JP3003213B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はエンジンの排気浄化装置に関する。

（従来の技術） ディーゼルエンジンでは、排気中に含まれるカーボン
等の微粒子（パーティキュレート）を大気中に放出させ
ないよう排気通路に備えたフィルタで捕集するものがあ
る。このものでは、堆積したパーティキュレートを定期
的に燃やしてやることで、フィルタを再生する必要があ
る。

そのため、特開昭59−85417号公報では、フィルタの
再生時期になると、フィルタ入口に設けられたヒータに
通電されるとともに、フィルタ入口温度がパーティキュ
レートの再燃焼温度以上となり、かつフィルタ出口温度
がフィルタの溶損温度以下となるように、吸気絞り弁と
フィルタのバイパス通路に設けたバイパス弁の２つの弁
が開閉制御される。これによりパーティキュレートが再
燃焼し、フィルタの再生に必要と思われる時間が経過す
るとフィルタの再生が終了したと判定され、前記２つの
弁が元の位置に戻され、ヒータへの通電がカットされ
る。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような装置では、フィルタの再生を終
了するまでヒータへの通電が続けられる構成であるた
め、ヒータによる消費電力が大きく、バッテリに大きな
負担となっているだけでなく、燃費も悪くなる。

この発明はこのような従来の課題に着目してなされた
もので、フィルタ温度を低下させることなく、ヒータに
よる昇温効果の薄い場合にはヒータへの通電をカットす
ることにより、バッテリへの負担軽減をはかる装置を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 第１の発明は、第１図（Ａ）で示すように、排気中の
パーティキュレートを捕集するフィルタ32と、吸気絞り
または排気絞りを行うことによって前記フィルタ32を昇
温させるデバイス33と、前記フィルタ32を加熱するヒー
タ34と、このヒータ34への通電を行う装置35と、エンジ
ンの運転領域を前記フィルタ32の自己再生可能領域とそ
れ以外の領域との少なくとも２つに区分けする手段36
と、エンジンの負荷と回転数をそれぞれ検出するセンサ
37,38と、これらの検出値から定まる運転条件が前記フ
ィルタ32の自己再生可能領域以外の領域にあるかどうか
を判定する手段39と、前記フィルタ32の再生時期にある
かどうかを判定する手段40と、これらの判定結果に基づ
きフィルタ32の再生時期になりかつ運転条件が前記フィ
ルタ32の自己再生可能領域以外の領域にある場合に前記
昇温デバイス33と前記ヒータ通電装置を作動させてフィ
ルタ32の再生を開始させる手段41と、このフィルタ32の
再生中にフィルタ温度（たとえば内部温度Tcntまたは出
口温度）を検出するセンサ42と、この検出値よりフィル
タ温度の低下スピードを計算する手段43と、この低下ス
ピードが所定値よりも遅いかどうかを判定する手段44
と、この判定結果より低下スピードが所定値よりも遅い
場合に前記ヒータ34への通電が停止されるように前記ヒ
ータ通電装置35に指示する手段45とを設けた。

第２の発明は、第１図（Ｂ）で示すように、排気中の
パーティキュレートを捕集するフィルタ32と、吸気絞り
または排気絞りを行うことによって前記フィルタ32を昇
温させるデバイス33と、前記フィルタ32を加熱するヒー
タ34と、このヒータ34への通電を行う装置35と、前記フ
ィルタ32をバイパスする通路51と、この通路51を開閉す
るバイパス弁52と、このバイパス弁52の駆動装置53と、
エンジンの運転領域を前記フィルタ32の自己再生可能領
域とそれ以外の領域の少なくとも２つに区分けする手段
36と、エンジンの負荷と回転数をそれぞれ検出するセン
サ37,38と、これらの検出値から定まる運転条件が前記
フィルタ32の自己再生可能領域以外の領域にあるかどう
かを判定する手段39と、前記フィルタ32の再生時期にあ
るかどうかを判定する手段40と、これらの判定結果に基
づきフィルタ32の再生時期になりかつ運転条件が前記フ
ィルタ32の自己再生可能領域以外の領域にある場合に前
記昇温デバイス33と前記ヒータ通電装置35を作動させて
フィルタ32の再生を開始させる手段41と、このフィルタ
32の再生中に前記エンジン負荷の検出値から減速時にあ
るかどうかを判定する手段54と、この判定結果よりフィ
ルタ再生中の減速時に前記バイパス弁52が開かれるよう
に前記バイパス弁駆動装置53を作動する手段55と、同じ
くフィルタ再生中の減速時に前記ヒータ34への通電が所
定時間停止されるように前記ヒータ通電装置35に指示す
る手段45とを設けた。

