JP2010138717A - ディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）を装備したディーゼルエンジンにおいて、ＤＰＦに堆積した粒子状物質（ＰＭ）を電気ヒータにより燃焼させて再生する際に、使用する電力量を削減し、かつ、排気ガスを低温化する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気系に、再生時にＤＰＦ７の上流側に加熱された空気を供給する加熱空気供給装置を設ける。加熱空気供給装置は、ディーゼルエンジンの吸気管から吸入した空気を圧送する送風機７１、排熱回収熱交換器７２及び電気ヒータ７３を備えており、ＤＰＦ７を再生するときには、ＤＰＦ７の下流側の排熱を回収して電気ヒータ７３に到る前の空気を予熱する。これにより、電気ヒータの消費電力が削減されるとともに、排気ガスの温度を低下することができる。エンジン制御装置１１は、堆積したＰＭ量の演算手段を備え、その演算値に基づき電気ヒータ７３の通電時間を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる有害成分、ことに、ディーゼルエンジンで規制対象となる粒子状物質を減少させるため、エンジンの排気系に装備される排気ガス後処理装置に関するものである。

環境対策の重要な一環として、車両用エンジンに対し、排気ガス中の有害成分とされる窒素酸化物（ＮＯｘ）あるいは炭化水素（ＨＣ）等の規制が実施される一方、有害成分の低減に向けて各種の技術の開発が精力的に行われている。車両用エンジンにはガソリンエンジンとディーゼルエンジンとがあり、ディーゼルエンジンは、トラック等の商用車を中心として広く普及している。ディーゼルエンジンは、シリンダ内に供給される空気を圧縮し、高温高圧となった空気中に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであって、ガソリンエンジンと比べ一般的に熱効率が高い。そのため、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量がその分少なくなり、この面では環境対策でも優れた特性を有しているものの、粒子状物質（パティキュレート：、ＰＭ）及びＮＯｘについては、その削減が強く要請されている。

ＰＭは、シリンダ内に噴射された燃料の不完全燃焼により、炭素や燃料の未燃焼成分が微小な粒子として排出されるものである。ＰＭの排出を防止するには、ディーゼルエンジンの排気系にディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれるフィルタを装着し、このＤＰＦによってＰＭを捕捉する技術が一般的に採用される。ＤＰＦは、通常、多孔質のコーディエライト等のセラミック体に格子状に区画された多数の細い通路を軸方向に設け、隣り合う通路の出入口を交互に目封じしたものである。ディーゼルエンジンの排気ガスは、隣り合う通路間の多孔質セラミックの壁を通過して下流に流れ、このときに微粒子であるＰＭが捕集される。

ディーゼルエンジンを搭載した車両に装備されるＤＰＦには、エンジンが繰り返し運転されることによって捕捉したＰＭが堆積する。ＰＭが多量に堆積すると、フィルタが目詰まり状態となってエンジンの背圧が上昇する弊害や、エンジンの高負荷時排気ガスが高温となったときに堆積したＰＭが一気に燃焼してＤＰＦに熱損傷を与える等の弊害がある。このような弊害を防ぐためには、堆積したＰＭを適宜除去してＤＰＦの機能を回復させるいわゆるＤＰＦの再生を行う必要がある。

図３に、ＤＰＦ及びその再生装置を装備したディーゼルエンジンを示す。このエンジンは、吸入空気を圧縮してシリンダ内に供給するターボチャージャを備えており、エアクリーナ１を介して吸入された空気は、ターボチャージャのコンプレッサ２によって圧縮されインタークーラ３で冷却された後、インテークマニホールド４を経てエンジンのシリンダ内に給気される。シリンダからの排気ガスは、エキゾーストマニホールド５からターボチャージャのタービン６に至り、これを駆動した後にその下流に置かれたＤＰＦ７に導入され、ここでＰＭが除去されて大気中に排出される。ＤＰＦ７の下流には排気絞り弁８が設置されている。なお、このエンジンは、ＮＯｘを低減するため排気ガスをシリンダ内に再循環する、ＥＧＲ弁９及びＥＧＲクーラ１０等からなるＥＧＲ装置を備えている。

