JPH0571333A - 内燃機関用フイルタ再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中の
パティキュレートを捕集するフィルタの再生装置に関す
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。 【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１８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１９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２
２と、気体供給手段あるいはマイクロ波発生手段の動作
を制御する制御手段３０とを備え、パティキュレート燃
焼の拡大を効果的に実行するとともに燃焼温度の高温化
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
エル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減少であり、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
能力を再生され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、１はエンジン、２は排気マニフォールド、３は
排気管、４は排気分岐管、５はフィルタ、６はフィルタ
を収納した加熱室、７はマイクロ波発生手段、８はマイ
クロ波発生手段の発生したマイクロ波を加熱室に導く導
波管、９はマイクロ波反射板、１０は空気ポンプ、１１
は空気供給路、１２はマイクロ波発生手段７の駆動電
源、１３はマフラー、１４は空気切換バルブ、１５は排
気ガス流切換バルブである。

【００１１】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気ガス流切換バルブ１５によってフィルタ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に導
かれ排気ガス中に含まれるパティキュレートはフィルタ
５に捕集されるが前述したようにフィルタ５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
換バルブ１５が制御され排気管３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４を経て大気に排出さ
れる。この間にフィルタ５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発生手段７からまた燃焼に必要な
空気が空気ポンプ１０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換バル
ブ１５が再び制御されてフィルタ５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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の装置のフィルタ再生制御の第１の課題は、マイクロ波
エネルギと空気とを同時に供給していることであり、こ
れはマイクロ波エネルギによって加熱されるパティキュ
レートの加熱昇温が供給された空気により妨げられてし
まうために高い再生性能を保証するには非常に大きなマ
イクロ波エネルギを供給される必要があり装置の大型化
および車載用の場合における電源容量不足の問題を生じ
る。また、第２の課題は空気供給手段であり、その手段
がポンプにて構成されていることから、パティキュレー
ト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、パティキュレート燃焼にともなってフィルタ
内部の大きな温度勾配により生じる可能性があるクラッ
クあるいは溶損を未然に防止することが困難であるとい
う問題を生じる。

【００１３】本発明は上記課題を解決するもので、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。

【００１４】

【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、前記気体供給手段の動作を少なくとも２段
階可変させる気体供給制御手段とを備えている。

【００１５】この気体供給制御手段は、気体供給時間経
過に伴って気体供給能力を高くなるように制御させてい
る。

【００１６】この気体供給手段は送風機から構成され、
気体供給制御手段は前記送風機の駆動電源を可変制御さ
せている。

【００１７】また第２の制御手段として、前記気体供給
手段の動作時間において前記加熱手段の動作を少なくと
も１回停止させる制御手段を備えている。

【００１８】さらにまた第３の制御手段として、前記気
体供給手段の動作に基づいて前記加熱手段の動作を制御
する制御手段とを備えている。

【００１９】上記加熱手段はマイクロ波発生手段でもっ
て構成されている。

【００２０】

【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通風方向にパティ
キュレートの燃焼領域が拡大していく。このとき、気体
の供給流量を増すように気体供給手段を制御することで
パティキュレート燃焼領域がフィルタ内部の吹き溜まり
に停留することを回避し、さらには気体流による冷却作
用によってパティキュレート燃焼温度の高温化を防止し
再生性能の保証およびフィルタの機械的破損回避を達成
させることができる。

【００２１】また、第２の制御手段によれば気体供給開
始時刻から適当な時間経過後（これはパティキュレート
の燃焼温度が急激に高温化し始める時刻に対応）に加熱
手段の動作を停止させたパティキュレート燃焼温度の高
温化を回避させることでフィルタの機械的な破損の防止
をさせている。

【００２２】さらに第３の制御手段によれば本発明者ら
が確認したパティキュレート燃焼進行状態と気体供給流
量変化との間に存在する相関に基づき、気体供給手段の
動作状態が所定の状態になるとパティキュレート燃焼が
急激に高温化するのでこの状態になると加熱手段の動作
を停止させ燃焼温度の高温化を回避させるものである。

【００２３】以上のような種々の制御手段を相互に組み
合わせることにより高い再生性能を保証するとともにフ
ィルタの機械的な破損を未然に防止してフィルタの耐久
性能の保証を達成することができる。

