JPH05263620A - ディーゼル排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はディーゼル機関の排気ガス中の粒子
状物質を捕集し着火再生して除去するディーゼル排気浄
化装置を提供するにある。 【構成】 所定の一定周波数のマイクロ波信号をディー
ゼル機関の排気通路に設けたフィルタートラップに放射
し、該フィルタートラップを通過した該マイクロ波信号
の伝送損失を検出して該フィルタートラップで捕集され
た粒子状物質の実効誘電損率を決定し、該フィルタート
ラップの温度に応じて該粒子状物質の捕集量を決定し、
決定手段の出力が所定値となった時に前記フィルタート
ラップを加熱し燃焼させることにより達成される。 【効果】 フィルタートラップの捕集量を高精度で安定
して測定出来、狭い管理幅で着火再生できる。更に一体
化されたフィルターシステムのためエンジンの制御系と
は独立したインテリジェントフィルターとして導入でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼル機関の排気
ガス中の粒子状物質の捕集除去を行うディーゼル排気浄
化装置に関するものであり、更に詳しくは、捕集された
粒子状物質の着火再生を行なうヒーター等の温度補正を
行なうことにより、この装置を構成する粒子状物質捕集
用のフィルタートラップの信頼性及び耐久性維持に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、ディーゼルエンジンの排気
浄化のためには、排気ガス中に含まれるカーボン粒子
（すす）、硫化物、リン化物等の粒子状物質（パティキ
ュレート）の大気放出を防止する目的で、排気管にセラ
ミックスからなるハニカム状のフィルターをトラップと
して設置してこれを捕集する方法が最善策である。

【０００３】フィルターは、長時間の使用の間に多量の
粒子状物質、特にすすを捕集する事に依って目詰まりを
起こし、排気抵抗が増大してエンジンの運転条件に大き
な影響を及ぼすようになるので、適切な時期に着火・再
生を図らなければならない。この捕集されたすすを着火
・再生する手段としては、電気ヒーター、ディーゼルバ
ーナー、或いは、排気絞りによる排気ガス温度上昇など
種々な手法が用いられているが、解決すべき最大の課題
は、再生時期の検出である。即ち、再生時期が早すぎる
と、すすの分布が希薄なため火が着いても広がりにく
く、すすへの着火が困難であり、逆に遅すぎると、すす
が多くなり燃焼熱量が増えて、フィルター中央部に燃え
残りが発生し、その結果過剰且つ不均一な燃焼発熱に起
因して発生するフィルター内の熱応力によって、フィル
ターに熱クラックが発生し、甚だしい場合にはフィルタ
ーの溶損を招く。このような再生時の不具合は、熱応力
が発生し易い大型フィルター、即ち、大型ディーゼル機
関で特に顕著となり、従って、大型ディーゼル機関ほど
高精度な再生時期の検出が要求される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】再生時期の検出は、フ
ィルター内に捕集されたすす量を測定することによって
達成され、これまでに、 (1) フィルター前後の差圧変化から推定する方法（差圧
法）；これはフィルタがつまり過ぎると排気の流れがせ
き止められ、フィルターの前部（排気の入口側）の圧力
が上昇するのを利用している。 (2) フィルターのインピーダンス変化から推定する方法
（インピーダンス法）；これはすすが堆積するとフィル
ターのインピーダンスが増加するのを利用している。 (3) 車の累積走行距離から推定する方法；車が走った累
積距離を利用している。 (4) 車の累積運転時間から推定する方法；車の累積運転
時間を利用している。

【０００５】ところが上記(1) ，(2) の方法は、 エンジン負荷条件により情報が大きく変動する。 運転条件が変わると（低速運転→高速運転、高速運
転→低速運転）、排気圧が変化し安定するまてに時間が
かかり、その結果応答速度が遅く変化に追従できない。 環境温度が上昇すると、フィルター前部の圧力及び
フィルターのインピーダンスが共に増加し、それらの補
正が困難である。 燃焼灰分などすす以外の影響が大きく、フィルター
が灰で目づまりしているのか、それともすすで目づまり
しているのか判定できない。 など多くの問題を抱えており、一方、上記(3) 、(4) の
方法は簡便な手段であるものの、エンジン負荷条件が全
く加味されていないために、検出精度が余りにも低いな
ど、何れも実用化レベルまで達したものは見当たらな
い。また、例えエンジン負荷、排気ガス流速、温度など
の要因を複合させた情報処理により検出精度を向上させ
たとしても、システム全体に膨大なコストを要し、実用
性は薄い。

