JP4412049B2 - ディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる有害成分、ことに、ディーゼルエンジンで規制される粒子状物質を減少させるため、エンジンの排気系に装備される排気ガス後処理装置及びその制御装置に関するものである。

環境対策の重要な一環として、車両用エンジンに対し、排気ガス中の有害成分とされる窒素酸化物（ＮＯｘ）あるいは炭化水素（ＨＣ）等の規制が実施される一方、有害成分の低減に向けて各種の技術の開発が精力的に行われている。特に、ディーゼルエンジンに対する、特にディーゼルエンジン排気ガスの規制は、近年、逐次強化されるとともに、将来もより厳しい規制が実施される傾向にある。ディーゼルエンジンは、シリンダ内に供給される空気を圧縮し、高温高圧となった空気中に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであって、ガソリンエンジンと比べ一般的に熱効率が高い。したがって、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量はその分少なくなるという特性を有しているものの、粒子状物質（パティキュレート：、ＰＭ）及びＮＯｘについては、その削減が強く要請されている。

ＰＭは、シリンダ内に噴射された燃料の不完全燃焼により、炭素や燃料の未燃焼成分が微小な粒子として排出されるものである。ディーゼルエンジンでは、噴射された燃料と空気との混合不良などに起因して、その運転状態によってはＰＭの発生量が増大する。ことに、ＮＯｘの低減を目的として、ディーゼルエンジンのシリンダ内に空気と混合して排気ガスを再循環する、いわゆるＥＧＲを行う場合には、シリンダ内に供給される空気量の減少や燃焼最高温度の低下のため、ＰＭの発生量が多くなる傾向にあるので、燃焼方法の制御によるＰＭの低減とＮＯｘの低減とは背反的な面がある。

ＮＯｘ低減のためのＥＧＲは、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず車両用エンジンでは広く実施されており、エンジンの排気通路と吸気通路とを連結するＥＧＲ通路を設けて、排気ガスをエンジンの吸気通路に還流するものである。ＥＧＲ通路には、還流する排気ガス（ＥＧＲガス）の量を制御するＥＧＲ弁を設置し、エンジンの作動状態に応じて弁開度を調整する。一般的には、ＮＯｘの発生量が多いエンジンの中負荷領域においてＥＧＲガス量を増加させ、低負荷領域及び高負荷領域では再循環を停止する。

ＰＭの排出を防止するには、ディーゼルエンジンの排気系にディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれるフィルタを装着し、このＤＰＦによってＰＭを捕捉する技術がある。ＤＰＦは、通常、多孔質のコーディエライト等のセラミック体に格子状に区画された多数の細い通路を軸方向に設け、隣り合う通路の出入口を交互に目封じしたものである。ディーゼルエンジンの排気ガスは、隣り合う通路間の多孔質セラミックの壁を通過して下流に流れ、このときに微粒子であるＰＭが捕集される。多孔質のセラミック体を使用する代わりに、セラミック繊維等の耐熱性繊維からなる目の細かな不織布を使用するものもある。なお、ＰＭの排出を防止するため、セラミック担体に形成した多数の通路の表面に、白金、パラジウム又はロジウム等の貴金属からなる触媒をコーティングした酸化触媒装置を排気系に装着する技術も知られている。排気ガスが酸化触媒装置の通路を通過して流れるときに、その触媒作用によって排気ガス中のＰＭがディーゼルエンジンの排気ガス中の酸素と反応して酸化され、ＣＯ_２などに変換される。このような触媒をＤＰＦの表面に担持させる場合もある。

ところで、ディーゼルエンジンを搭載した車両に装備されるＤＰＦには、エンジンが繰り返し運転されることによって捕捉したＰＭが堆積する。ＰＭが多量に堆積すると、フィルタが目詰まり状態となってエンジンの背圧が上昇する弊害や、エンジンの高負荷時排気ガスが高温となったときに堆積したＰＭが一気に燃焼してＤＰＦに熱損傷を与える等の弊害がある。このような弊害を防ぐためには、堆積したＰＭを適宜除去してＤＰＦの機能を回復させる、いわゆるＤＰＦの再生を行う必要がある。

