JPH0629544B2 - 内燃機関用排気ガスフイルタ再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置、特
に、急激燃焼によってフィルタを焼損することなくフィ
ルタを再生できる内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置
に関連する。

従来の技術 現在、ＤＰＦ（Deisel Particulate Filter）再生用バ
ーナは、内燃機関の排気ガスに含まれる微粒子（Partic
ulate）をトラップと呼ばれるフィルタで捕集し、バー
ナから噴出する燃料の燃焼によりフイルタの反復使用を
可能にする内燃機関の排気浄化装置として用いられてい
る。この型式の排気浄化装置では、例えば、特開昭５６
−１１５８０号公報に示される通り、排気通路中に設け
たトラップによって排気ガス中に含まれるカーボンを主
成分とする微粒子を捕集をする。一定期間使用後、トラ
ップの入口圧力と出口圧力との圧力差を検出してトラッ
プでの微粒子捕集状態を決定するが、この圧力差が所定
レベルに達したとき、バーナを作動して、トラップ内の
微粒子を焼却してフィルタの再生が行われる。

上記装置を第５図につてい説明すると、内燃機関１の排
気管２中に形成された過室３内には、フィルタ４が配
置される。フィルタ４は、ハニカム形状を有する多孔質
セラミックで形成される。ハニカム形状を有する型式の
ハニカム式エアフィルタは、例えば、特開昭５９−１２
７６１８号公報に開示される通り、並置された多数の通
気孔を流入口で１つおきに密封材で充填すると共に、流
出口では、流入口で充填されない通気孔を密封材で充填
した構造を有する。排気管２を通る排気ガス中に含まれ
る炭素等の可燃性微粒子は、フィルタ４で捕集される。

一定期間の使用を通じてフィルタ４に捕集されかつ蓄積
した微粒子は、可燃性付着物を形成し、フィルタ４は、
目詰りを生ずる。そこで、フィルタ４に隣接するバーナ
６の作動により、目詰りの原因である可燃性付着物は燃
焼し、フィルタ４は再生される。この目的で、バーナ６
は、グロープラグを有しかつ燃料ポンプ（図示せず）に
接続される。また、バーナ６は、電磁制御によってバー
ナ６への燃料供給量を制御するインジェクタ５を有す
る。フィルタ４の上流には、排気ガスの圧力を検出する
圧力センサ９及びバーナ６の燃焼温度を測定する温度セ
ンサ１０が設けられる。内燃機関１には、エンジン回転
数を検出する回転センサ１１が取付けられ、バーナ６に
酸素を供給するエアポンプ１２が設けられる。エアポン
プ１２には、バーナ６へ空気を送る空気供給管１３が接
続される。また、上記グロープラグ、燃料ポンプ、イン
ジェクタ５、圧力センサ９、温度センサ１０及び回転セ
ンサ１１は、制御装置１４に接続され、電気的に測定又
は制御される。

目詰りの原因である可燃性付着物を除去しフィルタ４を
再生するとき、フィルタ４に隣接するバーナ６をグロー
プラグによって点火し、燃料ポンプから燃料をバーナ６
のインジェクタ５に供給すると共に、エアポンプ１から
空気供給管１３を通じてバーナ６に空気を供給すること
により、バーナ６を加熱してフィルタ内の捕集粒子を燃
焼し、フィルタを再生する。フィルタ４の上記目詰り状
態は、過室３の入口部１５に設けられた圧力センサ９
によって検出される。即ち、微粒子の捕集量の増加に伴
って可燃性付着物の蓄積量が増加し、フィルタ４の入口
部１５の排気ガス圧力が上昇する。この排気ガス圧力が
一定レベル以上に上昇したとき、目詰りと決定し、バー
ナ６を作動して可燃性付着物の燃焼を行う。内燃機関の
全運転領域において、目詰り状態を判断するために、内
燃機関の稼動中に回転センサ１１により内燃機関の全回
転数を検出し、また温度センサ１６により排気ガスの温
度を検出すると共に、これらの検出信号を制御装置１４
に送出し、排気ガス圧力の測定と共に回転数と排気ガス
温度を常時測定する。フィルタ４に捕集された可燃性付
着物のバーナ６による燃焼時には、温度センサ１０によ
ってバーナ６の燃焼温度を検出して、バーナ６の燃焼温
度が異常に上昇しないように、例えば、この燃焼温度を
７５０℃に保持するように、制御装置１４で燃料ポンプ
又はインジェクタ５を制御して、バーナ６への燃料の供
給量を制限する。

