JP2017218931A - 車両の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で効率よくパティキュレートフィルタからパティキュレートを除去することができる車両の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】排気浄化装置５０は、触媒コンバータ１３を迂回し、エンジン１とＧＰＦ１４の上流側とを接続するバイパス管２１と、キャニスタ１６とバイパス管２１とを接続する第１のパージ管１９および第２のパージ管２３と有し、バイパス管２１と第２のパージ管２３にエジェクタ２５が設けられている。エジェクタ２５は、バイパス管２１通路を流れる空気の流速を高めて流出させるノズル部２６と、ノズル部２６から流出される空気の流れによってパージガスを吸引する吸引部２７と、ノズル部２６から流出される空気と吸引部２７から吸引される蒸発燃料とを混合させてＧＰＦ１４に排出するディフューザ部２８とを含んで構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された排気浄化装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関の排気に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集して除去する技術として、排気管にパティキュレート捕集用のパティキュレートフィルタを設けることが知られている。

パティキュレートフィルタでは、捕集したパティキュレートをフィルタ再生処理により燃焼して除去するようにしているが、このフィルタ処理では、燃料消費量が増大してしまう。従来は、燃料消費量が増大することを抑制するために蒸発燃料を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載される蒸発燃料処理装置は、キャニスタの活性炭に補集された蒸発燃料を、内燃機関で駆動される機械式の過給機によって触媒コンバータに供給し、触媒コンバータに供給された燃料成分を酸化触媒によって酸化させている。

実開平２−１１５９５０号公報

このような従来の蒸発燃料処理装置は、内燃機関で駆動される機械式の過給機によって蒸発燃料を触媒コンバータに供給しているので、機械式の過給機が必要となる。これにより、装置の製造コストが増大する上に、内燃機関の燃費が悪化する。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、簡素な構成で効率よくパティキュレートフィルタからパティキュレートを除去することができる車両の排気浄化装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、内燃機関から排出された排気を浄化する触媒コンバータと、前記触媒コンバータを通過した排気中に含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、燃料タンク内で生じた蒸発燃料を補集するキャニスタとを備えた車両の排気浄化装置であって、前記触媒コンバータを迂回し、内燃機関と前記パティキュレートフィルタの上流側とを接続するバイパス通路と、前記キャニスタと前記バイパス通路とを接続する蒸発燃料通路と有し、前記バイパス通路と前記蒸発燃料通路にエジェクタが設けられており、前記エジェクタは、前記バイパス通路を流れる排気の流速を高めて流出させるノズル部と、前記ノズル部から流出される排気の流れによって前記蒸発燃料を吸引する吸引部と、前記ノズル部から流出される排気と前記吸引部から吸引される蒸発燃料とを混合させて前記パティキュレートフィルタに排出するディフューザ部とを含んで構成される。

このように上記の本発明によれば、簡素な構成で効率よくパティキュレートフィルタからパティキュレートを除去することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る車両の排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る車両の排気浄化装置のエジェクタの断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る車両の排気浄化装置におけるＧＰＦ活性化パージ制御のフローチャートである。 図４は、本発明の一実施の形態に係る車両の排気浄化装置を備えた他の構成の内燃機関の概略構成図である。

以下、本発明に係る車両の排気浄化装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明に係る一実施の形態の車両の排気浄化装置を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、自動車等の車両には内燃機関としてのガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）１が搭載されている。エンジン１は、複数の気筒２を備えており、それぞれの気筒には図示しないピストンが収容されている。

エンジン１にはそれぞれ燃料噴射弁３が設けられており、燃料噴射弁３は、気筒２のそれぞれに連通する図示しない吸気ポートにそれぞれ設置されている。燃料噴射弁３は、デリバリパイプ４に接続されている。

デリバリパイプ４は、燃料配管４Ａを介して燃料タンク５に接続されており、燃料タンク５から供給された燃料（ガソリン）を各燃料噴射弁３に供給する。
エンジン１には吸気装置６が取付けられている。吸気装置６は、吸気ダクト７、エアクリーナ８、吸気管９および吸気マニホールド１０を備えている。

