JP3424902B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
スに含まれるパティキュレートをパティキュレートフィ
ルタで捕集する内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】自動車等の内燃機関、特にディーゼルエ
ンジンから排気される排気ガス中には、カーボンを主成
分とするパティキュレート（排気微粒子）が含まれてい
る。そこで、ディーゼルエンジンを搭載した自動車で
は、ディーゼルエンジンの排気経路に、セラミックウォ
ール型のディーゼルパティキュレートフィルタ［略称Ｄ
ＰＦ：流入／出端が交互に目封じされた多数の通路を有
する略円柱状のフィルタ；以下、単にフィルタという］
を有する排気ガス浄化装置を設けて、フィルタで排気ガ
ス中のパティキュレートを捕集することが行われてい
る。 【０００３】ところで、フィルタは、捕集されたパティ
キュレートが堆積して増えると、通気性が次第に損なわ
れる。そのため、フィルタは再生が求められる。そこ
で、自動車の排気ガス浄化装置では、実開平４−３４４
２２号にも示されるように加熱手段、例えば電気ヒータ
と再生ガス（燃焼空気）を用いて、堆積したパティキュ
レートをフィルタ上で焼却することが行われている（フ
ィルタ再生）。 【０００４】具体的には、フィルタの再生には、フィル
タへのパティキュレート堆積量が所定値を超えて、フィ
ルタの再生時期になると、制御部の指令で電気ヒータを
所定時間作動させ、フィルタの流入側の端面をパティキ
ュレート燃焼温度まで加熱して、その後、再生ガス、例
えば排気ガスの一部をフィルタの流入側へ導入させて流
入端面側のパティキュレートに着火させ、フィルタ内部
に形成された火炎を流出側へ伝ぱさせ、堆積したパティ
キュレートをフィルタ内で焼却させていた。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】こうした焼却による再
生は、堆積したパティキュレートを燃焼させるのに十分
な発熱量（温度）を保ちながら、火炎がフィルタの流入
側から流出側へ伝ぱすることが望ましい。 【０００６】ところで、フィルタは、構造上、外周部か
ら熱が逃げやすい。このため、再生（焼却）の際、燃焼
温度は、図３にも示されるようにフィルタａの中央部に
比べてフィルタａの外周部が低い。しかも、フィルタａ
の外周部は、熱が奪われながら火炎が流入端から流出端
へ伝ぱするので、フィルタａの流出端では堆積したパテ
ィキュレートを十分に燃焼させるのに必要な燃焼温度
（約６００℃）まで到達しなくなることが多く、フィル
タａの流出側の外周部に未燃焼パティキュレート（未燃
ＰＭ：燃え残ったパティキュレート）ｂが発生しやす
く、フィルタａの再生率はあまり良いものではなかった そのうえ、この未燃焼パテキュレートｂは、フィルタａ
でパティキュレートの捕集、再生を繰り返し行うにした
がいその部分に次第に堆積するので、その後、その過剰
に堆積した未燃焼パテキュレートｂがフィルタａの許容
温度を越える温度で燃焼してフィルタ自身の耐久性を低
下させることがあり、逃げる熱を考慮したフィルタａの
再生が求められている。 【０００７】本発明は上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、フィルタの再生時、フィ
ルタ外周部の流出端まで、パティキュレートを燃焼させ
るのに十分な燃焼温度を持続させることができる内燃機
関の排気ガス浄化装置を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の排気ガス浄化装置では、略円柱状の
パティキュレートフィルタを、排気ガス流入端から排気
ガス流出端へ向かう通路が中心軸線回りに捩じられるよ
うに構成し、このパティキュレートフィルタを、少なく
ともフィルタ再生時、回転駆動手段で、該フィルタの捩
じれ方向と逆方向に中心軸線回りに回転させる構成を採
用して、フィルタの再生時、パティキュレートフィルタ
の捩じられた通路の回転がもたらすポンプ作用により、
フィルタ外周部の流入端から多くの燃焼空気がフィルタ
流出端へ供給されるようにした。 【０００９】このフィルタ外周部に対する強制的な燃焼
空気の導入により、フィルタ再生時、フィルタ外周部に
おけるパティキュレートの燃焼を活発化（促進）して、
