JPH06193431A - 排ガス中の微粒子捕集方法及びフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ディーゼル車の排ガスに含まれるスス状の炭素
質微粒子を捕集する方法及びフィルターを提供する。 【構成】排ガスの流路を一部を残して通気性濾過板で遮
断し、一部の排ガス中の微粒子を捕集する操作を連続し
て複数回繰り返してなる微粒子の捕集方法において、表
面粗さが適切な通気性濾過板を使用し、排ガスを流通さ
せながら通気性濾過板を通電加熱して再生する。 【効果】フィルターの再生に必要な電気容量が少なくて
すみ、フィルターが一系列でよい。ディーゼル車の実走
行において、高い捕集率を実現でき、フィルターを再生
するに必要な電力が少なくてすむ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】ディーゼル車等から排出されるガ
スはスス状の炭素質の微粒子（以下「微粒子」と略称）
を含んでおり、これが地球環境問題における早期に解決
すべき重大な課題の一つとなっている。本発明は、これ
らディーゼルエンジン等の内燃機関から排出されるガス
に含まれる微粒子を除去するための方法及びフィルター
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン車から排出さ
れるガス中の微粒子を捕集するフィルターとしては、セ
ラミックス製のハニカム構造体が主として検討されてい
る（特開昭５７−７２１６）。ここでハニカム構造体と
は、隔壁により区分された複数の貫通孔を有し、単位容
積あたりに濾過面積を多くとることができる構造体であ
る。ディーゼル車排ガスの微粒子捕集用としては、セル
密度が１０〜１５セル／ｃｍ^２、総セル数１５００〜２
５００、隔壁厚０．３〜０．５ｍｍ、濾過面積約１．５
ｃｍ^２が例示されている。

【０００３】微粒子を捕集したハニカム構造体を再生す
るには、ハニカム構造体の全体あるいは一部に６００℃
以上の高熱を加えて微粒子を着火し、燃焼除去する方式
が主に検討されており、捕集・再生を繰り返すことによ
り排ガスが処理される。この方式では、上記のような隔
壁の厚さが極めて薄く、セル数の多いハニカム構造体
が、微粒子が燃焼する時の高温度に酎える性質と、繰り
返しの温度の変動に耐える性質が必要である。

【０００４】しかしながら、上記のような隔壁が薄く、
濾過面積の大きいハニカム構造体をピンホールなどの欠
陥がなく製造することは極めて困難であり、しかも微粒
子を燃焼させる際あるいは繰り返しの温度の変動の過程
でハニカム構造体の隔壁に割れが生じ、捕集効率が著し
く低下するという生産性や信頼性に問題があった。また
フィルターを再生するにおいて、排ガスを流通させて微
粒子を捕集しながら再生することは、排ガス温度が約１
５０〜３５０℃と微粒子の燃焼可能温度よりもかなり低
いために着火したとしても微粒子が燃え尽きるまで燃焼
が継続することができず、途中で失火するという問題が
ある。このためフィルターを二系列設け、再生時には一
方のフィルターで捕集するといった、交互に捕集と再生
を繰り返す方式を採用せざるを得ないという問題があ
り、微粒子捕集装置は全体として重装で高価になってし
まうといった大きな問題がある。更にまた、微粒子が異
常に蓄積してフィルターが閉塞し、排ガスの流路が遮断
されるという場合の対策も設備の中に取り入れておく必
要もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの従来
技術の欠点を解決することを目的として、耐久性が高
く、フィルターの再生に必要な電気容量も少なくてすむ
排ガス中の微粒子の捕集方法及びフィルターを提供する
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、排ガスの流路
を一部を残して通気性濾過板（以下「濾過板」と略称）
で遮断し、濾過板の表裏面間の圧力差によって一部の排
ガスを濾過板を貫通して流出せしめ、一部の排ガス中の
微粒子を濾過板の上流面で捕集する操作を連続して複数
回繰り返してなる微粒子の捕集方法において、濾過板と
して上流面の表面粗さが１０μ〜１ｍｍより好ましくは
５０μ〜５００μの濾過板を用いることを特徴とする排
ガス中の微粒子の捕集方法であり、更に、各々の濾過板
に独立して操作し得る通電加熱手段を備えたフィルター
であり、更にこのフィルターにより、排ガスを流通させ
つつ濾過板を通電加熱して再生する排ガス中の微粒子の
捕集方法である。

