JP3580563B2

JP3580563B2 - 内燃機関の排気ガス微粒子浄化装置

Info

Publication number: JP3580563B2
Application number: JP31714692A
Authority: JP
Inventors: 昭和小島; 稲垣　　光夫; 新二三好; 文明有川; 隆之竹内
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JPH06159040A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス中に含まれている微粒子（パティキュレート）を分離捕集して排気ガスを浄化するフィルタを備えた排気ガス微粒子浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばディーゼル機関の排気ガス中には、カーボン粒子等の可燃性の微粒子（パティキュレート）が多く含まれているので、ディーゼル機関の排気系にはこのパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと呼ぶ）が装着されている。
【０００３】
このフィルタは、例えばセラミック材料に代表されるように耐熱性があって、しかも多孔質で通気性のある材料から形成されている。機関の運転時間の経過に伴ってフィルタの内部に堆積するパティキュレートの量が増えると、通気抵抗が次第に増大して機関の出力低下を招くため、パティキュレートと捕集量に応じて定期的にフィルタの再生処理を行う必要がある。
【０００４】
再生処理は堆積したパティキュレートを加熱手段によって着火温度（約６５０℃）以上の高温まで高め、パティキュレートに着火させ、且つ燃焼させることによって開始される。この加熱手段としては電気ヒータや軽油バーナ等が考えられているが、図６としてフィルタ２０に電気ヒータ２１を装着した例を示す。フィルタ２０にはバイパス通路９が設けられ、再生処理時には図示のように切換弁３によって排気ガスの全量がバイパス通路９に流され、その代わりに再生処理用の空気が空気ポンプ１２によってフィルタ２０の一端側から供給される（この例の場合は捕集時の排気ガスの流れと同じ方向に供給される）。そして、フィルタ２０における再生用空気の流れの上流端面に沿って配設するか、或いは端面の内部に埋設した電気ヒータ２１に通電することによって、フィルタ２０に堆積したパティキュレートを空気の流れの上流側から加熱して着火させ、空気ポンプ１２から供給される空気によって燃焼させて焼却する。
【０００５】
ところで、本発明者らが行なった実験によると微粒子堆積量と燃焼ピーク温度との間には強い相関があり、堆積量が多いほど燃焼ピーク温度は高くなることがわかった。図３はフィルタを再生処理する直前の温度（以後「フィルタ予熱温度」と称する）が室温程度の場合の、微粒子堆積量と燃焼時のピーク温度と再生率との関係を調べたもので、コーディエライト製で、容積が２ｌのフィルタを使用した例を示したものである。この結果、フィルタにクラック等の熱損傷を起こさないようにするためにはピーク温度を９００℃程度以下に抑える必要があり、そのためにはフィルターにおけるパティキュレートの堆積量を７（ｇ／ｌ）程度以下に抑えなければならないことが判った。一方、再生率（堆積した微粒子をどれだけ燃焼除去したか）も微粒子堆積量と強い相関があり、堆積量が多いほど再生率は高くなる。再生処理時燃え残りがあるとフィルタの圧損が高い状態が長く続くため燃費や出力の上で不利であるばかりか、次回の再生処理時に、その燃え残りの影響が大きくなり、再生ミスや異常高温を起こす可能性が高いため、燃え残りはできる限り少なくすることが、好ましく、即ち再生率はできる限り高い方が良い。従って再生処理を行う微粒子の堆積量は９００℃以下で高再生率を得るために７（ｇ／ｌ）程度とする必要がある。
【０００６】
