JPH05163930A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パティキュレート捕集用フィルタを間隔を隔
てて複数個直列に配置し、フィルタ再生時には排気ガス
を全量バイパスさせ、捕集時と逆方向から再生ガスを流
す排気浄化装置におけるフィルタ再生時の下流側フィル
タの過昇温によるフィルタの溶損の防止と電力消費量の
低減を目的とする。 【構成】 複数個直列に配置したフィルタ5A, 5Bのう
ち、パティキュレート捕集時の上流側フィルタ5Aとし
て、外周部に貫通空間を有する小径フィルタを配置し、
捕集下流側のフィルタ5Bの後端面にのみ電気ヒータＨを
設けて内燃機関の排気浄化装置を構成する。この結果、
捕集時に下流側のフィルタ5Bの外周側のパティキュレー
ト捕集量が増大し、再生時にフィルタ5Bの燃え残り易い
外周側端部が十分に再生され、小径フィルタ5Aもフィル
タ5Bの再生燃焼ガスにより加熱保温されて燃え残りが有
効に防止できると共に、過昇温による溶損が防止され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関し、特に、ディーゼル機関の排気ガス中に含まれる
パティキュレートを排気流路中に間隔を隔てて設置した
複数のフィルタで捕集除去する装置の、フィルタの再生
を効率良く行うようにした排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の内燃機関、特に、ディーゼル
機関の排気ガス中には、カーボンを主成分とする排気微
粒子（パティキュレート）が含まれており、排気黒煙の
原因となっている。環境汚染の観点からはこのパティキ
ュレートは除去することが望ましく、近年、ディーゼル
機関の排気通路にセラミック製のフィルタを配置し、デ
ィーゼルパティキュレートをこのフィルタによって除去
することが提案されている。

【０００３】図５は従来の内燃機関の排気浄化装置１０
の全体構成を示すものであり、排気ガスの流れる方向と
逆方向から再生用ガスを流して、パティキュレート捕集
用のフィルタの再生を行う、従来の排気浄化装置１０の
構成を示すものである。図において１はディーゼル機
関、２は排気ガス通路、３は排気ガス通路２の一部に設
けられたフィルタ収納用のケーシング、４はシール材、
５はケーシング３に内蔵された排気ガス中のパティキュ
レートを捕集するためのパティキュレートフィルタ、６
は２次空気供給通路、７は燃焼ガス排出通路、８はパテ
ィキュレートフィルタ５をバイパスする排気バイパス通
路、９は２次空気を供給するエアポンプ、Ｈは電気ヒー
タ、Ｖ１は排気通路２と排気バイパス通路８とを切り換
える切換弁、Ｖ２は排気バイパス通路８の出口に設けら
れた出口切換弁、Ｖ３は燃焼ガス排出通路７の開閉弁、
Ｖ４は２次空気供給通路６の開閉弁を示している。

【０００４】通常の排気ガス中のパティキュレート捕集
時には、各弁Ｖ１〜Ｖ４は破線の位置にあり、ディーゼ
ル機関１から排出された排気ガスは、ケーシング３に内
蔵されたパティキュレートフィルタ５によってパティキ
ュレートが除去され、図示しないマフラを介して大気中
に放出される。このように構成された排気浄化装置１０
では、パティキュレートフィルタ５の使用に伴ってその
内部に捕集されるパティキュレートの量が増えると通気
性が次第に失われ、機関性能が低下することになるた
め、パティキュレートフィルタ５の端部に設けられた電
気ヒータＨに通電すると共に、パティキュレートフィル
タ５に再生用ガス、例えば２次空気を供給してパティキ
ュレートを燃焼させるフィルタの再生処理が必要であ
る。

【０００５】一般に、従来の内燃機関の排気浄化装置１
０では、パティキュレートフィルタ５の通気性が失われ
てフィルタ５の上流側の排気ガスの圧力が下流側の圧力
よりも所定値以上に大きくなった時（圧力損失が所定値
以上になった時）を圧力センサによって検出し、パティ
キュレートの再生処理が行われるようになっている。図
５に示した内燃機関の排気浄化装置１０では、この再生
処理時には各弁Ｖ１〜Ｖ４が実線の位置に切り換わる。
この状態では、ディーゼル機関１からの排気ガスは排気
バイパス通路８を通って空気中に放出される。また、こ
の時は、ヒータＨに通電が行なわれると共に、エアポン
プ９から２次空気が供給され、パティキュレートフィル
タ５に捕集されたパティキュレートの燃焼が行われる。
そして、燃焼ガスは燃焼ガス排出通路７から空気中に放
出される。前述の電気ヒータＨの消費電力は1600Ｗ程度
である。

