JP2014118913A - ディーゼルパティキュレートフィルタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの再生効率を向上させる。
【解決手段】第１のフィルタ１９４Ａ及び第２のフィルタ１９４Ｂに目詰まりが発生していないときには、ＤＯＣコンバータ１９２を通過した排気を第１の分岐通路１８０Ａ、第１のフィルタ１９４Ａ、第１の接続通路１８０Ｃ及び第２のフィルタ１９４Ｂの順番で通過させる。また、第１のフィルタ１９４Ａに目詰まりが発生したときには、ＤＯＣコンバータ１９２を通過した排気を第１の分岐通路１８０Ａ、第１のバイパス通路１８０Ｅ、第１のフィルタ１９４Ａ、連通路１８０Ｇ及び第２のフィルタ１９４Ｂの順番で通過させる。そして、第１のフィルタ１９４Ａの排気下流から排気上流に向けて排気を逆流させ、その排気流入面に堆積したＰＭを逆洗により吹き飛ばし、第２のフィルタ１９４Ｂで捕集する。このため、焼却し難い部分に堆積したＰＭが減り、フィルタ再生効率を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter：以下「ＤＰＦ」という。）装置に関する。

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、排気通路に配設されたウォールフロータイプのフィルタにより、排気に含まれるＰＭを捕集するＤＰＦ装置が実用化されている。ＤＰＦ装置では、ＰＭ捕集量の増加に伴って、フィルタに目詰まりが発生するので、フィルタで捕集されたＰＭを焼却するなどの定期的な再生処理が不可欠である。このため、特開２０１２−１２７３０１号公報（特許文献１）に記載されるように、排気通路に噴射供給された燃料をＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）コンバータで酸化した酸化熱を利用して、フィルタで捕集されたＰＭを焼却する技術が提案されている。

特開２０１２−１２７３０１号公報

しかしながら、従来のＤＰＦ装置では、フィルタを通過する排気の流れ方向が常に一定であったため、フィルタで捕集されたＰＭはその位置を変えることはほぼない。このため、フィルタの再生処理を実行しても、焼却し難い部分に堆積したＰＭを除去することが困難であり、フィルタの再生効率がよいとは言えなかった。

そこで、本発明は、フィルタの再生効率を向上させた、ＤＰＦ装置を提供することを目的とする。

ＤＰＦ装置は、排気通路を２つに分岐した第１の分岐通路及び第２の分岐通路と、第１の分岐通路に配設されてＰＭを捕集する第１のフィルタと、第２の分岐通路に配設されてＰＭを捕集する第２のフィルタと、第１のフィルタの排気下流に位置する第１の分岐通路と第２のフィルタの排気上流に位置する第２の分岐通路とを連通接続する第１の接続通路と、第２のフィルタの排気下流に位置する第２の分岐通路と第１のフィルタの排気上流に位置する第１の分岐通路とを連通接続する第２の接続通路と、第１の分岐通路にて第１のフィルタをバイパスする第１のバイパス通路と、第２の分岐通路にて第２のフィルタをバイパスする第２のバイパス通路と、第１のフィルタの排気上流にて第１のバイパス通路の接続箇所と第１のフィルタとの間に位置する第１の分岐通路と第２のフィルタの排気上流にて第２のバイパス通路の接続箇所と第２のフィルタとの間に位置する第２の分岐通路とを連通接続する連通路と、を有する。そして、ＤＰＦ装置は、流路切替手段によって、排気通路を流れる排気を、第１の分岐通路、第１のフィルタ、第１の接続通路及び第２のフィルタの順番に通過させる第１の流路、第１の分岐通路、第１のバイパス通路、第１のフィルタ、連通路及び第２のフィルタの順番に通過させる第２の流路、第２の分岐通路、第２のバイパス通路、第２のフィルタ、連通路及び第１のフィルタの順番に通過させる第３の流路、第２の分岐通路、第２のフィルタ、第２の接続通路及び第１のフィルタの順番に通過させる第４の流路に切り替える。

