JPH07127435A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フィルタ再生時の再生煙を防止したディーゼル
エンジンの排気ガス浄化装置。 【構成】触媒粒子を担持してフィルタ２の再生時下流側
に配設される触媒ヒータ９ａは、フィルタ２の再生時に
フィルタ２から発生する再生煙を酸化、分解する。触媒
ヒータ９ａに内蔵される電熱手段９２は、上記再生時、
特に触媒が低温である再生初期に、触媒をその活性化温
度まで急速に加熱する。これにより、フィルタ再生時に
再生煙の排出を防止することができる。また、電熱手段
９２の発熱によりフィルタ２の下流側端部を加温するこ
とができ、フィルタ２の下流側端部におけるパティキュ
レ−トの燃え残りも低減することができる。

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（パティキュレート）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、例えば特開平４ー７２４１８号公
報に開示されるように、ディーゼルエンジンの排気ガス
に含まれるパティキュレートをハニカム状のセラミック
フィルタ（以下、フィルタともいう）で捕集し、捕集量
があるレベルに達したらヒータでフィルタを加熱してパ
ティキュレートを燃焼させてフィルタを再生することが
知られている。

【０００３】また、特開平４ー２００６１８号公報は、
ディーゼルエンジンを冷間始動する際に排出される炭化
水素化合物などからなる青白煙及び独特の排気量を除去
するために、その排気経路に触媒ヒータを配設すること
を提案している。この触媒ヒータは、触媒を担持する導
電性担体にディーゼルエンジンの冷間始動後の所定時間
だけ通電して触媒を活性化させ、この触媒により排気ガ
ス中の青白煙及び排気臭を分解することを提案する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た捕集したパティキュレートの燃焼によるフィルタの再
生において、パティキュレートが含む人体に有害なＳＯ
Ｆ（可溶性有機分（主としてＨＣ））やサルフェートが
蒸発し、再生煙として排出されてしまうという問題があ
った。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みなされたものであ
り、その第１の目的は、フィルタ再生時に再生煙の排出
を防止可能な排気ガス浄化装置を提供することにある。
また、上記した触媒ヒータ及びパティキュレート捕集用
のフィルタの併用により、ディーゼルエンジンの冷間始
動時に排出される青白煙及び排気臭及び運転中に排出さ
れるパティキュレートの両方を除去できるが、これら触
媒ヒータ及びフィルタの併設は、装置構成の複雑化、ス
ペース及び重量の増大、制御の複雑化を招き、信頼性を
低下させるという欠点があった。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みなされたものであ
り、その第２の目的は、装置構成の複雑化を回避しつ
つ、ディーゼルエンジンから排出される青白煙、排気臭
及びフィルタ再生時に提出される再生煙の両方を除去可
能な排気ガス浄化装置を提供することにある。更に、フ
ィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼するには、
フィルタの上流側に配設される着火用ヒータに通電し
て、フィルタの上流側端面から下流側へ順に延焼してい
くのが通常であるが、この場合、フィルタの下流側端部
は着火用ヒータから離れているので、燃焼温度が不十分
となり、燃え残りが生じ易い欠点があった。

【０００７】本発明は上記問題に鑑みなされたものであ
り、その第３の目的は、装置構成の複雑化を回避しつ
つ、フィルタ再生時に再生煙の排出を防止するととも
に、フィルタの下流側端部におけるパティキュレートの
燃え残りを低減した排気ガス浄化装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の排気ガス浄化装
置は、セラミックスからなる多孔性隔壁を軸方向に貫孔
して形成されるとともに下流側端部と上流側端部とが交
互に盲栓されてなる多数のセルを具備してディーゼルエ
ンジンの排気経路に内設されるパティキュレート捕集用
のフィルタと、前記フィルタの近傍に配設されるパティ
キュレート着火のための着火用ヒータと、触媒粒子を担
持して前記フィルタの下流側に配設される触媒加熱のた
めの触媒ヒータと、前記着火用ヒータの上流側の前記排
気経路に外部空気を導入する給気手段と、前記フィルタ
の再生時に前記着火用ヒータ、前記触媒ヒータ及び前記
給気手段への通電を制御する制御手段とを備えることを
特徴としている。

