JP5741527B2 - Engine aftertreatment device - Google Patents
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Description
本発明は、排気のNOx成分を吸収分離する後処理装置、特にエンジンを冷始動した直後の冷温状態においてもNOx吸収分離能力を有するエンジン用後処理装置に関する。 The present invention relates to an aftertreatment device that absorbs and separates NOx components of exhaust gas, and more particularly to an engine aftertreatment device that has NOx absorption and separation ability even in a cold state immediately after the engine is cold-started.
エンジン特に、ディーゼルエンジンのNOx(窒素酸化物)後処理装置においては、例えば触媒を使ってNOxの還元処理を行い、NOx成分を浄化している。この技術においては、触媒が働く、作動温度(約200℃以上)より低い温度においては、NOx浄化を達成し得ないので、これを実現する技術が求められている。 Engines, in particular, NOx (nitrogen oxide) aftertreatment devices for diesel engines, for example, use a catalyst to reduce NOx to purify NOx components. In this technique, NOx purification cannot be achieved at a temperature lower than the operating temperature (about 200 ° C. or higher) at which the catalyst works, so a technique for realizing this is required.
また、NOx吸蔵還元型や吸着還元型触媒においては高価な白金等の貴金属を使う必要がある。他方、選択還元型触媒は卑金属を使用できるが、排気系に尿素水を調量・噴射供給する装置が必要となり、高価となっている。より安価に実現できる新しい方式のNOx後処理装置が求められている。 In addition, it is necessary to use expensive noble metals such as platinum in the NOx occlusion reduction type and adsorption reduction type catalysts. On the other hand, although the base metal can be used for the selective reduction catalyst, a device for metering and supplying urea water to the exhaust system is required, which is expensive. There is a need for a new type of NOx aftertreatment device that can be implemented at a lower cost.
すなわち、エンジンを冷始動した直後の低温度からでもNOx浄化が可能であること、しかも、NOX浄化のために貴金属等の高価な触媒を使わないこと、将来の厳しい排出ガス規制にも対応できる、高い浄化性能を有すること、これらの要件を満足するNOx浄化装置が望まれている。 In other words, NOx purification is possible even from a low temperature immediately after the engine is cold-started, and no expensive catalyst such as precious metals is used for NOx purification, and it is possible to meet future strict emission regulations. It is desired to have a high purification performance and a NOx purification device that satisfies these requirements.
これに関し例えば下記特許文献1には、アルカリ水溶液によってNOxを吸収することによる排気浄化の技術が開示されている。この文献に記載された手法であれば、アルカリ水溶液は安価であるとともに、相対的に低い温度でもNOx浄化が可能だという利点がある。 In this regard, for example, Patent Document 1 below discloses a technique for exhaust purification by absorbing NOx with an alkaline aqueous solution. The technique described in this document has the advantage that the alkaline aqueous solution is inexpensive and NOx purification is possible even at a relatively low temperature.
しかし上記特許文献1の技術では、NOx吸収液体の前に冷却手段を前置してNOx吸収液体が最適に機能する温度まで冷却するが、この方式をエンジンの運転条件の範囲が広い車両用エンジンに適用する場合、以下の課題に直面する。すなわち、冷却手段の能力を、エンジンが最大の排気温度、最大の排気流量を示す運転条件に合わせると、大規模になりすぎ、車両に搭載が難しくなる。したがって、車両用エンジンのように運転条件の範囲が広い場合でも、省資源かつ環境負荷低減に最適に適応できる後処理装置を構成し、その性能を発揮させることが望まれる。 However, in the technique of Patent Document 1, a cooling means is placed in front of the NOx absorbing liquid to cool it to a temperature at which the NOx absorbing liquid functions optimally. Faced with the following challenges: That is, if the capacity of the cooling means is adjusted to the operating conditions in which the engine exhibits the maximum exhaust temperature and the maximum exhaust flow rate, the engine becomes too large and difficult to mount on the vehicle. Therefore, it is desirable to configure a post-processing device that can be optimally adapted for resource saving and environmental load reduction even when the range of operating conditions is wide, such as a vehicle engine, and to exhibit its performance.
さらに上記特許文献1の手法の場合、冷却手段に故障が発生すると、冷却されない排気がNOx吸収手段に流入して、NOx吸収液体が高温によって分解や劣化するといった2次故障を誘発する可能性がある。したがって、後処理装置が故障した場合においても、2次故障を誘発せず、安全な走行を可能にして速やかに修理処理に向えるフェールセーフ機能を付与させることが望まれる。 Further, in the case of the method of Patent Document 1, if a failure occurs in the cooling means, there is a possibility that exhaust gas that is not cooled flows into the NOx absorbing means and induces a secondary failure in which the NOx absorbing liquid is decomposed or deteriorated due to high temperature. is there. Therefore, even when the post-processing device fails, it is desirable to provide a fail-safe function that enables safe traveling and promptly performs repair processing without inducing a secondary failure.
さらに、例えば上記特許文献1の手法においてDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)を後処理装置の上流に配する場合、DPFを再生して、DPF上のPM堆積量が少ない状態では、PMの捕集率が低く、比較的多くのPMが下流にすり抜ける。このPMが後処理装置の一部に付着して後処理装置の性能を低下させる。したがって、このような問題を起こさないために、DPFのPM捕集率が低いときには、すり抜けたPMが後処理装置に付着しない、あるいはしにくいようにすることが望まれる。 Further, for example, when a DPF (diesel particulate filter) is disposed upstream of the post-processing device in the method of Patent Document 1, the PM collection rate is obtained when the DPF is regenerated and the amount of accumulated PM on the DPF is small. And a relatively large amount of PM slips downstream. This PM adheres to a part of the post-processing apparatus and degrades the performance of the post-processing apparatus. Therefore, in order not to cause such a problem, it is desired that when the PM collection rate of the DPF is low, the slipped PM does not adhere to the post-processing apparatus or is difficult to do.
