JPH06307228A - 排気ガス浄化用トラップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディーゼルエンジンから排出される排気ガス
中の有害成分を、高い捕集効率で、短時間で圧損が上昇
せず、低出力で再生可能なトラップにより完全に除去す
る。 【構成】 トラップ容器１０内に、円筒状のフィルタエ
レメント１１とヒータエレメント１２を複数本設ける。
フィルタエレメント１１は三次元鋼状構造多孔体を圧縮
成形した円筒状成形体から成り、ヒータエレメント１２
がその内周面に挿置され、ヒータエレメント１２は複数
本のシースヒータ１３を備えている。

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の排
気ガス中のカーボン等のパティキュレート（微粒子）を
捕集・除去するための排気ガス浄化用トラップに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車の排気ガスは、大気汚染の大きな
原因の一つで、排気ガスに含まれる有害成分を除去する
技術は極めて重要である。特に、ディーゼルエンジン車
においては、主にＮＯｘとカーボンを主体とするパティ
キュレート（微粒子）の除去が重要な課題である。

【０００３】これらの有害成分を除去するために、ＥＧ
Ｒをかけたり、燃料噴射系の改善や燃焼室形状の改善を
行ったりといったエンジン側での改善も行われている
が、抜本的な決め手がなく、特開昭５８−５１２３５号
公報等では排気通路に設置したフィルタによってパティ
キュレートを捕集除去することが提案されており、この
後処理法が現在では最も実用的であると考えられてい
る。ところで、ディーゼルエンジン排気に含まれるパテ
ィキュレートを捕集するためのトラップとしては、使用
される条件から次のような性能を満足する必要がある。

【０００４】まず第１に捕集性能であるが、通過排気ガ
スの清浄度を満足させるだけのパティキュレートの捕集
効率をもっていることが必要である。パティキュレート
排出量は、ディーゼルエンジンの排気量や負荷等により
変化するが、一般にはディーゼルエンジンからの排出量
の平均６０％以上を捕集できることが必要である。

【０００５】第２には、排気ガスに対する圧損が小さい
ことが必要である。パティキュレートが捕集されるに従
って、トラップをエンジン排気が通過するときの圧損が
大きくなって、エンジンに背圧がかかり悪影響をもたら
す。このため、通常捕集後の圧力損失を３０ＫＰａ以下
に抑える必要があるといわれている。したがって、トラ
ップに一定量以上のパティキュレートが捕集されると、
定期的に捕集物の除去再生を行い、初期の圧損状態まで
回復してやる必要がある。パティキュレート捕集量に対
する圧力損失の上昇割合が大きいと、この除去再生操作
の頻度が多くなり実用的でない。したがって、トラップ
は初期圧力損失が小さいことはもちろん、排気ガスを通
過させパティキュレートが捕集されても圧力損失が上が
りにくいことが必要とされる。

【０００６】第３には、上述の繰り返し行われる除去再
生処理が簡便に、かつなるべく低エネルギで完全にでき
ることが必要となる。パティキュレートの除去再生方法
としては、軽油バーナーを利用した方法なども検討され
ているが、安全性や制御のしやすさ車への搭載性といっ
た点を考慮すると、電気ヒータを用いた方法が最も有望
であると言われている。しかし電気ヒータ再生の場合、
車に搭載されるバッテリーやオルタネーターなどに過度
の負担をかけないよう、できるだけ低い電力で再生でき
るようにする必要がある。

【０００７】従来、上記の要件を満足するフィルタエレ
メントとしては、従来コーディエライトセラミックスの
ウォールフロー式のハニカム状多孔体が最も実用に近い
と考えられてきた。この方式では、パティキュレートが
局所にたまりやすく、またコーディエライトセラミック
スは熱伝導率が小さいため、再生時にヒートスポットが
できやすく、フィルタが溶損したり、熱応力によってク
ラックを生じたりすることがあり、信頼性が確保できな
かった。そこで、現在では再生時にクラック等の発生が
なく信頼性の高い金属製フィルタエレメントやセラミッ
クファイバをキャンドル状に形成したフィルタエレメン
トが注目されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た金属製フィルタエレメントやセラミックファイバフィ
ルタエレメントは、その構造上コーディエライトセラミ
ックスのウォールフローフィルタほど排気ガスの流入表
面積を大きくとることができない。そのため、高い捕集
効率を得るようにフィルタ設計を行うと、パティキュレ
ートがフィルタ表面ばかりに捕集されて目詰まりをおこ
し、その結果圧損が急激に上昇しフィルタ再生間隔が短
いという問題があった。