発明が解決しようとする問題点 フィルタの再生時には、フィルタを通過する排気ガスが
特定の状態にあるとき、フィルタに付着した微粒子が爆
発的に燃焼を開始し、このためフィルタ内の温度が急激
に上昇する急激燃焼現象を発生する。急激燃焼現象が発
生すると、フィルタ内の温度が部分的に著しく高くな
り、このため部分的に大きな温度差が生ずるので、フィ
ルタに亀裂が発生したり、焼損することがある。このよ
うな状況を回避するため、従来では、カーボン捕集量が
少ない時期に再生を行う短周期燃焼法又はバーナへの燃
料供給量を徐々に増加して一定時間後に一定供給量に達
するように燃料供給量を制御する燃料供給微量増加法の
いずれかを行っている。

上記短周期燃焼法では、カーボン捕集量が少ない時期に
再生を行うと、再生周期が短くなるので、再生回数が増
加し、フィルタの寿命が短くなると共に、再生用燃料の
使用料が増加する。また、燃料供給微量増加法では、バ
ーナの燃焼温度上昇が緩慢になり、再生に長時間を必要
とする。いずれの方法においても、回転数又は負荷の変
動する内燃機関の稼動状態の下では、フィルタ内で急激
燃焼が発生する状態を予測できないため、フィルタの再
生を自動的に行うことができず、内燃機関を特定の状
態、例えば、回転数の高いハイアイドリング状態に保持
し、バーナへの燃料供給量を制御しながらフィルタの再
生を行っていた。このため、フィルタの再生に長時間を
必要とした。

この発明は、内燃機関を変動する回転数又は負荷で稼動
しながらかつフィルタを焼損することなく自動的に再生
できる内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置を提供する
ことを目的とする。

問題点を解決するための手段 この発明による内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置
は、内燃機関の排気管を通って排出される排気ガス中に
含まれる微粒子を過するフィルタと該フィルタで捕集
された微粒子を燃焼するバーナと、バーナに供給する燃
料の供給量を制御するインジェクタ又は燃料ポンプとを
備えた内燃機関用排気ガスフイルタ再生装置において、
バーナの上流における前記排気管に取付けられ排気ガス
の温度を測定する温度センサと、内燃機関の回転数を検
出する回転センサと、回転センサ及び前記温度センサか
らの電気信号を受け、フィルタの加熱時に内燃機関の回
転数が所定の回転数範囲になりかつ上記温度センサの周
囲を流れる排気ガスの温度が所定の温度範囲に達した
時、バーナへの燃料供給量を制限する制御出力を前記イ
ンジェクタ又は燃料ポンプに与える制御回路とを設けた
ことを特徴とする。

この発明は、排気ガス流量、温度及び排気ガス中に酸素
濃度によってフィルタ内の微粒子が急激燃焼する条件が
決定され、これらは、内燃機関の回転数及び排気ガス温
度によって決定できる事実を発見したことに基づくもの
である。この場合、排気ガスの流量及び酸素濃度は、内
燃機関の回転数と排気ガス温度の測定により検出するこ
とができる。即ち、排気ガス流量が比較的少ないアイド
リング時の回転数、例えば６００rpmから１６００rpmの
間でかつ排気ガス中の酸素濃度が比較的高い低負荷のと
き、かつ、アイドリング時の排気ガス温度、例えば１０
０℃から４５０℃のときは、フィルタ４内に急激燃焼を
誘発しやすい状態が形成される。従って、これらの回転
範囲及び温度範囲では、バーナへの燃料供給量を減少す
べきである。本来、フィルタ内の酸素濃度を測定するこ
とが望ましいのであるが、酸素濃度の測定には不安定な
酸素濃度センサと複雑な信号処理回路が必要であり、実
用に適する酸素濃度測定装置を開発することは困難であ
る。そこで、この発明は、排気ガスの温度及び内燃機関
の回転数を検出することによりフィルタ内微粒子の急激
燃焼を防止する手段を提供するものである。

