JP2900548B2

JP2900548B2 - ディーゼル排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2900548B2
Application number: JP18270790A
Authority: JP
Inventors: 和彦竹佐; 太郎内山; 智江波戸
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH0472412A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ディーゼル機関等の排気ガスに含まれる微
粒子を捕捉、除去し、さらに排気ガス中に含まれる燃料
等の未燃分である炭化水素やCOガスを酸化して浄化、あ
るいは同じく排気ガス中に含まれるNOxを還元して浄化
するディーゼル排気ガス浄化装置に関する。

［従来の技術］ディーゼルエンジンの排気ガス中にはカーボンを主成
分とする微粒子、燃料および潤滑油の未燃成分である炭
化水素分およびNOx等がかなりの濃度で含まれ、公害の
原因となっている。そこで、ディーゼルエンジンの排気
ガスを浄化する装置が種々開発、提案されている。中で
もディーゼル排気ガス特有の微粒子を捕捉、除去するた
めの各種フィルタ装置が多く提案されている。

例えば特開昭57−35918号には、第３図，第４図に示
すようなフィルタ１が開示されている。このフィルタ１
は、隔壁２で区画された複数のセル３を有するいわゆる
セラミックスハニカム体で、第３図に示すように、一方
の端面Ａにおいては各セル３の端面がシール材４によっ
て交互に市松模様状に塞がれ、他方の端面Ｂにおいては
上記一方の端面Ａにおいて塞がれたセル3aは開口し、上
記一方の端面Ａにおいて開口していたセル3bはシール材
５によって塞がれた構造をなしている。このフィルタ１
の一方の端面Ｂからディーゼル排気ガスを導入すると、
排気ガスは含塵ガス流路をなすセル3a内に導入されて通
気性のある隔壁２を通過し、その時に含塵ガスに含まれ
るパティキュレートが隔壁２の内面に捕捉され、パティ
キュレートが除去された清浄な排気ガスが清浄ガス流路
をなすセル3bを通って一方の端面Ａより流出する。

また、特開昭56−124417号には、第７図に示すような
直交流タイプのセラミックス製のフィルタ20も開示され
ている。このフィルタ20は、全体として直方体状の外形
を有し、相互に平行な複数枚の長方形状の板状体21,22
と、リブ23,25と、スペーサ24,26とから構成されてい
る。これらの板状体21,22,リブ23,25およびスペーサ24,
26は、いずれもフィルタ機能を有する通気性の多孔質セ
ラミックスからなる。板状体21はフィルタ20の上面と下
面を形成し、板状体22は中間面を形成する。隣り合う板
状体21,22と中間部に位置するスペーサ24がいずれも板
状体21の一つの辺に平行に延在する。リブ23およびスペ
ーサ24の上縁は上側の板状体21または22と一体的に接し
ており、リブ23およびスペーサ24の下縁は下側の板状体
22または21と一体的に接している。これにより両端が開
口する複数の含塵ガス流路27が形成される。板状体22の
片側にはこうしたリブ23およびスペーサ24が設けられて
いるのに対し、同じ板状体22の他の片側にはリブ23およ
びスペーサ24とは直交する方向に延在するリブ25とスペ
ーサ26が設けられている。走行方向が異なる点の他は、
リブ25,スペーサ26はそれぞれリブ23,スペーサ24と本質
的に同様である。かくして両端が開口し、走行方向が含
塵ガス流路27と直交する複数の清浄ガス流路28が形成さ
れている。このフィルタ20においは、含塵ガス流路27が
開口する２つの端面のうち一方の端面を直接または間接
に閉塞しておき、他方の端面からディーゼル排気ガスを
導入する。あるいは、含塵ガス流路27の開口する２つの
端面から同時に内方にディーゼル排気ガスを導入する。
そして、板状体22がフィルタ面となって微粒子が板状体
22の含塵ガス流路27の内面に捕捉され、微粒子が除去さ
れた清浄な排気ガスが清浄ガス流路28を経て系外へ流出
される。

このようなフィルタを用いたフィルタ装置において
は、捕捉作用によってフィルタの過面に微粒子が堆積
して、フィルタの目詰まりを起こし、排気ガスの通過圧
力損失が次第に増加するという問題を解決する必要があ
った。

