JP2010144564A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気に含まれる可溶性有機成分（ＳＯＦ）のＥＧＲクーラへの流入を阻止する。
【解決手段】内燃機関１は排気通路７の炭化水素酸化触媒８の上流で排気還流通路１５を分岐する。排気還流通路１５には排気還流クーラ１６と、排気還流クーラ１６をバイパスするバイパス通路１７と、排気還流クーラ１６とバイパス通路１７を切り換えるバイパス弁１８とが設けられる。炭化水素酸化触媒の上下流の排気通路の温度差が所定温度差以上の場合に、還流排気が排気還流クーラ１６を通らずバイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８を操作することで、炭化水素を主成分とするＳＯＦの排気還流クーラ１６への流入を防止する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の排気還流（ＥＧＲ）装置に関し、より詳しくはＥＧＲ通路に備えるＥＧＲクーラへの可溶性有機成分（ＳＯＦ）の流入防止に関する。

ディーゼルエンジンが排出する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために排気の一部を吸気に還流する排気還流（ＥＧＲ）通路を設けることが広く知られている。一方、ディーゼルエンジンは運転条件により、炭化水素（ＨＣ）を主成分とする可溶性有機成分（ＳＯＦ）を排出する。ＳＯＦの発生条件下で排気還流を行なうと、排気中のＳＯＦがＥＧＲクーラに堆積して、還流排気の冷却能力に支障を生じる恐れがある。そのため、ＳＯＦの発生しやすい運転条件で排気還流を行なうことは好ましくない。

特許文献１の従来技術は、ＥＧＲ通路のＥＧＲクーラ内あるいはＥＧＲクーラの上流に、ＳＯＦを吸着して選択的に酸化するＳＯＦ吸着酸化触媒を設けることを提案している。この装置によれば、ＳＯＦを含む排気がＥＧＲ通路に流入しても、ＥＧＲクーラ内あるいはＥＧＲクーラの上流に設けたＳＯＦ吸着酸化触媒がＳＯＦを吸着し、酸化するので、ＳＯＦがＥＧＲクーラに堆積するのを防止できる。
特開２００３−２５４１７０号公報

ＳＯＦ吸着酸化触媒が期待されるようなＳＯＦの吸着酸化機能を発揮するには、ＳＯＦ吸着酸化触媒の温度が所定の活性温度に達していなければならない。言い換えれば、活性温度以下で排気還流を行なう場合には、ＳＯＦはＳＯＦ吸着酸化触媒によって除去されずに、ＥＧＲクーラ内に堆積する可能性がある。

したがって、特許文献１の従来技術は必ずしもＳＯＦのＥＧＲクーラへの堆積を完全には防止できない。

この発明は、従来技術のこのような問題点を解決すべくなされたもので、ＳＯＦのＥＧＲクーラへの堆積をより確実に阻止して、ＥＧＲをディーゼルエンジンの広い運転領域に渡って行なえるようにすることを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明は、内燃機関の排気通路の排気の一部を吸気通路に還流する排気還流装置において、排気通路と吸気通路とを接続する排気還流通路と、排気還流通路に設けた排気還流クーラと、排気還流クーラをバイパスするバイパス通路と、排気還流クーラとバイパス通路とを切り換えるバイパス弁と、排気通路に設けた炭化水素酸化触媒と、炭化水素酸化触媒の上下流の排気通路の温度差を検出する温度差検出手段と、温度差が所定温度差以上となった場合に、還流排気が排気還流クーラを通らずバイパス通路を通るようにバイパス弁を操作するバイパス弁操作手段と、を備えている。

炭化水素酸化触媒の上下流の排気通路の温度差は炭化水素酸化触媒の炭化水素の酸化熱によって増大する。排気中の炭化水素は排気に可溶性有機成分（ＳＯＦ）が多く含まれるほど多い。したがって、炭化水素酸化触媒の上下流の排気通路の温度差が所定温度差以上となった場合には、排気中の炭化水素が多いと考えられる。その場合には、バイパス弁操作手段が、還流排気が排気還流クーラを通るように、バイパス弁を操作することで、排気還流クーラへのＳＯＦの流入を防止する。

以下に図面を参照してこの発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、この発明の第１の実施形態による排気還流装置を備えた内燃機関の概略構成図である。図２は排気還流装置が備えるコントローラが実行するバイパス弁切り換えルーチンを説明するフローチャートである。

