JP2010196617A

JP2010196617A - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP2010196617A
Application number: JP2009043648A
Authority: JP
Inventors: Masato Ogawa; 真人小川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】排気ガスのエネルギによって回動するタービンを設けた内燃機関におけるタービンの損傷を防止する。
【解決手段】タービン４ｂが設けられた排気通路７ａに触媒８と触媒担持フィルタ９とを設け、触媒の下流側かつタービンの上流側に排気ガスより低温の冷却気体を導入する冷却気体導入口１５を設ける。排気通路におけるタービンの上流側に触媒が配置されていることにより、特に低温始動時において触媒が所定の活性化温度まで上昇するのが早くなる。また、排気通路外から冷却気体を導入することにより、タービンに流入する排気ガス温度を低下させることができ、所定の活性化温度に達した後の通常の浄化が行われている状態で触媒から排出される排気ガスがタービンに損傷を与え得る高温になるまで昇温してしまうことを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に設けられかつ排気ガスで駆動されるタービンを備えた内燃機関の排気装置に関するものである。

従来、内燃機関（例えばディーゼルエンジン）に過給機を付けたものがあり、その排気浄化を行う触媒（酸化触媒）をタービンの上流に設けたものがある。タービンの上流に触媒を設けることにより、触媒の昇温を早めて早く活性化させることができ、始動時などに排気ガスの浄化を早く行うことができる。

上記したようにタービンの上流に触媒を設けた構造において、触媒の欠けや剥離等が生じてタービンが損傷することが考えられるため、触媒の下流かつタービンの上流に異物分離装置（セパレータ）を設けたものがある（例えば特許文献１）。一方、全開加速時の酸素不足によるタービン入口温度の上昇が見込めないことを解消するために、触媒の上流に空気を供給し、触媒の酸化反応を促進して触媒出口温度すなわちタービン入口温度を上昇させて、タービンの入口圧力を上昇させるようにしたものがある（例えば特許文献２）。

特開平１１−１３２０３６号公報特開昭６１−１０８８２２号公報

しかしながら、タービンの上流側に触媒が配設されている場合には、上記したように触媒の出口温度が昇温するため、タービンの許容温度を超えた運転条件となる場合があり、その場合にはタービンが損傷する虞がある。それに対しては、上記各特許文献１・２のものでは、いずれもタービン入口温度の昇温を前提としているものであり、昇温し過ぎた場合のタービンの損傷を回避することはできないという問題がある。

このような課題を解決して、排気ガスのエネルギによって回動するタービンを設けた内燃機関におけるタービンの損傷を防止するために、本発明に於いては、内燃機関の排気ガスのエネルギによって回動するように排気通路（７ａ）に設けられたタービン（４ｂ）と、前記排気ガスを浄化するべく前記排気通路（７ａ）における前記タービン（４ｂ）の上流側に設けられた触媒（８）とを有する内燃機関の排気装置において、前記排気通路（７ａ）における前記触媒（８）の下流側かつ前記タービン（４ｂ）の上流側に、前記排気ガスより低温の冷却気体を導入する冷却気体導入口（１５）が設けられているものとした。

これによれば、排気通路におけるタービンの上流側に触媒が配置されていることにより、特に低温始動時において触媒が所定の活性化温度まで上昇するのが早くなり、また、排気通路外から冷却気体を導入することにより、タービンに流入する排気ガス温度を低下させることができる。

特に、前記タービンにおける排気ガス温度を検出する排気ガス温度検出手段（１７）と、前記排気ガス温度検出手段により検出された排気ガス温度が所定値を越えた場合に前記冷却気体を前記冷却気体導入口へ導入する冷却気体導入制御手段（Ｖ７）とを有すると良い。

これによれば、タービンへの排気ガス温度を検出してタービン損傷の虞がある時のみ冷却気体を導入することができ、効率の良い運転を行うことができる。

また、前記排気通路における前記触媒の下流側かつ前記タービンの上流側に、前記排気ガス中に混入した異物を除去する異物除去装置（１８）が設けられていると良い。

これによれば、触媒とタービンとの間に異物除去装置を設けることから、触媒の欠落物等がタービンに混入してタービンを損傷することを防止し得る。

また、前記内燃機関の吸気通路に設けられたエアクリーナ（３）を有し、前記吸気通路における前記エアクリーナの下流側と前記冷却気体導入口とが連通していると良い。

これによれば、エアクリーナを介して冷却気体を導入することができ、大気中の塵埃を除去した清浄な冷却気体を導入することができる。

また、前記内燃機関の吸気通路に、前記タービンと一体回転することにより吸気を圧縮するコンプレッサが設けられていると共に、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に、前記圧縮された吸気を冷却するクーラが設けられ、前記冷却気体が、前記吸気通路における前記クーラの下流側から取り出されると良い。

