JP4765711B2

JP4765711B2 - エンジンの吸排気システム

Info

Publication number: JP4765711B2
Application number: JP2006082681A
Authority: JP
Inventors: 健朗中島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: JP2007255358A

Description

本発明は、エンジンの吸排気システムに係り、特に排気タービン駆動式の過給機を備えたエンジンの排気系に設けられる排気浄化装置の触媒担体の外周に高温の排気ガスを取り込んで再生能力を高める技術に関するものである。

近年、排出ガス規制の強化に伴い、エンジン例えばディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter:粒子状物質）を捕集し、焼却除去することにより再生可能なパティキュレート・フィルタを有する排気浄化装置の装着が必須となり始めている。さらに、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車の利用率の高い欧州市場においては、小型コンパクトでシンプルなレイアオウトを可能とし、高い排気ガス温度が確保でき、エンジンに直付けされる触媒機能付きの単一のクローズド・カップル型の排気浄化装置が考案されている。なお、排気浄化装置としては、例えば図１０に示すように、円筒状のケーシング２８内に円筒状の触媒担体１４をセラミック系担体保持材例えばアルミナ繊維３４を介して保持したものや、或いは特許文献１に記載されているように、触媒担体を通過した排気ガスのうちの少なくとも一部を折り返して触媒担体の周囲に流通させるリターン流路をケーシングに設けたものが知られている。

一方、ディーゼルエンジンにおいては、低ＮＯｘと低スモークの同時低減を可能にする予混合圧縮着火燃焼の研究が近年活発に行われている。この予混合圧縮着火燃焼は、均一で希薄な混合気を早期に生成し燃焼させるため、技術課題としてエンジン負荷を増すと過早着火が発生して着火時期の制御が困難となり、そのため運転領域が低負荷領域に限定されるといった問題がある。この予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大する手法としては、排気ガスの一部を排気系から取り出して吸気系に戻し、混合気に加えるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation:排気再循環）のＥＧＲ率を高め、混合気の酸素濃度を低減することにより燃焼を抑制し、空燃比を確保することが効果的である。そして、その具体的対応策としては、多段例えば２段過給機を用い、高圧段の小型過給機により低速低負荷領域から高ブーストを得て、高ＥＧＲ率と高空燃比を確保することが考えられる。また、２段過給機は、市街地（低中速・低中負荷）走行における燃費の低減と定格点における高出力化を両立させる手段としても有効な手段である。

特開２００３−１２０２６０号公報

しかしながら、上記エンジンにおいては、触媒機能付きの単一の排気浄化装置を装着する場合、前段に十分な容量の酸化触媒等がないため、再生能力の低下が懸念される。特に、前記多段過給付きエンジンの排気系の下流に排気浄化装置を装着する場合には、排気浄化装置の入口温度の低下を招くため、単段過給装置に比べて更なる再生能力の低下が懸念される。

また、触媒担体の保持構造に着目した場合、従来の保持構造では、触媒担体の外周部とケーシングの境界面における熱伝達率を十分に低減できず、触媒担体からケーシング外周への熱通過率の低減、つまり担体の断熱保温特性に改善の余地があった。

本発明は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、排気浄化装置の触媒担体の外周部における昇温効果及び断熱保温特性を高めることができ、排気浄化装置の再生能力の向上が図れるエンジンの吸排気システムを提供することを目的とする。

本発明は、排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジンの吸気系に戻すＥＧＲガス流路と、該ＥＧＲガス流路に設けられたＥＧＲガスクーラと、上記吸気系に設けられた過給機を駆動するべく上記排気系に設けられた排気タービンと、該排気タービンよりも下流に設けられた触媒担体を有する排気浄化装置とを備え、上記ＥＧＲガス流路のＥＧＲガスクーラよりも上流側に、上記触媒担体の外周に沿う触媒担体外周ガス流路を設け、該触媒担体外周ガス流路に上記排気系の排気タービンよりも上流から直に排気ガスを導入するようにし、上記排気系における触媒担体の排気ガス入口側前方と、上記ＥＧＲガス流路の触媒担体外周ガス流路よりも上流部とを繋ぐためのバイパス弁を有するバイパス流路を設けたことを特徴とする。

