JPH0783031A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】フィルタ温度過昇によるクラックや溶損を抑止
し、フィルタの経時的な劣化による再生効率の低下を抑
止可能な排気ガス浄化装置を提供する。 【構成】給気手段の給気流量Ｆを検出し、給気温度Ｔを
検出し（１１８２）、これら給気流量Ｆ、給気温度Ｔか
ら給気質量ｍを算出し（１１８３）、この給気質量ｍに
基づいて給気手段１３の運転をフィードバック制御して
（１１８４〜１１８９）、給気流量を目標給気流量に制
御する。 【効果】このようにすれば、例えばフィルタにアッシュ
が堆積したり、排気管にすすが堆積したり、あるいは給
気手段が劣化した場合でも給気流量のばらつきを防止す
ることができ、その結果としてフィルタ温度過昇による
クラックや溶損を抑止し、再生効率の低下を抑止すする
ことできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
排気中に含まれる微粒子成分（パティキュレ−ト）を捕
集し、再生する排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排気ガス浄化装置では、再生指令
の入力とともに、給気手段及びヒータに通電して、パテ
ィキュレ−トを燃焼させ、フィルタを再生している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】給気手段及びヒータに
所定の目標電力で通電するオープン制御により、多孔性
ハニカムセラミックからなるフィルタで捕集したパティ
キュレ−トを燃焼する場合、燃焼温度が上昇しすぎた
り、昇温速度が速すぎたりするとフィルタにクラックや
溶損が生じる。

【０００４】この問題を解決するために、フィルタの前
後近傍に温度センサを設け、その検出温度が所定の許容
レベルに達したらフィルタ損傷防止のためにヒータ通電
を緊急遮断することが考えられる。また、温度をモニタ
しながらヒータへの通電電力を制御してフィルタ温度が
許容限界を超えないようにすることも考えられる。しか
しながら、このような温度フィードバック制御は、温度
センサがフィルタから離れていて系の応答が遅いこと、
かつ、ヒータ通電電力はフィルタ温度を決定する多くの
要因の一つに過ぎないことなどの理由で、フィルタ温度
過昇によるクラックや溶損の防止にはそれほど有効では
なかった。

【０００５】更に、本発明者らの実験結果によれば、上
記したオープン制御及びフィードバック制御にかかわら
ず、フィルタの経時的な劣化により徐々に再生効率が低
下するという問題があることがわかった。本発明は上記
の問題に鑑みなされたものであり、フィルタ温度過昇に
よるクラックや溶損を抑止可能で、フィルタの経時的な
劣化による再生効率の低下を抑止可能な排気ガス浄化装
置を提供することを、その解決すべき課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の排気ガス浄化装
置は、ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設されて前記
ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレートを
補集するフィルタと、前記フィルタ近傍に配設されて通
電により前記パティキュレ−トを燃焼させる電熱手段
と、前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給
気手段と、前記給気手段の給気流量に関する状態量を検
出する給気流量検出手段と、再生指令の入力により前記
電熱手段及び給気手段に通電するとともに、前記状態量
に基づいて前記給気流量を所定の目標給気流量に制御す
る制御手段とを備えることを特徴としている。

【０００７】好適な態様において、前記給気の温度を検
出する給気温度検出手段を備え、前記制御手段は、検出
した前記状態量及び前記温度に基づいて給気質量を求
め、前記給気質量に基づいて前記給気流量を制御して前
記給気質量を目標給気質量に制御するものである。好適
な態様において、大気の圧力を検出する大気圧力検出手
段を備え、前記制御手段は、検出した前記状態量及び前
記大気の圧力に基づいて給気質量を求め、前記給気質量
に基づいて前記給気流量を制御して前記給気質量を目標
給気質量に制御するものである。

【０００８】

【作用及び発明の効果】本発明では、給気手段の給気流
量に関する状態量を検出することにより、この状態量に
基づいて給気流量を所定の目標給気流量に制御する。本
発明者らの実験によれば、フィルタ温度の上昇を律速す
る最も大きな要因はヒータ電力よりも給気流量（供給酸
素量）であって、供給酸素量が変動するとパティキュレ
−ト燃焼による発熱量が大きく変化し、その結果として
フィルタ温度やパティキュレ−ト温度が大きく変化する
とフィルタの損傷や再生効率の低下が生じることがわか
った。そして、給気流量の変動は、給気手段（ブロワ）
駆動用のモータへの印加電圧の変動の他に、各ブロワ自
体の元々の性能差、排気管内のすすなどの堆積、フィル
タ内部へのアッシュ（灰分）の堆積などにより生じ、そ
れを防止することは困難である。

