JPH10176519A - 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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JPH10176519A
JPH10176519A JP8337829A JP33782996A JPH10176519A JP H10176519 A JPH10176519 A JP H10176519A JP 8337829 A JP8337829 A JP 8337829A JP 33782996 A JP33782996 A JP 33782996A JP H10176519 A JPH10176519 A JP H10176519A
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diesel engine
trap
exhaust gas
particulates
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Toshisuke Saka
俊祐 坂
Masataka Oji
正隆 大路
Katsuhiko Yoro
克彦 養老
Yoko Watanabe
容子 渡辺
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィルターエレメント全域にわたりパティキ
ュレートを均一に捕集し、パティキュレートの除去と有
害ガスの浄化機能を同一のユニットに集約して占有スペ
ースとコストを削減する。 【解決手段】 ディーゼルエンジンの排気管に接続され
るトラップ2を内包するケース1内に耐熱性金属の3次
元網目状構造多孔体又は金属不織布からなるフィルター
4を設け、板状のフィルター4が排気ガスの流れる方向
と平行にフィルター面を持ち、且つ、前記フィルターの
長手方向にフィルター4の孔径、厚さ、素材充填率もし
くは骨格径を変化させフィルター通過ガス流速を均一に
してパティキュレートの捕集効率を向上すると共に、こ
れに触媒を担持さし有害ガスの浄化機能をも併設する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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微粒子(以降パティキュ
レートと言う)や有害ガス成分(NOx、SOF等)を
フィルターに捕集し、加熱燃焼する際のフィルターの態
様に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジンの排気ガス中には、
パティキュレートや有害ガスである高温時の燃焼から発
生するNOxや未燃焼炭化水素(SOF)などが排出さ
れる。このような排気ガスは、人体や自然環境に有害で
あり大気汚染の防止には、これら汚染物質の排出防止技
術が切望される。
【0003】このためディーゼルエンジンの排気ガス浄
化技術として、排気再循環(EGR)や燃料噴射系の改
善技術の開発が進んでいるが、排気ガスを捕集して汚染
物質を除去する手段も有効である。
【0004】ディーゼルエンジン用パティキュレートト
ラップ(以降DPFと言う)の技術は、特開昭58−5
1235号公報に提案され実用化されつつあるが、長期
に亘り機能を維持するためには、以下に挙げる要求特性
を満足するものでなければならない。
【0005】第1の特性は捕集性能であり、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
を持っていることが必要である。パティキュレートの排
出量は、ディーゼルエンジンの排気量や負荷等により、
又、エンジンの排気対策によっても変動するが、総排出
量の平均60%以上を捕集することが要求される。
【0006】第2の特性は圧力損失の低いことであり、
排気ガスの背圧が高いとエンジン自体に負荷が掛かるか
ら、トラップによる圧力損失が高くならないよう捕集性
能とのバランスを計った排気ガス通過面積を維持するこ
とが肝要である。通常、捕集時の圧力損失は30Kpa
以下に抑えるのが好ましい。従って、初期圧力損失が低
いことはもちろん、パティキュレートを捕集しても適度
