JPH07109917A - ディーゼル機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディーゼル機関の低負荷運転時にはＳＯＦを
効率良く除去でき、高負荷運転の時には常に黒煙を効率
良く除去できる排気浄化装置を提供する。 【構成】 多数のセルの隣接するものが排気入口側と出
口側で交互に栓詰めされた全長の短いハニカム型フィル
タ５をケーシング３内に備え、フィルタ５の排気入口側
にヒータＨを設けた排気浄化装置20において、流路切換
弁V1を介してフィルタ５をバイパスするバイパス管2A
と、バイパス管2Aとフィルタ管2Bとの合流部ｂの下流側
にＳＯＦを浄化する触媒４とを設け、制御装置100 によ
り流路切換弁V1を切り換えて、低負荷時に排気がバイパ
ス通路に流れ、高負荷時には排気ガスがフィルタ管2Bに
流れるように制御すると共に、高負荷時に加熱手段Ｈを
加熱して、捕集と同時に再生を行う。この結果、機関低
負荷運転時のＳＯＦと高負荷運転時の黒煙を両方とも効
率良く除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関し、特に、ディーゼル機関の低負荷時に排気ガス中
に含まれる可溶性有機成分（ＳＯＦ：Soluble Organic
Fraction) を浄化し、ディーゼル機関の高負荷時に黒煙
を浄化することができるディーゼル機関の排気浄化装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の内燃機関、特に、ディーゼル
機関の排気ガス中には、カーボンを主成分とする排気微
粒子（パティキュレート）が含まれており、排気黒煙の
原因となっている。環境汚染の観点からはこのパティキ
ュレートは除去することが望ましく、近年、ディーゼル
機関の排気通路にセラミック製のハニカム型フィルタを
配置し、ディーゼルパティキュレートをこのフィルタに
よって除去することが提案されている。

【０００３】一方、ディーゼル機関が低負荷で運転され
ると、排気ガス中には未燃焼の燃料および潤滑油から生
成される前述のＳＯＦが多く含まれるが、このＳＯＦに
対しては、セラミック製のハニカム型フィルタの捕集効
率は低く、このＳＯＦが空気中に排出されてしまう。そ
こで、ディーゼル機関の排気通路に設けられたセラミッ
ク製のハニカム型フィルタに、流路切換弁を介してＳＯ
Ｆを浄化する触媒を備えた排気通路を並列に設け、流路
切換弁の切り換えによって機関の低負荷時には排気ガス
をこの触媒に流し、高負荷時には排気ガスを従来通りセ
ラミック製のハニカム型フィルタに流すようにしたディ
ーゼル機関の排気ガス浄化装置が提案されている（特開
平４−５０４２０号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平４−
５０４２０号公報に提案の装置では、セラミック製のハ
ニカム型フィルタにパティキュレートが捕集されて再生
時期になった時には、セラミック製のハニカム型フィル
タへの排気ガスの流入を止めて再生処理が行われるの
で、このときに機関が高負荷運転されると、排気ガス中
の黒煙が除去されずに排出される恐れがあった。

【０００５】そこで、本発明は前記従来のディーゼル機
関の排気浄化装置の有する課題を解消し、セラミック製
のハニカム型フィルタの再生時期の検出をすることな
く、ディーゼル機関の低負荷運転の時にはＳＯＦを効率
良く除去でき、また、高負荷運転の時には常に排気ガス
中の黒煙を効率良く除去できるディーゼル機関の排気浄
化装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明のディーゼル機関の排気浄化装置は、ディーゼル機関
の排気通路中に設けたケーシング中に、パティキュレー
トを捕集するフィルタを収容し、このフィルタによって
排気ガスの浄化を行うディーゼル機関の排気浄化装置で
あって、前記フィルタの排気入口側に設けられた加熱手
段と、流路切換弁の切り換えにより前記排気通路に前記
フィルタをバイパスするように接続されるバイパス通路
と、前記バイパス通路と前記排気通路との合流部の下流
側に設けられた可溶性有機成分を浄化する触媒と、前記
流路切換弁を、低負荷時に前記バイパス通路へ、高負荷
時に前記フィルタへ排気ガスが流れるように制御すると
共に、高負荷時に前記加熱手段を加熱する制御手段とを
備え、前記フィルタは、前記加熱手段の加熱により、捕
集された排気微粒子が伝播燃焼によらずに燃え尽きる程
度の短い長さに形成したことを特徴としている。

