JP3114357B2 - 排気フィルタの再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関の排気微粒
子捕集用の排気フィルタをヒータの加熱により強制的に
再生する再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル機関等の内燃機関が排出する
カーボン等の排気微粒子を捕集するために、セラミック
スの三次元多孔体いわゆるセラミックスフォームやセラ
ミックス製の目封じ型ハニカムフィルタ等からなる排気
フィルタを排気系に介装することが従来から考えられて
いるが、この排気フィルタでは、その経時的な目詰まり
が問題となり、何らかの再生手段が不可欠となる。この
再生手段の一つとして、セラミックスフォーム等からな
るフィルタの排気入口部に電気ヒータを配設し、該ヒー
タによりフィルタを加熱して捕集したカーボン等の燃焼
を促進するようにした再生装置が知られている。

【０００３】尚、このようなヒータ等を用いた再生時
に、排気の通流によるフィルタの冷却を回避するため
に、フィルタをバイパスするバイパス通路を設け、該バ
イパス通路側に排気流を導くようにしたものもある。

【０００４】また実開昭６４−１５７１４号公報には、
フィルタ前面に設けたヒータの更に上流側に、セラミッ
クス繊維からなる伝熱変換素子を設け、ヒータから上流
へ逃げようとする熱を吸収して、再生中に供給される空
気流を加熱するようにした構成が示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにヒータを
用いて強制的な再生を行う場合に、フィルタ側に空気流
もしくは排気流を全く供給しないと、フィルタ出口側へ
の熱伝達が円滑とならず、均一な再生は困難である。逆
に、再生時に供給する空気流や排気流が過大であると、
ヒータの熱の多くが空気流や排気流に持ち去られてしま
い、フィルタを有効に加熱することができない。

【０００６】またフィルタ出口部の排気温度を検出し、
これがフィルタ温度を代表するものとして、フィルタ側
へ供給する空気流や排気流をフィードバック制御するこ
とも考えられるが、このようにしても、フィルタの熱容
量が大きいことから制御の応答遅れが大きく、効率良く
再生を進行させることが難しい。特に、上記実開昭６４
−１５７１４号公報のように伝達変換素子でもって熱を
吸収したとしても、その温度条件が考慮されないため、
吸収した熱を十分有効に利用することができない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る排気フィ
ルタの再生装置は、図１に示すように、内燃機関の排気
通路に介装された排気微粒子捕集用のフィルタ１と、こ
のフィルタ１をバイパスするように形成されたバイパス
通路２と、このバイパス通路２側へバイパスする排気流
量と上記フィルタ１を通過する排気流量とを制御する排
気流制御機構３と、上記フィルタ１の前面近傍に設けら
れたヒータ４と、このヒータ４の更に上流側に設けら
れ、かつ排気が通流可能な放射熱吸収部材５と、この放
射熱吸収部材５の温度を検出する第１の温度検出手段６
と、フィルタ１出口側の排気温度を検出する第２の温度
検出手段７と、上記ヒータ４を用いた再生時に、フィル
タ１出口側温度が放射熱吸収部材５の温度より高く、か
つ両者の温度差が大となる方向に、上記排気流制御機構
３を制御する温度制御手段８とを備えたことを特徴とし
ている。

【０００８】

【作用】通常は排気の全量がフィルタ１側へ案内され、
排気中のカーボン等の排気微粒子が捕集される。排気微
粒子が堆積して再生すべきときになると、ヒータ４に通
電され、フィルタ１の強制的な再生が行われる。この再
生中は、排気の大部分がバイパス通路２側へ導かれ、過
度の排気流によるフィルタ１の冷却が防止される。但
し、ヒータ４の熱をフィルタ１全体に拡散させるために
少量の排気が導入される。また、ヒータ４から上流側へ
逃げようとする熱は放射熱吸収部材５によって吸収さ
れ、かつこの熱によって、フィルタ１へ向かう少量の排
気流が加熱される。

【０００９】上記の排気流によって放射熱吸収部材５の
熱が十分に利用されれば、放射熱吸収部材５の温度は低
く保たれる。換言すれば、放射熱吸収部材５の温度が高
い状態では、排気流が少な過ぎ、ヒータ４の熱が再生に
有効利用されていない。またフィルタ１出口側の排気温
度はフィルタ１自体の温度を代表するものとなるが、排
気流が少な過ぎれば、下流への熱伝達が低下することか
ら温度は低くなり、また逆に排気流が多過ぎても排気に
熱を奪われて温度は低くなる。