再生の手段としては、電気ヒータやバーナ等で加熱してＰＭを燃焼させる方式が知られている。しかし、このＰＭを燃焼させる方式を採用したときは、ＤＰＦに電気ヒータ等を組み合わせることとなってＤＰＦが複雑高価なものとなると同時に、再燃焼中はＰＭの捕集が不可能なため、排気通路に複数のＤＰＦを並列に配設して捕集と燃焼を交互に行うシステムとなって装置が大掛かりになるという問題が発生する。この問題を踏まえ、近年では、ＤＰＦの排気ガス上流に酸化触媒を設置し、排気ガス中の未燃焼成分等を酸化してその温度を上昇させるなどの作用により、ＤＰＦに捕集したＰＭをエンジン作動中に連続的に酸化・除去し、ＤＰＦを再生させる方式が注目されている。なお、触媒を上流に設置する代わりにＤＰＦの表面にコーティングする方法、例えば、いわゆるＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦの上流側表面に担持させ、ＮＯｘを吸蔵、還元する際に発生する活性酸素を利用して捕集したＰＭを連続的に酸化・除去させる方法も考えられる。このように、ＤＰＦの上流に触媒を備え、捕集したＰＭを連続して除去し再生する方式のＤＰＦを、ここでは、連続再生式ＤＰＦという。

連続再生式ＤＰＦは、その上流に設けられた触媒の作用によりＰＭを除去するものであるから、通常の触媒装置と同様に、触媒の活性温度以下では触媒が十分な機能を発揮せず、連続的な再生が行われない。触媒が活性化して良好な再生が行われるには、触媒特性に応じた活性化温度、例えば約３５０℃の温度が必要であるが、ディーゼルエンジンの燃料噴射量の少ない低負荷時には排気ガス温度が相当低下し、この運転状態が長時間継続すると、触媒の温度は活性温度を下回る。このため、ＤＰＦにＰＭが蓄積される結果となり、エンジンの背圧の上昇あるいは排気ガス温度上昇時における多量のＰＭの燃焼によるＤＰＦの溶損等を招く。したがって、連続再生式ＤＰＦにおいても、ＤＰＦに一定量のＰＭが蓄積したときは、排気ガス温度を上昇させ触媒を活性化するなどの方法でＰＭを除去しなければならず、このようなＤＰＦの再生を、以下では強制再生と称する。

ディーゼルエンジンの排気ガスの温度を上昇させるには、ポスト噴射と呼ばれる手段がある。これは、ディーゼルエンジンの膨張行程から排気行程において、エンジンシリンダ内に添加燃料を噴射し、その燃料がシリンダ内では燃焼せず、主に排気管やそこに置かれた触媒で酸化し燃焼することによって、排気ガスの温度を高めるものである。一般的には、膨張行程の終期以降に噴射することにより、良好な効果を得ることができる。ポスト噴射は、ディーゼルエンジンのシリンダ内にもともと備えられた燃料噴射ノズルから添加燃料を供給するので、付加的な装置を要しない利点がある。ポスト噴射の量や回数を制御し、昇温させる排気ガスの温度を調整することもできる。

また、ディーゼルエンジンの通常の燃料噴射、つまり圧縮行程の終期から膨張行程で噴射しエンジンのシリンダ内で燃焼させる燃料噴射、の噴射時期を遅延させると、エンジンの出力トルクに寄与しない燃料の燃焼が多くなる結果、排気ガスの温度が高まることとなる。このような噴射時期の遅延を実現するためには、いわゆるマルチ噴射が好ましい。マルチ噴射は燃料噴射を複数に分けて行うもので、ディーゼルエンジンにおいて、通常、圧縮行程の終期から膨張行程にかけて連続的に噴射する燃料を、複数回に分けて噴射する噴射方法に移行させることにより、制御された遅延噴射を容易に行うことが可能である。

連続再生式ＤＰＦの触媒の活性を確保するよう排気ガス温度を上昇させるには、ポスト噴射あるいはマルチ噴射は有効な手段であるけれども、これだけでは十分な温度上昇の得られない場合がある。そこで、連続再生式ＤＰＦの下流に排気絞り弁を設け、ポスト噴射等による強制再生を実施するときに、排気絞り弁の開度を小さくして排気通路を絞り、連続再生式ＤＰＦ内からの熱の放散を防いでこれを保温することにより、触媒の活性化を図ってＤＰＦの再生を促進する手段が考えられる。

このように、連続再生式ＤＰＦと排気絞り弁とを組み合わせたディーゼルエンジンの排気後処理装置は、例えば特開２００３−３４３２８７号公報に示されるように、公知のものである。排気絞り弁で排気を絞るとエンジン背圧が上昇し、エンジンに作用する負荷が増大する関係で、燃料噴射量が増加してさらに排気ガス温度の上昇をもたらすことともなる。以下、図４に基づいて、連続再生式ＤＰＦと排気絞り弁とを組み合わせた排気後処理装置を備え、さらに、ＮＯｘ低減のためのＥＧＲを行うディーゼルエンジンについて説明する。

