JP4328647B2 - 排気浄化器の再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化器の再生装置に係り、詳しくは、ディーゼルエンジン用ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）の目詰まりを解消させて再生させるための装置に関するものである。

最近では、自動車等に関する環境汚染防止の見地から、エンジンの排気路に排気浄化器を付設して、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどを除去することが要請されている。従来、排気浄化器の再生装置は、ディーゼルエンジンの排気経路に配備される排気浄化器と、この排気浄化器によって捕捉されて排気浄化器に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段とを有して構成されており、このような技術の例としては、特許文献１や特許文献２において開示されたものが知られている。

つまり、煤で詰まった排気浄化器を再生する装置として、電磁燃料噴射弁、燃料圧送ポンプ、燃料調圧弁等を用いた燃焼手段を設けて、外部から排気管内に燃料を噴射して燃焼させ、排ガス温度を高めて煤を燃やしてしまうものであり、これによって排気浄化器が良好に機能できる状態に戻すことができる。

排ガス経路に燃料を噴射・燃焼させる再生装置は常時行われるものではなく、ある程度目詰まりを起したときに一時的に行われるものであり、通常は作動しない。従って、再生装置が作動していない状況では、再生用燃料が排気管の近くに存在して待機していることになり、その再生用燃料に排気管の熱が伝わって徐々に炭化してゆき、再生装置自身が詰まってしまうおそれがある。

これを解消するために、従来では、電磁燃料噴射弁を水冷式等の冷却機構付のものに構成するとともに、燃料カット弁、燃料圧力計、排気温度計等を加えた燃焼制御システムを構築することにより、再生装置の非作動時には排気管近くに燃料が滞留しないようにして、前述した炭化による再生装置の不具合が生じないようにされている。
特開２００３−３８３２号公報 特開２００４−１９６５１号公報

しかしながら、従来の再生装置では、水冷式電磁燃料噴射弁や専用の燃料ポンプ、並びにＣＰＵ等による制御システムを必要とすることから、システムが大掛かりでコストが高く付くとともに、取付け場所が制限されるという問題があった。そこで、本発明の目的は、高温の排気管内に煤燃焼用の燃料を供給する再生装置を、従来のような複雑なシステムを使うことなく、極力、簡素化や廉価化が図れた状態で提供する点にある。

請求項１の構成は、ディーゼルエンジン（Ｅ）の排気経路（４）に配備される排気浄化器（１）と、この排気浄化器（１）によって捕捉されて該排気浄化器（１）に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段（６）と、を有して成る排気浄化器の再生装置であって、
前記燃焼手段（６）が、前記排気経路（４）における前記排気浄化器（１）に対する排気流れ方向の上流側部位にエンジン用燃料を導く燃料導入手段（７）と、この燃料導入手段（７）によって導入されてくる燃料に着火させる着火手段（８）とから構成されるとともに、前記燃料導入手段（７）は、エンジン用燃料を部分酸化触媒を用いてガス化して前記上流側部位に供給する改質器（５）を有し、
前記改質器（５）に空気の供給及び供給停止が自在な空気供給手段（１５）を設け、前記改質器（５）は、ガス化された燃料と空気とを混合して成る混合ガスを前記上流側部位に供給可能なものに構成されていることを特徴とする。

請求項２の構成は、請求項１に記載の排気浄化器の再生装置において、前記燃料導入手段（７）は、燃料噴射ポンプ（１６）における余剰燃料を前記改質器（５）に導く燃料導入路（１１）と、この燃料導入路（１１）の断続状態を制御する燃料用制御弁（１４）とから構成されていることを特徴とする。

請求項３の構成は、請求項１または請求項２に記載の排気浄化器の再生装置において、前記空気供給手段（１５）は、排気ターボ過給機（２）によって過給された空気の一部を前記改質器（５）に導き可能な過給気導入路（１７）と、この過給気導入路（１７）の断続状態を制御する制御弁（１８）とから構成されていることを特徴とする。

請求項４の構成は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化器の再生装置において、前記着火手段（８）が酸化触媒又はバーナーであることを特徴とする。

請求項５の構成は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化器の再生装置において、エンジン（Ｅ）の運転時間を計測する計時手段（２７）を設け、前記燃焼手段（６）による燃焼作動が、所定のエンジン運転時間の経過毎に行われるように、前記着火手段（８）と前記計時手段（２７）とを連係させる時限制御手段（２８）が装備されていることを特徴とする。

