JP2011256851A

JP2011256851A - 排気管内燃料噴射システム

Info

Publication number: JP2011256851A
Application number: JP2010134519A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kawashima; 幸博川島; Akihito Kishi; 彰仁貴志
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN102933804A; CN102933804B; US20130081380A1; JP5768330B2; EP2581573B1; EP2581573A4; WO2011155591A1; US9255516B2; EP2581573A1

Abstract

【課題】燃料噴射弁の先端部の噴霧孔に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積するのを防止することができる排気管噴射システムを提供する。
【解決手段】エンジン１０に排気アダプタ５０を介して排気管１１を接続し、前記排気アダプタ５０に設けた燃料噴射弁５２により排気管１１内に燃料を直接噴射する排気管内燃料噴射システム５であって、前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａを前記排気アダプタ５０内の排気通路５１の内壁に設け、該燃料噴射弁５２の先端部が設けられた内壁は前記排気アダプタ５０内の排気通路５１から拡径方向に突出していると共に、前記排気アダプタ５０内に前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａの周りを冷却するための冷却水通路６４を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の再生を行うために排気アダプタに設けた燃料噴射弁により排気管内に燃料を直接噴射する排気管内燃料噴射システムに関する。

エンジンから排出されるＰＭをＤＰＦと呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する排気ガス浄化システムとして、ＤＰＦと、ＤＰＦの上流側に設けられたＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）とからなる連続再生型ＤＰＦ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この連続再生型ＤＰＦ装置では、排気ガス温度が約３５０℃以上の時には、ＤＰＦに捕集されたＰＭは連続的に燃焼して浄化され、ＤＰＦが自己再生されるが、排気ガス温度が低い場合には、ＤＯＣの温度が低下して活性化しないため、ＰＭを酸化してＤＰＦを自己再生することが困難となる。その結果、ＰＭがＤＰＦに堆積してＤＰＦの目詰まりが進行し、排圧上昇の問題が生じる。

ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ前後の排気の差圧を計測する差圧センサの出力値に比例するため、差圧センサの出力値が所定の差圧を超えたときに、ＥＣＵ（Engine Control Unit）がフィルタの目詰まりを検出し、ＤＰＦ再生を開始する。

排気ガス浄化システムでは、シリンダ（筒）内において燃料のマルチ噴射（多段遅延噴射）やポスト噴射（後噴射）を行うことにより、ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を強制的に上昇させて、ＤＰＦに捕集したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ再生が行われている。マルチ噴射は、エンジンから排出される排気ガスの温度を昇温し、ＤＯＣを触媒活性温度まで昇温させるために行われる。ポスト噴射は、多量の未燃燃料を排気ガス中に供給し、供給した未燃燃料をＤＯＣにて酸化（燃焼）させることで、ＤＰＦ入口における排気ガス温度をＰＭが燃焼する温度以上に上昇させるために行われる。

ＤＰＦ再生が開始されると、ＥＣＵが燃料噴射や排気スロットル、排気ブレーキバルブを制御し、排気ガス温度を上昇させ、ＤＰＦに堆積したＰＭが燃焼される。このＤＰＦ再生においては、ポスト噴射を行うことにより、エンジンオイルに微量ながら燃料が混入するため、所謂ダイリューションと呼ばれる現象が発生する。このダイリューションにより、エンジンオイルの希釈が進むとエンジンの故障を招く虞がある。

一方、前記ポスト噴射によるダイリューションの発生を防止し、再生制御効率を向上させるために、排気管に設けた燃料噴射弁により排気管内に燃料を直接噴射するようにした排気管内燃料噴射システムも提案されている。この排気管噴射システムにおいては、エンジンに設けられるターボチャージャの排気アダプタに燃料噴射ノズルを設けることがエンジンの組み立て上、好ましい。