図４は、排気系に連続再生式ＤＰＦと排気絞り弁を有し、排気ガスを吸気管に再循環するディーゼルエンジンを概略的に表すものである。ディーゼルエンジン本体１のシリンダ内には、エアクリーナ２及び吸気管３を介して空気が供給される。また、シリンダ内には、圧縮行程の終期に燃料噴射ノズル４から燃料が噴射され、噴射された燃料は、圧縮された空気と混合してシリンダ内で燃焼し動力を発生させる。燃焼後の排気ガスは、排気管５に排出されるとともに、その一部はＥＧＲ通路６を介して吸気管３に再循環される。再循環は主にＮＯｘの発生防止を目的で行われるものであって、再循環される排気ガスの量はＥＧＲバルブ７により制御される。

排気管５には、連続再生式ＤＰＦ８が設置され、また、その下流には排気絞り弁９が設置されている。この排気絞り弁９は、これを開閉する流体圧アクチュエータ９２に導入される負圧源９３からの負圧を電磁弁９１により制御し、ディーゼルエンジンの通常運転中には全開に保持されている。連続再生式ＤＰＦ８は、セラミック体の軸方向に多数の通路を形成したＤＰＦ８１と、その上流に配置された酸化触媒８２とを備えている。さらに、連続再生式ＤＰＦ８には、ＤＰＦ８１の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサ８３、酸化触媒８１の上流側の排気ガス温度を検出する入口温センサ８４及び出口側（ＤＰＦ８１の入口側）の温度を検出する出口温センサ８５が設置されており、これらセンサの検出信号は、エンジン制御装置１０（ＥＣＵ）に入力される

ディーゼルエンジンの稼動中は、燃料噴射ノズル４から噴射された燃料がシリンダ内で燃焼し、燃焼後の排気ガスが排気管５に排気される。排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路６を経て吸気管３に還流されるが、その量は、ＥＧＲバルブ７によりディーゼルエンジンの運転状況に応じて制御される。残りの排気ガスが連続再生式ＤＰＦ８を通過する際に、その中のＰＭは、ＤＰＦ８１に形成された多数の軸方向通路間の壁面に捕捉され、ＤＰＦ８１の下流にはＰＭが除去された排気ガスが送り出される。ＤＰＦ８１に捕集され堆積したＰＭは、ディーゼルエンジンの通常運転中には、酸化触媒８２の作用で高温となった排気ガスにより、排気ガス中の酸素等と化合し、酸化・除去される。

しかし、ディーゼルエンジンが長時間低負荷で運転された場合は、排気ガスの温度が低下して酸化触媒８２の活性が下がり、捕集されたＰＭの堆積量が増大し、これに伴い、ＤＰＦ８１の上流側圧力と下流側圧力との差圧が増加する。酸化触媒８２の入口温センサ８４及び出口温センサ８５によって検出された温度が低下し、さらに、差圧センサ８３によって検出した差圧が所定値を超えたときは、ＤＰＦ８１を強制再生するため、排気ガスの温度を上昇させるよう、ＥＣＵ１０がポスト噴射を行わせる指令を出力する。

ポスト噴射による排気ガスの温度上昇は、車両走行中において実施されるが、触媒が活性化しないようなエンジンの低負荷領域においては、ＥＣＵ１０は、排気絞り弁９の開度を小さくするため電磁弁９１に指令を出し、排気ガスの流れを強く絞る制御を行う。これによって連続再生式ＤＰＦ８の下流が絞られ、連続再生式ＤＰＦ８内が保温されるとともにエンジンに作用する負荷が増大するので、酸化触媒８２が十分に活性化しＤＰＦ８１の再生が進行する。なお、このときにＥＧＲバルブ７が開いていると、排気ガスは吸気管に流れ込み排気ガスを絞る目的が達成されないため、ＥＣＵ１０によりＥＧＲバルブ７は全閉とされる。
特開２００３−３４３２８７号公報

