JPH0777029A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 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。 【構成】着火後の燃焼伝播期間において、ヒータへ通電
しつつ小給気流量にてパティキュレ−トをフィルタの上
流側端面から延焼させて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る（１１６６、１１６７）。
次の放冷期間において、ヒータ通電を遮断しつつ給気流
量を増大させる（１１６８、１１６９）。更に上記放冷
期間において、給気流量を段階的又は連続的に増大させ
る（１１７０、１１７２）。このようにすれば、フィル
タの外周部下流側のパティキュレ−トを良好に燃焼で
き、更にパティキュレ−トの燃焼完了後のフィルタ冷却
が高速となるので再生所要時間が短縮される。

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、例えば特開平４−
２５５５１８号公報に開示されるように、フィルタの再
生時上流側（以下、単に上流側ともいう）に配設したヒ
ータに通電するとともに、フィルタの上流側から空気を
供給し、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】上記公報では、初期にヒータへの通電と小
流量での給気を行ってまずパティキュレ−トを急速加熱
して着火し、その後、ヒータへの通電を遮断するととも
に大流量での給気を行ってパティキュレ−トを本格的に
燃焼させている。また、従来のフィルタ再生において、
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してフィルタを冷却する放冷動
作を実施することも公知である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のフィルタ再生方式では、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、フィルタの一部にこ
のような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、最終的に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
−トが燃え残るのは、基本的にフィルタの外周部の放熱
が大きいためにこの外周部における延焼速度が低いため
である。そこで外周部の温度上昇を図るために給気流量
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
だけでは、外周部下流側の燃え残りを解消できないとい
うことがわかった。

【０００６】すなわち実験結果によれば、給気流量を増
加すると、外周部だけでなく径方向中心部においても酸
素が大量供給されて延焼速度がより一層増大してしま
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
素通りしてしまい、フィルタの下流側の外周部への給気
が増大せず、図１２（ｂ）に示すようにフィルタの外周
部下流側が従来と同様に燃え残ってしまう。更に、給気
流量を増大し過ぎれば温度の過昇によりフィルタやヒー
タが損傷してしまう。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、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ことをその
解決すべき課題としている。

【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、ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設されて前記
ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレートを
補集するフィルタと、前記フィルタの上流側端面に配設
されて通電により前記パティキュレ−トを燃焼させる電
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を制御
してパティキュレ−トを上記上流側端面から延焼させる
とともに前記フィルタの径方向中心部下流側における燃
焼を停滞させる燃焼伝播期間と、その後で前記給気手段
の給気流量を段階的又は連続的に増大させて前記フィル
タの下流側のパティキュレ−トを燃焼させ、その後、フ
ィルタを冷却する放冷期間とを設定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、前
記燃焼伝播期間に前記電熱手段に通電し、前記放冷期間
の開始とともに前記通電を遮断するものである。

【００１０】

【作用及び発明の効果】着火後の燃焼伝播期間におい
て、小給気流量にてパティキュレ−トをフィルタの上流
側端面から延焼させてフィルタの径方向中心部下流側に
おける燃焼を停滞させる。すなわち、小給気流量の燃焼
では酸素供給量が少なく発熱量が少ないので、外周部と
径方向中心部との温度差や下流側への延焼速度の差は小
さく、その結果として燃焼がフィルタの径方向中心部下
流側に到達する段階で、外周部もかなり下流側まで延焼
させることができる。また、各部の延焼速度が遅いの
で、径方向中心部下流側の燃焼がフィルタの下流部端面
に到達する前に、各部の熱が外周部下流側へ伝達され
て、外周部下流側が着火しないものの充分に加熱され
る。逆に、径方向中心部下流側の燃焼領域の熱は周囲へ
の伝熱により低下し、この部位の延焼速度が低下する。
更に、径方向中心部下流側に到達する前に給気中の酸素
の一部又はほとんどはパティキュレ−ト燃焼により消費
されてしまい、径方向中心部下流側での燃焼が抑制され
る。

【００１１】これらの理由により、この燃焼伝播期間に
おいて、小給気流量での燃焼伝播によりフィルタの径方
向中心部下流側における燃焼を停滞させつつ、外周部の
下流側への延焼を進行させることができる。次の放冷期
間において、給気流量を増大させると、フィルタ各部の
延焼速度がそれぞれ増加するが、フィルタがセラミック
からなるにもかかわらず外周部下流側は充分に加熱され
ており、この外周部下流側でも充分に燃焼が進行し、燃
え残りが生じない。

【００１２】なお、外周部下流側の燃焼が完了する前
に、径方向中心部下流側の燃焼伝播面は下流部端面に達
するが、この時までに外周部下流側での燃焼が充分強化
されており、径方向中心部での給気の吹き抜けにより外
周部下流側での燃焼が抑制されることは無い。すなわ
ち、本発明では、燃焼伝播期間において小給気流量によ
り径方向中心部下流側の燃焼を停滞させるとともに外周
部下流側のパティキュレ−トを充分に加熱しておき、放
冷期間において大給気流量により残ったパティキュレ−
トを良好に燃焼する。

