JP3117733U - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを浄化したガスとしてエンジンに供給し、エンジンを傷めることなしにＨＣやＣＯ、ＮＯx 、ＰＭを減らすことができ、しかも燃料に添加剤を一定の比率で自動的に添加することにより一層排気ガス浄化の効果を高めることができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する
【解決手段】エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路３１を設けたＥＧＲ装置５０と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設ける構成とした。
【選択図】図１

Description

本考案は、ディーゼルエンジン車の排気ガス浄化装置に係り、特に窒素酸化物（ＮＯx）と粒子状物質（パテキュレートマター）の除去効果に優れた燃料添加剤と触媒装置を使用したディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

トラックやバスに搭載されるディーゼルエンジンにおいて、排気ガスにはＨＣやＣＯ、ＮＯxなどのほか、パティキュレートマター（以下ＰＭと言う）が多く含まれている。そこで、ディーゼルエンジン車の排気ガス浄化装置としては、ＰＭを除去するために、排気マフラーの後方にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ＝ディーゼル微粒子除去装置）を取り付け、ＨＣやＣＯを処理するため酸化触媒を取り付け、さらに、ＮＯxを低減するためにＥＧＲ装置が取り付けられている。このＥＧＲ装置は、排気ガスの一部を排気マニホールドより吸気マニホールドに戻してやり、不活性ガスの増加で燃焼温度を低下させ、ＮＯx を低減させるものである。この種のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の従来例として、米国特許第５０８５０４９号公報に示すような内燃機関の排気浄化装置などがあった。
米国特許第５０８５０４９号公報

しかしながら、上述した従来のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置においては、ＥＧＲガスを排気マニホルドから直接吸気側へ導入するので、吸入空気と一緒に燃焼室へ送られ、ディーゼルエンジンの排気ガスに多量に含まれる黒煙分やＰＭ成分或いは硫黄分により、ピストンやシリンダの耐久性や耐磨耗性の低下や潤滑油の劣化を引き起こすという問題が発生していた。また、このような汚れたＥＧＲガスをエンジン本体に吸入することにより、従来のこの種のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を取り付けると例外なく燃費が悪化するという問題も発生していた。

また、上述したディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置においては、排気ガスの黒煙分やＰＭ成分がフィルタにおいて、フィルタの温度が低いために不完全燃焼してフィルタに付着して目詰まりが発生することをる防止するために、燃料の中に添加剤を混入するようにしているが、正確に行なわれた場合は相応の効果を発揮できるが、具体的な添加方法が示されておらず、人手で行なわれた場合は、その比率は正確でなく、しかも添加されない虞も発生するので、その効果は決して保証できるものではなかった。

本考案は上述した従来の問題点に鑑みなされたもので、排気ガスを浄化したガスとしてエンジンに供給し、エンジンを傷めることなしにＨＣやＣＯ、ＮＯx 、ＰＭを減らすことができ、しかも燃料に添加剤を一定の比率で自動的に添加することにより一層排気ガス浄化の効果を高めることができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本考案に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられていることを特徴とするものである。

また、本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、前記フロントフィルタユニットおよびリヤフィルタユニットには中心側に配置されたハニカム状の触媒フィルタと、前記触媒フィルタと外側のケースとの間を埋めるセラミックスボールが配置され、前記フロントフィルタユニットの前面には加熱用のヒータが配置され、該ヒータを制御するヒータコントローラが備えられ、前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられていることを特徴としている。

さらに、本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、前記フロントフィルタユニットおよびリヤフィルタユニットには中心側に配置されたハニカム状の触媒フィルタと、前記触媒フィルタと外側のケースとの間を埋めるセラミックスボールが配置さ
れ、前記フロントフィルタユニットの前面には加熱用のヒータが配置され、該ヒータを制御するヒータコントローラが備えられ、前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられ、前記添加剤供給装置は、添加剤供給ユニット（ＦＢＵ）と添加剤供給ユニットのコントローラを備え、鉄およびセリウムを含む添加剤を燃料に０．１％の割合で添加することを特徴とするものである。

