JP2005090290A - ディーゼルエンジンの排ガス再循環装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃費を悪化させることなく効率よくＥＧＲガスを還流させ、排気通路の酸化触媒の酸化作用を有効に確保する。
【解決手段】排ガス再循環装置は、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１のターボ過給機のタービンより上流側の排気通路１３からエンジンの運転条件に応じて所定量のＥＧＲガスをＥＧＲパイプ２１を通してターボ過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路１４ａへ還流させるように構成される。ターボ過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路から分岐してターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に連通し吸気通路から排気通路に所定量の吸気ガスを流通させる流通パイプ３１が設けられ、ＥＧＲパイプを通るＥＧＲガスの環流条件に応じて流通パイプを流れる吸気ガスの量を変化させる流通量可変手段３２を備える。排気通路に酸化触媒１８が設けられ、流通パイプがターボ過給機と酸化触媒との間の排気通路に連通して設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ過給機を有するディーゼルエンジンにおいて、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路に還流させて再循環する装置に関するものである。
従来、この種の装置として、ディーゼルエンジンの排気通路から所定量のＥＧＲガスをエンジンの吸気通路にＥＧＲパイプを通って還流させるディーゼルエンジンの排ガス再循環装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、環流するＥＧＲガスにより燃焼温度の上昇を抑えることができ、これにより有害物質であるＮＯｘの生成量を抑制することができるものとしている。一方、このようなディーゼルエンジンには、その出力を上昇させるためにターボ過給機が設けられる。このターボ過給機は、エンジンの排ガスのエネルギにより回転可能なタービンホイールと、そのタービンホイールに連結されかつ吸気を圧縮可能なコンプレッサホイールとを有し、コンプレッサホイールで圧縮された吸気をエンジンに供給することによりエンジンの出力を上昇させている。
このようなターボ過給機が設けられたディーゼルエンジンでは、ターボ過給機により吸気通路における吸気が加圧されるため、その吸気通路における吸気圧が排気通路における排気圧より高くなる場合も生じうる。そして、吸気通路における吸気圧が排気通路における排気圧より高い場合には、ＥＧＲパイプを開放してもＥＧＲガスが排気通路から吸気通路へ還流することができない不具合があった。
この点を解消するために排ガス再循環装置が設けられたディーゼルエンジンでは、可変容量型ターボ過給機（ＶＧＴ）を用いて排気通路における排気圧を吸気通路における吸気圧より高くして、圧力が高められた排気通路から所定量のＥＧＲガスを吸気通路に還流させることが行われている。
特開平１１−１２５１４９号公報（図１）
しかし、可変容量型ターボ過給機（ＶＧＴ）を用いて排気圧を高くするにも限界があるため、吸気通路における吸気圧が比較的高い場合にＥＧＲガスをその吸気通路へ還流させるには更なる排気圧上昇の方法が必要となる。また、ＥＧＲガスを吸気通路に還流させるために排気通路における排気圧を高めると、ポンピングロスが増加して燃費が悪化するとともにターボ過給機における過給効率の低下を招く不具合がある。
一方、近年では排気通路に酸化触媒を設けて排気ガス中の一酸化炭素や炭化水素の酸化を行い、無害な二酸化炭素及び水蒸気に清浄化することが行われるけれども、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路へ正常に環流された場合には、その酸化触媒を流通する排ガス中の酸素量が減少して触媒における酸化作用が低下する不具合もある。
本発明の目的は、燃費を悪化させることなく効率よくＥＧＲガスを還流させるディーゼルエンジンの排ガス再循環装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、排気通路に酸化触媒を設けた場合における酸化触媒の酸化作用を高めることができるディーゼルエンジンの排ガス再循環装置を提供することにある。
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１のターボ過給機１２のタービン１２ａより上流側の排気通路１３ａからエンジン１１の運転条件に応じて所定量のＥＧＲガスをＥＧＲパイプ２１を通してエンジン１１のターボ過給機１２のコンプレッサ１２ｂより下流側の吸気通路１４へ還流させるように構成されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置の改良である。
その特徴ある構成は、ターボ過給機１２のコンプレッサ１２ｂより下流側の吸気通路１４から分岐してターボ過給機１２のタービン１２ａより下流側の排気通路１３ｂに連通し吸気通路１４から排気通路１３ｂに所定量の吸気ガスを流通させる流通パイプ３１が設けられ、ＥＧＲパイプ２１を通るＥＧＲガスの環流条件に応じて流通パイプ３１を流れる吸気ガスの量を変化させる流通量可変手段３２を備えたところにある。
