JP2011094625A - 内燃エンジン排気システム - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃エンジン排気システムを提供する。
【解決手段】内燃エンジン排気システム１０は、使用時にエンジン排気ガスをエンジン吸気に再循環する排気ガス再循環パイプ２２を含む。粒子フィルタ１８が設けられており、このフィルタが捕捉した粒子を燃やし尽くすようにバーナー装置３６が構成されている。バーナーの作動による前記フィルタ１８の再生をトリガーするように構成されたトリガー機構が設けられて、排気背圧、最後の燃焼からの経過時間、フィルタによって捕捉された粒子の質量、及び特定のエンジン作動特性のうちの二つ又はそれ以上の組み合わせを感知する。前記バーナーの作動中、排気ガス再循環バルブ２７を閉鎖し、排気ガス再循環を阻止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃エンジン排気システムに関し、更に詳細にはディーゼルエンジン用排気システムに関するがこれに限定されない。
エミッション規制が益々厳しくなってきているため、エンジンの製造者は、全ての形態のエミッションを減少するという必要条件と直面している。ディーゼルエンジンからの粒子エミッションは、ガソリンエンジンと比べてかなり多く、放出された粒子のレベルを減少するための一つの方法は、エンジンが放出した粒子の一定の割合を捕捉する粒子フィルタトラップをディーゼルエンジンの排気システムに設けることである。フィルタは、時間が経つにつれて、フィルタ除去した粒子で目詰まりし、排気システムに過度の背圧が発生しないようにするためにフィルタを再生する必要がある。過度の背圧が発生すると、エンジンの動力出力が低下し、最終的にエンジンが破損する。粒子フィルタを再生するための一つの周知の方法は、エンジンで発生するＮＯXを使用して粒子フィルタを再生すること
である。これらのシステムでは、フィルタ基材に触媒コーティングが施してあるか或いは別の触媒が設置されているかの何れかであり、煤で目詰まりしたフィルタを特定のエンジン状態で通過するＮＯ2により粒子を破壊し、フィルタを浄化する。バーナーシステムを
設けることも知られている。このシステムには、一般的にはディーゼル燃料が供給され、フィルタが目詰まりしたときにフィルタ基材を加熱して粒子を燃焼除去する。フィルタシステムは、特定のエンジン状態での触媒作用を利用した「受動的」再生システムであり、これに対しバーナーシステムは、エンジンの作動状態に拘わらず再生を行うことができる「能動的」システムである。
エミッション規制で規定されている別のエミッションはＮＯXであり、ＮＯXの発生を抑える一つの方法は、エンジンから流出する排気ガスの一定の割合を吸気に戻す排気ガス再循環システムを提供することである。これには二つの効果がある。第１には、排気ガスは、燃焼室での燃焼の目的については不活性ガスである二酸化炭素及び一酸化炭素を大量に含有する。燃焼室に導入される酸素の代わりに二酸化炭素及び一酸化炭素を入れることにより、ＮＯXの形成速度を低下する。更に、燃焼によって発生した熱エネルギの一定の割
合が排気流中の二酸化炭素によって吸収される。これは、二酸化炭素が大きな熱吸収容量を持つため、及び二酸化炭素が燃焼中に分解しないためである。二酸化炭素は、更に、燃焼プロセスからエネルギを吸収する。このようにエネルギが吸収されるため、燃焼圧力及び温度が低下し、これによりＮＯXの発生を減少する。上述のように、ディーゼル粒子フ
ィルタ用触媒再生システムは、ディーゼルエンジンから放出されたＮＯXを使用してフィ
ルタを再生し、フィルタが粒子で目詰まりしないようにする。従って、排気エンジンは、排気ガス再循環によりＮＯXレベルが低下すると、フィルタの再生に利用できるＮＯXが少なくなるためにフィルタが目詰まりを引き起こす、又はフィルタを再生するためにエンジンに比較的多くのＮＯXを発生させると、更に多くのＮＯXが発生するという悪影響が生じるという矛盾に直面する。
本発明の目的は、改良内燃エンジン排気システムを提供することである。
本発明の一つの特徴によれば、排気ガス再循環経路、粒子フィルタ、及び粒子フィルタの再循環を行うバーナーを持つ、内燃エンジン排気システムが提供される。
このように、バーナー再生方法を適用することにより、フィルタの再生にＮＯXはもは
や必要とされない。このことは、エンジンが発生するＮＯXを良好に減少するために大量
