JPH05240023A - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エアポンプから供給されるフィルタトラップ再
生用のエアを差圧調整弁を用いるという簡単な構成によ
り最小でかつ一定量の燃焼用エアをバーナに供給する。 【構成】ディーゼルエンジン１１の排気管１９に接続さ
れるフィルタトラップ３と、フィルタトラップ３の上流
側に対向して配設されるバーナ４と、ディーゼルエンジ
ン１１により駆動されるエアポンプ１２と、エアポンプ
１２のエアをバーナ４の燃焼室に供給するエア供給管１
３と、エア供給管１３と大気との間に設けられる差圧調
整弁１４と、差圧調整弁１４をエアポンプ１２の吐出圧
と前記燃焼室圧力との差により開放させる差圧調整機構
１５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンに
おける排気中のカーボン等のパティキュレートを除去す
るためにフィルタトラップを設け、該パティキュレート
の捕集状況を差圧で監視し、前記フィルタトラップに付
着したパティキュレートを燃焼させる方式の排気ガス浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関とくにディーゼルエンジ
ン駆動の車両の排気ガス規制は次第に強化されつつあ
り、このような厳しい規制に対しては、もはや従来のエ
ンジンの燃焼方式を変更するやり方では対処出来ないの
が現状である。

【０００３】ところで、排気ガス中のパティキュレート
を除去するには、排気ガスをセラミックス製のフィルタ
トラップを通過させ、付着したパティキュレートを燃焼
させることによりフィルタトラップの再生を図る方式が
一般的である。その燃焼方式としては、フィルタトラ
ップの表面に触媒を塗布、焼成して排気ガス温度で燃焼
させたり、電気ヒータ、燃焼バーナにより燃焼させる方
式、電気ヒータでフィルタトラップを加熱して燃焼さ
せる方式、燃料の一部を利用してバーナによりフィル
タトラップを加熱してパティキュレートを燃焼させる方
式が挙げられる。しかし、前記の方式では、フィルタ
トラップの製造コストが高くなると共に、ディーゼルエ
ンジンにおいては燃料中の硫黄化合物により触媒が被毒
されるという問題、さらには排気ガスのみを熱源とする
場合には、エンジン状態によっては常にこれが可能では
ないという問題があり、また、前記の方式では、電気
ヒータの消費電力が高くバッテリを電源とする自動車に
は不向きであるという問題があり、従ってこのような問
題点を解消するために前記の方式が注目されている。

【０００４】従来、前記の方式、すなわち、バーナに
よりフィルタトラップを加熱する方式においては、フィ
ルタトラップを設けた排気管に並列してバイパス管を設
け、フィルタトラップを加熱する間は、エンジンの排気
をバイパス管から排出させる方式（例えば特開平２−１
１８１６号公報）と、バイパス管を設けずにエンジンの
排気がフィルタトラップを通過している際にバーナによ
りフィルタトラップを加熱する方式（例えば特開昭６４
−８３８１０号公報）が知られている。前者の方式は、
エンジン運転条件にかかわらずフィルタトラップの再生
が可能であるという利点を有するが、バイパス管、切換
弁等を必要とし装置が大型化するという欠点を有する。

【０００５】そこで、後者の方式が装置の小型化を図る
ことができるという点で有利な方式と考えられるが、こ
の方式では、バーナの燃焼室に燃焼用エアを供給した
後、火炎を排気ガスと混合させる必要があり、そのため
に前記特開昭６４−８３８１０号公報においては、エン
ジンにより駆動される容積型ブロワーによりバーナの燃
焼室にエアを供給している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のエア供給方式においては、バーナへの空気量はエン
ジンの回転数に対応して増減し、空気量が過多の場合に
は、点火装置（特に点火プラグ）まわりの軽油ベーパー
が吹き飛ばされ、バーナは全く着火しなくなり、また、
空気量が過少の場合には、点火プラグ周囲の酸素濃度が
低くなり着火しにくくなるという問題を有している。こ
れを解決するために流量制御弁および流量計を設け、流
量を検知して燃焼用エアの流量を一定に制御することも
考えられるが、コストが増大し複雑な制御が必要となる
という問題を有している。

