JP2006316728A - 排気微粒子浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの温度が低い場合にも、低電力でフィルタの再生を行うことができる排気微粒子浄化装置を提供する。
【解決手段】排気マニフォルド３は、第１分割排気マニフォルド３ａ，３ｂの２つに分割されており、第１分割排気マニフォルド３ａには、燃料添加弁５が設けられている。一端が燃料タンクに接続されると共に他端が燃料添加弁５に接続された燃料通路６が設けられ、燃料通路６には燃料ポンプ７が設けられている。また、燃料添加弁５よりも下流には、電熱ヒータ８、酸化触媒９及び温度センサ１０が設けられている。排気通路４には、酸化触媒１１、フィルタ１２及び温度センサ１３が設けられている。フィルタ１２には、差圧計１５が設けられている。燃料添加弁５、燃料ポンプ７及び電熱ヒータ８の動作を制御する制御ユニット１６が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気微粒子浄化装置に係り、特に、ディーゼルエンジンからの排気ガスに含まれる排気微粒子を浄化するための排気微粒子浄化装置に関する。

特許文献１及び２には、ディーゼルエンジンからの排気ガス中の排気微粒子を処理するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置が開示されている。このようなＤＰＦ装置には、排気微粒子を捕捉するフィルタが設けられており、フィルタの上流側には、酸化触媒が設けられている。この酸化触媒の上流側で燃料を噴霧することにより、酸化触媒において燃料が酸化反応を起こし、この酸化反応の反応熱で排気ガスの温度が上昇する。この排気ガスの温度を利用して、フィルタに捕捉された排気微粒子を酸化除去することにより、フィルタが再生される。酸化触媒における燃料の酸化、及びフィルタにおける排気微粒子の酸化には、それぞれ所定温度以上の雰囲気温度が必要である。
排気ガスの温度が所定温度よりも低い場合には、酸化触媒が活性化しないため、燃料を供給しても燃料の酸化反応が起こらない。燃料の酸化反応が起こらないと、フィルタにおいて排気ガスの温度が排気微粒子の酸化反応に必要な温度まで上昇しないため、フィルタに捕捉された排気微粒子の酸化除去ができない、すなわちフィルタの再生ができない。そこで、排気ガスの温度が所定温度よりも低い場合にも酸化触媒を活性化させることができるように、酸化触媒の上流に電気ヒータを設けることにより排気ガスの温度を上昇させている。

特開平８−４２３２５号公報 特開平１１−９３６３９号公報

しかしながら、特許文献１では、触媒担体と一体に部分加熱ヒータが設けられており、触媒の活性温度まで短時間で十分に昇温させるためには多大な電力が必要となり、発電機やバッテリーの増強を必要とする等コスト及び重量の増加を伴うという問題点があった。また、特許文献２では、帯状型ヒータを別途触媒の前方に配置することで、消費電力の問題の改善を図っているが、通過する排気ガス全量の昇温が必要な点に変わりはないため、やはり大きな消費電力を必要とするといった問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、排気ガスの温度が低い場合にも、低電力でフィルタの再生を行うことができる排気微粒子浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気微粒子浄化装置は、エンジンから排出される排気ガス中の排気微粒子を処理する排気微粒子浄化装置であって、２つ以上の分割排気マニフォルドからなる排気マニフォルドと、２つ以上の分割排気マニフォルドのうちの第１分割排気マニフォルド内に燃料を供給する燃料添加手段と、燃料添加手段よりも下流の第１分割排気マニフォルドに設けられ、排気ガスを加熱する電熱手段と、電熱手段よりも下流の第１分割排気マニフォルドに設けられ、燃料を酸化する第１の酸化触媒と、排気マニフォルドと連通し、排気ガスが流通する排気通路と、排気通路に設けられ、燃料を酸化する第２の酸化触媒と、第２の酸化触媒よりも下流の排気通路に設けられ、排気微粒子を捕捉するフィルタとを備える。排気マニフォルドを、２つ以上の分割排気マニフォルドに分割し、１つの分割排気マニフォルドに電熱手段を設けたので、エンジンからの排気ガスの一部だけが電熱手段によって加熱される。
排気微粒子浄化装置は、電熱手段及び第１の酸化触媒の間の第１分割排気マニフォルドに設けられ、排気ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、第２の酸化触媒及びフィルタの間の排気通路に設けられ、排気ガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、燃料添加手段及び電熱手段の動作を制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、フィルタを再生する際に、第１の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、電熱手段を作動または停止させ、第１の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、燃料添加手段を作動させ、第２の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、燃料添加手段から供給される燃料の供給量を調整するようにしてもよい。
排気微粒子浄化装置は、第２の酸化触媒よりも上流の排気経路に設けられた、排気ガスの温度を検出する第３の温度検出手段をさらに備え、燃料の供給を開始してから第３の温度検出手段によって検出された検出値が所定温度になるまで、制御ユニットは燃料の供給量を増加した後、第２の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、燃料添加手段から供給される燃料の供給量を調整するようにしてもよい。

