JPS597249A - 粒子トラツプにおけるすす含有量のマイクロ波検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はディーゼルエンジン排カスフィルタに蓄積した
すす粒子の検出、一層詳しくは、このような粒子の蓄積
を検出するマイクロ波方法に関する。

テ・１−セルエンジンの排カスからの炭化水素で被覆さ
れたすすを」ユとして含む粒子を除人するＶＣは、フィ
ルタをり１気管内に設置する３、杓イ全周期的に除去す
るためにフィルタを交換するか灰化処理するかし、粒子
がフィルタに過剰に何着してフィルタを通るガスの流れ
を妨けないようにしなければならない。蓄積がかなりの
ものになったときに灰化処理全行なうのが望−ましいが
、これは灰化処理で過剰な温度全発生することになるほ
ど蓄積量が大きくなる前に行なわなければならない。し
たがって、灰化処理を行なうべき時点ケ知る成る種の方
法が必要である。

空所内の誘電体の誘電率を？ｆ１１１足する技術がよく
知られており、この技術は容器内の誘電体の量あるいは
成る誘電体と別の誘電体との混合物、たとえばオイルと
水の混合物のｉｉｉ　ｋ測定するのに用いられる。フィ
ルタ媒体内のディーゼル排粒子の聞の測定には、検出の
問題が伴なう。粒子が主として導電性のあるすすを・含
んでいるからである。誘電率測定方法が導電性物質の測
定に役立つとは考えられない。しかしながら、導電性粒
子を誘電性フィルタ媒体の十に集めて媒体全体にほぼ均
一に分散させることができるならば、フィルタが人工誘
電体（ａｎ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｄｉｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ）　　に似たものとなり、導電性粒子の蓄積量が増
大するにつれて有効誘電率が増大するということがわか
った。

したがって、本発明の目的はティーセル排カス粒子フィ
ルタにおけるすす蓄積を検出する方法を提供することに
ある。本発明の更なる目的ｔよフィルタ内のすす蓄積を
検出するのにマイクロ波を、利用するこのような方法全
提供することにある。

本発明は、マイクロ波共振空所の性質を有する室内でｄ
メ；電性フィルタ媒体上にディーゼル排カスから導電性
粒子を集め、これらの粒子を共Ｊ最空所全体を通じて均
一に分散したパターンで集め、粒子含有量の増大と共に
空所の誘電負荷が増大するようにし、・次に空所をマイ
クロ波エネルキで刺Ｑｋ　Ｌ、空所の反応を監視して空
所内の誘電体の有効誘電率全感知し、それによって、フ
ィルタ内の粒子含有量を知る」二うにすることによって
実施される。

特に、この方法は、多孔性壁によって隔離された複数の
平行通路企画成し、交互の通路か−・端で塞がれ、残り
の通路が反対端で塞がれており、その結果、排カスが多
孔性壁ヲ通して流れ、粒子がこの多孔性壁に集められる
ようになっているフィルタに適用される。

本発明のこれらの、また他の特徴、利点は以下の説明お
よび添イ′：１図面からより充分に理１竹］−てもらえ
よう。

第１図全参照して、ディーゼルエンジン刊カスのだめの
粒子トラップは円筒形の外側鋼製ハウジンク１０を包含
し、このハウシンクの両端には截頭円錐形縮径ハウジン
グ端部１２．１３があり、これらハウジンク端部は人１
１佃、出ｒ、ｌ　１１′ｌｌｌの枡カス管（図示せず）
に接続する中央間Ｄ１４ｉ有する。端部１２と１３はフ
ランジ１６により外側ハウシンク１０に結合されている
。円筒形の鋼製内側ハウシング１８が外側ハウジング１
０から隔たって設置してあって環状のギャップを形成し
７ており、この内側ハウジンクの一端はフランジ２０に
よって支持されている。このフランジ２０は外側ハウジ
ングにある一組のフランジ１６に結合している。