の排気ガスの再循環を行うことができるということを意味する。本発明は、全てのエンジン作動システムに亘り、排気ガス再循環システムで得られるＮＯX減少レベルを制限する
ことなく、粒子フィルタの再生を行うことができるシステムを提供する。
好ましい実施例では、内燃エンジン排気システムは、バーナーの作動によるフィルタの再生をトリガーするように構成されたトリガー機構を含む。このトリガー機構は、好ましくは、排気システム内の背圧を感知する。フィルタが目詰まりすると背圧が上昇し、背圧が所定限度を越えるとトリガー機構がバーナーに点火し、粒子フィルタの再生を行う。別の態様では、トリガー機構は、エンジンが所定期間作動した後にバーナーに点火するタイマーであってもよい。フィルタによって保持された粒子の質量を決定するためのセンサ、又は例えば市内走行等のフィルタでの粒子のレベルを上昇させてしまう特定のエンジン作動特性を決定するセンサを含むこの他の変形例のトリガー機構が考えられる。トリガー機構は、上述のセンサの組み合わせを含んでもよい。
内燃エンジン排気システムは、好ましくは、バーナーの作動及び排気ガス再循環の両方を制御する制御手段、例えば電子制御ユニットを含む。
排気ガス再循環経路は、好ましくは、排気システムの粒子フィルタの下流の箇所から排気ガスを取り出す。排気ガス再循環経路は、好ましくは、排気ガス再循環経路内に配置された冷却機構を含む。排気ガス循環は、好ましくは、エンジンの吸気経路に排気ガス再循環バルブを設けることによって行われる。バルブを開放することにより、排気ガスを排気システムの後方からの正圧及び吸気に沿って通過する空気のベンチュリ効果による負圧によって、排気ガス再循環経路に沿って引き込むことができる。かくして、再循環させた排気ガスを吸気ガスと組み合わせる。
排気ガス再循環経路に配置された冷却機構は、バーナーの作動中に追加の冷却を提供するように構成されていてもよい。このように、バーナーの作動中にフィルタを出る排気ガスの排気ガス温度の上昇は、排気ガス再循環が高温によって損なわれないように、冷却機構によって行われる極めて大きな冷却によって補償される。別の態様では、バーナーの作動中に排気ガス再循環が行われないように排気ガス再循環バルブを停止させる制御手段が配置されていてもよい。これにより、高温のガスがエンジンに再循環されないようにする。
本発明の別の特徴によれば、内燃エンジン排気システムの作動方法において、粒子フィルタを提供する工程、この粒子フィルタを作動し、粒子を排気ガス流からフィルタ除去する工程、排気ガスをエンジンの吸気に再循環する工程、及び粒子フィルタをバーナーによって定期的に再生する工程を含む、内燃エンジン排気システムの作動方法が提供される。
粒子フィルタを定期的に再生する工程は、好ましくは、トリガーに応じて再生を行う工程を含み、トリガーは、排気背圧、最後の再生からの経過時間、エンジンの特定の作動状態を示すこの他のエンジンパラメータのうちの一つ又はそれ以上を含む。
排気ガスを再循環する工程は、好ましくは、再循環した排気ガスを冷却する工程を含む。本方法は、好ましくは、バーナーの作動中、再循環した排気ガスに追加の冷却を行ってフィルタを再生する工程を含む。
次に、本発明による内燃エンジン排気システムを例として添付図面を参照して詳細に説明する。
排気システム１０は、エンジン１２から排気ガスを受け取ってこれをターボチャージャー１６の排気側から排気パイプ１４に流入する排気マニホールド（図示せず）を含む。ターボチャージャー１６の下流でパイプは粒子フィルタアッセンブリ１８に流入する。排気ガスは、粒子フィルタ１８の下流で第２パイプ２０に流入する。第２パイプ２０に沿った部分に排気ガス再循環パイプ２２がパイプ２０と流体連通して設けられている。パイプ２０は、排気ガス再循環パイプ２２との接続部を越えて排気システムの残りに延びている。これは従来のものであってここに説明する必要はない。排気ガス再循環パイプ２２は、パイプ２２に沿って流れるガスを冷却できる冷却機構２４を有する。パイプ２２の排気パイプ２０から間隔が隔てられた端部は、ディーゼルエンジン１２の空気入口パイプ２６に接続されている。排気ガス再循環パイプ２２と空気入口パイプ２６との接続部はバルブ２７によって制御される。バルブ２７は、開放状態にある場合には排気ガスをパイプ２０及び２２からクーラー２４を通して空気パイプ２６に流入させることができ、閉鎖された場合にはこうした流れを阻止できる。
