JP6233215B2

JP6233215B2 - パティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法

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Publication number: JP6233215B2
Application number: JP2014139775A
Authority: JP
Inventors: 寛大月; 寛真西岡; 伊藤　和浩; 和浩伊藤; 大地今井; 佳久塚本; 康正野竹
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-07-07
Also published as: EP3166711A1; CN106573198B; CN106573198A; US20170157602A1; EP3166711B1; WO2016006146A1; US10071369B2; JP2016016350A

Description

本発明はパティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法に関する。

排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したウォールフロー型パティキュレートフィルタが知られている。このウォールフロー型パティキュレートフィルタは、多孔性の隔壁を介して交互に配置された複数の排気流通路を備えており、排気流通路は、上流端が開放端で下流端が閉塞端である排気ガス流入通路と、上流端が閉塞端で下流端が開放端である排気ガス流出通路とから構成されている。ウォールフロー型パティキュレートフィルタは更に、隔壁の表面上又は細孔内に触媒を担持している。

また、触媒を含むスラリを用意し、次いで排気ガス流入通路の開放端をこのスラリ中に浸漬し、次いで排気ガス流出通路の開放端からスラリを吸引し、それによりスラリを隔壁の細孔内に適用し、次いでパティキュレートフィルタを乾燥し焼成する、ウォールフロー型パティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法が公知である（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−１６０５４７号公報

しかしながら、特許文献１のようにスラリを吸引することによりスラリを隔壁の細孔内に適用すると、スラリが隔壁全体に適用されることになる。その結果、触媒が隔壁全体に担持されてしまう。すなわち、特許文献１では、隔壁の一部分にのみ触媒を担持させることができない。言い換えると、隔壁上における触媒の配置の自由度が低いという問題点がある。

本発明によれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法であって、前記パティキュレートフィルタは、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路と、これら排気流通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備えており、前記排気流通路は、長手方向一端が開放端で長手方向他端が閉塞端である第１の排気流通路と、長手方向一端が閉塞端で長手方向他端が開放端である第２の排気流通路とから構成されており、前記方法は、前記触媒の成分を含むゲルを用意し、次いで前記ゲルを前記隔壁に適用し、次いで前記パティキュレートフィルタを乾燥させ、それにより前記隔壁の表面上又は細孔内に前記触媒を担持させるようにした、パティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法が提供される。

隔壁における触媒の配置の自由度を高めることができる。

パティキュレートフィルタの正面図である。パティキュレートフィルタの側面断面図である。パティキュレートフィルタの第１実施例の概略図である。第１実施例の触媒担持方法を説明する概略図である。パティキュレートフィルタの第２実施例の概略図である。第２実施例の触媒担持方法を説明する概略図である。パティキュレートフィルタの第３実施例の概略図である。第３実施例の触媒担持方法を説明する概略図である。別の実施例の触媒担持方法を説明する概略図である。パティキュレートフィルタの部分拡大概略図である。

図１及び図２はウォールフロー型パティキュレートフィルタ１の構造を示している。なお、図１はパティキュレートフィルタ１の正面図を示しており、図２はパティキュレートフィルタ１の側面断面図を示している。図１及び図２に示されるようにパティキュレートフィルタ１はハニカム構造をなしており、パティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路２ａ，２ｂと、これら排気流通路２ａ，２ｂを互いに隔てる多孔性の隔壁３とを具備する。図１及び図２に示される実施例では、排気流通路２ａ，２ｂは第１の排気流通路２ａと第２の排気流通路２ｂとから構成される。第１の排気流通路２ａの長手方向Ｌ一端は開放端２ａｏであり、長手方向Ｌ他端は栓４ｄにより閉塞され、したがって閉塞端２ａｃである。一方、第２の排気流通路２ｂの長手方向Ｌ一端は栓４ｕにより閉塞され、したがって閉塞端２ｂｃであり、長手方向Ｌ他端は開放端２ｂｏである。なお、図１においてハッチングを付した部分は栓４ｕを示している。したがって、第１の排気流通路２ａ及び第２の排気流通路２ｂは薄肉の隔壁３を介して交互に配置される。云い換えると第１の排気流通路２ａ及び第２の排気流通路２ｂは各第１の排気流通路２ａが４つの第２の排気流通路２ｂによって包囲され、各第２の排気流通路２ｂが４つの第１の排気流通路２ａによって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ１は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適している。この場合、第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏ及び第２の排気流通路２ｂの閉塞端２ｂｃが排気流れ上流に位置し、第１の排気流通路２ａの閉塞端２ａｃ及び第２の排気流通路２ｂの開放端２ｂｏが排気流れ下流に位置するように、パティキュレートフィルタ１が排気通路内に配置される。その結果、図２に矢印で示されるように、排気ガスはまず第１の排気流通路２ａ内に流入し、次いで周囲の隔壁３内を通って隣接する排気流通路２ｂ内に流出する。

