JP2005240671A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の再生における堆積排気微粒子の燃焼むらを抑制することである。
【解決手段】 ＤＰＦ５に連なる直近位置に、堆積排気微粒子の燃焼速度が遅くなるＤＰＦ５の横断面内の位置で排ガスの流量が多くなるように前記横断面内における排ガスの流量分布を調整する流量分布調整手段８を設ける。これにより、流量分布に応じて酸素の供給量の分布を調整する。ＤＰＦ５の横断面内で酸素の供給量が多くなる位置では、その分、堆積排気微粒子の燃焼が促進される。したがって、例えばＤＰＦ５の触媒温度が低く燃焼に緩慢化傾向のある位置の排ガスの流量を多くすることで、燃焼の緩慢化傾向を相殺し、ＤＰＦ５の横断面内の燃焼むらを軽減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は排ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、パティキュレートフィルタの再生品質の向上に関する。

近年、自動車などに搭載される内燃機関では、排気エミッションの低減が要求されており、特に軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯxに加え、排ガス中の煤やＳＯＦなどの排気微粒子を除去することが必要になる。このため、排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、ここで、排ガス中の排気微粒子を捕集している。

パティキュレートフィルタは、流入した排ガスに多孔質の隔壁を透過させ、その際に、隔壁の表面や細孔で排ガス中の排気微粒子を捕集する。捕集されて堆積する量が過剰に増えると、パティキュレートフィルタにおける流通抵抗の増大で内燃機関の背圧が上昇し、出力の低下などをもたらす。このため、パティキュレートフィルタの堆積した排気微粒子をパティキュレートフィルタから適宜、除去してパティキュレートフィルタを再生し、パティキュレートフィルタの排ガス流下能力を回復させる必要がある。

パティキュレートフィルタの再生を内燃機関の運転中に可能としたものがある。例えば、パティキュレートフィルタに白金などの酸化触媒を設けて、排気行程において燃料を噴射するポスト噴射により燃料をパティキュレートフィルタに供給し、その燃焼熱を利用して、噴射燃料に比して酸化しにくい堆積排気微粒子を酸化、除去する。

下記特許文献１には、パティキュレートフィルタの再生制御用としてパティキュレートフィルタよりも下流に流量制御弁を設けたものが開示されている。このものでは、流量制御弁の開度の設定に際し、排気流量として、排気温度に基づいてパティキュレートフィルタが過冷却にならない最大流量が演算されるとともに、内燃機関の運転状態に基づいて堆積排気微粒子の燃焼に供する酸素が不足しない最小流量が演算され、これら最大流量および最小流量を考慮して流量制御弁の開度を設定するものが開示されている。
特開平７−１８０５２９号公報

しかしながら、パティキュレートフィルタの再生中にパティキュレートフィルタ内で堆積排気微粒子の燃焼速度の均一性が低いと、堆積排気微粒子の燃焼が均一に進まない燃焼むらとなる。燃焼速度の遅い位置では多くの排気微粒子が残ってしまい、排ガスの流下能力が十分に回復しない。徒に再生時間を長くすれば、ポスト噴射で消費される燃料の量が増大するなどの問題が生ずる。

本発明は、前記実情に鑑みなされたもので、パティキュレートフィルタの再生時の堆積排気微粒子の燃焼速度の均一性を向上することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に排ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタは、捕集、堆積した排気微粒子が内燃機関の運転中に燃焼除去されて再生可能な内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路には、前記パティキュレートフィルタに連なる直近位置に、堆積排気微粒子の燃焼速度が遅くなるパティキュレートフィルタの横断面内の位置で排ガスの流量が多くなるように前記横断面内における排ガスの流量分布を調整する流量分布調整手段を設ける。

パティキュレートフィルタの横断面内の排ガスの流量分布が調整されることで、流量分布に応じて酸素の供給量の分布が調整される。パティキュレートフィルタの横断面内で酸素の供給量が多くなる位置では、その分、堆積排気微粒子の燃焼が促進される。したがって、例えばパティキュレートフィルタの触媒温度が低く燃焼に緩慢化傾向のある位置の排ガスの流量を多くすることで、燃焼の緩慢化傾向を相殺し、前記パティキュレートフィルタの横断面内の燃焼むらを軽減することができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタの直上流で前記排気通路に、該排気通路の横断面方向に排気通路内を複数に区画する仕切壁を設けて複数の分流路を形成するとともに、前記流量分布調整手段として、前記複数の分流路のうち少なくとも一つに、排ガスの流量を調整する調量弁を配置し、
かつ、前記パティキュレートフィルタの横断面内における堆積排気微粒子の燃焼速度の分布の指標となる状態量を検出する状態量検出手段と、前記パティキュレートフィルタの再生時に、前記状態量に基づいて前記調量弁の開度を設定する弁開度設定手段とを具備せしめる。

