JPH08218847A - ディーゼル機関の排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ディーゼル機関の排気浄化装置に
関し、パティキュレート捕集量のフィルタの構造にかか
わらず、再生時の正確なフィルタ最大温度を検出してフ
ィルタの再生時期をフィードバック制御することによ
り、フィルタの溶損を確実に防止し良好な再生を実現す
ることである。 【構成】 捕集されたパティキュレートを燃焼させてフ
ィルタ５を再生するための再生時期をパティキュレート
捕集量に基づき決定する再生時期決定手段１００と、フ
ィルタの構造により推定されるフィルタのパティキュレ
ート捕集量分布に基づき決定された再生時に最も高温度
となるフィルタ部分に隣接して配置された温度センサＳ
Ｔ２と、温度センサにより測定されるフィルタ再生中の
ピーク温度に基づき再生時期決定手段により決定される
フィルタの再生時期をフィードバック制御するフィード
バック制御手段、とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼル機関の排気
浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル機関の排気ガス中にはカーボ
ンを主成分とする排気微粒子（パティキュレート）が含
まれており、これが環境汚染を引き起こすために排気ガ
スを大気に放出する以前に除去されることが好ましく、
そのために、ディーゼル機関の排気通路内にはパティキ
ュレートを捕集するためのセラミック製のフィルタが配
置されている。

【０００３】ディーゼル機関の使用に伴いフィルタにお
けるパティキュレート捕集量が増加すると排気抵抗が増
大して機関性能を低下させるために、捕集されたパティ
キュレートを定期的に燃焼させてフィルタを再生するこ
とが必要である。

【０００４】パティキュレート捕集量が少ない時点でフ
ィルタ再生を開始すると、パティキュレートの燃焼伝播
が不十分となってフィルタが良好に再生されないだけで
なく、必要回数以上にフィルタを再生することになり、
パティキュレートの燃焼熱によってフィルタの寿命を低
下させる。また、パティキュレート捕集量がかなり多く
なるまでフィルタ再生を開始しないと、この時の機関性
能が大幅に低下するだけでなく、フィルタ再生時のパテ
ィキュレート燃焼により発生する熱量が全体としてかな
り大きくなり、フィルタが溶損する可能性がある。

【０００５】特開平３−１８６１４号公報には、フィル
タのパティキュレート捕集量として、フィルタを介して
の排気ガスの圧力損失値を使用し、この値が設定値とな
る時にフィルタの再生を開始し、再生時のフィルタ温度
が所定範囲から上側又は下側に外れる時には、実際のパ
ティキュレート捕集量が多過ぎる又は少な過ぎるとして
設定値を減少又は増加させるようにフィードバック制御
することにより、所望量のパティキュレートが捕集され
た時にフィルタ再生を開始させ、フィルタの溶損を防止
すると共に良好なフィルタ再生を意図するパティキュレ
ートフィルタ再生装置が開示されている。

【０００６】フィルタ再生時においてパティキュレート
を燃焼させる際には、この燃焼に必要な二次空気が供給
され、フィルタに捕集されたパティキュレートは二次空
気上流側から下流側に向かって順次燃焼させられる。フ
ィルタ各部にパティキュレートが均一に捕集されている
時には、各部で発生する燃焼熱はほぼ等しくなるが、軸
線方向においては、フィルタの二次空気下流側ほど上流
側の燃焼熱が軸線方向に伝達されるために高温度とな
る。また、半径方向においては、フィルタの中央ほど周
囲の燃焼熱が半径方向に伝達されて集中するために高温
度となる。前述のパティキュレートフィルタ再生装置
は、二次空気下流側端面中央部近傍に温度センサが配置
されているために、この場合においては、再生時のフィ
ルタ最大温度を測定するようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フィル
タの構造によっては、パティキュレートがフィルタ各部
に均一に捕集されず、フィルタの二次空気下流側端面中
央部が最も高温度となる部分ではないことがあり、前述
の従来技術において、温度センサによって測定されたピ
ーク温度が再生時のフィルタ最大温度を大きく下回り、
それに伴って前述の設定値を大きくすると、再生開始時
のパティキュレート捕集量が多くなり過ぎて機関出力が
大幅に低下したり、再生時に発生する熱量が非常に大き
くなってフィルタが溶損する可能性がある。

