JP7246846B2 - ディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 試験日： 平成２９年４月２１日 試験場所： 函館日野自動車株式会社にて 試験を行った者： 池川祐、今西勇平

本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」）に堆積した、アッシュ成分を除去する技術に関する。

自動車のディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、主として固体炭素から形成される粒子状物質（ＰＭ）の他に、アッシュ（ＡＳＨ）成分が含まれている。アッシュ成分の主な構成要素は、潤滑油由来のＣａ、Ｚｎのような金属塩である。アッシュ成分は、前記粒子状物質と共にＤＰＦ上に捕集される。この際、前記アッシュ成分等がＤＰＦのセル内の細孔に詰まる形で堆積することとなる。アッシュ成分等がＤＰＦに堆積すると、フィルタが目詰まりする結果、十分な性能を発揮できない。したがって、ＤＰＦに堆積したアッシュ成分等を除去することが必要となる。

粒子状物質については、ＤＰＦの上流に装着した酸化触媒の酸化反応によって生じる燃焼熱や排気ガスから得られる熱でＤＰＦ内部温度を上昇させ、二酸化炭素等に分解することによって除去する方法や、ＤＰＦの上流に装着した酸化触媒の酸化反応によって生じる窒素酸化物と排気ガスから得られる熱で二酸化炭素などに分解することによって除去する方法が知られている。一方で、そのような粒子状物質の除去処理が行われても、アッシュは燃焼または気化することなくＤＰＦに残留する。

従来においては、アッシュ成分が堆積したＤＰＦに対して水を高圧で噴霧することで、物理的にアッシュ成分を除去する方法によって洗浄していた。しかしながら、水洗浄ではアッシュ成分を十分に除去することができない場合があり、出荷時と同等のフィルタ性能を発揮することができない場合があった。

特願２００５－４６７２９号公報

また、たとえば特許文献１のように、フィルタの多孔質隔壁に形成される排気ガス通路に石鹸水等の洗剤水溶液を浸漬させ、フィルタ隔壁に付着しているアッシュ成分を隔壁から剥がすとともに、フィルタに向けて高圧気体を吹き付けることにより、アッシュ成分を隔壁から押して除去する方法が存在する。

しかしながら、このような方法でも、ＤＰＦに堆積したアッシュ成分をフィルタの性能が十分に回復するほどには除去することができない。

本発明の目的は、簡便、且つ高い除去率で、ＤＰＦに堆積したアッシュ成分を除去する方法を提供することにある。

本発明は、排気ガス中に含まれる、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、およびＺｎから選択される少なくとも一つの元素の化合物であるアッシュ成分が堆積したディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法であって、
前記アッシュ成分が堆積したディーゼルパティキュレートフィルタを、当該アッシュ成分を水に可溶化させることができる洗浄成分を含有する洗浄液に浸漬することにより、前記アッシュ成分を水に溶解させて除去することを特徴とする、ディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法である。

また、前記洗浄成分の濃度は、０．１ｍｏｌ／ｌ以上であることが好ましい。

また、前記洗浄成分としては、クエン酸、クエン酸ナトリウム、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、および酒石酸などが挙げられる。

本発明により、簡便、且つ高い除去率で、ＤＰＦのセル内のアッシュを除去することが可能となった。

アッシュが堆積した状態のパティキュレートフィルタ。 水洗浄した後の図１のパティキュレートフィルタ。 本発明の洗浄方法により図１のアッシュがほぼ完全に除去されたパティキュレートフィルタ。 洗浄成分とアッシュ除去率との関係（実施例１）を表すグラフ。 各濃度のクエン酸溶液に浸漬して、経時によるアッシュ除去率を測定した結果（実施例２）を表すグラフ。

以下、本発明の形態について説明するが、本発明の範囲は、実施例を含めた当該記載に限定されるものではない。

（アッシュ成分）
前述した通り、排気ガス中には、主として個体炭素から形成される粒子状物質が含まれるほかに、アッシュ成分も含まれている。アッシュ成分は、前記粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。

アッシュ成分は、たとえば硫酸カルシウムＣａＳＯ₄、リン酸亜鉛カルシウムＣａ₁₉Ｚｎ₂（ＰＯ₄）₁₄のようなＣａ、Ｚｎ、Ｐ、およびＳを含む塩である。なお、Ｃａ、Ｚｎ、およびＰは機関潤滑油に由来し、Ｓは燃料や機関潤滑油に由来すると考えられる。

たとえばＣａＳＯ₄は石こうの主成分であり、特にＤＰＦのセルに堆積すると物理的に除去し難く、且つ極めて水に溶け難いため、従来の水のみの洗浄では除去することが困難である。

