JP4361391B2 - 排ガス中の粒状物質除去フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、特にディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒状物質（ＤＰ）を低通風損失かつ高効率で除去することができる排ガス中の粒状物質除去フィルタに関するものである。

ディーゼルエンジンは内燃機関の中で最も効率の高いものの１つであり、一定出力当りの二酸化炭素（ＣＯ₂ ）の排出量が低い。その上、重油などの低質の燃料を使用できるため経済的にも優れている。このため、近年、地球温暖化防止のためにエネルギー利用効率が高く、ＣＯ₂ 排出量の低いディーゼルエンジン（ＤＥ）を用いた車や定置式の発電設備が見直され、多用される傾向にある。一方、重質油や軽油を燃料とするディーゼルエンジンは、未燃炭化水素と煤が一体化した粒状物質が多く、公害の元凶になっていることが社会問題になっている。このため、ディーゼルエンジンメーカおよび自動車メーカなどの各方面において粒状物質（ＤＰ）の除去に関する研究、開発が進められ、優れた除去性能を有するフィルタや、前置の酸化触媒やフィルタに酸化触媒を担持して排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂ ）にして煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止できるようにしたＤＰフィルタ（ＤＰＦ）に関する研究・開発がなされている（例えば、非特許文献１等）。

これらの開発の多くは、排ガスを数μｍの多孔質セラミックスの薄壁に通して濾過することを目指したものであり、その形状には、板状または円筒状の金属やセラミックス焼結フィルタ、ハニカム状のセラミックス多孔成形体の目を交互に埋めてフィルタに用いるもの、または微細な金属線織布をフィルタに用いるものなどが知られている。さらに、それらの目詰まりを防止または緩和するため、これらのフィルタにＮＯのＮＯ₂ への酸化機能を持たせて煤を酸化燃焼させるものなどが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。
産業環境管理協会、環境管理Vol.37、p441-449 特開平１−３１８７１５号公報 特開昭６０−２３５６２０号公報

本発明者らは、先にＤＰフィルタとして、ＮＯの酸化成分をコートしたメタルラスをその加工時の引伸し方向を交互に９０度異なるように複数枚積層したフィルタを提案している（特願２００３−３９３８４９号）。このフィルタは、閉塞しにくく、堆積した煤の除去手段を必要としないなど優れた特徴を有する。
このＤＰフィルタは、図５に示すように、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する触媒成分が担持された板状網状物１０が複数枚積層され、排ガス５が、板状網状物１０の積層面に平行に流入するように構成されている。該フィルタの煤捕集領域（フィルタ入口部分）では、図６に示すように、近接した網状物に付着した煤が互いに接触する程度に網状物同士の間隔が狭く、煤同士の接触する部分を中心に煤（粒状物質）２が堆積する。その一方で、網状物に担持された酸化触媒により排ガス中のＮＯが酸化され、生成したＮＯ₂ によって堆積した煤の燃焼が促進される。煤の堆積速度よりも燃焼速度を速くすることにより、煤の捕集率を確保すると同時にフィルタの閉塞を防止することができる。
しかし、このような構造では、板状網状物１０の積層間隔が狭いため、特に排ガス中の微粒子状物質量が多い場合には、フィルタ入口部分で煤の堆積が成長して圧力損失が増大し易く、これを防ぐためにフィルタの容積を大きくする必要が生じる。
近年、粒状物質の規制は厳しくなってきており、ＤＰフィルタには容積や圧力損失を増大させずにＤＰ捕集効率を向上させることが求められている。

本発明の課題は、上記技術の問題点を解決し、容積や圧力損失を増大させることなくＤＰ捕集効率の向上を図ることができる排ガス中の粒状物質除去フィルタを提供することにある。

上記課題を達成するために本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する触媒成分が担持された板状物が複数枚積層された積層体からなり、被処理ガスがこれらの面に平行に流入する排ガス中の粒状物質除去フィルタにおいて、前記積層体は、ガス流れ方向の長さが長い板状物と、ガス流れ方向の長さが短い板状物とからなり、該長い板状物は、ガス流出側端部を揃えて一定枚数おきに積層されていることを特徴とする排ガス中の粒状物質除去フィルタ。
（２）前記長さの長い板状物に担持された触媒成分の担持量が、短い板状物よりも大きいことを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（３）前記板状物が、金網、メタルラス、表裏を貫通する穴を多数有した金属、セラミックまたはガラス製織布であることを特徴とする（１）または（２）に記載のフィルタ。
（４）前記長さの長い板状物の目開きの割合が、短い板状物よりも小さいことを特徴とする（３）のいずれかに記載のフィルタ。
（５）前記排ガスが、ディーゼルエンジン排ガスであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のフィルタ。