【０００９】そこで本発明では、給気流量検出手段によ
り給気流量を実測し、この給気流量に基づいて給気手段
の運転をフィードバック制御して、給気流量を目標給気
流量とする。例えば、予め、給気流量と給気手段への印
加電圧のデューティ比との関係をマップとして記憶して
おき、検出した給気流量に基づいて上記デューティ比を
制御する。

【００１０】このようにすれば、例えばフィルタにアッ
シュが堆積したり、排気管にすすが堆積したり、あるい
は給気手段が劣化した場合でも給気流量のばらつきを防
止することができ、その結果としてフィルタ温度過昇に
よるクラックや溶損を抑止し、再生効率の低下を抑止す
することできる。好適な態様において、検出した給気流
量を給気温度で補正して給気質量を求め、求めた給気質
量に基づいて給気流量をフィードバック制御し、給気質
量を目標給気質量に制御する。

【００１１】このようにすれば、給気温度の変化により
空気（酸素）密度が変動しても給気質量の変化を防止す
ることができ、その結果としてフィルタ温度過昇による
クラックや溶損を抑止することできる。例えば、極寒地
や熱帯などにおいてもクラックや溶損を抑止し、再生効
率の低下を抑止することできる。好適な態様において、
検出した給気流量を大気圧力で補正して給気質量を求
め、求めた給気質量に基づいて給気流量をフィードバッ
ク制御し、給気質量を目標給気質量に制御する。

【００１２】このようにすれば、大気圧力の変化により
空気（酸素）密度が変動しても給気質量の変化を防止す
ることができ、その結果としてフィルタ温度過昇による
クラックや溶損を抑止することできる。例えば、高地に
おいてもクラックや溶損を抑止し、再生効率の低下を抑
止することできる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を図
１に示す。この排気ガス浄化装置は両端密閉のフィルタ
収容ケース１を有し、フィルタ収容ケース１内にはその
上流側から下流側へ、排気圧検出用の上流側圧力センサ
７、温度センサ６、ヒータ（本発明でいう電熱手段）１
１、フィルタ２、フィルタ下流圧力検出用の下流側圧力
センサ１７、温度センサ６ａが順番に配置されている。
フィルタ収容ケース１の上流側の端壁にはディーゼルエ
ンジン２０の排気管３が配設されており、排気管３の途
中から送気管１０が分岐されている。送気管１０は電磁
弁１４を通じて給気用のブロワ１３の出口に連結され、
給気用のブロワ１３の入口は空気流量センサ１５を通じ
て外部に開口している。また、送気管１０には、空気流
量センサ１５の上流側に位置して給気温度を検出する温
度センサ１９が設置されている。

【００１４】一方、上記したヒータ１１、ブロワ１３を
駆動するモータＭはコントローラ（制御手段）８により
駆動制御され、また、ディーゼルエンジン２０に装着さ
れた回転数センサ１８の出力信号はコントローラ８に出
力される。コントローラ８はＩ／Ｏインターフェィス及
びＡ／Ｄコンバータ内蔵マイコン（図示せず）を具備し
ており、スイッチ５５、５６を開閉制御してヒータ１
１、ブロワ１３を制御するとともに、異常発生時に異常
警報ランプ９を点灯する（異常信号を出力する）。な
お、コントローラ８は、後述するように空気流量センサ
１５の信号に基づいてブロワ駆動モータＭに印加する電
圧をデューティ比制御（フィードバック制御）により、
ブロワ１３の給気流量を目標レベルに精密制御してい
る。

【００１５】５は給電装置であって、商用地上電源（図
示せず）に接続されるプラグ５１、降圧トランス５２、
全波整流器５３からなり、全波整流器５３から出力され
る直流電圧が半導体電力スイッチ５５、５６を通じてヒ
ータ１１及びブロワ駆動モータＭに供給される。フィル
タ２はハニカムセラミックフィルタ（日本碍子ｋｋ製、
直径５．６６インチ×長さ６インチ）であって、多孔性
コ−ジェライトを素材として円柱形状に焼成されて膨張
性セラミックマットを介して上記ケース１に支持されて
いる。フィルタ２はその両端面を貫通する多数の通気孔
を有し、隣接する通気孔の一方は上流端で封栓され、そ
の他方は下流端で封栓されている。排気ガスは隣接する
通気孔間の多孔性隔壁を透過し、パティキュレ−トだけ
が通気孔内に捕集される。フィルタ２の両端面はケース
１の両端面に所定距離を隔てて対面している。