この請求項１に記載されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、流通パイプ３１を介して吸気通路１４から吸気ガスの一部を抜き出して排気通路１３に流通させることにより吸気通路１４の吸気圧を減少させ、ＥＧＲガスが還流する条件である吸気圧より排気圧が高いという状態を作り出す。この結果、排気通路１３における排気圧を高めることに起因するポンピングロスは減少して燃費は向上し、ターボ過給機１２における過給効率が低下するような事態を回避する。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ターボ過給機１２とマフラ１９との間の排気通路１３ｂに酸化触媒１８が設けられ、流通パイプ３１がターボ過給機１２と酸化触媒１８との間の排気通路１３ｂに連通して設けられたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置である。
この請求項２に記載されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、流通パイプ３１を介して吸気通路１４から流通した吸気ガスは酸化触媒１８より上流側の排気通路１３ｂに流される。即ち、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路へＥＧＲパイプ２１を介して環流されている状態であっても、流通パイプ３１を介して比較的酸素の多い吸気ガスが酸化触媒１８より上流側の排気通路１３ｂに流されるので、酸化触媒１８を流通する排ガス中の酸素量は増加して酸化触媒１８における酸化作用を有効に確保することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、ＥＧＲパイプ２１を通るＥＧＲガスの環流条件を検出するセンサが、ターボ過給機１２のコンプレッサ１２ｂより下流側の吸気通路１４の吸気圧力を検出する吸気圧センサ３３と、ターボ過給機１２のタービン１２ａより上流側の排気通路１３の排気圧力を検出する排気圧センサ３４とを有し、流通量可変手段３２が、流通パイプ３１を流れる吸気ガスの流量を調整可能な流通ガス調整弁３２と、吸気圧センサ３３と排気圧センサ３４の各検出出力に基づいて流通ガス調整弁３２を制御するコントローラ２７とを備えたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置である。
この請求項３に記載されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、吸気圧センサ３３と排気圧センサ３４の各検出出力に基づいてコントローラ２７が流通ガス調整弁３２を制御するので、吸気と排気の圧力差が運転状況に応じて適宜調整され、ＥＧＲパイプ２１を介して還流するＥＧＲガスを目標の流量にして燃焼室内の燃焼温度の低下から排ガス中に発生するＮＯｘを有効に低減させることが可能になる。
本発明のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、ターボ過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路から分岐してターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に連通し吸気通路から排気通路に所定量の吸気ガスを流通させる流通パイプを設け、ＥＧＲパイプを通るＥＧＲガスの環流条件に応じて流通パイプを流れる吸気ガスの量を変化させる流通量可変手段を備えたので、流通パイプを介して吸気通路から吸気ガスの一部を抜き出して排気通路に流通させることにより吸気通路の吸気圧を減少させ、ＥＧＲガスが還流する条件である吸気圧より排気圧が高いという状態を作り出すことができる。この結果、排気通路における排気圧を高めることに起因するポンピングロスは減少して燃費は向上し、ターボ過給機における過給効率が低下するような事態も回避することができる。
また、ターボ過給機とマフラとの間の排気通路に酸化触媒を設け、流通パイプをターボ過給機と酸化触媒との間の排気通路に連通して設ければ、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路へＥＧＲパイプを介して環流されている状態であっても、流通パイプを介して比較的酸素の多い吸気ガスが酸化触媒より上流側の排気通路に流すことができる。この結果、酸化触媒を流通する排ガス中の酸素量は増加して、酸化触媒における酸化作用を有効に確保することができる。
更に、ターボ過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧センサと、ターボ過給機のタービンより上流側の排気通路の排気圧力を検出する排気圧センサとを有し、流通量可変手段が、流通パイプを流れる吸気ガスの流量を調整可能な流通ガス調整弁と、吸気圧センサと排気圧センサの各検出出力に基づいて流通ガス調整弁を制御するコントローラとを備えれば、吸気と排気の圧力差が運転状況に応じて適宜調整され、ＥＧＲパイプを介して還流するＥＧＲガスを目標の流量にして燃焼室内の燃焼温度の低下から排ガス中に発生するＮＯｘを有効に低減させることが可能になる。