作用 回転数の変化する内燃機関の回転数が所定の回転数範囲
に該当し、かつ排気ガスの温度が所定の温度範囲に該当
するとき、バーナへの燃料供給量を制限する制御出力を
インジェクタに与えて、バーナで燃焼する燃料量を自動
的に減少する。

実施例 以下、この発明の実施例を第１図ないし第４図について
説明する。これらの図面では、第５図に示す部分と同一
の部分について同一符号を付して説明を省略する。

第１図に示すように、この発明による内燃機関用排気ガ
スフィルタ再生装置は、バーナ６の上流における排気管
２に取付けられ排気ガスの温度を測定する温度センサ１
６と、内燃機関１の回転数を検出する回転センサ１１
と、回転センサ１１及び温度センサ１６からの電気信号
を受け、フィルタ４の加熱時に内燃機関の回転数が所定
の回転数範囲になりかつ温度センサ１６の周囲を流れる
排気ガスの温度が所定の温度範囲に達した時、バーナ６
への燃料供給量を制限する制御出力をインジェクタ５に
与える制御回路２０とが設けられる。また、第１図で
は、グロープラグ１７はインジェクタ５の先端部に取付
けられ制御回路２０に接続される。バーナ６に燃料を供
給する燃料供給管１８に燃料ポンプ１９が接続され、こ
の燃料ポンプ１９も制御回路２０に接続される。過室
３内では、フィルタ４の後流に触媒体７が取付けられ
る。

制御回路２０は、第２図に詳細に示されるように、フィ
ルタ４の上流の排気ガス圧力を感知する圧力センサ９と
回転センサ１１とが設けられた起動回路２２と、起動回
路２２の出力でインジェクタ１９を作動する駆動回路２
３と、回転センサ１１及び温度センサ１６からの電気信
号を受け、フィルタ４の再生時に内燃機関１の回転数が
所定の回転数範囲になりかつ温度センサ１６の周囲を流
れる排気ガスの温度が所定の温度範囲に達した制御範囲
を検出する温度−回転数検出回路２１とを有する。温度
−回転数検出回路２１は、上記制御範囲を検出したと
き、バーナ６への燃料供給量を制限する制御出力を燃料
制御回路２４を通じてインジェクタ５に与える。

起動回路２２は、圧力センサ９に接続された増幅器３０
と、増幅器３０の出力と基準電圧電源３１の出力とを比
較する比較器３２と、増幅器３３を介して回転センサ１
１の出力及び比較器３２の出力を受けるアンドゲート３
４と、アンドゲート３４の出力でパルスを生ずるワンシ
ョットマルチバイブレータ３５とを有する。マルチバイ
ブレータ３５の出力は、Ｒ／Ｓフリップフロップ３６の
セット端子及びタイマ回路２７に接続される。フリップ
フロップ３６のＱ出力端子は、駆動回路２３のトランジ
スタ４０のベースに接続される。

