JPS6326249B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、デイーゼル内燃機関用の微粒子捕集
装置であつて、特に、微粒子を着火燃焼させて捕
集部材の再生を行うための電気的加熱手段を有す
るものに関する。

デイーゼル内燃機関より排出される排気ガス中
に含まれる未燃カーボン微粒子はガソリン機関等
に比較すると100倍近くの量に達する。加えてデ
イーゼル車は近年増加の傾向にあることから、未
燃カーボン微粒子の低減のための早急な対策を講
ずる必要が出て来ている。その１つとして、セラ
ミツクの多孔質構造体よりなるフイルタで未燃カ
ーボン微粒子を捕集して排ガスを浄化する方法が
公知である。この方法では車両の走行距離の増大
と共にカーボンの堆積が進み、それに伴つて圧力
損失が増加するので、何んらかの方法でこの堆積
したカーボン微粒子を除去し、フイルタ（セラミ
ツク多孔質体）を再生する必要があることも知ら
れている。すなわち、フイルター表面への粒子の
堆積が進むと、フイルターの通気抵抗が増大して
機関の出力が低下したり、微粒子のかたまりがフ
イルター表面から脱落し始めてフイルターとして
の機能が低下する。このようにフイルター上に堆
積する微粒子は、そのほとんどが若干の燃料成分
を含むカーボン粒子であるために、約580℃以上
に加熱すれば、燃焼させて除去することができる
が、デイーゼル機関の排気ガス温度はガソリン機
関等に比べかなり低く、高速走行時以外は排気ガ
ス温度が580℃以上になることはない。従つて微
粒子を除去するための特別な対策が必要となる。

しかして、排気ガス温度を上昇させて微粒子を
燃焼させるための手段として、絞り弁により機関
の吸入空気量を低下させることにより空気量に対
する燃料の割合を高め、もつて排気ガス温度を昇
温する方法が提案されている。しかしながらこの
方法を用いても例えば市街地走行時程度の運転条
件では排気ガスを十分昇温することはむずかし
い。一方、米国特許4211075号明細書には、この
様な場合でも排気ガス温度を昇温できる様に、フ
イルター部材の上流側に格子状に組んだ電気ヒー
タを配設し、このヒータにより排気ガスを加熱す
ることが提案されている。しかし、この公知のも
のでは、フイルターの上流側空間に電気ヒーター
を設置し、電気ヒーターによりまず排気ガスを加
熱し、加熱された排気ガスによりフイルター部材
及び微粒子を加熱することにしているので、電気
ヒーターに加えた熱が放射損失により失なわれや
すく、また排気ガスの全量を加熱しなければなら
ないため、微粒子を燃焼可能なほどに加熱するに
は極めて多大な電力を必要とする。また、振動に
対するヒーターの強度も弱くならざるを得ないと
いう欠点がある。

本発明は、このような従来の欠点を解消するた
めになされたもので、電気ヒーターをフイルター
部材内に埋設することにより、電気ヒーターから
の放射損失をなくし、また低電力を微粒子を直接
加熱燃焼できるようにし、合せて振動等によるヒ
ーターの脱落を防止したものである。

本発明の望しい実施態様では、ヒーター埋設部
分は十分に目の細かい微粒子捕集部材で構成され
る。これによればヒータ赤熱表面と微粒子との接
触面積が増加するので、カーボン微粒子の加熱、
着火がより容易となり、またカーボンが十分密に
保持された部分で着火が行なわれるので、カーボ
ンの良好な燃焼が可能となる。

以下、本発明を図示の実施例に従つて説明す
る。

第１図において、本発明になる微粒子捕集装置
Ａは内燃機関特にデイーゼル機関１の排気集合管
２に接続される。この装置Ａは排気集合管２に連
通する排気ガス流入口３ａ及び同流出口３ｂを持
つた金属製の容器３を具備し、その内部に微粒子
捕集用のフイルター部材４と、このフイルター部
材内に埋設された電気ヒーター５とを有する。電
気ヒーター５はフイルター部材４に捕集された微
粒子を燃焼させてフイルター部材を再生するため
のもので、バツテリ６による通電が制御回路７に
より制御される。制御回路７には、フイルター部
材４の圧力損失を測定する差圧センサー８からの
信号及び機関の回転数を検出する回転数センサー
９からの信号が入力される。

機関１からの排気ガスは流入口３ａから捕集装
置Ａの容器３内に流入し、フイルター部材４を通
過して流出口３ｂより流出する。排気ガスがフイ
ルター部材４を通過する際、同排気ガス中の微粒
子はフイルター部材上に捕集され、除去される。