【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、図２において、１６は内燃機関の排
気ガスを排出する排気管、１７は排気管１６の途中に設
けられた加熱空間、１８は加熱空間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
トを捕集するハニカム構造からなるフィルタ、１９はパ
ティキュレートを誘電加熱するために加熱空間に給電さ
れるマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段（パテ
ィキュレートの加熱手段）、２０はマイクロ波発生手段
の発生したマイクロ波を加熱空間に伝送する導波管、２
１は加熱空間にマイクロ波を給電する給電孔、２２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２３にて構成されている。２４は
加熱空間に供給される気体の導流管、２５は「閉」のと
き排気管側からリークしようとする排気ガスを遮断する
とともに「開」のときに加熱空間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、２６は「閉」のとき
排気管側からリークしようとする排気ガスを遮断すると
ともに「開」のとき加熱空間に供給された気体のフィル
タ流通後の排気口として制御されるバルブＢ、２７は気
体排気管、２８、２９は排気ガスの流通を開放あるいは
遮断制御する排気ガスバルブ、３０はマイクロ波発生手
段１９、気体供給手段２２、バルブＡ２５、バルブＢ２
６、および排気ガスバルブ２８、２９の動作を制御する
制御部である。

【００２６】加熱空間１７はフィルタを収納支持するフ
ィルタ支持管体３１とその両端に設けられたフィルタ支
持管体よりも径大な構造体からなる加熱管体３２、３３
およびパンチング穴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３４、３５でもってその空間が
限定されている。３６はフィルタ１８の外周とフィルタ
支持管体３１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。

【００２７】内燃機関から排出される排気ガスは排気管
内を流れてフィルタに流入される。フィルタ１８はウォ
ールフロータイプのハニカム構造体で構成され、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。このフィルタに捕集されたパティキュレートの量
が増大すると、フィルタの圧損が増大し内燃機関である
エンジンの負荷が増加するとともに最悪の場合にはエン
ジン停止に至る。

【００２８】したがって適当な時期にフィルタに捕集さ
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。

【００２９】次にフィルタ再生の基本プロセスを説明す
る。フィルタ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量領域に達すると、フィルタ
再生プロセスが開始する。

【００３０】この再生制御指令は制御部３０より発せら
れる。この制御部の指令に基づいて、排気ガスバルブ２
８が制御されフィルタへ流入していた排気ガスが遮断さ
れる。バルブ２８と同時あるいはその後の適当な時期に
バルブ２９が排気管を遮断するように制御される。内燃
機関が動作している時は、排気ガスは別に設けられた排
気分岐管に導かれる。次に、マイクロ波発生手段１９に
駆動電力が供給される。マイクロ波発生手段が発生する
マイクロ波は導波管２０を伝送して給電孔２１より加熱
空間に給電される。これにより、フィルタに捕集された
パティキュレートが誘電加熱されるが、その加熱領域は
フィルタの内部までの拡がりをもっている。時間経過に
伴って、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可能温度に到達してい
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し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可能温度に至った領域はフィルタ
の約１／２まで拡がる。この時、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
可能温度域に向かって効率よく温度上昇していく。

【００３１】この後に、バルブＡ２５およびバルブＢ２
６が開放状態に制御され気体供給手段２２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に導流され
る。この気体によってフィルタ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径方向に拡
大していき、適当な時間を経てフィルタのほぼ全域のパ
ティキュレートが燃焼し除去される。気体供給手段によ
る気体供給能力の可変は気体供給手段の駆動電源の電圧
を可変して実行させる。

【００３２】本発明はこのパティキュレート燃焼を効果
的に実施する手段を提供するものであり、その詳細は後
述する。

【００３３】フィルタ再生サイクルが終了するとマイク
ロ波発生手段、気体供給手段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１８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。

【００３４】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のフィルタ端面から実行
することがより好ましい。また、加熱管体に設けた給電
孔は低誘電損失部材で覆う構成を採るとより好ましい。

【００３５】また、加熱空間はＴＥ_01P モードの共振が
より好ましく、この場合給電孔は加熱管体の対向する位
置に２ヶ所設けられる。また、マイクロ波遮蔽手段は排
気管の径によっては不要にすることもできる。

【００３６】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。図
３はパティキュレート捕集量と重量再生率との関係を示
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。図において、実線の特性曲線は気体供給量を供給時
間において一定とした時の特性であり、●印および○印
は気体供給を送風機にて実行した時の特性である。各特
性において加熱空間に供給される気体流量（フィルタを
流通する気体流量と等価）の時間特性を図４に示す。図
４において、一点破線で示す特性は図３における●印の
代表特性であり、一方点線で示す特性図は図３における
○印の代表特性である。

【００３７】図３の特性から認められる要点を以下に述
べる。第１の要点は、パティキュレート燃焼がフィルタ
への供給気体流通方向に貫通すると（図４において時刻
ｔ１の少し前）、送風機を使用した場合には著しく流量
が増大するが、この増流量にも拘らず適当な気体供給を
実行することでフィルタ再生性能を高くできることであ
る。また、気体供給能力を気体供給時間に伴って増すこ
とは、再生性能を高めるとともにパティキュレート燃焼
の進行を促進させるので再生時間を短縮化することがで
きる。

