JP2004346800A - Particulate trap for diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のカーボン等の微粒子(パティキュレート)を捕集・除去するためのパティキュレートトラップに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるカーボンを主体とするパティキュレートを除去することは、環境対策上極めて重要である。ディーゼルエンジンの排気ガス系統にパティキュレートトラップを配置し、パティキュレートを捕集し、後処理により除去する技術が種々提案されている。パティキュレートを捕集するためのフィルターとしては、コーディエライトセラミックスのハニカム状多孔体や、セラミックスファイバをキャンドル状にしたセラミックファイバートラップが知られている。
【0003】
特許文献1においては、金属繊維の不織布で作られる複数の平面フィルタ又は異径筒状フィルタを組み合わせ、小型で排気ガスが通過するフィルタ表面積が大きいトラップ構造によるパティキュレートトラップを提案している。フィルタとして金属繊維の不織布を用いることによって耐久性や再生時の信頼性の向上を図り、不織布の表面積を大きくすることによって目詰まりと圧力損失の低減を図っている。
【0004】
特許文献2においては、同じく金属繊維の不織布で作られる2枚以上の平板フィルタと金属製の2枚以上の波板を交互に偶数枚重ねた積層材をロール巻きしたパティキュレートトラップが提案されている。金属繊維の不織布で作られる平板がパティキュレートフィルタとして機能する。
【0005】
特許文献3においては、金属繊維製不織布の平板と金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせて巻き回し、又は積層することにより多数のガス流通セルを形成してなることを特徴とするハニカム体を用いたパティキュレートフィルタが記載されている。このハニカム体においては、セル内を通過する排気ガス流はセルを構成する金属繊維製不織布と衝突を繰り返す。この衝突の過程で、排気ガス中に含まれるパティキュレートが不織布の金属繊維に捕獲される為、パティキュレートトラップとして機能する。一方排気ガスはセルだけでなく、不織布内部を通過し隣接するセルに流れ込み、その際にも不織布内部の金属繊維と激しく衝突を繰り返す。この流れによりパティキュレートは不織布の内部に捕獲される。また、セルを直進した排気ガスは乱流の影響しか受けず、従来に比較して大幅に圧力損失を下げることができ、また捕集が進んだ際の圧力損失の上昇も抑えることができる。これにより、捕集時の初期圧力損失が極めて低く、また圧力損失の上昇が少ないパティキュレートトラップとすることができるようになった。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−243333号公報
【特許文献2】
特開平9−262414号公報
【特許文献3】
特開2002−113798公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献3に記載のパティキュレートトラップにおいては、ハニカム体のセル内を通過する排気ガス流が乱流となり、排気ガス中のパティキュレートがセル壁の金属繊維製不織布と衝突を繰り返すことが重要である。ところで、ハニカム体のセル内を通過するガスのレイノルズ数は150〜600程度である。ハニカム体に流入する前の排気ガスは乱流状態であり、セルに流入した直後は乱流状態を維持することができるが、セル内部のレイノルズ数がこの程度の値数であるとセル内の流れは層流に移行してしまう。従って、セル内の流れをできるだけ乱流状態に維持することができれば、パティキュレートの捕集効率をより一層向上することができ、好ましい。
【0008】
本発明は、捕集時の初期圧力損失が極めて低く、また圧力損失の上昇が少ないパティキュレートトラップにおいて、パティキュレート捕集効率をより一層改善したパティキュレートトラップを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
(1)2以上のハニカム体7をその軸方向に配置したパティキュレートトラップであって、該ハニカム体7の2以上のものについては、金属繊維製不織布の平板と1金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板2とを交互に重ね合わせて巻き回し、又は積層することにより多数のガス流通セルを形成してなるハニカム体であることを特徴とするパティキュレートトラップ。
(2)隣り合うハニカム体7の間に空間19を有することを特徴とする上記(1)に記載のパティキュレートトラップ。
(3)排気ガス下流側のハニカム体7のセル密度は、上流側のハニカム体7のセル密度より高い密度であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のパティキュレートトラップ。
(4)排気ガス下流側のハニカム体7の空隙率は、上流側のハニカム体7の空隙率より低い値であることを特徴とする上記(1)乃至(3)のいずれかに記載のパティキュレートトラップ。
(5)前記金属繊維製不織布の金属繊維4に触媒を担持したことを特徴とする上記(1)乃至(4)のいずれかに記載のパティキュレートトラップ。
(6)前記金属繊維製不織布の波板2の波頂部の軌跡17の方向が、ハニカム体の軸方向14に対して傾斜していることを特徴とする上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のパティキュレートトラップ。
(7)波頂部の軌跡17の傾斜の方向は、隣り合うハニカム体の間で逆方向であることを特徴とする上記(6)に記載のパティキュレートトラップ。
(8)前記ハニカム体の軸方向14に対する波頂部の軌跡18の傾斜角度は、ハニカム体の軸方向において変化してなることを特徴とする上記(6)に記載のパティキュレートトラップ。
(9)波頂部のハニカム体軸方向の軌跡が描く曲率中心は、隣り合うハニカム体の間で逆方向にあることを特徴とする上記(8)に記載のパティキュレートトラップ。
