JPH06323125A - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中の
パティキュレートを捕集するフィルタの再生装置に関す
るもので、フィルタの中央部の温度上昇を抑えフィルタ
の損傷がなく効率のよいマイクロ波加熱方式の再生装置
を提供することを目的とする。 【構成】 円筒状をしたフィルタ２０でその円形端面か
らマイクロ波を給電し、その給電孔２９、３０は２分の
１波長離れて２カ所設け、その２カ所の給電孔２９、３
０の中間点は前記フィルタの中央部に配置し、前記給電
孔からのマイクロ波でフィルタのパティキュレートを加
熱燃焼させる構成とし、２カ所の給電孔からの電磁波は
位相が反転しているので、フィルタ中央部の電界が小さ
くなり過度の温度上昇を抑える。

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。特
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がな
されようとしている。

【０００３】自動車の中でもディーゼルエンジン車は窒
素酸化物と同時にパティキュレートの排出規制の強化が
行われる。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による従来
の排気ガス中の汚染物質低減対策だけでは、排気ガス規
制値を達成することは不可能とされ、現状では排気ガス
の後処理装置の付設が有効な手段である。この後処理装
置は、パティキュレートを捕集するフィルタを有するも
のである。

【０００４】ところが、パティキュレートが捕集され続
けると、フィルタは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り、エンジン
出力の低下あるいはエンジンの停止といったことに至
る。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、今だ実用
には至っていない。

【０００５】パティキュレートは約６００℃以上の温度
で燃焼するので、加熱燃焼させてフィルタを再生する方
法が考えられている。パティキュレートをこの高温度域
に昇温するためのエネルギを発生する手段として、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。

【０００６】本発明者らは昇温効率の良さ、安全性、装
置構成の容易さあるいは再生制御性の良さなどを考慮し
てマイクロ波方式によるフィルタ再生装置を開発してき
た。

【０００７】マイクロ波方式によるフィルタ再生装置と
しては、たとえば特開昭５９−１２６０２２号公報があ
る。同公報に開示されている装置を図５に示す。図５に
おいて、１はエンジン、２は排気マニホールド、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７の発生したマイクロ波を加熱室６に導く
導波管、９はマイクロ波反射板、１０は空気ポンプ、１
１は空気供給路、１２はマイクロ波発生手段７の駆動電
源、１３はマフラー、１４は空気切換バルブ、１５は排
気ガス流切換バルブである。

【０００８】上記した構成において、エンジン１の排気
ガスは排気ガス流切換バルブ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
レート捕集サイクルにおいて、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に捕集されるが、前述したようにフィルタ５の捕集
能力は有限である。捕集能力が限界に達すると排気ガス
流切換バルブ１５が制御され排気管３への排気ガスは遮
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。この
フィルタ再生サイクルにおいて、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
に必要な空気が空気ポンプ１０より同時に供給される。
所定の時間を経てフィルタ再生が完了すると排気ガス流
切換バルブ１５が再び制御されてフィルタ５に排気ガス
が導かれる。この捕集と再生のサイクルがくり返され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成において、マイクロ波のエネルギーでフィルタに
捕集されたパティキュレートを加熱した場合、加熱室の
大きさとマイクロ波の波長により生じる定在波の影響
で、加熱されやすい部分と加熱されにくい部分が生じ
る。したがって、フィルタの燃焼再生を効率よく行うた
めにマイクロ波の給電構成を被加熱物であるフィルタに
整合させた設計をする必要がある。

【００１０】また、パティキュレート用のセラミックの
フィルタの耐熱温度は、一般的なもので１０００℃程度
である。したがって、パティキュレートの加熱燃焼で過
激な燃焼反応をさせるとフィルタを熔損させたり、熱衝
撃によるクラックを発生させたりしてしまう。

【００１１】従来例のようにマイクロ波でフィルタを加
熱して再生燃焼用空気を供給する構成では、再生燃焼時
にフィルタの中央部が周囲より温度上昇が大きくなり、
フィルタの中央部で耐熱温度を越えてフィルタを損傷す
るという課題があった。

