JPH04347315A - ディ−ゼル機関の排気ガス処理装置 - 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−ゼル機関の排気
ガス処理装置に関し、詳しくは、通電により自己発熱す
るフィルタを備える排気ガス処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５５ー１３１５１８号公報は、デ
ィーゼルエンジン等より排出されるディ−ゼルパティキ
ュレ−トをセラミックフィルタにより捕集し、そして、
セラミックフィルタの上流部に設けた着火ヒ−タに通電
してディ−ゼルパティキュレ−トに着火し、焼却する着
火延焼型の排気ガス処理装置を開示している。

【０００３】特開昭６１ー２５９０７号公報は、上記し
た順次着火式の着火延焼型排気ガス処理装置において、
隣接する着火ヒ−タへの通電期間をオ−バラップさせる
ことによりこれら両着火ヒ−タ間のディ−ゼルパティキ
ュレ−トの焼却性を向上させることを開示している。特
開平１ー１８２５１９号公報は、上記した順次着火式の
着火延焼型排気ガス処理装置において、各着火ヒ−タへ
の通電順序を適宜変更することによりセラミックフィル
タ各部の再生状態を向上することを開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記着火延焼型の排気
ガス処理装置は、着火時のディ−ゼルパティキュレ−ト
堆積量が少ないと充分延焼せず再生が不十分となる点、
堆積量が多すぎるとセラミックフィルタが高温となりす
ぎてその耐久性が劣化する点、着火ヒ−タ付近とそれか
ら離れた部位とで温度分布に大きなばらつきが生じセラ
ミックフィルタの割れが生じる可能性がある点が問題と
なっていた。

【０００５】また、上記した順次着火式の各提案によれ
ば、上記したセラミックフィルタ各部の温度分布のばら
つきが一層顕著となり、その熱応力によりセラミックフ
ィルタの割れが懸念される。これらの問題に鑑み、本出
願人は先にフィルタを多孔性の導電素材（例えば多孔性
メタル）により構成し、再生時にフィルタ自体に通電し
てフィルタを着火温度まで加熱し、フィルタ表面に堆積
したディ−ゼルパティキュレ−トを焼却する自己発熱フ
ィルタを創案し、この自己発熱型フィルタを具備するデ
ィ−ゼル機関の排気ガス処理装置を出願した。

【０００６】しかしながら、この自己発熱フィルタでは
、大熱容量を有するフィルタ全体を着火温度まで加熱し
なければならず、消費電力が大きい欠点があった。すな
わち、車両用電源装置の最大発生可能電力には限界があ
り、車両用電源装置の大型化あるいは他の負荷への給電
の停止といった方策を選択せざるを得なかった。本発明
は、上記問題点に鑑みなされたものであり、上記自己発
熱フィルタを有する排気ガス処理装置の必要電力を低減
することを、その目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、排気ガス中の
ディ−ゼルパティキュレ−トを捕集するための多数の小
孔を有しディ−ゼル機関の排気経路中に配設される導電
性の自己発熱フィルタと、前記ディ−ゼルパティキュレ
−トの焼却のために前記自己発熱フィルタへ通電される
電流を制御する通電制御手段とを備え、前記自己発熱フ
ィルタは互いに電気絶縁された複数のフィルタブロック
に分割されており、かつ、前記通電制御手段はフィルタ
再生に当たって堆積ディ−ゼルパティキュレ−トの焼却
が可能な所定時間毎に各フィルタブロックへ順番に通電
するものであることを特徴としている。

【０００８】自己発熱フィルタは、金属材料や導電性セ
ラミック材料により構成されることができる。

【０００９】

【作用及び発明の効果】この装置では、導電性で多孔性
の自己発熱フィルタがディ−ゼル機関から排出されるデ
ィ−ゼルパティキュレ−トを捕集し、通電制御手段がこ
の自己発熱フィルタ自体に通電して自己発熱フィルタを
ディ−ゼルパティキュレ−トの着火温度まで加熱し、デ
ィ−ゼルパティキュレ−トを焼却する。

