用いた炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターを用いた場合の圧力損失を示すグラフである。図４に示すように、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターに対して、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの圧力損失は８０〜１００％である。したがって、粒子状物質の通過を防ぐために、炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの細孔径をより小さくすると、圧力損失が大きくなってしまうことが判る。
【００２９】
同等以下の圧力損失で、使用初期並びに再生中および再生直後に、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターでは粒子状物質の漏れが顕著に低減される理由としては、図７の（ａ）に示されるように窒化ケイ素に特有の六方晶系の柱状結晶が成長することによるものであると考えられる。なお、図７中、（ａ）は窒化ケイ素のＳＥＭ像を示す図であり、（ｂ）は炭化ケイ素のＳＥＭ像を示す図である。
【００３０】
さらに、窒化ケイ素は、炭化ケイ素と比べて熱容量が小さい。そのため、より少ない熱量での加熱により、粒子状物質の堆積物を酸化させて、再生を行うことが可能であるという利点もある。
【００３１】
このことから、窒化ケイ素は、従来の炭化ケイ素に代わることができる有望な排ガス浄化フィルターの材料であるといえる。
【００３２】
しかしながら、窒化ケイ素は炭化ケイ素と、熱容量および熱伝導率等の熱特性が大きく異なる。かかる熱容量および熱伝導率等の熱特性の差は、ＤＰＦの燃焼性能、つまり再生性能に大きく影響する。ＤＰＦでは、再生時の燃焼状態はディーゼルエンジンの制御によりコントロールされているが、この再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定が非常に重要である。このため従来から用いられている材料に対して一度設定された条件を、材料を代えるために変更するには、相応の手間がかかることとなり、材料を変更する上での障害となっている。
【００３３】
そこで、本発明者らは、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更せずに、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターの優れたＰＭ捕集性能を利用することができないかと考えた。その結果、従来の燃焼状態の条件設定を変更する必要がない排ガス浄化フィルターを用いつつ、窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにより従来の排ガス浄化フィルターの問題点を解決することに思い至った。すなわち、従来用いられている炭化ケイ素を主成分とするフィルターと、窒化ケイ素を主成分とするフィルターとを組み合わせ、窒化ケイ素を主成分とするフィルターが、排ガスの流れる方向に沿って、炭化ケイ素を主成分とするフィルターの下流側になるように直列に配置することで、窒化ケイ素を主成分とするフィルターによって、炭化ケイ素を主成分とするフィルターで捕集されなかったＰＭを捕集し、使用初期および再生時にＰＭが漏れることがないとともに再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要もない排ガス浄化フィルターを提供することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００３４】
また、窒化ケイ素を主成分として含むフィルター、すなわち、窒化ケイ素質のフィルターは、使用初期に加え再生中および再生直後における粒子状物質の捕集性能が顕著に優れることから、上流側に配置されるフィルターが、炭化ケイ素質以外の、非窒化ケイ素質である場合にも同様の効果が得られると考えられる。
【００３５】
すなわち、本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されているものである。
【００３６】
以下本発明について、（Ｉ）排ガス浄化フィルター、（ＩＩ）排ガス浄化装置の順に説明する。
【００３７】
（Ｉ）排ガス浄化フィルター
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターとして用いられるものである。ここで、粒子状物質とは、ＰＭ（Particulate Matter）とも称され、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子をいう。
【００３８】
図１に、本発明に係る排ガス浄化フィルター１を模式的に示す。本発明に係る排ガス浄化フィルター１は、非窒化ケイ素質のメインフィルター２と、窒化ケイ素質のサブフィルター３とが直列に配置されており、窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されている。
【００３９】
排ガスは、排ガス浄化フィルター１に、図１において矢印で示す方向から流入し、非窒化ケイ素質のメインフィルター２を通過する。排ガスがメインフィルター２を通過するとき、メインフィルター２により排ガス中のＰＭが捕集される。しかし、上述したように、排ガス浄化フィルター１の使用初期並びに再生中および再生直後には一部のＰＭがメインフィルター２を通過する。メインフィルター２を通過した排ガスは、続いて窒化ケイ素質のサブフィルター３を通過する。このとき、メインフィルター２を通過したＰＭは、サブフィルター３により捕集される。
【００４０】
＜窒化ケイ素質のサブフィルター＞
ここで、窒化ケイ素質のサブフィルターとは、窒化ケイ素を主成分とするサブフィルターをいう。また、窒化ケイ素のケイ素と窒素の一部をそれぞれアルミニウムと酸素で置換したサイアロンも窒化ケイ素質に含まれる。
【００４１】
