JP2005083243A - 自動車用排気ガス昇温装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却して、触媒フィルタの目詰まりを防止することができる排気ガス昇温装置を提供する。
【解決手段】車両運転終了時等に車両を車庫や駐車場に停車させ、内燃機関3をアイドリングさせた状態で、車両の停車場所に設置されている外部電源から外部電源用電熱ヒータ23に電力を供給して排気ガスを昇温させる。これにより、それまでの運転により触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却し除去する。これにより、触媒フィルタの目詰まりに起因したDPF装置の不具合や内燃機関3の排圧上昇を未然に防ぐ。
【選択図】 図3

Description

本発明は、内燃機関とDPF装置との間に取り付けられる自動車用排気ガス昇温装置に関する。
(第1の従来技術)
例えば、ディーゼル機関の排気ガス中に含まれるパティキュレート(PM:微粒子状物質)を捕集し、触媒反応によって燃焼温度を低下させて排気ガスの熱により焼却する触媒フィルタと、その触媒フィルタの上流位置に組み込まれてエンジンブレーキ時などの排気温度が低い場合に排気ガスを加熱して触媒フィルタを再生可能な温度に維持する電気加熱装置とを有し、パティキュレートが酸化されずにフィルタに堆積して目詰まりが生ずるのを未然に防ぐ連続再生型パティキュレートフィルタ装置が提案されている。この連続再生型パティキュレートフィルタ装置の電気加熱装置は、車載に搭載したバッテリや発電機から電力の供給を受けて発熱し、その熱量によって排気ガスの加熱を行っている(例えば、特許文献1参照)。
(第2の従来技術)
DPF装置の触媒フィルタを迂回するバイパス通路を設け、触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却する際に、排気ガスの一部をバイパスさせて、触媒フィルタに流入する排気ガスの流量を減らすものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−280121号公報 特開平7−310528号公報
しかしながら、第1の従来技術によれば、例えばバスやコンクリートミキサー車などの平均走行速度が低い自動車は、高温の排気ガスを得られる機会が少ない。このため、排気ガスの熱を利用した触媒フィルタの連続再生は困難であり、電気加熱装置による排気ガスの加熱に頼るところが大きい。
しかし、排気ガスを適切に加熱するためには、大容量の電気加熱装置を採用する必要があり、それに伴ってより強力な車載バッテリが必要とされる。しかし、強力な車載バッテリは大きく、そのような大きなものを配置する空間を車両本体に確保することは困難である。また、エンジン回転数が低い場合には、発電機の発電量が少なく、車載バッテリを十分に充電することはできない。
このため、車載バッテリでは、排気ガスを十分に加熱することは困難であり、パティキュレートの堆積量が徐々に増加して、目詰まりにより良好な車両運行が阻害されるおそれがある。
また、第2の従来技術によれば、触媒フィルタをバイパスさせた排気ガスは、DPF装置の下流で、触媒フィルタを通過した排気ガスと混合されて排出される。このため、パティキュレートの焼却時に、未浄化の排気ガスがそのまま外部に排出されるおそれがあり、実施は困難である。
本発明は、これらの問題に鑑み、第1の従来技術と第2の従来技術の課題の少なくとも一方を解決すべくなされたものであり、その目的は、触媒フィルタに堆積したパティキュレートを確実に焼却して、触媒フィルタの目詰まりを防止することができる排気ガス昇温装置を提供することにある。
