JP2005299486A

JP2005299486A - 排気浄化装置とその製造方法

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Publication number: JP2005299486A
Application number: JP2004116310A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Yuya; 重徳祐谷; Katsuhide Fujisawa; 勝秀藤沢
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Reinz Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Reinz Co Ltd
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】小型・軽量化を図った場合でも、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭの処理を効果的に行なえ、しかも低コストで造れる排気浄化装置を実現する。
【解決手段】表面にＰｔ等の酸化触媒のコーティングを施した第一の金網と、この第一の金網とは別個に用意された、表面にこの様なコーティングを施していない第二の金網とを、組み合わせた状態で同時に圧縮する。そして、この第二の金網と上記第一の金網とを一体的に結合し、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間を存在させた多孔質構造体９ａとする。この多孔質構造体９ａは、排気の流れの上流側に位置する外径側半部２２に酸化触媒のコーティングが存在するが、下流側に存在する内径側半部２３にはこの様なコーティングは存在しない。
【選択図】図３

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる粒子状物質（Particles Mater 、以下、単に「ＰＭ」とする。）を除去する為の排気浄化装置とその製造方法の改良に関し、小型且つ軽量な排気浄化装置を実現するものである。

ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べて熱効率が良い反面、ガソリンエンジンに比べてその排気中に多く含まれる窒素酸化物（ＮＯ_x ）やＰＭが、深刻な大気汚染の原因となる事が広く知られている。この為、省資源化等の為にディーゼルエンジンを普及させる為には、上記窒素酸化物やＰＭの除去を効果的に行なえる排気浄化装置の実現が必要である。この様な排気浄化装置として従来から、特許文献１〜３、非特許文献１等、多くの刊行物に記載されたものが知られており、その一部は実施されている。

図４は、このうちの特許文献１に記載された構造を示している。この従来構造の場合、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２に排出されて、ノズル３から軽油を添加された排気を、過給器４、気化器５を介して排気浄化装置６に送り込む様にしている。この排気浄化装置６では、触媒の働きにより、窒素酸化物及びＰＭを無害化処理する。具体的には、Ｐｔ（或はＣｏ、Ｐｄの単体又は混合物）等の（酸化）触媒により、窒素酸化物中のＮＯを酸化剤としての機能の高いＮＯ₂ に変化させてから、このＮＯ₂ とＰＭとを反応させ｛ＮＯ₂ のＯ₂ によりＰＭ（Ｃ）を燃焼し｝て、窒素酸化物及びＰＭを無害化処理する（Ｎ₂ とＣＯ₂ とに変化させる）。この様な、排気浄化装置中での窒素酸化物及びＰＭの無害化処理の点に就いては、特許文献２、３に記載されている。

これら特許文献２、３等の記載から分かる様に、ディーゼルエンジンから排出される排気中に含まれる窒素酸化物及びＰＭを無害化処理する為には、排気の流れ方向に関して上流側に、上記ＮＯをＮＯ₂ に変化させる為の酸化触媒を、同じく下流側にＰＭを捕捉する為の捕捉部を、それぞれ設ける事が必要である。この様な触媒と捕捉部とを備えた排気浄化装置として従来から一般的には、非特許文献１に記載されている様に、セラミック製のものが使用されていた。

即ち、上流側に配置したセラミック製の担体の表面にＰｔ等の触媒を付着させ、下流側に、セラミック製で多孔質のフィルタを配置して、未燃焼のＰＭを捕捉する様にしている。この様にフィルタにより捕捉された未燃焼のＰＭは、上流側の触媒から送られて来るＮＯ₂ と反応（燃焼）する事でＣＯ₂ になり、大気中に放散される。尚、ディーゼルエンジンの排気中には、上記窒素酸化物やＰＭの他、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）も含まれている。これらＨＣやＣＯに就いては、ガソリンエンジンの排気中にも含まれており、ガソリンエンジン用の排気浄化装置と同様の技術により、無害化処理できる。又、上記ＰＭを燃焼させる為のフィルタ部分に、電熱ヒータを設け、このＰＭを加熱して燃焼する構造の排気浄化装置も、従来から知られている。