火炎の伝ぱ中、フィルタ外周部から熱が逃げても、フィ
ルタの流出端まで、パティキュレートを燃焼させるのに
十分な燃焼温度が持続させて、パティキュレートフィル
タに堆積したパティキュレータを燃え残りなく焼却させ
るようにした。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明を図１および図２に
示す一実施形態にもとづいて説明する。図１は、内燃機
関、例えば自動車（車両）に搭載されたディーゼルエン
ジン（図示しない）から延びる排気管１（排気経路に相
当）の途中に介装された排気ガス浄化装置２の概略構成
を示している。 【００１１】この排気ガス浄化装置２の構造を説明すれ
ば、図中４は収容ケースである。収容ケース４は、例え
ば円筒形をなしていて、一端部にはエンジン側へ向かう
排気管部分につながる流入口５が形成され、他端部には
排気管１の排気口（図示しない）へ向かう排気管部分に
流出口６が形成されている。 【００１２】この収容ケース４内の中央には、該ケース
内を遮るように、パティキュレートフィルタ、例えば中
心軸線回りに捩じられた略円柱状のディーゼルパティキ
ュレートフィルタ７（以下、単にフィルタという）が回
転自在に収容されている。 【００１３】すなわち、フィルタ７は、例えばセラミッ
ク等の多孔質部材からなる隔壁７ａを備えた円筒形のハ
ニカムフィルタから構成されている。そして、収容ケー
ス４の流入口５，流出口６に向く、フィルタ７の内部の
隔壁７ａで囲まれた多数の通路群には、流出口６側が目
封じされた流入通路９ａと流入口５側が目封じされた流
出通路９ｂとが交互に配列してあり、ディーゼルエンジ
ンから排気された排気ガスが流入通路９ａ内に流れ込
み、この排気ガスが流入通路９ａと流出通路９ｂとの間
の薄い隔壁７ａを通過する際、排気ガス中のパティキュ
レートを捕集し、浄化された排気ガスが流出通路９ｂを
通って流出口６側に排出されるようにしてある（セラミ
ックウォール型）。 【００１４】このフィルタ７の全体は、図２にも示され
るようにフィルタ７の中心軸線αの回りに捩じられて構
成されていて、流入口５から流出口６へ向かう通路群
（流入通路９ａ，流出通路９ｂ）を中心軸線α回りに捩
じっている。このフィルタ７の外周部にはリングギヤ１
０が取り付けてある。 【００１５】そして、このリングギヤ１０が付いたフィ
ルタ全体が、例えば収容ケース４の内面に設けた軸受部
１１を介して、収容ケース４内の中心軸回りに回転自在
に支持してある。 【００１６】一方、フィルタ７の流入側（上流側）に
は、フィルタ再生用の加熱手段、例えば電気ヒータ１２
が取り付けられている。そして、この電気ヒータ１２と
燃焼空気を用いて、堆積したパティキュレートをフィル
タ７上で焼却させるようにしている。すなわち、フィル
タ７の再生は、制御部、例えばコントロールユニット１
４の指令で行われる電気ヒータ１２の作動で、フィルタ
７の流入側の端面７ｂをパティキュレート着火温度まで
加熱して、その後、再生ガス（燃焼空気）、例えば排気
ガスの一部をフィルタ７の流入側へ導入させて流入端面
側のパティキュレートに着火させ、フィルタ内部に形成
された火炎を流出側の端面へ伝ぱさせることにより行わ
れるようにしてある。なお、１２ａは上流側へ逃げる電
気ヒータ１２の熱をフィルタ７に回収させる熱反射板で
ある。 【００１７】他方、リングギヤ１０は、収容ケース４の
周壁の一部に形成した開口４ａを介して、ケース外に設
置した電動モータ１３（回転駆動手段に相当）の出力軸
に取り付けてあるピニオンギヤ１３ａに噛み合ってい
て、電動モータ１３からの回転動力をリングギヤ１０へ
伝えられるようにしてある。 【００１８】この電動モータ１３は、コントロールユニ
ット１４で行われる指令にて、例えばパティキュレート
捕集時とフィルタ再生時との双方において作動するよう
に設定してある。詳しくは、電動モータ１３は、コント
ロールユニット１４の制御により、パティキュレート捕
集時／フィルタ再生時、フィルタ７を通路群の捩じり方
向と逆方向に回転させる方向に駆動するように設定され
ていて、捩じられた通路群（流入通路９ａ，流出通路９
ｂ）の回転がもたらすポンプ作用により、パティキュレ
ート捕集時にはフィルタ外周側の通路群へ排気ガスを圧
送させ、フィルタ再生時にはフィルタ外周側の通路群へ
