JP3111829B2 - 内燃機関の排気微粒子処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気中に含
まれる微粒子を捕集し、当該捕集した排気微粒子を処理
する排気微粒子処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、環境保護の観点から、機関の
排気中に含まれる煤等の微粒子（パティキュレート「Ｐ
Ｍ；Particulate Matter」）が大気中に排出されるのを
防止するために、排気系に設けたセラミック等からなる
フィルタエレメントにより該微粒子を捕集除去するよう
にした排気微粒子処理装置が種々提案されている。

【０００３】しかし、該捕集された排気微粒子がフィル
タに堆積するとフィルタが目詰まり状態となり、該フィ
ルタが大きな通路抵抗となって排気圧力が増大すること
となり、機関性能の低下・燃費の悪化等を招く結果とな
るため、ヒータやバーナー等の加熱手段を介して加熱し
て該捕集した排気微粒子を燃焼させてフィルタを再生す
ることが不可欠である。

【０００４】そのため、通気性を有する支持部材にセラ
ミックファイバーとヒータとを交互に巻き回して円筒状
フィルタを形成したもの（特開平２−２５６８１２号公
報参照）や、耐熱繊維で形成された円筒状フィルタの内
面にヒータを配設したもの（特開平６−１１７２１６号
公報参照）が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の装置
では、排気通路を２股に分岐して各々の通路にフィルタ
を備え、排気微粒子が所定量捕集されたら再生する側の
通路を遮断して空気を供給し、ヒータに通電加熱して、
交互にフィルタを再生するようにしていたため、各々の
通路に開閉弁が必要であったり、空気ポンプが必要であ
ったりと、構成が複雑でコストが高いという問題があっ
た。

【０００６】本発明は、かかる従来の問題に鑑みなされ
たもので、簡単な構成で低コストでありながら、再生電
力の無駄な消費を防止しつつ、均一で安定したフィルタ
の再生を実現できる内燃機関の排気微粒子処理装置を提
供することを目的とする。また、本装置において、更な
る再生効率の向上と、構成の簡略化を図ることも本発明
の目的である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の内燃機関の排気微粒子処理装置は、内燃機関の排気
通路の途中に、略中空円筒状のフィルタエレメントを当
該円筒中心軸が略水平になるように内装するフィルタケ
ースを介装し、当該フィルタエレメントの内周側から外
周側へ排気を通過させることにより排気中の微粒子を捕
集し、機関運転停止時に加熱手段を介して排気微粒子を
加熱して燃焼除去するようにした内燃機関の排気微粒子
処理装置において、前記フィルタケースと前記フィルタ
エレメントとの間に設けられ、前記フィルタエレメント
の外周部を、所定間隙を有して覆うように配設される中
空管と、前記中空管の略鉛直方向上部付近に設けられる
上部側開口部と、前記中空管の略鉛直方向下部付近に設
けられる下部側開口部と、を備え、前記上部側開口部
は、その開口面積の割合が、前記フィルタエレメントの
排気上流側端部に近づくほど大きく形成されるように構
成した。

【０００８】請求項２に記載の発明では、前記上部側開
口部が、前記中空管の略軸方向に複数並んで配設された
開口によって構成され、前記フィルタエレメントの排気
上流側端部に近づくほどその開口面積が大きく形成され
るように構成した。請求項３に記載の発明では、前記上
部側開口部が、前記中空管の略軸方向に複数並んで配設
された開口によって構成され、前記フィルタエレメント
の排気上流側端部に近づくほど開口の形成数が密となる
ように形成した。

【０００９】請求項４に記載の発明では、前記フィルタ
ケース内に外気を導く連通部を設けるようにした。

【００１０】

【作用】上記の構成を備える請求項１に記載の内燃機関
の排気微粒子処理装置によれば、機関を運転停止させて
フィルタエレメントを再生する際に、前記中空管の内方
の昇温したガスにより対流が発生し、当該昇温されたガ
スは上昇して前記中空管の開口端の上部、及び前記上部
側開口部から流出するようになるので、下部側開口部か
らはまだ燃焼に使用されていない空気（低温空気）が中
空管の内方に取り込まれることになる。これにより、空
気ポンプや開閉弁等を備えなくても、空気を効率よく逐
次排気微粒子の燃焼に供給できるので、排気微粒子の燃
焼が途絶えることなく安定して行なえるようになる。

【００１１】しかも、通気抵抗が大きく対流空気が取り
込まれ難いフィルタエレメントの排気上流側端部に近づ
くに従って、前記上部開口部の開口面積の割合を大きく
するようにしたので、当該フィルタエレメントの排気上
流側端部側の中空管の内方に対流空気を流れ込み易くで
きるので、フィルタエレメントの円筒中心軸方向での排
気微粒子の燃焼の度合いの平均化、延いてはフィルタエ
レメント全体を均一に、かつ短時間で再生することがで
きるようになる。なお、前記中空管には、遮熱鞘として
の作用があり、再生時の燃焼熱等の輻射熱を利用してフ
ィルタエレメントの再生を良好にするという作用もあ
る。

