JP2005000818A - 排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウォールフロータイプのハニカム構造体のＤＰＦにおいて、ＰＭの比較的大きな粒子だけでなく、ＰＭの微細な粒子も捕捉可能で、しかも、熱エネルギーを効率よく使用して触媒を活性温度以上にしてＰＭを酸化除去できる排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ウォールフロータイプの多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなる排気ガス浄化用フィルタ１０において、流入出側セル１２Ａと流出側セル１２Ｂを仕切り、排気ガスＧが通過する多孔質壁１１に酸化触媒１５を担持すると共に、少なくとも流出側セル１２Ｂ内にマイクロ波によって発熱する粒体１６を充填する。
【選択図】 図１
【解決手段】ウォールフロータイプの多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなる排気ガス浄化用フィルタ１０において、流入出側セル１２Ａと流出側セル１２Ｂを仕切り、排気ガスＧが通過する多孔質壁１１に酸化触媒１５を担持すると共に、少なくとも流出側セル１２Ｂ内にマイクロ波によって発熱する粒体１６を充填する。
【選択図】 図１
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等の排気ガス中のＰＭを捕捉するための排気ガス浄化用フィルタに関し、より詳細には、マイクロ波により発熱する発熱体を備えた排気ガス浄化用フィルタ及びそれを使用した排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは、対応できなくなってきている。そこで、エンジンから排出されるＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
直接、このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、エンジンの排気通路の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
これらのＤＰＦでは、ＰＭは比較的大きな粒子から超微粒子まで広い範囲の粒度分布を有しているため、広い範囲でＰＭを捕集すべく様々な工夫がなされている。
【０００５】
その一つに、一方向に通過可能なセルからなるハニカム構造体のＤＰＦにおいて、排気ガス通路の断面に対するセルの密度が段階的又は断続的に大きくなるハニカム構造体のセル内を通過させることにより、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の拡散作用を利用して、粒子状物質を壁面に担持した酸化触媒に接触させて、上流側のセル内では粒子状物質の比較的大きな可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化すると共にこの可溶性有機成分の酸化により粒子状物質のスート（ＳＯＯＴ）を分離して微細化し、下流側セル内では微細化したスートを酸化する排気ガス浄化方法とその装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
一方、ＤＰＦはフィルタがＰＭを捕集すると捕集量に比例して排圧が上昇するので、捕集されたＰＭを燃焼させるなどして除去し、ＤＰＦを再生する必要があり、この再生方法は色々な方法が提案されており、電気ヒーター加熱タイプ、バーナー加熱タイプ、逆洗タイプ等がある。
【０００７】
しかしながら、これらの再生方法をとる場合には、外部からエネルギーの供給を受けてＰＭの燃焼を行うので、燃費の悪化を招き、また、再生時の制御が難しく、ＰＭ捕集、ＰＭ燃焼（ＤＰＦ再生）を交互に行うような二系統のＤＰＦシステムが必要になる等、システムが大きく複雑になるという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するために、酸化触媒を利用しＰＭの酸化温度を下げ、外部からエネルギーを受けることなく、エンジンからの排気熱でＰＭを酸化してＤＰＦを再生する技術が提案されている。この場合には、ＤＰＦ再生が基本的には連続的になるため連続再生型ＤＰＦシステムと呼ばれているが、これらのシステムは、より簡素化された一系統のＤＰＦシステムとなり、再生制御も簡素化されるという利点がある。
【０００９】
この連続再生型ＤＰＦシステムの一つであるＮＯ２ 再生型ＤＰＦシステムでは、ＮＯ２ （二酸化窒素）によりＰＭを酸化し、ＤＰＦを再生しており、通常のウォールフローフィルタの上流に酸化触媒を配置し、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化する。従って、酸化触媒後流の排気ガス中のＮＯｘは殆どがＮＯ２ になる。このＮＯ２ で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ２ （二酸化炭素）とし、ＰＭを除去している。このＮＯ２ は、Ｏ２ よりエネルギー障壁が小さいため、ＰＭ酸化温度（ＤＰＦ再生温度）を低下させ、外部からエネルギーの供給なしに排気ガス中の熱エネルギーで連続的にＰＭ燃焼が生じる。
【００１０】
そして、このＮＯ２ 再生型ＤＰＦシステムの改良システムとして、酸化触媒の多孔質触媒コート層をウォールフローフィルタの多孔質壁面に塗布し、ＮＯの酸化とこれにより発生したＮＯ２ によるＰＭの酸化を、ウォールフローフィルタの壁表面上で行うように構成し、システムを簡素化したものがある。
【００１１】
また、ウォールフローフィルタの多孔質壁面に、酸化触媒と酸化物等のＰＭ酸化触媒との多孔質触媒コート層を塗布し、フィルタに蓄積したＰＭを低温で燃焼し、連続再生するシステムもある。
【００１２】
更に、ウォールフロータイプの多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなる排気ガス浄化用フィルタにおいて、流入側のセル内に酸化触媒を担持させた耐熱性繊維を充填して、ハニカム壁及び耐熱性繊維の酸化触媒により、排気ガス中のＰＭを燃焼除去させるディーゼル排気ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
そして、これらの触媒付きＤＰＦシステムは、触媒及びＮＯ２ によるＰＭの酸化反応によって通常のフィルタよりもＰＭ酸化開始排気温度（ＰＭ強制燃焼温度）を下げてＰＭの連続再生を実現するシステムである。
【００１４】
しかしながら、ＰＭ酸化開始排気温度を下げても、まだ、３５０℃程度の排気ガス温度は必要であり、エンジンの始動直後やアイドルや低負荷のエンジン運転条件では、排気ガス温度が不足し、ＰＭの酸化及びＤＰＦの再生が生じない。
【００１５】
従って、このようなエンジンの始動直後やアイドルや低負荷のエンジン運転条件では、排気ガス温度が酸化触媒やＰＭ酸化触媒の活性温度以上にならないため、ＰＭの燃焼除去がされず、ＰＭが蓄積し、この状態が継続すると、ＰＭが蓄積してもＰＭ酸化状態にならないため、排圧が上昇し、燃費の悪化を招き、また、エンジン停止等のトラブルが生じるおそれがある。