本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられていることにより、効果的にディーゼルエンジンの排気ガスを浄化することができるとともに、浄化
した排気ガスをＥＧＲ通路により、エンジン本体の吸気側に供給することができるので、ディーゼルエンジンを傷めることなくディーゼルエンジンの排気ガスを浄化することができるという、極めて優れた効果を奏するものである。

また、本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、添加剤供給ユニット（ＦＢＵ）と添加剤供給ユニットのコントローラを備えた添加剤供給装置で、鉄およびセリウムを含む添加剤を自動的に燃料に０．１％の割合で添加することにより、比較的低温（２５０°〜３００°Ｃ）においても効率的にＰＭの燃焼を促進するので、貴金属を使用した効果な触媒を必要とせず、安価なディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供できるものである。

さらに、本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、フロントフィルタユニットの前面には加熱用のヒータが配置され、このヒータを制御するヒータコントローラが備えられたことにより、エンジン始動直後の排気ガスの温度の低い場合や、低速走行や渋滞などでアイドリング状態が続いて排気ガスの温度が低下した場合でも、フロントフィルタユニットの触媒が活性化する温度に加熱し、排気ガスを安定的に浄化するものである。

本考案に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
図１は本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の構成を示すブロック図、図２は図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のフロントフィルタユニットを示す断面図、図３は図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のリヤフィルタユニットを示す断面図、図４は図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のヒータコントローラを示すブロック図、図５は図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の添加剤供給装置の構成を示す模式図である。

本考案に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、図１に示すように、エンジン１の排気管２に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路３１を設けたＥＧＲ装置３０と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置５０と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニット１０とリヤフィルタユニット２０に分割され、前記フロントフィルタユニット１０の下流側よりエンジン１の吸気通路３２に合流するＥＧＲ通路３１が設けられたものである。

また、エンジン１には燃料供給パイプ３を介して燃料の軽油タンク４が接続されており、この軽油タンク４には添加剤供給装置５０が接続され、軽油タンク４に添加剤を添加するようになっている。この添加剤供給装置５０はＦＢＵ（フューエルボーンユニット）コントローラ）５１とＦＢＵ（フューエルボーンユニット）５２を備え、添加剤を燃料の軽油に０．１％の割合で添加するように構成されている。

また、フロントフィルタユニット１０の前面には、後述するフロントフィルタユニット１０の触媒を加熱するためのヒータ４０が取り付けられており、ヒータコントローラ４１によりコントロールされるようになっている。このヒータコントローラ４１とＦＢＵコントローラ５１はコントロールボックス５に収納され、このコントロールボックス５は車両のバッテリ６に接続され、添加剤供給装置５０やヒータ４０に必要な電力を供給するようになっている。

この本体装置のフロントフィルタユニット１０は、図２に示すように、ステンレス鋼などから円筒形に形成された外ケース１１の中に収納されており、この外ケース１１の前面に取り付けられた前側板１２により排気管２に連結される。このフロントフィルタユニット１０の排気ガスの入口側にヒータ４１が取り付けられている。このフロントフィルタユニット１０の内部には内ケース１５が配置され、この内ケース１５の前方の中心側にハニカム状の触媒フィルタ１３が配置され、この触媒フィルタ１３と内ケース１５の間およびフロントフィルタユニット１０の後方にはセラミックスボール１４が隙間を埋めるように
配置されている。

