(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを加熱する方法であって、前記フィルタを通過した排気ガスをボルテックス効果を利用して、高温ガスと低温ガスとに分離し、分離した前記高温ガスを前記フィルタに還流して該フィルタを加熱することを特徴とするＤＰＦ装置のフィルタ加熱方法。
【請求項２】
内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを再生する方法であって、前記フィルタを通過した排気ガスをボルテックス効果を利用して、高温ガスと低温ガスとに分離し、分離した前記高温ガスを前記フィルタに還流して該フィルタを加熱し、該加熱により、該フィルタの温度をパティキュレートの燃焼温度以上に加熱して、該フィルタに捕集したパティキュレートを燃焼除去することを特徴とするＤＰＦ装置のフィルタ再生方法。
【請求項３】
内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、該フィルタの昇温手段とを有するＤＰＦ装置であって、
前記昇温手段が、前記フィルタを通過した排気ガスを、ボルテックス効果を利用して高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックス効果発生手段と、該ボルテックス効果発生手段で分離した前記高温ガスを用いて前記フィルタを加熱する加熱手段とから構成されることを特徴とするＤＰＦ装置。
【請求項４】
前記加熱手段が、前記ボルテックス効果発生手段で発生した前記高温ガスを、前記フィルタの上流側に還流する還流通路であることを特徴とする請求項３記載のＤＰＦ装置。
【請求項５】
前記ボルテックス効果発生手段が、排気ガス入口と低温ガス出口を有する膨張旋回部と、該膨張旋回部に接続する旋回チューブと、該旋回チューブの他端側に接続し、高温ガス出口を有する流量調整バルブ部とから形成され、
前記膨張旋回部は、排気ガス入口から導入された排気ガスを断熱膨張させる拡張室と、該拡張室の内部に配置される渦流発生部材とで形成され、
該渦流発生部材は、排気ガスを高速旋回流にして前記旋回チューブに送り出す中心側から外周側へ貫通して設けられた旋回孔と、中心側に設けられた低温ガス排出通路と有して形成され、
前記流量調整バルブ部は、前記旋回チューブ内の外周側の高温ガスが前記高温ガス出口から排出される流量を調整するバルブであって、弁ケースと、該弁ケースに内挿される弁体と、該弁体を駆動して弁開度を調整するバルブ用アクチュエータとで形成されることを特徴とする請求項３又は４記載のＤＰＦ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラックやバス等のディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートを捕集するためのＤＰＦ装置のフィルタ加熱及び再生方法とＤＰＦ装置に関するものである。
【０００２】
より詳細には、フィルタ通過後の排ガスの熱エネルギーの一部を、フィルタの温度上昇に利用するＤＰＦ装置のフィルタ加熱及び再生方法とＤＰＦ装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
自動車等のディーゼルエンジンから排出される排ガス中には、カーボンと未燃ＨＣ等の合成物である数μｍ〜数十μｍのパティキュレート（ＰＭ：粒子状物質）が含まれているので、このパティキュレートの除去が公害防止の面から重要となっており、このパティキュレートの除去のために、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：Diesel Particulate Filter ）が用いられ、これを備えたＤＰＦ装置がエンジンの排気通路に配設されている。
【０００４】
このＤＰＦは、コーディエライトや金属多孔体（セルメット）や無機繊維材等から構成されるが、パティキュレートを捕集しつづけると、フィルタがこの捕集したパティキュレートにより目詰まりを起こすので、このＤＰＦの目詰まりの原因となっている捕集したパティキュレートを、何らかの方法により除去する必要がある。
