JP2018003641A

JP2018003641A - 車両の排気浄化装置

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Publication number: JP2018003641A
Application number: JP2016128412A
Authority: JP
Inventors: 純司山口; Junji Yamaguchi; 智晴村田; Tomoharu Murata
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP6696325B2

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、タービンホイール４１Ｂより上流側において排気管１５に接続される一端部２１ａと、触媒コンバータ１３とＧＰＦ１４との間において排気管１５に接続される他端部２１ｂとを有し、ウェイストゲートバルブ２２によって開閉されるバイパス管２１を備えている。
【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２−１１５８５０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、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、前記キャニスタと内燃機関とを接続し、前記キャニスタに補集された蒸発燃料を前記内燃機関に排出する蒸発燃料通路と、内燃機関から排気が排出される排気通路と、前記排気通路に設けられ、前記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、前記排気通路に設けられ、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、前記内燃機関と前記触媒コンバータとの間に位置するように前記排気通路に設けられた排気タービンを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャとを備えた車両の排気浄化装置であって、前記排気タービンより上流側において前記排気管に接続される一端部と、前記触媒コンバータと前記パティキュレートフィルタとの間において前記排気通路に接続される他端部とを有するバイパス通路を備える。

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におけるＧＰＦ活性化パージ制御のフローチャートである。

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２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、粒子状物質である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。本実施の形態の排気管１５は、本発明の排気通路を構成する。

エンジン１にはターボチャージャ４１が設けられている。コンプレッサホイール４１Ａとタービンホイール４１Ｂとを備えている。
コンプレッサホイール４１Ａは、エアクリーナ８の下流側において吸気管９に設けられている。タービンホイール４１Ｂは、エンジン１と触媒コンバータ１３との間に位置するようにして排気管１５に設けられている。

タービンホイール４１Ｂは、コンプレッサホイール４１Ａに連結されてコンプレッサホイール４１Ａと一体で回転する。タービンホイール４１Ｂは、エンジン１から排出された排気圧を利用して回転し、コンプレッサホイール４１Ａは、タービンホイール４１Ｂと一体で回転することで吸入空気を過給してエンジン１に導入する。本実施の形態のタービンホイール４１Ｂは、本発明の排気タービンを構成する。

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、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。

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、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に吸入されるパージガスは、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、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。また、吸気マニホールド１０に対するパージ管１９の取付け位置は、特に限定されるものではない。

エンジン１にはバイパス管２１が設けられている。バイパス管２１は、タービンホイール４１Ｂより上流側において排気管１５に接続される一端部２１ａと、触媒コンバータ１３とＧＰＦ１４との間において排気管１５に接続される他端部２１ｂとを有する。

すなわち、本実施の形態のバイパス管２１は、タービンホイール４１Ｂの上流側において排気管１５から分岐され、タービンホイール４１Ｂおよび触媒コンバータ１３を迂回して触媒コンバータ１３とＧＰＦ１４との間の排気管１５に接続されている。ここで、上流、下流とは、排気が流れる方向に対して上流、下流を示す。

バイパス管２１にはウェイストゲートバルブ２２が取付けられており、ウェイストゲートバルブ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を流れる排気ガスの流量を調整する。

ウェイストゲートバルブ２２がデューティ比に応じた開度で開かれ、後述するバルブ２４が開かれると、排気がタービンホイール４１Ｂおよび触媒コンバータ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と排気管１５とは接続管２３によって接続されている。接続管２３の一端部２３ａは、バイパス管２１のウェイストゲートバルブ２２の下流側に接続されており、接続管２３の他端部２３ｂは、タービンホイール４１Ｂの下流側で、かつ触媒コンバータ１３の上流側において排気管１５に接続されている。

バイパス管２１には接続管２３を流れる排気の流量を調整するバルブ２４が設けられており、バルブ２４は、接続管２３の一端部２３ａよりも下流側に設置されている。バルブ２４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、接続管２３を流れる排気の流量を調整する。バルブ２４がデューティ比に応じた開度で開かれると、パイパス管２１を流れる排気が接続管２３を通してＧＰＦ１４に排出可能となる。

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、パージ管１９は、本発明の蒸発燃料通路を構成する。接続管２３は、本発明の接続路を構成する。排気装置１１、キャニスタ１６、バイパス管２１、ウェイストゲートバルブ２２、接続管２３およびバルブ２４は、本発明の排気浄化装置５０を構成する。

