JP2004124854A - 排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの温度上昇に時間が掛かると、触媒ユニットに低温度の排気ガスが送り込まれる状態が長時間続くことになり、例えば、触媒ユニットの触媒がＮＯｘ吸蔵触媒であるとその貯蔵限界を超えて排気ガス中のＮＯｘを貯蔵することができなくなる問題がある。また、該触媒自体が排気ガス中の硫黄等によって被毒される問題等がある。
【解決手段】熱交換器２０と排気マニホールド３０とで熱交換を行うための流体若しくは気体を流すための流路を具備する排気装置１において、熱交換器２０と排気マニホールド３０とを接続する流路に可変バルブ６０を設けてなり、可変バルブ６０と排気マニホールド３０とを接続する流路１２０ｂと、可変バルブ６０に接続され、排気マニホールド３０を経由しないで流体若しくは気体を外部へ流すための流路１４０とを具備して構成される。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器と排気マニホールドとで熱交換を行うための流体若しくは気体を流すための流路を具備する排気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱交換器と、原動機や発動機等より排出される排気ガスの排気経路である排気マニホールドとを備えた排気装置がある。
このような排気装置は、具体的には、複数のシリンダを具備する原動機や発動機等より排出された排気ガスを排気マニホールドで１つの排気経路に集約し、該集約した排気ガスを触媒ユニットで浄化処理を施した後に熱交換器に送るものである。
このような排気装置は、上記熱交換器におてい上記排気ガスの熱を水等の流体若しくは気体に熱エネルギーを伝達することによって熱交換を行うものであるが、更に、上記排気マニホールにおいても排気ガスの熱を取得して上記水等の流体若しくは気体に熱エネルギーを伝達することによって熱交換も行うものである。即ち、上記排気装置は、熱交換器及び排気マニホールドの２箇所で排気ガスの熱交換を行い冷却して、ＮＯｘ吸蔵触媒に安定してＮＯｘが吸蔵されるようにしている。
このような排気装置の一例としては、下記特許文献１に示すようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４０６３６号公報
【０００４】
上述の従来の排気装置について図１を用いて詳しく説明する。
先ず、従来の排気装置の一例としては、図１に示すように熱交換器２０、排気マニホールド３０、及び触媒ユニット４０を具備するものがある。
このような排気装置１ａは、排気ガスの経路となる排気系と、排気ガスの熱を熱交換によって取得する水等の流体若しくは気体の経路である流路系との２つの系統の経路を具備する。
先ず、排気系は、原動機や発動機等のシリンダ３１、３２、３３より排出された排気ガスを集約するための排気マニホールド３０と排気ガスの浄化処理を行う触媒ユニット４０とを接続する排気路２００と、該触媒ユニット４０と排気ガスの熱を水等の流体若しくは気体に熱交換するための熱交換器２０とを接続する排気路２１０と、該熱交換器２０より排気ガスを外部へ排出するための排気路２２０とを具備して概略構成されるものである。
即ち、図１の実線矢印は、上記排気系を通過する排気ガスの一連の通路を示している。
【０００５】
次に、流路系は、流体である水等をポンプ１０により吸水する流路１００と、ポンプ１０で加圧して熱交換器２０に送水する流路１１０と、熱交換器２０と排気マニホールド３０とを接続する流路１２０と、該排気マニホールド３０で加熱（熱交換）された水等を外部へ排出するための流路１３０とを具備して構成されている。
即ち、図１の点線矢印が、上記流路系を通過する水の一連の通路を示している。
【０００６】
従来の排気装置１ａが上述のような構成であるため、排気ガスの熱を排気マニホールド３０及び熱交換器２０で取得して水等の流体に熱交換することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の排気装置１ａにおける流路系は、熱交換器２０と排気マニホールド３０とが単一の流路（具体的には流路１２０）によって接続される構成となっており、その経路は一切変化しない構成となっている。
つまり、熱交換器２０と排気マニホールド３０とは上記流路系によって常に冷却される構造となっている。
また、一般的に、排気装置１ａの始動時における排気ガスの温度は、通常運転時の温度に比べて低い温度となる温度特性であることが知られている。
