JP3395622B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの
排気ガス中には、カーボンを主成分とする有害なパティ
キュレートが含まれており、排気ガスを大気に放出する
以前にこのようなパティキュレートを除去することが望
まれている。そのためにディーゼルエンジンの排気系に
は、パティキュレートを捕集するフィルタとして、パテ
ィキュレートトラップを配置することが提案されてい
る。このようなパティキュレートトラップは、パティキ
ュレート捕集量の増加に伴い大きな排気抵抗となるため
に、捕集したパティキュレートを燃焼させ、パティキュ
レートトラップ自身を再生する必要がある。
【0003】機関高負荷高速運転のように排気ガスが高
温となれば、パティキュレートは自然発火して燃焼する
ために、パティキュレートトラップを再生することがで
きる。しかしながら、このような機関高負荷高速運転が
頻繁に行われる保証はなく、次回の機関高負荷高速運転
までに、パティキュレートトラップには比較的多量のパ
ティキュレートが捕集される可能性がある。
【0004】それにより、かなりの機関出力の低下がも
たらされるだけでなく、排気ガスによるパティキュレー
トトラップの再生時において、比較的多量のパティキュ
レートは多量の熱を発生し、この熱によってパティキュ
レートトラップが溶損する可能性がある。
【0005】この問題を解決するために、加熱手段によ
って定期的にパティキュレートトラップを加熱し、パテ
ィキュレートトラップが比較的多量のパティキュレート
を捕集する以前にパティキュレートを焼失させることが
公知である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このような加熱手段
は、機関排気系を複雑にすると共にかなりのコストアッ
プとなる。従って、本発明の目的は、内燃機関の排気浄
化装置において、簡単な構成によってパティキュレート
トラップの溶損を防止することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
による内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系における
排気集合部と各気筒とを連通する各排気ポートのそれぞ
れに配置されたパティキュレートトラップと、各前記パ
ティキュレートトラップの排気上流側において、各前記
排気ポートを少なくとも一つの他の前記排気ポートと連
通させるための連通路と、各前記連通路に配置された常
時開の開閉弁とを具備し、所定期間毎に各前記開閉弁を
一時的に閉弁することを特徴とする。
【0008】請求項2に記載の本発明による内燃機関の
排気浄化装置は、機関排気系における排気集合部と各気
筒とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置されたパ
ティキュレートトラップと、各前記パティキュレートト
ラップの排気上流側において、各前記排気ポートを少な
くとも一つの他の前記排気ポートと連通させるための連
通路と、各前記連通路に配置された常時開の開閉弁と、
前記パティキュレートトラップのパティキュレート捕集
量を把握する把握手段とを具備し、前記把握手段により
把握されるパティキュレート捕集量が所定値以上の時に
各前記開閉弁を一時的に閉弁することを特徴とする。
【0009】請求項3に記載の本発明による内燃機関の
排気浄化装置は、請求項1又は2に記載の内燃機関の排
気浄化装置において、各前記開閉弁は徐々に閉弁される
ことを特徴とする。
【0010】請求項4に記載の本発明による内燃機関の
排気浄化装置は、請求項1から3のいずれかに記載の内
燃機関の排気浄化装置において、少なくとも一つの前記
排気ポートを他の前記排気ポートから遮断するための前
記開閉弁を他の前記開閉弁より先に閉弁することを特徴
とする。
【0011】請求項5に記載の本発明のよる内燃機関の
排気浄化装置は、請求項1から4のいずれかに記載の内
燃機関の排気浄化装置において、前記機関排気系の前記
パティキュレートトラップの排気下流側と機関吸気系と
を連通する排気再循環通路を具備し、少なくとも一つの
前記開閉弁が閉弁されている時には前記排気再循環通路
を閉鎖することを特徴とする。
【0012】請求項6に記載の本発明による内燃機関の
排気浄化装置は、機関排気系における排気集合部と各気
筒とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置されたパ
ティキュレートトラップと、排気容積部と、各前記排気
ポートにおける前記パティキュレートトラップの排気上
流側と前記排気容積部とを連通する連通路と、各前記連
通路に配置された常時開の開閉弁とを具備し、所定期間
毎に各前記開閉弁を一時的に閉弁することを特徴とす
る。