【００１０】従って、放射熱吸収部材５の温度がなるべ
く低く、かつフィルタ１出口側の排気温度がなるべく高
くなるようにフィルタ１側の排気流量を調節すれば、最
も効率良く再生が行える。このような観点から温度制御
手段８では、フィルタ出口側温度が放射熱吸収部材５の
温度より高く、かつ両者の温度差が大となる方向に、排
気流制御機構３を制御し、フィルタ１を通過する排気流
量を最適に調節する。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

【００１２】図２は、この発明の一実施例の機械的構成
を示す構成説明図であって、ディーゼル機関１１の排気
通路１２の途中に、排気微粒子を捕集する排気フィルタ
１３が介装されている。また、このフィルタ１３をバイ
パスするように、バイパス通路１４が形成されている。
そして、排気通路１２のフィルタ１３上流側、詳しくは
バイパス通路１４の分岐部より下流側に、該排気通路１
２を開閉するバタフライバルブ型のフィルタ側バルブ１
５が介装されているとともに、バイパス通路１４途中
に、該バイパス通路１４を開閉するバタフライバルブ型
のバイパス側バルブ１６が介装されている。このフィル
タ側バルブ１５とバイパス側バルブ１６とによって排気
流制御機構が構成されている。

【００１３】上記フィルタ１３は、例えばセラミックス
の三次元多孔体いわゆるセラミックスフォーム、あるい
はセラミックス製ブロックに多数の微細な流路を形成す
るとともに、その流路端部を交互に閉塞してなるいわゆ
る目封じ型ハニカムフィルタをフィルタエレメントとし
て用いたものである。尚、再生を促進するために、適宜
な触媒を担持させるようにしてもよい。このフィルタ１
３の前面つまり排気入口側の端面に近接してヒータ１７
が配設されており、更にこのヒータ１７より僅かに上流
側に、ヒータ１７の熱を吸収，蓄熱する放射熱吸収部材
１８がケーシング１３ａ内を横切るように配設されてい
る。この放射熱吸収部材１８は、例えば熱伝達率に優れ
た発泡金属を用いて目の粗いフィルタ状に形成されてい
る。

【００１４】上記フィルタ側バルブ１５およびバイパス
側バルブ１６は、それぞれパルスモータ等の図示せぬア
クチュエータによって開度が可変制御されるようになっ
ているが、この実施例では、両バルブ１５，１６が互い
に連動した形となっており、一方の開度が増大すると他
方の開度が減少する関係となっている。尚、両バルブ１
５，１６を機械的に連係し、１個のアクチュエータでも
って同時に開閉駆動するように構成しても良い。

【００１５】上記フィルタ側バルブ１５，バイパス側バ
ルブ１６の開度は熱電対等からなる３個の温度センサの
検出信号に基づいて制御される。第１温度センサ１９
は、排気通路１２のバイパス通路１４分岐部より上流に
位置し、ディーゼル機関１１から排出される排気温度Ｔ
１を検出している。第２温度センサ２０は、放射熱吸収
部材１８に取り付けられており、該放射熱吸収部材１８
の温度Ｔ２を検出している。第３温度センサ２１は、排
気通路１２のフィルタ１３出口部に位置し、フィルタ１
３の温度を代表するフィルタ１３出口側の排気温度Ｔ３
を検出している。

【００１６】２２は、上記ヒータ１７を用いた再生処理
を司るコントロールユニットを示している。このコント
ロールユニット２２は、いわゆるマイクロコンピュータ
システムを用いたもので、上記温度センサ１９〜２１の
検出信号や機関運転状態を示す図示せぬ各種センサ類の
検出信号が入力されており、後述するように所定のプロ
グラムに従ってヒータ１７やフィルタ側バルブ１５，バ
イパス側バルブ１６を制御している。

【００１７】次に、上記実施例の作用を図３〜図５のフ
ローチャートに基づいて説明する。

【００１８】ディーゼル機関１１の通常の運転時には、
フィルタ側バルブ１５が全開でかつバイパス側バルブ１
６が全閉となっている。従って、排気の全量がフィルタ
１３を通流し、排気中に含まれているカーボン等の微粒
子が捕集される。図３のフローチャートは、この機関運
転中に繰り返し実行されるメインフローチャートであっ
て、ステップ１で機関回転数Ｎｅとアクセル開度Ｃ／Ｌ
を読み込み、ステップ２で、図６に示すマップに基づ
き、上記機関回転数Ｎｅとアクセル開度Ｃ／Ｌとに対応
する単位時間当たりの微粒子排出量ΔＰＣＴを検索す
る。そして、ステップ３で、この単位時間当たりの微粒
子排出量ΔＰＣＴに捕集効率を乗算し、かつ順次積算し
て総捕集量ＰＣＴを求めるとともに、ステップ４で、こ
の総捕集量ＰＣＴを所定値ＰＣＴ´と比較する。ここで
所定値ＰＣＴ´以上であれば再生時期が到来したものと
してステップ５の再生処理を実行する。

