JP3401946B2 - 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）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
タエレメントに堆積するとフィルタエレメントが目詰ま
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、電気加熱式ヒータ等の加
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。また、ヒータとしては、
平板の電気発熱体に多数の孔を設け円筒状に形成したも
のが提案されている（特開平５−２９６０２６号公報参
照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
内燃機関の排気微粒子処理装置では、特に円筒状ヒータ
を用いるものではヒータの発熱を全体に均一にでき、ま
たフィルタエレメントとの接触面を広く均一に取れるこ
とから、フィルタエレメント全体に亘って捕集した排気
微粒子を良好に燃焼させることができるので、フィルタ
エレメントの再生を効率良く行なえるものの、以下のよ
うな問題がある。

【０００６】即ち、排気微粒子の捕集時には、ヒータの
発熱部が影になり、当該発熱部の背面のフィルタ部分に
排気が流入し難くなるため、排気微粒子の捕集状態にム
ラができるようになる。詳しくは、排気を通過させるた
めのヒータに設けられた排気通気孔付近には、排気微粒
子が密に捕集され、発熱部背面は粗に捕集されることに
なるため、フィルタエレメント全体が有効に利用されて
おらず、圧力損失が増大し易いという問題がある。

【０００７】ところで、排気通気孔の開口割合（開口面
積或いは開口数等）を大きくして、排気微粒子の捕集状
態の粗密を解消しようとすると、同等の再生効率を得る
ためには発熱量を大きくする必要があり、消費電力等の
面で問題があり、またヒータの厚みを増してヒータ全体
の抵抗値を一定にして発熱量（消費電力）を同一とした
場合には、結局フィルタエレメントとヒータ発熱部との
接触面積が狭くなるから、再生効率が低下することにな
る。

【０００８】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、均一で安定した排気微粒
子の捕集及び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。

【０００９】

【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、フィルタエレメントを介装し、当該フィ
ルタエレメントに排気を通過させて排気中の微粒子を捕
集し、フィルタエレメントの排気通過経路に介装され少
なくともフィルタエレメントに接触する発熱部を備えた
加熱手段を介して、前記捕集した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、前記加熱手段の発熱部が、多数の排気通気孔
を有する板状部材を含んで構成され、前記排気通気孔
は、前記板状部材の表面から窪んでフィルタエレメント
側へ突出する凹部の近傍にのみ形成されているものとし
た。

【００１０】請求項２に記載の発明では、前記加熱手段
を、電気加熱式ヒータで構成した。請求項３に記載の発
明では、前記板状部材を、フィルタエレメントの排気流
入面に前記凹部を介して接触して設けるようにした。請
求項４に記載の発明では、前記板状部材を、フィルタエ
レメントの排気流出面に前記凹部を介して接触して設け
るようにした。

【００１１】

【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では、排気通気孔の近傍に設けた
凹部によって、フィルタエレメントを通過する排気が、
従来のような発熱部が平坦形状である場合に対して（図
６参照）、発熱部の背面部にも入り込み易くなる（図
４，５参照）。従って、排気微粒子の捕集状態の粗密が
抑制され、フィルタエレメント全体を排気微粒子捕集容
積として有効利用できることになるから、圧力損失の増
大を抑制することができる。また、再生時には、排気微
粒子の捕集状態の粗密が抑制されているから、排気微粒
子の燃焼度合いがフィルタエレメント全体で均一化さ
れ、従来のように密部分の燃焼が活発化して局所的に高
温となり、フィルタエレメントが溶損する、或いは熱応
力によって破損する等の不具合を防止することができ、
以って耐久性の向上により耐用期間を長期化できる。さ
らに、排気微粒子の捕集状態に粗密がないと燃焼伝播が
良好となるから、以って電力消費を削減できると共に
（通電時間短縮）、均一なフィルタエレメントの再生を
行なうことができる。

【００１２】請求項２に記載の発明によれば、軽量かつ
構成が簡単でメンテナンスに優れる電気加熱式ヒータを
採用することで、車載に対して有利になる。請求項３，
４に記載の発明によれば、フィルタエレメント内部に設
ける場合に比べ、製造・交換容易となる。請求項５に記
載の発明によれば、フィルタエレメントとの接触面積を
大きくとれるので、少ない発熱量で再生可能となる。

【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、本発明にかかる内燃機関の排気
微粒子処理装置の第１の実施例の構成を示す。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
れた排気は、中空円筒の外周側へと通過することにな
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。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
気微粒子を燃焼除去するために通電加熱される前記ヒー
タ11ａは、フィルタエレメント11の内周面、即ち排気の
流入面に内接するか、或いは、フィルタ内部に埋設され
て設けられる。なお、ヒータ11ａの排気下流側の閉塞部
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、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】なお、前記ヒータ11ａは、インコネル、カ
ンタル、ＳＵＳ系統或いはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系統、又は
Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系統の電気発熱体を用いており、前記
閉塞部11ｅを除き、図２、図３に示すように、多数の排
気通気孔11ｂが規則的に設けられており、隣合う各排気
通気孔11ｂ間のヒータ11ａの内周表面には、ヒータ11ａ
の円筒中心軸を中心とする環状溝11ｆが設けられてい
る。つまり、環状溝11ｆの円筒中心軸水平方向における
断面形状は、図４，図５に示すように、ヒータ11ａの内
周表面から外周側（フィルタエレメント11側）へ凹むよ
うに形成されている。

