排気浄化装置
【課題】フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】再生制御によりフィルタ中心部の温度は再生可能な温度となる。一方、フィルタ中心部と外周部の温度差およびフィルタ入口側と出口側の温度差が発生する。フィルタ中心部と外周部の温度差が設定値より大きいと、電熱ヒータ６１はDPF３０外周に熱量供給を開始する。電熱ヒータ６１の電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されている。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。このような加熱勾配を付与して加熱すると、フィルタ中心部と外周部の温度差およびフィルタ入口側と出口側の温度差は解消する。
【解決手段】再生制御によりフィルタ中心部の温度は再生可能な温度となる。一方、フィルタ中心部と外周部の温度差およびフィルタ入口側と出口側の温度差が発生する。フィルタ中心部と外周部の温度差が設定値より大きいと、電熱ヒータ６１はDPF３０外周に熱量供給を開始する。電熱ヒータ６１の電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されている。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。このような加熱勾配を付与して加熱すると、フィルタ中心部と外周部の温度差およびフィルタ入口側と出口側の温度差は解消する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に係わり、特に、フィルタにより排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化するとともに、適宜フィルタに捕集した粒子状物質を焼却除去し、フィルタを再生させる排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）が大気中に放出されることを防止するために、排気通路の途中にＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）を設けることが従来からよく知られている。このフィルタは、例えば多孔質セラミック材の隔壁によって画成された多数の細長いセルから構成されており、各セルの一方の端部はプラグ（栓部材）によって閉じられている。従って、パティキュレート捕集時において、排気上流側が開口したセルから流入した排気ガスは、隔壁を通って排気下流側が開口したセルに抜け、フィルタを通過する。そしてこの隔壁通過の際に、排気ガス中のパティキュレートが隔壁に捕集される。
【０００３】
ところでフィルタは、その使用に伴い、その内部に堆積されるパティキュレートの量が増えると、フィルタは目詰まりを起こしてゆく。そのことによりエンジンの排圧が上昇し、燃費の悪化等を誘発するため、フィルタに捕集したＰＭを適宜燃焼してフィルタの目詰まりを除去し、フィルタを再生している（例えば、特許文献1）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７９５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
再生の際、フィルタ内部は燃焼により高温となる。フィルタ内の熱の一部は、フィルタ外周から外部に逃げるため、フィルタ中心部の温度に比べてフィルタ外周部の温度は低くなる。フィルタ内部に温度差が発生すると、熱応力によるフィルタの割れが発生するおそれがある。
【０００６】
更に、フィルタの温度が低いフィルタ外周部において、燃え残りが発生する。燃え残ったＰＭが高温で急激に燃焼し、フィルタの溶損を起こす（いわゆる暴走再生）おそれがある。
【０００７】
また、再生の際、フィルタ入口側に滞留したＰＭが先に燃焼し、その燃焼熱が出口側に送られる。そのため、フィルタ入口側の温度に比べてフィルタ出口側の温度は高くなる。すなわち、フィルタ中心部と外周部の温度差に加えて、フィルタ入口側と出口側の温度差が発生するため、フィルタ割れのおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気系に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、このフィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去してフィルタを再生する再生装置と、この再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置とを備えた排気浄化装置において、前記フィルタ中心部の温度を検出する第1温度検出手段と、前記フィルタ外周部の温度を検出する第２温度検出手段と、前記第1温度検出手段および第２温度検出手段の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量を演算する不足熱量演算手段と、前記フィルタの外周に、前記不足熱量演算手段で得られた熱量を供給する加熱手段とを備える。
【００１０】
このように構成した本発明においては、加熱手段がフィルタの外周に過不足なく熱量を供給することにより、フィルタ中心部と外周部の温度差が解消する。これにより、フィルタ内の温度を均一にでき、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能を有する。
【００１２】
加熱勾配付与機能が、フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給することにより、フィルタ中心部と外周部の温度差が解消するとともに、フィルタ入口側と出口側の温度差も解消する。これにより、更にフィルタ内の温度を均一にでき、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れを防止することができる。
【００１３】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置された電熱線を有し、前記加熱勾配付与機能は、前記電熱線が発熱することにより、熱量を供給する。
【００１４】
