JP3073375B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
排気中に含まれる微粒子成分（パティキュレ−ト）を捕
集し、再生する排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排気ガス浄化装置において、両端
開口の多数のセルを備えてケースに収容されるパティキ
ュレート補集用のハニカム状のフィルタの上流側端面に
沿ってヒータ（いわゆる端面ヒータ）を配設して、フィ
ルタの上流側にてパティキュレ−トに着火することが知
られている。

【０００３】この端面ヒータの一例として、フィルタの
上流側端面に近接して裸の電熱線を渦巻き状に形成する
形式（以下、渦巻きヒータという）が提案されている。
また端面ヒータの他例として、実公昭６１−４０８９３
号公報は、ハニカム状のセラミックフィルタの各セルへ
挿入される多数のＵ字状の屈曲部を有するとともにフィ
ルタの端面に沿って配設される電熱線と、各屈曲部が挿
入された各セルに充填されてヒータの各屈曲部を各セル
に固定するセラミックを素材とする盲栓とからなるヒー
タ（以下、埋め込みヒータという）を開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
渦巻きヒータは以下に説明する問題がある。すなわち、
裸の電熱線を渦巻き状に配設するので、電熱線を延長し
てその表面積を増加して両者の間の伝熱抵抗を下げ、加
熱電力を増大しようとすると、電熱線が空気流の障害と
なってその流速を低下させてしまい、それにより、空気
流と電熱線又はフィルタとの伝熱やパティキュレ−トの
燃焼を阻害してしまうことである。

【０００５】一方、上記した埋め込みヒータでは、電熱
線が盲栓によりフィルタのセルに埋め込まれるので、フ
ィルタにアッシュなどが堆積したり、フィルタが損傷し
たりして交換する場合に、安価では無いこの埋め込みヒ
ータも同時に廃棄せざるを得ないという大きな問題があ
った。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、
流体抵抗の増加を抑止しつつ電熱線からパティキュレ−
トへの熱抵抗を低減するとともに、フィルタ交換におい
て同時廃棄不要な排気ガス浄化装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の排気ガス浄化装
置は、両端開口の多数のセルを備えるとともにディ−ゼ
ルエンジンの排気経路に内設されるパティキュレート補
集用のハニカム状のフィルタと、前記フィルタの端面に
沿って配設されて通電により前記パティキュレ−トを燃
焼させるヒータとを備える排気ガス浄化装置において、
前記ヒータは、前記フィルタと分離可能に配設されると
ともに、前記フィルタの軸方向へＵ字状に形成された多
数の屈曲部を有する裸の電熱線を備え、更に、前記ヒー
タは、両端開口の多数のセルを備えるとともに前記フィ
ルタの上流側にて前記排気経路に内設されるハニカム状
のホルダを有し、前記電熱線の前記屈曲部は前記ホルダ
のセルに収容される。

【０００７】 好適な態様において、一部の前記屈曲部
は、一部の前記セルに充填されるセラミック性の充填材
により前記ホルダに固定される。

【０００８】好適な態様において、前記各屈曲部の先端
部は、前記フィルタの各セルに着脱可能にそれぞれ挿入
される。

【０００９】

【作用及び発明の効果】本発明のヒータは、フィルタと
分離可能に配設される裸の電熱線を備え、この電熱線
は、フィルタの軸方向へＵ字状に形成された多数の屈曲
部を有しているので、以下の作用効果を奏する。第１
に、各屈曲部がフィルタの軸方向すなわち気流方向へＵ
字状に延設されているので、気流の抵抗増加を抑止しつ
つ電熱線と気流との接触面積（伝熱面積）を従来の渦巻
きヒータより格段に増加でき、給気流量の減少や電熱線
の温度上昇を回避しつつ加熱電力を増大し、気流全体を
均一に加熱することができる。

