JP2861752B2 - 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高周波エネ
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】地球環境保全に関して、森林破壊を招く
酸性雨が大きな問題となってきている。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。

【０００３】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て
いる。燃料噴射時期遅延などの内燃機関エンジンそのも
のの燃焼改善による従来の排気ガス中の汚染物質低減対
策だけでは排ガス規制値以下にパティキュレート発生量
を抑制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
ィキュレートを物理的に捕集するフィルタを有するもの
である。

【０００４】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。
これを解決するために、現在フィルタの捕集能力を再生
させるための技術開発が進められている。

【０００５】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温度
に昇温するためのエネルギを発生する手段方式として、
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。本発明者らは昇温効率の良さ、
安全性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。

【０００６】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は排気マニホルド、３は排気
管、４は排気分岐管、５はフィルタ、６はフィルタ５を
収納した加熱室、７は高周波発生装置、８は高周波発生
装置７の発生したマイクロ波を加熱室６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は高周波発生手段７の駆動電源、１３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。

【０００７】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
エネルギは高周波発生装置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１
５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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、フィルタに捕集されたパティキュレートを
燃焼再生する場合、同じように高周波や助燃用気体を供
給すると、パティキュレートの捕集重量によって、燃焼
状態が異なるという問題がある。すなわち、被加熱燃焼
物であるパティキュレートの量が少ないと発生燃焼熱が
少ないので燃焼が穏やかであり、パティキュレート量が
多いと燃焼が激しくなる。一方、現在開発されているパ
ティキュレート捕集用フィルタの実用的な耐熱温度は最
高でも約１０００℃である。パティキュレートを再生燃
焼させる際には、耐熱温度を越えないようにしなければ
ならないので、パティキュレートの捕集量が多いときに
は、助燃用エアを少なくするなどして燃焼抑制しなが
ら、燃焼させる必要がある。

【０００９】したがって、パティキュレートの捕集量を
検出して、それに対応した燃焼制御をすることが、装置
の信頼性向上のために不可欠であった。

【００１０】本発明は上記課題を解決するもので、パテ
ィキュレートの捕集量を検出して加熱する高周波加熱手
段を備えた排ガス浄化装置を実現するこを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波加熱装置
は上記目的を達成するため、下記構成としている。

【００１２】すなわち、内燃機関の排気ガスを排出する
排気管と、前記排気管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、前記フ
ィルタを収納し前記パティキュレートを加熱燃焼させる
加熱室と、前記パティキュレートを加熱するための高周
波を発生する高周波発生装置と、前記加熱室に設けられ
加熱室内の高周波を検出するための高周波検出手段と、
前記フィルタに空気を供給する送風手段と、前記フィル
タを通過した空気の温度を測定する温度測定手段と、前
記送風手段により前記フィルタに空気を送り前記温度測
定手段で空気の温度を検出し、その温度が所定値以下に
なるまで前記送風手段で前記フィルタを冷却し、その後
前記高周波検出手段の信号の情報および前記温度測定手
段からの情報に基づき前記高周波発生装置と前記送風手
段の動作を制御する制御部とを有するものである。

【００１３】

【００１４】また、高周波検出手段の出力が所定値より
小さいときは、前記送風手段によりフィルタを冷却し、
その後高周波検出手段の信号情報および前記温度測定手
段からの情報に基づき前記高周波発生装置と前記送風手
段の動作を制御する制御部とを有する構成としている。

【００１５】

【作用】本発明は上記構成によって、下記の作用を有す
る。

【００１６】本発明の内燃機関用フィルタ再生装置は、
マグネトロンから発生した高周波によって生じる電界の
一部を、加熱室に設けた高周波検出手段で受ける構成を
している。高周波検出手段は、高周波を受信できるアン
テナで構成される。そして、そのアンテナに生じる電界
強度は、フィルタに捕集されたパティキュレートの量に
よって変化する。その理由は、加熱室内の電界強度の分
布が、高周波の波長の周期で変化し、高周波の波長が電
界中の物質の誘電率によって異なるためと、捕集された
パティキュレートが供給された高周波を吸収するのでア
ンテナに到達する高周波の絶対量が変化するためであ
る。すなわち、加熱室内のパティキュレートの量が変わ
ると加熱室のフィルタ部分において等価誘電率が変化
し、加熱室内の電界強度が変わり、それとともに、前記
アンテナで受ける電界が変化するのである。

【００１７】このようにすることで、パティキュレート
の捕集量を検出することができるが、パティキュレート
およびフィルタそのもので高周波の吸収状態は、温度に
よって変化する。すなわち、セラミック系の材料は高温
になると誘電損失が増加する傾向にあるため温度が高い
とアンテナに生ずる電界強度が低くなり、あたかも、パ
ティキュレートの量が多いような高周波特性を示す。し
たがって、加熱室の電界強度を測定することで、パティ
キュレート捕集量を検出するためには、フィルタの温度
によってアンテナに生じる電界強度を補正する必要があ
る。そのため送風手段により空気をフィルタに送り、フ
ィルタを通過した空気の温度を測定することでフィルタ
の温度を検出している。