【０００７】本発明で使用する濾過板としては、平均細
孔径が０．１〜１００μ、好ましくは１〜５０μ、気孔
率が３０〜９０％のガス透過性の多孔体が適切である
が、このような多孔体としてはセラミックスや金属の粒
子や短繊維などを加熱・焼成などの方法で接合させて得
たものなどより広い範囲で選定される。このような濾過
板において、本発明では、少なくとも片方の面の表面粗
さが１０μ〜１ｍｍより好ましくは５０μ〜５００μで
あることを必要とするが、表面粗さを所望の値にするに
は一般的な手法であるセラミックスや金属の粒子などの
粒子径を適切に選定すること、加熱・焼成における温
度、雰囲気などを適切にすることなどにより行うことが
できる。

【０００８】濾過板は排ガスの流路を一部を残して遮断
する状態で設置する。図１は排ガスの流路の方向から見
た濾過板と排ガスダクトの例である。図１に例示したよ
うに、濾過板と排ガスダクトの形状は円、三角、四角、
六角、楕円などの広い範囲より選定される。この流路に
おいて、濾過板で遮断しない開口部は図１に例示したよ
うに、濾過板の内部に位置させてもよいし、濾過板と排
ガス導管との間隙に位置させてもよく、また開口部を二
箇所以上設けてもよい。このような濾過板を排ガスダク
ト内に直列に配置してフィルターを構成するが、ここで
本発明では図２に示したような排ガスの流れの向きにお
いて、表面粗さが１０μ〜１ｍｍの面が流れの上流面と
なるように濾過板を配置する。

【０００９】濾過板の面積は特に限定する必要はない
が、ディーゼル車用では図１に例示した片側面積で１０
〜２０００ｃｍ^２が適切であり、より適切には５０〜５
００ｃｍ２である。開口部の面積はこの０．１〜１００
％が適切であり、より適切には１〜１０％である。また
濾過板の厚みは空隙率や強度により選定されるが、０．
１〜５ｍｍが好ましい。濾過板の枚数は目標とする捕集
効率と排ガスの圧力損失を配慮して選定されるが、通常
３〜３００枚、より適切には５〜５０枚である。

【００１０】ここで、捕集効率の面からは、それぞれの
濾過板に排ガスが到達する前に、一枚上流側の濾過板を
貫通した処理ガスと濾過板で遮断されない流路より流出
した排ガスとを混合せしめる操作を行うことが望まし
い。これは当然ながら、開口部を流出した未処理の排ガ
スがそのまま次の開口部を流出することを防ぐためであ
る。この混合せしめる操作としては、濾過板の開口部を
流路の方向に重ならないよう設置することが有効であ
る。また濾過板の設置の間隔は１〜９０ｍｍが好まし
い。

【００１１】濾過板の材質としては特に限定する必要は
なく、種々の酎熱性の金属やセラミックスの多孔体が使
用可能である。ここで濾過板に非導電性の材料を用いた
場合、微粒子を燃焼除去するフィルターの再生は濾過板
を間接的に加熱して微粒子を燃焼除去する方式になる
が、濾過板に導電性と耐熱性を備えた材料を用いれば、
濾過板をヒーターとして用いて直接通電し、発生する熱
で濾過板に付着した微粒子を着火燃焼するといった熱効
率の高い方式を用いることが可能である。このような性
質を有する材料としては、ニッケル、クロム、鉄、アル
ミニウム、コバルトなどより得られる耐熱合金や二イ化
モリブデン、二ケイ化タングステン、ジルコニア、炭化
ケイ素、炭化ホウ素、ランタンクロマイトなどの導電性
セラミックスなどがある。導電性の素材を用いた濾過板
は、一例として、図３のように通電加熱用の電極を取り
付け、一枚ごとに独立に通電加熱して、微粒子を燃焼除
去し再生することが可能である。この操作は排ガスを処
理しながら即ち、フィルターを一系列で済ませることも
可能である。

