JP2913959B2 - 排気微粒子浄化装置 - Google Patents

排気微粒子浄化装置

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JP2913959B2 JP3309713A JP30971391A JP2913959B2 JP 2913959 B2 JP2913959 B2 JP 2913959B2 JP 3309713 A JP3309713 A JP 3309713A JP 30971391 A JP30971391 A JP 30971391A JP 2913959 B2 JP2913959 B2 JP 2913959B2
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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の
排気ガス中に含まれる微粒子を捕集し、これを燃焼除去
する排気微粒子浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジンの排気管には、排気
ガス中のカーボンを主成分とする微粒子を捕集して排気
ガスを浄化する排気浄化装置が設けられている。
【0003】図5は、この種の従来の浄化装置の代表例
を示すもので、エンジン3の排気管4はその途中で分岐
し、一方の分岐管41は中間部を大径としてその中に多
孔質のセラミック製の微粒子捕集フィルタ(以下、捕集
フィルタという)1が設置されている。この捕集フィル
タ1はハニカム構造を有する筒体で、隔壁101にて仕
切られた多数の流路(セル)を有し、隣接する流路10
2a,102bは上流側と下流側の端部が交互に閉鎖さ
れている。
【0004】しかして、捕集フィルタ1の上流側より排
気ガスは、上流側が開口する流路102a内へ流入し、
隔壁101を通過して隣接する流路102bより下流側
へ流出する。このとき、排気ガス中に含まれる微粒子
は、隔壁101で通過が阻まれて隔壁101に捕集さ
れ、堆積する。
【0005】このようにして微粒子の堆積が進行すると
通気抵抗が増加し、捕集フィルタ1の前後の差圧ΔPが
増大してエンジン3の出力低下を招くため、堆積微粒子
を周期的に除去する必要がある。そこで、捕集フィルタ
1に電気ヒータ2を設け、排気ガスの殆どをバイパス分
岐管42に流してバイパスさせると同時に電気ヒータ2
に通電して堆積微粒子を着火し、後端まで燃焼せしめて
捕集フィルタ1の再生を行なっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、捕集フィル
タ1の再生時において、堆積した微粒子の重量と、再生
時の燃焼温度および再生率(堆積微粒子のうちの燃焼除
去された微粒子の割合)とは、強い相関があることが実
験により確認された。
【0007】即ち、微粒子堆積重量が多くなると、燃焼
温度が高くなり、再生率も高くなる。実験に使用した捕
集フィルタ(φ140mm、容積2I、セル数150)で
は、微粒子堆積重量12g/I〔容積1I当たりの堆積
量(g)〕程度で、微粒子は捕集フィルタの周辺までよ
く燃えて再生率100%が得られるが、熱のこもり易い
中心部では燃焼温度が1000℃を越え、捕集フィルタ
に熱損傷が生じた。
【0008】そこで、中心部温度を熱損傷を起しにくい
最高温度900℃に抑えるべく微粒子堆積重量を7g/
I程度とすると、熱が逃げ易い周辺部では燃焼温度は微
粒子が着火するに必要な最低温度650℃以下にまで下
がり、微粒子の燃え残りが生じることが確認された。
【0009】このことから、熱損傷により捕集フィルタ
としての機能が損なわれるのを防ぐためには微粒子堆積
重量を7g/I程度に抑える必要があるが、このとき再
生率は60%程度となり、40%が捕集フィルタ周辺部
で燃え残ることになる。
【0010】再生時期を決める手段として、エンジン回
転数積算値や、捕集フィルタの前後差圧が用いられてい
る。エンジン回転数積算値方式では、次回の再生まで
に、初回の再生時と同じ量の微粒子が堆積するため、燃
え残り量を合わせた、7+7×0.4=9.8g/Iの
微粒子が堆積してしまい、燃焼温度が所期の値よりも高
くなって熱損傷を起こすおそれがある。
【0011】一方、前後差圧差方式では、図4に示すよ
うに再生された捕集フィルタの中心部Bの周辺に燃え残
り部Aがあり、燃え残り部Aの圧損が中心部Bよりも大
きいため、その後捕集を続けて先の再生開始時とフィル
タ全体として同じ圧損となっても中心部Bの微粒子堆積
重量は7g/Iよりも少ない状態にあり、従って中心部
Bの燃焼温度は所期の温度よりも低くなり、燃焼炎が途
中で吹き消えたりして、再生ミスを起こす場合がある。
【0012】しかして本発明は、フィルタ再生時におけ
る異常高温の発生や、燃焼が完全になされないことによ
る再生ミスの発生のおそれのない排気微粒子浄化装置を
提供することを課題としてなされたものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、図1に示すよ
