(57)【要約】【課題】  ヒートパイプを用いてフィルタの温度を適正に管理できる排気浄化装置を提供する。【解決手段】  エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタ２５に捕集し、捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、排気通路１５に介装されてフィルタ２５に向かう排気に放熱する第一熱交換部４１と、この第一熱交換部４１より上流側の排気通路１５に介装されて排気に加熱される第二熱交換部４２と、その放熱が促される第三熱交換部４３とを有するヒートパイプ４０を備え、第一熱交換部４１に対する第二熱交換部４２と第三熱交換部４３の連通を切換えるヒートパイプ制御バルブ４４を備え、このヒートパイプ制御バルブ４４の作動を制御してフィルタ２５の温度を調節するコントロールユニット２０を備えた。【選択図】    図１
2005098141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集し、捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、
排気通路に介装されて前記フィルタに向かう排気に放熱する第一熱交換部と、この第一熱交換部より上流側の排気通路に介装されて排気によって加熱される第二熱交換部と、その放熱が促される第三熱交換部とを有するヒートパイプを備え、
第一熱交換部に対する第二熱交換部と第三熱交換部の連通を切換えるヒートパイプ制御バルブを備え、
このヒートパイプ制御バルブの作動を制御してフィルタの温度を調節するコントロールユニットを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記フィルタの入口温度を検出する温度センサを備え、
この温度センサによって検出されるフィルタの入口温度が閾値より高い場合に前記ヒートパイプ制御バルブを作動流体が前記第一熱交換部と前記第三熱交換部間で循環する冷却ポジションに切換える構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタの入口温度を検出する温度センサを備え、この温度センサによって検出される前記フィルタの入口温度が閾値より低い場合に前記ヒートパイプ制御バルブを作動流体が前記第一熱交換部と前記第二熱交換部間で循環する加熱ポジションに切換える構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第一熱交換部と前記第二熱交換部の温度を検出する温度センサを備え、この温度センサの検出値に応じて第二熱交換部から第一熱交換部に輸送される輸送熱量を算出し、この熱輸送量と前記エンジンの運転状態に応じて前記フィルタの入口温度の予測値を算出し、算出されたフィルタの入口温度の予測値に応じてフィルタの入口温度が上限値に到達するフィルタ上限値到達時間を算出し、算出されたフィルタ上限値到達時間に応じて前記ヒートパイプ制御バルブの作動を制御する構成としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記フィルタの入口温度が上限値を超えることが予測される場合に前記ヒートパイプ制御バルブを作動流体が前記第一熱交換部と前記第三熱交換部間で循環する冷却ポジションに切換える構成としたことを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を除去処理するための排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭを低減する排気浄化装置として、上流側から酸化触媒とＰＭを捕集するフィルタが並んで設けられたＣＲ−ＤＰＦの開発が注目されている。このＣＲ−ＤＰＦは、エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集しつつ、その捕集ＰＭを触媒作用により連続的に燃焼除去するものである。このようなＣＲ−ＤＰＦにおいても、触媒には活性温度領域があり、これを下回るような排気温度での運転状態が長く継続すると、フィルタの連続再生が十分に行われず、ＰＭ堆積量が過剰になり、エンジン性能に悪影響を及ぼしかねない。
【０００３】
