JPH0544448A - デイーゼル機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ターボ過給機１１を備えたディーゼル機関に
おいて、触媒１７の早期暖機と過熱防止との双方の機能
を持たせ、触媒１７の機能を効率よく発揮させる。 【構成】 触媒１７の温度が昇温領域以下でかつ過給領
域でないとき第１バイパス弁３１のみ開弁させ、これに
よりタービン１３をバイパスしてタービン１３に熱を奪
われていない排気が触媒１７に導かれる。また、触媒１
７の温度が硫酸塩の増加領域でかつ過給領域でないとき
には第１，第２のバイパス弁３１，３３をそれぞれ開弁
させ、これによりタービン１３をバイパスした排気がさ
らに触媒１７をバイパスする。さらに、触媒１７の温度
が硫酸塩の増加領域でかつ過給領域のとき第２バイパス
弁３３のみを開弁させることで、タービン１３を通過し
た排気の一部は触媒１７をバイパスする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ターボ過給機を備え
たディーゼル機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ディーゼル機関は、ガソリン機
関に比べて出力が劣るため、ガソリン機関と同等の出力
を得ようとする場合には、例えばターボ過給機を設ける
ことが前提となる。このようなディーゼル機関は、燃焼
室内における燃料の燃焼によって排気中にカーボンなど
の排気微粒子を含んでおり、これをそのまま大気中に放
出すると、環境汚染を招いて好ましくない。

【０００３】図７は機関トルク（燃料噴射量）と排出さ
れる排気微粒子との関係を、ターボ過給した場合（実線
Ａ）と過給なしの場合（一点鎖線Ｂ）とで比較したもの
である。なお、ここで破線Ｔより右側の領域がターボ過
給領域である。これによれば、過給を行わない場合に
は、過給を行った場合に比べて、空気過剰率が低いの
で、より低トルク側で空燃比が小さく燃料が過剰気味と
なって、排気微粒子の排出量はより低トルク側から急増
することがわかる。このため、ターボ過給機をディーゼ
ル機関に付加することは、付加しない場合に比べ、出力
向上のみならず、排気微粒子の低減をも達成されること
になる。

【０００４】一方、上記排気微粒子の大気中への放出を
積極的に防ぐため、排気通路に多孔質のセラミックなど
からなるフィルタを設け、このフィルタを排気が通過す
ることによって排気微粒子を捕集する方法が、従来から
よく知られている。この場合、捕集した排気微粒子の堆
積量が増大すると、排気圧力が増大して機関性能に悪影
響を及ぼすので、捕集した排気微粒子を定期的に除去し
てフィルタの再生作業を行う必要がある。このフィルタ
再生作業は、フィルタ直前に電気ヒータを設置し、この
ヒータ熱により排気微粒子を発火燃焼させる方法が、特
開昭５９−２０５１３号公報に記載されている。この公
報記載の技術は、フィルタをバイパスする排気バイパス
通路を設け、フィルタ再生時に、フィルタ直前に設けた
開閉弁を閉じる一方、排気バイパス通路に設けた開閉弁
を開放して排気を排気バイパス通路に導き、フィルタ直
前の閉じられた空間内の温度を上昇し易くして排気微粒
子の燃焼を促進させている。

【０００５】このフィルタを用いた方法では、フィルタ
再生中に排気を排気バイパス通路に流し大気中に放出す
る構成であるので、特に機関負荷が高い運転領域など、
排気微粒子の排出量が多い場合には、大気汚染を招き好
ましいものではない。

【０００６】一方、このような排気微粒子を捕集するフ
ィルタに対し、オープンハニカム触媒を用いることで、
排気微粒子の低減が可能であることは、ＳＡＥ９００６
００にて公表されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ディーゼル
機関から排出される排気の温度は、５０℃〜３００℃程
度とガソリン機関に比べて低く、このため触媒を使用し
たものでは、排気微粒子を酸化燃焼させるための触媒の
活性化温度（約２５０℃）に到達する運転条件がかなり
限定されてしまい、触媒の効果があまり期待できないと
いう問題がある。

【０００８】また、ディーゼル機関の燃料すなわち軽油
中には、ガソリンと比較すると相当量の硫黄（Ｓ）分が
存在するため、この硫黄分が燃焼すると二酸化硫黄（Ｓ
Ｏ₂ ）となり、このＳＯ₂ は排気温度が高くなる高負
荷，高回転領域では、触媒により酸化されて硫酸塩とな
り白煙として多量に排出されるという問題もある。これ
は、より高出力化が可能なターボ過給機付ディーゼル機
関に顕著なものとなる。