上記排気系における触媒担体の排気ガス出口側後方に、排気ガス温度を検出して上記バイパス弁を制御するための温度センサを設けることが好ましい。

上記バイパス流路の出口部に、上記排気系における触媒担体の排気ガス入口側端面に臨んで開口するノズルを設けることが好ましい。

本発明によれば、上記ＥＧＲガス流路のＥＧＲガスクーラよりも上流側に、上記触媒担体の外周に沿う触媒担体外周ガス流路を設け、該触媒担体外周ガス流路に上記排気系の排気タービンよりも上流から直に排気ガスを導入するようにし、上記排気系における触媒担体の排気ガス入口側前方と、上記ＥＧＲガス流路の触媒担体外周ガス流路よりも上流部とを繋ぐためのバイパス弁を有するバイパス流路を設けたので、排気浄化装置の触媒担体の外周部だけでなく中心部からも加熱することができ、触媒担体を内外から効果的に加熱して効率よく再生することができ、排気浄化装置の再生能力の向上が図れる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。図１は本発明の実施の形態であるエンジンの吸排気システムを概略的に示す図、図２はバイパス弁が閉の時のＥＧＲガスの流れを示す図、図３はバイパス弁が開の時のＥＧＲガスの流れを示す図、図４は排気浄化装置の構造を示す断面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図において、１はエンジン例えばディーゼルエンジンで、このエンジン１にはその吸気系及び排気系を含む吸排気システム２が設けられ、この吸排気システム２は、以下に述べるように構成されている。上記エンジン１のエンジン本体１ａには吸気系の一部を構成する吸気マニホールド３と、排気系の一部を構成する排気マニホールド４とが設けられている。吸気マニホールド３には吸気系の配管である吸気流路５が接続され、排気マニホールド４には排気系の配管である排気ガス流路６が接続されている。

吸気流路５には、下流から順にスロットルバルブ７、インタークーラ８、高圧段過給機９、低圧段過給機１０及びエアフローセンサ１１が設けられている。すなわち、本実施の形態では、エンジン１の吸気系に多段例えば２段過給機９，１０が設けられている。上記過給機９，１０は、排気タービン駆動式のもので、コンプレッサ９ａ，１０ａと排気タービン９ｂ，１０ｂとからなっている。上記吸気流路５には、高圧段過給機９のコンプレッサ９ａの上流と下流を繋ぐバイパス弁１２を有するバイパス流路１３が設けられている。

上記排気ガス流路６には、上流から順に高圧段過給機９を駆動する排気タービン９ｂ、低圧段過給機１０を駆動する排気タービン１０ｂ及びパティキュレート・フィルタである触媒担体１４を有する排気浄化装置（排気後処理装置ともいう。）１５が設けられている。上記排気ガス流路６には、高圧段過給機９の排気タービン９ｂの上流と下流を繋ぐバイパス弁１６を有するバイパス流路１７が設けられている。また、上記排気ガス流路６には、低圧段過給機１０の排気タービン１０ｂの上流と下流を繋ぐバイパス弁１８を有するバイパス流路１９が設けられている。

また、上記エンジン１には、排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジン１の吸気系に戻すＥＧＲガス流路２０が設けられている。このＥＧＲガス流路２０の一端は排気マニホールド４に接続され、ＥＧＲガス流路２０の他端は吸気流路５のスロットルバルブ７よりも下流に接続されている。ＥＧＲガス流路２０には、下流側から順に、ＥＧＲ弁２１及びＥＧＲクーラ２２が設けられている。これらＥＧＲ弁２１及びＥＧＲクーラ２２は吸気マニホールド３の近傍に設けられていることが好ましい。