【００１６】
そこで、これらの連続再生型ＤＰＦシステムでは、ＰＭの酸化除去のために強制的に排気温度を上げるためのポスト噴射等を含む制御運転を行い、排気温度を触媒の活性温度以上に上昇させて、捕集されたＰＭを酸化除去している。この強制的に排気温度を上げる運転では、排気温度を上げるために燃料を消費したり出力トルクの変動を伴ったりするので、エンジン運転条件からフィルタへのＰＭ蓄積量を算出したり、又は、ＰＭ蓄積量に対応したフィルタ圧損からＰＭ蓄積量を推定したりして、捕集したＰＭを燃焼除去する必要が生じているとするＤＰＦ再生必要条件を設定し、このＤＰＦ再生必要条件を満たした時に、この排気温度上昇制御運転を行っている。
【００１７】
また、排気温度を上昇させて触媒を活性温度以上にする代りに、ウォールフロータイプ等のＤＰＦの本体自体を、マイクロ波を吸収して高い効率で熱エネルギーに変化して発熱する耐火性酸化セラミック群に属するマイクロ波吸収材料で形成し、マイクロ波発生器によりＤＰＦを発熱させるディーゼル排気フィルタも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００２−２７６３３２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７６３３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−８０２７１号公報 （第４頁）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
これらのＤＰＦにおいては、排気ガス中に含まれているＰＭの粒度分布が幅広く、数十ミクロンの大きな粒子からナノオーダーの微細な粒子まで幅広く混在している。そのため、比較的大きな粒子から微細な粒子まで捕捉する必要が有る。このうち数ミクロン以上の比較的大きな粒子は質量が大きく、その運動は慣性に支配されるため、これらの粒子はウォールフロータイプのハニカム構造体の多孔質壁の気孔入口での慣性さえぎり効果によって捕捉される。
【００２０】
しかしながら、従来技術におけるＤＰＦにおいては、ＰＭの成分の内、例えば１ミクロン程度より小さい超微粒子の捕捉が困難であるいう問題とがある。
【００２１】
また、捕捉されたＰＭを燃焼除去するために、エンジン始動直後やアイドルや低負荷域のエンジン運転状態においても、ＰＭの捕捉量が増加してきた時には、酸化触媒やＰＭ酸化触媒を活性温度以上にする必要があるが、従来技術の排気ガスの温度を昇温するＤＰＦにおいては、触媒を担持しているＤＰＦ全体を暖めることになるため、必要な熱エネルギーが大きく燃費が悪化するという問題がある。
【００２２】
特に、低温始動時においては、排気温度が非常に低く、また、ＤＰＦ自体も暖められていないため、排気ガス温度の上昇により触媒を短時間の内に活性温度以上にすることは難しく、昇温までの時間も長くなり、また、燃料消費量も多くなる。
【００２３】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、ウォールフロータイプのハニカム構造体のＤＰＦにおいて、ＰＭの比較的大きな粒子だけでなく、ＰＭの微細な粒子も捕捉可能で、しかも、熱エネルギーを効率よく使用して酸化触媒やＰＭ酸化触媒を活性温度以上にしてＰＭを酸化除去できる排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化用フィルタは、多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなり、フィルタ機能を有する多孔質壁により仕切られ、かつ、該ハニカム構造体の両端に開口を有して連通するセルにおいて、互いに隣接するセルごとに反対側の開口を封止して流入側セルと流出側セルが形成され、排気ガスが流入側セルの入口から流入して前記多孔質壁を通過して隣接する流出側セル内に入り該流出側セルの出口から流出するように形成された排気ガス浄化用フィルタにおいて、前記多孔質壁に酸化触媒を担持すると共に、少なくとも前記流出側セル内に粒体を充填して構成される。
【００２５】
つまり、ウォールフロータイプのフィルタにおいて、フィルタ機能を有する多孔質壁に触媒を担持し、流出側セル内に粒体を充填することにより、流出側セル内における捕集面積を著しく増加でき、ＰＭの微細な粒子である超微粒子成分を捕捉することができるようになる。
【００２６】
また、上記の排気ガス浄化用フィルタにおいて、粒体に触媒を担持させることにより、流出側セルの壁及び粒体に捕捉及び捕集されたＰＭの超微粒子成分を比較的低い温度で容易に酸化除去できるようになる。
【００２７】
なお、ＰＭの粒度分布によっては、流入側セル内にも粒体を入れて、多孔質壁の上流側においても、ＰＭの微細な粒子を捕捉及び捕集できるようにしてもよい。
【００２８】
そして、上記の排気ガス浄化用フィルタにおいて、粒体を誘電損失の大きい材料で形成すると、マイクロ波発生器でマイクロ波を発生して粒体を発熱させることができるので、この発熱により粒体、多孔質壁を少ないエネルギーで温度上昇でき、これらの担体に担持された触媒を活性温度以上にして、これらに捕捉されたＰＭを効率よく燃焼除去できる。
【００２９】
そのため、排気温度が低い低温始動時等であっても、マイクロ波を発生して粒体部分を選択的に加熱して触媒活性温度以上に昇温することにより、少ないエネルギーでＰＭを燃焼除去できる。
【００３０】
また、誘電損失が大きい材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３ ）等も知られているが、極性や機械的特性（摩耗）が劣る。一方、金属とケイ素の複合物を分散配置させた窒化ケイ素等を材料として粒体は、低熱容量で誘電損失が大きく、マイクロ波吸収による発熱が効率よく行われ、しかも、耐摩耗性に優れ、更に極性を有しているため、ＰＭの微細な粒子を吸着しやすいという性質を有しているので、ＰＭの超微粒子の捕捉に効果がある。
【００３１】
従って、この粒体は、金属とケイ素の複合物を分散配置させた窒化ケイ素を材料として形成され、また、この金属を、鉄、モリブデン、ニッケル、銅のいずれか一つ、又はこれらの複合物とすることが好ましい。
【００３２】
また、粒体の大きさを０．５ｍｍ〜１ｍｍとすることにより、流出側セルへの充填が容易でしかも捕捉に有効な表面積も十分に取れる。なお、粒体の大きさが０．５ｍｍ〜１ｍｍとは、０．５ｍｍメッシュの篩では通らず、１ｍｍメッシュの篩いでは通過する大きさのことをいう。
【００３３】
更に、この粒体の脱落防止用に流出側セルの出口側に耐熱繊維を配設することにより、容易に粒体の脱落を防止できる。この耐熱繊維としては、アルミナ繊維やムライト繊維等の無機繊維や金属繊維を使用できる。
【００３４】
そして、本発明の排気ガス浄化装置は、上記の排気ガス浄化用フィルタを備えた排気ガス浄化装置であって、ハニカム構造体の近傍にマイクロ波発生器を備えて構成される。
【００３５】
