JP2006002713A - ディーゼル排ガス浄化用フィルター - Google Patents

Abstract

【解決課題】 ディーゼルエンジン排ガスから粒子状浮遊物を除去するフィルターにおいて、効果的な除去が可能であることに加え、圧力損失の少ないものを提供すること。
【解決手段】 本発明は、相互に隣接するガス流路を内部に有するディーゼル排ガス浄化用フィルターであって、ガス流路は、排ガスの進行方向に対して屈曲する屈曲部を少なくとも１つ有し、ガス流路の壁面は、複数の孔を有する金属からなるディーゼル排ガス浄化用フィルターである。このフィルターは、金属製の平板状の網１０の表面にヘリンボーン形状を付与すると共に断面波形となるように成型加工し、加工後の金属網１０を巻回することにより形成することができる。このとき、加工後の金属網１０に、平板状の金属網２０及び金属製の平板３０を積層させた後に巻回すると、より効果的な排ガス浄化用フィルターとなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる粒子状浮遊物を除去するためのフィルターに関する。

ディーゼルエンジンより排出される排ガス中には、ＮＯｘのようなガス状物質に加えて、固体又は液体の粒子状浮遊物が含有されている。この粒子状浮遊物は、主に固体の炭素粒子と、固体又は液体の不燃炭化水素系燃料粒子と、燃料中に含有されている硫黄が燃焼することにより発生する二酸化硫黄を主成分とした硫化物とにより構成されている。

粒子状浮遊物は、その粒径が極めて細かいため固体状であっても大気中に浮遊しやすく、人体へ取り込まれやすいという問題がある。また、排気ガス中のＮＯｘ濃度については、ディーゼルエンジンの設計変更によってある程度低減できるのに対し、粒子状浮遊物についてはディーゼルエンジンの設計変更では十分な低減効果が得られず、排ガス中からの除去に頼らざるを得ない。そして、最近の環境問題への高い関心から、粒子状浮遊物のより効果的な除去が強く求められている。

ディーゼル排ガスからの粒子状浮遊物の除去については、排気系にフィルターを設置し、このフィルターを電気ヒーターで加熱することでフィルターに捕集された粒子状浮遊物を燃焼させる方法がある。そして、ディーゼル排ガス中の粒子状浮遊物除去のためのフィルターとしては、従来から多くの形態のものが報告されている。

従来のフィルターの多くは、コージェライト等のセラミックからなり、ハニカム構造を有する筒体であって、排ガスを一方の端部から他の端部へ通過させつつ、その壁面に粒子状浮遊物を捕捉させるものである。例えば、特許文献１記載には、ハニカム構造体の一部のセルの一端面を目封止材で封止し、残りの未封止セルの他の端面を目封止したことを特徴とするディーゼルエンジン排ガスフィルターが開示されている。また、特許文献２には、ハニカム構造体の穴（流路）に排ガスの流れを攪拌する物体を挿入するフィルターが記載されている。
特開平９−２９０２２号公報 特開２００３−１３７２５号公報

特許文献１記載のフィルターでは、一部のセルを目封止することで、セルとセルとの間の壁面を排ガスが通過するのを促進し粒子の捕捉を効率的に行なうこととしている。しかし、このフィルターでは、排ガスを通過させるための圧力損失が壁面のガスの通過し易さに左右されることとなり、使用と共に壁面に目詰まりが生じた際には圧力損失が極めて大きくなり、フィルターの破壊、エンジンへの悪影響が懸念される。また、そもそもこのフィルターはガス流路であるセルを目封止して部分的に使用不可能としていることから、通過可能なガス量を制限することとなり、大容量の排ガスを流すためにはフィルターを大型化しなければならなくなる。

また、特許文献２記載のフィルターの場合には、容量の問題はないが、ハニカム構造体の穴にガス攪拌のための板材等を挿入するのはフィルターの構造を複雑とし、製造工程、コストの増加を招く。

