JP2005155424A

JP2005155424A - 排気ガス浄化装置及びその再生方法

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Publication number: JP2005155424A
Application number: JP2003394549A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Iwasaki; 岩崎和則; Kazuyuki Iwasaki; 岩崎和幸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの低回転時においてＤＰＦで捕集した粒子状物質を除去できてＤＰＦの再生を図ることができる、排気ガス浄化装置及びその再生方法を提供すること。
【解決手段】ＤＰＦ２１の入口側と出口側を結ぶ主流路１２ａに跨って形成した分岐流路１２ｂと、分岐流路１２ｂとＤＰＦ２１の入口側の主流路１２ａとの分岐部に設置した２方向切替弁２３とよりなる。２方向切替弁２３が、ＤＰＦ２１の入口側の主流路１２ａと分岐流路１２ｂとの間を連通する流路を形成していて、ＤＰＦ２１の入口側の圧力が高くなったときに２方向切替弁２３が分岐流路１２ｂへ切替わり、前記流路を通じて発生する負圧によりＤＰＦ２１を逆洗可能に構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集して浄化する排気ガス浄化技術に関し、より詳細には捕捉した粒子状物質を燃焼させて除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter ：ＤＰＦ）を備えた排気ガス浄化装置及びその再生方法に関するものである。

ＤＰＦを内蔵した排気ガス浄化装置は、エンジンの排気管の途中に設置し、ＤＰＦで捕集した粒子状物質を、ＤＰＦに担持させた酸化触媒により排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素と酸化反応させる際に発生する熱や、排気ガスの高熱で燃焼除去している。

ディーゼルエンジンが高速回転状態のときは排気ガスの温度が高くなって、排気ガス浄化装置が正常に機能する。しかしながら渋滞路の走行やアイドリング時はディーゼルエンジンが低速回転となって排気ガスの温度が低くなり、この状態が長く続くと、粒子状物質の燃焼を十分に行えないために排気ガス浄化装置による粒子状物質の燃焼除去性能が低下する。
排気ガス浄化装置の性能が低下すると、粒子状物質の排出量増加の問題や、粒子状物質がＤＰＦに堆積して目詰まりを起こすことに伴うディーゼルエンジンの出力低下の問題が発生する。
このように従来の排気ガス浄化装置は高額でありながら性能的に改善の余地があり、その改善技術の提案が切望されている。

本発明は以上の点に鑑みて成されたもので、その目的とするところはディーゼルエンジンの低回転時においてＤＰＦで捕集した粒子状物質を除去できてＤＰＦの再生を図ることができる、排気ガス浄化装置及びその再生方法を提供することにある。

第１の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って形成した分岐流路と、前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に設置した２方向切替弁とよりなり、前記２方向切替弁が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する流路を形成していて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁が分岐流路側へ切替わると共に、前記流路を通じて発生する負圧によりディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗可能に構成したことを特徴とするものである。
また第２の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って形成した分岐流路と、前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に設置した２方向切替弁と、
ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁を分岐流路側へ切替える切替え制御手段とを有し、前記２方向切替弁が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する逆流路を具備していて、前記切替え制御手段が、前記２方向切替弁を分岐流路へ切替える場合においてのみ、前記逆流路を通じて発生する負圧によりディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗可能に構成したことを特徴とするものである。
第３の発明は、前記した排気ガス浄化装置において、切替え制御手段が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入り口側の圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサの信号を入力し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力を超えたと判定されたときに、２方向切替弁に切替信号を発するコントローラとを具備することを特徴とするものである。
第４の発明は、前記した何れかに記載の排気ガス浄化装置において、２方向切替弁が、主流路と分岐流路に接続可能な３つの接続管を有する筒状のハウジングと、ハウジング内に回転自在に収容され、前記した３つの接続管のうちの二つの接続管のみを択一的に連通する弁体とよりなり、前記ハウジングと弁体の間に、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する逆流路を形成したことを特徴とするものである。
また主流路と分岐流路にそれぞれ接続するふたつの接続管の間を隔絶する隔壁に、貫通した微孔を追加して設けてもよい。
第５の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置の再生方法であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って分岐流路を形成し、前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に、主流路と分岐流路へ択一的に流路を切替え可能な２方向切替弁を設置し、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁を分岐流路へ切替えて排気ガスを排出しつつ、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する流路を形成した２方向切替弁を介し、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側に負圧を発生させて、ディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗することを特徴とするものである。