(10)前記ハニカム体の1以上のものは、電気加熱による発熱部10を有していることを特徴とする上記(1)乃至(9)のいずれかに記載のパティキュレートトラップ。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のパティキュレートトラップは、金属繊維製不織布の平板と金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせて巻き回し、又は積層することにより多数のガス流通セルを形成してなる2以上のハニカム体を準備し、図1に示すように、このハニカム体を含めて2以上のハニカム体をフィルタの軸方向に配置する。図2(a)は金属繊維製不織布の平板と金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせて巻き回すことにより多数のガス流通セルを形成したハニカム体を表し、図2(b)は金属繊維製不織布の平板と金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板とを積層することにより多数のガス流通セルを形成したハニカム体を表す。
【0011】
本発明のパティキュレートトラップにおいて、排気ガス中のディーゼルパティキュレートを捕集する基本は、特許文献3に記載のものと同様である。すなわち、図3に示すように、セル3内を通過する排気ガス流はセルを構成する金属繊維製不織布と衝突を繰り返し、この衝突の過程で、排気ガス中に含まれるパティキュレートが不織布の金属繊維に捕獲される。一方排気ガスはセルだけでなく、不織布を通るガス流24として不織布を通過して隣接するセルに流れ込み、その際にも不織布内部の金属繊維と激しく衝突を繰り返す。これらの流れによりパティキュレートは不織布の内部に捕獲される。従来に比較して圧力損失を大幅に下げることができ、また捕集が進んだ際の圧力損失の上昇も抑えることができる。
【0012】
単一のハニカム体を用いた上記構成のパティキュレートトラップでは、ハニカム体の排気ガス入口付近および出口付近のセル壁に重点的にパティキュレートがトラップされる。図4(c)に示すように、ハニカム体7の排気ガス入口付近ではガスが乱流15であるため、セル壁との衝突を繰り返してガス中のパティキュレートがセル壁に捕獲されるのに対し、入口から離れた内部においてはガス流が乱流15から層流16に変化し、パティキュレートの捕獲効率が低下するものと思われる。出口付近で再度捕獲効率が向上する理由は、拡管効果等で乱流が発生するためであると思われる。
【0013】
本発明の特徴とするところは、セル壁が金属繊維製不織布で構成されたハニカム体7を複数、トラップの軸方向に配置している。最も基本的には図1(a)に示すように複数のハニカム体を近接して配置する。トラップの軸方向に近接して配置した上流側のハニカム体7aと下流側のハニカム体7bは、セルの軸方向とトラップの軸方向が一致しているので、図4(a)に示すように、上流側のハニカム体7aのセルを通過してセルの出口から排出した排気ガスは、直ちに下流側のハニカム体7bのセル入口からセル内に流入する。このとき、上流側のハニカム体7aのセル3と下流側のハニカム体7bのセル3とのセル中心軸は基本的に一致していないので、ハニカム体接触面付近においてガス流れに乱れが生じ、下流側のハニカム体のセルに流入したガス流は乱流15となる。その結果、下流側のハニカム体の排気ガス入口付近においては、パティキュレートの捕獲効率を高めることができる。また、前記単一のハニカム体の場合と同様、各ハニカム体毎に排気ガス入口付近に加えて出口付近にもパティキュレート捕獲効率の高い部分が存在する。従って、複数のハニカム体を配置し、パティキュレートトラップ軸方向におけるハニカム体全体の長さを一定に維持すれば、パティキュレート捕獲効率の高い部分の存在比率が高まり、全体としてパティキュレート捕獲効率を向上することができる。
【0014】
パティキュレートトラップ9の軸方向に配置するハニカム体の数は、2以上であれば数が多くなるほどパティキュレート捕獲効率を向上することができる。3以上のハニカム体を配置する場合において、すべてのハニカム体を金属繊維製の不織布を用いたハニカム体とする必要はなく、一部のハニカム体については、例えば金属箔を用いて形成し、セル表面に触媒を担持した触媒担体としても良い。
【0015】
ハニカム体を構成する金属繊維製不織布は所定の厚さを有している。従って、図1(a)に示すように2個のハニカム体をフィルタの軸方向に接触させると、接触部においてガス流通可能開口率が低下することとなり、ここにおいて高い圧力損失が発生することとなる。図5は2個のハニカム体の重なり状況をハニカム体軸方向に見た状況を示す概略図であり、上流側ハニカム体31と下流側ハニカム体32との重なりによってガス流通路が大幅に低減している状況が明らかである。本発明においては、図1(b)に示すように隣り合うハニカム体の間に空間19を有することとすれば、接触部におけるガス流通可能開口率の低下を防止することができ、好ましい。図4(b)に示すように、ハニカム体間の空間19を流れる排気ガスは乱流の状態を維持し、下流側のハニカム体に流入した時点でガスは乱流状態を保っている。2個のハニカム体の間に設ける距離については、5mm以上とすれば確実に効果を発揮することができる。10mm以上とすればより好ましい。一方、距離が45mmを超えると効果は飽和し、パティキュレートトラップの全体長さを徒に長くすることとなるので好ましくない。距離は20mm以下とするとより好ましい。
【0016】
金属繊維製不織布によって形成したハニカム体のセルの大きさについては、ハニカム体単位断面積当たりのセル個数であるセル密度によって表現することができる。セル密度が大きいほど、1個1個のセルの断面積が小さくなり、パティキュレート径の大きなものも小さなものも捕獲することができるようになる。ただし、多量のパティキュレートの捕獲によってセル断面積が小さくなり、排気ガスの通過抵抗が急速に増大するというデメリットを有する。逆に、セル密度が大きくなると、大きな径のパティキュレートは捕獲できるものの小さな径のパティキュレートの捕獲比率が低減し、そのかわり排気ガスの通過抵抗が増大するデメリットは生じにくい。
【0017】
