JPH04301125A - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】

【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】欧米および日本などのいわゆる先進国の
高度な経済成長は地球上の文明に大きく貢献してきた。 しかしながら、先進国の経済成長を中心とした化石燃料
エネルギーの浪費は地球の大気を汚染してきた。

【０００３】地球環境保全に関して、今日では地球温暖
化対策すなわちＣＯ２　低減対策が大きくクローズアッ
プされているが、森林破壊を招く酸性雨の対策も無視で
きない。

【０００４】酸性雨は硫黄酸化物や窒素酸化物などの大
気汚染物質が汚染源となって生じる自然現象であり、近
年世界各国でこのような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。特に、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
移行され規制値自体も大幅な削減がなされようとしてい
る。

【０００５】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の強化が行われる
。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による従来の排気ガ
ス中の汚染物質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、現状では排気ガスの後処理装
置の付設が不可欠である。この後処理装置はパティキュ
レートを捕集するフィルタを有するものである。

【０００６】ところが、パティキュレートが捕集され続
けるとフィルタは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
力の低下あるいはエンジンの停止といったことに至る。

【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、
今だ実用には至っていない。

【０００８】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高温
度域に昇温するためのエネルギを発生する手段として、
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。

【０００９】本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装
置構成の容易さあるいは再生制御性の良さなどを考慮し
てマイクロ波方式によるフィルタ再生装置を開発してき
た。

【００１０】マイクロ波方式によるフィルタ再生装置と
しては、たとえば特開昭６１−１１４１６号公報がある
。同公報に開示されている装置を図４に示す。同図にお
いて、１はディーゼルエンジン、２はエンジン１の排気
管、３は排気管の一部に設けられ排気ガス中に含まれる
パティキュレートを濾過捕集するフィルタ、４はフィル
タ３を固定支持する加熱室、５はマイクロ波発生手段で
あるマグネトロン、６はマイクロ波発生手段から給電さ
れるマイクロ波を加熱室内に限定する電波遮蔽手段、７
はマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波を加熱室に
伝送する導波管、８は加熱室へのマイクロ波入射波電圧
を検出するアンテナと制御信号へ変換するための変換器
、９は加熱室からのマイクロ波反射波電圧を検出するア
ンテナおよび変換器、１０は制御装置、１１はマフラー
、１２はマグネトロン５の駆動電源である。

【００１１】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気管２、フィルタ３、マフラー１１を通って大気
へ排出される。フィルタ３は排気ガス中に含まれるパテ
ィキュレートを捕集するが前述したようにフィルタ３の
捕集能力は有限である。捕集能力が限界に達するとフィ
ルタを再生する必要がある。フィルタ再生においてパテ
ィキュレートを加熱するエネルギはマイクロ波発生手段
５から供給される。所定のプロセスを経てフィルタ再生
が完了する。

【００１２】ところで、フィルタ３を再生するに当たっ
てフィルタが捕集限界に対してどのようなレベルにある
かを検出する必要がある。このフィルタに捕集されたパ
ティキュレート量がどの程度かを検出する従来技術とし
ては、フィルタの圧力損失を検出する方法、フィルタの
排気ガス上流側の正圧特性による方法、エンジンの動作
状態を積算して換算する方法などがあるがいずれもエン
ジンの動作状態が検出系に含まれ検出レベルの誤差が大
きく実用化が困難である。

【００１３】一方、図４にはマイクロ波を利用して捕集
レベルを検出する方法が提案されている。この検出方法
はエンジン動作状態と独立に実行できる大きな特長を持
つと考えられる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のような捕集レベル検出構成においては、捕集量の多い
少ない（たとえば２０ｇ程度以上か５ｇ程度以下か）と
いう程度のレベル検出はできるがたとえば１５ｇ±５ｇ
の量が捕集されたというレベルの検出が困難である。パ
ティキュレートの捕集量が少ないとパティキュレートの
加熱燃焼性能が悪くフィルタ全体を効率よく再生するこ
とができない。一方、捕集量がある程度以上になるとパ
ティキュレート燃焼熱によってフィルタが溶損する現象
が生じる。

