JP3971366B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが検討されている。

つまり、パティキュレートフィルタより上流側で燃料を添加すれば、その添加された燃料がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

尚、この種のパティキュレートフィルタの強制再生を図る方法に関しては、下記の特許文献１や特許文献２にもとりあげられている。
特開２００３−１５５９１４号公報 特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、前述した如き再生制御を実施するに際し、例えば、夜間の住宅街等でアイドリング停車しているような状態で再生制御が自動的に実行されてしまうと、エンジンの騒音が急激に大きくなって近隣住民に迷惑をかけてしまう虞れがあった。

即ち、アイドリング状態での排気ガスの温度及び流量は大幅に低下しているため、メイン噴射の一回当たりの噴射量を増加することで通常のアイドリング時より回転数を上げ、これによりエネルギー投入量を増やして排気ガスの温度及び流量を再生制御に適したレベルまで引き上げる制御を加える必要があり、このようなアイドリング回転数の上昇がエンジン騒音の増大を招いてしまっていた。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、アイドリング時におけるパティキュレートフィルタの再生制御を運転者の意思で任意に解除し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを介装し、該パティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備え、捕集済みパティキュレートを燃焼除去してパティキュレートフィルタを再生する必要が生じた際に前記燃料添加手段に燃料添加を行わしめ且つアイドリング状態での燃料添加時に限りアイドリング回転数を通常より上昇せしめる再生制御を実行し得るようにした排気浄化装置であって、アイドリング時に限りパティキュレートフィルタの再生制御を手動操作により任意に解除し得るよう手動解除手段を備え、しかも、その手動解除手段としてアイドリング回転数を手動で調整するためのアイドルボリュームを採用したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、アイドリング停車中のエンジン騒音を大きくしたくない状況下で再生制御が自動的に実行されてしまっても、運転者が自分の意思で手動解除手段を手動操作すれば、既に開始されてしまった再生制御が解除され、この再生制御により高められていたアイドリング回転数が通常の回転数に戻され、エンジン騒音の増大が運転者の意志により回避されることになる。

特に本発明においては、アイドリング回転数を手動で調整するためのアイドルボリュームを手動解除手段として採用しているので、キャブ内でアイドルボリュームを摘んでオートアイドル位置からマニュアルアイドル範囲に回転させるだけで容易に再生制御を解除することが可能となる。

更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、エンジンの燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を行い得るように構成することが可能である。

また、アイドリング状態での燃料添加時に各気筒へのメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射が追加されるように構成しても良く、このようにすれば、アフタ噴射による燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することによりエンジンの熱効率が下がり、動力燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の上昇が図られることになる。

更に、エンジンからの排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を備え、該排気絞り手段をアイドリング状態での燃料添加時に閉作動させるように構成することも可能である。

このようにすれば、前述したエンジン側におけるアイドリング回転数の上昇やアフタ噴射の追加に併せて排気絞り手段により排気流量が絞り込まれる結果、その上流側の排気ガスが昇温されることで排気温度が上昇されると共に、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガスの残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、アイドリング停車中のエンジン騒音を大きくしたくない状況下で再生制御が自動的に実行されてしまっても、運転者が自分の意思でアイドルボリュームを手動操作して再生制御を解除することができるので、この再生制御により高められていたアイドリング回転数を通常の回転数に戻してエンジン騒音の増大を回避することができ、周辺環境への騒音が及ぼす影響を大幅に抑制することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、図１に示す如く、自動車のディーゼルエンジン１（エンジン）から排気マニホールド２を介して排出された排気ガス３が流通している排気管４のマフラ５内に、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ６を収容させた場合を例示しており、該パティキュレートフィルタ６を抱持するフィルタケース７がマフラ５の外筒を成すようになっている。

即ち、このフィルタケース７の内部には、図２に拡大して示す如きパティキュレートフィルタ６が収容されており、このパティキュレートフィルタ６は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路６ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路６ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路６ａを区画する多孔質薄壁６ｂを透過した排気ガス３のみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、フィルタケース７の入口側に圧力センサ８が装備され、該圧力センサ８の圧力信号８ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置９に対し入力されるようになっており、この制御装置９においては、圧力センサ８からの圧力信号８ａに基づきパティキュレートフィルタ６の入口側と出口側との圧力差（出口側の圧力損失は予め初期設定されている）が正常範囲内にあるか否が判断され、その圧力差が正常範囲を超えた場合に、パティキュレートフィルタ６が過捕集状態に陥ったものと判定するようになっている。

また、この制御装置９は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１１（負荷センサ）からのアクセル開度信号１１ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１２からの回転数信号１２ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１０に向け燃料噴射信号１０ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１０は、各気筒毎に装備される複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１０ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