吸気ダクト７は、空気（外気）を取り入れる開口を有し、開口から取り入れられた空気は、エアクリーナ８に導入される。エアクリーナ８は、エアクリーナ本体８Ａにエアフィルタ８Ｂが内蔵されており、エアフィルタ８Ｂは、吸気ダクト７から取り入れられた空気から異物を除去して浄化する。

吸気管９は、浄化された空気を吸気マニホールド１０に導入する。吸気マニホールド１０は、各気筒２に連通しており、吸入空気を各気筒２に分配して導入する。
エンジン１は、各気筒２に吸入された空気と、燃料噴射弁３から噴射された燃料とを図示しない点火プラグによって点火することにより、燃焼を行う。

吸気管９にはスロットルバルブ９Ａが取付けられている。スロットルバルブ９Ａは、図示しないアクセルペダルの操作量に応じて吸気管９の開度を調整することにより、気筒２に吸入される空気量を調整する。

エンジン１には排気装置１１が取付けられている。排気装置１１は、排気マニホールド１２、触媒コンバータ１３、ガソリンパティキュレートフィルタ（以下、単にＧＰＦという）１４および排気管１５を備えている。

排気マニホールド１２は、エンジン１に接続されている。排気マニホールド１２には各気筒２から排気が排出され、排気マニホールド１２は、各気筒２から排出される排気を合流する。

排気管１５は、排気マニホールド１２の下流端に接続されている。排気管１５には触媒コンバータ１３が設けられており、排気マニホールド１２に排出された排気は、触媒コンバータ１３に排出される。

触媒コンバータ１３は、ケーシング１３Ａに触媒１３Ｂを内蔵しており、触媒１３Ｂは、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）等の未燃成分をＯ₂（酸素）と反応させ、ＣＯ、ＣＯ_２（二酸化炭素）、Ｈ_２Ｏ（水）等に酸化して浄化する。

排気管１５にはＧＰＦ１４が設けられており、ＧＰＦ１４は、ケーシング１４Ａに内蔵されている。ＧＰＦ１４は、ハニカム形状に形成されており、パティキュレートを捕集する。
排気管１５は、ＧＰＦ１４よりも下流に図示しないマフラを備えている。排気管１５は、ＧＰＦ１４から排出される排気をマフラによって消音しつつ、下流開口端から外部（大気）に排出する。

エンジン１にはキャニスタ１６が取付けられている。キャニスタ１６は、キャニスタ本体１６Ａとキャニスタ本体１６Ａに内蔵された活性炭等の吸着材１６Ｂとを備えている。
キャニスタ本体１６Ａは、ベーパ管１７によって燃料タンク５に接続されており、燃料タンク５の内部に発生した燃料蒸気は、ベーパ管１７を通してキャニスタ本体１６Ａに導入される。吸着材１６Ｂは、キャニスタ本体１６Ａに導入された蒸発燃料を吸着する。

キャニスタ本体１６Ａには空気導入管１８が取付けられており、空気導入管１８は、キャニスタ本体１６Ａに空気を導入する。キャニスタ本体１６Ａは、第１のパージ管１９によって吸気マニホールド１０に接続されている。
第１のパージ管１９にはパージバルブ２０が取付けられており、パージバルブ２０は、例えば、その励磁電流がデューティ制御されることで開度が変化し、第１のパージ管１９を流れるパージガスの流量を調整する。

パージバルブ２０がデューティ比に応じた開度で開かれると、吸気マニホールド１０の内部の吸気負圧により、吸着材１６Ｂから脱離した蒸発燃料が、空気導入管１８からキャニスタ本体１６Ａに導入された空気と共にパージガスとして吸気マニホールド１０に吸入される。

吸気マニホールド１０に吸入されたパージガスは、気筒２で燃焼されて排気装置１１から外部に排出される。なお、第１のパージ管１９は、スロットルバルブ９Ａよりも空気の流れ方向の下流に取り付けられていればよいので、吸気管９に取付けられてもよい。排気マニホールド１２に対する第１のパージ管１９の取付け位置は、特に限定されるものではない。