【０００９】なお、触媒の機能を効果的に発揮させるた
めに、ガソリン機関用の触媒システムにおいて触媒の早
期暖機を図ったものが、実開昭５６−１５７３１０号公
報に記載されている。この公報記載のものは、触媒の上
流にターボ過給機を備えており、このターボ過給機のタ
ービンをバイパスするバイパス通路に排気バイパス弁が
設けられ、機関低温時に排気バイパス弁を開いて排気を
バイパスして触媒に導き、熱容量の大きいタービンを排
気が流れることによる排気熱の放熱量を低減して、触媒
に導かれる排気の温度低下を防止している。また、触媒
の過熱を防止するために、ガソリン機関用の触媒システ
ムにおいて、触媒に流入する排気の温度を低下させる技
術が、実開昭６１−６２２１９号公報に記載されてい
る。これは、触媒の早期暖機のために排気マニホールド
直下に設けた第１の触媒をバイパスするバイパス通路を
設け、排気温度が高温化する機関の高負荷，高回転運転
時に排気をバイパスさせて第１の触媒の下流側に設けた
第２の触媒に排気を導き、これにより第１の触媒の温度
の過上昇を防止している。

【００１０】しかしながら、これらはガソリン機関用で
あり、しかも触媒の早期暖機と過熱防止との双方の機能
を合せ持ってはおらず、触媒の機能を効率よく発揮させ
るものではなかった。

【００１１】そこでこの発明は、ターボ過給機を備えた
ディーゼル機関の排気浄化装置において、触媒の早期暖
機と過熱防止との双方の機能を合せ持たせ、触媒の機能
を効率よく発揮させることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
にこの発明は、排気通路にタービンが設けられ、このタ
ービンとともに回転するコンプレッサが吸気通路に設け
られたターボ過給機を有し、前記タービンの下流側の排
気通路に触媒が設けられたディーゼル機関の排気浄化装
置において、前記タービンの上流側の第１排気通路部と
タービン及び触媒間の第２排気通路部とを連通可能な第
１バイパス通路部と、この第１バイパス通路部に設けた
第１通路開閉手段と、前記第２排気通路部と触媒の下流
側の第３排気通路部とを連通可能な第２バイパス通路部
と、この第２バイパス通路部に設けた第２通路開閉手段
と、触媒の温度を検出可能な温度検出手段と、機関の過
給領域を検出する過給領域検出手段と、前記温度検出手
段により検出された触媒温度及び過給領域検出手段によ
り検出された過給状態が、低温側の第１の所定値以下で
かつ過給領域でないとき前記第１通路開閉手段を開放さ
せ、触媒温度が高温側の第２の所定値以上でかつ過給領
域でないとき前記第１，第２の各通路開閉手段をそれぞ
れ開放させ、触媒温度が前記第２の所定値以上でかつ過
給領域のとき前記第２通路開閉手段を開放させる制御手
段とを有する構成としてある。

【００１３】

【作用】このような構成のディーゼル機関の排気浄化装
置において、触媒温度が第１の所定値以下でかつ過給領
域でないときには、第１通路開閉手段を開放して第１排
気通路部と第２排気通路部とを連通させ、これによりタ
ービンをバイパスしてタービンに熱を奪われていない排
気が触媒に導かれ、触媒の暖機が促進される。また、触
媒温度が第２の所定値以上でかつ過給領域でないときに
は、第１，第２の各通路開閉手段を開放して第１，第
２，第３の各排気通路部をそれぞれ連通させ、これによ
り高温の排気は一部が触媒をバイパスして流れるので、
触媒温度の過上昇が防止される。さらに、触媒温度が第
２の所定値以上でかつ過給領域のときには、第２通路開
閉手段を開放して第２排気通路部と第３排気通路部とを
連通させることで、タービンを通過後の排気は一部が触
媒をバイパスして流れるので、触媒温度の過上昇が防止
される。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１５】図１は、この発明の一実施例を示すディー
ゼル機関の排気浄化装置の全体構成図である。ディーゼ
ル機関の機関本体１には、排気マニホールド３と吸気マ
ニホールド５とがそれぞれ装着され、排気マニホールド
３及び吸気マニホールド５には、排気通路としての排気
管７、及び吸気管９がそれぞれ接続されている。排気管
７にはターボ過給機１１の排気タービン１３が介装さ
れ、こにタービン１３と同期して回転するコンプレッサ
１５は吸気管９に介装されている。タービン１３の下流
側の排気管７には酸化触媒１７が設けられている。この
ように排気管７にタービン１３及び触媒１７を介装する
ことで、排気通路は、タービン１３の上流側の第１排気
通路部１９と、タービン１３と触媒１７との間の第２排
気通路部２１と、触媒１７の下流側の第３排気通路部２
３とに分割される。そして、これら第１，第２，第３の
各排気通路部１９，２１，２３を相互に連通可能なバイ
パス通路２５が排気管７に接続されている。

