JPH0319888B2

JPH0319888B2 -

Info

Publication number: JPH0319888B2
Application number: JP16339081A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Takama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1991-03-18
Also published as: JPS5865924A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はデイーゼルエンジンの排気ガス処理装
置に関し、更に詳しくは、排気ガス中に含まれる
カーボン粒子及びそれと同様な粒状物（以下、排
気微粒子という）を物理的方法によつて適切な捕
集材に捕集し、捕集された排気微粒子を周期的に
焼却し、捕集材を再生するに適した排気微粒子浄
化装置に関する。

この種の排気微粒子はカーボン粒子のように可
燃性のものがほとんどで、このような可燃性の微
粒子を捕集し、捕集された微粒子を焼却して捕集
材を再生するには、従来から次のような方法が知
られており、それぞれ以下に述べるような欠点が
あつた。

(1) デイーゼルエンジンの吸気系を絞り、吸入空
気量を減じて排気ガスの温度を上昇させ、排気
微粒子を燃焼させる方法。この方法は、エンジ
ンの高負荷域では排気温が十分上昇するので排
気微粒子の焼却が可能であるが、低負荷域低回
転域では排気温が十分上昇せず、排気微粒子の
焼却、捕集材の再生が不可能となる。また、タ
ーボ過給機構を備えたデイーゼルエンジンで
は、吸入空気量が多いので、吸気系を絞つて
も、排気ガス温度を十分上昇させることができ
ず、従つて捕集材の再生が困難である。

(2) デイーゼルエンジンの排気系にオイルバーナ
を設け、排気ガスの温度を排気微粒子が燃焼す
る温度まで上昇させて焼却する方法。この方法
は、オイルバーナーの耐久性、安全性の問題の
他オイルバーナ着火時にHCが非常に多く発生
する等の問題があり、また装置が複雑となり、
コストも高い、特に、排気ガスの流れをデユア
ルにし、一方の流れを止めて焼却、再生する場
合は装置が更に複雑となる。

(3) 電気ヒータを捕集材の全面に取り付け、捕集
材の表面に付着した排気微粒子を燃焼させ、そ
れを熱源として下流の微粒子を自燃させる方
法。この方法は、捕集材の全表面に電気ヒータ
を取り付ける為、電力消費が非常に大きく、自
動車部品として成り立ちにくい。電力消費を小
さくする為には、排気ガスの流れをデユアルに
し、一方の流れを止めて止めた方を電気ヒータ
で燃焼させる必要があり、装置が複雑となり、
コストも高くなる。

本発明の目的は、上述のような欠点を解消し、
耐久性、安全性に優れかつ構造が簡単で低コスト
のデイーゼルエンジンの排気微粒子浄化装置を提
供することにある。

このような目的を実現する為に、本発明は、排
気管路に排気微粒子の捕集材を有するデイーゼル
エンジンの排気微粒子浄化装置において、前記捕
集材の上流の前記排気管路に絞り弁を設けると共
に、エンジンの燃料噴射量を増量する手段を設
け、更に前記捕集材の上流側端部の窪み部分に電
気的高圧スパークの発生手段を設け、前記絞り
弁、前記燃料噴射量増量手段並びに前記スパーク
発生手段を、エンジン作動中に周期的に連動して
動作せしめる制御手段が設けられ、前記捕集材に
蓄積した排気微粒子を定期的に燃焼させて前記捕
集材を再生するようにしたことを特徴とする。

このような絞り弁は、捕集材の上流側に設けて
もよく、また下流側に設けてもよい。更にまたこ
の絞り弁を排気マニホルドに設けることも可能で
ある。絞り弁を絞ることにより、排気ガスの背圧
が上昇すると共に排気ガスの温度が排気微粒子の
燃焼に必要な温度まで上昇する。また、本発明で
は、排気絞り弁が絞られた際にエンジンへ供給さ
れる燃料噴射量が増量されるので、デイーゼルエ
ンジンの出力や運転性に悪影響が及ぼされること
はない。燃料噴射量の増量手段と排気絞り弁は、
エンジンの作動中に周期的に連動して動作するよ
うにコンピユータ等で制御される。

