JP2893985B2 - 内燃機関用フィルタ再生装置 - 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】近年世界各国では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。とくに
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となってい
る。

【０００３】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を強化する動きに
ある。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による低減対策
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、現状では排気ガスを浄化する後処理装置の付設が不
可欠である。ディーゼルエンジンの後処理装置として排
気ガス流に含まれる黒煙を主成分とするパティキュレー
トを捕集するフィルタを用いる方法が検討されている。

【０００４】ところが上記フィルタはパティキュレート
が捕集され続けると、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
ン出力を低下させたり、あるいはエンジンが停止すると
いった問題を起こす。

【０００５】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、未
だ実用に至っていない。

【０００６】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温度
に昇温するための加熱手段としてはバーナ方式、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。

【０００７】図３に加熱手段がマイクロ波方式によるフ
ィルタ再生装置を示す（たとえば特開昭５９−１２６０
２２号公報）。同図において、１はエンジン、２は排気
マニフォールド、３は排気管、４は排気分岐管、５はフ
ィルタ、６はフィルタを収納した加熱室、７はマイクロ
波発生手段、８はマイクロ波発生手段の発生したマイク
ロ波を加熱室に導く導波管、９はマイクロ波反射板、１
０は空気ポンプ、１１は空気供給路、１２はマイクロ波
発生手段の駆動電源、１３はマフラ、１４は空気切換バ
ルブ、１５は排気ガス切換バルブである。そしてこのフ
ィルタ再生装置において加熱室６に収納されたフィルタ
５はフィルタ５の排気ガスの流入側と排気ガス流出側が
自動車の走行路面に対して水平に配置された構成となっ
ている。

【０００８】上記した構成において、エンジンの排気ガ
スは排気ガス切換バルブ１５によってフィルタ５に導か
れたり、直接大気へ排出されたりする。パティキュレー
ト捕集過程において排気ガスはフィルタ５に導かれ排気
ガス中に含まれるパティキュレートはフィルタ５に捕集
される。捕集能力が限界に達すると排気ガス切換バルブ
１５が制御されて排気管３への排気ガスが遮断され、排
気ガスのすべては排気分岐管４を経て大気に排出され
る。この間にフィルタ５の再生が行われる。

【０００９】このフィルタ再生過程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７か
ら、また燃焼に必要な空気は空気ポンプ１０より供給さ
れる。所定の時間を経てフィルタ再生が完了すると排気
ガス切換バルブ１５が再び制御されてフィルタ５に排気
ガスが導かれ、捕集を開始する。この捕集と再生の過程
がくり返される。

【００１０】上記フィルタ再生装置のフィルタ５はコー
ディエライト、ムライトなどの多孔質セラミックの隔壁
より形成される多数の貫通孔を有するハニカム構造体が
適用される。そしてこのハニカム構造体は前記貫通孔の
両端に排気ガス流が多孔質のセラミックの隔壁を通過し
て排出されるように交互に気密性を有する封止栓が設け
られ、パティキュレートは排ガス流の入口側の多孔質セ
ラミックの隔壁に捕集される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のフィルタ再
生過程においてフィルタに捕集されたパティキュレート
はマイクロ波方式の加熱手段によって加熱され、さらに
燃焼に必要な空気を送風することによって燃焼を開始す
る。このとき排気ガスの流入側のフィルタ端面部は燃焼
に必要な空気の送風により冷却されるのでパティキュレ
ートの昇温が妨げられ、フィルタ端面部の再生が困難で
あった。その結果、パティキュレートの捕集、再生の継
続的な繰り返しにおいてパティキュレートがフィルタ端
面部に堆積し、貫通孔が閉塞しフィルタとしての捕集能
力が失われたり、捕集性能や再生性能が低下するという
課題があった。

【００１２】一方フィルタ端面部のパティキュレートを
燃焼可能温度に昇温させるためには多くの時間が必要と
なり、マイクロ波発生源の駆動電源の供給を自動車に搭
載されている電源から供給することが実用的に困難であ
る課題があった。