【０００５】
このパティキュレートの除去方法は、従来技術では、主として、次に説明するような３つの方法で行っている。
【０００６】
第１の方法は、フィルタをセラミックス積層フィルタで形成し、複数のフィルタで排気通路を切換えながら、一方のフィルタでパティキュレートを捕集すると共に、他方のフィルタを電気ヒータで加熱して、堆積したパティキュレートを燃焼処理しながら、パティキュレート捕集とフィルタ再生を交互に繰り返し方法である。
【０００７】
第２の方法は、フィルタに固体フィルタを用い、この固体フィルタと酸化触媒とを組み合わせて、触媒作用に基づく化学反応とこの化学反応で発生する熱によりパティキュレートを処理する方法である。
【０００８】
第３の方法は、固体フィルタと燃料とは別な添加剤を用いてパティキュレートの燃焼を促進し、パティキュレートを処理する方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の方法では、フィルタユニットが２個以上必要となる上に、再生用の加熱ヒータユニットやこの加熱ヒータユニット専用の発電機が不可欠となるという問題があり、特に、既存のトラックやバスに後付けする場合に、追加して設置することが難しく、また、コストアップが避けられないという問題が生じる。
【００１０】
また、第２の方法では、酸化触媒が必要でコストがアップするという問題や、排気温度が低く化学反応の起こりにくい領域での再生方法等の問題がある。
【００１１】
そして、第３の方法においても、酸化触媒が必要でコストアップが避けられない上に、燃料とは別にパティキュレート燃焼用の添加剤を必要とするので第１の方法と同様に後付けには不向きであるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の従来技術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、熱力学的に実証されているボルテックス効果を応用することにより、排気ガスから高温ガスと低温ガスを生成分離して、この高温ガスの持つ熱をフィルタの加熱や、このフィルタ内に堆積したパティキュレートの燃焼に利用できるＤＰＦ装置のフィルタ加熱及び再生方法とＤＰＦ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
〔ＤＰＦ装置のフィルタ加熱方法〕
以上のような目的を達成するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置のフィルタ加熱方法は、内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを加熱する方法であって、前記フィルタを通過した排気ガスをボルテックス効果を利用して、高温ガスと低温ガスとに分離し、分離した前記高温ガスを前記フィルタに還流して該フィルタを加熱するように構成される。
【００１４】
この構成により、フィルタを通過した後の排ガスの熱を、フィルタの加熱に利用できるので、フィルタの温度を高温に維持することができる。そのため、触媒作用に基づく化学反応を促進したり、捕集したパティキュレートの再生用の熱源の一部乃至全部として利用できる。
【００１５】
〔ＤＰＦ装置のフィルタ再生方法〕
また、上記のような目的を達成するためのＤＰＦ装置のフィルタ再生方法は、内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタを再生する方法であって、前記フィルタを通過した排気ガスをボルテックス効果を利用して、高温ガスと低温ガスとに分離し、分離した前記高温ガスを前記フィルタに還流して該フィルタを加熱し、該加熱により、該フィルタの温度をパティキュレートの燃焼温度以上に加熱して、該フィルタに捕集したパティキュレートを燃焼除去するように構成される。
【００１６】
この構成によれば、フィルタの温度をパティキュレートの燃焼温度以上に加熱して、フィルタに捕集したパティキュレートを燃焼により除去できるので、ＤＰＦを連続再生できる。
【００１７】
〔ＤＰＦ装置〕
