特開 2023-61613 パティキュレートフィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023061613

(43)【公開日】2023-05-02

(54)【発明の名称】パティキュレートフィルタ

(51)【国際特許分類】

   B01J 35/04 20060101AFI20230425BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20230425BHJP

   F01N 3/022 20060101ALI20230425BHJP

   F01N 3/035 20060101ALI20230425BHJP

   B01D 46/00 20220101ALN20230425BHJP

【ＦＩ】

B01J35/04 301E

B01D53/94 222

B01D53/94 245

B01D53/94 280

F01N3/022 C

F01N3/035 A

B01D46/00 302

B01D46/00 ZAB

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021171637

(22)【出願日】2021-10-20

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-04-07

(71)【出願人】

【識別番号】000104607

【氏名又は名称】株式会社キャタラー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100117606

【弁理士】

【氏名又は名称】安部 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100130605

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 浩治

(72)【発明者】

【氏名】高▲崎▼ 孝平

(72)【発明者】

【氏名】村脇 啓介

(72)【発明者】

【氏名】池部 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】森島 毅

(72)【発明者】

【氏名】太田 貴也

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 幸司

(72)【発明者】

【氏名】平林 武史

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 あけみ

【テーマコード（参考）】

3G190

4D058

4D148

4G169

【Ｆターム（参考）】

3G190BA17

3G190BA26

3G190BA43

3G190CA03

3G190CA13

3G190CB13

3G190CB24

4D058JA37

4D058JA38

4D058JB03

4D058JB39

4D058SA08

4D058TA06

4D148AA07

4D148AA13

4D148AA18

4D148AB01

4D148AB02

4D148AB09

4D148BA03X

4D148BA06Y

4D148BA07Y

4D148BA08X

4D148BA14Y

4D148BA15Y

4D148BA18Y

4D148BA19X

4D148BA24Y

4D148BA30Y

4D148BA31Y

4D148BA32Y

4D148BA33Y

4D148BA41X

4D148BA42X

4D148BB02

4D148BB14

4D148BB17

4D148CC32

4D148CC46

4D148CD05

4D148DA02

4D148DA03

4D148DA06

4D148DA08

4D148DA11

4D148EA04

4G169AA01

4G169AA03

4G169AA11

4G169BA01B

4G169BA05A

4G169BA05B

4G169BA13B

4G169BB06A

4G169BB06B

4G169BC43A

4G169BC43B

4G169CA03

4G169CA07

4G169CA08

4G169CA13

4G169CA14

4G169CA15

4G169CA18

4G169DA06

4G169EA01Y

4G169EA08

4G169EA19

4G169EA27

4G169EB12Y

4G169EB15Y

4G169EB17Y

4G169EB18Y

4G169EE06

4G169FA03

4G169FC08

(57)【要約】

【課題】コート層形成による圧力損失の増大を低減するウォールフロー型のパティキュレートフィルタを提供する。
【解決手段】ここで開示されるパティキュレートフィルタ１は、ウォールフロー型の基材１０と、基材１０に形成されたコート層２０とを備えている。基材１０は、排ガス流入側の端部のみが開口した入側セル１２と、排ガス流出側の端部のみが開口した出側セル１４と、入側セル１２と出側セル１４とを仕切り、入側セル１２と出側セル１４とを連通する複数の細孔１８が形成されている隔壁１６とを備えている。コート層２０は、細孔１８の壁面１８ａに設けられており、第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４とを含む。第１の無機酸化物２２の平均粒径は、第２の無機酸化物２４の平均粒径よりも大きく、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４との重量比率の合計１００％のうち、第２の無機酸化物２４の重量比率が１０％以上５０％以下である。
【選択図】図４Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するために用いられるパティキュレートフィルタであって、
ウォールフロー型の基材と、
前記基材に形成されたコート層と
を備えており、
前記基材は、
排ガス流入側の端部のみが開口した入側セルと、
排ガス流出側の端部のみが開口した出側セルと、
前記入側セルと前記出側セルとを仕切り、当該入側セルと当該出側セルとを連通する複数の細孔が形成されている隔壁と
を備え、
前記コート層は、前記細孔の壁面に設けられており、
前記コート層は、第１の無機酸化物と、第２の無機酸化物とを含み、
前記第１の無機酸化物の平均粒径は、前記第２の無機酸化物の平均粒径よりも大きく、
前記第１の無機酸化物と前記第２の無機酸化物との重量比率の合計を１００％としたとき、前記第２の無機酸化物の重量比率が１０％以上５０％以下である、
パティキュレートフィルタ。

【請求項2】

前記第１の無機酸化物が、セリア－ジルコニア複合酸化物であり、前記第２の無機酸化物が、アルミナである、請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。

【請求項3】

前記第２の無機酸化物の前記重量比率が２０％以上３０％以下である、請求項２に記載のパティキュレートフィルタ。

【請求項4】

さらに、前記コート層が、前記排ガス中の少なくとも一種の排ガス成分を酸化若しくは還元し得る触媒として機能する触媒金属を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のパティキュレートフィルタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パティキュレートフィルタに関する。詳しくは、車両の内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集するために用いられるパティキュレートフィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

