JP4525319B2

JP4525319B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4525319B2
Application number: JP2004350061A
Authority: JP
Inventors: 仁若松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: US7487634B2; DE602005004530T2; EP1745199A1; DE602005004530D1; EP1745199B1; WO2006059219A1; JP2006161572A; US20080264050A1

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する装置に関し、特に、ディーゼルエンジンの排気をパティキュレートフィルタを用いて浄化する排気浄化装置に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関を駆動したときに排出される排気ガス中には、そのまま大気に排出することが好ましくない物質が含まれている。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パティキュレート（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）、ＳＯＯＴ（煤）、ＳＯＦ（可溶性有機成分：ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ）などが含まれており、大気汚染の原因になる。

排気ガス中に含まれるパティキュレート（以下、排気微粒子という）を浄化する装置としては、パティキュレートフィルタをディーゼルエンジンの排気通路に配置し、排気通路を通過する排気ガス中に含まれる排気微粒子を捕集することによって、大気中に放出されるエミッションの量を低減する排気浄化装置が知られている。パティキュレートフィルタとしては、例えばＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）や、ＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）触媒が用いられている。

ところで、パティキュレートフィルタを用いて排気微粒子の捕集を行う場合、捕集した排気微粒子の堆積量が多くなるとパティキュレートフィルタの詰まりが生じる。このようなフィルタの詰まりが生じると、パティキュレートフィルタを通過する排気の圧力損失が増大し、これに伴うエンジンの排気背圧増大によってエンジン出力低下や燃費の低下が発生する。

このような問題を解消するため、従来、パティキュレートフィルタに捕集された排気微粒子の捕集量（堆積量）を検出し、捕集量がある程度の量に到達したときに排気温度を上昇させる等の方法によって、パティキュレートフィルタ上の排気微粒子を燃焼・除去することにより、パティキュレートフィルタの再生を行っている。また、パティキュレートフィルタの再生時期を決定する方法として、パティキュレートフィルタの上流側圧力と下流側圧力との差圧を差圧センサ等にて検出し、その検出差圧（堆積量の推定値）が所定値を超えた時点を再生時期と判定するという方法が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
特開平０７−２２４６３６号公報特開２００４−０１９５２３号公報特開２００４−２８５８８２号公報

ところで、特許文献１〜３に記載の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタの上流側と下流側にそれぞれ連通する上流側配管と下流側配管とを設け、これら上流側配管と下流側配管を通じてパティキュレートフィルタの上流側と下流側の圧力を差圧センサ等に導入するという構成を採用している。

しかし、このような構成では、排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）、ＳＯＯＴ、ＳＯＦが上流側配管（圧力導入管）内部に侵入・堆積して配管が詰まるという問題がある。特に、
ＳＯＯＴは排気ガス中の未燃燃料であるＨＣ（ハイドロカーボン）をバインダとしてデポジットとなる。さらに、排気の圧力は脈動しているため、上流側配管の圧力導入口から差圧センサ側に向けて排気ガスが繰り返して押し込まれるので、圧力導入口付近の曲り部が特に詰まりやすくなる。

ここで、特許文献１には、パティキュレートフィルタの上流側の圧力を差圧計に導入する圧力導入管（上流側配管）が詰まることを防止する方法として、圧力導入管を脈動吸収室を介して排気管に接続することにより、排気脈動による排気微粒子の圧力導入管内への侵入を防ぐという方法が開示されている。しかし、この方法では、複雑な構造の脈動吸収室が必要であるので、量産が困難であり、生産コストが高くつく。また、特許文献１には、差圧計への圧力導入管の先端部分を排気管に挿入し、圧力導入管の先端開口付近や挿入部分を排気ガスの熱を利用して高温に保持することにより、排気微粒子の付着・堆積を防ぐ方法が開示されているが、この方法でも、排気管への圧力導入管の接続構造が複雑になるので生産性・コスト上の問題がある。

本発明はそのような問題を解消するためになされたもので、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検出してパティキュレートフィルタの再生時期を判定する、またはＯＢＤシステムで機能確認をするにあたり、圧力導入管（上流側配管）の詰まりを簡単な構成で防止することが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路に設けられ排気ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段とを備えた排気浄化装置において、前記差圧検出手段に圧力を導入する配管のうち、前記パティキュレートフィルタの上流側の圧力を前記差圧検出手段に導入する上流側配管は曲り部を有し、前記上流側配管の前記曲り部より前記パティキュレートフィルタに近い側の配管の内径が当該曲り部よりも前記差圧検出手段に近い側の配管の内径よりも拡大されていることを特徴としている。