【００１５】したがって、高い再生性能を保証し、さら
にはフィルタ自体の耐久性を確保するためには、捕集量
のレベル検出を高い精度で行う必要があるが、従来の技
術においてはこれを達成することが困難であった。

【００１６】本発明は上記課題を解決するもので、電波
を利用した改善されたパティキュレート捕集量検出手段
を提供しフィルタの再生性能の保証およびフィルタ耐久
性能を確保する内燃機関用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。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、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、前記加熱室内に収納され前記排気ガス
中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、
このパティキュレートを加熱するマイクロ波を発生する
マイクロ波発生手段と、前記フィルタの排気ガス上流側
に設けられ前記マイクロ波を給電する給電部と、前記フ
ィルタの排気ガス下流側に設けられた電磁界検出手段と
、前記マイクロ波発生手段の発振周波数を検出する周波
数検出手段とを備えた構成としている。

【００１８】

【作用】本発明は上記の構成により、フィルタを収納し
た加熱室にマイクロ波が給電された状態において、加熱
室には固有な電磁界分布が生じる。この電磁界分布はフ
ィルタに捕集されたパティキュレートの量によって変化
する。捕集量の増加によってフィルタ内に存在するマイ
クロ波の波長は圧縮される。したがって、排気ガス流方
向の電磁界分布は変化する。排気ガス流に垂直方向の略
同一平面を考えた時、その平面ではパティキュレート捕
集量によって電磁界強度が様々に変化することになる。 また、マイクロ波給電部と電磁界検出手段の配設位置を
フィルタを挟んで配置した構成により、捕集量の増大に
伴ってパティキュレートが吸収するマイクロ波エネルギ
が増加するため電磁界検出手段が配設された加熱室空間
へのマイクロ波エネルギ量が減少することになる。この
ため電磁界検出手段が検出する検出量は減少する。すな
わち、捕集量の増加にともなって生じる排気ガス流方向
の電磁界変化に追随して電磁界検出手段の検出量は増減
するがその絶対量は漸減する。電磁界検出手段はこのよ
うな電磁界強度変化を時系列的に検出する。

【００１９】一方、捕集量にともなってマイクロ波発生
手段の負荷特性が変化する。この変化に追随してマイク
ロ波発生手段の発振周波数が変化する。周波数検出手段
はこのマイクロ波発生手段の発振周波数を検出する。

【００２０】加熱室内の電磁界強度とマイクロ波発生手
段の発振周波数との特性に基づいてフィルタに捕集され
たパティキュレート量を高い精度で検出することができ
る。

【００２１】高精度での捕集量検出によりマイクロ波の
投入パワーおよび投入時間あるいはパティキュレート燃
焼を促進する再生空気の投入時刻と投入流量および投入
時間などを予め決定された最適な制御条件にしたがって
実行できるのでフィルタの高い再生性能を保証するとと
もにフィルタの耐久性能を確保することができる。

【００２２】

【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。

【００２３】図１において、１３は内燃機関の排気ガス
を排出する排気管、１４は排気管の途中に設けられた加
熱室、１５は加熱室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、１６は加熱室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、１７はマイクロ波発生手段の駆
動電源、１８はマイクロ波発生手段の発生したマイクロ
波を加熱室に伝送する導波管、１９は加熱室壁面に設け
られマイクロ波をフィルタ１５の排気ガス上流側に放射
する給電孔（給電部）、２０，２１は加熱室１４を限定
するマイクロ波遮蔽作用を有する電波遮蔽手段、２２は
フィルタの排気ガス下流側の加熱室空間に生じるマイク
ロ波電磁界強度を検出する電磁界検出手段、２３は導波
管１８に設けられ導波管を伝送するマイクロ波に結合し
たアンテナ、２４は周波数コンバータ、２５は加熱室に
排気ガス以外の気体を供給または吸引する気体送風手段
、２６はその気体の通路である導風路、２７は導風路内
におかれた導風パイプ、２８は電磁界検出信号および周
波数検出信号が入力されるとともにその信号に基づいて
駆動電源１７と気体送風手段２５および導風パイプ２７
を動作制御させる制御部、２９はフィルタ１５の外周に
設けられフィルタを加熱室１４の中に支持する断熱材で
ある。