車両エンジン等の内燃機関から排出される排ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）等の有毒な排ガス成分や、粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）等が含まれている。このため、内燃機関の排気系には、ＰＭを捕集可能なパティキュレートフィルタが配置されている。特に、近年では、パティキュレートフィルタに、ＰＭ排出抑制機能に加え、排ガス成分を浄化する機能を付与するために、例えば、パティキュレートフィルタに排ガス成分を酸化若しくは還元可能な触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒金属）を含むコート層を設けることが提案されている。

【0003】

このようなパティキュレートフィルタは、例えば、ウォールフロー型の基材と、当該基材に形成された触媒コート層とを備えている。ウォールフロー型の基材は、排ガス流入側の端部のみが開口した入側セルと、排ガス流出側の端部のみが開口した出側セルと、両セルを仕切る多孔質の隔壁とを備えている。また、当該基材の隔壁の表面及び／又は内部には、触媒コート層が形成されている。かかる構造のパティキュレートフィルタに供給された排ガスは、入側セルに流入して隔壁を通過した後に出側セルから排出される。このとき、多孔質の隔壁にＰＭが捕集されると共に、当該隔壁に形成された触媒コート層によって排ガス成分が浄化される。例えば、特許文献１には、このような構成の一例が開示されている。

【0004】

また、例えば、特許文献２には、基材と、該基材上にウォッシュコートとを含む排ガス浄化のための触媒物品が開示されている。このウォッシュコートには、触媒成分と、平均粒径が約１０ｎｍ～約１０００ｎｍの機能性結合剤とが含まれており、上記触媒成分の平均粒径を上記機能性結合剤の１０倍超とすることで、多孔質で事実上のクラックを有さないウォッシュコートが実現される、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１６／０６００４９号

【特許文献2】特表２０１８－５０３５１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、パティキュレートフィルタに触媒コート層を形成することで、排ガス浄化機能を付与することができるが、その代わりに、触媒コート層によって排ガスの流路が狭くなるため、圧力損失（以下「圧損」ともいう）が増大してしまう。そのため、触媒コート層を形成した場合であっても、圧力損失を低減させる技術が望まれる。

【0007】

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コート層形成による圧力損失の増大を低減し得るウォールフロー型のパティキュレートフィルタを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は、ウォールフロー型の基材の隔壁の細孔における排ガスの流路を広くするために、該細孔の壁面に形成されるコート層の空間率に注目した。ここで、「コート層の空間率」とは、コート層の所定の体積あたりに占める空隙の占有率のことをいい、空間率が低いほどコート層に含まれる構成要素（例えば、種々の無機酸化物）が密に配置されていることを示す。本発明者は、コート層の空間率を下げることで、排ガスが細孔を通過する流路をより広くできると考え、鋭意検討を行った。その結果、平均粒径の異なる無機酸化物を混合し、これらの重量比率を所定の範囲とすることで、コート層形成による圧力損失の増大を低減できることが見出された。

【0009】

即ち、ここで開示されるパティキュレートフィルタは、内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するために用いられるパティキュレートフィルタであって、ウォールフロー型の基材と、上記基材に形成されたコート層とを備えている。上記基材は、排ガス流入側の端部のみが開口した入側セルと、排ガス流出側の端部のみが開口した出側セルと、上記入側セルと上記出側セルとを仕切り、当該入側セルと当該出側セルとを連通する複数の細孔が形成されている隔壁とを備えている。上記コート層は、上記細孔の壁面に設けられており、第１の無機酸化物と、第２の無機酸化物とを含む。上記第１の無機酸化物の平均粒径は、上記第２の無機酸化物の平均粒径よりも大きく、上記第１の無機酸化物と上記第２の無機酸化物との重量比率の合計を１００％としたとき、上記第２の無機酸化物の重量比率が１０％以上５０％以下である。
かかる構成によれば、コート層の空間率を低下させることができ、排ガスの流路を広くすることができるため、圧力損失の増大を低減することができる。

【0010】

また、ここで開示されるパティキュレートフィルタの好ましい一態様では、上記第１の無機酸化物が、セリア－ジルコニア複合酸化物であり、上記第２の無機酸化物が、アルミナである。かかる構成によれば、コート層の空間率がより好適に低下し、圧力損失の増大をより低減することができる。
さらに好ましい一態様では、上記第２の無機酸化物の上記重量比率が２０％以上３０％以下である。かかる構成によれば、圧力損失の増大をより一層低減することができる。

【0011】

また、ここで開示されるパティキュレートフィルタの好ましい一態様では、さらに、上記コート層が、上記排ガス中の少なくとも一種の排ガス成分を酸化若しくは還元し得る触媒として機能する触媒金属を含む。かかる構成によれば、コート層に排ガス浄化機能が付与され、ＰＭの捕集だけでなく排ガス成分の浄化にも寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態に係るパティキュレートフィルタが配置される排気系の一例の模式図を示す。