フィルタアッセンブリ１８は、排気入口３０及び排気出口３２を持つチャンバ２８を含む。チャンバ２８はフィルタエレメント３４を含み、入口３０を通ってチャンバ２８に進入する排気ガスは出口３２に到達するためにフィルタ３４を通過しなければならない。チャンバ１８は、バーナー装置３６を更に含む。
バーナー装置３６は、燃料貯蔵装置、例えば車輛の燃料タンクから燃料ライン３８を通して燃料を受け取る。燃焼空気は、空気ライン４０を介して提供される。必要な場合にバーナーに点火するため、点火装置４２が設けられている。エンジン１２、排気ガス再循環バルブ２７、及びバーナーアッセンブリ３６を制御するため、電子制御ユニット４４又は電子制御ユニットのアレイが設けられている。
排気ガス背圧センサ４６は、粒子フィルタ１８の直ぐ上流の背圧を感知し、データをＥＣＵ４４に送る。三つの温度センサＴ１、Ｔ２、及びＴ３が、感知した温度データをＥＣＵ４４に送る。Ｔ１はバーナー温度を感知し、Ｔ２はフィルタの上流の温度を感知し、Ｔ３はフィルタの下流の温度を感知する。ＥＣＵ４４は、更に、エンジンから例えばエンジン速度等のデータを受け取り、ブースト圧を感知し、ＥＣＵに伝達する。
使用にあたっては、エンジン１２を通常の方法で作動し、エンジン１２を出る排気ガスをターボチャージャー１６に通し、排気ライン１４に入れる。粒子を含む排気ガスは粒子フィルタ１８を通過し、ここで粒子を排気ガス流からフィルタ除去する。排気ガスは粒子フィルタ１８の下流で排気パイプ２２に流入し、次いで排気システムの残りに流入する。必要な場合には、ＥＣＵ４４は、空気入口パイプ２６と排気ガス再循環パイプ２２との接合部でバルブ２７を開放するように制御する。ライン２２内の排気ガスの後方の正圧、及び吸気パイプ２６を通過する空気のベンチュリ効果による前方の負圧の組み合わせにより排気ガスがパイプ２２に沿って冷却機構２４を通して吸気流２６に引き込まれる。このようにして、空気及び排気ガスを、ターボチャージャー１６の入口側を通ってエンジンの燃焼室に流入する前に吸気流内で互いに混合する。上述のように、吸気流中の排気ガスの存在により燃焼室内の酸素の割合が低下し、これによりＮＯXが大幅に減少する。更に、Ｎ
ＯXは、エンジンが高速で作動している場合にも発生する傾向があり、入口ガス流中の二
酸化炭素の割合が増大することにより、燃焼によるエネルギが更に大きく吸収され、温度上昇を抑える。従って、エンジン１２の燃焼室から出る排気ガス流の温度は、清浄な空気で作動する場合よりも低い。
フィルタ３４は、経時的に、フィルタ除去した粒子で目詰まりしてしまう。これが起こったとき、フィルタ３４を通して排気ガスを押すのに必要な力が増大し、これにより、フィルタの直ぐ上流での排気パイプ１４の背圧が上昇する。背圧が所定限度を越えると、電子制御ユニット４４がバーナー３６の作動を開始する。燃料がライン３８に沿って供給され、空気がライン４０に沿って供給され、バーナーヘッドで混合気を混合し、点火装置４２によってこれに点火する。バーナーに点火するとフィルタ温度が上昇し、これにより、目詰まりを生じた粒子を燃焼除去し、フィルタを目詰まりを解消する。
従って、高レベルの排気ガスを循環させて排気システム１０を作動させることいよりＮＯXの出力レベルを減少し、これと同時に、フィルタ自体のＮＯX再生を必要とするという粒子フィルタの妥協的必要条件をなくす。
図２は、バーナーによって再生される粒子フィルタトラップを持つ排気システムの道路上での作動を示すグラフである。エンジンの速度が大幅に上昇すると、主としてフィルタが粒子で目詰まりするために排気ガス背圧が大幅に上昇するということはわかるであろう。図示のグラフでは、約５６０秒後にバーナーシステムに点火し、フィルタの上流の排気ガス流の温度が５０秒乃至６０秒で約１００℃乃至約６５０℃上昇する。排気ガス温度は、次いで、排気ガス背圧の大幅な低下が検出されるまで、バーナーの作動によって維持される。図でわかるように、バーナーでフィルタを加熱してから短時間、例えば７００秒の時点でも、排気ガス背圧が大幅に低下する。このことは、フィルタを通るガスの通過がバーナーの作動後短時間でも大幅に真っ直ぐになるということを示す。
内燃エンジン及び排気システムの概略図である。 バーナー式粒子フィルタ再生システム１０が内燃エンジン１２（ここではディーゼルエンジン）に連結された、排気システムの作動を示すグラフ図である。
１０ 排気システム
１２ ディーゼルエンジン
１４ 排気パイプ
１６ ターボチャージャー
１８ 粒子フィルタアッセンブリ
２０ 第２パイプ
２２ 排気ガス再循環パイプ
２４ 冷却機構
２６ 空気入口パイプ
２７ 排気ガス再循環バルブ
２８ チャンバ
３０ 排気入口