これにより、加熱勾配付与機能は、フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給することができる。
【００１５】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記電熱線は、回生エネルギーを利用して発熱する。
【００１６】
本発明は、加熱手段がフィルタの外周に過不足なく熱量を供給することにより、エネルギー効率向上を図ることができる。回生エネルギーを利用することで、更にエネルギー効率向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】排気浄化装置が適用されるエンジンのシステム構成図を示している。
【図２】図２AはＤＰＦの概略断面図であり、図２BはＤＰＦの概略平面図である。
【図３】コントローラの再生制御にかかる処理を示す制御フローである。
【図４】加熱に係る動作を説明する概念図である。
【図５】変形例に係る構成を示すＤＰＦの概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
〜構成〜
図1は、本発明の実施形態に係る排気浄化装置１９が適用されるディーゼルエンジン（以下、エンジンという）のシステム構成図を示している。内燃機関１０は各気筒共通のコモンレール２を備えており、コモンレール２に蓄えられた高圧の燃料（軽油）を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に噴射される。
【００２１】
吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１１及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。
【００２２】
一方、内燃機関１０からの排気は、排気マニホールド１５を経た後、排気管１６に流出する。なお、排気マニホールド１５と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁１８を介して排気マニホールド１５と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路１７が設けられている。排気管１６は、ターボチャージャ８のタービン８ｂを介して、排気後処理装置１９に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂは排気管１６内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動する。
【００２３】
排気後処理装置１９は、上流から順に酸化触媒２０とパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）３０より構成される。酸化触媒２０は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成し、このＮＯ２を酸化剤としてＤＰＦ３０に供給するものである。また、ＤＰＦ３０は、ハニカム型のコージェライト担体からなる。
【００２４】
このように酸化触媒２０とＤＰＦ３０とを配置することにより、ＤＰＦ３０に捕集され堆積しているパティキュレートは、比較的低温（例えば、250℃）にて酸化触媒２０から供給されたＮＯ２と反応して酸化される。
【００２５】
酸化触媒２０とＤＰＦ３０との間には、排気温度を検出する排気温度センサ４０，４１と、ＤＰＦ３０前後の排気差圧を検出する差圧センサ４２が設けられている。
【００２６】
本実施形態は特徴的構成として、ＤＰＦ３０の外周を覆うように設けられた電熱ヒータ６１を備えている(後述)。
【００２７】
エンジンシステムは、電源制御系を備える。電源制御系は、オルタネータ５０、バッテリ６０、リレースイッチ６２、コントローラ７０などを含み、コントローラ７０には、各温度センサ４０，４１、差圧センサ４２、負荷センサ４３、回転センサ４４等の各種センサが接続されている。
【００２８】
バッテリ６０は、電熱ヒータ６１を発熱させるために必要なエネルギーなど、電気エネルギーを蓄えておく。なお、電熱ヒータ６１に電気エネルギーをオルタネータ５０から直接供給してもよい。また、バッテリ６０はハイブリット車両の回生エネルギーを蓄電するものでもよい。
【００２９】
コントローラ７０は、ＣＰＵやＲＯＭ等により構成されており、エンジンの運転状況（負荷やエンジン回転数）に応じた排気ガス温度の情報（マップ情報）が予め記憶されている。そして、接続された各センサ（中心部温度センサ４０、外周部温度センサ４１、負荷センサ４３、回転センサ４４等）からの情報に基づいて排気温度の推定値を演算している。また、差圧センサ４２からの情報に基づいてPM捕集推定量を演算し、再生開始・停止に係る制御を行っている。
【００３０】
さらに、コントローラ７０は、中心部温度センサ４０および排気外周温度センサ４１からの検出温度の情報に基づき、電熱ヒータ６１に通電すべき電気エネルギー量（再生時の不足エネルギー量）を演算する。コントローラ７０は、リレースイッチ６２を制御し、リレースイッチ６２の接点をＯＮ−ＯＦＦして通電時間を調整し、または、電流または電圧を調整することにより、電熱ヒータ６１に通電すべき電気エネルギー量を調整する。
【００３１】
図２AはＤＰＦ３０の概略断面図であり、図２BはＤＰＦ３０の概略平面図である。ＤＰＦ３０は、触媒担体３１、ＤＰＦ支持材３２、金属製ケーシング３３により構成される。金属製ケーシング３３には、ブラケット３４，３５が溶接されている。ブラケット３４，３５には、２枚の半円状のブラケット３６が取り付けられ、ブラケット３６にはブラケット３６の形状に対応するように、電熱ヒータ６１が設けられている。これにより、電熱ヒータ６１はＤＰＦ３０の外周を覆う。
【００３２】
電熱ヒータ６１は、電熱線６３が断熱材に埋設され、電熱線６３と断熱材とが一体化して、半円筒状に形成されている。断熱材の種類としては、アルミナ−シリケートセラミックファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、シリカファイバー、ロックウール、石綿等の無機質ファイバー、ナイロン、ケブラー等の有機質ファイバー、ウレタン等の発泡体の成形体、又は、これらの組合せを利用することができる。
