JPH0715249B2 - ディーゼル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〕 本発明は、ディーゼルエンジンの排気系に設けられて排
気ガス中のパティキュレートを捕集する排気浄化装置に
関する。

〔従来の技術〕

この排気浄化装置は、例えばハニカムフィルタを有し、
パティキュレートの捕集量が所定値を越えた時、パティ
キュレートを燃焼させてフィルタを再生させるように構
成される。特開昭61−223215号公報は従来の排気浄化装
置を示し、この装置において、フィルタの一方の端部に
近接した部位に電気ヒータが設けられ、またフィルタを
迂回する２本の排気管が配設されるとともに、これらの
排気管およびフィルタ内の排気ガスの流動を制御するた
め５個のバルブが設けられる。排気ガスは、パティキュ
レート捕集時、２本の排気管を通過せず、フィルタ内を
流動した後電気ヒータを通過して大気中へ放出される。
フィルタの再生時、排気ガスは一方の排気管を通って電
気ヒータ側からフィルタ内へ流入し、他方の排気管を通
って大気中へ放出され、また電気ヒータが通電されてパ
ティキュレートが着火し燃焼する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記従来装置は、フィルタを迂回する２本の排
気管を有するものであるため、大形化し、車両への塔載
上不利であるという問題を有する。また、フィルタの再
生時、排気ガスは通常時に対してフィルタ内を逆流する
こととなり、排気系内における管路抵抗のため従来装置
は排気ガスの圧損が大きいという問題を有する。

本発明は、小形であって車両への塔載が容易で、しかも
圧損の小さい排気浄化装置を得ることを目的としてお
り、この発明において発明者らは、排気系に設けられた
マフラー内において排気ガスが逆流していることに着目
した。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る排気浄化装置は、マフラーの第１および第
２拡張室を連結する通路内に設けられ、排気ガス中のパ
ティキュレートを捕集するフィルタと、上記第１拡張室
内に排気ガスを導く入口手段、上記第２拡張室内の排気
ガスを外部へ放出する出口手段と、上記フィルタの第２
拡張室側に設けられ、上記フィルタの再生時、フィルタ
上に捕集されたパティキュレートを燃焼させるための着
火手段と、排気ガスの流路を変更させる流路制御手段と
を備える。流路制御手段は、上記フィルタの再生時、上
記入口手段により導かれる排気ガスの少なくとも一部を
上記第２拡張室へ導くとともに、上記第１拡張室内の排
気ガスを外部へ放出する。

〔実施例〕

以下図示実施例に基いて本発明を説明する。

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示す。

第１ケーシング11は隔壁12により第１拡張室13と第３拡
張室14に区画され、これら第１および第３拡張室13,14
は隔壁12に設けられた短管15により相互に連通する。第
２ケーシング21も同様に隔壁22により第２および第４拡
張室23,24に区画され、これら第２および第４拡張室23,
24は隔壁22に取付けられた短管25により相互に連通す
る。第１ケーシング11において第２拡張室13は第２ケー
シング21から遠い側に位置し、第２ケーシング21におい
て第２拡張室23は第１ケーシング11から遠い側に位置す
る。

入口管31は途中で第１および第２入口管32,33に分岐す
る。第１入口管32は、第２ケーシング21と第１ケーシン
グ11の隔壁12とを貫通して延び、第１拡張室13に連通
し、第２入口管33は第２ケーシング21の隔壁22を貫通し
て延び第４拡張室24に連通する。出口管は第１出口管36
と第２出口管37から成る。第１出口管36は、第１ケーシ
ング11と第２ケーシング21の隔壁22とを貫通して延び、
第２拡張室23に連通し、第２出口管37は第１ケーシング
11の隔壁12を貫通して延び第３拡張室14に連通する。

