(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャを装備した内燃機関からの排気ガスが流通する排気流路の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、内燃機関から排出される排気ガスの一部をターボチャージャのタービンを迂回させて該タービンの出口側へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に装備された開度調整可能な開閉バルブとから成り、該開閉バルブを排気温度の低い運転領域にて適宜な開度で開作動し得るように構成し、
更に、前記タービンの出口側のバイパス流路接続部より下流側で且つパティキュレートフィルタより上流側における排気流路の途中に介装されたフレキシブルチューブの上流側に排気ブレーキを設けると共に、前記フレキシブルチューブより下流側の排気流路に装備されているパティキュレートフィルタの直後に出口絞り弁を設け、前記排気ブレーキと出口絞り弁とを、排気温度の低い運転領域で開閉バルブと協働して適宜な開度で閉作動させることにより、前記フレキシブルチューブへの排気圧力の過度の上昇を抑えつつ、前記排気流路を段階的に絞り込むよう構成したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
バイパス流路及び開閉バルブが、高速域での過剰な過給を回避する過給圧制御手段を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。
【０００５】
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
【０００６】
ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、該パティキュレートフィルタに担持される酸化触媒には活性温度領域があり、この活性下限温度を下まわるような排気温度での運転状態が続くと、酸化触媒が活性化しない為にパティキュレートが良好に燃焼除去されないという不具合が起こり得るので、パティキュレートフィルタより上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を用いて、積極的な加熱によるパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが検討されている。
【０００７】
この場合、パティキュレートフィルタより上流側で添加された燃料は、パティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートフィルタ内のパティキュレートが燃やし尽くされることになる。
【０００８】
尚、燃料添加手段としては、メイン噴射に続き圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うように燃料噴射を制御したり、排気流路中の何れかの場所に燃料添加用のインジェクタを別途配設して該インジェクタにより燃料添加させたりすることが考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ターボチャージャを搭載したディーゼルエンジンにおいては、排気流路に未燃燃料の焼け焦げが付着することが懸念され、特に都内の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような車両では、未燃燃料の焼け焦げを良好に酸化除去してしまえるほど高い排気温度での運転が長く継続しないため、排気流路に未燃燃料の焼け焦げが付着することによりタービンの効率が低下する虞れがあった。
【００１０】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ターボチャージャを搭載した内燃機関に関し、排気ガス中への燃焼添加を行わずに触媒再生型のパティキュレートフィルタの確実な再生を図り得るようにすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ターボチャージャを装備した内燃機関からの排気ガスが流通する排気流路の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、内燃機関から排出される排気ガスの一部をターボチャージャのタービンを迂回させて該タービンの出口側へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に装備された開度調整可能な開閉バルブとから成り、該開閉バルブを排気温度の低い運転領域にて適宜な開度で開作動し得るように構成し、
更に、前記タービンの出口側のバイパス流路接続部より下流側で且つパティキュレートフィルタより上流側における排気流路の途中に介装されたフレキシブルチューブの上流側に排気ブレーキを設けると共に、前記フレキシブルチューブより下流側の排気流路に装備されているパティキュレートフィルタの直後に出口絞り弁を設け、前記排気ブレーキと出口絞り弁とを、排気温度の低い運転領域で開閉バルブと協働して適宜な開度で閉作動させることにより、前記フレキシブルチューブへの排気圧力の過度の上昇を抑えつつ、前記排気流路を段階的に絞り込むよう構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
