JP3173028B2 - 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、内燃機関の排気ガス中
の炭素を含む微粒子（パティキュレート）を除去するた
めのフィルタ再生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より内燃機関（特にディーゼルエン
ジン）の排気ガス内のパティキュレートを捕集するため
のフィルタ及び、フィルタに蓄積したパティキュレート
を除去再生する装置に関しては、大気汚染を防止し環境
保全に努めるために排気ガスの規制が年々厳しくなるに
従って種々検討がおこなわれており、フィルタについて
もその構成によりフォームタイプやモノリシスタイプ等
があり、また再生装置の熱源についても石油バーナー、
電気ヒーターに加え、マイクロ波を用いる考案もなされ
ているが実用化には至っていない。

【０００３】以下図３とともに熱源にマイクロ波を用い
た従来例（特開平１−２９０９１０号公報）について説
明する。同図において１はエンジン、２，３はＴＭ_01p
モードが励振される円筒状の空胴共振器、４はマイクロ
波放射アンテナ、５は導波管、６はマイクロ波発生手
段、７は多孔質セラミック隔壁にパティキュレートを捕
集するフィルタ、８は排気ガス流の切換弁である。この
様な構成においてフィルタは空胴共振器の管軸方向の略
中心部に配設されたフィルタと空胴共振器の両端面との
間にそれぞれ空間９，１０が設けられている。

【０００４】マイクロ波発生手段６が発生するマイクロ
波は導波管５を通って上記空間９，１０内に突出した放
射アンテナ４より空胴共振器２または３に給電される。
フィルタの多孔質セラミック隔壁に捕集されたパティキ
ュレートは給電されたマイクロ波によって誘電加熱され
６００℃程度になると着火し燃焼してフィルタは再生さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
成において、エンジン１が運転され排気ガス流がフィル
タ７の隔壁に当り排気ガスに含まれるパティキュレート
が隔壁に堆積する。堆積したパティキュレートの温度は
排気ガスの温度に依存するがエンジン１の排気ガス温度
は運転条件（回転数，負荷）で大きく変化するばかりで
なくパティキュレートの成分も変化し再生時の着火温
度，燃焼温度にも影響をあたえる。したがって再生時に
与えられる昇温のためのエネルギーおよび，酸化，燃焼
のための酸素を含む流体供給手段による最適な再生制御
が必要となる。パティキュレートの温度が低い状態での
再生時には、長時間昇温エネルギーを供給して強制的に
着火温度に昇温させなければならないため、多大なエネ
ルギーが必要になり、自動車に搭載した場合など大容量
のバッテリーやダイナモもしくはオルタネータが必要と
なり経済性が悪いとともに、短時間で再生が終了すれば
再生時間中排気ガスを大気に放出することも可能性であ
るが再生に要する時間が長くなると別個に設けたフィル
タも必要となる。また、加熱熱源によりパティキュレー
トを昇温させておいても燃焼用流体によって冷却されれ
ば当該箇所のパティキュレートに対して昇温および酸素
の拡散がおきず燃焼の成長もないため未再生となる恐れ
があり、再生時のパティキュレート捕集の際、未再生部
分でフィルタの圧力損失が増大し、エンジンの良好運転
の障害になるばかりでなく極まっては目詰まりをおこ
し、まったくフィルタ機能を失ってしまう危険性があっ
た。また、加熱熱源にマイクロ波を用いた場合には空胴
共振器２，３の外へのマイクロ波の漏洩を防ぐためには
マイクロ波を遮蔽するパンチング板等の遮蔽板を排気ガ
スおよび流体通路に設ける必要があり不均一な流体流が
発生したり、パティキュレートの昇温の妨げになってい
た。

【０００６】そこで、本発明は、内燃機関の運転条件に
関係なく短時間でかつ確実にパティキュレートを燃焼で
きる加熱効率が良く再生能力を継続的に維持できる信頼
性の高い内燃機関用フィルタ再生装置を提供することを
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 そこで目的を達成するた
めに 、本発明の内燃機関用フィルタ再生装置は、パティ
キュレートを誘電加熱し燃焼させるマイクロ波発振器
と、パティキュレートを酸化燃焼するに必要な酸素を含
む流体をキャビティに導入する流体供給手段とを有し、
前記流体供給手段と前記フィルタを結ぶ流体通路に孔を
有するマイクロ波発熱体を設け、パティキュレートを酸
化燃焼させ前記フィルタを再生する時、前記マイクロ波
発熱体により前記フィルタに供給される流体を加熱する
構成としている。

