JP2007192153A

JP2007192153A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2007192153A
Application number: JP2006012142A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funahashi; 博舟橋; Takashi Takakura; 隆高倉; Kenji Miyoshi; 健二三好
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】軽負荷時でも良好に排気ガスを再循環し得る低圧ループのＥＧＲ装置をインタークーラの冷却性能の低下を招くことなく実現する。
【解決手段】排気マニホールド１０とパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１との間をバイパス流路１７により接続すると共に、該バイパス流路１７の中途部とコンプレッサ２ａ入側の吸気管５との間をＥＧＲ流路１８により接続し、該ＥＧＲ流路１８のバイパス流路１７に対する接続箇所に、排気マニホールド１０からの排気ガス９を排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁１９を設け、該三方弁１９より上流の排気マニホールド１０に近いバイパス流路１７の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタ２０を設ける。
【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系路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気系路の適宜位置との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路を通して排気ガスを再循環するようにしており、一般的に、ターボチャージャを備えたエンジンにあっては、ターボチャージャのコンプレッサより下流の比較的圧力の高い吸気経路に排気ガスを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コンプレッサより上流の比較的圧力の低い吸気経路に排気ガスを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、前述した如き高圧ループのＥＧＲ装置にあっては、ターボチャージャが十分に機能していない軽負荷時に吸気側と排気側との圧力差が少なくなって、排気ガスを良好に再循環させることが難しくなるという問題があるため、排気ガスの再循環にコンプレッサの吸い込み力を利用することが可能な低圧ループのＥＧＲ装置を併用し、この低圧ループのＥＧＲ装置に軽負荷時における排気ガスの再循環を分担させることが検討されているが、低圧ループのＥＧＲ装置により排気ガスをコンプレッサの入側に再循環した場合には、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て該インタークーラの冷却性能の低下を招く虞れがある。

ここで、インタークーラ内の煤等による汚れを回避するためには、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させることが考えられるが、このようにした場合には、ＥＧＲ流路が長尺なものとなって流路抵抗の増大が避けられなくなり、軽負荷時に排気圧力が大きく低下してしまうことで排気ガスが良好に再循環できなくなって、低圧ループのＥＧＲ装置を併用するメリットが失われてしまう結果となる。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、軽負荷時でも良好に排気ガスを再循環し得る低圧ループのＥＧＲ装置をインタークーラの冷却性能の低下を招くことなく実現することを目的としている。

本発明は、ターボチャージャを搭載し且つ排気管途中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、排気マニホールドとパティキュレートフィルタ入側の排気管との間をバイパス流路により接続すると共に、該バイパス流路の中途部とターボチャージャのコンプレッサ入側の吸気管との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路のバイパス流路に対する接続箇所に、排気マニホールドからの排気ガスを排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁を設け、該三方弁より上流の排気マニホールドに近いバイパス流路の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタを設けたことを特徴とするものである。

而して、三方弁を切り換えてバイパス流路とＥＧＲ流路とを開通させると、排気マニホールドから抜き出された排気ガスがバイパス流路及びＥＧＲ流路を介しコンプレッサ入側の吸気管に再循環されるが、この際、排気マニホールドから抜き出される排気ガスは高温高圧であり、しかも、吸気系路中で最も低圧なコンプレッサ入側の吸気管に再循環されるようになっているので、軽負荷時であっても排気側と吸気側との十分な差圧が確保されて排気ガスが再循環され易くなる。

更に、コンプレッサ入側の吸気管に再循環される排気ガスは、サブ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、排気管の出口付近にあるパティキュレートフィルタを経由させる必要がないことからＥＧＲ流路を短尺なものとして流路抵抗の大幅な低減化を図ることが可能となる。

他方、三方弁を切り換えてＥＧＲ流路を閉塞し且つ排気マニホールドからの排気ガスをパティキュレートフィルタ入側の排気管へ導くと、排気マニホールドから抜き出したばかりの高温の排気ガスがタービンを経由せずに大幅な温度低下なくパティキュレートフィルタに導入され、しかも、サブパティキュレートフィルタに担持された酸化触媒により排気ガス中の未燃燃料分が酸化処理されて反応熱による排気ガスの昇温化が図られるので、パティキュレートフィルタ全体が従来よりも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ることになる。

特にエンジン側で燃料のメイン噴射にポスト噴射を追加する等して積極的に未燃燃料分を排気ガス中に添加するようにすれば、サブパティキュレートフィルタの酸化触媒上で発生する反応熱を増加させて更に大幅な排気ガスの昇温化を図ることが可能となり、パティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを強制的に燃焼除去して前記パティキュレートフィルタの再生を図ることも可能となる。