【００１６】ヒータ３はカンタル線を素材とする電熱抵
抗線からなり、フィルタ２の再生時上流側に当たる端面
に沿って配設されている。以下、この装置の動作を説明
する。 （パティキュレ−ト捕集動作）ディ−ゼルエンジン２０
から排出された排気ガスは排気管３を通じてケース１内
に導入され、排気ガス中のパティキュレ−トはフィルタ
２で捕集され、浄化された排気ガスは尾管４から外部に
排出される。

【００１７】（フィルタ再生動作）次に、このフィルタ
２の再生動作を図２〜図３のフローチャートに従って説
明する。なお、この装置ではフィルタ再生動作をエンジ
ン停止期間に外部電源から受電して手動操作による起動
により開始するものとする。再生開始と同時に電磁弁１
４は開かれる。

【００１８】まず、エンジン運転中に実施されるフィル
タ再生判別ルーチン（ステップ１００〜１１１）及びエ
ンジン停止中に実施されるフィルタ再生実行ルーチン
（ステップ１１２〜１１６）からなるフィルタ再生ルー
チンを図２に示す。まず、エンジン２０の起動とともに
フィルタ再生判別ルーチンがスタートされ、ステップ１
００にて、圧力センサ７、１７が検出する排気圧力Ｐ
１，Ｐ２と、回転数センサ１８が検出するエンジン回転
数ｎと、温度センサ６が検出する排気ガス温度Ｔに基づ
いて、記憶マップに基づいてパティキュレ−ト捕集量Ｇ
を算出する。

【００１９】次に、ステップ１０８にて、サーチしたパ
ティキュレ−ト捕集量Ｇが所定のしきい値Ｇｔを超過し
たかどうかを調べ、超過しなければステップ１００にリ
ターンし、超過したらステップ１１１に進む。ステップ
１１１では、フィルタ再生を指令するランプ９１を点灯
して、ルーチンを終了する。

【００２０】その後、運転者がフィルタ再生を指令する
ランプ９１の点灯を視認し、エンジン停止状態にて再生
スイッチ（図示せず）をオンすると、上記フィルタ再生
実行ルーチンが開始される。このルーチンでは、まずス
テップ１１２にてブロワ１３を起動し、次に、内蔵のタ
イマーを起動し（１１４）、タイマー制御サブルーチン
を実行して再生動作を行い（１１６）、再生を終了す
る。

【００２１】上記したタイマー制御サブルーチンについ
て図３を参照しつつ以下に説明する。このサブルーチン
は、タイマーに基づいて通電、給気流量制御を行うもの
であり、以下、前期放冷期間、予熱期間、着火期間、燃
焼伝播期間、後期放冷期間の順に制御動作を実行する。
なお、後期放冷期間は第１放冷期間と第２放冷期間とか
らなる。 （前期放冷期間）まずステップ１１６１にて、ブロワ１
３へ通電して給気流量を１９０リットル／分と大きく設
定し、１分間送風し、フィルタ２やヒータ１１を常温に
まで冷却する。これは、エンジン排気ガスなどによる加
熱でフィルタ２やヒータ１１の初期温度がばらつくと、
着火時期や最高温度がばらついてしまうから、予熱開始
前にそれらの温度を所定レベルに収束させるためであ
る。 （予熱期間）次のステップ１１６２にてヒータ１１へ
０．８ｋＷの電力を給電し、ブロワ１３の給気流量を１
９０リットル／分のままとし、ヒータ１１へ給電後、１
０分経過するまで待機した後（１１６３）ステップ１１
６４に進む。

【００２２】この大給気流量の送風によりフィルタ２の
各部は２００〜３００℃に均一に予熱される。 （着火期間）次のステップ１１６４にて、ヒータ１１へ
の給電電力を１．３ｋＷに増大し、かつ、ブロワ１３の
給気流量を２０リットル／分に大幅削減し、３分間継続
する（１１６５）。この加熱電力増大、給気流量低減に
よりフィルタ２の前端面のパティキュレ−トの温度が急
上昇し、着火する。なお、給気流量低減は給気温度やそ
れに触れるフィルタ上流側端部の温度を急速上昇させ、
これによりフィルタ上流側端面のパティキュレ−トに着
火される。 （燃焼伝播期間）次のステップ１１６６にて、ヒータ１
１への給電電力を１．２ｋＷに小幅削減し、かつ、ブロ
ワ１３の給気流量を２０リットル／分のままとし、２２
分間継続する（１１６７）。これにより、フィルタ２の
上流側端面から下流方向へ燃焼が進行する。