ＤＰＦ７には、入口圧と出口圧、つまりＤＰＦ７の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサＤＰＳが設置され、また、上流側の排気ガス温度を検出する入口温センサＩＴＳ及び出口側の温度を検出する出口温センサＯＴＳが設置されており、これらセンサの検出信号は、エンジン制御装置１１（ＥＣＵ）に入力される。
ディーゼルエンジンが長時間運転された場合は、ＤＰＦ７に捕集されたＰＭの堆積量が増大し、これに伴いＤＰＦ７の上流側圧力と下流側圧力との差圧が増加する。差圧センサＤＰＳによって検出した差圧が所定値を超えたときは、ＤＰＦ７を再生するため、ＥＣＵ１１は、排気温度を上昇させて堆積したＰＭを徐々に燃焼されるためのＤＰＦ再生制御を実行する。具体的には、空気流量センサＡＦＳで検出される空気量に対してシリンダ内に過剰な燃料を噴射する、ポスト噴射と呼ばれる方法により排気ガス温度を上昇する。あるいは、排気管に燃料供給弁を設置してここから燃料を供給してもよい。ＤＰＦ再生は、車両走行中ばかりではなく、車両を停車しＤＰＦの下流の排気絞り弁８を閉鎖して実行してもよく、このようなＤＰＦ再生方法は、本出願人の出願に係る特開２００５−２８２５３４号公報に開示されている。

ＤＰＦを再生するため、ディーゼルエンジンの燃料噴射量等を増大させることなく、電気ヒータを用いこれを直接ＤＰＦに取り付けたり、又は、ＤＰＦの上流の排気ガスを加熱するようにして、堆積したＰＭを燃焼除去する方法も知られている。電気ヒータには車載のバッテリ等の電源から電力を供給することができる。例えば、特開平１１−２６４３１３号公報には、再生時にディーゼルエンジンを停止させ、外部電源に接続される電気ヒータより加熱された空気をブロワからＤＰＦの上流に送風し、堆積したＰＭを燃焼させる方法が開示されている。
特開２００５−２８２５３４号公報 特開平１１−２６４３１３号公報

ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼してＤＰＦを再生するには、ディーゼルエンジンの排気ガス温度を６００℃程度の高温とする必要がある。ポスト噴射のように、ディーゼルエンジンに過剰な燃料を供給して排気ガス温度を上昇させる方法では、いわば余計な燃料を消費するためエンジンの燃料消費率が悪化することとなる。また、ＤＰＦの再生を車両走行中に実行すると走行状態に悪影響を及ぼすため、ＰＭの堆積量が多い場合等では、駐車場などに車両を停車しディーゼルエンジンをアイドル運転としてＤＰＦの再生する。このときはエンジン騒音が生じるため、特に夜間においては、駐車場の周辺の住宅等に騒音被害を及ぼす虞れがある。

