JP2007056825A

JP2007056825A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2007056825A
Application number: JP2005245563A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Sugawara; 健祐菅原
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP4601518B2

Abstract

【課題】高空気過剰率を達成するＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、エンジン１の排気ガスの一部をＥＧＲ通路１４ｃを通じてＥＧＲガスとして吸入空気中に還流するＥＧＲ装置において、還流するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー７を前記ＥＧＲ通路に設け、このＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスを冷却するクーラー部７ｂと、このクーラー部のＥＧＲガス流れ方向で上流に設置される触媒部７ａと、この触媒部に燃料を添加する燃料添加手段８とを備え、触媒部に添加して燃料を燃焼させることによりＥＧＲガス中の酸素濃度を低下するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ装置の改良に関するものである。

排気ガス中のＮＯｘ成分を低減する技術として、排気ガスを吸入空気中に再循環させる排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという）が用いられている。これは、吸入空気中に排気ガスを還流することにより、吸気中の酸素濃度を低減し、及び吸気の比熱を増大させて燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制するものである。

しかしながら、ＥＧＲを実施することにより、吸入空気の一部がＥＧＲガスに置換され、吸入空気量が減少し、空気過剰率の低下を招き、スモークが発生する恐れがある。

このため、ＥＧＲガスが流通する経路途中に、特許文献１に開示されるようなＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラーを設けてＥＧＲガスを冷却し、ＥＧＲガスの体積流量を低下させて吸入空気の充填効率を高めて空気過剰率の低下を防止している。

一方で排気ガスの規制強化に伴って、高ＥＧＲ率および高空気過剰率の要求が高まっており、これに対応するため、高圧力比のターボチャージャーを使用して過給圧を高める技術がある。
特開２０００−２４９００３号公報

しかしながら、このような従来のＥＧＲシステムにあっては、過給圧を高めるためターボチャージャーのコンプレッサの圧力比を高圧力比にする必要が生じ、コンプレッサ出口温度が上昇することからコンプレッサホイールの使用材料をより高温度に耐える耐熱材料へ変更したり、２ステージターボチャージャーを使用する必要が生じる。この結果として耐熱材料の使用では大幅なコスト上昇が生じ、また２ステージターボチャージャーの使用では各ターボチャージャーにクーラーを設置するため、コストアップや車載レイアウトの変更が必要になるという課題が生じる。さらには、過給圧を高めることでインテークマニホールド内の圧力が上昇し、この圧力上昇に伴い筒内圧力も上昇するため、エンジンの強度対策が必要になるという課題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、コスト上昇、車載レイアウトの変更やエンジンの強度対策を伴うことなく、高ＥＧＲ率及び高空気過剰率を達成するＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲ通路を通じてＥＧＲガスとして吸入空気中に還流するＥＧＲ装置において、還流するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーを前記ＥＧＲ通路に設け、このＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスを冷却するクーラー部と、このクーラー部のＥＧＲガス流れ方向で上流に設置される触媒部と、この触媒部に燃料を添加する燃料添加手段とを備え、触媒部に添加して燃料を燃焼させることによりＥＧＲガス中の酸素濃度を低下するようにした。

本発明では、ＥＧＲクーラーの触媒部に燃料を添加することにより、ＥＧＲガス中の酸素濃度を低下させる。このため、吸気中に還流するＥＧＲガス流量を低減しても、高いＮＯｘ低減効果を発揮することができる。

また、還流するＥＧＲガス流量を低減できることで、相対的に吸入空気流量を多くすることができ、吸気中の空気過剰率を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１において、１はエンジン、２はエンジン１に吸入空気を供給する吸気通路、３はエンジンで発生した排気ガスを下流に排出する排気通路である。吸気通路２と排気通路３とに渡り、ターボチャージャー４が配置される。このターボチャージャー４は、後述するＥＧＲ制御を行うため、タービンノズルを回動してタービンノズルの開度を調整する可変ノズル式ターボチャージャー（以下、ＶＮＴという）である。ＶＮＴ４のコンプレッサ下流の吸気通路２にはインタークーラー５が設置され、ＶＮＴ４により加圧された吸入空気を冷却し、エンジン１に供給する。

排気通路３のＶＮＴ４上流と吸気通路２のインタークーラー５下流とを接続し、排気ガスを吸気通路２に還流するＥＧＲ通路６が設けられる。このＥＧＲ通路６にＥＧＲクーラー７と、ＥＧＲクーラー７のＥＧＲガス流れ方向下流側に吸入空気中へのＥＧＲガス量を開度の調整により制御するＥＧＲ弁８が備えられる。

