JP2006097469A - ディーゼルエンジン低負荷時におけるｐｍ連続再生方法 - Google Patents

ディーゼルエンジン低負荷時におけるｐｍ連続再生方法 Download PDF

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Abstract

【課題】吸気絞りを設けたディーゼルエンジンの低負荷時高排気温度維持装置において、長時間低負荷状態等のPM再生に不利な条件でもＰＭを連続再生すること。
【解決手段】定期的に吸気絞りを開放しエンジンに新気を供給することにより、補助排気浄化装置に流入する排ガスのＮＯ及び残留酸素を有意に増加させる。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン（以下「DE」）からの汚染物質低減の目的で使用する触媒の活性化方法に関し、アイドリング時等のエンジンの低負荷時においてもパティキュレート・マター（本発明においては「ＰＭ」）を連続再生（酸化）することができるＰＭ連続再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
年を追って厳しくなるＤＥの排出物規制値は２００５年以降ではガソリンエンジンと同様に触媒によってＰＭ、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）とし、ＮＯＸを解離して窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）とし無害化してから排出せざるを得ない。
【０００３】
従来自動車用DEは、主にエンジン自体の燃焼改善によって排気中に含まれる有害物質の低減に努められてきたが、２００５年以降の排気規制値に適合させることは非常に困難であると考えられている。
【０００４】
そこで最近は、前段のディーゼル用酸化触媒（本発明においては「ＤＯＣ」）と後段のディーゼル・パティキュレート・フィルター（本発明においては「ＤＰＦ」）とによって構成される連続再生式ＤＰＦ（Continuously Regenerative Diesel Particulate Filter）に関する研究開発が進められている。前段のDOCでＨＣはＣＯ２及びＨ２Ｏに変化し、COはＣＯ２に変化する。さらにＮＯＸ中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO２）に変化させる。後段のDPFでは前段で生成されたNO２でPM中のすす成分を燃焼させ、ＣＯ２として排出する。この連続再生式DPFはJohnson Mathey社によって発明されたCRTとして知られている。又、フィルター機能のみを有する構造体DPF上に各種の酸化触媒を担持させた一体型のDPF（触媒担持型DPF）の研究開発も進められている。本発明ではフィルター機能のみを有するDPFを単にDPFとし、触媒を担持したDPFを触媒担持型DPFとする。又、本発明において連続再生式DPFとは、触媒担持型DPF、DOCとDPFとの組合せ、DOCと触媒担持型DPFとの組合せを含むものとする。
【０００５】
連続再生式DPFの後段にDeNOx触媒を設け、最後に残ったＮＯＸについても解離する選択触媒還元方法（SCR）に関しても研究開発が進められている。このSCRと上記CRTとを組合せた装置はJohnson Mathey社のSCRTとして知られている。
【０００６】
上記の連続再生式DPFにおけるPMの燃焼は、触媒担持型DPFでは３５０℃以上、DOCでは２５０℃〜４５０℃と云われている。通常のＤＥのアイドル時における排気温度は７０℃〜１００℃であり、DEによって駆動される車両の８０km／ｈr以下の走行速度においては、発生する走行抵抗に対応するDEの負荷が低く排気温度は２６０℃（２５０℃＋α）に達せず、連続再生式DPFに捕集されたPMは酸化されることなくフィルター内に蓄積してフィルターが目詰まりしてしまい、やがて運転不可能になるという問題があった。
【０００７】
アイドル時及び低負荷時に連続再生式ＤＰＦ入口の排気温度を２６０℃以上にして上記の問題を解決するために特許文献１では、通常のDEのアイドル時の排気温度が低い理由は空気過剰率（以下「λ」）が１０〜１２と高いことが原因であることに着目し、DEのシリンダ内空気量を減少させ、λを１に近づけるための手段を設けている。具体的には、
a）吸気絞り
ガソリンエンジンと同様に吸気系にスロットルバルブを設置して吸入空気量を絞ることにより可能な限りλを１に近づけ排気温度を高める。
ｂ）排気２段カム（以下「ESC」）
