JP2010127188A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの負荷が小さいときであっても、過給機による過多な空気が排気通路に流入するのを回避しつつ後処理触媒を働かせることができるディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】排気通路１２に連結した排気浄化装置３と、吸気通路１１内の吸気を圧縮する過給機２とを具備するディーゼルエンジン１において、前記過給機２は、排気通路１２に設けたタービン部１３と、吸気通路１１に設けた給気圧縮用のコンプレッサ部１５と、前記タービン部１３とコンプレッサ部１５とを連結するタービン軸１４とから構成され、前記タービン軸１４にローター部１６を軸支し、該ローター部１６の外周に電磁コイル１７を配置し、エンジン負荷が低い時には、前記電磁コイル１７に電流を流し渦電流を発生させるよう制御した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの技術に関し、特に、排気浄化装置を具備するディーゼルエンジンについての技術に関する。

従来、ディーゼルエンジンの排気を浄化する技術として、ディーゼルエンジンの排気通路に後処理触媒を有する排気浄化装置を装備することが知られている。前記後処理触媒は、例えば、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を取り除くパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）で構成されている。前記パティキュレートフィルタの再生可能温度は約３００℃以上である。
また、前記後処理触媒は、燃料の酸化反応を促進し排気ガス温度を上昇させる酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される連続再生式のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、で構成することもできる。前記酸化触媒の活性温度は約３００℃以上である。

また、前記後処理触媒は、燃料の酸化反応を促進し排気ガス温度を上昇させる酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される選択還元ＮＯｘ触媒と、で構成することもできる。前記選択還元ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）は窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して窒素に変えるものであり、例えば、尿素を外部から供給してアンモニアに変え、このアンモニアと排気ガス中のＮＯｘを反応させることで、ＮＯｘを窒素に変える尿素ＳＣＲ装置が知られている。前記選択還元ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）の活性温度は約３５０℃以上である。
すなわち、前記後処理触媒を働かせるためには、少なくとも３００℃以上の高温下で働かせる必要がある。しかし、低負荷域においては、排気温度が低く後処理触媒が働かない。

そこで、ディーゼルエンジンの負荷が小さい場合でも、排気温度を上げるために、絞り弁により吸気や排気を絞ったり、主噴射後の多段噴射で排気温度を上げたりする技術が公知となっている（例えば特許文献１参照）。
また、過給機を備えたディーゼルエンジンも公知となっている。前記過給機は、排気通路側のタービンを回転させることで、タービン及びコンプレッサに連結したタービン軸を介してコンプレッサを回転させ、吸気を圧縮するものである（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−２８０１２１号公報 特開２００６−１７００６０号公報

過給機を備えたディーゼルエンジンにおいて、過給機は十分な空気を確保するため過給する。しかし、ディーゼルエンジンの負荷が低い場合には、過給による過多な空気がガス温度の上昇を抑制する。これは、吸入空気量が少ない状態で燃焼させると排気温度は上がりやすいが、過給機で吸入空気量を多くしているので排気温度が上がりにくいためである。また、タービンが絞りとなり排気ガスの膨張が発生し、タービン下流の排気温度が低下することがある。これらの原因により、後処理触媒が十分に働かないことがあった。このような場合に、例えば、排気温度を上げるために、絞り弁により吸気や排気を絞ったり、主噴射後の多段噴射で排気温度を上げたりすると、燃費の悪化に繋がっていた。

そこで、本発明はかかる課題に鑑み、ディーゼルエンジンの負荷が小さいときであっても、過給機による過多な空気が排気通路に流入するのを回避しつつ後処理触媒を働かせることができるディーゼルエンジンを提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、排気通路に連結した排気浄化装置と、吸気通路内の吸気を圧縮する過給機とを具備するディーゼルエンジンにおいて、前記過給機は、排気通路に設けたタービン部と、吸気通路に設けた給気圧縮用のコンプレッサ部と、前記タービン部とコンプレッサ部とを連結するタービン軸とから構成され、前記タービン軸にローター部を軸支し、該ローター部の外周に電磁コイルを配置し、エンジン負荷が低い時には前記電磁コイルに電流を流し、渦電流を発生させるよう制御したものである。

請求項２においては、前記排気通路にウェストゲートを設け、該ウェストゲートは、前記排気通路のタービン部よりエンジン側に入口を設け、前記排気通路のタービン部より後処理触媒側に出口を設けた構成としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、負荷が低いときに過給機の回転を抑制することにより過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、タービン部へ流入する排気の量を制限することにより排気の膨張を防ぎ、排気温度の低下を防ぐことができる。

