JPH10266826A

JPH10266826A - ディーゼルエンジンの排気ガス処理装置

Info

Publication number: JPH10266826A
Application number: JP9087760A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Shibata; 仁柴田; Toshihiko Ito; 猪頭　　敏彦; Kiyonori Sekiguchi; 清則関口; Katsuyuki Tamai; 克行玉井
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】ターボチャージャー付きディーゼルエンジン
において、加速時に排出されるＳＯＯＴ分を効率よく捕
集、処理でき、熱による装置の破損のおそれがなく、低
コストな排気ガス処理装置を提供する。【解決手段】メイン通路１と酸化触媒２１、２２を備
えた複数のパティキュレート捕集通路２、３を設け、そ
れぞれ切換弁１１、２２、３２で開閉するように構成す
る。ＥＣＵ５は運転状態を判定して、切換弁駆動回路４
に信号を出力し、低負荷時にはパティキュレート捕集通
路２、３を開いて酸化触媒２１、２２にＳＯＦ分を吸着
させ、加速時には一方のパティキュレート捕集通路２を
開いて、酸化触媒２１上にＳＯＦ分をバインダとしてＳ
ＯＯＴ分を吸着させる。定常時には、メイン通路１に排
気ガスを流通させる。ＳＯＯＴ分の捕集量が設定値とな
ったら、ＥＣＵ５はヒータ駆動回路６にてヒータ２３に
通電し、酸化触媒２１を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンからの排気ガスに含まれるパティキュレートを捕集、
処理する排気ガス処理装置、特にターボチャージャー付
きエンジンの排気ガスの処理に好適な排気ガス処理装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンにおいては、可燃性
の微粒子（パティキュレート）を含む排気ガスの排出が
問題となっている。パティキュレートは、ＳＯＦ分（有
機溶剤可溶分）とＳＯＯＴ分（黒煙分）からなり、これ
らの排出量を低減するために、従来より、エンジンの改
良、処理装置の設置の両方の面から種々の対策がなされ
ている。

【０００３】エンジン改良の面では、例えば、ターボチ
ャージャーを搭載してシリンダ内により多くの空気を供
給することにより、定常運転時のパティキュレート排出
量を低減することができる。しかしながら、ターボチャ
ージャー付きエンジンにおいても、定常時以外、例え
ば、ターボラグ時（加速時）の吸入空気不足に起因して
ＳＯＯＴ分が排出する問題があり、排気ガス処理装置を
併設してパティキュレートを捕集、処理する必要があ
る。

【０００４】ディーゼルエンジンのパティキュレート処
理装置としては、従来より、パティキュレート捕集用フ
ィルタ（ＤＰＦ）を備えた処理装置が知られている。Ｄ
ＰＦは、多孔質セラミックスをハニカム状に成形して各
セルの入口または出口を目封止したもので、多孔性の隔
壁内にパティキュレートを吸着、捕集するようになして
ある。ＤＰＦで捕集したパティキュレートは、排気ガス
温度が高温になると自然発火し、燃焼除去される。ある
いは、定期的にバーナー等で加熱してパティキュレート
を燃焼させ、ＤＰＦを再生している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の処理装置では、燃焼時にＤＰＦ温度が上昇しやす
く、熱によりＤＰＦが破損するおそれがあった。また、
バーナーで加熱する場合に燃焼補助のために供給される
燃料が、新たな排気エミッションの原因になるという問
題があった。このため、例えば、特開昭６１−１１２７
１６号公報等に記載されるように、ＤＰＦに触媒を担持
し、燃焼温度を低下させるようにしたものがあるが、触
媒を活性温度に保持するための電気ヒータの消費電力量
が大きく、コスト高になる不具合がある。また、低温で
十分な活性を有する触媒の選択が難しく、実用化には至
っていない。

