JPH06288222A

JPH06288222A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JPH06288222A
Application number: JP5103571A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Matsumura; 信之松村; Katsunori Endo; 勝規遠藤; Kiyohide Yoshida; 清英吉田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】排ガス中に含まれる環境上有害な微粒子をフ
ィルタで捕捉するとともに、フィルタを効率良く再生す
ることが可能で、特にディーゼルエンジン等の排ガス中
に含まれるパティキュレートを効率的に燃焼する機能を
有する排ガス浄化装置を提供する。【構成】排ガス管１に切換弁２を介して接続している
複数のフィルタユニット３を有し、各フィルタユニット
は触媒をコートした一つまたは複数のフィルタ４と、電
熱ヒーター５とを有する排ガス浄化装置であり、フィル
タ上に捕集されたパティキュレートが電熱ヒーターの加
熱により燃焼し、よってフィルタが再生される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は環境上問題となる排ガス
中の微粒子を捕捉する排ガス浄化装置に関し、更に詳し
くはディーゼルエンジンの排ガス中の微粒子状炭素物質
（パティキュレート）を捕捉し、効率よく燃焼させる排
ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ディー
ゼルエンジンからの排ガス中のパティキュレートを捕集
し、燃焼させることで、排ガスを浄化させようとする試
みがすでになされている。例えば、実開昭６１−５５１
１５号はその一例を示す。同公報に開示される装置は、
ハニカムフィルタ内に軸線方向に延在する放熱部材を設
け、さらにハニカムフィルタの前方に電気ヒータを配す
構成となっている。この公知例では、ハニカムフィルタ
の入口側から入った排ガスは、該ハニカムフィルタを構
成する各セル間を通過して出口側へ流れる。このような
排ガスの流れに際して、排ガス中のパティキュレートが
フィルタに捕集される。

【０００３】捕集されたパティキュレートの量が多くな
るにつれ、フィルタによる圧力損失が大きくなり、この
圧力損失が所定値を越えたとき、電気ヒーターに通電
し、パティキュレートを燃焼させる。しかし、使用中の
排気管の一部でパティキュレートを強制燃焼させる場
合、車両の走行中に行うのが好ましくなく、エンジンを
停止させて行っている。

【０００４】パティキュレートの燃焼には、６００℃以
上の高温が必要なことから、電気ヒーターへの通電は、
エンジンを停めた車両に搭載したバッテリーでは間に合
わず、別個に電源を必要としている。

【０００５】そこで、ディーゼルエンジンに直結した発
電機を電気ヒーターに接続し、必要な通電量を確保可能
とする試みがなされる。この試みはかなり有用である。
しかし、フィルタに捕集されたパティキュレートによる
排ガスの圧力損失の増大は、すでにディーゼルエンジン
に大きな負担をかけており、加えて、発電機による負担
をディーゼルエンジンに課すことは最善の策とは言えな
い。

【０００６】この試みに対する改良案は、排気管に対の
フィルタトラップを接続し、一方のフィルタトラップに
排ガスを通している間、切替え弁より他方のフィルタト
ラップへの排ガスの流れを止め、捕集されたパティキュ
レートを電気ヒーターで燃焼させるものである。

【０００７】この改良案は、捕集されたパティキュレー
トによる圧力損失が顕著に増加する前に、切換弁によ
り、別のフィルタトラップに排ガスを流し、パティキュ
レートの燃焼が可能なので、ディーゼルエンジンへの負
担が少ない。

【０００８】この改良案において、電気ヒーターの熱が
フィルタに伝達され難く、また外気温の影響を受けて、
フィルタ内の昇温が迅速に望めず、パティキュレートの
燃焼効率が悪いと言う欠点を持つ。

【０００９】従って本発明の目的は、排ガス中に含まれ
る環境上有害な微粒子をフィルタで捕捉するとともに、
フィルタを効率良く再生することが可能で、特にディー
ゼルエンジン等の排ガス中に含まれるパティキュレート
を効率的に燃焼する機能を有する排ガス浄化装置を提供
することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、パティキュレート燃焼触媒をコー
トした複数個のフォーム型フィルタユニットを切換弁を
介して接続し、フィルタに捕集されたパティキュレート
を電気ヒーターにより燃焼する際に、切換弁を介して排
ガスの一部を流すことより、効果的にパティキュレート
を燃焼除去できることを発見し、本発明を完成した。

