JP2789833B2 - 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は排気ガス
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】これら課題の要因は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部での熱輻
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。上記した課題は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、マイ
クロ波による加熱分布の均一さを促進させるとともにフ
ィルタ端面部の昇温を促進させて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、基本構成として内燃機関の排気ガスを排出す
る排気管に設けられた加熱室と、前記加熱室内に収納さ
れ前記排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集す
るフィルタと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生
手段と、前記排気管の周囲に設けられた環状の導波管
と、前記導波管に設けられ前記マイクロ波発生手段が発
生するマイクロ波を前記加熱室に給電する給電手段とを
備え、この給電手段はフィルタの端面に対面して設けて
いる。

【００１６】また、前記排気ガス以外の気体を供給する
気体供給手段を付加し、前記排気管の周囲に設けられ前
記気体供給手段が発生する気体を前記加熱室に導く導風
路を備えている。

【００１７】さらに排気ガス以外の気体を供給または吸
引する気体供給吸引手段と、前記排気管の周囲に設けら
れ前記気体供給吸引手段により前記加熱室に供給される
気体を導いたり前記加熱室から吸引する気体を導いたり
する導風路とを備え、この排気ガス以外の気体が流れる
通路には排気ガス圧によって遮蔽されるバルブを付設し
ている。また、導風路と導波管とは同心状に構成されて
いる。

【００１８】

【作用】本発明は上記の構成により、排気管の周囲に設
けられた環状導波管の給電手段より放射されたマイクロ
波はフィルタ全域に分散捕集されたパティキュレートを
効率的に加熱するが特に給電手段側に存在するパティキ
ュレートの給電手段に対面するフィルタ環状領域および
フィルタ略中央部がより強く加熱され均一加熱が促進さ
れる。また、排気管の周囲に設けられた導風路より供給
されパティキュレート燃焼を促進させる気体はフィルタ
に流入する排気ガスの流れと同様な気流として配流させ
たり、あるいは排気ガスの流れに比べてフィルタの外周
方向により積極的に配流させている。これにより、フィ
ルタ外周方向へのパティキュレート燃焼の拡大を促進さ
せフィルタ再生性能を高めている。

【００１９】さらには、加熱室より排気ガス以外の気体
を吸引することにより排気ガス流入側のフィルタ端面部
にパティキュレート燃焼熱を配流しフィルタ端面部から
の熱輻射量を凌駕する熱量をフィルタ端面部に加え、フ
ィルタ端面部の昇温をパティキュレート燃焼可能温度以
上にしてフィルタ端面部の再生を達成している。

【００２０】排気ガス流の排気管内圧力と排気ガス以外
の気体流による排気管内圧力とは約１０対１の関係にあ
る。この関係を利用して排気ガス以外の気体が流れる通
路に設けた排気ガス圧によって遮断するバルブ構成によ
り、フィルタに排気ガスが流入しているサイクルにおい
てはその排気ガスをすべてフィルタに配流するが、再生
サイクルにおいては排気ガス以外の気体が流れる通路を
容易に確保することができる。

【００２１】また、排気管と導風路および導波管を同心
状に構成することにより、排気ガス流以外の気体のフィ
ルタへの配流方向および配流領域を排気ガス流の配流に
対して独立、且つ選択的に行うことができパティキュレ
ート燃焼のフィルタ全域への拡大をより効果的に実行で
きる。

【００２２】

【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。

【００２３】図１、図２において、１６は内燃機関の排
気ガスを排出する排気管、１７は排気管の途中に設けら
れた加熱室、１８は加熱室内に収納され排気ガスが通過
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
するフィルタ、１９は加熱室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、２０はマイクロ波発生手
段の発生したマイクロ波を排気管の周囲に配設された環
状の矩形導波管２１に伝送する導波管、２２は環状矩形
導波管に設けられマイクロ波を加熱室１７に放射する給
電孔（給電手段）、２３は加熱室に排気ガス以外の気体
を供給または吸引する気体供給吸引手段、２４は排気管
の周囲に設けられ排気ガス以外の気体の通路である導風
路、２５は排気ガス圧によって排気ガス以外の気体が流
れる通路を遮断するバルブ、２６は加熱室１７を限定す
るマイクロ波遮蔽作用を有する電波遮蔽手段、２７、２
８は内燃機関の排気ガスの排出路を選択するバルブ、２
９はフィルタ１８の外周に設けられフィルタを加熱室１
７の中に支持する断熱材である。

【００２４】環状矩形導波管２１のＥ面（フィルタに対
面する面）に設けられた給電孔２２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２２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。

【００２５】バルブ２５は、遮断板３０とスプリング３
１および断面積の異なる気体導風路３２，３３とで構成
されている。スプリング３１はそのバネ伸び力が内燃機
関が排出する排気ガスによる排気管内最低圧力（たとえ
ばアイドリング状態での排気ガス圧力）に比べて低い伸
び力にて構成されている。したがって、内燃機関の排気
ガスがフィルタ１８に配流される時に排気ガスによって
スプリングは圧縮され排気ガス以外の気体導風路を遮断
し排気ガスのすべてをフィルタに流入させる。