【０００６】ところが、前述のような従来の内燃機関の
排気浄化装置１０においては、パティキュレートフィル
タ５の再生処理時に、パティキュレートフィルタ５内に
捕集されたパティキュレートが全量燃焼せずに燃え残る
ことがある。これを図６を用いて説明する。図６(a) は
パティキュレートフィルタ５内にハッチングで示すよう
にパティキュレートが十分に捕集された状態を示すもの
である。この状態で排気ガスをバイパスさせた後、ヒー
タＨに通電すると共に２次空気を排気ガスの流れる方向
とは逆方向からフィルタ５に供給すると、ヒータＨに着
火されてフィルタ５に捕集されたパティキュレートが燃
焼する。このパティキュレートの燃焼において、フィル
タの中心部は熱の伝導が良く良好に燃焼するが、フィル
タの外周部は中心部に比べて燃焼が悪い。この結果、フ
ィルタ５の再生処理の終了時に、図６(b) に示すように
フィルタ５のヒータＨから遠い端面側の外周部に、パテ
ィキュレートの燃え残りＭが残留し、その後のパティキ
ュレートの捕集時にパティキュレートの捕集分布にばら
つきが生じることになる。このパティキュレートに捕集
分布にばらつきが生じたまで、フィルタの再生処理を行
うと、フィルタの温度が部分的に過度になり、フィルタ
が溶損したりクラックが発生したりすることがある。

【０００７】そこで、フィルタの再生時にパティキュレ
ートの燃え残りを少なくするために、フィルタの全長を
短くすると共に、複数個のパティキュレートフィルタを
排気ガス通路中に配置することが行われている。例え
ば、実開昭61-49015号公報では触媒付きセラミックフィ
ルタを２個直列に配置すると共に、それぞれに電気ヒー
タを設け、低速走行時等の排気ガス温度が低い場合には
上流側から下流側の順に段階的に電気ヒータを通電して
パティキュレートを触媒と反応させることが開示されて
いる。また、実開平２-40918号公報にはフィルタを上流
と下流とに２分割し、上流側フィルタに間歇作動ヒータ
を設けることにより、中間空気室にて流れを均一化して
再生効率を向上させ、パティキュレートの急激な燃焼を
抑えることが開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実開昭61-4
9015号公報および実開平２-40918号公報に示された技術
では、ハニカムフィルタを複数個用いたディーゼル機関
に適用した場合に、再生下流側フィルタの外周に燃え残
りが発生し易く、しかも、再生時に燃焼ガスが通過する
下流側のフィルタが高温 (過昇温) となり、溶損する恐
れがある。

【０００９】そこで、本発明は前記従来の内燃機関の排
気浄化装置の有する課題を解消し、パティキュレート捕
集用のハニカム型フィルタを間隔を隔てて複数個直列に
排気ガス通路中に配置し、これらのフィルタの再生時に
は別の排気通路に排気ガスを全量バイパスさせると共
に、再生ガスを捕集時とは逆方向から流す排気浄化装置
において、フィルタの形状および配置、或いは電気ヒー
タの配置を工夫することにより、フィルタ再生時に上流
側フィルタに捕集されたパティキュレートの燃焼を効率
良く行え、再生下流側のフィルタの燃え残りを有効に防
止でき、かつ、下流側フィルタの過昇温によるフィルタ
の溶損を防止することができる排気浄化装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の第１の形態の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関
の排気ガス通路中に設けたケーシング中に、パティキュ
レート捕集用のハニカム型フィルタを間隔を隔てて複数
個直列に配置し、これらのフィルタの再生時には別の排
気通路に排気ガスを全量バイパスさせると共に、捕集時
と逆方向から再生ガスを供給する排気浄化装置におい
て、パティキュレート捕集時の上流側フィルタとして、
外周部に貫通空間を有する小径フィルタを配置し、捕集
下流側のフィルタの後端面にのみ電気ヒータを設けたこ
とを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、デ
ィーゼル機関の排気ガス通路に間隔を隔てて複数個直列
に設けられたパティキュレートフィルタによるパティキ
ュレートの捕集時に、外周部に貫通空間を有する上流側
の小径フィルタの存在により、下流側のフィルタの外周
側のパティキュレート捕集量が増大する。そして、フィ
ルタの再生時に電気ヒータに通電が行われ、再生ガスが
捕集時と逆方向から供給されるので、燃え残り易い外周
側端部を十分に再生することができる。同時に、再生下
流側フィルタは小径円筒フィルタであり、かつ、外周部
が再生燃焼ガスによって加熱保温されるので、再生下流
側の燃え残りを有効に防止できると共に、過昇温による
溶損が防止される。

