JP3462750B2 - ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ - Google Patents

ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車や産業機械
等で使われるディーゼルエンジンの排気ガスから排出さ
れるスス等の微粒子(パティキュレート)を捕集・除去
するパティキュレートトラップに関する。
【0002】
【従来の技術】自動車や産業機械等で用いられるディー
ゼルエンジンは、そのエネルギー効率から有用である
が、排気ガスにおいて大気汚染の見地から問題視されて
いる。排気ガスから主としてNOxと、ススを主体とす
るパティキュレートを除去することは、この課題を解決
する重要な課題となっている。
【0003】これらの成分を排気ガスから除去するため
に、排気再循環(EGR)を行ったり、燃料噴射系の改
善を行ったりする、エンジン自体の改善も進んでいる
が、他の手段として、排気ガス通路にフィルターや触媒
をセットし、排気ガス自体の清浄化を計る手段がある。
【0004】この特徴は、ススを主体とする排気ガス中
のパティキュレートをフィルターによって捕集し、後処
理により除去するものである。このパティキュレートト
ラップに対する要求特性は、 (1)スス等のパティキュレートを高効率で捕集する捕
集性能 (2)排気系に設置することにより、エンジンへの背圧
がかからないような低圧力損失 (3)捕集したパティキュレートをその場で燃焼処理す
る再生性能 (4)排気ガスの高温・腐食性に対する耐久性能などが
ある。
【0005】このような条件を満足するとされたフィル
タ材料にコージェライトセラミックスを多孔体にし、ハ
ニカム構造にしたものが用いられるようになった。しか
しながら、この材料は熱伝導率が小さいため、パティキ
ュレートを捕集した後、再生する時点で燃焼熱が偏り、
ヒートスポットが生じやすく、その結果、温度分布に起
因するクラックの発生や溶損が懸念される。そこで熱伝
導性のよい金属製フィルタ材料を用いたパティキュレー
トトラップが出現した(特開平6−257422号公
報、特開平6−294313号公報、特開平7−731
号公報、特開平7−51522号公報)。このような金
属製のトラップにより、排気ガス中のパティキュレート
の除去再生も問題点をクリアーし、実用化段階へ近づい
ている。
【0006】前記のように、パティキュレートトラップ
は、排気ガス中の可燃物を捕集し、一定の捕集ののち再
生過程で燃焼除去が可能であるが、排気ガス中にはエン
ジンオイル添加物などから発生する不燃性の灰分が微少
に存在し、これらがトラップで捕集されても、燃焼除去
はできない。その結果、パティキュレートトラップの長
期使用において、灰分がトラップに蓄積し、目詰まり等
の弊害により、圧力損失が大きくなり、エンジン出力低
下、燃費悪化等の不具合の原因となる。
【0007】この対策として、卑金属系触媒を担持する
目の細かいフィルタと貴金属系触媒を担持する目の粗い
フィルタを組合せた例(特開平3−21008号公報)
が報告されているが、目の細かいフィルタに担持される
卑金属系触媒は排ガス中の窒素酸化物(NOx)、硫黄
酸化物(SOx)を吸着しやすく、これらを吸着してし
まうとかえって目詰りが生じやすくなるという問題があ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前記のように、ディー
ゼル排ガス中に微量存在する不燃性の灰分によるパティ
キュレートトラップの目詰りの低減は、パティキュレー
トトラップの実用化を図る上で重要な課題である。本発
明はかかる課題を解決し、しかも耐熱性、対腐蝕性等の
耐久性能の高いパティキュレートトラップを提供するこ
とにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、この問題を解
決するべく、平均孔径が10μm以上80μm以下の金
属製メインフィルターと、平均孔径が80μmを越え3
00μm以下である金属製プレフィルターからなること
を特徴とする構造にした。
【0010】このように、2段階のフィルターを用いる
