DE112020001644T5

DE112020001644T5 - Abgasreinigungsfilter

Info

Publication number: DE112020001644T5
Application number: DE112020001644.7T
Authority: DE
Inventors: Chiaki Seki; Yusuke Imai; Atsushi Furukawa; Yuichi Matsuo; Naohiro Sato
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-12-16
Also published as: JPWO2020203198A1; US20220193649A1; WO2020203198A1; CN113661310A; CN113661311A; US20220170397A1; WO2020202253A1

Abstract

Vorgesehen wird ein Abgasreinigungsfilter, der dazu ausgelegt ist, einen Druckabfall zu verringern und der eine hohe Abgasreinigungsleistung und eine Partikeleinfangleistung hat. Dieser Abgasreinigungsfilter weist ein Filtersubstrat auf, das eine Wandströmungsstruktur hat, und einen Abgasreinigungskatalysator, der an einer Trennwand des Filtersubstrats gehalten wird. Der volumenbasierte mittlere Porendurchmesser (D50) des Filtersubstrats beträgt 18 µm oder mehr, die vollständige Breite bei einer halben maximalen Größe der Porenverteilung des Filtersubstrats beträgt 7 µm bis 15 µm, und der Abgasreinigungskatalysator wird in einer unregelmäßig verteilten Weise in einer hochdichten Schicht, in der die Dichte des Abgasreinigungskatalysators relativ hoch ist, und einer Schicht mit geringer Dichte, in der die Dichte des Abgasreinigungskatalysators relativ niedrig ist, gehalten.

Description

TECHNISCHER ANWENDUNGSBEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abgasreinigungsfilter, der einen Abgasreinigungskatalysator aufweist.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise werden unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Verbrennungseffizienz Direkteinspritzungs-Ottomotoren zunehmend als Ottomotoren, die in Automobilen und Ähnlichem einbaubar sind, eingesetzt. Der Direkteinspritzungs-Ottomotor stößt eine größere Menge an Partikeln aus, einschließlich Schwebeteilchen (PM) (im Folgenden Partikel), als ein Saugrohreinspritzungsmotor (PI). In Reaktion auf die vor kurzem erfolgte Verschärfung der Schadstoffemissionsbestimmungen (PM-Emissionsbestimmungen und Bestimmungen zu der Partikelanzahl der ausgestoßenen Partikel (PN-Bestimmungen)) werden Studien zu Technologien durchgeführt, einen Abgasreinigungsfilter zum Filtern von Partikeln (Ottopartikelfilter, im Folgenden als „OPF“ (engl. „GPF“) bezeichnet) in einem Abgaskanal eines Ottomotors einzubauen.
Ein Abgaskanal eines Ottomotors ist mit einem Dreiwegekatalysator (im Folgenden als „TWC“ bezeichnet) vorgesehen, um im Abgas enthaltenes CO, HC und NOx zu reinigen, wobei der Dreiwegekatalysator auf einem wabenförmigen Trägerelement gehalten wird. Vor allem in den letzten Jahren sind zwei oder mehrere TWCs in Reihe in einem Abgaskanal angeordnet, um die erforderliche katalytische Reinigungsleistung zu erbringen. Unter dem Gesichtspunkt des Druckverlusts und der Kosten ist es nicht bevorzugt einen OPF zusätzlich zu diesen zwei oder mehreren TWCs in einen Abgaskanal neu einzubauen.
Um dies zu adressieren, wurde eine Technik vorgeschlagen, bei der ein TWC an einem OPF gehalten wird, sodass eine Dreiwegereinigungsfunktion zusätzlich auf den OPF angewendet wird, der eine Partikelfilterleistung aufweist (siehe zum Beispiel Patentschrift 1).
Patentschrift 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2017-082745
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Um jedoch die gewünschte Schwebeteilchen-Filterleistung zu erzielen, ist es erforderlich, ein Material mit kleinen Poren als ein Filtersubstrat, das den OPF bildet, zu verwenden. Die Verwendung eines solchen Materials führt zu dem Problem einer Erhöhung eines Druckverlusts, was zu einer Abnahme in der Ausgangsleistung führt. Weiterhin ist dieses Problem weiter bemerkenswert, da mehrere Partikel, wie von Öl abstammende Asche (Asche), durch den Abgasreinigungsfilter gefiltert werden, wenn sich die Kilometerleistung erhöht.
Es gibt ein Verfahren des Verbesserns der Partikelfilterleistung durch Anwenden einer Beschichtung eines Katalysators. In diesem Fall jedoch, in dem der Katalysator an einem Filtersubstrat gehalten wird, das eine herkömmliche Porengröße hat, ist die Menge des am OPF gehaltenen Katalysators unter dem oben erwähnten Gesichtspunkt des Druckverlusts beschränkt, und die Abgasreinigungsleistung kann nicht als so gut angenommen werden wie die eines herkömmlichen TWC. Anders ausgedrückt, der Druckverlust und die Abgasreinigungsleistung und die Partikelfilterleistung stehen in einer nachteiligen Beziehung zueinander.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des obigen Hintergrunds gemacht. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Abgasreinigungsfilter vorzusehen, der eine hohe Abgasreinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterleistung hat, wobei er in der Lage ist, einen Druckverlust zu verringern.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um das obige Ziel zu erreichen, sieht ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Abgasreinigungsfilter vor (zum Beispiel einen OPF 32, der später zu beschreiben ist), der in einem Abgaskanal (zum Beispiel einem Abgasrohr 3, das später zu beschreiben ist) eines Verbrennungsmotors (zum Beispiel eines Motors 1, der später zu beschreiben ist) einbaubar ist, wobei der Abgasreinigungsfilter Abgas des Verbrennungsmotors reinigt, in dem im Abgas enthaltene Partikel gefiltert werden. Der Abgasreinigungsfilter weist auf: ein Filtersubstrat (zum Beispiel ein Filtersubstrat 320, das später zu beschreiben ist), das eine Vielzahl von Zellen aufweist, die von einer einströmungsseitigen Endfläche, die einer Einströmung des Abgases entspricht, zu einer ausströmungsseitigen Endfläche, die einer Ausströmung des Abgases entspricht, verlaufen, und die durch eine poröse Trennwand (zum Beispiel eine Trennwand 323, die später zu beschreiben ist) definiert sind, wobei die Vielzahl der Zellen eine Einströmungszelle aufweist, die eine verstopfte Öffnung an der ausströmungsseitigen Endfläche hat, und eine Ausströmungszelle, die eine verstopfte Öffnung an der einströmungsseitigen Endfläche hat, wobei die Einströmungszelle und die Ausströmungszelle abwechselnd zueinander angeordnet sind; und einen Abgasreinigungskatalysator (zum Beispiel einen TWC 33, der später zu beschreiben ist), der an der Trennwand gehalten wird. Das Filtersubstrat hat einen mittleren Porendurchmesser (D50) nach Volumen von gleich oder größer als 18 µm. Das Filtersubstrat hat eine halbe Breite der Porenverteilung, die zwischen 7 µm bis 15 µm liegt. Der Abgasreinigungskatalysator ist unregelmäßig verteilt und wird in einer hochdichten Schicht (zum Beispiel einer hochdichten Schicht 331, die später zu beschreiben ist), in der der Abgasreinigungskatalysator an einer Schicht mit einer relativ hohen Dichte angeordnet ist, und einer niedrig dichten Schicht (zum Beispiel eine niedrig dichte Schicht 332, die später zu beschreiben ist), in der der Abgasreinigungskatalysator in einer relativ niedrigen Dichte angeordnet ist, gehalten.