（作用） 第１の発明では、判定手段39,40によりフィルタの再
生時期になりかつ運転条件がフィルタ32の自己再生可能
な領域以外の領域にあることが判定されると、再生開始
手段41により昇温デバイス33とヒータ通電装置35が作動
されてフィルタ32の再生が開始される。

このとき、フィルタ温度の低下スピードと所定値が比
較され、低下スピードが所定値に達しないあいだは、フ
ィルタ32が再生可能な温度範囲にあり、かつヒータ34に
通電しても、それがフィルタ32の昇温にそれほど結びつ
かないとして、ヒータ34への通電が停止される。これに
より、ヒータ通電時間が減らされる。

第２の発明では、フィルタ32の再生中でも判定手段54
と作動手段55とで減速時の排気バイパスが行なわれる場
合に、指示手段45により減速時より所定時間のあいだヒ
ータ34への通電が停止される。減速時の排気バイパス中
も、ヒータ34による昇温効果は薄いのであり、ヒータ34
への通電が停止される時間だけは、通電時間が短くされ
る。

（実施例） 第２図はこの発明の一実施例のシステム図である。図
において、３はエンジン１から排出されるパーティキュ
レートを捕集するフィルタである。図では、パーティキ
ュレートのうち特にカーボンに対して捕集効率の高い、
いわゆるウォールスルータイプのものを示してあるが、
三次元網目状に形成した付着捕集タイプのものでもかま
わない。

吸気通路５にはバタフライ型の絞り弁６が設けられ、
この吸気絞り弁６にはダイヤフラムアクチュエータ８が
連結される。アクチュエータ８の圧力室と負圧源とを連
通する通路には三方電磁弁９が介装され、この電磁弁９
をOFFからONにすると、アクチュエータ８の圧力室に大
気圧に代えて一定圧の負圧が導入され、吸気絞り弁６が
一定開度まで閉じられる。なお、吸気絞り弁６は常開の
タイプである。

同様にして、フィルタ３上流の排気通路２に絞り弁11
が、この排気絞り弁11の上流よりフィルタ３をバイパス
する通路14にバイパス弁15がそれぞれ設けられ、これら
の弁11,15もダイヤフラムアクチュエータ12,16と三方電
磁弁13,17により駆動される。ただし、絞り弁11は常開
の、バイパス弁15は常閉のタイプで、これらも２位置
（絞り弁11については一定開度まで閉じられた位置と全
開位置、バイパス弁15については全閉位置と全開位置）
をとる。

こうして設けられた吸気絞り弁６とその駆動装置（8,
9）は吸気絞り装置を、また排気絞り弁11とその駆動装
置（12,13）は排気絞り装置を構成し、これらはフィル
タの各昇温デバイスとして働く。なお、排気絞り弁11と
バイパス弁15の両方の機能を備える１つの弁をバイパス
通路14の分岐位置あるいは合流位置に設けることもでき
る。

フィルタ３の前面にはヒータ19が設けられ、コントロ
ールユニット27からの通電信号を受けるとフィルタ３を
加熱する。このヒータ19とその通電装置は昇温補助装置
である。

21は半導体式圧力センサで、フィルタ３の前後差圧Δ
Ｐを検出する。23は熱電対からなる温度センサで、フィ
ルタ内部温度Tcntを検出する。このフィルタ内部温度の
かわりにフィルタ出口温度を用いることもできる。

24はエンジン１の回転数Neを検出するセンサ（クラン
ク角センサ）、25はポテンショメータから構成されアク
セル開度（エンジン負荷相当量）Ｑを検出するセンサ、
26は冷却水温Twを検出するセンサである。