そして、上記のような目的を達成するためのＤＰＦ装置は、以下のように構成される。
【００１８】
内燃機関の排気通路の排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、該フィルタの昇温手段とを有するＤＰＦ装置であって、
前記昇温手段が、前記フィルタを通過した排気ガスを、ボルテックス効果を利用して高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックス効果発生手段と、該ボルテックス効果発生手段で分離した前記高温ガスを用いて前記フィルタを加熱する加熱手段とから構成される。
【００１９】
この構成によれば、フィルタを通過した後の排ガスの熱を、フィルタの加熱に利用できるので、フィルタの温度を高温に維持することができる。
【００２０】
この加熱手段としては、フィルタの周囲に設けた高温ガス用の通路や、フィルタの上流側に設けた排気ガスを加熱する熱交換器等も考えられるが、高温ガスをフィルタに還流するのが簡単である。
【００２１】
つまり、上記のＤＰＦ装置において、前記加熱手段が、前記ボルテックス効果発生手段で発生した前記高温ガスを、前記フィルタの上流側に還流する還流通路で構成される。
【００２２】
この構成によれば、非常にシンプルな構成で、フィルタの内部からフィルタを効率良く加熱することができる。
【００２３】
また、上記のＤＰＦ装置において、前記ボルテックス効果発生手段が、排気ガス入口と低温ガス出口を有する膨張旋回部と、該膨張旋回部に接続する旋回チューブと、該旋回チューブの他端側に接続し、高温ガス出口を有する流量調整バルブ部とから形成され、
前記膨張旋回部は、排気ガス入口から導入された排気ガスを断熱膨張させる拡張室と、該拡張室の内部に配置される渦流発生部材とで形成され、
該渦流発生部材は、排気ガスを高速旋回流にして前記旋回チューブに送り出す中心側から外周側へ貫通して設けられた旋回孔と、中心側に設けられた低温ガス排出通路と有して形成され、
前記流量調整バルブ部は、前記旋回チューブ内の外周側の高温ガスが前記高温ガス出口から排出される流量を調整するバルブであって、弁ケースと、該弁ケースに内挿される弁体と、該弁体を駆動して弁開度を調整するバルブ用アクチュエータとで形成される。
【００２４】
このボルテックス効果発生手段により、ボルテックス効果を利用して排気ガスを高温ガスと低温ガスに分離できる。
【００２５】
〔ボルテックス効果〕
以下、このボルテックス効果について、図２を参照しながら説明する。
【００２６】
このボルテックス効果とは、排気ガスから遠心力による断熱膨張の原理を応用して高温ガスと低温ガスを生成するものである。
【００２７】
このボルテックス効果発生手段の入口から膨張旋回部に入った排気ガスは、拡張室で断熱膨張すると共に、渦流駒によって渦流となり、旋回チューブ内を通って、流量調整バルブ部に向かって流れる。
【００２８】
この時に、高速旋回流は遠心力によって旋回チューブの内壁に押し付けられ、中心部との圧力差が生じ、渦流の中心部は台風と同じように、圧力の低い部分が旋回チューブの中心部分にパイプ状に形成される。
【００２９】
この渦流となった排気ガスの旋回流速は中央部も外側も同じであるため、中央部の角速度が高くなりエネルギーレベルも高くなると同時に熱となって外側にエネルギー移動が行われるので、外周部ほど温度が高くなり、中央部の旋回流の温度が低くなる。
【００３０】
流量調整バルブ部に到達した外側の高温ガスは、弁体の外周から排出され、内側の低温ガスは弁体に妨げられ、この弁体で跳ね返り、中心の圧力の低いパイプ状の部分を通って、渦流駒の低温ガス排出通路を通って排出される。
【００３１】
なお、流量調整バルブ部では、弁体をＡ方向に移動して少し開けると、最も外側の薄い層の高温ガスが排出され、更に開くと、中心部に近くなる低温ガスも排出されることになるので、弁開度によって、フィルタに戻すガスの温度と流量を調整できる。
【００３２】