【００１２】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例の内燃機関の排気
浄化装置２０の全体構成図であり、図５に示した従来の
内燃機関の排気浄化装置１０と同じ構成部材には同じ符
号が付されている。従って、図１において、１はディー
ゼル機関、２は排気ガス通路、３は排気ガス通路２の一
部に設けられたフィルタ収納用のケーシング、４はシー
ル材、５Ａ，５Ｂは排気ガス中のパティキュレートを捕
集するためにケーシング３に直列に配置された２つのパ
ティキュレートフィルタ、６は２次空気供給通路、７は
燃焼ガス排出通路、８はパティキュレートフィルタ５を
バイパスする排気バイパス通路、９は２次空気を供給す
るエアポンプ、１１はバッテリ、１００は制御装置、Ｈ
はパティキュレートフィルタ５Ｂにのみ取り付けられた
電気ヒータ、Ｓはパティキュレートフィルタ５Ｂに設け
られた電気ヒータＨに通電するためのスイッチ、Ｖ１は
排気通路２と排気バイパス通路８とを切り換える切換
弁、Ｖ２は排気バイパス通路８の出口に設けられた出口
切換弁、Ｖ３は燃焼ガス排出通路７の開閉弁、Ｖ４は２
次空気供給通路６の開閉弁を示している。そして、エア
ポンプ９、スイッチＳ、および弁Ｖ１〜Ｖ４の制御は制
御回路１００によって行われる。

【００１３】図２は図１の内燃機関の排気浄化装置２０
における、パティキュレート捕集時の下流側に使用する
パティキュレートフィルタ５Ｂの外観を示すものであ
る。このフィルタ５Ｂは、多孔性物質からなるハニカム
状の隔壁を備えたハニカム状フィルタであって一般に円
筒状をしており、内部に隔壁で囲まれた多数の直方体状
の通路５１がある。そして、この通路５１の隣接するも
のは、排気ガスの流入側と排気ガスの流出側で交互にセ
ラミック製の閉塞材５２によって栓詰めされて閉通路と
なっている。

【００１４】パティキュレートフィルタ５Ｂの排気ガス
の流れる方向の下流側端面に設けられる電気ヒータＨ
は、図２には示していないが、閉塞材５２の中に埋め込
まれるタイプのものが使用される。図３は図１の内燃機
関の排気浄化装置２０における、パティキュレート捕集
時の上流側に使用するパティキュレートフィルタ５Ａの
外観を示すものである。このフィルタ５Ａも、多孔性物
質からなるハニカム状の隔壁を備えた円筒状のハニカム
状フィルタであるが、隔壁で囲まれた多数の直方体状の
通路５１のうち、中央部分の通路５１に隣接するものだ
けを、排気ガスの流入側と排気ガスの流出側で交互にセ
ラミック製の閉塞材５２によって栓詰めして閉通路化
し、外周部分の通路５１は栓詰めせずに貫通路５３とし
たものである。すなわち、上流側のパティキュレートフ
ィルタ５Ａは、パティキュレートフィルタの捕集部分
（通路５１と閉塞材５２）が中央部のみに設けられてお
り、フィルタ５Ａの外周部は排気ガス中のパティキュレ
ートが捕集されない貫通部５３になっている。

