JPH04301126A - 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】

【０００１】

【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
エネルギを利用して再生する装置に関するものである。

【０００２】

【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
エネルギの浪費は地球の大気を汚染してきた。

【０００３】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ＣＯ２　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。

【０００４】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がなされようとしてい
る。

【０００５】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。

【０００６】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生じて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の停止といったことに至る。

【０００７】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すすめられているが
、今だ実用には至っていない。

【０００８】パティキュレートは６００℃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エネルギを発生する手段として、
バーナ方式、電気ヒーター方式あるいはマイクロ波方式
などが考えられている。

【０００９】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。

【００１０】マイクロ波方式によるフィルタ再生装置と
しては、たとえば特開昭和６１−１１４１６号公報があ
る。同公報に開示されている装置を図２に示す。同図に
おいて、１はディーゼルエンジン、２はエンジン１の排
気管、３は排気管の一部に設けられ排気ガス中に含まれ
るパティキュレートを濾過捕集するフィルタ、４はフィ
ルタ３を固定支持する加熱室、５はマイクロ波発生手段
であるマグネトロン、６はマイクロ波発生手段から給電
されるマイクロ波を加熱室内に限定する電波遮蔽手段、
７はマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を加熱室
に伝送する導波管、８は加熱室へのマイクロ波入射波電
圧を検出するアンテナと制御信号へ変換するための変換
器、９は加熱室からのマイクロ波反射波電圧を検出する
アンテナおよび変換器、１０は制御装置、１１はマフラ
ー、１２はマグネトロン５の駆動電源である。

【００１１】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気管２、フィルタ３、マフラー１１を通って大気
へ排出される。フィルタ３は排気ガス中に含まれるパテ
ィキュレートを捕集するが前述したようにフィルタ３の
捕集能力は有限である。捕集能力が限界に達するとフィ
ルタを再生する必要がある。フィルタ再生においてパテ
ィキュレートを加熱するエネルギはマイクロ波発生手段
５から供給される。所定のプロセスを経てフィルタ再生
が完了する。

【００１２】ところで、フィルタ３を再生するに当たっ
てフィルタが捕集限界に対してどのようなレベルにある
かを検出する必要がある。このフィルタに捕集されたパ
ティキュレート量がどの程度かを検出する従来技術とし
ては、フィルタの圧力損失を検出する方法、フィルタの
排気ガス上流側の正圧特性による方法、エンジンの動作
状態を積算して換算する方法などがあるがいずれもエン
ジンの動作状態が検出系に含まれ検出レベルの誤差が大
きく実用化が困難である。

【００１３】一方、図２にはマイクロ波を利用して捕集
レベルを検出する方法が提案されている。この検出方法
はエンジン動作状態と独立に実行できる大きな特徴を持
つと考えられる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のような捕集レベル検出構成においては、捕集量の多い
少ない（たとえば２０ｇ程度以上か５ｇ程度以下か）と
いう程度のレベル検出はできるがたとえは１５ｇ±５ｇ
の量が捕集されたというレベルの検出が困難である。パ
ティキュレートの捕集量が少ないとパティキュレートの
加熱燃焼性能が悪くフィルタ全体を効率よく再生するこ
とができない。一方、捕集量がある程度以上になるとパ
ティキュレート燃焼熱によってフィルタが溶損する現象
が生じる。

【００１５】したがって、高い再生性能を保証し、さら
にはフィルタ自体の耐久性を確保するためには、捕集量
のレベル検出を高い精度で行う必要があるが、従来の技
術においてはこれを達成することが困難であった。

【００１６】本発明は上記課題を解決するもので、マイ
クロ波を利用した改善されたパティキュレート捕集量検
出手段を提供しフィルタの再生性能の保証およびフィル
タ耐久性能を確保する内燃機関用フィルタ再生装置を提
供することを目的としたものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設け
られた加熱室と、この加熱室内に収納され前記排気ガス
中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、
このパティキュレートを加熱するマイクロ波を発生する
マイクロ波発生手段と、前記加熱室内の少なくとも２ヶ
所の電磁界強度を検出する電磁界検出手段とを備えた構
成としている。