【００１３】本発明は上記課題を解決するもので、フィ
ルタ端面部のパティキュレートを効率よく再生し、フィ
ルタとしての捕集、再生性能を継続的に維持できるとと
もにフィルタ端面部のパティキュレートが燃焼する温度
まで昇温する時間を短縮しマイクロ波発生源の駆動電源
の供給を自動車に搭載されている電源から十分に供給で
きる再生装置を提供することを目的としたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の内燃機関用フィルタ再生装置は内燃機関の
排気ガスを排出する排気管に設けられた加熱室と、前記
加熱室に収納され前記内燃機関の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、前記加熱室に
給電するマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
前記加熱室に空気を供給する送風手段とを備えるととも
に、前記フィルタの排気ガス流入側の端面部が排気ガス
流出側の端面部よりも自動車の走行路面に対して上方に
位置するように配置された構成としている。

【００１５】また本発明はフィルタにパティキュレート
を低温で分解する触媒またはマイクロ波の吸収率の高い
電波吸収材料を担持した構成としている。

【００１６】

【作用】パティキュレートを捕集する内燃機関用フィル
タ再生装置のフィルタはパティキュレートの捕集が予め
決められた量になるとマイクロ波方式の加熱手段により
パティキュレートが加熱され、さらに燃焼に必要な空気
が送風される。このとき前記フィルタの排気ガス流入側
の端面部は前記空気により冷却され、パティキュレート
の昇温が妨げられる。

【００１７】しかし、本発明における内燃機関用フィル
タは前記フィルタの排気ガス流入側の端面部が排気ガス
流出側の端面部よりも自動車の走行路面に対して上方に
位置するように構成されているので、マイクロ波による
加熱で昇温している前記フィルタの内部の熱が上昇気流
により上方に位置したフィルタ端面部の方向に熱伝達さ
れ、フィルタ端面部に捕集されたパティキュレートの燃
焼可能温度に到達する時間が短縮される。さらに前記フ
ィルタの内部で燃焼を開始した場合もその燃焼熱が上昇
気流により上方に位置したフィルタ端面部に伝達される
のでフィルタ端面部に捕集されたパティキュレートのほ
とんどを燃焼除去できる。一方前記フィルタは排気ガス
流入方向から燃焼に必要な空気を送風することによって
パティキュレートの燃焼を前記フィルタの排気ガス流出
方向に進行させることができるので、フィルタ全域のパ
ティキュレートを燃焼させることができ、高い再生性能
を実現することができる。

【００１８】また本発明は前記内燃機関用フィルタにパ
ティキュレートを低温で分解する触媒を担持することに
よりパティキュレートを低温で燃焼させることができる
のでフィルタに堆積しているパティキュレートを効率的
に燃焼除去できる。また上記触媒の代わりにマイクロ波
の吸収率の高い電波吸収材料を担持することによりフィ
ルタ端面部の加熱が促進されるのでフィルタに堆積して
いるパティキュレートを効率的に燃焼除去できる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１において、１６は内燃機関の排気ガス
を排出する排気管、１７は排気管の途中に設けられた加
熱室、１８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
ィルタであり、ムライトやコージライトなどの多孔質の
セラミック材料のハニカム構造体で構成されている。１
９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、２０はマイクロ波発生手段から発生したマ
イクロ波を加熱室に伝送する導波管、２１は加熱室に空
気を供給する空気供給手段である。この空気供給手段２
１は送風機あるいはポンプからなる空気供給源２２とそ
の空気を加熱室に導く導風パイプ２３と導風パイプ内の
空気の流れを制御する空気供給流量制御バルブ２４とか
ら構成されている。排気ガスは図中矢印で示した方向か
ら排気管内を流れる。２５はフィルタの排気ガス流入側
と流出側との間に設けられたバイパス管、２６は加熱室
を流れる排ガス流量を制御する排気管流量制御バルブ、
２７はバイパス管内を流れる排ガス流量を制御するバイ
パス管流量制御バルブである。２８はフィルタ外週と加
熱室内壁の間に設けられた断熱材であり、フィルタと加
熱室とはほぼ同心状に配置される。

【００２１】図２は上記本発明の内燃機関用フィルタ再
生装置を自動車に実装した例を示している。図２に示す
ように加熱室に収納されたフィルタ１８は排気ガスの流
入側の端面部が排気ガス流出側の端面部よりも自動車の
走行路面に対して上方に位置するように配置されてい
る。

【００２２】このような構成からなるフィルタ再生装置
において、排気ガスの流れ、パティキュレート捕集のプ
ロセスおよび再生プロセスを以下に説明する。

【００２３】通常、内燃機関から排気される排気ガスは
排気管１６を通りフィルタ１８に流入する。このとき排
気ガス中のパティキュレートはフィルタの壁面に捕集さ
れ、パティキュレートを含まない排気ガスが排気管１６
を通り大気へ放出される。