【００１７】ここで、図４，図５に基づいて、環状溝11
ｆ（本発明の凹部に相当する）の作用について説明す
る。環状溝11ｆは凹形状（Ｖ字〔図４〕、若しくはＵ字
〔図５〕形状が加工性の面で有利であり、また排気の流
入方向を拡大し易い）であるため、排気微粒子の捕集時
には、図６に示す従来のヒータ（平坦形状）に比べ排気
通気孔11ｂを通過した排気が、ヒータ11ａの発熱部（排
気通気孔11ｂ以外の部分）背面により多く入り込む（即
ち、排気の流入経路が、従来のように排気通気孔11ｂの
影響を受けて偏るようなことが防止される）。このた
め、フィルタエレメント11全体が排気微粒子捕集容積と
して有効利用できることになるから、排気微粒子の捕集
状態の粗密が抑制され、従って圧力損失の増大も抑制す
ることができる。加えて、ヒータ11ａの抵抗値を変えず
に（厚さを増す等しなくても）排気通気孔面積割合を高
く維持できる（なお、凹形状であるためフィルタエレメ
ント11との接触面積が実質拡大されていることにもな
る）ので、ヒータ11ａの消費電力も少なくて済む。

【００１８】また、再生時には、排気微粒子の捕集状態
の粗密が抑制されているので、排気微粒子の燃焼度合い
がフィルタエレメント11全体で均一化されるので、従来
のように密部分の燃焼が活発化して局所的に高温とな
り、フィルタエレメント11が溶損する、或いは熱応力に
よって破損する等の不具合を防止することができ、以っ
て耐久性の向上により耐用期間を長期化できる。

【００１９】さらに、フィルタエレメント11と、ヒータ
11ａの発熱部分と、の接触面積を大きく取ることができ
ることに加え、排気微粒子の捕集状態に粗密がないこと
から燃焼伝播が良好となるから、以って電力消費を大幅
に削減できると共に（通電時間短縮）、均一なフィルタ
エレメント11の再生を行なうことができる。なお、環状
溝11ｆを有するヒータ11ａは、波状平板を利用して形成
することもでき（波状凸部に排気通気孔11ｂを形成して
円筒状に形成すれば、波状凹部が環状溝11ｆとして機能
することになる）、加工コストを低減できる。また、図
４，５では、フィルタエレメント11の内周面形状を、ヒ
ータ11ａの外周面形状（環状溝11ｆ）に合わせて図示し
ているが、加工性・コスト等を優先する場合にはフィル
タエレメント11の内周面形状を平坦形状で形成してもよ
く、この場合には接触面積が減少してフィルタエレメン
ト11への熱の伝達量は減少するものの、排気微粒子の捕
集状態に粗密を抑制できるので燃焼伝播が良好となるか
ら、ヒータ11ａの通電時間を短縮できる結果となり、従
来のものに対して消費電力を増大させることなく、均一
な再生を行なうことができる。

【００２０】次に、第２の実施例を、図７に基づいて説
明する。第２の実施例は、第１の実施例と全体構成は同
様であり、ヒータ11ａに形成される溝のみが異なる。即
ち、第２の実施例では、図７に示すように、隣合う各排
気通気孔11ｂ間に、環状溝11ｆと、これに直交する縦溝
11ｇと、が形成されている。当該縦溝11ｇの断面形状
も、図４，図５に示したものと同様に形成することがで
きる。

【００２１】第２の実施例によれば、第１の実施例に比
べ、より一層排気微粒子の捕集状態の粗密が抑制され、
従って圧力損失の増大もより一層抑制することができ
る。また、再生時には、排気微粒子の捕集状態の粗密が
より一層抑制されているので、排気微粒子の燃焼度合い
がフィルタエレメント11全体でより一層均一化されるの
で、均一なフィルタ再生を行なうことができ、より一層
耐久性を向上させることができ、もって耐用期間を大幅
に長期化できると共に、縦溝11ｇにより接触面積もより
拡大されることになるから、電力消費も大幅に削減でき
る。

【００２２】なお、本実施例では、環状溝11ｆと、縦溝
11ｇと、を形成するものとして説明したが、縦溝11ｇの
みを形成したものでもよく、この場合には第１の実施例
と略同様の効果が期待できる。また、上記の各実施例で
は、環状溝11ｆはヒータ11ａの円筒中心軸に略直角に形
成するものとして、縦溝11ｇにあってはヒータ11ａの円
筒中心軸に略平行に形成するものとして説明したが、そ
れぞれ円筒中心軸に対して所定角度を持って斜めに形成
するものであっても構わない。即ち、排気通気孔11ｂの
近傍に、ヒータ11ａの表面から凹んでフィルタエレメン
ト11側へ突出する凹部が形成されればよい。