ことにより、1段目のプレフィルターで灰分を除去し、
2段目のメインフィルターでパティキュレートを取り除
くことを解決手段とする。したがって、該フィルターの
孔径が問題となり、第1段目のプレフィルターは目詰ま
りの原因となる比較的大きな径の灰分を除くため、孔径
を大きくするものであり、第2段のメインフィルターで
パティキュレートのみを除去するのがよい。したがっ
て、第1段目のフィルターはその孔径を80μmを越え
300μm以下とし、灰分の大部分を除き、第2段目の
メインフィルターの孔径を10μm以上80μm以下と
することにより、パティキュレートを取り除く。プレフ
ィルターにおける孔径の最小限界は、プレッシャードロ
ップによるものであり、それ以下にすると背圧により、
ディーゼルエンジンへの負担が大きくなる。孔径の最大
の限界は、それぞれ灰分、パティキュレートの捕集性能
の許容限界であり、それ以上にすると、灰分がプレフィ
ルターを通過することにより、プレフィルターの役割が
無意味なものになり、捕集効率が低下する。
【0011】そして、各フィルターの構造は、プレフィ
ルターが排気ガスと直交する平板状の金属発泡体からな
るものが好ましく、メインフィルターの構造が渦巻き状
であって、金属不織布の層間に金属の波板が存在し、前
記金属不織布同志を排気ガスの導入部と排出部で交互に
目止めしてある構造を取るのが好ましい。
【0012】材質としては、排気ガスに曝されることか
ら、耐熱、耐腐食性を必要とし、好ましくはプレフィル
ターが、Cr 15〜40wt%、Al 1〜15wt
%、残部がFe及びNiの一方若しくは双方と不可避不
純物からなるものを用いるのが好ましく、この材料は加
工性に乏しいため、素材を最終形状に加工してから拡散
合金化法により前記組成にするのが好ましい。メインフ
ィルターも同様であるが、Cr 15〜40wt%、A
l 1〜8wt%、残部をFe、Niの一方若しくは双
方と不可避不純物の組成が好ましい。
【0013】この組み合わせフィルターにより、長期間
の使用が可能となるが、さらに付随効果として、フィル
ターの一部若しくは全部に白金族の触媒を担持させる
と、COや臭気成分等のフィルターでは捕集できない有
害成分をCO2等の成分に変換することができ、より好
ましいものとなる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一例の、断面の
鳥瞰図である。このユニット1をディーゼルエンジンの
排気系にセットし、灰分・パティキュレートを排気ガス
から除去する。特に、第1段のプレフィルター2は、排
気ガスの流れに直角の平板状にセットされることが、そ
の作用効果から言って好ましい配置となる。第2段のメ
インフィルター3は、金属の不織布4と金属の波板5を
重ねて捲回し、その両端をフィルター同士で交互に目止
めする。この結果、排気ガスの流れ方向に対し平行なフ
ィルター面を有する構造にしておくことで、孔径を小さ
くすることによる圧力損失上昇を、濾過面積を大きく取
ることで対処することとなり、好ましい構造である。
【0015】図2は、本発明のプレフィルターによる灰
分の捕集作用についての説明図である。図2の左側から
排気ガスがプレフィルターを通り、灰分がトラップされ
る状況であるが、排気ガス中の灰分の大きさは、数十n
m程度の直径であり、中央値として〜30nm程度であ
る。カーボンを主体とするパティキュレートは、さらに
細かく、〜10nm程度となる。
【0016】これらを含む排気ガスがプレフィルターを
通過する際に、選択的に灰分を捕集できる理由として
は、灰分がCaSO4を主体とするものであり、その比
重が約3であり、かつ粒子が大きい。そして、この粒子
は、吸水性に富んでおり、排気ガス中の燃料の燃焼によ
り発生する水分を吸収するために粘着質となる。一方、
カーボンを主体とするパティキュレートは、粒子径が小
さく、比重も約2以下である。炭化水素の未分解物を多
少含んでいても、粘着性は少ない。これらの粒子を含む
排気ガスが、プレフィルターの骨格にあたると、ガスの
流れは骨格により曲げられるが、灰分の粒子は、慣性力
が大きいために骨格に衝突し、かつ粘着性のため、骨格
