JPH04183914A

JPH04183914A - 内燃機関用フィルタ再生装置

Info

Publication number: JPH04183914A
Application number: JP2311757A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Nobue; 等隆信江; Masahiro Nitta; 昌弘新田; Yu Fukuda; 祐福田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1992-06-30
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JP2689723B2

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をマイクロ波を利用して再生する装
置に関するものである。

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ずなわ
ぢＣＯ□低減対策が大きくクローズアンプされているが
、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等の大気汚染物質が汚
染源となって生じる自然現象であり、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。特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Ｉ・を捕集するフィル
タを存するものである。

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、今だ実用には
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
するだ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。

本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装置構成の容易
さあるいは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、たとえば特開
平１−’２９０９］０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５図に示す。度図において、
１はエンジン、２．３ＴＭ。、、モートが励振される円
筒状の加熱室、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。

このような構成において、フィルタは円筒状の加熱室の
管軸方向の略中央部に配設され加熱室の管軸方向の両端
面とフィルタ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より加熱室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程度になると燃焼し
始めることになる。

発明が解決しようとする課題しかしながら上記のようなマイクロ波方式によるフィル
タ再生装置においてもパティキュレートを燃焼させて除
去するためには燃焼空気が必要である。この燃焼空気は
マイクロ波によるフィルタ加熱に対してフィルタ冷却の
作用を行うためフィルタ内部の６００°Ｃ以上の高温領
域に対してはその領域を燃焼状態に移行させることが可
能だが、６００°Ｃより低い領域に対しては空気の冷却
作用によってより低温度側に移行する。このため、燃焼
状態に移行した領域と低温度側に移行した領域との間に
は大きな温度差を生じて熱応力によるクラックが生しや
すくなる。燃焼が進むとクラックの発生は必須となる課
題がある。

またマイクロ波加熱はパティキュレートが詰まったフィ
ルタ自身を加熱するがフィルタの端面部では輻射により
フィルタ内部温度よりも低い温度になる。さらに加熱室
内に燃焼用空気を供給するとこの空気によりフィルタ端
面部は冷却作用を直接に被りさらに温度が低下するため
フィルタ端面部が燃焼に移行しにくい課題があった。

本発明はかかる従来の課題を解消するものであり、第一
の目的は捕集されたパティキュレートの広い捕集領域に
対してマイクロ波によるフィルタ再生性能の高再生率を
保証することである。

また第二の目的はフィルタ内部の昇温を均一化し熱応力
によるクラックの発生を防止しフィルタの耐久性能を保
証することである。

さらに第三の目的はマイクロ波方弐によるフィルタ端面
部の昇温特性を改善しフィルタ端面部の再生を良好に実
行さ一部フィルタのパティキュレート捕集能力を高く維
持するとともにフィルタ圧損を低下させてエンジンの性
能を保証することである。

課題を解決するだめの手段上記課題を解決するために本発明の内燃機関用フィルタ
再生装置の第一の手段は、内燃機関の排気ガスを排出す
る排気管の一部に設けられた加熱室と、前記加熱室に収
納され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、前記加熱室に給電するマイクロ波電力を
発生させるマイクロ波発生手段と、前記加熱室に空気を
送風する送風手段と、前記マイクロ波発生手段を所定時
間動作させた後前記送風手段とマイクロ波発生手段とを
所定時間互い違いに動作させその後所定時間の同時動作
を経てマイクロ波発生手段の動作と送風手段の動作を順
次停止させる制御を行う制御部とを備えた構成からなる
。

また、第二の手段は」二記構成に加熱室の空気を吸引す
る吸引手段を付加し、制御部がマイクロ波発生手段を所
定時間動作させた後前記マイクロ波発生手段と前記送風
手段とを所定時間互い違いに動作させ、その後マイクロ
波発生手段と前記吸引手段とを所定時間同時に動作させ
た後、吸引手段の動作を停止するとともに送風手段とマ
イクロ波発生手段の同時動作を所定時間実行の後、マイ
クロ波発生手段と送風手段との動作を順次停止させる制
御を行うように構成したものである。

なお、上記構成においてマイクロ波発生手段と送風手段
との互い違いの動作時間における送風風量はマイクロ波
発生手段と送風手段との同時動作時間における送風風量
の１７２以下とする制御を行う。

さらに上記第二の手段の効果的構成として内燃機関の排
気ガスを排出する排気管の一部に設けられた加熱室と前
記加熱室に収納され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、前記フィルタの排気ガス上
流側より前記加熱室に給電するマイクロ波電力を発生さ
ゼるマイクＩ：１波発生手段と、前記フィルタの排気ガ
ス上流側より加熱室に空気を送風する送風手段と、前記
フィルタの排気ガス上流側より加熱室の空気を吸引する
吸引手段とを備えた構成を提供する。