請求項２においては、ウェストゲートを開くことにより、排気の膨張を防ぎ、排気温度の低下を防ぐことができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係るディーゼルエンジンの全体的な構成を示した概略図、図２はコントローラの制御系統を示すブロック図、図３はエンジン負荷とエンジン回転数との関係を示す説明図、図４はディーゼルエンジンの全体的な構成を示した概略図である。

まず、本発明におけるディーゼルエンジン１の実施の一形態であるディーゼルエンジンの全体構成について図１を用いて説明する。
前記ディーゼルエンジン１は、燃料の燃焼に必要な空気を吸入するための吸気通路１１と、燃料の燃焼後の排気を排出するための排気通路１２を具備している。また、前記ディーゼルエンジン１は吸気通路１１内の吸気を圧縮する過給機２と、前記ディーゼルエンジン１で発生した排気ガスを浄化し、排出するための排気浄化装置３とを具備する。
前記過給機２は、タービン部１３、タービン軸１４、コンプレッサ部１５などから構成されている。
前記タービン部１３は前記排気通路１２に設けられており、排気をタービン部１３に供給することにより、タービン駆動するように構成している。タービン部１３はタービン軸１４を介して給気圧縮用のコンプレッサ部１５に連結している。

前記タービン軸１４の中途部には、ローター部１６がタービン軸１４に対して相対回転不能に嵌設されている。前記ローター部１６の外周には電磁コイル１７が設けられている。また、前記ローター部１６、電磁コイル１７、及びタービン軸１４はタービン軸室１８内に設けられている。

また、前記排気浄化装置３は、図１及び図２に示す後処理触媒１０、検出手段４０、コントローラ４１、通知手段５０等を具備する。
前記後処理触媒１０は、ディーゼルエンジン１の排気通路１２の最後部に配設されている。前記後処理触媒１０は、例えば、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を取り除くパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）で構成されている。
また、前記後処理触媒１０は、燃料の酸化反応を促進し排気ガス温度を上昇させる酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される連続再生式のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、で構成することもできる。

また、前記後処理触媒１０は、燃料の酸化反応を促進し排気ガス温度を上昇させる酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される選択還元ＮＯｘ触媒と、で構成することもできる。前記選択還元ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）は窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して窒素に変えるものであり、例えば、尿素を外部から供給してアンモニアに変え、このアンモニアと排気ガス中のＮＯｘを反応させることで、ＮＯｘを窒素に変える尿素ＳＣＲ装置が知られている。

検出手段４０は、後処理触媒１０の上流側と下流側の排気圧力や排気温度等を検出するものである。検出手段４０は、図１に示すように、具体的には後処理触媒１０の入口側に配設された圧力センサ４０ａ、後処理触媒１０付近の排気ガス温度を検出する温度センサ４０ｂ、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ４０ｄ、燃料噴射量を検出するラック位置センサ４０ｅ等で構成され、図２に示すように、コントローラ４１と接続される。

コントローラ４１は、図２に示すように、検出手段４０、通知手段５０、電磁コイル１７、ラックアクチュエーター５２等と接続されている。前記コントローラ４１は主として記憶部４２、演算部４３等からなり、記憶部４２は、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ及びデータ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等により構成される。
前記コントローラ４１は、検出手段４０により検出された後処理触媒１０付近の圧力から、ディーゼルエンジン１の負荷を演算し、電磁コイル１７による過給機２の回転抑制制御を行うか否かを判定する。

ラックアクチュエーター５２はソレノイド等で構成され、前記コントローラ４１で演算された燃料噴射量を燃料噴射ポンプから吐出して燃料噴射ノズルに送るようにしている。なお、コモンレール式燃料噴射装置の場合には、ラック位置センサ４０ｅを設けず、コモンレールの圧力を検知するセンサを設け、ラックアクチュエーター５２の代わりに電磁弁式燃料噴射弁を各シリンダに設ける。このシリンダ内への燃料噴射のタイミングを変更することにより、回転数やトルク等を変更可能とするとともに、排気温度の変更や排気ガスへ未燃燃料の供給が可能となる。

吸気絞り弁５３は、電磁弁またはアクチュエータにより開閉される弁体を備えるもので、ディーゼルエンジン１の吸気通路１１に配設され、ディーゼルエンジン１の空気流入量を調節するものである。吸気絞り弁５３の開度を変更することにより、排気ガスの排気流量、排気温度および排気速度の変更が可能となる。
通知手段５０は、後処理触媒１０が正常に働いているかを通知する手段であり、例えば、後処理触媒１０が正常に働いていない場合にはランプやブザー等の警報装置が作動するように構成する。

