JP2008202511A - ディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易で安価な構成により、セラミックフィルタ各部の温度分布を均一化させる技術を提供する。
【解決手段】ＤＰＦ３を本体部４内に収容し、排気ガス加熱ヒータ２７を備えたディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置１において、排気ガス加熱ヒータ２７とは別に、ＤＰＦ３の外周部にＤＰＦ加熱ヒータ２８を設けた構成とし、排気ガス加熱ヒータ２７の作動に同期して、ＤＰＦ加熱ヒータ２８を作動する構成とする。また、内周温度センサ９により検知するＤＰＦ３の内周部温度と、外周温度センサ１０により検知するＤＰＦ３の外周部温度を比較し、外周部温度と内周部温度の偏差に基づいて、ＤＰＦ加熱ヒータ２８の制御量を可変する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置の技術に関し、より詳しくは、ＤＰＦの熱応力割れや溶損を防止する技術に関する。

近年、環境問題の高まりや健康に対する影響が懸念されていることから自動車・船舶・発電機等のディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の黒煙（すす）やＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を除去する装置の開発が進められている。また一部地域においては具体的に規制強化が実施されていることもあり、それらへの対応が急務となっている。これらに対応するための技術的な方法としては、エンジン側にて燃料の噴射時期や混合比等の対策により黒煙排出防止を行う方法と排気系の後処理で対応する方法がある。排気系の後処理で対応する方法としては、例えばディーゼルエンジン等の排気装置に排気ガス浄化装置（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を取り付ける技術がすでに公知となっている。

従来、市販されている後付けタイプのＤＰＦとしてはセラミック製の担体をハニカム状に形成したセラミックフィルタ方式が主流であるが、セラミック製の担体（セラミックフィルタ）はその特性上、該セラミックフィルタ各部の温度分布にばらつきがあるときには、熱応力割れが発生しやすく、そのためセラミックフィルタの破損が生じやすいという問題点がある。
また、セラミックフィルタ各部の温度分布にばらつきがあると、熱応力割れの問題のほか、セラミックフィルタの温度が低い部分において、燃え残りの黒鉛が滞留し、フィルタの再生運転の際に、黒鉛（すす）の滞留部において所謂暴走再生が起こり、フィルタの溶損や割れを引き起こすという問題点もある。
そこで、担体各部の温度分布を均一化する技術が種々検討されており、例えば、フィルタ担体の熱伝導率をフィルタの周方向で変える構成とする技術（特許文献１参照）、フィルタ担体の口径をフィルタの周方向で変える構成とする技術（特許文献２参照）、フィルタの触媒担持成分をフィルタの周方向で変える構成とする技術（特許文献３参照）、フィルタ担体の熱容量をフィルタの周方向で変える構成とする技術（特許文献４参照）、フィルタ担体に設ける孔の開口率をフィルタの周方向で変える構成とする技術（特許文献５参照）等が公知となっている。
特開２００６−７１００号公報 特開２００６−１６９９１号公報 特開２００６−８８０２７号公報 特開２００６−１１０４１３号公報 特開２００６−２８１１３４号公報

しかしながら、前述した各従来技術では、フィルタ担体の製作コストが高くなってしまい、量産品に適用することは現実的には困難な状況であった。
そこで本発明は、このような現状を鑑み、簡易で安価な構成により、セラミックフィルタ各部の温度分布を均一化させる技術を提供することを課題としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、ディーゼルパティキュレートフィルタをフィルタケース内に収容し、排気ガス昇温手段を備えたディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置において、前記排気ガス昇温手段とは別に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周部にフィルタ加熱手段を設けた、ことを特徴としたものである。

請求項２においては、前記排気ガス温度昇温手段の作動に同期して、前記フィルタ加熱手段を作動する、ことを特徴としたものである。

請求項３においては、前記フィルタ加熱手段は、フィルタ内周部温度センサと、フィルタ外周部温度センサを備え、前記フィルタ内周部温度センサにより検知するフィルタ内周部温度と、前記フィルタ外周部温度センサにより検知するフィルタ外周部温度を比較し、前記フィルタ外周部温度が前記フィルタ内周部温度に比して、予め設定する設定値以上温度が低下したときに、前記フィルタ加熱手段を作動する、ことを特徴としたものである。

