JP3064322B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するもので、
特にディーゼル機関の排気中に含まれる微粒子成分を除
去する装置に関する。

（従来の技術） 一般に、ディーゼル機関の排気中には多量のカーボン
粒子等からなる微粒子成分（パティキュレート）が含ま
れている。そしてこの微粒子成分がそのまま大気中に放
出されるのを防止して排気を浄化するようにした排気浄
化装置として、従来よりセラミックス等の通気性を有す
る隔壁をもつフィルタ部材を内燃機関の排気通路に配設
し、排気が前記フィルタ部材を通過する間に排気中の微
粒子成分を前記隔壁によって捕集するようにしたものが
知られている。

このようなフィルタ部材を備えたものにおいては、内
燃機関が長時間に渡って運転されるとフィルタ部材に微
粒子成分の堆積による目詰まりが生じ、内燃機関の背圧
が上昇して出力低下を招くという問題がある。

そのため、従来より例えば特開昭56−72212号公報、
特開昭56−72213号公報等に開示されるものでは、ケー
ス本体内に加熱用ヒータを取り付け、定期的に、または
フィルタ部材に目詰まりが生じた時点で該加熱用ヒータ
に通電することにより、フィルタ部材に堆積した微粒子
成分を加熱し燃焼させてフィルタ部分の再生を行うよう
にしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、従来の内燃機関の排気浄化装置では、フィ
ルタ端面に取り付けられる電気ヒータ、燃焼バーナ等の
熱源により微粒子成分に着火し、フィルタ中を流れる再
生ガスの流れを利用して、着火部から再生ガス下流側に
向けて燃焼を伝播させるようにしているため、この再生
法によると、微粒子成分の自燃によりフィルタを再生す
るものであるから、微粒子成分付着量のバラツキ等によ
り燃焼伝播が適切に行われず、再生ミスが発生すること
があり、それが発端となって微粒子成分が堆積し、ある
時期一気に燃焼してフィルタ内温度が上昇し、フィルタ
にクラック、溶損等が発生しやすいという問題がある。

またフィルタ外周面にヒータを取り付けたものでは、
一般に使用されるフィルタ口径100mm以上のもので微粒
子成分の燃え残りなくフィルタ全域の再生を行うのは困
難であるという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、フィルタ外周面およびフィルタ端面に電気ヒ
ータを設けるとともに再生ガスの流速を制御すること
で、ヒータ熱による微粒子成分の燃焼および自燃、さら
に再生ガス流速の制御により安定かつ確実な再生を繰り
返し可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） そのために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、通
気性を有する隔壁により軸方向に貫通して延びる多数の
小孔が形成され、この小孔の一端と該小孔に隣合う小孔
の他端を交互に封止部材で閉塞したフィルタであって、
前記フィルタの外周壁面および前記フィルタの上流側端
面のみに電気ヒータを設け、前記フィルタの再生時に前
記フィルタ中に０を超える流速で下流側に再生ガスを流
通させるとともに前記フィルタの再生時に前記フィルタ
中を流通する再生ガスの流速を所定値以下に設定したこ
とを特徴とする。なお、フィルタの上流側とは、フィル
タの再生時に流通される再生ガスの流入側をいう。

（作用） フィルタの再生時、フィルタ内に再生ガスを導入する
と、フィルタ外周壁面の電気ヒータの加熱と流速制御さ
れた再生ガスにより、フィルタ外周付近の付着微粒子成
分が燃焼する。フィルタ端面の電気ヒータを加熱する
と、残部の微粒子成分が完全に燃焼し取除かれる。その
後、電気ヒータへの通電を遮断する。すると再びこのフ
ィルタにより排気中の微粒子分が捕集される。

フィルタ中に再生ガスを流通させながら、電気ヒータ
を加熱するので、酸素の供給が十分行われ、フィルタの
再生を促進することができる。フィルタの上流側から再
生ガスを供給させているので、フィルタの下流側に電気
ヒータを設ける必要がなく、電気ヒータの消費電力量が
低減される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図に示すように、排気浄化装置１は、図示しない
内燃機関とマフラーとの間に設けられている。排気管２
の口径よりも大口径のステンレス製ケース３内には、セ
ラミックス製のハニカムフィルタ４を収納している。ケ
ース３と上流側排気管2aおよび下流側排気管2bとの接続
はテーパ部６およびテーパ部７により行われている。こ
れにより排気がハニカムフィルタ４に円滑に導入され
る。

