(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素 に酸化するための貴金属を含む酸化触媒層が形成されたメタルラスを積層させたディーゼルエンジン排ガス用粒状物質除去用フィルタであって、該フィルタは、該メタルラス加工時の引伸し方向が交互に９０度異なるように積層された積層体を備えていることを特徴とするフィルタ。
【請求項２】
前記酸化触媒層とメタルラスの間に金属酸化物からなる中間層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
前記積層体が筒状の金属枠に収容され、かつ該金属枠と接する積層体の周囲が無機繊維シートでシールされていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ。
【請求項４】
前記積層体の積層面が前記金属枠の開口部に面するように収容されていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
【請求項５】
前記積層体のメタルラス表面が前記金属枠の開口部に面するように収容されていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のフィルタに被処理ガスを通過させてガス中の粒状物質を除去するに際し、該被処理ガスを積層体のメタルラス面に平行に流入させることを特徴とするディーゼルエンジン排ガスの処理方法。
【請求項７】
請求項１〜３または請求項５のいずれかに記載のフィルタに被処理ガスを通過させてガス中の粒状物質を除去するに際し、該被処理ガスを積層体のメタルラス面に直角方向に流入させることを特徴とするディーゼルエンジン排ガスの処理方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタを、ディーゼルエンジンの排気口に設置したことを特徴とする排ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンから排出されるガス中に含まれる粒状物質（ＤＰ）を、低通風損失かつ特別なメンテナンスをすることなく除去することができる安価なディーゼルエンジン排ガス用粒状物質除去フィルタ、これを用いた排ガス処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン（ＤＥ）は、内燃機関の中で最も効率の高いものの１つであり、一定出力当りの二酸化炭素（ＣＯ2 ）の排出量が低く、また重油などの低質燃料を使用できるため、経済的にも優れている。このため、近年、地球温暖化防止のため、ディーゼルエンジンを用いた車や定置式の発電設備が見直され、多用される傾向にある。
しかし、重質油や軽油を燃料とするディーゼルエンジンは、未燃炭化水素と煤が一体化した粒状物質（ＤＰ）の排出量が多く、公害の元凶になっていることが社会問題になっている。このため、ディーゼルエンジンメーカおよび自動車メーカなどの各方面においてＤＰ除去に関する研究、開発が進められ、優れた除去性能を有するフィルタや、フィルタに酸化触媒を担持して排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）  に酸化して煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止するように工夫されたＤＰフィルタ（ＤＰＦ）に関する研究・発明がなされている（例えば、非特許文献１等）。【０００３】
これらの従来技術の多くは、排ガスを数μｍの多孔質セラミックスなどの薄壁に通して濾過することを目指したものであり、板状または円筒状の、金属やセラミックスを焼結させたフィルタ、ハニカム状のセラミックス多孔成形体の目を交互に埋めてフィルタに用いるもの、微細な金属線織布をフィルタに用いるものなどが知られている。さらに、それらの目詰まりを防止または緩和するため、これらのフィルタにＮＯのＮＯ2 への酸化機能を持たせて煤を酸化燃焼させるものが知られている（例えば、特許文献１、２等）。
【非特許文献１】産業環境管理協会、環境管理Vol.37, p441-449
【特許文献１】特開平１−３１８７１５号公報
【特許文献２】特開昭６０−２３５６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来技術は、ＤＰの捕集効率が高く、優れた性能を有するものであるが、軽油や重油を燃料とする場合や、ＤＥを用いた定置式発電設備などに使用する場合には次のような問題点を有している。
(i) これらのフィルタは、微細な細孔でＤＰを濾過することを基本原理とするものであり、通風損失が大きく、効率の高いＤＥの特質を損なうことが多い。
(ii)不適切な操作により多量な煤が発生した場合に閉塞を起こしやすく、逆洗や煤の加熱燃焼など閉塞対策が必要になるものが多い。
(iii)燃料中の灰分がフィルタ材の細孔に溜り、目詰まりを発生させるために寿命が短くなる。