請求項４においては、前記フィルタ内周部温度センサにより検知するフィルタ内周部温度と、前記フィルタ外周部温度センサにより検知するフィルタ外周部温度を比較し、前記フィルタ外周部温度と前記フィルタ内周部温度の偏差に基づいて、前記フィルタ加熱手段の制御量を可変する、ことを特徴としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、簡易で安価な構成により、セラミックフィルタの内周部と外周部の温度差に起因する熱応力割れを防止することができる。

請求項２においては、セラミックフィルタ内に滞留したすすを強制的に燃焼させる再生運転を行う際に発生しやすい熱応力割れを防止することができる。また、セラミックフィルタ内の外周部にすすが燃え残って滞留することを防止し、暴走再生によるセラミックフィルタの溶損や割れを防止することができる。

請求項３においては、セラミックフィルタの内周部と外周部の温度差を予め設定する設定値以下に小さく抑えることができる。

請求項４においては、セラミックフィルタの内周部と外周部の温度差を小さく維持することができる。また、これにより、セラミックフィルタの熱応力割れや、セラミックフィルタ内の外周部にすすが燃え残って滞留することが防止できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る排気ガス浄化装置の全体構成を示す模式図、図２はＤＰＦの再生運転の状況（その１）を示す模式図、図３はＤＰＦの再生運転の状況（その２）を示す模式図である。

まず始めに、本発明の一実施例に係る排気ガス浄化装置１の全体構成について、図１を用いて説明をする。
図１に示す如く、排気ガス浄化装置１は、酸化触媒２およびＤＰＦ３を内包する本体部４と、バッテリー５、コントローラ６、リレースイッチ７・８等を具備し、温度センサ９・１０、負荷センサ１１、回転センサ１２等の各種センサが接続されている電源制御部１３等により構成している。
本体部４は、同一軸心上に管状の外筒２０および内筒２１を配設する２重殻構造を有する略円筒形状の部材である。外筒２０の両側端部はそれぞれ外筒側板２２・２２により塞がれている。また、内筒２１の両側端部はそれぞれ内筒側板２３・２３により塞がれている。本実施例では、排気ガスの下流側にあたる外筒側板２２と内筒側板２３の間には排気騒音の低減を図るための空間（共鳴部２４）を確保している。そして、内筒側板２３には、共鳴部２４と連通する共鳴管２５（２５ａ・２５ｂ）を突設するとともに、さらに、外筒側板２２を貫通し、内筒２１と本体部４の外部と連通する排気管１４を突設している。尚、外筒２０と内筒２１の間には断熱材１５を充填し、内筒２１の内部が断熱構造となるように構成している。

内筒２１の内部にはパンチングメタルによる仕切板１６を固設しており、排気ガスの流通を可能としつつ、内筒２１の内部を上流部２１ａと下流部２１ｂに分割する構成としている。
上流部２１ａには、本体部４の軸心と直交し外筒２０および内筒２１を貫通する入口管１７を配設している。
入口管１７は管状の部材であり、エンジンの排気マニホールド（図示せず）に接続されるものである。より詳しくは、入口管１７の排気入口側端部には接続フランジ１８を固設しており、該接続フランジ１８により、排気マニホールドと入口管１７（即ち、本体部４）をボルト等により固設する構成としている。
入口管１７の外周側面には複数の孔１７ａ・１７ａ・・・が形成されており、該入口管１７に流入した排気ガスが孔１７ａ・１７ａ・・・より内筒２１の上流部２１ａに流入する構成としている。また、入口管１７の下流側端部はプラグ２６により塞がれており、該プラグ２６には排気ガス加熱ヒータ２７を固設している。また、プラグ２６には排気ガス加熱ヒータ２７に電気を供給するための端子２７ａ・２７ｂを外部に突設している。

内筒２１の下流部２１ｂには、排気ガスの上流側から順に酸化触媒２、ＤＰＦ３を配設している。
酸化触媒２は、主に白金（Ｐｔ）等が用いられており、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化して、二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する役割を果たしている。
ＤＰＦ３は、主に炭化珪素（ＳｉＣ）等からなるセラミック製のフィルター部材であり、排気ガスに含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集する役割を果たしている。
そして、ＤＰＦ３により捕集されたＰＭは、酸化触媒２により生成した二酸化窒素（ＮＯ２）を利用しつつ、排気ガスを排気ガス加熱ヒータ２７で加熱して昇温することにより、比較的低い温度で燃焼（酸化）するため、ＰＭが二酸化炭素（ＣＯ２）として排出される。これにより、ＤＰＦ３の再生を連続的に行うことができる構成としている。尚、本実施例では、ＤＰＦ３自体にもさらに酸化触媒を備える構成とし、ＰＭの酸化反応を確実に行う構成としている。