【００２４】給電孔１９からのマイクロ波放射を効率よ
く行うためにインピーダンス整合用のポストを導波管の
適当な位置に設けることができる。

【００２５】本発明の装置のフィルタ再生に対する基本
プロセスを以下に述べる。内燃機関の排気ガス流は通常
フィルタ１５に配流される。この捕集サイクルにおいて
適当な時間間隔でマイクロ波発生手段１６が動作しその
状態において電磁界検出手段が加熱室の電磁界強度を検
出するとともにマイクロ波発生手段の発振周波数が検出
される。この検出信号の処理については後述するが、こ
の検出信号に基づいてフィルタ１５に捕集されたパティ
キュレート量が検出される。パティキュレート捕集量が
予め決められた量に達するとフィルタを流れる排気ガス
が停止される。この場合排気管１３より分岐した排気管
を設けることによりこの分岐排気管に排気ガスを導流さ
せることができる。

【００２６】その後、フィルタ再生プロセスが開始する
。この再生制御指令は電磁界検出信号が入力される制御
部２８より発せられる。この制御部の指令に基づいて、
マイクロ波発生手段１６が動作を開始する。これにより
、マイクロ波がフィルタ１５を収納した加熱室１４に給
電されフィルタに捕集されたパティキュレートが加熱さ
れる。マイクロ波給電の初期にはフィルタを流れる気体
はほぼ完全に遮断されている。これによってフィルタ全
域のパティキュレートはフィルタを流れる能動的な気体
流による冷却を受ける事なくマイクロ波加熱によってそ
の燃焼可能温度域に向かって効率よく温度上昇していく
。しかしながらマイクロ波の加熱分布性によりパティキ
ュレートのマイクロ波加熱促進領域が存在する。

【００２７】マイクロ波加熱が進み、予め決められた時
間を経ると排気ガス以外の気体（通常の場合空気）が気
体導風路２６より加熱室内に供給される。この時の予め
決められた時間とは加熱室に給電するマイクロ波エネル
ギ量、予め決めたパティキュレート捕集量領域などによ
って最適な時間が設定される。この気体供給によりフィ
ルタに配流される気体は排気ガス流が流れていた排気管
１３を経て供給されるのでほぼ排気ガス流のフィルタへ
の配流と同様の流れの分布でフィルタに配流される。し
たがって、パティキュレートの捕集分布に応じた配流と
なる。本発明実施例の構造においてはフィルタの中央部
が一番捕集量が多い。したがって供給される気体はフィ
ルタの外周方向に配流される。

【００２８】また、フィルタに供給される気体の初期流
量は、たとえば加熱されたパティキュレートの温度がパ
ティキュレート燃焼可能温度域である場合に燃焼の促進
はするが気体流の方向へのパティキュレートの燃焼領域
の拡がりを抑制する程度の気体流量を送風するものであ
る。

【００２９】一方、パティキュレートの温度が燃焼可能
温度域に至っていないフィルタ領域においてはこの供給
気体によって昇温を妨げられる領域も生じる可能性があ
るが、送風流量が上述のようにごく微量であることから
その領域の温度低下はほとんど回避できる。

【００３０】この供給気体はマイクロ波加熱されたパテ
ィキュレートの温度が燃焼可能温度域に達していれば燃
焼を促進させるものである。したがってこの燃焼によっ
て生じた発熱がマイクロ波加熱による発熱に加わってフ
ィルタ内を伝熱し燃焼可能領域の拡大をはかることがで
きる。