【０００９】また、コーディエライトセラミックスのウ
ォールフローフィルタにおいては、パティキュレートの
燃焼時の自己発熱を利用した燃焼伝播によって少ない電
力量で効率よく再生を行う事ができるのに対し、金属製
フィルタエレメントやセラミックファイバフィルタエレ
メントはコーディエライトセラミックスのウォールフロ
ーフィルタほど多量にパティキュレートを捕集できず、
パティキュレートの燃焼熱が小さいため、電気ヒータか
ら発生される熱のみで再生を行わなければならない。そ
の結果、再生電力量が大きくなりすぎるという問題があ
った。

【００１０】電気ヒータ再生装置をもったフィルタにお
いては、ヒータエレメントはフィルタエレメント中に埋
め込んで一体化するのが一般的である。その場合、再生
時にヒータに電流を流して加熱すると、それにともなっ
てフィルタエレメントが加熱され、その後孔部に捕集さ
れたパティキュレートに伝熱される。したがって、再生
されるべきパティキュレートへの加熱は、フィルタへの
加熱より時間的な遅れを生じる。また、パティキュレー
トが再生温度まで加熱される前に、パティキュレートが
殆ど堆積していないフィルタ部分も加熱昇温される。加
熱されたフィルタ部分からは、雰囲気ガスやトラップ容
器への熱伝達や熱放射によって放熱があり、パティキュ
レートの燃焼再生という面からみれば、むだなエネルギ
ー消費となる。

【００１１】この発明は、上記従来の排気ガス浄化用ト
ラップの種々の問題点に留意して、高い捕集効率と、捕
集にともない短時間で圧損が急激に上昇しない性能を維
持したまま高熱効率で、すなわち低出力で短時間で再生
が可能な、ヒータを組み込んだ金属製フィルタエレメン
トやセラミックファイバフィルタエレメントからなるデ
ィーゼルエンジン用の排気ガス浄化用トラップを提供す
ることを課題とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
としてこの発明は、筒状フィルタエレメントにヒータエ
レメントを組込んだものを排気系内に設けられるトラッ
プ容器内に装着し、ヒータエレメントはガス通過性の面
状加熱体として形成し、これをフィルタエレメントの内
径側に設置して成る排気ガス浄化用トラップの構成とし
たのである。

【００１３】この場合、フィルタエレメントの放熱を減
らすため、前記ヒータエレメントの内径側を面状加熱体
より低熱伝導性の材料で覆うようにするのが好ましい。

【００１４】ヒータエレメントからの熱伝達及び熱放射
を有効に行なうため、フィルタエレメントを異径の筒状
フィルタに間隙をもって同芯に組み合わせて構成し、ヒ
ータエレメントを各筒状フィルタの間隙に配置したもの
とするのがよい。

【００１５】上記いずれの場合も、面状加熱体が、絶縁
被覆を持つ電気ヒータをガス透過性の金属多孔体で一体
に固定化したものとすることができる。

【００１６】その場合、電気ヒータを一体固定化する金
属多孔体が耐熱金属からなる三次元網状構造多孔体であ
るようにするとよい。

【００１７】又、上記いずれの場合も、フィルタエレメ
ントが耐熱金属からなる三次元網状構造多孔体であると
するのが好ましい。

【００１８】

【作用】上記の構成とした第一の発明のトラップに備え
たフィルタエレメントにおいては、捕集時には排気ガス
は面状加熱体を通過し、パティキュレートはフィルタに
捕集される。パティキュレートは面状加熱体と相対する
面に最も多く捕集され、この面から遠ざかるにしたがっ
て捕集密度は小さくなる。一方、再生時には、加熱され
た面状加熱体はまず面状加熱体と相対する面に捕集され
たパティキュレートを、熱伝導と熱放射により加熱す
る。