【００１１】すなわち、本発明の排ガス浄化装置は、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パ
ティキュレートを捕集及び燃焼除去し、排ガス管に切換
弁を介して接続している複数のフィルタユニットを有
し、各フィルタユニットは触媒をコートした一つまたは
複数のフィルタと、電熱ヒーターとを有しており、前記
フィルタ上に捕集されたパティキュレートが前記電熱ヒ
ーターの加熱により燃焼し、よってフィルタが再生され
ることを特徴とする。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１３】第１図は本発明の一実施例による排ガス浄
化装置の断面図である。本発明の排ガス浄化装置におい
て、排ガス管１の途中に複数のフィルタユニット３が切
換弁２を介して接続されている。各フィルタユニット
は、一つ又は二つ以上のフィルタ４と、フィルタと同数
の電熱ヒーター５を有する。

【００１４】フィルタ４は、中空円筒形の形状をしてい
る。電熱ヒーター５は円筒体フィルタ４の中空部に設置
される。排ガスはまずフィルタ４の中空部に入り、フィ
ルタ４を通過して、円筒の外周部に出る。

【００１５】排ガス浄化装置内に設置するフィルタ４と
しては、耐熱性、耐熱衝撃性等に優れた多孔質のものを
用いるが、これまでに排ガスコンバータとして提案され
てきたセラミック製や金属製の多孔質のフィルタを用い
ることができる。また、多孔質のペレット状物又は粒状
物をケーシングに充填したフィルタや、耐熱性の繊維状
物をケーシングに充填したフィルタであってもよい。耐
久性等を考えるとセラミック製のフィルタを用いるのが
よく、フォーム型やハニカム型のフィルタを好適に用い
ることができる。製造の安易さ等を考えると、セラミッ
ク製のフォーム型フィルタを用いるのが好ましい。

【００１６】フィルタを形成するセラミックスとして
は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア及びそれ
らの複合無機酸化物や、ムライト、コージェライト等の
複合無機酸化物を用いることができる。好ましいセラミ
ック材としてはコージェライト、ムライト、アルミナ及
びその複合体等が挙げられる。

【００１７】排ガスがフィルタ内を通過する際の圧力損
失を許容範囲内にするために、フィルタの空孔率は４０
〜９０％とする。空孔率が４０％未満であるとフィルタ
内を排ガスが通過しにくくなり、９０％を超えると、フ
ィルタの強度が低下する。密度については、フィルタの
材質及び空孔率により決まるが、ディーゼルエンジン用
としては、一般に０．３〜０．７ｇ／mlであるのが好ま
しい。密度が０．３ｇ／ml未満では強度が低くすぎて実
用的ではなく、また、炭素微粒子の捕集効率が低くな
る。一方、０．７ｇ／mlを超えると、排ガスの流れがス
ムーズでなくなり、圧損が高くなる。

【００１８】本発明の浄化装置では、特にフォーム型の
フィルタを用いるのが好ましい。この場合のフィルタの
空孔率は６０〜９０％、密度を０．３〜０．６ｇ／mlと
するのがよい。また孔径は２５０〜９００μｍとするの
がよい。なお、孔径が９００μｍを超えると、排ガスと
の接触面積が小さくなりすぎ、捕集率が低下する。好ま
しい孔径の算術平均は２５０〜５００μｍとする。

【００１９】本発明の浄化装置では、フィルタの出口側
（円筒形フィルタの外周部表面）に高密度の薄層を設け
て、捕集機能を高めることができる。この薄層の厚さは
５〜２０００μｍとする。好ましい厚さは１０〜５０μ
ｍである。この薄層の空孔率は４０〜７０％、密度を
０．４〜０．８ｇ／mlとするのがよい。また孔径は３〜
８０μｍとするのがよい。好ましい孔径の算術平均は２
０〜３０μｍとする。この薄層の材質はフィルタ本体と
同様の選択幅があるが、フィルタ本体と同じ材質を用い
るのが好ましい。

【００２０】本発明では、上述した材料からなるセラミ
ックフィルタ表面上に、触媒をコートしてパティキュレ
ートの燃焼除去を促進する。触媒は多孔質で表面積の大
きい無機酸化物に触媒活性種を担持してなる。多孔質の
無機酸化物としては、シリカ、アルミナ、チタニア、ジ
ルコニア、チタニア−アルミナ、シリカ−アルミナ、ジ
ルコニア−アルミナ、シリカ−チタニア、シリカ−ジル
コニア、チタニア−ジルコニア等が挙げられる。このう
ち、アルミナ系のセラミックス（アルミナ又はアルミナ
と他の酸化物との複合セラミックス）か、ジルコニア、
チタニア、チタニア−ジルコニア等のセラミック材を用
いるのが好ましい。