Der Abgasreinigungsfilter gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Filtersubstrat des sogenannten Wandströmungstyps und den Abgasreinigungskatalysator, der am Filtersubstrat gehalten wird, auf. Im Abgasreinigungsfilter des ersten Aspekts ist der mittlere Porendurchmesser des Filtersubstrats relativ groß, d. h. 18 µm oder größer, und der Abgasreinigungskatalysator, der am Filtersubstrat gehalten wird, ist in der hochdichten Schicht, die eine relativ hohe Dichte hat, und der niedrig dichten Schicht, die eine relativ niedrige Dichte hat, unregelmäßig verteilt. Gemäß dem ersten Aspekt hat der Abgasreinigungsfilter in einem Bereich in einer Dickenrichtung der Trennwand, die Poren mit einem relativ großen Porendurchmesser hat, die hochdichte Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in hoher Dichte in der Form einer Schicht angeordnet ist. Dieses Merkmal stellt ausreichende Strömungspfade des Abgases und eine Regelmäßigkeit im Strom des Abgases sicher. In der Folge kann eine Erhöhung des Druckverlusts in einem zulässigen Bereich verringert werden. Hier hat der vorliegende Anmelder die Entdeckungen gemacht, dass eine Erhöhung im Druckverlust, die in einer Anfangsphase durch die Partikel verursacht wird, mit einer Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel korreliert ist.
Anders ausgedrückt, wenn die Erhöhung im Druckverlust, die in der Anfangsstufe durch die Partikel verursacht wird, verringert werden kann, kann die Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel ebenso verringert werden. In dieser Hinsicht, da der erste Aspekt den oben beschriebenen Effekt der Verringerung einer Erhöhung im Druckverlust aus einer Anfangsstufe ausübt, ist der erste Aspekt dazu in der Lage, eine Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel zu verringern.
Weiterhin ist es gemäß dem ersten Aspekt, da der Abgasreinigungsfilter in einem Bereich in der Dickenrichtung der Trennwand die hochdichte Schicht hat, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer hohen Dichte in Form einer Schicht angeordnet ist, sichergestellt, dass das Abgas durch die Strömungspfade strömt, die durch den Abgasreinigungskatalysator verengt werden, der in einer hohen Dichte angeordnet ist, wodurch die hohe Partikelfilterleistung und die Abgasreinigungsleistung erzielt werden können. Somit ist der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt, eine Erhöhung im Druckverlust zu verringern, die in der Anfangsstufe durch die Partikel verursacht wird, und eine Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel zu verringern. Dies bedeutet, dass der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung den Druckverlust verringern kann, ohne eine Menge des unterstützten Abgasreinigungskatalysators zu beschränken. Somit wird im ersten Aspekt der Abgasreinigungsfilter vorgesehen, der eine hohe Abgasreinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterleistung hat, wobei die Verringerung eines Druckverlusts ermöglicht wird.
Weiterhin liegt gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die halbe Breite eines Spitzenwerts der Porenverteilung des Filtersubstrats zwischen 7 µm bis 15 µm. D. h., der Abgasreinigungsfilter gemäß dem ersten Aspekt weist Poren mit einem großen Durchmesser auf, wobei die halbe Breite der Porenverteilung eng ist. Aufgrund dieses Merkmals, wenn der Abgasreinigungskatalysator am Filtersubstrat gehalten wird, strömt ein Slurry, das den Abgasreinigungskatalysator aufweist, aufgrund eines Kapillarphänomens vorzugsweise in Poren mit einem kleinen Porendurchmesser, sodass verhindert werden kann, dass die Poren verstopft werden. Demgemäß wird ebenso nachdem der Katalysator gehalten wird, verhindert, dass die Anzahl der Strömungspfade in der Trennwand abnimmt. Somit kann der Abgasreinigungsfilter vorgesehen werden, der dazu ausgelegt ist, weiterhin eine Erhöhung im Druckverlust in einem Zustand zu verringern, in dem der Katalysator gehalten wird. Da viele Strömungspfade vorhanden sind, erhöht sich weiterhin die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Partikel-enthaltenden Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator. Somit kann der Abgasreinigungsfilter vorgesehen werden, der eine höhere Reinigungsleistung und eine höhere Partikelfilterleistung hat.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform des ersten Aspekts. Im Abgasreinigungsfilter des zweiten Aspekts kann die hochdichte Schicht an einer Außenfläche der Trennwand angeordnet sein.
Gemäß dem zweiten Aspekt ist die hochdichte Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer hohen Dichte angeordnet ist, an der Außenfläche (der Fläche einer Abgaseinlassseite und der Fläche einer Abgasauslassseite) der Trennwand angeordnet. Aufgrund dieses Merkmals kann verhindert werden, dass die Porendurchmesser in der Trennwand durch den Abgasreinigungskatalysator verengt werden, wodurch die Abgasströmungspfade weiterhin in ausreichendem Maß sichergestellt werden können. Somit hat der Abgasreinigungsfilter gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine höhere Abgasreinigungsleistung und eine höhere Partikelfilterleistung, während eine weitere Verringerung des Druckverlusts ermöglicht wird.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform des ersten oder zweiten Aspekts. Im Abgasreinigungsfilter des dritten Aspekts kann die hochdichte Schicht den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge aufweisen, die 50 Massenprozent oder mehr einer Gesamtmenge des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt.
Gemäß dem dritten Aspekt weist die hochdichte Schicht den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge auf, die 50 Massenprozent oder mehr einer Gesamtmenge des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt. Dieses Merkmal verbessert weiterhin die Wirkungen des ersten und zweiten Aspekts.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform von einem von dem ersten bis dritten Aspekt. Im Abgasreinigungsfilter des vierten Aspekts kann die hochdichte Schicht an einer Außenfläche einer Auslassseite der Trennwand angeordnet sein, wobei die Auslassseite dem in die Trennwand eingeströmten Abgas ermöglicht, herauszuströmen.
Gemäß dem vierten Aspekt ist die hochdichte Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer hohen Dichte angeordnet ist, an der Außenfläche der Auslassseite der Trennwand angeordnet. Aufgrund dieses Merkmals ist es im Vergleich zu einem Fall, in dem die hochdichte Schicht an einer Außenfläche der Einlassseite angeordnet ist, möglich, dass die Poren benachbart zur Einlassseite ihre großen Porendurchmesser beibehalten. In der Folge kann eine Erhöhung im Druckverlust verringert werden, wenn das Abgas von einer Luftströmungsschicht in die Trennwand strömt. Weiterhin erhöht sich an der Auslassseite der Trennwand, durch die das Abgas ausströmt, die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator. Somit kann der Abgasreinigungsfilter vorgesehen werden, der eine höhere Reinigungsleistung und ebenso eine höhere Partikelfilterleistung hat.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform des ersten Aspekts. Im Abgasreinigungsfilter des fünften Aspekts kann die hochdichte Schicht in einer Außenfläche der Trennwand angeordnet sein.
Gemäß dem fünften Aspekt ist die hochdichte Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer hohen Dichte angeordnet ist, in der Trennwand angeordnet. Somit, da die hochdichte Schicht in einem Bereich der Dickenrichtung der Trennwand angeordnet ist, werden die Strömungspfade (Porendurchmesser) durch die in hoher Dichte angeordnete Abgasreinigung verengt. In der Folge wird weiter sichergestellt, dass das Abgas durch die verengten Strömungspfade strömt. Somit können eine höhere Partikelfilterleistung und eine höhere Abgasreinigungsleistung erzielt werden.