雰囲気温度などの環境変化で、堆積排気微粒子の燃焼速度の分布を規定するパティキュレートフィルタの触媒温度の分布が変化しても、これに追随して適正な排ガスの流量の分布を調整することで、燃焼速度の分布が均一になるようにすることができる。また、調量弁はパティキュレートフィルタの再生時以外には全開として、排ガスの流通への影響を回避することができる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタは、背向する側面の一方を寒冷雰囲気に向けて配置されており、
かつ、前記流量分布調整手段を、前記パティキュレートフィルタの横断面内の前記寒冷雰囲気とは反対側の位置で排ガスの流量を絞り可能とする。

パティキュレートフィルタの横断面内では寒冷雰囲気側が低温で寒冷雰囲気とは反対側になるほど温度は高くなる。したがって、寒冷雰囲気側はパティキュレートフィルタの触媒温度が低く燃焼が緩慢となる。前記横断面内の寒冷雰囲気とは反対側で排ガスの流量を絞ることで、前記横断面内の寒冷雰囲気側の方が排ガスの流量が多くなるようにし、燃焼むらを低減することができる。

図１に、本発明の実施の形態になる排気浄化装置を付設した内燃機関であるディーゼルエンジンを示す。ディーゼルエンジンは車両の動力源として搭載されたものとして説明する。エンジン本体１は複数の気筒を備えており、各気筒に１対１に対応して設けられたインジェクタ２１〜２４により燃料噴射がなされるようになっている。インジェクタ２１〜２４には共通のコモンレール２５から燃料供給がなされる。また、燃料と混合気を形成するガスが、吸気通路３の下流部を構成する吸気マニホールド３１から各気筒に供給される。混合気の燃焼後に各気筒から排出される排ガスは、排気通路４の上流部を構成する排気マニホールド４１へと排出される。

排気通路４の途中には、ターボチャージャのタービン４２とともに、パティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）５が設置されている。排気通路４はＤＰＦ５設置位置で車両下部を通るようにレイアウトされている。ＤＰＦ５の直上流および直下流を含む部分で排気通路４は排ガスの流通方向が水平となるように車両下部に取付けられ、路面から数十ｃｍの高さに位置している。

ＤＰＦ５は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルをＤＰＦ５の両端の入口側または出口側が互い違いとなるように目封じしてなる。セル壁表面には、Ｐｔ等の酸化触媒が塗布されている。ＤＰＦ５の全体形状はハニカム構造が現れる横断面が円形のもので、排気通路４を流通する排ガスが、ＤＰＦ５の前記セル間の多孔性の隔壁を通過しながら下流へ流れ、その間に排気微粒子（パティキュレート）が捕集されて次第に堆積する。

排気通路４は、図２に示すように、ＤＰＦ５の直上流および下流を含む部分で拡径し、大径のＤＰＦ５を搭載して排気微粒子の捕集能力を高めている。ＤＰＦ５よりも直上流で排気通路４には通路内を車両高さ方向に区画する仕切壁４０２が設けてあり、仕切壁４０２を挟んで排ガスの流れが分流するようになっている。仕切壁４０２で分流される分流路４ａ，４ｂのうち、上側の第１の分流路４ａには調量弁である排気流量制御弁８が設けてある。排気流量制御弁８は、隔壁４０２に平行で排気通路４を横切るように排気通路壁４０１の対向部を橋渡しする回転軸８２に、平板８１を一体に取付けたもので、回転軸８２の回転角度に応じて平板８１が第１の分流路４ａ内で傾斜し排ガスの流通方向に傾斜し、平板８１が排気通路壁４０１および仕切壁４０２に対して平行に近づくほど開度（以下，適宜、制御弁開度という）が大きくなる。これにより、第１の分流路４ａを流通する排ガスの流量と、下側の第２の分流路４ｂを流通する排ガスの流量との比率を調整可能である。

排気通路壁４０１から突出する前記回転軸８２の軸端には、回転軸８２を回動せしめる図示しないアクチュエータが接続され、ＥＣＵ６の制御で制御弁開度が調整される。

排気通路４には、ＤＰＦ５に堆積したパティキュレートの量（ＰＭ堆積量）を知るために、ＤＰＦ５の前後差圧を検出する差圧センサ７４が接続され、ＤＰＦ５の前後差圧の検出信号をＥＣＵ６に出力する。