【００２１】上述した排ガスフィルタに以下に記す触媒
活性種を担持してもよい。触媒活性種としては、(a) ア
ルカリ金属元素の１種又は２種以上と、(b) 周期表のＩ
Ｂ族、IIＢ族、ＶＡ族、VIＡ族、VII Ａ族、VIII族の遷
移金属及びSnからなる群から選ばれた１種または２種以
上の元素と、(c) 希土類元素の１種又は２種以上とから
なるものを使用することができる。このような構成の触
媒活性種を用いると、効果的なパティキュレートの燃焼
除去を広い温度範囲で行うことができる。これは、アル
カリ金属と遷移金属と希土類元素とが共存することによ
り生じる相乗効果によるものと思われる。好ましい触媒
活性種としては、(a) アルカリ金属元素としてセシウ
ム、カリウム、(b) の元素としてＩＢ族元素としては
銅、IIＢ族元素としてはZn、ＶＡ族元素としてはバナジ
ウム、VIＡ族元素としてはMo、VII Ａ族元素としてはM
n、VIII族元素としてはCoを選択するのがよい。また、
(c) 希土類元素としては、ランタン、セリウム、プラセ
オジム等が好ましい。特に好ましい組合せは(a) セシウ
ム、(b) 銅、バナジウム、(c) ランタン、又は(a) 成分
としてセシウム、また(b) 及び(c) 成分としては、(b)
が銅とバナジウムの他にCo、Mn、(c) がLa、Ce、Prのそ
れぞれのグループからそれぞれ少なくとも1 種選択す
る。

【００２２】上記の触媒活性種各成分(a) 、(b) 及び
(c) の配合量は、モル比で(a) ：(b)：(c) ＝０．５〜
１：１．５〜１０：０．２〜１とする。より好ましい配
合は、(a) ：(b) ：(c) ＝０．５〜１：１．５〜８：
０．２〜１とする。

【００２３】上述した触媒を担持する方法としては、公
知の含浸法、共沈法、混練法、ゾル−ゲル法等により直
接多孔質のフィルタに担持する方法と、フィルタ上に設
けた多孔性で、表面積の大きいセラミック層に触媒活性
種を担持させる方法とがある。

【００２４】含浸法では、触媒を形成する金属の炭酸
塩、硝酸塩、酢酸塩、塩化物、水酸化物などの水溶液
に、耐熱多孔性のフィルタを浸漬することにより触媒の
担持をする。また、フェロシアン化アルカリなどのよう
に複数の卑金属系金属を含む化合物の溶液にフィルタを
浸漬して、触媒を含浸させる方法も可能である。

【００２５】沈澱法には、セラミックスを構成する金属
元素の硝酸塩等の水溶液と、触媒となる金属の塩の水溶
液とを用い、共沈法により触媒を担持したセラミックス
とする方法がある。

【００２６】多孔質のフィルタに直接触媒を担持する場
合、触媒の担持量は、フィルタ100重量％に対して、触
媒量（上記した(a) 〜(c) 成分の合計）を１〜２０重量
％とするのが好ましい。

【００２７】また、フィルタの基材となるフィルタの表
面にチタニア等の多孔質のセラミック層を形成し、この
多孔質のセラミック層に触媒を担持する場合、触媒の担
持層となる多孔質のセラミック層は、フィルタの１〜２
０重量％とするのが好ましい。より好ましくは５〜１５
重量％とする。また、触媒活性種（上記した(a) 〜(c)
成分）は、その合計が上記の多孔質セラミック層の１〜
２０重量％（金属元素に換算して）となるように設定す
るのが好ましい。

【００２８】上記の間接的な担持方法では、ウォッシュ
コート法やゾル−ゲル法等によりフィルタ上に担体層を
形成することができる。ウォッシュコート法は、上記し
た多孔性の担体のスラリー中にフィルタを浸漬し、乾燥
することによりフィルタ上に担体層を形成する方法であ
る。この方法により触媒を担持する場合、（イ）先ず多
孔性の担体層をウォッシュコート法によりフィルタ上に
形成し、その後、公知の含浸法や沈澱法等により担体層
に触媒を担持する方法や、（ロ）あらかじめ触媒活性種
を担持しておいたセラミックス粉末の懸濁液等を用いて
ウォッシュコートを行い、フィルタ上に触媒を担持した
多孔性の層を形成する方法が採用できる。