パージバルブ２０、ウェイストゲートバルブ２２およびバルブ２４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いる。

次に、図２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２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２において、ＥＣＵ３１は、パージ要求フラグがオンであるか否かを判別する（ステップＳ１）。パージ要求フラグは、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、パージ要求フラグがオンとなっていないものと判断した場合にはステップＳ８に処理を移し、パージ要求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実施フラグがオンか否かを判別する（ステップ２）。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３１は、燃料カット実施フラグがオンでないものと判断した場合には、ステップＳ８に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ３１は、燃料カット実施フラグがオンであるものと判断した場合には、ＧＰＦ１４に補集されたパティキュレートが所定量以上であるか否かを判別する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４に補集されたパティキュレートが所定量未満であるものと判断した場合にはステップＳ８に進み、ＧＰＦ１４に補集されたパティキュレートが所定量以上であるものと判断した場合にはステップＳ４に進む。

ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４の上流と下流に設けられた図示しない圧力センサの差圧や運転状態に基づいた補集量算出データ等に基づいてパティキュレートの補集量を推定することで、ＧＰＦ１４に補集されるパティキュレートの量を検出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４の温度が適温か否かを判別し、ＧＰＦ１４の温度が適温でないものと判断した場合にはステップＳ８に進む。ＥＣＵ３１は、ＧＰＦ１４の温度が適温であるものと判断した場合には、予め定められた開度でパージバルブ２０を開く（ステップＳ５）。

パージバルブ２０が開かれると、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。

次いで、ＥＣＵ３１は、予め定められた開度でウェイストゲートバルブ２２を開き（ステップＳ６）、エンジン１の運転状態に基づいた開度でバルブ２４を開いて（ステップＳ７）、今回の処理を終了する。これにより、エンジン１から排気管１５に排出されるパージガスと空気が混合された混合ガスがバイパス管２１に排出される。

バイパス管２１に排出された混合ガスは、タービンホイール４１Ｂおよび触媒コンバータ１３を迂回してＧＰＦ１４に導入される。これにより、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、ＧＰＦ１４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。

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。

また、バイパス管２１からＧＰＦ１４に混合ガスが導入される場合には、空気とパージガスの混合ガスが触媒コンバータ１３を通過しない。これにより、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より効果的に実施できる。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３１がＧＰＦ１４の温度を判断するのは、ＧＰＦ１４が高すぎる場合にＧＰＦ１４を燃焼すると、ＧＰＦ１４が熱劣化するおそれがあり、ＧＰＦ１４の温度が低すぎると、パージガスが燃焼しないおそれがあるので、ＧＰＦ１４を熱劣化させずにパージガスを燃焼させる必要があるからである。

ステップＳ８において、ＥＣＵ３１は、パージバルブ２０を開くためのフラグがオンであるか否かを判断する通常制御を実施する。ＥＣＵ３１は、吸気マニホールド１０の吸気圧力に基づいて、吸気圧が大気圧以下、すなわち、負圧であるものと判断した場合には、パージバルブ２０を開くためのフラグをオンにしてステップＳ９に進む。

ＥＣＵ３１は、吸気マニホールド１０の吸気圧力に基づいて、吸気圧が大気圧よりも大きい、すなわち、正圧であるものと判断した場合には、パージバルブ２０を開くためのフラグをオンにせずにステップＳ１３に進む。ステップＳ１３において、ＥＣＵ１３は、パージバルブ２０を閉じてステップＳ１０に進む。これにより、パージガスが吸気マニホールド１０に導入されない。

ステップＳ９において、ＥＣＵ３１は、パージバルブ２０を開く。これにより、キャニスタ１６から吸気マニホールド１０を通して気筒２にパージガスが導入され、気筒２内で燃焼される。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ３１は、ウェイストゲートバルブ２２を開くフラグがオンであるか否かを判断する通常制御を実施する。ステップＳ１０において、ＥＣＵ３１は、タービンホイール４１Ｂが過回転状態であるか否かを判別するために、例えば、エンジン１の回転数および吸気管９の圧力からタービンホイール４１Ｂの回転数を推定し、タービンホイール４１Ｂが過回転状態であるか否かを判断する。

