JP2000167329A - 排気ガス浄化装置の再生システム - Google Patents

排気ガス浄化装置の再生システム

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一茂 大野
Takeshi Ninomiya
健 二宮
Noriyuki Taoka
紀之 田岡
Seishin Ko
性秦 洪
Teruo Komori
照夫 小森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 細かなセル構造に設定可能で、クラック限界
が高く、熱応力に対する郷土に優れた多孔質炭化珪素焼
結体で形成された交互目封止ハニカムフィルタを、フィ
ルタ加熱手段と併用することにより、燃料添加剤を含有
する燃料を用いる内燃機関用の排気ガス浄化装置の再生
システムを提供する。 【解決手段】 燃料添加剤を含有する燃料を用いたエン
ジン１０から放出された排気ガスＧin中に含まれるパテ
ィキュレートを捕捉したＳｉＣ交互目封止フィルタ２２
を再生する際、例えば、再生ユニット１２−１のみを動
作させ、他のユニット１２−２，１２−３は非動作状態
を維持する。この場合、コントローラ４０により加熱手
段２４をＯＮにし、ＳｉＣフィルタ２２のガス流出側の
後方を絞り、これによって再生ユニット１２−１内のフ
ィルタに堆積したパティキュレートが酸素と反応しなが
ら焼却される。この間、排気ガスＧinは、他のユニット
１２−２，１２−３によって浄化される。再生ユニット
１２−１の再生終了後、残りの再生ユニットが順次上記
と同様な方法により再生される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス浄化装置
の再生システム、特に排気ガス中のパティキュレートを
軽減するための燃料添加剤を含有する燃料を内燃機関用
の燃料として用いた際に該内燃機関の排気通路中に配置
され、前記排気ガス中に含有されるパティキュレートを
捕捉する排気ガス浄化用ハニカムフィルタを具えた排気
ガス浄化装置と、該排気ガス浄化装置を再生するための
フィルタ加熱手段とからなる排気ガス浄化装置の再生シ
ステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼルエンジン等の内燃機関におい
て、排気ガスはパティキュレート（例えば、煤や燃料の
未燃分）を含有する。特に、燃料として軽油を使用する
ディーゼルエンジンや、近年普及しつつある直接噴射式
ガソリンエンジンでは、パティキュレートの排出量が多
い。このため、前記内燃機関の排気通路中に配置され、
排気ガス浄化用ハニカムフィルタを具える排気ガス浄化
装置によりパティキュレートを除去することは既知であ
る。
【０００３】一般に、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
としては、図１に模式断面図に示すようなハニカム形状
のコージェライトフィルタ３２が用いられている。従来
のコージェライトフィルタ３２においては、その長手方
向に平行に延びる複数の排気ガス流通孔３３が形成され
ており、これら流通孔３３がそのガス流入側および排出
側のいずれか一端で封止部材３３ａで交互に封止されて
市松模様（交互目封止模様）を形成する。
【０００４】図１に示すように、ディーゼルエンジン
（図示せず）から出た排気ガスＧinは、排気通路１１か
らコージェライトフィルタ３２に流入すると、排気ガス
流通孔３３を構成するセル壁の表面で排気ガス中に含ま
れるパティキュレートが濾別される。次いで、コージェ
ライトフィルタ３２内を通過して浄化された排気ガスＧ
out は、再び排気通路１１を経て車外に排出される。
【０００５】ところで、排気ガスＧinがフィルタ３２を
通過する際に圧力損失ΔＰを生じることも既知である。
圧力損失ΔＰは次式（１）で表される。 ΔＰ＝ΔＰ1 ＋ΔＰ2 ＋ΔＰ3 ＋ΔＰ4 ・・・（１） ΔＰ1 ：排気通路１１から排気ガス流通孔３３に流入す
る際開口部分が狭くなることにより生じる抵抗 ΔＰ2 ：排気ガス流通孔３３を流通する際に生じる抵抗 ΔＰ3 ：排気ガス流通孔３３の壁を通過する際に生じる
抵抗 ΔＰ4 ：排気ガス流通孔３３の表面に堆積したパティキ
ュレートを通過する際に生じる抵抗
【０００６】この場合、抵抗ΔＰ1 ，ΔＰ2 ，ΔＰ3 は
それぞれ、フィルタ３２のセル構造に依存するものであ
って、パティキュレートの堆積など時間経過によらない
一定値ΔＰi （以下、「ΔＰ1 ＋ΔＰ2 ＋ΔＰ3 」を
「初期圧力損失」という）である。このため、圧力損失
ΔＰのほとんどは、セル壁表面に堆積したパティキュレ
ートを通過する際に生じる抵抗ΔＰ4 で決定され、この
抵抗ΔＰ4 は、パティキュレートが堆積した状態では通
常、初期圧力損失ΔＰi の２〜３倍の値になる。
【０００７】図２は、フィルタのセル構造と、フィルタ
の代表的な諸元、幾何学的表面積および開口率の関係を
示したものである。セル構造Ｃs（mil／cpi）は、１平
方インチ当りのセル数Ｎc（cpi ＝cells per square in
ch）に対するセル壁の厚さｄc（mil ＝ milli inch）で
表され、また幾何学的表面積ｆs（ cm２／cm3）は、単
位体積当りに排気ガスが通り抜けられる面積（濾過面
積）で表される。なお、図２では、セル壁の厚さｄc を
mm単位で表している。
【０００８】図２から明らかなように、排気ガス浄化用