に排気ガスを通過させ圧力損失が高くならないような素
材や構造であることが要求される。
【0007】第3の特性は再生性能であり、トラップに
パティキュレートが捕集されるに従って目詰まりが進行
するから、圧力損失が許容値を越えない内にトラップを
燃焼処理により再生する必要がある。再生手段として
は、電気ヒーターや軽油バーナーが用いられ低エネルギ
ーで加熱燃焼し、且つ、繰り返し使用できることが要求
される。
【0008】第4の特性は耐久性であり、エンジンから
の高温で腐食性のある排気ガスに曝されても、長期間の
構造維持を要求される。さらに、バティキュレートが燃
焼する際には一層高温となり、エンジン停止中は低温と
なる雰囲気温度変化のヒートショックにも耐えることが
要求される。
【0009】第5の特性は触媒コンバータとの一体化容
易性であり、パティキュレートの燃焼と同時に有害ガス
が除去できれば好都合である。排気ガス中の有害ガス成
分を除去するのには、触媒コンバータをエンジン排気系
に併設するのが一般的であるが、トラップに触媒を担時
さすことができれば、スペースとコストの省略が可能で
ある。トラップに担時さす触媒は、パティキュレート再
生時のヒートショックにも耐えるトラップ素材との親和
性のある強力な接着性を要求される。
【0010】以上の要求を満たすべく、本発明者らは種
々の研究の成果として、以下の発明を開示してきた。特
開平6−257422号公報では、再生効率を高めるた
めのヒーターを提案し、特開平6−294313号公報
では、金属多孔体とセラミック多孔体の組み合わせによ
り再生時のエネルギー効率を向上させ、特開平7−73
1号公報では、発泡構造の金属多孔体に5〜40μm繊
維径の金属繊維を充填し、圧力損失が低くヒートショッ
クにも強いトラップを提案し、更に特開平7−5152
2号公報では、高耐蝕性フィルタの組成につき提案して
いる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
金属性トラップにおいては、捕集初期に排気ガスの流れ
がフィルタエレメントの特定の部位に集中し易く、フィ
ルタエレメント全域にわたり均一にパティキュレートを
捕集することが困難であった。
【0012】また従来の金属製トラップでは、前記第5
の特性を満足さすことが困難であった。そこで、本発明
では前記特性1乃至4の特性を満足させるトラップ素材
を提供すると共に、第5の特性に関して該トラップ素材
と親和性の高い有害ガス中のSOFを主体に浄化する触
媒の選択を課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】ディーゼルエンジンの排
気管に接続されるトラップを内包するケース内に、耐熱
性金属からなる3次元網目状構造多孔体又は金属不織布
にて形成されるフィルターであって、フィルターが排気
ガスの流れる方向と平行にフィルター面を持ち、且つ、
前記フィルターの排気ガス流入側から終端にかけてフィ
ルターの厚さ、素材充填率を大きくし、もしくは孔径、
骨格径を小さくしておけば、フィルターの終端に存在す
る目板に排気ガスが衝突し、下流側に滞留するガス圧で
フィルター通過ガス流速の高くなるのが防げる。その結
果、フィルター入口から終端に至る前記フィルター通過
ガス流速の均一化が計れ、捕集効率が向上すると共に圧
力損失も低減される。
【0014】又、フィルターの素材が、Ni−Cr−A
lの3次元網目状構造多孔体であり、前記金属トラップ
に触媒としてγ−アルミナをコートし、その後、白金
(Pt)を均一に焼付けて担持すれば、触媒コンバータ
を別途設けなくともトラップの占有スペース内に、パテ
ィキュレート再生時のヒートショックにも耐える有害ガ
ス浄化機能を実現できる。
【0015】
【発明の実施の形態】特開平6−257422号公報に
提案される従来技術のフィルターの形態を概念図として
図11に示す。板状の任意の厚さを有するフィルター4
を巻いて多層の筒状にしたトラップ2において、排気ガ
スは、入口側の目板5に遮断されない空間を矢印Aの如
く流れ、終端の目板6に衝突して滞留し、矢印Bの如く
入口より終端に近づくに従って、フィルター通過ガス流
速は、フィルターのガス通過断面積が一定であるとする
なら次第に高くなる。その結果、捕集初期の捕集効率が
低くなり勝ちであった。