触媒の活性化をはかるものとして、例えば特許文献１に開示された排気浄化装置があった。これについて説明すると、図３に示すように、排気を通過させて浄化するようにした触媒再生型のフィルタ１を排気管８の途中に介装した排気浄化装置において、フィルタ１の直前位置に放熱部３を設けると共に、この放熱部３より上流の排気温度が相対的に高い位置に吸熱部４を設け、この吸熱部４と放熱部３との間をヒートパイプ５により接続している。
【０００４】
こうして吸熱部４にて相対的に高い温度の排気が保有する熱を吸収してヒートパイプ５を介して放熱部３へと熱輸送し、放熱部３を通る排気を昇温してフィルタ１に導入することにより、低負荷運転時等における排気温度の低い運転状態にあっても、フィルタ１に導入される排気を昇温させて触媒の活性化をはかるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−１９５０２３号公報
【特許文献２】特開２０００−１３０９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、フィルタにＰＭ堆積量が過剰な状態で触媒の活性温度領域に入るような排気温度での運転状態へ移行すると、フィルタ１に過剰に堆積したＰＭが急激に燃焼する可能性があり、フィルタ１の溶損や亀裂を生じやすくなる。
【０００６】
しかしながら、このような従来のヒートパイプ５を備える排気浄化装置にあっては、ヒートパイプ５によってフィルタ１に導入される排気を加熱することはできるが、ヒートパイプ５によってフィルタ１に導入される排気を冷却することができないため、フィルタ１の温度を適正に調節することができないという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ヒートパイプを用いてフィルタの温度を適正に管理できる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集し、捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させる排気浄化装置に適用する。
【０００９】
そして、排気通路に介装されてフィルタに向かう排気に放熱する第一熱交換部と、この第一熱交換部より上流側の排気通路に介装されて排気によって加熱される第二熱交換部と、その放熱が促される第三熱交換部とを有するヒートパイプを備え、第一熱交換部に対する第二熱交換部と第三熱交換部の連通を切換えるヒートパイプ制御バルブを備え、このヒートパイプ制御バルブの作動を制御してフィルタの温度を調節するコントロールユニットを備えたことを特徴とするものとした。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、フィルタの入口温度を検出する温度センサを備え、この温度センサによって検出されるフィルタの入口温度が閾値より高い場合にヒートパイプ制御バルブを作動流体が第一熱交換部と第三熱交換部間で循環する冷却ポジションに切換える構成としたことを特徴とするものとした。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、フィルタの入口温度を検出する温度センサを備え、この温度センサによって検出されるフィルタの入口温度が閾値より低い場合にヒートパイプ制御バルブを作動流体が第一熱交換部と第二熱交換部間で循環する加熱ポジションに切換える構成としたことを特徴とするものとした。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明において、第一熱交換部と第二熱交換部の温度を検出する温度センサを備え、この温度センサの検出値に応じて第二熱交換部から第一熱交換部に輸送される輸送熱量を算出し、この熱輸送量とエンジンの運転状態に応じてフィルタの入口温度の予測値を算出し、算出されたフィルタの入口温度の予測値に応じてフィルタの入口温度が上限値に到達するフィルタ上限値到達時間を算出し、算出されたフィルタ上限値到達時間に応じてヒートパイプ制御バルブの作動を制御する構成としたことを特徴とするものとした。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、フィルタの入口温度が上限値を超えることが予測される場合にヒートパイプ制御バルブを作動流体が第一熱交換部と第三熱交換部間で循環する冷却ポジションに切換える構成としたことを特徴とするものとした。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によると、コントロールユニットがヒートパイプ制御バルブの作動を制御することにより、ヒートパイプはフィルタの加熱と冷却を選択的に行ってフィルタの温度を適正に調節することができる。これにより、フィルタに堆積したＰＭが速やかに燃焼させられるとともに、フィルタの溶損や亀裂が生じることを防止できる。
