JP4868714B2

JP4868714B2 - 排ガス浄化フィルタ触媒

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Publication number: JP4868714B2
Application number: JP2004117198A
Authority: JP
Inventors: 誠治大河原; 進皿井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2024-04-12
Also published as: JP2005296819A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどからの排ガス中の粒子状物質（以下、PMという）を捕集する排ガス浄化フィルタ触媒に関する。

ディーゼルエンジンなどからの排ガス中には、カーボン微粒子、 SOF、サルフェート類などからなるPMが含まれているため、排出前にPMを除去して清浄な排ガスを排出する必要がある。このPMは、通常の酸化触媒、三元触媒などでは除去することが困難であるため、フィルタに捕集した後に酸化除去する方法が一般的である。

このようなフィルタとしては、コーディエライトなどの耐熱性セラミックスからなり多数のセルをもつハニカム体に、下流側端部で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し上流側端部で目詰めされた流出側セルを形成したウォールフロー型のもの（ DPF）が広く用いられている。この DPFでは、流入側セルに流入した排ガスがセル隔壁を通過して流出側セルから排出されるが、排ガスがセル隔壁を通過する際にPMがセル隔壁の細孔中に捕集される。そしてPMがある程度捕集されると、ヒータによる加熱などで捕集されたPMを燃焼させフィルタ機能を再生することが行われる。

しかしこのようなフィルタでは、PM捕集量が多い場合などには再生時の燃焼による発熱量が大きく、ヒートショックによって損傷する場合がある。また製造コストも高い。そこで近年では、金属製のフィルタ装置がいくつか提案されている。

たとえば特開平09−262414号公報には、金属薄板からなる波状板と金属不織布からなる平板とを交互に積層し、下流側端部で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し上流側端部で目詰めされた流出側セルと、を形成したフィルタが記載されている。また特開2002−113798号公報には、金属不織布からなる平板と波状板とを交互に積層し、下流側端部で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し上流側端部で目詰めされた流出側セルと、を形成したフィルタが記載されている。

これらのフィルタによれば、排ガス中のPMは金属不織布中に捕集される。そして加熱によってPMを燃焼させる再生処理を行っても、金属製であるためヒートショックが小さく損傷を抑制することができる。ところがいずれもウォールフロー型のフィルタであるので、PMの捕集に伴って排気圧損が上昇する。しかも流入側セルの目詰め部近傍にPMが集中して堆積するため排気圧損が一気に上昇するという不具合があり、エンジン効率や燃費などを重視する場合には再生処理を頻繁に行う必要がある。

一方、独国実用新案 20,117,873 U1号には、金属フォイル製の波状板とフィルタ層とを交互に積層し、波状板に爪状穴高さを有する複数の爪状穴を形成し、複数の爪状穴は内向爪状穴と外向爪状穴とを有する流路を形成し、内向爪状穴と外向爪状穴とは互いに角をなして配置され、爪状穴高さは構造高さの 100〜60％の高さがあり少なくとも20％の流動自由度が保証されたフィルタが記載されている。

また触媒機能を付与したフィルタ触媒も開発されている。例えば特開平09−262415号公報には、連続空孔を有する耐熱金属製３次元網状構造多孔体又はその多孔体の孔に、セラミックもしくは金属を充填して実質孔径を小さくしたもので作られる平板フィルタと波状板を交互に重ねて巻回してなり、これによって出来る柱状体の両端を各々交互に目留めしてなるフィルタエレメントが記載され、波状板又は平板エレメントに触媒金属を担持することが記載されている。

このフィルタエレメントによれば、PMトラップと触媒コンバータを一体化することができ、スペース面で有利である。また担持体が金属であるので、熱容量が小さく触媒金属の昇温速度が早くなり、触媒金属が効果的に働くのに必要な温度を得ることも容易となる。さらに、触媒金属としてアルカリ金属などのNO_x 吸蔵材を担持した場合には、コーディエライトなどからなる基体の場合にはNO_x 吸蔵材と基体が反応するが、金属製の基体であればNO_x 吸蔵材と反応しないという利点がある。

しかしながら特開平09−262415号公報に記載の技術では、連続空孔を有する耐熱金属製３次元網状構造多孔体を用いているので、孔径がランダムである。触媒を担持するには、触媒金属を担持した多孔質酸化物を含む触媒層を形成するのが効果的であるが、孔径がランダムな耐熱金属製３次元網状構造多孔体に均一な触媒層を形成することは困難であり、排気圧損の上昇が大きくなったり、触媒金属による活性が十分に得られなかったり、使用時の熱によって触媒金属の粒成長が生じて活性が低下するという問題があった。
特開平09−262414号特開2002−113798号独国実用新案 20,117,873 U1号特開平09−262415号