【００１９】図４および図５のフローチャートは、この
再生処理のルーチンを示している。ステップ６では、排
気温度Ｔ１が５００℃以上か否かを判定しており、５０
０℃以上の場合はステップ７以降へ進んで排気熱による
自己再生を行い、５００℃未満の場合はステップ１３以
降へ進んでヒータ１７を用いた強制再生を行う。

【００２０】自己再生を行う場合は、ヒータ１７をＯＦ
Ｆとし（ステップ７）、かつフィルタ側バルブ１５を全
開、バイパス側バルブ１６を全閉とする（ステップ
８）。尚、フィルタ側バルブ１５とバイパス側バルブ１
６とは前述したように連動して動くので、フローチャー
ト中にはフィルタ側バルブ１５のみについて記載し、バ
イパス側バルブ１６については記載を省略する。

【００２１】この状態では排気の全量がフィルタ１３側
を流れる。そして、ステップ９で再生タイマを順次イン
クリメントするとともに、ステップ１０でそのタイマの
値が所定値に達したか判定し、所定値に達した時点で再
生を終了する。すなわち、再生タイマをクリヤする（ス
テップ１１）とともに、前述した総捕集量ＰＣＴの値を
クリヤする（ステップ１２）。尚、再生途中で排気温度
が５００℃未満となればヒータ１７による強制再生に移
行するが、その際には再生タイマの値が保持されるの
で、過不足なく再生が行われる。

【００２２】強制再生の場合は、先ずヒータ１７をＯＮ
とし（ステップ１３）、かつフィルタ側バルブ１５を一
旦全閉とする（ステップ１４，１５）。この状態では、
排気の全量がバイパス通路１４側を流れる。またステッ
プ１６で、排気温度Ｔ１，放射熱吸収部材１８の温度Ｔ
２，フィルタ出口側排気温度Ｔ３を読み込む。そして、
ステップ１７でフィルタ側バルブ１５を１ステップ（例
えば２°）づつ開き、これに伴う温度変化をステップ１
８で判定する。具体的には、今回の検出温度をＴ１，Ｔ
２，Ｔ３、前回バルブ開度を変化させた際（ステップ２
９参照）の温度をＴ１´，Ｔ２´，Ｔ３´としたとき
に、│Ｔ１−Ｔ１´│，│Ｔ２−Ｔ２´│，│Ｔ３−Ｔ
３´│がそれぞれ所定値Ａ（例えば２℃）以上であるか
否かを判定し、いずれかがＡ以上であれば図５のステッ
プ１９以降へ進む。いずれもＡ未満である場合には、温
度変化が生じなかったと判断し、１回のルーチンを終了
する。尚、この場合は、ステップ１７によって１ステッ
プづつフィルタ側バルブ１５の開度が大きくなるので、
所定値Ａ以上の変化が生じるまでフィルタ側バルブ１５
の開度が増大することになる。

【００２３】ステップ１９〜ステップ２８では、温度変
化の傾向を８通りに判別し、それに応じてフィルタ側バ
ルブ１５，バイパス側バルブ１６の開度制御を行ってい
る。

【００２４】先ずステップ１９では、Ｔ２＞Ｔ２´でか
つＴ３≧Ｔ３´の条件に該当するか判定し、ここでＹＥ
Ｓの場合は更にステップ２２でＴ１＜Ｔ１´の条件に該
当するか判定する。Ｔ１＜Ｔ１´であれば、各バルブ１
５，１６の開度をそのまま保持し（ステップ２８）、Ｔ
１≧Ｔ１´であればフィルタ側バルブ１５の開度を１ス
テップだけ大きくする（ステップ２７）。