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform des fünften Aspekts. Im Abgasreinigungsfilter des sechsten Aspekts kann die hochdichte Schicht eine von vier Schichten sein, die durch eine imaginäre Trennung der Trennwand in einer Dickenrichtung in vier gleiche Teile ausgebildet ist, und die hochdichte Schicht kann den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge aufweisen, die 50 Massenprozent oder mehr der Gesamtmenge des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt.
Im sechsten Aspekt ist die hochdichte Schicht eine von den vier Schichten, die durch eine imaginäre Trennung der Trennwand in der Dickenrichtung in vier Teilen ausgebildet ist, und die hochdichte Schicht weist den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge auf, die 50 Massenprozent oder mehr der Gesamtmenge des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt. Dieses Merkmal verbessert weiterhin die Wirkungen des ersten und fünften Aspekts.
Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform des sechsten Aspekts. Im Abgasreinigungsfilter des siebten Aspekts kann die hochdichte Schicht eine von vier Schichten sein, die am nächsten an der Auslassseite der Trennwand liegt, wobei die Auslassseite dem in die Trennwand eingeströmten Abgas ermöglicht, herauszuströmen.
Gemäß dem siebten Aspekt ist die hochdichte Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer hohen Dichte angeordnet ist, am nächsten an der Auslassseite der Trennwand angeordnet. Aufgrund dieses Merkmals kann im Vergleich zu einem Fall, in dem die hochdichte Schicht an der Einlassseite der Trennwand angeordnet ist, ermöglicht werden, dass die Poren benachbart zur Einlassseite ihre großen Porendurchmesser beibehalten. In der Folge kann eine Erhöhung im Druckverlust verringert werden, wenn Abgas von der Luftströmungsschicht in die Trennwand strömt. Weiterhin erhöht sich an der Auslassseite der Trennwand, durch die das Abgas ausströmt, die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator. Somit wird der Abgasreinigungsfilter vorgesehen, der eine hohe Reinigungsleistung und auch eine hohe Partikelfilterleistung hat.
Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform von einem von dem ersten bis siebten Aspekt. In dem Abgasreinigungsfilter des achten Aspekts kann die halbe Breite der Porenverteilung des Filtersubstrats zwischen 7 µm und 9 µm liegen.
Im achten Aspekt liegt die halbe Breite der Porenverteilung des Filtersubstrats zwischen 7 µm und 9 µm. Dieses Merkmal verbessert weiterhin die Wirkungen des ersten bis siebten Aspekts.
Ein neunter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform von einem von dem ersten bis achten Aspekt. Im Abgasreinigungsfilter des neunten Aspekts kann ein Filtersubstrat eine Porosität gleich oder größer als 63 % haben.
Im neunten Aspekt ist die Porosität des Filtersubstrats gleich oder größer als 63 %. Dieses Merkmal stellt weiterhin die Strömungspfade des Abgases in ausreichender Weise sicher, wodurch die Wirkungen des ersten bis achten Aspekts weiter verbessert werden.
Ein zehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform von einem von dem ersten bis neunten Aspekt. Im Abgasreinigungsfilter des zehnten Aspekts kann der mittlere Porendurchmesser (D50) nach Volumen des Filtersubstrats gleich oder größer als 20 µm sein.
Im zehnten Aspekt ist der mittlere Porendurchmesser (D50) nach Volumen des Filtersubstrats gleich oder größer als 20 µm. Dieses Merkmal verbessert weiterhin die Wirkungen des ersten und neunten Aspekts.
Ein elfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform von einem von dem ersten bis zehnten Aspekt. Im elften Aspekt kann der Abgasreinigungskatalysator ein Dreiwegekatalysator sein und der Abgasreinigungsfilter kann ein OPF sein.
Im elften Aspekt wird der Abgasreinigungsfilter des ersten bis zehnten Aspekts auf den OPF angewendet, und der Dreiwegekatalysator wird als Abgasreinigungskatalysator verwendet. Dieses Merkmal ermöglicht es, CO, HC, NOx und Partikel im Abgas in einer hohen Reinigungsrate zu reinigen, während der Druckverlust verringert wird.
Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht den Abgasreinigungsfilter vor, der eine hohe Abgasreinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterleistung hat, während er in der Lage ist, einen Druckverlust zu verringern.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Gestaltung einer Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt eines OPF gemäß der Ausführungsform darstellt;
3A ist ein Graph, der als Beispiel einer Porenverteilung in einem Filtersubstrat gemäß der Ausführungsform darstellt;
3B ist eine Zeichnung, in der das maximale logarithmische Differenzial der Porenvolumenverteilung (dV/d(logD)(ml/g)) von 3A als 100 normalisiert wird,
4A zeigt als ein Beispiel ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß der Ausführungsform;
4B zeigt als ein anderes Beispiel ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß der Ausführungsform;
5 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 1;
6 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 2;
7 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 3;
8 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 4;
9 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 5;
10 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 6;
11 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 7;
12 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 8;
13 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß Beispiel 9;
14 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß einem Vergleichsbeispiel 1;
15 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß einem Vergleichsbeispiel 2;
16 ist ein Bild eines Querschnitts eines OPF gemäß einem Vergleichsbeispiel 3; und
17 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Partikelsammeleffizienz und einem Druckverlust nach der Ablagerung von Asche bezüglich der OPFs der Beispiele 1 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 darstellt, wobei die Beziehung in einem tatsächlichen Fahrzeug bestimmt wurde.

BEVORZUGTER MODUS ZUR VERWIRLICHUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird detailliert mit Bezugnahme auf die Zeichnungen im Anhang beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das eine Gestaltung einer Abgasreinigungsvorrichtung 2 eines Verbrennungsmotors 1 (im Folgenden als „Motor 1“ bezeichnet) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Motor 1 ist ein Ottomotor des Direkteinspritzungstyps. Wie in 1 dargestellt, weist die Abgasreinigungsvorrichtung 2 auf ein Abgasrohr 3, durch das Abgas strömt, einen TWC 31 und einen OPF 32 als einen Abgasreinigungsfilter. Der TWC 31 und der OPF 32 sind in dieser Reihenfolge von einer vorgelagerten Seite des Abgasrohrs 3 aus angeordnet.
Der TWC 31 reinigt Abgas durch Oxidierung von HC, das im Abgas enthalten ist, in H₂O und CO₂, CO, das im Abgas enthalten ist, in CO₂, und reduziert das im Abgas enthaltene NOx auf N₂. Der TWC 31 weist zum Beispiel auf: eine aus einem Oxid hergestellte Halterung, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirconiumoxid, Titandioxid, Ceroxid oder Zeolith; und ein Edelmetall, wie Pd oder Rh, das als ein Katalysatormaterial fungiert und am Träger gehalten wird. Der TWC 31 wird in der Regel an einem wabenartigen Trägerelement gehalten.
Der TWC 31 weist weiterhin ein OSC-Material auf, das einen OSC hat. Beispiele zur Verwendung des OSC-Materials weisen ein Verbundoxid von CeO₂ und ZrO₂ auf (im Folgenden als „CeZr-Verbundoxid“ bezeichnet) wie auch CeO₂ auf. Aus diesen Beispielen wird vorzugsweise das CeZr-Verbundoxid verwendet, da es sehr langlebig ist. Es ist hervorzuheben, dass das oben erwähnte Katalysatormaterial an diesen OSC-Materialien gehalten werden kann.
