JPH0656098B2 - 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、ヒーターケースに
取付けられている。すなわち、ヒーターケースは、上記
フィルタに連通する排気通路を備えた金属製のリング形
をなしているとともに、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、このような導電
性セラミック素子ヒータは上記ヒータケースに、上記略
Ｖ字形をなす両脚部が固定された状態で、周方向に沿っ
て複数個取付けられている。

そして、上記導電性セラミック素子ヒータに通電して発
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような導電性セラミック素子ヒータをヒータケース
に取り付ける場合、導電性セラミック素子ヒータは脆性
が大きいので、これの両端を強直に固定すると、発熱時
の熱膨張により応力が発生して破損し易くなってしま
う。また、このような導電性セラミック素子ヒータを一
端のみで支持した場合は、耐振強度が不足する不具合が
あった。

本発明は、導電性セラミック素子ヒータの発熱時の熱膨
張を許容し、かつ耐振強度を保ち、導電性セラミック素
子ヒータの破損を防止した信頼性の高いエンジンの排気
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、導電性セラミック素子ヒータの一端を上記ヒ
ータケースに通電可能に固定してこの一端をアース電極
とし、他端は絶縁体によって熱膨張する方向に摺動可能
に支持し、この他端にリード線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、導電性セラミック素子ヒータ
は、他端が摺動可能に支持されているので熱膨張が可能
となり、応力の発生を防止するとともに、この他端は摺
動可能であるにも拘らず機械的な支持がなされているの
で耐振強度が大きくなる。

〔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５図は本発明の第１実施例を示すもの
で、第５図に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４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６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31と、スクリューキャップ
22およびこのスクリューキャップ22とヒータケース20の
間に介挿された絶縁リング23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Ｓｉ３Ｎ４７０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、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26を有しており、かつ上部内周面に全周に亙っ
て雌ねじ部27が設けられている。

上記張り出し部26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28が形成されている
とともに、この張り出し部26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29ａ…、29ｂ…
が設けられている。

一方の挿通孔29ａ…は、これに挿入される電極24ａが径
方向および周方向に移動可能なように、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29ｂ
…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29ａ
を遊挿されており、その上端にニッケル製のリード線30
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29ｂを嵌挿され、張り出し部26
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26に対し移動可
能であるが、他方の電極24ｂは張り出し部26に対し固定
されている。換言すれば、導電性セラミック素子ヒータ
21…の一端は、ヒータケース20に対し移動可能である
が、他端はヒータケース20に対し強固に固定されてい
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26と、この張り出し部26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
31との間に挟持されている。

ホルダーリング31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31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26と上
記絶縁キャップ35の間に挟持されていて、絶縁キャップ
35がクッション材34により押圧されているため、導電性
セラミック素子ヒータ21…は摺動可能に支持されてい
る。ただし、アース電極24ｂが張り出し部26に溶接され
ているため、導電性セラミック素子ヒータ21…の他端は
摺動不能となり、一端のみ摺動可能である。

ヒータケース20の雌ねじ部27には、リング形をなした金
属製のスクリューキャップ22がねじ込まれる。

スクリューキャップ22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22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。

なお、45は、スクリューキャップ22をヒータケース20に
ねじ込む場合、または取り外す場合に、図示しない治具
が差し込まれるための孔である。

このようなスクリューキャップ22は、その雄ねじ部36を
上記ヒータケース20の雌ねじ部27に螺着した場合、この
スクリューキャップ22と上記張り出し部26の間で、前述
した絶縁リング23を挟持する。

絶縁リング23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23には、前述したヒータケース20の張り出し
部26に形成した一方の電極24ａを遊挿させた挿通孔29ａ
に連通して、電極挿入孔39…が形成されている。これら
電極挿入孔39…は、これに挿入される上記電極24ａが径
方向および周方向に移動可能となるような大きさを有し
ている。

そして絶縁リング23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30が挿通され、これらリード線30…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。

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30…に電流を流す。

この場合、各リード線30…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…の発熱により、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表面に付着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、導電性セラミック
素子ヒータ21…は、ヒータケース20の張り出し部26とホ
ルダーリング31との間で挟持される。この場合、導電性
セラミック素子ヒータ21…の両端に接合した電極24ａ、
24ｂのうち、その一方の電極24ａは挿通孔29ａに移動自
在に遊挿されており、他方の電極24ｂは挿通孔29ｂを嵌
挿され、張り出し部26に溶接されてアース電極をなして
いるから、導電性セラミック素子ヒータ21…の一端は、
ヒータケース20に対し移動可能であるが、他端はヒータ
ケース20に対し強固に固定されている。しかも、導電性
セラミック素子ヒータ21…は、張り出し部26とホルダー
リング31に取付けた上記絶縁キャップ35の間で摺動可能
に支持されているものであるから、導電性セラミック素
子ヒータ21…の一端は摺動可能であり、かつ他端は強固
に固定されることになる。

この結果、導電性セラミック素子ヒータ21…が自己発熱
および排ガスの熱を受けて熱膨張および収縮した場合、
一端が径方向や周方向に摺動することにより熱膨張およ
び収縮を許容することになるから、導電性セラミック素
子ヒータ21…に応力を発生させず、破損を防止する。