あるいは、タービンホイール４１Ｂの回転数を検出するセンサを設け、ＥＣＵ３１は、センサの検出情報に基づいてタービンホイール４１Ｂの回転数を検出し、タービンホイール４１Ｂが過回転状態であるか否かを判別する。なお、タービンホイール４１Ｂが過回転状態であるか否かを判断する手段は、これらに限定されるものではない。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ３１は、ウェイストゲートバルブ２２を開くフラグがオンでないものと判断した場合には、タービンホイール４１Ｂが過回転ではないので、ステップＳ１４に進む。一方、ウェイストゲートバルブ２２を開くフラグがオンであるものと判断した場合には、タービンホイール４１Ｂが過回転であるので、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ３１は、ウェイストゲートバルブ２２を閉じた後、ステップＳ１２に進んでバルブ２４を閉じて（ステップＳ１２）、今回の処理を終了する。これにより、エンジン１から排気管１５に排出された排気圧によってタービンホイール４１Ｂが回転する。

ステップＳ１１において、ＥＣＵ１３は、エンジン１の運転状態に基づいた開度でウェイストゲートバルブ２２を開いた後、バルブ２４を閉じて（ステップＳ１２）、今回の処理を終了する。

これにより、タービンホイール４１Ｂに流れる排気ガスの一部がバイパス管２１に排出され、タービンホイール４１Ｂの過回転が防止される。このため、安定した過給圧を得ることができるとともに、エンジン１やターボチャージャ４１を保護することができる。

このように本実施の形態の排気浄化装置５０によれば、タービンホイール４１Ｂより上流側において排気管１５に接続される一端部２１ａと、触媒コンバータ１３とＧＰＦ１４との間において排気管１５に接続される他端部２１ｂとを有し、ウェイストゲートバルブ２２によって開閉されるバイパス管２１を備えている。

これにより、ウェイストゲートバルブ２２を有するバイパス管２１を、タービンホイール４１Ｂの上流側から触媒コンバータ１３とＧＰＦ１４との間に延ばした簡易な構成によってパージガスと空気の混合ガスを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。

また、本実施の形態の排気浄化装置５０によれば、一端部２３ａがバイパス管２１に接続され、他端部２３ｂがタービンホイール４１Ｂの下流側で、かつ触媒コンバータ１３の上流側において排気管１５に接続される接続管２３が設けられている。

さらに、接続管２３にはバイパス管２１を流れる排気量を調整するバルブ２４が設けられ、バルブ２４は、接続管２３の一端部２３ａよりも下流側に設置されている。
これにより、燃料噴射時に、必要に応じて排気を触媒コンバータ１３に排出することができ、排気ガスを触媒コンバータ１３で浄化することができる。

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。

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...ガソリンパティキュレートフィルタ、１５...排気管（排気通路）、１６...キャニスタ、１９...パージ管（蒸発燃料通路）、２１...バイパス管（バイパス通路）、２１ａ...一端部（バイパス通路の一端部）、２１ｂ...他端部（バイパス通路の他端部）、２３...接続管（接続路）、２３ａ...一端部（接続路の一端部）、２３ｂ...他端部（接続路の他端部）、２４...バルブ、４３...ターボチャージャ、４３Ｂ...タービンホイール（排気タービン）、５０...排気浄化装置

Claims

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、
前記キャニスタと内燃機関とを接続し、前記キャニスタに補集された蒸発燃料を前記内燃機関に排出する蒸発燃料通路と、
内燃機関から排気が排出される排気通路と、
前記排気通路に設けられ、前記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、
前記排気通路に設けられ、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、
前記内燃機関と前記触媒コンバータとの間に位置するように前記排気通路に設けられた排気タービンを有し、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャとを備えた車両の排気浄化装置であって、
前記排気タービンより上流側において前記排気管に接続される一端部と、前記触媒コンバータと前記パティキュレートフィルタとの間において前記排気通路に接続される他端部とを有するバイパス通路を備えたことを特徴とする車両の排気浄化装置。
一端部が前記バイパス通路に接続され、他端部が前記排気タービンの下流側で、かつ前記触媒コンバータの上流側において前記排気通路に接続される接続路が設けられており、
前記接続路には前記バイパス通路を流れる排気量を調整するバルブが設けられており、前記バルブは、前記接続路の一端部よりも下流側に設置されてい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。