この構成の排気ガス浄化装置によれば、ＰＭの比較的大きな粒子のみならず、、ＰＭの微細な粒子も捕捉可能となり、また、マイクロ波発生により粒体は選択的に粒体を発熱させることにより、少ないエネルギーで効率よく粒体等に担持された酸化触媒を活性温度以上にすることができ、捕集されたＰＭを酸化除去することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１〜図３に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０は、ウォールフロータイプのフィルタとして知られている千鳥状に目封止したハニカム構造のフィルタであり、コージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の多孔性セラミックス製ハニカム構造体として形成される。
【００３８】
図１に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０は、フィルタ機能を有する多孔質壁１１により仕切られ多数のセル１２Ａ，１２Ｂが形成されている。このセル１２Ａ，１２Ｂは、ハニカム構造体の両端に開口１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを有して連通している。図１及び図２の構成では、各セル１２Ａ，１２Ｂは長手方向に延びて平行に形成された多数の多孔質壁１１で井桁状に区切られて形成されている。
【００３９】
そして、互いに隣接するセル１２Ａ，１２Ｂごとに反対側の開口１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを封止して流入側セル（上流側セル）１２Ａと流出側セル（下流側セル）１２Ｂが形成され、流入側セル１２Ａと流出側セル１２Ｂが相互に隣合うように配置される。
【００４０】
この流入側セル１２Ａは、排気ガス浄化用フィルタ１０の入口側１３Ａが開放され、出口側１４Ａが目封止されており、また、下流側セル１２Ｂは入口側１３Ｂが目封止めされ、出口側１４Ｂが開放されて形成される。そのため、図２では、排気ガス浄化用フィルタ１０は、入口面においても出口面においても市松模様に目封止される。
【００４１】
そして、更に、この多孔質壁１１にカリウムコバルト系の酸化触媒１５を担持させる。なお、このカリウムコバルト系の酸化触媒の代りに白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の酸化触媒や、酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒を担持させてもよい。
【００４２】
この排気ガス浄化フィルタ１０において、図１及び図３に示すように、排気ガスＧは、流入側セル１２Ａの入口１３Ａから流入して、フィルタ機能を有する多孔質壁１１を通過して隣接する流出側セル１２Ｂ内に入り、流出側セル１２Ｂの出口１４Ｂから浄化された排気ガスＧｃとなって流出する。
【００４３】
更に、図３に示すように、流出側セル１２Ｂ内に粒体１６を充填して構成される。この粒体１６は、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等のいずれか一つ、又はこれらの複合物の金属（Ｍ）とケイ素（Ｓｉ）の化合物、例えば、ケイ化鉄（Ｆｅ５ Ｓｉ３ 等）やケイ化モリブデン（Ｍｏ５ Ｓｉ３ 等）等を、窒化ケイ素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）中に分散配置させた材料で形成される。
【００４４】
この材料で形成された粒体１６は、低熱容量で誘電損失が大きく、マイクロ波吸収による発熱が効率よく行われ、しかも、耐摩耗性に優れ、更に極性を有しているため、ＰＭの微細な粒子を吸着しやすいという性質を有している。
【００４５】
そして、この粒体１６は、酸化鉄と窒化ケイ素及びアルミナ、イットリアを助剤として所定量調合した混合粉末を原料として、スラリー化し、更に、スプレードライヤーによって造粒処理を行い、これで得た粒体を、脱脂、焼成して形成することができる。これにより、表面に微細な凹凸を持つほぼ球状で、誘電損失の大きい焼結体で、平均粒径が０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の粒体が得られる。
【００４６】
この粒体１６に、カリウムコバルト系の酸化触媒１７を担持させる。なお、多孔質壁１１と同様に、このカリウムコバルト系の酸化触媒の代りに白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の酸化触媒や、酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒を担持させてもよい。
【００４７】
そして、これらの触媒１７を担持させた粒体１６を、排気ガス浄化フィルタ１０の、流出側セル１２Ｂ内に充填し、この粒体１６が脱落しないように流出側セル１２Ｂの出口１４Ｂに少量のアルミナ繊維やムライト繊維等の無機又は金属の耐熱繊維１８を脱落防止材として詰める。
【００４８】
そして、図４に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０を、金属ケーシング２０内に入れ、セラミック系緩衝材で形成される支持固定部材２１を使って周囲を支持固定し、また、端部に脱落防止材の耐熱繊維１８のための繊維抑えメッシュ２２を配設する。更に、この排気ガス浄化用フィルタ１０のハニカム構造体の近傍にマグネトロン等を用いて構成されるマイクロ波発生器３０を配設して、排気ガス浄化装置１を構成する。
【００４９】
以上の構成の排気ガス浄化用フィルタ１０及び排気ガス浄化装置１によれば、ナノオーダーから数十ミクロンの大きな粒子まで幅広く混在しているＰＭのうち、数ミクロン以上の質量が大きく、その運動が慣性に支配される粒子は、多孔質壁１１の気孔入口での慣性さえぎり効果によって捕捉される。また、更に微細な超微粒子は、極性をもち吸着性に優れた粒体１６の表面上への吸着によって捕捉される。即ち、２段階捕捉により、広い粒度範囲のＰＭを捕捉できる。
【００５０】
そして、特に、低温始動時やアイドルや低負荷域等の排気ガスの温度が低い場合には、マイクロ波発生器３０で発生したマイクロ波によって粒体１６を選択的に加熱することができ、しかも、粒体１６の熱容量が小さいので、短時間の間に粒体１６及びその周辺の多孔質壁１１を昇温して、担持された酸化触媒やＰＭ酸化触媒等の触媒１５，１７を活性温度以上に高めることができ、粒体１６及び多孔質壁１１に捕集されたＰＭを酸化除去できる。特に、排気温度が低く、また、排気ガス浄化用フィルタ１０が暖められていないエンジン始動時に大きな効果が発揮される。
【００５１】
この触媒１５，１７の昇温は、熱容量の小さな粒体１６である担体を直接加熱するので非常に熱効率がよく、また、多孔質壁１１の加熱も接触している粒体１６からの伝熱によって加熱されるので熱効率がよい。その上、このハニカム構造体（排気ガス浄化用フィルタ）１０は支持固定部材２１で断熱又は熱伝導が少なくなるように支持されるので、ハニカム構造体１０を支持する周囲の金属ケーシング２０等への伝熱は少なくなり、加熱昇温は抑制されるので、金属ケーシング２０等の加熱や放熱による熱損失も著しく少なくなる。