排気マニホールド１２とＧＰＦ１４の上流側とは、バイパス管２１によって接続されており、バイパス管２１は、触媒コンバータ１３を迂回している。ここで、上流、下流とは、排気の流れる方向に対して上流、下流を示す。

バイパス管２１にはパージバルブ２２が取付けられており、パージバルブ２２は、例えば、その励磁電流がデューティ制御されることで開度が変化し、バイパス管２１を流れるパージガスの流量を調整する。

パージバルブ２２がデューティ比に応じた開度で開かれると、排気が触媒コンバータ１３を迂回してバイパス管２１を通してＧＰＦ１４に導入される。エンジン１から排気マニホールド１２に排出される排気としては、燃料と空気の混合気が燃焼された排気ガスと燃料カット時の空気とが含まれる。

バイパス管２１にはエジェクタ２５が取付けられている。エジェクタ２５には第２のパージ管２３の一端が接続されている。第２のパージ管２３の他端は、第１のパージ管１９に接続されており、キャニスタ１６は、第１のパージ管１９および第２のパージ管２３を介してバイパス管２１に接続されている。これにより、キャニスタ１６からパージされたパージガスは、第１のパージ管１９、第２のパージ管２３およびエジェクタ２５を通してバイパス管２１に導入される。

図２において、エジェクタ２５は、ノズル部２６と、ノズル部２６の下流側に設けられた吸引部２７と、吸引部２７の下流側に設けられたディフューザ部２８とを備えている。
ノズル部２６は、バイパス管２１から排気（Ｇ１で示す）が導入される導入通路２６Ａと、導入通路２６Ａの下流側に設けられた導入通路２６Ａよりも小径に形成された内部ノズル２６Ｂとを備えている。導入通路２６Ａを流れる排気は、内部ノズル２６Ｂによって絞られることで排気の流速が高められて吸引部２７に流出される。

吸引部２７は、第２のパージ管２３から蒸発燃料（Ｇ２で示す）が導入される吸引通路２７Ａを有し、吸引通路２７Ａは、ディフューザ部２８に連通している。
ディフューザ部２８は、吸引通路２７Ａに連通するディフューザ通路２８Ａを有する。ディフューザ通路２８Ａは、内部ノズル２６Ｂよりも大径の上流開口端２８ａと、上流開口端２８ａよりも大径の下流開口端２８ｂとを有する。

エジェクタ２５は、内部ノズル２６Ｂから噴射された高速の排気をディフューザ通路２８Ａの上流開口端２８ａに向かって流し、排気の流れによって吸引通路２７Ａに負圧を発生させ、吸引通路２７Ａに発生する負圧によって第２のパージ管２３から吸引通路２７に蒸発燃料を吸引する。吸引通路２７Ａに吸引された蒸発燃料は、ディフューザ通路２８Ａにおいて排気と混合され、バイパス管２１を通してＧＰＦ１４に排出される（Ｇ３で示す）。

本実施の形態のバイパス管２１は、本発明のバイパス通路を構成し、第１のパージ管１９および第２のパージ管２３は、本発明の蒸発燃料通路を構成する。本実施の形態の排気装置１１、キャニスタ１６、第１のパージ管１９、バイパス管２１、パージバルブ２２、第２のパージ管２３およびエジェクタ２５は、本発明の排気浄化装置５０を構成する。

図１において、パージバルブ２０、２２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３１によって制御される。ＥＣＵ３１は、図示しないＣＰＵ（Central processing unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んだコントローラから構成されており、パージバルブ２０、２２を制御する。

次に、図３に示すフローチャートに基づいてＧＰＦ活性化パージ制御を説明する。図３のＧＰＦ活性化パージ制御のプログラムは、ＲＯＭに格納されており、ＧＰＦ活性化パージ制御のプログラムは、ＣＰＵによって実行される。

