JPH04128509A - 内燃機関の排ガスから微粒子物質を除くためのシステムおよびその方法 - Google Patents

内燃機関の排ガスから微粒子物質を除くためのシステムおよびその方法

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JPH04128509A JP2204041A JP20404190A JPH04128509A JP H04128509 A JPH04128509 A JP H04128509A JP 2204041 A JP2204041 A JP 2204041A JP 20404190 A JP20404190 A JP 20404190A JP H04128509 A JPH04128509 A JP H04128509A
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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、内燃６１間からの黴Ｔヤ子放出を低減させる
ための改良された排気システムとその操作方法に関する
ものである。
ざらに許し・〈は、本発明は微粒子トラップと再生シス
テムを有するディーゼル・エンジンの混成（ハイブリッ
ト）排気システムに間するものである。
（従来技術とその問題点） １９９４年までに、米国環境保護子（ＥＰＡ）による微
粒子放出基準が全都市ハスおよびＪ！荷ｆＪＩ載トラッ
クに対し・、０、Ｉ　Ｃｇ／馬力・時間９未満の微粒子
しか放出してはならないことを要求することになってい
る。「微粒子」はＥＰＡによって、内燃機関の排気中に
ある水滴以外のあらゆる物質であって、１２５°Ｆの温
度の雰囲気中で希釈さねた後、標準フィルターによって
収集され得るもの、と定義されている。
この定義には、凝集し・た炭素粒子、よく知られた発癌
物質を含む吸収された炭水化物、および値化物が含まれ
ている。
これらの微粒子はとても小さくて質量メジアン径が０．
５〜１．０μｍで、かさ密度がとても小さい。−船釣な
車両の寿命の間に、トラップされなければならない約２
０立方フイートの微粒子がエンジン稼働の１０万マイル
毎に放出される。
二の量は車両のタイプに依存して、約１００ボンド、あ
るいはそれ以上の微粒子になる。明らかにこれらの微粒
子は、車両内部には貯えることができない、ｌボンドの
微粒子が、約３５０立方インチの体積を占めてしまうか
らである。それゆえ、車両の排ガスからこれらの微粒子
を効率的かつ信頼性高く除去する濾過システムが要請さ
れている。
上記問題に対する１つの解が、米国特許第４．４４９．
３６２号に開示されている。すなわち、通常の走行状況
の閏、内燃機関からの排ガスは外部流路を通って流れ、
システムの端にあるフィルターを通って流れる。このフ
ィルターで排ガス中の一部の微粒子はトラップされ、残
りは大気中に放出される６モ分な量の微粒子が収集され
たとシステムが検知すると、一部の排ガス流は内部流路
を通って流れるように導かれ、電気ヒーターと触媒床を
通って流れる。触媒床には、燃料を排ガス流と混合して
触媒床の温度を約１．２００°Ｆまて上昇させるための
アスピレータ−か設けられている。この温度はフィルタ
ー内に保たれている炭素微粒子を燃やし、始めさせるの
に十分である。この燃焼サイクルが完了するとすぐ、排
ガスは再び外部流路を通って流される。燃焼サイクルの
間の過剰な排ガス流は大気中に直接Ｊｌｉ気されること
に注意すべきである。触媒床を、再生されるべきフィル
ターと供給される燃料との間に置くことにより、触媒床
は極めて高温の吸引燃料に直接さらされる。その結果、
触媒が燃えてしまうかも知れないばかりでなく、好まし
１くない硫化物が生成し・て、システム全体の高価な交
換又は修理を要することになる。
米国特許第４．４８５．６２１号には、内燃機関からの
微粒子放出を低減するための同様のシステムが開示さり
、てＬ）る。
にでも、触媒が微粒子トラップの上流に置かれて、吸引
燃料に直接さらされている。この燃料は一部の排ガスと
一緒ごこなって、触媒を通って燃焼され、６００℃の温
度−二上昇する。
この排ガス混合燃料は、次に微粒子トラ・ツブ内に導か
れ、その中に保たれている微粒子を酸化する。にでも、
触媒を高温の吸引燃料にさらすことにより、触媒が燃焼
するはかりでなく、好ましくない値化物か生ずる。
さらに米国特許第４．６７７．８２３号乞こは、放出微
粒子をトラップ内に捕らえ、該トラップを再生するため
