JPH0441914A - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

内燃機関の排気処理装置

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JPH0441914A
JPH0441914A JP2143500A JP14350090A JPH0441914A JP H0441914 A JPH0441914 A JP H0441914A JP 2143500 A JP2143500 A JP 2143500A JP 14350090 A JP14350090 A JP 14350090A JP H0441914 A JPH0441914 A JP H0441914A
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fuel
temperature
exhaust
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Yoshiki Sekiya
関谷　芳樹
Tetsuya Uehara
哲也 上原
Eiji Aiyoshizawa
相吉澤　英二
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は主としてディーゼル機関の排気処理装置に関す
る。
（従来の技術） ディーゼル機関の排気中の微粒子（パーティキュレイト
）等が大気中に放出されるのを防ぐため、排気通路に排
気微粒子を捕捉するトラップを設置する場合、トラップ
で捕集したパーティキュレイトの堆積量の増加にしたが
って排圧が上昇し、機関性能に及ぼす影響も大きくなる
ので、定期的にトラップで捕捉したカーボンを主成分と
するパーティキュレイトを燃焼除去することによりトラ
ップの再生を行っている。
本出願人による実開昭６１−１７３７１２号公報では、
排気通路にトラップの上流に位置してバイパス通路を設
け、このバイパス通路に酸化触媒を設置し、所定の再生
時期に達すると、酸化触媒の上流に燃料を供給し、この
触媒で排気中の未燃成分を酸化燃焼し、この反応熱を利
用して下流側触媒付トラップでのパーティキュレイトを
燃焼させ、再生を行うようになっている。
パーティキュレイ！・は排気温度が例えば４００℃以上
の再生温度になると再生するが、それ以下では再生が難
しく、そのため、再生時の排気温度を検出して、再生温
度以下の領域では、低温活性度の高い触媒の上流に燃料
を供給して、その酸化反応熱により排気温度を上昇させ
るのである。
（発明が解決しようとする課題） ところが、機関の運転条件によっては排気温度が低く、
触媒の上流に燃料を供給しても酸化反応が不十分で、触
謀付トラップのパーティキュレイトの再生が円滑に行え
ないことがあり、このような場合には、触媒付トラップ
にパーティキュレイトがさらに堆積していき、目詰まり
により排圧が著しく増大して、運転性能を大きく低下さ
せることがある。
もちろんこのときには、排気中に供給した燃料も完全に
酸化反応せず、多くがそのまま白煙となって排出される
。
またこの場合、酸化触媒に排気が流れるのは再生時だけ
で、通常運転時にはそのまま触媒付トラップに流れ込み
、触媒付トラップに流入する排気中にはカーボンを主成
分とするパーティキュレイトの他に、低負荷域では可溶
性有機成分（ＳＯＦ）が多く含まれることがあり、連続
的に排気温度の低い低速・低負荷運転が継続した場合、
触媒付トラップに堆積し、目詰まりを起こしやすく、再
生時期のインターバルを延ばすことはできない。
そこで本発明は、再生時に白煙を発生したりトラップの
耐久性を損なうことがなく、しかも通常運転時はＳＯＦ
の確実な浄化と再生時期の延長を図れる内燃機関の排気
処理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） そこで本発明は、第１図に示すように、排気通路５０に
直列的に介装した酸化触媒５１及びその下流に位置する
パーティキュレイト捕集用トラップ５２と、トラップ５
２を迂回して排気を流すバイパス通路５３と、バイパス
通路５３を開閉するバイパス弁５４と、前記酸化触媒５
１の上流側にトラップ再生時に燃料を供給する手段５５
と、トラップ上流の排気温度を検出する手段５６と、再
