JPH0598934A - デイーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】バーナとフィルタトラップ間の距離を短縮可能
にすると共に、バーナの着火性を確実に維持する。 【構成】ハウジング２内に配設されるフィルタトラップ
３と、フィルタトラップ３の上流側に設けられる超音波
バーナ４とを備え、超音波バーナ４は、第１の燃焼筒５
及び第２の燃焼筒６により形成される第１の燃焼室８及
び第２の燃焼室９と、第１の燃焼室８に設けられる超音
波霧化装置１０及び点火装置１１とを有し、さらに、点
火装置１１は、点火栓３２と、点火栓３２を絶縁するた
めの絶縁部材３３と、絶縁部材３３を支持固定するため
のケース３５と、ケース３５に形成されるエア流入孔３
７とを有し、排気ガスを第２の燃焼筒６に形成された排
気流入孔を介して第２の燃焼室９に導入させる。

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に
おける排気中のカーボン等のパティキュレートを除去す
るためにフィルタトラップを設け、該フィルタトラップ
に付着したパティキュレートを燃焼させる方式のディー
ゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関とくにディーゼルエンジ
ン駆動の車両の排気ガス規制は次第に強化されつつあ
り、このような厳しい規制に対しては、もはや従来のエ
ンジンの燃焼方式を変更するやり方では対処出来ないの
が現状である。

【０００３】ところで、排気ガス中のパティキュレート
を除去するには、排気ガスをセラミックス製のフィルタ
トラップを通過させて付着したパティキュレートを燃焼
させる方式が一般的である。その燃焼方式としては、
フィルタトラップの表面に触媒を塗布、焼成して排気ガ
ス温度で燃焼させたり、電気ヒータ、燃焼バーナにより
燃焼させる方式、電気ヒータでフィルタトラップを加
熱して燃焼させる方式、燃料の一部を利用してバーナ
によりフィルタトラップを加熱してパティキュレートを
燃焼させる方式が挙げられる。しかし、前記の方式で
は、フィルタトラップの製造コストが高くなると共に、
ディーゼルエンジンにおいては燃料中の硫黄化合物によ
り触媒が被毒されるという問題、さらには排気ガスのみ
を熱源とする場合には、エンジン状態によっては常にこ
れが可能ではないという問題があり、また、前記の方
式では、電気ヒータの消費電力が高くバッテリを電源と
する自動車には不向きであるという問題があり、従って
このような問題点を解消するために前記の方式が注目
されている。

【０００４】しかしながら、この方式においては、バー
ナから高圧の燃料が噴射され、火炎が搬送エア流に乗り
きれないでフィルタトラップに到達してしまうため、フ
ィルタトラップの径方向の温度分布が、軸心部が高く外
径部が低くなり、パティキュレートが燃え残り、フィル
タトラップの再生効率が低下するという問題を有し、こ
れを解決するために、バーナの温度をあげるとフィルタ
トラップに熱歪が生じて破損、熔損してしまうという問
題を有し、また、燃焼経路を長くして火炎の温度を均一
にさせるようにすると、スペースの限定された車両に搭
載できないという問題を有している。

【０００５】上記問題を解決するために、特開昭６４−
４１６１０号公報において、フィルタトラップの耐久性
を向上させると共に、燃焼経路の長さを短縮させること
ができるフィルタトラップ再生用超音波バーナが提案さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、バーナによ
りフィルタトラップを加熱する方式においては、フィル
タトラップを設けた排気管に並列してバイパス管を設
け、フィルタトラップを加熱する間はエンジンの排気を
バイパス管から排出させる方式と、バイパス管を設けず
にエンジンの排気がフィルタトラップを通過している際
にバーナによりフィルタトラップを加熱する方式が知ら
れている。前者の方式は、エンジン運転条件にかかわら
ずフィルタトラップの再生が可能であるという利点を有
するが、バイパス管、切換弁等を必要とし装置が大型化
するという欠点を有する。

【０００７】そこで、後者の方式が装置の小型化を図る
ことができるという点で有力な方式と考えられるが、い
くつかの解決しなければならない課題がある。

【０００８】第一に、エンジン運転条件によってバーナ
の燃焼を制御しなければならないという問題である。こ
れは前記超音波バーナを採用すれば、燃料の供給量を小
量から数十倍までの量まで制御できるため、解決可能で
ある。

