JPH0147603B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動車等の内燃機関から排出される排
気ガス中の微粒子を捕集し、これを電気的加熱手
段にて燃料せしめて排気ガスの浄化を行なう排気
ガス微粒子浄化装置に関するものである。

内燃機関特許請求の範囲にデイーゼル機関から
排出される排気ガス中に含まれるカーボン粒子等
の微粒子を捕集するために、セラミツクのハニカ
ム構造体やセラミツクの発泡体等のフイルタ部材
を内蔵した微粒子捕集装置が提案されている。こ
れ等の装置ではフイルタ部材に微粒子が堆積する
につれてフイルタ部材の通気抵抗が増加し、機関
の出力低下につながるとともに、堆積微粒子が脱
落しフイルタ機能を低下させる。このため、フイ
ルタ部材に堆積した微粒子を周期的に除去しフイ
ルタ部材の機能を微粒子捕集前の状態に再生する
必要がある。

この再生手段としてフイルタ部材に加熱手段を
付設し、捕集微粒子を加熱して燃焼せしめる手段
が提案されている。しかしながら通常の走行条件
では排気ガス温度はカーボン微粒子の発火点より
も低いために熱源が排気ガスにより冷されて微粒
子の着火がさまたげられたり、またいつたんは着
火しても排気ガス流によつて吹き消されたりす
る。従つて確実に再生可能な運転条件は極めて限
定されてしまう。

微粒子の着火性をよくするとともに燃焼途中で
吹き消されないようにする手段としては、内燃機
関に接続する排気ガス通路を２つに分け、それぞ
れの通路にフイルタ部材を設けるとともに、フイ
ルタ部材の排気ガス上流側あるいは下流側に流路
切替バルブを設け、選択的に一方の通路へ排気ガ
スを導き、バルブ操作中に排気ガスが流れない通
路に設けたフイルタ部材を加熱再生する方法が提
案されている。しかしながら、この手段では一方
の通路が閉されたときは他方の通路のフイルタ部
材での圧力損失（以下、圧損という）は２倍以上
となり、また、排ガスの流速もほぼ２倍になる。
圧損増加は運転フイーリングを悪くし、かつ、機
関の出力にも悪影響を及ぼす。また、流速の増加
により、フイルタ部材に捕集された微粒子がバル
ブ切替時の運転条件によつては、吹き飛ばされ、
フイルタ機能が低下することもある。

また我々の試験結果によれば、加熱手段によ
り、フイルタに堆積した微粒子に着火を行ない燃
焼除去する場合には、燃焼のための最適なフイル
タ部材通過排気ガス流量が存在することがわかつ
ている。排気ガス流量が比較的多い場合には、ガ
ス流により燃焼式域が冷却され燃焼が停止する。
また逆にガス流量が極端に少ない場合には、燃焼
に必要な酸素が提供され得ないため、同様に燃焼
は停止する。しかしながら、前記方法において
は、再生時フイルタを通過するガス流量を低減す
ることは可能であるが、フイルタ通過ガス流量
は、流路切替バルブの漏れ特性（これは設計上任
意に調整可能であるが）と機関排気ガス流量とで
定まる。

一方、機関排気ガス流量は、デイーゼル機関の
場合、ほぼ機関回転数に比例するが、機関回転数
は、車両運転状況により大幅に変動する。このた
め前記方法においては、再生時、フイルタ通過ガ
ス流量を低減することは可能であるが、広範な機
関運転領域で我々が試験結果より把握している最
適な排気ガス流量を流すことは不可能である。

以上の点に鑑み、本発明は、広範な運転条件下
でフイルタ部材の再生を可能とすることを目的と
し、第１の発明として基本的に内燃機関の排気ガ
ス通路に設置し排気ガス中の微粒子を補集するフ
イルタ部材と、フイルタ再生時にフイルタ部材に
補集された微粒子を加熱燃焼せしめる電気的加熱
手段と、排気ガスの大部分を流通せしめ得るバイ
パス通路と、バイパス通路に設けられフイルタ再
生時に機関排気ガス流量の大小に応動してアクチ
ユエータによつて前記バイパス通路の開度を段階
的に調整し、フイルタ部材通過ガス量を制御する
開閉バルブとからなり、第２の発明として、基本
的に内燃機関の排気ガス通路に設置し排気ガス中
の微粒子を補集するフイルタ部材と、フイルタ再
生時にフイルタ部材に補集された微粒子を加熱燃
焼せしめる電気的加熱手段と、排気ガスの大部分
を流通せしめ得るバイパス通路と、バイパス流路
に設けられ、フイルタ再生時にフイルタ部材の前
後差圧を一定となす様に、スプリングにより一定
力で弁板を弁座に押付けることにより作動する開
閉バルブとからなるものとする。

