JPH06341310A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フィルタの外周部下流側のパティキュレ−トを
良好に燃焼可能な排気ガス浄化装置を提供する。着火前
のフィルタ各部の温度のばらつきを抑制してフィルタ各
部を良好に再生可能な排気ガス浄化装置を提供する。 【構成】再生中にフィルタの径方向中心部下流側におけ
る燃焼を停止させる。すなわち、フィルタの径方向中心
部下流側における温度を燃焼持続温度（通常約６００
℃）以下とする。その後、所定時間経過してからフィル
タへの給気流量を増大させて、フィルタの径方向中心部
下流側における燃焼を再開する。このようにすれば、フ
ィルタの外周部下流側のフィルタ燃え残りを大幅に低減
できる。また、電熱手段への通電開始後でかつパティキ
ュレ−ト着火前の予熱期間の給気流量を、その後の着火
期間及び燃焼伝播期間の給気流量よりも増大させること
により、フィルタ各部の着火又は燃焼伝播のばらつきを
防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
排気中に含まれる微粒子成分（パティキュレ−ト）を捕
集し、再生する排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のディーゼルエンジン用の排気ガス
浄化装置におけるフィルタ再生では、フィルタの再生時
上流側に配設したヒータに通電するとともに、フィルタ
の上流側に外気（酸素）を給気し、フィルタに捕集され
たパティキュレ−トをフィルタの上流側より下流側へ順
番に燃焼していく端面着火延焼方式が主流である。

【０００３】このフィルタ再生過程において、ヒータへ
の通電電力を再生段階に応じて制御すること、及び、再
生が終了してヒータへの通電を停止した後もフィルタ冷
却のために給気を持続する放冷動作の実施については公
知である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来技術では、フィルタ各部のパティキュレ−トを万遍
なく燃焼することが難しく、特に、フィルタ外周部下流
側のパティキュレ−トの燃え残りを解消することが困難
であった。そして、このようにフィルタの一部に燃え残
りが生じると、フィルタの圧力損失が再生完了後も充分
に低下せず、更に次回再生時のパティキュレ−トの捕集
密度がばらつくので、フィルタの局部的温度上昇を生じ
てフィルタが損傷する可能性がある。

【０００５】以下、本発明者らが実験などにより調べた
結果によると、フィルタの外周部下流側のパティキュレ
−トが燃え残る理由は、下流側の中心部より外周部が燃
え残るのは、基本的に外周部の放熱が大きいためであ
る。外周部下流側の温度上昇を図るには、給気流量を増
加してフィルタが許容する温度範囲で発熱量を増大すれ
ばよいと考えられるが、給気流量を単純に増加すると以
下の不具合を生じることがわかった。

【０００６】すなわち実験結果によれば、給気流量を増
加すると、径方向中心部において下流方向へ酸素が大量
供給されるために（気流が流れるので）、径方向中心部
において下流端まで速やかにパティキュレ−トの燃焼が
進行してしまう。その結果、図１２（ａ）に示すよう
に、パティキュレ−トが焼却されたフィルタの径方向中
心部を給気流が通り抜けてしまい、フィルタの外周部下
流側へ給気流が回らず、給気流量を単純に増加するだけ
では、図１２（ｂ）に示すように、フィルタの外周部下
流側の燃焼促進に有効でないということが判明した。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、その第一の目的は、フィルタの外周部下流側にパ
ティキュレ−トを良好に燃焼可能な排気ガス浄化装置を
提供することにある。また、従来の端面着火延焼方式で
は、ヒータに通電して所定時間後にフィルタの上流側端
面全面のパティキュレ−トにほとんど同時に着火し、全
体的に均一の延焼速度で燃焼伝播するのが理想である
が、着火前のフィルタ各部の温度がばらつくので着火時
期や延焼速度がばらついてしまい、そのためにフィルタ
各部の再生率がばらつく可能性があった。

【０００８】本発明の第２の目的は、着火前のフィルタ
各部の温度を均斉化してフィルタ各部を良好に再生可能
な排気ガス浄化装置を提供することを、その第２の目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１発明の排気ガス浄化
装置は、ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設されたフ
ィルタと、再生時における前記フィルタの上流側に配設
されるとともに、前記フィルタに捕集されたパティキュ
レ−トを燃焼させて前記フィルタを再生する電熱手段
と、前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給
気手段と、前記給気手段及び前記電熱手段の制御により
前記再生中に前記フィルタの径方向中心部下流側におけ
る燃焼を鎮静化させ、その後、所定時間経過してから前
記給気手段の制御により前記フィルタへの給気流量を増
大させて前記フィルタの径方向中心部下流側における燃
焼を復活させる制御手段と、とを備えることを特徴とし
ている。

