JPH04110022A - パティキュレート酸化触媒フィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、パティキュレート酸化触媒フィルター及びか
かるフィルターを備えた酸化触媒器に間する。

詳しくは、本発明は、パティキュレートと触媒との間に
高い接触機会を確保しつつ、未反応のパティキュレート
を触媒フィルター中に残留させず、従って、それによる
圧力損失の増大がなく、かくして、長期間にわたって安
定に作動するパティキュレート酸化触媒フィルター、及
びかかるフィルターを備えた酸化触媒器に間する。

〈従来の技術〉 ディーゼルエンジンから排出される排ガスには、煤が微
粒子として含まれており、かかる微粒子を含む排ガスは
、所謂排ガス黒煙として認められる。

上記微粒子は、パティキュレートとも呼ばれており、通
常、炭素のほか、軟質の炭化水素から多環芳香族炭化水
素を含む重質の炭化水素を主成分とし、一部、液状物質
を含み、その粒径は、数千入にも及ぶものがあるが、通
常、はぼ１００〜１０００人の範囲にあり、平均粒子径
は、約３００〜５００人であるといわれている。

かかるパティキュレートは、ディーゼルエンジンにおい
て、燃料である軽油の不完全燃焼によって生しるもので
あって、近年、大気汚染を防止する観点から、窒素酸化
物と共に、その大気中への放散を低減することが強く要
望されている。

そこで、従来、ディーゼルエンジンの排気系に酸化触媒
を担持させた触媒フィルターを設置し、パティキュレー
トを接触酸化させるようにした酸化触媒フィルターや触
媒器が種々提案されている。

代表的な例としては、排カスの人口側におけるハニカム
孔の半数を閉塞し、排ガスの出口側における残余のハニ
カム孔を閉塞したセラミックからなるハニカム構造体に
触媒を担持させ、入口側から触媒フィルターに導入した
排ガスにハニカム壁を強制通過させ、出口側に排出させ
るようにした所謂触媒壁通過方式の触媒器が知られてい
る。ハニカム壁の細孔は、ハニカム構造体がセラミック
からなるために、通常、１０００人程度である。

この触媒フィルターによれば、ハニカム壁にパティキュ
レートを補足し、これをハニカム壁に倉まれる触媒によ
って酸化分解するのである。

しカルながら、かかる触媒器においては、ディーゼルエ
ンジンの低速回転時やアイドリング時には、排ガス温度
が低く、３００℃程度にすぎないので、触媒器において
、パティキュレートの接触酸化が十分に行なわれない結
果、パティキュレートがハニカム壁中に蓄積される。こ
のように、パティキュレートがハニカム壁に蓄積されて
、触媒器による排ガスの圧力損失が高まると、ディーゼ
ルエンジンの燃焼室では、触媒フィルターからの背圧に
よって燃料の燃焼状態が悪化し、かくして、パティキュ
レートの生成が一層増大すると共に、ハニカム壁への蓄
積も増大し、遂には、エンジンにおいて、燃料の燃焼が
不可能となる。

かかる問題を解決するために、触媒器を外部から加熱し
、ディーゼルエンジンの低速回転時やアイドリング時に
おいても、パティキュレートの接触酸化を進行させるこ
とも可能であるが、外部ヒーターの付設及びそのための
熱源を必要とし、費用的に実用的ではない。

触媒器には、上記以外にも、例えば、触媒を担持させた
セラミック・フオーム（発泡体）や、或いはセラミック
・ファイバーのシートからなるハニカム構造体を触媒フ
ィルターとし、これを筒状のケーシング内に充填してな
る触媒器も提案されているが、いずれも上記と同じ問題
を有するうえに、特に、セラミック発泡体を触媒フィル
ターとする触媒器においては、パティキュレートの分解
率が一般に前記ハニカム構造体に比べて低いうえに、圧
力損失が大きい。更に、セラミック・フオームからなる
触媒フィルターは、排ガスの流路が複雑に屈曲している
ために、エンジンの急速な加速運転時の圧力損失も大き
い。セラミック・ファイバーのシートからなるハニカム
構造体は、上記問題に加えて、強度が弱く、実用的では
ない。