また、本実施例では、内筒２１の酸化触媒２の下流側で、かつ、ＤＰＦ３の上流側に温度センサを挿入しており、より詳しくは、内筒２１の中心部付近を通過する排気ガス温度を検知する内周温度センサ９と、内筒２１の外周部付近を通過する排気ガス温度を検知する外周温度センサ１０を挿入している。これにより、ＤＰＦ３の中心部付近（内周部）を通過する排気ガス温度と外周部を通過する排気ガス温度の温度差を検知するようにしている。尚、内筒２１の側壁からは若干の放熱があるため、通常は外周部を通過する排気ガスの温度が内周部を通過する排気ガスの温度に比して低くなってしまう。

内筒２１の内周部を通過する排気ガス温度と外周部を通過する排気ガス温度に温度差がある場合、その下流側に位置しているＤＰＦ３の内周側と外周側に温度差が生じることとなる。このように、ＤＰＦ３各部の温度分布にばらつきがあると、ＤＰＦ３各部の膨張度合が異なってくるために熱応力割れを生じる可能性が出てくる。つまり、ＤＰＦ３を流れる排気ガス温度の温度分布にばらつきがあったとしても、ＤＰＦ３各部の温度分布を均等に保持することが重要となってくる。また、通常の排気状態においては、ＤＰＦ３各部の温度分布にさほどばらつきは生じないが、ＤＰＦ３の再生運転時において、排気ガス加熱ヒータ２７により排気ガス温度を昇温させる場合に、排気ガス温度の分布にばらつきが生じやすく、このため、ＤＰＦ３各部の温度分布にもばらつきが生じやすくなり、ＤＰＦ３の熱応力割れを懸念する必要性が生じてくる。

そこで、本発明においては、前記排気ガス加熱ヒータ２７とは別に、ＤＰＦ３の外周面にＤＰＦ加熱ヒータ２８を配設する構成としている。ＤＰＦ加熱ヒータ２８は、帯状あるいは線状の電気ヒータをＤＰＦ３の外周面に巻回するようにしている。また、ＤＰＦ加熱ヒータ２８の端子２８ａ・２８ｂは内筒２１および外筒２０を貫通して、本体部４の外側に突設するようにしている。

即ち、ＤＰＦ３を本体部４内に収容し、排気ガス加熱ヒータ２７を備えたディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置１において、排気ガス加熱ヒータ２７とは別に、ＤＰＦ３の外周部にＤＰＦ加熱ヒータ２８を設けた構成としている。
このような構成とすることにより、前記内周温度センサ９および外周温度センサ１０により内周部を通過する排気ガス温度と外周部を通過する排気ガス温度に温度差が生じていることが検知される場合には、その温度差に応じてＤＰＦ加熱ヒータ２８に通電し、ＤＰＦ加熱ヒータ２８を昇温させて、ＤＰＦ３の外周面を加熱することにより、ＤＰＦ３外周面に蓄熱される熱量を補って、ＤＰＦ３の温度分布を均等に保持する構成としている。これにより、簡易で安価な構成により、ＤＰＦ３の内周部と外周部の温度差に起因する熱応力割れを防止することができるのである

尚、本実施例では、２系統の温度センサを備える構成としているが、本発明に用いる温度センサの個数はこれに限定するものではなく、３系統以上の温度センサを備える構成とすることも可能である。
また、本実施例では、酸化触媒２の下流側で、かつ、ＤＰＦ３の上流側に温度センサを挿入する例を示しているが、ＤＰＦ３の下流側に内周温度センサ９および外周温度センサ１０を配置する構成とすることもできる。

次に、本発明の一実施例に係る電源制御部１３の全体構成について、図１を用いて説明をする。
図１に示す如く、電源制御部１３は、バッテリー５、コントローラ６、リレースイッチ７・８等を具備し、温度センサ（即ち、前記外周温度センサ１０および内周温度センサ９）、負荷センサ１１、回転センサ１２等の各種センサが接続されている。
バッテリー５は、前記排気ガス加熱ヒータ２７およびＤＰＦ加熱ヒータ２８を昇温するために必要な電力を蓄えておくものである。