しかしながら、実際の車輌の走行では高速道路や山岳路、といったエンジンの高回転、高負荷条件から逆に市街地での渋滞などの低回転、低負荷条件まで巾広い運転条件が想定されるため、排気ガス温度が大きく変動し、従って、フィルタの予熱温度も、５０℃〜７００℃程度まで大巾にばらつくことがあることを前提としなければならちない。そこでこの予熱温度がフィルタの再生処理にどの程度影響するのかを調査した結果を図４に示す。即ち、微粒子堆積量を７（ｇ／ｌ）と一定にした状態で予熱温度を横軸にとり縦軸の燃焼ピーク温度についてみると、室温程度では約９００℃であるが、予熱温度を上げていくと、それにつれて燃焼ピーク温度は上昇し、フィルタにクラック等の熱損傷が発生する温度を超えてしまうことが判明した。
【０００７】
即ち、再生処理時の目標とするパティキュレートの堆積量としては、想定される最も低い予熱温度で高い再生率が得られる量に設定しておく必要があるが、実際の車輌の走行では予熱温度の変動巾が大きく、かなり予熱温度の高くなる場合もある。この様な状態で再生処理を行うと、発熱量が過剰となり前述の様にフィルタにクラック等の熱損傷を起こしてしまう。例えば、目標とするパティキュレートの堆積量よりも少しだけ少ない堆積量の状態で高回転、高負荷の運転条件となり、高い予熱温度のまま堆積が進み、そのまま再生処理時期となってしまった場合などが、これに相当する。
【０００８】
この対策としては、予熱温度が高い時には再生処理用エア等を用いて熱損傷を起こさない温度にまで冷却してから再生処理を行えば良いが、冷却処理の間も微粒子を含んだ排ガスがバイパスされることになり、その分、エミッションが悪化してしまうという欠点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来技術における問題点に鑑み、フィルタの予熱温度が変動しても異常高温や再生ミスを起こすことなく、常に良好な再生処理を行い得る、排気ガス微粒子浄化装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの行なった実験によると、微粒子堆積量と予熱温度を変えた場合、前記燃焼ピーク温度が９００℃以下で重量再生率（堆積した微粒子のうち何重量％の微粒子が燃焼除去されたかを示す値）が７０％以上の良好な再生が得られる範囲は、図５に示す斜線で表わされる範囲内様に存在することが判った。即ち、言い換えれば再生処理時のパティキュレートの目標堆積量（例えば７（ｇ／ｌ）程度）よりも少ない堆積量でも予熱温度が高ければ良好な再生処理を行えることになる。
【００１１】
従って、本発明では上記知見に基づき前記の課題を解決するための手段として、内燃機関の排気系に設けられて排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、前記フィルタの再生時における再生用ガスの流動方向の上流側の前記フィルタ端面或いはその近傍に設けられた加熱手段と、前記フィルタの内部若しくはその端面近傍に設けられた前記フィルタの温度を測定する為の測温手段と、前記フィルタの微粒子堆積量を検出する為の堆積量検出手段と、前記測温手段の検出するフィルタを再生処理する直前の温度であるフィルタ予熱温度と前記堆積量検出手段により検出される微粒子堆積量に基づいて、燃焼ピーク温度が所定値以下で重量再生率が所定値以上の良好な再生処理操作を実行しえる最適条件の範囲にあると判断されたときに、フィルタの再生処理操作の開始を決定する制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気ガス微粒子浄化装置を提供する。
【００１２】
【作用】
本発明においては前記フィルタの前後差圧から微粒子の堆積量を推測するとともに、フィルタ内部もしくは再生用ガスの流動方向からみてフィルタの上流側或いは下流側のフィルタの端面もしくはその近傍に設けた測温手段により、フィルタの予熱温度を検出する。これらの信号から良好な再生処理を行い得る条件にあるか否かを判定し、良好な再生処理を行うための領域にあると判断された時には再生操作を実施するものである。