本発明によれば、上流側配管のパティキュレートフィルタに近い側の内径を拡大し、その内径を拡大した拡管部による体積と圧力検出手段側の一般径の部分までの距離とをかせいでいるので、排気ガスが配管内に入り脈動により繰り返し押し込まれても、排気ガスの侵入を拡管部内に止めることが可能となり、圧力検出手段側の一般径の部分（例えば図２のパイプ５２）に排出ガスが侵入することを抑制することができる。これにより、上流側配管内部に、排気微粒子、ＳＯＯＴ、ＳＯＦ（以下、「排気微粒子、ＳＯＯＴ、ＳＯＦ」を総称して「排気微粒子等」という）が堆積することを抑制することができ、上流側配管の詰まりを防止することができる。しかも、圧力導入側に拡管部を設けることにより、排気ガスの侵入距離を短くすることができるので、上流側配管の全体の長さを短くすることが可能となり、エンジンコンパートメント内の配管スペースの占有率を小さくすることができる。また、耐熱性及び耐久性が要求されるエキゾーストマニホールドや排気管の圧力取出部に、脈動吸収室などの複雑な構造を設けることなく、簡単な構成のもとに上流側配管の詰まりを防止することができる。

本発明において、上流側配管の拡管部に曲り部を設けておくと、その拡管部の曲り部の先（圧力検出手段側）に排気微粒子等が侵入しにくい構造とすることができる。

また、上流側配管のパティキュレートフィルタ側の圧力導入口から差圧検出手段に向かう圧力導入経路において第１番目に位置する曲り部、つまり、排気微粒子等が最も堆積しやすい曲り部を拡管部に設けておくと、排気微粒子等の堆積をより効果的に抑制することができる。さらに、曲り部の曲げ角度を９０°以上とすると、曲げ部から先への排気微粒子等の侵入を更に効果的に抑制することができる。

本発明によれば、差圧検出手段に圧力を導入する配管のうち、パティキュレートフィルタの上流側の圧力を差圧検出手段に導入する上流側配管については、パティキュレートフィルタに近い側に、差圧検出手段側の部分よりも内径が大きな拡管部を設けているので、上流側配管内部への排気微粒子等の堆積を抑えることができ、上流側配管の詰まりを防止することができる。これにより、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を正確に検出することが可能となり、パティキュレートフィルタの再生時期を的確に判定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の排気浄化装置をディーゼルエンジンに適用した例を模式的に示す構成図である。

−エンジン−
まず、ディーゼルエンジンの概略構成を図１を参照しながら説明する。

この例のディーゼルエンジン１０１（以下、「エンジン１０１」という）は、例えば４気筒直噴エンジンであって、エンジン本体１０２の各気筒１０２ａ・・１０２ａの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１０３・・１０３を備えている。インジェクタ１０３・・１０３にはコモンレール（蓄圧室）１０４が接続されており、このコモンレール１０４に高圧燃料ポンプ（図示せず）から燃料を供給し、各インジェクタ１０３・・１０３を所定のタイミングで開弁することにより、エンジン本体１０２の各気筒１０２ａ・・１０２ａの燃焼室内に燃料が噴射される。この噴射された燃料は燃焼室内で燃焼され排気ガスとなって排気される。なお、エンジン１０１には、エンジン水温（冷却水温）を検出する水温センサ（図示せず）が配置されている。

エンジン本体１０２には、インテークマニホールド１０５とエキゾーストマニホールド１０６とが接続されている。インテークマニホールド１０５には吸気管１１０が接続されており、エキゾーストマニホールド１０６には排気管１２０が接続されている。なお、エキゾーストマニホールド１０６には排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ（図示せ
ず）が配置される場合もある。

吸気管１１０には、エアクリーナ１１１、熱線式のエアフローメータ１１２（吸気温センサ内蔵）、及び、エンジン１０１の吸入空気量を調整するための電子制御式のスロットルバルブ１１３が配置されている。また、エンジン１０１の排気管１２０には、本発明の実施形態である排気浄化装置１が配置されている。