３２ 排気出口
３４ フィルタエレメント
３６ バーナーアッセンブリ
３８ 燃料ライン
４２ 点火装置
４４ 電子制御ユニット
４９ 空気ライン
４６ 排気ガス背圧センサ

Claims (15)

  1. 内燃エンジン排気システムにおいて、エンジンの排気ガスをエンジンの吸気に再循環する排気ガス再循環経路、粒子フィルタ、及び前記粒子フィルタの再循環を行うバーナーを持つ、内燃エンジン排気システム。
  2. 請求項１に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記バーナーの作動による前記フィルタの再生をトリガーするように構成されたトリガー機構が設けられている、内燃エンジン排気システム。
  3. 請求項２に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記トリガー機構は前記排気システム内の背圧を感知する、内燃エンジン排気システム。
  4. 請求項２に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記トリガー機構は、エンジンが所定期間作動した後にバーナーに点火するタイマーである、内燃エンジン排気システム。
  5. 請求項２に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記トリガー機構は、排気背圧、最後の燃焼からの経過時間、フィルタによって捕捉された粒子の質量、及び特定のエンジン作動特性のうちの二つ又はそれ以上の組み合わせを感知する、内燃エンジン排気システム。
  6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記内燃エンジン排気システムは前記バーナーの作動及び前記排気ガス再循環の両方を制御する制御手段を含む、内燃エンジン排気システム。
  7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記排気ガス再循環経路は、前記排気システムの前記粒子フィルタの下流の箇所から排気ガスを取り出す、内燃エンジン排気システム。
  8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記排気ガス再循環経路は、前記排気ガス再循環経路内に配置された冷却機構を含む、内燃エンジン排気システム。
  9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記排気ガス再循環は、前記エンジンの前記吸気経路に排気ガス再循環バルブを設けることによって行われる、内燃エンジン排気システム。
  10. 請求項８に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、排気ガス再循環経路に配置された前記冷却機構は、前記バーナーの作動中に追加の冷却を提供するように構成されている、内燃エンジン排気システム。
  11. 請求項９に記載の内燃エンジン排気システムにおいて、前記バーナーの作動中、前記排気ガス再循環バルブを閉鎖し、排気ガス再循環を阻止する、内燃エンジン排気システム。
  12. 内燃エンジン排気システムの作動方法において、
    粒子フィルタを提供する工程、この粒子フィルタを作動し、粒子を排気ガス流からフィルタ除去する工程、排気ガスをエンジンの吸気に再循環する工程、及び前記粒子フィルタをバーナーによって定期的に再生する工程を含む、内燃エンジン排気システムの作動方法。
  13. 請求項１２に記載の内燃エンジン排気システムの作動方法において、前記粒子フィルタを定期的に再生する前記工程は、トリガーに応じて再生を行う工程を含み、前記トリガーは、排気背圧、最後の再生からの経過時間、エンジンの特定の作動状態を示すこの他のエンジンパラメータのうちの一つ又はそれ以上を含む、内燃エンジン排気システムの作動方法。
  14. 請求項１２又は１３に記載の内燃エンジン排気システムの作動方法において、前記排気ガスを再循環する前記工程は、再循環した排気ガスを冷却する工程を含む、内燃エンジン排気システムの作動方法。
  15. 請求項１４に記載の内燃エンジン排気システムの作動方法において、前記バーナーの作動中、再循環した排気ガスに追加の冷却を行って前記フィルタを再生する工程を含む、内燃エンジン排気システムの作動方法。
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