そこで本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑み、低コストで実現可能で低温でも高いNOx浄化性能を達成するとともに、エンジンの広い運転条件範囲にも適応でき、2次故障の可能性も抑制され、DPFをすり抜けたPMの影響も受けにくいエンジン用後処理装置を提供することにある。 Therefore, in view of the above, the problem to be solved by the present invention is that it can be realized at a low cost, achieves high NOx purification performance even at low temperatures, can be applied to a wide range of engine operating conditions, and has the possibility of secondary failure. It is an object of the present invention to provide an engine aftertreatment device that is suppressed and is not easily affected by PM passing through a DPF.
上記課題を達成するために、本発明に係るエンジン用後処理装置は、エンジンから排出される排気中のNOxを浄化する浄化手段と、排気通路における前記浄化手段の上流に配置された排気を冷却する冷却手段と、前記排気通路における、前記浄化手段と冷却手段との上流から前記浄化手段と冷却手段との下流へ排気をバイパスするように形成されたバイパス通路と、そのバイパス通路への排気の流通量を調節する調節手段と、前記浄化手段へ排気を流通させると前記浄化手段による浄化能力が低下する場合に、前記バイパス通路に排気をリリーフするように前記調節手段を制御する第1制御手段と、前記排気通路における前記冷却手段の上流に、粒子状物質を捕集する捕集器とを備え、前記第1制御手段は、エンジンの排気量が前記冷却手段の現在時点での冷却能力を超える排気量である場合、又は前記捕集器の捕集率が最高値から低下している場合に、前記バイパス通路に排気をリリーフするように制御する第2制御手段を備えたことを特徴とする。これにより、エンジンの広い運転条件範囲にも適応でき、2次故障の可能性も抑制され、DPFをすり抜けたPMの影響も受けにくいエンジン用後処理装置が実現できる。
In order to achieve the above object, an aftertreatment device for an engine according to the present invention cools exhaust gas disposed upstream of the purification means in the exhaust passage and purification means for purifying NOx in the exhaust discharged from the engine. Cooling means, a bypass passage formed in the exhaust passage so as to bypass exhaust gas from upstream of the purification means and cooling means to downstream of the purification means and cooling means, and exhaust gas to the bypass passage An adjusting means for adjusting the flow rate, and a first control means for controlling the adjusting means so as to relieve the exhaust gas to the bypass passage when the purifying capacity of the purifying means is reduced when the exhaust gas is circulated to the purifying means. If, on the upstream of the cooling means in the exhaust passage, and a collector for collecting particulate matter, the first control means, said cooling hand displacement of the engine Second control for controlling the exhaust gas to be relieved in the bypass passage when the amount of exhaust gas exceeds the cooling capacity at the present time or when the collection rate of the collector is reduced from the maximum value. Means are provided . As a result, it is possible to adapt to a wide range of operating conditions of the engine, and the possibility of a secondary failure is suppressed, and an engine post-processing device that is hardly affected by PM passing through the DPF can be realized.
(第1の実施例)
図1に第1の実施例を示す。エンジン1の排気管2の途中にDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)3が配置され、その下流に排気分岐管4が排気管2と平行して配置される。排気分岐管4の途中に排気流れの順に冷却手段5とNOx吸収手段6が配置される。さらに、排気分岐管4との分岐下流の排気管2の途中にリリーフ弁14と排気分岐管4の途中、冷却手段5の上流に流路遮断弁15が配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment. A DPF (diesel particulate filter) 3 is arranged in the middle of the
エンジン1は、吸気入口7から空気を取り込む。空気は、ターボチャージャーのコンプレッサー8で加圧され、加圧により高温となった空気はインタークーラー9で冷却された後、吸気マニホールド10に送られ、各ポートからエンジン1の燃焼室に吸入される。エンジン1の燃焼室では空気と燃料が混合され、燃焼する。燃焼によってエンジン1のピストンが押し下げられ、エンジン軸11の回転力として動力を生み出す。
The engine 1 takes in air from the
燃焼を終わった排気はエンジン1の燃焼室から排気マニホールド12に排気される。その後、排気はターボチャージャーのコンプレッサー8と直結したタービン13を回して空気を加圧する仕事をした後、排気管2に排出される。排気はここでDPF3を通過し、排気中のパティキュレートマター(PM、粒子状物質)をDPFによってろ過捕集する。同時に排気が通過するDPF表面にコーティングされた酸化触媒によってHC成分やCO成分も浄化される。その後、通常の場合、リリーフ弁14は閉じており、流路遮断弁15は開いているので、排気は、排気分岐管4を流れて冷却手段5を通り、冷却されて通常では排気温度が100℃〜180℃の間に下がる。
The exhaust after the combustion is exhausted from the combustion chamber of the engine 1 to the
冷却された排気は、さらにNOx吸収手段6を通過する。ここで、排気中に含まれるNOxは、NOx吸収手段6内においてNOx吸収液と接触して吸収される。ここまででPM、HC、CO、そしてNOxが除去され、クリーンな排気となって排気管出口16から大気中に排出される。
The cooled exhaust gas further passes through the NOx absorption means 6. Here, NOx contained in the exhaust is absorbed in contact with the NOx absorbing liquid in the NOx absorbing means 6. Up to this point, PM, HC, CO, and NOx are removed, and the exhaust gas is cleaned and discharged from the
ここで用いるDPF3は、セラミックで形成された多孔質の壁がフィルタとして働く、公知のウォールフロータイプの排気フィルタである。
The
また、排気の冷却手段5は、例えば特開2002−115573号で開示された、作動流体としてエンジンの冷却水等を用いたランキンサイクル方式の排熱回収システムである。同文献に記載されているように、このシステムには、排気管の途中に排気を熱源として高温高圧蒸気を発生する蒸発器が配置されている。容易に理解されるように、この蒸発器において水が高温高圧蒸気となることによって排気を冷却する機能を果たしている。 The exhaust cooling means 5 is a Rankine cycle exhaust heat recovery system using engine cooling water or the like as a working fluid disclosed in, for example, JP-A-2002-115573. As described in this document, in this system, an evaporator that generates high-temperature and high-pressure steam using exhaust as a heat source is disposed in the middle of an exhaust pipe. As can be easily understood, the evaporator serves to cool the exhaust gas by converting the water into high-temperature and high-pressure steam.
