JP2870369B2 - 排気ガス浄化用フィルター - Google Patents

排気ガス浄化用フィルター

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
排気ガス中に含まれるパティキュレート（黒煙、微粒子
及びＳＯＦ等）を捕集するためのフィルタに関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】自動車の排気ガスは、大気汚染の大きな
原因の一つで、排気ガスに含まれる有害成分を除去する
技術は極めて重要である。特に、ディーゼルエンジン車
においては、主にＮＯｘを主体とするカーボンの微粒子
（パーティキュレート）の除去が重要な課題である。こ
れらの有害成分を除去するために、ＥＧＲをかけたり、
燃料噴射系の改善や燃焼室形状の改善を行ったり、エン
ジン側での努力も行われているが、抜本的な決め手がな
く、排気通路に排気トラップを設置し、パーティキュレ
ートをトラップによって捕集し、後処理により除去する
ことが提案されている（特開昭58-51235号公報など）。
現在までこの後処理法が最も実用的であると考えられ、
検討が続けられている。
【０００３】ところで、パティキュレートを捕集するた
めのパティキュレートトラップとしては、使用条件から
次のような性能を満足する必要がある。
【０００４】第一には、排気ガスの清浄度を満足させる
だけのパティキュレートの捕集効率を持っていることが
必要である。パティキュレート排出量はディーゼルエン
ジンの排気量や負荷などにより変化するが、ディーゼル
エンジンからの排出量の平均６０％以上を捕集（黒煙捕
集率８５％以上）できることが必要であるといわれてい
る。
【０００５】第二に、排気ガスに対する圧力損失が小さ
いことが必要である。パーティキュレートが捕集される
にしたがって、トラップをエンジン排気が通過するとき
の圧力損失が大きくなってエンジンに背圧がかかり悪影
響をもたらす。従って、通常捕集後の圧力損失を３ＫＰ
ａ以下に抑える必要があるといわれている。この要求を
満足させるために、フィルタエレメントに一定量のパテ
ィキュレートが捕集されると定期的に除去再生して初期
の圧力損失の状態まで回復してやる必要がある。パティ
キュレート捕集量に対する圧力損失の上昇割合が大きい
と、この再生除去操作の頻度が多くなり、実用的でな
い。従って、パティキュレートトラップは初期圧力損失
が小さいことは勿論、排気ガスをパティキュレートが捕
集されても圧力損失が上がり難いことが必要とされる。
【０００６】第三に、上述の繰り返し行われる再生除去
作業に対する耐久性が必要となる。再生法として、電熱
又はバーナー加熱によるパティキュレートの燃焼除去法
が最も有力な方法と考えられているが、いずれの方式で
もパティキュレートが着火する温度（約６００℃）以上
に加熱される。再生は、背圧の上昇によるエンジン性能
の低下や運転の支障を来す前に実施され、パティキュレ
ートは焼却処理される。それ以降は再びパティキュレー
トが捕集され、トラップの再生、捕集が行われるので圧
力損失は常に一定以下に維持される。このため、フィル
タエレメント材料には、繰り返しの再生に耐えうるだけ
の耐熱性材料の選択が必要であり、排気ガス中に含まれ
る雰囲気ガスによる耐食性も必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来、上記の要件を満
たすフィルタエレメント材料として、コーデイエライト
セラミクスのウォールフロー式のハニカム状多孔体が最
も実用に近いと考えられてきた。しかし、この方式で
は、パティキュレートが局所にたまりやすい。又、コー
デイライトセラミクスは熱伝導率が小さいため、再生時
にヒートスポットができやすく、フィルタが溶損したり
熱応力によってクラックを生じたりすることがあり、信
頼性が確保できなかった。
【０００８】これを改善する試みとして、ＳｉＣセラミ
ックスを用いたハニカム状多孔体をフィルタエレメント
としたものがある。これは、ＳｉＣの高熱伝導性によ
り、再生時の溶損やクラックは防止できるものの、再生
時により大きな熱量が必要になり実用化に至っていない
（特開平5-23512 号公報）。
【０００９】又、発泡金属を用いて溶損，クラックが発
生することなく再生できるディーゼルパティキュレート
フィルタ及びそのシステムの検討が進められている。し
かし、発泡金属の平均骨格太さが８０μｍφ以上で、平
均孔径が約２００μｍφ以上であるため、圧延して孔形
状を変形させても黒煙捕集率が７５％以上にできず（特
開平4-86313 号公報）捕集効率についてもエンジン条件
によって大きく変動するという課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
消するためになされたもので、その特徴は、発泡金属
（三次元網状構造多孔体）と耐熱繊維とを組み合わせた
ことにある。具体的には、発泡金属多孔体に金属繊維や
耐熱セラミック繊維を分散状態で充填，固定化したり、