(iv)圧損を低く抑え、かつ堆積した煤の燃焼などの除去手段を設けた場合の耐熱性を得るために、高価なコージエライトなどのセラミックスや金属を数μｍ〜数十μｍの細孔を多数有する多孔体に成形する必要があり、ＤＰＦの価格が極めて高価となり、ＤＰＦ普及の妨げになっている。【０００５】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、安価な材料で構成でき、しかも目詰まりや灰分の閉塞に強く、逆洗や煤の加熱燃焼など特別の手段を必要としないフィルタ、これを用いた排ガス処理方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願で特許請求される発明は以下の通りである。
（１）排ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素 に酸化するための貴金属を含む酸化触媒層が形成されたメタルラスを積層させたディーゼルエンジン排ガス用粒状物質除去用フィルタであって、該フィルタは、該メタルラス加工時の引伸し方向が交互に９０度異なるように積層された積層体を備えていることを特徴とするフィルタ。
（２）前記酸化触媒層とメタルラスの間に金属酸化物からなる中間層が設けられていることを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（３）前記積層体が筒状の金属枠に収容され、かつ該金属枠と接する積層体の周囲が無機繊維シートでシールされていることを特徴とする（１）または（２）に記載のフィルタ。
（４）前記積層体の積層面が前記金属枠の開口部に面するように収容されていることを特徴とする（３）に記載のフィルタ。
（５）前記積層体のメタルラス表面が前記金属枠の開口部に面するように収容されていることを特徴とする（３）に記載のフィルタ。【０００７】
（６）（１）〜（４）のいずれかに記載のフィルタに被処理ガスを通過させてガス中の粒状物質を除去するに際し、該被処理ガスを積層体のメタルラス面に平行に流入させることを特徴とするディーゼルエンジン排ガスの処理方法。
（７）（１）〜（３）または（５）のいずれかに記載のフィルタに被処理ガスを通過させてガス中の粒状物質を除去するに際し、該被処理ガスを積層体のメタルラス面に直角方向に流入させることを特徴とするディーゼルエンジン排ガスの処理方法。
（８）（１）〜（５）のいずれかに記載のフィルタを、ディーゼルエンジンの排気口に設置したことを特徴とする排ガス処理装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のディーゼルエンジン排ガス用粒状物質除去フィルタによれば、安価なメタルラスを所定の方向に交互に積層するという簡単な方法でフィルタを製造することができ、またＮＯの酸化触媒がコーティングされたメタルラスと被処理ガスとの効率的な接触およびガス中の煤等の効率的な捕集と酸化除去が可能となる。従って、特に低負荷運転時の閉塞に強く、また煤塵の閉塞時の除去や燃焼のための新たな設備を必要とせず、安価で高性能のＤＰＦを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】メタルラスの形状と引伸し方向を示す図。
【図２】本発明におけるメタルラスを用いたＤＰＦの基本構造の説明図。
【図３】本発明におけるメタルラスの形態の模式的説明図。
【図４】実施例１で用いたメタルラスの形状を示す図。
【図５】実施例１で用いたＤＰＦの構造説明図。
【図６】実施例２で用いたＤＰＦの構造説明図。
【符号の説明】
【００１０】
１…メタルラスまたは触媒付メタルラス、２…粒状物質、３…筒状の金属枠、４…無機繊維シール材                                                    
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のディーゼルエンジン排ガス用粒状物質除去フィルタは、排ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化する、貴金属を含む酸化触媒層が形成されたメタルラスを、該メタルラス加工時の引伸し方向が交互に９０度異なるように積層した積層体を有する。
本発明に用いられるメタルラスは、例えば、不銹鋼などの板厚１ｍｍ以下、望ましくは０．３ｍｍ以下に加工された薄板鋼材に、多数のスリットを交互に形成し、このスリットと直交する方向に鋼材を引き延ばすメタルラス加工により、数ｍｍの開口径を有する多孔板に加工することにより得られる。メタルラスの材質は、使用温度および使用時間にもよるが、一般的にはＳＵＳ４３０，ＳＵＳ３０４などが用いられる。また高温酸化を防止する目的でアルミニウムを添加した材料を使用してもよく、また軟鋼であってもよい。【００１２】