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の排ガス再循環装置は、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１の排気通路１３から所定量のＥＧＲガス（排ガスの一部）をＥＧＲパイプ２１を通してエンジン１１の吸気通路１４へ還流させるように構成される。ターボ過給機１２は、タービンケース１２ａに回転可能に収容されかつエンジン１１の排ガスのエネルギにより回転可能なタービンホイール（図示せず）と、コンプレッサケース１２ｂに回転可能に収容され、タービンホイールと連結され、かつ吸気を圧縮してエンジン１１に供給可能なコンプレッサホイール（図示せず）とを有する。またＥＧＲパイプ２１には、このＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガスをエンジン１１の冷却水により冷却可能なＥＧＲクーラ１６が設けられる。なお、上記エンジン１１の冷却水は図示しないラジエータにより冷却されてその温度が低下するように構成される。
更に排気通路１３はエンジン１１の排気ポートに接続された排気マニホルド１３ａと、この排気マニホルド１３ａに接続された排気管１３ｂとを有し、吸気通路１４はエンジン１１の吸気ポートに接続された吸気マニホルド１４ａと、この吸気マニホルド１４ａに接続された吸気管１４ｂとを有する。タービンケース１２ａは排気マニホルド１３ａと排気管１３ｂの間に設けられ、排気管１３ｂには上流側から還元触媒１７、排ガスに含まれるパティキュレートのうちの燃料未燃分や潤滑油未燃分であるＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）を酸化処理する酸化触媒１８及び排気音を低減するマフラ１９がこの順序で設けられる。一方、吸気管１４ｂには吸気に含まれる塵埃を除去するエアクリーナ２０が設けられる。
ターボ過給機１２のコンプレッサケース１２ｂとエンジン１１との間の吸気管１４ｂには、コンプレッサホイールにより圧縮された吸気をエンジン１１の冷却水により冷却するインタクーラ１４ｃが設けられる。ＥＧＲパイプ２１の一端は排気マニホルド１３ａに接続され、ＥＧＲパイプ２１の他端は吸気マニホルド１４ａとインタクーラ１４ｃとの間の吸気管１４ｂに接続される。ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６はＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガスをエンジン１１の冷却水により冷却するように構成される。
ＥＧＲパイプ２１にはこのＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガス流量をエンジン１１の運転条件に応じて調整可能なＥＧＲ弁２３ａが設けられる。このエンジン１１の運転条件は、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ２４と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２６とにより検出される。この回転センサ２４及び負荷センサ２６の各検出出力はコントローラ２７の制御入力に接続され、コントローラ２７の制御出力はＥＧＲ弁２３ａに接続される。またコントローラ２７にはメモリ２８が設けられ、このメモリ２８にはエンジン１１の運転条件に応じたＥＧＲ弁２３ａの開度を調整することによりエンジン１１に還流されるＥＧＲガスの目標ＥＧＲ率が記憶される。
本実施の形態の特徴ある構成は、ターボ過給機１２より下流側の吸気通路１４から分岐してターボ過給機１２より下流側の排気通路１３に連通し、吸気通路１４から排気通路１３ｂに所定量の吸気ガスを流通させる流通パイプ３１が設けられ、ＥＧＲパイプ２１を通るＥＧＲガスの環流条件に応じて流通パイプ３１を流れる吸気ガスの量を変化させる流通量可変手段３２を備えたところにある。流通パイプ３１はインタクーラ１４ｃより上流側の吸気管１４ｂであってＥＧＲパイプ２１の接続箇所より上流から分岐して、ターボ過給機１２のタービン１２ａより下流側であって、還元触媒１７と酸化触媒１８との間の排気管１３ｂに連通接続される。また、この実施の形態における流通量可変手段３２は、流通パイプ３１に設けられこの流通パイプ３１を吸気通路１４から排気通路１３に向かって流れる吸気ガスの流量を調整可能な流通ガス調整弁３２である。
一方、ＥＧＲパイプ２１を通るＥＧＲガスの環流条件を検出するセンサとして、ターボ過給機１２のコンプレッサ１２ｂより下流側の吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧センサ３３と、ターボ過給機１２のタービン１２ａより上流側の排気通路１３の排気圧力を検出する排気圧センサ３４とが吸気マニホルド１４ａ及び排気マニホルド３１ａに設けられる。吸気圧センサ３３及び排気圧センサ３４の各検出出力はコントローラ２７の制御入力に接続され、コントローラ２７の制御出力は流通ガス調整弁３２に接続される。またコントローラ２７に設けられたメモリ２８にはＥＧＲ弁２３ａの開度に応じて流通ガス調整弁３２の絞り度を調整することにより吸気通路１４から排気通路１３に流通する吸気ガスの目標流通率が記憶される。