特開２００７−１６７１３号公報

しかしながら、前記排気管噴射システムにおいては、比較的に排気温度の高い排気アダプタに燃料噴射弁を設けるため、燃料噴射弁の先端部の噴霧孔に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積し、噴霧孔の詰まりの発生が懸念される。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料噴射弁の先端部の噴霧孔に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積するのを防止することができる排気管噴射システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンに排気アダプタを介して排気管を接続し、前記排気アダプタに設けた燃料噴射弁により排気管内に燃料を直接噴射する排気管内燃料噴射システムであって、
前記燃料噴射弁の先端部を前記排気アダプタ内の排気通路の内壁に設け、該燃料噴射弁の先端部が設けられた内壁は前記排気アダプタ内の排気通路から拡径方向に突出していると共に、前記排気アダプタ内に前記燃料噴射弁の先端部の周りを冷却するための冷却水通路を設けたことを特徴とする。

前記排気アダプタに前記排気管の軸心方向から所定の角度に伸びて形成されると共に前記燃料噴射弁の先端部が同径に挿入される挿入孔と、前記排気アダプタ内の排気通路の内壁に前記挿入孔の先端部に向かって縮径して設けられた凹部とを備え、前記燃料噴射弁の先端部を前記挿入孔の先端部から後退させていることが好ましい。

前記冷却水通路に前記エンジンの冷却水を導いて循環させるための冷却水配管を接続することが好ましい。

本発明によれば、燃料噴射弁の先端部の噴霧孔に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積するのを防止することができ、噴霧孔の詰まりを防止することができる。

本願発明の実施形態に係る排気管内燃料噴射システムを備えた排気ガス浄化システムを示す図である。排気管内燃料噴射システムにおけるエンジン回りの構成を概略的に示す斜視図である。排気アダプタの一例を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。排気アダプタと排気管の接続部の構造を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。
先ず、図１を参照して本実施の形態に係る排気管内燃料噴射システムを備えた排気ガス浄化システム１について説明する。この排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンともいう。）１０の排気管１１に排気ガス浄化装置の一つである連続再生型ＤＰＦ（或いはＤＰＤ：Diesel Particulate Defuserともいう）装置１２を備えている。この連続再生型ＤＰＦ装置１２は、排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ１２ｂと、このＤＰＦ１２ｂの上流側に設けられたＤＯＣ１２ａとを備えている。前記ＤＰＦ１２ｂは、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter)からなる。連続再生型ＤＰＦ装置１２の下流の排気管１１には、サイレンサ１３が配置されている。排気ガスＧは、連続再生型ＤＰＦ装置１２により浄化されて、浄化された排気ガスＧｃとしてサイレンサ１３を経由して大気中に放出される。

前記ＤＯＣ１２ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。ＤＰＦ１２ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタ等で形成されている。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持している。排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）は、多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）される。

そして、前記ＤＰＦ１２ｂ上のＰＭの堆積量を推定するために、ＤＰＦ１２ｂの前後に接続された導通管にはＤＰＦ１２ｂ前後の差圧を検出する差圧センサ３１が設けられている。また、連続再生型ＤＰＦ装置１２の下流側の排気管１１には、排気絞り手段としての排気スロットル弁１４が設けられ、連続再生型ＤＰＦ装置１２の上流側の排気管１１には、排気ブレーキ２０が設けられている。

連続再生型ＤＰＦ装置１２内のＤＯＣ１２ａの上流側には、ＤＯＣ１２ａに流入する排気ガスの温度を検出するＤＯＣ入口排気温度センサ３２が設けられ、ＤＯＣ１２ａとＤＰＦ１２ｂとの間には、ＤＰＦ１２ｂに流入する排気ガスの温度を検出するＤＰＦ入口排気温度センサ３３が設けられている。

エンジン１０の吸気管１５には、吸気口からエンジン１０側にかけて、エアクリーナ１６、ＭＡＦセンサ（吸入空気量センサ）１７、ターボチャージャ３６のコンプレッサ３６ｂ、吸気スロットル弁（インテークスロットル）１８が設けられている。吸気スロットル弁１８は、吸気マニホールド３７への吸気量を調整するためのものである。排気マニホールド３８から排出された排気ガスは、ターボチャージャ３６のタービン３６ａ、排気ブレーキ２０を通って、連続再生型ＤＰＦ装置１２に流入するようになっている。ターボチャージャ３６は、エンジン１０に搭載されており、そのタービン３６ａに出口側の排気通路５１を形成する後述の排気アダプタ５０の下端部に排気管１１の先端部が接続されていると共に、排気アダプタ５０に排気管１１内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁５２が設けられている。