排気通路４にはまた、ＤＰＦ５の直上流と直下流とにそれぞれ排気温センサ７５ａ，７５ｂが設置されており、それぞれの検出信号をＥＣＵ６に出力する。また、吸気通路３の途中には、スロットルバルブ３２およびターボチャージャのコンプレッサ３３よりも上流にエアフローメータ（吸気量センサ）７３が設置してあり、吸入空気量の検出信号をＥＣＵ６に出力するようになっている。また、車両の下部などに外気温を検出する外気温センサ７６が設けられ、外気温の検出信号をＥＣＵ６に出力するようになっている。

ＥＣＵ６には、エンジン回転数を検出する回転数センサ７１や、スロットルバルブ３２の開度を検出するスロットルポジションセンサ７２といった、一般的なエンジンに取付けられているセンサが接続されている。これらセンサからの検出信号を基にエンジンの運転状態を検出するようになっている。

ＥＣＵ６はマイクロコンピュータを中心として構成されたもので、前記各種センサの出力信号から知られる運転状態に応じた燃料噴射量、噴射時期等を算出して、エンジンの各部を制御する。また、ＤＰＦ５におけるＰＭ堆積量を監視してＤＰＦ５の再生時期か否かを判断する。

ＰＭ堆積量の監視制御では、ＤＰＦ５の差圧および排ガスの流速に基づいてＰＭ堆積量を算出する。差圧および排ガスの流速に対してＰＭ堆積量を対応付ける対応関係は、差圧が大きいほど、流速が遅いほどＰＭ堆積量が多くなるという対応関係であり、予めＰＭ堆積量マップとしてＥＣＵ６のＲＯＭに記憶しておく。流速は前記エアーフローメータ７３により知られる吸入空気量や温度センサ７５ａ，７５ｂにより知られるＤＰＦ５内の温度などから演算される。

排気流量制御弁８を制御する弁開度設定手段であるＥＣＵ６では、ＤＰＦ５の再生を行わない通常時には、制御弁開度を全開に設定し、ＤＰＦ５の再生時には、外気温に基づいて制御弁開度を設定する。外気温に基づく制御弁開度の設定は予めＥＣＵ６のＲＯＭに記憶したマップ（以下，適宜、弁開度マップという）にしたがってなされる。図３は弁開度マップの一例で、取り込まれた外気温に対して制御弁開度が対応付けられ、外気温が低いほど小さな開度が与えられるようになっている。したがって、寒冷時には、排気流量が上側の第１の分流路４ａで少なくなり、下側の第２の分流路４ｂで多くなる。

これにより、次の効果を奏する。車両の下部では、路面に近接する側で雰囲気温度が低く、路面からの距離が大きくなり車両内部側に近くなるほど高くなる温度勾配となっている。ＤＰＦ５位置では排気通路４は背向する側面４００ａ，４００ｂの一方４００ｂが寒冷雰囲気側である路面側に向けて配置されている。前記温度勾配は外気温が低くなると大きくなる。特に氷雪路面のように路面側で冷え込むと、寒冷雰囲気側に向いた側面４００ｂに近いＤＰＦ５の下側部分では奪熱されやすくなり、ＤＰＦ５の下側部分では上側部分に比して相対的に触媒温度が上がりづらくなる。ＤＰＦの再生時において堆積排気微粒子の燃焼速度は触媒温度の影響を受けるので、従来の排気浄化装置においてＤＰＦ内で堆積排気微粒子の燃焼むらが生じる原因となっている。

本排気浄化装置では、外気温が低くなると制御弁開度が絞られて、上側の第１の分流路４ａの排気流量が減り、その分、下側の第２の分流路４ｂの排気流量が増大する。これにより、第１，第２の分流路４ａ，４ｂの直下流に位置するＤＰＦ５でも流通する排ガスの流量が下側で多く上側で少なくなる。これにより、上側部分に比して触媒温度が低いＤＰＦ５の下側部分に、より多くの酸素が供給され、燃焼を促進する。これがＤＰＦ５内の温度分布に基因する、ＤＰＦ５の下側部分における燃焼の緩慢化を相殺し、燃焼むらを抑制することができる。したがって、ＤＰＦ５の再生時に堆積排気微粒子の残存量がＤＰＦ５内でばらつくのを防止することができる。

また、ＤＰＦ５の再生時以外では制御弁開度を最大にしておくので、排気流量制御弁８の流量絞り作用に起因した機関背圧の増大を最小限に抑えることができる。

なお、排気流量制御弁８による燃焼むら抑制作用は、２つの分流路４ａ，４ｂにおける排気流量の比率に依存するから、弁開度マップは外気温の温度値ごとに開度を適正化するのが望ましい。すなわち、ＤＰＦ５内の温度分布に基因して生じる燃焼むらを相殺するのに必要な酸素の供給量と、外気温との相関、および、酸素の供給量と排ガスの流量との相関、そして、２つの分流路４ａ，４ｂにおける排ガスの流量の比率と制御弁開度との相関を予め実験などで確認し、適正な弁開度マップとするのがよい。