駆動回路２３は、上記トランジスタ４０と、トランジス
タ４０のコレクタと電源との間に接続されたグロープラ
グ１７と、トランジスタ４０のコレクタに接続されたエ
ミッタを有するトランジスタ４１と、トランジスタ４１
のコレクタに接続されたベースを有するトランジスタ４
２と、トランジスタ４２のコレクタに接続された一端と
接地された他端とを有するインジェクタ５のコイル４５
と、トランジスタ４２のエミッタと電源との間に接続さ
れた抵抗４３と、トランジスタ４１のベースと電源との
間に接続された抵抗４６とを有する。トランジスタ４０
のエミッタは接地され、トランジスタ４１のベースは、
抵抗４９を介してトランジスタ４４のコレクタにも接続
される。トランジスタ４４は、燃料制御回路２４を構成
する。

温度−回転数検出回路２１は、増幅器３３を介して回転
センサ１１に接続された比較器５１及び５２と、増幅器
５５を介して温度センサ１６に接続された比較器５３及
び５４と、比較器５１〜５４にそれぞれ定電圧を印加す
る定電圧電源５６〜５９と、比較器５１の出力及び反転
入力端子により比較器５２の出力を受けるアンドゲート
６０と、比較器５３の出力及び反転入力端子により比較
器５４の出力を受けるアンドゲート６１と、アンドゲー
ト６０及び６１の出力を受け、前記トランジスタ４４の
ベースに出力を送出するアンドゲート６２とを有する。
アンドゲート６２の出力は、タイマ回路２７にも印加さ
れ、タイマ回路２７の計数を一時的に停止する。タイマ
回路２７の出力及び停止スイッチ３８の出力は、オアゲ
ート３７を通じてＲＳフリップフロップ３６のリセット
端子に接続される。

比較器５１は、内燃機関の回転数範囲のアイドリング時
の下限回転数、例えば、６００rpmを検出して下限回転
数以上の回転数で出力を発生し、比較器５２は、上限回
転数、例えば、１６００rpmを検出し、上限回転数以上
の回転数で出力を発生する。また、比較器５３は、排気
ガスの温度範囲のアイドリング時の下限温度、例えば、
１００℃を検出して下限温度以上の温度で出力を発生
し、比較器５４は、上限温度、例えば、４５０℃を検出
し、上限温度以上の温度で出力を発生する。

上記構成において、多量の微粒子付着のためフィルタ４
に目詰りが生ずると、増幅器３０を介して比較器３２に
与えられる圧力センサ９の出力は、基準電圧電源３１の
出力より高くなり、比較器３２は、出力をアンドゲート
３４に送出する。内燃機関１の回転数を検出する回転セ
ンサ１１の出力が増幅器３３を通じてアンドゲート３４
に与えられるから、アンドゲート３４は、出力を発生
し、マルチバイブレータ３５にパルスを発生させる。従
って、フリップフロップ３６がセットされ、Ｑ出力端子
からトランジスタ４０のベース入力が与えられる。この
ため、トランジスタ４０は、オンとなり、グロープラグ
１７が点火され、またトランジスタ４１のエミッタ電流
が流れるので、トランジスタ４２がオンとなり、電源か
ら抵抗４３及びトランジスタ４２を通じてインジェクタ
５のコイル４５に通電される。従って、バーナ６に燃料
が供給され、フィルタ４の再生が開始される。

内燃機関１の回転数がフィルタ４の急激燃焼を予測する
所定の回転数範囲の下限値に達したとき、即ちアイドリ
ング時に比較器５１が出力を生じ、上限値に達する前で
は比較器５２は出力を生じないので、アンドゲート６０
は、出力を発生する。また、排気管２に取付けた温度セ
ンサ１６の周囲の温度がフィルタ４の急激燃焼を予測す
る所定の温度範囲の下限値、即ちアイドリング時に、比
較器５３は、出力を生じ、上限値に達する前では比較器
５２は出力を生じないので、アンドゲート６１は、出力
を発生する。従って、所定回転数範囲及び所定温度範囲
に該当する状態では、アンドゲート６２は、出力を発生
し、トランジスタ４４をオン状態に保持する。従って、
トランジスタ４１のベース電流が減少し、トランジスタ
４１のエミッタ電流は制限され、従って、トランジスタ
４２のベース電流及びコイル４５への電流が減少し、バ
ーナ６への燃料供給量が減少する。上記所定回転数範囲
及び所定温度範囲に該当する状態、例えば、内燃機関の
回転数が１６００rpm以下のとき及び排気ガス温度が４
５０℃以下のときは、アンドゲート６０及び６１は出力
を生じ、この発明の再生装置ではバーナ６へ燃料供給量
が減少される。しかし、上記回転数及び排気ガス温度の
範囲外では、この発明の再生装置では、燃料供給量は制
御されず、バーナ６の燃焼温度は、約７５０℃に保持さ
れる。この目的で、図示しない制御回路により、フィル
タ４の異常加熱時、異常低温度、再生開始時及び終了時
には、燃料供給量が所定のレベルに制御されることは従
来の装置と同様である。