【０００８】従って、本発明の目的は、パティキュレー
ト捕集用のフィルタの構造にかかわらず、再生時の正確
なフィルタ最大温度を検出してフィルタの再生時期をフ
ィードバック制御することにより、フィルタの溶損を確
実に防止し良好な再生を実現可能なディーゼル機関の排
気浄化装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるディーゼル
機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されたパティキ
ュレート捕集用のフィルタと、捕集されたパティキュレ
ートを燃焼させて前記フィルタを再生するための再生時
期をパティキュレート捕集量に基づき決定する再生時期
決定手段と、前記フィルタの構造により推定される前記
フィルタのパティキュレート捕集量分布に基づき決定さ
れた再生時に最も高温度となるフィルタ部分に隣接して
配置された温度センサと、前記温度センサにより測定さ
れるフィルタ再生中のピーク温度に基づき前記再生時期
決定手段により決定される前記フィルタの再生時期をフ
ィードバック制御するフィードバック制御手段、とを具
備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】前述のディーゼル機関の排気浄化装置は、温度
センサが、パティキュレート捕集用のフィルタの構造に
より推定されるフィルタのパティキュレート捕集量分布
に基づき決定された再生時に最も高温度となるフィルタ
部分に隣接して配置されているために、この温度センサ
により測定されるフィルタ再生中のピーク温度が正確な
フィルタ最大温度であり、フィードバック制御手段が、
このピーク温度に基づき再生時期決定手段により決定さ
れるフィルタの再生時期をフィードバック制御する。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明によるディーゼル機関の排気
浄化装置を示す概略図である。同図において、１はディ
ーゼル機関、２はその排気通路である。排気通路２に
は、パティキュレートフィルタ５の収納ケース３が配置
され、この収納ケース３をバイパスするバイパス通路８
が接続されている。パティキュレートフィルタ５は、多
孔性物質からなるハニカム状の隔壁を備えたハニカム状
フィルタで、隔壁で囲まれた通路の隣接する二つにおい
て、一方が排気ガス上流側を、他方が排気ガス下流側を
セラミック製の閉塞材によって閉塞されているものであ
り、収納ケース３内にシール部材４を介して取り付けら
れている。

【００１２】排気通路２におけるバイパス通路８の分岐
部及び合流部には、それぞれ第１及び第２切換弁Ｖ１，
Ｖ２が配置され、排気ガスをパティキュレートフィルタ
５及びバイパス通路８のいずれか一方を通過させるよう
になっている。また、排気通路２には、第１切換弁Ｖ１
とパティキュレートフィルタ５との間において、エアポ
ンプ９に通じる二次空気供給通路６が第１閉鎖弁Ｖ３を
介して接続され、第２切換弁Ｖ１とパティキュレートフ
ィルタ５との間において、燃焼ガス排出通路７が第２閉
鎖弁Ｖ４を介して接続されている。

【００１３】図中、Ｈはパティキュレートフィルタ５の
排気上流側に取り付けられたヒータであり、スイッチＳ
を介してバッテリ１１へ電気的に接続されている。ま
た、ＳＰ１及びＳＰ２はそれぞれパティキュレートフィ
ルタ５の直上流側及び直下流側の排気ガス圧力ＰＵ，Ｐ
Ｄを測定するための第１及び第２圧力センサであり、Ｓ
Ｔ１はパティキュレートフィルタ５の直上流側の排気ガ
ス温度Ｔを測定するための第１温度センサである。ＳＴ
２はパティキュレートフィルタ５の二次空気下流側端面
に隣接して配置された第２温度センサである。

