JP2009287497A - エンジンの排ガス温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒に供給する排ガスの温度を触媒の活性温度域に維持する。
【解決手段】エンジン１１の排気通路１５に、エンジン１１からの排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣやＣＯ等の内少なくとも一つの成分を浄化する触媒１８を配設したエンジンの排ガス温度制御装置であって、エンジン１１に設けられ、吸気ポートが触媒１８より下流の排気通路１５に接続され、排気ポートが触媒１８より上流の排気通路１５に接続された専用気筒１２ａと、専用気筒１２ａの排気ポートから排出されて触媒１８に供給される排ガスの温度を調節すべく、専用気筒１２ａの吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を開閉制御する制御手段２８とを備えたことを特徴とするエンジンの排ガス温度制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気通路に、上記エンジンからの排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣやＣＯ等の内少なくとも一つの成分を浄化する触媒を配設したエンジンの排ガス温度制御装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出される排ガス中には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等が含まれている。担体にアルカリ又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持させ、排ガスに含まれるＮＯを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させてＮＯｘを浄化するＬＮＴ触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒）や、担体に貴金属を主に担持させ、ＨＣやＣＯを酸化除去する酸化触媒を用いて、エンジンからの排ガスを浄化している（引用文献１等参照）。

特開２００７−３１５２７１号公報

ところで、一般に、ＬＮＴ触媒を用いた後処理装置では、触媒の活性は触媒に供給される排ガスの温度に依存し、排ガスの温度が２３０℃から５００℃の温度範囲（触媒活性温度域）にある場合に必要な浄化率を確保できる。

しかしながら、エンジン始動直後や渋滞時には排ガスの温度が下がり易く、また硫黄脱離処理等の高温処理後には排ガスの温度が６００℃以上の温度から下がり難く、排ガスの温度が触媒活性温度域から外れることで浄化率が低下する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、触媒に供給する排ガスの温度を触媒の活性温度域に維持することができる排ガス温度制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路に、上記エンジンからの排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣやＣＯ等の内少なくとも一つの成分を浄化する触媒を配設したエンジンの排ガス温度制御装置であって、上記エンジンに設けられ、吸気ポートが上記触媒より下流の上記排気通路に接続され、排気ポートが上記触媒より上流の上記排気通路に接続された専用気筒と、該専用気筒の排気ポートから排出されて上記触媒に供給される排ガスの温度を調節すべく、上記専用気筒の吸気バルブ及び排気バルブを開閉制御する制御手段とを備えたものである。

ここで、上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域より低い低温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒に導入し、上記専用気筒のピストンが上昇する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、排ガスを上記専用気筒内で圧縮して加熱し、加熱した排ガスを上記触媒に供給する加熱処理モードを実行するものであっても良い。

また、上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域より高い高温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、上記専用気筒内の排ガスを膨張させて冷却し、上記専用気筒のピストンの下降途中で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒内に導入して冷却し、冷却した排ガスを上記触媒に供給する冷却処理モードを実行するものであっても良い。

また、上記専用気筒内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタを備え、上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒内に導入し、上記専用気筒のピストンが上昇する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、排ガスを上記専用気筒内で圧縮して加熱し、上記専用気筒のピストンの上昇途中で上記筒内噴射用インジェクタにより上記専用気筒内に燃料を噴射して、燃料を上記専用気筒内で気化させ、気化燃料を含む排ガスを上記触媒に供給する燃料気化促進処理モードを実行するものであっても良い。

本発明によれば、触媒に供給する排ガスの温度を触媒の活性温度域に維持することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス温度制御装置の概略図である。

本実施形態に係る排ガス温度制御装置１０は、例えば、トラック等の車両に搭載されるディーゼルエンジンに適用されるものである。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１１は、複数の気筒１２が形成されたエンジン本体１３と、エンジン本体１３に接続された吸気通路１４及び排気通路１５とを備えている。エンジン１１の排気通路１５にはタービン１６が設けられており、エンジン１１の吸気通路１４にはタービン１６により駆動されるコンプレッサ１７が設けられている。

