JP5734749B2

JP5734749B2 - 後処理バーナシステム

Info

Publication number: JP5734749B2
Application number: JP2011121430A
Authority: JP
Inventors: 横田　治之; 治之横田; 英史国島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012246894A

Description

本発明は、後処理バーナシステムに関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、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し、該パティキュレートフィルタを通して排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するようにしているが、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ため、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させた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。

ただし、斯かる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る。

そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流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考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの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。

ただし、渋滞路ばかりを走行する都市部の路線バス等のように排気温度の低い運転状態が長く続く運行形態の車両にあっては、前段の酸化触媒が十分な触媒活性を発揮し得る触媒床温度まで昇温し難く、該酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化してこないため、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生することができないという問題があった。

このため、近年においては、パティキュレートフィルタの入側にバーナを設け、車両の運転状態に拘わらず前記バーナの燃焼により捕集済みパティキュレートを焼却し、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生させる後処理バーナシステムが採用され始めている（例えば、下記の特許文献１を参照）。

図３は従来における後処理バーナシステムの一例を示すもので、図中における符号１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図３では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっており、また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した後に排気管１１へと送り出されるようになっている。

そして、前記排気管１１の途中に、酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１２（排気浄化材）がマフラ１３に抱持されて装備されていると共に、該パティキュレートフィルタ１２の前段には、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナ１４が装備されている。

このバーナ１４には、該バーナ１４の燃料噴霧を担う電磁弁式のインジェクタ１５と、その噴射口から噴射された燃料に点火するための点火プラグ１６とが備えられており、前記インジェクタ１５には、エアタンク等からの霧化用空気と燃料タンク等からの燃料とをアトマイザ１７で混合してから導く燃料供給管１８が接続されている。

また、前記インジェクタ１５の噴霧位置近傍には、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部を燃焼用空気として導く空気供給管１９が接続されており、該空気供給管１９の途中には、吸気４の流通を適宜に遮断する開閉弁２０（第一開閉弁）が装備されている。

而して、パティキュレートフィルタ１２を強制再生する必要が生じた際には、アトマイザ１７で霧化用空気と混合された燃料を燃料供給管１８を通しインジェクタ１５に導いて噴射させ、その噴射燃料に点火プラグ１６のスパークにより着火させると、バーナ１４が燃焼状態となってパティキュレートフィルタ１２が加熱され、これによりパティキュレートフィルタ１２の捕集済みパティキュレートが焼却され、パティキュレートフィルタ１２が短時間のうちに効率良く再生させることになる。

この際、バーナ１４の燃焼を良好に維持できるほどの燃焼用空気が排気ガス９中に存在していないため、空気供給管１９の開閉弁２０を開けてターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部を燃焼用空気として導き、バーナ１４の燃焼を良好に維持させるようにしている。

このようにターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部を燃焼用空気として導く場合、図４に示す如く、排気ブレーキ２１が作動して排気ガス９が堰き止められてしまうと、タービン２ｂの回転数が低下してコンプレッサ２ａで十分な過給が行われなくなり、これによりバーナ１４に供給される空気量が不足して該バーナ１４で不完全燃焼が起こり、その不完全燃焼による煤が点火プラグ１６に付着して該点火プラグ１６が点火不良を起こす虞れがあったため、これを回避するべく排気ブレーキ２１の作動時に前記バーナ１４の燃焼を停止する措置が採られていた。

尚、パティキュレートフィルタ等の排気浄化材をバーナで加熱する技術に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１がある。

特開２０１０−４３５６３号公報

しかしながら、排気ブレーキ２１が作動する度にバーナ１４の燃焼を停止していたのでは、せっかく加熱して昇温したパティキュレートフィルタ１２がバーナ１４の停止中に温度降下してしまうので、特に街中で上り下りが頻繁に繰り返されるような運行形態では、パティキュレートフィルタ１２を高温状態に保ち続けることが難しく、パティキュレートフィルタ１２の再生時間が長くかかるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気ブレーキの作動時にもバーナを継続して燃焼させ得る後処理バーナシステムを提供することを目的としている。

本発明は、排気管における排気ブレーキより下流に備えられた排気浄化材と、該排気浄化材を適宜に加熱し得るよう前記排気浄化材の入側に備えられたバーナと、該バーナにターボチャージャのコンプレッサの下流から吸気の一部を燃焼用空気として導く空気供給管と、該空気供給管の途中に備えられて吸気の流通を適宜に遮断する第一開閉弁とを有する後処理バーナシステムにおいて、前記排気管の排気ブレーキの上流から排気の一部を抜き出して前記空気供給管の第一開閉弁の下流に導く連絡管を設け、該連絡管の排気の流通を適宜に遮断する第二開閉弁と、前記連絡管への排気の過剰な抜き出しを抑制するオリフィスとを前記連絡管に装備したことを特徴とするものである。