本発明によれば、フィルタ入口部分での煤の捕集、燃焼領域を小さくすることができるとともに排ガス中のＮＯと酸化触媒との接触率を向上させることができ、しかも、板状物の充填密度が増大している後流部で煤の捕集効率と燃焼効率を向上させることができるため、フィルタの容積および圧力損失を増大させることなく排ガスの処理を行うことができる。また煤の捕集効率を下げずにフィルタの容積を低減することが可能となる。さらに網状物に担持した酸化触媒による排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素の除去も効率よく行うことができる。

図１は、本発明の一実施例を示すＤＰＦの構成説明図であり、また図２は該ＤＰＦの入口部分の煤（粒状物質）の堆積状態を示す図である。
図１において、ＤＰＦは、ＮＯをＮＯ₂ に酸化する酸化触媒が担持された、ガス流れ方向の長さが長い板状物１Ａと、該酸化触媒が担持された、ガス流れ方向の長さが短い板状物１Ｂとから構成され、これらは互いに１枚おきに交互に積層され、またガス流出側端部で該板状物１Ａと板状物１Ｂの端部が揃えられて積層されている。このＤＰＦでは、排ガス５は、長さの長い板状物１Ａのみが存在する、積層密度が低くなっている側から積層面に平行に流入される。

このようなＤＰＦでは、排ガス５が流入するフィルタ入口部分での板状物の積層密度が低くなっているため、入口部分での煤の堆積が抑制される。また排ガス中のＮＯが、フィルタ入口部分で煤の堆積量が少ないことから酸化触媒と効率よく接触してＮＯ₂ に酸化される。一方、入口部で捕集されなかった煤は、板状物１Ａと板状物１Ｂが交互に積層されて積層密度が増加し、近接した板状物に付着した煤同士が互いに接触する構造となっている下流側で、効率よく捕集される。また上流側で効率よく生成したＮＯ₂ が、煤の堆積している下流側に多量に流入する。従って、下流側での煤の堆積が増大しても煤の燃焼速度が捕集領域全体で十分に速くなるため、圧力損失の増大を防止することができる。

本発明に用いられる板状物としては、金網、メタルラス、表裏を貫通する穴を多数有した金属、またはセラミックやガラス製織布などの板状網状物が好ましいが、強度等を向上させる目的で平板として用いてもよい。金属製の網状物の場合には触媒成分と網状物との間に、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアなどの酸化物からなる中間層を設けることが好ましく、またセラミックまたはガラス製織布の場合にはシリカ、チタニアなどの無機結合剤を含浸させて強化するのが好ましい。平板には、一般的なステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等）の他、セラミックスやガラス製織布にシリカ、チタニアなどの無機結合剤を含浸して強化したカオウールやセラミックペーパー、または網状物の開口部を触媒成分で埋めるようにして担持させた平板状触媒体が用いられる。

本発明において、板状物には長さの長い板状物と長さの短い板状物が用いられる。これらの長さの比には特に限定はなく、処理排ガスの性状や要求される性能に応じて適宜選定するのが好ましい。また長さの長い板状物として、長さが異なる２種以上の板状物を用いてもよいが、この場合には、フィルタの断面方向のガスの偏流を避けるため、各長さの板状物を均等に配置させるのが好ましい。
また板状物として網状物を用いる場合には、長さの長い網状物の編目の目開き割合を、長さの短い網状物のそれよりも小さくするのが好ましい。これにより長さの長い網状物の剛性が向上し、積層密度の疎なフィルタ入口部分でのガス流路の変形を抑えることができる。平板を使用する場合には、平板の間に網状物を２枚以上配置するのが好ましい。