【００１８】また、高周波検出手段であるアンテナによ
る検出出力は、フィルタの温度が非常に高くなると前述
のようにフィルタに高周波が吸収されるため、極端に小
さくなってしまう。そのため、パティキュレートの捕集
量測定の精度が著しく低下する。このため、温度が高い
場合には送風手段により空気を送ることで、フィルタを
冷却し、高周波検出手段によるパティキュレート捕集量
の精度を向上させている。

【００１９】さらに、高周波検出手段によるパティキュ
レート捕集量の精度を向上させるために、高周波検出手
段が所定値より大きくなるまで送風手段でフィルタの冷
却をすることで、パティキュレート量の情報を正しく補
正することができ捕集量の検出精度があがるため、最適
なフィルタの再生制御を行うことができる。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例を図を参照して説明す
る。

【００２１】図１において、１６はエンジン、１７は内
燃機関の排気ガスを排出する排気管、１８は排気管１７
の途中に設けられた加熱室、１９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、２０は加熱室１８に給電
する高周波発生装置としてのマグネトロン、２１はマグ
ネトロン２０の発生した高周波を加熱室１８に伝送する
導波管、２２は加熱室１８に空気を供給する送風手段で
ある。この空気は開閉バルブ２３を開閉することにより
加熱室１８への流入が制御される。２４は排気ガス分岐
管であり、バルブ２５により排気ガス流の排出経路とし
てフィルタ１９を含む排気路あるいは排気分岐管２４が
選択される。２６、２７は加熱室１８を限定する高周波
遮蔽手段で、パンチング孔をもった構成からなり気体や
微粒子を通過させ高周波を遮蔽する。２８はフィルタ１
９の外周と加熱室１８内壁との間に設けられたフィルタ
保持材であり、断熱作用も兼ねている。

【００２２】排気ガスは図中矢印ａで示した方向から排
気管内を流れフィルタ１９に流入される。フィルタ１９
はウォールフロータイプのハニカム構造体で構成され、
排気ガスに含まれるパティキュレートを捕集する機能を
有している。このフィルタ１９に捕集されたパティキュ
レートの量が増大すると、フィルタ１９の圧力損失が増
大し内燃機関であるエンジン１６の負荷が増加するとと
もに最悪の場合にはエンジン停止に至る。したがって、
フィルタ１９に所定量のパティキュレートが捕集される
とそれを除去する作業、すなわち、フィルタ１９の再生
をする必要がある。

【００２３】高周波発生装置としてのマグネトロン２０
から出た電波は、導波管２１を介して伝送され、加熱室
１８内ではその形状で決まる定在波となって分布し、フ
ィルタ１９に捕集されたパティキュレートを加熱する。
パティキュレートの加熱分布は電波の分布によって決ま
る。

【００２４】捕集されたパティキュレートの量は、フィ
ルタ１９の側面に設けた高周波検出手段２９によって推
定される。すなわち、パティキュレートに高周波を供給
すると、吸収されずに反射する高周波が生ずる。その定
在波を、高周波検出手段２９で検出し、その検出信号が
パティキュレート量によって変化することを利用して、
パティキュレート量を推測する。高周波検出手段に検出
される高周波量は温度によって変化する。すなわち、捕
集されたパティキュレートを含んだフィルタ部分１９の
誘電率と誘電損失は温度特性をもっており、高温の方が
誘電率が大きく誘電損失も高くなる。これは、フィルタ
に使われている材料がコージェライトやムライトなどの
セラミック系の材質が持つ性質によるものである。した
がって、温度測定手段３０をもちいてフィルタ１９を通
過した空気の温度を検出し、フィルタ１９の温度を推定
している。

【００２５】この温度測定手段３０はフィルタの温度を
推定するために使用され、温度検出素子は、検出温度範
囲と精度により熱電対やサーミスタその他の温度特性の
大きい素子を利用してもかまわない。

【００２６】制御部３１は高周波検出手段２９からの信
号と温度測定手段３０によりパティキュレート重量を判
別し、それに応じてマグネトロン２０や燃焼用気体を供
給する信号を出す。