なお、本明細書において、「主成分とする」とは、５０重量％以上、より好ましくは８０重量％以上含むことを意味する。
【００４２】
本発明で用いられる窒化ケイ素質のサブフィルターは、窒化ケイ素を主成分とするフィルターであればよいが、気孔率が５０〜７０％であることが好ましく、５５〜６５％であることがより好ましい。気孔率が５０％以上であることにより圧力損失が大きくなりすぎないためフィルターとして好適である。また、気孔率が７０％以下であることにより十分な強度を維持できるため好ましい。なお、本明細書において、気孔率とはアルキメデス法によって測定された数値である。
【００４３】
また、本発明で用いられる窒化ケイ素質のサブフィルターの全細孔表面積は、０．２〜０．８ｍ２／ｇであることが好ましく、０．３〜０．７ｍ２／ｇであることがより好ましい。なお、本明細書において、全細孔表面積とは水銀圧入法によるポロシメーターで測定された値をいう。
【００４４】
なお、図８に、図３、４に示す測定の対象であるＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）ならびに炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターにおける、気孔率と全細孔表面積との関係を示す。図８に示されるように、気孔率と全細孔表面積には相関があり、適正な気孔率にフィルターを制御することで、本用途に適した全細孔表面積を得ることができる。
【００４５】
＜非窒化ケイ素質のメインフィルター＞
本発明で用いられる非窒化ケイ素質のメインフィルターは、非窒化ケイ素質の材料を主成分とするフィルターであれば特に限定されるものではない。ここで、非窒化ケイ素質の材料とは、窒化ケイ素質以外の多孔性材料であればよいが、多孔性のセラミック材料であることが好ましく、窒化ケイ素質以外の現行のＤＰＦ用材料であることがより好ましい。
【００４６】
より具体的には、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルターであることがさらに好ましい。前記非窒化ケイ素質のメインフィルターが上記材料である場合、現行のＤＰＦ用材料であることから、ＤＰＦとして用いる場合、再生時の燃焼状態をコントロールする条件設定を変更する必要がないため好ましい。
【００４７】
また、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、単一のフィルターに限定されるものではなく、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであってもよい。
【００４８】
本発明で用いられる非窒化ケイ素質のメインフィルターの最適仕様は、選ばれた材質によって大きく異なるが、ここでは個々の材質が持つ適正値を変えることなく使用することが出来る。
【００４９】
＜ハニカム構造＞
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのフィルターであることが好ましい。
【００５０】
図５に、本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す。（ａ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造の一例の断面を模式的に示す図である。
【００５１】
図５に示すように、本発明に係る排ガス浄化フィルターで用いられるハニカム構造は、２つの端面間を連通する複数のセル１１を形成するように配置された多孔性のセル壁１２を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁１２の細孔を通過させて隣接セル１１に流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁１２で捕集するようになっている。
【００５２】
より具体的には、セル１１は、断面の形状が略正方形であり、ハニカム構造の軸方向、すなわち排ガスが流れる方向に沿って規則的に形成されている。そして、セル１１は、多孔性の材料からなるセル壁１２によって仕切られることによって形成されている。各セルは、上流側の端面または下流側の端面のいずれかの端面において目封じされており、隣り合うセル同士は異なる端面で目封じされている。すなわち、各端面において、目封じされているセルは、図５の（ａ）に示すように市松模様を形成する。
【００５３】
上記ハニカム構造では、排ガスは上流側の端面において目封じされていないセル１１から流入し、多孔性のセル壁１２の細孔を通過して、隣接セル１１から流出する。このとき、排気ガスに含まれる粒子状物質がセル壁１２で捕集される。
【００５４】
本発明で用いられるハニカム構造のフィルターにおいて、フィルターの軸方向、すなわちハニカム構造の軸方向に垂直な断面の断面形状は特に限定されるものではなく、図５に示す円形に限らず、楕円形、正方形、長方形、多角形であってもかまわない。ハニカム構造の断面の大きさはエンジンの排気量によってその最適値が決定される。
【００５５】
また、本発明で用いられるハニカム構造において、セル１１の断面形状は、略正方形であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の形状であってもよい。また、セル壁厚も特に限定されるものではないが、例えば、０．２〜０．４ｍｍである。また、単位面積中のセル数も特に限定されるものではないが、例えば、２００〜３００ｃｐｓｉである。
【００５６】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ともに上述したハニカム構造を有することが好ましいが、ハニカム構造の構成は必ずしもこれに限定されるものではなく、セルの断面形状、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面形状、セル壁の厚さ、単位面積中のセル数、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積、フィルターの軸方向の長さ等は、フィルターの用途、設置場所等に応じて適宜選択すればよい。