うに、エンジンの排気ガス中に含まれる微粒子を捕集す
る捕集フィルタ1と、捕集フィルタ1に堆積した微粒子
を着火燃焼して除去し該フィルタ1を再生せしめる電気
ヒータ2を備えた排気微粒子浄化装置において、再生時
にエア供給手段7から捕集フィルタ1に供給されるエア
の流量を検出するエア流量検出手段8と、捕集フィルタ
1の少なくとも後流側の酸素濃度を検出する酸素濃度検
出手段6を具備せしめるとともに、上記エア流量検出手
段8と酸素濃度検出手段6の信号から再生後の微粒子捕
集フィルタの微粒子燃え残り量を算出し、これをもとに
次回の再生時期および再生時のエア流量を決定するため
の演算・制御を行なう制御手段11を具備せしめたこと
を特徴とする。
【0014】
【作用】本発明の排気微粒浄化装置においては、捕集フ
ィルタ1の再生時に、エア流量検出手段8と酸素濃度検
出手段6からの時々刻々の信号を制御手段11に取り込
み、エア流量とフィルタ前後の酸素濃度差の積分値から
微粒子の燃焼除去重量および燃え残し量を算出し、燃え
残り量から次回再生の適正時期およびエア流量を決定
し、これにより異常高温や再生ミスなく捕集フィルタの
再生を行なう。
【0015】
【実施例】図1に示す第1の実施例において、ディーゼ
ルエンジンの排気管4は途中で分岐せしめてあり、一方
の分岐管41には大径部を形成し、その中に捕集フィル
タ1が設けてある。捕集フィルタ1は多孔質のセラミッ
クよりなるハニカム構造体で、隔壁101により仕切ら
れた多数の通孔102を有し、各通孔102は上流側と
下流側が交互に閉鎖されている。捕集フィルタ1の上流
側の端面には電気モータ2が設けてある。また、一方の
分岐管41には捕集フィルタ1の上流側に切替バルブ5
が設けてあり、分岐管41は切替バルブ5と捕集フィル
タ1との間の位置でエア供給手段たるエアポンプ7と連
通せしめてある。
【0016】そして、通常時は切替バルブ5は一方の分
岐管41を開き、他方の分岐管42を閉じる位置(図示
破線)としてあって、排気ガスは捕集フィルタ1の上流
側が開口する通孔に流入し、隔壁101を通過して下流
側が開口する流通孔から流出し、排気ガス中の微粒子は
隔壁101にて捕集される。
【0017】微粒子の捕集が進み捕集フィルタ1を再生
するときには、切替バルブ5が一方の分岐管41を閉じ
る位置(図示実線)となり、排気ガス全量が他方の分岐
管42を通ってバイパスされ、エアポンプ7から再生に
必要な酸素を供給するためのエアが送られる。同時に電
気ヒータ2が通電されて、捕集フィルタ1に捕集され堆
積した微粒子を着火燃焼させる。
【0018】次に装置の詳細について説明する。捕集フ
ィルタ1の上流側と下流側の間には、差圧検出器9が設
けてある。また、一方の分岐管41には捕集フィルタ1
の後流側に酸素濃度検出手段たる酸素濃度検出器6が取
付けてある。更に、エアポンプ7と一方の分岐管41と
をつなぐエア通路にはエア流量検出器8が設けてある。
そしてこれ等差圧検出器9、酸素濃度検出器6、エア流
量検出器9と、エンジンに設けたエンジン回転数検出器
11は、後記する制御手段たるコントローラ11に電気
的に接続せしめてある。コントローラ11に接続された
差圧検出器9およびエンジン回転数検出器11の設置
は、いずれかを省略してもよい。またエア流量検出手段
は、エアポンプの電圧、電流値から換算して流量を求め
るようにしてもよい。
【0019】上記装置において、捕集フィルタ再生時、
捕集フィルタ1の後流に設けた酸素濃度検出器6によ
り、時々刻々の酸素濃度を検出する。堆積した微粒子の
ほとんどはカーボンであるため、燃焼はC+O2 の反応
によりCO2 、COを生成する。エアポンプ7から供給
されるエアの酸素濃度は、標準状態で約21%であるこ
とから、燃焼に使われた酸素量は、フィルタ前後の酸素
濃度差の積分値AAにエア流量をかけることで算出さ
れ、従って上記反応式より燃焼したカーボン量を算出す
ることができる(図3)。
【0020】捕集フィルタ1の再生時期については、初
回の再生時期は、例えばエンジン回転数の積算値、ある
いは捕集フィルタ1の前後差圧により決定する。初回の
再生では、それ以前に微粒子燃え残しがないから、エン
ジン回転数の積算値または差圧から微粒子の堆積重量を
ほぼ正確に知ることができる。従って、堆積重量と燃焼
重量から微粒子の燃え残り量が算出される。
【0021】ところで、次回の再生時期は、エンジン回
転数の積算値を用いる場合では、初回再生のエンジン回
転数積算値から燃え残り分を差し引いた値に達した時点
で行なう。即ち、初回再生が積算値N1で行なわれ、燃
え残りが40%であったならば、エンジン回転積算値N
1−N1×0.4+αで再生を行なう。ここでαは、再
生率と、燃え残り部、再生完了部の差圧の差とから定ま
る定数である。これは捕集を行なうと、再生完了部分の
みでなく燃え残り部にも多少捕集がなされるため、その
分の補正を行なうのである。以下、同様の計算で再生時