【００３３】
電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されおり、DPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように、発熱する。
【００３４】
図３は、コントローラ７０の再生制御にかかる処理を示す制御フローである。
【００３５】
コントローラ７０は、差圧センサ４２からの情報に基づいてPM捕集推定量を演算し（ステップS11)、PM捕集推定量が設定量（開始）以上か否か判断する（ステップS12)。PM捕集推定量が設定量（開始）以上であると、ＤＰＦ３０が詰まったと判断し、再生制御を開始する（ステップS13）。PM捕集推定量が設定量（開始）未満であると、S11およびS12の処理を繰り返す。
【００３６】
再生制御において、検出温度Tcet，Tout（後述）や推定温度に基づいて、再生に必要な熱量を演算し、必要熱量に基づいて排気加熱用燃料の噴射量（ポスト噴射の噴射量）を演算する。そして、この演算結果に基づいてエンジン回転数、負荷、燃料噴射量などを制御して、排気温度を調節する。
【００３７】
更に、加熱制御の要否（内外温度差△Taが設定値以下か否か）を判断し（ステップS14)（後述）、加熱制御不要と判断すると、PM捕集推定量が設定量（停止）以下か否か判断する（ステップS15)。PM捕集推定量が設定量（停止）以下であると、PMが燃焼除去されたと判断し、再生制御を停止する（ステップS16）。PM捕集推定量が設定量（停止）より多いと、S13〜S15の処理を繰り返す。
【００３８】
コントローラ７０は再生制御と連動して加熱に係る制御をおこなう。中心部温度センサ４０からの検出温度Tcetおよび外周部温度センサ４１からの検出温度Toutに基づいて、内外温度差△Ta（Tcet−Tout）を演算し、加熱制御の要否を判断する（ステップS14)。内外温度差△Taが設定値より大きく、加熱制御必要と判断すると、検出温度Tcet，Toutやフィルタの容積等に基づいて、再生に不足する熱量Qを演算し、電熱ヒータ６１へのエネルギー供給を開始する（ステップS17)。
【００３９】
さらに、要求熱量Qと電熱ヒータ６１の供給電力Wから加熱時間T（Q／W）を演算し、所定時間Tだけ加熱する（ステップS18)。加熱中も、加熱制御の要否を判断し（ステップS19)、内外温度差△Taが設定値以下となり、加熱制御不要と判断すると、電熱ヒータ６１へのエネルギー供給を停止する（ステップS20)。内外温度差△Taが設定値より大きいと、S17〜S20の処理を繰り返す。
【００４０】
ステップS19において、コントローラ７０は内外温度差△Taに基づくフィードバック制御をおこう。つまり、内外温度差△Taが設定値に近づくと、リレースイッチ６２をOFFにし、昇温速度を緩め、その後、内外温度差△Taが設定値に達しないと、リレースイッチ６２をONにし加熱するといった、リレースイッチ６２のON-OFF制御を繰り返しながら、供給電力Wや加熱時間Tを調整する。
【００４１】
〜請求項との対応関係〜
ＤＰＦ３０は、排気管１６の下流に配置され、PMを捕集するフィルタを構成し、インジェクタ４と酸化触媒２０は、PMを焼却除去してDPFを再生する再生装置を構成し、差圧センサ４２とコントロー７０のS11，S12，S13，S15，S16の処理は、再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置と構成する。
【００４２】
コントロー７０のS17の処理の一部は、中心部温度センサ４０および外周部温度センサ４１の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量Qを演算する不足熱量演算手段を構成し、電熱ヒータ６１は、ＤＰＦ３０外周に熱量Qを供給する加熱手段を構成する。
【００４３】
電熱ヒータ６１の電熱線６３の配置間隔は、ＤＰＦ３０入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能を構成する。
【００４４】
〜動作〜
再生に係る動作（S11→S12→S13→S14→S15→S16）について説明する。
【００４５】
排気管１６の下流部に流入した排気ガスは、まず、酸化触媒２０を通過する。このとき、触媒の作用により、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）が反応（Ｒ1）によって二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化される。また、排気中のHC、COも反応（R2、R3）によって酸化される。排気温度がポスト噴射により排気中に添加された燃料の酸化反応（Ｒ2）によって昇温される。
4NO + O2 → 2NO2 （Ｒ１）
HC + O2 → CO2 + H2O （Ｒ２）
C0 + 1/2 O2 → CO2 （Ｒ３）
【００４６】
ＤＰＦ３０に堆積しているＰＭの主要成分である固形炭素質（Ｃ）は反応（Ｒ4、Ｒ5）によって酸化され、ＤＰＦ３０が再生される。
C + O2 → CO2 （Ｒ４）
C + 2 NO2 → CO2 + 2 NO （Ｒ５）
【００４７】
再生時、ＤＰＦ３０内の熱の一部は、ＤＰＦ３０外周から外部に逃げるため、フィルタ中心部の温度に比べてフィルタ外周部の温度は低くなる。フィルタ内部の温度差に起因して、熱応力によるフィルタ割れや暴走再生が発生するおそれがある。
【００４８】
したがって、フィルタ内部に温度差が発生すると、加熱制御が行われる（S14→S17→S18→S19→S20）。
【００４９】
図４は加熱に係る動作を説明する概念図である。適切な再生制御によりフィルタ中心部の検出温度Tcetはt（再生をおこなうのに過不足ない温度）となる。一方、フィルタ外周部の検出温度Toutはt-aとなり、内外温度差△Ta＝aが発生する。電熱ヒータ６１は内外温度差△Taを解消するように、DPF３０外周に熱量を供給する。
【００５０】
ところで、再生の際、フィルタ入口側に滞留したＰＭが先に燃焼し、その燃焼熱が出口側に送られる。そのため、フィルタ入口側の温度に比べてフィルタ出口側の温度は高くなる。フィルタ入口側のフィルタ外周部の検出温度Toutがt-aであると、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はt-a+bとなる。フィルタ入口側と出口側の温度差は、フィルタ割れの要因となりうる。
