JP3456348B2 - ディーゼル機関の排気浄化装置 - Google Patents

ディーゼル機関の排気浄化装置

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    • Y10S55/30—Exhaust treatment

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼル機関の
排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル機関の排気ガス中にはカーボ
ンを主成分とする排気微粒子（パティキュレート）が比
較的多く含まれており、これが環境汚染を引き起こすた
めに排気ガスを大気に放出する以前に除去されることが
好ましく、そのために、ディーゼル機関の排気通路内に
はパティキュレートを捕集するためのフィルタが配置さ
れている。
【０００３】ディーゼル機関の使用に伴いフィルタにお
けるパティキュレート捕集量が増加すると排気抵抗が増
大して機関性能を低下させるために、捕集されたパティ
キュレートは定期的に燃焼させられ、フィルタが再生さ
れるようになっている。
【０００４】ディーゼル機関の燃焼に際して、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、前述のフィルタ再生に
おいて、アッシュとしてフィルタ内に残留し、堆積して
排気抵抗を増加させる。
【０００５】特開平４−３１６１３号公報には、フィル
タからアッシュを除去するために、排気通路の排気ガス
再循環通路における分岐部より上流側から分岐してフィ
ルタをバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス
通路に常時閉の第１閉鎖弁を配置し、排気通路における
排気ガス再循環通路の分岐部とバイパス通路の分岐部と
の間に常時開の第２閉鎖弁を配置する排気処理装置が開
示されている。
【０００６】この排気処理装置において、通常時は、排
気ガスは排気通路を通過し、フィルタによりパティキュ
レートが捕集され、排気ガス温度が高まると捕集された
パティキュレートが燃焼してフィルタの再生が実現され
る。一方、フィルタの再生に伴いアッシュがフィルタ内
に残留してくると、第１閉鎖弁は開弁されると共に第２
閉鎖弁は閉弁され、それにより、排気ガスは、バイパス
通路を介して排気通路におけるフィルタの下流側に達
し、この時、排気通路におけるフィルタの上流側には、
排気ガス再循環通路を介して吸気系の負圧が作用してお
り、フィルタを通過する排気ガスの逆流が発生する。こ
の排気処理装置は、この排気ガスの逆流によってアッシ
ュをフィルタから除去することを意図している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術によっ
てフィルタからアッシュを除去することができる。しか
しながら、この従来技術は、二つの閉鎖弁及びそれらの
駆動装置が必要であり、かなりのコストアップがもたら
されるだけでなく、機関排気系が複雑化する。
【０００８】従って、本発明の目的は、従来より簡単に
パティキュレート捕集用フィルタからアッシュを除去可
能なディーゼル機関の排気浄化装置を提供することであ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、排気通路に配
置された衝突捕集型のパティキュレート捕集用のフィル
タと、前記排気通路における前記フィルタの上流側又は
下流側の圧力を可変とする圧力可変手段と、前記フィル
タに捕集されたパティキュレートを燃焼させる前記フィ
ルタの再生が完了したことを判断する再生完了判断手段
と、前記再生完了判断手段により前記フィルタの再生が
完了したと判断された時に、前記圧力可変手段によって
前記排気通路における前記フィルタの上流側又は下流側
の圧力を急激に変化させて前記フィルタから排気ガスを
逆流させることなく前記下流側へアッシュを排出させる
圧力変化手段、とを具備し、前記圧力可変手段は、前記
排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス再循環通路に
