JP2009167952A - Ｄｐｆ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの再生時に排気温度を安定的に上昇させることにより、ＤＰＦの再生を、低コストで容易に且つ吸気絞りのように吸気効率を下げる等の弊害を伴うことなく行い得るＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置を提供する。
【解決手段】排気ポートに連なる排気通路にＤＰＦ（黒鉛除去装置）を備え、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及び前記ＥＧＲ通路に設置されて該ＥＧＲ通路の通路面積を変化させるメイン開閉弁を備えた無過給エンジンにおいて、前記ＥＧＲ通路にオリフィスと、該オリフィスの入口とオリフィスの出口とを該オリフィスをバイパスして連結するバイパス通路と、該バイパス通路に設置されて、エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応してその開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するサブバイパス弁を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的小型のディーゼルエンジンのＤＰＦ（黒煙除去装置）の再生装置に用いられ、排気通路にＤＰＦを備えて、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及びＥＧＲ通路の通路面積を変化させる開閉弁を備えた無過給エンジンにおいて、排気温度を上昇させることにより前記ＤＰＦに収集されたパティキュレートを燃焼させるＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレート（微小固形物、以下ＰＭという）を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）が設けられているＥＧＲ（排気ガス再循環装置）付きディーゼルエンジンにおいて、図６に示すように、エンジン１００の各シリンダ１からの排気ガスを排気ポート２から排気管２ａに流し、該排気管２ａに設けられたＤＰＦ（黒煙除去装置）１２によって排気ガス中のＰＭを捕獲している。
一方、前記排気管２ａのＤＰＦ上流側から分岐されたＥＧＲ管５は、エンジン１００の吸気ポート３に連通される吸気管３ａに接続されている。該ＥＧＲ管５にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１０ａが設置され、また、該ＥＧＲ管５にはその通路面積を変化させるＥＧＲ弁１０が設置されている。１１は吸気のエアクリーナである。

かかるエンジン１００では、エンジン１００の負荷運転時に前記ＥＧＲ弁１０を開き、排気管２ａ内のガスをＥＧＲガスとしてＥＧＲ管５に流し、該ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ１０ａにて降温されて吸気管３ａ内の吸気に混入して、各シリンダ１に供給され、各シリンダ１内の燃焼温度を低下させることにより、排気ガス中のＮＯｘの発生を抑制している。

しかしながら、かかるディーゼルエンジンにおいては、周知のように、前記ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量が増加して該ＤＰＦ出入口間の排気ガスの差圧が増加すると、エンジン背圧即ちＤＰＦ入口排気圧力と燃焼室内の圧力との圧力差が大きくなって、ＤＰＦ差圧の上昇によるエンジン出力の低下や排気温度の過大な上昇等の問題点が発生する。
このような問題を回避するため、ＤＰＦの強制再生では、筒内の燃焼に寄与しない噴射タイミングで燃料を噴射する方式、排気管に燃料を添加する方式が多く用いられている。これらは、後処理装置に未燃成分を供給し、触媒反応にてＤＰＦ入口温度を昇温することにより、ＤＰＦに収集されたＰＭを燃焼除去する方式である。
また、燃焼用バーナを用いて、ＤＰＦに流入する排気ガス中で火炎を発生させることにより、直接加熱する方式もある。

このようなＤＰＦ再生装置に、特許文献１（特許第３３４１８００号公報）及び特許文献２（特開平８−２６０９４４号公報）等で提供されている技術がある。
特許文献１及び２においては、排気通路に設けられたＤＰＦを、ＤＰＦの上流側に燃料噴射ノズル及び点火プラグを有するバーナ燃焼室が配設され、前記ＤＰＦに連結する通路とバーナ燃焼室との接続部に第２のＤＰＦが配設されたことを特徴としている。

特許第３３４１８００号公報 特開平８−２６０９４４号公報

図６に示されているような、排気ガス通路に排気ガス中のＰＭを除去するＤＰＦが設けられているエンジンにおいては、前記のようなＰＭの強制再生手段が多く用いられ、かかるＰＭの強制再生手段では、筒内燃料噴射や排気管内の軽油添加により、排気ガス後処理装置即ちＤＰＦに未燃成分を供給し、触媒反応によってＤＰＦの入口温度を昇温させ、ＤＰＦにおいて捕集されたＰＭを燃焼させて除去している。

前記のように、ＤＰＦ
でＰＭを燃焼させる場合、特許文献１（特許第３３４１８００号公報）及び特許文献２（特開平８−２６０９４４号公報）等においては、ＤＰＦの上流側に燃料噴射ノズル及び点火プラグを有するバーナ燃焼室が備わっており、特に点火プラグにはＰｔ等の高コストな材料を用いられているため、比較的小型の農業用のディーゼルエンジンにおいては、さらに低コストでＤＰＦ再生機能が優れたＤＰＦ再生装置の提供が望まれる。

