JP2010106728A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない空気の供給にてバーナ装置での安定燃焼を可能にしてパティキュレートフィルタの再生を確実に行えるようにすると共に、バーナ装置の火炎による局部的な高温部が生じるのを防止してパティキュレートフィルタの健全性を維持できるようにする。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気管２０にパティキュレートフィルタ３を備えパティキュレートフィルタ３の上流で燃料を噴射して燃焼させることによりパティキュレートフィルタ３の昇温を行うバーナ装置１８を備えている排気浄化装置であって、排気管２０に、排気ガスＧをバーナ装置１８を経由してパティキュレートフィルタ３へ導く燃焼用ガス流路２１と、排気ガスＧをバーナ装置１８を経由せずにパティキュレートフィルタ３へ導くバイパス流路２２とを設け、燃焼用ガス流路２１に空気２４を供給する空気供給装置２５を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン、特に、農業用等のように過酷な条件で使用されるディーゼルエンジンにおいて、高度な制御装置を備えることなしに簡単な制御で安価に排気浄化を行えるようにした排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を浄化するには、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）をディーゼルエンジンの排気管に設置して、このようなパティキュレートフィルタによりパティキュレートを補集するようにしている。パティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成しており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出される一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するため、目詰まりによって排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、ディーゼルエンジンの運転状態によっては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られない場合があり、このために、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの再生処理量よりも捕集量が上まわってしまい、よってこのような排気温度が低い運転状態が続いた場合には、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタに対するパティキュレートの堆積量が増加してきた段階で、ディーゼルエンジンにおいて通常の燃料噴射の他にポスト噴射を行うことによって排気ガスの温度を高め、パティキュレートフィルタの温度を再生温度（例えば約３３０℃以上）に高めることによりパティキュレートを燃焼させる強制再生を行うことが考えられている。

しかし、この方法の場合は非常に複雑な制御が必要であり、よって制御装置が高価になるという問題がある。

このため、パティキュレートフィルタの前段にバーナ装置を備え、パティキュレートフィルタに対するパティキュレートの堆積量が増加してきた段階において、バーナ装置により燃料を燃焼させてパティキュレートフィルタの温度を再生温度まで高めることによりパティキュレートを燃焼させる強制再生を行うことが考えられている。

尚、この種のバーナ装置を用いてパティキュレートフィルタを再生する技術に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１がある。
特開平８−２６０９４４号公報

しかしながら、ディーゼルエンジンからの排気ガスに単に燃料を噴射して燃焼させるようにした場合には、排気ガスの酸素濃度が低いために燃焼が不安定となり、安定燃焼しないためにパティキュレートフィルタの再生が行われない場合が生じる問題がある。

一方、前記特許文献１に示されるように、燃料と燃焼用空気を供給するようにしたバーナ装置では、供給する燃料を完全燃焼させられる量の空気をバーナ装置に供給する必要がある。これは、空気が不足した状態では煤が発生して新たな問題を生じてしまうからである。従って、特許文献１ではバーナ装置で完全燃焼するための多くの空気を供給する必要があり、このために大型の空気ポンプを設ける必要があるが、このような大型の空気ポンプはディーゼルエンジンに搭載することが困難である。

又、前記したように、バーナ装置で完全燃焼させるようにした場合には、火炎温度が著しく高くなってしまい、このように高温となった火炎がパティキュレートフィルタに導かれると、コージェライトの耐熱温度（約１４５０℃）を超えてしまうことによって、パティキュレートフィルタが局部的に焼損するという問題を有していた。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、少ない空気の供給にてバーナ装置での安定燃焼を可能にしてパティキュレートフィルタの再生を確実に行えるようにすると共に、バーナ装置の火炎により局部的な高温部が生じるのを防止してパティキュレートフィルタの健全性を維持できるようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、内燃機関の排気管にパティキュレートフィルタを備え該パティキュレートフィルタの上流で燃料を噴射して燃焼させることによりパティキュレートフィルタの昇温を行うバーナ装置を備えている排気浄化装置であって、前記排気管に、排気ガスを前記バーナ装置を経由してパティキュレートフィルタへ導く燃焼用ガス流路と、排気ガスをバーナ装置を経由せずにパティキュレートフィルタへ導くバイパス流路とを設け、前記燃焼用ガス流路に空気を供給する空気供給装置を接続したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