【０００６】更に捕集された粒子状物質を適正な温度で
着火再生するための電気ヒーター等の制御が問題であっ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した従来
技術の問題点に着目してなされたものであり、ディーゼ
ル排気ガス中の粒子状物質を除去するためのフィルター
内すす捕集量を簡便に、精度良く検出し、狭い管理幅で
これを着火・再生することによって、フィルタートラッ
プの耐久性を高め、結果的には、信頼性の高いディーゼ
ル排気浄化装置を安価で提供することを目的とする。こ
れらの目的を達成するために、本発明によればディーゼ
ル機関において、所定の一定周波数のマイクロ波信号を
ディーゼル機関の排気通路に設けたフィルタートラップ
に放射し、該フィルタートラップを通過した該マイクロ
波信号の伝送損失を検出して該フィルタートラップで捕
集された粒子状物質の実効誘電損率を決定し、該フィル
タートラップの温度に応じて、該粒子状物質の捕集量を
決定し、決定手段の出力が所定値となった時に前記フィ
ルタートラップを加熱し燃焼させるディーゼル排気浄化
装置が提供される。

【０００８】

【作用】ここに、使用周波数を制限したのは、１５０MH
z 以下では、信号の伝送損失が少なく、すすの検出感度
が低すぎるためであり、３００MHz を超えると、伝送損
失が多すぎて受信信号レベルが低くなり、信号増幅が必
要となることによってシステムが複雑、且つ、高価にな
るためである。また、温度センサー挿入設置位置をフィ
ルタートラップ半径の２分の１以上外周側としたのは、
これより内側にするとセンサーがあたかもマイクロ波受
信アンテナとして作用し、すすの検出精度を阻害するた
めである。

【０００９】更に、すすがフィルタートラップに堆積す
るとフィルタートラップ誘電特性が変化する。従って、
フィルターの実効誘電特性の変化を検出することによっ
て、フィルターに堆積したすすの量を検出することがで
きる。すすの複素誘電率は実数成分と虚数成分とからな
る。実数成分は誘電率と呼ばれ、虚数成分は誘電損率と
呼ばれる。誘電損率は信号の伝送損失を測定することに
より検出できる。所定周波数のマイクロ波がフィルター
を伝播する際に、粒子状物質によってその一部の電力が
吸収される。吸収量は粒子状物質の堆積量すなわち実効
誘電損率に対応するので、マイクロ波の伝送損失を測定
することによりフィルターの再生時期を決定することが
できる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例について以下図面を参照しな
がら説明する。図１は本発明によるディーゼル排気浄化
装置の実施例の構成を示すブロックダイヤグラムであ
る。ディーゼルエンジンの排気管（図示せず）中に組み
込まれ、セラミック製のフィルタートラップすなわちフ
ィルタートラップ１６を格納する鋼製のハウジング１０
が端部１２と１４とで排気管と接続される。エンジンか
らの排気は図１の矢印の方向に排気管を通過してフィル
タートラップ１６でトラップ（捕集）される。

【００１１】フィルタートラップ１６の上流側には、フ
ィルター再生用の着火・再生装置が取り付けられる。こ
の着火・再生手段は、何れの方法でも良いが信頼性、耐
久性、取扱いの容易さから電気ヒーター７２が好まし
い。排気ガスの流れは図１で矢印の方向で示される。

【００１２】フィルタートラップ１６の内部には図示の
ようにマイクロ波の送信アンテナ２０と受信アンテナ３
０が排気の上流に向かって互いに平行に配置される。送
信側より送信アンテナ２０に所定の周波数のマイクロ波
が供給され、フィルタートラップ１６内部に放射され
る。パティキュレートと呼ばれる排気ガス中の粒子状物
質が堆積したフィルタートラップ１６をマイクロ波が通
過して、その電力が粒子状物質の量に応じて吸収され、
減衰したマイクロ波が受信アンテナ３０で受信されて受
信側で検出される。