また、１つの外気温センサ７６による検出温度のみから制御弁開度を設定するのではなく、ＤＰＦ５位置で温度勾配が生じる方向に背向する排気通路４の側面４００ａと側面４００ｂとにそれぞれ温度センサを取付け、これらによる検出温度に基づいて設定してもよい。温度勾配がより正確に把握することができ、排ガスをより適正に２つの分流路４ａ，４ｂへ分配することができる。また、外気温だけではなく、排気流速などのディーゼルエンジンの運転状態など、ＤＰＦ５の横断面内における堆積排気微粒子の燃焼速度の分布の指標となる状態量をパラメータとして複数含むマップとしてもよい。

また、路面から遠い第１の分流路４ａに排気流量制御弁８を設けて、第１の分流路４ａの通路断面積を狭めるようにしているが、第１の分流路４ａとともに第２の分流路４ａにも排気流量制御弁を設けることを排除するものではない。また、排気通路は２つの分流路ではなく、排気通路内に車両高さ方向に２つ以上の仕切壁を配置して３つ以上の分流路を形成するのもよい。この場合、排気流量制御弁は、例えば路面に近い２つの分流路に配置する。

また、排気流量制御弁により分流路の排気流量の比率を自在として、外気温に応じて前記比率を変えるようにしているが、簡単には、第１の分流路にその途中で通路断面積が縮小する絞り部を形成するのもよい。この場合、絞りの通路断面積が小さいと比較的外気温が高くＤＰＦ５で大きな温度勾配とはならないときに、ＤＰＦ５の下側部分で燃焼速度が速くなる傾向が現れる。このため、絞り部の通路断面積はあまり小さくはできず、ある程度の燃焼むら抑制作用が期待できる範囲で絞り部の通路断面積を設定することになる。

また、本実施形態は氷雪路面の影響による燃焼むら対策の例を示したが、ＤＰＦの横断面内の温度分布の幅が大きく燃焼むらが生じる場合などにも応用することができる。ＤＰＦの横断面内の温度分布は、前記路面側とその反対側との間で温度に差が生じるだけではない。例えば、外気に近く奪熱されやすい外周部側と中心部側とで温度に差が生じ、ＤＰＦの径方向に外周側ほど低温となる温度勾配が生じるから、仕切壁を排気通路壁４０１と同軸に筒状に配置して、分流路を内外二重に形成し、内周側の分流路に排気流量制御弁を設ける。

また、本発明は前記各実施形態に記載のものに限らず、本発明の趣旨に反しない限り、種々の実施態様が可能である。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の全体概略構成図である。 前記排気浄化装置を構成するパティキュレートフィルタの縦断面図である。 前記排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行される制御内容を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン本体
２１，２２，２３，２４ インジェクタ
３ 吸気通路
４ 排気通路
４００ａ，４００ｂ 側面
４０１ 排気通路壁
４０２ 仕切壁
４ａ 第１の分流路
４ｂ 第２の分流路
５ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
６ ＥＣＵ（弁開度設定手段）
７６ 外気温センサ（状態量検出手段）
８ 排気流量制御弁（流量分布調整手段、調量弁）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路の途中に排ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタは、捕集、堆積した排気微粒子が内燃機関の運転中に燃焼除去されて再生可能な内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路には、前記パティキュレートフィルタに連なる直近位置に、堆積排気微粒子の燃焼速度が遅くなるパティキュレートフィルタの横断面内の位置で排ガスの流量が多くなるように前記横断面内における排ガスの流量分布を調整する流量分布調整手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの直上流で前記排気通路に、該排気通路の横断面方向に排気通路内を複数に区画する仕切壁を設けて複数の分流路を形成するとともに、前記流量分布調整手段として、前記複数の分流路のうち少なくとも一つに、排ガスの流量を調整する調量弁を配置し、
   かつ、前記パティキュレートフィルタの横断面内における堆積排気微粒子の燃焼速度の分布の指標となる状態量を検出する状態量検出手段と、前記パティキュレートフィルタの再生時に、前記状態量に基づいて前記調量弁の開度を設定する弁開度設定手段とを具備せしめた内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタは、背向する側面の一方を寒冷雰囲気に向けて配置されており、
   かつ、前記流量分布調整手段を、前記パティキュレートフィルタの横断面内の前記寒冷雰囲気とは反対側の位置で排ガスの流量を絞り可能とした内燃機関の排気浄化装置。

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