また、ランキンサイクルを作動させることによって高温高圧蒸気が軸出力を発生する膨張器を作動させて軸出力を発生させ、膨張器と出力軸が直結した発電器を作動させて電力を生み出し、蓄電器17に蓄電する。あるいはエンジンの出力軸に直結した発電電動機18を駆動して、エンジン動力をアシストする。こうすることによって排気から回収した熱量を再び回生エネルギーとして利用し、エンジンの燃費向上、CO2排出削減に貢献できる。図1の冷却手段5はランキンサイクルを構成する蒸発器、膨張器、発電器などを含んだものである。
Further, by operating the Rankine cycle, the high temperature and high pressure steam operates the expander generating the shaft output to generate the shaft output, and the generator directly connected to the expander and the output shaft is operated to generate electric power. To store electricity. Alternatively, the
公知の例としてハイブリッド車両に適用された特許出願例を述べたが、ハイブリッド車両でなく通常のエンジンに適用して、発電電力をもっぱら蓄電器17に蓄え、エンジン充電系統を働かせる負荷を軽減するようにしてもよい。
Although a patent application example applied to a hybrid vehicle has been described as a publicly known example, it is applied to a normal engine instead of a hybrid vehicle, and the generated power is stored exclusively in the
次に、NOx吸収手段6は、例えば上記特許文献1で開示されたものである。これはNOx吸収液としてアルカリ水溶液を用い、必要に応じて還元剤を添加し、さらにコロナ放電場を作り出してNOxを硝酸として効率よく吸収させるものである。コロナ放電により排気から吸収液にNOxを吸収させる反応筒の外壁は排気と接する内壁面が20〜50℃になるように冷却されるのが好ましいと述べられている。また、排気の温度は250℃くらい高くても充分なNOx浄化機能を得ることができるとも述べられている。これらの記述から、排気温度20℃から250℃の範囲において充分なNOx浄化機能を得られることがわかる。すなわち、公知のNOx吸蔵還元型触媒や尿素添加選択還元型触媒では排気温度150℃〜200℃以上でなければNOx浄化機能が発揮されないが、前記特許文献記載の方法においては常温においてもNOx浄化機能を発揮することができ、公知のNOx触媒装置の課題を解決することができる。 Next, the NOx absorption means 6 is disclosed in, for example, Patent Document 1 described above. In this method, an alkaline aqueous solution is used as the NOx absorbent, a reducing agent is added as necessary, and a corona discharge field is created to efficiently absorb NOx as nitric acid. It is stated that the outer wall of the reaction tube that absorbs NOx from the exhaust gas by the corona discharge is preferably cooled so that the inner wall surface in contact with the exhaust gas is 20 to 50 ° C. It is also stated that a sufficient NOx purification function can be obtained even if the exhaust temperature is as high as 250 ° C. From these descriptions, it can be seen that a sufficient NOx purification function can be obtained in the exhaust temperature range of 20 ° C. to 250 ° C. That is, the known NOx occlusion reduction type catalyst and urea addition selective reduction type catalyst do not exhibit the NOx purification function unless the exhaust temperature is 150 ° C. to 200 ° C. or higher. And the problems of the known NOx catalyst device can be solved.
NOx吸収手段6の別の例としては、NOx吸収液体としてNOxを化学吸着するイオン液体を用いてもよい。イオン液体は貯蔵手段に蓄えられている。そのイオン液体を排気管途中に設けた気液接触手段に送り、排気と接触させNOxを化学吸着する。その後、液体回収手段により排気からイオン液体を分離回収し、貯蔵手段に再び戻す。発明者の知見によれば、この方法においては、排気温度に影響されず排気中のNOxを浄化できるので、公知のNOx吸蔵還元型触媒や尿素添加選択還元型触媒が働かない、エンジン始動時や軽負荷運転時で排気温度が低い場合でも用いることができる。 As another example of the NOx absorbing means 6, an ionic liquid that chemisorbs NOx may be used as the NOx absorbing liquid. The ionic liquid is stored in the storage means. The ionic liquid is sent to a gas-liquid contact means provided in the middle of the exhaust pipe and brought into contact with the exhaust to chemically adsorb NOx. Thereafter, the liquid recovery means separates and recovers the ionic liquid from the exhaust and returns it to the storage means again. According to the inventor's knowledge, in this method, NOx in the exhaust gas can be purified without being affected by the exhaust gas temperature, so that a known NOx occlusion reduction catalyst or urea addition selective reduction catalyst does not work. It can be used even when the exhaust temperature is low during light load operation.
以上述べたように、冷却装置を前置して、NOx吸収液体が最適に作動する温度に排気温度を冷却する、その冷却装置はランキンサイクルにより回収した排気熱を回生エネルギーとして取り出しエンジンの燃費を向上させる、そして、常温からNOx吸収能力のある吸収液を使って排気中のNOxを除去するというコンセプトは、従来の触媒型方式が、150℃〜200℃以下では浄化ができないという課題を解決する優れた技術であるといえる。 As described above, the cooling device is placed in front to cool the exhaust temperature to a temperature at which the NOx absorbing liquid is optimally operated. The cooling device takes out the exhaust heat recovered by the Rankine cycle as regenerative energy to improve the fuel efficiency of the engine. The concept of improving and removing NOx in the exhaust using an absorbing solution having NOx absorption ability from room temperature solves the problem that the conventional catalyst type method cannot be purified at 150 ° C. to 200 ° C. or lower. This is an excellent technology.
(排気のリリーフ機能付与)
しかし、このコンセプトをエンジンの運転範囲が広い自動車用エンジンに適用する場合、冷却手段の能力を、エンジンが最大の排気温度、最大の排気流量を示す運転条件に合わせると、大規模になりすぎ、車両に搭載が難しくなるという問題に直面する。
(Exhaust relief function added)
However, when this concept is applied to an automobile engine with a wide engine operating range, if the capacity of the cooling means is adjusted to the operating conditions in which the engine exhibits the maximum exhaust temperature and the maximum exhaust flow rate, it becomes too large, We face the problem that it becomes difficult to install in vehicles.
