JP2010150941A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの強制再生時における燃料液化による燃料の排気管底部への残留を防止することにより、ＤＰＦの異常燃焼を阻止し、燃料液化による無駄な燃料消費を抑制できる排気浄化装置の提供。
【解決手段】排気管の後処理用燃料噴射装置（４）の上流側領域とディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ：７）上流側の液化した燃料が滞留する領域の上流側とを連通する流路（６）を設け、該流路（６）には排気ガスが流過することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気系統における排気微粒子浄化装置、すなわち、排気管に介装されたディーゼル・パーティキュレート・フィルター（以下、「ＤＰＦ」と記載する）に関する。

ＤＰＦに捕集された煤等の微粒子を除去して排気浄化能力を保持するため、ＤＰＦでは強制再生を行ない、ＤＰＦに溜まった煤等の微粒子を燃焼・除去する。
ＤＰＦで強制再生を実行する際には、後処理用燃料噴射装置から燃料噴霧を噴射し、気化状態の燃料をＤＰＦに送り込み、ＤＰＦ内で気化状態の燃料を燃焼させて、ＤＰＦ内に溜まった煤等の微粒子を燃焼して除去している。
しかし、従来のＤＰＦでは、排気温度や排気管表面温度が低い場合に、後処理用燃料噴射装置から噴射されて気化した燃料が、排気管下流側（ＤＰＦ側）で液化してしまう。燃料が排気管下流側（ＤＰＦ側）で液化した場合、高い排圧が発生すると、液化した燃料がＤＰＦに付着し、異常燃焼を発生し、ＤＰＦを破損する可能性がある。
また、液化した排気管下部付近に溜まった燃料は、煤等の微粒子の燃焼には全く寄与せず、無駄になってしまうという問題も存在する。

その他のＤＰＦに関する従来技術として、オイル希釈量を演算し、その演算結果に基づいて再生方法を選択し、以って、オイル希釈量を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）は、強制再生時における燃料液化に関連する上述の問題を解決するものではない。
特開２００８−２９７９６９号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ＤＰＦの強制再生時における燃料液化による燃料の排気管底部への残留を防止することにより、ＤＰＦの異常燃焼を阻止し、燃料液化による無駄な燃料消費を抑制できる排気浄化装置の提供を目的としている。

本発明の排気浄化装置は、排気管の後処理用燃料噴射装置（４）の上流側領域とディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ：７）上流側の液化した燃料が滞留する領域（３３）の上流側とを連通する流路（６）を設け、該流路（６）には排気ガスが流過することを特徴としている（請求項１）。

本発明において、前記流路（６）は排気管（３）内に配置されたパイプ（５）であり、該パイプ（５）の一端（５ａ）は排気管（３）の後処理用燃料噴射装置（４）の上流側領域に開口しており、他端（５ｂ）はディーゼル・パーティキュレート・フィルター（７）上流側の液化した燃料が滞留する領域（３３）の上流側に開口しているのが好ましい（請求項２）。

また、前記流路（６Ａ）は排気管（３）とは別途設けられたバイパス管（５Ａ）であり、該バイパス管（５Ａ）は排気管（３）の後処理用燃料噴射装置（４）の上流側領域（３１）で排気管（３）から分岐しており、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ：７）上流側の液化した燃料が滞留する領域（３３）の上流側で排気管（３）と合流しているのが好ましい（請求項３）。

さらに、前記流路（６）の上流側端部に開閉部材（開閉シャッター６Ｓ）が設けられ、該開閉部材（６Ｓ）は常閉であり、燃料が液化する恐れがある場合に開放する機能を有しているのが好ましい（請求項４）。