＜洗浄液＞
本発明で用いられる洗浄液は、アッシュ成分を水に可溶化する役割を果たすものである。アッシュ成分を水に可溶化させることにより除去する。

水に可溶化させる方法としては、アッシュ成分と反応して塩を形成する方法や、錯体を形成する方法が考えられる。

洗浄液としては、アッシュ成分を水に可溶化する役割を果たすものであれば限定されるものではないが、たとえば洗浄成分として、クエン酸、クエン酸ナトリウムなどのクエン酸塩、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、および酒石酸などを含むものが挙げられる。これらの化合物の一部の官能基が、ＣａやＺｎ原子をキャプチャーして錯体化合物を形成することにより、この錯体化合物が水に可溶な構造となる。その中でも毒性が少なく、かつ除去効果の高いものという観点から、洗浄成分としては、クエン酸およびクエン酸ナトリウムを含むものが好ましい。

前記洗浄成分の濃度としては、洗浄成分の官能基数、アッシュ成分中の金属の価数等によって若干の差異はあるものの、０．１ｍｏｌ／ｌ以上であれば十分な洗浄力を有する。

前記洗浄液には、洗浄性能を損ねない範囲で、他の任意成分を添加してもよい。

＜洗浄方法＞
本実施形態に係る洗浄方法は、アッシュ成分が堆積したＤＰＦを、当該アッシュ成分を水に可溶化させる洗浄成分を含有する洗浄液に浸漬することにより、アッシュ成分を水に溶解させて除去する方法である。

ＤＰＦに堆積したアッシュ成分を除去する場合、洗浄液にＤＰＦを浸漬することが有効である。洗浄液にＤＰＦを浸漬することで、洗浄液中の洗浄成分がアッシュ成分中の化合物と十分に反応したり錯体を形成したりすることによってアッシュ成分を水に可溶化させることを助ける。

また、洗浄液にＤＰＦを浸漬することでＤＰＦのセル中のアッシュ成分を水に可溶化させた後、ＤＰＦに対して水による洗浄を行うことが有効である。

水による洗浄の方法としては、高圧洗浄機を用いた水の直接噴霧など、通常用いられている方法で行うことができる。

次に、実施例により本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
（洗浄液の適性実験）
洗浄成分として、クエン酸、硝酸、シュウ酸、酢酸、ギ酸、酒石酸、重曹、およびクエン酸ナトリウムを用い、再生前のＤＰＦに堆積したアッシュ成分中のＣａおよびＺｎの除去率を測定した。除去率は、Ｃａ及びＺｎの合計量に基づいている。具体的な手順は以下の通りである。

（１）ＤＰＦに堆積したアッシュ成分をサンプリングした。
（２）アッシュ成分をＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）により定量分析した。
（３）洗浄液１００ｍｌ（洗浄成分：１ｍｏｌ／ｌ）にアッシュ成分２ｇを加え、３０分間静置した。
（４）（３）の溶液をろ過して得られた残渣成分の重量を測定し、且つ残渣成分をＸＲＦにより定量分析した。
（５）上記（２）（４）の分析結果から算出したＣａとＺｎの減少量を用いて除去率を求めた。除去率は、以下のような計算式を用いて計算した。

除去率（％）＝１００×（洗浄液浸漬によるＣａおよびＺｎ減少量）／（アッシュ中のＣａおよびＺｎ量）

水のみの場合を含めた洗浄成分毎の除去率を、図３に示す。また、表１においては除去率と共に洗浄成分の毒性について示す。

表１中の毒性を表すスコアについては、以下の通りである。
◎：無害
△：濃度によって有害
×：有害

上記結果から、除去率の数値的には硝酸が最も高いものの、毒性に問題があることがわかる。一方、クエン酸は、硝酸の次に除去率が高く、且つ毒性がほとんどないため、洗浄液としての適性を有していることがわかる。

＜実施例２＞
（クエン酸を用いた、濃度および時間によるアッシュ溶解条件の検討）
アッシュ成分が堆積したＤＰＦを、０．１ｍｏｌ／ｌ、０．２ｍｏｌ／ｌ、０．３ｍｏｌ／ｌの濃度に調整したクエン酸溶液に浸漬して、経時によるアッシュ除去率を測定した結果を、図４に示す。具体的な手順は以下の通りである。