【００２３】ただ、この実施例では、給気流量が少ない
ためにパティキュレ−ト燃焼に伴う発熱量はそれほど大
きくなく、かつ、いわゆる風圧が弱く酸素濃度が低下す
るので気流方向へ延焼しにくくなり、更に、燃焼がフィ
ルタ２の下流側へ進むにつれて熱収支が放熱側に傾くた
めに温度が低下し、フィルタ２の径方向中心部下流側で
は燃焼持続温度（約６００℃）以下となって燃焼がほと
んど停止する。この燃焼停止により、従来のようにフィ
ルタ２の径方向中心部が下流側端面まで燃焼が進み、空
気抵抗が減少して給気流量が径方向中心部を素通りする
ことが防止される。そのため、フィルタ２の径方向中間
部の中流部は酸素の供給により下流部直前まで充分に燃
焼持続し、また、フィルタ２の外周部上流側も同様の理
由でその中流部直前まで燃焼持続する。

【００２４】すなわち、この燃焼伝播モードによれば、
フィルタ２の径方向中心部下流側がフィルタ２の下流側
端面まで燃焼し尽くしてフィルタ２の径方向中心部の空
気抵抗が低下し、給気流量が径方向中心部を素通りする
ことにより、径方向中間部及び外周部に充分な酸素が供
給されずに、延焼が遅滞するのを防ぐことができる。な
お、この時の最高温度がパティキュレ−ト捕集量が８．
６グラムの場合に９００℃となるように、給気流量やヒ
ータ通電電力が設定されている。 （後期放冷期間） （第１放冷）次のステップ１１６８にて、ヒータ１１へ
の給電電力を停止するとともにブロワ１３の給気流量を
６０リットル／分に増大し、７分間継続する（１１６
９）。

【００２５】このように給気流量を大幅に増大すると、
酸素供給量の増大、特に径方向中心部下流側への酸素供
給量の増大により、径方向中心部下流側にて燃焼が再開
され、また、径方向中間部下流側や外周部中流、下流側
での燃焼も加速され、急速かつ各部均一に再生が行われ
る。 （第２放冷）次のステップ１１７０にて、ブロワ１３の
給気流量を１９０リットル／分に増大し、３分間継続す
る（１１７２）。

【００２６】このように給気流量を最大流量に増大する
と、上記第１放冷モードにより高温となったフィルタ２
やヒータ１１が高温環境下に長期間放置されることなく
急速に冷却され、それらの劣化が抑止される。また、再
生所要時間も短縮することができる。その後、この冷却
によりフィルタ２が４００℃以下になると、ブロワ１３
をオフし（１１７４）、再生が終了する。

【００２７】次に、一定時間毎に実施される割り込みル
ーチンである給気流量制御サブルーチンを図４のフロー
チャートを参照して説明する。まず、ブロワ（給気手
段）１３が起動されたかどうかを調べ（１１８１）、Ｙ
ｅｓであればメインルーチンにリターンし、Ｎｏであれ
ば、所定時間（例えば１分）経過した後、空気流量セン
サ１５及び給気温度センサ１９から給気流量Ｆ及び給気
温度Ｔを読み込み（１１８２）、読み込んだ給気流量Ｆ
及び給気温度Ｔに基づいて内蔵の計算式 から給気質量ｍを算出する（１１８３）。

【００２８】次に、算出した給気質量ｍと現時点の目標
給気質量ｍｘ（ここでは、２２４ｇ／分）との差Δｍを
算出し（１１８４）、算出した差Δｍが所定値＋αより
大きいかどうかを調べ（１１８５）、差Δｍが所定値＋
αより大きければブロワ１１への印加電圧のデューティ
比Ｄを所定値ΔＤだけ削減する（１１８６）。 一方、
ステップ１１８５にて、算出した差ΔＦが所定値＋αよ
り大きくなければ、算出した差ΔＦが所定値−αより小
さいかどうかを調べ（１１８７）、小さければブロワ１
１への印加電圧のデューティ比Ｄを所定値ΔＤだけ増加
し（１１８８）、小さくなければステップ１１８９に進
む。 ステップ１１８９で
は、このようにして補正したデューティ比Ｄにより、ブ
ロワ１３を駆動するモータＭに印加する電圧を断続制御
し、これによりモータＭの速度を制御して給気流量を制
御する。