更に、本発明では、排気微粒子の燃焼、灰化の
補助手段として電気的スパーク発生手段を設けて
いるので、電気的スパークの発生により、捕集材
に蓄積された可燃性微粒物に着火エネルギが与え
られ、これらの排気微粒物の着火・燃焼が容易と
なる。電気的スパークを生じさせるものとして
は、現在ガソリンエンジンで使用されている電気
スパークを少し改良して用いることができ、構造
がきわめて簡単であり、かつ量産に適している。
スパークの時期、回数については、コンピユータ
等でコントロールすることができる。

電気的スパークを生じさせる手段はその端子を
上流側に、電極を下流側に互いに対向させて配置
し、また電極は網状又は格子状の構造とし、捕集
材端部の窪み部分に埋設するのが望ましい。

以下、添付図面を参照し本発明の実施例につい
て詳細に説明する。

第１図において、１はデイーゼルエンジン本
体、２はトランスミツシヨン、３は吸気マニホル
ド、４は排気マニホルド、５は燃料噴射ポンプ、
６は燃料配管、７は燃料噴射弁（インジエクタ）、
８はバキユームポンプ、９は冷却用フアンであ
り、以上は通常のデイーゼルエンジンの構成部分
である。

排気マニホルド４の下流側の排気管路の部分に
は捕集材（トラツパ）容器１０が取り付けてあ
る。このトラツパ容器１０の内部には、第２図に
示すように、捕集材（トラツプ材）１１がある。
トラツプ材１１は、排気ガス流に対して過度の制
限を生ずることがなく、その内部を排気ガスが流
通可能であり、かつ排気ガスに含まれるかなりの
量の排気微粒子を捕集できるようになつている。
また、トラツプ材１１は、エンジンの作動時に周
期的に、それに捕集された排気微粒子の燃焼、灰
化が行なわれるが、その際に到達されるべき上昇
した温度に十分耐えうるような適切な材料で適当
な形状に作られる。このような目的に適した材料
の例としては、三次元網目構造の発泡セラミツ
ク、モノリス型セラミツク、金属ワイヤ・メツシ
ユ又はステンレス鋼等による多量スクリーン要素
等がある。

トラツプ材１１に捕集された排気微粒子を燃
焼、灰化するには、通常、排気温度を約560℃程
度のレベルまで上昇させることが必要である。従
つて、トラツプ材を構成する材料はこの温度に十
分耐えうるものでなければならない。

ところが、経験の示すところによれば、通常の
エンジン作動（排気温を上昇させる特別な手段を
設けていない場合）においては排気系内の温度は
エンジン負荷および速度の異る条件下でかなり変
化し、また排気系における微粒子トラツパの位置
によつては、トラツパ内の温度はその中に集めら
れた微粒子を焼き払うに要するレベルに決して達
することができない。これは、多くの自動車適用
例において典型的なようにエンジンがフル・スロ
ツトルのもとではめつたに作動されないような場
合、ターボ過給装置を備えている場合、あるいは
第１図に示した配置におけるように特定のトラツ
パがエンジンの排気マニホルド下流の排気管路に
装着される場合に、特にそうである。従つて、集
められた微粒子を周期的に灰化するには、排気温
度を約560℃の必要レベルまで上昇せしめるため
の他の何らかの手段を設けることが必要である。

所望の温度レベルを得るために多数の可能な方
法を単一にあるいは組合せて用いることができ
る。全燃料または全負荷状態を除くすべてのエン
ジン作動状態下で使用しうる１つのかかる方法は
エンジンの排気系を絞り、エンジンへ供給される
燃料を増量することである。排気の適切な絞りは
エンジンの排気温度を実質的に増大せしめること
ができ、ある場合には粒子トラツパ内の温度を灰
化レベルまで上昇せしめるに充分でありうること
が判明した。