これによれば、タービンと一体のコンプレッサを有するものにおいて、圧縮された空気をクーラで冷却後に冷却気体として導入することから、コンプレッサによる過給圧と排気圧との差圧により冷却気体を導入し易くなると共に冷却されるため、より一層冷却効果を向上し得る。

また、前記冷却気体を前記冷却気体導入口に圧送する補助圧縮機が設けられていると良い。

これによれば、冷却気体を補助圧縮機により圧送でき、排気圧が高い運転状態でも容易に冷却気体を導入することができ、冷却効果が大となる。

また、前記排気通路における前記触媒の下流側かつ前記タービンの上流側と前記内燃機関の吸気通路とを連通して前記排気ガスを当該吸気通路に還流する排気ガス還流通路を有し、前記冷却気体導入口が、前記排気通路における前記排気ガス還流通路との接続口の下流側に設けられていると良い。

これによれば、排気ガス還流通路を設けたものにおいて浄化された排気ガスを還流させることにより、排気ガス還流通路にデポジット等が固着することを抑制し得ると共に、排気通路における排気ガス還流通路の下流側に冷却気体導入口を設けることにより、活性ガス成分を多く含有する冷却気体が排気ガス還流通路に流入することを抑制して、ＥＧＲ機能の低下を防止し得る。

このように本発明によれば、排気通路におけるタービンの上流側に触媒を配置して、特に低温始動時において触媒が所定の活性化温度まで上昇するのが早くなると共に、排気通路外から冷却気体を導入することにより、タービンに流入する排気ガス温度を低下させることができるため、所定の活性化温度に達した後の通常の浄化が行われている状態で触媒から排出される排気ガスがタービンに損傷を与え得る高温になるまで昇温してしまうことを防止することができる。

本発明に基づく第１・２の実施の形態を示す過給機付き内燃機関の吸排気経路図である。第３の実施の形態を示す図１に対応する図である。第４の実施の形態を示す図１に対応する図である。第５・６の実施の形態を示す図１に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明に基づく過給機付き内燃機関の吸排気経路図である。なお、本実施の形態としては内燃機関をディーゼルエンジンとして説明するが、ディーセルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジンであっても良い。

図において、エンジン本体１の吸気側には各シリンダに連通する各分岐吸気通路の上流部分をまとめるインテークマニホールド２が接続されている。インテークマニホールド２から上流に延出された吸気通路２ａには、上流側から、エアクリーナ３、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａ、インタークーラ用バルブＶ１、インタークーラ５がこの順に配設されている。エアクリーナ３から入る空気は、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａに入り、コンプレッサ４ａで圧縮された後にインタークーラ５で冷却されて、インテークマニホールド２に送り込まれる。なお、インタークーラ５をバイパスするインタークーラバイパス通路６が設けられており、インタークーラバイパス通路６にはインタークーラバイパス用バルブＶ２が設けられている。

エンジン本体１の排気側には各シリンダに連通する各分岐排気通路の下流部分をまとめるエキゾーストマニホールド７が設けられている。エキゾーストマニホールド７から下流に延出された排気通路７ａには、排気流れ方向に、（酸化）触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）８と、触媒担持フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）９と、ターボチャージャ４のタービン４ｂとがこの順に配設されている。ここで、触媒担持フィルタ９とは、パティキュレートを捕集するフィルタに触媒が担持されたものであり、捕集されたパティキュレートを燃焼させて除去するために、その燃焼を触媒により促進させるようにしたものである。このようにして、触媒８と触媒担持フィルタ９とで触媒を含んだ排気浄化装置が構成されている。なお、エキゾーストマニホールド７から排出される排気ガスは、その排気エネルギによりタービン４ｂを回転させた後にマフラー１０を介して排気される。

この過給機（ターボチャージャ４）付きディーゼルエンジンには排気ガス還流装置が設けられている。排気ガス還流装置は、排気通路７ａにおける触媒担持フィルタ９の下流かつタービン４ｂの上流の所から分岐してインテークマニホールド２に至る高圧排気ガス還流通路１１と、タービン４ｂの下流（図示例ではマフラー１０の上流）から吸気通路２ａにおけるコンプレッサ４ａの上流（図示例ではエアクリーナ３の下流）に至る低圧排気ガス還流通路１２とにより構成されている。

