JPH0656096B2 - エンジンの排気微粒子捕集浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ディーゼルエンジン等の排ガス中に含まれる
微粒子をフィルタにより捕集し、かつこの捕集した微粒
子を燃焼させるようにした、いわゆるディーゼルパーテ
ィキューレート処理に使用されるエンジンの排気微粒子
捕集浄化装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス中
には、カーボンや炭化水素を主体とした微粒子が含まれ
ており、この排ガスを浄化するため、排ガス系にセラミ
ックス製のハニカム構造体あるいは、セラミック発泡構
造体よりなる耐熱性フィルタを設置して上記微粒子を捕
集する手段が採用されている。しかし、このようなフィ
ルタは、捕集した微粒子により目詰まりを生じ、排気流
れの抵抗を増大させ、エンジン出力の低下を招くように
なる。

このようなフィルタの目詰まりを防止するため、フィル
タの上流側に電気ヒータを備えた加熱装置を配置し、こ
の電熱により微粒子を燃焼させる手段が採用されてい
る。

上記電気ヒータはフィルタを再生浄化するので再生加熱
用ヒータと称されており、この種の再生加熱用ヒータと
しては、排ガスの非常な高温にさらされるため耐熱性、
耐酸化性に優れた、導電性セラミック素子ヒータが採用
されている。

上記導電性セラミック素子ヒータは、例えば略Ｖ字形に
形成されており、その両端に電極を形成してあり、この
電極間に電圧を加えて通電することによりこの導電性セ
ラミック素子ヒータ発熱させ、これによりフィルタに捕
集された微粒子を燃焼させるものである。なお、この場
合、通常は消費電力を節減するため複数個の導電性セラ
ミック素子ヒータに間欠的に、しかも順次通電して発熱
させるようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記各ヒータに通電するための電極は、導電
性セラミック素子ヒータをメタライズしてこのに金属電
極を圧着したり、金属電極をろう付けする等の手段で形
成されている。しかしながら、いずれの構造の電極であ
っても、最大８００℃〜９００℃もの高温となる排ガス
中にさらされるため、この電極が早期に酸化し、短寿命
になる不具合がある。

本発明は、導電性セラミック素子ヒータにおける電極部
の酸化を防止し、長寿命となるエンジンの排気微粒子捕
集浄化装置を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ヒータケースに、導電性セラミック素子ヒー
タの電極部に通じる冷却空気導入通路を形成し、この冷
却空気導入通路に空気供給手段を接続したことを特徴と
する。

〔作用〕

このような構成によると、電極部は空気供給手段により
供給された空気によって強制的に冷却されるので、酸化
が防止され、長寿命となる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の詳細を、図面に示す実施例にもとづき説明
する。

第１図ないし第６図は本発明の第１実施例を示すもの
で、第６図は粒子捕集浄化装置の全体の構成を示してあ
るので、まずこれから説明する。

微粒子捕集浄化装置は、フィルタケース１と、フィルタ
２、フィルタ２の排ガス上流側に接して設けられた加熱
装置３および排ガス導入管４を主な構成要素とする。

フィルタケース１は、円筒状の鋳物製で、一端にフラン
ジ５を備えるとともに、他端に排ガス排出管６を一体に
有する。この排ガス排出管６の端部にはフランジ７を形
成してある。

フィルタ２は、フィルタケース１内に断熱クッション材
８および断熱シール材９、10を介して充填されている。
このフィルタ２は、たとえばコージェライト質の多孔質
発泡セラミックスからなる。

排ガス導入管４は一端に排ガス流入口11を備え、両端に
それぞれフランジ12、13を備えている。

加熱装置３は、上記フィルタケース１のフランジ５と、
上記排ガス導入管４のフランジ12の間にシール材14，15
を介して挟持されている。

なお、フィルタケース１の排ガス排出管６に設けられた
フランジ７および排ガス導入管４のフランジ13は、それ
ぞれ図示しないエンジンの排気管に接続され、排ガスが
矢印Ａ方向に流れるようになっている。

上記加熱装置３の構造は第１図ないし第５図に示され、
以下これについて説明する。

加熱装置３は、ヒータケース20と、少なくとも１個、た
とえば４個の導電性セラミック素子ヒータ21…と、上記
ヒータケース20との間で導電性セラミック素子ヒータ21
…を保持するホルダーリング22と、スクリューキャップ
23およびこのスクリューキャップ23とヒータケース20の
間に介挿された絶縁リング24とで構成されている。

