JP2924288B2 - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

内燃機関用フィルタ再生装置

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  • Processes For Solid Components From Exhaust (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンから
排出される排気ガス中に含まれるパティキュレート(粒
子状物質)を捕集する内燃機関用フィルタ及びパティキ
ュレートが捕集されたフィルタをマイクロ波エネルギを
利用して再生する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年世界各国では大気汚染物質の排出規
制がコ・ジェネレーションなどの固定発生源や自動車な
どの移動発生源に対して強化される動きにある。とくに
自動車の排気ガスに関する規制は従来の濃度規制から総
量規制へ移行された規制値自体も大幅な削減となってい
る。
【0003】自動車の中でもディーゼル車は窒素酸化物
と同時にパティキュレートの排出規制を強化する動きに
ある。燃料噴射時期遅延などの燃料改善による低減対策
だけでは排出ガス規制値を達成することは不可能とさ
れ、現状では排気ガスを浄化する後処理装置の付設が不
可欠である。ディーゼルエンジンの後処理装置として排
気ガス流に含まれる黒煙を主成分とするパティキュレー
トを捕集するフィルタを用いる方法が検討されている。
【0004】パティキュレートは600℃程度から燃焼
することが知られている。パティキュレートをこの温度
に昇温するための加熱手段としてはバーナ方式、電気ヒ
ーター方式あるいはマイクロ波方式などが考えられてい
る。
【0005】図4に加熱手段がマイクロ波方式によるフ
ィルタ再生装置を示す(たとえば特開昭59−1260
22号公報)。同図において、1はエンジン、2は排気
マニフォールド、3は排気管、4は排気分岐管、5はフ
ィルタ、6はフィルタを収納した加熱室、7はマイクロ
波発生手段、8はマイクロ波発生手段の発生したマイク
ロ波を加熱室に導く導波管、9はマイクロ波反射板、1
0は空気ポンプ、11は空気供給路、12はマイクロ波
発生手段の駆動電源、13はマフラ、14は空気切換バ
ルブ、15は排気ガス切換バルブである。
【0006】ところが上記フィルタはパティキュレート
が捕集され続けると、目詰まりを生じて捕集能力が大幅
に低下するとともに排気ガスの流れが悪くなってエンジ
ン出力を低下させたり、あるいはエンジンを停止させる
といった問題を起こす。
【0007】したがって現在世界中でフィルタの捕集能
力を再生させるための技術開発が進められているが、未
だ実用に至っていない。
【0008】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気ガス切換バルブ15によってフィルタ5に導か
れたり、直接大気へ排出されたりする。パティキュレー
ト捕集過程において排気ガスはフィルタ5に導かれ排気
ガス中に含まれるパティキュレートはフィルタ5に捕集
される。捕集能力が限界に達すると排気ガス切換バルブ
15が制御されて排気管3への排気ガスが遮断され、排
気ガスのすべては排気分岐管4を経て大気に排出され
る。この間にフィルタ5の再生が行われる。
【0009】このフィルタ再生過程においてフィルタに
捕集されたパティキュレートはマイクロ波発生手段7に
加熱され、燃焼に必要な空気が空気ポンプ10より供給
されることによって燃焼が開始する。所定の時間を経て
フィルタ再生が完了すると排気ガス切換バルブ15が再
び制御されてフィルタ5に排気ガスが導かれ、捕集を開
始する。この捕集と再生の過程が繰り返される。
【0010】上記フィルタ再生装置のフィルタ5は図5
に示すようにコーディエライト、ムライトなどの多孔質
セラミックの隔壁より形成される多数の貫通孔16を有
するハニカム構造体が適用される。そして前記ハニカム
構造体の貫通孔16の両端には排気ガスが多孔質のセラ
ミックの隔壁を通過して排出されるように交互に気密性
を有する封止栓17、18が設けられ、パティキュレー
