JP2001280120A - ディーゼルパティキュレートフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フィルターで捕集しながら、部分的に堆積した
ＰＭを通電により加熱して燃焼させて再生処理すること
により、ＰＭ再生を低エネルギーで行うことができるデ
ィーゼルパティキュレートフィルターを提供する。 【解決手段】ディーゼルエンジン11の燃焼排ガス中のパ
ティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレート
フィルター１，１Ａであって、パティキュレート捕集手
段４，７を正負交互に配設された電極３，６の間に設け
ると共に、該電極３，６によって前記パティキュレート
捕集手段４，７により捕集されたパティキュレートに通
電することによって、捕集されたパティキュレートを加
熱し燃焼させて、前記パティキュレート捕集手段４，７
を再生させるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気ガ
ス浄化装置に使用されるディーゼルパティキュレートフ
ィルターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンから排出されるパテ
ィキュレート（ＰＭ：微粒子状物質）の排出量は、ＮＯ
ｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきて
おり、この厳しくなる規制値に対して、エンジンの改良
だけでは対応が困難になってきている。

【０００３】そのため、エンジンから排出される排ガス
中のＰＭをＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィル
ター：Diesel Particulate Filter ）と呼ばれるフィル
ターで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する
技術が開発されている。

【０００４】このＰＭを直接捕集するフィルターには、
セラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイ
プのフィルターや、セラミックや金属を繊維状にした繊
維型フィルタータイプのフィルター等がある。

【０００５】しかし、このＰＭ捕集用のフィルターは、
ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの
量に比例して排ガス圧力が上昇するので、捕集したＰＭ
を電気ヒーターやバーナー等の熱源で加熱して燃焼した
り、あるいは、逆洗用圧縮空気等により再生処理して、
フィルターからＰＭを除去する必要がある。

【０００６】図１２に、従来技術の電気ヒーター加熱タ
イプのＤＰＦフィルターを使用した排ガス浄化装置30の
一例を示す。この例では、エンジン11から出た排気管15
は二系統の第１排気管31ａと第２排気管31ｂに別れる。
この両方の排気管31ａ，31ｂには、それぞれ第１シャッ
ターバルブ32ａと第２シャッターバルブ32ｂ、第１電気
加熱ヒーター33ａと第２電気加熱ヒーター33ｂ、第１フ
ィルター34ａと第２フィルター34ｂが設けられており、
その下流で両系統の第１排気管31ａと第２排気管31ｂは
合流し、消音器12に接続している。

【０００７】この従来の排ガス浄化装置30では、図１２
に示すように、先ず、第１排気管31ａの第１シャッター
バルブ32ａを開けて燃焼排ガスＧを第１フィルター34ａ
に流し、この第１フィルター34ａでＰＭを捕集する。こ
の排ガス浄化装置30では、第１及び第２フィルター34
ａ，34ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネ
ルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型
ウオールフロータイプのフィルターで形成されているの
で、燃焼排ガスＧ中のＰＭは多孔質のセラミックの壁で
トラップされ捕集される。なお、繊維型フィルタータイ
プを採用した場合には、フィルターの繊維でＰＭをトラ
ップして捕集する。

【０００８】そして、この時、もう一方の第２排気管31
ｂでは、第２シャッターバルブ32ｂを閉じ、燃焼排ガス
Ｇの導入を止めると共に第２電気ヒーター33ｂに通電し
て第２フィルター34ｂを加熱し、それと共に、排ガス制
御弁35の弁開度を調整して適量の燃焼排ガスＧを第２フ
ィルター34ｂ側に導入し、ＰＭ再燃焼用の酸素を供給
し、この酸素量の調整によりＰＭの燃焼状態を制御しな
がら、事前に捕集したＰＭを燃焼して、第２フィルター
34ｂを再生する。

