JP2010169021A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路に供給される燃料の微粒化を促進することができる排気浄化システムを提供する。
【解決手段】排気浄化システムは、可変ノズル２０がタービン８ｂに設けられたターボ過給機８を備えた内燃機関１に適用され、内燃機関１の排気通路４に設けられた排気浄化触媒１７と、排気浄化触媒１７の上流に燃料を供給する燃料添加弁１６と、ターボ過給機８のタービン８ｂの上流から排気を取り出して燃料添加弁１６に供給する排気供給通路２５とを備え、燃料添加弁１６にて燃料が供給される際にターボ過給機８の可変ノズル２０を閉じ側に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気を浄化するために排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に燃料を添加して浄化能力を再生する排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置では、添加した燃料の微粒化が促進されるほど効率よく触媒の再生を行うことができる。このため、添加された燃料の微粒化促進を目的として、ポンプにて加圧された排気を燃料添加弁に導き、その加圧された排気とともに添加される燃料が触媒の上流に供給される排気浄化装置が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００４−３０８５４９号公報 特開２００３−２８６９０５号公報 特開２００２−２５６８５４号公報

特許文献１の排気浄化装置では、高温、高圧の排気が燃料添加弁に供給されるので、燃料の微粒化を促進できる。しかし、特許文献１の装置では、取り出した排気を加圧するためのポンプや、その加圧された排気を貯蔵するためのタンクなどが必要となり、大掛りなシステムとなって構造の複雑化や部品点数の増加を招いてしまう。

そこで、本発明は、排気通路に供給される燃料の微粒化を促進することができる排気浄化システムを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化システムは、可変ノズルがタービンに設けられたターボ過給機を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流に燃料を供給する燃料添加弁とを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記ターボ過給機の前記タービンの上流から排気を取り出して前記燃料添加弁に供給する排気供給通路と、前記燃料添加弁にて燃料が供給される際に前記ターボ過給機の前記可変ノズルを閉じ側に制御するノズル制御手段と、を備えている（請求項１）。

この内燃機関の排気浄化システムによれば、燃料添加弁から燃料が供給される際に、ターボ過給機の可変ノズルが閉じ側に制御される。これにより、ターボ過給機よりも上流の排気通路が昇圧されるので、タービンの上流から排気を取り出す排気供給通路の排気も昇圧される。このため、ターボ過給機の可変ノズルを活用して高温、高圧の排気を燃料添加弁に導くことができる。これにより、燃料添加弁から高温、高圧の排気とともに燃料を排気通路に供給することができるので、排気通路に供給される燃料の微粒化を促進することができる。また、排気供給通路の排気を昇圧するためのポンプやタンクなどが必要ないので、部品点数の増加等を抑制することができる。

本発明の排気浄化システムの一態様において、前記排気供給通路を開閉する開閉バルブと、前記燃料添加弁が燃料を供給する場合に前記排気供給通路が開通し、かつ前記燃料添加弁が燃料を供給しない場合に前記排気供給通路が閉鎖されるように前記開閉バルブを制御するバルブ制御手段と、を更に備えてもよい（請求項２）。排気供給通路から常に排気が導かれると燃料添加弁が不要に加熱されてしまう。また、不要に加熱された燃料添加弁に燃料が供給されると燃料添加弁内で燃料の固着を招いてしまう。この場合、バルブの動作を制御することによって必要な場合に排気供給通路に排気が導入されるので、燃料添加弁の不要な加熱を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料添加弁に排気供給通路が接続され、その排気供給通路からターボ過給機の可変ノズルを活用して高温、高圧の排気を燃料添加弁に導くことができるため、排気通路に供給される燃料の微粒化を促進することができる。

本発明の一形態に係る排気浄化システムが適用された内燃機関の概略図。 燃料添加弁の要部拡大模式図。 本発明の一形態に係るＥＣＵが実行する燃料添加制御ルーチンの一例を示すフローチャート。 ノズル開度を変数としてノズル補正値を与えるマップ。 過給機の過給圧を変数として図３のステップＳ３の実行からステップＳ４の実行までのタイムラグを与えるマップ。

図１は、本発明の一形態に係る排気浄化システムが適用された内燃機関の概略を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載される。機関本体２には複数の気筒（不図示）が設けられている。各気筒には吸気通路３及び排気通路４がそれぞれ接続されている。吸気通路３は、各気筒に吸気を分配する吸気マニホールド５を有している。また、吸気通路３には、その上流から下流に向かって、吸気ダクト７と、ターボ過給機８のコンプレッサ８ａと、吸気を冷却するインタークーラ１０と、が設けられている。

