JPH0350095B2

JPH0350095B2 -

Info

Publication number: JPH0350095B2
Application number: JP3933282A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Takama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-03-15
Filing date: 1982-03-15
Publication date: 1991-07-31
Also published as: JPS58158348A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はデイーゼルエンジンの排気ガス処理装
置に関し、更に詳しくは、排気ガス中に含まれる
カーボン粒子及びそれと同様な粒状物（以下、パ
テイキユレートまたは排気微粒子という）を物理
的方法によつて適切な捕集材に捕集し、捕集され
た排気微粒子を周期的に焼却し、捕集材を再生す
るに適した排気微粒子浄化制御装置（デイーゼル
パテイキユレートトラツプ）に関し、特にその制
御装置に関する。

この種の排気微粒子はカーボン粒子のように可
燃性のものがほとんどで、このような可燃性の微
粒子を捕集し、捕集された微粒子を焼却して捕集
材を再生するには、従来から一般にヒータが用い
られている。

即ち、電気ヒータを捕集材の全面に取り付け、
捕集材の表面に付着した排気微粒子を燃焼させ、
それを熱源として下流の微粒子を自燃させるもの
である。しかしながらこの方法は、電気ヒータの
電力消費が大きく、自動車部品としてはあまり好
ましいものではない。

そこでこれとは別にヒータを用いずにデイーゼ
ルエンジンの吸気系を絞ることにより排気ガスの
温度を上昇させ、それにより排気微粒子を燃焼さ
せる方法も提案実施されている。しかしながらこ
の方法は、エンジンの高負荷域では排気温度が十
分上昇するので排気微粒子の焼却が可能である
が、低負荷域では排気温度が十分上昇せず、排気
微粒子の焼却、捕集材の再生ができないという問
題がある。更にまた排気ガス温度を上昇させるた
めには吸気系を過剰に絞る必要があるが、吸気系
を過剰に絞りすぎると排気ガス中の酸素（O₂）
濃度が減少し着火し難くなるという反面が伴う。

本発明の目的は、上述のような欠点を解消し、
耐久性、安全性に優れかつ構造が簡単で低コスト
のヒータを用いないタイプのデイーゼルエンジン
用排気微粒子浄化制御装置を提供することにあ
る。

斯かる目的を達成するために本発明によれば排
気系路中に排気絞り弁を設けて排気ガスの温度上
昇を一方では排気絞りにより行うようにすると共
にそれと同時に他方では燃料噴射時期を遅角（リ
タード）させることにより所謂“後燃え”現象を
生じさせ、排気ガスを排気微粒子の燃焼に必要な
温度まで上昇せしめることを特徴とする。即ち、
本発明は排気絞りと噴射時期のリタードとを連動
して行うことにより相乗的な排気温の上昇効果を
企図したものである。また、本発明によれば、排
気絞りと同時に燃料を増量することにより、排気
温度上昇に伴うエンジン出力の低下を防止するこ
とも特徴である。

そして、本発明の最も大きな特徴は、上述の排
気絞り、燃料噴射時期の遅角、及び燃料増量の各
手段を全てエンジン高負荷時にのみ実行し、それ
以外の負荷では禁止するということにある。何故
なら、エンジン高負荷時にこれらの手段を講ずる
と異常高温によるエンジン悪化の恐れがあるから
である。

排気絞り弁は、捕集材の上流側に設けてもよ
く、また下流側に設けてもよい。更にまたこの絞
り弁を排気マニホルドに設けることも可能であ
る。排気絞り弁を絞ることにより、排気ガスの背
圧が上昇すると共に排気ガスの温度が上昇する。
尚、排気絞り弁が絞られることにより所謂排気ブ
レーキがかかつた状態になりエンジン出力（トル
ク）がダウンするがこれはエンジンへ供給される
燃料噴射量を増量することにより補償することが
できる。従つてデイーゼルエンジンの出力や運転
性に悪影響が及ぼされることはない。また本発明
では排気絞りと同時に噴射時期のリタードも行わ
れるので燃費の悪化が防止できる。即ち、積極的
にリタードを行わず排気絞りだけで排気ガスを必
要な温度まで上昇させてパテイキユレートトラツ
プの再生を行おうとすると、排気絞りの負担が相
当なものとなる。排気絞り量が多くなるとそれだ
け出力ダウン（この出力ダウンに相当するエネル
ギが熱に変換される）が増大し、従つてこの出力
ダウンを補償する燃料増量が多くなり燃費が悪化
することになる。そこで本発明では燃料増量を行
いつつも、噴射時期を積極的にリタードさせるこ
とにより後燃え現象（混合気の一部がシリンダ内
で燃えずにくすぶりながら排気系に排出される現
象）をおこさせそれにより排気ガス温の上昇をは
かり、以つて排気絞りの負担、即ち燃料増量を最
小に抑えている。