【００１２】本発明は上記課題を解決するもので、フィ
ルタをマイクロ波で加熱するときにフィルタの中央部に
堆積したパティキュレートが加熱されにくくし、フィル
タの熱による損傷が少ない改良された内燃機関用フィル
タ再生装置を提供することを目的としたものである。

【００１３】また、パティキュレートが加熱燃焼する場
合に、マイクロ波の電界分布が均一でないと、部分的な
燃焼が生じてフィルタの再生率が低下するという課題が
あった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、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、前記フィルタを収納する
加熱室と、前記加熱室に給電されるマイクロ波を発生す
るマイクロ波発生手段と、前記加熱室へマイクロ波を導
く導波管と、前記導波管と前記加熱室の接合部に設けた
給電孔とを備え、前記給電孔は２分の１波長離れて２カ
所設け、前記給電孔からのマイクロ波でフィルタのパテ
ィキュレートを加熱燃焼させる構成からなる。

【００１５】また、フィルタは円筒状をしたセラミック
材料からなり、前記フィルタの円形端面から前記マイク
ロ波を給電し、前記給電孔は前記加熱室壁面の前記フィ
ルタ円形端面部に面した壁面に２分の１波長離れて２カ
所設け、前記２カ所の給電孔の中間点は前記フィルタの
中央部に配置し、前記給電孔からのマイクロ波でフィル
タのパティキュレートを加熱燃焼させる構成としたもの
である。

【００１６】

【作用】本発明は上記した構成により、マイクロ波発生
装置が発生したマイクロ波を導波管を通じて加熱室へ給
電するための給電孔をマイクロ波の導波管内波長の半波
長離れて２カ所設けたため、それぞれの給電孔から半波
長位相がずれたマイクロ波が加熱室へ給電される。この
ため給電孔の中間部はそれぞれのマイクロ波が打ち消し
合うため、フィルタの中央部が加熱されにくい。

【００１７】したがって、フィルタの中央部の温度上昇
の少なくなり、フィルタの再生燃焼中の温度を低く抑え
ることができる。それにより、フィルタの熔損や熱衝撃
によるクラックの発生を抑制することが可能である。こ
のため、フィルタの耐久性が高くなり、信頼性の高い内
燃機関用フィルタ再生装置が実現できる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１９】図１において、１６はエンジン、１７は排
気マニホールド、１８は内燃機関の排気ガスを排出する
排気管、１９は排気管１８の途中に設けられた加熱室、
２０は加熱室内に収納され排気ガスが通過する際に排気
ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ、２１は
加熱室１９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、２２はマイクロ波発生手段２１の発生した
マイクロ波を加熱室１９に伝送する導波管、２３は加熱
室１９に酸素を含む気体を供給する気体供給手段であ
る。この気体は開閉バルブ２４を制御することにより加
熱室１９内へ流入される。また、２５は排気ガス分岐管
であり、バルブ２６により排気ガス流の排出経路とし
て、フィルタ２０を含む排気管１８あるいは排気分岐管
２５が選択される。２７は加熱室１９を限定するマイク
ロ波しゃへい手段でありパンチング孔構成あるいはハニ
カム構成からなる。２８はフィルタ２０の外周と加熱室
１９の内壁との間に設けられた断熱材でありフィルタ２
０の支持も兼ねている。２９、３０は導波管２２と加熱
室１９の接合部に設けた給電孔で、互いの給電孔２９、
３０は２分の１波長離れて設けられている。

【００２０】排気ガスは図１中矢印で示した方向から排
気管マニホールド１７内を流れフィルタ２０に流入され
る。フィルタ２０はハニカム構造の壁面を排気ガスが流
れるセラミック材で構成され、排気ガスに含まれるパテ
ィキュレートを捕集する機能を有している。このフィル
タ２０に捕集されたパティキュレートの量が増大すると
フィルタ２０による圧力損失が増大し内燃機関のエンジ
ン１６の負荷が増加するとともに最悪の場合にはエンジ
ン停止に至る。

【００２１】したがって適当な時期にフィルタ２０に捕
集されたパティキュレートを除去する必要がある。この
適当な時期の判断手段としては、フィルタ２０の圧力損
失レベル検出、電気的手段によるパティキュレート捕集
量の検出、あるいはエンジン１６の動作状態の積算値な
どによってなされる。

