JPH05231129A - 内燃機関用フィルタ再生方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関の排気ガス中の公害物質となる粒子
状物質（パティキュレート）を捕集するフィルタに関
し、加熱された粒子状物質の燃焼を効果的に進行させフ
ィルタの機械的な破損を防止するとともに高い再生性能
を保証する再生制御手段を備えた内燃機関用フィルタ再
生方法とその装置を提供することを目的としたものであ
る。 【構成】 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３と、捕集されたパティキュレートを加
熱するマイクロ波発生手段４と、加熱されたパティキュ
レートを燃焼させる気体を供給する気体供給手段７と、
気体供給手段７の動作を制御する制御部１５と、パティ
キュレート燃焼時の温度を検出する温度検出手段２２と
を備え、気体の初期供給とこれに続いてフィルタ温度の
上昇により気体の供給量を増加させ、パティキュレート
燃焼温度の高温化を抑制してフィルタ再生性能とその耐
久性能の保証を実現する。

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など
の内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状
物質（以下パティキュレートという）を捕集する内燃機
関用フィルタを再生する方法とその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】地球環境保全に関して、こん日では地球
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。

【０００３】酸性雨は硫黄酸化物や窒素酸化物などの大
気汚染源となって生じる現象であり、近年世界各国でこ
のような大気汚染物質の排気規制がコ・ジェネレーショ
ンなどの固定発生源や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
濃度制限から総量規制に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。

【０００４】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がなされようとし
ている。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による従来の
排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。

【０００５】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低下し
て、排ガスの流れが悪くなってエンジンの出力低下ある
いはエンジンの停止につながる。

【０００６】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。

【０００７】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させる手段とし
て、バーナ方式、電気ヒータ方式、あるいはマイクロ波
方式などが考えられている。

【０００８】そして昇温効率の良さ、安全性、装置構成
の容易さなどから、マイクロ波方式によるフィルタ再生
方法とその装置が開発されてきた。

【０００９】マイクロ波方式によるフィルタ再生装置と
しては、例えば特開昭５９−１２６０２２号公報があ
る。同公報に開示されている装置を図５に示す。同図に
おいて、５１はエンジンで、排気マニホールド５２に連
設され、さらに排気管５３と排気分岐管５４に接続され
ている。５５はフィルタで、加熱室５６内に収納されて
おり、この加熱室５６には加熱手段５７としてのマイク
ロ波発生手段で発生したマイクロ波が導波管５８により
導かれるものである。５９は加熱室５６外にマイクロ波
が漏洩しないようにしたマイクロ波反射板、６０は空気
供給路６１により加熱室５６内に空気を送る空気ポン
プ、６２は加熱手段５７の駆動電源、６３はマフラー、
６４は加熱室５６に送る空気の空気切り換えバルブ、６
５は加熱室５６から排気される排気ガス流切り換えバル
ブである。

【００１０】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気ガス流切り換えバルブ６５によってフィルタ５
５に導かれたり、直接大気へ排出されたりする。パティ
キュレート捕集サイクルにおいて排気ガスはフィルタ５
５に捕集されるが、前述したようにフィルタ５５の捕集
能力は有限である。捕集能力が限界に達すると排気ガス
流切り換えバルブ６５が制御され排気管５３への排気ガ
スは遮断され排気ガスのすべては排気分岐管５４を経て
大気に排出される。この間にフィルタ５５の再生が行わ
れる。このフィルタ再生サイクル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を発生する加熱手
段５７からまた燃焼に必要な空気が空気ポンプ６０より
同時に供給される。所定の時間を経てフィルタ再生が完
了すると排気ガス流切り換えバルブ６５が再び制御され
てフィルタ５５に排気ガスが導かれる。この捕集と再生
のサイクルがくり返されるのである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成におけるフィルタ再生制御の問題は、気体供給手
段が空気ポンプにて構成されていることから、パティキ
ュレートの燃焼に応じたきめ細かい空気供給制御を行う
ことが困難であり、パティキュレートの燃焼に伴ってフ
ィルタ内部の大きな温度勾配により生じる熱応力による
機械的な破損を未然に防止することが困難であるという
点である。

【００１２】本発明は上記の問題を解決することを課題
とするもので、加熱されたパティキュレートの燃焼を効
果的に進行させてフィルタの機械的な破損を防止すると
ともに高い再生性能を保証する再生制御手段を備えた内
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。