ハニカムフィルタ４は、コージェライトからなり、フ
ィルタ内部に通気性を有する多数の隔壁８を軸方向に延
ばし、これらに対応して軸方向に貫通して延びる多数の
小孔９が形成されている。これらの一部の小孔９は上流
側開口端がフィルタと同材質または耐熱セラミック材料
からなる封止部材であるプラグ11により閉塞され、この
小孔９に隣合う残部の小孔９は下流側開口端がプラグ12
により閉塞され、これによって隣合う小孔９が上流側開
口端と下流側開口端とで交互にプラグ11、プラグ12によ
り閉塞されている。このため、ハニカムフィルタ４内に
導入される排ガスは、図示矢印Ａに示すように、上流側
開口端から小孔９に導入されると、小孔９間の隔壁８を
通過し下流側開口端からフィルタ外に流出され、排気中
に含まれる微粒子成分は隔壁18を通過できずにハニカム
フィルタ４内に捕集される。ハニカムフィルタ４を構成
する材料は、コージェライトの他、アルミナ等の多孔質
無機焼結体を使用するとよい。

ハニカムフィルタ４の上流側端面には、第２図に示す
ように、ニクロムまたはカンタル材等の電熱線からなる
端面ヒータ14が中央部に設けられている。端面ヒータ13
の電熱線は、端面開口部とそこから比較的浅い部分とを
繰り返して往復するように配設されている。本発明の端
面ヒータの電熱線はハニカムフィルタに非接触または埋
設してもよい。また、電熱線の配列パターンは、蛇行
状、渦巻状等なんでも良い。端面ヒータ14の断面形状は
円形、四角形その他の多角形等なんでも良い。

ハニカムフィルタ４の外周壁面には、ニクロムまたは
カンタル材等の電熱線からなる外周ヒータ15が巻回され
ている。外周ヒータ15は、フィルタ外周面上で軸方向に
往復するように蛇行して巻かれている。外周ヒータ15の
電熱線の断面形状は、第３図に示すように、円形よりも
四角形の方が良い。これはフィルタ外周壁との接触面積
が線接触よりも面接触の方が大きいため熱伝導率が高く
なり迅速加熱に適するからである。

これらの端面ヒータ14と外周ヒータ15は、別回路とし
て絶縁物を介してケース３の外部に取出され、車載用バ
ッテリに接続される。なお、このハニカムフィルタ４は
セラミック系繊維をシート状に固めた緩衝材20が巻かれ
た状態でケース３の中に収納されている。

次に本発明の実施例で用いたフィルタの作動について
説明する。

内燃機関より排出される排気は、上流側排気管2aを通
り、第１図示矢印Ｂ方向にハニカムフィルタ４の小孔９
内に導入され、隔壁８を透過して隣合う小孔９を通して
化側開口端からハニカムフィルタ４の外部に流出し、第
１図示矢印Ｃ方向からマフラーに流れる。

このとき、排気中に含まれている微粒子成分は隔壁８
を透過できないで小孔９内に堆積する。微粒子成分を取
除かれた排気は、下流側排気管2bを通りマフラーを経て
大気に放出される。車両走行距離が長くなるにしたがい
微粒子成分の堆積量が増大し、ハニカムフィルタ４の前
部と後部の圧力損失が増大する。そして、例えば一定時
間走行後、ハニカムフィルタ４内に微粒子成分が堆積す
ると、次のとおりハニカムフィルタ４の再生を行う。

まず、ハニカムフィルタ４内に再生ガスを流入する。
再生ガスは、排気または二次空気等を用いる。ハニカム
フィルタ４内を流通するガス流速は一定値以下になるよ
うに制御する。再生ガスの導入後、フィルタ外周壁面に
設けた外周ヒータ15に通電する。そして、外周ヒータ15
への通電を所定時間保持すると、ハニカムフィルタ４の
外周付近に付着した微粒子成分が着火温度に達すると燃
焼する。この微粒子成分の燃焼を継続すると、第４図お
よび第５図に示すように、矢印Ｄ方向に微粒子成分の燃
焼が進み、フィルタ容積の例えば約80％の微粒子成分が
燃焼する。