高圧排気ガス還流通路１１には高圧ＥＧＲ用クーラ１３と高圧ＥＧＲ用バルブＶ３とが上流側からこの順に配設されている。低圧排気ガス還流通路１２には、低圧ＥＧＲ用クーラ１４と低圧ＥＧＲバイパス通路１２ａとが互いに並列に設けられていると共に、低圧ＥＧＲ用クーラ１４の通路下流側には低圧ＥＧＲ用バルブＶ４が設けられ、低圧ＥＧＲバイパス通路１２ａには低圧ＥＧＲクーラバイパス用バルブＶ５が設けられている。なお低圧排気ガス還流通路１２は、各バルブＶ４・Ｖ５の下流側で１つの通路に戻り、低圧ＥＧＲ用バルブＶ６を介して吸気通路２ａにおけるコンプレッサ４ａの上流に接続されている。

そして、上記タービン４ｂの上流かつ触媒８（触媒担持フィルタ９）の下流には冷気導入口１５が設けられており、冷気導入口１５には冷却気体導入制御手段としての冷気導入用バルブＶ７が接続されている。この冷気導入用バルブＶ７を開くことにより例えばエンジンルーム内の外気をタービン４ｂに導入することができ、また開度を調整することにより冷却気体の導入量を調整することができる。なお、大気圧の外気をタービン４ｂに導入するためには、例えば触媒担持フィルタ９からタービン４ｂに向かう排気の流れ方向に臨むノズル及び一方向弁（図示せず）を冷気導入口１５に設け、排気流れにより生じる引き込み力で導入することができる。

なお、上記各バルブＶ１〜Ｖ７の開閉制御（全開または全閉または中間開度の制御）を行うための制御ユニット（ＥＣＵ）１６が設けられている。また、上記吸排気経路には、上記構成に限られず、エンジン制御や排気浄化に用いられる公知の部品等が適所に配設され、制御ユニット１６により制御されるが、それらについては図示および説明を省略する。

このようにして本発明が適用される内燃機関の排気装置が構成されており、次に、上記した触媒を含んだ排気浄化装置における排気ガスによるタービン４ｂに対する作用について説明する。エキゾーストマニホールド７から排出される排気ガスは、先ず触媒８でＨＣが浄化され、次の触媒担持フィルタ９でパティキュレートが取り除かれる。また、触媒８での酸化作用により排気ガスが高温になり、また触媒担持フィルタ９で燃焼が促進されて、触媒担持フィルタ９で捕集されているパティキュレートの燃焼が行われる。このようにして浄化された排気ガスがタービン４ｂに送り込まれる。

また、排気ガスは、タービン４ｂを駆動することによりエネルギが消費され、かつ過給機４のハウジングへの放熱によりタービン４ｂでの温度降下もあるが、タービン４ｂの上流に触媒８が配設されていることにより、タービン４ｂに入る前の高温状態で触媒８を通る。これにより、特に低温始動時において触媒８が所定の活性化温度まで早期に到達し得るため、早期に高い浄化能力が発揮される。

また、排気ガス還流を行うために高圧ＥＧＲ用バルブＶ３を開状態にすることにより、触媒８及び触媒担持フィルタ９で浄化された排気ガスがインテークマニホールド２に還流され、ＮＯｘが低減される。高圧排気ガス還流通路１１には高圧ＥＧＲ用クーラ１３が設けられていることから、ＥＧＲガスは冷却され、より一層ＮＯｘを低減することができる。この時、高圧ＥＧＲ用クーラ１３により大気温度近くまでＥＧＲガスが冷却された場合には高圧ＥＧＲ用クーラ１３にデポジット等（例えばＨＣ）が固着してクーラ性能が劣化するという問題がある。それに対しては、高圧排気ガス還流通路１１の上流に触媒８が配設されていることから、排気ガスが高圧排気ガス還流通路１１に流入する前にＨＣ等を浄化することで対応でき、クーラ性能が劣化することなく、ＮＯｘを低減し得る。なお、タービン４ｂへ送られる排気ガスを浄化する触媒８と触媒担持フィルタ９とは、排気通路７ａにおける高圧排気ガス還流通路１１への分岐前（上流側）に配設されており、高圧排気ガス還流通路１１にＥＧＲ用の触媒およびパティキュレートフィルタを別途設ける必要が無いため、排気浄化装置の構造を簡素化し得る。