【図2】一実施形態に係るパティキュレートフィルタを模式的に示す斜視図である。

【図3】一実施形態に係るパティキュレートフィルタの筒軸方向に沿った断面を模式的に示す図である。

【図4A】一実施形態に係るパティキュレートフィルタの基材の隔壁の断面を模式的に示す拡大図である。

【図4B】従来のパティキュレートフィルタの基材の隔壁の断面の一例を模式的に示す拡大図である。

【図5】小粒径重量比率と圧損比との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を適宜参照しつつ、ここで開示されるパティキュレートフィルタの実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本技術の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本技術は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術知識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において数値範囲に関してＡ～Ｂと記載されている場合、Ａ以上Ｂ以下を意味し、Ａより大きくＢより小さい範囲を包含する。

【0014】

＜内燃機関の排気系＞
まず、ここで開示されるパティキュレートフィルタを好適に使用できる排気系について説明する。図１は、パティキュレートフィルタが配置される排気系の一例の模式図を示す。図１では、内燃機関（エンジン）２の排気系（排気管４）には、排ガス浄化用触媒５と、パティキュレートフィルタ１とが配置されている。

【0015】

内燃機関２には、酸素と燃料ガスを含む混合気が供給される。内燃機関２は、この混合気を燃焼させて力学的エネルギーを発生させる。内燃機関２は、例えば、ガソリンエンジンを主体として構成される。また、内燃機関２は、ガソリンエンジン以外のエンジン（例えばディーゼルエンジン等）であり得る。

【0016】

内燃機関２で混合気の燃焼によって生じた排ガスは、図１中の矢印で示すように、エキゾーストマニホールド３と排気管４とで構成された排気系に排出される。なお、本明細書では、説明の便宜上、排ガスの流通方向における内燃機関２に近い側を上流といい、内燃機関２から遠い側を下流という。

【0017】

排気管４には、排ガスの成分や温度に関する情報等を検知するセンサ８が取り付けられている。このセンサ８は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７と接続されている。そして、センサ８が検知した情報は、ＥＣＵ７に送信され、内燃機関２の運転制御を補正する情報の一つとして利用される。

【0018】

排気管４に排出されたガスは、排ガス浄化用触媒５とパティキュレートフィルタ１を通過し、排気系の外部へと排出される。排ガス浄化用触媒５は、排ガス中の有毒な排ガス成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を酸化若しくは還元可能な触媒金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）を含むため、排ガス中の排ガス成分を浄化することができる。また、パティキュレートフィルタ１を通過することで、ＰＭが捕集される。さらに、パティキュレートフィルタ１が触媒金属を含む場合には、パティキュレートフィルタ１を通過することにより、排ガス成分を浄化することができる。

【0019】

なお、図１では、パティキュレートフィルタ１の上流に排ガス浄化用触媒５が配置されているが、パティキュレートフィルタ１の下流に排ガス浄化用触媒５が配置されていてもよい。また、図１では、排気系に触媒として排ガス浄化用触媒５の１種が配置されているが、触媒が２種以上配置されていてもよい。例えば、排ガス浄化用触媒５の下流側にアンダーフロア触媒等が配置されてもよい。この場合であっても、パティキュレートフィルタ１の配置場所は、特に限定されず、例えば、アンダーフロア触媒の上流側または下流側に配置することができる。

【0020】

＜パティキュレートフィルタ＞
以下、パティキュレートフィルタ１の一実施形態について詳細に説明する。図２は、一実施形態に係るパティキュレートフィルタを模式的に示す斜視図である。図３は、一実施形態に係るパティキュレートフィルタの筒軸方向に沿った断面を模式的に示す図である。図４Ａは、一実施形態に係るパティキュレートフィルタの基材の隔壁の断面を模式的に示す拡大図である。なお、本明細書にて参照する各図における符号Ａは「排ガスの流通方向」を示す。また、符号Ｘは「隔壁の延伸方向」を示し、符号Ｙは「基材の隔壁の厚み方向」を示す。

【0021】

図２および３に示すように、パティキュレートフィルタ１は、基材１０と、コート層２０とを備えている。以下、各々について説明する。

【0022】

１．基材
基材１０は、パティキュレートフィルタの骨組みを構成する。図２に示すように、本実施形態では、排ガスの流通方向Ａに沿って伸びる円筒形の基材１０が用いられている。なお、基材の外形は、円筒形に限定されず、楕円筒形、多角筒形などであってもよい。また、基材１０の全長や容量も、特に限定されず、内燃機関２（図１参照）の性能や排気管４の寸法等に応じて適宜変更することができる。また、基材１０には、パティキュレートフィルタの基材に使用され得る従来公知の素材を特に制限なく使用できる。かかる基材１０の素材の一例として、コージェライト、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、チタン酸アルミニウムなどのセラミックや、ステンレス鋼などの合金に代表されるような高耐熱性素材が挙げられる。例えば、コージェライトは、熱衝撃に対する耐久性に優れているため、高温の排ガスが供給されやすいガソリンエンジン用のパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）の基材の素材として特に好適に使用できる。