【００１０】第２発明の排気ガス浄化装置は、ディ−ゼ
ルエンジンの排気経路に配設されたフィルタと、前記フ
ィルタの再生時上流側に配設されるとともに、前記フィ
ルタに捕集されたパティキュレ−トを燃焼させて前記フ
ィルタを再生する電熱手段と、前記フィルタの再生時に
前記フィルタに給気する給気手段と、前記給気手段を制
御することにより、前記電熱手段への通電開始後でかつ
前記パティキュレ−ト着火前の予熱期間の給気流量を、
その後の着火期間及び燃焼伝播期間の給気流量よりも増
大させる制御手段を備えることを特徴としている。

【００１１】

【作用及び発明の効果】第１発明では、給気手段及び電
熱手段を制御して、再生中にフィルタの径方向中心部下
流側における燃焼を沈静化させる。例えば、フィルタの
径方向中心部下流側における温度を燃焼持続温度（通常
約６００℃）以下とする。その後、所定時間経過してか
ら給気手段の制御によりフィルタへの給気流量を増大さ
せて、フィルタの径方向中心部下流側における燃焼を再
開する。

【００１２】このようにすれば、フィルタに供給された
酸素はフィルタの径方向中間部及び外周部の上流側や中
流側へ充分に回り、この部分のパティキュレ−トを燃焼
させる。この後で、給気流量を増大すれば、フィルタに
おける燃焼、発熱が増大し、かつ、フィルタ内における
空気又はガスの流れに沿って、径方向中心部下流側の燃
焼が再開され、パティキュレ−トの燃え残り部分は万遍
なく燃焼する。

【００１３】したがって、この発明によれば、フィルタ
各部、特にフィルタの外周部下流側のフィルタ燃え残り
を大幅に低減できる。第２発明では、電熱手段への通電
開始後でかつパティキュレ−ト着火前の予熱期間の給気
流量を、その後の着火期間及び燃焼伝播期間の給気流量
よりも増大させることにより、予熱期間におけるフィル
タ内の伝熱速度を増加させ、フィルタ内の昇温速度のば
らつきを減少し、着火時点におけるフィルタ各部の温度
ばらつきを減少し、フィルタ各部の着火又は燃焼伝播の
ばらつきを防止し、均一な燃焼を実現することができ
る。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を図
１に示す。この排気ガス浄化装置は両端密閉のフィルタ
収容ケース１を有し、フィルタ収容ケース１内にはその
上流側から下流側へ、排気圧検出用の上流側圧力センサ
７、温度センサ６、ヒータ（本発明でいう電熱手段）１
１、フィルタ２、フィルタ下流圧力検出用の下流側圧力
センサ１７が順番に配置されている。フィルタ収容ケー
ス１の上流側の端壁にはディーゼルエンジン２０の排気
管３が配設されており、排気管３の途中から送気管１０
が分岐されている。送気管１０は電磁弁１４を通じて給
気用のブロワ１３の出口に連結され、給気用のブロワ１
３の入口は空気流量センサ１５を通じて外部に開口して
いる。

【００１５】一方、上記したヒータ１１、ブロワ１３の
モータＭはコントローラ（制御手段）８により駆動制御
され、また、ディーゼルエンジン２０に装着された回転
数センサ１８の出力信号はコントローラ８に出力され
る。コントローラ８はＡ／Ｄコンバータ内蔵マイコン
（図示せず）を具備しており、各種データを処理して、
スイッチ５５、５６を開閉制御してヒータ１１、ブロワ
１３を制御するともに、異常発生時に異常警報ランプ９
を点灯する（異常信号を出力する）。なお、コントロー
ラ８は、空気流量センサ１５の信号に基づいてブロワに
印加する電圧をデューティ比制御（フィードバック制
御）により、ブロワ１３の給気流量を目標レベルに精密
制御している。