また本発明の排気浄化装置は、排気管のディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）上流側の液化した燃料が滞留する領域（３３）の上流側に板状部材（開閉シャッター３Ｓ）が設けられており、該板状部材（３Ｓ）は燃料が液化する恐れがある場合と、その様な恐れがない場合とで位置を移動する機能を有しており、燃料が液化する恐れがある場合における板状部材（３Ｓ）の位置は液化した燃料が滞留する領域（３３）に排気を誘導する位置であり、燃料が液化する恐れがない場合における板状部材（３Ｓ）の位置は排気流を妨害しない位置であることを特徴としている（請求項５）。

これに加えて、上述した排気浄化装置において、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）の上流側と下流側の圧力を検出する圧力センサ（１２、１３）と、制御装置（１０）とを備え、該制御装置（１０）は、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（７）に貯留した粒子状物質（煤や未燃焼成分等）の捕集量を演算する機能を有し、圧力センサ（１２、１３）により計測されたディーゼル・パーティキュレート・フィルター（７）の上流側と下流側の圧力差と、演算された粒子状物質の捕集量に基づいて強制再生のタイミングを決定する機能とを有しているのが好ましい（請求項６）。

上述する構成を具備する本発明によれば、排気ガスが流れる流路（６）が設けられており、該流路（６）は後処理用燃料噴射装置（４）の上流側領域（３１）に連通しているので、後処理用燃料噴射装置（４）から噴射された燃料は進入しない。そのため、該流路（６）を流れる排気ガスは、その温度を低下することなく、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ：７）上流側の液化した燃料が滞留する領域（３３）に流れ込み、当該排気ガスが保有する熱量により、燃料を気化することが出来る。
排気管（３）内に滞留した液化燃料が気化される結果、ＤＰＦ（７）に付着して異常燃焼を発生することが無くなり、ＤＰＦ（７）の破損が防止される。そして、気化した燃料は、ＤＰＦ（７）における再生に有効利用される。

また本発明において、燃料が液化する恐れがある場合に液化した燃料が滞留する領域（３３）に排気を誘導する様に板状部材（３Ｓ）を移動することが出来るので（請求項５）、排気の流れが液化した燃料に衝突し、排気が保有する熱量により、燃料が気化される。
そのため、液化した燃料がＤＰＦ（７）に付着して異常燃焼を発生することが防止され、且つ、気化した燃料は、ＤＰＦ（７）における再生に有効利用される。

さらに本発明において、ＤＰＦ（７）に貯留した粒子状物質（煤や未燃焼成分等）の捕集量を演算し、ＤＰＦ（７）の上流側と下流側の圧力差と、演算された粒子状物質の捕集量に基づいて強制再生のタイミングを決定すれば（請求項６）、再生運転を適切なタイミングで実行して、ＤＰＦ（７）内の粒子状物質を燃焼することにより、エンジンの性能を低下させること無く、且つ、粒子状物質を大気中に拡散すること無く、車両の運転を続行することが出来る。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１〜図３は、本発明の第１実施形態を示している。
図１において、全体を符号１０１で示す排気浄化装置は、エンジン１のターボチャージャ２の排気口２ｏに接続された排気管３に設けられている。排気管３には、後処理用燃料噴射装置（以下、ＡＴＩと略記する）４、ＤＰＦ７が介装されている。
ＤＰＦ７の上流側は、酸化触媒８が取り付けられている。

ＡＴＩ４は、排気管３における上流側の領域に設けられており、ターボチャージャ２の下流側であって、ターボチャージャ２近傍の領域に、ＡＴＩ４の燃料噴射孔４ｎが貫通している。

図１において、排気管３は、第１の水平部３１と、第１の曲がり部３１ｒと、垂直部３２と、第２の曲がり部３２ｒと、第２の水平部３３が連続しており、いわゆる「クランク形状」に構成されている。

図２、図３を参照して、排気管３の内部の第１の曲がり部３１ｒから、垂直部３２と第２の曲がり部３２ｒとの境界近傍の間における領域には、流路６が形成されている。
第１実施形態では、流路６は、パイプ５を偏平に変形させて、排気管３の内壁に沿わせるように取り付けて、構成されている。