また、吸気マニホールド３７と排気マニホールド３８には、エンジン１０から排出される排気ガスの一部を吸気マニホールド３７に戻すためのＥＧＲ管１９が接続され、このＥＧＲ管１９には、吸気マニホールド３７に戻す排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ３９と、吸気マニホールド３７に戻す排気ガス量であるＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁２１とが設けられている。

ＭＡＦセンサ１７、ＤＯＣ入口排気温度センサ３２、ＤＰＦ入口排気温度センサ３３、車速センサ３４、エンジン回転数センサ３５からの信号は、エンジン１０の全般的な制御を行うと共に、ＤＰＦ再生制御も行う制御装置であるＥＣＵ（電子制御ユニット）４０に入力され、このＥＣＵ４０からの制御信号により、排気スロットル弁１４、排気ブレーキ２０、吸気スロットル弁１８、ＥＧＲ弁２１、燃料噴射装置２２、燃料噴射弁５２等が制御されるようになっている。

排気ガス浄化システム１は、総ポスト量算出部と、蓄積ダイリューション量演算部と、再生インターバル測定部と、強制再生部とを備えており、これらはＥＣＵ４０に搭載されている。

総ポスト量算出部は、１回のＤＰＦ再生に要した総ポスト量を算出するようになっている。蓄積ダイリューション量演算部は、ＤＰＦ再生毎のダイリューション量を積算すると共に、走行によって減少するダイリューション量を減算して、蓄積ダイリューション量を演算するようになっている。再生インターバル測定部は、ＤＰＦ再生終了から次のＤＰＦ再生開始までの再生インターバルを測定するようになっている。強制再生部は、ＤＰＦ１２ｂのＰＭ堆積量が所定量を超えたとき、蓄積ダイリューション量が所定の閾値未満であり、かつ再生インターバルが所定の閾値以上であるという条件（以下、自動再生条件という）を満たせば、車両の走行中に自動でＤＰＦ再生する自動再生を行うようになっている。また、強制再生部は、自動再生中には、自動再生ランプ（緑色）２４を点灯するようになっている。

また、強制再生部は、ＤＰＦ１２ｂのＰＭ堆積量が所定量を超えたとき、自動再生条件を満たさなければ、車両の停車中に手動でＤＰＦ再生する手動再生を行うようドライバーに促し、車両の停車中にドライバーの操作により手動再生を行うようになっている。強制再生部は、ＤＰＦ１２ｂのＰＭ堆積量が所定量を超え、かつ自動再生条件が満たされないときには、手動再生ランプ（橙色）２３を点滅させることで、ドライバーに手動再生を促す（警告する）ようになっている。また、強制再生部は、手動再生中には、手動再生ランプ（橙色）２３を点灯させ、手動再生中であることを表示するようになっている。さらに、強制再生部は、ドライバーが停車中に手動再生ボタン（ＤＰＦ手動再生実行スイッチ）２５を押すことにより、手動再生を実行するようになっている。

ここで、ＰＭ堆積量は、差圧センサ３１で検出したＤＰＦ１２ｂ前後の差圧、或いは車速センサ３４で検出した車速を基に演算した走行距離に基づいて検出される。つまり、強制再生部５は、ＤＰＦ１２ｂ前後の差圧が所定の閾値を超えたとき、あるいは、走行距離が所定の閾値を超えたときに、ＤＰＦ１２ｂのＰＭ堆積量が所定量を超えたと判断する。

ＤＰＦ再生では、ＤＯＣ入口排気温度センサ３２、あるいはＤＰＦ入口排気温度センサ３３で検出される排気ガス温度が第１判定値（ＤＯＣの活性温度、例えば２５０℃）より低い時には、燃料のマルチ噴射とポスト噴射又は排気管内噴射を行って、エンジン１０から排出される排気ガスの温度を上昇させ、ＤＯＣ入口排気温度センサ３２あるいはＤＰＦ入口排気温度センサ３３で検出される排気ガス温度が第１判定値以上になったときに、ポスト噴射又は排気管内噴射を行うＰＭ燃焼除去制御を実施し、ＤＰＦ１２ｂの強制再生を行う。ＰＭ燃焼除去制御では、必要に応じてマルチ噴射とポスト噴射又は排気管内噴射を組み合わせる。なお、手動再生においては、排気ガス温度が第１判定値以上となるまで排気ブレーキ２０を閉じ、排気ガス温度を急速に上昇させるようになっている。また、手動再生においては、ＰＭ燃焼除去制御時に排気スロットル弁１４を閉じて排気絞りを行い、排気ガス温度を上昇させるようになっている。