【００１８】さらにこの電磁界検出手段は排気ガスの流
れ方向に対して垂直方向の略同一平面に配設している。

【００１９】また、加熱室へのマイクロ波給電位置はフ
ィルタの排気ガス上流側に設けられ、電磁界検出手段は
フィルタの排気ガス下流側に設けている。

【００２０】

【作用】本発明は上記の構成により、フィルタを収納し
た加熱室にマイクロ波が給電された状態において、加熱
室には固有な電磁界分布が生じる。この電磁界分布はフ
ィルタに捕集されたパティキュレートの量によって変化
する。捕集量の増加によってフィルタ内に存在するマイ
クロ波は波長圧縮を生じる。したがって、排気ガス流方
向の電磁界分布は変化する。排気ガス流に垂直方向の略
同一平面を考えた時、その平面ではパティキュレート捕
集量によって電磁界強度が様々に変化することになる。 この平面においても電磁界強度の分布が存在する。本発
明構成ではこの平面上において少なくとも２ヶ所に電磁
界検出手段を配設しこれら各電磁界検出手段の検出信号
を相対比較する方法により、排気ガス流方向の電磁界分
布の変化を補正する。

【００２１】また、マイクロ波給電位置と電磁界検出手
段の配設位置をフィルタを挟んで配置した構成により、
捕集量の増大に伴ってパティキュレートが吸収するマイ
クロ波エネルギが増加するため電磁界検出手段が配設さ
れた加熱室空間へのマイクロ波エネルギ量が減少するこ
とになる。このため電磁界検出手段が検出する検出量は
減少する。すなわち、捕集量の増加にともなって生じる
排気ガス流方向の電磁界変化に追随して電磁界検出手段
の検出量は増減するがその絶対量は漸減するので時系列
的に検出量を把握することができる。

【００２２】さらにまた、捕集量がない時に加熱室に生
じる電界の強い箇所と弱い箇所に電磁界検出手段を設け
ることにより、各検出信号が独特の変化を呈することを
利用して捕集レベルの精度をより高めることができる。 本発明においては排気ガス流に垂直方向の略同一平面に
おいて９０°の角度にて検出手段を配設しこれを達成し
ている。

【００２３】以上のような加熱室内でのマイクロ波電磁
界分布の挙動に対応した本発明の電磁界検出手段構成に
よりフィルタに捕集されたパティキュレートの量を高い
精度で検出することができる。この結果パティキュレー
ト燃焼を効果的に実行できフィルタの高い再生性能を保
証するとともにフィルタの耐久性能を確保することがで
きる。

【００２４】

【実施例】以下本発明の実施例を添付図面を参照して説
明する。

【００２５】図１において、１３は内燃機関の排気ガス
を排出する排気管、１４は排気管の途中に設けられた加
熱室、１５は加熱室内に収納され排気ガスが通過する間
に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、１６は加熱室に給電するマイクロ波を発生させ
るマイクロ波発生手段、１７はマイクロ波発生手段の発
生したマイクロ波を排気管の周囲に配設された環状の矩
形導波管１８に伝送する導波管、１９は環状矩形導波管
に設けられマイクロ波を加熱室１４に放射する給電孔（
給電手段）、２０は加熱室に排気ガス以外の気体を供給
または吸引する気体の通路である導風路、２１、２２は
加熱室１４を限定するマイクロ波遮蔽作用を有する電波
遮蔽手段、２３はフィルタ１５の外周に設けられたフィ
ルタを加熱室１４の中に支持する断熱材である。

