JP6760891B2 - ディーゼルエンジンの排気処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気処理装置に関し、詳しくは、ＤＯＣの加熱に要する消費電力を小さくすることができる、ディーゼルエンジンの排気処理装置に関する。
従来、ＤＯＣを備えた、ディーゼルエンジンの排気処理装置の発明がある (例えば、特許文献１参照)。
この種の発明では、ＤＯＣの触媒機能により、排気中のＮＯｘの浄化やＤＰＦに溜まったＰＭの焼却等を行うことができる利点がある。
特開２０１４−１７７８９０号公報(図１〜図３参照)
《問題点》 ＤＯＣの加熱に要する消費電力が大きくなる。
特許文献１の発明では、排気温度が低く、ＤＯＣが活性化温度に満たない場合に、電気ヒータでＤＯＣを活性化温度まで加熱することができるが、発熱源となる電気ヒータからＤＯＣへの熱伝達が排気を介して間接的に行われるため、熱の伝達ロスが大きく、ＤＯＣの加熱に要する消費電力が大きくなるおそれがある。
本発明の課題は、ＤＯＣの加熱に要する消費電力を小さくすることができるディーゼルエンジンの排気処理装置を提供することにある。
請求項１に係る発明の発明特定事項は、次の通りである。
図１に例示するように、排気経路(２)と、排気経路(２)内に配置されたＤＯＣ(３)を備えたディーゼルエンジンの排気処理装置において、
図１、図２(Ａ)(Ｃ)(Ｄ)に例示するように、ＤＯＣ(３)を誘導加熱するＩＨコイル(４)と、ＩＨコイル(４)を支持するコイル支持体(１１)を備え、
ＩＨコイル(４)は、コイル支持体(１１)を芯材としてその外周に螺旋状に巻き付けられて支持され、ＩＨコイル(４)が巻き付けられたコイル支持体(１１)は、、ＤＯＣ(３)を外周から囲繞し、
ＤＯＣ(３)と共にコイル支持体(１１)もＩＨコイル(４)で誘導加熱されるように構成されている、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。
本発明は、次の効果を奏する。
《効果》ＤＯＣの加熱に要する消費電力を小さくすることができる。
排気(８)の温度が低く、ＤＯＣ(３)が活性化温度に達していない場合に、ＩＨコイル(４)によるＤＯＣ(３)の誘導加熱で、ＤＯＣ(３)の温度を上げ、ＤＯＣ(３)を活性化することができる。この場合、ＤＯＣ(３)自体が発熱源となり、発熱源からＤＯＣ(３)への熱の伝達ロスがなくなり、ＤＯＣ(３)の加熱に要する消費電力を小さくすることができる。
《効果》ＤＯＣの発熱密度を高めることができる。
図１、図２(Ａ)(Ｃ)(Ｄ)に例示するように、ＤＯＣ(３)がその外周から高密度のＩＨコイル(４)で囲繞され、ＤＯＣ(３)の発熱密度を高めることができる。
《効果》ＤＯＣの保温性が高い。
コイル支持体(１１)の温度も上がり、ＤＯＣ(３)の外周からの放熱が妨げられ、ＤＯＣ(３)の保温性が高い。
本発明の実施形態に係る排気処理装置を備えたエンジンの模式図である。 本発明の実施形態に係る排気処理装置のＤＯＣとその周辺部分を説明する図で、図２(Ａ)は縦断側面図、図２(Ｂ)は図２(Ａ)のＢ−Ｂ線断面図、図２(Ｃ)は図２(Ａ)のＣ−Ｃ線断面図、図２(Ｄ)は図２(Ｃ)のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の実施形態に係る排気処理装置で用いるエンジンＥＣＵによるＤＯＣ再生処理とＤＯＣ活性化処理の制御のフローチャートである。
図１〜図３は本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気処理装置を説明する図であり、この実施形態では、立形の直列４気筒ディーゼルエンジンについて説明する。
エンジンの構成は、次の通りである。
クランク軸(１２)の架設方向を前後方向、フライホイール(１２ａ)の配置された側を後側、その反対側を前側、前後方向と直交するエンジン幅方向を横方向とする。
図１に示すように、このエンジンは、シリンダヘッド(１３)の横一側に組みつけられた吸気マニホルド(１４)と、シリンダヘッド(１３)の横他側に組み付けられた排気マニホルド(１５)と、エンジン後部に配置されたフライホイール(１２ａ)を備えている。
図１に示すように、このエンジンは、排気装置を備えている。