【０００７】

【作用】本発明のディーゼル機関の排気浄化装置によれ
ば、ディーゼル機関の低負荷運転時には、流路切換弁に
よって排気ガスがバイパス通路に流れ、排気ガス中に含
まれるＳＯＦはバイパス通路の下流側に設けられた触媒
によって除去される。また、ディーゼル機関の高負荷時
には、流路切換弁によってパティキュレートを捕集する
フィルタに排気ガスが流れると共に、フィルタの排気入
口部に設けられた加熱手段が加熱されて、捕集したパテ
ィキュレートを同時に燃焼させる。このとき、フィルタ
の全長は短いので、捕集された排気微粒子は伝播燃焼に
よらずに燃え尽きる。そして、フィルタからの燃焼ガス
はフィルタ下流側の触媒を通過して排出されるので浄化
される。

【０００８】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明のディーゼル機関の排気浄化
装置２０の全体構成を示すものである。ディーゼル機関
１からの排気ガスを導く排気管２は、分岐部ａにおいて
分岐管２Ａ，２Ｂに分岐され、その後に合流部ｂにおい
て合流されて酸化触媒４に接続され、その後、図示しな
いマフラーに接続される。分岐管２Ａはバイパス管であ
り、その途中には何も設けられていない。一方、分岐管
２Ｂはフィルタ管であり、その途中に設けられたケーシ
ング３の中には、排気ガス中に含まれるパティキュレー
ト（主成分はカーボン）を捕集するためのフィルタ５が
設けられている。また、酸化触媒４は、パティキュレー
ト中のＳＯＦを浄化するためのものである。

【０００９】このフィルタ５は、図２(b) に示すよう
に、セラミック等の多孔性物質からなる隔壁を備えたハ
ニカム状フィルタであり、一般に円筒状で内部に隔壁で
囲まれた多数の直方体状の通路（フィルタセル）５１が
ある。そして、この通路５１の隣接するものは、排気ガ
スの流入側と排気ガスの流出側で交互にセラミック製の
閉塞材（プラグ）５２によって栓詰めされて閉通路とな
っている。従って、このフィルタ５は、フィルタセル５
１に流れ込んだ排気ガスが隔壁を通って隣接するフィル
タセル５１に流れるウォールフロータイプのフィルタで
あり、フィルタ５に流れ込んだ排気ガス中のパティキュ
レートは、排気ガスがフィルタセルの壁面を通過する際
にフィルタセルに捕集される。なお、この実施例のフィ
ルタ５は、その直径Ｄに比べて全長Ｌが極端に短く形成
されており、このフィルタ５の内部に捕集されたパティ
キュレートは、後述するヒータによって着火すると、燃
焼伝播によらずに全て燃え尽きるようになっている。

【００１０】また、図１のフィルタ５の上流側の端面に
は、フィルタを加熱してパティキュレートに着火する電
気ヒータＨが設けられており、この電気ヒータＨの一端
は接地され、他端は制御回路１００によって制御される
スイッチＳＷを介してバッテリ１１に接続されている。
更に、フィルタ５にはフィルタ５の温度を検出する温度
センサＳＴＦが設けられており、この温度センサＳＴＦ
のフィルタ温度の検出値ＴｈＦは、制御回路１００に入
力されるようになっている。

【００１１】図２(a) はこの電気ヒータＨと温度センサ
ＳＴＦのフィルタ５への取付状態を詳細に示すものであ
る。電気ヒータＨはフィルタ５の上流側に開口する各セ
ル５１内に入り込むように設けられている。また、温度
センサＳＴＦのフィルタ５の下流側に開口するフィルタ
５の中央部近傍のセル５１の中に挿入されて設けられて
いる。温度センサＳＴＦとしては、例えば、熱電対が使
用される。

【００１２】そして、分岐部ａには、分岐部ａの上流側
の排気管２からの排気ガスの流れを分岐管２Ａ，２Ｂに
振り分ける流路切換弁として制御弁Ｖ１が設けられてい
る。なお、この実施例では、合流部ｂには分岐管２Ａ，
２Ｂの合流部ｂの下流側の排気管２への接続を切り換え
る制御弁は設けられていないが、必要に応じて設けても
良いものである。この制御弁Ｖ１は制御回路１００によ
って駆動されるようになっており、制御回路１００から
の制御信号により制御弁Ｖ１は、図１に実線で示す分岐
管２Ａを閉じる位置、あるいは点線で示す分岐管２Ｂを
閉じる位置の何れかに位置決めされる。

【００１３】制御弁Ｖ１の駆動は、実際には、ダイアフ
ラム式アクチュエータや負圧切換弁、或いは電気式のア
クチュエータによって行われるが、その駆動機構は特に
限定されるものではないので、ここでは図示およびその
説明を省略する。更に、この実施例では分岐部ａの上流
側に排気ガス温度を検出する温度センサＳＴＧが設けら
れており、この温度センサＳＴＧの排気温度の検出値Ｔ
ｈＧも制御回路１００に入力されている。なお、図示は
しないが、機関１には負荷を検出する吸入空気量センサ
またはスロットルポジションセンサ、吸入空気温度を検
出する吸入空気温度センサ、機関１の温度を水温によっ
て検出する水温センサ等が設けられており、各センサか
らの機関負荷の検出値Ｑ、吸入空気温度の検出値Ｔｈ
Ａ、水温の検出値ＴｈＷ等も制御回路１００に入力され
るようになっている。また、機関１の回転数の検出値Ｎ
ｅやキースイッチのオン、オフ等も図示しないセンサに
よって検出され、制御回路１００に入力されるようにな
っている。

