JPH0674018A - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィルタにおける温度勾配を小さくして、熱
応力によりフィルタに発生するクラックを未然に防ぐ。 【構成】 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１７が、排ガス浄化ケーシング
１６の内部に収納されている。また、捕集されたパティ
キュレートを加熱する加熱手段２２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
２６とが設けられ、さらにフィルタ１７の外周部と排ガ
ス浄化ケーシング１６との間には排ガス浄化ケーシング
１６と隔離されて高熱伝導性の熱伝達手段１８が設けら
れている。これによって、フィルタ１７における温度勾
配を減小させ熱応力によって発生するクラックを未然に
防ぐ。

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再生装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】欧米及び日本などのいわゆる先進工業国
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】酸性雨を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自然現象であり、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・ジュネレー
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、その規制値自体
が大幅に削減されようとしている。

【０００５】自動車の中でもディーゼル車の排ガスは窒
素酸化物と同時にパティキュレートも排出規制がなされ
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。ところで、この後
処理装置としてはパティキュレートを捕集するためにフ
ィルタが用いられているが、このフィルタはパティキュ
レートが捕集され続けると目詰まりを起こしてしまい、
そのため圧損が増加し排ガスの流れが悪くなってエンジ
ンの出力が低下したり、エンジンが停止してしまう。

【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、
未だ実用の域には至っていない。

【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】本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装
置構成の容易さなどを考慮して、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。

【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７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の駆動電源、
１３はマフラー、１４は空気切り換えバルブ、１５は排
気ガス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
スは排気ガス切り換えバルブ１５によってフィルタ５に
導かれた後大気に排出されるか、直接大気へ排出され
る。パティキュレート捕集サイクルにおいて排気ガス中
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切り換えバルブ
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、この
間にフィルタ５の再生が行なわれる。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切り換えバルブ１５
が再び制御されてフィルタ５に排気ガスが導かれる。そ
してこの捕集と再生のサイクルが繰り返される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の内燃機関フィルタ再生装置では、フィルタ内部は排ガ
スの流れ方向にマイクロ波により温度勾配を生じるとと
もに供給された空気の流れがフィルタ径断面で均一でな
いことにより、パティキュレートの燃焼時、フィルタの
内部と外部、および気体の流れ方向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問題が生じる。

【００１２】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時のフィルタの内部と外
部およびパティキュレートを燃焼させる空気の流れ方向
の温度勾配を抑え、熱応力によるフィルタの機械的な破
損を防止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、前記フィルタを収納する排
ガス浄化ケーシングと、前記フィルタに捕集された前記
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、前記フィルタの外周部と前記排ガス浄化ケー
シングとの間で前記排ガス浄化ケーシングと隔離されて
設けられた高熱伝導性の熱伝達手段とを備えている。

【００１４】また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、前記フィルタを収納
する排ガス浄化ケーシングと、前記フィルタに捕集され
た前記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、前記フィルタの外周部と前記排ガス浄
化ケーシングとの間で前記排ガス浄化ケーシングと隔離
され、前記加熱手段が発生するエネルギが供給される前
記フィルタ端面から遠い側の前記フィルタ端面に片寄ら
して設けられた高熱伝導性の熱伝達手段とを備えてい
る。

【００１５】

【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れ方向にパ
ティキュレートの燃焼領域が拡大していく。フィルタの
外周部と排ガス浄化ケーシングとの間で排ガス浄化ケー
シングと隔離されて設けられた高熱伝導性の熱伝達手段
よりパティキュレート加熱時の熱およびパティキュレー
ト燃焼時の熱を加熱手段で十分に加熱されない、加熱手
段が発生するエネルギ供給側フィルタ端面から見て遠い
方のフィルタ外周部に伝えることによりその部分の温度
を高める。これにより気体の流れ方向およびフィルタ内
部と外部の温度差を緩和させる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の第一の実施例を図１、図２、図
３及び図４を参照しながら説明する。

【００１７】図１において１６は排ガス浄化ケーシング
であり、その空間内に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１７が設けられ、フィルタ１７
の外周部と排ガス浄化ケーシング１６との間で排ガス浄
化ケーシング１６と隔離されて高熱伝導性の熱伝達手段
１８（例えば銅板）が設けられている。熱伝達手段１８
と排ガス浄化ケーシング１６の間に断熱材１９が設けら
れ、フィルタ支持も兼ねている。マイクロ波発生手段２
２（パティキュレートの加熱手段）の発するマイクロ波
は導波管２３により排ガス浄化ケーシング１６の空間内
に供給される。このマイクロ波によりフィルタ１７に捕
集されたパティキュレートが誘電加熱される。また排ガ
ス浄化ケーシング１６内には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２０、及
び２１が設けられている。

【００１８】内燃機関の排ガスは排気管２４及び２５を
通して排出される。マイクロ波により誘電加熱されたパ
ティキュレートを燃焼させる酸素を含む気体（自然の空
気でよい）は外部（大気中）から気体供給手段２６によ
りフィルタ１７に供給される。２７はフィルタ再生時に
排ガスをバイパスさせるバイパス管である。２８、２
９、３０及び３１はバルブであり、それぞれのバルブは
パティキュレート捕集時は図１のように、パティキュレ
ート加熱時は図２のように、さらに気体供給時には図３
のようにそれぞれ制御される。

