JP2013108393A - 排気浄化装置の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化手段の昇温と迅速な冷却を可能とし、排気浄化手段の幅広い温度調整を容易に可能な排気浄化装置の温度制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１の排気通路２０に備えられたＤＰＦ２１に流入する排気の温度を上昇させて、ＤＰＦ２１を再生可能な排気浄化装置の温度制御装置であって、外気をＤＰＦ２１の上流側の排気通路に導入する外気導入装置４１と、ＤＰＦ２１の下流側の排気通路２０に備えられ、ＤＰＦ２１から排出した排気と外気導入装置４１により導入する外気との間で熱交換可能な熱交換器５３と、を備え、切換弁４６によって、外気導入装置４１によって排気通路２０に導入する外気を、熱交換器５３を介して排気と熱交換した外気と、熱交換器５３を介さずに導入した外気と、に切換可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気通路に設けられた排気浄化装置の温度制御技術に関する。

エンジン、例えばディーゼルエンジンの排気を浄化する排気浄化装置として、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）が知られている。ＤＰＦは、排気通路に設けられ、排気中の微粒子状物質（パティキュレートマター、以下、ＰＭという）を捕集するものである。また、ＤＰＦを昇温させて、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼・除去し、ＤＰＦを再生させる技術が知られている。ＤＰＦを昇温させる方法としては、例えば、排気通路に酸化触媒を設け、この酸化触媒に未燃燃料を流入させて酸化反応を起こさせ、これに伴う反応熱により排気温度を上昇させる方法や、ＤＰＦの上流側の排気を電気ヒータによって加熱する方法が知られている。

また、上記のようにＤＰＦの上流側の排気通路に電気ヒータを備えたエンジンにおいて、更に、ＤＰＦの下流側に排気熱を回収する熱交換器を備え、ＤＰＦ通過後の排気熱を利用して昇温させた空気を電気ヒータの上流側に供給して排気温度を上昇させ、電気ヒータの電力消費を抑制する方法が提案されている(特許文献１)。

特開平２０１０−１３８７１７号公報

しかしながら、ＤＰＦに堆積しているＰＭは、炭素を主成分とするすすが多く含まれており、再生時における燃焼によって発熱し、ＤＰＦが排気温度より上昇する場合がある。特に、ＰＭが多量に堆積している場合には、ＰＭが一度に燃焼するとＤＰＦの温度が大幅に上昇し、ＤＰＦを焼損させる虞がある。
したがって、上記のように、ＤＰＦに流入する排気温度を上昇させるだけでなく、ＤＰＦに流入する排気温度を迅速に低下させることも必要とされており、ＤＰＦの幅広い温度調整を可能とすることが望まれている。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気浄化装置の昇温と迅速な冷却を双方とも可能とし、排気浄化装置の幅広い温度調整が容易に可能となる排気浄化装置の温度制御装置を提供する。

上記の目的を達成するために、請求項１の排気浄化装置の温度制御装置は、内燃機関の排気通路に備えられた排気浄化手段に流入する排気の温度を上昇させて、排気浄化手段を再生可能な排気浄化装置の温度制御装置であって、外気を排気浄化手段の上流側の排気通路に導入する外気導入手段と、排気浄化手段の下流側の排気通路に備えられ、排気浄化手段から排出した排気と外気導入手段により導入する外気との間で熱交換可能な熱交換手段と、外気導入手段によって排気通路に導入する外気を、熱交換手段を介して排気と熱交換した外気と、熱交換手段を介さずに導入した外気と、に切換え可能な第１の切換手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の排気浄化装置の温度制御装置は、請求項１において、排気浄化手段の再生時において、外気導入手段によって排気浄化手段の上流側の排気通路に導入する外気を、熱交換手段によって排気と熱交換するように、第１の切換手段を作動制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
また、請求項３の排気浄化装置の温度制御装置は、請求項２において、排気浄化手段の温度状態を検出する温度状態検出手段を備え、制御手段は、温度状態検出手段により検出された温度状態が所定の高温状態になった場合に、熱交換手段を介さずに外気を排気浄化手段の上流側の排気通路に導入するように、第１の切換手段を制御することを特徴とする。