【００２９】また、ゾル−ゲル法による触媒の担持には
以下の２通り方法がある。第一の方法は、担体層用セラ
ミックスを形成する金属の有機塩（例えばアルコキシ
ド）を加水分解し、得られたゾルをフィルタにコーティ
ングし、水蒸気等との接触によりコロイド粒子の膜を生
成させた後、乾燥、焼成して触媒の担体層をフィルタ上
に形成し、最後に触媒活性種の担持を行う方法である。
例えば、担体層用セラミックスとしてチタニア（ＴｉＯ
₂）を用い、これに触媒活性種を担持させる場合、まず
Ｔｉのアルコキシド（例えば、Ｔｉ（ｏ−ｉｓｏＣ₃Ｈ
₇）₄）のアルコール溶液に、ＣＨ₃ＣＯＯＨ、ＨＮＯ
₃、ＨＣｌ等の酸を加えたコーティング液を生成する。
このコーティング液にフィルタを浸漬し、引き上げた
後、水蒸気あるいは水と反応させてゲル化を行う。次い
で、フィルタを乾燥、焼成すれば、フィルタの空孔表面
にチタニアの膜が形成される。次に、触媒活性種の炭酸
塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物などの水溶液を含浸し
て、再び乾燥、焼成し、触媒の担持を行う。

【００３０】第二の方法は、担体層用セラミックスと触
媒活性種をフィルタに同時にコーティングする方法であ
る。例えば、まずTiアルコキシドのアルコール溶液にＣ
Ｈ₃ＣＯＯＨ、ＨＮＯ₃、ＨＣｌ等の酸と、さらに触媒
活性金属種の塩の水溶液とを加えて、コーティング液を
生成する。次いで、そのコーティング液にフィルタを浸
漬した後、水蒸気あるいは水と反応させてゾル化、さら
にはゲル化を行う。その後、フィルタを乾燥、焼成し、
触媒を担持したチタニアからなるコーティング層を形成
する。

【００３１】触媒活性金属種の塩としては、水に溶解す
るものであれば、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物な
ど、どのような種類のものでも用いることができる。ま
た、アルコキシドのアルコール溶液中に触媒金属の塩を
均一に分散させることを目的に、エチレングリコール等
の分散剤を添加するのが好ましい。

【００３２】ゾル−ゲル法において、酸はゲル化の際の
加水分解反応の触媒として添加するものである。しか
し、酸の代わりにアルカリを添加しても、加水分解反応
を促進することができる。

【００３３】なお、以上において担体層用セラミックス
としてチタニアを例に説明したが、それ以外のセラミッ
クの場合でも、同様にゾル−ゲル法により担持すること
ができる。例えば、触媒活性種をアルミナに担持させる
場合は、アルミニウムのアルコキシドを用い、上述のチ
タニアの場合と同様の方法で行う。その他の多孔質担体
を用いるときも同様である。

【００３４】ゾル−ゲル法によれば、フィルタ中に触媒
を極めて均一に担持させることが可能であり、従って、
触媒活性が高まり、排ガス浄化能が向上する。

【００３５】本発明の浄化装置に用いる電熱ヒーター５
は高温で酸化されにくいものであれば良い。具体的には
耐蝕性ニクロム線、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金系高温発熱
体、カンタル線等が挙げられる。このヒーターの配置形
状は、均一に効率よくフィルタを加熱できれば、特に限
定しない。

【００３６】次に作用を説明する。第１図に示してある
ように、排気通路の上流側１から下流側へパティキュレ
ート等を含む気体を流すと、気体が切換弁２を通り、フ
ィルタ４内を内周側から外周側へ通過する間に微粒子が
フィルタ４によって捕捉される。微粒子がしだいに堆積
してくると、圧力損失が高くなる。排ガスの背圧がある
決められた値になると、切換弁２を切り換えて排ガス流
量を減らし、電熱ヒーター５より均一にフィルタ４を加
熱し、フィルタ４に捕集したパティキュレートを燃焼さ
せるフィルタ再生工程が行われる。再生工程が開始する
排ガスの背圧は５００〜１５００ｍｍＡｑとする。再生
工程時の排ガス流量は浄化装置の大きさにもよるが、２
０〜１５０リットル／分であるのが好ましい。電気ヒー
ターの作動時間は２〜２０分とするのが好ましい。この
ときフィルタ４の温度は３００〜６００℃になるのが好
ましく、特に４００〜５００℃がより好ましい。

【００３７】このように、電気ヒーターと触媒付きフィ
ルタとを組み合わせることにより、再生時では急激な温
度上昇はなく、安定したパティキュレートの燃焼除去が
行える。同時に、フィルタ４に担持された触媒によって
微粒子の燃焼が促進され、炭化水素、窒素酸化物、一酸
化炭素も浄化される。

