JP2006037857A

JP2006037857A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006037857A
Application number: JP2004219592A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Yokota; 治之横田; Kazunobu Yoshitomi; 和宣吉冨
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】後処理手段の温度低下を防止すると共に、ドライバビリティの悪化を防止する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン１からの排気ガスが流通する排気管１１に装備された後処理手段１２と、エンジン１の排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出してエンジンの吸気マニホールド７側へ再循環させるＥＧＲ手段１５，１６，１７と、後処理手段１２とＥＧＲ手段１５，１６，１７の上流に配置して燃料を添加する燃料添加手段２２とを備え、
燃料添加手段２２による燃料の添加を停止した際には、エンジン１に導入する新気の流量を制限すると共にＥＧＲ手段１５，１６，１７を介して排ガス又は／及び新気を循環させるよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンに適用される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（硫酸塩成分）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為、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。

又、エンジンには、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出してエンジンの吸気マニホールド側へ再循環させるようＥＧＲパイプやＥＧＲバルブ等を備えており、パティキュレートフィルタを再生する場合には、燃料添加手段により燃料を添加し且つＥＧＲバルブを閉じて排気ガスの再循環を停止することにより排気温度を上昇させている。

なお、ここで、このような排気浄化装置の一般的な例を示すものは既に特許公報として幾つか示されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−１５５９１５号公報

一方、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタと共に、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備したものが考えられており、このような選択還元型触媒は、上流側から必要量の還元剤を添加することにより、還元剤と、排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）とを還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしている。

しかしながら、走行中に運転者がシフトチェンジ等でアクセルをオフにする際には、エンジンの各気筒に噴射する燃料の添加が停止になると共に、エンジンに新気を導入する吸気管の吸気絞り弁が全開になるため、新気が燃焼することなく、そのまま触媒再生型のパティキュレートフィルタや選択還元型触媒等の後処理手段へ流下して後処理手段の温度低下を招き、パティキュレートフィルタの酸化触媒や選択還元型触媒の温度が活性温度域（温度ウィンドウ）以下になって排気ガスの浄化能力を好適に保つことができないという問題があった。

一方で、後処理手段の温度低下を防止するよう、吸気管の吸気絞り弁を閉じて新気の流量を制限することが考えられるが、同時にエンジンブレーキを生じるため、走行中の加速時にシフトチェンジ等でアクセルをオフにする際には、ドライバビリティが著しく悪化するという問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、後処理手段の温度低下を防止すると共に、ドライバビリティの悪化を防止する排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管に装備された後処理手段と、前記エンジンの排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出してエンジンの吸気マニホールド側へ再循環させるＥＧＲ手段と、該後処理手段とＥＧＲ手段の上流に配置して燃料を添加する燃料添加手段とを備え、
前記燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、エンジンに導入する新気の流量を制限すると共に前記ＥＧＲ手段を介して排ガス又は／及び新気を循環させるよう構成したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

又、新気の流量を調整する吸気絞り手段を備えると共に、ＥＧＲ手段にＥＧＲバルブを備え、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、前記吸気絞り手段により新気の流量を制限すると共に、前記ＥＧＲバルブにより前記ＥＧＲ手段を介して排ガスを循環させるよう構成することが好ましい。

更に、ＥＧＲ手段に備えられたＥＧＲクーラがヒータとして、流入した新気又は／及び排ガスを昇温するよう構成することが好ましい。

而して、このようにすれば、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、エンジンに導入する新気の流量を制限すると共に、排ガス又は／及び新気を排気マニホールドからＥＧＲ手段を介して吸気マニホールドへ循環させるので、排ガス又は／及び新気が後処理手段へ流入することを抑制して後処理手段の温度低下を防止することができる。又、エンジンへの新気の流量を制限する場合であっても、排ガス又は／及び新気を排気マニホールドからＥＧＲ手段を介して吸気マニホールドへ循環させるので、エンジンブレーキの発生を抑制し、ドライバビリティの悪化を防止することができる。