【００１０】特にこの発明では、上記通電制御手段がフ
ィルタ再生に当たって堆積ディ−ゼルパティキュレ−ト
の焼却が可能な所定時間毎に各フィルタブロックに順番
に通電するので、堆積ディ−ゼルパティキュレ−トは各
フィルタブロック毎に順番に焼却される。このようにす
れば、全焼却時間の合計は延長されるものの、必要とな
る最大電力はほぼフィルタ分割数に応じて低減されるの
で、車両用電源装置やエンジンなどへの負担を大幅に軽
減することができる。

【００１１】その結果、ディ−ゼルパティキュレ−ト堆
積量の多寡により常に良好な焼却が可能な点、セラミッ
クフィルタに比べて格段に高強度であるので燃焼サイク
ルの温度変化や温度分布のばらつきなどにより割れにく
い点などの特性を有する自己発熱フィルタの実現に対し
て、本発明は大きな効果を奏することものである。

【００１２】

【実施例】（実施例１）第１実施例の自己発熱型フィル
タを使用したディーゼルパティキュレート捕集装置のブ
ロック図を図１に示す。ディーゼルエンジン１のエキゾ
ーストパイプ２の途中に、フィルタ（本発明でいう自己
発熱フィルタ）３が接続されており、エキゾーストパイ
プ２の先端に消音器４が設けられている。

【００１３】一方、マイコンを含むエンジン制御用のエ
ンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５が配設されており、こ
のＥＣＵ５はエンジンに装着された図示しない回転数セ
ンサから出力されるエンジン回転数信号を受取り、この
エンジン回転数の累積値に基づいてフィルタ３の再生時
期を決定し、更に、再生時に後述する制御モ−ドでヒ−
タリレ−６を導通させる。ヒ−タリレ−６は４個の電磁
開閉器により構成されており、バッテリ１４から給電さ
れる電力をフィルタ３に供給し、フィルタ３を加温する
。ここで、ＥＣＵ５及びヒ−タリレ−６は本発明でいう
通電制御手段を構成している。

【００１４】フィルタ３の縦断面図を図２に示す。フィ
ルタ３はエキゾーストパイプ２に両端開口が連結される
金属製の外筒部３０を備え、外筒部３０内には所定間隔
を隔てて２枚の電気絶縁性の固定部材４０、４１が外筒
部３０の軸心と直角方向に配設されている。そして、こ
れら固定部材４０、４１に両端を支持されて合計４０本
のフィルタ部材３１が横４列、縦１０段に配置されてい
る。各フィルタ部材３１は互いに所定間隔を隔て、かつ
、外筒部３０からも所定間隔を隔てて設けられている。

【００１５】また、外筒部３０には碍子絶縁されて一個
の接地用電極部材１３ａ及び４個の給電用電極部材１３
ｂ１、１３ｂ２、１３ｂ３、１３ｂ４（図６参照、図２
には１３ｂ１だけを図示））が外部から内部へと貫設さ
れている。接地用電極部材１３ａの内端は、後述するよ
うに、図２中、最上段（第１段目）のフィルタ部材３１
の一端に接続されており、各給電用電極部材１３ｂ１、
１３ｂ２、１３ｂ３、１３ｂ４は各列の最下段（第１段
目）のフィルタ部材３１の一端に個別に接続されている
。

【００１６】一方、接地用電極部材１３ａの外端はバッ
テリ１４の低位電極端子Ｌに接続されており、各給電用
電極部材１３ｂの外端はそれぞれヒ−タリレ−６の各電
磁開閉器を別々に介してバッテリ１４の高位電極端子Ｈ
に接続されている。図２中、上下に隣接する二本のフィ
ルタ部材３１、３１の斜視図を図３に示し、そのＡーＡ
線矢視断面図を図４に示す。