さらにまた送風手段は吸引手段を兼用する構成としてい
る。

作用本発明は上記した構成によって、フィルタ再生実行に当
たりマイクロ波発生手段を所定時間動作させてパティキ
ュレートを加熱し特性領域のパティキュレートが燃焼可
能な温度まで昇温させる。

このときフィルタの全域をパティキュレート燃焼可能温
度まで昇温させることは以下の課題を派生さゼる。マイ
クロ波加熱分布の影響を受けてフィルタ内部にはある程
度の温度分布が発生ずる。従って低い温度領域の温度を
パティキュレート燃焼可能温度にすることは高い温度領
域はかなりの高温になり、燃焼時にクランクあるいは溶
損を発生ずる危険度が高まる課題がある。

特定領域が燃焼可能温度に達すると送風手段を動作させ
てフィルタ内部での熱拡散を実行させる。

これにより燃焼可能温度に達していた特定領域の温度は
下がり燃焼領域の拡大はほとんど進まない。

しかる後、送風を停止しマイクロ波を給電すると上記特
定領域の近傍あるいは別の特定領域が燃焼可能温度に達
する。その後再び送風を実行し熱拡散を行う。

このサイクルを所定回繰り返すことでフィルタの全域で
の温度分布が穏やかになり熱応力によるクランクの発生
を防止することができる。

なおこの熱拡散を行う時の送風風量は後述のフィルタ燃
焼実行時の送風風量に対して１７２以下の風景とし送風
による冷却作用を低下させている。

また、熱応力の発生を防止しつつフィルタ全域を燃焼可
能温度に昇温させることにより以降の送風（このときマ
イクロ波も同時に給電する）によってフィルタ全域を燃
焼状態に移行させることができ高いフィルタ再生性能を
保証できる。

また第二の手段としての吸引手段の動作によりフィルタ
内部の高温をフィルタ端面部に熱拡散させることにより
フィルタ端面部に付着したパティキュレートの燃焼を可
能としフィルタの高再生度を保証している。

実施例以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。

第１図、第２図において、１１はエンジン（内燃機関）
　、１２．１３は各排気分岐管１４．１５に設けられた
加熱室、１６．１７は加熱室内に収納され排気ガス中に
含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ、１８．
１９はマイクロ波発生手段であるマグネトロン、２０．
２１は加熱室と同心状に構成配設された導波管、２２．
２３は加熱室内に空気を送風する手段と加熱室内の空気
を吸引する手段であるファン、２４、２５は導風管２６
．２７内に設けられた空気の流れを制御するバルブ、２
８は排気ガスを所定の排気分岐管に導く排気ガス流切換
バルブである。フィルタ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ンクを担体としハニカム形状で
構成されいる。このフィルタはその外周囲を断熱材２９
．３０で覆いこの断熱材を介して加熱室内の所定位置に
固定保持されている。

加熱室は蜂の巣状あるいはパンチング状の電波遮蔽機能
を持つ金属部材３１〜３４によってその両端が限定され
ている。

また、フィルタの排気ガス入口側および排出側の排気管
内圧力を検出する圧力検出手段３５〜３８が設むノられ
ている。

このよ・うな構成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
び再生の基本プロセスを以下に説明する。

内燃機関の排気ガスは主排気管３９を通すハルブが開放
状態になっている排気分岐管に流れ込みフィルタ内を流
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。

フィルタはパティキュレーｉ−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の再生を行わな
ければならない。この時期はフィルタの排気ガス入口側
に設けられた圧力検出手段３５゜３７によって検出され
る圧力（いわゆる正圧）あるいはフィルタの排気側の圧
力検出手段３６．３８の信号を含めて得られるフィルタ
の圧損が予め設定された圧力規準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排気ガス流切換バルブを制御し
て排気ガス流を他の排気分岐管に導く。

いまフィルタ１６がパティキュレートを十分に捕集した
とするとフィルタ１６に対して再生が開始される。再生
開始指示が発せられるとその指示に従った内容の動作を
マグネトロン１８が始める。マグネトロン１８が発生ず
るマイクロ波は導波管２０、加熱室の外周側壁に設けら
れたマイクロ波袷電孔４０を通って加熱室内に給電され
る。このマイクロ波によりフィルタ１６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。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
を加熱室に導く前に５〜１０分間パティキュレー１・を
いふし状態にする。　（この間の詳細な制御内容は後述
する）その後、バルブ２４およびファンを制御して空気
を加熱室内に送風することで高温になっているパティキ
ュレートはず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出力方向に移動し
フィルタの排気側端面まで燃焼し終えて再生が終了する
。なお、このときマイクロ波の給電は再生が終了するま
で続げる必要はなく適当な時期に給電を停止すれば良い
。