上記ＥＧＲガス流路２０のＥＧＲガスクーラ２２よりも上流側には、上記排気浄化装置１５の触媒担体１４の外周に沿う触媒担体外周ガス流路２３が設けられ、この触媒担体外周ガス流路２３に上記排気系の排気タービン９ｂ，１０ｂよりも上流から直に排気ガスを導入するように構成されている。換言すれば、上記触媒担体１４の外周に触媒担体外周ガス流路２３が設けられ、この触媒担体外周ガス流路２３と排気マニホールド４とを繋ぐ配管（ＥＧＲガス流路上流部）２０ａにより高温の排気ガスが触媒担体外周ガス流路２３に直接導入されるようになっている。

また、上記排気ガス流路６における触媒担体１４の排気ガス入口側前方と、上記ＥＧＲガス流路２０の触媒担体外周ガス流路２３よりも上流部２０ａとを繋ぐためのバイパス弁２４を有するバイパス流路２５が設けられている。上記排気ガス流路６における触媒担体１４の排気ガス出口側後方には、排気ガス温度を検出して上記バイパス弁２４を制御するための温度センサ２６が設けられている。上記吸排気システム２においては、温度センサ２６からの検出信号を入力し、その検出値が設定値（設定温度）を超える場合には上記バイパス弁２４を閉じ、検出値が設定値を下回る場合には上記バイパス弁２４を開くように制御するコントローラ２７が設けられている。

上記排気浄化装置１５は、図４乃至図６に示すように、円筒状のケーシング２８を有し、該ケーシング２８内に円筒状の触媒担体１４が設けられ、該触媒担体１４の外周とケーシング２８の内周との間には触媒担体外周ガス流路２３が設けられている。触媒担体１４は、コージュライト等のセラミックからなる多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口と出口が交互に目封止され、各流路を区画する多孔質隔壁を透過した排気ガスのみが下流側に排出され、多孔質隔壁の内壁面にパティキュレートを捕集する。パティキュレートは、捕集されて堆積するので、目詰りにより排気抵抗が増加しないように適宜焼却除去され、パティキュレート・フィルタの再生が図られるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自然燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない。このため、上記パティキュレート・フィルタは、例えばアルミナに白金を担持させたものにセリウム等の希土類元素を添加してなる酸化触媒を一的に担持させた触媒再生型のパティキュレート・フィルタ（触媒担体）とされ、再生能力の向上が図られている。

上記ケーシング２８の一端には、排気ガス流路６の低圧側タービン１０ｂよりも下流から排気ガスを導入するための接続口として漏斗状に漸次縮径した入口管部２８ａが設けられ、ケーシング２８の他端には、触媒担体１４内を通過した排気ガスを排気ガス流路６に排出するための接続口として漏斗状に漸次縮径した出口管部２８ｂが設けられている。ケーシング２８の一側（図示例では上側部）にはＥＧＲガス流路上流部２０ａからの排気ガスを触媒担体外周ガス流路２３に導入するための接続口である導入管部２８ｃが設けられ、ケーシング２８の他側（同下側部）には触媒担体外周ガス流路２３からＥＧＲガス流路２０に排気ガスを排出するための接続口である排気管部２８ｄが設けられている。

上記バイパス流路２５は、図６に示すように、上記導入管部２８ｃと入口管部２８ａとを繋ぐように設けられていることが構造の簡素化を図る上で好ましい。また、バイパス流路２５の出口部２５ａは、触媒担体１４の入口側端面に臨んで開口していることが好ましい。バイパス流路２５に設けられるバイパス弁２４は、ＯＮ・ＯＦＦ制御弁ではなく、ＥＧＲ弁２１と同様、電動モータ駆動式の無段階リフト制御が可能になっていることが好ましい。