生時に検出した排気温度がトラップ再生温度よりも低い
所定の温度範囲にあるときはバイパス弁５４を関して燃
料を供給し、それ以上のときは燃料供給を停止してバイ
パス弁５４を閉じ、それ以下のときは燃料供給を停止し
てバイパス弁５４を開く再生制御手段５７とを備える。
（作用） したがって再生時に排気温度が所定の温度（触媒活性温
度以上の）範囲にあるときは、酸化触媒５１の上流に燃
料を供給しながら再生を行うのであるが、この場合には
、酸化触媒５１で燃料が完全に燃焼し、その反応熱を利
用してトラップ５２でのパーティキュレイトの燃焼が円
滑に行なわれ、かつ白煙の排出もない。
排気温度が前記温度範囲よりも高いときは、燃料の供給
が無くてもトラップ５２に捕集されたパーティキュレイ
トは自己再生して燃焼するので、大量のパーティキュレ
イトが一気に燃焼してトラップ５２が異常高温化するの
を回避するため、このような場合は燃料の供給を停止す
ると共に排気の全量をトラップ５２に流入させることに
より燃焼熱を運び去り、トラップ５２の焼損を防止する
。
排気温度が前記温度範囲よりも低いときは、燃料を供給
しても完全な酸化反応が得られず、白煙となって排出さ
れるため、燃料供給を停止すると共にバイパス弁５４を
開くことにより、トラ・ンプ５２へのそれ以上のパーテ
ィキュレイトの堆積を防いで排圧上昇による運転性の悪
化を回避する。
一方、通常運転時で比較的低負荷域では排気中のパーテ
ィキュレイトは可溶性成分（ＳＯＦ）が大部分であり、
ＳＯＦは酸化触媒を通過する際に酸化されるため、トラ
ップ５２に排気を流さなくても十分に排気浄化できる。
また、中負荷域以上では酸化触媒５１とトラップ５２と
に排気を流し、ＳＯＦ、カーボンを共に有効的に浄化す
ると共に、排気温度が再生温度付近にあるため、トラッ
プ５２に堆積しているパーティキュレイトを再生するこ
ともできる。
したがってトラップ５２に対するパーティキュレイトの
堆積量が比較的少ない状態を維持することができるので
、排圧の上昇は少なく、燃費や運転性を良好に維持する
と共に、トラップ５２の強制的な再生時期のインターバ
ルを延ばして、再生に伴う燃費の悪化を低減する。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第２図において、１は機関本体、２は吸気通路、３は排
気通路で、排気通路３にはハニカム型酸化触媒４と、そ
の下流に位置して排気中のパーティキュレイトを捕捉す
る触媒付トラップ５が設けられる。トラップ５を迂回し
て排気を流すためにバイパス通路７が設けられ、このバ
イパス通路７にはバイパス弁８が介装される。
前記酸化触媒４の上流の排気通路３にはトラップ５の再
生時に燃料を供給する手段として、燃料噴射弁９が設置
される。
そして、トラップ５に捕集されたパーティキュレイトの
堆積量が所定の状態において、そのときの排気温度に応
じて燃料噴射弁９とバイパス弁８を作動を制御しながら
トラップ５の再生を行う、コントロールユニット１０が
備えられる。
マイクロコンピュータで精成されるコントロールユニッ
ト１０には、運転条件を代表する信号として、機関回転
数センサ１１からの回転数信号Ｎｅ、燃料噴射ポンプ１
２のレバー開度センサ１３からの燃料噴射量信号Ｑ、機
関冷却水温センサ１４からの冷却水温信号Ｔｗ、前記酸
化触媒４とトラップ５との間の排気通路３に設置した排
気温度センサ１５からの排気温度信号Ｔ、トラップ５の
上流と下流の排気圧力差を検出する差圧センサ１６から
の差圧信号ΔＰが入力し、これらに基づいて第３図のフ
ローチャートに示すところにしたがってトラップ５の再
生制御を実行する。
なお、この場合、コントロールユニット１０は燃料噴射
弁９の作動時期及び燃料噴射量と、バイパス弁８を駆動
するためのダイヤフラム装Ｗ　８　ａに導入する圧力を
制御する三方電磁弁８ｂの作動を制御する。
第３１ｖｌにおいて、Ｓｌで各種検出信号Ｎｅ、Ｑ、Ｔ
ｍ、ΔＰ、Ｔを読込み、まず再生中かどうかを判定した
のち、Ｓ３で再生時期に達したがどうかを、パーティキ
ュレイトの堆積量に伴って増加するΔＰの許容値に対す
る比較から判断する。
再生時期にあるときはＳ４で再生中フラグをオンにして
、Ｓ６で冷却水温Ｔｗが６０℃以上がどうかを判定する
。６０℃以上のときは機関の暖機が完了したものとして
、Ｓ７に進み、排気温度Ｔを触媒活性下限値としての３