本実施形態の排ガス温度制御装置１０では、エンジン１１の排気通路１５にＬＮＴ触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒）１８を有する後処理装置１９が設けられている。ＬＮＴ触媒１８は、エンジン１１（エンジン本体１３）からの排ガスに含まれるＮＯｘを浄化するものであり、例えば、担体にアルカリ又はアルカリ土類金属を貴金属からなる触媒活性成分と共に担持させて形成されている。

また、ＬＮＴ触媒１８（後処理装置１９）より上流の排気通路１５に、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度を検出するための温度センサ２０が設けられている。

また、エンジン１１の排気通路１５と吸気通路１４とを接続してＥＧＲ通路２１が設けられており、ＥＧＲ通路２１にＥＧＲクーラ２２及びＥＧＲバルブ２３が設けられている。

本実施形態に係る排ガス温度制御装置１０は、エンジン１１（エンジン本体１３）に設けられ、吸気ポートがＬＮＴ触媒１８より下流の排気通路１５に専用吸気通路２４を介して接続され、排気ポートがＬＮＴ触媒１８より上流の排気通路１５に専用排気通路２５を介して接続された専用気筒１２ａと、専用気筒１２ａの排気ポートから排出されてＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度を調節すべく、専用気筒１２ａの吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を開閉制御する制御手段（コントローラ）２８とを備える。

また、本実施形態に係る排ガス温度制御装置１０は、専用気筒１２ａ内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ２９と、専用気筒１２ａの吸気バルブ２６の開閉タイミング、吸気バルブ２６のリフト量、専用気筒１２ａの排気バルブ２７の開閉タイミング及び排気バルブ２７のリフト量を可変とするバルブ駆動機構３０（図２及び図３参照）とを有している。

図２及び図３に示すように、本実施形態のバルブ駆動機構３０は、専用気筒１２ａの吸気バルブ２６或いは排気バルブ２７をなす弁体３１と、弁体３１を閉弁方向（図２中の上方向）に付勢するスプリング３２、３３と、スプリング３２、３３の付勢力に抗して弁体３１を開弁方向（図２中の下方向）にロッカーアーム３４を介して押圧するカム（吸気バルブ用移動カム３５或いは排気バルブ用移動カム３６）とを有している。

本実施形態では、吸気バルブ用移動カム３５及び排気バルブ用移動カム３６にはそれぞれ、後述する加熱処理モード、燃料気化促進処理モード及び冷却処理モードのためのプロファイルＰ１、Ｐ２、Ｐ３が併設されている（図３参照）。また、本実施形態では、吸気バルブ用移動カム３５及び排気バルブ用移動カム３６は、カムシャフト３７に回転不能に設けられ且つカムシャフト３７の軸方向に沿って移動可能に設けられている。吸気バルブ用移動カム３５及び排気バルブ用移動カム３６はそれぞれ、キー３８に沿ってカムシャフト３７の軸方向に移動するようになっている。

本実施形態のバルブ駆動機構３０は、吸気バルブ用移動カム３５或いは排気バルブ用移動カム３６をカムシャフト３７の軸方向に沿って移動させるための左右一対の駆動カム３９と、駆動カム３９を駆動するためのモータ４０とを有している。駆動カム３９の曲面部にはギア４１が設けられており、このギア４１に、モータ４０に取り付けたウォームギア４２が噛合している。

本実施形態では、モータ４０を駆動（正転或いは逆転）させ、左右の駆動カム３９を所定の角度だけ同時に回転させ、吸気バルブ用移動カム３５の吸気バルブ２６（弁体３１）に対する位相を変えることで、吸気バルブ２６の開閉タイミングを吸気バルブ用移動カム３５のプロファイルＰ１〜Ｐ３に応じたタイミングに制御し、或いは排気バルブ用移動カム３６の排気バルブ２７（弁体３１）に対する位相を変えることで、排気バルブ２７の開閉タイミングを排気バルブ用移動カム３６のプロファイルＰ１〜Ｐ３に応じたタイミングに制御するようになっている。