第１制御弁41は、第２入口管33内に設けられ、ロッド42
を介してアクチュエータ43に連結される。第１制御弁41
は、通常第２入口管33を閉塞しているが、後述するよう
にフィルタの再生時第２入口管33を開放する。第２制御
弁46は、第２出口管37内に設けられ、ロッド47を介して
アクチュエータ51に連結される。第２制御弁46は第１制
御弁41と同様に、通常第２出口管37を閉塞し、フィルタ
の再生時第２出口管37を開放する。

アクチュエータ43,51は同じ構成を有し、共にダイヤフ
ラム型のものである。アクチュエータ51について述べる
と、シェル52内はダイヤフラム53により定圧室54と負圧
室55に区画され、ダイヤフラム53はロッド47により第２
制御弁46連結される。定圧室54は常時大気に連通し、負
圧室55は負圧制御機構56を介して負圧供給機構61に連結
される。負圧室55にはばね59が設けられる。負圧制御機
構56はオリフィス57と逆止弁58を有し、負圧室55に対し
て、負圧は徐々に導き、大気圧は迅速に導くように構成
されている。

しかして負圧室55に大気圧が導かれている時、ダイヤフ
ラム53はばね59により定圧室54側へ変位し、これにより
第２制御弁46は閉弁する。これに対し、負圧室55に負圧
が導かれている時、ダイヤフラム53はばね59を圧縮させ
て負圧室55側へ変位し、これにより第２制御弁46は開弁
する。一方、第１制御弁41を開閉するアクチュエータ43
は、負圧制御機構を介さず直接負圧供給機構62に連結さ
れ、負圧を導かれた時第１制御弁41を開弁させ大気圧を
導かれた時第１制御弁41を閉弁させる。

フィルタのハウジング71は、第１ケーシング11と第２ケ
ーシング21の間に設けられる。ハウジング71の両端開口
部72,73は、第１ケーシング11に形成された筒状突起16
と、第２ケーシング21に形成された筒状突起26とそれぞ
れ当接し、これらの当接部分は第２図に示すクランプ81
により取外し可能に連結される。クランプ81は２個の半
円弧状の締具82,83を有し、これらの締具82,83は、両端
に形成されたフランジ部82a,83aにおいてボルト84およ
びナット85により連結される。なお、第１入口管32およ
び第１出口管36は、第１および第２ケーシング11,21の
間の部分において継目部34,38を有し、これらの継目部3
4,38もクランプ81により取外し可能に連結される。

しかしてハウジング71は第１および第２ケーシング11,2
1を連結する通路を構成し、第１および第２入口管32,3
3、第１および第２ケーシング11,21、ハウジング71、第
１および第２出口管36,37により、マフラーが構成され
る。ハウジング71内には排気ガス中のパティキュレート
を捕集するフィルタ74が設けられる。このフィルタ74上
のパティキュレートに着火し燃焼させるための電気ヒー
タ75は、フィルタ74の第２拡張室23側すなわち第２ケー
シング21側に設けられる。電気ヒータ75はリレー76を介
してバッテリ77に接続され、パティキュレート捕集量が
一定値に達した時通電されて発熱し、パティキュレート
を着火させる。パティキュレート捕集量は、第１ケーシ
ング11の第３拡張室14に設けられた圧力センサ78により
検出される圧力が一定値よりも高くなった時、一定量に
達したと判断される。

通常のパティキュレート捕集時、第１および第２制御弁
41,46は、第１図に示すように、それぞれ第２入口管33
および第２出口管37を閉塞している。したがって排気ガ
スは、第１図に矢印で示すように、第１入口管32から第
１拡張室13へ流動し、第３拡張室14を通ってフィルタ74
へ流入する。フィルタ74内を通過する間に、排気ガス中
のパティキュレートはフィルタ74に捕集される。排気ガ
スは、フィルタ74を通過後、第４および第２拡張室24,2
3を通り、第１出口管36から大気中へ放出される。また
排気ガスが拡張室13,14,23,24を通過する間、排気音は
消音される。