請求項６の構成は、ディーゼルエンジン（Ｅ）の排気経路（４）に配備される排気浄化器（１）と、この排気浄化器（１）によって捕捉されて該排気浄化器（１）に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段（６）と、を有して成る排気浄化器の再生装置であって、
前記燃焼手段（６）が、前記排気経路（４）における前記排気浄化器（１）に対する排気流れ方向の上流側部位にエンジン用燃料を導く燃料導入手段（７）と、この燃料導入手段（７）によって導入されてくる燃料に着火させる着火手段（８）とから構成されるとともに、前記燃料導入手段（７）は、エンジン用燃料を部分酸化触媒を用いてガス化して前記上流側部位に供給する改質器（５）を有し、
前記燃料導入手段（７）は、燃料噴射ポンプ（１６）における余剰燃料を前記改質器（５）に導く燃料導入路（１１）と、この燃料導入路（１１）の断続状態を制御する燃料用制御弁（１４）とから構成され、
排気ターボ過給機（２）によって過給された空気の一部を前記改質器（５）に導き可能な過給気導入路（１７）と、この過給気導入路（１７）の断続状態を制御する空気用制御弁（１８）とを設けて、前記改質器（５）に空気の供給及び供給停止が自在な空気供給手段（１５）が構成され、
前記改質器（５）から出るガス化された燃料の温度を検出するガス温度検出手段（２０）と、前記着火手段（８）によって燃焼する温度を検出する燃焼温度検出手段（１９）とを設け、前記ガス化された燃料の温度が第１所定温度以下となるように、かつ、前記燃焼温度が第２所定温度以上となるように、前記燃料用制御弁（１４）と前記空気用制御弁（１８）とを調節操作する燃焼制御手段（２１）が装備されていることを特徴とする。
請求項７の構成は、請求項６に記載の排気浄化器の再生装置において、
前記着火手段（８）が酸化触媒又はバーナーであることを特徴とする。

請求項１の構成によれば、燃料をガス化して排気経路に供給するので、不使用時における排気熱による燃料の炭化、並びにそれによる再生装置での詰まりを抑制又は解消させることができ、再生装置の耐久性や信頼性を向上させることができるとともに、そのための手段には、再生燃焼用としての高価な水冷式燃料噴射ポンプが不要であり、構造の簡素化やコストダウンが行える。また、排気経路に導入されるガス化燃料は、改質器による部分酸化によって改質されているので、単に熱を加えて気化させる場合に比べて、燃焼による煤が軽減されてクリーンな再生処理が行えるとともに、比較的低温で、かつ、外部からの熱供給を必要としない理想的な反応システムとすることが可能になる。その結果、高温の排気管内に煤燃焼用の燃料を供給する再生装置を、従来のような複雑なシステムを使うことなく、極力、簡素化や廉価化が図れた状態で提供することができる。
また、請求項１の構成によれば、空気供給手段を設けたことによって、改質器における燃料と空気との混合ガス濃度や比率を調節可能になり、より再生燃焼に適するとか、煤等の燃えカスがより生じ難いといった具合に、燃料ガスを調節しての再生処理が行えるようになる。また、再生処理後に空気のみを改質器に供給して、排気経路近くに存在する燃料ガスを押出して無くし、排気熱によるガス燃料の炭化のおそれが一掃可能となる利点もある。

請求項２の構成によれば、燃料噴射ポンプに常備されるオーバーフローパイプからの余剰燃料を改質器に導く構成としたので、前述した水冷式燃料噴射ポンプに加えて燃料圧送ポンプも不要になり、さらにコストダウンすることが可能になる。

請求項３の構成によれば、エンジン補機として装備されている排気ターボ過給機を用いて空気供給手段としてあるので、専用の空気供給手段が不要であり、その分、構造の簡素化やコストダウンが可能になる。供給される空気は排気ターボ過給機による加圧空気であるから、制御弁との協働により、改質器への単位時間当たりの空気供給量の調節幅を大きくすることができるとともに、効率良く空気供給が行えるようになる。

請求項４の構成によれば、着火手段を酸化触媒とすれば、改質器から燃料ガスを供給するだけで着火させて排気浄化器の再生処理が行える。また、着火手段をバーナーとすれば、市販バーナー等の市場に出まわっている既存部品を用いる構成が採れるので、コスト的に有利なものが可能である。

請求項５の構成によれば、所定のエンジン運転時間が経過すればガス化燃料を排気経路に供給して燃焼させての再生処理を自動的に行わせるものであり、排気浄化器に実際に目詰まりが生じたら再生処理させる制御を行うに比べて、構成が難しく、コスト高になることが予測される目詰まり検出手段を、廉価な時限手段に置き代えることができるので、制御システムが簡単でコスト安に構築できる利点がある。

