JP2015028303A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの加熱作用が行われる頻度を低減しつつ、パティキュレートフィルタが熱により破損するのを抑制する。
【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ２４と、パティキュレートフィルタの下流側部分を加熱するための下流側加熱器２５ｄと、パティキュレートフィルタの上流側部分を加熱するための上流側加熱器２５ｕと、を具備する。パティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質の量が上限量を越えたときには、パティキュレートフィルタ内を排気ガスが流れている状態のもとでまず下流側加熱器を作動させ次いで上流側加熱器を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、パティキュレートフィルタは複数のセグメントを組み合わせて形成されており、セグメントの一部が通電されることによりヒータとして機能する発熱領域を有しており、発熱領域が長手方向ないしガス流れ方向についての中心位置よりも上流側に設けられており、パティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質を除去すべきときには前記セグメントの一部に通電して発熱領域を発熱させるようにした、内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、中心位置よりも上流側に設けられた発熱領域を発熱させることにより、パティキュレートフィルタの上流側において粒子状物質の酸化が促進される。また、粒子状物質が酸化されるとこのとき熱が発生し、この熱は排気ガスによって下流側に伝達される。その結果、パティキュレートフィルタの下流側において粒子状物質の酸化が促進される。

特開２０１１−８９５０３号公報

しかしながら、排気ガスによって下流側に伝達される熱は下流側に向かうにつれて累積的に増大していく。このため、パティキュレートフィルタの下流側部分、特に下流端が過度に高温になり下流端が熱により破損するおそれがある。これを防止するためには、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質量が多くなる前に、粒子状物質をパティキュレートフィルタから除去する必要がある。したがって、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の量が上限量を越えたときにパティキュレートフィルタを加熱して粒子状物質を除去する場合には、パティキュレートフィルタが熱により破損するのを抑制するために、上限量を少なく設定する必要がある。しかしながら、上限量が少なく設定されると、パティキュレートフィルタの加熱作用が頻繁に行われることになる。

本発明によれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの下流側部分を加熱するための下流側加熱器と、パティキュレートフィルタの上流側部分を加熱するための上流側加熱器と、を具備し、パティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質の量が上限量を越えたときには、パティキュレートフィルタ内を排気ガスが流れている状態のもとでまず下流側加熱器を作動させ次いで上流側加熱器を作動させるようにした、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

パティキュレートフィルタの加熱作用が行われる頻度を低減しつつ、パティキュレートフィルタが熱により破損するのを抑制することができる。

本発明による実施例の内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの正面図である。 パティキュレートフィルタの側面断面図である。 本発明による実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。 本発明による実施例の排気浄化制御を説明するタイムチャートである。 排気浄化制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。 本発明による別の実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。 本発明による更に別の実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。 隔壁の別の実施例を示す図である。 本発明による更に別の実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。

図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内にはウォールフロー型のパティキュレートフィルタ２４が配置される。また、パティキュレートフィルタ２４の上流側部分周りには上流側加熱器２５ｕが配置され、パティキュレートフィルタ２４の下流側部分周りには下流側加熱器２５ｄが配置される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、上流側加熱器２５ｕ、及び下流側加熱器２５ｄに接続される。

図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型パティキュレートフィルタ２４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ２４はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。

本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４は複数のセグメントから構成される。すなわち、図２Ｂに示される実施例では、パティキュレートフィルタ２４は長手方向ないしガス流れ方向に並べられた上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄから構成される。これらセグメント２４ｕ，２４ｄは電気的熱的絶縁層７４を介して互いに連結され、全体として円柱形状をなしている。図２Ｂに示される例では上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄの長手方向長さはほぼ等しい。別の実施例では上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄの長手方向長さは互いに異なっている。

パティキュレートフィルタ２４ないし隔壁７２は抵抗発熱材から形成される。抵抗発熱材として、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）などの金属発熱体及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの非金属発熱体から選ばれた少なくとも１つが用いられる。

隔壁７２は例えば抵抗発熱材の粒子を焼結することによって形成される。その結果、隔壁７２は多孔性を有している。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。なお、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４の気孔率は４５％以上に設定される。