吸気を絞りつつ吸気行程を行なわせて上記の吸気絞りの効果を得るとともに吸気行程の下死点付近においてESCにより排気バルブを開弁させ、大気圧である高温の排気が減圧されているシリンダ内に逆流してシリンダ内空気を断熱圧縮して温度を高める。
これは一種の排気再循環（EGR）で高温の排気はシリンダ内空気と混合して圧縮行程直前の空気温度を更に高め、上死点付近にて噴射された燃料の燃焼を促進するばかりか、この高温のEGRには排出された直後においては燃焼を促進するラジカルが含まれていて圧縮行程の上死点に至るまでラジカルの効果は消滅しないと考えられる。
ｃ）減筒
６気筒エンジンを３気筒に減らす等を行なうことにより、作動する気筒の仕事により作動しない気筒も駆動することになるので負担が増大し、これに対応して燃料消費量が増加して排気温度が上昇するうえ、気筒による冷却面積が減少するので冷却損失を防げる。
ｄ）排気絞り
DEの排気系に絞り弁を設置し、背圧を高めることによってDEの負担を増大させ、それに応じて燃焼させる燃料の量を増やし、燃焼温度を高め、白煙の排出量を減少させる。又、背圧が高まることによってESCによって開弁した排気弁から逆流する高温EGR量を増大させてESCの効果を増大させる。
のa）〜ｄ）の手段を組合せたものである。
【０００８】
又特願２００１−１２９８３３号は、主触媒の他に熱容量の小さな補助触媒をエンジンに近接して設置し、エンジンの高出力時には主触媒を用い、低出力時には補触媒を用いるようにすることで、長い配管による冷却を避けるとともに触媒をエンジンに近接して設置したことによるエンジンの比出力の低下を避け、さらにエンジン始動時に熱容量の小さな補助触媒を用いることで短時間に高温化して触媒を活性化することを可能としたものである。
【０００９】
さらに特願２００２−０９４１７４号は、主触媒の他に熱容量の小さな補助触媒を設けるとともに吸気絞り、ESC、減筒、排気絞りを行なうことができるようにしたものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−３３６４４０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１、特願２００１−１２９８３３号、特願２００２−０９４１７４号に記載のDEの低負荷時高排気温度維持装置においては、長時間低負荷状態等の不利な条件だと、触媒のＰＭ再生能力よりも触媒内部に蓄積されるＰＭの量が上回る状態が続き、最終的にエンジンが失火するという問題があった。
【００１２】
特に３．０リッター過給エンジンでは、特許文献１に記載のDEの低負荷時高排気温度維持装置等は、有効な排気ガス上昇とPMの連続再生に成功したが、不利な条件を持つエンジンではPMの連続再生は行なえなかった。尚、この試験結果については後述する。
【００１３】
本発明は上述した事情より成されたものであり、本発明の目的は、低負荷時及びアイドリング時等のPM再生に不利な条件が長時間続いてもＰＭを連続再生（酸化）することができるＰＭ連続再生方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、DEから排出される排気ガスを、排気浄化装置を通して排気ガス中のPMを連続再生するPM連続再生方法であって、DEの吸気通路に吸気絞り弁を設けてDEから排気浄化装置に流入する排気ガスの排気温度を高め、吸気絞り弁を定期的に開放してDEに新気を供給することを特徴とするＰＭ連続再生方法である。
【００１５】
上記PM連続再生方法において、DEから排気浄化装置に流入する排気ガスの排気温度を高めるため、DEの吸気行程の下死点付近において排気バルブを開弁することにより、高温の排気が減圧されているDEのシリンダ内に逆流して排気再循環を行なうようにする場合がある。つまり排気ガス温度を上昇させるために上記ESCを用いることができる。
【００１６】
上記の排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFにすることができる。
【００１７】
又、上記PM連続再生方法において、排気浄化装置は主排気浄化装置と補助排気浄化装置とで構成され、DEの排気ポートと主排気浄化装置とは主排気管によって接続され、補助排気管が主排気管に両端部を接続して設けられ、補助排気管には補助排気浄化装置が接続して設けられ、DEの低負荷時における小排気流量時には、主排気管に設けられた切換弁を閉弁することによりDEからの排気ガスの全流量が補助排気管を通って補助排気浄化装置に送られるようにし、DEの高負荷時における排気流量の増大時には切換弁を開弁するようにする場合がある。これは、特願２００１−１２９８３３号や特願２００２−０９４１７４号のようには、主触媒の他に熱容量の小さな補助触媒をエンジンに近接して設置した方法である。
