JPH0715251B2 - 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。

〔従来の技術および問題点〕

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本のバイパス管が配設されるとともに、これ
らのバイパス管およびフィルタ内の排気ガスの流動を制
御する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、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、フィルタ再生時、一方のバイパ
ス管を通って電気ヒータ側からフィルタへ流入し、他方
のバイパス管を通過し大気中へ放出される。

ところがパティキュレート捕集時、例えばエンジンが高
負荷運転されてフィルタ上のパティキュレートが自己燃
焼する状態（以下、自燃域という）になると、この燃焼
による熱が排気ガスの流れに沿ってフィルタ側へ伝わ
り、フィルタが溶損するおそれが生じるという問題があ
る。一方、実開昭60−45815号公報には、フィルタが溶
損する可能性のある場合、バイパス弁を開いてフィルタ
へ流入する排気ガス量を減少させる構成が開示されてい
るが、この構成によっても燃焼熱はフィルタへ伝達され
るので、フィルタの溶損を確実に防止できるわけではな
い。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る排気浄化装置は、第１図の発明の構成図に
示すように、第１の方向に流動する排気ガスに含まれる
パティキュレートを捕集するフィルタ15と、排気ガスを
フィルタ15内において、上記第１の方向とは反対の第２
の方向に流動させ大気中へ放出させる排気ガス流制御手
段（バイパス管21,24、切換弁31,32）と、上記フィルタ
15に捕集されたパティキュレートが自己燃焼するエンジ
ン状態か否かを判別する手段Ａとを有し、上記パティキ
ュレートが自己燃焼するエンジン状態の時上記排気ガス
流制御手段（バイパス管21,24、切換弁31,32）により排
気ガスを第２の方向に流動させることを特徴としてい
る。

〔実施例〕

以下図示実施例に基いて本発明を説明する。

第２図〜第４図は本発明の一実施例を示す。これらの図
において、ディーゼルエンジン11の排気マニホルド12に
連結された排気管13には拡径部14が形成され、この拡径
部14内には、排気ガス中のパティキュレート（炭素微粒
子と炭素固体表面に吸着される液状HCとから成る）を捕
集するためのフィルタ15が設けられる。マフラー16は、
拡径部14より下流側の排気口の近傍に設けられる。

第１のバイパス管21は、エンジン11と拡径部14の間に位
置する第１連結部22と、拡径部14とマフラー16の間に位
置する第２連結部23とを連通させる。第２のバイパス管
24は、第１連結部22と拡径部14の間に位置する第３連結
部25と、第２連結部23とマフラー16の間に位置する第４
連結部26とを連通させる。第１連結部22には、第１切換
弁31が配設され、第４連結部26には、第２切換弁32が設
けられる。

第１切換弁31を開閉制御する、アクチュエータ33は、従
来公知のダイヤフラム型の構造を有し、負圧調整弁34に
より負圧あるいは大気圧を導かれて作動する。負圧調整
弁34はマイクロコンピュータを備えた制御回路（ECU）5
1により制御され、負圧源あるいは大気をアクチュエー
タ33に連通させる。第２切換弁32を開閉制御するアクチ
ュエータ36もダイヤフラム型の構造を有し、ECU51によ
り制御される負圧調整弁37により負圧あるいは大気圧を
導かれて作動する。

フィルタ15の再生すなわちパティキュレートの燃焼のた
め、このフィルタ15の下流側すなわちマフラー16側には
電気ヒータ41が設けられる。電気ヒータ41はリレー42を
介してバッテリ43に連結される。リレー42はECU51に制
御されて開閉し、フィルタ再生時期であると判断された
時、ヒータ41に通電してこれを発熱させ、これによりフ
ィルタ15に捕集されたパティキュレートは着火して燃焼
する。フィルタ15の再生時期の判断および再生制御は、
従来公知のように、燃焼噴射ポンプ44に設けられたエン
ジン回転数センサ45およびアクセル位置センサ46と、背
圧センサ47と、排気温センサ48とから得られる検出信号
に従って行なわれる。

フィルタ15はハニカムフィルタであり、第５図に示すよ
うに、入口側が栓詰めされた多孔質セルと、出口側が栓
詰めされた多孔質セルとを交互に配設して形成されたコ
ージュライト基材を有し、コージェライト基材の表面に
は、HC等の悪臭成分を吸着するγアルミナがコーティン
グされる。またγアルミナの表面には、捕集されたパテ
ィキュレートを燃焼させる再生時にパティキュレートの
着火温度を下げるため、銅、銀等の触媒が担持される。

通常のパティキュレート捕集時、第１および第２切換弁
31,32は、第２図に示すように、それぞれ第１および第
２のバイパス管21,24を閉塞するとともに排気管13を開
放している。したがって、排気ガスは第１および第２の
バイパス管21,24を流れることなく、全て拡径部14へ流
入し、フィルタ15および電気ヒータ41の順に流動して大
気中へ放出される。この間、排気ガス中に含まれるパテ
ィキュレートはフィルタ15により捕集される。