Der TWC 31 kann durch einen beliebigen Prozess hergestellt werden. Zum Beispiel kann ein bekannter Slurry-Prozess oder Ähnliches verwendet worden. Zum Beispiel kann der TWC 31 durch einen Prozess hergestellt werden, der aufweist: Herstellen eines Slurry, das das oben erwähnte Oxid, Edelmetall, OSC-Material und andere Bestandteile aufweist; und Beschichten eines aus Cordierit hergestellten wabenartigen Trägerelements mit dem hergestellten Slurry, gefolgt von Sintern.
Der OPF 32 reinigt Abgas, indem im Abgas enthaltene Partikel gefiltert werden. Im Besonderen, wenn das Abgas durch die feinen Poren in einer später zu beschreibenden Trennwand hindurch geht, werden die Partikel an einer Fläche der Trennwand abgelagert, wodurch der Partikel gefiltert wird.
Hier weisen die hier verwendeten Partikel wie Ruß (Kohlenstoffruß), einen nicht verbrannten Ölrest (SOF), Asche aus Schlacken von Öl sowie PM auf. In den letzten Jahren sind die Schadstoffemissionsbestimmungen zu Partikeln, die diese Partikel umfassen, stringenter geworden. Nicht nur die Bestimmungen zum Gesamtemissionsgewicht (g/km, g/kW) der Partikel (PM-Bestimmungen), sondern auch die Bestimmungen zur Anzahl der ausgestoßenen Feinpartikel (PN-Bestimmungen), betreffend zum Beispiel PM 2, das einen Partikeldurchmesser von 2,5 µm oder kleiner hat, sind festgesetzt. Um dies zu adressieren, ist der OPF 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgestaltet, die PM-Bestimmungen und die PN-Bestimmungen zu erfüllen.
2 ist ein Diagramm, das schematisch den Querschnitt des OPF 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 2 dargestellt, weist der OPF 32 ein Filtersubstrat 320, einen Abgasreinigungskatalysator (einen TWC 33 in der vorliegenden Ausführungsform) auf, der an Trennwänden 323 des Filtersubstrats 320 gehalten wird. Das Filtersubstrat 320 hat zum Beispiel eine kreisförmige Säulenform, die in der axialen Richtung lang ist, und aus einem porösem Material hergestellt ist, wie Cordierit, Mullit oder Siliziumcarbid (SiC). Das Filtersubstrat 320 weist eine Vielzahl von Zellen auf, die von einer einströmungsseitigen Endfläche 32a zu einer ausströmungsseitigen Endfläche 32b verlaufen, und die durch die Trennwände 323 getrennt und definiert sind.
Das Filtersubstrat 320 ist mit einströmungsseitigen Propfelementen 324 vorgesehen, die Öffnungen an der einströmungsseitigen Endfläche 32a zustopfen. Teile der Zellen haben an der einströmungsseitigen Endfläche 32a eine Öffnung, die mit dem einströmungsseitigen Propfelement 324 zugestopft ist. Die Zellen haben jeweils ein geschlossenes einströmungsseitiges Ende, während sie ein offenes ausströmungsseitiges Ende haben, und jede bildet eine Ausströmungszelle 322, die es ermöglicht, dass durch die Trennwand 323 hindurchgeströmtes Abgas daraus in Richtung einer nachgelagerten Seite strömt. Die einströmungsseitigen Propfelemente 324 sind durch Bestücken mit Abdichtungszement von der einströmungsseitigen Endfläche 32a zum Filtersubstrat 320 ausgebildet.
Das Filtersubstrat 320 ist mit einem ausströmungsseitigen Propfelement 325 vorgesehen, das Öffnungen an der ausströmungsseitigen Endfläche 32b zustopft. Ein anderer Teil der Zellen hat an der ausströmungsseitigen Endfläche 32b eine Öffnung, die mit dem ausströmungsseitigen Propfelement 325 zugestopft ist. Diese Zellen haben eine jede ein offenes einströmungsseitiges Ende, während sie ein geschlossenes ausströmungsseitiges Ende haben, und eine jede eine Einströmungszelle 321 bildet, in die das Abgas von dem Abgasrohr 3 strömt. Die ausströmungsseitigen Propfelemente 325 sind durch Bestücken mit Abdichtungszement von der ausströmungsseitigen Endfläche 32b des Filtersubstrats 320 ausgebildet.
Die Öffnungen der Zellen an der einströmungsseitigen Endfläche 32a und die Öffnungen der Zellen an der ausströmungsseitigen Endfläche 32b sind versetzt zugestopft, sodass die Einströmungszellen 321, die die verstopften Öffnungen an der ausströmungsseitigen Endfläche 32b haben, abwechselnd mit den Ausströmungszellen 322 angeordnet sind, die die verstopften Öffnungen an der einlassseitigen Endfläche 32a haben. Im Besonderen sind die Einströmungszellen 321 und die Ausströmungszellen 322 benachbart zueinander in einem Gittermuster (Schachbrettmuster) angeordnet.
Wie durch den Pfeil in 2 angegeben, strömt das Abgas in die Einströmungszelle 321 und strömt dann aus einer Luftströmungsschicht in die Trennwand 323. Danach geht das Abgas durch die Trennwand 323 hindurch, um in die Ausströmungszelle 322 einzuströmen. Die Seite, durch die das Abgas in die Trennwand 323 strömt, ist als eine Einlassseite (Einlass) definiert, während die Seite, durch die das Abgas aus der Trennwand 323 strömt, als eine Auslassseite (Auslass) definiert ist.
3A ist ein Graph, der als Beispiel eine Porenverteilung in einem Filtersubstrat 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die Porenverteilung wird durch ein Quecksilberporiosimeter gemessen. In 3A stellt die horizontale Achse den Porendurchmesser (µm) dar, und die vertikale Achse stellt das logarithmische Differenzial der Porenvolumenverteilung dV/d(logD)(ml/g) dar. Wie aus 3A ersichtlich, hat das Filtersubstrat 320 einen mittleren Porendurchmesser (D50) nach Volumen gleich oder größer als 18 µm. Bevorzugter ist der mittlere Porendurchmesser (D50) nach Volumen 20 µm oder höher.
D. h. das Filtersubstrat 320 der vorliegenden Ausführungsform hat relativ große Poren, wobei der mittlere Porendurchmesser davon 18 µm oder mehr beträgt. Bei dieser Gestaltung sind ausreichende Strömungspfade für das Abgas, das in die Trennwand 323 strömt, sichergestellt. Im Besonderen, wie später zu beschreiben ist, ist die Position, an der der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) gehalten wird, in der vorliegenden Ausführungsform dazu ausgelegt, dass es unterbunden wird, dass die Porendurchmesser der Poren im Filtersubstrat 320 durch den Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) verengt (blockiert) werden. In der Folge sind ausreichende Strömungspfade für das Abgas sichergestellt, wodurch es möglich wird, einen Druckverlust zu verringern.
3B ist eine Zeichnung, in der das maximale logarithmische Differenzial der Porenvolumenverteilung (dV/d(logD)(ml/g)) von 3A als 100 normalisiert ist. 3B zeigt eine halbe Breite, die ein Index ist, der einen Schärfegrad eines Spitzenwerts der Porenverteilung darstellt. Für das Filtersubstrat 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform liegen die halben Breiten vorzugsweise zwischen 7 µm bis 15 µm. Bevorzugter liegen die halben Breiten zwischen 7 µm bis 9 µm.