【0013】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による第一実施形
態の排気浄化装置が取り付けられた機関排気系の断面図
である。同図において、1はシリンダヘッド排気側への
取り付けフランジ、2は各気筒の排気集合部、3は排気
集合部2と各気筒とを連通する排気ポートである。排気
集合部2の下流側は、ターボチャージャのタービン8を
介して大気へ通じている。各排気ポート3には、それぞ
れ、パティキュレートトラップ4が配置されている。
【0014】また、排気集合部2には、機関吸気系を介
して排気ガスの一部を気筒内へ再循環させるための排気
再循環通路5が接続されている。排気再循環通路5に
は、再循環排気ガス量を制御するための制御弁5aが配
置されている。排気ガスの主成分は熱容量の大きな不活
性ガスであるために、排気ガスを気筒内へ再循環させる
ことにより、燃焼温度を低下させ発生するNOx 量を低
減することができる。しかしながら、排気再循環は、多
少の燃焼悪化を伴うために、一般的には、燃焼が比較的
不安定な機関低負荷時及び高出力が必要な機関高負荷時
を除き実施される。従って、制御弁5aは、機関低負荷
時及び機関高負荷時には閉弁され、機関中負荷時には再
循環排気ガス量に応じて開弁されている。
【0015】各パティキュレートトラップ4は、例え
ば、セラミック等の多孔性物質からなる多孔性物質パテ
ィキュレートトラップである。このパティキュレートト
ラップは、複数の長手方向に延在する隔壁によって細分
化された複数の軸線方向空間を有し、隣接する二つの軸
線方向空間において、一方が排気上流側を、他方が排気
下流側をセラミック等の閉塞材によって閉塞されてい
る。こうして、隣接する二つの軸線方向空間は、排気上
流側から流入した排気ガスを隔壁を介して排気下流側に
流出するトラップ通路となり、多孔質物質からなる隔壁
は、トラップ壁として、排気ガス通過の際にパティキュ
レートを捕集するようになっている。
【0016】また、各パティキュレートトラップ4は、
例えば、耐熱性金属繊維の不織布と耐熱性金属の波板か
ら構成された金属繊維パティキュレートトラップとして
も良い。このパティキュレートトラップは、二枚の不織
布と二枚の波板とが互いに違いに厚さ方向に積層されて
螺旋状に巻かれ、不織布と波板とによって複数の軸線方
向空間が形成されているものである。不織布を構成する
耐熱性金属繊維及び波板を構成する耐熱金属として、例
えば、Fe−Cr−Al合金又はNi−Cr−Al合金
等が利用可能である。二枚の不織布は、排気上流側端部
において一方の面同士を互いに密着させて螺旋状に連続
して溶接され、また、排気下流側端部において他方の面
同士を互いに密着させて螺旋状に連続して溶接される。
こうして、半径方向に隣接する二つの軸線方向空間は、
排気上流側から流入した排気ガスをいずれかの不織布を
介して排気下流側に流出するトラップ通路となり、不織
布は、トラップ壁として、排気ガス通過の際にパティキ
ュレートを捕集するようになっている。
【0017】本実施形態の排気浄化装置には、さらに、
各パティキュレートトラップ4の排気上流側において、
各排気ポート3を隣接する排気ポート3へ連通するため
の連通路6が設けられている。各連通路6には、常時開
の開閉弁6aが配置されている。また、機関排気系のパ
ティキュレートトラップ直上流側部分、すなわち、各連
通路6により互いに連通された排気ポート3のパティキ
ュレートトラップ上流側部分には第一圧力センサ7aが
配置され、機関排気系のパティキュレートトラップ下流
側部分、すなわち、排気集合部2には第二圧力センサ7
bが配置されている。
【0018】各パティキュレートトラップ4は、パティ
キュレートを全く捕集していない時にも、それ自身が排
気抵抗体である。それにより、このような構成におい
て、各開閉弁6aが閉弁されていると、任意の気筒の排
気行程時に排気集合部2内の圧力が上昇すると、他の気
筒における排気ポート3のパティキュレートトラップ4
上流側部分の圧力が排気集合部2より下回って排気ガス
の逆流が発生する。
【0019】排気ガス中に含まれるパティキュレート
は、パティキュレートトラップ4の目の大きさに比較し
て非常に小さなものである。それにより、当初、パティ
キュレートは、パティキュレートトラップ4の目の回り
に付着して捕集される。このような捕集が進行すると、
パティキュレートは徐々に堆積してパティキュレートト
ラップ4の目の大きさを減少されるために、パティキュ
レートトラップ4におけるパティキュレート捕集率は徐
々に増加する。
【0020】しかしながら、前述のようにパティキュレ
ートトラップ4を排気ガスが逆流すると、パティキュレ
ートトラップにおけるパティキュレートの堆積が崩れる
ために、良好にパティキュレートを捕集することができ
ない。また、排気脈動もまた、パティキュレートトラッ
