(57)【要約】  【課題】  経時耐久性の高いディーゼルパティキュレートフィルタを用いたディーゼル排ガスの処理装置を提供する。【解決手段】  酸化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に交差するように積層された成形体を有し、該成形体の前記波板稜線と直交する側面がシールされ、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成される排ガス処理装置であって、前記排ガス流入経路におけるガスの流通抵抗の平均値を前記排ガス流出経路におけるガスの流通抵抗の平均値よりも低くしたことを特徴とするディーゼル排ガス処理装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に交差するように積層された成形体を有し、該成形体の前記波板稜線と直交する側面がシールされ、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成される排ガス処理装置であって、前記排ガス流入経路におけるガスの流通抵抗の平均値を前記排ガス流出経路におけるガスの流通抵抗の平均値よりも低くしたことを特徴とするディーゼル排ガス処理装置。
【請求項２】
前記排ガス流入経路における前記波板の目開きサイズを、前記排ガス流出経路におけるそれよりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記排ガス流入経路入口の開口率が可及的に大きくなるように、前記排ガス流入経路を、目開きサイズの異なる２種以上の波板を積層させて形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記排ガス流入経路における前記波板の稜線方向の長さを、前記排ガス流出経路におけるそれよりも短くしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記平板のガス上流側の空隙率を、ガス下流側の空隙率よりも小さくしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記交差ハニカム体のガス入口経路と直交する波板の上流側近傍に整流手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記交差ハニカム体のガス入口経路に開口した波板への触媒担持量を多くし、それと直交する波板及びまたは平板への触媒担持量をこれより少なくするか、または担持しないようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル排ガス処理装置に係り、さらに詳しくはディーゼルエンジンから排出される排ガス中のばいじん、PM(Particulate  Matter、粒子状物質)、およびNOx(窒素酸化物)を除去するディーゼル排ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のディーゼル排ガスの処理方法としては、特許文献１に示すように、ディーゼルエンジンの排気ガス中に存在する粒子を濾過し、そして該粒子をエレメントを通って流れるガスから多孔質壁表面上に捕集する多孔性壁を有する耐高温性フィルターエレメントを有し、該壁の表面上に、粒子の燃焼が始まる温度を低下させる白金族金属及びアルカリ土金属酸化物の混合物を含む触媒を有するフィルタを用いた装置が記載されている。いわゆる燃焼触媒を用いたこの装置は、フィルタに多孔質セラミックスを用いたものであり、排ガス中のばいじんは多孔質壁面に捕集され、排ガスは該多孔質壁面を通過する一方、捕集されたばいじんは多孔質壁面上で燃焼触媒の存在下に燃焼処理される。ばいじんは、炭素などの有機化合物が主成分である。
通常、炭素の酸化反応は、500℃以上の高温領域で式（１）に示すように進行するが、ディーゼルエンジンの排ガスは高くても500℃程度、通常は400℃位となるため、他に熱源がなければ、反応に必要な温度に到達しない。
【０００３】
C＋O2  →  CO2      …(1)
そこで、上記の白金族金属等を用いた触媒をフィルタに担持することで、反応温度を350℃程度までで抑え、追加熱源無しでばいじんを捕集・燃焼しながら連続再生運転が可能である。
【０００４】
また、さらに特許文献２には、二酸化窒素NO2を含有するガスが一酸化窒素NO含有のディーゼル排ガスを最初に触媒上に通してNOをNO2に転換した後、この二酸化窒素NO2をフィルター上に除去された微粒子と反応させてこれを燃焼、除去するディーゼル排ガスの微粒子除去方法が記載されている。
【０００５】
すなわち、この方法は、酸化触媒をフィルタの上流に配置して、排ガス中のNOをあらかじめNO2に転換する一方、これをフィルタで捕集したばいじんと燃焼反応させ、ばいじんとNO2を除去しようとするものである。
しかし、上記の従来方法では以下の問題点があった。
まず特許文献１の方法では、排ガス中のばいじんは、フィルタに捕集されるが、フィルタには酸化触媒が担持されており、この酸化触媒により、排ガス中のNOが式(2)の様にNO2に酸化される。
【０００６】