【００５２】
そのため、短時間の間、必要最小限の加熱を行うだけであるので、加熱に必要な消費電力を極めて小さく抑えることができる。
【００５３】
なお、この粒体１６の加熱は、消費電力を最小限にするために、通常は、排気ガス浄化用フィルタ１０に捕捉されたＰＭの堆積量（蓄積量）が増加して、排気ガス浄化用フィルタ１０の背圧が限界値より大きくなったり、排気ガス浄化用フィルタ１０の前後差圧が所定の判定値より大きくなったして、排気ガス浄化用フィルタ１０のＤＰＦ再生処理が必要になった時のみ行う。
〔実施例〕
図５に、上記の構成の排気ガス浄化装置の実施例として、マイクロ波発生器より２．４５ＧＨｚのマイクロ波（電力は３００Ｗ）を発生させた場合に、フィルタ部分の温度上昇を測定した結果を示す。なお、この実施例では、粒体は、酸化鉄と窒化ケイ素を主原料として形成され、また、カリウムコバルト系触媒を担持している。
【００５４】
また、比較例１，２として、従来材のコージェライト系材料と炭化ケイ素系材料でそれぞれ形成したフィルタに対して、実施例と同様に、マイクロ波発生器より２．４５ＧＨｚのマイクロ波（電力は３００Ｗ）を発生させた場合のフィルタ部分の温度変化を示す。
【００５５】
図５によれば、比較例１，２では、コージェライト系材料と炭化ケイ素系材料がマイクロ波を吸収しにくいために誘電損失による発熱が少なく温度上昇が低いのに対して、実施例では、材料が低熱容量でかつ誘電損失が大きいため一気に発熱して加熱され、短時間で触媒活性温度Ｔｄｏｃ 域まで上昇し、更に加熱するとＤＰＦ再生可能温度Ｔｄｐｆ 領域まで温度が上昇するのが判る。
【００５６】
次に、上記の実施例の排気ガス浄化装置と、比較例１，２の排気ガス浄化装置をそれぞれディーゼルエンジンの排気マニホールドとマフラーとを繋ぐ排気管に装着し、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスのＰＭ浄化試験を行った。
【００５７】
このＰＭ浄化試験結果によれば、比較例１，２では、ＰＭのうち比較的大きな粒子の捕捉は可能であったが、ブラウン運動を伴う超微粒子の捕捉は困難であったが、一方、実施例では、特に、超微粒子といわれる０．５ミクロン以下のＰＭが比較例１，２に比べて著しく低減し、比較的大きな粒子と超微粒子の両方を捕捉できていることが判った。
【００５８】
この実施例によるＰＭの捕捉状況は図３に模式的に示してある。排気ガス中のＰＭのうちの比較的大きな粒子４１は多孔質壁１１で捕捉され、ＰＭのうちの超微粒子４２の多くは多孔質壁１１の気孔を通過し、その後、極性の大きい粒体１６の表面上に吸着して捕捉され、それぞれは触媒１５及び触媒１７の触媒効果によって酸化される。
【００５９】
また、エンジンの始動直後において、マイクロ波発生による加熱を行い、排出されるガスの成分を分析した結果、比較例１，２では、触媒の担体の温度が上昇しないため、極めて多くのＰＭが含まれていたが、実施例では短時間で加熱されるため、ＰＭが著しく減少し、低温始動時における浄化性能も優れていることが分かった。
【００６０】
更に、従来から使用されているアルミナ製のセラミック球状担体を充填した比較例３の排気ガス浄化装置と、本発明に係る主原料として酸化鉄と窒化ケイ素を使用した粒体（セラミック球状担体）を充填した実施例の排気ガス浄化装置とをそれぞれ実車に搭載し、耐久試験を行ったところ、比較例３のセラミック球状担体では、振動に伴う摩滅（アトリッション）が生じたが、実施例の粒体では殆ど摩滅は認められず、耐摩耗性に優れていることが判った。
【００６１】
そして、実施例では、粒体の材料として、主原料として酸化鉄と窒化ケイ素を使用しているが、この酸化鉄に代えてモリブデンやニッケルあるいは銅を使用しても、金属とシリコンとの金属間化合物であるシリサイドを形成し、ほぼ同様の結果が認められた。
【００６２】
また、この粒子に関しては造粒過程で中空品の作製も可能であり、中空品とすると、更に、軽量で低熱容量となるため、より消費電力を小さくすることができる。なお、粒体の形状は、球状以外でも同様の効果を得ることができるので、球状に限定されない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置によれば、フィルタ機能を有する多孔質壁に触媒を担持し、流出側セル内に粒体を充填しているので、流出側セル内における捕集面積を著しく増加でき、２段階捕捉となり、ＰＭの比較的大きな粒子のみならず、ＰＭの微細な粒子も捕捉できる。
【００６４】
また、粒体を誘電損失の大きい材料で形成することにより、マイクロ波で粒体を選択的に発熱させることができるので、この発熱により捕捉されたＰＭを効率よく燃焼除去できる。
【００６５】
その上、マイクロ波発生器で発生するマイクロ波により、触媒を担持しＰＭを捕捉する粒体自体を発熱させ、短時間で触媒活性温度以上に昇温できるので、エネルギーを効率よく使用でき、消費電力を低減できる。
【００６６】
特に、排気温度が低く、排気ガス浄化用フィルタ自体が暖められていない低温始動時において、捕集されたＰＭの燃焼除去及びＤＰＦ再生に大きな効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化用フィルタの側断面図である。
【図２】図１の排気ガス浄化用フィルタを排気ガスの入口側から見た図である。
【図３】図１の排気ガス浄化用フィルタの入口側と出口側の部分拡大図である。
【図４】本発明に係る排気ガス浄化装置の構成を示す側断面図である。
【図５】実施例と比較例１，２における排気ガス浄化用フィルタの昇温特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化装置
１０ 排気ガス浄化用フィルタ
１１ 多孔質壁
１２Ａ 流入側セル
１２Ｂ 流出側セル
１３Ａ 入口（流入側セル）
１３Ｂ 入口（流出側セル）
１４Ａ 出口（流入側セル）
１４Ｂ 出口（流出側セル）
１５ 触媒
１６ 粒体
１７ 触媒
２０ 金属ケーシング
３０ マイクロ波発生器
Ｇ 排気ガス
Ｇｃ 浄化された排気ガス
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の排気ガス中のＰＭを捕捉するための排気ガス浄化用フィルタに関し、より詳細には、マイクロ波により発熱する発熱体を備えた排気ガス浄化用フィルタ及びそれを使用した排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは、対応できなくなってきている。そこで、エンジンから排出されるＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
直接、このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、エンジンの排気通路の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