従って、本発明では、内燃機関の軽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、開閉バルブが適宜な開度で開作動されてバイパス流路が開通し、該バイパス流路を通してディーゼルエンジンからの排気ガスがターボチャージャのタービンを迂回して高い圧力のまま送り出されることになるので、タービンでの仕事を行わずに導かれた排気ガスの圧力が結果的に通常より高められて排気温度が上昇され、これにより酸化触媒の活性下限温度以上に維持されてパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが良好に燃焼除去される結果、該パティキュレートフィルタが良好に再生されることになる。
しかも、本発明においては、前記タービンの出口側のバイパス流路接続部より下流側で且つパティキュレートフィルタより上流側における排気流路の途中に介装されたフレキシブルチューブの上流側に排気ブレーキを設けると共に、前記フレキシブルチューブより下流側の排気流路に装備されているパティキュレートフィルタの直後に出口絞り弁を設け、前記排気ブレーキと出口絞り弁とを、排気温度の低い運転領域で開閉バルブと協働して適宜な開度で閉作動させることにより、前記フレキシブルチューブへの排気圧力の過度の上昇を抑えつつ、前記排気流路を段階的に絞り込むよう構成してあるため、フレキシブルチューブが排気圧力の上昇に耐えきれずに破損してしまうようなことを防止しながら、内燃機関の排気抵抗を高め、該内燃機関の気筒内に比較的温度の低い吸気を流入し難くさせて比較的温度の高い排気ガスの残留量を増加させ、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気を更に圧縮行程で圧縮させて爆発行程を迎えるようにし、排気温度を更に上昇させることが可能となる。
【００１３】
尚、本発明におけるバイパス流路及び開閉バルブは、高速域での過剰な過給を回避する過給圧制御手段を兼ねていても良く、そのようにした場合には、高速域で過給圧が設定値を超えた時に開閉バルブを開けてバイパス流路を開通させることにより、高速域での過給圧を一定レベルに抑制させることが可能となる。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジン（内燃機関）を示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。
【００１９】
また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８を排気管９を通して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を触媒再生型のパティキュレートフィルタ１０を通してパティキュレートを捕集した上で車外へ排出するようにしてある。
【００２０】
ここで、パティキュレートフィルタ１０の具体的な構造は図２に示す通りであり、このパティキュレートフィルタ１０は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１１の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１１については、その出口が目封じされるようになっており、各流路１１を区画する多孔質薄壁１２を透過した排気ガス８のみが下流側へ排出されるようにしてある。
【００２１】
そして、本形態例においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド７を介して排出される排気ガス８の一部をターボチャージャ２のタービン２ｂを迂回させて該タービン２ｂの出口側へ導くバイパス流路１３が設けられており、このバイパス流路１３には、タービン２ｂを迂回する排気ガス８の再循環量を適宜に調節し得るよう開度調整可能な常時閉の開閉バルブ１４が装備されている。
【００２２】
ここで、この開閉バルブ１４は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５からの開度指令信号１４ｓを受けたアクチュエータ（図示せず）の作動により、排気温度が低い運転領域にて適宜な開度で開作動されるようになっている。
【００２３】
尚、本形態例におけるバイパス流路１３及び開閉バルブ１４は、高速域での過剰な過給を回避する過給圧制御手段を兼ねており、高速域で過給圧が設定値を超えた時にも開閉バルブ１４が制御装置１５からの開度指令信号１４ｓを受けて開作動されるようになっている。
【００２４】
即ち、一般的なターボチャージャ２における過給圧制御手段では、前記バイパス流路１３と略同様のバイパス流路を開閉するバルブ機構が、コンプレッサ２ａ側の過給圧が所定値まで上昇した時に、その過給圧によりリンクロッドを介して機械的に開作動されるようになっているが、本形態例においては、開閉バルブ１４をアクチュエータ駆動として、寧ろ低速域で開作動させるように意図しているので、これを高速域でも開作動させるようにして過給圧制御手段を兼ねさせているのである。
【００２５】
また、パティキュレートフィルタ１０より上流側の適宜位置には、排気管９の流路を適宜な開度に絞り込む開度調整可能な排気ブレーキ１６が装備されており、該排気ブレーキ１６は、制御装置１５からの開度指令信号１６ｓにより開度制御されるようになっている。
【００２６】