前述のように、連続再生式ＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化・除去するには、ポスト噴射等による排気ガスの高温化と排気絞り弁とを併用するのが効果的である。ただし、排気管に排気絞り弁を設けて、ＤＰＦの強制再生時にこれの開度を小さくすると、ディーゼルエンジンの排気抵抗が非常に増大し運転に多大な影響を及ぼすことになる。したがって、強制再生において排気絞り弁を併用する場合には、交差点等において車両が停車している時に、ディーゼルエンジンをアイドル運転として行うことが望ましい。また、運転者が強制再生のために車両を意図的に停車させ、排気絞り弁を併用する強制再生を実施することもできる。

排気絞り弁を併用する強制再生の運転が終了したときには、ディーゼルエンジンを通常運転に戻すため排気絞り弁を全開に復帰させる必要がある。排気絞り弁の閉鎖時はエンジンの排圧が高く燃料消費率が悪化しており、また、停車した車両を迅速に再走行させる必要性などから、排気絞り弁の全開への復帰はなるべく短時間で行うことが望ましい。ところが、連続再生式ＤＰＦの下流に設置された排気絞り弁では、これを急速に全開まで戻したときには、耳障りな大きな騒音が発生することが判明した。

排気絞り弁を閉鎖してポスト噴射等の強制再生を行うと排気管の上流側に高圧の排気ガスが滞留する。上記の騒音は、排気絞り弁の開放に伴って、滞留した排気ガスが瞬時に大気圧付近まで圧力降下を起こして出口側の排気管に流れ込み、その際に発生する衝撃的な圧力波に起因するものである。そして、連続再生式ＤＰＦ等の排気ガス後処理装置は、排気管に比べると断面積が大きく大容量の排気ガスが貯留されることとなるので、騒音は一層激しいものとなる。本発明は、排気ガス後処理装置の下流に排気絞り弁を備え、排気ガスを吸気管に再循環するディーゼルエンジンにおいて、排気絞り弁の全開復帰時の騒音を低減させることを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、排気ガス後処理装置における強制再生の運転が終了した後、排気絞り弁を全開まで復帰させる際の騒音を低減させること目的とし、強制再生の運転が終了したときは、ＥＧＲ通路に設置したＥＧＲバルブを開弁した後に、排気絞り弁を全開とするものである。すなわち、本発明は、
「排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレート・フィルタと、その上流側に設置された触媒とを有する排気ガス後処理装置を備えており、前記排気ガス後処理装置の下流側には排気絞り弁が設置され、さらに、
排気ガスを吸気管に還流させるＥＧＲ通路とその通路に設置されたＥＧＲバルブとを備え、前記ＥＧＲ通路は前記排気絞り弁の上流側に連結されたディーゼルエンジンにおいて、
前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタに堆積した粒子状物質を酸化除去しこれを再生するため、前記排気絞り弁の開度を小とし、かつ、前記ＥＧＲバルブを閉鎖した状態で前記ディーゼルエンジンを運転した場合には、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生の運転が終了した時点において、前記ＥＧＲバルブを開弁した後に、前記排気絞り弁の開度を大とする」
ことを特徴とするディーゼルエンジンとなっている。

前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生を、前記排気絞り弁の開度を小とし、かつ、前記ＥＧＲバルブ（７）を閉鎖した状態で前記ディーゼルエンジンを運転して実行する場合は、請求項２に記載のように、車両が停車しているときに前記ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転するよう設定されていることが望ましい。

前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタを再生するときは、排気ガスの温度を上昇し酸化反応等を促進させるため、請求項３に記載のように、ディーゼルエンジンの膨張行程又は排気行程において燃料噴射ノズルから燃料を噴射するポスト噴射により燃料を添加することができる。

ところで、ＰＭの発生量及びＤＰＦへの堆積量は車両の運転状況によって異なり、強制再生の必要性の判断は困難な面がある。そこで、請求項６のように、ＰＭが前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタに所定量以上堆積したときは、意図的な強制再生を実施させるため、これを運転者に知らせる警報装置が設置されていることが好ましい。

ＤＰＦの上流に触媒を備えた連続再生式ＤＰＦであっても、排気ガスの温度低下による触媒の活性低下に起因して、ＤＰＦの強制再生の必要性が生じることがある。ＤＰＦの強制再生では、排気絞りを併用するのがより効果的であり、本発明は、ＤＰＦの強制再生のため、排気絞り弁の開度を小としＥＧＲバルブを閉鎖した状態でディーゼルエンジンを運転する場合において、排気絞り弁を全開に戻す際の騒音を低下させるために有効なものである。