フィルタ74の再生時、第１および第２制御弁41,46は、
第３図に示すように、それぞれ第２入口管33および第２
出口管36を開放する。したがって排気ガスは、第３図に
矢印で示すように、第１および第２入口管32,33を流
れ、第１入口管32を通る排気ガスは第１拡張室13から第
３拡張室14へ流入し、第２出口管37から大気中へ放出さ
れる。第２入口管33を通る排気ガスは第４拡張室24へ流
れ、そのうち一部はフィルタ74へ流入し、残りは第２拡
張室23を通って第１出口管36から大気中へ放出される。
しかして、フィルタ74内を流動する排気ガスの向きは、
パティキュレート捕集時とは逆である。この時、電気ヒ
ータは通電されて発熱し、これによりフィルタ74上のパ
ティキュレートは着火して燃焼する。

この再生時、フィルタ74を通過する排気ガスの流量は全
排気ガス流量の約1/10になるように調整されている。す
なわち、第１制御弁41は所定の開度で開弁し、第１およ
び第２入口管32,33にはそれぞれ全排気ガス流量の1/2ず
つの排気ガスが流れる。そして第１および第２出口管3
6,37には全排気ガス流量のそれぞれ4/10,6/10の排気ガ
スが流れる。しかして約半分の排気ガスは４つの拡張室
のうち２つしか通過しないこととなるが、パティキュレ
ート捕集時に比べ騒音低減効果に大きな差異はない。な
お、再生時にフィルタ74を流れる排気ガス流量を全排気
ガス流量の約1/10に定めるのは、電気ヒータ75を冷却す
ることを防止し、またパティキュレートの燃焼を安定化
させるとともに、フィルタ74からパティキュレートが吹
飛ばされるのを防止するためである。

また再生の開始時、第２制御弁46は、負圧制御機構56の
作用により負圧が徐々に伝達されるため、徐々に開弁す
る。したがって排気音は急激に変化せず、搭乗者が不快
感を覚えることはない。

第１および第２制御弁41,46の開閉および電気ヒータ75
の通電は、マイクロコンピュータを備えた電子制御部
（ECU）91により行なわれる。ECU91は入力ポート92、出
力ポート93、メモリ94、および中央演算処理装置（CP
U）95を備え、これらはバス96により相互に接続され
る。入力ポート92は圧力センサ78に、また出力ポート93
は負圧供給機構61,62およびリレー76にそれぞれ連結さ
れる。

第４図はECU91によるフィルタの再生ルーチンを示す。
このルーチンは所定時間毎に割込み処理される。

ステップ101ではフラグｆが１にセットされているか否
かを判断する。フラグｆは、フィルタ74の再生処理中１
にセットされ、通常のパティキュレート捕集時０にクリ
アされている。したがってパティキュレート捕集時、ス
テップ102へ進み、圧力センサ78により検出された圧力
ΔＰが予め定められた目標値よりも大きいか否かを判断
する。フィルタ74上のパティキュレート捕集量が比較的
少ない場合、圧力ΔＰは目標値よりも小さいため、以下
のステップ103〜108はスキップされ、このルーチンは終
了する。これに対し、パティキュレート捕集量が増大し
て圧力ΔＰが目標値に達した場合、フィルタ74の再生処
理を開始すべく、ステップ103以下が実行される。

ステップ103ではフラグｆを１にセットする。次いでス
テップ104では、第１および第２制御弁41,46を開弁する
とともに電気ヒータ75に通電する。第１制御弁41は直ち
に開弁するが、第２制御弁46は負圧制御機構56の作用に
より徐々に開弁する。また電気ヒータ75は発熱し、フィ
ルタ74上のパティキュレートに着火し、これを燃焼させ
る。ステップ105では電気ヒータ75が通電状態になって
から３分経過したか否かを判断する。フィルタ74の再生
開始直後、３分経過していないので、ステップ106〜108
はスキップされ、このルーチンは終了する。