再生ガス（排気ガスの一部）を圧送させるようにしてあ
る。 【００１９】そして、このフィルタ７の回転にて、フィ
ルタ再生時、熱応力を低減させつつフィルタ７を高い再
生率で再生させるようにしてある。すなわち、排気ガス
浄化装置２の作用について説明すれば、今、排気ガス浄
化装置が捕集モードにあるとする。 【００２０】すると、ディーゼルエンジン（図示しな
い）から排出された排気ガスが収容ケース４へ導かれて
いく。このとき、電動モータ１３はコントロールユニッ
ト１４の指令で作動して、図１および図２中の矢印で示
されるようにフィルタ７の全体を中心軸線α回りに回転
駆動させる。 【００２１】このときのフィルタ７の回転方向は、通路
群の捩じり方向とは逆方向であるから、図２中の拡大し
た図で示されるように外周側の捩じられた通路群が、排
気ガスをフィルタ７の流入側の端面７ｂから強制的に流
出側の端面７ｃへ圧送させるポンプとして作用する。 【００２２】このフィルタ７の回転で与えられる排気ガ
スの強制導入により、フィルタ７の中央部の通路群を流
れる排気ガスの流量に比べて、フィルタ７の外周部の通
路群を流れる排気ガスの流量は増加する。なお、フィル
タ外周部における排気ガス流量の増加は捩じられること
によりポーラスウォールの流通面積が増加して隔壁を通
過する抵抗が減少することにもよる。 【００２３】こうした排気ガスが通路群の流入通路９ａ
から流出通路９ｂを通過する間において、排気ガス中の
パティキュレートがフィルタ内部で捕集されて、壁面上
に堆積していく。 【００２４】これにより、パティキュレートの捕集量
は、フィルタ７の外周部で多く、中央部で少なくなる。
この捕集されたパティキュレートが次第に通路に堆積し
ていくので、パティキュレートの堆積密度は、フィルタ
７の中央（中心）部で低く、外周部で高くなる。 【００２５】こうした堆積密度の分布の残したまま、フ
ィルタ７は再生時期を迎えていく。続いて、コントロー
ルユニット１４の指令により、フィルタ７を再生する再
生モードに入る。 【００２６】すると、まず、電気ヒータ１２が所定時間
通電され、フィルタ７の流入側の端面７ｂをパティキュ
レート着火温度まで加熱させる。この加熱後、再生ガ
ス、例えば排気ガスの一部をフィルタ７の流入側へ導入
して流入端面側のパティキュレートを着火させる。 【００２７】このとき、電動モータ１３は作動中であ
る。むろん、電動モータ１３を停止させ、電気ヒータ１
２でフィルタ７の加熱を行ってから、再び電動モータ１
３を作動させてもよい。 【００２８】この電気モータ１３によるフィルタ７の回
転により、今度は再生ガス（排気ガスの一部）の圧送
（強制導入）が行われる（図２に図示）。これにより、
フィルタ７の中央部の通路群を流れる再生ガスの流量に
比べて、フィルタ７の外周部の通路群を流れる再生ガス
の流量はかなり多くなる。 【００２９】この再生ガスの導入により、フィルタ７の
流入端側のパティキュレートが着火し、フィルタ内部に
形成された火炎が次第に流出端へ伝ぱしていく（フィル
タ再生）。 【００３０】このとき、フィルタ７の外周側ほど多くの
再生ガスが供給されるので、フィルタ７の外周側におけ
る燃焼は多くの燃焼空気の導入により活発に行われ、フ
ィルタ７の外周側ほど大きな発熱量の火炎が伝ぱする。
これは、フィルタ７のパティキュレートの堆積密度が、
フィルタ７の中央部に比べ、外周部が高くなっているこ
とにもよる。 【００３１】ここで、この火炎の伝ぱは、フィルタ７の
外周部から熱が奪われながら、フィルタ７の流入側から
流出端へ進むが、フィルタ７の外周部ほど高い発熱量の
火炎なので、火炎の伝ぱ中、熱がフィルタ外周部から奪
われても、流出側へは十分にパティキュレートを燃焼さ
せるのに必要な発熱量をもつ火炎が伝ぱされる。 【００３２】すなわち、フィルタ外周部の火炎の発熱量
は、あらかじめ逃げる熱分が補償される高い熱量を有す
るので、火炎の伝ぱ中、フィルタ７の外周部から熱が奪
われても、パティキュレートを燃焼させるのに十分な燃
焼温度がフィルタ７の流出端７ｃまで持続される。 【００３３】実験によれば、フィルタ再生時には、図１
中の線図で示されるようにフィルタ７の流出端まで、パ
ティキュレートを十分を焼却させるのに必要な燃焼温度
（約６００℃）が確保できるものであった。 【００３４】かくして、フィルタ７の外周部に多くの再
生ガスを導入して燃焼を活発にするフィルタの再生によ
