JP2006291739A

JP2006291739A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2006291739A
Application number: JP2005109847A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funahashi; 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化を招かなくて済み、しかも、長尺なＥＧＲパイプも必要としないコンパクトなＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ２を搭載し且つ排気管１１途中のフィルタケース１３内にパティキュレートフィルタ１２を装備したディーゼルエンジン１のＥＧＲ装置に関し、フィルタケース１３を二重殻構造とし且つ該フィルタケース１３からターボチャージャ２のタービン２ｂに到る排気管１１を二重管構造として、これらフィルタケース１３及び排気管１１の外層部分に、パティキュレートフィルタ１２を経た排気ガス９の一部を上流側へ戻すリターン流路１６，１７を形成し、該リターン流路１６，１７のタービン２ｂに近い最上流部とターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口との間をＥＧＲパイプ１８により接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ装置に関するものである。

従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯx（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスを再循環するようにしており、ターボチャージャを備えたエンジンにあっては、排気マニホールドから高温高圧の排気ガスを抜き出して吸気マニホールドの入口に再循環するものを高圧ループのＥＧＲ装置（特許文献１参照）と称し、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から低温低圧の排気ガスを抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環するものを低圧ループのＥＧＲ装置（特許文献２参照）と称している。
特開２００４−２７０５６５号公報特開２００１−８２２３３号公報

しかしながら、排気マニホールドから高温高圧の排気ガスを抜き出して吸気マニホールドの入口に再循環する高圧ループのＥＧＲ装置にあっては、ＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラを装備して排気ガスを水冷することが必須であり、このように排気ガスを水冷して再循環すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることでエンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を下げて効果的にＮＯxの発生を低減させることができるが、水冷系に余分な熱負荷を与えてしまうことで、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化が避けられなくなるという問題があった。

また、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から低温低圧の排気ガスを抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ループのＥＧＲ装置にあっては、コンプレッサより下流のインタークーラ内が煤等で汚れないよう排気管の出口付近にあるパティキュレートフィルタを通してから排気ガスの一部を再循環するようにしているため、長尺なＥＧＲパイプが必要となって該ＥＧＲパイプのレイアウトが難しくなるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化を招かなくて済み、しかも、長尺なＥＧＲパイプも必要としないコンパクトなＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明は、ターボチャージャを搭載し且つ排気管途中のフィルタケース内にパティキュレートフィルタを装備したエンジンのＥＧＲ装置であって、前記フィルタケースを二重殻構造とし且つ該フィルタケースからターボチャージャのタービンに到る排気管を二重管構造として、これらフィルタケース及び排気管の外層部分に、パティキュレートフィルタを経た排気ガスの一部を上流側へ戻すリターン流路を形成し、該リターン流路のタービンに近い最上流部と前記ターボチャージャのコンプレッサの入口との間をＥＧＲパイプにより接続したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタを経た排気ガスの一部がリターン流路に折り返され、フィルタケース及び排気管の外層部分を流れてリターン流路の最上流部からＥＧＲパイプを介しコンプレッサの入口に再循環されることになるが、ここに再循環される排気ガスは、もともと排気管途中のパティキュレートフィルタを経た時点で低温低圧化しており、しかも、大きな表面積で外気に晒されたフィルタケース及び排気管の外層部分を流れる間に放熱により冷却されているので、ここから更にインタークーラに送られて空冷されることで排気ガスの温度が十分に下がり、ＥＧＲクーラ等を用いて排気ガスを水冷する必要がなくなって、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化が未然に回避されることになる。

更に、コンプレッサの入口に再循環される排気ガスは、パティキュレートフィルタを経て除塵された大気よりクリーンなものとなっているので、排気ガス中の煤等によりコンプレッサ下流のインタークーラ内が汚れてしまう心配がなく、しかも、吸気系の中で最も低圧となるコンプレッサの入口に排気ガスを再循環するようにしているので、排気側と吸気側との差圧が十分に確保されて多量の排気ガスが再循環されることになる。

この際、パティキュレートフィルタの後方からコンプレッサの入口まで戻される排気ガスは、その大半の行程をフィルタケース及び排気管の外層部分を成すリターン流路により戻されるので、該リターン流路のタービンに近い最上流部とターボチャージャのコンプレッサの入口との間を短いＥＧＲパイプで接続するだけで済み、全体構造がコンパクトなものとなってＥＧＲパイプのレイアウトにも苦慮しなくて済む。

他方、パティキュレートフィルタ側からすれば、リターン流路を流れる排気ガスにより外周部が断熱保温されて外気に熱を奪われ難くなり、寧ろ排気ガス側から熱を受けて温度の上がり難い外周部が昇温されることになるので、パティキュレートフィルタ全体が効率良く高温化して捕集済みパティキュレートの燃焼が促進され、パティキュレートの燃え残りが少ない確実な再生が行われることになる。