【００１４】１００は、例えば、アナログ信号入力用イ
ンタフェースＩＮａ、デジタル信号入力用インタフェー
スＩＮｄ、アナログ信号をデジタル信号に変換するコン
バータＡ／Ｄ、各種演算処理を行う中央演算処理装置Ｃ
ＰＵ、ランダムアクセスメモリＲＡＭ、呼び出し専用メ
モリＲＯＭ、出力回路ＯＵＴ、及びこれらを接続するバ
スライン１１１等から構成され、前述の第１及び第２切
換弁Ｖ１，Ｖ２、第２閉鎖弁Ｖ３，Ｖ４、スイッチＳ、
及びエアポンプ９を作動制御するための制御装置であ
り、これらが出力回路ＯＵＴに接続されると共に、前述
の第１及び第２圧力センサＳＰ１，ＳＰ２と第１及び第
２温度センサＳＴ１，ＳＴ２に加えて機関回転数Ｎを検
出するための回転センサ（図示せず）と吸入空気重量Ｇ
ａを検出するための吸入空気量センサ（図示せず）等が
アナログ信号入力用インタフェースＩＮａに接続され、
デジタル信号入力用インタフェースＩＮｄには機関始動
時を検出するためのキースイッチが接続されている。

【００１５】ディーゼル機関１の排気ガス中には有害な
パティキュレートが含まれるために、通常時において、
第１及び第２閉鎖弁Ｖ３，Ｖ４は閉弁されると共に、第
１及び第２切換弁Ｖ１，Ｖ２は排気ガスがパティキュレ
ートフィルタ５を通過するように切り換えられ、パティ
キュレートフィルタ５によって排気ガス中のパティキュ
レートを捕集するようになっている。ディーゼル機関の
使用期間が長くなり、パティキュレートフィルタ５にお
けるパティキュレート捕集量が所定量に達すると、排気
抵抗がかなり増大して機関性能を大幅に低下させるため
に、現在のパティキュレート捕集量を把握し、それが所
定量となった時点でパティキュレートフィルタ５の再生
時期と判断し、制御装置１００によって第１及び第２切
換弁Ｖ１，Ｖ２は排気ガスがバイパス通路８を通過する
ように切り換えられ、第１及び第２閉鎖弁Ｖ３，Ｖ４は
開弁されると共にエアポンプ９が駆動され、スイッチＳ
が閉じられてヒータＨが通電発熱させられるようになっ
ている。

【００１６】それにより、パティキュレートフィルタ５
の上流側に捕集されたパティキュレートがヒータＨによ
って加熱されると共に二次空気供給通路６から二次空気
が供給されるために、上流側のパティキュレートが燃焼
を開始し、この火炎が下流側に伝播してパティキュレー
トフィルタ５に捕集されたパティキュレートを全て燃焼
させ、パティキュレートフィルタ５の再生が完了する。
この時の燃焼ガスは燃焼ガス排出通路７により排出され
るようになっている。このようにして、パティキュレー
トフィルタ５の再生が完了すると、エアポンプ９が停止
されると共に、第１及び第２切換弁Ｖ１，Ｖ２と第１及
第２閉鎖弁Ｖ３，Ｖ４は通常時の状態とされ、排気ガス
が再びパティキュレートフィルタ５を通過するようにな
る。

【００１７】再生時のパティキュレート燃焼が二次空気
上流側から下流側に伝播するために、パティキュレート
フィルタ５の二次空気下流側部分は、そこで発生する燃
焼熱に加えて上流側での燃焼熱が伝達され、軸線方向に
おいては、二次空気下流ほど高温度となる。一方、半径
方向においては、再生時におけるパティキュレートの捕
集量分布に応じて、より高温度となる部分が変化する。
例えば、半径方向において均一な通気抵抗を有するパテ
ィキュレートフィルタの場合には、半径方向に均一にパ
ティキュレートが捕集されるために、各部分の燃焼発熱
量はほぼ等しいが、特に周囲部分からの熱伝達が中央部
に集中するために、中央ほど高温度となり、結果とし
て、パティキュレートフィルタ５の二次空気下流側端面
中央部が最も高温度となる部分である。もちろん、中央
部の通気抵抗が外周部に比較して小さいパティキュレー
トフィルタの場合も同様に二次空気下流側端面中央部が
最も高温度となる部分である。このようなパティキュレ
ートフィルタが使用される時には、図２に示すように第
２温度センサＳＴ２は、フィルタの二次空気下流側端面
中央部に隣接して配置されるようになっている。