D. h., das Filtersubstrat 320 der vorliegenden Ausführungsform weist Poren mit einem großen Durchmesser auf, während die halbe Breite der Porenverteilung schmal ist. Die Einstellung der halben Breite auf 7 µm bis 15 µm führt zu Folgendem. Wenn der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) am Filtersubstrat 320 gehalten wird, strömt ein Slurry, das den Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) aufweist, aufgrund eines Kapillarphänomens vorzugsweise in Poren mit einem kleinen Porendurchmesser, sodass verhindert werden kann, dass die Poren verstopft werden. Demgemäß wird, auch nach dem der Katalysator gehalten wird, verhindert, dass die Anzahl der Strömungspfade in den Trennwänden 323 sinkt. Somit kann der OPF 32 vorgesehen werden, der dazu ausgelegt ist, weiterhin eine Erhöhung im Druckverlust in einem Zustand zu verringern, in dem der Katalysator gehalten wird. Weiterhin, da viele Strömungspfade vorhanden sind, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Partikel-enthaltenden Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator (TWC 33). In der Folge können eine höhere Reinigungsleistung und eine höhere Partikelfilterungsleistung erzielt werden.
Das Filtersubstrat 320 hat vorzugsweise eine Porosität gleich oder größer als 63 %. Das Festlegen der Porosität des Filtersubstrats 320 auf 63 % oder höher ermöglicht es, zu verhindern, dass der Druckverlust schnell ansteigt, wenn der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) auf dem Filtersubstrat 320 gehalten wird.
4A zeigt als ein Beispiel ein Bild eines Querschnitts des OPF 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In 4A stellen weiße Bereiche das Filtersubstrat 320 dar, schwarze Bereiche stellen die Poren dar und graue Bereiche stellen den TWC (Dreiwegekatalysator) 33 als den Abgasreinigungskatalysator dar. Die obere Seite von 4A ist die Einlassseite (Einlass) der Trennwand 323, während die Unterseite die Auslassseite (Auslass) der Trennwand 323 ist. Es ist hervorzuheben, dass diese Bezeichnung auch für alle Bilder gilt, die später beschrieben werden.
In dem in 4A dargestellten Beispiel wird eine hochdichte Schicht 331, in der der TWC 33 in einer hohen Dichte gehalten wird, als eine Schicht angeordnet, die 25 % in einer Dickenrichtung von der Auslassseite der Trennwand 323 bildet (d. h., als die Schicht am nächsten zur Auslassseite von den vier Schichten, die durch Unterteilen der Trennwand 323 in der Dickenrichtung in vier gleiche Teile, die jeweils eine Dicke T haben, ausgebildet wird). Somit wird im OPF 32 der vorliegenden Ausführungsform der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in der hochdichten Schicht 331, die eine relativ hohe Dichte hat, und niedrig dichten Schichten 332, die eine relativ niedrige Dichte haben, unregelmäßig verteilt und gehalten.
Wie ersichtlich, hat der OPF 32 der vorliegenden Ausführungsform in einem Bereich in der Dickenrichtung der Trennwand 323, die Poren mit einem relativ großen Porendurchmesser hat, die hochdichte Schicht 331, in der der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in einer hohen Dichte in der Form einer Schicht angeordnet ist. Diese Gestaltung stellt ausreichende Strömungspfade des Abgases wie auch eine Einheitlichkeit im Strom des Abgases sicher. In der Folge kann eine Erhöhung des Druckverlusts in einem zulässigen Bereich verringert werden. Hier hat der vorliegende Anmelder die Entdeckungen gemacht, dass eine Erhöhung im Druckverlust, die in einer Anfangsstufe durch die Partikel verursacht wird, mit einer Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel korreliert ist. Anders ausgedrückt, wenn die Erhöhung im Druckverlust, die in der Anfangsstufe durch die Partikel verursacht wird, verringert werden kann, kann die Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel ebenso verringert werden. In dieser Hinsicht, da der oben beschriebene Effekt der Verringerung einer Erhöhung im Druckverlust von einer Anfangsstufe aus ausgeübt wird, ist die vorliegende Ausführungsform dazu in der Lage, eine Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel zu verringern.
Weiterhin stellt die vorliegende Ausführungsform sicher, dass das Abgas durch die Strömungspfade strömt, die von dem Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) verengt werden, der in hoher Dichte angeordnet ist, sodass eine hohe Partikelfilterleistung und eine hohe Abgasreinigungsleistung erzielt werden können. Daher ist die vorliegende Erfindung dazu ausgelegt, eine Erhöhung im Druckverlust zu verringern, die an einer Anfangsstufe durch Partikel verursacht wird, und eine Erhöhung im Druckverlust nach der Ablagerung der Partikel zu verringern. Dies bedeutet, dass die vorliegende Ausführungsform den Druckverlust verringern kann, ohne die Menge des unterstützten Abgasreinigungskatalysators (TWC 33) zu begrenzen, wodurch nicht nur eine Verringerung des Druckverlusts, sondern auch eine hohe Reinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterleistung ermöglicht wird.
Wie in dem in 4A dargestellten Beispiel ist die hochdichte Schicht 331, in der der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in hoher Dichte angeordnet ist, am nächsten zur Auslassseite der Trennwand 323. Bei dieser Gestaltung kann ermöglicht werden, dass die Poren benachbart zur Einlassseite ihren großen Porendurchmesser beibehalten, im Vergleich zu einem Fall, in dem die hochdichte Schicht an der Einlassseite der Trennwand 323 angeordnet ist. In der Folge kann eine Erhöhung im Druckverlust verringert werden, wenn Abgas von der Luftströmungsschicht in die Trennwand 323 strömt. Weiterhin erhöht sich an der Auslassseite der Trennwand 323, durch die das Abgas ausströmt, die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator (TWC 33). Somit können eine hohe Reinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterungsleistung erzielt werden. Die Position der Schicht 331 in hoher Dichte ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Position beschränkt. Die hochdichte Schicht 331 kann in einer beliebigen von den vier imaginär unterteilten Schichten positioniert sein.
Als Nächstes wird auf 4B Bezug genommen, die als ein anderes Beispiel ein Bild eines Querschnitts eines OPF 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In dem in 4B dargestellten Beispiel ist die hochdichte Schicht 331, in der der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in einer hohen Dichte in Form einer Schicht angeordnet ist, nicht in der Trennwand 323, sondern an einer Außenfläche der Trennwand 323 positioniert. Im Besonderen ist die Schicht 331 in hoher Dichte an der Außenfläche der Auslassseite der Trennwand 323 angeordnet.
In dem in 4B dargestellten Beispiel kann verhindert werden, dass die Porendurchmesser der Poren in der Trennwand 323 durch den Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) verengt werden. Somit können die Abgasströmungspfade in ausreichender Weise weiter sichergestellt werden. Demgemäß kann der Druckverlust weiter verringert werden und eine höhere Abgasreinigungsleistung und höhere Partikelfilterleistung können erzielt werden. Weiterhin ist die hochdichte Schicht 331, in der der Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in einer hohen Dichte angeordnet ist, an der Außenfläche der Auslassseite der Trennwand 323 vorgesehen. Bei dieser Gestaltung können die Poren benachbart zur Einlassseite ihre großen Porendurchmesser beibehalten, im Vergleich zu einem Fall, in dem die hochdichte Schicht an einer Außenfläche der Einlassseite angeordnet ist. In der Folge kann eine Erhöhung im Druckverlust verringert werden, wenn Abgas von der Luftströmungsschicht in die Trennwand 323 strömt. Weiterhin erhöht sich an der Auslassseite der Trennwand 323, durch die das Abgas ausströmt, die Wahrscheinlichkeit des Kontakts des Abgases mit dem Abgasreinigungskatalysator (TWC 33). Somit können eine hohe Reinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterungsleistung erzielt werden. Es ist hervorzuheben, dass die hochdichte Schicht 331 an der Außenfläche der Einlassseite angeordnet sein kann.