上記排気浄化装置において、バーナ装置が、燃焼用ガス流路からの排気ガスに旋回を与えて噴射するスワーラを有することは好ましい。

又、上記排気浄化装置において、空気供給装置が、複数のターボファンを直列に接続したエアーポンプであることは好ましい。

又、上記排気浄化装置において、空気供給装置が、レシプロコンプレッサと該レシプロコンプレッサの圧縮空気によって作動するエゼクタとからなるエアーポンプであることは好ましい。

又、上記排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの前部に、排気ガスを均一温度に加熱するための均熱部材を配置することは好ましい。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、内燃機関の排気管に、排気ガスをバーナ装置を経由してパティキュレートフィルタへ導く燃焼用ガス流路と、排気ガスをバーナ装置を経由せずにパティキュレートフィルタへ導くバイパス流路とを設け、前記燃焼用ガス流路に空気を供給する空気供給装置を接続したので、内燃機関の運転状態によって排気ガス中の酸素濃度が低い状態が生じても、空気が供給された燃焼用ガス流路からの排気ガスによって燃料噴射ノズルから噴射される燃料を安定して確実に燃焼させることができ、よってパティキュレートフィルタの再生を常に安定して行える効果がある。

燃焼用ガス流路からバーナ装置に導かれる排気ガスがバーナ装置から噴射される燃料を燃焼させるのに必要な酸素量に対して不足している分を前記空気供給装置によって供給するようにしたので、空気供給装置を少流量の空気を供給する小型のものとすることができる効果がある。

又、前記したように空気が供給された排気ガスと燃料噴射ノズルから噴射される燃料とが混合して緩慢燃焼が行われ、更にその後バイパス流路からの排気ガスが混合されて緩慢燃焼が行われることにより、局部的な高温部が生じる問題を防止でき、よってパティキュレートフィルタが局部的に焼損するといった問題を防止できる効果がある。

又、バーナ装置が、燃焼用ガス流路からの排気ガスに旋回を与えて噴射するスワーラを有することにより、バーナ装置から噴射される燃料を更に安定して均一に燃焼させられる効果がある。

又、空気供給装置として、複数のターボファンを直列に接続したエアーポンプを備えたり、或いは、レシプロコンプレッサと該レシプロコンプレッサの圧縮空気によって作動するエゼクタとからなるエアーポンプを備えることにより、小型の空気供給装置によりバーナ装置での燃料の燃焼に必要な酸素の不足分を供給することができ、よって、空気供給装置を内燃機関に容易に搭載できる効果がある。

又、パティキュレートフィルタの前部に、排気ガスを均一温度に加熱するための均熱部材を配設することにより、パティキュレートフィルタに導かれる排気ガスの温度を更に均一化することができ、よってパティキュレートフィルタが局部的に焼損するといった問題を更に確実に防止できる効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼルエンジン（内燃機関）であり、２は内部にパティキュレートフィルタ３が収納されたフィルタケースを示している。

パティキュレートフィルタ３は、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成しており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集され、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

更に、前記パティキュレートフィルタ３の上流（図１の上側）におけるフィルタケース２の中心位置には、後側のパティキュレートフィルタ３に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズル４を設け、更に該燃料噴射ノズル４の先端部近傍には放電によって燃料に着火するようにした放電端子５（着火手段）を設けている。

軽油からなる燃料が収容された燃料タンク６の燃料は、低圧の燃料供給ポンプ７によって前記ディーゼルエンジン１のエンジンポンプに供給されるようになっており、更に、燃料供給ポンプ７からの燃料の一部は、高圧の噴射用ポンプ８及び燃料弁９を介して前記燃料噴射ノズル４に供給されるようになっている。