本発明によれば、第１の流路から第２の流路に切り替えることで、第１のフィルタの排気下流から排気上流に向けて排気が逆流し、第１のフィルタの排気流入面に堆積しているＰＭを逆洗して離脱させることができる。また、第４の流路から第３の流路に切り替えることで、第２のフィルタの排気下流から排気上流に向けて排気が逆流し、第２のフィルタの排気流入面に堆積しているＰＭを逆洗して離脱させることができる。このため、フィルタで捕集されたＰＭはその位置を変え、フィルタの再生効率を向上させることができる。なお、一方のフィルタから離脱したＰＭは他方のフィルタで捕集されるため、ＰＭを多く含んだ排気が大気中に放出されることがない。

連続再生式ＤＰＦ装置を搭載したディーゼルエンジンの概要図である。 連続再生式ＤＰＦ装置の詳細図である。 連続再生式ＤＰＦ装置における第１の流路の説明図である。 連続再生式ＤＰＦ装置における第２の流路の説明図である。 連続再生式ＤＰＦ装置における第３の流路の説明図である。 連続再生式ＤＰＦ装置における第４の流路の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、連続再生式ＤＰＦ装置を搭載したディーゼルエンジンの概要を示す。
ディーゼルエンジン１００の吸気マニフォールド１１０に接続された吸気管１２０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１３０、吸気を過給するターボチャージャ１４０のコンプレッサ１４２、コンプレッサ１４２を通過した吸気を
冷却するインタークーラ１５０、吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ１６０がこの順番で配設されている。

一方、ディーゼルエンジン１００の排気マニフォールド１７０に接続された排気管１８０には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１４０のタービン１４４、連続再生式ＤＰＦ装置１９０がこの順番で配設されている。連続再生式ＤＰＦ装置１９０は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣコンバータ１９２と、ＰＭを捕集するウォールフロータイプのフィルタ１９４と、を有する。なお、フィルタ１９４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）を使用することもできる。

連続再生式ＤＰＦ装置１９０の排気上流、具体的には、ターボチャージャ１４０のタービン１４４とＤＯＣコンバータ１９２との間に位置する排気管１８０には、連続再生式ＤＰＦ装置１９０のフィルタ１９４を再生するときに、ＤＯＣコンバータ１９２の排気上流に燃料を噴射する燃料噴射装置２００が取り付けられている。また、連続再生式ＤＰＦ装置１９０のフィルタ１９４には、その排気上流及び排気下流の差圧を検出する差圧センサ２１０が取り付けられている。なお、差圧センサ２１０の代わりに、フィルタ１９４の排気上流における排気圧力を検出する圧力センサ、及び、フィルタ１９４の排気下流における排気圧力を検出する圧力センサを使用して、フィルタ１９４の差圧を検出することもできる。

差圧センサ２１０の出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット２２０に入力される。そして、コントロールユニット２２０は、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに格納された制御プログラムを実行することで、フィルタ１９４の差圧が所定圧力に達したときに燃料噴射装置２００に駆動信号を出力し、フィルタ１９４の再生処理を実行する。

かかる構成において、ディーゼルエンジン１００の排気は、排気マニフォールド１７０、ターボチャージャ１４０のタービン１４４を経て、連続再生式ＤＰＦ装置１９０のＤＯＣコンバータ１９２に導入される。ＤＯＣコンバータ１９２に導入された排気は、ＮＯがＮＯ₂へと酸化されつつフィルタ１９４へと流れる。フィルタ１９４では、排気に含まれるＰＭが捕集されると共に、ＤＯＣコンバータ１９２により生成されたＮＯ₂を使用してＰＭが連続的に酸化（焼却）される。