メタルラスは、加工時の減摩油等が除去されたのち、そのまま、または予めシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアなどの金属酸化物からなる中間層がコーティングされ、乾燥または焼成された状態で、ＮＯをＮＯ2 に酸化する貴金属を担持した触媒がその表面にコーティングされる。
ＮＯの酸化触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈを単独または組み合わせて用いることができる。特にＰｔを単独で使用した場合でも好結果を与えることができる。またこれらの貴金属の担体には、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアのほか、耐熱性の向上を目的にアルカリ土類または希土類を添加したアルミナなどを用いることができる。特に硫黄分の多い重油焚エンジンの処理には、ＳＯｘに犯されないチタニアやシリカを担体として用いるのが好ましい。またメタルラスへのこれらの触媒の担持量は、圧力損失等の点から５〜１００ｇ／ｍ2 とするのが好ましく、貴金属のみの担持量は、触媒効果や経済性の点から０．０１〜０．２ｇ／ｍ2 とするのが好ましい。酸化触媒層は公知の方法でメタルラス上に形成することができる。例えば、各種触媒成分等を含む溶液またはスラリにメタルラスを浸漬し、液切りした後、乾燥、焼成することにより行われる。【００１３】
酸化触媒層がコーティングされたメタルラスは、所定の寸法の正方形状に切断された後、複数枚積層して積層体とされる。この際、メタルラスの積層は、メタルラス加工時の引伸し方向（図１のＡ方向）が、交互に９０度異なるように積層する必要がある。このメタルラスを積層した積層体は比重が約１程度であり、空隙率にして８０％を超える多孔体と考えることができる。このような構成とすることにより、積層体を通過する被処理ガスの流れを変則的にすることができ、これにより、ガスとメタルラスとの効率的な接触と、ガス中のＤＰの効率的な捕集および酸化除去が可能になり、低負荷運転時の煤等による閉塞や圧力損失を防ぐことができる。【００１４】
すなわち、本発明におけるメタルラスの積層体は、模式的に示すと、図３に示すように、ガス流れに対して切り立った状態の壁状物になっている。図中、１Ａおよび１Ｂは、同一形状のメタルラスを、メタルラス加工時の引伸し方向が交互に９０度異なるように積層させた各メタルラスを示す。メラルラスをこのように多数枚積層した積層体に、ＤＰを含むディーゼルエンジンの排ガスを通過させると、切り立ったメタルラス１で渦流が発生し、ガスとメタルラスとの接触効率が飛躍的に向上する。その結果、ガス中に含まれるＤＰ２はメタルラス板に激しく衝突して捕集されるとともに、メタルラス板の後流部の流速の遅い部分に堆積する。一方、排ガス中のＮＯはコーティングされた貴金属触媒成分の作用によりＮＯ2 に酸化され、発生したＮＯ2 はメタルラス板に捕集または堆積したＤＰ２中の可燃分を酸化させる。ＤＰ２中のなかの灰分は、燃焼状態にもよるが、１０％以下であり、ＤＰ中の可燃分の燃焼により捕集・堆積する粒子の比重は飛躍的に小さくなり、その結果、前述したメタルラス板が形成する切り立った壁状物で発生する渦流により、メタルラス板から剥がされ、飛散させられる。【００１５】
従って、セラミック多孔体や金属織布製ＤＰＦなどの微細な細孔しか持たない従来技術のＤＰＦにおいて、細孔が閉塞して逆洗や煤の燃焼操作が必要となる条件下においても、本発明のフィルタでは、閉塞による圧損の上昇を招くことなく、長期間の運転が可能になる。
さらに、本発明のＤＰＦでは、触媒の担持された単位体積当りの面積が大きいため、ガス中のＮＯの酸化活性に優れ、貴金属使用量を低下させることができ、また上記面積が大きいためにエンジンの起動時に発生する油分ミストや未燃炭化水素を酸化し易く、ディーゼルエンジン始動時に特有の黒煙や悪臭の除去性能に優れる。【００１６】
本発明における積層体の形状は、被浄化ガスの通過方向によっても異なるが、通常、ガス通過方向の長さが１００〜６００ｍｍになるようにその形状が工夫される。積層体は、通常、筒状の金属枠に収容して使用されるが、収容する際には、粒状物質の除去性能を向上させるために金属枠と接する積層体の周囲を無機繊維シートでシールすることが好ましい。
本発明において、被処理ガスを積層体に通過させてガス中の粒状物質を捕集し、酸化除去する際、被処理ガスの積層体への流入は以下のようにして行うことができる。一つの方法は、図２(A) に示すように、被処理ガスを積層体のメタルラス面に平行に流入させる方法である。この場合には積層体の積層面（メタルラスの切断面）が筒状金属枠の開口部に位置するように該金属枠に収容すればよい（図５参照）。他の方法は、図２(B) に示すように、被処理ガスを積層体の表面に直角方向に流入させる方法であり、この場合には積層体のメタルラス表面が筒状の金属枠の開孔部に位置するように該金属枠に収容すればよい（図６参照）。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔実施例１〕