前記フィルタケース２の前端（上端）内部には、燃料噴射ノズル４の先端を包囲する燃焼用開口１０が形成された燃焼ガス導入室１１を有する前部チャンバ１２が設けてあり、該前部チャンバ１２の後側（下側）には、筒形の希釈室１３を形成していると共に後部内周面に排気ガスを噴出するための希釈用開口１４を有する希釈チャンバ１５が設けてある。

又、前部チャンバ１２の燃焼用開口１０には、図２に示す如く、複数の羽根１６ａを備えて燃料噴射ノズル４の周りから排気ガスＧに旋回Ｓ（スワール）を与えて噴射するようにしたスワーラ１６を設けている。

更に、パティキュレートフィルタ３の前部（上部）には、排気ガスを均一温度に加熱するためのポーラス材等からなる均熱部材１７を設けている。

そして、前記燃料噴射ノズル４と、放電端子５と、燃焼ガス導入室１１に設けたスワーラ１６とによってバーナ装置１８が構成されており、更に、該バーナ装置１８と、希釈チャンバ１５と、前記均熱部材１７とによってパティキュレートフィルタ再生バーナ１９が構成されている。

一方、前記ディーゼルエンジン１からの排気ガスＧを導出する排気管２０には、排気ガスＧを前記燃焼ガス導入室１１に供給することによりバーナ装置１８における燃料噴射ノズル４の周りのスワーラ１６から希釈チャンバ１５の内側を通してパティキュレートフィルタ３へ導くようにした燃焼用ガス流路２１と、排気ガスＧを燃料噴射ノズル４を経由せずに迂回し、希釈チャンバ１５の希釈室１３及び希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導くようにしたバイパス流路２２とに二股状に分岐した分岐部を形成している。更に、燃焼用ガス流路２１とバイパス流路２２の分岐部には、通常時には燃焼用ガス流路２１を閉じて排気ガスＧをバイパス流路２２に流し、パティキュレートフィルタ３の再生時には排気ガスＧの一部を燃焼用ガス流路２１へ導くように作動するダンパ２３を備えている。尚、ダンパ２３に代えて流路切換弁を用いるようにしてもよく、更に、燃焼用ガス流路２１に導く排気ガスＧの流量を調節できるようになっていてもよい。

又、前記ダンパ２３は設けることなく、燃焼用ガス流路２１とバイパス流路２２とに所定の割合で排気ガスＧが流動されるように予め夫々の断面積等を設定しておくようにしてもよい。

更に、前記燃焼用ガス流路２１には、空気２４を供給することによって、燃焼ガス導入室１１に供給される排気ガスＧ中の酸素濃度を高めるようにした空気供給装置２５を接続している。図１中、２５'は逆止弁である。空気供給装置２５は、前記排気ガスＧの圧力よりも高い圧力の空気２４を供給でき、且つディーゼルエンジン１の燃焼によって酸素濃度が低下した排気ガスＧの酸素濃度を、前記燃料噴射ノズル４から噴射される燃料を安定燃焼させ得る濃度まで高められる量の空気２４を供給できるものを用いる。

この時、空気供給装置２５としては、ディーゼルエンジン１に備えられるバッテリー充電器の電源（例えばＤＣ１２Ｖ）によって駆動できるものが好ましい。このため、本発明者らは種々のポンプについて検討を行った結果、図３に示すように、複数のターボファン２６（図３では２個）を直列に接続して電動モータ２７で駆動するようにしたエアーポンプ２８が採用できることを見出した。このエアーポンプ２８によれば、小型で排気ガスＧの圧力より高い圧力で空気２４を供給でき、しかもバーナ装置１８で必要な酸素量に対して不足する酸素を供給できる空気２４の供給量を確保でき、且つ、ディーゼルエンジン１に容易に搭載することができる。

又、前記空気供給装置２５としては、図４に示すように、図示しない電動モータによりピストン２９を往復動させて圧縮空気を生成するレシプロコンプレッサ３０と、該レシプロコンプレッサ３０からの圧縮空気によって空気を巻き込むようにしたエゼクタ３１とからなるエアーポンプ３２が採用できることを見出した。このエアーポンプ３２によっても、小型で前記圧力と供給量を保持して空気２４を供給することができ、且つ、ディーゼルエンジン１に容易に搭載することができる。