【００１３】

【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、前記フィルタに捕集された
パティキュレートを加熱する加熱手段と、前記加熱され
たパティキュレートを燃焼させる気体を供給する気体供
給手段と、前記フィルタの温度を検出する温度検出手段
と、前記温度検出手段が検出する気体供給後におけるフ
ィルタの温度の変化量に基づいて前記気体供給手段の気
体供給能力の可変時期を決定する制御部を備えたもので
ある。

【００１４】そしてこの気体供給手段は気体供給の能力
を増大させるように制御されており、送風機を含むこと
ができる。

【００１５】また上記の加熱手段はマイクロ波発生手段
にすることができるものである。

【００１６】

【作用】上記した構成により、フィルタに捕集されたパ
ティキュレートは加熱手段によって適当な温度まで加熱
昇温される。この適当な加熱温度（約６００℃）になる
とパティキュレートの燃焼を促進させる気体（自然の空
気でよい）をフィルタに供給する。この気体によりパテ
ィキュレートの燃焼が効果的に進み気体の流通方向にパ
ティキュレートの燃焼領域が拡大していく。フィルタ再
生時のパティキュレートの燃焼温度を間接的に検出する
温度検出手段をフィルタ外周の適切な位置に設け、その
情報を基に気体供給能力を増大させる時期を決定し気体
供給手段を制御し気体供給量を増加させることで気体流
による冷却作用によりパティキュレートの燃焼温度の高
温化を防止し、パティキュレートの燃焼領域の拡大によ
って温度勾配を小さくしてフィルタの熱応力による機械
的破損の回避と、再生性能の向上を達成することができ
る。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００１８】図１、図２において、１は内燃機関の排気
ガスを排出する排気管で、その途中に加熱空間２が設け
られており、加熱空間２内には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ハニ
カム構造のフィルタ３が収納されている。４はパティキ
ュレートを誘電加熱するために加熱空間２に供給される
マイクロ波を発生させる加熱手段、５は加熱手段４が発
生したマイクロ波を加熱空間２に伝送する導波管、６は
加熱空間２にマイクロ波を給電する給電孔、７は誘電加
熱されたパティキュレートの燃焼を促進させるために加
熱空間２に導かれる酸素を含む気体を供給する気体供給
手段であり、送風機８を備えている。９は加熱空間２に
供給される気体の導流管、１０は「閉」のとき排気管１
から漏出しようとする排気ガスを遮断するとともに
「開」のとき加熱空間２に供給する気体が吸引されるよ
うに制御されるバルブＡ、１１は「閉」のとき排気管１
側から漏出しようとする排気ガスを遮断するとともに
「開」のとき加熱空間２に供給された気体のフィルタ流
通後の排気孔として制御されるバルブＢ、１２は気体排
気管、１３、１４は夫々排気ガスの流通を解放あるいは
遮断制御する排気ガスバルブ、１５は加熱手段４、気体
供給手段７、バルブＡ１０、バルブＢ１１、及び排気ガ
スバルブ１３、１４の動作を制御する制御部である。

【００１９】そして加熱空間２はフィルタ３を収納支持
するフィルタ支持管体１６とその両端に設けられたフィ
ルタ支持管体１６よりも径大な構造体から成る加熱管体
１７、１８およびパンチング孔構成あるいはハニカム構
成などからなるマイクロ波遮蔽手段１９、２０でもって
その空間が限定されている。２１はフィルタ３の外周と
フィルタ支持管体１６との間に設けられた断熱材であり
フィルタ支持をも兼ねている。

【００２０】内燃機関から排出される排気ガスは排気管
１内を流れてフィルタ３に流入される。フィルタ３はウ
ォールフロータイプのハニカム構造で構成され、排気ガ
スに含まれるパティキュレートを捕集する機能を有して
いる。このフィルタ３に捕集されたパティキュレートの
量が増加すると、フィルタ３の圧損が増大し内燃機関で
あるエンジンの負荷が増大するとともに最悪の場合はエ
ンジンが停止に至る。

【００２１】したがって適当な時期にフィルタ３に捕集
されたパティキュレートを除去する必要がある。この適
当な時期の判断手段としては、フィルタ３の圧損レベル
検出、電気的手段によるパティキュレート捕集量の検出
あるいはエンジンの動作状態の積算値などによってなさ
れる。

【００２２】次にフィルタ再生のプロセスを説明する。
フィルタ３が捕集したパティキュレート捕集量がフィル
タ再生を実行すべき捕集領域に達すると、フィルタ再生
プロセスが開始する。