他方、前記制御装置９では、アクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１０ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ６の再生制御を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うような噴射パターンの燃料噴射信号１０ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ６表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ６内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。

ただし、再生モードに切り替わった際に車両がアイドリング状態にある時は、通常のアイドリング時より回転数を上げるべく圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われていたメイン噴射の一回当たりの噴射量を増加するようにもなっている。

つまり、アイドリング停車時にパティキュレートフィルタ６の再生制御を行う場合には、排気ガス３の温度及び流量が低すぎて良好にパティキュレートの燃焼除去を行うことが難しいため、メイン噴射の一回当たりの噴射量を増加することで通常のアイドリング時より回転数を上げ、これによりエネルギー投入量を増やして排気ガス３の温度及び流量を再生制御に適したレベルまで引き上げるようにしてある。

更に、このようなディーゼルエンジン１の回転数を上昇させる制御に加えて、必要に応じメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行わしめるようにしても良く、このようにメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射が行われると、該アフタ噴射の燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することによりディーゼルエンジン１の熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の更なる上昇を図ることが可能となる。

また、パティキュレートフィルタ６より上流側の適宜位置には、排気管４の流路を適宜な開度に絞り込む開度調整可能な排気ブレーキ１３が装備されており、該排気ブレーキ１３は、制御装置９からの開度指令信号１３ａにより開度制御されるようになっているが、本形態例においては、制御装置９にて再生モードが選択された際に、排気ブレーキ１３に対し本来の作動から独立した別の作動を指令し、後述する如き排気温度を上げるための排気絞り手段として排気ブレーキ１３を活用できるようにしてある。

特に図１中には図示していないが、先に説明したアクセルセンサ１１，回転センサ１２のほか、ギヤ位置がニュートラルポジションにあることを検出するニュートラルスイッチ、サイドブレーキが引かれていることを検出するサイドブレーキスイッチ、車速を検出する車速センサの夫々からの検出信号も制御装置９に入力されるようになっており、これらの検出信号に基づき車両がアイドリング状態にあるか否かが前記制御装置９にて判定されるようになっている。

即ち、前記制御装置９においては、回転センサ１２により比較的低い所定の回転数域であることが確認され、アクセルセンサ１１によりアクセルオフ（負荷が零）が確認され、ニュートラルスイッチによりギヤ位置がニュートラルポジションにあることが確認され、サイドブレーキスイッチによりサイドブレーキが引かれていることが確認され、車速センサにより車速が零であることが確認された時に現在の運転状態がアイドリング状態にあると判定するようになっている。

尚、アイドリング状態の判定にあたっては、これらのセンサ類やスイッチ類からの信号を必ずしも全て必要とするわけではなく、少なくとも回転センサ１２と、アクセルセンサ１１，ニュートラルスイッチ，サイドブレーキスイッチ，車速センサの何れかとの組み合わせによりアイドリング判定手段を構成することが可能であり、また、より確実な判定を行う目的でクラッチ信号等の更なる別の信号を考慮するようにしても良い。

そして、以上に述べた如きパティキュレートフィルタ６の再生制御を実行し得るようにした排気浄化装置に関し、本形態例においては、暖機運転時等にアイドリング回転数を手動で調整するためのアイドルボリューム１４（スロットルボタン）がキャブ内のインストルメントパネルに装備されており、該アイドルボリューム１４からの操作信号１４ａが制御装置９に入力されてアイドリング回転数の手動調整が実現されるようになっているが、前記アイドルボリューム１４からの操作信号１４ａは、アイドリング状態における再生制御の実行中に限りパティキュレートフィルタ６の再生制御を解除するトリガ信号として制御装置９に入力されるようになっている。

より具体的に述べれば、制御装置９にて車両がアイドリング状態にあることが判定され且つ再生モードが選択されている場合に限り、アイドルボリューム１４からの操作信号１４ａが、該アイドルボリューム１４の手動操作の有無を判断する材料として制御装置９内で扱われるようになっており、前記アイドルボリューム１４がオートアイドル位置からマニュアルアイドル範囲に回転された時に手動操作が行われたものと判断されるようになっている。

要するに、アイドリング状態における再生制御の実行中にあっては、アイドルボリューム１４が本来の役割から独立してアイドリング時の再生制御を任意に解除するための手動解除手段としての役割を果たすようになっている。

尚、図３はアイドルボリューム１４の一例を示すもので、この図示の状態でアイドルボリューム１４がオートアイドル位置（適正回転数に自動調整される位置）にあるとすれば、ここからアイドルボリューム１４を矢印Ａの時計方向に回転した際にアイドリング回転数が適正回転数から下がり、矢印Ｂの反時計方向に回転した際にアイドリング回転数が適正回転数から上がるようになっていて、これらのオートアイドル位置から外れた回転領域がマニュアルアイドル範囲ということになる。

而して、アイドリング状態で停車している時に、制御装置９で圧力センサ８からの圧力信号８ａに基づきパティキュレートフィルタ６が過捕集状態に陥ったものと判定され、制御装置９による燃料噴射装置１０の制御が通常モードから再生モードに切り替えられると、制御装置９から再生モードの燃料噴射信号１０ａが出力されるので、これを受けた燃料噴射装置１０によりメイン噴射の一回当たりの噴射量が増加されて回転数が上げられ、これにより各気筒へのエネルギー投入量が増えて排気温度の上昇が図られ、しかも、アフタ噴射が追加されている場合には、該アフタ噴射による燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することでディーゼルエンジン１の熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の更なる上昇が図られることになる。

また、特に本形態例では、排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段として排気ブレーキ１３を併用しているので、前述したディーゼルエンジン１側における回転数の上昇やアフタ噴射の追加に合わせて排気ブレーキ１３で排気流量が絞り込まれ、その上流側の排気ガス３が昇温されることで排気温度が上昇されると共に、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス３の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス３を多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。

そして、このようにパティキュレートフィルタ６の上流側で排気ガス３が昇温された状態において、メイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングでポスト噴射が行われると、排気ガス３中に未燃の燃料が添加されて該燃料がパティキュレートフィルタ６表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ６内のパティキュレートが燃焼除去され、パティキュレートフィルタ６の強制再生が行われることになる。

ただし、斯かる再生制御がアイドリング停車中のエンジン騒音を大きくしたくない状況下で自動的に実行されてしまった場合には、運転者がキャブ内でインストルメントパネルのアイドルボリューム１４を摘んでオートアイドル位置からマニュアルアイドル範囲に回転させれば良く、このようにすれば、既に開始されてしまった再生制御が解除され、この再生制御により高められていたアイドリング回転数が通常の回転数に戻され、エンジン騒音の増大が運転者の意志により回避されることになる。

ここで、アイドルボリューム１４の手動操作により再生制御が解除されている期間は、例えば、その再生制御を中断したアイドリング停車一回限りとしたり、パティキュレートフィルタ６内のパティキュレートがすっかり焼き尽くされて再生が完了したと制御装置９で判定されるまでの期間としたりすることが可能であるが、アイドルボリューム１４をオートアイドル位置に手動操作で戻すことで再生制御が再開されるようにしても良い。

尚、このアイドルボリューム１４の手動操作による再生制御の解除は、アイドリング時に限り限定的に効くものであり、車両が走行を開始した場合には、温度条件等を加味しつつ適宜に再生制御が再開されることになる。

従って、上記形態例によれば、アイドリング停車中のエンジン騒音を大きくしたくない状況下で再生制御が自動的に実行されてしまっても、運転者が自分の意思でアイドルボリューム１４を手動操作して再生制御を解除することができるので、この再生制御により高められていたアイドリング回転数を通常の回転数に戻してエンジン騒音の増大を回避することができ、周辺環境への騒音が及ぼす影響を大幅に抑制することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、また、排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段には必ずしも排気ブレーキを利用しなくても良く、排気管の途中に排気絞り弁を別途配設するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。 図１のアイドルボリュームの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
３ 排気ガス
４ 排気管
６ パティキュレートフィルタ
９ 制御装置
１０ 燃料噴射装置（燃料添加手段）
１３ 排気ブレーキ（排気絞り手段）
１４ アイドルボリューム（手動解除手段）

Claims (4)

1. 排気管途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを介装し、該パティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備え、捕集済みパティキュレートを燃焼除去してパティキュレートフィルタを再生する必要が生じた際に前記燃料添加手段に燃料添加を行わしめ且つアイドリング状態での燃料添加時に限りアイドリング回転数を通常より上昇せしめる再生制御を実行し得るようにした排気浄化装置であって、アイドリング時に限りパティキュレートフィルタの再生制御を手動操作により任意に解除し得るよう手動解除手段を備え、しかも、その手動解除手段としてアイドリング回転数を手動で調整するためのアイドルボリュームを採用したことを特徴とする排気浄化装置。
2. エンジンの燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を行い得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. アイドリング状態での燃料添加時に各気筒へのメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射が追加されるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. エンジンからの排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を備え、該排気絞り手段をアイドリング状態での燃料添加時に閉作動させるように構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。

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