【0023】

本実施形態における基材１０は、ウォールフロー型の基材である。具体的には、図２お
よび３に示すように、基材１０は、排ガス流入側の端部のみが開口した入側セル１２と、排ガス流出側の端部のみが開口した出側セル１４と、入側セル１２と出側セル１４とを仕切る多孔質な隔壁１６とを備えている。具体的には、入側セル１２は、排ガス流入側の端部が開口し、かつ、排ガス流出側の端部が封止部１２ａで塞がれたガス流路である。一方、出側セル１４は、排ガス流入側の端部が封止部１４ａで塞がれ、かつ、排ガス流出側の端部が開口したガス流路である。また、隔壁１６は、排ガスが通過可能な細孔が複数形成された仕切り材である。この隔壁１６は、入側セル１２と出側セル１４とを連通させる細孔１８（図４Ａ参照）を複数有している。なお、本実施形態に係るパティキュレートフィルタ１では、隔壁１６の延伸方向Ｘに垂直な断面における入側セル１２（出側セル１４）の形状が正方形である（図２参照）。しかし、延伸方向に垂直な断面における当該入側セル（出側セル）の形状は、正方形に限定されず、種々の形状を採用できる。例えば、平行四辺形、長方形、台形などの矩形状、三角形状、その他の多角形状（例えば、六角形、八角形）、円形など種々の幾何学形状であってもよい。

【0024】

基材１０の隔壁１６は、ＰＭ捕集性能や圧損抑制性能などを考慮して形成されていることが好ましい。例えば、隔壁１６の厚みは、１００μｍ～３５０μｍ程度が好ましい。さらに、隔壁１６の気孔率は、２０体積％～７０体積％程度が好ましく、５０体積％～７０体積％がより好ましい。また、隔壁１６の通気性を十分に確保して圧損の増大を抑えるという観点から、細孔１８の平均細孔径は、８μｍ以上が好ましく、１２μｍ以上がより好ましく、１５μｍ以上がさらに好ましい。一方、適切なＰＭ捕集性能を確保するという観点から、細孔１８の平均細孔径の上限値は、３０μｍ以下が好ましく、２５μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以下がさらに好ましい。なお、隔壁１６の気孔率および平均細孔径は、水銀圧入法によって測定された値である

【0025】

２．コート層
図３、４Ａに示すように、コート層２０は、基材１０の隔壁１６の細孔１８の壁面１８ａに形成されている。本実施形態では、コート層２０は、隔壁１６の入側セル１２と接する表面（入側面１６ａ）から出側セル１４と接する表面（出側面１６ｂ）に向かう所定の領域に設けられている。

【0026】

コート層２０は、第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４とを含む。コート層２０は、第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４とが集合することで、多孔質に形成されている。

【0027】

また、コート層２０は、少なくとも一種の排ガス成分を酸化若しくは還元し得る触媒として機能する触媒金属を含み得る。典型的には、かかる触媒金属は、第１の無機酸化物２２及び／又は第２の無機酸化物２４に担持される。これにより、コート層２０に排ガス浄化性能を付与することができる。触媒金属としては、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）等の白金族元素に属する金属あるいはその他の酸化若しくは還元触媒として機能する金属が挙げられる。このなかでも、ＰｄおよびＰｔは、一酸化炭素および炭化水素の浄化性能（酸化浄化能）に優れ、ＲｈはＮＯｘの浄化性能（還元浄化能）に優れるため、これらは三元触媒として特に好ましい触媒金属である。これらに加えて、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）その他のアルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属等からなる金属を助触媒成分として併用してもよい。触媒金属の電子顕微鏡観察に基づく平均粒子径は、好ましくは０．５ｎｍ～５０ｎｍであり、より好ましくは１ｎｍ～２０ｎｍであり得るが特に限定されない。

【0028】

第１の無機酸化物２２および第２の無機酸化物２４は、触媒金属を担持可能な無機酸化物や、酸素を吸蔵・放出可能な酸素ストレージ能（ＯＳＣ：ｏｘｙｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する無機酸化物（いわゆるＯＳＣ材）等であり得る。触媒金属を担持可能な無機酸化物としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、セリア（ＣｅＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）等が挙げられる。また、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等の希土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物等であり得る。ＯＳＣ材としては、例えば、セリア－ジルコニア複合酸化物（ＣＺ又はＺＣ複合酸化物）等が挙げられる。ＯＳＣ材は、排ガス浄化の助触媒として機能し得るため、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４の少なくとも一方にＯＳＣ材が採用されることが好ましい。また、耐熱性向上の観点から、例えばイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ニオブ（Ｎｂ）、プラセオジム（Ｐｒ）その他の希土類元素を含む酸化物が微量添加されたセリア、セリア－ジルコニア複合酸化物等のＯＳＣ材を好ましく採用することができる。なお、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４は、典型的には、相互に異なる無機酸化物で構成されるが、同種の無機酸化物で構成されていてもよい。