ハウジング１８内には、高い効率で灰化清掃可能なセラ
ミック・フィルタ要素が配置してあり、このフィルタ要
素は種々の形状をとることができ、たとえば、第２図に
全体的に２２で示す形状をとり得る。フィルタ要素２２
はセラミックのモノリスの形態をしており、円筒形の外
側周囲壁２３を有し、この外側周囲壁２３（よ交錯する
多数の薄い多孔性の内側壁２４により内方に相互連結さ
れている。

交錯する壁はその内方に２絹の平行通路全画成しており
、これらの通路はそれぞれ入１−］通路２６　ト出１１
１１１路２７を含み、各通路＆、ｉ　Ｖ　−（ルタ要素
２２の両端まで廷ひている。入口通路２６は要素の人口
端で開いており、要素の出口端で閉じている。一方、出
口通路２７は要素人目端２Ｂで閉じ、出１］端３０で開
いている。

第２図の実施例において、通路は正方形の横断面となっ
ているが、他の任意の形状を利用できる。さらに、入口
、出口通路は（横断面で見−Ｃ）垂直列と水平列として
配置してあり、入口通路が出口通路と交互となっていて
市松模様を形成している。したがって、要素の各内側壁
部は、通路の角隅のところなどで別の壁と係合している
ところを除いて、表面のあらゆる点で入口通路と出口通
路の間に位置しているということは了解されたい。それ
故、角隅係合部を除いて、入口通路は間に出口通路が位
置していて互いに隔離されている。

寸だ、この逆の見方もできる。

セラミック・モノリスの構造は、内側壁２４が多孔性で
あって入口通路から出口通路に壁を通して排カスが通過
できるようにしたものとなっている。壁の多孔度はテイ
ーゼル枡カスに含１れる粒子の実質的部分を除去できる
ように適切に採られている。テストでは次のことがわか
った。セラミック壁構造の平均多孔度が約１０％、すな
わち、約０５ミクロンから約７０ミクロンの孔寸法の範
囲で約２ミクロンから約１５ミクロンの平均孔寸法であ
れば、濾過が効果的に行なえるということがわかった。

これは側壁の厚さが平均約１、５２４順（０，０６イン
チ）で通路間の壁厚が約０．３８１ｍｍ　（０，０１５
インチ）である正方形通路を有するモノリス構造とする
ことによって達成された。入口、出口通路間の内側壁構
造全体が有効な濾過区域を提供していることを認識すれ
ばわかるように、この構造はモノリス・フィルタ構造の
毎立方センナメートルあだり　７．８７平方センチメー
トル（モノリス・フィルタ構造の毎立方インチあたり２
０−１１７方インチ）より大きいフィルタ壁面積を提供
する１、シたがって、フィルタは非常に小さいパッケー
ジで大きな濾過面積を持つ非常に抵抗の低いものとなる
。初期テストのサンプルで壁の平均多孔度全１０％より
太きくしたときには、もちろん、フィルタ要素２通るカ
ス流に対する抵抗が、少なくとも、入口、出１」通路の
面積がガス流に対する制限因子となる点１でさらに減じ
ることは予測できた。

排ガス系に前記のコンパクトで高効率の抽カス粒子フィ
ルタ要素を１つまたはそれ以上設置したエンジンを運転
したとき、排カスはエンジンから粒子トラップ１６に流
れ、そこで、フィルター要素の入口端２８において入１
」通路の開放端を通ったフィルタ要素に入ろ３、流入し
たカスはそれぞれの入口通路の全長にわたって分配され
、それぞれの人口通路を画成【７ている多孔性壁をすべ
て通過して隣接の出口通路に流入する。

ディーゼル排カスに含１れている炭素粒子の大部分は、
排カスが通過するにつれて、人口通路壁の内面に捕えら
れ、集められる。集められた粒子は壁表面上でケーキを
形成し、最終的に壁を通るカス流に干渉し始める厚さに
達するまで成長する。壁を通して出口通路に流れた清浄
ガスはフィルタ要素の出口端の開放端寸で流れ、そこか
ら排気系の残りの部分を通って大気中に流出する。