【００１９】この発明のフィルタでは、ヒータを埋め込
んだ場合と異なり、ヒータエレメントにまず堆積したパ
ティキュレートを加熱し、次いでフィルタ部を加熱する
ので、一般的に再生に許容される５〜１０分の間にはフ
ィルタ部の昇温が少なくなり、その結果再生時にむだに
使われるエネルギを減らすことができる。

【００２０】第二の発明では、上記ガス通過性の面状加
熱体のフィルタエレメントに相面しない側を該面状加熱
体より低熱伝導性材料で覆うことにより、面状加熱体の
フィルタエレメントに総体しない面の温度を低下させる
ことができ、結果としてこの面から雰囲気ガスやトラッ
プ容器への放熱を減らすことができる。

【００２１】第三の発明では、ヒータエレメントの相対
する両面にフィルタエレメントを配置することによっ
て、ヒータエレメントからの熱伝達および熱放射をフィ
ルタエレメントに捕集されたパティキュレートに伝える
ことが可能となる。すなわち、フィルタエレメントが異
径の筒状フィルタを間隙をもって同芯に組み合わせた構
造であり、ヒータエレメントが各筒状フィルタの間隙に
配置された構造もこの発明の有効な形態となる。

【００２２】第四の発明で用いる面状加熱体としては、
絶縁被覆を持つ電気ヒータをガス透過性の金属多孔体で
一体固定化したものが考えられる。

【００２３】第五の発明では、その具体的な方法とし
て、絶縁被覆を持つ電気ヒータを耐熱金属からなる三次
元網状構造多孔体で挾み込み固定することが有効であ
る。三次元網状構造多孔体はガス透過性が高く、排気ガ
スの通過をさまたげない。また、三次元網状構造多孔体
でヒータエレメントを挾み込み一体化することで、ヒー
タエレメントと三次元網状構造多孔体界面には塑性変形
で熱抵抗の小さい面が形成できる。

【００２４】第六の発明で用いる金属多孔体としては、
パティキュレート捕集効率が高く、かつ捕集にともなう
圧損の上昇が小さいものが好ましい。この観点から、連
通気孔を有する耐熱金属からなる三次元網状構造多孔体
は優れた特性を持っている。三次元網状構造多孔体の一
例は、図６に示すように、ポケット状の連通気孔１が骨
格２に囲まれた構造をした多孔体である。三次元網状構
造多孔体の別の例は、図７に示すように、繊維状の骨格
３が三次元的に絡み合って連通気孔４を形成した多孔体
である。

【００２５】これらの多孔体は多孔率が高いため、ガス
流動抵抗が極めて小さく、また、骨格が三次元的にネッ
トワークを組んでいるためパティキュレートの捕集性能
が優れている。この三次元網状構造多孔体はかさ密度が
小さく、熱容量が小さいという点でも再生電力を小さく
する上で有利である。また、この三次元網状構造多孔体
は成形加工性に優れているため、圧縮加工等によって孔
径を自由にコントロールできる。

【００２６】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 実施例１ 図１は本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化用ト
ラップの実施例である。円筒状のフィルタエレメント１
１と、各円筒状のフィルタの内面に位置するヒータエレ
メント１２がトラップ容器１０中に７本装着されてい
る。この実施例の場合、排気ガスは円筒状のフィルタ１
１の内面から供給され、パティキュレートを取り除かれ
た後外面から排出される。

【００２７】図２の（ａ）はフィルタエレメント１１の
一部断面を含む斜視図を示す。フィルタエレメント１１
はＮｉＣｒＡｌ製三次元網状構造多孔体（住友電気工業
製、商品名「セルメット」、平均孔径４００μｍ）を板
厚方向に１／３に圧縮成形した外径４８ｍｍ、内径３６
ｍｍ、長さ１９０ｍｍの円筒状成形体からなる。ヒータ
エレメント１２は、１２Ｖ、５０ＷのＮｉＣｒヒータを
もつ外径４ｍｍ、有効長１９０ｍｍのシースヒータ１３
を平均孔径１ｍｍのＮｉＣｒＡｌ製三次元網状構造多孔
体からなる外径３４ｍｍ、内径２４ｍｍ、長さ１９０ｍ
ｍの円筒成形体中に、円周方向に等間隔で４本組み込み
一体化したものである。

