JP2008259941A - Diesel particulate filter and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレートを捕集して除去する金属繊維製不織布を用いたディーゼルパティキュレートフィルタおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a diesel particulate filter using a metal fiber nonwoven fabric that collects and removes particulates in exhaust gas of a diesel engine, and a method for manufacturing the same.
近年、環境問題に積極的に取り組む動きが各方面で活発化してきている。特に、ディーゼルエンジンを動力に用いている自動車工業界では、低公害車の普及促進を目的として、国や地方公共団体等による後押しもあって、さらにこのような動きが加速化している。
また、この中の道路運送車両の保安基準（省令）に基づく２００５年からの新長期規制においては、ＰＭ排出量を０．０２７ｇ／ｋｗｈ以下に低減するようＰＭ（粒子状物質）に対する規制が課せられた。さらに、２０１０年からの業界内のポスト新長期規制（自主規制）においては、０．０１ｇ／ｋｗｈ以下というＰＭ排出量の規制値への対応が必要になってきた。
In recent years, the movement to actively tackle environmental issues has become active in various fields. In particular, in the automobile industry that uses diesel engines as power, such movements are further accelerated with the support of the government and local governments for the purpose of promoting the spread of low-emission vehicles.
In addition, in the new long-term regulations from 2005 based on the safety standards (Ministerial Ordinance) for road transport vehicles, regulations on PM (particulate matter) are imposed so as to reduce PM emissions to 0.027 g / kwh or less. It was. Furthermore, in the post-new long-term regulations (self-regulation) in the industry since 2010, it has become necessary to respond to the regulation value of the PM emission amount of 0.01 g / kwh or less.
このような排ガス規制の強化から、ディーゼルエンジンから排出される炭素を主成分とするパティキュレートの除去が急務となっており、セラミックや金属繊維からなるハニカムフィルタが提案されている。このフィルタは排気ガス中に同伴される上記パティキュレートを捕集すると共に、酸化燃焼させて除去するものである。ハニカム体は、隔壁によって区画された排気ガス流入通路と排気ガス流出通路とを有し、多孔質構造の隔壁にパティキュレートを含む排気ガスを通過せしめることにより、隔壁表面に前記パティキュレートを捕捉するものであり、排気ガス流入通路は、ハニカム体の所定の流路の端部を閉塞することにより形成する方法が採用されている。 Due to such stricter exhaust gas regulations, removal of particulates mainly composed of carbon emitted from diesel engines has become an urgent task, and honeycomb filters made of ceramics or metal fibers have been proposed. This filter collects the particulates entrained in the exhaust gas and removes them by oxidative combustion. The honeycomb body has an exhaust gas inflow passage and an exhaust gas outflow passage partitioned by partition walls, and traps the particulates on the partition wall surfaces by allowing exhaust gas containing particulates to pass through the porous partition walls. The exhaust gas inflow passage is formed by closing the end of a predetermined flow path of the honeycomb body.
ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレートを捕集して除去するフィルタ流路の片端部を閉塞させる方式を採用する場合、フィルタ流路の閉塞部は、目詰まりや乱流により過大な圧力に曝されることになり、これに対応し得る耐久性を維持するためには、この閉塞部の強度を高めることが必要となる。 When adopting a system that closes one end of the filter channel that collects and removes particulates in diesel engine exhaust gas, the blocked part of the filter channel is exposed to excessive pressure due to clogging or turbulence. Therefore, in order to maintain durability that can cope with this, it is necessary to increase the strength of the blocking portion.
このような問題に対して、例えば、特許文献１のように、片端部のセルを閉塞体なる別部材を外部より、蝋材や、耐火パテなどを利用して接合する構造とする方法が提案されているが、この方法の場合、接合部材および材料を別工程で製作せねばならなく、しかも、焼成などの接合工程を必須とする為、生産にはかなりのコスト高になる。
本発明は、これらの規制への対応を可能にするためのディーゼルエンジン排気ガス中のパティキュレートを捕集して除去する金属繊維製不織布をフィルタに用いたディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、パティキュレート捕集効率向上、ディーゼルエンジン始動時の圧力損失の低減、および、簡潔な構造にて生産性に優れた、ディーゼルパティキュレートフィルタを提供することを課題する。 The present invention relates to a diesel particulate filter using as a filter a metal fiber nonwoven fabric that collects and removes particulates in diesel engine exhaust gas to enable compliance with these regulations. It is an object to provide a diesel particulate filter that improves efficiency, reduces pressure loss when starting a diesel engine, and has a simple structure and excellent productivity.