上流側加熱器２５ｕは図示しない制御器及び電源を有しており、図３に示されるように導線５０ｕを介して上流側セグメント２４ｕに電気的に接続される。上流側加熱器２５ｕが作動されると、上流側セグメント２４ｕに通電される。その結果、上流側セグメント２４ｕ自体が発熱するので、上流側セグメント２４ｕが加熱され、あるいは上流側セグメント２４ｕの温度が上昇される。同様に、下流側加熱器２５ｄは導線５０ｄを介して下流側セグメント２４ｄに電気的に接続される。下流側加熱器２５ｄが作動されると下流側セグメント２４ｄに通電され、下流側セグメント２４ｄが加熱される。

さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれる。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４上に捕集される。一方、燃焼室２では通常は酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁３から燃料が２次的に供給されない限り、パティキュレートフィルタ２４は酸化雰囲気にある。その結果、パティキュレートフィルタ２４に捕集された粒子状物質は順次酸化される。ところが、単位時間当たりに捕集される粒子状物質の量が単位時間当たりに酸化される粒子状物質の量よりも多くなると、パティキュレートフィルタ２４に捕集されている粒子状物質の量が機関運転時間の経過と共に増大する。その結果、パティキュレートフィルタ２４の圧力損失が大きくなり、機関背圧が高くなってしまう。

そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４上に捕集された粒子状物質の量が上限量ＭＡＸを越えたときに上流側加熱器２５ｕ及び下流側加熱器２５ｄによりパティキュレートフィルタ２４を加熱し、それによって粒子状物質を酸化除去するようにしている。

具体的には、図４にＸで示されるように粒子状物質捕集量ＱＰＭが上限量ＭＡＸを越えたときには、パティキュレートフィルタ２４内を排気ガスが流れている状態のもとで、まず上流側加熱器２５ｕが停止されたまま下流側加熱器２５ｄが作動される。その結果、パティキュレートフィルタ２４の下流側セグメント２４ｄが加熱され、昇温される。したがって、主として下流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質が酸化除去される。

次いで、例えばあらかじめ定められた時間が経過すると、下流側加熱器２５ｄが停止され、上流側加熱器２５ｕが作動される。その結果、上流側セグメント２４ｕが加熱され、昇温される。したがって、主として上流側セグメント２４ｕ上の粒子状物質が酸化除去される。次いで、例えばあらかじめ定められた時間が経過すると、上流側加熱器２５ｕが停止される。

下流側加熱器２５ｄの作動時には、下流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質が酸化することにより発生した熱は排気ガスによって下流側に伝達される。この場合、パティキュレートフィルタ２４の下流端に伝達される熱は、パティキュレートフィルタ２４全体上の粒子状物質の酸化によるものではなく、下流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質の酸化によるものなので、少なく維持される。したがって、パティキュレートフィルタ２４が熱により破損されるのを抑制することができる。

次いで、上流側加熱器２５ｕの作動時にも、上流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質が酸化することにより発生した熱は排気ガスによって下流側に伝達される。この場合、パティキュレートフィルタ２４の下流側セグメント２４ｄに伝達される熱は、上流側セグメント２４ｕ上の粒子状物質の酸化によるものなので、少なく維持される。また、このとき下流側セグメント２４ｄ上には粒子状物質がほとんど存在しないので、上流側セグメント２４ｕから伝達された熱によって下流側セグメント２４ｄが更に高温になるおそれもない。したがって、パティキュレートフィルタ２４が熱により破損されるのを確実に抑制することができる。

このようにパティキュレートフィルタ２４の熱による破損を抑制できるので、上述の上限量ＭＡＸを大きな値に設定することができる。したがって、パティキュレートフィルタ２４の加熱作用が行なわれる頻度を低減することができる。

更に、図３に示される例では、抵抗発熱材から形成された隔壁７２自体が発熱する。したがって、粒子状物質が直接的に加熱されるので、例えばパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度を高める場合に比べて、粒子状物質を確実にかつ効率的に加熱することができる。また、排気ガスの温度を高めるための制御及び設備を必要としない。

本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４上に捕集された粒子状物質の単位時間当たりの変化量が繰り返し算出され、この変化量を積算することによってパティキュレートフィルタ２４の粒子状物質捕集量ＱＰＭが算出される。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４の前後差圧が許容値を越えたときに、粒子状物質捕集量ＱＰＭが上限量ＭＡＸを越えたと判断される。