【００２７】３２は消音用のマフラーである。排気ガス
がフィルタ１９を流れて捕集されているときは、装置自
体がマフラーの役目をしている。

【００２８】図２に高周波検出手段２９の詳細図を示
す。加熱室１８壁面にはアンテナ２９ａを挿入するため
の検出孔３３が設けられており、そこにセミリジッド同
軸ケーブル３４が挿入されている。同軸ケーブル３４の
中心導体は、周囲導体より長く突き出した構成で、これ
がアンテナの役目をする。本実施例では、高周波の電界
強度を検出する構成となっている。前記同軸ケーブルの
絶縁体３５は、高周波特性がよく耐熱性が比較的高いフ
ッ素樹脂が用いられている。

【００２９】図３にパティキュレート捕集量とアンテナ
検出量の一例を示す。図１の構成で約６Ｌの加熱室に
２．５Ｌのフィルタを設置し、２４５０ＭＨｚの４００
Ｗの高周波を供給する。図２の構成でアンテナの長さ３
６を５ｍｍにした場合の特性である。図３に示したよう
にフィルタ１９の温度測定手段３０によりパティキュレ
ートの捕集量を補正することで、捕集量を検出可能にな
る。たとえば、排ガス温度が３００度の場合でアンテナ
の出力が５ｍＷの場合、フィルタの捕集量が７ｇ／Ｌと
推定可能になる。温度測定手段３０がない場合は図３か
らもわかるように捕集量の検出精度は著しく低下する。

【００３０】図１、図２において、制御部３１はパティ
キュレート重量ごとに最適な高周波電力量をあらかじめ
記憶している制御手順にしたがってフィルタ１９のパテ
ィキュレートに供給し、続いて燃焼用の助燃手段により
助燃気体を供給する。したがって常に効率よくパティキ
ュレートを加熱することができる。

【００３１】捕集されたパティキュレートの燃焼再生の
タイミングは、捕集量が所定以上で排気管の背圧があが
ってエンジンを損傷しない範囲ならばいつでもよい。し
かしながら、例えば、移動体の車では、バッテリが充分
に充電されていないときや、エンジンが停止していると
きなどで、充分な再生用の加熱エネルギを供給できない
場合には、再生ができない。しかも、パティキュレート
の単位時間当りの発生量はエンジンの回転数、負荷、さ
らに、加熱燃料の性質により大きく変動する。このた
め、再生時の捕集量は一定とは限らない。したがって、
再生条件の整ったときに各々の捕集量に応じて、最適な
高周波給電と助燃気体の供給を行っている。

【００３２】次にフィルタ１９再生の基本プロセスを説
明する。パティキュレート捕集量がフィルタ再生を実行
する状態になると、フィルタ再生が開始する。この再生
制御指令は本装置の一構成要素である制御部３１より発
せられる。再生開始の指令はエンジンの動作時間積分
や、フィルタ１９の前後の気圧差、フィルタ１９の温
度、または、定期的にマグネトロン２０を短時間動作さ
せて得た高周波検出手段２９と温度測定手段３０からの
信号を制御部３１の演算装置で内部処理することで再生
実行可能状態と再生制御アルゴリズムを決定している。
この制御部３１の指令に基づいて、まずバルブ２５が切
り替わる。これにより、排気ガスは排気分岐管２４に導
かれる。次に、バルブ２３が開いて送風手段２２からフ
ィルタ１９に空気が送られる。この空気の温度を温度測
定手段３０により検出することで、フィルタ１９の温度
を測定する。続いて送風手段２２が停止し、マグネトロ
ン２０に駆動電力が供給される。マグネトロン２０から
のマイクロ波は導波管２１を伝送して加熱室１８内に給
電される。このときに高周波検出手段２９により得られ
た値を温度測定手段３０によるフィルタ温度で補正する
ことで、パティキュレート量を推定する。前述のように
パティキュレートの量に応じて制御部３１により高周波
による加熱量が決められる。適当な時間経過後、フィル
タ１９の排気ガス下流側に存在するパティキュレートは
燃焼可能温度に到達する。この時、フィルタ１９を流れ
る排気ガスはほぼ完全に遮断されている。したがって、
マイクロ波で加熱されたパティキュレートはその燃焼可
能温度域に向かって効率よく温度上昇していく。

【００３３】この後に、再び送風手段２２が動作し、適
当な流量の酸素を含む空気がフィルタ１９へ供給され
る。この気体の供給量もパティキュレート捕集量により
異なる。こうして、フィルタ１９のパティキュレートが
燃焼開始し、パティキュレート捕集量に応じた適当な時
間を経てフィルタ１９のほぼ全域のパティキュレートが
燃焼し除去される。

【００３４】なお、マグネトロン２０の動作はフィルタ
１９全域のパティキュレート燃焼が完了するまで継続す
る必要はなく、フィルタ１９の排気ガス下流側に存在す
るパティキュレートが燃焼状態に移行した後、適当な時
期に停止させたりマイクロ波パワーを低下させたりする
ことができる。

