JPH11236813A - 排気ガス浄化装置の再生システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガス中のパティキュレートを捕捉した排
気ガス浄化用ハニカムフィルタを車両走行中に効率的に
再生し得る排気ガス浄化装置の再生システムを提供す
る。 【解決手段】 ディーゼルエンジン１０の排気通路１１
に設置し、多孔質炭化珪素焼結体の排気ガス浄化用ハニ
カムフィルタ２２を備えた３個の排気ガス浄化装置２０
と、フィルタ２２を再生するためにフィルタ２２のガス
流入側の前方に配置したヒータ２４と、フィルタ２２の
ガス流出側に配置した流量調整弁２６と、ヒータ２４に
供給する電力と流量調整弁２６とを制御するコントロー
ルユニット３０とからなる排気ガス浄化装置の再生シス
テムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン等の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気
ガス浄化装置において、排気ガス浄化用ハニカムフィル
タを車両走行中でも再生し得る排気ガス浄化装置の再生
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン等の内燃機関から排
出されるパティキュレートなどを除去するために用いる
排気ガス浄化用ハニカムフィルタを備えた排気ガス浄化
装置は既知である。このフィルタは、使用時間が増える
につれてパティキュレートの堆積によりエンジンの負荷
が高くなり最悪の場合、フィルタが破壊される。こうし
た現象は、例えば、バス、トラックまたはフォークリフ
トなどのディーゼル車で顕著である。

【０００３】このため、排気ガス浄化用ハニカムフィル
タで捕捉したパティキュレートを焼却することにより、
前記フィルタを再生する必要があるが、従来の排気ガス
浄化用ハニカムフィルタに採用されたコージェライト
は、最高使用温度や熱伝導率が悪いため、耐久性が劣
り、また最高使用温度が低いので、一回の再生で燃焼可
能なパティキュレート量に限界があるといった問題があ
った。

【０００４】そこで、本願出願人は、最高使用温度や熱
伝導率の良い多孔質炭化珪素焼結体を排気ガス浄化用ハ
ニカムフィルタに採用した排気ガス浄化装置の再生シス
テムを、特開平３−２３３０７号公報で提案済みであ
る。これは、図６に示すように、排気通路５中に設けた
排気ガス浄化装置１において、排気ガス浄化用ハニカム
フィルタ２の外周にヒータ３を配設したものである。排
気ガス浄化用ハニカムフィルタ２の再生は、ヒータ３に
よってフィルタ２を加熱するとともに、排気ガス浄化装
置１の前方に設けた流入口４から助燃空気を供給し、前
記パティキュレートを焼却することにより行われる。な
お、この再生システムは車両の走行後に内燃機関の運転
を停止させた状態で稼動させるのが通例である。

【０００５】しかしながら、この装置によれば、排気ガ
ス浄化用ハニカムフィルタ２内に、助燃空気を供給する
ための配管と、該助燃空気の供給用ポンプユニット、該
ポンプユニットの駆動用電源および駆動制御用コントロ
ールユニット（いずれも図示せず）が必要となるため、
これら部材を搭載することにより、車内空間が規制され
るとともに構造が複雑になるという不都合があった。