上記の課題を解決するため、金属繊維製不織布を波状加工したハニカム体形状のフィルタの排気ガスを閉塞させる手段として、発明者らは、種々の試行を重ねた結果、以下の結論を得た。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have made the following conclusions as a result of various trials as means for closing the exhaust gas of a honeycomb-shaped filter obtained by corrugating a metal fiber nonwoven fabric.
フィルタ目詰まりによる圧力損失を低減するため、フィルタの隙間を排気ガスの入口側と出口側で円周方向と半径方向に交互に封鎖形状とし、従来は、ハニカム状コア体製作後に閉塞体を用いる等、穴埋的な手段を用いていたものを、閉塞体を用いずに一端の波板端部の山部を谷部と同じ高さに押し潰して平板と封着させ、セルの閉塞構造を形成させることで、接合箇所の低減による品質の安定性が確保できた。さらに、これらの封鎖体形状を製作する工程の大半が波板の成型工程で賄えるため、コストの低減の観点からも非常に有望であることが分かった。 In order to reduce pressure loss due to filter clogging, filter gaps are alternately closed in the circumferential direction and radial direction on the exhaust gas inlet side and outlet side, and conventionally, a closed body is used after the honeycomb core body is manufactured. The clogging structure of the cell is made by crushing the crest of the corrugated end of one end to the same height as the trough without using the closing body, and sealing it with the flat plate. As a result, it was possible to secure quality stability by reducing the number of joints. Furthermore, since most of the processes for manufacturing these sealed-off bodies can be covered by the corrugated sheet forming process, it has been proved very promising from the viewpoint of cost reduction.
これらの検討結果より、次の内容で構成される発明を完成することができた。
第一の発明は、金属繊維製不織布からなる平板とコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせるとともに、所定のセルを閉塞したハニカム体において、波板端部を平板に封着させることにより、セルの閉塞構造を形成させることを特徴とするハニカム体である。
第二の発明は、第一の発明において、一端の波板端部を平板に封着させ、他端の波板端部を前記平板と波板をはさんで対向する平板に封着させたことを特徴とするハニカム体である。
第三の発明は、第一ないし第二の発明において、波板端部と平板とを封着させた封着部は、図１中のａで示され、ｂを密着代と呼び、このｂが５ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であることを特徴とするハニカム体である。
第四の発明は、金属繊維製不織布からなる平板とコルゲート加工した波板とを交互に重ね合わせ、所定のセルを閉塞したハニカム体の製造方法であって、不織布をコルゲート加工する際に、波板端部を押し潰して平板に封着させ、セルの閉塞構造を形成させることを特徴とする上記の第一から第三に示したハニカム体の製造方法である。
Based on these examination results, the invention having the following contents could be completed.
The first invention is to alternately overlap the corrugated corrugated flat plate made of a metal fiber non-woven fabric, and by sealing the corrugated end to the flat plate in a honeycomb body in which predetermined cells are closed, A honeycomb body characterized by forming a closed structure of cells.
According to a second invention, in the first invention, one end of the corrugated plate is sealed to a flat plate, and the other end of the corrugated plate is sealed to a flat plate facing the flat plate and the corrugated plate. This is a honeycomb body.
The third invention is the first or second invention, wherein the sealing portion where the corrugated plate end and the flat plate are sealed is indicated by a in FIG. Is a honeycomb body characterized by being 5 mm or more and 15 mm or less.
A fourth invention is a method for manufacturing a honeycomb body in which a flat plate made of a metal fiber nonwoven fabric and corrugated corrugated sheets are alternately overlapped to close predetermined cells, and when corrugating the nonwoven fabric, The above-described first to third method for manufacturing a honeycomb body according to the first to third aspects, characterized in that a plate end portion is crushed and sealed to a flat plate to form a closed structure of cells.
本発明のディーゼルパティキュレートフィルタにおいては、波付けと同時に目封じが出来、生産性が向上すると共に目封じ材を必要としないため大幅なコスト低減が図れる。
また、従来は目封じ材として、耐火パテ等の閉塞体を使用していたため、長期に渡り使用した場合、閉塞体が落下する恐れがあり、一旦、閉塞体が落下してしまうと必要な排ガス浄化性能が発揮できなくなるという問題があったが、本発明では、閉塞体を使用しないため、落下する恐れがなく、常に安定した排気ガス浄化性能を維持できる。
また、従来は目封じ材部分にPM分が付着し浄化効率を悪くすることがあったが、本発明によれば、目封じ部分も不織布となることから、浄化効率の低下は生じない。
さらに、従来型では、振動の激しい部位に取り付けた場合、上述したように目封じ材が落下してしまい、排気ガス浄化性能が悪くなったが、本発明では、目封じ部分を、蝋材を使用したり圧着したりして強化することにより、振動にも十分耐えるフィルタを提供できる。
In the diesel particulate filter of the present invention, sealing can be performed at the same time as corrugation, productivity is improved, and a sealing material is not required, so that significant cost reduction can be achieved.