【0016】これに対し、本発明のフィルターの形態は
図10に示すように、フィルター4の入口から終端に向
かう長手方向にフィルターの厚さ、金属充填率を暫時大
きくして、もしくは孔径、骨格径を暫時小さくしたフィ
ルターエレメント3を透過する排気ガスの、フィルター
通過ガス流速を矢印Cの如く均一化し、全体として捕集
効率を向上すると共に圧力損失の低減を持続できるよう
にした。
【0017】同時に、耐熱性金属の3次元網目状構造多
孔体のフィルターに触媒を担時しておけば、熱容量が小
さいから、排気ガスによる触媒の温度追従性がよいので
効率的な排気ガス浄化機能を発揮できる。
【0018】
【実施例】以下に本発明を具体化した好適の実施例を、
添付した図面に基づいて詳細に説明する。以降4種類の
実施例につき、その作用効果を述べるが、いずれのDP
Fの性能評価も図12に示す実験装置により確認した。
その構成は、シャシダイナモメータ上に設置した排気量
3400cc、4気筒の直噴式ディーゼルエンジンを搭
載した乗用車の排気ガスをダイリューショントンネル1
01に導入する中間にDPF100を配置して評価する
ものである。
【0019】(実施例1) 図1に、本発明による第1
の実施例のDPFの構造を斜視図により示す。符号1
は、ディーゼルエンジンの排気管に接続されるトラップ
2を内包するケースである。符号3は、フィルターエレ
メントであり、ケース1の円筒形になぞってスペース利
用率の高い3個の多層円筒を束ねた形態となっている。
排気ガスは、矢印Aの如く流入しフィルターエレメント
3中を通過して浄化され矢印Dの如く排出される。
【0020】図2は、各トラップ2のユニット毎のフィ
ルターエレメント単体のフィルター構造を示す断面図で
あり、排気ガス入口側から順に金属充填率の小さいフィ
ルター4aから、終端に向かって金属充填率の大きくな
る4b、4cを配置し、矢印Aの排気ガスの流れを制御
する入口側の目板5と終端のドーナツ状の目板6により
結合されている。符号7は、薄板の金属板で形成された
筒状電気ヒーターであり、フィルターエレメント3に接
触しない部位に配置されて、ヒーター7の内側及び外側
のフィルターエレメント3を同時に加熱するから、又、
フィルターエレメント3表面に捕集されたパティキュレ
ートを直接加熱するから、小さな電気エネルギーでパテ
ィキュレートの燃焼が可能となる。
【0021】フィルターの材質は、特公昭57−393
17号公報に記載される製法で造られた3次元網目状構
造の、金属骨格が太さ5〜100μmで、孔径が150
〜400μm連通孔のNiを主原料とし、CrとAlを
拡散浸透した金属多孔体が好ましいが、金属繊維を織ら
ずにランダムにシート状に成形し、該繊維間を焼結又は
メッキ等でシート状の形態に固めた金属不織布であって
もよい。繊維径は5〜100μmで、孔径は2〜200
μmの範囲にある。材質は、SUSやNiを主原料と
し、耐蝕性を向上させるためCrとAlを拡散浸透した
Fe−Cr−AlやNi−Cr−Alとして実用化す
る。
【0022】さらに、フィルター素材の骨格に触媒担持
層としてγーアルミナをフィルター素材1リットル当り
150gコートし、その後SOF触媒として白金(P
t)を同一容積当り1.5g均一に担持したものを用意
した。
【0023】ここで金属充填率とは、単位容積当りのフ
ィルター素材密度を示し、金属充填率が小さいことは空
隙率の高いことを意味する。
【0024】実施例1では、図1に示すトラップ構造に
図2に示すフィルターエレメントを配置したものを発明
品Aとし、従来例のように均一な金属充填率のフィルタ
ー4を配置したものを比較品Bとして表1に示す試料を
用意し、図12の実験装置にて初期捕集効率とSOF浄
化率を評価した。
【0025】
【表1】
【0026】DPF接続直前の排気ガス濃度をCiと
し、DPF通過後の排気ガス濃度をCoとしたとき、捕
集効率は、(Ci−Co)/Ci×100にて評価され
る。表1の試料における初期捕集効率の比較を表2に示
す。表2からフィルターエレメント3の長手方向の金属
充填率をフィルターの終端に近づくに従って大きくし、
もしくは孔径、骨格径を小さくして排気ガスのフィルタ
ー通過ガス流速の均一化を計った結果、発明品Aは、目
標の初期捕集率60%以上の性能を達成し第1の特性を
