JP2010031858A - 再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】どのような運転状態であってもパティキュレートフィルタの再生を行えるようにする。
【解決手段】この発明は、排気ダクト１３と、パティキュレートフィルタ１１の上流側において排気ダクト１３に組み込まれた触媒１５と、を備えてなる排気システムにおけるパティキュレートフィルタ１１の再生装置に関する。排気システムもしくは燃焼機関には、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガスの流れに供給し得る噴射装置１７が設けられている。再生装置は、バーナ１９と少なくとも一つの切換装置２１とを含む。バーナ１９は、燃料の発熱反応が生じる反応温度まで触媒１５を加熱できる。切換装置２１は、排気システムの運転状態に応じてバーナ１９および噴射装置１７を作動あるいは非作動に選択的に切り換える。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気システムにおけるパティキュレートフィルタの再生装置に関するものであり、上記排気システムは、燃焼機関特にディーゼルエンジンからの高温排気ガスを導く排気ダクトと、上記パティキュレートフィルタの上流側において上記排気ダクトに組み込まれた触媒特に酸化触媒と、を備え、この排気システムもしくは燃焼機関には、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガスの流れに供給し得る噴射装置が設けられている。

燃焼機関が大気中に排出する排気ガスには、種々の汚染物質が含まれている。汚染物質の排出を低減するために、排気ガスを後処理する種々の装置が開発されている。例えば、有害なガス状物質を無害な成分に変換するために触媒が用いられ、また、好ましくない固体粒子の捕集のためにパティキュレートフィルタが用いられる。ディーゼルエンジンの排気系では、例えば、ディーゼル用酸化触媒およびその下流に配置されるパティキュレートフィルタを設けることができる。排気ガス流に含まれるすす状微粒子（スート）は、パティキュレートフィルタに捕集され、かつここに蓄えられる。所定の量となると、排気ガスの排出が過度に妨げられることがないように、捕集されたスートをパティキュレートフィルタから除去する必要がある。この処理は、再生と呼ばれる。パティキュレートフィルタの再生の一般的な処理は、堆積していたスートを焼却するために、所定温度までパティキュレートフィルタを加熱することである。これは、基本的に、所望の加熱装置によって実行することができる。しかしながら、この加熱装置は、パティキュレートフィルタをスートの着火温度まで加熱するために比較的高い性能を有することが必要であり、従って、大きなエネルギを要し、設置スペースが大となる。

従って、二次的な燃料噴射（ＨＣ供給）の原理に基づく他の処理方法が開発されている。これは、燃料特に未燃炭化水素の形態の燃料によって、触媒での反応が引き起こされ、触媒を加熱することができる、という事実を利用したものである。ライトオフ（着火）温度と一般に呼ばれる特定の温度以上では、燃料の発熱反応が生じ、つまり、着火後も反応が自立的に継続し、熱を放出し続ける。この発熱反応により、触媒は、下流に配置されたパティキュレートフィルタを堆積スートの焼却に必要な温度にまで加熱するのに十分な程度に加熱され得る。この場合、別の加熱装置は不要である。排気ガス流への燃料の噴射は、通常、触媒に直接近付けて配置された噴射装置を用いてなされる。これに代えて、排気ガス流への燃料の噴射をエンジン内部で行うこともでき、例えば、燃焼空間への燃料の後噴射によって行うことができる。

しかしながら、触媒温度がライトオフ温度よりも低いと発熱反応は起こらないので、燃料噴射によるパティキュレートフィルタの再生は、燃焼機関が特定の運転状態にあるときにのみ可能である。さらに、燃料消費が増加するという問題もある。

従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタの再生を、より柔軟で、信頼性が高く、かつ燃料をより節約して行えるようにすることにある。

上記の課題は、請求項１記載の特徴を有する再生装置によって解決される。

本発明によれば、再生装置は、さらに、噴射された燃料の発熱反応が生じる反応温度まで触媒を加熱することができるバーナと、排気システムおよび／または燃焼機関の運転状態に応じて上記バーナおよび噴射装置を作動あるいは非作動に選択的に切り換える少なくとも一つの切換装置と、を備える。

触媒を、何時でも、バーナを用いてライトオフ温度へと加熱することができ、燃焼機関の運転状態に拘わらず再生を実行することができる。本発明では、バーナは単に触媒を反応温度にまで加熱できればよいので、この点で、パティキュレートフィルタを直接に加熱するバーナに比較して、実質的により小型でかつエネルギ消費の少ないバーナとして設計することができる。上記の反応温度は、通常、堆積したすす状微粒子の焼却温度よりも低いので、大幅な節減が可能である。切換装置は、排気システムおよび／または燃焼機関の運転状態に応じて、適当な一方の装置もしくは双方の装置を選択して作動させることができ、これにより、再生装置の作動が全体として最適化される。