而して、このようにした場合、通常走行時におけるバーナの燃焼では、第二開閉弁を閉じて連絡管の排気の流通を遮断すると共に、第一開閉弁を開けてターボチャージャのコンプレッサの下流から空気供給管を介し吸気の一部を燃焼用空気としてバーナに導きながらバーナを燃焼させて排気浄化材を加熱し、排気ブレーキの作動時におけるバーナの燃焼では、第一開閉弁を閉じて空気供給管の吸気の流通を遮断すると共に、第二開閉弁を開けて排気管の排気ブレーキの上流から連絡管を介し排気の一部を抜き出して前記空気供給管の第一開閉弁の下流に導きながらバーナを燃焼させて排気浄化材を加熱する。

即ち、排気ブレーキの作動時は、アクセルオフによりエンジンでの燃料噴射が停止しているため、エンジンからの排気は空気のままであり、しかも、排気ブレーキの作動時における該排気ブレーキの上流は高圧になっているため、排気ブレーキの作動と同時に第二開閉弁を開放することでバーナに必要な燃焼用空気を導くことが可能であり、これによって、排気ブレーキの作動時にもバーナを継続して燃焼させることが可能となる。

この際、排気ブレーキの上流から過剰に排気を抜き出してしまうと、排気ブレーキの効きが悪くなってしまうが、連絡管のオリフィスにより排気の過剰な抜き出しが抑制されるので、排気ブレーキの制動力が実用レベルに確保されることになる。

尚、この際に空気供給管の第一開閉弁が閉じられ且つ該第一開閉弁の下流に排気ブレーキの上流からの排気が導かれるようになっているため、排気ブレーキの上流の排気は、コンプレッサの下流へ向かうことなく確実にバーナへと導かれる。

また、本発明においては、排気浄化材がパティキュレートフィルタであることが好ましく、このようにすれば、排気ブレーキの作動時にもバーナの燃焼を継続してパティキュレートフィルタの強制再生を実施することが可能となるので、パティキュレートフィルタを高温状態に保持して効率良く捕集済みパティキュレートを焼却することにより再生時間の短縮を図ることが可能となる。

上記した本発明の後処理バーナシステムによれば、排気ブレーキの作動時にもバーナを継続して燃焼させることができるので、排気ブレーキが作動する度にバーナの燃焼が停止して排気浄化材が温度降下してしまう事態を回避することができ、該排気浄化材を効率良く短時間のうちに昇温させることができ、例えば、排気浄化材がパティキュレートフィルタであれば、排気ブレーキの作動時にもバーナの燃焼を継続してパティキュレートフィルタの強制再生を実施することができるので、パティキュレートフィルタを高温状態に保持して効率良く捕集済みパティキュレートを焼却することにより再生時間の短縮を図ることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の後処理バーナシステムの一例を示す概略図である。図１の排気ブレーキの作動時の状態を示す概略図である。従来例を示す概略図である。図３の排気ブレーキの作動時の状態を示す概略図である。

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及び図２は本発明の後処理バーナシステムの一例を示すもので、図３及び図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

本形態例においては、先に図３及び図４で説明した従来の後処理バーナシステムに対し、排気管１１の排気ブレーキ２１の上流から排気の一部を抜き出して空気供給管１９の開閉弁２０の下流に導く連絡管２２を新たに設けると共に、該連絡管２２の排気の流通を適宜に遮断する開閉弁２３（第二開閉弁）と、前記連絡管２２への排気の過剰な抜き出しを抑制するオリフィス２４とを前記連絡管２２に装備した点を特徴としている。

ここで、前記オリフィス２４は、バーナ１４で必要な空気量を維持しつつ排気ブレーキ２１の制動力が実用レベルを下まわらないように適切な流路断面積に調整されており、例えば、排気ブレーキ２１の作動時に堰き止められる排気の約１０％程度を連絡管２２に振り分け得るようにしておけば良い。

また、空気供給管１９の開閉弁２０は、常時閉で基本的にはバーナ１４の燃焼時に開くようになっているが、バーナ１４の燃焼時における排気ブレーキ２１の作動時には、該排気ブレーキ２１の作動に同期して閉じるようになっており、また、連絡管２２の開閉弁２３は、常時閉でバーナ１４の燃焼時における排気ブレーキ２１の作動時に限り該排気ブレーキ２１の作動に同期して開くようになっている。