【００１８】また、前述のように半径方向において均一
にパティキュレートを捕集させると、外周部の温度が低
くパティキュレートの燃焼伝播が不良となり、この部分
に捕集されたパティキュレートが燃え残る可能性があ
り、これを防止するために、外周部の通気抵抗を中央部
より小さくして外周部により多くのパティキュレートを
捕集させ、その部分の燃焼発熱量を大きくするパティキ
ュレートフィルタが提案されており、この場合には、熱
の対流によって二次空気下流側端面外周上部が最も高温
度なる部分である。このようなパティキュレートフィル
タが使用される時には、図３に示すように第２温度セン
サＳＴ２は、フィルタの二次空気下流側端面外周上部に
隣接して配置されるようになっている。

【００１９】このようにパティキュレートフィルタの構
造によって再生時に最も高温度となる部分が異なるため
に、本実施例において、最も高温度となる部分に隣接し
て第２温度センサＳＴ２を配置し、パティキュレートフ
ィルタ再生時において、この部分の温度を監視するよう
になっている。

【００２０】パティキュレート捕集量が所定量に達する
以前にパティキュレートフィルタ５の再生を開始する
と、パティキュレート燃焼における火炎が下流側に十分
に伝播せずにパティキュレートフィルタ５の再生が不良
となる可能性があるために、パティキュレートフィルタ
５におけるパティキュレート捕集量を把握し、それが所
定量に達した時点でパティキュレートフィルタ５の再生
時期と判断することが必要であり、制御装置１００は、
図４に示すフローチャートに従ってこの判断を実行する
ようになっている。これを以下に説明する。

【００２１】本フローチャートは、所定時間、例えば５
０ｍｓ毎に実行されるものである。まず、ステップ１０
１において、キースイッチからの信号の入力時点に基づ
き、機関始動開始直後であるか否かが判断され、この判
断が肯定される時にだけステップ１０２において第１及
び第２圧力センサＳＰ１，ＳＰ２の較正が行われる。次
にステップ１０３に進み、現在の機関運転状態が過渡時
であるか否かが判断される。この判断には、回転センサ
により検出される機関回転数Ｎ、吸入空気量センサによ
り検出される吸入空気重量Ｇａ、又は第１温度センサＳ
Ｔ１により検出される排気ガス温度Ｔの時間変化率が利
用され、この時間変化率が各設定値以上となる時に過渡
時であると判断される。

【００２２】ステップ１０３における判断が肯定される
時、すなわち機関運転状態が過渡時である時にはそのま
ま終了するが、ステップ１０３における判断が否定され
る時にはステップ１０４に進む。ステップ１０４におい
て、第１及び第２圧力センサＳＰ１，ＳＰ２によって測
定されるパティキュレートフィルタ５の直上流側におけ
る排気ガス圧力ＰＵと直下流側における排気ガス圧力Ｐ
Ｄ、吸入空気量センサにより検出される吸入空気重量Ｇ
ａ、及び第１温度センサＳＴ１により測定されるパティ
キュレートフィルタ５の直上流側における排気ガス温度
Ｔが読み込まれる。

【００２３】次に、ステップ１０５において、パティキ
ュレートフィルタ５の直上流側における排気ガス圧力Ｐ
Ｕと直下流側における排気ガス圧力ＰＤとの差がパティ
キュレートフィルタ５を介しての圧力損失値ΔＰとして
算出される。この圧力損失値ΔＰは現在の機関運転状態
における吸入空気量及び排気ガス温度の基での値である
ために、頻繁に使用される標準機関運転状態における標
準吸入空気量及び標準排気ガス温度での値ΔＰ１に換算
する必要があり、ステップ１０６において、圧力損失値
ΔＰに、標準排気ガス温度Ｔ’と現在の排気ガス温度Ｔ
との比及び標準吸入空気重量Ｇａ’と現在の吸入空気重
量Ｇａとの比が乗算される。