ＰＭを燃焼させる為のセラミック製のフィルタと触媒担体とを、排気の流れ方向に関して直列に、互いに独立して設けた構造の場合には、排気浄化装置の小型・軽量化並びに低コスト化を図りにくい。このうちの小型・軽量化を図りにくい理由は、互いに独立したフィルタと触媒担体とを設ける為である。又、低コスト化を図りにくい理由は、セラミック製のフィルタ自体の製造コストが嵩む事に加えて、薄肉で脆いセラミックが車両走行時の振動により破損するのを防止する為の緩衝構造が必要になる等の為である。

一方、特許文献４、５には、不織布等を利用し、フィルタと触媒担体とを一体とした、ディーゼルエンジン用の排気浄化装置が記載されている。このうちの特許文献４には、ヒータと、セラミック製の不織布と、触媒層と、金網とを積層し、全体を波形に形成した排気浄化装置が記載されている。このうちの触媒層は、Ｎｉをベースとした金網の表面に、Ｐｔ等の、触媒となる金属粉末を分散させるとしている。又、特許文献５には、図５に示す様に、金属繊維製不織布により造った平板７と波板８とを交互に重ね合わせて巻回し、この金属繊維に触媒を担持した排気浄化装置が記載されている。

この様な特許文献４、５に記載された構造によれば、従来から実施されている様な、フィルタと触媒担体とを互いに独立して設けた構造に比べれば、排気浄化装置の小型・軽量化並びに低コスト化を図れるものと考えられるが、未だ改良の余地がある。例えば、特許文献４に記載された構造の場合には、排気の流通方向に関する厚さ寸法が小さい。又、特許文献５に記載された構造の場合には、排気の流通方向に関して直線的に連続する通路が存在する。この為、何れの構造の場合も、小型・軽量化を図ろうとした場合には、排気中に含まれるＰＭのうちで、フィルタに捕捉されず、無害化処理される事なく大気中に放散される割合が多くなるものと考えられる。

特開２００４−２７８８１号公報特開２００３−２６９２０４号公報特開２００３−２４５５５２号公報特開２００２−９７９２８号公報特開２００２−１１３７９８号公報高倉隆、他５名、「排ガス浄化装置（ＤＰＲ）の高性能化」、エコインダストリー、株式会社シーエムシー出版、２００３年１１月、Vol.８ No.１１，ｐ．２１−３１

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、小型・軽量化を図った場合でも、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭの処理を効果的に行なえ、しかも低コストで造れる排気浄化装置を実現すべく発明したものである。

本発明の排気浄化装置とその製造方法のうち、請求項１に記載した排気浄化装置の発明は、金属線を編組して成る金網を、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間が存在する程度に圧縮して成る多孔質構造体を備える。そして、この多孔質構造体を構成する金属線のうち、少なくともこの排気の流通方向に関して上流寄り部分を構成する金属線の表面に、Ｐｔ等の触媒のコーティングを施している。上記多孔質構造体は、排気導入口と排気吐出口とを備えたケーシング内に収納して、排気浄化装置とする。
尚、本件の特許請求の範囲並びに明細書で言う編組としては、網代織り、綾織、メリヤス織り、平織り等を例示できる。このうちでもメリヤス織りした金網を使用する事が、優れた成形加工性を備え、密度のコントロールが容易である事から好ましい。
又、Ｐｔ等の触媒のコーティングは、金属線の表面のＰｔが強固に付着するものであれば、その手段は特に問わないが、一般的にはメッキにより行なう。

又、請求項３に記載した排気浄化装置の製造方法の発明は、金属線を編組して成り表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施した第一の金網と、この第一の金網とは別個に用意された、金属線を編組して成り表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施していない第二の金網とを組み合わせた状態で同時に圧縮して、この第二の金網と上記第一の金網とを一体的に結合する。そして、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間が存在して、排気の流通方向に関して上流寄り部分を構成する金属線の表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施された多孔質構造体とする。