しかしながら、フィルタ１９４におけるＰＭの酸化は、エンジン運転状態に応じて変化するため、例えば、ＰＭの酸化が期待できないエンジン運転状態が長時間連続すると、フィルタ１９４に目詰まりが発生してしまう。そこで、コントロールユニット２２０は、フィルタ１９４の排気上流及び排気下流の差圧が所定圧力に達したときに、フィルタ１９４の再生処理時期が到来したと判定し、燃料噴射装置２００に駆動信号を出力することで、ＤＯＣコンバータ１９２の排気上流に燃料を噴射させる。ＤＯＣコンバータ１９２の排気上流に噴射された燃料は、ＤＯＣコンバータ１９２により酸化されて排気温度を上昇させるので、この酸化熱がフィルタ１９４に伝達されてＰＭの酸化が促進する。

なお、フィルタ１９４の再生効率を向上させるために、コントロールユニット２２０は、例えば、ディーゼルエンジン１００に付設された燃料噴射装置を制御し、ディーゼルエンジン１００から排出される排気の温度を上昇させるようにしてもよい。また、フィルタ１９４の再生処理としては、フィルタ１９４に併設された電気ヒータを作動させるなど、公知の手段を採用することもできる。

連続再生式ＤＰＦ装置１９０は、図２に示すように構成されている。
ＤＯＣコンバータ１９２の排気下流に位置する排気通路１８０は、第１のフィルタ１９４Ａが配設された第１の分岐通路１８０Ａと、第２のフィルタ１９４Ｂが配設された第２の分岐通路１８０Ｂと、に分岐されている。第１のフィルタ１９４Ａの排気下流に位置する第１の分岐通路１８０Ａは、第１の接続通路１８０Ｃを介して、第２のフィルタ１９４Ｂの排気上流に位置する第２の分岐通路１８０Ｂに連通接続されている。第２のフィルタ１９４Ｂの排気下流に位置する第２の分岐通路１８０Ｂは、第２の接続通路１８０Ｄを介して、第１のフィルタ１９４Ａの排気上流に位置する第１の分岐通路１８０Ａに連通接続されている。

第１の分岐通路１８０Ａには、ここに配設された第１のフィルタ１９４Ａをバイパスする第１のバイパス通路１８０Ｅが併設され、また、第２の分岐通路１８０Ｂには、ここに配設された第２のフィルタ１９４Ｂをバイパスする第２のバイパス通路１８０Ｆが併設されている。さらに、第１のフィルタ１９４Ａの排気上流、即ち、第１のバイパス通路１８０Ｅの接続箇所と第１のフィルタ１９４Ａとの間に位置する第１の分岐通路１８０Ａは、連通路１８０Ｇを介して、第２のフィルタ１９４Ｂの排気上流、即ち、第２のバイパス通路１８０Ｆの接続箇所と第２のフィルタとの間に位置する第２の分岐通路１８０Ｂに接続されている。

そして、ＤＯＣコンバータ１９２に導入された排気を、次のような第１〜第４の流路を選択的に流通させるように、コントロールユニット２２０により遠隔操作可能な、流路切替弁，開閉弁などの流路切替手段が適宜配設されている。

第１の流路：［ＤＯＣコンバータ１９２］→［第１の分岐通路１８０Ａ］→［第１のフィルタ１９４Ａ］→［第１の接続通路１８０Ｃ］→［第２のフィルタ１９４Ｂ］→［排気管１８０］
第２の流路：［ＤＯＣコンバータ１９２］→［第１の分岐通路１８０Ａ］→［第１のバイパス通路１８０Ｅ］→［第１のフィルタ１９４Ａ］→［連通路１８０Ｇ］→［第２のフィルタ１９４Ｂ］→［排気管１８０］
第３の流路：［ＤＯＣコンバータ１９２］→［第２の分岐通路１８０Ｂ］→［第２のバイパス通路１８０Ｆ］→［第２のフィルタ１９４Ｂ］→［連通路１８０Ｇ］→［第１のフィルタ１９４Ａ］→［排気管１８０］
第４の流路：［ＤＯＣコンバータ１９２］→［第２の分岐通路１８０Ｂ］→［第２のフィルタ１９４Ｂ］→［第２の接続通路１８０Ｄ］→［第１のフィルタ１９４Ａ］→［排気管１８０］