【００１０】第２に、本発明のヒータは、同様な形状
（すなわちフィルタの軸方向へＵ字状に形成された多数
の屈曲部）を有する埋め込みヒータに比較して、フィル
タと分離して構成されているので、フィルタ交換に際し
同時に廃棄しなくてもよいという利点を有する。また、
本発明のヒータは裸で気流中に暴露されており、気流は
上記した埋め込みヒータの盲栓などにより阻止されない
ので、電熱線は気流を介してフィルタの上流側端面のパ
ティキュレ−トを全面にわたって速やかかつ均一に加熱
することができる。

【００１１】これらの結果として、本発明のヒータは、
気流の流体抵抗の増加を抑止でき、電熱線からパティキ
ュレ−トへの熱抵抗を低減でき、更にフィルタ交換にお
いて同時廃棄しなくてもよいという優れた効果を奏す
る。また、電熱線の各屈曲部は、ホルダの両端開口の多
数のセルに個別に収容されているので、隣接する屈曲部
同士が接触したり、振動したりすることなく、安定に保
持することができる。このホルダのセルは両端開口であ
り、その流体抵抗はフィルタ２のセルよりも格段に小さ
い。更に、上述の理由でホルダのセルにはパティキュレ
−トは堆積しにくいので、パティキュレ−ト燃焼による
高温がホルダや電熱線に影響することが少なく、それら
の寿命を増加することもできる。

【００１２】

【実施例】（実施例１） 本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を図１に示す。こ
の排気ガス浄化装置は両端密閉のフィルタ収容ケース１
を有し、フィルタ収容ケース１内にはその上流側から下
流側へ、排気圧検出用の上流側圧力センサ７、温度セン
サ６、ヒータ９、フィルタ２、フィルタ下流圧力検出用
の下流側圧力センサ１７が順番に配置されている。フィ
ルタ収容ケース１の上流側の端壁にはディーゼルエンジ
ン２０の上流側の排気管３が配設されており、排気管３
の途中から送気管１０が分岐されている。送気管１０は
電磁弁１４を通じて給気用のブロワ１３の出口に連結さ
れ、給気用のブロワ１３の入口は空気流量センサ１５を
通じて外部に開口している。４は下流側の排気管であ
る。

【００１３】一方、上記したヒータ９、ブロワ１３のモ
ータＭはコントローラ８により駆動制御され、また、デ
ィーゼルエンジン２０に装着された回転数センサ１８の
出力信号はコントローラ８に出力される。コントローラ
８はＡ／Ｄコンバータ内蔵マイコン（図示せず）を具備
しており、スイッチ５５、５６を開閉制御してヒータ
９、ブロワ１３を制御するとともに、異常発生時に異常
警報ランプ９０を点灯する。なお、コントローラ８は、
空気流量センサ１５の信号に基づいてブロワ１３に印加
する電圧をデューティ比制御（フィードバック制御）に
より、ブロワ１３の給気流量を目標レベルに精密制御し
ている。

【００１４】５は給電装置であって、商用地上電源（図
示せず）に接続されるプラグ５１、降圧トランス５２、
全波整流器５３からなり、全波整流器５３から出力され
る直流電圧が半導体電力スイッチ５５、５６を通じてヒ
ータ９及びブロワ駆動モータＭに供給される。フィルタ
２はハニカムセラミックフィルタ（日本碍子ｋｋ製、直
径５．６６インチ×長さ６インチ）であって、コ−ジェ
ライトを素材として円柱形状に焼成されている。フィル
タ２はその両端面を貫通する多数の通気孔（本発明でい
うセル）を有し、隣接する通気孔の一方は上流端で封栓
され、その他方は下流端で封栓されている。排気ガスは
隣接する通気孔間の多孔性隔壁を透過し、パティキュレ
−トだけが通気孔内に捕集される。フィルタ２の両端面
はケース１の両端面に所定距離を隔てて対面している。

【００１５】ヒータ３は、後述するようにカンタル線を
素材とする電熱抵抗体からなり、フィルタ２の再生時上
流側に当たる端面に近接配置されている。以下、この装
置の動作を説明する。 （パティキュレ−ト捕集動作）ディ−ゼルエンジン２０
から排出された排気ガスは排気管３を通じてケース１内
に導入され、排気ガス中のパティキュレ−トはフィルタ
２で捕集され、浄化された排気ガスは尾管４から外部に
排出される。