さらに板状物には、排ガス中のＮＯをＮＯ₂ に酸化するための酸化触媒が担持されている。該酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）およびロジウム（Ｒｈ）を単独でまたは組み合わせて用いられるが、Ｐｔ単独でも好結果が得られる。板状物に担持する触媒量は、排ガスの性状や処理効率等の点から適宜選定することができるが、長さの長い板状物の触媒担持量を、長さの短い網状物の触媒担持量より多くすることが好ましい。これにより、フィルタ入口部分でのＮＯ₂ の発生を促進し、補足した煤の燃焼を向上させることができる。

このように長さの長い網状物の目開きを小さくし、または網状物に代えて平板を用いて剛性を向上することにより、フィルタ入口部分で積層物が互いに接触するのを防ぎ、形状が安定すると同時に、ガス入口部の目開き部分に堆積する煤が減少するため、煤の付着や、近接した網状物に付着した煤同士の接触が抑えられ、煤の堆積の成長を抑制するとともに触媒面積が確保され、ＮＯ₂ の発生を増大させることができる。またフィルタ入口部分の酸化触媒の担持量を増加することにより、入口部でのＮＯ₂ の発生をさらに促進させることができ、煤の燃焼速度の向上を図ることができる。これにより、フィルタ入口部分での煤の捕集、燃焼領域が小さくなり、フィルタの容積または圧力損失を増加させずに、網状物の充填密度を増加させて煤の捕集効率を向上することが可能であると同時に、煤の捕集効率を下げずにフィルタの容積を低減することが可能となる。また、網状物に担持した酸化触媒による排ガス中のＣＯや炭化水素の除去も効率よく行うことができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔実施例１〕
厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４３０を、送り０．３５ｍｍでラス加工し、開孔率７４．０％、ラス板としての板厚０．６７ｍｍのメタルラスを得た。これを、チタニア４０ｗｔ％、シリカゾル（ＳｉＯ₂ 含有率２０％）を２０ｗｔ％、ポリビニルアルコール１ｗｔ％、および残り水からなるスラリに浸漬後、エアブローして余剰スラリを除去し、１５０℃で乾燥して不溶化処理して担持量３０ｇ／ｍ² の薄い中間層を設けたラス板を作製した。

一方、チタニア（比表面積９０ｍ² ／ｇ）１００ｇに水を２００ｇ加えたものに、Ｐｔ含有量８％のジニトロジアンミン白金溶液を６．２５ｇ添加後、砂浴上で加熱して蒸発乾固し、得られた塊状物を５００℃で焼成し、ハンマーミルで粉砕して触媒粉末を得た。本粉末７０ｇ、チタニア（比表面積９０ｍ² ／ｇ）３０ｇ、シリカゾル（ＳｉＯ₂ 含有率２０％）１００ｇ、水２００ｇとを混合し触媒スラリを調製した。本スラリに先に中間層をコーティングしたラス板を浸漬後、エアブローして余剰なスラリを除去し、１５０℃で乾燥後、６００℃で２時間焼成して酸化触媒が３３ｇ／ｍ² 付着したラス板を得た。
得られた触媒付きラス板を、１５０ｍｍ角の正方形に２２４枚切断し、図１のように１枚おきに１５０ｍｍ×７５ｍｍの長方形に切断し、かつ９０度向きを変えて、長さ１５０ｍｍの辺の片側の端面が揃うように積層し、１５０ｍｍ角×１５０ｍｍ長さの積層体を得た。これを、図４のように周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、ＤＰＦを作製した。

〔実施例２〕
ＳＵＳ４３０を送り０．４７ｍｍでラス加工し、開孔率５３％、ラス板としての板厚０．６７ｍｍのメタルラスを得た。このメタルラスに実施例１と同様にして中間層と酸化触媒を担持したラス板を得た。これを１５０ｍｍ角の正方形に１１２枚切断し、実施例１で用いた１５０ｍｍ角の正方形の代わりに使用し、実施例１の１５０ｍｍ×７５ｍｍの長方形のラス板と90度向きを変えて、長さ１５０ｍｍの辺の片側の端面が揃うように交互に積層し、１５０ｍｍ角×１５０ｍｍ長さの積層体を得た。これを、図４のように周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、ＤＰＦを作製した。このＤＰＦは、フィルタ入口側端面でラス板同士の接触しない好適な構造であった。