これらのＤＰＦでは、ＰＭは比較的大きな粒子から超微粒子まで広い範囲の粒度分布を有しているため、広い範囲でＰＭを捕集すべく様々な工夫がなされている。
【０００５】
その一つに、一方向に通過可能なセルからなるハニカム構造体のＤＰＦにおいて、排気ガス通路の断面に対するセルの密度が段階的又は断続的に大きくなるハニカム構造体のセル内を通過させることにより、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の拡散作用を利用して、粒子状物質を壁面に担持した酸化触媒に接触させて、上流側のセル内では粒子状物質の比較的大きな可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化すると共にこの可溶性有機成分の酸化により粒子状物質のスート（ＳＯＯＴ）を分離して微細化し、下流側セル内では微細化したスートを酸化する排気ガス浄化方法とその装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
一方、ＤＰＦはフィルタがＰＭを捕集すると捕集量に比例して排圧が上昇するので、捕集されたＰＭを燃焼させるなどして除去し、ＤＰＦを再生する必要があり、この再生方法は色々な方法が提案されており、電気ヒーター加熱タイプ、バーナー加熱タイプ、逆洗タイプ等がある。
【０００７】
しかしながら、これらの再生方法をとる場合には、外部からエネルギーの供給を受けてＰＭの燃焼を行うので、燃費の悪化を招き、また、再生時の制御が難しく、ＰＭ捕集、ＰＭ燃焼（ＤＰＦ再生）を交互に行うような二系統のＤＰＦシステムが必要になる等、システムが大きく複雑になるという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するために、酸化触媒を利用しＰＭの酸化温度を下げ、外部からエネルギーを受けることなく、エンジンからの排気熱でＰＭを酸化してＤＰＦを再生する技術が提案されている。この場合には、ＤＰＦ再生が基本的には連続的になるため連続再生型ＤＰＦシステムと呼ばれているが、これらのシステムは、より簡素化された一系統のＤＰＦシステムとなり、再生制御も簡素化されるという利点がある。
【０００９】
この連続再生型ＤＰＦシステムの一つであるＮＯ２ 再生型ＤＰＦシステムでは、ＮＯ２ （二酸化窒素）によりＰＭを酸化し、ＤＰＦを再生しており、通常のウォールフローフィルタの上流に酸化触媒を配置し、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化する。従って、酸化触媒後流の排気ガス中のＮＯｘは殆どがＮＯ２ になる。このＮＯ２ で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ２ （二酸化炭素）とし、ＰＭを除去している。このＮＯ２ は、Ｏ２ よりエネルギー障壁が小さいため、ＰＭ酸化温度（ＤＰＦ再生温度）を低下させ、外部からエネルギーの供給なしに排気ガス中の熱エネルギーで連続的にＰＭ燃焼が生じる。
【００１０】
そして、このＮＯ２ 再生型ＤＰＦシステムの改良システムとして、酸化触媒の多孔質触媒コート層をウォールフローフィルタの多孔質壁面に塗布し、ＮＯの酸化とこれにより発生したＮＯ２ によるＰＭの酸化を、ウォールフローフィルタの壁表面上で行うように構成し、システムを簡素化したものがある。
【００１１】
また、ウォールフローフィルタの多孔質壁面に、酸化触媒と酸化物等のＰＭ酸化触媒との多孔質触媒コート層を塗布し、フィルタに蓄積したＰＭを低温で燃焼し、連続再生するシステムもある。
【００１２】
更に、ウォールフロータイプの多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなる排気ガス浄化用フィルタにおいて、流入側のセル内に酸化触媒を担持させた耐熱性繊維を充填して、ハニカム壁及び耐熱性繊維の酸化触媒により、排気ガス中のＰＭを燃焼除去させるディーゼル排気ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
そして、これらの触媒付きＤＰＦシステムは、触媒及びＮＯ２ によるＰＭの酸化反応によって通常のフィルタよりもＰＭ酸化開始排気温度（ＰＭ強制燃焼温度）を下げてＰＭの連続再生を実現するシステムである。
【００１４】
しかしながら、ＰＭ酸化開始排気温度を下げても、まだ、３５０℃程度の排気ガス温度は必要であり、エンジンの始動直後やアイドルや低負荷のエンジン運転条件では、排気ガス温度が不足し、ＰＭの酸化及びＤＰＦの再生が生じない。
【００１５】
従って、このようなエンジンの始動直後やアイドルや低負荷のエンジン運転条件では、排気ガス温度が酸化触媒やＰＭ酸化触媒の活性温度以上にならないため、ＰＭの燃焼除去がされず、ＰＭが蓄積し、この状態が継続すると、ＰＭが蓄積してもＰＭ酸化状態にならないため、排圧が上昇し、燃費の悪化を招き、また、エンジン停止等のトラブルが生じるおそれがある。
【００１６】
そこで、これらの連続再生型ＤＰＦシステムでは、ＰＭの酸化除去のために強制的に排気温度を上げるためのポスト噴射等を含む制御運転を行い、排気温度を触媒の活性温度以上に上昇させて、捕集されたＰＭを酸化除去している。この強制的に排気温度を上げる運転では、排気温度を上げるために燃料を消費したり出力トルクの変動を伴ったりするので、エンジン運転条件からフィルタへのＰＭ蓄積量を算出したり、又は、ＰＭ蓄積量に対応したフィルタ圧損からＰＭ蓄積量を推定したりして、捕集したＰＭを燃焼除去する必要が生じているとするＤＰＦ再生必要条件を設定し、このＤＰＦ再生必要条件を満たした時に、この排気温度上昇制御運転を行っている。
【００１７】
また、排気温度を上昇させて触媒を活性温度以上にする代りに、ウォールフロータイプ等のＤＰＦの本体自体を、マイクロ波を吸収して高い効率で熱エネルギーに変化して発熱する耐火性酸化セラミック群に属するマイクロ波吸収材料で形成し、マイクロ波発生器によりＤＰＦを発熱させるディーゼル排気フィルタも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００２−２７６３３２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７６３３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−８０２７１号公報 （第４頁）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
これらのＤＰＦにおいては、排気ガス中に含まれているＰＭの粒度分布が幅広く、数十ミクロンの大きな粒子からナノオーダーの微細な粒子まで幅広く混在している。そのため、比較的大きな粒子から微細な粒子まで捕捉する必要が有る。このうち数ミクロン以上の比較的大きな粒子は質量が大きく、その運動は慣性に支配されるため、これらの粒子はウォールフロータイプのハニカム構造体の多孔質壁の気孔入口での慣性さえぎり効果によって捕捉される。
【００２０】