図３において、ＥＣＵ３１は、パージ実施フラグがオンであるか否かを判別する（ステップＳ１）。パージ実施フラグは、キャニスタ１６の吸着材１６Ｂに蒸発燃料が所定量以上吸着されたときにオンとなる。例えば、前回のパージが行われた時機から一定時間が経過した場合にオンとなる。また、所定量以上とは、少なくともＧＰＦ１４を再生可能な量である。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３１は、パージ実施フラグがオンとなっていないものと判断した場合には通常制御を実施する（ステップＳ５）。通常制御としては、ＥＣＵ３１は、エンジン１の運転状態に基づいて算出した開度でパージバルブ２０を制御して、キャニスタ１６から気筒２にパージガスを導入する。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３１は、パージ実施フラグがオンとなっているものと判断した場合には燃料カットフラグがオンか否かを判別し（ステップＳ２）、燃料カットフラグがオンでないものと判断した場合にはステップＳ５に進む。
ステップＳ２において、ＥＣＵ３１は、燃料カットフラグがオンであるものと判断した場合にはＧＰＦ１４の温度が規定温度の範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ３）。

ここで、ステップＳ２において、ＥＣＵ３１が燃料カットの実施の有無を判断するのは、ＧＰＦ１４に補集されたパティキュレートを燃焼する際には、燃焼を促進するために酸素が必要だからである。燃料カット中は、燃料を含まない外気をそのままバイパス管２１に導入することができるので、この空気を利用して燃焼を促進できる。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３１は、例えば、ＧＰＦ１４の温度を検出するセンサに基づいてＧＰＦ１４の温度を検出し、ＧＰＦ１４の温度が規定温度の範囲内にないものと判断した場合にはステップＳ５に進む。
なお、ＧＰＦ１４の温度をセンサによって検出することに代えて、燃料噴射量、エンジン１の回転数および吸入空気量や水温等のエンジン１の負荷に関連したマップに基づいて、ＧＰＦ１４の温度を求めてもよい。

規定温度の範囲としては、ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４の温度が第１の温度以下で、かつ、第１の温度よりも低い第２の温度以上の範囲内にあるか否かを判断する。
ここで、ＧＰＦ１４が第１の温度以上の高温である場合に、ＧＰＦ１４を燃焼すると、ＧＰＦ１４が熱劣化するおそれがあるので、第１の温度以下に設定している。

また、第２の温度未満の低温である場合に、パージガスが燃焼しないおそれがあるので、第２の温度以上に設定されている。
ステップＳ３において、ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４の温度が規定温度の範囲内にあるものと判断した場合にはＧＰＦ活性化パージ制御を実施する（ステップＳ４）。

ＧＰＦ活性化パージ制御を実施する際に、ＥＣＵ３１は、予め設定された開度でパージバルブ２２を開く。パージバルブ２２が開かれると、空気が触媒コンバータ１３を迂回してバイパス管２１に導入された後に、エジェクタ２５に導入される。

エジェクタ２５に空気が導入されると、エジェクタ２５を流れる空気によってキャニスタ１６から第１のパージ管１９および第２のパージ管２３を通してパージガスがエジェクタ２５に吸引される。

これにより、エジェクタ２５によって空気とパージガスが混合され、バイパス管２１からＧＰＦ１４に導入される。このため、ＧＰＦ１４に捕集されるパティキュレートが燃焼して除去されることにより、ＧＰＦ１４のフィルタ再生処理が実施される。この結果、パティキュレート１４の目詰まりを解消することができ、排気抵抗を低減することができる。

また、空気とパージガスの混合ガスは、触媒コンバータ１３を通過することがないので、混合ガスが触媒コンバータ１３で酸化されることを防止でき、ＧＰＦ１４のフィルタ再生処理を効率よく実施できる。

このように本実施の形態の排気浄化装置５０によれば、触媒コンバータ１３を迂回し、エンジン１とＧＰＦ１４の上流側とを接続するバイパス管２１と、キャニスタ１６とバイパス管２１とを接続する第１のパージ管１９および第２のパージ管２３と有し、バイパス管２１と第２のパージ管２３にエジェクタ２５が設けられている。