換言すれば、排気管３内に設けた扁平なパイプ５の上流側端部５ａは、排気管３におけるＡＨＩ４上流側の領域に開口している。そして、扁平なパイプ５の下流側端部５ｂは、ＤＰＦ７の上流側であって、液化した燃料が滞留する領域（第２の水平部３３）の上流側の領域に開口している。

上述した様に、排気管３の第２の水平部３３には、ＡＴＩ４の燃料噴射孔４ｎから噴霧された燃料が液化して滞留しやすい。図２において、符号Ｌｆは、液化した燃料を示している。
これに対して第１実施形態では、エンジン１の稼働中は、排気ガス流Ｆｇの一部が、流路６を流過する。ここで、流路６を流過する排気ガス流には、ＡＴＩ４によって噴霧された燃料は混在せず、車両が低速走行していない場合等に流路６を流過する排気ガス流は降温することなく、第２の水平部３３（燃料が滞留する領域）に到達する。そして、流路６を流過する排気ガス流が保有する熱量により、第２の水平部３３に滞留した液化燃料は、加熱されて、直ちに気化する。

換言すれば、流路６はＡＨＩ４の上流側領域（第１の水平部３１）に連通しており、ＡＨＩ４から噴射された燃料は流路６には進入しない。例えば高負荷時等において、流路６を流れる排気ガスは降温されることなく、第２の水平部３３に流れ込み、第２の水平部３３（ＤＰＦ７の上流側）に滞留している液化した燃料は、流路６を流れる排気ガスが保有する熱量により、気化されるのである。

排気管３内に滞留した液化燃料が気化される結果、ＤＰＦ７に付着して異常燃焼を発生することが無くなり、ＤＰＦ７の破損が防止される。そして、気化した燃料は、ＤＰＦ７における再生に有効利用される。

図４は、本発明の第２実施形態を示している。
図４において、排気管３の第１の曲がり部３１ｒ近傍から、第２の曲がり部３２ｒと第２の水平部３３との境界領域を連通するように、バイパス管５Ａが設けられており、バイパス管５Ａは垂直部３２と並行している。
換言すれば、バイパス管５Ａの上流側端部５Ａａは、第１の曲がり部３１ｒよりも上流側の領域で排気管３から分岐しており、バイパス管５Ａの下流側端部５Ａｂは、第２の曲がり部３２ｒと第２の水平部３３との境界領域で排気管３と合流している。すなわちバイパス管５Ａは、ＤＰＦ７（図４では図示を省略）の上流側であって、液化した燃料が滞留する第２の水平部３３の上流側で、排気管３と合流している

図４で示す第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、第１実施形態と同様である。

図５〜図７は、本発明の第３実施形態を示している。
第３実施形態に係る排気浄化装置は、排気管３内に設けたパイプ５の上流側の端部５ａに、流路６を開閉するシャッター６Ｓを設けている。
このシャッター６Ｓは、通常時、すなわち、排気系が十分に温まっている状態の時には、図６で示すように閉鎖している。一方、排気系の温度が低く、燃料が液化する恐れがある場合には、図７で示すように、シャッター６Ｓは開放する。
その様なシャッター６Ｓを有している点で、図５〜図７の第３実施形態は、図２で示す実施形態（第１実施形態）とは異なっている。

図５〜図７の第３実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図４の各実施形態と同様である。

図８、図９は、本発明の第４実施形態を示している。
図８において、第４実施形態の排気浄化装置は、排気管３における第２の曲がり部３２ｒと第２の水平部３３の境界で、排気管３の（図８における）上方の領域に、シャッター３Ｓが設けられている。
シャッター３Ｓの形状は、図９で示されている。