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、PMを捕集し、捕集したPMを連続的にかつ効率よく酸化燃焼できるようにするとともに、排気圧損の上昇を抑制することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の排ガス浄化フィルタ触媒の特徴は、金属薄板よりなり山部と谷部とが排ガス流れ方向と交差する方向に交互に連続する波状板と、表裏を貫通する連通孔を備えた金属板からなる平板と、が交互に積層されてなり、山部及び谷部が排ガス流路を構成し、少なくとも平板がフィルタを構成する排ガス浄化フィルタ触媒であって、
谷部は谷深さが浅くなることで形成された凸状の中間山部を有し、山部は山高さが低くなることで形成された凹状の中間谷部を有し、
波状板の上側に平板が積層された部位において、
中間山部と中間山部に隣接する両側の山部と山部に接する平板とで流路が閉塞され排ガスをフィルタへ導くフィルタ導入部を構成し、
中間谷部は隣接する谷部から排ガスが分岐して流入可能な分岐部とその下流側で山部に連通する開口とよりなりフィルタ導入部に隣接する排ガス流路へ分岐してフィルタ導入部を迂回するフィルタ迂回部を構成し、
フィルタ導入部内の圧力が高まった場合に、谷部を流れる排ガスの少なくとも一部がフィルタ導入部からフィルタ導入部の上流側に存在するフィルタ迂回部を通過して隣接する山部に流入するように構成され、
平板には触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む触媒層が形成されてなり、連通孔は触媒層によって孔径が 200μｍ以下に縮径又は閉塞されていることにある。

また、この排ガス浄化フィルタ触媒の特徴を波状板の裏側から表現すれば、中間谷部と中間谷部に隣接する両側の谷部と谷部に接する平板とで流路が閉塞されたフィルタ導入部を構成し、中間山部は隣接する山部から排ガスが分岐して流入可能な分岐部とその下流側で谷部に連通する開口とよりなるフィルタ迂回部を構成し、フィルタ導入部内の圧力が高まった場合に、山部を流れる排ガスの少なくとも一部がフィルタ導入部からフィルタ導入部の上流側に存在するフィルタ迂回部を通過して隣接する谷部に流入するように構成されている。

この場合は、フィルタ導入部の平板を介した反対側には、隣接する波状板の谷部が存在していることが望ましい。

中間谷部及び中間山部は、山部又は谷部を変形させることで形成され、それぞれ上流側端部が底部又は頂部に向かって滑らかに連続していることが望ましい。

またフィルタ導入部における平面視での波状板の開口面積は、平面視における波状板の合計開口面積の30％以上であることが好ましく、フィルタ導入部の合計容積は、山部及び谷部の全合計容積の50％以上であることが好ましい。

本発明の排ガス浄化フィルタ触媒を具体化したもう一つの排ガス浄化フィルタ触媒の特徴は、金属薄板製で第１山部と第１谷部とが交互に連続する山谷部をもつ波状板と平板とが交互に積層されてなり、
第１山部と波状板の下側の平板とで形成された第１通路と、
第１通路に形成され、下流側が上方に傾斜した第２谷部と波状板の上側の平板からなる第１フィルタ導入部と、
第２谷部と波状板の下側の平板からなる第１フィルタ迂回部と、
第１通路の両側の第１谷部と波状板の上側の平板とで形成された第２通路と、
第２通路に形成され下流側が下方に傾斜した第２山部と波状板の下側の平板からなる第２フィルタ導入部と、
第２山部と波状板の上側の平板からなる第２フィルタ迂回部と、を有し、
第２谷部の底部の深さは第１山部の頂部の高さより浅く、第２山部の頂部の高さは第１谷部の底部の深さより低く、波状板及び平板の少なくとも平板には表裏を貫通する連通孔が形成され、少なくとも平板には触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む触媒層が形成されてなり、連通孔は触媒層によって孔径が 200μｍ以下に縮径又は閉塞されていることにある。

この排ガス浄化フィルタ触媒においては、第１フィルタ導入部から第２通路へ排ガスが流通可能な開口、又は、第２フィルタ導入部から第１通路へ排ガスが流通可能な開口の少なくとも一方をさらに有することが望ましい。

本発明の排ガス浄化フィルタ触媒によれば、連通孔は触媒層によって孔径が 200μｍ以下となるように縮径又は閉塞されているので、排ガス中のPMを連通孔に形成された触媒層で捕集することができる。そして金属薄板に触媒層を形成しているので、触媒層を均一に形成することができ、排ガスによって触媒層が均一に加熱され触媒金属も均一に活性化されるため、捕集されたPMを効率よく酸化燃焼することができる。また触媒層が均一であるので、その厚さを薄くすることができ、その結果排気圧損の上昇を抑制できる。

本発明の排ガス浄化フィルタ触媒は、複数の排ガス流路と、排ガス流路に設置されたフィルタと、を有し、排ガス流路は、排ガスをフィルタへ導くフィルタ導入部と、フィルタ導入部に隣接する排ガス流路へ分岐してフィルタ導入部を迂回するフィルタ迂回部と、を備えている。

