JP3211510B2 - 排気ガス浄化装置 - 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の
排気中に含まれる微粒子成分（パティキュレ−ト）を捕
集し、再生する排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排気ガス浄化装置では、再生指令
の入力とともに、給気手段及びヒータに通電して、パテ
ィキュレ−トの着火及び燃焼を実施して、フィルタを再
生している。実公昭６３−３５１５２号公報は、温度セ
ンサでフィルタ近傍の温度をモニタしながら、再生時よ
り少ない電力で着火温度（例えば約６００℃）以下の所
定温度（例えば約３５０℃）までヒータに通電して予熱
し、その後、大電力でヒータへ通電しつつ給気を開始し
てパティキュレ−トに着火することを開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報の予熱方式で
は、予熱期間において給気を実施しないことにより空気
を無駄に加熱するのに要する電力を節約するとともに、
予熱期間の通電電力をその後の着火期間の通電電力より
も抑制してフィルタの温度上昇を抑止し、フィルタの損
傷を回避するが、まだ以下の問題があった。

【０００４】すなわち、フィルタ端面に設けられたヒー
タ（以下、端面ヒータという）からフィルタを予熱する
場合、セラミックを素材とするフィルタの伝熱性は良く
ないので、ヒータ側のフィルタ端面が例えば３５０℃付
近まで予熱されたとしても、フィルタの内奥部及び反ヒ
ータ側のフィルタ端面の温度上昇は充分でなく、フィル
タの軸方向に大きな温度傾斜が生じ、ヒータ側のフィル
タ端面で着火が生じた後はこの温度傾斜が更に急峻化し
てしまう。このように温度傾斜が急峻化するとフィルタ
に熱歪みが生じ、フィルタの損傷（クラックや溶損）や
寿命低下の懸念が生じる。また、パティキュレ−トの燃
焼がフィルタの内奥部又は反ヒータ側のフィルタ端面近
傍で停止したり停滞したりする可能性が生じ、燃焼制御
が複雑となる。また、フィルタ全体が均一に予熱されな
いためにフィルタ各部の温度がばらつき、そのために再
生効率が低下するという懸念も生じる。

【０００５】もちろん、予熱期間のヒータ通電電力（以
下、予熱電力という）を低減すれば上記温度傾斜を減少
することができるが、当然、再生所要期間の延長という
不具合を生じる。本発明は上記の問題に鑑みなされたも
のであり、再生所要期間の大幅な延長を回避しつつ着火
後のフィルタの軸方向の温度傾斜を抑圧することによ
り、フィルタの損傷防止及び再生効率の向上を実現した
排気ガス浄化装置を提供することを、その解決すべき課
題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の排気ガス浄化装
置は、ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設されて前記
ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレートを
補集するフィルタと、前記フィルタの上流側端面に配設
されて通電により前記パティキュレ−トを燃焼させる電
熱手段と、前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気
する給気手段と、前記フィルタの再生指令に基づいて、
前記給気手段を駆動せずに前記電熱手段に通電して前記
フィルタを予熱する予熱期間と、前記予熱期間に続いて
前記電熱手段への前記通電を遮断するとともに前記給気
手段を駆動して前記フィルタ各部の温度を均一化する均
熱期間と、前記均熱期間に続いて前記電熱手段への通電
を再開するとともに前記給気手段と協働して前記パティ
キュレ−トに着火する着火期間とを設定する制御手段と
を備えることを特徴としている。

【０００７】好適な態様において、前記制御手段は、前
記予熱期間及び前記着火期間の前記電熱手段への平均通
電電力を等しくするものである。

【０００８】

【作用及び発明の効果】本発明では、フィルタの再生に
あたって、まず給気手段を駆動せずに電熱手段に通電し
てフィルタを予熱する予熱期間を設定し、次に電熱手段
への通電を遮断しかつ給気手段を駆動してフィルタ各部
の温度を均一化する均熱期間を設定し、その後、電熱手
段へ通電を再開しかつ給気手段を駆動してパティキュレ
−トに着火する着火期間を設定する。

【０００９】このようにすれば、予熱時に給気を実施せ
ず、予熱終了とともにただち電熱手段へ全負荷通電を行
うとともに給気手段を駆動して着火を行う従来技術に比
較して以下の作用効果を奏する。すなわち、予熱期間に
て端面ヒータによりフィルタをその端面から予熱した
後、給気を実施するのでフィルタの軸方向の温度傾斜は
縮小され、その結果、その後の着火期間におけるフィル
タ各部の熱歪みが減少してフィルタに損傷が生じること
がなく、更に上記温度傾斜が縮小されるのでフィルタ内
部において再生効率が低下することもない。