配置された制御弁、前記排気通路に接続されたターボチ
ャージャのタービンをバイパスするバイパス通路に配置
された制御弁、又は、前記排気通路に接続された前記フ
ィルタをバイパスするバイパス通路に配置された制御弁
であり、前記圧力変化手段は、前記圧力可変手段とした
前記制御弁の全開及び全閉を繰り返すことを特徴とす
る。
【００１０】
【００１１】
【００１２】本発明による請求項２に記載のディーゼル
機関の排気浄化装置は、請求項１に記載のディーゼル機
関の排気浄化装置において、前記圧力変化手段は、前記
圧力可変手段によって前記排気通路における前記フィル
タの上流側の圧力を急激に増加させるか、又は下流側の
圧力を急激に減少させることを特徴とする。
【００１３】
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による第１実施形
態の排気浄化装置が取り付けられたディーゼル機関の概
略図である。同図において、１は例えば四気筒のディー
ゼル機関、２は分岐部を有して各気筒へ吸気を供給する
ための吸気通路、３は合流部を有して各気筒からの排気
を大気中に放出するための排気通路である。４は、吸気
通路２の分岐部上流側と排気通路３の合流部下流側とを
連通する排気ガス再循環通路である。
【００１５】このように、吸気通路２と排気通路３とが
機関本体近傍において排気ガス再循環通路４により連通
されていると、吸気通路２内と排気通路３内の差圧によ
って排気ガスが気筒内へ再循環される。排気ガスの主成
分は不活性ガスであるために、不活性ガスの有する大き
な熱容量によって燃焼温度が低下し、ＮＯx の発生量を
低減することができる。排気ガス再循環通路４には、再
循環させる排気ガス量を制御するための第１制御弁４ａ
が配置されている。
【００１６】排気通路３の合流部より上流側には、各気
筒毎に排気ガス中のパティキュレートを捕集するための
フィルタ５が配置されている。また、排気通路３の排気
ガス再循環通路４の接続部より下流側には、ターボチャ
ージャのタービン６が配置されていると共に、このター
ビン６をバイパスするバイパス通路７が接続されてい
る。このバイパス通路７は、一般的にウエストゲート通
路と呼ばれ、第２制御弁７ａが配置されている。第２制
御弁７ａによってバイパス通路７を通過させる排気ガス
量を制御することにより、タービン６の過回転を防止す
るようになっている。
【００１７】２０は、第１制御弁４ａ及び第２制御弁７
ａの開度制御を担当する制御装置であり、機関負荷とし
てアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダ
ルストロークセンサ２１、及び機関回転数を検出する回
転センサ２２等が接続されている。
【００１８】フィルタ５は、セラミックフォーム、メタ
ルフォーム、セラミックファイバ、メタル不織布、又は
無機材料繊維等からなる衝突捕集型フィルタである。こ
のような衝突捕集型フィルタは、図２に示すように、パ
ティキュレートに比較してかなり大きな目５ａを有して
おり、当初、フィルタ壁面５ｂに衝突するパティキュレ
ートだけを捕集するものである。捕集が進行すると、図
２（Ａ）に示すように、パティキュレートは、フィルタ
５の目５ａを小さくするように堆積し、捕集能力が向上
する。衝突捕集型フィルタは、パティキュレート捕集量
が少ない時には、捕集能力があまり高くないが、その
分、排気抵抗が小さく、また、フィルタの目詰まりが発
生し難く、実用的なものである。
【００１９】各フィルタ５に捕集されたパティキュレー
トは排気ガスの熱によって燃焼され、パティキュレート
によりフィルタ５の目５ａが完全に塞がれることない。
本実施形態においては、各フィルタ５は機関本体近傍に
配置されているために、排気ガスの熱をパティキュレー
トの燃焼に有効に利用することができる。
【００２０】このようなパティキュレートの燃焼によっ
て、パティキュレート中の可燃成分はフィルタ５から除
去されるが、パティキュレートの成分として含まれるカ
ルシウム又はリンの酸化物又は硫化物等は、燃焼せずに
アッシュとしてフィルタに堆積する。