【００５７】
なお、従来の排ガス浄化フィルターにおいて、使用初期、再生中または再生直後に、ＰＭが通過してしまうのは以下の理由によるものであると考えられる。
【００５８】
すなわち、排ガス浄化フィルターに用いられる一般的なハニカム構造では、図６に示すように、多孔性のセル壁の表面および細孔に、ＰＭが徐々に堆積してケーキ層を形成する。このとき、図６の左図に示すように、排ガス浄化フィルターの使用初期には、ＰＭは多孔性のセル壁の表面および細孔に捕捉され始めるが、この段階では、ＰＭの捕集効率は悪く、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００５９】
ＰＭがセル壁の表面および細孔に捕捉され、セル壁の表面および細孔への堆積がさらに進むと、図６の右図に示すように、セル壁の表面にＰＭが堆積してなるケーキ層を形成する。かかるケーキ層の層厚が増大するにつれて、排ガス浄化フィルターの圧力損失は上昇し、ＰＭの捕集効率は高くなる。
【００６０】
上記のような理由から、ケーキ層が形成される前の使用初期には、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００６１】
また、ケーキ層の層厚がさらに増大すると、排ガスの流路であるセルが閉塞してしまうので、セルが閉塞する前に、加熱等により堆積物を酸化させて、排ガス浄化フィルターを再生する。再生中および再生直後は、ケーキ層が除去されつつあるかまたは除去されているため、排ガス浄化フィルターの使用初期と同様にＰＭの捕集効率は悪く、ＰＭは一部フィルターを通過する。
【００６２】
上記のような理由から、再生中または再生直後のケーキ層が形成される前には、ＰＭは一部フィルターを通過すると考えられる。
【００６３】
これに対して、窒化ケイ素質のサブフィルターでは、窒化ケイ素質のセル壁によるＰＭの捕集性能が優れるために、使用初期並びに再生中および再生直後におけるＰＭの通過が顕著に少ないと考えられる。
【００６４】
＜排ガス浄化フィルターの構成＞
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、ハニカム構造を有するウォールフロータイプのフィルターであることが好ましいが、メインフィルターのハニカム構造と、サブフィルターのハニカム構造とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００６５】
すなわち、メインフィルターのハニカム構造と、サブフィルターのハニカム構造において、セルの断面形状、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面形状、セル壁の厚さ、単位面積中のセル数、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積、フィルターの軸方向の長さ等は、同じであっても異なっていてもよい。
【００６６】
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、図１に示すように、内燃機関の排気通路に、非窒化ケイ素質のメインフィルター２と、窒化ケイ素質のサブフィルター３とが直列に配置されていれば、メインフィルター２とサブフィルター３との間、すなわち、メインフィルター２の下流側の端面と、サブフィルター３の上流側の端面との間の間隔は特に限定されるものではない。
【００６７】
また、図２に非窒化ケイ素質のメインフィルター２が１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものである場合の一例を示す。かかる場合もメインフィルター２を構成する複数のフィルター相互間の間隔、およびメインフィルター２を構成する最も下流のフィルターとサブフィルター３の間の間隔は特に限定されるものではない。
【００６８】
本発明に係る排ガス浄化フィルターでは、非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは直列に配置されていればよいが、非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、例えば、図１、２に示すように、これらを覆うケーシング内に、配置されている。
【００６９】
本発明に係る排ガス浄化フィルターにおいて、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターと前記窒化ケイ素質のサブフィルターとの容積比は、サブフィルター３により、メインフィルター２で捕集されずに通過したＰＭを捕集することができれば特に限定されるものではない。
【００７０】
したがって、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は、５％以上であることが好ましい。また、当該割合の上限も特に限定されるものではないが、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対してサブフィルターは補助的に用いるものであり、１００％以下であってもよく、また使用初期段階における圧力損失の上昇を防ぐ観点からは８０％以下であることが好ましい。
【００７１】
例えば、開発過程での実験データによれば、メインフィルターの代表例である炭化ケイ素の場合、使用初期の段階で２０ｍｇ／ｍ３のPM漏れが確認されており、これはDPF前で測定されるPM濃度（４０ｍｇ／ｍ３）の５０％である。この初期漏れが最長１０分継続されると仮定し、またメインフィルターのPM堆積を除去する再生までの時間を最短で１００分と仮定すると、サブフィルターはメインフィルターの５％の容積があれば、その堆積容量が十分である。他方、使用初期の段階での窒化ケイ素製フィルターの圧力損失は概ね炭化ケイ素の８０％であり、初期段階でのサブフィルターによる圧力損失の上昇を極力避けるためには、サブフィルターはメインフィルターの８０％以下の容量であることが好ましい。メインフィルターとサブフィルターの圧損差は使用中に拡大していくため、８０％は使用初期段階の圧損差を回避するための容量である。