しかしながら、従来技術におけるＤＰＦにおいては、ＰＭの成分の内、例えば１ミクロン程度より小さい超微粒子の捕捉が困難であるいう問題とがある。
【００２１】
また、捕捉されたＰＭを燃焼除去するために、エンジン始動直後やアイドルや低負荷域のエンジン運転状態においても、ＰＭの捕捉量が増加してきた時には、酸化触媒やＰＭ酸化触媒を活性温度以上にする必要があるが、従来技術の排気ガスの温度を昇温するＤＰＦにおいては、触媒を担持しているＤＰＦ全体を暖めることになるため、必要な熱エネルギーが大きく燃費が悪化するという問題がある。
【００２２】
特に、低温始動時においては、排気温度が非常に低く、また、ＤＰＦ自体も暖められていないため、排気ガス温度の上昇により触媒を短時間の内に活性温度以上にすることは難しく、昇温までの時間も長くなり、また、燃料消費量も多くなる。
【００２３】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、ウォールフロータイプのハニカム構造体のＤＰＦにおいて、ＰＭの比較的大きな粒子だけでなく、ＰＭの微細な粒子も捕捉可能で、しかも、熱エネルギーを効率よく使用して酸化触媒やＰＭ酸化触媒を活性温度以上にしてＰＭを酸化除去できる排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化用フィルタは、多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなり、フィルタ機能を有する多孔質壁により仕切られ、かつ、該ハニカム構造体の両端に開口を有して連通するセルにおいて、互いに隣接するセルごとに反対側の開口を封止して流入側セルと流出側セルが形成され、排気ガスが流入側セルの入口から流入して前記多孔質壁を通過して隣接する流出側セル内に入り該流出側セルの出口から流出するように形成された排気ガス浄化用フィルタにおいて、前記多孔質壁に酸化触媒を担持すると共に、少なくとも前記流出側セル内に粒体を充填して構成される。
【００２５】
つまり、ウォールフロータイプのフィルタにおいて、フィルタ機能を有する多孔質壁に触媒を担持し、流出側セル内に粒体を充填することにより、流出側セル内における捕集面積を著しく増加でき、ＰＭの微細な粒子である超微粒子成分を捕捉することができるようになる。
【００２６】
また、上記の排気ガス浄化用フィルタにおいて、粒体に触媒を担持させることにより、流出側セルの壁及び粒体に捕捉及び捕集されたＰＭの超微粒子成分を比較的低い温度で容易に酸化除去できるようになる。
【００２７】
なお、ＰＭの粒度分布によっては、流入側セル内にも粒体を入れて、多孔質壁の上流側においても、ＰＭの微細な粒子を捕捉及び捕集できるようにしてもよい。
【００２８】
そして、上記の排気ガス浄化用フィルタにおいて、粒体を誘電損失の大きい材料で形成すると、マイクロ波発生器でマイクロ波を発生して粒体を発熱させることができるので、この発熱により粒体、多孔質壁を少ないエネルギーで温度上昇でき、これらの担体に担持された触媒を活性温度以上にして、これらに捕捉されたＰＭを効率よく燃焼除去できる。
【００２９】
そのため、排気温度が低い低温始動時等であっても、マイクロ波を発生して粒体部分を選択的に加熱して触媒活性温度以上に昇温することにより、少ないエネルギーでＰＭを燃焼除去できる。
【００３０】
また、誘電損失が大きい材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３ ）等も知られているが、極性や機械的特性（摩耗）が劣る。一方、金属とケイ素の複合物を分散配置させた窒化ケイ素等を材料として粒体は、低熱容量で誘電損失が大きく、マイクロ波吸収による発熱が効率よく行われ、しかも、耐摩耗性に優れ、更に極性を有しているため、ＰＭの微細な粒子を吸着しやすいという性質を有しているので、ＰＭの超微粒子の捕捉に効果がある。
【００３１】
従って、この粒体は、金属とケイ素の複合物を分散配置させた窒化ケイ素を材料として形成され、また、この金属を、鉄、モリブデン、ニッケル、銅のいずれか一つ、又はこれらの複合物とすることが好ましい。
【００３２】
また、粒体の大きさを０．５ｍｍ〜１ｍｍとすることにより、流出側セルへの充填が容易でしかも捕捉に有効な表面積も十分に取れる。なお、粒体の大きさが０．５ｍｍ〜１ｍｍとは、０．５ｍｍメッシュの篩では通らず、１ｍｍメッシュの篩いでは通過する大きさのことをいう。
【００３３】
更に、この粒体の脱落防止用に流出側セルの出口側に耐熱繊維を配設することにより、容易に粒体の脱落を防止できる。この耐熱繊維としては、アルミナ繊維やムライト繊維等の無機繊維や金属繊維を使用できる。
【００３４】
そして、本発明の排気ガス浄化装置は、上記の排気ガス浄化用フィルタを備えた排気ガス浄化装置であって、ハニカム構造体の近傍にマイクロ波発生器を備えて構成される。
【００３５】
この構成の排気ガス浄化装置によれば、ＰＭの比較的大きな粒子のみならず、、ＰＭの微細な粒子も捕捉可能となり、また、マイクロ波発生により粒体は選択的に粒体を発熱させることにより、少ないエネルギーで効率よく粒体等に担持された酸化触媒を活性温度以上にすることができ、捕集されたＰＭを酸化除去することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１〜図３に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０は、ウォールフロータイプのフィルタとして知られている千鳥状に目封止したハニカム構造のフィルタであり、コージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の多孔性セラミックス製ハニカム構造体として形成される。
【００３８】
図１に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０は、フィルタ機能を有する多孔質壁１１により仕切られ多数のセル１２Ａ，１２Ｂが形成されている。このセル１２Ａ，１２Ｂは、ハニカム構造体の両端に開口１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを有して連通している。図１及び図２の構成では、各セル１２Ａ，１２Ｂは長手方向に延びて平行に形成された多数の多孔質壁１１で井桁状に区切られて形成されている。
【００３９】
そして、互いに隣接するセル１２Ａ，１２Ｂごとに反対側の開口１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを封止して流入側セル（上流側セル）１２Ａと流出側セル（下流側セル）１２Ｂが形成され、流入側セル１２Ａと流出側セル１２Ｂが相互に隣合うように配置される。
【００４０】
この流入側セル１２Ａは、排気ガス浄化用フィルタ１０の入口側１３Ａが開放され、出口側１４Ａが目封止されており、また、下流側セル１２Ｂは入口側１３Ｂが目封止めされ、出口側１４Ｂが開放されて形成される。そのため、図２では、排気ガス浄化用フィルタ１０は、入口面においても出口面においても市松模様に目封止される。
【００４１】
