JP2012012962A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ通路を設ける場合において、再循環される排気の成分を改善する。
【解決手段】燃料添加弁１５から添加された燃料が、グロープラグ１６によって着火され、着火された排気が触媒迂回路１２ａ（第１の分岐路）に供給される構成において、低圧ＥＧＲ通路３０の上流側の端部が、触媒迂回路１２ａに接続されている。グロープラグ１６によって着火された不活性ガス濃度（例えばＣＯ₂濃度）の高い排気が、低圧ＥＧＲ通路３０を通じて吸気管６に循環されるので、燃焼室２内における燃焼が抑制され、燃焼温度の低減によりＮＯｘの低減を促進することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて排気を昇温する排気昇温装置、及び排気を循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気再循環）通路を有する排気装置に関する。

多くの内燃機関において、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路が設けられている。その目的は、主として燃焼温度の低減による排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減、および部分負荷時の燃費向上である。

特許文献１が開示するエンジンでは、排気浄化触媒の下流側の端部にＥＧＲガス取り出し口を設け、排気浄化触媒から排出した排気を再循環させている。

特許文献２が開示するエンジンでは、排気管の内径よりも小径の小型酸化触媒を配置すると共に、その上流側に燃料供給弁を配置している。この装置では、燃料の供給によって小型酸化触媒が発熱させられる。

特許文献３が開示するエンジンでは、排気通路に設けられた燃料添加弁からの燃料が直接接触する位置に、グロープラグなどの着火手段を配置し、これら燃料添加弁及びグロープラグの下流側に触媒コンバータを配置している。燃料は着火手段によって着火され、その火炎によって触媒コンバータが昇温される。

特開２００４‐１７６５５４号公報 特開２００９−１５６１６８号公報 特開２００６−１１２４０１号公報

しかし、上記特許文献１〜３のいずれにおいても、再循環される排気の成分は考慮されていない。この点、特許文献２および３のように排気中に燃料を供給して着火させる構成では、着火された排気は不活性ガス濃度が大きくなると考えられる。

本発明は、ＥＧＲ通路を設ける場合において、再循環される排気の成分を改善することを目的とする。

本発明の１態様は、
内燃機関の排気通路を構成する第１の分岐路および第２の分岐路と、前記排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備え、前記着火された排気の少なくとも一部が前記第１の分岐路に供給される内燃機関の排気装置において、
前記排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を更に備え、
前記ＥＧＲ通路の上流側の端部は、前記第１の分岐路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気装置である。

この態様では、燃料添加弁から添加された燃料が、着火装置によって着火され、着火された排気が前記第１の分岐路に供給される。ＥＧＲ通路の上流側の端部は、前記第１の分岐路に接続されている。したがって、着火装置によって着火された不活性ガス濃度の高い排気が、ＥＧＲ通路を通じて吸気通路に循環されるので、燃焼室内における燃焼が抑制され、燃焼温度の低減によりＮＯｘの低減を促進することができる。

好適には、前記第２の分岐路に排気浄化触媒が配置されている。この態様では、排気浄化触媒により排気を浄化でき、また、燃料添加弁からの燃料が当該排気浄化触媒に供給される場合には、反応による発熱や供給燃料の改質を図ることができる。

この場合において、好適には、前記第１の分岐路は、前記第２の分岐路と熱交換可能に配置されている。この態様では、第１の分岐路からの火炎により第２の分岐路内の触媒を昇温させることが可能になる。この場合において、第１の分岐路が第２の分岐路の外周を囲むように配置されているのが特に好適である。これらの場合においては、火炎が第１の分岐路と第２の分岐路との下流側の合流点に到達する場合に、第２の分岐路の触媒を通過し改質された燃料を燃焼させることも可能になる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明によれば、ＥＧＲ通路を設ける場合において、再循環される排気の成分を改善することができる。