本発明は、さらに、排気システムのパティキュレートフィルタの再生方法に関するものであって、上記排気システムは、燃焼機関特にディーゼルエンジンから高温排気ガス流を導く排気ダクトと、パティキュレートフィルタの上流側において上記排気ダクトに組み込まれた触媒特に酸化触媒と、を備えており、上記排気システムもしくは上記燃焼機関には、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置が設けられている。

そして、本発明に係る方法は、さらに、燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒を加熱できるバーナを設けるステップと、排気システムおよび／または燃焼機関の運転状態を判定するステップと、上記パティキュレートフィルタの再生の際に、この判定した運転状態に応じて、上記バーナおよび／または上記噴射装置を作動させるステップと、を備えている。

本発明のさらなる発展が、従属請求項、発明の詳細な説明および図面に記載されている。

切換装置は、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、バーナを作動させ、かつ必要であれば噴射装置を作動させるように構成されている。従って、例えば、パティキュレートフィルタにおけるすす状微粒子の堆積が再生を必要とするあるレベルに達したが、他方では、燃焼機関の始動直後であるなどの理由により触媒温度が発熱反応を生じさせるには低すぎるような場合に、切換装置は、バーナを作動させ、これにより、触媒を、二次的な燃料噴射に要求される温度へと効率よくかつ素早く加熱することができる。さらに、未消費の十分な燃料が既に排気ガス流に含まれている場合を除き、噴射装置が作動する。

上記切換装置は、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも高くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、噴射装置のみを作動させるように構成されている。これにより、バーナの過剰な動作が回避され、二次的な燃料噴射が可能である限りは、この二次的な燃料噴射によってパティキュレートフィルタの再生が効率的になされる。

上記切換装置は、また、触媒温度が反応温度よりも高くなったときに、バーナを再び非作動とするように構成することができる。従って、より効率的な加熱方法のために、触媒が要求温度に達したら直ちに切換がなされる。適用の態様によっては、反応温度に達してから所定時間の間、あるいは所定の閾値温度に達するまでの間、バーナを噴射装置とともに運転することが望ましい場合もある。

再生装置は、モジュール化したユニットとして構成することができ、噴射装置をこのモジュラーユニット内に一体に組み込むことができる。このような構成では、種々異なる形式の燃焼機関の排気系に再生装置を設置することが可能となり、かつその製造や保守の点で有利となる。

バーナおよび噴射装置は、多数の異なる排気システムに容易に一体に組み込むことができるような共通の構成要素によって実現できる。

本発明の課題は、さらに、請求項８に記載の排気システムによって解決される。

本発明に係る再生方法では、排気システムの運転状態の判定のために、例えば触媒に取り付けられた温度センサを用いて、触媒温度を測定することができる。これに代えて、燃焼機関の運転パラメータ、例えばその温度や速度、を判定するようにしてもよい。

バーナは、好ましくは、触媒の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときに、作動する。これに対し、もし、触媒の温度が再生温度よりも高くかつパティキュレートフィルタの再生が必要なときには、好ましくは、噴射装置のみが作動する。バーナは、触媒温度が反応温度よりも上昇したときに非作動とすることができる。

パティキュレートフィルタ、酸化触媒および本発明に係る再生装置を備えた排気システムの一部を概略的に示す図。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図に示す排気ダクト１３は、上流側の一端部において燃焼機関（図示せず）から高温の排気ガス流を受け取り、かつ排気テールパイプ（図示せず）まで導いて、この排気テールパイプを通して大気中へ排気ガスを排出する。大気中へ拡散する前に、排気ガス流は、矢印で示すように、排出物の制御のために、触媒１５およびパティキュレートフィルタ１１を通過する。触媒１５は、ディーゼル用酸化触媒などの一般的な酸化触媒でよい。パティキュレートフィルタ１１は、すす状微粒子用フィルタであり、排気ガス流に含まれるすす状微粒子を排気ガス流から濾過して内部に蓄えるものである。再生装置は触媒１５の上流に配置されており、ここでは、モジュール化した装置つまり再生モジュール２３として構成されている。再生モジュール２３は、噴射装置１７とバーナ１９の双方を備え、これらはいずれも排気ダクト１３に連通している。噴射装置１７は、さらに、燃料リザーバ（図示せず）に接続されている。再生モジュール２３と排気ダクト１３との接続関係としては、一方では、噴射装置１７が排気ダクト１３内に開口しており、かつ他方では、バーナ１９が触媒１５と十分な熱伝達関係となるように、構成されている。