この問題を解決するために本発明では、エンジンが頻繁に遭遇する運転条件の最大値(およそエンジン最大排気流量の1/3から1/2程度)を冷却手段の定格能力とし、それを超える場合は、冷却手段とその後に続くNOx吸収手段をバイパスする排気通路を設け、この通路の通過を制御するリリーフ弁を操作して冷却手段の能力を上回る分をバイパスさせる。これにより、冷却手段の守備範囲にある流量については冷却、NOx浄化が行えるので、冷却手段に過度な資源投資を行うことなく、かつ、NOxの大気汚染による環境負荷を可能な限り低減できるという最適解を得ることができる。 In order to solve this problem, in the present invention, the maximum value of the operating condition frequently encountered by the engine (approximately about 1/3 to 1/2 of the engine maximum exhaust flow rate) is set as the rated capacity of the cooling means, and is exceeded. Provides an exhaust passage that bypasses the cooling means and the NOx absorption means that follows, and operates a relief valve that controls the passage of this passage to bypass the amount exceeding the capacity of the cooling means. As a result, cooling and NOx purification can be performed for the flow rate in the defense range of the cooling means, so that it is possible to reduce the environmental burden due to NOx air pollution as much as possible without making excessive resource investment in the cooling means. A solution can be obtained.
以上の目的の達成のために、具体的に図1の実施例はリリーフ弁14を備える。この弁はリリーフ弁サーボ機構19によって開閉が制御される。電磁弁と負圧サーボ機構によって制御される場合、マイクロコンピュータを用いた公知の制御ユニット20からリリーフ弁サーボ機構19内の電磁弁を制御しておこなう。公知の制御ユニット20には、冷却手段下流の排気温度を検出する温度センサ21、および、その他の必要なエンジン情報が入力され、後に示すフローチャートにしたがって制御を行う。
In order to achieve the above object, the embodiment of FIG. 1 specifically includes a
図2にリリーフ弁サーボ機構の1実施形態を示す。排気通路2に置かれたリリーフ弁14はバタフライ弁構成である。バタフライ弁の軸は管外でリンク23と結合している。また、負圧サーボ機構のダイヤフラム29の中央ボス部26から延びたシャフト25は、摺動軸受け27で摺動可能に支持され、その他端は90°に折り曲げられ、リンク23の穴部24に挿入されている。ダイヤフラム29はその円形状外周をダイヤフラム室ボディ30により固定され、ダイヤフラム上室と下室を区切っている。ダイヤフラム29はバネ28により下方に押されている。ダイヤフラム上室には開口部32によって大気が導入され、ダイヤフラム下室には、連通管31によって排気管2のリリーフ弁14上流圧力が導入される。
FIG. 2 shows an embodiment of the relief valve servo mechanism. The
この構成において、排気管圧力が所定の圧力以上になるとダイヤフラム29の上下差圧によって生じる力によってバネ28を押し上げ、図3に示すような状態になる。ダイヤフラム中央ボス部26の上昇によって、リリーフ弁14は開くので、リリーフ弁を通過して余剰の排気流量分を流すことができる。また、リリーフ弁の開度はバネ28の力と排気圧力によって生じる力が釣合ったところでバランスできる。すなわち、この実施例では、以上説明したような機械的な機構によって余剰な排気流量分が自動的に排出できる。
In this configuration, when the exhaust pipe pressure becomes equal to or higher than a predetermined pressure, the
図4にリリーフ弁サーボ機構の別の実施形態を示す。図1に示した第1の実施例の構成に加えてダイヤフラム上室の圧力を負圧によって制御できる機構を追加している。ダイヤフラム室ボディ30の開口部32に接続する配管があり左方には負圧を導く負圧導入口33がある。負圧は図示しないバキュームポンプによって作られた負圧が導入される。配管の上方には大気を取り込む絞りを含む大気導入口34があり、空気は大気導入口34から負圧導入口33へと流れる。負圧導入口33に至る途中に電磁弁35が配される。電磁弁35はON−OFFすることによって通路を開閉するように働く。電磁弁35に5〜50Hzの中から選ばれるON−OFFパルスを与え、そのON−OFFデューティ比を変えることによってダイヤフラム上室にかかる負圧レベルを制御してリリーフ弁14の開度を制御する。電磁弁35は図1に示す制御ユニット20によって所望のデューティ比のON−OFFパルスを生成し、制御する。
FIG. 4 shows another embodiment of the relief valve servo mechanism. In addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, a mechanism capable of controlling the pressure in the diaphragm upper chamber by a negative pressure is added. A pipe connected to the
図4に示すリリーフ弁サーボ機構の実施形態において、制御ユニット20を用いて駆動する場合の、制御ユニット20のマイクロコンピュータに実行させる動作のフローチャートを図6に示す。自動車用に用いられる2Lエンジンに適用した場合の例として示す。
In the embodiment of the relief valve servo mechanism shown in FIG. 4, FIG. 6 shows a flowchart of operations to be executed by the microcomputer of the
このルーチンが起動されると、判断S36に進み、エンジンの吸入空気流量が60g/s以上の状態が10s以上に亘って続いたか否かを判断する。吸入空気流量は排気流量とほぼ比例関係にあるのでエンジン制御で一般に用いる吸入空気流量を用いている。この条件が満たされない場合(NOの場合)は判断S37に進み、排気温度が180℃以上の状態が15s以上に亘って続いたか否かを判定する。この条件が満たされない場合(NOの場合)は処理S38に進みリリーフ弁14を不作動すなわち開度が全閉の位置になるようにしてこのルーチンを抜ける。吸入空気流量60g/s以上が10s以上に亘って続いた場合、または排気温度が180℃以上の状態が15s以上に亘って続いた場合(YESの場合)は処理S39に進み、リリーフ弁を作動状態とし、さらに処理S40において、電磁弁35に与えるパルスデューティ比をエンジン運転条件に応じて決め、電磁弁に決定したデューティ比のON−OFFパルス信号を送る。エンジン運転条件に応じて決めるとは、例えば、吸入空気流量が60g/sを超える余剰流量を求め、その流量がリリーフ弁を通過して流れるようにリリーフ弁開度を求め、その開度に基づいてデューティ比を決める、というような方法である。
When this routine is started, the process proceeds to determination S36, and it is determined whether or not the state where the intake air flow rate of the engine is 60 g / s or more continues for 10 seconds or more. Since the intake air flow rate is substantially proportional to the exhaust gas flow rate, the intake air flow rate generally used in engine control is used. When this condition is not satisfied (in the case of NO), the process proceeds to determination S37, and it is determined whether or not the state where the exhaust gas temperature is 180 ° C. or higher continues for 15 seconds or longer. If this condition is not satisfied (in the case of NO), the routine proceeds to step S38, and the routine exits this routine so that the
以上のとおり、排気圧力が所定圧力以上となると冷却手段5の能力を超え、それによりNOx吸収手段6によって適切にNOx浄化されなくなるので、図2,3の実施形態では機械的な機構により、図4、図6の実施形態では電気的な制御を加えて、排気を排気管2の側へリリーフする。これにより過大な排気流量によるNOx浄化能力の低下が回避される。
As described above, when the exhaust pressure exceeds the predetermined pressure, the capacity of the cooling means 5 is exceeded, and accordingly, the NOx absorbing means 6 does not properly purify NOx. Therefore, in the embodiment of FIGS. 4. In the embodiment of FIG. 6, electrical control is applied to relieve exhaust to the
(第2の実施例・流路遮断機能の付与)
次に第2の実施例を説明する。なお以下の第2、第3の実施例では、特に説明がない限り、用いるシステム構成は図1と同じとし、重複する説明は省略する。
(Second embodiment, addition of flow path blocking function)
Next, a second embodiment will be described. In the following second and third embodiments, unless otherwise specified, the system configuration to be used is the same as that shown in FIG.