【０００９】この第１及び第２シャッターバルブ32ａ，
32ｂの開閉の切替えは、ＰＭを捕集しているフィルター
にＰＭが溜まり、規定の排気圧力以上に排圧が上昇した
時に行い、順次、第１及び第２シャッターバルブ32ａ，
32ｂの開閉の切替えによって、燃焼排ガスＧが流れる流
路31ａ，31ｂを切替えて、また、この切替えに応じて再
生側の第１及び第２電気ヒーター33ａ，33ｂへの通電を
切替えることにより再生と捕集を繰り返しながら継続し
ていく。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この図
１２に例示したような従来技術の排気ガス浄化装置で
は、排気系を二系統を設けて、交互にＰＭ捕集と再生と
を別々の独立した排気系で行う構成であるため、排気浄
化システムが大型で複雑になるという問題と、また、可
動部を有する切替えバルブ等が有るため耐久性の面にお
ける問題がある。

【００１１】また、排気通路を二系統設けているため
に、一つのフィルターのＰＭ捕集量が多くなってしまう
ので、再燃焼の時の燃焼制御が難しくなるという問題が
ある。

【００１２】更に、電気ヒーターによる再生加熱では、
フィルター全体を同時に加熱しているので、加熱に要す
る電気エネルギーが大きくなり、エンジンシステムの全
体としての効率が低下するという問題がある。

【００１３】その上、排圧上昇を検知してから加熱再生
を行なうので、エンジンの燃費が悪化する。特に、排ガ
ス流量、温度等のエンジンの運転条件によって再生能力
が影響されるので、安定したＰＭ再生を行なうことがで
きないという問題がある。

【００１４】一方、発明者らは、ＰＭ中の炭素（スス）
は導電性であるので、この性質を利用して、捕集したＰ
Ｍに直接高電圧を加えることにより、ＰＭ自体に電流を
流すことができ、この電流により加熱すれば、ＰＭを燃
焼させることができると考えた。

【００１５】本発明は、この知見を得て、上述の問題を
解決するためになされたものであり、その目的は、フィ
ルターで捕集しながら、部分的に堆積したＰＭを通電に
より加熱して燃焼させて再生処理することにより、ＰＭ
再生を低エネルギーで行うことができるディーゼルパテ
ィキュレートフィルターを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するためのディーゼルパティキュレートフィルターは、
次のように構成される。

【００１７】１）ディーゼルエンジンの燃焼排ガス中の
パティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレー
トフィルターであって、パティキュレート捕集手段を正
負交互に配設された電極の間に設けると共に、該電極に
よって前記パティキュレート捕集手段により捕集された
パティキュレートに直接通電することによって、該捕集
されたパティキュレートを直接加熱し燃焼させて、前記
パティキュレート捕集手段を再生させるように構成す
る。

【００１８】２）前記電極は、正負交互に積層して配設
された電極板からなり、前記パティキュレート捕集手段
は前記電極板の間に設けられた非導電性繊維からなる。

【００１９】３）前記電極は、正負交互に配設された電
極線からなり、前記パティキュレート捕集手段は前記電
極線を被覆する糸状の非導電性繊維からなる。

【００２０】以上の構成によれば、接近して設置した積
層電極板や電極板等の電極の間に高電圧を印加しておく
ことにより、ＰＭ中の炭素（スス）の導電性を利用し
て、この電極の間に捕集したＰＭに、直接電流を流すこ
とができ、しかも、この電流はＰＭ捕集量の増加により
増加し発熱量も大きくなるので、捕集ＰＭを加熱して燃
焼することができる。

【００２１】これにより、ＰＭ捕集量が所定の値以上に
なって通電量が多くなった部分のみを加熱再生して、フ
ィルターの再生を行うことができる。

【００２２】そのため、フィルターで捕集しながら、部
分的に堆積したＰＭを燃焼させて再生処理ができるの
で、低エネルギーでＰＭ再生が行えることになり、ま
た、再生用と捕集用の二系統の排気通路を廃止できるの
で、フィルターシステムの小型化が可能となる。

【００２３】また、捕集量が多くなると自動的にその部
分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルター全
体の圧力損失が大きくならず、排圧上昇が少ないという
効果も得られる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明のデ
ィーゼルパティキュレートフィルターの実施の形態につ
いて説明する。

【００２５】〔第一の実施の形態〕本発明の第一の実施
の形態のディーゼルパティキュレートフィルターは、電
極板型高電圧再生フィルターとも言うべきものである。

【００２６】このディーゼルパティキュレートフィルタ
ー１は、図１〜図３に示すように、セラミック等の絶縁
物質で形成された円筒状のフィルター支持台２に、正負
交互に配設された積層電極板３と、これらの電極板３の
間に配置した長繊維フィルター部４を支持して構成され
る。