特許文献２に開示される電気ヒータを使用する再生方法では、ディーゼルエンジンの燃料消費率が悪化することはなく、ディーゼルエンジンを停止させた状態で再生可能であるから、騒音被害も発生しない。しかし、ブロワからの空気を、堆積したＰＭを燃焼可能な温度に加熱するには相当大きな電力を要するとともに、ＤＰＦから排出される排気ガスは、ＰＭの燃焼に伴いより一層高温の状態となっているので、再生中の車両の周辺設備に熱的な被害が発生する虞れがある。
本発明は、ディーゼルエンジンに装備されたＤＰＦの再生のため電気ヒータを使用することを可能とし、しかも、再生用の電力を大幅に削減すると同時に、ＤＰＦから排出される排気ガスの温度を低下させて、上述の問題点を解決することを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、排気管にＰＭを捕集するＤＰＦを装備したディーゼルエンジンにおいて、ＤＰＦの再生時にその上流側に電気ヒータで加熱された空気を供給する加熱空気供給装置を設け、かつ、ＤＰＦの下流側に排熱を回収して空気を予熱する排熱回収熱交換器を設置するものである。すなわち、本発明は、
「排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレート・フィルタを備えた車両用のディーゼルエンジンであって、
前記ディーゼルエンジンは、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生時に、外部電源に接続される電気ヒータにより加熱された空気を、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの上流側に供給する加熱空気供給装置を備えており、さらに、
前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの下流側には排熱回収熱交換器が設置されており、前記加熱空気供給装置の電気ヒータにより加熱される空気が、前記排熱回収熱交換器において前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタからの排出ガスにより予熱される」
ことを特徴とするディーゼルエンジンとなっている。

請求項２に記載のように、前記ディーゼルエンジンのエンジン制御装置が、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタに堆積された粒子状物質の量を演算する堆積量演算手段を備えており、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生時には、前記加熱空気供給装置の電気ヒータに通電する電力量が前記堆積量演算手段の出力に応じて決定されるように構成されていることが好ましい。

また、請求項３に記載のように、前記ディーゼルエンジンが、エアクリーナと吸入空気の流量を検出する空気流量センサとを有する吸気管を備えるとともに、前記加熱空気供給装置が、加熱される空気を圧送する送風機を備えており、かつ、前記送風機の吸気口が、前記エアクリーナ及び空気流量センサの下流側において前記吸気管に連結されていることが好ましい。

本発明の車両用ディーゼルエンジンには、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ、すなわちＤＰＦ、を再生するときに、その上流側に加熱空気を供給する加熱空気供給装置が設けてあり、この加熱空気供給装置は、外部電源に接続される電気ヒータにより空気を加熱するものである。したがって、ディーゼルエンジンを停止した状態でＤＰＦの再生を実行することが可能で、再生時にエンジン騒音を発生することはなく、例えば、住宅地に近接した場所においても、低価格の商用深夜電力を利用して再生を行うことができる。また、ディーゼルエンジンの始動前に再生を実行すると、ＤＰＦが予め昇温され、排気ガス温度が低い始動時であっても排気ガス処理能力が確保される。

そして、本発明のディーゼルエンジンには、ＤＰＦの下流側に排熱回収熱交換器が設置されており、電気ヒータにより加熱される空気が、排熱回収熱交換器においてＤＰＦからの排出ガスにより予熱されるようになっている。ＤＰＦの再生時には、ＤＰＦに捕集され堆積したＰＭが加熱空気により燃焼するので、ＤＰＦから排出されるガスの温度は、加熱空気よりも大きく上昇する。この熱が、排熱回収熱交換器により電気ヒータで加熱される以前の空気に伝達され、これを予熱する結果、電気ヒータの消費電力量を大幅に減少させることができる。一方、ＤＰＦからの排出ガスは、排熱回収熱交換器において空気によって冷却されて温度が低下する。そのため、ディーゼルエンジンの再生時に、周囲設備に熱的な被害を及ぼす事態を防止することができる。

請求項２の発明は、本発明のディーゼルエンジンのエンジン制御装置（ＥＣＵ）に、ＤＰＦに堆積されたＰＭの量を演算する堆積量演算手段を設け、ＤＰＦの再生時には、加熱空気供給装置の電気ヒータに通電する電力量を前記堆積量演算手段の出力に応じて決定するように構成したものである。ＤＰＦに堆積されるＰＭの量は、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて変化するので、再生時に電気ヒータに供給する必要電力量を設定するのが困難である。請求項２の発明のように、ＤＰＦに堆積されたＰＭの量を演算する堆積量演算手段をＥＣＵに設け、その出力に応じて電気ヒータに通電する電力量（商用電源のように一定電圧の場合には、電気ヒータの通電時間）を必要最小限のものとして設定すると、無駄な電力を消費することがなく効率的な再生が可能となる。
ちなみに、ＤＰＦに堆積されたＰＭの量は、例えば、ＤＰＦの上流側圧力と下流側圧力との差圧を排気ガス流量等のパラメータにより補正して求めることができる。また、アイドル時、高負荷時等のディーゼルエンジンの運転状態に応じて変化するＰＭ発生量を積算して求めるようにしてもよい。