隔壁３は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。

隔壁３の細孔径は、排気ガス中の主として固体炭素からなる粒子状物質を補修可能である限り、種々の値に設定される。一実施例では、隔壁３の細孔径は２０μｍ以下、好ましくは１０から２０μｍ程度に設定される。このようにすると、粒子状物質がパティキュレートフィルタ１により確実に捕集される。他の実施例では、隔壁３の細孔径は４０μｍ以上、好ましくは４０から７５μｍ程度に設定される。このようにすると、排気ガス中に含まれるアッシュのほとんどが隔壁３を通過できることが本願発明者らにより確認されている。なお、アッシュは排気ガス中に含まれる不燃性成分であって、主として硫酸カルシウムＣａＳＯ_４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ_１９Ｚｎ_２（ＰＯ_４）_１４のようなカルシウム塩から形成される。更に他の実施例では、隔壁３の一部、例えば上流側部分の細孔径が２０μｍ以下、好ましくは１０から２０μｍ程度に設定され、隔壁３の残りの部分、例えば下流側部分の細孔径が４０μｍ以上、好ましくは４０から７５μｍ程度に設定される。なお、本発明による実施例では、細孔径（平均径）は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味する。

更に、隔壁３の表面上又は隔壁３の細孔内には触媒が担持される。触媒は酸化機能を有する触媒、ＮＯｘ還元機能を有する触媒、などから形成される。

図３はパティキュレートフィルタ１の第１実施例を概略的に示している。第１実施例では、触媒５は、第１の排気流通路２ａに面する隔壁３の表面３ａ上に担持され、第２の排気流通路２ｂに面する隔壁３の表面３ｂ上には担持されていない。特に、触媒５は、隔壁表面３ａのうち下流側領域ＤＡ内に位置する部分上に担持され、上流側領域ＵＡ内に位置する部分上には担持されていない。なお、第１実施例では、隔壁３の細孔内にも触媒５が担持されている。触媒５は、多孔性の担体と、この担体に担持された少なくとも一種類の触媒成分とを備える。一実施例では、担体は例えばアルミナＡｌ_２Ｏ_３からなり、触媒成分は例えば白金粒子からなる。

第１実施例ではパティキュレートフィルタ１は次のようにして製造される。すなわち、まず、触媒成分と、担体材料と、バインダと、水とを含むスラリが用意される。ここで、担体材料は最終的に上述の担体を形成するものである。次いで、このスラリにゲル化剤が加えられ、それにより触媒成分を含むゲルＧが用意される。

また、このゲルＧとは別のゲルＧＡが用意される。第１実施例では、別のゲルＧＡには上述の触媒成分、担体材料、及びバインダは含まれていない。

一方、図４（Ａ）に示されるように、両端が開放している円筒体Ｃ内にパティキュレートフィルタ１が隙間なく収容される。次いで、円筒体Ｃ内における第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏに対面する位置に、上述のゲルＧ及び別のゲルＧＡが配置される。この場合、第１実施例では、ゲルＧ及び別のゲルＧＡはパティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに層状に配置される。具体的には、パティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに関し、パティキュレートフィルタ１の近い側にゲルＧが配置され、パティキュレートフィルタ１から遠い側に別のゲルＧＡが配置される。

次いで、図４（Ｂ）に示されるように、円筒体Ｃ内を隙間なく移動可能な押し込み具Ｐにより、ゲルＧ及び別のゲルＧＡが、第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏを介して第１の排気流通路２ａ内に押し込まれ、第１の排気流通路２ａ内全体に充填される。第１の実施例ではこのようにしてゲルＧ及び別のゲルＧＡが隔壁３に適用される。