すなわち、本発明では、ＰＭがＤＰＦに所定量以上堆積しこれを排気絞り弁の開度を小として強制再生をしたときには、この再生の終了時には、閉鎖していたＥＧＲバルブを開弁した後に、排気絞り弁の開度を大として全開に復帰させる。ＥＧＲ通路は排気絞り弁の上流側に連結されるから、ＥＧＲバルブを排気絞り弁の開放に先立って開くと、強制再生時に連続再生式ＤＰＦ内に貯留されていた高圧の排気ガスが、吸気管に急速に流れ込み、連続再生式ＤＰＦ内の圧力は速やかに低下する。排気絞り弁の開度を大とする時点では、連続再生式ＤＰＦ内の圧力は十分低下し、排気絞り弁の開放に伴って発生する騒音は、先行してＥＧＲバルブを開弁しないものと比較して大幅に低減する結果となる。しかも、この騒音低減の手段は、何ら格別の装置を付加することなく実施できる。なお、ＥＧＲバルブの開弁により排気ガスが吸気管に流入することに伴う音響は、エンジンの内部に伝播する音であって、外部には殆ど漏洩することはない。

上記の作用効果からして、排気絞り弁の開放が、ＥＧＲバルブの全開を待って行われる必要のないことは明らかである。つまり、ＥＧＲバルブの開弁の開始後、連続再生式ＤＰＦ内の圧力が騒音発生の恐れがない程度に低下したときは、排気絞り弁を開放するのは差し支えなく、本発明による排気絞り弁及びＥＧＲバルブの作動には、当然、このような作動が含まれるものである。

ディーゼルエンジンの排気系に装備される連続再生式ＤＰＦの再生を、排気絞り弁の開度を小とした状態で実行する場合には、エンジンに作用する負荷が増大し車両の運転に大きな影響を及ぼす。請求項２に記載のように、この再生を、車両が停車したときにディーゼルエンジンをアイドル状態で運転して行うようにすると、車両運転への影響を回避することが可能となる。

ＤＰＦの強制再生において、排気ガスの温度を上昇し酸化反応を促進させるため、請求項３に記載のように、燃料噴射ノズルから燃料を噴射するポスト噴射により燃料を添加するときは、もともとディーゼルエンジンに装備された燃料噴射ノズルから供給するので、燃料添加のための特別な装置を要しない。

請求項４のように、ＰＭが前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタに所定量以上堆積したときに、これを運転者に知らせる警報装置を設置されていると、運転者は確実に強制再生の必要性を判断できることとなり、強制再生のために車両を意図的に停車させるなどの適切な対処が可能となる。

以下、図面に基づいて、本発明のディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置について説明する。図１は、本発明にかかるディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置の概略図であり、従来例（図４）の部品、装置に対応するものには、同一の番号が付してある。図２は、本発明に基づく制御を実施したときの、連続再生式ＤＰＦの内圧の変化とを示すグラフである。

本発明のディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置を構成する基本的な機器及びその操作方法は、図４に示す従来の装置と格別異なるものではない。すなわち、ディーゼルエンジン本体１のシリンダ内では、燃料噴射ノズル４から噴射された燃料が、吸気管３から供給された空気と混合して燃焼し、燃焼した後の排気ガスは排気管５に排出される。排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路６から吸気管３へ還流され、シリンダ内へ再循環される。その量は、ＥＧＲ通路６に設けたＥＧＲバルブ７を、ＥＣＵ１０からの指令に応じて流体圧アクチュエータ等で操作することにより調整される。ちなみに、ディーゼルエンジンは、燃料貯蔵管（コモンレール）から電磁弁制御の燃料噴射ノズルによってエンジンの各シリンダに燃料を噴射する、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置を備え、非常に高圧の燃料を、噴射量、噴射時期等を精密に制御しながら噴射することが可能なものとなっている。

排気管５には、ＤＰＦ８１とその上流の酸化触媒８２とを有する連続再生式ＤＰＦ８が設置されている。ＤＰＦ８１は、コーディエライト等から成る多孔質のセラミック体に多数の通路が平行に形成され、通路の入口と出口が交互に閉鎖された、いわゆるウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタであって、排気ガスが通路間の壁面を通過する際にそれに含まれるＰＭを捕集する。