本発明の第１実施形態の概念図である。 第１実施形態の要部を正面視した断面図である。 第１実施形態の要部を軸方向視した断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す。図１において、エンジン本体１は、軽油を燃料とする圧縮点火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であるが、他の形式の内燃機関であってもよい。エンジン本体１は、４つの気筒のそれぞれに燃焼室２を有する。各燃焼室２には、燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３が配置されている。各燃焼室２には、吸気マニホールド４および排気マニホールド５が接続されている。吸気マニホールド４は、吸気管６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、エアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結されている。

吸気管６内には、ステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。吸気管６の周りには、吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１１が配置されている。インタークーラ１１内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して、排気浄化触媒１３に連結されている。この排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内、即ち排気管１２内には、前処理触媒１４が配置されている。

前処理触媒１４は、排気浄化触媒１３よりも体積が小さく、かつ排気浄化触媒１３に流入する排気の一部が流通する。図２に示されるように、前処理触媒１４は、円筒形の外枠１４ａ内に保持されており、外枠１４ａ内に流入した排気はその全量が前処理触媒１４に供給される。外枠１４ａの外径は、排気管１２の内径よりも小さい。したがって、前処理触媒１４が排気管１２に収容されると、前処理触媒１４の外周面と排気管１２の内周面との隙間である触媒迂回路１２ａに、排気が通過することが可能になる。外枠１４ａは、概ね放射状に配置された複数のステー１４ｂによって排気管１２内に支持されている。前処理触媒１４は、ステー１４ｂを除く実質的に全周にわたって、触媒迂回路１２ａに囲まれている。触媒迂回路１２ａは、本発明における第１の分岐路を構成する。これに対し、前処理触媒１４を通る外枠１４ａ内の経路は、本発明における第２の分岐路を構成する。触媒迂回路１２ａは、外枠１４ａを介して前処理触媒１４と熱交換可能にされている。

排気浄化触媒１３は、例えば酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ触媒から構成されている。前処理触媒１４は酸化触媒から構成されており、触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。触媒１３，１４の基材には、コージェライトあるいはメタルが用いられている。排気浄化触媒１３の基材は、多数のセルのうち上流側が栓詰されたセルと、下流側が栓詰されたセルとが互いに隣接するように配置された所謂ウォールフロー型である。前処理触媒１４の基材は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型である。

前処理触媒１４上流の排気管１２内には、前処理触媒１４に燃料を供給するための燃料添加弁１５が、その噴孔１５ａを排気管１２内部に臨ませて配置される。燃料添加弁１５には、燃料タンク４４内の燃料が燃料ポンプ４３を介して供給される。燃焼を促進させるために、外部から排気管１２の内部に燃焼用空気を供給するための管路、制御弁及びコンプレッサを設けても良い。

燃料添加弁１５よりも下流側の排気管１２内には、供給された燃料に着火させるためのグロープラグ１６が設けられている。グロープラグ１６には、これに給電するための直流電源及び昇圧回路（いずれも不図示）が接続されている。着火するための手段としては、グロープラグに代えてセラミックヒータやスパークプラグなど他の種類の着火装置を用いることができ、とくに電熱式の装置が好適である。

燃料の微粒化を促進するために、燃料添加弁１５から噴射された燃料を衝突させるための衝突板１７が排気管１２内に配置されている。燃料添加弁１５の軸心１５ｂは、衝突板１７の中心１７ａに向けられているが、噴射された燃料が排気流に流されることを考慮して中心１７よりも上流側に向けられていてもよい。燃料添加弁１５の噴孔１５ａから衝突板１７までの距離ｄは、燃料添加弁１５から噴射され衝突板１７に衝突した燃料が、拡散してその一部がグロープラグ１６の発熱部１６ａによって着火され、他の部分が前処理触媒１４に供給されるように選択される。前処理触媒１４、燃料添加弁１５、グロープラグ１６および衝突板１７は、排気昇温装置４０を構成し、この排気昇温装置４０は、後述するＥＣＵ５０によって制御される。