他方、ガソリンエンジン搭載車に用いられているハニカ
ム触媒は、排気系に沿う貫通孔を有し、従フて、圧力損
失の増大は生じないものの、固体であるパティキュレー
トと触媒との接触機会が著しく少なく、パティキュレー
トの酸化率が極めて悪いので、ディーゼルエンジン排ガ
ス中のパティキュレートの除去には用いることができな
い。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は、従来のディーゼルエンジンの排ガスに含まれ
るパティキスレートを除去するための酸化触媒フィルタ
ー及び触媒器におくする上記した問題を解決するために
なされたものであって、パティキュレートと触媒との間
に高い接触機会を確保しつつ、未反応のパティキュレー
トを触媒フィルター中に残留させず、従って、それによ
る圧力損失の増大がなく、かくして、燃費の悪化を招く
ことなく、長期間にわたって安定にパティキュレートを
酸化除去することができるパティキュレート酸化触媒フ
ィルター、及びかかるフィルターを備えた触媒器を提供
することを目的とする。

＜ａｍを解決するための手段〉 本発明によるパティキュレート酸化触媒フィルターは、
ガス流れ方向に多数の貫通孔を有する三次元触媒構造体
を構成する薄壁の相当直径が３０−以上の多数の細孔と
厚さ方向に有する薄い金鋼もしくは金属板に触媒を担持
したもので、触媒の貫通孔内にパティキュレートを含有
するガスを通じた時、実質的にパティキュレートが貫通
孔内及び細孔内のいづれにも流れることを可能としたも
のであることを特徴とする。

また、本発明によるパティキュレート酸化触媒器は、か
かるパティキュレート酸化触媒フィルターの複数を備え
、ディーゼルエンジンの排ガスにこれらを強制通過させ
るようにしたことを特徴とする。

本発明においては、触媒フィルターのための基材として
は、金属線材からなる金網、薄い金属板をパンチング等
の方法によって穿孔加工した基材が用いられる。従って
、かかる基材は、その厚さ方向に多数の細孔を相互に平
行に有する。しかも、かかる細孔は、極めて短路であり
、実質的に直線状である。上記細孔は、パティキュレー
トの最大粒径と圧力損失を考慮して、３０−以上が好適
である。

本発明による酸化触媒フィルターは、上記のような基材
に、従来より知られている任意の酸化触媒を担持させて
なるものである。触媒としては、後述するように、種々
の金属単体や、金属酸化物が有効であることが知られて
いる。

本発明において、上記触媒を担持させる方法としては、
例えば、ステンレス鋼線からなる金網を加熱し、鋼線の
表面層を空気酸化し、その上に触媒を担持させる方法、
ステンレス穿孔加工した薄板に溶解アルミメツキし、そ
れを空気中で加熱処理し、アルミをアルミナとしその上
に触媒を担持させる方法、鋼線を一部溶出させて多孔質
とし、これにアルミナ等を担持させ、更に触媒を担持さ
せる方法等によることができる。

しかしながら、本発明において、基材への触媒の担持は
、本発明に従って、広義に解釈されるものとし、従って
、例えば、ステンレス鋼線もしくは穿孔加工した金属板
を加熱し、鋼線などの表面層を空気酸化して、酸化鉄と
するとき、この方法も、基材に酸化鉄なる触媒を担持さ
せる方法に含めるものとする。更に、例えば、鋼線を構
成する鉄の一部を電気化学的方法によって、触媒とじて
活性である白金やパラジウム等に置換する方法も、基材
に担持させる方法に含めるものとする。

本発明において、触媒フィルター基材としての金属には
、例えば、鉄、コバルト、モリブデン、チタン、ジルコ
ニウム、クロム、銀、金、銅、ニッケル、スズ等の金属
単体、ステンレス鋼を含む種々の鉄合金、銅合金、ニッ
ケル合金、スズ合金、クロム合金等の種々の合金を用い
ることができる。

本発明においては、かかる基材金属において何ら限定さ
れるものではないが、加工性、耐熱性等の点から、５Ｕ
Ｓ３０４等のステンレスが好ましい。

しかし、特に、耐熱性が要求される場合には、例えば、
クロム・ニッケル鋼、マンガン・クロム鋼、クロム・ア
ルミニウム鋼、ニッケル・クロム・コバルト鋼等が用い
られる。

また、パティキュレート酸化触媒も、従来、既に種々の
金属単体や金属酸化物が知られており、本発明において
は、用いる触媒は何ら限定されるものではない。かかる
触媒としては、例えば、白金、パラジウム等の金属単体
、酸化マンガン、酸化クロム、クロム酸銅、酸化鉄等を
挙げることができる。