上述の様に構成する本発明によれば、小型・軽量で、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭの無害化処理を効果的に行なえる排気浄化装置を、低コストで実現できる。
これらの効果は、金属線を編組して成る金網を圧縮して多孔質構造とすると共に、上流寄り部分に存在する金属線の表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施す事により図れる。即ち、上記多孔質構造は、内部に屈曲した多数の微細通路を有する為、排気の流れ方向に関する寸法を小さくしても、上記ＰＭを効果的に捕捉し、無害化処理される事なく大気中に放散されるＰＭの量を僅少に抑えられる。
即ち、上記多孔質構造中に流入した排気は、直線的に進まずに屈曲して流れる（乱流となる）。従って、排気が直線的に進む、ハニカム状の触媒担体を使用した排気浄化装置に比べて、上記触媒と排気との接触面積を広くできる。この為、小型化しても、十分な排気浄化性能を確保できる。又、上記多孔質構造自体が緩衝作用を有する為、セラミック製のハニカム触媒担体を使用する場合の様に、別途緩衝材を設置する必要がなく、この面からも、排気浄化装置の小型・軽量化を図れる。
しかも、上記多孔質構造部分にＰｔ等の触媒のコーティングを施す為、前述した従来構造の様に、フィルタと触媒担体とを互いに独立して設けた構造に比べ、容積効率を向上させて、この面からも小型・軽量化を図れる。
又、上記金網を圧縮して成る多孔質構造は、セラミック製の多孔質構造に比べ、量産効果を同じとした場合には低コストで造る事が可能で、しかも非常に優れた耐衝撃性を有する為、別途緩衝材を使用する必要がない。そして、緩衝材を省略する分、低コスト化と、多孔質構造と排気浄化装置を収納するケースの内面との間の空間を小さくする等による小型化とを図れる。
尚、上記金網を圧縮して成る多孔質構造の気孔率は、上記金属線の線径や、この金網を圧縮する程度（圧縮率）を変える事により、任意に調節できる。そして、上記気孔率を変える事で、上記多孔質構造によるＰＭの捕捉率、排気の流通に対する抵抗を調節できる。従って、上記気孔率は、排気浄化装置の設置スペースを勘案しつつ、必要な性能を確保する為に、設計的に定める。

本発明のうち、請求項１に記載した排気浄化装置に関する発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、多孔質構造体を円筒状とし、排気が、一方の周面から他方の周面に向けて径方向に流れる構造とする。
この様に構成すれば、小型で車両の床下への設置が容易で、ＰＭの無害化処理に関する性能が良好で、しかも排気の通過抵抗を低く抑えられる構造を実現できる。
即ち、車両の床下に排気浄化装置を設置する場合、長さ方向の寸法に関しては、車両の前後方向の寸法が十分にある事から、十分に確保できる。従って、円筒状の多孔質構造体の長さ寸法を確保する事により、排気の通過面積を広くして、上記通過抵抗を低く抑えられる。尚、この通過面積を広くする為には、車両の前後方向に直交する仮想平面に関する断面積を大きくする事も考えられるが、この断面積を広くした場合には、最下位置が低くなり、路面上の障害物に衝突し易くなる等、床下への設置が難しくなる可能性がある。上記請求項２に記載した構造を採用すれば、この様な問題を生じにくい。

又、請求項３に記載した排気浄化装置の製造方法に関する発明を実施する場合に好ましくは、請求項４に記載した様に、第一の金網を、予め表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施した金属線を編組する事により造る。
Ｐｔ等の触媒のコーティングは、金属線を編組して上記第一の金網とした後に行なう事もできるが、この場合には、コーティングの対象物（第一の金網）が大きくなり、メッキ槽等のコーティングの為の設備が大きくなる。又、金属線同士の接触部にＰｔ等の触媒が十分に付着しない可能性もある。
これに対して、上記請求項４に記載した様に、予め表面にＰｔ等の触媒のコーティングを施した金属線を編組して上記第一の金網とすれば、コーティングの対象物（金属線）が小さい為、メッキ槽等のコーティングの為の設備を小さくできる。又、金属線同士の接触部にもＰｔ等の触媒が十分に付着する為、その分、排気浄化装置の性能向上を図れる。

又、上記請求項３或は請求項４に記載した排気浄化装置の製造方法に関する発明を実施する場合に好ましくは、請求項５に記載した様に、第一、第二の金網を構成する金属線をステンレス鋼製とする。そして、このうちの第一の金網を構成するステンレス鋼製の金属線の表面にＮｉメッキを施した後、若しくはＮｉメッキの表面に更にＣｒメッキを施した後、このＮｉメッキ若しくはＣｒメッキの表面に、触媒であるＰｔのコーティングを施す。