００℃と比較する。
下限値よりも高いときは、Ｓ８でバイパス弁８を閉じる
共に、再生時間のカウントを行い、Ｓ９で今度は排気温
度を燃料供給上限値に相当する４００℃と比較する。
この上限値以下のとき、つまり排気温度が３００℃〜４
００℃の範囲にあるときは、Ｓ１０がらＳｌｌで、第４
図（ｄ）のマツプにしたがって、そのときの回転数に基
づいて燃料噴射量Ｑｆの検索を行い、この燃料噴射量Ｑ
「となるように燃料噴射弁９から燃料噴射させる。
一方、前記Ｓ６で冷却水温が設定値以下のときは、Ｓ１
７に進み、排気温度を燃料供給上限値（４００℃）と比
較し、これよりも低いときは、触媒での酸化ができない
と判断して、Ｓ１６に進み、バイパス弁８を開く。同じ
く、冷却水温が設定値以上であっても、排気温度が触媒
活性下限値よりも低いときは、Ｓ７から３１６に移行し
て、バイパス弁８を開き、パーティキュレイトがそれ以
上トラップ５に堆積するのを防ぐ。
また、Ｓ１７で排気温度が上限値よりも高いときは、燃
料を供給しなくても再生が可能なため、Ｓ１８でバイパ
ス弁８を閉じると共に、再生時間をカウントしてＳ１２
に進む。また、Ｓっで同じく４００℃以上のときも、再
生が可能なためそのまま燃１１を供給することなく、ト
ラップ５に排気の全量を流しつつ、Ｓ１２へ進む。
そして、Ｓ１２では再生時間のカウント値が所定時間に
達したかどうかをみて、所定時間に達するまでの間、Ｓ
ｌに戻りながら、上記した動作を縁り返す。
所定の再生時間が好適したときは、Ｓ１９に進み、再生
時間のカウントを行うタイマをリセットすると共に、再
生中フラグをオフにして、Ｓ　］、　３以降の通常運転
時の制御に移行する。
これは前記Ｓ３で再生時期に達していないと判断された
ときと同じで、第４図（ｂ）で示すマツプにしたがって
回転数Ｎｅと負荷（燃料噴射量Ｑ）からどの運転領域に
あるか検索を行う。
Ｓ１４で領域Ａかどうかを判定して、回転数、負荷が共
に高い領域Ａのときは、Ｓ１５でバイパス弁８を閉じ５
これに対して回転数、負荷が小さい領域Ｂのときは、バ
イパス弁８を開く。
高負荷時などバイパス弁８を閉じると排気は総てトラッ
プ５に流れ、パーティキュレイトの捕集が行なわれ、こ
れに対してＳＯＦは多いがカーボンの発生がほとんどな
い低負荷時などバイパス弁８を開いて酸化触媒４でＳＯ
Ｆの酸化を行う。
次に全体的な作用を説明すると、トラップ５に捕集され
たパーティキュレイトの堆積量が所定値に達したら、再
生動作が行なわれるが、この場合、機関の暖ｍ後で、第
４図（ａ）に示す斜線領域、つまり、排気温度が３００
℃〜４００℃の範囲では、燃料噴射弁９から燃ｔ１を噴
射しながら再生を行う。
酸化触媒４の下流の排気温度が３００℃以上のときは、
酸化触媒４での燃料の酸化反応（転換）効率が９０％以
上と高く、このため、供給燃料はほぼ確実に酸化反応（
燃焼）し、この反応熱により第４図（ｅ）に示すように
、排気温度がトラップ５の再生温度を越えて上昇し、下
流のトラップ５に堆積したカーボンを主成分とするパー
ティキュレイトが円滑に着火、燃焼する。
同時に供給燃料もトラップ５を通過するまでに完全に酸
化されるため、再生時に供給燃料の未酸化骨により発生
する白煙の排出も防止される。
これに対して排気温度が４００℃を越えるときは、燃料
の供給が停止された状態で再生が行なわれる。トラ・ン
プ５に捕集されたパーティキュレイトはこのような高温
雰囲気において酸化反応するため、酸化触媒４の上流に
燃料を供給しなくても再生が行なわれる。しかもこのと
き、バイパス弁８を閉じて排気の全量をトラップ５に流
すことにより、大量のパーティキュレイトが一気に燃焼
するときに発生する高熱を、排気によって運び去り、ト
ラップ５の異常高温化による焼損等の問題も回避する９ 他方、暖機が終了しなかったり、終了後でも排気温度が
３００°Ｃ以下のとき等は、酸化触媒４の上流に燃料を
供給しても完全に酸化できず、白煙として排出されるの
で、このような場合は、再生時期に達していても、再生
動作は行わない。
ただし、そのままでは既に大量のパーティキュレイトが
堆積しているトラップ５がさらに目詰まりして、排圧の
過度の上昇により機関運転性を著しく阻害する恐れがあ
るため、バイパス弁８を開いて、とりあえず機関性能の
悪化を回避しながら、排気温度が再生に適した温度まで
上昇するのを待つ。
しかし、３００℃以下の領域は、第４図（１）の領域Ｂ
