JP3826661B2

JP3826661B2 - ディーゼルパティキュレートフィルター

Info

Publication number: JP3826661B2
Application number: JP2000098132A
Authority: JP
Inventors: 正志我部; 隆雄小平
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001280120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス浄化装置に使用されるディーゼルパティキュレートフィルターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（ＰＭ：微粒子状物質）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、この厳しくなる規制値に対して、エンジンの改良だけでは対応が困難になってきている。
【０００３】
そのため、エンジンから排出される排ガス中のＰＭをＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター：Diesel Particulate Filter ）と呼ばれるフィルターで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００４】
このＰＭを直接捕集するフィルターには、セラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルターや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型フィルタータイプのフィルター等がある。
【０００５】
しかし、このＰＭ捕集用のフィルターは、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量に比例して排ガス圧力が上昇するので、捕集したＰＭを電気ヒーターやバーナー等の熱源で加熱して燃焼したり、あるいは、逆洗用圧縮空気等により再生処理して、フィルターからＰＭを除去する必要がある。
【０００６】
図１２に、従来技術の電気ヒーター加熱タイプのＤＰＦフィルターを使用した排ガス浄化装置30の一例を示す。この例では、エンジン11から出た排気管15は二系統の第１排気管31ａと第２排気管31ｂに別れる。この両方の排気管31ａ，31ｂには、それぞれ第１シャッターバルブ32ａと第２シャッターバルブ32ｂ、第１電気加熱ヒーター33ａと第２電気加熱ヒーター33ｂ、第１フィルター34ａと第２フィルター34ｂが設けられており、その下流で両系統の第１排気管31ａと第２排気管31ｂは合流し、消音器12に接続している。
【０００７】
この従来の排ガス浄化装置30では、図１２に示すように、先ず、第１排気管31ａの第１シャッターバルブ32ａを開けて燃焼排ガスＧを第１フィルター34ａに流し、この第１フィルター34ａでＰＭを捕集する。この排ガス浄化装置30では、第１及び第２フィルター34ａ，34ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルターで形成されているので、燃焼排ガスＧ中のＰＭは多孔質のセラミックの壁でトラップされ捕集される。なお、繊維型フィルタータイプを採用した場合には、フィルターの繊維でＰＭをトラップして捕集する。
【０００８】
そして、この時、もう一方の第２排気管31ｂでは、第２シャッターバルブ32ｂを閉じ、燃焼排ガスＧの導入を止めると共に第２電気ヒーター33ｂに通電して第２フィルター34ｂを加熱し、それと共に、排ガス制御弁35の弁開度を調整して適量の燃焼排ガスＧを第２フィルター34ｂ側に導入し、ＰＭ再燃焼用の酸素を供給し、この酸素量の調整によりＰＭの燃焼状態を制御しながら、事前に捕集したＰＭを燃焼して、第２フィルター34ｂを再生する。
【０００９】
この第１及び第２シャッターバルブ32ａ，32ｂの開閉の切替えは、ＰＭを捕集しているフィルターにＰＭが溜まり、規定の排気圧力以上に排圧が上昇した時に行い、順次、第１及び第２シャッターバルブ32ａ，32ｂの開閉の切替えによって、燃焼排ガスＧが流れる流路31ａ，31ｂを切替えて、また、この切替えに応じて再生側の第１及び第２電気ヒーター33ａ，33ｂへの通電を切替えることにより再生と捕集を繰り返しながら継続していく。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この図１２に例示したような従来技術の排気ガス浄化装置では、排気系を二系統を設けて、交互にＰＭ捕集と再生とを別々の独立した排気系で行う構成であるため、排気浄化システムが大型で複雑になるという問題と、また、可動部を有する切替えバルブ等が有るため耐久性の面における問題がある。
【００１１】
また、排気通路を二系統設けているために、一つのフィルターのＰＭ捕集量が多くなってしまうので、再燃焼の時の燃焼制御が難しくなるという問題がある。
【００１２】
更に、電気ヒーターによる再生加熱では、フィルター全体を同時に加熱しているので、加熱に要する電気エネルギーが大きくなり、エンジンシステムの全体としての効率が低下するという問題がある。
【００１３】