【００２７】このフィルター支持台２は円筒の円周壁２
ａに通気に十分な大きさと個数を持つ通気穴２ｂが開口
し、一端側に開放して排ガス入口２ｃを設け、他端側は
閉鎖して形成する。

【００２８】この長繊維フィルター部４は、円周壁２ａ
の外周に、セラミックファイバー長繊維５の毛羽立った
糸を一定の厚さで巻き付けて、ＰＭを捕集するように形
成する。

【００２９】また、電極板３は、長繊維フィルター部４
を挟んで、一定間隔で設置される。この各電極板３は、
電気配線３ａにより正（＋）負（−）交互に電圧を加え
て、長繊維フィルター部４に捕集されたＰＭに通電でき
るように構成する。

【００３０】次に、このディーゼルパティキュレートフ
ィルター１のＰＭ捕集、再燃焼のメカニズムを図４と図
５で説明する。

【００３１】図４に示すように、エンジンから排出され
た排ガスＧは、フィルター支持台２の開放端の排ガス入
口２ｃから入り、通気穴２ｂ経由で内側から外に抜ける
時に長繊維フィルター部４を通過し、セラミックファイ
バー長繊維５によってＰＭが捕集される。これにより、
排ガス中のＰＭが除去され排ガスが浄化される。

【００３２】このセラミックファイバー長繊維５は電気
抵抗が大きいので、ＰＭが捕集されていない時には、積
層電極３間には電流が流れず、通電による発熱も電気消
費も生じない。

【００３３】そして、ＰＭは電気抵抗が低く導電性があ
るため、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰ
Ｍがある程度蓄積すると、図５に示すように、ＰＭの捕
集量に応じて積層電極３間に電流が流れるので、ある一
定以上のＰＭが捕集されるとその部分の電流が大きくな
り、発熱量が増え温度が高くなり、セラミックファイバ
ー長繊維５に捕集されたＰＭを燃焼除去して長繊維フィ
ルター部４の捕集能力と通気性能を再生させる。

【００３４】このＰＭの燃焼は、通電によりＰＭが燃焼
する６００℃以上の温度に上昇させて、流入して来る燃
焼排ガスＧ中に含まれる少量の酸素を使用して、再燃焼
することにより行われる。

【００３５】〔第二の実施の形態〕本発明の第二の実施
の形態のディーゼルパティキュレートフィルター１Ａ
は、電極線型高電圧再生フィルターとも言うべきもので
ある。

【００３６】このディーゼルパティキュレートフィルタ
ー１Ａは、図６〜図７に示すように、金属等の物質で形
成された円筒状のフィルター支持台２Ａに、線状のフイ
ルター部材７を巻き付けて形成する。

【００３７】このフィルター支持台２Ａは円筒の円周壁
２ａに通気に十分な大きさと個数を持つ通気穴２ｂを開
口し、一端側に開放して排ガス入口２ｃを設け、他端側
は閉鎖する。

【００３８】また、この線状のフィルター部材７は、図
９に示すように、中心に電極線６を配置すると共に、こ
の電極線６を長繊維セラミック繊維のセラミックファイ
バー長繊維５の毛羽立った糸を一定の厚さで巻き付けて
で被覆して形成する。

【００３９】この中心に電極線６を有するフィルター部
材７を、フィルター支持台２Ａに巻き付けているので、
電極線６は一定間隔でセラミックファイバー長繊維５を
挟んで設置される。そして、この電極線６に対して、正
（＋）負（−）電圧を交互に加えて隣接する電極線６の
間に電圧が生じるように構成する。

【００４０】このディーゼルパティキュレートフィルタ
ー１ＡのＰＭ捕集、再燃焼のメカニズムを図７と図８で
説明する。

【００４１】図７に示すように、エンジンから排出され
た排ガスＧは、フィルター支持台２Ａの開放端の排ガス
入口２ｃから入り、通気穴２ｂ経由で内側から外に抜け
る時にフィルター部材７の外側のセラミックファイバー
長繊維５の部分を通過し、排ガスＧ中のＰＭが捕集され
る。これにより、排ガス中のＰＭが除去され排ガスが浄
化される。