【００１７】各フィルタ部材３１はそれぞれ、フィルタ
機能を有し互いに平行に配設される上下２本の中空プレ
−ト状の濾過部３４と、両濾過部３４の各一端を連結す
る連結部３５とからなり、上下２本のフィルタ部材３１
の合計４本の濾過部３４の各他端は１枚の保持部３６に
固定されている。更に詳細に説明すれば、濾過部３４は
、長さ１３０ｍｍ、幅１３ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、壁厚
０．２〜０．３ｍｍの大きさを有しており、支持金網と
してのラスメタルに合金粉末を担持させて焼結して形成
されている。この合金粉末はＡｌの含有量が５ｗｔ％以
上のＦｅーＣｒーＡｌーＲＥＭよりなり、焼結により３
次元網目構造となってディ−ゼルパティキュレ−ト捕集
用の微細な小孔を多数保有している。また図４に示すよ
うに、濾過部３４は、それぞれコルゲ−トプレ−ト形状
を有する２枚の濾過部材３４ａ、３４ｂを重ね、両者の
間に排気ガス流路用の複数本の中空部３４ｃを並列に形
成したものである。ガスは、図４に示すように、濾過部
３４の外側よりこの中空部３４ｃに流入し、そして各濾
過部３４の他端側の開口、すなわち、保持部３６側に流
出可能となっている。

【００１８】連結部３５は、Ａｌの含有量が１０ｗｔ％
以上のＦｅーＣｒーＡｌーＲＥＭ合金よりなるコの字板
形状のプレ−トであって、連結部３５の両端はそれぞれ
隣接する２個の濾過部３４の各上流側端部に個別に溶接
されて、各濾過部３４の各上流側開口を封栓するととも
に、これら一対の濾過部３４の相対距離を一定に保って
いる。

【００１９】保持部３６も連結部３５と同素材により形
成されており、この保持部３６には図３に示すように細
長孔３６ａから３６ｄが互いに平行に貫口されている。 そして、これら細長孔３６ａから３６ｄがそれぞれ各濾
過部３４の中空部３４ｃに別々に連通するように、各濾
過部３４の下流側端部が保持部３６の図３中、裏面に溶
接されている。したがって、濾過部３４の中空部３４ｃ
に入った清浄な排気ガスはこれら細長孔３６ａから３６
ｄから排出されることとなる。

【００２０】次に、各フィルタ部材３１の保持構造を説
明する。図６は各フィルタ部材３１を図２の下流側から
見た図であり、図５は各フィルタ部材３１の縦一列分を
図２の上流側から見た図である。なお、図６は図２に対
して上下が逆となっている。図６に示すようにフィルタ
部材３１の下流側端部では、外筒部３０の内面に絶縁性
の固定部材４０が嵌められている。この固定部材には縦
横所定間隔で孔が貫孔されており、各孔に各フィルタ部
材３１の各濾過部３４が一個づつ貫入されている。その
結果、各濾過部３４の下流側の開口となる各保持部３６
の細長孔３６ａから３６ｄは固定部材４０の下流側に開
口している。

【００２１】ここで、図６中の最上階及び最下階の各４
枚の保持部３６ｘ、３６ｙには１本のフィルタ部材３１
（すなわち各一対の濾過部３４、３４）が固定されるの
みであり、最上階の４枚の保持部３６ｘにはそれぞれ給
電電極部材１３ｂ１から１３ｂ４が個別に接続されてい
る。一方、最下階の４枚の保持部３６ｙにはそれぞれ接
地電極部材１３ａが共通接続されている。

【００２２】固定部材４０は、ＦｅーＣｒーＡｌーＲＥ
Ｍ合金で、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％、Ａｌが１５ｗｔ％
ｅ以上、ＲＥＭが０．２％以上、残部がＦｅからなる合
金材料よりなっており、この合金材料はフィルタ部材３
１のアッセンブルの後、９００℃以上の温度で大気中に
て０．５〜２０時間酸化されて、充分な電気絶縁性を具
備するアルミ酸化物系の絶縁層が形成されている。

