JP4827366B2 - 音波発生器を用いたフィルタの再生 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、請求項１の前文に記載した１本の排気管とその排気管内に配設した１個の粒子フィルタより成る燃焼機関（コンバッションエンジン）に関する。より詳細には、１本の排気管とその排気管内に配設した粒子フィルタと、そのフィルタの清掃手段よりなる燃焼機関に関する。さらに、燃焼機関に付随する排気管内に配設した粒子フィルタの清掃方法に関する。
【０００２】
発明の背景
今日の自動車産業は、燃焼機関内部で生じる燃焼プロセスにより発生する排気ガスの純度に対する益々高まる改善要求を満たす燃焼機関を利用するために努力している。特に、ジーゼルエンジン内の燃焼プロセスに関して言えば、煤粒子と灰分粒子が、このような種類の排気ガスである。最終的に大気中に放出される排気ガス中の煤粒子と灰分粒子の発生を低減するために、排気管内に粒子フィルタを設ける。粒子フィルタは、機械的フィルタより構成され、原則的には、二酸化炭素と水のような特定の排気成分は透過させるが、煤粒子及び灰分粒子の透過は阻止するスクリーンとして機能する。このため、煤粒子と灰分粒子が徐々にフィルタ上に堆積し、排気ガスの通過を困難にし、背圧を高める結果を招き、又、そのために自動車の燃料消費量が増大する。このプロセスを続行させると、粒子量が増大し、最終的にはエンジンが働かなくなる。背圧を許容できるレベルに維持することを保証する従来の方法は、一定期毎にフィルタを交換することによる。シリンダー容積が約７リットルの燃焼機関の場合、標準燃料で７００００ｋｍ走行する間に約１リットルの粒子が生じる。このために、比較的頻繁にフィルタを交換する必要が生じる。自動車の保守間隔はあまり頻繁でないことが望ましいので、このフィルタの交換は、かなり不都合に感じられる筈である。
【０００３】
したがって、このフィルタの使用期間を増大させるためには、排気管からフィルタを取り外すことなく何らかの方法で清掃できることが望まれる。これに関し、煤粒子を触媒で燃焼させるために触媒フィルタの使用が試みられた。しかしながら、このタイプのプロセスではフィルタ表面から灰分堆積を除去できない。さらに、触媒燃焼プロセスで発生する熱のために、灰分がフィルタ表面にセメントを形成する危険がある。
【０００４】
発明の要約
本発明の１つの目的は、１本の排気管とその排気管内に配設した１個の粒子フィルタより成り、そのフィルタを排気管から外すことなく煤粒子と灰分粒子を除去清掃できる燃焼機関（コンバッションエンジン）を提供することにある。この第１の目的は、特許請求項１の特徴部分に記載の燃焼機関によって達成される。排気管に音波（トーン）発生器を接続することにより、この音波発生器により生じた振動する空気流でフィルタを清掃する手段が得られる。この振動空気流は、フィルタから煤粒子と灰分粒子を除去してフィルタから運び去ることができる。この音波発生器は、燃焼機関で発生したガス流により共振する共振室から成り、その共振室は共振により上記振動空気流を発生させる。
【０００５】
本発明の第２の目的は、燃焼機関に接続された１本の排気管内に装備した粒子フィルタの清掃方法を提供することにある。この第２の目的は、特許請求項１１の特徴部分に記載された方法によって達成される。振動する空気流を発生させる音波発生器を用いることにより、超低周波音波によりフィルタ表面から煤粒子と灰分粒子を除去して運び去ることができる。この音波発生器は、燃焼機関で発生したガス流により共振する共振室から成り、その共振室は共振により振動空気流を発生させる。
【０００６】
好適な実施形態の説明
図１は、１本の排気管２と、その排気管内に配設した１個の粒子フィルタ３とより成る燃焼機関１を示す概略図である。この燃焼機関そのものは、以前からよく知られているタイプのものであり、したがって、ここでは詳述しない。この排気管は、使用時は常に燃焼機関１内の各々のシリンダー（図示せず）の出口に接続する排気マニホルド４より成る。排気管２自体は、従来型のものであり、使用時は常に、燃焼機関の吸気孔（図示せず）内に配置した１基又は数基の圧縮機（図示せず）を運転するために、１基又は数基の排気ガスタービン（図示せず）を装備することができる。さらに、使用可能ならば、触媒反応室（図示せず）をこの排気管に配置することができる。
