JP2005054771A - 気筒群個別制御エンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多気筒エンジンの各気筒を複数の気筒群70a、70bに分け、VGターボ過給機60a、60b、空冷式給気インタークーラ32a、32b、電子制御EGR弁80a,80b、EGRクーラ81a、81b、触媒再生式DPF装置90a、90b、尿素SCR装置100a、100bは気筒群毎に独立して配設して気筒群毎の個別の制御を可能とし、各気筒群の吸入空気、EGRガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とすると共に、エンジン部分負荷運転では一部気筒群を休止気筒群として運転する。
【選択図】 図2
Description
従来はガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンでは排出ガスが多く排出されるエンジン高負荷時の排出ガス低減対策が主体であった。しかし、今後、更なる排出ガス削減を実現していくためには、新しい排出ガス低減技術の適用に加え、エンジン部分負荷時の運転条件下においても排出ガス低減装置の機能を十分に発揮させることが必要である。
ところで、一般に触媒が十分に機能するためには、触媒の温度を一定レベル以上の高温に維持する必要がある。ガソリンエンジンについてはエンジンの部分負荷時における排気温度の低下による3元触媒の機能低下が問題となっている。
一方、ディーゼルエンジンについてもDPF装置の場合、捕集したPMを適時、フィルタから除去してDPF装置を再生することが必要であるが、例えば触媒により捕集PMを酸化除去する場合には、DPF装置を通過する排気ガス温度を高温に維持する必要がある。また、ディーゼルエンジンにおいては、触媒で排出ガスを浄化する装置として酸化触媒装置、尿素SCR装置、尿素SCR装置が研究開発されている。この場合も触媒に排出ガス浄化の機能を十分に発揮させるようにするためには、ディーゼルの排気ガス温度はエンジンの運転条件に係らず常に触媒温度を高温に維持する必要がある。しかし従来のディーゼルエンジンの部分負荷では排気ガス温度が低く、それらの装置の排出ガス浄化率が著しく低下することが問題となっている。また、過給ディーゼルエンジンの部分負荷時には、排気温度と排気圧力が共に低く、排気エネルギーが少なくなることから、過給機によるブースト圧力の上昇が不十分となって必要な吸気量が得られず、エンジンの燃焼改善によるPM等の十分な削減効果が得られていないことが問題となっている。
ところで、軽油を燃料とするディーゼルエンジンでは黒煙やPMが多く排出されることは避けられないため、黒煙やPMの排出が抑制できる天然ガスを併用する軽油パイロット噴射自己着火型天然ガスエンジンの開発が行われている。
かかる技術に関連する資料としては排出ガス削減触媒装置付きの多気筒エンジンの部分負荷時に稼動気筒群と休止気筒群に分けて運転し、稼動気筒群の排気温度を高くして触媒装置の機能が十分に発揮できるようにしたものとして例えば無過給火花点火式エンジンに関する特許文献1があり、無過給ディーゼルエンジンに関する特許文2があり、軽油パイロット噴射自己着火型天然ガスエンジンに関する特許文3記載のものが公知である。
特許文献2の技術は、多気筒エンジンの吸気通路の入口側に配設する第1絞り弁とその下流に一部気筒群の吸気通路に配設する第2絞り弁を持ち、エンジンの部分負荷時には第2絞り弁の閉塞と当該一部気筒群への燃料噴射の停止し、そして当該一部気筒群以外の気筒には燃料噴射すると共に、第1絞り弁の開度調節による吸気の減圧による吸気量の削減と吸気下死点付近での排気弁の開弁による気筒内への排出ガスの再導入により、当該一部気筒群以外の気筒から排出される排気ガス温度の上昇により、後処理装置の排出ガス削減機能が発揮されるようにしたものである。