【０００６】さらに、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
２の外周にヒータ３が配設されているため、パティキュ
レートが燃焼し始めたときの温度分布はフィルタ２の外
周表面に沿って均等になるが、このフィルタ２全体をパ
ティキュレートの燃焼温度まで加熱する時間（昇温時
間）が長くかかる。また、この加熱されたフィルタ２に
助燃空気が供給されることにより燃焼が進むにつれて、
排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２の前面が助燃空気で
冷やされ、フィルタ２中後方（図面では右側）で温度が
高くなる温度分布が生じ、これに伴う応力分布が、時と
してフィルタ２の許容応力を越え、フィルタ２にクラッ
クを発生させるので、このクラック発生を防止するため
にパティキュレートの焼却量がフィルタの許容能力に対
し低めに設定されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした事
実に鑑みなされたもので、助燃空気を使用することな
く、車両走行中であっても、内燃機関から排出される排
気ガス中のパティキュレートを捕捉した排気ガス浄化用
ハニカムフィルタを効率的に再生し得る排気ガス浄化装
置の再生システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、請求項１に記載の排気ガス浄化装置の再生システム
は、内燃機関の排気通路に設置し、排気ガス浄化用触媒
を担持した多孔質炭化珪素焼結体の排気ガス浄化用ハニ
カムフィルタを備えた少なくとも２個の排気ガス浄化装
置と、前記フィルタを再生するために該フィルタのガス
流入側の前方に配置したヒータと、前記排気ガス浄化用
ハニカムフィルタのガス流出側に配置した流量調整弁
と、前記ヒータに供給する電力および前記流量調整弁を
制御するコントロールユニットとからなることを特徴と
するものである。

【０００９】本発明の再生システムにおいては、前記コ
ントロールユニットからの指令によって前記ヒータを加
熱するとともに、前記排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
のガス流出側の後方に配した前記流量調整弁により流量
を絞って、前記フィルタを通過する排気ガスの流量を減
ずる。このため、内燃機関からの排気ガスが前記排気ガ
ス浄化装置内を緩やかに通過し、前記排気ガス浄化用ハ
ニカムフィルタに補足されたパティキュレートが、該排
気ガスに含まれる酸素と反応して焼却される。

【００１０】このとき、前記ヒータを、前記排気ガス浄
化用ハニカムフィルタのガス流入側の前方に配置するの
で、該ヒータによって熱せられる最も高温の位置が、前
記フィルタの前端部になり、該フィルタ内の最も高温の
位置と燃焼開始点が一致するので、昇温時間を著しく短
縮することができる。また、前記排気ガス浄化用ハニカ
ムフィルタの前端部が内燃機関からの排気ガスにより冷
却されることもなく、該フィルタ内での熱伝導は、該フ
ィルタを通過中の排気ガスにより長手方向に沿って均一
かつ効率よく行われるので、応力分布が発生し難い燃焼
伝播となる。

【００１１】従って、本発明の再生システムによれば、
従来の再生システムで用いられていた排気ガス浄化用ハ
ニカムフィルタ内に供給するための助燃空気と、この助
燃空気を供給するためのポンプとの使用を不要にできる
ので、構造が簡単になり、部材搭載スペースを広く確保
することができる。また、車両走行中であっても、排気
ガス浄化装置の稼動を交互に切り換えることにより、連
続再生が可能となる。また、安全に短時間に前記排気ガ
ス浄化用ハニカムフィルタを再生することができる。

【００１２】この再生システムの優れた燃焼メカニズム
を達成するための構成として、本発明では、例えば、排
気ガス浄化用ハニカムフィルタの材料として多孔質炭化
珪素焼結体を採用している。この焼結体は、熱伝導率が
非常に高く、ヒータからの直接の熱量や、ヒータ表面を
通過した排気ガスの熱量をフィルタ後方や半径方向に効
率よく伝播するのに役立ち、局所的な過剰燃焼が生じて
も安全に熱拡散をすることができる。このため、前記排
気ガス浄化用ハニカムフィルタに付着したパティキュレ
ートを燃焼させる際に起きる温度分布のバラツキが解消
され、パティキュレートの焼却に要する時間をさらに短
縮することができるとともに、一回の再生で焼却可能な
パティキュレートの量も増加させることができる。さら
に、炭化珪素焼結体の場合、コージェライトに比べ、最
高使用温度が高く、セル壁の厚さを薄くすることができ
る。このため、フィルタのサイズを小さくすることがで
きる。

【００１３】また、前記排気ガス浄化用ハニカムフィル
タに担持された排気ガス浄化用触媒により、内燃機関か
らの高温排気ガスが活性化されるので、パティキュレー
トの燃焼温度が下がるとともに、ヒータの消費電力量を
軽減することができる。