【００１５】なお、このような外周部に貫通路５３を備
えたパティキュレートフィルタ５Ａの他の具体的な構成
例としては、図４に示すように、図２のパティキュレー
トフィルタ５Ａ，５Ｂと同じ長さの外径を持ち、内側に
複数本の支持体６２が突出する円筒状のケース６１を用
意し、この支持体６２に、図２と同じ形状で直径の小さ
なパティキュレートフィルタ６０を支持させて作ること
もできる。

【００１６】また、この実施例では、パティキュレート
フィルタ５Ａ，５Ｂとして、その直径をそれぞれＤ１，
Ｄ２、排気ガスの流れる方向の長さをそれぞれＬ１，Ｌ
２としたときに、Ｄ１／Ｌ１＞２，Ｄ２／Ｌ２＞２であ
る寸法のものを使用しているが、この理由は、再生時の
熱分布によってフィルタにクラックが発生するのを防止
する耐クラック性向上のためである。

【００１７】次に、以上のように構成された内燃機関の
排気浄化装置２０の動作を図１を用いて説明する。 (1) パティキュレート捕集動作時 通常の排気ガス中のパティキュレート捕集時には、各弁
Ｖ１，Ｖ４〜Ｖ６は破線の位置にある。従って、バイパ
ス通路８、エアポンプ９からの２次空気供給通路６およ
び燃焼ガス排出通路７は閉じており、このときは、ディ
ーゼル機関１から排出された排気ガスはケーシング３に
内蔵されたパティキュレートフィルタ５Ａ，５Ｂによっ
てパティキュレートが除去されて図示しないマフラーを
通して大気中に放出される。

【００１８】このとき、外周部に貫通空間を有する上流
側の小径フィルタ５Ａの存在により、ケーシング３の中
央部を流れる排気ガス中のパティキュレートはフィルタ
５Ａによって除去され、外周部を流れる排気ガス中のパ
ティキュレートはフィルタ５Ａの貫通部５３を通るので
パティキュレートが除去されずに下流側のパティキュレ
ートフィルタ５Ｂに至る。従って、下流側のフィルタ５
Ｂの外周側のパティキュレート捕集量が増大する。 (2) パティキュレートフィルタ再生動作時 図示しない排気ガス圧センサにより、パティキュレート
フィルタ５Ａ，５Ｂの上流側の排気ガス圧力と下流側の
排気ガス圧力が検出され、その圧力差が所定値以上にな
ると、パティキュレートフィルタ５Ａ，５Ｂにパティキ
ュレートが所定量捕集されたとしてパティキュレートフ
ィルタ５Ａ，５Ｂの再生処理が開始される。パティキュ
レートフィルタ５Ａ，５Ｂの再生処理時には各弁Ｖ１，
Ｖ４〜Ｖ６は実線の位置に切り換わる。この状態では、
ディーゼル機関１からの排気ガスは排気バイパス通路
８，マフラーを通って空気中に放出される。また、この
時にはスイッチＳがオンされると共に、エアポンプ９か
ら２次空気が供給され、パティキュレートフィルタ５Ｂ
の端面に設けられた電気ヒータＨに通電が行われ、パテ
ィキュレートフィルタ５Ｂ内に捕集されたパティキュレ
ートに着火が行われてパティキュレートが燃焼する。そ
して、燃焼ガスは燃焼ガス排出通路７を通って大気中に
放出される。

【００１９】この再生処理の時に、本発明ではフィルタ
５Ｂの外周側のパティキュレート捕集量が中心部に比べ
て多いので、外周部の燃焼力が強く、フィルタの再生時
に燃え残り易い外周側端部を十分に再生することができ
る。一方、再生下流側フィルタ５Ａは小径円筒フィルタ
であり、かつ、外周部が再生燃焼ガスによって加熱保温
されるので、再生期間中にフィルタ５Ａ内のパティキュ
レートも上流側フィルタ５Ｂからの熱によって着火して
燃焼し、再生下流側の燃え残りを有効に防止できると共
に、過昇温による溶損が防止される。