【００１３】
即ち、再生処理に移行するための目標となるパティキュレート即ち微粒子の堆積量というものは特に持たず、その時、その時の堆積量で予熱温度が、良好な再生処理を成し得る範囲となった時に再生処理を行うもので、常に良好な再生領域での再生処理となるため前述の様なフィルターの熱損傷を回避することができる。
【００１４】
さらに、条件によっては少ない堆積量で再生処理を行うため、目標となるパティキュレートの堆積量に到達するまで待ってから再生処理を行う、従来の方法よりもフィルタの圧力損失が低く内燃機関の出力低下を抑える可能性も期待できる。
【００１５】
【実施例】
図１に、本発明の第１実施例であるディーゼルエンジン用の排気ガス微粒子浄化装置１の関連する諸装置を含む全体構成が概念的に示されている。図１の左方にある図示しないディーゼルエンジンから導出される排気管２は、切換弁３を介してフィルタ容器４に接続される。フィルタ容器４は略円筒形のものであるが、その両端に排気ガス或いは空気の入口部又は出口部となる円錐形の空間５及び６の部分を備えており、排気管２は空間５に接続される。そして空間６は切換弁７を介して末端の排気管８に接続され、図示しない他の排気ガス浄化装置や消音器等を経て大気に開放される。
【００１６】
排気管２と排気管８との間には、それらを直接に連通させ得るバイパス通路９が設けられており、切換弁７がフィルタ容器４の空間６又はバイパス通路９のいずれか一方を選択的に排気管８へ接続するように作動する。また、切換弁３から分岐する別の排気管１０が外気に開放しており、この排気管１０は、切換弁３によって排気管２とフィルタ容器４の空間５との間が遮断されたときに、空間５を外気に連通するようになっている。更に、フィルタ容器４の空間６には空気供給管１１によって空気ポンプ１２が接続されている。１３は本発明に言う制御手段としての、例えば電子式の制御装置であって、切換弁３を作動させるアクチュエータ１４、切換弁７を作動させるアクチュエータ１５、更に、空気ポンプ１２の駆動を制御する空気流量制御装置１６、及び、後述のように本発明の特徴である再生時期を決定したのちフィルターを加熱するためのリレー１７等に制御信号を送るものである。
【００１７】
排気ガス微粒子浄化装置１のフィルタ容器４内には、排気ガス中に含まれているパティキュレート（微粒子）を捕集するための多孔質のセラミック材からなるハニカム構造のフィルタ２０が、適当な緩衝材或いは断熱材を介して固定されており、その空間６側の端面には、パティキュレートを加熱して着火させる加熱手段としての電気ヒータ２１が取り付けられている。電気ヒータ２１は前述のように制御装置１３によって操作されるリレー１７によって通電制御される。
【００１８】
電気ヒータ２１が設けられた空間６の側とは反対の、フィルタ２０の再生処理の際に下流側となる空間５の側には測温手段としての温度センサ２２が設けられ、その先端がフィルタ２０の内部に挿入されてフィルタ２０の内部の温度を検出し、その信号を電子式制御装置１３に入力するようになっている。なお、温度センサ２２の検出端をフィルタ２０の内部に挿入して設置することが困難な場合には、フィルタ２０内部の温度と対応して変化する温度を示す部分であってフィルタ２０の端面の一部の近傍に設置してもよい。
【００１９】
フィルタ２０に堆積したパティキュレートの量を測定してフィルタ２０の再生処理を行う時期を決定するために、この実施例ではフィルタ２０の前後差圧を検出する差圧計２３を設けて、その圧力導入管２４，２５をフィルタ容器４の空間５及び空間６へ接続している。差圧計２３の検出した差圧信号ΔＰは、導線によって電子式制御装置１３に入力される。
【００２０】
更に、このΔＰの補正を行う為の吸入空気量やエンジン回転数の信号も前記制御装置１３に入力されている。