そこで、ＤＰＦ でＰＭを強制燃焼させるためには、ＤＰＦに送り込む排気ガスの温度を、ＰＭの燃焼温度まで上昇させる必要がある。
さらに、酸化触媒と排気管内の燃料噴射により、排気ガスの燃焼を行う場合でも、最低でも約２００〜２５０℃の排気ガス温度が必要となる。
従って、エンジンの無負荷状態で排気ガス温度を前記２５０℃（５２３Ｋ）以上に安定的に保持すれば、従来の吸気絞りのように、吸気効率を下げることなく、また、低温始動による排気温度の上昇によって白煙の低減、及び筒内温度の上昇による始動性の改善できるというメリットがある。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ＤＰＦの再生時に排気温度を安定的に上昇させることにより、ＤＰＦの再生を、低コストで容易に且つ吸気絞りのように吸気効率を下げる等の弊害を伴うことなく行い得るＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、排気ポートに連なる排気通路にＤＰＦ（黒鉛除去装置）を備え、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及び前記ＥＧＲ通路に設置されて該ＥＧＲ通路の通路面積を変化させるメイン開閉弁を備えた無過給エンジンにおいて、前記ＥＧＲ通路にオリフィスと、該オリフィスの入口とオリフィスの出口とを該オリフィスをバイパスして連結するバイパス通路と、該バイパス通路に設置されて、エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応してその開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するサブバイパス弁を備えたことを特徴とする（請求項１）。

かかる発明において、好ましくは次のように構成する。
（１）前記エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応して前記サブバイパス弁の開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するコントローラを備える（請求項２）。
（２）前記コントローラは、前記メイン開閉弁とサブバイパス弁との開度を、該メイン開閉弁及びサブバイパス弁の開度が全開の時と、前記メイン開閉弁が全開で前記サブバイパス弁が全閉の時との間で前記排気温度を制御する（請求項３）。

また、本発明は、次のように構成することもできる。
排気ポートに連なる排気通路にＤＰＦ（黒鉛除去装置）を備え、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及び前記ＥＧＲ通路に設置されて該ＥＧＲ通路の通路面積を変化させるＥＧＲ弁を備えた無過給エンジンにおいて、前記ＥＧＲ弁の開度をエンジンの無負荷時に前記エンジンの排気温度が許容温度範囲まで上昇させ該許容温度範囲に維持するコントローラを備えたことを特徴とする（請求項４）。

本発明によれば、ＥＧＲ通路にオリフィスと、該オリフィスの入口とオリフィスの出口とを該オリフィスをバイパスして連結するバイパス通路と、エンジンの無負荷時にオリフィスの孔径に対応してその開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するサブバイパス弁をバイパス通路に設け（請求項１）、好ましくは、エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応してサブバイパス弁の開度をエンジンの排気温度が上昇するように制御するコントローラで前記制御を行うようにしたので（請求項２）、エンジンの無負荷時にエンジン回転数を上げ、この回転数を前記排気ガスの強制燃焼を行う際の最低でも約２００〜２５０℃以上に、排気ガス温度がなるように上昇せしめることができる。

そして、ＥＧＲ通路に設けたオリフィスを通る排気ガス量と、前記オリフィスの出入口間をバイパスするバイパス通路のサブバイパス弁を通るバイパス排気ガス量との関係を、前記コントローラの制御によって保持して、排気ガス量とバイパス排気ガス量との関係を、
前記排気ガス温度が所定の目標とする排気ガス温度範囲に保持させる。
この場合、前記無過給エンジンであるので、排気ポート側の方が吸気ポート側よりも圧力が高いので、排気ガスはＥＧＲ通路を通って容易に吸気ポート側に流すことができる。
従って、本発明によれば、従来の吸気絞りのように、吸気効率を下げることがなく、また、低温始動時による排気温度の上昇によって白煙の低減、及び筒内温度の上昇による始動性の改善できるという効果がある。
そして、かかる高温の排気ガス温度の排気ガスを前記ＤＰＦ（黒鉛除去装置）に送り込み、ＤＰＦ中のＰＭを燃焼させる。

また、前記コントローラは、メイン開閉弁とサブバイパス弁との開度を、該メイン開閉弁及びサブバイパス弁の開度が全開の時と、前記メイン開閉弁が全開で前記サブバイパス弁が全閉の時との間で前記排気温度を制御するので（請求項２）、排気温度を上げるときはメイン開閉弁及びサブバイパス弁を開いてＥＧＲ量を増加し、前記排気温度が目標値に達すると前記サブバイパス弁を閉じるという動作を繰り返すことにより、排気温度を目標値の範囲に保持できる。