【００３５】フィルタ再生サイクルが終了するとバルブ
２３は元の状態に制御される。その後、バルブ２５が制
御され、フィルタ１９に排気ガスが流入され、パティキ
ュレート捕集が行われる。このようにパティキュレート
をその捕集された量に応じて、効率よく加熱すること
は、内燃機関用フィルタ再生装置の効率を高めることを
可能とする。また、図２で示すように、アンテナ２９は
フィルタ１９の周囲に設けられたフィルタ保持材料２８
によって、おおわれた構成をしている。この保持材料２
８は、断熱作用と緩衝作用をあわせもち、フィルタ１９
を保護するとともに、高周波検出手段２９のアンテナ２
９ａも保護する。

【００３６】ところで、図３に示すように排ガス温度が
４８０度ぐらいになると、高周波検出手段２９からの出
力は非常に小さくなるため検出精度が低下してしまう。
これは、フィルタ１９の誘電損失が大きくなるためであ
る。したがって、フィルタ１９の温度が高いときは、捕
集量による最適な再生制御ができなくなる。したがっ
て、フィルタ１９の温度が高いときは、送風手段２２に
よりフィルタ１９に空気を送り冷却してから、温度測定
と高周波検出を行いパティキュレート量を測定する。

【００３７】また、一方、高周波検出手段２９の出力が
所定値より小さい場合（たとえば、図３のＰ0より小さ
い場合）は、パティキュレート捕集量が非常に多い（１
０ｇ／Ｌ以上）か、フィルタ１９の温度が高い（４８０
℃以上）ためである。この場合も送風手段２２でフィル
タ１９を冷却したのちに、高周波検出手段２９でパティ
キュレートの量を再度判定することで、捕集量測定を精
度よく測定することができる。

【００３８】このようにして、パティキュレートの量を
精度よく測定し、その量に応じてマグネトロン２０の高
周波電力燃焼用の空気供給をすることで、効率のよいフ
ィルタの再生を可能としている。

【００３９】

【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は以下の効果がある。

【００４０】パティキュレートの物理量を高周波検出手
段であるアンテナに受信される電力量で検出し、フィル
タの温度情報でその検出量を補正するため、パティキュ
レートの量に応じて再生制御のための高周波電力および
助燃気体を供給するため、フィルタの燃焼温度を抑制し
た加熱再生が可能となり安全性や耐久性が向上する効果
がある。

【００４１】また、送風手段によりフィルタの温度が所
定値よりも低くなるまで冷却してから、高周波検出手段
をはたらかすため、フィルタが高温時に低下する高周波
検出によるパティキュレート測定の精度を向上させるこ
とができる。

【００４２】また、高周波検出手段の出力が非常に小さ
い場合にも、フィルタを冷却することでパティキュレー
ト測定の精度を高くしているため、パティキュレート量
の検出精度を向上でき、温度測定手段によりフィルタの
温度を測定しているため、最適なフィルタ再生制御が可
能になり、信頼性の高い内燃機関用フィルタ再生装置が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明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】本発明の実施例における内燃機関用フィルタ再
生装置の部分詳細図

【図３】本発明の実施例におけるアンテナ検出電力とパ
ティキュレート捕集量の特性図

【図４】従来の高周波加熱装置の構成図

【符号の説明】

１７ 排気管 １８ 加熱室 １９ フィルタ ２０ 高周波発生装置（マグネトロン） ２２ 送風手段 ２８ フィルタ保持材 ２９ 高周波検出手段 ３０ 温度測定手段 ３１ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荻野 俊郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 藤原 宣彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−83022（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−301125（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−149126（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−121415（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/02 321

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
   と、前記排気管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、前記フィルタ
   を収納し前記パティキュレートを加熱燃焼させる加熱室
   と、前記パティキュレートを加熱するための高周波を発
   生する高周波発生装置と、前記加熱室に設けられ加熱室
   内の高周波を検出するための高周波検出手段と、前記フ
   ィルタに空気を供給する送風手段と、前記フィルタを通
   過した空気の温度を測定する温度測定手段と、前記送風
   手段により前記フィルタに空気を送り前記温度測定手段
   で空気の温度を検出し、その温度が所定値以下になるま
   で前記送風手段で前記フィルタを冷却し、その後前記高
   周波検出手段の信号の情報および前記温度測定手段から
   の情報に基づき前記高周波発生装置と前記送風手段の動
   作を制御する制御部とを有する内燃機関用フィルタ再生
   装置。
2. 【請求項２】 高周波検出手段の出力が所定値より小さ
   いときは、前記送風手段によりフィルタを冷却し、その
   後高周波検出手段の信号情報および前記温度測定手段か
   らの情報に基づき前記高周波発生装置と前記送風手段の
   動作を制御する制御部とを有する請求項１記載の内燃機
   関用フィルタ再生装置