プにおけるパティキュレートの堆積を崩す要因である。
従って、本実施形態においては、通常時において、各開
閉弁は開弁されており、各連通路6によって各排気ポー
ト3のパティキュレートトラップ4上流側部分が互いに
連通されているために、前述のような排気ガスの逆流は
発生せず、また、排気脈動も緩和され、各パティキュレ
ートトラップ4において良好なパティキュレートの捕集
が実現される。
【0021】こうして、各パティキュレートトラップ4
に捕集されたパティキュレートは、機関高負荷高速運転
時等に排気ガスが高温となれば焼失して各パティキュレ
ートトラップ4の再生が完了する。しかしながら、機関
高負荷高速運転が頻繁に行われる保証はなく、次回の機
関高負荷高速運転までに各パティキュレートトラップ4
には比較的多量のパティキュレートが捕集される可能性
がある。
【0022】もし、比較的多量のパティキュレートが捕
集されていると、焼失時には多量の熱を発生しパティキ
ュレートトラップ4を溶損させる可能性があるために、
本実施形態の排気浄化装置では、所定期間毎に各開閉弁
6aを一時的に閉弁させ、前述の排気逆流及び排気脈動
を積極的に利用することによって、パティキュレートの
堆積を崩し、各パティキュレートトラップ4のパティキ
ュレート捕集率を低下させるようになっている。それに
より、崩されたパティキュレートは、パティキュレート
トラップ4の下流側に排出される。
【0023】もちろん、所定期間毎の開閉弁6aの閉弁
に際して、その直前に機関高負荷高速運転が行われてい
れば、高温の排気ガスによる焼失によってパティキュレ
ートトラップ4にはパティキュレートがほとんど堆積し
ておらず、パティキュレートトラップ4の下流側へパテ
ィキュレートが排出されることはない。
【0024】前述の所定期間は、この期間では各パティ
キュレートトラップ4に比較的多量のパティキュレート
が捕集されないように設定されている。こうして、この
所定期間の直前に排気ガスによるパティキュレートの焼
失が発生しても、その燃焼熱ではパティキュレートトラ
ップ4は溶損しないようになっている。
【0025】本実施形態の排気浄化装置は、前述の第一
圧力センサ7a及び第二圧力センサ7bを有しているた
めに、パティキュレートトラップ4の直上流側部分と直
下流側部分との間の差圧を検出し、この差圧に基づいて
各パティキュレートトラップ4に捕集されているパティ
キュレート量を把握することができる。それにより、所
定期間毎に各開閉弁6aを閉弁しなくても、各パティキ
ュレートトラップ4に捕集されたパティキュレートが比
較的多量となる以前の所定値となった時にだけ各開閉弁
6aを開弁するようにしても良い。それにより、各開閉
弁6aを閉弁する機会が減少し、すなわち、パティキュ
レートをパティキュレートトラップ4の下流側に排出す
る機会を減少させることができる。
【0026】開閉弁を閉弁して発生させる排気逆流及び
排気脈動は、排気ガス量が多いほど強いものとなる。前
述した排気再循環は、機関排気系から流出した量の排気
ガスが再び機関排気系に戻されるだけであるために、排
気逆流及び排気脈動の強さにあまり影響を与えず、堆積
するパティキュレートを良好に崩すように排気逆流及び
排気脈動を強くするためには、大気中へ放出される排気
ガス量、すなわち、新気量を増加することが好ましい。
それにより、本実施形態では、各開閉弁6aを閉弁する
際に制御弁5aによって排気再循環通路5を閉鎖し、排
気再循環を中止するようになっている。本実施形態で
は、排気再循環通路5は、各パティキュレートトラップ
4の下流側に位置する排気集合部に接続されているが、
もちろん、機関排気系におけるの各パティキュレートト
ラップ4の上流側に接続されている場合にも、排気逆流
及び排気脈動を強くするために、各開閉弁6aの閉弁時
に排気再循環を中止することは有効である。
【0027】また、前述したような開閉弁6aの閉弁時
期Tとなった時に、各開閉弁6aを瞬間的に閉弁する
と、図2に点線で示すように、各パティキュレートトラ
ップ4の捕集されているパティキュレートがほぼ一斉に
排出されることになり、排気ガスが黒煙状態となる。こ
れを防止するために、図2に実線で示すように、全開状
態の各開閉弁6aを、先ず半開状態にして弱い排気逆流
及び排気脈動を発生させ、その後全閉状態として強い排
気逆流及び排気脈動を発生させれば、各パティキュレー
トトラップ4に捕集されたパティキュレートを二段階に
別けて排出することができ、排気ガスが黒煙状態となる
ことはない。
【0028】もちろん、各開閉弁6aの閉弁を、半開状
態を介する二段階以外でも、三段階又は四段階等の多段
階、又は無段階とすれば、すなわち、各開閉弁6aを徐
々に閉弁すれば、各パティキュレートトラップ4に捕集
されたパティキュレートは徐々に排出され、排気ガスの
黒煙状態を防止することができる。
【0029】また、開閉弁6aの閉弁時期Tにおいて、