本発明において用いる触媒フィルターは、ガス流れ方向
に多数の貫通孔を有する三次元構造体であり、それらを
構成する薄壁は、２０〜２００μの厚みを有し、その薄
壁に厚さ方向に相当直径が３０、Ｊ１１以上の貫通孔を
有するものであり、それらは、Ｓ　Ｕ　Ｓ　ｕＮ板など
をパンチング加工あるいはラス加工したものあるいは金
属製メツシュにパティキュレート除去能を有する触媒を
担持したものである。

本発明はパティキュレートを含有する排ガスを本発明に
かかる触媒フィルターに通じ、排ガス流れをガス流れ方
向に平行な流れと薄壁の細孔内に流れるものとに分流さ
せ、排ガス中に含有するパティキュレートと触媒の物理
的接触機会を高め、パティキュレートの除去率を大幅に
高めることを可能にしたことを特徴とする。

本発明において排ガス流れを上述した様に分流させるた
めに様々な手段をとることができる。

（１）排ガスの該フィルターの線速度が２〜４５ｍ／ｓ
ｅｃの範囲において、上記の触媒フィルターを貫通孔相
当直径０．１〜５ｆｆＩＩＩ＋、開孔率７０〜９５％、
触媒長さを２０〜８００１ｎＩＩ＋とすれば、触媒フィ
ルター間の圧力損失が２００〜２０００１ＩＩＩ＋水柱
となり、排ガス中のパティキュレートを効率的に除去す
るのに望ましい条件となる。しかし、触媒フィルター間
の圧力損失において、２００鵬水柱以下になるような条
件で実施すれば、薄壁細孔内への分流量が少なくなりパ
ティキュレート除去率が低下し、２０００ｍｍ水柱以上
になればディーゼルエンジン燃焼器内における燃焼が触
媒フィルターからの背圧の影響を受けて不完全となり、
パティキュレート増加の原因となる。

例えば、触媒フィルター間の圧力損失を２００〜２００
０ｍ＋ｎ水柱とするには排ガスの触媒フィルター人口に
おける空塔速度と触媒フィルター貫通孔相当直径、開孔
率、触媒層長さを例えば相当直径が１ｍ、ｔｉｅ速５ｍ
／ｓｅｃ、開孔率８７％の時、触媒長さを６６０ｍｍと
すると触媒フィルター間圧損は５００■水柱となり、触
媒フィルター内のガス流れが上述した２つのガス流れに
分流する。このため排ガス中のパティキュレート除去率
は大幅に向上する。

（２）本発明において用いる三次元構造体をガス流れ方
向に多段に設置する。

一般的にハニカム構造体の貫通孔内をガスが流通すると
き、ガス流れは層流となる。しかしガス入口側及びガス
出口側で、ガス流れが収縮・拡大するため流れが乱れ、
貫通孔内においても、その乱れが一部残留する。そのた
めハニカム構造体の長さを短くガス流れ方向に多段とす
ることにより貫通孔内のガス流れは、貫通孔方向と壁細
孔方向の２つに分流するので排ガス中のパティキュレー
トと触媒の接触機会が高まり、パティキュレート除去率
は向上する。

本発明によるパティキュレート酸化除去フィルターは、
上述したような触媒を担持させた４０μ以上の細孔を多
数有する金属製薄板もしくは金鋼を加工し、あるいは組
合わせることによって種々の形態や構造を有するものと
することができる。

またかかるフィルターを用いて、種々の構造形態の触媒
器を製作することができる。

以下に、上述したような本発明による触媒フィルターを
備えたパティキュレート酸化触媒器の数例を図面に基づ
いて説明する。

第１図は、かかる本発明による触媒器の一列を示し、両
端が開口している筒状のケーシング１内に前記触媒を担
持させた多数の細孔を有するステンレス製金属薄板から
なる触媒フィルター２の貫通孔を排ガス流れに平行に装
填してなり、ディーゼルエンジンの排ガス系に設置して
用いられる。

第２図は、別の触媒器の例を示し、触媒を担持させた多
数の細孔を有するステンレス製金属薄板からなる触媒フ
ィルター２の貫通孔を排ガス流れに平行に多段にし、複
数個を直列に′Ｈ填してなり、ディーゼルエンジンの排
ガス系に設置して用いられる。

必要に応じてかかる触媒器を排ガス系に直列に複数個、
接続して配列してもよい。

第１図、第２図の触媒フィルター２は、例えば断面図と
して第３図に示すように、触媒を担持させた多数の細孔
を有する金属薄板を所定の条件に応じて巻き上げ加工し
たものからなり、上記の金属薄板をあらかじめ波型に加
工して巻き上げれば、−層、効果的にパティキュレート
を酸化除去することができる。