そして、更に、この多孔質壁１１にカリウムコバルト系の酸化触媒１５を担持させる。なお、このカリウムコバルト系の酸化触媒の代りに白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の酸化触媒や、酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒を担持させてもよい。
【００４２】
この排気ガス浄化フィルタ１０において、図１及び図３に示すように、排気ガスＧは、流入側セル１２Ａの入口１３Ａから流入して、フィルタ機能を有する多孔質壁１１を通過して隣接する流出側セル１２Ｂ内に入り、流出側セル１２Ｂの出口１４Ｂから浄化された排気ガスＧｃとなって流出する。
【００４３】
更に、図３に示すように、流出側セル１２Ｂ内に粒体１６を充填して構成される。この粒体１６は、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等のいずれか一つ、又はこれらの複合物の金属（Ｍ）とケイ素（Ｓｉ）の化合物、例えば、ケイ化鉄（Ｆｅ５ Ｓｉ３ 等）やケイ化モリブデン（Ｍｏ５ Ｓｉ３ 等）等を、窒化ケイ素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）中に分散配置させた材料で形成される。
【００４４】
この材料で形成された粒体１６は、低熱容量で誘電損失が大きく、マイクロ波吸収による発熱が効率よく行われ、しかも、耐摩耗性に優れ、更に極性を有しているため、ＰＭの微細な粒子を吸着しやすいという性質を有している。
【００４５】
そして、この粒体１６は、酸化鉄と窒化ケイ素及びアルミナ、イットリアを助剤として所定量調合した混合粉末を原料として、スラリー化し、更に、スプレードライヤーによって造粒処理を行い、これで得た粒体を、脱脂、焼成して形成することができる。これにより、表面に微細な凹凸を持つほぼ球状で、誘電損失の大きい焼結体で、平均粒径が０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の粒体が得られる。
【００４６】
この粒体１６に、カリウムコバルト系の酸化触媒１７を担持させる。なお、多孔質壁１１と同様に、このカリウムコバルト系の酸化触媒の代りに白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の酸化触媒や、酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒を担持させてもよい。
【００４７】
そして、これらの触媒１７を担持させた粒体１６を、排気ガス浄化フィルタ１０の、流出側セル１２Ｂ内に充填し、この粒体１６が脱落しないように流出側セル１２Ｂの出口１４Ｂに少量のアルミナ繊維やムライト繊維等の無機又は金属の耐熱繊維１８を脱落防止材として詰める。
【００４８】
そして、図４に示すように、この排気ガス浄化用フィルタ１０を、金属ケーシング２０内に入れ、セラミック系緩衝材で形成される支持固定部材２１を使って周囲を支持固定し、また、端部に脱落防止材の耐熱繊維１８のための繊維抑えメッシュ２２を配設する。更に、この排気ガス浄化用フィルタ１０のハニカム構造体の近傍にマグネトロン等を用いて構成されるマイクロ波発生器３０を配設して、排気ガス浄化装置１を構成する。
【００４９】
以上の構成の排気ガス浄化用フィルタ１０及び排気ガス浄化装置１によれば、ナノオーダーから数十ミクロンの大きな粒子まで幅広く混在しているＰＭのうち、数ミクロン以上の質量が大きく、その運動が慣性に支配される粒子は、多孔質壁１１の気孔入口での慣性さえぎり効果によって捕捉される。また、更に微細な超微粒子は、極性をもち吸着性に優れた粒体１６の表面上への吸着によって捕捉される。即ち、２段階捕捉により、広い粒度範囲のＰＭを捕捉できる。
【００５０】
そして、特に、低温始動時やアイドルや低負荷域等の排気ガスの温度が低い場合には、マイクロ波発生器３０で発生したマイクロ波によって粒体１６を選択的に加熱することができ、しかも、粒体１６の熱容量が小さいので、短時間の間に粒体１６及びその周辺の多孔質壁１１を昇温して、担持された酸化触媒やＰＭ酸化触媒等の触媒１５，１７を活性温度以上に高めることができ、粒体１６及び多孔質壁１１に捕集されたＰＭを酸化除去できる。特に、排気温度が低く、また、排気ガス浄化用フィルタ１０が暖められていないエンジン始動時に大きな効果が発揮される。
【００５１】
この触媒１５，１７の昇温は、熱容量の小さな粒体１６である担体を直接加熱するので非常に熱効率がよく、また、多孔質壁１１の加熱も接触している粒体１６からの伝熱によって加熱されるので熱効率がよい。その上、このハニカム構造体（排気ガス浄化用フィルタ）１０は支持固定部材２１で断熱又は熱伝導が少なくなるように支持されるので、ハニカム構造体１０を支持する周囲の金属ケーシング２０等への伝熱は少なくなり、加熱昇温は抑制されるので、金属ケーシング２０等の加熱や放熱による熱損失も著しく少なくなる。
【００５２】
そのため、短時間の間、必要最小限の加熱を行うだけであるので、加熱に必要な消費電力を極めて小さく抑えることができる。
【００５３】
なお、この粒体１６の加熱は、消費電力を最小限にするために、通常は、排気ガス浄化用フィルタ１０に捕捉されたＰＭの堆積量（蓄積量）が増加して、排気ガス浄化用フィルタ１０の背圧が限界値より大きくなったり、排気ガス浄化用フィルタ１０の前後差圧が所定の判定値より大きくなったして、排気ガス浄化用フィルタ１０のＤＰＦ再生処理が必要になった時のみ行う。
〔実施例〕
図５に、上記の構成の排気ガス浄化装置の実施例として、マイクロ波発生器より２．４５ＧＨｚのマイクロ波（電力は３００Ｗ）を発生させた場合に、フィルタ部分の温度上昇を測定した結果を示す。なお、この実施例では、粒体は、酸化鉄と窒化ケイ素を主原料として形成され、また、カリウムコバルト系触媒を担持している。
【００５４】
また、比較例１，２として、従来材のコージェライト系材料と炭化ケイ素系材料でそれぞれ形成したフィルタに対して、実施例と同様に、マイクロ波発生器より２．４５ＧＨｚのマイクロ波（電力は３００Ｗ）を発生させた場合のフィルタ部分の温度変化を示す。
【００５５】
図５によれば、比較例１，２では、コージェライト系材料と炭化ケイ素系材料がマイクロ波を吸収しにくいために誘電損失による発熱が少なく温度上昇が低いのに対して、実施例では、材料が低熱容量でかつ誘電損失が大きいため一気に発熱して加熱され、短時間で触媒活性温度Ｔｄｏｃ 域まで上昇し、更に加熱するとＤＰＦ再生可能温度Ｔｄｐｆ 領域まで温度が上昇するのが判る。
【００５６】
次に、上記の実施例の排気ガス浄化装置と、比較例１，２の排気ガス浄化装置をそれぞれディーゼルエンジンの排気マニホールドとマフラーとを繋ぐ排気管に装着し、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスのＰＭ浄化試験を行った。
【００５７】
このＰＭ浄化試験結果によれば、比較例１，２では、ＰＭのうち比較的大きな粒子の捕捉は可能であったが、ブラウン運動を伴う超微粒子の捕捉は困難であったが、一方、実施例では、特に、超微粒子といわれる０．５ミクロン以下のＰＭが比較例１，２に比べて著しく低減し、比較的大きな粒子と超微粒子の両方を捕捉できていることが判った。