【００３８】なお、第１図において、排気通路を前記実
施例とは逆の方向にしても良い。その場合、気体はフィ
ルタ４内を外周側から内周側へ通過するが、作用効果は
上述のものと同様である。この時、電気ヒーター５は円
筒体フィルタの内周面と外周面、又は外周面に配置す
る。

【００３９】以上、本発明の排ガス浄化装置を図１を例
として説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明
の主旨を逸脱しないかぎり、種々の形をとることは可能
である。例えば、図２に示すように、フィルタユニット
３は二個のフィルタより構成されてもよい。

【００４０】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に
説明する。実施例１所定量のＴｉＯ₂にＣｕＣｌ₂、Ｌａ（ＮＯ₃）₃、Ｃ
ｓＮＯ₃の水溶液、及びＮＨ₄ＶＯ₃としゅう酸の水溶
液を加えて作成したコーティング液に、円筒状フォーム
型のコージェライト製フィルタ（容積１３００ｃｍ³、
密度０．４２ｇ／ｍｌ、気孔率８０％）を浸漬し、乾燥
後、７００℃まで段階的に焼成し、フィルタの表面に触
媒層を有するフィルタを作成した。フィルタの重量に対
して、ＴｉＯ₂のコート量は１０重量％であり、モル比
で１：１：１：５の割合でコートしたＣｕ、Ｌａ、Ｃ
ｓ、Ｖの合計担持量は１０重量％であった。

【００４１】次いで、図２に示すように２個のフィルタ
を一組としてフィルタユニットにセットし、２２００ｃ
ｃのディーゼルエンジンの排気管の途中に切換弁を介し
て接続した。エンジンの回転数が２０００ｒｐｍでパテ
ィキュレートの捕集を行い、圧力損失が１０００ｍｍＡ
ｑになると、再生工程に入る。再生時フィルタに入る排
ガスの量は３０リットル／分とした。また、再生工程
時、ヒーターへの通電量は７００Ｗであった。再生工程
の時間は５分であった。このようにして、本浄化装置は
安定した捕集と再生を行うことができた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の排ガス浄化
装置は、電熱ヒーターと触媒付きフィルタを組み合わせ
て用いることによって、フィルタに捕捉されたパティキ
ュレート等の燃焼性微粒子を焼却除去し、フィルタを目
詰まりさせることなく効率良く再生することができる。

【００４３】本発明の浄化装置は主にディーゼルエンジ
ンの排ガス処理に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による排ガス浄化装置を示す
断面図である。

【図２】本発明の排ガス浄化装置に用いるフィルタ及び
電熱ヒーターの一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・排ガス管２・・・切換弁３・・・フィルタユニット４・・・フィルタ５・・・電熱ヒーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０１Ｎ 3/02 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンから排出される排ガ
ス中に含まれるパティキュレートを捕集及び燃焼除去す
る排ガス浄化装置において、排ガス管に切換弁を介して
接続している複数のフィルタユニットを有し、各フィル
タユニットは触媒をコートした一つまたは複数のフィル
タと、電熱ヒーターとを有しており、前記フィルタ上に
捕集されたパティキュレートが前記電熱ヒーターの加熱
により燃焼し、よってフィルタが再生されることを特徴
とする排ガス浄化装置。
【請求項２】請求項１に記載の排ガス浄化装置におい
て、前記フィルタは円筒体であり、前記フィルタ内にお
ける排ガスの流れ方向が、前記円筒体の内周面から外周
面に向かう方向であることを特徴とする排ガス浄化装
置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置
において、前記フィルタの再生時に、前記切換弁の制御
により排ガスを２０〜１５０リットル／分の流量で流す
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス
浄化装置において、前記フィルタは多孔質のフォーム型
セラミックス材であることを特徴とする排ガス浄化装
置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス
浄化装置において、前記フィルタの出口側の外周面に
は、薄層の細密構造を有することを特徴とする排ガス浄
化装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス
浄化装置において、前記触媒はアルミナ又はチタニアか
らなる多孔質無機酸化物に(a) アルカリ金属元素の１種
又は２種以上と、(b) 周期表のＩＢ族、IIＢ族、ＶＡ
族、VIＡ族、VIIＡ族、VIII族の遷移金属及びSnからな
る群から選ばれた１種または２種以上の元素と、(c) 希
土類元素の１種又は２種以上とからなる触媒活性種が担
持されてなることを特徴とする排ガス浄化装置。