各導電性セラミック素子ヒータ21…は、フィルタ２の上
流側端面を略扇形に均等に分割した部分に配置され、こ
れら導電性セラミック素子ヒータ21は、それぞれ平面略
Ｖ字形状を成している。このＶ字型の両端部には電極24
ａ，24ｂが各々ろう付けにより接合されている。この場
合、本実施例においては、第２図および第３図に示すよ
うに、各電極24ａ，24ｂは、図示の上方に向かって突出
されている。

そして導電性セラミック素子ヒータ21…は、上記電極24
ａ，24ｂに連なるＶ字状の部分が発熱部となっており、
Ｖ字形部分に囲まれた箇所は排ガスが通過できるように
なっている。

なお、上記導電性セラミック素子ヒータ21…は以下のよ
うにして作ることができる。すなわち、例えば、ＴｉＮ
粉末３０重量％とＳｉ３ Ｎ４７０重量％とを、ポリビ
ニルブチラールとジブチルフタレートとエタノールより
なる有機物バインダに分散させてスラリーを作り、この
スラリーをドクターブレード法により板状に成形し、こ
れを打抜法により所定形状に加工した後、窒素ガスなど
の不活性ガス雰囲気中で１７５０℃程度の温度で約２時
間加熱焼成することにより得られる。

このような構造の上記導電性セラミック素子ヒータ21…
は、両端部が上述したヒータケース20に支持され、その
発熱部が排気通路の中心部に向かって、排ガスの流れに
垂直となるように配置される。したがって各導電性セラ
ミック素子ヒータ21…は排気通路の周方向に間隔を存し
て配置される。この場合、隣接する発熱部相互間に隙間
が形成され、これら隙間と、上記Ｖ字形部分に囲まれた
部分とにより、排ガスの通過を許す通路が確保される。

しかして、導電性セラミック素子ヒータ21…をヒータケ
ース20に取付ける構造について説明する。

ヒータケース20は例えば鋳鉄よりなるリング形をなして
おり、その周囲の１箇所に端子取付け部25が形成されて
いるとともに、同じく周囲の互いに対向する２か所に冷
却空気取入れ部26が形成されている。

また、ヒータケース20には、第２図および第３図に示す
図示の上下方向の中間部には中心方向に向かって伸びる
リング形の張り出し部27が形成されており、かつ上部内
周面に全周に亙って雌ねじ部28が設けられている。

上記張り出し部27の図示下面には、スピネル、アルミナ
等のセラミック溶射による絶縁被膜29が形成されている
とともに、この張り出し部27には、周方向に離間して、
前記電極24ａ，24ｂが挿通される挿通孔30ａ…、30ｂ…
が設けられている。

一方の挿通孔30ａ…は、これに挿入される電極24ａが挿
通孔30ａの内面に接触しないように、電極24ａの太さよ
りも充分に大きな径を有しており、他方の挿通孔30ｂ…
は、これに挿入される電極24ｂが嵌挿される大きさを有
している。そして、上記一方の電極24ａは挿通孔30ａを
遊挿されており、その上端にニッケル製のリード線31が
溶接されており、プラス電極となっているとともに、他
方の電極24ｂは挿通孔30ｂを嵌挿され、張り出し部27に
溶接されてアース電極をなしている。

このため、一方の電極24ａは張り出し部27に対し電気的
に絶縁されており、他方の電極24ｂは張り出し部27に対
し固定されている。

上記導電性セラミック素子ヒータ21…は、上記ヒータケ
ース20の張り出し部27と、この張り出し部27の下部に位
置してこのヒータケース20に固定されたホルダーリング
22との間に挟持されている。

ホルダーリング22は金属製であり、ヒータケース20に対
して図示しないボルトにより取付けられている。ホルダ
ーリング22の上面にはスピネル、アルミナ等のセラミッ
ク溶射による絶縁被膜32が形成されているとともに、前
記各電極24a，24bと対向すべく周方向に離間して、凹部
33…が設けられている。

これら各凹部33…には、クッション材34およびこのクッ
ション材34を覆う絶縁セラミック製の絶縁キャップ35が
収容される。

上記導電性セラミック素子ヒータ21…の下面は上記絶縁
キャップ35に当接しており、したがってこれら導電性セ
ラミック素子ヒータ21…は、実質的に張り出し部27と上
記絶縁キャップ35の間に挟持されている。

ヒータケース20の雌ねじ部28には、リング形をなした金
属製のスクリューキャップ23がねじ込まれる。

スクリューキャップ23は外周面に雄ねじ部36を有し、内
側面には、図示下向きに突出する保持壁37を備えてい
る。このスクリューキャップ23の下面には、スピネル、
アルミナ等のセラミック溶射による絶縁被膜38を形成し
てある。

