JPH11257048A - ディーゼルエンジン用金属製フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パティキュレートの捕捉効率が良く、パティ
キュレートを燃焼させる再生時に破損や溶損等の欠陥発
生がないディーゼルエンジン用パティキュレートフィル
タを得る。 【構成】 このパティキュレートフィルタは、周縁にヨ
ーク状突起バリ１３を備えた貫通孔１２が波形又は凹凸
状の山部及び／又は谷部に穿設された金属板又は金属箔
１０を渦巻状に巻き込んだ金属多孔体をもっている。フ
ィルタ自体をヒータとして使用する場合、金属板又は金
属箔１０と多孔性電気絶縁膜とを交互に渦巻状に巻き込
み、金属板又は金属箔１０の長手方向両端部に加熱用電
極を取り付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンか
らの排ガスに含まれているパティキュレートを捕捉し、
パティキュレートの燃焼により再生可能な金属製フィル
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは、燃焼経済性が極
めて優れていることから、船舶，バス，トラック等の輸
送機械や建設，発電用の定置動力源として広範な分野で
使用されている。しかし、排気中のＮＯ_x ，微粒子等の
有害物質を低減し難く、更に火花点火機関で使用されて
いる三元触媒のような決定的な排気浄化方法が未だ確立
されていなし。そのため、地球環境の汚染が問題とされ
ている昨今、有害物質を除去できる機能を備えたディー
ゼルエンジンの開発が急がれている。なかでも、黒鉛を
含むパティキュレートは、視覚的にも不快感を与え、デ
ィーゼルエンジンの普及を阻害する要因になっている。
パティキュレートを捕捉し、排ガスを浄化するものとし
ては、セラミックファイバ，メタルファイバ，セラミッ
クフォーム等の材料で作られたディーゼルパティキュレ
ートフィルタが知られている。たとえば、排ガス濾過用
に多数の小孔を設けた金属板を凹凸溝が連続する段付き
板に成形し、段付き板を平板と溶接することにより多数
の平行流路を形成したハニカム状金属製フィルタが特開
平７−１９０２４号公報で紹介されている。最近では、
コージエライト質のハニカムフィルタも注目されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ディーゼルパティキュ
レートフィルタは、フィルタ上へのパティキュレートの
堆積に伴って排気抵抗が増加し、ディーゼルエンジンの
性能を徐々に低下させる。エンジン性能は、一般的にフ
ィルタ上に堆積したパティキュレートを燃焼させ、フィ
ルタを再生することにより回復する。しかし、コージエ
ライト質のフィルタでは、熱伝導率が低いため、パティ
キュレートが偏って堆積していると、燃焼再生時に温度
差が生じる。温度差は、コージエライトにクラックを発
生させる熱応力の原因となる。また、パティキュレート
の堆積量が多いと、再生時に燃焼温度が高くなり過ぎ、
コージエライトを溶損させる虞れもある。このようなこ
とから、コージエライトは、優れたフィルタ性能を示す
ものの、再生して繰返し使用することが要求されるディ
ーゼルエンジン用フィルタとしては未解決の問題があ
る。しかし、コージエライトに替わる優れた性能をもつ
フィルタは、未だ実用的なものが提案されていない。本
発明は、このような問題を解消すべく案出されたもので
あり、熱伝導性に優れた金属板又は金属箔をプレス成形
して巻回し、排ガス中のパティキュレートを捕捉する濾
過部を金属板又は金属箔の間に設けることにより、再生
燃焼によっても破損や溶損を起こすことなく、パティキ
ュレートを完全燃焼させることが可能な耐久性に優れた
金属製フィルタを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のディーゼルエン
ジン用金属製フィルタは、その目的を達成するため、波
形又は凹凸を付けた金属板又は金属箔を素材とし、周縁
にバリを備えた貫通孔が波形又は凹凸状の山部及び谷部
に穿設された金属板又は金属箔を渦巻状に巻き込んだ金
属多孔体からなることを特徴とする。金属板又は金属箔
の巻込みに際しては、波形又は凹凸を付けた金属板又は
金属箔を二つ折りにして巻き込むこともできる。この場
合、幅方向に対して波面が傾いた波形又は凹凸を付けた
金属板又は金属箔を使用すると、相対向する金属板又は
金属箔の波形又は凹凸の凸部が接触し、凹部が離間する
ため、内部に収縮膨張を繰返す複雑なガス流路が形成さ
れる。