排気装置は、排気マニホルド(１５)と、排気マニホルド(１５)に設けられた過給機(１６)の排気タービン(１６ａ)と、排気タービン(１６ａ)の排気出口(１６ｂ)から導出された排気導出通路(１６ｃ)を備えている。
図１に示すように、このエンジンは、吸気装置を備えている。
吸気装置は、過給機(１６)のコンプレッサ(１６ｄ)と、コンプレッサ(１６ｄ)の吸気入口(１６ｅ)の吸気上流側に設けられたエアフローセンサ(１７)と、コンプレッサ(１６ｄ)の過給気出口(１６ｆ)と吸気マニホルド(１４)の間に配置されたインタークーラ(１８)と、インタークーラ(１８)と吸気マニホルド(１４)の間に配置された吸気絞り弁(１９)と、排気マニホルド(１５)と吸気マニホルド(１４)の間に配置されたＥＧＲクーラ(２０)と、ＥＧＲクーラ(２０)と吸気マニホルド(１４)の間に配置されたＥＧＲ弁(２１)を備えている。ＥＧＲは、排気ガス還流の略称である。
吸気絞り弁(１９)とＥＧＲ弁(２１)は、いずれも電動式開閉弁で、これらはエンジンＥＣＵ(１)を介して電源(１０)に電気的に接続されている。エアフローセンサ(１７)は吸気温度センサを備え、エンジンＥＣＵ(１)に電気的に接続されている。
尚、エンジンＥＣＵのＥＣＵは、電子制御ユニットの略称で、エンジンＥＣＵ(１)はマイコンである。電源(１０)はバッテリである。
図１に示すように、このエンジンは、燃料噴射装置を備えている。
燃料噴射装置は、各燃焼室(２３)に設けられた燃料噴射弁(２４)と、燃料噴射弁(２４)から噴射する燃料を蓄圧するコモンレール(２５)と、コモンレール(２５)に燃料タンク(２６)から燃料を圧送する燃料サプライポンプ(２７)を備えている。
燃料噴射弁(２４)は電磁式開閉弁を備え、燃料サプライポンプ(２７)は、電動式調圧弁を備え、これらはエンジンＥＣＵ(１)の燃料噴射制御機能部を介して電源(１０)に電気的に接続されている。
図１に示すように、このエンジンは、調速装置を備えている。
調速装置は、エンジンの目標回転数を設定するアクセルレバー(２８)の設定位置を検出するアクセルセンサ(２９)と、エンジンの実回転数を検出する実回転数センサ(３０)を備え、これらセンサ(２９)(３０)はエンジンＥＣＵ(１)に電気的に接続されている。
図１に示すように、このエンジンは、始動装置を備えている。
始動装置は、スタータモータ(３１)と、キースイッチ(２２)を備え、スタータモータ(３１)とキースイッチ(２２)は、エンジンＥＣＵ(１)を介して電源(１０)に電気的に接続されている。キースイッチ(２２)は、ＯＦＦ位置と、ＯＮ位置と、スタート位置を備えている。
エンジンＥＣＵ(１)は、次のような運転制御を行うように構成されている。
エンジンの目標回転数と実回転数の回転数偏差を小さくするように、燃料噴射弁(２４)からの燃料噴射量や噴射タイミングを設定し、負荷変動によるエンジンの回転数変動を小さくする。
エンジンの回転数と負荷と吸気量と吸気温度に応じ、吸気絞り弁(１９)とＥＧＲ弁(２１)の開度を調節し、吸気量やＥＧＲ率を調節する。
キースイッチ(２２)がスタート位置に投入されると、スタータモータ(３１)を駆動し、エンジンの始動を行う。キースイッチ(２２)がＯＮ位置に投入されると、電源(１０)からエンジン各部への通電により、エンジン運転状態が維持され、キースイッチ(２２)がＯＦＦ位置に投入されると、燃料噴射弁(２４)からの燃料噴射が停止され、エンジンが停止される。
このエンジンは、排気処理装置を備えている。
図１に示すように、排気処理装置は、ＤＯＣ(３)を備えている。このため、この排気処理装置では、ＤＯＣ(３)の触媒機能により、排気(８)中のＮＯｘの浄化やＤＰＦ(７)に溜まったＰＭの焼却等を行うことができる。
図１に示すように、排気処理装置は、ＤＯＣ(３)を誘導加熱するＩＨコイル(４)を備えている。
このため、ＤＯＣ(３)が活性化温度に達していない場合等に、ＩＨコイル(４)によるＤＯＣ(３)の誘導加熱で、ＤＯＣ(３)の温度を上げ、ＤＯＣ(３)を活性化することができる。この場合、ＤＯＣ(３)自体が発熱源となり、発熱源からＤＯＣ(３)への熱の伝達ロスがなくなり、ＤＯＣ(３)の加熱に要する発熱源の消費電力を小さくすることができる。
