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JP2007262933A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気浄化装置 Download PDF

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JP2007262933A JP2006086516A JP2006086516A JP2007262933A JP 2007262933 A JP2007262933 A JP 2007262933A JP 2006086516 A JP2006086516 A JP 2006086516A JP 2006086516 A JP2006086516 A JP 2006086516A JP 2007262933 A JP2007262933 A JP 2007262933A
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Abstract

【目的】 装置構造が簡略化され、低コストで製造することができ、さらには信頼性の高い排気浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるパティキュレートマターを捕集して処理する第一のＤＰＦ３６と、第一のＤＰＦ３６と並設されたバイパス通路３７と、を有し、第一のＤＰＦ３６は、エンジンの低負荷時には排気ガスの多くを第一のＤＰＦ３６に流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガスの多くをバイパス通路３７に流通させる圧力損失を有するディーゼルエンジンの排気浄化装置である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。具体的には、特にカーボンを主成分とする粒子状物質（ＰＭ）の排出を低減するディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。
近年、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質の低減が課題となっている。特に、粒子状物質の排出を低減することは大きな課題となっており、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の排気浄化装置が開発されている。
ＤＰＦを用いたディーゼルエンジンの排気浄化装置として、例えば、（特許文献１）には、エンジンの排気通路に配置された第１の連続再生式ＤＰＦと、該第１の連続再生式ＤＰＦの容量より小さい容量に構成され上流側の排気通路に配設された第２の連続再生式ＤＰＦと、該第２の連続再生式ＤＰＦの外周部を囲むように配置されるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉する制御弁と、エンジンの排気温度領域が所定の温度よりも低い低温領域である場合には該制御弁がバイパス通路を閉じるように制御する制御手段と、を具備するよう構成されたディーゼルエンジンの排気浄化装置が開示されている。
特開２００３−３８３０号公報
しかしながら、上述のような排気浄化装置は、装置構造が複雑になる、コストが高い等の問題点を有していた。
そこで、本発明では、上記従来の状況に鑑み、装置構造が簡略化され、低コストで製造することができ、さらには信頼性の高い排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるパティキュレートマターを捕集して処理する第一のＤＰＦと、該第一のＤＰＦと並設されたバイパス通路と、を有し、前記第一のＤＰＦは、エンジンの低負荷時には排気ガスの多くを前記第一のＤＰＦに流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガスの多くを前記バイパス通路に流通させる圧力損失を有することを特徴とする。
上記構成によれば、第一のＤＰＦは、エンジンの低負荷時には排気ガスの多くを前記第一のＤＰＦに流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガスの多くをバイパス通路に流通させる圧力損失を有するので、排気ガスをエンジンの負荷状態に応じた適当な割合で第一のＤＰＦあるいはバイパス通路に流通させることができる。
また、本発明は、請求項２として請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦは、エンジンの低負荷時には排気ガス全流量の５５〜７５ｖｏｌ％を前記第一のＤＰＦに流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガス全流量の６５〜８５ｖｏｌ％を前記バイパス通路に流通させる圧力損失を有することを特徴とする。
