WO2014125628A1 - 粒子状物質除去装置 - Google Patents

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WO2014125628A1
WO2014125628A1 PCT/JP2013/053741 JP2013053741W WO2014125628A1 WO 2014125628 A1 WO2014125628 A1 WO 2014125628A1 JP 2013053741 W JP2013053741 W JP 2013053741W WO 2014125628 A1 WO2014125628 A1 WO 2014125628A1
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filter
heat transfer
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gas
transfer gas
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千林暁
内藤健太
後藤優次
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日新電機株式会社
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    • F01N2410/04—By-passing, at least partially, exhaust from inlet to outlet of apparatus, to atmosphere or to other device during regeneration period, e.g. of particle filter

Definitions

  • the present invention has a function of collecting particulate matter such as carbon particles (Particulate Matter, abbreviated as PM) contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as a diesel engine by a filter, and the filter. It is related with the particulate matter removal apparatus which has a function which heats and heats and collects and removes the particulate matter collected by it, and reproduces
  • particulate matter such as carbon particles (Particulate Matter, abbreviated as PM) contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as a diesel engine by a filter, and the filter.
  • a technique using a filter such as a ceramic porous body filter or a ceramic fiber filter is known.
  • the filter in order to prevent clogging of the filter due to the accumulation of collected particulate matter and to use the filter for a long time, the filter is sometimes heated to a temperature higher than the combustion temperature of the particulate matter and collected. It is necessary to regenerate the filter by burning and removing the particulate matter.
  • Patent Document 1 An example of a particulate matter removing apparatus having the function of collecting particulate matter by a filter and the function of heating and regenerating the filter as described above is described in Patent Document 1.
  • the device described in Patent Document 1 closes a valve on the upstream side of the filter to shut off an exhaust gas flow, and supplies the fuel supplied from the fuel pump to an air pump.
  • Air blowing means Mixes and burns with air supplied to heat the filter, and after a predetermined time has elapsed, the fuel pump is stopped to stop heating by fuel combustion, and only air blowing from the air pump is continued for a predetermined time.
  • the heat stored in the upstream portion of the filter during fuel combustion is sequentially propagated downstream by the air, thereby reducing the fuel consumption for regenerating the filter.
  • Patent Document 1 the technique described in Patent Document 1 is such that after the filter is heated by fuel combustion for a predetermined time, only air blowing by the air pump is continued for a predetermined time, and the heat stored in the upstream portion of the filter at the time of fuel combustion is stored.
  • the technology of sequentially propagating the water to the downstream side is adopted, the temperature difference in the filter is alleviated to some extent, but after the heating time, it is necessary to provide a time only for the air flow. During this time, heat in the upstream part of the filter escapes to the side (radial direction) of the filter, so that heat does not propagate to the downstream part as expected. Moreover, the thermal efficiency is also deteriorated.
  • the present invention provides a particulate matter removing device capable of reducing the temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the filter when heating and regenerating the filter and heating the entire filter with good uniformity. This is the main purpose.
  • the particulate matter removing device has a function of collecting particulate matter contained in exhaust gas by a filter, and heating and removing the particulate matter collected by heating the filter.
  • a particulate matter removing device having a function of regenerating the filter, the plurality of filter storage chambers into which the exhaust gas is respectively introduced, and provided in each of the filter storage chambers, A filter that collects particulate matter in the exhaust gas and an inlet side of each of the filter storage chambers, and is opened when the particulate matter is collected by the filter in the filter storage chamber.
  • the gas supply means for supplying heat transfer gas to the upstream side of the filter in the filter storage chamber and the valve on the inlet side of each filter storage chamber are closed when the valve is closed.
  • the heat transfer gas supplied from the gas supply means is heated and supplied to the filter in the filter storage chamber to regenerate the filter. And heating means.
  • this particulate matter removing device since it includes a plurality of filter storage chambers and the like in which the filters are respectively stored, the particulate matter in the exhaust gas is collected by the filter in the desired filter storage chamber, The filter in the filter storage chamber can be regenerated. Therefore, the filter can be regenerated without interrupting the collection of particulate matter in the exhaust gas.
  • a gas supply means different from the heating means for burning the fuel using air is provided, and when the filter is heated and regenerated, a necessary amount of heat is transferred from the gas supply means to the upstream side of the filter. While supplying gas, the heat transfer gas can be heated to the required temperature by the heating means and supplied to the filter, so that the amount of heated heat transfer necessary to heat the entire filter with good uniformity The working gas can be supplied to the filter. Therefore, the temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the filter when the filter is heated and regenerated can be reduced, and the entire filter can be heated with good uniformity.
  • the linear velocity of the heat transfer gas in the cross section of the filter converted to room temperature air is LV [m / s], the density of the heat transfer gas is ⁇ 1 [kg / m 3 ], and the density of the filter is ⁇ 2 [kg / m 3 ], the constant pressure specific heat of the heat transfer gas is C 1 [J / kg ⁇ K], the specific heat of the filter is C 2 [J / kg ⁇ K], and the constant is K 1 ,
  • the linear velocity LV may be a value expressed by the following equation or a mathematically equivalent equation thereof, and the constant K 1 may be 4 ⁇ 10 ⁇ 4 or more and 2 ⁇ 10 ⁇ 3 or less.
  • the gas supply means may be a bypass pipe that bypasses the closed valve and supplies a part of the exhaust gas as the heat transfer gas, or supplies air as the heat transfer gas.
  • a blower may be used.
  • a macroscopic flow direction of the heat transfer gas in each filter storage chamber is a substantially horizontal direction, and a heating region for heating the heat transfer gas by the heating means is in each filter storage chamber,
  • a configuration may be adopted in which a ventilation control plate is provided below the filter so as to guide more than other portions.
  • the particulate matter in the exhaust gas is collected by the filter in the desired filter storage chamber.
  • the filter in the filter storage chamber can be regenerated. Therefore, the filter can be regenerated without interrupting the collection of particulate matter in the exhaust gas.
  • a gas supply means different from the heating means for burning the fuel using air is provided, and when the filter is heated and regenerated, a necessary amount of heat is transferred from the gas supply means to the upstream side of the filter. While supplying gas, the heat transfer gas can be heated to the required temperature by the heating means and supplied to the filter, so that the amount of heated heat transfer necessary to heat the entire filter with good uniformity The working gas can be supplied to the filter. Therefore, the temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the filter when the filter is heated and regenerated can be reduced, and the entire filter can be heated with good uniformity.
  • the gas supply means is a bypass pipe, it is not necessary to provide a blower for supplying the heat transfer gas, and the configuration can be simplified. Therefore, the particulate matter removing device can be reduced in size and size. Less power consumption. Further, since the exhaust gas, which is a heat transfer gas, has already been heated to a certain high temperature, fuel consumption in the heat transfer gas heating means can be reduced. Therefore, the present invention is more suitable for in-vehicle applications in which restrictions such as device dimensions are relatively large.
  • the filter can be regenerated even when the internal combustion engine that exhausts exhaust gas is not moving. Moreover, the controllability of the amount of air that is a heat transfer gas is also good. Therefore, the present invention is more suitable for stationary applications in which restrictions such as device dimensions are relatively loose.
  • the following further effect is obtained. That is, since the heated gas has a property of rising, when the macroscopic flow direction of the heat transfer gas in each filter storage chamber is set to a substantially horizontal direction, In comparison with the above, the temperature rise in the lower part becomes smaller, the temperature difference in the vertical direction in the filter becomes larger, and for example, the regeneration performance in the lower part of the filter may be deteriorated.
  • the heating means in the lower part of the filter storage chamber as in the present invention and providing a ventilation control plate, the heated heat transfer gas is guided to the lower part of the filter more than the others, By making good use of the property that the heated gas rises, the temperature difference between the upper part and the lower part in the filter can be reduced, and the filter can be heated with good uniformity in the vertical direction of the filter.
  • FIG. 1 It is a schematic sectional drawing which shows one Embodiment of the particulate matter removal apparatus which concerns on this invention. It is sectional drawing which shows an example of the more concrete structure of the entrance vicinity of a filter storage chamber. It is sectional drawing which shows the other example of a more concrete structure of the entrance vicinity of a filter storage chamber. It is sectional drawing which shows the further another example of a more concrete structure of the entrance vicinity of a filter storage chamber. It is a figure which shows an example of the result of having measured the ultimate temperature in four ventilation
  • FIG. 11 is an enlarged sectional view taken along line AA in FIG. 10.
  • a distance L 4 is 12cm in FIG. 10 shows the upper part of the filter, the temperature reached the middle and lower three points, an example of results of measurement in the case of not providing the case of providing a ventilation control plate It is.
  • the figure which shows an example of the result of having measured the ultimate temperature of three points, the upper part, the center, and the lower part in the filter, with and without the ventilation control plate, at the position where the distance L 4 in FIG. 10 is 25 cm. It is.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the particulate matter removing apparatus according to the present invention.
  • This particulate matter removing device has a function of collecting particulate matter contained in the exhaust gas 4 discharged from the internal combustion engine 2 such as a diesel engine by the filter 14, and heating the filter 14 to It has a function of regenerating the filter 14 by burning and removing the collected particulate matter.
  • the particulate matter removing apparatus includes a plurality of (two in this example) filter storage chambers 12 into which the exhaust gas 4 is introduced, and the filter storage chambers 12 are introduced into the filter storage chambers 12.
  • Filters 14 for collecting particulate matter in the exhaust gas 4 are provided.
  • Exhaust gas 4 from the internal combustion engine 2 is branched into a plurality by the exhaust gas passage 6 and introduced into the respective filter storage chambers 12.
  • the inside of each filter container 10 is each filter storage chamber 12.
  • a heat insulating material 16 is provided between each filter 14 and each filter container 10.
  • the particulate matter contained in the exhaust gas 4 is, for example, carbon fine particles.
  • Each filter 14 is, for example, a ceramic porous honeycomb filter, more specifically, a silicon carbide (SiC) porous honeycomb filter or the like. A more specific example of each filter 14 will be described later.
  • SiC silicon carbide
  • a valve 8 is provided on the inlet side of each filter storage chamber 12. Each valve 8 is opened when particulate matter is collected by the filter 14 in the filter storage chamber 12 and allows the exhaust gas 4 to pass through (the upper valve 8 and the filter storage chamber 12 in FIG. When the filter 14 in the filter storage chamber is regenerated, the filter 14 is closed to block the exhaust gas 4 (the lower valve 8 and the filter storage chamber 12 in FIG. Status).
  • the particulate matter removing device further transfers heat to the upstream side of the filter 14 in the filter storage chamber 12 when the valve 8 on the inlet side of each filter storage chamber 12 is closed, that is, when the filter is regenerated.
  • a bypass pipe 20 that bypasses the closed valve 8 and supplies a part of the exhaust gas 4 as the heat transfer gas 22 is provided.
  • the particulate matter removing device further burns fuel using air in the filter storage chamber 12 when the valve 8 on the inlet side of each filter storage chamber 12 is closed, that is, when the filter is regenerated.
  • the heat transfer gas 22 supplied from the bypass pipe 20 (that is, a part of the exhaust gas 4) is heated and supplied to the filter 14 in the filter storage chamber 12, and is collected by the filter 14.
  • a heating device 24 is provided as an example of a heating unit that regenerates the filter 14 by burning and removing particulate matter.
  • FIG. 2 shows an example of a more specific configuration near the entrance of the filter storage chamber 12 including the heating device 24.
  • FIG. 2 shows the vicinity of the entrance of one (lower) filter storage chamber 12 of the two in FIG. 1, but the configuration near the entrance of the other (upper) filter storage chamber 12. Is the same. The same applies to FIGS. 3 and 4 described later.
  • the valve 8 on the upstream side of the filter storage chamber 12 in which the filter 14 is stored is closed as described above.
  • the heating device 24 has a combustion chamber 26 provided in the filter storage chamber 12 and upstream of the filter 14.
  • the combustion chamber 26 has an outlet on the filter 14 side.
  • Fuel is supplied from the fuel pump 34 via the valve 36 and the combustion pipe 38.
  • This fuel is, for example, a liquid fuel such as light oil.
  • a fuel injection port 40 is provided at the tip of the fuel pipe 38. The reason why the fuel injection port 40 is directed to the upstream side is to prevent raw (that is, non-combusted) fuel from being supplied to the filter 14 side.
