JP4701622B2

JP4701622B2 - ディーゼルエンジンの排気ガス後処理装置

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Publication number: JP4701622B2
Application number: JP2004100851A
Authority: JP
Inventors: 博文橋本; 義隆荒柄; 択男西
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005282534A

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、ＰＭの低減とＮＯｘの低減とは背反的な面がある。

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温度としては約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、排気行程の終期以降に噴射することにより、良好な結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ガス後処理装置は、例えば特開２００３−３４３２８７号公報に示されるように、公知のものであるが、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なる。以下、図５に基づいて、こうしたディーゼルエンジンの排気後処理装置について説明する。

図５は、連続再生式ＤＰＦと排気絞り弁を有し、車両を駆動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の操作は、３方電磁弁９１により流体圧アクチュエータ９２に導入される負圧を制御して行われる。ディーゼルエンジンの通常運転中は、流体圧アクチュエータ９２には大気圧が導入され、排気絞り弁９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。これと同時に、ＥＣＵ１０は、排気絞り弁９の開度を小さくするため３方電磁弁９１を切り換える指令を出力し、真空ポンプ９３又はこれに接続された負圧タンク等の負圧源からの負圧を流体圧アクチュエータ９２に導き、排気絞り弁９の開度を非常に小さくして排気ガスの流れを強く絞る。

この強制再生では、ポスト噴射で供給された燃料が排気管５あるいは酸化触媒８２で酸化・燃焼し排気ガス温度は高温となる。また、排気絞り弁９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。ＤＰＦ８１の再生が終了すると、排気絞り弁９は再び全開まで戻される。

ところで、排気管に設置した排気絞り弁を開くときに、緩慢な作動により弁の開放を行うことは公知である。例えば特開２０００−３３７１７３号公報には、ディーゼルエンジンの暖気促進のため排気系に設けた排気絞り弁を閉位置から開く際に、開動作を緩慢なものとしてエンジンのトルクの急激な変化を回避する技術が開示されている。
特開２００３−３４３２８７号公報特開２０００−３３７１７３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、車両を停車させ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、強制再生が終了しＤＰＦに捕集されたＰＭが除かれたときには、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。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下流の排気管に流れ込み、こ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、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における、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、下流側に排気絞り弁を設置した連続再生式ＤＰＦにおける強制再生を効率的に実行し、かつ、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際の騒音を低減させること目的とし、強制再生が終了したときは、排気絞り弁の開度を徐々に大とする開弁速度緩和手段を設けるものである。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連続再生式ＤＰＦを備え、さらに、前記連続再生式ＤＰＦの下流側には排気絞り弁が設置されたディーゼルエンジンにおいて、
前記連続再生式ＤＰＦには、排気ガス温度を検出する温度センサが設けられ、
前記温度センサにより検出される排気ガス温度が所定値以下であり、車両が停車し、かつ、前記ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転する場合に、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、酸化除去して再生するための強制再生を開始し、
前記強制再生中においては、前記排気絞り弁の開度を小としてその開度を保持するとともに、前記ディーゼルエンジンの回転数をアイドル回転数に維持し、かつ、前記ディーゼルエンジンの排気行程において燃料噴射ノズルから添加燃料を噴射するとともに、前記温度センサにより検出される排気ガス温度の上昇に伴って前記排気行程における添加燃料の噴射量を増加し、さらに、
強制再生が終了した時点においては、前記排気絞り弁の開度を徐々に大とする開弁速度緩和手段が設けられている」
ことを特徴とするディーゼルエンジンとなっている。

請求項２に記載のように、本発明では、流体圧アクチュエータによって前記排気絞り弁を開閉し、かつ、流体圧アクチュエータへ流体圧を導入する通路にオリフィスを設置して開弁速度緩和手段とすることが好ましい。

前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタを再生するため、請求項３に記載のように、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が設置されていることが好ましい。また、請求項４に記載のように、警報装置とともにマニュアルスイッチを設置し、このマニュアルスイッチが投入された場合は、車両を停車させ、かつ、ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転したときに、ディーゼル・パティキュレート・フィルタの再生が行われるよう設定することができる。