【００２３】この再生制御指令は制御部１５より発せら
れる。この制御部１５の指令に基づいて、排気ガスバル
ブ１３が制御されてフィルタ３へ流入していた排気ガス
が遮断される。バルブ１３と同時にあるいはその後の適
当な時期にバルブ１４が排気管１を遮断するように制御
される。内燃機関が動作しているときは、排気ガスは別
に設けられた排気分岐管に導かれる。つぎに、マイクロ
波を発生する加熱手段４に駆動電圧が供給される。加熱
手段４が発生するマイクロ波は導波管５を伝送して給電
孔６より加熱空間２に給電される。これにより、フィル
タ３に捕集されたパティキュレートが誘電加熱される
が、その加熱領域はフィルタ３の内部までの拡がりをも
っている。時間経過にともなって、マイクロ波入射側の
フィルタ端面近傍に存在するパティキュレートから順次
燃焼が可能な温度に達していくが、マイクロ波給電は継
続される。燃焼可能温度に達するとその領域のパティキ
ュレートは赤熱し一部燃焼状態になるが酸素の欠乏によ
り蒸焼き状態となって温度上昇は飽和していく。マイク
ロ波給電の継続により、パティキュレートの燃焼が可能
な温度に至った領域はフィルタの約１／２まで拡がる。
このとき、フィルタ内の排気ガスおよびその他の気体の
流れはほぼ完全に遮断されているのでマイクロ波加熱さ
れたパティキュレートはその燃焼が可能な温度に向かっ
て効率よく温度上昇していく。

【００２４】この後に、バルブＡ１０およびバルブＢ１
１が開放状態に制御され気体の供給手段７が動作を開始
し適当な流量の酸素を含む気体が加熱空間２に導流され
る。この気体によってフィルタ３内の高温化されたパテ
ィキュレートが燃焼状態に移行する。この燃焼領域は酸
素を含む気体の流通方向に移動しつつフィルタの径方向
に拡大していき、適当な時間を経てフィルタ３のほぼ全
域のパティキュレートが燃焼し除去される。燃焼温度は
温度検出手段２２によってなされその情報を基に気体供
給手段４の気体供給能力の制御と、気体供給能力を増大
させる時期の決定は制御部１５で制御され、気体供給能
力の制御は制御部１５により気体供給手段４の駆動電源
の電圧を制御させる。

【００２５】本発明はこのパティキュレートの燃焼を効
果的に実施する方法と装置を提供するものである。

【００２６】フィルタ再生サイクルが終了するとマイク
ロ波を発生する加熱手段４、気体供給手段７は動作を停
止するとともに各バルブは元の状態に制御される。その
後、適当な時期にフィルタ３に排気ガスを流入しパティ
キュレートの捕集を実行することができる。

【００２７】なお、マイクロ波を入射させるフィルタ端
面は排気ガス流に対して下流側フィルタ端面から実行す
ることがより好ましい。また、加熱管体１８に設けられ
た給電孔６の低誘電損部材で覆う構成をとるとより好ま
しい。

【００２８】また加熱空間２はＴＥ_01P モードの共振が
好ましく、この場合給電孔６は加熱管体１８の対向する
２カ所に設けられる。また、マイクロ波遮蔽手段１９は
排気管１の径によっては不用にすることもできる。

【００２９】なお、パティキュレートの加熱手段４はマ
イクロ波発生手段でなくバーナー手段であっても電熱手
段であってもよい。

【００３０】パティキュレート燃焼の効果的な制御方法
について、図３および図４を用いて以下に説明する。

【００３１】図３はパティキュレートの燃焼時の最高温
度と初期空気供給量との関係を示している。なお初期空
気供給量とは空気を投入し始めたときの空気供給量であ
り、送風機の駆動電圧を一定にしていてもパティキュレ
ートの燃焼にともなってフィルタ圧損が低下し、空気供
給量が自然と増加していく。

【００３２】図３から認められる要点は初期空気供給量
の増加にともなって最高温度が低下するということであ
る。これは空気流によるパティキュレートの燃焼領域の
冷却作用が考えられる。

【００３３】図４は重量再生率と初期空気供給量との関
係を示している。なお重量再生率とは再生前の捕集量−
再生後の捕集量／再生前の捕集量×１００で与えてい
る。

【００３４】図４から認められる要点は初期空気供給量
の増加にともなって重量再生率が低下することである。
これは、初期空気供給量の増加にともなってフィルタ端
面が冷却されパティキュレート燃焼開始位置が気体供給
側フィルタ端面からより奥になり燃え残りのパティキュ
レートが増すためと考えられる。