この発明によれば、排気マニフォルドを２つ以上の分割排気マニフォルドに分割し、１つの分割排気マニフォルドに電熱手段を設けることにより、排気ガスの一部だけを電熱手段によって加熱するので、電熱手段における消費電力を低減することができ、低電力でフィルタの再生を行うことができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置の構成を図１に示す。４つの気筒１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有する４気筒エンジンのシリンダヘッド１には、吸気マニフォルド２及び排気マニフォルド３が接続されている。排気マニフォルド３は、第１分割排気マニフォルド３ａ及び第２分割マニフォルド３ｂの２つに分割されており、第１分割排気マニフォルド３ａは２つの気筒１ａ，１ｂに連通し、第２分割排気マニフォルド３ｂは２つの気筒１ｃ，１ｄに連通している。第１分割排気マニフォルド３ａには、外部から内部へ貫通するように、燃料添加弁５が設けられている。一端が図示しない燃料タンクに接続されると共に他端が燃料添加弁５に接続された燃料通路６が設けられ、燃料通路６には燃料ポンプ７が設けられている。ここで、燃料添加弁５、燃料通路６及び燃料ポンプ７は燃料添加手段を構成する。また、第１分割排気マニフォルド３ａには、燃料添加弁５よりも下流に、排気ガスを加熱するための電熱ヒータ８と、排気ガスに含まれる燃料を酸化するための酸化触媒９とが順次設けられ、電熱ヒータ８及び酸化触媒９の間には、排気ガスの温度を検出する温度センサ１０が設けられている。ここで、電熱ヒータ８は電熱手段を構成し、酸化触媒９は第１の酸化触媒を構成し、温度センサ１０は第１の温度検出手段を構成する。

排気マニフォルド３に連通するように、すなわち第１分割排気マニフォルド３ａ及び第２分割排気マニフォルド３ｂの両方に連通するように、排気通路４が設けられている。排気通路４には、酸化触媒９と同じ種類の酸化触媒１１と、排気ガスに含まれる排気微粒子を捕捉するためのフィルタ１２とが順次設けられ、酸化触媒１１及びフィルタ１２の間には、排気ガスの温度を検出する温度センサ１３が設けられている。ここで、酸化触媒１１は第２の酸化触媒を構成し、温度センサ１３は、第２の温度検出手段を構成する。フィルタ１２には、差圧計１５が設けられている。
また、燃料添加弁５、燃料ポンプ７、電熱ヒータ８、２つの温度センサ１０，１３、及び差圧計１５のそれぞれは、制御ユニット１６に電気的に接続されている。制御ユニット１６には、酸化触媒９，１１が活性化されて燃料の酸化反応を起こす第１基準温度である２８０℃と、フィルタ１２に捕捉された排気微粒子が酸化反応を起こす第２基準温度である６５０℃とが設定されている。

次に、この実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置の動作を説明する。
図示しない吸気装置によって取り入れられた空気は、吸気マニフォルド２を介して各気筒１ａ〜１ｄ内に吸入される。各気筒１ａ〜１ｄ内では、空気は圧縮された後、燃料が噴射されて燃焼し、排気ガスとして各気筒１ａ〜１ｄから排出される。気筒１ａ，１ｂから排出された排気ガスは第１分割排気マニフォルド３ａで集められて排気通路４に送られる。この際、アイドリング運転時等エンジン負荷の低い状態を想定すると、温度センサ１０によって検出される排気ガスの温度は例えば１６０℃といった比較的低い温度となる。一方、気筒１ｃ，１ｄから排出された排気ガスは第２分割排気マニフォルド３ｂで集められて排気通路４に送られる。排気通路４に送られた排気ガスは、排気通路４を流通し、フィルタ１２において排気ガスに含まれる排気微粒子が捕捉された後、車外に排出される。
フィルタ１２に捕捉された排気微粒子の量が増加すると、差圧計１５によって検出されるフィルタ１２の差圧が上昇する。この差圧が所定値以上となったら、制御ユニット１６は、フィルタ１２の再生を開始する。

