JPS61164016A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

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） 本発明はエンジンの排気ガス浄化装置に関し、特に排気
ガス中に含まれるカーボン粒子等の可燃性粒子をパティ
キュレートフィルタで捕捉しこの可燃性粒子を燃焼させ
て除去するようにした排気ガス浄化装置の改良に関する
。

（従来技術） 従来、この種の排気ガス浄化装置として、例えば、特開
昭５６−９８５１９号公報に開示されているように、エ
ンジンの排気系に排気ガス中の可燃性粒子などを捕集し
て酸化反応させる触媒フィルタを配置するとともに、該
触媒フィルタの上流に液体燃料または気体燃料などの補
助燃料を噴射する噴射器を設けて、触媒フィルタの触媒
による反応と補助燃料による燃焼の促進とによって排気
ガス温度を可燃性粒子の着火温度以上に加熱することに
より、捕集された可燃性粒子を燃焼除去するようにした
のは知られている。

上記従来の排気ガス浄化装置では、排気ガス温度の低い
常用運転域では、この排気ガス温度が上記可燃性粒子の
着火温度までに十分に達しないため、可燃性粒子が燃焼
しないでそのまま残り、この可燃性粒子によって触媒フ
ィルタが目詰まりし、その結果、排気系の背圧が上昇し
てエンジンを正常に運転できなくなるという問題がある
。

このため、フィルタの上流に触媒溶液を供給して、可燃
性粒子の表面に触媒を被着させることにより、触媒の反
応によって可燃性粒子の着火温度を下げるようにしたも
のが提案されている。

ところで、上記のように触媒溶液を供給して可燃性粒子
の燃焼を促進する場合、触媒成分は燃焼により直接消耗
していくものではないから触媒成分を繰返し噴射供給し
ていく間に触媒成分が少しずつフィルタ内に蓄積される
ことになるが、上記触媒成分の蓄積量を無視して常に定
量ずつの触媒溶液を供給していくと、フィルタ内に多量
の触媒成分が蓄積されてフィルタの通気抵抗が増え排気
通路の背圧が大きくなって燃費が悪化すること、また過
剰な触媒成分によって可燃性粒子の燃焼が著しく促進さ
れてフィルタが異常高温状態となり、その熱応力で例え
ばセラミック製のパティキュレートフィルタにクランク
が発生してフィルタとして使用できなくなること、また
高価な触媒溶液の消費量も増加するためそのランニング
コストも高くなること、等の問題が起る。

（発明の目的） 本発明は、上記の諸問題を解消するためになされたもの
で、エンジンの燃費悪化を防止でき、パティキュレート
フィルタの損傷もなく、かつ触媒溶液の消費量を低減し
得るようなエンジンの排気ガス浄化装置を提供すること
を目的とする。

（発明の構成） 本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置は、排気系に
可燃性粒子などを捕集するパティキュレートフィルタを
備えたエンジンの排気ガス浄化装置において、上記パテ
ィキュレートフィルタの上流に上記可燃性粒子の燃焼を
促進する触媒溶液を噴射する噴射手段を設けるとともに
、上記パティキュレートフィルタに蓄積されている触媒
成分量を検出する検出手段を設け、上記検出手段の出力
を受け上記パティキュレートフィルタに蓄積されている
触媒成分量に応じて新規に噴射供給する触媒成分量を制
御する制御手段を設けたものである。

上記検出手段としては、エンジン使用開始からの触媒溶
液噴射回数をカウントするカウント手段を用いてもよく
、触媒成分の蓄積量に略比例して減少するフィルタの電
気抵抗を検出する検出手段を用いてもよく、また触媒成
分の蓄積量に略比例して増加するフィルタの圧損を検出
する検出手段を用いてもよい。

（発明の効果） 本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置においては、
以上説明したようにフィルタ内に蓄積されている触媒成
分を検出手段で検出し、その出力に基いて制御手段によ
ってフィルタ内に蓄積されている触媒成分量に応じて新
規に噴射供給する触媒成分量を制御するようにしたので
、フィルタ内に蓄積されている触媒成分量を勘案して常
に適正量の触媒成分を供給することが出来る。

従って、適正量の触媒成分によってフィルタ内での可燃
性粒子の燃焼を適度に促進することによって、フィルタ
が異常高温状態とならないように制御することが出来、
高価な触媒成分の消費量を節減することが出来ると同時
に、触媒成分の蓄積によるフィルタの通気抵抗増加でエ
ンジンのｆｉｌｌ’が悪化するのを防ぐことが出来る。