上記形式の排気フィルタを持つエンジンの運転中、周期
的に、蓄積した粒子はそれを越えるとガス流に対する抵
抗が過剰となるレベルに達することになる。この時点ま
たはその前に、フィルタ要素を清掃あるいは交換してエ
ンジンの効果的な運転を続は得るようにする必要がある
。高効率でコンパクトなモノリス・セラミック・フィル
タ２２は任意所望の要領で使用できるが、このフィルタ
要素を成る温度まで加熱し、集まった粒子を枡カス流内
の酸素と反応させて灰化することによって要素の清掃を
行なうことが最良と考えられる。

このような灰化処理は、エンジン動作中に４１Ｆカスを
所望の灰化温度まで加熱することＶこよ−）て行なえる
。もちろん、これは燃焼温度全制御し加熱する適当な方
法で行なう。

このようなセラミック・フィルタの構造１、動作につい
ての詳細は公知である（例えば米国特ｓ’ｌ−第４．２
７６、０７１号）。

内ひ第１図全参照して、ハウジンク１８の斗流端にはＲ
Ｆ短絡スクリーン（ＲＦ　ｓｈｏｒｔｉｎｇＳｃｒｅｅ
ｎ）　３２が張り渡されており、このスクリーンは鋼製
ハウシンク１８に溶接した金属製の粗いメツシュであり
、ハウシンクの下流端を通ってマイクロ波が通過するの
を妨げるが、排カスは自由（Ｃ通過させるようＫなって
いる。トラップ・ハウシンクの前部１２には孔３４が設
けてあり、この孔を通し、てループ型マイクロ波プロー
ブ３Ｇが挿入してあり、ブローフ３６はフィルタ要素の
」二流端に位置する。スクリーン３２によって一端を短
絡され、反対端全前部１２で閉ざされた円筒形の金属製
フィルタ・ハウシンク１８はマイクロ波共据空所として
作用し、これがマイクロ波プローフ３６の励起によって
励起される。同しプロ・−）が空所内で反射したマイク
ロ波を拾い＋げ、対応した出力信号を発生する。空所の
共振周波数はその物理的ジオミトリ・−１その中の材料
の電気的性質および励起されたモードのオーターに依存
する。このフィルタおよびそこに蓄積するすすは誘電率
がずす含有量と共Ｖこ増大する人工誘電体として模型化
することができることがわかっている。人工訪′１狂体
の理論は公知である（例えばＭｃＱｒａｗ　−Ｈｌｌｌ
　Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｉｎｃ、（Ｎｅｗ　Ｙｏ
ｒｋ）が１９５３年に発行したＪ、Ｄ、Ｋｒａｕｓ著ｒ
Ｅ］ｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓＪ第５６−５９頁）
。この理論によれば、誘電体全体に分散した肉眼寸法の
個々の金属粒子は粒子寸法や誘電体単位体積あたりの粒
子数に従って誘電体の誘電率を高める。理想的には、人
工誘電体理論によれば、粒子の間隔は波長よりかなり小
さく、それら粒子の直径はそれらの間隔よりもかなり小
さい。実際には、炭化水素で覆われたすず粒子はフィル
タｇ−１−の厚い層に集められ、それ故、互いに密着し
た状態に押しつけられる。したがって、古典的な人工誘
電体理論はすすの４１１着したフイＪＬ夕の動作全想定
していない。しかしながら、経験によれば、セラミック
・フィルタ２２の多孔性壁に集められた導電性すす粒子
はフィルタの全体積にわたって充分均一に分散させられ
、したが′−）て、フィルタは人工誘電体と同様に動作
し、その誘電率はずす蓄積量が増大するにつれて高斗る
。それ故に、その誘電率はマイクロ波技術によって測定
することができる。特に、共振室内の物質の誘電負荷が
室の共振周波数に影響ｋＬｉえるので、その現象音用い
て有効誘電率およびフィルタのすす含有量を測定するこ
とができる。共振室の共振周波数についてのすず蓄積量
の影響を測定してみた。フィルタ要素２２を収容してい
るハウジング１８は直径１５．２４ｔ７ｎ（６インチ）
、長さ１７．７８０ｎ（フインチ）であった。前９＋１
．ｉ部１２にある開口１４はハウシンク１８の端から１
０．１６Ｃ１ｎ（４インチ）であった。粒子含有量が増
大するにつれて周波数が線形に減少することがわかった
。１．８５　ＧＨｚの公称共振周波数では、共振周波数
はフィルタ上に蓄積した粒子１クラムあたり１．７　Ｍ
ｌ（ｚの率で変化する。すす粒子上の炭化水素コーチイ
ンクはすすよりも２桁の少ない量だけ誘電率に影響する
１、シたがって、測定値に対する影響は無視し得る。