（１）ＤＰＦに堆積したアッシュ成分をサンプリングした。
（２）アッシュ成分をＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）により定量分析した。
（３）規定濃度のクエン酸溶液１００ｍｌにアッシュ成分２ｇを加え、規程時間静置した。
（４）（３）の溶液をろ過して得られた残渣成分の重量を測定し、残渣成分をＸＲＦにより定量分析した。
（５）上記（２）（４）の分析結果から算出したＣａとＺｎの減少量を算出し、除去率を求めた。除去率の計算については、実施例１と同様である。

図４の結果より、おおむね５分程度でアッシュ成分の除去率がピークを迎えることがわかる。また、クエン酸濃度については、０．１ｍｏｌ／ｌ以上の低濃度でも実用上十分な除去性能（約６０％～７８％）を示していることがわかる。なお、濃度をある程度以上上げても除去率が１００％に近づかない理由は、化学平衡に達しているからであると考えられる。

＜実施例３＞
（アッシュ除去による圧損改善効果）
本実施例では、実際に道路を運行した車体から回収したＤＰＦを用いた。従って、回収したＤＰＦは、エンジンから排出されたアッシュ成分が堆積している。各ＤＰＦは、使用（走行）条件が異なる。各ＤＰＦを回収し、水洗浄した後の実機圧損および、さらに１ｍｏｌ／ｌ濃度のクエン酸に３０分間浸漬した後の実機圧損を測定した結果を表２に示す。通常、フィルタにアッシュ成分が多く堆積するほど実機圧損が増加し、フィルタの性能に悪影響を及ぼすこととなる。

なお、アッシュ量および実機圧損の値については、以下のようにして測定した。

（回収時ＤＰＦのアッシュ重量および実機圧損測定）
（１）回収したＤＰＦに対し、エンジンを使用して粒子状物質の燃焼除去を実施後に、圧損測定を行った。
（２）エンジンからＤＰＦを取り外し、ＤＰＦ重量を測定した。
（３）触媒生産時重量との差を算出し、アッシュ重量とした。

（洗浄後ＤＰＦのアッシュ重量および実機圧損測定）
（１）洗浄後のＤＰＦに対し、エンジンを使用して乾燥実施後に圧損測定を行った。
（２）エンジンからＤＰＦを取り外し、ＤＰＦ重量を測定した。
（３）触媒生産時重量との差を算出し、アッシュ重量とした。

ここで、上記使用（走行）条件については以下の通りである。なお、回収品（２）については水洗浄のみ、回収品（４）については、クエン酸洗浄のみを行ったものである。
回収品（１）：７３．７万ｋｍ市場走行品
回収品（２）：６０．６万ｋｍ市場走行品
回収品（３）：８９．９万ｋｍ市場走行品
回収品（４）：６４．４万ｋｍ市場走行品

表２の結果から、水洗浄のみでも実機圧損は低下しているものの、アッシュ成分の除去が不十分であることがわかる。ＤＰＦの洗浄を行う実際の現場では、水洗浄後に再度の圧損上昇が短期間に起きるという問題が生じている。表２の結果から、その問題は、アッシュ成分の除去が不十分であることに起因することが明らかとなった。

一方で、クエン酸を含む洗浄液への浸漬を行った場合は、回収品（４）のように水洗浄せずに直接クエン酸洗浄したものを含め、いずれの回収品においてもアッシュ成分のほとんどが除去できており、実機圧損も新品時（３ｋＰａ）同等まで改善した。

すなわち、このような洗浄方法によるアッシュ成分の除去効果は非常に高く、既に水洗浄を実施してトラブルになっているＤＰＦに対しても有効であることがわかる。

図１は、ＤＰＦの水洗浄前の写真である。図２は、このＤＰＦを水洗浄した後の写真である。図３は、このＤＰＦをクエン酸洗浄した後の写真である。

図１で白く見えるものがアッシュ成分である。図２では、単に水洗浄しただけでは白いアッシュ成分が依然として除去できていないことがわかる。図３では、アッシュ成分がクエン酸を含む洗浄液への浸漬によりほぼすべて除去されていることがわかる。

上記実施形態、実施例及び比較例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、適宜組み合わせて実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (2)

1. 排気ガス中に含まれる、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、およびＺｎから選択される少なくとも一つの元素の化合物であるアッシュ成分が堆積したディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法であって、
   前記アッシュ成分が堆積したディーゼルパティキュレートフィルタを、当該アッシュ成分を水に可溶化させる、洗浄成分であるクエン酸を含有する洗浄液に浸漬することにより、前記アッシュ成分を水に溶解させて除去することを特徴とする、ディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法。
2. 前記洗浄成分の濃度が０．１ｍｏｌ／ｌ以上であることを特徴とする、請求項１記載のディーゼルパティキュレートフィルタの洗浄方法。

Images