次いで、パティキュレートフィルタ１が円筒体Ｃから取り出され、減圧されつつ加熱されることにより乾燥される。この場合、ゲルＧ及び別のゲルＧＡに含まれる水分は図４（Ｃ）に矢印で示されるように、隔壁３を通って第２の排気流通路２ｂに到り、パティキュレートフィルタ１から除去される。この水分の移動に伴い、ゲルＧは隔壁３の表面上又は細孔内に移動する。次いで、焼結が行なわれる。その結果、触媒５が隔壁３の表面上又は細孔内に担持される。なお、パティキュレートフィルタ１を乾燥する際に、第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏ側のパティキュレートフィルタ１の端面を閉塞しておくと、第１の排気流通路２ａから隔壁３を通って第２の排気流通路２ｂに到る水分の流れが促進される。

図示しない別の実施例では、パティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに関し、パティキュレートフィルタ１の近い側に別のゲルＧＡが配置され、パティキュレートフィルタ１から遠い側にゲルＧが配置される。この場合、触媒５は、隔壁表面３ａのうち下流側領域ＤＡ内に位置する部分上には担持されることなく、上流側領域ＵＡ内に位置する部分上に担持されることになる。

また、図示しない更に別の実施例では、第２の排気流通路２ｂの開放端２ｂｏに対面する位置にゲルＧが配置され、第２の排気流通路２ｂ内に押し込まれる。この場合には、触媒５は第２の排気流通路２ｂに面する隔壁３の表面３ｂ上に担持されることになる。

このように、排気流通路２ａ，２ｂに押し込む前のゲルＧの配置を変更するだけで、隔壁３における触媒５の配置を容易に変更することができる。したがって、隔壁３における触媒５の配置の自由度が高められる。

また、触媒５が担持されている下流側領域ＤＡの長さ及び触媒５が担持されていない上流領域ＵＡの長さは、排気流通路２ａに押し込まれるゲルＡの量及び別のゲルＧＡの量に応じて定まる。逆の見方をすると、ゲルＡの量及び別のゲルＧＡの量を制御することにより、下流側領域ＤＡの長さ及び上流領域ＵＡの長さが制御される。

ところで、パティキュレートフィルタをスラリに浸漬し次いで余剰のスラリを吸引する公知技術では、触媒の形成のために必要な量の触媒成分、担体材料及びバインダよりも多い量の触媒成分等を用意する必要がある。これに対し、第１実施例では、ゲルＧ及び別のゲルＧＡが隔壁３に適用された後に、吸引作用が行われない。その結果、ゲルＧに含まれる触媒成分、担体材料及びバインダのすべてが触媒５の形成のために利用される。したがって、触媒成分等を有効に利用することができる。この点、触媒５の形成のために必要な量の触媒成分、担体材料及びバインダをゲルＧ内に含ませればよく、余剰の触媒成分等を除去する必要がない、という見方もできる。なお、上述したように、第１実施例では、隔壁３にゲルＧを適用した後に、パティキュレートフィルタ１が減圧されつつ加熱される。この場合の減圧は乾燥を促進するためのものであって、余剰のスラリを除去することはできず、公知技術の吸引作用とは性質を異にする。

図５はパティキュレートフィルタ１の第２実施例を概略的に示している。第２実施例では、第１の排気流通路２ａに面する隔壁表面３ａのうち下流側領域ＤＡ内に位置する部分上に触媒５が担持され、隔壁表面３ａのうち上流側領域ＵＡ内に位置する部分上には別の触媒５ａが担持されている。なお、第２実施例では、第２の排気流通路２ｂに面する隔壁３の表面３ｂ上には触媒５及び別の触媒５ａは担持されていない。別の触媒５ａの触媒成分は、触媒５の触媒成分と異なっている。あるいは、別の触媒５ａの触媒成分は触媒５の触媒成分と同じであるが、隔壁単位体積あたり量が異なっている。

第２実施例における触媒担持方法は、第１実施例における触媒担持方法と次の点で相違している。すなわち、別の触媒５ａの触媒成分と、担体材料と、バインダと、水とを含むスラリが用意され、このスラリがゲル化され、それにより別の触媒成分を含む別のゲルＧＡが用意される。次いで、図６（Ａ）に示されるように、円筒体Ｃ内における第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏに対面する位置に、上述のゲルＧ及び別のゲルＧＡが配置される。この場合、パティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに関し、パティキュレートフィルタ１の近い側にゲルＧが配置され、パティキュレートフィルタ１から遠い側に別のゲルＧＡが配置される。次いで、図６（Ｂ）に示されるように、押し込み具Ｐにより、ゲルＧ及び別のゲルＧＡが第１の排気流通路２ａ内に押し込まれ、第１の排気流通路２ａ内全体に充填される。次いで、パティキュレートフィルタ１が円筒体Ｃから取り出された後に、減圧されつつ加熱されることにより乾燥され、次いで焼結が行なわれる。