【０００６】しかして、本発明の目的は、ターボチャー
ジャー付きディーゼルエンジンにおいて、特に、加速時
に排出されるＳＯＯＴ分を効率よく捕集、処理すること
ができ、熱による装置の破損のおそれがなく、低コスト
な排気ガス処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１のディーゼルエンジンの排気ガス処理装置
は、メイン通路と、メイン通路に対して並列に設けら
れ、酸化触媒と該酸化触媒を加熱するためのヒータを備
えた複数のパティキュレート捕集通路と、上記メイン通
路および上記複数のパティキュレート捕集通路を開閉す
る切換弁と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検
出手段と、上記酸化触媒の温度を検出する触媒温度検出
手段と、上記切換手段を駆動して排気ガスが流通する通
路を切換える切換手段と、上記酸化触媒を再生する再生
手段とを備えている。

【０００８】ここで、上記切換手段は、上記運転状態検
出手段の検出結果に基づいて、エンジンが低負荷状態、
加速状態、それ以外の状態のいずれにあるかを判定し、
低負荷状態にある時には、上記複数のパティキュレート
捕集通路のうち、上記触媒温度検出手段によって検出さ
れる酸化触媒温度が活性温度以下である通路の１つ以上
に排気ガスを流通させて酸化触媒上にパティキュレート
中の主にＳＯＦ分を吸着し、加速状態にある時には、低
負荷時に排気ガスを流通させた通路のうちの１つに排気
ガスを流通させて、吸着したＳＯＦ分上にパティキュレ
ート中の主にＳＯＯＴ分を吸着し、それ以外の状態にあ
る時には、上記メイン通路に排気ガスを流通させるよう
に上記切換弁を駆動して通路切換を行う。

【０００９】また、上記再生手段は、上記複数のパティ
キュレート捕集通路に設置される酸化触媒の捕集能力を
判定し、これが設定値以上となった時に、該酸化触媒を
加熱するためのヒータに通電してパティキュレートを燃
焼させ、酸化触媒を再生する。

【００１０】ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれ
るパティキュレートには、ＳＯＦ分（有機溶剤可溶分）
とＳＯＯＴ分（黒煙分）があり、エンジンの低負荷運転
時にはＳＯＦ分が多く排出され、加速時にはＳＯＯＴ分
が多く排出されることが知られている。一方、本発明者
等が検討したところ、酸化触媒は、低温においてＳＯＦ
分を吸着しやすく、また、このＳＯＦ分をバインダとし
てＳＯＯＴ分を吸着することが判明した。

【００１１】そこで、本発明では、ＳＯＦ分の多い低負
荷時に、上記複数のパティキュレート捕集通路の１つ以
上に排気ガスを流通させて、予め酸化触媒上にＳＯＦ分
を吸着させておく。そして、ＳＯＯＴ分の多い加速時に
そのうちの１つに排気ガスを流通させ、ＳＯＦ分をバイ
ンダとしてＳＯＯＴ分を吸着させる。パティキュレート
排出量の少ない定常時は、上記メイン通路に排気ガスを
流通させ、パティキュレート捕集通路への流れを遮断す
ることで、高温の排気ガスにより吸着したＳＯＦ分が酸
化、脱離することを防止できる。このように、最適な通
路へ排気ガスが流入するように上記切換手段により通路
の切換えを行うことで、パティキュレートを効果的に捕
集することができる。

【００１２】さらに、本発明では、このようにして繰り
返しパティキュレートの捕集を行うと同時に、上記捕集
能力検出手段により酸化触媒のパティキュレート捕集量
をモニターし、設定値以上となったら、ヒータに通電す
る。この時、燃焼温度が酸化触媒の耐熱温度を越えない
ように上記設定値を適宜選択することで、高温による酸
化触媒の破損等を防止することができる。また、加熱に
より酸化触媒が活性温度に達すると、ＳＯＦ分がまず酸
化し、その反応熱によってＳＯＯＴ分を着火、燃焼させ
ることができるので、比較的低温で良好な燃焼を行うこ
とができ、ヒータの消費電力を低減することができるの
で、低コスト化が可能である。また、パティキュレート
の捕集通路を複数設けたので、再生と捕集を並行して行
うことができ、効率よく排気ガスを処理することができ
る。