また、ＥＧＲ弁を備えた無過給エンジンにおいて、ＥＧＲ弁の開度をエンジンの無負荷時にエンジンの排気温度が許容温度範囲まで上昇させ該許容温度範囲に維持するコントローラを備えれば（請求項４）、無負荷時にエンジンのＥＧＲ量を増加させて排気温度を許容の温度範囲まで上昇させることにより、ＤＰＦ中のＰＭの燃焼を可能とし、その温度範囲で保持させて、かかる高温になった排気ガス温度の排気ガスを前記ＤＰＦ（黒鉛除去装置）に送り込み、ＤＰＦ中のＰＭを燃焼させる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係るＤＰＦ付き無過給ディーゼルエンジンの排気温度上昇装置の平面図である。
図１において、エンジン１００の各シリンダ１からの排気ガスを排気ポート２から排気管２ａに流し、該排気管２ａに設けられたＤＰＦ（黒煙除去装置）１２によって排気ガス中のＰＭを捕獲している。
一方、前記排気管２ａのＤＰＦ上流側から分岐されたＥＧＲ管５は、エンジン１００の吸気ポート３に連通される吸気管３ａに接続されている。前記ＥＧＲ管５には、排気温度を高温に保持するため、ＥＧＲクーラは設けていない。

前記ＥＧＲ管５には、該ＥＧＲ管５の管路を開閉するバタフライ式のメインバタフライ弁６が設けられ、該メインバタフライ弁６の吸気ポート３側には、通過孔９ａが穿孔されたオリフィス９が設けられている。
前記オリフィス９は、図５に示すように、通過孔９ａの孔径が大きくなると流量が増して排気温度が上昇するようになっており、オリフィス９の通過孔９ａの孔径と後述するサブバイパス弁８との関係で排気温度が決まる。
また、該オリフィス９の入口とオリフィス９の出口とを該オリフィス９をバイパスして連結するバイパス通路７が設けられ、該バイパス通路７を開閉するサブバイパス弁８が設けられている。

１３はコントローラで、前記ＤＰＦ１２の上流側の排気圧力Ｐ１, ＤＰＦ１２の下流側の排気圧力Ｐ２、及びＤＰＦ１２入口の排気温度Ｔ１の検出値が入力され、かかる検出値に基づき前記メインバタフライ弁６及びサブバイパス弁８の開度を制御する。

かかる実施例によれば、ＥＧＲ通路５に通過孔９ａが穿孔されたオリフィス９を設け、該オリフィス９の入口とオリフィス９の出口とを該オリフィス９をバイパスして連結するバイパス通路７を設け、該バイパス通路７にはサブバイパス弁８を設けている。
そして、エンジン１００の無負荷時には、オリフィス９の通過孔９ａの孔径に対応して、サブバイパス弁８の開度を、コントローラ１３でエンジン排気温度が上昇するように制御するようにしている。
従って、エンジンの無負荷時にはエンジン回転数を上げ、この回転数を前記排気温度Ｔ１の検出値により制御し、該排気温度Ｔ１が排気ガスの強制燃焼を行う際の約２００〜２５０℃以上になるように上昇せしめる。
この場合、前記エンジン１００は無過給エンジンであることから、排気ポート２側の方が吸気ポート３側よりも圧力が高いので、排気ガスはＥＧＲ通路を通って容易に吸気ポート側に流れる。
よって、かかる実施例によれば、従来の吸気絞りのように、吸気効率を下げることがなく、また、低温始動時における排気温度の上昇によって白煙の低減、及び筒内温度の上昇による始動性の改善できるという効果がある。

そして、ＥＧＲ通路５に設けたオリフィス９の通過孔９ａを通る排気ガス量と、前記オリフィス９の出入口間をバイパスするバイパス通路７のサブバイパス弁８を通るバイパス排気ガス量との関係を、次のようにして制御する。
即ち、図２において、ＤＰＦ再生期間においては、前記コントローラ１３の制御によって、メインバタフライ弁６及びサブバイパス弁８の開度を上昇し、排気温度を上げる。
そして、排気温度が最大温度Ｔｍｘになったらサブバイパス弁８を閉じて排気温度を下げ、また排気温度が最小温度Ｔｍｉになったらサブバイパス弁８を開いて排気温度を上げる。この動作を繰り返すことにより排気温度を、前記最大温度Ｔｍｘと最小温度Ｔｍｉの間、つまり排気温度を目標値の範囲に保持できる。
そして、かかる高温の排気ガス温度の排気ガスを前記ＤＰＦ１２（黒鉛除去装置）に送り込み、ＤＰＦ１２中のＰＭを燃焼させる。

尚、前記サブバイパス弁８を、エンジン１００の無負荷運転時に前記オリフィス９の通路孔９ａの孔径に対応して、その開度を前記エンジン１００の排気温度が上昇するように制御し、且つ、排気温度が最大温度Ｔｍｘになったらサブバイパス弁８を閉じ、そして排気温度が最小温度Ｔｍｉになったらサブバイパス弁８を開いて、排気温度を上げる動作を繰り返し行うように構成すれば、前記コントローラ１３を省略することも出来る。