即ち、本発明では、通常は絞られない排気管路
に排気絞り弁２０を設けた。この排気絞り弁２０
はリンクを介してダイヤフラム弁２１に連結さ
れ、このダイヤフラム弁２１は負圧切換弁
（VSV）２２によつて駆動される。VSV２２は、
バキユーム配管２３を介してバキユームポンプ８
に連結されている一方、配線２４を介してマイク
ロコンピユータ（CPU）３０に接続されている。
VSV２２は、通常はその大気ポートが開放して
おり、ダイヤフラム弁２１には大気が作用して、
排気絞り弁２０を開いている。マイクロコンピユ
ータ（CPU）３０から配線２４を通じて信号が
伝えられた時は、VSV２２の大気ポートは閉じ
られ、バキユームポンプ８からの負圧がバキユー
ム配管２３、VSV２２を通じてダイヤフラム弁
２１に作用し、これにより絞り弁２０が閉じら
れ、排気管路をその通路の約90％程度絞る。な
お、排気絞り弁２０はトラツパ容器１０の下流側
に設けてもよい。

また、本発明では、エンジンへ供給される燃料
噴射量を増量する手段が設けてある。即ち、燃料
噴射ポンプ５の燃料増量装置３３をコントロール
する負圧切換弁（VSV）３１が設けられ、この
VSV３１は配線３２を介してマイクロコンピユ
ータ（CPU）３０に接続されていると共に配管
３４を介してバキユームポンプ８に連結されてい
る。従つて、マイクロコンピユータ（CPU）３
０から配線３２を通じて信号が伝えられた時は、
VSV３１は配管３４を通じて燃料増量装置３３
に負圧を伝え、この燃料増量装置３３が作動して
燃料噴射量を増加させる。

更にまた、本発明では、排気微粒子の着火、燃
焼の補助手段として電気スパーク発生装置（スパ
ークプラグ）１２が捕集材（トラツパ）１１の上
流側端部に設けられている。

スパークプラグ１２は、第２図に示すように、
上流側にあつて電気スパークを生じる陽極端子１
３と、これと一定の間隔をおいて対向する下流側
の電極１４（陰極）とから成る。この電極１４
は、金網状又は格子状であるのが望ましく、第３
図に示すように、排気微粒子がたまりやすいよう
に、トラツパ１１の上流側端面に形成した窪み部
（凹部）１５内に、排気ガスの流れ方向即ち電気
スパークの方向と直交して配置されている。この
電極１４はアースされており、一方陽極端子１３
は電圧変換器１６（第１図）に接続されている。
電圧変換器１６は配線１７を介してマイクロコン
ピユータ（CPU）３０に接続されている。

以上に述べた排気絞り弁２０燃料噴射量増量手
段、並びに電気スパーク発生装置１２は、デイー
ゼルエンジンの作動中に周期的に互いに連動して
動作され、排気微粒子の燃焼、灰化及びトラツパ
容器１０の再生が行なわれるのであるが、このよ
うな再生動作の開始時期や前記手段の動作はマイ
クロコンピユータ（CPU）３０によつて制御さ
れる。この為に、窪み部分の運転条件や排気ガス
の状態等を検出し、CPU３０に入力する。即ち、
第１図において、５０はエンジン負荷、５１はエ
ンジン回転数、５２はエンジン水温、５３はトラ
ツパ前の排気圧力、５４はトラツパ前の排気ガス
温、５５はトラツパ内部の温度、５６はトラツパ
出口の排気ガス温であり、これらの各検出信号が
CPU３０に入力される。なお、５７はトラツパ
前の排気圧力を検出する背圧センサである。