【００２１】アッシュは、パティキュレート同様にフィ
ルタ５の目５ａを小さくするように堆積し、ついにはフ
ィルタ５の目５ａを完全に閉塞させ、著しく排気抵抗を
増加させるために機関出力を大幅に減少させる。これを
防止するために、フィルタ５に堆積するアッシュをフィ
ルタ５から除去することが必要であり、本実施形態で
は、図３に示すフローチャートに従って制御装置２０に
よりアッシュ除去を実現するようになっている。
【００２２】まず、ステップ１０１において、アクセル
ペダルストロークセンサ２１及び回転センサ２２により
検出される現在の機関負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づ
き、本フローチャートの実行間隔における各気筒からの
パティキュレート排出量Ｅと、各気筒から排出される排
気ガス温度Ｔとを、それぞれマップ等を使用して把握す
る。次に、ステップ１０２において、前回において算出
された各フィルタ５のパティキュレート捕集量Ａに基づ
き図４に示す第１マップを使用して現在のパティキュレ
ート捕集率Ｋを決定する。本実施形態で使用される衝突
捕集型フィルタ５は、前述したように、パティキュレー
ト捕集量が多くなるほど、パティキュレートを捕集し易
くなり、すなわち、パティキュレート捕集率が増加する
ものである。
【００２３】次に、ステップ１０３において、パティキ
ュレート排出量Ｅにパティキュレート捕集率Ｋが乗算さ
れ、今回における各フィルタ５への新たなパティキュレ
ート捕集量Ａ１が算出され、ステップ１０４に進む。ス
テップ１０４では、現在の排気ガス温度Ｔに基づき本フ
ローチャートの実行間隔における各フィルタでのパティ
キュレート燃焼量Ａ２を図５に示す第２マップを使用し
て決定する。パティキュレート燃焼量Ａ２は、排気ガス
温度Ｔが所定温度Ｔ１以下である時にはゼロであるが、
その後は、排気ガス温度Ｔが高いほど多くなる。
【００２４】次に、ステップ１０５に進み、各フィルタ
５の現在におけるパティキュレート捕集量Ａを、前回の
パティキュレート捕集量Ａにステップ１０３において算
出された新たなパティキュレート捕集量Ａ１が加算さ
れ、ステップ１０４において決定したパティキュレート
燃焼量Ａ２が減算されて算出される。機関高速運転時
は、パティキュレート燃焼量Ａ２が大きくなるために、
機関高速運転が持続すると、計算上はパティキュレート
捕集量Ａがゼロ未満となる。それにより、次回以降の計
算が不正確となるために、ステップ１０６において、算
出されたパティキュレート捕集量Ａがゼロ未満であるか
否かが判断され、この判断が肯定される時にはステップ
１０７においてパティキュレート捕集量Ａをゼロとして
る。
【００２５】次に、ステップ１０８に進み、算出された
パティキュレート捕集量Ａが所定量Ａ０以下であるか否
かが判断される。この判断が否定される時には、そのま
ま終了する。一方、ステップ１０８における判断が肯定
される時には、ステップ１０９に進み、アクセルペダル
ストロークセンサ２１及び回転センサ２２の出力に基づ
き現在の機関運転が減速時であるか否かが判断される。
この判断が否定される時には、そのまま終了する。一
方、ステップ１０９における判断が肯定される時には、
ステップ１１０に進み、第１制御弁が全閉から全開さ
れ、再び全閉され、これが数回繰り返される。
【００２６】通常運転においては、フィルタへの新たな
パティキュレート捕集量Ａ１がフィルタでのパティキュ
レート燃焼量Ａ２を上回り、フィルタのパティキュレー
ト捕集量Ａが徐々に増加する。しかしながら、機関回転
数がある程度高くなると、この関係が逆転し、フィルタ
のパティキュレート捕集量Ａが徐々に減少して所定量Ａ
０以下となる。こうして、ステップ１０８における判断
が肯定される。この時、フィルタには主にアッシュだけ
が堆積しており、ステップ１１０において、第１制御弁
４ａが開閉されると、排気通路３の各フィルタ５下流側
の圧力が急激に変化して各フィルタ５を通過する排気ガ
ス流量が急激に変化し、現在のフィルタ上流側と下流側
との圧力差及び現在の排気ガス流量に対してバランスし
て堆積しているアッシュは、圧力差及び流量の急激な変
化によりこのバランスが崩れて容易にフィルタから剥離