このようなスクリューキャップ23は、その雄ねじ部36を
上記ヒータケース20の雌ねじ部28に螺着した場合、この
スクリューキャップ23と上記張り出し部27の間で、前述
した絶縁リング24を挟持する。

絶縁リング24は、窒化ケイ素またはアルミナ等の絶縁性
セラミックからなり、本実施例においては周方向に２分
割されており、その周方向両端部を互いに衝合させるこ
とにより全周に亙ってリング形をなすようになってい
る。

絶縁リング24には、前述したヒータケース20の張り出し
部27に形成した一方の電極24ａを遊挿させた挿通孔30a
に連通して、電極挿入孔39…が形成されている。

そして絶縁リング24の上面には、これら電極挿入孔39…
に連なるリード線引き回し用ガイド溝40…が形成されて
いる。リード線引き回し用ガイド溝40…の他端は、前述
したヒータケース20の端子取付け部25と対向するように
導かれている。

これらリード線引き回し用ガイド溝40…には、上記導電
性セラミック素子ヒータ21…の一方の電極24ａに接続さ
れたリード線31が挿通され、これらリード線31…は、上
記端子取付け部25に取付けた端子41…に接続されてい
る。なお、42はコネクタである。

ヒータケース20に形成した前記冷却空気取入れ部26，26
には、第４図にも示されるように、冷却空気導入通路4
5，45が形成されている。これら冷却空気導入通路45，4
5は、ヒータケース20の周囲に沿ってその周壁に形成さ
れており、上記電極24ａ、24ｂに向かう冷却空気吹出口
46…を分岐している。

冷却空気導入通路45には、パイプコネクタ47を介して冷
却空気供給パイプ48が接続されており、この冷却空気供
給パイプ48の先端には、冷却空気供給手段としてのリー
ドバルブ49が接続されている。

リードバルブ49は、第５図に示すように、バルブケース
50内に、フィルター51および弾性変形自在なプレートバ
ルブ52を収容してなり、このバルブケース50はゴムチュ
ーブ53を介して上記冷却空気供給パイプ48に接続されて
いる。

上記プレートバルブ52は後述するが、ヒータケース20内
を流れる排ガスの脈動により開閉作動する。

上記のような構造の加熱装置３を、フィルタ２の上流側
に設置することにより微粒子捕集浄化装置が完成され
る。

このような構成による本実施例の微粒子捕集浄化装置
は、内燃機関の排ガス系に結合され、排ガス導入管４の
排ガス流入口11より排ガスを導入し、この排ガス中の微
粒子をフィルタ２の表面に捕束する。フィルタ２の表面
に捕集された微粒子により、フィルタ２の気孔が狭くな
ると、つまりフィルタ２が目詰まりすると、コネクタ42
を通じてリード線31…に電流を流す。

この場合、各リード線31…には間欠的にかつ順番に電流
を流す。これにより各導電性セラミック素子ヒータ21…
が間欠的にしかも順次発熱する。このような導電性セラ
ミック素子ヒータ21…の発熱にり、上記フィルタ２の上
流端面が加熱され、この部分に捕集されている微粒子が
燃焼を開始し、その部分が発火点となって下流側のフィ
ルタ２表面に付されている微粒子も燃焼されて除去され
る。

よって、フィルタ２が再生されることになる。

上記のような実施例の構成によると、エンジンの運転中
に排ガス系には排気脈動圧が発生することは知られてい
る。この脈動圧はヒータケース20の排気通路にも発生す
るので、導電性セラミック素子ヒータ21…とホルダーリ
ング22および張り出し部27との隙間を通じて冷却空気吹
出口46…から冷却空気導入通路45に伝えられ、リードバ
ルブ49のプレートバルブ52に作用する。

脈動圧により冷却空気導入通路45が負圧となった場合、
プレートバルブ52が開作動し、外部の空気を導入する。
そして脈動圧により冷却空気導入通路45が正圧となった
場合、プレートバルブ52が閉じ、導入した空気の流出を
阻止する。このため、リードバルブ49は、排ガスの脈動
圧によりポンピング作用をなし、外気を取り入れる。

冷却空気導入通路45に取り入れられた空気は、それぞれ
冷却空気吹出口46…を通じて電極24ａ、24ｂ部分に噴出
される。

排ガス温度は最高８００℃〜９００℃にも達し、これに
より電極24ａ、24ｂ部分は高温雰囲気にさらされるとと
もに、導電性セラミック素子ヒータ21…の自己発熱によ
り電極24ａ、24ｂ部分は加熱されるが、上記冷却空気吹
出口46…を通じて電極24ａ、24ｂ部分に噴出される外部
空気が相対的に低温度であるから、電極24ａ、24ｂ部分
は強制的に冷却され、高温度に達することが防止され
る。