このため、実開昭62−35849号には、フィルタ体の排
気ガス入口上流側にバーナを設け、このバーナからの高
温燃焼ガスによってフィルタの壁面上に堆積した微粒子
を着火、燃焼させて焼却するようにしたパティキュレー
トトラップ装置が開示されている。

また、特開昭56−92318号には、排気ガス流路を２系
統に分割し、それぞれの流路にパティキュレートトラッ
プを配置し、これらの流路においてフィルタの再生、微
粒子の捕捉を交互に行わせる方式が提案されている。こ
の場合の再生も、上記と同様に微粒子を着火、燃焼させ
て焼却する方法が採用されている。

しかしながら、捕捉された微粒子をフィルタ中で燃焼
させる上記従来の方法では、微粒子の燃焼熱によってフ
ィルタが過熱することが避けられずフィルタが溶損した
り、熱衝撃あるいは温度分布に起因する熱応力によるク
ラックが発生し易いという問題点があった。さらに、デ
ィーゼル排気ガス中には無視できない量の不燃成分が含
有され、これらの不燃成分は燃焼によっても除去されず
にフィルタ上に堆積され続け、長期間の運転と共にフィ
ルタの通気圧損が増大するという問題もあった。また、
特開昭62−247111号には、第３図に示す様なフィルタ体
にHC,COなどの有害成分を酸化浄化させる触媒を担持さ
せている。しかしながら、未燃分浄化のための酸化触媒
を前記フィルタ体に担持しても、フィルタ上の微粒子を
焼却除去させる際にフィルタ体自身の温度が600〜900℃
にも上昇してしまうため、触媒自身が高温劣化してしま
う問題があった。

このような問題点を解決するため、本出願人は先に第
８図に示すようなパティキュレートトラップ装置を特開
昭64−77715、特開平１−159408,特開平１−245819等
に，既に提案している。

すなわち、上方、下方および一つの側方に開口部を有
するケーシング31の内部に、所要のシール部材32を介し
て外形直方体状のフィルタ33が収容されている。フィル
タ33は、上方から下方に貫通する含塵ガス流路34（図
中、実線矢印で示す）と一端が閉じられ他端が側方に開
口する清浄ガス流路35（図中、破線矢印で示す）とが通
気性の多孔質材質の隔壁で区画されて形成されている。

ケーシング31の上部には、ディーゼル排気ガスの導入
管37が設けられている。清浄ガス流路35が開口する側の
ケーシング31には、清浄ガスの導出管38が接続されてい
る。導出管38には、上流側に向けて開口する加圧気体噴
射用の逆洗ノズル40が設けられている。

ケーシング31の下部には微粒子受け部41が設けられて
いる。微粒子受け部41には、微粒子焼却装置42が接続さ
れている。さらにこの微粒子焼却装置42中には、シーズ
型電気ヒータからなる着火手段46が配置されている。

ディーゼルエンジンからの排気ガスは、導入管37を経
てフィルタ33の含塵ガス流路34にその上流開口端から導
入され、さらに隔壁を通過して清浄ガス流路35を経て導
出管38に流出するが、排気ガス中の微粒子は隔壁を通過
できず、含塵ガス流路34の内面に付着堆積する。

こうした集塵操作を適宜な時間継続した後、短時間の
逆洗をおこなう。逆洗操作では、逆洗ノズル40から加圧
気体、特には加圧空気を例えば0.1〜１秒程度の時間噴
射する。噴射された気体は、パルス流となって清浄ガス
流路35に流れ込み、隔壁を通って含塵ガス流路34へと通
常時と逆の方向へ流れる。その際に、含塵ガス流路34の
内面に付着、堆積していた微粒子は剥落し、その一部は
含塵ガス流路34内に浮遊するが、多くは落下した微粒子
受け部41に移される。

かくして、集塵操作において含塵ガス流路34内面に捕
捉された微粒子は、逆洗操作によって、微粒子受け部41
に移しかえられ、フィルタ33のフィルタ機能は再生され
る。また、微粒子は、微粒子焼却装置42中に配置された
電気ヒータ46によって着火され、焼却される。