【０００８】また、本発明の内燃機関用フィルタ再生装
置は、パティキュレートを誘電加熱し燃焼させるマイク
ロ波発振器と、パティキュレートを酸化燃焼するに必要
な酸素を含む流体をキャビティに導入する流体供給手段
とを有し、前記流体供給手段と前記フィルタを結ぶ流体
通路上のキャビティ壁に孔を有するマイクロ波発熱体を
設け、パティキュレートを酸化燃焼させ前記フィルタを
再生する時、前記マイクロ波発熱体により前記フィルタ
に供給される流体を加熱する構成としている。また請求
項３の発明は請求項２の発明に加えて、排気ガスの温度
を検出する温度センサと、フィルタが捕集したパティキ
ュレートの蓄積状態を判別する圧力センサとを有し、前
記フィルタに排気ガス流を導入しパティキュレートを捕
集している期間において、前記圧力センサにより前記フ
ィルタを再生すべき時期と判断した場合には前記フィル
タを通流する排気ガス流を遮断し前記マイクロ波発振器
を動作させて前記フィルタに蓄積したパティキュレート
を加熱しまた前記流体供給手段よりの流体を前記マイク
ロ波発熱体を介して前記フィルタに供給し加熱されたパ
ティキュレートの酸化燃焼を促進する構成としている。

【０００９】

【作用】 本発 明の内燃機関用フィルタ再生装置は、パテ
ィキュレートを誘電加熱し燃焼させるマイクロ波発振器
と、パティキュレートを酸化燃焼するに必要な酸素を含
む流体をキャビティに導入する流体供給手段とを有し、
前記流体供給手段と前記フィルタを結ぶ流体通路に孔を
有するマイクロ波発熱体を設け、パティキュレートを酸
化燃焼させ前記フィルタを再生する時、前記マイクロ波
発熱体により前記フィルタに供給される流体を加熱する
構成であるから、キャビティ内のフィルタに堆積したパ
ティキュレートに与えるマイクロ波エネルギーは流体通
路内にも放射されるので当該箇所に誘電体損失の多い物
質やマイクロ波抵抗体であるフェライト等のマイクロ波
発熱体を設ければマイクロ波発振器の負荷がパティキュ
レートに加えてマイクロ波発熱体となり、余剰のエネル
ギーを消費でき発振効率があがり、さらに再生時あらか
じめ熱せられた酸素をふくむ流体を供給するのでマイク
ロ波で加熱昇温されたパティキュレートを冷やすことな
く酸化燃焼反応を促進しフィルタの再生効率がよくな
る。

【００１０】また、本発明の内燃機関用フィルタ再生装
置は、パティキュレートを誘電加熱し燃焼させるマイク
ロ波発振器と、パティキュレートを酸化燃焼するに必要
な酸素を含む流体をキャビティに導入する流体供給手段
とを有し、前記流体供給手段と前記フィルタを結ぶ流体
通路上のキャビティ壁に孔を有するマイクロ波発熱体を
設け、パティキュレートを酸化燃焼させ前記フィルタを
再生する時、前記マイクロ波発熱体により前記フィルタ
に供給される流体を加熱する構成であるので、流体通路
へ漏洩するマイクロ波をキャビティ壁に設けたマイクロ
波発熱体で吸収，減衰させキャビティ外への漏洩を阻止
できるだけでなく、マイクロ波発熱体で酸素を含む流体
を加熱するのでマイクロ波で加熱昇温されたパティキュ
レートを冷やすことなく酸化燃焼反応を促進しフィルタ
の再生効率がよくなる。また、請求項３の発明は請求項
２の発明に加えて、フィルタに排気ガス流を導入しパテ
ィキュレートを捕集している期間において、圧力センサ
により前記フィルタを再生すべき時期と判断した場合に
は前記フィルタを通流する排気ガス流を遮断し前記マイ
クロ波発振器を動作させて前記フィルタに残存蓄積して
いるマイクロ波吸収性の高いパティキュレートを誘電加
熱しまた流体供給手段よりの流体を前記マイクロ波発熱
体を介して高温の流体として前記フィルタに供給するこ
とで加熱されたパティキュレートの酸化燃焼反応をより
促進しフィルタの再生効率を向上させることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例における内燃機関用フ
ィルタ再生装置について、図面とともに説明する。