【００１５】
第２の発明によると、作動流体を第一熱交換部と第三熱交換部の間で循環することにより、ヒートパイプによってフィルタを冷却し、フィルタの溶損や亀裂が生じることを防止できる。
【００１６】
第３の発明によると、作動流体を第一熱交換部第二熱交換部の間で循環することにより、ヒートパイプによってフィルタを加熱し、フィルタに堆積したＰＭが速やかに燃焼させられる。
【００１７】
第４の発明によると、算出されたフィルタ上限値到達時間に応じてヒートパイプ制御バルブの作動を制御することにより、フィルタの温度を適正に保つことができる。
【００１８】
第５の発明によると、フィルタの入口温度が上限値を超えることが予測される場合にヒートパイプ制御バルブを冷却ポジションに切換えることにより、フィルタの温度を適正に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１０の吸気通路１１にターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａ、インタクーラ１３が介装される。図１において、２１はＥＧＲ（排気還流）通路、２２はＥＧＲバルブ、２３はＥＧＲクーラである。
【００２１】
エンジン１０の排気通路１５にターボ過給機１２のタービン１２ｂ、排気絞り弁１６、ＣＲ−ＤＰＦ１７が介装される。
【００２２】
排気浄化装置として設けられるＣＲ−ＤＰＦ１７は、排気通路１５に酸化触媒２６と、その下流側にＰＭを捕集するフィルタ（ＤＰＦ）２５が並んで介装される。
【００２３】
酸化触媒２６は排気に含まれるＨＣ（炭化水素）等を酸化処理するものであり、その反応熱によりフィルタ２５の温度が上昇して堆積ＰＭを燃焼させる再生が行われる。
【００２４】
ＣＲ−ＤＰＦ１７のフィルタ２５は、例えばハニカム構造体からなり、その格子状に区画される流路（セル）の入口と出口が交互に目封じされる。つまり、入口の目封じされる流路と出口の目封じされる流路とが交互に並び、これらを区画する多孔質の隔壁を排気が通過するようになっている。この例においてフィルタは、隔壁に捕集されるＰＭの燃焼可能な着火温度を低めに設定するため、アルミナ等の触媒が担持されている。
【００２５】
排気浄化装置はＣＲ−ＤＰＦ１７の温度を調節するヒートパイプ４０を備える。このヒートパイプ４０は、酸化触媒２６の入口２７に介装されて放熱する第一熱交換部４１と、この第一熱交換部４１より上流側の排気通路１５に介装されて加熱される第二熱交換部４２と、その放熱が促される第三熱交換部４３と、第一熱交換部４１に対する第二熱交換部４２との連通を切換えるヒートパイプ制御バルブ４４とを備える。ヒートパイプ４０はヒートパイプ制御バルブ４４の作動により、ＣＲ−ＤＰＦ１７の加熱と冷却を選択的に行ってフィルタ２５の温度を適正に調節することができる。
【００２６】
ヒートパイプ４０は、毛細管作用を有する多孔性物質（例えば金属細線を編んだものや焼結金属等）から成るウィックを内蔵したパイプ容器内に揮発性の作動流体（熱輸送媒体）を封入した周知のもので、このパイプ容器の内部は、作動流体とその飽和蒸気のみで満たされており、空気のような非凝縮性ガスは完全に除去された状態となっている。
【００２７】
第一熱交換部４１は排気通路１５の酸化触媒２６より直上流側に臨み、酸化触媒２６に向かう排気にさらされる。
【００２８】
第二熱交換部４２は排気通路１５のターボ過給機１２のタービン１２ｂより上流側の排気マニホールド１４に臨み、タービン１２ｂに向かう排気にさらされる。
【００２９】
第三熱交換部４３は排気通路１５から離れた車両の側部に配置され、走行風にさらされることにより外気への放熱が促される。
【００３０】
ヒートパイプ制御バルブ４４はパイプ容器内の作動流体が第一熱交換部４１と第二熱交換部４２間のみで循環する加熱ポジションと、パイプ容器内の作動流体が第一熱交換部４１と第三熱交換部４３間のみで循環する冷却ポジションとを有する。電磁式ヒートパイプ制御バルブ４４はその通電（ＯＮ）時に第一熱交換部４１と第二熱交換部４２間のみで循環する加熱ポジションに切換えられ、その非通電（ＯＦＦ）時に第一熱交換部４１と第三熱交換部４３間のみで循環する冷却ポジションに保持される。
【００３１】