［発明が解決しようとする課題］上述のパティキュレートトラップ装置により、ディー
ゼル排気ガス中の微粒子を捕捉、除去することは出来る
ようになったが、同じく排気ガス中に含まれる未燃ガス
成分およびNOx成分は除去できず、そのまま大気に放出
されてしまうという問題点が残されている。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的は、ディーゼル機関から排出される
排気ガスからカーボンを主成分とする微粒子はもちろ
ん、燃料および潤滑油の未燃ガス成分である炭化水素や
CO、さらにはNOx等の有害成分を継続的に安定して除
去、浄化することが可能なディーゼル排気ガス浄化装置
を提供することにある。

［発明の構成］上記目的を達成するため、本発明のディーゼル排気ガ
ス浄化装置をは、一対の対向する端面の一方の端面から
他方の端面へ貫通して複数の孔が形成されている通気性
の多孔質材質からなる板状体を、前記端面を揃えるよう
にして複数枚平行に積層し、前記板状体相互間に前記複
数の孔により形成される含塵ガス流路とは前記板状体の
多孔質壁により区画される別の清浄ガス流路が構成され
ているセラミックス製のフィルタ体が内燃機関の排気通
路に配置され、前期清浄ガス流路から前期壁を通って
前期含塵ガス流路へ流れるガス流を間欠的に発生させる
逆洗手段と、前期含塵ガス流路からのパティキュレート
を受けるように配置された微粒子受け部とが配置されて
いるディーゼル排気ガス浄化装置において、多孔質壁の
厚さが0.4〜1.6mmとされ、前記板状体の清浄ガス流路に
面する側に排気ガス浄化触媒が担持されている事を特徴
とする。

本発明のディーゼル排気ガス浄化装置の好ましい態様
では、前記排気ガス浄化触媒が酸化触媒である。

また本発明のディーゼル排気ガス浄化装置の他の好ま
しい態様は、前記セラミック製フィルタ体を構成する材
料が、コーディエライト質セラミックスである。

酸化触媒としては、白金、パラジウム、銅、、マンガ
ン、コバルト、チタン、タングステン、等が考えられ
る。

一方、還元が必要なNOxに対しては例えば銅イオン交
換型ゼオライトCu−ZSM5からなるNOx選択還元触媒を板
状態52の清浄ガス流路側、すなわち外周側に担持する。

なお、ディーゼル機関においては、燃焼空気過剰率が
高いためにガソリン機関で採用されている三元触媒をそ
のまま利用することは出来ない。

［作用］本発明のディーゼル排気ガス浄化装置では、清浄ガス
流路側から含塵ガス流路側へ高圧気体を噴射して含塵ガ
ス流路側壁面に捕捉、堆積している微粒子を払い落とす
逆洗操作によってフィルタの再生を行っているため、フ
ィルタ面上で微粒子を燃焼させる方式におけるフィルタ
の熱損傷や不燃性成分の堆積などの問題を解決すること
ができる。

また、排気ガス浄化触媒が厚さ0.4mm以上の多孔質壁
の清浄ガス流路に面する側に担持されているので、排気
ガス中の未燃ガス成分あるいはNOx成分が継続的に浄化
されると共に、触媒成分がフィルタ面上に捕捉された微
粒子と接触して捕捉された微粒子に着火する事がなくフ
ィルタ中における微粒子の燃焼により触媒の高温劣化の
問題がなく、また、多孔質壁の厚さが1.6mm以下とされ
排気ガス触媒を多孔質壁の清浄ガス流路側にのみ担持さ
れていることにより多孔質壁の通気圧損を実用可能な低
いレベルに設定することができ、長期に亘って安定して
機能する排気ガス浄化装置が得られる。

