JP2010275956A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦを再生する際に排気ガス温度を上昇させてもエンジン冷却水温の上昇を防止できる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０の排気管１５にＤＰＦ１８を接続し、そのＤＰＦ１８で排気ガス中のＰＭを捕集して排気ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジン１０に、外部制御可能なラジエータ３８用の冷却ファン３６を装着し、ＤＰＦ強制再生時に上記冷却ファン３６を目標回転数まで上昇させ、その後、噴射パターンを、マルチ噴射にポスト噴射を追加してＤＰＦ再生時の排気ガス温度を６００℃まで上昇させると共にエンジン冷却水の上昇を抑えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の排気浄化装置に係り、特に、排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦの再生時にエンジン冷却水温の上昇を抑えることができる排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（パティキュレートマター；粒状物質）の浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気管にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を接続し、そのＤＰＦでＰＭを捕集して、排気ガスを浄化して大気へ排出するものである。

このＤＰＦで、捕集されたＰＭは、フィルタの目詰まりの原因となるため、排気圧センサがその排圧を検知して、キャビン内に設けられたＤＰＦ警告灯を点灯し、ドライバーが再生実行スイッチを押すことで、ＤＰＦの再生が開始される。再生は、排気温度を６００℃に上昇させ、この高温の排気ガスでＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させ、除去するものである。

再生時に、排気温度を６００℃（ＰＭ燃焼温度）程度まで上昇させるためには種々の方法がとられている。

６００℃程度まで温度を上昇させるため、特許文献１，２に示されるようにシリンダ内の噴射による場合と排気管の噴射の両方が行われている。

図５は排気シャッターがある時の排気温度に経時変化と、噴射パターンを示したものである。

先ず、排気シャッターが開で、噴射パターンをプレ噴射とメイン噴射のマルチ噴射を行い、排気温度が２００℃以下の状態で、強制再生を行うとき、メイン噴射の前後にプレ噴射とアフター噴射を追加して増量したマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射）を行うと共に排気シャッター閉（フリクション増）とすることで、排気ガス温度が上昇し、ＤＰＦ前の酸化触媒の活性温度（２５０℃）以上に上げ、その後、マルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射）に、ポスト噴射を追加することで、ＤＰＦ内の酸化触媒による触媒燃焼で排気ガスを６００℃まで温度を上昇させて、ＰＭを燃焼させている。

特開２００５−８３２６３号公報 特開２００４−２２５５７９号公報

しかしながら、排気シャッターのない仕様（乗用車）では低負荷域では酸化触媒の活性温度以上に上げられないため、車速を上げ排気温度を上げ、再生を行っている。従って、自動では、強制再生できないため、ドライバーに不便をかける結果となっている。

排気シャッターの付いた車両においても、排気シャッター閉で、マルチ噴射の増量、その増量したマルチ噴射とポスト噴射で、燃料を増加させるため、エンジン冷却水温が上昇し、オーバーヒートが心配になる。従って、アイドル状態でオーバーヒートしない大容量の冷却系への変更が必要となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦを再生する際に排気ガス温度を上昇させてもエンジン冷却水温の上昇を防止できる排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、エンジンの排気管にＤＰＦを接続し、そのＤＰＦで排気ガス中のＰＭを捕集して排気ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジンに、外部制御可能なラジエータ用の冷却ファンを装着し、ＤＰＦ強制再生時に上記冷却ファンを目標回転数まで上昇させ、その後、噴射パターンを、マルチ噴射にポスト噴射を追加してＤＰＦ再生時の排気ガス温度を６００℃まで上昇させると共にエンジン冷却水の上昇を抑えることを特徴とする排気浄化装置である。

請求項２の発明は、上記冷却ファンがエンジン回転数に対して増速するように装着され、冷却ファンが、そのエンジン回転数に対して、エンジン冷却水が高温のときの冷却ファンの最大回転数ラインと、エンジン冷却水が低温のときの最小回転数ラインが設定され、その最大回転数ラインと最小回転数ラインの間の領域で冷却ファンの目標回転数が設定される請求項１記載の排気浄化装置である。