これらセンサからの信号は、マイクロコンピュータか
らなるコントロールユニット27に入力され、コントロー
ルユニット27では、３つの三方電磁弁9,13,17にON,OFF
信号を、ヒータ19に通電信号をそれぞれ出力する。

第３図はフィルタ３を再生させるためのルーチンで、
所定の時間ごと（たとえば10msecごと）に演算される。

1.再生時期の判定 S1ではエンジン回転数Ne,アクセル開度Q,フィルタ内
部温度Tcnt,冷却水温Twおよびフィルタ３の前後差圧Δ
Ｐを読みこむ。

S2では再生時期であるかどうかをみて、再生時期にあ
ると判断すればS3に進む。この場合フラグにて再生時期
を判断するようにしてあり、再生時期にある場合はフラ
グがセットされている。

なお、このフラグは、実際のフィルタ前後差圧ΔＰと
予め定めた捕集限界時のフィルタ前後差圧ΔPmaxとの比
較により、ΔＰ≧ΔPmaxであれば再生時期にあると判断
され、フラグがセットされる。再生時期の判断はこれに
限らず捕集量履歴や走行距離，走行時間に基づくもので
あってもかまわない。

2.運転領域の判定 S3とS8では、そのときのアクセル開度Ｑとエンジン回
転数Neから定まる運転条件が、いずれの領域にあるのか
を判定する。ここでは、運転領域が、第４図で示したよ
うに、排気温度に対応して大きく３つに分けられてい
る。

このうちＡは、各昇温デバイスおよびヒータを作動さ
せなくとも、排気温度がSOF（有機可溶成分で、未燃燃
料成分およびオイル成分からなる）の反応温度以上とな
り、触媒によるSOFの反応に誘起されてパーティキュレ
ートが再燃焼される領域（いわゆるフィルタの自己再生
可能領域）である。なお、ここでの触媒によるSOFの反
応温度は、たとえば200℃程度以上、また触媒によるパ
ーティキュレートの再燃焼温度は400℃程度以上であ
る。

これに対してＢとＣは、昇温デバイスとヒータを作動
させないと、フィルタ温度を再生温度まで上昇させるこ
とができない領域（Ｂは排気絞りとヒータ作動を行うこ
とによって、またＣは排気絞りとヒータ作動に加え、吸
気絞りを行うことによって、それぞれSOFの反応温度以
上に昇温させることのできる領域）である。

これら区分けされた領域はたとえばマップ等によりあ
らかじめ設定しておく。

3.フィルタの再生操作 この区分けされた３つの領域に応じて、吸気絞り装置
と排気絞り装置の各昇温デバイスとヒータを選択的に作
動させることでフィルタの再生を行う。

（ｉ）Ａ領域 S4〜６でヒータ19への通電をカットするとともに、排
気絞り弁11と吸気絞り弁６をともに開く。Ａ領域では、
ヒータや吸気絞り，排気絞りによる昇温効果を期待しな
くとも、排気温度がSOFの反応温度以上となるからであ
る。

ただし、S7でバイパス弁15を閉じる。これは、Ａ領域
で排気をバイパスするとエミッションを悪化させる場合
もあるためである。

（ii）Ｂ領域 S19,S22で排気絞り弁11を一定開度まで閉じ、排気絞
りを行うことによって、SOFの反応温度以上に昇温させ
るとともに、ヒータを作動させることによって、昇温を
補助させる。

（ii−１）ヒータ通電制御 S11では加速時であるかどうかをみて、加速時である
場合はS15でヒータに通電する。これは、ヒータに通電
しなくとも、加速時には排気温度が上昇するのである
が、さらにヒータに通電することで再生の実効をはかる
ためである。

加速時以外の領域では、フィルタ内部温度Tcntから一
定時間あたりの低下量（つまり低下スピード）ΔTcntを
求め、この低下スピードΔTcntと所定値ＸをS12で比較
し、ΔTcnt＜Ｘの場合は、S13でヒータへの通電をカッ
トし、この逆にΔTcnt≧Ｘの場合は、S14でヒータに通
電する。