し、図２（Ｂ）に示すように、フィルタの目を通過して
下流側に排出される。この現象は、アッシュに限らず捕
集されたパティキュレートでも発生する衝突捕集型フィ
ルタにおけるブローオフ現象と呼ばれるものであり、通
常の機関運転状態におけるフィルタ上流側と下流側との
圧力差及びフィルタを通過する排気ガス流量のゆるやか
な変化では発生しないものである。
【００２７】本実施形態では、このブローオフ現象をア
ッシュの除去に積極的に利用するものであるが、パティ
キュレートのブローオフは好ましくないために、フィル
タのパティキュレート捕集量Ａが、所定量Ａ０以下、す
なわち、非常に少なくなった時にブローオフを発生させ
るようになっている。また、ブローオフ発生のために第
１制御弁４ａを開閉することは、機関回転数がある程度
高くなった後に必ず訪れる機関減速時に実施されるよう
になっている。これは、第１制御弁４ａを開閉させる
と、他の機関運転状態では再循環排気ガス量が変化して
燃焼に影響を与えるのに対して、減速時はフューエルカ
ットにより燃焼が行われておらず、再循環排気ガス量を
変化させても何ら影響がないためである。
【００２８】排気ガス再循環は、通常、機関減速時にお
いて中止され、それにより、第１制御弁４ａは全閉され
ている。従って、本実施形態では、複数回のブローオフ
を発生させてフィルタに堆積するアッシュを全て排出さ
せるために、第１制御弁４ａを全開させ、再び全閉さ
せ、これを数回繰り返すようになっている。しかしなが
ら、これは本発明を限定するものではなく、一回のブロ
ーオフでもフィルタに堆積するアッシュをかなり低減す
ることが可能であり、アッシュによるフィルタの目詰ま
りを防止することができる。
【００２９】衝突捕集型フィルタにおけるブローオフ
は、前述したように、排気通路３におけるフィルタ５の
上流側と下流側との圧力差を急激に変化させることによ
って発生するが、この圧力差を急激に大きくする時に発
生し易い。それにより、本実施形態のように、排気通路
３における各フィルタ５の下流側に接続された排気ガス
再循環通路４の第１制御弁を全閉から全開させ、フィル
タ５下流側の圧力を急激に減少させることは非常にブロ
ーオフを発生させやすい。もちろん、第１制御弁４ａを
次に全開から全閉にする時には、フィルタ下流側の圧力
が急激に上昇することになり、ブローオフを発生させる
ことができる。また、単一のフィルタが排気通路の合流
部下流側に配置され、排気ガス再循環通路がフィルタの
上流側に接続されている場合においても制御弁を開閉す
ることでフィルタ上流側の圧力を急激に減少及び増加さ
せることができ、フィルタの上流側と下流側との圧力差
が急激に変化してブローオフを発生させることができ
る。
【００３０】本実施形態において、ブローオフを発生さ
せるために、排気ガス再循環通路４の第１制御弁４ａに
代えて、ターボチャージャのタービン６をバイパスする
バイパス通路７の第２制御弁７ａを開閉するようにして
も良い。第２制御弁７ａは、排気ガス量が多い時に開弁
されてタービン６の過回転を防止するものである。従っ
て、機関減速時には、第２制御弁７ａは全閉されてい
る。この時、第２制御弁７ａを全開すれば、排気ガスは
バイパス通路７を通過して排気抵抗となるタービンを通
過せず、排気通路３におけるフィルタ下流側の圧力が急
激に減少し、また、第２制御弁７ａを再び全閉すれば、
排気ガスはタービンを通過して排気通路３におけるフィ
ルタ下流側の圧力が急激に増加し、いずれもフィルタ上
流側と下流側との圧力差を急激に変化させることにな
り、ブローオフを発生させることができる。
【００３１】図６は、本発明による第２実施形態の排気
浄化装置が取り付けられたディーゼル機関の概略図であ
る。本実施形態では、単一のフィルタ５’が排気通路
３’の集合部下流側に配置されている。また、排気通路
３’には、フィルタ５’をバイパスするバイパス通路８
が接続され、このバイパス通路８には第３制御弁８ａが
配置されている。
【００３２】このように構成された排気浄化装置におい
て、前述のフローチャートと同様に制御装置２０’によ
り現在におけるフィルタ５’のパティキュレート捕集量