図１、図２(Ａ)(Ｃ)(Ｄ)に示すように、排気処理装置は、ＩＨコイル(４)を支持するコイル支持体(１１)を備え、ＩＨコイル(４)は、コイル支持体(１１)を芯材としてその外周に螺旋状に巻き付けられて支持され、ＩＨコイル(４)が巻き付けられたコイル支持体(１１)は、ＤＯＣ(３)を外周から囲繞している。
このため、ＤＯＣ(３)がその外周から高密度のＩＨコイル(４)で囲繞され、ＤＯＣ(３)の発熱密度を高めることができる。
コイル支持体(１１)は棒材で構成され、後述の通り螺旋状に巻かれている。ＩＨコイル(４)は、銅の芯線を電気絶縁性及び熱絶縁性の被膜で覆ったものである。
排気処理ケース(３６)の周壁(３６ａ)に円筒形の保温筒(５)が内嵌され、この保温筒(５)の両端に円環形の一対のホルダ(９)(９)が内嵌され、ホルダ(９)(９)にＤＯＣ(３)の両端部が内嵌され、ホルダ(９)(９)と保温筒(５)を介してＤＯＣ(３)が排気処理ケース(３６)に支持され、保温筒(５)とＤＯＣ(３)の間に隙間(９ａ)にＩＨコイル(４)が巻き付けられたコイル支持体(１１)が収容され、隙間(９ａ)の両端部は、ホルダ(９)(９)で封止され、隙間(９ａ)への排気(８)の進入が抑制され、ＩＨコイル(４)が排気(８)の熱から保護されている。
図２(Ａ)に示すように、コイル支持体(１１)は、ＤＯＣ(３)の外周に沿う螺旋状とされている。このため、ＤＯＣ(３)の外周の広い範囲に亘ってＩＨコイル(４)を支持することができる。
ＤＯＣ(３)と共にコイル支持体(１１)もＩＨコイル(４)で誘導加熱されるように構成されている。このため、コイル支持体(１１)の温度も上がり、ＤＯＣ(３)の外周からの放熱が妨げられ、ＤＯＣ(３)の保温性が高い。
コイル支持体(１１)を構成する棒材は鉄製である。
図２(Ｂ)に示すように、ＤＯＣ(３)はメタルハニカムで構成されている。
このため、ＤＯＣ(３)の発熱面積が広く、ＤＯＣ(３)の触媒機能が高い。
図１に示すように、ＤＯＣ(３)は、排気経路(２)の途中に配置されている。排気経路(２)は、排気タービン(１６ａ)の排気出口(１６ｂ)から導出された排気導出通路(１６ｃ)の排気下流側に位置し、排気処理ケース(３６)を備え、排気処理ケース(３６)内にＤＯＣ(３)が収容されている。
図２(Ａ)に示すように、ＤＯＣ(３)は、排気処理ケース(３６)内の排気流れの上流寄りの部分に収容され、下流寄りの部分にＤＰＦ(７)が収容されている。ＤＯＣ(３)とＤＰＦ(７)は、いずれも排気経路(２)の中心軸線(２ａ)に沿う向きに方向付けられている。
図１に示すように、排気処理装置は、エンジンＥＣＵ(１)とＩＨコイル(４)との間にＩＨ制御回路(４ａ)を備え、ＩＨ制御回路(４ａ)は、高周波電力をＩＨコイル(４)に送るインバータ回路を備えている。
排気処理装置は、次のＤＯＣ活性化処理を行うことができるように構成されている。
図３に示すように、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)に至っていない場合、その情報に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＯＣ活性化処理の実施(Ｓ８)がなされ、ＤＯＣ活性化処理では、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)まで昇温される。
ＤＯＣは、ディーゼル酸化触媒の略称である。
ＤＯＣ(３)は酸化触媒成分を担持する金属製担体を備えている。
ＤＯＣ(３)の触媒担体は、内部に軸長方向に沿う多数のセルが貫通状に並設されたフロースルー式のメタルハニカムであり、セル内に白金やパラジウムやロジウム等の酸化触媒成分が担持されている。
ＤＯＣ(３)の触媒担体は、鋼製のメタルハニカムである。
ＤＯＣ(３)の触媒担体には、銅製やアルミニウム製等、他のメタルハニカムを用いることができる。
図１に示すように、排気処理装置は、ＤＯＣ入口側排気温度センサ(３４)とＤＯＣ出口側排気温度センサ(３５)を備え、これらセンサ(３４)(３５)はエンジンＥＣＵ(１)に電気的に接続されている。エンジンＥＣＵ(１)では、これらセンサ(３４)(３５)からの排気温度の情報に基づいて、ＤＯＣ(３)の推定温度を演算する。
図１に示すように、排気処理装置は、エンジンＥＣＵ(１)と、排気経路(２)に配置されたＤＰＦ(７)と、ＤＰＦ(７)の排気上流側に配置されたＤＯＣ(３)と、ＤＯＣ(３)の排気上流側に配置された燃料供給装置(６)を備えている。