【００１４】また、請求項２に記載の排気ガス浄化装置
の再生システムは、請求項１において、前記排気ガス浄
化装置、前記ヒータおよび前記流量調整弁を一体にした
再生ユニットを構成することを特徴とするものである。

【００１５】この場合、前記排気ガス浄化装置、前記ヒ
ータおよび前記流量調整弁を一体のものとして交換する
ことができるから、排気通路での組付けまたは取り外し
などの作業性が向上する。

【００１６】さらに、請求項３に記載の排気ガス浄化装
置の再生システムは、請求項１または２において、前記
流量調整弁により、該流量調整弁から流出する排気ガス
流量が前記排気ガス浄化装置に流入される排気ガス流量
の１／２０〜１／４０、好ましくは１／３０になるよう
に設定されることを特徴とするものである。

【００１７】この場合、流量調整弁から流出する排気ガ
ス流量が、排気ガス浄化装置に流入する排気ガス流量の
１／２０より大きいと、排気ガス浄化用ハニカムフィル
タが冷却されてしまい、再生に必要なヒータ電力量が大
きくなる。また、１／４０より小さいと、前記フィルタ
に流れる酸素量が少なくなるため、パティキュレートが
燃焼されにくくなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る排気ガ
ス浄化装置の再生システムの第一の実施形態を示す。図
示例の再生システムは、内燃機関（本実施形態ではディ
ーゼルエンジン１０）から排出される排気ガスを浄化す
る排気ガス浄化装置を再生するための装置で、エンジン
１０からの排気通路１１の途中に分岐して設置された３
個の再生ユニット１２−１，１２−２，１２−３とを具
え、各ユニットは、多孔質炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体
よりなり排気ガス浄化用触媒を担持した排気ガス浄化用
ハニカムフィルタ２２を備えた排気ガス浄化装置２０
と、このフィルタ２２を加熱するために該フィルタ２２
のガス流入側端面の前方に配置したヒータ２４と、フィ
ルタ２２のガス流出側に配置した流量調整弁２６とから
なる。さらに、再生システムは、ヒータ２４に供給する
電力および流量調整弁２６を制御するコントロールユニ
ット３０を具える。車載のバッテリ２８に接続されたコ
ントロールユニット３０は、ヒータ２４および流量調整
弁２６を独立に制御する。

【００１９】コントローラユニット３０は、エンジン回
転数Ｎe(rpm)、排気ガス浄化装置２０における圧力損失
Ｐd(mmAq) 、排気ガス浄化装置２０における温度Ｔの測
定値が入力される入力部３２と、ヒータ２４および流量
調整弁２６の動作を制御するために入力部３２からの出
力信号を演算処理するＣＰＵ（中央演算処理装置）３４
と、このＣＰＵ３４での演算処理結果に基づいてヒータ
２４を動作させるヒータ動作制御部３６および、流量調
整弁２６を絞り位置（図１中の弁体２６ａ参照）に動作
させる出力部３８とからなる。

【００２０】ヒータ２４は、フィルタ２２のガス流入側
端面から所定の離間隔で配置した渦巻き状の抵抗加熱ヒ
ータである。ヒータ２４の形状は、渦巻きに限定される
ものではなく、フィルタ２２の前方に配置した際、供給
されたエンジン１０からの排気ガスを通すものであれ
ば、いかなる形状のものを使用することができる。

【００２１】この場合、排気ガス浄化用ハニカムフィル
タ２２のガス流入側端面がヒータ２４と直接接触してい
ないため、ヒータ２４の加熱によりフィルタ２２のガス
流入側端面が異常な高温を示すことがない。これによ
り、急激な温度変化によって、排気ガス浄化用ハニカム
フィルタ２２のガス流入側端面付近にクラックが生じる
ことを防止することができる。また、排気ガス浄化用ハ
ニカムフィルタ２２の前端部を遮ることが無いため、圧
力損失が増加することもなく、再生システムが車載され
る場合、振動によりヒータ２４とフィルタ２２の前端部
が接触振動し、破損に至らしめられることもない。