【００１０】更に、予熱期間と着火期間との間に新設し
た本発明の特徴をなす均熱期間は、フィルタのヒータ側
の端面近傍の熱をその内奥部及び反ヒータ側の端面近傍
に拡散するために、予熱通電を遮断しつつ給気手段の運
転のみを行うので、従来の給気を遮断しつつ予熱通電の
みを行う場合に比べて格段に素早く実施することができ
る。

【００１１】また、予熱通電と給気手段の運転を最初か
ら実施する場合には予熱通電の初期においてまだフィル
タのヒータ側の端面自体もそれほど昇温していない段階
から給気することにより無駄な熱量を空気に奪われる欠
点をもつが、本発明では予熱期間には給気を遮断するの
で、このような無駄な放熱を防止して所要電力量を節減
することができる。

【００１２】好適な態様において、予熱期間及び着火期
間の電熱手段への平均通電電力は等しくされる。このよ
うにすれば、複雑な予熱電力の制御が不要となり、ヒー
タへの通電を制御するスイッチをデューティ比制御する
ための半導体電力スイッチの代わりに単純なマグネット
スイッチを採用することもできる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を図
１に示す。この排気ガス浄化装置は両端密閉のフィルタ
収容ケース１を有し、フィルタ収容ケース１内にはその
上流側から下流側へ、排気圧検出用の上流側圧力センサ
７、温度センサ６、ヒータ（本発明でいう電熱手段）１
１、フィルタ２、フィルタ下流圧力検出用の下流側圧力
センサ１７が順番に配置されている。フィルタ収容ケー
ス１の上流側の端壁にはディーゼルエンジン２０の排気
管３が配設されており、排気管３の途中から送気管１０
が分岐されている。送気管１０は電磁弁１４を通じて給
気用のブロワ１３の出口に連結され、給気用のブロワ１
３の入口は空気流量センサ１５を通じて外部に開口して
いる。

【００１４】一方、上記したヒータ１１、ブロワ１３を
駆動するモータＭはコントローラ（制御手段）８により
駆動制御され、また、ディーゼルエンジン２０に装着さ
れた回転数センサ１８の出力信号はコントローラ８に出
力される。コントローラ８はＡ／Ｄコンバータ内蔵マイ
コン（図示せず）を具備しており、スイッチ５５、５６
を開閉制御してヒータ１１、ブロワ１３を制御するとと
もに、異常発生時に異常警報ランプ９を点灯する（異常
信号を出力する）。なお、コントローラ８は、空気流量
センサ１５の信号に基づいてブロワ駆動モータＭに印加
する電圧をデューティ比制御（フィードバック制御）に
より、ブロワ１３の給気流量を目標レベルに精密制御し
ている。

【００１５】５は給電装置であって、商用地上電源（図
示せず）に接続されるプラグ５１、降圧トランス５２、
全波整流器５３からなり、全波整流器５３から出力され
る直流電圧が半導体電力スイッチ５５、５６を通じてヒ
ータ１１及びブロワ駆動モータＭに供給される。フィル
タ２はハニカムセラミックフィルタ（日本碍子ｋｋ製、
直径５．６６インチ×長さ６インチ）であって、多孔性
コ−ジェライトを素材として円柱形状に焼成されて膨張
性セラミックマットを介して上記ケース１に支持されて
いる。

【００１６】フィルタ２はその両端面を貫通する多数の
通気孔を有し、隣接する通気孔の一方は上流端で封栓さ
れ、その他方は下流端で封栓されている。排気ガスは隣
接する通気孔間の多孔性隔壁を透過し、パティキュレ−
トだけが通気孔内に捕集される。フィルタ２の両端面は
ケース１の両端面に所定距離を隔てて対面している。ヒ
ータ３はカンタル線を素材とする電熱抵抗線からなり、
フィルタ２の再生時上流側に当たる端面に沿って配設さ
れている。

【００１７】以下、この装置の動作を説明する。 （パティキュレ−ト捕集動作）ディ−ゼルエンジン２０
から排出された排気ガスは排気管３を通じてケース１内
に導入され、排気ガス中のパティキュレ−トはフィルタ
２で捕集され、浄化された排気ガスは尾管４から外部に
排出される。

【００１８】（フィルタ再生動作）次に、このフィルタ
２の再生動作を図２〜図３のフローチャートに従って説
明する。なお、この装置ではフィルタ再生動作をエンジ
ン停止期間に外部電源から受電して手動操作による起動
により開始するものとする。再生開始直前に電磁弁１４
は開かれる。