フィルタは、表裏を貫通する連通孔を備えた金属板に、触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む触媒層が形成されてなり、連通孔は触媒層によって孔径が 200μｍ以下に縮径又は閉塞されている。孔径が 200μｍの場合、初期状態では 200μｍの孔からすり抜けるPMもあるが、PMが付着してくると孔径が10〜50μｍ程度となってPM捕集能が向上するので、孔径を 200μｍ以下とした。なお触媒層は多孔質酸化物粉末を含むため、触媒層自体にも10μｍ程度の細孔が存在し、多孔質酸化物粉末にもさらに微細な細孔が存在する。したがって連通孔が触媒層で完全に閉塞されていてもガス拡散性は確保され、連通孔に形成された触媒層に捕集されたPMは触媒金属によって効率よく酸化燃焼される。

請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ触媒では、谷部と上側の平板とで形成された流路に流入した排ガスは、中間山部に衝突してフィルタ導入部を仕切る上側の平板を通過し、PMが平板に捕集される。そしてフィルタ導入部を仕切る上側の平板のPM捕集量が多くなると、フィルタ導入部内の圧力が高まるため、排ガスはフィルタ導入部から上流側のフィルタ迂回部の分岐部を通過し、両側の山部の中間谷部から開口を通じて両側の山部に分岐流入する。

そして請求項４に記載のように波状板の裏面側では、中間谷部の裏面側が凸となって山部と下側の平板との間にフィルタ導入部が形成され、その上流側の谷部の中間山部にフィルタ迂回部が形成されているので、山部と下側の平板とで形成された流路に流入した排ガスは、中間谷部に衝突しフィルタ導入部内で圧力が高まった場合にフィルタ導入部から上流側のフィルタ迂回部を通過し、両側の谷部の中間山部の開口を通じて両側の谷部に分岐流入する。

この作用が排ガス流入側端面から流出側端面まで連続的に繰り返される。

すなわち、本発明のフィルタ触媒は基本的にウォールフロー構造であるので、PMの捕集効率が高い。そしてフィルタ導入部における平板のPM捕集量が多くなっても、排ガスは上流側のフィルタ迂回部から分岐して山部又は谷部に流入し、これが連続的に生じる。したがってPMの堆積による排気圧損の上昇が一気に生じることがなく、また平板の大部分をPMの捕集に利用することができるため、排気圧損の上昇を効果的に抑制することが可能となる。

波状板及び平板は、金属薄板から形成されたものであり、波状板は平板からコルゲート加工などにより製造することができる。その材質は、排ガス温度及び再生時の熱に耐え得る以上の耐熱性を有すれば特に制限されないが、ステンレス鋼材が好ましい。また自動車用の場合には、厚さは20〜 110μｍの範囲が好ましく、40〜80μｍの範囲が特に好ましい。

波状板及び平板の少なくとも一方には、表裏を貫通する連通孔を備えている。この連通孔は、30〜 500μｍの大きさとすることが好ましい。連通孔の大きさが 500μｍを超えると触媒層によって 200μｍ以下に小さくすることが困難となり、30μｍ未満では触媒層によって閉塞される結果、ガス拡散性は確保されるものの排気圧損が上昇しやすい。連通孔の数には特に制限がないが、強度が維持できる範囲でできるだけ多く設けることが好ましい。

波状板と平板とからなる基体を形成するには、波状板と平板とを交互に積層して所定の外筒に挿入してもよいし、所定長さの波状板と平板とを重ねてロール状に巻回したものを所定の外筒に挿入することもできる。

触媒層は、触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む層であり、基体１リットルあたり30〜 200ｇの量で形成されていることが望ましい。触媒層の量がこれより少ないと触媒金属が高密度で担持されることとなるため触媒金属に粒成長が生じたり、PMの捕集効率が低下する。また触媒層がこれより多くなると、排気圧損が上昇するようになる。多孔質酸化物としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアなどから選ばれる少なくとも一種、あるいはこれらから選ばれる複数種からなる複合酸化物などを用いることができる。触媒金属としては、Pt、Rh、Pd、Ir、Ruなどの白金族の貴金属から選ばれた一種あるいは複数種を用いることが好ましい。触媒金属の担持量は、基体１Ｌあたり 0.1〜５ｇとするのが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持しても活性が飽和するとともにコストアップとなってしまう。

触媒層には、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選ばれるNO_x 吸蔵材を含むことが望ましい。触媒層にNO_x 吸蔵材を含めば、触媒金属による酸化によって生成したNO₂ をNO_x 吸蔵材に吸蔵できるので、NO_x の浄化活性がさらに向上する。NO_x 吸蔵材の担持量は、基体１リットルあたり0.05〜0.45モルの範囲とすることが好ましい。担持量がこれより少ないと活性が低すぎて実用的でなく、この範囲より多く担持すると触媒金属を覆って活性が低下するようになる。