【００２０】この再生動作時の電気ヒータＨの図１の実
施例における通電量は、パティキュレートフィルタ５Ｂ
の長さＬ２が短いので、従来の１．６kw以下で良い。ま
た、電気ヒータＨへの通電は所定時間、例えば３分の間
だけ行われる。下表１は直径が１４０mm、全長１３０mm
のパティキュレートフィルタの再生状況（ヒータ容量、
加熱時間、パティキュレート捕集量、２次空気流量）を
示すものであり、下表２は直径が１４０mm、全長６０mm
のパティキュレートフィルタの再生状況（ヒータ容量、
加熱時間、パティキュレート捕集量、２次空気流量）を
示すものである。これらの表からも、本発明の内燃機関
の排気浄化装置におけるパティキュレートフィルタに再
生時にクラックが発生せず、本発明の内燃機関の排気浄
化装置が再生時のパティキュレートフィルタの破損の防
止に効果があることが分かる。 〔表１〕 トータル ヒータ容量 加熱時間 捕集量 ２次空気流量 再生状況 クラックの発生 １．６kw ３分 ２０ｇ ５０Ｌ／分 △ 有り １．８kw ３分 １０ｇ １００Ｌ／分 × 無し １．８kw ３分 ２０ｇ １００Ｌ／分 ○ 有り ２．２kw ３分 ２０ｇ ２００Ｌ／分 ○ 有り 但し、 △は不完全、×は不良、○は良好、Ｌはリットルを表す。 〔表２〕 トータル ヒータ容量 加熱時間 捕集量 ２次空気流量 再生状況 クラックの発生 １．６kw ３分 ２０ｇ ５０Ｌ／分 ○ 無し １．８kw ３分 １０ｇ １００Ｌ／分 ○ 無し １．８kw ３分 ２０ｇ １００Ｌ／分 ○ 無し ２．２kw ３分 ２０ｇ ２００Ｌ／分 ○ 無し 但し、 ○は良好、Ｌはリットルを表す。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パティキュレート捕集用のハニカム型フィルタを間隔を
隔てて複数個直列に排気ガス通路中に配置し、これらの
フィルタの再生時には別の排気通路に排気ガスを全量バ
イパスさせると共に、捕集時と逆方向から再生ガスを供
給する排気浄化装置において、フィルタ再生時に上流側
フィルタに捕集されたパティキュレートの燃焼を効率良
く行え、再生下流側のフィルタの燃え残りを有効に防止
でき、かつ、下流側フィルタの過昇温によるフィルタの
溶損を防止することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における内燃機関の排気浄化装置の一実
施例の全体構成を示すシステム図である。

【図２】図１の内燃機関の排気浄化装置に使用する捕集
時の下流側パティキュレートフィルタの構成を示す斜視
図である。

【図３】図１の内燃機関の排気浄化装置に使用する捕集
時の上流側パティキュレートフィルタの構成の一実施例
を示す斜視図である。

【図４】図１の内燃機関の排気浄化装置に使用する捕集
時の上流側パティキュレートフィルタの構成の他の実施
例を示す斜視図である。

【図５】従来の内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示
すシステム図である。

【図６】(a) はパティキュレートフィルタ内にパティキ
ュレートが十分に捕集された状態を示す説明図、(b) は
(a) の状態のフィルタの再生後にヒータから遠い端面側
の外周部にパティキュレートの燃え残りが残留した状態
を示す説明図である。

【符号の説明】

１…ディーゼル機関 ２…排気ガス通路 ３…ケーシング ５Ａ，５Ｂ…パティキュレートフィルタ ６…２次空気供給通路 ７…燃焼ガス排出通路 ８…バイパス通路 ９…エアポンプ １０…従来の排気浄化装置 １１…バッテリ ２０…本発明の一実施例の排気浄化装置 ５１…通路 ５２…閉塞部 ５３…貫通路 １００…制御回路 Ｈ…電気ヒータ Ｓ…スイッチ Ｖ１〜Ｖ４…弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気ガス通路中に設けたケー
   シング中に、パティキュレート捕集用のハニカム型フィ
   ルタを間隔を隔てて複数個直列に配置し、これらのフィ
   ルタの再生時には別の排気通路に排気ガスを全量バイパ
   スさせると共に、捕集時と逆方向から再生ガスを供給す
   る排気浄化装置において、 パティキュレート捕集時の上流側フィルタとして、外周
   部に貫通空間を有する小径フィルタを配置し、捕集下流
   側のフィルタの後端面にのみ電気ヒータを設けたことを
   特徴とする内燃機関の排気浄化装置。