JP2004522887A - ホット・スポット・セラミック製点火装置を備えた内燃エンジンの排気ガスを純化するための微粒子フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスを純化するための微粒子フィルタに関するものである。
【解決手段】フィルタ本体と、フィルタ本体上もしくはその内部に蓄積された煤の粒子の燃焼を開始するための加熱手段を備えている。本発明は、前記手段が少なくともホット・スポット・セラミック製点火装置（３）を備えていることを特徴とする。
【効果】本発明は、自動車業界に適用可能である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃エンジン、特に、自動車に取り付けるディーゼル・エンジンの排気ガスを純化する微粒子フィルタを再生するためのセラミック製点火装置の利用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル車が排出する粒子をろ過するためのフィルタ本体として蜂巣状多孔性構造を採用している。フィルタ本体は、通常、セラミック（コーディエライト、炭化珪素など）からなる。これらは、単体もしくは複数のブロックを組み合わせて構成される。後者の場合、ブロックをセラミック・セメントで互いに接着する。そして組立体は、取り付ける箇所に合わせて加工するが、通常は円形もしくは楕円形である。フィルタ本体は、一端もしくは他端が閉塞した複数の通路を有し、断面はさまざまな形状および寸法でよく、例えば、フランス国特許公開第Ａ−２７８９３２７号に示すように、金属製ケーシングに挿入する。
【０００３】
しかし、しばらく使用すると、フィルタ本体の通路、特に上流面には煤が蓄積し、フィルタ本体によるヘッド・ロスが増加し、それにより、エンジンの性能が低減する。そのため、フィルタ本体は定期的に再生する必要がある（例えば５００ｋｍ毎）。
【０００４】
再生は、煤を酸化することによって行う。これには、加熱が必要である。なぜなら、煤の自己点火温度は通常の操作条件下において６００℃程度であるのに対して、排気ガスの温度は３００℃程度にしか過ぎないからである。しかし煤の酸化反応に触媒作用を及ぼすために燃料に添加物を添加し、約１５０℃だけ自己点火温度を下げることもできる。排気ガス、フィルタ本体、もしくは煤を加熱することもできる。さまざまな技術が開発されてきたが、大量のエネルギーを消費するため、制御が難しいことが多かった。
【０００５】
近年の有利な研究によると、フィルタ本体の手前で局所的に加熱して、燃焼を開始し、フィルタ本体全体的に漸次伝播させる方法がある。この技術に関しては、例えば、フランス国特許公開第Ａ−２ ７７１ ４４９号およびドイツ連邦共和国特許公開第Ａ−１９５３０７４９号に開示されている。
【０００６】
フィルタ本体に蒸着した粒子を加熱する手段を、車両の電源に接続し、この手段は、例えば、ディーゼル・エンジン予熱器グロー・プラグから構成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
こうした加熱手段は、欠点が多い。まず、これらは、嵩が高く、フィルタ本体に対して位置決めするのが難しい。フランス国特許公開第Ａ−２ ７７１ ４４９号の図２には、加熱手段を煤に直接接触させて設置するのが不可能であることが明らかに示されており、フィルタ本体の芯との接触については尚更である。さらに、加熱手段があることによって、排気ガスが多数のフィルタ本体の通路に接近するのを阻み、それによってかなりの効率の低下が起こる。また、大量のエネルギーが消費され、再生装置は、温度が比較的ゆっくりと上昇するので、反応時間についても劣っている。
【０００８】
単純な電気部材のような他の加熱手段は適さない。なぜなら、温度は煤の燃焼中に、フィルタ内で１０００℃以上にも達する場合があるからであり、腐食による早期摩耗の問題が非常に深刻になるため、この温度および酸化条件下で使用できる材料は殆どない。
【０００９】
したがって、上記のような欠点のない、内燃エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスを純化するための微粒子フィルタの加熱手段が必要となる。
【００１０】
本発明の目的はこのニーズを満足するフィルタを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
さらに詳しくは、本発明の目的は、フィルタ本体と、該フィルタ本体を加熱するための加熱手段とを備え、該加熱手段が少なくとも１つのホット・スポット・セラミック製点火装置を備えてなることを特徴とする、内燃エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスを純化するための微粒子フィルタを提供することにある。