【００２６】排気ガスの排出路はバルブ２７，２８によ
って選択される。図示したバルブ位置は排気分岐管３４
に配流される状態である。この状態の時にフィルタ１８
はマイクロ波によって再生される。

【００２７】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
フィルタ１８に配流されるようにバルブ２７，２８が制
御される。

【００２８】フィルタ１８が捕集したパティキュレート
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。

【００２９】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１９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１８を収納した加熱室１７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る冷却
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。本発明の装置におい
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２２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。

【００３０】マイクロ波加熱が進み、予め決められた時
間を減ると、気体供給手段２３がその動作を開始する。
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
捕集量領域なとによって最適な時間が設定される。この
気体供給手段によりフィルタに配流される気体は排気ガ
ス流が流れていた排気管１６を経て供給されるのでほぼ
排気ガス流のフィルタへの配流と同様の流れの分布でフ
ィルタに配流される。したがって、パティキュレートの
捕集分布に応じた配流となる。本発明実施例の構造にお
いてはフィルタの中央部が一番捕集量が多い。したがっ
て気体供給手段により供給される気体はフィルタの外周
方向に配流される。

【００３１】また、この気体供給手段によりフィルタに
供給される気体の初期流量は、たとえば加熱されたパテ
ィキュレートの温度がパティキュレート燃焼可能温度域
である場合に燃焼の促進はするが気体流の方向へのパテ
ィキュレートの燃焼領域の拡がりを抑制する程度の気体
流量を送風するものである。

【００３２】一方、パティキュレートの温度が燃焼可能
温度域に至っていないフィルタ領域においてはこの気体
供給手段によって昇温を妨げられる領域も生じる可能性
があるが、送風流量が上述のようにごく微量であること
からその領域の温度低下はほとんど回避できる。

【００３３】この気体供給手段制御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拡大をはかる
ことができる。

【００３４】この後、気体供給手段の気体流量が増大さ
れ燃焼可能領域をフィルタの長手方向（気体流が流れる
方向）に移動させる。

【００３５】この後適当な時期に気体供給手段の気体供
給方向を逆転する。（気体供給手段が気体吸引手段とし
て動作する。）この制御によってフィルタを流れる気体
流の方向が逆方向になる。この制御によりフィルタ内に
生じているパティキュレート燃焼熱がフィルタの排気ガ
ス流入側のフィルタ端面方向に伝熱される。この燃焼熱
はフィルタ端面部で生じる熱輻射量を凌駕する熱量をフ
ィルタ端面に供給する。この熱量によりフィルタ端面部
はパティキュレート燃焼可能温度に達しフィルタ端面部
のパティキュレート燃焼が実行される。

【００３６】排気ガス上流側のフィルタ端面部の再生が
終了するとふたたび気体供給手段の気体供給方向が逆転
されフィルタを流れる気体流の方向は排気ガス流の方向
と同一方向となる。この状態がフィルタの完全な再生の
完了まで継続される。

【００３７】この状態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
当な時期に気体供給手段の動作が停止される。マイクロ
波発生手段の動作停止は気体供給手段の停止動作と同一
時間もしくはより早い時刻に実行される。

【００３８】マイクロ波給電停止の後、予め決められた
所定時間、気体供給手段を動作制御することによりフィ
ルタ全域をほぼ完全に再生することができる。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】なお、再生サイクルにおいてフィルタ内を
流れる気体の流れ方向は以下のような手段を講じること
で一方向制御だけで済ませることが可能である。その手
段の一つは、たとえばフィルタの排気ガス流入側端面に
近接あるいは接触させて輻射防止体を付設することであ
る。この輻射防止体はフィルタとは別部材でもよいしフ
ィルタと一体的に構成された部材でも構わないが、フィ
ルタ作用がほとんど無い構造体でもって構成される。

【００４２】つぎに本発明の他の実施例を示す図３につ
いて説明する。同図において図１と異なる構成は排気ガ
ス以外の気体が流れる導風路３５と環状の矩形導波管２
１とを同心状に構成したところにある。導風路３５は排
気管の内径がフィルタ１８方向に向かってテーパ状に拡
がっている部分に設けられている。図示していないが導
風路３５の末端には気体流の配流方向を制御する構造物
を設けることができる。また、導風路３５は排気管の周
囲に設けられているが、気体導風路は排気管の周囲全周
である必要はなく適当な位置に遮蔽物を設けて導風路を
選択することができる。このような付属構造物による気
体配流の効用は後述するが、この効果を達成するには気
体導風路をフィルタに対面した近傍に設けることが必要
である。