尚、リタードを行わずに排気絞りだけでトラツ
プ再生を行うと、例えば30mile／ｈ位の低速運
転時にトラツプ再生をする場合に排気温をトラツ
プ燃焼再生に必要な温度まで上昇させるには背圧
が４〜５Kg／cm²absになるまで排気を絞る必要が
ある。従つてこのような意味でも本発明における
が如く噴射時期のリタードと排気絞りとを組合せ
て行うということは有利である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。

第１図において、１はデイーゼルエンジン本
体、２はトランスミツシヨン、３は吸気マニホル
ド、４は排気マニホルド、５は燃料噴射ポンプ、
６は燃料配管、７は燃料噴射弁（インジエクタ）、
８はバキユームポンプであり、以上は通常のデイ
ーゼルエンジンの構成部分である。

排気マニホルド４の下流側の排気管路の部分に
は捕集材（トラツプ）容器１０が取り付けてあ
る。このトラツプ容器１０の内部には捕集材（ト
ラツプ材）１２がある。トラツプ材は、排気ガス
流に対して過度の制限を生ずることがなく、その
内部に排気ガスが流通可能であり、かつ排気ガス
に含まれるかなりの量の排気微粒子を捕集できる
ようになつている。また、トラツプ材は、エンジ
ンの作動時に周期的に、それに捕集された排気微
粒子の燃焼、灰化が行なわれるが、その際に到達
されるべき上昇した温度に十分耐えうるような適
切な材料で適当な形状に作られる。このような目
的に適した材料の例としては、三次元網目構造の
発泡セラミツク、モノリス型セラミツク、金属ワ
イヤ・メツシユ又はステンレ即ス鋼等による多量
スクリーン要素等がある。またトラツプ材には例
えば銀（Ag）＋パラジウム（Pd）等の触媒を担
持させてパテイキユレートの燃焼を短時間でかつ
低い排気温で行い得るようにするのが好ましい。

トラツプ材に捕集された排気微粒子を燃焼、灰
化するには、通常、排気温度を約560℃程度のレ
ベルまで上昇させることが必要である。従つて、
トラツプ材を構成する材料はこの温度に十分耐え
うるものでなければならない。

ところが、経験の示すところによれば、通常の
エンジン作動（排気温を上昇させる別な手段を設
けていない場合）においては排気系内の温度はエ
ンジン負荷および速度の異る条件下でかなり変化
し、また排気系における微粒子トラツプの位置に
よつては、トラツプ内の温度はその中に集められ
た微粒子を焼き払うに要するレベルに決して達す
ることができない。これは、多くの自動車適用例
において典型的なようにエンジンがフル・スロツ
トルのもとではめつたに作動されないような場
合、ターボ過給装置１８（排気タービン１８Ａと
コンプレツサ１８Ｂを備えている場合、あるいは
第１図に示した配置におけるように特定のトラツ
プがエンジンの排気マニホルド下流の排気管路に
装着される場合に、特にそうである。従つて、集
められた微粒子を周期的に灰化するには、排気温
度を約560℃の必要レベルまで上昇せしめるため
の何らかの手段を設けることが必要である。この
ような排気温上昇手段に１つとして本発明では排
気絞りを採用している。即ち、排気管１５に排気
絞り弁２０を設けこれにより排気を絞ることによ
り排気温の上昇をはかつている。排気を絞ると排
気ガスの背猿圧が上昇しエンジンのトルクが低下
する。この低下トルクはすべて熱となつて排気温
の上昇をもたらす。この排気絞り弁２０はリンク
を介してダイヤフラム弁２１に連結され、このダ
イヤフラム弁２１はバキユーム配管１３を介して
負圧切換弁（VSV）２２に連結され駆動される。
VSV２２は、バキユーム配管２３を介してバキ
ユームポンプ８に連結されている一方、配線２４
を介してマイクロコンピユータ（CPU）３０に
接続されている。VSV２２は、通常はその大気
ポートが開放しており、ダイヤフラム弁２１には
大気が作用して、排気絞り弁２０を開いている。
マイクロコンピユータ（CPU）３０から配線２
４を通じて信号が伝えられた時は、VSV２２の
大気ポートは閉じられ、バキユームポンプ８から
の負圧がバキユーム配管２３、VSV２２を通じ
てダイヤフラム弁２１に作用し、これにより絞り
弁２０が閉じられ、排気管１５をその通路の約90
％程度絞る。なお、排気絞り弁２０はトラツプ容
器１０の上流側に設けてもよい。