（実施例） 以下、本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置をディ
ーゼルエンジンに適用した場合の実施例について図面に
基いて説明する。

上記排気ガス浄化装置の全体構成について、第１図によ
り説明すると、ディーゼルエンジン１の排気通路２の途
中部にはパティキュレートフィルタ３（以下、フィルタ
という）が介装され、このフィルタ３に流入する排気ガ
ス流量を調節するためフィルタ３の上流側の排気通路２
から分岐してフィルタ３の下流側の排気通路２に合流す
るバイパス通路４が設けられ、上記バイパス通路４の始
端部には絞り弁５が設けられる。

上記フィルタ３は微小細孔を有する多孔質のセラミック
製のパティキュレートフィルタで、多数の隔壁で仕切ら
れた多数の通路を有し、排気ガスを上記隔壁で濾過する
ことにより排気ガス中に含まれるカーボン粒子等の可燃
性粒子を捕捉するようにしたものである。

上記フィルタ３に捕捉された可燃性粒子を燃焼させてフ
ィルタ３を再生するため、フィルタ３の上流側の排気通
路２内に触媒水溶液炭化水素エマルジョンを噴射する噴
射器具６が設けられる。

上記噴射器具６は、フィルタ３の上流側の排気通路２内
にフィルタ３の方向へ向けて装着されたインジェクタ７
と、上記触媒水溶液炭化水素エマルジョンを貯溜するタ
ンク１０と、インジェクタ７をタンク１０に接続する連
通管８と、連通管８の途中部に介装されたポンプ９とか
ら構成される。

上記触媒水溶液炭化水素エマルジョンの組成は、０・０
５〜０・５重量％の一または二辺上の白金族金属（Ｐｔ
ＳＰｄ、Ｒｈ、Ｉｒ）の水溶性化合物、あるいは１〜１
０重量％の一または二辺上の卑金属（Ｖ、Ｃｕｓ　Ｃｒ
ｓ　Ｆｅ５Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃａ　％　Ｂ　ａ　）の水溶性
塩よりなる触媒成分と、１０〜５０重量％の灯油、軽油
、重油、アルコール、またはケトン（含酸素炭化水素）
等の炭化水素と、該炭化水素を水に溶かすための１〜１
０重量％の界面活性剤と、残りが水とからなり、これら
を混合したものである。以下、上記触媒水溶液炭化水素
エマルジョンを単に触媒溶液等と略称する。

但し、触媒溶液と炭化水素とを各々独立のタンクに貯溜
しておいて、両者を混ぜてインジェクタ７へ供給したり
、或いは必要に応じて一方だけをインジェクタ７へ供給
するようにしてもよいことは勿論である。

前記バイパス通路４の絞り弁５を調節する調節機構は、
真空ポンプ１１と、真空ポンプ１１に接続されたデユー
ティソレノイドバルブ１２と、デユーティソレノイドバ
ルブ１２に接続され絞り弁５に連結されたダイヤフラム
式アクチュエータ１３とから構成される。

上記フィルタ３に捕捉されている可燃性粒子の燃焼状態
に応じて上記噴射器具６を制御したり、また前記絞り弁
５の開度を調節制御したりするコントロールユニット１
４が設けられ、このコントロールユニット１４へは下記
の各種センサから検出信号が入力される。

上記センサとしては、フィルタ３２７）上流側の排気通
路ｚ内の背圧及び排気ガス温度を各々検出する背圧セン
サ１５及び第１排気ガス温度センサ１６と、フィルタ３
の下流側の排気通路２内の排気ガス温度を検出する第２
排気ガス温度センサ１７と、エンジン１の燃料噴射ポン
プ１８のポンプ軸の回転数を検出する回転数センサ１９
と、上記燃料噴射ポンプ１８のコントロールスリーブの
位置を検出する負荷センサ２０とが設けられ、各検出信
号はコントロールユニット１４へ出力される。

上記コントロールユニット１４からインジェクタ７へは
インジェクタ７内に組込まれたソレノイドバルブ（第２
図参照）を開閉する制御信号が出力され、コントロール
ユニット１４からポンプ９へはポンプ９をＯＮ・ＯＦＦ
操作する制御信号が出力され、コントロールユニット１
４からデユーティソレノイドバルブ１２へはそのデユー
ティ比を変えて絞り弁５を調節操作する制御信号が出力
される。

