JP2007285281A - 酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲシステムと酸素富化装置の併用により、簡単な構成で、全負荷の運転状態において、燃費の悪化を抑制しながら、燃焼温度を低下してＮＯｘの発生を防止できる酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関を提供する。
【解決手段】ＥＧＲシステム１２、１３、１４と排気通路９に酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０を備え、過給器３のコンプレッサ３ａの下流側の吸気通路２に酸素富化装置４を設けた過給器付き内燃機関１において、前記酸素富化装置４の低濃度酸素側Ａａを吸気系通路２，８に接続すると共に、前記酸素富化装置４の高濃度酸素側ａｂを通路切替手段１８を介して、前記酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０の上流側の排気通路９と、吸気系通路２，８とに接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムを備えると共に、吸気通路に酸素富化装置を備えた内燃機関に関する。

自動車搭載の内燃機関においては、近年、ＮＯｘ規制値が厳しくなってきているため、ＥＧＲ（排気再循環）の適用を内燃機関の全運転領域に拡大する傾向にあり、現在のＥＧＲシステムでは、ＥＧＲ弁の制御だけでなく、吸気絞り、リード弁、排気絞り等を使用して、必要なＥＧＲ量を確保している。

しかしながら、過給器付き内燃機関は、内燃機関の高負荷時には吸気圧力が高くなってＥＧＲ量を確保し難くなるので、排気圧力を吸気圧力よりも高く維持する必要があり、そのため、燃費が悪化するという問題がある。

また、内燃期間の軽負荷時では、ＰＣＩ（Premixed Compression Ignition ：予混合圧縮着火）燃焼の適用等のため、高いＥＧＲ率が必要となるが、このＥＧＲガスの冷却が不十分であると吸気温度が上昇し吸気の密度が低下する。そのため、筒内（シリンダ内）に供給される酸素量が減少して、燃料の噴射量を増加したくても筒内の空気過剰率λが１以下となるためできない。その結果、ＰＣＩ燃焼ができないという問題がある。一方、この多量のＥＧＲガスを冷却しようとすると、大容量ＥＧＲクーラーが必要となるが、ＥＧＲクーラーにおける熱交換量には限界があり、実用的でないという問題がある。

一方、ＥＧＲシステムの代りに、酸素富化装置（又は、窒素富化装置）を用いて、酸素濃度を低減させた吸気（窒素富化空気）又はをシリンダ内に供給して燃焼温度を低下させるシステムが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

また、酸素富化装置で発生する酸素富化空気を、内燃機関をバイパスするバイパス管を経由させて排気管の酸化触媒へ供給して排気ガス中のＨＣ及びＰＭ（粒子状物質）のＳＯＦ成分の酸化を促進するシステムも提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照。）。

しかしながら、最近の内燃機関では、全負荷の運転状態においてもＥＧＲを適用することが要求されてきており、ＥＧＲ流路を廃止して、ＥＧＲシステムの代りに酸素富化装置を用いる場合には、膨大な窒素富化空気が必要になるので、酸素富化膜等で空気中の酸素と窒素を富化するためには、多量の空気を加圧する必要が生じ、この仕事量のために燃費が著しく悪化するという問題がある。
特許第２８６４８９６号公報（第３実施例、図２０） 特許第２５３５２８１号公報 実開平５−８７２５９号公報 実公平７−３００７号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＥＧＲシステムと酸素富化装置の併用により、簡単な構成で、全負荷の運転状態において、燃費の悪化を抑制しながら、燃焼温度を低下してＮＯｘの発生を防止できる酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関を提供することにある。

上記のような目的を達成するための酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関は、ＥＧＲシステムと排気通路に酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置を備え、過給器のコンプレッサの下流側の吸気通路に酸素富化装置を設けた過給器付き内燃機関において、前記酸素富化装置の低濃度酸素側を吸気系通路に接続すると共に、前記酸素富化装置の高濃度酸素側を通路切替手段を介して、前記酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置の上流側の排気通路と、吸気系通路とに接続したことを特徴とする酸素富化装置を備えて構成する。