請求項３の発明は、ディーゼルエンジンが、エアクリーナと吸入空気の流量を検出する空気流量センサとを有する吸気管を備えている場合において、加熱空気供給装置に空気を圧送する送風機を設けて、その吸気口を、エアクリーナ及び空気流量センサの下流側の吸気管に連結するものである。これによると、ＤＰＦ再生時にＰＭを燃焼するための空気をディーゼルエンジンの吸気管から吸入して、加熱空気専用のエアクリーナを省略することができる。また、空気流量を調節して加熱空気の温度を制御するときに、ディーゼルエンジンに装着された空気流量センサの利用が可能で、別途、加熱空気用空気流量センサを設ける必要がない。

以下、図面に基づいて、排気系にＤＰＦを装備した本発明のディーゼルエンジンについて説明する。図１は、本発明の実施例にかかるディーゼルエンジンの概略図であり、従来例（図３）の機器、装置に対応するものには、同一の符号が付してある。
本発明は、ＤＰＦの再生装置に関するものであり、再生装置以外のディーゼルエンジンの基本的な機器及びその作動は、図３に示す従来のエンジンと格別異なるものではない。すなわち、この実施例のエンジンはターボチャージャを備えており、コンプレッサ２によって圧縮された空気は、インテークマニホールド４を経てエンジンシリンダ内に給気される。シリンダからの排気ガスは、タービン６を駆動した後その下流に置かれたＤＰＦ７に導入され、ここで排気ガス中のＰＭが除去される。

ＤＰＦ７には、その上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサＤＰＳが設置され、また、上流側の排気ガス温度を検出する入口温センサＩＴＳ及び出口側の温度を検出する出口温センサＯＴＳが設置されており、これらセンサの検出信号は、エンジン制御装置１１（ＥＣＵ）に入力される。ＤＰＦ７の下流の排気ガス出口近傍には排気絞り弁８が設置されている。

本発明のディーゼルエンジンには、ＤＰＦ７の再生時に、その上流側に加熱空気を供給する加熱空気供給装置が設置されている。加熱空気供給装置は、ＰＭ燃焼用の空気を圧送する送風機（ブロワ）７１、その空気を予熱する排熱回収熱交換器７２及び外部電源に接続される電気ヒータ７３からなる。排熱回収熱交換器７２は、ＤＰＦ７と排気絞り弁８との間に置かれ、電気ヒータ７３で加熱される以前の空気をＤＰＦ７から排出される排出ガスにより予熱するものである。電気ヒータ７３は、例えば家庭用の商用電源に接続することが可能なようにプラグ７４を備えている。
この実施例では、送風機７１の吸気口が、エアクリーナ１及び空気流量センサＡＦＳの下流側においてディーゼルエンジンの吸気管に連結されており、その間に開閉弁７５が置かれている。つまり、ＰＭ燃焼用の空気は、エアクリーナ１等を通過してディーゼルエンジンの吸気管から吸入され、図の細線の矢印に示すように、送風機７１、排熱回収熱交換器７２及び電気ヒータ７３を順次経由して、ＤＰＦ７の上流側に供給される。