ＥＧＲクーラー７には、ＥＧＲガスを冷却するクーラー部７ｂと、クーラー部７ｂの上流側に配置され、後述の燃料添加ノズル９から噴射された燃料（例えば軽油）を用いてＥＧＲガス中の酸素を二酸化炭素に変化させてＥＧＲガス中の酸素濃度を低減させる触媒部７ａとが備えられる。さらに触媒部７ａの上流に燃料を添加する燃料添加ノズル９が設置される。燃料添加ノズル９は燃料供給装置１０に接続し、燃料が供給される。

したがって、ＥＧＲクーラー７に流入したＥＧＲガスは、触媒部７ａで一時的に昇温するが、クーラー部７ｂで冷却され、ＥＧＲクーラー７排出時には流入時に比して温度が低下しているとともに、触媒部７ａでの酸化反応により流入時に比してＥＧＲガス中の酸素濃度が低下して吸入空気中に還流される。

燃料添加ノズル９の燃料添加量及び添加タイミングはＥＣＵ１１によって制御される。ＥＣＵ１１はエンジン１を統合制御するとともに、ＥＣＵ１１には、エンジンの回転速度やエンジン負荷（燃料噴射量）等のエンジン運転状態を検出するエンジン運転状態検出センサ１２、吸気流量を検出する流量センサ１３、吸気中の酸素濃度を検出する濃度センサ１４、吸気の圧力を検出する圧力センサ１５及びＥＧＲクーラー７内のＥＧＲガスの温度を検出する温度センサ１６の出力信号が入力される。ＥＣＵ１１は入力された検出値に基づいて、燃料噴射ノズル９の燃料添加量及び添加タイミングの制御やＥＧＲ弁８及びＶＮＴ４の開度を制御してＥＧＲ制御を実施する。

図２は、ＥＣＵ１１が実施するＥＧＲ制御を説明するフローチャート図である。この制御は所定間隔で実施され、前述の通り、ＥＧＲクーラー７内に燃料を添加してＥＧＲガス中の酸素濃度を低下し、一方で二酸化炭素濃度を上昇させることを特徴とする。

まずステップＳ１で、各センサ１２〜１６からエンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｇｆ、吸入空気流量Ｇａ、ＥＧＲガス温度Ｔｅｘ、吸気中の酸素濃度および吸気圧力Ｐｉｎを読み込む。

ステップＳ２では、読み込んだエンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｇｆおよび吸入空気流量Ｇａから空気過剰率λを算出する。

続くステップＳ３は、読み込んだエンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとから図３に示すようなマップを用いて目標空気過剰率及び目標酸素濃度を算出する。なお、目標空気過剰率及び目標酸素濃度を算出するためのマップはそれぞれ設けられる。

ステップＳ４では、読み込んだ吸入空気流量Ｇａと吸気圧力Ｐｉｎとから図４に示すようなマップを用いて、ＥＧＲガス中への燃料添加実施領域かどうかを判定する。

図４において、燃料添加実施領域は、ＶＮＴ４とＥＧＲ弁８の開度制御のみでステップＳ３で算出した目標空気過剰率と目標酸素濃度を達成する通常制御領域の上限を越え、かつＶＮＴ４のコンプレッサのサージ限界圧力、ＶＮＴ４の限界回転速度や、筒内圧力及びインテークマニホールド内圧力等のエンジン１の構造上の限界圧力未満とする領域に設定されている。つまり、判定結果が通常制御領域の場合にはＶＮＴ４とＥＧＲ弁８の開度制御のみで目標空気過剰率と目標酸素濃度を達成することが可能である場合には、ＥＧＲクーラー７の触媒部７ａに燃料の添加を行わない。

燃料添加実施領域と判定された場合には、ステップＳ５に進み、ＥＧＲガス温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｓｔ以上かどうかを判定する。ここで所定温度Ｔｓｔは、例えば触媒部７ａの活性温度（例えば１８０℃）に設定する。ステップＳ５の条件が成立した場合には、ステップＳ６に進み、吸入空気流量Ｇａと吸気圧力Ｐｉｎとから図５に示すようなマップを用いて、ＥＧＲガス中への燃料添加量を算出し、ＥＧＲクーラー７へ所定量の燃料を添加する。燃料が触媒部７ａに噴射され、触媒部７ａで燃料が酸素と反応することによりＥＧＲガス中の酸素の濃度が低下し、不活性ガスである二酸化炭素の濃度が上昇する。したがって、ＥＧＲクーラー７に触媒部７ａ及び触媒部７ａに燃料を噴射する燃料噴射ノズル９を設けたため、より酸素濃度の低いＥＧＲガスを吸入空気中に還流することができる。

