JP2008025544A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オープンタイプのＤＰＦのＰＭ捕集効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関１の排気通路３０に設けられ、多孔質隔壁によって区画された複数の排ガス流路であって、入口が閉じた流路と出口が絞られた流路とを有する排気浄化フィルタ４０と、内燃機関１から排出される排ガスの流速を検出する排ガス流速検出手段１００と、排ガス流速検出手段１００で検出した排ガス流速が基準流速を下回るときに、排気浄化フィルタ４０に流入する排ガス流速を増加させるフィルタ流入速度調整手段５０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンは、排気の浄化対策として排気通路にパティキュレート（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という）を装着している。

現在までに開発されているＤＰＦには、大きく分けて目封じタイプのＤＰＦと、オープンタイプ（非目封じタイプ）のＤＰＦとがある。

目封じタイプのＤＰＦ（例えば、特許文献１参照）は、コージェライト等から成る多孔質のハニカム構造をしており、多孔質隔壁によって格子状に流路が区画される。各流路の入口は交互に目封じされ、入口が目封じされない流路は、出口が目封じされる。ＤＰＦに流入した排ガスは、各流路を区画する多孔質隔壁を透過して下流へ排出される。排ガスに含まれるＰＭは多孔質隔壁に捕集されて堆積する。そのため、目封じタイプのＤＰＦは、多孔質隔壁へのＰＭの堆積に伴って圧力損失（排気抵抗）を増加させ、ディーゼルエンジンの性能を徐々に低下させる。

一方、オープンタイプのＤＰＦとしては、金属板をプレス成形して巻回し、排ガス中のＰＭを捕集する濾過部を金属板の間に設けることによって、排ガスが通過する際に、排ガス中のＰＭを捕集するものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１９４９２８号公報 特開２００４−３６０５８４号公報

オープンタイプのＤＰＦは目封じ構造ではないため、圧力損失が少ないという利点がある。しかしながら、目封じ構造ではないため、その分捕集効率が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、オープンタイプのＤＰＦのＰＭ捕集効率を向上させることを目的とする。

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、フィルタ機能を有する隔壁によって区画された複数の排ガス流路であって、入口が閉じた流路と出口が絞られた流路とを有する排気浄化フィルタと、前記内燃機関から排出される排ガスの流速を検出する排ガス流速検出手段と、前記排ガス流速検出手段で検出した排ガス流速が基準流速を下回るときに、前記排気浄化フィルタに流入する排ガス流速を増加させるフィルタ流入速度調整手段と、を備えることを特徴とする。

オープンタイプのＤＰＦを備えた内燃機関において、機関から排出される排ガスの流速を検出し、検出した排ガス流速が基準流速を下回るときに、排気浄化フィルタに流入する排ガス流速を増加させることでオープンタイプのＤＰＦのＰＭ捕集効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるオープンタイプのＤＰＦを用いたディーゼルエンジン１の構成を示す概略図である。

ディーゼルエンジン１は、吸気通路２０と排気通路３０とを備える。ディーゼルエンジン１には、高圧ポンプ２で高圧化され、コモンレール３に一旦蓄圧された燃料が、インジェクタ４から所定のタイミングで噴射される。

吸気通路２０には、吸気中のゴミなどを取り除くエアークリーナ２１と、吸気量を検出するエアフロセンサ２２と、吸気を圧縮過給するターボ過給機５の吸気コンプレッサ５ａと、吸気を冷却するインタクーラ２３と、ディーゼルエンジン１への吸気量を制御するスロットルバルブ２４とが配設される。

排気通路３０には、ターボ過給機５の排気タービン５ｂと、排ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ４０とが配設される。

ターボ過給機５の吸気コンプレッサ５ａと排気タービン５ｂとは連結している。排気タービン５ｂ及び吸気コンプレッサ５ａは、排気通路３０を流れる排ガスによって回転し、ディーゼルエンジン１に圧縮空気を供給する。

ＤＰＦ４０はオープンタイプのＤＰＦである。図２にその断面の概略図を示す。図中左側が排気通路３０の上流側、図中右側が排気通路３０の下流側である。図中の矢印は、排ガスの流れる方向を示す。