【００２４】このように換算された圧力損失値ΔＰ１に
は、ノイズ等の影響が重畳されている可能性があるため
に、ステップ１０７において、例えば１０回程度の平均
化処理が実施されて圧力損失値ΔＰ２が算出される。本
実施例において、圧力損失値ΔＰ２の算出に際して、過
渡運転時における真値とはかなり異なる圧力損失値ΔＰ
１が取り込まれないために、この程度の平均化処理され
た圧力損失値ΔＰ２は、パティキュレートフィルタ５に
おける現在のパティキュレート捕集量をほぼ正確に表す
ものであり、次に、ステップ１０８において、この値
が、しきい値としての所定量のパティキュレートが捕集
されている時の圧力損失値ΔＰｒに達しているか否かが
判断され、この判断が否定される時にはそのまま終了す
るが、肯定される時にはステップ１０９に進み、パティ
キュレートフィルタ５の再生時期であると判断され、前
述したパティキュレートフィルタ５の再生を開始する。

【００２５】次に、ステップ１１０に進み、パティキュ
レートフィルタ５の再生が終了するのに十分な所定時
間、第２温度センサＳＴ２によってパティキュレートフ
ィルタ５の最も高温度となる部分の温度Ｔｆを連続的に
測定した後、ステップ１１１に進み、この温度Ｔｆのピ
ーク値Ｔｆｐを決定する。次に、ステップ１１２におい
て、このピーク値Ｔｆｐと、前述の所定量のパティキュ
レートが捕集されている場合における再生時のパティキ
ュレートフィルタ５の最も高温度となる部分の推定ピー
ク温度、すなわち目標ピーク温度Ｔｆｐ’との差Ｄが算
出され、ステップ１１３において、この差Ｄが正の第１
所定値Ａ１以上であるか否かが判断され、この判断が否
定される時には、ステップ１１４に進み、この差Ｄが負
の第２所定値以下であるか否かが判断される。この判断
が否定される時には、パティキュレートフィルタ５の最
も高温度となる部分における実際のピーク温度Ｔｆｐと
目標ピーク温度Ｔｆｐ’とが近く、今回の再生開始時点
において、所定量のパティキュレートが実際に捕集され
ていたことになり、前述したステップ１０８の判断は適
当であるために、そのまま終了する。

【００２６】一方、ステップ１１３における判断が肯定
される時には、実際のピーク温度Ｔｆｐが目標ピーク温
度Ｔｐｆ’をある程度上回っており、すなわち、再生開
始時点のパティキュレート捕集量が所定量より多く、こ
れが繰り返されることにより、パティキュレートフィル
タ５の最も高温度となる部分において溶損又は熱応力に
よる亀裂が発生する可能性がある。従って、ステップ１
１５に進み、ステップ１０７において算出された圧力損
失値ΔＰ２が実際の値より小さめとなっているために、
ステップ１０８の判断で使用するしきい値ΔＰｒは減少
値Ｋ１だけ減少させられるようになっている。

【００２７】また、ステップ１１４における判断が肯定
される時には、実際のピーク温度Ｔｆｐが目標ピーク温
度Ｔｐｆ’をある程度下回っており、すなわち、再生開
始時点のパティキュレート捕集量が所定量より少なく、
これが繰り返されることにより、再生不良が発生した
り、再生回数が増加することになる。従って、ステップ
１１６に進み、ステップ１０７において算出された圧力
損失値ΔＰ２が実際の値より大きめとなっているため
に、ステップ１０８の判断で使用するしきい値ΔＰｒは
増加値Ｋ２だけ増加させられるようになっている。前述
の減少量Ｋ１及びこの増加量Ｋ２は、差Ｄの絶対値が大
きいほど大きくすることも可能であり、それにより、さ
らに良好に実際のピーク温度Ｔｐｆを目標ピーク温度Ｔ
ｐｆ’近傍に維持することができる。