【００１２】このようにして構成したフィルターを用い
て排ガス中の微粒子を捕集する方法において、濾過板の
上流面の表面粗さを１０μ〜１ｍｍより好ましくは５０
μ〜５００μと特定する理由は、ディーゼル車の実走行
中に微粒子の捕集と再生を並行して行うにおいて、微粒
子の捕集効率を高い水準に維持するためには、濾過板の
上流面の表面粗さをこの範囲に特定することが必要であ
るとの、本発明者らの実験的知見に基づくものである。
なお表面粗さが１ｍｍを越えると捕集効率の増加への効
果はさ程顕著ではなくなり、逆に濾過板の機械的強度が
低下するなどの不都合な点が生じてくる。

【００１３】

【作用】本発明の微粒子の捕集機構は、一部を残して濾
過板で遮断した流路を排ガスが流れる過程で生じる濾過
板の表裏面間の圧力差を利用して、一部の排ガス中の微
粒子を捕集する操作を連続して複数回繰り返す方式であ
る。

【００１４】この方式において例えば、一枚の濾過板の
開口部より８０％の排ガスが通過し、２０％の排ガスが
処理されて濾過板を通過するとした場合、ｎ枚の濾過板
を直列に設置したフィルターにおいて、理想的には、未
処理の排ガスは０．８のｎ乗となり、ｎが１０であれば
未処理の排ガスは１１％であり、ｎが２０であれば１％
である。一方でフィルターの差圧は、一枚の濾過板にお
いてΔＰであると理想的にはｎ×ΔＰである。即ち理想
的には、濾過板の数を増すことにより、未処理の排ガス
は指数関数的に低下し、フィルターの圧損は比例的に増
加する。また複数の多孔体より構成される本発明のフィ
ルターにおいては、多孔体に導電性の素材を選定し、そ
れぞれの多孔体に電極を取り付けた構造とすることがで
き、このため、一枚の多孔体毎あるいは電気容量に合わ
せて２〜３枚毎の間欠的な通電加熱、即ちフィルター全
体に対して熱容量の少ない部分的な加熱・再生が可能と
なり、所定の温度に加熱に要する時間あたりの電気容量
を低く抑えることが可能となる。従って電気容量をさ程
増加することなく、排ガスを処理しながら再生すること
も可能となるのである。

【００１５】本発明において、濾過板として上流面の表
面粗さが１０μ〜１ｍｍより好ましくは５０μ〜５００
μの濾過板を用いることを特定する理由は、このことが
排ガスを処理しながら再生する、即ち、ディーゼル車の
実走行中に一系列のフィルターで微粒子の捕集と再生を
並行して行う操作においても、微粒子の捕集効率を上記
の理想状態に近い高い水準に維持するに適切なためであ
るが、この作用を次のように推察する。濾過板の上流面
の表面粗さが１０μ未満の平滑性が高い面であっては、
濾過板が静置した状態であれば捕集効率は高い水準に維
持できるが、実走行中のディーゼル車に搭載した状態で
あっては捕集効率はかなり低下してしまう。このこと
は、濾過板に微粒子が付着堆積したとしても、走行する
車の振働などで微粒子は自重により脱落し排ガスの流れ
に同伴してしまうためであり、また濾過板に付着堆積し
た微粒子を濾過板の通電加熱により燃焼するにおいて
も、濾過板に接する層より微粒子は消失するため、その
外の層の微粒子を濾過板に付着させようとする接合力も
なくなり、同様に微粒子は脱落し排ガスの流れに同伴し
てしまうためと推察される。