なお、このボルテックス効果については、本発明に係るボルテックス効果発生手段を用いた基礎実験で、−４７℃から＋２４℃のエアを供給して、略リニアな関係で、供給したエアより平均で５０℃から５５℃高い、＋３．９℃から＋８７℃の高温エアを得ることができており、ボルテックス効果の発生を確認している。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明に係る実施の形態のＤＰＦ装置のフィルタ加熱及び再生方法とＤＰＦ装置について説明する。
【００３４】
〔ＤＰＦ装置の構成〕
最初に、本発明のＤＰＦ装置のフィルタ加熱方法及び再生方法を実施することができるＤＰＦ装置について説明する。
【００３５】
図１に示すように、このＤＰＦ装置１は、内燃機関の排気通路２に設けられたフィルタ３と、このフィルタ３の下流側の排気通路４に設けられたボルテックス効果発生手段である高温ガス発生装置５と、この高温ガス発生装置５から排出される高温ガス（熱風）Ｇ３をフィルタ３の上流側に還流する還流通路６と、高温ガス発生装置５から排出される低温ガス（冷風）Ｇ４を外部に排出する排気通路７とから構成される。
【００３６】
このフィルタ３は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライトで形成される固形フィルタであり、内燃機関から排出される排気ガスＧ１中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集する。
【００３７】
高温ガス発生装置５は、図１及び図２に示すように、膨張旋回部５１と、これに接続する旋回チューブ（分離パイプ）５２と、この旋回チューブ５２の他端側に接続する流量調整バルブ部（熱風調整バルブ）５３とから形成される。
【００３８】
図２に示すように、この膨張旋回部５１は、排気ガス入口５１ａと低温ガス出口５４ｃを有し、排気ガス入口５１ａから入った排気ガスＧを断熱膨張させる拡張室５１ｂと、この拡張室５１ｂの内部に配置された渦流駒（渦流発生部材）５４とで形成される。この渦流駒５４は、中心側から外周側へ貫通して設けられた旋回孔５４ａと、中心側に設けられた低温ガス排出通路５４ｂと有して形成され、排気ガスＧ２が旋回孔５４ａを通ることによって排気ガスＧ２を高速旋回流にして旋回チューブ５２に送り出す。
【００３９】
また、旋回チューブ５２は円筒で形成される。流量調整バルブ部５３は、旋回チューブ５２内の外周側の高温ガスＧ３を高温ガス出口５３ｃから排出する際に、その流量を調整するバルブであって、弁ケース５３ａと、この弁ケース５３ａに内挿される円錐面を有する弁体５３ｂと、この弁体を駆動して弁開度を調整するバルブ用アクチュエータ（図示しない）とで形成される。
【００４０】
そして、フィルタを加熱する加熱手段である還流通路６は、図１に示すように、高温ガス発生装置５の流量調整バルブ部５３の排気ガス出口５３ｃと、フィルタ３の高温ガス入口３ｃとを連結して設けられ、高温ガス発生装置５から排出される高温ガスＧ３をフィルタ３の上流側に還流する。
【００４１】
〔ＤＰＦ装置内の排気ガスの流れと作用効果〕
以上の構成のＤＰＦ装置１によれば、図１に示すように、内燃機関から排出された排気ガスＧ１を排気通路２から、フィルタ３の排気ガス入口３ａに導入して、フィルタ本体３ｂを通過させ、排気ガスＧ１中のパティキュレートを捕集及び除去できる。
【００４２】
そして、パティキュレートが除去され、浄化された排気ガスＧ２はフィルタ３の排気ガス出口３ｅから排出され、排気通路４を経由して、高温ガス発生装置５に入る。
【００４３】
図２に示すように、この高温ガス発生装置５では、膨張旋回部５１の入口５１ａから入った排気ガスＧ２は拡張室５１ｂで断熱膨張すると共に、渦流駒５４の旋回孔５４ａにより、高速旋回流になり、旋回チューブ５２に送り出される。
【００４４】
旋回チューブ５２に送り込まれた排気ガスＧ２は、前述したボルテックス効果により、外周側の高温ガスＧ３と中心側の低温ガスＧ４とに分離し、旋回しながら流量調整バルブ部５３に到達する。この高温ガスＧ３は、排気ガスＧ２より高温となり、また、低温ガスＧ４は排気ガスＧ２より低温となる。
【００４５】
この流量調整バルブ部５３に到達した高温ガスＧ３は、弁体５３ｂと弁ケース５３ａの間から高温ガス出口５３ｃ経由で排出され、還流通路６を経由して、フィルタ３の高温ガス入口３ｃに入り、フィルタ３を加熱する。