Es ist bevorzugt, dass eine jede der oben beschriebenen hochdichten Schichten 331 den Abgasreinigungskatalysator (TWC 33) in einer Menge aufweist, die 50 Massenprozent oder mehr der Gesamtmenge des an der Trennwand 323 gehaltenen Abgasreinigungskatalysators (TWC 33) beträgt. Das Merkmal erlaubt, dass die oben beschriebenen Effekte zuverlässiger ausgeübt werden, und ermöglicht es, nicht nur eine weitere Verringerung des Druckverlusts, sondern auch eine höhere Reinigungsleistung und eine höhere Partikelfilterleistung zu erzielen.
Wie der oben beschriebene TWC 31 reinigt der TWC 33 Abgas durch Oxidierung von HC, das im Abgas enthalten ist, in H₂O und CO₂, CO, das im Abgas enthalten ist, in CO₂, und reduziert das im Abgas enthaltene NOx auf N₂. Der TWC 33 weist zum Beispiel auf: eine aus einem Oxid hergestellte Halterung, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirconiumoxid, Titandioxid, Ceroxid oder Zeolith; und ein Edelmetall, wie Pd oder Rh, das als ein Katalysatormaterial fungiert und am Träger gehalten wird.
Der TWC 33 weist weiterhin ein OSC-Material (Sauerstoff absorbierendesdesorbierendes Material) auf. Beispiele zur Verwendung des OSC-Materials weisen ein Verbundoxid von CeO₂und ZrO₂ (im Folgenden als „CeZr-Verbundoxid“ bezeichnet) wie auch CeO₂ auf. Aus diesen Beispielen wird vorzugsweise das CeZr-Verbundoxid verwendet, da es sehr langlebig ist. Es ist hervorzuheben, dass das oben erwähnte Katalysatormaterial an diesen OSC-Materialien gehalten werden kann. Um zu bewirken, dass der oben beschriebene TWC gleichzeitig in wirksamer Weise die katalysatorischen Aktionen durchführt, ist es bevorzugt, ein Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft (im Folgenden als ein „Luft-Kraftstoff-Verhältnis“ bezeichnet) nahe einem stöchiometrischen Verhältnis beizubehalten, das in einem Fall einer vollständigen Verbrennungsreaktion erhaltbar ist (im Folgenden als „stöchiometrisches Verhältnis“ bezeichnet). Unter Verwendung des OSC-Materials, das dazu ausgelegt ist, Sauerstoff unter einer oxidierenden Atmosphäre zu absorbieren und zu speichern, und dazu ausgelegt ist Sauerstoff unter einer desorbierenden Atmosphäre zu reduzieren, wie ein Hilfskatalysator in Kombination mit dem Katalysatormaterial, ist es möglich, eine höhere katalytische Reinigungsleistung zu erzielen.
Der TWC 33 kann durch einen beliebigen Prozess hergestellt werden. Zum Beispiel kann ein bekannter Slurry-Prozess oder Ähnliches verwendet worden. Zum Beispiel kann der TWC 33 durch einen Prozess hergestellt werden, der aufweist: Herstellen eines Slurry, das das oben erwähnte Oxid, Edelmetall, OSC-Material und andere Bestandteile aufweist; und Beschichten des Filtersubstrats 320 mit dem hergestellten Slurry, gefolgt von Sintern.
Der TWC 33, der die oben beschriebene Gestaltung aufweist, ist vorzugsweise in einer Menge von 30 g/L bis 150 g/L in der Grundierung enthalten. Wenn die Menge des TWC 33, die in der Grundierung enthalten ist, in diesem Bereich liegt, können eine hohe katalytische Reinigungsleistung und eine hohe Partikelfilterleistung erzielt werden, während eine Erhöhung im Druckverlust verringert wird. Es ist hervorzuheben, dass der TWC 33 der vorliegenden Ausführungsform andere Edelmetalle, wie Pt, als Katalysatormaterial enthalten kann.
Der OPF 32 der vorliegenden Ausführungsform, der die oben beschriebene Gestaltung hat, wird zum Beispiel durch einen Kolben-Hochschiebe-Prozess erzeugt. Gemäß dem Kolben-Hochschiebe-Prozess wird ein Slurry, das eine bestimmte Menge der konstituierenden Materialien des Abgasreinigungskatalysators enthält, durch Mahlen hergestellt, und der Abgasreinigungskatalysator in einem WC-Betrag von 60 g/L wird auf dem Filtersubstrat 320 durch einen Kolben-Hochschiebe-Prozess gehalten, wobei die einströmungsseitige Endfläche des Filtersubstrats 320 als Einlass des Slurry verwendet wird. Danach werden Trocknen und Sintern durchgeführt, wodurch der OPF 32 erzeugt wird.
Beispiele eines Verfahrens zum Ausbilden (Anordnen) der hochdichten Schicht in einer Oberflächenschicht des Filtersubstrats 320 weisen ein Verfahren auf, gemäß dem das Filtersubstrat 320 mit einem Slurry imprägniert wird, das eine hohe Viskosität hat, während ein Ansaugdruck auf einen niedrigen Druck festgelegt wird. Die Beispiele weisen weiterhin ein Verfahren auf, gemäß dem ein Zerkleinern für eine kurze Zeit zum Zeitpunkt der Herstellung eines Slurry durchgeführt wird, sodass das resultierende Slurry, in dem relativ große Partikel verbleiben, verwendet wird. Beispiele eines Verfahrens zum Ausbilden (Anordnen) der hochdichten Schicht an der Einlassseite/Auslassseite der Trennwand 323 des Filtersubstrats 320 weisen ein Verfahren auf, gemäß dem das Filtersubstrat 320 mit einem Slurry imprägniert wird, das eine hohe Viskosität hat, während ein Ansaugdruck auf einen hohen Druck festgelegt wird. Beispiele eines Verfahrens zum Ausbilden (Anordnen) der hochdichten Schicht in einem mittleren Bereich des Filtersubstrats 320 in der Dickenrichtung weisen ein Verfahren auf, gemäß dem das Filtersubstrat 320 mit einem Slurry imprägniert wird, das eine geringe Viskosität hat, während eine Ansaugzeit auf eine kurze Zeit eingestellt wird.
Es ist hervorzuheben, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern Variationen und Verbesserungen umfasst, die innerhalb des Bereichs gemacht werden, in dem das Ziel der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Abgasreinigungsfilter gemäß der vorliegenden Erfindung auf den OPF angewendet. Dies ist jedoch kein einschränkendes Beispiel. Der Abgasreinigungsfilter gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf einen DPF angewendet werden. In diesem Fall ist der Abgasreinigungskatalysator nicht auf den TWC beschränkt und andere Abgasreinigungskatalysatoren können verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Oxidationskatalysator, wie ein PM-Verbrennungskatalysator, verwendet werden.
BEISPIELE
Als Nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist hervorzuheben, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt ist.