この停止時期あるいは動作時間はパティキュレートの捕
集量（圧力検出信号に基づく）によって決定することが
できる。

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
エンジンの動作状態を知らせる信号も含めて総合的に決
定される。

このような構成のマイクロ波を用いたフィルタ再生装置
において主要な課題は再生性能の保証とフィルタの耐久
性の確保である。第３図および第４図を用いてこれら課
題のより具体的な内容と解決手段を説明する。

第３図は本発明装置の主要部の構成図、第４図はフィル
タ再生時のマイクロ波給電と空気供給に関する制御のタ
イミングチャー１〜である。

まず耐久性能について説明する。マイクロ波はその性質
上フィルタに捕集されたパティキュレートを選択的に加
熱する。さらにマイクロ波の波長によりマイクロ波加熱
には周期的な加熱パターンが生しる。このためフィルタ
内部には加熱室およびパティキュレートを含んだフィル
タの電気的な特性に基づいて加熱の不均一さが生しる。

この加熱の不均一さはある特定領域がパティキュレート
の燃焼可能な温度（６００°Ｃ程度）に到達したときに
他の領域ではたとえば５００°Ｃ程度しか昇温していな
いといったことになる。この状態で空気を供給すると燃
焼可能領域は燃焼状態に移行しより高温になるが、燃焼
不可能な領域は空気の冷却作用によりより低い温度にな
る。このような場合、フィルタ内部は大きな熱応力が発
生しクランクができフィルタのパティキュレート捕集能
力が低下したりあるいはフィルタ自体が破壊したりでフ
ィルタの耐久性能を保証することができない。

この課題に対してパティキュレートを燃焼状態に移行す
る以前にフィルタ全域を均一に加熱する制御内容を提供
したのが本発明である。以下にその制御内容を説明する
。

まずマイクロ波のみ加熱室に所定時間（１０〜１．１）
給電しフィルタをいふる。このとき特定領域が赤熱状態
になる。この時間は約５分間である。

その後マイクロ波の給電を停止し所定量の空気を供給し
フィルタ内部の熱拡散を行う。このとき上記赤熱領域は
燃焼状態になるが少ない空気供給量のために燃焼領域の
拡大はほとんど進まず鎮火する。その後空気供給を停止
しマイクロ波を給電する。この間に赤熱状態となる領域
は上記特定領域の近傍あるいは他の領域になる。これは
最初赤熱状態となった特定領域のパティキュレートが燃
焼によってなくなる（あるいは量が減る）ことによる。

このようなフィルタ内部での熱拡散と加熱とのサイクル
を適当な時間繰り替えし実行する（Ｌ１〜ｔ２）。これ
によってフィルタ内部の温度の均一化をばかり以降パテ
ィキュレートの燃焼を実行する（ｔｌ〜ｔ４）。パティ
キュレート燃焼時における空気供給の停止は少なくとも
マイクロ波の停止を実行の後適当なタイミングで行われ
る。

なお、イバ給する空気の量はフィルタ容積２！の場合、
燃焼時は５０〜１５０　ｆｆ　／分、熱拡散時は１０〜
２０Ｐ／分程度である。

このようなパティキュレートの加熱制御によりパティキ
ュレートが燃焼状態に移行する前のフィルタ内温度分布
を均一化することで燃焼時の熱応力によるクラック発生
を防止しフィルタの耐久性能を保証することができる。

また、フィルタ全域を均一に高温させることによりパテ
ィキュレートの燃焼をフィルタ全域で実行できるのでフ
ィルタ再生率を高く維持することができる。

つぎに再生性能についての課題を説明する。」−述した
ようムこフィルタの内部は高温になる。しかし、フィル
タの端面部は熱輻射４１あるいは供給される空気の冷却
作用により高温にすることが困難である。このため排気
ガス流入口側のフィルタ端面部４２にイ」着したパティ
キュレートの燃焼を実行することが困難な課題があった
。（第３図の温度分布特性を参照のこと。同特性におい
て実線はマイクロ波加熱による温度分布、破線はこの加
熱状態において送風を実行した時の温度分布）この課題
を解決する手段として本発明の装置は加熱室内の空気を
吸引する吸引手段を付加している。この吸引手段は送風
手段２２を兼用させている。

吸引手段はフィルタ全域が均一に高温状態となって燃焼
に移行させるタイミングに動作させる。

（第４図）のタイミングチャートでは時刻ｔ２より所定
時間動作さゼる。）この吸引動作によりフィルタの排気
ガス流出側から外気４３が取りこまれフィルタ内部を通
過する中で高温になった空気が排気ガス流入口側のフィ
ルタ端面部に付着したパティキュレ−１−を昇温させ燃
焼状態に移行させる。