また、請求項４の排気浄化装置の温度制御装置は、請求項１〜３のいずれか１項において、排気浄化手段の下流側の排気通路に並列に接続したバイパス路を備えるとともに、排気浄化手段のから排出した排気の流入先を、バイパス路に並列した排気通路とバイパス路との間で切換える第２の切換手段と、を備え、熱交換手段は、バイパス路に配置されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、外気導入手段及び熱交換手段によって、排気浄化手段から排出した排気と熱交換して加熱された外気を排気浄化手段の上流側の排気通路に導入することが可能となるので、排気浄化手段に流入する排気の温度を上昇させ、排気浄化手段の温度上昇を促すことができる。
また、第１の切換手段を切換えて、熱交換手段を介さずに外気を排気浄化手段の上流側の排気通路に導入することで、排気浄化手段の温度を迅速に低下させることができる。

このように、外気を利用して排気浄化手段の昇温と迅速な冷却が可能となり、排気浄化手段の幅広い温度調整が容易に可能となる。
また、請求項２の発明によれば、排気浄化手段の再生時において、熱交換手段によって排気浄化手段を通過した排気と熱交換して加熱された外気を、排気浄化手段の上流側の排気通路に導入することができるので、排気浄化手段の昇温を促し再生時間の短縮を図ることが可能となる。

また、請求項３の発明によれば、排気浄化手段の温度状態が所定の高温状態、例えば過昇温となる可能性が高まった状態になった場合に、外気が熱交換手段を介さずに排気浄化手段の上流側の排気通路に導入されるので、熱交換手段の温度を迅速に低下させることができ、排気浄化手段の再生時における過昇温を確実に防止し、排気浄化手段の焼損を回避させることが可能となる。

また、請求項４の発明によれば、第２の切換手段によって、排気浄化手段から排出した排気の流入先をバイパス路に並列した排気通路に切換えることで、排気が熱交換手段を通過させないようにすることができる。したがって、外気によって排気浄化手段を加熱する必要がない場合に、排気が熱交換手段を通過させないようにすることで、排気抵抗を低減させることができる。

本発明の実施形態の排気浄化装置の温度制御装置が適用されたディーゼルエンジンの吸排気系の構成図である。 本発明の実施形態における排気熱回収装置の構造図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態の排気浄化装置の温度制御装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の吸排気系の構成を示している。
エンジン１は、例えば車両に搭載されたコモンレール式直列多気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダヘッド２には、燃焼室３内に燃料を噴射する電磁式の燃料噴射弁４が気筒毎に設けられている。各燃料噴射弁４は図示しないコモンレールに接続されており、コモンレールから、高圧の燃料が供給される。

エンジン１の吸気通路１０には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１１と、その上流側に吸気流量を検出するエアフローセンサ１２が設けられている。
エンジン１の排気通路２０には、排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ２１：排気浄化手段）が備えられている。ＤＰＦ２１は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖し、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。

また、ＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０には、酸化触媒（以下、ＤＯＣ２２という）が設けられている。ＤＯＣ２２は、例えば、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ₂及びＨ₂Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ₂を生成する機能を有する。

また、酸化触媒２２の下流側には、酸化触媒２２を通過した直後の排気温度を検出する排気温度センサ３０が備えられている。ＤＰＦ２１の下流側には、ＤＰＦ２１通過直後の排気温度を検出する排気温度センサ３１が設けられている。更に、ＤＰＦ２１の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ３２が設けられている。
電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵ４０という）（制御手段）は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

ＥＣＵ４０の入力側には、上述したエアフローセンサ１２、排気温度センサ３０，３１及び差圧センサ３２の他に、クランク角を検出するクランク角センサ３３、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ３４、及び車速を検出する車速センサ３５等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射弁４、吸気絞り弁１１等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ４０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングで吸気絞り弁１１及び燃料噴射弁４等の制御が実施される。

上記のようにＤＰＦ２１の上流にＤＯＣ２２が配置されていると、通常のエンジン運転時には、ＤＯＣ２２において生成されたＮＯ₂がＤＰＦ２１に流入し、ＤＰＦ２１に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分である煤と反応してこれを酸化させる。酸化した煤はＣＯ₂となり、ＤＰＦ２１から除去され、これによりＤＰＦ２１が連続的に再生される連続再生が行われる。

一方、エンジン１の運転状況によっては、上記連続再生だけではＤＰＦ２１の再生が十分に行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転を制御してＤＰＦ２１を強制再生させる機能を有している。
詳しくは、ＥＣＵ４０は、差圧センサ３２にて検出される差圧よりＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積量を算出する。算出された堆積量が予め実験にて設定された許容堆積量以上となると、排気温度センサ３１により検出したＤＰＦ２１通過後の排気温度、即ちＤＰＦ２１の温度が、強制再生温度の目標値である目標再生温度となるように強制再生温度を昇温させる。