触媒層を形成するには、酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末をアルミナゾルなどのバインダ成分及び水とともにスラリーとし、そのスラリーを波状板及び平板の少なくとも一方に付着させた後に焼成し、その後に触媒金属を担持すればよい。また酸化物粉末あるいは複合酸化物粉末に予め触媒金属を担持した触媒粉末からスラリーを調製することもできる。スラリーを付着させるには通常の浸漬法を用いることができるが、エアブローあるいは吸引によって、連通孔に強制的にスラリーを充填するとともに、連通孔内に入ったスラリーの余分なものを除去することが望ましい。

波状板は、全ての層で同じ向き及び同じ位相となるように積層してもよいし、交互に 180度異なる向きとなるように、あるいは位相が異なるように積層することもできる。しかし、フィルタ導入部の平板を介した反対側には、隣接する波状板の凹部が存在していることが望ましい。これにより平板を透過した排ガスの流れが妨げられることなく、PMの捕集効率がより向上するとともに排気圧損の上昇をより抑制することができる。

なお隣接する波状板の凹部とは、隣接する波状板が上方に位置する場合には山部を指し、隣接する波状板が下方に位置する場合には谷部を指す。

中間谷部あるいは中間山部は、山部又は谷部を変形させることで形成され、それぞれ上流側端部が底部又は頂部に向かって滑らかに連続していることが望ましい。すなわち上流側に向かって徐々に高さが低くなる、あるいは高くなる斜面で閉塞されていることが好ましい。このようにすることで、フィルタ導入部内の排ガスにはフィルタ導入部を仕切る平板に向かうベクトルが生成するので、PM捕集効率がさらに向上する。

フィルタ導入部における平面視での波状板の開口面積は、平面視における波状板の合計開口面積の30％以上であることが望ましい。フィルタ導入部における平面視での波状板の開口面積が合計開口面積の30％未満では、平板の利用面積が低下しPM捕集効率が低下する。またフィルタ導入部の合計容積は、山部及び谷部の合計容積の50％以上であることが望ましい。この比率が50％未満になると、PMの捕集効率が低下するようになる。

またフィルタ導入部からその上流側の分岐部までの距離が長いほどPMの捕集効率が向上するが、反面、排気圧損が上昇しやすくなる。したがってその距離には最適値がある。

また、金属薄板製で第１山部と第１谷部とが交互に連続する山谷部をもつ波状板と平板とが交互に積層されてなり、
第１山部と波状板の下側の平板とで形成された第１通路と、
第１通路に形成され、下流側が上方に傾斜した第２谷部と波状板の上側の平板からなる第１フィルタ導入部と、
第２谷部と波状板の下側の平板からなる第１フィルタ迂回部と、
第１通路の両側の第１谷部と波状板の上側の平板とで形成された第２通路と、
第２通路に形成され下流側が下方に傾斜した第２山部と波状板の下側の平板からなる第２フィルタ導入部と、
第２山部と波状板の上側の平板からなる第２フィルタ迂回部と、を有し、
第２谷部の底部の深さは第１山部の頂部の高さより浅く、第２山部の頂部の高さは第１谷部の底部の深さより低いフィルタ触媒とすることもできる。具体的には、用いられている波状板は、独国実用新案 20,117,873 U1号に記載されたものと同様のものである。なお独国実用新案 20,117,873 U1号には、連通孔に関する記載はない。

この場合、波状板は、全ての層で同じ向き及び同じ位相となるように積層してもよいし、交互に 180度異なる向きとなるように、あるいは位相が異なるように積層することもできる。すなわち排ガス流れ方向に対して直角な断面で切断した時に、第１、第２の各通路がそれぞれ同一断面位置にあってもよいし、異なる断面位置にあってもよい。しかし、フィルタ導入部の平板を介した反対側には、隣接する波状板の凹部が存在していることが望ましい。これにより平板を透過した排ガスの流れが妨げられることなく、PMの捕集効率がより向上するとともに排気圧損の上昇をより抑制することができる。

なお隣接する波状板の凹部とは、隣接する波状板が上方に位置する場合には第１山部及び第２山部の一方を指し、隣接する波状板が下方に位置する場合には第１谷部及び第２谷部の一方を指す。

波状板は、第１山部と第１谷部とが排ガス流れ方向に略直角方向に交互に連続した山谷部を有し、この山谷部が排ガス流れ方向に第２谷部又は第２山部を隔てて複数個形成されている。第１山部の下流側に第２谷部が形成され、第１通路と第１フィルタ導入部とが直列に連続している。また第２谷部より下流側の第１谷部に第２山部が形成され、第２通路と第２フィルタ導入部とが直列に連続している。

