JP2018197536A - 排気浄化装置および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費が悪化するのを防止することができる排気浄化装置および制御装置を提供すること。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、内燃機関へ空気を導くメイン通路を有する吸気系統と、吸気系統にメイン通路と並列に設けられ、ラジエーターから熱を得て空気を昇温させるバイパス通路と、昇温される空気量を調整する調整部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、排気浄化装置および制御装置に関する。

従来、内燃機関からの排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集するフィルターとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。

ＤＰＦにＰＭがある程度溜まった場合に、排気ガスを昇温させることにより、ＤＰＦを再生する必要がある。

特開２００９−１０８７００号公報

ところで、排気ガスの温度は、エンジンのアイドリング時、低速走行時および無負荷運転時（以下、低負荷運転時と総称する）に低い。排気温度が低いほど、排気ガスを昇温させるために消費される燃料が多くなる。

本開示の目的は、燃費が悪化するのを防止することができる排気浄化装置および制御装置を提供することである。

本開示の排気浄化装置は、
内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記内燃機関へ空気を導くメイン通路を有する吸気系統と、
前記吸気系統に前記メイン通路と並列に設けられ、ラジエーターから熱を得て前記空気を昇温させるバイパス通路と、
前記昇温される空気量を調整する調整部と、
を備える。

本開示の制御装置は、上記調整部を、前記内燃機関が低負荷運転時であり、かつ、前記フィルターが再生される場合に、前記バイパス通路を通った空気が前記内燃機関に導かれるように制御し、それ以外の場合に、前記メイン通路を通った空気が前記内燃機関に導かれるように制御する。

本開示によれば、燃費が悪化するのを防止することができる。

本開示の一実施の形態に係る内燃装置の構成の一例を示すブロック図 本実施の形態に係るバイパス通路の断面図 本実施の形態における内燃機関のＤＰＦの再生処理の一例を示す図 本実施の形態の変形例に係るバイパス通路の部分斜視図 本実施の形態の変形例に係る排気浄化装置の一部を概略的に示す図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

まず、本実施の形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構造について説明する。図１は、実施の形態に係るエンジン１の概略構成図である。

図１に示すように、エンジン１は、吸気マニホールド１１、排気マニホールド１２、ターボチャージャー１３、エアクリーナー１７、インタークーラー１８、メイン通路１９、排気管２０、排気通路３０およびラジエーター４０を備える。また、エンジン１の運転制御を電気的な補助装置（後述する調整部５２を含む）を用いて行う際に、それらを総合的に制御するＥＣＵ１００（本発明の「制御装置」に対応）が設けられている。

吸気マニホールド１１は、下流側吸気管１６ｂを介して、メイン通路１９に設けられたインタークーラー１８に連結されている。インタークーラー１８は、吸気管１６を介してターボチャージャー１３のコンプレッサー１４に連結されている。コンプレッサー１４は、上流側吸気管１６ａを介してエアクリーナー１７に連結されている。

エアクリーナー１７からの空気は、上流側吸気管１６ａを通ってコンプレッサー１４に吸引されて昇圧され、インタークーラー１８を通って冷却されて、下流側吸気管１６ｂを通って吸気マニホールド１１からエンジン１に供給される。なお、エアクリーナー１７から吸気マニホールド１１に至る経路を「吸気系統」という場合がある。

排気マニホールド１２は、ターボチャージャー１３のタービン１５に連結されている。

タービン１５は、排気通路３０を介して排気管２０に連結されている。エンジン１からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気通路３０を通って排気管２０に排出される。

排気通路３０には酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）３１と、ディーゼル微粒子捕集フィルター(Ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ)３２と、が設けられている。

ＤＯＣ３１は、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化させる触媒である。

ＤＰＦ３２は、排気ガス中に含まれる粒子物質（ＰＭ）を捕集するフィルターである。ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭは、排気ガスを昇温させることにより燃焼される。これにより、ＤＰＦ３２が再生される。以下の説明で、捕集されたＰＭを燃焼することをＤＰＦ３２の再生という。