Ａを算出して、この捕集量Ａが所定量Ａ０以下となった
時には、フィルタ５’からブローオフによってアッシュ
を除去するために、第３制御弁８ａを全閉から全開し、
再び全閉し、これを数回繰り返すようになっている。
【００３３】第３制御弁８ａを全開することにより、排
気通路３’のフィルタ上流側の圧力が急激に減少し、ま
た、第３制御弁８ａを再び全閉することにより、排気通
路３’のフィルタ上流側の圧力が急激に増加し、いずれ
もフィルタ上流側と下流側との圧力差を急激に変化させ
ることになり、ブローオフを発生させることができる。
【００３４】本実施形態においても、少なくとも一回だ
けブローオフを発生させれば、フィルタに堆積するアッ
シュをかなり低減することが可能であり、アッシュによ
るフィルタの目詰まりを防止することができる。
【００３５】第１実施形態におけるタービン６のバイパ
ス通路７及び本実施形態におけるバイパス通路８は、い
ずれも排気通路３の対応部分（タービン６又はフィルタ
５’が配置されている部分）より小さな排気抵抗を有す
るものである。それにより、このようなバイパス通路で
あれば、それに配置された制御弁を開弁することによ
り、排気ガスをバイパス通路を通過させ、バイパス通路
の接続位置に応じて、フィルタの上流側又は下流側の圧
力を急激に減少させることができ、また、再び閉弁する
ことにより、排気ガスを再び排気通路３の対応部分を通
過させ、減少させた圧力を再び増加させることが可能と
なり、フィルタにおけるブローオフを発生させることが
できる。
【００３６】第２実施形態のバイパス通路８のように、
排気ガスがバイパス通路を通過しても特に運転性能に影
響がないならば、第１実施形態のように、機関減速時を
待って制御弁を開閉する必要はなく、パティキュレート
捕集量が所定量以下となれば、直ぐにブローオフを発生
させることができる。
【００３７】
【発明の効果】このように、本発明による請求項１に記
載のディーゼル機関の排気浄化装置によれば、排気通路
に配置された衝突捕集型のパティキュレート捕集用のフ
ィルタと、排気通路におけるフィルタの上流側又は下流
側の圧力を可変とする圧力可変手段と、フィルタに捕集
されたパティキュレートを燃焼させるフィルタの再生が
完了したことを判断する再生完了判断手段とを具備し、
再生完了判断手段によりフィルタの再生が完了したと判
断された時には、圧力変化手段が、圧力可変手段によっ
て排気通路におけるフィルタの上流側又は下流側の圧力
を急激に変化させるために、衝突捕集型フィルタではブ
ローオフが発生し、排気ガスを逆流させることなく、フ
ィルタに堆積するパティキュレート及びアッシュはフィ
ルタの下流側へ排出されるが、この時にはパティキュレ
ートは燃焼されており、こうしてアッシュのみを非常に
簡単にフィルタから除去することができる。また、圧力
可変手段は、一般的にディーゼル機関に設けられている
排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス再循環通路に
配置された制御弁、ターボチャージャのタービンをバイ
パスするバイパス通路に配置された制御弁、又は、フィ
ルタをバイパスするバイパス通路に配置された制御弁で
あり、圧力可変手段を新たに設ける必要はなく、また、
圧力変化手段は、圧力可変手段とした制御弁の全開及び
全閉を繰り返すようになっており、制御弁の全開及び全
閉の繰り返しによって複数回のブローオフを発生させ、
ほぼ全てのアッシュをフィルタから除去することができ
る。
【００３８】
【００３９】
【００４０】また、本発明による請求項２に記載のディ
ーゼル機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の
ディーゼル機関の排気浄化装置において、圧力変化手段
は、圧力可変手段によって排気通路におけるフィルタの
上流側の圧力を急激に増加させるか、又は下流側の圧力
を急激に減少させるために、フィルタの上流側と下流側
との圧力差が大きくなり、ブローオフを確実に発生させ
ることができる。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施形態の排気浄化装置が取