その上、排圧上昇を検知してから加熱再生を行なうので、エンジンの燃費が悪化する。特に、排ガス流量、温度等のエンジンの運転条件によって再生能力が影響されるので、安定したＰＭ再生を行なうことができないという問題がある。
【００１４】
一方、発明者らは、ＰＭ中の炭素（スス）は導電性であるので、この性質を利用して、捕集したＰＭに直接高電圧を加えることにより、ＰＭ自体に電流を流すことができ、この電流により加熱すれば、ＰＭを燃焼させることができると考えた。
【００１５】
本発明は、この知見を得て、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、フィルターで捕集しながら、部分的に堆積したＰＭを通電により加熱して燃焼させて再生処理することにより、ＰＭ再生を低エネルギーで行うことができるディーゼルパティキュレートフィルターを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するためのディーゼルパティキュレートフィルターは、次のように構成される。
【００１７】
ディーゼルエンジンの燃焼排ガス中のパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルターであって、パティキュレート捕集手段を正負交互に配設された電極の間に設けると共に、該電極によって前記パティキュレート捕集手段により捕集されたパティキュレートに通電することによって、該捕集されたパティキュレートを加熱し燃焼させて、前記パティキュレート捕集手段を再生させるディーゼルパティキュレートフィルターにおいて、前記電極は、正負交互に配設された電極線からなり、前記パティキュレート捕集手段は前記電極線にフィルターとなる繊維を巻き付けて被覆して形成した糸状の非導電性繊維からなるように構成する。
【００２０】
以上の構成によれば、接近して設置した積層電極板や電極板等の電極の間に高電圧を印加しておくことにより、ＰＭ中の炭素（スス）の導電性を利用して、この電極の間に捕集したＰＭに、直接電流を流すことができ、しかも、この電流はＰＭ捕集量の増加により増加し発熱量も大きくなるので、捕集ＰＭを加熱して燃焼することができる。
【００２１】
これにより、ＰＭ捕集量が所定の値以上になって通電量が多くなった部分のみを加熱再生して、フィルターの再生を行うことができる。
【００２２】
そのため、フィルターで捕集しながら、部分的に堆積したＰＭを燃焼させて再生処理ができるので、低エネルギーでＰＭ再生が行えることになり、また、再生用と捕集用の二系統の排気通路を廃止できるので、フィルターシステムの小型化が可能となる。
【００２３】
また、捕集量が多くなると自動的にその部分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルター全体の圧力損失が大きくならず、排圧上昇が少ないという効果も得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明のディーゼルパティキュレートフィルターの実施の形態について説明する。
【００２５】
〔参考例〕
本発明の参考となるディーゼルパティキュレートフィルターは、電極板型高電圧再生フィルターとも言うべきである。
【００２６】
このディーゼルパティキュレートフィルター１は、図１〜図３に示すように、セラミック等の絶縁物質で形成された円筒状のフィルター支持台２に、正負交互に配設された積層電極板３と、これらの電極板３の間に配置した長繊維フィルター部４を支持して構成される。
【００２７】
このフィルター支持台２は円筒の円周壁２ａに通気に十分な大きさと個数を持つ通気穴２ｂが開口し、一端側に開放して排ガス入口２ｃを設け、他端側は閉鎖して形成する。
【００２８】
この長繊維フィルター部４は、円周壁２ａの外周に、セラミックファイバー長繊維５の毛羽立った糸を一定の厚さで巻き付けて、ＰＭを捕集するように形成する。
【００２９】
また、電極板３は、長繊維フィルター部４を挟んで、一定間隔で設置される。この各電極板３は、電気配線３ａにより正（＋）負（−）交互に電圧を加えて、長繊維フィルター部４に捕集されたＰＭに通電できるように構成する。
【００３０】
次に、このディーゼルパティキュレートフィルター１のＰＭ捕集、再燃焼のメカニズムを図４と図５で説明する。
【００３１】
図４に示すように、エンジンから排出された排ガスＧは、フィルター支持台２の開放端の排ガス入口２ｃから入り、通気穴２ｂ経由で内側から外に抜ける時に長繊維フィルター部４を通過し、セラミックファイバー長繊維５によってＰＭが捕集される。これにより、排ガス中のＰＭが除去され排ガスが浄化される。
【００３２】
このセラミックファイバー長繊維５は電気抵抗が大きいので、ＰＭが捕集されていない時には、積層電極３間には電流が流れず、通電による発熱も電気消費も生じない。
【００３３】
そして、ＰＭは電気抵抗が低く導電性があるため、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰＭがある程度蓄積すると、図５に示すように、ＰＭの捕集量に応じて積層電極３間に電流が流れるので、ある一定以上のＰＭが捕集されるとその部分の電流が大きくなり、発熱量が増え温度が高くなり、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰＭを燃焼除去して長繊維フィルター部４の捕集能力と通気性能を再生させる。
