JP2008286085A - 連続再生型粒子状物質フィルタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ハウジング4に収容されたSiCフィルタ5と、エンジンから排出される排気ガスをSiCフィルタ5に導くガス導入手段と、該SiCフィルタ5によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための電熱パネルヒータ7とを備えている。SiCフィルタ5は、円錐容器形状の炭素質多孔体にSiCををパルスCVI法によってコーティングすることによって製造されており、粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有する
【選択図】図2
Description
そこで、発明者は、発想の転換を行い、粒子状物質よりも大きな細孔を有するフィルタ本体で粒子状物質を捕捉することを考えたのである。すなわち、フィルタ本体の細孔が粒子状物質よりもたとえ大きかったとしても、粒子状物質は粘着性を有しているため(神奈川県川崎市の報告書「ディーゼル車排出ガス中のPM低減調査」における排ガス中の粒子状物質の成分分析によれば、粒子状物質は燃料である軽油成分とは異なり、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、フルオレノン、アントラセン、フェナントレン、ピレン等の多環芳香族炭化水素及びその誘導体と炭素成分とからなり、粘着性を有するものである。http://www.k-erc.pref.kanagawa.jp/center/gakkai/knnishi1509.pdf)、フィルタ本体に衝突した場合にこれに付着して捕捉されるはずである。そうとすれば、フィルタ本体をバルク状とし、粒子状物質がフィルタ本体中を長い距離飛翔することにより、粒子状物質は飛翔途中でフィルタ本体に衝突し、付着するはずである。このため、フィルタ本体はそれほど緻密である必要はなく、空孔率が大きく圧力損失の極めて小さなものを使用することができる。また、このような空孔率が大きなフィルタ本体は、圧力損失が小さいため、圧力負荷が小さく、破損のおそれが少ないものとなる。
そして、以上の考察に基づいて鋭意試験研究を行った結果、本発明を完成させるに至った。
該フィルタ本体は、重ね合わせることが可能な容器形状の炭素質多孔体にセラミックスをパルスCVI法によってコーティングすることによって製造されており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有することを特徴とする。
(実施例1)
実施例1の連続再生型粒子状物質フィルタは、図1に示すように、ディーゼルエンジン90から排出される排ガス中の粒子状物質を除去するためのものであり、フィルタ部1と、コンプレッサ2と、フィルタ部1及びコンプレッサ2を制御するための制御部3とからなる。
また、排ガス流入管11及び排ガス流出管12にはそれぞれ温度センサ11a、12a及び圧力センサ11b、12bが取付けられている。さらに、電熱パネルヒータ7の中央部に近接して温度センサ13が設置されている。温度センサ11a、12a、13及び圧力センサ11b、12bは図1に示す制御部3に接続されている。また、電熱パネルヒータ7も、ヒータ端子7aを介して制御部3に接続されている。
また、排ガス流入管11には空気導入管14が接続されており、空気導入管14は電磁弁15を介してコンプレッサ2(図1参照)に接続されている。
綿フェルトを立体的に縫製して、円錐帽子形状(形状はSiCフィルタ5と同様であるが、後述する炭化工程での収縮を考慮して、SiCフィルタ5の寸法より少し大き目とする)とし、これらを複数重ねて縫い合わせる。そしてフェノールレジンのエタノール10質量%溶液に浸し、再び乾燥させてレジン強化セルロース成形型とした。重ね合わせの枚数は5重及び3重の2種類とした。
なお、綿フェルトを縫製する以外の方法として、次のようにして成形型を作ることもできる。すなわち、図3(a)に示すコーン形状に成形したステンレス製の金網20を用意する。この金網20は、製造しようとするフィルタ本体とほぼ同様の形状比率とされている。ただし、後に述べる炭化工程における収縮を考慮して、最終的な粒子状物質フィルタの寸法よりも大きくされている。そして、綿をエチレングリコールに懸濁させた綿懸濁液を用意する。なお、エチレングリコールの替わりに水に抄造用の糊剤を加え、粘度を調整したものを使用しても良い。そして、まず金網20の外側から綿懸濁液を綿が均等な厚さに抄造されるように注ぐ。こうして図3(b)に示すように、金網2に抄造されたセルロース型21を乾燥させた後、金網20からセルロース型21を外す。さらにセルロース型21をフェノールレジンのエタノール10質量%溶液に浸し、再び乾燥させてレジン強化セルロース型とする。フェノールレジンでセルロース型21を強化する理由は、次の炭化工程において生ずる炭化成形型の縮みや変形を極力防止するためである。
次に、型工程で得られた成形型を雰囲気炉の中に入れ、窒素雰囲気下において1000°Cで4時間の加熱を行う。そして、雰囲気炉を冷却した後、セルロース型10が炭素質多孔体となった炭化成形型を取り出す。こうして得られた炭化成形型の空孔率は93.3%と極めて高いものであった。
さらに、図4に示すパルスCVI装置を用いて炭化成形型に炭化ケイ素をコーティングする。このパルスCVI装置には、反応容器30が備えられており、反応容器30の外側には電気ヒータ31が近接して設けられている。また、反応容器30の下端には各種ガスを導入するための導入管30aと、反応容器30内部のガスを排気するための排気管30bとが取り付けられている。導入管30aは電磁弁32及びガス混合機33を介して流量計34a、34b、34cに接続されており、流量計34a、34bは、さらに図示しない水素ガスボンに接続され、流量計34cは大気側に開放されている。流量計34aとガス混合機33との間には、内部にメチルトリクロロシランが入れられ、温度調節することが可能な飽和器35が設けられており、水素ガスボンベからの水素の供給によりメチルトリクロロシランのバブリングが可能とされている。排気管30bは電磁弁36、真空ポンプ37を介してガス洗浄器38に接続されている。電磁弁32、36、ガス混合機33、真空ポンプ37及び電気ヒータ31は、図示しない制御装置によって制御可能とされている。