この吸気系通路とは、吸気管や吸気マニホールド等の吸気マニホールドに吸気を導く通路部分であればよく、インタークーラーの入口側等であってもよい。また、通路切替手段は、三方弁等の切替弁で構成できるが、２つの通路にそれぞれ設けた開閉弁で構成してもよい。

この構成によれば、低酸素濃度ガスを吸気マニホールド等の吸気系通路を経て筒内（シリンダ内）に導入することにより、ＥＧＲと同様な効果を得ることができ、ＥＧＲシステムのＥＧＲを補助できる。従って、高ＥＧＲ率が必要な高負荷時においては、ＥＧＲと低酸素濃度ガスの吸気マニホールドへの供給とを併用することができるので、ＥＧＲシステム、特にＥＧＲクーラーを大きくする必要がなくなる。更に、ＥＧＲが必要な場合、新気の酸素濃度が低いと排気から吸気へ還流するＥＧＲガス量が少なくてすむため、低酸素濃度ガスを供給することにより、空気をそのまま供給する場合よりも、幅広い運転領域で、ＰＣＩ（Premixed Compression Ignition ）燃焼を適用できるようになる。

このＰＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）は、予混合を積極的に取り入れて、混合気全体を希薄化して燃焼温度を低温化して、スモークの低減のみならずＮＯｘの低減も図ることができる燃焼である。

そして、上記の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関において、前記内燃機関の加速時に、前記通路切替手段を操作して、前記酸素富化装置の高濃度酸素側を吸気系通路に接続し、前記酸素富化装置で発生する高酸素濃度ガスを吸気マニホールド側に導入するように構成する。つまり、アクセルを踏んで、ＥＧＲ率が高く噴射量が少ない軽負荷運転から高負荷運転に移行する際には、過給器の吸気の応答遅れのため、一時的に燃料の噴射量に見合った酸素量が不足するので、この加速状態の時だけ、高酸素濃度ガスを吸気マニホールド側へ供給する。

この構成によれば、加速等で、ＰＣＩ燃焼から従来の燃焼へ移行する等の筒内で酸素を多量に必要とする際には、通路切替手段の切替で、高酸素濃度ガスを吸気マニホールド側に供給して筒内の酸素濃度を速やかに変化できるので、運転性能（ドライバビリティ）を改善できると共に、ＮＯｘやスモークの発生を抑制できる。また、通常運転時には、高酸素濃度ガスを酸化触媒に導入することにより、酸化触媒における排気ガス中のＨＣ，ＰＭ等の酸化促進を行うことができる。従って、加速時の過渡特性を犠牲にすることなく、排気通路の酸化触媒の性能の向上に寄与できる。

本発明に係る酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関によれば、簡単な構成で、ＥＧＲと低酸素濃度ガスの吸気側への供給の併用により、筒内における低酸素状態を実現でき、ＮＯｘと燃費のトレードオフ関係を改善して、全負荷の運転状態において、燃費悪化を最小限にしながら、燃焼温度を低下してＮＯｘの発生を防止できる。

また、加速運転時に、酸素富化装置で発生する高酸素濃度ガスを吸気マニホールド側に導入する構成により、筒内で酸素を多量に必要とする際に筒内の酸素濃度を速やかに変化できるので、運転性能（ドライバビリティ）を改善できると共に、ＮＯｘやスモークの発生を抑制できる。また、通常運転時には、高酸素濃度ガスを直接酸化触媒に導入することにより、酸化触媒における排気ガス中のＨＣ，ＰＭ等の酸化促進を行うことができる。

以下、本発明に係る実施の形態の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関について、図面を参照しながら説明する。

この酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関１は、ターボチャージャ３付きのディーゼルエンジンであり、図１及び図２に示すように構成される。この内燃機関（エンジン）１の吸気管２には過給器（ターボチャージャ）３のコンプレッサ３ａと酸素富化装置４とインタークーラー５と吸気絞り弁６とが設けられ、この吸気管２は吸気マニホールド７に接続されている。

この酸素富化装置４は、その内部に酸素濃度の高いガスと窒素濃度の高いガスとに分離する酸素分離膜（酸素富化膜）４ａを有して構成される。この酸素分離膜４ａは、図では斜線で示してあるが、実際には、高分子の中空糸膜で形成され、コンプレッサ３ａで加圧された空気Ａを通過させると、この膜を通過したガスＡｂの酸素濃度が高くなり、残りのガスＡａは窒素の濃度が高く酸素濃度が低くなる。

そして、酸素富化装置４の低濃度酸素側（Ａａ側）を吸気管２（吸気系通路）に接続し、酸素富化装置４の高濃度酸素側（Ａｂ側）を第１通路１５と切替弁（通路切替手段）１８を介して、第２通路１６経由で吸気管２（吸気系通路）に接続し、また、第３通路１７経由で酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０の上流側の排気管（排気通路）９に接続する。この切替弁１８は三方弁等の切替弁で構成できるが、この構成以外にも第２通路１６と第３通路１７の２つの通路にそれぞれ開閉弁をも設けて構成してもよい。また、第２通路１６は直接吸気マニホールド７に導入してもよいが、図１に示すように、インタークーラー５等を経由して吸気マニホールド７に導入した方が、筒内に供給される新気の量を増加でき、また、吸気絞り弁６により新気の量の調整が容易となるのでより好ましい。

また、内燃機関１の排気マニホールド８に接続されている排気管９には、過給器３のタービン３ｂと、酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０とＤＰＦ装置１１とが設けられている。

この酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０は、ハニカム状のコージェライトあるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させて形成する。この排気ガス浄化装置１０は流入してくる排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等を酸化して、排気ガスをを低酸素状態にすると共に燃焼熱により排気温度を上げる。

また、ＤＰＦ装置１１は、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。この多孔質のセラミックの壁面で排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）は捕集される。

更に、ＥＧＲシステムとして、排気マニホールド８から吸気マニホールド７とを接続するＥＧＲ管１２が設けられ、このＥＧＲ管１２には、ＥＧＲクーラー１３とＥＧＲ弁１４とが設けられている。

この内燃機関１においては、空気Ａは、吸気管２の過給器３のコンプレッサ３ａにより圧縮昇圧され、インタークーラー５で冷却された後、吸気絞り弁６によりその量を調整されて吸気マニホールド７より筒内（シリンダ内）に入る。そして、筒内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド８から排気管９に出て、ターボチャージャ３のタービン３ｂを駆動した後、酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０とＤＰＦ装置１１を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、排気マニホールド８から出て、ＥＧＲ管１２のＥＧＲクーラー１３を通過し、ＥＧＲ弁１４でその量を調整されて吸気マニホールド７側に再循環される。

そして、内燃機関１の運転の全般的な制御を行うと共に、ＤＰＦ装置１１の浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）２０が設けられる。この制御装置２０にはアクセル開度センサ２１からの入力に加えて、図示しない空気過剰率センサや温度センサやクランク角センサ等からの検出値が入力され、この制御装置２０から吸気絞り弁（吸気スロットル弁）６、ＥＧＲ弁１４、燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁（図示しない）等を制御する信号が出力される。

次に、この内燃機関１の制御方法について説明する。この実施の形態では、切替弁１８の制御が、内燃機関１の制御装置２０に組み込まれ、ＥＧＲシステムの制御と並行して行われる。

この切替弁１８の制御は、図３に示したように、内燃機関１の運転が開始されると上位の制御フローから呼ばれてスタートし、切替弁１８をどちらに切り替えるかを決定しては、上位の制御フローに戻り、再度呼ばれることを繰り返し、内燃機関１の運転が停止されるまで、これを繰り返すフローとして示してある。