ＤＰＦ４０は、コージェライト等から成る多孔質のハニカム構造をしており、フィルタ機能を有する隔壁としての多孔質隔壁４１によって格子状に流路４２が区画される。各流路４２の入口は交互に目封じ４３で閉塞される。入口が目封じ４３で閉塞された流路４２ｂは、出口がそのまま開放される。入口が目封じされない流路４２ａは、出口に連通孔４４ａを有する流路絞り４４が形成される。フィルタ機能を有する隔壁としては、この他にも金属繊維で作られたファイバーマットを利用しても良い。

ＤＰＦ４０に流路４２ａから流入した排ガスは、実線矢印に示すように、各流路４２を区画する多孔質隔壁４１を透過して、通気抵抗の少ない流路４２ｂの下流へ排出される。排ガスに含まれるＰＭは多孔質隔壁４１によって捕集されて堆積する。捕集されたＰＭの一部はＤＰＦ４０内で燃焼するものの、ＤＰＦ４０の温度（ベッド温度）が高温でなければ燃焼量は少なく、ＰＭの燃焼量よりも堆積量のほうが多くなる。この状態が継続しＤＰＦ４０がＰＭを捕集し続けると、やがて目詰まりを起こす。そこでＰＭがある程度堆積したら、排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去する。

出口側の流路絞り４４は、連通孔４４ａを有する。つまり、入口が目封じされない流路４２ａの出口は完全に塞がれていない。そのため、一部の排ガスは、破線矢印に示すように多孔質隔壁４１を通過せず、連通孔４４ａから排出される。

したがって、オープンタイプのＤＰＦは、出口が完全に塞がれた目封じタイプのＤＰＦと比べて圧力損失を抑えることができる。また、エンジンオイル中の添加剤による不純物などの不燃成分であるAsh（灰分）を連通孔４４ａから排出できるため、その堆積を防止できる。

ところで、オープンタイプのＤＰＦは、ＤＰＦに流入する排ガスの流量を多くしたほうが、ＰＭの捕集効率が高くなる。つまり、ＤＰＦに流入する排ガスの速度（空間速度）を高くしたほうが、ＰＭの捕集効率が高くなる。これについて、図３を参照して説明する。

図３は、図２と同様のＤＰＦ４０の断面の概略図である。オープンタイプのＤＰＦ４０は入口出口とも開放された流路を有する。そのため、一部の排ガスは、破線矢印に示すように多孔質隔壁４１を通過せず、連通孔４４ａから排出される。しかし、流入する排ガスの流速が高くなれれば（空間速度大）、連通孔４４ａの通気抵抗が多孔質隔壁４１の通気抵抗に対して高くなる。つまり、排ガスが連通孔４４ａを通過しにくくなる。そうすると、排ガスが多孔質隔壁４１を通過しやすくなるため、ＰＭの捕集効率が高くなる。

一方、ＤＰＦ４０に流入する排ガスの流速が低くなれば（空間速度小）、上述した通気抵抗の関係から、多孔質隔壁４１を通過せずに連通孔４４ａから排出される排ガスが多くなる。そのため、ＰＭの捕集効率は低くなる。また、流速が低いと、排ガスが多孔質隔壁４１を通過せずに、その表面に付着してしまうだけとなる。そうすると、急加速をした場合など、排ガスの流速が急に上がると、多孔質隔壁４１の表面に付着したＰＭが連通孔４４ａから排出されてしまう。

そこで本発明では、排ガス流速を高くしてＰＭの捕集効率の向上を図るため、排ガス量調整装置５０を備える（図１参照）。

図１に示すように、本発明の第１実施形態による排ガス量調整装置５０は、排気通路３０に配設される。排ガス量調整装置５０は、循環通路５１と、ポンプ５２と、カットバルブ５３とから構成される。排ガス量調整装置５０は、ＤＰＦ４０の下流に排出された排ガスの一部を、循環通路５１を介してＤＰＦ４０の上流へ還流することで、ＤＰＦ４０に流入する排ガスの流量を調整する。以下、この排ガス量調整装置５０によって循環通路５１を還流する排ガスを「循環排ガス」という。

循環通路５１は、ＤＰＦ４０の上流側の排気通路３０と下流側の排気通路３０とを連通する。

ポンプ５２はモータ等によって駆動され、循環通路５１を介してＤＰＦの下流に排出された排ガスの一部をＤＰＦ４０の上流の排気通路３０に送り込む。

カットバルブ５３は、循環通路５１を開閉する。カットバルブ５３は、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量が少ないときに開弁し、循環排ガスを排気通路３０に供給する。一方、カットバルブ５３は、循環排ガスの供給時以外は閉弁して排気通路３０への循環排ガスの供給を停止するとともに、循環通路５１への排ガスの流入を防止する。