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、排気絞り弁の開度を小として、車両が停車し、かつ、ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転して強制再生をしたときには、この再生の終了時には、排気絞り弁を急速に全開とはせず、これの開度を徐々に大とする開弁速度緩和手段が設ける。これによって、排気管及び連続再生式ＤＰＦ内に貯留された高圧の排気ガスの急激な開放が回避され、排気絞り弁を開く際の連続再生式ＤＰＦ内の圧力低下も緩やかとなる。したがって、排気絞り弁の開放に伴って発生する騒音は、開弁速度緩和手段のない従来のものと比較して大幅に低減する結果となる。

ちなみに、排気管に設置した排気絞り弁を開放する際に開弁速度を緩慢なものとすることは、特許文献２に示されている。しかしながら、これに記載された排気絞り弁は排気系の比較的上流に位置していて、排気絞り弁の上流側には連続再生式ＤＰＦ等の容積の大きな装置は配備されていない。また、開弁速度を緩慢とする目的はエンジントルクの急激な変化を防ぐことにあり、排気絞り弁の開放時に発生する騒音については全く記載がない。

これに対し、本発明が適用される排気絞り弁は、連続再生式ＤＰＦ等の容積の大きな装置の下流側に設置されたものであって、ＤＰＦの再生のための運転に使用されるものである。排気絞り弁の開放時の騒音は、多量の高圧排気ガスが急激な圧力降下を起こすことに伴い顕著に現れる現象であり、大容積の装置に貯留された排気ガスの開放に特有の問題である。また、本発明のＤＰＦの再生は、ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転して行われる。アイドル運転では、車両走行中のエンジン騒音その他走行に伴う騒音よりは騒音レベルが小さいから、排気絞り弁の開放時の騒音は非常に耳障りで不快な印象を与える。このように、本発明における排気絞り弁の開放時の開弁速度緩和手段は、従来のものには存在しない特有の効果を奏するものである。
また、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、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ポスト噴射により燃料を添加するので、燃料添加のための特別な装置を要しない。

エンジンの排気絞り弁などは、流体圧アクチュエータにより操作することが多い。したがって、請求項２に記載のように、流体圧アクチュエータによって前記排気絞り弁を開閉するときは、流体圧アクチュエータへ流体圧を導入する通路にオリフィスを設置して開弁速度緩和手段とすることが好都合であり、コストも殆どかからない。しかし、例えば、流体圧アクチュエータへ導入する流体圧を切り換える電磁弁の切り換え速度を低下させ、排気絞り弁を徐々に開放する手段を採用することもできる。

請求項３のように、ＰＭがＤＰＦ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、適切な対処が可能となる。そして、請求項４のように、マニュアルスイッチを併設した場合は、これを投入することにより、強制再生の条件が整った時点で、確実に再生を実行することができる。

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５）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には、本発明に基づく排気絞り弁及び操作装置を概略的に示している。

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作動は、図５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へと排出される。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、図２に示すように、慣用されているバタフライバルブであって、ダイヤフラム式の流体圧アクチュエータ９２により操作される。流体圧アクチュエータ９２には、真空ポンプ９３等の負圧源からの負圧もしくはフィルタを介して導入される清浄な大気が、３方電磁弁９１により切り換えられて導かれる。ディーゼルエンジンの通常運転中は、３方電磁弁９１により流体圧アクチュエータ９２には大気圧が導かれ、排気絞り弁９を全開に保持して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５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。

この実施例では流体圧アクチュエータ９２として負圧を作動源とするダイヤフラム式アクチュエータを用いているが、その他のアクチュエータを用いることは当然可能である。例えば、大型のディーゼルエンジンでは、空気を圧縮するコンプレッサ及びエアタンクを補機として備えたものが多く、こうしたエンジンでは、流体圧アクチュエータ９２として圧縮空気を作動源とするアクチュエータを採用することが好ましい。

本発明では、３方電磁弁９１と流体圧アクチュエータ９２とを連結する通路９５に、ここを通過する流体の流れを制限するオリフィス９４が置かれている。オリフィス９４は、３方電磁弁９１が切り換わる際の流れを制限して流体圧アクチュエータ９２の応答を緩慢とするものであり、通路９５に置いたときは、排気絞り弁９の開放及び閉鎖の両方の動作が緩慢となる。排気絞り弁９の開放の速度のみを低下させるときは、図２に破線で示すように、オリフィス９４を大気の供給口に設置すればよい。なお、開放の速度のみを低下させるには、オリフィスと逆止弁とを並列に配置した、いわゆる負圧遅延弁を通路９５に置き、大気が流体圧アクチュエータ９２に向けて流れるときのみオリフィスが作用するようにする手段もある。また、オリフィス９４は流体の絞りであるから、径の非常に細い管により代用することもできる。