交互目封止ハニカムフィルタに生じる圧力損失ΔＰは、
フィルタのセル数Ｎｃや幾何学的表面積ｆsが大きいほ
ど小さくなる。また、開口率α（％）は、フィルタ断面
積に対して全ガス流通孔の開口面積が占める割合であっ
て、図２によれば、クラックを生じさせないための限界
（クラック限界）は開口率αが小さいほど大きくなる。
【０００９】ところで、フィルタの機械的な強度、つま
りフィルタの曲げ強度Ｓ＊ は、多孔質材料よりなるフ
ィルタの強度に後述の相対密度ρ＊ を乗じたものにほ
ぼ等しい。フィルタを構成する多孔質材料の性質を密度
ρと強度Ｓとで表すと、フィルタの曲げ強度Ｓ＊ およ
び相対密度ρ＊ は、次式（２），（３）で表される。 ρ＊ ＝α×ρ ・・・（２） Ｓ＊ ≒ρ＊ ×Ｓ ・・・（３） 従って、開口率αが小さくなるほど、曲げ強度が高くな
る。
【００１０】また、排気ガス浄化用フィルタの再生は、
次の反応式（４） Ｃ＋Ｏ２ ( ＣＯ２＋Ｑ（熱量） ．．．（４） で表されるように、パティキュレートを燃焼させること
により行われるため、該フィルタの熱応力に対する強度
が重要になる。特に、フィルタがセラミック材料よりな
る場合、熱応力による脆性破壊を引き起こしてクラック
を生じる。かかるクラック現象は、再生時に発生する熱
量Ｑ、すなわち燃焼すべきパティキュレートの堆積量が
多くなるほど発生しやすい。なお、パティキュレートを
構成する排気ガス中の燃料の未燃分も、有機化合物であ
るため、フィルタの加熱により燃焼される。クラック現
象の発生を防止するクラック限界は、図２からも明らか
なように、開口率αに比例すると共にセル壁の厚さｄc
にも密接に関係し、同じ開口率αであれば、セル壁の厚
さｄc が厚いほど高くなる。
【００１１】従って、特性の良い排気ガス浄化用フィル
タとは、クラック限界が大きく、熱応力に対する強度が
高く、フィルタの圧力損失が小さい材料で形成するのが
好ましい。
【００１２】近年、排気ガス中のパティキュレートの生
成量を抑制するために、例えば、予め燃料添加剤を含有
する燃料や、燃料添加剤を燃料に滴下する装置が開発さ
れ、その使用が増大しつつある。こうした燃料添加剤に
は、燃料の燃焼中に、煤などの生成を防止する効果があ
る。
【００１３】しかし、かかる燃料添加剤を用いても、完
全にパティキュレートの生成を抑制することはできず、
結果として、排気ガス中にパティキュレートが生成する
ため、やはり排気ガス浄化用フィルタの使用は不可欠で
ある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】ところで従来技術で
は、コージェライトフィルタが排気ガス浄化用交互目封
止ハニカムフィルタとして採用されている。しかしなが
ら、コージェライト交互目封止ハニカムフィルタは最高
使用温度が低いため、一回の再生で処理できるパティキ
ュレートの量に限界があるという問題があった。この場
合、堆積したパティキュレートによってフィルタに大き
な圧力損失が生じるため、内燃機関の燃焼効率が低下し
燃費が悪化する。
【００１５】そこで、従来から、フィルタ加熱手段によ
ってコージェライトフィルタに堆積したパティキュレー
トを燃焼することにより、排気ガス浄化装置を再生する
技術が提案されている。しかし、該フィルタに堆積した
多量のパティキュレートを一度に燃焼する際、フィルタ
加熱手段の熱伝達効率によっては大きな圧力損失の変動
を生じ、運転者に不快感をもたらす。
【００１６】図３は、排気ガス浄化用交互目封止ハニカ
ムフィルタとしてコージェライトフィルタを使用する場
合に生じる圧力損失ΔＰ（mmAq）と、該フィルタ内の温
度Ｔ（(Ｃ）とを時間ｔ（min）で示した実験データであ
る。図３中、符号Ｐo は燃料添加剤を含有する燃料を燃
焼する場合で、エンジン回転数（エンジン負荷）の上昇
に伴ない温度Ｔが上昇すると、パティキュレートの堆積
がある時間を境にして減少し始める。即ち、温度Ｔo ＝
３８０(Ｃ付近でパティキュレートの燃焼が開始され、
フィルタの再生が行われる。
【００１７】一方、符号Ｐn は燃料添加剤を含有しない
燃料を燃焼する場合で、エンジン回転数（エンジン負
荷）の上昇に伴ない温度Ｔが上昇しても、パティキュレ
ートの堆積に比例してハニカムフィルタの圧力損失Ｐn
も継続的に上昇する。このため、燃料添加剤を含有する
燃料の燃焼とは異なり、温度Ｔn ＝３８０(Ｃ付近での
パティキュレートの燃焼は行われない。なお、燃料添加
剤を含有しない燃料を使用する場合、パティキュレート
の燃焼開始温度は一般に、Ｔn ＝６３０(Ｃ付近であ
る。
【００１８】このため、排気ガス浄化用交互目封止ハニ
カムフィルタに生じる圧力損失を減少させる手段とし
て、図２を参照し、コージェライトフィルタのセル構造
Ｃs を細かく設定すること、すなわち、単位平方インチ
当りのセル数Ｎc（cpi）の値を大きく設定すると共に、
セル壁の厚さｄc（mil）の値を小さく設定することが考
えられる。
【００１９】しかしながら、従来のコージェライト交互
目封止ハニカムフィルタでは、コージェライト本来の熱
応力に対する強度の点からセル構造を細かくするには限
界がある。例えば、コージェライトハニカムフィルタで
は、単位平方インチ当りのセル数Ｎc（cpi）が１００個
を越えるものも製造可能であるが、セル壁に堆積した多
量のパティキュレートを効率的に燃焼させることができ
るコージェライト交互目封止ハニカムフィルタを製造す
る場合、クラック限界の問題から、セル数Ｎｃ（cpi）
が１００個を超え、セル壁の厚さｄｃが１７mil（＝