【００２３】なお、フィルタエレメントの排気流出側に
ヒータを設けるようにしてもよく、この場合には、排気
の流出経路が排気通気孔11ｂにより規制されないので、
即ち、図８（Ａ）に示すように、環状溝11ｆや縦溝11ｇ
がないと、排気は排気通気孔11ｂに向かって狭い範囲を
通って流出することになるから（つまり、発熱部分を避
けるように流れるようになるから）、排気微粒子の捕集
状態に粗密が発生することになるが、環状溝11ｆや縦溝
11ｇを設けることによって、図８（Ｂ）に示すように、
排気は広い範囲を通過して流出する流れるようになっ
て、排気微粒子の捕集状態に粗密が発生しなくなり、上
述してきた各効果を奏することができるものである。即
ち、排気通気孔の外周近傍に、ヒータの表面から凹んで
フィルタエレメント側へ突出する凹凸部が形成されれ
ば、本願発明の効果を期待できる。

【００２４】ところで、上記各実施例では、ヒータ11ａ
を中空円筒状のフィルタエレメント11の内周面或いは内
部に設けることとして説明したが、これに限らず、例え
ば円筒形状のフィルタエレメントを排気通路に並行に配
設し、排気をその円筒形状の一端面（前方端面）から他
端面（後方端面）へ向けて流入させるようにした場合に
おいて、ヒータを排気流入側端面（前方端面）或いは排
気流出側端面（後方端面）に接触させて配設するような
場合にも適用できる。

【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、排気通気
孔の近傍に設けた凹部によって、フィルタエレメントを
通過する排気が、発熱部の背面部にも入り込み易くなる
ので、排気微粒子の捕集状態の粗密が抑制され、フィル
タエレメント全体を排気微粒子捕集容積として有効利用
できることになり、圧力損失の増大を抑制することがで
きる。また、再生時には、排気微粒子の捕集状態の粗密
が抑制されているから、排気微粒子の燃焼度合いがフィ
ルタエレメント全体で均一化され、従来のように密部分
の燃焼が活発化して局所的に高温となり、フィルタエレ
メントが溶損する、或いは熱応力によって破損する等の
不具合を防止することができ、以って耐久性の向上によ
り耐用期間を長期化できる。さらに、排気微粒子の捕集
状態に粗密がないと燃焼伝播が良好となるから、以って
発熱量の無駄を削減できると共に、均一なフィルタエレ
メントの再生を行なうことができる。

【００２６】請求項２に記載の発明によれば、軽量かつ
構成が簡単でメンテナンスに優れる電気加熱式ヒータを
採用することで、車載に対して有利になる。請求項３，
４に記載の発明によれば、フィルタエレメント内部に設
ける場合に比べ、製造・交換容易となる。請求項５に記
載の発明によれば、フィルタエレメントとの接触面積を
大きくとれるので、少ない発熱量で効率よく再生可能と
なる。

【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
の第１の実施例の構成図

【図２】同上実施例のフィルタエレメントとヒータの部
分断面図

【図３】同上実施例のヒータを説明する図

【図４】同上実施例のＶ字形状溝における作用効果を説
明する図

【図５】同上実施例のＵ字形状溝における作用効果を説
明する図

【図６】従来のヒータの不具合を説明する図

【図７】第２の実施例のヒータを説明する図

【図８】（Ａ）は、従来のヒータを排気流出面側に設け
た場合の不具合を説明する図。（Ｂ）は、本発明のヒー
タを排気流出面側に設けた場合の作用効果を説明する図

【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 １１ｂ 排気通気孔 １１ｆ 環状溝 １１ｇ 縦溝

Claims (5)

(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、フィルタエ
   レメントを介装し、当該フィルタエレメントに排気を通
   過させて排気中の微粒子を捕集し、フィルタエレメント
   の排気通過経路に介装され少なくともフィルタエレメン
   トに接触する発熱部を備えた加熱手段を介して、前記捕
   集した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、 前記加熱手段の発熱部が、多数の排気通気孔を有する板
   状部材を含んで構成され、前記排気通気孔は、前記板状
   部材の表面から窪んでフィルタエレメント側へ突出する
   凹部の近傍にのみ形成されている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】前記加熱手段が、電気加熱式ヒータである
   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】前記板状部材が、フィルタエレメントの排
   気流入面に前記凹部を介して接触して設けられたことを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の
   排気微粒子処理装置。
4. 【請求項４】前記板状部材が、フィルタエレメントの排
   気流出面に前記凹部を介して接触して設けられたことを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の
   排気微粒子処理装置。
5. 【請求項５】フィルタエレメントの前記凹部との接触部
   が、当該凹部形状に対応する形状で形成されたことを特
   徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の内燃
   機関の排気微粒子処理装置。