JPH04179817A - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はディーゼルエンジンから排出される排気ガス中
に含まれるパティキュレート（粒子状物質）を捕集する
内燃機関用フィルタ再生装置に関する。

従来の技術 欧米および日本などのいわゆる先進国の高度な経済成長
は地球上の文明に大きく貢献してきた。

しかしながら、先進国の経済成長を中心とした化石燃料
エネルギーの浪費は地球の大気を汚染してきた。

地球環境保全に関して、今日では地球温暖化対策すなわ
ちＣ０２低減対策が大きくクローズアップされているが
、森林破壊を招く酸性雨の対策も無視できない。

酸性雨は硫黄酸化物や窒素酸化物などの大気汚染物質が
汚染源となって生しる自然現象であり、近年、世界各国
でこのような大気汚染物質の排出規制がコ・ジェネレー
ションなどの固定発生源や自動車などの移動発生源に対
して強化される動きにある。とくに自動車の排気ガスに
関する規制は従来の濃度規制から総量規制へ移行され規
制値自体も大幅な削減となっている。

自動車の中でもディーゼル車は窒素酸化物と同時にパテ
ィキュレートの排出規制の強化が行われる。燃料噴射時
期遅延などの燃焼改善による従来の排気ガス中の汚染物
質低減対策だけでは排出ガス規制値を達成することは不
可能とされ、現状では排気ガスの後処理装置の付設が不
可欠である。

この後処理装置はパティキュレートを捕集するフィルタ
を有するものである。

ところが、パティキュレートが捕集され続けると、フィ
ルタは目詰まりを起こし、捕集能力が大幅に低下すると
ともに排気ガスの流れが悪くなってエンジン出力の低下
あるいはエンジン停止といったことに至る。

したがって、現在世界中でフィルタの捕集能力を再生さ
せるための技術開発が進められているが、未だ実用には
至っていない。

パティキュレートは６００°Ｃ程度から燃焼することが
知られている。パティキュレートをこの高温度域に昇温
するための熱源を発生する手段として、燃焼方式、電気
ヒータ一方式あるいはマイクロ波方式などが考えられて
いる。

燃焼方式による装置は燃焼熱をフィルタに送風してパテ
ィキュレートを加熱するものである。また、電気ヒータ
一方式による装置はヒーターをフィルタの入力端面に近
接して設けた構成からなり、ヒーターの輻射熱でパティ
キュレートを加熱するものである。さらにマイクロ波方
式による装置はフィルタを収納するキャビティにマイク
ロ波を給電してパティキュレートの誘電損失を利用して
パティキュレートを加熱するものである。

本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装置構成の容易
さおよび再生制御性の良さなどを考慮してマイクロ波方
式によるフィルタ再生装置を開発してきた。

マイクロ波方式によるフィルタ再生装置は、たとえば特
開平１−２９０９１０号公報に提案されている。

同公報に開示されている装置を第４図に示す。同図にお
いて、１はエンジン、２，３はＴ　Ｍ　ｏ　ｌ　Ｆ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
はフィルタ、８は排気ガス流の切換弁である。

上記各構成要素の相互の関係と動作を以下に説明する。

すなわちフィルタ７は、空胴共振器２゜３の管軸方向の
略中央部に配設され空胴共振器２゜３の管軸方向の両端
面とフィルタフの端面との間に空間９．１０が作られて
いる。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
タフに捕集されている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°Ｃ以上に加熱さ
れる。一方、適当な量をもって供給される空気により加
熱されたパティキュレートは燃焼しフィルタフの再生が
進行する。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記従来のマイクロ波給電系の構成は、マ
イクロ波発生手段６から放射アンテナ４に至るマイクロ
波伝送経路を中空の導波管５と同軸伝送路とで構成する
ことが必要であり、伝送損失の増大および構造が複雑に
なるとともに機械強度の信頼性確保が困難という課題を
有していた。

本発明はこのような従来の課題を解消するものであり、
第一の目的は燃焼による熱応力や本内燃機関用フィルタ
再生装置が自動車に搭載されたときに受ける振動に対し
て、同装置の機械的な強度を保持できる構成にすること
である。

第二の目的はマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波
を効率良く金属筺体内に伝送させるマイクロ波伝送路を
構成することである。

さらに第三の目的はフィルタに捕集されたパティキュレ
ートを均一にマイクロ波加熱することである。

課題を解決するための手段 上記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、内燃機関の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、前記フィルタが格納さ
れる金属筺体と、前記金属筺体の両端に設けられ、排気
ガスの流路として所定の開孔を有する壁面と、この開孔
を有する壁面にて支持されるとともにフィルタの略中央
部を貫通する金属パイプと、前記金属筺体と開孔を有す
る前記壁面および金属パイプとで囲まれた空間に給電す
るマイクロ波を発生するマイクロ波発注手段とを備えて
構成したものである。