エンジン１の低負荷運転時には排気ガスの温度が低い。排気ガスの温度が低い場合、ＤＰＦ３２の再生時に排気ガスを昇温させるために、多くの燃料を消費することは、燃費の悪化を招くことになる。

本実施の形態において、ＤＰＦ３２の再生時に排気ガスの温度を上げるためにエンジン１に供給される吸気が昇温される。

本実施の形態における熱源はラジエーター４０である。
ラジエーター４０は、エンジン１の温度をほぼ一定に保つために、エンジン１の冷却液の熱を放熱する冷却装置である。ラジエーター４０は、エンジン１から流入する冷却液が一時的に溜められるアッパータンク４１、冷却液と周囲の空気との間で熱交換を行うラジエーターコア４２、および、エンジン１に戻される熱交換後の冷却液が一時的に溜められるロアータンク４３を有している（図２参照）。

吸気系統には、インタークーラー１８と並行にバイパス通路５０が設けられている。バイパス通路５０の一端は吸気管１６に接続されている。バイパス通路５０の他端は下流側吸気管１６ｂに接続されている。バイパス通路５０内に流れる空気に対する通気抵抗は、インタークーラー１８の通気抵抗より小さい。これにより、吸気管１６内の空気は、バイパス通路５０が開かれている場合、バイパス通路５０側へ流れ込み、インタークーラー１８側へはほとんど流れ込まない。バイパス通路５０側へ流れ込んだ空気は昇温され、吸気マニホールド１１に導かれる。

吸気管１６内の空気は、バイパス通路５０が閉じられている場合、インタークーラー１８側へ流れ込む。インタークーラー１８側へ流れ込んだ空気は冷却され、吸気マニホールド１１に導かれる。

図２はバイパス通路５０の断面図である。
バイパス通路５０は、図２に示すようにアッパータンク４１内に設けられている。バイパス通路５０としての管の周壁を介して、アッパータンク４１内の冷却液と空気とが熱交換を行う。これにより、空気の温度が上昇する。

バイパス通路５０には調整部５２が設けられている。

調整部５２は、弁開度を変えることにより、空気の流量を最小値０から最大値まで無段階に調整することができる流量調整弁である。

次に、ＥＣＵ１００について説明する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。ＥＣＵ１００の入力回路には、差圧センサー３６が接続されている。ＥＣＵ１００の出力回路には、調整部５２が接続されている。

差圧センサー３６は、排気通路３０におけるＤＰＦ３２より上流側と下流側との圧力差を検出する。

ＥＣＵ１００は、図１に示すように、排気浄化装置制御部１０１および流量調整制御部１０２を有する。

排気浄化装置制御部１０１は、差圧センサー３６の検出結果に基づいてＤＰＦ３２のＰＭ捕集量を推定する。排気浄化装置制御部１０１は、推定したＰＭ捕集量に基づいて、ＤＰＦ３２を再生するか否かを判定する。

排気浄化装置制御部１０１は、例えば、車速、エンジン回転数、燃料噴射量に基づいて、エンジン１が低負荷運転時であるか否かを判断する。

流量調整制御部１０２は、エンジン１が低負荷運転時であり、かつ、ＤＰＦ３２が再生される場合に、バイパス通路５０を開くように調整部５２の弁開度を調整制御する。

流量調整制御部１０２は、上記以外の場合に、バイパス通路５０を閉じるように調整部５２の弁開度を調整制御する。

ここで、「通路を閉じる」とは、通路が閉じられる方向に変わることを意味し、通路が完全に閉じられる場合と、通路が部分的に閉じられる場合との両方をいうものとする。また、「通路を開く」とは、通路が開かれる方向に変わることを意味し、通路が完全に開かれる場合と、通路が部分的に開かれる場合との両方をいうものとする。