【００１６】５は給電装置であって、商用地上電源（図
示せず）に接続されるプラグ５１、降圧トランス５２、
全波整流器５３からなり、全波整流器５３から出力され
る直流電圧が半導体電力スイッチ５５、５６を通じてヒ
ータ１１及びブロワ駆動モータＭに供給される。フィル
タ２はハニカムセラミックフィルタ（日本碍子ｋｋ製、
直径５．６６インチ×長さ６インチ）であって、コ−ジ
ェライトを素材として円柱形状に焼成されている。フィ
ルタ２はその両端面を貫通する多数の通気孔を有し、隣
接する通気孔の一方は上流端で封栓され、その他方は下
流端で封栓されている。排気ガスは隣接する通気孔間の
多孔性隔壁を透過し、パティキュレ−トだけが通気孔内
に捕集される。フィルタ２の両端面はケース１の両端面
に所定距離を隔てて対面している。

【００１７】ヒータ３はニクロム線を素材とする電熱抵
抗体からなり、フィルタ２の再生時上流側に当たる端面
に近接配置されている。以下、この装置の動作を説明す
る。 （パティキュレ−ト捕集動作）ディ−ゼルエンジン２０
から排出された排気ガスは排気管３を通じてケース１内
に導入され、排気ガス中のパティキュレ−トはフィルタ
２で捕集され、浄化された排気ガスは尾管４から外部に
排出される。

【００１８】（フィルタ再生動作）次に、このフィルタ
２の再生動作を図２〜図３及び図５のフローチャートに
従って説明する。なお、この装置ではフィルタ再生動作
をエンジン停止期間に外部電源から受電して手動操作に
よる起動により開始するものとする。再生開始直前に電
磁弁１４は開かれる。

【００１９】まず、エンジン運転中に実施されるフィル
タ再生判別ルーチン（ステップ１００〜１１１）及びエ
ンジン停止中に実施されるフィルタ再生実行ルーチン
（ステップ１１２〜１１６）からなるフィルタ再生ルー
チンを図２に示す。まず、エンジン２０の起動とともに
フィルタ再生判別ルーチンがスタートされ、ステップ１
００にて、圧力センサ７、１７が検出する排気圧力Ｐ
１，Ｐ２と、回転数センサ１８が検出するエンジン回転
数ｎと、温度センサ６が検出する排気ガス温度Ｔに基づ
いて、記憶マップに基づいてパティキュレ−ト捕集量を
算出する。

【００２０】次に、ステップ１０８にて、サーチしたパ
ティキュレ−ト捕集量Ｇが所定のしきい値Ｇｔを超過し
たかどうかを調べ、超過しなければステップ１００にリ
ターンし、超過したらステップ１１１に進む。ステップ
１１１では、フィルタ再生を指令するランプ９１を点灯
して、ルーチンを終了する。

【００２１】その後、運転者がフィルタ再生を指令する
ランプ９１の点灯を視認し、エンジン停止状態にて再生
スイッチ（図示せず）をオンすると、上記フィルタ再生
実行ルーチンが開始される。このルーチンでは、まずス
テップ１１２にてブロワ１３を起動し、次に、内蔵のタ
イマーを起動し（１１４）、タイマー制御サブルーチン
を実行して再生動作を行い（１１６）、再生を終了する
（１１８）。

【００２２】上記したタイマー制御サブルーチンについ
て図３を参照しつつ以下に説明する。このサブルーチン
は、タイマーに基づいて通電、送風制御を行うものであ
り、以下、前期放冷モード、予熱モード、着火モード、
燃焼伝播モード、後期放冷モードの順に制御動作を実行
する。 （前期放冷モード）まずステップ１１６１にて、ブロワ
１３へ通電して給気流量を１９０リットル／分と大きく
設定し、一分間送風し、フィルタ２やヒータ１１を常温
にまで冷却する。これは、エンジン排気ガスなどによる
加熱でフィルタ２やヒータ１１の初期温度がばらつく
と、着火時期や最高温度がばらついてしまうからであ
る。 （予熱モード）次のステップ１１６２にて、ヒータ１１
へ０．８ｋＷの電力を給電し、ブロワ１３の給気流量を
１９０リットル／分のままとし、１０分間継続する（１
１６３）。この大給気流量の送風によりフィルタ２の各
部は均一に予熱される。 （着火モード）次のステップ１１６４にて、ヒータ１１
への給電電力を１．３ｋＷに増大し、かつ、ブロワ１３
の給気流量を２０リットル／分に大幅削減し、３分間継
続する（１１６５）。この加熱電力増大、給気流量低減
によりフィルタ２の前端面のパティキュレ−トの温度が
急上昇し、着火する。 （燃焼伝播モード）次のステップ１１６６にて、ヒータ
１１への給電電力を１．２ｋＷに小幅削減し、かつ、ブ
ロワ１３の給気流量を２０リットル／分のままとし、２
２分間継続する（１１６７）。これにより、フィルタ２
の前端面から下流方向へ燃焼が進行する。