とほぼ同じ領域であるため、通常の運転時と同様に、酸
化触媒４を通るのみでであり、排気性能の悪化はない。
一方、機関の通常運転時、つまりトラップ５の非再生時
は、第４図（ｂ）のように、高負荷域ではバイパス弁８
が閉じて、増加傾向にある排気中のパーティキュレイト
をトラップ５で捕捉するが、排気中のパーティキュレイ
トが少なく、もっばらＳＯＦが主成分となる低負荷域等
では、酸化触媒４を通過させることにより、これらの酸
化を確実に行って排気を浄化すると共に、バイパス弁８
を開くことで、運転中の排圧を下げ、燃費や運転性を良
好に維持することができる。
また、非再生中にトラップ５に排気が流れる領域は、排
気温度が再生温度付近またはそれ以上であるので、トラ
ップ５に捕集されたパーティキュレイトは自動的に再生
し、このため、トラップ５の必要な再生インターバルが
延び、また排圧の低下により燃費や運転性の悪化を最小
限にとどめられる。
次に第５図の実施例を説明すると、これは酸化触媒４の
上流に再生燃料を供給する手段として、燃料噴射弁９を
設ける代わりに、燃ｆ−＋噴射ポンプ１２を利用し、機
関の膨張行程の終期に燃焼室内に燃料を噴射することに
より、未燃成分を多く含む排気を排出し、これによって
酸化触媒４での反応を確保するようにしたのものである
。
燃料噴射ポンプ１２は、いわゆる分配型の燃料噴射ポン
プを基本にして、機関回転に同期して回転しながら往復
運動を行うプランジャにより、燃料を圧送するタイプに
おいて、圧送燃料を低圧側に逃がす回路に電子制御電磁
弁を介装して、この電磁弁の開閉を制御することにより
、燃料の噴射時期、噴射量を変化させられるようにした
燃料噴射ポンプを利用する。
具体的には第６図に示す通りで、燃料噴射ポンプ１２は
、ハウジング２１の内部にドライブシャフト２４により
駆動される低圧側フィートポンプ２２と高圧側プランジ
ャポンプ２３が配設され。
図示しない燃料入口からフィードポンプ２２により吸引
された燃料は、ハウジング２１の内部のポンプ室２５に
送出され、このポンプ室２５に開口する吸込通路２６を
経てプランジャポンプ２３に導かれる。
プランジャポンプ２３のプランジャ２７は先端部の周囲
に軸方向に延びる、気筒数と同数の吸込溝２８が形成さ
れると共に、基端側には同じく同数のカム山をもつフェ
イスカム２９が形成され、フェイスカム２９がドライブ
シャフト２４と一体に回転しながらローラリング３０に
配設されたローラ３１を乗り越えつつリフトする。
したがって、プランジャ２７は回転しながら往復運動し
、この退出に伴って、吸込溝２８がらプランジャ室３２
に吸引された燃料が、プランジャ侵入時に、プランジャ
室３２に通じる図示しない分配ボートからデリバリバル
ブを通って各気筒の燃料噴射ノズルへと圧送される。
そして、燃料の噴射時期、ｌ＋ｉ射量を制御するプラン
ジャ室３２から低圧のポンプ室２５に燃料を戻す燃料口
ｎ３３の途中に高速型の電磁制御弁３４が介装される。
この電磁制御弁３４の開閉によりプランジャ室３２が選
択的に解放される。
プランジャ２７の圧縮行程で電磁制御弁３４が閉じるこ
とにより、燃料の噴射が開始され、電磁制御弁３４を開
くことで噴射が終了し、したがって、電磁制御弁３４の
閉弁時期により燃料噴射時期が、また、その閉弁期間に
応じて噴射量が制御されるのである。
そこで、第８図にも示すように、この燃料噴射ポンプ１
２を機関の圧縮行程終了付近で作動させて主噴射Ｑ、を
行うと共に、膨張行程の終期においても作動させて再生
用燃料の副噴射Ｑ２を行うように、前記コントロールユ
ニット１０が電磁制御弁３４の作動を制御するのである
。
この場合、機関燃焼室に膨張行程の終期に噴射された副
噴射Ｑ２による燃料は、燃焼室での燃焼がほぼ終了して
いるため、はとんど燃焼することはなく、次の排気行程
において排気弁が開くと、多くの未燃成分を含んだまま
排気通路３に排出されていく。
したがって、この未燃燃料が酸化触媒４に到達すると、
前記と同様に酸化反応が行なわれるが、この場合、高温
の燃焼室から排気ボートを通過するうぢに燃料の微粒化
、霧化笠の活性化が大幅に促進されるため、酸化触媒４
における反応はきわめて良好になり、排気温度が比較的
低く、酸化反応が活発でないときでも、白煙の発生が確
実に回避できる。
燃料噴射ポンプ１２の制御は、第７図に示す通りであり