以上の構成とすることによつて、開閉バルブの
開度を調整することによつて、運転状況にかかわ
らず再生時燃焼に適量な排気ガス量をフイルタ部
材に通過させることにより目的を達成する。

まず、第１の発明に関して以下に具体的実施例
を図に従つて説明する。

第１図は本発明になる微粒子浄化装置の基本的
構成を示す。１は内部に微粒子捕集フイルタ２を
内蔵するフイルタ容器、３はフイルタ部材２の上
流側端面に密着設置した電気ヒーターであり、フ
イルタ再生時には端子３′より給電が行なわれヒ
ーターが赤熱し微粒子に着火燃焼を行なわしめ
る。４は本発明の構成要素をなすバイパス流路で
途中に開閉弁５が設置されている。微粒子捕集
時、開閉弁５は図中Ａで示す全閉位置を取り、排
気ガスの全量がフイルタ２を通過し捕集がなされ
る。フイルタ再生時、当該バルブは、通常図中Ｃ
で全開位置を取り、排気ガスの大部分はバイパス
管４を通過する。フイルタ材２には、バイパス管
４の圧力損失に相当する微小な圧力差が加わり、
この圧力と、フイルタ部材の通気抵抗とで定まる
微少流量がフイルタ材と通過して流れる。ここ
で、排気ガス流量が比較的大なる時にフイルタ部
材通過ガス量が適当量となる様バイパス管径を定
めると、運転条件が変化し、排気ガス量が減少し
た場合には、バイパス管４の圧力損失は減少し、
フイルタ材に加わる圧力差も減少し、フイルタ材
通過ガス量も適当量以下に減少してしまう。逆
に、排気ガス量が比較的少なる場合にフイルタ材
通過ガス量が適当量となる様、バイパス管径を縮
小すると、排気ガス量が増大した場合には逆にフ
イルタ材通過ガス量は過大となる。本発明は、第
１の実施例に示すように以下の不具合を防止する
ために、排気ガス量が大なる時にフイルタ材通過
ガス量が適量となる様にバイパス管径を設定し、
再生時には、開閉弁５を全開にする。すなわち図
中ここで示す位置、とともに、排気ガス量が少と
なつた場合には、開閉弁５を図中Ｂで示す半開状
態となすことにより、バイパス流路の圧力損失を
高め、フイルタ材に加わる圧力差を維持し、フイ
ルタ材通過ガス量を確保することが出来ることを
第１の特徴とする。

次に第２図に従つてこの効果を説明する。第２
図は横軸に機関排気ガス流量、縦軸にフイルタ部
材通過ガス流量を表わしたものである。斜線域は
再生に適当なフイルタ部材通過排気ガス流量の範
囲を表わしている。曲線Ｃは開閉バルブ位置Ｃ、
すなわち全開時の排気ガス流量対フイルタ部材通
過ガス量の対応を示す。これより明らかなごと
く、低流量側で再生に必要なフイルタ通過ガス量
が確保され得なくなる。図中ｂで示す曲線は、本
発明に従つて開閉バルブを半開位置、すなわち図
１のＢで示す位置を取つた場合のフイルタ部材通
過ガス量で、排気ガス流量の少ない側でのフイル
タ部材通過ガス量の減少を防止出来ることを示し
ている。