ΔTcnt≧Ｘの場合、つまりΔTcnt＜Ｘとなるまでのあ
いだ、ヒータへの通電を停止するのは、たとえば後述す
る減速時の排気バイパスにより、フィルタへの排気流れ
がない状態（バイパスされている状態）では、ヒータに
通電しても、そのヒータによるフィルタの昇温効果（あ
るいはフィルタの保温効果）がほとんどないので、フィ
ルタ内部温度が実際に低下するまでのあいだ通電を停止
しておいても問題ないからである。

（ii−２）減速時の排気バイパス この制御自体は、たとえば特開昭62−291415号公報な
どにより公知であり、減速時から一定時間のあいだバイ
パス弁15を開いて、バイパス通路14より排気を流す。

たとえば、S16でタイマ値TimerEと一定値TimeFを比較
し、TimerE＜TimeFの場合にS20でバイパス弁15を開き、
この逆にTimerE≧TimeFの場合にS23でバイパス弁15を閉
じるようにしておくと、S16よりも前のS9で減速時を判
定したときにS10でタイマ値TimerEをクリアすることに
より、S20を通ることになって、排気バイパスが行なわ
れる。

S17では、排気バイパスを行う時間をカウントするた
めTimerEをインクリメントし、S24ではカウントし終わ
ったためTimerE＝TimeFとしている。

なお、減速時に排気バイパスを行うのは、減速条件で
は排気温度が低下するので、この冷たい排気をフィルタ
に導いてフィルタを冷却しないようにするためであり、
かつＢ領域では排気エミッション上、排気をバイパスし
ても問題ないためである。また、一定時間の経過後（Ti
merE≧TimeFとなった後）、バイパス弁15を閉じるの
は、排気バイパスを続けるとやがてはフィルタ温度が低
下してフィルタの再生が維持できなくなる可能性がある
ためである。

排気バイパスを行っていない場合の排気温度の目標値
は、SOFの反応開始温度（200℃）であり、この温度以下
とならないようにTimeFの値を定める。

ただし、加速時には黒煙等が発生することがあるの
で、これが大気中に放出されないように、バイパス弁15
を閉じる（S11,S23）。

なお、上記S9やS11での減速時または加速時であるか
どうかの判定は、一定時間あたりのアクセル開度の変化
量と所定値との比較により行えばよい。

（iii）Ｃ領域 この場合は、Ｂ領域にある場合とほぼ同様であり、相
違するのは、排気絞りとヒータ作動に、さらに吸気絞り
を加えることによって、SOFの反応温度以上に昇温させ
ている点だけである。

4.再生終了の判定 S37ではタイマ値TimerAと所定値TimeBを比較し、Time
rA＜TimeBであれば、S38でタイマ値TimerAをインクリメ
ントし、TimerA≧TimeBになれば、フィルタの再生が終
了したと判断し、S39で再生終了をセットする。タイマ
値TimerAは再生操作が開始されてからの時間を表してい
る。

この場合、S39で再生の終了がセットされるまでは再
生時期と判定されているため、上記の再生操作が継続さ
れる。再生終了がセットされると、再生時期ではなくな
ったものとされ、S2からS40以降へと進む。

5.後処理 S40〜S46では後処理を行うとともにパーティキュレー
トをフィルタで捕集できる状態に戻す（S40〜S43で昇温
デバイスとヒータの作動を停止して、排気の全量をフィ
ルタ３に導き、S44,S45ではタイマ値TimerAをクリア、T
imerE＝TimeFとおき、S46では再生終了をリセットす
る）。

これで、フィルタ再生操作の説明をおえる。第１図
（Ａ）との対応では、S2で再生時期判定手段40、S3また
はS8が領域判定手段39、S18,S22,S14またはS33,S34,S30
が再生開始手段41、S12またはS28が低下スピード計算手
段43と判定手段44、S13またはS29が通電停止指示手段45
の各機能を果たしている。

ここで、この例の作用を説明する。

フィルタの再生時期になりかつ運転条件がB,C領域に
あることが判定されると、排気絞り装置と吸気絞り装置
の各昇温デバイスとヒータ19が選択的に作動されてフィ
ルタ３の再生が開始される。