請求項６の構成によれば、詳しくは実施例において説明するが、改質器の出口温度が高くなり過ぎないように、かつ、排気浄化器の入口温度が低くなり過ぎないように、といった具合に排気浄化器を再生するための燃焼状態を調節制御することができ、所望の再生処理を実現させることが可能になる。
請求項７の構成によれば、着火手段を酸化触媒とすれば、改質器から燃料ガスを供給するだけで着火させて排気浄化器の再生処理が行える。また、着火手段をバーナーとすれば、市販バーナー等の市場に出まわっている既存部品を用いる構成が採れるので、コスト的に有利なものが可能である。

以下、本発明による排気浄化器の再生装置について、図面を参照して説明する。図１は排気浄化器の再生装置を模式的に示す概要図であり、図２は燃料システムの構造を示す系統図である。

過給機付きディーゼルエンジンＥの排気ガス浄化システムＳ、並びに排気浄化器１の再生装置Ａを図１に示す。図１において、２は排気ターボ過給機であり、吸気（空気）を圧縮してエンジンＥの吸気管３に供給する圧縮機２Ａと、エンジンＥの排気ガスの圧力を用いて圧縮機２Ａを駆動するための排気タービン２Ｂとから構成されている。

排気ガス浄化システムＳは、排気ターボ過給機２を経た排気経路（ディーゼルエンジンＥの排気経路）４に、排気浄化器１を直列に接続することで構成されている。排気浄化器１は、ＤＰＦ（前述）とも呼ばれ、浄化フィルタ（図示省略）が内装されている。浄化フィルタは、焼結金属（ステンレス）フィルタ、格子状やハニカム状のセラミックスフィルタ、セラミックスや金属で形成された泡状のフィルタ、金属ウール用いたもの等、種々のものがある。尚、この排気浄化器１自体は公知技術のものにつき、これ以上の詳細な説明は割愛する。

再生装置Ａは、排気浄化器１と、これによって捕捉されて排気浄化器１に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段６とから構成され、燃焼手段６は、排気経路４における排気浄化器１に対する排気流れ方向の上流側部位にエンジン用燃料を導く燃料導入手段７と、この燃料導入手段７によって導入されてくる燃料に着火させる着火手段８とから構成されている。そして、燃料導入手段７は、エンジン用燃料を部分酸化触媒を用いてガス化して上流側部位に供給する改質器５を有している。

改質器５に空気の供給及び供給停止が自在な空気供給手段１５を設け、改質器５は、その出口路５ａを介することにより、ガス化された燃料と空気とを混合して成る混合ガスを着火手段８の上流側部位ａに供給可能なものに構成されている。空気供給手段１５は、排気ターボ過給機２によって過給された空気の一部を改質器５に導き可能な過給気導入路１７と、この過給気導入路１７の断続状態を制御する第１電磁制御弁（空気用制御弁の一例）１８とから構成されている。

改質器５は、部分酸化触媒を用いて燃料を改質しながらガス化する公知の技術であり、メタン部分酸化による合成ガスの製造等において良く知られている。触媒としては、一般には担持ニッケル触媒が多用されるが、Ｐｔメッシュ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属触媒をガーゼ（金属ワイヤを編んだもの）やモノリスに担持させた構造のもの等、種々のものがある。この改質器５における典型的な反応式は
ＣＨ4＋1/2Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2 ΔＨ＝−３５kJ/mol……式１となり、発熱反応であってΔＨも負の値をとるので、反応は平衡的な制約を受けない。しかも、低温ほど平衡的に有利であるため、低温でしかも外部からの熱供給を必要としない理想的な反応システムとなり得る。

燃料導入手段７は、図１、図２に示すように、燃料噴射ポンプ１６の余剰燃料を燃料タンク１０に戻すオーバーフローパイプ１１から分岐弁１２等を介して分岐された燃料導入管１３と、この燃料導入管１３を断続自在な第２電磁制御弁（燃料用制御弁の一例）１４とから構成されており、燃料導入管１３の終端は、過給気導入路１７における改質器５に対する過給気流れ方向の上流側箇所ｂに接続されている。

燃料システムは、図２に示すように、燃料タンク１０と燃料フィルタ２２とフィードポンプ２３と燃料噴射装置９とをこの順に接続する燃料供給用の供給ホース２４と、前述したオーバーフローパイプ１１とを備えて構成されている。燃料噴射装置９は、燃料噴射ポンプ（インジェクションポンプ）１６と、各シリンダ毎に装備される噴射ノズル２５と、これら燃料噴射ポンプ１６と各噴射ノズル２５とを繋ぐ噴射パイプ２６等から構成されており、オーバーフローパイプ１１は、燃料噴射ポンプ１６と各噴射ノズル２５を直列接続する状態で設けられている。