＜ＤＰＦ３２の再生処理＞
次に、ＤＰＦ３２の再生処理の一例について図３を参照して説明する。ＤＰＦ３２の再生処理は、エンジン１の始動により開始される。以下、排気浄化装置制御部１０１および流量調整制御部１０２をＥＣＵ１００として説明する。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ１００はエンジン１の低負荷運転時であるか否かを判断する。低負荷運転時の場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１１０に移る。エンジン１の低負荷運転時でない場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、処理はステップＳ１３０に移る。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ３２が再生される場合であるか否かを判断する。

ＤＰＦ３２が再生される場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ１００は、バイパス通路５０を開くように調整部５２の弁開度を調整制御する。

ＤＰＦ３２が再生されない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ１００は、バイパス通路５０を閉じるように調整部５２の弁開度を調整制御する。

＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態に係る排気浄化装置は、吸気系統にインタークーラー１８と並列に設けられ、ラジエーター４０から熱を得て空気を昇温させるバイパス通路５０と、バイパス通路５０で昇温される空気量を調整する調整部５２と、内燃機関が低負荷運転時であり、かつ、ＤＰＦ３２が再生される場合に、昇温された空気が内燃機関に導かれるように調整部５２を制御する流量調整制御部１０２を備える。これにより、ＤＰＦ３２の再生時に、排気ガスを昇温させるために消費される燃料が少なくて済み、燃費が悪化するのを防止することができる。

＜本実施の形態の変形例＞
次に、本実施の形態の変形例について図２、図４及び図５を参照して説明する。変形例では、上記実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成の説明を省略する。

（変形例１）
上記実施の形態では、バイパス通路５０はラジエーター４０のアッパータンク４１内に設けられているが、本変形例１では、例えば、図２に破線で示すように、ラジエーター４０のロアータンク４３内に設けられてもよい。ロアータンク４３にバイパス通路５０が設けられる構成は、アッパータンク４１にバイパス通路５０を設けることができない場合に有効である。

図４は、バイパス通路５０の部分斜視図である。
図４に示すように、バイパス通路５０は、受熱用のフィン５４を有してもよい。フィン５４は、アッパータンク４１内を流れる冷却液に対する抵抗がなるべく小さくなるように、かつ、バイパス通路５０内の空気がアッパータンク４１内の冷却液からより多くの熱を得ることができるように構成されている。

具体的に、フィン５４は、バイパス通路５０としての管の周方向に展開した扇形形状を有している。フィン５４は、管の外周壁に周方向に所定の第１間隔で配置されるとともに、管の軸方向に沿って所定の第２間隔に配置されている。

図５は排気浄化装置の一部を概念的に示す図である。
上記実施の形態では、バイパス通路５０はラジエーター４０のアッパータンク４１内に設けられているが、本変形例１では、バイパス通路５０Ａは、図５に示すように熱源４０Ａ（例えば、排気マニホールド１２、排気管２０、排気通路３０など）近傍を通るように設けられている。これにより、バイパス通路５０Ａ内の空気が熱源４０Ａから熱を得ることができる。なお、この場合においても、バイパス通路５０Ａに受熱用のフィン５４Ａが設けられてもよい。

（変形例２）
上記実施の形態では、メイン通路１９にインタークーラー１８が設けられている。バイパス通路５０はインタークーラー１８に並列に配置されている。

変形例２では、メイン通路１９にインタークーラー１８が設けられていない。この場合、バイパス通路５０は、メイン通路１９に並列に配置される。この場合においても、流量調整制御部１０２は、エンジン１の低負荷運転時であり、かつ、ＤＰＦ３２が再生される場合に、バイパス通路５０を通った空気が昇温されて、吸気マニホールド１１へ導かれるように調整部５２の弁開度を調整制御し、それ以外の場合に、メイン通路１９を通った空気が昇温されることなく、吸気マニホールド１１へ導かれるように調整部５２の弁開度を調整制御する。

（変形例３）
次に、変形例３について説明する。
図１に示すように、ＤＰＦ３２の上流にＤＯＣ３１が配置されている。ＤＰＦ３２の再生は、ＤＯＣ３１へ燃料を供給し、ＤＯＣ３１を活性化させて、その発熱を利用することにより行われる。