また、触媒フィルター２の別の例として、第４図、第５
図のように積層型コルゲート状ハニカムや格子型ハニカ
ムに所定の条件に応じて加工したものもよい。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明によるパティキュレート酸化触媒
フィルターは、ガス流れ方向に多数の貫通孔を有する三
次元構造体であり、それらを構成する薄壁は、厚さ方向
に多数の貫通孔を有し、パティキュレート除去能を有す
る触媒を担持したステンレス薄板よりなる。

本発明にかかる触媒フィルターにパティキュレ−トを有
する排ガスを通じて、排ガス流れをガス方向と平行流れ
と薄壁の細孔内に流れるものとに分流させることにより
、パティキュレートと触媒の物理的接触機会を高め、パ
ティキュレート除去率を大幅に高めることを可能にした
。また本発明による触媒フィルターは、パティキュレー
ト除去率の低下や触媒フィルターからの背圧によるディ
ーゼルエンジンへの影響がなく、長期にわたって安定か
つ効率良く、パティキュレートを除去できる。更に、触
媒フィルターに用いる三次元構造体を排ガス流れ方向に
多段にして、複数設置することにより、排ガスの流れが
貫通孔方向と薄壁細孔方向とに分流する機会が増え、パ
ティキュレートと触媒の接触機会がより高まることによ
って、−層効果的にパティキュレートを除去することが
できる。

実施例 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何ら限定されるものではない。

（ディーゼルエンジンの運転及び排ガスの組成）排気量
１２免、排ガス量７０ＯＮｍ’／峙であるディーゼルエ
ンジンの排気系後流部に後述するような触媒フィルター
を装填した触媒器を設置し、パティキュレートの酸化試
験を行なった。ディーゼルエンジンの運転条件は、エン
ジン回転数２００　Ｏｒｐｍ、トルク１００ｋｇ−ｍと
した。かかる運転条件において、エンジン排ガス組成は
、Ｎｏ　　　　　１５００ｐｐｍ ＳＯ２１５０ｐｐｍ ０２　　　　　　５％ ８２０　　　　　１０％ であった。また、排ガス中のパティキュレートの平均濃
度は、１−０ｇ／ＮＭ？であった。反応温度は触媒フィ
ルターを外部加熱することによって調整した。

（ステンレス製金属薄板の加工） 厚さ０．１間、所定の触媒器・長さの５ＵＳ３０４製金
属薄板を細孔直径１１ｍ、ピッチ１．４園、千鳥６０度
のパンチング加工し、この薄板を溶融アルミでメツキし
、更にピッチ２．４ｍｍ、山の高さ１．３ｍｍの波型に
加工した。これを空気中にて９５０℃、１０時間熱処理
した。

（触媒担持金属薄板の調製） （１）アルミナ−白金担持金属薄板の調製γ−アルミナ
（住友化学■Ａ−１１）６０ｇに水を加え、次に５．２
ｇ／Ｑピドラジン水溶液４５献を加え、ｐＨを８に調整
した後水洗、濾過を３回行ない、１５０℃で５時間焼成
して白金１重量％を担持させたγ−アルミナを得た。か
かるγ−アルミナ５０ｇに水２５蔽を加えて得たスラリ
ーに、上記の加工済の薄板を浸漬し、過剰スラリーを除
去した後５００℃で５時間焼成し、アルミナ−白金担持
金属薄板を調製した。

（２）アルミナ−パラジウム担持金属薄板の調製γ−ア
ルミナ（住友化学■Ａ−１１）６０ｇに水を加えスラリ
ー化し、１６．７ｇ／Ｑ、塩化ヒドラジン水溶液２５献
を加え、ｐＨを８に調整した後水洗、濾過を３回行ない
、１５０℃で５時間焼成してパラジウム１重量％を担持
させたγ−アルミナを得た。かかるγ−アルミナを上記
（１）と同様に、上記加工済の薄板に担持し、５００℃
で５時間焼成し、アルミナ−パラジウム担持金属薄板を
調製した。