厚さ０．２ｔのＳＵＳ４３０の帯鋼を、送り幅０．４７ｍｍでラス切り加工して図４の目形状を有するメタルラス（平ラス）を得た。これを、チタニア（石原産業社製ＣＲ５０）４０重量％、シリカゾル（ＳｉＯ2 含有量２０重量％）２０重量％、ポリビニールアルコール１重量％および残り水からなるスラリ中に浸漬した後、引上げてエアーブローして余剰スラリを除去し、１５０℃で乾燥して不溶化処理し、担持量３０ｇ／ｍ2 の薄い中間層を設けたメタルラスを作製した。【００１８】
一方、チタニア（比表面積９０ｍ2 ／ｇ、石原産業社製) １００ｇに水を２００ｇ加えたものに、Ｐｔ含有量８重量％のジニトロジアンミン白金溶液を６．２５ｇ添加した後、砂浴上で加熱して蒸発乾固し、得られた塊状物を５００℃で焼成し、ハンマーミル粉砕して触媒粉末を得た。本粉末７０ｇ、低表面積チタニア（石原産業社製ＣＲ５０）３０ｇ、シリカゾル（ＳｉＯ2 ：２０重量％）１００ｇ、水２００ｇとを混合し触媒スラリを調製した。本スラリ中に先に中間層をコーティングしたラス板を浸漬後、エアーブローして余剰スラリを除去し、１５０℃で乾燥し、６００℃で２時間焼成して酸化触媒が３３ｇ／ｍ2 付着したメタルラスを得た。
得られた触媒付メタルラスを１５０ｍｍ角の正方形に切断し、これを交互に９０度ずつ向きを変えながら２００枚積層し、図５（図２（A)相当）のようにメタルラス板の切断面が筒状金属枠の開口部に位置するように、かつ金属枠に接する積層体の周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、１５０ｍｍ角、長さ１５０ｍｍのＤＰＦとした。ＤＰＦの触媒の担持量は４４ｇ／Ｌ、Ｐｔ担持量は０．２２ｇ／Ｌであった。【００１９】
〔実施例２〕
実施例１において、触媒付メタルラスの積層体を図６（図２(b）相当）のように積層面が筒状の金属枠の開孔部に位置するよう金属枠に入れた以外は実施例１と同様にしてＤＰＦを作製した。【００２０】
〔実施例３〕
実施例１の酸化触媒成分の調製において、チタニアの代わりに、水酸化アルミニウム粉末に硝酸セリウムを水に溶かしてＡｌ／Ｃｅ原子比が９０／１０になるように添加して蒸発乾固した後、５００℃で焼成した物を用いた以外は、実施例１と同様にしてＤＰＦを作製した。【００２１】
〔比較例１〕
ハニカム成形体の流路を交互に栓をして作製されたコージエライトセラミック製市販ＤＰＦ（ＮＧＫ社製、セル数１００ｃｐｓｉ、５．６６インチφ×６インチ長）に、チタニアゾル（石原産業社製、ＴｉＯ2 含有量３０重量％）を含浸させた後、遠心分離機で液切りしてＴｉＯ2 を６０ｇ／Ｌ担持させ、１５０℃で乾燥し、その後、ジニトロジアンミン白金酸溶液をＰｔとして０．２ｇ／Ｌになるように含浸させ、乾燥後、６００℃で２時間焼成して触媒付ＤＰＦを作製した。【００２２】
＜試験例＞
実施例１〜３および比較例１で得られたＤＰＦを、Ａ重油を燃料とするディーゼルエンジン出口に設置し、ガス量と下記事項を調べ、その結果を表１に示した。
(1) エンジン起動時の黒煙の有無
(2) 低負荷運転時（ＤＰＦ温度約３００℃）における圧損の上昇の有無
(3) １００％定格運転時（ＤＰＦ温度約４００℃）における圧損と上昇の有無
(4) １００％定格運転時のＤＰＦ出入口における粒状物質の濃度【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１から明らかなように、比較例１のＤＰＦは、圧損が高く、低負荷運転時のようにＤＰＦの温度が低い場合には圧損の経時的上昇により運転することができないばかりでなく、温度の高い定格運転時においても大きな圧損の微上昇が続いた。これに対し、本発明（実施例１〜３）のＤＰＦは、圧損が低い上、低負荷運転時の圧損上昇が小さく、運転に支障をきたすことがなく、また定格運転時における圧損も比較例１に比べて数分の１と小さく、優れていることがわかった。また定格運転時の煤塵濃度も１０ｍｇ／ｍ3 以下であった。
さらに、比較例１のＤＰＦでは定格運転時の煤塵濃度は低いが、低負荷時の圧損が大きく、２時間で閉塞するため、実用に供するためには低負荷運転を可能にするための装置や、定格運転時における圧損の上昇を元に戻すための手段や制御装置が必要になるが、本発明のＤＰＦによれば、何ら特別の手段を用いることなく、低負荷運転を継続することができる上、定格負荷圧損が低くエンジン出力を発電等に有効に用いることが可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、ディーゼルエンジンから排出される粒状物質を、低通風損失で、かつ特別なメンテナンスを必要とすることなく除去できるため、安価なＤＰＦを提供できるため、大気環境汚染防止に有用であり、社会的、経済的効果が大きい。
【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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