冷却手段5が何らかの原因によりその機能を失った場合、あるいは、何らかの原因により作動を停止した場合、冷却されない排気が、後流のNOx吸収手段6に流入して、その高温によるNOx吸収液体の分解や劣化といった2次的な故障を誘発する問題がある。この問題を防ぐためには、冷却手段5から排出される排気の温度を測定し、所定の温度以上になった場合に冷却手段5に排気が流入しないようにすることが望ましい。 When the cooling means 5 loses its function for some reason, or when the operation is stopped for some reason, uncooled exhaust gas flows into the downstream NOx absorbing means 6 and decomposes the NOx absorbing liquid due to its high temperature. There is a problem of inducing secondary failures such as deterioration and deterioration. In order to prevent this problem, it is desirable to measure the temperature of the exhaust discharged from the cooling means 5 so that the exhaust does not flow into the cooling means 5 when the temperature exceeds a predetermined temperature.
この目的のために図1の実施例は、流路を遮断する流路遮断弁15を備える。流路遮断弁15は、冷却手段5の上流に設定した例を示しているが、NOx吸収手段6の上流36の位置やNOx吸収手段6の下流37の位置に配置されていてもよい。冷却手段5を通ってNOx吸収手段6に流入する排気流れを阻止すればよいのであり、いずれの位置においても目的の効果を発揮できるからである。
For this purpose, the embodiment of FIG. 1 comprises a channel shut-off
図5に流路遮断弁サーボ機構50の一実施形態を示す。排気分岐通路4に置かれた流路遮断弁15はバタフライ弁構成である。バタフライ弁の軸は管外でリンク38と結合している。また、負圧サーボ機構のダイヤフラム39の中央ボス部40から延びたシャフト41は、ストッパを含む摺動軸受け42で摺動可能に支持され、その他端は90°に折り曲げられ、リンク38の穴部43に挿入されている。ダイヤフラム39はその円周状外周をダイヤフラム室ボディ44により固定され、ダイヤフラム上室と下室を区切っている。ダイヤフラム39はバネ45により下方に押されている。ダイヤフラム上室には、絞りを含む大気開口部46と負圧導入口47とそれに至る通路途中に配された電磁弁48によって決められた負圧または大気圧が導入され、ダイヤフラム下室には、大気連通口49によって大気圧力が導入される。
FIG. 5 shows an embodiment of the flow path cutoff
この構成において、電磁弁48が通電されず閉の状態においては、ダイヤフラム39とダイヤフラム室ボディ44で形成されるダイヤフラム上室は大気圧となり、ダイヤフラム下室の圧力も大気圧であるから、中央ボス部40はバネ45の力によって下方に押し下げられ、摺動軸受け42にあるストッパに当接する位置で停止する。その位置に対応して流路遮断弁15は全開状態となる。
In this configuration, when the
ECU20によって与えられる通電パルスON信号によって電磁弁48が開状態となると、大気開口部46から大気が流入し、電磁弁48を通過して負圧導入口47を通過し、図示しない負圧源に流入する。これによってダイヤフラム上室には負圧が発生し、負圧によってダイヤフラム39に働く図示上向きの力がバネ45の力に打ち勝って中央ボス部40を上方に引き上げる。その変位はリンク機構を経由して流量遮断弁15に伝えられ、全閉の状態まで移動する。このようにして排気分岐通路4の開閉を行う。
When the
次に制御ユニット20のマイクロコンピュータに実行させる動作のフローチャートを図7に示す。このルーチンが起動されると、判断S51に進み、まず、冷却手段5が異常であるか否か、あるいは作動していないかどうかを判定する。NOの場合は判断S52に進み、排気温度が、NOx吸収液の分解あるいは劣化を始める温度に対応する温度220℃より高い状態が15s以上続いたか否かを判定する。NOの場合は処理S53に進み、流路遮断弁15を全開とし、さらに処理S54に進み冷却手段5の運転を維持し、さらに処理S55に進みNOx吸収手段6の運転を維持したままとする。
Next, FIG. 7 shows a flowchart of the operation executed by the microcomputer of the
冷却手段5が異常または不作動(判断S51がYES)、そして、排気温度が、NOx吸収液の分解あるいは劣化を始める温度に対応する温度220℃より高い状態が15s以上続いた場合(判断S52がYES)は、処理S56に進み、流路遮断弁15を全閉とし、処理S57に進み、冷却手段5の運転を停止し、処理S58に進み、NOx吸収手段6の運転を停止する。そして、判断S59に進み、流路遮断弁15の全閉が100s以上続いたか否かを判定する。NOの場合は何もせずこのルーチンを抜ける。YESの場合は、処理S60に進み、冷却手段5の異常を運転者にランプなどを点灯して知らせるとともに、冷却手段5の故障状態を記憶する。
When the cooling means 5 is abnormal or inoperative (determination S51 is YES), and the state where the exhaust gas temperature is higher than 220 ° C. corresponding to the temperature at which the NOx absorption liquid starts to decompose or deteriorate continues for 15 seconds or longer (determination S52) YES), the process proceeds to process S56, the flow
以上のとおり、故障などにより冷却手段5の冷却能力が低下した場合、その時点での冷却能力を超える分の排気(例えば冷却能力がゼロならば全ての排気)は排気管2の側へリリーフする。これにより、冷却されない排気が流入してNOx吸収手段5の能力が(例えば長期的に)低下することが回避される。
As described above, when the cooling capacity of the cooling means 5 decreases due to a failure or the like, the exhaust exceeding the current cooling capacity (for example, all exhaust if the cooling capacity is zero) is relieved to the
なお、リリーフ弁と流路遮断弁の機能を1つのバイパス弁によって構成することもできるが、上述のように本実施例では2つの弁によって構成した。この構成の利点について以下で述べる。 Although the functions of the relief valve and the flow path shut-off valve can be configured by one bypass valve, in the present embodiment, the function is configured by two valves as described above. The advantages of this configuration are described below.