【００５１】
もし仮に、電熱ヒータ６１が、内外温度差△Ta＝aを解消するように均一に加熱（昇温+a）した場合、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はtとなり、フィルタ中心部と外周部の温度差は解消する。しかし、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はt+bとなり、フィルタ入口側と出口側の温度差は解消しない。さらに、必要以上の加熱は不経済である。
【００５２】
本実施形態の電熱ヒータ６１の電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されている。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。すなわち、DPF入口側では、+aだけ昇温するように加熱するのに対し、DPF出口側では、+a-ｂだけ昇温するように加熱する。
【００５３】
このような加熱勾配を付与して加熱すると、フィルタ外周部においてフィルタ入口側から出口側の温度は均一にtとなり、フィルタ入口側と出口側の温度差も解消する。
【００５４】
なお、図４において、説明の便宜の為、一例として温度勾配および加熱勾配とも1次関数として表現したが、これに限定されるものではない。
【００５５】
〜効果〜
本実施形態では、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。また、これに付随する以下の効果が得られる。
【００５６】
フィルタ内のPMの燃え残りを防止し、より確実にDPFの再生を行うことができる。適切な再生を確実に行うことにより、DPFが損傷することはなく、DPFの長寿命化に寄与する。また、適切な再生を確実に行うことにより、再生時間を短縮でき、結果として燃費向上に寄与する。
【００５７】
本実施形態では、他の効果も得られる。
【００５８】
電熱ヒータ６１は、再生に必要な熱量を過不足なく供給できる。不要な加熱をなくすことにより、エネルギー効率向上に寄与する。さらに、ハイブリット車両の回生エネルギーを利用すれば、更なるエネルギー効率向上を図ることができる。
【００５９】
コントローラ７０は、ステップS18において加熱時間Tを設定するとともに、ステップS19においてフィードバック制御をおこなっている。これにより、過剰昇温を防止することができる。
【００６０】
電熱ヒータ６１は、ブラケット３４，３５，３６を介してＤＰＦ３０の外周を覆うように設けられており、電熱線６３は断熱材に埋設されている。電熱線６３が断線した場合は、ブラケット３６を取り外して、電熱ヒータ６１ごと交換する。これにより、メンテナンス性向上に寄与する。
【００６１】
〜変形例〜
本実施形態において、電熱線６３がDPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されおり、電熱線６３の配置間隔が加熱勾配付与機能を構成するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６２】
図５は、変形例に係る構成を示すＤＰＦ３０の概略平面図である。電熱線６３がDPF入口側から出口側に向かって均一な間隔で配置されている。一方、電熱線６３の抵抗値Ωは、DPF入口側から出口側に向かって高い値から低い値になるように設定されている。たとえば、DPF入口側の電熱線６３の抵抗値をΩ１と、DPF中央の電熱線６３の抵抗値をΩ２と、DPF出口側の電熱線６３の抵抗値をΩ３とし、Ω１＞Ω２＞Ω３となるように設定する。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。
【００６３】
すなわち、電熱線６３の抵抗値Ωの設定が、加熱勾配付与機能を構成する。この構成により、本実施形態と同様な効果が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
２ コモンレール
４ インジェクタ
６ 吸気通路
１０ 内燃機関
８ ターボチャージャ
１１ インタークーラ
１２ 吸気制御弁
１４ 吸気マニホールド
１５ 排気マニフォ−ルド
１６ 排気管
１８ EGR弁
１９ 排気浄化装置
２０ 酸化触媒
３０ ＤＰＦ
３１ 触媒担体
３２ ＤＰＦ支持材
３３ ケーシング
３４，３５，３６ ブラケット
４０ 中心部温度センサ
４１ 外周部温度センサ
４２ 差圧センサ
４３ 負荷センサ
４４ 回転センサ
５０ オルタネータ
６０ バッテリ
６１ 電熱ヒータ
６２ リレースイッチ
６３ 電熱線
７０ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に係わり、特に、フィルタにより排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化するとともに、適宜フィルタに捕集した粒子状物質を焼却除去し、フィルタを再生させる排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）が大気中に放出されることを防止するために、排気通路の途中にＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）を設けることが従来からよく知られている。このフィルタは、例えば多孔質セラミック材の隔壁によって画成された多数の細長いセルから構成されており、各セルの一方の端部はプラグ（栓部材）によって閉じられている。従って、パティキュレート捕集時において、排気上流側が開口したセルから流入した排気ガスは、隔壁を通って排気下流側が開口したセルに抜け、フィルタを通過する。そしてこの隔壁通過の際に、排気ガス中のパティキュレートが隔壁に捕集される。
【０００３】
ところでフィルタは、その使用に伴い、その内部に堆積されるパティキュレートの量が増えると、フィルタは目詰まりを起こしてゆく。そのことによりエンジンの排圧が上昇し、燃費の悪化等を誘発するため、フィルタに捕集したＰＭを適宜燃焼してフィルタの目詰まりを除去し、フィルタを再生している（例えば、特許文献1）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７９５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