エンジン１０１には、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャ（過給機）１３０が設けられている。ターボチャージャ１３０は、排気管１２０に配置されたタービン１３１と、吸気管１１０に配置されたコンプレッサ１３２によって構成されており、排気管１２０に配置のタービン１３１が排気のエネルギによって回転し、これに伴って吸気管１１０に配置のコンプレッサ１３２が回転する。そして、コンプレッサ１３２の回転により吸入空気が過給され、エンジン１０１の各気筒（燃焼室）１０２ａ・・１０２ａに過給空気が強制的に送り込まれる。なお、吸気管１１０にはコンプレッサ１３２とスロットルバルブ１１３との間に、コンプレッサ１３２にて圧縮されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ１３３が設けられている。

また、エンジン１０１にはＥＧＲ装置１４０が設けられている。ＥＧＲ装置１４０は、
吸入空気に排気ガスの一部を導入することで気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させる装置であって、吸気管１１０と排気管１２０とを連通するＥＧＲ通路１４１、このＥＧＲ通路１４１に設けられたＥＧＲクーラ１４２及びＥＧＲ弁１４３等によって構成されており、ＥＧＲ弁１４３の開度を調整することにより、エキゾーストマニホールド１０６からインテークマニホールド１０５に導入されるＥＧＲ量（排気還流量）を調整することができる。

−排気浄化装置−
排気浄化装置１は、前段触媒２とＤＰＮＲ触媒（パティキュレートフィルタ）３とを備えている。ＤＰＮＲ触媒３の上流側に配置された前段触媒２は、ＤＰＮＲ触媒３よりも容量が小さくて、エンジン始動時であっても排気ガスの熱により速やかに温度が上昇され活性状態となる。なお、前段触媒２は、酸化能力を有する触媒であればよく、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒あるいは酸化触媒や三元触媒などが挙げられる。

ＤＰＮＲ触媒３は、例えば多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中の排気微粒子は多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒３には、捕集した排気微粒子を酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

前段触媒２とＤＰＮＲ触媒３とは同一のケーシング４内に所定の間隔をあけて配置されている。ケーシング４には、ＤＰＮＲ触媒３の上流側３ａに連通する圧力取出口４ａ及びフレア管継手７が設けられている。この上流側のフレア管継手７の継手本体７１はケーシング４に固着されている。また、ケーシング４には、ＤＰＮＲ触媒３の下流側３ｂに連通する圧力取出口４ｂ及びフレア管継手８が設けられている。この下流側３ｂのフレア管継手８の継手本体８１はケーシング４に一体形成されている。

これらフレア管継手７，８に、それぞれ、圧力導入用の上流側配管５と下流側配管６とが接続されており、その各接続状態で、上流側配管５がＤＰＮＲ触媒３の上流側３ａに連通し、下流側配管６がＤＰＮＲ触媒３の下流側３ｂに連通する。なお、上流側配管５及び下流側配管６の詳細は後述する。

上流側配管５のフレア管継手７への接続は、上流側配管５の端部（圧力導入口５ａ側の端部）に加工されたフレア５１ａを継手本体７１内に配置した状態で、フレアナット７２を継手本体７１にねじ込むことによって行われる。また、下流側配管６についても、同様に、下流側配管６の端部（圧力導入口６ａ側の端部）に加工されたフレア６１ａを継手本体８１内に配置した状態で、フレアナット８２を継手本体８１にねじ込むことによってフレア管継手８に接続される。

上流側配管５及び下流側配管６の先端部（センサ側の端部）は、それぞれ、スリーブ状の管継手９、９を介して差圧センサ１０に接続されている。差圧センサ１０は、上流側配管５を通じて導入される圧力と下流側配管６を通じて導入される圧力との差圧を検出するセンサで、その検出信号はＥＣＵ（電子制御ユニット）１００に入力される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図示はしないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びバックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果
や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭは、エンジン１０１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。そして、ＥＣＵ１００は、前記したエアフローメータ１１２、吸気温センサ、水温センサ、Ｏ₂センサなどの各種センサの検出信号に基づいて、ディーゼルエンジン１０１
の各種制御を実行する。

また、ＥＣＵ１００は、差圧センサ１０にて検出される圧力差に基づいて、ＤＰＮＲ触媒３に捕集された排気微粒子の堆積量を推定し、その推定量が所定の基準値（限界堆積）以上となったときにＤＰＮＲ触媒３の再生時期であると判定し、ＤＰＮＲ触媒３の再生処理を実行したり、差圧が正常であるか否かの判定を行う。