に付着する。パティキュレート粒子は、慣性力が小さく
ガスの流れに追随し、たとえ骨格に当たっても、粘着性
が小さいので弾かれる。この結果、プレフィルターの骨
格には、灰分が選択的にトラップされることになる。プ
レフィルターの骨格の隙間が大きいと、灰分が骨格に当
たらず通り抜ける確率が大きくなる。逆に骨格の隙間が
狭くなると、灰分がプレフィルターの表面に集中し、好
ましくない。本発明の実施例によれば、圧力損失を主に
判断するが、この結果も十分に上記内容を裏づけてい
る。なお、プレフィルターの厚みは、上記の灰分が骨格
に当たる確率から、孔径大の場合は厚く、孔径小の場合
は薄くできるが、好ましくは0.5〜3.0mm程度が
よい。
【0017】図3は、プレフィルターの特に好ましい素
材の形状を示す構造を模式図にしてあり、発泡金属と呼
ばれる。この構造は、骨格と骨格の接続部が強固にでき
ているために丈夫であり好ましい。具体的には、住友電
気工業製「セルメット」Rが知られている。
【0018】図4は、本発明のプレフィルターを取り付
けたフィルターとプレフィルターをつけないフィルター
の連続高温耐久試験時のプレッシャードロップを計測し
たデータをグラフ化したものである。プレフィルターお
よびメインフィルターの仕様と試験方法は実施例1で述
べる。
【0019】(作用)本発明になる2段のフィルターの
構造の特徴は、前述のように、第1段のプレフィルター
で主として灰分を捕集し、第2段のメインフィルターで
カーボンを主体とするパティキュレートを捕集すること
で、各フィルターの捕集目的を変えるものである。
【0020】第1段のプレフィルターは、その孔径に特
徴を持ち、80μmを越え300μm以下の孔径がよく
灰分を捕集する。80μm以下では、孔径が小さくな
り、灰分の多くがプレフィルター表面近傍で捕集され、
長期使用でプレフィルター自体の目詰まりを引き起こ
す。300μmを越えると灰分がプレフィルターの骨格
に衝突して捕集されずに通り抜ける確率が大きくなり、
それらがメインフィルターで捕集されることになり、プ
レフィルターの効果が減少する。この場合の構造は、排
気ガス中の灰分を骨格に衝突させ、捕集する目的より、
平板状のものが好ましい。またこのような平板では、排
気ガスの流れと直交する面を有することになるので、骨
格が丈夫であることが肝要で、具体的には金属発泡体が
好ましい。
【0021】メインフィルターは、前記プレフィルター
の存在により、孔径を小さくしても目詰まりが少なくな
るために、孔径を10μm以上80μm以下とすること
ができる。プレフィルターにより灰分をほとんど除去さ
れた排気ガスの、カーボンを主体とするパティキュレー
トを捕集するためには、この孔径を選択するのがよい。
孔径が10μm未満では、捕集されたパティキュレート
がフィルターの表面付近に集中して目詰まりが早くな
り、孔径が80μmを越えると、細かいパティキュレー
トが捕集できずにフィルターを通過するので、フィルタ
ーの効果が減少する。また、フィルターの孔径を細かく
することは、排気ガスの背圧を大きくするので、フィル
ター面積を大きく取るのがよく、好ましくは、金属不織
布と金属の波板を交互に積層したものを、渦巻き状に巻
いて、排気ガスの導入側と排出側を交互に目止めする構
造とするのがよい。このような形状では、排気ガスの流
れとフィルター面が平行に置かれるために、排気ガスは
フィルターの面に直角に当たらず、斜めにフィルターを
通過する。したがって、フィルターの実効孔径はより小
さくなるので、捕集精度がより高まることになる。な
お、プレフィルター及びメインフィルターの孔径は、走
査型電子顕微鏡(SEM)観察により、50個以上の細
孔の内接円の直径を測定し、その平均値で表す。
【0022】プレフィルターもメインフィルターも金属
製がよく、排気ガスの温度に対し、細部にまで温度が伝
導され、熱膨脹による歪みからおこる割れや亀裂のよう
な破損を起こしにくい長所をもっている。そして、排気
ガスに含まれる酸化性ガス、排気ガス温度への対処とし
て、金属組成は、プレフィルターでCr 15〜40w
t%、Al 1〜15wt%、残りがFe及びNiのい
ずれか、若しくは双方と不可避不純物からなるものが好