再生モジュール２３は、４つの異なる作動状態に適用可能である。第１の作動状態では、噴射装置１７およびバーナ１９の双方が非作動であり、つまり、排気ガス流内への燃料の噴射およびバーナ１９による排気ガス流の加熱のいずれもなされない。第２の作動状態では、噴射装置１７は非作動でかつバーナ１９は作動し、つまり、バーナ１９による排気ガス流の加熱は行われるが、燃料の噴射はなされない。第３の作動状態では、噴射装置１７が作動し、かつバーナ１９は非作動であり、つまり、噴射装置１７により排気ガス流へ燃料が供給されるが、バーナ１９による排気ガス流の加熱はなされない。第４の作動状態では、噴射装置１７およびバーナ１９の双方が作動し、つまり、排気ガス流中への燃料の噴射とバーナ１９による排気ガス流の加熱との双方が同時になされる。

再生モジュール２３の個々の作動状態の制御は、再生モジュール２３が接続された切換装置２１の手段によって実行される。切換装置２１は、例えば温度の判定に帯状バイメタルを用いた簡単な電気的スイッチング構成とすることができる。あるいは、切換装置２１は、複雑な集積回路を備えたものであってもよい。図示した実施例では、切換装置２１は、再生モジュール２３から離れた配置となった別の制御装置として構成され、電気的ケーブルを介して再生モジュール２３に接続されている。代替として、切換装置２１を、再生モジュール２３に直接にあるいは再生モジュール２３の内部に配置された追加の構成要素として構成することもできる。さらに他の実施例では、切換装置２１は、燃焼機関の制御装置に一体化することもできる。

切換装置２１は、種々の入力信号を受け取り、これに基づいて再生モジュール２３の動作を制御する。特に、切換装置２１には、触媒温度信号２５およびパティキュレートフィルタ堆積信号２７が入力される。しかし、パティキュレートフィルタ１１の再生を実行すべきかどうか、触媒１５の温度がライトオフ温度を上回っているかどうか、そして燃料噴射が必要かどうか、という決定を行う手段のために、他の種々の入力信号を想定することもできる。

パティキュレートフィルタ堆積信号２７がパティキュレートフィルタ１１の再生を行うべきであることを示した場合には、切換装置２１は、触媒温度信号２５を参照して、触媒１５の温度が、噴射された燃料の発熱反応が生じる反応温度を下回っているか確認する。もし下回っている場合には、排気ダクト１３を触媒１５とともに加熱すべくバーナ１９が作動する。そして、切換装置２１は、必要に応じて、触媒温度信号２５に基づき触媒温度を継続的に確認する。触媒温度が反応温度を上回ったら、切換装置２１は必要であれば直ちに噴射装置１７を作動させ、未燃の液体炭化水素を排気ガス流中に供給する。この液体炭化水素は、触媒１５において発熱反応を生じ、これにより、熱が放出されるとともに触媒温度が上昇する。バーナ１９ならびに噴射装置１７の燃料噴射による触媒１５の加熱は、反応温度に達した後、所定の閾値温度に達するまで行われる。閾値温度に達した後は、バーナ１９は、切換装置２１によって再び非作動となる。触媒１５およびそのすぐ近くに配置されたパティキュレートフィルタ１１は、噴射燃料の発熱反応により加熱されて、パティキュレートフィルタ１１におけるすす状微粒子の焼却ひいてはパティキュレートフィルタ１１の再生を達成し得る十分な温度にまで加熱される。

図示した実施例では、再生装置は、噴射装置１７およびバーナ１９の双方を含むモジュール化したユニットとして構成されている。これに代えて、噴射装置１７およびバーナ１９を、単一の共通な構成要素として実現することもできる。また態様によっては、噴射装置１７およびバーナ１９を個々に独立した別個の装置として構成し、両者を互いに離して配置することもできる。例えば、噴射装置１７は、燃焼機関の作動のために備えている燃料噴射装置によって実現することができる。このような変形例では、膨張行程中に燃焼室内に遅れを伴って燃料が供給され、これにより、排気ガス流は少なくとも一部が未燃のものとなる。従って、燃料噴射はエンジン内部で行われることになり、別の噴射装置１７の設置が不要となる。