排気マニホールド５と吸気マニホールド４は、高圧ＥＧＲ通路１８を介して互いに接続されている。高圧ＥＧＲ通路１８は、排気管１２におけるタービン７ｂよりも上流側の部分と、吸気管６におけるコンプレッサ７ａの下流側の部分とを接続している。高圧ＥＧＲ通路１８内には、電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置される。高圧ＥＧＲ通路１８の周りには、高圧ＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための高圧ＥＧＲクーラ２０が配置される。機関冷却水が高圧ＥＧＲクーラ２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

排気管１２と吸気管６とは、低圧ＥＧＲ通路３０を介して接続されている。低圧ＥＧＲ通路３０は、排気管１２におけるコンプレッサ７ｂの下流側であって排気浄化触媒１３の上流側の部分と、吸気管６におけるタービン７ａの上流側の部分とを接続している。

低圧ＥＧＲ通路３０の上流側の端部は、上述した第１の分岐路、すなわち排気管１２と外枠１４ａとの間の触媒迂回路１２ａの中間部に接続されている。触媒迂回路１２ａのうち低圧ＥＧＲ通路３０の上流側の端部が接続する位置は、排気中の不活性ガス濃度（例えばＣＯ₂濃度）が最大値または最大値から所定範囲内となる地点を選択するのが好適である。低圧ＥＧＲ通路３０の周りには、排気を冷却する低圧ＥＧＲクーラ３２が配置されている。機関冷却水が低圧ＥＧＲクーラ３２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。低圧ＥＧＲ通路３０には、低圧ＥＧＲ通路３０を開閉するための低圧ＥＧＲ弁３３が設けられている。

各燃料噴射弁３は、燃料供給管４１を介してコモンレール４２に連結され、このコモンレール４２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ４３を介して燃料タンク４４に連結される。燃料タンク４４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ４３によってコモンレール４２内に供給され、コモンレール４２内に供給された燃料は各燃料供給管４１を介して燃料噴射弁３に供給される。

コントローラである電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、周知のデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを具備する。

アクセルペダル５１には、アクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が接続され、負荷センサ５２の出力電圧は、対応するＡＤ変換器を介して入力ポートに入力される。更に入力ポートには、エンジン本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が接続される。更に入力ポートには、スロットル弁１０の近傍に設置された吸気温度センサ５４が接続される。

他方、ＥＣＵ５０の出力ポートは、対応する各駆動回路を介して、スロットル弁１０、高圧ＥＧＲ制御弁１９および低圧ＥＧＲ制御弁３３の駆動用の各ステップモータに接続される。出力ポートはまた、対応する各駆動回路を介して燃料噴射弁３、燃料添加弁１５及び燃料ポンプ４３に接続される。これらアクチュエータ類の動作は、ＥＣＵ５０によって制御される。ＥＣＵ５０のＲＯＭには、各種プログラム及び基準値・初期値が格納されている。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ８、負荷センサ５２、クランク角センサ５３及び吸気温度センサ５４を含む車両の状態とくにエンジンの動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけ燃料噴射弁３及び燃料添加弁１５を開くべく制御信号を出力する。この制御信号に従って、燃料供給指示量に応じた量の燃料が燃料噴射弁３及び燃料添加弁１５からそれぞれ供給される。

また、ＥＣＵ５０は、例えば機関負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅにより定まる機関運転状態に応じて、ＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路を選択的に切り換える。ここで、機関負荷率ＫＬは全負荷に対する機関負荷の割合をいう。すなわち、機関負荷率ＫＬが予め定められた第１の設定負荷率ＫＬ１よりも低いときには、高圧ＥＧＲ通路１８のみを介してＥＧＲガスが供給される。このようにすると、良好な応答性を確保することができ、機関に供給されるＥＧＲガスの量を精密に制御することができる。これに対し、機関負荷率ＫＬが第１の設定負荷率ＫＬ１よりも高くかつあらかじめ定められた第２の設定負荷率ＫＬ２よりも低いときには、低圧ＥＧＲ通路３０のみを介してＥＧＲガスが供給される。このようにすると、機関負荷率ＫＬが高いときにもＥＧＲガスを確実に機関に供給することが可能になる。さらに、機関負荷率ＫＬが第２の設定負荷率ＫＬ２よりも高いときには、ＥＧＲガスの供給が禁止される。