以上のごとく、機関排気ガス流量に応じてバイ
パス流路のバルブ開度を調整することにより、広
範な排気ガス流量下でのフイルタ再生方向が可能
となる。

次にバルブ半開位置を可能とするバルブアクチ
ユエータの実施例について説明する。

第３図は、３位置作動のバキユームアクチユエ
ータの実施例で、１ａは第１のバキユームハウジ
ング、２ａは第２のバキユームハウジングで内部
にはそれぞれベロフラム６ａ，６a′及びスプリン
グ１０，１１が内蔵されている。７a′はベロフラ
ム６ａで駆動されるロツドで、ベロフラム６a′で
駆動されるロツド１３ａとの間にａで示す範囲の
移動が可能で、例えば電磁弁V₁への通電で、３
よりバキユームハウジング１ａにバツテリーポン
プＶ・Ｐの負圧を与えることにより、ロツド７ａ
はａだけ移動し、ロツドに連結されたアーム１４
により、バルブプレート８は図中Ｂで示す半開位
置を取る。さらにバルブ開度を図中Ｃで示す全開
位置にするには、例えば電磁弁V₂への通電で４
よりバキユームハウジング２に負圧を与えること
により、図中ｂで示す範囲のストロークを有する
ロツド１３ａがロツド７ａを介してバルブプレー
トをＣで示す全開位置まで開弁させることが可能
である。バルブ半開時の開度はストロークａを調
整することにより任意に可能である。

第４図は、同様の作動を可能にするバルブアク
チユエータの別の実施例を示す。１ｂは第１のバ
キユームハウジング、２ｂは第２のバキユームハ
ウジングで、各々に負圧を与えることによりａ，
ｂで示す範囲のストロークが可能である。

以上は、３位置作動が可能な１つのアクチユエ
ータを用いた場合の例であるが、第５図に２個の
アクチユエータを用いて同様の作動を可能とする
例を示す。

第５図において、１６ｃはバルブ半開を可能と
する小ストロークのアクチユエータ、１５ｃは全
開を可能とする大ストロークのアクチユエータ
で、バルブ、シヤフトに固定されたアーム１４ａ
を介してバルブ弁８ｃを回転させる。バルブ半開
作動はシヤフト８c′を軸に自由に回転するアーム
１４−ｂの突起部１４−ｃ部がアーム１４−ａを
押すことによりなされる。

以上、開閉バルブ駆動機構の説明を行なつてき
たが、次に実際のバルブ駆動制御方法について述
べる。

第１の発明は機関の排気ガス流量の大小に応じ
て、開閉バルブの開度を調整する点にその特徴が
有る。機関の排気ガス流量を直接計量することは
困難であるが、デイーゼル機関においては、機関
回転数と排気ガス流量には良い対応関係が成立す
ることに着目して、機関回転数の大小により、開
閉バルブ開度を調整することにより、実用上十分
な排気ガス流量の制御が可能であることがわかつ
た。機関回転数の検知方法としては、例えばフラ
イホイール外周に設けられたギヤーに接近してマ
グネツトピツクアツプ等を取り付け、ピツクアツ
プに発生するパルス数をカウントする等、従来公
知の方法で十分可能である。また、設定回転数に
対する機関回転数の大小判別機構等も従来技術で
行なうことが出来る。以上は排気ガス流量の大小
を検知する方法として、排気ガス流量と相関を有
する機関回転数を利用する場合を説明したが、さ
らに機関回転数と相関を有する別の信号を用いて
も良いことは言うまでもない。

例えばデイーゼル機関の燃料噴射ポンプのある
種の型式のものにおいては、噴射ポンプ内燃料圧
力がほぼ機関回転数に応じて変化するものが有
る。この種のポンプを使用している機関において
は、噴射ポンプ内燃料圧力を検知することによ
り、機関回転数、ひいては排気ガス流料の大小を
検知することが出来る。この方法の場合には、適
当な圧力で作動する圧力スイツチを燃料噴射ポン
プに装着するという方法で目的とする信号を得る
ことが出来る。

また排気ガス流料とほぼ等しい機関吸入空気流
料を検知することにより、開閉バルブを制御する
ことも可能である。この場合には機関吸入管にベ
ンチユリーを設け、ベンチユリー負圧の大小によ
り吸入空気量、すなわち排気ガス流量の大小を検
知することが出来る。

以上述べて来たごとく、本発明は、排気ガス流
量の大小により、バイパス管部に装着した開閉バ
ルブの開度を調整することにより、フイルタ再生
時のフイルタ材通過ガス量を再生に適した量に制
御することを特徴とする。