ましい。そして、メインフィルターには、Cr15〜4
0wt%、Al 1〜8wt%、残りがFe及びNiの
いずれか、若しくは双方と不可避不純物からなるものが
好ましい。プレフィルターとメインフィルターにおける
最適組成の違いは、捕集される対象物が異なるためであ
る。いずれも耐熱耐食性から判断される組成であり、加
工特性はAlの含有量が多いため硬くなるので、製法と
しては、ステンレス鋼や、Fe−Ni合金、Fe、Ni
金属体の状態でフィルター形状に加工した後、Cr、A
lを拡散合金化法により後添加する方法が好ましい。
【0023】このような構成で排気ガス中の粒子を分類
して捕集するため、本発明は長期にわたり使用できるも
のである。さらには、これらのプレフィルター及びメイ
ンフィルターの表面の一部若しくは全部に白金族の触媒
を担持させることにより、排気ガス中の有害なガス成分
をも浄化することが可能になる。ここで、白金族は、具
体的には白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムを指
す。特にガスのみを浄化するための先行技術は既に開示
されているが、本発明のようにフィルター表面に触媒を
担持させることにより、排気ガスとの接触が格段に優れ
ており、効率も良い。触媒担持の実用性としては、フィ
ルター全部を触媒担持することも良いが、灰分の集積す
るプレフィルターの排気ガス導入部、パティキュレート
の集積するメインフィルターの排気ガス導入部への触媒
担持は、捕集物の障害による効率低下があるので、プレ
フィルターを2枚用意し、排気ガス導入側は触媒担持な
しとし、排出側のみ触媒担持させる構成や、メインフィ
ルターを2層にし、排気ガスの排出側のみ触媒担持させ
る構成とすると無駄のない触媒効果が得られるので経済
的である。
【0024】なお、メインフィルターのセパレーターと
して用いる波板は、軽量化のために孔あけされたもので
も良く、プレフィルターに用いられる金属発泡体でも使
用可能である。
【0025】以上のように、本発明になるディーゼルエ
ンジン用パティキュレートは、長期使用しても目詰まり
が少なく、エンジンへの背圧による影響も少ないので、
実用上好ましいものである。
【0026】
【実施例】実施例1 ステンレス鋼(SUS316:Cr17wt%、Ni1
4wt%、残Feと不純物)で出来た直径15μmの短
繊維からなる厚さ0.5mmの不織布と、0.1mmの
Fe−Cr合金板を1mmピッチで振り幅0.7mmの
波板加工を行った波板を交互に2枚づつ重ね、渦巻き状
に巻いた後、シート端部を溶接止めし、渦巻き部分の端
面の不織布同士の目止めを行った。両端面の目止めを交
互にすることにより、片側から見れば渦巻き状の袋とな
った。加工完了後、メインフィルターを拡散合金化法
(カロライズ、クロマイズ)によりCr 25wt%、
Al5wt%、Ni 12wt%、残Feと不純物の組
成に調整した。波板は、この拡散合金化法によりCr
20wt%、Al 5wt%、残Feと不純物の組成に
なっていた。これをメインフィルターAとした。寸法は
長さ150mmで、直径80mmであった。これを内径
82mmのステンレス製筒に入れ、フィルターの両端を
筒に溶接した。ステンレス筒の片方の端はプレフィルタ
ー用に5mmだけ筒を残してある。このフィルターの孔
径は平均10μmであった。
【0027】同様に、繊維径を変えてフィルターの平均
孔径を変えたサンプルを作製した。繊維径が25μmの
もので作製したものは、平均孔径が21μmであった。
これをメインフィルターBとした。繊維径が50μmで
作製したフィルターは平均孔径が60μmとなった。こ
のフィルターをメインフィルターCとした。
【0028】次に住友電工製「セルメット」R#7で
1.6mmの厚みのものを用意し(Ni製)、これを2
枚重ねにしたのち加圧して厚みを2mmにし、拡散合金
化法によりCr 21wt%、Al 5wt%、残Ni
の組成とした。この時の平均孔径は100μmであっ
た。この板を前記金属の円筒の内径に合わせ円板状に切
り取り、片端にはめ込んだ。できあがりの形状は、図1
に示す形状であり、これをディーゼルパティキュレート
トラップとして、排気量2000CC、過給機付きのデ