更に、本発明においては、フィルタケース内におけるパティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸蔵還元触媒を配置し、該ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えることが好ましく、このようにすれば、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が確保し難くなる高負荷運転時に排気ガスの再循環を中止し、高負荷運転時の高い排気温度で活性の上がったＮＯx吸蔵還元触媒によりＮＯx低減を図り、排気温度が低下してＮＯx吸蔵還元触媒の活性が下がる低中負荷運転時に排気ガスの再循環を実行してＮＯx低減を図ることが可能となる。

尚、ＮＯx吸蔵還元触媒では、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxが酸化されて硝酸塩の状態で一時的に吸蔵され、燃料添加手段による燃料添加で排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に残りの添加燃料の介在によりＮＯxが分解放出されて還元浄化されるようになっているが、低中負荷運転時では排気ガスの再循環だけで十分なＮＯx低減を図ることが可能であるので、ＮＯx吸蔵還元触媒を再生するための燃料添加が殆ど不要となり、通常のＮＯx吸蔵還元触媒の単独使用の場合よりも燃費悪化を著しく抑制することが可能となる。

更に、フィルタケース内におけるパティキュレートフィルタの後段に消音室を設け、該消音室とパティキュレートフィルタとの間から排気ガスの一部をリターン流路に取り込むように構成すると良く、このようにすれば、消音室で圧力損失を高めてリターン流路への円滑な排気ガスの折り返しを促すことが可能となる。

上記した本発明のＥＧＲ装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ＥＧＲクーラ等を用いて排気ガスを水冷しなくても済むので、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化を未然に回避することができ、しかも、長尺なＥＧＲパイプも不要としてコンパクトなＥＧＲ装置を実現することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを経た排気ガスをリターン流路に流すことにより、パティキュレートフィルタの外周部を断熱保温し且つ積極的に昇温することができるので、パティキュレートフィルタ全体を効率良く高温化して捕集済みパティキュレートの燃焼を促進することができ、より迅速で燃え残りの少ない確実な再生を行うことができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、ＮＯx吸蔵還元触媒と排気ガスの再循環を運転状態に応じて使い分けることにより、互いのＮＯx低減効果を得難い運転領域を補わせて低負荷から高負荷までの広域で良好なＮＯx低減効果を得ることができ、しかも、低中負荷運転時に排気ガスの再循環だけでＮＯx低減を図ることでＮＯx吸蔵還元触媒を再生するための燃料添加を殆ど不要とすることができ、ＮＯx吸蔵還元触媒への燃料添加に起因した燃費悪化を著しく抑制することができる。

（ＩＶ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、フィルタケース内におけるパティキュレートフィルタの後段に設けた消音室で圧力損失を高めることができるので、パティキュレートフィルタを経た排気ガスのリターン流路への円滑な折り返しを促すことができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

また、この排気管１１の途中には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１２がフィルタケース１３に抱持されて装備されており、該フィルタケース１３内におけるパティキュレートフィルタ１２の前段には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス９中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒１４が配置されている。

そして、フィルタケース１３より上流の排気管１１には、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１４を再生するための還元剤として燃料（ＨＣ）を添加する燃料添加装置１５（燃料添加手段）が装備されており、該燃料添加装置１５による燃料添加で排気ガス９中のＯ₂濃度が低下した時に残りの添加燃料の介在によりＮＯxが分解放出されて還元浄化されるようになっている。

更に、前記フィルタケース１３がインナシェル１３ａとアウタシェル１３ｂとから成る二重殻構造とされ、該フィルタケース１３からターボチャージャ２のタービン２ｂに到る排気管１１が内管１１ａと外管１１ｂとから成る二重管構造とされており、これらフィルタケース１３及び排気管１１の外層部分（インナシェル１３ａとアウタシェル１３ｂとの間、及び内管１１ａと外管１１ｂとの間）に、パティキュレートフィルタ１２を経た排気ガス９を上流側へ戻すリターン流路１６，１７が形成されている。

ここで、前記フィルタケース１３は、ＮＯx吸蔵還元触媒１４とパティキュレートフィルタ１２との間で前後に分割できるようになっており、図２に拡大して示す如く、アウタシェル１３ｂの相互連結部は、夫々の端部に設けたフランジ１３ｃを介し着脱自在にボルト締結されるようになっており、該各フランジ１３ｃ同士の締結時にインナシェル１３ａの相互連結部が印ろう形式で嵌まり合うようになっている。

また、前記排気管１１もフィルタケース１３の入側で分割できるようになっており、図３に拡大して示す如く、外管１１ｂの相互連結部が、夫々の端部に設けたフランジ１１ｃを介し着脱自在にボルト締結されるようになっており、該各フランジ１１ｃ同士の締結時に内管１１ａの相互連結部が印ろう形式で嵌まり合うようになっている。