パルスCVIにおけるパルス回数を1000回として、得られたSiCフィルタの形状等を表1(綿フェルト5重重ねから得られたSiCフィルタ)及び表2(綿フェルト3重重ねから得られたSiCフィルタ)に示す(パルス回数1000回)。
上記のようにして得られたSiCフィルタ(綿フェルト3重重ねから得られたもの及び綿フェルト5重重ねから得られたものの2種類。ともに、パルスCVDにおけるパルス回数10000回)を組み込んだ、連続再生型粒子状物質フィルタを、ディーゼルエンジン(マツダ株式会社製 マツダMPV(登録商標) 型式KD−LVLW 排気量2500cc)のイグゾースト管に接続して排ガスを導入し、排ガス流出管12から排出される処理ガス中の黒煙濃度はBosch社製のオパシメータ(BEA150)で測定した。試験は電磁弁15を閉じて空気の導入を行わない場合と、電磁弁15を開け毎分15Lの空気を導入する場合との両方を行った。温度センサ13の温度が600℃となるように制御部2によって電熱パネルヒータ7を調節した。
<エンジン回転数と圧力との関係>
エンジン回転数と圧力との関係を図7及び図8に示す。これらのグラフから、エンジン回転数が2500rpmとなっても、圧力損失はそれほど大きくないことが分かる。
エンジン回転数と黒煙濃度との関係を図9及び図10に示す。黒煙濃度は、連続再生型粒子状物質フィルタを通さないで、排ガスそのものの黒煙濃度を100とした場合の光透過度で評価した。図9及び図10から、広範囲なエンジン回転数範囲において、黒煙濃度が極めて低い値となり、本発明の連続再生型粒子状物質フィルタがディーゼルエンジン排出される粒子状物質を効率よく除去できることが分かった。特に綿フェルト5重重ねから得られたものSiCフィルタ使用の連続再生型粒子状物質フィルタは、除去率が高かった。以上の結果から、ディーゼルエンジン排気ガス中に含まれる粒子状物質の径よりも大きな細孔を有するSiCフィルタを用いても、粒子状物質を効率よく除去できることが分かった。
エンジン回転数と排ガス流速との関係を図11及び図12に示す。その結果、エンジン回転数に比例して排ガスの流速が増加することが分かる。
SiCフィルタ4を図2に示すように、ハウジング4の内部にセットし、実車による走行テストを行った。また、走行テストに使用した自動車は、マツダMPV(登録商標) 型式KD−LVLW 排気量2500ccのディーゼルエンジン車である。走行テストは、電磁弁15を開けた状態でコンプレッサ2を駆動し、排気ガスに空気を導入して行った。また、走行中において図2に示す温度センサ11a、12a、13及び圧力センサ11b、12bからの出力も記録した。
走行試験の結果、図13に示すように、排ガス中に空気を導入した場合には、エンジン回転数が2500rpmとなっても入口圧力は52KPaを超えることはなく、順調な走行が可能であった。また、排気管から黒煙が生じることもなかった。
以上の結果から、排気ガス中に空気を導入した場合、SiCフィルタ4に捕捉された粒子状物質が導入された空気中の酸素によって燃焼し、除去されることが分かった。
電磁弁15を閉じ、コンプレッサ2を駆動させないで、エンジンを駆動させ、走行テストを行った。その結果、入口圧力が上昇気味であり、回転数を2500rpmまで上げると、エンジンが短時間で停止した。以上の結果から、排気ガス中に空気を導入した場合、SiCフィルタ5に捕捉された粒子状物質が導入された空気中の酸素によって燃焼し、除去されることが分かった。
5…フィルタ本体(SiCフィルタ)
11、12…ガス導入手段(11…排ガス流入管、12…排ガス流出管)
2、14、15…酸素供給手段(2…コンプレッサ、14…空気導入管、15…電磁弁)
Claims (7)
- ハウジングに収容されたフィルタ本体と、エンジンから排出される排気ガスを該フィルタ本体に導くガス導入手段と、該フィルタ本体によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための加熱手段と、を備え、
該フィルタ本体は、重ね合わせることが可能な容器形状の炭素質多孔体にセラミックスをパルスCVI法によってコーティングすることによって製造されており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有することを特徴とする連続再生型粒子状物質フィルタ。 - 前記炭素質多孔体はCVI法によってセラミックスがコーティングされた後、燃焼除去されていることを特徴とする請求項1記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
- 前記フィルタ本体は円錐容器形状とされていることを特徴とする請求項1又は2記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
- フィルタ本体に導かれる排気ガス中に酸素を含むガスを混合するための酸素供給手段が備えられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
- セラミックスは炭化ケイ素であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
- フィルタ本体の空孔率は75〜96%とされていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
- 炭素質多孔体は有機繊維が絡み合った多孔体を炭化してなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の連続再生型粒子状物質フィルタ。
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