新気の流量を調整する吸気絞り手段を備えると共に、ＥＧＲ手段にＥＧＲバルブを備え、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、吸気絞り手段により新気の流量を制限すると共に、ＥＧＲバルブによりＥＧＲ手段を介して排ガスを循環させるよう構成すると、排ガス又は／及び新気の循環を、吸気絞り手段の閉止及びＥＧＲバルブの開放により為し得るので、排ガス又は／及び新気が後処理手段へ流入することを容易に抑制して後処理手段の温度低下を好適に防止することができる。又、エンジンへの新気の流量を吸気絞り手段により制限すると共に、排ガス又は／及び新気をＥＧＲバルブにより排気マニホールドからＥＧＲ手段を介して吸気マニホールドへ循環させるので、エンジンブレーキの発生を容易に抑制し、ドライバビリティの悪化を好適に防止することができる。

ＥＧＲ手段に備えられたＥＧＲクーラがヒータとして、流入した新気又は／及び排ガスを昇温するよう構成すると、流入した新気又は／及び排ガスを予め外気よりも昇温し得るので、循環する排ガス又は／及び新気の温度を所定温度以上に維持し、排ガス又は／及び新気が後処理手段へ流入する際の後処理手段の大幅な温度低下を防止することができる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、エンジンに導入する新気の流量を制限すると共に、排ガス又は／及び新気を排気マニホールドからＥＧＲ手段を介して吸気マニホールドへ循環させるので、排ガス又は／及び新気が後処理手段へ流入することを抑制して後処理手段の温度低下を防止すると共に、ドライバビリティの悪化を防止することができ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図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態例を示すもので、図１中における符号１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた新気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された新気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと新気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ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９が排気管１１（排気流路）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１１の途中には、所定の活性温度域（温度ウィンドウ）で排気ガスの浄化する後処理手段１２が備えられている。ここで、後処理手段１２の一つには、パティキュレートを捕集して燃焼させるパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えるものがあり、他の一つには、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate and ＮＯx Reduction）として所定の触媒にＮＯxをいったん吸着させておき、その際に生じる反応性の高い活性酸素等でパティキュレートを燃焼させるＮＯx還元触媒を備えるものがあり、別の一つには、アンモニア等の還元剤を吹き込むことによりＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）としてＮＯxをアンモニア等の還元剤と触媒上で反応させて処理する選択還元触媒を備えるものがある。なお、後処理手段１２は上記の例に限定されるものではなく、所定の活性温度域（温度ウィンドウ）で排気ガスを浄化するものならば特に限定されるものではない。

更に、図１に示している例では、排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５の一端部との間をＥＧＲ手段のＥＧＲパイプ１５で接続し、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部をＥＧＲ手段の水冷式のＥＧＲクーラ１６及びＥＧＲバルブ１７を介して吸気管５に再循環するようになっており、排気側から吸気側へ再循環された排気ガス９で各気筒８内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。

そして、後処理手段１２の手前には、排気ガス９の温度を触媒床温度の代用値として計測するための温度センサ１８が装備されており、該温度センサ１８の温度信号１８ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１９に対し入力されるようになっている。ここで、温度センサ１８の配置は、後処理手段１２の手前に限定されるものではなく、触媒床温度を計測し得るならば特に限定されるものではない。

この制御装置１９は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、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２０（負荷センサ）からのアクセル開度信号２０ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２１からの回転数信号２１ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料添加手段の燃料噴射装置２２に向け燃料噴射信号２２ａが出力されるようになっている。ここで、燃料噴射装置２２は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ２３により構成されており、これら各インジェクタ２３の電磁弁が前記燃料噴射信号２２ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング（開弁時期）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。

又、前記制御装置１９においては、インタークーラ６下流の吸気管５に設けられた吸気絞り手段の吸気絞り弁２４と、後処理手段１２より上流側の排気管１１に設けられた排気ブレーキ２５と、ＥＧＲパイプ１５のＥＧＲバルブ１７とに対し夫々の開度を指令する開度指令信号２４ａ，２５ａ，１７ａが出力されるようになっている。

更に、前記制御装置１９では、アクセル開度信号２０ａ及び回転数信号２１ａに基づき通常モードの燃料噴射信号２２ａが決定されるようになっており、後処理手段１２の一例によっては、パティキュレートフィルタの強制再生を行う必要が生じた際に、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メイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号２２ａが決定されている。