【０００７】本発明は上記問題を解決するものであっ
て、エアポンプから供給されるフィルタトラップ再生用
のエアを差圧調整弁を用いるという簡単な構成により、
最小でかつ一定量の燃焼用エアをバーナに供給すること
ができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために本発明のディ
ーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ディーゼルエン
ジン１１の排気管１９に接続されるフィルタトラップ３
と、フィルタトラップ３の上流側に対向して配設される
バーナ４と、ディーゼルエンジン１１により駆動される
エアポンプ１２と、エアポンプ１２のエアをバーナ４の
燃焼室に供給するエア供給管１３と、エア供給管１３と
大気との間に設けられる差圧調整弁１４と、差圧調整弁
１４をエアポンプ１２の吐出圧と前記燃焼室圧力との差
により開放させる差圧調整機構１５とを備えることを特
徴とする。

【０００９】なお、上記構成に付加した番号は図面と対
比させるためのものであり、これにより本発明の構成が
何ら限定されるものではない。

【００１０】

【作用】本発明においては、例えば図１に示すように、
ディーゼルエンジン１１の回転数が増大し、エアポンプ
１２からのエアの送風量が増大したとき、外筒５内と内
筒６内との差圧すなわちエアポンプの吐出圧と燃焼室圧
力との差圧をなくすように、差圧調整弁１４が開き、エ
アを大気に逃がし、エアの送風量をエンジン回転数が変
化しても常に一定にするように調整可能にしている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は、本発明のディーゼルエンジンの排気ガ
ス浄化装置の１実施例を示す構成図である。なお、以下
の説明では、フィルタトラップ再生用に超音波バーナを
使用しているが、これに限定されるものではなく、通常
のバーナを用いても同様の効果が得られるものである。

【００１２】排気ガス浄化装置１は、ハウジング２内に
配設されるセラミックス製のフィルタトラップ３と、フ
ィルタトラップ３の上流側に対向して設けられる超音波
バーナ４とからなる。超音波バーナ４は、外筒５および
内筒６を備え、内筒６内に臨むように超音波霧化装置７
と点火装置８が設けられ、内筒６の開口部には、テーパ
状筒部材９が固定され、さらに、テーパ状筒部材９に対
向してバッフル板１０が配置される。外筒５内には、デ
ィーゼルエンジン１１により駆動されるエアポンプ１２
からエア供給管１３を経て燃焼用エアが供給される。

【００１３】本発明においては、バーナ４に供給する燃
焼用エアを最小でかつ一定量となるように調整可能にし
ている。すなわち、エア供給管１３には、大気に連通す
る差圧調整弁１４が接続され、その差圧調整機構１５に
は、内筒６内の燃焼室に連通する導圧管１６と、エア供
給管１３に連通する導圧管１７が接続される。これによ
り、ディーゼルエンジン１１の回転数が増大し、エアポ
ンプ１２からのエアの送風量が増大したとき、外筒５内
と内筒６内との差圧すなわちエアポンプの吐出圧と燃焼
室圧力との差圧をなくすように、差圧調整弁１４が開
き、エアを大気に逃がし、エアの送風量をエンジン回転
数が変化しても常に一定にするように調整可能にしてい
る。

【００１４】また、超音波バーナ４とフィルタトラップ
３の間には、ディーゼルエンジン１１の排気管１９が接
続される。超音波霧化装置７には、燃料タンク２０から
燃料ポンプ２１および燃料制御弁２２を介して軽油燃料
が供給され、また、この軽油燃料は、図示しない燃料供
給管を経てディーゼルエンジン１１に供給される。

【００１５】ディーゼルエンジン１１には、エンジン回
転数センサ２４およびエンジン負荷センサ２５が設けら
れ、超音波バーナ４の外筒５内には、フォトセンサから
なる着火検出センサ２６が設けられる。また、フィルタ
トラップ３の上流側には温度センサ２７が設けられ、フ
ィルタトラップ３の入口側と出口側の間には、両者の差
圧Ｐを検出する差圧検出センサ２８が設けられ、さら
に、フィルタトラップ３の下流側内部には、フィルタト
ラップ３の中心部、中間部および周辺部に３つの温度セ
ンサ２９、３０、３１が径方向に設けられる。

【００１６】これら各センサの検出信号は電子制御装置
３２に入力され、電子制御装置３２においては、後述す
るように、入力信号と予め記憶された制御用データとを
比較、演算処理し、出力信号を燃料供給用の燃料ポンプ
２１および燃料制御弁２２、超音波霧化装置７の超音波
発振器３３および点火装置８のイグナイター３４に出力
する。