【００２２】特に、ヒータ２４を排気ガス浄化用ハニカ
ムフィルタ２２に対して、このフィルタ２２のガス流入
側端面から０．２から１５ｃｍの離間隔をもって配置す
れば、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２への熱伝
播、排気ガスとの熱交換、接触振動の回避のバランスが
良く望ましい。

【００２３】ここで、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
２２を詳細に説明する。図２は、３つの排気ガス浄化装
置の再生ユニット１２−１，１２−２，１２−３のう
ち、第一の再生ユニット１２−１を示した断面模式図で
ある。図２に示すように、排気ガス浄化用ハニカムフィ
ルタ２２は、多孔質炭化珪素焼結体によって、ハニカム
状に形成されている。排気ガス浄化用ハニカムフィルタ
２２には、その長手方向に平行に延びる複数の排気ガス
流通孔２３が形成されており、各流通孔２３のガス流入
側および排出側のいずれか一端が多孔質炭化珪素焼結体
の小片２３ａで交互に封止されている。このようにし
て、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２のガス流入側
端面およびガス排出側端面における流通孔は市松模様を
示す。

【００２４】また、排気ガス流通孔２３の内壁表面に
は、排気ガス浄化用触媒が担持されている。排気ガス浄
化用触媒としては、従来公知の種々の触媒を使用するこ
とができ、ここでは、酸化触媒を一例として説明する。
また、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２は、その外
周面に設けた断熱材２３ｂを介して排気ガス浄化装置２
０のケーシング内に緊密に保持されている。

【００２５】この場合、排気ガス浄化装置２０、ヒータ
２４および流量調整弁２６を一体に構成した再生ユニッ
トとすると、排気ガス浄化装置２０、ヒータ２４および
流量調整弁２６を一体のものとして交換することができ
るから、排気通路１１での組付けまたは取り外しなどの
作業性が向上するという利点が得られる。

【００２６】ディーゼルエンジン１０から排出される排
気ガス（Ｇin）は、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２
２に流入すると、排気ガス流通孔２３の表面で排気ガス
中のパティキュレート（煤などの粒子状物質）が濾過さ
れ、さらには、ＨＣが酸化触媒により酸化される。そし
て、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２内を通過して
浄化された排気ガス（Ｇout ）は、再び、排気通路１１
を介して車外に排出される。

【００２７】しかし、ディーゼルエンジン１０を長時間
にわたって運転すると、パティキュレートが各流通孔２
３の内壁面に堆積する。このため、ディーゼルエンジン
１０の運転中、所定時間経過後、排気ガス浄化装置２０
内の排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２を本発明に係
る再生システムを用いて再生する。

【００２８】車両走行中、３つの再生システム１２−
１，１２−２，１２−３は非動作状態にあり、エンジン
１０からの排気ガスが、３つの排気ガス浄化装置２０内
を通過中に、排気ガス中のパティキュレートが排気ガス
浄化用ハニカムフィルタ２２により濾過される。

【００２９】しかしながら、パティキュレートが捕捉さ
れると、図１に示す３つの再生ユニット１２−１，１２
−２，１２−３のうち、例えば、再生ユニット１２−１
のみを動作させ、他の再生ユニット１２−２，１２−３
は非作動状態を維持する。即ち、コントロールユニット
３０からの指令によって、回路Ｒ1 を介してヒータ２４
をＯＮにし、これにより排気ガス浄化用ハニカムフィル
タ２２のガス流入側端面を加熱するとともに、流量調整
弁２６の弁体２６ａを動作させてフィルタ２２のガス流
出側の後方を絞る。このため、排気ガス浄化装置２０内
では、ヒータ２４により加熱された排気ガスが排気ガス
浄化用ハニカムフィルタ２２内を緩やかに通過し、この
間にフィルタ２２に捕捉されたパティキュレートが、排
気ガスに含有される酸素と反応して焼却される。