【００１６】これに対して、濾過板の表面が十分に粗い
と、微粒子は孔の中に入り込んだ状態で濾過板に捕集さ
れる割合が高くなるため、走行する車の振動などで自重
により落下することは抑えられ、加えて微粒子を濾過板
の通電加熱により燃焼するにおいては、濾過板に接する
層より微粒子が消失しても孔の中に入り込んだ状態の微
粒子は自重により落下することはなく、上記の濾過板の
表裏面間の圧力差が微粒子の飛散を抑えるに足るためと
推察される。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 実施例１ 濾過板として、９ｃｍ×１０ｃｍの長方形で厚さ１ｍｍ
の炭化ケイ素成形体（気孔率５１％、平均細孔径３７
μ）を用い、これに図３のように幅５ｍｍのパラジウム
製の電極を取り付けたものを、内寸法１０ｃｍ×１０ｃ
ｍの角形管内に１ｃｍの間隔で２０枚設置してフィルタ
ーを構成した。炭化ケイ素成形体の表面粗さ（ＪＩＳＢ
０６０１により測定）は２０枚の平均で上流面が１４０
μ、下流面が８μであった。濾過板は開口部を一枚ごと
にＩ８０度回転し、図４のように開口部を流路の方向に
重ならない状態に設置した。それぞれの電極に接続した
導線は排ガスダクトに穴を開けてバッテリーに導き、穴
の隙間は絶縁材で封止した。このフィルターを排気量２
０００ｃｃのディーゼルエンジンを搭載した乗用車に設
置し、排ガス管を接続して１００時間の実走行試験を行
った。実走行試験は約４０Ｋｍ／Ｈの速度で行い、この
間フィルターに排ガスを導きながら、濾過板の一枚毎に
順次１ＫＷの電力を１０分間供給し、間欠的にフィルタ
ーを加熱再生した。

【００１８】結果として、フィルター前後のスモークメ
ーターより微粒子の捕集率は８３〜８８％と安定してお
り、またフィルターにおける圧損も０．６１〜０．６６
Ｋｇ／ｃｍ^２の範囲に安定していた。

【００１９】比較例１ 実施例１で用いた炭化ケイ素成形体を、表裏面ともに８
μの表面粗さの炭化ケイ素成形体とした以外は実施例１
と全く同様にしてフィルターを構成し、排気量２０００
ｃｃのディーゼルエンジンを搭載した乗用車で１００時
間の実走行試験を行った。

【００２０】結果として、フィルタ，前後のスモークメ
ーターより微粒子の捕集率は５６〜７３％と実施例１よ
りも捕集率が低く、変動も大きい結果であった。またフ
ィルターにおける圧損は０．６０〜０．６８Ｋｇ／ｃｍ
^２であった。

【００２１】実施例２ 濾過板として、９ｃｍ×１０ｃｍの長方形で厚さ０．８
ｍｍの二ケイ化モリブデン成形体（気孔率４７％、平均
細孔径４１μ）を用いた以外は実施例１と全く同様にし
て、２０枚の成形体よりフィルターを構成した。二ケイ
化モリブデン成形体の表面粗さ（ＪＩＳＢ０６０１によ
り測定）は２０枚の平均で上流面が１１０μ、下流面が
６μであった。このフィルターを実施例１と同様にして
ディーゼルエンジンを搭載した乗用車に設置し、１００
時間の実走行試験を行った。実走行試験は約４０Ｋｍ／
Ｈの速度で行い、この間フィルターに排ガスを導きなが
ら、濾過板の一枚毎に順次１ＫＷの電力を１０分間供給
し、間欠的にフィルターを加熱再生した。

【００２２】結果として、フィルター前後のスモークメ
ーターより微粒子の捕集率は８６〜９１％と安定してお
り、またフィルターにおける圧損も０．６６〜０．６８
Ｋｇ／ｃｍ^２の範囲に安定していた。

【００２３】

【発明の効果】形状が簡単な多孔体よりフィルターが構
成されるため、耐熱衝撃性が高く、従って信頼性の高い
フィルターである。多孔体に導電性の素材を用いること
により、多孔体の一枚毎の再生が可能となった。このた
めバッテリーの容量が小さくてよく、排ガス中の微粒子
を捕集しながら再生することが可能である。この排ガス
中の微粒子を捕集しながら再生する操作において、濾過
板の上流面の表面粗さが１０μ〜１ｍｍの濾過板を用い
れば、安定して高い捕集率を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通気性濾過板、開口部、排ガスダクトの形状を
例示した説明図である。