本発明においては、図6(a)に示すように、排気ガス下流側のハニカム体7bのセル密度は、上流側のハニカム体7aのセル密度より高い密度であることとすることよより、上記課題を解決することができる。即ち、上流側にセル密度の低いハニカム体7aを配置し、この上流側のハニカム体7aで大きな径のパティキュレートを選択的に捕獲する。下流側にはセル密度の高いハニカム体7bを配置し、すでに大きな径のパティキュレートが捕獲された後の排気ガスを通過させ、残存する小さな径のパティキュレートを集中的に捕獲する。このような構成とすることにより、大きな径のパティキュレートも小さな径のパティキュレートも捕獲することができ、さらにハニカム体のセル断面積が過度のパティキュレートの捕獲によって低下することがなく、安定したパティキュレートの捕獲が可能になる。その結果、排気ガスがパティキュレートトラップを通過する際における圧損を最小限にできるので、エンジンに対する負荷を抑えることができる。
【0018】
図6(a)のように2個のハニカム体を配置したパティキュレートトラップにおいては、上流側のハニカム体7aのセル密度を100〜400CPSI(Cell/inch2)とし、下流側のハニカム体7bのセル密度を300〜1200CPSI程度とすると好ましい。図6(b)に示すように3個のハニカム体を配置する場合には、中間に配置するハニカム体2bのセル密度を200〜600CPSIとし、その前後のハニカム体のセル密度は上記2個のハニカム体の場合と同様とするとよい。
【0019】
ハニカム体を構成する金属繊維製不織布については、金属繊維の密度などを調整することによって不織布の空隙率を種々の値に調整することができる。空隙率を小さく、即ち金属繊維を密に配置した不織布においては、径の大きなパティキュレートも径の小さなパティキュレートもともに捕獲することが可能である。一方、空隙率を大きく、即ち金属繊維を疎に配置した不織布においては、径の大きなパティキュレートは捕獲できるものの、径の小さなパティキュレートの捕獲効率が低下する。
【0020】
本発明においては、排気ガス下流側のハニカム体の空隙率は、上流側のハニカム体の空隙率より低い値であることとすることにより、上流側のハニカム体で径の大きなパティキュレートを選択的に捕獲し、下流側のハニカム体にすでに大きな径のパティキュレートが捕獲された後の排気ガスを通過させ、残存する小さな径のパティキュレートを集中的に捕獲する。このような構成とすることにより、大きな径のパティキュレートも小さな径のパティキュレートも捕獲することができ、さらにハニカム体のセル断面積が過度のパティキュレートの捕獲によって低下することがなく、安定したパティキュレートの捕獲が可能になる。その結果、排気ガスがパティキュレートトラップを通過する際における圧損を最小限にできるので、エンジンに対する負荷を抑えることができる。
【0021】
2個のハニカム体を配置したパティキュレートトラップにおいては、上流側のハニカム体不織布の空隙率を95〜80%とし、下流側のハニカム体不織布の空隙率を85〜65%程度とすると好ましい。3個のハニカム体を配置する場合には、中間に配置するハニカム体の空隙率を85〜75%とし、その前後のハニカム体の空隙率は上記2個のハニカム体の場合と同様とするとよい。
【0022】
本発明のパティキュレートトラップにおいて、ハニカム体を構成する金属繊維製不織布の金属繊維に触媒を担持することができる。金属繊維に担持された触媒は、図7(b)に示すように金属繊維4の1本1本の表面に触媒担持層5としてコーティングされているので、この不織布をガスが通過することが可能であり、触媒として機能するだけでなく、パティキュレートをトラップすることもできる。またセルを構成する平板と波板を金属板で構成して触媒をコーティングした従来の場合に比較し、セル内における触媒担持層の総表面積は本発明の方が大幅に増大する。これにより今までの触媒担体より大幅な小型化が計れる。
【0023】
金属繊維に触媒を担持した本発明のパティキュレートトラップをディーゼルエンジンの排気ガス系に使用した場合には、排気ガスに含まれるパティキュレートが金属繊維間の凹凸にトラップされるので圧力損失の少ないパティキュレートトラップとして機能とすると同時に、金属繊維表面の触媒によって触媒反応が起こり、排気ガス中の有害成分除去を同時に行うことができる。
【0024】
金属繊維に触媒を担持した本発明のパティキュレートトラップをガソリンエンジンの排気ガス系に使用した場合には、排気ガス浄化用の触媒担体として機能する。従来の金属製平箔と波箔とを巻き回しあるいは積層した触媒担体に比較し、セル内表面における触媒担持層の総表面積が大幅に増大するので、触媒反応効率が画期的に向上する。またセル壁面を構成する金属繊維製不織布の凹凸により乱流発生が全面におき、触媒反応が促進される。メタノール改質装置としても良好である。
【0025】
自動車の排気ガス浄化用に用いる触媒担体においては、エンジン始動時にできるだけ早く触媒を着火温度以上の温度に昇温して触媒に着火し、触媒反応を進行させる必要がある。一方、エンジン始動時には触媒担体は冷えており、また流入する排気ガスの温度も低いので、触媒温度を早期に昇温するためには、特に排気ガス入り側において触媒担体の熱容量を小さくすることが有効である。本発明において、金属繊維製不織布に触媒を担持して触媒担体とする場合には、前述のように排気ガス下流側のハニカム体のセル密度は、上流側のハニカム体のセル密度より高い密度であることとすることにより、排気ガス入り側のハニカム体の熱容量を小さくすることができる。これにより、排気ガス入り側では熱容量が小さいのでエンジン始動時に早期にハニカム体の温度が上昇して触媒に着火する。
【0026】
本発明において、金属繊維製不織布の波板の波頂部の軌跡18の方向が、図8(a)に示すようにハニカム体の軸方向14に対して傾斜していることとすると好ましい。このような波板2を用いて平板と波板を交互に重ね合わせて巻き回してハニカム体を構成すると、図8(b)に示すように、ハニカム体中に形成されるセル3の方向がハニカム体の軸方向14から傾斜するとともに、セル3は直線ではなくわずかながら曲線を形成する。このように流れ方向に凹の曲率を有する曲面に沿う流れの境界層の内部には、遠心力の作用によって流れが不安定化し、流れ方向に縦渦の列ができることが知られている。この渦はゲルトラー渦と呼ばれており、この渦のため、セル中を通過する排気ガスとセル内表面との間の衝突が激しくなり、パティキュレートの捕集効率が増大するとともに触媒反応効率の増大を得ることができる。波頂部の傾斜角度の好適範囲は、5°〜30°である。5°未満では傾斜角度をつけた効果を十分に発揮することができない。また30°を超えると、圧力損失が増大し、パティキュレートの捕集又は触媒反応が十分に得られなくなる可能性が増大する。