さて、ヒータ19に通電しても、それがフィルタ３の昇
温に結びつかないことがあるのに、そうした場合に関係
なくヒータ19に通電しているとすれば、ヒータ19による
消費電力が大きくなって、バッテリに大きな負担をか
け、燃費も悪くなる。

これに対して、この例ではフィルタ温度の低下スピー
ドΔTcntが所定値Ｘに達しないあいだや加速時になるま
でのあいだは、ヒータ19に通電しても、それがフィルタ
３の昇温に結びつかないとして、ヒータ19への通電が停
止される。そして、加速時になりあるいは低下スピード
ΔTcntが所定値Ｘに達すると、ヒータ19に通電され、こ
れによりフィルタ温度がSOFの反応温度以上に維持され
る。

いいかえると、フィルタ温度を維持させるためにヒー
タ19への通電が真に必要なときに限ってヒータ19を作動
させ、それ以外ではヒータ19への通電を停止すること
で、フィルタが再生しうる状態を確実に維持しながら、
ヒータ19による消費電力量を少なくしてバッテリへの負
担を軽くし、かつ燃費の悪化を防止するのである。

また、この例では、減速時の排気バイパスを行うよう
にしていることから、これが行われる場合以外は、バイ
パス弁15が閉じられて、フィルタ温度が高い状態に維持
されるので、その分さらにヒータ15への通電停止期間を
のばすことができる。

なお、Ａ領域（高負荷時が含まれる）ではフィルタの
再生中でもバイパス弁15を閉じておくことで、高負荷時
に多く発生するパーティキュレートがバイパス通路14を
通して放出されることがないようにしている。

第５図は第２の発明の一実施例で、第３図に対応させ
ている。

この例では、前述の（ii−１）のかわりに、減速時よ
り所定時間（たとえば一定時間）のあいだだけは、ヒー
タ19への通電を停止し、その後は再びヒータ19に通電す
るようにしたものである。

たとえば、S54でタイマ値TimerCと一定値TimeDを比較
し、TimerC＜TimeDの場合にS52でヒータ19への通電を停
止し、この逆にTimerC≧TimeDの場合にS55でヒータ19に
通電するようにしておくと、S9で減速時を判定したとき
にS51でタイマ値TimerCをクリアすることにより、S52を
通ることになって、ヒータへの通電が停止される。ヒー
タ19への通電停止を一定時間だけに限っているのは、あ
まり長く通電を停止していると、ヒータによる排気以外
への昇温効果（たとえばケースの昇温効果）が損なわれ
るためである。なお、通電停止時間（TimeD）は、減速
時に排気バイパスを行う時間（TimeF）よりも小さな値
とする。

減速時はフィルタ３を冷却しないよう排気がバイパス
され、フィルタ３へはほとんど排気が流れることがない
のであるから、ヒータ19を作動させても、フィルタ３の
昇温効果は薄いのであり、減速時から一定時間のあいだ
ヒータ19への通電を停止することにより、この例でもヒ
ータ19による消費電力量が減らされるのである。

なお、第１図（Ｂ）との対応では、S9またはS25が減
速時判定手段54、S10,S16,S20またはS26,S32,S20が作動
手段55、S51,S54,S52またはS58,S61,S59が通電停止指示
手段45の各機能を果たしている。