更に又、制御装置１９は、走行中に運転者がシフトチェンジ等でアクセルをオフにする際には、下記の作用で説明する図２の如きフローの処理を備えている。

以下、本発明の実施の形態例の作用を説明する。

すなわち走行中に運転者がシフトチェンジ等でアクセルをオフにする際には、燃料添加手段の燃料噴射装置２２により燃料の添加が停止になることから、制御装置１９において、図２に示す如く、予め、温度センサ１８等により触媒床温が、所定の活性温度域（温度ウィンドウ）よりも高温になっていないかどうかを判断しておき（ステップＳ１）、高温になっていない場合にはアクセルセンサ２０及び回転センサ２１等により燃料の添加の停止を判断（燃料無噴射状態かの判断）し（ステップＳ２）、燃料の添加が停止した場合には、吸気絞り手段の吸気絞り弁２４を閉じると共にＥＧＲ手段のＥＧＲバルブ１７を開き（ステップＳ３）、リターンにより最初の段階へ戻る。続いて、吸気絞り弁２４を閉じると共にＥＧＲバルブ１７を開いた後には、アクセルセンサ２０及び回転センサ２１等により燃料の添加の開始を判断し、燃料の添加を開始した際には、適宜、後処理手段１２により排ガスを浄化する。

ここで、最初の判断（ステップＳ１）で、触媒床温が所定の活性温度域（温度ウィンドウ）より高温になっている場合には、リターンにより最初の段階へ戻ると同時に触媒床温を低下させる処理を行っており、その処理の一例としては、触媒床温によりフィードバック処理して燃料の添加の停止状態で吸気絞り弁２４の開度を広げ、新気を多量に導入して触媒床温を低下させるものがある。なお、図２のステップＳ１では活性温度域（温度ウィンドウ）の上限を５５０℃としており、触媒床温を５５０℃以下か否かで判断している。

又、吸気絞り手段の吸気絞り弁２４を閉じると共にＥＧＲ手段のＥＧＲバルブ１７を開いた際には（ステップＳ３）、吸気絞り弁２４により、エンジンに導入する新気の流量を制限すると共に、図３に示す如く、ＥＧＲバルブ１７により、排ガスを排気マニホールド１０からＥＧＲパイプ１５及びＥＧＲクーラ１６を介して吸気マニホールド７へ、更に気筒８内から排気マニホールド１０へ循環させ、後処理手段１２へ流下させないようにする。この時、後処理手段１２の種類によっては、吸気絞り弁２４を全閉もしくは所定の開度にしてもよい。又、吸気絞り弁２４を全閉にしない場合には、排ガス及び新気の混合ガスを排気マニホールド１０からＥＧＲパイプ１５及びＥＧＲクーラ１６を介して吸気マニホールド７へ循環させてもよい。更に、ＥＧＲクーラ１６は、エンジンの冷却水により７０℃〜９０℃の温度になっていることから、外気の温度に近い新気が流入した際には、ＥＧＲクーラ１６がヒータとして、流入した新気又は／及び排ガスを昇温している。更に、インタークーラ６を備えたターボエンジン（ＴＩエンジン）の場合には、吸気絞り弁２４を全開でなく、必要最小限度に絞ることが好ましい。なお、排気ブレーキ２５の開閉は、燃料の添加の停止による追従性がなく、しかも騒音を生じるため、好適ではない。

このように、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、ディーゼルエンジン１に導入する新気の流量を制限すると共に、排ガス又は／及び新気を排気マニホールド１０からＥＧＲ手段を介して吸気マニホールド７へ循環させるので、排ガス又は／及び新気が後処理手段１２へ流入することを抑制して後処理手段１２の温度低下を防止し、結果的に、排気ガスの浄化能力を良好に維持することができる。ここで、後処理手段１２をＤＰＮＲのＮＯx還元触媒として実測のデータを示すと、図４に示す如く、従来の例では２５０℃以下になる場合（具体的には高速道路の走行中にシフトチェンジ等でアクセルをオフする場合等）があるのに対し、今回の発明の例では同じ条件であっても多くの時間で２５０℃以上にすることができる。なお、３５０℃以上になった場合には活性温度域以上であるとして３５０℃以下になるように制御している。又、図５に示す如く、本発明では、触媒床温が２５０℃以上になることによりＮＯxの低減率を好適にすることができる。更に、パティキュレートフィルタを再生する場合には、ポスト噴射等を行い得るように２２０℃程度まで制御することが好ましい。

