JP2705340B2 - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンから
排出される排気ガス中に含まれるパティキュレート（粒
子状物質）を捕集する内燃機関用フィルタをマイクロ波
エネルギを利用して再生する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】欧米および日本などのいわゆる先進国の
高度な経済成長は地球上の文明に大きく貢献してきた。
しかしながら、先進国の経済成長を中心とした化石燃料
エネルギの浪費は地球の大気を汚染してきた。

【０００３】地球環境保全に関して、今日では地球温暖
化対策すなわちＣＯ₂ 低減対策が大きくクローズアップ
されているが、森林破壊を招く酸性雨の対策も無視でき
ない。

【０００４】酸性雨では硫黄酸化物や窒素酸化物などの
大気汚染物質が汚染源となって生じる自然現象であり、
近年世界各国でこのような大気汚染物質の排出規制がコ
・ジェネレーションなどの固定発生源や自動車などの移
動発生源に対して強化される動きにある。特に、自動車
の排気ガスに関する規制は従来の濃度規制から総量規制
へ移行され規制値自体も大幅な削減がなされようとして
いる。

【０００５】自動車の中でもディーゼル車は窒素酸化物
と同時にパティキュレートの排出規制の強化が行われ
る。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による従来の排気
ガス中の汚染物質低減対策だけでは排出ガス規制値を達
成することは不可能とされ、現状では排気ガスの後処理
装置の付設が不可欠である。この後処理装置はパティキ
ュレートを捕集するフィルタを有するものである。

【０００６】ところが、パティキュレートが捕集され続
けるとフィルタは目詰まりを生じて捕集能力が大幅に低
下するとともに排気ガスの流れが悪くなってエンジン出
力の低下あるいはエンジンの停止といったことに至る。

【０００７】したがって、現在世界中ではフィルタの捕
集能力を再生させるための技術開発がすすめられている
が、今だ実用には至っていない。

【０００８】パティキュレートは６００℃程度から燃焼
することが知られている。パティキュレートをこの高温
度域に昇温するためのエネルギを発生する手段として、
バーナ方式、電気ヒーター方式あるいはマイクロ波方式
などが考えられている。

【０００９】本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装
置構成の容易さあるいは再生制御性の良さなどを考慮し
てマイクロ波方式によるフィルタ再生装置を開発してき
た。

【００１０】マイクロ波方式によるフィルタ再生装置と
しては、たとえば特開昭５９−１２６０２２号公報があ
る。同公報に開示されている装置を図４に示す。同図に
おいて、１はエンジン、２は排気マニフールド、３は排
気管、４は排気分岐管、５はフィルタ、６はフィルタを
収納した加熱室、７はマイクロ波発生手段、８はマイク
ロ波発生手段の発生したマイクロ波を加熱室に導く導波
管、９はマイクロ波反射板、１０は空気ポンプ、１１は
空気供給路、１２はマイクロ波発生手段の駆動電源、１
３はマフラー、１４は空気切換バルブ、１５は空気ガス
流切換バルブである。

【００１１】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気ガス流切換バルブ１５によってフィルタ５に導
かれたり、直接大気へ排出されたりする。パティキュレ
ート捕集サイクルにおいて、排気ガスはフィルタ５に導
かれ排気ガス中に含まれるパティキュレートはフィルタ
５に捕集されるが前述したようにフィルタ５の捕集能力
は有限である。捕集能力が限界に達すると排気ガス流切
換バルブ１５が制御され排気管３への排気ガスは遮断さ
れ排気ガスのすべては排気分岐管４を経て大気に排出さ
れる。この間にフィルタ５の再生が行われる。このフィ
ルタ再生サイクルにおいてパティキュレートを加熱する
エネルギはマイクロ波発生手段７からまた燃焼に必要な
空気が空気ポンプ１０より同時に供給される。所定の時
間を経てフィルタ再生が完了すると排気ガス流切換バル
ブ１５が再び制御されてフィルタ５に排気ガスが導かれ
る。この捕集と再生のサイクルがくり返される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のような構成において、以下のような課題が認められ
た。課題の一つはフィルタ再生性能の不十分さであり、
他の課題は排気ガス入力側のフィルタ端面およびその近
傍が未再生となることである。