次に、過給機２の回転抑制制御について説明する。
前記過給機２は十分な空気を確保するため吸気側へ過給するものである。しかし、ディーゼルエンジン１の負荷が低い場合には、過給による過多な空気がガス温度の上昇を抑制し、更に過給機２による膨張で排気温度が下がり、後処理触媒１０が十分に働かないことがあった。すなわち、後処理触媒１０をパティキュレートフィルタで構成した場合、前記パティキュレートフィルタの再生可能温度は約３００℃以上である。また、後処理触媒１０を酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される連続再生式のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、で構成した場合、酸化触媒の活性温度は約３００℃以上である。また、酸化触媒と、前記酸化触媒の下流に設置される選択還元ＮＯｘ触媒と、で構成した場合、前記選択還元ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）の活性温度は約３５０℃以上である。このことから、少なくとも約３００℃以上の高温下でなければ後処理触媒１０は十分に働かない。そこで、ディーゼルエンジン１の負荷が低い場合には、過給機２の回転抑制制御を行うものである。
図３に示す説明図は、ディーゼルエンジン１の駆動時におけるエンジン回転数とエンジン負荷との関係を表した負荷パターンの図であり、記憶部４２に記憶されている。図２では、エンジン回転数を横軸にとり、ラック位置と相関関係にあるエンジン負荷を縦軸にとっている。

本実施形態の負荷パターンＬＰは上向き凸の線である最大トルク線ＭＬで囲まれた領域であり、排気ガス温度が再生可能温度の場合におけるエンジン回転数Ｒとエンジン負荷Ｌとの関係を表した境界ラインＢＬにて上下に分断される。境界ラインＢＬを挟んで上側の領域は、正常に後処理触媒１０が働く領域であり、下側の領域は、後処理触媒１０が働きにくく排気浄化が行えない領域である。

正常に後処理触媒１０が働く領域にある場合には、前記電磁コイル１７に電流を流さず、渦電力を発生させない。このように構成することにより、正常に排気浄化装置３が働く場合には、過給機２が正常に働き吸気を圧縮する。

また、後処理触媒１０が働きにくく排気浄化が行えない領域にある場合には、前記電磁コイル１７に電流を流し、渦電力を発生させる。このように構成することにより、排気浄化装置３が働かない状態の場合には、過給機２の回転が抑制される。すなわち、タービン軸１４に軸支されたローター部１６が電磁コイル１７に渦電流を流すことで発生した磁力によって制動される。これにより、タービン軸１４の回転を抑制する方向の力が働くため、回転を抑制することができる。これにより、吸気通路１１への過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、排気の膨張を防ぎ排気温度の低下を防ぐことができる。

また、後処理触媒１０が働きにくく排気浄化が行えない領域にある場合には、コントローラ４１は、ディーゼルエンジン１の駆動時におけるエンジン回転数とエンジン負荷との関係を表した負荷パターンによって電流値を算出する制御を行うこともできる。前記電磁コイル１７に前記コントローラ４１が算出した電流値の電流を流し、渦電力を発生させる。つまり、負荷が大きいほど電流が小さくなるように電流を流す。
このように構成することにより、排気浄化装置３が働かない場合には、過給機２の回転が抑制される。すなわち、タービン軸１４に軸支されたローター部１６が電磁コイル１７に渦電流を流すことで発生した磁力によって制動される。これにより、タービン軸１４の回転を抑制する方向の力が働くため、回転を抑制することができる。これにより、吸気通路１１への過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、排気の膨張を防ぎ排気温度の低下を防ぐことができる。また、コントローラ４１が、電磁コイル１７に流す電流値を算出する制御を行うことにより、エンジン負荷状態に適した電流値を設定することができる。

また、別の実施例に係る過給機２の回転抑制制御について図４を用いて説明する。
前記タービン軸１４の中途部には、ローター部１６がタービン軸１４に対して相対回転不能に嵌設されている。前記ローター部１６の左右両外側の面に対して平行にブレーキディスク（摩擦体）７０が設けられている。また、前記ローター部１６、ブレーキディスク７０、及びタービン軸１４はタービン軸室１８内に設けられている。前記ブレーキディスク７０を押圧するソレノイドやモーター等からなるアクチュエーターはコントローラ４１と接続されている。

正常に後処理触媒１０が働く領域にある場合には、ブレーキディスク７０を前記ローター部１６と接触しない位置で固定する。このように構成することにより、正常に排気浄化装置３が働く場合には、過給機２が正常に働き吸気を圧縮する。