上述した再生モジュール２３によれば、排気システムや燃焼機関の運転状態がどのような状態にあっても、何時でも、パティキュレートフィルタ１１の再生を実行することができ、例えば、燃焼機関の始動直後であっても可能である。そして、パティキュレートフィルタ１１をスートの焼却温度まで直接に加熱するための高コストでかつ占有スペースの大きな加熱装置は、不要である。さらに、燃料噴射は、触媒温度をライトオフ温度よりも高くするという必要な結果を導くときにのみ実行されるので、過剰な燃料消費が回避される。本発明の再生のコンセプトは、工業プラントや自動車分野における種々の形式の燃焼機関に適用することが可能である。

１１…パティキュレートフィルタ
１３…排気ダクト
１５…触媒
１７…噴射装置
１９…バーナ
２１…切換装置
２３…再生モジュール
２５…触媒温度信号
２７…パティキュレートフィルタ堆積信号

Claims (13)

1. 燃焼機関特にディーゼルエンジンから高温排気ガス流を導く排気ダクト（１３）と、パティキュレートフィルタ（１１）の上流側において上記排気ダクト（１３）に組み込まれた触媒（１５）特に酸化触媒と、を備えた排気システムにおける上記パティキュレートフィルタ（１１）の再生装置であって、上記排気システムもしくは上記燃焼機関に、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置（１７）が設けられてなる構成において、
   燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒（１５）を加熱できるバーナ（１９）と、
   排気システムおよび／または燃焼機関の運転状態に応じて上記バーナ（１９）および上記噴射装置（１７）を作動あるいは非作動に選択的に切り換える切換装置（２１）と、
   を備えたことを特徴とする再生装置。
2. 上記切換装置（２１）は、上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタ（１１）の再生が必要なときに、バーナ（１９）を作動させ、かつ必要に応じて噴射装置（１７）を作動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の再生装置。
3. 上記切換装置（２１）は、上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも高くかつパティキュレートフィルタ（１１）の再生が必要なときに、噴射装置（１７）のみを作動させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の再生装置。
4. 上記切換装置（２１）は、上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも高くなったときに、上記バーナ（１９）を再び非作動とするように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の再生装置。
5. 再生装置がモジュール化したユニット（２３）として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の再生装置。
6. 噴射装置（１７）がモジュール化したユニット（２３）内に一体化されていることを特徴とする請求項５に記載の再生装置。
7. 上記バーナ（１９）および上記噴射装置（１７）が共通の構成要素によって構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の再生装置。
8. 燃焼機関特にディーゼルエンジン用の排気システムであって、
   上記燃焼機関から高温排気ガス流を導く排気ダクト（１３）と、
   パティキュレートフィルタ（１１）と、
   このパティキュレートフィルタ（１１）の上流側において上記排気ダクト（１３）に組み込まれた触媒（１５）特に酸化触媒と、
   を備え、
   この排気システムもしくは上記燃焼機関が、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置（１７）を備えた構成において、
   上記請求項１〜７のいずれかに記載の再生装置をさらに備えていることを特徴とする排気システム。
9. 燃焼機関特にディーゼルエンジンから高温排気ガス流を導く排気ダクト（１３）と、パティキュレートフィルタ（１１）の上流側において上記排気ダクト（１３）に組み込まれた触媒（１５）特に酸化触媒と、を備えた排気システムにおける上記パティキュレートフィルタ（１１）用の再生方法であって、上記排気システムもしくは上記燃焼機関に、燃料リザーバに連通して該燃料特に炭化水素含有燃料を排気ガス流に供給し得る噴射装置（１７）が設けられてなる構成において、
   燃料の発熱反応が生じる反応温度まで上記触媒（１５）を加熱できるバーナ（１９）を設け、
   排気システムおよび／または燃焼機関の運転状態を判定し、
   上記パティキュレートフィルタ（１１）の再生の際に、この判定した運転状態に応じて、上記バーナ（１９）および／または上記噴射装置（１７）を作動させることを特徴とする再生方法。
10. 上記排気システムの運転状態の判定のために上記触媒（１５）の温度を測定することを特徴とする請求項９に記載の再生方法。
11. 上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも低くかつパティキュレートフィルタ（１１）の再生が必要なときに、バーナ（１９）を作動させ、かつ必要なら噴射装置（１７）を作動させることを特徴とする請求項９または１０に記載の再生方法。
12. 上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも高くかつパティキュレートフィルタ（１１）の再生が必要なときに、噴射装置（１７）のみを作動させることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の再生方法。
13. 上記触媒（１５）の温度が反応温度よりも高くなったときに、上記バーナ（１９）を再び非作動とすることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の再生方法。

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