又、本形態例によれば、走行中の加速時にシフトチェンジ等でアクセルをオフにする操作により、ディーセルエンジン１への新気の流量を制限する場合であっても、排ガス又は／及び新気を排気マニホールド１０からＥＧＲ手段を介して吸気マニホールド７へ循環させるので、エンジンブレーキの発生を抑制し、ドライバビリティの悪化を防止することができる。

新気の流量を調整する吸気絞り手段の吸気絞り弁２４を備えると共に、ＥＧＲ手段にＥＧＲバルブ１７を備え、燃料添加手段の燃料噴射装置２２による燃料の添加を停止した際には、吸気絞り手段の吸気絞り弁２４により新気の流量を制限すると共に、ＥＧＲバルブ１７によりＥＧＲ手段のＥＧＲパイプ１５を介して排ガスを循環させるよう構成すると、排ガス又は／及び新気の循環を、吸気絞り弁２４の閉止及びＥＧＲバルブ１７の開放により為し得るので、排ガス又は／及び新気が後処理手段１２へ流入することを容易に抑制して後処理手段１２の温度低下を好適に防止し、結果的に、排気ガスの浄化能力を一層良好に維持することができる。又、ディーゼルエンジン１への新気の流量を吸気絞り手段の吸気絞り弁２４により制限すると共に、排ガス又は／及び新気をＥＧＲバルブ１７により排気マニホールド１０からＥＧＲ手段のＥＧＲパイプ１５を介して吸気マニホールド７へ循環させるので、エンジンブレーキの発生を容易に抑制し、ドライバビリティの悪化を好適に防止することができる。

ＥＧＲ手段に備えられたＥＧＲクーラ１６がヒータとして、流入した新気又は／及び排ガスを昇温するよう構成すると、流入した新気又は／及び排ガスを予め外気よりも昇温し得るので、循環する排ガス又は／及び新気の温度を所定温度以上に維持し、排ガス又は／及び新気が後処理手段１２へ流入する際の後処理手段１２の大幅な温度低下を防止することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、燃料の添加の停止時とは、走行中にシフトチェンジ等でアクセルをオフにする場合に限定されるものではなく、燃料の添加を停止するならば他の状態でもよいこと、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例において排ガスの通常の流れの状態を示す概略図である。燃料の添加の停止を判断して吸気絞り弁及びＥＧＲバルブを制御するフロー図である。本発明を実施する形態例において排ガス及び／又は新気を循環させる状態を示す概略図である。従来例と本発明における触媒床温の違いを示すグラフである。本発明の触媒床温におけるＮＯx低減率を示すグラフである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（エンジン）
７吸気マニホールド
９排気ガス
１０排気マニホールド
１１排気管
１２後処理手段
１５ＥＧＲパイプ（ＥＧＲ手段）
１６ＥＧＲクーラ（ＥＧＲ手段）
１７ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ手段）
２２燃料噴射装置（燃料添加手段）
２４吸気絞り弁（吸気絞り手段）

Claims

エンジンからの排気ガスが流通する排気管に装備された後処理手段と、前記エンジンの排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出してエンジンの吸気マニホールド側へ再循環させるＥＧＲ手段と、該後処理手段とＥＧＲ手段の上流に配置して燃料を添加する燃料添加手段とを備え、
前記燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、エンジンに導入する新気の流量を制限すると共に前記ＥＧＲ手段を介して排ガス又は／及び新気を循環させるよう構成したことを特徴とする排気浄化装置。
新気の流量を調整する吸気絞り手段を備えると共に、ＥＧＲ手段にＥＧＲバルブを備え、燃料添加手段による燃料の添加を停止した際には、前記吸気絞り手段により新気の流量を制限すると共に、前記ＥＧＲバルブにより前記ＥＧＲ手段を介して排ガスを循環させるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
ＥＧＲ手段に備えられたＥＧＲクーラがヒータとして、流入した新気又は／及び排ガスを昇温するよう構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。