【００２３】ただ、この実施例では、給気流量が少ない
ためにパティキュレ−ト燃焼に伴う発熱量はそれほど大
きくなく、かつ、いわゆる風圧が弱いので気流方向へ延
焼しにくくなり、更に、燃焼がフィルタ２の下流側へ進
むにつれて熱収支が放熱側に傾くために温度が低下し、
フィルタ２の径方向中心部下流側では燃焼持続温度（約
６００℃）以下となって燃焼が停止する。

【００２４】この燃焼停止により、従来のようにフィル
タ２の径方向中心部が下流側端面まで燃焼が進み、空気
抵抗が減少して給気流量が径方向中心部を素通りするこ
とが防止できる。そのため、フィルタ２の径方向中間部
の中流部は酸素の供給により下流部直前まで充分に燃焼
持続し、また、フィルタ２の外周部上流側も同様の理由
でその中流部直前まで燃焼持続する。

【００２５】すなわち、この燃焼伝播モードによれば、
フィルタ２の径方向中心部下流側がフィルタ２の下流側
端面まで燃焼し尽くしてフィルタ２の径方向中心部の空
気抵抗が低下し、給気流量が径方向中心部を素通りする
ことにより、径方向中間部及び外周部に充分な酸素が供
給されずに、延焼が遅滞するのを防ぐことができる。 （後期放冷モード）次のステップ１１６８にて、ヒータ
１１への給電電力を停止するとともに、ブロワ１３の給
気流量を９０リットル／分に増大し、１０分間継続する
（１１６９）。

【００２６】このように給気流量を大幅に増大すると、
酸素供給量の増大、特に径方向中心部下流側への酸素供
給量の増大により、径方向中心部下流側にて燃焼が再開
され、また、径方向中間部下流側や外周部中流、下流側
での燃焼も加速され、急速かつ各部均一に再生が行われ
る。その後、各部のパティキュレ−トの燃焼が終了した
後、大給気流量によりフィルタ２が冷却された後、ブロ
ワ１３をオフし（１１７０）、再生が終了する。

【００２７】実験結果を図４〜図１２に示す。この実験
に用いたフィルタ２は直径１４４ｍｍ、全長１５２ｍｍ
であり、中心から半径２０ｍｍの部分を径方向中心部測
温点（Ｄ，Ｅ，Ｆ）とし、中心から半径４０ｍｍの部分
を径方向中間部測温点（Ｇ，Ｈ，Ｉ）とし、中心から半
径６０ｍｍの部分を外周部測温点（Ａ，Ｂ，Ｃ）とし
た。また、上流側端面から１２ｍｍの部分を上流側測温
点（Ａ，Ｄ，Ｇ）とし、上流側端面から７７ｍｍの部分
を中流側測温点（Ｂ，Ｅ，Ｈ）とし、下流側端面から１
５ｍｍの部分を下流側測温点（Ｃ，Ｆ，Ｉ）として、合
計９ポイントの測温点の温度を再生期間中、測定した
（図４〜図５）。

【００２８】この実験において、パティキュレ−ト捕集
量は約８．６ｇ／リットルであり、給気流量パターン及
び通電電力パターンは上述の通りである。図６に径方向
中心部の温度変化を示し、図７に径方向中間部の温度変
化を示し、図８に外周部の温度変化を示す。図６のＫ点
は、径方向中心部下流側が一部燃焼した後、温度低下し
て燃焼停止した状態を示している。

【００２９】図７は、燃焼伝播モード中、径方向中間部
の中流部が燃焼し尽くしていることを示している。図８
は、燃焼伝播モード中、外周部の上流部が大体燃焼した
ことを示している。図９に、本実施例におけるフィルタ
各部最高温度及び再生率（（燃え残り量／捕集量）×１
００）と捕集量との関係を示す。捕集量１０ｇまでは、
フィルタ許容温度１０００℃以下となって再生できるこ
とがわかる。