上記課題を解決する請求項1に記載の発明による自動車用排気ガス昇温装置は、内燃機関とその内燃機関から排出される排気ガスを導入して排気ガスに含まれているパティキュレートを除去するDPF装置との間に介在され、内燃機関からDPF装置に導入される排気ガスを昇温させる自動車用排気ガス昇温装置において、内燃機関から排出された排気ガスを通過させてDPF装置に導入させる排気ガス流路部と、排気ガス流路部内に収容され、自動車車両の停車場所に予め設置されている外部電源からの電力の供給を受けることにより昇温して排気ガス流路部内を通過する排気ガスを加熱可能な外部電源用電熱ヒータと、を有することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の自動車用排気ガス昇温装置において、自動車車両が停車中でかつ内燃機関がアイドル運転状態である場合に、外部電源から外部電源用電熱ヒータに所定時間だけ電力の供給を行い、排気ガスを昇温させる制御手段を有することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の自動車用排気ガス昇温装置において、制御手段は、排気ガス流路部内を通過した後の排気ガスの温度を計測する温度センサからの検出信号に基づいて外部電源から外部電源用電熱ヒータに供給する電力を制御することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の自動車用排気ガス昇温装置において、排気ガス流路部よりも上流側位置で内燃機関から排出された排気ガスを分流して排気ガスの一部を流入させることができる分岐流路部と、分岐流路部の下流端に設けられ、内燃機関から排出されて分岐流路部内に流入した排気ガスを浄化して外部に排出する酸化触媒と、分岐流路部を開閉可能な開閉弁とを有することを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の自動車用排気ガス昇温装置において、開閉弁を開閉駆動するアクチュエータを有し、制御手段は、外部電源から外部電源用電熱ヒータへの電力供給の開始により開閉弁を開状態とし、電力供給の終了により開閉弁を閉状態とするようにアクチュエータの駆動制御を行うことを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の自動車用排気ガス昇温装置において、排気ガス流路部内に収容され、自動車に搭載された内部電源から電力の供給を受けることにより昇温して排気ガス流路部内を通過する排気ガスを加熱可能な内部電源用電熱ヒータを有することを特徴とする。
請求項1の発明によると、車両の停車場所に設置されている外部電源から外部電源用電熱ヒータに電力を供給することによって排気ガスの加熱を行うことができる。したがって、例えば車両運転終了時等に車両を車庫や駐車場に停車させ、内燃機関をアイドリングさせた状態で外部電源から外部電源用電熱ヒータに電力を供給することによって、排気ガスを昇温させ、それまでの運転により触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却し除去することができる。したがって、触媒フィルタの目詰まりに起因したDPF装置の不具合や内燃機関の排圧上昇を未然に防ぐことができる。
請求項2の発明によると、制御手段は、自動車車両が停車中でかつ内燃機関がアイドル運転状態である場合に、外部電源から外部電源用電熱ヒータに所定時間だけ電力を供給する制御処理を行うので、例えば車両運行終了時などに自動車車両を車庫や駐車場等に停車させ、エンジンをアイドリングさせた状態で、外部電源用電熱ヒータに所定時間だけ電力を供給することができる。したがって、適切な温度まで昇温させた排気ガスを触媒フィルタに供給でき、触媒フィルタに堆積したパティキュレートを確実に燃焼させることができる。
請求項3の発明によると、制御手段は、排気ガス流路部内を通過した後の排気ガスの温度に基づいて外部電源用電熱ヒータに供給する電力を制御する処理を行う。したがって、排気ガスを適切な温度に加熱調整することができる。
請求項4の発明によると、開閉弁を開状態とすることによって、内燃機関から排出された排気ガスの一部を分岐流路部に流入させ、酸化触媒によって浄化して外部に排出することができる。したがって、触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却する際に、開閉弁を開状態にすることによって、排気ガス流路部に流入する排気ガスの量を減らすことができ、外部電源用電熱ヒータによる排気ガスの加熱効率を向上させることができる。したがって、小容量の外部電源用電熱ヒータを採用することができ、装置全体の小型化と消費電力の抑制を図ることができる。