【００３５】図３、図４により初期空気供給量を少なく
して、しかし初期空気供給量が少なすぎるとパティキュ
レートの燃焼領域が広がるのに時間がかかりすぎるの
で、ある適切な少な目の初期供給量にして、送風機の駆
動電圧を増加させて空気供給量を増加させる制御によ
り、パティキュレート燃焼時の最高温度の高温化の抑制
と再生性能の向上が期待できる。パティキュレートを所
定の時間誘電加熱した後、初期空気供給量を３７.5リッ
トル／分にして空気供給１分後に初期供給量１００リッ
トル／分相当の電圧で送風機を駆動させ空気供給量を増
加させたときの特性を図３、図４の○印で示す。この結
果は空気供給量を増加させるとパティキュレート燃焼時
の最高温度が低下することがわかる。しかし増加させる
時期が早すぎたので重量再生率は低下したことを示して
いる。種々の実験の結果より供給量を増加させる時期は
気体供給後２分から４分後が適当と考えられるが前記時
期はかなり厳密に決めねばならない。

【００３６】したがって温度検出手段２２でパティキュ
レート燃焼温度を間接的に検出し、制御部１５で前記温
度検出手段２２の情報を基に空気供給能力を増大させる
時期を正確に決定し、送風機の駆動電圧を制御して空気
供給能力を増大させる制御により、パティキュレート燃
焼温度の高温化を防止し、フィルタの再生性能もより高
めることができる。以上のような気体供給制御により、
パティキュレート燃焼温度の低下とパティキュレート燃
焼領域の拡大によるフィルタ内部の温度勾配がより小さ
くなってフィルタの熱応力による機械的破損を未然に防
止でき、フィルタの耐久性能の保証を達成することがで
きる。またフィルタの再生性能が高くなったことにより
パティキュレートの燃え残りによるフィルタ圧損が小さ
くなってエンジンの排気効率をより高めることができ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上実施例で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）フィルタの温度を検出する温度検出手段と、前記
温度検出手段が検出する前記気体供給後の温度の変化量
に基づいて前記気体供給能力を増大させる時期を決定す
る制御部を備えたことにより、パティキュレート燃焼時
の最高温度を抑制し、フィルタ内部に生じる温度勾配を
より小さくしてフィルタの熱応力による破損を未然に防
止することができ、フィルタの耐久性能の保証が達成で
きる。 （２）フィルタの温度を検出する温度検出手段と、前記
温度検出手段が検出する前記気体供給後の温度の変化量
に基づいて前記気体供給能力を増大させる時期を決定す
る制御部を備えたことにより、フィルタの再生性能をよ
り高めてパティキュレートの燃え残りによるフィルタ圧
損を小さくしてエンジンの排気効率をより高めることが
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
生装置の一部切欠き斜視図

【図２】同内燃機関用フィルタ再生装置の断面構成図

【図３】同パティキュレート燃焼時の最高温度の特性図

【図４】同フィルタ再生性能の特性図

【図５】従来例の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図

【符号の説明】

３ フィルタ ４ 加熱手段 ７ 気体供給手段 ８ 送風機 １５ 制御部 ２２ 温度検出手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状
   物質を捕集するフィルタを、捕集されたフィルタ内の粒
   子状物質が燃焼するには酸素が不足な状態において加熱
   する加熱工程と、ついでその加熱工程開始後フィルタの
   温度が粒子状物質の燃焼温度以上に達した温度情報の信
   号によって、酸素を含む気体をフィルタに供給する第１
   段階の初期供給を行った後、フィルタの温度上昇を検出
   して、上記気体の供給量を増加させる気体供給によって
   粒子状物質を燃焼除去する内燃機関用フィルタ再生方
   法。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気ガスに連通し、排気ガス
   中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フ
   ィルタ内の粒子状物質を加熱する加熱手段と、未燃焼状
   態で加熱された粒子状物質を燃焼させる酸素を含む気体
   を供給する気体供給手段と、フィルタの温度を検出する
   温度検出手段とを具備し、前記温度検出手段が検出する
   前記気体供給手段による気体供給後における温度上昇の
   変化によって前記気体供給手段の気体供給量を増大変化
   させる時期およびまたはその増大量を決定する制御部を
   備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】 請求項２における制御部は気体供給手段
   の気体供給量を、温度検出手段が検出する温度変化に追
   従して変化させる信号を気体供給手段に発信する内燃機
   関用フィルタ再生装置。