【００１３】これら課題の要因の一つはマイクロ波加熱
分布の不均一化であり二つめはフィルタ端面出での熱輻
射によるフィルタ端面の昇温の妨げによるものと考えら
れる。フィルタ端面部の未再生はマイクロ波加熱分布改
善だけでは解消が不可能と考えられ、装置の耐久性能を
保証できない大きな課題を持つものであった。

【００１４】本発明は上記課題を解決するもので、フィ
ルタ端面部の昇温を促進させる改良されたフィルタ配設
構成によりフィルタ再生性能を高めるとともに再生性能
の耐久性を保証する内燃機関用フィルタ再生装置を提供
することを目的としたものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、内燃機関の排気ガスを排出する排気管内に所
定の間隔でもって対面配設された前記排気ガスに含まれ
るパティキュレートを捕集するフィルタと、前記フィル
タの対面空間に前記排気ガスを導流する排気管と、前記
フィルタの対面空間からフィルタに給電するマイクロ波
を発生させるマイクロ波発生手段とを備えた構成を基本
としている。

【００１６】また、より具体的には内燃機関の排気ガス
に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタを互い
に対面させて収納する加熱室と、前記フィルタの対面空
間を構成する前記加熱室壁面に設けられ前記排気ガスを
フィルタに流入させる排気孔と、前記排気孔を覆い前記
加熱室の周囲に設けられた前記排気ガスが導かれる排気
ガス導入管と、前記フィルタの対面空間からフィルタに
給電するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段
と、前記加熱室の両端に接続されパティキュレートが除
去された排気ガスを排出する排気管とを備えた構成から
なる。

【００１７】

【作用】本発明は上記の構成により、内燃機関の排気ガ
スは対面するフィルタに分流して流入され、再生サイク
ルに移行する時には各フィルタにはほぼ等量のパティキ
ュレートが捕集される。この状態においてマイクロ波が
給電されると各フィルタはほぼ対称にマイクロ波加熱が
進行する。パティキュレート燃焼を促進する再生空気は
フィルタの排気ガス下流側から供給される。いずれか一
方のフィルタの排気ガス下流側から供給された再生空気
によって各フィルタはパティキュレート燃焼が促進され
るが再生空気の流れにおいて上流側に位置するフィルタ
内でのパティキュレート燃焼熱は再生空気下流側に位置
するフィルタの排気ガス上流側端面に注がれる。再生空
気の流れを正逆することで各フィルタが対面する間の空
間はパティキュレート燃焼熱によって昇温していき最終
的には各フィルタの排気ガス上流側端面およびその近傍
に存在するパティキュレートは燃焼可能温度に達して燃
焼される。また、再生空気の流れによってフィルタの排
気ガス上流側以外の領域も効果的にパティキュレート燃
焼が促進されフィルタの全域の再生が達成される。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例を添付図面を参照して説
明する。

【００１９】図１から図３において、１６、１７は排気
ガスが通過する間に排気ガス中に含まれるパティキュレ
ートを捕集する互いに対面して配設されたフィルタ、１
８は対面フィルタを収納する加熱室、１９はフィルタの
対面空間を構成する加熱室壁面に設けられ排気ガスを加
熱室に流入させる排気孔、２０は排気孔１９を覆うとと
もに加熱室と同心状に加熱室周囲に設けられた排気ガス
導入管、２１は排気ガス導入管に接続され内燃機関の排
気ガスが排出される排気管、２２は加熱室に給電するマ
イクロ波を発生されるマイクロ波発生手段、２３はマイ
クロ波発生手段の発生したマイクロ波をフィルタの対面
する空間に配設された環状の矩形導波管２４に伝送する
導波管、２５は環状の矩形導波管に設けられマイクロ波
を加熱室１８に放射する給電孔（給電手段）、２６、２
７は加熱室１８を限定するマイクロ波遮蔽作用を有する
電波遮蔽手段、２８、２９は加熱室１８の両端に接続さ
れパティキュレートが除去された排気ガスが排出される
排気管、３０、３１はフィルタ１６、１７の外周に設け
られた加熱室内にフィルタを支持する断熱材である。

【００２０】環状の矩形導波管２４のＥ面（フィルタに
対面する二面とも）に設けられた給電孔２５はそのスリ
ット開孔角度が略１８０度にて構成されている。給電孔
２５からのマイクロ波放射を効率よく行うためにインピ
ーダンス整合用のポストを導波管の適当な位置に設ける
ことができる。