微粒子の捕集が進んでフイルター部材４の通気
抵抗が増大すると、差圧センサー８がそれに応じ
た信号を出す。差圧センサー８が検知するフイル
ター部材の上流側、下流側の圧力差は機関回転数
に依存しても変化する。そこで制御回路７は差圧
センサー８からの信号と回転数センサー８からの
信号とから、フイルター部材４の真の通気抵抗、
すなわち微粒子の捕集程度を求め、それが所定量
に達すると、電気ヒーター５への通電を開始す
る。これによりヒーター５は赤熱し、微粒子（カ
ーボンを主体とする）を燃焼し得る温度まで温度
上昇する。

この電気ヒーター５の赤熱化により、微粒子は
加熱され、燃焼する。燃焼は電気ヒーター５の埋
設部分から始まり、発熱が排気ガスの流れと共に
下流側へ輸送されるに伴つて、下流側へと進行す
る。従つて、電気ヒーター５をフイルター部材４
の上流端部に埋設しておけば、捕集された微粒子
の実質的に全てを燃焼させ、除去することができ
る。この微粒子の除去によりフイルター部材４が
再生され、通気抵抗が低減すると、ヒーター５へ
の通電は停止される。

本発明では、電気ヒーター５をフイルター部材
４そのものに埋設しているので、ヒーター５の加
熱時における放射損失等の熱損失は少く、しかも
微粒子を直接、加熱し、燃焼させることができ
る。この結果、少ない電力で上述の作動を達成
し、フイルター部材４を再生することができる。
また、フイルター部材４で電気ヒーター５を保護
し、その脱落を確実に防止することもできる。

次に、本発明装置の具体的構成を、いくつかの
実施例につき説明する。

第１実施例を示す第２図〜第５図において、金
属製容器３は２つの容器部片３０，３０′の端部
どうしをプレスでめ付けることにより構成され
た２分割型で、断面形状がオーパル形をなす。こ
の容器３の上流端、下流端は絞られて排気ガスの
流入口３ａ、流出口３ｂをそれぞれ構成する。

上記容器３の内側には熱的クツシヨン材として
の耐熱性を有する金属製ワイヤネツト３１が配設
され、フイルター部材４がその内側に配設され
る。フイルター部材４は多孔質セラミツクからな
り、本来のフイルター部４１とその上流側に位置
する電気ヒーター埋設部４２との、目の粗さの異
なる２層を有する。フイルター部４１は９〜13メ
ツシユ程度の目の粗さに、また電気ヒーター埋設
部４１はこれよりも目の細い、17〜20メツシユ程
度の目の粗さに形成される。埋設部４２の厚さ
（軸方向寸法）はここに埋設される電気ヒーター
の線径、フイルター部４１の厚さ、さらにはフイ
ルター部と埋設部との目の粗さの程度等を考慮し
て決められ、ここでは３〜15mm程度に選定され
る。なお、ワイヤネツト３１と接するフイルター
部材４（フイルター部４１及び埋設部４２）の外
周は、目の細い多孔質セラミツクよりなる強度部
材４３でおおわれ、保護される。

上記フイルター部材４は、容器３の内面に固定
された固定板３２と当接して、下流側への移動が
阻止される。ワイヤネツト３１と固定板３２との
間には耐熱性のシール部材３３が配設され、排気
ガスの全てがフイルター部材４の内部を通過する
ようになされる。

電気ヒーター５はニクロム線とかシースヒータ
ー線等の線材からなり、上記フイルター部材４の
埋設部４２に埋設される。ここではヒーター線５
は１本の線で、埋設部４２のほぼ全域に行渡るよ
う適当に屈曲される。

このヒーター線５の埋設のため、埋設部４２に
はヒーター線５の形状に合致する形状の溝４４が
あらかじめ形成される。特に第４図から明らかな
通り、所定の形状に屈曲されたヒーター線５はこ
の溝４４に挿入され、その後、溝４４にヒーター
固定部材４５を挿入固定することにより、溝内に
保持される。ヒーター固定部材４５は埋設部４２
と同一の目の粗さの多孔質セラミツクからなり、
溝４４に合致する寸法及び形状にあらかじめ作製
され、溝４４へはセラミツク系の耐熱接着剤によ
り接着固定される。

ヒーター線５の両端は端子部５０のターミナル
５１，５２に接続され、これを介して制御回路７
（第１図）と接続される。ヒーター線５の両端部
は、その際、小さな輪をなすよう曲げられて応力
吸収部５ａが設けられ、振動等によつてもヒータ
ー線５及びそのターミナル５１，５２との接続部
が断線しないようになされる。端子部５０におい
ては、第５図に示す通り、基体５３が容器３の外
面上に溶接により固定され、その内側に絶縁体５
４を介してターミナル５１，５２が配設される。
そして、絶縁材よりなるパツキン５５が装設さ
れ、カバー５６がビス５７にて基体５３に固定さ
れる。