【０００９】第二に、フィルタトラップの上流側に超音
波バーナを設ける場合に、エンジンの排気をどの位置で
合流させるかの問題である。バーナとフィルタトラップ
間の距離を十分にとればその中間位置に排気を合流させ
れば問題はないが、バーナとフィルタトラップ間の距離
を可能な限り短くした場合、排気の合流位置をフィルタ
トラップ側に接近させると、火炎と排気の混合が不十分
のままフィルタトラップに流入するため、温度が不均一
となりパティキュレートが燃え残り、フィルタトラップ
の再生効率が低下するという問題を有し、これを解決す
るために、バーナの温度をあげるとフィルタトラップに
熱歪が生じて破損、熔損してしまうという問題を有す
る。また、排気の合流位置をバーナの燃焼室側に接近さ
せると、酸素含有量の少ない排気が燃焼室内に入り込み
着火しにくくなるという問題を有する。

【００１０】第三に、燃焼により発生するスス及び排気
ガス中に存在するススが点火装置に付着し、電気系統の
短絡、漏電が生じるため点火不良になるという問題であ
る。本発明は上記問題を解決するものであって、バーナ
とフィルタトラップ間の距離を短縮可能にすると共に、
バーナの着火性を確実に維持することができるディーゼ
ルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そのために本発明のディ
ーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ハウジング２内
に配設されるフィルタトラップ３と、フィルタトラップ
３の上流側に設けられる超音波バーナ４とを備え、超音
波バーナ４は、第１の燃焼筒５及び第２の燃焼筒６によ
り形成される第１の燃焼室８及び第２の燃焼室９と、第
１の燃焼室８に設けられる超音波霧化装置１０及び点火
装置１１とを有し、さらに、点火装置１１は、点火栓３
２と、点火栓３２を絶縁するための絶縁部材３３と、絶
縁部材３３を支持固定するためのケース３５と、ケース
３５に形成されるエア流入孔３７とを有し、排気ガスを
第２の燃焼筒６に形成された排気流入孔６Ｅを介して第
２の燃焼室９に導入させることを特徴とする。

【００１２】なお、上記構成に付加した番号は図面と対
比させるためのものであり、これにより本発明の構成が
何ら限定されるものではない。

【００１３】

【作用】本発明においては、燃料は、超音波霧化装置１
０の振動子ホーン５３に供給され、霧化部５３ａにおい
て超音波振動により微細液滴に霧化された後、エア供給
管１６からの燃焼用エアにより第１の燃焼室８に搬送さ
れ点火装置１１により着火される。第１の燃焼室８にお
いて着火された火炎は、テーパ状筒部材１２を通って第
２の燃焼室９に搬送され、ここで、排気室３１から排気
流入孔６Ｅを通って流入する排気ガスと混合され、排気
ガス中の残留酸素により燃焼が助勢される。そして、第
２の燃焼室９を出る火炎は、バッフル板７により一時的
に押し止められ、均一な温度となってフィルタトラップ
３に送られ、フィルタトラップ３に捕捉されたパティキ
ュレートを燃焼させてフィルタトラップ３の再生を図
る。このとき、点火装置１１のケース３５に形成された
エア流入孔３７から、エアを絶縁部材３３の外周を通っ
て点火栓３２の方向に流すため、点火栓３２及び絶縁部
材３３にススが付着することがなく、点火を確実に行う
ことができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は、本発明のディーゼルエンジンの排気ガ
ス浄化装置の１実施例を示す構成図である。

【００１５】排気ガス浄化装置１は、ハウジング２内に
配設されるセラミックス製のフィルタトラップ３と、フ
ィルタトラップ３の上流側に設けられる超音波バーナ４
とからなる。超音波バーナ４は、第１の燃焼筒５、第２
の燃焼筒６、バッフル板７を備え、第１の燃焼室８及び
第２の燃焼室９を形成している。第１の燃焼室８には、
超音波霧化装置１０と点火装置１１が設けられ、第１の
燃焼室８の開口部には、第１の燃焼室８の開口面積を徐
々に狭め、第２の燃焼室９に突出するテーパ状筒部材１
２が固定されている。

【００１６】第１の燃焼室８には、ファンまたはエアコ
ンプレッサ１３及び流量制御弁１４を介してエア供給管
１６から燃焼用エアが供給される。また、第２の燃焼筒
６とハウジング２との間には排気室３１が形成され、デ
ィーゼルエンジン１７の排気管１９から排気室３１内に
排気ガスが供給され、この排気ガスは、第２の燃焼筒６
に形成された多数の排気流入孔を通って第２の燃焼室９
内に導入される。ディーゼルエンジン１７には、燃料供
給管２０から燃料が供給され、さらに、燃料は流量制御
弁２１を介して超音波霧化装置１０に供給される。