【００３０】コントロールユニット３０により、再生シ
ステムのヒータ２４および流量調整弁２６のみを制御し
て排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２を再生する間、
排気ガスは、残りの再生ユニット１２−２，１２−３に
よって浄化される。

【００３１】再生ユニット１２−１の再生終了後、残り
の再生ユニット１２−２，１２−３をそれぞれ順次コン
トロールユニット３０からの指令により上記と同様の方
法で再生する。従って、車両の走行中に再生ユニット１
２−１，１２−２，１２−３の再生を個々に順次行うの
で、車両の運転を停止して、これら再生ユニットを再生
する場合に比し、はるかに経済的である。

【００３２】また、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２
２における排気ガス流通孔２３の内壁表面に酸化触媒を
担持したことによる効果を、以下、詳細に説明する。

【００３３】図３（ａ）〜（ｃ）は、排気ガス浄化装置
における酸化触媒の有無による所定の圧力損失が生じる
までの時間周期を例示するタイムチャートである。同図
（ａ）は、酸化触媒を有しない排気ガス浄化装置を備え
たディーゼルバスが市街地を通常の低速走行した場合で
あって、例えば、再生開始の目安となる４０g のパティ
キュレートを捕捉したときに生じる圧力損失３０００mm
Aqにおける排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２の再生
周期は２時間である。これに対して、同図（ｂ），
（ｃ）は、酸化触媒を有する排気ガス浄化装置を用いる
場合であって、圧力損失３０００mmAqを基準にした再生
周期は、市街地などの低速走行では、同図（ｂ）に示す
ように４時間であり、郊外や有料道路などの高速走行で
は、同図（ｃ）に示すように８時間である。

【００３４】これらのタイムチャートから明らかなよう
に、排気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２における排気
ガス流通孔２３の内壁表面に酸化触媒を担持する場合、
本発明の再生システムの操作開始周期を車両の走行時に
遅くすることができるため、ヒータ２４および流量調整
弁２６の耐久性を向上させるのに有効である。なお、車
両の走行モードは通常低速および高速の混在したもので
あるため、再生システムの操作開始周期は、同図
（ｂ），（ｃ）から明らかなように、３〜４時間毎にす
ることが望ましい。

【００３５】ところで、１回の再生に最低限必要なヒー
タの消費電力量は、平均５００Whである。図４は、パテ
ィキュレートを焼却するのに必要な電力量Ｅ(Wh)を縦軸
に、エンジン回転数Ｎe(rpm)を横軸にとった特性図であ
る。但し、曲線Ａは、酸化触媒を有する場合、曲線Ｂ
は、酸化触媒を有しない場合である。

【００３６】曲線Ｂから明らかなように、酸化触媒が存
在しない場合、エンジン回転数Ｎeが低い状態では排気
ガス中の温度が低いのでヒータは高い電力量を必要と
し、エンジン回転数が上昇するにつれ電力量Ｅは減少す
るが、所定のエンジン回転数Ｎo を越えると、排気ガス
の温度が高くなっても、ヒータを作動させる電力量Ｅを
再び増加する必要がある。

【００３７】これに対して、酸化触媒を有する曲線Ａに
おいて、エンジン回転数Ｎe が低い状態では、排気ガス
の温度がパティキュレートを焼却するのに十分でないた
め、高い電力量が必要となるが、エンジン回転数Ｎe の
増加とともに排気ガスの温度が上昇して、酸化触媒によ
り排気ガスが活性化され、これにより、捕捉されたパテ
ィキュレートの焼却が促進されるので、電力量Ｅを低く
することができる。

【００３８】このため、酸化触媒の担持は、酸化触媒を
担持しない場合に比べて、ヒータの加熱に必要な電力量
Ｅを低く抑えることができ、電力効率の良い状態で、排
気ガス浄化用ハニカムフィルタ２２を再生することがで
きる。