その後、ハニカムフィルタ４の上流側端面に設けた端
面ヒータ14への通電を開始する。これにより、外周ヒー
タ15のみでは再生できなかった第４図に示す上流側中央
部燃え残り部分Ｅの微粒子成分を燃焼する。ハニカムフ
ィルタ４の微粒子成分を燃焼した後、外周ヒータ15およ
び端面ヒータ14の通電を遮断する。

このようにしてハニカムフィルタ４内に付着した微粒
子成分を取り除き、フィルタの再生が図られる。そして
再びこのハニカムフィルタ４による排気中の微粒子成分
の捕集を行うことができる。

本実施例の場合、再生ガスの流速は、0.1m/s以下に制
御する。これは、外周ヒータ15のみを作動した場合、第
７図に示すように、再生ガスの流速が例えば0.02m/sで
あると、微粒子成分の燃え残りはほとんど生じないが、
再生ガスの流速を0.1m/sを超える値に設定すると、微粒
子成分の燃え残りを生じ、この燃え残り捕集量が増大し
た場合、再生時に燃焼温度が急上昇するおそれがあるた
め、このような燃焼温の過昇を防止し、緩慢に再生を図
るように制御するため0.1m/s以下に設定した。再生ガス
の流速が0m/sの無風状態では酸素不足となり燃焼しにく
いので再生ガスの流速は少なくとも０を超える値にす
る。

本実施例によれば、外周ヒータ15と端面ヒータ14を設
ける構成であるため、フィルタ再生時に微粒子成分の燃
え残りを生じないように安定かつ確実な再生を図ること
ができる。従って、捕集された微粒子成分が一気に燃焼
するとき発生しやすいクラックや溶損を確実に防止する
ことができる。また、フィルタ再生を助長するための高
価な金属触媒を使用しないので、低コストにハニカムフ
ィルタの再生を図ることができるとともに、内燃機関の
出力低下を最小限に抑えることができる。

第８図、第９図は、本発明の第２の実施例および第３
の実施例を示すものである。第８図のものは、ハニカム
フィルタ４の外周面に３本の電熱線30、31、32をそれぞ
れ上流部、中流部、下流部に蛇行させてぐるりと一周巻
回したものである。第９図のものは、ハニカムフィルタ
４の外周面に螺旋状に電熱線40を巻回したものである。
これらの電熱線の断面形状は、丸形、多角形等で、その
断面形状は特定されるものではない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の内燃機関の排気浄化装
置によれば、フィルタ再生時にフィルタに付着した微粒
子成分を確実に燃焼除去させるため、再生時ごとに堆積
微粒子成分をほとんど除去するので、フィルタの再生率
が高くなり、再生時のフィルタのクラック発生や溶損を
防止し、内燃機関の出力低下、燃費の悪化を確実に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を表わす排気浄化装置
の断面図、第２図はそのフィルタを示す斜視図、第３図
はヒータの作用を示す説明図、第４図は第１図の実施例
の作用を説明するための模式説明図、第５図は第４図に
示すＶ方向矢視模式説明図、第６図は第１の実施例の作
用を示すための模式図、第７図は本発明の実施例と従来
例を対比したもので再生ガス流速とフィルタ再生率の関
係を示す特性図、第８図は本発明の第２の実施例を示す
フィルタの斜視図、第９図は本発明の第３の実施例のフ
ィルタを表わす斜視図である。 ３……ケース（容器）、 ４……フィルタ、 ８……隔壁、 ９……小孔、 11、12……プラグ（封止部材）、 14……端面ヒータ（電気ヒータ）、 15……外周ヒータ（電気ヒータ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 信彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−17225（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−72212（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−72213（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 341 F01N 3/02 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】通気性を有する隔壁により軸方向に貫通し
   て延びる多数の小孔が形成され、この小孔の一端と該小
   孔に隣合う小孔の他端を交互に封止部材で閉塞したフィ
   ルタであって、 前記フィルタの外周壁面および前記フィルタの上流側端
   面のみに電気ヒータを設け、 前記フィルタの再生時に前記フィルタ中に０を超える流
   速で下流側に再生ガスを流通させるとともに前記フィル
   タの再生時に前記フィルタ中を流通する再生ガスの流速
   を所定値以下に設定したことを特徴とする内燃機関の排
   気浄化装置。