図１中、３３は制御装置（ＥＣＵ）であり、この制御装置３３には、ディーゼルエンジン１において検出される回転数信号３４とスロットル開度信号３５が入力されており、更に、前記パティキュレートフィルタ３の前後の圧力差を検出する差圧計３６からの差圧信号３７が入力されており、この差圧信号３７によって制御装置３３はパティキュレートフィルタ３におけるパティキュレートの堆積状況を計測するようにしている。

そして、制御装置３３は、通常時には燃焼用ガス流路２１を閉じるようにダンパ２３を作動させ、これによって、全ての排気ガスＧをバイパス流路２２により希釈チャンバ１５の希釈室１３へ供給し、希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導くことによりパティキュレートの補集を行うようにしている。

パティキュレートフィルタ３にパティキュレートが堆積されると、目詰まりによって排気抵抗が増加するので、前記差圧計３６からの差圧信号３７を入力している制御装置３３は、パティキュレートフィルタ３へのパティキュレートの堆積を計測する。そして、パティキュレートの堆積が計測されると、制御装置３３は、排気ガスＧの一部を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにダンパ２３を作動させると共に、前記空気供給装置２５を作動させて空気２４を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにし、更に高圧の噴射用ポンプ８を作動させると共に燃料弁９を開けて燃料噴射ノズル４に燃料を供給し、且つ、放電端子５（着火手段）により点火を行う。これにより、バーナ装置１８による火炎Ｆが形成され、更に、この火炎Ｆは、前記バイパス流路２２により希釈室１３に供給されて希釈用開口１４から噴出される排気ガスＧと混合された後、均熱部材１７により均一に加熱されて前記パティキュレートフィルタ３に供給され、これにより、パティキュレートフィルタ３に堆積したパティキュレートは燃焼除去されてパティキュレートフィルタの再生が行われるようになっている。

以下に、上記形態の作動を説明する。

図１の排気浄化装置の通常時には、制御装置３３が燃焼用ガス流路２１を閉じるようにダンパ２３を作動しており、これにより、全ての排気ガスＧはバイパス流路２２によって希釈チャンバ１５の希釈室１３へ供給され、希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導かれることによりパティキュレートの補集が行われる。この時、前記ダンパ２３は設けることなく、燃焼用ガス流路２１とバイパス流路２２とに所定の割合で排気ガスＧが流動されるようにしてもよい。しかし、ダンパ２３を設けない場合には、バーナ装置１８に常時排気ガスＧが流れることになるため、燃料噴射ノズル４が排気ガスＧにより加熱されて燃料噴射ノズル４内で燃料がコーキングする問題が考えられるため、このコーキングの問題を防止するための手段を講じる必要があるが、前記したように、ダンパ２３を設けて通常時は燃焼用ガス流路２１へは排気ガスＧを流さないようにすることによって、燃料噴射ノズル４内で燃料がコーキングする問題の発生を防止することは好ましい。

パティキュレートフィルタ３にパティキュレートが堆積すると、差圧計３６からの差圧信号３７を入力している制御装置３３はパティキュレートフィルタ３へのパティキュレートの堆積を計測する。

パティキュレートの堆積が計測されると、制御装置３３は、排気ガスＧの一部を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにダンパ２３を作動させると共に、前記空気供給装置２５を作動させて空気２４を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにし、更に高圧の噴射用ポンプ８を作動させると共に燃料弁９を開けて燃料噴射ノズル４に燃料を供給し、且つ、放電端子５（着火手段）により点火を行う。これにより、バーナ装置１８による火炎Ｆが形成される。

バーナ装置１８の火炎Ｆは、前記バイパス流路２２から希釈室１３に供給されて希釈用開口１４から噴出される排気ガスＧと混合された後、均熱部材１７により均一に加熱されて前記パティキュレートフィルタ３に供給されるので、パティキュレートフィルタ３に堆積したパティキュレートは燃焼除去されてパティキュレートフィルタ３の再生が行われる。