上記構成によれば、第一のＤＰＦあるいはバイパス通路に流通させる排気ガスの割合がエンジンの負荷状態に応じて最適化される。
また、本発明は、請求項３として請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記第一のＤＰＦはケーシングの内部に設けられ、前記ケーシングと前記第一のＤＰＦとの間にバイパス通路が形成されたことを特徴とする。
上記構成によれば、第一のＤＰＦがケーシング内に配置されるので、装置全体の表面積が小さくなり、装置と外気との熱伝導が抑制される。また、第一のＤＰＦ及びバイパス通路がケーシング内に配置され一体化されるので装置全体が小型化される。
また、本発明は、請求項４として請求項３記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦはケーシングの排気ガス入口の流路中心軸線上に配置されたことを特徴とする。
上記構成によれば、ケーシング内部に流入した排気ガスをより多く第一のＤＰＦに流通させることができる。そして、特にエンジンの低負荷時のような排気ガスの流量が少ない場合において第一のＤＰＦに流入する排気ガスの割合を大きくすることができる。
また、本発明は、請求項５として請求項１〜４のいずれか記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦとディーゼルエンジンとを接続する排気管が断熱材によって被覆されたことを特徴とする。
上記構成によれば、ディーゼルエンジンから第一のＤＰＦまでの排気管に断熱材が被覆されているので、排気ガスの冷却が低減され、第一のＤＰＦ入口における排気ガスの温度を高く維持することができる。
また、本発明は、請求項６として請求項１〜５のいずれか記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦより下流側に第二のＤＰＦが設けられたことを特徴とする。
上記構成によれば、第一のＤＰＦの下流側に第二のＤＰＦが設けられるので、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭを確実に捕集し処理することができる。さらに、排気ガスの一部のＰＭが酸化処理される際に燃焼熱が生じ、第一のＤＰＦの温度が上昇するため、第一のＤＰＦを通過した排気ガスは、第二のＤＰＦにおいてもＰＭを酸化処理可能な温度に維持される。
また、本発明は、請求項７として請求項６記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦがディーゼルエンジンよりも第二のＤＰＦに近い位置に設けられていることを特徴とする。
上記構成によれば、第一のＤＰＦがディーゼルエンジンから離れた位置に設けられるので、ディーゼルエンジン及びディーエルエンジンから排出される排気ガスの温度に対して第一のＤＰＦの温度が敏感に追従するのが抑制される。また、第一のＤＰＦから第二のＤＰＦまでの排気管における排気ガスの冷却が低減され、第二のＤＰＦ入口における排気ガスの温度を高く維持することができる。
また、本発明は、請求項８として、請求項６又は７記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ＤＰＦユニットの排気ガス出口の中心軸が第二のＤＰＦの流路中心軸と同一線上となるように前記ＤＰＦユニットが配置されたことを特徴とする。
上記構成によれば、ＤＰＦユニットから第二のＤＰＦまでの排気ガスの流路が直線に近くなるため、排気ガスの通過抵抗が小さくなり、エンジンの性能の低下を抑制することができる。
本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置によれば、切替弁等を使用することなく、排気ガスの流量に応じて第一のＤＰＦとバイパス通路とに適当な割合で排気ガスを流すことが可能となる。具体的には排気ガスの流量が少なく排気ガスの温度が低い場合には多くの排気ガスを第一のＤＰＦで酸化処理し、一方排気ガスの流量が大きく排気ガスの温度が高い場合には多くの排気ガスをバイパス通路を通過させ第二のＤＰＦで酸化処理するように、第一のＤＰＦとバイパス通路とに適当な割合で切替弁を用いることなく排気ガスを分配することが可能となる。
また、切替弁、切替弁を動作させるアクチュエータ、切替弁を制御する制御装置等を設ける必要ないため装置構造が非常に単純化され低コストで製造することが可能であり、さらには取付作業、整備作業等が容易になる。また、切替弁に付随する装置が省略されるので装置全体として小型化されるため、多くの車種に対して装着することが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。図１〜５は、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の実施の形態（１）を示す図である。