  • the combustion chamber 26 is further supplied with air used for fuel combustion from an air pump 42 via a valve 44 and an air pipe 46.
  • an electric heater 30 for igniting by heating the fuel and air above the ignition temperature of the fuel. Electric power is supplied to the electric heater 30 from a heater power supply 32.
  • the amount of air introduced into the combustion chamber 26 is, for example, about 5 to 30 L / min.
  • the air pump 42 can be introduced with a small size and low power consumption.
  • the introduced air and fuel are heated by the electric heater 30, so that the fuel is reliably ignited.
  • the electric heater 30 heats the air and fuel introduced into the combustion chamber 26 to 250 ° C. or higher. In order to ignite more reliably, it is preferable to heat the air and fuel to about 500 ° C.
  • the air introduction amount is, for example, 30 L / min, and the heat quantity Q 3 for raising the temperature of this air by 500 ° C. (or 500 K) is 300 W from the following equation: Degree. Therefore, even if heat loss is taken into consideration, the capacity of the electric heater 30 is sufficient to be 500 W or less. If an electric heater is used to heat the filter 14 itself, for example, an electric power of about 5 kW or more is required, but the electric heater 30 is for vaporizing and burning fuel, and is necessary for the electric heater 30. For example, as described above, since the electric power may be 500 W or less, even when an in-vehicle battery or generator is used for the heater power source 32, the burden on them is small.
  • the specific heat of air was 1 J / g ⁇ K, and the specific gravity of air was 1.3 g / L.
  • An air amount of 30 L / min is 0.5 L / s per second.
  • the combustion gas 48 blows out from the combustion chamber 26 toward the downstream side, and the heat transfer gas 22 (that is, the exhaust gas) introduced from the bypass pipe 20 in the heating region 50 near the outlet of the combustion chamber 26. 4), the heat transfer gas 22 is heated to a high temperature. Further, in the heating region 50, the combustion of the fuel advances due to the oxygen remaining in the exhaust gas 4, and the heating of the heat transfer gas 22 advances.
  • the heat transfer gas 22 is heated to a high temperature and supplied to the filter 14.
  • the filter 14 is heated to a high temperature, and the particulate matter collected by the filter 14 is burned and removed.
  • the electric heater 30 may be energized and heated while supplying fuel to the combustion chamber 26, or may be energized and heated only in the initial stage of fuel supply (for example, about 30 seconds to several minutes). Once combustion of fuel is started, if the combustion heat can be expected to continue continually in a chained manner, the latter will reduce power consumption. Further, the electric heater 30 may be energized and heated for the purpose of preheating the combustion chamber 26 before supplying the fuel. By doing so, it is possible to reliably realize the ignition and combustion of the fuel from the initial stage of the fuel supply.
  • the electric heater 30 may be, for example, a spiral heater in which a linear heating element such as iron-chromium or nickel-chromium is wound in a spiral shape, or a sheathed heater in which the outside of the heating element is protected by a metal sheath. .
  • the ventilation control plate 56 that may be provided above the combustion chamber 26 will be described later.
  • At the time of collecting particulate matter at least one valve 8 is opened, that is, the filter storage chamber 12 used for collection. Is opened, and the exhaust gas 4 from the internal combustion engine 2 is guided to the filter 14 in the filter housing chamber 12 to pass therethrough. As a result, the particulate matter in the exhaust gas 4 is collected by the filter 14, and the exhaust gas 4 becomes a purified gas from which the particulate matter has been removed and exits downstream of the filter storage chamber 12.
  • the exhaust gas 4 is supplied to some extent from the bypass pipe 20 into the filter storage chamber 12 even when particulate matter is collected, but there is still no problem.
  • the exhaust gas 4 supplied from the bypass pipe 20 is supplied to the filter 14 together with the exhaust gas 4 supplied through the opened valve 8, and particulate matter contained therein is collected by the filter 14. is there.
  • the valve 8 on the inlet side of the filter storage chamber 12 storing the filter 14 to be regenerated is closed, and the heat transfer gas 22 supplied from the bypass pipe 20 (this is as described above) A part of the exhaust gas 4 from the internal combustion engine 2) is heated to a high temperature by the heating device 24 and supplied to the filter 14. Thereby, the particulate matter collected in the filter 14 can be burned and removed. That is, the filter 14 can be regenerated.
  • the switching between the particulate matter collection operation and the filter 14 regeneration operation as described above may be performed manually, for example, or may be performed by the control device 60 as illustrated in FIG.
  • the control device 60 controls devices such as the valve 8, the fuel pump 34, and the air pump 42 that are associated with a plurality of (two in the example of FIG. 1) filter storage chambers 12.
  • the control device 60 controls the opening / closing of the valves 8, the fuel pumps 34, the valves 36, the air pumps 42, the valves 44, and the heater power supplies 32, as described above.
  • Switching between the particulate matter collecting operation and the filter 14 regeneration operation is performed.
  • information such as the operating state of the internal combustion engine 2 is necessary, for example, the information may be supplied from the internal combustion engine 2 to the control device 60 and used.
  • the filter 14 since the filter 14 includes a plurality of filter storage chambers 12 and the like in which the filters 14 are stored, the particulate matter in the exhaust gas 4 is captured by the filter 14 in the desired filter storage chamber 12. While collecting, the filters 14 in the other filter storage chambers 12 can be regenerated. Therefore, the filter 14 can be regenerated without interrupting the collection of particulate matter in the exhaust gas 4.
  • a bypass pipe 20 is provided as a gas supply means.
  • the bypass pipe 20 is upstream of the filter 14.
  • a necessary amount of the heat transfer gas 22 is supplied to the side, and the heat transfer gas 22 can be heated to a required temperature by the heating device 24 and supplied to the filter 14, so that the entire filter 14 can be evenly distributed.
  • the amount of heated heat transfer gas 22 required for heating can be supplied to the filter 14. Therefore, the temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the filter 14 when the filter 14 is heated and regenerated can be reduced, and the entire filter 14 can be heated with good uniformity.
  • the fuel may be introduced into the combustion chamber 26 by a fuel pipe 38 different from the air pipe 46 as in the example shown in FIG. 2, or in the middle of the air pipe 46 as in the example shown in FIG.
  • the fuel pipes 38 may be joined together and introduced into the combustion chamber 26 together with air.
  • the fuel injection port 40 is always in a state of being cleaned with air, so that the risk of fuel pipe blockage or the like is further reduced.
  • the fuel and air are heated in the combustion chamber 26 at the same time. However, there is no change in heating the fuel to the ignition temperature or higher. From this viewpoint, the example of FIG. It does n’t change.
  • a blower 52 that supplies the air 54 as the heat transfer gas 22 may be provided as in the example shown in FIG. Also in this case, the relationship between the fuel pipe 38 and the air pipe 46 may be the example shown in FIG.
  • the control device 60 also performs operation control of the blower 52.
  • the gas supply means is the bypass pipe 20
  • the configuration can be simplified. Therefore, the particulate matter removing device can be reduced in size and size. Less power consumption.
  • the exhaust gas 4 that is the heat transfer gas 22 has already been heated to a certain high temperature, the amount of fuel consumed in the heating device 24 of the heat transfer gas 22 can be reduced. Therefore, this example is more suitable for in-vehicle applications in which restrictions such as device dimensions are relatively large.
  • the filter 14 can be regenerated even when the internal combustion engine 2 that discharges the exhaust gas 4 is not moving. Moreover, the controllability of the flow rate of the air 54 that is the heat transfer gas 22 is also good. Therefore, this example is more suitable for stationary applications in which restrictions such as device dimensions are relatively loose.
  • FIG. 5 shows an example of the result of measuring the temperature reached in the filter 14 at four points that are 5 cm, 12 cm, 18 cm, and 25 cm away from the upstream end 14a of the filter 14 in the downstream direction, respectively.
  • the linear velocity LV [m / s] is the velocity of the heat transfer gas 22 that passes through the cross section (longitudinal cross section; the same applies hereinafter) of the filter 14 per unit time. Divided by the cross-sectional area. Therefore, it represents the flow rate of the heat transfer gas 22.
  • the linear velocity LV in this application is converted to air at normal temperature (20 ° C.) in order to avoid the influence of the difference in volume of the heat transfer gas 22 due to the difference in temperature.
  • the temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the filter 14 is small (about 300 ° C.).
  • the entire filter 14 can be heated with good uniformity. This is presumably because the flow rate of the heat transfer gas 22 is moderate, and the heat transfer from the upstream portion of the filter to the downstream portion by the heat transfer gas 22 is moderate.
  • the temperature required for efficient regeneration of the filter 14 is usually about 500 ° C. or higher, but almost all of the measurement positions are satisfied.
  • the temperature at which the filter 14 is feared to be damaged is about 1000 ° C. or higher, but is lower than this temperature at all measurement positions. That is, the filter 14 can be heated to a temperature higher than the temperature necessary for its efficient regeneration and lower than the temperature at which the filter 14 may be damaged.
  • the flow rate of the heat transfer gas 22 is moderate, so that it is possible to prevent the heat from escaping from the inside of the filter 14 in the radial direction due to excessive heating of the filter 14.
  • the heat transferred from the filter 14 to the heat transfer gas 22 can be prevented from increasing. Therefore, the thermal efficiency is high and the filter 14 can be heated efficiently.
  • the temperature difference between the upstream part and the downstream part is somewhat larger (about 380 ° C.), and the temperature in the downstream part (25 cm) is somewhat higher. Although lower, it is acceptable. This is thought to be because the flow rate of the heat transfer gas 22 is somewhat small and the heat transfer to the downstream side by the heat transfer gas 22 is somewhat insufficient.
  • the temperature difference between the upstream part and the downstream part becomes small (about 260 ° C.), while the temperature in the downstream part (25 cm) becomes somewhat lower.
  • the linear velocity LV is preferably in the range of 0.2 m / s or more and 1 m / s or less if the temperature of the exit part (25 cm) is allowed to be somewhat low, and is 0.3 m / s or more and 0 or less. It can be said that the range of 0.8 m / s or less is more preferable. Within this range, as described above, it is possible to prevent the heat from escaping from the inside of the filter 14 in the radial direction from taking too much time to heat the filter 14, and the heat transfer gas 22 from the filter 14. The heat efficiency is also high because it is possible to prevent the heat taken away by the heat from being increased.
  • the density of the heat transfer gas 22 is ⁇ 1 [kg / m 3 ], the density of the filter 14 is ⁇ 2 [kg / m 3 ], the constant pressure specific heat of the heat transfer gas 22 is C 1 [J / kg ⁇ K],
  • the linear velocity LV [m / s] can be expressed by the following equation.
  • ⁇ 1 C 1 is the heat capacity per 1 m 3 of the heat transfer gas 22
  • ⁇ 2 C 2 is the heat capacity per 1 m 3 of the filter 14. This equation is the same as the above equation (1).
  • the constant K 1 is preferably in the range of 4 ⁇ 10 ⁇ 4 to 2 ⁇ 10 ⁇ 3, and more preferably in the range of 6 ⁇ 10 ⁇ 4 to 1.6 ⁇ 10 ⁇ 3 . That is, even if the material of the filter 14 is changed by expressing the linear velocity LV with the above equation 4 or an expression mathematically equivalent thereto and setting the constant K 1 within the above range, the above-described effect described with respect to the result of FIG. The same effect can be obtained. That is, since heat transfer by the heat transfer gas 22 from the upstream portion to the downstream portion of the filter 14 becomes appropriate, the entire filter 14 is efficiently heated, and between the upstream portion and the downstream portion in the filter 14. Thus, the entire filter can be heated with higher uniformity.
  • the fuel injection amount F 1 can be expressed by the following equation.
  • the weight of the filter 14 (the weight including the weight of an oxidation catalyst to be described later including the weight) is G [kg]
  • the specific heat of the filter 14 is C 2 [J / kg ⁇ K]
  • the amount of heat Q 2 required for increasing the temperature of the filter 14 can be expressed by the following equation.
  • the temperature T 1 is usually about 500 ° C. as described above, and the temperature T 2 is usually about 100 ° C. to 400 ° C.
  • the constant K 2 is a constant determined by the configuration of the filter 14 and is usually in the range of 0.8 to 1.5.
  • the constant K 2 can be reduced by insulating the side surface of the filter 14 with the heat insulating material 16 as in the examples shown in FIGS. 1 to 4 to improve the thermal efficiency, thereby reducing the fuel injection amount F. 1 can be reduced.