期を決める。
【0022】また、フィルタ前後差圧を用いる場合に
は、初回再生時の燃え残りによる差圧のアップ分を加算
した差圧で次回の再生を行なう。即ち、初回再生が差圧
ΔP1で行なわれたが燃え残りにより差圧が初回堆積開
始時まで下がらず、Δ(ΔP1)分だけ初回よりも差圧
がアップした状態で堆積が再開されたならば、次回再生
は差圧ΔP1+Δ(ΔP1)+βで行なう。ここでβ
は、上記のαと同様、再生率と、燃え残り部、再生完了
部の差圧の差とから定まる定数である。
【0023】次に、捕集フィルタ再生時のエア流速につ
いては、エア流速が速いと堆積微粒子の燃焼炎が吹き消
され、遅いと燃焼に必要な酸素が不足する。このように
再生時のエア流量と再生率とは大きな相関があり、発明
者らは実験により最高の再生率を示すエア流速が存在す
ることがわかった。例えば、φ140mm、容量2I、1
50セルフィルタでは0.1〜0.2m/s 程度の範囲で
ある。
【0024】一方、フィルタ再生時に燃え残りがフィル
タ周辺部に生じると、該周辺部へのエアの流入が減少
し、供給エア流量が一定であると再生がなされたフィル
タ中心部のエア流速が早くなり、最高の再生率よりも低
い再生率しか得られない。
【0025】そこで、上記の燃え残り量の検出より、フ
ィルタのエア通過面積がほぼ推定できるため、この面積
で最高再生率が得られるように、エア流量を減少させ
る。例えば初期通過面積A0 、燃え残り発生後の通過面
積A1 、初期エア流量Q0 では、次回再生時のエア流量
1 =(A1 /A0 )×Q0 とする。これにより、燃え
残り領域が拡大してフィルタに目づまりが発生する事態
を回避することができる。
【0026】上記のように、捕集フィルタ再生時期およ
びエア流量を決定するための演算や再生およびエア流量
を調整する機器制御はコントローラ11によりなされ
る。
【0027】図2は第2の実施例を示すもので、捕集フ
ィルタ1の上流側および下流側の両方にそれぞれ酸素濃
度検出器6a、6bを設けた点において、第1の実施例
と異なる。これにより、温度、湿度、気圧等の変化に伴
なう大気中酸素濃度の変動部をキャンセルした正確な酸
素濃度を知ることができ、従って再生により消費された
酸素量をより正確に把握することができる。
【0028】
【発明の効果】本発明の排気浄化装置によれば、再生時
の微粒子の燃え残り量を把握することで、次回再生時期
や再生エア流量を最適化することができ、異常高温や再
生ミスを防止して燃え残り領域が拡大することなく、良
好な捕集フィルタの再生がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の構成図である。
【図2】本発明の第2の実施例の構成図である。
【図3】再生に消費された酸素量を算出するためのモデ
ル図である。
【図4】燃え残りによる微粒子の堆積状況を説明するた
めの図である。
【図5】従来の微粒子浄化装置の構成図である。
【符号の説明】 1 微粒子捕集フィルタ 2 電気ヒータ 4 排気管 6、6a、6b 酸素濃度検出手段 7 エア供給手段 8 エア流量検出手段 9 フィルタ前後差圧検出手段 10 エンジン回転数検出手段 11 制御手段(コントローラ)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−40017(JP,A) 実開 昭60−110618(JP,U) 実開 平2−135623(JP,U) 実開 平5−69312(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01N 3/02 301 - 341

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジンの排気経路に設けられてエンジ
    ンの排気ガス中の微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタ
    と、微粒子捕集フィルタに設けられて該フィルタに堆積
    した微粒子を着火燃焼せしめて該フィルタを再生する電
    気ヒータを具備した排気微粒子浄化装置において、上記
    微粒子捕集フィルタ再生時に該フィルタにエアを供給す
    るエア供給手段と、供給されるエアの流量を検出するエ
    ア流量検出手段と、再生時の上記微粒子捕集フィルタの
    少なくとも後流側の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手
    段と、上記エア流量検出手段および酸素濃度検出手段の
    信号から微粒子捕集フィルタ再生後の微粒子燃え残り量
    を算出し、これをもとに、次回フィルタ再生時期および
    再生時の供給エア流量を決定するための演算・制御を行
    なう制御手段を具備せしめたことを特徴とする排気微粒
    子浄化装置。
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