図４は、排ガス量とＰＭ捕集効率との関係を示した図である。図４に示すように、基本的に排ガス量を増加させて排ガス流速を大きくしたほうが、ＰＭ捕集効率は高くなる。このように、オープンタイプのＤＰＦ４０のＰＭ捕集効率は排ガス量、すなわち排ガス流速に大きく左右される。

そこで、本発明では、コントローラ１００が、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量を制御する（以下、「排ガス流入量制御」という）。詳しくは、排ガス量が、図４に示したＰＭの捕集効率が高い領域（以下「ＰＭ高捕集効率領域」という）内に収まるように調整する。

コントローラ１００は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。

以下では、このＤＰＦへの排ガス流入量制御の具体的な内容について説明する。

図５はコントローラ１００で実行される第１実施形態による排ガス流入量制御を示すフローチャートである。コントローラ１００は、イグニッションキーがオンされ、ディーゼルエンジン１が始動されると、この処理を所定の単位時間毎（例えば１０ミリ秒毎）に繰り返し実行する。

ステップＳ１０１において、コントローラ１００は、エアフロセンサ２２からの検出信号に基づいて吸気量を算出する。

ステップＳ１０２において、コントローラ１００は、吸気量と機関回転速度とに基づいて排ガス量を検出する。なお、定常状態であれば、吸気量と、シリンダから排出される排ガス量とは略一致するが、過渡状態では吸気系の容積等で異なってくる。そこで、吸気量と機関回転速度とに基づいてシリンダから排出される１回当りの排ガス量を求めてから、再度機関回転速度を用いてシリンダから排出される単位時間当りの排ガス量に換算、すなわち間接的に検出する。これにより、精度良く排ガス量を検出することができる。

ステップＳ１０３において、コントローラ１００は、排ガス量が基準流量値Ｑ₀（図４参照）以下であるか否かを判定する。すなわち、ＰＭ捕集効率を向上させるために、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量を増加させる必要があるか否かを判定する。

ステップＳ１０３において、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量を増加させる必要があるとき、すなわち、排ガス量が基準流量値Ｑ₀以下のときには、コントローラ１００は、ステップＳ１０４に処理を移行する。一方、その必要がないとき、すなわち、排ガス量が基準流量値Ｑ₀以上のときには、コントローラ１００は、ステップＳ１０６に処理を移行する。

ステップＳ１０４において、コントローラ１００は、エアポンプ５２が駆動されているか否かを判定する。すでにエアポンプ５２が駆動されている場合には、コントローラ１００は、今回の処理を終了する。一方、まだエアポンプ５２が駆動されていない場合には、コントローラ１００は、ステップＳ１０５に処理を移行する。

ステップＳ１０５において、コントローラ１００は、エアポンプ５２を駆動するとともに、カットバルブ５３を開いてＤＰＦ４０の下流に排出された排ガスの一部を、循環通路５１を介してＤＰＦ４０の上流へ還流させる。この循環通路５１を介して還流する循環排ガス量はポンプ５２の容量によって一義的に決定する。

ステップＳ１０６において、コントローラ１００は、エアポンプ５２が駆動されているか否かを判定する。すでにエアポンプ５２が駆動されている場合には、コントローラ１００は、ステップＳ１０７に処理を移行する。一方、エアポンプ５２が駆動されていない場合には、コントローラ１００は、そのまま今回の処理を終了する。排ガス量が基準流量値Ｑ₀以上であれば、排ガスを循環させる必要はないためである。

ステップＳ１０７において、コントローラ１００は、エアポンプ５２の駆動を中止するとともに、カットバルブ５３を閉じて排ガスの循環を停止する。排ガス量が基準流量値Ｑ₀以上であれば、排ガスを循環させる必要はないためである。