【0029】

図４Ａに示すように、本実施形態では、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４はそれぞれ粒子状に形成されている。第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４は、典型的には、それぞれ一次粒子が集合して構成された二次粒子であり得る。なお、本明細書において「一次粒子」とは、凝集やシンタリングなどによって集合した二次粒子を構成する微小粒子を指す。

【0030】

第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４とは異なる平均粒径を有している。第１の無機酸化物２２の平均粒径Ｄａは、第２の無機酸化物２４の平均粒径Ｄｂよりも大きくなるように設計されている（即ち、Ｄａ＞Ｄｂ）。また、第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４との重量比率の合計を１００％としたとき、第２の無機酸化物２４の重量比率が１０％以上５０％以下となるように設計されている。本発明者の検討により、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４とを上記設計にすることにより、パティキュレートフィルタの圧力損失を低減できることが見出された。以下、従来のパティキュレートフィルタのコート層と比較しながら説明する。

【0031】

図４Ｂは、従来のパティキュレートフィルタの基材の隔壁の断面の一例を模式的に示す拡大図である。図示されている従来のパティキュレートフィルタ１００では、コート層１２０が基材の隔壁１１６の細孔１１８の壁面１１８ａに形成されている。また、コート層１２０は、隔壁１１６の入側セル１１２と接する表面（入側面１１６ａ）から出側セル１１４と接する表面（出側面１１６ｂ）に向かう所定の領域に設けられている。コート層１２０は、１種の無機酸化物１２２を含んでおり、無機酸化物１２２が集合することで多孔質に形成されている。

【0032】

排ガスが細孔１１８を通過して入側セル１１２から出側セル１１４へ流れるとき、コート層１２０が形成されている部分は、無機酸化物１２２が集合しているためスムーズに通過することができない。そのため、コート層１２０の細孔１１８の壁面１１８ａからの厚みが厚いと、コート層１２０を通過する排ガスの比率が高くなり、圧力損失が高くなる。換言すれば、コート層１２０で囲まれた細孔径の幅が狭くなることで、圧力損失が高くなる。

【0033】

また、図４Ｂに示すように、１種の無機酸化物１２２が集合して形成されるコート層１２０では、無機酸化物１２２の間に比較的大きな空隙が生じ易く、コート層１２０の空間率が高くなる傾向がある。これにより、コート層１２０の細孔１１８の壁面１１８ａからの厚みが増すため、排ガスがスムーズに流れることができる細孔径の中心部の幅が狭くなる。そのため、排ガスが入側セル１１２から出側セル１１４へ流れづらくなり、圧力損失が高くなる。

【0034】

一方で、ここで開示されるパティキュレートフィルタ１は、コート層２０に平均粒径の異なる第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４とが含まれることで、コート層２０の空隙が低減され、コート層２０の空間率が低くなる。そのため、従来のコート層１２０と同じコート量のコート層２０を形成した場合でも、コート層２０の細孔１８の壁面１８ａからの厚みを従来よりも薄くすることができる。これにより、入側セル１１２から出側セル１１４へ排ガスが流れやすくなるため、圧力損失を従来よりも低減することができる。また、この圧力損失の低減効果は、本発明者の鋭意検討により、平均粒径がより小さい第２の無機酸化物２４の重量比率を１０％以上５０％以下としたときに顕著に発揮されることが見出された。

【0035】

第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４は、細孔１８に侵入可能な平均粒径を有しており、従来パティキュレートフィルタの隔壁の細孔の壁面（隔壁の内部）に形成されるコート層に含まれ得る無機酸化物の平均粒径の範囲であればよい。そのため、特に限定されるものではないが、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４の平均粒径は、例えば、０．１μｍ～１０μｍの範囲、好ましくは０．５μｍ～５μｍの範囲で設定されるとよい。

【0036】

第１の無機酸化物２２の平均粒径Ｄａと、第２の無機酸化物２４の平均粒径Ｄｂとの比（ＤａをＤｂで除した値：Ｄａ／Ｄｂ）は、１＜Ｄａ／Ｄｂであって、好ましくは１．５≦Ｄａ／Ｄｂ、より好ましくは１．８≦Ｄａ／Ｄｂ（例えば２≦Ｄａ／Ｄｂ）であり得る。これにより、コート層２０の空間率をより好適に低減することができる。また、Ｄａ／Ｄｂの上限は、特に限定されるものではないが、例えば、Ｄａ／Ｄｂ≦５であって、Ｄａ／Ｄｂ≦３、Ｄａ／Ｄｂ≦２．５であり得る。

【0037】

第１の無機酸化物２２の平均粒径Ｄａは、特に限定されるものではないが、例えば、１．５μｍ～５μｍであって、好ましくは１．５μｍ～３μｍ、より好ましくは１．５μｍ～２．５μｍ（例えば１．７μｍ～２．３μｍ）であり得る。

【0038】

第２の無機酸化物２４の平均粒径Ｄｂは、特に限定されるものではないが、例えば、０．５μｍ～１．５μｍであって、好ましくは０．７μｍ～１．３μｍ、より好ましくは０．８μｍ～１．２μｍ（例えば０．９μｍ～１．１μｍ）であり得る。