この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、アクセル開度の開く速度Ｖをアクセル開度センサ２１のアクセル開度信号から計算する。次にステップＳ１２で、アクセル開度の閾値Ｖｃと比較して、加速状態であるか否かを判定する。この閾値Ｖｃは加速状態であるか否かを判定するためのアクセル開度の開く速度の閾値であり、予め実験や計算等により設定される。

このステップＳ１２の判定で、速度Ｖが閾値Ｖｃ以下であれば、加速状態では無いと判定し、ステップＳ１３で切替弁１８を図４に示すように切り替えて、高酸素濃度ガスＡｂを第１通路１５から第３通路１７に流して酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０の上流側に導入する。これにより、非加速状態（通常運転状態）では、高酸素濃度ガスＡｂを酸化触媒に直接流すことにより、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＰＭ（粒子状物質）などの酸化触媒における酸化反応を促進し、排気通路の酸化触媒の性能の向上に寄与できる。

また、ステップＳ１２の判定で、速度Ｖが閾値Ｖｃより大きければ、加速状態では有ると判定し、ステップＳ１４で切替弁１８を図５に示すように切り替えて、高酸素濃度ガスＡｂを第１通路１５から第２通路１６に流して吸気管２に導入する。つまり、加速状態では、高酸素濃度ガスＡｂを吸気管２に流すことにより、吸気マニホールド７側に導入して、筒内の酸素量を増加する。

これにより、過渡運転時の急激な吸気組成の変化に追従させることができる。つまり、図６に示すように燃料の噴射量が少なくＥＧＲ率が高い軽負荷時から、アクセルを開いて高負荷運転に移行する際に、ＥＧＲ率を低下させると共に、この加速状態の時だけ、酸素濃度が高い高酸素濃度ガスＡｂを吸気管２へ供給し、目標噴射量の上昇に合うように、筒内酸素濃度を上昇させる。この加速時においては、従来技術の過給器付き内燃機関１では、吸気の応答遅れのため、燃料の噴射量に見合った酸素量が不足し、過渡性能が悪化するが、本発明の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関１では、目標噴射量の上昇に合わせて筒内酸素濃度を高めることができるので、運転性能（ドライバビリティ）やスモークを改善することができる。

そして、ステップＳ１３又はステップＳ１４を終了した後は、リターンして上位の制御フローに戻る。その後は、切替弁１８の制御のインターバル、又は、加速状態の判定のインターバルで上位の制御フローから呼ばれた再度スタートする。これを内燃機関１の運転が停止されるまで繰り返す。

上記の構成の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関１によれば、空気中の酸素と窒素を分離可能な分子膜（酸素富化膜）４ａをコンプレッサー３ａの下流の吸気管２に設置し、酸素富化膜４ａで発生した低酸素濃度ガスＡａを吸気マニホールド７側に供給する。これによりＥＧＲと同様のＮＯｘ低減効果を得ることができ、全負荷の運転領域で過度の燃費悪化無しに、筒内を低酸素濃度にできる。特に、筒内で低酸素量の条件が必要な場合、新気の酸素濃度が低いと排気から吸気へ還流するＥＧＲガス量が少なくて済むため、普通の空気の場合よりも幅広い運転領域でＰＣＩ燃焼の適用が可能となる。

つまり、ＰＣＩ燃焼の高負荷運転は激しいディーゼルノック、騒音、スモークによって制限される。また、ＥＧＲ量が多く、且つ、高負荷になると吸気温度が上昇するため、激しいディーゼルノックとなりやすい。少ないＥＧＲガス量で、低酸素濃度にできれば、吸気温度の上昇は抑制される。従って、ＰＣＩ燃焼は拡大できる。