フィルタ15の再生時、第４図に示すように、第１切換弁
31は、第１のバイパス管21を開放するとともに排気管13
の第１および第３連結部22,25間を遮断し、第２切換弁3
2は第２のバイパス管24および排気管13を所定の開度で
開放する。したがって、一部の排気ガスは第１のバイパ
ス管21を通過した後電気ヒータ41側からフィルタ15に流
入し第２のバイパス管24を通って大気中へ放出され、残
りの排気ガスは第１のバイパス管21から直接マフラー16
側へ流れ大気中へ放出される。この時電気ヒータ41は通
電されて発熱し、これによりフィルタ15上のパティキュ
レートは着火して燃焼する。

フィルタ15上のパティキュレートが電気ヒータ41により
着火されなくとも自己燃焼する状態の時、すなわち自燃
域において、第３図に示すように、第１切換弁31は、第
１のバイパス管21を開放するとともに、排気管13の第１
および第３連結部22,25間を遮断し、また第２切換弁32
は、第２のバイパス管24を開放するとともに排気管13の
第２および第４連結部23,26間を遮断し、あるいは、第
４図に示すように第２のバイパス管24および排気管13を
所定の開度で開放する。第３図に示す状態の場合、排気
ガスは第１のバイパス管21を通り電気ヒータ41側からフ
ィルタ15へ流入し、第２のバイパス管24を通ってマフラ
ー16から大気中へ放出される。第４図に示す状態の場
合、フィルタ15の再生時と同様に、一部の排気ガスが電
気ヒータ41側からフィルタ15へ流入して大気中へ放出さ
れ、残りの排気ガスがフィルタ15を通ることなく大気中
へ放出される。

しかして自燃域において、フィルタ15を通る排気ガスは
電気ヒータ41側からフィルタ15へ流入する。すなわち排
気ガスは、第５図に示すように、フィルタ15の背面15a
側から表面15b側へ通過し、この表面15b上に堆積したパ
ティキュレートＰに接触しつつ流動する。したがってフ
ィルタ15上のパティキュレートＰに対する酸素の供給量
が充分なものとなり、また燃焼熱が下流側へ伝達しやす
くなる。このため、パティキュレートの多くは自燃によ
り消失し、これにより電気ヒータ41によるフィルタ再生
処理の頻度が減少することとなり、電気ヒータ41の耐久
性が向上するばかりでなく、燃費が向上する。また燃焼
熱がフィルタ15の表面15bから背面15aへ伝わりにくくな
り、フィルタの溶損が確実に防止される。

第１および第２切換弁31,32の開閉および電気ヒータ41
の通電はECU51により行なわれる。ECU51は入力ポート5
2、出力ポート53、メモリ54、および中央演算処理装置
（CPU）55を備え、これらはバス56により相互に接続さ
れる。入力ポート52はエンジン回転数センサ45、アクセ
ル位置センサ46、背圧センサ47および排気温センサ48に
連結され、出力ポート53は負圧調整弁34,37およびリレ
ー42に連結される。

第６図は、ECU51による自燃域における切換弁31,32の開
閉制御ルーチンのフローチャートを示す。このルーチン
は、100msec毎に割込み処理される。

ステップ101では、エンジン回転数センサ45からエンジ
ン回転数が、またアクセル位置センサ46からアクセル開
度が読込まれる。ステップ102では、エンジン回転数と
アクセル開度から、現在、フィルタ15上のパティキュレ
ートが自燃域にあるエンジン状態か否か判定される。自
燃域は、第７図に符号Ｂで示すように、エンジン回転数
が例えば2000rpm以上、アクセル開度が例えば60％以上
の、高負荷高回転運転域である。

自燃域のとき、ステップ103において逆流フラグＦが１
にセットされているか否か判定される。逆流フラグＦ
は、第１および第２のバイパス管21,24が開放されて排
気ガスがパティキュレート捕集時とは逆方向に流れる時
（第3,4図参照）、ステップ106において１にセットされ
る。自燃域に入った直後、逆流フラグＦはまだ１にセッ
トされていないため、ステップ104へ進む。なお、ステ
ップ107は、ステップ103でＦ＝１と判断された時にも実
行される。

まずステップ104ではカウンタＣが１だけインクリメン
トされる。カウンタＣはステップ106において０にリセ
ットされており、自燃域に入った直後は０である。ステ
ップ105ではカウンタＣが一定値を越えたか否か、すな
わち自燃域に入ってから３秒経過したか否かが判別され
る。３秒経過する前、プログラムはこのまま終了する
が、３秒経過後、ステップ106,107が実行されてプログ
ラムは終了する。

ステップ106では、第１および第２切換弁31,32が開放さ
れ、またカウンタＣが０にクリアされるとともに、逆流
フラグＦが１にセットされる。しかして排気ガスは第３
図あるいは第４図に示すように、フィルタ15に対して電
気ヒータ41側から流入し、第５図に示すようにフィルタ
15の背面15aから表面15bに向って流れる。なお、第２切
換弁32の開度は目的に応じて定められる。一方ステップ
107では、フラグｆが０にリセットされる。