【００１７】次に、図２ないし図７により、上記構成か
らなる本発明の排気ガス浄化装置の制御について説明す
る。

【００１８】図２はメインプログラムを示し、システム
を立上げてエンジンをスタートさせ、エンジン稼動か否
かの判定を行い、データを初期化した後、エンジン稼動
中に捕集モードの処理および再生モードの処理を行う。
エンジン停止中はフィルタトラップ３の再生は行わな
い。

【００１９】図３は図２における捕集モードのサブルー
チンを示し、先ず、入力データを取り込み、ステップＳ
１でエンジン回転数と負荷により捕集完了テーブルの番
地を演算する。捕集完了テーブルは、実験データに基づ
いて回転数と負荷の代表値に応じて、パティキュレート
が捕集され再生が必要であるという捕集完了差圧値が予
め記憶されており、ステップＳ２において、検出された
回転数と負荷に応じた捕集完了差圧値Ｐ_A が中間内挿法
により演算される。ステップＳ３では、刻々と変化する
回転数および負荷に基づいてパティキュレート捕集値Ｑ
を演算式により０．５秒毎に演算し、これを積算して積
算値Ｑ_A を演算する。

【００２０】次に、ステップＳ４において、前記捕集完
了差圧値Ｐ_A と現在の差圧Ｐを比較し、ステップＳ５で
Ａカウンタが設定値Ａ_S になったかを判定し、ステップ
Ｓ６でパティキュレート積算値Ｑ_A が設定値Ｑ_S になっ
たかを判定する。そして、現在の差圧Ｐが捕集完了差
圧値Ｐ_A 以上で、かつ、Ａカウンタが設定値Ａ_S を越え
たとき、現在の差圧Ｐが捕集完了差圧値Ｐ_A 未満で、
かつ、パティキュレート積算値Ｑ_A が設定値Ｑ_S 以上に
なったとき、現在の差圧Ｐが捕集完了差圧値Ｐ_A 以上
で、かつ、Ａカウンタが設定値Ａ_S 以下で、かつ、パテ
ィキュレート積算値Ｑ_A が設定値Ｑ_S 以上になったとき
に、再生必要と判断される。次いで、Ａカウンタおよび
積算値Ｑ_A のクリア後、リターンされ図２の再生モード
に進むことになる。

【００２１】図４および図５は、図２における再生モー
ドのサブルーチンを示し、ステップＳ７において、超音
波発振器３３、イグナイター３４、燃料ポンプ２１をオ
ンさせ、燃料制御弁２２を開いて所定の初期燃料を出力
する。ステップ８において、着火検出センサ２６により
着火の確認を行い、着火カウンタＢが設定値Ｂ_S になる
まで繰り返す。着火が確認されると、ステップＳ９で、
Ｂカウンタのクリア、再生完了フラグのリセット、イグ
ナイター３４のオフ、再生管理タイマーＡＴの開始が行
われる。次に、入力データを取り込み、ステップＳ１０
で燃料流量演算の処理が行われる。

【００２２】図５に移り、ステップＳ１１で着火検出セ
ンサ２６により失火の判定が行われ、ステップＳ１２で
フィルタ内部温度Ｔ₂ がフィルタの許容温度Ｔ_FS（例え
ば９００℃）以上であれば、ステップＳ１３で異常フラ
グがセットされる。この異常フラグは、ステップＳ８で
所定時間たっても着火しない場合に、未着火と判定され
た場合にもセットされる。フィルタ内部温度Ｔ₂ がフィ
ルタの許容温度Ｔ_FSに達していない場合には、ステップ
Ｓ１４で再生完了判定の処理が行われる。なお、フィル
タ内部温度Ｔ₂ は、図１で説明した３つの温度センサ２
９、３０、３１による検出値の最大値を用いる。

【００２３】フィルタトラップ３の再生が完了し再生完
了フラグ（後述）がセットされた場合には、ステップＳ
１５からステップＳ１６に進み、燃料制御弁２２が閉
じ、燃料ポンプ２１が停止され、超音波発振器３３およ
びイグナイター３４がオフされ、異常フラグがセットさ
れている場合には、警報ランプを点灯させるとともにブ
ザーを吹鳴させ、異常フラグがなければリターンして図
２のフローに戻る。