本発明は少なくともつぎのいずれかひとつの効果を得ることができる。
（１）２方向切替弁に、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する流路を形成するだけで、ディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗して再生することができる。
そのため、ディーゼルエンジンの低回転時における粒子状物質の燃焼除去性能を大幅に向上させることができる。
（２）ディーゼルパティキュレートフィルタの逆洗作業は、手動制御により、或いはディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに２方向切替弁を分岐流路側へ切替える切替え制御手段と組み合わせた自動制御の何れでも行える。
（３）２方向切替弁を交換し分岐流路を設けるだけで、既存の排気ガス浄化装置を低コストで性能改善を図ることができる。

（１）排気ガス浄化装置の概要
以下図面を参照しながら、本発明に係る排気ガス浄化装置の一例について説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、符号１０はトラックやバス等の車両、列車や船舶、建設・土木機械等に搭載したディーゼルエンジン（内燃機関）で、ディーゼルエンジン１０の排気マニホールド１１から排気管１２が延びている。排気管１２の途中に本発明に係る排気ガス浄化装置２０が介装されている。

排気管１２を構成する主流路１２ａの途中に分岐流路１２ｂが並設されていて、分岐流路１２ｂの両端の分岐部と合流部が主流路１２ａと連通している。
排気管１２は主流路１２ａと分岐流路１２ｂのふたつに分岐し、これら二つの流路１２ａ，１２ｂの一方を経由して排気ガスを排出できるようになっている。

本発明に係る排気ガス浄化装置２０は、主流路１２ａに着脱自在に介装した自己再生型のディーゼルパティキュレートフィルタ２１（以下「ＤＰＦ２１」）と、分岐流路１２ｂに介装した補助マフラ２２と、上流側の両流路１２ａ，１２ｂの分岐部に介装した２方向切替弁２３と、２方向切替弁を切替える切替え制御手段とを備えている。

ＤＰＦ２１は、ハニカム状の多孔質セラミックス、または多孔質金属製のろか素子に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、あるいはロジウム（Ｒｈ）等からなる貴金属を担持させてカラム内に装填して構成したものや、カラム内に前記した貴金属を担持させたろ材を充填して構成した公知のフィルタを含むものである。
ろか素子が捕捉した粒子状物質を排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素の酸化反応による反応熱で燃焼させて除去する自己再生型であればよい。

補助マフラ２２は円筒式や遮板式等の公知の消音器で、ディーゼルエンジン１０から発生する音を消失ないし低減するために機能する。

２方向切替弁２３とＤＰＦ２１の間の主流路１２ａには、圧力センサ２４が設置してあり、ＤＰＦ２１の入口側の圧力を監視し得るようになっている。
この圧力センサ２４は、ＤＰＦ２１の目詰まりをＤＰＦ２１の入口側の排気ガスの昇圧変化として取り出すためのセンサである。

２方向切替弁２３はモータや電動シリンダなどの駆動源２５を具備していて、駆動源２５の駆動により流路の切替えが可能である。２方向切替弁２３の詳しい構造については後述するが、本発明は改良した２方向切替弁２３を組付けることで、ディーゼルエンジン１０の低回転時にＤＰＦ２１を逆洗（逆流洗浄）可能に構成するものである。

（２）２方向切替弁
図２に２方向切替弁２３の縦断面図を示し、図３に水平断面図を示す。
２方向切替弁２３は円筒形のハウジング３０と、ハウジング３０内に密封して回転自在に収容された中空構造の弁体４０とよりなる。

ハウジング３０の側面には同一軸線上に第１接続管３１と第２接続管３２とが連通して設けられ、さらに第２接続管３２側に傾倒した第３接続管３３が連通して設けられている。第２接続管３２と第３接続管３３の間は隔壁３４で隔絶されており、この隔壁３４には微孔３５が穿設されている。第１接続管３１は図示しないディーゼルエンジンから延びる排気管と、第２接続管３２はＤＰＦ２１の入口側と、第３接続管３３は補助マフラ２２の入口側とそれぞれ接続する。第１接続管３１と第２接続管３２は図１の主流路１２ａの一部を構成し、また第３接続管３３は分岐流路１２ｂの一部を構成する。

第３接続管３３は直線状に配置した第１，第２接続管３１，３２に対し、直交させて接続しても良いが、図３に示すように第２接続管３２に対し、取付角度を鋭角にすることが望ましい。第２接続管３２に対し第１接続管の取付角度を鋭角にした理由は、２方向切替弁２３によって、第２接続管３２から第３接続管３３へ流路を切替えたときに、第３接続管３３内に負圧を発生させ易くするためであり、実用上、この取付角度はほぼ６０度であることが望ましい。

弁体４０は前記筒状のハウジング３０に収容可能な筒体で、その底面４１中央の支軸４２がハウジング３０の底面３６の中央にピボットされ、また弁体４０の上面４３に突設した駆動軸４４がハウジング３０の上面３７を貫通して外部に突出している。駆動軸４４は図示しない駆動源から正逆両方向の回転力が付与されることで回転する。