【００１６】（フィルタ再生動作）次に、このフィルタ
２の再生動作を図２のフローチャートに従って説明す
る。なお、この装置ではフィルタ再生動作をエンジン停
止期間に外部電源から受電して手動操作による起動によ
り開始するものとする。再生開始直前に電磁弁１４は開
かれる。

【００１７】まず、エンジン運転中に実施されるフィル
タ再生判別ルーチン（ステップ１００〜１１１）及びエ
ンジン停止中に実施されるフィルタ再生実行ルーチン
（ステップ１１２〜１１６）からなるフィルタ再生ルー
チンを図２に示す。まず、エンジン２０の起動とともに
フィルタ再生判別ルーチンがスタートされ、ステップ１
００にて、圧力センサ７、１７が検出する排気圧力Ｐ
１，Ｐ２と、回転数センサ１８が検出するエンジン回転
数ｎと、温度センサ６が検出する排気ガス温度Ｔに基づ
いて、記憶マップに基づいてパティキュレ−ト捕集量を
算出する。

【００１８】次に、ステップ１０８にて、サーチしたパ
ティキュレ−ト捕集量Ｇが所定のしきい値Ｇｔを超過し
たかどうかを調べ、超過しなければステップ１００にリ
ターンし、超過したらステップ１１１に進む。ステップ
１１１では、フィルタ再生を指令するランプ９１を点灯
して、ルーチンを終了する。

【００１９】その後、運転者がフィルタ再生を指令する
ランプ９１の点灯を視認し、エンジン停止状態にて再生
スイッチ（図示せず）をオンすると、上記フィルタ再生
実行ルーチンが開始される。このルーチンでは、まずス
テップ１１２にてブロワ１３を起動し、次に、内蔵のタ
イマーを起動し（１１４）、タイマー制御サブルーチン
を実行してモータＭ及びヒータ９への通電を所定の順序
で行い（１１６）、再生を終了する（１１８）。

【００２０】ヒータ９の詳細な構造を図３〜図５を参照
して以下説明する。このヒータ９は、ケース９０と、ケ
ース９０に収容されるハニカム状のホルダ９１と、ホル
ダ９１に保持される電熱線９２（図５参照）とをその主
要構成要素としている。ケース９０は、ステンレスから
なる両端開口の円筒９０１と、円筒９０１の両端に溶接
された輪板９０２、９０３とからなる。輪板９０２、９
０３の周囲には貫通孔９０４が開口され、これら貫通孔
９０４は上流側排気管３の貫通孔９０５と、フィルタ収
容ケース２０の貫通孔９０６とを貫通するスルーボルト
（図示せず）によりこれら上流側排気管３及びフィルタ
収容ケース２０の間に介装されている。

【００２１】ホルダ９１は、フィルタ２と同一工程、同
一材料で形成された厚肉円盤状のセラミックハニカムか
らなり、両端開口の多数のセル（孔）を有している。ホ
ルダ９１は、膨張性セラミックからなるマット９１１を
介して円筒９０１の下流側端部に収容されており、マッ
ト９１１（及びホルダ９１の外周部）の下流側端面は輪
板９０３に当接している。一方、円筒９０１には輪板９
０７が溶接により固定されており、輪板９０７は輪板９
０３とともにマット９１１及びホルダ９１を挟持してい
る。

【００２２】電熱線９２は、図５に示すように、フィル
タ下流側へＵ字状に延設された多数の屈曲部９２０を有
する裸のカンタル線からなり、各屈曲部９２０はそれぞ
れホルダ９１の上流側端面から各セル９１２に個別に挿
入されている。なおもちろん、各屈曲部９２０をホルダ
９１の下流側端面から各セル９１２に個別に挿入しても
よい。

【００２３】図４にホルダ９１の上流側端面を示す。電
熱線Ｌ１〜Ｌ１５はホルダ９１の上流側端面に沿って図
中、それぞれ横方向に延設されており、各電熱線Ｌ１〜
Ｌ１５は図５に示すようにそれぞれホルダ９１の各セル
９１２に個別に収容されるＵ字状の屈曲部９２０を多数
有している。そして、各電熱線Ｌ１〜Ｌ１５を直列接続
して電熱線９２が構成されている。