冷却手段5が故障し、それによって高温の排気がNOx吸収手段6に達し、その機能を喪失させる2次故障は、使用される装置の一生の間に一度も起こってはならない故障として高品質な大量生産設計を要求される場合がある。 A secondary failure that causes the cooling means 5 to fail, whereby hot exhaust gas reaches the NOx absorption means 6 and loses its function, is a high quality fault that should never occur during the lifetime of the equipment used. May require mass production design.
他方、冷却手段5は、車両内空調装置の延長線上のノウハウで設計されて、予測故障率が好適に低くならない場合がある。さらに、排気の流路を開閉するリリーフ弁や流路遮断弁は、高温環境で使用されるために摺動部分に充分な潤滑機構を付与することが難しい。ゆえに、予測故障率が好適に低くならない場合がある。冷却手段の予想故障率と排気通路を開閉する弁の予想故障率がともに好適に低くならず、しかし全体として高品質な設計を求められた場合には、冷却手段と排気通路を開閉する弁の両故障が同時に起こっても2次故障には絶対に至らない設計を行う必要がある。 On the other hand, the cooling means 5 is designed with know-how on the extension line of the in-vehicle air conditioner, and the predicted failure rate may not be suitably reduced. Furthermore, since the relief valve and the flow shut-off valve for opening and closing the exhaust flow path are used in a high temperature environment, it is difficult to provide a sufficient lubrication mechanism to the sliding portion. Therefore, the predicted failure rate may not be suitably reduced. Both the expected failure rate of the cooling means and the expected failure rate of the valve that opens and closes the exhaust passage are not suitably lowered, but when a high-quality design is required as a whole, It is necessary to perform a design that never leads to a secondary failure even if both failures occur simultaneously.
すなわち一つの排気通路開閉弁の場合では、冷却手段が故障し、かつ、開閉弁が、冷却手段とNOx吸収手段のある排気通路を開いたまま、バイパス通路を閉じた状態のまま動かない故障を考えなければならない。この最悪ケースでは、エンジンの排気温度が200℃を下回るように運転を制限すればよいが、そのような制約条件の下では、車両用エンジンの場合、緩やかな坂も上れない、言い換えると修理工場までの退避走行すら行うことが困難になるという問題を生じる。 That is, in the case of one exhaust passage opening / closing valve, the cooling means fails, and the opening / closing valve does not move while the exhaust passage with the cooling means and the NOx absorption means is open and the bypass passage is closed. I have to think about it. In this worst case, it is sufficient to limit the operation so that the exhaust temperature of the engine falls below 200 ° C. However, under such constraints, in the case of a vehicle engine, a gentle slope cannot be climbed, in other words, repair. There arises a problem that even the evacuation to the factory becomes difficult.
リリーフ弁14と流路遮断弁15を分けて設計すれば、冷却手段5の故障と同時にリリーフ弁14が閉じたまま故障、かつ流路遮断弁15が開いたまま故障のモードは3重故障となり、2重故障モードから無くすことができる。したがって、エンジンの退避走行すら困難になるという問題は回避できる。
If the
流路遮断弁15が閉故障した場合は、リリーフ弁14を閉じて、閉じたとしてもその漏れ流量が流路遮断弁15の漏れ流量の4倍以上としておけば、排気の主流がバイパス側を流れるようにすることができる。さらに念を入れて図4の61に示すようなリリーフ機構をさらに追加すれば、追加したリリーフ機構が開いてバイパス側に大部分の排気を流すので排気分岐管4側に高温の排気が流れ込むことはない。
If the flow shut-off
(第3の実施例・DPFのPM捕集率が低いときのリリーフ機能)
次に第3の実施例を説明する。この実施例では、図1に示すようにDPF3を冷却手段5とNOx吸収手段6の上流に備える場合を扱う。DPF3が再生モードにおいて、一時的に高温にされた排気によって捕集されたPMが燃焼させられて除去されると、PMの捕集率が低下し、比較的多くのPM特にSoot成分がDPFの下流にすり抜けていく。そのPMはNOx吸収手段6中にあるNOx吸収液に比較的多く混入し、吸収液の流動を妨げる、吸収液を排気と効率的に接触するためにインジェクタを用い噴射する場合は、インジェクタ内部にある吸収液通路を塞ぎ流動を疎外するといった問題を生じる。
(Third embodiment: Relief function when the DPF PM collection rate is low)
Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, the case where the
図8はセラミック製ウォールフロータイプDPFの単位容積あたりのPM堆積量とPM捕集率の関係を示す。再生によってPM堆積量がゼロとなった場合、捕集率は85%程度に悪化する。再生後エンジンの運転を続けてPMを徐々に堆積させてPMが0.2g/L以上になると捕集率は99%を越えるレベルに達する。再生をおこなうPM堆積量は通常2g/L〜6g/Lの領域であるから、再生から次の再生までを一再生走行距離とすると、再生直後のわずかな運転期間の間、一再生走行距離の1/10〜1/30の走行距離において捕集率が低下する現象が起こることがわかる。 FIG. 8 shows the relationship between the PM deposition amount per unit volume of the ceramic wall flow type DPF and the PM collection rate. When the PM accumulation amount becomes zero by regeneration, the collection rate is deteriorated to about 85%. After the regeneration, the engine operation is continued to gradually accumulate PM, and when PM becomes 0.2 g / L or more, the collection rate reaches a level exceeding 99%. Since the amount of PM deposited for regeneration is normally in the range of 2 g / L to 6 g / L, assuming that one regeneration travel distance is from regeneration to the next regeneration, one regeneration travel distance is It can be seen that a phenomenon occurs in which the collection rate decreases at a travel distance of 1/10 to 1/30.