【００１７】ディーゼルエンジン１７には、エンジン回
転数センサ２２及びエンジン負荷センサ２３が設けら
れ、排気管１９内にはエンジン排気温度センサ２５が設
けられている。また、フィルタトラップ３内には、フィ
ルタ内温度センサ２６が設けられ、フィルタトラップ３
の入口側と出口側にそれぞれ圧力センサ２７、２９が設
けられている。これら各センサの検出信号は電子制御装
置３０に入力され、電子制御装置３０においては、入力
信号と予め記憶された制御用データとを比較、演算処理
し、出力信号を燃焼エア用の流量制御弁１４、燃料供給
用の流量制御弁２１、超音波霧化装置１０の電気・音響
変換素子、点火装置１１に出力する。

【００１８】前記エンジン排気温度センサ２５及びフィ
ルタ内温度センサ２６は、フィルタトラップ３の破損を
防止するために設けられ、圧力センサ２７、２９は、フ
ィルタトラップ３のパティキュレート量を検出するため
に設けられ、エンジン回転数センサ２２及びエンジン負
荷センサ２３は、超音波バーナ４の燃焼量を制御するた
めに設けられている。図２は制御用データの一例を示
し、排気量４．２（ｌ）ベースのエンジンにおいて超音
波バーナ４によりエンジン排気を６００℃まで上昇させ
るのに必要な燃料流量を示し、エンジン負荷及びエンジ
ン回転数に応じて変化させる燃料流量を示している。こ
れによれば、燃料流量を最小０．３（ｌ／ｈ）から最大
３．２（ｌ／ｈ）まで制御幅の広い制御が必要であるこ
とが分る。図３は前記第１の燃焼室８及び第２の燃焼室
９の拡大断面図を示している。前述したように、第１の
燃焼室８の開口部には、第１の燃焼室８の開口面積を徐
々に狭め、第２の燃焼室９に突出するテーパ状筒部材１
２が固定されている。ハウジング２と第２の燃焼筒６と
の間には排気室３１が形成され、この排気室３１に開口
１９Ａが設けられ排気室３１に対して接線方向に排気管
１９が接続されている。これにより、開口１９Ａから排
気室３１に流入した排気ガスは、第２の燃焼筒６の外周
を回転するように流れる。

【００１９】第２の燃焼室９を形成する第２の燃焼筒６
は、小径筒部６Ａ、とこの小径筒部６Ａより径の大きい
大径筒部６Ｂと、小径筒部６Ａ及び大径筒部６Ｂを連結
する連結部６Ｃと、大径筒部６Ｂから垂直に延びハウジ
ング２に固定されるフランジ部６Ｄからなり、小径筒部
６Ａ及び大径筒部６Ｂには多数の排気流入孔６Ｅが形成
されている。この排気流入孔６Ｅの大きさは第１の燃焼
室８にいくに従い小さく、第２の燃焼室９の出口にいく
に従い大きくなるように形成され、排気室３１から流入
する排気ガスが第２の燃焼室９内に流入するとき、第１
の燃焼室８側では流入量が少なく、第２の燃焼室９の出
口にいくに従い流入量が増大するようにしている。

【００２０】図４は前記第１の燃焼室８に配設される超
音波霧化装置１０及び点火装置１１の拡大断面図を示し
ている。点火装置１１は、点火栓３２と、点火栓３２を
絶縁するためのセラミックス製の絶縁部材３３と、絶縁
部材３３を支持固定するためのケース３５とからなり、
絶縁部材３３は固定用ビス３６によりケース３５に固定
され、ケース３５は第１の燃焼筒５に取付けられ、点火
栓３２が第１の燃焼室８内に突出されるように配置され
る。ケース３５には、エア流入孔３７が設けられエア流
入孔３７から流入するエアは、絶縁部材３３の外周を通
って点火栓３２の方向に流れるように構成している。