この構成と制御によりフィルタ端面部に４１着したパテ
ィキュレートの除去ができフィルタ再生のより効果的に
実行できる。

これによりフィルタのパティキュレート捕集能力はほぼ
完全に再生される。

なお、吸引空気量は燃焼時に使用することが送風量相当
程度である。

発明の効果以上のように本発明の内燃機関用フィルタ再生装置によ
れば次の効果が得られる。

（１）マイクロ波の給電と送風とを互い違いに実行する
ことによりフィルタ全域を均一に昇温させることができ
、パティキュレート燃焼時の熱応力発生を抑制してクラ
ック発生を防止することができる。

（２）　　また、上記制御によりフィルタ内部はほぼ全
域再生でき高い再生性能を確保することができる。

（３）マイクロ波の給電と送風を互い違いに実行すると
きの送風量を本宅的にパティキュレートを燃焼させる時
の供給空気量の１７２以下の微風とすることにより、パ
ティキュレートの燃焼拡大を抑えるとともにフィルタ内
部での熱拡散を促進してフィルタ全域を均一に昇温させ
ることができる。

（４）加熱室の空気を吸引する手段を設けられている、
パティキュレートを燃焼状態に移行するタイミングでこ
の手段を動作させることにより排気ガス流入口側のフィ
ルタ端面部に付着したパティキュレートを高温化させ燃
焼させることによりフィルタのほぼ完全な再生が実行で
きるとともにフィルタの捕集能力寿命を保証することが
できる。

（５）送風手段と吸引手段を兼用する構成により装置の
構成を簡素化できるとともに制御性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す内燃機関用フィルタ再
生装置の構成図、第２図は本発明の一実施例の斜視図、
第３図は本発明の詳細な説明する主要部構成図、第４図
は本発明一実施例を示す制御内容のタイミングチャート
、第５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・・・・・・内燃機関、１２．１３・・・・・・加
熱室、］６．　］、７・・・・・・フィルタ、１８．１
９・・・・・・マイクロ波発生手段、２２゜２３・・・
・・・送風手段（吸引手段）、４２・・・・・・排気ガ
ス流入口側フィルタ端面部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　内燃機関の排気ガスを排出する排気管の一部に
設けられた加熱室と、前記加熱室に収納され排気ガス中
に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、前
記加熱室に給電するマイクロ波電力を発生させるマイク
ロ波発生手段と、前記加熱室に空気を送風する送風手段
と、前記マイクロ波発生手段を所定時間動作させた後前
記送風手段とマイクロ波発生手段とを所定時間互い違い
に動作させその後所定時間の同時動作を経てマイクロ波
発生手段の動作と送風手段の動作を順次停止させる制御
を行う制御部とを備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
（２）　内燃機関の排気ガスを排出する排気管の一部に
設けられた加熱室と、前記加熱室に収納され排気ガス中
に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、前
記加熱室に給電するマイクロ波電力を発生させるマイク
ロ波発生手段と、前記加熱室に空気を送風する送風手段
と、前記加熱室の空気を吸引する吸引手段と、前記マイ
クロ波発生手段を所定時間動作させた後前記マイクロ波
発生手段と前記送風手段とを所定時間互い違いに動作さ
せその後マイクロ波発生手段と前記吸引手段とを所定時
間同時に動作させた後吸引手段の動作を停止するととも
に送風手段とマイクロ波発生手段の同時動作を所定時間
実行の後マイクロ波発生手段と送風手段との動作を順次
停止させる制御を行う制御部とを備えた内燃機関用フィ
ルタ再生装置。
（３）　マイクロ波発生手段と送風手段との互い違いの
動作時間における送風風量はマイクロ波発生手段と送風
手段との同時動作時間における送風風量の１／２以下と
する制御を行う請求項（１）又は（２）記載の内燃機関
用フィルタ再生装置。
（４）　内燃機関の排気ガスを排出する排気管の一部に
設けられた加熱室と、前記加熱室に収納され排気ガス中
に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、前
記フィルタの排気ガス上流側より前記加熱室に給電する
マイクロ波電力を発生させるマイクロ波発生手段と、前
記フィルタの排気ガス上流側より加熱室に空気を送風す
る送風手段と、前記フィルタの排気ガス上流側より加熱
室の空気を吸引する吸引手段とを備えた内燃機関用フィ
ルタ再生装置。
（５）　送風手段は吸引手段を兼用する請求項（２）又
は（４）記載の内燃機関用フィルタ再生装置。