請求項３の発明は、エンジン回転数に対して、冷却ファンが３倍の回転数となるように増速装置でエンジンに接続され、エンジン冷却水が高温のとき、冷却ファンがエンジン回転数が１５００ｒｐｍ近くまでは、エンジン回転に対して３倍の回転数で、かつエンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上では、冷却ファンが最大４０００ｒｐｍ近くになるように最大回転数ラインが設定され、エンジン冷却水が低温のとき、エンジン回転数に対して冷却ファンの回転数が低い最小回転数ラインが設定される請求項２記載の排気浄化装置である。

請求項４の発明は、エンジン冷却水の水温が１００℃以下となるように冷却ファンの目標回転数が決定される請求項２又は３記載の排気浄化装置である。

本発明によれば、ＤＰＦ強制再生時に、再生温度まで排気ガス温度を上昇しても、冷却ファン回転数を上昇させることができ、エンジン冷却水の水温上昇を抑えることができるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示す全体図である。 図１における冷却ファンの詳細断面図である。 本発明において、ＤＰＦ再生時のＤＰＦ温度、冷却ファン回転数、エンジン冷却水温度の経時変化を示す図である。 本発明及び従来例において、ファン回転制御におけるエンジン回転数とファン回転数の関係を示す図である。 ＤＰＦ再生時のＤＰＦ温度の経時変化と噴射パターンを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の排気浄化装置を組み込んだディーゼルエンジンの吸排気系の全体図を示したものである。

図１において、ディーゼルエンジン１０には、吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２が接続される。吸気マニホールド１１には吸気管１３が接続され、その吸気管１３に吸気スロットルバルブ１４が接続される。

排気マニホールド１２には排気管１５が接続され、その排気管１５に排気シャッターとしての排気スロットルバルブ１６、ＤＰＦ１８、消音器１９が順次接続される。排気スロットルバルブ１６は、エアータンク２０からの空気圧を調整する電気式制圧切替バルブ１７で、その開度が制御される。

ＤＰＦ１８は、排気管１５を拡径したＤＰＦ本体２１内の前段に酸化触媒２２が設けられ、後段に触媒化セラミックフィルター２３が設けられて構成され、前段の酸化触媒２２で、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯを酸化すると共にＰＭの一部を酸化し、後段の触媒化セラミックフィルター２３で、ＰＭを捕集する。

ＤＰＦ１８には、酸化触媒２２の前後の排気ガス温度を検出する排気温度センサ２４，２５が設けられ、また触媒化セラミックフィルター２３の前後の排気ガスの差圧を検出する排気圧力センサ２６が設けられ、これらの検出値がＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３０に入力される。

ＥＣＵ３０には、車速センサ２７からの車速、各種センサ２８からエンジン回転数やエンジン冷却水温度が入力され、これらに基づいてＥＣＵ３０が、エンジン１０の燃料噴射量を決定すると共に、図５で説明した各種噴射パターンで燃料を噴射すべく燃料噴射装置（図示せず）を制御する。

また、ＥＣＵ３０は、排気圧力センサ２６で検出した差圧と排気温度センサ２４，２５の検出値に基づいて、吸気スロットルバルブ１４の開度を制御し、また電気式制圧切替バルブ１７に開度信号を出力して排気スロットルバルブ１６の開度を制御して、エンジン１０に供給する吸気量とエンジン１０からの排気ガス量を調整し、その排気ガス温度を制御することで、ＤＰＦ１８に流入する排気ガス温度を上昇させてＤＰＦ１８を連続再生運転できるようになっている。

この際、ＥＣＵ３０は、排気圧力センサ２６で検出した差圧が設定値以上のときにＤＰＦ１８の触媒化セラミックフィルター２３がＰＭで目詰まりであることをキャビン３２に設けたＤＰＦ警告灯３４を点灯させてＤＰＦの目詰まりをウオーニングし、ドライバがキャビン３２に設けたＤＰＦ再生実行スイッチ３５を押すことで、排気ガス温度の制御を行うと共に、エンジン１０に装着した冷却ファン３６を目標回転数に制御してラジエータ３８の風量を増加させてエンジン冷却水の上昇を抑えるようになっている。