【００１９】まず、エンジン運転中に実施されるフィル
タ再生判別ルーチン（ステップ１００〜１１１）及びエ
ンジン停止中に実施されるフィルタ再生実行ルーチン
（ステップ１１２〜１１６）からなるフィルタ再生ルー
チンを図２に示す。まず、エンジン２０の起動とともに
フィルタ再生判別ルーチンがスタートされ、ステップ１
００にて、圧力センサ７、１７が検出する排気圧力Ｐ
１，Ｐ２と、回転数センサ１８が検出するエンジン回転
数ｎと、温度センサ６が検出する排気ガス温度Ｔに基づ
いて記憶マップからパティキュレ−ト捕集量Ｇをサーチ
する。

【００２０】次に、ステップ１０８にて、サーチしたパ
ティキュレ−ト捕集量Ｇが所定のしきい値Ｇｔを超過し
たかどうかを調べ、超過しなければステップ１００にリ
ターンし、超過したらステップ１１１に進む。ステップ
１１１では、フィルタ再生を指令するランプ９１を点灯
して、ルーチンを終了する。

【００２１】その後、運転者がフィルタ再生を指令する
ランプ９１の点灯を視認し、エンジン停止状態にて再生
スイッチ（図示せず）をオンすると、上記フィルタ再生
実行ルーチンが開始される。このルーチンでは、まずス
テップ１１２にてブロワ１３を起動し、次に、内蔵のタ
イマーを起動し（１１４）、タイマー制御サブルーチン
を実行して再生動作を行い（１１６）、再生を終了する
（１１８）。

【００２２】上記したタイマー制御サブルーチンについ
て図３を参照しつつ以下に説明する。このサブルーチン
は、タイマーに基づいて通電、給気流量制御を行うもの
であり、以下、前期放冷期間、予熱期間、均熱期間、着
火・燃焼伝播期間、後期放冷期間の順に制御動作を実行
する。なお、後期放冷期間は第１放冷期間と第２放冷期
間とからなる。 （前期放冷期間）まずステップ１１６１にて、ブロワ１
３へ通電して給気流量を１９０リットル／分と大きく設
定し、１分間送風し、ヒータ素線の温度を一定にするた
めヒータ１１を常温にまで冷却する。これは、エンジン
排気ガスなどによる加熱でヒータ１１の初期温度がばら
つくと、着火時期や最高温度がばらついてしまうから、
予熱開始前にそれらの温度を所定レベルに収束させるた
めである。 （予熱期間）次のステップ１１６２にてブロワ１３をオ
フするとともにヒータ１１へ１．３ｋＷの電力を給電
（全負荷通電）し、ヒータ１１への給電後、３分経過す
るまで待機した後（１１６３）ステップ１１６４に進
む。

【００２３】この予熱通電により、フィルタ２の上流部
は４５０℃程度に予熱される。 （均熱期間）次のステップ１１６４にてブロワ１３をオ
ンするとともにヒータ１１への通電を遮断し、ヒータ１
１への通電遮断後、３分経過するまで待機した後（１１
６５）、ステップ１１６６に進む。

【００２４】この送風によりフィルタ２の上流部の熱
は、フィルタ２の他の部位に伝達され、フィルタ２の各
部は２００〜３００℃に均一に予熱される。 （着火・燃焼伝播期間）次のステップ１１６６にて、ヒ
ータ１１へ１．３ｋＷの電力を給電（全負荷通電）し、
かつ、ブロワ１３の給気流量を２０リットル／分に大幅
削減し、その後、２５分経過するまで待機した後（１１
６７）、ステップ１１６８に進む。

【００２５】これによりフィルタ２の上流側端面のパテ
ィキュレ−トに着火し、フィルタ２の上流側端面から下
流方向へ燃焼が進行する。ただ、この実施例では、給気
流量が少ないためにパティキュレ−ト燃焼に伴う発熱量
はそれほど大きくなく、かつ、いわゆる風圧が弱く酸素
濃度が低下するので気流方向へ延焼しにくくなり、更
に、燃焼がフィルタ２の下流側へ進むにつれて熱収支が
放熱側に傾くために温度が低下し、フィルタ２の径方向
中心部下流側では燃焼持続温度（約６００℃）以下とな
って燃焼が停滞する。この燃焼の停滞により、従来のよ
うにフィルタ２の径方向中心部が下流側端面まで燃焼が
進み、空気抵抗が減少して給気流量が径方向中心部を素
通りすることが防止される。そのため、フィルタ２の径
方向中間部の中流部は酸素の供給により下流部直前まで
充分に燃焼を持続し、また、フィルタ２の外周部上流側
も同様の理由でその中流部直前まで燃焼を持続する。