ここで、第１の流路は、第１のフィルタ１９４Ａ、第２のフィルタ１９４Ｂの順番に排気を通過させて、排気に含まれるＰＭを捕集する通常時のモード１、第４の流路は、第２のフィルタ１９４Ｂ、第１のフィルタ１９４Ａの順番に排気を通過させて、排気に含まれるＰＭを捕集する通常時のモード２である。第３の流路は、第１のフィルタ１９４Ａの排気下流から排気上流に向けて排気を逆流させて逆洗し、第１のフィルタ１９４Ａの排気流入面に堆積しているＰＭを吹き飛ばして、第２のフィルタ１９４Ｂで捕集する逆洗時のモード１である。また、第４の流路は、第２のフィルタ１９４Ｂの排気下流から排気上流に向けて排気を逆流させて逆洗し、第２のフィルタ１９４Ｂの排気流入面に堆積しているＰＭを吹き飛ばして、第１のフィルタ１９４Ａで捕集する逆洗時のモード２である。

従って、第１のフィルタ１９４Ａ及び第２のフィルタ１９４Ｂに目詰まりが発生していないときには、コントロールユニット２２０が排気流路を第１の流路に切り替えることで、ディーゼルエンジン１００の排気は、第１のフィルタ１９４Ａ及び第２のフィルタ１９４Ｂを通過してＰＭが捕集される。

第１のフィルタ１９４Ａに目詰まりが発生したときには、コントロールユニット２２０が排気流路を第２の流路に切り替えることで、ディーゼルエンジン１００の排気は、第１のフィルタ１９４Ａの排気下流から排気上流に向かって逆流し、第１のフィルタ１９４Ａの排気流入面に堆積しているＰＭを逆洗する。そして、第１のフィルタ１９４Ａの排気流入面から離脱したＰＭは、第２のフィルタ１９４Ｂの排気上流から排気下流へと流れ、第２のフィルタ１９４によって捕集される。

このため、第１のフィルタ１９４Ａの再生処理を実行するときに、排気流路を第１の流路から第２の流路に切り替えることで、第１のフィルタ１９４Ａの排気流入面に堆積していたＰＭが離脱して第２のフィルタ１９４Ｂへと移動するので、その堆積位置を変えることができる。そして、焼却し難い部分に堆積したＰＭが減り、第１のフィルタ１９４Ａの再生効率を向上させることができる。なお、第２のフィルタ１９４Ｂについても同様である。

ここで、第１のフィルタ１９４Ａ、第２のフィルタ１９４Ｂの順番で排気を通過させると、第２のフィルタ１９４Ｂに比べて、第１のフィルタ１９４Ａで捕集されるＰＭ量が多くなってしまう。この場合、第１のフィルタ１９４Ａの再生処理頻度が高くなり、第２のフィルタ１９４Ｂよりも劣化が早くなるおそれがある。そこで、コントロールユニット２２０は、例えば、第１のフィルタ１９４Ａの再生処理が完了したとき、排気流路を第４の流路に切り替え、第２のフィルタ１９４Ｂ、第１のフィルタ１９４Ａの順番で排気を通過させるようにする。

そして、第２のフィルタ１９４Ｂに目詰まりが発生したときには、コントロールユニット２２０が排気流路を第３の流路に切り替え、第２のフィルタ１９４Ｂの排気下流から排気上流に向けて排気を逆流させ、その排気流入面に堆積しているＰＭを逆洗する。その後、コントロールユニット２２０は、排気流路を第１の流路に切り替え、第１のフィルタ１９４Ａ、第２のフィルタ１９４Ｂの順番で排気を通過させてＰＭを捕集する。

このとき、排気流路を第２の流路から第４の流路、又は、第３の流路から第１の流路に直接切り替えると、排気流路が急激に変わって不都合が生じるおそれがあるため、コントロールユニット２２０は、第１の流路→第２の流路→第１の流路→第４の流路→第３の流路→第４の流路→第１の流路のように、排気流路を切り替えるとよい。