また、酸化触媒８２は、例えばハニカム状のコーディエライトから成る担体の表面に、活性アルミナ等をコートしてウォッシュコート層を形成し、このコート層に白金、パラジウム又はロジウム等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたものが使用される。この酸化触媒８２は、排気ガス中の未燃焼成分であるＨＣとＣＯを酸化してＨ_２ＯとＣＯ_２を生成させ、あるいはＮＯを酸化してＮＯ_２を生成させる。酸化触媒８２のこうした反応過程では熱が発生し排気ガスの温度が上昇するため、ＤＰＦ８１に捕集されたＰＭが酸化・除去され、通常は、ＤＰＦ８１は連続的に再生されることとなる。なお、ＤＰＦ８１又は酸化触媒８２としてその他の慣用されている装置を使用することは当然可能であり、例えば、ＤＰＦ８１としては、その通路の表面に上記の酸化触媒と同様な触媒などをコーティングしたＤＰＦを用いることもできる。

連続再生式ＤＰＦ８の下流には、排気絞り弁９が設置されている。排気絞り弁９は慣用されているバタフライバルブであって、負圧源９３からの負圧を作動流体とする流体圧アクチュエータ９２により操作される。そして、電磁弁９１を介して流体圧アクチュエータ９２に大気を導入することにより、ディーゼルエンジンの通常運転中には、排気絞り弁９は全開に保持され、ディーゼルエンジンの排気抵抗の増大を防止している。また、図４の従来例と同様に、連続再生式ＤＰＦ８には、ＤＰＦ８１の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサ８３、酸化触媒８１の入口側と出口側の排気ガス温度をそれぞれ検出する入口温センサ８４及び出口温センサ８５が設置されており、これらセンサの検出信号は、エンジン制御装置１０（ＥＣＵ）に入力される。

前述したように、ディーゼルエンジン１が長時間低負荷で運転された場合は、排気ガスの温度が低下して酸化触媒８２の活性が下がり、ＤＰＦ８１に捕集されたＰＭの堆積量が増大するため、噴射燃料の増加あるいはポスト噴射等の手段によりＤＰＦ８１の強制再生を行う必要がある。このような強制再生は、主に車両の走行中にいわば自動的に実施するよう設定され、また、交差点等での車両の一時停車によりエンジンがアイドル運転となったときは、排気絞り弁９を絞り位置として強制再生を行うよう設定されている。しかし、車両の運転状況によっては、ＤＰＦの堆積量が多量となって、意図的に車両を停車させ排気絞り弁９を併用する強制再生が必要となることがある。強制再生中に開度を小さくした排気絞り弁９を全開に戻す時に騒音が発生するのは、車両運行中の一時停車であれ意図的な停車であれ同じことであるので、ここでは、意図的な停車及びその後の排気絞り弁９の全開復帰を例にとり、本発明について説明する。

本発明の排気ガス後処理装置では、意図的に車両を停車させエンジンをアイドル運転として、排気絞り弁９を併用する強制再生を実行するために運転者が操作するマニュアル再生スイッチ１１を設け、さらに、このような強制再生の必要性を運転者に知らせるパイロットランプ１２及びウォーニングランプ１３を設置している。

排気ガスの温度の低下に起因してＤＰＦ８１に捕集されたＰＭの堆積量が増大すると、ＤＰＦ８１の上流側圧力と下流側圧力との差圧が増加する。本発明では、酸化触媒８２との入口温センサ８４と出口温センサ８５により検出された温度が所定値以下となり、差圧センサ８３によって検出した差圧が第１所定値を超えたときは、パイロットランプ１２を点滅させ、絞り弁９を併用する強制再生のため、車両を停車させてマニュアル再生スイッチ１１を押すよう運転者に促す。

パイロットランプ１２の点滅に応じて運転者がマニュアル再生スイッチ１１を押すと、排気ガス後処理装置の制御装置は強制再生の待機状態となる。このとき、運転者が車両を停止してアクセルペダルを戻し、ディーゼルエンジン１をアイドル運転状態としていると、絞り弁９を併用するＤＰＦ８１の強制再生が開始される。この制御を行うため、ＥＣＵ１０に入力されるアクセルペダルポジションセンサ１４の検出信号及びエンジン回転数センサ１５からの回転数信号が利用される。

この強制再生においては、電磁弁９１を切り換えて流体圧アクチュエータ９２に負圧を導くことにより、排気絞り弁９の開度を小さくして排気管５を強く絞るとともに、ディーゼルエンジン１をアイドル状態に維持するようアイドル回転数を目標値とするフィードバック制御が実行される。また、ＥＧＲ通路６は排気絞り弁９の上流に連結されているから、排気管５を絞りエンジン排圧を上昇するには、排気管５から吸気管３への排気ガスの還流を停止する必要がある。排気絞り弁９を閉じる強制再生時には、ＥＣＵ１０によりＥＧＲバルブ７は全閉に保持される。