図１を参照すると、圧縮着火式の多気筒内燃機関１の各気筒には吸気通路２からターボ過給器３のコンプレッサに加給された空気が、インタークーラ４と吸気コレクタ５を介して吸入される。内燃機関１の各気筒においては吸入空気に向けて燃料が噴射され、結果として生成される混合気をピストンが圧縮することで圧縮着火した混合気が燃焼する。

燃焼により生じる排気は排気コレクタ６を介して排気通路７に排出される。排気通路７に排出された排気はターボ過給器３の排気タービンを回転駆動した後、一酸化炭素（ＣＯ）やＨＣを酸化する炭化水素酸化触媒としてのディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）８、窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸着して酸化するＮＯｘトラップ触媒９、粒状物質（ＰＭ）をトラップして燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１０、及び消音用のマフラー１１を介して大気中に放出される。

排気コレクタ６の排気の一部は排気還流（ＥＧＲ）通路１５を介して吸気コレクタ５に還流する。

ＥＧＲ通路１５には還流排気を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ１６と、ＥＧＲクーラ１６をバイパスするバイパス通路１７と、ＥＧＲクーラ１６の上流に設けて、ＥＧＲクーラ１６とバイパス通路１７とを切り換えるバイパス弁１８と、ＥＧＲ通路１５の流量を制御するＥＧＲ弁１９と、が設けられる。

バイパス弁１８の開閉操作とＥＧＲ弁１９の開度は、バイパス弁操作手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０からの指令信号により制御される。

ＥＣＵ２０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ２０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

バイパス弁１８とＥＧＲ弁１９の制御のために、ＥＣＵ２０には、ＤＯＣ８の上流の排気通路７の排気温度ＴＣ＿ＩＮを検出する温度センサ２１と、ＤＯＣ８の下流の排気通路７の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴを検出する温度センサ２２とから、それぞれの検出データが信号入力される。温度センサ２１と２２が温度差検出手段を構成する。

ＥＧＲは、内燃機関１内の混合気の燃焼温度を下げることで、ＮＯｘの生成量を減らす効果をもたらす。しかし、混合気の燃焼温度を下げることで、ＳＯＦの生成が増加する可能性がある。

ＥＣＵ２０は、ＳＯＦの生成状態を確認し、排気中のＳＯＦの含有量が多い場合には、ＥＧＲクーラ１６への還流排気の流入を阻止し、還流排気がバイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８を切り換える。

図２を参照して、このためにＥＣＵ２０が実行するバイパス弁切り換えルーチンを説明する。このルーチンは内燃機関１の運転中に一定時間間隔、例えば１０ミリ秒ごと、に実行される。

ステップＳ１でＥＣＵ２０はＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴが所定温度Ｔｅｍｐ２以下かどうかを判定する。

ＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴが所定温度Ｔｅｍｐ２以下の場合にはＥＣＵ２０はステップＳ３の処理を行なう。ＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴが所定温度Ｔｅｍｐ２以下でない場合には、ＥＣＴ２０はステップＳ２でＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴと上流の排気温度ＴＣ＿ＩＮとの温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上かどうかを判定する。

温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上の場合には、ＥＣＵ２０はステップＳ３の処理を行なう。

ステップＳ３でＥＣＵ２０は、還流排気がＥＧＲクーラ１６を通らず、バイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８を操作する。

ステップＳ２で温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上でない場合には、ＥＣＵ２０はステップＳ４で、還流排気がバイパス通路１７を通らず、ＥＧＲクーラ１６を通るようにバイパス弁１８を操作する。

ステップＳ３またはＳ４の処理の後、ＥＣＵ２０はルーチンを終了する。

ステップＳ１でＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴが所定温度Ｔｅｍｐ２以下の場合には、例えば内燃機関１の始動直後のように、内燃機関１の排気温度が低く、したがって、排気中にＳＯＦが多く含まれていることを意味する。

ステップＳ２で温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上の場合には、ＤＯＣ８でＳＯＦが酸化され、酸加熱を発する結果として、ＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴが上流の排気温度ＴＣ＿ＩＮを大きく上回っていることを意味する。排気中のＳＯＦが少ない場合には、ＤＯＣ８の発熱は少なく、したがって、温度差ΔＴは所定温度差Ｔｅｍｐ１未満となる。逆に、温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上の場合には、排気中に多くのＳＯＦが含まれていることを意味する。

したがって、ステップＳ１とＳ２の判定のいずれかが肯定的な場合には、ＥＣＵ２０は還流排気がＥＧＲクーラ１６を通らず、バイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８を操作し、それ以外の場合には、ＥＣＵ２０は還流排気がバイパス通路１７を通らず、ＥＧＲクーラ１６を通るようにバイパス弁１８を操作するのである。