そのため、排気装置の始動時において、排気ガスが排気マニホールド３０で冷却され過ぎてしまい、排気系を通る排気ガスの温度が通常運転時の温度に上昇するまでの時間が長時間となる問題がある。
【０００８】
このように排気ガスの温度上昇に時間が掛かると、触媒ユニット４０に低温度の排気ガスが送り込まれる状態が長時間続くことになり、例えば、触媒ユニット４０の触媒がＮＯｘ吸蔵触媒であると以下のような問題が発生する。（「ＮＯｘ」とは「窒素酸化物」を意味する。）
上記ＮＯｘ吸蔵触媒とは、排気ガスの低温度時にＮＯｘを貯蔵し、他方、排気ガスの高温時に該貯蔵したＮＯｘを還元する機能を有するものである。
このＮＯｘ吸蔵触媒が具備する機能のため、排気装置１ａの始動時等において、触媒ユニット４０は排気ガスのＮＯｘを吸蔵する機能を働かせるが、その吸蔵量にも限界があるので、上述のように排気ガスの低温状態が長時間であると該限界を超えて排気ガス中のＮＯｘを貯蔵することができなくなる問題がある。
また、排気ガスが低温度であると触媒自体が排気ガス中の硫黄等によって被毒されるので、触媒ユニット４０の触媒の温度を早期に適切な温度まで上昇させることによって被毒した硫黄を還元する再生運転を行う必要あるが、上記従来の排気装置１ａではこの再生運転を実行するまでの時間も掛かる問題がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱交換器と排気マニホールドとが流路によって接続される排気装置の始動時等において、早期に排気ガスの温度を上昇させることによって、触媒に貯蔵されたＮＯｘを還元する共に、被毒した触媒の再生運転を早期に実行できる排気装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、請求項１においては、熱交換器と排気マニホールドとで熱交換を行うための流体を流すための流路を具備する排気装置において、上記熱交換器と上記排気マニホールドとを接続する上記流路に切り換え手段を設けてなり、上記切り換え手段と上記排気マニホールドとを接続する第１の流路と、上記切り換え手段に接続され、上記排気マニホールドを経由しないで上記流体を外部へ流すための第２の流路と、を具備することを特徴とする排気装置として構成されている。
【００１０】
請求項２においては、前記熱交換器及び前記排気マニホールドを経由する排気ガスの温度に応じて、前記切り換え手段を制御してなる排気装置である。
【００１１】
請求項３においては、排気ガスの温度を、該排気ガスに浄化処理を施す触媒ユニットの排出側で検出してなる排気装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図１は従来の排気装置１ａの概略構成図、図２は本発明の実施の形態に係る排気装置１の概略構成図である。
図２を用いて本発明の実施の形態に係る排気装置１について説明する。
先ず、排気装置１は、図２に示すように熱交換器２０、排気マニホールド３０、及び触媒ユニット４０を具備するものがある。
上記排気マニホールド２０とは、原動機や発動機等より排出される排気ガスを１つの排気経路に集約するものである。
上記触媒ユニット４０とは上記排気ガスに浄化処理を施すものであって、ＮＯｘ吸蔵触媒を具備するものであっても良い。
上記熱交換器２０とは、上記排気ガスの熱を取得して水等の流体若しくは気体に熱エネルギーを伝達することによって熱交換を行うものである。
また、排気装置１は、排気ガスの経路となる排気系と、排気ガスの熱を吸収する水等の流体若しくは気体の経路である流路系との２つの経路を具備する。
【００１３】
先ず、排気系は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンやガスエンジン等の内燃機関のシリンダ３１、３２、３３から排出された排気ガスを集約する排気マニホールド３０と排気ガスの浄化処理を行う触媒ユニット４０とを接続する排気路２００と、該触媒ユニット４０と熱交換を行う熱交換器２０とを接続する排気路２１０と、該熱交換器２０より排気ガスを外部へ排出するための排気路２２０とを具備して概略構成されるものである。
即ち、図２の実線矢印は、上記排気系を通過する排気ガスの一連の通路を示している。
【００１４】
次に、流路系は、水等の流体若しくは気体（冷却媒体等）を流路１００より取得して加圧するポンプ１０と熱交換器２０の流入側とを接続する流路１１０と、熱交換器２０の流出側と切り換え手段となる可変バルブ６０とを接続する流路１２０ａと、該可変バルブ６０と排気マニホールド３０内に形成したウォータージャケットとを接続する流路１２０ｂ（第１の流路の一例）と、該排気マニホールド３０のウォータージャケットで加熱された水等を外部へ流すための流路１３０と、一端が可変バルブ６０に接続され、他端が上記流路１３０に接続される流路１４０（第２の流路の一例）とを具備して概略構成されるものである。