【００１３】上記切換手段は、好ましくは、低負荷時に
は、酸化触媒温度が活性温度以下である上記パティキュ
レート捕集通路の全てに排気ガスを流通させ、加速時に
は、酸化触媒温度が活性温度以下である上記パティキュ
レート捕集通路のうち、上記触媒温度検出手段によって
検出される酸化触媒温度が最も低い通路へ排気ガスを流
通させるものとする（請求項２）。

【００１４】上記構成によれば、低負荷時に、ＳＯＦ分
を吸着可能なパティキュレート捕集通路の全てに排気ガ
スを流通させることで、加速時に、酸化触媒の１つが再
生中であっても、他の酸化触媒でＳＯＯＴ分を捕集する
ことができ、確実にパティキュレートを捕集、処理する
ことができる。ＳＯＯＴ分の捕集は、酸化触媒温度がよ
り低い、すなわちＳＯＦ分の吸着量の多い通路に排気ガ
スを流通させることで、より効果的に行われる。

【００１５】上記再生手段は、上記酸化触媒の温度がＳ
ＯＯＴ分の燃焼温度以上となった時に上記ヒータへの通
電を停止する（請求項３）。触媒温度がＳＯＯＴ分の燃
焼温度に達した後はヒータによる加熱の必要がなく、通
電を停止することができる。

【００１６】上記酸化触媒として、具体的には、セラミ
ックスまたは金属よりなるハニカム構造の担体に貴金属
触媒を担持させたものが好適に使用される（請求項
４）。

【００１７】本発明の排気ガス処理装置は、特に、定常
時のパティキュレート排出が少ないターボチャージャー
付きディーゼルエンジンに有効で（請求項５）、低負荷
時に排出されるＳＯＦ分と加速時に排出されるＳＯＯＴ
分の両方を確実に処理してパティキュレートの排出を大
幅に低減することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の全体構成を示すも
ので、排気ガス処理装置は、ターボチャージャー付きデ
ィーゼルエンジンの排気通路Ｐ途中に設けられており、
メイン通路１と、このメイン通路１と並列に設けられ、
内部に酸化触媒２１、３１をそれぞれ収容するパティキ
ュレート捕集通路２、３を有している。上記メイン通路
１およびパティキュレート捕集通路２、３の上流側端部
には、切換弁１１、２２、３２がそれぞれ設けてあり、
例えばモータ式のアクチュエータでその開度を変更する
ように構成されている。上記切換弁１１、２２、３２は
切換弁駆動回路４に接続しており、ＥＣＵ５から切換弁
駆動回路４に駆動信号が出力されると、上記切換弁１
１、２２、３２が開閉して、排気ガスが流通する通路が
切換えられるようになしてある。これら切換弁駆動回路
４とＥＣＵ５は、上記切換弁の作動を制御して通路切換
を行う切換手段として機能する。

【００１９】上記捕集通路２、３に設置される酸化触媒
２１、３１としては、公知の酸化触媒を用いることがで
き、例えば、ハニカム構造の担体表面に、アルミナ等の
多孔性金属酸化物よりなるコーティング層を形成し、プ
ラチナ等の貴金属触媒を担持したものが好適に使用され
る。上記ハニカム構造の担体としては、セラミックスま
たは金属のいずれを用いてもよい。上記酸化触媒２１、
３１は、低負荷運転時に排出されるＳＯＦ分を吸着する
とともに、加速時（ターボラグ時）に排出されるＳＯＯ
Ｔ分をＳＯＦ分をバインダとして吸着することができ
る。

【００２０】上記酸化触媒２１、３１の上流側には、電
気ヒータ２３、３３がそれぞれ直列に配設されている。
電気ヒータ２３、３３は、例えば棒状の中心電極とその
外方に配したリング状電極との間に金属箔を渦巻状に積
層してなり、通電により発熱して、酸化触媒２１、３１
を加熱する。これら電気ヒータ２３、３３はヒータ駆動
回路６に接続され、該ヒータ駆動回路６にＥＣＵ５から
駆動信号が出力されると、電気ヒータ２３、３３が酸化
触媒２１、３１を加熱して、捕集したパティキュレート
を燃焼させ、酸化触媒２１、３１を再生する。この時、
上記ヒータ駆動回路６およびＥＣＵ５が再生手段として
機能する。