再生処理が開始すると、ステップ103においてフラグｆ
は１にセットされているので、このルーチンはステップ
101から直接ステップ105へ進むようになり、ステップ10
5において３分経過したと判断されると、再生処理を終
了すべくステップ106〜108が実行される。ステップ106
では電気ヒータ75への電力供給を遮断し、ステップ107
では第１および第２制御弁41,46を閉弁する。そしてス
テップ108においてフラグｆを０にクリアし、このルー
チンは終了する。

上述したように、第１実施例においてフィルタ74は、マ
フラーを構成する第１および第２ケーシング11,12の間
に設けられ、これらのケーシング11,12間で排気ガスが
逆流することを利用して、パティキュレートの捕集を行
なっている。したがってフィルタ74内において排気ガス
を逆流させるための特別な配管が不要になり、排気浄化
装置の構成が簡単になる。この結果、本実施例による排
気浄化装置は小形であり、車両への塔載が容易である。
また排気系内における管路構成が簡単になるため、管路
抵抗は小さく、排気ガスの圧損が小さくなる。

また第１実施例において、第１および第２ケーシング1
1,21は第１入口管32および第１出口管36により連結され
ており、これら第１入口管32および第１出口管36はそれ
ぞれ隔壁12,22に溶接されている。したがってフィルタ7
4のハウジング71の第１および第２ケーシング11,21に対
する結合強度は特に大きくする必要はない。このため、
ハウジング71は第２図に示すような簡単なクランプ81に
よってケーシング11,21に連結され、フィルタ74の交換
が容易である。一方、第１入口管33を継目部34におい
て、第１出口管36は継目部38においてそれぞれクランプ
81により連結される。したがって、ケーシング11,21、
入口管31および出口管の交換が容易である。

フィルタ74は、マフラーに取付けられるので、排気系の
後端部に位置することとなる。この位置における排気温
は比較的低く、パティキュレートの捕集効率が高い。ま
たマフラー内に堆積したパティキュレートが排気ガスに
より吹飛ばされる時、このパティキュレートを捕集する
ことができ、排気ガスの浄化効率が高められる。

第５図は第２実施例を示す。この実施例においては、ハ
ウジング71内に、パティキュレートを捕集するためのフ
ィルタ74に加え、悪臭成分を捕集するためのモノリス型
吸着材201が設けられる。吸着材201はフィルタ74に対
し、第２ケーシング21側に配設され、電気ヒータ75はフ
ィルタ74と吸着材201の間に位置する。吸着材201はセピ
オライト、ゼオライト系が好ましく、またこの吸着材20
1に悪臭成分を酸化させる触媒を担持させてもよい。一
方第２制御弁46を開閉駆動するアクチュエータ51の負圧
室55に連通する通路内には絞り202が形成され、この通
路と負圧供給機構61の間は第１実施例のように負圧制御
機構は設けられていない。その他の構成は第１実施例と
同様である。

吸着材201の再生処理を除いて、作用は第１実施例と同
様である。すなわち、通常、第１および第２制御弁41,4
6は閉弁しており、排気ガスは第１入口管32、第１ケー
シング11、フィルタ74、吸着材201、第２ケーシング21
および第１出口管36の順に流動して大気中へ放出され、
この間に消音されるとともにパティキュレートおよび悪
臭成分が捕集される。吸着材202はフィルタ74に対して
下流側に配設されるため、排気ガス中のパティキュレー
ト、エンジンオイルに混入していた金属、その他吸着材
の被毒物質はフィルタ74により捕獲され、吸着材202に
は到達しない。したがって吸着材202の耐久性が向上す
る。

フィルタ74の再生処理は、第１実施例と同様に第１およ
び第２制御弁41,46を閉弁するとともに電気ヒータ75に
通電することにより行なわれ、したがってこの再生時排
気ガスは吸着材201の方からフィルタ74へ向って流れ
る。