更に、図１に示す如く、前記リターン流路１７のタービン２ｂに近い最上流部と前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口との間が、比較的短いＥＧＲパイプ１８により接続されており、該ＥＧＲパイプ１８には、排気ガス９の再循環量を調整するためのＥＧＲバルブ１９が装備されている。

ここで、リターン流路１７の最上流部とＥＧＲパイプ１８との接続は、図４に拡大して示す如く、該ＥＧＲパイプ１８の端部に設けたフランジ１８ａを、外管１１ｂに設けた開口部１１ｄ周囲の座１１ｅに対しボルト締結することで行われるようになっており、内管１１ａの終端部は、外管１１ｂの終端部に対し溶接されて袋小路を成すようになっている。

そして、図１に示す如く、前記ＥＧＲバルブ１９の開閉作動と前記燃料添加装置１５の燃料添加作動とが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２０からの開度指令信号１９ａと燃料添加指令信号１５ａとにより制御されるようになっており、これらの制御については、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ２１（負荷センサ）からのアクセル開度信号２１ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２２からの回転数信号２２ａとに基づいて以下の如く実行されるようになっている。

即ち、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が確保し難くなる高負荷運転時に、排気ガス９の再循環を中止するべく常時開のＥＧＲバルブ１９が閉じられると共に、排気温度が低下してＮＯx吸蔵還元触媒１４の活性が下がる低中負荷運転時には、燃料添加装置１５による燃料添加が中止されるようにしてある。

また、ここに図示している例においては、フィルタケース１３内におけるパティキュレートフィルタ１２の後段に消音室２３が設けられており、図５に拡大して示す如く、インナシェル１３ａの後方部分における前記消音室２３とパティキュレートフィルタ１２との間の連通孔１３ｄから排気ガス９の一部がリターン流路１６に取り込まれるようになっている。

ここで、前記消音室２３は、セパレータ２３ａに貫通設置した連絡管２３ｂを介し排気ガス９を一旦絞って取り込んだ後、その室内で膨張させてテールパイプ２３ｃに導くことで排気ガス９が持つ音響エネルギーを減衰させるようになっており、この消音室２３で圧力損失が高まることにより、リターン流路１６への円滑な排気ガス９の折り返しが促されるようにしてあり、また、この消音室２３は、フランジ２３ｄ及びフランジ１３ｅを介しボルト締結されていて着脱自在な構造としてある。

尚、図中における２４は排気ブレーキ、２５はＮＯx吸蔵還元触媒１４やパティキュレートフィルタ１２の外周部を保護するクッション材、２６はＮＯx吸蔵還元触媒１４やパティキュレートフィルタ１２の軸心方向の移動を拘束するエンドプレートを示す。

而して、このようにＥＧＲ装置を構成すれば、排気温度が低下してＮＯx吸蔵還元触媒１４の活性が下がる低中負荷運転時に、制御装置２０からの燃料添加指令信号１５ａで燃料添加装置１５による燃料添加が中止される一方、ＥＧＲバルブ１９が開状態に保持されて該ＥＧＲパイプ１８が開通されるので、パティキュレートフィルタ１２を経た排気ガス９の一部がインナシェル１３ａ後方の連通孔１３ｄからリターン流路１６に折り返され、フィルタケース１３及び排気管１１の外層部分を流れてリターン流路１７の最上流部からＥＧＲパイプ１８を介しコンプレッサ２ａの入口に再循環されることになる。

この際、コンプレッサ２ａの入口に再循環される排気ガス９は、もともと排気管１１途中のパティキュレートフィルタ１２を経た時点で低温低圧化しており、しかも、大きな表面積で外気に晒されたフィルタケース１３及び排気管１１の外層部分を流れる間に放熱により冷却されているので、ここから更にインタークーラ６に送られて空冷されることで排気ガス９の温度が十分に下がり、ＥＧＲクーラ等を用いて排気ガス９を水冷する必要がなくなって、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化が未然に回避されることになる。

また、コンプレッサ２ａの入口に再循環される排気ガス９は、パティキュレートフィルタ１２を経て除塵された大気よりクリーンなものとなっているので、排気ガス９中の煤等によりコンプレッサ２ａ下流のインタークーラ６内が汚れてしまう心配がなく、しかも、吸気系の中で最も低圧となるコンプレッサ２ａの入口に排気ガス９を再循環するようにしているので、排気側と吸気側との差圧が十分に確保されて多量の排気ガス９が再循環されることになる。