【００２１】また、上記酸化触媒２１、３１には、触媒
温度検出手段たる、公知のサーミスタ等よりなる温度セ
ンサ２４、３４がそれぞれ設置してあり、触媒床温度が
随時、ＥＣＵ５に入力されるようになしてある。ＥＣＵ
５には、排気通路Ｐ内に設置した公知のサーミスタ等よ
りなる排気温センサ７１、さらに、加速判定手段７２、
エンジン回転数センサ７３、アクセル開度センサ７４、
冷却水温センサ７５といった運転状態検出手段から、そ
れぞれ信号が入力するようになしてあり、これらの検出
結果に基づいて運転状態および触媒状態を判定し、切換
弁駆動回路４、ヒータ駆動回路６に駆動信号を出力する
ようになしてある。

【００２２】上記構造の排気ガス処理装置の作動を、図
２に示すＥＣＵ５の制御フローを基に説明する。まず、
ステップ（１）で作動を開始したら、ステップ（２）で
切換弁駆動回路４へ信号を出力して、パティキュレート
捕集通路２、３への切換弁２２、３２を開き、メイン通
路１の切換弁１１を閉じる。ステップ（３）でエンジン
が始動したら、ステップ（４）で、温度センサ２４、３
４によりパティキュレート捕集通路２、３内の酸化触媒
２１、２２温度を検出して、これら酸化触媒２１、３１
が触媒活性温度以下であるかどうかを判定するととも
に、温度比較を行ってより温度の低い、すなわちＳＯＦ
分を吸着しやすい触媒を判定しておく。

【００２３】ステップ（５）で、ＥＣＵ５は、排気温セ
ンサ７１、加速判定手段７２、エンジン回転数センサ７
３、アクセル開度センサ７４、冷却水温センサ７５から
の情報を基に、運転状態が、定常状態、加速状態のいず
れにあるかを判定し、定常状態である時には、さらにス
テップ（６）で低負荷状態、低負荷以外の状態のいずれ
にあるかを判定する。低負荷時には、ステップ（７）で
上記切換弁２２、３２の一方または両方を開いてバイン
ダとなるＳＯＦ分の吸着を行う。上記メイン通路１への
切換弁１１は閉じる。

【００２４】この時、ステップ（４）で判定した上記酸
化触媒２１、２２温度が触媒活性温度以下である通路に
排気ガスが流通するようにし、上記酸化触媒２１、２２
がいずれも触媒活性温度以下である時、すなわちＳＯＦ
分を吸着可能な状態にある場合には、上記切換弁２２、
３２の両方を開いて、上記酸化触媒２１、２２に同時に
ＳＯＦ分を吸着させるのがよい。上記酸化触媒２１、２
２の一方が再生処理中の場合には、ステップ（４）で触
媒活性温度以上と判定されるので、再生中の触媒に排気
ガスが流入することはない。

【００２５】負荷が高い場合には、ステップ（８）で上
記切換弁駆動回路４により上記切換弁１１を開いてメイ
ン通路１に排気ガスを流す。高負荷時、すなわち排気温
度が高い場合には、ターボが効いているため、パティキ
ュレートは排出されにくく、捕集の必要はない。逆に、
酸化触媒２１、２２温度が上昇して吸着したＳＯＦ分を
酸化してしまうため、上記切換弁２２、３２を閉じ、パ
ティキュレート捕集通路２、３への流れを遮断する。