【００１２】図１は本発明の参考例としてのシステム及
び主要部の断面図である。図において、１１はエンジ
ン、１２は多気筒エンジンの排気を集束するマニホール
ド、１３，１４はキャビティ１５，１６内に設けられた
パティキュレートを捕集するためのフィルタであり、ハ
ニカム形状で隣接する貫通孔を交互に風上，風下側で閉
塞しており、隔壁を排気ガスが通過する際にパティキュ
レートが隔壁に堆積する。１７，１８はフィルタ１３，
１４を断熱および緩衝するためのスペーサーである。１
９，２０はパティキュレートの加熱源である電気ヒータ
ーＡ、２１はパティキュレートの燃焼時に必要な酸素を
含む流体供給手段、２２は前記流体供給手段２１よりキ
ャビティ１５，１６に送られる流体を加熱する第二の熱
源である電気ヒーターＢである。マニホールド１２内お
よびキャビティ１５，１６の前後には当該箇所の温度あ
るいは圧力を検出するセンサ２３，２４，２５，２６，
２７が設けてあり、エンジン１１よりの燃料消費量，回
転数などを信号として取り出して検出部２８に入力する
ようにしている。２９はエンジン１１の排気ガスをキャ
ビティ１５，１６のいずれに送るかを選択する制御弁
Ａ、３０は流体をキャビティ１５，１６のいずれに送る
かを選択する制御弁Ｂであり、互いに連動して動作す
る。３１は電気ヒーター１９，２０，２２、流体供給手
段２１、制御弁Ａ２９や制御弁Ｂ３０を駆動するバッテ
リーやオルタネータ等の電源であり、３２は検出部２８
からの情報および内蔵するタイマや記憶部（いずれも図
示せず）に蓄積されているデータ等を比較・演算する演
算部であり、３３は演算部３２の信号を受けて電源３
１、制御弁Ａ２９、制御弁Ｂ３０、流体供給手段２１、
電気ヒーターＡ１９，２０、電気ヒーターＢ２２などの
動作を制御する制御部である。

【００１３】上記構成の内燃機関用フィルタ再生装置の
動作を説明すると、エンジン１１が運転されている間
は、パティキュレートを含む排気ガスはマニホールド１
２を通り制御弁Ａ２９によりキャビティ１６内のフィル
タ１４に流入し、フィルタ１４の隔壁でパティキュレー
トが除去され外部排気管３４より大気中に放出される。

【００１４】エンジン１１の運転条件により排気ガスの
温度が変化するのをマニホールド１２内に設けられたセ
ンサ２３で検出し、あらかじめ定めた温度に達している
か否かまたキャビティ内１６のセンサ２６，２７による
フィルタ１４に堆積するパティキュレートの状態を演算
部３２で判定し定期的に制御部により電気ヒーターに通
電し、再生開始時のパティキュレートの熱的安定をはか
る。このようにしてエンジン１１が一定時間運転されフ
ィルタ１４がパティキュレートの堆積によりフィルタ１
４の圧力損失が増大し、エンジン１１の良好な運転が維
持できなくなるため、前述の圧力損失を検出してフィル
タ１４の再生を行なう。再生サイクルにおいてエンジン
１１よりの排気ガスは制御弁Ａ２９が切り替わりキャビ
ティ１６への導入は遮断され、替わってキャビティ１５
へ導入されるためフィルタ１３がパティキュレートの捕
集をはじめる。一方キャビティ１６内の電気ヒーターＡ
２０はパティキュレートを燃焼させるため連続通電がな
され、対向するフィルタ前面近傍のパティキュレートを
加熱昇温させる。パティキュレートが着火温度に達した
のを検出すると流体供給手段２１より燃焼用流体が吐出
し始めるとともに流体を加熱する電気ヒーターＢ２２に
も通電され制御弁Ｂ３０はキャビティ１６に予熱された
流体を供給する。フィルタ１４前面近傍ではじまったパ
ティキュレートの燃焼は流体中の酸素と反応し次第に風
下側に拡がってゆき、やがて燃焼は終了しフィルタ１４
は再生される。電気ヒーターＡ２０への通電はパティキ
ュレートが着火したことを検出した後速やかに停止させ
ればよい。また電気ヒーターＢ２２への通電もパティキ
ュレートの燃焼の拡大による発熱量が大きくなれば停止
させる。このようにしてフィルタ１４の再生が終了すれ
ばフィルタ１３のパティキュレートの堆積による圧力損
失が増大すれば再び排気ガスをフィルタ１４に導入しパ
ティキュレートの捕集を再開する。このようにフィルタ
１３，１４を交互に捕集・再生する。