のシステムが開示されている。このシステムは、トラッ
プの再生のために使われるデイ−セル・バーナーの下流
の排ガス流内に置かれた微粒子トラップを有している。
通常の動作の間、エンジン排ガスはトラップを通ってそ
の下流にあるマフラーに清され、大気中に放出される。
十分な圧力が制御システムによって検知されると、再生
サイクルが始まる。このとき、排ガスはバイパス管に導
かれてマフラーを通り、大気中に放出される。ディーゼ
ル燃料はディーゼル・バーナー内に吸引されて空気との
混合燃料を形成し、制御システムが検知した状況に応し
て点火プラグによって点火される。混合燃料は１，２０
０°Ｆ−１，４００”Ｆの温度に保たれて、トラップ内
の微粒子を適切に酸化する。この混合燃料は、十分に酸
化されずにトラップから出される微粒子とともに、大気
中に放出される。再生サイクルの間に吐き出された排ガ
スとともに、これらの微粒子は、それ以上処理されずに
大気中に直接放出される。これらの未処理排出物は、１
９９４年までに特定車両に不満足に使われる新しいＥＰ
Ａ基準を上回る検出可能な微粒子となるであろう。
上記説明から明らかなように、ＥＰＡの将来基準に合わ
せるために、ディーゼル・エンジン排ガスから放出微粒
子の量を顕著に、かつ信頼性高く低減させる排ガス微粒
子トラップ再生システムに対する危急の要請がある。
（本発明の構成） 本発明の目的は、拡張した作動期間と二信頼できる方法
て内燃機関からの微粒子放出を顕著に低減する排気シス
テムを提供することにある。また、本発明の目的は、ト
ラップの再生の閏、システムがさらされる温度の高温か
ら触媒をシールドすることにより、酸化触媒上で形成さ
れる硫化物を最少化する排気システムを提供することに
ある。また本発明の目的は、再生サイクルの間、少なく
とも部分的に排気放出物の処理を提供することにある。
また、エンジンから放出された不燃焼燃料と潤滑剤を酸
化することにより、エンジン放出物悪仕の衝Ｖを低減す
ることにある。Ｊだ、新しい車両に小さなスペースの予
約を要求するとともに、既存の車両内に容易に設置する
ために、排気処理システムを単一のコンパクト・ユニッ
トに収納することにある。また、再生プロセスの完了を
検知するための恨頼できる部材を鑓供することにより、
バーナーの燃料消費とバイパスされる放出物の量を最少
化することにある。
上記目的は、入口舒から排ガスをシステムの出口部に導
くための主流路とバイパス流路、排ガスを流路の１つに
選択的に導くための弁、排ガスが主流Ｈに導かれたとき
、排ガス内の微粒子をトラップするための微粒子トラッ
プ、弁とトラップとの間に置かれた再生システム、およ
びトラップの下流と主流路、バイパス流路双方に置かれ
た酸化触媒からなる、内燃機関の排ガスから微粉子を除
くための単一システムを提供することにより、本発明の
実施例に従って達成される。さらに、システムを稼働し
、再生サイクルの完了を検知するための制御システムが
提供される。
以下、図によ−ノで本発明を具体的に説明する。内燃機
関かパ）の微粒子放出を低減するためのハイブリッＦＪ
１１粒子トラップ・システム１が第１図と第２図に示さ
れている。このトラ・・ノブ・システム１は、その主要
要撃をすべて、ハウジング２内に有するユニタリー構造
をなしている。このようなコンパクトなユニタリー構造
を与えることにより、新し、い車両に小さなスペース予
約し・か要求しないのと同様に、このシステムは容易に
既存の車両内に設置でき、修理のために容易に取り除く
ことができる。
１．１図において、ハウジング２は入口４と出口６を有
し１、現状の排気システム内で簡単な配置をしている。
ハウジング２内にバイパス弁８が収容され、内燃機関（
図示せず）から放出される排気ガスを主流路１０又はバ
イパス流路１２のいずれかに流させる。主流路１０内に
微粒子トラップ１４と酸化触媒１６が置かれている。ト
ラップ１４の特別な設計は本発明の一部とし、で考えら
れておらず、触媒を倉まない壁温モノリシック型か、触
媒を含まないセラミック発泡型のものを使うことができ
、いずれの型でもその中を通フて流れる微粒子の産業部
分を適切に捕らえる。酸化触媒１６は、不燃焼炭化水豪
を酸化するための金属２はセラミック基板を通る流れに
置かれた貴金属酸化触媒であるが、システムの作動能力
は酸化触媒のこのような特別な型には依存しない。
第１図のような位置にバイパス弁８がなっているトラ・
・ノブ・モードにおいて、排ガスは矢印へのような向き
に主流路１０内のトラップ１４と酸化触媒１６を通って
渣ねる。そうすると、排ガス中の炭素微粒子は、トラッ