【００２３】またフィルタ部材３１の上流側端部では、
図２に示すように、上下隣接する２個の連結部３５、３
５の間にスペ−サ４３が溶接されて電気的に導通可能と
なっている。ちなみに、スペ−サ４５により電気的に導
通可能とされる上下一対の連結部３５、３５は、それぞ
れ濾過部３４を通じて異なる保持部３６に連結されるも
のとし、その結果、電流は給電電極部材１３ｂ１、保持
部３６ｙ、濾過部３４連結部３５、スペ−サ４３、上段
の連結部３５、濾過部３４、保持部３６ｙの順につづら
折れ状態に接地電極部材１３ａに流れ、各フィルタ部材
３１を均等に加熱する。

【００２４】この導電性のスペ−サ４３もまた、連結部
３５と同素材により形成されており、スペ−サ４３の一
端から上流側へ突出する棒部が電気絶縁性の固定部材４
１の貫通孔に貫入されて保持されている。固定部材４１
は、それぞれ５個の上記貫通孔をもつ４枚のプレ−ト（
図５にはその一枚を示す）であって、それらの両端が外
筒部３０の内面に固定されている。

【００２５】以下に、濾過部３４の製造方法を説明する
。まず、骨格部となるラスメタル材をプレス等によって
長軸方向に平行な波形状に加工し、加工したラスメタル
材を２枚重ね合わせ中空部３４ｃを有する筒型形状とす
る。次に、この筒型形状のラスメタル材の一端を保持部
３６に溶接するとともに、他端を連結部３５に溶接する
。

【００２６】次に、ＦｅーＣｒーＡｌーＲＥＭよりなり
、Ａｌの含有量が５ｗｔ％以上、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ
％、ＲＥＭが０．２ｗｔ％以下で残りＦｅよりなり平均
粒径が約４５μｍの金属粉末１００部と、例えばメチル
セルロース等からなるバインダ−０．５〜５部と水５０
〜２００部とからなるスラリ−を作成し、このスラリ−
中に、ラスメタル材を浸漬させ、ラスメタルの網目部分
にこのスラリ−を堆積させる。

【００２７】次に、このラスメタル材を十分乾燥させた
後、１０−　３　ｔｏｒｒ以下の真空中で、１０００〜
１３００℃の温度範囲で１〜２０時間焼成し、金属粉末
を焼結させてラスメタル３２の網目部分に焼結金属を固
定した。このようにして得られた濾過部３４の表面にｒ
ーＡｌ２　Ｏ３　と触媒を付着させることによって、フ
ィルタ部材３１を形成した。このフィルタ部材３１はＦ
ｅーＣｒーＡｌーＲＥＭ合金より構成されているので、
表面酸化により内部の導電性を維持しつつ表面の耐酸化
性を確保することができる利点を有している。

【００２８】したがって上記実施例では、縦１０段横一
列分のフィルタ部材３１が本発明で言うフィルタブロッ
クを構成し、４個のフィルタブロックが個別に通電可能
となっている。次に、フィルタ３の再生動作を以下に説
明する。ディーゼルエンジン１より排出されるディ−ゼ
ルパティキュレ−トを含む排ガスがこのフィルタ３を通
過して濾過部３４にディ−ゼルパティキュレ−トが捕集
され、清浄な排気ガスが大気中に排出される。そして、
ディ−ゼルパティキュレ−トがフィルタ３に堆積すると
濾過部３４の圧損が増大するので、給電電極部材１３ｂ
１、１３ｂ２、１３ｂ３、１３ｂ４と接地電極部材１３
ａとの間に通電して各フィルタ３を加熱して堆積ディ−
ゼルパティキュレ−トを焼却し、フィルタ３を再生する
。