トは排気ガスの流入側の多孔質セラミックの隔壁に捕集
される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記構成
のフィルタ再生過程において燃焼に必要な空気の供給側
のフィルタ端面近傍は前記空気の供給により冷却される
のでパティキュレートの昇温が妨げられ、パティキュレ
ートの燃焼が困難となりパティキュレートの燃焼可能領
域を狭めてしまうためフィルタ全域を効果的に再生する
ことができなかった。その結果、パティキュレートの捕
集、再生の継続的な繰り返しにおいて排気ガスが流入す
る側から燃焼に必要な空気を供給する場合、そのフィル
タ端面近傍は再生されないパティキュレートの堆積によ
って排気ガス流入孔が閉塞されフィルタとしての捕集機
能が失われたり、捕集性能や再生性能が著しく低下する
という課題があった。一方排気ガスが流出する側から燃
焼に必要な空気を供給する場合、そのフィルタ端面近傍
は再生されないパティキュレートの残存によってフィル
タ捕集容積が減少し、フィルタとしての捕集性能が低下
するという課題があった。
【0012】またパティキュレートの燃焼がフィルタ後
方に移動するとフィルタ端面近傍は熱の放散により冷却
され、一方フィルタ内部はパティキュレートの燃焼によ
って高温となり温度差が大きくなるのでフィルタにクラ
ックが発生し、フィルタとしての捕集性能が低下した
り、捕集機能が失われるという課題があった。
【0013】またフィルタ端面近傍のパティキュレート
を燃焼可能温度に昇温させるためには多くの時間が必要
となり、マイクロ波発生源の駆動電源を自動車に搭載さ
れている電源から供給することが実用的に困難である課
題があった。
【0014】本発明は上記課題を解決するもので、フィ
ルタ端面近傍に堆積しているパティキュレートの効率的
な再生の実現とクラックの発生を防止し、フィルタとし
ての捕集、再生性能を継続的に維持できるとともに、フ
ィルタ端面近傍のパティキュレートが燃焼する温度まで
昇温する時間を短縮しマイクロ波発生源の駆動電源を自
動車に搭載されている電源から十分に供給できるフィル
タ再生装置を提供することを目的としたものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のフィルタ再生装置は内燃機関の排気ガスを
排出する排気管に設けられた加熱室と、前記加熱室に給
電するマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前
記加熱室に収納された前記内燃機関の排気ガス中に含ま
れるパティキュレートを捕集するフィルタと、前記加熱
室に空気を供給する空気供給手段とを備え、前記フィル
タは外枠に囲まれた多孔質セラミックの隔壁より形成さ
れる多数の貫通孔を有するハニカム構造体からなり、前
記貫通孔の一端には隣接する方向に1個置きの間隔で存
在する前記貫通孔に気密性を有するセラミックセメント
材よりなる第1の封止栓と前記貫通孔の他端には前記第
1の封止栓を設けていない貫通孔に気密性を有するセラ
ミックセメント材よりなる第2の封止栓を設けるととも
に、前記空気供給手段により空気を供給する側の前記第
1の封止栓を前記ハニカム構造体の貫通孔の端面よりも
内部に位置させて前記ハニカム構造体と一体の放熱防止
部を設け、前記フィルタの前記放熱防止部が前記空気供
給手段側となるように配置した構成としている。
【0016】
【作用】本発明のフィルタ再生装置は上記構成により、
マイクロ波による加熱手段によってフィルタに捕集され
たパティキュレートが加熱されると、空気を供給する側
に設けたフィルタ端面から前記封止栓の位置までの放熱
防止部が加熱されたパティキュレートからの放熱を防止
する機能を有するので昇温速度を速くすることができ、
短時間でパティキュレートを燃焼可能温度に到達させる
ことができる。
【0017】またパティキュレートが燃焼可能温度に昇
温した後、燃焼に必要な空気がフィルタに供給されても
前記放熱防止部が存在することにより空気によるフィル
タ部の冷却が抑制されるのでパティキュレートをほぼ完
全に燃焼させることができ、捕集と再生の繰り返しにお
いて、その性能の低下が防止されるとともに永続的に維
持できる。
【0018】また前記気体の供給側からパティキュレー