着火手段８は、酸化触媒やバーナー等で構成されており、排気経路４における排気浄化器１の排気流れ方向の上流側に装備されている。この着火手段８の排気流れ方向の下流側で、かつ、排気浄化器１の上流側には、再生装置Ａによる燃焼温度を検出する燃焼温度計（燃焼温度検出手段の一例）１９が配備されるとともに、過給気導入路１７における改質器５と上流側部位ａとの間、即ち出口路５ａには、改質器５から出る燃焼ガスの温度を検出するガス温度計（ガス温度検出手段の一例）２０が配備されている。

そして、燃焼温度計１９とガス温度計２０との検出情報に基づいて、ガス化された燃料の温度が第１所定温度以下となるように、かつ、燃焼温度が第２所定温度以上となるように、第１電磁制御弁１８と第２電磁制御弁１４とを調節操作する燃焼制御手段２１が装備されている。また、エンジンＥの運転時間を計測する計時手段２７を設け、燃焼手段６による燃焼作動が、所定のエンジン運転時間の経過毎に行われるように、着火手段８と計時手段２７とを連係させる時限制御手段２８が装備されている。これら燃焼制御手段２１と時限制御手段２８とは、ＣＰＵ等から成る制御装置２９に構成されている。

改質器５においては、加圧された吸気の一部に燃料が加圧され、部分酸化触媒上でＨ2,ＣＯに分解される。このガス化された燃料を排気経路４（排気管）に導入し、着火手段８である酸化触媒上で燃焼させ、排気を５００℃以上に加熱し、排気浄化器１（フィルタ）に詰まっている煤を燃焼させ、排気浄化器１を再生させるのである。燃焼制御手段２１は、二つの温度計１９，２０を用いて、改質器５の（部分酸化触媒の）出口温度、即ち第１所定温度が高くなり過ぎないように、そして排気浄化器１の（ＤＰＦの）入口温度、即ち第２所定温度が５００℃以上となるように、各制御弁１４，１８の開度を制御する。上述の式１の反応における良好な平衡転化率を維持する等の点から、改質器５の出口温度は１１００℃以下に制御することが望ましい。従って、第１所定温度の一例は１１００℃であり、第２所定温度の一例は５００℃である。

時限制御手段２８は、燃焼制御手段２１による排気浄化器１の再生処理を、エンジンＥの運転が所定時間経過する毎に行わせるものである。これは、排気浄化器１に実際に目詰まりが生じたら再生処理させる制御に比べて、構成の難しい目詰まり検出手段が不要であり、制御システムが簡単でコスト安に構築できる利点がある。つまり、エンジン運転状態が所定時間経つと、それまで閉じられていた両制御弁１４，１８を開くとともにその開度調節を行い、燃料と吸気による改質された混合ガスを排気経路４に供給し、着火手段８で着火させて燃焼させ、排気浄化器１を再生させる処理が一定時間の間行われる。

計時手段２７は、例えば電子ガバナに装備されているエンジン回転数センサと、このセンサ出力を積算処理（積分処理）する手段とで構成することが可能である。また、農機等の作業機においては、エンジン運転による作業時間（稼動時間）の累計を表す積算計が装備されているので、その積算計を利用することもできる。その他、種々の手段が可能である。

再生処理が終了すると、第２電磁制御弁１４を閉じ、かつ、第１電磁制御弁１８は開いた状態として、加圧された吸気のみを改質器５に供給することにより、出口路５ａ内を掃気させて燃料成分が皆無の状態、或いはほぼ存在しない状態にすることができる。これにより、再生装置Ａが作動しない時間帯において、排気経路４の熱によって出口路５ａ内に存在する燃料が徐々に炭化する、という不都合が生じないように制御することができる。

以上説明したように、本発明による排気浄化器の再生装置Ａでは、高価な水冷式燃料噴射ポンプ、燃料圧送ポンプ、調圧弁等が不要であり、コストダウンが可能である。排気経路４には、燃料をガス（Ｈ2 ，ＣＯ，ＣＯ2 ，Ｈ2Ｏ ）化して供給するので、排気管近傍に燃料の噴射弁を配置する必要がなく、レイアウト設計が融通の効く自在なものとなる。