【０００９】好適な態様において、前記制御手段は、エ
ンジン運転初期に前記触媒ヒータへの通電を指令するも
のである。好適な態様において、前記触媒ヒータは、多
数の通気孔が貫設されたセラミックハニカムからなり触
媒を担持するホルダと、前記セルに挿入される互いに平
行なＵ字状の屈曲部を多数有する裸の電熱線とを備え
る。

【００１０】

【作用及び発明の効果】触媒粒子を担持してフィルタの
下流側に配設される触媒ヒータは、フィルタ再生時にフ
ィルタから発生する再生煙を酸化、分類する。触媒ヒー
タに内蔵される電熱手段は、上記再生時、特に触媒が低
温である再生初期に、触媒をその活性化温度まで急速に
加熱する。これにより、フィルタ再生時に再生煙の排出
を防止することができる。また、電熱手段によりフィル
タの下流側端部を加熱することができ、フィルタの下流
側端部におけるパティキュレートの燃え残りも低減する
ことができる。

【００１１】好適な態様において、エンジン運転初期に
電熱手段へ通電され、触媒粒子が活性化される。これに
より、装置構成の複雑化を回避しつつ、冷間始動時のデ
ィーゼルエンジンから排出される青白煙、排気臭も分解
することができる。好適な態様において、触媒ヒータ
は、多数の通気孔が貫設されたセラミックハニカムから
なり触媒を担持するホルダと、前記セルに挿入される互
いに平行なＵ字状の屈曲部を多数有する裸の電熱線とを
備える。このようにすれば、大電力通電可能な電熱線を
流体抵抗の増大を抑止しつつ堅固に配設することができ
る。

【００１２】

【実施例】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ディーゼルエンジン１
９の上流側の排気管３と下流側の排気管４との間に介設
された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、着火用ヒータ９、フ
ィルタ２、触媒ヒータ９ａ、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。排気管
３の途中から送気管３０が分岐されており、送気管３０
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１３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。

【００１３】一方、上記した着火用ヒータ９、ブロワ１
３のモータＭはコントローラ８により駆動制御され、ま
た、ディーゼルエンジン１９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、スイッチ５５、５６を開閉制御して着
火用ヒータ９、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８０を点灯する。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１
３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）することにより、ブロワ１３の給気流量を目標レ
ベルに精密制御している。８１は再生指示用のランプで
ある。

【００１４】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を通じて着
火用ヒータ９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、多
孔性コ−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セル
（通気孔）を有し、これらセルは、セラミックからなる
プラグにより下流側開口端を封栓された上流側セルと、
上記プラグにより上流側開口端を封栓された下流側セル
とからなり、これら上流側セル及び下流側セルは多孔性
コ−ジェライトからなる多孔性隔壁を隔てて交互に配置
されている。これにより、排気ガスは上流側セルから多
孔性隔壁を通じて隣接する下流側セルに透過し、パティ
キュレ−トだけが多孔性隔壁に捕集される。

【００１５】触媒ヒータ９ａは、後述するように、触媒
粒子を担持するセラミックハニカムからなるホルダ９１
と、このホルダ９１に支持される電熱線９２とからな
る。電熱線９２はカンタル線を素材として形成されてい
る。着火用ヒータ９は、上記した触媒ヒータ９ａとほと
んど同一素材、同一構造を採用しているが、ただ触媒粒
子は担持していない。着火用ヒータ９は、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。

【００１６】触媒ヒータ９ａの詳細な構造を図２〜図４
を参照して以下説明する。この触媒ヒータ９ａは、ケー
ス９０を有し、ケース９０は、排気管４に接続される漏
斗管部１ａと、フィルタ２を収容する円筒部１ｂとの間
に介設されて、これら漏斗部１ａ及び円筒部１ｂととも
に、フィルタ収容ケース１を構成している。ケース９０
は、電熱線９２を保持するハニカム状のホルダ９１を収
容し、ケース９０、ホルダ９１及び電熱線９２が触媒ヒ
ータ９ａの主要構成要素となっている。

【００１７】ケース９０は、ステンレスからなる両端開
口の円筒９０１と、円筒９０１の両端に溶接された輪板
９０２、９０３とからなる。輪板９０２、９０３の周囲
には貫通孔９０４が開口され、これら貫通孔９０４は漏
斗部１ａの貫通孔９０５と、円筒部１ｂの貫通孔９０６
とを貫通するスルーボルト（図示せず）により締結され
ている。