【0027】
波板の波頂部の軌跡18の方向をハニカム体の軸方向14に対して傾斜する場合において、波頂部の軌跡18の傾斜の方向は、図8(c)に示すように隣り合うハニカム体の間で逆方向であることとすると好ましい。上流側のハニカム体における流れ方向が下流側のハニカム体に入ったときに急激に変化し、流れ方向変化によるパティキュレート捕集効率向上効果が得られるからである。
【0028】
波板の波頂部の軌跡18の方向をハニカム体の軸方向14に対して傾斜する場合において、ハニカム体の軸方向に対する波頂部の傾斜角度は、図9(a)に示すようにハニカム体の軸方向において変化してなることとすると好ましい。これは即ち、波板をハニカム体に巻回す前において波頂部が描く軌跡18が曲線であることを意味する。これによって、波板が巻き回す前から有している曲線形状と、波板を巻き回した結果として生じる曲線形状との相乗効果としての曲線形状を得ることができる。また、平板と波板を交互に巻き回すのではなく、積層することによってハニカム体を形成する場合においても、ハニカム体のセルを曲線形状とすることが可能である。
【0029】
波板の波頂部の軌跡18が描く曲線形状は、図10に示すようにひとつのハニカム体の排気ガス入側から出側までの軸方向において、曲率中心が波頂部の両側に交互に位置する形態とすることもでき、また図9(a)に示すように曲率中心が波頂部の一方の側のみに位置する形態とすることもできる。いずれの場合においても、排気ガス入側においては、波頂部の軌跡18とハニカム体軸方向14との間の傾斜角度は小さい方が良い。これにより、排気ガスが円滑にセル内に流入することができる。曲率中心が波頂部の両側に交互に位置する形態においては、排気ガス出側においても波頂部の軌跡18とハニカム体軸方向14との間の傾斜角度を小さくすることが可能である。
【0030】
図9(a)に示すように曲率中心が波頂部の一方の側のみに位置する形態においては、排気ガス入側において波頂部とハニカム体軸方向との間の傾斜角度を小さくすると、必然的に排気ガス出側では波頂部とハニカム体軸方向との間の傾斜角度が大きくなる。このような場合において、波頂部のハニカム体軸方向の軌跡が描く曲率中心は、図9(b)に示すように隣り合うハニカム体の間で逆方向にあることとすると好ましい。これにより、セル内を流れる排気ガスは大きな遠心力を受け、ゲルトラー渦の発生が促進されてパティキュレート捕獲効率を向上させることができるからである。
【0031】
ディーゼルエンジンのパティキュレートトラップにおいては、トラップに捕獲されたパティキュレートは、排気ガスの高温によって排気ガス中の酸化ガスと反応し燃焼除去される。従って、排気ガスの温度が低い場合には捕獲されたパティキュレートの燃焼除去が十分に行われず、パティキュレートトラップにパティキュレートが堆積することとなる。エンジン始動時あるいはアイドリング時には排気ガスの温度が低く、捕獲されたパティキュレートの燃焼が不十分になる。
【0032】
本発明のパティキュレートトラップは、電気加熱による発熱部10を有することによってこの問題を解決することができる。電気加熱による発熱でパティキュレートトラップ中を通過する排気ガスの温度が上昇し、トラップ中に捕獲されたパティキュレートの燃焼が始まる。燃焼が始まれば、燃焼熱によって排気ガスの温度がさらに上昇するので、パティキュレートトラップのハニカム体内において上流から下流まで排気ガスの温度を高温に保持し、捕獲パティキュレートの燃焼を十分に行うことができる。
【0033】
本発明の電気加熱による発熱部を有するパティキュレートトラップが、同時に触媒を担持した部分をも有する場合において、排気ガス中の未燃焼成分を燃焼させるための触媒反応は、所定の温度以上の高温において発生する。エンジン始動直後あるいはアイドリング時においては排気ガスの温度が低く、触媒反応を開始するための着火が起こらない。このような場合に、触媒担体が電気加熱による発熱部を有していると、発熱部で加熱された排気ガスが着火温度以上の温度に昇温し、低温の排気ガスであっても触媒反応を起こさせることができるので好ましい。
【0034】
電気加熱による発熱部については、例えば特開平9−88561号公報に記載の方法を用いることができる。即ち、図11に示すように、少なくとも一方の表面が絶縁された平箔と波箔とを組み合わせた組み合わせ箔を中心電極11の周りに螺旋状に巻き回して円筒状に形成し、もう一方の外部電極12が接続されるケーシング8に収納してハニカム体7bとし、組み合わせ箔周方向両端に電圧を印加するものである。このハニカム体7bは絶縁を局所的に破壊し隣接する組み合わせ箔を半径方向に導通する局所的発熱部10を複数設ける。2つの電極の間に電圧を印加すると、電流が局所的発熱部を通過するときに発熱し、発熱部の周辺を通過する排気ガスを昇温することができる。
【0035】
【実施例】
金属繊維製不織布の平板と金属繊維製不織布をコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせて巻き回し、多数のガス流通セルを形成するパティキュレートトラップにおいて、本発明を適用した。
【0036】
パティキュレートトラップの外径は100mmである。パティキュレートトラップを形成するハニカム体として、本発明例は図1(b)に示すように、長さ50mmのものを25mmの間隔を開けて2個直列に配置し、比較例は長さ110mmのものを1個配置している。本発明例、比較例ともに、金属製不織布として厚さ0.3mm、空隙率70%のものを用い、ハニカム体のセル密度は300CPSIとした。
【0037】
4サイクル水冷ディーゼルエンジン(排気量764cc)の排気系に本発明例と比較例のパティキュレートトラップを接続し、排気ガス中微粒子の捕集率評価を行った。
【0038】