【００１６】バイパス通路２５は、第１排気通路部１９
と第２排気通路部２１とを連通してタービン１３をバイ
パスする第１バイパス通路部２７と、第２排気通路部２
１と第３排気通路部２３とを連通して触媒１７をバイパ
スする第２バイパス通路部２９とを有している。第１バ
イパス通路部１７には、第１通路開閉手段としての第１
バイパス弁３１が設けられ、第１バイパス弁３１と第２
排気通路部２１との間の第１バイパス通路部２７に第２
バイパス通路部２９が連通接続され、この第２バイパス
通路部２９に第２通路開閉手段としての第２バイパス弁
３３が設けられている。第１バイパス弁３１及び第２バ
イパス弁３３は、第１バイパス弁駆動装置３５、及び第
２バイパス弁駆動装置３７によりそれぞれ開閉駆動さ
れ、これら第１，第２の各バイパス弁駆動装置３５，３
７は、例えばマイクロコンピュータからなる制御手段と
してのバイパス弁制御回路３９によって駆動制御され
る。

【００１７】一方、機関回転数を検出する回転センサ４
１，機関負荷を検出する吸気量センサ４３及び冷却水温
を検出する水温センサ４５は、ターボ過給機１１による
過給領域を検出する過給領域検出手段を構成し、これら
各センサの検出信号は過給領域判断回路４７に出力さ
れ、ここで機関が過給領域であるかどうかが判断され
る。過給領域判断回路４７の出力信号はバイパス弁制御
回路３９に入力される。また、触媒１７下流の第３排気
通路部２３には、触媒１７の温度を検出可能な温度検出
手段としての温度センサ４９が設けられ、この温度セン
サ４９の検出信号は触媒温度判断回路５１に入力され、
ここで触媒１７の昇温を促進すべき状態であるか、ある
いは触媒１７の過熱を抑制すべき状態であるかどうかが
判断される。

【００１８】図３は、機関回転数Ｎと機関トルクＱとの
関連において、過給領域（図中で一点鎖線Ｃより上側）
と、触媒温度がその活性化温度以下の低い状態の触媒昇
温領域Ｄと、触媒温度が高温化して硫酸塩が発生しやす
い硫酸塩増加領域（二点鎖線Ｅより右側）とをそれぞれ
示している。なお、破線Ｆより左側の触媒昇温領域Ｄを
含む領域は、水温が機関始動時など極めて低い状態を示
している。

【００１９】前記バイパス弁制御回路３９は、過給領域
判断回路４７及び触媒温度判断回路５１の各出力信号を
受けて、触媒１７の温度が、第１の所定値である低温で
昇温すべき状態以下で、かつ過給領域でないとき、第１
バイパス弁３１を開く一方第２バイパス弁３３を閉じる
べく、第１，第２各バイパス弁駆動装置３５，３７にそ
れぞれ信号出力する。これにより第１排気通路部１９と
第２排気通路部２１とが第１バイパス通路部２７により
連通した状態となる。また、触媒１７の温度が、第２の
所定値である高温で過熱された状態以上で、かつ過給領
域でないときには、第１，第２の各バイパス弁３１，３
３をともに開放すべく、第１，第２各バイパス弁駆動装
置３５，３７にそれぞれ信号出力する。これにより第
１，第２，第３の各排気通路部１９，２１，２３が第
１，第２の各バイパス通路部２７，２９によりそれぞれ
連通した状態となる。さらに、触媒１７の温度が第２の
所定値以上で、かつ過給領域のときには、第１バイパス
弁３１を閉じる一方第２バイパス弁３３を開くべく、第
１，第２各バイパス弁駆動装置３５，３７にそれぞれ信
号出力する。これにより第２排気通路部２１と第３排気
通路部２３とが第２バイパス通路部２９により連通した
状態となる。