この冷却ファン３６の構成を図２により説明する。

図２において、エンジン１０に後述する増速装置５４を介して接続された回転軸４０にディスク４１が連結される。この回転軸４０とディスク４１を覆うように非磁性体からなるケース４２が軸受４３を介して相対回転自在に保持される。ケース４２は、ディスク４１を収容する伝達室４４ｄと油回収室４４ｏとに区画されると共に、伝達室４４ｄと油回収室４４ｏ内にシリコンオイル４５が充填される。また伝達室４４ｄ側のケース４２の外周にはファンブレード４６が取り付けられる。

伝達室４４ｄと油回収室４４ｏとは、その外周側が連通管４７で連通され、伝達室４４ｄと油回収室４４ｏの仕切壁４２ａに供給穴４８が穿設され、その油回収室４４ｏに供給穴４８を開閉するフィードバルブ４９が設けられる。

このケース４２のエンジン側には、軸受５０を介して電磁コイル５１が固定して設けられ、油回収室４４ｏの電磁コイル５１側には磁性体からなるループエレメント（図示せず）が設けられ、電磁コイル５１の電磁力によりループエレメントを介してフィードバルブ４９が、電磁コイル５１側に吸引されて供給穴４８を開くようになっている。

この冷却ファン３６は、エンジン側に接続された回転軸４０の回転でディスク４１が回転し、その回転力が伝達室４４ｄ内のシリコンオイル４５の粘性力によりケース４２に伝達されてケース４２が回転することでファンブレード４６が回転される。この際、電磁コイル５１への電流をデューティ制御し、伝達室４４ｄ内のシリコンオイル４５の量を制御することで、冷却ファン３６が、回転数可変に制御される。

すなわち、フィードバルブ４９が供給穴４８を閉じているときには、伝達室４４ｄのシリコンオイル４５は、ディスク４１の回転によるポンプ作用により油回収室４４ｏに回収され、伝達室４４ｄ内のシリコンオイル４５の量が少なく、ディスク４１の回転数が低くなる。逆に、電磁コイル５１へ通電して、フィードバルブ４９にて供給穴４８を開くと、油回収室４４ｏのシリコンオイル４５が遠心力により伝達室４４ｄに流入し、このため伝達室４４ｄ内のシリコンオイル４５の量が多くなるため、その粘性でディスク４１の回転が伝達室４４ｄにより多く伝わるため回転数が高くなる。よって、ファン回転数を検出し、電磁コイル５１への通電量をデューティ制御することで冷却ファン３６の回転数を所望の回転数に制御できる。

本発明は、この回転制御可能な冷却ファン３６を使用し、ＤＰＦ再生時に冷却ファンの回転速度を上昇させることで、（１）エンジンフリクション増による排気温度上昇と（２）ラジエータ３８を冷却する空気量増加によりエンジン冷却水温の上昇を防ぐことが可能となる。

本発明においては、エンジン１０のクランクシャフトに冷却ファン３６を装着する際に、直結ではなく、冷却ファン３６の回転軸４０がエンジン回転数に対して３倍の回転数となる増速装置５４（図１）を介して連結される。

以上において、本発明は外部制御可能な冷却ファン３６を装着したエンジンにおいて、図１に示したＤＰＦシステムで、ＤＰＦ警告灯３４が点灯し、ドライバがＤＰＦ再生実行スイッチ３５を押し、ＤＰＦ強制再生指示が出ると、図３の如くファン回転数を目標回転数（例えば３０００ｒｐｍ）まで上昇させ、それからマルチ噴射により酸化触媒の活性温度まで上昇させる。

その後、ポスト噴射を追加し、ＤＰＦ温度を６００℃程度まで上昇させ、規定の時間を保持させた後、再生は完了し、元の回転数に戻す。

このように本発明は、強制再生中はファンの回転数が上昇しているため、水温上昇は、図３で実線で示したように１００℃以下に抑えることができ、点線で示した従来例のように１００℃以上になることがない。