  • a specific example of the heat insulating material 16 will be described later.
  • FIG. 6 shows an example of the result of measuring the temperature reached at four points in the ventilation direction in the filter 14 by changing the fuel injection amount in the heating device 24.
  • the positions of the filter 14 and the four points used for the measurement are the same as in FIG.
  • the filter 14 has a cylindrical shape, its cross-sectional area is S 2 [m 2 ], and its length is L 2 [m], the heat propagation time ⁇ [s] of the entire filter is expressed by the following equation (9).
  • the volume V 2 [m 3 ] of the filter 14 can be expressed by the following formula 10.
  • the amount of heat transfer gas Z required for heat propagation can be determined according to the above equation 11 or a mathematically equivalent equation. Therefore, it is only necessary to operate so that the integrated amount of the heat transfer gas 22 passing through the filter 14 when the filter 14 is regenerated is equal to or greater than the heat transfer gas amount Z.
  • the determination as to whether or not the integrated amount of the heat transfer gas 22 passing through the filter 14 is equal to or greater than the heat transfer gas amount Z may be made, for example, when a predetermined time has elapsed, It may be estimated by calculating the integrated amount of passage of the heat transfer gas 22 from the pressure information on the upstream side of the filter in the filter 12.
  • a heat transfer gas 22 of the order of 100 L / min is supplied into the filter storage chamber 12.
  • the linear velocity LV 0.3 m / s is realized for the filter 14 having a diameter of 14 cm (cross-sectional area S 2 is 0.015 m 2 ) as in the above example, the following equation is used.
  • a heat transfer gas 22 with a flow rate B is required.
  • the heat transfer gas 22 having such a flow rate B is supplied from the bypass pipe 20 or the blower 52 as described above. That is, a part of the exhaust gas 4 is bypassed by the bypass pipe 20 and supplied as the heat transfer gas 22.
  • the air 54 is supplied as the heat transfer gas 22 by the blower 52.
  • the flow rate of the heat transfer gas 22 can be adjusted, for example, by adjusting the rotational speed of the blower 52.
  • the bypass pipe 20 it can be performed by means such as the following example.
  • FIG. 7 shows an example in which an orifice 64 is provided in the bypass pipe 20.
  • the position where the orifice 64 is provided is not limited to the vicinity of the tip of the bypass pipe 20 as in the illustrated example, and may be provided anywhere on the bypass pipe 20.
  • K 3 is a constant and is about 2.
  • the flow rate B in the range of 2 to 10 kPa of the practical pressure is in the range of 300 to 700 L / min. can do.
  • the line of the heat transfer gas 22 in the practical pressure range can be calculated from the above formula 12.
  • the speed LV can be in the range of 0.3 to 0.8 m / s.
  • Measures other than the orifice 64 may be used to adjust the flow rate of the heat transfer gas 22.
  • the bypass pipe 20 itself may have a flow rate adjusting function.
  • the following flow rate adjustment valve mechanism may be used.
  • FIG. 8 shows an example in which a flow rate adjusting plate 66 and a spring 68 are provided in the bypass pipe 20.
  • the flow rate of the exhaust gas 4 flowing through the bypass pipe 20 is relatively small, the pressure received by the flow rate adjusting plate 66 from the exhaust gas 4 is small, so the spring 68 is contracted and the flow rate adjusting plate 66 is shown by a solid line in FIG. As shown, it is greatly inclined and the flow path resistance is small.
  • the spring 68 extends and the flow rate adjustment plate 66 is shown by, for example, a two-dot chain line in FIG. Standing properly, the channel resistance increases.
  • the flow rate of the exhaust gas 4 that is, the heat transfer gas 22
  • the bypass pipe 20 can be automatically controlled to a substantially predetermined flow rate.
  • the butterfly valve 70 is provided in the bypass pipe 20, the pressure upstream of the butterfly valve 70 is detected by the pressure sensor 74, and the opening degree of the butterfly valve 70 is adjusted by the control device 76 and the motor 72 in response thereto.
  • the flow rate of the exhaust gas 4 (that is, the heat transfer gas 22) flowing through the bypass pipe 20 is controlled to be constant (that is, feedback control is performed). This mechanism can adjust the flow rate of the heat transfer gas 22 most accurately.
  • the heated gas has a property of rising, in the case of the arrangement as described above, if the heated heat transfer gas 22 is uniformly supplied in the longitudinal section of the filter 14, the line of the heat transfer gas 22 is obtained. If the speed LV is within the above-mentioned preferred range (ie 0.2 to 1 m / s), the flow rate of the heat transfer gas 22 cannot be said to be so large that the rise of the gas can be ignored. There is a possibility that the temperature rise in the lower part becomes smaller than the upper part in 14 and the temperature difference in the vertical direction in the filter 14 becomes larger, for example, the regeneration performance of the lower part of the filter 14 is deteriorated.
  • heating regions 50 for heating the heat transfer gas 22 by the heating device 24 are provided in the filter storage chambers. 12, disposed upstream of the filter 14 and in the lower part (lower part in the vertical direction) of the filter storage chamber 12, and the heat transfer gas 22 heated in the heating region 50 is placed in the lower part of the filter 14.
  • the ventilation control plate 56 that leads more than the other portions may be provided in each filter storage chamber 12 and above the heating region 50.
  • a region 58 on the lower side of the ventilation control plate 56 in FIG. 11 is a region having a large ventilation amount. If it does as mentioned above, the characteristic that the heated gas goes up will be used well, the temperature difference between the upper part and the lower part in the filter 14 will be reduced, and the filter will be heated with good uniformity also in the vertical direction of the filter 14. be able to.
  • the temperature reached in the filter 14 is the same as in the above-described example, and the heat transfer gas 22 heated in the heating region 50 by providing the ventilation control plate 56 is increased below the filter 14 (about 30% of the filter cross-sectional area).
  • 12 and 13 show examples of measurement results obtained when led and when the ventilation control plate 56 is not provided.
  • FIG. 12 shows the measurement results of the reached temperatures of the upper M 1 , the center M 2 and the lower M 3 at a position where the distance L 4 from the upstream end 14a of the filter 14 is 12 cm.
  • FIG. 13 shows the measurement results of the reached temperatures of the upper M 4 , the center M 5 and the lower M 6 at a position where the distance L 4 from the upstream end 14a of the filter 14 is 25 cm.
  • the ventilation control plate 56 is provided, and when the heat transfer gas 22 heated in the heating region 50 is led to the lower part of the filter 14, the ventilation control plate Compared with the case where 56 is not provided, the uniformity of temperature rise in the vertical direction of the filter 14 is greatly improved. As shown in FIG. 13, even when the distance L 4 is 25 cm, the uniformity of the temperature rise in the vertical direction of the filter 14 is improved as compared with the case where the ventilation control plate 56 is not provided.
  • 500kW / m 2 or less 250 kW / m 2 The above range is preferable. If it is larger than 500 kW / m 2 , a large amount of heat is applied to the upstream portion of the filter 14 before the heat propagates to the downstream portion of the filter 14, and the upstream portion may be overheated and damaged. If it is less than 250 kW / m 2 , heat for uniform heating is insufficient.
  • the fuel pump 34 described above is controlled by, for example, PWM (pulse width modulation) control or the like according to the cross-sectional area of the filter 14 to control the fuel injection amount per unit time in the heating device 24, and the heat generation.
  • the amount H 1 may be controlled within the above range.
  • the fuel injection amount per unit time in the heating device 24 is F 2 [cc / s]
  • the fuel combustion heat is Q 1 [J / cc]
  • the cross-sectional area of the filter 14 is S 2 [m 2 ].
  • the fuel injection amount F 2 can be determined.
  • the calorific value H 1 is in the range of 500 kW / m 2 or less and 250 kW / m 2 or more as described above.
  • the cross-sectional area S 2 of the filter 14 is 0.015 m 2 as described above, to obtain a heat value H 1 of 400 kW / m 2, it is sufficient calorific value of 6 kW.
  • the combustion heat Q 1 of light oil is about 38 kJ / cc, so the fuel injection amount F 2 per unit time of light oil is about It may be 0.16 cc / s.
  • the heating device 24 may generate heat intermittently. That is, a predetermined heat generation time and a predetermined heat generation stop time may be alternately provided.
  • the filter 14 and the oxidation catalyst may be used in combination.
  • an oxidation catalyst may be provided before the filter 14.
  • the filter 14 may carry an oxidation catalyst.
  • the particulate matter removal device has a thermal efficiency as described above. Therefore, the temperature of the filter 14 is raised to the temperature necessary for burning and removing particulate matter such as carbon fine particles with a relatively small amount of fuel (about 500 ° C. or more as described above) without using a catalyst. It is possible to make it happen. Therefore, the particulate matter removing apparatus according to the present invention can also be used for applications using such fuel.
  • the filter 14 for example, the ceramic porous honeycomb filter, the ceramic fiber filter, or the like described above can be used. Among them, it is preferable to use a ceramic porous honeycomb filter having a large surface area per volume.
  • a material for the ceramic porous honeycomb filter for example, cordierite (2MgO ⁇ 2Al 2 O 3 ⁇ 5SiO 2 ), silicon carbide (SiC), aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ) and the like can be adopted.
  • silicon carbide or aluminum titanate from the viewpoint of heat resistance and thermal shock resistance. By doing so, it is possible to reduce the possibility of the filter 14 being damaged with respect to the temperature rise when the filter 14 is regenerated by burning off the particulate matter.
  • the side surface of the filter 14 is preferably insulated by the heat insulating material 16 as in the above example. By doing so, the thermal efficiency when the filter 14 is heated and regenerated can be further increased, and the uniformity of the temperature rise in the radial direction of the filter 14 can be further increased.
  • the heat insulating material 16 for example, a ceramic felt made of alumina fiber is suitable.
  • the method for determining when to regenerate each filter 14 may be, for example, a timer control method in which regeneration is performed by detecting that a predetermined operation time has elapsed by a timer, or manually by a person.
  • a manual playback method for starting playback may be used.
  • a manual regeneration method may be used in a stationary application such as when the internal combustion engine 2 is a diesel engine for a stationary diesel generator.
  • the amount of particulate matter discharged and the amount accumulated in the filter 14 are estimated using the temperature and pressure of the exhaust gas 4 from the internal combustion engine (engine) 2.
  • a method of determining the playback time may be used. If the temperature of the exhaust gas 4 is about 350 ° C. or more, for example, the particulate matter deposited on the filter 14 can be expected to be oxidized and removed by the exhaust gas temperature, so there is an operating region where the exhaust gas temperature is high. In response to this, control such as postponing the regeneration time of the filter 14 may be performed.
  • the regeneration of the filter 14 is performed, for example, in order to avoid excessive pressure loss in the filter 14 and overheating of the filter 14 due to self-heating of the particulate matter during regeneration. Playback may be performed under the following conditions.
  • the specific gravity is 0.66 kg / L
  • the specific heat is 1000 J / kg ⁇ K
  • the oxidation heat of the particulate matter is 33 kJ / g.
  • the temperature rise ⁇ T due to the self-heating of the particulate matter is about 150 [K or ° C.] as shown by the following equation when the amount of particulate matter deposited is 3 g / L. With this amount of heat generation, when the filter 14 is heated and regenerated, the temperature rise due to self-heating of the particulate matter is superimposed, and the filter 14 is overheated and the filter 14 is damaged (for example, melted). The possibility is small.
  • the amount of particulate matter discharged and the amount accumulated in the filter 14 are estimated by using the temperature and pressure of the exhaust gas 4 rather than the method of determining the regeneration timing by the timer control method.
  • the method of determining the regeneration timing of the filter 14 is a more superior method in terms of both preventing an increase in pressure loss in the filter 14 and reducing the risk of damage to the filter 14 during regeneration.
  • each filter 14 When regenerating each filter 14, as in the example shown in FIGS. 1 to 3, in the method of using a part of the exhaust gas 4 as the heat transfer gas 22, the internal combustion engine 2 is operating and the exhaust gas is used. 4 needs to be supplied. Whether or not the internal combustion engine 2 is in operation can be detected by a method such as detecting the pressure in the filter storage chamber 12 or using a signal indicating that the internal combustion engine 2 is in operation.
  • the internal combustion engine 2 is stopped during the regeneration of the filter 14.
