JP2005155444A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上で任意にパティキュレートフィルタを強制再生し得、パティキュレートフィルタの再生効率向上を図ることができ、燃費向上につながる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上で且つパティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上である場合に、表示ランプ１９を点滅させることにより運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生を促し、運転者に再生スイッチ２０を操作させ、パティキュレートフィルタ１１に捕集されたパティキュレートを強制的に燃焼除去してパティキュレートフィルタ１１を再生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

内燃機関としてのディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

但し、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、該パティキュレートフィルタに担持される酸化触媒には活性温度領域があり、この活性下限温度を下まわるような排気温度の低い運転領域では、パティキュレートが良好に燃焼除去されず、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、酸化触媒が活性化しないためにパティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあることから、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、パティキュレートフィルタより上流側で燃料を添加すれば、その添加された燃料がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱によりフィルタ床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

尚、前述の如きパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００３−１５５９１６号公報

ところで、従来においては、例えば、パティキュレートフィルタを挟んだ前後に圧力センサを配置して入口側と出口側の差圧を求めることにより過捕集状態を判定したり、或いはエンジン回転数と負荷に基づきパティキュレートの発生量マップからその時点でのパティキュレート排出量を算出し該パティキュレート排出量を積算することでパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を推定し過捕集状態を判定したりして、走行中に自動的にパティキュレートフィルタの強制再生を行う設計思想が主流となっている。

しかしながら、走行中は負荷変動が激しく、パティキュレートフィルタの強制再生を実行する上で不安定な要素が多くなっており、特に、都心の渋滞路線を運行するバスや、配送先が密集した地域で宅配業務を行うトラック等の車両では、走行中に自動的にパティキュレートフィルタの強制再生がかかっても、必ずしも再生が完了しない場合が起こり得るため、このような強制再生を実行する走行条件が容易に整わない運行形態の車両については、パティキュレートフィルタの再生を完了するのに時間がかかってしまい、その分、パティキュレートフィルタより上流側で添加される燃料が増え、燃費が悪くなってしまうことが懸念されていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、パティキュレートフィルタの再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上で任意にパティキュレートフィルタを強制再生し得、パティキュレートフィルタの再生効率向上を図ることができ、燃費向上につながる排気浄化装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置において、
エンジン回転数と負荷に基づきパティキュレートの発生量マップからその時点でのパティキュレート排出量を算出し該パティキュレート排出量を積算することでパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、
パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、
前記堆積量推定手段で推定されたパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上で且つ前記温度検出手段で検出されたパティキュレートフィルタの温度が再生開始適合温度以上である場合に運転者に対してパティキュレートフィルタの再生を促す再生時期の到来伝達手段と、
パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを強制的に燃焼除去してパティキュレートフィルタを再生する強制再生手段と、
前記再生時期の到来伝達手段によりパティキュレートフィルタの再生が促された際に運転者が前記強制再生手段を作動させ得るよう運転席に設けられた操作手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

車両の運転時には、堆積量推定手段によってパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が推定されると共に、温度検出手段によってパティキュレートフィルタの温度が検出され、前記堆積量推定手段で推定されたパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上で且つ前記温度検出手段で検出されたパティキュレートフィルタの温度が再生開始適合温度以上である場合には、再生時期の到来伝達手段により運転者に対してパティキュレートフィルタの再生が促され、ここで、運転者が操作手段を操作すると、強制再生手段が作動し、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが強制的に燃焼除去されてパティキュレートフィルタが再生される。

この結果、強制再生を実行する走行条件が容易に整わない運行形態の車両についても、パティキュレートフィルタの再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上でパティキュレートフィルタの再生を確実に且つ効率良く行うことが可能となり、パティキュレートフィルタより上流側で添加される燃料が少なくて済み、燃費も良くなる。又、再生時期の到来伝達手段により運転者に対してパティキュレートフィルタの再生が促された際に、運転者がすぐに操作手段を操作せず意図的に再生開始を先送りすることで、再生までのインターバルを長くし、燃費を更に良くすることも可能となる。

前記排気浄化装置においては、再生時期の到来伝達手段を、運転者に対してパティキュレートフィルタの再生を促す際に制御装置から再生時期到来信号を受けて点滅する表示ランプとすることができる。

本発明の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタの再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上で任意にパティキュレートフィルタを強制再生し得、パティキュレートフィルタの再生効率向上を図ることができ、燃費向上につながるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例であって、図１中における１はターボチャージャ２を搭載し且つ自動変速機（図示せず）を備えた車両のディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８は、ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、この排気管９の途中には、フィルタケース１０が介装されており、該フィルタケース１０内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１１が収容されており、図２に拡大して示す如く、このパティキュレートフィルタ１１は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１１ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１１ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１１ａを区画する多孔質薄壁１１ｂを透過した排気ガス８のみが下流側へ排出されるようにしてある。