トが燃焼を開始すると燃焼領域が徐々にフィルタの後方
に移動するが、燃焼を完了したフィルタ部分は前記放熱
防止部の断熱効果によって冷却が防止されるのでパティ
キュレートの燃焼によって高温になっている部分との温
度差を小さくすることができ、熱歪みによるフィルタの
クラックの発生を防止することができる。
【0019】また短時間でパティキュレートを燃焼可能
温度に到達させることができるのでマイクロ波発生源の
駆動電源を自動車に搭載されている電源から実用的に供
給することができる。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照して
説明する。
【0021】図1(a)および(b)は本発明の実施例
における内燃機関用フィルタ再生装置に適用されるフィ
ルタの平面図および断面図である。同図において、19
は外枠に囲まれた多孔質セラミックの隔壁より形成され
る多数の貫通孔19aを有するハニカム構造体であり、
コーディエライト、ムライトなどのセラミック材料で構
成されている。この貫通孔19aの一端には隣接する方
向に1個置きの間隔で気密性を有するセラミックセメン
ト材よりなる第1の封止栓20が貫通孔19aの端面よ
りも内部に位置するように設けられており、貫通孔19
aの端面から第1の封止栓20までの間はフィルタ機能
がない放熱防止部22が存在する。一方貫通孔19aの
他端には第1の封止栓20を設けていない貫通孔19a
に気密性を有するセラミックセメント材よりなる第2の
封止栓21が設けられている。
【0022】排気ガスは貫通孔19aの一端から流入
し、多孔質セラミックの隔壁を通過して他端の貫通孔1
9aより排出される。排気ガス中に含まれるパティキュ
レートは排気ガスの流入側の多孔質セラミックの隔壁に
捕集される。なお、上記フィルタにおいて排気ガスの流
入方向は第1の封止栓20側でも第2の封止栓21側で
もよい。
【0023】図2は本発明の実施例における内燃機関用
フィルタ再生装置の構成を示すものである。
【0024】同図において、23は内燃機関の排気ガス
を排出する排気管、24は排気管23の途中に設けられ
た加熱室、25は加熱室24内に収納され排気ガスが通
過する間に排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕
集するフィルタであり、図1に示した構成のフィルタが
適用される。26は加熱室24に給電するマイクロ波を
発生させるマイクロ波発生手段、27はマイクロ波発生
手段26を冷却する冷却手段、28はマイクロ波発生手
段26から発生したマイクロ波を加熱室24に伝送する
導波管である。29は加熱室24に空気を供給する空気
供給手段であり、この空気供給手段29は送風機あるい
はポンプが適用され、空気は導風管30を通り加熱室2
4に導かれる。フィルタ25は放熱防止部22が空気
供給側すなわち導風管30側になるように配置されてい
る。導風管30の途中には空気を通過させるが排気ガス
空気供給手段29への流入を防する逆止弁31が設け
られている。また32は排気分岐管であり、この排気分
岐管32とフィルタ25への排気ガスの流通の制御は排
気管23に設けられたバルブ33と排気分岐管32に設
けられたバルブ34の切り替えによって行われる。図示
したバルブ33、34の位置はフィルタ25側に排気ガ
スを流通させる場合である。35、36は加熱室24を
限定するマイクロ波遮蔽手段であり、パンチング孔の構
成あるいはハニカム構成からなる。37はフィルタ25
の外周と加熱室24の内壁との間に設けられた断熱材で
あり、加熱室24内へのフィルタ25の支持をも兼ねて
いる。
【0025】排気ガスは図2中矢印で示した方向から排
気管23内を流れフィルタ25に流入する。そしてフィ
ルタ25のフィルタ機能により排気ガス中に含まれるパ
ティキュレートが排気ガス流入側の多孔質セラミック隔
壁に捕集され、浄化された排気ガスは上記多孔質セラミ
ック隔壁を通過してフィルタ25より流出し、大気に排
出される。このときフィルタ25に設けている放熱防止
部22はフィルタ機能がないのでパティキュレートの堆
積量はフイルタ機能を有する部分に比べわずかである。
したがって排気ガス流入側に放熱防止部22が存在する