  • the regeneration of the filter 14 since the regeneration of the filter 14 is interrupted, it is possible to determine whether or not the regeneration of the filter 14 is completed based on the elapsed time from the start of the regeneration. For example, if it is determined that 70% of the heat transfer gas amount Z shown in Equation 11 has passed, it may be determined that the filter 14 has been substantially regenerated. Further, when it is determined that the filter 14 is not regenerated, the filter 14 may be regenerated after a predetermined time has elapsed since the start of the next operation of the internal combustion engine 2.
  • the operation control including the determination of the regeneration time of each filter 14 and the determination of the regeneration time as described above may be performed by, for example, the control device 60 shown in FIGS.
  • the operation mode when there are three or more sets of filter storage chambers 12 is, for example, when the filter 14 in one filter storage chamber 12 is being regenerated, and the filter 14 in the remaining filter storage chamber 12 is in the exhaust gas 4.
  • the particulate matter may be collected.

Landscapes

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Abstract

　フィルタを加熱して再生する際のフィルタ内における上流部と下流部間の温度差を小さくして、フィルタ全体を均一性良く加熱することができる粒子状物質除去装置を提供する。　この粒子状物質除去装置は、排気ガス（４）がそれぞれ導入される複数のフィルタ収納室（１２）と、各フィルタ収納室（１２）内にそれぞれ設けられていて排気ガス（４）中の粒子状物質を捕集するフィルタ（１４）と、各フィルタ収納室（１２）の入口側にそれぞれ設けられていて、粒子状物質の捕集時は開かれて排気ガス（４）を通し、フィルタ（１４）の再生時は閉じられて排気ガス（４）を阻止するバルブ（８）とを備えている。更に、フィルタ（１４）の再生時に、当該フィルタ（１４）の上流側に排気ガス（４）の一部を熱伝達用気体（２２）として供給するバイパス管（２０）と、当該熱伝達用気体（２２）を加熱してフィルタ（１４）に供給して当該フィルタ（１４）を再生する加熱装置（２４）とを備えている。

Description

粒子状物質除去装置
　この発明は、例えばディーゼルエンジンのような内燃機関等から排出される排気ガス中に含まれているカーボン粒子等の粒子状物質（Particulate Matter。略称ＰＭ）をフィルタによって捕集する機能と、当該フィルタを加熱してそれに捕集されている粒子状物質を燃焼除去して当該フィルタを再生する機能とを有している粒子状物質除去装置に関する。
　内燃機関等からの排気ガス中に含まれているカーボン粒子等の粒子状物質を捕集し除去する手段として、セラミック多孔体フィルタ、セラミック繊維フィルタ等のフィルタを用いる技術が知られている。
　上記技術の場合、捕集された粒子状物質の堆積によるフィルタの目詰まりを防止してフィルタを長く使用するためには、時々、フィルタを粒子状物質の燃焼温度以上に加熱して、捕集されている粒子状物質を燃焼除去して当該フィルタを再生する必要がある。
　上記のような、粒子状物質をフィルタによって捕集する機能と、当該フィルタを加熱して再生する機能とを有している粒子状物質除去装置の一例が特許文献１に記載されている。
　この特許文献１に記載されている装置は、フィルタの再生を行う時は、当該フィルタの上流側のバルブを閉じて排気ガス流を遮断しておいて、燃料ポンプから供給される燃料を空気ポンプ（送風手段）から供給される空気と混合して燃焼させてフィルタを加熱し、所定時間経過後は、燃料ポンプを停止して燃料燃焼による加熱を停止し、空気ポンプによる送風のみを所定時間継続して、燃料燃焼時にフィルタの上流部内に蓄えられた熱を上記空気によって下流側へ順次伝播させることによって、フィルタの再生のための燃料消費量の低減を図っている。
特開昭５６－１１８５１４号公報
　上記特許文献１に記載の技術は、燃料消費量を低減することができるとしても、フィルタを加熱して再生する際のフィルタ内における上流部と下流部間の温度差が大きく、フィルタ全体を均一性良く加熱することが難しい。
　即ち、フィルタ上流部の熱が下流部まで期待したほどには伝播しないので、フィルタ上流部では温度上昇が過大となり、フィルタ下流部では温度上昇が過小となりやすい。このことは、特許文献１の第３図の温度分布からも分る。
　特許文献１に記載の技術は、上記のように、燃料燃焼によってフィルタを所定時間加熱した後は、空気ポンプによる送風のみを所定時間継続して、燃料燃焼時にフィルタの上流部内に蓄えられた熱を下流側へ順次伝播させる技術を採用してしており、これによってフィルタ内の温度差はある程度は緩和されるけれども、加熱時間の後に必ず送風のみの時間を設けなければならず、この送風のみの間にフィルタ上流部内の熱がフィルタの側方（半径方向）に逃げるので、期待したほどには熱が下流部まで伝播しない。しかも熱効率も悪くなる。
　仮に送風のみの時間を短縮すると、フィルタ内における上流部と下流部間の温度差が大きくなる。送風のみの間に逃げ出す熱を見込んでフィルタ上流部の加熱温度を高めると、フィルタ上流部の温度上昇が過大になる。
　そこでこの発明は、フィルタを加熱して再生する際のフィルタ内における上流部と下流部間の温度差を小さくして、フィルタ全体を均一性良く加熱することができる粒子状物質除去装置を提供することを主たる目的としている。
　この発明に係る粒子状物質除去装置は、排気ガス中に含まれている粒子状物質をフィルタによって捕集する機能と、当該フィルタを加熱してそれに捕集されている粒子状物質を燃焼除去して当該フィルタを再生する機能とを有している粒子状物質除去装置であって、前記排気ガスがそれぞれ導入される複数のフィルタ収納室と、前記各フィルタ収納室内にそれぞれ設けられていて、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記各フィルタ収納室の入口側にそれぞれ設けられていて、当該フィルタ収納室内のフィルタによって前記粒子状物質を捕集するときは開かれて前記排気ガスを通し、当該フィルタ収納室内のフィルタを再生するときは閉じられて前記排気ガスを阻止するバルブと、前記各フィルタ収納室の入口側の前記バルブが閉じられているときに、当該フィルタ収納室内のフィルタの上流側に熱伝達用気体をそれぞれ供給するための気体供給手段と、前記各フィルタ収納室の入口側の前記バルブが閉じられているときに、当該フィルタ収納室内において空気を用いて燃料を燃焼させることによって、前記気体供給手段から供給された前記熱伝達用気体を加熱して当該フィルタ収納室内のフィルタに供給して当該フィルタを再生する加熱手段とを備えていることを特徴としている。
　この粒子状物質除去装置によれば、フィルタがそれぞれ収納されたフィルタ収納室等を複数備えているので、所望のフィルタ収納室内のフィルタによって排気ガス中の粒子状物質を捕集しながら、他のフィルタ収納室内のフィルタを再生することができる。従って、排気ガス中の粒子状物質の捕集を中断することなくフィルタを再生することができる。
　しかも、空気を用いて燃料を燃焼させる加熱手段とは別の気体供給手段を備えていて、フィルタを加熱して再生する際は、気体供給手段から当該フィルタの上流側に必要量の熱伝達用気体を供給すると共に、当該熱伝達用気体を加熱手段によって必要温度にまで加熱してフィルタに供給することができるので、フィルタ全体を均一性良く加熱するのに必要な量の加熱された熱伝達用気体をフィルタに供給することができる。従って、フィルタを加熱して再生する際のフィルタ内における上流部と下流部間の温度差を小さくして、フィルタ全体を均一性良く加熱することができる。
　前記フィルタの断面における前記熱伝達用気体の、常温の空気に換算した線速度をＬＶ［ｍ／ｓ］、前記熱伝達用気体の密度をρ1 ［ｋｇ／ｍ3 ］、前記フィルタの密度をρ2 ［ｋｇ／ｍ3 ］、前記熱伝達用気体の定圧比熱をＣ1 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、前記フィルタの比熱をＣ2 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、定数をＫ1 とすると、前記線速度ＬＶを次式またはそれと数学的に等価の式で表す値とし、かつ前記定数Ｋ1 を４×１０-4以上２×１０-3以下としても良い。
　［数１］
　　ＬＶ＝Ｋ1 （ρ2 Ｃ2 ）／（ρ1 Ｃ1 ）
　前記気体供給手段は、前記閉じられているバルブをバイパスさせて前記排気ガスの一部を前記熱伝達用気体として供給するバイパス管であっても良いし、空気を前記熱伝達用気体として供給する送風機であっても良い。
　前記各フィルタ収納室内における前記熱伝達用気体の巨視的な流れ方向を実質的に水平方向とし、前記加熱手段によって前記熱伝達用気体を加熱する加熱領域を、前記各フィルタ収納室内であって、前記フィルタの上流側かつ前記フィルタ収納室内の下部にそれぞれ配置し、かつ、前記各フィルタ収納室内において前記加熱領域の上方にそれぞれ設けられていて、前記加熱領域で加熱された前記熱伝達用気体を、前記フィルタの下部に、それ以外の部分よりも多く導く通気制御板を備えている、という構成を採用しても良い。
　請求項１に記載の発明によれば、フィルタがそれぞれ収納されたフィルタ収納室等を複数備えているので、所望のフィルタ収納室内のフィルタによって排気ガス中の粒子状物質を捕集しながら、他のフィルタ収納室内のフィルタを再生することができる。従って、排気ガス中の粒子状物質の捕集を中断することなくフィルタを再生することができる。
　しかも、空気を用いて燃料を燃焼させる加熱手段とは別の気体供給手段を備えていて、フィルタを加熱して再生する際は、気体供給手段から当該フィルタの上流側に必要量の熱伝達用気体を供給すると共に、当該熱伝達用気体を加熱手段によって必要温度にまで加熱してフィルタに供給することができるので、フィルタ全体を均一性良く加熱するのに必要な量の加熱された熱伝達用気体をフィルタに供給することができる。従って、フィルタを加熱して再生する際のフィルタ内における上流部と下流部間の温度差を小さくして、フィルタ全体を均一性良く加熱することができる。