排気通路４は、各気筒から排出された排気を集合させる排気マニホールド１５を有しており、その排気マニホールド１５の下流には、ターボ過給機８のタービン８ｂと、燃料添加弁１６と、排気浄化手段としての排気浄化触媒１７と、が設けられている。ターボ過給機８のタービン８ｂは排気によって駆動され、これによりタービン８ｂと軸１８で連結されたコンプレッサ８ａが駆動する。軸１８は軸受（不図示）によって支持されており、軸受はハウジング１９内に設けられている。

排気浄化触媒１７は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒として構成されている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は添加された燃料によって排気空燃比をリッチにすることにより、吸蔵したＮＯｘを放出させて窒素（Ｎ_２）に還元するＮＯｘ還元や硫黄酸化物（ＳＯｘ）による被毒を回復させるＳ再生が行われ、浄化能力が再生される。添加された燃料が微粒化されるほど触媒１７全体に燃料が供給されるので、触媒１７の浄化能力は効率よく再生される。

タービン８ｂには、その排気導入口に回動可能な複数の可変ノズル２０が設けられており、このノズル２０の間に形成される流路から排気が導入される。つまり、タービン８ｂは、ノズル２０を回動することによりノズル２０の開度、即ち流路面積を変えることが可能に構成されている。ノズル２０の開度は内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１によって制御される。

このようないわゆるバリアブルノズル式ターボ過給機は、排気の流量の少ない低負荷・低回転領域においては流路の有効面積が小さくなるようにノズル２０開度が閉じ側に制御され、排気の流量の多い高負荷・高回転領域において流路の有効面積が大きくなるようにノズル２０開度が開き側に制御される。これにより、低負荷・低回転領域から高負荷・高回転領域にわたって優れた応答性と高い効率とが実現される。また、ノズル２０開度が閉じ側に制御されると排気の流路面積が小さくなるので、タービン８ｂより上流の排気通路４の圧力が上昇する。

燃料添加弁１６は先端が排気通路４に臨むように設けられており、その先端から燃料が供給される。燃料添加弁１６には燃料通路２２が接続されている。燃料通路２２の上流は機関本体２に設けられた燃料ポンプ２３に接続されており、この燃料ポンプ２３より燃料通路２２を介して燃料が燃料添加弁１６に供給される。また、燃料添加弁１６には、タービン８ｂの上流から排気を取り出して燃料添加弁１６に供給する排気供給通路２５が接続されている。

図２は、燃料添加弁１６の要部を拡大して模式的に示した図である。図２に示すように燃料添加弁１６は、ノズルボディ２６と、ノズルニードル２７と、を備えている。ノズルボディ２６にはノズルニードル２７が燃料通路２２となる隙間を開けて収容されている。ノズルボディ２６の先端には噴孔２８が設けられており、噴孔２８は導入部２９と接続されている。ノズルニードル２７はノズルボディ２６に往復動自在に収容されており、ノズルボディ２６内のノズルニードル２７が弁座３０から上方に持ち上げられると燃料通路２２が開通し、導入部２９に燃料が噴射される。図２の破線の矢印３１は燃料の流れを示している。一方、排気供給通路２５は、ノズルボディ２６内でノズルニードル２７の周囲を囲むように複数の流路に分岐して導入部２９まで延びている。このため、燃料添加弁１６は、導入部２９にて噴射された燃料と排気供給通路２５から導かれた排気とを合流させて、合流させた排気と燃料とを噴孔２８から排気通路４に供給するように構成されている。図２の矢印３２は排気の流れを示している。これにより、燃料添加弁１６に導かれた燃料が排気とともに噴孔２８から噴射されるので、燃料の微粒化が促進される。なお、燃料添加弁１６の構成は周知のものと同じでよいため、詳細な説明は省略する。燃料添加弁１６の燃料添加動作はＥＣＵ２１によって制御される。

また、図１に示すように、排気供給通路２５には、排気供給通路２５を開閉する開閉バルブ３５が設けられている。バルブ３５は排気供給通路２５を開通させる状態と閉鎖させる状態との間で動作する。バルブ３５の動作はＥＣＵ２１によって制御される。

ＥＣＵ２１は、不図示の各種センサから出力された信号を参照しつつ所定のプログラムに従ってノズル２０の開度、燃料添加弁１６の燃料添加動作及びバルブ３５の動作の制御を実行する。図３は、ＥＣＵ２１が実行する燃料添加制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ２１に記憶されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。

ＥＣＵ２１は、ステップＳ１において、このルーチンを実行する条件が成立しているか否か、つまり、触媒１７の再生を行う必要があるか否かを運転状態に応じて判定する。この条件については、例えば、車両走行距離が予め定められた値になったときにこの条件が成立するものとしてもよい。