排気ガスの浄化システムと排気浄化器の再生装置を示す模式図 燃料システムの構造を示す系統図

１ 排気浄化器
２ 排気ターボ過給機
４ 排気経路
５ 改質器
６ 燃焼手段
７ 燃料導入手段
８ 着火手段
１１ 燃料導入路
１４ 燃料用制御弁
１５ 空気供給手段
１６ 燃料噴射ポンプ
１７ 過給気導入路
１８ 制御弁
１９ 燃焼温度検出手段
２０ ガス温度検出手段
２１ 燃焼制御手段
２７ 計時手段
２８ 時限制御手段
Ａ 排気浄化器の再生装置
Ｅ エンジン

Claims (7)

1. ディーゼルエンジン（Ｅ）の排気経路（４）に配備される排気浄化器（１）と、この排気浄化器（１）によって捕捉されて該排気浄化器（１）に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段（６）と、を有して成る排気浄化器の再生装置であって、
   前記燃焼手段（６）が、前記排気経路（４）における前記排気浄化器（１）に対する排気流れ方向の上流側部位にエンジン用燃料を導く燃料導入手段（７）と、この燃料導入手段（７）によって導入されてくる燃料に着火させる着火手段（８）とから構成されるとともに、前記燃料導入手段（７）は、エンジン用燃料を部分酸化触媒を用いてガス化して前記上流側部位に供給する改質器（５）を有し、
   前記改質器（５）に空気の供給及び供給停止が自在な空気供給手段（１５）を設け、前記改質器（５）は、ガス化された燃料と空気とを混合して成る混合ガスを前記上流側部位に供給可能なものに構成されている排気浄化器の再生装置。
2. 前記燃料導入手段（７）は、燃料噴射ポンプ（１６）における余剰燃料を前記改質器（５）に導く燃料導入路（１１）と、この燃料導入路（１１）の断続状態を制御する燃料用制御弁（１４）とから構成されている請求項１に記載の排気浄化器の再生装置。
3. 前記空気供給手段（１５）は、排気ターボ過給機（２）によって過給された空気の一部を前記改質器（５）に導き可能な過給気導入路（１７）と、この過給気導入路（１７）の断続状態を制御する制御弁（１８）とから構成されて請求項１または請求項２に記載の排気浄化器の再生装置。
4. 前記着火手段（８）が酸化触媒又はバーナーである請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化器の再生装置。
5. エンジン（Ｅ）の運転時間を計測する計時手段（２７）を設け、前記燃焼手段（６）による燃焼作動が、所定のエンジン運転時間の経過毎に行われるように、前記着火手段（８）と前記計時手段（２７）とを連係させる時限制御手段（２８）が装備されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化器の再生装置。
6. ディーゼルエンジン（Ｅ）の排気経路（４）に配備される排気浄化器（１）と、この排気浄化器（１）によって捕捉されて該排気浄化器（１）に蓄積された排気ガス中の捕捉物を燃焼させる燃焼手段（６）と、を有して成る排気浄化器の再生装置であって、
   前記燃焼手段（６）が、前記排気経路（４）における前記排気浄化器（１）に対する排気流れ方向の上流側部位にエンジン用燃料を導く燃料導入手段（７）と、この燃料導入手段（７）によって導入されてくる燃料に着火させる着火手段（８）とから構成されるとともに、前記燃料導入手段（７）は、エンジン用燃料を部分酸化触媒を用いてガス化して前記上流側部位に供給する改質器（５）を有し、
   前記燃料導入手段（７）は、燃料噴射ポンプ（１６）における余剰燃料を前記改質器（５）に導く燃料導入路（１１）と、この燃料導入路（１１）の断続状態を制御する燃料用制御弁（１４）とから構成され、
   排気ターボ過給機（２）によって過給された空気の一部を前記改質器（５）に導き可能な過給気導入路（１７）と、この過給気導入路（１７）の断続状態を制御する空気用制御弁（１８）とを設けて、前記改質器（５）に空気の供給及び供給停止が自在な空気供給手段（１５）が構成され、
   前記改質器（５）から出るガス化された燃料の温度を検出するガス温度検出手段（２０）と、前記着火手段（８）によって燃焼する温度を検出する燃焼温度検出手段（１９）とを設け、前記ガス化された燃料の温度が第１所定温度以下となるように、かつ、前記燃焼温度が第２所定温度以上となるように、前記燃料用制御弁（１４）と前記空気用制御弁（１８）とを調節操作する燃焼制御手段（２１）が装備されている排気浄化器の再生装置。
7. 前記着火手段（８）が酸化触媒又はバーナーである請求項６に記載の排気浄化器の再生装置。

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