また、フィルタが格納される金属管体の外周に同心状に
導波管を配設し、この導波管を介してマイクロ波発生手
段が発生するマイクロ波を金属管体内に給電するように
構成したものである。

さらＣごは、マイクロ波が給電される空間はＴＥ（ＩＩ
Ｆの励振モードを有する構成としたもので、また金属パ
イプにはパンチング孔を設けて構成したものである。

作用 本発明は上記した構成によって、金属管体の外周側面を
導波管のＨ面に兼用し導波管をこの金属管体の外周に直
接同心状に配設された構成により、マイクロ波発生手段
が発生するマイクロ波をフィルタ格納空間に給電すると
きのマイクロ波伝送路を中空の導波管のみで構成できる
ことから、装置の機械的な強度を十分に保持できるとと
もにマイクロ波の伝送を高効率に行うことができる。

またＴ　Ｅ　ｏ　ｌ　Ｆの励振モードが生じる構成によ
り排気ガスの流路方向に対して直角方向のフィルタ面上
では同心状にマイクロ波電界分布を生じる。

さらにはフィルタの排気ガス流路方向にはＰ＝１の場合
−様なマイクロ波電界分布が生じる。

しかしながらフィルタ格納空間へのマイクロ波給電位置
はフィルタの排気ガス流入側に配設していることにより
マイクロ波によるパティキュレートの誘電加熱はフィル
タの排気ガス流入側に片寄る。この効用によりフィルタ
の排気ガス流入側の全域はほぼ均一にパティキュレート
の誘電加熱を進行させることができる。

また金属パイプはＴＥＯＩＦモード励振の作用部材であ
るとともにフィルタの支持固定部材として活用できる。

さらに、パイプにパンチング孔を設けることにより排気
ガスの浄化後の流れをパイプ内に導くことができる。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図において、１１はエンジン（内燃機関）、１２は
その排気管で、排気管１２より分岐して金属管体１３が
つながっている。この金属管体１３の内部には排気ガス
中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ１４
を格納している。

また、金属管体１３は、その外周側面をＨ面とし金属管
体１３と同心状にかつ一体的に導波管１５を構成配設し
、導波管１５にマイクロ波発生手段であるマグネトロン
１６を設けている。また排気管１２にはフィルタ１４の
再生時にエンジン１１の排気ガスをバイパスするための
排気ガスバイパス管１７を接続している。

フィルタ１４はたとえばムライトやコージライトなどの
多硬質セラミックを担体としハニカＢ形状で構成されて
いる。このフィルタ１４はその略中央部に金属パイプ１
８が挿入され、その外周囲は断熱材１９で覆われている
。

金属管体１３は蜂の巣状あるいはパンチング状の形状に
よる所定の開孔を持たせて排気ガスの流路を形成すると
ともに電波遮蔽機能を持つ金属部材２０、２１によって
その両端壁面が限定されている。

フィルタ１４の略中央部を貫通する金属パイプ１８はこ
の金属部材２０．２１によって支持固定されている。

したがってフィルタ１４は金属パイプ】８のおよびフィ
ルタ外周囲の断熱材１９により金属管体１３内の所定位
置に保持されている。

上記のマイクロ波給電構成およびフィルタ支持構成によ
って、本装置は本装置でのパティキュレート燃焼時の熱
応力および本装置に加わる振動に対して機械的な強度を
十分に保持することができる。

また金属管体１３の入口上流部および排気ガスバイパス
管１７内には排気ガスの流路を開閉する手段のバルブ２
２．２３を有している。なお、図はフィルタ１４に排気
ガスを導く状態を示している。また、金属管体１３の入
口と出口部には圧力検出手段２４゜２５を有し、フィル
タ１４の排気ガス流入側およびフィルタ１４の排気ガス
流出側の排気管内圧力を検出する。金属管体１３の出口
下流部には温度検出手段２６を有し、フィルタ１４の排
気ガス流出側の排気温度を検出する。なお、２７はマグ
ネトロン１６の駆動電源１．２８は検出された圧力信号
、温度信号に基づいてバルブ２２．２３および駆動電源
２７を制御しフィルタ再往を実行させる制御部である。