【００１３】このようにすれば、最初からずっと大給気
流量で燃焼する場合における径方向中心部下流側の上記
吹き抜けやフィルタ及びヒータの温度過昇といった問題
を解決し、最初からずっと小給気流量で燃焼する場合に
おける径方向中心部下流側での延焼速度の低下や再生所
要時間の長大化といった問題を解決し、良好なフィルタ
再生、特に、フィルタの外周部下流側のパティキュレ−
トの燃え残りを大幅に低減できるという優れた効果を奏
することができる。

【００１４】更に本発明では、上記放冷期間において、
給気流量を段階的又は連続的に増大させる。このように
すれば、放冷期間初期における発熱量の変化速度が小さ
くなってフィルタに与える熱衝撃が低減され、更にパテ
ィキュレ−トの燃焼完了後のフィルタ冷却が高速となる
ので再生所要時間が短縮される。

【００１５】

【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。

【００１６】一方、上記したヒータ１１、ブロワ１３を
駆動するモータ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、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駆動モータＭ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。

【００１７】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、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膨張
性セラミックマットを介して上記ケース１に支持されて
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。

【００１８】ヒータ３はカンタル線を素材とする電熱抵
抗線からなり、フィルタ２の再生時上流側に当たる端面
に沿って配設されている。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。

【００１９】（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。

【００２０】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
いて記憶マップからパティキュレ−ト捕集量Ｇをサーチ
する。

【００２１】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。

【００２２】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）。

【００２３】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、給気流量制御を行うもの
であり、以下、前期放冷期間、予熱期間、着火期間、燃
焼伝播期間、後期放冷期間の順に制御動作を実行する。
なお、後期放冷期間は第１放冷期間と第２放冷期間とか
らなる。 （前期放冷期間）まずステップ１１６１にて、ブロワ１
３へ通電して給気流量を１９０リットル／分と大きく設
定し、１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、予熱開始
前にそれらの温度を所定レベルに収束させるためであ
る。 （予熱期間）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１
９０リットル／分のままとし、１０分間継続する（１１
６３）。この大給気流量の送風によりフィルタ２の各部
は２００〜３００℃に均一に予熱される。 （着火期間）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。なお、給気流量低減は給気温度やそ
れに触れるフィルタ上流側端部の温度を急速上昇させ、
これによりフィルタ上流側端面のパティキュレ−トに着
火される。 （燃焼伝播期間）次のステップ１１６６にて、ヒータ１
１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、２２
分間継続する（１１６７）。これにより、フィルタ２の
上流側端面から下流方向へ燃焼が進行する。

【００２４】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、いわゆる風圧が弱く酸素濃度が低下す
る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滞
する。この燃焼の停滞により、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
防止される。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を持
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を持続する。

【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。な
お、この時の最高温度がパティキュレ−ト捕集量が８．
６グラムの場合に９００℃となるように、給気流量やヒ
ータ通電電力が設定されている。 （後期放冷期間） （第１放冷）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
６０リットル／分に増大し、７分間継続する（１１６
９）。

【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。 （第２放冷）次のステップ１１７０にて、ブロワ１３の
給気流量を１９０リットル／分に増大し、３分間継続す
る（１１７２）。

【００２７】このように給気流量を最大流量に増大する
と、上記第１放冷モードにより高温となったフィルタ２
やヒータ１１が高温環境下に長期間放置されることなく
急速に冷却され、次回のエンジン始動時の熱衝撃を避け
られる。また、再生所要時間も短縮することができる。
その後、この冷却によりフィルタ２が４００℃以下にな
ると、ブロワ１３をオフし（１１７４）、再生が終了す
る。

【００２８】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）。

【００２９】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、温度を低下
して燃焼が停滞した状態を示している。

【００３０】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。

【００３１】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
んな燃焼伝播期間にフィルタ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。

【００３２】図１１は上記した燃焼伝播期間及び後期放
冷期間におけるフィルタ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期間及び後期放冷
期間におけるフィルタ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。

【００３３】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。また、上記した実施例で
は、後期放冷期間（本発明でいう放冷期間）において、
第１放冷モードから第２放冷モードへと段階的に給気流
量を増加したが、連続的に増加してもよいことは当然で
ある。

【００３４】更に、上記した実施例では、燃焼伝播期間
においてもヒータ１１に通電して給気及びフィルタ端面
の加熱を行いつつ、給気流量を削減しているので、特に
ヒータ１１に近いフィルタ２の外周部の上流部や中流部
での燃焼伝播面における延焼速度が加速され、逆にフィ
ルタ２の径方向中心部下流側での燃焼伝播面における延
焼速度はほとんど加速されず、両燃焼伝播面の延焼速度
の差を低減することができる。

【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（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。

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
   て前記ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレ
   ートを補集するフィルタと、 前記フィルタの上流側端面に配設されて通電により前記
   パティキュレ−トを燃焼させる電熱手段と、 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を制御してパティキュレ
   −トを上記上流側端面から延焼させるとともに前記フィ
   ルタの径方向中心部下流側における燃焼を停滞させる燃
   焼伝播期間と、その後で前記給気手段の給気流量を段階
   的又は連続的に増大させて前記フィルタの下流側のパテ
   ィキュレ−トを燃焼させ、その後、フィルタを冷却する
   放冷期間とを設定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、前記燃焼伝播期間に前記
   電熱手段に通電し、前記放冷期間の開始とともに前記通
   電を遮断するものである請求項１記載の排気ガス浄化装
   置。