さらに、上記フィルターはいずれもセラミックからなる。セラミックは極めて細かな孔を有し、粒子を捕捉し易いものであるが、これは目詰まりが生じ易いことにも繋がる。そして、従来のフィルターは、早期に目詰まりが生じ易く、導入する排ガスの圧力損失を増大させることとなる。

そこで本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスから粒子状浮遊物を除去するフィルターにおいて、効果的な除去が可能であることに加え、構造が簡易であり、更に、流通するガス流量を制限することなく、圧力損失の少ないものを提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意検討を行い、上記課題を解決することのできるディーゼル排ガス浄化用フィルターを見出した。即ち、本発明は、相互に隣接するガス流路を内部に有するディーゼル排ガス浄化用フィルターであって、前記ガス流路は、排ガスの進行方向に対して屈曲する屈曲部を少なくとも１つ有し、ガス流路の壁面は、複数の孔を有する金属からなるディーゼル排ガス浄化用フィルターである。

本発明に係るフィルターは、従来技術と同様、ガス流路壁面に排ガスを衝突、通過させて粒子状浮遊物を捕捉するものであるが、ガス流路をクランク状に屈曲させることで、排ガスが流路壁面へ衝突し易くなっている。つまり、図１（ａ）で示すように、本発明においては、導入された排ガスは、最初の屈曲部においてその壁面に衝突し、壁面の孔を通過して隣接する他のガス流路へ移動するが、その際、粒子状浮遊物が捕捉されることとなる。また、この際、壁面への衝突することなく最初の屈曲部を通過した排ガスは、後続の屈曲部により壁面へ衝突することとなる。このように、ガス流路に屈曲部を複数設定することで、排ガスは徐々に壁面へ衝突して隣接するガス流路へ移行し、その過程で粒状浮遊物が除去される。

排ガス浄化の進行に伴うガス流路壁面の目詰まりは、排ガス入口側屈曲部から生じることとなる。この場合、図１（ｂ）で示すように目詰まりが生じた壁面で排ガスの通過は生じず、排ガスはそのまま次の屈曲部へ進む。このように、本発明では、フィルター面（壁面）の目詰まりが部分的に生じ、直ちにフィルター全体に目詰まりが生じることがないことから、圧力損失の大きな変動を生じさせることなく排ガスの浄化処理を行なうことができる。また、ガス流路の全面に目詰まりが生じても、排ガスは多少ガス流路壁面と衝突しつつもフィルター内部を通過することができるため、圧力損失を過大にすることなく、フィルターの破壊又はエンジンへの影響を生じさせることがない。

そして、本発明では、ガス流路の壁面を有孔の金属で構成し、壁面を通過するガスから粒子を捕捉する。この際、金属壁面の孔径を適宜なものとすることで、従来のセラミック製のフィルターよりも目詰まりを生じにくくすることができる。この壁面の孔径としては、０．０１〜０．５ｍｍとすることが好ましい。０．０１ｍｍ未満の微細孔とすると目詰まりが生じ易くなり、また、０．５ｍｍを超えると粒子の捕捉ができなくなりフィルターとして機能しなくなるからである。また、屈曲部の角度（排ガスが直進する場合の進行方向に対する角度（図１のθに該当））は、５〜３０°とするのが好ましい。５°未満では、粒子の捕捉率が低下し、３０°を超えると排ガスの圧力損失が増大する傾向にあるからである。

そして、本発明に係るフィルターは、流路壁面に酸化触媒層を形成したものがより好ましい。これにより、流路壁面に捕捉された粒子状浮遊物を燃焼させることができ、排ガスフィルターを継続的に稼動させることができる。酸化触媒としては、粒子状浮遊物を酸化燃焼させることができるものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、白金触媒、パラジウム触媒といった貴金属触媒の他、近年、カリウム等のアルカリ金属を触媒金属として担持したものが知られており、この触媒も適用可能である。このアルカリ金属を触媒金属とする触媒は、粒子状浮遊物の燃焼を比較的低温で生じさせることができるという利点がある。尚、これら酸化触媒の担持の際には、有効表面積向上の目的で、予めフィルターにアルミナ、シリカ等の多孔質酸化物を下地層（ウォッシュコートと称されることが多い）として塗布し、その後触媒金属を担持することが一般になされる。