ィーゼルエンジン車の排気ガス系の途中にセットし、回
転数3400rpm、排気ガス温度700℃の条件にて
連続高温耐久試験をした。連続高温耐久試験は300時
間続けられ、その前後の圧力損失を測定した。結果を表
1に示す。
【0029】上記メインフィルターのA、B、Cの3種
類用いて、形状の仕様をそのままに、プレフィルターを
種々変えて実験を繰り返した。プレフィルターの孔径は
「セルメット」Rの重ね枚数と加圧の条件を変えてサン
プルとした。以上の実験結果をまとめて表1に示す。
【0030】上記実験の結果より、メインフィルターの
孔径が小の時はプレフィルターの孔径による圧力損失は
大きな影響とはならないが、テスト後の圧力損失の変化
はプレフィルターが無いとメインフィルターの目詰まり
が大きく、パティキュレートトラップとして寿命が短く
なることがわかる。プレフィルターの効果はこの結果よ
りトラップ全体の寿命を長くする効果を明らかにしてい
る。特にプレフィルターの存在はその孔径が80〜20
0μmの時がメインフィルターの孔径がサンプルA、
B、Cのあたりでは組み合わせとして適当である。
【0031】
【表1】
【0032】また、図4のグラフは、実施例1のテスト
1(プレフィルターなし、メインフィルターA)とテス
ト3(プレフィルター100μm孔径、メインフィルタ
ーA)のデータを経時的に追ったものである。テスト1
は初期はプレフィルターがないので圧力損失はテスト3
より小であるが、使用が進むとテスト3の圧力損失より
大きくなる。即ち、メインフィルターに捕集されたパテ
ィキュレートのうち、燃焼除去できない捕集物が蓄積
し、圧力損失を大きくし、逆にプレフィルターを用いた
テスト3は比較的孔径の大きなプレフィルターでこのよ
うな目詰まりの原因を捕集することで、圧力損失に大き
な影響を与えないため、圧力損失の増大は押さえられる
ことになる。
【0033】実施例2 メインフィルターに実施例1で用いたフィルターB(孔
径21μm)と同じ仕様のものを用いた。そしてプレフ
ィルターは実施例1で用いた孔径100μmの仕様であ
るが、金属の組成を拡散合金化法の条件を変えて合金化
し、表2に示す組成のプレフィルターとした。
【0034】これを実施例1と同様にディーゼルエンジ
ンの排気ガスで連続高温耐久試験により試験し、100
時間毎にプレフィルターの観察をし、300時間まで続
けた。外観に異常がなければ良好とし、変化を調査した
結果を表2にまとめた。
【0035】この結果から、プレフィルターの組成は、
Ni基にCrが15〜40wt%かつAlが1〜15w
t%の範囲が好適である。
【0036】
【表2】
【0037】実施例3 実施例1で用いたプレフィルター100μm孔径のもの
と、メインフィルターB(孔径21μm)の組み合わせ
のディーゼルエンジン用パティキュレートトラップを用
意した。
【0038】これに触媒を付着させた。触媒は、白金3
3gを含有するジニトロジアミン白金硝酸液を、脱イオ
ン水に溶解して調整した水溶液に、比表面積が120m
2/gであるアルミナ粉末1kgを投入し、十分かき混
ぜた後、150℃で2時間乾燥し、さらに250℃で2
時間焼成して、白金を分散担持させたアルミナ粉末を作
製し、さらに湿式粉砕によりアルミナスラリーとして用
いた。
【0039】前記パティキュレートトラップに、このア
ルミナスラリーを塗着させ、余分なスラリーを取り除い
た後、150℃で2時間乾燥し、ついで500℃1時間
焼成してパティキュレートトラップの全面に触媒を担持
させた。担持量はパティキュレートトラップの構造体1
リットルに対し、アルミナで30g、白金で2gに相当
する。
【0040】この触媒担持したパティキュレートトラッ
プを実施例1と同様の連続高速耐久試験に供し、その前
後の圧力損失を測定した結果、試験前が12kPa、試
験後が35kPaであり良好範囲であった。なお、触媒
を担持した結果、排気ガスの臭気が改善され、排気ガス
中の臭気を触媒が浄化している効果を得た。
【0041】実施例の結果から、メインフィルターに対
するプレフィルターの効果は、寿命に大きな効果を生み
出し、経済的であることが容易に理解できる。また、触
媒担持により、排気ガス中の臭気除去も同時に行える結