【００１２】
ホット・スポット・セラミック製点火装置は、いつでも入手可能であると共に小型であり、電流が流れると、局所的に非常に高温（１２００℃から１４００℃）になってガスに点火できるようになる。これら装置は、国内の機器、例えばガス調理器においてバーナーを点火するために使用されている。
ホット・スポット・セラミック製点火装置は、通常、炭化珪素のような抵抗の大きいセラミック材からなり、他のセラミックと混合されている場合もある。
【００１３】
これらの装置の電気抵抗と、その幾何学的形状との間の関係は、従来知られるものであり、セラミック製点火装置は多くの異なる形状に形成して使いやすくすることができる。例えば、ＮＯＲＴＯＮ ＭＩＮＩ−ＩＧＮＩＴＥＲ．（ノートン・ミニ・イグナイタ）があり、点火装置の幅は数ｍｍ、長さは２〜４ｃｍまでの範囲が可能である。
【００１４】
セラミック製点火装置の構造および製造に関する詳しい説明は、ノートン（ＮＯＲＴＯＮ）社の米国特許第５，１９１，５０８号、第５，０８５，８０４号、第５，０４５，２３７号、第４，４２９，００３号、および第３，９７４，１０６号に記載されている。
【００１５】
ホット・スポット・セラミック製点火装置は有利な点が多い。
【００１６】
まず、小型であり、フィルタにおいて新しく、そしてより有利な位置への配置が可能となる。煤に近い位置に配置すれば、これらの加熱手段は熱を最低限の損失で伝播することができる。
【００１７】
また、ホット・スポット・セラミック製点火装置は、加熱面の面積が小さく、全体的に適したセラミック材を使用しているため、エネルギーの消費が小さい。よって、フィルタが搭載された車両の電源装置によって電力の供給が可能である。
【００１８】
ホット・スポット・セラミック製点火装置は、装置にとって最も重要である反応時間が非常に短いという利点を有する。グロー・プラグを使用した場合、１０００℃に達するには１０〜４０秒かかったのに対し、セラミック製点火装置によると、わずか３〜６秒で同じ温度に達することができる。このことは、加熱の速度が十分な速さでないと、煤に点火されるというよりは煤が消費され、それによって、燃焼の伝播を阻むいわゆる障壁を形成することになるため、非常に重要な点である。さらに、フィルタの再生は、エンジンの運転状態が最適であるときにのみ指令され、通常開始される。再生の効率は、エンジンの運転状態に大きく関わる。反応時間が非常に短いと、再生過程を開始した時と、実際に煤に点火された時との間のエンジン操作条件の変化が大きくなるというリスクをかなりの程度低減することができる。
【００１９】
テストの結果、各点火装置の電力消費が低いということは、いくつかの点火装置を同時に使用できるということを意味する。点火装置の数は、その特性や、それらを使用するフィルタのタイプによって多くても少なくてもよい。
【００２０】
点火装置が小型であるということは、非常に正確に位置決めできるということを意味する。これは、従来の装置における通常はフィルタ本体の外周で、再生率が低いとされてきた領域をカバーできるという意味で特別有利である。これらの加熱源が小型であるということは、さらに、加熱源をフィルタ本体にできるだけ近い位置に配置でき、点火装置のホット・スポットとフィルタ本体またはその表面に蒸着した煤のいずれかとを直接接触させることさえもできるということを意味する。
【００２１】
前記フィルタ本体は、有利なことに、“組立ジョイント”として知られる、少なくとも１つの接着領域において互いに組み合わさった複数のフィルタ・ブロックを有し、少なくとも１つの前記点火装置は、前記領域の厚みの範囲内に配設される。
【００２２】
さらに、本発明は、微粒子フィルタの熱加工応力を緩和する方法において、前記フィルタの比較的冷たい領域を選択的に加熱し、前記応力を引き起こす温度の勾配を低減することができることを特徴とする方法を提供する。
【００２３】
最後に、本発明は、微粒子フィルタの熱加工応力を緩和する本発明による方法を実施するための装置において、前記領域の少なくとも１つを加熱するように構成された点火装置と、該点火装置を制御するためのコンピュータと、該コンピュータに情報を提供するように構成された、前記応力を評価するための手段とを備え、前記コンピュータは前記応力が特定の閾値を越えたときに前記点火装置の選択的点火を制御するようにプログラムが組まれていることを特徴とする装置を提供する。
【００２４】