【００２８】上記構成のトラップを図３に示した評価装
置に装着し、３／４負荷、１６００ｒｐｍの定負荷定速
運転で２時間捕集を行った。その後、切替バルブにより
排気ガスの大部分をバイパスに流した状態で、組み込ん
だヒータに通電し再生を行った。

【００２９】図示の評価装置の大略は次の通りである。
３４００ｃｃ、４気筒の直噴射式のディーゼルエンジン
を持つ車２０をシャーシダイナモメータ２１に設置し、
排気管にトラップ２２を取り付けた。トラップ部にはバ
イパス回路２３と切替バルブ２４が設けてある。トラッ
プを通過した排気ガスはダイリューショントンネル２５
に導かれる。ダイリューショントンネルには、フィルタ
式のパティキュレート濃度測定器２６が設置されてお
り、排気中のパティキュレート濃度が計測される。

【００３０】以上のような評価装置でこの実施例１のト
ラップの浄化作用を測定した結果は次の通りであった。
このフィルタの初期圧損は９５ｍｍＡｑであり、２時間
捕集時に圧損は３２００ｍｍＡｑまで上昇した。再生開
始後７分で圧損は９５ｍｍＡｑと初期の値まで回復し
た。なお、再生開始時のフィルタ部の通過排気ガス量は
２ｌ／ｍｉｎであり、再生終了時で３５ｌ／ｍｉｎであ
った。

【００３１】図２の（ｂ）に比較に用いたフィルタエレ
メント１１１の構造を示す。フィルタ１１２は、実施例
１と同様の平均孔径４００μｍのＮｉＣｒＡｌ製三次元
網状構造多孔体を板厚方向に１／３に圧縮成形した外径
４８ｍｍ、内径３６ｍｍ、長さ１９０ｍｍの円筒状成形
体からなる。ヒータ１１３は１２Ｖ、５０Ｗ、外径４ｍ
ｍのシースヒータをフィルタ１本当たり４本埋め込んで
用いた。このフィルタエレメントを組み込んだトラップ
を実施例１と同一条件で評価した。

【００３２】このフィルタの初期圧損は９８ｍｍＡｑで
あり、２時間捕集時に圧損は３３５０ｍｍＡｑであっ
た。再生開始後７分で圧損は２８００ｍｍＡｑまでしか
回復せず、再生開始後１２分でようやく圧損は９９ｍｍ
Ａｑとほぼ初期の値まで回復した。

【００３３】実施例２ 図４は、本発明のもう１つの実施例に用いたフィルタエ
レメントおよびヒータの構造を示す斜視図である。フィ
ルタエレメント１１’は実施例１と同様、平均孔径４０
０μｍのＮｉＣｒＡｌ製三次元網状構造多孔体を板厚方
向に１／３に圧縮成形した外径４８ｍｍ、内径３６ｍ
ｍ、長さ１９０ｍｍの円筒状成形体からなる。ヒータエ
レメント１２’は実施例１と同様１２Ｖ、５０ＷのＮｉ
Ｃｒヒータをもつ外径４ｍｍ、有効長１９０ｍｍのシー
スヒータ１３’を、平均孔径１ｍｍのＮｉＣｒＡｌ製三
次元網状構造多孔体からなる外径３４ｍｍ、内径２４ｍ
ｍ、長さ１９０ｍｍの円筒状成形体に、円周方向に等間
隔で４本組み込み一体化した後、三次元網状構造多孔体
の内表面を厚さ０．５ｍｍだけアルミナ−ジルコニア質
セラミックで被覆して断熱層１４’を形成したものとし
ている。

【００３４】このフィルタエレメントを組み込んだトラ
ップも実施例１と同一条件で評価した。このフィルタの
初期圧損は９６ｍｍＡｑであり、２時間捕集時に圧損は
３１６０ｍｍＡｑであった。再生開始後６分で圧損は９
８ｍｍＡｑとほぼ初期値まで回復した。