【００１２】請求項２，３に記載の発明では、高精度且
つ容易に前記上部開口部の開口面積の割合を変更設定可
能となる。請求項４に記載の発明では、連通部を介して
新気を逐次排気微粒子の燃焼に供給できるので、排気微
粒子の燃焼の高効率化を図ることができ、以ってフィル
タエレメントの再生効率をより高めることができるよう
になる。即ち、排気微粒子の燃焼除去は、本発明の場
合、機関運転停止中に行なわれるので、該連通部がない
とフィルタケース内の空気或いは下流側排気通路端で連
通する大気中から逆流してくる新気を再生用空気とする
必要があり、比較的多量の空気が再生に必要となる場合
には不足する可能性があるが（前記逆流してくる新気で
は、マフラー等の抵抗により十分な量を再生時間内に導
入できない場合がある）、前記連通部を設けておけば、
効率よく新気をフィルタケース内に導入できるので、排
気微粒子の燃焼を促進でき、以ってフィルタエレメント
の再生効率を高めることができる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付の図面に基づ
いて説明する。図１に、本発明にかかる排気微粒子処理
装置の構成を示す。図示しない内燃機関のエキゾースト
マニホールドに接続される排気通路２に、ヒータ11ａを
備えた中空円筒状（但し、円筒状に限るものではなく、
中空部を有していればよい）の多孔質性のフィルタエレ
メント11を並列に内装したフィルタケース10が介装され
ている（但し、並列に限るものではなく、単一或いは直
列であってもよい）。

【００１４】前記フィルタエレメント11は、排気上流側
の開口端より機関からの排気を、その中空円筒の内周部
に導入するが、排気下流側の端部が後述するようにして
閉塞される構成となっているから、前記内周部に導入さ
れた排気を、中空円筒の外周側へと通過させることにな
る。つまり、中空円筒の内周側から外周側へ排気が通過
する間に、フィルタエレメント11に排気中の排気微粒子
が捕集されるようになっている（図２参照）。なお、フ
ィルタエレメント11は、セラミックファイバー、セラミ
ックフォーム、若しくはメタルフォーム等を巻回して形
成させることができる。勿論、セラミックを中空円筒状
にモノリス形成したものであっても構わない。

【００１５】前記フィルタエレメント11の中空円筒内周
部に備えられ、当該フィルタエレメント11が捕集した排
気微粒子を通電加熱して燃焼させるための前記ヒータ11
ａは、ＳＵＳ系統或いはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系統、又はＮ
ｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系統の電気発熱体を用いており、多数の
排気通気孔11ｂが規則的に設けられている。なお、図
１，図２では、前記ヒータ11ａを、フィルタエレメント
11の中空円筒内周面、即ち排気の流入面に内接させて備
えるようにしているが、フィルタエレメント11の内部、
或いは外周面に設けるようにしてもよい。なお、図３に
示すように、ヒータ11ａの排気下流側の閉塞端11ｅに
は、前記ヒータ11ａへ通電するための電極11ｃが設けら
れ、該電極11ｃはフィルタケース10とは電気的に絶縁さ
れて外部へ導出されるようになっている。一方、排気上
流側開口部11ｄは、図１，図２に示すように、フィルタ
ケース10によって接地されている。前記電極11ｃは、図
示しない電源に接続され、機関の停止時に該電源から所
定時間、例えば１０分間通電加熱されるようになってい
る。

【００１６】ところで、本実施例では、図１，図２に示
すように、前記フィルタエレメント11の外周壁との間に
所定間隙13を保った状態で、前記フィルタエレメント11
の外周部を覆うように中空円筒管12ａ（遮熱鞘としても
機能する）が配設されている（但し、これに限るもので
はなく、フィルタエレメント11の外周形状に合わせて形
成して構わない。当該中空円筒管12ａが、本発明の中空
管に相当する）。

【００１７】なお、前記フィルタエレメント11は、その
円筒中心軸が略水平となるように配設されるものである
が、このフィルタエレメント11の外周部に所定間隙を有
して嵌挿される上記の中空円筒管12ａの、その嵌挿され
た状態における鉛直方向最上部付近と最下部付近には、
図１，図４に示すように、当該中空円筒管12ａの円筒中
心軸と略平行に並んで、複数の開口部12ｂ（上部側），
12ｃ（下部側）が設けられている。この複数の上部側開
口部12ｂの開口面積は、フィルタエレメント11への排気
の流入方向上流側程大きくなるように形成されている。