【００２６】２４、２５は加熱室１４内のマイクロ波電
磁界を検出する電磁界検出手段であり、排気ガス流に垂
直方向の略同一平面上の加熱室壁面に設けられ同平面上
において略９０°の角度でもって配設されている。また
、電磁界検出手段はマイクロ波給電孔１９に対してフィ
ルタを挟んだ位置に設けられる。図１においてマイクロ
波給電孔はフィルタの排気ガス上流側に設けられる一方
、電磁界検出手段はフィルタの排気ガス下流側の加熱室
に設けられている。

【００２７】環状矩形導波管１８のＥ面（フィルタに対
面する面）に設けられた給電孔１９はそのスリット開孔
角度が略１８０度にて構成されている。給電孔１９から
のマイクロ波放射を効率よく行うためにインピーダンス
整合用のポストを導波管の適当な位置に設けることがで
きる。

【００２８】本発明の装置はフィルタ再生に対する基本
プロセスを以下に述べる。内燃機関の排気ガス流は通常
フィルタ１５に配流される。この捕集サイクルにおいて
適当な時間間隔でマイクロ波発生手段１６が動作しその
状態において電磁界検出手段が加熱室の電磁界強度を検
出する。この検出信号の処理については後述するが、こ
の検出信号に基づいてフィルタ１５に捕集されたパティ
キュレート量が検出される。パティキュレート捕集量が
予め決められた量に達するとフィルタを流れる排気ガス
が停止される。この場合排気管１３より分岐した排気管
を設けることによりこの分岐排気管に排気ガスを導流さ
せることができる。

【００２９】その後、フィルタ再生プロセスが開始する
。この再生制御指令は本装置の一構成要素である電界検
出信号が入力される制御部（図示していない）より発せ
られる。この制御部の指令に基づいて、マイクロ波発生
手段１６にそれを駆動する電源が供給される。これによ
り、マイクロ波がフィルタ１５を収納した加熱室１４に
給電されフィルタに捕集されたパティキュレートが加熱
される。マイクロ波給電の初期にはフィルタを流れる気
体はほぼ完全に遮断されている。これによってフィルタ
全域のパティキュレートはフィルタを流れる能動的な気
体流による冷却を受ける事なくマイクロ波加熱によって
その燃焼可能温度域に向かって効率よく温度上昇してい
く。しかしながらマイクロ波の加熱分布性によりパティ
キュレートのマイクロ波加熱促進領域が存在する。本発
明の一実施例装置においてはフィルタ径方向（排気ガス
流に垂直な方向）において給電手段１９に対面する径位
置の環状領域（この領域においても加熱促進領域が存在
する）およびフィルタの略中央部がこの加熱促進領域と
なる。

【００３０】マイクロ波加熱が進み、予め決められた時
間を経ると排気ガス以外の気体（通常の場合空気）が気
体導風路２０より加熱室内に供給される。この時の予め
決められた時間とは加熱室に給電するマイクロ波エネル
ギ量、予め決めたパティキュレート捕集量領域などによ
って最適な時間が設定される。この気体供給によりフィ
ルタに配流される気体は排気ガス流が流れていた排気管
１３を経て供給されるのでほぼ排気ガス流のフィルタへ
の配流と同様の流れの分布でフィルタに配流される。し
たがって、パティキュレートの捕集分布に応じた配流と
なる。本発明実施例の構造においてはフィルタの中央部
が一番捕集量が多い。したがって供給される気体はフィ
ルタの外周方向に配流される。

【００３１】また、フィルタに供給される気体の初期流
量は、たとえば加熱されたパティキュレートの温度がパ
ティキュレート燃焼可能温度域である場合に燃焼の促進
はするが気体流の方向へのパティキュレートの燃焼領域
の拡がりを抑制する程度の気体流量を送風するものであ
る。

【００３２】一方、パティキュレートの温度が燃焼可能
温度域に至っていないフィルタ領域においてはこの供給
気体によって昇温を妨げられる領域も生じる可能性があ
るが、送風流量が上述のようにごく微量であることから
その領域の温度低下はほとんど回避できる。