【００２４】フィルタはパティキュレートを捕集しつづ
けると目詰まりを生じるので適当な時期にフィルタの再
生を行わなければならない。この時期は例えば、加熱室
１７の流入側および流出側の排気管１６に圧力検出手段
を設け、この信号より得られるフィルタの圧力損失があ
らかじめ設定された圧力基準値に到達するタイミングや
内燃機関運転時間で判断される。

【００２５】この適当な時期に至るとバルブ２６、２７
が制御され、排気ガスはバイパス管２５に導かれ大気へ
放出される。その後、フィルタ１８は再生が開始され
る。再生開始指示が発せられるとその指示に従いマイク
ロ波発生手段１９が動作し始める。このマイクロ波発生
手段が発生するマイクロ波は導波管２０を通ってフィル
タを収納している加熱室１７内に給電され、このマイク
ロ波によりフィルタの壁面に捕集されたパティキュレー
トが加熱される。

【００２６】その後、空気供給手段２１を作動させて所
定の空気を加熱室へ流入させる。この空気により高温に
なっているパティキュレートはすみやかに燃焼状態へ移
る。この燃焼状態はマイクロ波加熱をともなってフィル
タの排気ガス流出側方向に移動する。

【００２７】再生の完了はあらかじめ決めた時間で決定
する方法やフィルタの圧力損失が所定のレベルになった
ことで決定する方法、あるいはフィルタの後方に設けた
温度検出手段の信号の変化パターン（たとえば排気温度
のピーク時刻）に基づいて決定する方法などによって識
別する。

【００２８】上記したような方法に基づいて再生が完了
するとバルブ２６、２７が制御され排気ガスはフィルタ
へ流入し再び排気ガス中のパティキュレートを捕集する
動作に移行する。フィルタが捕集限界に達すると上記し
た一連の動作が実行される。そしてこのサイクルが繰り
返される。

【００２９】次にフィルタに捕集されたパティキュレー
トの再生プロセスにおける本発明の作用について説明す
る。

【００３０】上記装置構成によって、フィルタのパティ
キュレートの捕集が予め決められた捕集量になるとマイ
クロ波が加熱室に給電され、フィルタに捕集されたパテ
ィキュレートが加熱される。本発明における内燃機関用
フィルタは前記フィルタの排気ガスの流入側の端面部が
排気ガス流出側の端面部よりも自動車の走行路面に対し
て上方に位置するように配置しているので、マイクロ波
による加熱で昇温しているフィルタの内部の熱が上昇気
流により上方に位置したフィルタ端面部方向に熱伝達さ
れる。この熱伝達によりフィルタ端面部の冷却が抑制さ
れ、フィルタ端面部に捕集されたパティキュレートを燃
焼可能温度に到達させることができるとともに、その時
間が短縮される。さらにフィルタの内部で燃焼が開始し
た場合においてもその燃焼熱が上昇気流により上方に位
置したフィルタ端面部の方向に伝達される。この伝達さ
れた燃焼熱によりフィルタ端面部に捕集されたパティキ
ュレートのほとんどを燃焼除去できる。その結果パティ
キュレートの捕集、再生の継続的な繰り返しにおいてパ
ティキュレートがフィルタ端面部に堆積し、貫通孔が閉
塞することによるフィルタの捕集性能や再生性能の低下
を防止することができるとともに、パティキュレートを
短時間で燃焼可能温度に昇温できるのでマイクロ波発生
源の駆動電源の供給を自動車に搭載されている電源から
供給することができる。

【００３１】一方前記フィルタの排気ガスの流出方向に
おいては排気ガスの流入方向から燃焼に必要な空気を送
風しているので燃焼を排気ガスの流出方向に進行させる
ことができる。したがってフィルタ全域のパティキュレ
ートを燃焼させることができるので高い再生性能を実現
することができる。

【００３２】またマイクロ波が加熱室に給電されている
間は燃焼に必要な空気の送風を停止または送風量を低減
し、上方に位置したフィルタ端面部に捕集されたパティ
キュレートをすべて燃焼除去した後で空気の送風量を増
加させることにより、より高いフィルタの再生性能が実
現される。