【００１８】一方、複数の下部側開口部12ｃの開口面積
は、フィルタエレメント11への排気の流入方向に拘わら
ず、中空円筒管12ａの円筒中心軸方向において略一定の
大きさで均等な面積配分となるように規則的に配設され
ている。そして、前記中空円筒管12ａの外方のフィルタ
ケース10の内部の下方には、当該フィルタケース10の内
部下方と、外部（外気）とを連通する連通パイプ14（本
発明にかかる連通部の一例である）が設けられている。

【００１９】ここで、上記のような構成を備える本実施
例における内燃機関の排気微粒子処理装置の作用・効果
について説明する。排気微粒子を捕集する際には、排気
はフィルタエレメント11の排気上流側開口部から流入
し、ヒータ11ａの排気通気孔11ｂ、フィルタエレメント
11の内周から外周を通過した後（これにより、排気中の
排気微粒子は捕集される）、前記中空円筒管12ａの開口
端12ｄ、及び上部側開口部12ｂ，下部側開口部12ｃを通
り、その後大部分の排気が下流側排気通路２へ導かれ、
その後大気中に排出される。

【００２０】フィルタエレメント11の再生時（機関停止
時に実行される）には、前記中空円筒管12ａは遮熱鞘と
して機能し、輻射熱を有効利用してフィルタエレメント
11の外周部付近に堆積している排気微粒子を効果的に焼
き切ることができる一方で、ヒータ11ａへの通電加熱が
開始されると、中空円筒管12ａ内方の加熱されたガスに
より対流が発生し、当該加熱されたガスは上昇して中空
円筒管12ａの開口端12ｄの上部、及び上部側開口部12ｂ
から流出するようになるので、連通パイプ14から下部側
開口部12ｃを通って、フィルタケース10の外部の低温な
空気（新気）が中空円筒管12ａの内方に取り込まれるこ
とになる。これにより、空気ポンプや開閉弁等を備えな
くても、新気を逐次燃焼に供給できるので、排気微粒子
の燃焼が途絶えることなく安定して行なえるようになる
（なお、比較的フィルタエレメント11の容積が小さい場
合等は、連通パイプ14等を介して外気を導入する構成と
しなくても、対流効果によりフィルタケース10内の空気
や排気通路２からの空気〔即ち、燃焼に使用されていな
い低温な空気〕を燃焼に効率よく供給できるので、十分
な再生を行なうことができる）。

【００２１】なお、上部側開口部12ｂの面積は、フィル
タエレメント11への排気流入方向上流側が大きくなるよ
うに形成されているので、通気抵抗が大きく対流空気が
取り込まれ難いフィルタエレメント11への排気流入方向
上流側端部（即ち、図中左側）の中空円筒管12ａの内方
に、対流空気が流れ易くなるために、フィルタエレメン
ト11の円筒中心軸方向での排気微粒子の燃焼の度合いが
平均化されることになるから、大きな熱応力等を発生さ
せることなくフィルタエレメント11全体を均一に、かつ
短時間で再生することができる。

【００２２】ところで、本実施例では、開口面積の調整
の高精度化と加工容易性を両立すべく、前記上部側開口
部12ｂを複数の開口部により構成するものとして説明し
たが、図５に示すように、スリット形状で構成してもよ
い。また、下部側開口部12ｃにあっても同様である。こ
のように構成すれば、加工が極めて容易となるというメ
リットがある。なお、前記開口部12ｂ，12ｃは、略鉛直
方向上下に設けるようにして説明したが、適宜横方向に
設けるようにしても構わない。

【００２３】更に、図６に示すように、前記上部側開口
部12ｂを複数の開口部により構成して、その開口面積を
同一として、開口部12ｂの配列間隔を、フィルタエレメ
ント11への排気流入方向上流側が密になるように形成す
るようにしても構わない。また、連通パイプ14のフィル
タケース10内の開口部を、通気抵抗が大きく対流空気が
取り込まれ難いフィルタエレメント11への排気流入方向
上流側端部（即ち、図中左側）に設けるようにしている
ので、これによっても、図中左側の中空円筒管12ａの内
方に対流空気が流れ易くなるので、フィルタエレメント
11の円筒中心軸方向での排気微粒子の燃焼の度合いの平
均化、延いてはフィルタエレメント11全体を均一に、か
つ短時間で再生することに役立っている。なお、本実施
例のように連通パイプ14を介して外気を導入させる構成
とせず、例えばフィルタケース10の下部に外気と連通す
る開口部を設けて、当該開口部から外気を導入させるよ
うにしても同様の効果が得られる。また、比較的フィル
タエレメント11の容積が小さく、フィルタケース10内の
空気或いは再生時に排気通路２からフィルタケース10内
へ導入される空気で、再生が十分行なえる場合には、連
通パイプ14等を介して外気を導入する構成としなくて
も、対流効果により十分再生を行なうことができる。但
し、連通パイプ14等を設けた方が再生効率を向上できる
ことは勿論である。なお、再生時にのみ連通パイプ14等
を介してケース内と外気とを連通させるような連通・遮
断手段（例えば、開閉弁）を設けるように構成すること
もできる。