【００１８】
この主排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFとすることができ、補助排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFとすることができる。
【００１９】
本発明のPM連続再生方法においてDEは多気筒とすることができ、多気筒DEにおいて減筒運転を行なうことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明のPM連続再生方法において用いるDEのシリンダの模式図を示している。（ａ）はピストン下死点前の下死点付近を示しており、（ｂ）はピストン下死点後の下死点付近を示している。（ａ）と（ｂ）はいずれも吸気行程である。（ａ）に示されるように吸気通路にある吸気絞り弁１によって流入空気量を絞り、可能な限りλが１に近づくようにし、吸気バルブ２を開弁してシリンダ４内に空気を入れる（図中Ａで示される）。そして、（ｂ）に示されるようにピストン下死点付近において吸気バルブ２を閉弁するとともに排気バルブ３を開弁することで一度排気通路に排気された排気ガスの一部がシリンダ４内に逆流（図中Ｂで示される）して排気ガスの温度を高めることができる。尚、吸気絞り弁１はスロットルバルブとすることができ、吸気バルブ２はシリンダーヘッドの吸気弁であり、排気バルブ３はシリンダーヘッドの排気弁である。
【００２１】
本発明において、吸気絞り弁を定期的に開放して前記DEに新気を供給すること（本発明においては「新気スパイク」とする場合がある）は、流入空気量を絞るために設けられている吸気絞り弁１を定期的に開放することによって行われるが、そのタイミングは吸気絞り弁１の絞り９分３０秒につき吸気絞り弁１の開放を６０秒以下とすれば十分の効果を得ることができ、さらには絞り９分３０秒につき開放を３０秒以下、絞り９分３０秒につき開放１５秒以下、絞り９分３０秒につき開放５秒以下、絞り３０分につき開放６０秒、絞り３０分につき開放１秒でも十分の効果を得ることができる。
【００２２】
図２は本発明のPM連続再生方法において補助排気浄化装置を用いた場合の実施例である。エンジンは４気筒としている。先ず切換弁１１が閉じている状態における空気（排気ガス）の流れについて説明する。吸気絞り弁１を通過した空気はDE５のシリンダ４内に送られ、DE５内のシリンダ４（図２には描かれていない）内で噴射された燃料と燃焼する。燃焼した排気ガスは排気マニホールド集合部６（多気筒エンジンにおける排気ポート）を通り、排気マニホールド集合部６よりも下流に設けられた補助排気管７を通り補助排気浄化装置８に送られる。補助排気浄化装置８の詳細については後述する。補助排気浄化装置８によって浄化された排気ガスは補助排気管７を通り主排気管９を通って主排気浄化装置１０によってさらに浄化されて排出される。このように、DEがアイドリング中や低負荷持においては、切換弁１１を閉じて補助排気浄化装置８にすべての排気ガスが送られるようにする。補助排気浄化装置８は主排気浄化装置１０に比して容量が小さいので温度上昇が早く、又、主排気管９を通る間に排気ガスが冷却されてしまうことを防ぐ効果がある。DE高負荷時には切換弁１１を開放して排気マニホールド５を通った排気ガスは、補助排気管７及び主排気管９を通って補助排気浄化装置８及び主排気浄化装置１０の両方で浄化される。
【００２３】
尚、本実施例では４気筒としたが、６気筒その他の多気筒にしてもよく、単気筒にしてもよい。又、補助排気浄化装置８を設けずに主排気浄化装置１０のみとしてもよいが、この場合には勿論切換弁１１、補助排気管７は必要ではない。さらに補助排気浄化装置８と主排気浄化装置とを備えている場合、上記切換弁１１の他に、補助排気管７の補助排気浄化装置８よりも上流に別の切換弁を設けて、DE高負荷時には補助排気浄化装置８には排気ガスが通らず、主排気浄化装置１０のみに排気ガスが送られるようにすることも可能である。
【００２４】
図３は補助排気浄化装置８の模式図である。主排気浄化装置１０も容量は大きいが基本的に構造は同じである。DOCと触媒担持型DPFが並べられている連続再生式DPFである。尚、本発明の補助排気浄化装置８は触媒担持型DPFのみとすることも可能であり、DOCとDPFとを並べて使用することも可能である。
【００２５】
【実施例】