バーナ６の再生開始後、一定時間経過すると、ワンショ
ットマルチバイブレータ３５の出力を受けたタイマ回路
２７はオアゲート３７を通じてＲ／Ｓフリップフロップ
３６をリセットし、トランジスタ４０のベースへの通電
を停止する。従って、トランジスタ４０がオフになり、
インジェクタ５のコイル４５への通電が停止され、バー
ナ６への燃料供給が阻止される。

第３図は、内燃機関の回転数(rpm)とエキゾーストマニ
ホールド出口での排気ガス温度（℃）とにより、フィル
タ４内で急激燃焼が発生すると予想される回転数と排気
ガス温度の関係を示し、図示の扇形範囲内では、急激燃
焼が発生すると予測される。この扇形範囲は、回転数で
は、６００〜１６００rpmであり、排気ガス温度では、
１００℃〜４５０℃である。前述の通り、排気ガス流量
が比較的少ないアイドリング時の回転数６００rpmから
１６００rpmの間でかつ排気ガス中の酸素濃度が比較的
高い低負荷のとき、即ち、アイドリング時の排気ガス温
度１００℃から４５０℃のときは、フィルタ４内は急激
燃焼を誘発しやすい状態が形成される。

この発明の内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置では、
微粒子の急激燃焼の発生を回避するため、種々の制御方
法でインジェクタ５を通る燃料を制御することができ
る。例えば、第４図のフローチャートに示される通り、
ステップ７０で目詰りを検知したとき、６０〜７０秒
間、グロープラグ１８の通電を行い、燃料供給を開始す
る（ステップ７１、７２）。この段階では、内燃機関の
回転数及び排気ガスの温度を測定しながら、燃料供給量
は増加される（ステップ７３）。フィルタ４が急激燃焼
を開始することが予測される上記所定回転数範囲及び所
定温度範囲に該当する状態（ステップ７４）か否か判断
し、内燃機関の回転数及び排気ガス温度が急激燃焼範囲
のとき、燃料供給量を制御される（ステップ７５）。し
かし、これらが急激燃焼範囲外のときはバーナの燃焼温
度が７５０℃に保持され（ステップ７６）、この状態に
おいて所定時間の経過による再生終了か否か判断し（ス
テップ７７）、一定時間経過していれば、燃料の供給が
停止され、再生が終了する。

この発明の上記実施例では、変更が可能である。例え
ば、制御回路２０は、マイクロコンピュータで構成し、
燃料供給量をプログラム制御で行ってもよい。また、フ
ィルタ内で微粒子が急激燃焼を開始する範囲は、通常回
転数では、６００〜１６００rpmであり、排気ガス温度
では、１００℃〜４５０℃であるが、微粒子の組成成
分、フィルタの形状及び排気ガスの通過状態等の種々の
要因によって変動するから、燃料供給量を制限する上記
急激燃焼に対する条件の具体的数値は、種々の状態を勘
案して設定しなければならない。バーナへ供給する燃料
量の制御は、インジェクタの替わりに燃料ポンプで行っ
てもよい。また、この発明のように急激燃焼を予測せず
かつバーナ６の燃焼温度を検出する温度センサ１０の信
号に応答してバーナ６への燃料供給量を制御する従来の
再生装置と組合せて、再生開始時又は終了時に燃料供給
量の増加、減少又は所定レベル維持によりフィルタを所
定の温度に保持してもよい。更に、第２図において、ア
イドリング状態を検出する比較器５１と５３とを省略し
て、増幅器３３の出力をアンドゲート６６に直接与える
と共に、増幅器５５出力をアンドゲート２１に直接与え
てもよい。