　請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、フィルタ断面における熱伝達用気体の線速度ＬＶを上記数１またはそれと数学的に等価の式で表す値とし、かつ上記定数Ｋ1 を上記範囲に定めることによって、フィルタ上流部から下流部への熱伝達用気体による熱伝播が適度なものになるので、フィルタ全体を効率良く加熱すると共に、フィルタ内における上流部と下流部との間の温度差を小さくして、フィルタ全体をより均一性良く加熱することができる。
　請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、気体供給手段がバイパス管であるので、熱伝達用気体の供給用に送風機を設けなくて済み、構成を簡素化することができる。従って、粒子状物質除去装置を小型化およびコンパクト化することができる。電力消費も少なくて済む。また、熱伝達用気体である排気ガスは既にある程度の高温にまで加熱されているので、熱伝達用気体の加熱手段における燃料消費量を低減することができる。従ってこの発明は、例えば、装置寸法等の制約が比較的大きい車載用途により適している。
　請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、気体供給手段が送風機であるので、排気ガスを排出する内燃機関を動かしていない時でもフィルタの再生を行うことができる。また、熱伝達用気体である空気量の制御性も良い。従ってこの発明は、例えば、装置寸法等の制約が比較的緩い定置用途により適している。
　請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、加熱された気体は上昇する性質を有しているので、各フィルタ収納室内における熱伝達用気体の巨視的な流れ方向を実質的に水平方向とした場合、通常だと、フィルタ内における上部に比べて下部の温度上昇が小さくなって、フィルタ内の上下方向における温度差が大きくなり、例えばフィルタ下部の再生性能が悪くなる可能性がある。これに対して、この発明のように加熱手段をフィルタ収納室内の下部に配置し、かつ通気制御板を設けて、加熱された熱伝達用気体をフィルタの下部に他よりも多く導くことによって、加熱された気体が上昇する性質をうまく利用して、フィルタ内における上部と下部間の温度差を小さくして、フィルタの上下方向においても均一性良くフィルタを加熱することができる。
この発明に係る粒子状物質除去装置の一実施形態を示す概略断面図である。 フィルタ収納室の入口付近のより具体的な構成の一例を示す断面図である。 フィルタ収納室の入口付近のより具体的な構成の他の例を示す断面図である。 フィルタ収納室の入口付近のより具体的な構成の更に他の例を示す断面図である。 フィルタを通過する熱伝達用気体の線速度を変えて、フィルタ内の通気方向４点における到達温度を測定した結果の一例を示す図である。 加熱装置における燃料噴射量を変えて、フィルタ内の通気方向４点における到達温度を測定した結果の一例を示す図である。 バイパス管を流れる排気ガスの流量を調整する機構の一例を示す概略断面図である。 バイパス管を流れる排気ガスの流量を調整する機構の他の例を示す概略断面図である。 バイパス管を流れる排気ガスの流量を調整する機構の更に他の例を示す概略断面図である。 通気制御板の一例およびフィルタ内の温度を測定した位置を示す断面図である。 図１０の線Ａ－Ａに沿う拡大断面図である。 図１０中の距離Ｌ4 が１２ｃｍの位置において、フィルタ内の上部、中央および下部の３点の到達温度を、通気制御板を設けた場合と設けない場合とで測定した結果の一例を示す図である。 図１０中の距離Ｌ4 が２５ｃｍの位置において、フィルタ内の上部、中央および下部の３点の到達温度を、通気制御板を設けた場合と設けない場合とで測定した結果の一例を示す図である。
　図１に、この発明に係る粒子状物質除去装置の一実施形態を示す。
　この粒子状物質除去装置は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関２から排出される排気ガス４中に含まれている粒子状物質をフィルタ１４によって捕集する機能と、当該フィルタ１４を加熱してそれに捕集されている粒子状物質を燃焼除去して当該フィルタ１４を再生する機能とを有している。
　より具体的には、この粒子状物質除去装置は、上記排気ガス４がそれぞれ導入される複数の（この例では二つの）フィルタ収納室１２を備えており、各フィルタ収納室１２内に、導入された排気ガス４中の粒子状物質を捕集するフィルタ１４がそれぞれ設けられている。内燃機関２からの排気ガス４は、排気ガス通路６によって複数に分岐されて各フィルタ収納室１２内に導入される。この例では各フィルタ容器１０内が各フィルタ収納室１２である。各フィルタ１４と各フィルタ容器１０との間には断熱材１６がそれぞれ設けられている。
　排気ガス４中に含まれている上記粒子状物質は、例えば、カーボン微粒子である。
　各フィルタ１４は、例えば、セラミック多孔体ハニカムフィルタ、より具体的には炭化ケイ素（ＳiＣ）多孔体ハニカムフィルタ等である。各フィルタ１４のより具体的な例は後述する。
　各フィルタ収納室１２の入口側には、バルブ８がそれぞれ設けられている。各バルブ８は、当該フィルタ収納室１２内のフィルタ１４によって粒子状物質を捕集するときは開かれて排気ガス４を通し（図１中の上側のバルブ８、フィルタ収納室１２等はこの捕集時の状態を示す）、当該フィルタ収納室内のフィルタ１４を再生するときは閉じられて排気ガス４を阻止する（図１中の下側のバルブ８、フィルタ収納室１２等はこの再生時の状態を示す）。
　この粒子状物質除去装置は、更に、各フィルタ収納室１２の入口側のバルブ８が閉じられているときに、即ちフィルタ再生時に、当該フィルタ収納室１２内のフィルタ１４の上流側に熱伝達用気体２２をそれぞれ供給するための気体供給手段の一例として、当該閉じられているバルブ８をバイパスさせて排気ガス４の一部を上記熱伝達用気体２２として供給するバイパス管２０を備えている。
　この粒子状物質除去装置は、更に、各フィルタ収納室１２の入口側のバルブ８が閉じられているときに、即ちフィルタ再生時に、当該フィルタ収納室１２内において空気を用いて燃料を燃焼させることによって、バイパス管２０から供給された熱伝達用気体２２（即ち排気ガス４の一部）を加熱して当該フィルタ収納室１２内のフィルタ１４に供給して、当該フィルタ１４に捕集されていた粒子状物質を燃焼させて除去して当該フィルタ１４を再生する加熱手段の一例として、加熱装置２４を備えている。
　上記加熱装置２４を含めた、フィルタ収納室１２の入口付近のより具体的な構成の一例を図２に示す。この図２は、図１中の、二つある内の一方の（下側の）フィルタ収納室１２の入口付近を示しているが、他方の（上側の）フィルタ収納室１２の入口付近の構成もこれと同じである。後述する図３、図４についても同様である。なお、加熱装置２４を働かせてフィルタ１４を再生する時は、前述したように、当該フィルタ１４を収納しているフィルタ収納室１２の上流側のバルブ８を閉じておく。
　この加熱装置２４は、フィルタ収納室１２内であってフィルタ１４の上流側に設けられた燃焼室２６を有している。燃焼室２６は、フィルタ１４側の出口が開いている。燃料ポンプ３４から、バルブ３６および燃焼配管３８を経由して、燃料が供給される。この燃料は、例えば、軽油等の液体燃料である。燃料配管３８の先端部に燃料噴射口４０がある。燃料噴射口４０を上流側へ向けているのは、生の（即ち燃焼していない）燃料がフィルタ１４側に供給されるのを防止するためである。
　燃焼室２６には、更に、空気ポンプ４２から、バルブ４４および空気配管４６を経由して、燃料燃焼に用いる空気が供給される。
　燃焼室２６内には、上記燃料および空気を燃料の発火温度以上に加熱して着火するための電気ヒータ３０が設けられている。この電気ヒータ３０には、ヒータ電源３２から電力が供給される。
　より具体例を示すと、燃焼室２６への空気導入量は、例えば５～３０Ｌ／ｍｉｎ程度である。この程度であれば、小型で低消費電力の空気ポンプ４２によって導入可能である。
　燃焼室２６では、導入された空気および燃料が電気ヒータ３０によって加熱され、これによって燃料が確実に着火する。例えば、燃料が軽油の場合その着火温度は２５０℃程度である。従って、電気ヒータ３０は、燃焼室２６に導入された空気および燃料を２５０℃以上に加熱するものとする。より確実に着火するためには、上記空気および燃料を５００℃程度まで加熱することが好ましい。
　燃料の導入量は少ないので空気導入量を中心に考えると、空気導入量を例えば３０Ｌ／ｍｉｎとし、この空気を５００℃（または５００Ｋ）温度上昇させるための熱量Ｑ3 は、次式より、３００Ｗ程度である。従って、熱のロスを考慮しても、電気ヒータ３０の容量は５００Ｗ以下で十分である。仮にフィルタ１４そのものを加熱するために電気ヒータを使用すると、例えば５ｋＷ程度以上の電力が必要であるが、上記電気ヒータ３０は燃料を気化し燃焼させるためのものであり、この電気ヒータ３０に必要な電力は例えば上記のように５００Ｗ以下で良いので、ヒータ電源３２に車載のバッテリーや発電機を使用する場合でも、それらへの負担は小さい。次式において、空気の比熱を１Ｊ／ｇ・Ｋ、空気の比重を１．３ｇ／Ｌとした。３０Ｌ／ｍｉｎの空気量は１秒当たり０．５Ｌ／ｓである。
　［数２］
　　Ｑ3 ＝（１．３ｇ／Ｌ×０．５Ｌ／ｓ）×１Ｊ／ｇ・Ｋ×５００Ｋ
　　　　＝３２５　［Ｊ／ｓ］
　　　　＝３２５　［Ｗ］
　なお、絶対温度Ｔ［Ｋ］とセ氏温度ｔ［℃］との関係は、周知のように、次式で表される。温度差（温度上昇）は、単位が絶対温度［Ｋ］であってもセ氏温度［℃］であっても同じである。以下においては、これらの関係を適宜参照するものとする。
　［数３］
　　Ｔ［Ｋ］＝ｔ［℃］＋２７３
　上記燃料の燃焼によって、燃焼室２６から燃焼ガス４８が下流側に向けて吹き出し、この燃焼室２６の出口付近の加熱領域５０で、バイパス管２０から導入された熱伝達用気体２２（即ち排気ガス４の一部）と混ざり、熱伝達用気体２２を高温に加熱する。また加熱領域５０では、排気ガス４中に残存する酸素によって燃料の燃焼が進展して、熱伝達用気体２２の加熱が進展する。
　上記のようにして熱伝達用気体２２は高温に加熱されて、フィルタ１４に供給される。これによって、フィルタ１４が高温に加熱されて、当該フィルタ１４に捕集されていた粒子状物質が燃焼され除去される。
　電気ヒータ３０は、燃焼室２６に燃料を供給している間ずっと通電加熱しても良いし、燃料供給の初期（例えば３０秒～数分程度）だけ通電加熱しても良い。一旦燃料の燃焼が開始すれば燃焼熱により連鎖的に確実に燃焼継続が期待できる場合、後者の方が電力消費量の低減になる。また、燃料供給前に燃焼室２６の予熱の目的で電気ヒータ３０に通電加熱しても良い。そのようにすれば、燃料供給の初期から確実に燃料の着火、燃焼を実現することができる。
　電気ヒータ３０は、例えば鉄－クロム系やニッケル－クロム系等の線状発熱体をスパイラル状に巻いたスパイラルヒータでも良いし、発熱体の外部を金属製のシースで保護したシーズヒータ等でも良い。
　燃焼室２６および電気ヒータ３０の周りは、図２等に示す例のように、断熱材２８で断熱するのが好ましい。そのようにすると、より少ないヒータ電力で燃料を確実に着火、燃焼させることができる。
　燃焼室２６の上方に設ける場合がある通気制御板５６については後述する。
　再び図１を参照して、この粒子状物質除去装置の運転方法の例を説明すると、粒子状物質の捕集時は、少なくとも一つのバルブ８を開いて、即ち捕集に用いるフィルタ収納室１２の入口側のバルブ８を開いて、内燃機関２からの排気ガス４を当該フィルタ収納室１２内のフィルタ１４に導いてその中を通過させる。これによって、排気ガス４中の粒子状物質はフィルタ１４に捕集され、排気ガス４は粒子状物質が除去された浄化ガスとなって当該フィルタ収納室１２の下流側へ出て行く。
　なお、図１に示す例の場合、粒子状物質捕集時にも、バイパス管２０から排気ガス４がある程度はフィルタ収納室１２内に供給されるけれども、それでも支障はない。バイパス管２０から供給された排気ガス４は、開かれているバルブ８を通して供給された排気ガス４と共にフィルタ１４に供給され、それに含まれている粒子状物質がフィルタ１４によって捕集されるからである。