（触媒器の製作） 第１図に示したように、上記（１）、（２）のようにし
て得た触媒担持金属薄板を、排ガス流れ方向の貫通孔相
当直径が１ｍｍ、触媒フィルターの全長が６６０ｍｍ、
開孔率約８７％に巻き上げて内径８０ｃ１１１０ケーシ
ング内に装填して、触媒器（Ａ）、（Ｂ）を得た。また
、上記（１）のようにして得た触媒担持薄板を幅１５０
ｍに切り、４段にしてケーシング内に装填した触媒器（
Ｃ）、この時の触媒フィルター全長は６６０１１ＩＩＩ
てあり、更に幅６７．５ｍに切り、８段にしてケーシン
グ内に装填した触媒器（Ｄ）を得た。この時触媒フィル
ター全長は５４０閣である。

比較例１ 直径１５０■、厚さ３σ閣のセラミック・フオーム（プ
リデストンタイヤ■製セラミック・フオ−ム＃２０、空
孔率８７゜５％、コージェライトとアルミナとからなる
。）をアルミナ・スラリー中に浸漬し、過剰のアルミナ
を除いた後、乾燥し、５００℃で１時間焼成して、アル
ミナ６７４ｇを担持させた。

次いて、４０ｇ／見濃度の塩化白金酸水溶液に漫潰し、
乾燥させた。次いて、５００℃で１時間焼成し、４００
℃で水素−窒素混合気流中で１時間還元処理して、アル
ミナに対して１重置％の白金を担持させたアルミナ−白
金担持セラミック・フオームを調製した。

上記触媒担持セラミック・フオームを２枚重ねにし、来
れを第１図と同様の円筒状のケーシング内に装填して、
触媒器を製作した。

比較例２ セラミック・ファイバー製シートにチアス■製＃２８１
３）からなる直径１５０ｍｍ、長さ３０α關のハニカム
構造体をアルミナ・スラリー中に浸漬し、過剰のアルミ
ナを除いた後、乾燥し、５００℃で１時間焼成して、ア
ルミナ１０６０ｇを担持させた。

次いて、４０ｇ／免濃度の塩化白金酸水溶液に浸漬し、
乾燥させた後、５００℃で１時間焼成し、４００℃で水
素−窒素混合気流中で１時間還元処理して、アルミナに
対して１重量％の白金を担持させたアルミナ−白金担持
セラミック・ファイバーからなるハニカム構造体を製作
した。

このハニカム構造体において、排気ガス入口側の半数の
ハニカム孔を閉塞し、排気ガス出口側の残余の半数のハ
ニカム孔を閉塞して、ハニカム壁を強制通過させる方式
の触媒フィルターとした。

この触媒フィルターを第１図と同様の円筒状のケーシン
グ内に装填して、触媒器を製作した。

以上の実施例及び比較例による触媒フィルターを用いて
、前記の条件に従って、ディーゼル・エンジンを運転し
て、その直後、１時間後及び２４時間後のパティキュレ
ートの除去率及び圧力損失を調べた。圧力損失は、触媒
器の入口と出口との間の静圧を測定して求めた。また、
希釈トンネル法を用いて、触媒器の出口側にて４７．の
フィルターにて捕集させた微粒子を秤量して、パティキ
ュレート量とし、これに基づいてパティキュレート除去
率を求めた。結果を第１表に示す。

第１表 （注）　本　圧力損失の増大により燃料の燃焼が停止し
た。

以上の実施例より本発明による触媒フィルターは、長時
閏低い圧力損失で、高いパティキュレート除去率を可能
にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるパティキュレート酸化触媒器の
実施例を示す排ガス方向に平行な断面図である。 第２図は、別の触媒器の実施例を示す排ガス方向に平行
な断面図である。 第３図、第４図、第５図は、触媒を担持した多数の細孔
を有する金属板からなる触媒フィルターの加工例を示す
排ガス方向に垂直な断面図である。 １　　ケーシング ２−　触媒フィルター ３−　触媒を担持させた細孔を有する金属板 ’ｌ１ｌＥ３図 第１図 第２図 第Ｓ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス流れ方向に多数の貫通孔を有する三次元触媒
   構造体を構成する薄壁の相当直径が３０μｍ以上の多数
   の細孔を厚さ方向に有する金鋼もしくは金属板に触媒を
   担持させたもので、触媒の貫通孔内にパティキュレート
   を含有するガスを通じた時、実質的にパティキュレート
   が貫通孔内及び細孔内のいづれにも流れることを可能に
   したパティキュレート酸化触媒フィルター。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、触媒フィルター
   を多段とすることを特徴とするパティキュレート酸化触
   媒フィルター。