以上は、何等かの手段で排気ガス流量の大小を
検知し、この信号に基付き、開閉バルブの開度を
調整することにより、フイルタ材通過ガス量を制
御する方法に関して述べて来たが、開閉バルブ自
体に流量制御特性を持たせることにより、上記目
的を可能とする第２の発明について説明する。

フイルタ部材の圧力損失、すなわちフイルタ前
後差圧は、フイルタ通過ガス量にほぼ比例して変
化する。従つて逆にフイルタ前後差圧を一定とな
る様にバイパス流量を制御することによりフイル
タ通過ガス量を一定に制御することが出来る。第
２の発明は以上の作動を簡単なバルブ機構で可能
とすることを特徴とするものである。

第６図は、第２の発明の実施例の構成図で、４
ｄは内部にフイルタ部材５ｄ電気ヒーターブロツ
ク６を内蔵したフイルタ容器である。１は排気ガ
ス流入管部、２は同流出管部で、３ｄはバイパス
流路を示す。３ａはバイパス管の上流分枝部、３
ｂはバイパス管の流量制御バルブへの流入部を示
す。なお７は複数に分割されたヒーター、８は各
ヒーターへ給電を行なうためのターミナルを示
す。９ｄは本発明になる流量制御バルブで、バイ
パス流路を開閉するポペツト弁１０を内蔵してい
る。図中に実線で示した１０は弁閉鎖位置、図中
に２点鎖線で示した１０′は開弁位置を各々示す。
９ａはフイルタ部材通過ガスの制御バルブへの流
入部、９ｂはバイパスガスの流入部を示す。本発
明の第２の方式の基本は、フイルタの前後差圧、
すなわち図中P₁，P₂で示した圧力の圧力差を一
定に制御することによりフイルタ通過ガス量を一
定値に制御することにある。ここで、バイパス管
３の径を十分大きく取り、バイパス管の通気抵抗
を十分少なくすることにより図中P₁′及びP₂′で示
したポペツト弁１０の前後圧力は、それぞれP₁，
P₂にほぼ等しくなる。従つて、ポペツト弁の前
後圧力差P₁′−P₂′を排気ガス流量にかかわらず一
定にすれば目的は達せられる。

次にこれを可能にする弁構造の実施例を以下図
に従つて説明する。

第７図は第２の発明に関する第１の実施例を示
す。１０ｅは弁板でアーム１２にピン１０e′によ
り取り付けられ、アーム１２はシヤフト１３ｅに
固定されている。シヤフト１３ｅには、アーム１
４ｅが固定装着されるとともにシヤフト１３ｅを
中心軸として自由に回転可能なアーム１５が装着
される。１６は図示しないアクチユエータのロツ
ドで、バイパス流路を閉鎖する場合には、該ロツ
ドがアーム１５を押し、アーム１５はアーム１４
ｅの突起部１４e′を押すことにより弁板１０ｅを
弁材９−ｃに圧着して流路を閉鎖する。

フイルタ再生時、すなわち大部分の排気ガスを
バイパスし、フイルタ部材通過ガスを一定量に制
御する場合には、アクチユエータロツド１６が引
かれることによりアーム１５はアーム１４より離
れる。１７ｅはアーム１４ｅを介して弁板１０ｅ
を一定圧力で弁座９−ｃに押付けるためのスプリ
ングである。ここで、フイルタ材前後差圧は前述
のごとく図中P₁′，P₂′で示す弁板の前後の圧力の
差すなわちP₁′−P₂′にほぼ等しいが、スプリング
１７ｅの強さを適当に調整することによりP₁′−
P₂′を排気ガス流量にほぼ関係なく一定値に取る
ことが出来る。すなわち、排気ガス流量が大なる
時に弁開度は自動的に大きく、排気ガス流量が小
なる時に弁開度は小さくなるが、弁前後差圧
P₁′−P₂′はスプリング１７ｅの強さで定まりほぼ
一定となるため、フイルタの前後差圧P₁−P₂が
一定となり、フイルタ通過ガス量も一定となる。
以上のごとく本発明の第２の方式は、バイパス流
量調整弁の弁前後差圧がフイルタ材前後差圧にほ
ぼ等しくなる点に着目し、排気ガス流量の大小、
すなわち、バイパス流量の大小に関係なく弁前後
差圧が一定となる流量調整弁を用いることによ
り、フイルタ前後差圧を一定とし、フイルタ通過
ガス量を制御することを特徴とする。そして、弁
前後差圧を一定となしうる弁として、開弁時、弁
板をスプリング力により弁座に押しつける構成の
ポペツト弁を用いることを特徴とする。