次に、フィルタ１２を再生する動作を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
フィルタ１２の再生動作開始後、制御ユニット１６は電熱ヒータ８を作動させる（ステップＳ１）。電熱ヒータ８が作動すると、気筒１ａ，１ｂから排出された排気ガスは、電熱ヒータ８によって加熱されて昇温される。次に、制御ユニット１６は、温度センサ１０の検出値が２８０℃より高いか否かを判定する（ステップＳ２）。検出値が２８０℃以下の場合には、電熱ヒータ８による加熱を継続する。一方、検出値が２８０℃より高くなった場合、制御ユニット１６は、燃料添加手段を作動させることによって、すなわち燃料ポンプ７を作動させると共に燃料添加弁５を開くことによって、第１分割排気マニフォルド３ａ内に燃料の供給を開始する（ステップＳ３）。燃料添加弁５から供給された燃料は、排気ガスに同伴されて酸化触媒９に流入する。燃料を同伴する排気ガスの温度は２８０℃より高くなっているので、酸化触媒９によって燃料の酸化反応が生じる。この酸化反応の反応熱により、排気ガスの温度はさらに上昇し、６００℃となっている。これに対し、気筒１ｃ，１ｄから排出された排気ガスの温度は、気筒１ａ，１ｂから排出された排気ガスの温度と同じ１６０℃である。したがって、排気通路４において、第１分割排気マニフォルド３ａを流通した排気ガスと排気マニフォルド３ｂを流通した排気ガスとが混合すると共に排気通路４を介して放熱されるため、排気ガスは、酸化触媒９から流出した直後の６００℃よりも低い温度で酸化触媒１１に流入する。

次に、制御ユニット１６は、温度センサ１３の検出値が６５０℃より高いか否かを判定する（ステップＳ４）。検出値が６５０℃以下の場合には、制御ユニット１６は燃料添加弁５の噴射回数を多くすることによって燃料供給量を増加させる（ステップＳ５）。燃料供給量が増加すると、酸化触媒９において酸化しきれずに、酸化触媒１１において酸化される燃料が増加する。この酸化反応の反応熱により、酸化触媒１１を流通する排気ガスの温度が上昇する。燃料供給量を増加していき、温度センサ１３の検出値が６５０℃を超えた場合には、燃料供給量の増加を停止し、温度センサ１３の検出値が６５０℃を超えるように燃料供給量を調整する（ステップＳ６）。温度センサ１３の検出値が６５０℃を超えると、６５０℃を超えた排気ガスがフィルタ１２に流入するので、フィルタ１２に捕捉された排気微粒子は酸化除去される。排気微粒子が酸化除去されると、差圧計１５の検出値が低下する。差圧計１５の検出値が所定値以下となったら、フィルタ１２は再生されたと見なし、フィルタ１２の再生動作を終了する。

このように、排気マニフォルド３を第１分割排気マニフォルド３ａ及び第２分割排気マニフォルド３ｂに分割し、排気マニフォルド３ａのみに電熱ヒータ８を設けて排気ガスの温度を上昇するようにしたので、排気マニフォルド３を分割せずに排出された排気ガスの全てを加熱する場合に比べて、電熱ヒータ８における消費電力を１／２に低減することができる。したがって、低電力でフィルタ１２の再生を行うことができる。
また、温度センサ１０，１３，１４の検出値に基づいて燃料供給の開始及び燃料供給量の調整を行うようにしたので、酸化触媒９，１１が活性化される前に燃料が供給されて酸化触媒９，１１に燃料が滞留すること、および、酸化・滞留しきれずにＨＣ白煙として車外に放出されることを防ぐことができると共に、燃料供給量を最適にすることができる。
また、第１分割排気マニフォルド３ａを通過する排気ガスのみの昇温を図る構造であるため、電熱ヒータ８及び酸化触媒９を小型化できると共に、よりエンジンに近接して配置することが可能となり、酸化触媒９に至るまでの排気ガスの温度低下を抑え、電熱ヒータ８の消費電力の低減に貢献することができる。