０．４３ｍｍ）未満のセル構造を形成することは不可能
であった。
【００２０】加えて、堆積したパティキュレートを排気
ガス温度だけで燃焼させようとする場合、低速走行を多
用する都市走行などでは、排気ガス温度がパティキュレ
ートの燃焼に必要な温度まで上昇しないことがあるた
め、排気ガス浄化用のコージェライト交互目封止ハニカ
ムフィルタを完全に再生できないという不都合が生ず
る。
【００２１】上述した状況下で、本発明の目的は、燃料
添加剤を含有する燃料を内燃機関用の燃料として用いる
際に、細かなセル構造に設定することができ、クラック
限界が高く、熱応力に対する強度に優れた多孔質炭化珪
素燒結体よりなる排気ガス浄化用ハニカムフィルタを該
フィルタ加熱手段と一緒に用いることにより、内燃機関
の排気通路中に配置され、フィルタ再生時の圧力損失の
変動を小さく抑制することができ、排気ガス温度の上昇
し難い走行状態でもフィルタの再生を可能にする排気ガ
ス浄化装置の再生システムを提供せんとするものであ
る。
【００２２】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、本発明は、内燃機関の排気通路中に配置され、排気
ガス中に含有されるパティキュレートを捕捉する排気ガ
ス浄化用ハニカムフィルタを具えた排気ガス浄化装置
と、該排気ガス浄化装置を再生するためのフィルタ加熱
手段とからなる排気ガス浄化装置の再生システムにおい
て、前記内燃機関に燃料添加剤を含有する燃料を適用
し、前記排気ガス浄化用ハニカムフィルタが、多孔質炭
化珪素焼結体で形成され、単位平方インチ当りのセル数
が１００個以上、セル壁の厚みが０．４３ｍｍ以下のセ
ル構造を有する交互目封止ハニカムフィルタであり、前
記フィルタ加熱手段がヒータおよび予熱プラグのいずれ
かであることを特徴とする。
【００２３】本発明の好適例においては、予熱プラグと
してセラミック予熱プラグを用いる。
【００２４】本発明の他の好適例において、排気ガス浄
化用ハニカムフィルタは、該フィルタの総体積が前記内
燃機関における総排気量の１／４〜２倍である。
【００２５】本発明において、排気ガス浄化用ハニカム
フィルタは多孔質炭化珪素焼結体で形成された交互目封
止SiCハニカムフィルタであるから、従来のコージェラ
イトフィルタに比べてクラック限界が高く、熱応力に対
する強度に優れるので、フィルタ耐久性が高い。また交
互目封止SiCハニカムフィルタは、単位平方インチ当り
のセル数が１００個以上、セル壁の厚みが０．４３ｍｍ
（＝１７ mil）以下のセル構造を有し、従来のコージェ
ライトフィルタに比べて細かくすることができるので、
圧力損失を減じて燃費の向上を図ることができる。
【００２６】また、本発明の再生システムにおいては、
排気ガス浄化用SiCハニカムフィルタの加熱手段として
のヒータまたは予熱プラグを排気ガス浄化装置内で該フ
ィルタの前方に配置するので、市街地を低速で走行中に
排気ガスの温度がパティキュレートの燃焼に必要なレベ
ルまで上昇しない場合でも、かかる加熱手段によりヒー
タを加熱することによりパティキュレートを燃焼させる
ことができ、フィルタの再生を完全に達成することがで
きる。
【００２７】予熱プラグを使用する場合、ヒータの使用
に比べ排気ガス浄化装置を省スペース化し、消費電力を
減ずることができる。予熱プラグとしては、例えば、金
属予熱プラグとセラミック予熱プラグとがある。セラミ
ック予熱プラグは、金属予熱プラグに比べて、加熱によ
り所定温度まで達する時間が短く、サチレート温度を高
くすることができる。しかも、セラミック予熱プラグは
金属予熱プラグに比べて消費電力が小さく済み、耐久性
も高い。従って、より効率的なフィルタの再生を、ヒー
タおよび金属予熱プラグの使用に比べてセラミック予熱
プラグの使用により実現することができる。
【００２８】本発明において、排気ガス浄化用ハニカム
フィルタの総体積が内燃機関の総排気量に依存するの
で、上記総体積を総排気量の１／４〜２倍に設定する。
フィルタの総体積が総排気量の１／４倍未満の場合、十
分な濾過面積を確保することができず、圧力損失が大き
くなって燃費の悪化が著しくなる。一方、総体積が総排
気量の２倍を超えると、フィルタを含む排気ガス浄化装
置を排気通路中に配置するのが困難で、また熱的容量が
大きくなって排気ガス温度に対する反応を遅延させてパ
ティキュレートを燃焼させるためのフィルタの再生可能
な温度を得る時期を逸することになるので好ましくな
い。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。図４は、ディーゼル自動車に
採用した排気ガス浄化装置の再生システムの第一実施形
態を示す。図示例の再生システムは、添加剤を含有する
軽油を用いるディーゼルエンジン１０から排出された排
気ガスを浄化する排気ガス浄化装置２０を再生するため
のシステムで、エンジン１０からの排気通路１１の途中
に分岐して設置された３個の再生ユニット１２−１，１
２−２，１２−３からなる。各ユニットは、排気ガス浄
化用触媒を担持した多孔質炭化珪素焼結体（ＳｉＣ）よ
りなる排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２を具えた排
気ガス浄化装置２０と、このＳｉＣフィルタ２２を加熱
するために該ＳｉＣフィルタ２２のガス流入側端面の前
方に配置した加熱手段２４と、ＳｉＣフィルタ２２のガ
ス流出側に配置した流量調整弁２６とからなる。さら