コントローラ６は、ＣＰＵやＲＯＭ等により構成されており、エンジンの運転状況（負荷やエンジン回転数）に応じた排気ガス温度の情報（マップ情報）が予め記憶されている。そして、接続された各センサ（外周温度センサ１０、内周温度センサ９、負荷センサ１１、回転センサ１２等）からの情報に基づいて排気ガス温度の推定値を算出している。そして、再生運転時には、この推定値から前記排気ガス加熱ヒータ２７に通電すべき電力量を算出するようにしている。

さらに、コントローラ６は、各温度センサ９・１０から検知した温度差の情報にもとづき、前記ＤＰＦ加熱ヒータ２８に通電すべき電力量を算出するようにしている。
各加熱ヒータ２７・２８へ通電する電力量の調整は、コントローラ６により各リレースイッチ７・８を制御し、各リレースイッチ７・８の接点をＯＮ−ＯＦＦして通電時間を調整し、または、電流または電圧を調整することにより行う構成としている。

次に、ＤＰＦ３の再生運転時における一連の動作について、図２または図３を用いて説明をする。
図２または図３に示す如く、エンジン（図示せず）から排出される排気ガスは、入口管１７から排気ガス浄化装置１に導入される。
コントローラ６は、負荷センサ１１および回転センサ１２からの入力情報に基づいてエンジンの運転状況を把握し、現状における排気ガス温度の推定値を導出する。
また、それと同時に、現状の排気ガス温度の推定値に基づいて、再生運転に必要とされる排気ガス温度まで昇温するために必要となる熱量を導出し、それに基づき排気ガス加熱ヒータ２７に通電すべき電力量を算出するようにしている。そして、コントローラ６により、この算出結果に基づいてリレースイッチ７を制御して、バッテリー５から排気ガス加熱ヒータ２７に供給する電力量を調節するようにしている。

入口管１７内で排気ガス加熱ヒータ２７により再生運転に必要とされる温度まで昇温された排気ガスは、孔１７ａ・１７ａ・・・を通って内筒２１の上流部２１ａに流入し、さらに仕切板１６を通過して、下流部２１ｂに流入する。
下流部２１ｂに流入した昇温された排気ガスは、まず、酸化触媒２を通過する。このとき、触媒の作用により、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が酸化されて、二酸化窒素（ＮＯ２）が生成されるようにしている。

次に、二酸化窒素（ＮＯ２）を多く含む昇温された排気ガスが、各温度センサ（内周温度センサ９および外周温度センサ１０）の挿入部を通過する。
ここで、内周部を通過する排気ガスの温度と外周部を通過する排気ガスの温度が各センサにより検知され、各温度の情報がコントローラ６に入力される。そして、各温度センサ９・１０の検知値に基づいて、内周部および外周部を通過する排気ガスの温度差が導出（演算）される。

図２に示す如く、導出した排気ガスの温度差が予め設定した設定値以下である（即ち、温度差が小さい）場合には、ＤＰＦ３に熱応力割れが発生する可能性は低いと判断して、コントローラ６によるＤＰＦ加熱ヒータ２８の制御は行わないようにしている。
即ち、ＤＰＦ加熱ヒータ２８は、内周温度センサ９と、外周温度センサ１０を備え、内周温度センサ９により検知するＤＰＦ３の内周部温度と、外周温度センサ１０により検知するＤＰＦ３の外周部温度を比較し、外周部温度が内周部温度に比して、予め設定する設定値以上温度が低下したときに、ＤＰＦ加熱ヒータ２８手段を作動する構成としている。
これにより、ＤＰＦ３の内周部と外周部の温度差を予め設定する設定値以下に小さく抑えることができるのである。