フィルタ２２′ｆｆ：収容している共振室を励起するた
めに、マイクロ波源３８がアイソレータ４０および方向
性結合器４２を介してループ型マイクロ波プローブ３６
に接続しである。

方向性結合器４２に接続したダイオード検出器４４はプ
ロー７３６に反射する信号の大きさを感知する。これら
のマイクロ波要素３６−４４はずべて同軸ケーブルその
他の導波管４５によって接続しである。検出器４４の出
力部は出力装置４６　Ｖ′ｃ電気的に接続してちる。

この出力装置は、詰ま１）だフィルタ２２の相対的な誘
電率あるいは許容最高すす蓄積量のパーセンティジを示
すように目盛付けした泪器でもよい。出力装置４６はす
す蓄積量が限界に達したときにそれを知らせる警告灯あ
るいは警報器を包含し得る。好址しくに、出力装置は自
動再生または灰化装置に信号ｆｃ　ｌうえ、エンジン運
転中にすすに点火し、灰化処理によってフィルタ２２を
清掃する。電気信号によって開始され得る灰化技術は公
知である（例えば、米国特許第４．２１１．０７５号う
。

第１図のマイクロ波システムの１つの動作モードは、フ
ィルタ２２に最高所望蓄積量寸で粒子が詰まったときの
室の共振状態についての周波数であるマイクロ波源３８
について一定の周波数を定め、次に検出器４４によって
、共振状態で生じる反射信号のゼロを感知することであ
る。フィルタ２２がきれいな場合、検出器出力信号は太
きく、フィルタに粒子が蓄積するにつれて、共振室内の
物質の有効相対誘電率が高寸り、共振状態で最低値に達
する１で検出器出力が減少する。共振状態を表わす低い
予設定検出器出力に応答するようにセットした電圧検出
器回路を出力装置４６に設けることによって、この出力
装置４６に、最太すす４７１着量が蓄積したことを知ら
せる信号を発生させたり、あるいは、フィルタを清掃す
る灰化サイクルを開始させたりすることができる。別の
動作モードでは・、マイクロ波周波数が、エンジン動作
中に遭遇する陳々の誘電負荷値についての共振室の共振
周波数を表わす範囲にわたって変化する。それ故、任意
の時点でゼロとなる周波数を決定することによって、共
振室の誘電負荷量が決定される。これは、最大粒子付着
量が生じたとき以外の時点でフィルタの状態をチェック
しようとしている場合に有用である。これは、たとえば
、灰化過程が済み、フィルタの清掃が完全に行なわれた
かどうかを確認したいときに行なわれ得る。