【００２９】通電制御の方法を図７のブロック図、図８
の通電波形図、及び図９のフロ−チャ−トを参照して説
明する。図７からわかるように、各フィルタブロックへ
の通電の切り換えは給電電極部材１３ｂ１、１３ｂ２、
１３ｂ３、１３ｂ４の一つをバッテリ１４の高位電極端
子Ｈに接続することによりなされ、この接続はＥＣＵ５
がヒ−タリレ−６に制御信号を送ってヒ−タリレ−６内
の一つの電磁開閉器を選択的に導通させることによりな
される。

【００３０】まず、回転数センサから回転数信号を入力
してカウントし（１００）、カウント値が予めバックア
ップラム内に内蔵されたしきい値回転値（例えば１０万
回転）に達したかどうかを調べ、更に、現在の機関回転
数がアイドル回転数以上（例えば７００ｒｐｍ以上）で
あるかを調べる（１０１）。そして、しきい値回転値に
達しかつ現在の機関回転数がアイドル回転数以上であれ
ば、再生条件が満たされたとして１０２に進み、達して
いなければＥＣＵ５のメインル−チンに戻る。

【００３１】１０２では、まず最初に給電電極部材１３
ｂ１への通電を開始し、所定時間Ｔ１だけ待機する（１
０４）。この間に、第１のフィルタブロック（第１列の
フィルタ部材３１）が加熱され、この第１のフィルタブ
ロック上のディ−ゼルパティキュレ−トが焼却される。 次に、給電電極部材１３ｂ１への通電を遮断し、給電電
極部材１３ｂ２への通電を開始し（１０６）、所定時間
Ｔ２だけ待機する（１０８）。この間に、第２のフィル
タブロック（第２列のフィルタ部材３１）が加熱され、
この第２のフィルタブロック上のディ−ゼルパティキュ
レ−トが焼却される。

【００３２】次に、給電電極部材１３ｂ２への通電を遮
断し、給電電極部材１３ｂ３への通電を開始し（１１０
）、所定時間Ｔ３だけ待機する（１１２）。この間に、
第３のフィルタブロック（第３列のフィルタ部材３１）
が加熱され、この第３のフィルタブロック上のディ−ゼ
ルパティキュレ−トが焼却される。次に、給電電極部材
１３ｂ３への通電を遮断し、給電電極部材１３ｂ４への
通電を開始し（１１４）、所定時間Ｔ４だけ待機する（
１１６）。この間に、第４のフィルタブロック（第３列
のフィルタ部材３１）が加熱され、この第４のフィルタ
ブロック上のディ−ゼルパティキュレ−トが焼却される
。

【００３３】なお、上記通電時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ
４は捕集されたパティキュレートが焼失するのに必要な
時間が実験的に調査されて予め設定されている。例えば
第２、第３、第４のフィルタブロック再生の場合、前の
フィルタブロック再生時発生する熱により予熱されてい
るので通電時間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を短く設定すれば、無
駄な電力消費を防止することができる。

【００３４】なお、各フィルタブロックの再生順序は、
初めが第１→第２→第３→第４、次回が第２→第３→第
４→第１、次々回が第３→第４→第１→第２としても良
く、この場合、各ブロックの平均通電時間が均等化され
るので、信頼性が向上する。また上記フィルタ３の再生
条件は、エンジン１の回転数又は走行距離などのパラメ
−タの他に、エンジン負荷の大きさや排気ガス温度など
を加味してもよい。

【００３５】実験によれば、フィルタ３での再生時間は
、アイドル相当の排気ガス排出量で、かつ排気ガスの酸
素濃度が１０％以上の再生環境において、パティキュレ
ートをフィルタ全体積当たり２５ｇ捕集したとき、２Ｋ
Ｗを通電することにより約６０〜１８０ｓｅｃで終了し
た。 （実施例２）本発明の他の実施例を以下に説明する。た
だし、実施例１と等しい機能を有する構成要素には同一
符号を付す。