ＤＰＦ再生を行うために前記ターボチャージャ３６の排気アダプタ５０に燃料噴射弁５２を設けて排気管１１内に燃料を直接噴射するようにした排気管内燃料噴射システムにおいては、前記排気アダプタ５０の下端部に前記排気管１１の先端部が接続されるため、その接続部分に燃料噴射弁５２からの噴射燃料がかかり、接続部分から燃料が滲み出して燃料漏れを生じる虞がある。そこで、この問題を解消するために、図２〜図４に示すように、前記排気アダプタ５０の下端部には前記排気管１１の先端フランジ部５３を接続するための下部フランジ部５４が設けられていると共に、これら先端フランジ部５３及び下部フランジ部５４のフランジ面５３ａ，５４ａに燃料がかからないように遮蔽する筒状の遮蔽部５５が前記排気管１１内に突出した状態に設けられている。前記遮蔽部５５の外径ｄは例えば７０ｍｍとされ、遮蔽部５５の突出長さｈは例えば１６．５ｍｍとされる。

前記遮蔽部５５と前記排気管１１との間には毛細管現象で燃料を滲み込ませないための所定の隙間ｓが設けられている。この隙間ｓは、例えば２．７ｍｍとされる。また、前記排気アダプタ５０の下部フランジ部５４と前記排気管１１の先端フランジ部５３との間には、耐熱性及び滑り易い性質を有するモリブデンコートを施したガスケット５６が介設されている。

前記排気アダプタ５０の下部フランジ部５４には複数のスタッドボルト５７が植え込まれ、これらスタットボルト５７にナット５８をねじ込むことにより下部フランジ５４に対して排気管１１の先端フランジ部５３が接続されている。

一方、前記排気アダプタ５０には、その排気通路５１に対して燃料が排気ガスに混合され易いように燃料を斜め下方に向かって噴射するために、燃料噴射弁５２が排気管１１の軸心（軸心線）ｃから所定の角度αで伸びて設けられている。排気アダプタ５０の上側部には、ターボチャージャ３６のタービン３６ａに接続される上部フランジ部５９が設けられている。また、排気アダプタ５０の上下中間部には前記燃料噴射弁５２を取付けるための燃料噴射弁取付け部６０が設けられ、この燃料噴射弁取付け部６０には燃料噴射弁５２の先端部を挿入するための挿入孔６１が設けられている。

前記挿入孔６１に挿入された燃料噴射弁５２の先端部５２ａの噴霧孔６２が高温の排気ガスに晒されることにより排気ガス中の燃料成分が噴霧孔６２に付着堆積することを防止するために、前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａが前記排気アダプタ５０内の排気ガス流に接しないように排気アダプタ５０内の排気通路５１の内壁部から径方向外方に離間させて配置されている。具体的には、前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａが前記排気アダプタ５０内の排気通路５１の内壁に設けられ、該燃料噴射弁５２の先端部が設けられた内壁が前記排気アダプタ５０内の排気通路５１から拡径方向に突出して形成されている。前記排気アダプタ５０内には前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａの周りを冷却するための冷却水通路６４が設けられている。前記排気アダプタ５０の排気通路５１の内壁部には、排気通路５１から前記挿入孔６１の先端部に向かって漸次縮径した円錐状の凹部６３が設けられていると共に、燃料噴射弁５２の先端部５２ａが更に挿入孔６１の先端部と前記凹部６３とが交わる境界から後退させて設けられている。前記冷却水通路６４は前記燃料噴射弁取付け部６０に設けられ、この冷却水通路６４には冷却水配管６５を介してエンジンの冷却水が循環されるようになっている。