本発明の利点については、下記の説明および添付の図面によってより明白に理解できよう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）および１（ｂ）は、金属製ケーシング２に収容されたフィルタ本体１を備えたフィルタを示す。フィルタ本体１は、図２（ｂ）にさらに明白に示すように、互いに接着し、多数の通路が貫通したブロックを備える。排気ガスは吸入口４を介して到着する。図示の２つの実施例において、４つのホット・スポット・セラミック製点火装置３（図１（ａ）および１（ｂ）には、２つのみ示す）が、金属製ケーシング２を貫通している。それらは、直交する面において、フィルタ（図１（ａ）参照）の長手方向の軸に対して斜めに、もしくはその軸（図１（ｂ）参照）に対して垂直に延長するように対になって配置されており、各点火装置のホット・スポット３′がフィルタ本体の上流面に近接して位置する。よって、発せられた熱と放射が煤を点火し、フィルタ本体全体に伝播することによってその燃焼を開始する。
【００２６】
図２（ａ）および２（ｂ）は、点火装置が金属製ケーシング２内のフィルタ本体１の直前に配置したリング５によって支持されている実施例を示す。リングをフィルタ本体に対して非常に正確に位置決めするには、通路が貫通したブロックを互いに接着してフィルタ本体を構成するのに使用したものと同じタイプのセラミック・セメントで接着すればよい。リング５は、フィルタ本体と同じ材料で、同じ断面に形成できる。この例では、断面は、図２（ｂ）に明確に示すように円形である。４つのセラミック製点火装置３が同じ角度ずつ間隔を開けて、例えば図２（ｂ）に明白に示すように、リング５の内周上に配置してある。この図は、その背景に（点線で輪郭を示すように）貫通する通路を有し、フィルタ本体を構成するブロック７の間の接着領域６を示している。図を簡素化するため、通路は、１個のブロックにのみ示しあり、その数は減らしてある。また、その断面と、２つの連続する通路の壁同士の間の距離は大きく表している。リング５は、点火装置３が接着領域と一致するように方向付けられている。
【００２７】
この実施例は、図１（ａ）および１（ｂ）における利点を超えて、いくつかの利点を有する。
【００２８】
この実施例では、金属製ケーシングを貫通する点火装置を省いているが、これは、自動車業界で使用する自動組立ラインでは重要なことである。
【００２９】
点火装置のホット・スポットとフィルタ本体もしくはフィルタ本体上に蓄積された煤との間が密着しているので、熱が放射のみでなく、伝導により一方から他方へ伝わる。点火装置の急激な温度上昇と上記の密着が、従来の装置と比較してシステムの反応時間をかなり改善している。
【００３０】
さらに、この実施例は、フィルタの操作には、いかなる影響をも及ぼさないという利点を有する。点火装置は接着領域６と並んでいるため、通路を妨害することはない。
【００３１】
本実施例は、四角い区分ブロックを組み立てることによって構成されるフィルタ本体を有するフィルタに関するものであるが、点火装置を支持体へ、フィルタ本体とは別に、そして、それと連続的に取り付けるという原理は他のフィルタ本体の設計にも適用できる。
【００３２】
図３（ａ）および３（ｂ）は、リング５″が金属製ケーシング２の、フィルタ本体１の前に挿入される実施例を示す。ここでは、リングは、リングと同じ材料からなるとともに、それと一体に形成された支持グリッド８を囲んでいる。グリッドに対して垂直に配置されているとともにフィルタ本体の通路の中に挿入された４つのセラミック製点火装置３は、グリッドの交差点９に固定されている。前と同じように、いくつかの通路区分７が背景に示されている。
【００３３】
このように位置決めできるのは、点火装置の寸法が小さいからであることは明白である。
【００３４】
この実施例は、フィルタ本体が四角い区分ブロックを組み立てることによって作成したフィルタを参照しながら説明するが、点火装置をフィルタ本体の通路内に位置させるという原理は、他のフィルタ本体の設計においても適用できることは明白である。
【００３５】
図４は、金属製ケーシング２に収容されたフィルタ本体１の上流面を示すものである。フィルタ本体は、接着領域６において互いに接着したブロックから構成されている。図は、図２（ｂ）および３（ｂ）と同様に簡素化してある。この実施例では、フィルタ本体の上流面は、接着領域６において機械加工してあり、セラミック製点火装置３を挿入する窪みを形成してある。点火装置は任意でフィルタ本体の表面に接着できる。
【００３６】
本実施例の変形例では、より簡単に実施するため、機械加工せずに、点火装置をフィルタ本体の上流面に単に接着してあるだけである。
【００３７】