なお、ＤＰＮＲ触媒３の再生処理としては、例えば、ＤＰＮＲ触媒３に堆積した排気微粒子が燃焼する温度領域まで排気温度を高める方法や、ＤＰＮＲ触媒３に加熱ヒータを設け、その加熱ヒータにより排気微粒子が燃焼する温度領域まで加熱する方法などが挙げられる。また、ＤＰＮＲ触媒３の再生時期を判定する基準値（限界堆積）は、予め計算もしくは実験等により求めた値を用いる。

−上流側配管及び下流側配管−
次に、排気浄化装置１の上流側配管５及び下流側配管６について説明する。

まず、下流側配管６は、図１に示すように、圧力導入口６ａから出口６ｂまでの内径が一定のパイプ（例えばステンレス製パイプ）６１によって構成されており、圧力導入口6
ａ側の端部にフレア６１ａが加工されている。また、パイプ６１の出口６ｂ側の端部には管継手９への接続用のスプール６１ｂが加工されている。

一方、上流側配管５は、図１及び図２に示すように、下流側配管６のパイプ６１と内径が同じ一般径のセンサ側パイプ（例えばステンレス製パイプ）５２と、このセンサ側パイプ５２よりも内径が大きなフィルタ側パイプ（例えばステンレス製パイプ）５１によって構成されている。これらセンサ側パイプ５２とフィルタ側パイプ５１とは、センサ側パイプ５２の端部をフィルタ側パイプ５１の端部内に挿し込んでろう付けすることにより接合されている。なお、フィルタ側パイプ５１は、その内径が、センサ側パイプ５２の外径と略等しいパイプが用いられている。

そして、フィルタ側パイプ５１の一端にはフレア５１ａが加工されており、フィルタ側パイプ５１をＤＰＮＲ触媒３の上流側３ａのフレア管継手７に接続することにより、ＤＰＮＲ触媒３側に近い部分（圧力導入口５ａ付近）に拡管部５０を設けることができる。

さらに、この例の上流側配管５においては、ＤＰＮＲ触媒３側の圧力導入口５ａから差圧センサ１０に向かう圧力導入経路において第１番目に位置する曲り部５１ｃが拡管部５０に設けられており、その曲り部５１ｃの曲げ角度を９０°以上としている点に特徴がある。なお、センサ側パイプ５２の端部（出口５ｂ側の端部）には管継手９への接続用のスプール５２ｂが加工されている。

以上の構造の上流側配管５によれば、圧力導入口５ａ付近のみに拡管部５０を設けているので、排気ガスが侵入する距離を短くすることができる。その理由を以下に説明する。

図３（Ａ）に示すように、上流側配管３０５の全体の内径を拡大した場合の圧力導入口３０５ａから差圧センサ１０までの圧力導入系の体積ＶａをＶａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２＋Ｖ３とし、上流側配管５の圧力導入口５ａ付近のみの内径を拡大した場合（図３（Ｂ））の体積ＶｂをＶｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２＋Ｖ３とすると、図３から明らかなように、Ｖａ＞Ｖｂ（
Ｖａ１＞Ｖｂ１、Ｖａ２＞Ｖｂ２）となる。従って、両者に同じ圧力ΔＰ（脈動）が作用した場合、全体の内径を拡大した上流側配管３０５の方がΔＰによる圧縮量が大きくなるので、図３（Ａ）に示すように、全体の内径を拡大した上流側配管３０５では排気ガスが距離Ｌａまで侵入するのに対し、圧力導入口５ａ付近のみの内径を拡大した上流側配管５では、図３（Ｂ）に示すように、排気ガスは距離Ｌｂ（Ｌｂ＜Ｌａ）までしか侵入しなくなる。

このように、上流側配管５の圧力導入口５ａ付近のみの内径を拡大することで、排気ガスの侵入距離を短くすることができる。これにより配管全体の長さを短くすることが可能となるので、詰まりが生じやすい曲げ部の数を少なくすることができるとともに、エンジンコンパートメント内の配管スペースの占有率を小さくすることができる。