【００２５】ステップ１９の条件が該当しない場合は、
ステップ２０へ進み、Ｔ２＜Ｔ２´でかつＴ３＜Ｔ３´
の条件に該当するか判定する。ここでＹＥＳの場合は更
にステップ２３でＴ１＜Ｔ１´の条件に該当するか判定
する。Ｔ１＜Ｔ１´であれば、各バルブ１５，１６の開
度をそのまま保持し（ステップ２８）、Ｔ１≧Ｔ１´で
あればフィルタ側バルブ１５の開度を１ステップだけ小
さくする（ステップ２６）。

【００２６】ステップ２０の条件にも該当しない場合
は、ステップ２１へ進み、Ｔ２≧Ｔ２´でかつＴ３≧Ｔ
３´の条件に該当するか判定する。ここでＹＥＳの場合
は更にステップ２４でＴ１≧Ｔ１´の条件に該当するか
判定する。Ｔ１≧Ｔ１´であれば、各バルブ１５，１６
の開度をそのまま保持し（ステップ２８）、Ｔ１＜Ｔ１
´であればフィルタ側バルブ１５の開度を１ステップだ
け小さくする（ステップ２６）。

【００２７】更にステップ２１の条件にも該当しない場
合は、ステップ２５へ進み、Ｔ１≧Ｔ１´であるか否か
を判定する。ここでＴ１≧Ｔ１´であれば、各バルブ１
５，１６の開度をそのまま保持し（ステップ２８）、Ｔ
１＜Ｔ１´であればフィルタ側バルブ１５の開度を１ス
テップだけ大きくする（ステップ２７）。

【００２８】すなわち、温度変化として次のａ〜ｈの８
通りのケースが考えられるが、フィルタ１３を通過する
排気流量と各温度Ｔ２，Ｔ３との間には、排気温度Ｔ１
を一定と仮定すると図７のような相関関係があるので、
これを考慮してフィルタ１３を通過する排気流量を調節
している。

【００２９】ａ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が低下
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が上昇し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が低下した場合（ステップ１９→２２→
２８）。

【００３０】これは、排気流量が増加した後にフィルタ
１３の温度が上昇した場合が考えられるが、排気温度Ｔ
１が低下したために温度Ｔ２が低下した可能性もあり、
好ましい制御方向が明確でないので、各バルブ１５，１
６をそのまま保持する。

【００３１】ｂ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が低下
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が上昇し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が上昇した場合（ステップ１９→２２→
２７）。

【００３２】これは、排気流量が増加した後にフィルタ
１３の温度が上昇した場合が考えられ、また排気温度Ｔ
１も上昇しているので、フィルタ１３を更に昇温させる
ためにフィルタ１３側の流量を増加させる。

【００３３】ｃ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が低下
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が低下し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が低下した場合（ステップ１９→２０→
２３→２８）。

【００３４】これは、フィルタ１３側の排気流量が多す
ぎたと考えられるが、排気温度Ｔ１の低下に伴ってＴ２
およびＴ３が低下した可能性もあるため、各バルブ１
５，１６をそのまま保持する。

【００３５】ｄ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が低下
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が低下し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が上昇した場合（ステップ１９→２０→
２３→２６）。

【００３６】これは、フィルタ１３側の排気流量が多す
ぎたと考えられるため、フィルタ１３側の流量を減少さ
せる。

【００３７】ｅ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が上昇
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が上昇し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が上昇した場合（ステップ１９→２０→
２１→２４→２８）。

【００３８】これは、フィルタ１３側の排気流量が多す
ぎたと考えられるが、排気温度Ｔ１の上昇に伴ってＴ２
およびＴ３が上昇した可能性もあるため、各バルブ１
５，１６をそのまま保持する。

【００３９】ｆ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が上昇
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が上昇し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が低下した場合（ステップ１９→２０→
２１→２４→２６）。

【００４０】これは、フィルタ１３側の排気流量が多す
ぎたと考えられるため、フィルタ１３側の流量を減少さ
せる。

【００４１】ｇ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が上昇
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が低下し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が上昇した場合（ステップ１９→２０→
２１→２５→２８）。

【００４２】これは、フィルタ１３側の排気流量を絞り
すぎたものと考えられるが、排気温度Ｔ１の上昇に伴っ
てＴ２が上昇した可能性もあるため、各バルブ１５，１
６をそのまま保持する。

【００４３】ｈ．放射熱吸収部材１８の温度Ｔ２が上昇
し、フィルタ１３出口側温度Ｔ３が低下し、かつ入口側
の排気温度Ｔ１が低下した場合（ステップ１９→２０→
２１→２５→２６）。