一方、ステップＳ５の条件が不成立の場合には、ステップＳ７に進む。

ステップＳ６での燃料添加後、ステップＳ７でＥＧＲ弁８とＶＮＴ５の開度をフィードバック制御してステップＳ３で設定した目標空気過剰率と目標酸素濃度となるように制御する。

したがって、本発明では、ＥＧＲクーラー７に燃料の添加が可能な領域で、ＥＧＲクーラー７内の触媒部７ａに燃料を添加することにより、ＥＧＲガス中の酸素を不活性ガスである二酸化炭素として、ＥＧＲガス中の酸素濃度を低下し、二酸化炭素濃度を上昇させる。このため、吸入空気中に還流するＥＧＲガス流量を低減しても、図６に示すように少ないＥＧＲガス流量で高いＮＯｘ低減効果を発揮することができる。

また、ＥＧＲクーラー７内に触媒部７ａと燃料添加ノズル９を設ければよく、ＶＮＴ３やエンジン１に大きな変更を必要とせずに目標とする高空気過剰率と高ＥＧＲ率を達成することができ、スモークを増大させることなく、ＮＯｘを低減することができる。

なお、ＥＧＲクーラー７の触媒部７ａに添加する燃料は、軽油に限らず触媒との反応により酸素を消費する燃料であればよい。また、触媒部７ａにススのトラップ機能を備えてもよい。また、燃料添加の制御方法として、インテークマニホールドの酸素濃度に基づいたフィードバック制御としてもよい。さらに、ＥＧＲ弁８とＶＮＴ５の開度制御は、フィードバック制御に限らずオープン制御でもよい。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

ＥＧＲクーラーを備えたＥＧＲシステムの高空気過剰率化に有用である。

本発明の実施の形態を示すエンジンの構成図。ＥＧＲ制御を説明するフローチャート図。エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとから目標空気過剰率及び目標酸素濃度を算出するマップ。燃料添加実施領域を説明する図。エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとから燃料添加量を算出するマップ。ＥＧＲによるＮＯｘ低減率と酸素濃度の関係を示す図。スモークと空気過剰率の関係を示す図。

符号の説明

１エンジン
２吸気通路
３排気通路
４ＶＮＴ
５インタークーラー
６ＥＧＲ通路
７ＥＧＲクーラー
７ａ触媒部
７ｂクーラー部
８ＥＧＲ弁
９燃料噴射ノズル
１０燃料供給装置
１１ＥＣＵ
１２エンジン運転状態検出センサ
１３流量センサ
１４濃度センサ
１５圧力センサ
１６温度センサ

Claims

エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲ通路を通じてＥＧＲガスとして吸入空気中に還流するＥＧＲ装置において、
還流するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーを前記ＥＧＲ通路に設け、
このＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスを冷却するクーラー部と、このクーラー部のＥＧＲガス流れ方向で上流に設置される触媒部と、この触媒部に燃料を添加する燃料添加手段とを備え、
触媒部に添加して燃料を燃焼させることによりＥＧＲガス中の酸素濃度を低下するようにしたことを特徴とするＥＧＲ装置。
前記燃料添加手段を制御するコントローラと、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出センサと、
吸入空気の流量を検出する流量センサと、
吸入空気とＥＧＲガスが混合した吸気の圧力を検出する圧力センサとを備え、
前記コントローラは、検出したエンジンの運転状態に基づいて添加する燃料添加量を算出し、検出した吸入空気流量と吸気圧力とに基づいて、燃料添加実施領域かどうか判定し、燃料添加実施領域である場合に、算出された燃料添加量の燃料を前記触媒部に添加することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
前記ＥＧＲクーラーに流入するＥＧＲガスの温度を検出する温度センサを備え、
前記触媒部への燃料の添加は、検出したＥＧＲガス温度が前記触媒部の活性温度以上のときに実施されることを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲ装置。
前記エンジンに可変ノズル式ターボチャージャーを備え、
前記ＥＧＲ通路にＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ弁を備え、
前記コントローラは、検出されたエンジンの運転状態に応じて目標空気過剰率及び目標酸素濃度を算出し、算出した目標空気過剰率及び目標酸素濃度を達成するように前記可変ノズル式ターボチャージャーと前記ＥＧＲ弁の開度を制御し、
前記目標空気過剰率及び目標酸素濃度が前記開度制御により達成可能な空気過剰率及び酸素濃度を越えた場合に燃料添加実施と判定することを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲ装置。
前記燃料の添加量は、前記エンジンの運転状態に基づいて設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のＥＧＲ装置。