本発明に係る排ガス浄化用フィルターは、金属製の網、パンチングメタル、エキスパンドメタルを材料として容易に構成することができる。図２のように、シート状の網等を成型加工して、表面にヘリンボーン形状を付与し、且つ、断面波型になるように成型する。そして、これを巻回することにより、屈曲部を有する複数の流路を備えるハニカム構造体を形成することができる。この場合、材料となる網等の孔径がフィルターの孔径となり、成型時のヘリンボーン形状の角度が屈曲部の角度となる。

尚、このようにして形成したフィルターに酸化触媒を担持させる場合、アルミナ等の担体を含むゾルに浸漬又はゾルを塗布し、更に、触媒金属を含む金属塩溶液に浸漬して、乾燥、焼成することで触媒担持されたフィルターとすることができる。

また、以上のように形成されたフィルターは、筒状のケースにフィルターを挿入し、通電加熱・温度管理のための電極・センサー等を必要に応じて装着することで排ガス浄化に供することができる。

以上説明したように本発明によれば、ディーゼルエンジンからの排ガス中の粒子状浮遊物を効率的に除去することができる。そして、本発明によれば、排ガスの圧力損失を増大させることなく排ガス浄化が可能であり、エンジンへのダメージ或いはフィルター自体の破損を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を比較例と共に説明する。

実施例：４０メッシュ（孔径０．２８ｍｍ）のＳＵＳ製の金属網シート（寸法：５０ｍｍ幅、厚さ０．４８ｍｍ）をギア付ロールにより、図２と同様のヘリンボーン形状を有する波型シート１０に成型した。成型後の屈曲部の角度は１５°であり、また、ガス流路の各屈曲部間の長さは、１５ｍｍとしている。更に、波型シート１０は、流路の断面積が０．９６ｍｍ^２となるように成型されている。

そして、本実施例では、図３のように、成型後の波型シート１０に４０メッシュのＳＵＳ製金属網シート２０及び厚さ３０μｍのＳＵＳ製平板３０を重ね、これらを共に巻回して図に示すようなハニカム構造体の排ガス浄化用フィルター１００を形成した。このように、成形後の網シートに、平板状の網（パンチングメタル、エキスパンドメタル）、及び、孔のない平板を重ねて巻回したフィルターでは、径方向に隣接する流路が孔のない平板で隔たれることとなる。そして、このフィルターでは、粒子状浮遊物をより効率的に捕捉しやすくなっている。

形成した排ガス浄化用フィルター１００にアルミナゾルを塗布し、更に、ジニトロアミン白金溶液に浸漬し、乾燥、焼成して白金触媒を担持した。

比較例１：市販のコージェライト製のハニカム構造体（寸法：直径１８８×２００ｍｍ、セル密度５００ｃｐｓｉ）に、図４のように一部の流路端部を閉塞し、これに実施例と同様の工程で、白金触媒を担持して排ガス浄化用フィルター２００を製造した。

比較例２：図５のように、実施例と同じ金属網シートに断面波型となるように成型して波型シート１１とし、これに実施例と同じＳＵＳシートを重ねて巻回し、流路が直線状となるハニカム構造を有する排ガス浄化用フィルター３００を製造した。そして、実施例と同様にアルミナ、白金触媒を担持した。

以上製造した、各排ガス浄化用フィルターについて、ディーゼルエンジンからの排ガスの浄化性能を試験して比較検討した。この浄化試験は、製造した浄化用フィルターを排気量３２００ｃｃのディーゼルエンジンを備えるベンチ試験機に取り付け、エンジン回転数５００ｒｐｍの状態に維持して連続運転を行い、粒子状浮遊物の捕捉率及び圧力損失の経時変化を測定した。粒子状浮遊物の捕捉率は、スモックメーターを使用して測定し、圧力損失は、フィルター前後に取り付けた差圧計により測定した。図６、図７は、その結果を示す。