シャッター３Ｓは、排気系の温度が低く、燃料が液化する恐れがある場合と、排気系の温度が高く、燃料が液化する恐れがない場合とでは、その位置（或いは状態）が変化する様に構成されている。
すなわち、排気系の温度が低く、燃料が液化する恐れがある場合には、図８で示す様に、シャッター３Ｓは、排気管３内を流れる排気ガスが、液化した燃料が滞留する領域（第２の水平部３３の下方の領域）に向かう様な位置（状態）になる。

一方、排気系の温度が高く、燃料が液化する恐れがない場合には、シャッター３Ｓは、排気流を妨害せず、排気管３の断面積を減少しない様な位置（状態）となる。
換言すれば、排気系の温度が高く、燃料が液化する恐れがない通常時には、シャッター３Ｓは、図８でしめすのとは異なり、排気管３と平行になり、排気管３の断面積を減少しないので、排気管３内の排気抵抗は増加せず、エンジン出力の低下も生じない。

図１０、図１１は、本発明の第５実施形態を示している。
図１０において、第５実施形態に係る排気浄化装置１０５は、ＰＤＦ７の入口（上流側）に圧力センサ１２を設け、ＰＤＦ７の出口（下流側）に圧力センサ１３を介装し、制御用のコントロールユニット１０を備えている。
また図１０において、ＡＨＩ４はアクチュエータ１１によって燃料の噴射を行うように構成されており、シャッター６Ｓはアクチュエータ１４によって開閉するように構成されている。
図１０、図１１の第５実施形態は、これ等の構成において、図５の第３実施形態とは異なっている。

コントロールユニット１０は、圧力センサ１２、１３と、入力信号ラインＬｉを介して接続されている。
またコントロールユニット１０は、制御信号ラインＬｏを介して、アクチュエータ１１、１４とは接続されている。
コントロールユニット１０は、ＰＤＦ７に貯留した粒子状物質（煤や未燃焼成分等）の捕集量を演算する機能を有している。
そしてコントロールユニット１０は、圧力センサ１２、１３により計測されたＰＤＦ７の上流側と下流側の圧力差と、演算された粒子状物質の捕集量に基づいて、強制再生のタイミングを決定する機能とを有している。

次に、図１１のフローチャートに基づいて、且つ、図１０をも参照して、ＰＤＦ７の強制再生の制御について説明する。
図１１において、ステップＳ１では、圧力センサ１２、１３によってＰＤＦ７の入口と出口の排気ガスの圧力を計測する。そしてコントロールユニット１４は、差圧が所定値以上か否かを判断する（ステップＳ２）。

差圧が所定値以上であれば（ステップＳ２がＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、差圧が所定値未満であれば（ステップＳ２がＮＯ）、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、演算された粒子状物質の捕集量に基づいて煤の量を演算し、演算した煤の量がしきい値よりも多いか否かを判断する。
ここで、しきい値としては、捕集された煤等の微粒子に起因して、ＤＰＦ７の排気浄化能力が低下し、及び／または、排気ガスの通過が阻害される恐れがある量として設定され、エンジンの種類、走行距離、その他の条件により、ケース・バイ・ケースで設定される。
演算された煤の量がしきい値よりも多ければ（ステップＳ３がＹＥＳ）ステップＳ４に進む。一方、演算された煤の量がしきい値よりも少なければ（ステップＳ３がＮＯ）、強制再生しなくても排気の流れが阻害されないと判断して、ステップＳ１まで戻る。

ステップＳ４では、コントロールユニット１４は強制再生を行なう必要があると判断して、アクチュエータ１１に制御信号を送り、ＡＨＩ４から燃料を噴射して、ＤＰＦ７の強制再生を行なう。
強制再生を開始する際には、図示を省略したタイマーをセットする。そしてステップＳ５に進み、図示しない温度センサによって排気温度およびＤＰＦ７の入口の温度を計測し、ＡＨＩ４の燃料の噴射量を読み込む。