【００３６】ただこの実施例では図１０に示すように、
ヒ−タリレ−６が４個のエミッタコモンのパワ−トラン
ジスタ６１から６４からなり、したがってこの場合には
給電電極部材１３ｂ１から１３ｂ４はロ−エンド側とな
り、電極部材１３ａはハイエンド側となっている。まず
、回転数センサから回転数信号を入力してカウントし（
２００）、カウント値が予めバックアップラム内に内蔵
されたしきい値回転値（例えば１０万回転）に達したか
どうかを調べ、更に、現在の機関回転数がアイドル回転
数以上（例えば７００ｒｐｍ以上）であるかを調べる（
２０２）。そして、しきい値回転値に達しかつ現在の機
関回転数がアイドル回転数以上であれば、再生条件が満
たされたとして２０４に進み、達していなければＥＣＵ
５のメインル−チンに戻る。

【００３７】２０４では、まず最初に給電電極部材１３
ｂ１への通電を開始し、所定時間Ｔ１だけ待機する（２
０６）。この間に、第１のフィルタブロック（第１列の
フィルタ部材３１）が加熱され、この第１のフィルタブ
ロック上のディ−ゼルパティキュレ−トが焼却される。 なお、上記通電に際してパワ−トランジスタ６１のベ−
スには所定デューティ比のパルス電流を供給し、給電電
極部材１３ｂ１へは所定の平均電圧Ｖ１を印加するよう
にする。

【００３８】次に、残る給電電極部材１３ｂ２、１３ｂ
３、１３ｂ４への通電を開始し（２０８）、所定時間Ｔ
２だけ待機する（２１０）。この間に、第２、第３、第
４のフィルタブロック（第２、第３、第４列のフィルタ
部材３１）が加熱され、これらフィルタブロック上のデ
ィ−ゼルパティキュレ−トが焼却される。なお、第２、
第３、第４ブロック再生の場合、これらのフィルタブロ
ックが第１ブロックの再生時発生する熱により予熱され
ているので、通電電流を低減することができ、かつ、再
生に要する時間を短縮することができる。このために、
パワ−トランジスタ６２、６３、６４のベ−スに通電す
るパルス電流のデューティ比を更に低減して各フィルタ
ブロックへの平均印加電圧を低下させればよい。

【００３９】またこの場合、パワ−トランジスタ６２、
６３、６４の導通期間がなるべくオ−バラップしないよ
うにすることにより、最大通電電流を低減することがで
きる。もちろんこの場合においても、単独通電するフィ
ルタブロックは適宜変更することができる。更に、上記
ステップ２０８において給電電極部材１３ｂ１への通電
を遮断してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の排気ガス処理装置の全体図、

【図２
】フィルタの縦断面図、

【図３】上下一対のフィルタ部材の斜視図、

【図４】フ
ィルタ部材の濾過部の断面図、

【図５】上流側から見た
フィルタ部材集合体の一部拡大裏面図、

【図６】下流側から見たフィルタ部材集合体の正面図、

【図７】電気系統を示すブロック図、

【図８】通電電圧波形を示す電圧波形図

【図９】実施例
１の制御動作を示すフロ−チャ−ト、

【図１０】実施例
２の電気系統を示すブロック図、

【図１１】実施例２の
通電電圧波形を示す電圧波形図

【図１２】実施例２の制
御動作を示すフロ−チャ−ト、

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガス中のディ−ゼルパティキュレ−ト
   を捕集するための多数の小孔を有しディ−ゼル機関の排
   気経路中に配設される導電性の自己発熱フィルタと、前
   記ディ−ゼルパティキュレ−トの焼却のために前記自己
   発熱フィルタへ通電される電流を制御する通電制御手段
   とを備え、前記自己発熱フィルタは互いに電気絶縁され
   た複数のフィルタブロックに分割されており、かつ、前
   記通電制御手段はフィルタ再生に当たって堆積ディ−ゼ
   ルパティキュレ−トの焼却が可能な所定時間毎に各フィ
   ルタブロックへ順番に通電するものであることを特徴と
   するディ−ゼル機関の排気ガス処理装置。