プ１４によって除去される。ｔ！通された排ガスは続い
て酸化触媒】６を通って治れ、にで不燃煩炭素か酸化さ
れて、微粒子の放出をざらに低減させる。排ガスは出口
６を通って大気中に放出される。
主流路ｌＯに隣接してバーナー１８が設けられ、トラッ
プ１４に捕捉された微粒子を燃焼させるために周期的に
点火される。バーナー１８は高温ディーゼル・バーナー
で、トラ・・ノブ１４の入口上流に置かれている。バー
ナー１８は、前記米国特許第４，６７７．８２３号に開
示されているような型で、燃料供給管２０、空気供給管
２２、および点火プラグの形の点火器２４を有している
。
主流路１０と本質的に平行なバイパス流路１２内に、マ
フラー２６と酸化触媒１６が置かれている。第２図のよ
うな位置にバイパス弁８がなっている再生モードにおい
て、排ガスは矢印Ｂの向きにバイパス流路１２を流れ、
マフラー２６、酸化触媒１６で処理された後、出口６を
通って大気中に放出される。このとき、酸化触媒１６は
、主流路１０とバイパス流路１２にとって共通になって
いることに注意すべきである。
酸化触媒１６を共通に使用することにより、再生モード
の閏、大気中に放出される微粒子の量がさらに１０〜２
０％低減する。
酸化触媒１６をトラップト１の下流に置くことにより、
触媒１６は排ガス中の過剰な微粒子や、潤滑油・燃料の
燃えかすである灰によって汚されることから、有効に保
護されている。また触媒１６は、再生モードの間、バー
ナー１８から出る熱からも保護されている。バーす−１
８は適切に点火されると、１．２００°Ｆを越え、時に
は１．４００°Ｆもの高温になる。もしこのような高温
に触媒１６がさらされれば焼損して、交換し・なければ
ならなくなる。
主流路１０にはトラップ１４にかかる圧力差を測るため
の差圧センサーが設けられでいる。このセンサーは、ボ
ート３２．３４を通して圧力信号を得る。そして、トラ
ップ１４にかかる圧力降下の情報を、マイクロプロセッ
サ−制御システム３６に送る。この圧力降下Ｐａは制御
システム３６によって継続的にモニター・される。差圧
分は流れ温度データを与えるセンサーから計算し・たも
のとして動圧に分けられ、無次元圧力降下ＤＰ・を展開
する。無次元の実際に充填されたトラップの圧力降下に
使われたと同一の涜ね・温度データを使フて、きれいな
トラップの無次元圧力降下ＤＰ″Ｃがトラップの予め定
められている特性から計算される。実際の無次元圧力降
下ＤＰ−と、ＤＰ−とＤＰｏｃ　との比は、トラップの
微粒子質量充填度を示す指標として使われる。微粒子ｉ
Ｉｌ量充填度がＤＰ・／ＤＰ−ｃ　　て表わされる指標
の一定値に達すると、第２図の再生モードが始まる。こ
の特定の再生トリガー比は、再生制御可能性の要件、又
はエンジン燃料消費罰則に直接衝撃を与えるエンジン排
ガス規制の要件に基づいている。また、マイクロプロセ
ッサ−３６は、再生モード間の時間間隔の所定量が満了
するとすぐ、再生シーケンスを始めさせることができる
。それゆえ、前の再生サイクルから所定時間が好適する
と、無次元圧力降下比ＤＰ’／ＤＰ”ｃ　の値がトリガ
ー値より低くても、システムは再生シーケンスを開始す
る。
再生サイクルが始まると、バイパス弁８が第１図から第
２図の位置に切り換えられて、排ガスはバイパス流路１
２を流れる。制御システム３６は、燃料と空気を送フて
点火器２４を作動させるように信号を送り、バーナー】
８を点火する。
点火８２４は１２Ｖのバッテリー（図示せず）で電源を
受け、燃料と空気がバーナーに供給された後、再生サイ
クルの開始に際し１、所定時間、連続点大する。バーナ
ー】８が点火すると、バーナーから酸素を１１〜１５％
含む熱ガスが矢印Ｃのようにトラップ１４を通って流れ
る。そうすると、トラップ１４内に収集された微粒子は
燃焼され、続いて酸化触媒１６を通って不燃焼炭水化物
がさらに焼かれてから、大気中に放出される。
温度センサーが、差圧センサー・ボー）３２．３４が置
かれていると同じ・場所に、トラップＩ４の上流と下流
に置かれている。トラップ入口温度サンサーは、バーナ
ーの制御用にフィードバック信号を送るとともに、ＤＰ
−とＤＰ−ｃ　の計算用のデータを送るために使わわる
。トラップ入口温度は、設定温度に保たれるために、制
御システム３６のプログラムに入っているＰＩＤ（比例
・積分・微分）制御ループ内て使われる。
ＰＩＤ制御ループの出力は、パルス輻変調（ＰＷＭ）信
号で、バーナー燃料供給装置の制御に使われる。該ｉ！
贅の１つは、ＰＩＤ制御ループの命令Ｚこ従って車両の