に、再生システムは加熱手段２４に供給する電力および
流量調整弁２６を制御するコントロールユニット４０を
具える。コントロールユニット４０は車載のバッテリ２
８に接続され、加熱手段２４および流量調整弁２６を独
立に制御する。
【００３０】コントロールユニット４０は、エンジン回
転数Ｎｅ（ｒｐｍ）、排気ガス浄化装置２０における圧
力損失(Ｐ（ｍｍＡｑ）、排気ガス浄化装置２０内の温
度Ｔの測定値が入力される入力部４２と、加熱手段２４
および流量調整弁２６の動作を制御するために入力部４
２からの出力信号を演算処理するＣＰＵ（中央演算処理
装置）４４と、ＣＰＵ４４での演算処理結果に基づいて
加熱手段２４を動作させる加熱手段動さ制御部４６と、
流量調整弁２６を絞り位置（図５の再生ユニット１２−
１の弁体２６ａの位置参照）に動作させる出力部４８と
からなる。
【００３１】図５に示すように、加熱手段２４は、Ｓｉ
Ｃフィルタ２２のガス流入側端面から所定の離間隔で配
置された渦巻き状の抵抗加熱ヒータである。ヒータ２４
の形状は、渦巻きに限定されるものでなく、ＳｉＣフィ
ルタ２２の前方に配置した際、エンジン１０からの排気
ガスを通すものであれば、いかなる形状のものも使用す
ることができる。なお、ヒータの種類は特に限定されな
いが、例えばシーズヒータ等を用いることができる。
【００３２】ここで、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
２２を詳細に説明する。図５は、３つの排気ガス浄化装
置の再生ユニット１２−１，１２−２，１２−３のうち
第一の再生ユニット１２−１を示した模式断面図であ
る。図５に示すように、排気ガス浄化用ハニカムフィル
タ２２は、ハニカム構造の多孔質炭化珪素（ＳｉＣ）焼
結体よりなる。かかるＳｉＣハニカムフィルタ２２に
は、その長手方向に平行に延びる複数の排気ガス流通孔
２３が形成されており、これら流通孔２３はそのガス流
入側および排出側のいずれか一端を多孔質炭化珪素焼結
体の封止部材２３ａで交互に目封止されて市松模様を形
成する。すなわち、多孔質炭化珪素燒結体よりなる排気
ガス浄化用ハニカムフィルタ２２は、ガス流入側端面お
よびガス排出側端面でセル壁厚さｄc のを有するＳｉＣ
交互目封止ハニカムフィルタである（図６参照）。
【００３３】燃料添加剤を含有する燃料を使用すると、
前述したように、排気ガス中に含まれる有害成分は減少
しているが、完全に除去されるものではない。従って、
排気ガス流通孔２３の内壁表面に排気ガス浄化用触媒を
担持させてこれら有害成分を除去するのが好ましい。排
気ガス浄化用触媒としては、従来公知の種々の触媒を使
用することができる。なお、ＳｉＣ交互目封止ハニカム
フィルタ２２は、その外周面に設けた断熱材２３ｂを介
して排気ガス浄化装置のケーシング内に緊密に保持され
ている。
【００３４】本発明にかかわるＳｉＣ交互目封止ハニカ
ムフィルタ２２は、単位平方インチ当りのセル数Ｎc が
１００個以上、セル壁厚みｄc が０．４３mm（＝１７ｍ
ｉｌ）以下のセル構造Ｃｓを有するハニカム構造の多孔
質炭化珪素焼結体よりなる。より好ましいセル構造Ｃs
（mil／cpi）の数値として、具体的には、Ｃs ＝１４／
２００、１２／２００、１２／３００などが挙げられ
る。
【００３５】ディーゼル自動車に採用した排気ガス浄化
装置の再生システムの第二実施形態は、加熱手段２４と
して抵抗加熱ヒータの代わりに図７に示すような予熱プ
ラグ３４を使用する以外第一実施形態と同じ構造を有す
る。予熱プラグ３４としては、図７（a）および７
（ｂ）に示すような２種のプラグがある。図７（a）
は、プラグ先端に取り付けた導電性セラミック３５を加
熱部として用いるセラミック予熱プラグ３４ａであり、
導電性セラミック３５に通電することにより熱を発生す
る。また、図７（ｂ）は、プラグ先端に取り付けた発熱
コイル３６を加熱部として用いる金属予熱プラグ３４ｂ
であり、発熱コイル３６に通電することにより熱を発生
する。
【００３６】また、図８は、セラミック予熱プラグ３４
ａおよび金属予熱プラグ３４ｂそれぞれの特性を比較し
た特性図である。この場合、速熱性はプラグ先端の加熱
部表面温度が上がる速さを、また、サチレート温度は予
熱プラグの表面温度が飽和した状態の温度、つまり、安
定した温度で燃焼を行うことができる温度を示す。
【００３７】図８から明らかなように、速熱性として、
セラミック予熱プラグ３４ａにおいては、その先端表面
温度が８００(Ｃに到達する時間が３．５秒であるのに
対し、金属予熱プラグ３４ｂでは、５．５秒である。サ
チレート温度は、セラミック予熱プラグ３４ａが１１０
０(Ｃであるのに対して、金属予熱プラグ３４ｂが９０
０(Ｃと低い。また、消費電力は、セラミック予熱プラ
グ３４ａが３６Ｗであるのに対し、金属予熱プラグ３４
ｂでは５５Ｗと高くなる。しかも、予熱プラグ３４とし
ての寿命も、走行距離に換算すると、セラミック予熱プ
ラグ３４ａが約２０万Ｋｍ以上であるのに対して、金属
予熱プラグ３４ｂでは約１０万ｋｍである。
【００３８】従って、セラミック予熱プラグ３４ａと金
属予熱プラグ３４ｂとを比較した場合、フィルタの加熱
手段として使用する予熱プラグは、金属予熱プラグ３４
ｂに比べてセラミック予熱プラグ３４ａが有効である。
【００３９】ここで図４，５を参照して本発明の実施形
態の作用を説明する。なお、加熱手段２４として、セラ
ミック予熱プラグ３４ｂを用いて説明するが、ヒータお
よび金属予熱プラグを用いても同様な作用効果が得られ