場合、パティキュレートの放熱防止部22への堆積が抑
制されるので貫通孔19の目詰まりが防止され、フィル
タとしての捕集性能の低下が防止される。
【0026】一方フィルタ25にパティキュレートが捕
集され続けると、フィルタ25の圧損が増大し内燃機関
であるエンジンの負荷が増加するとともに最悪の場合に
はエンジンが停止する。したがって適当な時期にフィル
タに捕集されパティキュレートを除去する必要がある。
この適当な時期の判断手段としてはフィルタの圧損レベ
ルの検出、電気的手段によるパティキュレート捕集量の
検出あるいはエンジンの動作状態の積算値などによって
なされる。
【0027】次にフィルタ再生の基本プロセスを説明す
る。フィルタ25内のパティキュレート捕集量が再生を
実行すべき捕集量領域に達すると、フィルタ再生プロセ
スが開始する。
【0028】この再生制御指令は本装置の一構成要素で
ある制御部(図示せず)より発せられる。この制御部の
指令に基づいてまずバルブ34が開かれ、引き続いてバ
ルブ33が閉じられる。これにより、排気ガスは排気分
岐管32に導かれる。このとき加熱室24には排気ガス
が流れなくなるので導風管30に設けられている逆止弁
31は開いた状態になる。次にマイクロ波発生手段26
に駆動電力が供給され、発生したマイクロ波は導波管2
8を伝送してフィルタ25の排気ガス流入側より加熱室
24内に給電される。そして放熱防止部22が設けられ
フィルタ25の端面近傍に存在するパティキュレート
が他の領域のパティキュレートに比べて強く加熱され
る。このときフィルタ25に設けられた放熱防止部22
は加熱室24への熱の放散を抑制するように作用する
(断熱作用)のでマイクロ波で加熱されたパティキュレ
ートからの放熱が抑制される。この作用によりパティキ
ュレートの昇温速度を速くすることができ、短時間でパ
ティキュレートを燃焼可能温度に到達させることができ
る。その結果、本発明のフィルタ再生装置はマイクロ波
発生源の駆動電源を自動車に搭載されている電源から実
用的に供給することができる。
【0029】上記パティキュレートが燃焼可能温度に到
達すると空気空気供給手段29によって排気ガス流入
側よりフィルタ25に供給される。空気が供給されると
燃焼可能温度に到達しているパティキュレートは燃焼状
態に移行する。従来、空気が供給されるとフィルタの端
面近傍に存在するパティキュレートはこの空気によって
冷却されることや燃焼熱の熱放散が大きいために燃焼可
能温度温度に到達しないことが原因で未燃焼部分が多く
残存していた。しかし本発明ではフィルタ25の空気
供給される側に設けた放熱防止部22が放熱を防止する
ように作用するので空気の供給によるフィルタ25の端
面近傍の冷却が抑制されるとともに燃焼を開始したフィ
ルタ25の端面近傍の熱放散が抑制され、その部分を高
温に保つことができるので従来残存していたフィルタ端
面近傍のパティキュレートをほぼ完全に燃焼させること
ができる。その結果、本発明のフィルタ再生装置はフィ
ルタ25の端面近傍のパティキュレートの堆積が抑制さ
れ、排気ガスの流入する貫通孔19aの閉塞が防止され
るのでパティキュレートの捕集、再生の継続的な繰り返
しにおいてフィルタ25の捕集性能や再生性能の低下を
防止することができるとともにその性能を永続的に維持
することができる。
【0030】またフィルタ25のパティキュレートの燃
焼は空気の流通方向に移動するが、燃焼が完了した放熱
防止部22側のフィルタ25の端面近傍は放熱防止部2
2により熱放散が抑制されるので温度の低下が少なく、
パティキュレートの燃焼によって高温になっている部分
との温度差を小さくすることができるので熱歪みによる
フィルタのクラックの発生を防止することができる。そ
の結果、フィルタ25の初期の捕集性能を永続させるこ
とができる。
【0031】上記放熱防止部22はフィルタ25の端面
に設けているので一体化している。したがって放熱防止
部22の貫通孔19とフィルタ25のそれとは連通して
いるので排気ガスの流入や空気の供給がスムーズに行え
るとともに加熱室24に配置する場合、断熱材37の巻
きつけや装着が簡単となる。
【0032】フィルタの再生が終了すると空気を供給す
空気供給手段29が停止され逆止弁31が閉鎖され
る。その後33、34が制御され、図2に示した状態に