特許文献3の技術は、エンジンの気筒内に液体燃料をパイロット噴射し、パイロット噴射燃料の自己着火により吸気ポートから気筒内に噴射した天然ガスを点火するエンジンである。この液体燃料パイロット噴射自己着火型天然ガスエンジンは非特許文献1の通り、排出ガス中のPM削減を可能にしたものである。
エンジンの部分負荷運転で一部の気筒群を稼動気筒群とし、他の残りの気筒群を休止気筒群して運転する時には、稼動気筒群での各気筒内の燃焼ガスの圧力と温度は全気筒群を稼動気筒群として運転する場合に比較して高い状態で運転されるため、エンジン熱効率が高くなる。このようにエンジン部分負荷時に一部の気筒群を休止気筒群として運転することは、全気筒群で運転することに比較してエンジンを高い熱効率での運転することが可能となる。
また、吸排気関連制御装置として可変容量型ターボ過給機(Variable GeometryTurbocharger)(以下VGターボ過給機という)を装着した場合には、稼動気筒群のVGターボ過給機の排気タービンノズル弁を制御して吸気量を調節して稼動気筒群の燃焼改善によるPMの低減を行うことができると共に、稼動気筒群の排気温度を適切な温度に上昇させる燃焼制御を行って稼動気筒から排出される排気温度を上昇させることが可能となる。
以上のよう吸排気関連制御装置の制御による稼動気筒群の排気温度を上昇させることにより、その稼動気筒群に配設した触媒再生式DPF装置の再生機能を発揮させてPM捕集機能の持続的な作動が可能となるため,この装置の長期使用が実現できる可能性がある.また稼動気筒群の排気温度を上昇は、酸化触媒装置、尿素SCR装置、尿素SCR装置等の排出ガス後処理装置における排出ガス削減機能を十分に発揮させることにより,大幅なエンジン排出ガスの低減が可能となる。
このように本発明は多気筒エンジンを複数の気筒群に割し、気筒群毎に吸排気通路と吸排気関連制御装置を配設し、気筒群毎に個々の吸排気関連制御装置を制御することにより、エンジンから大気中に排出される排気ガスを十分に削減できるようにすることが目的である。特に液体燃料パイロット噴射自己着火型天然ガスエンジンにおいては、部分負荷において排気ガス温度を高温化させ、触媒の酸化作用を十分に機能させ、大気中への未燃燃料のメタンの排出を削減させること目的としたものである。
すなわち、請求項1記載の発明に係る気筒群個別制御エンジンは、多気筒エンジンの各気筒を複数の気筒群に分け、上記気筒群の各気筒に空気を供給するための上記気筒群毎に独立した吸気通路を設け、上記気筒群の各気筒の排気ガスを排出するための上記気筒群毎に独立した排気通路を設け、上記多気筒エンジンに吸気絞り弁、EGR弁、EGRクーラ、EGR通路、過給装置、給気インタークーラ、排気絞り弁、DPF装置、酸化触媒装置、NOx吸蔵還元装置、尿素SCR装置等の吸排気関連制御装置の何れを装着する場合においても、上記吸排気関連制御装置は上記気筒群毎の上記吸気群通路から上記排気通路に至る上記気筒群毎の吸排気回路の途中にそれぞれ独立して配設し、上記気筒群毎の吸入空気、EGRガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路としたことを特徴とする。
逆に第2気筒群を稼動気筒群とした場合には、第1気筒群を休止気筒群として運転する。一方、エンジンの高負荷運転領域では第1気筒群と第2気筒群の両方の気筒群に燃料供給を行って第1気筒群と第2気筒群の両方を稼動気筒群として運転する。このように、第1気筒群と第2気筒群は多気筒エンジンの運転条件に応じて予め定めた通りに稼動気筒群と休止気筒群のそれぞれの作動状態に切り替えてエンジンを運転できるようにする。