ディーゼルエンジンには、エンジンの燃料噴射量等を制御するＥＣＵ１１が設けてあり、入口温センサＩＴＳと出口温センサＯＴＳ、差圧センサＤＰＳ及び空気流量センサＡＦＳの検出値は、それぞれＥＣＵ１１に入力される。ＥＣＵ１１は、ＤＰＦに堆積されたＰＭの量を演算する堆積量演算手段１２を備え、ここでは、例えば差圧センサＤＰＳの検出値に基づいて堆積されたＰＭの量を演算する。この実施例においては、ＥＣＵ１１には、ＤＰＦの再生を実行するときの電気ヒータ７３の通電量及び通電時間、送風機７１の回転数等を制御する再生制御手段が組み込まれている。ただし、再生制御手段を別のコンピュータに組み込み、ＥＣＵ１１と連携しながら再生制御を行うことも可能である。

次いで、上記のように構成された本発明のディーゼルエンジンの、ＤＰＦを再生するときの作動について、図２のフローチャートを参照して説明する。
ディーゼルエンジンの運転中は、堆積量演算手段１２が常時ＤＰＦ７に堆積されたＰＭの量を演算している（ステップＳ１）。そして、堆積されたＰＭの量が所定量を超えたときには、運転者等にＤＰＦ７の再生を促すため、警告灯等の警報装置を作動させる（ステップＳ２、Ｓ３）。これに応じて、運転者が車両を停車してエンジンを停止し、さらに、電気ヒータ７３を外部電源に接続して再生スイッチを押すと（ステップＳ４、Ｓ５）、ＤＰＦ７の再生（プラグイン再生）が開始される。電気ヒータ７３の接続を検知して自動的にプラグイン再生を行うようにしてもよい。

プラグイン再生では、まず、開閉弁７５を開いて送風機７１を駆動し、ディーゼルエンジンのエアクリーナ１により浄化された空気を、排熱回収熱交換器７２及び電気ヒータ７３を介してＤＰＦ７の上流側に供給する（ステップＳ６）。このときには、供給される空気の温度が迅速にＰＭの燃焼可能な温度に達するよう、電気ヒータ７３には最大電流を通電する。
ＰＭが燃焼を始めるとＤＰＦの出口における排出ガスの温度が上昇し、その熱が排熱回収熱交換器７２において電気ヒータ７３に入る空気に伝達され予熱が行われる。ＥＣＵ１１は、入口温センサＩＴＳで検出されるＤＰＦ７の上流側の温度が一定となるよう、電気ヒータ７３への通電量を減少させる。これにより、ＤＰＦ７の上流側の温度と下流側の温度がともに一定の定常状態となり、そのときの通電量は、電気ヒータ７３に入る空気が予熱されない場合と比較すると非常に小さい通電量となる。一方、ＤＰＦ７から排出される排出ガスの熱が排熱回収熱交換器７２で空気に伝達されるので、排気絞り弁８を経由して外部に排出される排出ガスの温度は、ＰＭの燃焼にかかわらず低下することとなり、周囲に熱害を及ぼすことはない。

ＤＰＦ７の上流側及び下流側の温度が一定の定常状態に達した後においても、ＥＣＵ１１は、電気ヒータ７３の通電量の制御を継続するが、その継続時間は、ＥＣＵ１１の堆積量演算手段１２の演算値に応じて決定される。つまり、定常状態に達したときには、ＥＣＵ１１は、ディーゼルエンジンの運転中にＤＰＦ７に堆積されたＰＭの量に応じて電気ヒータ７３の通電時間を設定する（ステップＳ７、Ｓ８）。これによって、ＤＰＦ７に堆積されたＰＭを燃焼しこれを再生するために必要な最小限の電力量を設定することが可能となり、無駄な電力消費が回避される。

ＤＰＦ７の再生中に上流側に供給される加熱空気の温度は、電気ヒータ７３の通電量に応じて変化するとともに、送風機７１により圧送される空気の流量に応じても変化するので、この実施例では、ディーゼルエンジンにもともと装着された空気流量センサＡＦＳを利用して加熱される空気の流量を検出し、送風機７１の回転数を制御して空気流量制御を行う。例えば、再生の開始時には、迅速に温度を上昇させるよう送風機７１の回転数を低下させ、上流側の温度が一定となると送風機７１の回転数も一定となるような制御を実行する。この実施例では、送風機７１の回転数を制御して空気流量制御を行っているが、場合によっては、排気絞り弁８の開度を調節して空気流量を制御してもよい。