一方、吸着材201の再生処理は、フィルタ74の再生処理
とは独立して行なわれる。この再生処理時、第１制御弁
41は閉弁したままであるが、第２制御弁46は開放され、
また電気ヒータ75は通電されて発熱する。これにより排
気ガス温が上昇し、吸着材201に吸着された物質が吸着
材201から離脱し、あるいは燃焼する。再生処理が終了
すると、第２制御弁46は閉弁する。第２制御弁46の開閉
動作時、絞り202により負圧の伝達が遅延されるため、
第２制御弁46は徐々に開閉する。なおフィルタ74の再生
処理は、吸着材201の再生処理に優先して行なわれ、再
生処理の頻度はフィルタ74の方が少ない。

第６図はECU（第１図参照）による吸着材の再生ルーチ
ンを示す。このルーチンはフィルタ74の再生ルーチンと
同様に所定時間毎に割込み処理される。

ステップ11ではフラグｆが１にセットされているか否か
を判断する。悪臭成分の捕集時、第４図に示すフィルタ
再生ルーチンと同様に、フラグｆは０にクリアされてお
り、したがってステップ112が実行される。ステップ112
では、エンジン回転数の積算値N₁が目標値よりも大きい
か否かを判断する。吸着材202上の悪臭成分捕集量が少
ない場合、積算値N₁は目標値よりも小さいのでこのルー
チンはこのまま終了するが、積算値N₁が目標値よりも大
きくなると、捕集量が多くなり吸着材201の再生が必要
になったと判断される。なお、目標値は40km/hで１時間
定常走行した場合に相当するエンジン回転数積算値であ
る。

ステップ113では、再生処理中であることを示すフラグ
ｆを１にセットし、ステップ114では第２制御弁46を開
弁するとともに電気ヒータ75に通電する。第２制御弁46
は絞り202の作用により徐々に開弁し、また電気ヒータ7
5は発熱して悪臭成分を吸着材201から脱離させあるいは
燃焼させる。ステップ115では電気ヒータ75が通電状態
になってから２分経過したか否かを判断し、２分経過前
であればこのルーチンは終了する。

再生処理開始後、フラグｆは１にセットされているの
で、ステップ111からステップ115へ進み、電気ヒータ75
が通電されてから２分経過していればステップ116〜119
が実行される。すなわち、ステップ116では電気ヒータ7
5への通電を停止させ、ステップ117では第２制御弁46を
閉弁する。そしてステップ118においてフラグｆを０に
クリアした後、ステップ119において積算値N₁をリセッ
トし、このルーチンは終了する。

しかして第２実施例によれば、第１実施例と同様な効果
が得られる他、悪臭成分の除去も行なわれる。

第７図は第３実施例を示す。第１実施例と異なる構成の
部分を説明すると、第１ケーシング11内は隔壁12により
第１拡張室13と共鳴室18に区画され、第２ケーシング21
内には、隔壁が設けられず第２拡張室23のみが形成され
る。入口管211は、第１拡張室13に連通し、また第１実
施例のように第２ケーシング21の外部で第１および第２
入口管に分岐しているのではなく、基本的には１本の管
であり、第２ケーシング21内において分岐管212が連結
される。第１制御弁41は分岐管212の基部に設けられ、
入口管211および分岐管212を選択的に開閉する。出口管
213も１本の管であり、第１ケーシング11の第１拡張室1
3内において分岐管214が連結される。第２制御弁46は分
岐管214に設けられ、分岐管214を開閉する。またこの第
３実施例において、フィルタ74の再生処理の開始を決定
するために用いられる目標値は、エンジン回転数とエン
ジン負荷によって定められるようになっており、このた
めECU91の入力ポート92には回転数センサ221および負荷
センサ222が接続される。その他の構成は第１実施例と
同様である。