以上の構成からなる排気管内燃料噴射システム５によれば、エンジン１０に排気アダプタ５０を介して排気管１１を接続し、前記排気アダプタ５０に設けた燃料噴射弁５２により排気管１１内に燃料を直接噴射する排気管内燃料噴射システム５であって、前記排気アダプタ５０の下端部に前記排気管１１の先端フランジ部５３を接続するための下部フランジ部５４を設けると共に、これら先端フランジ部５３及び下部フランジ部５４のフランジ面５３ａ，５４ａに燃料がかからないように遮蔽する筒状の遮蔽部５５を前記排気管１１内に突出した状態に設けているため、フランジ面５３ａ，５４ａに燃料がかかることがなく、排気アダプタ５０と排気管１１の接続部分からの燃料漏れを防止することができる。

また、前記遮蔽部５５と前記排気管１１との間に燃料を滲み込ませないための所定の隙間ｓを設けているため、燃料漏れを更に防止することができる。更に、前記排気アダプタ５０の下部フランジ部５４と前記排気管１１の先端フランジ部５３との間にモリブデンコートが施されたガスケット５６を介設しているため、モリブデンコートの耐熱性及び滑りやすい性質により対向する先端フランジ部５３と下部フランジ部５４のフランジ面５３ａ，５４ａ間の振動による滑りを許容しつつシール性を確保することができる。

特に、前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａを前記排気アダプタ５０内の排気通路５１の内壁に設け、該燃料噴射弁５２の先端部が設けられた内壁は前記排気アダプタ５０内の排気通路５１から拡径方向に突出していると共に、前記排気アダプタ５０内に前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａの周りを冷却するための冷却水通路６４を設けているため、燃料噴射弁５２の先端部５２ａの噴霧孔６２に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積するのを防止することができ、噴霧孔６２の詰まりを防止することができる。

しかも、前記排気アダプタ５０に前記排気管１１の軸心方向から所定の角度に伸びて形成されると共に前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａが同径に挿入される挿入孔６１と、前記排気アダプタ５０内の排気通路５１の内壁に前記挿入孔６１の先端部に向かって縮径して設けられた凹部６３とを備え、前記燃料噴射弁５２の先端部５２ａを前記挿入孔６１の先端部から後退させているため、燃料噴射弁５２の先端部５２ａの噴霧孔６２に排気ガス中の燃料分が焼き付いて堆積するのを防止することができ、噴霧孔６２の詰まりを防止することができる。

更に、前記冷却水通路６４に前記エンジン１０の冷却水を導いて循環させるための冷却水配管６５を接続しているため、エンジン１０の冷却水を利用して容易に冷却することができる。また、排気管内直接噴射ではポスト噴射と異なりダイリューションを起こさないため、排気ガス浄化システムにおいてダイリューション量の加算をしないことにすることにより手動再生要求頻度が減り、ユーザの利便性が向上する。

５排気管内燃料噴射システム
１０ディーゼルエンジン
１１排気管
１２連続再生型ＤＰＦ装置
１２ａＤＯＣ
１２ｂＤＰＦ
３６ターボチャージャ
５０排気アダプタ
５２燃料噴射弁
５２ａ燃料噴射弁の先端部
６１挿入孔
６３凹部
６４冷却水通路
６５冷却水配管

Claims

エンジンに排気アダプタを介して排気管を接続し、前記排気アダプタに設けた燃料噴射弁により排気管内に燃料を直接噴射する排気管内燃料噴射システムであって、
前記燃料噴射弁の先端部を前記排気アダプタ内の排気通路の内壁に設け、該燃料噴射弁の先端部が設けられた内壁は前記排気アダプタ内の排気通路から拡径方向に突出していると共に、前記排気アダプタ内に前記燃料噴射弁の先端部の周りを冷却するための冷却水通路を設けたことを特徴とする排気管内燃料噴射システム。
前記排気アダプタに前記排気管の軸心方向から所定の角度に伸びて形成されると共に前記燃料噴射弁の先端部が同径に挿入される挿入孔と、前記排気アダプタ内の排気通路の内壁に前記挿入孔の先端部に向かって縮径して設けられた凹部とを備え、前記燃料噴射弁の先端部を前記挿入孔の先端部から後退させたことを特徴とする請求項１記載の排気管内燃料噴射システム。
前記冷却水通路に前記エンジンの冷却水を導いて循環させるための冷却水配管を接続したことを特徴とする請求項１記載の排気管内燃料噴射システム。