発明の効果 フィルタ内に捕集された微粒子が急激燃焼を開始する状
態を内燃機関の回転数及び排気ガスの温度から予測し、
内燃機関の回転数が所定の回転数範囲にあり、かつ排気
ガスの温度が所定の温度範囲にあるとき、バーナへの燃
料供給量を制限する制御出力をインジェクタ又は燃料ポ
ンプに与えて、バーナで燃焼する燃料量を減少するの
で、回転数又は負荷の変動する内燃機関の稼動時におい
ても自動的にフィルタの再生を行うことができ、フィル
タの急激燃焼を充分に阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による内燃機関用排気ガスフィルタ
再生装置の略示図、第２図は、第１図の再生装置に使用
する制御回路の詳細を示す電気回路図、第３図は、フィ
ルタの急激燃焼を予測する内燃機関の回転数と排気ガス
温度との関係を示すグラフ、第４図は、この発明の再生
装置での燃料制御方法の一例を示すフローチャートで、
第５図は、従来の内燃機関用排気ガスフィルタ再生装置
の略示図である。 １……内燃機関、２……排気管、４……フィルタ、５…
…グロープラグ、６……バーナ、９……圧力センサ、１
０、１６……温度センサ、１１……回転センサ、２０…
…制御回路、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気管を通って排出される排気
   ガス中に含まれる微粒子を過するフィルタと、該フィ
   ルタで捕集された微粒子を燃焼するバーナと、該バーナ
   に供給する燃料の供給量を制御するインジェクタ又は燃
   料ポンプとを備えた内燃機関用排気ガスフィルタ再生装
   置において、 前記バーナの上流における前記排気管に取付けられ排気
   ガスの温度を測定する温度センサと、内燃機関の回転数
   を検出する回転センサと、該回転センサ及び前記温度セ
   ンサからの電気信号を受け、前記フィルタの加熱時に内
   燃機関の回転数が所定の回転数範囲になりかつ上記温度
   センサの周囲を流れる排気ガスの温度が所定の温度範囲
   に達した時、前記バーナへの燃料供給量を制限する制御
   出力を前記インジェクタ又は燃料ポンプに与える制御回
   路とを設けたことを特徴とする内燃機関用排気ガスフィ
   ルタ再生装置。
2. 【請求項２】上記内燃機関の所定の回転数範囲は、アイ
   ドリング時の回転数から１６００rpmであり、排気ガス
   の所定の温度範囲は、アイドリング時の温度から４５０
   ℃である特許請求の範囲第(1)項記載の内燃機関用排気
   ガスフィルタ再生装置。
3. 【請求項３】上記アイドリング時の回転数は、６００rp
   mであり、アイドリング時の排気ガス温度は、１００℃
   である特許請求の範囲第(2)項に記載の内燃機関用排気
   ガスフィルタ再生装置。
4. 【請求項４】上記制御回路は、上記フィルタの上流の排
   気ガス圧力を測定する圧力センサを設けた起動回路と、
   上記温度センサ及び上記回転センサに接続され排気ガス
   温度と回転数が所定の温度範囲及び回転数範囲にあるか
   否かを判断する温度−回転数検出回路と、前記起動回路
   の出力で上記インジェクタを作動する駆動回路と、上記
   温度−回転数検出回路の出力が発生したとき、前記イン
   ジェクタへ供給する出力を減少する燃料制御回路とを有
   する特許請求の範囲第(1)項記載の内燃機関用排気ガス
   フィルタ再生装置。