【００１９】内燃機関から排出される排ガスは排出管２
４を流れてフィルタ１７に流入し、排気管２５に流され
る。このときバルブ２８、２９、３０及び３１は図１の
ように制御されている。フィルタ１７はウォールフロー
タイプのハニカム構造で構成され、排ガスに含まれるパ
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加すると、
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
が増大するとともに最悪の場合はエンジン停止に至る。

【００２０】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。フィルタに捕集されたパティキュレートは加熱燃焼
させて除去される。このプロセスをフィルタ再生と称し
ている。

【００２１】次にフィルタ再生のプロセスを説明する。
フィルタ１７に捕集したパティキュレート捕集量がフィ
ルタ再生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。

【００２２】この再生制御指令は制御部（図示せず）よ
り発せられる。この制御部の指令に基づいてバルブ２
８、２９、３０及び３１が図２のように制御されてフィ
ルタへ流入していた排気ガスが遮断される。内燃機関が
動作しているときは、排ガスはバイパス管２７に導かれ
る。またマイクロ波発生手段２２に駆動電圧が供給され
る。マイクロ波発生手段２２が発生するマイクロ波は導
波管２３を伝わって排ガス浄化ケーシング１６の空間内
に給電される。これにより、フィルタ１７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
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可能温度に達して
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。このとき、排ガス浄化ケーシン
グ１６への排ガスおよびその他の気体の流入はほぼ完全
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の向かって効率よく温度上昇
していく。

【００２３】この後に、バルブ２８、２９、３０及び３
１が図３のように制御され、気体供給手段２６の動作が
開始される。これにより外部から気体供給手段２６によ
り酸素を含む気体がフィルタ１７に供給され、フィルタ
１７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。パティキュレート燃焼領域は気体の流れ方向に
移動しつつフィルタ外周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。

【００２４】そしてマイクロ波発生手段２２および気体
供給手段２６は動作を停止するとともに適当な時期にバ
ルブ２８、２９、３０及び３１が再び図１のように制御
されフィルタ再生サイクルが終了する。その後またフィ
ルタ１７に排ガスを流入させパティキュレートの捕集を
実行することができる。

【００２５】ところで、パティキュレートを燃焼させる
気体を供給すると燃焼領域はごく短時間（１０分以内）
に気体の流れ方向下流側のフィルタの端面に達する。こ
の短時間の燃焼において気体の流れ方向下流側のフィル
タ１７の外周近傍に捕集されたパティキュレートはマイ
クロ波で十分に加熱されず、また気体による冷却作用の
影響を受け、この領域のパティキュレートを燃焼させる
ことは困難である。フィルタ１７内部はパティキュレー
ト燃焼により９００℃程度に達するが、一方外周部は４
００℃程度にしか温度が上がらない。このためフィルタ
内部と外周部との間、および気体の流れ方向に大きな温
度勾配が生じ、熱応力によりフィルタ１７にクラックが
発生する恐れがある。

【００２６】図４は本発明の一実施例を示すフィルタ１
７収納部分の拡大図である。図４のようにフィルタ１７
の外周部と排ガス浄化ケーシング１６との間で排ガス浄
化ケーシング１６と隔離されて設けられた熱伝達手段１
８により、マイクロ波によるパティキュレート加熱時の
熱およびパティキュレート燃焼時の熱をマイクロ波で十
分に加熱されない、マイクロ波供給側フィルタ１７端面
３２から見て遠い方のフィルタ１７外周部に伝え、フィ
ルタ内部と外周部との間、および気体の流れ方向の温度
勾配を小さくして熱応力によってフィルタ１７にクラッ
クが発生するのを未然に防ぐことができる。またマイク
ロ波で十分に加熱されない、マイクロ波供給側フィルタ
１７端面３２から見て遠い方のフィルタ１７外周部のパ
ティキュレートを燃焼可能温度にまで高めて燃焼させ、
再生性能を高めることができる。

【００２７】また、第二の実施例として図５のようにら
せん状に熱伝達手段１８（例えば銅板）を巻き付けても
同じような効果が得られる。

【００２８】次に本発明の第三の実施例を図６を用いて
説明する。図４、図５のようにするとパティキュレート
が燃焼開始する部分の熱がマイクロ波で十分に加熱され
ない、マイクロ波供給側フィルタ１７端面３２から遠い
方のフィルタ１７外周部に伝わってしまい、パティキュ
レート燃焼開始部分のパティキュレートが燃焼可能温度
になるまでにマイクロ波で加熱する時間が熱伝達手段１
８を設けない場合に比べて長くなってしまうという欠点
が生ずる。図６において第一、第二の実施例と異なる点
はマイクロ波供給側フィルタ１７端面３２から遠い側の
フィルタ１７端面に片寄らせて熱伝達手段をフィルタ１
７の外周部と前記排ガス浄化ケーシング１６との間で排
ガス浄化ケーシング１６と隔離して設けたことである。
こうすることにより、パティキュレートが燃焼開始する
フィルタ１７外周部分のマイクロ波による加熱時の熱が
マイクロ波で十分に加熱されない、マイクロ波供給側フ
ィルタ１７端面３２から見て遠い方のフィルタ１７外周
部に逃げないためマイクロ波による加熱時間は第一、第
二の実施例に比べて短くできる。