【０００７】
１台の音波発生器５を排気管２と接続して配置する。この音波発生器５は、当業者には公知の形式のものであり、低周波の振動する空気流を発生し、排気管中に、好ましくはフィルタに向かう方向に導入する。図１に示す１つの好ましい実施形態において、音波発生器５は、共振室６に通じる拡声器６ａより成り、その共振室からの導波管７が前記排気管に連通している。他の好ましい実施形態では、空気流又は音波をより均等にフィルタに向けるために反射板８が排気管に設置されている。音波発生器の感応拡声器が正常運転時に排気管内に生じる熱の影響を受けないように、導波管７を、例えば、導波管の周りに冷却フランジを配置して冷却することができる。反射板８は、粒子を導波管７に導入しないように、導波管７からの出口への反射板８の取り付け部付近又は、反射板の設置位置によっては、排気管の壁面への取り付け部付近に、空洞又はスリットを設けることがある。このようにすれば、粒子は、反射板８に沿って下降でき、前記スリット又は空洞を通過して最終的に収集容器に集められる。好適な実施形態において、反射板は、導波管７を開閉するためのバルブより成り、これにより、正常運転時に排気管２内部に乱れのない流れが得られる。
【０００８】
好適な実施形態において、除去された煤粒子及び灰分粒子用の収集容器９は、排気管２内のフィルタ３の上流側に直接接続して設置する。この場合、“上流”とは排気管内部における燃焼機関へ向かう方向を意味する。粒子は、フィルタ３から離されると、フィルタ表面から収集容器に運ばれる。本発明の好適な実施形態において、粒子をフィルタ３から収集容器９に運べるように、水平面に対し６０度を超える角度をなす局部的延伸方向１１を有する排気管２の部分１０にフィルタを設置する。別の好適な実施形態では、この局部的延伸方向は、水平面に対して８５度から９０度の間の角度で延伸している。自動車を平らな地面に置き、その自動車内に燃焼機関を設置し、排気管を使用状態に設置して測定を実施する。前記部分へのフィルタの配置により、フィルタから除去された粒子は重力の影響で収集容器に向かって移動する。粒子が収集容器９に確実に落下するように、容器は、排気管の局部的延伸方向に設置されたフィルタの下流の連続部に配置し接続する。
【０００９】
音波発生器は、振動空気流を発生しており、フィルタの表面から分離した粒子の運搬にも貢献する。振動空気流は、１時限又は数時限の時間平均をとると、平均した移送方向を示さない。しかしながら、清掃プロセスの開始時におけるフィルタ壁上で優勢な粒子の濃度は、システム中の定常波の形成による影響を例外とし、粒子濃度が振動発生領域において略均等になるように、実時間では非常に早く、段階的に均等化される。この結果、音波発生器によって、粒子は、フィルタ表面３から収集容器９の方向に運搬されることになる。
【００１０】
したがって、本発明の１つの好適な実施形態では、収集容器は、収集容器９の下流に位置する領域１２の主要部が、水平面と６０度を越える角度、好ましくは８５度と９０度の間の角度を成す局部的延伸方向を示すように配置される。
【００１１】
本発明の１つの好適な実施形態においては、図３に示すように、音波発生器５の出口１３を粒子を、収集容器中に通過させる、例えばスクリーンのような多孔構造物１４の背後で、収集容器９と直接接続をする。この多孔構造物１４は、正常運転中に収集容器から粒子を排気ガス流が持ち去り、フィルタ３に戻す危険を減じる。多孔構造物１４の背後に音波発生器の出口を配置することにより、音波発生器５の配置部がさらに防護され、燃焼機関の正常運転時における音波発生器の影響がより小さくなる。
【００１２】
本発明の１つの好適な実施形態においては、図３に例示したように、フィルタ壁から分離された粒子の運搬路は、排気ダクト１９で構成され、このダクトは、例えば、ファン３０によって負圧が発生する収集容器と直接接続されている。
好ましくは、収集容器９には、同容器中の煤粒子を燃焼させる装置１５を装備させる。この装置は、例えば、電気コイルで構成することができる。
【００１３】
さらに、図１には、制御コンピュータ１６が含まれており、このコンピュータで、音波発生器５のオンオフを制御し、又、音波発生器５及び排気管２の間を連通するダクトを開閉するバルブを設ける場合は、バルブの開閉を制御する。本発明のこの実施形態において、音波発生器は、燃焼機関で駆動される自動車のマイレージ（総マイル数）の関数として起動させる。別の実施形態においては、フィルタ３の圧力低下を、例えばフィルタの上流と下流に配設した圧力センサ１７と１８で測定する。