【００３９】図１に示した、本発明の再生システムの第
一実施形態は、通常、１２〜１３Ｌクラスのディーゼル
エンジンに適用する。

【００４０】図５は、本発明の再生システムの第二の実
施形態で、６〜７Ｌクラスのディーゼルエンジンに通常
適用される。第一実施形態と同一部材は同一符号をもっ
て説明する。流量調整弁２６は、回転弁体２６ａと配管
の内壁との間に形成された隙間によって絞りを形成する
ものである。

【００４１】この再生システムは、第一実施形態と同
様、車両走行中は２つの再生ユニット１２−１，１２−
２が非動作状態にあるが、パティキュレートが捕捉され
ると、２つの再生ユニット１２−１，１２−２のいずれ
か一方を、まず図１の例と同様の方法で再生し、次い
で、残りの再生ユニットを再生する。

【００４２】

【実施例】１２Ｌクラスのディーゼルエンジンを搭載し
た車両に、図１に示す再生システムにおけるヒータ２４
として２０００ＷのＤＣ（直流）ヒータを、また排気ガ
ス浄化用ハニカムフィルタ２２として従来公知の排気ガ
ス浄化用触媒を担持したセル構造：１２／３００、サイ
ズ：φ１６５×Ｌ１５０(mm)および容量３．２(L)の炭
化珪素焼結体よりなるフィルタを使用する。

【００４３】なお、上記エンジンの総排気ガス流量は、
エンジン回転数に対応して４０００〜１３５００Ｌ／mi
n であり、排気ガス浄化装置２０における３０００mmAq
の圧力損失を検出した際に、流量調整弁２６を絞って前
記装置を通過する排気ガス流量を１／３０にすることに
より、フィルタの再生を開始したところ、ほぼ１５分で
再生が完了した。

【００４４】上述したところは、本発明の好適な実施形
態を示したにすぎず、本発明の範囲において種々の変更
を加えることができる。例えば、本発明による再生シス
テムは、車両走行中に限らず、アイドリング状態におい
ても可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の再生システムの第一実施形態を示すシ
ステム図である。

【図２】本発明の再生システムに用いる再生ユニットの
要部断面図である。

【図３】排気ガス浄化装置における排気ガス浄化用触媒
の有無による、所定の圧力損失が生じるまでの時間周期
を例示するタイムチャートである。

【図４】排気ガス浄化装置における排気ガス浄化用触媒
の有無による、パティキュレートを焼却するのに必要な
電力量Ｅと、エンジン回転数Ｎe との関係を示す特性図
である。

【図５】本発明の再生システムの第二実施形態を示すシ
ステム図である。

【図６】従来の再生システムを示すシステム図である。

【符号の説明】

２０ 排気ガス浄化装置 ２２ 排気ガス浄化用ハニカムフィルタ ２３ 排気ガス流通孔 ２４ ヒータ ２６ 流量調整弁 ２８ バッテリ ３０ コントロールユニット ３２ 入力部 ３４ ＣＰＵ（中央演算処理装置） ３６ ヒータ動作制御部 ３８ 出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ０１Ｄ 53/86 ＺＡＢ Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１Ｚ Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢＫ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に設置し、排気ガス
   浄化用触媒を担持した多孔質炭化珪素焼結体の排気ガス
   浄化用ハニカムフィルタを備えた少なくとも２個の排気
   ガス浄化装置と、前記フィルタを再生するために該フィ
   ルタのガス流入側の前方に配置したヒータと、前記排気
   ガス浄化用ハニカムフィルタのガス流出側に配置した流
   量調整弁と、前記ヒータに供給する電力および前記流量
   調整弁を制御するコントロールユニットとからなること
   を特徴とする排気ガス浄化装置の再生システム。
2. 【請求項２】 前記排気ガス浄化装置、前記ヒータおよ
   び前記流量調整弁を一体にした再生ユニットを構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置の
   再生システム。
3. 【請求項３】 前記流量調整弁により、該流量調整弁か
   ら流出する排気ガス流量が前記排気ガス浄化装置に流入
   される排気ガス流量の１／２０〜１／４０になるように
   設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の
   排気ガス浄化装置の再生システム。