次に別の実施例について説明する。第８図は前
述した制御バルブの他にバイパス時、フイルタ通
過ガス量を制限するバタフライ弁１８ｆを設けた
場合の例である。この弁は以下の目的で設けられ
る。第２の発明は、フイルタ前後差圧を一定に制
御することによりフイルタ通過ガス量を一定値に
制御するものであり、ポペツト弁１０をスプリン
グ１７により、一定力で弁座９−ｃに押付けるこ
とによりこれを達成する。一方、フイルタ部材は
種々の通気抵抗のものが用いられる可能性が有
り、一般に微粒子の捕集効率が低いほど通気抵抗
は少ない。この様に低通気抵抗のフイルタ部材を
用いる場合には、当然、一定とすべきフイルタ前
後差圧も小さなものとなる。これはスプリング１
７の力を弱めることにより可能であるが、シヤフ
ト１３の回転抵抗が相対的に大きくなり、設定誤
差として表われてくる。弁板１８ｆはこれを防止
するためでバイパス時１８ｆを閉じ、見かけ上フ
イルタ部材の通気抵抗を増大することにより、ス
プリング１７の力を弱めることなく、流量制御を
円滑に行なわせることを可能とする。弁板１８ｆ
には、場合によつては１８f′で示す小孔を設け、
該バルブの通気抵抗調整することも行なわれる。
図はフイルタ再生時、すなわちバイパス時の各作
動位置を表わす。１１はポペツト型流量調整弁駆
動用のアクチユエータでバイパス時に供給孔１
１′に負圧が供給され、アーム１５を引きバルブ
弁１０を開放位置にする。また２０ｆは弁板１８
ｆを駆動するためのアクチユエータで、バイパス
時に供給孔２０′に負圧が供給され弁板１８ｆを
閉鎖位置とする。

第９図は、同実施例での非再生時の各作動位置
を表わしており各供給孔２０′，１１′には負圧は
供給されず、弁板１８ｆは開位置を取るととも
に、ポペツト弁弁板１０はアクチユエータ１１の
ロツド１６の押付力により弁材９−ｃに押付けら
れ、バイパス流路を閉鎖する。

第１０図は、第９図に示す実施例の変形例を示
す。第９図においては、ポペツト弁１０を一定力
で弁座９−ｃに押付ける方法としてアーム１４と
バルブハウジング９間に設置したスプリング１７
による例を示したが、本実施例は、このスプリン
グをアクチユエータ内に内蔵した場合を示す。本
実施例のアクチユエータはダイヤフラムの両面に
供給孔２１′あるいは２１″を通して負圧を与える
ことが出来る。バイパス時には、両方とも負圧に
与えられず、スプリング２１ａによりロツド１
６、アーム１５を介して弁板１０が弁座９−ｃに
弱く押付られる。非バイパス時には、２１′に負
圧を供給することにより、弁板１０は強く、弁座
に押付られバイパス流路を閉鎖する。また機関最
高出力時のごとく、極力排気系の通気抵抗を減少
させる必要の有る場合には２１″に負圧を与える
ことにより弁板１０を強制的に全開位置１０″に
位置させることが出来る。

次に、本発明の流量調整機構を実用に供する場
合に付随して必要となる流量制御弁の振動防止機
構の実施例について説明する。

第７図乃至第９図に示す流量制御弁１０（１０
ｅ）はバイパス時には、弁板１０に加わる排気ガ
ス圧力と、スプリング１７（１７ｅ）の張力がバ
ランスし、半開状態で作動するが、排気ガス圧力
には大きな脈動成分が含まれるため、弁板１０は
これにより振動を起し流量調整機能がそこなわれ
る場合もある。