前記可変バルブ６０は電磁比例弁等より構成され、該可変バルブ６０のソレノイド６０ａはコントローラ（制御部）７０と接続されている。
【００１５】
また、排気系を流れる排気ガスの温度を検出するための温度センサ５０を触媒ユニット４０の排出側、即ち、触媒ユニット４０と排気路２１０との接続部側に設けても良い。該温度センサ５０は制御部７０と接続されている。
このように温度センサ５０を設けることで、触媒ユニット４０より排出される排気ガスの温度を検出することが可能となる。
この触媒ユニット４０の排出側で検出される排気ガスの温度は、触媒ユニット４０の触媒の温度によって左右されるものと言える。
つまり、換言するならば、検出される排気ガスの温度は、触媒ユニット４０の触媒の温度を間接的に反映しているものと言える。
そこで、検出される排気ガスの温度と触媒ユニット４０の触媒の温度とを対応付けた対応テーブルを排気装置の制御部７０に記憶させておくことにより、排気ガスの温度を検出することによって、触媒ユニット４０の触媒の温度を推定することが可能となる。
即ち、排気ガス温度検出用と触媒温度検出用との２つの温度センサを用いること無く、触媒ユニット４０の排出側に設けられる温度センサ５０のみで排気ガス温度と触媒温度の２種類の温度を測定することが可能となるので、従来と比較して排気装置の生産コストを下げることも可能となる。
【００１６】
上述のように構成された排気装置１の作動例、つまり、制御部７０による制御について説明する。
例えば、排気装置１の始動時において、排気装置１の制御部７０が、触媒ユニット４０から排出される排気ガスの温度（温度センサ５０の検出温度）と予め設定器７１により設定される通常運転時の温度とを比較判断する。
上記比較判断の結果、温度センサ５０で検出される排気ガスの温度が通常運転時の温度と比較して低いと判断された場合には、触媒ユニット４０の触媒の温度も低い状態であると言えるので、硫黄が被毒したり、ＮＯｘ吸蔵触媒がＮＯｘを貯蔵する段階にあることを意味している。
しかしながら、このような触媒の低温度状態が長時間続くと触媒ユニット４０の機能が十分に発揮されない。
そこで、触媒ユニット４０の触媒の温度を高めるために、排気装置１の制御部７０が可変バルブ６０を次のように制御すれば良い。
即ち、熱交換器２０より流出する水等の流体若しくは気体が流路１２０ａ→可変バルブ６０→流路１４０→流路１３０の経路を流れるように、排気装置１の制御部７０が切り換え手段を切り換える。
つまり、流路１２０ｂ及び排気マニホールド３０に水等の流体若しくは気体を流さないように可変バルブ６０を切り換える。
このように可変バルブ６０を制御することで、排気マニホールド３０に水等の流体若しくは気体が流れなくなるので、排気ガスの熱が、排気マニホールド３０の熱交換によって奪われることが無くなり、シリンダ３１〜３３より排出された排気ガスが排気マニホールド３０で冷却されること無く、直接的に触媒ユニット４０に送られる。
したがって、触媒ユニット４０の触媒は、直接的にシリンダ３１〜３３から排出された排気ガスによって温められるので、従来のように上述の排気装置の始動時における低温の排気ガスを更に冷却することもなくなり、従来に比べて早く触媒ユニット４０の触媒を温めることが可能となって通常運転状態になることが可能となる。
【００１７】
他方、排気装置１の制御部７０によって、温度センサ５０で検出される排気ガスの温度が通常運転時の温度と同程度若しくは高いと判断された場合は、触媒ユニット４０の触媒の温度も通常運転状態にあると言えるので、排気マニホールド３０で熱交換を行っても良いと言える。
そこで、排気装置１の制御部７０は、可変バルブ６０を次のように制御する。
即ち、熱交換器２０より流出する水等の流体若しくは気体が流路１２０ａ→可変バルブ６０→流路１２０ｂ→排気マニホールド３０→流路１３０の経路を流れるように、排気装置１の制御部７０が可変バルブ６０を切り換える。
つまり、流路１４０に水等の流体若しくは気体を流さないように可変バルブ６０を切り換える。
このように可変バルブ６０を制御することで、排気マニホールド３０に水等の流体若しくは気体が流れることで、排気マニホールド３０において排気ガスと水等の流体若しくは気体との熱交換を行うことが可能となる。