【００２６】すなわち、この燃焼伝播モードによれば、
フィルタ２の径方向中心部下流側がフィルタ２の下流側
端面まで燃焼し尽くしてフィルタ２の径方向中心部の空
気抵抗が低下し、給気流量が径方向中心部を素通りする
ことにより、径方向中間部及び外周部に充分な酸素が供
給されずに、延焼が遅滞するのを防ぐことができる。な
お、この時の最高温度がパティキュレ−ト捕集量が８．
６グラムの場合に９００℃となるように、給気流量やヒ
ータ通電電力が設定されている。 （後期放冷期間） （第１放冷期間）次のステップ１１６８にて、ヒータ１
１への給電電力を停止するとともにブロワ１３の給気流
量を６０リットル／分に増大し、７分間継続する（１１
６９）。

【００２７】このように給気流量を大幅に増大すると、
酸素供給量の増大、特に径方向中心部下流側への酸素供
給量の増大により、径方向中心部下流側にて燃焼が再開
され、また、径方向中間部下流側や外周部中流、下流側
での燃焼も加速され、急速かつ各部均一に再生が行われ
る。 （第２放冷期間）次のステップ１１７０にて、ブロワ１
３の給気流量を１９０リットル／分に増大し、３分間継
続する（１１７２）。

【００２８】このように給気流量を最大流量に増大する
と、上記第１放冷モードにより高温となったフィルタ２
やヒータ１１が高温環境下に長期間放置されることなく
急速に冷却され、それらの劣化が抑止される。また、再
生所要時間も短縮することができる。その後、上記冷却
によりフィルタ２が４００℃以下になった後、ブロワ１
３をオフし（１１７４）、再生が終了する。

【００２９】上記説明したように、この実施例では、予
熱期間と着火・燃焼伝播期間との間に、ヒータ（電熱手
段）１１への通電を遮断し、かつ、ブロワ（給気手段）
１３を運転する均熱期間を設定しているので、ヒータ１
１近傍のフィルタ部位だけが局部的に加熱されてしまう
ことがなく、フィルタ２の全体を均一に予熱することが
でき、フィルタ２に熱歪み（熱ストレス）が生じたり、
フィルタ２の損傷（クラックや溶損）や寿命低下が生じ
たりすることが無い。

【００３０】また、この予熱によりフィルタ２の各部が
均一に加熱されるので、その後の再生（パティキュレ−
ト燃焼）においてもフィルタ２の各部の温度ばらつきが
抑制でき、それに伴うフィルタ２の熱ストレスを低減で
き、また延焼速度のばらつきも抑制でき、安定かつ良好
なフィルタ再生が実現する。更にこの実施例では、予熱
期間及び着火・燃焼伝播期間の電熱手段への通電は全負
荷通電であるので、再生期間中における予熱電力の制御
は極めて簡単となり、単純なマグネットスイッチで電力
制御を行うことができる。

【００３１】もちろん、予熱期間に所定デューティ比で
の断続通電を行って予熱電力を着火電力よりも削減する
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を示すブ
ロック図、

【図２】その再生動作を示すフローチャート、

【図３】その再生動作を示すフローチャート、

【符号の説明】

２はフィルタ、６は温度センサ、７、１７は圧力セン
サ、８はコントローラ（制御手段）、１１はヒータ（電
熱手段）、１３はブロワ（給気手段）。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 341

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設され
   て前記ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレ
   ートを補集するフィルタと、 前記フィルタの上流側端面に配設されて通電により前記
   パティキュレ−トを燃焼させる電熱手段と、 前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給気手
   段と、 前記フィルタの再生指令に基づいて、前記給気手段を駆
   動せずに前記電熱手段に通電して前記フィルタを予熱す
   る予熱期間と、前記予熱期間に続いて前記電熱手段への
   前記通電を遮断するとともに前記給気手段を駆動して前
   記フィルタ各部の温度を均一化する均熱期間と、前記均
   熱期間に続いて前記電熱手段への通電を再開するととも
   に前記給気手段と協働して前記パティキュレ−トに着火
   する着火期間とを設定する制御手段とを備えることを特
   徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】前記制御手段は、前記予熱期間及び前記着
   火期間の前記電熱手段への平均通電電力を等しくするも
   のである請求項１記載の排気ガス浄化装置。