次に、上記インジェクタ７は、例えば第２図のように構
成される。

即ち、インジェクタ本体２１の中心部には先端側から順
に噴射口２２、案内孔２３、バネ装着孔２４、ソレノイ
ド装着孔２５及び供給孔２６が連通状に形成され、これ
らのうち供給孔２６以外の答礼２２〜２５に互って一体
のロッド２７が挿入装着され、上記ロフト２７の先端の
針弁体部２７ａが噴射口２２の奥端の弁座に内方より当
接して弁が構成され、ロフト２７の案内部２７ｂが案内
孔２３内に軸方向摺動自在に装着され、四ノド２７の鍔
状のバネ受部２７ｃがバネ装着孔２４内に配設され、バ
ネ受部２７ｃとバネ装着孔２４の基端壁間でロッド２７
に外装された圧縮バネ２８によりロッド２７が先端方向
つまり上記弁を閉じる方向へ付勢され、ソレノイド装着
孔２５内においてロッド２７の外側にはソレノイド２９
が装着され、ロフト２７の基端の鍔部２７ｄとソレノイ
ド装着孔２５の基端壁間には補助圧縮バネ３０が介装さ
れている。

第２図に図示していないが、上記本体２１の基端部には
前記連通管８が接続され、連通管８から供給孔２６内へ
圧送される前記触媒水溶液等はロッド２７の外周の孔を
経て弁の所へ至り、上記弁が開弁されたときには噴射口
２２より図示のように霧状に噴射されるようになってい
る。但し、上記弁はソレノイド２９へ通電されたときバ
ネ力に抗して開弁するようになっている。

上記コントロールユニット１４は、例えば各センサ１５
・１６・１７・１９・２０からの信号をＡＤ変換するＡ
Ｄ変換器、人出力インターフェイス、リード・オンリ・
メモリ　（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ　（
ＲＡＭ）　、中央演算装置（ＣＰ　Ｕ）及びポンプ９や
ソレノイド１２・２９への出力信号をＤＡ変換し増幅す
る駆動回路等から構成され、上記リード・オンリ・メモ
リ　（ＲＯＭ）には後述の制御ルーチンの為のプログラ
ム及び諸定数が予め入力されメモリされている。

次に、上記コントロールユニット１４でなサレる制御の
ルーチンについて、第３図（ａ）のメインルーチンのフ
ローチャート及び第３図（ｂ）の割込み処理ルーチンの
フローチャートに基いて説明するが、図中Ｓ１〜Ｓ２２
及びＳ３０〜Ｓ３５は各ステップを示す。

Ｓｌでは必要なデータが初期化され、Ｓ２では回転数セ
ンサ１９からの検出信号を読込んでエンジン回転数が演
算され、Ｓ３では負荷センサ２０からの検出信号を読込
んでエンジン負荷が求められ、Ｓ４では背圧センサ１５
からの検出信号を読込んで排気通路２内の背圧が求めら
れる。

Ｓ５では、前記触媒溶液等を噴射後背圧が所定値まで少
なくとも１回低下したか否かが判定される。即ち、前回
の噴射後その触媒溶液等の燃焼促進作用でフィルタ３に
蓄積されていたカーボン粒子等が燃焼すれば背圧が所定
値以下に低下することから、背圧が所定、値以下に低下
してことつまり前回噴射された触媒溶液等が燃焼に寄与
したことを条件として次のステップへ移行するためであ
る。

Ｓ５で判定の結果、ＹＥＳのときにはＳ６へ移行し、Ｎ
ＯのときにはＳ４へ移行する。

Ｓ６では上記今回の背圧が各運転領域毎の所定の背圧よ
りも高いか否かが判定される。

フィルタ３にカーボン粒子等が蓄積される程フィルタ３
の通気抵抗が太き（なって）、イルタ３の上流側の背圧
が大きくなることから上記背圧の値によってカーボン粒
子の蓄積程度を判定するようにしている。但し、背圧の
大きさはエンジンの運転状態に応じて変動することから
、エンジン回転数とエンジン負荷とで定まる各運転領域
に対応する所定の許容背圧値が予めマツプとしてリード
・オンリ・メモリ　（ＲＯＭ）に入力してメモリされて
おり、Ｓ６では今回の運転状態に対応する運転領域の許
容背圧値と今回の背圧値とが比較され、今回の背圧が許
容背圧値より高いときには触媒溶液等を噴射する必要が
あるので８７へ移行し、高くないときにはＳ２へ移行す
る。

Ｓ７ではエンジンの使用開始時点からの今回の噴射回数
がカウントされ、Ｓ８では上記噴射回数に基いて触媒溶
液等の噴射量が決定される。

触媒溶液等に含まれる触媒成分は、カーボン粒子等の燃
焼の際に触媒反応により燃焼を促進するもので、噴射を
繰返していく間にその一部は排気ガスとともに大気中へ
排出されるがその残部はフィルタ３内に徐々に蓄積され
ていくことに鑑み、第４図のグラフに示すように噴射回
数に応じて触媒溶液等の噴射量が決定される。