上記フイルター部材４をなす多孔質セラミツク
は、最終形状に対して焼成時の収縮率を見込んだ
形状の合成樹脂発泡体を素材とし、これに含浸処
理を施し、その後、焼成することによつて作られ
る。含浸処理では、コージライトを主成分とする
粉末と水とメチルセルロースとを混合撹拌してな
るスリラーの中に、前記素材を浸潰し、余分なス
リラーを除いた後、適当な温度で適当な時間だけ
乾燥させ、この浸潰、乾燥を数回くり返す。

しかして、フイルター部４１とヒーター埋設部
４２との２層からなるフイルター部材４の製作に
おいては、フイルター部とヒーター埋設部とを素
材の段階で一体化し、それからこの一体化された
２層の素材に含浸、乾燥処理をし、焼成を行なえ
ば、両部を完全に一体接合されたものとすること
ができる。強度部材４３の製作においても同様で
非常に細かい多孔質体となる２〜３mm程度の厚さ
の合成樹脂発泡体のシート状素材を、フイルター
部材（フイルター部及び埋設部）の素材に巻き付
けておき、その後、フイルター部材と一緒に含
浸、乾燥、焼成を行なうと、フイルター部材と一
体化されてその外周をおおう強度部材４３を容易
に製作することができる。

ヒーター線５を埋設するための溝４４を埋設部
４２に形成するには、やはり素材の段階で、埋設
部４２となる合成樹脂発泡体に溝を形成してお
く。その場合、第６図の如き加工治具１００、す
なわち形成すべき溝と対応する形状の突起１０１
を有し、この突起１０１の内部にヒーター（図示
せず）を配設した治具１００を使用するのが有効
である。ヒーターにより突起１０１を加熱した状
態で、この治具１００を埋設部４２の素材に当て
れば、突起形状と合致する溝を、熱で樹脂を蒸
発・消失させることにより、一度に簡単に形成で
きる。勿論治具１００は樹脂の軟化温度（100〜
200℃）に耐えるものとする。

ヒーター固定部材４５の製作においては、第７
図に示す如く、平板状の合成樹脂製発泡体の素材
２００から、電源２０１よりの通電で加熱された
細いニクロム線等のヒーター線２０２を用いて、
所定の形状の素材４５′を裁断する。次に、裁断
された素材４５′に含浸を行うが、この時には第
８図あるいは第９図に示すような100〜150℃程度
の耐熱性を有する材料で作られた型３００を使用
して素材４５′の形状がくずれるのを防ぐ。第８
図の型３００は割型タイプであり、第９のものは
１体型タイプの型である。いずれの型３００でも
上下方向は開放として型内の素材にスリラーが浸
透しやすく、また１体型の場合には含浸乾燥後に
素材が抜きやすくなる。含浸工程はフイルター部
材４の場合と同様で、この工程でコージライトを
出成分とするスラリーを含浸の上乾燥された発泡
体素材は含浸前に比較して硬化した状態になるの
で、型３００から抜き取る。そしてこれを焼成す
る。

上記素材４５′を裁断する場合には、焼成時の
体積収縮率３〜５パーセントを見込むと共に出来
上つた固定部材４５の側面に無機質系セラミツク
接着剤を塗付して溝４４に挿入する際の挿入代
（すきま）を見込んで、素材４５′を裁断するのは
勿論である。

第１０図および第１１図は本発明の第２実施例
を示す。この実施例では、ヒーター５を埋設した
溝４４を埋めるヒーター固定部材４５は、ヒータ
ー５を埋設した後に溝４４に流し込まれ、硬化さ
れたセラミツク系の発泡充填剤よりなる。また、
フイルター部材４は一層で、その上流側の部分に
ヒーター５は埋設される。フイルター部材４の目
の粗さが十分細かい場合には、このようにフイル
ター部材４を一層としても良好な作動が得られ
る。

第１２図は本発明の第３実施例を示す。ここで
は、フイルター部材４の上流端部に埋設されるヒ
ーター線は２系統で長い方の系統の線５は外縁部
分をめぐり、短かい方の線５′は中心部分に設置
されている。今、電源からの両ヒーター線への印
加電圧が一定の場合、中心部分に位置する短かい
ヒーター５′の方が発熱量は大きく、長い方の外
縁部分のヒーター５の方が小さくなる。そこで排
気温度の低い場合には中心のヒーター５′を使用
して強力着火を行わせることにより中心部分だけ
でも再生し、一方排気温度の高い場合は長い方の
ヒーター５を使用して外縁から着火し、フイルタ
ー部材全体を再生するようにすれば、むだな電気
エネルギーを使わずに、周りの条件に合つた燃焼
着火を実現し、ヒーター埋設の効果も有効に活用
できることになる。