【００３１】この後、導風バルブ２７が制御され供給気
体の流量が増大され燃焼可能領域をフィルタの長手方向
（排気ガス流が流れる方向）に移動させる。

【００３２】この後適当な時期に供給気体流の流れ方向
を反転させる（この手段としてはたとえば気体送風手段
の送風方向を逆転させる）。この気体流制御によってフ
ィルタ内に生じているパティキュレート燃焼熱がフィル
タの排気ガス流入側のフィルタ端面方向に伝熱される。 この燃焼熱はフィルタ端面部で生じる熱輻射量を凌駕す
る熱量をフィルタ端面に供給する。この熱量によりフィ
ルタ端面部はパティキュレート燃焼可能温度に達しフィ
ルタ端面部のパティキュレート燃焼が実行される。

【００３３】排気ガス上流側のフィルタ端面部の再生が
終了するとふたたび供給気体の流れ方向が反転されフィ
ルタを流れる気体流の方向は排気ガス流の方向と同一方
向となる。この状態がフィルタの完全な再生の完了まで
継続される。

【００３４】この状態において適当な時間経過後にマイ
クロ波の給電を停止することができる。この停止時期は
予め決められた所定時間によって制御されるが、電磁界
検出手段あるいは周波数検出手段の検出信号に基づいて
制御することもできる。その後適当な時期に気体供給が
停止される。マイクロ波発生手段の動作停止は気体供給
の停止と同一時刻もしくはより早い時刻に実行される。 しかし通常はマイクロ波給電停止の後、予め決められた
所定時間、気体供給を制御することによりフィルタ全域
をより完全に再生することができる。

【００３５】なお、この所定時間の決定において再生度
合を検出するための手段、たとえばフィルタ下流の燃焼
排熱温度の検出、フィルタ圧損の検出などを利用するこ
とも可能である。

【００３６】以上のような再生制御プロセスによりフィ
ルタ再生が完了すると導風バルブは初期状態に制御され
る。その後適当な時期にいま再生したフィルタに排気ガ
スを流入することができる。

【００３７】なお、再生サイクルにおいてフィルタ内を
流れる気体の流れ方向は以下のような手段を講じること
で一方向制御だけで済ませることが可能である。その手
段の一つは、たとえばフィルタの排気ガス流入側端面に
近接あるいは接触させて輻射防止体を付設することであ
る。この輻射防止体はフィルタとは別部材でもよいしフ
ィルタと一体的に構成された部材でも構わないが、フィ
ルタ作用がほとんど無い構造体でもって構成される。

【００３８】つぎに本発明の電磁界検出手段の検出内容
とその信号処理について図２を用いて説明する。なお、
図１の各部材に相当する部材は同一番号で示す。マイク
ロ波が加熱室１４に給電された状態において、加熱室に
はフィルタが捕集したパティキュレート量に応じた固有
の電磁界分布が生じる。図２（ａ）において破線３０は
フィルタ１５のパティキュレート捕集量がほとんど無い
状態での電界分布であり、実線３０は適当な量の捕集が
された状態での電界分布を示している。本図においては
捕集量が無い場合に加熱室１４は共振状態を形成した状
態を示している。捕集量の増大にともなってフィルタ１
５内部に存在するマイクロ波の波長はフィルタの誘電率
の増加により図中実線３１で示したように圧縮される。

【００３９】この波長圧縮により、加熱室の排気ガス流
方向の電磁界分布は変化する。排気ガス流に垂直方向の
略同一平面を考えた時、その平面ではパティキュレート
量の増加にともなって電磁界強化が変化する。この変化
は電磁界検出手段２２においては増大したのち減少する
。