尚、一般的に、車体側に固定されることになる排気管９は、ディーゼルエンジン１からの振動により破断応力が作用することを防止するために、該ディーゼルエンジン１に近い位置にフレキシブルチューブ１７を介装するようにしてあるが、この種のフレキシブルチューブ１７は、可撓性を優先した薄肉構造となっていて耐圧性がそれほど高くないので、排気ブレーキ１６の作動時における排気圧力の上昇がフレキシブルチューブ１７に悪影響を及ぼさないよう該フレキシブルチューブ１７の上流側に前記排気ブレーキ１６を配置するようになっている。
【００２７】
更に、フレキシブルチューブ１７より下流側の排気管９に装備されているパティキュレートフィルタ１０の直後にも、出口流路を適宜な開度に絞り込む出口絞り弁１８が装備されており、該出口絞り弁１８は、前記制御装置１５からの開度指令信号１８ｓにより開度制御されるようになっている。
【００２８】
他方、制御装置１５においては、ディーゼルエンジン１の回転数を検出する回転センサ１９からの回転数信号１９ｓと、図示しない運転席のアクセルの開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ２０（負荷センサ）からのアクセル開度信号２０ｓとが夫々入力されるようになっており、これら回転数信号１９ｓとアクセル開度信号２０ｓにより判断される現在のディーゼルエンジン１の回転数と負荷とに基づき制御マップ（回転数と負荷とによる二次元マップ）で運転状態を推定し、排気温度が低い運転領域にてパティキュレートフィルタ１０の再生運転を行うようにしてある。
【００２９】
ここで、制御装置１５によるパティキュレートフィルタ１０の再生運転とは、アクセル開度信号２０ｓ及び回転数信号１９ｓに基づいて判断される運転状態の軽負荷運転領域で開閉バルブ１４を開け且つ出口絞り弁１８及び排気ブレーキ１６を段階的に絞り込む開度制御を行うというものである。
【００３０】
特に本形態例においては、このような再生運転を極軽負荷の渋滞路走行の場合に行うようにしてあり、図３に示す如く、制御装置１５には、負荷Ｂより低い極軽負荷の領域で且つ過給が必要となる回転数Ｃより低い回転数領域の全てを渋滞路判定領域とする制御マップが設定されている。
【００３１】
つまり、通常の一般制御では、出力が出始める負荷ＡからＢまでの網掛けの領域を用いるが、渋滞路での走行を想定した場合、アクセルを軽く踏む、アクセルを離す、ブレーキを踏む、といった操作を頻繁に繰り返すことになるので、発生した動力がエンジンフリクションや転がり抵抗だけに消費されてしまう出力零の負荷領域（斜線を付した負荷Ａ以下の領域）も渋滞路判定領域として含め、渋滞路走行中の減速時等に渋滞路判定領域から外れていると判定される不都合が生じないように考慮してある。
【００３２】
ここで、制御装置１５における具体的な制御手順を図４によりフローチャートで示すと、ステップＳ１でパティキュレートフィルタ１０が過捕集状態になっているか否かが判定されるようになっており、この判定に関しては、ディーゼルエンジン１内の燃焼で発生したパティキュレートの大半がパティキュレートフィルタ１０に捕集されるものとして、燃料噴射量の累積値に基づきパティキュレートの発生量を推定し、その推定されたパティキュレートの発生量が過剰なレベルに達した時点でパティキュレートフィルタ１０が過捕集状態になったものと判定されてステップＳ２へと進むようになっており、パティキュレートフィルタ１０の過捕集状態が判定されないうちは同様の判定が繰り返されるようになっている。
【００３３】
次いで、ステップＳ２においては、アイドリング状態（アクセルオフ、車速零、ギヤがニュートラル又はクラッチオフ）が所定時間Ｔ0を超えて継続したか否かが判定され、アイドリング状態が所定時間Ｔ0を超えて継続した場合には、ステップＳ３へと進んで先の図３の制御マップに基づき渋滞路走行の判定が所定時間Ｔ1を超えて継続したか否かが判定され、渋滞路走行の判定が所定時間Ｔ1を超えて継続した場合には、ステップＳ４へと進んで所定時間内に２回以上の同様の判定が下されたか否かが判定され、２回以上の判定が下されている場合には、ステップＳ５へと進んでパティキュレートフィルタ１０の再生運転が開始されるようになっている。
【００３４】
ここで、ステップＳ４にて１回目の渋滞路走行の判定を受けつけないようにしているのは、信号待ち等の単発的な停止を除外するためである。尚、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４での判定が「ＮＯ」であった場合には、何れもステップＳ２へと戻されて同様の手順が繰り返されるようになっている。
【００３５】
而して、このような制御装置１５により排気浄化装置を運転すれば、パティキュレートフィルタ１０に多くのパティキュレートが捕集されて再生が必要となった時に、燃料噴射量の累積値に基づきパティキュレートフィルタ１０の過捕集状態が制御装置１５に判定され、パティキュレートフィルタ１０の再生運転が実行される結果、渋滞路走行時における排気温度の低い運転状態にあっても、開閉バルブ１４が開度指令信号１４ｓにより開作動され、ディーゼルエンジン１からの排気ガス８がバイパス流路１３を通しターボチャージャ２のタービン２ｂを迂回して高い圧力のまま送り出され、しかも、同時に排気ブレーキ１６及び出口絞り弁１８により排気流路が段階的に絞り込まれて前記出口絞り弁１８より上流側で排気ガス８が昇圧され、この排気ガス８の昇圧により排気温度が上昇することになる。
【００３６】
即ち、排気ガス８の温度Ｔと、排気圧力Ｐと、流量Ｖとには、下記の関係式
Ｐ・Ｖ／Ｔ＝一定
が決まっており、排気流路を絞り込んで排気圧力Ｐを大きくして流量Ｖを一定に保てば、所定の運転状態に関して排気ガス８の温度Ｔが大きく上昇することになる。