変形例３において、流量調整制御部１０２は、ＤＯＣ３１へ燃料の供給が行われない場合、高温の新気が吸気系統へ吸気されるように調整部５２の弁開度を調整制御してもよい。これにより、ＤＯＣ３１へ燃料の供給が行わないため、ＤＯＣ３１が活性化せず、排気温度が低下する場合であっても、高温空気通路を開いて、高温の空気を吸入することにより、排気温度を上げることができる。その結果、ＤＰＦ３２の再生時に排気温度を上げる場合に、消費される燃料が少なくて済むため、燃費が悪化するのを防止することができる。

（変形例４）
次に、変形例４について説明する。
排気通路３０に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵、還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Ｌｅａｎ ＮＯｘ Ｔｒａｐｓ：ＬＮＴ）が配置される場合、流量調整制御部１０２は、ＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘが還元される場合、高温の新気が吸気系統へ吸気されるように調整部５２の弁開度を調整制御する。

ＬＮＴは、排気温度が吸蔵温度であり、かつ、排気空燃比がリーン状態である場合、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する。ＬＮＴは、排気温度が吸蔵温度より高い予め定められた温度であり、かつ、排気空燃比がリッチ状態である場合、吸蔵しているＮＯｘをＬＮＴから除去（離脱）する。

ＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘが還元される場合、高温空気通路を開いて、高温の空気を吸入することにより、排気温度を上昇させることができるために、ＮＯｘを還元するために消費される燃料が少なくて済む。

（変形例５）
また、上記実施の形態では、流量調整制御部１０２は、エンジン１が低負荷運転時であり、かつ、ＤＰＦ３２が再生される場合に、高温の空気が吸気系統に吸気されるように調整部５２の弁開度を調整制御する。本発明はこれに限らず、流量調整制御部１０２は、手動操作によりＤＰＦ３２が再生される場合に、高温の空気が吸気系統に吸気されるように調整部５２の弁開度を調整制御してもよい。これによっても、燃費の悪化を防止することができる。

なお、上記実施の形態では、ＤＰＦ３２を再生する技術について説明したが、本発明はこれに限らず、ＧＰＦ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）を再生する技術にも適用することができる。

本開示の排気浄化装置は、燃費が悪化するのを防止することが要求されるディーゼルエンジンを搭載した車両として有用である。

１ エンジン
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ ターボチャージャー
１４ コンプレッサー
１５ タービン
１６ 吸気管
１６ａ 上流側吸気管
１６ｂ 下流側吸気管
１７ エアクリーナー
１８ インタークーラー
１９ メイン通路
２０ 排気管
３０ 排気通路
３１ ＤＯＣ
３２ ＤＰＦ
３６ 差圧センサー
４０ ラジエーター
４０Ａ 熱源
４１ アッパータンク
４２ ラジエーターコア
４３ ロアータンク
５０、５０Ａ バイパス通路
５２ 調整部
５４、５４Ａ フィン
１００ ＥＣＵ
１０１ 排気浄化装置制御部
１０２ 流量調整制御部

Claims (5)

1. 内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
   前記内燃機関へ空気を導くメイン通路を有する吸気系統と、
   前記吸気系統に前記メイン通路と並列に設けられ、ラジエーターから熱を得て前記空気を昇温させるバイパス通路と、
   前記昇温される空気量を調整する調整部と、
   を備える、排気浄化装置。
2. 前記バイパス通路は、前記ラジエーター内に設けられている、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記バイパス通路は、前記ラジエーターのアッパータンク内に設けられている、請求項２項に記載の排気浄化装置。
4. 前記バイパス通路は、受熱するためのフィンを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
5. 前記１から４のいずれか一項に記載の調整部を、前記内燃機関が低負荷運転時であり、かつ、前記フィルターが再生される場合に、前記バイパス通路を通った空気が前記内燃機関に導かれるように制御し、それ以外の場合に、前記メイン通路を通った空気が前記内燃機関に導かれるように制御する排気浄化装置の制御装置。

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