【００４０】加熱室に生じる電界の二つ目の特徴はマイ
クロ波給電孔より放射されたマイクロ波エネルギがパテ
ィキュレート量の増大にともなってパティキュレートに
より多く吸収されるためにフィルタの反対側の加熱室空
間（電磁界検出手段が配設された空間）の電磁界強度が
漸減することである。このことを図２（ｂ）を用いて説
明する。加熱室が共振状態であれば、電界強度の強い領
域と弱い領域が交互に現れる。捕集量が増大し、たとえ
ば図２（ａ）の実線３１に示す電界分布になった場合、
加熱室内は共振していない。したがって、図２（ａ）の
実線で示したような電界分布は定常的には存在できない
。しかしながら、捕集量が増大することでマイクロ波は
誘電体であるフィルタ内により多く蓄積されようとする
し、さらにはフィルタが捕集したパティキュレートにそ
のエネルギを与えてパティキュレートを選択的に加熱さ
せる。このような現象により加熱室内の電界強度分布は
図２（ｂ）の破線３２で示すような分布になる。したが
って、電磁界検出手段の検出量は増減しつつ漸減するこ
とになる。

【００４１】つぎにマイクロ波発生手段の発振周波数に
ついて図３を用いて説明する。同図はマイクロ波発生手
段であるマグネトロンのリーケ線図であり、図中の破線
群は等発振周波数線であり、２ＭＨｚ毎に示している。 また、図中の実線はパティキュレートの捕集量に対する
マグネトロンの負荷特性を示しており、点Ａは捕集量が
ほとんど無い状態、点Ｂは捕集量５ｇ、点Ｃは１０ｇ、
点Ｄは１５ｇの状態における負荷特性である。なお、同
特性の供試フィルタ容積は２．４ｌである。このように
捕集量の増大に伴って変化する発振周波数を検出する。

【００４２】電磁界変化も発振周波数変化もいずれも捕
集量に対して１対１に対応しない捕集領域が存在するが
これらの両検出信号を総合して捕集量を一義的にかつ高
精度に検出することができる。

【００４３】フィルタの再生性能の保証および耐久性能
を保証する予め決定された最適な再生制御方法を実行す
るための最適な捕集量に対応する検出信号が得られると
フィルタ再生が開始される。このフィルタ再生プロセス
によってフィルタ内でのクラック発生や溶損の回避がな
されるとともに高い再生性能が保証される。

【００４４】なお、捕集量検出の周期は予め決定した時
間毎に実行してもよいが、パティキュレート捕集量の増
大にともなって検出周期を短縮していく方法がより好ま
しい。このような検出周期を可変させることによりフィ
ルタ再生プロセスにおける再生性能をより十分に保証さ
せることができる。

【００４５】また、電磁界検出手段は加熱室の構造ある
いはマイクロ波給電部の構成に応じて検出箇所を増加さ
せても構わない。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
フィルタ再生装置によれば、以下の効果が得られる。

【００４７】（１）加熱室内に生じる電磁界強度の検出
とマイクロ波発生手段の発振周波数の検出により、捕集
されたパティキュレート量を高い精度で検出できる。

【００４８】（２）上記した捕集量検出信号に基づいた
再生実行によってフィルタ再生性能の保証およびフィル
タ耐久性能を確保した装置を提供できる。

【００４９】（３）発振周波数検出により再生進行状況
が容易に把握でき、より高い再生を保証できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す内燃機関用フィルタ再
生装置の構成図

【図２】本発明の電磁界検出原理の説明図

【図３】本発
明の周波数検出の説明図

【図４】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図

【符号の説明】

１３　　排気管 １４　　加熱室 １５　　フィルタ １６　　マイクロ波発生手段 １９　　給電部 ２２　　電磁界検出手段 ２３　　結合アンテナ（周波数検出手段）２４　　周波
数コンバータ（周波数検出手段）２８　　制御部

Claims (2)

【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、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
   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
   、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記フ
   ィルタの排気ガス上流側に設けられ前記マイクロ波を給
   電する給電部と、前記フィルタの排気ガス下流側に設け
   られた電磁界検出手段と、前記マイクロ波発生手段の発
   振周波数を検出する周波数検出手段とを備えた内燃機関
   用フィルタ再生装置。
2. 【請求項２】電磁界検出手段の検出信号と周波数検出手
   段の検出信号が入力される制御部を備えた請求項１記載
   の内燃機関用フィルタ再生装置。