エンジン状態が自燃域から外れると、ステップ102から
ステップ111へ進み、逆流フラグＦが１にセットされて
いるか否か判定される。自燃域で、排気ガスがパティキ
ュレート捕集時と逆に流れていた時には、逆流フラグＦ
が１にセットされているので、ステップ112へ進み、フ
ラグｆが１にセットされているか否か判定される。この
時フラグｆは、ステップ107において０にリセットされ
ているため、ステップ113が実行されタイマがセットさ
れるとともにフラグｆが１にセットされる。ステップ11
5ではタイマがセットされてから５分経過したか否か判
定される。５分経過前、プログラムはこのまま終了する
が、５分経過するとステップ116において第１および第
２切換弁31,32がそれぞれ第１および第２のバイパス管2
1,24を閉塞するとともに、フラグF,fが０にリセットさ
れる。その後ステップ111が実行されると逆流フラグＦ
が０にリセットされているため、ステップ114において
カウンタＣが０にリセットされる。

しかして、排気ガスの逆流中に自燃域から外れても５分
間は逆流が継続される。その５分間に再び自燃域に入っ
た場合、すなわちステップ116が実行される前に再びス
テップ102からステップ103へ進んだ場合、その後自燃域
から外れると、ステップ107においてフラグｆが０にリ
セットされているため、ステップ111,112,113,115の順
に実行され、再び５分間逆流が継続される。

第８図は自燃域における切換弁31,32の開閉制御ルーチ
ンの他の実施例のフローチャートを示す。このルーチン
は500msec毎に割込み処理される。

低速高負荷走行を行なうと、フィルタ15内の温度が例え
ば600℃以上となる場合があるが、排気ガス中の酸素濃
度が４〜５％以下と小さく、空気過剰率が小さすぎるた
め、フィルタ上のパティキュレートが燃焼しないことが
ある。このような場合、エンジン状態が急に軽負荷状態
に変わると、フィルタ上のパティキュレートが一気に自
己燃焼し、フィルタが溶損するおそれがある。第８図の
制御ルーチンは、このような場合にパティキュレートの
燃焼熱がフィルタに伝わりにくくし、フィルタの溶損を
防止するものである。

ステップ121では排気温センサ48から排気ガス温度が読
込まれ、ステップ122では排気ガス温度が550℃を越えて
いるか否か判定される。排気ガス温度が550℃以下の場
合、ステップ128においてカウンタＴが０にリセットさ
れてプログラムは終了するが、排気ガス温度が550℃を
越えている場合、ステップ123においてカウンタＴは0.5
だけ加算される。ステップ124では、カウンタＴの値よ
り、排気ガス温度が550℃を越えてから５秒経過したか
否かが判定される。５秒経過する前、プログラムはこの
まま終了するが５秒経過した場合、ステップ125におい
てアクセル位置センサ46からアクセル開度が読込まれ
る。ステップ126ではアクセル開度が急に減少したか否
か、すなわち、現在のアクセル開度が１秒前のアクセル
開度の1/2よりも小さいか否かが判定される。アクセル
開度が急減しない場合、プログラムはこのまま終了する
が、アクセル開度が急減した場合、ステップ127が実行
され、第１および第２切換弁31,32が60秒間開放され
る。

しかして、排気ガス温度が550℃よりも高い状態が５秒
より長く続いた場合であって、アクセル開度が急に減少
した場合、フィルタ15上のパティキュレートが自燃域に
あると判断され、第１および第２のバイパス管21,24が
開放される。これにより排気ガスは、逆流して電気ヒー
タ41側からフィルタ15へ流入し、第５図を参照して既に
述べたように、燃焼熱がフィルタに伝達しにくくなり、
フィルタの溶損が防止される。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、パティキュレートが自
己燃焼する時、パティキュレートの燃焼熱がフィルタ側
へ伝わりにくくなり、フィルタの溶損が確実に防止され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の構成図、 第２図は本発明の実施例装置における、パティキュレー
ト捕集状態を示す断面図、 第３図は実施例装置においてパティキュレートが自燃域
にある状態を示す断面図、 第４図は自燃域装置においてパティキュレートが自燃域
における状態の他の例を示す断面図、 第５図はフィルタを拡大して示す断面図、 第６図は切換弁の開閉制御ルーチンを示すフローチャー
ト、 第７図は自燃域を示すグラフ、 第８図は切換弁の開閉制御ルーチンの他の例を示すフロ
ーチャートである。 15…フィルタ、21,24…バイパス管、31,32…切換弁、51
…制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 特開 昭59−79022（ＪＰ，Ａ) 実公 昭63−38327（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平５−3695（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の方向に流動する排気ガスに含まれる
   パティキュレートを捕集するフィルタと、排気ガスを該
   フィルタ内において、上記第１の方向とは反対の第２の
   方向に流動させ大気中へ放出させる排気ガス流制御手段
   と、上記フィルタに捕集されたパティキュレートが自己
   燃焼するエンジン状態か否かを判別する手段とを有し、
   上記パティキュレートが自己燃焼するエンジン状態の時
   上記排気ガス流制御手段により排気ガスを第２の方向に
   流動させ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。