ステップＳ１の判定が肯定的判定の場合には、ステップＳ２に進み、ステップＳ２では、ノズル２０の開度を補正する。ノズル２０の開度の補正は、例えば、図４に示すようなマップを予め設定し、そのマップを参照することにより実現される。図４は、ノズル２０開度を変数としてノズル２０補正値を与えるマップを示している。図４では、現在のノズル２０の開度（これをノズル基本開度とする）に応じて、ノズル基本開度と補正値との関係が３段階に変化している。詳しくは、ノズル基本開度が閉じ側から開き側に変化するに従って、ノズル基本開度の変化に比例して比較的大きい比例係数で補正値が変化する段階から比例係数が小さく緩やかに変化する段階に変わり、ノズル基本開度が一定値を超えると補正値も一定となる関係を示している。ノズル２０開度の補正は、まず、ノズル基本開度を取得し、図４のマップを参照してノズル基本開度に対応する補正値を算出する。その後、ノズル基本開度に補正値を加えたノズル開度となるようにノズル２０を動作させて、ノズル２０の開度を補正する。そして、続くステップＳ３では、排気供給通路２５が開通されるようにバルブ３５を動作させる。

ステップＳ４では、燃料を添加させるように燃料添加弁１６の動作を制御して今回のルーチンを終了する。また、ＥＣＵ２１は、適切なタイミングでステップＳ４が実行されるように、例えば、図５に示すようなマップを予め設定し、そのマップを参照してステップＳ４を実行する。図５は、過給機の過給圧を変数としてステップＳ３の実行からステップＳ４の実行までのタイムラグを与えるマップを示している。図５では、過給圧が増加するに従って過給圧と反比例してタイムラグは減少し、過給圧が一定値を超えるとタイムラグも一定となる関係を示している。ＥＣＵ２１は、ターボ過給機８に設けられた不図示のセンサから過給圧を取得し、その取得した過給圧に基づいて図５を参照してタイムラグを算出する。そして、その算出されたタイムラグに基づいてステップＳ３とステップＳ４との間に時間差が生じるようにステップＳ４を実行する。

一方、ステップＳ１の判定が否定的判定の場合には、ステップＳ５に進み、ステップＳ５では、燃料添加弁１６の燃料噴射動作を停止させる。続くステップＳ６で排気供給通路２５を閉鎖させるようにバルブ３５を閉じ側に動作させて今回のルーチンを終了する。

この形態によれば、図３のルーチンが実行されることにより、燃料が排気通路４に供給される際には、タービン８ｂのノズル２０の開度が閉じ側に制御される。これにより、タービン８ｂより上流に設けられている排気供給通路２５の排気圧力が昇圧されるので、燃料添加弁１６に高圧の排気が供給される。このため、ノズル２０を活用して高温、高圧の排気を燃料添加弁１６に供給することができる。そして、高温、高圧の排気とともに燃料が排気通路４に供給されるので、燃料の微粒化を促進することができる。また、排気供給通路２５内の排気を高圧にするためのポンプ等の部品が必要ないので、構造の複雑化、部品点数の増加を抑制することができる。図３のルーチンが実行されることにより、ＥＣＵ２１がノズル制御手段及びバルブ制御手段として機能する。

また、排気供給通路２５から常に排気が導かれると燃料添加弁１６が不要に加熱されてしまう。そして、不要に加熱された燃料添加弁１６に燃料が供給されると燃料添加弁１６内で燃料の固着を招いてしまうことがある。この形態によれば、ＥＣＵ２１がバルブ３５の動作を制御することによって必要な場合に排気供給通路２５に排気が導入されるので、燃料添加弁１６の不要な加熱を防止することができる。

但し、本発明は上述の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上述の形態では、排気供給通路２５にバルブ３５を設けているが、バルブ３５を省略してもよい。この場合、図３のルーチンにおいてバルブの制御が不要となる。また、燃料添加弁１６の構成は、排気供給通路から導かれた排気が燃料とともに排気通路に供給される限りにおいて、どのような構成であってもよい。

１ 内燃機関
４ 排気通路
８ ターボ過給機
８ｂ タービン
１６ 燃料添加弁
１７ 排気浄化触媒（排気浄化手段）
２０ 可変ノズル
２１ ＥＣＵ（ノズル制御手段、バルブ制御手段）
２５ 排気供給通路
３５ 開閉バルブ

Claims (2)

1. 可変ノズルがタービンに設けられたターボ過給機を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流に燃料を供給する燃料添加弁とを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記ターボ過給機の前記タービンの上流から排気を取り出して前記燃料添加弁に供給する排気供給通路と、前記燃料添加弁にて燃料が供給される際に前記ターボ過給機の前記可変ノズルを閉じ側に制御するノズル制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記排気供給通路を開閉する開閉バルブと、前記燃料添加弁が燃料を供給する場合に前記排気供給通路が開通し、かつ前記燃料添加弁が燃料を供給しない場合に前記排気供給通路が閉鎖されるように前記開閉バルブを制御するバルブ制御手段と、を更に備える請求項１に記載の排気浄化システム。

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