また、後処理触媒１０が働きにくく排気浄化が行えない領域にある場合には、前記ブレーキディスク７０を前記ローター部１６と接触させるようにアクチュエーターを作動させる。前記同様にコントローラ４１は、ディーゼルエンジン１の駆動時におけるエンジン回転数とエンジン負荷との関係を表した負荷パターンに応じてアクチュエーターは作動され、このアクチュエーターは負荷が大きいほど押圧力は小さくなるように作動させる。
このように構成することにより、排気浄化装置３が働かない状態の場合には、過給機２の回転が抑制される。すなわち、ローター部１６とブレーキディスク７０との摩擦によってローター部１６の回転を制動するため、タービン軸１４及びコンプレッサ部１５の回転を抑制することができる。これにより、過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、排気の膨張を防ぎ排気温度の低下を防ぐことができる。

また、図１に示すように、前記排気通路１２には、タービン部１３を通過することなく排気を後処理触媒１０側へ送るためのウェストゲート１００を設けている。前記ウェストゲート１００は、前記排気通路１２のタービン部１３よりディーゼルエンジン１側に入口１００ａを設け、前記排気通路１２のタービン部１３より後処理触媒１０側に出口１００ｂを設けている。また、前記ウェストゲート１００の中途部には制御弁１０１を設けており、通常時には制御弁１０１を閉状態にすることにより、排気は全てタービン部１３を通過するように構成している。

前記制御弁１０１は、後処理触媒１０が働きにくく排気浄化が行えない領域にある場合には、開状態となるように制御する。このように構成することにより、タービン部１３へ流入する排気量を減少させ、過給機２の回転を抑制することができる。これにより、過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、排気の膨張を防ぎ排気温度の低下を防ぐことができる。

以上のように、排気通路１２に連結した排気浄化装置３と、吸気通路１１内の吸気を圧縮する過給機２とを具備するディーゼルエンジン１において、前記過給機２は、排気通路１２に設けたタービン部１３と、吸気通路１１に設けた給気圧縮用のコンプレッサ部１５と、前記タービン部１３とコンプレッサ部１５とを連結するタービン軸１４とから構成され、前記タービン軸１４にローター部１６を軸支し、該ローター部１６の外周に電磁コイル１７を配置し、エンジン負荷が低い時には、前記電磁コイル１７に電流を流し渦電流を発生させるよう制御したものである。このように構成することにより、負荷が低いときに過給機２の回転を抑制することにより過剰な空気の供給を防ぎ、かつ、タービン部１３へ流入する排気の量を制限することにより排気の膨張を防ぎ、排気温度の低下を防ぐことができる。また、通常時には、過給機２の回転を促進することにより、より多くの空気を供給することが可能となる。

また、前記排気通路１２にウェストゲート１００を設け、該ウェストゲート１００は、前記排気通路１２のタービン部１３よりエンジン側に入口１００ａを設け、前記排気通路１２のタービン部１３より後処理触媒１０側に出口１００ｂを設けた構成としたものである。このように構成することにより、ウェストゲート１００を開くことにより、排気の膨張を防ぎ、排気温度の低下を防ぐことができる。

本発明の一実施例に係るディーゼルエンジンの全体的な構成を示した概略図。 コントローラの制御系統を示すブロック図。 エンジン負荷とエンジン回転数との関係を示す説明図。 ディーゼルエンジンの全体的な構成を示した概略図。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 過給機
３ 排気浄化装置
１０ 後処理触媒
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ タービン部
１４ タービン軸
１５ コンプレッサ部
１６ ローター部
１７ 電磁コイル
１００ ウェストゲート
１００ａ 入口
１００ｂ 出口

Claims (2)

1. 排気通路に連結した排気浄化装置と、吸気通路内の吸気を圧縮する過給機とを具備するディーゼルエンジンにおいて、
   前記過給機は、排気通路に設けたタービン部と、吸気通路に設けた給気圧縮用のコンプレッサ部と、前記タービン部とコンプレッサ部とを連結するタービン軸とから構成され、
   前記タービン軸にローター部を軸支し、該ローター部の外周に電磁コイルを配置し、エンジン負荷が低い時には前記電磁コイルに電流を流し、渦電流を発生させるよう制御したことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記排気通路にウェストゲートを設け、該ウェストゲートは、前記排気通路のタービン部よりエンジン側に入口を設け、前記排気通路のタービン部より後処理触媒側に出口を設けた構成としたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
   

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