【００１５】図２は本発明の一実施例における内燃機関
用フィルタ再生装置の主要部の断面図である。図２にお
いて３４はキャビティ３５内に設けられたパティキュレ
ートを捕集するためのフィルタであり、ハニカム形状で
隣接する貫通孔を交互に風上，風下側で閉塞しており、
隔壁を排気ガスが通過する際にパティキュレートが隔壁
に堆積する。３６はフィルタ３４を断熱および緩衝する
ためのスペーサーである。３７はパティキュレートを誘
電加熱する加熱源の発振器であるマグネトロン、３８は
前記マグネトロン３７より発振されたマイクロ波をキャ
ビティ３５に伝送する導波管、３９は導波管３８が接続
されるキャビティ３５の壁面に設けられたマイクロ波を
フィルタ３４に放射するため開口であり、キャビティ３
５の周囲に複数個設けてある。４０はパティキュレート
の燃焼時に必要な酸素を含む流体供給手段、４１は前記
流体供給手段４０よりキャビティ３５に送られる流体の
通路に設けられた誘電体損失の多い物質やマイクロ波抵
抗体であるフェライト等のマイクロ波発熱体である。エ
ンジン（図示せず）よりの排気ガスは図中Ｘ方向よりフ
ィルタ３４に導入されパティキュレートを堆積させる。
一定量パティキュレートが堆積すると再生サイクルが開
始される。マグネトロン３７が駆動され発振されたマイ
クロ波は導波管３８を伝送しキャビティ３５周囲に設け
られた開口群３９よりフィルタ３４に放射される。フィ
ルタ３４の材質は一般に多孔質セラミックより形成され
ており、単体では極めて誘電体損失が少ないが一旦パテ
ィキュレートが堆積すると堆積量に対応してマイクロ波
に対する負荷となる。マグネトロン３７よりマイクロ波
を照射されるとパティキュレートは次第に昇温しやがて
着火する。一方キャビティ３４壁の流体通路に設けられ
たマイクロ波発熱体４１はキャビティ３５に放射された
マイクロ波電界中に曝されるため発熱し、流体供給手段
４０によりキャビティ３５に供給される流体はマイクロ
波発熱体４１の孔を通過する時に加熱されフィルタ３４
に供給されるし、着火によって始まったパティキュレー
トの燃焼は予熱された酸素を含む流体と反応し次第に燃
焼が拡大しやがてフィルタ３４は再生される。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明の内燃機関用フィ
ルタ再生装置によれば、下記の効果を得ることが出来
る。

【００１７】（１）パティキュレートを誘電加熱し燃焼
させるマイクロ波発振器と、パティキュレートを酸化燃
焼するに必要な酸素を含む流体をキャビティに導入する
流体供給手段とを有し、前記流体供給手段と前記フィル
タを結ぶ流体通路に孔を有するマイクロ波発熱体を設
け、パティキュレートを酸化燃焼させ前記フィルタを再
生する時、前記マイクロ波発熱体により前記フィルタに
供給される流体を加熱する構成であるから、キャビティ
内のフィルタに堆積したパティキュレートに与えるマイ
クロ波エネルギーは流体通路内にも放射されるので当該
箇所に誘電体損失の多い物質やマイクロ波抵抗体である
フェライト等のマイクロ波発熱体を設ければマイクロ波
発振器の負荷がパティキュレートに加えてマイクロ波発
熱体となり余剰のエネルギーを消費でき、発振効率があ
がりさらに再生時あらかじめ熱せられた酸素をふくむ流
体を供給するのでマイクロ波で加熱昇温されたパティキ
ュレートを冷やすことなく酸化燃焼反応を促進しフィル
タの再生効率がよくなる。