【０００５】フィルタ自体をヒータとして使用するもの
では、金属板又は金属箔と多孔性電気絶縁膜とを交互に
渦巻状に巻き込み、金属板又は金属箔の長手方向両端部
に加熱用電極を取り付ける。或いは、多孔性電気絶縁膜
に替えて、金属板又は金属箔の表面に絶縁皮膜を生成さ
せ或いは塗布することによってもヒータ機能を付与でき
る。金属板又は金属箔としては、たとえばＣｒ：８〜３
０重量％を含み、Ｓｉ：５重量％以下，Ａｌ：６重量％
以下，Ｔｉ：１重量％以下，Ｍｏ：５重量％以下の１種
又は２種以上を含む耐熱性に優れたステンレス鋼が使用
される。また、Ｎｉを多量に、具体的には６〜３０重量
％のＮｉを含む耐熱ステンレス鋼や耐熱合金も使用可能
である。

【０００６】

【実施の形態】多孔体としては、本発明者等が先に特開
平８−２９０８８号公報で紹介した多孔体と同様に、プ
レス成形により規則的又は周期的に波形又は凹凸を付け
た金属板又は金属箔１０が使用される。個々の波形又は
凹凸には、図１に示すように波面方向に断面形状を周期
的に変化させたウネリ１１を付けてもよい。波形又は凹
凸には、山部及び谷部の適宜の位置に貫通孔１２が設け
られ、貫通孔１２の周縁にはヨーク状の突起又はバリ１
３が形成されている。金属板又は金属箔１０は、図２に
示すように渦巻き状に巻き込まれ、耐熱性のパイプ（図
示せず）内に固定され、フィルタとして使用される。

【０００７】渦巻状に巻回した状態では、金属板又は金
属箔１０の相対向する面の間に突起又はバリ１３が位置
するため、排ガス流路１４となる隙間が形成される。排
ガス流路１４は、金属板又は金属箔１０に開けた貫通孔
１２を介して相互に連絡される。排ガス流路１４に臨む
突起又はバリ１３が流動抵抗として働くため、排ガス流
路１４内を流動するに従って排ガスが排ガス流路１４の
全域に拡散された乱流状態になり、巻回した金属板又は
金属箔１０で構成されたフィルタ内を均一に通過する。
しかも、波形又は凹凸によって金属板又は金属箔１０の
排ガスと接触する面が大きく、且つ排ガス流路１４に突
起又はバリ１３が突出しているので、排ガス中に浮遊し
ているパティキュレートが捕捉される。

【０００８】ウネリ１１を付けた金属板又は金属箔１０
を巻回したものでは、排ガス流路１４の流路断面積が排
ガスの流れ方向に沿って大きくなったり小さくなったり
するため、ある種のプレッシャースイングアドソープシ
ョン作用を受ける。これによっても、排ガスからパティ
キュレートの沈降が促進され、パティキュレートが効率
よく捕捉されるものと推察される。このようにして、排
ガスがフィルタを通過するときパティキュレートが捕捉
されるため、フィルタを通過した排ガスは、パティキュ
レートを含まないクリーンなガスになる。フィルタに捕
捉されたパティキュレートは、フィルタをバーナで加熱
し、或いはフィルタ自体をヒータとして加熱することに
より完全に燃焼する。このとき、金属板又は金属箔１０
に含まれているＣｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｉ等が金属触媒と
して働くことによっても、パティキュレートの完全燃焼
が促進されるものと推察される。

【０００９】フィルタ自体をヒータとして使用するため
には、金属板又は金属箔１０を渦巻状に巻き込む際に無
機繊維質等の多孔性電気絶縁膜を併せて巻き込むことが
好ましい。多孔性電気絶縁膜１５は、図３に示すよう
に、渦巻き状に巻回された金属板又は金属箔１０の対向
面間を絶縁する。そして、渦巻状の中心部と外巻き部分
に電極１６，１７を取り付け、加熱用電源１８から通電
することによりフィルタが抵抗加熱される。電気絶縁膜
としては、スラグウール，ガラスウール，シリカウール
等の多孔性無機繊維を使用すると、排ガスに浮遊してい
るパティキュレートを搦め捕る作用も期待され、パティ
キュレートの捕捉効率が向上する。或いは、金属板又は
金属箔１０の表面に生成させた絶縁皮膜や塗布により形
成した絶縁皮膜を使用することもできる。