（試験１）「新気スパイク」なしの場合
エンジンは４HF１（いすゞエルフ）であり、排気量４，３３４ｃｃ、無過給、最高出力１３５／３２００（Net PS／ｒｐｍ）、最大トルク３２．０／１７００（Net ｋｇ・ｍ／ｒｐｍ）、列型機械噴射、平成元年度規制のものを使用した。シリンダは図１に示されるような構造である。
【００２６】
燃料は低硫化軽油（３４ｐｐｍ）であり、運転開始条件は、APP（Accelerator Pedal Position：アクセル開度）を６％、IPT（Intake Throttle Position：吸気絞り弁の開弁率）は２．３％とし、エンジン回転数は９８８rpmとした。排気マニホールド集合部温度２８０℃達成時に試験を開始した。
【００２７】
図２に示される補助排気浄化装置と主浄化装置を設けた４気筒DEの排気浄化装置を用いた。補助排気浄化装置は、直径６５ｍｍ、長さ３０ｍｍのDOCと、直径６５ｍｍ、長さ１００ｍｍの媒担持型DPFを図３のように組合せた。補助浄化装置に全排気ガスが流入するようになっている。尚、試験中にAPPを１２％に設定してガス流量を倍増させた時間が５分弱ほど存在する。又、主排気浄化装置の容量は５１００ｃｃである。
【００２８】
試験１における試験結果のグラフを図４に示す。縦軸は補助排気浄化装置に流入する排気ガスの温度（℃）、排気圧（ｋｐａ）であり、横軸は経過時間（秒）である。薄く太い線が補助排気浄化装置入口温度であり、薄く細い線が補助排気浄化装置入口圧力である。濃く細い線が補助排気浄化装置出口温度であり、濃く太い線が補助排気浄化装置出口の圧力を示している。以下のグラフも同様である。尚、グラフ中では補助排気浄化装置をμDPFと称しており、以下のグラフにおいても同様である。
【００２９】
グラフからわかるように試験１では、補助排気浄化装置に２８０℃程度の排気ガスを供給した際、PMを再生してはいる（μDPF入口＜温度＜μDPF出口）ものの、μDPF入口と出口の差圧は上昇を続け、１５０ｋpa（≒１５，２９６mmAq）の時点でエンジンは失火した。これはPMの再生能力よりもμDPF内部に蓄積されるPMの量が上回ることが原因である。尚、補助排気浄化装置の重量は５．５ｇ増加していた。
【００３０】
（試験２）「新気スパイク」を行なった場合
装置は試験１と同じで、バルブギャップを１．０ｍｍにして新気スパイク（吸気絞り弁を全開に開放した）を行なったことを除いては試験１と運転開始条件は同じである。試験２では新気の供給は吸気絞り弁の絞り９分３０秒に対する吸気絞り弁の開放を１分、３０秒、１５秒、５秒の４種類で試験した。試験２における試験結果のグラフを図５に示す。運転中はグラフに示すようにITPを変化させている。
【００３１】
縦軸は補助排気浄化装置に流入する排気ガスの温度（℃）、排気圧（ｋｐａ）であり、横軸は経過時間（秒）である。
【００３２】
１０００ｒｐｍの際に、試供エンジンは約１／４秒で４気筒全てが掃気される（混合気の完全入れ替え）ことを考えると、約５秒間の「新気スパイク」によって補助排気浄化装置内部は約８０回酸素残留が十分な排気ガスで満たされ得る計算となる。ITPが２．３％に設定できた部分においては、補助排気浄化装置の入口及び出口温度は上昇している。補助排気浄化装置の入口及び出口の差圧上昇も試験１に比して明瞭に低下しており、「新気スパイク」毎に低下（PMの再生）していることがわかる。１万２０００秒（３時間１５分）の試験後の差圧上昇は約８．３ｋｐａであり、補助排気浄化装置内部に蓄積したPMの重量は４．２ｇであった。
【００３３】
（試験３）「新気スパイク」の時間及びそのタイミングを変更した場合
試験３では、運転開始条件は試験２と同じで「新気スパイク」の時間及びそのタイミングを変更したものである。装置は試験１と同じで吸気絞り弁の絞りを３０分継続し、「新気スパイク」を１秒と」短縮しても、補助排気浄化装置のPM再生能力は低下せず、又、差圧も大きな上昇を見せないことが理解できる。
【００３４】
試験３における試験結果のグラフを図６に示す。ITPは運転中グラフに示すように変化させている。補助排気浄化装置内部に蓄積したPMの重量は０．４ｇであった。「新気スパイク」は単に吸気絞り弁を全開するのみであり、発生出力・トルクには変化が生じないから運転に及ぼす悪影響は一切ない。あえて指摘するなら、吸気音が上昇するが、数分に１秒のスパイクではそれに気づく運転者は皆無である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のPM連続再生方法は、定期的に吸気絞りを開放しエンジンに新気を供給することにより、補助排気浄化装置に流入する排ガスのＮＯ及び残留酸素を有意に増加させる方法である。これによって低負荷時及びアイドル時においてもPMを連続再生することができる。