このような制御系において留意すべき事項は次
のとおりである。

１トラツパは集められた微粒子が排気ガス流に
対して過度の限定を生ぜしめないように充分に
しばしば清掃されなければならない。

２エンジン排気系の絞り及び燃料増量は車両の
駆動可能性または性能を有意に変更せしめない
ように制御されなければならない。

３制御プロセスは車両排気パイプから発する煙
の有意なまたは顕著な増大を生ぜしめるべきで
はない。

４燃焼サイクルは微粒子のみが燃焼、灰化しト
ラツパのベツドは損傷しないように制御される
べきである。

これらの目的を達成するために、本発明ではマ
イクロコンピユータ（CPU３０）が第４図のご
とくに作動するようにプログラムされている。

第４図において、まずエンジン回転数５１、エ
ンジン負荷５０、トラツパ床温５５、背圧５３、
トラツパ出口排気温５６、エンジン水温５６等の
信号により再生時期であるか否かを判断する。再
生時期の判断は、前回の再生の完了後約70Km程度
走行した後に、次の再生が行なわれるようにプロ
グラムされている。これは、トラツパが過負荷状
態となるのが約400Kmの走行においてであるから、
約70Kmごとの清掃間隔は適切と考えられる。再生
時期であると判断した後は、第４図のフローチヤ
ートで示すような手段で制御が行なわれる。即
ち、排気絞り弁が絞られ、燃料噴射量の増量が行
なわれ、排気温を排気微粒子の焼却に必要な温度
まで上昇させる。排気温が560℃以上になると、
トラツパ前面のスパークプラグがスパークを20秒
間生ずる。なお、トラツパ再生中のトラブル（例
えば、排気温の異常上昇等）はフローチヤート中
に示されるように処理される。トラツパ（内部）
床温が660℃以下（ただしトラツパ入口排気温560
℃以上）でトラツパ後排気温が580℃以下の状態
が２分間経続されたら再生が完了し、マイクロコ
ンピユータ（CPU）がリセツトされる。なお、
第４図の実施例では、燃焼時間を一応２分間とし
ているが、排気微粒子の蓄積その他の状況に応じ
て適当な時間に設定することができる。

第３図において、着火のプロセスは次のとおり
である。排気微粒子はトラツパ材１１に捕集され
るが、このトラツパ材１１の上流側端面に窪み部
１５が設けてあるので、この窪み部１５に蓄積し
た排気微粒子が前述のように着火源となる。スパ
ークプラグ１２の陽極端子１３と電極１４との間
で電気スパークが生ずると、窪み部１５に蓄積さ
れた微粒子が燃焼し、その燃焼炎が排気ガスの流
れに沿つてトラツパ材１１の内部に移行する。従
つて、トラツパ材１１に蓄積されている排気微粒
子のほとんどが燃焼し、トラツパ材１１が再生さ
れる。

なお、スパークプラグ１２は、再生がスムーズ
に進む様な最小本数を用いる。

スパークのエネルギは、10mgの排気微粒子を着
火するのに４ジール使用するがスパーク時間は、
５秒程度で充分である。従つて現在用いられてい
るガソリンエンジン用のスパークプラグのエネル
ギと変らないので、エンジンの充放電系統に与え
る影響は、無視できる。このように、スパークプ
ラグ１２は、現在用いられているガソリンエンジ
ン用のスパークプラグを多少改良するだけでよい
ので、構造が簡単で、排気微粒子を確実に燃焼さ
せることができる。

なお、本発明は、ターボ過給機構を備えたデイ
ーゼルエンジンに適用することも可能である。こ
の種のエンジンは、通常のエンジンに比べ排気温
は低くなるが、排気系を絞りかつ燃料を増量する
ことによつて排気微粒子の燃焼、灰火に必要な
560℃の温度を得ることでき、スパークプラグに
よつて排気微粒子の着火が容易に行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用いたデイーゼルエンジンの
概略図、第２図はトラツパ容器の一部断面図、第
３図はトラツパ材の前端部の詳細図、第４図はマ
イクロコンピユータ（CPU）による再生制御プ
ロセスのフローチヤートである。１……デイーゼルエンジン本体、５……燃料噴
射ポンプ、１０……トラツパ容器、１１……捕集
材（トラツパ材）、１２……スパークプラグ、１
５……窪み部、２０……排気絞り弁、３０……マ
イクロコンピユータ（CPU）、３１……アクチユ
エータ。

Claims

【特許請求の範囲】

１排気ガス経路に排気微粒子の捕集材を有する
デイーゼルエンジンにおいて、前記排気ガス経路
に排気絞り弁を設けると共に、エンジンへ供給さ
れる燃料噴射量を増量する手段を設け、更に前記
捕集材の上流側端部の窪み部分に近接して電気的
高圧スパークの発生手段を設け、前記絞り弁、前
記燃料噴射量増量手段並びに前記スパーク発生手
段を、エンジン作動中に周期的に連動して作動せ
しめる制御手段が設けられ、前記捕集材に蓄積し
た排気微粒子を定期的に燃焼させて前記捕集材を
再生するようにしたデイーゼルエンジンの排気微
粒子浄化装置。