In addition, as a sealing material, a closed body such as a fire-resistant putty has been used in the past, so when used for a long period of time, the closed body may drop. Once the closed body falls, the necessary exhaust gas There is a problem that the purification performance cannot be exhibited. However, in the present invention, since the closed body is not used, there is no fear of dropping, and a stable exhaust gas purification performance can always be maintained.
Conventionally, PM has adhered to the plugging material portion and the purification efficiency has been deteriorated. However, according to the present invention, the plugging portion is also a non-woven fabric, so that the purification efficiency is not lowered.
Furthermore, in the conventional type, when attached to a site where vibration is intense, the sealing material falls as described above, and the exhaust gas purification performance deteriorates.However, in the present invention, the sealing portion is replaced with a wax material. A filter that can sufficiently withstand vibration can be provided by strengthening it by use or pressure bonding.
本発明のハニカム体を、図面で説明する。
図１は、本発明のハニカム体からなるフィルタエレメントを示す。このフィルタエレメントは、金属繊維製不織布からなる平板とコルゲート加工した波板とをらせん状に巻き付けて円筒状にしたハニカム体、あるいは金属繊維製不織布からなる平板とコルゲート加工した波板とを重ね合わせて積層したハニカム体を金属製の円筒内に収納したものである。
The honeycomb body of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a filter element comprising a honeycomb body of the present invention. This filter element consists of a honeycomb body in which a flat plate made of a metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated sheet are spirally wound into a cylindrical shape, or a flat plate made of metal fiber nonwoven fabric and a corrugated corrugated sheet The laminated honeycomb body is housed in a metal cylinder.
図においてａは、ハニカム体の封着部を示す。この封着部ａは、図３で示すように、波板の端部における山部を押し潰し、波板の下面に接する平板と封着させ、他端部は、谷部を上方に押し潰し、波板の上面に接する平板と封着させ、図６に示すように成形する。これにより、図４に示されるように、ハニカム体のセルを、排気ガス流入路と排気ガス流出路とに区画することができ、排気ガス流入路に流入した排気ガスは、金属繊維製不織布からなる平板もしくは波板を透過して排気ガス流出路内に流入し、このとき排気ガス中のパティキュレートが金属繊維製不織布に捕集、除去される。 In the figure, a indicates the sealing part of the honeycomb body. As shown in FIG. 3, the sealing part a crushes the crest at the end of the corrugated plate and seals it with the flat plate in contact with the lower surface of the corrugated sheet, and the other end crushes the trough upward. Then, it is sealed with a flat plate in contact with the upper surface of the corrugated plate, and is molded as shown in FIG. Thereby, as shown in FIG. 4, the cells of the honeycomb body can be partitioned into an exhaust gas inflow passage and an exhaust gas outflow passage, and the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage is made of a metal fiber nonwoven fabric. Through the flat plate or corrugated plate, it flows into the exhaust gas outflow passage. At this time, the particulates in the exhaust gas are collected and removed by the metal fiber nonwoven fabric.
本発明では、パティキュレートの捕集効率を上げ、かつ、フィルタ目詰まりによる圧力損失を低減するために最適なハニカム体の材質を選定する必要があり、本発明では金属繊維製不織布を用いている。
この金属繊維製不織布は、耐熱性の金属繊維を用いるのが良く、さらには、耐食性能を持つ合金材料であることが好ましい。例えば、耐熱性フェライト系ステンレス鋼や耐熱・耐食性オーステナイト系ステンレス鋼が好ましく使用できる。
In the present invention, it is necessary to select an optimal honeycomb body material in order to increase the particulate collection efficiency and reduce pressure loss due to filter clogging. In the present invention, a metal fiber nonwoven fabric is used. .
The metal fiber non-woven fabric is preferably made of a heat-resistant metal fiber, and more preferably an alloy material having corrosion resistance. For example, heat resistant ferritic stainless steel and heat and corrosion resistant austenitic stainless steel can be preferably used.