本実施例は、金属製ケーシングを貫通するものは何もなく、よって、リングのような付加的部品を追加する必要はない。さらに、点火装置は通路のいずれをも妨害するものではないため、排気ガスの流れは影響されることはない。
【００３８】
本実施例は、フィルタ本体が四角い区分ブロックを組み立てることによって作成されたフィルタを参照しながら説明しているが、点火装置を直接フィルタ本体もしくはフィルタの表面に形成した窪みの中に固定するという原理は、他のフィルタ本体の設計にも適用可能である。
【００３９】
図５は、ケーシングとフィルタ本体に孔を貫通して形成してあり、そこにセラミック製点火装置３が挿入されている実施例を示してある。この実施例は、ガス流を加熱しないので、熱エネルギーはすべて煤に伝達される。
【００４０】
驚いたことに、セラミック製点火装置はこのような特殊な操作条件下で作動する。セラミック製点火装置は、通常は周囲のガスに点火するために採用するが、一方、この新しい適用方法においては、セラミック・フィルタに直接またはセメントを介して接触した状態で使用する。この通常点火する固体粒子に接触しているか、もしくは接触によって、点火装置の操作が変わる。すなわち、同じように供給されたエネルギーに対し、操作温度が低くなる。この適用方法では、約１０００℃であるが、従来使用されている点火装置は、約１２００℃〜１４００℃まで加熱される。しかし、必要な場合には、エネルギーの入力を増加して温度を上げることもできる。これらの温度から、熱が、主に放射によって伝達されていると予想される。よって、図６に示すように、図２（ａ）および２（ｂ）に示すのと同じような方法で点火装置を支持するリング５をフィルタ１の下流側表面へ配置することにより、点火装置を、煤の量が多いフィルタの下流側面にも配置することも考えられる。また、点火装置を備えたフィルタ本体の下流側表面上に通路の一部を妨害するプラグの一部を交換することも考えられる。
【００４１】
微粒子フィルタの通常の操作では、特に再生段階においては、フィルタの異なる領域は別に加熱する。再生段階中は、下流側面の近傍のフィルタ本体１の領域は、上流側面の近傍より温度が高い。なぜなら、排気ガスは煤の燃焼によって解放された加熱エネルギーすべてを下流方向へ向けて運ぶからである。
【００４２】
さらに、微粒子フィルタの形状と、その結果得られる排気ガスの通路により、煤が必ずしも均一に蓄積されるとは限らず、例えば、フィルタ本体の長手の軸近傍にはより多くの煤が蓄積されることがある。よって煤の燃焼により、フィルタ本体１の芯における温度の上昇が周辺領域より大きくなる。
【００４３】
高温の排気ガスの通路および周囲の空気による金属製ケーシング２の冷却により、程度はそれほどでもないが、煤の燃焼がない場合にはフィルタ本体１の芯において高温となる。
【００４４】
フィルタ本体１の温度が均一であると、熱加工応力が高くなり、それによって、微粒子フィルタの寿命を縮めるヒビが形成される可能性がある。
【００４５】
本発明によるフィルタは、フィルタ本体１において実質的に均一な温度を確立し、それを維持できるという利点を有する。
【００４６】
そのためには、図７に示す装置は、それぞれ電線２０ａ、２０ｂ、および２０ｃによってコンピュータ１８と接続した点火装置３ａ、３ｂ、および３ｃと、フィルタ本体１の熱加工応力を評価するための手段２２を有する。評価手段２２はコンピュータ１８に情報を提供するように構成されている。
【００４７】
評価手段２２は、フィルタ本体１の内部の温度の勾配を測定するための手段、例えば、フィルタ本体１の内部に配置した温度センサと、そこから熱加工応力を推察する手段とを備える。評価手段２２は、同様に、これらの勾配および／または熱加工応力を例えば、車両が路上にいた時間の関数として評価するように構成されたモデリング手段を備えている。
【００４８】
許容できない局所的な熱加工応力の存在とその位置を示す情報“ｉ”を受信すると、例えば、これらの応力が所定の閾値を超えている場合、コンピュータ１８は、点火電流を点火装置３ａ〜３ｃのうちの１つ以上に送り、応力の影響を受けた比較的冷たい領域を加熱する。加熱により、温度の勾配とそれによる熱加工応力の強さが低減される。
【００４９】
有利なことに、ホット・スポット・セラミック製点火装置３ａ〜３ｃは、接着領域の厚み内に挿入することができる。
【００５０】
【発明の効果】