例えば、VGターボ過給機やEGRを装着した時にはエンジンの特定の部分負荷時において、第1気筒群を稼動気筒群とし、第2気筒群を休止気筒群として運転する場合、第1気筒群のVGターボ過給機は第1気筒群のエンジン負荷運転条件に応じて排気タービンノズル弁の開度を調節する。そして第1気筒群のEGR弁も第1気筒群のエンジン負荷運転条件に応じてEGR弁の開度を調節する。
例えば、多気筒エンジンに過給装置を配設する場合は、気筒群毎の出力に適した容量の装置を気筒群毎にそれぞれ独立して配設する。そのためエンジンの部分負荷運転時に一部の気筒群を稼動気筒群とし、他の残りの気筒群を休止気筒群として運転する時には、稼動気筒群の排気エネルギーは、休止気筒群の吸気の加圧に使われずに全て稼動気筒群の吸気の加圧に使われるため、稼動気筒群の過給効率が向上してエンジンのポンピング損失が低下し、エンジン熱効率の向上が得られる効果がある。
同様に稼動気筒群にEGR弁を配設している場合でも休止気筒群の影響を受けることなく稼動気筒群のEGR率を制御することにより、稼動気筒群の燃焼改善によるエンジンから排出の排気ガスは大幅に削減することが可能となる。そのため、この稼動気筒群の燃焼改善による排出ガス低減と排出ガス後処理装置に流入する排気ガス温度の高温化と稼動気筒群の燃焼改善は、エンジンの更なる排気ガスの浄化に効果がある
ここで第1気筒群70aの排気ガス中のNOxを尿素SCR装置100aで還元浄化するため、図示しない尿素水タンクから供給された尿素水は尿素水加圧ポンプ102にて加圧され、尿素水噴射電磁弁ノズル101aから尿素SCR装置100aに流入する直前の排気ガス中に噴射される。この噴射された尿素水により、尿素SCR装置100a内で排気ガス中のNOxは還元され、第1気筒群70aの排出ガスは浄化される。尿素水噴射電磁弁ノズル101aから噴射する尿素水の量は、第1気筒群70aのエンジン負荷条件によって予め定められた通りに調節される。
なお、VGターボ過給機60a、60bは、第1気筒群70aと第2気筒群70bのそれぞれの気筒群の出力に適した容量のものを独立して配設する。
ただし、燃料サプライポンプ120、燃料コモンレール122および尿素水加圧ポンプ102、エアクリーナ111、排気マフラー110は第図2に示した通り、第1気筒群70aと第2気筒群70bとで共用である。
以上のようにエアクリーナ111の下流から排気マフラー110上流の間において、第1気筒群70aと第2気筒群70bの吸入空気、EGRガスおよび排気ガスの流れ通路は独立しており、エンジンの運転中の第1気筒群70aと第2気筒群70bの吸入空気、EGRガスおよび排気ガスは互いに混合しない構造となっている。
また第2気筒群吸排気系160の構成は第1気筒群吸排気系150から独立してはいるが、同様の吸入空気、EGRガスおよび排気ガスの流れであるため、ここでは説明を省略する。
また、例えばエンジンの部分負荷運転条件下で第1気筒群を稼動気筒群とし、第2気筒群70bを休止気筒群として運転するときには、第1気筒群70aのVGターボ過給機60aは第1気筒群70bのエンジン負荷条件に最適なブースト圧力に制御し、第2気筒群70bのVGターボ過給機60bは休止気筒群に最適なポンピング損失を最小にするように第2気筒群60bの可変排気タービンノズル弁63bを制御する。このようなエンジンの部分負荷運転条件では一部気筒群の休止運転気により排出ガスの低減と高い熱効率のエンジン運転を実現することが可能となる。また、一部気筒群の休止運転は、全気筒群を稼動気筒群として運転する場合に比較して、稼動気筒群である第1気筒群の排気温度を大幅に高くすることが可能となる。
以上のように第1気筒群70aと第2気筒群70bの独立した負荷制御およびそれぞれの気筒群の吸気量、EGR率、排気ガス温度の独立した制御は、稼動気筒群の燃焼改善による排出ガスの削減が容易となることに加え、稼動気筒群の排気ガス温度の高温化は、エンジンの部分負荷運転時においても酸化触媒装置150aまたは150bの排出ガス浄化の浄化率を向上できる効果がある。