図１、２に示すように、ディーゼルエンジンの排気浄化装置には、排気を浄化する対象となるディーゼルエンジン１０と、ディーゼルエンジン１０と排気管１１Ａを介して接続されたＤＰＦユニット３０と、ＤＰＦユニット３０と排気管１１Ｂを介して接続された第二のＤＰＦ６０と、を備える。
ディーゼルエンジン１０には、ディーゼルエンジン１０の各シリンダに新気を導入する吸気マニホールド１２と、各シリンダから排出される燃焼後の排気を通す排気マニホールド１４が備えられる。排気マニホールド１４には、上流側の排気管１１Ａが接続されており排気ガスは、上流側の排気管１１Ａを通してＤＰＦユニット３０に排気される。なお、上流側の排気管１１Ａは、ディーゼルエンジン１０から排気された排気ガスが冷却されないように断熱材で被覆されている。また、ディーゼルエンジンの排気浄化装置には、排気マニホールド１４等から取得した排気を冷却して吸気マニホールド１２等に還流するための外部ＥＧＲ配管２１が設けられており、再循環させる排気ガスの流量は外部ＥＧＲバルブ２１により調整できるように構成されている。
図３、４に示すように、ＤＰＦユニット３０は、円筒形状からなる外筒３３と、外筒３３の両端に設けられそれぞれ排気管１１Ａ、１１Ｂに接続するための入口側接続部材３２、出口側接続部材３４とを備えたケーシング３１と、ケーシング３１の内部に取付部材３５を介して設けられた円筒形状の第一のＤＰＦ３６と、を備える。そして、第一のＤＰＦ３６は、ケーシング３１の流路中心軸上に配置されており、ケーシング３１と第一のＤＰＦ３６との間にバイパス通路３７が形成されている。
第一のＤＰＦ３６は、主にディーゼルエンジンの中低速低負荷時又は中負荷時に排出される少量の排気中に含まれるＰＭを捕集して連続再生処理する小型のＣＲ−ＤＰＦである。第一のＤＰＦ３６には併せてＣＯ、ＨＣ及びＮＯを酸化させてＣＯ２、Ｈ２Ｏ及びＮＯ２に転化させる酸化触媒を設けてもよい。第一のＤＰＦ３６の外周には、第一のＤＰＦ３６を保護する筐体３８が設けられている。筐体３８の材質としては、金属、樹脂等の種々のものを用いることができるが、通常は耐熱性の高い金属が用いられる。
なお、第一のＤＰＦ３６は、圧力損失を有するが、その圧力損失は、エンジンの低負荷時には排気ガスの多くを第一のＤＰＦ３６に流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガスの多くをバイパス通路３７に流通させる圧力損失を有することが好ましい。具体的には、図５に示すようにエンジンの低負荷時には排気ガス全流量の５５〜７５ｖｏｌ％を第一のＤＰＦ３６に流通させ、エンジンの高負荷時には排気ガス全流量の６５〜８５ｖｏｌ％をバイパス通路３７に流通させる圧力損失を有することが好ましい。なお、図５中に示したＲ第一のDPFは下記式のように第一のＤＰＦ３６に流入する排気ガスの流量比率を表す。
Ｒ第一のDPF＝Ｆ第一のDPF／ＦTOTAL＝Ｆ第一のDPF／（Ｆ第一のDPF＋ＦBYPASS）
（式中、Ｆ第一のDPFは第一のＤＰＦ３６に流入する排気ガスの流量、ＦBYPASSはバイパス通路３７を通過する排気ガスの流量、ＦTOTALは排気ガス全流量を表す）
また、エンジンの低負荷時には排気ガス全流量の５５〜７５ｖｏｌ％を第一のＤＰＦ３６に流通させ、エンジンの高負荷時には排気ガス全流量の６５〜８５ｖｏｌ％をバイパス通路３７に流通させる圧力損失を有する第一のＤＰＦ３６としては、具体的には、４．１５ｍ３／ｍｉｎの流量でエアを流した際に２．５ｋＰａ〜５ｋＰａの圧力損失を有するものであり、好ましくは３ｋＰａ〜４ｋＰａの圧力損失を有するものである。また、エンジンの低負荷時とは一般的にエンジン回転数が５００ｒｐｍ〜１１００ｒｐｍであることを表し、エンジンの高負荷時とは一般的にエンジン回転数が２４００ｒｐｍ〜２９００ｒｐｍであることを表す。
そして、バイパス通路３７は、第一のＤＰＦ３６の周囲を囲むように配置されたものであり、バイパス通路３７を通過した排気ガスは排気ガス出口３４ａを通して下流側の排気管１１Ｂへと排気される。
また、排気ガス流路の下流側の排気管１１Ｂには第二のＤＰＦ６０が設けられており、ＤＰＦユニット３０を通過した排気ガスが流入する。第二のＤＰＦ６０は、ディーゼルエンジンの高負荷時および高速走行時に排出される多量の排気中に含まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯを酸化させてＣＯ２、Ｈ２Ｏ及びＮＯ２に転化させるとともにＰＭを連続酸化処理する大型のＣＲ−ＤＰＦである。
なお、ＤＰＦユニット３０は、ディーゼルエンジン１０からの熱伝導が抑制されるように、ディーゼルエンジン１０の直下に設けるのではなく、ディーゼルエンジン１０よりも第二のＤＰＦ６０に近い位置に設けている。具体的には、下流側の排気管１１Ｂが上流側の排気管１１Ａよりも短くなっている。また、ＤＰＦユニット３０は、該ＤＰＦユニット３０の排気ガス出口３４ａの中心軸が、第二のＤＰＦ６０の流路中心軸、及び第二のＤＰＦ６０とＤＰＦユニット３０とを接続する排気管１１Ｂの流路中心軸、と同一線上となるように配置されている。これにより、ＤＰＦユニット３０から第二のＤＰＦ６０までの排気ガスの流路が直線に近くなるため、排気ガスの通過抵抗が小さく、エンジンの性能の低下を抑制することが可能となる。