【００２１】図５（Ａ）は、前記超音波霧化装置１０の
断面図、図５（Ｂ）は、（Ａ）図のＢーＢ線に沿って矢
印方向から見た断面図である。

【００２２】超音波霧化装置１０は、シリンダ５２と、
シリンダ５２内に固定、支持される振動子ホーン５３
と、振動子ホーン５３に超音波振動を付与せしめる電気
・音響変換素子５４と、シリンダ５２の外周に螺合部５
５で螺合されるスリーブ部材５６から構成される。シリ
ンダ５２とスリーブ部材５６との間には、環状の液供給
路５７が形成され、該液供給路５７に液供給管５８から
燃料が供給される。

【００２３】振動子ホーン５３の先端には霧化部５３ａ
が形成される。この霧化部５３ａの形状は、図に示す半
球形状の他、拡径形状、バット形状等周知のホーン形状
が採用される。また、シリンダ５２とスリーブ部材５６
との間には環状のノズル部５７ａが形成され、該ノズル
部５７ａから液体が霧化部５３ａに供給され超音波振動
により微細液滴に霧化される。

【００２４】振動子ホーン５３には、振動しない部分す
なわち２箇所のノード部５９ａ、５９ｂがあり、シリン
ダ５２の内周面には、該ノード部５９ａ、５９ｂに対向
して溝が形成され、該溝内にＯリングからなる弾性体６
０、６１が嵌合されている。従って、振動子ホーン５３
をシリンダ５２内に挿入したとき、振動子ホーン５３が
弾性体６０、６１により固定支持されると共に、振動子
ホーン５３とシリンダ５２およびスリーブ部材５６の同
芯性が容易に出せることになる。

【００２５】シリンダ５２の内周先端と振動子ホーン５
３との間にはＯリングからなるシール材６２が圧入され
る。これにより、振動子ホーン５３とシリンダ５２との
間の空間６５内への液体の侵入を防止し、空間６５内に
液体が入り込むことにより生じる気泡の発生を防止し、
噴霧量の安定化を図ることができる。

【００２６】上記構成からなる本発明の作用について説
明する。ディーゼルエンジン１７が運転されると、エン
ジンの排気は排気管１９、排気室３１、第２の燃焼室９
及びフィルタトラップ３を経て排出され、排気ガス中の
パティキュレートは、フィルタトラップ３に捕捉され
る。フィルタトラップ１３に捕捉されたパティキュレー
トの量が増加し、フィルタトラップ３の入口側と出口側
に設けられた圧力センサ２７、２９の信号により、その
圧力差ΔＰが所定値以上に達すると、電子制御装置３０
により、燃焼エア用の流量制御弁１４、燃料供給用の流
量制御弁２１、超音波霧化装置１０の電気・音響変換素
子５４、点火装置１１に信号が出力され、超音波バーナ
４が運転される。なお、超音波バーナ４の運転をエンジ
ン運転の所定時間毎に行うようにしてもよい。

【００２７】燃料は、超音波霧化装置１０の振動子ホー
ン５３に供給され、霧化部５３ａにおいて超音波振動に
より微細液滴に霧化された後、エア供給管１６からの燃
焼用エアにより第１の燃焼室８に搬送され点火装置１１
により着火される。第１の燃焼室８において着火された
火炎は、テーパ状筒部材１２を通って第２の燃焼室９に
搬送され、ここで、排気室３１から排気流入孔６Ｅを通
って流入する排気ガスと混合され、排気ガス中の残留酸
素により燃焼が助勢される。そして、第２の燃焼室９を
出る火炎は、バッフル板７により一時的に押し止めら
れ、均一な温度となってフィルタトラップ３に送られ、
フィルタトラップ３に捕捉されたパティキュレートを燃
焼させてフィルタトラップ３の再生を図る。

【００２８】上記燃焼作用において、第１の燃焼室８に
おける燃焼によりススが発生し、これが点火装置１１の
点火栓３２及び絶縁部材３３に付着し、電気系統の短
絡、漏電が生じるため点火不良になる恐れがある。ま
た、第２の燃焼室９内に流入する排気ガスが第１の燃焼
室８内に侵入すると、排気ガス中のススが点火装置１１
の点火栓３２及び絶縁部材３３に付着し同様の問題を生
じる。本発明においては、点火装置１１のケース３５に
エア流入孔３７を形成し、エアを絶縁部材３３の外周を
通って点火栓３２の方向に流すため、点火栓３２及び絶
縁部材３３にススが付着することがなく、点火を確実に
行うことができる。また、テーパ状筒部材１２の存在に
より、第２の燃焼室９内に流入する排気ガスが第１の燃
焼室８内に侵入するのを防止することができ、ススの侵
入を防止することができる。