また、本実施形態のバルブ駆動機構３０は、ロッカーアーム３４の支点位置４３を変更すべく回動自在に設けられたポジションプレート４４と、ポジションプレート４４を駆動するためのモータ４５とを有している。ポジションプレート４４は扇状に形成されている。ポジションプレート４４の曲面部にはギア４６が設けられており、このギア４６に、モータ４５に取り付けたウォームギア４７が噛合している。

本実施形態では、モータ４５を駆動（正転或いは逆転）させ、ポジションプレート４４を所定の角度だけ回転させ、ポジションプレート４４に取り付けた吸気バルブ２６のロッカーアーム３４の支点位置４３を移動させることで、吸気バルブ２６（弁体３１）のリフト量を制御し、或いはポジションプレート４４に取り付けた排気バルブ２７のロッカーアーム３４の支点位置４３を移動させることで、排気バルブ２７のリフト量を制御するようになっている。

吸気バルブ２６或いは排気バルブ２７の弁体３１のリフト量Ｘは、ロッカーアーム３４のカム（吸気バルブ用移動カム３５或いは排気バルブ用移動カム３６）による移動量をＳとし、ロッカーアーム３４の支点位置４３からカム（吸気バルブ用移動カム３５或いは排気バルブ用移動カム３６）までの距離をＬ１とし、ロッカーアーム３４の支点位置４３から弁体３１までの距離をＬ２とすれば、以下の式で表せる。

Ｘ＝Ｓ×Ｌ２／Ｌ１
次に、本実施形態の作用を説明する。

コントローラ２８は、温度センサ２０で検出した排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より低い低温度域にあるときには、加熱処理モードを実行するようになっている。

詳しくは、図４に示すように、コントローラ２８は、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より低い低温度域（本実施形態では、２３０℃未満の温度範囲）にあるときには、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程の終期で吸気バルブ２６を開いて、ＬＮＴ触媒１８を通過したＬＮＴ触媒１８より下流の排気通路１５内の排ガスを専用気筒１２ａに導入し、専用気筒１２ａのピストンが上昇する行程の始期で吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を閉じて、排ガスを専用気筒１２ａ内で圧縮して加熱し、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程の始期で排気バルブ２７を開いて、加熱した排ガスをＬＮＴ触媒１８に供給するようになっている。本実施形態では、ピストンの上死点付近での排気バルブ２７とピストンとの干渉を防止するために、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程の始期において、ピストンの上死点付近では排気バルブ２７を閉じるようにしている（図４参照）。

本実施形態の加熱処理モードによれば、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度より低い低温度域にあるときに、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を、専用気筒１２ａで加熱処理を行った後にＬＮＴ触媒１８に供給することで、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度をＬＮＴ触媒１８の活性温度域まで短時間で高めることができ、ＬＮＴ触媒１８による浄化開始までの時間を短縮することが可能となる。また、本実施形態では、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を、専用気筒１２ａで加熱処理を行った後に再びＬＮＴ触媒１８を通過させるので、排気通路１５のテールパイプ４８から排出されるＮＯｘの一層の低減が可能となる。さらに、専用気筒１２ａ内には吸気（新気）を導入せずにＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスを導入し且つ加熱処理モードの実行中に専用気筒１２ａ内に燃料を噴射しないので、専用気筒１２ａ内で燃焼が生じることはなく、エンジン１１の出力に影響を及ぼすことはない。

また、コントローラ２８は、温度センサ２０で検出した排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より高い高温度域にあるときには、冷却処理モードを実行するようになっている。