燃料タンクからバーナーの燃料ノズルに燃料を送るイン
・タンク燃料ポンプ（図示せず）である。燃料ポンプ速
さ、したがって燃料送り速さは、マイクロブロセッ＋ｊ
−３６からのＰＷＭｆ＊Ｍのパーセント変ｒＡに従って
変化する。該装置とし、て、他には定圧燃料Ｒ（一定圧
を保つように調整されたエンジン燃料ポンプ出力圧のよ
うな）に作動するソレノイド弁（図示せず）がある。
ＰＷＭ信号は、ソレノイド弁が開位置にあフて燃料送り
とバーナー出力を制御する時閉百分率を直接変える。ｌ
・ラップ出口温度も、ＤＰ−とＤＰ’ｃ　の計算用のデ
ータを与えるために使われる。
トラップ出口温度センサーの付加的な緊急の機能は、微
粒子燃焼時期の到達又は再生トラップ内の温度波を検知
し・、再生シーケンスの終りをトリカーすることである
。再生の完了を検知する別の方法は、Ｌ）Ｐ゛／ＤＰ′
ｃ　を継続してモニターすることである。し、かし・、
オフ・アイトルのエンジン流率に間し・て再生中にさら
される、低いｉｔでの比ＤＰ−／Ｌ）Ｐ′Ｃのエラーの
可畦性により、このモニタ一方法は信頼度が低い。セン
サーの使用をやぬると、必要ｔｔ最大時間として知られ
ている所定時間、再生プロセスを続けられる。し１かし
・、この方法は、エネルギーを浪費し、不必要に濾過効
率を低下させる。トラップ出口温度を検知することは、
再生サイクルの完了を決定するための最も正確で信頼性
の高い方法であると分かった。
再生ガイクルの終りに、バーナー１８への燃料供給管２
０と空気供給管２２は閉しられ、バイパス弁８は第１図
の位置に戻される。これにより、排ガスは再び主流路１
０を通って漬れ、排ガス中の微粒子がトラップ１４に再
び捕らえられる。
本発明のさまざまな変形が、当業名には明らかであろう
。
Ｌ、かし・、上記説明と図は例示であって、本発明の範
囲を限定するものではない。
−１−に説明した本発明のハイブリット排気システムは
、あらゆる内燃装置の排ガス流内に供給できる。該内燃
装置の例は、大気中に放出する前に排ガス中の微粒子を
除くことが好まし・いボイラー、炉、内燃機関（中でも
特にディーゼル機間）である。本発明の排気システムは
、コンバノ、７トで単一ハウジングに収容さねでいるの
で、新しく作られた内燃製置はかりてなく、既存の排ガ
ス・ライン内にも容易に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
ｍ１図はトラップ・モードにある本発明のハイブリット
排気システムの構成図、第２図は再生モードにある同シ
ステムの構成図である。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）ａ）システムの入口部から出口部に排ガスを導く
    ための主流路とバイパス流路、ｂ）排ガスを選択的に上
    記流路の１つを通して導くための弁、ｃ）主流路を通っ
    て導かれる排ガスを濾過するためのフィルター、ｄ）該
    弁とフィルターとの中間に置かれた再生部材、ｅ）主流
    路のフィルターの下流に置かれた酸化部材、およびｆ）
    所定状態を検知すると直ちに再生部材を作動させ、再生
    プロセスが完了したとき再生部材を止める、排ガスの流
    れを制御するための制御部材からなる、内燃機関の排ガ
    スから微粒子物質を除くためのシステム。
  2. （２）前記酸化部材が主流路とバイパス流路の双方に置
    かれている、請求項１記載のシステム。
  3. （３）前記バイパス流路が弁と酸化部材との中間に置か
    れたマフラーを含む、請求項２記載のシステム。
  4. （４）前記システムが前記流路、弁、フィルター、再生
    部材、および酸化部材からなり、入口部に出口部を有す
    る単一ハウジング内に収容されている、単一システムで
    ある請求項１記載のシステム。
  5. （５）前記酸化部材が貴金属酸化触媒である、請求項１
    記載のシステム。
  6. （６）前記フィルターが触媒を含まないセラミック微粒
    子トラップである、請求項１記載のシステム。
  7. （７）前記フィルターがベース金属触媒を有するセラミ
    ック微粒子トラップである、請求項１記載のシステム。
  8. （８）前記再生部材が高温ディーゼル燃料バーナーで、
    所定状態を検知すると直ちに該バーナーを点火する点火
    器を有する、請求項１記載のシステム。
  9. （９）前記システムが通常は排ガスが主流路を通って流
    れるトラップ・モードで作動し、所定状態を検知すると