【００２９】なお、マイクロ波を入射させるフィルタ端
面は排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、排ガス浄化ケーシング１６
に設けられた給電孔は低誘電損部材で覆う構成をとると
より好ましい。また加熱空間はＴＥモードの共振が好ま
しく、モードの安定化のために給電孔は排ガス浄化ケー
シング１６の対向する２カ所設けられる（図示せず）。
また、マイクロ波遮蔽手段２０、２１は排気管の径によ
っては不用にすることもできる。

【００３０】なお、パティキュレート加熱手段としてマ
イクロ波発生手段を一例として説明したが加熱手段は例
えば、電気ヒータ、バーナなどを用いてもよい。

【００３１】なお、熱伝達手段は銅板でなくても良い。

【００３２】

【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）フィルタの外周部と排ガス浄化ケーシングとの間
で排ガス浄化ケーシングと隔離されて設けられた高熱伝
導性の熱伝達手段を設けたことにより、パティキュレー
ト加熱時の熱およびパティキュレート燃焼時の熱をマイ
クロ波で十分に加熱されない、マイクロ波供給側フィル
タ端面から見て遠い方のフィルタ外周部に伝え、フィル
タ内部と外周部との間、および気体の流れ方向の温度勾
配を小さくして熱応力によりフィルタにクラックが発生
するのを未然に防ぐことができる。またマイクロ波で十
分に加熱されない、マイクロ波供給側フィルタ端面から
見て遠い方のフィルタ外周部のパティキュレートを燃焼
可能温度にまで高めて燃焼させ、フィルタの再生性能を
高めることができる。 （２）フィルタの外周部と排ガス浄化ケーシングとの間
で排ガス浄化ケーシングと隔離され、加熱手段が発生す
るエネルギが供給されるフィルタ端面から遠い側のフィ
ルタ端面に片寄らして高熱伝導性の熱伝達手段を設けた
ことにより、マイクロ波によるパティキュレート加熱時
の熱がマイクロ波で十分に加熱されない、マイクロ波供
給側フィルタ端面から見て遠い方のフィルタ外周部に逃
げないためマイクロ波による加熱時間は熱伝達手段を設
けない場合とほぼ同じにできる。また、パティキュレー
ト燃焼時の熱をマイクロ波で十分に加熱されない、マイ
クロ波が供給側フィルタ端面から見て遠い方のフィルタ
外周部に伝え、フィルタ内部と外周部との間、および気
体の流れ方向の温度勾配を小さくして熱応力によりフィ
ルタにクラックが発生するのを未然に防ぐことができ
る。さらにまた、マイクロ波で十分に加熱されない、マ
イクロ波供給側フィルタ端面から見て遠い方のフィルタ
外周部のパティキュレートを燃焼可能温度にまで高めて
燃焼させ、フィルタの再生性能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の内燃機関用フィルタ再
生装置におけるパティキュレーと捕集時の構成図

【図２】同装置におけるパティキュレート加熱時の構成
図

【図３】同装置における気体供給時の構成図

【図４】同装置のフィルタ収納部分の拡大図

【図５】本発明の第二の実施例の内燃機関用フィルタ再
生装置におけるフィルタ収納部分の拡大図

【図６】本発明の第三の実施例の内燃機関用フィルタ再
生装置におけるフィルタ収納部分の拡大図

【図７】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】

１６ 排ガス浄化ケーシング １７ フィルタ １８ 熱伝達手段 ２２ マイクロ波発生手段（加熱手段） ２６ 気体供給手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、前記フィルタを収納する
   排ガス浄化ケーシングと、前記フィルタの外周部と前記
   排ガス浄化ケーシングとの間で前記排ガス浄化ケーシン
   グと隔離されて設けられた高熱伝導性の熱伝達手段とを
   備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
2. 【請求項２】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、前記フィルタを収納する
   排ガス浄化ケーシングと、前記フィルタに捕集された前
   記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、前記フィルタの外周部と前記排ガス浄化ケ
   ーシングとの間で前記排ガス浄化ケーシングと隔離され
   て設けられた高熱伝導性の熱伝達手段とを備えた内燃機
   関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】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、前記フィルタを収納する
   排ガス浄化ケーシングと、前記フィルタに捕集された前
   記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、前記フィルタの外周部と前記排ガス浄化ケ
   ーシングとの間で前記排ガス浄化ケーシングと隔離さ
   れ、前記加熱手段が発生するエネルギ供給側の前記フィ
   ルタ端面から遠い側の前記フィルタ端面に片寄らして設
   けられた高熱伝導性の熱伝達手段とを備えた内燃機関用
   フィルタ再生装置。