ヒートパイプ制御バルブ４４が加熱ポジションに切換えられると、パイプ容器内の作動流体が第二熱交換部４２にて排気の熱を吸収して蒸発し、蒸気となって第一熱交換部４１へと流れ、第一熱交換部４１にて酸化触媒２６に向かう排気に放熱し、ここで凝縮液となって再び第二熱交換部４２へと流れる。ヒートパイプ４０は作動流体がこうして循環することによりＣＲ−ＤＰＦ１７を加熱する。
【００３２】
ヒートパイプ制御バルブ４４が冷却ポジションに切換えられると、パイプ容器内の作動流体が第一熱交換部４１にて排気の熱を吸収して蒸発し、蒸気となって第三熱交換部４３へと流れ、第三熱交換部４３にて外気に放熱し、ここで凝縮液となって再び第一熱交換部４１へと流れる。ヒートパイプ４０は作動流体がこうして循環することによりＣＲ−ＤＰＦ１７を冷却する。
【００３３】
コントロールユニット２０は、制御マップに基づきエンジン回転数とエンジン負荷等に応じて燃料噴射量、燃料噴射時期を決め、これを燃料噴射装置１９に指令する。
【００３４】
コントロールユニット２０は、フィルタ２５の強制再生が必要な時期を判定すると、昇温マップに基づいて燃料噴射制御を行う強制再生モードに切換え、捕集ＰＭを触媒作用により燃焼除去する。
【００３５】
そして、コントロールユニット２０は、上記強制再生モードにてヒートパイプ制御バルブ４４の作動を制御することにより、ヒートパイプ４０によってＣＲ−ＤＰＦ１７の加熱と冷却を選択的に行ってフィルタ２５の温度を適正にする。これにより、フィルタ２５に堆積したＰＭが速やかに燃焼させられるとともに、フィルタ２５の溶損や亀裂が生じることを防止できる。
【００３６】
コントロールユニット２０の制御に必要な検出手段として、エンジン回転数Ｎｅを検出する回転センサ（クランク角センサを兼ねる）およびエンジン負荷ｑを検出する負荷センサのほか、ＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ３０、第一熱交換部４１の近傍の酸化触媒２６の入口温度を検出する温度センサ３１、フィルタ２５の入口温度を検出する温度センサ３２とフィルタ２５の出口温度を検出する温度センサ３３、排気マニホールド１４における第二熱交換部４２の近傍の温度を検出する温度センサ３４、第三熱交換部４３の近傍の温度を検出する温度センサ３５等が設けられる。
【００３７】
コントロールユニット２０は、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷ｑとから通常の制御マップに基づいて噴射ノズルへの燃料噴射信号（噴射量の指令および噴射時期の指令）を決定する。フィルタ２５の強制再生が必要な時期を判定すると、通常の制御マップから強制再生用の昇温マップに切り替わり、ＣＲ−ＤＰＦ１７の雰囲気温度が所定値（例えば、２３０℃）を下回るときは、触媒の予熱手段を駆動するほか、必要があれば昇温マップに基づいて燃料のメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うような燃料噴射信号を決定する一方、ＣＲ−ＤＰＦの雰囲気温度が所定値以上のときは、昇温マップに基づいてメイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号を決定する。
【００３８】
コントロールユニット２０は、強制再生モードにて以下のようにしてヒートパイプ４０によるフィルタ２５の温度を適正に保つ制御を行う。
【００３９】
１．燃料噴射量、負荷、噴射タイミング等のエンジン運転状態から発生する排気熱量、ＣＯ、ＨＣ、Ｎｏｘ、ＰＭ量をそれぞれ算出する。
【００４０】
２．温度センサ３１，３３の検出値に応じて第二熱交換部４２から第一熱交換部４１に輸送される輸送熱量を算出する。
【００４１】
３．算出されたエンジン１０の排気熱量とヒートパイプ４０の輸送熱量と酸化触媒２６に流入するＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ量よりフィルタ２５の入口温度の予測値を算出する。
【００４２】
４．算出されたフィルタ２５の入口温度の予測値と温度センサ３２等の検出値に応じてフィルタ２５の入口温度が上限値に到達するフィルタ上限値到達時間を算出する。
【００４３】
５．算出されたフィルタ上限値到達時間に応じてヒートパイプ制御バルブ４４の作動を制御するとともに、燃料噴射制御を行う。
【００４４】