而して、このように後処理バーナシステムを構成した場合、通常走行時におけるバーナ１４の燃焼では、図１に示す如く、開閉弁２３を閉じて連絡管２２の排気の流通を遮断すると共に、開閉弁２０（第一開閉弁）を開けてターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から空気供給管１９を介し吸気４の一部を燃焼用空気としてバーナ１４に導きながらバーナ１４を燃焼させてパティキュレートフィルタ１２（排気浄化材）を加熱し、排気ブレーキ２１の作動時におけるバーナ１４の燃焼では、図２に示す如く、開閉弁２０を閉じて空気供給管１９の吸気４の流通を遮断すると共に、開閉弁２３を開けて排気管１１の排気ブレーキ２１の上流から連絡管２２を介し排気の一部を抜き出して前記空気供給管１９の開閉弁２０の下流に導きながらバーナ１４を燃焼させてパティキュレートフィルタ１２を加熱し、この加熱によりパティキュレートフィルタ１２の強制再生を図る。

即ち、排気ブレーキ２１の作動時は、アクセルオフによりディーゼルエンジン１での燃料噴射が停止しているため、ディーゼルエンジン１からの排気は空気のままであり、しかも、排気ブレーキ２１の作動時における該排気ブレーキ２１の上流は高圧になっているため、排気ブレーキ２１の作動と同時に開閉弁２３を開放することでバーナ１４に必要な燃焼用空気を導くことが可能であり、これによって、排気ブレーキ２１の作動時にもバーナ１４の燃焼を継続してパティキュレートフィルタの強制再生を実施することが可能となる。

この際、排気ブレーキ２１の上流から過剰に排気を抜き出してしまうと、排気ブレーキ２１の効きが悪くなってしまうが、連絡管２２のオリフィス２４により排気の過剰な抜き出しが抑制されるので、排気ブレーキ２１の制動力が実用レベルに確保されることになる。

尚、この際に空気供給管１９の開閉弁２０が閉じられ且つ該開閉弁２０の下流に排気ブレーキ２１の上流からの排気が導かれるようになっているため、排気ブレーキ２１の上流の排気は、コンプレッサ２ａの下流へ向かうことなく確実にバーナ１４へと導かれる。

従って、上記形態例によれば、排気ブレーキ２１の作動時にもバーナ１４を継続して燃焼させることができるので、排気ブレーキ２１が作動する度にバーナ１４の燃焼が停止してパティキュレートフィルタ１２が温度降下してしまう事態を回避することができ、排気ブレーキ２１の作動時にもバーナ１４の燃焼を継続してパティキュレートフィルタ１２の強制再生を実施することができるので、該パティキュレートフィルタ１２を高温状態に保持して効率良く捕集済みパティキュレートを焼却することにより再生時間の短縮を図ることができる。

尚、本発明の後処理バーナシステムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示例においては、バーナ直後の排気浄化材がパティキュレートフィルタの場合について説明しているが、本発明の後処理バーナシステムは、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒や、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒等といった各種の排気浄化触媒を排気浄化材としてパティキュレートフィルタに替えて配置、或いは、パティキュレートフィルタの下流側に別途配置した場合にも同様に適用することができる、即ち、これらの排気浄化触媒を冷間時に活性温度域まで昇温させるためにバーナを使用する形態の後処理バーナシステムにも同様に適用できることは勿論である。

２ターボチャージャ
２ａコンプレッサ
２ｂタービン
４吸気
９排気ガス
１１排気管
１２パティキュレートフィルタ（排気浄化材）
１４バーナ
１９空気供給管
２０開閉弁（第一開閉弁）
２１排気ブレーキ
２２連絡管
２３開閉弁（第二開閉弁）
２４オリフィス

Claims

排気管における排気ブレーキより下流に備えられた排気浄化材と、該排気浄化材を適宜に加熱し得るよう前記排気浄化材の入側に備えられたバーナと、該バーナにターボチャージャのコンプレッサの下流から吸気の一部を燃焼用空気として導く空気供給管と、該空気供給管の途中に備えられて吸気の流通を適宜に遮断する第一開閉弁とを有する後処理バーナシステムにおいて、前記排気管の排気ブレーキの上流から排気の一部を抜き出して前記空気供給管の第一開閉弁の下流に導く連絡管を設け、該連絡管の排気の流通を適宜に遮断する第二開閉弁と、前記連絡管への排気の過剰な抜き出しを抑制するオリフィスとを前記連絡管に装備したことを特徴とする後処理バーナシステム。
排気浄化材がパティキュレートフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の後処理バーナシステム。