る。
【００４０】燃料添加剤を含有する軽油を用いたディー
ゼルエンジン１０から排出される排気ガスＧinを、該燃
料添加剤の使用のため排気ガス中に含有するパキュレー
ト量を軽減した状態でＳｉＣ交互目封止ハニカムフィル
タ２２に流入すると、排気ガス中に含まれるパティキュ
レートが排気ガス流通孔２３の表面で濾過される。これ
により、ＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタ２２内を通
過して浄化された排気ガスＧout は、再び、排気通路１
１を介して車外に排出される。
【００４１】しかしながら、ディーゼルエンジンを長時
間にわたって運転すると、排気ガス中に含まれるパティ
キュレートが各流通孔２３の内壁面に徐々に堆積する。
このため、ディーゼルエンジンの運転中、所定時間経過
ごとに、ＳｉＣハニカムフィルタ２２を加熱することに
より排気ガス浄化装置を再生することが必要である。
【００４２】車両走行中、３つの再生システム１２−
１，１２−２，１２−３の各流量調整弁２６は対応する
フィルタ２２に連通した非動作状態にあるので、排気ガ
スＧｉｎを排気ガス浄化装置２２に通すと、該排気ガス
Ｇin中に含まれるパティキュレートがＳｉＣハニカムフ
ィルタ２２で濾過され、該フィルタ２２内の連通孔２３
の内壁面上に徐々に堆積する。
【００４３】パティキュレートが所定量だけ捕捉される
と、排気ガスＧinが流通孔２３を通過するのが困難にな
り、浄化装置２０内部の温度が急激に上昇する。この温
度上昇に伴い、浄化装置２０内部の温度が所定の値に達
すると、パティキュレートが排気ガスＧinに含有される
酸素と反応して焼却される。ところが、低速走行を多用
する都市走行などでは、排気ガスの温度がパティキュレ
ートの燃焼に必要なレベルまで上昇しないことがある。
【００４４】そこで、本発明に係る再生システムでは、
パティキュレートがある時間にわたって捕捉されると、
３つの再生ユニット１２−１，１２−２，１２−３のう
ち、例えば、再生ユニット１２−１のみを動作させ、他
の再生ユニット１２−２，１２−３は非動作状態を維持
する。すなわち、コントロールユニット４０からの指令
によって、回路Ｒ1 を介してセラミック予熱プラグ３４
ａをＯＮにし、これによりＳｉＣハニカムフィルタ２２
のガス流入側側面を加熱すると共に、出力部４８からの
信号Ｖにより流量調整弁２６の弁体２６ａを動作させて
ＳｉＣハニカムフィルタ２２のガス流出側の後方で該フ
ィルタを通過した排気ガスの流れを絞る。このため、再
生ユニット１２−１内では、セラミック予熱プラグ３４
ａにより加熱された排気ガスＧinがＳｉＣハニカムフィ
ルタ２２内を緩やかに通過し、この間にＳｉＣハニカム
フィルタ２２に捕捉されたパティキュレートが、排気ガ
スに含有される酸素と反応して焼却される。
【００４５】コントロールユニット４０によりセラミッ
ク予熱プラグ３４ｂおよび流量調整弁２６のみを制御し
て再生ユニット１２‐１内のＳｉＣハニカムフィルタ２
２を再生する間、排気ガスは残りの再生ユニット１２−
２，１２−３によって浄化される。
【００４６】再生ユニット１２−１の再生終了後、残り
の再生ユニット１２−２，１２−３をそれぞれ順次コン
トロールユニット４０からの指令により上記と同様の方
法で再生する。従って、車両の走行中に再生ユニット１
２−１，１２−２，１２−３の再生を個々に順次行うの
で、車両の運転を停止して、これら再生ユニットを再生
する場合に比し、はるかに経済的である。
【００４７】次に、ＳｉＣハニカムフィルタ２２におい
て排気ガス流通孔２３の内壁表面に酸化触媒を担持した
ことによる効果を、詳細に説明する。
【００４８】図９は、排気ガス浄化装置における排気ガ
ス浄化用触媒として酸化触媒の有無による所定の圧力損
失が生じるまでの時間周期を示すチャートである。図９
（ａ）は酸化触媒を有しない排気ガス浄化装置を備えた
ディーゼルバスが市街地を通常の低速走行した場合で、
再生開始の目安となる４０ｇのパティキュレートを捕捉
したときに生じる圧力損失３０００ｍｍＡｑにおけるＳ
ｉＣフィルタ２２の再生周期は２時間である。これに対
し、図９（ｂ），（ｃ）は、酸化触媒を有する排気ガス
浄化装置を用いる場合で、圧力損失３０００ｍｍＡｑを
基準にした再生周期は、図９（ｂ）に示すような市街地
などの低速走行では、４時間であり、図９（ｃ）に示す
ような郊外や有料道路などの高速走行では、８時間であ
る。
【００４９】これらのチャートから明らかなように、Ｓ
ｉＣフィルタ２２における排気ガス流通孔２３の内壁表
面に酸化触媒を担持させる場合、再生システムの操作周
期を車両の走行時に遅くすることができるため、セラミ
ック予熱プラグ３４ａおよび流量調整弁２６の耐久性を
向上させるのに有効である。なお、車両の走行モード
は、通常低速および高速の混在したものであるため、再
生システムの操作開始周期は、図９（ｂ），（ｃ）から
明らかなように、３〜４時間毎にすることが望ましい。
【００５０】図１０は、燃料添加剤を含有する軽油を使
用して排気ガスの温度Ｔを徐々に上昇させた際の時間経
過に伴う圧力損失(Ｐの変化を、本発明の排気ガス浄化
装置に用いたＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタと、従
来のコージェライト交互目封止ハニカムフィルタと比較
して示す。この場合、曲線Ｐｃは１７／１００のセル構
造Ｃｓ（ｍｉｌ／ｃｐｉ）を有する従来のコージェライ