上記ケーシング２８内において、触媒担体１４の両端外周縁部を保持すると共にケーシング２８との間を封止するために触媒担体１４の両端部外周縁部には断面略Ｚ字状で環状の端部プレート２９が配置されていると共に、該端部プレート２９の外端部とケーシング２８の両端環状隅部３０との間には断面略Ｕ字状で環状のガスケット３１が介設されている。ガスケット３１は、その材質及び断面形状によるバネ性により、触媒担体１４及びケーシング２８の熱膨張に追従することができ、シール性を確保することができる。ガスケット３１は、高温強度に優れる耐熱合金例えばインコロイにより形成さている。なお、触媒担体１４の外周とケーシング２８の内周との間には、触媒担体１４の強度上必要に応じて断片的に保持材３２が設けられていてもよい。

以上の構成からなるエンジン１の吸排気システム２において、エンジン１を始動すると、エンジン１の燃焼室から排出される排気ガスは、図１に示すように、排気マニホールド４から排気ガス流路６に導入され、２段過給機９，１０の排気タービン９ｂ，１０ｂ或いはバイパス流路１７，１９を通り、さらに排気浄化装置１５の触媒担体１４を通過した後、大気に排出される。吸気は、吸気流路５の低圧段過給機１０のコンプレッサ１０ａ及び高圧段過給機９のコンプレッサ９ａ又はバイパス流路１３を通り、さらにインタークーラ８、スロットルバルブ７、吸気マニホールド３を通ってエンジン１の燃焼室に導入される。

一方、ＥＧＲ弁２１を開くと、図２に示すように、エンジン１から排出される排気ガスの一部は、排気マニホールド４からＥＧＲガス流路上流部２０ａに導入され、排気浄化装置１５の外周ガス流路２３を経てた後、ＥＧＲクーラ２２及びＥＧＲ弁２１を通って再びエンジン１の吸気マニホールド３に戻される。この時、排気ガス流路６における排気浄化装置１５よりも下流の排気ガス温度が温度センサ２６により検出されており、温度センサ２６により検出される排気ガス流路６の排気浄化装置１５よりも下流の排気ガス温度が所定の設定値を越える場合には、コントローラ２７によってバイパス弁２４は閉とされている。この場合、排気浄化装置１５の触媒担体１４が触媒担体外周ガス流路２３を流れる排気ガスにより十分に加熱され、触媒担体１４の再生が十分に図られる。

ところで、エンジン１の始動時等で、触媒担体１４の温度が低下していて温度センサ２６により検出される排気ガス流路６の排気浄化装置１５よりも下流の排気ガス温度が所定の設定値を下回る場合には、コントローラ２７によってバイパス弁２４は開操作される。この場合、排気浄化装置１５の触媒担体１４が触媒担体外周ガス流路２３を流れる排気ガス及びバイパス流路２５を通って排気浄化装置１５の触媒担体１４の入口側に導入される排気ガスにより、排気浄化装置１５の触媒担体１４を外周側だけでなく中心部からも加熱することができ、触媒担体１４を内外から効果的に加熱して効率よく再生することができる。これにより、排気ガス流路６の排気浄化装置１５よりも下流の排気ガス温度が設定値を超えるとバイパス弁２４が閉じられ、上記触媒担体１４は触媒担体外周ガス流路２３を流れる排気ガスのみによって再生が行われる。

このように、エンジン１の吸排気システム２によれば、上記ＥＧＲガス流路２０のＥＧＲガスクーラ２２よりも上流側に、上記触媒担体１４の外周に沿う触媒担体外周ガス流路２３を設け、該触媒担体外周ガス流路２３に上記排気系の排気タービン９ｂ，１０ｂよりも上流である排気マニホールド４から直に排気ガスを導入するように構成されているため、排気浄化装置１５の触媒担体１４の外周部における昇温効果及び断熱保温特性を高めることができ、排気浄化装置１５の再生能力の向上が図れる。この場合、上記断熱保温特性は、触媒担体１４の外周に触媒担体外周ガス流路２３により高温の排気ガス層が形成されることによって向上する。

また、上記排気系における触媒担体１４の排気ガス入口側前方と、上記ＥＧＲガス流路２０の触媒担体外周ガス流路２３よりも上流部２０ａとを繋ぐためのバイパス弁２４を有するバイパス流路２５を設けているため、触媒担体１４を外周側だけでなく中心部からも加熱することができ、触媒担体１４を内外から効果的に加熱して効率よく再生することができる。