【００７２】
また、前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は、例えば、２０〜２５％程度であってもよい。
【００７３】
なお、ここで、メインフィルターおよびサブフィルターの容積とは、多孔性のフィルター材料の細孔部分を含めた容積をいう。フィルターがハニカム構造を有するときは、フィルターの容積は、セル壁の合計容積をいう。セル壁の合計容積は、ハニカム構造を有するフィルター全体の容積からセルの容積を引いて得られる値をいう。ハニカム構造を有するフィルター全体の容積は、フィルターの軸方向に垂直な断面の断面積とフィルターの軸方向の長さとの積として算出される。また、セルの容積は、ハニカム構造を有するフィルターに含まれる全てのセルの断面積の合計とフィルターの軸方向の長さとの積として算出される。
【００７４】
前記割合が５％以上であることにより、メインフィルター２で捕集されずに通過したＰＭを好適に捕集することができる。また、前記割合が８０％以下であることにより、サブフィルターを取り付けることによる使用初期の圧力損失の上昇を防ぐことができる。
【００７５】
本発明にかかる排ガス浄化フィルターは内燃機関、特にディーゼルエンジンに好適に用いることができる。しかしながら、本発明にかかる排ガス浄化フィルターの用途は、必ずしもこれに限定されるものではなく、工場の煤煙等、その他の気体中の粒子状物質にも適用することができる。
【００７６】
（ＩＩ）排ガス浄化装置
本発明に係る排ガス浄化フィルターは、内燃機関の排気通路に設けられ、上記構成により、使用初期並びに再生中および再生直後においても優れた粒子状物質の捕集性能を有する。したがって、かかる排ガス浄化フィルターを含む排ガス浄化装置も本発明に含まれる。
【００７７】
本発明に係る排ガス浄化装置は、本発明に係る排ガス浄化フィルターと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含んでいる。かかる酸化触媒は、ＰＭ中の可溶性有機成分、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯを除去するために設けられる。かかる酸化触媒としては、特に限定されるものではないが、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）として用いられている酸化触媒であればどのようなものであってもよい。
【００７８】
また、本発明に係る排ガス浄化装置は、必要に応じて、排気通路において、本発明に係る排ガス浄化フィルターの下流側に設けられたＮＯｘ還元システムを含んでいてもよい。ＮＯｘ還元システムは、排ガス中のＮＯｘを還元するシステムであれば特に限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ還元システムとして用いられているＮＯｘ選択還元システム（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction for NOＸ））、ＮＯｘ吸蔵システム（ＮＳＲ（NOＸ Storage Reduction））等であればどのようなものであってもよい。
【００７９】
〔参考例〕
炭化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターおよび窒化ケイ素を主成分とする排ガス浄化フィルターについて、使用初期の排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度の測定および圧力損失の測定を行った。
【００８０】
〔窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルター〕
窒化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターとして円筒形のハニカム構造を有する排ガス浄化フィルターであるＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）を用いた。ハニカム構造の断面の直径は１４０ｍｍ、長さは１５０ｍｍ、セル数は２５０ｃｐｓｉ、セル壁厚は０．３ｍｍであった。
【００８１】
ＳｉＮ（１）、ＳｉＮ（２）およびＳｉＮ（３）の気孔率、全細孔表面積を下表１に示す。
【表１】
【００８２】
〔炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルター〕
炭化ケイ素を主成分として用いた排ガス浄化フィルターとしては、標準的な炭化ケイ素ハニカムフィルターを用いた。
【００８３】
炭化ケイ素ハニカムフィルターは、断面の直径が１４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒形のハニカム構造であった。ハニカム構造のセル数は３００ｃｐｓｉ、セル壁厚は０．３ｍｍであった。
【００８４】
ハニカム構造の気孔率は４８％、全細孔表面積は０．０６ｍ２／ｇであった。
【００８５】
〔使用初期の、排ガス浄化フィルター出口におけるスモーク濃度の測定〕
得られた排ガス浄化フィルターを、ベンチ試験に供した。運転条件は、１６８０ｒｐｍ、１００％負荷であった。
【００８６】
排気通路の出口より３分ごとに排気ガスを採取し、排気ガス中に含まれる粒子状物質を、オパシメータを用いて測定した。
【００８７】
結果を図３に示す。図３中、縦軸はスモーク濃度（図中「Smoke Density」と表示。単位：％）を、横軸は時間（図中、「Time」と表示。単位：秒）を示す。
【００８８】
〔圧力損失の測定〕
また、得られた排ガス浄化フィルターによる圧力損失を測定した。圧力損失は、排ガス浄化フィルター前後の圧力を実測し、その圧力差（差圧）から算出した。
【００８９】
結果を図４に示す。図４中、縦軸は圧力損失（図中「Pressure Loss」と表示。単位：kPa）を、横軸は時間（図中、「Time」と表示。単位：秒）を示す。