エジェクタ２５は、バイパス管２１通路を流れる排気の流速を高めて流出させるノズル部２６と、ノズル部２６から流出される排気の流れによってパージガスを吸引する吸引部２７と、ノズル部２６から流出される排気と吸引部２７から吸引される蒸発燃料とを混合させてＧＰＦ１４に排出するディフューザ部２８とを含んで構成されている。

これにより、エジェクタ２５を用いた簡易な構成によって蒸着燃料をＧＰＦ１４に供給して、ＧＰＦ１４からパティキュレートを燃焼して除去することができる。また、蒸発燃料を利用してＧＰＦ１４からパティキュレートを燃焼して除去できるので、エンジン１の燃費が悪化することを防止できる。
これに加えて、エジェクタ２５に発生する負圧によってキャニスタ１６の吸着材１６Ｂに付着している蒸発燃料を効率よく除去することができる。

また、本実施の形態の排気浄化装置５０によれば、バイパス管２１にパージバルブ２２が設けられ、エンジン１に燃料が供給されていない場合に、パージバルブ２２を開弁してＧＰＦ１４に蒸発燃料が供給されている。
これにより、燃料カット時にバイパス管２１に空気と蒸発燃料とを流すことができ、ＧＰＦ１４に補集されたパティキュレートを効率よく燃焼することができる。

なお、図４に示すように、ターボチャージャ４１を備えたエンジン１にＧＰＦ１４を適用してもよい。図４において、ターボチャージャ４１は、吸気管９に設けられたコンプレッサホイール４１Ａと、排気管１５に設けられたタービンホイール４１Ｂとを備えている。

タービンホイール４１Ｂは、排気の圧力によって回転することで、コンプレッサホイール４１Ａを回転させる。コンプレッサホイール４１Ａが回転すると、吸入空気を気筒２に過給する。

バイパス管２１は、タービンホイール４１Ｂの上流側において触媒コンバータ１３を迂回してエンジン１とＧＰＦ１４の上流側とを接続している。
このようなターボチャージャ４１を有するエンジン１に排気浄化装置５０を適用した場合であっても、簡素な構成で効率よくＧＰＦ１４からパティキュレートを除去することができる。

なお、本実施の形態では、ガソリンエンジンにパティキュレートフィルタを適用しているが、ディーゼルエンジンにパティキュレートフィルタを適用してもよい。また、本実施の形態の排気浄化装置５０において、燃料カット時にパージバルブ２２を開いているが、燃料噴射時にパージバルブ２２を開いてもよい。

本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...エンジン（内燃機関）、１３...触媒コンバータ、１４...パティキュレートフィルタ、１６...キャニスタ、１９...第１のパージ管（蒸着燃料通路）、２１...バイパス管（バイパス通路）、２２...パージバルブ、第２のパージ管（蒸着燃料通路）、２５...エジェクタ、２６...ノズル部、２７...吸引部、２８...ディフューザ部、５０...排気浄化装置

Claims (2)

1. 内燃機関から排出された排気を浄化する触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータを通過した排気中に含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
   燃料タンク内で生じた蒸発燃料を補集するキャニスタとを備えた車両の排気浄化装置であって、
   前記触媒コンバータを迂回し、内燃機関と前記パティキュレートフィルタの上流側とを接続するバイパス通路と、
   前記キャニスタと前記バイパス通路とを接続する蒸発燃料通路と有し、
   前記バイパス通路と前記蒸発燃料通路にエジェクタが設けられており、
   前記エジェクタは、前記バイパス通路を流れる排気の流速を高めて流出させるノズル部と、前記ノズル部から流出される排気の流れによって前記蒸発燃料を吸引する吸引部と、前記ノズル部から流出される排気と前記吸引部から吸引される蒸発燃料とを混合させて前記パティキュレートフィルタに排出するディフューザ部とを含んで構成されることを特徴とする車両の排気浄化装置。
2. 前記バイパス通路に、前記バイパス通路を流れる排気の流量を調整するパージバルブが設けられており、
   前記内燃機関に燃料が供給されていない場合に、前記パージバルブを開弁して前記パティキュレートフィルタに蒸発燃料を供給可能であることを特徴とする請求項１に記載の車両の排気浄化装置。

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