以上の設定により、排気に含まれるＳＯＦのＥＧＲクーラ１６への堆積をより確実に防止することができる。その結果、内燃機関１の広い運転領域に渡ってＥＧＲを行なうことが可能になる。

図３はこの発明の別の実施形態によるバイパス弁切り換えルーチンを説明するフローチャートである。

図３を参照すると、ＥＣＵ２−はステップＳ１１でＤＯＣ８の下流の排気温度ＴＣ＿ＯＵＴと上流の排気温度ＴＣ＿ＩＮとの温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上かどうかを判定する。なお、所定温度差Ｔｅｍｐ１は１００℃より大きな値に設定される。

温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上の場合には、ＥＣＵ２０はステップＳ１２で還流排気がＥＧＲクーラ１６を通らず、バイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８を操作する。ステップＳ１２の処理の後、ＥＣＵ２０はルーチンを終了する。

ステップＳ１１で温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上でない場合、ＥＣＵ２０はステップＳ１３で温度差ΔＴが１００℃未満かどうかを判定する。

温度差ΔＴが１００℃未満の場合には、ＥＣＵ２０はステップＳ１４で還流排気がバイパス通路１７を通らず、ＥＧＲクーラ１６を通るようにバイパス弁１８を操作する。ステップＳ１４の処理の後、ＥＣＵ２０はルーチンを終了する。

温度差ΔＴが１００℃未満でない場合には、ＥＣＵ２０は何も行なわずにルーチンを終了する。

このルーチンでは温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上になると還流排気がＥＧＲクーラ１６を通らず、バイパス通路１７を通るようにバイパス弁１８が操作される。一方、温度差ΔＴが１００℃未満になると、還流排気がバイパス通路１７を通らず、ＥＧＲクーラ１６を通るようにバイパス弁１８が操作される。

したがって、温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１以上になるまでは、ＥＧＲクーラ１６を使用するが、ＥＧＲクーラ１６からバイパス通路１７への切り換えが行なわれた後は、温度差ΔＴが所定温度差Ｔｅｍｐ１より低い１００℃を下回るまで、バイパス通路１７からＥＧＲクーラ１６への切り換えは行なわれない。

このように、バイパス弁１８の切り換え温度を温度差ΔＴの増大時と減少時とで異ならせることにより、バイパス弁１８の頻繁な切り換えを抑制することかできる。

以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲の技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

この発明の第１の実施形態による排気還流装置を備えた内燃機関の概略構成図である。 排気還流装置が備えるコントローラが実行するバイパス弁切り換えルーチンを説明するフローチャートである。 この発明の第２の実施形態によるバイパス弁切り換えルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
７ 排気通路
８ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
９ トラップ触媒
１１ マフラー
１５ 排気還流（ＥＧＲ）通路
１６ ＥＧＲクーラ
１７ バイパス通路
１８ バイパス弁
１９ ＥＧＲ弁
２０ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２１ 温度センサ
２２ 温度センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路の排気の一部を吸気通路に還流する排気還流装置において、
   排気通路と吸気通路とを接続する排気還流通路と、
   排気還流通路に設けた排気還流クーラと、
   排気還流クーラをバイパスするバイパス通路と、
   排気還流クーラとバイパス通路とを切り換えるバイパス弁と、
   排気通路に設けた炭化水素酸化触媒と、
   炭化水素酸化触媒の上下流の排気通路の温度差を検出する温度差検出手段と、
   温度差が所定温度差を超えている場合に、還流排気が排気還流クーラを通らずバイパス通路を通るようにバイパス弁を操作するバイパス弁操作手段と、
   を備える、ことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 炭化水素酸化触媒の上流の排気通路の温度が所定温度以下の場合に、還流排気が排気還流クーラを通らずバイパス通路を通るようにバイパス弁を操作する手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 温度差が所定温度差より小さい第２の所定温度差を下回る場合にのみ、還流排気がバイパス通路を通らず排気還流クーラを通るようにバイパス弁を操作する手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 温度差検出手段は、炭化水素酸化触媒の上流の排気通路の温度を検出する温度センサと、炭化水素酸化触媒の下流の排気通路の温度を検出する温度センサを備え、バイパス弁操作手段は、ふたつの温度センサの検出する温度の温度差が所定温度差に満たない場合に、還流排気が排気還流クーラを通らずバイパス通路を通るようにバイパス弁を操作するようプログラムされたプログラマブルコントローラを備える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。

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