【００２４】更に図４に黒点で示すように、屈曲部９２
０を収容するセル９１２の内の一部のセル９１２ａには
セラミック耐熱封止材（商品名スミセラム、住友スリー
エム株式会社製）が充填されて、硬化したこのセラミッ
ク耐熱封止材により電熱線９２が固定されている。一
方、輪板９０７から所定距離上流側に位置して保持プレ
ート９０８が放射方向に配設されており、保持プレート
９０８の両端は円筒９０１の内周面に固定されている。
また、円筒９０１の開口に碍子を含むプレート９３が固
定されており、碍子９３の一対の螺子孔（図示せず）に
は電極バー９４、９５の各一端部を個別に固定する雄螺
子形状の電極端子９６、９６（一方を図示）が個別に螺
入されている。

【００２５】更に、電極バー９４、９５の各他端部は碍
管９７を介して螺子９８により保持プレート９０８に固
定されており、電極バー９４、９５と電熱線９２の両端
とは電線９９、９９により個別に接続されている。この
ように構成した本実施例のヒータ９は、以下の効果を奏
する。第一に、ヒータ９は、フィルタ２と分離可能に配
設されるとともに、フィルタ２の軸方向へＵ字状に形成
された多数の屈曲部９２０を有する裸の電熱線９２を備
える。

【００２６】したがって、気流の抵抗増加を抑止しつつ
電熱線と気流との接触面積（伝熱面積）を格段に増加で
き、給気流量の減少や電熱線の温度上昇を回避しつつ加
熱電力を増大し、気流全体を均一に加熱することができ
る。また、ヒータ９はフィルタ２と分離して構成されて
いるので、フィルタ２の交換に際し同時に廃棄しなくて
もよい。

【００２７】また、電熱線９２の各屈曲部９２０は、ホ
ルダ９１の両端開口の多数のセル９１２に個別に収容さ
れているので、隣接する屈曲部９２０同士が接触した
り、振動したりすることなく、安定に保持することがで
きる。このホルダ９１のセル９１２は両端開口であり、
その流体抵抗はフィルタ２のセルよりも格段に小さい。
なおこの実施例ではホルダ９１を多孔性のコージェライ
トで形成したが密実なセラミックで構成してもよい。

【００２８】更に、上述の理由でホルダ９１のセル９１
２にはパティキュレ−トは堆積しにくいので、パティキ
ュレ−ト燃焼による高温がホルダ９１、電熱線９２及び
セラミック耐熱封止材に影響することが少なく、それら
の寿命を増加することもできる。図６にこのホルダ９１
入りの電熱線９２の加熱能力を調べた結果を図示する。

【００２９】実験は、電熱線９２の下流端とフィルタ２
の上流側端面との間の隙間ｄを種々変更した場合のフィ
ルタ２の上流側端面の径方向中心部ａ及び外周部ｂの最
高温度を示す。なお、給気流量は約６０リットル／分、
フィルタ２の直径は１４３．８ｍｍ、加熱電力は２ｋＷ
とした。

【００３０】この実験から、隙間ｄは１５ｍｍ以下、好
ましくは１０ｍｍ以下とすることが好ましいことがわか
る。ただ、この隙間における円筒９０１の内周面をセラ
ミックマットで断熱すれば更に隙間ｄを延長しても温度
低下は少ない。次に図６の実験と同じ条件で、予熱電力
０．８ｋＷ、７分、着火電力１．３ｋＷ、２３分とした
場合のフィルタ２の上流側端面の径方向中心部ａにおけ
る温度変化を調べた。その結果を実線にて図示する。ま
た、埋込みヒータを用いた従来例を点線にて図示する。

【００３１】この実験から本実施例は温度を速やかに上
昇できることがわかる。 （実施例２）他の実施例を図８に示す。この実施例で
は、電熱線９２はホルダ９１の上流側端面９１ａから挿
入され、しかも、各屈曲部９２０は大幅に長くされてお
り、しかもこれら各屈曲部９２０は図示しないフィルタ
２の各セル（これらのセルは下流端で封栓されている）
に挿入されている。