【００２９】このようにすれば、給気質量を常に目標給
気質量に一致させることができ、これによりパティキュ
レ−ト燃焼による発熱量を常に目標レベルとすることが
でき、フィルタの損傷防止及び再生効率の低下防止を図
ることができる。 （実施例２）他の実施例を図５を参照して以下に説明す
る。

【００３０】この実施例は、図１の温度センサ１９を省
略し、フィルタ温度検出用の温度センサ６、６ａを用い
て給気温度を検出するものである。まず、タイマ制御サ
ブルーチンの開始とともに温度センサ６、６ａの温度Ｔ
１、Ｔ２を読み込み（１１９１）、ブロワ１５のモータ
Ｍに通電を開始する（１１９２）。

【００３１】次に、１分経過するまで待機し（１１９
３）、その後、再び温度センサ６、６ａの温度Ｔ１’、
Ｔ２’を読み込み（１１９４）、温度センサ６の前の検
出温度Ｔ１から後の検出温度Ｔ１’を引いた差ΔＴ１
と、温度センサ６ａの前の検出温度Ｔ２から後の検出温
度Ｔ２’を引いた差ΔＴ２とを求め、ΔＴ１又はΔＴ２
の少なくとも一方が所定値より大きいかどうかを調べる
（１１９５）。

【００３２】大きければ、ブロワ１３の運転により温度
センサ６、６ａやフィルタ２が冷却されたと推定し、再
生直後又はエンジン２０の運転停止直後であるとしてメ
インルーチンにリターンし、小さければＴ１’とＴ２’
との平均値を給気温度Ｔとして（１１９６）、図３の１
１６２へ進む。なお、ステップ１１９６で求めた給気温
度Ｔは、図４のステップ１１８２で用いられる。

【００３３】このようにすれば、温度センサ１９を省略
することができる。 （実施例３）他の実施例を図６を参照して以下に説明す
る。この実施例では、図３のステップ１１６１の前に、
圧力センサ１７から圧力Ｐを読み取り（１１６０）、ス
テップ１１６１へ進む。

【００３４】そして図４のステップ１１８３では、読み
取った給気流量Ｆを給気温度Ｔ、圧力Ｐで補正して給気
質量ｍを求める。この実施例では給気質量ｍはＦ、Ｔ、
で内蔵のマップをサーチして行うが、計算式で計算する
ことも可能である。このようにすれば、気圧の変化にか
かわらず正確な給気質量ｍを検出して良好な再生とフィ
ルタ保護を行うことができ、余分なセンサを必要としな
い。

【００３５】なお、圧力Ｐの検出は、ブロワ１３の停止
期間かつエンジン停止期間に実施される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を示すブ
ロック図、

【図２】その再生動作を示すフローチャート、

【図３】その再生動作を示すフローチャート、

【図４】その再生動作を示すフローチャート、

【図５】他の実施例の再生動作を示すフローチャート、

【図６】他の実施例の再生動作を示すフローチャート、

【符号の説明】

２はフィルタ、６は温度センサ、７、１７は圧力セン
サ、８はコントローラ（制御手段）、１１はヒータ（電
熱手段）、１３はブロワ（給気手段）、１５は空気流量
センサ（本発明でいう給気流量検出手段）、１９は温度
センサ（給気温度検出手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディ−ゼルエンジンの排気経路に配設され
   て前記ディ−ゼルエンジンから排出されるパティキュレ
   ートを補集するフィルタと、 前記フィルタ近傍に配設されて通電により前記パティキ
   ュレ−トを燃焼させる電熱手段と、 前記フィルタの再生時に前記フィルタに給気する給気手
   段と、 前記給気手段の給気流量に関する状態量を検出する給気
   流量検出手段と、 再生指令の入力により前記電熱手段及び給気手段に通電
   するとともに、前記状態量に基づいて前記給気流量を所
   定の目標給気流量に制御する制御手段とを備えることを
   特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】前記給気の温度を検出する給気温度検出手
   段を備え、 前記制御手段は、検出した前記状態量及び前記温度に基
   づいて給気質量を求め、前記給気質量に基づいて前記給
   気流量を制御して前記給気質量を目標給気質量に制御す
   るものである請求項１記載の排気ガス浄化装置。
3. 【請求項３】大気の圧力を検出する大気圧力検出手段を
   備え、 前記制御手段は、検出した前記状態量及び前記大気の圧
   力に基づいて給気質量を求め、前記給気質量に基づいて
   前記給気流量を制御して前記給気質量を目標給気質量に
   制御するものである請求項１記載の排気ガス浄化装置。