【００１８】ホルダ９１は、フィルタ２と同一工程、同
一材料で形成された厚肉円盤状のセラミックハニカムか
らなり、触媒粒子を担持している。ホルダ９１は、両端
開口の多数のセル（通気孔）９１２を有し、膨張性セラ
ミックからなるマット９１１を介して円筒９０１の下流
側端部に収容されている。マット９１１（及びホルダ９
１の外周部）の下流側端面は輪板９０３に当接してい
る。円筒９０１には輪板９０７が固定されており、輪板
９０７は輪板９０２とともにマット９１１及びホルダ９
１を挟持している。

【００１９】電熱線９２の部分拡大図を図４に示す。電
熱線９２は、Ｕ字状に延設された多数の屈曲部９２０を
有する裸のカンタル線からなり、各屈曲部９２０はそれ
ぞれホルダ９１の下流側端面から各セル９１２に個別に
挿入されている。図３にホルダ９１の下流側端面を示
す。

【００２０】電熱線Ｌ１〜Ｌ１５はホルダ９１の上流側
端面に沿って図中、それぞれ横方向に延設されており、
各電熱線Ｌ１〜Ｌ１５は図４に示すようにそれぞれホル
ダ９１の各セル９１２に個別に収容されるＵ字状の屈曲
部９２０を多数有している。これら電熱線Ｌ１〜Ｌ１５
を直列又は並列接続して電熱線９２が構成されている。
また、図３に黒点で示すように屈曲部９２０を収容する
セル９１２の内の一部のセル９１２ａにはセラミック耐
熱封止材（商品名スミセラム、住友スリーエム株式会社
製）が充填されて、硬化したこのセラミック耐熱封止材
により電熱線９２が固定されている。

【００２１】一方、輪板９０７から所定距離下流側に位
置して保持プレート９０８が放射方向に配設されてお
り、保持プレート９０８の両端は円筒９０１の内周面に
固定されている。また、円筒９０１の開口に碍子を含む
プレート９３が固定されており、碍子９３の一対の螺子
孔（図示せず）には電極バー９４、９５の各一端部を個
別に固定する雄螺子形状の電極端子９６、９６（一方を
図示）が個別に螺入されている。電極バー９４、９５の
各他端部は碍管９７を介して螺子９８により保持プレー
ト９０８に固定されており、電極バー９４、９５と電熱
線９２の両端とは電線９９、９９により個別に接続され
ている。

【００２２】上述のように、多孔性コージェライトから
なるホルダ９１には触媒粒子が固着されている。この実
施例では、触媒粒子にはＰｔを採用しており、ホルダ９
１の体積１ｌ当たりＰｔ２ｇをホルダ９１の多孔性隔壁
９１３に直接担持させている。表面積増大のためγ−ア
ルミナコート（１００ｇ／ｌ）を実施してから触媒を担
持しても良い。

【００２３】以下、ホルダ９１への触媒担持工程を詳細
に説明する。まず上記した多孔性コージェライトからな
るホルダ（ＮＧＫ株式会社製）９１を、γ−アルミナ粉
末（キャタラー工業製ＪＡＣ４００）及びアルミナゾル
（日産化学製）硝酸アルミ水溶液を混ぜて水により粘度
１００〜４００ＰＳＩに調製したスラリーに含浸し、１
２０℃で乾燥後、６５０℃で焼成した。

【００２４】その後、白金アンモン錯体水溶液を吸収さ
せ、ホルダ９１の体積１ｌ当たりＰｔ２ｇを担持するよ
うにホルダ９１の吸水量を調整する。次に、１２０℃、
２時間乾燥後、電気炉にて大気雰囲気中で５００℃、１
時間焼成して白金粒子を固相析出させた。以下、この排
気ガス浄化装置の動作を説明する。

【００２５】（パティキュレ−ト捕集動作）ディ−ゼル
エンジン１９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。 （フィルタ再生動作）次に、このフィルタ２の再生動作
を図５のフローチャートに従って説明する。

【００２６】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。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５に示す。

【００２７】まず、エンジン１９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１００に
て、圧力センサ７、１７が検出する排気圧力Ｐ１，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。