【００２２】次にフィルタ再生の基本プロセスを説明す
る。フィルタ２０が捕集したパティキュレートがフィル
タ２０を再生すべき捕集量に達すると、フィルタ再生プ
ロセスが開始する。

【００２３】この再生制御は本装置の一構成要素である
制御部より発せられる。この制御部の指令に基づき、ま
ずバルブ２６が動作する。これにより、排気ガスは排気
分岐管２５に導かれる。次に、マイクロ波発生手段２１
に駆動電力が供給される。マイクロ波発生手段２１が発
生するマイクロ波は導波管２２を伝送して加熱室１９に
給電される。これによりフィルタ２０に捕集されたパテ
ィキュレートはマイクロ波加熱され、適当な時間経過
後、燃焼可能温度に到達する。この時、フィルタ２０に
は排気ガスはほとんど流れない。

【００２４】この後に、開閉バルブ２４が制御され適当
な流量の酸素を含む気体が加熱室１９内に導流される。
この気体によって高温化されたパティキュレートが燃焼
状態に移行する。この燃焼領域は気体の流通方向に移動
しつつ拡大していき、適当な時間を経てフィルタ２０の
ほぼ全域のパティキュレートが燃焼し除去される。

【００２５】なお、マイクロ波発生手段２１の動作はフ
ィルタ２０全域のパティキュレート燃焼が完了するまで
継続する必要はなく、フィルタ２０の排気ガス下流側に
存在するパティキュレートが燃焼状態に移行した後、適
当な時期に停止させたりマイクロ波パワーを低下させた
りすることができる。

【００２６】フィルタ２０の再生サイクルが終了すると
開閉バルブ２４は元の状態に制御される。その後、バル
ブ２６が制御され、フィルタ２０に再び排気ガスが流入
されパティキュレート捕集が行われる。

【００２７】本発明の要点は、フィルタ２０のパティキ
ュレートの燃焼温度を低くして、燃焼時のフィルタへの
損失を少なくする事にある。フィルタ２０のパティキュ
レートを燃焼させる場合、円筒状のフィルタ２０の中心
軸の温度が高くなる傾向がある。これは、フィルタ２０
で発生した燃焼熱が、フィルタの中心軸付近は他の部分
に比較して放熱が少なく、フィルタ２０の外周部では放
熱が大きいことによる。したがって、フィルタ２０を効
率よく燃焼再生し、高温による損失を避けるためには、
フィルタ２０の中央部の温度上昇を抑える工夫をする必
要がある。

【００２８】本発明の内燃機関用排ガス浄化装置では、
マイクロ波がフィルタ２０の中央部に給電されにくい構
成とし、フィルタの中央部の温度上昇が少ないようにし
ている。その原理を図２、図３、図４を用いて以下に説
明する。

【００２９】図２はマイクロ波発生手段２１と加熱室１
９の斜視図である。図２において、排ガスは図の矢印の
方向からフィルタ２０へ流入する。マイクロ波は２つの
給電孔２９、３０から加熱室１９に給電される。マイク
ロ波発生手段２１から発生したマイクロ波は、２つ給電
孔２９、３０に分かれて給電される。この際、２つの給
電孔２９、３０の距離は２分の１波長離れているため位
相が反転している。位相の反転した電磁波の和は互いに
打ち消し合うためゼロとなる。

【００３０】図３は、導波管２２と加熱室１９内の電界
分布を示す図で（ａ）は側面断面図、（ｂ）は正面断面
図である。

【００３１】ディーゼルエンジンからの排ガスに含まれ
るパティキュレートは電磁波中では、誘電加熱するの
で、電界の大きさに比例して加熱される。図３において
は本発明の構成の電界分布の一例としてのＴＥ213モー
ドで伝搬する電界分布の例を示している。このとき、２
つの給電孔２９、３０からマイクロ波が加熱室１９に給
電さる。すなわち、パティキュレートを加熱する電磁波
は２つの経路を通る。