ＤＰＦは、ディーゼル・パティキュレート・フィルタの略称であり、排気(８)に含まれるＰＭを捕捉する。ＰＭは、粒子状物質の略称である。
ＤＰＦ(７)は、内部に軸長方向に沿う多数のセルが並設され、隣り合うセルの入口と出口が交互に目封じされたウォールフローハニカム型のものである。
ＤＰＦ(７)は、セラミックハニカム製である。
排気処理装置は、次のＤＰＦ再生処理を行うことができるように構成されている。
図３に示すように、ＤＰＦ(７)のＰＭ堆積量の推定値(Ｆ)が所定のＤＰＦ再生開始の判定値(ＦＳ)に至っており、かつ、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)に至っている場合、その情報の検出に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＰＦ再生処理の実施(Ｓ４)がなされ、ＤＰＦ再生処理では、燃料供給装置(６)から排気(８)中に燃料が供給され、この燃料がＤＯＣ活性化処理で活性化されたＤＯＣ(３)で触媒燃焼されることにより、排気(８)の温度の上昇で、ＤＰＦ(７)に堆積したＰＭが焼却される。
排気処理装置は、次のＤＰＦ再生前のＤＯＣ活性化処理を行うように構成されている。
図３に示すように、ＤＰＦ(７)のＰＭ堆積量の推定値(Ｆ)が所定のＤＰＦ再生開始の判定値(ＦＳ)に至っているが、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)に至っていない場合、その情報の検出に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＯＣ活性化処理の実施(Ｓ８)がなされ、ＤＯＣ活性化処理では、ＤＯＣ活性化処理では、ＩＨコイル(４)によるＤＯＣ(３)の誘導加熱で、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)まで昇温され、その情報の検出に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＰＦ再生処理の実施(Ｓ４)がなされ、ＤＰＦ再生処理では、燃料供給装置(６)から排気(８)中に燃料が供給され、この燃料がＤＯＣ活性化処理で活性化されたＤＯＣ(３)で触媒燃焼されることにより、排気(８)の温度の上昇で、ＤＰＦ(７)に堆積したＰＭが焼却される。
ＤＯＣ活性化処理では、ＩＨコイル(４)によるＤＯＣ(３)の誘導加熱で、ＤＯＣ(３)の温度が上がるように構成されているため、ＤＯＣ(３)自体が熱源となり、熱源からＤＯＣ(３)への熱の伝達ロスがなく、その分、ＤＰＦ(７)再生前のＤＯＣ活性化に要する時間を短縮することができ、ＤＰＦ(７)の再生開始が早くなる。
排気処理装置は、ＤＰＦ(７)の出入口の差圧を検出する差圧センサ(３２)を備え、差圧センサ(３２)はエンジンＥＣＵ(１)に電気的に接続され、ＤＰＦ(７)の出入口の差圧に基づいて、エンジンＥＣＵ(１)がＤＰＦ(７)に堆積したＰＭの堆積量を推定する。
燃料供給装置(６)には、コモンレール式の燃料噴射装置が用いられ、ＤＰＦ再生処理では、燃料噴射弁(２４)からポスト噴射がなされ、燃料が排気(８)に混入され、この燃料がＤＯＣ(３)で触媒燃焼されることにより、排気(８)の温度の上昇で、ＤＰＦ(７)に堆積したＰＭが焼却される。
ポスト噴射とは、燃焼サイクル中、燃料噴射弁(２４)からメイン噴射後、膨張行程または排気行程で燃焼室(２３)に行われる燃料噴射である。
ポスト噴射によるＤＰＦ再生処理は、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が所定の活性化温度領域(Ｔ２)まで昇温された後に行われるが、排気(８)の温度が低い場合、その情報に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、吸気絞り弁(１９)の開度を絞り、排気(８)を昇温させる。
ＤＰＦ再生処理では、ＤＰＦ(７)の入口排気温度が所定の再生可能温度を維持するよう、ポスト噴射量が調節される。
ＤＰＦ再生処理では、ポスト噴射に代え、排気管に設けた燃料噴射弁から排気に燃料を噴射する排気管噴射を行ってもよい。