【００５８】
この実施例によるＰＭの捕捉状況は図３に模式的に示してある。排気ガス中のＰＭのうちの比較的大きな粒子４１は多孔質壁１１で捕捉され、ＰＭのうちの超微粒子４２の多くは多孔質壁１１の気孔を通過し、その後、極性の大きい粒体１６の表面上に吸着して捕捉され、それぞれは触媒１５及び触媒１７の触媒効果によって酸化される。
【００５９】
また、エンジンの始動直後において、マイクロ波発生による加熱を行い、排出されるガスの成分を分析した結果、比較例１，２では、触媒の担体の温度が上昇しないため、極めて多くのＰＭが含まれていたが、実施例では短時間で加熱されるため、ＰＭが著しく減少し、低温始動時における浄化性能も優れていることが分かった。
【００６０】
更に、従来から使用されているアルミナ製のセラミック球状担体を充填した比較例３の排気ガス浄化装置と、本発明に係る主原料として酸化鉄と窒化ケイ素を使用した粒体（セラミック球状担体）を充填した実施例の排気ガス浄化装置とをそれぞれ実車に搭載し、耐久試験を行ったところ、比較例３のセラミック球状担体では、振動に伴う摩滅（アトリッション）が生じたが、実施例の粒体では殆ど摩滅は認められず、耐摩耗性に優れていることが判った。
【００６１】
そして、実施例では、粒体の材料として、主原料として酸化鉄と窒化ケイ素を使用しているが、この酸化鉄に代えてモリブデンやニッケルあるいは銅を使用しても、金属とシリコンとの金属間化合物であるシリサイドを形成し、ほぼ同様の結果が認められた。
【００６２】
また、この粒子に関しては造粒過程で中空品の作製も可能であり、中空品とすると、更に、軽量で低熱容量となるため、より消費電力を小さくすることができる。なお、粒体の形状は、球状以外でも同様の効果を得ることができるので、球状に限定されない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置によれば、フィルタ機能を有する多孔質壁に触媒を担持し、流出側セル内に粒体を充填しているので、流出側セル内における捕集面積を著しく増加でき、２段階捕捉となり、ＰＭの比較的大きな粒子のみならず、ＰＭの微細な粒子も捕捉できる。
【００６４】
また、粒体を誘電損失の大きい材料で形成することにより、マイクロ波で粒体を選択的に発熱させることができるので、この発熱により捕捉されたＰＭを効率よく燃焼除去できる。
【００６５】
その上、マイクロ波発生器で発生するマイクロ波により、触媒を担持しＰＭを捕捉する粒体自体を発熱させ、短時間で触媒活性温度以上に昇温できるので、エネルギーを効率よく使用でき、消費電力を低減できる。
【００６６】
特に、排気温度が低く、排気ガス浄化用フィルタ自体が暖められていない低温始動時において、捕集されたＰＭの燃焼除去及びＤＰＦ再生に大きな効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化用フィルタの側断面図である。
【図２】図１の排気ガス浄化用フィルタを排気ガスの入口側から見た図である。
【図３】図１の排気ガス浄化用フィルタの入口側と出口側の部分拡大図である。
【図４】本発明に係る排気ガス浄化装置の構成を示す側断面図である。
【図５】実施例と比較例１，２における排気ガス浄化用フィルタの昇温特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化装置
１０ 排気ガス浄化用フィルタ
１１ 多孔質壁
１２Ａ 流入側セル
１２Ｂ 流出側セル
１３Ａ 入口（流入側セル）
１３Ｂ 入口（流出側セル）
１４Ａ 出口（流入側セル）
１４Ｂ 出口（流出側セル）
１５ 触媒
１６ 粒体
１７ 触媒
２０ 金属ケーシング
３０ マイクロ波発生器
Ｇ 排気ガス
Ｇｃ 浄化された排気ガス
Claims (4)
- 多孔性セラミックス製ハニカム構造体からなり、フィルタ機能を有する多孔質壁により仕切られ、かつ、該ハニカム構造体の両端に開口を有して連通するセルにおいて、互いに隣接するセルごとに反対側の開口を封止して流入側セルと流出側セルが形成され、排気ガスが流入側セルの入口から流入して前記多孔質壁を通過して隣接する流出側セル内に入り該流出側セルの出口から流出するように形成された排気ガス浄化用フィルタにおいて、前記多孔質壁に酸化触媒を担持すると共に、少なくとも前記流出側セル内に粒体を充填したことを特徴とする排気ガス浄化用フィルタ。
- 前記粒体を誘電損失の大きい材料で形成することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化用フィルタ。
- 前記粒体の脱落防止用に前記流出側セルの出口側に耐熱繊維を配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化用フィルタ。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化用フィルタを備えた排気ガス浄化装置であって、前記ハニカム構造体の近傍にマイクロ波発生器を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
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| JP2003167715A JP2005000818A (ja) | 2003-06-12 | 2003-06-12 | 排気ガス浄化用フィルタ及び排気ガス浄化装置 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008215093A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Babcock Hitachi Kk | 排気浄化フィルタ及びそれを備える自動車 |
| JP2011243412A (ja) * | 2010-05-18 | 2011-12-01 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 多孔質マイクロ波発熱体とその製造方法及びフィルタとその製造方法 |
| JP2017057843A (ja) * | 2015-09-18 | 2017-03-23 | 富士通株式会社 | フィルタ装置 |
| CN109838288A (zh) * | 2017-11-24 | 2019-06-04 | 核工业西南物理研究院 | 一种汽车尾气处理装置 |
| CN110296425A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-01 | 广东德大环保设备有限公司 | 一种VOCs挥发性有机废气低温催化净化设备 |
-
2003
- 2003-06-12 JP JP2003167715A patent/JP2005000818A/ja active Pending
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