上記したように、バイパス流路２２と分岐した燃焼用ガス流路２１に、空気供給装置２５により空気２４を供給するようにしたので、ディーゼルエンジン１の運転状態によって排気ガスＧ中の酸素濃度が低い状態が生じても、空気２４が供給された燃焼用ガス流路２１からの排気ガスＧによって燃料噴射ノズル４から噴射される燃料を安定して確実に燃焼させることができ、従って、パティキュレートフィルタ３の再生を常に安定して行うことができる。

この時、バーナ装置１８に、燃焼用ガス流路２１からの排気ガスＧに旋回を与えて噴射するスワーラ１６を有しているので、バーナ装置１８から噴射される燃料は更に安定して均一に燃焼されるようになる。

又、空気供給装置２５では、燃焼用ガス流路２１からバーナ装置１８に導かれる排気ガスＧがバーナ装置１８から噴射される燃料を燃焼させるのに必要な酸素量に対して不足している分だけを供給すれば良いため、空気供給装置２５は少流量の空気を供給する小型のものとすることができる。

従って、空気供給装置２５として、図３に示すように、複数のターボファン２６を直列に接続したエアーポンプ２８を備えたり、或いは、図４に示すように、レシプロコンプレッサ３０と該レシプロコンプレッサ３０の圧縮空気によって作動するエゼクタ３１とからなるエアーポンプ３２を備えることによって、例えばディーゼルエンジン１に備えられるバッテリー充電器の電源（例えばＤＣ１２Ｖ）によって駆動できる小型のエアーポンプ２８、３２を採用することができ、従って、前記空気供給装置２５をディーゼルエンジン１に搭載することが可能になる。

又、前記したように空気供給装置２５によって空気２４が供給された排気ガスＧと燃料噴射ノズル４から噴射される燃料とが混合することにより緩慢燃焼が行われ、更にその後バイパス流路２２から希釈室１３に供給された排気ガスＧが混合されて緩慢燃焼が行われることにより、局部的な高温部が生じる問題を防止できる。更に、パティキュレートフィルタ３の前部に、排気ガスＧを均一温度に加熱するための均熱部材１７を配設しているので、パティキュレートフィルタ３に導かれる排気ガスＧの温度が更に均一化されるようになる。このように、パティキュレートフィルタ再生バーナ１９により排気ガスＧの温度が均一化されてパティキュレートフィルタ３に導かれるようになるので、パティキュレートフィルタ３が局部的に焼損するといった問題の発生を確実に防止することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、図示の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概略図である。 バーナ装置の一部を構成するスワーラの一例を示す斜視図である。 本発明の装置に用いられる空気供給装置の一例を示す概略図である。 本発明の装置に用いられる空気供給装置の他の例を示す概略図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ パティキュレートフィルタ
１６ スワーラ
１７ 均熱部材
１８ バーナ装置
２０ 排気管
２１ 燃焼用ガス流路
２２ バイパス流路
２４ 空気
２５ 空気供給装置
２６ ターボファン
２８ エアーポンプ
３０ レシプロコンプレッサ
３１ エゼクタ
３２ エアーポンプ
Ｇ 排気ガス

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管にパティキュレートフィルタを備え該パティキュレートフィルタの上流で燃料を噴射して燃焼させることによりパティキュレートフィルタの昇温を行うバーナ装置を備えている排気浄化装置であって、前記排気管に、排気ガスを前記バーナ装置を経由してパティキュレートフィルタへ導く燃焼用ガス流路と、排気ガスをバーナ装置を経由せずにパティキュレートフィルタへ導くバイパス流路とを設け、前記燃焼用ガス流路に空気を供給する空気供給装置を接続したことを特徴とする排気浄化装置。
2. バーナ装置が、燃焼用ガス流路からの排気ガスに旋回を与えて噴射するスワーラを有する請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 空気供給装置が、複数のターボファンを直列に接続したエアーポンプである請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 空気供給装置が、レシプロコンプレッサと該レシプロコンプレッサの圧縮空気によって作動するエゼクタとからなるエアーポンプである請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
5. パティキュレートフィルタの前部に、排気ガスを均一温度に加熱するための均熱部材を配置した請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。

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