弁体４０の側面４５には、大形口４６と小形口４７が穿設されている。
大形口４６は弁体４０の切替えに関係なく、第１接続管３１と常時連通するように横長の開口に形成され、また小形口４７は第２接続管３２および第３接続管３３と個別的に連通可能な大きさに形成されている。
すなわち、弁体４０の大形口４６と小形口４７を通じて、第１接続管３１から第２接続管３２を結ぶ主流路と、第１接続管３１から第３接続管３３を結ぶ分岐流路の切替えができるようになっている。小形口４７が第２接続管３２または第３接続管３３の一方に開いているとき、他方の接続管を弁体４０の側面４５で遮断することになるが、ここで言う遮断とは完全遮断を意味するものではない。
尚、大形口４６は弁体２４の切替位置に合わせてふたつの小形口を形成して代用してもよい。

一般の２方向切替弁はハウジングに弁体を内接させて弁体とハウジングの間に高いシール性を持たせている。
これに対して、本発明で使用する２方向切替弁２３は、図４，５に示すように弁体４０の側面４５と隔壁３４の端面（またはハウジング３０の側面）との対向面間に逆流路５０を形成するものである。逆流路５０は図５に拡大して示すようにハウジング３０と弁体４０の対抗周面間に僅かな径差を設け、対抗する周面間に形成した僅かな隙間で構成することができる。
その他に逆流路５０は、図６に示すように弁体４０の側面４５と隔壁３４の端面（またはハウジング３０の側面）の一方の対向面に、第２接続管３２から第３接続管３３の間を接続する溝の形態で構成してもよい。

（３）２方向切替弁の切替え制御手段
２方向切替弁２３の駆動源２５と圧力センサ２４は、コントローラ２６と電気的に接続していて、２方向切替弁２３の切替えは圧力センサ２４の圧力情報を基にコントローラ２６が自動制御または手動制御できるようになっている。
コントローラ２６はＣＰＵを中心としたハード部品で構成され、その内部に所定の制御プログラムが組み込まれている。コントローラ２６は、圧力センサ２４の信号を入力し、ＤＰＦ２１の入口側の圧力がコントローラ２６内の設定しきい値以下のときは主流路１２ａ側の流路を開いたままの状態とし、その圧力が設定しきい値を超えたときに主流路１２ａから分岐流路１２ｂ側へ流路を切替えるように２方向切替弁２３の駆動源２５へ信号を発して制御する。
またコントローラ２６は運転席の表示モニタ２７とも電気的に接続していて、少なくともＤＰＦ２１が正常に機能している状態、ＤＰＦ２１の目詰まりの発生予告または目詰まり状態、ＤＰＦ２１の逆洗による再生状態などを、異色ランプの組み合わせや文字で表示できるようになっている。
また必要に応じて排気管１２の複数箇所に図示しない温度センサを設置し、排気管の１２の各所における排気ガス温度をデジタル表示するようにしてもよい。

（４）作動
つぎに排気ガス浄化装置の作動について説明する。
図１において、ディーゼルエンジン１０を搭載した車両の通常運転においては、２方向切替弁２３は主流路１２ａに開いている。したがって、排気ガスは主流路１２ａを経由して流れ、ＤＰＦ２１は排気ガス中の粒子状物質を捕集して下流側へ排出する。ＤＰＦ２１を通過する排気ガスの温度が、自己燃焼温度または酸化触媒の活性温度（２５０〜５００℃、好ましくは３５０℃前後）以上であるときは、捕集した粒子状物質はＤＰＦ２１内で燃焼除去される。

ディーゼルエンジン１０が低速回転状態になると排気ガス温度は低くなり、この状態が長く続くと、捕集した粒子状物質を燃焼できずにＤＰＦ２１に堆積される。捕集した粒子状物質がＤＰＦ２１に堆積すると目詰まりを起こしＤＰＦ２１の入口側の圧力が上昇する。
コントローラ２６は圧力センサ２４を介してＤＰＦ２１の入口側の排気ガスの圧力を監視していて、この圧力が設定圧力を超えたときにＤＰＦ２１の目詰まりと判定し、２方向切替弁２３の駆動源２５へ流路の切替え信号を発する。