この実施の形態１では、排気マニフォルド３を、気筒１ａ，１ｂに連通する第１分割排気マニフォルド３ａと、気筒１ｃ，１ｄに連通する第２分割排気マニフォルド３ｂとに分割し、第１分割排気マニフォルド３ａに燃料添加弁５、電熱ヒータ８、酸化触媒９及び温度センサ１０を設けたが、これに限定するものではない。エンジンルーム内のスペースによって、これらの装置を第２分割排気マニフォルド３ｂに設けてもよい。
また、排気マニフォルド３の分割も、実施の形態１に限定されるものではなく、例えば、第１分割排気マニフォルド３ａを気筒１ａ，１ｃに連通するようにすると共に第２分割排気マニフォルド３ｂを気筒１ｂ，１ｄに連通するようにしてもよく、あらゆる気筒の組み合わせで排気マニフォルド３を分割してもよい。
さらに、実施の形態１では、４気筒エンジンを例にして説明を行ったが、４気筒エンジンに限定するものではなく、任意の数の気筒を有するエンジンでもよい。例えば、図３に示されるように、６つの気筒２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆを有する６気筒エンジンにおいて、排気マニフォルド２３を、気筒２０ａ〜２０ｃに連通する第１分割排気マニフォルド２３ａと、気筒２０ｄ〜２０ｆに連通する第２分割排気マニフォルド２３ｂとに分割してもよい。また、排気マニフォルド３を２つに分割することに限定されるものではなく、図４に示されるように、６気筒エンジンにおいて、排気マニフォルド３を、気筒２０ａ，２０ｂに連通する第１分割排気マニフォルド３３ａと、気筒２０ｃ，２０ｄに連通する第２分割排気マニフォルド３３ｂと、気筒２０ｅ，２０ｆに連通する第３分割排気マニフォルド３３ｃとの３つに分割してもよい。この場合、排気ガス全てを加熱する場合に比べて、電熱ヒータ８における消費電力を１／３に低減することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置を図５に基づいて説明する。尚、図５において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置は、図５に示されるように、実施の形態１に対して、酸化触媒１１及びフィルタ１２の間に、第３の温度検出手段である温度センサ１４を設けたものである。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置のフィルタ１２を再生する動作を、図６のフローチャートに基づいて説明する。図６は、実施の形態１におけるフィルタ１２を再生する動作を示す図２に対して、ステップＳ３及びＳ４の間に、温度センサ１４の検出値が２８０℃を超えるか否かを判定するステップＳ１３と、ステップＳ１３において検出値が２８０℃以下の場合に、検出値が２８０℃を超えるまで燃料供給量を増加するステップＳ１４を挿入したものであり、その他のステップは実施の形態１と同じである。すなわち、図６において、ステップＳ１０〜Ｓ１２までは、図２のステップＳ１〜Ｓ３までと同じであり、ステップＳ１２の後、制御ユニット１６は、温度センサ１４の検出値が２８０℃より高いか否かを判定する（ステップＳ１３）。検出値が２８０℃以下の場合には、制御ユニット１６は燃料添加弁５の開度を大きくすることによって燃料供給量を増加させる（ステップＳ１４）。温度センサ１４の検出値が２８０℃を超えるまで、燃料供給量を増加する。ステップＳ１４によって温度センサ１４の検出値が２８０℃を超えた場合、あるいはステップＳ１２からステップＳ１３に移行した際、既に温度センサ１４の検出値が２８０℃を超えていた場合、続くステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５〜Ｓ１７は、図２のステップＳ４〜６と同じである。

実施の形態２では、温度センサ１４を設けることにより、酸化触媒１１に流入する排気ガスの温度が２８０℃よりも高くなるように、燃料供給量を増加させるステップを追加した。これにより、酸化触媒１１が活性化される前に燃料供給量を増加することによって、酸化触媒１１に燃料が滞留してしまうこと、および、酸化・滞留しきれずにＨＣ白煙として車外に放出されることを防止できる。また、燃料供給量の最適化を、さらに厳密に行うことができる。
尚、この実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置に対しても、実施の形態１で説明した各変形例を適用することができる。

実施の形態１及び２では、排気ガスの温度や第１及び第２基準温度を具体的な数値を用いて説明したが、これらの数値に限定するものではない。酸化触媒９，１１の種類に応じて活性温度は異なるので、酸化触媒９，１１の種類や排気ガス量等によって、排気ガス温度は異なる。また、これによって、第１及び第２基準温度も適宜変更する必要がある。

