JP2011226356A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ブレーキを搭載したディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ＤＰＦの強制再生処理を実行するために排気管に噴射する燃料が排気シャッタに付着しないようにする。
【解決手段】排気シャッタ３６Ａで排気管２４を閉塞して制動力を発揮させる排気ブレーキ３６を搭載したディーゼルエンジン１０において、排気シャッタ３６Ａの排気下流に位置する排気管２４に、少なくとも排気中のＨＣ及びＮＯを酸化させる能力を有するＤＯＣ２６Ａと、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ２６Ｂと、をこの順番で配設する。また、排気シャッタ３６ＡとＤＯＣ２６Ａとの間に位置する排気管２４に、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行するときに燃料を噴射する燃料噴射装置３８を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ブレーキを搭載したディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気に含まれる粒子状物質（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）を除去する排気浄化装置として、特開２００５−９０３１９号公報（特許文献１）に記載されるように、排気管にＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）及びDiesel Particulate Filter（以下「ＤＰＦ」という）を配設したものが実用化されている。かかる排気浄化装置は、ＤＯＣで一部のＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化する一方、ＤＰＦでＮＯ₂を使用して比較的低温からＰＭを焼却することで、連続的なＰＭの除去を可能としている。しかし、排気温度が低くＰＭの焼却が不十分となると、ＤＰＦに目詰まりが発生して排気圧力が上昇してしまう。このため、適当な時期に排気温度を上昇させて、ＤＰＦで捕集されたＰＭを強制的に焼却する強制再生処理が不可欠である。強制再生処理の一例として、ＤＯＣの排気上流に位置する排気管に燃料を噴射し、ＤＯＣで燃料を酸化（燃焼）させて排気温度を上昇させる技術が考えられている。

特開２００５−９０３１９号公報

しかしながら、排気シャッタで排気管を閉塞して制動力を発揮させる排気ブレーキを搭載したディーゼルエンジンでは、排気シャッタの排気上流に位置する排気管に燃料を噴射すると、排気シャッタに燃料が付着して炭化し、この燃料炭化物によって、例えば、排気シャッタのクリアランスが保てなくなり、排気ブレーキの作動不良が発生してしまうおそれがある。また、排気シャッタに燃料が付着することで、排気温度の上昇に寄与する燃料が減り、ＤＰＦの強制再生処理が不十分となって排気圧力が上昇するおそれもある。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、排気シャッタに燃料が付着しないようにすることで、燃料付着による各種不具合の発生を回避したディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、排気シャッタで排気管を閉塞して制動力を発揮させる排気ブレーキを搭載したディーゼルエンジンの排気浄化装置において、排気シャッタの排気下流に、ＤＯＣ及びＤＰＦをこの順番で配設すると共に、排気シャッタとＤＯＣとの間に、ＤＰＦの強制再生処理を実行するときに燃料を噴射する燃料噴射装置を配設する。

本発明によれば、ＤＰＦの強制再生処理を実行するとき、排気温度を上昇させるための燃料が排気シャッタの排気下流に噴射されるため、排気シャッタに燃料が付着しないようになる。このため、排気シャッタに燃料が付着することに起因する各種不具合の発生を回避することができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す全体構成図 排気ブレーキ作動処理の一例を示すフローチャート 警告灯作動処理の一例を示すフローチャート ＤＰＦ強制再生処理の一例を示すフローチャート

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６，吸気を過給するターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８を通過して高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＰＦ装置２６，還元剤前駆体としての尿素水溶液の噴射ノズルを有する還元剤噴射装置２８，尿素水溶液から生成されるアンモニア（還元剤）を使用してＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒３０，ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２６は、少なくともＨＣ（炭化水素）及びＮＯを酸化させる能力を有するＤＯＣ２６Ａと、ＰＭを捕集するＤＰＦ２６Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することができる。

ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂと連続再生式ＤＰＦ装置２６との間に位置する排気管２４には、ディーゼルエンジン１０とシャーシ（図示せず）との相対変位を吸収するためのフレキシブルチューブ３４が取り付けられている。そして、タービン１８Ｂとフレキシブルチューブ３４との間に位置する排気管２４には、排気流通方向に沿って、排気管２４を閉塞して制動力を発揮させる排気ブレーキ３６、及び、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行するときに排気温度を上昇させるための燃料（軽油）を噴射する電子制御式の燃料噴射装置３８がこの順番で配設される。排気ブレーキ３６は、排気管２４に回動自由に軸支されるバタフライバルブなどからなる排気シャッタ３６Ａと、排気シャッタ３６Ａを全開〜全閉の間で回動させるエア式，電動式などのアクチュエータ３６Ｂと、を含んで構成される。なお、燃料噴射装置３８は、フレキシブルチューブ３４と連続再生式ＤＰＦ装置２６との間に位置する排気管２４に取り付けるようにしてもよい。

また、ディーゼルエンジン１０には、排気の一部を吸気に導入して再循環させることで、燃料温度の低下を通してＮＯｘを低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置４０が搭載される。ＥＧＲ装置４０は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４へと導入するためのＥＧＲ管４０Ａと、ＥＧＲ管４０Ａを流れる排気を冷却するためのＥＧＲクーラ４０Ｂと、吸気管１４へと導入する排気のＥＧＲ率を制御するためのＥＧＲ制御弁４０Ｃと、を含んで構成される。

連続再生式ＤＰＦ装置２６には、ＤＰＦ２６Ｂの排気上流及び排気下流の差圧を検出するために、ＤＯＣ２６Ａの排気上流とＤＰＦ２６Ｂの排気下流との差圧ΔＰを検出する差圧センサ４２（差圧検出手段）が取り付けられる。連続再生式ＤＰＦ装置２６と還元剤噴射装置２８との間に位置する排気管２４には、排気の温度（排気温度）Ｔを検出する温度センサ４４が取り付けられる。また、図示しない運転席近傍には、排気ブレーキ３６を作動させるための排気ブレーキスイッチ４６、及び、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行するときに操作する再生スイッチ４８（操作手段）が夫々取り付けられる。そして、差圧センサ４２，温度センサ４４，排気ブレーキスイッチ４６及び再生スイッチ４８の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット５０に入力される。ここで、排気ブレーキスイッチ４６及び再生スイッチ４８は、夫々、操作されたときにＯＮ信号を出力する。

また、コントロールユニット５０には、ディーゼルエンジン１０の運転状態の一例として、回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ５２、及び、負荷Ｑを検出する負荷センサ５４の各出力信号が入力されると共に、車速Ｖを検出する車速センサ５６の出力信号が入力される。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとしては、例えば、燃料供給量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。なお、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑ、並びに、車速Ｖは、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（図示せず）などから読み込むようにしてもよい。

そして、コントロールユニット５０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することで、各種センサ及びスイッチからの出力信号に基づいて、還元剤噴射装置２８，排気ブレーキ３６，燃料噴射装置３８及びＥＧＲ装置４０を夫々電子制御する。また、コントロールユニット５０は、差圧センサ４２の出力信号に基づいてＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する時期が到来したか否かを判定し、コンビネーションメータ（図示せず）に付設された警告灯５８を点灯又は消灯させる。

ここで、コントロールユニット５０が制御プログラムを実行することで、制御手段，代１の判定手段，第２の判定手段及び回転速度上昇手段の一例が夫々具現化される。また、コントロールユニット５０が警告灯５８と協働することで、報知手段の一例が具現化される。

かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２２，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６Ａに導入される。ＤＯＣ２６Ａに導入された排気は、一部のＮＯがＮＯ₂へと酸化されつつＤＰＦ２６Ｂへと流れる。ＤＰＦ２６Ｂでは、排気中のＰＭが捕集されると共に、ＤＯＣ２６Ａにより生成されたＮＯ₂を使用してＰＭが酸化されることで、ＰＭの捕集及び焼却が同時に行われる。

また、エンジン運転状態に応じて還元剤噴射装置２８から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害成分であるＨ₂Ｏ（水）及びＮ₂（窒素ガス）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒３２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

次に、コントロールユニット５０で実行される制御プログラムについて説明する。
図２は、ディーゼルエンジン１０の始動後、排気ブレーキスイッチ４６が操作されたときに、コントロールユニット５０が実行する排気ブレーキ作動処理の一例を示す。

ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット５０が、排気ブレーキスイッチ４６の信号がＯＮであるか否かを介して、排気ブレーキ３６を作動させるか否かを判定する。そして、コントロールユニット５０は、排気ブレーキ３６を作動させると判定すれば処理をステップ２へと進める一方（Ｙｅｓ）、排気ブレーキ３６を作動させないと判定すれば処理をステップ３へと進める（Ｎｏ）。

ステップ２では、コントロールユニット５０が、排気シャッタ３６Ａを閉じて排気ブレーキ３６を作動させるべく、アクチュエータ３６Ｂに制御信号を出力する。
ステップ３では、コントロールユニット５０が、排気シャッタ３６Ａを開けて排気ブレーキ３６の作動を解除すべく、アクチュエータ３６Ｂに制御信号を出力する。

このような排気ブレーキ作動処理によれば、排気ブレーキスイッチ４６を操作するたびに、排気ブレーキ３６が作動して制動力が発揮される。このため、ブレーキペダルの操作に応じて作動するサービスブレーキに加え、補助ブレーキとしての排気ブレーキ３６を作動させることで、例えば、車両重量が重いトラックなどでも十分な制動力を発揮することができる。なお、排気ブレーキ３６は、コントロールユニット５０により電子制御される代わりに、リレーなどからなる電子回路により制御されるようにしてもよい。

図３は、ディーゼルエンジン１０の始動後、コントロールユニット５０が所定時間ごとに繰り返し実行する警告灯作動処理の一例を示す。
ステップ１１では、コントロールユニット５０が、差圧センサ４２から差圧ΔＰを読み込む。

ステップ１２では、コントロールユニット５０が、差圧ΔＰが許容圧力以上であるか否かを判定する。ここで、許容圧力は、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する時期が到来したか否かを判定するための閾値であって、例えば、燃費低下，出力低下などが発生しない圧力損失値をとる。そして、コントロールユニット５０は、差圧ΔＰが許容圧力以上であると判定すれば処理をステップ１３へと進める一方（Ｙｅｓ）、差圧ΔＰが許容圧力未満であると判定すれば処理をステップ１４へと進める（Ｎｏ）。

ステップ１３では、コントロールユニット５０が、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する時期が到来したことを報知すべく、コンビネーションメータに付設された警告灯５８を点灯させる。

ステップ１４では、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する時期ではないため、コントロールユニット５０が、コンビネーションメータに付設された警告灯５８を消灯させる。

このような警告灯作動処理によれば、ＰＭ捕集量の増加に伴ってＤＰＦ２６Ｂの目詰まりが進行し、ＤＰＦ２６Ｂの圧力損失が許容圧力以上になると、コンビネーションメータに付設された警告灯５８が点灯する。このため、車両運転者などは、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する時期が到来したことを認識することができる。

図４は、ディーゼルエンジン１０の始動後、再生スイッチ４８が操作されてその信号がＯＮとなったときに、コントロールユニット５０が実行するＤＰＦ強制再生処理の一例を示す。

ステップ２１では、コントロールユニット５０が、警告灯５８が点灯しているか否かを判定する。そして、コントロールユニット５０は、警告灯５８が点灯していると判定すれば処理をステップ２２へと進める一方（Ｙｅｓ）、警告灯５８が点灯していないと判定すれば処理を終了させる（Ｎｏ）。

ステップ２２では、コントロールユニット５０が、車速センサ５６により検出された車速Ｖが略０であるか否かを介して、車両が停車中であるか否かを判定する。そして、コントロールユニット５０は、車両が停車中であると判定すれば処理をステップ２３へと進める一方（Ｙｅｓ）、車両が停車中でない（走行中である）と判定すれば処理を終了させる（Ｎｏ）。

ステップ２３では、コントロールユニット５０が、回転速度センサ５２により検出された回転速度Ｎｅがアイドル回転速度であるか否かを介して、ディーゼルエンジン１０がアイドリング中であるか否かを判定する。そして、コントロールユニット５０は、ディーゼルエンジン１０がアイドリング中であると判定すれば処理をステップ２４へと進める一方（Ｙｅｓ）、ディーゼルエンジン１０がアイドリング中でないと判定すれば処理を終了させる（Ｎｏ）。