第１フィルタ迂回部は、第１フィルタ導入部と並列して第１通路と直列に連続している。第２フィルタ迂回部は、第２フィルタ導入部と並列して第２通路と直列に連続している。

第１フィルタ導入部は上流側が第１通路に連通し、下流側端部が絞られている。この絞りは目詰めなどによって行うこともできるが、第１山部を変形させることで形成され下流側端部が第１山部の頂部に滑らかに連続していることが望ましい。すなわち下流側に向かって徐々に高さが高くなる斜面で絞られていることが好ましい。このようにすることで、第１フィルタ導入部を流れる排ガスにはフィルタ導入部に存在する上側の平板に向かうベクトルが生成するので、PM捕集効率がさらに向上する。さらに、波状板に形成された触媒層で排ガス中のNOが酸化され、酸化活性の高いNO₂ となって平板を通過するので、平板の触媒層に捕集されたPMの酸化燃焼がさらに促進される。

第２山部と下側の平板とで形成される第２フィルタ導入部は、上流側が第２通路に連通し、下流側端部が絞られている。この絞りは目詰めなどによって行うこともできるが、第１谷部を変形させることで形成され下流側端部が第１谷部の底部に滑らかに連続していることが望ましい。すなわち下流側に向かって徐々に高さが低くなる斜面で絞られていることが好ましい。このようにすることで、第２フィルタ導入部を流れる排ガスには下側の平板に向かうベクトルが生成するので、PM捕集効率がさらに向上する。また波状板に形成された触媒層で排ガス中のNOが酸化され、酸化活性の高いNO₂ となって平板を通過するので、平板の触媒層に捕集されたPMの酸化燃焼がさらに促進される。

第１フィルタ導入部から第２通路へ排ガスが流通可能な開口は、第２谷部の周壁に連通孔を形成してもよいが、第２谷部の両側に第１山部の高さより低い側壁を形成することが望ましい。また第２フィルタ導入部から第１通路へ排ガスが流通可能な開口は、第２山部の両側に第１谷部の深さより浅い側壁を形成することが望ましい。このようにすることで、波状板を一枚の金属薄板からコルゲート加工により容易に形成することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に本実施例の排ガス浄化フィルタ触媒の斜視図を、図２にその要部拡大斜視図を、図３に用いた波状板の要部斜視図を、図４〜８に要部拡大断面図を示す。このフィルタ触媒は、ステンレス鋼よりなり厚さ50μｍの波状板１と、ステンレス鋼よりなり厚さ50μｍの平板２とが交互に積層され互いに溶接されてなる基体と、基体が圧入保持された外筒３と、から構成されている。基体は直径 130mmで２Ｌの体積を有し、セル数は 200個／inch２であって、波状板１及び平板２には、それぞれ直径 0.2mmの連通孔４が 0.2mm毎に穿設されている。また波状板１及び平板２の表裏面には、それぞれ図示しない触媒層が形成されている。

この触媒層は、Ptが担持されたアルミナ粉末から構成され、スラリーを用いてウォッシュコート後に焼成されてなる。触媒層は平均細孔径10μｍの細孔を有し、基体の１リットルあたり 150ｇ形成され、Ptが基体１リットルあたり２ｇ担持されている。また触媒層によって連通孔４の径が縮小され、約 100μｍとなっている。

図３に示す波状板１は、山部10と谷部11が排ガス流れ方向と直交する方向に交互に連続している。山部10には、凹状の中間谷部12が排ガス流れ方向に平行に互いに間隔を隔てて複数個形成されている。中間谷部12は排ガス上流側から下流側に向かって徐々に高さが低くなり、その先端は切り欠かれて再び山部10に連通する開口13が形成されている。中間谷部12の底部の深さは、谷部11の底部の位置と同一である。

また谷部11には、凸状の中間山部14が排ガス流れ方向に平行に互いに間隔を隔てて複数個形成されている。中間山部14は、排ガス流れ方向において二つの中間谷部12の間に配置され、その高さは山部10の高さと同一である。

なお波状板１は、裏面では山部10が谷部となり谷部11が山部となる。そして中間谷部12は裏面側では凸状の中間山部を構成し、中間山部14は凹状の中間谷部を構成し、中間山部14の先端には開口15が形成されている。

複数の波状板１は、図４にも示すように、中間谷部12及び中間山部14の位相が排ガス流れ方向及び排ガス流れ方向と直角方向でそれぞれ同一となるように積層され、フィルタ触媒の排ガス流れ方向に直角に切断した断面において中間谷部12及び中間山部14はそれぞれ同一位置となるように配置されている。また山部10は上側の平板２に当接し、谷部11は下側の平板２に当接している。なお図４は模式図であるために平板２と中間谷部12及び中間山部14との間に隙間があるが、上流側端面では、玉部10及び谷部11と平板２との積層構造体となり、隙間はないので問題となることはない。