このフロントフィルタユニット１０の触媒フィルタ１３は、担体となるハニカム構造体に酸化作用のある卑金属の酸化触媒を担持させたもので、白金やパラジウムのような貴金属を使用せず、公知で市販品に供される安価な標準サイズの触媒フィルタを使用している。そのため、必ずしも内ケース１５の寸法とは適合せず、内ケース１５との間に隙間が発生する。そこで、この触媒フィルタ１３と内ケース１５との間に直径５ｍｍ程度の球状のセラミックスを封入するものである。そして、この球状のセラミックスを触媒フィルタ１３の後方に封入するものである。このフロントフィルタユニット１０は、排気ガスの温度
が高くなり、その温度が燃焼温度を超えると堆積した黒煙とＰＭ成分が燃焼してしまい、除去されてしまう自己再生作用がある。そのため、頻繁なメンテナンス作業は必要なく、３００００Ｋｍ程度までメンテナンスフリーになるものである。

また、リヤフィルタユニット２０は、図３に示すように、ステンレス鋼などから円筒形に形成された外ケース２１の中に収納されており、この外ケース２１の前面に取り付けられた前側板２２によりフロントフィルタユニット１０に連結される。このリヤフィルタユニット２０の前側板２２側には排気ガスのＥＧＲ装置５０が取り付けられている。このリヤフィルタユニット２０の内部には内ケース２５が配置され、この内ケース２５の前方の中心側にハニカム状の触媒フィルタ２３が配置され、この触媒フィルタ２３と内ケース２５の間およびリヤフィルタユニット２０の後方にはセラミックスボール２４が隙間を埋めるように配置されている。

このリヤフィルタユニット２０の触媒フィルタ２３はフロントフィルタユニット１０と同様に、担体となるハニカム構造体に酸化作用のある卑金属の酸化触媒を担持させたもので、白金やパラジウムのような貴金属を使用せず、公知で市販品に供される安価な標準サイズの触媒フィルタを使用しているので、内ケース２５の寸法とは適合せず、内ケース２５との間に隙間が発生する。そこで、この触媒フィルタ２３と内ケース２５との間に直径５ｍｍ程度の球状のセラミックスを封入するものである。そして、この球状のセラミックスを触媒フィルタ２３の後方に封入するものである。

このように構成された本体装置は、フロントフィルタユニット１０とリヤフィルタユニット２０に分割されているので、一体化された装置に比べてフロントフィルタユニット１０とリヤフィルタユニット２０は小型化されており、従来の一体化された大型の装置では取り付け不能であった小型のディーゼル車でも取り付け可能となるものである。そして、フロントフィルタユニット１０とリヤフィルタユニット２０が離れることにより、後述するＥＧＲ通路が長くなり、吸気通路に帰還する排気ガスの温度が冷却されて、排気ガスの冷却装置などが不要になる。

また、このフロントフィルタユニット１０の前面に取り付けられているヒータ４０は、フロントフィルタユニット１０の形状に合わせて円盤状に形成され、内ケース１５に固定されている。このヒータ４０は、放射状に形成されたセラミックス製のヒータ支持枠に同心円状にカンタル線のヒータが取り付けられている。このヒータ４０には電極４２を介してＤＣ２５Ｖ／２０Ａで５００Ｗの電力が供給され、耐熱温度が６００°Ｃの仕様で製作されている。そして、このヒータ４０には図示しないサーモスタットが付属されており、２６０°Ｃでオンし、３００°Ｃでオフされるようになっている。

このヒータ４１をコントロールするヒータコントローラ４１は、コントロールボックス５に収容されており、図４に示すように、車両用のバッテリ６に接続され、内部にリレー回路、ブザー回路、ブレーカ回路などの各種の回路が備えられており、前面パネル４３には、パワースイッチ４４、パワーランプ４５、テンプランプ４６、ヒータランプ４７、ブレーカ４８、ブザースイッチ４９が取り付けられている。