上記のフィードバック制御では、回転数の目標値がアイドル回転数であったとしても、排気管５の絞りによりディーゼルエンジンに作用する負荷が増大しているので、通常のアイドル状態よりも多くの燃料が噴射され、その結果、排気ガスの温度が高まる。また、排気ガスの温度をさらに上昇させるため、この実施例では、マルチ噴射とポスト噴射の両方の手段を使用する。すなわち、まずマルチ噴射への移行によって、圧縮行程終期から膨張行程で噴射する燃料の噴射時期を実質的に遅延させて排気ガスの温度を上昇させる。マルチ噴射により、酸化触媒８２の入口温センサ８４の温度が一定値以上に上昇した後に、ディーゼルエンジンの膨張行程又は排気行程においてポスト噴射を実施する。このように予め排気ガスの温度を高めると、ポスト噴射で添加された燃料の、酸化触媒８２における良好な酸化反応が確保され、ＤＰＦ８１の再生が円滑に行われる。ポスト噴射の噴射量を多段階に分け、酸化触媒８２の温度上昇に応じて噴射量を増やすなど、より精密な調整をすることもできる。

パイロットランプ１２の点滅にもかかわらず、何らかの都合で運転者がマニュアル再生スイッチ１１を操作せず、あるいは強制再生を実行しないと、ＤＰＦ８１にはＰＭの堆積が続き差圧センサ８３によって検出した差圧がさらに増加する。ＰＭの堆積量の増大に伴い差圧が第2所定値に達したときは、パイロットランプ１２の点滅の周期を短くし速い点滅として、運転者に早期の強制再生を促すようにする。これによっても運転者が強制再生を実施せず、ＰＭの堆積が継続して差圧が第3所定値に達した場合には、ウォーニングランプ13を点灯させる。ウォーニングランプ13によって運転者に警告を与えるのは、この状態ではＤＰＦ８１には大量のＰＭが堆積しており、強制再生を行うとＰＭの酸化燃焼で発生する熱量が過大となって、ＤＰＦ８１等が損傷する恐れがあるためである。ウォーニングランプ13が点灯したときは、運転者は車両を整備工場等に搬入し、ここでは、いわゆる逆洗や長時間を掛けた燃焼等の方法により、堆積したＰＭを除去することとなる。このように、本発明の排気後処理装置は、ＰＭの堆積量に応じて３段階の警報手段を設け、運転者にきめ細かな強制再生の指示を与えるものとなっている。

強制再生が開始され、ポスト噴射によるＰＭの酸化・除去が一定時間継続すると、ＤＰＦ８１の再生が完了する。再生完了後は、ポスト噴射を停止し、さらに、電磁弁９１を介し流体圧アクチュエータ９２に大気圧を導入して、排気絞り弁９を全開に復帰させることになる。本発明では、排気絞り弁９の開度を大とする前に、強制再生時に全閉となっていたＥＧＲバルブ７の開弁を行う指令をＥＣＵ１０が出力する。ＥＧＲ通路６の入口は排気絞り弁９よりも上流に位置しているから、ＥＧＲバルブ７を開弁すると、強制再生時に連続再生式ＤＰＦ８内に貯留されていた高圧の排気ガスは、ＥＧＲ通路６を通って吸気管３に急速に流入し、図２に示すとおり、連続再生式ＤＰＦ８内の圧力は速やかに低下する。

前述したとおり、連続再生式ＤＰＦ８の下流に設置した排気絞り弁９の開度を全開とする際には、その中に貯留されていた高圧の排気ガスの急激な開放に伴い、大きな騒音が発生する。本発明においては、排気絞り弁９の開放に先立ってＥＧＲバルブ７を開く。したがって、排気絞り弁９を開放する時点では連続再生式ＤＰＦ８内の圧力が大気圧付近まで十分に低下しており、先行してＥＧＲバルブを開弁しないものと比較すると、発生する騒音を大幅に低減することが可能となる。しかも、この騒音低減は、ディーゼルエンジンに元来設置されているＥＧＲバルブの操作によって可能なものであって、何ら付加的な装置を要することなく実施できる。

ところで、ＥＧＲバルブ７を開弁するときは、強制再生中に連続再生式ＤＰＦ８内に貯留されていた排気ガスが、急速に圧力降下を起こすことに伴い、やはりある程度音響が発生する。しかし、このときの排気ガスは、ＥＧＲ通路６を経て吸気管３へ還流しディーゼルエンジン本体１のシリンダに流入する。つまり、排気絞り弁９の開放時のように、外部に排出されるわけではないので、発生する音響は外部にはほとんど伝わることがない。