【００１０】パティキュレートの捕捉効率を高める上で
は、フィルタ内部にできるガス流路１４の流路断面積を
変化させることが好ましい。流路断面積を変化させる手
段としては、図４に示すように、幅方向に対して波面が
傾いた波形又は凹凸を付けた金属板又は金属箔１０を使
用し、金属板又は金属箔１０を二つ折り（ａ）にした後
で渦巻き状に巻き込む（ｂ）方法が採用される。金属板
又は金属箔１０を二つ折りにした状態では、折返し部分
の波面方向が当初部分の波面方向に交差する。この状態
で金属板又は金属箔１０を渦巻状に巻き込むと、金属板
又は金属箔１０の対向面間で波形又は凹凸の凸部が接触
するが、他の大部分が非接触状態になる。そして、金属
板又は金属箔１０の対向面間にできる排ガス流路１４が
流路断面積の大小を頻繁に繰り返すフィルタ（ｃ）とな
り、パティキュレートが効率よく捕捉される。

【００１１】この場合にも、図３で説明した多孔性絶縁
膜と同様な絶縁膜を金属板又は金属箔１０に巻き込むこ
とができる。絶縁膜の巻込みに際しては、絶縁膜を挟ん
で金属板又は金属箔１０を二つ折りし、更に二つ折りし
た金属板又は金属箔１０の一面に絶縁膜を重ね併せて渦
巻状に巻き込む。これにより、金属板又は金属箔１０の
対向面間が絶縁される。得られたフィルタにおいては、
金属板又は金属箔１０の両端が外巻き部に臨んでいるた
め、加熱用電極の取付けが容易になる。フィルタは、パ
ティキュレートの燃焼によって再生され、初期のフィル
タ機能を回復し、繰返し使用される。パティキュレート
の燃焼に際しては、耐熱性及び熱伝導性の良好な金属板
又は金属箔１０でフィルタが構成されているため、熱応
力による破損や溶損が生じることはない。この点、コー
ジエライト質のフィルタでは、再生燃焼時の温度差に起
因した熱応力で破損や溶損が発生し易く、耐久性に劣る
ものといえる。更に、安全性をより高めるため、複数の
フィルタを備え付けてフィルタを順次切り替えながら、
パティキュレートの捕捉・再生を繰り返すことも有効な
手段である。

【００１２】

【実施例】実施例１：耐熱用に合金設計した表１の組成
をもつ厚み５０μｍのステンレス鋼箔１０を、図１に示
すようにピッチ１．８ｍｍ，振幅（波の深さ）０．６ｍ
ｍの波形状にプレス加工した。波形の頂部及び底部に貫
通孔１２を開け、貫通孔１２の周縁に高さ０．２ｍｍの
バリ１３を付けた。

【００１３】

【００１４】波形成形されたステンレス鋼箔１０を渦巻
き状に巻き込み、外径１４６ｍｍ，長さ１５０ｍｍのス
テンレス鋼製パイプに押し込み、円筒状のパティキュレ
ートフィルタを作製した。得られたフィルタを、主な仕
様を表２に示したディーゼルエンジンシステムのエグゾ
ーストパイプ内に取り付けた。

【００１５】

【００１６】エンジン回転数：２４００ｒｐｍ，正味平
均有効圧：０．５８９ＭＰａの一定条件下でパティキュ
レート捕捉特性を測定した。その結果、エンジンランニ
ングを２時間継続した後、フィルタを取り付けない状態
では排気煙濃度が２Bosch 以上まで上昇した。他方、フ
ィルタを取り付けた場合、排気煙濃度が０．２Bosch程
度とほとんど上昇せず、エグゾーストパイプから排出さ
れる排気ガスに浮遊するパティキュレートもほとんど検
出されなかった。圧力損失も１２ｋＰａ以下の許容でき
る範囲であった。エンジンランニングを２時間継続した
後、フィルタをバーナで加熱し、フィルタに付着してい
るパティキュレートを燃焼させた。燃焼温度を１０００
℃まで上昇させたところ、パティキュレートは完全に燃
焼したが、フィルタに破損，溶損等の欠陥が発生しなか
った。パティキュレートを燃焼させた後のフィルタは、
初期のフィルタ性能を回復し、繰返し使用できる状態で
あった。