また、多孔質壁の厚さをあまり厚くしないのはフィル
タを軽量にする点でも好ましい。

［実施例］第１図に、本発明によるディーゼル排気ガス浄化装置
の一実施例を示す。

ディーゼルエンジン101には、排気管などで構成され
た排気通路102が接続されており、この排気通路102は２
つの排気通路102a,102bに分岐されている。排気通路102
a,102bの途中には、それぞれフィルタケーシング103a,1
03bが取付けられており、フィルタケーシング103a,103b
には微粒子を捕捉するためのフィルタ104a,104bが配置
されている。排気通路102a,102bは、フィルタケーシン
グ103a,103bの下流にも接続されている。フィルタ104a
の下流側の排気通路102aには、高圧空気タンク105から
導入管106および電気駆動弁107aを介して接続された逆
洗ノズル108aが配置されている。また、フィルタケーシ
ング103aの下部の微粒子受け部112aには、電気ヒータ等
からなる着火手段115aが装備された微粒子焼却装置114a
が接続されている。

着火手段115bとしては、500〜700℃程度の高温燃焼ガ
スを発生する燃焼バーナ、あるいは、電気ヒータ等が利
用されるが、装置構成が簡単で、温度制御がし易く、さ
らに使用上比較的安定な電気ヒータを採用するのが好ま
しい。特に、ステンレス310s,インコネル600等の耐熱金
属をシース材とし、シース外径３〜20mm程度、表面電力
密度２〜4W/cm²程度のシースヒータを採用するのが耐久
性も良く簡便であって好ましい。

同様に、フィルタ104bの下流側の排気通路102bには、
高圧空気タンク105から導入管106および電気駆動弁107b
を介して接続された逆洗ノズル108bが配置されている。
また、フィルタケーシング103bの下部の微粒子受け部11
2bには、同じく電気ヒータからなる着火手段115bが装備
されている微粒子焼却装置114bが接続されている。

そして、逆洗ノズル108a,108bのさらに下流の排気通
路102a,102bには、それぞれ開閉弁109a,109bが配置され
ている。開閉弁109a,109bとしては、例えば、トラック
などで使用されるエキゾーストブレーキ用のバタフライ
式弁などが好適に使用される。なお、高圧空気タンク10
5は、配管101を介して図示していないコンプレッサに接
続されている。

本発明においてフィルタ104a,104bとしては、通気性
の多孔質セラミックスから構成されており、さらにはこ
の目的に対して十分な耐熱性があり熱膨張が小さくて耐
熱衝撃性にも優れているコーディエライト質セラミック
スとするのが好ましい。フィルタの構造としては例えば
前述した第３図、第７図に示すようなものが使用でき
る。しかし、本発明のより好ましい形態としては、第５
図および第６図に示すような構造のフィルタが使用され
る。第５図は上記フィルタを構成するフィルタ素子51を
示している。このフィルタ素子51は、通気性の多孔質セ
ラミックスを材質とする板状体52からなる。板状体52の
主面とは異なる一対の対向する端面53,54には、板状体
を貫通する複数の孔55の開口が形成されている。この実
施例では、上記孔55として楕円形断面の孔が採用されて
いるが、円形断面の孔や、正方形、六角形などの多角形
断面の孔なども採用することができる。また、板状体52
の孔55が開口する端面53,54に沿う一対の端縁部には、
孔55の軸方向に対し垂直方向に突出するリブ58が端面5
3,54に沿って延在している。

また、板状対52の清浄ガス流路側、すなわち外周側に
は、未燃分を酸化浄化させるためのチタンとパラジウム
からなる酸化触媒が塗布かれて担持されている。

第６図には上記フィルタ素子51を複数枚積層し、接合
して構成したフィルタ61が示されている。フィルタ素子
51のリブ58は、隣接するフィルタ素子51と、耐熱性の接
着剤により接着、あるいはパッキンなどを挟み込んで圧
縮押付けるなどの手段によって気密的に接合されてい
る。この結果、フィルタ素子51相互の間隙には、リブ58
によって区画された清浄ガス通路62が孔55の開口面とは
異なる端面に開口するように形成される。一方、孔55は
微粒子を含む排気ガスの通路を構成することになる。こ
のフィルタの多孔質壁の厚さは担持された触媒の厚さも
含めて0.65mmである。

また、第２図には、本発明によるディーゼル排気ガス
浄化装置の他の実施例が示されている。図ではディーゼ
ルエンジン、高圧空気タンク等は省略して、排気ガス浄
化装置本体部分のみが横側面および後側面概要図で示さ
れている。図中第１図と実質的に同じ部分には同一符号
を付し、その説明も省略する。