NO＋1/2O2  →  NO2        …(2)
このNO2が、フィルタに捕集されたばいじん(主成分：炭素)と式(3)、(4)に示すような反応を行い、ばいじんを酸化燃焼させる。
【０００７】
C(ばいじん)＋2NO2  →  CO2＋2NO      …(3)
C(ばいじん)＋NO2  →  CO＋NO        …(4)
ところが、通常のエンジンオイルには１〜２wt％程度の金属添加剤に起因する灰分が含まれており、燃料中の硫黄分と反応してCaSO4を主成分とした灰が形成される。この灰は、該酸化触媒面を被覆して触媒活性を低下させ、このため、特許文献１に示す酸化触媒を担持したセラミックスフィルタは、一定期間以上となると触媒活性が低下し、ばいじんが燃焼されず、閉塞してしまうという問題があった。
【０００８】
また特許文献２の方法でも、酸化触媒はばいじんの多い上流側に配置するため、経時的には酸化触媒の表面に灰が堆積して閉塞し、酸化性能が低下すると考えられる。また、該フィルタにも灰が堆積し、結局はフィルタ圧損を上昇させる。
【特許文献１】特公平７-１０６２９０号公報
【特許文献２】特許第３０１２２４９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、経時耐久性の高いディーゼルパティキュレートフィルタを用いたディーゼル排ガスの処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）酸化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に交差するように積層された成形体を有し、該成形体の前記波板稜線と直交する側面がシールされ、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成される排ガス処理装置であって、前記排ガス流入経路におけるガスの流通抵抗の平均値を前記排ガス流出経路におけるガスの流通抵抗の平均値よりも低くしたことを特徴とするディーゼル排ガス処理装置。
（２）前記排ガス流入経路における前記波板の目開きサイズを、前記排ガス流出経路におけるそれよりも大きくしたことを特徴とする（１）記載の装置。
【００１１】
（３）前記排ガス流入経路入口の開口率が可及的に大きくなるように、前記排ガス流入経路を、目開きサイズの異なる２種以上の波板を積層させて形成したことを特徴とする（１）または（２）に記載の装置。
（４）前記排ガス流入経路における前記波板の稜線方向の長さを、前記排ガス流出経路におけるそれよりも短くしたことを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の装置。
【００１２】
（５） 前記平板のガス上流側の空隙率を、ガス下流側の空隙率よりも小さくしたことを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の装置。
（６） 前記交差ハニカム体のガス入口経路と直交する波板の上流側近傍に整流手段を備えたことを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の装置。
（７） 前記交差ハニカム体のガス入口経路に開口した波板への触媒担持量を多くし、それと直交する波板及びまたは平板への触媒担持量をこれより少なくするか、または担持しないようにしたことを特徴とする（１）ないし（６）のいずれかに記載の装置。
【発明の効果】
【００１３】
(1)発明によれば、低温条件において未燃焼のばいじんが堆積し、また燃焼によって生じたCaSO4などの灰が堆積した状態になれば、目開きサイズの大きな波板側の他方端を開放して、堆積したばいじんや、燃焼によって生じたCaSO4などの灰を除去することが可能であり、フィルタ差圧を上昇させることなく、安定した運転が可能になる。また目開きの大きな波板をガス入口側に用いた場合、堆積したばいじんにより閉塞する時間が延び、かつ該ばいじんや灰を除去することが容易になり、寿命が向上する。
(2)排ガス流入経路の波板を目開きサイズの異なる２種以上の波板と平板とを組み合わせて積層し、排ガス流入経路入口の開口率が大きくなるように波板の組み合わせを選定すれば、上記の効果に加えて、排ガス流入経路のばいじんの衝突および堆積を減少させることができる。
【００１４】
(3)目開きの小さな波板を組み合わせることで、交差ハニカム体の強度を向上させ、変形を防止することができる。また端部に目開きの小さい波板、平板、多孔質板、多孔質板の細孔を塞いだもの等を用いることにより、交差ハニカム体の強度をさらに向上できる。
(4)波板間に挟まれる平板の空隙率に分布を持たせ、ガス上流部分の空隙率を小さく、下流部分において空隙率を大きくすることにより、排ガスがフィルタの中央〜下流部まで流通した後、ろ過されるようになり、ばいじんの燃焼率が向上する。
(5)ガス流入部に整流板を置くようにすれば、直交配置された波板の断面部にばいじんが付着堆積するのを防止できる。
【００１５】