図３は本発明の第２実施例に係るＤＰＦ付き無過給ディーゼルエンジンの平面構成図である。
この第２実施例においては、図３に示すように、エンジン１００の各シリンダ１からの排気ガスを排気ポート２から排気管２ａに流し、該排気管２ａに設けられたＤＰＦ（黒煙除去装置）１２によって排気ガス中のＰＭを捕獲している。
一方、前記排気管２ａのＤＰＦ上流側から分岐されたＥＧＲ管５は、エンジン１００の吸気ポート３に連通される吸気管３ａに接続されている。前記ＥＧＲ管５には、排気温度を高温に保持するため、ＥＧＲクーラは設けていない。
また、該ＥＧＲ管５にはその通路面積を変化させるＥＧＲ弁１０が設置されている。１１は吸気のエアクリーナである。

１３はコントローラで、前記ＤＰＦ１２の上流側の排気圧力Ｐ１, ＤＰＦ１２の下流側の排気圧力Ｐ２、及びＤＰＦ１２入口の排気温度Ｔ１の検出値が入力され、かかる検出値に基づき前記ＥＧＲ弁１０の開度を制御する。

この実施例においては、無負荷運転時にエンジン１００の回転数を上昇させ、ＥＧＲ管５のＥＧＲ弁１０の開度を増大して、ＥＧＲ量を増加させることにより、排気温度を上昇させる。
即ち図４において、ＤＰＦ再生期間においては、前記コントローラ１３の制御によって、ＥＧＲ弁１０の開度を増加させ、排気温度を上げて、排気温度が最大温度Ｔｍｘと最小温度Ｔｍｉの間の目標温度域の範囲に保持できる。
そして、かかる高温の排気ガス温度の排気ガスを前記ＤＰＦ１２（黒鉛除去装置）に送り込み、ＤＰＦ１２中のＰＭを燃焼させる。

本発明によれば、ＤＰＦの再生時に排気温度を安定的に上昇させることにより、ＤＰＦの再生を、低コストで容易に且つ吸気絞りのように吸気効率を下げる等の弊害を伴うことなく行い得るＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置を提供できる。

本発明の第１実施例に係るＤＰＦ付き無過給ディーゼルエンジンの排気温度上昇装置の平面図である。 前記第１実施例における排気温度の変化線図である。 本発明の第２実施例に係るＤＰＦ付き無過給ディーゼルエンジンの平面構成図である。 前記第２実施例における排気温度の変化線図である。 オリフィスの排気温度の変化線図である。 従来のＥＧＲ及びＤＰＦ付き無過給ディーゼルエンジンの平面構成図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ 排気ポート
２ａ 排気管
３ 吸気ポート
３ａ 吸気管
５ ＥＧＲ管
６ メインバタフライ弁
７ バイパス通路
８ サブバイパス弁
９ オリフィス
９ａ 通過孔
１０ ＥＧＲ弁
１２ ＤＰＦ（黒煙除去装置）
１３ コントローラ
１００ エンジン

Claims (4)

1. 排気ポートに連なる排気通路にＤＰＦ（黒鉛除去装置）を備え、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及び前記ＥＧＲ通路に設置されて該ＥＧＲ通路の通路面積を変化させるメイン開閉弁を備えた無過給エンジンにおいて、前記ＥＧＲ通路にオリフィスと、該オリフィスの入口とオリフィスの出口とを該オリフィスをバイパスして連結するバイパス通路と、該バイパス通路に設置されて、エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応してその開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するサブバイパス弁を備えたことを特徴とするＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置。
2. 前記エンジンの無負荷時に前記オリフィスの孔径に対応して前記サブバイパス弁の開度を前記エンジンの排気温度が上昇するように制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置。
3. 前記コントローラは、前記メイン開閉弁とサブバイパス弁との開度を、該メイン開閉弁及びサブバイパス弁の開度が全開の時と、前記メイン開閉弁が全開で前記サブバイパス弁が全閉の時との間で前記排気温度を制御することを特徴とする請求項２に記載のＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置。
4. 排気ポートに連なる排気通路にＤＰＦ（黒鉛除去装置）を備え、排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路、及び前記ＥＧＲ通路に設置されて該ＥＧＲ通路の通路面積を変化させるＥＧＲ弁を備えた無過給エンジンにおいて、前記ＥＧＲ弁の開度をエンジンの無負荷時に前記エンジンの排気温度が許容温度範囲まで上昇させ該許容温度範囲に維持するコントローラを備えたことを特徴とするＤＰＦ付き無過給エンジンの排気温度上昇装置。

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