　フィルタ１４の再生時は、再生したいフィルタ１４を収納しているフィルタ収納室１２の入口側のバルブ８を閉じて、バイパス管２０から供給される熱伝達用気体２２（これは、上記のように内燃機関２からの排気ガス４の一部である）を加熱装置２４によって高温に加熱してフィルタ１４に供給する。これによって、フィルタ１４に捕集されていた粒子状物質を燃焼させて除去することができる。即ちフィルタ１４を再生することができる。
　上記のような粒子状物質の捕集動作とフィルタ１４の再生動作の切り替えは、例えば、手動で行っても良いし、図２に示す例のような制御装置６０によって行っても良い。制御装置６０は、複数（図１の例は二つ）あるフィルタ収納室１２にそれぞれ付帯する上記バルブ８、燃料ポンプ３４、空気ポンプ４２等の機器制御を行う。図３、図４の例においても同様である。即ち、制御装置６０は、上記各バルブ８の開閉、各燃料ポンプ３４、それ用のバルブ３６、各空気ポンプ４２、それ用のバルブ４４および各ヒータ電源３２の制御を行って、上記のような粒子状物質の捕集動作とフィルタ１４の再生動作との切り替えを行う。内燃機関２の運転状態等の情報が必要なときは、例えば、当該情報を内燃機関２から制御装置６０に供給してそれを用いれば良い。
　上記粒子状物質除去装置によれば、フィルタ１４がそれぞれ収納されたフィルタ収納室１２等を複数備えているので、所望のフィルタ収納室１２内のフィルタ１４によって排気ガス４中の粒子状物質を捕集しながら、他のフィルタ収納室１２内のフィルタ１４を再生することができる。従って、排気ガス４中の粒子状物質の捕集を中断することなくフィルタ１４を再生することができる。
　しかも、空気を用いて燃料を燃焼させる加熱装置２４とは別に、気体供給手段としてのバイパス管２０を備えていて、フィルタ１４を加熱して再生する際は、バイパス管２０から当該フィルタ１４の上流側に必要量の熱伝達用気体２２を供給すると共に、当該熱伝達用気体２２を加熱装置２４によって必要温度にまで加熱してフィルタ１４に供給することができるので、フィルタ１４全体を均一性良く加熱するのに必要な量の加熱された熱伝達用気体２２をフィルタ１４に供給することができる。従って、フィルタ１４を加熱して再生する際のフィルタ１４内における上流部と下流部間の温度差を小さくして、フィルタ１４全体を均一性良く加熱することができる。
　熱伝達用気体２２の供給とフィルタ内部温度上昇量等との関係については、実験結果等を交えて、後で更に説明する。
　上記燃料は、図２に示す例のように、空気配管４６とは別の燃料配管３８によって燃焼室２６に導入しても良いし、図３に示す例のように、空気配管４６の途中に燃料配管３８を合流させて、空気と共に燃焼室２６に導入しても良い。図３の例の場合は、合流部の燃料配管３８の先端部に燃料噴射口４０がある。図３の例の場合は、燃料噴射口４０が常に空気によってクリーニングされる状態にあるので、燃料配管閉塞等のリスクがより少なくなる。この図３の例の場合は、燃料と空気とを燃焼室２６において同時に加熱することになるが、燃料をその発火温度以上に加熱することに変りはなく、この観点からは図２の例と変らない。
　気体供給手段として、バイパス管２０の代わりに、図４に示す例のように、空気５４を上記熱伝達用気体２２として供給する送風機５２を設けても良い。この場合も、燃料配管３８と空気配管４６との関係は、図２に示す例のものでも良い。送風機５２を設ける場合は、上記制御装置６０はこの送風機５２の運転制御も行う。
　図１～図３に示す例では、気体供給手段がバイパス管２０であるので、熱伝達用気体２２の供給用に送風機を設けなくて済み、構成を簡素化することができる。従って、粒子状物質除去装置を小型化およびコンパクト化することができる。電力消費も少なくて済む。また、熱伝達用気体２２である排気ガス４は既にある程度の高温にまで加熱されているので、熱伝達用気体２２の加熱装置２４における燃料消費量を低減することができる。従ってこの例は、例えば、装置寸法等の制約が比較的大きい車載用途により適している。
　図４に示す例では、気体供給手段が送風機５２であるので、排気ガス４を排出する内燃機関２を動かしていない時でもフィルタ１４の再生を行うことができる。また、熱伝達用気体２２である空気５４の流量の制御性も良い。従ってこの例は、例えば、装置寸法等の制約が比較的緩い定置用途により適している。
　（Ａ）フィルタ再生に関しての実験結果等について
　次にフィルタ再生に関しての実験結果等について説明する。実験用に熱伝達用気体２２の流量を調整しやすくするために、図４に示した例の粒子状物質除去装置において、フィルタ再生時の温度上昇確認試験等を実施した。このとき、フィルタ１４には炭化ケイ素（ＳiＣ）多孔体ハニカムフィルタを使用した。このハニカムフィルタは、直径が１４ｃｍ、長さが３０ｃｍ、重量が３．３ｋｇである。燃焼室２６に供給する燃料には軽油を使用した。その総噴射量は６０ｃｃである。ハニカムフィルタの加熱前温度は室温である。フィルタ収納室１２内には、熱伝達用気体２２として、送風機５２から常温の空気５４を供給した。従って、以下に述べる実験結果における熱伝達用気体２２は空気のことである。
　（ａ）熱伝達用気体の流量（線速度）とフィルタの温度上昇との関係
　送風機５２の送風量を制御することによって、フィルタ１４を通過する熱伝達用気体２２の線速度ＬＶ［ｍ／ｓ］を変えて、フィルタ１４の上流側端１４ａから下流方向にそれぞれ５ｃｍ、１２ｃｍ、１８ｃｍ、２５ｃｍ離れた４点におけるフィルタ１４内の到達温度を測定した結果の一例を図５に示す。線速度ＬＶ［ｍ／ｓ］は、単位時間当たりにフィルタ１４の断面（縦断面。以下同様）を通過する熱伝達用気体２２の速度のことであり、熱伝達用気体２２の流量をフィルタ１４の断面積で割ったものである。従って、熱伝達用気体２２の流量を表している。また、この出願における線速度ＬＶは、温度の違いによる熱伝達用気体２２の体積の違いの影響を避けるために、常温（２０℃）の空気に換算したものである。
　この図５から分るように、線速度ＬＶが０．３ｍ／ｓ以上０．８ｍ／ｓ以下の範囲では、フィルタ１４内における上流部と下流部間の温度差が小さく（約３００℃）、フィルタ１４全体を均一性良く加熱することができている。これは、熱伝達用気体２２の流量が適度で、フィルタ上流部から下流部への熱伝達用気体２２による熱伝播が適度であるからだと考えられる。また、フィルタ１４の効率的な再生に必要な温度は、通常は約５００℃以上であるが、全ての測定位置でほぼこれを満たしている。更に、フィルタ１４の破損が懸念される温度は約１０００℃以上であるが、全ての測定位置でこの温度よりも低い。即ち、フィルタ１４は、その効率的な再生に必要な温度以上に、しかもフィルタ１４の破損が懸念される温度よりも低く加熱することができている。
　また、線速度ＬＶが上記範囲では、熱伝達用気体２２の流量が適度であるので、フィルタ１４の加熱に時間がかかり過ぎてフィルタ１４内から半径方向に逃げる熱が多くなることを防止することができると共に、フィルタ１４から熱伝達用気体２２に奪われる熱が多くなることを防止することができる。従って、熱効率が高く、フィルタ１４を効率良く加熱することができる。
　線速度ＬＶが０．２ｍ／ｓ以上０．３ｍ／ｓ未満の範囲では、上流部と下流部間の温度差が幾分大きくなり（約３８０℃）、かつ下流部（２５ｃｍ）の温度が幾分低くなるけれども、許容できる程度である。これは、熱伝達用気体２２の流量が幾分少なくて、熱伝達用気体２２による下流側への熱伝播が幾分不足したからだと考えられる。
　線速度ＬＶが０．２ｍ／ｓ未満の範囲では、上流部と下流部間の温度差が大きくなり（約４００℃）、かつ上流部（５ｃｍ）以外の温度が低過ぎる。これは、熱伝達用気体２２の流量が不足して、熱伝達用気体２２による下流側への熱伝播が不足したからだと考えられる。見方を変えれば、この範囲だと、フィルタ１４の加熱に時間がかかり過ぎ、その間にフィルタ１４内から、特にその上流部内から半径方向に逃げる熱が多くなるので、熱効率も悪くなる。従って、この範囲は好ましくない。
　線速度ＬＶが０．８ｍ／ｓより大１ｍ／ｓ以下の範囲では、上流部と下流部間の温度差は小さくなる（約２６０℃）反面、下流部（２５ｃｍ）の温度が幾分低くなるけれども、許容できる程度である。これは、熱伝達用気体２２の流量が幾分多くて、フィルタ１４から熱伝達用気体２２に奪われる熱が幾分多くなったからだと考えられる。
　線速度ＬＶが１ｍ／ｓより大では、上流部と下流部間の温度差は更に小さくなるけれども、上流部（５ｃｍ）以外の温度が低過ぎる。これは、熱伝達用気体２２の流量が多過ぎて、フィルタ１４から熱伝達用気体２２に奪われる熱が多くなり過ぎたからだと考えられる。見方を変えれば、この範囲だと、フィルタ１４から熱伝達用気体２２に奪われる熱が多くなるので、熱効率も悪くなる。従って、この範囲は好ましくない。
　上記結果から、線速度ＬＶは、出口部（２５ｃｍ）の温度が幾分低いことを許容して広くとらえれば０．２ｍ／ｓ以上１ｍ／ｓ以下の範囲が好ましく、０．３ｍ／ｓ以上０．８ｍ／ｓ以下の範囲がより好ましいと言える。この範囲であれば、上記のように、フィルタ１４の加熱に時間がかかり過ぎてフィルタ１４内から半径方向に逃げる熱が多くなることを防止することができると共に、フィルタ１４から熱伝達用気体２２に奪われる熱が多くなることを防止することができるので熱効率も高い。
　フィルタ１４の材質等が変った場合を考慮して、上記実験例を一般化すると次のとおりである。
　熱伝達用気体２２の密度をρ1 ［ｋｇ／ｍ3 ］、フィルタ１４の密度をρ2 ［ｋｇ／ｍ3 ］、熱伝達用気体２２の定圧比熱をＣ1 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、フィルタ１４の比熱をＣ2 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、定数をＫ1 とすると、上記線速度ＬＶ［ｍ／ｓ］は次式で表すことができる。ρ1 Ｃ1 が熱伝達用気体２２の１ｍ3 当たりの熱容量、ρ2 Ｃ2 がフィルタ１４の１ｍ3 当たりの熱容量である。この式は、上記数１と同じ式である。
　［数４］
　　ＬＶ＝Ｋ1 （ρ2 Ｃ2 ）／（ρ1 Ｃ1 ）
　ここで、定数Ｋ1 の好ましい範囲を、上記線速度ＬＶの好ましい範囲に対応させて求めると、図５の結果を得た上記実験例の場合は、Ｃ1 ＝Ｃ2 ＝１０００［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、ρ1 ＝６６０［ｋｇ／ｍ3 ］、ρ2 ＝１．３［ｋｇ／Ｌ］であるから、Ｋ1 ＝４×１０-4のときＬＶ＝０．２となり、Ｋ1 ＝２×１０-3のときＬＶ＝１となる。同様に、Ｋ1 ＝６×１０-4のときＬＶ＝０．３となり、Ｋ1 ＝１．６×１０-3のときＬＶ＝０．８となる。従って、定数Ｋ1 は４×１０-4以上２×１０-3以下の範囲が好ましく、６×１０-4以上１．６×１０-3以下の範囲がより好ましい。即ち、線速度ＬＶを上記数４またはそれと数学的に等価の式で表し、定数Ｋ1 を上記範囲にすることによって、フィルタ１４の材質等が変っても、図５の結果について述べた上記効果と同様の効果を得ることができる。即ち、フィルタ１４の上流部から下流部への熱伝達用気体２２による熱伝播が適度なものになるので、フィルタ１４全体を効率良く加熱すると共に、フィルタ１４内における上流部と下流部との間の温度差を小さくして、フィルタ全体をより均一性良く加熱することができる。
　（ｂ）燃料噴射量（発熱量）とフィルタの温度上昇との関係
　線速度ＬＶが上記好ましい範囲（即ち０．２～１ｍ／ｓ）であれば、上記のようにフィルタ加熱の熱効率が高いので、加熱装置２４における燃料噴射量に対するフィルタ１４の温度上昇をほぼ算定することができる。これを以下に説明する。