本発明で酸化触媒が担持される成形体は、孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に交差するように積層された物で、本発明の排ガス処理装置は、このような形体の前記波板稜線と直交する側面をシールし、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路を形成し、排ガスを処理するものである。上記波板および平板の材料としては、多孔質セラミックペーパーなど、薄手のフィルター素材が好ましく用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の排ガス処理装置に用いる、触媒を担持した交差ハニカム体の説明図である。このフィルタは、平板３、波板１、平板３、波板２、平板３、波板１の順に積層されて形成され、ディーゼルエンジンから出る排ガス中のばいじんは、該フィルタに捕集される。これらの平板および波板の少なくとも一部には酸化触媒が担持されており、この酸化触媒による作用により、排ガス中のNOが式(2)の様にNO2に酸化される。
【００１７】
NO＋1/2O2  →  NO2        …(2)
このNO2が、フィルタ２に捕集されたばいじん(主成分：炭素)と式(3)に示すような反応を行い、ばいじんを燃焼させる。
【００１８】
C(ばいじん)＋2NO2  →  CO2＋2NO    …(3)
この時、波板２の開口面は、波板１の開口面とは直交するように積層されており、ばいじんを含む排ガスは波板２の開口面Ａから流入するが、その対向面（交差ハニカム体の側面）Ａ’を図示しないバルブ等で閉塞してガスが流通しないようにすれば、排ガスは波板２に接合された多孔質の平板３を点線のように通過して波板１と平板３の間の開口面Ｂ、Ｂ’および図示しないその対向面（交差ハニカム体の他の側面）から排出される。排ガスが平板３を通過する時、平板３の面上で捕集されたばいじんは、上記(3)式に従い、燃焼される。
【００１９】
本発明に用いる交差ハニカム体には、酸化触媒が担持されるが、特に触媒が必要なのは上流側に当たる波板２及び平板３であり、出口側に当たる平板１には多量の触媒を担持する必要はない。波板２及び平板３を作製した段階で、これに酸化触媒を担持し、さらに平板１(酸化触媒低担持又は無担持)を積層してハニカム体を製作すれば、上流側のみに高濃度に触媒成分が担持された交差ハニカム体を作製できる。この手法により、交差ハニカム体のガス入口経路に開口した波板への触媒担持量を多くし、それと直交する波板及びまたは平板への触媒担持量を相対的に少なくするか、または担持しないようにした排ガス処理装置を製造することができる。
【００２０】
図１の実施例では、排ガスの入口側の面Ａを形成する波板２の目開きサイズ(図1-ｂに示す波板の山の底辺a2、山の高さb2)と、波板１のサイズ(図1-aに示すa1、b1)の間に、a1≦a2、b1≦b2の関係があるように配置される。例えば、a1＝3.3mm、b1＝1.9mm、a2＝3.7mm、b2＝2.5mm等のサイズを示すことができるが、a1＜a2かつb1＝b2や、a1＝a2かつb1＜b2、でもよい。結局、ガス入口側の波板２の目開きサイズが大きく、出口側となる波板１の目開きサイズが小さい状態にするには、(a1×b1)＜(a2×b2)となるようにすればよい。目開きサイズはを大きくし過ぎると、ハニカム体の強度が低下するため、排ガスの背圧に応じて適宜選択することが望ましい。
【００２１】
図１に示すような交差ハニカム体を用いることにより、低負荷または低温時に波板２に未燃焼のばいじんが堆積しても、目開きが大きいので閉塞するまでの時間を長くでき、耐久性が向上する。これは波板１、２の目開きのサイズを等しく、ある一定値以上にしても同じ効果が得られるが、排ガスの流入側の経路の目開きサイズのみを大きくする方がより効果的である。なお、堆積したばいじんは温度を上げれば燃焼して除去され、差圧は定常値に戻る。図１のＡ面からＡ’面を流通するガスに対する流通抵抗は、Ａ面からＢ、Ｂ’面へ貫通する方向に対するガスへの流通抵抗よりも小さくなるため、堆積したばいじんや灰を排出する際には、Ｂ、Ｂ’面(及びその対向面)を閉鎖する必要はなく、Ａ’面のみ開放することで、Ａ−Ａ’方向へのガス流通が支配的となるため、Ｂ、Ｂ’面へのガス流路を閉鎖する手段(閉鎖バルブ等)が不要となる。従って堆積した灰を容易に排出できるのみならず、迅速な性能回復を図ることができる。
【００２２】
さらに波板２と交差して配置される波板１はガス流れ方向に対して垂直に配向されるため、ばいじんを含有した排ガスは一部波板１に衝突し、波板１上にばいじんが堆積する傾向にあるが、本ハニカム体では波板１の目開きサイズが大きく、かつ厚さが薄いので、Ａ面の開口率は高い上に、衝突確率が低くなる効果があり、ばいじんはそれだけ堆積しにくくなる。
【００２３】
図1-cは、本ハニカム体をガス入口面Ａから見た図を示すが、波板１aを交互に積層したハニカム(a)と、目開きサイズを大きくした波板1bを積層したハニカム(b)において、ガス入口面Ａの開口率(波板２の開口面積を入口面Ａの面積で割った値)は0.5と変わらず、ばいじんの衝突率は大きく変化しない。しかし、目開きサイズを大きくした波板1bをガス入口面Ａ側に向け、波板1aと積層したハニカム(c)は、開口率が0.6と(a)(b)より大きくなり、ばいじんの衝突・堆積が抑えられるので、差圧上昇が起こりにくく、より望ましい。