【００１７】実施例２：表３の組成をもつ厚み１００μ
ｍのステンレス鋼板を、実施例１と同様に波形成形し
た。成形されたステンレス鋼板を膜厚２００μｍのシリ
カ系多孔質電気絶縁膜と交互に渦巻状に巻き込み、円筒
状の中心部及び外筒部に電極を取り付けた。得られた渦
巻状巻回体を外径１４６ｍｍ，長さ１５０ｍｍのステン
レス鋼製パイプに押し込み、円筒状のパティキュレート
フィルタを作製した。このフィルタを実施例１と同じエ
グゾーストパイプ内に取り付けた。

【００１８】

【００１９】エグゾーストパイプに取り付けられたフィ
ルタのパティキュレート捕捉特性を、実施例１と同じ条
件下で調査した。その結果、排気煙濃度が０．２Bosch
程度とほとんど上昇せず、エグゾーストパイプから排出
される排気ガスに浮遊するパティキュレートもほとんど
検出されなかった。圧力損失は、１５ｋＰａと実施例１
に比較して若干高くなったものの、依然として許容範囲
にあった。エンジンランニングを２時間継続した後、フ
ィルタ自体をヒータとして加熱し、フィルタに付着して
いるパティキュレートを燃焼させた。ヒータ温度を８０
０℃から１０００℃まで変化させたが、何れの加熱温度
でもパティキュレートが完全に燃焼し、フィルタに破
損，溶損等の欠陥が発生しなかった。パティキュレート
を燃焼させた後のフィルタは、初期のフィルタ性能を回
復し、繰返し使用できる状態であった。

【００２０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の金属製
フィルタは、波形又は凹凸状の山部及び谷部にバリのあ
る貫通孔を開けた金属板又は金属箔を渦巻状に巻回した
多孔体を備えており、多孔体の内部に排ガス流路が設け
られる。排ガス流路を通過する排ガスは、突起又はバリ
によって排ガス流路内を均一に拡散され、波形又は凹凸
状の表面や突起又はバリによってパティキュレートが効
率よく捕捉される。そのため、フィルタを通過した排ガ
スは、パティキュレートが除去されたクリーンなガスに
なる。しかも、フィルタに捕捉されたパティキュレート
がフィルタの加熱により完全に燃焼するため、金属板又
は金属箔に破損，溶損等の欠陥を発生させることなくフ
ィルタ機能が回復し、繰返し使用に耐える優れた耐久性
をもつフィルタとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 波形にプレス成形した金属板又は金属箔

【図２】 渦巻状に巻き込んだ金属板又は金属箔

【図３】 フィルタ自体をヒータとして使用する例

【図４】 波形を付けた金属板又は金属箔を二つ折りし
て渦巻状に巻き込んだフィルタ

【符号の説明】

１０：金属板又は金属箔 １１：ウネリ １２：貫
通孔 １３：ヨーク状の突起又はバリ １４：排ガ
ス流路 １５：多孔性絶縁膜 １６，１７：加熱
用電極 １８：加熱用電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩路 昌宏 京都府京都市左京区吉田本町 京都大学内 (72)発明者 小原 伸介 京都府京都市伏見区横大路千両松町67

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波形又は凹凸状の山部及び谷部にヨーク
   状突起又はバリを周縁にもつ貫通孔が形成された金属板
   又は金属箔を渦巻状に巻き込んだ金属多孔体からなるデ
   ィーゼルエンジン用金属製フィルタ。
2. 【請求項２】 波形又は凹凸状の山部及び谷部にヨーク
   状突起又はバリを周縁にもつ貫通孔が形成された金属板
   又は金属箔を渦巻状に巻き込んだ金属多孔体を備え、渦
   巻状に巻き込まれた金属板又は金属箔の隣接する面の間
   に多孔質電気絶縁膜があり、金属板又は金属箔の長手方
   向両端部に加熱用電極が取り付けられているディーゼル
   エンジン用金属製フィルタ。
3. 【請求項３】 波面が幅方向に対して傾斜している複数
   の波形又は凹凸が長手方向にあり、ヨーク状突起又はバ
   リを周縁にもつ貫通孔が波形又は凹凸の山部及び谷部に
   形成されている金属板又は金属箔を二つ折りにして渦巻
   状に巻き込んだ金属多孔体からなる請求項１又は２記載
   のディーゼルエンジン用金属製フィルタ。