また、この例の上流側配管５では、ＤＰＮＲ触媒３側の圧力導入口５ａから差圧センサ１０に向かう圧力導入経路において排気微粒子等が最も堆積しやすい曲り部、つまり、ＤＰＮＲ触媒３に最も近い第１番目の曲り部５１ｃを拡管部５０に設けているので、曲り部５１ｃから先（差圧センサ１０側）に排気微粒子等が侵入することを抑えることができ、排気微粒子等が侵入する距離を短くすることができる。さらに、曲り部５１ｃの曲げ角度を９０°以上としているので、曲げ部５１ｃから先への排気微粒子等の侵入を更に効果的に抑制することができる。

次に、上流側配管の他の例を図４及び図５を参照しながら説明する。

図４に示す上流側配管１５０は、図２に示した上流側配管５において、フィルタ側パイプ１５１の端部に、下流側配管６（図１参照）と内径が同じ短管１５３を接合し、その短管１５３の端部にフレア１５３ａを加工している点に特徴がある。このような構成を採用すると、図１に示す上流側のフレア管継手７と下流側のフレア管継手８とを同じものを使用することが可能となり、そのフレア管継手の共通化によりコストの低減化をはかることができる。

図５に示す上流側配管２５０は、大径のフィルタ側パイプ２５１から一般径のセンサ側パイプ２５２への径変化部分Ｒを円すいテーパ形状とした点に特徴がある。このような構成を採用すると、フィルタ側パイプ２５１とセンサ側パイプ２５２との間の径変化部分Ｒの内面の段差を無くすことができるので、径変化部分Ｒに排気微粒子等が堆積しにくくなる。

なお、以上の実施形態では、パティキュレートフィルタとしてＤＰＮＲ触媒を用いているが、本発明はこれに限られることなく、ＤＰＦを用いた排気浄化装置にも適用することができる。

また、以上の実施形態では、本発明の排気浄化装置を筒内直噴４気筒ディーゼルエンジンに適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば筒内直噴６気筒ディーゼルエンジンなど他の任意の気筒数のディーゼルエンジンにも適用できる。また、筒内直噴ディーゼルエンジンに限られることなく、他のタイプのディーゼルエンジンにも本発明を適用することは可能である。

本発明は、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検出してパティキュレートフィルタの再生時期を判定するにあたり、圧力導入管（上流側配管）の詰まりを抑制するのに有効に利用することができる。

本発明の排気浄化装置をディーゼルエンジンに適用した例を模式的に示す構成図である。図１の排気浄化装置の上流側配管のみを抽出して示す断面図である。本発明の実施形態の作用説明図である。上流側配管の他の例を示す断面図である。上流側配管の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１排気浄化装置
２前段触媒
３ＤＰＮＲ触媒（パティキュレートフィルタ）
３ａＤＰＮＲ触媒の上流側
３ｂＤＰＮＲ触媒の下流側
４ケーシング
４ａ圧力取出口（上流側）
４ｂ圧力取出口（下流側）
５上流側配管
５ａ圧力導入口
５ｂ出口
５０拡管部
５１フィルタ側パイプ
５２センサ側パイプ
６下流側配管
６ａ圧力導入口
６ｂ出口
７、８フレア管継手
９スリーブ状の管継手
１０差圧センサ
１００ＥＣＵ
１０１ディーゼルエンジン
１０２エンジン本体
１０５インテークマニホールド
１０６エキゾーストマニホールド
１１０吸気管
１２０排気管（排気通路）

Claims

排気通路に設けられ排気ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段とを備えた排気浄化装置において、
前記差圧検出手段に圧力を導入する配管のうち、前記パティキュレートフィルタの上流側の圧力を前記差圧検出手段に導入する上流側配管は曲り部を有し、前記上流側配管の前記曲り部より前記パティキュレートフィルタに近い側の配管の内径が当該曲り部よりも前記差圧検出手段に近い側の配管の内径よりも拡大されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１記載の排気浄化装置において、
前記上流側配管の前記パティキュレートフィルタに近い側の内径が拡大されている拡管部に曲り部が設けられていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項２記載の排気浄化装置において、
前記上流側配管の前記パティキュレートフィルタ側の圧力導入口から前記差圧検出手段に向かう圧力導入経路において第１番目に位置する曲り部が前記拡管部に設けられていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項２または３記載の排気浄化装置において、
前記曲り部の曲げ角度が９０°以上であることを特徴とする排気浄化装置。