[Beispiele 1 bis 9, Vergleichsbeispiele 1 bis 3]
Zuerst wird eine wässrige Lösung von Pd-Nitrat und Rh-Nitrat und ein Al₂O₃-Träger (handelsüblich verfügbares γ-Aluminiumoxid) in einen Verdampfer geladen. Der Al₂O₃-Träger wurde mit Pd und Rh imprägniert, sodass Pd und Rh auf dem Al₂O₃-Träger in einem Massenverhältnis von 6/1 gehalten wurden. In der Folge wurde nach dem Trocknen ein Sintern bei 600 °C durchgeführt, wodurch ein Pd-Rh/Al₂O₃-Katalysator erzeugt wurde. Pd-Nitrat und Rh-Nitrat und CeO₂ wurden in der gleichen Weise hergestellt, wodurch ein Pd-Rh/CeO₂-Katalysator hergestellt wurde. In beiden Katalysatoren wurden Edelmetalle in den folgenden Mengen gehalten: Pd mit 1,51 Massenprozent und Rh mit 0,25 Massenprozent. Sechs Arten von Filtersubstraten (Träger), die sich im durchschnittlichen Porendurchmesser, der halben Breite und der Porosität unterschieden, wurden verwendet. Die Filtersubstrate waren in einer Größe von φ118,4 × 91 mm, und hatten ein Volumen von 1 L.
Als Nächstes wurden der Pd-Rh/Al₂O₃-Katalysator und der Pd-Rh/CeO₂-Katalysator miteinander gemischt, Wasser und ein Bindemittel wurden hinzugefügt und gemischt, und die resultierende Mischung wurde mit einer Kugelmühle gemahlen, wodurch ein Slurry hergestellt wurde. In den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde die Viskosität des Slurry durch Variieren einer bei der Slurry-Herstellung hinzugefügten Wassermenge angepasst. Darüber hinaus wurde ein später beschriebener Katalysator-Trageschritt unter Bedingungen mit verschiedenen Slurry-Ansaugdrucken durchgeführt, wodurch katalysatorunterstützende OPFs, die eine hochdichte Schicht des Katalysators an unterschiedlichen Positionen haben, hergestellt wurden. Tabelle 1 zeigt die Spezifikationen der Filtersubstrate, die Positionen der hochdichten Schichten des Abgasreinigungskatalysators (TWC) und der Anteile des Katalysators der hochdichten Schicht. 5 bis 16 zeigen eine jede ein Bild eines Querschnitts des entsprechenden OPF gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen.

Bei den Beispielen 1 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurde der oben beschriebene TWC in einer WC-Menge von 60 g/L auf dem jeweiligen Filtersubstrat durch einen Kolben-Hochschiebe-Prozess gehalten, während die einströmungsseitige Endfläche des jeweiligen Filtersubstrats als ein Einlass des Slurry verwendet wurde. Danach wurde nach dem Trocknen bei 150 °C mit einem Luftstrom ein Sintern bei 600 °C durchgeführt, wodurch der jeweilige OPF hergestellt wurde. [Tabelle 1]

	Mittlerer Porendurchmesser (µm)	Halbe Breite (µm)	Porosität (%)	Position der hochdichten Schicht des Katalysators	(Anteil des Katalysators in der hochdichten Schicht)
Beispiel 1	22	9	66	Oberflächenschicht (Auslasseite)	50%
Beispiel 2	22	9	68	Oberflächenschicht (Auslasseite)	50%
Beispiel 3	24	9	63	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Auslasseite)	66%
Beispiel 4	24	9	63	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Auslasseite)	75%
Beispiel 5	24	10	64	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Einlassseite)	66%
Beispiel 6	18	8,8	63	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Einlassseite)	66%
Beispiel 7	22	13,4	60	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Einlassseite)	75%
Beispiel 8	22	13,4	60	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Auslasseite)	75%
Beispiel 9	22	13,4	60	Oberflächenschicht (Auslasseite)	50%
Vergleichsbeispiel 1	24	10	64	Regelmäßige Verteilung	25%
Vergleichsbeispiel 2	25	16	64	Oberflächenschicht (Auslasseite)	75%
Vergleichsbeispiel 3	25	16	64	Unregelmäßige Verteilung (25 % von Einlassseite)	66%

[Partikelsammeltest unter Verwendung eines tatsächlichen Fahrzeugs]
Ein jeder der OPFs gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde in einem Fahrzeug getestet, das mit einem Direkteinspritzung-Ottomotor ausgestattet war, der einen Hubraum von 1,5 1 hat. Im Besonderen wurde ein jeder zu testender OPF hinter einem Dreiwegekatalysator mit einem Volumen von 1 L angeordnet, der direkt unter dem Motor angeordnet war, und das Fahrzeug fuhr im Worldwide Harmonized Light Duty Driving Test Procedure (WLTP)-Modus bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 50 %. Die Anzahl von PM (PN) wurde dann an Positionen vor und nach dem OPF gemessen und eine Sammeleffizienz (eine Verringerungsrate) wurde berechnet. Vor der Messung wurde eine Vorbehandlung in der folgenden Weise durchgeführt. Das Fahrzeug fuhr für einen Zyklus den WLTP. Nachdem die verbleibenden Partikel am OPF entfernt wurden, wurde ein Einweichen für 24 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C durchgeführt. Die Messung wurde bei einer kalten Bedingung gestartet, wodurch die Daten erhalten wurden.
[Druckverlusttest nach der Ablagerung von Asche]
Die OPFs des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurden einem Dauertest unter Verwendung von Gips als simulierte Asche unterzogen. Im Besonderen wurde Gips zuerst kalziniert und dann gemahlen, bis seine Partikelgröße in etwa der von tatsächlicher Asche entsprach. Als Nächstes wurde ein Dauertest beim tatsächlichen Fahren simuliert, indem das Filtersubstrat unter Verwendung einer selbst hergestellten Ansaugvorrichtung veranlasst wurde, eine bestimmte Menge der simulierten Asche anzusaugen (mit einer großen Trockenpumpe (mit einem konzipierten Hubvolumen von 1850 L/min.), die mit einem Tank verbunden war und eine Absaugung durchführte). Die Menge der Aschenablagerung wurde auf 150 g festgelegt.
[Druckverlust]
Ein Druckverlust von einem jeden von den OPFs der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurde unter Verwendung eines Katalysatorträger-Druckverlust-Testers gemessen, der von Tsukubarikaseiki hergestellt wurde. Im Besonderen wurde der OPF in vollständiger Größe (φ118,4 × 91 mm) festgelegt, und Luft wurde veranlasst in einer Strömungsrate von 2,17 m³/min (KALTSTROM) zu strömen, wodurch der Druckverlust gemessen wurde.
[Erörterung]
Für einen jeden OPF wird in 17 eine Beziehung zwischen der PN-Sammeleffizienz (Verringerungsrate) und dem Druckverlust nach der Aschenablagerung dargestellt. In 17 wird ein Bereich, in dem die PN-Sammeleffizienz (Verringerungsrate) und der Druckverlust nach der Aschenablagerung als die für einen OPF erforderlichen Eigenschaften zur Verwendung in einem tatsächlichen Fahrzeug beide kompatibel erreicht werden, durch eine PN-Sammeleffizienz (Verringerungsrate) von 65 % oder größer und einem Druckverlust nach der Aschenablagerung von 4000 Pa oder kleiner definiert. Es wurde bestätigt, dass nur die Beispiele 1 bis 9 in kompatibler Weise beide erforderlichen Eigenschaften erreichen können. Weiterhin, wenn ein stärker bevorzugter Bereich, in dem die Eigenschaften beide kompatibel erreicht werden, durch eine PN-Sammeleffizienz (Verringerungsrate) von 75 % oder höher und einem Druckverlust nach der Aschenablagerung von 3500 Pa oder weniger erreicht wird, wurde bestätigt, dass nur die Beispiele 1 bis 6 in kompatibler Weise beide erforderlichen Eigenschaften erreichen können. Wenn ein weiterhin mehr bevorzugter Bereich, in dem beide Eigenschaften kompatibel erreicht werden, durch eine PN-Sammeleffizienz (Verringerungsrate) von 80 % oder höher und einem Druckverlust nach der Aschenablagerung von 2500 Pa oder weniger definiert ist, wurde bestätigt, dass nur die Beispiele 1 bis 4 in kompatibler Weise beide erforderlichen Eigenschaften erreichen können.