以上説明した本実施形態によれば、コントローラ１００は、検出した排ガス流速が基準流速を下回るときに、ＤＰＦ４０の下流に排出された排ガスの一部を、循環通路５１を介してＤＰＦ４０の上流へ還流させる。これにより、排ガス量が、図４に示したＰＭ高捕集効率領域内に収まるように調整する。排ガス量がＰＭ高捕集効率領域内にあるときは、オープンタイプのＤＰＦにおいて、出口側の流路絞り４４の通気抵抗が多孔質隔壁４１の通気抵抗に対して高くなる。そのため、排ガスが多孔質隔壁４１を通過しやすくなり、ＰＭの捕集効率が高くなる。

また、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量が急激に少なくなることを防止できる。そのため、ＤＰＦ４０内での燃焼による熱篭りを防いで過昇温によるＤＰＦの溶損を防止できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、ＤＰＦ４０の上流に２次空気を供給することで、ＤＰＦ４０に流入する排ガス量を調整する点で第１実施形態と相違する。以下その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図６は、本発明の第２実施形態によるオープンタイプのＤＰＦ４０を用いたディーゼルエンジン１の構成を示す概略図である。本発明の第２実施形態による排ガス量調整装置６０は、吸気通路２０から分岐する２次空気供給通路６１と、ポンプ６２と、カットバルブ６３とから構成される。

２次空気供給通路６１は、排気通路３０と連通する。２次空気供給通路６１は、排気通路３０に配設されたＤＰＦ４０の上流に接続される。２次空気供給通路６１には、ポンプ６２とカットバルブ６３とが配設される。

ポンプ６２は、モータ等によって駆動され、２次空気供給通路６１を介して２次空気を排気通路３０に送り込む。

カットバルブ６３は、２次空気供給通路６１を開閉する。カットバルブ６３は、２次空気供給時に開弁し、ポンプ６２から送り込まれた２次空気を排気通路３０に供給する。一方、カットバルブ６３は、２次空気非供給時に閉弁して排気通路３０への２次空気の供給を停止するとともに、２次空気供給通路６１への排気の逆流を防止する。

コントローラ１００で実行される第２実施形態による排ガス流入量制御は、第１実施形態と同様なのでここでは説明を省略する。また、以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、吸気コンプレッサ５ａからの圧縮空気をＤＰＦ４０の上流に供給することで、ＤＰＦ４０に導入される排ガス量を調整する点で上記各実施形態と相違する。以下その相違点を中心に説明する。

図７は、本発明の第３実施形態によるオープンタイプのＤＰＦ４０を用いたディーゼルエンジン１の構成を示す概略図である。本発明の第３実施形態による排ガス量調整装置７０は、吸気通路２０から分岐する分配通路７１と、カットバルブ７２とから構成される。

分配通路７１は、吸気通路２０の吸気コンプレッサ５ａの下流と排気通路３０とを連通する。分配通路７１は、排気通路３０に配設されたＤＰＦ４０の上流に接続される。分配通路７１に、カットバルブ７２を配設する。

カットバルブ７２は、分配通路７１を開閉する。カットバルブ７２は、圧縮空気の分配時に開弁し、余剰圧縮空気を排気通路３０に分配する。一方、カットバルブ７２は、圧縮空気非分配時に閉弁して排気通路３０への圧縮空気の分配を停止するとともに、吸気通路２０への排気の逆流を防止する。

次に、コントローラ１００で実行される第３実施形態による排ガス流入量制御について、図８のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ２０４において、コントローラ１００は、カットバルブ７２が開弁しているか否かを判定する。すでにカットバルブ７２が開弁されている場合には、コントローラ１００は、今回の処理を終了する。一方、まだカットバルブ７２が開弁されていない場合には、コントローラ１００は、ステップＳ２０５に処理を移行する。

ステップＳ２０５において、コントローラ１００は、カットバルブ７２を開弁して圧縮空気を排気通路に分配する。

ステップＳ２０６において、コントローラ１００は、カットバルブ７２が開弁しているか否かを判定する。すでにカットバルブ７２が開弁している場合には、コントローラ１００は、ステップＳ２０７に処理を移行する。一方、カットバルブ７２が開弁していない場合には、コントローラ１００は、そのまま今回の処理を終了する。排ガス量が基準流量値Ｑ₀以上であれば、圧縮空気を排気通路に分配する必要はないためである。

ステップＳ２０７において、コントローラ１００は、カットバルブ７２を閉弁して圧縮空気の分配を停止する。排ガス量が基準流量値Ｑ₀以上であれば、圧縮空気を排気通路に分配する必要はないためである。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図９を参照して説明する。本実施形態は、ＤＰＦの多孔質隔壁４１に排ガスを多孔質隔壁４１へ導入する導入板８１を設けた点で上記各実施形態と相違する。以下その相違点について説明する。