　加熱装置２４における燃料噴射量をＦ1 ［ｃｃ］、燃料燃焼熱をＱ1 ［Ｊ／ｃｃ］、フィルタ１４の温度上昇のために必要な熱量をＱ2 ［Ｊ］、定数をＫ2 とすると、燃料噴射量Ｆ1 は次式で表すことができる。
　［数５］
　　Ｆ1 ＝Ｋ2 Ｑ2 ／Ｑ1 
　　ここで、フィルタ１４の重量（後述する酸化触媒を設ける場合はその重さも加えた重量）をＧ［ｋｇ］、フィルタ１４の比熱をＣ2 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、フィルタ１４の再生に必要な温度をＴ1 ［Ｋ］、再生加熱前のフィルタ１４の温度をＴ2 ［Ｋ］とすると、上記フィルタ１４の温度上昇のために必要な熱量Ｑ2 は次式で表すことができる。温度Ｔ1 は通常は前述したように５００℃程度、温度Ｔ2 は通常は１００℃～４００℃程度である。
　［数６］
　　Ｑ2 ＝ＧＣ2 （Ｔ1 －Ｔ2 ）
　この数６を数５に代入すると、次式が得られる。
　［数７］
　　Ｆ1 ＝Ｋ2 ＧＣ2 （Ｔ1 －Ｔ2 ）／Ｑ1 
　定数Ｋ2 は、フィルタ１４の構成によって決定する定数であり、通常は０．８以上１．５以下の範囲である。例えば、フィルタ１４の側面を、図１～図４に示す例のように断熱材１６で断熱して熱効率を向上させることによって、上記定数Ｋ2 を小さくすることができ、それによって燃料噴射量Ｆ1 を低減することができる。この断熱材１６の具体的な例は後述する。
　加熱装置２４における燃料噴射量を変えて、フィルタ１４内の通気方向４点における到達温度を測定した結果の一例を図６に示す。測定に用いたフィルタ１４および４点の位置は、図５の場合と同じである。
　この図から分るように、燃料噴射量にほぼ直線的に比例して温度上昇している。従って、燃料噴射量によってフィルタ１４の温度上昇量をかなり正確に制御することができると言える。つまり、上記数７またはそれに数学的に等価の式に基づいて燃料噴射量Ｆ1 を決定することによって、再生加熱時のフィルタ１４の到達温度Ｔ1 を所望のものに制御することができる。
　（ｃ）フィルタ全体への熱伝播に必要の熱伝達用気体量
　線速度が上記好ましい範囲（即ち０．２～１ｍ／ｓ）であれば、フィルタ１４の上流部から下流部への熱の伝播速度Ｕ［ｍ／ｓ］は、実験的に次の計算式と比較的よく一致することを確認した。各記号の意味は前述のとおりである。
　［数８］
　　Ｕ＝ＬＶ・ρ1 Ｃ1 ／２ρ2 Ｃ2 
　フィルタ１４が例えば円柱状であり、その断面積をＳ2 ［ｍ2 ］、長さをＬ2 ［ｍ］とすると、フィルタ全体の熱の伝播時間τ［ｓ］は次の数９で表すことができ、フィルタ１４の体積Ｖ2 ［ｍ3 ］は次の数１０で表すことができる。
　［数９］
　　τ＝Ｌ2 ／Ｕ
　［数１０］
　　Ｖ2 ＝Ｓ2 Ｌ2 
　従って、フィルタ全体へ熱を伝播させるために必要な熱伝達用気体量Ｚ［ｍ3 ］は次式で表すことができる。
　［数１１］
　　Ｚ＝ＬＶ・Ｓ2 τ
　　　＝２Ｖ2 ρ2 Ｃ2 ／ρ1 Ｃ1 
　要するに、フィルタ１４の重量（＝Ｖ2 ρ2 ）、比熱Ｃ2 等を用いて、上記数１１またはそれと数学的に等価の式に従って、熱伝播に必要な熱伝達用気体量Ｚを定めることができるので、フィルタ１４の再生時にフィルタ１４を通過する熱伝達用気体２２の積算量が上記熱伝達用気体量Ｚ以上になるように運転すれば良い。
　フィルタ１４を通過する熱伝達用気体２２の積算量が上記熱伝達用気体量Ｚ以上となったか否かの判断は、例えば、所定時間が経過したことで判断しても良いし、フィルタ収納室１２内のフィルタ上流側の圧力情報から熱伝達用気体２２の通過積算量を演算することによって推定しても良い。
　（ｄ）熱伝達用気体の供給量と供給手段
　フィルタ１４を所要温度（例えば約５００℃）に加熱するためには、１００Ｌ／ｍｉｎオーダーの熱伝達用気体２２をフィルタ収納室１２内に供給する必要がある。例えば、前記例のように直径が１４ｃｍ（断面積Ｓ2 が０．０１５ｍ2 ）のフィルタ１４について、線速度ＬＶ＝０．３ｍ／ｓを実現する場合は、次式より、３００Ｌ／ｍｉｎ程度の流量Ｂの熱伝達用気体２２が必要となる。
　［数１２］
　　Ｂ＝ＬＶ・Ｓ2 
　　　＝０．３×０．０１５　［ｍ3 ／ｓ］
　　　＝０．２７　［ｍ3 ／ｍｉｎ］
　　　＝２７０　［Ｌ／ｍｉｎ］
　例えばこのような流量Ｂの熱伝達用気体２２を、前述したように、バイパス管２０から、または送風機５２から供給することになる。即ち、バイパス管２０によって排気ガス４の一部をバイパスさせて熱伝達用気体２２として供給する。または、送風機５２によって空気５４を熱伝達用気体２２として供給する。両者の場合の特徴および好ましい用途は前述のとおりである。
　熱伝達用気体２２の流量調整は、送風機５２を用いる場合は、例えば当該送風機５２の回転数を調整することによって行うことができる。バイパス管２０を用いる場合は、例えば次の例のような手段によって行うことができる。
　図７は、バイパス管２０にオリフィス６４を設けた例である。オリフィス６４を設ける位置は、図示例のようなバイパス管２０の先端付近に限られるものではなく、バイパス管２０のどこに設けても良い。図８に示す流量調整板６６等、図９に示すバタフライ弁７０等についても同様である。
　オリィス６０の半径Ｒ［ｍ］、圧力Ｐ［ｋＰａ］と通過流量Ｂ［Ｌ／ｍｉｎ］との間には、以下の関係があることが実験で確かめられている。Ｋ3 は定数であり、約２である。
　［数１３］
　　Ｂ＝Ｋ3 πＲ2 √Ｐ
　例えば、Ｋ3 ＝２、Ｒ＝６ｍｍとすると、実用圧力（この種の装置のフィルタ収納室１２において実用されている圧力）２～１０ｋＰａの範囲での流量Ｂを３００～７００Ｌ／ｍｉｎの範囲にすることができる。それによって、例えば前記例のように直径が１４ｃｍ（断面積Ｓ2 が０．０１５ｍ2 ）のフィルタ１４の場合、上記数１２から算出できるように、上記実用圧力範囲において熱伝達用気体２２の線速度ＬＶを０．３～０．８ｍ／ｓの範囲にすることができる。
　熱伝達用気体２２の流量調整に、オリフィス６４以外の手段を用いても良い。例えば、バイパス管２０の寸法（直径）を適切に選ぶことによって、当該バイパス管２０自体に流量調整機能を持たせても良い。流量調整の自由度、効果等をより高めるために、次のような流量調整弁機構を用いても良い。
　図８は、バイパス管２０内に流量調整板６６およびばね６８を設けた例である。バイパス管２０を流れる排気ガス４の流量が比較的小さいときは、流量調整板６６が排気ガス４から受ける圧力は小さいので、ばね６８は縮んでいて流量調整板６６は例えば図８中に実線で示すように大きく傾いており、流路抵抗は小さい。排気ガス４の流量が比較的大きいときは、流量調整板６６が排気ガス４から受ける圧力は大きくなるので、ばね６８が伸びて流量調整板６６は例えば図８中に二点鎖線で示すように適度に立ち、流路抵抗が大きくなる。上記のような作用によって、バイパス管２０を流れる排気ガス４（即ち熱伝達用気体２２）の流量を、自動的にほぼ所定の流量に制御することができる。
　図９は、バイパス管２０内にバタフライ弁７０を設け、圧力センサ７４によってバタフライ弁７０の上流側の圧力を検出し、それに応答して制御装置７６およびモータ７２によってバタフライ弁７０の開度を調整することによって、バイパス管２０を流れる排気ガス４（即ち熱伝達用気体２２）の流量を一定に制御する（即ちフィードバック制御を行う）例である。この機構が、熱伝達用気体２２の流量を最も正確に調整することができる。
　（ｅ）熱伝達用気体の加熱領域の位置および通気制御板
　上記例のような粒子状物質除去装置を車載で使用する場合、通常は、フィルタ収納室１２内における熱伝達用気体２２の巨視的な流れ方向は、地面と平行な方向、即ち実質的に水平方向となる。フィルタ収納室１２内における熱伝達用気体２２の巨視的な流れ方向が実質的に水平方向というのは、換言すれば、熱伝達用気体２２の流れ方向の小さな変化は無視して、熱伝達用気体２２の流れ方向を大きくとらえて見れば、フィルタ収納室１２内において、より具体的には少なくともフィルタ１４の入口付近から出口付近にかけて、熱伝達用気体２２の流れ方向はほぼ水平方向であるという意味である。
　加熱された気体は上昇する性質を有しているので、上記のような配置の場合、加熱された熱伝達用気体２２をフィルタ１４の縦断面において均一に供給すると、熱伝達用気体２２の線速度ＬＶが前述した好ましい範囲（即ち０．２～１ｍ／ｓ）であれば、上記気体の上昇を無視できるほどに熱伝達用気体２２の流量が大きいとは言えないので、通常だと、フィルタ１４内における上部に比べて下部の温度上昇が小さくなって、フィルタ１４内の上下方向における温度差が大きくなり、例えばフィルタ１４の下部の再生性能が悪くなる可能性がある。
　このような課題を解決するためには、図１～図４、図１０～図１１に示す例のように、加熱装置２４によって熱伝達用気体２２を加熱する加熱領域５０を、各フィルタ収納室１２内であって、フィルタ１４の上流側かつフィルタ収納室１２内の下部（鉛直方向における下部）にそれぞれ配置し、かつ、加熱領域５０で加熱された熱伝達用気体２２をフィルタ１４の下部に、それ以外の部分よりも多く導く通気制御板５６を、各フィルタ収納室１２内であって加熱領域５０の上方にそれぞれ設けても良い。図１１中の通気制御板５６の下側の領域５８が、通気量の多い領域である。上記のようにすると、加熱された気体が上昇する性質をうまく利用して、フィルタ１４内における上部と下部間の温度差を小さくして、フィルタ１４の上下方向においても均一性良くフィルタを加熱することができる。
　前述した例と同様のフィルタ１４内の到達温度を、上記通気制御板５６を設けて加熱領域５０で加熱された熱伝達用気体２２をフィルタ１４の下部（フィルタ断面積の約３０％）に多く導いた場合と、通気制御板５６を設けない場合とで測定した結果の例を図１２、図１３に示す。図１２は、フィルタ１４の上流側端１４ａからの距離Ｌ4 が１２ｃｍの位置における上部Ｍ1 、中央Ｍ2 および下部Ｍ3 の到達温度の測定結果を示す。図１３は、フィルタ１４の上流側端１４ａからの距離Ｌ4 が２５ｃｍの位置における上部Ｍ4 、中央Ｍ5 および下部Ｍ6 の到達温度の測定結果を示す。
　図１２に示すように、距離Ｌ4 が１２ｃｍの位置では、通気制御板５６を設けて、加熱領域５０で加熱された熱伝達用気体２２をフィルタ１４の下部に多く導いた場合、通気制御板５６を設けない場合に比べて、フィルタ１４の上下方向における温度上昇の均一性が大きく向上している。図１３に示すように、距離Ｌ4 が２５ｃｍの位置においても、通気制御板５６を設けない場合に比べて、フィルタ１４の上下方向における温度上昇の均一性は向上している。
　上記例のように通気制御板５６を設けてフィルタ１４の下部に、かつフィルタ断面積の約３０％に、上記加熱された熱伝達用気体２２を多く導くと、フィルタ１４の上下方向における温度上昇の均一性が最も良いことを実験で確認しているが、フィルタ断面積の２０～４０％の範囲内であれば、上記効果に近い効果を得ることができることも実験で確認している。この範囲を外れると、フィルタ１４の上下方向における温度上昇の均一性を向上させる効果は弱まる。
　図１０を参照して、通気制御板５６の先端とフィルタ１４との間の距離Ｌ3 は、フィルタ１４の半径Ｒの１／２程度にすると、フィルタ１４の上下方向における温度上昇の均一性が最も良いことを実験で確認しているが、Ｒ／４～１Ｒの範囲内であれば、Ｒ／２の場合に近い効果を得ることができることも実験で確認している。距離Ｌ3 がＲ／４未満では、フィルタ１４への熱伝達用気体２２の供給がフィルタ１４の下部に集中し過ぎる。１Ｒより大では、通気制御板５６の効果が弱まる。
　（ｆ）加熱装置における発熱量
