ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ
【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３００μｍ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％、Ａｌ 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ｎｍ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 １５〜４０ｗｔ％、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、Ｃｒ１５〜４０ｗｔ％、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、Ａｌ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％、Ｎｉ１４ｗｔ％、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８０〜２００μｍ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１〜１５ｗｔ％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３３ｇ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１２０ｍ2／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
【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３００μｍ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％、Ａｌ 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ｎｍ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 １５〜４０ｗｔ％、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、Ｃｒ１５〜４０ｗｔ％、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、Ａｌ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％、Ｎｉ１４ｗｔ％、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８０〜２００μｍ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１〜１５ｗｔ％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３３ｇ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１２０ｍ2／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
【特許請求の範囲】
【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１０μm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。
【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。
【請求項３】 前記プレフィルターがＣｒ１５〜４０ｗｔ％、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。
【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。
【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１０μm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。
【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。
【請求項３】 前記プレフィルターがＣｒ１５〜４０ｗｔ％、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。
【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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【特許番号】特許第３４６２７５０号（Ｐ３４６２７５０）
【登録日】平成１５年８月１５日（２００３．８．１５）
【発行日】平成１５年１１月５日（２００３．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−１３１８６２
【出願日】平成１０年５月１４日（１９９８．５．１４）
【公開番号】特開平１１−３２４６４５
【公開日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．２６）
【審査請求日】平成１３年１２月２５日（２００１．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【参考文献】
【文献】特開 平１０−４７０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−２１０００８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−２７２５３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平５−２０２７３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平９−２６２４１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 昭５８−１９５６２５（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開 昭５９−２４９１１（ＪＰ，Ｕ）
【登録日】平成１５年８月１５日（２００３．８．１５）
【発行日】平成１５年１１月５日（２００３．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年５月１４日（１９９８．５．１４）
【公開番号】特開平１１−３２４６４５
【公開日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．２６）
【審査請求日】平成１３年１２月２５日（２００１．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【参考文献】
【文献】特開 平１０−４７０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−２１０００８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−２７２５３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平５−２０２７３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平９−２６２４１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 昭５８−１９５６２５（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開 昭５９−２４９１１（ＪＰ，Ｕ）
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