【００２８】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８１を点灯
して、ルーチンを終了する。

【００２９】その後、運転者がフィルタ再生を指令する
ランプ８１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
を実行してモータＭ及び着火用ヒータ９への通電を所定
の順序で行い（１１６）、再生を終了する。

【００３０】このタイマー制御サブルーチンについて図
６を参照して説明する。このタイマー制御サブルーチン
は、実際にヒータ１１やブロワ１３を駆動して再生を実
行するものであり、まず、予熱サブルーチン４０を実行
してフィルタ２を着火温度より低い所定温度までフィル
タ２を昇温し、その後、着火燃焼サブルーチン５０を実
行してパティキュレ−トを燃焼させる。この着火燃焼サ
ブルーチンの終了は、その開始から一定時間後としても
よく、又は着火温度（例えば６００℃）到達時点から一
定時間後としてもよい。また、着火燃焼サブルーチン５
０の開始から終了までのフィルタ温度変化特性を記憶し
ておき、検出したフィルタ温度がこの特性に追従するよ
うに通電電力や給気流量を制御することもできる。

【００３１】次に、冷却サブルーチン６０を実行してフ
ィルタ２などをゆっくりと冷却する。この実施例では、
予熱サブルーチン４０は１０分間であり、着火用ヒータ
９には０．９ｋＷ、触媒ヒータ９ａには０．９ｋＷを給
電し、ブロワ用モータＭは２００リットル／分を給気す
る。また、着火燃焼サブルーチン５０は４０分間であ
り、着火用ヒータ９には２ｋＷ、触媒ヒータ９ａには
０．３ｋＷを給電し、ブロワ用モータＭは２０リットル
／分を給気する。更に、冷却サブルーチン６０は１０分
間であり、着火用ヒータ９はオフされ、触媒ヒータ９ａ
には０．３ｋＷを給電し、ブロワ用モータＭは２００リ
ットル／分を給気する。

【００３２】予熱サブルーチン４０により、フィルタ２
が２００℃以上に加熱されると、パティキュレ−ト中の
ＳＯＦ（主にエンジンオイルに由来）が脱離を開始し、
再生煙となる。この時、触媒ヒータ９ａは上記通電によ
り約５００℃に加熱されており、この再生煙は触媒粒子
により分解される。次の着火燃焼サブルーチン５０では
再生煙は多量に発生するが、この時の流速が低いので触
媒ヒータ９ａへの給電電力は削減しても良い。次の冷却
サブルーチンでは再生煙が高温であるので、触媒ヒータ
９ａへの給電電力は削減することができる。もちろん上
記制御パタンの代わりに一定電力で触媒ヒータ９ａに給
電することもでき、また再生期間の一部期間（冷却期
間）の給電を遮断することもできる。 （実施例２）上記触媒ヒータ９ａはエンジン１９の冷間
始動時に発生する青白煙や排気臭を分解することもでき
る。

【００３３】その制御動作を図７のフローチャートを参
照して説明する。なお、このディーゼルエンジンは、通
常の車両用のものと同様に、給気経路中に給気加熱ヒー
タを有し、また燃焼室内にグロープラグを有している。
そして、この給気加熱ヒータは冷却水温が０℃以下の場
合に始動から数十秒程度通電されて給気予熱を行う。ま
たグロープラグも同様に冷却水温が０℃以下の場合に始
動から数十秒程度通電されて爆発を助勢する。

【００３４】そこで、この実施例では、低温始動時には
始動から数十秒間だけ後述する触媒ヒータ９ａへの通電
を遮断してバッテリ（図示せず）の負担を軽減してい
る。まず、エンジン始動とともにルーチンをスタート
し、回転数センサ１８から出力されるエンジン回転数Ｎ
ｅを読み取り、それがアイドル回転域かどうかを調べる
（２００）。すなわち、エンジン回転数Ｎｅがアイドル
回転域より高ければ排気温度も高く、排気ガス中の青白
煙や排気臭も少なく処理不要と判定する。

【００３５】一方、アイドル中であれば、不図示の冷却
水温センサの出力により冷却水が４０℃以下かどうかを
調べ（２０１）、以下でなければ冷間始動でないとして
ステップ２００にリターンし、以下であれば冷間始動で
あるとして内蔵のタイマをスタートさせ（２０２）、エ
ンジン回転数Ｎｅがアイドル回転域かどうかを調べる
（２０４）。そして、ステップ２００、２０４でアイド
ル回転域でなければステップ２００にリターンする。