請求項5の発明によると、アクチュエータは、外部電源から外部電源用電熱ヒータへの電力供給の開始により開閉弁を開状態とし、電力供給の終了により開閉弁を閉状態とするので、触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却する際に、自動的に排気ガスの一部を分岐流路部に流入させ、排気ガス流路部に流入する排気ガスの量を減らすことができる。そして、パティキュレートの焼却作業の終了により、自動的に開閉弁を閉状態として分岐流路部を閉塞し、内燃機関から排出される排気ガスの全てを排気ガス流路部に流入させることができる。
請求項6の発明によると、自動車に搭載された内部電源から内部電源用電熱ヒータに電源を供給することによって、DPF装置に導入される排気ガスを走行中に加熱し、パティキュレートを焼却し除去することができる。
次に、本発明の第1の実施の形態について図に基づいて説明する。
図1は、本実施の形態における自動車用排気ガス昇温装置1の構造を説明する図、図2は、図2のA−A線矢視図、図3は、自動車用排気ガス昇温装置1の制御システム構成図である。
本実施の形態における自動車用排気ガス昇温装置1は、既知の連続再生型パティキュレートフィルタ装置(DPF装置)2を備えたディーゼルエンジン自動車に装着されて、連続再生型パティキュレートフィルタ装置2に流入する排気ガスの温度を上昇させるものであり、連続再生型パティキュレートフィルタ装置2とは別体に構成され、ディーゼルエンジン3と連続再生型パティキュレートフィルタ装置2との間に後付け可能な構成を有する。
本実施の形態に用いられる連続再生型パティキュレートフィルタ装置2は、触媒反応によってパティキュレートの燃焼温度を低下させ、排気ガスの熱によってパティキュレートを焼却させるものであるが、これに限定されるものではなく、例えば、触媒反応によってNOガスを生成し、これをパティキュレートと反応させることによってパティキュレートを燃焼させるものであってもよい。また、この連続再生型パティキュレートフィルタ装置2には、触媒フィルタの目詰まりを未然に防ぐために、触媒フィルタへのパティキュレートの堆積量を検出して、一定量以上のパティキュレートが堆積した場合に警告ランプを点灯させる警告装置が設けられている。
自動車用排気ガス昇温装置1は、図1及び図2に示すように、ケース部10と、そのケース部10の内部に収容される加熱ユニット部20によって構成されている。ケース部10は、主管(排気ガス流路部)11とカバー12を有しており、主管11は、ほぼ一定の直径を有して軸方向に延在し、その上流側の端部には排気通路4のディーゼルエンジン3側に接続されるフランジ13が設けられ、下流側の端部には連続再生型パティキュレートフィルタ装置2に連結されるフランジ14が設けられている。カバー12は、径方向に2分割可能な円筒形状を有しており、カバー12と主管11との間には断熱材15が充填されている。
加熱ユニット部20は、ヒータ取付板21と、支持骨部22と、電熱ヒータ(外部電源用電熱ヒータ・内部電源用電熱ヒータ)23を有している。ヒータ取付板21は、主管11の管路内を排気ガスの流動方向上流側と下流側とに仕切る略円盤形状を有しており、上流側から下流側に向かって排気ガスが通過可能な複数の貫通孔が穿設されている。
支持骨部22は、ヒータ取付板21の軸中心を貫通してヒータ取付板21が主管11の管路内で軸方向に所定間隔をおいて配置されて主管11内を上流側から下流側に向かって複数の加熱室24に区画するようにヒータ取付板21を支持固定している。そして、支持骨部22の上流端部には、支持骨部22を主管11の管路内に固定するための固定板25が設けられている。
電熱ヒータ23は、電力の供給により発熱するものであり、コイル状に巻回された発熱体によって構成されている。本実施の形態では、第1電熱ヒータ23−1、第2電熱ヒータ23−2、第3電熱ヒータ23−3、第4電熱ヒータ23−4が留め具によって第1ヒータ取付板21−1、第2ヒータ取付板21−2、第3ヒータ取付板21−3、第4ヒータ取付板21−4の各上流側壁面部にリング状に固定されている。
上記構成を有する自動車用排気ガス昇温装置1によれば、ディーゼルエンジン3から排出された排気ガスは、排気通路4を通過してケース部10に導入され、加熱ユニット部20の第1加熱室24−1に流入し、第1電熱ヒータ23−1によって加熱される。そして、第1ヒータ取付板21−1の貫通孔を通過して第2加熱室24−2に流入し、第2電熱ヒータ23−2によって更に加熱される。以下同様に、第3加熱室24−3、第4加熱室24−4に順次流入し、各電熱ヒータ23−3、23−4によって順次加熱される。したがって、排気ガスを適切な温度まで均一な温度分布で円滑に加熱することができ、その加熱した高温の排気ガスを連続再生型パティキュレートフィルタ装置2に供給することができる。