以下、上記のディーゼルエンジンの排気浄化装置を実際に使用した場合について説明する。
まず、ディーゼルエンジン１０から排出された排気ガスは排気管１１Ａを通って排気ガス入口３２ａからＤＰＦユニット３０内に流入する。そして、ＤＰＦユニット３０内に流入した排気ガスは、図５に示すように、例えばエンジン回転数が２５００ｒｐｍでありエンジンの負荷が高い運転状態においては、第一のＤＰＦ３６の圧力損失がバイパス通路３７よりも大きいため、排気ガスの多くはバイパス通路３７を通過し、第二のＤＰＦ６０において排気ガス中のＰＭは連続酸化処理される。エンジン回転数が高い高負荷の運転状態では排気ガスの温度が高いためバイパス通路３７を通過した排気ガスは後段の第二のＤＰＦで酸化処理することができる。また、排気ガスの一部は、第一のＤＰＦ３６に流れ、同様に排気ガス中のＰＭは連続酸化処理される。このように、第二のＤＰＦ６０使用時にも第一のＤＰＦ３６に少量の排気を流し続けることによって、第一のＤＰＦ３６の温度を所定の温度に維持することが可能となる。このため、運転状況によって負荷が減少した際にも第一のＤＰＦ３６はＰＭを連続処理することが可能となり、運転状況が急に変化した場合であってもＰＭを連続再生することが可能となる。
続いて、エンジン回転数が１５００ｒｐｍの運転状態となるような定速走行時等においては、排気ガスは第一のＤＰＦ３６とバイパス通路３７とにほぼ均等に流入する。したがって、第一のＤＰＦ３６に流入した排気ガスは、排気ガス中に含まれるＰＭの一部が連続酸化処理される。一方、バイパス通路３７に流入した排気ガスは、排気ガス出口３４ａにおいて、第一のＤＰＦ３６を通過して連続酸化処理された排気ガスと混合され第二のＤＰＦ６０に流入する。そして、第二のＤＰＦ６０において連続酸化処理される。この際、排気ガスのほぼ半分量を第一のＤＰＦ３６において酸化処理しているので、第二のＤＰＦ６０における排気ガスの酸化処理量を少なくすることができる。
続いて、エンジン回転数が５００ｒｐｍの運転状態となるようなアイドリング時、長い下り坂走行時、高速走行からの減速時等においては、排気ガスの多くは第一のＤＰＦ３６へ流入し、残りの排気ガスがバイパス通路３７を通過する。この場合は、第一のＤＰＦ３６は第二のＤＰＦ６０よりもエンジンに近い位置に設けられているので、冷却される前の酸化処理可能な温度の排気ガスを導入することができる。特に、排気ガスの一部のＰＭが酸化処理される際に燃焼熱が生じるため、第一のＤＰＦ３６を通過した排気ガスは、温度が維持されており、第二のＤＰＦ６０においても酸化処理することが可能となる。
また、アイドリング時、長い下り坂走行時、高速走行からの減速時等が長時間続き、排気ガスの温度が第一のＤＰＦ３６の酸化処理可能な温度よりも低い状態が続いた場合には、第一のＤＰＦ３６により捕集したＰＭを燃焼除去することができず目詰まりが生じるので、第一のＤＰＦ３６の圧力損失が増大する。そのため、この場合には多くの排気ガスはバイパス通路３７へ流入することとなる。これにより、第一のＤＰＦ３６が目詰まりにより破損することを防止できる。
上記実施の形態（１）のディーゼルエンジンの排気浄化装置によれば、切替弁等を使用することなく、排気ガスの流量に応じて第一のＤＰＦ３６とバイパス通路３７とに適当な割合で排気ガスを流すことが可能となる。具体的には排気ガスの流量が少なく、排気ガスの温度が低い場合には多くの排気ガスを第一のＤＰＦ３６で酸化処理することが可能となり、一方排気ガスの流量が大きく、排気ガスの温度が高い場合には多くの排気ガスをバイパス通路を通過させ第二のＤＰＦ６０で酸化処理することが可能となる。
また、エンジンの始動直後、停車中のアイドリング時、渋滞時の低速走行時等のエンジンの低負荷時が長時間続いた場合には、第一のＤＰＦ３６により捕集したＰＭを燃焼除去することができず、第一のＤＰＦ３６に目詰まりが生じることとなる。上記実施の形態（１）の排気浄化装置によれば、第一のＤＰＦ３６に目詰まりが生じ、その結果排気の流れの抵抗が増大した場合にも、自動的に排気ガスの多くがバイパス通路へ流れることになるため、目詰まりによる第一のＤＰＦ３６の破損が防止される。
また、切替弁、切替弁を動作させるアクチュエータ、切替弁を制御する制御装置等を設ける必要ないため装置構造が非常に単純化され低コストで製造することが可能となる。さらには、切替弁に付随する装置が省略されるので装置全体として小型化されるため、多くの車種に対して装着することが可能となる。また、第一のＤＰＦ３６がケーシング３１内に収納されたコンパクトな形状となっているため、排気ガスの温度が高い高負荷運転時において第一のＤＰＦ３６及びバイパス通路３７を通過する排気ガスが周辺機器に熱的な弊害を与えることが防止される。