フィルタ２０は、例えば、直径が１４０ｍｍで長さが１３０ｍｍの円柱形で、容積が２リットルの大きさを有し、従来のフィルタと同様にコーディエライトセラミックスよりなるハニカム構造を有するものである。フィルタ２０の軸方向に多数設けれらた細孔は、栓２６によって前端又は後端が閉塞されて貫通しておらず、それによって多数のセル２７を形成している。この場合、空間５の側にある開口に栓２６がなくて空間５に開放していると共に、空間６の側が栓２６によって閉塞されているセル２７を第１のセル群２７ａと呼び、それとは逆に、空間５の側が栓２６によって閉塞されていると共に、空間６の側の栓２６がなくてそれに開放しているセル２７を第２のセル群２７ｂと呼ぶことにする。このように第１のセル群２７ａは空間５に開放し、且つ第２のセル群２７ｂは空間６に開放しているので、空間５と空間６との間はセル２７相互間の多孔質の壁２８によって仕切られている。
【００２１】
排気ガス微粒子浄化装置１の排気管２がディーゼル機関に接続されて、その排気ガス中に含まれているパティキュレートを捕集する普通の運転状態では、切換弁３及び７は図１に示された位置と反対に切り換えられており、バイパス通路９は切換弁７によって、また、別の排気管１０は切換弁３によって閉塞されているので、排気管２を通った排気ガスは全部フィルタ容器４内に導かれ、その気体部分はフィルタ２０の第１のセル群２７ａと第２のセル群２７ｂとの間を隔てる多孔質の隔壁を透過し、空間６で合流して排気管８を経て外気中に放出される。排気ガスの気体部分がフィルタ２０を透過する際に、排気ガス中に含まれていた微細な固体粒子であるパティキュレートはセル群間の隔壁によって透過を阻まれ、主として第１のセル群２７ａ内に捕集されて堆積する。
【００２２】
フィルタ２０によって捕集されたパティキュレートの堆積量が増すとそれに伴って差圧計２３によって検出されるフィルタ前後の差圧ΔＰが増加するが、ΔＰの値からフィルタに堆積したパティキュレートの量を知ることができる。
一方、フィルタ２０に設けられた温度センサ２２からの信号より、フィルタの予熱温度を検出する。そして図５に示すような予め設定された、前記堆積量と予熱温度との関係から良好な再生処理を行い得る範囲に入いったと判断された場合に上記の再生処理を行うものである。
【００２３】
即ち、図２に示す様に、フィルタ前後の差圧ΔＰにより検出された堆積量がｍｐで、その堆積量で良好に再生処理を行い得るフィルタ予熱温度がＴ_Ｇ１〜Ｔ_Ｇ２であったとすると、例えば高回転・高負荷運転に移行して、フィルタ内温度が徐々に上昇し、放っておくとＴｐまで達するが、その前にＴ_Ｇ１〜Ｔ_Ｇ２の間の温度になったら、再生処理を行うというものである。
【００２４】
再生を行うとき、制御装置１３はアクチュエータ１４及び１５に制御信号を出力して、切換弁３及び７を図１に示した通りの位置に切り換える。それによって機関から排出される排気ガスは排気管２からバイパス通路９を通って直接に排気管８に導かれ、そのまま外気中に放出される。
【００２５】
制御装置１３は、通電制御手段であるリレー１７にも制御信号を出力し、図示しないバッテリーから電気ヒータ２１へ通電が開始される。更に僅かな時間をおいて空気流量制御装置１６にも制御信号が出力され、それによって空気ポンプ１２が駆動されて、空気のような再生用のガスを図１の矢印のように供給する。なお、図１に示した第１実施例では、フィルタ２０の再生時の流れが通常のパティキュレート捕集時の排気ガスの流れる方向に対して逆になっているが、この場合でも電気ヒータ２１は空気の流れに乗せて、熱を流れの上流側からフィルタ２０に堆積したパティキュレートに供給することができる。
【００２６】