排気流路を第１〜第４の流路に選択的に切り替える流路切替手段は、図３〜図６に示すように、アクチュエータ２３０によって、４つの弁体２３０Ａ〜２３０Ｄを直線状に往復動させる構成とすることもできる。

排気流路を第１の流路に切り替えるためには、第１の弁体２３０Ａは、第１の分岐通路１８０Ａを流れる排気を第１のフィルタ１９４Ａの排気上流に供給し、第２の弁体２３０Ｂは、第１のフィルタ１９４Ａを通過した排気を第１の接続通路１８０Ｃに供給する。また、第３の弁体２３０Ｃは、第２のフィルタ１９４Ａを通過した排気を排気管１８０に排出し、第４の弁体２３０Ｄは、第１の接続通路１８０Ｃから第２の分岐通路１８０Ｂへと導入された排気が連通路１８０Ｇに供給されないように、連通路１８０Ｇの開口を閉塞する。

排気流路を第２の流路に切り替えるためには、第１の弁体２３０Ａは、第１の分岐通路１８０Ａを流れる排気を第１のバイパス通路１８０Ｅを介して第１のフィルタ１９４Ａの排気下流に供給し、第２の弁体２３０Ｂは、第１のバイパス通路１８０Ｅを流れる排気が第１の接続通路１８０Ｃ及び排気管１８０に供給されないように、第１の接続通路１８０Ｃ及び排気管１８０の開口を閉塞する。また、第３の弁体２３０Ｃは、第２のフィルタ１９４Ｂを通過した排気を排気管１８０に排出し、第４の弁体２３０Ｄは、連通路１８０Ｇを介して第２の分岐通路１８０Ｂに導入された排気がその排気上流に位置する第２の分岐通路１８０Ｂに逆流しないように、第２の分岐通路１８０Ｂを遮断する。

排気通路を第３の流路に切り替えるためには、第１の弁体２３０Ａは、連通路１８０Ｇを介して第１の分岐通路１８０Ａに導入された排気がその排気上流に位置する第１の分岐通路１８０Ａに逆流しないように、第１の分岐通路１８０Ａを遮断し、第２の弁体２３０Ｂは、第１のフィルタ１９４Ａを通過した排気を排気管１８０に排出する。また、第３の弁体２３０Ｃは、第２の分岐通路１８０Ｂを流れる排気を第２のバイパス通路１８０Ｆを介して第２のフィルタ１９４Ｂの排気下流に供給し、第４の弁体２３０Ｄは、第２の分岐通路１８０Ｇを流れる排気を第２のバイパス通路１８０Ｆを介して第２のフィルタ１９４Ｂの排気下流に供給する。

排気通路を第４の流路に切り替えるためには、第１の弁体２３０Ａは、第２の接続通路１８０Ｄから第１の分岐通路１８０Ａへと導入された排気が連通路１８０Ｇに供給されないように、連通路１８０Ｇの開口を閉塞し、第２の弁体２３０Ｂは、第１のフィルタ１９４Ａを通過した排気が第１の接続通路１８０Ｃ及び第１のバイパス通路１８０Ｅに供給されないように、第１の接続通路１８０Ｃ及び第１のバイパス通路１８０Ｅの開口を閉塞すする。また、第３の弁体２３０Ｃは、第１のフィルタ１９４Ａを通過した排気を排気管１８０へと排出し、第４の弁体２４０Ｄは、第２の分岐通路１８０Ｂを流れる排気を第２のフィルタ１９４Ｂの排気上流に供給する。

このような第１〜第４の弁体２３０Ａ〜２３０Ｄの機能を実現するため、各弁体２３０Ａ〜２３０Ｄに対する流体の出入口に、各通路を適宜接続する。
そして、アクチュエータ２３０により第１〜第４の弁体２３０Ａ〜２３０Ｄの位置を適宜制御することで、排気流路を第１の流路（図３）、第２の流路（図４）、第３の流路（図５）及び第４の流路（図６）に切り替えることができる。この場合、排気流路の切り替えは、１つのアクチュエータ２３０によりなされるため、流路切替手段を実現するコストを低減することができる。また、連続再生式ＤＰＦ装置１９０をコンパクトにすることができる。