【００３０】図１０に、従来の一定給気流量再生方式
（給気流量は６０リットル／分で一定とした他は上記と
同じ条件で実験した）におけるフィルタ各部最高温度及
び再生率と捕集量との関係を示す。捕集量１０ｇではフ
ィルタ許容温度は１０００℃を超え、フィルタ２が損傷
する危険が生じる。すなわち、図１０の従来の一定給気
流量再生方式では、下流部での延焼停止を回避するため
に必要なレベル以上の一定給気流量（３０リットル／
分）で、送風するため、少し捕集量が多いと、燃焼が盛
んな燃焼伝播モード時にフィルタ２の温度が一気に上昇
してしまい、フィルタ２の最高許容温度を突破してしま
うものと考えられる。このような問題も本実施例の燃焼
方式を採用することにより解決される。

【００３１】図１１は上記した燃焼伝播モード及び後期
放冷モード時におけるフィルタ２の内部のパティキュレ
−ト燃え残り状態を示す模式断面図であり、図１２は従
来の一定給気流量再生方式における燃焼伝播モード及び
後期放冷モード時におけるフィルタ２の内部のパティキ
ュレ−ト燃え残り状態を示す模式断面図である。図１１
及び図１２から両燃焼方式の差異が明白となる。

【００３２】なお、上記した実施例では、電熱手段はフ
ィルタ２の上流側端面近傍に配設したヒータ１１により
構成したが、それに加えてフィルタ２の外周に巻装する
外周ヒータを追加すれば、更に燃え残りを低減して再生
率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を示すブ
ロック図、

【図２】その再生動作を示すフローチャート、

【図３】その再生動作を示すフローチャート、

【図４】実験に用いたフィルタにおける測温点を示す説
明図、

【図５】実験に用いたフィルタにおける測温点を示す説
明図、

【図６】フィルタの径方向中心部における温度変化を示
す図、

【図７】フィルタの径方向中間部における温度変化を示
す図、

【図８】フィルタの外周部における温度変化を示す図、

【図９】本実施例における捕集量とフィルタ最高温度と
再生率との関係を示す特性図、

【図１０】従来における捕集量とフィルタ最高温度と再
生率との関係を示す特性図、

【図１１】本実施例におけるパティキュレ−ト燃焼状態
を示す状態図、

【図１２】従来におけるパティキュレ−ト燃焼状態を示
す状態図。

【符号の説明】

２はフィルタ、６は温度センサ、７、１７は圧力セン
サ、８はコントローラ（通電制御手段）、１１はヒータ
（電熱手段）、１３はブロワ（給気手段）、１８は回転
数センサ。

【手続補正書】

【提出日】平成６年１月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】

【実施例】一方、上記したヒータ１１、ブロワ１３のモ
ータＭ及び電磁弁１４はコントローラ（制御手段）８に
より駆動制御され、また、ディーゼルエンジン２０に装
着された回転数センサ１８の出力信号はコントローラ８
に出力される。コントローラ８はＡ／Ｄコンバータ内蔵
マイコン（図示せず）を具備しており、各種データを処
理して、スイッチ５５、５６を開閉制御してヒータ１
１、ブロワ１３を制御するともに、異常発生時に異常警
報ランプ９を点灯する（異常信号を出力する）。なお、
コントローラ８は、空気流量センサ１５の信号に基づい
てブロワに印加する電圧をデューティ比制御（フィード
バック制御）により、ブロワ１３の給気流量を目標レベ
ルに精密制御している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設され
   たフィルタと、 再生時における前記フィルタの上流側に配設されるとと
   もに、前記フィルタに捕集されたパティキュレ−トを燃
   焼させて前記フィルタを再生する電熱手段と、 前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給気手
   段と、 前記給気手段及び前記電熱手段の制御により前記再生中
   に前記フィルタの径方向中心部下流側における燃焼を鎮
   静化させ、その後、所定時間経過してから前記給気手段
   の制御により前記フィルタへの給気流量を増大させて前
   記フィルタの径方向中心部下流側における燃焼を復活さ
   せる制御手段と、 を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設され
   たフィルタと、 前記フィルタの再生時上流側に配設されるとともに、前
   記フィルタに捕集されたパティキュレ−トを燃焼させて
   前記フィルタを再生する電熱手段と、 前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給気手
   段と、 前記給気手段を制御することにより、前記電熱手段への
   通電開始後でかつ前記パティキュレ−ト着火前の予熱期
   間の給気流量を、その後の着火期間及び燃焼伝播期間の
   給気流量よりも増大させる制御手段を備えることを特徴
   とする排気ガス浄化装置。