当該強制再生は、エンジン１の運転時における燃料の主噴射の後の例えば膨張行程以降に強制再生温度となるように燃料のポスト噴射（副噴射）を行い、未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）を含んだ排気を排気通路２０に排出させることによって行われる。排気中に混入された未燃燃料は、ＤＯＣ２２に流入して酸化され、酸化の反応熱によって排気温度を上昇させる。これにより、高温の排気が排気下流側のＤＰＦ２１に流入して当該ＤＰＦ２１に堆積したＰＭを加熱し燃焼させ、ＤＰＦ２１を強制的に再生させることが可能である。

更に、本実施形態では、ＤＯＣ２２とＤＰＦ２１との間の排気通路に外気を導入する外気導入装置４１（外気導入手段）を備えている。
外気導入装置４１は、一端が開口して外気を導入可能であり、他端がＤＯＣ２２とＤＰＦ２１との間、即ちＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０に開口するように設置された導入路４２と、気体用のポンプ４３と、を備えている。

ポンプ４３は、導入路４２に設けられており、ＥＣＵ４０により作動制御され、導入路４２の一端の外気導入口４２ａから他端の排出口４２ｂに向けて外気を圧送させる機能を有している。
導入路４２は、中間部で第１導入路４４及び第２導入路４５の２つに分岐しており、これら２つの導入路４４、４５は、両端が互いに接続されて並列に配置されている。

第１導入路４４及び第２導入路４５の接続部のうち、外気導入口４２ａ側の接続部には、切換弁４６（第１の切換手段）が備えられている。
切換弁４６は、ＥＣＵ４０により作動制御され、外気導入口４２ａから導入しＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０に導入される外気を、第１導入路４４及び第２導入路４５のいずれかを通過するように、流路を切換える機能を有している。

また、ＤＰＦ２１の下流側の排気通路２０には、排気熱を回収するための排気熱回収装置５０を備えている。
排気熱回収装置５０は、ＤＰＦ２１の下流側の排気通路２０の一部である主排気通路５１に対して並列に設けられたバイパス路５２と、バイパス路５２に設けられた熱交換器５３(熱交換手段)と、主排気通路５１とバイパス路５２との分岐部に設けられた開閉弁５４(第２の切換手段)とにより構成されている。

熱交換器５３は、外気導入装置４１の第１導入路４４が導入され、バイパス路５２を通過する排気と第１導入路４４を通過する外気との間で熱交換を行う機能を有する。
開閉弁５４は、ＥＣＵ４０により作動制御され、主排気通路５１を開閉する機能を有し、主排気通路５１を全開とする全開状態と主排気通路５１を全閉とする全閉状態との間で切り換え可能である。バイパス通路５２は主排気通路５１より流路断面積が小さく、また熱交換器５３が備えられているため、流路抵抗が大きいので、開閉弁５４が全開状態ではＤＰＦ２１から排出された排気の多くが主排気通路５１を通過する。一方、開閉弁５４が全閉状態では、ＤＰＦ２１から排出された排気は全てバイパス通路５２を通過する。したがって、開閉弁５４は、ＤＰＦ２１から排出された排気がバイパス路５２、及び主排気通路５１のいずれかを通過するように流路を切換える機能と同等の機能を有する。

そして、ＥＣＵ４０が、バイパス路５２を排気が通過するように開閉弁５４を作動制御するとともに、外気が第１導入路４４を通過するように切換弁４６を作動制御し、更にポンプ４３を作動させることで、ＤＰＦ２１通過後の排気と熱交換をして加熱された外気がＤＰＦ２１の上流に導入される。これにより、ＤＰＦ２１から放出されていた排気の熱を利用して、ＤＰＦ２１に流入する排気を加熱し、ＤＰＦ２１の温度上昇を促すことができる。

また、ＥＣＵ４０が、外気が第２導入路４５を通過するように切換弁４６を作動制御し、ポンプ４３を作動させることで、外気を熱交換器５３を通さずにＤＰＦ２１の上流に導入することができる。これにより、ＤＰＦ２１に比較的低温の外気を流入させて、ＤＰＦ２１の温度を迅速に低下させることができる。
このように、本実施形態では、外気導入装置４１によって、外気を利用してＤＰＦ２１の昇温及び迅速な冷却が可能となり、ＤＰＦ２１の幅広い温度調整が容易に可能となる。