第２図は前記金属管体１３の軸方向の要部断面図である
０図において、２９は金属管体１３の外壁に設けられた
結合孔であり、この結合孔２９によって金属管体１３内
と導波管１５との一電波結合がなされている。第１図と
の関係を明らかにするために主要構成要素は第１図と同
一番号で示している。

なお、金属パイプ１８の外壁面に設けられるパンチング
孔（第３図中に３０で示す）の配役領域はフィルタ１４
の排気ガス流入側端面から排気ガス下流側にｌＯ〜２０
■程度の位置より排気ガス下流側であり、パンチングの
孔直径は１〜２鵬である。

このような構造からなるフィルタ再生装置において、排
気ガスの流れ、パティキュレート捕集のプロセスおよび
再生プロセスを以下に説明する。

内燃機関１１の排気ガスは通常はバルブ２２が開放状態
、バルブ２３が閉止状態になっているので排気管１２を
通りフィルタ１４に導かれる。このフィルタ内を流れる
間にパティキュレートが除去される。

浄化された排気ガスは大気へ放出される一フィルタ１４
はパティキュレートを捕集しつづけると目詰まりを生し
るので適当な時期にフィルタ１４の再生を行わなければ
ならない、この時期は排気管１２に設けられた圧力検出
手段２４．２５の出力の差圧力値が、あらかじめ設定さ
れた圧力値に到達するタイミングで判断される。

この適当な時期に至るとバルブ２２．２３が制御され、
排気ガスは排気バイパス管１７に導かれる。その後、フ
ィルタ１４は再生が開始される。制御部２８の再生開始
指示によって駆動電源２７が作動しマグネトロン１６を
動作させる。マグネトロン１６が発生するマイクロ波は
導波管１５、金属管体１３の外周側壁に設けられた結合
孔２９を通って金属管体１３内に給電される。このマイ
クロ波によりフィルタ１４に捕集されたパティキュレー
トは誘電加熱されて昇温し赤熱する。

この赤熱領域については第３図を用いて説明する。第３
図はマイクロ波の電界分布を模式的に表したものである
。同図中の要素部番号は第１図および第２図との関係を
明白にするために同一番号を付している。

金属管体１３、開孔を有する壁面２０．２１および金属
パイプ１８とで囲まれた空間はマグネトロン１６が発生
するマイクロ波の周波数帯においてＴＥＯＩＦモードで
の励振を住しるように構成されている。

ここで、Ｐ＝１．２−・・である０図はＰ−１を示して
いる。このような構成により金属管体１３内の電界分布
３１．３２と導波管１５内の電界分布３３とは金属管体
１３の壁面に設けられた結合孔２９を介して図示したよ
うな電界分布にて結合している。

ところでこの結合位置はフィルタ１４の一端面側に片寄
って設けている効用により図中に斜線で示す領域にある
パティキュレートがほぼ均一に誘電加熱され赤熱する。

Ｔ　Ｅ　ｏ　＋　ｒモード励振によりフィルタ１４の赤
熱領域を同心状にできるので赤熱部のフィルタ１４全域
への拡散を容易にすることができ、フィルタ内部の温度
勾配を緩やかにできるとともに燃焼時のフィルタ１４の
クラック発生を抑制させる効果がある。

赤熱したパティキュレートが燃焼するには空気が必要で
あるが、空気をフィルタ１４に導く前に５〜１０分間パ
ティキュレートを予熱する。そののちバルブ２２が制御
され排気ガスの一部がフィルタ１４に導かれる。この空
気により高温になっているパティキュレートはすみやか
に燃焼状態へ移る。この燃焼状態はマイクロ波加熱をと
もなってフィルタ１４の排気ガス下流方向に移動する。

この間、温度検出手段２６はフィルタ下流の排気温度を
検出している。

この排気温度の変化特性はパティキュレートの量によっ
て変わる。このパターンは排気温度の最高値が一つ生じ
るパターンといくつかの最高値を住じるパターンに大別
できる。後者のパターンはパティキュレート燃焼がフィ
ルタ径方向の特定領域のみがフィルタ１４の長手方向に
進行した結果体じるパターンである。このような種々の
排気パターンに対応してパティキュレート燃焼の完了を
識別するために排気温度がピークになって以鋒所定時間
（５分程度でよい）だけ排気温度は継続検出する。この
時間中に排気温度の再上昇がないことを基準に燃焼の完
了を識別する。燃焼完了が確認されるとバルブ２２．２
３は元の状態、すなわちバルブ２２は開放、バルブ２３
は閉止の状態に制御され排気ガスは再びフィルタ１４に
導かれる。これでフィルタ１４の再生に関する一連の動
作が完了する。

