JPS61164018A - 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、上記可燃性粒子の燃焼を促進す
る液体として、例えば、液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
補助燃料による燃料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。

また、フィルタの上流に上記可燃性粒子の燃焼を促進す
る液体として、例えば、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も
提案されている。

ところで、上記のように補助燃料や触媒溶液を噴射供給
する装置においては、例えば数時間おきに１回ずつ所定
量の上記液体を連続的に一挙に噴射供給するようになっ
ているので、噴射されだ液体の一部だけはフィルタの上
流側の表面に付着するが残りの大部分はフィルタの中流
乃至下流側の比較的中心近い部分に浸透することになる
。

上記フィルタの上流側の表面に付着した上記液体は排気
ガス中の酸素と接触しやすいために可燃性粒子の燃焼促
進に極めて有効であるうえ、上流側での燃焼によって下
流側の広い範囲に互って燃焼が促進される。

これに対して、フィルタの中流乃至下流側の内部に浸透
した上記液体は排気ガス中の酸素とも接触しにくいため
に可燃性粒子の燃焼促進に余り有効には作用しないし、
また上流側での燃焼と比較した場合フィルタの中流乃至
下流側での燃焼によってそれよりも下流側の燃焼が促進
されるという作用においても劣る。

つまり、上記液体を連続的に一挙に噴射する場合には、
該液体を有効に活用することが難しく、その消費量も増
えるだけでなく、フィルタの下流側の外周部に付着した
可燃性粒子については燃焼が不十分となりやす（フィル
タ全体を均一に再生することが難しくなる。

（発明の目的） 本発明は、可燃性粒子の燃焼を促進する液体の大部分を
フィルタの上流側に付着させることにより、上記液体を
有効活用してフィルタ全体を再生することが出来るよう
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
促進する液体を噴射時期毎に複数回の間欠噴射で噴射す
る噴射手段を設けたものである。

（発明の効果） 本発明の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、パティキュレートフィルタの上流に可
燃性粒子の燃焼を促進する液体を噴射時期毎に複数回の
間欠噴射で噴射するようにしたので、１回当たりの噴射
によっては少量ずつの液体が噴射され、それが高温のフ
ィルタの上流側の表面やその表面の可燃性粒子に付着す
ることになる。　このように、少量ずつの上記液体を間
欠的に噴射することによって、該液体がフィルタの中流
乃至下流側の内部へ浸透するのを阻止してフィルタの上
流側の表面に均一に分布付着させることが出来る。

フィルタの上流側の表面に付着した上記液体は活発に可
燃性粒子の燃焼を促進し、上流側の燃焼により下流側の
燃焼が広範に促進されるから、上記により上記液体を有
効活用してその消費量を節減することが出来、フィルタ
全体を効率よく再生することが出来る。

（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。

上記フィルタ３の下流側の端面の中央部に向けて加圧エ
アを噴射するエアノズル３１が設けられ、このエアノズ
ル３１へはエアポンプ３２からエアが供給される。

尚、図中符号３３はフィルタ３の上流側端面よりも上流
位置で排気通路２内に設けられた旋回流発生用の旋回案
内羽根であって、テーパ状に拡大する排気通路２の内周
壁面に固着されている（第５図参照）。

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
、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉ　ｒ）の水溶性化合物、あるいは１〜
ｌＯ重景％の一または二辺上の卑金属（■、（：、ｕ、
　Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭＯ％　Ｃａ、Ｂａ）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１〜１０
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Ｉ２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、また上記エアポンプ３２を
制御したりするコントロールユニット１４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３の上流側の排気通路２
内の背圧及び排気ガス温度を各々検出する背圧センサ１
５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１
８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、上記ロッド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、ロッド２７の案内部２７ｂｌＪ＜
Ｘ内孔２３内に軸方向摺動自在に装着され、ロッド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の基端壁間でロフト
２７に外装された圧縮ハネ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、ロッド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、入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（Ｒ
ＡＭ）　、中央演算装置（ＣＰＵ）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
諸定数が予め人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でなされる制御の
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Ｓ１〜３２４
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
の通気抵抗が大きくなってフィルタ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３７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（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、Ｓ１０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ＴＡ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３１２ではインジ
ェクタ７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、Ｓ１３では上
記エアポンプ３２が駆動されエアノズル３１から加圧エ
アがフィルタ３の下流側の端面の中央部に向けて噴射さ
れる。