【００２４】次に図６により、図４における燃料流量演
算のサブルーチンについて説明する。先ずステップＳ１
７でエンジン回転数と負荷により燃料流量テーブルの番
地を演算し、テーブルよりバーナへの燃料流量値Ｆを取
り出す。この燃料流量テーブルは、予め実験データに基
づいて作成されている。

【００２５】次にステップＳ１８において、１段燃焼時
間内か否かの判定が行われる。この１段燃焼において
は、フィルタ上流温度Ｔ₁ を安定させるために設定値Ａ
Ｔ_S1（例えば４０秒）を実験データにより設定してお
り、再生管理タイマーＡＴが設定値ＡＴ_S1（例えば４０
秒）以内であれば、燃料流量値Ｆに０．９をかけて燃料
制御弁２２に出力し、設定値ＡＴ_S1時間内にフィルタ上
流温度Ｔ₁ を安定させる。設定値ＡＴ_S1時間が経過する
と、ステップＳ１９において、２段燃焼時間内か否かの
判定が行われる。この２段燃焼においては、フィルタト
ラップ３の中央部付近に捕集されたパティキュレートを
燃焼させるために設定値ＡＴ_S2（例えば２２０秒）を実
験データにより設定しており、再生管理タイマーＡＴが
設定値ＡＴ_S2以内であれば、ステップＳ２０に進み、２
段燃焼における燃料流量を演算する。ステップＳ２０に
おいては、フィルタ内部温度Ｔ₂ が設定値Ｔ_2S2 （例え
ば８５０℃）以上であるか否かを判定する。この設定値
Ｔ_2S2 は前記フィルタ許容温度Ｔ_FSより安全率をかけて
低い値に設定している。そして、フィルタ内部温度Ｔ₂
が設定値Ｔ_2S2 以上であれば初期燃料流量値を出力し、
設定値Ｔ_2S2 に達していなければ燃料流量値Ｃを下式に
より演算する。

【００２６】Ｃ＝Ｆ＋Ｄ_A ×β （β：ゲイン） Ｄ_A ＝Ｄ_A ＋Ｄ₁ Ｄ₁ ＝（Ｔ_1S1 −Ｔ₁ ）／１０ すなわち、燃料流量テーブルから取り出した燃料流量値
Ｆに、フィルタ内部温度の実測値Ｔ₁ と設定値Ｔ
_1S1 （例えば６２０℃）との差を加味させている。そし
て、この燃料流量値Ｃと初期燃料流量との比較を行い、
燃料流量値Ｃまたは初期燃料流量値を出力する。

【００２７】ステップＳ１９で再生管理タイマーＡＴが
設定値ＡＴ_S2を越えるとステップＳ２１に進み、同様に
して燃料流量値Ｅを演算する。この段階ではフィルタト
ラップ３の中央部付近に捕集されたパティキュレートは
燃焼され、周辺部に捕集されたパティキュレートを燃焼
させる段階であり、もはや急激な温度上昇がないため、
設定値Ｔ_1S2 （例えば６３０℃）を設定値Ｔ_1S1 より大
きくしている。そして、この燃料流量値Ｅと初期燃料流
量との比較を行い、燃料流量値Ｅまたは初期燃料流量値
を出力する。

【００２８】ステップＳ２０、２１は、要するに、燃料
流量テーブルから取り出した燃料流量値Ｆに、フィルタ
内部温度の実測値と設定値との差を加味させて燃料流量
値を増大させ、フィルタ内部温度Ｔ₂ が上昇し設定値Ｔ
_2S2 を越えた場合には、常に初期燃料流量値に燃料流量
を減少させ、フィルタ内部温度の上昇が設定値以下にな
れば、直ちに燃料流量を元の状態に増大させるため、燃
焼が失火することなく大部分のパティキュレートを燃焼
させることができる。

【００２９】図７は、図５における再生完了判定のサブ
ルーチンを示し、再生管理タイマーＡＴが設定値ＡＴ_S0
以上であるか否かを判定し、設定値ＡＴ_S0になっていな
ければ図４のに戻って処理を繰り返し、設定値ＡＴ_S0
以上であれば再生完了と判定し、再生管理タイマーＡＴ
をクリアし、再生完了フラグを１にセットしてリターン
する。