　加熱装置２４における単位時間当たりかつフィルタ１４の単位断面積当たりの発熱量Ｈ1 ［Ｗ／ｍ2 ］は、実験によれば、５００ｋＷ／ｍ2 以下２５０ｋＷ／ｍ2 以上の範囲にするのが好ましい。５００ｋＷ／ｍ2 より大きいと、フィルタ１４の下流部に熱が伝播する前に多量の熱がフィルタ１４の上流部に加わり、当該上流部が過熱し破損する可能性がある。２５０ｋＷ／ｍ2 未満では、均一加熱のための熱が不足する。従って上記範囲だと、フィルタ上流部の過熱や破損の可能性を低減しつつ、フィルタ１４内における上流部と下流部との間の温度差を小さくして、フィルタ１４全体を均一性良く加熱することができる。従って、フィルタ１４の断面積に応じて、前述した燃料ポンプ３４を例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御等によって制御することによって、加熱装置２４における単位時間当たりの燃料噴射量を制御して、上記発熱量Ｈ1 を上記範囲に制御しても良い。
　具体的には、加熱装置２４における燃料の単位時間当たりの噴射量をＦ2 ［ｃｃ／ｓ］、燃料燃焼熱をＱ1 ［Ｊ／ｃｃ］、フィルタ１４の断面積をＳ2 ［ｍ2 ］とすると、これらと上記加熱装置２４における単位時間当たりかつフィルタ１４の単位面積当たりの発熱量Ｈ1 ［Ｗ／ｍ2 ］との間には次式の関係があるので、次式から単位時間当たりの燃料噴射量Ｆ2 を定めることができる。ここで、発熱量Ｈ1 は上記のように５００ｋＷ／ｍ2 以下２５０ｋＷ／ｍ2 以上の範囲とする。
　［数１４］
　　Ｆ2 Ｑ1 ＝Ｈ1 Ｓ2 
　　　∴Ｆ2 ＝Ｈ1 Ｓ2 ／Ｑ1 
　例えば、フィルタ１４の断面積Ｓ2 が前述したように０．０１５ｍ2 の場合、４００ｋＷ／ｍ2 の発熱量Ｈ1 を得るには、６ｋＷの発熱量があれば良い。加熱装置２４における燃料噴射の燃料に、車両用途の燃料である軽油を使用する場合、軽油の燃焼熱Ｑ1 は約３８ｋＪ／ｃｃであるので、軽油の単位時間当たりの燃料噴射量Ｆ2 を約０．１６ｃｃ／ｓにすれば良い。
　フィルタ上流部の過熱防止のために、加熱装置２４において間欠的に発熱させても良い。即ち、所定の発熱時間と所定の発熱休止時間とを交互に設けても良い。
　（Ｂ）フィルタに関して
　上記フィルタ１４と酸化触媒を併用しても良い。例えば、上記フィルタ１４の前段に酸化触媒を設けても良い。あるいは、フィルタ１４に酸化触媒を担持させても良い。酸化触媒を併用することによって、未燃焼燃料を酸化することによる熱効率の向上、未燃焼燃料のフィルタ下流への流出の抑制等を図ることができる。また、触媒効果によって、粒子状物質の燃焼除去のための加熱温度を下げることができるので、燃料消費量の低減を図ることができる。
　もちろん、酸化触媒を併用しなくても良い。酸化触媒使用に適さない燃料（例えば低サルファ化されていない軽油）を内燃機関２の燃料として使用することが多い国々もあるが、この発明に係る粒子状物質除去装置は、前述したように熱効率が高いので、触媒を併用しなくても、比較的少ない燃料量でカーボン微粒子のような粒子状物質の燃焼除去に必要な温度（前述したように約５００℃以上）にフィルタ１４の温度を上昇させることは十分可能である。従って、このような燃料を使用する用途にも、この発明に係る粒子状物質除去装置を用いることができる。
　上記フィルタ１４には、例えば、前述したセラミック多孔体ハニカムフィルタ、セラミック繊維フィルタ等を用いることができる。その内でも、体積当たりの表面積が大きいセラミック多孔体ハニカムフィルタを用いるのが好ましい。セラミック多孔体ハニカムフィルタの材質としては、例えば、コージェライト（２ＭgＯ・２Ａl2Ｏ3 ・５ＳiＯ2 ）、炭化ケイ素（ＳiＣ）、チタン酸アルミニウム（Ａl2ＴiＯ5 ）等を採用することができるが、その内でも、耐熱性や耐熱衝撃性の観点から、炭化ケイ素またはチタン酸アルミニウムを採用するのが好ましい。そのようにすると、粒子状物質を燃焼除去してフィルタ１４を再生する際の温度上昇に対して、フィルタ１４が破損する可能性を低減することができる。
　フィルタ１４の側面は、上記例のように、断熱材１６によって断熱するのが好ましい。そのようにすると、フィルタ１４を加熱して再生する際の熱効率をより高めることができると共に、フィルタ１４の半径方向の温度上昇の均一性をより高めることができる。断熱材１６には、例えば、アルミナ繊維から成るセラミックフェルト等が適している。
　（Ｃ）運転制御に関して
　各フィルタ１４の再生を行う時期を決定する方式は、例えば、タイマーによって所定の運転時間が経過したことを検出して再生を行うタイマー制御方式でも良いし、人が手動で再生を開始するマニュアル再生方式でも良い。例えば、前記内燃機関２が定置されたディーゼル発電機用のディーゼルエンジンである場合のような定置用途においては、マニュアル再生方式でも良い。
　一方、車載用途に対しては、内燃機関（エンジン）２からの排気ガス４の温度および圧力を用いて粒子状物質の排出量およびそれのフィルタ１４への蓄積量を推定して、フィルタ１４の再生時期を決める方式でも良い。排気ガス４の温度については、例えば３５０℃程度以上あれば、フィルタ１４に堆積した粒子状物質が当該排気ガス温度によって酸化除去されることも期待できるので、排気ガス温度が高い運転領域がある場合は、それに応じてフィルタ１４の再生時期を延期する等の制御を行うようにしても良い。
　フィルタ１４の再生は、フィルタ１４での過度の圧力損失および再生時の粒子状物質の自己発熱によるフィルタ１４の過熱を避ける目的で、例えば、フィルタ１４への粒子状物質の堆積量が３ｇ／Ｌ以下の条件で再生を行うようにしても良い。
　より具体的には、フィルタ１４の材質を、よく使用される炭化ケイ素として、その比重を０．６６ｋｇ／Ｌ、比熱を１０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ、粒子状物質の酸化熱を３３ｋＪ／ｇとすると、粒子状物質の自己発熱による温度上昇ΔＴは、粒子状物質の堆積量が３ｇ／Ｌのときは、次式で示すように１５０［Ｋまたは℃］程度になる。この程度の発熱量であれば、フィルタ１４の加熱再生時に、粒子状物質の自己発熱による上記温度上昇が重畳して、フィルタ１４が過熱状態になってフィルタ１４が破損（例えば溶損）するという可能性は小さい。
　［数１５］
　　ΔＴ＝（３×３３×１０3 ）／（０．６６×１０００）
　　　　＝１５０　［Ｋ］
　上記のような観点から、上記タイマー制御方式で再生時期を決定する方法よりも、排気ガス４の温度および圧力等を用いて粒子状物質の排出量およびそれのフィルタ１４への蓄積量を推定して、フィルタ１４の再生時期を決める方式の方が、フィルタ１４での圧力損失増加の防止および再生時のフィルタ１４の破損リスクの低減の両面から、より優れた方式であると言える。
　各フィルタ１４を再生する際に、図１～図３に示した例のように、排気ガス４の一部を熱伝達用気体２２として利用する方式では、内燃機関２が作動していて排気ガス４が供給されている必要がある。内燃機関２が作動中か否かは、例えば、フィルタ収納室１２内の圧力を検出する、内燃機関２が作動中であることを表す信号を用いる、等の方法によって検出することができる。
　フィルタ１４の再生途中で内燃機関２が停止状態になることも想定される。その場合は、フィルタ１４の再生は中断されたことになるから、当該フィルタ１４の再生が完了したか否かの判断は、再生開始からの経過時間等によって行うことができる。例えば、上記数１１に示した熱伝達用気体量Ｚの７０％が通過したと判断できる時間を経過していれば、当該フィルタ１４は概ね再生されたと判断しても良い。また、当該フィルタ１４が再生していないと判断した場合に、次回の内燃機関２の作動開始から一定時間が経過した後に、当該フィルタ１４の再生を再び実施するようにしても良い。
　図４に示した例のように送風機５２からの空気５４を熱伝達用気体２２として用いる場合は、フィルタ再生時に内燃機関２が作動している必要はない。
　上述したような、各フィルタ１４の再生時期の決定、再生時間の決定等を含む運転制御は、例えば、図１～図４中に示した制御装置６０によって行うようにしても良い。
　（Ｄ）フィルタ収納室等の数に関して
　以上においては、フィルタ１４をそれぞれ収納しているフィルタ収納室１２（およびその付帯機器）が２組の例を説明したが、この発明はそれに限定されるものではなく、フィルタ収納室１２等は３組以上でも良い。例えば、内燃機関２がディーゼル発電機用のディーゼルエンジンである場合のような定置用途においては、エンジンの排気量が大きい場合あり、その場合は、フィルタ１４をそれぞれ収納しているフィルタ収納室１２等の数を多くすることによって対応することができる。
　フィルタ収納室１２等が３組以上の場合の運転形態は、例えば、一つのフィルタ収納室１２内のフィルタ１４を再生している時に、残りのフィルタ収納室１２内のフィルタ１４で排気ガス４中の粒子状物質を捕集するようにすれば良い。
　２　内燃機関
　４　排気ガス
　８　バルブ
　１２　フィルタ収納室
　１４　フィルタ
　２０　バイパス管
　２２　熱伝達用気体
　２４　加熱装置
　５０　加熱領域
　５２　送風機
　５４　空気
　５６　通気制御板
　６０　制御装置

Claims (5)

  1. 　排気ガス中に含まれている粒子状物質をフィルタによって捕集する機能と、当該フィルタを加熱してそれに捕集されている粒子状物質を燃焼除去して当該フィルタを再生する機能とを有している粒子状物質除去装置であって、
    　前記排気ガスがそれぞれ導入される複数のフィルタ収納室と、
    　前記各フィルタ収納室内にそれぞれ設けられていて、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    　前記各フィルタ収納室の入口側にそれぞれ設けられていて、当該フィルタ収納室内のフィルタによって前記粒子状物質を捕集するときは開かれて前記排気ガスを通し、当該フィルタ収納室内のフィルタを再生するときは閉じられて前記排気ガスを阻止するバルブと、
    　前記各フィルタ収納室の入口側の前記バルブが閉じられているときに、当該フィルタ収納室内のフィルタの上流側に熱伝達用気体をそれぞれ供給するための気体供給手段と、
    　前記各フィルタ収納室の入口側の前記バルブが閉じられているときに、当該フィルタ収納室内において空気を用いて燃料を燃焼させることによって、前記気体供給手段から供給された前記熱伝達用気体を加熱して当該フィルタ収納室内のフィルタに供給して当該フィルタを再生する加熱手段とを備えていることを特徴とする粒子状物質除去装置。
  2. 　前記フィルタの断面における前記熱伝達用気体の、常温の空気に換算した線速度をＬＶ［ｍ／ｓ］、前記熱伝達用気体の密度をρ1 ［ｋｇ／ｍ3 ］、前記フィルタの密度をρ2 ［ｋｇ／ｍ3 ］、前記熱伝達用気体の定圧比熱をＣ1 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、前記フィルタの比熱をＣ2 ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、定数をＫ1 とすると、前記線速度ＬＶを次式またはそれと数学的に等価の式で表す値とし、かつ前記定数Ｋ1 を４×１０-4以上２×１０-3以下としている請求項１記載の粒子状物質除去装置。
    　［数１］
    　　ＬＶ＝Ｋ1 （ρ2 Ｃ2 ）／（ρ1 Ｃ1 ）
  3. 　前記気体供給手段は、前記閉じられているバルブをバイパスさせて前記排気ガスの一部を前記熱伝達用気体として供給するバイパス管である請求項１または２記載の粒子状物質除去装置。
  4. 　前記気体供給手段は、空気を前記熱伝達用気体として供給する送風機である請求項１または２記載の粒子状物質除去装置。
  5. 　前記各フィルタ収納室内における前記熱伝達用気体の巨視的な流れ方向を実質的に水平方向とし、
    　前記加熱手段によって前記熱伝達用気体を加熱する加熱領域を、前記各フィルタ収納室内であって、前記フィルタの上流側かつ前記フィルタ収納室内の下部にそれぞれ配置し、
    　かつ、前記各フィルタ収納室内において前記加熱領域の上方にそれぞれ設けられていて、前記加熱領域で加熱された前記熱伝達用気体を、前記フィルタの下部に、それ以外の部分よりも多く導く通気制御板を備えている請求項１、２、３または４記載の粒子状物質除去装置。
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