【0039】

なお、本明細書において「平均粒径」とは、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定される体積基準の粒度分布における積算５０％粒径（Ｄ５０）である。具体的には、平均粒径は、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製、ＬＡ－９２０）を用い、屈折率を１．２０＋０．０１ｉ（ｉは虚数項）に設定して測定した値を採用できる。なお、平均粒径は、二次粒子の粒径を包含して算出されたものである。

【0040】

第１の無機酸化物２２と、第２の無機酸化物２４との重量比率の合計を１００％としたとき、第２の無機酸化物２４の重量比率は、好ましくは１０％以上５０％以下であって、より好ましくは１０％以上４０％以下、さらに好ましくは２０％以上３０％以下である。かかる範囲であれば、コート層２０の空間率がより適切に制御され、圧力損失を好適に低減することができる。

【0041】

好適な一例では、第１の無機酸化物２２がセリア－ジルコニア複合酸化物であり、第２の無機酸化物２４がアルミナである。かかる構成であれば、第２の無機酸化物２４（アルミナ）の上記重量比率を２０％以上３０％以下に設計したとき、特に顕著に圧力損失を低減することできる。

【0042】

コート層２０の基材１０の容量１Ｌあたりのコート量は、特に限定されるものではないが、例えば、２０ｇ／Ｌ以上であって、３０ｇ／Ｌ以上、５０ｇ／Ｌ以上であり得る。例えば、コート層２０に触媒金属が含まれている場合に、上記範囲であれば排ガス浄化性能が向上するため好適である。一方、コート層２０の形成量の上限値は、圧力損失を低減させる観点から、２００ｇ／Ｌ以下が好ましく、１５０ｇ／Ｌ以下がより好ましく、１２０ｇ／Ｌ以下がさらに好ましい。なお、本明細書において、基材１０の容量は、基材１０の純容積に加え、入側セル１２、出側セル１４、隔壁の細孔１８等の空隙の容積を含む嵩容積のことをいう。

【0043】

特に限定されるものではないが、基材１０の隔壁１６の厚み方向Ｙにおいて、隔壁１６の厚みＴｗを１００％としたとき、コート層２０が形成される領域（厚みＴｃ）の割合は、例えば１０％以上であって、２０％以上、３０％以上であり得る。これにより、コート層２０に含まれ得る触媒金属やＯＳＣ材の効果がよりよく発揮される。また、圧力損失の増大を抑制する観点から、コート層２０が形成される割合は、例えば、隔壁１６の厚みＴｗの８０％以下であるとよく、７０％以下、６０％以下、５０％以下であり得る。

【0044】

また、特に限定されるものではないが、入側セル１２の隔壁の延伸方向Ｘにおける全長を１００％としたとき、コート層２０が形成される領域（長さ）の割合は、例えば、１０％以上であって、３０％以上、５０％以上、７０％以上、９０％以上（例えば１００％）であり得る。本技術によれば、コート層２０が形成される領域が広い場合であっても、圧力損失の増大を低減することができる。なお、典型的には、コート層２０は基材１０の排ガス流入側の端部から排ガス流出側の端部に向かって形成される。この場合には、上記コート層２０が形成される領域（長さ）の割合は、排ガス流入側の端部からの長さの割合のことをいう。

【0045】

＜パティキュレートフィルタの製造方法＞
以下、本実施形態に係るパティキュレートフィルタ１の製造方法の一例について説明する。なお、パティキュレートフィルタ１の製造方法は、以下の製造方法に限定されるものではない。

【0046】

（１）スラリーの調製
まず、上述したコート層２０の材料を所定の分散媒に分散させることによってスラリーを調製する。分散媒には、この種のスラリーの調製に用いられ得る分散媒を特に制限なく使用できる。例えば、分散媒は、極性溶媒（例えば、水）であってもよいし、非極性溶媒（例えば、メタノール等）であってもよい。また、スラリーには、上述したコート層２０の材料と分散媒の他に、粘度調整用の有機成分が含まれていてもよい。かかる粘度調整用の有機成分としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシエチルメチルセルロース（ＨＥＭＣ）等のセルロース系ポリマーが挙げられる。なお、粘度調整用の有機成分の添加量や種類によりスラリーの粘度を調整することにより、コート層２０が形成される領域の調節を容易に行うことができる。

【0047】

第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４は、例えば、上記分散媒中で従来公知方法に従ってミリング加工することで、所望の平均粒径に調整することができる。かかる加工は、第１の無機酸化物２２を含むスラリーと、第２の無機酸化物２４を含むスラリーとを準備し、個別に実施することが好ましい。その後、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４とを所望の質量比となるように、これらのスラリーを混合することができる。なお、所望の平均粒径に調整することができれば、第１の無機酸化物２２と第２の無機酸化物２４とを同じスラリーに混合した状態でミリング加工を行ってもよい。なお、ミリング加工としては、例えば、ビーズミル、ボールミル等による加工が挙げられる。