【００３２】このようにすれば、フィルタ２の各セル
（これらのセルは下流端で封栓されている）に捕集され
たパティキュレ−トは電熱線９２に直接に接触するの
で、着火性が大幅に向上する。 （実施例３）他の実施例を図９に示す。

【００３３】この実施例では、電熱線９２はホルダ９１
の下流側端面９１ｂから挿入され、しかも、電熱線９２
の両端（一端のみ図示）９２ａはホルダ９１の上流側端
面を貫通している。このようにすれば、電熱線９２の両
端（一端のみ図示）９２ａを固定することにより、電熱
線９２をホルダ９１に固定することができる。 （実施例４）他の実施例を図１０に示す。

【００３４】この実施例では、電熱線９２はホルダ９１
のセル９１２に一つおきに挿入されている。更に各屈曲
部９２０の先端部はホルダ９１から突出しており、各各
屈曲部９２０の先端部にはセラミック棒９２ｂが挿入さ
れて、電熱線９２がホルダ９１に固定されている。この
ようにすれば電熱線９２の固定が簡単となる。 （実施例５）他の実施例を図１１に示す。

【００３５】この実施例では、電熱線９２はホルダ９１
の各セル９１２に一線ずつ挿入されている。このように
すれば、挿入工程は複雑となるが、電熱線９２の固定工
程を追加することなく、電熱線９２をホルダ９１に固定
することができる。なお、上記説明した各実施例におい
て、ホルダ９１のセル９１２の径方向断面積はフィルタ
２の各セルと同一でなくてもよく、要するに給気流の円
滑な流通と、電熱線９２の安定保持と、電熱線９２から
給気流への伝熱が実現できればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を示すブ
ロック図、

【図２】その再生動作を示すフローチャート、

【図３】ヒータの一実施例断面図、

【図４】ヒータの一部であるホルダの正面図、

【図５】図３及び図４のヒータの一部拡大断面図、

【図６】図３のヒータの加熱能力を調べた温度変化図、

【図７】図３のヒータの加熱能力を調べた温度変化図、

【図８】ヒータの他の実施例を示す断面図、

【図９】ヒータの他の実施例を示す断面図、

【図１０】ヒータの他の実施例を示す断面図、

【図１１】ヒータの他の実施例を示す断面図、

【符号の説明】

２はフィルタ、６は温度センサ、７、１７は圧力セン
サ、８はコントローラ、９はヒータ、１３はブロワ、９
１はヒータ９のホルダ、９２はヒータ９の電熱線、９０
はヒータ９のケースである。

フロントページの続き (72)発明者 荒川 健二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 影山 照高 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 実開 平４−105921（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭61−40893（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭63−35151（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平２−18276（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 46/00 - 46/54 F01N 3/02 - 3/038

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端開口の多数のセルを備えるとともにデ
   ィ−ゼルエンジンの排気経路に内設されるパティキュレ
   ート補集用のハニカム状のフィルタと、前記フィルタの
   端面に沿って配設されて通電により前記パティキュレ−
   トを燃焼させるヒータとを備える排気ガス浄化装置にお
   いて、 前記ヒータは、前記フィルタと分離可能に配設されると
   ともに前記フィルタの軸方向へＵ字状に形成された多数
   の屈曲部を有する裸の電熱線を備え、 前記ヒータは、両端開口の多数のセルを備えるとともに
   前記フィルタの上流側にて前記排気経路に内設されるハ
   ニカム状のホルダを有し、 前記電熱線の前記屈曲部は前記ホルダのセルに収容され
   ることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】一部の前記屈曲部は、一部の前記セルに充
   填されるセラミック充填材により前記ホルダに固定され
   る請求項１記載の排気ガス浄化装置。
3. 【請求項３】前記各屈曲部の先端部は、前記フィルタの
   各セルに着脱可能にそれぞれ挿入される請求項１記載の
   排気ガス浄化装置。