エンジンに使用する燃料は市販軽油、エンジン回転数3600rpm、負荷10kWで運転した。各測定の前に、パティキュレートトラップを付けない状態で十分暖機し、パティキュレートトラップを取り付け、ガス漏れのないことを確認した後、試験条件に達した時点から測定を開始した。なお、パティキュレートトラップを付けない場合は、排気温度が安定した後に測定を行った。試験温度は、定常時は常温とした。CVS流量は、全試験を通して測定の間、10m3/minに固定して行った。
【0039】
測定項目として、粒子状物質排出量、粒子状物質捕集量を測定し、これらの測定結果から捕集率を算出した。また、圧力損失の測定を行った。
1回の測定は700秒間行い、測定を3回繰り返した。
【0040】
粒子状物質は、排出ガスを流速110リットル/minの一定流量状態の希釈トンネルへ導入した後、70mmφのテフロン(登録商標)コーティングフィルター(PallflexTX40HI−20−ww、細孔0.3μm)を用いて捕集した。粒子状物質排出量は、粒子捕集前後のフィルター質量差より求めた。
【0041】
粒子状物質排出量は次式により求めた。
PMmass = (Vmix + Vs)×{PMs/Vs − PMb/Vb(1 − 1/DF)}×10−5
ここで、PMmass:粒子状物質排出量(g)、Vmix:試験当たりの希釈排出ガス量(リットル)、PMs:希釈排出ガスから捕集した粒子状物質質量(μg)、Vs:希釈排ガスの捕集流量(リットル)、PMb:希釈空気から捕集した粒子状物質質量(μg)、Vb:希釈空気の捕集流量(リットル)である。また、DFは以下の式から求められる希釈率である。
DF = 13.3/{CO2e + (HCe+ COe)×10−4}
ここで、CO2e:希釈排ガス中のCO2濃度(%)、HCe:希釈排ガス中のHC濃度(ppmc)、COe:希釈排ガス中のCO濃度(ppm)である。
【0042】
図12に本発明例と比較例の捕集率の測定結果を示した。図12から明らかなように、ハニカム体を軸方向に2個配置した本発明例は、1個のハニカム体を用いた比較例と対比し、捕集率が20〜25%向上した。
【0043】
圧力損失については、本発明例、比較例ともに、3KPa程度で相違はなかった。
【0044】
【発明の効果】
本発明により、捕集時の初期圧力損失が極めて低く、また圧力損失の上昇が少ないパティキュレートトラップにおいて、パティキュレート捕集効率をより一層改善したパティキュレートトラップを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパティキュレートトラップを示す斜視断面図であり、(a)は隣り合うハニカム体を密に配置した場合、(b)は隣り合うハニカム体の間に空間を有する場合である。
【図2】本発明のハニカム体を示す図であり、(a)は平板と波板とを交互に重ね合わせて巻き回したものの斜視図であり、(b)は平板と波板を積層したものの正面図である。
【図3】本発明のハニカム体を流れる排気ガス流の状況を示す斜視断面図である。
【図4】本発明のハニカム体を流れる排気ガス流の状況を示す断面図である。
【図5】上流側ハニカム体と下流側ハニカム体の重なり状況を示す概略図である。
【図6】本発明のパティキュレートトラップを示す斜視断面図である。
【図7】(a)は金属繊維製不織布を示す部分拡大斜視図であり、(b)は金属繊維の表面に触媒を担持した金属繊維製不織布を示す部分拡大斜視図である。
【図8】本発明のパティキュレートトラップを示す図であり、(a)は波頂部の軌跡を示す図、(b)はハニカム体の斜視図、(c)はパティキュレートトラップの斜視断面図である。
【図9】本発明のパティキュレートトラップを示す図であり、(a)は波頂部の軌跡を示す図、(b)パティキュレートトラップの斜視断面図である。
【図10】本発明のパティキュレートトラップにおける波頂部の軌跡を示す図である。
【図11】電気加熱による発熱部を有する本発明のパティキュレートトラップを示す図である。
【図12】本発明例と比較例の粒子状物質捕集率を対比した図である。
【符号の説明】
1 金属繊維製不織布の平板
2 金属繊維製不織布の波板
3 セル
4 金属繊維
5 触媒担持層
6 外筒
7 ハニカム体
8 ケーシング
9 パティキュレートトラップ
10 発熱部
11 中心電極
12 外部電極
13 排気ガス流
14 ハニカム体軸方向
15 排気ガス流(乱流)
16 排気ガス流(層流)
17 波頂部
18 波頂部の軌跡
19 空間
21 入側ガス流
22 出側ガス流
23 セル内ガス流
24 不織布を通るガス流
31 上流側ハニカム体
32 下流側ハニカム体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a particulate trap for collecting and removing fine particles (particulates) such as carbon in exhaust gas of a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
It is extremely important for environmental measures to remove particulates mainly composed of carbon contained in exhaust gas of a diesel engine. Various techniques have been proposed for disposing a particulate trap in an exhaust gas system of a diesel engine, collecting the particulate, and removing the particulate by post-processing. As a filter for collecting particulates, a honeycomb-like porous body of cordierite ceramics and a ceramic fiber trap in which ceramic fibers are made into a candle shape are known.