【００２１】また、環状の矩形導波管が設けられた位置
には加熱室１８を各フィルタ１６、１７専用に区分けす
る電波遮蔽手段３２、３３が設けられている。電波遮蔽
手段２６、２７、３２、３３は排気ガスまたは空気が低
い圧力損失でもって通過できる構造からなっている。

【００２２】また、加熱室の両端に設けられた排気管２
８、２９の少なくとも一方にはフィルタに空気を流入あ
るいは加熱室内の空気を吸引する空気流入吸引手段（図
示していない）が設けられている。また、排気ガス導入
管２０に接続された排気管２１には排気分岐管（図示し
ていない）が接続され、排気管２１と排気分岐管への排
気ガスの配流を選択制御する切換バルブ（図示していな
い）が備えられている。

【００２３】本発明の装置のフィルタ再生に対する基本
プロセスを以下に述べる。内燃機関の排気ガス流は通常
排気ガス導入管２０に配流される。

【００２４】フィルタ１６、１７が捕集するパティキュ
レート捕集量はフィルタの圧損レベル、内燃機関の動作
時間、内燃機関が自動車に搭載されているならば自動車
の走行距離あるいはマイクロ波や光を利用した検出セン
サによる信号等に基づいて適宜検出されている。この捕
集量がフィルタ再生を実行すべき捕集量領域に達する
と、フィルタ再生プロセスが開始する。

【００２５】この再生制御指令は本装置の一構成要素で
ある制御部（図示していない）より発せられる。この制
御部の指令に基づいて、マイクロ波発生手段２２にそれ
を駆動する電源が供給される。これにより、マイクロ波
がフィルタ１６、１７を収納した加熱室１８に給電され
フィルタに捕集されたパティキュレートが加熱される。
マイクロ波給電の初期にはフィルタを流れる気体はほぼ
完全に遮断されている。これによってフィルタ全域のパ
ティキュレートはフィルタを流れる能動的な気体流によ
り冷却を受ける事なくマイクロ波加熱によってその燃焼
可能温度域に向かって効率よく温度上昇していく。しか
しながらマイクロ波の加熱分布性によりパティキュレー
トのマイクロ波加熱促進領域が存在する。本発明の位置
においてはフィルタ径方向（排気ガス流に垂直な方向）
において給電手段２５に対面する径位置の環状領域およ
びフィルタの略中央部がこの加熱促進領域となる。

【００２６】マイクロ波加熱が進み、予め決められた時
間を経ると、排気管２８または２９のいずれか一方から
パティキュレート燃焼を促進させる空気が供給される。
この空気はたとえば排気管２８側から供給されると排気
管２９より排出される。

【００２７】なお、この時の予め決められた時間とは加
熱室に給電するマイクロ波エネルギ量、予め決めたパテ
ィキュレート捕集量領域などによって最適な時間が設定
される。

【００２８】フィルタに供給される空気はマイクロ波加
熱されたパティキュレートの温度が燃焼可能温度域に達
していれば燃焼を促進させるものである。したがってこ
の燃焼によって生じた発熱がマイクロ波加熱による発熱
に加わってフィルタ内を伝熱し燃焼可能領域の径方向へ
の拡大をはかるとともに燃焼可能領域をフィルタの長手
方向（空気が流れる方向）に移動させる。空気流の上流
側に位置するフィルタ内で生じたパティキュレート燃焼
熱は空気流の下流に位置するフィルタの排気ガス流入側
端面に注がれる。

【００２９】この後適当な時期にフィルタを流れる空気
流の方向を逆転させる。これによりもう一方のフィルタ
の排気ガス流入側端面にもパティキュレート燃焼熱が注
がれる。この空気流の流れの正逆を適当な時間くり返す
ことでフィルタの対面空間の温度は徐々に上昇する。最
終的にはフィルタの端面およびその近傍に存在するパテ
ィキュレートが燃焼可能温度に達して燃焼する。この領
域以外に存在するパティキュレートもこの間に燃焼が進
行され最終的にフィルタ全域が効率よく再生される。