また、タービン４ｂの上流に設けられた触媒８では触媒反応によって熱が発生するので、タービン４ｂに流入する排気ガス温度がタービン４ｂの許容温度を超えることが想定される。その場合には、例えばエンジン回転数や車速により運転状態を推定し、推定された運転状態により上記した排気ガス温度が許容温度を超えると判定した場合には冷気導入用バルブＶ７を開く。これにより、排気ガスに冷却気体（外気）を混入して、タービン４ｂに流入する排気ガスの高温化を抑制することができ、タービン７ｂの熱破損を防止することができる。この冷却気体としての外気には活性ガス成分が多く含有されているが、冷気導入口１５の接続口は高圧排気ガス還流通路１１の分岐口より下流側となっており、高圧排気ガス還流通路１１に活性ガス成分が多く含まれている冷却気体が流入することが抑制され、ＥＧＲの機能（不活性ガスの還流）低下を防止し得る。また、常時タービン４ｂに冷気を導入するのではなく、タービン４ｂに入る排気ガス温度がタービン４ｂを損傷する可能性がある温度に昇温した場合のみ冷気を導入することにより、常時冷気を導入することによるタービン出力の損失を最小限に抑えることができる。

また、上記実施の形態では低圧排気ガス還流通路１２が設けられており、より一層ＮＯｘを低減することができる。上記した各バルブＶ４・Ｖ５の開閉の組み合わせにより、高温の排気ガスを冷却して還流させたり、冷却する必要が無い場合にはそのまま還流させたりすることができる。また、低圧排気ガス還流通路１２による排気ガスの還流を必要としない場合には低圧ＥＧＲ用バルブＶ６を閉じれば良い。これにより、運転状態に応じてＥＧＲの効果を最大限に発揮させることができ、エンジンから排出されるＮＯｘをできるだけ少なくすることができる。

本発明によれば上記実施の形態に限られるものではなく、以下に、他の実施の形態について説明する。第２の実施の形態としては、上記した運転状態の推定により排気ガス温度が許容温度を超えると判定することに代えて、図１の二点鎖線に示されるようにタービン４ｂへの排気ガス流入口４ｃまたはその近傍に排気ガス温度検出手段としての温度センサ１７を設けて、排気ガス温度を直接検出するものである。この温度センサ１７によりタービン４ｂの入口温度（排気ガス温度）を検出し、その検出値を制御ユニット１６に送信し、制御ユニット１６では排気ガス温度が所定値以上になったら冷気導入用バルブＶ７を開く。所定値は、例えばタービン４ｂに損傷を与える可能性がある温度とする。

これにより、上記第１の実施の形態と同様に、常時タービン４ｂに冷気を導入するのではなく、タービン４ｂに入る排気ガス温度がタービン４ｂを損傷する可能性がある温度に昇温したことが検出された場合のみ冷気を導入することから、常時冷気を導入することによるタービン出力の損失を最小限に抑えることができる。なお、排気ガス温度としてタービン４ｂの入口温度を検出するようにしたが、タービン入口温度に限られるものではなく、例えばタービン４ｂの出口温度やタービン４ｂ自体（例えばハウジング）の温度であっても良い。

次に、図２を参照して第３の実施の形態について説明する。図２において上記と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する（以降の各実施の形態においても同様）。図において、触媒８の下流となる触媒担持フィルタ９の下流かつタービン４ｂの上流となる所に異物除去装置としてのダストセパレータ１８が配設されている。ダストセパレータ１８は、例えば気体の流れを利用したサイクロンセパレータであって良い。なお、タービン４ｂのハウジングと一体化したセパレータであっても良い。

本実施の形態のようにタービン４ｂの上流側に触媒８及び触媒担持フィルタ９を設けたものにおいて、触媒８及び触媒担持フィルタ９から破片等が欠落した場合にタービン４ｂに流入して、タービン４ｂが損傷を受けることが考えられるが、上記ダストセパレータ１８を設けることにより、排気ガスがタービン４ｂに流入する前にそのような破片等の異物等を除去できるため、異物等によるタービン４ｂの損傷を防止し得る。また、図の実線で示されるようにダストセパレータ１８の上流側に冷気導入口１５を設けることにより、ダストセパレータ１８を冷却することができ、ダストセパレータ１８に対する熱害も抑制することができる。

なお、ダストセパレータ１８に対する熱害を考慮する必要が無い場合には、冷気導入通路を図の二点鎖線で示されるように設けて、ダストセパレータ１８の下流側に冷気導入口１５を設けても良い。これにより、冷気がタービン４ｂに直接導入されることから、冷気による冷却能力を高めることができる。