[0003]
[0004]
[0005]
In
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-243333
[Patent Document 2]
JP-A-9-262414
[Patent Document 3]
JP-A-2002-113798
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the particulate trap described in
[0008]
An object of the present invention is to provide a particulate trap in which the initial pressure loss at the time of collection is extremely low and the rise in pressure loss is small, and in which the particulate collection efficiency is further improved.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A particulate trap in which two or
(2) The particulate trap according to (1), wherein a
(3) The particulate trap according to (1) or (2), wherein the cell density of the
(4) The paste according to any one of (1) to (3), wherein the porosity of the
(5) The particulate trap according to any one of (1) to (4), wherein a catalyst is supported on the metal fibers 4 of the metal fiber nonwoven fabric.
(6) Any of the above (1) to (5), wherein the direction of the
(7) The particulate trap according to the above (6), wherein the direction of inclination of the
(8) The particulate trap according to (6), wherein the inclination angle of the
(9) The particulate trap according to (8), wherein the center of curvature of the locus of the crest portion drawn by the honeycomb body axial direction is in the opposite direction between the adjacent honeycomb bodies.
(10) The particulate trap according to any one of the above (1) to (9), wherein at least one of the honeycomb bodies has a
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The particulate trap of the present invention is formed by forming a large number of gas flow cells by alternately stacking and winding a flat plate of a metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated corrugated metal fiber nonwoven fabric, or by laminating. Two or more honeycomb bodies are prepared, and as shown in FIG. 1, two or more honeycomb bodies including this honeycomb body are arranged in the axial direction of the filter. FIG. 2A shows a honeycomb body in which a large number of gas flow cells are formed by alternately overlapping and winding a flat plate of a metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated corrugated sheet of a metal fiber nonwoven fabric, and FIG. b) represents a honeycomb body in which a number of gas flow cells are formed by laminating a flat plate of a metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated sheet of the metal fiber nonwoven fabric.
[0011]
In the particulate trap of the present invention, the basics for collecting diesel particulates in exhaust gas are the same as those described in
[0012]
In the particulate trap having the above configuration using a single honeycomb body, the particulates are trapped mainly on the cell walls near the exhaust gas inlet and outlet of the honeycomb body. As shown in FIG. 4C, since the gas is in the
[0013]
A feature of the present invention is that a plurality of
[0014]
If the number of honeycomb bodies arranged in the axial direction of the
[0015]
The metal fiber nonwoven fabric forming the honeycomb body has a predetermined thickness. Therefore, when two honeycomb bodies are brought into contact in the axial direction of the filter as shown in FIG. 1 (a), the gas-flowable aperture ratio at the contact portion is reduced, and a high pressure loss occurs here. Become. FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which two honeycomb bodies overlap each other when viewed in the axial direction of the honeycomb body. The gas flow passage is greatly reduced due to the overlap between the
[0016]
The cell size of the honeycomb body formed of the metal fiber nonwoven fabric can be expressed by the cell density which is the number of cells per unit cross-sectional area of the honeycomb body. The higher the cell density, the smaller the cross-sectional area of each cell, and the larger or smaller the particulate diameter can be captured. However, there is a disadvantage that the cell cross-sectional area is reduced by capturing a large amount of particulates, and the passage resistance of the exhaust gas is rapidly increased. Conversely, when the cell density increases, large-diameter particulates can be captured, but the capture ratio of the small-diameter particulates decreases, and the disadvantage that the passage resistance of the exhaust gas increases instead hardly occurs.
[0017]
In the present invention, as shown in FIG. 6A, the cell density of the
[0018]
In a particulate trap in which two honeycomb bodies are arranged as shown in FIG. 6A, the cell density of the
[0019]
With respect to the metal fiber nonwoven fabric constituting the honeycomb body, the porosity of the nonwoven fabric can be adjusted to various values by adjusting the density of the metal fibers and the like. In a nonwoven fabric in which the porosity is small, that is, the metal fibers are densely arranged, it is possible to capture both large-diameter particulates and small-diameter particulates. On the other hand, in a nonwoven fabric having a large porosity, that is, a metal fiber is sparsely arranged, a particulate having a large diameter can be captured, but the capturing efficiency of a particulate having a small diameter is reduced.
[0020]
In the present invention, the porosity of the honeycomb body on the downstream side of the exhaust gas is set to a value lower than the porosity of the honeycomb body on the upstream side, so that a particulate having a large diameter can be selectively used in the honeycomb body on the upstream side. The exhaust gas after the large-diameter particulates have already been captured is passed through the downstream honeycomb body, and the remaining small-diameter particulates are intensively captured. With such a configuration, both large-diameter particulates and small-diameter particulates can be captured, and the cell cross-sectional area of the honeycomb body does not decrease due to excessive capture of the particulates, and is stable. Particulates can be captured. As a result, pressure loss when the exhaust gas passes through the particulate trap can be minimized, so that the load on the engine can be suppressed.