したがって、電極24ａ、24ｂやろう材の酸化が防止され
る。

たとえば、各電極24ａ、24ｂごとに毎分５程度外部空
気を噴射すれば、排気量２．４級のターボ付ディーゼ
ルエンジンの場合、２５００〜３０００ｒｐｍの全負荷
の条件の下で、電極の温度を１００℃〜２００℃程度低
減可能であることが確認されている。

第７図および第８図は、本発明のそれぞれ他の実施例を
示すもので、電極部分の断面図を示す。これら第７図お
よび第８図に示すそれぞれは、電極回りにセラミック繊
維や金属メッシュ等にシール材を70…，80を配設し、排
ガスが電極部へ流入することを低減したものである。

なお、これらの構造において、冷却空気吹出口46…も遮
蔽されることから冷却空気導入通路45に排ガスの脈動圧
が効果的に伝達されない場合には、リードバルブ49に代
わって、エアーポンプを使用するようにしてもよい。

エアーポンプの場合は、格別な駆動力を必要とするか
ら、排ガスの温度が所定値以上に上昇した場合、または
導電性セラミック素子ヒータ21…の発熱作動中のみエア
ーポンプを駆動して冷却空気を供給するようにしてもよ
い。

第９図は、さらに本発明の他の実施例を示す加熱装置の
平面図である。前記第１実施例における第１図に示した
冷却空気取入れ部26は、ヒータケース20の外周部に２か
所形成したが、このようにすると冷却空気導入通路45を
ヒータケース20の周壁に略２分の１周に亙って形成しな
ければならず、冷却空気導入通路45の長さが長くなり、
しかもヒータケース20も温度上昇するものであるから、
冷却空気導入通路45を通過中に導入空気が温度上昇して
しまい冷却効率が低くなる心配がある。

これに対し、第９図の実施例では、冷却空気取入れ部26
を各電極部毎に形成し、冷却空気導入通路45を可能な限
り短くしたものである。

また、第９図に示した通り、冷却空気取入れ部26…や端
子取付け部25…は、その数や配置位置、方向等は車両に
対する搭載性を考慮して種々の変形、設計変更が可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ヒータケースに、
導電性セラミック素子ヒータの電極部に通じる冷却空気
導入通路を形成し、この冷却空気導入通路に空気供給手
段を接続して、電極部を空気供給手段により供給された
空気によって強制的に冷却するようにしたから、排ガス
の温度や導電性セラミック素子ヒータの発熱により電極
部分が酸化されることが防止され、長寿命となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図ないし第６図は第
１の実施例に係り、第１図は加熱装置の平面図、第２図
および第３図はそれぞれ第１図中II−II線およびIII−I
II線の断面図、第４図は冷却空気取入れ部の断面図、第
５図はリードバルブの断面図、第６図は微粒子捕集浄化
装置の全体の断面図、第７図および第８図はそれぞれ本
発明の他の実施例を示す電極部回りの断面図、第９図は
本発明のさらに他の実施例を示す加熱装置の平面図であ
る。 １……フィルタケース、２……フィルタ、３……加熱装
置、20……ヒータケース、21……導電性セラミック素子
ヒータ、22……ホルダーリング、23……スクリューキャ
ップ、24……絶縁リング、24ａ，24ｂ……電極、26……
冷却空気取入れ部、27……張り出し部、45……冷却空気
導入通路、46……冷却空気吹出口、48……冷却空気供給
パイプ、49……リードバルブ。

フロントページの続き (72)発明者 影山 照高 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 今村 善彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 小端 喜代志 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高間 健一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 竹島 伸一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 実開 昭55−80894（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭62−49451（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭61−10646（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの排気系に、排ガス中に含まれる
   微粒子を捕集するフィルタを設置し、このフィルタの上
   流側に、少なくとも１個の導電性セラミック素子ヒータ
   を支持したヒータケースを取付け、上記フィルタで捕集
   した微粒子を上記導電性セラミック素子ヒータにより燃
   焼させて上記フィルタを再生加熱する排気微粒子捕集浄
   化装置において、上記ヒータケースに、上記導電性セラ
   ミック素子ヒータの電極部に通じる冷却空気導入通路を
   形成し、この冷却空気導入通路に空気供給手段を接続し
   たことを特徴とするエンジンの排気微粒子捕集浄化装
   置。
2. 【請求項２】上記空気供給手段は、排ガス圧力の脈動に
   より作動するリードバルブであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のエンジンの排気微粒子捕集浄化
   装置。