【００４６】
この高温ガスＧ３の流量は流量調整バルブ部５３の弁開度により調整されるが、この流量は高温ガスの温度と密接に関係するので、最もフィルタ３の加熱を効率的に行える流量になるように、弁開度が調整制御される。
【００４７】
一方、流量調整バルブ部５３に到達した低温ガスＧ３は、弁体５３ｂで跳ね返り、中心の圧力の低いパイプ状の部分を通って、渦流駒５４の低温ガス排出通路５４ｂから、低温ガス出口５４ｃ経由で排気通路７に排出され外部に出る。
【００４８】
従って、排気ガスＧ２から高温ガスＧ３を発生させて、フィルタ３を加熱することができる。つまり、フィルタ３を通過した排気ガスＧ２をボルテックス効果を利用して、高温ガスＧ３と低温ガスＧ４とに分離し、分離した高温ガスＧ３をフィルタ３に還流してフィルタ３を加熱することができる。
【００４９】
また、フィルタ３に再導入された高温ガスＧ３は、フィルタ３内部の温度を高くするので、これを繰り返すことにより、フィルタ３の内部温度をパティキュレートの燃焼温度である６００℃以上にすることができる。
【００５０】
そして、パティキュレートの燃焼温度に到達した時点で、パティキュレートは燃焼を開始するので、フィルタ３に捕集されたパティキュレートは燃焼し、ガスとなって排出され、フィルタ３の内部は洗浄される。
【００５１】
このパティキュレートの燃焼中も、高温ガスＧ３の発生とフィルタ３への還流を中断することなく継続できるので、捕集したパティキュレートを順次燃焼されて除去できるので、フィルタ３がパティキュレートの捕集によって目詰まりすることを防止できる。
【００５２】
つまり、フィルタ３を通過した排気ガスＧ２を、ボルテックス効果を利用して、高温ガスＧ３と低温ガスＧ４とに分離し、分離した高温ガスＧ３をフィルタ３に還流してフィルタ３を加熱し、この加熱により、フィルタ３の温度をパティキュレートの燃焼温度以上に加熱して、フィルタ３に捕集したパティキュレートを燃焼除去することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るＤＰＦ装置のフィルタ加熱及び再生方法とＤＰＦ装置によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５４】
熱力学的に実証されているボルテックス効果を応用して、排気ガスから高温ガスと低温ガスを生成分離して、この高温ガスの持つ熱をフィルタの加熱及びフィルタ内に堆積したパティキュレートの燃焼に利用することができる。
【００５５】
このボルテックス効果を利用できるＤＰＦ装置は、フィルタ再生用ヒータやこのヒータ用の外部電源を必要としないので、低コストとすることができる。
【００５６】
また、このＤＰＦ装置には、可動部分や電機部品が殆ど無いため、故障率が非常に低くなる。また、排気管の途中に配設するだけであり、ジェネレータ等の他の部品を追設する必要がないので、後付けも簡単にできる。
【００５７】
その上、本発明に係るＤＰＦ装置のフィルタ加熱方法及びフィルタ再生方法は、常時フィルタを再生させる連続再生式のＤＰＦに対しても、また、パティキュレートの目詰まりが大きくなってから再生処理する断続式のＤＰＦに対しても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＤＰＦ装置の模式的な構成図である。
【図２】図１のボルテックス効果発生手段の高温ガス発生装置の側断面図である。
【符号の説明】
１    ＤＰＦ装置
２    排気通路
３    フィルタ
５    高温ガス発生装置（ボルテックス効果発生手段）
６    還流通路（加熱手段）
５１    膨張旋回部
５１ａ  排気ガス入口
５２    旋回チューブ
５３    流量調整バルブ部
５３ａ  弁ケース
５３ｂ  弁体
５３ｃ  高温ガス出口
５４    渦流駒（渦流発生部材）
５４ａ  旋回孔
５４ｂ  低温ガス排出通路
５４ｃ  低温ガス出口
【図１】
0004035954.tif 000002
【図２】
0004035954.tif 000003