図3に実線で示すように、全開状態の各開閉弁6aを、
例えば、図1において左側の開閉弁6aから順次全閉状
態とするようにしても良い。それにより、先ず、最も左
側のパティキュレートトラップ4において排気逆流及び
排気脈動を発生させ、このパティキュレートトラップ4
に捕集されたパティキュレートを排出させる。次いで、
その右側に隣接するパティキュレートトラップ4におい
ても排気逆流及び排気脈動を発生させ、このパティキュ
レートトラップ4に捕集されたパティキュレートを排出
させる。最後に右側の二つのパティキュレートトラップ
4においても排気逆流及び排気脈動を発生させ、これら
のパティキュレートトラップ4に捕集されたパティキュ
レートを排出させる。こうして、各パティキュレートト
ラップ4に捕集されたパティキュレートがほぼ一斉に排
出されて排気ガスが黒煙状態となることを防止すること
ができる。
【0030】もちろん、全ての開閉弁6aを左側から順
次全閉状態としなくても、少なくとも一つの排気ポート
3を他の排気ポート3から遮断するための開閉弁6aを
他の開閉弁6aより先に閉弁するようにすれば、先ず、
少なくとも一つの排気ポート3において排気逆流及び排
気脈動が発生し、この排気ポート3内のパティキュレー
トトラップ4に捕集されているパティキュレートだけが
排出されるために、各パティキュレートトラップ4に捕
集されているパティキュレートが一斉に排出されて排気
ガスが黒煙状態となることは防止される。
【0031】本実施形態において、各連通路6は、各排
気ポート3を隣接する排気ポート3へ連通するものであ
るが、これは、本発明を限定するものではなく、各連通
路6は、各パティキュレートトラップ4の排気上流側に
おいて、各排気ポート3を少なくとも一つの他の排気ポ
ート6へ連通するものであれば良い。
【0032】図4は、本発明による第二実施形態の排気
浄化装置が取り付けられた機関排気系の断面図である。
第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本
実施形態では、比較的大きな容積を有する排気容積部1
0が設けられている。各排気ポート3は、各パティキュ
レートトラップ4の排気上流側において、各連通路6’
を介して排気容積部10へ連通されている。
【0033】各連通路6’には開閉弁6aが配置され、
各開閉弁6aは第一実施形態と同様に制御される。この
ような構成によって、各開閉弁6aの閉弁時は、第一実
施形態と変わりないが、各開閉弁6aの開弁時において
は、排気容積部10を介して各排気ポート3のパティキ
ュレートトラップ4の上流側が互いに連通しているため
に、行程間での各排気ポート3のパティキュレートトラ
ップ4の上流側における圧力変化が小さくなり、前述の
排気逆流及び排気脈動がさらに起き難くなり、各パティ
キュレートトラップ4におけるパティキュレートの捕集
が良好なものとなる。
【0034】ところで、内燃機関の燃焼において、燃料
だけでなく気筒内へ侵入したエンジンオイルも燃焼する
ために、その成分であるカルシウム及びリン等の酸化物
及び硫化物等が生成される。通常、パティキュレートは
これらを成分として有している。カルシウム又はリンの
酸化物又は硫化物は非常に燃焼し難く、パティキュレー
ト焼失の際に、アッシュとしてパティキュレートトラッ
プに残留して堆積し、排気抵抗を増加させる。従って、
このようなアッシュもパティキュレートトラップから排
出する必要がある。
【0035】前述の二つの実施形態においては、パティ
キュレートトラップに残留するアッシュは、パティキュ
レートの排出時において、パティキュレートと共に崩さ
れてパティキュレートトラップから排出されるために、
アッシュがパティキュレートトラップに堆積することは
ない。
【0036】アッシュは、石膏と同様な成分であるため
に、生成されて暫くすると、排気ガス中の水分によって
パティキュレートトラップに強固に固着する可能性があ
る。それにより、固着する以前にアッシュを排出するた
めに、機関高負荷高速運転が実施されてパティキュレー
トトラップ上のパティキュレートが焼失した直後、すな
わち、アッシュが生成された直後に、各開閉弁6aを閉
弁し、パティキュレートと同様に、アッシュをパティキ
ュレートトラップから排出するようにしても良い。
【0037】
【発明の効果】このように、本発明による内燃機関の排
気浄化装置によれば、機関排気系における排気集合部と
各気筒とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置され
たパティキュレートトラップと、各パティキュレートト
ラップの排気上流側において、各排気ポートを少なくと
も一つの他の排気ポートと連通させるための連通路と、
各連通路に配置された常時開の開閉弁とを具備し、所定
期間毎又は把握手段により把握されるパティキュレート