そして、パティキュレートフィルタ１２の後方からコンプレッサ２ａの入口まで戻される排気ガス９は、その大半の行程をフィルタケース１３及び排気管１１の外層部分を成すリターン流路１６，１７により戻されるので、該リターン流路１６，１７のタービン２ｂに近い最上流部とターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口との間を短いＥＧＲパイプ１８で接続するだけで済み、全体構造がコンパクトなものとなってＥＧＲパイプ１８のレイアウトにも苦慮しなくて済むことになる。

他方、パティキュレートフィルタ１２側からすれば、リターン流路１６を流れる排気ガス９により外周部が断熱保温されて外気に熱を奪われ難くなり、寧ろ排気ガス９側から熱を受けて温度の上がり難い外周部が昇温されることになるので、パティキュレートフィルタ１２全体が効率良く高温化して捕集済みパティキュレートの燃焼が促進され、パティキュレートの燃え残りが少ない確実な再生が行われることになる。

更に、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が確保し難くなる高負荷運転時にあっては、制御装置２０からの開度指令信号１９ａによりＥＧＲバルブ１９が閉じられて排気ガス９の再循環が中止される一方、制御装置２０からの燃料添加指令信号１５ａで燃料添加装置１５による燃料添加が実行されるので、高負荷運転時の高い排気温度で活性の上がったＮＯx吸蔵還元触媒１４によりＮＯx低減が効果的に図られることになる。

従って、上記形態例によれば、ＥＧＲクーラ等を用いて排気ガス９を水冷しなくても済むので、水冷系統の複雑化やラジエータ及びファンの大型化を未然に回避することができ、しかも、長尺なＥＧＲパイプ１８も不要としてコンパクトなＥＧＲ装置を実現することができる。

また、パティキュレートフィルタ１２を経た排気ガス９をリターン流路１６に流すことにより、パティキュレートフィルタ１２の外周部を断熱保温し且つ積極的に昇温することができるので、パティキュレートフィルタ１２全体を効率良く高温化して捕集済みパティキュレートの燃焼を促進することができ、より迅速で燃え残りの少ない確実な再生を行うことができる。

更に、ＮＯx吸蔵還元触媒１４と排気ガス９の再循環を運転状態に応じて使い分けることにより、互いのＮＯx低減効果を得難い運転領域を補わせて低負荷から高負荷までの広域で良好なＮＯx低減効果を得ることができ、しかも、低中負荷運転時に排気ガス９の再循環だけでＮＯx低減を図ることでＮＯx吸蔵還元触媒１４を再生するための燃料添加を殆ど不要とすることができ、ＮＯx吸蔵還元触媒１４への燃料添加に起因した燃費悪化を著しく抑制することができる。

また、特に本形態例においては、フィルタケース１３内におけるパティキュレートフィルタ１２の後段に消音室２３を設け、該消音室２３とパティキュレートフィルタ１２との間の連通孔１３ｄから排気ガス９の一部をリターン流路１６に取り込むように構成しているので、前記消音室２３で圧力損失を高めることにより、パティキュレートフィルタ１２を経た排気ガス９のリターン流路１６への円滑な折り返しを促すことができる。

尚、本発明のＥＧＲ装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、燃料添加手段には、エンジン側におけるポスト噴射や遅延噴射等の燃料噴射制御により未燃燃料を多く残すことで排気ガス中に燃料を添加する形式のものを採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１のフィルタケースの分割構造に関する詳細図である。図１の排気管の分割構造に関する詳細図である。図１のＥＧＲパイプとリターン流路との接続構造に関する詳細図である。図１の消音室の入側の構造に関する詳細図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（エンジン）
２ターボチャージャ
２ａコンプレッサ
２ｂタービン
６インタークーラ
９排気ガス
１１排気管
１２パティキュレートフィルタ
１３フィルタケース
１４ＮＯx吸蔵還元触媒
１５燃料添加装置（燃料添加手段）
１６リターン流路
１７リターン流路
１８ＥＧＲパイプ
１９ＥＧＲバルブ
２３消音室

Claims

ターボチャージャを搭載し且つ排気管途中のフィルタケース内にパティキュレートフィルタを装備したエンジンのＥＧＲ装置であって、前記フィルタケースを二重殻構造とし且つ該フィルタケースからターボチャージャのタービンに到る排気管を二重管構造として、これらフィルタケース及び排気管の外層部分に、パティキュレートフィルタを経た排気ガスの一部を上流側へ戻すリターン流路を形成し、該リターン流路のタービンに近い最上流部と前記ターボチャージャのコンプレッサの入口との間をＥＧＲパイプにより接続したことを特徴とするＥＧＲ装置。
フィルタケース内におけるパティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸蔵還元触媒を配置し、該ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
フィルタケース内におけるパティキュレートフィルタの後段に消音室を設け、該消音室とパティキュレートフィルタとの間から排気ガスの一部をリターン流路に取り込むように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲ装置。