再生の際、フィルタ内部は燃焼により高温となる。フィルタ内の熱の一部は、フィルタ外周から外部に逃げるため、フィルタ中心部の温度に比べてフィルタ外周部の温度は低くなる。フィルタ内部に温度差が発生すると、熱応力によるフィルタの割れが発生するおそれがある。
【０００６】
更に、フィルタの温度が低いフィルタ外周部において、燃え残りが発生する。燃え残ったＰＭが高温で急激に燃焼し、フィルタの溶損を起こす（いわゆる暴走再生）おそれがある。
【０００７】
また、再生の際、フィルタ入口側に滞留したＰＭが先に燃焼し、その燃焼熱が出口側に送られる。そのため、フィルタ入口側の温度に比べてフィルタ出口側の温度は高くなる。すなわち、フィルタ中心部と外周部の温度差に加えて、フィルタ入口側と出口側の温度差が発生するため、フィルタ割れのおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気系に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、このフィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去してフィルタを再生する再生装置と、この再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置とを備えた排気浄化装置において、前記フィルタ中心部の温度を検出する第1温度検出手段と、前記フィルタ外周部の温度を検出する第２温度検出手段と、前記第1温度検出手段および第２温度検出手段の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量を演算する不足熱量演算手段と、前記フィルタの外周に、前記不足熱量演算手段で得られた熱量を供給する加熱手段とを備える。
【００１０】
このように構成した本発明においては、加熱手段がフィルタの外周に過不足なく熱量を供給することにより、フィルタ中心部と外周部の温度差が解消する。これにより、フィルタ内の温度を均一にでき、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能を有する。
【００１２】
加熱勾配付与機能が、フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給することにより、フィルタ中心部と外周部の温度差が解消するとともに、フィルタ入口側と出口側の温度差も解消する。これにより、更にフィルタ内の温度を均一にでき、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れを防止することができる。
【００１３】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置された電熱線を有し、前記加熱勾配付与機能は、前記電熱線が発熱することにより、熱量を供給する。
【００１４】
これにより、加熱勾配付与機能は、フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給することができる。
【００１５】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記電熱線は、回生エネルギーを利用して発熱する。
【００１６】
本発明は、加熱手段がフィルタの外周に過不足なく熱量を供給することにより、エネルギー効率向上を図ることができる。回生エネルギーを利用することで、更にエネルギー効率向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】排気浄化装置が適用されるエンジンのシステム構成図を示している。
【図２】図２AはＤＰＦの概略断面図であり、図２BはＤＰＦの概略平面図である。
【図３】コントローラの再生制御にかかる処理を示す制御フローである。
【図４】加熱に係る動作を説明する概念図である。
【図５】変形例に係る構成を示すＤＰＦの概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
〜構成〜
図1は、本発明の実施形態に係る排気浄化装置１９が適用されるディーゼルエンジン（以下、エンジンという）のシステム構成図を示している。内燃機関１０は各気筒共通のコモンレール２を備えており、コモンレール２に蓄えられた高圧の燃料（軽油）を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に噴射される。
【００２１】
吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１１及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。
【００２２】
一方、内燃機関１０からの排気は、排気マニホールド１５を経た後、排気管１６に流出する。なお、排気マニホールド１５と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁１８を介して排気マニホールド１５と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路１７が設けられている。排気管１６は、ターボチャージャ８のタービン８ｂを介して、排気後処理装置１９に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂは排気管１６内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動する。
【００２３】
排気後処理装置１９は、上流から順に酸化触媒２０とパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）３０より構成される。酸化触媒２０は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成し、このＮＯ２を酸化剤としてＤＰＦ３０に供給するものである。また、ＤＰＦ３０は、ハニカム型のコージェライト担体からなる。