【００３７】
しかも、ディーゼルエンジン１の排気抵抗が高まることにより、該ディーゼルエンジン１の気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス８の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス８を多く含む気筒内の空気が更に圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。
【００３８】
そして、このように排気温度が上昇されて酸化触媒の活性下限温度以上に維持されると、パティキュレートフィルタ１０に捕集されたパティキュレートが良好に燃焼除去されて該パティキュレートフィルタ１０が良好に再生されることになる。
【００３９】
尚、排気ブレーキ１６のみによる排気流路の絞り込みでも、該排気ブレーキ１６の上流側で排気圧力の上昇による温度上昇を期待できるが、フレキシブルチューブ１７を経て下流側のパティキュレートフィルタ１０に到達するまでに排気温度がかなり低下してしまう虞れがあり、他方、出口絞り弁１８のみによる排気流路の絞り込みでは、フレキシブルチューブ１７が排気圧力の上昇に耐えきれずに破損してしまう虞れがあるので、排気ブレーキ１６と出口絞り弁１８との協働により排気流路を段階的に絞り込むことが好ましいのである。
【００４０】
従って、上記形態例によれば、ターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジン１に関し、渋滞路走行時等における排気温度の低い運転状態にあっても、排気ガス８中への燃焼添加を行わずに適宜に排気温度を上昇させてパティキュレートフィルタ１０の酸化触媒を安定した活性状態に維持することができるので、パティキュレートフィルタ１０に捕集されたパティキュレートをターボチャージャ２に悪影響を及ぼすことなく良好に燃焼除去することができ、これによりパティキュレートフィルタ１０の確実な再生を図ることができる。
【００４１】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気温度の低い軽負荷運転領域で常に再生運転が実行されるようなモード設定をしても良いこと、また、パティキュレートフィルタの過捕集状態を判定する手段には、前述した如き燃焼噴射量の累積値に基づいてパティキュレートの捕集量を推定する手段以外に、圧力センサによるパティキュレートフィルタの入口ガス圧力と出口ガス圧力との差圧に基づいて過捕集状態を判定する手段を採用したり、走行距離や運転時間等を目安としてパティキュレートフィルタの過捕集状態を推定する手段等を採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００４３】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ターボチャージャを搭載した内燃機関に関し、軽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、排気ガス中への燃焼添加を行わずに適宜に排気温度を上昇させてパティキュレートフィルタの酸化触媒を安定した活性状態に維持することができるので、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートをターボチャージャに悪影響を及ぼすことなく良好に燃焼除去することができ、これによりパティキュレートフィルタの確実な再生を図ることができる。しかも、タービンの出口側のバイパス流路接続部より下流側で且つパティキュレートフィルタより上流側における排気流路の途中に介装されたフレキシブルチューブの上流側に排気ブレーキを設けると共に、前記フレキシブルチューブより下流側の排気流路に装備されているパティキュレートフィルタの直後に出口絞り弁を設け、前記排気ブレーキと出口絞り弁とを、排気温度の低い運転領域で開閉バルブと協働して適宜な開度で閉作動させることにより、フレキシブルチューブが排気圧力の上昇に耐えきれずに破損してしまうようなことを防止しながら、排気温度を更に上昇させることができる。
【００４４】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、高速域で過給圧が設定値を超えた時に開閉バルブを開けてバイパス流路を開通させることにより、高速域での過給圧を一定レベルに抑制させることにも利用できる。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】  図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。
【図３】  図１の制御装置に設定されている制御マップの一例を示すグラフである。
【図４】  図１の制御装置における具体的な制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
２  ターボチャージャ
２ａ  コンプレッサ
２ｂ  タービン
８  排気ガス
９  排気管（排気流路）
１０  パティキュレートフィルタ
１３  バイパス流路
１４  開閉バルブ
１６  排気ブレーキ
１８  出口絞り弁
【図１】
0003878833.tif 000002
【図２】
0003878833.tif 000003
【図３】
0003878833.tif 000004
【図４】
0003878833.tif 000005