上記問題を解決するためには、再生終了直前から再生直後DPF捕集率が低下して、下流にPMが比較的多く流出するときにはリリーフ弁14を開いて、PMを含んだ排気がNOx吸収手段6をバイパスして流れるようにする。この場合、バイパスする排気のNOx浄化はできないことになるが、それを実行する走行距離は短いので、長い走行距離を走る間に大気に排出される平均のNOxの量をわずかに悪化させるレベルに抑えて実現できる。
In order to solve the above problem, when the DPF trapping rate decreases immediately after the regeneration immediately before the regeneration ends and a relatively large amount of PM flows downstream, the
PMを効果的にバイパスさせるには図1に示すようにバイパスを構成する排気通路2を真直ぐに配置し、冷却手段5やNOx吸収手段6が配置される排気分岐管4を横に曲がるように分岐させる。PMは微粒子であるが質量を持っているので、急な曲がり部分への流入は起きにくく、真直ぐな方向には流入しやすいので、このようなレイアウトを選定することによってNOx吸収手段6へのPMの流入を少なくすることができる。
In order to effectively bypass PM, as shown in FIG. 1, the
さらにNOx吸収手段6へのNOx混入を小さくするには、リリーフ弁14の開弁にあわせて流路遮断弁15を閉じて排気分岐通路4へのPMの流入を阻止してやればよい。
Further, in order to reduce the NOx mixing into the NOx absorption means 6, it is only necessary to close the flow passage shut-off
以上述べたことを実施するフローチャートを図9に示す。ルーチンが起動されると、まず処理S62に進み、DPFの現在の捕集率を推定する。捕集率の推定は、DPFの前後の差圧を測定し、所定の排気流量で比較して差圧が小さい場合はPM堆積量が少ない、差圧が大きい場合はPM堆積量が多いという関係がある。この関係を予め求めてマイクロコンピュータのメモリーに記憶させておけば、流量と差圧からPM堆積量が分かり、さらに、図8の関係をも記憶させておけばPM堆積量から現在のDPF捕集率を求めることができる。また、再生後のエンジンの運転経過時間や車両の走行距離、再生の経過時間や再生開始からの走行距離などからDPF捕集率を求めてもよい。そのほか、エンジンから排出されるPMを時々刻々推定して積算し、さらに、再生中のPM燃焼量(減少量)を時々刻々推定して積算することにより現在のPM堆積量を推定し、現在のDPF捕集率を求めてもよい。 FIG. 9 shows a flowchart for carrying out what has been described above. When the routine is started, the process first proceeds to step S62, and the current collection rate of the DPF is estimated. The collection rate is estimated by measuring the differential pressure before and after the DPF. When the differential pressure is small compared to the predetermined exhaust flow rate, the PM accumulation amount is small, and when the differential pressure is large, the PM accumulation amount is large. There is. If this relationship is obtained in advance and stored in the memory of the microcomputer, the amount of accumulated PM can be determined from the flow rate and the differential pressure. Furthermore, if the relationship of FIG. The rate can be determined. Further, the DPF collection rate may be obtained from the elapsed operation time of the engine after regeneration, the travel distance of the vehicle, the elapsed time of regeneration, the travel distance from the start of regeneration, or the like. In addition, the PM discharged from the engine is estimated and accumulated every moment, and the current PM accumulation amount is estimated by estimating and accumulating the PM combustion amount (reduction amount) during regeneration every moment. The DPF collection rate may be obtained.
次に判断S63に進み、DPF捕集率が95%以下になっているか否かを判定する。95%は実施の一例であってこの近傍の他の数値であってもよい。S63がYESの場合は、処理S64〜S68に進む。すなわち、流路遮断弁15を全閉として、排気分岐管4への排気の流入を止め、冷却手段5とNOx吸収手段6の運転を停止し、さらに、リリーフ弁を開くためエンジン運転条件に合わせて決められたパルスデューティ比のON−OFF信号を電磁弁35に送り動作させる。
Next, it progresses to judgment S63 and it is determined whether the DPF collection rate is 95% or less. 95% is an example of implementation and may be other values in the vicinity. If S63 is YES, the process proceeds to S64 to S68. That is, the flow path shut-off
S63がNOの場合は、処理S69〜S71に進む。流路遮断弁15を開いて排気分岐通路4に排気が導かれるようにする。そして、冷却手段5とNOx吸収手段6を運転させる。次に判定S72に進み、再生後の走行距離がAkm以上であるか否かを判定する。DPF捕集率が98〜99%以上になったか否かを判断したいのであるが、これだと数値分解能が劣るので、再生を終了した後Akm走行するとDPF捕集率が98〜99%になるという対応関係からAkmを求めている。走行距離ではなくエンジン運転時間や推定したPM堆積量を判定の指標として用いてもよい。S72がYESなら、処理S73に進み、リリーフ弁を不作動(全閉)とする。S72がNOならば何も処理をしないでこのルーチンを抜ける。
If S63 is NO, the process proceeds to steps S69 to S71. The flow passage shut-off
以上のとおり、例えばDPF3の再生直後などのようにDPFの捕集率が、当該DPFの捕集率の最高値から低下している場合には、排気を排気管2の側へリリーフする。これにより、DPF3をすり抜けたPMがNOx吸収手段の能力を低下させることが適切に回避できる。
As described above, when the DPF collection rate is reduced from the maximum value of the DPF collection rate, for example, immediately after regeneration of the
以上の3つの実施例は任意に組み合わせて実施してよい。なお上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できる。例えば図9の実施例ではリリーフ弁全閉と流路遮断弁全開をそれぞれ独立した判定によって行い、より精緻な制御が実現できるようにしたが、同じ判定を用いて同時に行ってもよい。また、リリーフ弁と流路遮断弁両方の機能を統合した一体の弁機構を用いてもよい。またエンジンは限定せず、例えばディーゼルエンジン、リーンバーンガソリンエンジンなどとすればよい。 The above three embodiments may be implemented in any combination. In addition, the said Example can be suitably changed in the range which does not deviate from the meaning described in the claim. For example, in the embodiment of FIG. 9, the relief valve is fully closed and the flow path shut-off valve is fully opened by independent determination so that more precise control can be realized. However, the same determination may be performed simultaneously. Moreover, you may use the integral valve mechanism which integrated the function of both the relief valve and the flow-path cutoff valve. The engine is not limited and may be a diesel engine, a lean burn gasoline engine, or the like.