【００３６】ステップ２０４でアイドル回転域であれ
ば、タイマが６０秒に達したかどうかを調べ（２０
６）、達していなければステップ２０４にリターンし、
達したら上記した給気加熱ヒータ及びグロープラグへの
通電は終了したものとして、触媒ヒータ９ａへ２ｋＷで
通電し（２０８）、触媒粒子を急速加熱する。その結
果、触媒粒子は排気ガスに含まれる青白煙や排気臭を分
解し、更にＨＣ、ＣＯ、ホルムアルデヒドも無害化す
る。

【００３７】次のステップ２１０では、再びアイドル回
転域かどうかを調べ（２１０）、そうでなければステッ
プ２１４に進んで触媒ヒータ９ａをオフしてルーチンを
終了し、アイドル回転域であれば上記タイマがカウント
開始から１２０秒経過したかどうかを調べ（２１２）、
経過していなければステップ２１０にリターンし、経過
すれば着火用ヒータ９を遮断して（２１４）、ステップ
２００にリターンする。

【００３８】すなわち、本実施例によれば、触媒ヒータ
９ａへの触媒加熱通電をエンジン始動から１分間、遅延
させているので、給気加熱ヒータ及びグロープラグとの
並列運転が回避でき、また、フィルタ２の熱衝撃も軽減
される。以上説明したように本実施例の触媒ヒータ９ａ
は、冷間始動時のディーゼルエンジン１９から排出され
る青白煙、排気臭及びフィルタ２の再生時に排出される
再生煙の両方を分解することができる。

【００３９】また、フィルタ２の再生時にフィルタ２の
下流側端部を加熱し、この部分でのパティキュレ−トの
燃え残りを防止することができる。また、触媒ヒータ９
ａはセラミックハニカムからなるホルダのセルに挿入さ
れるＵ字状の屈曲部９２０を多数有する裸の電熱線９２
を備えるので、流体抵抗を増大させることなく、大電力
を通電することができ、製造及び保守も容易である。

【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】触媒ヒータの一実施例断面図、

【図３】図２の触媒ヒータの下流側から見た正面図、

【図４】ホルダの一部拡大断面図、

【図５】再生動作を示すフローチャート、

【図６】再生動作を示すフローチャート、

【図７】触媒加熱ルーチンを示すフローチャート。

【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（制御手段）、９は着火用ヒー
タ、１３はブロワ（給気手段）、９０は触媒ヒータ９ａ
のケース、９１は触媒ヒータ９ａのホルダ、９２は触媒
ヒータ９ａの電熱線、９１２はホルダ９１のセル、９１
３はホルダ９１の多孔性隔壁、９２０は電熱線９２の屈
曲部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０１Ｎ 3/20 ＺＡＢ Ｋ 3/24 ＺＡＢ Ｅ 9/00 ＺＡＢ Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックスからなる多孔性隔壁を軸方向
   に貫孔して形成されるとともに下流側端部と上流側端部
   とが交互に盲栓されてなる多数のセルを具備してディー
   ゼルエンジンの排気経路に内設されるパティキュレート
   捕集用のフィルタと、 前記フィルタの近傍に配設されるパティキュレート着火
   のための着火用ヒータと、 触媒粒子を担持して前記フィルタの下流側に配設される
   触媒加熱のための触媒ヒータと、 前記着火用ヒータの上流側の前記排気経路に外部空気を
   導入する給気手段と、 前記フィルタの再生時に前記着火用ヒータ、前記触媒ヒ
   ータ及び前記給気手段への通電を制御する制御手段と、 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】前記制御手段は、エンジン運転初期に前記
   触媒ヒータへの通電を指令するものである請求項１記載
   の排気ガス浄化装置。
3. 【請求項３】前記触媒ヒータは、多数の通気孔が貫設さ
   れたセラミックハニカムからなり触媒を担持するホルダ
   と、前記セルに挿入される互いに平行なＵ字状の屈曲部
   を多数有する裸の電熱線とを備える請求１記載の排気ガ
   ス浄化装置。