果を得た。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、プ
レフィルターを設置することで、メインフィルターの目
詰まりによる排気ガスの背圧上昇を押さえ、フィルター
を長寿命化できる。この結果、実用的なパティキュレー
トフィルターを提供できる。また、これらのフィルター
の表面に触媒を担持させることにより、臭気をも減少さ
せる効果を持たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパティキュレートフィルターの一例の
断面鳥瞰図。
【図2】プレフィルターにおける、排気ガス中の灰分を
選択的に捕集する原理を説明する概念図。
【図3】本発明に用いられるプレフィルターの好ましい
構造を示す断面の拡大図。
【図4】本発明と比較例における排気ガスの圧損の計時
変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ユニット 2 プレフィルター 3 メインフィルター 4 金属不織布 5 金属の波板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI B01D 46/00 301 B01D 46/00 301 ZAB ZABZ 46/30 ZAB 46/30 ZABB 53/86 53/36 C (72)発明者 井原 寛彦 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 辺田 良光 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 荒木 康 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 渡辺 義正 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−47035(JP,A) 特開 平3−210008(JP,A) 特開 平6−272534(JP,A) 特開 平5−202734(JP,A) 特開 平9−262414(JP,A) 実開 昭58−195625(JP,U) 実開 昭59−24911(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/02 B01D 39/14 B01D 39/20 B01D 46/00 B01D 46/30 B01D 53/86

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気ガスの流れと直交する平板状で平均
    孔径が80μmを越え300μm以下である主として灰分
    を捕集する第1段目の金属製プレフィルターと排気ガス
    の流れとフィルター面が平行に置かれた平均孔径が10
    μm以上80μm以下のパティキュレートを捕集する第2
    段目の金属製メインフィルターであって、当該メインフ
    ィルターの構造が渦巻状であって金属不織布の層間に金
    属の波板が存在し、前記金属不織布同士を排気ガスの導
    入部と排出部で交互に目止めしてある、金属製メインフ
    ィルターとからなるディーゼルエンジン用パティキュレ
    ートトラップ。
  2. 【請求項2】 前記プレフィルターが金属発泡体からな
    る請求項1に記載のディーゼルエンジン用パティキュレ
    ートトラップ。
  3. 【請求項3】 前記プレフィルターがCr15〜40w
    t%、Al1〜15wt%、残部Fe及びNiの一方若
    しくは双方と不可避不純物からなる請求項1又は2に記
    載のディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ。
  4. 【請求項4】 フィルターの一部若しくは全部に白金族
    からなる触媒を坦持させてあることを特徴とする請求項
    1乃至のいずれかに記載のディーゼルエンジン用パテ
    ィキュレートトラップ。
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