図３には、本発明に基づき排気絞り弁９の開放に先行してＥＧＲバルブ７を開弁したときの騒音レベルの推移（実線）を、これの開弁を実施しない従来のもの（破線）と比較して示している。この図から、従来のものにあっては、排気絞り弁９の開放時に騒音レベルが非常に高まっているのに比べ、本発明のものでは、そのときの騒音レベルが大幅に減少していることが分かる。なお、排気絞り弁９が開放されると、排圧が低下してほぼ大気圧となりディーゼルエンジンは通常のアイドル運転状態に復帰するので、騒音レベルも、排圧の高い強制再生時よりは低下している。

なお、上述の実施例は、意図的に車両を停車して強制再生のためエンジンを運転させた場合のものであるが、車両運行中の一時停車において、排気絞り弁９を併用する強制再生の運転が終了したときの全開復帰にも、当然、本発明が適用される。一時停車後の再発進時には、運転性確保のため応答性のよい全開復帰が要求されるので、ＥＧＲバルブ７の開弁により急速に排気系の圧力が低下する本発明は、その面でも有利な効果を発揮する。

以上詳述したとおり、本発明は、排気ガス後処理装置として、連続再生式ＤＰＦを備えその下流に排気絞り弁を有し、さらに、ＥＧＲ装置を有するディーゼルエンジンにおいて、排気絞り弁を閉じてＤＰＦに堆積したＰＭを除去する強制再生が終了した後、排気絞り弁を全開まで復帰させる時の騒音を低減させることを目的とし、排気絞り弁の全開復帰に先立ってＥＧＲ通路に設置したＥＧＲバルブを開弁させることを特徴とする。したがって、連続再生式ＤＰＦとしては、前述の実施例で説明したような触媒を別体としてＤＰＦの上流に設置するものに限らず、例えばＤＰＦの表面に触媒をコーティングした連続再生式ＤＰＦに対しても本発明が適用できる。また、強制再生における排気ガス温度の上昇手段は、例えば排気系に取り付けた燃料添加装置を用いるなど、ポスト噴射あるいはマルチ噴射以外の手段が採用できることも明らかである。

本発明に基づくディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置の概略図である。 本発明の制御に基づく連続再生式ＤＰＦの内圧の変化を示す図である。 本発明による騒音の低下を示すグラフである。 従来のディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置を示す概略図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン本体
４ 噴射ノズル
５ 排気管
６ ＥＧＲ通路
７ ＥＧＲバルブ
８ 連続再生式ＤＰＦ
８１ ＤＰＦ
８２ 酸化触媒
８３ 差圧センサ
９ 排気絞り弁
１０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
１１ マニュアル再生スイッチ
１２ パイロットランプ
１３ ウォーニングランプ

Claims (4)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）と、その上流側に設置された触媒（８２）とを有する排気ガス後処理装置（８）を備えており、前記排気ガス後処理装置（８）の下流側には排気絞り弁（９）が設置され、さらに、
   排気ガスを吸気管（３）に還流させるＥＧＲ通路（６）とその通路に設置されたＥＧＲバルブ（７）とを備え、前記ＥＧＲ通路（６）は前記排気絞り弁（９）の上流側に連結されたディーゼルエンジンにおいて、
   前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）に堆積した粒子状物質を酸化除去しこれを再生するため、前記排気絞り弁（９）の開度を小とし、かつ、前記ＥＧＲバルブ（７）を閉鎖した状態で前記ディーゼルエンジンを運転した場合には、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）の再生の運転が終了した時点において、前記ＥＧＲバルブ（７）を開弁した後に、前記排気絞り弁（９）の開度を大とすることを特徴とするディーゼルエンジン
2. 前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）を再生するための、前記排気絞り弁（９）の開度を小とし、かつ、前記ＥＧＲバルブ（７）を閉鎖した状態での前記ディーゼルエンジンの運転は、車両が停車しているときに前記ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転するよう設定されている請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）を再生するときは、前記ディーゼルエンジンの膨張行程又は排気行程において燃料噴射ノズル（４）から添加燃料を噴射する請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。
4. 排気ガス中の粒子状物質が前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）に所定量以上堆積したときは、これを運転者に知らせる警報装置（１２、１３）が設置されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のディーゼルエンジン。

Images