【００２４】ところで、本実施例では、ヒータ11ａをフ
ィルタエレメント11内周部に備える構成として説明した
が、一端排気微粒子の燃焼が開始された後は、その燃焼
熱によって上述同様の対流が発生し、同様の作用効果を
期待できるので、フィルタエレメント11を加熱でき排気
微粒子を再燃焼させることができればよく、当該実施例
のヒータ構造や配置に限定されるものではない（例え
ば、バーナ等であってもよい）。また、本実施例では機
関の停止時に再生処理を行なうのであるから、ヒータ11
ａは備えずとも、例えば再生時に、外部から排気微粒子
を加熱して燃焼させる手段（電気式ヒータに限られな
い）をフィルタケース10内に導入して、フィルタエレメ
ント11が捕集した排気微粒子を燃焼除去させる構成とす
ることもできる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載の内燃機関の排気微粒子処理装置によれば、空気ポン
プや開閉弁等を備えなくても、排気微粒子の燃焼を安定
して行なえるようになり、以ってフィルタエレメントの
再生効率（再生ムラ等の抑制、短時間で再生処理を終わ
らせることができる等）を高めることができ、尚且つ通
気抵抗が大きく対流空気が取り込まれ難いフィルタエレ
メントへの排気上流側端部側の中空管の内方に対流空気
を流れ易くできるので、フィルタエレメントの円筒中心
軸方向での排気微粒子の燃焼の度合いの平均化、延いて
はフィルタエレメント全体を均一に、かつ短時間で再生
することができる。

【００２６】請求項２，３に記載の発明によれば、高精
度且つ容易に前記上部開口部の開口面積の割合を変更設
定可能となる。請求項４に記載の発明によれば、連通部
を介して新気を逐次排気微粒子の燃焼に供給できるの
で、排気微粒子の燃焼の高効率化を図ることができ、以
ってフィルタエレメントの再生効率をより高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる内燃機関の排気微粒子処理装置
の一実施例の上下方向断面図

【図２】同上実施例における装置の水平方向断面図

【図３】同上実施例の部分拡大図

【図４】同上実施例の中空円筒管の上部側開口部形状を
説明する図

【図５】中空円筒管の上部側開口部形状の他の例を説明
する図

【図６】中空円筒管の上部側開口部形状の他の例を説明
する図

【符号の説明】

２ 排気通路 １０ フィルタケース １１ フィルタエレメント １１ａ ヒータ １２ａ 中空円筒管 １４ 連通パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−140412（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−117216（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−264722（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−189657（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−93451（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−93452（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−103618（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 - 3/038

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気通路の途中に、略中空円筒
   状のフィルタエレメントを当該円筒中心軸が略水平にな
   るように内装するフィルタケースを介装し、当該フィル
   タエレメントの内周側から外周側へ排気を通過させるこ
   とにより排気中の微粒子を捕集し、機関運転停止時に加
   熱手段を介して排気微粒子を加熱して燃焼除去するよう
   にした内燃機関の排気微粒子処理装置において、 前記フィルタケースと前記フィルタエレメントとの間に
   設けられ、前記フィルタエレメントの外周部を、所定間
   隙を有して覆うように配設される中空管と、 前記中空管の略鉛直方向上部付近に設けられる上部側開
   口部と、 前記中空管の略鉛直方向下部付近に設けられる下部側開
   口部と、 を備え、 前記上部側開口部は、その開口面積の割合を、前記フィ
   ルタエレメントの排気上流側端部に近づくほど大きく形
   成されたことを特徴とする内燃機関の排気微粒子処理装
   置。
2. 【請求項２】前記上部側開口部は、前記中空管の略軸方
   向に複数並んで配設された開口によって構成され、前記
   フィルタエレメントの排気上流側端部に近づくほどその
   開口面積が大きく形成されたことを特徴とする請求項１
   に記載の内燃機関の排気微粒子処理装置。
3. 【請求項３】前記上部側開口部は、前記中空管の略軸方
   向に複数並んで配設された開口によって構成され、前記
   フィルタエレメントの排気上流側端部に近づくほど開口
   の形成数が密となるように形成されたことを特徴とする
   請求項１に記載の内燃機関の排気微粒子処理装置。
4. 【請求項４】前記フィルタケース内に外気を導く連通部
   を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか
   １つに記載の内燃機関の排気微粒子処理装置。