【００３６】
本発明のPM連続再生方法は、DE低負荷時及びアイドリング時等のPM再生に不利な条件が長時間続いてもＰＭを連続再生（酸化）することができる。本発明のPM連続再生方法は、燃料供給装置が旧式であり、高圧で噴射するコモンレールに比して燃料の粒径が大きく、排出されるPMの粒径も大きく、さらには、合致している排ガス規制値が旧規制対応であり、排出PM量（重量が）非常に多いものであっても、ターボチャージャーが作動しないアイドリングあるいは低負荷領域において、PMを連続再生できるPMの連続再生方法である。本発明は出力／排気量値が低く排ガス温度上昇に不利な無過給・４気筒エンジンにおいてもPMを連続再生することのできるPM連続再生方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のPM連続再生方法において用いるDEのシリンダ模式図であって、（ａ）はピストン下死点前の下死点付近を示しており、（ｂ）はピストン下死点後の下死点付近を示している。
【図２】 本発明のPM連続再生方法において補助排気浄化装置を用いた場合の実施例である。
【図３】 補助排気浄化装置の模式図である。
【図４】 試験１における試験結果のグラフを示しており、「新気スパイク」を行なわなかった場合を示している。
【図５】 試験２における試験結果のグラフを示しており、「新気スパイク」を行なった場合を示している。
【図６】 試験３における試験結果のグラフを示しており、種々の「新気スパイク」のタイミングで試験した結果である。
【符号の説明】
１ 吸気絞り弁
２ 吸気バルブ
３ 排気バルブ
４ シリンダ
５ ディーゼルエンジン（DE）
６ 排気マニホールド集合部
７ 補助排気管
８ 補助排気浄化装置
９ 主排気管
１０ 主排気浄化装置
１１ 切換弁

Claims (7)

  1. ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを、排気浄化装置を通して排気ガス中のPMを連続再生するPM連続再生方法であって、前記ディーゼルエンジンの吸気通路に吸気絞り弁を設けて前記ディーゼルエンジンから前記排気浄化装置に流入する排気ガスの排気温度を高め、前記吸気絞り弁を定期的に開放して前記ディーゼルエンジンに新気を供給することを特徴とするＰＭ連続再生方法。
  2. 前記ディーゼルエンジンから前記排気浄化装置に流入する排気ガスの排気温度を高めるため、前記ディーゼルエンジンの吸気行程の下死点付近において前記排気バルブを開弁することにより、高温の排気が減圧されている前記ディーゼルエンジンのシリンダ内に逆流して排気再循環を行なうようにした請求項１に記載のPM連続再生方法。
  3. 前記排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFである請求項１又は２に記載のPM連続再生方法。
  4. 前記排気浄化装置は主排気浄化装置と補助排気浄化装置とで構成され、前記ディーゼルエンジンの排気ポートと前記主排気浄化装置とは主排気管によって接続されており、補助排気管が前記主排気管に両端部を接続して設けられており、前記補助排気管には前記補助排気浄化装置が接続して設けられており、前記ディーゼルエンジンの低負荷時における小排気流量時には、主排気管に設けられた切換弁を閉弁することにより前記ディーゼルエンジンからの排気ガスの全流量が前記補助排気管を通って前記補助排気浄化装置に送られるようにし、前記ディーゼルエンジンの高負荷時における排気流量の増大時には前記切換弁を開弁するようにした請求項１又は請求項２に記載のPM連続再生方法。
  5. 前記主排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFであり、前記補助排気浄化装置は、DOCとDPF、DOCと触媒担持型DPF、触媒担持型DPFから選択されるいずれか１の連続再生式DPFである請求項４に記載のPM連続再生方法。
  6. 前記ディーゼルエンジンは多気筒である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のPM連続再生方法。
  7. 前記ディーゼルエンジンにおいて減筒運転を行なう請求項６に記載のPM連続再生方法。
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