[0021]
In the particulate trap in which two honeycomb bodies are arranged, it is preferable that the porosity of the honeycomb nonwoven fabric on the upstream side is 95 to 80% and the porosity of the honeycomb nonwoven fabric on the downstream side is about 85 to 65%. When three honeycombs are arranged, the porosity of the honeycomb arranged in the middle is set to 85 to 75%, and the porosity of the honeycombs before and after the honeycomb is preferably the same as that of the two honeycombs. .
[0022]
In the particulate trap of the present invention, the catalyst can be supported on the metal fibers of the metal fiber nonwoven fabric constituting the honeycomb body. As shown in FIG. 7B, the catalyst supported on the metal fibers is coated on the surface of each metal fiber 4 as a catalyst supporting layer 5, so that the gas can pass through this nonwoven fabric. Therefore, not only can it function as a catalyst, but it can also trap particulates. The total surface area of the catalyst-carrying layer in the cell is greatly increased in the present invention as compared with the conventional case where the flat plate and the corrugated plate constituting the cell are formed of a metal plate and coated with a catalyst. As a result, the size of the catalyst carrier can be significantly reduced.
[0023]
When the particulate trap of the present invention in which a catalyst is supported on metal fibers is used for an exhaust gas system of a diesel engine, the particulates contained in the exhaust gas are trapped in irregularities between the metal fibers, so that the particulates having a small pressure loss are used. At the same time as functioning as a curate trap, a catalytic reaction is caused by a catalyst on the surface of the metal fiber, and harmful components in exhaust gas can be removed at the same time.
[0024]
When the particulate trap of the present invention in which a catalyst is supported on metal fibers is used in an exhaust gas system of a gasoline engine, it functions as a catalyst carrier for purifying exhaust gas. Compared to a conventional catalyst carrier in which a flat metal foil and a corrugated foil are wound or laminated, the total surface area of the catalyst supporting layer on the inner surface of the cell is greatly increased, so that the catalytic reaction efficiency is remarkably improved. Further, turbulence is generated over the entire surface by the unevenness of the metal fiber nonwoven fabric constituting the cell wall surface, and the catalytic reaction is promoted. It is also good as a methanol reformer.
[0025]
In a catalyst carrier used for purifying exhaust gas of an automobile, it is necessary to raise the temperature of the catalyst to a temperature equal to or higher than the ignition temperature as soon as possible at the start of the engine, ignite the catalyst, and allow the catalytic reaction to proceed. On the other hand, when the engine is started, the catalyst carrier is cold and the temperature of the exhaust gas flowing in is also low. It is valid. In the present invention, when a catalyst is supported by supporting a catalyst on a metal fiber nonwoven fabric, the cell density of the honeycomb body on the downstream side of the exhaust gas is higher than the cell density of the honeycomb body on the upstream side as described above. With this configuration, the heat capacity of the honeycomb body on the exhaust gas entry side can be reduced. As a result, since the heat capacity is small on the exhaust gas inlet side, the temperature of the honeycomb body rises early when the engine is started, and the catalyst is ignited.
[0026]
In the present invention, it is preferable that the direction of the
[0027]
When the direction of the
[0028]
When the direction of the
[0029]
As shown in FIG. 10, the curved shape drawn by the
[0030]
In the embodiment in which the center of curvature is located only on one side of the crest as shown in FIG. 9A, it is inevitable to reduce the inclination angle between the crest and the honeycomb body axial direction on the exhaust gas entry side. On the exhaust gas outlet side, the inclination angle between the crest and the honeycomb body axial direction increases. In such a case, it is preferable that the center of curvature drawn by the locus of the crest portion in the honeycomb body axial direction is in the opposite direction between the adjacent honeycomb bodies as shown in FIG. 9B. Thereby, the exhaust gas flowing in the cell is subjected to a large centrifugal force, and the generation of the Gertler vortex is promoted, so that the particulate capture efficiency can be improved.
[0031]
In a particulate trap of a diesel engine, the particulates trapped in the trap react with the oxidizing gas in the exhaust gas due to the high temperature of the exhaust gas and are burnt and removed. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is low, the trapped particulates are not sufficiently burned and removed, and the particulates are deposited on the particulate trap. When the engine is started or idling, the temperature of the exhaust gas is low, and the combustion of the captured particulates becomes insufficient.
[0032]
The particulate trap of the present invention can solve this problem by having the
[0033]
In the case where the particulate trap having a heat generating portion by electric heating according to the present invention also has a portion carrying a catalyst at the same time, the catalytic reaction for burning unburned components in the exhaust gas is performed at a high temperature equal to or higher than a predetermined temperature. appear. Immediately after the start of the engine or at the time of idling, the temperature of the exhaust gas is low, and ignition for starting the catalytic reaction does not occur. In such a case, if the catalyst carrier has a heat-generating portion by electric heating, the exhaust gas heated by the heat-generating portion rises to a temperature equal to or higher than the ignition temperature, and even if the exhaust gas has a low temperature, the catalytic reaction occurs. Can be caused.
[0034]
As for the heat generating portion by electric heating, for example, a method described in JP-A-9-88561 can be used. That is, as shown in FIG. 11, a combination foil obtained by combining a flat foil and a corrugated foil having at least one surface insulated is spirally wound around the
[0035]
【Example】
The present invention was applied to a particulate trap in which a flat plate of a metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated corrugated metal fiber nonwoven fabric were alternately overlapped and wound to form a large number of gas flow cells.