【００２４】
波板１、２の目開きのサイズをある一定値以上にすると、ハニカム体の強度が非常に低下することが分かっている。これは、波板部の目開きサイズが大きい場合には平板３との接触点数が減り、強度が低下するのが原因であり、製品の取り扱いが難しくなる問題がある。この実施例では、目開きの小さい波板１を挟みこむため、本ハニカム体の強度が確保される。
【００２５】
図２は本発明の他の実施例を示す交差ハニカム体の説明図である。この実施例の図１と異なる点は、排ガスの入口側の面Ａを形成する波板２の目開きサイズ(図2-ｂに示す波板の山の底辺a2、山の高さb2)と、波板１のサイズ(図2-aに示すa1、b1)には関係なく、波板２のガス流れ方向の長さLAをその幅方向の長さLBよりも小さくして、排ガス入口側経路のガスの流通抵抗を少なくしたことである。
【００２６】
図２の実施例によれば、Ａ面からＡ’面を流通するガスに対する流通抵抗は、Ａ面からＢ、Ｂ’面へ貫通する方向に対するガスへの流通抵抗よりも小さくなるため、堆積したばいじんや灰を排出する際には、Ｂ、Ｂ’面(及びその対向面)を閉鎖する必要はなく、Ａ’面のみ開放することで、Ａ−Ａ’方向へのガス流通が支配的となるため、Ｂ、Ｂ’面へのガス流路を閉鎖する手段(閉鎖バルブ等)が不要となる。さらに目開きが小さい波板１を目開きの大きい波板２の間に積層するため、ハニカム体の強度を維持し易い、等の効果が得られる。
【００２７】
さらに、図３は、本発明の他の実施例を示す交差ハニカム体の説明図であり、波板１、２の目開きサイズや、波板１、２の長さなどを変え、波板２の方向へのガス流通抵抗を、平板３を貫通する時の流通抵抗より小さくしたものであり、図１および図２の実施例と同様な効果が得られる。
【００２８】
図４は、本発明の同様な実施例を示すものであるが、波板１、２間に挟まれる平板３の空隙率を、上流側を小さく、下流側を大きくしたものである。例えば多孔質平板の上流側にTiO2などの小粒径粉末を多めに担持させ、下流側になるにつれて粉末担持量を減らすことで作製できる。担持方法としては、上記粉末を直接押し込んだり、スラリー状、懸濁液状、溶液、ペースト状等若干の溶媒を加えた状態で塗布する等、様々な方法が考えられる。
【００２９】
図４の実施例によれば、ばいじんが入口部で閉塞することがなくなり、また排ガスがフィルタの中央〜下流部まで流通した後、ろ過されるようになるので、酸化触媒の活性により、NO2が十分量生成されてばいじんの燃焼が促進され、ばいじんの燃焼率が向上する、等の効果が得られる。
【００３０】
図５は、本発明のさらに他の実施例を示すものであるが、交差ハニカム体の強度を高めるために、端面に平板、多孔質板、多孔質板の細孔を塞いだもの等を1〜50mmの厚さに積層したもの、あるいは該厚さのものを積層したものである。交差ハニカム体は、排ガスが流入および流出する開口面が４面あり、残る２面で本ハニカム体を保持することになるが、この２面は、図５に示すように、波板、多孔質板または硬質板４が積層され、その強度が高められている。この時、波板を用いた場合は図７に示すように、目開きの小さいものが最端部に来るように積層させることが望ましい。図７では、さらに何段階か厚さの異なるものを端に行くほど小さいものとしているが、単に目開きの小さい波板、平板、多孔質板等を１種類のみ積層してもかまわない。このように交差ハニカム体を強化することにより、端部が使用中の熱、ばいじんの接触等で変形せず、強度を高めることができる。
【００３１】
さらに図８に示すように、本交差ハニカム体の入口面の非開口部の上流に、平板６、または三角形状の整流板７などの整流手段を配置し、非開口部へのばいじんの堆積を防止することが望ましい。整流手段の形状は三角形、平板に限らず、ばいじんの付着を防止できる形状であればどのようなものでもよい。平板６または整流板７を設けることにより、特に低温運転時の非開口部へのばいじんの付着が防止でき、本ハニカム体の差圧上昇を抑えられる。また平板６または整流板７に酸化触媒を高濃度に担持させると、排ガス上流側でばいじんの酸化機能を高めるので、より望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例に用いる交差ハニカム体の説明図。
【図２】本発明の他の実施例に用いる交差ハニカム体の説明図。
【図３】本発明の他の実施例に用いる交差ハニカム体の説明図。
【図４】本発明の他の実施例に用いる交差ハニカム体の説明図。
【図５】本発明の他の実施例に用いる交差ハニカム体の説明図。
【図６】図５に示す交差ハニカム体の側面図。
【図７】交差ハニカム体の強化に用いる平板、波板または多孔質板の配置例を示す説明図。
【図８】交差ハニカム体に整流板等を配置した説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１…波板、２…波板、３…平板、４…波板、多孔質板または硬質板、５…波板、６…平板、７…整流板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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