そのため、この過給器付き内燃機関１によれば、ＰＣＩ燃焼領域を拡大でき、ＮＯｘ低減することができる。また、ＥＧＲと低酸素濃度ガスＡａとを併用することで、ＥＧＲシステムの巨大化の抑制と、ＥＧＲクーラー１３による排熱量の抑制による熱損失を低減できる。

そして、通常運転時には、酸素富化膜４ａで発生した高酸素濃度ガスＡｂを排気管９へ供給することができるので、後処理の酸化触媒におけるＨＣ，ＣＯの酸化促進を行うことができる。特に、従来技術のＥＧＲシステムだけの場合では、多量ＥＧＲ状態では排気中の酸素が不足するので、酸化触媒における酸化反応があまり進まず酸化触媒が暖まらないが、高酸素濃度ガスＡｂを送ることで、このような運転条件でも酸化触媒の温度が維持され、この温度昇温によっても酸化触媒での排気浄化率を向上できる。また、高酸素濃度ガスＡｂによりＤＰＦ装置１１に堆積されたＰＭを酸化除去する再生反応も促進される。

更に、加速時のＥＧＲ率が急激に変化し、ＰＣＩ燃焼から従来のディーゼル燃焼へ移行する際等の酸素を多量に必要とする場合に、高酸素濃度ガスＡｂを吸気マニホールド７側へと供給することで、筒内の酸素濃度を速やかに変化できるので、吸気組成の制御性の向上を図ることができ、ＮＯｘやスモークを抑制できる。

従って、ＮＯｘの低減やＨＣ，ＣＯ、ＰＭの酸化促進により、後処理装置での排気浄化負担を軽減でき、酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置１０の小型化が可能となる。

本発明に係る実施の形態の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関の構成を示す図である。 酸素富化装置の周辺の構成を示す図である。 切替弁の制御を示す制御フローチャート図である。 高酸素濃度ガスを排気通路側に導入する場合の切替弁と流れの状態を示す酸素富化装置の周辺の構成図である。 高酸素濃度ガスを吸気通路側に導入する場合の切替弁と流れの状態を示す酸素富化装置の周辺の構成図である。 ＥＧＲと目標噴射量と筒内酸素濃度の時系列を示す模式的な図である。

符号の説明

１ 内燃機関（ディーゼルエンジン）
２ 吸気管（吸気通路）
３ 過給器（ターボチャージャ）
３ａ コンプレッサ
３ｂ タービン
４ 酸素富化装置
４ａ 酸素富化膜
５ インタークーラー
７ 吸気マニホールド
８ 排気マニホールド
９ 排気管（排気通路）
１０ 酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置
１２ ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
１３ ＥＧＲクーラー
１４ ＥＧＲ弁
１５ 第１通路
１６ 第２通路
１７ 第３通路
１８ 切替弁（通路切替手段）
２０ 制御装置
２１ アクセル開度センサ
Ａ 空気
Ａａ 低酸素濃度ガス
Ａｂ 高酸素濃度ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｃ 浄化された排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｖ アクセル開度の開く速度
Ｖｃ アクセル開度の閾値

Claims (2)

1. ＥＧＲシステムと排気通路に酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置を備え、過給器のコンプレッサの下流側の吸気通路に酸素富化装置を設けた過給器付き内燃機関において、前記酸素富化装置の低濃度酸素側を吸気系通路に接続すると共に、前記酸素富化装置の高濃度酸素側を通路切替手段を介して、前記酸化触媒を担持した排気ガス浄化装置の上流側の排気通路と、吸気系通路とに接続したことを特徴とする酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関。
2. 前記内燃機関の加速時に、前記通路切替手段を操作して、前記酸素富化装置の高濃度酸素側を吸気系通路に接続し、前記酸素富化装置で発生する高酸素濃度ガスを吸気マニホールド側に導入することを特徴とする請求項１記載の酸素富化装置を備えた過給器付き内燃機関。
   

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