このフィルタ触媒では、図５〜図８に示すように、波状板１の表面側では、中間山部14と隣接する両側の山部10と上側の平板２とで流路が閉塞されたフィルタ導入部 100が形成されている。また波状板１の裏面側では、中間谷部12と隣接する両側の谷部11と下側の平板２とで流路が閉塞されたフィルタ導入部 101が形成されている。そしてフィルタ導入部 100の上流側では、中間谷部12の位置で山部10の高さが低くなり、開口13が形成されているので、谷部11を流れる排ガスは両側の開口13から両側の山部10へ流入可能であり、その部分にフィルタ迂回部 200が形成されている。また裏面側では、フィルタ導入部 100の上流側の中間山部14の位置で谷部11の深さが浅くなり、開口15が形成されているので、山部10を流れる排ガスは両側の開口15から両側の谷部11へ流入可能であり、その部分にもフィルタ迂回部 201が形成されている。

したがって本実施例の排ガス浄化フィルタ触媒によれば、図５に示すように、谷部11と上側の平板２との間に形成された流路を流れる排ガスは、中間山部14に衝突し、上側の平板２のPM捕集量が少ない状態では、大部分の排ガスは上側の平板２の連通孔４を透過して平板２の反対側に存在する波状板１の谷部11に流入し、PMの大部分が平板２で捕集される。

PM捕集量が増大してフィルタ導入部 100における排ガスの圧力が高くなると、図６の点線に示すように、排ガスは上流側に存在するフィルタ迂回部 200において中間谷部12から開口13を通過して隣接する山部10に分岐流入する。したがって排気圧損の上昇が抑制される。

同様に山部10と下側の平板２の間に形成された流路を流れる排ガスは、図７に示すように中間谷部12に衝突し、下側の平板２のPM捕集量が少ない状態では、大部分の排ガスは下側の平板２の連通孔４を透過して平板２の反対側に存在する波状板６の谷部11に流入し、PMの大部分が平板２で捕集される。

PM捕集量が増大してフィルタ導入部 101における排ガスの圧力が高くなると、図８の点線に示すように、排ガスは上流側に存在するフィルタ迂回部 201において中間山部14から開口15を通過して隣接する谷部11に分岐流入する。したがって排気圧損の上昇が抑制される。

本実施例のフィルタ触媒によれば、排ガス流入側端面から流出側端面に向かって上記サイクルが連続的に繰り返されることで、フィルタ導入部 100、 101において平板２にPMが捕集される。そして多数のフィルタ導入部 100、 101が形成されているので、PMは平板２の全体に均一に分散して捕集されることとなり、捕集効率が向上するとともに、PMが捕集されても排気圧損が上昇しにくい。すなわちPM捕集効率の向上と、排気圧損の上昇の抑制とが両立することになる。

さらに本実施例のフィルタ触媒では、フィルタ導入部 100、 101における平面視での波状板１の開口面積は、平面視における波状板１の合計開口面積の約40％を占め、フィルタ導入部 100、 101の合計容積は、山部10及び谷部11の合計容積の約50％を占めている。これにより平板３の利用面積が大きく、PMの捕集効率が高く排気圧損の上昇が抑制されている。

このフィルタ触媒をディーゼルエンジンの排気管に装着し、11 LapモードにおけるPM低減率、運転後期における排気圧損を測定した。PM低減率は、フィルタ触媒を通過した排ガス中のPM量（P₁）を測定し、予めわかっているディーゼルエンジンから排出されるPM総量（P₀）から次式によって算出した。

PM低減率（％）＝ 100×（P₀−P₁）／P₀
排気圧損は、11 Lapモードで1000km走行した時のフィルタ触媒入りガスの圧力とフィルタ触媒出ガスの圧力との差を測定した。結果を表１に示す。

（実施例２）
波状板１に連通孔４を形成しなかったこと以外は実施例１と同様である。本実施例のフィルタ触媒についても、実施例１と同様にしてPM低減率、排気圧損をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

（比較例１）
波状板１に連通孔４を形成しなかったこと、及び平板２に代えて厚さ 0.3mm、気孔率80％の金属製ファイバーマットを用いたこと以外は実施例１と同様である。このフィルタ触媒を用い、実施例１と同様にしてPM低減率、排気圧損をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

（比較例２）
波状板１及び平板２に連通孔４を形成しなかったこと以外は実施例１と同様である。このフィルタ触媒を用い、実施例１と同様にしてPM低減率、排気圧損をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

＜評価＞

実施例２と比較例１との比較より、実施例２のフィルタ触媒は比較例１に比べてPM捕集能に優れ、かつ排気圧損が低い。これは、実施例２では金属薄板よりなる波状板と平板に触媒層を形成したので、ファイバーマットに触媒層を形成した比較例１に比べて触媒層が均一に形成され、Ptも均一に分布された効果である。

また実施例１、２のフィルタ触媒は、比較例１、２に比べてPM捕集能に優れ、かつ排気圧損が低い。これは、連通孔を形成したことによる効果が発現されたためである。

（実施例３）
波状板１に連通孔４を形成しなかったこと、触媒層の形成量を基体１リットルあたり 200ｇとしたこと、触媒層にPtに加えてさらにLi、Ba及びＫを基体１リットルあたりそれぞれ 0.2モル、 0.1モル及び 0.1モル担持したこと以外は実施例１と同様である。