又、フィルタケース１０内におけるパティキュレートフィルタ１１の直前位置には、図３に拡大して示す如きハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１２が収容されている。

そして、図示していない運転席のアクセルには、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１７が装備されており、これらアクセルセンサ１６及び回転センサ１７からのアクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１４に対し入力されるようになっており、この制御装置１４においては、回転センサ１７で検出されるエンジン回転数とアクセルセンサ１６で検出されるアクセル開度（負荷）に基づきパティキュレートの発生量マップ（エンジン定常状態でのマップ）からその時点でのパティキュレート排出量を算出し該パティキュレート排出量を積算することでパティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量を推定するようになっており、これにより、パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段が構成され、更に、前記制御装置１４においては、パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上であるか否かが判断されるようになっている。

又、前記フィルタケース１０における酸化触媒１２とパティキュレートフィルタ１１との間には、排気ガス８の温度をパティキュレートフィルタ１１のフィルタ床温度の代用値として計測する温度検出手段としての温度センサ１３が装備され、この温度センサ１３の検出信号１３ａが前記制御装置１４に対し入力されるようになっており、他方、この制御装置１４においては、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１５に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号１５ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１５は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１５ａにより開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

更に、前記運転席におけるインストルメントパネル等には、前記制御装置１４でパティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上であると判断され且つ前記温度センサ１３で検出されたパティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上であると判断された場合に前記制御装置１４から再生時期到来信号１９ａを受けて点滅することにより運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生を促す再生時期の到来伝達手段としての表示ランプ１９と、後述する強制再生手段を任意に作動させるための操作手段としての再生スイッチ２０とが夫々設けられている。

そして、前記制御装置１４では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１５ａが決定されるようになっている一方、運転者により再生スイッチ２０が操作されて再生指令信号２０ａが入力された際に通常モードから強制再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料の主噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号１５ａが決定されるようになっている。尚、運転者により再生スイッチ２０が操作されて通常モードから強制再生モードに切り替わった際には、表示ランプ１９は点滅状態から点灯状態に切り替わるようになっている。

つまり、本図示例においては、制御装置１４と燃料噴射装置１５とによりパティキュレートフィルタ１１の強制再生手段が構成されるようになっており、前述した如く、主噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス８中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ１１表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱によりフィルタ床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１１内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。

そして、前記制御装置１４における具体的な制御手順については、図４のフローチャートに示す如く、前提条件として、再生スイッチ２０を走行時に操作許可し且つ自動的に強制再生を行わないよう設定した状態で、先ず、ステップＳ１でディーゼルエンジン１がストップしているか否かの判断を行い、ディーゼルエンジン１がストップしている場合には、ステップＳ２で表示ランプ１９を消灯状態に保持する一方、前記ディーゼルエンジン１がストップしていない場合には、ステップＳ３でパティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上であるか否かの判断を行うようになっている。

前記パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上でない場合には、ステップＳ２で表示ランプ１９を消灯状態に保持する一方、前記パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上である場合には、ステップＳ４でディーゼルエンジン１の故障によりパティキュレートフィルタ１１の再生が禁止状態にあるか否かの判断を行うようになっている。

前記パティキュレートフィルタ１１の再生が禁止状態にある場合には、ステップＳ２で表示ランプ１９を消灯状態に保持する一方、前記パティキュレートフィルタ１１の再生が禁止状態にない場合には、ステップＳ５で再生スイッチ２０がＯＮとなっているか否かの判断を行うようになっている。

前記再生スイッチ２０がＯＮとなっている場合には、ステップＳ６で表示ランプ１９を点灯させる一方、前記再生スイッチ２０がＯＮとなっていない場合には、ステップＳ７でパティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上であるか否かの判断を行うようになっている。

前記パティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上である場合には、ステップＳ８で表示ランプ１９を点滅させ、運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生を促す一方、パティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上でない場合には、ステップＳ２で表示ランプ１９を消灯状態に保持するようになっている。

次に、上記図示例の作用を説明する。

車両の運転時には、再生スイッチ２０が走行時に操作許可され且つ自動的に強制再生が行われないようにされている前提のもと、図４におけるステップＳ１でディーゼルエンジン１がストップしていないと判断された場合、堆積量推定手段としての制御装置１４において、回転センサ１７で検出されるエンジン回転数とアクセルセンサ１６で検出されるアクセル開度（負荷）に基づきパティキュレートの発生量マップ（エンジン定常状態でのマップ）からその時点でのパティキュレート排出量が算出され該パティキュレート排出量が積算されることでパティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が推定され、該パティキュレートフィルタ１１におけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上であることが図４におけるステップＳ３で確認されると、ステップＳ４でディーゼルエンジン１の故障によりパティキュレートフィルタ１１の再生が禁止状態にあるか否かの判断が行われ、パティキュレートフィルタ１１の再生が禁止状態にない場合には、ステップＳ５で再生スイッチ２０がＯＮとなっているか否かの判断が行われる。