【００４３】この構成により排気ガス流は排気管の構造
にしたがってフィルタ１８に配流され流入されるがこの
排気ガスの流れに対して独立に気体供給（吸引）手段に
よって生じる排気ガス以外の気体（すなわちフィルタに
捕集されたパティキュレートの燃焼を促進させる気体）
のフィルタへの配流を制御できる。

【００４４】この効用により、フィルタのパティキュレ
ート捕集分布とは独立に、マイクロ波加熱分布に依存し
た気体配流を実行することができる。

【００４５】つまり、本発明による装置構成において、
マイクロ波によるパティキュレートの加熱促進領域に対
してその領域を回避する領域に積極的に排気ガス以外の
気体を供給することができる。これによってマイクロ波
加熱が不十分な領域に燃焼を促進させる気体を積極的に
供給することによりマイクロ波加熱促進領域で生じた燃
焼熱をマイクロ波加熱の不十分な領域すなわちフィルタ
の径方向へ拡大させることができフィルタ全域の再生を
促進することができる。

【００４６】また、同心構成を採ることにより装置のコ
ンパクト化も図ることができる。なお、排気ガス以外の
気体とは、自然の空気、酸素である。

【００４７】

【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）排気管の周囲に設けた環状の導波管のフィルタに
対面する部分に設けられたマイクロ波給電手段によりマ
イクロ波をフィルタに給電する構成により、フィルタに
捕集されたパティキュレートのマイクロ波加熱促進領域
をより広範囲にすることができ、フィルタ再生性能を高
めることができる。 （２）気体供給手段が発生する気体をフィルタが収納さ
れた加熱室に導風する導風路として排気管を利用するこ
とにより、気体供給手段によって発生する気体を排気ガ
スのフィルタへの配流と同等にでき、フィルタ内でのパ
ティキュレート捕集量の少ない領域に効果的に配流でき
パティキュレート捕集量の少なさに起因するマイクロ波
加熱の不十分さを燃焼促進気体の配流によって補いフィ
ルタ全域でのパティキュレート燃焼促進を図ることがで
き再生性能を高めることができる。 （３）気体供給（吸引）手段が発生する気体導風路とマ
イクロ波給電手段を有する導波管とを排気管に同心状に
構成したことにより排気ガス流のフィルタへの配流に独
立にかつマイクロ波加熱の加熱分布に依存した効果的な
気体配流を実行することによりフィルタ再生性能をより
高めることができる。 （４）気体供給吸引手段によりフィルタ再生時にフィル
タ内を流れる気体流の流れを少なくとも逆方向にするこ
とができ、フィルタ端面部まで効果的に再生を実行する
ことができるとともに装置の耐久性能を保証することが
できる。 （５）気体供給吸引手段により発生する気体流の導風路
に排気ガス圧によってその導風路が手段されるバルブを
設けた構成により、再生時のパティキュレート燃焼を促
進する気体供給系の構成を簡便かつ実用性の高い構成と
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における内燃機関用フィ
ルタ再生装置の構成図

【図２】図１の主要部断面構成図

【図３】本発明の他の実施例を示す内燃機関用フィルタ
再生装置の構成図

【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 排気管 １７ 加熱室 １８ フィルタ １９ マイクロ波発生手段 ２１ 環状の導波管 ２２ 給電手段 ２３ 気体供給吸引手段（気体供給手段） ２４ 導風路 ２５ 排気ガス圧遮断バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−126022（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−290910（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−188613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−11414（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−141613（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/02 301 - 341

Claims (6)

(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に設
   けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
   ス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ
   と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、前
   記排気管の周囲に設けられた環状の導波管と、前記導波
   管に設けられ前記マイクロ波発生手段が発生するマイク
   ロ波を前記加熱室に給電する給電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】給電手段はフィルタの端面に対面して設け
   られた請求項１に記載の内燃機関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設
   けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
   ス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ
   と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記
   排気ガス以外の気体を供給する気体供給手段と、前記排
   気管の周囲に設けられ前記気体供給手段が発生する気体
   を前記加熱室に導く導風路と、前記排気管の周囲に設け
   られ前記マイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を前
   記加熱室に給電する給電手段を有する導波管とを備えた
   内燃機関用フィルタ再生装置。
4. 【請求項４】内燃機関の排気ガスを排気する排気管に設
   けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
   ス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ
   と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記
   排気ガス以外の気体を供給または吸引する気体供給吸引
   手段と、前記排気管の周囲に設けられ前記気体供給吸引
   手段により前記加熱室に供給される気体を導いたり前記
   加熱室から吸引する気体を導いたりする導風路と、前記
   排気管の周囲に設けられ前記マイクロ波発生手段が発生
   するマイクロ波を前記加熱室に給電する給電手段を有す
   る導波管とを備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
5. 【請求項５】排気ガス以外の気体が流れる通路に排気ガ
   ス圧によって遮蔽されるバルブを備えた請求項３または
   ４に記載の内燃機関用フィルタ再生装置。
6. 【請求項６】導風路と導波管とは同心状に配設された請
   求項３または４に記載の内燃機関用フィルタ再生装置。