【００１４】
図２ａと図２ｂは、フィルタの構造を詳細に示している。フィルタ３は、燃焼機関内の燃焼プロセスで発生したガス成分は通すが、同じ燃焼プロセスで発生した煤粒子と灰分粒子は通さない薄膜より成る。この薄膜は、各々開放入り口２２、側壁２３と閉端壁２４を有する第１組のチャンネル２１と、各々開放入り口２６、側壁２３と閉端壁２７を有する第２組のチャンネル２５とで構成され、燃焼機関からの排気ガス流は、第１組のチャネルから側壁を介して第２組のチャンネルに誘導される。
【００１５】
第１組のチャンネルは、好ましくは、水平面と６０度を超える角度を成す局部的延伸方向２１を示すように設置する。本発明の他の好ましい実施形態では、第１組のチャンネルの延局部的遠心方向２７は８５度と９０度の間の角度を成す。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、音波発生器は、所望の周波数に共振する共振回路だけで構成する。この場合、この共振回路は、燃焼機関の排気ガス流によって起動される。それにより、共振回路は、正常運転時に排気管より切り離し、フィルタの清掃プロセス期間は、排気管と連通しなければならない。この理由により、共振室６は、導波管７を介して排気管に接続する。さらに、排気管又はこれに代わる導波管は、共振室６と排気管２の間のダクトを閉鎖又は開放できるバルブを有する。
【００１７】
制御ユニット１６は、燃焼機関の運転状態と、燃焼機関により駆動される自動車に関する情報を受信するための入力チャネル２８を有する。本発明の１つの実施形態において、音波発生器は、自動車の予め決められた運転条件でのみ起動し、好ましくは、エンジンのスイッチオフ又はアイドリングの際に起動する。粒子をフィルタ３から収集容器９に確実に運搬するためには、排気管内の容積流が大きすぎないことが重要である。電気式音波発生器を使用する場合は、清掃プロセスは、エンジンのスイッチオフで清掃プロセスを開始するのが好ましく、この音波発生器を排気ガス流で起動する共振室で構成する場合は、清掃プロセスをアイドリング時に開始するのが好ましい。
【００１８】
清掃プロセスは、１００Ｈｚより低い周期で振動する空気流で行うのが好ましい。又、別の好ましい清掃プロセスでは、５０Ｈｚより低い周期の振動空気流を用いる。この清掃プロセスは、好ましくは、５０デシベルと１５０デシベルの間の音圧で実施する。
【００１９】
さらに、好ましい実施形態において、収集容器９には灰分粒子及び利用する場合は、煤粒子も除去するためにサービスハッチ２９を取り付ける。又、共振室６には、検査用ハッチを設けることができる。
【００２０】
本発明は、これまで記述してきた実施形態に制限されるのではなく、特許請求範囲内で変更できるものである。例えば、図１と図３に関連し記述した、圧力センサ、排気ダクト及び導波管の排気管への出口の配置等は、自由に変更できる。さらに、音波発生器は、粒子フィルタの下流に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
下記添付図面を参照し、本発明を実施例によって詳細説明する。
【図１】 １本の排気管とその排気管内に配設した１個の粒子フィルタより成る燃焼機関を示す概略図である。
【図２】 粒子フィルタ内に存在する薄膜の構造を示す詳細図である。
【図３】 フィルタの圧力低下に関する情報に従って音波発生器をオンにする本発明の１実施形態を示す図である。

Claims (17)

1. １本の排気管と、該排気管内に配置した粒子フィルタとより成る燃焼機関で、該フィルタは、該燃焼機関内の燃焼プロセスにより発生するガス成分は通すが、同燃焼プロセスで発生した煤粒子と灰分粒子は通さない薄膜より成り、１台の音波発生器を排気管に接続し、清掃プロセスにおいて該音波発生器により発生させた振動空気流で前記フィルタから煤粒子及び灰分粒子を除去し、前記音波発生器は、前記燃焼機関で発生したガス流により共振する共振室から成り、該共振室は共振により前記振動空気流を発生させることを特徴とする燃焼機関。
2. 除去した煤及び灰分粒子用収集容器を前記排気管内に前記フィルタの上流側に直接接続して配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