【００２８】本実施例において、第２温度センサＳＴ２
が隣接配置されるパティキュレートフィルタ５の最も高
温度となる部分は、パティキュレートフィルタの半径方
向におけるパティキュレート捕集量分布を推定し、この
パティキュレート捕集量分布から各部の燃焼発熱量を推
定し、この各部の燃焼発熱量から各方向における伝熱量
を推定し、それに基づき推定される各部の温度を比較す
ることによって決定される。パティキュレートの半径方
向におけるパティキュレート捕集量分布の推定は、パテ
ィキュレートフィルタの半径方向通気抵抗分布に加え
て、パティキュレートフィルタに接続される上流側及び
下流側の排気通路の通気抵抗分布を考慮することでさら
に正確なものとなる。また、実験によってパティキュレ
ートフィルタの最も高温度となる部分を決定してもよ
い。

【００２９】本実施例において、パティキュレートフィ
ルタ５の再生方法は、前述した以外にも、例えば、ヒー
タを省略し、排気ガスによって加熱されたパティキュレ
ートフィルタ自身の温度を利用して二次空気と共に燃料
を供給してパティキュレートを着火燃焼させることも可
能である。さらに、パティキュレートフィルタ５の再生
中にもパティキュレートの除去を実施するために、バイ
パス通路にもパティキュレートフィルタを配置してもよ
い。

【００３０】また、本実施例において、パティキュレー
トフィルタ５の再生時期を決定する手段として圧力損失
値を使用したが、これは本発明を限定するものではな
く、例えば走行距離等も利用可能である。

【００３１】

【発明の効果】このように、本発明によるディーゼル機
関の排気浄化装置によれば、温度センサが、パティキュ
レート捕集用のフィルタの構造により推定されるフィル
タのパティキュレート捕集量分布に基づき決定された再
生時に最も高温度となるフィルタ部分に隣接して配置さ
れているために、いずれのフィルタ構造においても、こ
の温度センサにより測定されるフィルタ再生中のピーク
温度が正確なフィルタ最大温度であり、このピーク温度
を監視してそれが所定範囲内となるように再生時期決定
手段により決定されるフィルタの再生時期がフィードバ
ック制御されるために、再生時にフィルタが他の部分を
含め溶損することは確実に防止され、また、フィルタ最
大温度以外で再生時期をフィードバック制御するものに
比較して、溶損の可能性を直接判断可能であるために、
しきい値の安全率を小さくすることができ、その分、フ
ィルタ再生を遅らせて再生回数を低減させることが可能
となり、フィルタの寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置を
示す概略図である。

【図２】図１のＱ−Ｑ断面の一例を示す図である。

【図３】図１のＱ−Ｑ断面のもう一つの例を示す図であ
る。

【図４】パティキュレートフィルタの再生時期を決定す
るためのフローチャートである。

【符号の説明】

１…ディーゼル機関 ２…排気通路 ５…パティキュレートフィルタ ６…二次空気供給通路 ７…燃焼ガス排出通路 ８…バイパス通路 ９…エアポンプ Ｈ…ヒータ ＳＰ１…第１圧力センサ ＳＰ２…第２圧力センサ ＳＴ１…第１温度センサ ＳＴ２…第２温度センサ １００…制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気通路に配置されたパティキュレート
   捕集用のフィルタと、捕集されたパティキュレートを燃
   焼させて前記フィルタを再生するための再生時期をパテ
   ィキュレート捕集量に基づき決定する再生時期決定手段
   と、前記フィルタの構造により推定される前記フィルタ
   のパティキュレート捕集量分布に基づき決定された再生
   時に最も高温度となるフィルタ部分に隣接して配置され
   た温度センサと、前記温度センサにより測定されるフィ
   ルタ再生中のピーク温度に基づき前記再生時期決定手段
   により決定される前記フィルタの再生時期をフィードバ
   ック制御するフィードバック制御手段、とを具備するこ
   とを特徴とするディーゼル機関の排気浄化装置。