【００４４】これは、フィルタ１３側の排気流量を絞り
すぎたものと考えられるので、フィルタ１３側の流量を
増加させる。

【００４５】このようにして各バルブ１５，１６の開度
が制御される結果、フィルタ１３出口側温度Ｔ３と放射
熱吸収部材１８の温度Ｔ２との温度差（但しＴ３＞Ｔ２
である）が大となるようにフィルタ１３側の排気流量が
制御されることになり、ヒータ１７の熱を最も有効に利
用した形で再生が行われるのである。

【００４６】一方、上記のステップ２６およびステップ
２７でバルブ開度を変化させた場合には、次にステップ
２９で、そのときのＴ１，Ｔ２，Ｔ３の値をそれぞれＴ
１´，Ｔ２´，Ｔ３´として記憶する。尚、バルブ開度
を変化させない場合には、ステップ２９を経ずに、前回
のＴ１´，Ｔ２´，Ｔ３´の値をそのまま保持する。

【００４７】そして、ステップ３０でフィルタ１３出口
側温度Ｔ３が５００℃以上になったか判定し、５００℃
以上の場合にのみ再生タイマをインクリメントする（ス
テップ３１）。前述した自己再生の場合と同様に、この
再生タイマの値が所定値に達したら（ステップ３２）、
該再生タイマおよび総捕集量ＰＣＴの値をクリヤ（ステ
ップ３３，３４）する。またヒータ１７をＯＦＦとし、
かつフィルタ側バルブ１５を全開に、バイパス側バルブ
１６を全閉にする（ステップ３５，３６）。

【００４８】このように、上記実施例では、ヒータ１７
の前方へ放射熱を吸収する放射熱吸収部材１８の温度Ｔ
２が低く保たれると同時に、フィルタ１３の温度を代表
する出口側温度Ｔ３が高くなるように、フィルタ１３側
の排気流量が適宜に制御されるため、ヒータ１７の熱を
有効利用した再生がなされ、車載時に問題となる過度の
電力消費が防止されるとともに、短時間で確実に再生を
行うことが可能となる。

【００４９】また、各バルブ１５，１６の開度を単にフ
ィルタ１３出口側温度Ｔ３のみでフィードバック制御す
ると、フィルタ１３の大きな熱容量によって制御の遅れ
が大きく生じ、フィルタ１３の実際の温度はかなり大き
く上下することになるが、上記実施例では、各バルブ１
５，１６の開度変化による影響が直ちに放射熱吸収部材
１８の温度変化に反映するので、制御の応答性が向上
し、フィルタ１３の温度変化を小さくして再生を一層円
滑に進行させることが可能となる。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る排気フィルタの再生装置によれば、再生時の適量
の排気の通流によりヒータの熱を排気フィルタの再生に
有効に利用することができるようになり、短時間で確実
に再生が行えるとともに、無駄な電力消費を抑制でき
る。また排気流量の制御の応答性が良好なものとなり、
実際のフィルタ温度の変動を小さくして再生を一層円滑
に進行させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の構成を示すクレーム対応図。

【図２】この発明の一実施例の機械的構成を示す構成説
明図。

【図３】この実施例における再生制御のメインフローチ
ャート。

【図４】再生制御の要部を示すフローチャート。

【図５】図４に続くフローチャート。

【図６】機関回転数とアクセル開度とに対応する単位時
間当たりの微粒子排出量を示すマップ。

【図７】排気流量と各温度との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…フィルタ ２…バイパス通路 ３…排気流制御機構 ４…ヒータ ５…放射熱吸収部材 ６…第１の温度検出手段 ７…第２の温度検出手段 ８…温度制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 - 3/038

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に介装された排気微
   粒子捕集用のフィルタと、このフィルタをバイパスする
   ように形成されたバイパス通路と、このバイパス通路側
   へバイパスする排気流量と上記フィルタを通過する排気
   流量とを制御する排気流制御機構と、上記フィルタの前
   面近傍に設けられたヒータと、このヒータの更に上流側
   に設けられ、かつ排気が通流可能な放射熱吸収部材と、
   この放射熱吸収部材の温度を検出する第１の温度検出手
   段と、フィルタ出口側の排気温度を検出する第２の温度
   検出手段と、上記ヒータを用いた再生時に、フィルタ出
   口側温度が放射熱吸収部材の温度より高く、かつ両者の
   温度差が大となる方向に、上記排気流制御機構を制御す
   る温度制御手段とを備えたことを特徴とする排気フィル
   タの再生装置。