【００２９】図６は、実験結果によるフィルタトラップ
再生時の温度変化を示す図である。エンジン排気ガスの
温度をパティキュレート着火温度の６００℃以上に、か
つ、フィルタトラップが熔損しない９００℃以下の温度
範囲に制御可能となった。

【００３０】図７は、実験結果による排気ガス中の酸素
濃度に対する再生可能領域を示す図である。テーパ状筒
部材１２がない場合には、Ａ線に示すように排気ガス酸
素濃度が１０％までが再生可能でそれ以下になると着火
不能になっていたが、テーパ状筒部材１２を設けた場合
には、Ｂ線に示すように排気ガス酸素濃度が６．５％ま
でが再生可能となり、高負荷運転及び高回転運転時にお
いても着火を確実に行わせることができるようになっ
た。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ハ
ウジング内に配設されるフィルタトラップと、フィルタ
トラップの上流側に設けられる超音波バーナとを備え、
該超音波バーナは、第１の燃焼筒及び第２の燃焼筒によ
り形成される第１の燃焼室及び第２の燃焼室と、該第１
の燃焼室に設けられる超音波霧化装置及び点火装置とを
有し、さらに、該点火装置は、点火栓と、該点火栓を絶
縁するための絶縁部材と、該絶縁部材を支持固定するた
めのケースと、該ケースに形成されるエア流入孔とを有
し、排気ガスを前記第２の燃焼筒に形成された排気流入
孔を介して前記第２の燃焼室に導入させるようにするた
め、点火装置にススが付着することが防止されバーナの
着火性を確実に維持し、また、排気ガスを第２の燃焼室
に導入させるため、バーナとフィルタトラップ間の距離
を短くすることができ、装置の小型化を実現できる。そ
して、エンジンを運転しながらフィルタトラップの再生
を可能にすると共に、フィルタトラップの熔損を防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装
置の１実施例を示す構成図

【図２】制御用データの一例を説明するための図

【図３】第１の燃焼室及び第２の燃焼室の拡大断面図

【図４】第１の燃焼室に配設される超音波霧化装置及び
点火装置の拡大断面図

【図５】（Ａ）は超音波霧化装置の断面図、（Ｂ）は
（Ａ）図のＢーＢ線に沿って矢印方向から見た断面図

【図６】実験結果によるフィルタトラップ再生時の温度
変化を示す図

【図７】実験結果による排気ガス中の酸素濃度に対する
再生可能領域を示す図

【符号の説明】

１…排気ガス浄化装置、２…ハウジング、３…フィルタ
トラップ ４…超音波バーナ、５…第１の燃焼筒、６…第２の燃焼
筒、７…バッフル板 ８…第１の燃焼室、９…第２の燃焼室、１０…超音波霧
化装置 １１…点火装置、１２…テーパ状筒部材、１３…ファン
又はエアコンプレッサ １４…流量制御弁、１６…エア供給管、１７…ディーゼ
ルエンジン １９…排気管、２０…燃料供給管、２１…流量制御弁 ２２…エンジン回転数センサ、２３…エンジン負荷セン
サ ２５…エンジン排気温度センサ、２６…フィルタ内温度
センサ ２７、２９…圧力センサ、３０…電子制御装置、３２…
点火栓 ３３…絶縁部材、３５…ケース、３７…エア流入孔

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成３年４月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング内に配設されるフィルタトラッ
   プと、フィルタトラップの上流側に設けられる超音波バ
   ーナとを備え、該超音波バーナは、第１の燃焼筒及び第
   ２の燃焼筒により形成される第１の燃焼室及び第２の燃
   焼室と、該第１の燃焼室に設けられる超音波霧化装置及
   び点火装置とを有し、さらに、該点火装置は、点火栓
   と、該点火栓を絶縁するための絶縁部材と、該絶縁部材
   を支持固定するためのケースと、該ケースに形成される
   エア流入孔とを有し、排気ガスを前記第２の燃焼筒に形
   成された排気流入孔を介して前記第２の燃焼室に導入さ
   せることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄
   化装置。
2. 【請求項２】前記第１の燃焼室の開口部に固定され第１
   の燃焼室の開口面積を徐々に狭め前記第２の燃焼室に突
   出するテーパ状筒部材を有することを特徴とする請求項
   １に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。