上記構成を有する自動車用排気ガス昇温装置1は、図3に示すように、ディーゼルエンジン3の排気通路4に接続され、その下流側に連続再生型パティキュレートフィルタ装置2が接続されている。
図中で符号30は、コントロールユニット(制御手段)であり、コントロールユニット30は、本実施の形態では、リレー回路によって構成されており、車両本体に取り付けられた制御盤(図示せず)内に収容されている。コントロールユニット30の入力側には、ECU(エンジンコントロールユニット)31、キースイッチ32、温度センサ33、車載バッテリ34、電源コード35が接続されている。
温度センサ33は、自動車用排気ガス昇温装置1と連続再生型パティキュレートフィルタ装置2との間に取り付けられている。車載バッテリ34は、12ボルトまたは24ボルトの出力電圧を有した、既知の車載バッテリである。また、電源コード35は、車両の駐車場や停車場所等に予め設置されている100ボルト或いは200ボルトのコンセントに接続可能なプラグ付きのコードであり、コードの基端側には、制御盤の盤面に設けられたソケット部(図示せず)に接続して取り付け及び取り外しができるように構成されている。
コントロールユニット30の出力側には、モニター36と電熱ヒータ23−1〜23−4が接続されている。モニター36は、例えば運転席から視認可能な位置である車室内に取り付けられており、排気ガスの温度及び電熱ヒータ23−1〜23−4への電力供給状態を表示する表示部が設けられている。
次に、排気ガスの昇温方法について以下に説明する。
まず、車両運転中の場合には、ECU31からの制御信号や温度センサ33からの検出信号に基づいてON・OFF制御が行われる。これにより、車載バッテリ34から電熱ヒータ23−1〜23−4に供給する電力量が調整される。したがって、排気ガスは、加熱ユニット部20で加熱されて、適切な温度、すなわち連続再生型パティキュレートフィルタ装置2の触媒フィルタでパティキュレートを焼却できる温度まで昇温される。
したがって、連続再生型パティキュレートフィルタ装置2は、触媒フィルタに捕集したパティキュレートを確実に焼却することができる。特に、連続再生型パティキュレートフィルタ装置2が電気加熱装置を備えていない場合や、電気加熱装置の加熱能力が低い場合に効果的であり、パティキュレートの触媒フィルタへの堆積を抑制することができる。
一方、車両運転終了時には、まず最初に準備作業として、車両を駐車場や停車場所に停車させ、ディーゼルエンジン3をアイドル運転状態とする。そして、電源コード35のプラグを駐車場や停車場所に予め設置されているコンセント(外部電源)に差し込んで、コントロールユニット30と接続する。
コントロールユニット30は、温度センサ33からの検出信号に基づいてON・OFF制御を行い、コンセントから電熱ヒータ23−1〜23−4に供給する電力量を調整し、排気ガスの温度を適切な温度、すなわち触媒フィルタでパティキュレートを焼却できる温度まで昇温させる。
そして、所定時間が経過した後に、コンセントから電熱ヒータ23−1〜23−4への電力の供給を停止する。それから、電源コード35のプラグをコンセントから取り外し、コントロールユニット30との接続を解除する。
本実施の形態による自動車用排気ガス昇温装置1によると、車両の駐車場や停車場所に設置されているコンセントから電熱ヒータ23−1〜23−4に電源を供給して排気ガスを加熱することができる。したがって、車両運転終了時に、それまでの車両運転によって触媒フィルタに堆積したパティキュレートを完全に焼却し除去できる。これにより、車両運転中に焼却できずに触媒フィルタに堆積したパティキュレートを焼却して、触媒フィルタの捕集能力を回復させ、目詰まりを防止し、次の車両運転時にはパティキュレートを良好に捕集可能な状態とすることができる。
次に、本発明の第2の実施の形態について図4に基づいて説明する。図4は、第2の実施の形態における自動車用排気ガス昇温装置1の制御システム構成図である。尚、第1の実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