電気ヒータ２１の熱を受けたパティキュレートは、再生時の流れの上流側から順次に着火温度である６５０℃に到達し、着火して燃焼する。その燃焼熱は更に流れの下流側に堆積しているパティキュレートを加熱して着火を助ける。燃焼ガスは別の排気管１０を通って外気中に放出され、このようにしてフィルタ２０内に堆積していたパティキュレートが次第に焼却されて消滅する。
【００２７】
本実施例ではフィルタに堆積したパティキュレート量の推定をフィルタの前後の差圧ΔＰにより行なっているが、エンジン回転数の積算値や燃料消費量、或いはそれらの組み合せ等を用いて推定してもよいことは言うまでもない。
また再生処理を実施する条件としては図５の曲線Ａに示す様な良好な再生を行い得る範囲の中間程度に位置するラインにすれば前記堆積量の検出誤差が多少あっても良好に再生処理を行うことが可能である。
【００２８】
次に本具体例における再生処理の手順を図９を用いて説明する。まずステップ１（Ｓ１）にて図１に示すバルブ３，７を図示の位置とは逆の位置、即ち排ガスがフィルタ２０に流入する様に設定して捕集を行う。この時、ステップ２（Ｓ２）において時々刻々のパティキュレート堆積量ｍｐをフィルタの前後差圧検出手段２３により検出した値より計算により求めるとともに、ステップ３（Ｓ３）で測温手段２２で検出されるフィルタ温度Ｔが、図５に示す様な良好な再生処理を行い得るための予熱温度Ｔ_Ｇ１〜Ｔ_Ｇ２の間に入いっているか判定し、入いっていなければつまりＮＯの場合には▲１▼に戻り捕集を続け、入いっていればつまりＹＥＳであればステップ４（Ｓ４）に進み再生操作のためにバルブ３，７を切替えて図１の状態とし、排ガス全量をバイパスする。そしてステップ５（Ｓ５）においてヒータ２１に通電するとともにステップ６（Ｓ６）でエアポンプにＯＮして燃焼に必要なエアを供給する。次にステップ７（Ｓ７）において予め決められたヒータ通電時間が経過したかどうかが判断されＹＥＳであれば、ステップ８（Ｓ８）に進んでヒータを停止し、ＮＯであれば次のステップ９（Ｓ９）に進む。またステップ９（Ｓ９）では再生処理が終了したかどうかを、例えば時間等により判定して、ＮＯの場合は▲２▼に戻り、ＹＥＳの場合、即ち再生処理が終了した場合には、ステップ１０（Ｓ１０）に進んでエアポンプ１２を停止し、捕集操作即ちＳＴＡＲＴに戻る。
【００２９】
図７は本発明になる第２の実施例を示す排気ガス微粒子浄化装置１ａで、再生処理中の微粒子を含んだ排気ガスの外部への排出を防ぐためにフィルタ２０Ａと２０Ｂを並列に設置したもので、各々のフィルタには測温手段２２Ａ，２２Ｂ、ヒータ２１Ａ，２１Ｂが設けられている。またフィルタの上流側にはそれぞれ流路開閉バルブ３Ａ，３Ｂが設置され、両フィルタに再生用エアを供給するためのエアポンプ１２が設けてある。このような構成において、最初、図示する様にバルブ３Ａのみ開いてフィルタ２０Ａのみで捕集を行なうが、第１実施例と同様にパティキュレートの堆積量がｍ_Ａとなった時に測温手段２２Ａで検出されるフィルタ２０Ａの予熱温度が堆積量ｍ_Ａの時に良好な再生処理を行い得る温度Ｔ_Ｇ３〜Ｔ_Ｇ４の間になった場合にはバルブ３Ｂを開いてバルブ３Ａを閉じ、ヒータ２１Ａに通電するとともにエアポンプ１２から再生処理に必要なエアを供給する。この時、排気ガス全量はフィルタ２０Ｂに導入され、フィルタ２０Ｂによる捕集が開始されている。以後、同様にフィルタ２０Ｂの堆積量がｍ_Ｂとなりフィルタ予熱温度が良好な再生処理を行い得る温度Ｔ_Ｇ５〜Ｔ_Ｇ６となった場合には、バルブ３Ａを開き、バルブ３Ｂを閉じてフィルタ２０Ｂの再生処理を行う、という一連の動作を繰り返す。この作動の様子を図８に示す。まずフィルタ２０Ａのみで捕集を行い、時間ｔ_Ａ後に堆積量がｍ_Ａでフィルタ予熱温度がＴ_Ｇ３〜Ｔ_Ｇ４の間となったら、フィルタ２０Ｂで捕集を開始するとともにフィルタ２０Ａの再生処理を行う。その後、フィルタ２０Ｂでの捕集が進み時間ｔ_Ｂ後に堆積量がｍ_Ｂでフィルタ予熱温度がＴ_Ｇ５〜Ｔ_Ｇ６の間となったら再びフィルタ２０Ａで捕集を開始するとともにフィルタ２０Ｂの再生処理を行う。以下同様の作動を繰り返す。
【００３０】
ここでフィルタ１回で捕集を行うため当然２個の場合よりも圧損は高くなるため出力ダウンが懸念されるが、運転時のフィーリング悪化を特に感じるのは坂道等を高速で登ったりする高回転・高負荷条件の場合であり、この様な条件ではフィルタ予熱温度が高くなるため少ないパティキュレート堆積量で再生処理が行われる可能性が高く、従って、パティキュレートの堆積がなく、圧損の低いフィルタで捕集することになるので、フィーリングの悪化は少ないか、むしろある程度捕集された２個のフィルタで捕集している場合よりも良好な運転フィーリングとなることもある。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的多いパティキュレート堆積量でフィルタ予熱温度が高い時に再生処理すると発生するクラック等の熱損傷を防ぎ、良好な再生処理を行うことができる。さらに比較的少ない堆積量で再生処理した場合にはエンジンの出力低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の一部断面を含む全体構成図である。
【図２】本実施例における作動を具体的に例示するグラフである。
【図３】パティキュレートの堆積量に対する燃焼ピーク温度、再生率の測定結果を示すグラフである。
【図４】予熱温度に対する燃焼ピーク温度、再生率の測定結果を示すグラフである。
【図５】パティキュレートの堆積量、予熱温度に対して良好な再生処理を行い得る範囲を例示したグラフである。
【図６】従来の排気ガス微粒子浄化装置を例示する断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例の一部断面を含む全体構成図である。
【図８】第２実施例における作動を具体的に例示する線図である。
【図９】図９は本発明における、パティキュレート捕集と再生処理操作の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１，１ａ…排気ガス微粒子浄化装置
２，８…排気管
３，７…切換弁
４…フィルタ容器
９…バイパス通路
１２…空気ポンプ
１３…制御手段（電子式制御装置）
１４，１５…アクチュエータ
１６…空気流量制御装置
１７…通電量制御手段（リレー、電圧調整器）
２０…フィルタ
２１…電気ヒータ
２２…測温手段（温度センサ）
２３…差圧計
２６…栓
２７…セル
２８…多孔質の壁

Claims

内燃機関の排気系に設けられて排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、
前記フィルタの再生時における再生用ガスの流動方向の上流側の前記フィルタ端面或いはその近傍に設けられた加熱手段と、
前記フィルタの内部若しくはその端面近傍に設けられた前記フィルタの温度を測定する為の測温手段と、
前記フィルタの微粒子堆積量を検出する為の堆積量検出手段と、
前記測温手段の検出するフィルタを再生処理する直前の温度であるフィルタ予熱温度と前記堆積量検出手段により検出される微粒子堆積量に基づいて、燃焼ピーク温度が所定値以下で重量再生率が所定値以上の良好な再生処理操作を実行しえる最適条件の範囲にあると判断されたときに、フィルタの再生処理操作の開始を決定する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気ガス微粒子浄化装置。
前記フィルタが複数個独立して、前記排気系に対して並列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス微粒子浄化装置。
前記制御手段は、前記フィルタ予熱温度と前記微粒子堆積量とから、前記良好な再生処理操作を実行しえる最適条件の範囲を予め設定したデータが格納されてい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ガス微粒子浄化装置。