また、図３に示す如く、導出した排気ガスの温度差が予め設定した設定値を越えている（即ち、温度差が大きい）場合には、ＤＰＦ３に熱応力割れが発生する可能性があるものと判断して、前述した排気ガス加熱ヒータ２７の制御が開始される同時に、コントローラ６によるＤＰＦ加熱ヒータ２８の制御を開始する構成としている。
コントローラ６は、導出した温度差に応じて、ＤＰＦ３に熱応力割れが発生するのを防止するために必要となる熱量を導出し、それに基づきＤＰＦ加熱ヒータ２８に通電すべき電力量を算出するようにしている。そして、コントローラ６により、この算出結果に基づいてリレースイッチ８をＯＮ−ＯＦＦ制御して、バッテリー５からＤＰＦ加熱ヒータ２８に供給する電力量を調節するようにしている。
これにより、内周部を通過する排気ガスと外周部を通過する排気ガスに温度差が生じている場合であっても、ＤＰＦ加熱ヒータ２８によりＤＰＦ３の外周部に与える熱量を補うことにより、ＤＰＦ３各部の温度分布にばらつきが生じないようにしている。

即ち、本発明では、排気ガス加熱ヒータ２７の作動に同期して、ＤＰＦ加熱ヒータ２８を作動する構成としており、これにより、ＤＰＦ３内に滞留したすすを強制的に燃焼させる再生運転を行う際に発生しやすい熱応力割れを防止することができるのである。
また、ＤＰＦ３内の外周部にすすが燃え残って滞留することを防止し、暴走再生によるＤＰＦ３の溶損や割れを防止することができるのである。

また、内周温度センサ９により検知するＤＰＦ３の内周部温度と、外周温度センサ１０により検知するＤＰＦ３の外周部温度を比較し、外周部温度と内周部温度の偏差に基づいて、ＤＰＦ加熱ヒータ２８の制御量を可変する構成としている。つまり、ＤＰＦ加熱ヒータ２８への印加制御はフィードバック制御（比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御）、または、フィードフォワード制御を行う。この制御は適宜選択できる。
これにより、ＤＰＦ３の内周部と外周部の温度差を小さく維持することができるのである。また、ＤＰＦ３の熱応力割れや、ＤＰＦ３内の外周部にすすが燃え残って滞留することが防止できるのである。

そして、二酸化窒素（ＮＯ２）を多く含む昇温された排気ガスがＤＰＦ３を通過する際には、ＤＰＦ３に捕集されているＰＭ（粒子状物質）が、二酸化窒素（ＮＯ２）の作用により比較的低温において効率よく酸化（燃焼）される。このとき、ＰＭ（粒子状物質）は燃焼して、二酸化炭素（ＣＯ２）となる。これにより、ＤＰＦ３に捕集されていたＰＭ（粒子状物質）が除去されてＤＰＦ３の再生が行われるようにしている。
そして、最終的に排気管１４を通じて、排気ガス浄化装置１より浄化された排気ガスが排出される構成としている。

本発明の一実施例に係る排気ガス浄化装置の全体構成を示す模式図。 ＤＰＦの再生運転の状況（その１）を示す模式図。 ＤＰＦの再生運転の状況（その２）を示す模式図。

符号の説明

１ 排気ガス浄化装置
３ ＤＰＦ
４ 本体部
２７ 排気ガス加熱ヒータ
２８ ＤＰＦ加熱ヒータ

Claims (4)

1. ディーゼルパティキュレートフィルタをフィルタケース内に収容し、
   排気ガス昇温手段を備えたディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガス昇温手段とは別に、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周部にフィルタ加熱手段を設けた、
   ことを特徴とするディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置。
2. 前記排気ガス温度昇温手段の作動に同期して、
   前記フィルタ加熱手段を作動する、
   ことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置。
3. 前記フィルタ加熱手段は、
   フィルタ内周部温度センサと、
   フィルタ外周部温度センサを備え、
   前記フィルタ内周部温度センサにより検知するフィルタ内周部温度と、
   前記フィルタ外周部温度センサにより検知するフィルタ外周部温度を比較し、
   前記フィルタ外周部温度が前記フィルタ内周部温度に比して、
   予め設定する設定値以上温度が低下したときに、
   前記フィルタ加熱手段を作動する、
   ことを特徴とする請求項２記載のディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置。
4. 前記フィルタ内周部温度センサにより検知するフィルタ内周部温度と、
   前記フィルタ外周部温度センサにより検知するフィルタ外周部温度を比較し、
   前記フィルタ外周部温度と前記フィルタ内周部温度の偏差に基づいて、
   前記フィルタ加熱手段の制御量を可変する、
   ことを特徴とする請求項３記載のディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置。

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