【００３８】第２の要点は、送風機による気体供給構成
において気体供給開始の初期にはごく微量な気体供給を
実行する制御の方が再生性能が高いということである。

【００３９】これは、供給された微量気体流によりパテ
ィキュレート燃焼はゆっくりとフィルタへの供給気体流
通方向に移動するのでフィルタの径方向への燃焼流域拡
大が促進されるためと考えられる。また、微流量であれ
ば燃焼に必要な酸素を十分に補給できず燃焼温度の高温
化を抑制できる。したがって、フィルタ内部に生じる急
峻な温度勾配の発生を抑制できフィルタをその機械的な
破損から回避させることができる。

【００４０】第３の要点は、パティキュレート燃焼領域
がフィルタの他端側に移動していった時にフィルタ内部
に気体流の吹き溜まりが発生しフィルタの気体流通方向
への燃焼領域の移動が停滞することである。これは、フ
ィルタ端面近傍に捕集されたパティキュレートはフィル
タ外部の雰囲気温度の影響を受けてその温度上昇が緩や
かになり燃焼可能温度への到達が困難なことに起因す
る。したがって、フィルタの端面近傍に燃焼領域が移動
したときにその燃焼領域の発熱によってフィルタ端面近
傍が燃焼可能温度に達するまで燃焼領域の移動が行われ
ない。この状態が上述の吹き溜まり現象は解釈してい
る。この吹き溜まり状態では、燃焼領域の高温化が進
む。したがって、この高温化を回避するための手段とし
て、吹き溜まり状態になると加熱手段の動作を停止させ
て加熱手段からの熱エネルギ供給を絶ち高温化を抑制さ
せる制御方法や気体供給能力を増大させて燃焼領域を強
制的に移動させるとともに気体流による冷却作用によっ
て高温化を回避させるように制御させる。なお、加熱手
段の停止制御および気体流量の増大制御を実行する時刻
は、たとえば供給される気体流の流量を検出する手段を
付加し、気体流量の変化（送風機使用の場合、気体流量
が増加し始める時刻）に基づいて抽出することができ
る。これらは図４に示した気体流量特性および実際の燃
焼状態より判断できる。

【００４１】以上の各制御内容は相互に組み合わせるこ
とでフィルタの再生性能をより高めることができるとと
もにフィルタの機械的な破損を未然に防止してフィルタ
耐久性能の保証を達成させることができる。

【００４２】

【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）気体供給手段の動作を制御することで、フィルタ
の再生性能をより高くすることができる。 （２）気体供給能力を気体供給時間経過に伴って増大さ
せることにより再生時間の短縮化が図れる。 （３）気体供給手段に送風機を利用することで、パティ
キュレート燃焼進行に伴って変化するフィルタ圧損に追
尾した気体供給流量の増加による自然な燃焼を行わすこ
とができる。 （４）気体供給手段の動作時間内に加熱手段の動作の停
止を行う制御により、パティキュレート燃焼領域がフィ
ルタの吹き溜まりに至った時の燃焼温度の高温化を抑制
してフィルタの機械的な破損を防止させることができ
る。 （５）気体供給手段の動作を検出する構成によりパティ
キュレート燃焼温度が急激に高温化するタイミング（吹
き溜まり状態）を検出しそのタイミングに加熱手段の動
作制御を行いフィルタの機械的な破損を防止させること
ができる。 （６）以上の種々の制御手段を組み合わせることにより
フィルタの再生性能をより高く維持させるとともにフィ
ルタの耐久性能を保証する再生装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明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】本発明一実施例を示す内燃機関用フィルタ再生
装置の断面構成図

【図３】本発明を説明するフィルタ再生性能の特性図

【図４】本発明を説明する供給される気体流量の特性図

【図５】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】

１８ フィルタ １９ マイクロ波発生手段（加熱手段） ２２ 気体供給手段 ２３ 送風機 ３０ 制御部（制御手段）

Claims (6)

【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、前記気体供給手段の動作を少なくとも２
   段階可変させる気体供給制御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】気体供給制御手段は、気体供給時間経過に
   伴って気体供給能力を増すように制御された請求項１記
   載の内燃機関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】気体供給手段は送風機から構成され、気体
   供給制御手段は前記送風機の駆動電源を可変制御するよ
   うに構成された請求項１記載の内燃機関用フィルタ再生
   装置。
4. 【請求項４】内燃機関の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、前記気体供給手段の動作時間において前
   記加熱手段の動作を少なくとも１回停止させる制御手段
   とを備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
5. 【請求項５】内燃機関の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、前記気体供給手段の動作に基づいて前記
   加熱手段の動作を制御する制御手段とを備えた内燃機関
   用フィルタ再生装置。
6. 【請求項６】加熱手段はマイクロ波発生手段からなる請
   求項１または４または５記載の内燃機関用フィルタ再生
   装置。