【図２】フィルター内のガスの流れの説明図である。

【図３】電極を取り付けた通気性濾過板の平面図であ
る。

【図４】実施例で用いたフィルターの濾過板の配置状態
を示した説明図である。

【符号の説明】

１ 通気性濾過板 ２ 開口部 ３ 排ガスダクト ４ 通気性濾過板の上流面 ５ 通気性濾過板の下流面 ６ 電極 ７ 導線

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【手続補正書】

【提出日】平成５年９月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン車から排出さ
れるガス中の微粒子を捕集するフィルターとしては、セ
ラミックス製のハニカム構造体が主として検討されてい
る（特開昭５７−７２１６）。ここでハニカム構造体と
は、隔壁により区分され、一方の端部が交互の位置関係
において閉じた多数のセルを有し、単位容積あたりに濾
過面積を多くとることができる構造体である。ディーゼ
ル車排ガスの微粒子捕集用としては、セル密度が１０〜
１５セル／ｃｍ^２、総セル数１５００〜２５００、隔壁
厚０．３〜０．５ｍｍ、濾過面積約１．５ｍ^２ が例示さ
れている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】濾過板の材質としては特に限定する必要は
なく、種々の耐熱性の金属やセラミックスの多孔体が使
用可能である。ここで濾過板に非導電性の材料を用いた
場合、微粒子を燃焼除去するフィルターの再生は濾過板
を間接的に加熱して微粒子を燃焼する方式になり、例え
ば排ガスダクトの周囲に配置したヒーターによって複数
枚の濾過板の全体を加熱するか、各々の濾過板を独立し
て加熱できるように各々の濾過板のそれぞれにヒーター
を接触または隣接して配置する方式が選択できる。ま
た、濾過板に導電性と耐熱性を備えた材料を用いれば、
濾過板をヒーターとして用いて直接通電し、発生する熱
で微粒子を着火燃焼するといった熱効率の高い方式を用
いることが可能である。このような性質を有する材料と
しては、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、コバル
トなどより得られる耐熱合金や二ケイ化モリブデン、二
ケイ化タングステン、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホ
ウ素、ランタンクロマイトなどの導電性セラミックスな
どがある。導電性の素材を用いた濾過板は、一例とし
て、図３のような通電加熱用の電極を取り付け、一枚ご
とに独立して通電加熱して、微粒子を燃焼除去すること
が可能であり、同様に、非導電性を用いた濾過板もその
各々に接触または隣接して配置したヒーターを通電加熱
して濾過板を間接加熱することによって微粒子を燃焼除
去することが可能である。この操作は排ガスを処理しな
がら行うことができ、即ち、１系列のフィルターで排ガ
スを処理することも可能である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】このようにして構成したフィルターを用い
て排ガス中の微粒子を捕集する方法において、濾過板の
上流面の表面粗さを１０μ（ミクロン）〜１ｍｍ、より
好ましくは５０μ〜５００μと特定する理由は、ディー
ゼル車の実走行中に微粒子の捕集と再生を並行して行う
において、微粒子の捕集効率を高い水準に維持するため
には、濾過板の上流面の表面粗さをこの範囲に特定する
ことが必要であるとの、本発明者らの実験的知見に基づ
くものである。なお表面粗さが１ｍｍを越えると捕集効
率の増加への効果はさ程顕著ではなくなり、逆に濾過板
の機械的強度が低下するなどの不都合な点が生じてく
る。なお、本発明でいう「表面粗さ」は、触針式表面粗
さ測定器（ＪＩＳＢ０６５１−１９７６）又は光波干渉
式表面粗さ測定器（ＪＩＳＢ０６５２−１９７３）によ
って測定した断面曲線よりＪＩＳＢ０６５１−１９８２
に基づいて数値化する十点平均粗さを意味する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガスの流路を一部を残して通気性濾過
   板で遮断し、通気性濾過板の表裏面間の圧力差によって
   一部の排ガスを通気性濾過板を貫通して流出せしめ、一
   部の排ガス中の微粒子を通気性濾過板の上流面で捕集す
   る操作を連続して複数回繰り返してなる微粒子の捕集方
   法において、通気性濾過板として上流面の表面粗さが１
   ０μ〜１ｍｍの通気性濾過板を用いることを特徴とする
   排ガス中の微粒子の捕集方法。
2. 【請求項２】 各々の通気性濾過板に、独立して操作し
   得る通電加熱手段を備えた請求項１の方法に用いるフィ
   ルター。
3. 【請求項３】 請求項２のフィルターにより、排ガスを
   流通させつつ通気性濾過板を通電加熱して再生すること
   を特徴とする請求項２の微粒子の捕集方法。