【００３０】この再生サイクルにおいて適当な時間経過
後にマイクロ波の給電を停止することができる。この停
止時期は予め決められた所定時間によって制御される。
その後適当を時期に空気流の供給が停止される。マイク
ロ波発生手段の動作停止は空気供給の動作停止と同一時
刻もしくはより早い時刻に実行される。

【００３１】マイクロ波給電停止の後、予め決められた
所定時間、空気の供給を動作させることによりフィルタ
全域をほぼ完全に再生することができる。

【００３２】なお、この所定時間の決定において再生度
合を検出するための手段、たとえばフィルタ下流の燃焼
排熱温度の検出、フィルタ圧損の検出などを利用するこ
とも可能である。

【００３３】以上のような再生制御プロセスによりフィ
ルタ再生が完了する。その後適当な時期にいま再生した
フィルタに排気ガスを流入することができる。

【００３４】なお、再生サイクルにおいてフィルタに供
給する空気の流れ方向を変更する手段として加熱室下流
側のいずれか一方の排気管側に正逆回転するブロアを設
ける構成あるいは各排気管に送風手段を設けた互い違い
に動作制御する構成が採られる。

【００３５】内燃機関の排気ガス流を２分岐させて対面
配設したフィルタに導入させる構成は、対面配設フィル
タを収納した加熱室の両端にパティキュレートが除去さ
れた排気ガスを排出する二つの排気管を備えた構成とな
る。しかもこの二つの排気管は一直線に配設できる。

【００３６】この一直線状配設の二つの排気管を利用す
ることでパティキュレート燃焼を促進させる空気をフィ
ルタへ流入あるいはフィルタ側からの排出を簡易な構成
にて実行できる。また、空気流の量および流れ方向を最
適に制御することでパティキュレート燃焼の促進を効果
的に実行できフィルタ再生性能を高めることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
フィルタ再生装置によれば、以下の効果が得られる。 （１）フィルタを対面配設しその対面空間に排気ガスを
導入する構成により、フィルタ再生において各フィルタ
内のパティキュレート燃焼熱をこの対面空間に伝熱させ
対面空間を高温化しフィルタの排気ガス流入側端面部お
よびその近傍に捕集されたパティキュレート燃焼を実行
できるのでフィルタ再生性能およびその耐久性能を保証
する装置を提供できる。 （２）加熱室の両端に存在する排気ガス排出管を利用し
て、フィルタ再生に必要な空気の供給および排出が容易
に実行できる。 （３）二つのフィルタを単一の加熱手段でもって同時に
再生することができる。 （４）排気管にフィルタを並列装荷した構成により、よ
り大きな容量の内燃機関に展開できる装置構成を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す内燃機関用フィルタ再
生装置の外観図

【図２】図１の断面構成図

【図３】図１または図２の主要部断面構成図

【図４】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図

【符号の説明】

１６ フィルタ（１７のフィルタと対面） １７ フィルタ（１６のフィルタと対面） １８ 加熱室 １９ 排気孔 ２０ 排気ガス導入管 ２１ 排気管（パティキュレート除去前の排気ガス排出
管） ２２ マイクロ波発生手段 ２８ 排気管（パティキュレート除去後の排気ガス排出
管） ２９ 排気管（パティキュレート除去後の排気ガス排出
管）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気ガスを排出する排気管内に
   所定の間隔でもって対面配設され前記排気ガスに含まれ
   るパティキュレートを捕集するフィルタと、前記フィル
   タの対面空間に前記排気ガスを導く排気管と、前記フィ
   ルタの対面空間からフィルタに給電するマイクロ波を発
   生させるマイクロ波発生手段とを備えた内燃機関用フィ
   ルタ再生装置。
2. 【請求項２】内燃機関の排気ガスに含まれるパティキュ
   レートを捕集するフィルタを互いに対面させて収納する
   加熱室と、前記フィルタの対面空間を構成する前記加熱
   室壁面に設けられ前記排気ガスをフィルタに流入させる
   排気孔と、前記排気孔を覆い前記加熱室の周囲に設けら
   れた前記排気ガスが導かれる排気ガス導入管と、前記フ
   ィルタの対面空間からフィルタに給電するマイクロ波を
   発生させるマイクロ波発生手段と、前記加熱室の両端に
   接続されパティキュレートが除去された排気ガスを排出
   する排気管とを備えた内燃機関用フィルタ再生装置。