2 第2気筒
3 第3気筒
4 第4気筒
5 第5気筒
6 第6気筒
10 直列6気筒エンジン本体
11 クーリングファン
20a、21a、22a、20b、21b、22b 吸気弁
23a、24a、25a、23b、24b、25b 吸気ポート
30a、30b 吸気マニホールド
31a 吸気管
32a、32b 空冷式給気インタークーラ
33a、33b、34a、34b 吸気管
40a、41a、42a、40b、41b、42b 排気弁
43a、43b、44a、44b、45a、45b 排気ポート
50a、50b 排気マニホールド
51a、52a、53a、51b、52b、53b 排気管
60a、60b VGターボ過給機
61a、61b 給気ブロア
62a、62b 排気タービン
63a、63b 可変排気タービンノズル弁
64a、64b 電子制御可変排気タービンノズル弁アクチェータ
70a、70b 第1気筒群
80a、80b 電子制御EGR弁
81a、81b EGRクーラ
82a、83a、84a、82b、83b、84b EGR管
90a、90b 酸化触媒再生式DPF装置
100a、100b 尿素SCR装置
101a、101b 尿素水噴射電磁弁ノズル
102 尿素水加圧ポンプ
110 排気マフラー
111 エアクリーナ
120 燃料サプライポンプ
121 高圧燃料管
122 コモンレール
123a、124a、125a、123b、124b、125b 高圧燃料管
130a、131a、132a 電子制御燃料インジェクタ
130b、131b、132b 電子制御燃料インジェクタ
140a、141a、142a 電子制御天然ガス燃料噴射ノズル
140b、141b、142b 電子制御天然ガス燃料噴射ノズル
150a、150b 酸化触媒装置
Claims (4)
- 多気筒エンジンの各気筒を複数の気筒群に分け、上記気筒群の各気筒に空気を供給するための上記気筒群毎に独立した吸気通路を設け、上記気筒群の各気筒の排気ガスを排出するための上記気筒群毎に独立した排気通路を設け、上記多気筒エンジンに吸気絞り弁、EGR弁、EGRクーラ、EGR通路、過給装置、給気インタークーラ、排気絞り弁、DPF装置、酸化触媒装置、NOx吸蔵還元装置、尿素SCR装置等の吸排気関連制御装置の何れを装着する場合においても、上記吸排気関連制御装置は上記気筒群毎の上記吸気群通路から上記排気通路に至る上記気筒群毎の吸排気回路の途中にそれぞれ独立して配設し、上記気筒群毎の吸入空気、EGRガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路としたことを特徴とする気筒群個別制御エンジン。
- 上記気筒群への燃料供給は上記気筒群毎に独立した制御を可能とし、上記多気筒エンジンの特定の部分負荷運転条件下では一部の上記気筒群に燃料供給して燃焼させてエンジン出力を発生させる稼動気筒群とした時には残りの他の上記気筒群には燃料供給を中止する休止気筒群として運転し、また高負荷を含むその他のエンジン運転領域では全ての上記気筒群に燃料供給を行って全ての上記気筒群を稼動気筒群として運転することを特徴とする請求項1記載の気筒群個別制御エンジン。
- 上記気筒群毎に配設した上記吸排気関連制御装置の個々の装置は、上記気筒群毎のそれぞれの負荷条件に従って上記気筒群毎に独立した制御を可能としたことを特徴とする請求項1乃至2のいずれか一項に記載の気筒群個別制御エンジン。
- 上記多気筒エンジンが液体燃料パイロット噴射自己着火型天然ガスエンジンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の気筒群個別制御エンジン。
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