【００２０】次に、第１バイパス弁３１及び第２バイパ
ス弁３３を開閉制御するためのバイパス弁制御回路３９
の制御動作を示す図２のフローチャートに基づき、上記
実施例の作用を説明する。

【００２１】まず、回転センサ４１により検出された機
関回転数Ｎを読み込み（ステップ１０１）、吸気量セン
サ４３により検出された機関負荷（吸入空気量）Ｑを読
み込み（ステップ１０３）、さらに水温センサ４５によ
り検出された水温を読み込み（ステップ１０５）、これ
らの検出値に基づいて、機関の運転状態がターボ過給領
域であるかどうかを判断する（ステップ１０７）。ここ
で、ターボ過給領域でないと判断された場合、すなわち
図３で一点鎖線Ｃより下側の領域にあるときには、触媒
１７の温度が昇温領域かどうかが判断される（ステップ
１０９）。ここで、触媒１７の温度が第１の所定値以下
と低く、触媒昇温領域Ｄにあるときには、第１バイパス
弁駆動装置３５に対し第１バイパス弁３１が開くよう信
号出力する（ステップ１１１）一方、第２バイパス弁駆
動装置３７に対し第２バイパス弁３３が閉じるよう信号
出力（ステップ１１３）する。

【００２２】これにより、図４に示すように第１バイパ
ス弁３１が開き第２バイパス弁３３が閉じると、排気は
タービン１３を通過するとともに、タービン１３をバイ
パスする排気は第１バイパス通路部２７を通って触媒１
７の上流の第２排気通路部２１に流出する。タービン１
３をバイパスする排気は、タービン１３に熱を奪われて
いないので、その分低温化が抑制されて触媒１７を早期
に昇温できる。この結果、触媒１７の活性化が促進さ
れ、排気微粒子の除去効果が向上する。また、排気がタ
ービン１３をバイパスしているのでタービン１３の回転
数がより低くなり、吸入空気量が減少し、これにより排
気温度がさらに上昇して触媒１７の昇温がさらに促進さ
れる。

【００２３】前記ステップ１０９で触媒１７の温度が高
く触媒昇温領域でない場合には、触媒温度が第２の所定
値以上で触媒１７が過熱された状態である、図３の硫酸
塩の増加領域であるかが判断される（ステップ１１
５）。ここで、硫酸塩増加領域であると判断された場合
には、第１，第２の各バイパス弁駆動装置３５，３７に
対し、第１，第２の各バイパス弁３１，３３がそれぞれ
開くよう信号出力する（ステップ１１７，１１９）。

【００２４】これにより、図５に示すように第１，第２
の各バイパス弁３１，３３が開くと、排気はタービン１
３を通過するとともに、タービン１３をバイパスする排
気は、第１バイパス通路部２７を通って触媒１７の上流
の第２排気通路部２１に流出し、さらに第２バイパス通
路部２９を通って触媒１７の下流の第３排気通路部２３
に流出する。このように、タービン１３をバイパスする
排気が、さらに触媒１７をバイパスしてその下流に導か
れることで、触媒１７に流入する高温の排気の量が減少
し、触媒１７の過熱が防止されて硫酸塩の増加が抑制さ
れる。また、この場合排気が触媒１７をバイパスしてい
るので排気圧力の上昇も抑制され、燃料消費量も改善さ
れるなど運転性の向上も得られる。

【００２５】前記ステップ１１５で、硫酸塩増加領域で
ないと判断された場合には、第１，第２の各バイパス弁
駆動装置３５，３７に対し第１，第２の各バイパス弁３
１，３３のそれぞれが閉じるよう信号出力する（ステッ
プ１２１，１２３）。これにより、第１，第２の各バイ
パス弁３１，３３は閉じ、排気はバイパスされることな
くタービン１３を経て触媒１７を通って大気中に放出さ
れる。このとき排気は、適度な温度となっているので、
タービン１３を通過することにより熱が奪われても、触
媒１７の暖機は早期に行われ、また触媒１７をすべての
排気が通っても触媒１７が硫酸塩が多量に発生する程過
熱されることはない。

【００２６】前記ステップ１０７で、機関の運転状態が
ターボ過給領域であると判断された場合には、ステップ
１２５で前記ステップ１１５と同様に、硫酸塩の増加領
域であるかどうかが判断される。ここで、硫酸塩増加領
域であると判断された場合には、第１バイパス弁駆動装
置３５に対し第１バイパス弁３１が閉じるよう信号出力
する（ステップ１２７）一方、第２バイパス弁駆動装置
３７に対し第２バイパス弁３３が開くよう信号出力する
（ステップ１２９）。