即ち、触媒成分の蓄積量は曲線ａのように噴射回数に略
比例して増加していくものと考えられるので、触媒溶液
等の１回当たりの噴射量も折れ線すのように噴射回数に
応じて減少するように設定される。

但し、噴射回数が所定の回数になるまでは触媒成分の蓄
積量もそれ程多くはないので定量ずつ噴射されるように
なっている。

ところで、新規に噴射される触媒成分は、背圧の増加に
よる排気ガス温度の高い条件下に水溶液中にイオン化さ
れた活性の高い状態で噴射され、フィルタ３の上流部分
に蓄積されたカーボン粒子等の表層部に供給されて排気
ガス中の酸素と接触しやすいために、燃焼促進の触媒と
して極めて活発に作用し、かつ上流側の燃焼によって下
流側の燃焼も著しく促進されることになる。

これに対して、フィルタ３内に蓄積している触媒成分は
、比較的低い排気ガス温度の条件下に乾燥状態でカーボ
ン粒子等と接触してカーボン粒子等の蓄積層内に埋没さ
れ排気ガス中の酸素とも接触しにくいために、燃焼促進
の触媒としてそれ程活発には作用しないことになる。

従って、フィルタ３内に蓄積されている触媒成分量に応
じて新規に噴射供給する触媒成分量を設定するに際して
は、蓄積されている触媒成分量とその有効性とを勘案し
て設定する必要がある。

Ｓ９では第１排気ガス温度センサ１６からの検出信号が
読込まれてフィルタ３の上流側の排気ガス温度Ｔ、が求
められ、３１０では上記排気ガス温度Ｔ、が予め設定さ
れている所定温度ＴＡより低いか否かが判定され、低い
ときにはＳｌｌへ移行し、低くないときにはＳ９へ戻る
。

加速時や高負荷時など排気ガス温度が高いときに触媒溶
液等を噴射すると、フィルタ３にたまっていたカーボン
粒子等が急速に燃焼して異常高温状態となり、その熱応
力でセラミック製のフィルタ３にクラックが発生しフィ
ルタ３が損傷するので、これを防ぐために排気ガス温度
が所定温度Ｔ＾より低いことを条件として噴射するため
である。

Ｓｌｌでは前記噴射器具６のポンプ９をＳ８にて定めら
れた噴射量に対応する所定時間だけ駆動するため、ポン
プ９の駆動が開始され、これと同時に５１２ではインジ
ェクタフのソレノイド２９へ通電することによりインジ
ェクタ７の弁が開かれて噴射が開始され、３１３では噴
射フラグＦがＦ＝１とされる。

Ｓ１４ではタイマーがセットされ、Ｓ１５では上記タイ
マーにセットされた比較的短い所定時間が経過したか否
かが判定され、その所定時間経過後に３１６へ移行し、
３１６ではタイマーがリセットされる。

Ｓ１７では第２排気ガス温度センサ１７からの検出信号
を読込んでフィルタ３の下流側の排気ガス温度Ｔ２が求
められ、５１８では上記排気ガス温度Ｔ２が予め設定さ
れている所定温度Ｔ８より高いか否か判定され、高いと
きにはカーボン粒子等の燃焼が十分に活発に進行してい
るため引続き触媒溶液等を噴射する必要がないとしてＳ
２１へ移行してポンプ８が停止され、高くないときには
引続き噴射する必要があるとしてＳ１９へ移行する。

３１９ではＳ８にて決定された噴射量に対応する所定ポ
ンプ駆動時間が経過したか否かが判定され、経過したと
きにはＳ２０へ移行してインジェクタフの弁が閉じられ
て噴射停止され、所定時間経過していないときにはＳ１
７へ戻る。

Ｓ２０でインジェクタ７が閉じられると、Ｓ２１ではポ
ンプ９の駆動が停止され、３２２では噴射フラグＦがＦ
＝０とされる。

次に、第３図（ｂ）のフローチャートはバイパス通路４
の絞り弁５を制御する割込み処理ルーチンを示すもので
、上記メインルーチンの３１０における判定でＹＥＳと
なったときに割込み処理が開始され、３２２終了後に復
帰する。