【００１３】まず送信側の回路構成について説明する。
直流電源２１が電圧制御発振器（ＶＣＯ）２２に所定の
バイアス電圧を与える。電圧制御発振器２２はバイアス
電圧の応じた一定の周波数で一定の振幅のマイクロ波信
号を発生する。本実施例においてはその周波数は１５０
〜３００MHz の範囲で選択される。

【００１４】ダイオードスイッチ２４は二つの出力端子
を有しており、一方は送信アンテナ２０に接続され、他
方は基準検出器５０の入力に接続される。ダイオードス
イッチ２４はパルス発生器２３からの１０KHz の周波数
のパルスに従って、電圧制御発振器２２から入力された
マイクロ波信号を二つの出力端子に交互に振り分ける。
従って、ダイオードスイッチ２４の各出力端子からは１
０KHz のパルス信号で変調された振幅変調（ＡＭ）マイ
クロ波信号が出力される。

【００１５】基準検出器５０はＡＭマイクロ波信号を受
けて送信側のマイクロ波信号の強さを表す基準信号Ｖｒ
ｅｆを発生する。基準検出器５０におけるＡＭ検出器５
１は受信したマイクロ波信号を直流電圧に載せて正電圧
側で振幅させ、平滑回路で直流電圧に変換した後、加え
た直流電圧分を差し引き、振幅を電圧に変換する。即
ち、ダイオードスイッチ２４からのＡＭマイクロ波信号
を復調してそのレベルを検出する。検出された信号は所
定のゲインを与える増幅器５２で増幅されて基準信号Ｖ
ｒｅｆとして出力端子５３に出力する。なお、増幅器５
２はそのゼロレベルとゲインが外部より調整可能なよう
になっている。

【００１６】次に、受信側の説明をする。送信アンテナ
２０から送信されたフィルタートラップ１６を通過して
きたＡＭマイクロ波信号が受信アンテナ３０で受信され
る。受信信号は受信回路を構成する信号検出器６０に与
えられる。信号検出器６０のＡＭ検出器６１で復調され
てそのレベルが検出される。ＡＭ検出器６１は送信側の
ＡＭ検出器５１と同じ構成でよい。検出された信号は所
定のゲインを与える増幅器６２で増幅され、検出信号の
強さに比例して作られた信号がフィルタートラップ１６
の温度を検出するセンサーを構成する熱電対７３の測定
値に従い、温度補正回路７１で補正され、信号Ｖｏｕｔ
として出力される。

【００１７】ここで、フィルタートラップ１６の温度を
検出する熱電対７３は図１に示されるようにフィルター
トラップ１６の出口側のチャンネル内でフィルタートラ
ップ１６の半径の２分の１以上外周側に設置されてい
る。ここで増幅器６２は送信側の増幅器５２と同じ構成
で良い。即ち、ユニットを作動させているうちに周囲温
度や回路から発生する熱で発振信号の振幅が変化する。
その変化の度合を検出することにより、同じ構成の検出
器で同じ温度の影響を受けさせることにより、その温度
変動を無くしている。従って、基準検出器５０と信号検
出器６０とは同一構成となり、そうすることによって検
出器の温度特性を同一にしてシステム全体の精度を向上
することができる。

【００１８】基準信号Ｖｒｅｆと受信信号Ｖｏｕｔは再
生指示回路を構成する比較器７０に入力されて、両入力
信号比が検出される。即ち、基準信号Ｖｒｅｆと受信信
号Ｖｏｕｔはそれぞれ抵抗器１５０及び１５１を介して
オペアンプ１５４に入力され、その電圧差は可変抵抗器
１５３で調節された抵抗値と抵抗器１５５の抵抗値の比
で決定される増幅分に見合った信号をスイッチ７４へ送
っている。

【００１９】この２つの信号比がある値に達すると、比
較器７０は、電気ヒーター７２を作動させるタイミング
信号を送り出し、電気ヒーター７２のスイッチ７４をオ
ンすると同時に、電動開閉弁７５が開かれ２次空気が混
入する。これにより電気ヒーター７２が点火されフィル
ター内に捕集されたすすを着火再生する。スイッチ７４
はタイマーにより一定時間後切れる。