実施の形態１及び２では、酸化触媒９，１１にそれぞれ同じ触媒を用いたが、これに限定するものではない。それぞれに異なる種類の酸化触媒を用いてもよい。代表的な触媒活性物質としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属が挙げられる。例えば、酸化触媒９としてＰｔを担持した触媒を採用した時に、同様にＰｔを担持した触媒を酸化触媒１１に使用しても良いし、あるいは、Ｐｄ−Ｒｈを担持した触媒を酸化触媒１１に使用しても良い。
また、実施の形態１及び２では、燃料添加弁５を電熱ヒータ８の上流側の排気マニフォルドに設置したが、これに限定するものではない。電熱ヒータ８の更に上流側にあたる排気ポート内に燃料添加弁５を設置しても良い。あるいは、燃料添加弁５を廃止し、図示しない燃料噴射弁を、燃料添加手段として利用しても良い。例えば、気筒１ａ及び１ｂに配置される燃料噴射弁を制御し、気筒１ａ及び１ｂの膨張（燃焼）行程末期或いは排気行程時に気筒内に燃料噴射を行なうことで、第１分割排気マニフォルド内に燃料を供給することができる。

この発明の実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置の構成図である。 実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置において、フィルタの再生動作を説明するフローチャートである。 実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置の変形例の構成図である。 実施の形態１に係る排気微粒子浄化装置の別の変形例の構成図である。 実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置の構成図である。 実施の形態２に係る排気微粒子浄化装置において、フィルタの再生動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

３ 排気マニフォルド、３ａ，２３ａ，３３ａ 第１分割排気マニフォルド、４ 排気通路、５ 燃料添加弁（燃料添加手段）、６ 燃料通路（燃料添加手段）、７ 燃料ポンプ（燃料添加手段）、８ 電熱ヒータ（電熱手段）、９ 酸化触媒（第１の酸化触媒）、１０ 温度センサ（第１の温度検出手段）、１１ 酸化触媒（第２の酸化触媒）、１２ フィルタ、１３ 温度センサ（第２の温度検出手段）、１４ 温度センサ（第３の温度検出手段）、１６ 制御ユニット。

Claims (3)

1. エンジンから排出される排気ガス中の排気微粒子を処理する排気微粒子浄化装置であって、
   ２つ以上の分割排気マニフォルドからなる排気マニフォルドと、
   前記２つ以上の分割排気マニフォルドのうちの１つの第１分割排気マニフォルド内に燃料を供給する燃料添加手段と、
   前記燃料添加手段よりも下流の前記第１分割排気マニフォルドに設けられ、前記排気ガスを加熱する電熱手段と、
   前記電熱手段よりも下流の前記第１分割排気マニフォルドに設けられ、前記燃料を酸化する第１の酸化触媒と、
   前記排気マニフォルドと連通し、前記排気ガスが流通する排気通路と、
   前記排気通路に設けられ、前記燃料を酸化する第２の酸化触媒と、
   前記第２の酸化触媒よりも下流の前記排気通路に設けられ、前記排気微粒子を捕捉するフィルタと
   を備える排気微粒子浄化装置。
2. 前記排気微粒子浄化装置は、
   前記電熱手段及び前記第１の酸化触媒の間の前記第１分割排気マニフォルドに設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記第２の酸化触媒及び前記フィルタの間の前記排気通路に設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記燃料添加手段及び前記電熱手段の動作を制御する制御ユニットと
   を備え、
   前記制御ユニットは、前記フィルタを再生する際に、
   前記第１の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記電熱手段を作動または停止させ、
   前記第１の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記燃料添加手段を作動させ、
   前記第２の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記燃料添加手段から供給される前記燃料の供給量を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気微粒子浄化装置。
3. 前記排気微粒子浄化装置は、
   前記第２の酸化触媒よりも上流の前記排気経路に設けられた、前記排気ガスの温度を検出する第３の温度検出手段をさらに備え、
   前記燃料の供給を開始してから前記第３の温度検出手段によって検出された検出値が所定温度になるまで、前記制御ユニットは前記燃料の供給量を増加した後、
   前記第２の温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記燃料添加手段から供給される前記燃料の供給量を調整する
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気微粒子浄化装置。

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