上記の実施例は、本発明を説明するために示したものであり、本発明を限定するものではない。特に、点火装置は、本発明によって使用される小型のセラミック製点火装置を他のさまざまの方法で用いてフィルタ本体内部および／もしくはその近傍に配置することができる。さらに、わかりやすくするためにスティック形状の点火装置のみを示したが、本発明による、フィルタを再生するための使用方法に適していれば、他の異なる形状や寸法を有する点火装置を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ホット・スポット・セラミック製点火装置がフィルタ本体を囲む金属製ケーシングを貫通してその上流側に固定されている状態を示す長手の断面を示す概略図であり、（ａ）はフィルタの一実施例を示す図、（ｂ）はフィルタの他の実施例を示す図である。
【図２】
ホット・スポット・セラミック製点火装置がフィルタ本体の前面に接触したリングに固定されている概略図であり、（ａ）はフィルタの別の実施例を示す断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩ―ＩＩ線上の断面図である。
【図３】
ホット・スポット・セラミック製点火装置がフィルタ本体の通路に配置された別の実施例を示す概略図であり、（ａ）はフィルタの別の実施例を示す断面図、（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩ―ＩＩＩ線上の断面図である。
【図４】
ホット・スポット・セラミック製点火装置がフィルタ本体の上流側面と接触している別の実施例を示す概略図である。
【図５】
ホット・スポット・セラミック製点火装置が金属ケーシングを貫通してフィルタ本体内に位置している別の実施例を示す概略図である。
【図６】
ホット・スポット点火装置がフィルタ本体の下流に配置されたさらにもう１つの実施例を長手の軸に沿った断面で示す概略図である。
【図７】
本発明に従って熱加工応力を緩和する方法を実施する際に使用する装置の概略図であり、そのフィルタを断面で示した図である。
【符号の説明】
１ フィルタ本体
２ 金属製ケーシング
３、３ａ、３ｂ、３ｃ ホット・スポット・セラミック製点火装置
４ 吸引口
５、５″ リング
６ 接着領域
７ ブロック
８ 支持グリッド
９ 交差点
１８ コンピュータ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 電線
２２ 評価手段

Claims (11)

1. フィルタ本体と、該フィルタ本体を加熱するための加熱手段とを備えてなり、該加熱手段は、少なくとも１つのホット・スポット・セラミック製点火装置（３）を備えてなることを特徴とする内燃エンジン、特にディーゼル・エンジンの排気ガスを純化するための微粒子フィルタ。
2. 複数の点火装置を含むことを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
3. 少なくとも１つの点火装置のホット・スポットがフィルタ本体またはフィルタ本体に蒸着した煤に直接接触していることを特徴とする請求項１または請求項２記載のフィルタ。
4. 点火装置を、フィルタ本体の上流側表面の近傍に配置したことを特徴とする請求項２または請求項３記載のフィルタ。
5. 点火装置を、フィルタ本体の下流側表面の近傍に配置したことを特徴とする請求項２または請求項３記載のフィルタ。
6. 点火装置のホット・スポットがフィルタ本体の内部に配設されたことを特徴とする請求項２または請求項３記載のフィルタ。
7. 点火装置がフィルタ本体における通路に対して垂直に配設されていることを特徴とする請求項５記載のフィルタ。
8. 点火装置がフィルタ本体の通路の内部に配設されていることを特徴とする請求項５記載のフィルタ。
9. 前記フィルタ本体（１）が少なくとも１つの接着領域（６）において互いに組み合わせた複数のフィルタ・ブロック（７）を含み、前記点火装置（３）の少なくとも１つを前記領域の厚みの内部に配設してあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のフィルタ。
10. 前記フィルタの比較的低温の領域が選択的に加熱され、前記応力を引き起こす温度の勾配を減少させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の微粒子フィルタにおける熱加工応力を緩和する方法。
11. 前記領域のうちの少なくとも１つを加熱するように構成された点火装置（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、該点火装置（３ａ、３ｂ、３ｃ）を制御するコンピュータ（１８）を備え、該コンピュータ（１８）に情報を提供するように構成された前記応力を評価する手段（２２）と、前記コンピュータ（１８）は、前記応力が特定の閾値を超えると前記点火装置（３ａ，３ｂ，３ｃ）の選択的な点火を制御するようにプログラムが組まれていることを特徴とする請求項１０記載の方法を実施するための装置。