また、本発明の排気浄化装置は、特に標準積載量が４ｔ以上の中型トラックに好適に用いられる。小型トラックと比較して中型トラックでは発進時等において排気温度の立ち上がりが大きいので、ＰＭを連続再生処理可能な温度に達しやすい。また、通常の定速走行時等からアイドリング時、低速走行時、高速走行からの減速時等に移行した場合にも、排気ガスが比較的長時間高い温度で保たれるので、ＰＭを連続再生処理することが可能となる。このように、中型トラックにおいては、排気ガスの温度がＰＭを連続再生可能な温度よりも低い温度となる時間が少ないため、本発明の排気浄化装置のように第一のＤＰＦに常に排気ガスが流入する場合にも好適に使用することができる。
実施の形態（１）に係るディーセルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す斜視図である。 実施の形態（１）に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す図である。 実施の形態（１）に係るＤＰＦユニットの縦断面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 エンジン回転数と第一のＤＰＦへの流量比率ＲμＤＰＦとの関係を示す図である。
符号の説明
１０ ディーゼルエンジン
１１ 排気管
１１Ａ 上流側の排気管
１１Ｂ 下流側の排気管
１２ 吸気マニホールド
１４ 排気マニホールド
２１ 外部ＥＧＲ配管
３０ ＤＰＦユニット
３１ ケーシング
３２ 入口側接続部材
３３ 外筒
３４ 出口側接続部材
３５ 取付部材
３６ 第一のＤＰＦ
３７ バイパス通路
３８ 筐体
６０ 第二のＤＰＦ

Claims (8)

  1. ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるパティキュレートマターを捕集して処理する第一のＤＰＦと、該第一のＤＰＦと並設されたバイパス通路と、を有し、
    前記第一のＤＰＦは、エンジンの低負荷時には排気ガスの多くを前記第一のＤＰＦに流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガスの多くを前記バイパス通路に流通させる圧力損失を有するディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  2. 請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦは、エンジンの低負荷時には排気ガス全流量の５５〜７５ｖｏｌ％を前記第一のＤＰＦに流通させるとともに、エンジンの高負荷時には排気ガス全流量の６５〜８５ｖｏｌ％を前記バイパス通路に流通させる圧力損失を有することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  3. 請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記第一のＤＰＦはケーシングの内部に設けられＤＰＦユニットを構成し、前記ケーシングと前記第一のＤＰＦとの間の空間にバイパス通路が形成されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  4. 請求項３記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦはケーシングの排気ガス入口の流路中心軸線上に配置されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦとディーゼルエンジンとを接続する排気管が断熱材によって被覆されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦより下流側に第二のＤＰＦが設けられたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  7. 請求項６記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、第一のＤＰＦがディーゼルエンジンよりも第二のＤＰＦに近い位置に設けられていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  8. 請求項６又は７記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ＤＰＦユ二ットの排気ガス出口の中心軸が第二のＤＰＦの流路中心軸と同一線上となるように前記ＤＰＦユ二ットが配置されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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