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ているが、車両の運転状況によっては、ＤＰＦの堆積量が多量となって排気絞り弁９を併用する強制再生が必要となることがある。本発明の排気ガス後処理装置では、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を切り換えて真空ポンプ９３等の負圧源から流体圧アクチュエータ９２に負圧を導入し、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。ここでは、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１の膨張行程終期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、３方電磁弁９１を切り換えて流体圧アクチュエータ９２に大気圧を導き、排気絞り弁９を全開に復帰させることになるが、本発明では、通路９５に置かれたオリフィス９４の作用により、このときの流体圧アクチュエータ９２の速度は低速度となる。したがって、排気絞り弁９は徐々にその開度を大とすることとなり、その上流の連続再生式ＤＰＦ８に貯留されていた高圧の排気ガスが急激に圧力降下を起こすことは回避される結果、発生する騒音は大幅に低減することとなる。

図３は、排気絞り弁９を開放するため３方電磁弁９１を切り換えたときの、連続再生式ＤＰＦ８内における圧力変化を表すものである。これから分かるように、本発明のオリフィス９４を設けることにより、オリフィスの無い従来の装置と比較して圧力降下が緩やかとなり大気圧状態になるまでの時間（減圧時間）が長引いている。また、オリフィスの径を小さくするほど減圧時間は増加している。つまり、オリフィスを設置すると、高圧の排気ガスの急激な開放が防止されることが明らかである。

また、図４は、上記の減圧時間と発生する騒音レベルとの関係を表すグラフである。これに示されるとおり、本発明のオリフィス９４を設けることにより、オリフィスの無い従来のものと比較して、排気絞り弁９の開放に伴う騒音レベルは大幅に下がる。騒音レベルは、減圧時間が大きくなるほどすなわちオリフィスの径を小さくするほど、低下する。そして、この実施例の排気ガス後処理装置では、オリフィスの径を１ミリとした場合は、従来のものと比べ１０ｄＢ以上騒音レベル（Ａ特性）が低減する結果が得られている。

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を備えこれと排気絞り弁を組み合わせた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、排気絞り弁の開度を徐々に大とする開弁速度緩和手段を設けるものである。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。本発明に基づく排気絞り弁及び操作装置の概略図である。本発明の制御による排気管内の圧力変化を示すグラフである。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
８連続再生式ＤＰＦ
８１ＤＰＦ
８２酸化触媒
８３差圧センサ
９排気絞り弁
９１３方電磁弁
９２流体圧アクチュエータ
９４オリフィス
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

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）とを有する連続再生式ＤＰＦ（８）を備え、さらに、前記連続再生式ＤＰＦ（８）の下流側には排気絞り弁（９）が設置されたディーゼルエンジンにおいて、
前記連続再生式ＤＰＦ（８）には、排気ガス温度を検出する温度センサ（８４、８５）が設けられ、
前記温度センサ（８４、８５）により検出される排気ガス温度が所定値以下であり、車両が停車し、かつ、前記ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転する場合に、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て再生するための強制再生を開始し、
前記強制再生中においては、前記排気絞り弁（９）の開度を小としてその開度を保持するとともに、前記ディーゼルエンジンの回転数をアイドル回転数に維持し、かつ、前記ディーゼルエンジンの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とともに、前記温度センサ（８４、８５）により検出される排気ガス温度の上昇に伴って前記排気行程における添加燃料の噴射量を増加し、さらに、
強制再生が終了した時点においては、前記排気絞り弁（９）の開度を徐々に大とする開弁速度緩和手段が設けられていることを特徴とするディーゼルエンジン
前記排気絞り弁（９）は流体圧アクチュエータ（９２）によって開閉され、かつ、前記開弁速度緩和手段は、前記流体圧アクチュエータ（９２）へ流体圧を導入する通路に設置されたオリフィス（９４）である請求項１に記載のディーゼルエンジン。
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又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。
前記警報装置（１２、１３）とともにマニュアルスイッチ（１１）が設置され、前記マニュアルスイッチ（１１）が投入された場合は、車両が停車し、かつ、前記ディーゼルエンジンをアイドル状態で運転したときに、前記ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（８１）の強制再生が開始されるよう設定されている請求項３に記載のディーゼルエンジン。