ステップＳ６ではシャッター６Ｓを開放して、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、コントロールユニット１４は、所定時間が経過したか否かを判断する。
ここで所定時間とは、強制再生によりＤＰＦ７の排気浄化能力が回復し、排気ガスの通過が阻害される恐れがなくなるのに十分な時間として設定される。この所定時間についても、エンジンの種類、走行距離、その他の条件により、ケース・バイ・ケースで設定される。

所定時間が経過しないのであれば（ステップＳ７がＮＯ）、強制再生が完了していないと判断して、ステップＳ４まで戻る。
所定時間が経過したなら（ステップＳ７がＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、強制再生を終了し、ＡＨＩ４における燃料噴射を停止し、シャッターＳ６を閉鎖して、ステップＳ１まで戻る。

第５実施形態によれば、再生運転を適切なタイミングで実行して、ＤＰＦ７内の粒子状物質を燃焼することにより、エンジンの性能を低下させること無く、且つ、粒子状物質を大気中に拡散すること無く、車両の運転を続行することが出来る。
第５実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図５の第３実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。

本発明の第１実施形態のブロック図。 図１のＯ部拡大断面図。 図２のＸ-Ｘ断面図。 本発明の第２実施形態の要部断面図。 本発明の第３実施形態の要部断面図。 第３実施形態におけるシャッター閉鎖時の状態を示す説明図。 第３実施形態におけるシャッター開放時の状態を示す説明図。 本発明の第４実施形態の要部断面図。 第４実施形態におけるシャッター取り付け断面を示す横断面図。 本発明の第５実施形態のブロック図。 第５実施鋳形態における強制再生制御を示すフローチャート。

符号の説明

１・・・エンジン
２・・・ターボチャージャ
３・・・排気管
３Ｓ・・・シャッター
４・・・後処理用燃料噴射装置／ＡＨＩ
５・・・パイプ
６・・・流路
６Ｓ・・・シャッター
７・・・ディーゼル・パーティキュレート・フィルター／ＤＰＦ
１０・・・制御装置
１１、１４・・・アクチュエータ
１２、１３・・・圧力センサ

Claims (6)

1. 排気管の後処理用燃料噴射装置の上流側領域とディーゼル・パーティキュレート・フィルター上流側の液化した燃料が滞留する領域の上流側とを連通する流路を設け、該流路には排気ガスが流過することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記流路は排気管内に配置されたパイプであり、該パイプの一端は排気管の後処理用燃料噴射装置の上流側領域に開口しており、他端はディーゼル・パーティキュレート・フィルター上流側の液化した燃料が滞留する領域の上流側に開口している請求項１の排気浄化装置。
3. 前記流路は排気管とは別途設けられたバイパス管であり、該バイパス管は排気管の後処理用燃料噴射装置の上流側領域で排気管から分岐しており、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター上流側の液化した燃料が滞留する領域の上流側で排気管と合流している請求項１の排気浄化装置。
4. 前記流路の上流側端部に開閉部材が設けられ、該開閉部材は常閉であり、燃料が液化する恐れがある場合に開放する機能を有している請求項１〜３の何れか１項の排気浄化装置。
5. 排気管のディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）上流側の液化した燃料が滞留する領域の上流側に板状部材（開閉シャッター）が設けられており、該板状部材は燃料が液化する恐れがある場合と、その様な恐れがない場合とで位置を移動する機能を有しており、燃料が液化する恐れがある場合における板状部材の位置は液化した燃料が滞留する領域に排気を誘導する位置であり、燃料が液化する恐れがない場合における板状部材の位置は排気流を妨害しない位置であることを特徴とする排気浄化装置。
6. ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）の上流側と下流側の圧力を検出する圧力センサと、制御装置とを備え、該制御装置は、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）に貯留した粒子状物質（煤や未燃焼成分等）の捕集量を演算する機能を有し、圧力センサにより計測されたディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）の上流側と下流側の圧力差と、演算された粒子状物質の捕集量に基づいて強制再生のタイミングを決定する機能とを有している請求項１〜５の何れか１項の排気浄化装置。

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