【００２０】この信号比の値はマイクロ波信号がフィル
タートラップ１６を通過した際の伝送損失を表すもので
あり、いいかえれば、フィルターにパティキュレートが
堆積することによりもたらされる実効誘電損率を示すも
のである。この誘電損率の値はフィルタートラップ１６
の堆積量と対応しており、パティキュレートの堆積量が
少なければ誘電損失も少なく、パティキュレートがたま
るにつれてその損失量が増加する。

【００２１】次に、図２に図１に示される本実施例の具
体的な回路構成を示す。直流電源２１から供給される直
流電圧＋Ｖが可変抵抗器１０１で分圧されて抵抗器１０
２とコンデンサ１０３を介してバラクタダイオード１０
４に印加される。バラクタダイオード１０４、コンデン
サ１０５，１０６、抵抗器１０８，１０９，１１０、イ
ンダクタンス１０７及びトランジスタ１１１とによって
ハートリー発振器を形成し、これは電圧制御発振器２２
として動作する。

【００２２】電圧制御発振器２２で作られた信号はコン
デンサ１１２，１１４と抵抗器１１３からなる整合器で
整合されてダイオードスイッチ２４に与えられる。ダイ
オードスイッチ２２は二つのダイオード１１６と１１７
が互いに逆極性で一方の端子同士接続され、接続点はイ
ンダクタンス１１５を介してパルス発生器２３の出力に
接続される。ダイオード１１９と１１７のそれぞれの他
方の端子は二つの分岐出力となる。

【００２３】ダイオード１１６の出力は直流電圧＋Ｖと
抵抗器１１９で正電位にシフトされ、コンデンサ１２３
と抵抗器１２０，１２４とからなる整合器で整合された
のち送信アンテナ２０に与えられる。一方、ダイオード
１１７の出力は直流電圧＋Ｖと抵抗器１２１で正電位に
シフトされ、コンデンサ１２５と抵抗器１２２，１２６
とからなる整合器で整合されたのち基準検出器５０に入
力される。基準検出器５０は信号検出器６０と同一構成
であるので、詳しい回路構成は信号検出器６０で代表し
て説明する。

【００２４】信号検出器６０におけるＡＭ検出器６１
は、コンデンサ１３０と抵抗器１３１とからなるバイパ
スフィルタと、コンデンサ１３２，１３７と抵抗器１３
３，１３６および二つのダイオード１３４，１３５とで
形成される平滑回路とからなる。このＡＭ検出器６１は
パルスでＡＭ変調されたマイクロ波信号の振幅に比例し
た直流電圧を出力する。

【００２５】二つのカスケード接続されたオペアンプ１
４３，１４５と抵抗器１３８，１３９，１４４，１４７
とコンデンサ１４８で増幅器６２を形成する。直流電圧
＋Ｖに接続した可変抵抗器１４０と抵抗器１４１，１４
２により増幅器６２のゼロレベルを調整する。また、可
変抵抗器１４６で増幅器６２のゲインを調整する。

【００２６】温度補正回路７１はオペアンプ７１０，抵
抗器７１１，１１２及び７１３より構成される。熱電対
７３の出力電圧をオペアンプ７１０の（−）端子に入力
し、一方信号検出器６０からの出力電圧をオペアンプ７
１０の（＋）端子に入力し、信号検出器６０からの出力
電圧を、熱電対７３の電圧が上った分（温度上昇分）増
幅することにより、図４に示される温度上昇にともなう
スートセンサの（ＳＯＯＴ ＳＥＮＳＯＲ）出力低下を
補正している。

【００２７】出力端子５３からの基準信号Ｖｒｅｆと温
度補正回路７１を経た出力端子６３からの受信信号Ｖｏ
ｕｔは比較器７０に入力されて、両入力信号の差の値が
検出される。比較器７０は公知の差動増幅器のような回
路で実現できる。