詳しくは、図５に示すように、コントローラ２８は、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より高い高温度域（本実施形態では、５００℃を越える温度範囲、より好ましくは６００℃を越える温度範囲）にあるときには、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程の始期で吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を閉じて、専用気筒１２ａ内の排ガス（専用気筒１２ａ内に残留する排ガス）を膨張させて冷却し、専用気筒１２ａのピストンの下降途中で吸気バルブ２６を開いて、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスを専用気筒１２ａ内に導入して冷却し、専用気筒１２ａのピストンが上昇する行程の始期で排気バルブ２７を開いて、冷却した排ガスをＬＮＴ触媒１８に供給するようになっている。本実施形態では、ピストンの上死点付近での排気バルブ２７とピストンとの干渉を防止するために、専用気筒１２ａのピストンが上昇する行程の終期において、ピストンの上死点付近では排気バルブ２７を閉じるようにしている（図５参照）。

本実施形態の冷却処理モードによれば、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度より高い高温度域にあるときに、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を、専用気筒１２ａで冷却処理を行った後にＬＮＴ触媒１８に供給することで、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度をＬＮＴ触媒１８の活性温度域まで短時間で下げることができ、ＬＮＴ触媒１８の冷却を促進させることができ、特に硫黄脱離処理等の高温処理後にＬＮＴ触媒１８に用いられる貴金属のシンタリングが促進されることを抑制することが可能となる。また、本実施形態では、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を、専用気筒１２ａで冷却処理を行った後に再びＬＮＴ触媒１８を通過させるので、排気通路１５のテールパイプ４８から排出されるＮＯｘの一層の低減が可能となる。さらに、専用気筒１２ａ内には吸気（新気）を導入せずにＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスを導入し且つ冷却処理モードの実行中に専用気筒１２ａ内に燃料を噴射しないので、専用気筒１２ａ内では燃焼が生じることはなく、エンジン１１の出力に影響を及ぼすことはない。

また、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域にあるときにはＬＮＴ触媒１８のＮＯｘ浄化性能維持に不可欠な還元処理を行う必要があり、コントローラ２８は、温度センサ２０で検出した排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域にあるときには、ＬＮＴ触媒１８に供給する燃料の気化促進処理を行う燃料気化促進処理モードを実行するようになっている。

詳しくは、図６に示すように、コントローラ２８は、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域（本実施形態では、２３０℃〜５００℃の温度範囲）にあるときには、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程の終期で吸気バルブ２６を開いて、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスを専用気筒１２ａ内に導入し、専用気筒１２ａのピストンが上昇する行程の始期で吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を閉じて、排ガスを専用気筒１２ａ内で圧縮して加熱し、専用気筒１２ａのピストンの上昇途中で筒内噴射用インジェクタ２９により専用気筒１２ａ内に燃料を噴射して、燃料を専用気筒１２ａ内で気化させ、専用気筒１２ａのピストンが上死点に至る前に排気バルブ２７を開いて、気化燃料を含む排ガスをＬＮＴ触媒１８に供給するようになっている。本実施形態では、ピストンの上死点付近での排気バルブ２７とピストンとの干渉を防止するために、ピストンが上昇する行程の終期及びピストンが下降する行程の始期において、ピストンの上死点付近では排気バルブ２７を閉じるようにしている（図６参照）。

また、本実施形態では、コントローラ２８は、燃料気化促進処理モードの実行中、バルブ駆動機構３０により専用気筒１２ａの吸気バルブ２６のリフト量、及び、専用気筒１２ａの排気バルブ２７のリフト量を調節して専用気筒１２ａ内での燃料の着火を抑制するようになっている。

本実施形態の燃料気化促進処理モードによれば、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域にあるときに、ピストンにより圧縮・加熱された専用気筒１２ａ内の排ガスに燃料を高圧で噴射することで、燃料の液滴の微粒化と燃料の気化を促進することが可能となる。また、本実施形態では、専用気筒１２ａのピストンが下降する行程では専用気筒１２ａ内に燃料を噴射しないので、燃料の潤滑オイルへの混入と燃料混入による潤滑オイルの希釈を抑制することが可能となる。