ステップ２４では、コントロールユニット５０が、ディーゼルエンジン１０の回転速度をアイドル回転速度から所定回転速度まで上昇させるべく、例えば、エンジンコントロールユニットに対して回転速度上昇指令を送信する。なお、コントロールユニット５０が、ディーゼルエンジン１０に取り付けられた燃料噴射装置を直接電子制御してもよい。

ステップ２５では、コントロールユニット５０が、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行すべく、燃料噴射装置３８に制御信号を出力して、ＤＯＣ２６Ａの排気上流に燃料を噴射させる。

このようなＤＰＦ強制再生処理によれば、再生スイッチ４８が操作されたときに、警告灯５８が点灯しており、車両が停車中、かつ、ディーセルエンジン１０がアイドリング中であれば、ディーゼルエンジン１０の回転速度が上昇されると共に、燃料噴射弁３８からＤＯＣ２６Ａの排気上流に燃料が噴射される。即ち、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する第１の条件として、警告灯５８が点灯していることを採用しているので、不要な強制再生処理が実行されることを防止できる。また、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する第２の条件として、車両が停車中かつディーゼルエンジン１０がアイドリング中であることを採用しているので、排気流量が略一定であるエンジン運転状態であるときのみ強制再生処理が実行される。このため、燃料噴射装置３８の制御が複雑になることを抑制しつつ、安定したＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行することができる。なお、ＤＰＦ２６Ｂの強制再生処理を実行する条件としては、少なくとも第１の条件を採用すればよい。

ところで、燃料噴射装置３８は頻繁に作動しないため、排気中のＰＭなどによりその噴孔が目詰まりしてしまうおそれがある。このため、燃料噴射装置３８は、所定時間ごとに圧縮空気を噴孔から噴出させるようにし、噴孔に付着したＰＭなどを排気管２４にパージするようにすることが望ましい。

１０ ディーゼルエンジン
２４ 排気管
２６ 連続再生式ＤＰＦ装置
２６Ａ ＤＯＣ
２６Ｂ ＤＰＦ
３６ 排気ブレーキ
３６Ａ 排気シャッタ
３８ 燃料噴射装置
４２ 差圧センサ
４８ 再生スイッチ
５０ コントロールユニット
５２ 回転速度センサ
５６ 車速センサ
５８ 警告灯

Claims (7)

1. 排気シャッタで排気管を閉塞して制動力を発揮させる排気ブレーキを搭載したディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   前記排気シャッタの排気下流に配設され、少なくとも排気中の炭化水素及び一酸化窒素を酸化させる能力を有するＤＯＣと、
   前記ＤＯＣの排気下流に配設され、排気中の粒子状物質を捕集するＤＰＦと、
   前記排気シャッタと前記ＤＯＣとの間に配設され、前記ＤＰＦの強制再生処理を実行するときに、前記ＤＯＣの排気上流に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 前記ＤＰＦの強制再生処理を実行するときに操作される操作手段と、
   前記操作手段が操作されたときに、前記燃料噴射装置から燃料が噴射されるように、前記燃料噴射装置を作動させる制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 前記ＤＰＦの排気上流及び排気下流の差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記差圧検出手段により検出された差圧が許容圧力以上になったときに、前記ＤＰＦの強制再生処理を実行する時期が到来したことを報知する報知手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記制御手段は、前記操作手段が操作されたことに加え、前記報知手段により強制再生処理を実行する時期が到来したことが報知されているときに、前記燃料噴射装置を作動させ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の排気浄化装置。
5. 車両が停車中であるか否かを判定する第１の判定手段と、
   前記ディーゼルエンジンがアイドリング中であるか否かを判定する第２の判定手段と、
   を更に備え、
   前記制御手段は、前記操作手段が操作されたことに加え、前記報知手段により強制再生処理を実行する時期が到来したことが報知され、前記第１の判定手段により停車中であると判定され、かつ、前記第２の判定手段によりアイドリング中であると判定されたときに、前記燃料噴射装置を作動させ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の排気浄化装置。
6. 前記燃料噴射装置を作動させるときに、前記ディーゼルエンジンの回転速度を所定回転速度まで上昇させる回転速度上昇手段を更に備えたことを特徴とする請求項５記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
7. 前記燃料噴射装置は、所定時間ごとに圧縮空気を噴孔から噴出させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

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