【００３２】図４に動作説明図を示す。今、加熱室１９
の２つの給電孔２９、３０の中央部イに到達するマイク
ロ波はａｂｄｅの経路とａｃｅの２つの経路がある。給
電孔２９と３０の距離Ｌが２分の１波長離れているた
め、２つの経路の距離はやはり２分の１波長異なる。そ
のため、フィルタの中央部には位相の反転した２種類の
マイクロ波が到達し、互いに打ち消し合う。一方、ロ点
に到達するマイクロ波も２つの経路ａｂｄｅｃとａｃの
マイクロ波の合成となるが、この場合２つの経路の距離
は１波長分長さが異なるので位相は全く同じである。さ
らに、ハ点に供給されるマイクロ波は２つの経路の距離
が同じなので、これも同相であり、マイクロ波は打ち消
されない。

【００３３】このように、２分の１波長離れた２カ所の
給電孔２９、３０から加熱室１９にマイクロ波を給電し
ているので、加熱室１９側の２分の１波長の略中心部の
マイクロ波のみが、打ち消し合い加熱しにくくなる。し
たがって、加熱室内の電界強度に強弱をつけることがで
き制御することができる。この加熱されにくい部分にフ
ィルタ２０を配置すると、フィルタ２０に捕集されたパ
ティキュレートは中央部のみが加熱されにくくなり、再
生時に温度の上がり易いフィルタの中央部の温度を抑え
た加熱燃焼ができる。これは、本発明のマイクロ波によ
る加熱の大きな特徴である。

【００３４】上述のようなマイクロ波方式での加熱再生
により、フィルタ中央部の加熱が少なくなり、パティキ
ュレートの燃焼が中央部のみ高くならずに均一に燃焼す
るため、フィルタ２０のパティキュレート燃焼再生率が
高くなる。この場合、捕集と再生の繰り返しによっても
パティキュレートの残存量がほとんど増えず、耐久性能
の保証もできる。

【００３５】この結果、フィルタのパティキュレートの
捕集機能が低下することなく、フィルタの初期性能を永
続させることができる。

【００３６】

【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れば、以下の効果が得られる。

【００３７】（１）フィルタの再生燃焼のための加熱を
マイクロ波を使用して、フィルタ周辺部を加熱する構成
なので、フィルタの中央部の温度上昇を抑制できる。こ
のため、フィルタの燃焼時の最高温度を下げることがで
きる。

【００３８】（２）フィルタの再生燃焼時の温度分布を
均一化できるので、フィルタの損失が少なく、信頼性の
高い内燃機関用フィルタ再生装置を実現できる。

【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
再生装置の構成図

【図２】本発明の一実施例におけるマイクロ波発生手段
と加熱室の斜視図

【図３】（ａ）本発明の一実施例における導波管と加熱
室内の電界分布を示す側面断面図 （ｂ）同正面断面図

【図４】本発明の一実施例におけるフィルタ再生装置の
動作説明図

【図５】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図

【符号の説明】

１９ 加熱室 ２０ フィルタ ２１ マイクロ波発生手段 ２２ 導波管 ２９、３０ 給電孔

フロントページの続き (72)発明者 荻野 俊郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藤原 宣彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、前記フィルタを収納す
   る加熱室と、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、前記加熱室へマイクロ波を導
   く導波管と、前記導波管と前記加熱室の接合部に設けた
   給電孔とを備え、前記給電孔は２分の１波長離れて２カ
   所設け、前記給電孔からのマイクロ波でフィルタのパテ
   ィキュレートを加熱燃焼させる構成とした内燃機関用フ
   ィルタ再生装置。
2. 【請求項２】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、前記フィルタを収納す
   る加熱室と、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、前記加熱室へマイクロ波を導
   く導波管と、前記導波管と前記加熱室の接合部に設けた
   給電孔とを備え、前記フィルタは円筒状をしたセラミッ
   ク材料からなり、前記フィルタの円形端面から前記マイ
   クロ波を給電し、前記給電孔は前記加熱室壁面の前記フ
   ィルタ円形端面部に面した壁面に２分の１波長離れて２
   カ所設け、前記２カ所の給電孔の中間点は前記フィルタ
   の中央部に配置し、前記給電孔からのマイクロ波でフィ
   ルタのパティキュレートを加熱燃焼させる構成とした内
   燃機関用フィルタ再生装置。