なお、金属管体１３壁面に設けた結合孔２９部でのマイ
クロ波電界の位相を揃える手段として導波管１５に金属
ボス）３４．３５　（第３図）の付設あるいは導波管１
５内のマイクロ波伝送方向の一方向化などが利用される
。

また、マイクロ波の給電は排気温度が最高値に達するま
で続ける必要はなく、それ以前の適当な時期に給電を停
止させることができる。この停止時期と予熱時間はパテ
ィキュレートの捕集量で決めることができる。

さらには上記説明では燃焼用の空気として排気ガスの一
部を利用する方式を述べたが、専用のエアーポンプを付
加してその発注空気を利用してもよい。

さらにまた、パティキュレートの加熱および燃焼に関す
る各部の制御内容は再生装置に設けられた各検出手段の
信号とともにエンジン１１の動作状態を知らせる信号も
含めて総合的に決定させることもできる。

発明の効果 以上のように本発明の内燃燃量用フィルタ再生装置によ
れば、次の効果が得られる。

（１）　　フィルタを格納する金属筺体の外壁を導波管
の壁面と兼用させた構成によりマイクロ波給電系を耐振
動性や耐熱性に対して十分な機械的強度でもって構成す
ることができるとともにマイクロ波の伝送を高い効率で
もって行うことができる。

（２）フィルタはその略中央部に挿入した金属パイプに
よりパティキュレート燃焼時に金属パイプを経由してフ
ィルタの排気ガス流路方向への熱拡散を促進させフィル
タ内部の温度勾配を緩やかにしクラック発生の抑止ある
いは素材の溶損防止を図ることができる。

（３）金属筺体とフィルタの略中央部の金属パイプによ
りフィルタ格納空間にＴＥＯＩＦモードの励振が生じる
ように構成したことによりフィルタの排気ガス流路に垂
直な方向においてパティキュレートの燃焼域を同心状に
してフィルタ全域へのパティキュレートの加熱拡散を促
進させることができる。

（４）　　フィルタの略中央部に設けた金属パイプにパ
ンチング孔を設けたことにより排気ガスの流路を形成し
てフィルタのパティキュレート捕集能力を高く維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の内燃機関用フィルタ再生装
置の一部を断面にして示した構成図、第２図は同装置に
おける金属管体の軸方向の要部断面図、第３図（ａ）、
（ハ）は本発明の装置の動作を説明する正面断面図と側
面断面図、第４図は従来の内燃機関用フィルタ再生装置
の構成図である。 １１・・・・・・エンジン（内燃機関）、１３・・・・
・・金属管体（金属筺体）、１４・・・・・・フィルタ
、１５・・・・・・導波管、１６・・・・・・マグネト
ロン（マイクロ波発生手段）、１８・・・・・・金属パ
イプ、２０．２１・・・・・・開孔を有する壁面、２９
・・・・・・結合孔、３０・・・・・・パンチング孔。 代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　ほか２名／Ｉ　−
エンジン０円だ徴Ｍ） １３　　１１１ｗ帰（−７，ｌｉＷ％、）１４−フィル
タ ｔｓ−！ｆｌｉ１！ １８−　室恩ノｆイブ ２Ｄ、２ｊ−＊Ｒを有する！面 第　２　図 ３Ｏ−ＩＣンテンク九

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の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、前記フィルタが格納される金
   属筺体と、前記金属筺体の両端に設けられ、前記排気ガ
   スの流路として所定の開孔を有する壁面と、前記開孔を
   有する壁面にて支持されるとともに前記フィルタの略中
   央部を貫通する金属パイプと、前記金属筺体と開孔を有
   する前記壁面および前記金属パイプとで囲まれた空間に
   給電されるマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と
   を備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
2. （２）内燃機関の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、前記フィルタが格納される金
   属管体と、前記金属管体の両端に設けられ、前記排気ガ
   スの流路として所定の開孔を有する壁衝と、前記開孔を
   有する壁面にて支持されるとともに前記フィルタの略中
   央部を貫通する金属パイプと、前記金属管体と開孔を有
   する前記壁面および前記金属パイプとで囲まれた空間に
   前記金属管体と同心状に配設された導波管を介して給電
   されるマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段とを備
   えた内燃機関用フィルタ再生装置。
3. （３）マイクロ波が給電される空間はＴＥ＿Ｏ＿Ｉ＿Ｐ
   の共振モードを有する請求項（１）または（２）記載の
   内燃機関用フィルタ再生装置。
4. （４）金属パイプは所定のパンチング孔を有する請求項
   （１）または（２）記載の内燃機関用フィルタ再生装置
   。