第１３図は本発明の第４実施例を示す。本実施
例ではヒーター線５の埋設方法が今までの実施例
と異なる。すなわちここでは、屈曲したヒーター
線５の全体を収納し得る空間状の溝４４′をフイ
ルター部材４に設けている。ヒーター固定部材４
５はこの空間とほぼ同一形状に作られ、セラミツ
ク系耐熱接着剤にて同空間内に接着固定される。
こうすればフイルター部材４に複雑な形状の溝を
設ける必要がなく、従つて固定部材４５の形状も
簡単なものになり、その加工が楽になる。

第１４図は本発明の第５実施例を示す。本実施
例では、セラミツク多孔質体のフイルター部材４
にヒーター線５の形状と相似形状の溝４４を形成
し、この溝の中にヒーター線５を埋設した後、比
較的軸方向に厚みを持たない板状のセラミツク多
孔質体４５を押しあててヒーター線５を固定して
ある。この場合、固定部材となるセラミツク多孔
質体４５とフイルター部材４とは、ヒーター線５
を溝４４に挿入した後、セラミツク系無機接着剤
等で固定される。また、固定用セラミツク多孔質
体４５とフイルター部材４の目の粗さは同じもの
を使用する。この様にすることにより、固定部材
４５の形状が板状となり、その製作が容易とな
る。なお、この場合の固定部材４５は排気ガスを
通すものであればよく、従つてハニカム構造のセ
ラミツクでも良い。

第１５図及び第１６図は本発明の第６実施例を
示す。この実施例では、フイルター部材４の溝４
４にコイル状のヒーター線５を挿入し、このヒー
ター線の固定用に目の粗いセラミツク多孔質体よ
りなる固定部材４５を用いている。この部材の形
状は軸直角形状がフイルター部材４の軸直角断面
形状と同一で、軸方向には厚みは小さく、大体10
〜15mm程度としている。ヒーター線５をこのよう
にコイル状とすれば、ヒーターの電力密度を高い
ものにすることができ、フイルター部材４内に付
着堆積したカーボン微粒子への着火性は大きく向
上する。なお、固定部材４５とフイルター部材４
との接合は、セラミツク系接着剤等を塗付して行
う。

以上説明した本発明装置によれば、微粒子を加
熱燃焼させるための電気ヒーターをフイルター部
材内に埋設しているので、電気ヒーターの放熱損
失を低減でき、さらにカーボン微粒子を直接、加
熱でき、この結果低電力で捕集されたカーボン微
粒子を着火燃焼させてフイルター部材を再生でき
る。また、ヒーターをフイルター部材の溝に埋設
し、さらには溝を固定部材で閉鎖することによ
り、ヒーターの脱落を防止できる。特にヒーター
埋設部分をメツシユの細かいフイルター部材より
構成すれば、ヒーターの表面と微粒子との接触面
積が増えるので、着火が容易になり、またカーボ
ン微粒子が十分に密につまつていることにより、
着火後の初期の燃え拡がりが早くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の機関への装着状態を示す
構成図、第２図は本発明装置の第１実施例を示す
断面正面図、第３図は第２図の−断面図、第
４図は電気ヒーターのフイルター部材への埋設方
法を示す斜視図、第５図は端子部の断面正面図、
第６図はフイルター部材に溝を形成するための治
具の斜視図、第７図〜第９図は固定部材の製作方
法を示す斜視図、第１０図は本発明装置の第２実
施例を示す断面正面図、第１１図は第１０図のXI
−XI断面図、第１２図は本発明装置の第３実施例
を示す斜視図、第１３図は本発明装置の第４実施
例を示す斜視図、第１４図は本発明装置の第５実
施例を示す要部の断面正面図、第１５図は本発明
装置の第６実施例を示す断面正面図、第１６図は
第１５図のＸ−Ｘ断面図である。 １……機関、４……フイルター部材、４４，４
４′……溝、４５……固定部材、５……電気ヒー
ター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機関からの排気ガス中の微粒子を捕集するフ
   イルター部材と、捕集された微粒子を加熱して燃
   焼させるための電気ヒーターとを備え、上記フイ
   ルター部材の端部に溝を形成し、この溝に上記電
   気ヒーターを埋設した、電気的加熱再生手段を有
   する排気微粒子捕集装置。 ２ 上記電気ヒーターが埋設された溝を、同溝が
   形成されたフイルター部材と同質の材料よりなる
   ヒーター固定部材で閉鎖した特許請求の範囲第１
   項に記載の排気微粒子捕集装置。 ３ 上記フイルター部材を目の粗さの異なる２層
   とし、上流側に位置する目の細かい部分に上記溝
   を形成して電気ヒーターを埋設した特許請求の範
   囲第１項又は第２項に記載の排気微粒子捕集装
   置。