上記加圧エアを噴射しない場合には、触媒溶液等を噴射
した際に排気ガスの流れの速いフィルタ３の中心近傍部
に触媒溶液等が集中しやすく、その結果フィルタ３の中
心近傍部のカーボン粒子等の燃焼が著しく促進されて通
気抵抗が小さくなり、排気ガスの流れがますます中心近
傍部に集中して後続の触媒溶液等も中心近傍部に集中し
、フィルタ３の外周側へ触媒溶液が供給されずその部分
のフィルタ３を再生することが難しくなる。

上記のように加圧エアを供給してフィルタ３の中心近傍
部の流れに抵抗を付加すると、フィルタ３内の排気ガス
の流れが均一化されるので、触媒溶液等がフィルタ３全
体に一様に供給され、フィルタ３全体が均一に再生され
ることになる。

次に、Ｓ１４では噴射フラグＦがＦ＝１とされる。

Ｓ１５ではタイマーがセントされ、Ｓ１６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３１７へ移行し、
Ｓ１７ではタイマーがリセットされる。

３１８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、Ｓ１９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Ｔ！ｌ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
３２２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５２０へ移行する。

Ｓ２０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Ｓ２１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３１
Ｂへ戻る。

Ｓ２１でインジェクタ７が閉じられると、Ｓ２２ではポ
ンプ９の駆動が停止され、Ｓ２３ではエアポンプ３２が
停止され、Ｓ２４では噴射フラグＦがＦ＝＝０とされる
。

上記フローチャートは概略のルーチンを示すもので、上
記５１２〜Ｓ２１のステップの間になされる触媒溶液等
の噴射は、実際には第６図に示すように３回の間欠噴射
で実行される。

即ち、噴射開始後所定時間の間に噴射量Ｑ１だけ噴射さ
れると、インジェクタフの弁が閉じられ、上記Ｑ１に含
まれる蒸発成分が蒸発するのに必要な非常に短い時間を
秒間だけ経過してから再びインジェクタ７の弁が開かれ
て噴射量Ｑ２が噴射され、再び上記を秒間だけ噴射が中
断されてから最後に噴射量Ｑ、が噴射されてインジェク
タ７の弁が閉じられる。そして、上記Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３
の総和が８８で決定された噴射量Ｑとなるように設定さ
れる。

上記噴射中断時間ｔは、例えば第７図に示すように排気
ガス温度が高くなる程短く設定される。

上記のように、少量ずつ間欠的に噴射すると、噴射され
た触媒溶液等がフィルタ３の中流乃至下流側の内部に浸
透することなくフィルタ３の上流側の表面に付着し、そ
の触媒成分は排気ガス中の酸素とも接触しやすいので可
燃性粒子の燃焼が活発に促進されるうえ、上流側の燃焼
で中流乃至下流側の燃焼が広範に促進されることになる
。

しかも、旋回案内羽根３３により排気ガスに旋回流が付
加されるので、排気ガスと触媒溶液の噴霧との混合が促
進されるとともに、排気ガス流はフィルタ３の上流端面
の全面から一様に流入することになる。

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ＳＩＯ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、Ｓ２４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３３２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
ドバルブ１２へ出力され、低くないときにはＳ３３にお
いて絞り弁５を開く方向へ駆動するための信号がデユー
ティソレノイドバルブ１２へ出力される。

Ｓ３２及びＳ３３からは３３４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３３０〜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Ｓ１〜Ｓ２４及びＳ３０〜Ｓ３５によって今回の制
御がなされ、Ｓ２４から８１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Ｔ、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、旋回案内羽根３３によって排気
ガスの流れに旋回流を付加するようにしたが、第８図及
び第９図に示すようにフィルタ３を収容するフィルタケ
ーシング３Ａの上流側のテーバ部３ａに排気通路２を偏
心直交状に配置して接続し、排気ガスをテーバ部りａ内
に接線方向から流入させるようにして旋回流を付加して
もよい。

【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、第５図は第１図ｖ　−ｖ線断拡大図、第６
図は触媒溶液等の間欠噴射を示す動作タイムチャート、
第７図は排気ガス温度と噴射中断時間との関係を示す線
図、第８図は変形例に係るフィルタの縦断面図、第９図
は第８図■矢視図である。 １・・ディーゼルエンジン、　２・・排気通路、３・・
パティキエレートフィルタ、　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 第３図Ｃｂ） 第５図 第６図 第７図 再 排気ガス温度　　−高

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
   の燃焼を促進する液体を噴射時期毎に複数回の間欠噴射
   で噴射する噴射手段を設けたことを特徴とするエンジン
   の排気ガス浄化装置。