さらに、上記排気系における触媒担体１４の排気ガス出口側後方に、排気ガス温度を検出して上記バイパス弁２４を制御するための温度センサ２６を設けているため、触媒担体１４の温度を管理することができ、その再生能力の向上が図れる。また、上記触媒担体１４の再生にＥＧＲガス流路２０のＥＧＲクーラ２２よりも上流の排気ガスを熱交換に利用するため、ＥＧＲクーラ２２の手前で排気ガス温度を低下させることができ、ＥＧＲクーラ２２の容量（サイズ）を低減することができ、構造の簡素化及びコストの低減が図れる。

以上、本発明の実施の形態ないし実施例を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。図７乃至図９は排気浄化装置の変形例を示す断面図である。本実施の形態において、上記実施の形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態における排気浄化装置１５においては、上記バイパス流路２５の出口部２５ａに、上記排気系における触媒担体１４の排気ガス入口側端面に臨んで開口するノズル３３が設けられている。このノズル３３としては、図８に示すように、触媒担体１４の排気ガス入口側端面の中心部（中央部）を臨んで開口し、触媒担体１４の中心部が低温の時に高温の排気ガスを触媒担体１４の中心部に吹付けるように構成されていてもよく、或いは図９に示すように、触媒担体１４の排気ガス入口側端面の中心部と外周部との中間部を臨んで開口し、触媒担体１４の中間部が低温の時に高温の排気ガスを触媒担体１４の中間部に吹付けるように構成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、ＥＧＲガス流路２０の上流部２０ａが排気マニホールド４に直接接続されているが、ＥＧＲガス流路２０の上流部２０ａは排気ガス流路６の高圧段側過給機９の排気タービン９ｂよりも上流に接続されていてもよい。

本発明の実施の形態であるエンジンの吸排気システムを概略的に示す図である。バイパス弁が閉の時のＥＧＲガスの流れを示す図である。バイパス弁が開の時のＥＧＲガスの流れを示す図である。排気浄化装置の構造を示す断面図である。図４のＡ−Ａ線断面図である。排気浄化装置の要部拡大断面図である。排気浄化装置の変形例を示す断面図である。排気浄化装置の変形例を示す断面図である。排気浄化装置の変形例を示す断面図である。従来の排気浄化装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１エンジン
２吸排気システム
９，１０過給機
９ｂ，１０ｂ排気タービン
１４触媒担体
１５排気浄化装置
２０ＥＧＲガス流路
２０ａＥＧＲガス流路上流部
２３触媒担体外周ガス流路
２４バイパス弁
２５バイパス流路
２６温度センサ
３３ノズル

Claims

排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジンの吸気系に戻すＥＧＲガス流路と、該ＥＧＲガス流路に設けられたＥＧＲガスクーラと、上記吸気系に設けられた過給機を駆動するべく上記排気系に設けられた排気タービンと、該排気タービンよりも下流に設けられた触媒担体を有する排気浄化装置とを備え、上記ＥＧＲガス流路のＥＧＲガスクーラよりも上流側に、上記触媒担体の外周に沿う触媒担体外周ガス流路を設け、該触媒担体外周ガス流路に上記排気系の排気タービンよりも上流から直に排気ガスを導入するようにし、上記排気系における触媒担体の排気ガス入口側前方と、上記ＥＧＲガス流路の触媒担体外周ガス流路よりも上流部とを繋ぐためのバイパス弁を有するバイパス流路を設けたことを特徴とするエンジンの吸排気システム。
上記排気系における触媒担体の排気ガス出口側後方に、排気ガス温度を検出して上記バイパス弁を制御するための温度センサを設けたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸排気システム。
上記バイパス流路の出口部に、上記排気系における触媒担体の排気ガス入口側端面に臨んで開口するノズルを設けたことを特徴とする請求項１又２に記載のエンジンの吸排気システム。