なりフィルタ25に排気ガスが流入されてパティキュレ
ートの捕集が行われる。
【0033】図3は本発明の他の実施例における内燃機
関のフィルタ再生装置の構成を示す。同図において、図
2と同一部材あるいは同一機能部材は同一番号で示して
いる。38は加熱室24に空気を供給する空気供給手段
であり、この空気供給手段38はマイクロ波発生手段2
6の冷却手段を兼ねている。この空気は開閉バルブ39
を制御することにより導波管40内への流入が実行さ
れ、導波管40内を流通して加熱室24へ導かれる。4
1は連結管であり、空気とパティキュレートの燃焼排気
ガスの排出路である。42は導波管40の壁面に設けら
れたパンチング孔であり、空気の流通孔とマイクロ波の
遮蔽機能を有するものである。
【0034】排気ガスは図中矢印で示した方向から排気
管23を流れフィルタ25に流入する。図2と異なる点
はフィルタ25に設けた放熱防止部22が排気ガス流出
側になるように配置していることと、フィルタ25の再
生において排気ガスが流出する側から燃焼に必要な空気
を供給し、排気ガス流出側からパティキュレートを燃焼
させる構成としていることである。
【0035】上記構成における再生プロセスでは従来、
空気による冷却作用とパティキュレートの燃焼熱の熱放
散が大きいために燃焼可能温度に到達しないことが原因
で排気ガス流出側のフィルタ25端面近傍のパティキュ
レートが残存し、フィルタ捕集容積が減少するためにフ
ィルタとしての捕集性能が低下する問題があった。しか
し本発明では排気ガス流出側すなわち空気を供給する側
のフィルタ25の端面に放熱防止部22を設けているの
で放熱防止部22の断熱作用により空気によるフィルタ
25の端面近傍の冷却が抑制されるとともに、放熱防止
部22へ向けての熱放散が抑制され、フィルタ25端面
近傍の温度を高温に保つことができる。その結果、従来
残存していたフィルタ25端面近傍の未燃焼のパティキ
ュレートをほぼ完全に燃焼させることができるのでフィ
ルタ25の捕集性能の低下を防止することができ、初期
性能を永続させることができる。
【0036】また図2の構成と同様に放熱防止部22の
存在によって短時間でパティキュレートを燃焼可能温度
に到達させることができ、マイクロ波発生源の駆動電源
を自動車に搭載されている電源から実用的に供給するこ
とができるとともに熱歪みによるフィルタのクラックの
発生を防止することができる。
【0037】なお、図2および図3の構成において、放
熱防止部22はフィルタ25の両端に設けてもよく、ど
ちらか一端に設ける場合は空気の供給側に設ける構成が
好ましい。
【0038】またマイクロ波発生手段26の動作はフィ
ルタ全域のパティキュレートの燃焼が完了するまで継続
する必要はなく、フィルタの端面近傍に存在するパティ
キュレートが燃焼状態に移行した後、適当な時期に停止
させたりマイクロ波パワーを低下させたりすることがで
きる。一方、空気の流通時間はフィルタ全域の再生が完
了するまで継続される。
【0039】また再生をより効果的に行うために他の加
熱手段を配置して空気を加熱してもよい。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
フィルタ再生装置は、フィルタの少なくとも空気の供給
側の一端に放熱防止機能を有する放熱防止部を設けた構
成としているので、以下の効果が得られる。 (1)加熱されたパティキュレートを含むフィルタから
の熱放散が抑制されるので昇温速度を速くすることがで
き、短時間でパティキュレートを燃焼可能温度に到達さ
せることができる。その結果、パティキュレートが燃焼
可能温度まで昇温させるのに必要なマイクロ波の給電時
間を短縮することができ、マイクロ波発生手段を駆動さ
せる電源を自動車電源によって供給することが容易に実
現できるとともに自動車電源の耐久性を維持することが
できる。 (2)排気ガス流入側から燃焼に必要な空気がフィルタ
に供給されても空気による冷却が抑制され、パティキュ
レートの燃焼可能領域が拡大されフィルタ端面の近傍に
捕集されたパティキュレートをほぼ完全に燃焼させるこ
とができる。その結果、パティキュレートの捕集、再生
の継続的な繰り返しにおいてフィルタ端面近傍はパティ