【0048】

（２）スラリーの導入
次に、上記準備したスラリーを隔壁１６の細孔１８内に導入することによってコート層２０を形成する。なお、スラリーを細孔１８内に導入する手段は、特に限定されず、従来から公知の手段を特に制限なく使用することができる。かかるスラリー導入手段の一例として、エアブロー法や吸引コート法などが挙げられる。エアブロー法では、基材１０の端部をスラリーに浸漬させて入側セル１２の内部にスラリーを浸透させた後に、基材１０を取り出してエアブローを実施することによって、スラリーを細孔１８内に導入する。一方、吸引コート法では、基材１０の排ガス流入側の端部をスラリーに浸漬させた状態で、排ガス排出側の端部から吸引することによってスラリーを細孔１８内に導入する。吸引コート法では、吸引力を調節することで、スラリーがコートされる領域を調整することができる。

【0049】

その後、所定の温度および時間で焼成することにより、基材１０の隔壁１６の細孔１８の壁面１８ａにコート層２０を形成することができる。コートされたスラリーの焼成条件は、基材または無機酸化物の形状およびサイズによって変動するため特に限定しないが、典型的には４００～１０００℃程度で約１～５時間程度の焼成を行うことによって、目的のコート層２０を形成することができる。

【0050】

以上、ここに開示されるパティキュレートフィルタの実施形態について説明した。なお、ここに開示さるパティキュレートフィルタは、上述の実施形態に限定されない。例えば、上述した図３に示す実施形態では、コート層２０は、隔壁１６の入側セル１２と接する表面（入側面１６ａ）から出側セル１４に向かう所定の領域に形成されているが、コート層２０は、隔壁１６の出側セル１４と接する表面（出側面１６ｂ）から入側セル１２に向かう所定の領域に形成されてもよい。この場合、コート層形成用のスラリーを入側セル１２側から導入する代わりに、出側セル１４側から導入すればよいため、上述の実施形態におけるコート層２０の形成領域に関する説明を出側セル１４側に読み替えることで理解される。また、コート層２０は、隔壁１６の入側面１６ａおよび出側面１６ｂの両側から形成されてもよい。

【0051】

また、図３に示す実施形態では、パティキュレートフィルタ１は、コート層２０以外のコート層を有していないが、例えば、隔壁１６の表面に形成されるコート層（例えば、触媒金属を含む触媒層）を有していてもよい。

【0052】

ここで開示されるパティキュレートフィルタは、ガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等として使用することができ、特に、ＧＰＦとしての使用が好ましい。

【0053】

以下、ここで開示される技術に関するいくつかの実施例について説明するが、ここで開示される技術をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

【0054】

［試験１］
＜サンプル１＞
まず、基材として、基材容積１．３１４Ｌ、長さ１２２ｍｍのウォールフロー型の円筒状のハニカム基材（コージェライト製、セル数３００ｃｐｓｉ、隔壁厚み８ミル（１ミルは１／１０００インチ）、平均細孔径１５μｍ、気孔率６０％）を準備した。
次に、コート層形成用スラリーに混合する無機酸化物として、セリア－ジルコニア複合酸化物（ＺＣ材）とアルミナの２種類を準備した。ＺＣ材は、純水中でミリングすることで、平均粒径１μｍのＺＣ材を含むＺＣ材含有スラリーを準備した。また、アルミナも同様に、純水中でミリングすることで、平均粒径１μｍのアルミナを含むアルミナ含有スラリーを準備した。そして、ＺＣ材：アルミナ＝８０％：２０％の重量比率となるようにＺＣ材含有スラリーとアルミナ含有スラリーとを混合し、コート層形成用スラリーを作製した。
次いで、上記準備した基材に上記作製したコート層形成用スラリーを入側セルから流し込み、ブロアーで不要部分を吹き払った。これにより、隔壁の細孔の壁面にコート層形成用スラリーをコーティングした。
次に、この基材を１２０℃の乾燥機で２時間乾燥させ、水分を除去した。そして、電気炉で５００℃、２時間焼成することで、サンプル１のパティキュレートフィルタを製造した。なお、サンプル１において、基材容積１ＬあたりのＺＣ材のコート量が８０ｇ／Ｌ、アルミナのコート量が２０ｇ／Ｌであった。

【0055】

＜サンプル２＞
アルミナの平均粒径を２μｍに変更した以外はサンプル１と同様にして、サンプル２のパティキュレートフィルタを製造した。

【0056】

＜サンプル３＞
ＺＣ材の平均粒径を２μｍに変更した以外はサンプル１と同様にして、サンプル１のパティキュレートフィルタを製造した。

【0057】

［圧力損失の評価］
各サンプルのパティキュレートフィルタの入側セル側に、２０℃の空気を７ｍ^３／分の流量で流入させ、出側セル側から排出させた。このときのパティキュレートフィルタの上流側における空気の圧力と、下流側における空気の圧力とを圧損測定装置（ツクバリカセイキ株式会社製）を用いて測定し、圧力損失（ｋＰａ）を算出した。表１に、サンプル１のパティキュレートフィルタの圧力損失を１００としたときの相対値（圧損比）を示す。