満足させるDPFの提供を可能とすることが判る。
【0027】
【表2】
【0028】また、排気ガス温度が250℃及び350
℃における触媒性能を表3に示す。発明品AにSOF触
媒を担持したものは、SOF濃度を40あるいは50%
低減することが判った。従って、触媒コンバータを別途
設ける必要はなくスペースとコストを省略可能な第5の
特性を有するDPFを提供できる。
【0029】
【表3】
【0030】(実施例2) 図3は、本発明による第2
の実施例のDPFの構造を斜視図により示す。符号1
は、ディーゼルエンジンの排気管に接続されるトラップ
2を内包するケースである。符号3は、フィルターエレ
メントであり、ケース1の円筒形に対し最もスペース利
用率の高い筒状フィルターエレメント3を6層に重ね、
各々のフィルターエレメント3の中間に筒状の薄板の電
気ヒーター7を配置している。排気ガスは、矢印Aの如
く流入しフィルターエレメント3中を通過して浄化され
矢印Dの如く排出される。
【0031】図4は、6層のフィルターエレメント3の
構造を示す断面図であり、排気ガスは、入口側のドーナ
ツ状の目板5に案内され、入口側から順に骨格径の大き
いフィルター4dから、終端に向かって骨格径の小さく
なる4e、4fの配置された間隙を矢印Aに示すよう流
れ、終端の目板6に衝突して内外周辺のフィルターエレ
メント3を通過し排出される。
【0032】フィルターの材質は、金属不織布よりも製
法上骨格径をコントロールし易いので、Ni−Crを主
原料とし、Alを拡散浸透した前記3次元網目状構造多
孔体を用いた。
【0033】実施例2では、図3に示すトラップ構造に
図4に示すフィルターエレメントを配置したものを発明
品Cとし、従来例のように均一な骨格径のフィルター4
を配置したものを比較品Dとして表4に示す試料を用意
し、図12の実験装置にて初期捕集効率を評価した。
【0034】
【表4】
【0035】初期捕集効率の測定結果を表5に示す。フ
ィルターエレメント3の長手方向の骨格径をフィルター
の終端に近づくに従って小さくし、排気ガスのフィルタ
ー通過ガス流速の均一化をはかったので、表5を参照す
ると発明品Cは、目標の初期捕集率60%以上の性能を
達成し第1の特性を満足させるDPFの提供を可能とす
ることが判る。
【0036】
【表5】
【0037】(実施例3) 図5は、本発明による第3
の実施例のDPFの構造を斜視図により示す。符号1
は、ディーゼルエンジンの排気管に接続されるトラップ
2を内包するケースである。符号3は、フィルターエレ
メントであり、ケース1の円筒形になぞってスペース利
用率の高い3個の多層円筒を束ねた形態となっている。
排気ガスは、矢印Aの如く流入しフィルターエレメント
3中を通過して浄化され矢印Dの如く排出される。
【0038】図6は、各トラップ2のユニット毎のフィ
ルターエレメント単体のフィルター構造を示す断面図で
あり、排気ガス入口側から順にフィルター厚さの小さい
フィルター4gから、終端に向かってフィルター厚さの
大きくなる4h、4iを配置し、排気ガスの流れを制御
する入口側の目板5と終端のドーナツ状の目板6により
結合されている。符号7は、薄板の金属板で形成された
筒状電気ヒーターであり、フィルターエレメント3に接
触しない部位に配置されて、ヒーター7の内側及び外側
のフィルターエレメント3を同時に加熱するから、又、
フィルターエレメント3表面に捕集されたパティキュレ
ートを直接加熱するから、小さな電気エネルギーでパテ
ィキュレートの燃焼が可能となる。
【0039】フィルターの材質は、耐熱性金属の前記3
次元網目状構造多孔体であっても、前記金属不織布であ
っても良い。
【0040】実施例3では、図5に示すトラップ構造に
図6に示すフィルターエレメントを配置したものを発明
品Eとし、従来例のように均一な厚さのフィルター4を
配置したものを比較品Fとして表6に示す試料を用意
し、図12の実験装置にて初期捕集効率を評価した。
【0041】
【表6】
【0042】初期捕集効率の測定結果を表7に示す。フ
ィルターエレメント3の長手方向のフィルター厚さをフ
ィルターの終端に近づくに従って大きくし、排気ガスの
フィルター通過ガス流速の均一化をはかったので、表7
を参照すると発明品Eは、目標の初期捕集率60%以上