本実施の形態において特徴的なことは、車両運転終了時にパティキュレートを焼却する際に、加熱ユニット部20の上流側位置で排気ガスを分流して、排気ガスの一部を酸化触媒で浄化処理し、加熱ユニット部20に流入する排気ガスの流量を減らして、電熱ヒータ23−1〜23−4による加熱効率の向上を図るように構成したことである。
ディーゼルエンジン3と加熱ユニット部20との間には、ディーゼルエンジン3から排出された排気ガスを分流するためのバルブ41が設けられている。バルブ41のバルブ本体には、ディーゼルエンジン3から排出された排気ガスを通過させて加熱ユニット部20に流入させるメイン通路が形成されており、そのメイン通路の途中箇所には、開口孔が設けられて分岐パイプ(分岐流路部)42の上流端が連通接続されている。
分岐パイプ42の下流端には、既知の酸化触媒43が接続されている。酸化触媒43は、バルブ41で分流した排気ガスを浄化して外部に排出するためのものであり、その大きさは、ディーゼルエンジン3から排出される排気ガスの全量を浄化するものと比較して小さく、配置場所を選ばない程度の大きさに構成されている。
また、バルブ41のバルブ本体内には開閉弁44が設けられている。開閉弁44は、開状態にすることによって、排気ガスを加熱ユニット部20側と酸化触媒43側に分流することができ、また、閉状態にすることによってディーゼルエンジン3から排出された排気ガスの全てを加熱ユニット部20側に流入させることができるように構成されている。
次に、排気ガスの昇温方法について以下に説明する。
まず、車両運転中は、開閉弁44を閉状態とし、ディーゼルエンジン3から排出される排気ガスの全てを加熱ユニット部20側に流入させる。そして、上述の第1の実施の形態における車両運転中の制御と同様の制御を行う。これにより、車両運転中にディーゼルエンジン3から排出される排気ガスを常に適切な温度に調整し、触媒フィルタに捕集したパティキュレートを焼却する。
そして、車両運転終了時には、まず準備作業として、車両を駐車場や停車場所に停車させ、ディーゼルエンジン3をアイドル運転状態とし、電源コード35のプラグを駐車場や停車場所等に予め設置されているコンセント(外部電源)に差し込んで、コントロールユニット30と接続する。
そして、開閉弁44を開状態とする。開閉弁44の操作は、本実施の形態では、手動操作によって行うが、他の実施例としては、アクチュエータ45を設けてコントロールユニット30からの制御信号に基づいて自動操作してもよい。コントロールユニット30は、上記準備作業が終了して開閉弁44が開状態にされると、コンセントから電熱ヒータ23−1〜23−4への電力の供給制御を行う。
アイドル運転によりディーゼルエンジン3から排出された排気ガスは、加熱ユニット部20側と酸化触媒43側とに分流される。そして、酸化触媒43側に分流された排気ガスは、分岐パイプ42内を通過して酸化触媒43に導入され、酸化触媒43内で浄化されて外部に排出される。
一方、加熱ユニット部20側に分流された排気ガスは、ケース部10の主管11内で加熱ユニット20の電熱ヒータ23−1〜23−4によって加熱される。ここで、ケース部10の主管11内に流入する排気ガスの流量は、ディーゼルエンジン3から排出される排気ガスの流量よりも少ないため、電熱ヒータ23−1〜23−4による排気ガスの加熱を容易に行うことができる。
したがって、排気ガスの温度を適切な温度、すなわち触媒フィルタでパティキュレートを焼却できる温度に容易に調整し維持することができる。これにより、小容量の電熱ヒータを採用することができ、装置1全体の小型化と消費電力の低減を図ることができる。
そして、所定時間が経過した後に、コンセントから電熱ヒータ23−1〜23−4への電力の供給を停止し、排気ガスの加熱を終了する。それから、開閉弁44を閉状態とし、電源コード35のプラグをコンセントから取り外し、電源コード35とコントロールユニット30との間の接続を解除する。
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、車載バッテリ34とコンセントの両方から電力の供給を受けることができるタイプの場合を例に説明したが、コンセントのみから電力の供給を受けることができるものであってもよい。また、車載バッテリ用の電熱ヒータとコンセント用の電熱ヒータを別々に用意してもよい。更に、上述の実施の形態では、コントロールユニット30とECU31を接続した構成を例に説明したが、ECU31と接続しなくてもよい。