捕集量が所定値以上の時に、各開閉弁を一時的に閉弁す
るために、連通路によって緩和されていた排気逆流及び
排気脈動が発生するようになり、パティキュレートが焼
失していない場合には、各パティキュレートトラップに
おけるパティキュレートの堆積が崩されて、パティキュ
レートは各パティキュレートトラップの下流側に排出さ
れる。こうして、このような簡単な構成によって、各パ
ティキュレートトラップには、比較的多量のパティキュ
レートが捕集されることは確実に防止され、このパティ
キュレートの多量の燃焼熱によってパティキュレートト
ラップが溶損することはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第一実施形態の排気浄化装置が取
り付けられた機関排気系の断面図である。
【図2】各開閉弁の一つの制御を示すタイムチャートで
ある。
【図3】各開閉弁のもう一つの制御を示すタイムチャー
トである。
【図4】本発明による第二実施形態の排気浄化装置が取
り付けられた機関排気系の断面図である。
【符号の説明】
2…排気集合部 3…排気ポート 4…パティキュレートトラップ 5…排気再循環通路 6,6’…連通路 6a…開閉弁 10…排気容積部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−99610(JP,A) 特開 平9−268910(JP,A) 特開 昭58−101210(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/02 F01N 7/08 F01N 7/10

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機関排気系における排気集合部と各気筒
    とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置されたパテ
    ィキュレートトラップと、各前記パティキュレートトラ
    ップの排気上流側において、各前記排気ポートを少なく
    とも一つの他の前記排気ポートと連通させるための連通
    路と、各前記連通路に配置された常時開の開閉弁とを具
    備し、所定期間毎に各前記開閉弁を一時的に閉弁するこ
    とを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 機関排気系における排気集合部と各気筒
    とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置されたパテ
    ィキュレートトラップと、各前記パティキュレートトラ
    ップの排気上流側において、各前記排気ポートを少なく
    とも一つの他の前記排気ポートと連通させるための連通
    路と、各前記連通路に配置された常時開の開閉弁と、前
    記パティキュレートトラップのパティキュレート捕集量
    を把握する把握手段とを具備し、前記把握手段により把
    握されるパティキュレート捕集量が所定値以上の時に各
    前記開閉弁を一時的に閉弁することを特徴とする内燃機
    関の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 各前記開閉弁は徐々に閉弁されることを
    特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化
    装置。
  4. 【請求項4】 少なくとも一つの前記排気ポートを他の
    前記排気ポートから遮断するための前記開閉弁を他の前
    記開閉弁より先に閉弁することを特徴とする請求項1か
    ら3のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 前記機関排気系と機関吸気系とを連通す
    る排気再循環通路を具備し、少なくとも一つの前記開閉
    弁が閉弁されている時には前記排気再循環通路を閉鎖す
    ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の
    内燃機関の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 機関排気系における排気集合部と各気筒
    とを連通する各排気ポートのそれぞれに配置されたパテ
    ィキュレートトラップと、排気容積部と、各前記排気ポ
    ートにおける前記パティキュレートトラップの排気上流
    側と前記排気容積部とを連通する連通路と、各前記連通
    路に配置された常時開の開閉弁とを具備し、所定期間毎
    に各前記開閉弁を一時的に閉弁することを特徴とする内
    燃機関の排気浄化装置。
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