、前述の第３図のフローチャートと相違する点のみを述
べると、Ｓ　１０とＳ　１．１に対応して、Ｓ２０と８
２１において、燃Ｆ１噴射ＭＱ２を検索し、このＱ２を
機関膨張行程の終期に噴射させるようにすればよい。
なお、この噴射蓋Ｑ２は第９図にも示すように、機関回
転数に関係なく、−回あたり一定の噴射量となるように
設定する。これは機関回転数の上昇により単位時間当た
りの噴射量が増加するためで、単位時間当たりの噴射量
は、第４図（ｄ）の燃↑゛ｌ噴射量特性とほぼ一致する
。
したがって、この実施例によると、トラップ５の再生を
行うにあたり、再生用燃料の触媒転換効率が高く、白煙
の発生防止が徹底される一方、燃料噴射弁９を別に設け
る必要がない分、構造の簡素化とコストダウンが図れる
。
また、トラップ５に触媒が付いていない場合は、トラッ
プ５の再生温度が上がるため（約６００℃）、第４図（
ａ）の燃料噴射領域の温度を上げると共に（例えば４０
０〜５００℃）、燃料噴射量をそれに合わせて調整（増
重）すればよい。
（発明の効果） 以上のように本発明によれば、トラップの再生時には排
気温度に応じて酸化触媒の上流に再生用燃料を供給する
ので、供給燃料の酸化反応熱を利用して円滑に捕集パー
ティキュレイトを燃焼させることができる一方、自己着
火するほど排気温度の高いときは燃料の供給を停止して
過剰燃焼によるトラップの焼損を回避し、また、排気温
度が低く燃料を供給しても再生温度が確保できないとき
は、燃ｆ）の供給を停止して白煙の発生を防ぐと共に、
トラップをバイパスして排気を流すことにより、トラッ
プの目詰まりに起因しての機関運転性の悪化を回避でき
る。
また、通常の運転時には排気中に含まれる可溶性成分を
酸化触媒で浄化すると共に、低速・低負荷時にはトラッ
プをバイパスすると共に、中負荷域以上でトラップに排
気を流すようにしたため、トラップの目詰まりを防止す
ると共に、トラップに捕捉されたパーティキュレイトの
自己着火を促すことができ、これにより再生時期でなく
てもトラップの自己再生を図り、必要となる再生インタ
ーバルを延ばしつつ、燃費や運転性の悪化を防止するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の構成図、第２図は同じくその実施例を
示す概略構成図、第３図はコントロールユニットで実行
される制御動作のフローチャート、第４図（ａ）は再生
時に再生燃料を供給する領域を示す特性図、第４図（ｂ
）はバイパス弁を作動させる領域を示す特性図、第４図
（ｃ）は再生時に再生燃料を供給したときの温度上昇を
示す特性図、第４図（ｄ）は再生用燃料の供給量を示す
特性図、第５図は他の実施例の概略構成図、第６図は燃
料噴射ポンプの断面図、第７図は制御動作のフローチャ
ート、第８図は燃料噴射ポンプの燃料噴射を示す作動特
性図、第９図は同じく再生用燃料の噴射量を示す特性図
である。 １　・機関本体、２・・・吸気通路、３・・・排気通路
、４−・・酸化触媒、５・・・１−ラップ、７・バイパ
ス通路、８・・バイパス弁、９・・・燃料噴射弁、１０
・・コントロールユニット・、ｊ２・・・燃料噴射ポン
プ、１５排気温度センサ、１６・・・差圧センサ。 ｊｌ１図 １６・・差圧センサ 第２図 （Ｃ） Ｉ４ 図 （ｂ） （ｄ） 第５図 Ｎｅ ｊＩ８図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １．排気通路に直列的に介装した酸化触媒及びその下流
    に位置するパーティキュレイト捕集用トラップと、トラ
    ップを迂回して排気を流すバイパス通路と、バイパス通
    路を開閉するバイパス弁と、前記酸化触媒の上流側にト
    ラップ再生時に燃料を供給する手段と、トラップ上流の
    排気温度を検出する手段と、再生時に検出した排気温度
    がトラップ再生温度よりも低い所定の温度範囲にあると
    きはバイパス弁を閉じて燃料を供給し、それ以上のとき
    は燃料供給を停止してバイパス弁を閉じ、それ以下のと
    きは燃料供給を停止してバイパス弁を開く再生制御手段
    とを備えることを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
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