実施例３のフィルタ触媒を 700℃で50時間保持する耐久試験を行い、耐久試験後のフィルタ触媒をディーゼルエンジンの排気系に装着し、エンジン回転数2900 rpm、入りガス温度 300℃、軽油を10秒毎に 0.1秒間噴射して A/Fが14.2になるように制御しながら運転する条件下にてNO_x 浄化率を測定した。結果を表２に示す。

（比較例３）
厚さ 0.3mm、200セル／inch² のコージェライト製 DPFを用意し、それに実施例３と同様の触媒層を形成した。なお実施例３と同等のPM捕集率となるように、外周部の目詰め栓を全栓の20％分除去した。

このフィルタ触媒についても実施例３と同様にしてNO_x 浄化率を測定し、結果を表２に示す。

表２から、実施例３のフィルタ触媒は比較例３に比べて高いNO_x 浄化性能を示し、これは金属薄板からなる波状板及び平板を用いたこと、及び多数のフィルタ導入部をもつ基体を用いたことによる効果である。すなわち実施例３のフィルタ触媒においては、フィルタ導入部に形成された触媒層によって排ガス中のNOがNO₂ に効率よく酸化され、それがNＯ_x 吸蔵材に効率よく吸蔵されたこと、さらには、NO_x 吸蔵材と基体との反応がないのでNO_x 吸蔵材の消失がないこと、これらの相乗効果によってNO_x 浄化率が向上したと考えられる。また基体の機械的強度の低下も防止されている。

（実施例４）
本実施例のフィルタ触媒は、実施例１のフィルタ触媒の排ガス入口側が排ガス出口側になるように反転させ、第２山部の高さを低く、第２谷部の深さを浅くしたものと同様であり、触媒層は図示を省略している。

図９に示す波状板５は、第１山部50と第１谷部51とが交互に連続する山谷部52と、山谷部52の下流側で第１山部50に連続する第２谷部53と、第２谷部53に連続する第２の山谷部52と、第２の山谷部52の下流側で第１谷部51に連続する第２山部54と、第２山部54の下流側で第２の山谷部52の第１山部50に連続する第２の第２谷部53と、がこの順で排ガス流れ方向に平行に交互に形成されている。第２山部54の頂部の高さは第１谷部51の底部の深さより低く、第２谷部53の底部の深さは第１山部50の頂部の高さより浅い。

第２谷部53は、下流側に上方へ傾斜する斜面55を有し、斜面55は次の第１山部50の頂部に滑らかに連続している。また第２谷部53の両側には図の上方へ延びる側壁56が形成されている。また第２山部54は、下流側に下方へ傾斜する斜面57を有し、斜面57は次の第１谷部51の底部に滑らかに連続している。第２山部54の両側には、第２谷部53と同様の図の下方へ延びる側壁56が形成されている。

複数の波状板５は、山谷部52、第２谷部53群、第２山部54群の位相が排ガス流れ方向及び排ガス流れ方向と直角方向でそれぞれ同一となるように積層され、基体の排ガス流れ方向に直角に切断した断面において山谷部52、第２谷部53群、第２山部54群はそれぞれ同一位置となるように配置されている。また第１山部50及び第２山部54はそれぞれ上側の平板２に当接し、第１谷部51及び第２谷部53はそれぞれ下側の平板２に当接している。

このフィルタ触媒によれば、図10〜12に示すように、第１山部50と下側の平板２との間に形成された第１通路60を流れる排ガスは、第２谷部53と上側の平板２との間に形成された第１フィルタ導入部65に大部分が流入する。第１フィルタ導入部65に流入した排ガスは上方に向かって傾斜する斜面55によって下流側端面が絞られ上側の平板２側へ導かれて、平板２にPMが捕集される。捕集されたPMは、触媒層に担持されている触媒金属で酸化浄化される。PM捕集量が増大してきた場合でも、第２谷部53と下側の平板２との間に形成された第１フィルタ迂回部を排ガスは流通できるので、排ガスの流通経路が完全に閉塞されることはない。また、両側の第２通路へ開口を通じて流通することもできる。

同様に、第１谷部51と上側の平板２との間に形成された第２通路62を流れる排ガスは、第２山部54と下側の平板２との間に形成された第２フィルタ導入部66に大部分が流入する。第２フィルタ導入部66に流入した排ガスは、下方に向かって傾斜する斜面57によって下流側端面が絞られ下側の平板２側へ導かれ、平板２にPMが捕集される。捕集されたPMは、触媒層に担持されている触媒金属で酸化浄化される。PM捕集量が増大してきた場合でも、第２山部54と上側の平板２との間に形成された第２フィルタ迂回部を排ガスは流通できるので、排ガスの流通経路が完全に閉塞されることはない。