図５は本発明による実施例の排気浄化制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図５を参照すると、ステップ１００ではパティキュレートフィルタ２４の粒子状物質捕集量ＱＰＭが上限量ＭＡＸよりも多いか否かが判別される。ＱＰＭ≦ＭＡＸのときには次いでステップ１０１に進み、粒子状物質捕集量ＱＰＭが算出又は更新される。次いで処理サイクルを終了する。したがって、この場合には上流側加熱器２５ｕ，２５ｄは作動されない。

ＱＰＭ＞ＭＡＸのときにはステップ１００からステップ１０２に進み、まず下流側加熱器２５ｄが作動される。すなわち、図３に示される例では下流側セグメント２４ｄに通電される。このとき、上流側セグメント２４ｕには通電されない。続くステップ１０３では、下流側加熱器２５ｄが作動されてからあらかじめ定められた時間が経過したときに下流側加熱器２５ｄが停止され、上流側加熱器２５ｕが作動される。すなわち、図３に示される例では下流側セグメント２４ｄに通電されることなく上流側セグメント２４ｕに通電される。続くステップ１０４では、上流側加熱器２５ｕが作動されてからあらかじめ定められた時間が経過したときに上流側加熱器２５ｕが停止される。続くステップ１０５では粒子状物質捕集量ＱＰＭがリセットされる。なお、図５のフローチャートは機関運転中に実行され、したがってパティキュレートフィルタ２４内を排気ガスが流れている状態のもとで下流側加熱器２５ｄ又は上流側加熱器２５ｕが作動される。

図６は本発明による別の実施例を示している。この実施例では、パティキュレートフィルタ２４ないし隔壁７２は多孔性の導電性材料から構成される。多孔性の導電性材料としては、上述した炭化ケイ素のような抵抗発熱材のほか、種々の導電性材料が用いられる。

また、図６に示される実施例では、上流側加熱器２５ｕ及び下流側加熱器２５ｄはそれぞれ、上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄの周りに配置されたコイル５１ｕ，５１ｄと、導線５２ｕ，５２ｄを介してコイル５１ｕ，５１ｄにそれぞれ接続された制御器及び交流電源とを備えている。これらコイル５１ｕ，５１ｄにそれぞれ交流電流が通電されると、誘導加熱が発生し、上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄがそれぞれ加熱される。

図７は本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、パティキュレートフィルタ２４ないし隔壁７２は多孔性材料から構成される。多孔性材料としては、上述した多孔性抵抗発熱材、多孔性導電性材料のほか、コーディエライトのようなセラミックや、フォーム状のセラミック又は金属が用いられる。

また、上流側加熱器２５ｕ及び下流側加熱器２５ｄはそれぞれ、棒状の電気ヒータ５３ｕ，５３ｄと、導線５４ｕ，５４ｄを介して電気ヒータ５３ｕ，５３ｄにそれぞれ接続された制御器及び電源とを備えている。上流側加熱器２５ｕの電気ヒータ５３ｕは上流側セグメント２４ｕ内の排気ガス流入通路７１ｉ内に配置され、下流側加熱器２５ｕの電気ヒータ５３ｄは下流側セグメント２４ｄ内の排気ガス流出通路７１ｏ内に配置される。これら電気ヒータ５３ｕ，５３ｄに通電されると、上流側セグメント２４ｕ及び下流側セグメント２４ｄがそれぞれ加熱される。

なお、図７に示される例では、上流側加熱器２５ｕの電気ヒータ５３ｕの先端が下流側セグメント２４ｄ内に位置し、下流側加熱器２５ｄの電気ヒータ５３ｄの先端が上流側セグメント２４ｕ内に位置している。別の実施例では、電気ヒータ５３ｕの先端は上流側セグメント２４ｕ内に位置し、電気ヒータ５３ｄの先端は下流側セグメント２４ｄ内に位置している。

図８は隔壁７２の別の実施例を示している。この実施例では、隔壁７２は一対のパンチングメタル８０，８０と、これらパンチングメタル８０，８０同士の間に配置されたワイヤメッシュ又はメタル不織布８１とから構成される。この隔壁７２は図３，６，７の実施例に適用できる。