上述の如く排気絞りを行うと出力ダウン（トル
クダウン）が生じるのでで好ましくはこれを補償
するために燃料量が増量される。そのため、エン
ジンへ供給される燃料噴射量を増量する手段が設
けられている。即ち、燃料噴射ポンプ５のプラン
ジヤ位置をコントロールするアクチユエータ３１
が設けられる。このアクチユエータ３１は例えば
燃料噴射ポンプ５のインジエクシヨンノズル７
（第２図）からの燃料噴射時間を制御するスピル
リング６１にリンク機構６５を介して連結される
ダイヤフラム弁３１でよい。ダイヤフラム弁３１
はバキユーム配管１６を介してVSV２２のバキ
ユーム配管１３に連結され、これにより排気絞り
弁２０に連動して駆動せしめられる。

従つてアクチユエータ３１はアクチユエータ２
１と同時に作動し、排気が行われるのと同時に燃
料増量を行い排気絞りによるエンジン出力ないし
はトルクの低下を有利に補償する。尚、ダイヤフ
ラム作動源としてはバキユームポンプの代りに吸
気管負圧を利用してもよい。

斯かる燃料噴射弁自体及び燃料増量機構自体は
公知であるのでこれ以上詳述しない。

また上述の如く排気絞りだけで排気温上昇を行
おうとすると排気絞りの負担が大きすぎ燃費の悪
化等種々の不都合が生じるので本発明においては
噴射時期のリタード遅角）も合わせて行われる。

一般にデイーゼルエンジンの燃料噴射弁装置に
は噴射時期を制御するためのタイマ７０が設けら
れている。タイマ７０は第３図に示す如くフイー
ドポンプ８０の送油圧により作動する油圧式タイ
マであり、送油圧とタイマスプリング７１のばね
力とのバランスによりハウジング７３内をスライ
ドするタイマピストン７５を有する。ピストン７
５の動きはスライドピン７７を介して円筒状のロ
ーラリング７９を回転させる動きに変換される。
タイマスプリング１１はタイマピストン７５を噴
射遅れ（リタード）方向に押しており、エンジン
回転数が上昇すると送油圧が上昇しピストン７５
はタイマスプリング７２に打ち勝つて押され、こ
れによりローラリング７９はポンプ回転方向（第
３図において反時計方向）と反対の方向に回転し
カムプレート６８（第２図）との相対位置を変え
ることによつて噴射時期を進める。斯かるタイマ
機構は公知である。

本発明では排気絞りと同時に噴射時期をリター
ドさせるのであるから例えばポンプ８０とタイマ
７０とを連結する油圧路中に電磁切替弁８３を設
け、これをCPU３０からの信号５８に基づきオ
ン、オフし、必要に応じてポンプ８０からの油圧
をタンク１００に逃がすようにすればよい。

排気絞り、燃料増量、及び噴射時期のリタード
はデイーゼルエンジンの作動中に周期的に互いに
連動して動作せしめられ、それにより排気微粒子
の燃焼、灰化及びトラツプ容器１０の再生が行な
われるのであるが、このような再生動作の開始時
期や各手段の動作はマイクロコンピユータ
（CPU）３０によつて制御される。この為に、エ
ンジンの運転条件や排気ガスの状態等を検出し、
CPU３０に入力する。即ち、第１図において、
５０はエンジン負荷、５１はエンジン回転数、５
２はエンジン水温、５４はトラツプ前の排気ガス
温、５５はトラツプ内部の温度、５６はトラツプ
出口の排気ガス温であり、これらの各検出信号が
CPU３０に入力される。