【００４２】このセラミックファイバー長繊維５は電気
抵抗が大きいので、ＰＭが捕集されていない時には、電
極線６の間には電流が流れず、通電による発熱も電気消
費も生じない。

【００４３】そして、ＰＭは電気抵抗が低く導電性があ
るため、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰ
Ｍがある程度蓄積すると、図８に示すように、ＰＭの捕
集量に応じて電極線６間に電流が流れるので、ある一定
以上のＰＭが捕集されるとその部分の電流が大きくな
り、発熱量が増え温度が高くなり、セラミックファイバ
ー長繊維５に捕集されたＰＭを燃焼除去して、セラミッ
クファイバー長繊維５の捕集能力と通気性能を再生させ
る。

【００４４】次に、これらのディーゼルパティキュレー
トフィルター１，１Ａを車両排気系に設置した場合のレ
イアウトを図１１に示す。このディーゼルパティキュレ
ートフィルター１，１Ａは他のフィルターシステムと同
様にエンジン11と消音器12の間の排気管15の途中に設置
される。

【００４５】そして、その位置は、再生エネルギーを考
慮するとエンジン11に近い位置が望ましい。また、ＰＭ
が捕集され、所定の捕集量以上になると、積層電極板３
や電極線６の間の電気抵抗がＰＭによって低下し通電が
生じ、その部分のＰＭが発熱して燃焼し再生が行われる
ように、積層電極板３や電極線６へ常時電圧をかけてお
くように構成する。

【００４６】この再生用の通電の制御について説明す
る。

【００４７】この電極への印加電圧は昇圧器によって電
圧を上げているが、この印加電圧はＰＭ捕集量やエンジ
ンの排気ガスの出口側排圧を検出ししながら、効率よく
ＰＭの再燃が生じるように、電子制御される。

【００４８】図１０に印加電圧電子制御フローチャート
を示す。このような印加電圧の制御により、エンジンの
運転状態を示すエンジン回転、負荷等から排出ＰＭ量を
算出して、ＰＭの多い運転条件が続く場合には、加電圧
を上げ、ＰＭの再生を早めるように制御される。

【００４９】この図１０に例示した印加電圧の制御フロ
ーについて説明する。

【００５０】この制御フローがスタートすると、ステッ
プＳ10で、初期印加電圧を印加し、ステップＳ11で排出
ＰＭ量を初期化する。次に、ステップＳ12で回転数セン
サや負荷センサや圧力センサの出力値を読み込む。ステ
ップＳ13でこの出力値の回転数や負荷から排出ＰＭ量を
算出し、この排出ＰＭ量から排出ＰＭ量を積算する。

【００５１】これらの値を使用して、ステップＳ14とス
テップＳ15で排圧と所定圧、排出ＰＭ量と所定量を比較
し、排圧が所定圧より大きく、かつ、排出ＰＭ量が所定
量より大きい場合に、ステップＳ16に行き、そうでない
場合には、ステップＳ12に戻る。

【００５２】ステップＳ16で電極印加電圧の上昇の指示
を出力した後、ステップＳ17で高電圧通電時間カウンタ
をゼロにセットする。そして、ステップＳ18で高電圧通
電時間をカウントし、ステップＳ19で高電圧通電時間が
所定時間以上か否かをチェックし、所定時間以上になっ
たら、ステップＳ20でキーがＯＦＦか否かを判定し、Ｏ
ＦＦでなけば、ステップＳ10に戻り、ＯＦＦであれば、
制御をストップする。る。

【００５３】なお、図示していないが、制御の途中にお
いても適当な時間間隔で、キーのＯＮ／ＯＦＦをチェッ
クしてＯＦＦであれば、制御をストップするように構成
する。

【００５４】以上の構成のディーゼルパティキュレート
フィルター１，１Ａによれば、フィルター１，１Ａ全体
を加熱することなく、堆積したＰＭを直接発熱させて加
熱することができる。そのため、低エネルギーでＰＭ再
生を行うことができる。

【００５５】また、ＰＭ捕集量が多くなると自動的にそ
の部分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルタ
ー全体の圧力損失が大きくなることを防止でき、フィル
ターをＰＭ捕集中に再生処理できるので、再生用と捕集
用の二経路のフィルターシステムが必要なくなり、機構
が単純化し、フィルターシステムを小型化できる。