1 エンジン
2 排気管(バイパス通路)
3 DPF(捕集器)
5 冷却手段
6 NOx吸収手段(浄化手段)
14 リリーフ弁(調節手段)
15 流路遮断弁(調節手段)
1
3 DPF (collector)
5 Cooling means 6 NOx absorption means (purification means)
14 Relief valve (adjustment means)
15 Channel shutoff valve (adjustment means)
Claims (7)
排気通路における前記浄化手段の上流に配置された排気を冷却する冷却手段(5)と、
前記排気通路における、前記浄化手段と冷却手段との上流から前記浄化手段と冷却手段との下流へ排気をバイパスするように形成されたバイパス通路(2)と、
そのバイパス通路への排気の流通量を調節する調節手段(14、15)と、
前記浄化手段へ排気を流通させると前記浄化手段による浄化能力が低下する場合に、前記バイパス通路に排気をリリーフするように前記調節手段を制御する第1制御手段(20)と、
前記排気通路における前記冷却手段の上流に、粒子状物質を捕集する捕集器(3)とを備え、
前記第1制御手段は、エンジンの排気量が前記冷却手段の現在時点での冷却能力を超える排気量である場合、又は前記捕集器の捕集率が最高値から低下している場合に、前記バイパス通路に排気をリリーフするように制御する第2制御手段(20)を備えたことを特徴とするエンジン用後処理装置。 Purification means (6) for purifying NOx in the exhaust discharged from the engine;
A cooling means (5) for cooling the exhaust gas disposed upstream of the purification means in the exhaust passage;
A bypass passage (2) formed in the exhaust passage so as to bypass exhaust gas from upstream of the purification means and cooling means to downstream of the purification means and cooling means;
Adjusting means (14, 15) for adjusting the flow rate of the exhaust gas to the bypass passage;
First control means (20) for controlling the adjusting means so as to relieve the exhaust gas to the bypass passage when the purification ability of the purification means decreases when exhaust gas is circulated to the purification means;
A collector (3) for collecting particulate matter upstream of the cooling means in the exhaust passage;
The first control means, when the displacement of the engine is a displacement that exceeds the current cooling capacity of the cooling means, or when the collection rate of the collector is reduced from the maximum value, An engine aftertreatment device comprising second control means (20) for controlling the exhaust gas to be relieved in the bypass passage .
前記第2制御手段は、前記第1検出手段が前記冷却手段における冷却機能の低下を検出した場合に、前記バイパス通路に排気をリリーフするように制御する第4制御手段(20、S56)を備えた請求項1に記載のエンジン用後処理装置。 First detection means for detecting a decrease in the cooling function of the cooling means;
The second control means includes fourth control means (20, S56) for controlling the exhaust to be relieved in the bypass passage when the first detection means detects a decrease in the cooling function of the cooling means. The engine aftertreatment device according to claim 1 .
前記第4制御手段は、前記第1検出手段が前記冷却手段における冷却機能の低下を検出した場合に、前記遮断弁を閉鎖する閉鎖手段(S56)を備えた請求項3に記載のエンジン用後処理装置。 A shut-off valve (15) for stopping the inflow of exhaust gas to the cooling means and the purifying means,
4. The rear part for an engine according to claim 3 , wherein the fourth control unit includes a closing unit (S <b> 56) that closes the shut-off valve when the first detection unit detects a decrease in the cooling function of the cooling unit. Processing equipment.
前記冷却手段を通過した排気の温度を検出する第2検出手段(21)と、
その第2検出手段が検出した温度が閾値を超える場合に前記冷却手段における冷却機能の低下と判定する第1判定手段(S52)と、
を備えた請求項3又は4に記載のエンジン用後処理装置。 The first detection means includes
Second detection means (21) for detecting the temperature of the exhaust gas that has passed through the cooling means;
A first determination unit (S52) that determines that the cooling function of the cooling unit is deteriorated when the temperature detected by the second detection unit exceeds a threshold;
The engine aftertreatment device according to claim 3 or 4 provided with .
前記捕集器の上下流の圧力差、前記捕集器の再生終了からの走行距離、前記捕集器における粒子状物質の堆積量の推定値のうち少なくとも1つにより、前記捕集器の捕集率が最高値から低下していることを判定する第2判定手段(S63)と、
その第2判定手段が前記捕集器の捕集率が最高値から低下していると判定したら、前記バイパス通路に排気をリリーフするように制御する第6制御手段(S64,S67)と、
を備えた請求項1に記載のエンジン用後処理装置。 The second control means includes
At least one of the pressure difference between the upstream and downstream of the collector, the travel distance from the end of regeneration of the collector, and the estimated value of the amount of particulate matter accumulated in the collector is used to capture the collector. Second determination means (S63) for determining that the collection rate has decreased from the maximum value;
If the second determination means determines that the collection rate of the collector has decreased from the maximum value, sixth control means (S64, S67) for controlling the exhaust to relieve the bypass passage;
The engine aftertreatment device according to claim 1 , comprising:
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