【００３０】図８は、上記制御による本発明の実験結果
を示し、再生行程におけるフィルタトラップの差圧Ｐ、
フィルタ上流ガス温度Ｔ₁ 、フィルタ内部温度Ｔ₂ 、燃
料流量の変化を示している。なお、エンジン回転数は１
０００ｒｐｍ、負荷は２５％、フィルタの径は９イン
チ、長さは１２インチである。図中、実線は本発明の再
生状態を示し、点線は従来の差圧調整弁を設置していな
い方式による再生状態を示している。従来の方式におい
ては、フィルタ内部温度Ｔ₂ が異常上昇した時点で燃料
流量を減少させているため、フィルタトラップの加熱が
限界温度を越えてしまうが、本発明においては、フィル
タトラップの下流側内部に設けられる温度センサがフィ
ルタトラップの温度上昇を早めに検出して、燃料流量を
初期燃料流量値に減少させることにより、フィルタ内部
温度の上昇を防止することができる。そして、フィルタ
内部温度の上昇が設定値以下になれば、直ちに燃料流量
を増大させるため、燃焼が失火することなく大部分のパ
ティキュレートを燃焼させることができる。

【００３１】図９は、本発明に係わる差圧調整弁を設け
た場合の作用効果を説明するための図である。本発明に
おいては、差圧調整弁の設置によりを約１０Ｎｍ³ ／Ｈ
の空気量を確保することが可能となり、バーナの着火を
確実ならしめ、また、未着火に伴う不必要な燃料消費を
なくすことにより、未燃軽油のフィルタへの付着を未然
に防止することができる。ひいては、フィルタの急激な
温度上昇の回避へと連なり、フィルタの耐久性の向上に
寄与する。

【００３２】一方、差圧調整弁がない場合には、バーナ
への空気量はエアポンプの回転数に対応して増減し、空
気量が過多（約２０Ｎｍ³ ／Ｈ以上）の場合には、点火
装置（特に点火プラグ）まわりの軽油ベーパーが吹き飛
ばされ、バーナは全く着火しなくなり、また、空気量が
過少（約３Ｎｍ³ ／Ｈ以下）の場合には、点火プラグ周
囲の酸素濃度が低くなり着火しにくくなり、かつ、バー
ナ周囲の冷却が不十分となり、着火センサ等の耐久性を
損なうことにつながる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、ディーゼルエンジンの排気管に接続されるフィ
ルタトラップと、該フィルタトラップの上流側に対向し
て配設されるバーナと、前記ディーゼルエンジンにより
駆動されるエアポンプと、該エアポンプのエアを前記バ
ーナの燃焼室に供給するエア供給管と、該エア供給管と
大気との間に設けられる差圧調整弁と、該差圧調整弁を
前記エアポンプの吐出圧と前記燃焼室圧力との差により
開放させる差圧調整機構とを備えることにより、簡単な
構成により最小でかつ一定量の燃焼用エアをバーナに供
給することができるので、燃焼が失火することなく大部
分のパティキュレートを燃焼させることができ、かつ、
フィルタトラップの耐久性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装
置の１実施例を示す構成図

【図２】本発明に係わる制御のメインプログラムを説明
するための図

【図３】本発明に係わる捕集モードのサブルーチンを説
明するための図

【図４】本発明に係わる再生モードのサブルーチンを説
明するための図

【図５】本発明に係わる再生モードのサブルーチンを説
明するための図

【図６】本発明に係わる燃料流量演算のサブルーチンを
説明するための図

【図７】本発明に係わる再生完了判定のサブルーチンを
説明するための図

【図８】本発明に係わる実験結果を説明するための図

【図９】本発明における作用効果を説明するための図

【符号の説明】

１…排気ガス浄化装置、３…フィルタトラップ、４…バ
ーナ、８…点火装置 １１…ディーゼルエンジン、１２…エアポンプ、１３…
エア供給管 １４…差圧調整弁、１５…差圧調整機構、１９…排気
管、２０…燃料タンク ２１…燃料ポンプ、２２…燃料制御弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディーゼルエンジンの排気管に接続される
   フィルタトラップと、該フィルタトラップの上流側に対
   向して配設されるバーナと、前記ディーゼルエンジンに
   より駆動されるエアポンプと、該エアポンプのエアを前
   記バーナの燃焼室に供給するエア供給管と、該エア供給
   管と大気との間に設けられる差圧調整弁と、該差圧調整
   弁を前記エアポンプの吐出圧と前記燃焼室圧力との差に
   より開放させる差圧調整機構とを備えることを特徴とす
   るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。