【００２６】ステップ（４）〜（８）を繰り返し、ステ
ップ（５）で加速状態と判定したら、ステップ（９）に
移る。ステップ（９）では、ステップ（４）で判定した
より低温の酸化触媒（ここでは酸化触媒２１とする）の
みに排気ガスが流入するように上記切換弁駆動回路４に
信号を出力し、パティキュレート捕集通路２への切換弁
２２を開く。加速時にはＳＯＯＴ分が多量に排出され、
酸化触媒２１に吸着しているＳＯＦ分をバインダとし
て、ＳＯＯＴ分を吸着、捕集することができる。それ以
外の切換弁１１、３２は閉じる。ステップ（７）で上記
切換弁２２、３２の両方を開いた場合も、加速時のＳＯ
ＯＴ分の捕集は一方の酸化触媒においてのみ行う。ステ
ップ（１０）で運転状態が、定常状態、加速状態のいず
れにあるかを判定し、加速状態にある間、ステップ
（９）〜（１０）を繰り返す。

【００２７】なお、加速状態の判定は、エンジン回転
数、アクセル開度、その他の加速判定手段、例えば回転
数の上昇に対し開度変化が大きい場合や、ターボラグ時
にターボ出口圧力が下がるのを検出するなどによって行
う。

【００２８】ステップ（１０）で運転状態が定常状態と
判定されたら、ステップ（１１）で捕集済み酸化触媒２
１への排気ガスの流れを遮断するため、上記切換弁駆動
回路４にて切換弁２２を閉じると同時に、切換弁１１を
開けて排気ガスをメイン通路１へ流す。ステップ（１
２）でこの捕集済み酸化触媒２１の捕集能力を判定し、
設定値に達していなければ、ステップ（１３）で再度運
転状態を判定し、加速状態であれば、ステップ（１４）
で上記切換弁２２を開いて上記酸化触媒２１にさらにＳ
ＯＯＴ分を吸着させる。ステップ（１５）で定常状態と
なったら、ステップ（１２）に戻り、捕集済み酸化触媒
２１の捕集能力が設定値となるまでこれを繰り返す。

【００２９】ステップ（１３）で定常状態であれば、ス
テップ（１６）で、低負荷かそれ以外かを判定し、低負
荷時には、ステップ（１８）で上記切換弁３２を開いて
ＳＯＯＴ分の捕集を行っていない酸化触媒３１にＳＯＦ
分を吸着させる。低負荷以外の時には、ステップ（１
７）で上記切換弁１１を開いてメイン通路１へ排気ガス
を流通させる。上記切換弁３２または上記切換弁１１を
開いたらステップ（１３）に戻る。

【００３０】ステップ（１２）で捕集済み酸化触媒２１
の捕集能力が設定値以上と判定されたら、ステップ（Ｓ
１）で、ヒータ駆動回路６に駆動信号を出力し、上記捕
集済み酸化触媒２１を加熱するための電気ヒータ２３に
通電する。電気ヒータ２３によって酸化触媒２１が活性
化されると、ＳＯＦ分の酸化により内部発熱が発生し、
この反応熱でＳＯＯＴ分を燃焼させることができる。ス
テップ（Ｓ２）で再生中の酸化触媒２１温度を温度セン
サ２４により検出し、ＳＯＯＴ分の着火温度（約６５０
℃）に達したら、ステップ（Ｓ３）で電気ヒータ２３へ
の通電を停止し、再生終了とする。このステップ（Ｓ
１）〜（Ｓ３）の触媒の再生は、他のステップと並行し
て進めることが望ましく、ステップ（Ｓ１）で電気ヒー
タ２３に通電すると同時にステップ（４）へ戻り、他方
の酸化触媒３１でパティキュレートを捕集するようにす
る。

【００３１】なお、捕集能力の判定は、例えば、負荷と
エンジン回転数を基に予めマップを作成しておき、冷却
水温または触媒床温度で補正を行って、捕集量を算出す
る。また、捕集能力の設定値は、捕集限界より低く設定
しておき、パティキュレートの燃焼により酸化触媒が耐
久温度を越えないようにする。