なお、ゲルＧに着目すると、ゲルＧは触媒５の成分を含み、別の触媒５ａの成分を含んでいない。一方、別のゲルＧＡに着目すると、別のゲルＧＡは別の触媒５ａの成分を含み、触媒５の成分を含んでいない。

図７はパティキュレートフィルタ１の第３実施例を概略的に示している。第３実施例では、第１の排気流通路２ａに面する隔壁表面３ａのうち、パティキュレートフィルタ１の半径方向周辺領域ＰＡ内に位置する隔壁表面３ａ上に触媒５が担持され、パティキュレートフィルタ１の半径方向中心領域ＣＡ内に位置する隔壁表面３ａ上に別の触媒５ａが担持される。なお、第３実施例では、第２の排気流通路２ｂに面する隔壁３の表面３ｂ上には触媒５及び別の触媒５ａは担持されていない。

第３実施例における触媒担持方法は、第２実施例における触媒担持方法と次の点で相違している。すなわち、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示されるように、円筒体Ｃ内における第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏに対面する位置に、上述のゲルＧ及び別のゲルＧＡが配置される。この場合、ゲルＧ及び別のゲルＧＡはパティキュレートフィルタ１の半径方向に層状に配置される。具体的には、パティキュレートフィルタ１の周辺部にゲルＧが配置され、パティキュレートフィルタ１の中心部に別のゲルＧＡが配置される。次いで、図８（Ｃ）に示されるように、押し込み具Ｐにより、ゲルＧ及び別のゲルＧＡが第１の排気流通路２ａ内に押し込まれ、第１の排気流通路２ａ内全体に充填される。次いで、パティキュレートフィルタ１が円筒体Ｃから取り出された後に、減圧されつつ加熱されることにより乾燥され、次いで焼結が行なわれる。なお、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の線Ｘ−Ｘに沿ってみた断面図である。

図示しない別の実施例では、パティキュレートフィルタ１の中心部にゲルＧが配置され、パティキュレートフィルタ１の周辺部に別のゲルＧＡが配置される。その結果、中心領域ＣＡ内に位置する隔壁表面３ａ上に触媒５が担持され、周辺領域ＰＡ内に位置する隔壁表面３ａ上に別の触媒５ａが担持される。図示しない更に別の実施例では、別のゲルＧＡに触媒成分が一切含まれていない。

また、図示しない更に別の実施例では、第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏに対面する位置に配置されたゲルＧと別のゲルＧＡとを互いに分離する仕切り板が設けられる。このようにすると、ゲルＧと別のゲルＧＡが互いに混合するのが抑制される。なお、この例では、ゲルＧのための押し込み具と別のゲルＧＡのための押し込み具とが別個に設けられる。

図９に示される実施例では、円筒体Ｃ内における第１の排気流通路２ａの開放端２ａｏに対面する位置において、ゲルＧ及び別のゲルＧＡがパティキュレートフィルタ１の長手方向Ｌに層状に配置されると共に、パティキュレートフィルタ１の半径方向にも層状に配置される。このように、触媒５及び触媒５ａを隔壁３の任意の位置に担持させることができる。

図１０（Ａ）は、隔壁３の細孔径が比較的大きい場合、例えば４０μｍ以上の場合のパティキュレートフィルタ１を模式的に表している。細孔径が大きいと、互いに隣接する細孔ＭＰ同士が互いに連結され、径の大きな細孔、すなわち粗大細孔ＣＭＰが形成される場合がある。粗大細孔ＣＭＰの径は、細孔ＭＰの径に応じて変動しうるが、例えば１００μｍである。ところが、隔壁３に粗大細孔ＣＭＰが存在すると、この粗大細孔ＣＭＰを介して粒子状物質が隔壁３を通過するおそれがあり、すなわち粒子状物質をパティキュレートフィルタ１により捕集できないおそれがある。一方、触媒５は多孔性ないし通気性を有している。そうすると、触媒５が粗大細孔ＣＭＰ内に少なくとも部分的に形成されれば、パティキュレートフィルタ１の圧力損失を過度に高めることなく、粒子状物質がパティキュレートフィルタ１を通過するのを抑制することができる。