図６、図７から、比較例１のフィルターは、粒子状浮遊物の捕捉率は高いが、圧力損失は時間と共に上昇する傾向にあり、開始後１００分程度で圧力損失が限界となりエンジンストップが生じた。これは、フィルター材質に微細孔を有するセラミックを用い、且つ、一部の端部を目封止したことにより捕捉率は上昇させることができる一方、その分フィルターの目詰まりが生じ易くなっていることによる。また、このエンジン回転数（５００ｒｐｍ）では、排ガス温度が十分高くなっていないために、捕捉した粒子状浮遊物の触媒による燃焼が十分生じていないために圧力損失が限界に達したものと考えられる。

一方、比較例２のフィルターは、圧力損失は小さいものの、粒子の捕捉率が極めて低くなっている。これは、その流路形状により壁面に粒子状浮遊物が捕捉されにくくなっていることによる。

これら比較例に対して、本実施例では、圧力損失の過大な上昇を生じさせることなく、適度な粒子捕捉率を維持している。このような結果は、屈曲部を有する流路形状としたことで排ガスの流路壁面への衝突を促進したことに加えて、流路壁面の孔径を適度なものとしたことによる。

そして、実施例に係るフィルターについて、エンジン回転数を上昇させて２０００ｒｐｍとして連続運転を行ったところ、図８のような圧力損失の変化が見られた。これは、エンジン回転数を高負荷運転状態に上げたことで、排ガス温度が上昇し、捕捉した粒子状浮遊物が触媒により燃焼したことによる。このように、本実施例に係るフィルターでは、排ガス中の粒子状浮遊物の捕捉と燃焼とのバランスもとれていることが確認された。

本発明に係るフィルターの流路内における排ガスの流通状態を説明する図。 本発明に係るフィルターの製造工程を説明する図。 実施例に係るフィルターの製造工程及び完成したフィルターを示す図。 比較例１に係るフィルターの製造工程及び完成したフィルターを示す図。 比較例２に係るフィルターの製造工程及び完成したフィルターを示す図。 実施例、比較例について行った浄化試験の粒子捕捉率の測定結果を示す図。 実施例、比較例について行った浄化試験の圧力損失の測定結果を示す図。 実施例について行った浄化試験（高負荷運転）の結果を示す図。

符号の説明

１００，２００，３００ 排ガス浄化用フィルター
１０ 波型シート（ヘリンボーン形状）
１１ 波型シート（ストレート）
２０ ＳＵＳ製金網シート
３０ ＳＵＳ製平板

Claims (6)

1. 相互に隣接するガス流路を内部に有するディーゼル排ガス浄化用フィルターであって、
   前記ガス流路は、排ガスの進行方向に対して屈曲する屈曲部を少なくとも１つ有し、ガス流路の壁面は、複数の孔を有する金属からなるディーゼル排ガス浄化用フィルター。
2. 壁面の孔径は、０．０１〜０．５ｍｍである請求項１記載のディーゼル排ガス浄化用フィルター。
3. 排ガスの進行方向に対する屈曲部の角度は、５〜３０°である請求項１又は請求項２記載のディーゼル排ガス浄化用フィルター。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のディーゼル排ガス浄化用フィルターであって、
   金属製の平板状の網、パンチングメタル、エキスパンドメタルの表面にヘリンボーン形状を付与すると共に断面波形となるように成型加工し、
   加工後の網、パンチングメタル、エキスパンドメタルを巻回することにより形成されるハニカム構造を有するディーゼル排ガス浄化用フィルター。
5. 加工後の網、パンチングメタル、エキスパンドメタルに、金属製の平板状の網、パンチングメタル、エキスパンドメタル、及び、金属製の平板を積層させた後に巻回することにより形成される請求項４記載のディーゼル排ガス浄化用フィルター。
6. ガス流路壁面に酸化触媒を担持してなる請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のディーゼル排ガス浄化用フィルター。
   

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