【００２４】
このように酸化触媒２０とＤＰＦ３０とを配置することにより、ＤＰＦ３０に捕集され堆積しているパティキュレートは、比較的低温（例えば、250℃）にて酸化触媒２０から供給されたＮＯ２と反応して酸化される。
【００２５】
酸化触媒２０とＤＰＦ３０との間には、排気温度を検出する排気温度センサ４０，４１と、ＤＰＦ３０前後の排気差圧を検出する差圧センサ４２が設けられている。
【００２６】
本実施形態は特徴的構成として、ＤＰＦ３０の外周を覆うように設けられた電熱ヒータ６１を備えている(後述)。
【００２７】
エンジンシステムは、電源制御系を備える。電源制御系は、オルタネータ５０、バッテリ６０、リレースイッチ６２、コントローラ７０などを含み、コントローラ７０には、各温度センサ４０，４１、差圧センサ４２、負荷センサ４３、回転センサ４４等の各種センサが接続されている。
【００２８】
バッテリ６０は、電熱ヒータ６１を発熱させるために必要なエネルギーなど、電気エネルギーを蓄えておく。なお、電熱ヒータ６１に電気エネルギーをオルタネータ５０から直接供給してもよい。また、バッテリ６０はハイブリット車両の回生エネルギーを蓄電するものでもよい。
【００２９】
コントローラ７０は、ＣＰＵやＲＯＭ等により構成されており、エンジンの運転状況（負荷やエンジン回転数）に応じた排気ガス温度の情報（マップ情報）が予め記憶されている。そして、接続された各センサ（中心部温度センサ４０、外周部温度センサ４１、負荷センサ４３、回転センサ４４等）からの情報に基づいて排気温度の推定値を演算している。また、差圧センサ４２からの情報に基づいてPM捕集推定量を演算し、再生開始・停止に係る制御を行っている。
【００３０】
さらに、コントローラ７０は、中心部温度センサ４０および排気外周温度センサ４１からの検出温度の情報に基づき、電熱ヒータ６１に通電すべき電気エネルギー量（再生時の不足エネルギー量）を演算する。コントローラ７０は、リレースイッチ６２を制御し、リレースイッチ６２の接点をＯＮ−ＯＦＦして通電時間を調整し、または、電流または電圧を調整することにより、電熱ヒータ６１に通電すべき電気エネルギー量を調整する。
【００３１】
図２AはＤＰＦ３０の概略断面図であり、図２BはＤＰＦ３０の概略平面図である。ＤＰＦ３０は、触媒担体３１、ＤＰＦ支持材３２、金属製ケーシング３３により構成される。金属製ケーシング３３には、ブラケット３４，３５が溶接されている。ブラケット３４，３５には、２枚の半円状のブラケット３６が取り付けられ、ブラケット３６にはブラケット３６の形状に対応するように、電熱ヒータ６１が設けられている。これにより、電熱ヒータ６１はＤＰＦ３０の外周を覆う。
【００３２】
電熱ヒータ６１は、電熱線６３が断熱材に埋設され、電熱線６３と断熱材とが一体化して、半円筒状に形成されている。断熱材の種類としては、アルミナ−シリケートセラミックファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、シリカファイバー、ロックウール、石綿等の無機質ファイバー、ナイロン、ケブラー等の有機質ファイバー、ウレタン等の発泡体の成形体、又は、これらの組合せを利用することができる。
【００３３】
電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されおり、DPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように、発熱する。
【００３４】
図３は、コントローラ７０の再生制御にかかる処理を示す制御フローである。
【００３５】
コントローラ７０は、差圧センサ４２からの情報に基づいてPM捕集推定量を演算し（ステップS11)、PM捕集推定量が設定量（開始）以上か否か判断する（ステップS12)。PM捕集推定量が設定量（開始）以上であると、ＤＰＦ３０が詰まったと判断し、再生制御を開始する（ステップS13）。PM捕集推定量が設定量（開始）未満であると、S11およびS12の処理を繰り返す。
【００３６】
再生制御において、検出温度Tcet，Tout（後述）や推定温度に基づいて、再生に必要な熱量を演算し、必要熱量に基づいて排気加熱用燃料の噴射量（ポスト噴射の噴射量）を演算する。そして、この演算結果に基づいてエンジン回転数、負荷、燃料噴射量などを制御して、排気温度を調節する。
【００３７】
更に、加熱制御の要否（内外温度差△Taが設定値以下か否か）を判断し（ステップS14)（後述）、加熱制御不要と判断すると、PM捕集推定量が設定量（停止）以下か否か判断する（ステップS15)。PM捕集推定量が設定量（停止）以下であると、PMが燃焼除去されたと判断し、再生制御を停止する（ステップS16）。PM捕集推定量が設定量（停止）より多いと、S13〜S15の処理を繰り返す。
【００３８】
コントローラ７０は再生制御と連動して加熱に係る制御をおこなう。中心部温度センサ４０からの検出温度Tcetおよび外周部温度センサ４１からの検出温度Toutに基づいて、内外温度差△Ta（Tcet−Tout）を演算し、加熱制御の要否を判断する（ステップS14)。内外温度差△Taが設定値より大きく、加熱制御必要と判断すると、検出温度Tcet，Toutやフィルタの容積等に基づいて、再生に不足する熱量Qを演算し、電熱ヒータ６１へのエネルギー供給を開始する（ステップS17)。
【００３９】
さらに、要求熱量Qと電熱ヒータ６１の供給電力Wから加熱時間T（Q／W）を演算し、所定時間Tだけ加熱する（ステップS18)。加熱中も、加熱制御の要否を判断し（ステップS19)、内外温度差△Taが設定値以下となり、加熱制御不要と判断すると、電熱ヒータ６１へのエネルギー供給を停止する（ステップS20)。内外温度差△Taが設定値より大きいと、S17〜S20の処理を繰り返す。
【００４０】
ステップS19において、コントローラ７０は内外温度差△Taに基づくフィードバック制御をおこう。つまり、内外温度差△Taが設定値に近づくと、リレースイッチ６２をOFFにし、昇温速度を緩め、その後、内外温度差△Taが設定値に達しないと、リレースイッチ６２をONにし加熱するといった、リレースイッチ６２のON-OFF制御を繰り返しながら、供給電力Wや加熱時間Tを調整する。
【００４１】
〜請求項との対応関係〜