発泡金属多孔体と、金属や耐熱セラミックの繊維を分散
状態で固定化した繊維構造多孔体とを積層する。
【００１１】繊維構造多孔体は、空間充填率が５％未満
になると排気ガスの流入圧力で骨格構造が変形し、破れ
てしまうか、黒煙捕集率が低下する。一方、空間充填率
が２５％を越えると圧力損失が大きくなり、厚みを薄く
してもフィルターを形成できなかった。
【００１２】又、発泡構造多孔体への耐熱繊維の充填，
固定化において、金属繊維では繊維径５μｍ未満で、セ
ラミック繊維では同１μｍ未満で凝集が発生し、分散状
態で充填することができなかった。一方、４０μｍを越
えると発泡金属の多孔内に均一に充填することができな
かった。さらに、充填率については繊維構造多孔体と同
様な現象により上限が２０％、下限が５％であった。
【００１３】さらに、発泡構造多孔体の体積充填率は３
０〜４０％のものが好ましい。この充填率は、発泡構造
多孔体を圧延し、孔形を変形すること等で変えられる
が、捕集率と差圧上昇のバランスから上記の範囲とし
た。即ち、３０％未満では捕集率が低くなりすぎ、４０
％を越えると差圧上昇が大きくなりすぎる。そしてその
平均孔径は、米国及び日本での排気ガス規制値を満足さ
せる捕集率を得るため、１００〜５００μｍとした。１
００μｍ未満の場合、捕集効率としては優れているが通
気抵抗が大きくなる。逆に５００μｍを越えると捕集効
率が不十分となる。
【００１４】尚、繊維構造多孔体の製法の中には、カー
ボン繊維や樹脂繊維を芯材として金属をメッキするもの
がある。樹脂繊維のように耐熱温度が低い場合、メッキ
後に熱処理し、芯材を気化又は燃焼させて除去するが、
カーボン等のように融点が高い場合、それを残存させる
ことができる。従って、前者の場合、中空の繊維構造多
孔体が得られ、後者の場合、異種材質が芯材となった繊
維構造多孔体が得られる。本発明フィルタには、全て金
属で構成された中実の繊維構造多孔体を適用できること
は勿論、前記のいずれを用いてもかまわない。
【００１５】
【作用】例えば、孔径が小さい金属繊維不織布（繊維構
造多孔体）だけでトラップを構成すると、パティキュレ
ート捕集の進行に伴い、フィルタ表面が目づまりを起こ
していく。これに対して、孔径の大きな発泡金属を流入
側に、孔径の小さい金属繊維不織布を流出側に配置して
組み合わせた構造は、粒子径の大きいパティキュレート
はフィルタ前方層（流入側）が主に捕集するが、粒子径
の小さいパティキュレートはフィルタ後方層（流出側）
において捕集されるようになる。このため、フィルタ表
面、内部共に目づまりが生じ難い。
【００１６】フィルタに目づまりが生じた場合、圧力損
失は急激に上昇し始めるので、以上に説明したパティキ
ュレート体積状態から、発泡金属と金属繊維不織布との
組み合わせ構造の方が同一パティキュレート量を捕集し
た場合の圧力損失は低くなると考えられる。又、この構
造ではフィルタ後方層の働きによって高い黒煙捕集率を
確保することができる。発泡金属の孔内に耐熱金属を充
填，固定化したものも、両者の相互作用により高い黒煙
捕集率と低圧力損失を両立できる。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）以下、本発明の実施例について説明する。
図１に実験装置を示す。３４００ｃｃ、４気筒の直噴射
式のディーゼルエンジン車１のシャシダイナモメータ２
とダイリューショントンネル３からなる実験装置で行っ
た差圧と黒煙捕集率の評価結果を示す。尚、同図におい
て、４は制御装置、５は希釈空気温度制御装置、６は排
気ガス温度計、７はフィルター捕集装置、８はブロワで
ある。
【００１８】フィルタエレメントとしては住友電気工業
（株）製Ｎｉ基三次元網状構造多孔体（商品名セルメッ
ト）の筒体を用い、トラップ容器内に７本装着した。排
気ガスは筒体の外側の空間に導入し、フィルタエレメン
トの壁を通過して筒体内側に流れるようにガス流入と反
対側の端面はガスケット及び鉄板でシールされている。
【００１９】表１に評価試料を示す。試料Ａは比較のた
め発泡金属のみで構成したもの、試料Ｂ，Ｄは発泡金属
と金属不織布を組み合わせたもので、発泡金属を排気ガ
ス流入側に配置した。又、試料Ｃ，Ｅは発泡金属内に金
属繊維を分散状態で充填して固定化したものである。用
いた発泡金属の平均孔径は４００μｍであった。尚、表
１中の＃は単位面積当たりのセル数（空孔数）を示すも
ので、＃７は１平方インチ当たり５０〜７０個である。
【００２０】
【表１】
【００２１】図２及び図３に堆積ＰＭ量に対する差圧、
捕集効率の変化を示す。試料Ｂ乃至Ｅは試料Ａに対し、
黒煙捕集率を向上させながら、差圧の上昇が最小限に抑
えられていることがわかる。
【００２２】（実施例２）実施例１と同じ実験装置で行
った評価結果を示す。フィルタエレメントとしては住友
電気工業（株）製のＮｉ基三次元網状構造多孔体（商品
名セルメット）をＮｉ−Ｃｒ合金化した筒体を用い、ト
ラップ容器内に７本装着した。排気ガスは筒体の外側の
空間に導入し、フィルタエレメントの壁を通過して筒体