本来、ＤＰＦを透過するパティキュレートは、一旦、フィルタで捕集され、排気温度によって加熱され、完全に燃焼し大気中には設定量（＝法規制量）以上放出してはならないものであるから、適用可能なフィルタも当然のことながら限定される。このフィルタ繊維の断面形状としては、直径が１０〜１２０μｍのものが良く、直径が２０〜１００μｍのものが好ましい。さらには、直径が３０〜９０μｍのものがより好ましい。直径が１０μｍ未満では、捕集したパティキュレートが未燃焼のまま目詰してしまうという問題があり、120μｍを超えると捕集できずにフィルタを透過したパティキュレートが未燃焼のまま、大気中に放出されてしまい、フィルタの目的が達成できないという問題がある。 Originally, the particulates that permeate the DPF are once collected by the filter, heated by the exhaust temperature, completely combusted, and should not be released into the atmosphere beyond the set amount (= legally regulated amount). Of course, applicable filters are also limited. As the cross-sectional shape of the filter fiber, a diameter of 10 to 120 μm is preferable, and a diameter of 20 to 100 μm is preferable. Furthermore, a thing with a diameter of 30-90 micrometers is more preferable. When the diameter is less than 10 μm, there is a problem that the collected particulates are clogged without being burned. When the diameter exceeds 120 μm, the particulates that cannot be collected and pass through the filter remain unburned in the atmosphere. There is a problem that the purpose of the filter cannot be achieved.
また、かさ比重としては、０．１〜１．０ｇ/ｃｍ３が良く、好ましくは、０．２〜０．９ｇ/ｃｍ３で、さらには、０．３〜０．８ｇ/ｃｍ３のものがより好ましい。かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ３未満では、捕集したパティキュレートが未燃焼のまま目詰してしまうという問題があり、１．０ｇ/ｃｍ３を超えると捕集できずにフィルタを透過したパティキュレートが未燃焼のまま、大気中に放出されてしまい、フィルタの目的が達成できないという問題がある。
As the bulk density, good 0.1 to 1.0 g / cm 3, preferably at 0.2 to 0.9 g / cm 3, further, those of 0.3 to 0.8 g / cm 3 Is more preferable. When the bulk density is less than 0.1 g / cm 3, there is a problem that the collected particulate matter is clogged without being burned, and when it exceeds 1.0 g / cm 3 , it cannot be collected and passes through the filter. There is a problem that the particulates are discharged into the atmosphere without being burned, and the purpose of the filter cannot be achieved.
不織布の厚みは、０．３ｍｍ〜２ｍｍが良く、０．５ｍｍ〜１ｍｍなら好ましく、さらには、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍであればより好ましい。厚みが０．３ｍｍ未満では捕集できずにフィルタを透過したパティキュレートが未燃焼のまま、大気中に放出されてしまい、フィルタの目的が達成できないという問題があり、２ｍｍを超えると、捕集したパティキュレートが未燃焼のまま目詰してしまうという問題がある。 The thickness of the nonwoven fabric is preferably 0.3 mm to 2 mm, preferably 0.5 mm to 1 mm, and more preferably 0.6 mm to 0.8 mm. If the thickness is less than 0.3 mm, the particulates that could not be collected and passed through the filter are left unburned and are released into the atmosphere, and the purpose of the filter cannot be achieved. There is a problem that the particulates clogged without being burned.
本発明のハニカム体は、波板と平板とを重ね巻きし、最外周が平板となるように形成されており、セルの形状については、図５に示すパターンにおいて、セル数は、５０〜１５０cpsiから選択されるが、１００cpsi程度とするのが好ましい。 The honeycomb body of the present invention is formed such that a corrugated sheet and a flat plate are overlapped and the outermost periphery is a flat plate, and the cell shape is 50 to 150 cpsi in the pattern shown in FIG. However, it is preferably about 100 cpsi.
さらに、セルの高さ １．５〜４．０mmであれば、上記の金属繊維製不織布に対し安定した波加工が出来き好ましく、１．９〜３．５mmであればさらに好ましい。 Furthermore, if the cell height is 1.5 to 4.0 mm, stable wave processing can be performed on the above-described metal fiber nonwoven fabric, and 1.9 to 3.5 mm is more preferable.
セルのピッチは、 ４．０〜９．０mmであれば、安定した波加工が出来き好ましく、５．０〜８．０mmであれば、さらに好ましい。 If the cell pitch is 4.0 to 9.0 mm, stable wave machining is preferable, and 5.0 to 8.0 mm is more preferable.