の性能を達成し第1の特性を満足させるDPFの提供を
可能とすることが判る。
【0043】
【表7】
【0044】(実施例4) 図7は、本発明による第4
の実施例のDPFの構造を斜視図により示す。符号1
は、ディーゼルエンジンの排気管に接続されるトラップ
2を内包するケースである。符号3は、フィルターエレ
メントであり、ケース1の長方形に対し最もスペース利
用率が高くなるよう平板状のフィルターエレメント3を
多層に重ね、各々のフィルターエレメント3の中間に薄
板状の電気ヒーター7を配置している。排気ガスは、矢
印Aの如く流入しフィルターエレメント3中を通過して
浄化され矢印Dの如く排出される。
【0045】図8は、トラップ2の構造を示す斜視図で
ある。板状のフィルターエレメント3は、排気ガスの流
れを制御する流入側の目板5と終端の目板6により結合
され、フィルターエレメント3の中間に薄板の短冊状の
電気ヒーター7をフィルターエレメント3に接触しない
部位に配置している。
【0046】図9は、図8のトラップ構造に矢印Aの排
気ガスの流れとフィルターエレメント3の詳細を補足し
たものである。つまり、排気ガス入口側から順に金属充
填率の小さいフィルター4jから、終端に向かって金属
充填率の大きくなる4k、4lを配置し、排気ガスのフ
ィルター通過ガス流速をフィルターの長手方向全域に亘
り均一に制御する。
【0047】さらに、排気ガス中のSOFを除去するた
め、耐熱性金属の前記3次元網目状多孔体に触媒担持層
としてγーアルミナをフィルター素材1リットル当り1
50gコートし、その後SOF触媒として白金(Pt)
を同一容積当り1.5g均一に担持したものを用意し
た。
【0048】実施例4では、図8に示すトラップ構造に
図9に示すフィルターエレメントを配置したものを発明
品Gとし、従来例のように均一な厚さのフィルター4を
配置したものを比較品Hとして表8に示す試料を用意
し、図12の実験装置にて初期捕集効率とSOF浄化率
を評価した。
【0049】
【表8】
【0050】表8の試料における初期捕集効率の比較を
表9に示す。表9からフィルターエレメント3の長手方
向の金属充填率をフィルターの終端に近づくに従って大
きくして、排気ガスのフィルター通過ガス流速の均一化
を計った結果、発明品Gは、目標の初期捕集率60%以
上の性能を達成し第1の特性を満足させるDPFの提供
を可能とすることが判る。
【0051】
【表9】
【0052】また、排気ガス温度が250℃及び350
℃における触媒性能を表10に示す。発明品GにSOF
触媒を担持したものは、SOF濃度を40あるいは50
%低減することが判った。従って、触媒コンバータを別
途設ける必要はなくスペースとコストを省略可能な第5
の特性を有するDPFを提供できる。
【0053】
【表10】
【0054】
【発明の効果】本発明は、従来の金属性トラップにあり
勝ちな排気ガスの流れがフィルターエレメントの特定の
部位に集中し易く、フィルターエレメント全域にわたり
均一にパティキュレートを捕集し難いという欠点を、排
気ガスの流入側から終端にかけてフィルターの厚さ、素
材充填率を大きくし、もしくは孔径、骨格径を小さくし
てフィルター通過ガス流速の均一化を計り、捕集効率を
向上させると共に圧力損失を低減した。
【0055】また、フィルター素材に耐熱性金属の3次
元網目状構造多孔体を採用し、これに触媒を担持したか
ら熱容量が小さく、排気ガスによる触媒の温度追従性が
よくヒートショックにも強い、効率的な有害ガス浄化機
能を発揮すると共に、別途、触媒コンバータを設ける必
要がないから、占有スペースとコストの低減可能なDP
Fを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例のDPFの斜視図であ
る。
【図2】本発明の第1の実施例のDPFのフィルターエ
レメント単体の断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例のDPFの斜視図であ
る。
【図4】本発明の第2の実施例のDPFのフィルターエ
レメント単体の断面図である。
【図5】本発明の第3の実施例のDPFの斜視図であ
る。
【図6】本発明の第3の実施例のDPFのフィルターエ
レメント単体の断面図である。
【図7】本発明の第4の実施例のDPFの斜視図であ