図９は、第４実施形態によるＤＰＦ８０の断面の概略図である。ＤＰＦ８０は入口が目封じされない流路４２ａ側の多孔質隔壁４１に、排ガスを多孔質隔壁４１へ導入する複数の導入板８１を備える。

導入板８１は、排気通路３０の上流側に向いて傾斜し、流路４２ａに流入した排ガスを多孔質隔壁４１を通して流路４２ｂへ導く。これにより、ＤＰＦ８０に流入する排ガスが多孔質隔壁４１を通過しやすくなるため、ＰＭの捕集効率が高くなる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。例えば、第１、第２実施形態において、カットバルブは必ずしも必要ではなく、ポンプのオンオフのみで流量の制御をしてもよい。

また、上記各実施形態において、排ガス量を算出、すなわち間接的に検出する場合を例示して説明したが、センサによって直接検出してもよい。

第１実施形態によるオープンタイプＤＰＦを用いたディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 オープンタイプＤＰＦの断面の概略図である。 オープンタイプＤＰＦの説明図である。 排ガス量とＰＭ捕集効率との関係を示した図である。 第１実施形態による排ガス量の最適化制御を示すフローチャートである。 第２実施形態によるオープンタイプＤＰＦを用いたディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 第３実施形態によるオープンタイプＤＰＦを用いたディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 第３実施形態による排ガス量の最適化制御を示すフローチャートである。 オープンタイプＤＰＦの断面の概略図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
５ ターボ過給機
５ａ コンプレッサ
３０ 排気通路
４０ ＤＰＦ（排気浄化フィルタ）
４１ 多孔質隔壁
４２ 流路
４４ａ 連通孔
５０ 排ガス量調整装置（フィルタ流入速度調整手段）
５１ 循環通路（ガス量調整通路）
５２ ポンプ
５３ カットバルブ
６０ 排ガス量調整装置（フィルタ流入速度調整手段）
６１ ２次空気供給通路（ガス量調整通路）
６２ ポンプ
６３ カットバルブ
７０ 排ガス量調整装置（フィルタ流入速度調整手段）
７１ 分配通路（ガス量調整通路）
７２ カットバルブ
８１ 導入板
１００ コントローラ（排ガス流速検出手段）
Ｓ１０２ 排ガス量算出手段

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、フィルタ機能を有する隔壁によって区画された複数の排ガス流路であって、入口が閉じた流路と出口が絞られた流路とを有する排気浄化フィルタと、
   前記内燃機関から排出される排ガスの流速を検出する排ガス流速検出手段と、
   前記排ガス流速検出手段で検出した排ガス流速が基準流速を下回るときに、前記排気浄化フィルタに流入する排ガス流速を増加させるフィルタ流入速度調整手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記排気浄化フィルタの下流に排出された排ガスの一部を、前記排気浄化フィルタの上流へ還流することで、前記排気浄化フィルタに流入するガス流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記排気浄化フィルタの下流側の排気通路と上流側の排気通路とを連通するガス量調整通路と、そのガス量調整通路を介して前記排気浄化フィルタの下流に排出された排ガスの一部を前記排気浄化フィルタの上流へ導入するポンプとを備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記排気浄化フィルタの上流に空気を導入することで、前記排気浄化フィルタに流入するガス流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記排気浄化フィルタの上流側の排気通路と連通するガス量調整通路と、そのガス量調整通路を介して空気を前記排気浄化フィルタの上流へ導入するポンプとを備える
   ことを特徴とする請求項１又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記ガス流量調整通路の流路断面を調節するバルブを備える
   ことを特徴とする請求項２から５までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記フィルタ流入速度調整手段は、ターボ過給機のコンプレッサからの圧縮空気を、前記排気浄化フィルタの上流に分配することで、前記排気浄化フィルタに流入するガス流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記フィルタ流入速度調整手段は、前記ターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路と前記排気浄化フィルタの上流側の排気通路とを連通するガス量調整通路と、そのガス流量調整通路の流路断面を調節するバルブとを備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記排気浄化フィルタは、前記隔壁に、この隔壁を透過して排ガスが流れるように案内する傾斜した導入板を有する
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。