この実施例では、ディーゼルエンジン101に接続され
た排気通路102が分岐されることなくフィルターケーシ
ング103に接続されている。フィルターケーシング103内
部では、排気ガスの流れ方向に沿って、流路を２分割す
るように仕切り板111が配置されている。そして、フィ
ルターケーシング103の２分割されたそれぞれの区画に
それぞれフィルタ104a,104bが配置されている。フィル
ターケーシング103の下流においては、それぞれ分割さ
れた流路に対応して２本の排気通路102a,102bが接続さ
れている。微粒子受け部112a,112bは、分割されフィル
タ104a,104bのそれぞれ下方に配置され、同じくそれぞ
れに微粒子焼却装置114a,114bが第１図に示した実施例
と同様に配置されている。

その他の点は、第１図の実施例と同様である。

次に、第１図に示されたディーゼル排気ガス浄化装置
を用いる場合の本発明の排気ガス浄化方法についてさら
に説明する。

通常のエンジン運転状態では、開閉弁109a,109bは両
方とも全開となっている。微粒子、未燃ガス成分、NOx
を含んだ排気ガスは、ディーゼルエンジン101から排気
通路102および分岐された排気通路102a,102bを通り、そ
れぞれのフィルタケーシング103a,103bのフィルタ104a,
104bに流入する。そして、フィルタ104a,104bにより排
気ガス中の微粒子が捕捉、除去され、さらに未燃ガス成
分あるいはNOxが酸化あるいは選択還元されて浄化さ
れ、無害の清浄ガスとなって排気流路102a,102bを経て
外気へ放出される。

捕捉された微粒子はフィルタ104a,104bの壁面上に
堆積し、フィルタ104a,104bの通気圧力損失が時間の経
過と共に増加してくる。そこで、フィルタの再生を、２
分割されたフィルタ104a,104bについて時間をずらして
交互に行う。

先ず、開閉弁109aを全閉して、エンジン101からの排
気ガスを、フィルタ104b、開閉弁109b、および排気通路
102bにのみ流す。そして、t1秒後に電気駆動弁107aをt2
秒間のみ開放して、逆洗ノズル108aより高圧空気をt2秒
の間噴出する。t2秒間の高圧空気噴出が終了した後、t3
秒後に再び開閉弁109aが開放され、エンジン101からの
排気ガスは、フィルタ104b、104a、開閉弁109b、109a,
および排気通路102b,102aの両方へ導入される。

さらに、フィルタ104aの逆洗終了後t5秒後に、今度は
フィルタ103bの逆洗が、上記と同様になされる。これら
の一連の動作によりフィルタ104a、104bの逆洗、再生が
交互に行われる。また、これらの一連の逆洗操作は、t6
秒後に再開され、以降、このような逆洗、再生を運転中
断続的に行う。

t1〜t6の時間については、フィルタ104a、104bの圧力
損失が長期に亙って一定レベル以下に維持されるよう
に、運転状態に応じて調節される。通常、t1は0.1〜３
秒、好ましくは0.1〜0.3秒,t2は0.1〜２秒、好ましくは
0.1〜0.3秒、またt3は0.1〜３秒、好ましくは0.1〜１秒
程度とされる。

一例として、第６図に示した構造のフィルタ体を試作
し、第１図に示した構成のディーゼル排気ガス浄化装置
に組込んだものを試作しディーゼル排気ガスの浄化を試
みた。試験条件および試験結果を以下に示す。