【００５６】また、耐久性等の面で問題となる切替えバ
ルブ等の可動部を無くすことができる。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るディーゼル
パティキュレートフィルターによれば、次のような効果
を奏することができる。

【００５８】フィルター全体を加熱せず、ＰＭ捕集量が
所定の値以上になって通電量が多くなった部分のみを加
熱再生するので、低エネルギーでＰＭ再生を行うことが
できる。

【００５９】また、捕集量が多くなると自動的にその部
分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルター全
体の圧力損失が大きくならないので、排圧上昇が少な
く、エンジンの燃費の悪化が少ない。

【００６０】そして、フィルターをＰＭを捕集中に再生
できるので、再生用と捕集用の二経路のフィルターシス
テムが必要なくなり、機構が単純化し、フィルターシス
テムを小型化でき、また、切替えバルブ等の可動部が無
くなるので、耐久性等の問題を生じない。

【００６１】この小型化により、従来は適用が困難であ
った小型ディーゼル自動車に対してもディーゼルパティ
キュレートフィルターシステムを使用できるようにな
る。

【００６２】そして、従来技術の最大の欠点である、排
ガス流量、温度等のエンジンの運転条件によって再生能
力が影響され、安定したＰＭ再生が行われないという問
題点を解決し、どんな運転条件でも、何時でも安定した
確実なＰＭ再生を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態のディーゼルパ
ティキュレートフィルターの構成図である。

【図２】図１のディーゼルパティキュレートフィルター
の構造を示す分解構成図である。

【図３】図１のディーゼルパティキュレートフィルター
の構造を示す断面図である。

【図４】図１のディーゼルパティキュレートフィルター
による排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的
部分断面図で、ＰＭが捕集されない時を示す。

【図５】図１のディーゼルパティキュレートフィルター
による排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的
部分断面図で、ＰＭが捕集されている時を示す。

【図６】本発明に係る第２の実施の形態のディーゼルパ
ティキュレートフィルターの構造を示す断面図である。

【図７】図６のディーゼルパティキュレートフィルター
による排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的
部分断面図で、ＰＭが捕集されない時を示す。

【図８】図６のディーゼルパティキュレートフィルター
による排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的
部分断面図で、ＰＭが捕集されている時を示す。

【図９】図６のディーゼルパティキュレートフィルター
に使用されるフィルター部材の構成を示す図である。

【図１０】本発明に係るディーゼルパティキュレートフ
ィルターを使用した場合の印加電圧の制御フローを示す
フローチャートである。

【図１１】排気ガス浄化装置の配置位置を示す自動車の
構成図である。

【図１２】従来技術の排気ガス浄化装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１，１Ａ ディーゼルパティキュレートフィルター ２，２Ａ フィルター支持台 ３ 積層電極板（電極） ４ 長繊維フィルター部（パティキュレート捕集手段） ５ セラミックファイバー長繊維 ６ 電極線（電極） ７ フイルター部材（パティキュレート捕集手段） 11 ディーゼルエンジン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G090 AA02 BA04 CB12 CB13 DA03 DA18 DA20 4D058 JA02 JA12 JB02 MA42 MA51 SA08 UA01 UA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンの燃焼排ガス中のパ
   ティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレート
   フィルターであって、パティキュレート捕集手段を正負
   交互に配設された電極の間に設けると共に、該電極によ
   って前記パティキュレート捕集手段により捕集されたパ
   ティキュレートに通電することによって、該捕集された
   パティキュレートを加熱し燃焼させて、前記パティキュ
   レート捕集手段を再生させることを特徴とするディーゼ
   ルパティキュレートフィルター。
2. 【請求項２】 前記電極は、正負交互に積層して配設さ
   れた電極板からなり、前記パティキュレート捕集手段は
   前記電極板の間に設けられた非導電性繊維からなること
   を特徴とする請求項１記載のディーゼルパティキュレー
   トフィルター。
3. 【請求項３】 前記電極は、正負交互に配設された電極
   線からなり、前記パティキュレート捕集手段は前記電極
   線を被覆する糸状の非導電性繊維からなることを特徴と
   する請求項１記載のディーゼルパティキュレートフィル
   ター。