また、前述した本発明のＥＧＲ装置においては、排気マニホールドとパティキュレートフィルタ入側の排気管との間をバイパス流路により接続しているが、ターボチャージャのタービン出口付近とパティキュレートフィルタ入側の排気管との間をバイパス流路により接続するように変更しても良い。

このようにすれば、排気マニホールドから排気ガスを抜き出した場合よりも排気温度が低くなるものの、タービン出口付近から抜き出したばかりの排気ガスであれば、サブパティキュレートフィルタに導いて排気ガス中の未燃燃料分や捕集済みパティキュレートの酸化反応を促すのに十分な排気温度が得られるので、このサブパティキュレートフィルタで生じる反応熱によりパティキュレートフィルタへ導かれる排気ガスの昇温化を図ることが可能であり、しかも、タービンに排気ガスの全量を導入することにより排気エネルギーを十分に回収し得て燃費の向上を図ることが可能となる。

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、２に記載の発明によれば、排気マニホールドやターボチャージャのタービン出口付近から高温高圧の排気ガスを抜き出して吸気系路中で最も低圧なコンプレッサ入側の吸気管に再循環することができ、しかも、その再循環される排気ガスをサブパティキュレートフィルタで除塵することにより排気管途中のパティキュレートフィルタを経由させない短尺なＥＧＲ流路として流路抵抗の大幅な低減化を図ることができるので、軽負荷時であっても排気側と吸気側との十分な差圧を確保して排気ガスを良好に再循環させることができ、インタークーラ内が煤等で汚れて該インタークーラの冷却性能が低下する虞れも未然に回避することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、必要に応じ三方弁を切り換えてＥＧＲ流路を閉塞し且つ排気マニホールドやターボチャージャのタービン出口付近から抜き出した気ガスをパティキュレートフィルタ入側の排気管へ導くことによって、高温の排気ガスをタービンを経由させずに大幅な温度低下なくパティキュレートフィルタに導入することができ、しかも、サブパティキュレートフィルタに担持された酸化触媒により排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理して反応熱による排気ガスの昇温化を図ることができるので、パティキュレートフィルタ全体を従来よりも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、特にエンジン側で燃料のメイン噴射にポスト噴射を追加する等して積極的に未燃燃料分を排気ガス中に添加するようにすれば、サブパティキュレートフィルタの酸化触媒上で発生する反応熱を増加させて更に大幅な排気ガスの昇温化を図ることができ、パティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを強制的に燃焼除去して前記パティキュレートフィルタの再生を図ることもできる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、エンジンから出たばかりの極めて高い温度の排気ガスを排気マニホールドから抜き出してパティキュレートフィルタ入側の排気管へ導くことができるので、パティキュレートフィルタ全体をより一層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る。

（ＩＶ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気マニホールドから排気ガスを抜き出した場合よりも排気温度が低くなるものの、タービン出口付近から抜き出したばかりの未だ十分に温度の高い排気ガスをサブパティキュレートフィルタに導いて排気ガス中の未燃燃料分や捕集済みパティキュレートの酸化反応を促すことができるので、このサブパティキュレートフィルタで生じる反応熱によりパティキュレートフィルタ内に捕集されたパティキュレートの燃焼を促進する効果を得ることができ、しかも、タービンに排気ガスの全量を導入することにより排気エネルギーを十分に回収し得て燃費の向上を図ることができる。

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、このパティキュレートフィルタ１２は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１２ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１２ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１２ａを区画する多孔質薄壁１２ｂを透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

ここで、図１に図示している例では、排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５の一端部との間をＥＧＲ流路１４で接続し、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部を水冷式のＥＧＲクーラ１５及びＥＧＲバルブ１６を介して吸気管５に再循環するようにした高圧ループのＥＧＲ装置が採用されており、排気側から吸気側へ再循環された排気ガス９で各気筒８内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。

そして、以上に述べた如きターボチャージャ２を搭載し且つ排気管１１途中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に関し、本形態例においては、排気マニホールド１０とパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１との間をバイパス流路１７により接続すると共に、該バイパス流路１７の中途部とターボチャージャ２のコンプレッサ２ａ入側の吸気管５との間をＥＧＲ流路１８により接続し、該ＥＧＲ流路１８のバイパス流路１７に対する接続箇所に、排気マニホールド１０からの排気ガス９を排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁１９を設け、該三方弁１９より上流の排気マニホールド１０に近いバイパス流路１７の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタ２０を設けた低圧ループのＥＧＲ装置を適用している。