【００１４】制御回路１００は、例えば、アナログ信号
入力用のインタフェースＩＮａ、ディジタル信号入力用
のインタフェースＩＮｄ、アナログ信号をディジタル信
号に変換するコンバータＡ／Ｄ、各種演算処理を行う中
央処理装置ＣＰＵ、ランダムアクセスメモリＲＡＭ、読
み出し専用メモリＲＯＭ、機関のキースイッチがオフさ
れてもデータを保持するバックアップメモリＢ−ＲＡ
Ｍ、出力回路ＯＵＴ、およびこれらを接続するバスライ
ン１１１等を含むマイクロコンピュータによって構成さ
れるが、その構成の詳細な動作説明については省略す
る。

【００１５】制御回路１００のアナログ信号入力用のイ
ンタフェースＩＮａには、パティキュレートフィルタ５
の温度信号ＴｈＦ、分岐部ａの上流側の排気ガス温度信
号ＴｈＧ、機関１の吸気温度信号ＴｈＡ、水温信号Ｔｈ
Ｗや機関回転数信号Ｎｅ等が入力され、ディジタル信号
入力用のインタフェースＩＮｄには、キースイッチから
の信号等が入力される。

【００１６】次に、以上のように構成された実施例のデ
ィーゼル機関の排気浄化装置２０の動作について図３の
フローチャートを用いて説明する。図３に示すフローチ
ャートは排気通路の切換ルーチンを示すものであり、機
関１の始動後に起動される。ステップ３０１では機関１
の運転状態パラメータ、例えば、機関回転数Ｎｅと機関
の負荷Ｑ等が取り込まれる。そして、続くステップ３０
２において、予め制御回路１００のＲＯＭ内に記憶させ
てある図４に示すようなマップと比較され、機関１の運
転状態が領域Ａか否かが判定される。この運転領域Ａは
機関１が高負荷運転を行っていることを示す領域であ
る。

【００１７】ステップ３０２において機関１の運転状態
が領域Ａ（高負荷運転状態）であれば、ステップ３０３
に進み、図１に実線で示すように、制御弁Ｖ１がバイパ
ス通路２Ａを閉じるように制御される。この状態では排
気ガスはフィルタ５を流れ、排気ガス中のパティキュレ
ートがフィルタ５に捕集される。続くステップ３０４で
はヒータＨに通電が行われ、フィルタ５が加熱される。
一度ヒータＨによるフィルタ５の加熱が開始されると、
温度センサＳＴＦによって検出されるフィルタ５の温度
ＴｈＦが所定の温度Ｔ１（例えば、７００℃）になるま
で加熱が継続して行われる。この手順はステップ３０５
においてＮＯになり、ステップ３０４に戻るルーチンで
示される。このように、フィルタ５によるパティキュレ
ートの捕集中にフィルタ５の温度がＴ１まで上昇させら
れるのは、フィルタ５内に短時間でも排気が流れ、パテ
ィキュレートが捕集された場合はその都度焼却してフィ
ルタ５を自己再生しておくためである。

【００１８】一方、ステップ３０５において、フィルタ
５の温度ＴｈＦがＴ１を越えたと判定された場合はステ
ップ３０６に進み、ヒータＨの通電をオフしてバッテリ
１１の負荷を軽減する。この後のステップ３０７では機
関１の運転状態を再度判定し、機関が運転領域Ａに留ま
っているか否かを判定する。機関１が運転領域Ａに留ま
っている時はステップ３０９に進んでフィルタ５の温度
ＴｈＦがＴ２（例えば６００℃）まで下がったか否かを
検出する。フィルタ５の温度ＴｈＦがＴ２より高ければ
ヒータＨの再通電は不要と判定してステップ３０７に戻
り、機関１が運転領域Ａに留まっているか否かの判定を
繰り返す。一方、フィルタ５の温度ＴｈＦがＴ２以下に
下がれば、ステップ３０４に戻り、ヒータＨに通電を行
ってフィルタ５の温度を再度Ｔ１まで上昇させる。この
処理はフィルタ５に捕集されるパティキュレートを安定
して燃焼除去するためのものである。