3. 前記薄膜と前記収集容器は前記排気管内に配置され、前記収集容器は前記薄膜の下部に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃焼機関。
4. 前記薄膜を、水平面と６０度を超える角度を成す局部的延伸方向を示す前記排気管部分に配置したことを特徴とする請求項３に記載の燃焼機関。
5. 前記局部的延伸方向が水平面と８５度と９０度の間の角度を成すことを特徴とする請求項４に記載の燃焼機関。
6. 前記薄膜を、各々開放入口、側壁及び閉端壁を有する第１組のチャンネルと、各々開放入口、側壁及び閉端壁を有する第２組のチャンネルとで構成し、前記燃焼機関からの前記排気ガス流を前記第１組のチャンネルから前記第２組のチャンネルへ前記側壁を介して案内し、前記第１組のチャンネルが水平面と６０度を超える角度を成す局部的延伸方向を示すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の燃焼機関。
7. 前記音波発生器は、前記清掃プロセスにおいて１００Ｈｚより低い周波数の音波を発振することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の燃焼機関。
8. 前記音波発生器は、前記清掃プロセスにおいて５０Ｈｚより低い周波数の音波を発振することを特徴とする請求項７に記載の燃焼機関。
9. 前記排気管と前記共振室との間にあるダクトを閉鎖あるいは開放するバルブをさらに備え、前記バルブは、前記ダクトを前記燃焼プロセスにおいては閉鎖し、前記清掃プロセスにおいては開放することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の燃焼機関。
10. 燃焼機関に属する排気管内に配設された粒子フィルタの清掃方法において、音波発生器により発生した振動空気流が超低周波音波で前記粒子フィルタから煤粒子と灰分粒子を除去し、前記音波発生器は、前記燃焼機関で発生したガス流により共振する共振室から成り、該共振室は共振により前記振動空気流を発生させることを特徴とする粒子フィルタの清掃方法。
11. 前記粒子フィルタの下部に収集容器が配置されており、前記粒子フィルタから除去された前記煤粒子と前記灰分粒子は、重力の影響により前記収集容器に輸送されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記粒子フィルタの下部に収集容器が配置されており、前記粒子フィルタから除去された前記煤粒子と前記灰分粒子は、少なくとも部分的に前記音波発生器からの前記振動空気流により前記収集容器に輸送されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記燃焼機関の燃焼プロセスにおいては前記排気管と前記共振室との間にあるダクトをバルブにより閉鎖し、前記粒子フィルタから前記煤粒子と前記灰分粒子を除去する場合には前記バルブにより前記ダクトを開放することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１に記載の方法。
14. 前記ダクトの開閉を１台の制御コンピュータで制御することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記制御コンピュータは、前記燃焼機関により駆動される自動車の総マイル数に関する情報を取得し、前記ダクトは、該総マイル数に関連して規則的な間隔で開放されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記制御コンピュータが、前記フィルタの圧力降下に関する情報を収集し、前記フィルタの圧力降下が或る特定の閾値を超えたときに前記ダクトが開放されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記ダクトを前記燃焼機関がアイドリングしている時に開放することを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１に記載の方法。

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