このように構成されたディーゼルエンジン１１の排ガス再循環装置の動作を説明する。
回転センサ２４及び負荷センサ２６の各検出出力に基づいて、コントローラ２７はエンジン１１の運転条件を把握し、メモリ２８に記憶された目標ＥＧＲ率に沿うようにＥＧＲ弁２３ａの開度を調整する。一方、コントローラ２７は吸気圧センサ３３及び排気圧センサ３４の各検出出力からＥＧＲパイプ２１を通るＥＧＲガスの環流条件を検出する。そしてターボ過給機１２により吸気通路１４における吸気が加圧されてその吸気圧（Ｐ１）が排気通路における排気圧（Ｐ２）より高くなっているような状態（Ｐ１＞Ｐ２）をコントローラ２７が認識した場合には、そのコントローラ２７は吸気圧センサ３３及び排気圧センサ３４の各検出出力に基づいて流通ガス調整弁３２を開放調整して吸気通路１４から吸気ガスの一部を抜き出して排気通路１３に流通させ、吸気通路１４における吸気圧を低下させてその吸気圧（Ｐ１）を排気通路における排気圧（Ｐ２）より低くなるようにする。これにより、吸気通路１４の吸気圧（Ｐ１）より高い排気圧（Ｐ２）を有する排気マニホルド１３ａからＥＧＲパイプ２１を介してＥＧＲガスが吸気通路１４へ還流する。
即ち、本発明のディーゼルエンジン１１の排ガス再循環装置では、ＥＧＲガスを吸気通路１４に還流させるために排気通路１３における排気圧（Ｐ２）を高めることをせずに、逆に吸気通路１４から吸気ガスの一部を抜き出して吸気通路１４における吸気圧（Ｐ１）を低下させ、ＥＧＲガスが還流する条件である排気圧（Ｐ２）が吸気圧（Ｐ１）より高くなるような状態（Ｐ１＜Ｐ２）を作り出すものである。このため、吸気通路１４における吸気圧（Ｐ１）を低下させてＥＧＲガスが還流する条件を作り出すので、排気通路１３における排気圧（Ｐ２）を高めることに起因するポンピングロスは減少して燃費は向上する。そしてターボ過給機における過給効率も低下するようなことはない。
一方、流通パイプ３１は酸化触媒１８より上流側の排気通路１３の接続されているので、流通パイプ３１を介して吸気通路１４から流通した吸気ガスは、ターボ過給機１２で加圧されているため、酸化触媒１８より上流側の排気通路１３に流される。従って、ＥＧＲガスが排気通路１３から吸気通路１４へＥＧＲパイプ２１を介して環流されている状態であっても、流通パイプ３１を介して比較的酸素の多い吸気ガスが酸化触媒１８より上流側の排気通路１３に流されることになる。この結果、ＥＧＲガスが還流している状態であっても酸化触媒１８を流通する排ガス中の酸素量は増加し、酸化触媒１８における酸化作用を有効に確保することができる。
本発明の排ガス再循環装置の構成図。
符号の説明
１１ ディーゼルエンジン
１２ ターボ過給機
１２ａ タービン
１２ｂ コンプレッサ
１３ 排気通路
１４ 吸気通路
１８ 酸化触媒
１９ マフラ
２１ ＥＧＲパイプ
２７ コントローラ
３１ 流通パイプ
３２ 流通ガス調整弁（流通量可変手段）
３３ 吸気圧センサ
３４ 排気圧センサ

Claims (3)

  1. ターボ過給機(12)付きディーゼルエンジン(11)の前記ターボ過給機(12)のタービン(12a)より上流側の排気通路(13a)から前記エンジン(11)の運転条件に応じて所定量のＥＧＲガスをＥＧＲパイプ(21)を通して前記エンジン(11)の前記ターボ過給機(12)のコンプレッサ(12b)より下流側の吸気通路(14)へ還流させるように構成されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置において、
    前記ターボ過給機(12)のコンプレッサ(12b)より下流側の吸気通路(14)から分岐して前記ターボ過給機(12)のタービン(12a)より下流側の排気通路(13b)に連通し前記吸気通路(14)から前記排気通路(13b)に所定量の吸気ガスを流通させる流通パイプ(31)が設けられ、
    前記ＥＧＲパイプ(21)を通るＥＧＲガスの環流条件に応じて前記流通パイプ(31)を流れる吸気ガスの量を変化させる流通量可変手段(32)を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
  2. ターボ過給機(12)とマフラ(19)との間の排気通路(13b)に酸化触媒(18)が設けられ、流通パイプ(31)が前記ターボ過給機(12)と前記酸化触媒(18)との間の排気通路(13b)に連通して設けられた請求項１記載のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
  3. ＥＧＲパイプ(21)を通るＥＧＲガスの環流条件を検出するセンサが、ターボ過給機(12)のコンプレッサ(12b)より下流側の吸気通路(14)の吸気圧力を検出する吸気圧センサ(33)と、前記ターボ過給機(12)のタービン(12a)より上流側の排気通路(13)の排気圧力を検出する排気圧センサ(34)とを有し、
    流通量可変手段(32)が、流通パイプ(31)を流れる吸気ガスの流量を調整可能な流通ガス調整弁(32)と、前記吸気圧センサ(33)と前記排気圧センサ(34)の各検出出力に基づいて前記流通ガス調整弁(32)を制御するコントローラ(27)とを備えた請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
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