具体的には、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２１の強制再生時において、外気が第１導入路４４を通過するように切換弁４６を作動制御する。そして、上記のように開閉弁５４を閉作動しポンプ４３を作動させることで、ＤＰＦ２１の強制再生時に、ＤＰＦ２１を通過した排気によって外気を加熱し、昇温した外気をＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０に導入することができるので、ＤＰＦ２１の昇温を促して再生時間の短縮を図ることができる。また、強制再生時において、ＤＰＦ２１に外気を導入するので、ＤＰＦ２１に酸素を十分供給することが可能となり、強制再生を安定して行うことができる。

また、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２１の強制再生時において、排気温度センサ３１から排気温度をＤＰＦ温度として逐次入力し、ＤＰＦ２１が過昇温となるリスクが高まった状態(所定の高温状態)となった場合に、外気が第２導入路４５を通過するように切換弁４６を作動制御する。そして、上記のようにポンプ４３を合わせて作動させることで、ＤＰＦ２１に比較的低温の外気を導入して、ＤＰＦ２１の温度を迅速に低下させることができるので、再生時におけるＤＰＦ２１の過昇温を確実に防止して焼損を回避させることができる。

なお、ＤＰＦ２１が過昇温となるリスクが高まった状態か否かを判定するには、例えば排気温度センサ３１により検出した排気温度と当該排気温度の上昇率の２つの条件で判断すればよい。
また、排気導入装置４１には、ポンプ４３が備えられており、外気を圧送してＤＰＦ２１の上流側に供給することができるので、ＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０に導入する外気の流量を、ポンプ４３によって増加させることが可能となり、排気導入装置４１によるＤＰＦ２１の加熱及び冷却機能を向上させることができる。特に、外気を第２導入路４５を通過させる際に外気の流量を増加させることで、ＤＰＦ２１の冷却機能を大幅に向上させることができる。

また、排気熱回収装置４１は、排気通路２０にバイパス路５２を設け、バイパス路５２に熱交換器５３が備えられており、開閉弁５４を切換えることで、排気が熱交換器５３を通過させないようにすることが可能となっている。したがって、ＤＰＦ２１を温度上昇させる必要がない場合に排気が熱交換器５３を通過させないように制御することで、排気抵抗を低減させることができる。

なお、本願発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、ＤＰＦ２１の上流に設けた酸化触媒２２によって、再生時に排気温度を上昇させるが、その他の排気温度を上昇させる手段によって排気浄化装置の再生を行うエンジンにおいても本発明を適用することができる。
また、本発明は、上記のようなＤＰＦだけでなく、その他のフィルタや触媒等の各種排気浄化装置に対して適用可能である。また、ディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンにも適用可能である。しかしながら、本発明は、冷却機能を有しているので、ＤＰＦのように、堆積している堆積物が燃焼して再生時に過昇温となり易い排気浄化装置に対して特に有効である。

１ エンジン
２０ 排気通路
２１ ＤＰＦ
３１ 温度センサ
４１ 外気導入装置
４６ 切換弁
４０ ＥＣＵ
５２ バイパス路
５３ 熱交換器
５４ 開閉弁

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に備えられた排気浄化手段に流入する排気の温度を上昇させて、前記排気浄化手段を再生可能な排気浄化装置の温度制御装置であって、
   外気を前記排気浄化手段の上流側の排気通路に導入する外気導入手段と、
   前記排気浄化手段の下流側の排気通路に備えられ、前記排気浄化手段から排出した排気と前記外気導入手段により導入する外気との間で熱交換可能な熱交換手段と、
   前記外気導入手段によって前記排気通路に導入する外気を、前記熱交換手段を介して排気と熱交換した外気と、前記熱交換手段を介さずに導入した外気と、に切換え可能な第１の切換手段と、を備えたことを特徴とする排気浄化装置の温度制御装置。
2. 前記排気浄化手段の再生時において、前記外気導入手段によって前記排気浄化手段の上流側の排気通路に導入する外気を、前記熱交換手段によって排気と熱交換するように、前記第１の切換手段を作動制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の温度制御装置。
3. 前記排気浄化手段の温度状態を検出する温度状態検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度状態検出手段により検出された温度状態が所定の高温状態になった場合に、前記熱交換手段を介さずに外気を前記排気浄化手段の上流側の排気通路に導入するように、前記第１の切換手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置の温度制御装置。
4. 前記排気浄化手段の下流側の排気通路に並列に接続したバイパス路を備えるとともに、
   前記排気浄化手段のから排出した排気の流入先を、前記バイパス路に並列した前記排気通路と前記バイパス路との間で切換える第２の切換手段と、を備え、
   前記熱交換手段は、前記バイパス路に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気浄化装置の温度制御装置。

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