封着部は、図１中のａで示され、ｂを密着代と呼び、このｂは、５ｍｍ以上である必要がある。また、ｂの上限は、ハニカム体の径又はパティキュレートを捕集できる有効長さの２０％以下であって、最大で１５mmである。ただし、ハニカム体の有効長さが１５０mm以上の場合には、ｂをハニカム体の長さの２０％以下とするのが好適で、その他の場合は、ｂをハニカム体の有効長さの２０％以下とするのが好適である。 The sealing portion is indicated by a in FIG. 1, and b is called an adhesion allowance, and this b needs to be 5 mm or more. Further, the upper limit of b is 20% or less of the effective length capable of collecting the honeycomb body diameter or particulates, and is 15 mm at the maximum. However, when the effective length of the honeycomb body is 150 mm or more, b is preferably 20% or less of the length of the honeycomb body. In other cases, b is 20% of the effective length of the honeycomb body. The following is preferable.
この閉塞体を用いない波板端部の封着部は、図３に示すように、片端部の山部が谷部まで潰された断面形状に圧延されており、もう一方の端部は、図４に示すように山形状の断面のままである。次に圧延された山部と連続な谷部を見ると谷形状の断面のままである片端部に対して、もう一方の端部の谷部は、隣り合う山部の高さまで押し上げられている形になる。即ち、片端より山部は圧延された形状になっており、同時にもう一方の端部はその反対面より見た山部を谷部まで圧延された形状になっている。 As shown in FIG. 3, the sealing portion of the corrugated plate end portion that does not use the closing body is rolled into a cross-sectional shape in which the crest portion of one end portion is crushed to the trough portion, and the other end portion is As shown in FIG. 4, it remains a mountain-shaped cross section. Next, the valley of the other end is pushed up to the height of the adjacent peak with respect to the one end that remains in the valley-shaped cross section when the rolled peak and the continuous valley are seen. Become a shape. That is, the peak portion is rolled from one end, and at the same time, the other end portion is rolled from the peak viewed from the opposite surface to the valley.
この封着部の圧延された平坦な部分は、平板状の不織布と重ね巻きをする際、密着代となり、排気ガス流入セルと排気ガス流出セルとを区画し、パティキュレートのリークを防ぐ役割を果たす。この密着代は、５ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であれば、安定した封着性を確保できる。また、６ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であれば、さらに好ましい。ここで、封着代を５ｍｍ以上と下限を設けたのは、蝋材等を用い焼成する接合手段や、圧着、あるいは、密着させた後、焼成する溶接法などの封着部を得るために必要になるからである。即ち、封着性を得るための強度をこの密着代での接合で確保しているのである。また、上限を設けた理由としては、１５ｍｍを超えると、フィルタ全長に対して機能を果たさない部分の占める割合が多くなり効率を損なうからである。 The rolled flat portion of the sealing portion serves as an adhesion margin when the flat nonwoven fabric is lap-wrapped, and serves to partition the exhaust gas inflow cell and the exhaust gas outflow cell to prevent particulate leakage. Fulfill. If this adhesion allowance is 5 mm or more and 15 mm or less, the stable sealing property is securable. Moreover, it is more preferable if it is 6 mm or more and 10 mm or less. Here, the lower limit of the sealing allowance of 5 mm or more is provided in order to obtain a sealing means such as a joining means for firing using a wax material or the like, or a welding method for firing after pressure bonding or adhesion. It is necessary. That is, the strength for obtaining the sealing property is ensured by the joining at this tightness allowance. The reason why the upper limit is set is that if the length exceeds 15 mm, the proportion of the portion that does not function with respect to the total length of the filter is increased and the efficiency is impaired.
両端部に封着部を設ける場合には、先ず、片端より山部を圧延し、同時にもう一方の端部をその反対面より見た山部を谷部まで圧延する。また、一端のみの圧延の場合は、意図しない方向への反り等が発生する恐れがあるので成型後の波型と封着部の形状に支障をきたさない程度の張力を成型ロール出側で掛ける必要がある。 In the case where the sealing portions are provided at both end portions, first, the peak portion is rolled from one end, and at the same time, the peak portion viewed from the opposite end of the other end portion is rolled to the valley portion. Also, in the case of rolling only at one end, there is a risk of warping in an unintended direction, etc., so tension is applied on the exit side of the forming roll so as not to hinder the shape of the corrugated shape and the sealing part after forming. There is a need.
なお、波型加工と端部の圧延を同時に行えば、蛇行や反りなどの発生を抑えることができる。 Note that if the corrugation and the end rolling are performed simultaneously, the occurrence of meandering and warping can be suppressed.
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