第１１図はこの振動を防止する機構の実施例を
示す。図において１４h′はアーム１４に付加した
ダンパーウエイトを示す。弁軸１３に固定された
アーム１４に１４h′で示すウエイトを付加するこ
とにより、排気脈圧により生ずる弁板の振動を有
効に防止することが出来る。

振動防止方法としては、これに限らず、流体の
流動抵抗を利用したダンパーを付加することも考
えられるが、構成が複雑化するという欠点を有す
る。また第１１図に示す実施例においては、弁軸
に固定されたアームに直接アクチユエータが連結
されているため、ロツド１６ダイヤフラム等の質
量がダンパーウエイトとして作用し弁板１０の振
動は緩和される。

以上詳細に説明したように、本発明はフイルタ
ー再生時に排気ガスの大部分をバイパスし、フイ
ルタ材通過ガス量を減少させるとともに、機関排
気ガス流量に応じて段階的に、もしくはフイルタ
部材の前後差圧によつて自動的連続的にバイパス
流量を制御し、フイルタ材通過ガス量を制御する
ことにより、広範な機関運転条件下でフイルタ再
生が可能となるという優れた利点を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は第１の発明に関するもの
で、第１図は基本構成を示す構成図、第２図は効
果を示すグラフであり、第３図はアクチユエータ
の第１実施例断面図、第４図はアクチユエータの
第２実施例、第５図はアクチユエータの第３実施
例を各々示している。また、第６図乃至第１１図
は第２の発明に関するもので、第６図は基本構成
を示す構成図であり、第７図は流量制御弁の第１
実施例、第８図は流量制御弁の第２実施例、第９
図は第８図に示す流量制御弁の非再生時の位置関
係を表わす断面図、第１０図は流量制御弁の第３
実施例の断面図、第１１図は流量制御弁の第４実
施例の断面図を各々示している。 １…フイルタ収納容器、２…フイルタ材、３…
電気ヒーター、４…バイパス流路、５…バイパス
流路開閉弁、１ａ，２ａ…バキユームハウジン
グ、６ａ，６a′…ベロフラム、７ａ…ロツド、１
３ａ…ロツド、１ｂ，２ｂ…バキユームハウジン
グ、７ｂ…ロツド、１６ａ…小ストロークアクチ
ユエータ、１５ｃ…大ストロークアクチユエー
タ、８ｃ…バルブ板、４ｄ…フイルタ収納容器、
５ｄ…フイルタ材、３ｄ…バイパス流路、９ｄ…
流量制御弁、９−ｃ…弁座、１０ｅ…弁板、１３
ｅ…シヤフト、１４ｅ…アーム、１７ｅ…スプリ
ング、１８ｆ…弁板、２０ｆ…アクチユエータ、
１８f′…小孔、１４h′…ダンパーウエイト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の排気ガス通路に設置し排気ガス中
   の微粒子を補集するフイルタ部材と、 該フイルタ再生時にフイルタ部材に補集された
   微粒子を加熱燃焼せしめる電気的加熱手段と、 上記排気ガスの大部分を流通せしめ得るバイパ
   ス通路と、 該バイパス通路に設けられフイルタ再生時に機
   関排気ガス流量の大小に応動して、アクチユエー
   タによつて前記バイパス通路の開度を段階的に調
   整し、前記フイルタ部材通過ガス量を制御する開
   閉バルブと、 からなることを特徴とする内燃機関の排気ガス微
   粒子浄化装置。 ２ 機関排気ガス流量の大小を判別する手段とし
   て、機関回転数を検知し、機関回転数の大小に応
   動して、開閉バルブの開度を調整することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の排
   気ガス微粒子浄化装置。 ３ 内燃機関の排気ガス通路に設置し排気ガス中
   の微粒子を補集するフイルタ部材と、 該フイルタ再生時にフイルタ部材に補集された
   微粒子を加熱燃焼せしめる電気的加熱手段と、 上記排気ガスの大部分を流通せしめ得るバイパ
   ス通路と、 該バイパス通路に設けられ、フイルタ再生時に
   前記フイルタ部材の前後差圧を一定となす様に、
   スプリングによりほぼ一定力で弁板を弁座側に押
   付けることにより作動する開閉バルブと、 からなることを特徴とする内燃機関の排気ガス微
   粒子浄化装置。