る。
【図8】本発明の第4の実施例のDPFのトラップの斜
視図である。
【図9】本発明の第4の実施例のDPFのフィルターエ
レメント単体の断面図である。
【図10】本発明のフィルターの概念図である。
【図11】従来技術のフィルターの概念図である。
【図12】DPFの性能評価をする実験装置である。
【符号の説明】
1:DPFのケース 2:トラップ 3:フィルターエレメント 4a〜4l:フィルター 5:排気ガス流入側の目板 6:フィルター終端の目板 7:電気ヒーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 容子 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

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディーゼルエンジンの排気管に接続され
    るトラップを内包するケース内にある、耐熱性金属から
    なる3次元網目状構造多孔体又は金属不織布にて形成さ
    れるフィルターであって、フィルターが排気ガスの流れ
    る方向と平行にフィルター面を持ち、且つ、前記フィル
    ターの長手方向にフィルターの孔径、厚さ、素材充填率
    もしくは骨格径を予め変化させて、パティキュレートの
    捕集効率を向上したことを特徴とす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】 前記フィルターの形態が、異径の筒状物
    を同心状にしたものを組み合わせた構造であることを特
    徴とする請求項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】 前記フィルターの形態が、平板を組み合
    わせた構造であることを特徴とする請求項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。
  4. 【請求項4】 パティキュレートの捕集効率を向上する
    手段が、フィルターの孔径を変化させることで達成され
    るものであり、排気ガスの流れの下流であるフィルター
    の終端に近づくに従って孔径を小さくすることを特徴と
    する請求項1乃至3のいずれかに記載のディーゼルエン
    ジン用パティキュレートトラップ。
  5. 【請求項5】 パティキュレートの捕集効率を向上する
    手段が、フィルターの厚さを変化させることで達成され
    るものであり、排気ガスの流れの下流であるフィルター
    の終端に近づくに従って厚さを大きくすることを特徴と
    する請求項1乃至3のいずれかに記載のディーゼルエン
    ジン用パティキュレートトラップ。
  6. 【請求項6】 パティキュレートの捕集効率を向上する
    手段が、フィルターの素材充填率を変化させることで達
    成されるものであり、排気ガスの流れの下流であるフィ
    ルターの終端に近づくに従って素材充填率を大きくする
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のデ
    ィーゼルエンジン用パティキュレートトラップ。
  7. 【請求項7】 パティキュレートの捕集効率を向上する
    手段が、フィルターの骨格径を変化させることで達成さ
    れるものであり、排気ガスの流れの下流であるフィルタ
    ーの終端に近づくに従って骨格径を小さくすることを特
    徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のディーゼル
    エンジン用パティキュレートトラップ。
  8. 【請求項8】 フィルターの素材が、Ni−Cr−Al
    の3次元網目状構造多孔体であり、前記フィルター素材
    に触媒としてγ−アルミナをコートし、その後、白金
    (Pt)を均一に担持させたことを特徴とする請求項1
    乃至7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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