ト交互目封止ハニカムフィルタにおける圧力損失の変動
を示し、曲線Ｐ１，Ｐ２およびＰ３は、それぞれ１７／
１００，１４／２００および１２／３００のセル構造Ｃ
ｓ（ｍｉｌ／ｃｐｉ）を有するＳｉＣ交互目封止ハニカ
ムフィルタにおける圧力損失の変動を示す。
【００５１】まず、従来のコージェライトフィルタを本
発明に係るＳｉＣフィルタと同一セル構造で比較する。
従来のコージェライトフィルタにおいて、排気ガス中に
含まれるパティキュレートを該フィルタにより所定量捕
捉すると、図１０の曲線Ｐｃで示すように、排気ガス中
に含まれるパティキュレートの捕集による圧力損失の変
動が約３８０(Ｃの排気ガス温度Ｔｃ、すなわち１７５
０ｍｍＡｑ以上の圧力損失(Ｐで平衡状態になる。平衡
状態で所定時間経過後、排気ガス温度Ｔｃを所定のレベ
ルまで上昇させてパティキュレートを燃焼すると、圧力
損失が大きく減少する。この圧力損失の大きな変動Ｐｃ
は運転時に不快なフィーリングをもたらす。特に、運転
者がアクセルペダルを踏み込んで排気ガス温度Ｔを上昇
させると、パティキュレートの急激な燃焼と共に圧力損
失が急減少するため、運転者の予期せぬ状況でエンジン
回転が上昇してしまう。
【００５２】コージェライトフィルタと同一のセル構造
を有する本発明に係るＳｉＣ交互目封止ハニカムフィル
タでは、パティキュレートを該フィルタによりコージェ
ライトフィルタと同じ量まで捕捉すると、図１０の曲線
Ｐ１で示すように、圧力損失の変動が約３８０(Ｃの排
気ガス温度Ｔ１、すなわち１２５０ｍｍＡｑの圧力損失
(Ｐで平衡状態になる。前記コージェライトフィルタの
場合と同様の方法で排気ガス温度Ｔ１を所定レベルまで
上げてパティキュレートを燃焼させても、圧力損失の変
動は小さく、運転時に不快なフィーリングをもたらすこ
とはない。
【００５３】次に、ＳｉＣフィルタのセル構造を１７／
１００から１４／２００または１２／３００に変えた場
合、同一量のパティキュレートを捕捉した際の圧力損失
の変動は約３８０(Ｃの排気ガス温度Ｔで、約９５０ｍ
ｍＡｑまたは７００ｍｍＡｑの圧力損失(Ｐで平衡状態
になる。すなわち、セル壁厚さが薄くなり、セル数が多
くなるにつれて、平衡圧力損失の値が低くなり、圧力損
失の変動が小さくなる。
【００５４】図１０から明らかなように、圧力損失の変
動が平衡状態になった際に捕捉されたパティキュレート
の量は上記フィルタのいずれにおいても同一で、フィル
タのセル構造が細かくなるにつれて平衡圧力損失の値が
小さくなる。また、排気ガス温度を上げてパティキュレ
ートを燃焼させると、上記フィルタのすべてにおいて同
一処理時間内で圧力損失がほぼ同一レベルまで戻る。さ
らに、圧力損失のレベルが低くなるにつれて、圧力損失
の変動が小さくなる。これらのことから、燃費を向上さ
せるためには、排気ガス浄化用ハニカムフィルタとして
低レベルの圧力損失を有するフィルタを用いるのが好ま
しい。
【００５５】図１１は、従来のコージェライトフィルタ
および本発明に係るＳｉＣフィルタにおけるセル壁中の
気孔径分布を示す。この場合、実線ＡはＳｉＣフィルタ
のセル壁に対応するもので、一点鎖線Ｂは従来のコージ
ェライトフィルタのセル壁に対応するものである。図１
１から明らかなように、コージェライトフィルタは気孔
径の小さい側と大きい側との２箇所に存在率のピークを
有し、ＳｉＣフィルタは存在率として単一のシャープな
ピークを有する。これは、ＳｉＣフィルタがほぼ均一な
気孔径を有する構造であるのに対し、コージェライトフ
ィルタが均一でない気孔径分布を有する構造であること
を示す。
【００５６】ＳｉＣフィルタにおけるセル壁の内部構造
を図１２（ａ）に示し、従来のコージェライトフィルタ
におけるセル壁の内部構造を図１２（ｂ）に示す。図１
３（ａ）から明らかなように、ほぼ均一な気孔径を有す
る気孔ｈがＳｉＣフィルタのセル壁内で互いに連通し、
排気ガス等の流体を通し易い。従来のコージェライトフ
ィルタにおいては、図１３（ｂ）に示すように、種々の
気孔径を有する気孔ｈがセル壁内で互いに連通する一
方、径寸法のより小さな気孔ｈｃがその中に独立して存
在する。
【００５７】従来のコージェライト交互目封止ハニカム
フィルタの場合、パティキュレートがセル壁上にまだ堆
積していない状態では、該セル壁内で相互に連通した気
孔が前述した式（１）の(Ｐ３の低下に寄与し、あらゆ
る流速Ｖａで初期圧力損失(Ｐｉを小さくする。しか
し、排気ガスが該フィルタ中を徐々に通過するにつれ
て、該排気ガス中に含まれるパティキュレートが、セル
壁の表面近くで大きな気孔径を有する気孔が存在する該
セル壁の表面部分に集中的に堆積してかかる表面部分を
覆うので、セル壁の表面近くで比較的小さな気孔径を有
する気孔が圧力損失の低下に寄与するけれども、パティ
キュレートで覆われた径の大きな気孔部分の排気ガスの
通過が妨げられて圧力損失が急激に増加する。
【００５８】これに対し、コージェライトフィルタと同
一のセル構造を有する本発明に係るＳｉＣ交互目封止ハ
ニカムフィルタの場合、初期圧力損失(Ｐｉはコージェ
ライトフィルタと同等である。しかし、セル壁中で相互
連通した気孔の寸法がほぼ一定で、気孔径分布が均一な
ため、排気ガスを該フィルタに通す際、該排気ガス中に
含まれるパティキュレートがセル壁の全面にわたって均
等に堆積するので、コージェライトフィルタにおけるよ
うな急激な圧力損失の増加を生じない。また、圧力損失
の値もコージェライトフィルタのものより低くなる。
【００５９】図１３に、一辺が３３ｍｍ、長さが１５０