そして多数のフィルタ導入部が形成されているので、PMは平板２の全体に均一に分散して捕集されることとなり、捕集効率が向上するとともに、PMが捕集されても排気圧損が上昇しにくい。すなわちPM捕集効率の向上と、排気圧損の上昇の抑制とが両立することになる。

さらにフィルタ導入部では排ガスが斜面55、57に衝突し、触媒層７に担持されているPtによってNOが酸化活性の高いNO₂ となり、そのNO₂ を含む排ガスが平板２を通過する。したがって平板２に捕集されているPMの酸化が促進されるとともに、排気圧損がさらに低下する。

このフィルタ触媒では、実施例１のように閉塞されたフィルタ導入部 100、 101が形成されないものの、排ガスが衝突する力によって平板２を通過する方向へ向かうベクトルが発生するので、PMの大部分を平板２で捕集することができる。したがって実施例１などには及ばないものの、PM捕集効率の向上と、排気圧損の上昇の抑制とが両立することになる。

本発明の一実施例のフィルタ触媒の斜視図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大斜視図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒に用いた波状板の要部拡大斜視図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の一実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の第４の実施例のフィルタ触媒用いた波状板の要部拡大斜視図である。本発明の第４の実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の第４の実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。本発明の第４の実施例のフィルタ触媒の要部拡大断面図である。

符号の説明

１：波状板２：平板３：外筒
４：連通孔 65、66：フィルタ導入部 100、 101：フィルタ導入部

Claims

金属薄板よりなり山部と谷部とが排ガス流れ方向と交差する方向に交互に連続する波状板と、表裏を貫通する連通孔を備えた金属板からなる平板と、が交互に積層されてなり、該山部及び該谷部が排ガス流路を構成し、少なくとも該平板がフィルタを構成する排ガス浄化フィルタ触媒であって、
該谷部は谷深さが浅くなることで形成された凸状の中間山部を有し、該山部は山高さが低くなることで形成された凹状の中間谷部を有し、
該波状板の上側に該平板が積層された部位において、
該中間山部と該中間山部に隣接する両側の該山部と該山部に接する該平板とで流路が閉塞され排ガスを該フィルタへ導くフィルタ導入部を構成し、
該中間谷部は隣接する該谷部から排ガスが分岐して流入可能な分岐部とその下流側で該山部に連通する開口とよりなり該フィルタ導入部に隣接する該排ガス流路へ分岐して該フィルタ導入部を迂回するフィルタ迂回部を構成し、
該フィルタ導入部内の圧力が高まった場合に、該谷部を流れる排ガスの少なくとも一部が該フィルタ導入部から該フィルタ導入部の上流側に存在する該フィルタ迂回部を通過して隣接する該山部に流入するように構成され、
該平板には触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む触媒層が形成されてなり、該連通孔は該触媒層によって孔径が 200μｍ以下に縮径又は閉塞されていることを特徴とする排ガス浄化フィルタ触媒。
前記波状板にも表裏を貫通する前記連通孔が形成されている請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ触媒。
前記フィルタ導入部の前記平板を介した反対側には、隣接する前記波状板の前記山部が存在している請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ触媒。
前記中間谷部及び前記中間山部は、前記山部又は前記谷部を変形させることで形成され、それぞれ上流側端部が底部又は頂部に向かって滑らかに連続している請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ触媒。
金属薄板製で第１山部と第１谷部とが交互に連続する山谷部をもつ波状板と平板とが交互に積層されてなり、
該第１山部と該波状板の下側の平板とで形成された第１通路と、
該第１通路に形成され、下流側が上方に傾斜した第２谷部と該波状板の上側の平板からなる第１フィルタ導入部と、
該第２谷部と該波状板の下側の平板からなる第１フィルタ迂回部と、
該第１通路の両側の該第１谷部と該波状板の上側の平板とで形成された第２通路と、
該第２通路に形成され下流側が下方に傾斜した第２山部と該波状板の下側の平板からなる第２フィルタ導入部と、
該第２山部と該波状板の上側の平板からなる第２フィルタ迂回部と、を有し、
該第２谷部の底部の深さは該第１山部の頂部の高さより浅く、該第２山部の頂部の高さは該第１谷部の底部の深さより低く、
該波状板及び該平板の少なくとも該平板には表裏を貫通する連通孔が形成され、少なくとも該平板には触媒金属が担持された多孔質酸化物を含む触媒層が形成されてなり、該連通孔は該触媒層によって孔径が 200μｍ以下に縮径又は閉塞されていることを特徴とする排ガス浄化フィルタ触媒。
前記第１フィルタ導入部から前記第２通路へ排ガスが流通可能な開口、又は、前記第２フィルタ導入部から前記第１通路へ排ガスが流通可能な開口の少なくとも一方をさらに有する請求項５に記載の排ガス浄化フィルタ触媒。