【００１９】これに対して、ステップ３０２およびステ
ップ３０７において、機関１が運転領域Ａで運転されて
いない低、中負荷の状態と判定された時はステップ３１
０に進み、図１に点線で示すように、制御弁Ｖ１がフィ
ルタ通路２Ｂを閉じるように制御される。この状態では
排気ガスはフィルタ５をバイパスして流れ、直接酸化触
媒４を通って排出されるので、パティキュレート中のＳ
ＯＦが浄化される。

【００２０】続くステップ３１０は機関１が停止された
か否かを判定するものであり、機関１が稼働中の場合は
ステップ３０２に戻って以上説明した処理が繰り返され
る。また、機関１の停止が判定された時はこのルーチン
を終了する。このように、機関１の発進時、登坂時等の
高負荷運転上程で、黒煙が多く排出される領域では、排
気ガスはフィルタ５を流れた後に酸化触媒４に流れるの
で、黒煙は完全に除去される。そして、フィルタ５に排
気ガスが流れる限り、フィルタ５はヒータＨによって加
熱され、捕集された、パティキュレートは直ちに焼却さ
れるので、フィルタ５内にパティキュレートが蓄積する
ことがない。この結果、蓄積したパティキュレートが一
気に燃えてフィルタ５内が異常な高温になり、フィルタ
５が破損する恐れがない。また、フィルタ５内にパティ
キュレートの蓄積がないので、背圧上昇を抑圧する面か
らも効果的である。

【００２１】そして、ヒータＨは機関１が高負荷運転状
態にある時しか通電されないので加熱に必要な電力が少
なくて済み、また、捕集と同時にパティキュレートを焼
却するので、従来のパティキュレートをある程度捕集し
てから再生するタイプのように、再生が機関１の停止で
中断されることもない。更に、フィルタ５内のパティキ
ュレートの捕集量を検出するためのセンサや、パティキ
ュレートが捕集されたフィルタ５の再生制御も不要であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のディーゼ
ル機関の排気浄化装置によれば、黒煙の発生し易い高負
荷時にフィルタに排気ガスが流入し、フィルタに捕集さ
れた黒煙に含まれるパティキュレートがその都度燃焼除
去されるため、黒煙が排出されることがない。また、フ
ィルタの排気ガス流れ方向の長さが極端に短く、熱容量
が小さい上に、ヒータは低負荷時には作動しないため、
加熱に必要な電力が小さくて済み、バッテリ上がりを保
護することができる。更に、フィルタ内で連続的にパテ
ィキュレートの捕集と再生が実施されるため、フィルタ
への熱負荷が少なくなる。更にまた、ＳＯＦが発生し易
い機関の低負荷運転領域では、排気ガスは直接酸化触媒
に流入するので、ＳＯＦが浄化される。その上、機関の
高負荷運転領域におけるフィルタの再生に伴う燃焼ガス
も、この酸化触媒で浄化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディーゼル機関の排気浄化装置の一実
施例の構成を示す全体構成図である。

【図２】(a) は図１のフィルタケースの上半分を断面し
て内部構造を詳細に示す部分拡大断面図であり、(b) は
本発明のディーゼル機関の排気浄化装置に使用されるフ
ィルタの構成を示す斜視図である。

【図３】本発明のディーゼル機関の排気浄化装置におけ
る機関の運転状態に応じた制御の手順を示すフローチャ
ートである。

【図４】図３の制御手順において排気ガスの流路切り換
えの判断に使用される機関の回転数と負荷に応じた運転
特性を示す線図である。

【符号の説明】

１…ディーゼル機関 ２…排気管 ２Ａ…分岐管（バイパス管） ２Ｂ…分岐管（フィルタ管） ３…ケーシング ４…酸化触媒 ５…フィルタ １００…制御回路（ＥＣＵ） ａ…分岐部 ｂ…合流部 Ｈ…電気ヒータ Ｖ１…制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｇ Ｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼル機関の排気通路中に設けたケ
   ーシング中に、排気ガス中に含まれるパティキュレート
   を捕集するフィルタを収容し、このフィルタによって排
   気ガスの浄化を行うディーゼル機関の排気浄化装置であ
   って、 前記フィルタの排気入口側に設けられた加熱手段と、 流路切換弁の切り換えにより前記排気通路に前記フィル
   タをバイパスするように接続されるバイパス通路と、 前記バイパス通路と前記排気通路との合流部の下流側に
   設けられた可溶性有機成分を浄化する触媒と、 前記流路切換弁を、低負荷時に前記バイパス通路へ、高
   負荷時に前記フィルタへ排気ガスが流れるように制御す
   ると共に、高負荷時に前記加熱手段を加熱する制御手段
   とを備え、 前記フィルタは、前記加熱手段の加熱により、捕集され
   た排気微粒子が伝播燃焼によらずに燃え尽きる程度の短
   い長さに形成したことを特徴とするディーゼル機関の排
   気浄化装置。