また、ＥＣＵ５０は、排気昇温装置４０を制御して、燃料の供給及び着火を行い、これにより前処理触媒１４を昇温させる。燃料添加弁１５から供給された燃料の一部は、グロープラグ１６により着火され、これによって排気が昇温される。また供給された燃料の他の部分は、前処理触媒１４に供給され、触媒物質の反応による昇温及び燃料の改質が行われる。なお、ＥＣＵ５０は必要に応じて、前処理触媒１４の必要量よりも多くの燃料を噴射することで、排気浄化触媒１３に対する燃料の供給を行い、これにより、堆積した粒子状物質（ＰＭ）の酸化及び燃焼、並びに排気浄化触媒１３がＮＯｘ吸蔵還元触媒である場合には、排気浄化触媒１３に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理を実施することも可能である。

以上のとおり、本実施形態では、燃料添加弁１５から添加された燃料が、グロープラグ１６によって着火され、着火された排気が触媒迂回路１２ａ（第１の分岐路）に供給される構成において、低圧ＥＧＲ通路３０の上流側の端部が、触媒迂回路１２ａに接続されている。したがって、グロープラグ１６によって着火された不活性ガス濃度（例えばＣＯ₂濃度）の高い排気が、低圧ＥＧＲ通路３０を通じて吸気管６に循環されるので、燃焼室２内における燃焼が抑制され、燃焼温度の低減によりＮＯｘの低減を促進することができる。

また本実施形態では、外枠１４ａ内を通る経路（第２の分岐路）に前処理触媒１４が配置されているので、前処理触媒１４により排気を浄化でき、また、燃料添加弁１５からの燃料が前処理触媒１４に供給される場合に、反応による発熱や供給燃料の改質を図ることができる。

また、本実施形態では、触媒迂回路１２ａ（第１の分岐路）は、前処理触媒１４を通る外枠１４ａ内の経路（第２の分岐路）を囲むように配置されているので、触媒迂回路１２ａからの火炎により外枠１４ａ内の前処理触媒１４を昇温させることが可能になり、また、火炎が触媒迂回路１２ａと外枠１４ａ内の経路との下流側の合流点に到達する場合には、前処理触媒１４を通過し改質された燃料を燃焼させることが可能になる。

以上、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

例えば、上記実施形態では排気通路を二重管構造とし、第１の経路が第２の経路を囲む外側に配置された構成において本発明を適用したが、本発明は燃料添加弁から燃料が添加され着火された排気が、分岐した排気通路の一方に供給される構造に広く適用でき、本発明に所期の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では着火された燃料の全量が触媒迂回路１２ａ（第１の分岐路）に供給されることとしたが、着火された排気の少なくとも一部が第１の分岐路に供給されれば本発明に所期の効果を得ることができる。

また本発明は、ターボチャージャを有しないエンジンに適用することも可能であり、その場合に装置は低圧ＥＧＲ通路３０を有しない代わりに、高圧ＥＧＲ通路１８の上流側の端部を、排気マニホールド５でなく触媒迂回路１２ａの中間部に接続するのが好適である。

４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ 吸気管
７ ターボチャージャ
１２ 排気管
１３ 排気浄化触媒
１４ 前処理触媒
１８ 高圧ＥＧＲ通路
３０ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲクーラ
４０ 排気昇温装置
５０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路を構成する第１の分岐路および第２の分岐路と、前記排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備え、前記着火された排気の少なくとも一部が前記第１の分岐路に供給される内燃機関の排気装置において、
   前記排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を更に備え、
   前記ＥＧＲ通路の上流側の端部は、前記第１の分岐路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気装置であって、
   前記第２の分岐路に排気浄化触媒が配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の排気装置であって、
   前記第１の分岐路は、前記第２の分岐路と熱交換可能に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の排気装置であって、
   前記第１の分岐路は、前記第２の分岐路の外周を囲むように配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。

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