【００３３】この供給気体はマイクロ波加熱されたパテ
ィキュレートの温度が燃焼可能温度域に達していれば燃
焼を促進させるものである。したがってこの燃焼によっ
て生じた発熱がマイクロ波加熱による発熱に加わってフ
ィルタ内を伝熱し燃焼可能領域の拡大をはかることがで
きる。

【００３４】この後、供給気体の流量が増大され燃焼可
能領域をフィルタの長手方向（気体流が流れる方向）に
移動させる。

【００３５】この後適当な時期に供給気体流の流れ方向
を反転させる。（気体供給手段（図示していない）を気
体吸引手段として動作させる。）この気体流制御によっ
てフィルタ内に生じているパティキュレート燃焼熱がフ
ィルタの排気ガス流入側のフィルタ端面方向に伝熱され
る。この燃焼熱はフィルタ端面部で生じる熱輻射量を凌
駕する熱量をフィルタ端面に供給する。この熱量により
フィルタ端面部はパティキュレート燃焼可能温度に達し
フィルタ端面部のパティキュレート燃焼が実行される。

【００３６】排気ガス上流側のフィルタ端面部の再生が
終了するとふたたび供給気体の流れ方向が反転されフィ
ルタを流れる気体流の方向は排気ガス流の方向と同一方
向となる。この状態がフィルタの完全な再生の完了まで
継続される。

【００３７】この状態において適当な時間経過後にマイ
クロ波の給電を停止することができる。この停止時期は
予め決められた所定時間によって制御されるが、電磁界
検出手段の検出信号に基づいて制御することもできる。 その後適当な時期に気体供給が停止される。マイクロ波
発生手段の動作停止は気体供給の停止と同一時刻もしく
はより早い時刻に実行される。しかし通常はマイクロ波
給電停止の後、予め決められた所定時間、気体供給を制
御することによりフィルタ全域をより完全に再生するこ
とができる。

【００３８】なお、この所定時間の決定において再生度
合を検出するための手段、たとえばフィルタ下流の燃焼
排熱温度の検出、フィルタ圧損の検出などを利用するこ
とも可能である。

【００３９】以上のような再生制御プロセスによりフィ
ルタ再生が完了する。その後適当な時期にいま再生した
フィルタに排気ガスを流入することができる。

【００４０】なお、再生サイクルにおいてフィルタ内を
流れる気体の流れ方向は以下のような手段を講じること
で一方向制御だけで済ませることが可能である。その手
段の一つは、たとえばフィルタの排気ガス流入側端面に
近接あるいは接触させて輻射防止体を付設することであ
る。この輻射防止体はフィルタとは別部材でもよいしフ
ィルタと一体的に構成された部材でも構わないが、フィ
ルタ作用がほとんど無い構造体でもって構成される。

【００４１】つぎに本発明の電磁界検出手段の検出内容
とその信号処理について説明する。マイクロ波が加熱室
に給電された状態において、加熱室にはフィルタが捕集
したパティキュレート量に応じた固有の電磁界分布が生
じる。その一つは捕集量の増大にともなってフィルタ内
部に生じるマイクロ波の波長は圧縮される。この波長圧
縮により、加熱室の排気ガス流方向の電磁界分布は変化
する。排気ガス流に垂直方向の略同一平面を考えた時、
その平面ではパティキュレート量の増加にともなって電
磁界強度が増減する。加熱室に生じる電磁界分布の二つ
目の特徴はマイクロ波給電孔より放射されたマイクロ波
エネルギがパティキュレート量の増大にともなってパテ
ィキュレートに、より多く吸収されるためにフィルタの
反対側の加熱室空間（実施例においては電磁界検出手段
が配設された空間）の電磁界強度が漸減することである
。また、加熱室構成、マイクロ波給電構成さらにはフィ
ルタに捕集されたパティキュレートの分布などにより排
気ガス流に垂直方向の略同一平面においても電磁界強度
の分布が生じる。この平面において電界強度の強い箇所
と弱い箇所に電磁界検出手段が設けられる。本発明の一
実施例では給電孔１９を環状導波管のＥ面にスリット構
造として設けておりスリット角度は略１８０°としてい
る。このような給電構成の場合、スリットの両端に対面
する領域は電界強度が強くスリットの中央部は電界強度
が弱い。したがって、電磁界検出手段はこのような電界
強度分布に対応して実施例の場合、略９０°の角度でも
って排気ガス流に対して垂直方向の略同一平面上に配設
されている。