ＥＣＵ１１で決定された通電の継続時間が経過すると、ＥＣＵ１１は、電気ヒータ７３への通電及び送風機７１の駆動を停止し、再生の警報装置を解除するとともに開閉弁７５を閉鎖して、ディーゼルエンジンを通常の運転が可能となる状態に復帰させる（ステップＳ９〜Ｓ１１）。なお、継続時間が経過しないうちにディーゼルエンジンを稼動させる必要が生じた場合に備えるため、図２において破線で示すように、再生装置に強制終了スイッチを設け、これを操作したときには、ＥＣＵ１１の堆積量演算手段１２が未燃焼のＰＭ量を演算した（ステップＳＸ１、ＳＸ２）うえで、再生を終了させるようにすることもできる。未燃焼のＰＭ量の演算値は、その後の堆積量の演算値に加算される。

以上詳述したように、本発明は、排気管にＤＰＦを装備したディーゼルエンジンにおいて、ＤＰＦの再生時にその上流側に電気ヒータで加熱された空気を供給する加熱空気供給装置を設け、かつ、ＤＰＦの下流側に排熱を回収して空気を予熱する排熱回収熱交換器を設置するものである。上記の実施例では、ディーゼルエンジン及び車両を停止した状態でプラグイン再生を行う再生法について説明したが、例えば、車載のバッテリに電気ヒータを接続可能として、車両走行中にもＤＰＦの再生が実行可能なように構成することができる。また、ポスト噴射のようなディーゼルエンジンに過剰な燃料を供給して排気ガス温度を上昇させる再生方法と、本発明の再生方法とを併用してＤＰＦを再生するなど、上記の実施例に対し種々の変更が可能であるのは明らかである。

本発明に基づくディーゼルエンジンの概略図である。 本発明のディーゼルエンジンにおけるＤＰＦ再生時のフローチャートである。 従来のディーゼルエンジンの概略図である。

符号の説明

１ エアクリーナ
３ コンプレッサ（ターボチャージャの）
６ タービン（ターボチャージャの）
７ ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）
７１ 送風機
７２ 排熱回収熱交換器
７３ 電気ヒータ
７４ プラグ
７５ 開閉弁
８ 排気絞り弁
１１ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
１２ 堆積量演算手段
ＡＦＳ 空気流量センサ
ＤＰＳ 差圧センサ
ＩＴＳ、ＯＴＳ 入口温センサ、出口温センサ

Claims (3)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレート・フィルタを備えた車両用のディーゼルエンジンであって、
   前記ディーゼルエンジンは、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生時に、外部電源に接続される電気ヒータにより加熱された空気を、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの上流側に供給する加熱空気供給装置を備えており、さらに、
   前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの下流側には排熱回収熱交換器が設置されており、前記加熱空気供給装置の電気ヒータにより加熱される空気が、前記排熱回収熱交換器において前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタからの排出ガスにより予熱されることを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記ディーゼルエンジンのエンジン制御装置が、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタに堆積された粒子状物質の量を演算する堆積量演算手段を備えており、
   前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生時には、前記加熱空気供給装置の電気ヒータに通電する電力量が前記堆積量演算手段の演算値に応じて決定される請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記ディーゼルエンジンが、エアクリーナと吸入空気の流量を検出する空気流量センサとを有する吸気管を備えるとともに、前記加熱空気供給装置が、加熱される空気を圧送する送風機を備えており、かつ、前記送風機の吸気口が、前記エアクリーナ及び空気流量センサの下流側において前記吸気管に連結されている請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。

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