り付けられたディーゼル機関の概略図である。
【図２】衝突捕集型フィルタの構造を説明するための図
であり、（Ａ）はパティキュレート捕集時、（Ｂ）はア
ッシュ除去時を示している。
【図３】アッシュ除去のための第１制御弁の制御を示す
フローチャートである。
【図４】図３のフローチャートに使用されるパティキュ
レート捕集率決定のための第１マップである。
【図５】図３のフローチャートに使用されるパティキュ
レート燃焼量決定のための第２マップである。
【図６】本発明による第２実施形態の排気浄化装置が取
り付けられたディーゼル機関の概略図である。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関 ２…吸気通路 ３，３’…排気通路 ４…排気ガス再循環通路 ４ａ…第１制御弁 ５，５’…フィルタ ６…タービン ７…バイパス通路 ７ａ…第２制御弁 ８…バイパス通路 ８ａ…第３制御弁 ２０，２０’…制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 37/12 ＺＡＢ Ｆ０２Ｂ 37/12 ＺＡＢ 37/18 Ｆ０２Ｍ 25/07 ５８０Ｆ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５８０ ＺＡＢ ＺＡＢ Ｆ０２Ｂ 37/12 ３０１Ｆ (56)参考文献 特開 平９−29040（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−63038（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−31613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−222517（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−77718（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−158348（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/02 B01D 46/42 - 46/48 F02B 37/12 - 37/18 F02M 25/07

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気通路に配置された衝突捕集型のパテ
    ィキュレート捕集用のフィルタと、前記排気通路におけ
    る前記フィルタの上流側又は下流側の圧力を可変とする
    圧力可変手段と、前記フィルタに捕集されたパティキュ
    レートを燃焼させる前記フィルタの再生が完了したこと
    を判断する再生完了判断手段と、前記再生完了判断手段
    により前記フィルタの再生が完了したと判断された時
    に、前記圧力可変手段によって前記排気通路における前
    記フィルタの上流側又は下流側の圧力を急激に変化させ
    て前記フィルタから排気ガスを逆流させることなく前記
    下流側へアッシュを排出させる圧力変化手段、とを具備
    し、前記圧力可変手段は、前記排気通路と吸気通路とを
    連通する排気ガス再循環通路に配置された制御弁、前記
    排気通路に接続されたターボチャージャのタービンをバ
    イパスするバイパス通路に配置された制御弁、又は、前
    記排気通路に接続された前記フィルタをバイパスするバ
    イパス通路に配置された制御弁であり、前記圧力変化手
    段は、前記圧力可変手段とした前記制御弁の全開及び全
    閉を繰り返すことを特徴とするディーゼル機関の排気浄
    化装置。
  2. 【請求項２】 前記圧力変化手段は、前記圧力可変手段
    によって前記排気通路における前記フィルタの上流側の
    圧力を急激に増加させるか、又は下流側の圧力を急激に
    減少させることを特徴とする請求項１に記載のディーゼ
    ル機関の排気浄化装置。
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