そして、排気ガスの温度は設定温度に上昇しても高温になってなく、冷却水の温度は低い状態のとき、冷却水を通常の冷却時と同じ水量を送水すると、冷え過ぎる場合があり、このとき、切り換え手段の切り換え動作は頻繁に行う必要がある。そこで、制御部７０で可変バルブ６０の開度を調節して流量を制限することにより冷え過ぎを防止するようにしている。つまり、排気温度が設定温度から高温になるまでの過程においては、可変バルブ６０を段階的にまたは徐々に流路１２０ｂ側に開くように制御するのである。
【００１８】
上述のように上記排気装置１を動作させることによって、従来の排気装置１ａと比べて、きめ細かく排気ガスの温度制御をすることが可能となるので、熱交換器２０における排気ガスによる廃熱回収の効率低下を抑制すると共に、硫黄によって被毒する触媒を還元するための再生運転を早期に行えるようになる。
また、従来の排気装置１ａと比較して効率よく触媒ユニット４０を利用することが可能となると共に、排気マニホールド３０で熱交換を開始するタイミングを適正化できる効果もある。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、請求項１に示す如く、熱交換器と排気マニホールドとで熱交換を行うための流体を流すための流路を具備する排気装置において、上記熱交換器と上記排気マニホールドとを接続する上記流路に切り換え手段を設けてなり、上記切り換え手段と上記排気マニホールドとを接続する第１の流路と、上記切り換え手段に接続され、上記排気マニホールドを経由しないで上記流体を外部へ流すための第２の流路と、を具備することを特徴とする排気装置として構成されているので、例えば排気装置の始動時等において、排気ガスの温度が低く更に触媒の温度も低い場合であっても、水等の流体若しくは気体を上記第２の流路側に流すように切り換え手段を操作して排気マニホールドで熱交換を行わないようにすることで、シリンダから排出される排気ガスの温度を下げることなく触媒に通すことが可能となるので、従来に比べて触媒の温度を急速に高めることが可能となって、効率よく触媒を利用することが可能となる。
【００２０】
請求項２に示す如く、前記熱交換器及び前記排気マニホールドを経由する排気ガスの温度に応じて、前記切り換え手段を制御してなる排気装置として構成されている。このように構成されているため、通常運転状態においても様々な因子によって変動する排気ガスの温度を自動的に検出して追従制御を行うことが可能となるので、きめ細かく排気ガスの温度制御をすることが可能となる。更に、この温度制御によって、熱交換器における排気ガスによる廃熱回収の効率低下を抑制すると共に、硫黄によって被毒する触媒を還元するための再生運転を容易に早い段階で行え、しかもＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘの貯蔵時間を最小限に抑えることが可能となる。
【００２１】
請求項３に示す如く、排気ガスの温度を、該排気ガスに浄化処理を施す触媒ユニットの排出側で検出してなる排気装置として構成したので、触媒ユニットから排出される排気ガスの温度を検出することで、触媒ユニットの触媒の温度を推定することが可能となるので、上記温度センサ１つで排気ガス温度と触媒温度との２種類の温度を測定することが可能となり、生産コストを抑制することが可能となる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の排気装置１ａの概略構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係る排気装置１の概略構成図。
【符号の説明】
１　排気装置
２０　熱交換器
３０　排気マニホールド
３１、３２、３３　シリンダ
４０　触媒ユニット
５０　温度センサ
６０　可変バルブ

Claims (3)

1. 熱交換器と排気マニホールドとで熱交換を行うための流体を流すための流路を具備する排気装置において、
   上記熱交換器と上記排気マニホールドとを接続する上記流路に切り換え手段を設けてなり、
   上記切り換え手段と上記排気マニホールドとを接続する第１の流路と、
   上記切り換え手段に接続され、上記排気マニホールドを経由しないで上記流体を外部へ流すための第２の流路と、
   を具備することを特徴とする排気装置。
2. 前記熱交換器及び前記排気マニホールドを経由する排気ガスの温度に応じて、前記切り換え手段を制御してなる請求項１記載の排気装置。
3. 排気ガスの温度を、該排気ガスに浄化処理を施す触媒ユニットの排出側で検出してなる請求項１、又は請求項２のいずれかに記載の排気装置。

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