【００２７】これにより、図６に示すように第１バイパ
ス弁３１が閉じ第２バイパス弁３３が開くと、排気はタ
ービン１３をバイパスせずタービン１３を通ってコンプ
レッサ１５による過給動作がなされる。タービン１３を
通過した排気は、一部が触媒１７に流入し他の一部が第
２バイパス通路部２９を経て触媒１７の下流の第３排気
通路部２３に流出する。この結果、触媒１７に流入する
高温の排気の量が減少し、触媒１７の過熱が防止されて
硫酸塩の増加が抑制される。

【００２８】前記ステップ１２５で硫酸塩増加領域でな
いと判断された場合には、前記ステップ１２１，１２３
にて第１，第２の各バイパス弁駆動装置３５，３７に対
し第１，第２の各バイパス弁３１，３３が閉じるよう信
号出力する。

【００２９】なお、触媒の担体としては、オープンハニ
カム，ペレット，フォームなど、どのようなものでも良
いことは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】以上説明してきたようにこの発明によれ
ば、触媒温度が低温側の第１の所定値以下でかつ過給領
域でないとき、排気はタービンをバイパスし、タービン
に熱を奪われていない排気が触媒に導かれ、触媒の暖機
を促進させて触媒温度を活性化温度まで早期に上昇させ
ることができる。また、触媒温度が高温側の第２の所定
値以上でかつ過給領域でないときには、タービンをバイ
パスした高温の排気はさらに触媒をバイパスするので、
触媒温度の過熱を防止できる。さらに、触媒温度が第２
の所定値以上でかつ過給領域のときには、タービンを通
る高温の排気の一部が触媒をバイパスするので、触媒へ
の排気流量が減少し、触媒温度の過熱を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すディーゼル機関の排
気浄化装置の全体構成図である。

【図２】図１のバイパス弁制御回路の制御動作を示すフ
ローチャートである。

【図３】ターボ過給領域，触媒昇温領域及び硫酸塩増加
領域をそれぞれ示す説明図である。

【図４】図１の排気浄化装置における排気流れを示す動
作説明図である。

【図５】図１の排気浄化装置における排気流れを示す動
作説明図である。

【図６】図１の排気浄化装置における排気流れを示す動
作説明図である。

【図７】過給を行った場合と行わない場合との排気微粒
子の排出量の変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 機関本体 ７ 排気管（排気通路） １９ 第１排気通路部 ２１ 第２排気通路部 ２３ 第３排気通路部 ２５ バイパス通路 ２７ 第１バイパス通路部 ２９ 第２バイパス通路部 ３１ 第１バイパス弁（第１通路開閉手段） ３３ 第２バイパス弁（第２通路開閉手段） ３９ バイパス弁制御回路（制御手段） ４１ 回転センサ（過給領域検出手段） ４３ 吸気量センサ（過給領域検出手段） ４５ 水温センサ（過給領域検出手段） ４９ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気通路にタービンが設けられ、このタ
   ービンとともに回転するコンプレッサが吸気通路に設け
   られたターボ過給機を有し、前記タービンの下流側の排
   気通路に触媒が設けられたディーゼル機関の排気浄化装
   置において、前記タービンの上流側の第１排気通路部と
   タービン及び触媒間の第２排気通路部とを連通可能な第
   １バイパス通路部と、この第１バイパス通路部に設けた
   第１通路開閉手段と、前記第２排気通路部と触媒の下流
   側の第３排気通路部とを連通可能な第２バイパス通路部
   と、この第２バイパス通路部に設けた第２通路開閉手段
   と、触媒の温度を検出可能な温度検出手段と、機関の過
   給領域を検出する過給領域検出手段と、前記温度検出手
   段により検出された触媒温度及び過給領域検出手段によ
   り検出された過給状態が、低温側の第１の所定値以下で
   かつ過給領域でないとき前記第１通路開閉手段を開放さ
   せ、触媒温度が高温側の第２の所定値以上でかつ過給領
   域でないとき前記第１，第２の各通路開閉手段をそれぞ
   れ開放させ、触媒温度が前記第２の所定値以上でかつ過
   給領域のとき前記第２通路開閉手段を開放させる制御手
   段とを有することを特徴とするディーゼル機関の排気浄
   化装置。