図３に示すように、ＤＰＦ(７)に堆積するＰＭの堆積量の推定値がＤＰＦ(７)の再生終了判定値(ＦＦ)を下回ると、その情報に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＰＦ再生処理は終了する。
ＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦ(７)の再生処理が開始された後、ＤＰＦ(７)の入口排気温度が所定の再生可能温度を維持した時間が所定の再生終了判定値に至った場合に終了させてもよい。ＤＰＦ(７)の入口排気温度は、ＤＯＣ(４)の出口側排気温度センサ(３５)で検出することができる。
なお、排気処理装置は、ＤＰＦ(７)の出口側排気温度センサ(３３)を備え、ＤＰＦ(７)の排気側出口温度が所定の異常燃焼基準値を越えた場合、その情報に基づくエンジンＥＣＵ(１)の指令で、ＤＰＦ再生処理を緊急終了させる。
エンジンＥＣＵ(１)によるＤＰＦ再生処理とＤＯＣ活性化処理の流れを図３に示す。
ステップ(Ｓ１)では、ＤＰＦ(７)のＰＭ堆積量の推定がなされ、次のステップ(Ｓ２)に進む。
ステップ(Ｓ２)では、ＤＰＦ(７)の堆積量の推定値(Ｆ)がＤＰＦ再生開始の判定値(ＦＳ)を越えたか否かが判定され、判定が否定されている間は、ステップ(Ｓ１)とステップ(Ｓ２)が繰り返され、判定が肯定されると、次のステップ(Ｓ３)に進む。
ステップ(Ｓ３)では、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)が活性化判定温度(Ｔ１)以上であるか否かが判定され、判定が肯定されると、ステップ(Ｓ４)に進む。ステップ(Ｓ３)での判定が肯定された場合、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)は活性化判定温度(Ｔ１)以上の活性化温度領域(Ｔ２)にあることになる。
ステップ(Ｓ４)では、ＤＰＦ再生処理の実施がなされ、次のステップ(Ｓ５)に進む。
ステップ(Ｓ５)では、ＤＰＦ(７)のＰＭ堆積量の推定がなされ、次のステップ(Ｓ６)に進む。
ステップ(Ｓ６)では、ＤＰＦ(７)の堆積量の推定値(Ｆ)がＤＰＦ再生終了の判定値(ＦＦ)以下となったか否か判定され、判定が否定された場合には、ステップ(Ｓ３)に戻り、判定が肯定された場合には、ステップ(Ｓ７)に進む。
ステップ(Ｓ７)では、ＤＰＦ再生処理か終了される。
なお、ステップ(Ｓ３)で判定が否定された場合には、ステップ(Ｓ８)に進む。ステップ(Ｓ３)での判定が否定された場合、ＤＯＣ(３)の推定温度(Ｔ)は活性化判定温度(Ｔ１)未満の活性化必要温度領域(Ｔ０)にあることになる。
ステップ(Ｓ８)では、ＤＯＣ活性化処理の実施がなされ、ステップ(Ｓ３)に戻る。
(２)…排気経路、(３)… ＤＯＣ、(４)…ＩＨコイル、(１１)…コイル支持体。

Claims (3)

  1. 排気経路(２)と、排気経路(２)内に配置されたＤＯＣ(３)を備えたディーゼルエンジンの排気処理装置において、
    ＤＯＣ(３)を誘導加熱するＩＨコイル(４)と、ＩＨコイル(４)を支持するコイル支持体(１１)を備え、
    ＩＨコイル(４)は、コイル支持体(１１)を芯材としてその外周に螺旋状に巻き付けられて支持され、ＩＨコイル(４)が巻き付けられたコイル支持体(１１)は、ＤＯＣ(３)を外周から囲繞し、
    ＤＯＣ(３)と共にコイル支持体(１１)もＩＨコイル(４)で誘導加熱されるように構成されている、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。
  2. 請求項１に記載されたディーゼルエンジンの排気処理装置において、
    コイル支持体(１１)は、ＤＯＣ(３)の外周に沿う螺旋状とされている、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載されたディーゼルエンジンの排気処理装置において、
    ＤＯＣ(３)はメタルハニカムで構成されている、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。
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