前記三方弁１９の詳細は図２〜図５に示す通りであり、図２は三方弁１９の排気ガス再循環時の状態を示しており、弁体２１を回転軸２２を中心として回転することにより吸気側（ＥＧＲ流路１８側）を小さく開いて排気側（排気管１１へ向かうバイパス流路１７側）を閉塞した状態となっており、また、図３は図２の状態から三方弁１９の吸気側（ＥＧＲ流路１８側）を全開にした状態を示している。

図４は後述する三方弁１９の排気昇温時の状態を示しており、吸気側（ＥＧＲ流路１８側）を閉塞して排気側（排気管１１へ向かうバイパス流路１７側）を全開とした状態となっており、図５は三方弁１９の吸気側（ＥＧＲ流路１８側）と排気側（排気管１１へ向かうバイパス流路１７側）の双方を閉塞した状態を示している。

尚、バイパス流路１７の適宜位置に設けられているサブパティキュレートフィルタ２０は、排気管１１途中のパティキュレートフィルタ１２と同様の構造を持つもので、該パティキュレートフィルタ１２の約１／１０程度の比較的小容量のものであれば良い。

而して、図２又は図３のように、三方弁１９を切り換えてバイパス流路１７とＥＧＲ流路１８とを適宜な開度で開通させると、排気マニホールド１０から抜き出された排気ガス９がバイパス流路１７及びＥＧＲ流路１８を介しコンプレッサ２ａ入側の吸気管５に再循環されるが、この際、排気マニホールド１０から抜き出される排気ガス９は高温高圧であり、しかも、吸気系路中で最も低圧なコンプレッサ２ａ入側の吸気管５に再循環されるようになっているので、軽負荷時であっても排気側と吸気側との十分な差圧が確保されて排気ガス９が再循環され易くなる。

更に、コンプレッサ２ａ入側の吸気管５に再循環される排気ガス９は、サブパティキュレートフィルタ２０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、排気管１１の出口付近にあるパティキュレートフィルタ１２を経由させる必要がないことからＥＧＲ流路１８を短尺なものとして流路抵抗の大幅な低減化を図ることが可能となる。

他方、図４のように、三方弁１９を切り換えてＥＧＲ流路１８を閉塞し且つ排気マニホールド１０からの排気ガス９をパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１へ導くと、排気マニホールド１０から抜き出したばかりの高温の排気ガス９がタービン２ｂを経由せずに大幅な温度低下なくパティキュレートフィルタ１２に導入され、しかも、サブパティキュレートフィルタ２０に担持された酸化触媒により排気ガス９中の未燃燃料分が酸化処理されて反応熱による排気ガス９の昇温化が図られるので、パティキュレートフィルタ１２全体が従来よりも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ることになる。

この際、ディーゼルエンジン１側で燃料のメイン噴射にポスト噴射を追加する等して積極的に未燃燃料分を排気ガス９中に添加するようにすれば、サブパティキュレートフィルタ２０の酸化触媒上で発生する反応熱を増加させて更に大幅な排気ガス９の昇温化を図ることが可能となり、パティキュレートフィルタ１２内の捕集済みパティキュレートを強制的に燃焼除去して前記パティキュレートフィルタ１２の再生を図ることも可能となる。

尚、ディーゼルエンジン１の負荷が上昇して、ＥＧＲ流路１４を利用した高圧ループのＥＧＲ装置だけで排気ガス９の再循環を実行し得る運転領域に移行したら、図５のように、三方弁１９を切り換えてＥＧＲ流路１８側と排気管１１へ向かうバイパス流路１７側とを両方とも閉塞すれば良い（低圧ループのＥＧＲ装置による排気ガス９の再循環を流量を調整しつつ併用することも可）。

従って、上記形態例によれば、排気マニホールド１０から高温高圧の排気ガス９を抜き出して吸気系路中で最も低圧なコンプレッサ２ａ入側の吸気管５に再循環することができ、しかも、その再循環される排気ガス９をサブパティキュレートフィルタ２０で除塵することにより排気管１１途中のパティキュレートフィルタ１２を経由させない短尺なＥＧＲ流路１８として流路抵抗の大幅な低減化を図ることができるので、軽負荷時であっても排気側と吸気側との十分な差圧を確保して排気ガス９を良好に再循環させることができ、インタークーラ６内が煤等で汚れて該インタークーラ６の冷却性能が低下する虞れも未然に回避することができる。