【００１８】（２）パティキュレートを誘電加熱し燃焼
させるマイクロ波発振器と、パティキュレートを酸化燃
焼するに必要な酸素を含む流体をキャビティに導入する
流体供給手段とを有し、前記流体供給手段と前記フィル
タを結ぶ流体通路上のキャビティ壁に孔を有するマイク
ロ波発熱体を設け、パティキュレートを酸化燃焼させ前
記フィルタを再生する時、前記マイクロ波発熱体により
前記フィルタに供給される流体を加熱する構成であるの
で、流体通路へ漏洩するマイクロ波をキャビティ壁に設
けたマイクロ波発熱体で吸収，減衰させるのでキャビテ
ィ外への漏洩を阻止できるだけでなく、マイクロ波発熱
体で酸素を含む流体を加熱するのでマイクロ波で加熱昇
温されたパティキュレートを冷やすことなく酸化燃焼反
応を促進しフィルタの再生効率がよくなる。（３）請求
項２の発明の効果に加えて、フィルタに排気ガス流を導
入しパティキュレートを捕集している期間において、圧
力センサにより前記フィルタを再生すべき時期と判断し
た場合には前記フィルタを通流する排気ガス流を遮断し
前記マイクロ波発振器を動作させて前記フィルタに残存
蓄積しているマイクロ波吸収性が高いパティキュレート
を効率よく誘電加熱し、また前記流体供給手段よりの流
体をマイクロ波発熱体を介して高温の流体として前記フ
ィルタに供給することで加熱されたパティキュレートの
酸化燃焼反応をより促進し、フィルタの再生効率を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例としての内燃機関用フィルタ再
生装置のシステム及び要部断面図

【図２】本発明の一実施例における内燃機関用フィルタ
再生装置の要部断面図

【図３】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成を示
す断面図

【符号の説明】

１１ エンジン １３，１４ フィルタ １５，１６ キャビティ １９，２０ 電気ヒーターＡ ２１ 流体供給手段 ２２ 電気ヒーターＢ ２２ 制御弁Ａ ２９ 制御弁Ｂ

フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭61−49014（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−8708（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 341

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気通路に設けられた排気ガス
   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保持するキャビティと、前記フィル
   タに蓄積されたパティキュレートを誘電加熱し燃焼させ
   るマイクロ波発振器と、パティキュレートを酸化燃焼す
   るに必要な酸素を含む流体を前記キャビティに導入する
   流体供給手段とを有し、前記流体供給手段と前記フィル
   タを結ぶ流体通路に孔を有するマイクロ波発熱体を設
   け、パティキュレートを酸化燃焼させ前記フィルタを再
   生する時、前記マイクロ波発熱体により前記フィルタに
   供給される流体を加熱する構成とした内燃機関用フィル
   タ再生装置。
2. 【請求項２】マイクロ波発熱体を、流体供給手段とフィ
   ルタを結ぶ流体通路上のキャビティ壁に設ける構成とし
   た請求項１に記載の内燃機関用フィルタ。
3. 【請求項３】排気ガスの温度を検出する温度センサと、
   フィルタが捕集したパティキュレートの蓄積状態を判別
   する圧力センサとを有し、前記フィルタに排気ガス流を
   導入しパティキュレートを捕集している期間において、
   前記圧力センサにより前記フィルタを再生すべき時期と
   判断した場合には前記フィルタを通流する排気ガス流を
   遮断し前記マイクロ波発振器を動作させて前記フィルタ
   に蓄積したパティキュレートを加熱しまた前記流体供給
   手段よりの流体を前記マイクロ波発熱体を介して前記フ
   ィルタに供給し加熱されたパティキュレートの酸化燃焼
   を促進する構成とした請求項２に記載の内燃機関用フィ
   ルタ再生装置。