図９は本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、パティキュレートフィルタ２４の下流側に大径領域ＬＺが区画され、大径領域ＬＺの上流側に小径領域ＳＺが区画される。図９に示される例では、大径領域ＬＺは下流側セグメント２４ｄの下流側の一部から構成される。別の実施例では、大径領域ＬＺは下流側セグメント２４ｄの全部から構成される。更に別の実施例では、大径領域ＬＺは下流側セグメント２４ｄの全部及び上流側セグメント２４ｕの下流側の一部から構成される。なお、図９では上流側加熱器２５ｕ及び下流側加熱器２５ｄの図示は省略されている。

排気ガス中には粒子状物質だけでなく、アッシュと称される不燃性成分が含まれている。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ_４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ_１９Ｚｎ_２（ＰＯ_４）_１４のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成される。

大径領域ＬＺにおける隔壁７２の平均細孔径は２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される。大径領域ＬＺの平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁７２を通過できる。したがって、言い換えると、大径領域ＬＺにおいて排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁７２を通過できるように大径領域ＬＺの細孔径が設定される。更に言い換えると、大径領域ＬＺにおけるアッシュの捕集率が許容率よりも低くなるように大径領域ＬＺにおける隔壁７２の細孔径が設定される。この許容率は例えば５０％である。なお、粒子状物質の平均粒径がアッシュの平均粒径よりも小さいことを考えると、大径領域ＬＺにおいて粒子状物質及びアッシュが隔壁７２を通過できるように大径領域ＬＺにおける隔壁７２の細孔径が設定されるという見方もできる。

一方、小径領域ＳＺにおける隔壁７２の平均細孔径は大径領域ＬＺにおける隔壁７２の平均細孔径よりも小さく設定される。言い換えると、小径領域ＳＺにおける隔壁７２の平均細孔径は小径領域ＳＺにおいて排気ガス中に含まれる粒子状物質が捕集されるように設定される。

大径領域ＬＺ及び小径領域ＳＺは例えば次のようにして形成することができる。すなわち、まず平均細孔径が大径領域ＬＺにおける隔壁７２の平均細孔径と同じ隔壁基材が用意される。次いで、大径領域ＬＺに対応する隔壁基材部分にコート層を適用することなく、小径領域ＳＺに対応する隔壁基材部分の表面及び細孔内壁面にコート層が適用される。この場合のコート層の平均細孔径は小径領域ＳＺにおける隔壁７２の平均細孔径を表している。なお、平均細孔径は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味する。

図９に示される例では、排気ガス中の粒子状物質は小径領域ＳＺに捕集される。また、アッシュの一部は小径領域ＳＺに捕集され、残りのアッシュは大径領域ＬＺを介しパティキュレートフィルタ２４を通過する。パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質を除去すべきときには、まず下流側加熱器２５ｄが作動される。その結果、下流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質が除去される。また、下流側セグメント２４ｄ上のアッシュが排気ガスによって大径領域ＬＺを介しパティキュレートフィルタ２４から放出される。次いで、上流側加熱器２５ｕが作動される。その結果、上流側セグメント２４ｕ上の粒子状物質が除去され、上流側セグメント２４ｄ上のアッシュが大径領域ＬＺを介しパティキュレートフィルタ２４から放出される。この場合、大径領域ＬＺを含む下流側セグメント２４ｄ上の粒子状物質がすでに除去されているので、アッシュが大径領域ＬＺまで容易に進行し、パティキュレートフィルタ２４から容易に放出されることになる。したがって、パティキュレートフィルタ２４上にアッシュが残存することによるパティキュレートフィルタ２４の圧力損失増大を抑制することができる。

１ 機関本体
２１ 排気管
２４ パティキュレートフィルタ
２４ｕ 上流側セグメント
２４ｄ 下流側セグメント
２５ｕ 上流側加熱器
２５ｄ 下流側加熱器

Claims (1)

1. 排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの下流側部分を加熱するための下流側加熱器と、パティキュレートフィルタの上流側部分を加熱するための上流側加熱器と、を具備し、パティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質の量が上限量を越えたときには、パティキュレートフィルタ内を排気ガスが流れている状態のもとでまず下流側加熱器を作動させ次いで上流側加熱器を作動させるようにした、内燃機関の排気浄化装置。

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