【００３２】上記構成によれば、ＳＯＦ分の多い低負荷
時に、複数のパティキュレート捕集通路２、３の１つ以
上、好ましくは両方に排気ガスを流通させて、予め酸化
触媒上にＳＯＦ分を吸着させ、ＳＯＯＴ分の多い加速時
に、ＳＯＦ分をバインダとしてＳＯＯＴ分を捕集するこ
とで、ＳＯＦ分およびＳＯＯＴ分の両方を確実にかつ効
果的に捕集することができる。再生時には、ＳＯＦ分の
反応熱を利用してＳＯＯＴ分を燃焼させることができる
ので、ヒータの消費電力が小さくでき、また、複数のパ
ティキュレート捕集通路２、３で、再生と捕集を並行し
て行うことができ、処理効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス処理装置の全体概略断面図で
ある。

【図２】本発明装置の作動を説明するための制御フロー
を示す図である。

【符号の説明】

１メイン通路１１切換弁２、３パティキュレート捕集通路２１、３１酸化触媒２２、３２切換弁２３、３３電気ヒータ２４、３４温度センサ（触媒温度検出手段）４切換弁駆動回路（切換手段）５ＥＣＵ（切換手段、再生手段）６ヒータ駆動回路（再生手段）７１排気温センサ（運転状態検出手段）７２加速判定手段（運転状態検出手段）７３エンジン回転数センサ（運転状態検出手段）７４アクセル開度センサ（運転状態検出手段）７５冷却水温センサ（運転状態検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関口清則愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者玉井克行愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンの排気通路途中に設
けられて排気ガス中のパティキュレートを捕集し燃焼除
去するディーゼルエンジンの排気ガス処理装置であっ
て、メイン通路と、メイン通路に対して並列に設けられ、酸化触媒と該酸化
触媒を加熱するためのヒータを備えた複数のパティキュ
レート捕集通路と、上記メイン通路および上記複数のパティキュレート捕集
通路を開閉する切換弁と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記酸化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、上記運転状態検出手段の検出結果に基づいて、エンジン
が低負荷状態、加速状態、それ以外の状態のいずれにあ
るかを判定し、低負荷状態にある時には、上記複数のパ
ティキュレート捕集通路のうち、上記触媒温度検出手段
によって検出される酸化触媒温度が活性温度以下である
通路の１つ以上に排気ガスを流通させて酸化触媒上にパ
ティキュレート中の主にＳＯＦ分を吸着し、加速状態に
ある時には、低負荷時に排気ガスを流通させた通路のう
ちの１つに排気ガスを流通させて、吸着したＳＯＦ分上
にパティキュレート中の主にＳＯＯＴ分を吸着し、それ
以外の状態にある時には、上記メイン通路に排気ガスを
流通させるように上記切換弁を駆動して排気ガスが流通
する通路切換を行う切換手段と、上記酸化触媒の捕集能力を判定し、これが設定値以上と
なった時に、該酸化触媒を加熱するためのヒータに通電
してパティキュレートを燃焼させ、酸化触媒を再生する
再生手段とを具備するディーゼルエンジンの排気ガス処
理装置。
【請求項２】上記切換手段は、低負荷時には、酸化触
媒温度が活性温度以下である上記パティキュレート捕集
通路の全てに排気ガスを流通させ、加速時には、酸化触
媒温度が活性温度以下である上記パティキュレート捕集
通路のうち、上記触媒温度検出手段によって検出される
酸化触媒温度が最も低い通路へ排気ガスを流通させる請
求項１記載のディーゼルエンジンの排気ガス処理装置。
【請求項３】上記再生手段は、上記酸化触媒の温度が
ＳＯＯＴ分の燃焼温度以上となった時に上記ヒータへの
通電を停止する請求項１または２記載のディーゼルエン
ジンの排気ガス処理装置。
【請求項４】上記酸化触媒は、セラミックスまたは金
属よりなるハニカム構造の担体に貴金属触媒を担持させ
てなる請求項１ないし３のいずれかに記載のディーゼル
エンジンの排気ガス処理装置。
【請求項５】上記ディーゼルエンジンが、ターボチャ
ージャー付きディーゼルエンジンである請求項１ないし
４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気ガス処
理装置。