【００２８】図３には、本発明に関わるすす捕集量検出
方法をベンチ（車運転模擬装置）テストに応用した時の
すす捕集密度に対する信号減衰率の測定例を示す。この
例でのマイクロ波周波数は２４０MHz であった。図よ
り、すす捕集密度にほぼ反比例してマイクロ波減衰率が
変化している様子がうかがえる。しかも、すす捕集密度
５ｇ／Ｌ付近での減衰率は１５ｄＢにも達しており、測
定感度が高い事から、一般に４〜６ｇ／Ｌと言われる適
正再生範囲の管理は極めて容易である。尚、差圧法に見
られるような排気ガス流速変化による出力変動が、本発
明に関わる手法では全く見られない事、更には、本発明
に関わるディーゼル排気浄化装置での粒子状物質の捕集
・再生サイクルテストでは、セラミックスフィルターの
異常が発生しない事も確認されている。図４は、すす捕
集密度一定に於ける温度変化と信号減衰率の関係を示
す。図にみられるように、すすは温度上昇にともない誘
電率が増加する性質、即ち、すすでのマイクロ波信号の
吸収が増せば受信アンテナ３０迄到達する信号が減る。

【００２９】そのため受信アンテナまで届く信号は減少
する。この現象を、フィルター内の温度を測定し、その
温度で出力データの補正をする事により精度を向上させ
ている。

【００３０】図４に於て、ＳＯＯＴ（ｇ／リットル）は
ｇｒａｍ／ｌｉｔｔｅｒ、つまり単位体積当りのすすの
重量を示す。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればフ
ィルターのすす捕集量を高精度で安定的に測定する事が
出来、狭い管理幅でこれを着火、再生することによって
フィルタートラップの耐久性を高め、信頼性、耐久性と
もに優れたディーゼル排気浄化装置を安価に提供する事
が出来る。これにより、ディーゼル機関排気による環境
汚染の低減に大きく貢献し得る。

【００３２】更に一体化されたフィルターシステムであ
り、エンジンの制御系とは独立したインテリジェントフ
ィルターとして導入が手軽である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるディーゼル排気浄化装置の一実施
例のブロックダイヤグラムを示す図である。

【図２】図１の実施例の具体的な回路構成を示す回路図
である。

【図３】本発明に関わるすす捕集量検出方法をベンチテ
ストに応用した時のすす捕集密度に対する信号減衰率の
測定例を示す図である。

【図４】本発明によるフィルターの捕集量一定時の温度
変化と信号減衰率の関係を示す図である。

【符号の説明】

１０ 鋼製ハウジング １２，１３ 端部 １６ フィルタートラップ ２０ 送信アンテナ ２１ 直流電源 ２２ 電圧制御発振器 ２３ パルス発生器 ２４ ダイオードスイッチ ３０ 受信アンテナ ５０ 基準検出器 ５１，６１ ＡＭ検出器 ５２，６２ 増幅器 ５３ 基準信号出力端子 ６０ 信号検出器 ６３ 受信信号出力端子 ７０ 比較器 ７１ 温度補正回路 ７２ 電気ヒーター ７３ 熱電対 ７４ スイッチ ７５ 電動開閉弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 皆川 栄 埼玉県熊谷市末広四丁目14番１号 株式会 社リケン 熊谷事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼル機関の排気通路に設けたフィ
   ルタートラップにより排気中の粒子状物質を捕集し着火
   再生する排気浄化装置であって、 所定の一定周波数のマイクロ波信号を前記フィルタート
   ラップに放射する手段と、 前記フィルタートラップを通過した前記マイクロ波信号
   の伝送損失を検出して前記フィルタートラップで捕集さ
   れた前記粒子状物質の実効誘電損率を決定して前記粒子
   状物質の捕集量を決定する手段と、 前記フィルタートラップの温度を検出する手段と、 前記フィルタートラップの温度に応じて前記捕集量を決
   定する手段の出力を補正する手段と、 前記決定手段の出力が所定値になった場合に再生タイミ
   ング信号を出力する手段と、 該再生タイミング信号に応じて前記フィルタートラップ
   を加熱して前記フィルタートラップに捕集された前記粒
   子状物質を燃焼させる手段とを有するディーゼル排気浄
   化装置。
2. 【請求項２】 前記フィルタートラップの出口側のチャ
   ンネル内で、前記フィルタートラップの半径の２分の１
   以上外周側に前記フィルタートラップの温度を検出する
   センサーを設けたことを特徴とする請求項１に記載のデ
   ィーゼル排気浄化装置。