しかも導電性セラミック素子ヒータ21…は、一端が摺動
可能であるといえども、張り出し部26とホルダーリング
31に取付けた上記絶縁キャップ35の間で摺動可能に支持
されているため機械的支持が成されており、よって両端
支持の状態となるので振動や衝撃が伝えられても安定し
て支持される。

なお、リード線30を、太い単線のものを使用せず、小さ
な素線のものを複数本より合せたより線とすれば、剛性
が低くなるから導電性セラミック素子ヒータ21…の一端
の摺動が一層容易になる。

また、ホルダーリング31に取付けた上記絶縁キャップ35
およびクッション材34によって導電性セラミック素子ヒ
ータ21…の下面を押圧する構造であると、アース電極24
ｂが挿通孔29ｂから突出する高さを高精度に規制するこ
とができ、アース電極24ｂとヒータケース20の確実な溶
接を可能にする。

第６図は、本発明の第２の実施例を示すプラス電極部分
の断面図を示す。上記第１の実施例では、絶縁キャップ
35およびクッション材34を使用したが、本実施例ではホ
ルダーリング31の周囲に、導電性セラミック素子ヒータ
21…の厚さｔよりわずかに大きな高さをもつスペーサ部
50を形成することにより、上記導電性セラミック素子ヒ
ータ21…のプラス電極24ａ部分に過度な挟持圧力が加わ
らないようにしている。

このようにすれば、第１の実施例における絶縁キャップ
35およびクッション材34を省略しても、導電性セラミッ
ク素子ヒータ21…のプラス電極24ａ側端部を摺動可能に
支持することができる。

なお、スペーサ部50はヒータケース20側に形成したり、
別の部品で構成してもよい。

第７図ないし第１１図は本発明の第３の実施例を示す。

この第３実施例では、張り出し部26をヒータケース20の
下端部に、中心方向に向けて突設してあり、この張り出
し部26と絶縁リング23の間で導電性セラミック素子ヒー
タ21…を挟持している。

また、導電性セラミック素子ヒータ21…は、第８図に示
すように、その両端がそれぞれ広く形成されており、こ
れら両端に取着したプラス電極24ａおよびアース電極24
ｂに対し、平面方向から見て、それぞれ重なり合わない
位置に絶縁キャップ35およびクッション材34が設けられ
ている。

プラス電極24ａは、第９図に示すように、フランジ60と
固定子61とで導電性セラミック素子ヒータ21…の一端を
挟み付けるようにしてろう付けにより取付けられてお
り、アース電極24ｂは第１０図に示すように、フランジ
形スペーサ62と固定子63とで導電性セラミック素子ヒー
タ21…の他端を挟み付けるようにしてろう付けされてい
るとともに、このアース電極24ｂはナット64を用いて張
り出し部26に固定されている。

このように、電極24ａ、24ｂの取付け構造や、導電性セ
ラミック素子ヒータ21…の挟持構造は、先に説明した第
１の実施例の構造に限らず、種々の変形が可能である。

さらに、導電性セラミック素子ヒータ21の形状は、平面
略Ｖ字形のものに限らず、第１２図に示すようなハニカ
ム構造の直線形（棒状、線状）のものであってもよい。

なお、上記各実施例では、絶縁リング23を周方向に２分
割したものについて説明したが、絶縁リング23は３分割
以上にしてもよく、または一体に形成してもよい。

さらに、絶縁リング23は軸方向に１枚だけ使用したが、
軸方向に２枚使用し、これら２枚の絶縁リング間に導電
性セラミック素子ヒータ21…を挟持するようにしてもよ
く、この場合はセラミック溶射による絶縁膜を省略する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、導電性セラミック
素子ヒータの一端を上記ヒータケースに通電可能に固定
してこの一端をアース電極とし、他端は絶縁体によって
熱膨張する方向に摺動可能に支持し、この他端にリード
線を接続したから、導電性セラミック素子ヒータは、熱
膨張、収縮が可能となり、応力の発生を防止するととも
に、この他端は摺動可能であるにも拘らず機械的な支持
がなされているので耐振強度が大きくなる。したがって
導電性セラミック素子ヒータの破損が防止され信頼性が
向上する。

【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５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図はスクリューキャップを外した状
態の加熱装置の平面図、第５図は微粒子捕集浄化装置の
全体の断面図、第６図は本発明の第２の実施例を示し、
プラス電極部分の断面図、第７図ないし第１１図は本発
明の第３の実施例を示し、第７図は加熱装置の平面図、
第８図は導電性セラミック素子ヒーターの取付け部分の
平面図、第９図ないし第１１図はそれぞれ第８図中IX−
IX線、X−X像およびXI−XI線の断面図、第１２図は導電
性セラミック素子ヒータの他の例を示すための加熱装置
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……スクリューキャップ、23……セラミック
製絶縁リング、24ａ……プラス電極、24ｂ……アース電
極、26……張り出し部、28，32，38……セラミック溶射
絶縁膜、29ａ，29ｂ……電極挿通孔、…クッション材、
35……絶縁キャップ。

───────────────────────────────────────────────────── 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59−170614（ＪＰ，Ｕ)

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、上記導電性セラミック素子ヒータは、
   その一端を上記ヒータケースに通電可能に固定してこの
   一端をアース電極とし、他端は絶縁体によって熱膨張す
   る方向に摺動可能に支持し、この他端にリード線を接続
   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】上記導電性セラミック素子ヒータの少なく
   とも一面を押える絶縁体をクッション体によって押圧し
   た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。