なお、連続再生式ＤＰＦ装置１９０としては、図３〜図６に示す構成のものに限らず、図２に示す構成から想起し得る構成をなしていてもよい。

１８０ 排気通路
１８０Ａ 第１の分岐通路
１８０Ｂ 第２の分岐通路
１８０Ｃ 第１の接続通路
１８０Ｄ 第２の接続通路
１８０Ｅ 第１のバイパス通路
１８０Ｆ 第２のバイパス通路
１８０Ｇ 連通路
１９０ 連続再生式ＤＰＦ装置
１９２ ＤＯＣコンバータ
１９４Ａ 第１のフィルタ
１９４Ｂ 第２のフィルタ
２３０ アクチュエータ
２３０Ａ 第１の弁体
２３０Ｂ 第２の弁体
２３０Ｃ 第３の弁体
２３０Ｄ 第４の弁体

Claims (6)

1. 排気通路を２つに分岐した第１の分岐通路及び第２の分岐通路と、
   前記第１の分岐通路に配設され、排気中の粒子状物質を捕集する第１のフィルタと、
   前記第２の分岐通路に配設され、排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、
   前記第１のフィルタの排気下流に位置する前記第１の分岐通路と前記第２のフィルタの排気上流に位置する前記第２の分岐通路とを連通接続する第１の接続通路と、
   前記第２のフィルタの排気下流に位置する前記第２の分岐通路と前記第１のフィルタの排気上流に位置する前記第１の分岐通路とを連通接続する第２の接続通路と、
   前記第１の分岐通路にて前記第１のフィルタをバイパスする第１のバイパス通路と、
   前記第２の分岐通路にて前記第２のフィルタをバイパスする第２のバイパス通路と、
   前記第１のフィルタの排気上流にて前記第１のバイパス通路の接続箇所と前記第１のフィルタとの間に位置する前記第１の分岐通路と前記第２のフィルタの排気上流にて前記第２のバイパス通路の接続箇所と前記第２のフィルタとの間に位置する前記第２の分岐通路とを連通接続する連通路と、
   前記排気通路を流れる排気を、前記第１の分岐通路、前記第１のフィルタ、前記第１の接続通路及び前記第２のフィルタの順番に通過させる第１の流路、前記第１の分岐通路、前記第１のバイパス通路、前記第１のフィルタ、前記連通路及び前記第２のフィルタの順番に通過させる第２の流路、前記第２の分岐通路、前記第２のバイパス通路、前記第２のフィルタ、前記連通路及び前記第１のフィルタの順番に通過させる第３の流路、前記第２の分岐通路、前記第２のフィルタ、前記第２の接続通路及び前記第１のフィルタの順番に通過させる第４の流路に切り替える流路切替手段と、
   を有することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
2. 前記流路切替手段は、前記第１のフィルタの再生処理を実行するときに、前記第１の流路から前記第２の流路に切り替え、前記第２のフィルタの再生処理を実行するときに、前記第４の流路から前記第３の流路に切り替える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
3. 前記流路切替手段は、前記第１のフィルタの再生処理が完了したときに、前記第２の流路から前記第４の流路に切り替え、前記第２のフィルタの再生処理が完了したときに、前記第３の流路から前記第１の流路に切り替える、
   ことを特徴とする請求項２に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
4. 前記流路切替手段は、前記第２の流路から前記第４の流路に切り替えるとき、前記第１の流路に一旦切り替えてから前記第４の流路に切り替え、前記第３の流路から前記第１の流路に切り替えるとき、前記第４の流路に一旦切り替えてから前記第１の流路に切り替える、
   ことを特徴とする請求項３に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
5. 前記流路切替手段は、複数の弁体と、前記複数の弁体を直線状に往復動させるアクチュエータと、を含む、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
6. 前記第１の分岐通路及び前記第２の分岐通路の排気上流に位置する前記排気通路に、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させるディーゼル酸化触媒コンバータが配設されている、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置。