ｍｍで、１７／１００，１４／２００または１２／３０
０のセル構造Ｃｓ（ｍｉｌ／ｃｐｉ）を有するＳｉＣ交
互目封止ハニカムフィルタにおける初期圧力損失(Ｐｉ
（ｍｍＡｑ）と２０(Ｃの温度でのエア流速Ｖａ（ｍ／
ｓｅｃ）との関係を示す。図１３から明らかなように、
初期圧力損失はフィルタに供給されるエア流速に比例す
る。また、初期圧力損失の値は、セル数が大きく、セル
壁厚さが薄くなるにつれて低下する。換言すれば、初期
圧力損失の値が低くなるにつれて、フィルタ中のエアの
通過が一層容易になる。これは、図１０に示す結果に当
てはまる。すなわち、初期圧力損失の値が低くなるにつ
れて、圧力損失の変動が小さくなる。
【００６０】図１４に、排気ガスに含まれるパティキュ
レートを１４／２００のセル構造Ｃｓ（ｍｉｌ／ｃｐ
ｉ）を有するＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタにより
捕捉する際の該フィルタの直径(の圧力損失(Ｐに及ぼす
影響を時間の経過で示す。この場合、曲線Ｐ４はフィル
タ直径(が１４４ｍｍの場合、曲線Ｐ５はフィルタ直径
(が１６５ｍｍの場合、曲線Ｐ６はフィルタ直径(が１９
０ｍｍの場合を示す。図１４から明らかなように、フィ
ルタの容積が大きくなると、圧力損失およびその変動を
小さくすることができる。
【００６１】前述したように、フィルタの総体積は使用
する内燃機関の総排気量により決まる。本発明において
は、フィルタのセル構造が同一の場合、フィルタの総体
積を内燃機関の総排気量の１／４−２倍に設定するのが
好ましい。総体積が総排気量の１／４倍未満の場合、図
１４から明らかなように、圧力損失(Ｐが大きくなりす
ぎて燃費の悪化が著しい。他方、総体積が総排気量の２
倍を超えると、圧力損失を小さくすることができるが、
フィルタを含む排気ガス浄化装置の総体積が大きくなり
すぎ、かかる装置を内燃機関の排気通路内に配置するこ
とができない。
【００６２】図１５は、所定量（１０ｇ／Ｌ）のパティ
キュレートをＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタで捕捉
後、該フィルタの再生率を８０％以上にするための排気
ガス中の酸素濃度（％）とパティキュレート燃焼温度
（℃）との関係を示すグラフである。この場合、ＳｉＣ
フィルタはセル構造Ｃs（ｍｉｌ／ｃｐｉ）＝１４／２
００を有し、排気ガスの代替品として種々の酸素濃度を
有する再生ガスを１５０(Ｃの温度でかつ２．５ｍ／ｓ
ｅｃの流速で導入してパティキュレートの燃焼によるフ
ィルタの再生率を調査したものである。ここで、再生率
とは再生ガス導入後のフィルタ重量の再生ガス導入前の
フィルタ重量に対する比率ｘ１００（％）である。
【００６３】図１５において、曲線ａの斜線領域は、燃
料添加剤を含有する軽油をディーゼルエンジンに用いた
場合のＳｉＣフィルタに堆積したパティキュレートを予
熱プラグ３４により燃焼した際のフィルタの再生率が８
０（％）以上の領域であり、曲線ｂの斜線領域は、燃料
添加剤を含有しない軽油のみをディーゼルエンジンに用
いた場合のＳｉＣフィルタに堆積したパティキュレート
をヒータにより燃焼した際のフィルタの再生率が８０
（％）以上の領域である。
【００６４】図１５の曲線ｂから明らかなように、従来
技術のように軽油のみを使用する場合、８０％以上のＳ
ｉＣフィルタ再生率を達成するためには、排気ガス中の
酸素濃度は少なくとも１５％以上を必要とし、またパテ
ィキュレートを燃焼するためにヒータによりフィルタを
約６５０(Ｃ以上に加熱する必要がある。これに対し、
図１５の曲線ａから明らかなように、本発明において
は、燃料添加剤を含有する軽油を用いるので、８０％以
上のＳｉＣフィルタ再生率を達成するためには、パティ
キュレートの燃焼温度が少なくとも１５０(Ｃであれば
よく、また排気ガス中の酸素濃度も３％という低い値で
も予熱プラグまたはヒータの使用により曲線ｂに比し著
しく低い温度でフィルタを加熱すれば十分である。
【００６５】なお、図４に示した実施形態によれば、フ
ィルタの体積を増大させることなくフィルタを従来寸法
のままで利用することができるので、図示例の排気ガス
浄化装置の再生システムは、特に排気量の大きな車両、
例えば、１２リッタークラスのバス、トラックに有効で
ある。但し、図示例は３個の再生ユニットよりなる分岐
構造で説明したが、図１６（ａ）に示すように排気通路
１１間に２個の再生ユニットを並列に配した分岐構造
や、図１６（ｂ）に示すように排気通路１１間に単独の
再生ユニットが介在する構造であってもよい。
【００６６】図１６（ａ）の二分岐構造は、例えば７リ
ッタークラスのトラックに用いられ、その再生システム
の制御は、上述した三分岐構造と同様の方法で行うこと
ができる。すなわち、コントロールユニット（図示せ
ず）からの指令により個々の流量調整弁２６および予熱
プラグ３４を制御することにより、流量調整弁２６を開
放した一方の再生ユニット内のフィルタで排気ガスを浄
化する間、流量調整弁２６を閉じた他方の再生ユニット
内のフィルタを予熱プラグ３４により加熱して該フィル
タを再生するものである。
【００６７】また図１６（ｂ）の単独構造は、例えば、
３リッタークラスの乗用車に用いられ、その再生システ
ムの制御は、排気ガスの浄化と再生とが同時に行われる
構造であるため、流量調整弁を用いることなく、予熱プ