その結果、２方向切替弁２３は図３に示す主流路１２ａに開いた状態から、図４に示す如く分岐流路１２ｂに開いた状態に切替わる。排気ガスはＤＰＦ２１を経ずに分岐流路１２ｂを経由して排出されることになる。このとき図４，５に示すように排気ガスは、分岐流路１２ｂを構成する第１接続管３１から第３接続管３３へ向けて高速で流れることになるが、第２接続管３１と第３接続管３３の間に微小な逆流路５０を形成していることから、第３接続管３３側に負圧を生じる。
この負圧により、逆流路５０および隔壁３４に設けた微孔３５を経由してＤＰＦ２１の入口側が吸引されるために、ＤＰＦ２１内に通常の排気ガスの排出方向と逆方向の流れを生じる。堆積した粒子状物質はこの逆流に乗ってＤＰＦ２１から除去された後、分岐流路１２ｂを構成する第３接続管３３へ排出される。その結果、ＤＰＦ２１は粒子状物質が強制的に除去されて正常な状態に回復する。
尚、微孔３５は負圧の発生を助長させるものであるから、逆流路５０だけで十分な負圧を発生できるときは微孔３５を省略する場合もある。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガスとＤＰＦ２１を逆洗して除去した粒子状物質は、ＤＰＦ２１で処理されることなく補助マフラ２２の設置してある分岐流路１２ｂを経て大気に放出されるが、このときのディーゼルエンジン１０は低速回転で粒子状物質の排出量も多くないことの理由により、環境に与える影響は少ない。

所定の時間が経過した後、コントローラ２６は２方向切替弁２３の駆動源２５へ流路の切替え信号を発し、分岐流路１２ｂから主流路１２ａへ切り替え、再生されたＤＰＦ２１で再び排気ガスを浄化する。このようにＤＰＦ２１の入口側の圧力が急増する都度、２方向切替弁２３を切替えてＤＰＦ２１の逆洗を行う。

尚、上述した例では、分岐流路１２ｂに補助マフラ２２を介装した場合について説明したが、分岐流路１２ｂを残し補助マフラ２２を省略することも可能である。この場合、排気管の最終部に配置した図外のマフラが補助マフラ２２を代用することになる。

本発明の排気ガス浄化装置の概略構成図排気ガス浄化装置の中央縦断面図図２におけるIII−IIIの断面図ＤＰＦの逆洗時における２方向切替弁の水平断面図図４の要部の拡大断面図逆流路の他の形成例を示す説明図で、（Ａ）は弁体側に溝を設けた場合の説明図、（Ｂ）はハウジングの隔壁側に溝を設けた場合の説明図

符号の説明

１０・・・ディーゼルエンジン
１１・・・排気マニホールド
１２・・・排気管
１２ａ・・・主流路
１２ｂ・・・分岐流路
２０・・・排気ガス浄化装置
２１・・・ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
２２・・・補助マフラ
２３・・・２方向切替弁
２４・・・圧力センサ
３０・・・ハウジング
３１・・・第１接続管（主流路）
３２・・・第２接続管（主流路）
３３・・・第３接続管（分岐流路）
３４・・・隔壁
３５・・・微孔（流路）
４０・・・弁体
４６・・・大形口
４７・・・小形口
５０・・・逆流路（流路）

Claims

ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置であって、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って形成した分岐流路と、
前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に設置した２方向切替弁とよりなり、
前記２方向切替弁が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する流路を形成していて、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁が分岐流路側へ切替わると共に、前記流路を通じて発生する負圧によりディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗可能に構成したことを特徴とする、排気ガス浄化装置。
ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置であって、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って形成した分岐流路と、
前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に設置した２方向切替弁と、
ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁を分岐流路側へ切替える切替え制御手段とを有し、
前記２方向切替弁が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する逆流路を具備していて、
前記切替え制御手段が、前記２方向切替弁を分岐流路へ切替える場合においてのみ、前記逆流路を通じて発生する負圧によりディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗可能に構成したことを特徴とする、排気ガス浄化装置。
請求項２において、前記切替え制御手段が、ディーゼルパティキュレートフィルタの入り口側の圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサの信号を入力し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力を超えたと判定されたときに、２方向切替弁に切替信号を発するコントローラとを具備することを特徴とする、排気ガス浄化装置。
請求項１乃至請求項３の何れかにおいて、前記２方向切替弁が、主流路と分岐流路に接続可能な３つの接続管を有する筒状のハウジングと、ハウジング内に回転自在に収容され、前記した３つの接続管のうちの二つの接続管のみを択一的に連通する弁体とよりなり、前記ハウジングと弁体の間に、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する逆流路を形成したことを特徴とする、排気ガス浄化装置。
ディーゼルエンジンの排気管に設けられ、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタを備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置の再生方法であって、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側と出口側を結ぶ主流路に跨って分岐流路を形成し、
前記分岐流路とディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路との分岐部に、主流路と分岐流路へ択一的に流路を切替え可能な２方向切替弁を設置し、
ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の圧力が設定圧力以上のときに前記２方向切替弁を分岐流路へ切替えて排気ガスを排出しつつ、
ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の主流路と分岐流路との間を連通する流路を形成した２方向切替弁を介し、ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側に負圧を発生させて、ディーゼルパティキュレートフィルタを逆洗することを特徴とする、排気ガス浄化装置の再生方法。