って、フィルタ内部に堆積しているパティキュレートを
燃え残りなく焼却させることができる。しかも、格段に
再生率が向上するから、パティキュレートの捕集、フィ
ルタ７の再生を繰り返し行っても、燃え残った未燃焼パ
テキュレータが過剰に堆積することはないので、フィル
タ７の許容温度を越えるような燃焼温度の発生はなく、
フィルタ７の耐久性／信頼性を損なう心配はない。 【００３５】そのうえ、パティキュレート捕集時にもフ
ィルタ７を回転させたことにより、パティキュレートの
捕集量がフィルタ７の中央部で少なく外周部で増加され
るようになるので、一層、フィルタ外周部でのパティキ
ュレートの燃焼を活発化させることができる。しかも、
フィルタ再生時におけるフィルタ外周部の温度とフィル
タ中央部の温度との差が小さくなるので（フィルタ７の
中央部の発熱量が減少、外周部における発熱量が増加す
ることによる）、フィルタ内部温度の均一化により、フ
ィルタ７における熱応力が低減され、さらにフィルタ７
の耐久性／信頼性を高められるといった利点をもたら
す。 【００３６】なお、上述した実施形態では、フィルタ７
をパティキュレート捕集時とフィルタ再生時との双方で
回転させたが、フィルタ再生時だけにフィルタ７を回転
させてもよく、要は少なくともフィルタ再生時にフィル
タ７を回転させれば、パティキュレートの燃え残りを解
消できるものである。 【００３７】また上述した実施形態では、電動モータ１
２の回転動力を、ピニオンギヤ１３ａおよびリングギヤ
１０でフィルタ７へ伝えて、フィルタ７を回転させるよ
うにしたが、これに限らず、他の構造の回転駆動手段を
用いて、フィルタ７を中心軸線α回りに回転させるよう
にしてもよい。また電気ヒータでなく、バーナ等他の方
式の加熱手段を採用して、フィルタ７を再生するように
しても構わない。 【００３８】 【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発
明によれば、フィルタの再生時、パティキュレートフィ
ルタの回転がもたらすフィルタ自身のポンプ作用によ
り、多くの燃焼空気をフィルタ外周部の流入端からフィ
ルタ流出端へ強制的に導入させることができ、フィルタ
外周部に堆積しているパティキュレートの燃焼を活発化
させることができる。 【００３９】この結果、フィルタ外周部において高い発
熱量の火炎の伝ぱが得られ、火炎の伝ぱ中、フィルタ外
周部から熱が逃げても、フィルタの流出端まで、パティ
キュレートを燃焼させるのに十分な燃焼温度が持続させ
ることができ、パティキュレートフィルタに堆積したパ
ティキュレータを燃え残りなく焼却させることができ、
再生率を大幅に高めることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施形態の排気ガス浄化装置の構造
を、フィルタ再生時のフィルタの温度分布と共に示す
図。 【図２】同装置のフィルタを回転させる構造を、再生ガ
スが圧送される状態と共に示す図。 【図３】フィルタ再生時、パティキュレートフィルタに
パティキュレートの燃え残りが発生することを説明する
ための図。 【符号の説明】 １…ディーゼルエンジンの排気管（排気経路） ４…収容ケース ７…パティキュレートフィルタ ９ａ，９ｂ…流入側通路，流出側通路 １０…リングギヤ １２…電気ヒータ（加熱手段） １３…電動モータ（回転駆動手段） １３ａ…ピニオンギヤ。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 内燃機関の排気経路に設けられ排気ガス
   中のパティキュレートを捕集する略円柱状のパティキュ
   レートフィルタと、 前記パティキュレートフィルタを流入側の端面から加熱
   するフィルタ再生用の加熱手段と、 前記パティキュレートフィルタの少なくともフィルタ再
   生時に前記パティキュレートを中心軸線回りに回転させ
   る回転駆動手段とを有し、 前記パティキュレートフィルタは、排気ガス流入端から
   排気ガス流出端へ向かう通路が前記中心軸線回りに捩じ
   られて構成され、 前記回転駆動手段は前記通路のねじれ方向と逆方向に前
   記パティキュレートフィルタを回転させるように構成さ
   れていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装
   置。