第１図に示すような空所共振状態を監視する反射率技術
が本発明の方法を実施する唯一の方法ではない。第３．
４図は、伝送型測定を行なってフィルタの共振状態を感
知する別のフィルタを示している。この実施例では、押
しつぶした橢円形の横断面を持つ鋼製ハウシンク５０に
前記形式のセラミック・フィルタ媒体２２が充填してあ
り、２つのハウシンク端部５４５６がフランジ５８のと
ころでハウシンク５０に結合しである。これらの端部は
孔のあるフランシイ」きの管継手まで外方に先４４１１
となっており、これらの管継手がディーゼルエンジンの
排カス管（図示せずに連結するようＫなっている。端部
５４．５６の各々はポート６２を備え、このポートを通
して１つすぐな針金のマイクロ波ブローフロ４が挿入し
である。各プローブは同’ＩＩＩケーフル６６に接続し
てあり、この同軸ゲーフルはそれぞれマイクロ波源とマ
イクロ波検出器（図示せず）に通じている。第１図の構
造と異なって、フィルタ２２の端全横切ってＲＦ短絡ス
クリーンが設けてなく、ハウジンクおよび端部の画成す
る室全体全通してマイクロ波が伝帳することができ、そ
の結果、一方のプローブ６４の発し７た信号が他方に到
達するようになっている。端部５４．５６の孔（Ｉ′ｉ
ハウジング内にマイクロ波放射を閉じ込めるのに充分に
小さい。したがって、共振室のジオミトリー全画成する
ハウジンク形態は絶対的なものではなく、多くの形態を
採用し得る。共振測定技術も同様に成る特定の形式に限
定せず、共振状態を監視する。あるいは充填フィルタ材
料の相対誘電率を監視するこの分野で公知の種々の技術
を採用することができる。フィルタ材料そのものは前記
形式のものに限定せず、フィルタ媒体全体にわたっての
すすの分散が人工誘電体として模型化するに充分Ｖこ均
一であるようなパターンで炭化水素被僚すす粒子刺着が
ある限り多くの形態をとり得る。

こうして、本発明に、［れば、導電性粒子物質がフィル
タ媒体全体にわたって充分に均一に集められ、その結果
中じた分散状態が人工誘電体に似たものとなる場合、マ
イクロ波誘電率測定技術を用いて導電性粒子の蓄積全検
出することができることがわかるであろう。

このことは、粒子がフィルタ壁」、−の厚い層に集めら
れる場合でも炭化水素被接すす粒子についてあてはする
。特に、室内でのマイクロ波の共振を測定する技術を用
いて有効誘電率の変化を監視することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するためのマイクロ波回路
のブロック図と結合した、ずず蓄積量のマイクロ波検出
金行なう工うになっているディーゼル排ガス粒子トラッ
プの横断面図である。 第２図は第１図の粒子トラップで用いるモノリス・セラ
ミック・フィルタ要素の構造金示す断面斜視図である。 第３図は本発明によるマイクロ波検出のだめのフィルタ
・トラップの別の実施例の横断面図である。 第４図は第３図の４−４線に沿った横断面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １８・・室 ２２・・・収集媒体 ２４・・・多孔性壁 ２６・・・交互の通路 ２７・・・残りの通路 ２８・・・他端 ３０・・・一端 ３６．３８・・マイクロ波エネルギ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　マイクロ波エネルキーの共振によって室内の物質
   の蓄積量を検出し、測定する方法において、蓄積した物
   質がマイクロ波共振空所の性質を有する前記室内で誘電
   体から形成された収集媒体上にディーゼルエンジン排カ
   スから集められた導電性粒子を包含するものであり、空
   所全体に実質的に均一に分散したパターンで前記収集媒
   体上に粒子を集めて空所の誘電負荷が導電性粒子含有ｍ
   、の増加につれて増大するようにし、前記空所をマイク
   ロ波エネルキで励起し、このマイクロ波エネルキに対す
   る空所の反応を監視して空所内の誘電体の有効誘電重金
   感知し、前記収集媒体に保持されている導電性粒子の量
   を測定すること全特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であってディーセ
   ルエンシ≧排カスから集められた導電性粒子の蓄積量を
   検知する方法において、導電性粒子がマイクロ波共振空
   所の性質を有する前記室内で誘電体からなるハニカム・
   フィルタ上に集められ、該フィルタは、一端を塞がれた
   交互の通路と他端を塞がれた残りの通路を備え多孔壁に
   より分離されている複数の平行な通路を画成して排カス
   が該多孔性壁を通って流れるようになっており、粒子が
   空所全体に実質的に均一に分散するパターンで前記多孔
   性壁土に集められて人工誘電体を形成することを特徴と
   する方法。