【0058】

【表1】

【0059】

表１に示すように、サンプル３では、サンプル１および２よりも圧損比が低くなった。サンプル１～３のコート量およびＺＣ材とアルミナの重量比は一定であるため、この圧損比の差は、ＺＣ材とアルミナの平均粒径の違いによって生じたものであると考えられる。

【0060】

［試験２］
次に、大粒径の無機酸化物（ＺＣ材）小粒径の無機酸化物（アルミナ）の重量比率を変化させたときの圧力損失の変化について検討した。

【0061】

＜サンプル４＞
基材容積１ＬあたりのＺＣ材のコート量が５０ｇ／Ｌ、アルミナのコート量が５０ｇ／Ｌとなるように変更した以外はサンプル３と同様にして、サンプル４のパティキュレートフィルタを製造した。即ち、ＺＣ材：アルミナ＝５０％：５０％の重量比率となるようにした。
＜サンプル５＞
基材容積１ＬあたりのＺＣ材のコート量が３０ｇ／Ｌ、アルミナのコート量が７０ｇ／Ｌとなるように変更した以外はサンプル３と同様にして、サンプル５のパティキュレートフィルタを製造した。即ち、ＺＣ材：アルミナ＝３０％：７０％の重量比率となるようにした。
＜サンプル６＞
基材容積１ＬあたりのＺＣ材のコート量が９０ｇ／Ｌ、アルミナのコート量が１０ｇ／Ｌとなるように変更した以外はサンプル３と同様にして、サンプル６のパティキュレートフィルタを製造した。即ち、ＺＣ材：アルミナ＝９０％：１０％の重量比率となるようにした。
＜サンプル７＞
基材容積１ＬあたりのＺＣ材のコート量が６０ｇ／Ｌ、アルミナのコート量が４０ｇ／Ｌとなるように変更した以外はサンプル３と同様にして、サンプル７のパティキュレートフィルタを製造した。即ち、ＺＣ材：アルミナ＝６０％：４０％の重量比率となるようにした。

【0062】

サンプル４～７についても、試験１と同様にして圧力損失を評価した。結果を表２および図５に示す。なお、圧損比は試験１と同様に、サンプル１を１００としたときの相対値で示す。

【0063】

【表2】

【0064】

表２および図５から明らかなように、小粒径であるアルミナの重量比率が１０％～５０％であるとき、圧損比が９３以下となり、圧損比が低下することがわかる。また、アルミナの重量比率が１０％～４０％であるとき、より圧損比が低下することができる。さらに、アルミナの重量比率が２０％～３０％であるとき、特に圧損比が低下することがわかる。

【0065】

以上、ここで開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、上記具体例では、触媒金属を担持していない無機酸化物を用いたが、触媒金属を担持した無機酸化物を使用した場合であっても圧損比が低減されることは、ここで開示される技術情報から理解される。また、上記具体例では、入側セル側の隔壁の細孔の壁面にコート層を形成したが、出側セル側の隔壁の細孔の壁面にコート層を形成した場合であっても低減されることは、ここで開示される技術情報から理解される。

【符号の説明】

【0066】

１ パティキュレートフィルタ
２ 内燃機関
３ エキゾーストマニホールド
４ 排気管
５ 排ガス浄化用触媒
７ ＥＣＵ
８ センサ
１０ 基材
１２ 入側セル
１２ａ 封止部
１４ 出側セル
１４ａ 封止部
１６ 隔壁
１６ａ 入側面
１６ｂ 出側面
１８ 細孔
１８ａ 壁面
２０ コート層
２２ 第１の無機酸化物
２４ 第２の無機酸化物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-08

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質を捕集するために用いられるパティキュレートフィルタであって、
ウォールフロー型の基材と、
前記基材に形成されたコート層と
を備えており、
前記基材は、
排ガス流入側の端部のみが開口した入側セルと、
排ガス流出側の端部のみが開口した出側セルと、
前記入側セルと前記出側セルとを仕切り、当該入側セルと当該出側セルとを連通する複数の細孔が形成されている隔壁と
を備え、
前記コート層は、前記細孔の壁面に設けられており、
前記コート層は、第１の無機酸化物と、第２の無機酸化物とを含み、
前記第１の無機酸化物がセリア－ジルコニア複合酸化物であり、
前記第２の無機酸化物がアルミナであり、
前記第１の無機酸化物の平均粒径は、前記第２の無機酸化物の平均粒径よりも大きく、
前記第１の無機酸化物と前記第２の無機酸化物との重量比率の合計を１００％としたとき、前記第２の無機酸化物の重量比率が１０％以上５０％以下である、
パティキュレートフィルタ。

【請求項2】

前記第２の無機酸化物の前記重量比率が２０％以上３０％以下である、請求項１に記載のパティキュレートフィルタ。

【請求項3】

さらに、前記コート層が、前記排ガス中の少なくとも一種の排ガス成分を酸化若しくは還元し得る触媒として機能する触媒金属を含む、請求項１または２に記載のパティキュレートフィルタ。