    直ちに排ガスがバイパス流路を通って流れる再生モード
    で周期的に作動する、請求項８記載のシステム。
  10. （１０）さらに、主流路内にフィルターに隣接する所定
    状態検知用のセンサーを含み、該所定状態がフィルター
    内の微粒子の十分な充填である、請求項９記載のシステ
    ム。
  11. （１１）さらに、所定温度を検知するとすぐ制御部材が
    再生部材を止めるように、フィルターを通って流れる排
    ガスの出口温度を検知するための温度センサーを含む、
    請求項１記載のシステム。
  12. （１２）前記点火器が点火プラグである、請求項８記載
    のシステム。
  13. （１３）ａ）入口部と出口部を有するハウジング、ｂ）
    該入口部から出口部に伸びて、排ガスをハウジングを通
    して流すための主流路とバイパス流路、ｃ）排ガスを該
    流路の１つを通して導くための弁、ｄ）排ガスから微粒
    子物質を濾過するために、主流路に置かれたフィルター
    、ｅ）微粒子をフィルターから選択的に再生するために
    、主流路内に弁とフィルターの中間に置かれた再生部材
    、ｆ）微粒子をさらに燃焼させるために、主流路とバイ
    パス流路双方の中に、フィルターの下流に置かれた酸化
    部材および、ｇ）所定状態を検知するとすぐ選択的に再
    生部材を作動させ、フィルターの再生が完了するとすぐ
    再生部材を止める、排ガスの流れを制御するための制御
    部材からなる、内燃機関の排ガスから微粒子物質を除く
    ための単一システム。
  14. （１４）前記バイパス流路が、弁と酸化部材の中間に位
    置するマフラーを含む、請求項１３記載の単一システム
    。
  15. （１５）前記フィルターが触媒を含まないセラミック微
    粒子トラップである、請求項１３記載の単一システム。
  16. （１６）前記再生部材が高温ディーゼル燃料バーナーで
    、所定状態を検知するとバーナーを点火するための点火
    器を有する、請求項１３記載の単一システム。
  17. （１７）前記システムが通常は排ガスが主流路を通って
    流れるトラップ・モードで作動し、所定状態を検知する
    と排ガスがバイパス流路を通って流れる再生モードに周
    期的に替わる、請求項１６記載の単一システム。
  18. （１８）さらに、所定状態を検知するために主流路内で
    フィルターに隣接して置かれたセンサーを含み、該所定
    状態がフィルター内の微粒子の十分な充填である、請求
    項１７記載の単一システム。
  19. （１９）さらに、所定温度を検知すると制御部材が再生
    部材を止めるように、フィルターを通って流れる排ガス
    の出口温度を検知するための温度センサーを含む、請求
    項１３記載のシステム。
  20. （２０）ａ）排ガスを入口部から出口部に導くための主
    流路とバイパス流路を設け、ｂ）主流路内に再生部材、
    フィルターおよび酸化部材を設け、ｃ）排ガスをまずフ
    ィルターに導いて微粒子を捕らえ、次に酸化部材に導い
    て微粒子をさらに燃焼させ、ｄ）周期的に排ガスをバイ
    パス流路と酸化部材に通して流し、ｅ）排ガスがバイパ
    ス流路を流されている間、フィルターを再生させ、ｆ）
    再生ステップの完了後、排ガスを再び主流路に戻すステ
    ップからなる、内燃機関の排ガスから微粒子物質を除く
    ための方法。
  21. （２１）前記フィルターの再生ステップが、再生ステッ
    プの間、熱ガスを再生部材からフィルターと酸化部材に
    導くことを含む、請求項２０記載の方法。
  22. （２２）前記排ガスを周期的にバイパス流路に導くステ
    ップが、フィルター内の所定状態を検知すると実行され
    る、請求項２０記載の方法。
  23. （２３）前記所定状態が、フィルター内の微粒子の十分
    な充填である、請求項２２記載の方法。
  24. （２４）さらに、フィルターを通って流れる排ガスの出
    口温度を検知し、所定温度を検知することに応じて再生
    部材を止めるステップを含む、請求項２０記載の方法。
  25. （２５）前記再生部材が、所定状態を検知すると再生部
    材を点火するための点火器を有する、請求項２１記載の
    方法。
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