このヒータコントローラ４１は、エンジン始動後にパワースイッチ４３をオンさせると、この装置が作動したことを示すパワーランプ４４が点灯し、ヒータ４０が作動したことを示すヒータランプ４６が点灯する。即ち、エンジン始動直後は、排気ガスの温度が低く、フロントフィルタユニット１０が適正に作動する温度（３００°Ｃ）に達していないので、ヒータ４０によりフロントフィルタユニット１０を加熱するものである。通常はエンジン始動後３０分程度で所定温度に達するので、ヒータランプ４６は消灯する。また、低速走行や渋滞などでアンドリング状態が続いた場合は、フロントフィルタユニット１０の
温度が２６０°Ｃ以下に低下するので自動的にヒータ４０に通電されて加熱され、ヒータランプ４６が点灯するものである。

また、テンプランプ４６は、長期間使用していると、フロントフィルタユニット１０やリヤフィルタユニット２０に黒煙やＰＭが詰まり、内部の温度が５００°Ｃ以上になると点灯するもので、このテンプランプ４６が点灯すると警告用のブザーが鳴り、運転者に警告するようになっている。このブザーは、ブザースイッチ４９をオフすることにより止めることができる。このテンプランプ４６が煩瑣に点灯し、警告用のブザーが鳴る場合は、フィルタの清掃時期であることを示すので、管理者はメンテナンスを行うものである。

また、リヤフィルタユニット２０の入り口側には、ＥＧＲ装置３０の接続口３３が設けられている。本考案におけるＥＧＲ装置３０は、接続口３３よりエンジン本体の吸気通路３２に連通されたＥＧＲ通路３１が設けられ、このＥＧＲ通路３１の途中に図示しないＥＧＲバルブが取り付けられている。このＥＧＲバルブには、図示しないＥＧＲ制御バルブが取り付けられており、このＥＧＲ制御バルブは図示しないＥＣＵに接続され、排気系統に取り付けられた図示しない酸素濃度センサ、排気温度センサなどで検出した結果に応じて、適切なＥＧＲガス量になるようにＥＧＲバルブの開度を制御するものである。

このＥＧＲ装置３０では、図１に示すように、還流する排気ガスをフロントフィルタユニット１０の出口側から取り出しているので、この排気ガスの中にはエンジンを磨耗させるＰＭや黒鉛の成分はフィルタユニットでほとんど除去されて含まれていない。さらに、ＥＧＲ通路３１が長いので、還流する排気ガスはＥＧＲ通路３１の途中で冷却され、クリーンで冷却された排気ガスがエンジン本体Ｅの吸気通路３２に導入されるので、ＥＧＲ効果を高めてＮＯx を低減するとともに、黒煙分やＰＭ成分が少なくなり、ピストンやシリンダの耐久性や耐磨耗性の低下、潤滑油の劣化を引き起こすという問題を解消するもので
ある。

さらに、排気ガスの浄化性能を向上するために取り付けられた添加剤供給装置５０は、図５に示すように、ＦＢＵ（フューエルボーンユニット）５２と、このＦＢＵ５２をコントロールするＦＢＵ（フューエルボーンユニット）コントローラ５１を備え、鉄およびセリウムを含む添加剤を燃料の経由に０．１％の割合で添加するものである。

ＦＢＵコントローラ５１は、内部に図示しない制御用のＣＰＵを備え、制御の内容を表示するディスプレイ５１ａ、音響アラームの確定キー５１ｂ、視覚アラームの確定キー５１ｃ、制御のメニューを表示させるためのスクロールキー５１ｄ、制御の数値をアップさせるプラスキー５１ｅ、制御の数値をダウンさせるマイナスキー５１ｆ、入力確定用のエンターキー５１ｇを備えたものである。また、ＦＢＵ５２は、タンク５２ａとポンプ５２ｂを備え供給パイプ５２ｃを介して添加剤を燃料の軽油タンク４に供給するようになっている。