[0036]
The outer diameter of the particulate trap is 100 mm. As shown in FIG. 1B, two honeycomb bodies having a length of 50 mm are arranged in series at intervals of 25 mm as a honeycomb body forming a particulate trap, and the comparative example is a 110 mm long honeycomb body. One thing is arranged. In both the present invention example and the comparative example, a metal nonwoven fabric having a thickness of 0.3 mm and a porosity of 70% was used, and the cell density of the honeycomb body was 300 CPSI.
[0037]
The particulate traps of the present invention and comparative examples were connected to the exhaust system of a 4-cycle water-cooled diesel engine (displacement 764 cc), and the collection rate of particulates in exhaust gas was evaluated.
[0038]
The fuel used for the engine was commercial light oil, the engine was operated at 3600 rpm, and the load was 10 kW. Before each measurement, the system was sufficiently warmed up without a particulate trap, and a particulate trap was attached. After confirming that there was no gas leakage, the measurement was started when the test conditions were reached. In addition, when the particulate trap was not attached, the measurement was performed after the exhaust temperature was stabilized. The test temperature was normal temperature during normal operation. The CVS flow rate was 10 m during the measurement throughout the entire test.3/ Min.
[0039]
As the measurement items, the amount of discharged particulate matter and the amount of collected particulate matter were measured, and the trapping rate was calculated from the measurement results. In addition, pressure loss was measured.
One measurement was performed for 700 seconds, and the measurement was repeated three times.
[0040]
The particulate matter was introduced into a dilution tunnel at a constant flow rate of 110 liter / min at a flow rate of 110 liter / min, and then using a 70 mmφ Teflon (registered trademark) coating filter (Pallflex TX40HI-20-ww, pore 0.3 μm). Collected. The amount of particulate matter discharged was determined from the difference in filter mass before and after the collection of particles.
[0041]
The particulate matter emission was determined by the following equation.
PMmass = (Vmix + Vs) × {PMs / Vs−PMb / Vb (1-1 / DF)} × 10-5
Here, PMmass: amount of particulate matter emitted (g), Vmix: amount of diluted exhaust gas per test (liter), PMs: mass of particulate matter collected from diluted exhaust gas (μg), Vs: collection of diluted exhaust gas Collection flow rate (liter), PMb: mass of particulate matter collected from dilution air (μg), Vb: collection flow rate of dilution air (liter). DF is a dilution ratio obtained from the following equation.
DF = 13.3 / {CO2e + (HCe+ COe) × 10-4}
Where CO2e: CO in diluted exhaust gas2Concentration (%), HCe: HC concentration (ppmc) in diluted exhaust gas, COe: CO concentration (ppm) in diluted exhaust gas.
[0042]
FIG. 12 shows the measurement results of the collection rates of the present invention example and the comparative example. As is clear from FIG. 12, in the example of the present invention in which two honeycomb bodies are arranged in the axial direction, the collection rate is improved by 20 to 25% as compared with the comparative example using one honeycomb body.
[0043]
Regarding the pressure loss, there was no difference between the present invention example and the comparative example at about 3 KPa.
[0044]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the particulate trap which the initial pressure loss at the time of collection is extremely low, and the rise of a pressure loss is small, the particulate trap which further improved the particulate collection efficiency can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective sectional view showing a particulate trap of the present invention, wherein (a) shows a case where adjacent honeycomb bodies are densely arranged, and (b) shows a case where a space is provided between adjacent honeycomb bodies. .
FIGS. 2A and 2B are views showing a honeycomb body of the present invention, wherein FIG. 2A is a perspective view of a flat plate and a corrugated plate which are alternately overlapped and wound, and FIG. It is a front view of a thing.
FIG. 3 is a perspective sectional view showing a state of an exhaust gas flow flowing through a honeycomb body of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state of an exhaust gas flow flowing through the honeycomb body of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing an overlapping state of an upstream honeycomb body and a downstream honeycomb body.
FIG. 6 is a perspective sectional view showing a particulate trap of the present invention.
FIG. 7 (a) is a partially enlarged perspective view showing a metal fiber nonwoven fabric, and FIG. 7 (b) is a partially enlarged perspective view showing a metal fiber nonwoven fabric carrying a catalyst on the surface of a metal fiber.
8A and 8B are diagrams showing a particulate trap of the present invention, wherein FIG. 8A is a diagram showing a locus of a crest, FIG. 8B is a perspective view of a honeycomb body, and FIG. 8C is a perspective sectional view of the particulate trap. is there.
9A and 9B are diagrams showing a particulate trap of the present invention, wherein FIG. 9A is a diagram showing a locus of a crest, and FIG. 9B is a perspective sectional view of the particulate trap.
FIG. 10 is a diagram showing a locus of a crest in the particulate trap of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a particulate trap of the present invention having a heat generating portion by electric heating.
FIG. 12 is a diagram comparing the particulate matter collection rates of the present invention example and the comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Flat plate of nonwoven fabric made of metal fiber
2 Corrugated sheet of metal fiber non-woven fabric
3 cells
4 Metal fiber
5 Catalyst support layer
6 outer cylinder
7. Honeycomb body
8 Casing
9 Particulate trap
10 Heating part
11 center electrode
12 External electrodes
13 Exhaust gas flow
14 Honeycomb body axial direction
15 Exhaust gas flow (turbulent flow)
16 Exhaust gas flow (laminar flow)
17 Crest
18 Crest trajectory
19 Space
21 Inlet gas flow
22 Outlet gas flow
23 Gas flow inside the cell
24 Gas flow through nonwovens
31 upstream honeycomb body
32 Downstream honeycomb body
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