ＤＰＦ３０は、排気管１６の下流に配置され、PMを捕集するフィルタを構成し、インジェクタ４と酸化触媒２０は、PMを焼却除去してDPFを再生する再生装置を構成し、差圧センサ４２とコントロー７０のS11，S12，S13，S15，S16の処理は、再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置と構成する。
【００４２】
コントロー７０のS17の処理の一部は、中心部温度センサ４０および外周部温度センサ４１の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量Qを演算する不足熱量演算手段を構成し、電熱ヒータ６１は、ＤＰＦ３０外周に熱量Qを供給する加熱手段を構成する。
【００４３】
電熱ヒータ６１の電熱線６３の配置間隔は、ＤＰＦ３０入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能を構成する。
【００４４】
〜動作〜
再生に係る動作（S11→S12→S13→S14→S15→S16）について説明する。
【００４５】
排気管１６の下流部に流入した排気ガスは、まず、酸化触媒２０を通過する。このとき、触媒の作用により、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）が反応（Ｒ1）によって二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化される。また、排気中のHC、COも反応（R2、R3）によって酸化される。排気温度がポスト噴射により排気中に添加された燃料の酸化反応（Ｒ2）によって昇温される。
4NO + O2 → 2NO2 （Ｒ１）
HC + O2 → CO2 + H2O （Ｒ２）
C0 + 1/2 O2 → CO2 （Ｒ３）
【００４６】
ＤＰＦ３０に堆積しているＰＭの主要成分である固形炭素質（Ｃ）は反応（Ｒ4、Ｒ5）によって酸化され、ＤＰＦ３０が再生される。
C + O2 → CO2 （Ｒ４）
C + 2 NO2 → CO2 + 2 NO （Ｒ５）
【００４７】
再生時、ＤＰＦ３０内の熱の一部は、ＤＰＦ３０外周から外部に逃げるため、フィルタ中心部の温度に比べてフィルタ外周部の温度は低くなる。フィルタ内部の温度差に起因して、熱応力によるフィルタ割れや暴走再生が発生するおそれがある。
【００４８】
したがって、フィルタ内部に温度差が発生すると、加熱制御が行われる（S14→S17→S18→S19→S20）。
【００４９】
図４は加熱に係る動作を説明する概念図である。適切な再生制御によりフィルタ中心部の検出温度Tcetはt（再生をおこなうのに過不足ない温度）となる。一方、フィルタ外周部の検出温度Toutはt-aとなり、内外温度差△Ta＝aが発生する。電熱ヒータ６１は内外温度差△Taを解消するように、DPF３０外周に熱量を供給する。
【００５０】
ところで、再生の際、フィルタ入口側に滞留したＰＭが先に燃焼し、その燃焼熱が出口側に送られる。そのため、フィルタ入口側の温度に比べてフィルタ出口側の温度は高くなる。フィルタ入口側のフィルタ外周部の検出温度Toutがt-aであると、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はt-a+bとなる。フィルタ入口側と出口側の温度差は、フィルタ割れの要因となりうる。
【００５１】
もし仮に、電熱ヒータ６１が、内外温度差△Ta＝aを解消するように均一に加熱（昇温+a）した場合、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はtとなり、フィルタ中心部と外周部の温度差は解消する。しかし、フィルタ入口側のフィルタ外周部の温度はt+bとなり、フィルタ入口側と出口側の温度差は解消しない。さらに、必要以上の加熱は不経済である。
【００５２】
本実施形態の電熱ヒータ６１の電熱線６３は、DPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されている。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。すなわち、DPF入口側では、+aだけ昇温するように加熱するのに対し、DPF出口側では、+a-ｂだけ昇温するように加熱する。
【００５３】
このような加熱勾配を付与して加熱すると、フィルタ外周部においてフィルタ入口側から出口側の温度は均一にtとなり、フィルタ入口側と出口側の温度差も解消する。
【００５４】
なお、図４において、説明の便宜の為、一例として温度勾配および加熱勾配とも1次関数として表現したが、これに限定されるものではない。
【００５５】
〜効果〜
本実施形態では、フィルタ内の温度を均一にすることにより、フィルタ内部の温度差に起因するフィルタ割れや暴走再生を防止することができる。また、これに付随する以下の効果が得られる。
【００５６】
フィルタ内のPMの燃え残りを防止し、より確実にDPFの再生を行うことができる。適切な再生を確実に行うことにより、DPFが損傷することはなく、DPFの長寿命化に寄与する。また、適切な再生を確実に行うことにより、再生時間を短縮でき、結果として燃費向上に寄与する。
【００５７】
本実施形態では、他の効果も得られる。
【００５８】
電熱ヒータ６１は、再生に必要な熱量を過不足なく供給できる。不要な加熱をなくすことにより、エネルギー効率向上に寄与する。さらに、ハイブリット車両の回生エネルギーを利用すれば、更なるエネルギー効率向上を図ることができる。
【００５９】
コントローラ７０は、ステップS18において加熱時間Tを設定するとともに、ステップS19においてフィードバック制御をおこなっている。これにより、過剰昇温を防止することができる。
【００６０】
電熱ヒータ６１は、ブラケット３４，３５，３６を介してＤＰＦ３０の外周を覆うように設けられており、電熱線６３は断熱材に埋設されている。電熱線６３が断線した場合は、ブラケット３６を取り外して、電熱ヒータ６１ごと交換する。これにより、メンテナンス性向上に寄与する。
【００６１】
〜変形例〜
本実施形態において、電熱線６３がDPF入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置されおり、電熱線６３の配置間隔が加熱勾配付与機能を構成するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６２】