なお、コントローラ２８が、温度センサ２０で検出した排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域にあるときに、筒内噴射用インジェクタ２９により専用気筒１２ａ内に燃料を噴射する筒内噴射に加え、筒外噴射用インジェクタ４９（図１参照）によりＬＮＴ触媒１８より上流の排気通路１５内に燃料を噴射する筒外噴射を実行するようにしても良い。

以上要するに、本実施形態によれば、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より低い低温度域にあるときに、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を専用気筒１２ａで加熱処理を行った後にＬＮＴ触媒１８に供給し、一方、ＬＮＴ触媒１８に供給される排ガスの温度がＬＮＴ触媒１８の活性温度域より高い高温度域にあるときに、ＬＮＴ触媒１８を通過した排ガスの一部を専用気筒１２ａで冷却処理を行った後にＬＮＴ触媒１８に供給することで、ＬＮＴ触媒１８に供給する排ガスの温度をＬＮＴ触媒１８の活性温度域に維持することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、触媒としてＮＯｘを浄化するＬＮＴ触媒１８を用いたがこれには限定はされず、触媒としてエンジンからの排ガスに含まれるＨＣやＣＯを浄化する酸化触媒を用いても良い。

また、バルブ駆動機構３０がカムレス方式のものであっても良い。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス温度制御装置の概略図である。 図２は、バルブ駆動機構の概略図である。 図３は、図２の３−３線矢視図である。 図４は、加熱処理モードにおける吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。 図５は、冷却処理モードにおける吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。 図６は、燃料気化促進処理モードにおける吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。

符号の説明

１０ 排ガス温度制御装置
１１ エンジン（ディーゼルエンジン）
１２ａ 専用気筒
１５ 排気通路
１８ ＬＮＴ触媒（触媒）
２６ 吸気バルブ
２７ 排気バルブ
２８ コントローラ（制御手段）
２９ 筒内噴射用インジェクタ

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に、上記エンジンからの排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣやＣＯ等の内少なくとも一つの成分を浄化する触媒を配設したエンジンの排ガス温度制御装置であって、
   上記エンジンに設けられ、吸気ポートが上記触媒より下流の上記排気通路に接続され、排気ポートが上記触媒より上流の上記排気通路に接続された専用気筒と、該専用気筒の排気ポートから排出されて上記触媒に供給される排ガスの温度を調節すべく、上記専用気筒の吸気バルブ及び排気バルブを開閉制御する制御手段とを備えたことを特徴とするエンジンの排ガス温度制御装置。
2. 上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域より低い低温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒に導入し、上記専用気筒のピストンが上昇する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、排ガスを上記専用気筒内で圧縮して加熱し、加熱した排ガスを上記触媒に供給する加熱処理モードを実行する請求項１に記載のエンジンの排ガス温度制御装置。
3. 上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域より高い高温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、上記専用気筒内の排ガスを膨張させて冷却し、上記専用気筒のピストンの下降途中で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒内に導入して冷却し、冷却した排ガスを上記触媒に供給する冷却処理モードを実行する請求項１又は２に記載のエンジンの排ガス温度制御装置。
4. 上記専用気筒内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタを備え、
   上記制御手段は、上記触媒に供給される排ガスの温度が上記触媒の活性温度域にあるとき、上記専用気筒のピストンが下降する行程で上記吸気バルブを開いて、上記触媒を通過した排ガスを上記専用気筒内に導入し、上記専用気筒のピストンが上昇する行程で上記吸気バルブ及び上記排気バルブを閉じて、排ガスを上記専用気筒内で圧縮して加熱し、上記専用気筒のピストンの上昇途中で上記筒内噴射用インジェクタにより上記専用気筒内に燃料を噴射して、燃料を上記専用気筒内で気化させ、気化燃料を含む排ガスを上記触媒に供給する燃料気化促進処理モードを実行する請求項１から３いずれかに記載のエンジンの排ガス温度制御装置。

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