このような制御系において留意すべき事項は次
のとおりである。

１トラツプは集められた微粒子が排気ガス流に
対して過度の限定を生ぜしめないように充分に
しばしば清掃されなければならない。

２エンジン排気系の絞り及び燃料増量は車両の
駆動可能性または性能を有意に変更せしめない
ように制御されなければならない。

３制御プロセスは車両排気パイプから発する煙
の有意なまたは顕著な増大を生ぜしめるべきで
はない。

４燃焼サイクルは微粒子のみが燃焼、灰化しト
ラツプのベツドは損傷しないように制御される
べきである。

これらの目的を達成するために、本発明ではマ
イクロコンピユータ（CPU３０）が第４図のご
とくに作動するようにプログラムされている。

第４図において、まずエンジン回転数５１、エ
ンジン負荷５０、トラツプ床温５５、トラツプ出
口排気温５６、エンジン水温５６等の信号により
再生時期であるか否かを判断する。再生時期の判
断は、前回の再生の完了後約90Km程度走行した後
に、次の再生が行なわれるようにプログラムされ
ている。

これは、トラツプが過負荷状態となるのが約
400Kmの走行においてであるから、約70Kmごとの
清掃間隔は適切と考えられる。再生時期であると
判断した後は、エンジン負荷が高負荷の場合に限
り、第４図のフローチヤートで示すような手段で
制御が行なわれ、適当な時間だけ排気絞り弁２０
が閉じられかつ燃料噴射量が増量され、それと同
時に噴射時期がリタードされる。これにより排気
温を排気微粒子の焼却に必要な温度まで上昇させ
る。なお、第４図の実施例では、燃焼時間を一応
２分間としているが、排気微粒子の蓄積その他の
状況に応じて適当な時間に設定することができ
る。また、トラツプ再生中のトラブル（例えば、
排気温の異常上昇等）を処理される。また、逆
に、エンジン負荷が高負荷以外の時は上述の排気
絞り、燃料噴射時期の遅角、および燃料増量の各
手段を全て禁止し、即ち、排気弁を開き、燃料噴
射時期の遅角及び燃料増量を中止する。

なお、本発明は、ターボ過給機構８を備えたデ
イーゼルエンジンに適用することも可能である。
この種のエンジンは、通常のエンジンに比べ排気
温は低くなるが、排気系を絞りかつ燃料を増量す
ると共に噴射時期をリタードすることによつて排
気微粒子の燃焼、灰化に必要な560℃の温度を得
ることができる。また、排気系を絞ることで、過
給圧に対してはそれほど大きな影響を与えていな
いと考えられる。

尚、排気絞りにはHC、NO_Xの低減効果がある
ため本発明は排気ガスエミツシヨン対策上も有利
である。

また、噴射時期を遅らせると一般にHCは増加
するがこのHCはトラツプ内の触媒と反応して燃
焼するのでトラツプ材中で排気ガス温を上昇させ
るのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を用いたデイーゼルエンジ
ンの概略図、第２図は燃料増量機構を示す図解
図、第３図は燃料噴射時期制御装置を示す図解
図、第４図は本発明による制御プロセスを示すフ
ローチヤート図。１…デイーゼルエンジン本体、５…燃料噴射ポ
ンプ、１０…トラツプ容器、２０…排気絞り弁、
２１…排気絞り弁アクチユエータ、３０…マイク
ロコンピユータ（CPU）、３１…燃料噴射ポンプ
増量用アクチユエータ、７０…タイマ。

Claims

【特許請求の範囲】

１排気ガス経路に設けた捕集材により捕集され
た排気微粒子を周期的に焼却することにより捕集
材を再生するようにした燃料噴射弁付きデイーゼ
ルエンジンであつて、エンジン負荷を検出するエ
ンジン負荷検出手段と、排気ガス経路に位置し排
気ガス経路を絞る排気絞り手段と、燃料噴射時期
を遅角する燃料噴射時期遅角手段と、燃料噴射量
を増量する燃料噴射量増量手段と、捕集材の再生
時期を検出する再生時期検出手段とを有し、再生
時期検出手段が再生時期を検出した時、排気絞り
手段と燃料噴射時期遅角手段と燃料噴射量増量手
段のすべてを作動させるデイーゼルエンジンの排
気微粒子浄化制御装置において、エンジン負荷検
出手段がエンジン高負荷を検出し且つ、再生時期
検出手段が再生時期を検出した時、排気絞り手段
と燃料噴射時期遅角手段と燃料噴射量増量手段の
すべての作動を禁止することを特徴とするデーゼ
ルエンジンの排気微粒子浄化制御装置。