図４は、本発明と従来例のエンジン回転数とファン回転数の関係を示したものである。

従来においては、エンジンと冷却ファンとは、エンジン冷却水温度をバイメタルの変形で検出し、そのバイメタルの変形でピストンを駆動し、図２で説明した供給穴を開いてシリコンオイルを伝達室に流して回転を増速するものであるが、水温で供給穴を開閉するため、水温の高い時には、点線ｌで示したようにエンジン回転数とファン回転数が直結した状態となるように制御し、水温が低い時には点線ｍで示したように冷却ファンの回転数をエンジン回転数より減速する制御であり、ＤＰＦ強制再生では、エンジン回転数に対して冷却ファンの回転数の上昇が僅かにしか制御できず、エンジン冷却水の上昇を抑えることができなかった。

これに対して、本発明においては、冷却ファン制御はエンジン直結状態の時には、実線ａで示したようにファン回転数がエンジン回転数の３倍に上昇するようにセットされ、実際の冷却ファン３６の回転数制御は、実線ｂで示したようにエンジン回転数が１５００ｒｐｍ近くまでは略３倍となるように制御され、１５００ｒｐｍ以上では、冷却ファンが最大回転数（約４０００ｒｐｍ）を維持するように最大回転数ラインが設定れて、実線ａと実線ｂの間は不使用領域とされ、また水温が低い時には、実線ｃで示したようにエンジン回転に対して冷却ファン回転が低くなるように最低回転数が制御され、その実線ｂで示した最大回転数ラインと実線ｃで示した最小回転数ライン間の領域Ｒで、冷却ファンの回転数が制御される。

この領域Ｒ内でのエンジン回転数に対するファン回転数を目標回転数に制御には、エンジン回転数が実際の走行状態で決まり、またエンジン冷却水温が、ラジエータ３８を冷却する外気温で相違するため、実際のエンジン回転数に対して、領域Ｒ内で、エンジン水温が１００℃以下となるようにファン回転数を増減してファン回数を調整し、これを目標回転数とする。

以上本発明は、次のような効果を奏する。

（１）低回転、低負荷領域で、排気シャッターを使用せず、ＤＰＦ強制再生温度まで上昇できるため、排気ブレーキ又は排気シャッターを有しない車両（ピックアップ）でも強制再生が可能となる。

（２）冷却ファン回転数上昇により、エンジン冷却水の水温上昇が抑えられる。

１０ エンジン
１５ 排気管
１８ ＤＰＦ
３８ ラジエータ
３６ 冷却ファン

Claims (4)

1. エンジンの排気管にＤＰＦを接続し、そのＤＰＦで排気ガス中のＰＭを捕集して排気ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジンに、外部制御可能なラジエータ用の冷却ファンを装着し、ＤＰＦ強制再生時に上記冷却ファンを目標回転数まで上昇させ、その後、噴射パターンを、マルチ噴射にポスト噴射を追加してＤＰＦ再生時の排気ガス温度を６００℃まで上昇させると共にエンジン冷却水の上昇を抑えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 上記冷却ファンがエンジン回転数に対して増速するように装着され、冷却ファンが、そのエンジン回転数に対して、エンジン冷却水が高温のときの冷却ファンの最大回転数ラインと、エンジン冷却水が低温のときの最小回転数ラインが設定され、その最大回転数ラインと最小回転数ラインの間の領域で冷却ファンの目標回転数が設定される請求項１記載の排気浄化装置。
3. エンジン回転数に対して、冷却ファンが３倍の回転数となるように増速装置でエンジンに接続され、エンジン冷却水が高温のとき、冷却ファンがエンジン回転数が１５００ｒｐｍ近くまでは、エンジン回転に対して３倍の回転数で、かつエンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上では、冷却ファンが最大４０００ｒｐｍ近くになるように最大回転数ラインが設定され、エンジン冷却水が低温のとき、エンジン回転数に対して冷却ファンの回転数が低い最小回転数ラインが設定される請求項２記載の排気浄化装置。
4. エンジン冷却水の水温が１００℃以下となるように冷却ファンの目標回転数が決定される請求項２又は３記載の排気浄化装置。

Images