〔実施例３〕
厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４３０を、チタニア４０ｗｔ％、シリカゾル（ＳｉＯ₂ 含有率２０％）を２０ｗｔ％、ポリビニルアルコール１ｗｔ％、および残り水からなるスラリに浸漬後、液切りし、１５０℃で乾燥して不溶化処理して担持量３０ｇ／ｍ² の薄い中間層を設けた平板を作製した。
一方、チタニア（比表面積９０ｍ² ／ｇ）１００ｇに水を２００ｇ加えたものに、Ｐｔ含有量８％のジニトロジアンミン白金溶液を３０ｇ添加後、砂浴上で加熱して蒸発乾固し、得られた塊状物を５００℃で焼成し、ハンマーミルで粉砕して触媒粉末を得た。本粉末７０ｇ、チタニア（比表面積９０ｍ² ／ｇ）３０ｇ、シリカゾル（ＳｉＯ₂ 含有率２０％）１００ｇ、水２００ｇとを混合し触媒スラリを調製した。本スラリに先に中間層をコーティングした平板を浸漬後、液切りし、１５０℃で乾燥後、６００℃で２時間焼成して酸化触媒が３３ｇ／ｍ² 付着した平板を得た。これを１５０ｍｍ角の正方形に９７枚切断した。

実施例１で得られた触媒付きラス板を、１５０ｍｍ角の正方形に１９４枚切断し、１枚おきに９０度向きを変えて、１５０ｍｍ×７５ｍｍの長方形に切断して積層した。この積層体に２枚おきに、先に得られた１５０ｍｍ角の触媒付き平板を挟んで、網状物の長さ１５０ｍｍの片方の端面に揃えて積層し、図３に示す１５０ｍｍ各×１５０ｍｍ長さの積層体を得た。これを、図４のように周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、ＤＰＦを作製した。このＤＰＦは、入口側端面でラス板同士の接触しない好適な構造であった。

〔比較例１〕
実施例１で得られた触媒付きラス板を、１５０ｍｍ角の正方形に２２４枚切断し、１枚おきに９０度向きを変えて、図５に示す１５０ｍｍ角×１５０ｍｍ長さの積層体を得た。これを、図４のように周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、ＤＰＦを作製した。

＜試験例＞
実施例１および比較例１で得られた各ＤＰＦをＡ重油を燃料とするディーゼルエンジン出口に設置し、圧損とＤＰ除去率〔（入口ＤＰ量−出口ＤＰ量）／（入口ＤＰ量）〕を測定した。
その結果から、本発明のＤＰＦ（実施例１）は従来のＤＰＦ（比較例１）よりも圧損を約４０％低減できた。またＤＰ除去率向上にも効果があった。

内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒状物質（ＤＰ）を低通風損失かつ高効率で除去する粒状物質除去フィルタとして好適に用いることができる。

本発明の一実施例を示すＤＰＦの構成説明図。 本発明のＤＰＦの排ガス流入部での粒状物質の堆積状態を示す図。 本発明の他の実施例を示すＤＰＦの構成説明図。 実施例に用いたＤＰＦの説明図。 先に本発明者らが提案したＤＰＦの構成説明図。 先に本発明者らが提案したＤＰＦのガス流入部での粒状物質の堆積状態を示す図。

符号の説明

１Ａ…長さの長い板状物、１Ｂ…長さの短い板状物、２…粒状物質、３…金属枠、４…無機繊維シート、５…排ガス、７…平板、１０…板状網状物。

Claims (5)

1. 一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する触媒成分が担持された板状物が複数枚積層された積層体からなり、被処理ガスがこれらの面に平行に流入する排ガス中の粒状物質除去フィルタにおいて、前記積層体は、ガス流れ方向の長さが長い板状物と、ガス流れ方向の長さが短い板状物とからなり、該長い板状物は、ガス流出側端部を揃えて一定枚数おきに積層されていることを特徴とする排ガス中の粒状物質除去フィルタ。
2. 前記長さの長い板状物に担持された触媒成分の担持量が、短い板状物よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記板状物が、金網、メタルラス、表裏を貫通する穴を多数有した金属、セラミックまたはガラス製織布であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ。
4. 前記長さの長い板状物の目開きの割合が、短い板状物よりも小さいことを特徴とする請求項３のいずれかに記載のフィルタ。
5. 前記排ガスが、ディーゼルエンジン排ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフィルタ。
   

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