また、図３を参照して第４の実施の形態について説明する。この第４の実施の形態ではエアクリーナ３の下流かつコンプレッサ４ａの上流に吸気絞りバルブＶ８が設けられ、吸気絞りバルブＶ８の上流側から触媒８及び触媒担持フィルタ９の下流に至る冷気導入路１９が設けられている。これにより、タービン４ｂに入る排気ガスに混入される冷気がエアクリーナ３を介したものとなり、直接大気を導入する場合に考えられる大気中の塵埃等が混入されることを防止し得る。なお、排気通路７ａへの冷気導入路１９の接続位置としては、図３の実線出示されるようにセパレータ１８の上流側であって良いが、図の二点鎖線で示されるように冷気導入路１９を延長してセパレータ１８の下流側としても良い。

また、第５の実施の形態として、図４に示されるようにインテークマニホールド２の吸気口から吸気導入用バルブＶ７に至る吸気導入路２１を設けると良い。なお、インテークマニホールド２の吸気口は、吸気がインタークーラ５を通る場合にはインタークーラ５の下流側であり、吸気がインタークーラバイパス通路６を通る場合には単にコンプレッサ４ａの下流側となる。

これにより、第１の実施の形態における外気導入に代えてコンプレッサ４ａで圧縮された圧縮空気を冷気としてタービン４ｂに導入することができる。コンプレッサ４ａにより吸気圧が高められており、その吸気圧と排気圧との圧力差により冷却気体をタービン４ｂに容易に導入し得る。さらに、吸気をインタークーラ５を通過させた場合には、吸気が冷却されるため、冷却能力が向上し得る。

さらに、図４を参照して第６の実施の形態について説明する。この第６の実施の形態では上記吸気導入路２１の中間に、図の二点鎖線で示されているように補助圧縮機としての補助コンプレッサ２２が設けられている。補助コンプレッサ２２は例えば電動モータを駆動源とするものであって良い。これにより、排気圧が高いエンジンの場合でも、それより高圧の冷気を導入することができ、より一層効果的に排気ガス温度を低下させることができる。

なお、上記第１・３・４・５・６の各実施の形態の図示では第２の実施の形態における温度センサ１７を図示しなかったが、排気ガス温度に基づいて冷気導入を制御するようにしても良いことは言うまでもなく、各実施の形態でも温度センサ１７を設けることができる。

また、上記実施の形態ではターボチャージャのタービンについて述べたが、本発明が適用されるタービンは、ターボチャージャのタービンに限られるものではなく、タービンの出力をクランクシャフトに伝えるターボコンパウンドや、タービンの出力を発電機に伝える構造などにも適用し得る。

４ｂタービン
７ａ排気通路
８触媒
１５冷却気体導入口
１７排気ガス温度検出手段
Ｖ７冷却気体導入制御手段
１８異物除去装置
３エアクリーナ

Claims

内燃機関の排気ガスのエネルギによって回動するように排気通路に設けられたタービンと、前記排気ガスを浄化するべく前記排気通路における前記タービンの上流側に設けられた触媒とを有する内燃機関の排気装置において、
前記排気通路における前記触媒の下流側かつ前記タービンの上流側に、前記排気ガスより低温の冷却気体を導入する冷却気体導入口が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
前記タービンにおける排気ガス温度を検出する排気ガス温度検出手段と、前記排気ガス温度検出手段により検出された排気ガス温度が所定値を越えた場合に前記冷却気体を前記冷却気体導入口へ導入する冷却気体導入制御手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
前記排気通路における前記触媒の下流側かつ前記タービンの上流側に、前記排気ガス中に混入した異物を除去する異物除去装置が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
前記内燃機関の吸気通路に設けられたエアクリーナを有し、
前記吸気通路における前記エアクリーナの下流側と前記冷却気体導入口とが連通していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
前記内燃機関の吸気通路に、前記タービンと一体回転することにより吸気を圧縮するコンプレッサが設けられていると共に、
前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に、前記圧縮された吸気を冷却するクーラが設けられ、
前記冷却気体が、前記吸気通路における前記クーラの下流側から取り出されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
前記冷却気体を前記冷却気体導入口に圧送する補助圧縮機が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
前記排気通路における前記触媒の下流側かつ前記タービンの上流側と前記内燃機関の吸気通路とを連通して前記排気ガスを当該吸気通路に還流する排気ガス還流通路を有し、
前記冷却気体導入口が、前記排気通路における前記排気ガス還流通路との接続口の下流側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。