【００３５】実施例３ 図５は、本発明の他の実施例に用いたフィルタエレメン
トおよびヒータエレメントの構造を示す斜視図である。
フィルタ１１”は同心の２重円筒で構成され、外筒１１
Ａ”および内筒１１Ｂ”はともに実施例１と同様のＮｉ
ＣｒＡｌ製三次元網状構造多孔体（平均孔径４００μ
ｍ）を板厚方向に１／３に圧縮成形した円筒状成形体か
らなり、形状は各々外径５８ｍｍ、内径４６ｍｍ、長さ
１９０ｍｍおよび外径３２ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ１
９０ｍｍである。

【００３６】ヒータエレメント１２”は、実施例１と同
様１２Ｖ、５０ＷのＮｉＣｒヒータをもつ外径４ｍｍ、
有効長１９０ｍｍのシースヒータ１３”を、平均孔径１
ｍｍのＮｉＣｒＡｌ製三次元網状構造多孔体からなる外
径４４ｍｍ、内径３４ｍｍ、長さ１９０ｍｍの円筒成形
体中に、円周方向に等間隔で４本組み込み一体化したも
ので、このヒータエレメント１２”を２重円筒フィルタ
の間隙に隙間がほぼ等間隔になるよう組み込んだ。

【００３７】このフィルタエレメントを実施例１と同じ
トラップ容器に４本装着し、実施例１と同一条件で評価
した。このフィルタの初期圧損は９２ｍｍＡｑであり、
２時間捕集時に圧損は２８５０ｍｍＡｑであった。再生
開始後７分で圧損は９５ｍｍＡｑまで回復した。

【００３８】

【効果】以上詳細に説明したように、この発明のディー
ゼルエンジン排気ガス浄化用トラップは、電気ヒータに
よる加熱効率が高く燃焼再生に要する電力量も少なくて
済み、したがって排気ガスの浄化処理が厳しく要求され
ており、また、バッテリーの容量も限られているディー
ゼル車に効果的に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のトラップの断面図

【図２】（ａ）は第一実施例のフィルタエレメントの一
部断面を含む斜視図、（ｂ）は比較例のフィルタエレメ
ントの一部断面を含む斜視図

【図３】捕集性能評価装置の概念図

【図４】他の実施例のフィルタエレメントの一部断面を
含む斜視図

【図５】もう１つの実施例のフィルタエレメントの一部
断面を含む斜視図

【図６】三次元網状構造多孔体の拡大図

【図７】繊維状金属多孔体の拡大図

【符号の説明】

１ 三次元網状構造多孔体の連通気孔 ２ 三次元網状構造多孔体の骨格 ３ 繊維状金属多孔体の骨格 ４ 繊維状金属多孔体の連通気孔 １０ トラップ容器 １１、１１’、１１” フィルタエレメント １２、１２’、１２” ヒータエレメント １３、１３’、１３” シースヒータ ２０ 車 ２１ ダイナモメータ ２２ トラップ ２３ バイパス回路 ２４ 切替バルブ ２５ ダイリューショントンネル ２６ パティキュレート濃度測定器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状フィルタエレメントにヒータエレメ
   ントを組込んだものを排気系内に設けられるトラップ容
   器内に装着し、ヒータエレメントはガス通過性の面状加
   熱体として形成し、これをフィルタエレメントの内径側
   に設置して成る排気ガス浄化用トラップ。
2. 【請求項２】 前記ヒータエレメントの内径側を面状加
   熱体より低熱伝導性の材料で覆うようにしたことを特徴
   とする請求項１に記載の排気ガス浄化用トラップ。
3. 【請求項３】 フィルタエレメントを内径の筒状フィル
   タに間隙をもって同芯に組み合わせて構成し、ヒータエ
   レメントを各筒状フィルタの間隙に配置したことを特徴
   とする請求項１に記載の排気ガス浄化用トラップ。
4. 【請求項４】 面状加熱体が、絶縁被覆を持つ電気ヒー
   タをガス透過性の金属多孔体で一体に固定化したもので
   あることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
   の排気ガス浄化用トラップ。
5. 【請求項５】 電気ヒータを一体固定化する金属多孔体
   が耐熱金属からなる三次元網状構造多孔体であることを
   特徴とする請求項４に記載の排気ガス浄化用トラップ。
6. 【請求項６】 フィルタエレメントが耐熱金属からなる
   三次元網状構造多孔体であることを特徴とする請求項１
   乃至５のいずれかに記載の排気ガス浄化用トラップ。