【００３３】また本発明の内燃機関用のフィルタにパテ
ィキュレートを低温で分解する触媒を担持することによ
りパティキュレートを低温で燃焼させることができ、フ
ィルタに堆積しているパティキュレートの再生性能をよ
り向上させることができる。上記パティキュレートを低
温で分解する触媒としてはアルカリ金属、アルカリ土類
金属からなる炭酸塩やバナジウム、モリブデン、タング
ステン、銅、マンガン、コバルトの酸化物が挙げられ、
これらの少なくとも１種がフィルタに担持される。

【００３４】また上記触媒の代わりにマイクロ波の吸収
率の高い電波吸収材料を担持することによりフィルタを
効率的に加熱できるのでフィルタに堆積しているパティ
キュレートの再生性能をより向上させることができる。
上記電波吸収材料としては亜鉛、銅、マンガン、コバル
ト、鉄、スズ、チタンの酸化物、ペロブスカイト型結晶
構造を有する複合金属酸化物、炭化ケイ素が挙げられ、
これらの少なくとも１種がフィルタに担持される。

【００３５】

【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ると以下の効果が得られる。

【００３６】本発明における内燃機関用フィルタ再生装
置はフィルタをフィルタの排気ガスの流入側が排気ガス
流出側よりも自動車の走行路面に対して上方に位置する
ように構成しているので、 （１）マイクロ波による加熱で昇温している前記フィル
タの内部の熱が上昇気流により端面方向に熱伝達され、
上方に位置するフィルタ端面部に捕集されたパティキュ
レートを燃焼可能温度に短時間で昇温することができ
る。したがってマイクロ波発生源の駆動電源の供給を自
動車に搭載されている電源から供給することができる。 （２）前記フィルタの内部で燃焼が開始するとその燃焼
熱が上昇気流により上方に位置するフィルタ端面部に伝
達されるのでフィルタ端面部に捕集されたパティキュレ
ートのほとんどを燃焼除去できる。したがってパティキ
ュレートの捕集、再生の継続的な繰り返しにおいてパテ
ィキュレートがフィルタ端面部に堆積し、貫通孔が閉塞
することによるフィルタの捕集性能や再生性能の低下を
防止することができる。 （３）一方前記フィルタは排気ガス流入方向から燃焼に
必要な空気を送風することによってパティキュレートの
燃焼を前記フィルタの排気ガス流出方向に進行させるこ
とができ、フィルタ全域のパティキュレートを燃焼させ
ることができる。したがって高い再生性能を実現するこ
とができる。 （４）また上記本発明の内燃機関用フィルタにパティキ
ュレートを低温で分解する触媒を担持することによりパ
ティキュレートを低温で燃焼させることができるのでフ
ィルタに堆積しているパティキュレートの再生性能をよ
り向上させることができる。 （５）また上記触媒の代わりにマイクロ波の吸収率が高
い電波吸収材料を担持することによりフィルタを効率的
に加熱できるのでフィルタに堆積しているパティキュレ
ートの再生性能をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における内燃機関用フィルタ
装置の構成図。

【図２】本発明の一実施例における内燃機関用フィルタ
装置を自動車に実装した構成図。

【図３】従来の内燃機関の排気ガス浄化用フィルタ再生
装置の構成図。

【符号の説明】

１６ 排気管 １７ 加熱室 １８ フィルタ １９ マイクロ波発生手段 ２０ 導波管 ２１ 空気供給手段 ２２ 空気供給源 ２３ 導風パイプ ２４ 空気供給流量制御バルブ ２５ バイパス管 ２６ 排気管流量制御バルブ ２７ バイパス管流量制御バルブ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−126022（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−279715（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/02 321

Claims (3)

(57)【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、前記加熱室に収納され前記内燃機
   関の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、前記加熱室に給電するマイクロ波を発生す
   るマイクロ波発生手段と、前記加熱室に空気を供給する
   送風手段とを備えるとともに、前記フィルタの排気ガス
   流入側の端面部が排気ガス流出側の端面部よりも自動車
   の走行路面に対して上方に位置するように構成された内
   燃機関用フィルタ再生装置。
2. 【請求項２】 フィルタに排気ガス流に含まれるパティ
   キュレートを低温で分解する触媒を担持した請求項１記
   載の内燃機関用フィルタ再生装置。
3. 【請求項３】 フィルタにマイクロ波の吸収率の高い電
   波吸収材料を担持した請求項１記載の内燃機関用フィル
   タ再生装置。