パティキュレート捕集時、第１および第２制御弁41,46
は分岐管212,214を閉塞しており、排気ガスは実線の矢
印で示すように、入口管211を通って第１ケーシング11
へ流入し、フィルタ74を通過した後、出口管213から大
気へ放出される。フィルタ74の再生時、電気ヒータ75は
通電されて発熱し、第１制御弁41は入口管211を閉塞す
るとともに分岐管212を開放し、また第２制御弁46は分
岐管214を開放する。したがって排気ガスは、破線の矢
印で示すように、分岐管212から第２拡張室23内へ流入
する。排気ガスの一部はフィルタ74を通って第１拡張室
13へ流れ、分岐管214から出口管213を介して大気中へ、
また残りは第２拡張室23から直接出口管213へ流入して
大気中へ放出される。しかしてフィルタ74上のパティキ
ュレートが着火し燃焼する。なお、出口管213の通気抵
抗および第２制御弁46の開度は、フィルタ74を流れる排
気ガス流量が全排気ガス流量の約1/10になるよう調整さ
れている。

しかして第３実施例は入口管211および出口管213が単一
の管であるため、第１および第２実施例に比較し、構成
がさらに簡単になる。

第８図は第４実施例を示す。第３実施例と異なる構成の
部分を説明すると、第１制御弁41は入口管211に連結さ
れた分岐管212内に設けられ、また出口管213の途中に第
３制御弁215が設けられる。パティキュレート捕集時、
第１および第２制御弁41,46は閉弁し、第３制御弁215は
全開している。したがって排気ガスは、実線の矢印で示
すように、入口管211、第１ケーシング11、フィルタ74
および出口管213の順に流れ、大気中へ放出される。フ
ィルタ74の再生時、電気ヒータ75を通電されて発熱し、
また第１および第２制御弁41,46は開弁し、第３制御弁2
15は閉弁する。したがって排気ガスの一部は、破線の矢
印で示すように、分岐管212から第２拡張室23内へ流込
み、フィルタ74を通過して第１拡張室13へ流入し、分岐
管214を経て出口管213から大気中へ放出される。フィル
タ74を流れない排気ガスの残りは入口管211から第１拡
張室13へ流入し、分岐管214から出口管213を経て大気中
へ放出される。この間にフィルタ74上のパティキュレー
トが着火して燃焼し、フィルタの再生が行なわれる。入
口管211の通気抵抗および第１制御弁41の開度は、フィ
ルタ再生時、フィルタ74を流れる排気ガスが全排気ガス
流量の約1/10になるように予め調整されている。

しかして第４実施例による効果は第３実施例と同様であ
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、フィルタ内において排気
ガスを逆流させるための構成が簡単になり、この結果従
来のように特別な配管が不要となり、排気浄化装置は小
形化されて車両への塔載が容易となる。また、マフラー
内における排気ガスの逆流をフィルタに利用するので、
排気ガスの管路による圧損が減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例におけるパティキュレート捕集時を
示す断面図、 第２図はクランプを示す正面図、 第３図は第１実施例におけるフィルタ再生時を示す断面
図、 第４図はフィルタの再生ルーチンのフローチャート、 第５図は第２実施例を示す断面図、 第６図は吸着材の再生ルーチンのフローチャート、 第７図は第３実施例を示す断面図、 第８図は第４実施例を示す断面図、 である。 13…第１拡張室、23…第２拡張室、31,211…入口管、32
…第１入口管、33…第２入口管、36…第１出口管、37…
第２出口管、41…第１制御弁、46…第２制御弁、71…ハ
ウジング、74…フィルタ、75…電気ヒータ、91…電子制
御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 孝太郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 竹島 伸一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マフラーの第１および第２拡張室を連結す
   る通路内に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを
   捕集するフィルタと、上記第１拡張室内に排気ガスを導
   く入口手段と、上記第２拡張室内の排気ガスを外部へ放
   出する出口手段と、上記フィルタの第２拡張室側に設け
   られ、上記フィルタの再生時、該フィルタ上に捕集され
   たパティキュレートを燃焼させるための着火手段と、排
   気ガスの経路を変更させる流路制御手段とを備え、該流
   路制御手段は、上記フィルタの再生時、上記入口手段に
   より導かれる排気ガスの少なくとも一部を上記第２拡張
   室へ導くとともに、上記第１拡張室内の排気ガスを外部
   へ放出することを特徴とするディーゼルエンジンの排気
   浄化装置。