ステンレス鋼製の金属線は優れた耐熱性（耐酸化性）を有する為、窒素酸化物やＰＭの処理に伴う温度上昇に拘らず、優れた耐久性を得られる。即ち、本発明を実施する場合、排気の流通に対する抵抗を低く抑える為に多孔質構造体の気孔率を高くし、しかも排気と触媒であるＰｔとの接触機会を増やすべく、この多孔質構造体内部の微細流路を複雑に（屈曲する回数を多く）する為には、上記金属線の線径を小さく（細く）する必要がある。そして、この線径を小さくした場合には、この金属線として、優れた耐熱性を有するものを使用する必要がある。単に耐熱性のみを満たせば良いのであれば、上記金属線をＷ、Ｔｉ製にする事も考えられるが、コスト並びに（圧縮して多孔質構造体とする場合の）塑性変形性を考慮した場合には採用できない。これに対して、上記金属線をステンレス鋼製とすれば、耐熱性、低コスト性、加工性の何れも、十分に実用可能なレベルで得られる。

但し、ステンレス鋼製の金属線を使用した場合には、そのままではこの金属線の表面にコーティング（メッキ）したＰｔの結合強度を十分に得られない。これに対して、上述の様にステンレス鋼製の金属線の表面にＮｉメッキを施した後、このＮｉメッキの表面にＰｔコーティングを施せば、この金属線に対するＰｔの結合強度を十分に確保できる。即ち、ステンレス鋼に対するＮｉメッキの結合強度は十分に高くでき、このＮｉメッキに対するＰｔのコーティング（メッキ）層の結合強度も十分に高くできる。この様に、上記Ｎｉメッキがバインダーとして機能させる事により、上記ステンレス鋼製の金属線に対するＰｔのコーティング層の結合強度が高くなる。この結果、第一の金網の表面に存在するＰｔによる排気浄化作用を、長期間に亙って十分に発揮できる。

図１〜２は、請求項１、２に対応する、本発明の実施例１を示している。本実施例の場合には、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼製の金属線を、例えばメリヤス編み等で編組して成る金網を、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間が存在する程度に軽く圧縮し、全体が円筒状の多孔質構造体９としている。本実施例の場合、この多孔質構造体９を構成する、上記ステンレス鋼製の金属線の全体に、Ｎｉメッキを介してＰｔメッキを施している。これらＮｉメッキ及びＰｔメッキは、金網を編組する以前の、金属線の状態で施している。

上述の様な多孔質構造体９は、図２に示す様に、排気導入口１３と排気吐出口１４とを備えたケーシング１５内に収納して、排気浄化装置１６とする。この場合に、上記多孔質構造体９をこのケーシング１５内に、この多孔質構造体９が上記排気導入口１３と上記排気吐出口１４とを仕切る状態で設置する。具体的には、この排気導入口１３に通じる空間を上記多孔質構造体９の外周面１０にのみ対向させ、この多孔質構造体９の内周面１１及び軸方向両端面１２、１２には対向させない。又、上記排気吐出口１４に通じる空間を上記多孔質構造体９の内周面１１にのみ対向させ、この多孔質構造体９の外周面１０及び軸方向両端面１２、１２には対向させない。

この為に、この多孔質構造体９の軸方向両端面１２、１２は、上記ケーシング１５内に設けた段部１７ａ、１７ｂ等に突き当てる。又、本実施例の場合には、このケーシング１５の内周面を、円周方向に関する断面形状を波形にする事により、上記多孔質構造体９の外周面１０を抑えつつ、この多孔質構造体９の外周面１０側に排気を導入できる様にしている。即ち、本実施例の場合には、上記ケーシング１５の内周面に、上記多孔質構造体９の軸方向（図２の左右方向）に長い複数の凹溝１８、１８を、円周方向に関して間欠的に形成している。上記多孔質構造体９の外周面１０は、これら各凹溝１８、１８同士の間に存在する土手状部により抑えられて、上記ケーシング１５内でのがたつきを防止される。又、上記各凹溝１８、１８の一端は、それぞれ上記排気導入口１３に通じさせる。更に、これら各凹溝１８、１８の一端と排気導入口１３とを連続させる排気流路１９、１９部分から、排気が短絡する事を防止する為に、上記多孔質構造体９のうちで上記排気導入口１３に対向する端面１２は、円板状の塞ぎ板２０により塞いでいる。