ここで、再生スイッチ２０がＯＮとなっていれば、ステップＳ６で表示ランプ１９は点灯されるが、再生スイッチ２０がＯＮとなっていない場合には、温度検出手段としての温度センサ１３で検出されたパティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上であるか否かの判断がステップＳ７で行われ、該パティキュレートフィルタ１１の温度が再生開始適合温度以上である場合には、制御装置１４から出力される再生時期到来信号１９ａによって再生時期の到来伝達手段としての表示ランプ１９が図４のステップＳ８で示されるように点滅することにより運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生が促される。

ここで、運転者が操作手段としての再生スイッチ２０を操作すると、通常モードから強制再生モードに切り替わり、強制再生手段としての制御装置１４から燃料噴射装置１５へ出力される燃料噴射信号１５ａにより、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料の主噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングでポスト噴射が行われ、該ポスト噴射により排気ガス８中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ１１表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱によりフィルタ床温度が上昇し、パティキュレートフィルタ１１に捕集されたパティキュレートが強制的に燃焼除去されてパティキュレートフィルタ１１が再生される。

この結果、強制再生を実行する走行条件が容易に整わない運行形態の車両についても、パティキュレートフィルタ１１の再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上でパティキュレートフィルタ１１の再生を確実に且つ効率良く行うことが可能となり、パティキュレートフィルタ１１より上流側で添加される燃料が少なくて済み、燃費も良くなる。又、前記表示ランプ１９の点滅により運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生が促された際に、運転者がすぐに再生スイッチ２０を操作せず意図的に再生開始を先送りすることで、再生までのインターバルを長くし、燃費を更に良くすることも可能となる。

こうして、パティキュレートフィルタ１１の再生に適した時期を運転者に伝えることにより、運転者がその時点での車両の運転状況を判断した上で任意にパティキュレートフィルタ１１を強制再生し得、パティキュレートフィルタ１１の再生効率向上を図ることができ、燃費向上につながる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、再生時期の到来伝達手段として表示ランプ１９を用いる代りに、運転に関する各種情報を多重表示可能なマルチインフォメーションディスプレイを用いたり、或いは音声案内を用いることにより、運転者に対してパティキュレートフィルタ１１の再生を促すようにしても良いこと、又、パティキュレートフィルタ１１の強制再生手段として、燃料噴射装置１５の噴射パターンを制御装置１４によりモード切り替えする手段を用いる代りに、例えば、排気マニホールド７から排気管９にかけての排気流路途中における何れかの場所に燃料添加用のインジェクタを別途配設し、このインジェクタにより燃料を排気ガス８中に添加する手段を採用するようにしたり、或いは電気ヒータ等の加熱装置をパティキュレートフィルタ１１に付帯装着する手段を採用するようにしても良いこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例の概略構成図である。 図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。 図１の酸化触媒の詳細を示す一部を切り欠いた斜視図である。 本発明を実施する形態の一例における具体的な制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
８ 排気ガス
９ 排気管
１１ パティキュレートフィルタ
１３ 温度センサ（温度検出手段）
１３ａ 検出信号
１４ 制御装置（堆積量推定手段、強制再生手段）
１５ 燃料噴射装置（強制再生手段）
１５ａ 燃料噴射信号
１６ アクセルセンサ（堆積量推定手段）
１６ａ アクセル開度信号
１７ 回転センサ（堆積量推定手段）
１７ａ 回転数信号
１９ 表示ランプ（再生時期の到来伝達手段）
１９ａ 再生時期到来信号
２０ 再生スイッチ（操作手段）
２０ａ 再生指令信号

Claims (2)

1. エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置において、
   エンジン回転数と負荷に基づきパティキュレートの発生量マップからその時点でのパティキュレート排出量を算出し該パティキュレート排出量を積算することでパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、
   パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、
   前記堆積量推定手段で推定されたパティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が再生を必要とする閾値以上で且つ前記温度検出手段で検出されたパティキュレートフィルタの温度が再生開始適合温度以上である場合に運転者に対してパティキュレートフィルタの再生を促す再生時期の到来伝達手段と、
   パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを強制的に燃焼除去してパティキュレートフィルタを再生する強制再生手段と、
   前記再生時期の到来伝達手段によりパティキュレートフィルタの再生が促された際に運転者が前記強制再生手段を作動させ得るよう運転席に設けられた操作手段と
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 再生時期の到来伝達手段を、運転者に対してパティキュレートフィルタの再生を促す際に制御装置から再生時期到来信号を受けて点滅する表示ランプとした請求項１記載の排気浄化装置。

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