ラグ３４のＯＮ，ＯＦＦのみで行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の排気ガス浄化用交互目封止コージェライ
トハニカムフィルタを例示する模式断面図である。
【図２】フィルタのセル構造と、代表的な諸元、幾何学
的表面積および開口率の関係を示すグラフである。
【図３】従来の排気ガス浄化用交互目封止コージェライ
トハニカムフィルタにおいて燃料添加剤の有無を考慮し
た場合に生じる圧力損失を、該フィルタ内の温度と時間
の関数で示したグラフである。
【図４】本発明の排気ガス浄化装置の再生システムの第
一実施形態を示すブロック図である。
【図５】図４に示した本発明の再生システムの要部断面
図である。
【図６】（ａ）は、本発明の排気ガス浄化用ＳｉＣ交互
目封止ハニカムフィルタを示した斜視図である。（ｂ）
は、図６（ａ）に示したＳｉＣ交互目封止ハニカムフィ
ルタの部分正面図である。
【図７】（ａ）は、加熱手段として用いたセラミック予
熱プラグの一部断面で示す線図である。（ｂ）は、加熱
手段として用いた金属予熱プラグの一部断面で示す線図
である。
【図８】セラミック予熱プラグおよび金属予熱プラグそ
れぞれの特性を比較した特性図である。
【図９】排気ガス浄化装置における排気ガス浄化用触媒
の有無により所定圧力損失が生じるまでの時間周期を示
すチャートである。
【図１０】燃料添加剤を含有する軽油を使用した場合の
ＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタに生じる圧力損失
と、コージェライト交互目封止フィルタに生じる圧力損
失とを比較したグラフである。
【図１１】従来のコージェライトフィルタおよび本発明
に係るＳｉＣフィルタにおけるセル壁中の気孔径分布を
示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、本発明に係るＳｉＣフィルタにお
けるセル壁の内部構造を示した模式断面図である。
（ｂ）は、従来のコージェライトフィルタにおけるセル
壁の内部構造を示した模式断面図である。
【図１３】ＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタにおける
初期圧力損失とエア流速との関係を示すグラフである。
【図１４】燃料添加剤含有軽油を使用した場合のＳｉＣ
交互目封止ハニカムフィルタの直径φの圧力損失に及ぼ
す影響を示すグラフである。
【図１５】本発明と従来技術とを比較し、８０％以上の
フィルタ再生率を達成するのための排気ガス中の酸素濃
度とパティキュレートの燃焼温度との関係を示すグラフ
である。
【図１６】（ａ）は、本発明に係る再生システムの別の
実施形態を示した模式図である。（ｂ）は、本発明に係
る再生システムの他の実施形態を示した模式図である。
【符号の説明】
１１ 排気通路 ２０ 排気ガス浄化装置 ２２ ＳｉＣ交互目封止ハニカムフィルタ ２３ 排気ガス流通孔 ２３ａ 封止部材 ２３ｂ 断熱材 ２４ 加熱手段 ３４ａ セラミック予熱プラグ ３４ｂ 金属予熱プラグ ３２ コージェライト交互目封止ハニカムフィルタ ３３ 排気ガス流通孔 ３３ａ 封止部材 ３５ 導電性セラミック ３６ 発熱コイル ４０ コントロールユニット ４２ 入力部 ４４ ＣＰＵ ４６ ヒータ動作制御部 ４８ 出力部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田岡 紀之 岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１の１ イビデ ン株式会社大垣北工場内 (72)発明者 洪 性秦 岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１の１ イビデ ン株式会社大垣北工場内 (72)発明者 小森 照夫 岐阜県揖斐郡揖斐川町北方１の１ イビデ ン株式会社大垣北工場内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路中に配置され、排気
    ガス中に含有されるパティキュレートを捕捉する排気ガ
    ス浄化用ハニカムフィルタを具えた排気ガス浄化装置
    と、該排気ガス浄化装置を再生するためのフィルタ加熱
    手段とからなる排気ガス浄化装置の再生システムにおい
    て、 前記内燃機関に燃料添加剤を含有する燃料を適用し、 前記排気ガス浄化用ハニカムフィルタが、多孔質炭化珪
    素焼結体で形成され、単位平方インチ当りのセル数が１
    ００個以上、セル壁の厚みが０．４３ｍｍ以下のセル構
    造を有する交互目封止ハニカムフィルタであり、 前記フィルタ加熱手段がヒータおよび予熱プラグのいず
    れかであることを特徴とする排気ガス浄化装置の再生シ
    ステム。
  2. 【請求項２】 前記予熱プラグが、セラミック予熱プラ
    グであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄
    化装置の再生システム。
  3. 【請求項３】 前記排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
    は、該フィルタの総体積が前記内燃機関における総排気
    量の１／４〜２倍であることを特徴とする請求項１また
    は２に記載の排気ガス浄化装置の再生システム。
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