このように構成された添加剤供給装置５０は、ＦＢＵコントローラ５１によりエンジン１の回転数や排気ガスの温度、圧力などが表示され、ＦＢＵ５２から適正な添加剤の量を供給するようになっている。この添加剤は、エンジン１内で燃料と一緒に燃焼し、排気ガスと共に排出されたときにＰＭや黒煙粒子に付着し、その粒子の大きさを風船玉のように膨らます作用があり、それが表面積の大きなハニカム状の触媒フィルタに綿のように付着するため、補集効率を高めると同時に低い温度（２５０°Ｃ）でも着火し易くなり、燃焼し易くなるものである。そして、ＦＢＵコントローラ５１は、何らかの原因で添加剤の供
給がストップした場合にはアラームで警告し、適切な対処を行うことができるようになっている。

以上の説明のように、本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、本体装置と、ＥＧＲ装置と、添加剤供給装置により、効果的にディーゼルエンジンの排気ガスを浄化することができるとともに、浄化した排気ガスをＥＧＲ通路により、エンジン本体の吸気側に供給することができるので、ディーゼルエンジンを傷めることなくディーゼルエンジンの排気ガスを浄化することが可能となる。

本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を、実際に市販されているディーゼルエンジン搭載の車両（排気量２．７７リットル、車両総重量２６４０Ｋｇ、走行キロ数１２９０００Ｋｍ）である車両Ｄに取り付けて、公的試験所で排気ガスの測定を行ったところ、平成１７年度ＰＭ規制と新ＮＯX ・ＰＭ法を十分クリアーする優れた結果を得たものである。この値は、ＮＯX において装置の取り付け前に比べ４４％改善され、ＰＭにおいては実に８２％も改善された値である。さらに、この車両Ｄで実際の走行テストを行った結果、燃費において装置の取り付け前に比べ５％の改善ができたものである。

図１は本考案のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の構成を示すブロック図である。 図２は図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のフロントフィルタユニットを示す断面図である。 図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のリヤフィルタユニットを示す断面図である。 図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置のヒータコントローラを示すブロック図である。 図１のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の添加剤供給装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気管
３ 燃料供給パイプ
４ 軽油タンク
５ コントロールボックス
６ バッテリ
１０ フロントフィルタユニット
１１ 外ケース
１２ 前側板
１３ 触媒フィルタ
１４ セラミックスボール
１５ 内ケース
２０ リヤフィルタユニット
２１ 外ケース
２２ 前側板
２３ 触媒フィルタ
２４ セラミックスボール
３０ ＥＧＲ装置
３１ ＥＧＲ通路
３２ 吸気通路
４０ ヒータ
４１ ヒータコントローラ
５０ 添加剤供給装置
５１ ＦＢＵコントローラ
５２ ＦＢＵユニット

Claims (3)

1. エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、
   前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、
   前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
2. エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、
   前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、
   前記フロントフィルタユニットおよびリヤフィルタユニットには中心側に配置されたハニカム状の触媒フィルタと、前記触媒フィルタと外側のケースとの間を埋めるセラミックスボールが配置され、
   前記フロントフィルタユニットの前面には加熱用のヒータが配置され、
   該ヒータを制御するコントロールボックスが備えられ、
   前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
3. エンジン本体の排気管に連結される本体装置と、前記本体装置の下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路を設けたＥＧＲ装置と、燃料に添加剤を自動的に供給する添加剤供給装置と、を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置であって、
   前記本体装置は、粒子状物質を吸着するフロントフィルタユニットとリヤフィルタユニットに分割され、
   前記フロントフィルタユニットおよびリヤフィルタユニットには中心側に配置されたハニカム状の触媒フィルタと、前記触媒フィルタと外側のケースとの間を埋めるセラミックスボールが配置され、
   前記フロントフィルタユニットの前面には加熱用のヒータが配置され、
   該ヒータを制御するコントロールボックスが備えられ、
   前記フロントフィルタユニットの下流側よりエンジン本体の吸気通路に合流するＥＧＲ通路が設けられ、
   前記添加剤供給装置は、添加剤供給ユニットと添加剤供給ユニットのコントローラを備え、
   鉄およびセリウムを含む添加剤を燃料に０．１％の割合で添加することを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。

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