内側へ流れるようにガス流入と反対側の端面はガスケッ
ト及び鉄板でシールされている。
【００２３】表２に評価試料を示す。試料Ｆは比較のた
め発泡金属のみで構成したもの、試料Ｇは発泡金属と金
属不織布を組み合わせたものである。ここで用いた発泡
金属の平均孔径は４００μｍである。尚、＃７の意味は
前記実施例１と同様である。
【００２４】
【表２】
【００２５】図４及び図５に堆積ＰＭ量に対する差圧、
捕集効率の変化を示す。試料Ｇは試料Ｆに対し、黒煙捕
集率を向上させながら、差圧の上昇が最小限に抑えられ
ていることがわかる。
【００２６】本実施例では、耐食性の高い合金としてＮ
ｉ／Ｃｒを用いたが、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌを用いることに
より、黒煙捕集率及び差圧上昇が同じ性能で、８００℃
での寿命を１０倍以上にすることができた。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明構造により
パティキュレートが捕集されても差圧が上昇し難く、か
つ再生時の加熱，冷却による熱衝撃にも耐え得るフィル
タを提供することができる。そのため、本発明フィルタ
は、ディーゼルエンジン排気ガス中のパティキュレート
を捕集，除去するためのパティキュレートトラップに利
用すると効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例における試験装置の説明図であ
る。
【図２】堆積スス量と差圧の関係を示すグラフである。
【図３】堆積スス量と黒煙捕集率の関係を示すグラフで
ある。
【図４】堆積スス量と差圧の関係を示すグラフである。
【図５】堆積スス量と黒煙捕集率の関係を示すグラフで
ある。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン車 ２ シャシダイナモメータ ３ ダイシューショントンネル ４ 制御装置 ５ 希釈空気温度制御装置 ６ 排気ガス温度計 ７ フィルター捕集装置 ８ ブロワ

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体の孔内
    に平均繊維径５〜４０μｍの金属繊維を空間充填率が５
    〜２０％となるように分散状態で充填、固定化したこと
    を特徴とする排気ガス浄化用フィルター。
  2. 【請求項２】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体と、平
    均繊維径５〜４０μｍの金属繊維を空間充填率が５〜２
    ５％となるように分散状態で固定化した繊維構造多孔体
    とを積層したことを特徴とする排気ガス浄化用フィルタ
    ー。
  3. 【請求項３】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体の孔内
    の一部又は全てに、平均繊維径５〜４０μｍの金属繊維
    を空間充填率が５〜２０％となるように分散状態で充
    填、固定化した金属多孔体と、平均繊維径５〜４０μｍ
    の金属繊維を空間充填率が５〜２５％となるように分散
    状態で固定化した繊維構造多孔体とを積層したことを特
    徴とする排気ガス浄化用フィルター。
  4. 【請求項４】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体の孔内
    に平均繊維径５〜４０μｍの耐熱セラミック繊維を空間
    充填率が５〜２０％となるように分散状態で充填、固定
    化したことを特徴とする排気ガス浄化用フィルター。
  5. 【請求項５】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体と、平
    均繊維径１〜４０μｍのセラミック繊維が充填率５〜２
    ５％となるように分散状態で固定化した繊維構造多孔体
    とを積層したことを特徴とする排気ガス浄化用フィルタ
    ー。
  6. 【請求項６】 耐熱金属からなる発泡構造多孔体の孔内
    の一部又は全てに、平均繊維径１〜４０μｍの耐熱セラ
    ミック繊維を空間充填率が５〜２０％となるように分散
    状態で充填、固定化した金属多孔体と、平均繊維径５〜
    ４０μｍの耐熱セラミック繊維を空間充填率が５〜２５
    ％となるように分散状態で固定化した繊維構造多孔体と
    を積層したことを特徴とする排気ガス浄化用フィルタ
    ー。
  7. 【請求項７】 発泡構造多孔体の平均孔径が１００〜５
    ００μｍであることを特徴とする請求項１乃至６記載の
    排気ガス浄化用フィルター。
JP5172366A 1993-06-18 1993-06-18 排気ガス浄化用フィルター Expired - Fee Related JP2870369B2 (ja)

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