６．フィルタ２５の入口温度が上限値を超えることが予測される場合、または温度センサ３２等の検出値に応じてフィルタ２５の入口温度が上限値を超えた場合に、以下のようしてフィルタ２５の入口温度を低下させる。
【００４５】
・ヒートパイプ制御バルブ４４をＯＦＦにして冷却ポジションに切換え、作動流体を第一熱交換部４１と第二熱交換部４２間のみで循環させ、ＣＲ−ＤＰＦ１７を冷却する。
【００４６】
・燃料噴射量を低減するとともにエンジン回転数を上昇させる制御を行い。低温の排気流量を増加させ、ＣＲ−ＤＰＦ１７を冷却する。
【００４７】
図２のフローチャートはフィルタ２５の温度を適正に保つ制御ルーチンの例を示しており、これはコントロールユニット２０において一定周期毎に実行される。
【００４８】
これについて説明すると、まず、ステップ１にて、システムのハード面及びソフト面にて何らかの異常が生じたか否かを判定する。ここで異常が生じたと判定された場合、ステップ１１に進んで警告ランプ等を点灯して運転者に異常を知らせる。
【００４９】
異常が生じていないと判定された場合、ステップ２に進んで、エンジン１０の回転数等の運転状態の情報に応じてＰＭ捕集量（推定値）を算出する。このＰＭ捕集量（推定値）は予め設定されたマップに基づきエンジン１０の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出し、このＰＭ排出量から加速度補正等の各補正を行い、さらに温度センサ３２，３３等によって検出される排気温度に応じて自己再生量を算出して求められる。
【００５０】
続くステップ３に進んで、走行距離や走行時間が閾値を超えるか、ＰＭ捕集量（推定値）が閾値を超えるか、あるいは排気圧力（ＣＲ−ＤＰＦ１７の前後差圧）が閾値を超える強制再生が必要な時期を判定する。
【００５１】
ここで強制再生が必要な時期に達したことが判定された場合、ステップ４に進んで通常の制御マップに基づいて燃料噴射制御を行う捕集モードから、強制再生用の昇温マップに基づいて燃料噴射制御を行う強制再生モードに移行する。
【００５２】
続くステップ５〜８にてヒートパイプ４０によるＣＲ−ＤＰＦ１７の温度制御を行う。
【００５３】
ステップ５にて、温度センサ３２によって検出されるフィルタ２５の入口温度が閾値より高いことを判定した場合、ステップ６に進んでヒートパイプ制御バルブ４４をＯＦＦにして作動流体が第一熱交換部４１と第三熱交換部４３間のみで循環する冷却ポジションに切換え、ヒートパイプ４０を介してＣＲ−ＤＰＦ１７を冷却する。
【００５４】
ステップ７にて、温度センサ３２によって検出されるフィルタ２５の入口温度が閾値より低いことを判定した場合、ステップ８に進んでヒートパイプ制御バルブ４４をＯＮにして作動流体が第一熱交換部４１と第二熱交換部４２間のみで循環する加熱ポジションに切換え、ヒートパイプ４０を介してＣＲ−ＤＰＦ１７を加熱する。
【００５５】
ステップ９に進んで、強制再生時間が閾値を超えるか、あるいはＰＭ堆積量の算出値が閾値より少なくなったことが判定されるまでステップ５〜８にてヒートパイプ４０によるＣＲ−ＤＰＦ１７の温度制御を行う。
【００５６】
ステップ１０にてイグニッションスイッチがＯＦＦになったエンジン停止時に本ルーチンを終了する。
【００５７】
フィルタに捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させること以外に、例えば電熱線、プラズマを用いる方式や、排気系な直接燃料を噴射する方式を用いることも可能である。
【００５８】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ディーゼルエンジン等に備えられる排気浄化装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態を示す排気浄化装置のシステム図。
【図２】同じく強制再生を行う制御内容を示すフローチャート。
【図３】従来例を示す排気浄化装置のシステム図。
【符号の説明】
【００６１】
１０  エンジン
１５  排気通路
１７  ＣＲ−ＤＰＦ
１９  燃料噴射装置
２０  コントロールユニット
２５  フィルタ
２６  酸化触媒
３０  差圧センサ
３１〜３５  温度センサ
４０  ヒートパイプ
４１  第一熱交換部
４２  第二熱交換部
４３  第三熱交換部
４４  ヒートパイプ制御バルブ
【図１】
2005098141.tif 000003
【図２】
2005098141.tif 000004
【図３】
2005098141.tif 000005