Aus Tabelle 1 können die Merkmale der Spezifikationen der Beispiele 1 bis 9 wie folgt abgeleitet werden: der mittlere Porendurchmesser des jeweiligen Filtersubstrats ist relativ groß, während die jeweilige halbe Breite, die einen Schärfegrad der Porenverteilung darstellt, kleiner als diejenigen der Vergleichsbeispiele 2 und 3 ist. Es ist hervorzuheben, dass die Filtersubstrate durch einen großen Mittelwert der Porendurchmesser und hohen Schärfe der Porenverteilung gekennzeichnet sind.
Im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 ist ein Zustand, in dem der TWC der Beispiele 1 bis 9 gehalten wurde, durch eine lokal hohe Dichte des TWC gekennzeichnet. Der TWC der Beispiele 1 bis 9 wurde in einer hohen Dichte in einem Bereich des Filtersubstrats in der Dickenrichtung gehalten (einem Bereich, der 25 % der Dicke von der Einlassseite oder Auslassseite oder einer Oberflächenschicht bildet).
Basierend auf dem oben Ausgeführten kann der folgende Mechanismus aus den Spezifikationen der OPF-Substrate und der Eigenschaft des Zustands, in dem der Katalysator gehalten wurde, geschätzt werden. Es ist allgemein bekannt, dass die Verwendung eines Filtersubstrats mit einem großen durchschnittlichen Porendurchmesser einen Druckverlust verringern kann. In den Vergleichsbeispielen 2 und 3 ist der durchschnittliche Porendurchmesser gleich oder ähnlich zu denjenigen der Beispiele, die halbe Breite ist jedoch groß und die Verteilung der Porendurchmesser ist breit. Diese Gestaltung kann keine Einheitlichkeit des Abgasstroms sicherstellen, wenn das Abgas in die Trennwand strömt, was es wahrscheinlich macht, dass der Druckverlust ansteigt. Weiterhin ist das Vorhandensein von vielen kleinen Poren angezeigt. Es wird ebenso davon ausgegangen, dass der Katalysator vorzugsweise in die kleinen Poren während der Herstellung des Katalysators strömt, was zu einer Blockierung der Strömungspfade des Abgases und einer Abnahme der Anzahl der Strömungspfade des Abgases führt. Aus diesen Gründen wird angenommen, dass das Abgas durch die Trennwand in einer hohen Geschwindigkeit strömt, der Druckverlust wahrscheinlich ansteigt und die Partikel einfach entweichen.
Die Beispiele 1 bis 9 sind nicht nur dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat eine scharfe Porenverteilung hat, sondern auch, dass der Katalysator konzentrisch in Form einer Schicht an einer Oberfläche oder in einem bestimmten Bereich der Trennwand gehalten wird. Dieses Merkmal kann die Einheitlichkeit des Abgasstroms sicherstellen und kann verhindern, dass der Katalysator vorzugsweise in den kleinen Poren zum Zeitpunkt der Herstellung des Katalysators gehalten wird. D. h. die Beispiele 1 bis 9 können im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 eine Erhöhung im Druckverlust verringern. Weiterhin, da der TWC in konzentrierter Weise in der Form einer Schicht in einem bestimmten Bereich in der Trennwand oder an einer Oberfläche der Trennwand gehalten wird, wird sichergestellt, dass das Partikel enthaltende Abgas veranlasst wird, durch die Strömungspfade hindurchzugehen, die von dem gehaltenen TWC verengt werden, sodass eine hohe Partikelfilterleistung und eine hohe Gasreinigungsleistung erzielt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Motor (Verbrennungsmotor)
2: Abgasreinigungsvorrichtung
3: Abgasrohr (Abgaskanal)
32: OPF (Abgasreinigungsfilter)
32a: Einströmungsseitige Endseite
32b: Ausströmungsseitige Endseite
33: TWC (Abgasreinigungskatalysator)
320: Filtersubstrat
323: Trennwand
321: Einströmungszelle
322:: Ausströmungszelle
324: Einströmungsseitiges Propfelement
325: Ausströmungsseitiges Propfelement
331: Hochdichte Schicht
332: Niedrig dichte Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017082745 [0005]

Claims

Abgasreinigungsfilter, der in einen Abgaskanal eines Verbrennungsmotors einbaubar ist, wobei der Abgasreinigungsfilter Abgas des Verbrennungsmotors durch Filtern von im Abgas enthaltenen Partikeln reinigt, und aufweist: ein Filtersubstrat, das eine Vielzahl von Zellen aufweist, die von einer einströmungsseitigen Endfläche, die einer Einströmung des Abgases entspricht, zu einer ausströmungsseitigen Endfläche, die einer Ausströmung des Abgases entspricht, verlaufen, und die durch eine poröse Trennwand geteilt und definiert sind, wobei die Vielzahl der Zellen eine Einströmungszelle aufweist, die eine verstopfte Öffnung an der ausströmungsseitigen Endseite hat, und eine Ausströmungszelle, die eine verstopfte Öffnung an der einströmungsseitigen Endfläche hat, wobei die Einströmungszelle und die Ausströmungszelle abwechselnd zueinander angeordnet sind; und einen Abgasreinigungskatalysator, der an der Trennwand gehalten wird, wobei das Filtersubstrat einen mittleren Porendurchmesser (D50) nach Volumen gleich oder größer als 18 µm hat, wobei das Filtersubstrat eine Halbbreite der Porenverteilung hat, die zwischen 7 µm und 15 µm liegt, und wobei der Abgasreinigungskatalysator unregelmäßig verteilt ist und in einer hochdichten Schicht gehalten wird, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer relativ hohen Dichte angeordnet ist, und einer niedrig dichten Schicht, in der der Abgasreinigungskatalysator in einer relativ niedrigen Dichte angeordnet ist.
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1, wobei die hochdichte Schicht an einer Außenfläche der Trennwand angeordnet ist.
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die hochdichte Schicht den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge aufweist, die 50 Massenprozent oder mehr eines Gesamtbetrags des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die hochdichte Schicht an der Außenfläche einer Auslassseite der Trennwand angeordnet ist, wobei die Auslassseite dem in die Trennwand eingeströmten Abgas ermöglicht, herauszuströmen.
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1, wobei die hochdichte Schicht in der Trennwand angeordnet ist.
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 5, wobei die hochdichte Schicht eine von vier Schichten ist, die durch Trennen der Trennwand in einer Dickenrichtung in vier gleiche Teile ausgebildet sind, und wobei die hochdichte Schicht den Abgasreinigungskatalysator in einer Menge aufweist, die 50 Massenprozent oder mehr einer Gesamtmenge des an der Trennwand gehaltenen Abgasreinigungskatalysators beträgt.
Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 6, wobei die hochdichte Schicht eine von den vier Schichten ist, die am nächsten an der Auslassseite der Trennwand ist, wobei die Auslassseite dem in die Trennwand eingeströmte Abgas ermöglicht, herauszuströmen.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die halbe Breite der Porenverteilung des Filtersubstrats zwischen 7 µm bis 9 µm liegt.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Filtersubstrat eine Porosität gleich oder größer als 63 % hat.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der mittlere Porendurchmesser (D50) nach Volumen des Filtersubstrats gleich oder größer als 20 µm ist.
Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Abgasreinigungskatalysator ein Dreiwegekatalysator ist und der Abgasreinigungsfilter ein OPF ist.