図５は、変形例に係る構成を示すＤＰＦ３０の概略平面図である。電熱線６３がDPF入口側から出口側に向かって均一な間隔で配置されている。一方、電熱線６３の抵抗値Ωは、DPF入口側から出口側に向かって高い値から低い値になるように設定されている。たとえば、DPF入口側の電熱線６３の抵抗値をΩ１と、DPF中央の電熱線６３の抵抗値をΩ２と、DPF出口側の電熱線６３の抵抗値をΩ３とし、Ω１＞Ω２＞Ω３となるように設定する。電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ６１はDPF入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する。
【００６３】
すなわち、電熱線６３の抵抗値Ωの設定が、加熱勾配付与機能を構成する。この構成により、本実施形態と同様な効果が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
２ コモンレール
４ インジェクタ
６ 吸気通路
１０ 内燃機関
８ ターボチャージャ
１１ インタークーラ
１２ 吸気制御弁
１４ 吸気マニホールド
１５ 排気マニフォ−ルド
１６ 排気管
１８ EGR弁
１９ 排気浄化装置
２０ 酸化触媒
３０ ＤＰＦ
３１ 触媒担体
３２ ＤＰＦ支持材
３３ ケーシング
３４，３５，３６ ブラケット
４０ 中心部温度センサ
４１ 外周部温度センサ
４２ 差圧センサ
４３ 負荷センサ
４４ 回転センサ
５０ オルタネータ
６０ バッテリ
６１ 電熱ヒータ
６２ リレースイッチ
６３ 電熱線
７０ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気系に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、このフィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去してフィルタを再生する再生装置と、この再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置とを備えた排気浄化装置において、
前記フィルタ中心部の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記フィルタ外周部の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第1温度検出手段および第２温度検出手段の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量を演算する不足熱量演算手段と、
前記フィルタの外周に、前記不足熱量演算手段で得られた熱量を供給する加熱手段と
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気浄化装置において、
前記加熱手段は、
前記フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能
を有することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２記載の排気浄化装置において、
前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置された電熱線を有し、
前記加熱勾配付与機能は、前記電熱線が発熱することにより、熱量を供給する
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項４】
請求項３記載の排気浄化装置において、
前記電熱線は、回生エネルギーを利用して発熱する
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項１】
エンジンの排気系に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、このフィルタに堆積した粒子状物質を焼却除去してフィルタを再生する再生装置と、この再生装置の作動開始・停止を制御する再生制御装置とを備えた排気浄化装置において、
前記フィルタ中心部の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記フィルタ外周部の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第1温度検出手段および第２温度検出手段の検出温度に基づいて、再生に不足する熱量を演算する不足熱量演算手段と、
前記フィルタの外周に、前記不足熱量演算手段で得られた熱量を供給する加熱手段と
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気浄化装置において、
前記加熱手段は、
前記フィルタ入口側から出口側に向かって加熱量を低減するように熱量を供給する加熱勾配付与機能
を有することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２記載の排気浄化装置において、
前記加熱手段は、前記フィルタ入口側から出口側に向かって密から疎な間隔で配置された電熱線を有し、
前記加熱勾配付与機能は、前記電熱線が発熱することにより、熱量を供給する
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項４】
請求項３記載の排気浄化装置において、
前記電熱線は、回生エネルギーを利用して発熱する
ことを特徴とする排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４１５４８（Ｐ２０１２−２４１５４８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９９０３（Ｐ２０１１−１０９９０３）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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