（発明の効果） 第１の発明では、昇温デバイスとヒータを作動させて
のフィルタ再生中でも、フィルタ温度の低下スピードが
所定値になるまでのあいだ、また第２の発明では、減速
時に排気バイパスが行われる場合には、フィルタの再生
中でも、減速時から所定時間のあいだ、それぞれヒータ
への通電を停止するようにしたため、フィルタが再生し
うる状態を確実に維持しながら、ヒータによる消費電力
量を少なくしてバッテリへの負担を軽くし、かつ燃費の
悪化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）と第１図（Ｂ）は各発明のクレーム対応
図、第２図は一実施例のシステム図、第３図はこの実施
例の制御動作を説明するための流れ図、第４図はこの実
施例の運転領域図、第５図は他の実施例の制御動作を説
明するための流れ図である。 １……エンジン、２……排気通路、３……フィルタ、５
……吸気通路、６……吸気絞り弁、８……ダイアフラム
アクチュエータ、９……三方電磁弁、11……排気絞り
弁、12……ダイアフラムアクチュエータ、13……三方電
磁弁、14……バイパス通路、15……バイパス弁、16……
ダイアフラムアクチュエータ、17……三方電磁弁、19…
…ヒータ、21……圧力センサ、23……フィルタ内部温度
センサ、24……クランク角センサ、25……アクセル開度
センサ（エンジン負荷センサ）、26……水温センサ、27
……コントロールユニット、32……フィルタ、33……昇
温デバイス、34……ヒータ、35……ヒータ通電装置、36
……領域区分け手段、37……エンジン負荷センサ、38…
…エンジン回転数センサ、39……領域判定手段、40……
再生時期判定手段、41……再生開始手段、42……フィル
タ温度センサ、43……低下スピード計算手段、44……判
定手段、45……通電停止指示手段、51……バイパス通
路、52……バイパス弁、53……バイパス弁駆動装置、54
……減速時判定手段、55……作動手段。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−85417（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−90914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112715（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−237811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−266113（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−145823（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−95522（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−88015（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/02 F01N 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気中のパーティキュレートを捕集するフ
   ィルタと、吸気絞りまたは排気絞りを行うことによって
   前記フィルタを昇温させるデバイスと、前記フィルタを
   加熱するヒータと、このヒータへの通電を行う装置と、
   エンジンの運転領域を前記フィルタの自己再生可能領域
   とそれ以外の領域との少なくとも２つに区分けする手段
   と、エンジンの負荷と回転数をそれぞれ検出するセンサ
   と、これらの検出値から定まる運転条件が前記フィルタ
   の自己再生可能領域以外の領域にあるかどうかを判定す
   る手段と、前記フィルタの再生時期にあるかどうかを判
   定する手段と、これらの判定結果に基づきフィルタの再
   生時期になりかつ運転条件が前記フィルタの自己再生可
   能領域以外の領域にある場合に前記昇温デバイスと前記
   ヒータ通電装置を作動させてフィルタの再生を開始させ
   る手段と、このフィルタの再生中にフィルタ温度を検出
   するセンサと、この検出値よりフィルタ温度の低下スピ
   ードを計算する手段と、この低下スピードが所定値より
   も遅いかどうかを判定する手段と、この判定結果より低
   下スピードが所定値よりも遅い場合に前記ヒータへの通
   電が停止されるように前記ヒータ通電装置に指示する手
   段とを設けたことを特徴とするエンジンの排気浄化装
   置。
2. 【請求項２】排気中のパーティキュレートを捕集するフ
   ィルタと、吸気絞りまたは排気絞りを行うことによって
   前記フィルタを昇温させるデバイスと、前記フィルタを
   加熱するヒータと、このヒータへの通電を行う装置と、
   前記フィルタをバイパスする通路と、この通路を開閉す
   るバイパス弁と、このバイパス弁の駆動装置と、エンジ
   ンの運転領域を前記フィルタの自己再生可能領域とそれ
   以外の領域の少なくとも２つに区分けする手段と、エン
   ジンの負荷と回転数をそれぞれ検出するセンサと、これ
   らの検出値から定まる運転条件が前記フィルタの自己再
   生可能領域以外の領域にあるかどうかを判定する手段
   と、前記フィルタの再生時期にあるかどうかを判定する
   手段と、これらの判定結果に基づきフィルタの再生時期
   になりかつ運転条件が前記フィルタの自己再生可能領域
   以外の領域にある場合に前記昇温デバイスと前記ヒータ
   通電装置を作動させてフィルタの再生を開始させる手段
   と、このフィルタの再生中に前記エンジン負荷の検出値
   から減速時にあるかどうかを判定する手段と、この判定
   結果よりフィルタ再生中の減速時に前記バイパス弁が開
   かれるように前記バイパス弁駆動装置を作動する手段
   と、同じくフィルタ再生中の減速時に前記ヒータへの通
   電が所定時間停止されるように前記ヒータ通電装置に指
   示する手段とを設けたことを特徴とするエンジンの排気
   浄化装置。