【００４２】パティキュレートの増大にともなって電磁
界検出手段はその検出量が増減しながら時間的には漸減
する。この検出量の変化は電界強度が強い領域に置かれ
た電界検出手段の方が大きい。各電磁界検出手段の検出
信号が入力される制御部は各電磁界検出信号の差を計算
する。パティキュレート捕集量が無限量になると各検出
信号の差は上述した内容からも理解できるようにほとん
ど零になる。（なお、実際には加熱室に入力されるマイ
クロ波エネルギ量も減少する。）このような検出信号の
差によってパティキュレートの捕集量を高い精度で検出
できる。またフィルタ再生開始を決定する条件として予
め決められた電磁界検出信号の差が制御部に記憶されて
いる。精度よい捕集量検出によりフィルタの再生を効率
よくできるとともにフィルタ内でのクラック発生や溶損
を回避できる。

【００４３】なお、電磁界検出を行う周期は予め決定し
た時間毎に実行してもよいが、パティキュレート捕集量
の増大にともなって検出周期を短縮していく方法がより
好ましい。検出周期を可変させることによりフィルタ再
生プロセスにおける再生性能をより十分に保証させるこ
とができる。

【００４４】また、実施例では２個の電磁界検出手段構
成を示したが、加熱室の構造あるいはマイクロ波給電部
の構成に応じて検出箇所を増加させることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
フィルタ再生装置によれば、以下の効果が得られる。 （１）加熱室内の少なくとも２ヶ所の電磁界強度を検出
することにより、捕集されたパティキュレート量を高い
精度で検出できる。 （２）電磁界検出手段を排気ガス流の流れ方向に対して
垂直方向の略同一平面上に設けた構成により、パティキ
ュレート量の増大に対応した加熱室内の特に排気ガス流
方向の電磁界変化を補正することができ、捕集量検出を
高い精度で行うことができる。 （３）マイクロ波給電位置と電磁界検出位置とをフィル
タを挟んで配設する構成により、パティキュレートの増
大によるパティキュレートのマイクロ波吸収量の増大を
利用して電磁界検出量を時系列に漸減させることができ
るので、検出信号の絶対値による捕集量検出が可能であ
る。 （４）電磁界検出手段をフィルタの排気ガス下流側に設
けた構成により、内燃機関の排気ガスに含まれるパティ
キュレートや煤の電磁界検出手段への付着を回避でき、
検出手段の性能を維持させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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

【図２】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図

【符号の説明】

１３　　排気管 １４　　加熱室 １５　　フィルタ １６　　マイクロ波発生手段 ２４　　電磁界検出手段 ２５　　電磁界検出手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設
   けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
   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
   、前記パティキュレートを加熱するマイクロ波を発生す
   るマイクロ波発生手段と、前記加熱室内の少なくとも２
   ヶ所の電磁界強度を検出する電磁界検出手段とを備えた
   内燃機関用フィルタ再生装置。
2. 【請求項２】電磁界検出手段は排気ガスの流れ方向に対
   して垂直方向の略同一平面に配設された請求項１記載の
   内燃機関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】フィルタの排気ガス上流側に設けられたマ
   イクロ波の給電位置と、フィルタの排気ガス下流側に設
   けられた電磁界検出手段とを備えた請求項１または２記
   載の内燃機関用フィルタ再生装置。