【００３４】
このＰＭの燃焼は、通電によりＰＭが燃焼する６００℃以上の温度に上昇させて、流入して来る燃焼排ガスＧ中に含まれる少量の酸素を使用して、再燃焼することにより行われる。
【００３５】
〔実施の形態〕
本発明の実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルターは、電極線型高電圧再生フィルターとも言うべきである。
【００３６】
このディーゼルパティキュレートフィルター１Ａは、図６〜図７に示すように、金属等の物質で形成された円筒状のフィルター支持台２Ａに、線状のフイルター部材７を巻き付けて形成する。
【００３７】
このフィルター支持台２Ａは円筒の円周壁２ａに通気に十分な大きさと個数を持つ通気穴２ｂを開口し、一端側に開放して排ガス入口２ｃを設け、他端側は閉鎖する。
【００３８】
また、この線状のフィルター部材７は、図９に示すように、中心に電極線６を配置すると共に、この電極線６を長繊維セラミックス繊維のセラミックスファイバー長繊維５の毛羽立った糸を一定の厚さで巻き付けて被覆して形成する。
【００３９】
この中心に電極線６を有するフィルター部材７を、フィルター支持台２Ａに巻き付けているので、電極線６は一定間隔でセラミックファイバー長繊維５を挟んで設置される。そして、この電極線６に対して、正（＋）負（−）電圧を交互に加えて隣接する電極線６の間に電圧が生じるように構成する。
【００４０】
このディーゼルパティキュレートフィルター１ＡのＰＭ捕集、再燃焼のメカニズムを図７と図８で説明する。
【００４１】
図７に示すように、エンジンから排出された排ガスＧは、フィルター支持台２Ａの開放端の排ガス入口２ｃから入り、通気穴２ｂ経由で内側から外に抜ける時にフィルター部材７の外側のセラミックファイバー長繊維５の部分を通過し、排ガスＧ中のＰＭが捕集される。これにより、排ガス中のＰＭが除去され排ガスが浄化される。
【００４２】
このセラミックファイバー長繊維５は電気抵抗が大きいので、ＰＭが捕集されていない時には、電極線６の間には電流が流れず、通電による発熱も電気消費も生じない。
【００４３】
そして、ＰＭは電気抵抗が低く導電性があるため、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰＭがある程度蓄積すると、図８に示すように、ＰＭの捕集量に応じて電極線６間に電流が流れるので、ある一定以上のＰＭが捕集されるとその部分の電流が大きくなり、発熱量が増え温度が高くなり、セラミックファイバー長繊維５に捕集されたＰＭを燃焼除去して、セラミックファイバー長繊維５の捕集能力と通気性能を再生させる。
【００４４】
次に、これらのディーゼルパティキュレートフィルター１，１Ａを車両排気系に設置した場合のレイアウトを図１１に示す。このディーゼルパティキュレートフィルター１，１Ａは他のフィルターシステムと同様にエンジン11と消音器12の間の排気管15の途中に設置される。
【００４５】
そして、その位置は、再生エネルギーを考慮するとエンジン11に近い位置が望ましい。また、ＰＭが捕集され、所定の捕集量以上になると、積層電極板３や電極線６の間の電気抵抗がＰＭによって低下し通電が生じ、その部分のＰＭが発熱して燃焼し再生が行われるように、積層電極板３や電極線６へ常時電圧をかけておくように構成する。
【００４６】
この再生用の通電の制御について説明する。
【００４７】
この電極への印加電圧は昇圧器によって電圧を上げているが、この印加電圧はＰＭ捕集量やエンジンの排気ガスの出口側排圧を検出ししながら、効率よくＰＭの再燃が生じるように、電子制御される。
【００４８】
図１０に印加電圧電子制御フローチャートを示す。このような印加電圧の制御により、エンジンの運転状態を示すエンジン回転、負荷等から排出ＰＭ量を算出して、ＰＭの多い運転条件が続く場合には、加電圧を上げ、ＰＭの再生を早めるように制御される。
【００４９】
この図１０に例示した印加電圧の制御フローについて説明する。
【００５０】
この制御フローがスタートすると、ステップＳ10で、初期印加電圧を印加し、ステップＳ11で排出ＰＭ量を初期化する。次に、ステップＳ12で回転数センサや負荷センサや圧力センサの出力値を読み込む。ステップＳ13でこの出力値の回転数や負荷から排出ＰＭ量を算出し、この排出ＰＭ量から排出ＰＭ量を積算する。
【００５１】
これらの値を使用して、ステップＳ14とステップＳ15で排圧と所定圧、排出ＰＭ量と所定量を比較し、排圧が所定圧より大きく、かつ、排出ＰＭ量が所定量より大きい場合に、ステップＳ16に行き、そうでない場合には、ステップＳ12に戻る。
【００５２】
ステップＳ16で電極印加電圧の上昇の指示を出力した後、ステップＳ17で高電圧通電時間カウンタをゼロにセットする。そして、ステップＳ18で高電圧通電時間をカウントし、ステップＳ19で高電圧通電時間が所定時間以上か否かをチェックし、所定時間以上になったら、ステップＳ20でキーがＯＦＦか否かを判定し、ＯＦＦでなけば、ステップＳ10に戻り、ＯＦＦであれば、制御をストップする。る。
【００５３】