【００９０】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を用いれば、乗用車、バス、トラック等の車両や、建設機械等の内燃機関から排出されるＰＭを、使用初期並びに再生中および再生直後においても高い捕集性能で捕集することができる。
【００９２】
それゆえ、本発明は、排ガス浄化フィルターおよび排ガス浄化装置を製造する産業分野のみならず、乗用車、バス、トラック等の車両の製造分野や、建設機械等の製造分野においても、利用することができ、しかも非常に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 排ガス浄化フィルター
２ メインフィルター
３ サブフィルター
１０ ハニカム構造を有するフィルター
１１ セル
１２ セル壁
１３ 目封じ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、
非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、
窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されていることを特徴とする排ガス浄化フィルター。
【請求項２】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルター、または、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項３】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、２つの端面間を連通する複数のセルを形成するように配置された多孔性のセル壁を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁の細孔を通過させて隣接セルに流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁で捕集するようになっているハニカム構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項４】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は５％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項５】
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ーと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含むことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項６】
さらに、排気通路において、前記排ガス浄化フィルターの下流側に設けられたＮＯｘ還元システムを含むことを特徴とする請求項５に記載の排ガス浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集するための排ガス浄化フィルターであって、
非窒化ケイ素質のメインフィルターと、窒化ケイ素質のサブフィルターとが直列に配置されており、
窒化ケイ素質のサブフィルターは、非窒化ケイ素質のメインフィルターに対して、排ガスの流れる方向に沿って下流側に配置されていることを特徴とする排ガス浄化フィルター。
【請求項２】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターは、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とするフィルター、または、炭化ケイ素、コージエライト、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、または焼結金属を主成分とする１種類以上のフィルターを複数個直列に配置したものであることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項３】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターおよび窒化ケイ素質のサブフィルターは、２つの端面間を連通する複数のセルを形成するように配置された多孔性のセル壁を備え、各セルはいずれかの端面において目封じされており、排気ガスをセル壁の細孔を通過させて隣接セルに流し、排気ガスに含まれる粒子状物質をセル壁で捕集するようになっているハニカム構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項４】
前記非窒化ケイ素質のメインフィルターの容積に対する、前記窒化ケイ素質のサブフィルターの容積の割合は５％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化フィルター。
【請求項５】
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ーと、排気通路におけるその上流側に設けられた酸化触媒とを含むことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項６】
さらに、排気通路において、前記排ガス浄化フィルターの下流側に設けられたＮＯｘ還元システムを含むことを特徴とする請求項５に記載の排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２１４４２８（Ｐ２０１１−２１４４２８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８０５８７（Ｐ２０１０−８０５８７）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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