この点、これまで述べてきた本発明による各実施例の触媒担持方法では、隔壁３にゲルＧが適用されると、図１０（Ｂ）に示されるように、細孔ＭＰ内及び粗大細孔ＣＭＰ内にゲルＧが充填される。言い換えると、細孔ＭＰ内及び粗大細孔ＣＭＰがゲルＧにより塞がれる。次いで、吸引作用が行われることなく、触媒５が形成される。その結果、触媒５が細孔ＭＰ内及び粗大細孔ＣＭＰに確実に形成される。これに対し、パティキュレートフィルタにスラリを適用した後に吸引する公知技術では、粗大細孔ＣＭＰ内に保持されていたスラリが吸引作用によって粗大細孔ＣＭＰから除去されるおそれがある。このため、粗大細孔ＣＭＰ内に触媒５を形成するのは困難である。

これまで述べてきた本発明による各実施例では、ゲルＧ及び別のゲルＧＡ、すなわち２種類のゲルが隔壁３に適用される。図示しない別の実施例では、１種類又は少なくとも３種類のゲルが隔壁３に適用される。

また、これまで述べてきた本発明による各実施例では、ゲルＧ及び別のゲルＧＡが一度の押し込み作用でもって隔壁３に適用される。図示しない別の実施例では、ゲルＧと別のＧＡとが互いに別個の押しこみ作用でもって隔壁３に適用される。

１パティキュレートフィルタ
２ａ，２ｂ排気流通路
３隔壁
５触媒
Ｇゲル
ＧＡ別のゲル

Claims

排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法であって、前記パティキュレートフィルタは、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路と、これら排気流通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備えており、前記排気流通路は、長手方向一端が開放端で長手方向他端が閉塞端である第１の排気流通路と、長手方向一端が閉塞端で長手方向他端が開放端である第２の排気流通路とから構成されており、前記方法は、
前記触媒の成分を含むゲルを用意し、
次いで前記排気流通路の開放端に対面する位置に前記ゲルを配置し、次いで押し込み具により前記ゲルを、前記開放端を介し前記排気流通路内に押し込んで充填し、それにより前記ゲルを前記隔壁に適用し、
次いで前記パティキュレートフィルタを乾燥させ、それにより前記隔壁の表面上又は細孔内に前記触媒を担持させるようにした、
方法。
排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するために内燃機関の排気通路内に配置されるのに適したパティキュレートフィルタに触媒を担持させる方法であって、前記パティキュレートフィルタは、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路と、これら排気流通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備えており、前記排気流通路は、長手方向一端が開放端で長手方向他端が閉塞端である第１の排気流通路と、長手方向一端が閉塞端で長手方向他端が開放端である第２の排気流通路とから構成されており、前記方法は、
前記触媒の成分を含むゲルを用意し、前記ゲルとは異なる別のゲルを用意し、
次いで前記排気流通路の開放端に対面する位置に前記ゲル及び前記別のゲルを配置し、次いで押し込み具により前記ゲル及び前記別のゲルを、前記開放端を介し前記排気流通路内に押し込んで充填し、それにより前記ゲル及び前記別のゲルを前記隔壁に適用し、
次いで前記パティキュレートフィルタを乾燥させ、それにより前記隔壁の表面上又は細孔内に前記触媒を担持させるようにした、
方法。
前記隔壁の細孔径が４０μｍ以上である、請求項１又は２に記載の方法。
前記隔壁の細孔径が４０μｍから７５μｍである、請求項３に記載の方法。
前記排気流通路の開放端に対面する位置において、前記ゲル及び前記別のゲルを前記パティキュレートフィルタの長手方向に層状に配置する、請求項２に記載の方法。
前記パティキュレートフィルタの長手方向に関し、前記パティキュレートフィルタの近い側に前記ゲルを配置し、前記パティキュレートフィルタから遠い側に前記別のゲルを配置した、請求項５に記載の方法。
前記排気流通路の開放端に対面する位置において、前記ゲル及び前記別のゲルを前記パティキュレートフィルタの半径方向に層状に配置する、請求項２，５，６のいずれか一項に記載の方法。
前記別のゲルが前記触媒とは異なる別の触媒の成分を含んでいる、請求項２，５，６，７のいずれか一項に記載の方法。
前記別のゲルが前記触媒の成分を含んでいない、請求項２，５，６，７，８のいずれか一項に記載の方法。
前記触媒の成分を含むスラリを用意し、前記スラリをゲル化し、それにより前記ゲルを用意する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
前記スラリが前記触媒の成分に加えて、バインダ及び担体を含んでいる、請求項１０に記載の方法。