なお、図示していないが、制御の途中においても適当な時間間隔で、キーのＯＮ／ＯＦＦをチェックしてＯＦＦであれば、制御をストップするように構成する。
【００５４】
以上の構成のディーゼルパティキュレートフィルター１，１Ａによれば、フィルター１，１Ａ全体を加熱することなく、堆積したＰＭを直接発熱させて加熱することができる。そのため、低エネルギーでＰＭ再生を行うことができる。
【００５５】
また、ＰＭ捕集量が多くなると自動的にその部分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルター全体の圧力損失が大きくなることを防止でき、フィルターをＰＭ捕集中に再生処理できるので、再生用と捕集用の二経路のフィルターシステムが必要なくなり、機構が単純化し、フィルターシステムを小型化できる。
【００５６】
また、耐久性等の面で問題となる切替えバルブ等の可動部を無くすことができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターによれば、次のような効果を奏することができる。
【００５８】
フィルター全体を加熱せず、ＰＭ捕集量が所定の値以上になって通電量が多くなった部分のみを加熱再生するので、低エネルギーでＰＭ再生を行うことができる。
【００５９】
また、捕集量が多くなると自動的にその部分が発熱し部分的に再生が行われるので、フィルター全体の圧力損失が大きくならないので、排圧上昇が少なく、エンジンの燃費の悪化が少ない。
【００６０】
そして、フィルターをＰＭを捕集中に再生できるので、再生用と捕集用の二経路のフィルターシステムが必要なくなり、機構が単純化し、フィルターシステムを小型化でき、また、切替えバルブ等の可動部が無くなるので、耐久性等の問題を生じない。
【００６１】
この小型化により、従来は適用が困難であった小型ディーゼル自動車に対してもディーゼルパティキュレートフィルターシステムを使用できるようになる。
【００６２】
そして、従来技術の最大の欠点である、排ガス流量、温度等のエンジンの運転条件によって再生能力が影響され、安定したＰＭ再生が行われないという問題点を解決し、どんな運転条件でも、何時でも安定した確実なＰＭ再生を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考となるディーゼルパティキュレートフィルターの構成図である。
【図２】図１のディーゼルパティキュレートフィルターの構造を示す分解構成図である。
【図３】図１のディーゼルパティキュレートフィルターの構造を示す断面図である。
【図４】図１のディーゼルパティキュレートフィルターによる排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的部分断面図で、ＰＭが捕集されない時を示す。
【図５】図１のディーゼルパティキュレートフィルターによる排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的部分断面図で、ＰＭが捕集されている時を示す。
【図６】本発明の実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルターの構造を示す断面図である。
【図７】図６のディーゼルパティキュレートフィルターによる排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的部分断面図で、ＰＭが捕集されない時を示す。
【図８】図６のディーゼルパティキュレートフィルターによる排ガス浄化の作用効果のメカニズムを示す模式的部分断面図で、ＰＭが捕集されている時を示す。
【図９】図６のディーゼルパティキュレートフィルターに使用されるフィルター部材の構成を示す図である。
【図１０】本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルターを使用した場合の印加電圧の制御フローを示すフローチャートである。
【図１１】排気ガス浄化装置の配置位置を示す自動車の構成図である。
【図１２】従来技術の排気ガス浄化装置の構成図である。
【符号の説明】
１，１Ａディーゼルパティキュレートフィルター
２，２Ａフィルター支持台
３積層電極板（電極）
４長繊維フィルター部（パティキュレート捕集手段）
５セラミックファイバー長繊維
６電極線（電極）
７フイルター部材（パティキュレート捕集手段）
11 ディーゼルエンジン

Claims

ディーゼルエンジンの燃焼排ガス中のパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルターであって、パティキュレート捕集手段を正負交互に配設された電極の間に設けると共に、該電極によって前記パティキュレート捕集手段により捕集されたパティキュレートに通電することによって、該捕集されたパティキュレートを加熱し燃焼させて、前記パティキュレート捕集手段を再生させるディーゼルパティキュレートフィルターにおいて、前記電極は、正負交互に配設された電極線からなり、前記パティキュレート捕集手段は前記電極線にフィルターとなる繊維を巻き付けて被覆して形成した糸状の非導電性繊維からなることを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルター。