JP4147893B2

JP4147893B2 - 排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造

Info

Publication number: JP4147893B2
Application number: JP2002305368A
Authority: JP
Inventors: 敏信下高; 一行赤木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004138014A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両への搭載レイアウトに関し、車体構造の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートと称される微粒子が含まれており、これを除去する排気微粒子除去装置が排気通路に備えられることがある。この除去装置は、時間経過と共に排気微粒子の堆積量が増加して目詰まりを起こすので、適宜その対策がとられる。
【０００３】
目詰まりを解消して排気微粒子除去装置を再生するため、従来、ヒータやバーナ等で堆積した排気微粒子を燃焼除去する方式（例えば、特許文献１参照）がとられていたが、この方式はコスト高を招いたり急激な温度上昇によって除去装置に備えられたフィルタ部材にクラックを誘起するおそれがある等の理由から、最近では、エンジン制御と触媒とを利用した再生方式が検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
この方式は、エンジンの排気系の上流側に酸化触媒装置を配置し、その下流側に排気微粒子除去装置を配置した構成において、目詰まりを検出したときに、エンジン制御によって未燃成分を触媒装置に供給し、この未燃成分を触媒装置によって排気通路内で燃焼させることにより、高温とされた排気ガスで除去装置に堆積した排気微粒子を燃焼させるものである。
【０００５】
一方、ディーゼルエンジンを搭載した車両においては、排気通路に排気ブレーキ用シャッタバルブが設けられることがあり、このシャッタバルブを利用して、排気微粒子除去装置の再生を行うものがある（例えば、特許文献３参照）。つまり、目詰まりを検出したときに、シャッタバルブで排気通路を絞れば、強制的にエンジン負荷を増加することになり、その結果噴射燃料の増加ひいては燃焼熱の増加をもたらすことができ、高温とされた排気ガスによって除去装置の再生が可能となる。
【０００６】
なお、排気通路に触媒装置と排気ブレーキ用シャッタバルブとを配置し、さらにこのシャッタバルブの下流側に球面軸受等からなるフレキシブル管継手を設けることがある（例えば、特許文献４参照）。こうすることにより、上流側排気管の振動の下流側排気管への伝達が抑制された上で、シャッタバルブを閉じてこれよりも上流側の排気管内の排気ガス圧力を高めることができ、もって触媒装置の活性低下が防止されるようになる。しかもその場合、下流側のフレキシブル管継手の部位では排気ガス圧力は上昇しないから、この部位における排気ガス漏れが阻止される。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２９９０９５６号公報（第３頁）
【特許文献２】
特公平５−３４４８６号公報（第２頁、第１図）
【特許文献３】
実開平３−４７４１１号公報（第１頁、第１図）
【特許文献４】
登録実用新案第２５８４７３４号公報（第２頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したようなエンジン制御により酸化触媒装置を活用して排気微粒子除去装置を再生する方式の場合、排気ガスの温度を有効に利用することができる排気系のレイアウトが非常に重要である。ついては、車両設計上の理由等により、触媒装置をエンジンに近接配置することはできるものの除去装置を車体フロア下方にしか配置することができない場合には、触媒装置と除去装置とが離間されることになり、このような除去装置では、効率的に再生させるための排気ガス温度の確保が問題となる。
【０００９】
加えて、エンジンから排気微粒子除去装置に至る排気系は比較的長大化することになるため、振動対策の観点からこの間における応力集中を抑制する排気系の支持構造の実現も問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、以上の現状に鑑み、各構成要素の適切な配置によって排気微粒子除去装置における効率のよい再生を実現し、かつ耐振性に優れた排気系の車両搭載構造を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。
【００１２】
まず、請求項１に記載の発明は、排気通路の上流部にエンジン側に支持された酸化触媒装置を配置し、その下流側に車体フロア下方で該車体に支持されて排気中の微粒子を除去する排気微粒子除去装置を配置すると共に、該除去装置の再生時に未燃ガスの排出量を増大させる制御を行うディーゼルエンジンの排気系の車両搭載構造において、上記触媒装置と除去装置との間にエンジン冷間時に排気通路を絞る暖機促進用のシャッタバルブが配置され、かつ該シャッタバルブと除去装置との間に摺動シール面を有するフレキシブル管継手が配置されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、酸化触媒装置における酸化反応による発熱を排気微粒子除去装置の再生に利用するような配置において暖機促進用のシャッタバルブに着目し、このシャッタバルブを触媒装置と除去装置との間に介在させたから、シャッタバルブの作動によって触媒装置の暖機を促進することが可能となる。その結果、除去装置に供給する排気ガス温度を高くすることができ、もって除去装置における効率のよい再生が実現される。
【００１４】
このシャッタバルブは上記特許文献３、４に記載の排気ブレーキ用のものとは異なり、エンジン冷間時に排気通路を絞ってエンジンの暖機性向上や室内暖房性を図るものである。すなわち、エンジン冷間時にシャッタバルブを絞ることにより、排気ガス温度の上昇が促進されると共にその上流に配置された触媒装置の暖機が促進され、冷間始動時から再生開始までの時間が短い場合でも、触媒装置の機能を充分に発揮させることができ、かつ、再生時の未燃ガスの素通りによる大気中への放出を抑制することができる。
【００１５】
また、シャッタバルブと車体に支持された除去装置とを摺動シール面を有する形式のフレキシブル管継手を介して連結している。これにより、比較的重量物である除去装置を車体に支持することで排気系の振動のみならず除去装置の振動自体も抑制しつつ、この除去装置が振動したとしても、また、エンジンのローリング振動が生じたとしても連結部位に応力集中は生じにくくなり、耐振性に優れたレイアウトが実現される。しかも、シャッタバルブの下流側にフレキシブル管継手を配置したことにより、シャッタバルブを閉じてこれより上流側の排気管内の排気ガス圧力が上昇しても、フレキシブル管継手の部位における排気ガス漏れは阻止される。
【００１６】
次に、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造において、酸化触媒装置から排気微粒子除去装置に至る排気通路の全部または一部を保温構造としたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、排気ガスは良好に保温されるから、酸化触媒装置から離間して排気微粒子除去装置を配置しても、効率のよい再生が実現される。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、上記請求項１または請求項２に記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造において、排気微粒子除去装置は、酸化触媒がコーティングされたフィルタ部材を用いていることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、排気微粒子除去装置ではより低温域においても良好な排気微粒子の燃焼が可能となるから、酸化触媒装置から離間して除去装置を配置しても、効率のよい再生が実現される。しかも、排気ガス温度を高温に維持するための未燃ガスの排出量を低減することが可能となるから、燃料消費の抑制が図られる。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、上記請求項１から請求項３のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造において、排気微粒子除去装置は、ケース内に弾性部材を介してフィルタ部材を保持すると共に、該ケースの外側を断熱部材で被覆した構造であることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、ケースとフィルタ部材との間に弾性部材を介在させたから、フィルタ部材がセラミックス材料からなる場合、外方からの衝撃や振動に対して良好に保護される。
【００２２】
そして、ケース内方は断熱部材によって良好に保温されるから、一層効率のよい再生が実現される。
【００２３】
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項１から請求項４のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造において、排気通路における排気微粒子除去装置の下流側にフレキシブル管継手が配置され、さらにその下流側に消音装置が配置されて車体に支持されていることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、排気微粒子除去装置より下流側も振動を抑制し、かつ、応力集中部位の発生を抑制した支持ないし連結構造とされ、ここに、エンジンから消音装置に至る長大かつ耐振性に優れた排気系が完成される。
【００２５】
そして、請求項６に記載の発明は、上記請求項１から請求項５のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造において、エンジンは燃料直接噴射式ディーゼルエンジンであることを特徴とする。
【００２６】
一般に、燃料直接噴射式ディーゼルエンジンでは他方式に比較して排気ガス温度が低いため、排気微粒子除去装置を再生しにくいが、この発明によれば、この方式のディーゼルエンジンであっても効率のよい再生が実現される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
まず、本実施の形態に係る排気微粒子除去装置を備えた排気系の車体搭載構造を図１に示す。この排気系は、車両１の前方側に縦置きに配置された燃料直接噴射式ディーゼルエンジン２の上部の一側方に取り付けられた排気マニホールド３から下流側へ順に、ターボ過給機４、酸化触媒装置５、暖機促進用のシャッタバルブ６、排気微粒子除去装置７、メインサイレンサ８、サブサイレンサ９、そして触媒装置５からサブサイレンサ９を経由して車両１の後部まで延びる排気管１０を有している。また、シャッタバルブ６と除去装置７、及び除去装置７とメインサイレンサ８とは、それぞれフレキシブルジョイント１１，１１を介して連結されている。なお、除去装置７とメインサイレンサ８とは、長手方向が車両１の前後方向を向くように配置されている。
【００２９】
図２及び図３に示すように、エンジン２のシリンダヘッド２ａの排気側には、各気筒（この場合、４気筒）の燃焼室から排出される排気ガスを合流させる排気マニホールド３が接続されている。この排気マニホールド３の上流端にはシリンダヘッド２ａにボルト締結するためのシリンダヘッド接続用フランジ３ａが一体に形成される一方、下流端にはターボ過給機４にボルト締結するためのターボ過給機接続用フランジ３ｂが一体に形成されている。
【００３０】
ターボ過給機４は排気ガス圧力を利用して吸気圧力を高めるもので、排気マニホールド接続用フランジ２１を介して排気マニホールド３に接続される一方、酸化触媒装置接続用フランジ２２を介して触媒装置５に接続されている。また、ターボ過給機４には、このターボ過給機４に吸気を供給する吸気管２３ａと圧力が高められた吸気を図示しない吸気マニホールドへ供給する吸気管２３ｂとが接続されている。
【００３１】
酸化触媒装置５は排気ガス中の未燃成分を燃焼させて排気ガスを浄化する白金等の貴金属成分を含む触媒をモノリス担体にコーティングしたもので、上流端のターボ過給機接続用フランジ５ａを介してターボ過給機４に接続されている。そして、この触媒装置５の下流端から車両１の後部に向けて排気管１０が延びている。特に触媒装置５からシャッタバルブ６に至る部分の排気管１０は、内側から外側へ順に、排気ガスが通過する内殻管１０ａ、この内殻管１０ａを覆う断熱部材１０ｂ、そして内殻管１０ａとの間で断熱部材１０ｂを保持する外殻管１０ｃを有している（図４参照）。
【００３２】
酸化触媒装置５の下流側に配設された暖機促進用のシャッタバルブ６は、元来エンジン水温センサからの信号等に基き、エンジン２の冷間始動時に作動させるものである。すなわち、アクチュエータ６ａを駆動してこのシャッタバルブ６を閉めると、排気管１０内の排気ガスの通路が絞られることによって、エンジン回転数を維持しながら燃料噴射量を増量してエンジン冷却水温の上昇を促進し、エンジン２の暖機性向上や冷却水を利用した室内暖房用ヒータの効きを向上させると共に、これより上流側に高温の排気ガスが滞留することになって触媒装置５の暖機を促進する。
【００３３】
シャッタバルブ６の下流側に配設された排気微粒子除去装置７は、内側から外側へ順に、例えば炭化珪素等のセラミックス材料からなるフィルタ部材３１、例えば耐熱性ガラス繊維をマット状に形成した弾性部材３２、フィルタ部材３１との間で弾性部材３２を保持するフィルタケース３３、このフィルタケース３３を覆う例えばグラスウールのような断熱部材３４、フィルタケース３３との間で断熱部材３４を保持するプロテクタ３５、そしてこれらを上方から保護或いは熱遮蔽するアウタケース３６を有している。フィルタ部材３１は多孔質材料からなると共に排気ガスの流れる方向に沿って平行に延びる多数の細孔を有するいわゆるハニカム構造のウォールスルータイプとされており、この場合、排気ガスの通路となる部分には白金等の貴金属を含む酸化触媒物質がコーティングされている（図５参照）。
【００３４】
シャッタバルブ６と排気微粒子除去装置７、及び除去装置７とメインサイレンサ８とはそれぞれフレキシブルジョイント１１，１１を介して連結されている。これらのフレキシブルジョイント１１，１１には周知の構成のものを使用することができ、例えば実開昭５９−４９７１５号公報に記載のものを採用可能である。ここに記載のフレキシブルジョイントは球面状の外表面を有するシール部材とこれに対応する球面状の内表面を有するフレア部材とを備えており、両部材の摺動を介し、フレキシブルジョイントの両側に連結された器材を相対的に任意の方向で折れ曲がり可能とするものである。
【００３５】
次に、前述したようにエンジン２に支持されるターボ過給機４や酸化触媒装置５より下流側の排気系の車体への支持構造について説明すると、排気微粒子除去装置７から排気管１０の最後端部近傍に亘り、この間を車体フロア１ａの下方に支持するための支持機構４１…４１が配設されている（図１において符号Ａ〜Ｅで示す５箇所に配設されている）。除去装置７の符号Ａ，Ｂで示す前後両端部に設けられた支持機構４１，４１は、ブラケットを介して除去装置７に固定されて先端部が概ね車幅方向に延びる排気側吊下用ロッド４２，４２と、取付部材を介して車体フロア１ａに固定されて同じく先端部が概ね車幅方向に延びる車体側吊下用ロッド４３，４３と、これら車体側吊下用ロッド４３，４３にそれぞれ揺動自在に支持されたラバー部材４４，４４とを有している。その場合、車体側吊下用ロッド４３，４３はラバー部材４４，４４の上部を貫通する一方、排気側吊下用ロッド４２，４２はラバー部材４４，４４の下部を貫通して支持されている。
【００３６】
また、メインサイレンサ８の符号Ｃ，Ｄで示す前後両端部（図１参照）に設けられた支持機構４１，４１も前述した構成に類似している。ただし、符号Ｃで示す前方側の支持機構４１では、排気側吊下用ロッド４２の先端部は左右両側へ延びており、メインサイレンサ８の前方側は左右２箇所にて車体フロア１ａの下方に支持されている。
【００３７】
なお、符号Ｅで示す排気管１０の最後端部近傍（図１参照）に設けられた支持機構４１も前述した構成に類似しているので、図示及び説明を省略する。
【００３８】
ここで、本実施の形態の作用について説明すると、例えば、排気微粒子除去装置７の前後に配置された図示しない圧力センサによって検出された排気ガス圧力に基いて除去装置７における目詰まりが検出されたとき、エンジン２のコントロールユニットによって噴射燃料を増加するようにエンジン制御が実行される。この場合、単に燃料を増加するとエンジン出力が上昇するため、噴射時期を遅らせたり、或いは後述のように主噴射とは別に膨張行程で再噴射を行う分割噴射が実行される。その結果、未燃成分の排出量が増加し、この未燃成分が酸化触媒装置５で酸化燃焼されて、除去装置７を再生するに必要な排気ガス温度が確保される。したがって、除去装置７における効率のよい再生が実現される。
【００３９】
なお、シャッタバルブ６で排気ガスの通路を絞ることにより触媒装置５の暖機が促進されるので、触媒装置５を速やかに活性状態とすることができる。したがって、エンジン冷間始動時から再生開始までの時間が短い場合でも、除去装置７の機能が発揮されることになる。
【００４０】
加えて、排気ガス温度の高温確保の点では、まず、酸化触媒装置５はエンジン２の直下流に接続されているから、高温の排気ガスが触媒装置５に導入されることになり、もってこの触媒装置５の活性状態が維持される。その結果、下流側の排気微粒子除去装置７へ供給される排気ガスは触媒装置５における酸化反応によって高温に保持されるようになり、除去装置７における再生を速やかに実行可能となる。
【００４１】
そして、酸化触媒装置５からシャッタバルブ６に至る部分の排気管１０は、内殻管１０ａと外殻管１０ｃとの間に断熱部材１０ｂが介装された保温構造とされているから、この間を通過する排気ガスの温度低下が抑制される。したがって、本実施の形態のように、除去装置７の再生の観点から見て一種の熱源である触媒装置５と除去装置７とが離間して配置された場合でも、この除去装置７における効率のよい再生が実現される。
【００４２】
また、除去装置７のフィルタ部材３１には酸化触媒物質がコーティングされている。一般に除去装置７の再生には６００℃以上の高温が必要とされているが、上記構成のフィルタ部材３１を用いることにより、再生温度の低下が可能となる（例えば４００℃程度の温度で再生可能となる）。その上、フィルタケース３３とプロテクタ３５との間に断熱部材３４が介装されているから、フィルタケース３３内方のフィルタ部材３１の温度低下が抑制される。したがって、本実施の形態のように、一種の熱源である触媒装置５と除去装置７とが離間して配置された場合においても、一層効率のよい再生が実現される。しかも、排気ガス温度を高温に保持するための未燃成分の排出量を低減することが可能となるから、燃料消費の抑制が図られる。
【００４３】
なお、フィルタ部材３１とフィルタケース３３との間に弾性部材３２が介装されているから、フィルタ部材３１は外方からの衝撃や振動等に対して良好に保護される。
【００４４】
各構成要素の適切な配置ないし連結の点では、シャッタバルブ６と排気微粒子除去装置７、及び除去装置７とメインサイレンサ８とはそれぞれ摺動シール面を有する形式のフレキシブルジョイント１１，１１で連結されているから、例えば、除去装置７はフレキシブルジョイント１１，１１を介して相対的に概ね任意の方向で折れ曲がり可能となり、もって比較的重量物である除去装置７が振動した場合に、その連結部位に応力集中は生じにくく、連結部位の破損等が抑制されるようになる。
【００４５】
また、フレキシブルジョイント１１がシャッタバルブ６の上流側に配置された場合、シャッタバルブ６が閉じて上流側の排気管１０内の排気ガス圧力が高められたときに、フレキシブルジョイント１１の部位から排気ガス漏れが生じることがある。しかしながら、本実施の形態では、フレキシブルジョイント１１はシャッタバルブ６の下流側に配置されているから、排気ガス漏れは良好に阻止されるようになる。
【００４６】
排気系の車体支持の点では、特に比較的重量物である排気微粒子除去装置７やメインサイレンサ８を、複数の支持機構４１…４１を介して車体フロア１ａの下方に略弾性的に吊り下げ支持している。また、長大な排気系における排気管１０の最後端部近傍を、同じく支持機構４１を介して車体フロア１ａの下方に略弾性的に吊り下げ支持している。こうすることにより、除去装置７やメインサイレンサ８等が例えば車体前後方向に振動したとき、ラバー部材４４…４４が車体側吊下ロッド４３…４３を中心として前後方向に揺動することによって振動が効果的に吸収され、もって車体フロア１ａ側への振動の伝達が回避されるようになる。
【００４７】
その場合、前述したフレキシブルジョイント１１，１１の配置も相俟って、エンジン２から排気管１０の最後端部に至る長大かつ耐振性に優れた排気系が完成される。
【００４８】
そして、一般に燃料直接噴射式ディーゼルエンジンでは他方式のエンジンに比較して排気ガス温度が低いため、排気微粒子除去装置７を再生しにくいが、本実施の形態に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジン２においては、前述したように除去装置７における効率のよい再生が実現される。
【００４９】
なお、エンジン制御によって排気微粒子除去装置７を再生する場合、後噴射の実行を採用することができる。すなわち、後噴射とは、圧縮上死点近傍において燃料を噴射する主噴射の時期からのちの膨張行程中に燃料を噴射させることをいい、除去装置７の目詰まりが検出されたとき、エンジン２のコントロールユニットはこの後噴射を実行するようにエンジン制御を行う。こうすることにより、後噴射によって生成した未燃成分を触媒装置５で酸化燃焼させて除去装置７を加熱し、堆積した排気微粒子を燃焼除去することができる。
【００５０】
また、本実施の形態では、酸化触媒装置５からシャッタバルブ６に至る部分の排気管１０が保温構造とされていたが、さらに延長して排気微粒子除去装置７までの間の排気管１０を保温構造としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸化触媒装置、シャッタバルブ、排気微粒子除去装置、メインサイレンサ等の各構成要素の適切な配置によって除去装置における効率のよい再生を実現し、かつ耐振性に優れた排気系の車両搭載構造が提供される。本発明は、排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両への搭載レイアウトに関し、車体構造の技術分野に広く好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気系の車両搭載構造を示す概略平面図である。
【図２】排気系の上流側部分の概略平面図である。
【図３】同じく概略側面図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ線による排気管の拡大断面図である。
【図５】図３のＹ−Ｙ線による排気微粒子除去装置の拡大断面図である
【符号の説明】
１車両
１ａ車体フロア
２ディーゼルエンジン
５酸化触媒装置
６シャッタバルブ
７排気微粒子除去装置
８メインサイレンサ（消音装置）
１０排気管（排気通路）
１１フレキシブルジョイント（フレキシブル管継手）
３１フィルタ部材
３２弾性部材
３３フィルタケース（ケース）
３４断熱部材

Claims

排気通路の上流部にエンジン側に支持された酸化触媒装置を配置し、その下流側に車体フロア下方で該車体に支持されて排気中の微粒子を除去する排気微粒子除去装置を配置すると共に、該除去装置の再生時に未燃ガスの排出量を増大させる制御を行うディーゼルエンジンの排気系の車両搭載構造であって、上記触媒装置と除去装置との間にエンジン冷間時に排気通路を絞る暖機促進用のシャッタバルブが配置され、かつ該シャッタバルブと除去装置との間に摺動シール面を有するフレキシブル管継手が配置されていることを特徴とする排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。
酸化触媒装置から排気微粒子除去装置に至る排気通路の全部または一部を保温構造としたことを特徴とする請求項１に記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。
排気微粒子除去装置は、酸化触媒がコーティングされたフィルタ部材を用いていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。
排気微粒子除去装置は、ケース内に弾性部材を介してフィルタ部材を保持すると共に、該ケースの外側を断熱部材で被覆した構造であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。
排気通路における排気微粒子除去装置の下流側にフレキシブル管継手が配置され、さらにその下流側に消音装置が配置されて車体に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。
エンジンは燃料直接噴射式ディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の排気微粒子除去装置を備えた排気系の車両搭載構造。