また、必要に応じ三方弁１９を切り換えてＥＧＲ流路１８を閉塞し且つ排気マニホールド１０から抜き出した気ガスをパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１へ導くことによって、高温の排気ガス９をタービン２ｂを経由させずに大幅な温度低下なくパティキュレートフィルタ１２に導入することができ、しかも、サブパティキュレートフィルタ２０に担持された酸化触媒により排気ガス９中の未燃燃料分を酸化処理して反応熱による排気ガス９の昇温化を図ることができるので、パティキュレートフィルタ１２全体を従来よりも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る。

特にディーゼルエンジン１側で燃料のメイン噴射にポスト噴射を追加する等して積極的に未燃燃料分を排気ガス９中に添加するようにすれば、サブパティキュレートフィルタ２０の酸化触媒上で発生する反応熱を増加させて更に大幅な排気ガス９の昇温化を図ることができ、パティキュレートフィルタ１２内の捕集済みパティキュレートを強制的に燃焼除去して前記パティキュレートフィルタ１２の再生を図ることもできる。

図６は本発明の別の形態例を示すもので、先に説明した図１〜図５のＥＧＲ装置においては、排気マニホールド１０とパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１との間をバイパス流路１７で接続していたが、本形態例においては、ターボチャージャ２のタービン２ｂ出口付近とパティキュレートフィルタ１２入側の排気管１１との間をバイパス流路１７で接続するように変更しており、該バイパス流路１７の中途部とターボチャージャ２のコンプレッサ２ａ入側の吸気管５との間をＥＧＲ流路１８により接続し、該ＥＧＲ流路１８のバイパス流路１７に対する接続箇所に、タービン２ｂ出口付近からの排気ガス９を排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁１９を設け、該三方弁１９より上流のタービン２ｂ出口に近いバイパス流路１７の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタ２０を設けた構成となっている。

而して、このようにすれば、排気マニホールド１０から排気ガス９を抜き出した場合よりも排気温度が低くなるものの、タービン２ｂ出口付近から抜き出したばかりの排気ガス９であれば、サブパティキュレートフィルタ２０に導いて排気ガス９中の未燃燃料分や捕集済みパティキュレートの酸化反応を促すのに十分な排気温度が得られるので、このサブパティキュレートフィルタ２０で生じる反応熱によりパティキュレートフィルタ１２内に捕集されたパティキュレートの燃焼を促進する効果を得ることができ、しかも、タービン２ｂに排気ガス９の全量を導入することにより排気エネルギーを十分に回収し得て燃費の向上を図ることができる。

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、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒や、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒をパティキュレートフィルタの前後何れかに別体で並設したり、或いは、パティキュレートフィルタに直接担持させたりしても良いこと、燃料添加はポスト噴射以外の手段で実行しても良いこと、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の三方弁の排気ガス再循環時の状態を示す断面図である。図１の三方弁の吸気側を全開にした状態を示す断面図である。図１の三方弁の排気昇温時の状態を示す断面図である。図１の三方弁の吸気側と排気側の双方を閉塞した状態を示す断面図である。本発明の別の形態例を示す概略図である。

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
４吸気
９排気ガス
１０排気マニホールド
１１排気管
１２パティキュレートフィルタ
１７バイパス流路
１８ＥＧＲ流路
１９三方弁
２０サブパティキュレートフィルタ

Claims

ターボチャージャを搭載し且つ排気管途中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、排気マニホールドとパティキュレートフィルタ入側の排気管との間をバイパス流路により接続すると共に、該バイパス流路の中途部とターボチャージャのコンプレッサ入側の吸気管との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路のバイパス流路に対する接続箇所に、排気マニホールドからの排気ガスを排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁を設け、該三方弁より上流の排気マニホールドに近いバイパス流路の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタを設けたことを特徴とするＥＧＲ装置。
ターボチャージャを搭載し且つ排気管途中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、ターボチャージャのタービン出口付近とパティキュレートフィルタ入側の排気管との間をバイパス流路により接続すると共に、該バイパス流路の中途部とターボチャージャのコンプレッサ入側の吸気管との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路のバイパス流路に対する接続箇所に、タービン出口付近からの排気ガスを排気側と吸気側の何れか一方に流量調整しつつ振り分け且つその振り分けを排気側と吸気側の双方について閉塞し得る三方弁を設け、該三方弁より上流のタービン出口に近いバイパス流路の適宜位置に、酸化触媒を担持したサブパティキュレートフィルタを設けたことを特徴とするＥＧＲ装置。