本実施の形態における自動車用排気ガス昇温装置1の構造を説明する図である。 図1のA−A線矢視図である。 第1の実施の形態における制御システム構成図である。 第2の実施の形態における制御システム構成図である。
符号の説明
1 自動車用排気ガス昇温装置
2 連続再生型パティキュレートフィルタ装置
3 ディーゼルエンジン(内燃機関)
4 排気通路
10 ケース部
11 主管(排気ガス流路部)
20 加熱ユニット部
21 ヒータ取付板
22 支持骨部
23 電熱ヒータ(外部電源用電熱ヒータ・内部電源用電熱ヒータ)
24 加熱室
30 コントロールユニット(制御手段)
33 温度センサ
34 車載バッテリ
35 電源コード
41 バルブ
42 分岐パイプ(分岐流路部)
43 酸化触媒
44 開閉弁
45 アクチュエータ

Claims (6)

  1. 内燃機関と該内燃機関から排出される排気ガスを導入して該排気ガスに含まれているパティキュレートを除去するDPF装置との間に介在され、前記内燃機関から前記DPF装置に導入される排気ガスを昇温させる自動車用排気ガス昇温装置において、
    前記内燃機関から排出された排気ガスを通過させて前記DPF装置に導入させる排気ガス流路部と、
    該排気ガス流路部内に収容され、自動車車両の停車場所に予め設置されている外部電源からの電力の供給を受けることにより昇温して前記排気ガス流路部内を通過する排気ガスを加熱可能な外部電源用電熱ヒータと、を有することを特徴とする自動車用排気ガス昇温装置。
  2. 前記自動車車両が停車中でかつ前記内燃機関がアイドル運転状態である場合に、前記外部電源から前記外部電源用電熱ヒータに所定時間だけ電力の供給を行い、排気ガスを昇温させる制御手段を有することを特徴とする請求項1に記載の自動車用排気ガス昇温装置。
  3. 前記制御手段は、
    前記排気ガス流路部内を通過した後の排気ガスの温度を計測する温度センサからの検出信号に基づいて前記外部電源から前記外部電源用電熱ヒータに供給する電力を制御することを特徴とする請求項2に記載の自動車用排気ガス昇温装置。
  4. 前記排気ガス流路部よりも上流側位置で前記内燃機関から排出された排気ガスを分流して該排気ガスの一部を流入させることができる分岐流路部と、
    該分岐流路部の下流端に設けられ、前記内燃機関から排出されて前記分岐流路部内に流入した排気ガスを浄化して外部に排出する酸化触媒と、
    前記分岐流路部を開閉可能な開閉弁と、
    を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の自動車用排気ガス昇温装置。
  5. 前記開閉弁を開閉駆動するアクチュエータを有し、
    前記制御手段は、前記外部電源から前記外部電源用電熱ヒータへの電力供給の開始により前記開閉弁を開状態とし、該電力供給の終了により前記開閉弁を閉状態とするように前記アクチュエータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項4に記載の自動車用排気ガス昇温装置。
  6. 前記排気ガス流路部内に収容され、前記自動車に搭載された内部電源から電力の供給を受けることにより昇温して前記排気ガス流路部内を通過する排気ガスを加熱可能な内部電源用電熱ヒータを有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の自動車用排気ガス昇温装置。
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US8091663B2 (en) 2008-05-12 2012-01-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Hybrid vehicle and method of controlling the same
JP2012122353A (ja) * 2010-12-06 2012-06-28 Ngk Spark Plug Co Ltd 排気ガス加熱装置

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