上述の様に構成する本実施例の排気浄化装置１６の場合、上記排気導入口１３から上記ケーシング１５内に導入された排気は、上記各凹溝１８、１８を通じて上記多孔質構造体９の周囲に導かれる。次いでこの排気は、この多孔質構造体９内を、図１に矢印で示す様に、径方向外側から内側に流れる。この間に排気中に含まれる有害成分が、前記金属線の表面にコーティングされたＰｔの働きにより無害化処理される。具体的には、Ｐｔが触媒として働く事で、排気中の窒素酸化物のうちのＮＯをＮＯ₂ に変化させ、このＮＯ₂ とＰＭとを反応させて、窒素酸化物及びＰＭを無害化処理する（Ｎ₂ とＣＯ₂ とに変化させる）。

本発明の場合には、上記多孔質構造体９の内部に、屈曲した複雑な微細流路が多数存在する為、排気がこの多孔質構造体９内に止まっている時間は長く、この排気とＰｔとの接触は効果的に行なわれる。又、ＰＭの捕捉も効果的に行なわれる。この為、上記排気の無害化処理の効率が良好になる。上述の様にして無害化処理された排気は、上記多孔質構造体９の中心孔２１から、前記排気吐出口１４を通じて排出される。尚、本発明の特徴は、上記多孔質構造体９部分にあり、ケーシング１５の構造は特に問わない。

図３は、請求項１〜５に対応する、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、多孔質構造体９ａの外径側半部２２を構成する金属線の表面にのみＰｔコーティングを施し、内径側半部２３を構成する金属線の表面にはＰｔコーティングを施していない。この様に、外径側半部２２と内径側半部２３との性状を異ならせた、上記多孔質構造体９ａを造る場合には、先ず、金属線を編組して成り表面にＰｔコーティングを施した第一の金網と、この第一の金網とは別個に用意された、金属線を編組して成り表面にＰｔコーティングを施していない第二の金網とを、上記第一の金網の内径側にこの第二の金網を挿入した状態に組み合わせる。次いで、これら両金網を同時に圧縮して、これら両金網同士を一体的に結合する。
この様な本実施例の場合、機能上はＰｔメッキを施す必要がない内径側半部２３のＰｔメッキを省略する分、高価なＰｔの使用量を抑えて、その分のコスト低減を図れる。その他の構成及び作用は、上述した実施例１と同様であるから、重複する説明は省略する。

本発明の実施例１を示す、多孔質構造体の略斜視図。この多孔質構造体をケーシング内に収納した状態を示す略断面図。本発明の実施例２を示す、多孔質構造体の略斜視図。従来から知られている排気浄化装置の第１例を示す模式図。同第２例を示す略斜視図。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２排気マニホールド
３ノズル
４過給器
５気化器
６排気浄化装置
７平板
８波板
９、９ａ多孔質構造体
１０外周面
１１内周面
１２端面
１３排気導入口
１４排気吐出口
１５ケーシング
１６排気浄化装置
１７ａ、１７ｂ段部
１８凹溝
１９排気流路
２０塞ぎ板
２１中心孔
２２外径側半部
２３内径側半部

Claims

金属線を編組して成る金網を、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間が存在する程度に圧縮して成り、少なくともこの排気の流通方向に関して上流寄り部分を構成する金属線の表面に触媒のコーティングを施して成る多孔質構造体を備えた、排気浄化装置。
多孔質構造体は、円筒状で、排気が一方の周面から他方の周面に向けて径方向に流れる構造である、請求項１に記載した排気浄化装置。
金属線を編組して成り表面に触媒のコーティングを施した第一の金網と、この第一の金網とは別個に用意された、金属線を編組して成り表面に触媒のコーティングを施していない第二の金網とを組み合わせた状態で同時に圧縮して、この第二の金網と上記第一の金網とを一体的に結合し、隣り合う金属線同士の間に排気が流通自在な隙間が存在し、排気の流通方向に関して上流寄り部分を構成する金属線の表面に触媒のコーティングを施された多孔質構造体とする排気浄化装置の製造方法。
第一の金網を、予め表面に触媒のコーティングを施した金属線を編組する事により造る、請求項３に記載した排気浄化装置の製造方法。
触媒がＰｔであり、第一、第二の金網を構成する金属線がステンレス鋼製であり、このうちの第一の金網を構成するステンレス鋼製の金属線の表面にＮｉメッキを施した後、若しくはＮｉメッキの表面に更にＣｒメッキを施した後、このＮｉメッキ若しくはＣｒメッキの表面にＰｔコーティングを施す、請求項３〜４の何れかに記載した排気浄化装置の製造方法。