（１）試験条件フィルタ103a,103bの有効過面積 :7m² 多孔質壁厚さ :0.65mm 高圧空気タンク107の内容積 :35 高圧空気タンク107の内圧 :7kg/cm² 逆洗ノズル108a,108bの有効径 :28mm ディーゼルエンジン排気量 :5400cc ディーゼルエンジン出力 :120PS/2600rpm 逆洗前時間 t1 :0.2sec 逆洗時間 t2 :0.2sec 逆洗後時間 t3 :0.6sec 逆洗間隔 t5 :10 sec 逆洗サイクルt6 :300sec 燃焼用空気供給量 :20N/min 電気ヒータ容量 :200w/12VDC （２）触媒担持条件 a. コーディエライト質のフィルタ素子の外表面に15wt
％の懸濁液とした活性アルミナ液をハケで塗布 b. 120℃x2時間で予備乾燥 c. 700℃x2時間で本乾燥 d. 塩化パラジウム水溶液をハケで塗布 e. 120℃x2時間で乾燥 f. 水素化ホウ素ナトリウム水溶液（NaBH₄）に浸漬 g. 水洗 h. 120℃x2時間で予備乾燥 i. 500℃x2時間で本乾燥 j. 三塩化チタン水溶液をハケで塗布 k. 120℃x2時間で予備乾燥 l. 500℃x2時間で本乾燥 m. スペーサとセラミック接着剤を用いてフィルタ素子
を接着し800℃で加熱して接着剤を硬化しフィルタとす
る。

（２）試験結果排気ガス浄化効果を比較するために、本発明の排気ガ
ス浄化装置を取り外し、従来使用されているマフラのみ
を組み込み、排気ガスの状態を計測した。結果を第１表
に併せて示した。

その結果、排気ガスの浄化効果と共に連続運転を行う
場合の性能の安定性も確認された。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、比較的薄い多
孔質壁で構成されるフィルタ体の多孔質壁の清浄ガス流
路側に排気ガス浄化用触媒を担持させているので、カー
ボンを主成分とする微粒子と共に、未燃ガス成分である
HCやCOあるいはNOxを除去でき通気圧損も実用性のある
低いレベルにすることができる。

なお、前記触媒は、フィルタの下流面、すなわち清浄
ガス流路側表面に担持されて捕捉された微粒子とは接触
しないようにされているので、微粒子が燃焼してフィル
タが過熱されることによる触媒の性能劣化の問題がな
く、また、清浄ガス流路側から含塵ガス流路側へ高圧空
気を間欠的に噴射する逆洗によってフィルタ体の微粒子
除去、再生を行うので、未燃ガス成分が触媒により酸化
されてもフィルタ体の温度は排気ガス温度よりわずかに
高い程度なので、触媒の耐久性も容易に確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディーゼル排気ガス浄化装置の一
実施例を示す概略構成図、第２図は本発明によるディー
ゼル排気ガス浄化装置の他の実施例を示す概略構成図、
第５図は本発明によるディーゼル排気ガス浄化装置に好
ましく適用されるフィルタのフィルタ素子を示す斜視
図、第６図は上記フィルタ素子で構成されたフィルタを
示す斜視図、第３図は従来のパティキュレートトラップ
装置で用いられているフィルタの一例を示す斜視図、第
４図は従来のパティキュレートトラップ装置で用いられ
ているフィルタの微粒子捕捉原理を説明するための構造
説明図、第７図はフィルタの他の例を示す斜視図、第８
図は本出願人が先に提案しているディーゼル排気黒煙除
去装置を示す概略構成図である。図において、101はディーゼルエンジン、102は排気通
路、102a,102bは分岐された排気通路、104a,104bはフィ
ルタ、105は高圧空気タンク、107a,107bは電気駆動弁、
108a,108bは逆洗ノズル、109a,109bは開閉弁、112a,112
bは微粒子受け部、114a,114bは微粒子焼却装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の対向する端面から他方の端面へ貫通
して複数の孔が形成されている通気性の多孔質材質から
なる板状体を、前記端面を揃えるようにして複数枚平行
に積層し、前記板状体相互間に前記複数の孔により形成
される含塵ガス流路とは前記板状体の多孔質壁により区
画される別の清浄ガス流路が構成されているセラミック
ス製のフィルタ体が内燃機関の排気通路に配置され、前
記清浄ガス流路から前記壁を通って前記含塵ガス流路
へ流れるガス流を間欠的に発生させる逆洗手段と、前記
含塵ガス流路からのパティキュレートを受けるように配
置された微粒子受け部とが配置されているディーゼル排
気ガス浄化装置において、多孔質壁の厚さを0.4mm〜1.6
mmとし、前記板状体の多孔質壁の清浄ガス流路に面する
側に排気ガス浄化触媒が担持されていることを特徴とす
るディーゼル排気ガス浄化装置。