キュレートの堆積が防止されて排ガス流通孔が閉塞され
ることがなくなり、フィルタとしての捕集性能や再生性
能の低下を防止することができる。 (3)一方排気ガス流出側から燃焼に必要な空気がフィ
ルタに供給されてもフィルタ端面近傍の空気による冷却
が抑制されるとともに燃焼を開始したフィルタの端面近
傍からの燃焼熱の熱放散が抑制され、フィルタ温度を高
温に保つことができる。その結果、フィルタ端面近傍の
パティキュレートをほぼ完全に燃焼させることができる
のでフィルタの捕集容積を減少させることがなく、捕集
性能の低下を防止することができる。 (4)燃焼が完了したフィルタ端面近傍は冷却が抑制さ
れるのでパティキュレートの燃焼によって高温になって
いる部分との温度差を小さくすることができ、熱歪みに
よるフィルタのクラックの発生が防止される。その結
果、フィルタとしての捕集性能の低下が防止され、初期
の性能を永続させることができ、耐久性に優れたフィル
タ再生装置を得ることができる。 (5)上記放熱防止部はフィルタの端面に設けているの
で一体化している。したがって放熱防止部の貫通孔とフ
ィルタのそれとは連通しているので排気ガスの流入や
の供給がスムーズに行えるとともに、加熱室に配置す
る場合、断熱材の巻きつけや装着が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) 本発明の実施例における内燃機関用フィルタ再生
装置に適用されるフィルタの平面図(b)同フイルタの断面図
【図2】本発明の実施例における内燃機関用フィルタ再
生装置の構成図
【図3】本発明の他の実施例における内燃機関用フィル
タ再生装置の構成図
【図4】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図
【図5】従来のフィルタの平面図及び断面図
【符号の説明】
19 貫通孔 20 第1の封止栓 21 第2の封止栓 22 放熱防止部 23 排気管 24 加熱室 25 フィルタ 26 マイクロ波発生手段 27 冷却手段 28 導波管 29 空気供給手段 30 導風管 31 逆止弁 32 排気分岐管 33、34 バルブ 35、36 マイクロ波遮断手段 37 断熱材 38 空気供給手段兼冷却手段 39 開閉バルブ 40 導波管 41 連結管 42 パンチング孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 孝広 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−126022(JP,A) 特開 昭59−28010(JP,A) 特開 昭61−138812(JP,A) 実開 平2−92019(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01N 3/02 301 - 341

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設
    けられた加熱室と、前記加熱室に給電するマイクロ波を
    発生するマイクロ波発生手段と、前記加熱室に収納され
    た前記内燃機関の排気ガス中に含まれるパティキュレー
    トを捕集するフィルタと、前記加熱室に空気を供給する
    空気供給手段とを備え、前記フィルタは外枠に囲まれた
    多孔質セラミックの隔壁より形成される多数の貫通孔を
    有するハニカム構造体からなり、前記貫通孔の一端には
    隣接する方向に1個置きの間隔で存在する前記貫通孔に
    気密性を有するセラミックセメント材よりなる第1の封
    止栓と前記貫通孔の他端には前記第1の封止栓を設けて
    いない貫通孔に気密性を有するセラミックセメント材よ
    りなる第2の封止栓を設けるとともに、前記空気供給手
    段により空気を供給する側の前記第1の封止栓を前記ハ
    ニカム構造体の貫通孔の端面よりも内部に位置させて前
    記ハニカム構造体と一体の放熱防止部を設け、前記フィ
    ルタの前記放熱防止部が前記空気供給手段側となるよう
    に配置した内燃機関用フィルタ再生装置。
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