割込み処理開始後、Ｓ３０では排気通路２の背圧センサ
１５からの検出信号を読込んで背圧が求められ、Ｓ３１
では上記背圧が予め設定されている所定値より低いか否
かが判定され、低いときにはＳ３２において絞り弁５を
閉じる方向へ駆動するための信号がデユーティソレノイ
ドパルプ１２へ出力され、低くないときにはＳ３３にお
いて絞り弁５を開（方向へ駆動するための信号がデユー
ティソレノイドパルプ１２へ出力される。

Ｓ３２及びＳ３３からはＳ３４へ移行し、Ｓ３４では噴
射フラグＦがＦ＝１か否かつまり噴射中か否かが判定さ
れ、Ｆ＝１のときにはＳ３０へ戻りＳ３０〜Ｓ３３のス
テップを繰返し、Ｆ＝０のときにはＳ３５へ移行して絞
り弁５を操作してバイパス通路４が閉じられる。このよ
うに、触媒溶液等の噴射中に限りバイパス通路４の絞り
弁５が上記のように制御される。

上記５ｌ−Ｓ２２及び３３０〜Ｓ３５によって今回の制
御がなされ、３２２からＳｌへ移行し次回の制御がなさ
れる。

以上説明したように、フィルタ３の上流側の排気ガス温
度Ｔ１が所定温度ＴＡよりも低いときに限って触媒溶液
等を噴射することによりフィルタ３が異常高温状態にな
るのを防ぐとともに、触媒溶液等の噴射中においてはフ
ィルタ３の下流側の排気ガス温度Ｔ２が所定温度ＴＩよ
り高くなったときには噴射を中止することによりフィル
タ３が異常高温状態となるのを防ぐようにして二重にフ
ィルタ３を保護しである。

加えて、割込み処理ルーチンの制御によって、触媒溶液
等の噴射中はバイパス通路４の絞り弁５を制御すること
によってフィルタ３へ異常に多量の排気ガスが流入して
触媒溶液等がフィルタ３の中心部に偏って中心部で異常
燃焼するのを防ぎ、安定した排気ガス流量の下に安定し
た燃焼状態が得られるようにしである。

上記実施例においては、フィルタ３内に蓄積されている
触媒成分量は噴射回数に略比例するとの前提に基いて、
噴射回数に応じて噴射量を設定するようにしたけれども
、触媒成分の蓄積量を次のようにして検出し、その検出
信号に基いて噴射量を設定するようにしてもよい。

即ち、触媒成分には前述のように金属が含まれているの
でフィルタ３内に蓄積された触媒成分が増加する程セラ
ミック製のパティキュレートフィルタ３の導電性が高ま
りその電気抵抗が減少することから、フィルタ３内に１
対の電極を装着して電極間に所定の電圧を印加し、電極
間に流れる電流を検出することにより電極間の電気抵抗
を求め触媒成分の蓄積量を検出することが出来る。

或いは、フィルタ３内に蓄積された触媒成分が一増加す
る程フィルタ３の通気抵抗が増加することから、背圧セ
ンサ１５で検出されるフィルタ３の上流側の背圧の大き
さから触媒成分の蓄積量を検出することが出来るが、こ
の場合エンジン１の運転状態が一定でかつ触媒溶液等の
噴射によりカーボン粒子等を燃焼させカーボン粒子等の
付着状態が一定となった状態における背圧の値を比較す
る必要がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図はディーゼ
ルエンジンの排気ガス浄化装置の全体構成図、第２図は
インジェクタの縦断面図、第３図（ａ）及び（ｂ）は各
々コントロールユニットでなされる制御のメインルーチ
ンのフローチャート及び割込み処理ルーチンのフローチ
ャート、第４図は触媒溶液等の噴射量と触媒成分蓄積量
を示す線図である。 １・・ディーゼルエンジン、　２・・排気通路、３・・
パティキュレートフィルタ、　７・・インジェクタ、　
８・・連通管、　９・・ポンプ、１０・・タンク、１４
・・コントロールユニット。 特　許　出　願　人　　　マツダ株式会社第２図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気系に可燃性粒子などを捕集するパティキュレ
   ートフィルタを備えたエンジンの排気ガス浄化装置にお
   いて、 上記パティキュレートフィルタの上流に上記可燃性粒子
   の燃焼を促進する触媒溶液を噴射する噴射手段を設ける
   とともに、上記パティキュレートフィルタに蓄積されて
   いる触媒成分量を検出する検出手段と、上記検出手段の
   出力を受け上記パティキュレートフィルタに蓄積されて
   いる触媒成分量に応じて新規に噴射供給する触媒成分量
   を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするエンジ
   ンの排気ガス浄化装置