JP2014156786A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の消費を抑えた上で、排気浄化触媒の温度を上昇させる。
【解決手段】エンジン１の排気管３０に設けられた選択還元型触媒３４と、選択還元型触媒３４の上流側の排気管３０から排気を導入し、エンジン１の吸気管２０に還流する低圧排気還流通路４５と、低圧排気還流通路４５を介して吸気管２０に還流する排気の流量を制御する排気還流バルブ４８と、を備えたエンジン１の排気浄化装置であって、選択還元型触媒３４に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ５８を備え、排気温度センサ５８により検出された排気温度が所定温度未満の場合に、排気の還流を行うように排気還流バルブ４８の作動制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化触媒と排気還流路を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンの排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えばディーゼルエンジンの排気通路には、ディーゼルパティキュレートフィルタが搭載され、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する機能を有する。更に、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を備え、酸化触媒に燃料を供給して燃焼させ、排気温度を上昇させ、ディーゼルパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを燃焼除去するものが知られている。更に、ディーゼルエンジンの排気通路には、尿素水等の還元剤を用いて排気中のＮＯxを還元除去する選択還元型触媒が備えられているものもある。

また、エンジンからのＮＯxの排出量を低下させる方法として、排気還流装置が知られている。排気還流装置は、例えばエキゾーストマニフォールドからインテークマニフォールドへ高温高圧の排気を還流する高圧排気還流装置が知られている。また、ターボチャージャを備えたエンジンにおいては、吸気圧が上昇して、排気が吸気通路に還流し難くなるので、ターボチャージャのタービンより下流側の低圧の排気をコンプレッサの上流側の吸気通路に還流させる低圧排気還流装置が開発されている。

例えば特許文献１では、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられたターボチャージャのタービンの下流側に、上流側から順番に酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ、選択還元型触媒を介装し、ディーゼルパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間で排気通路に尿素水等の還元剤を供給する構成となっている。更に、特許文献１では、高圧排気還流装置と低圧排気還流装置を備えており、低圧排気還流装置はディーゼルパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間の排気通路から排気を導入してコンプレッサの上流側の吸気通路に還流する構成となっている。

特許第４７３０３３６号公報

ところで、上記特許文献１のように選択還元型触媒（排気浄化触媒）を備えたエンジンでは、選択還元型触媒の温度が活性温度より低下しているときに尿素水を供給しても、選択還元型触媒において浄化が十分に行うことができない。
そこで、選択還元型触媒の温度を上昇させる装置を備えたエンジンも開発されている。例えば膨張行程或いは排気行程において燃料を追加噴射する所謂ポスト噴射を行なって、選択還元型触媒の上流側に備えた酸化触媒に燃料を供給する。これにより、酸化触媒にて燃料を酸化させて、排気の温度を上昇させ、昇温した排気を選択還元型触媒に流入させることで、選択還元型触媒の温度を上昇させる。

しかしながら、このようにポスト噴射を行うと、燃料の消費量を増大させ、燃費を低下させてしまう。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気浄化触媒を備えるとともに排気還流路を備えたエンジンにおいて、燃料消費を抑えた上で、排気浄化触媒を昇温可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、エンジンの排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側の前記排気通路から排気を導入し、エンジンの吸気通路に還流する排気還流路と、排気還流路を介して吸気通路に還流する排気の流量を制御する排気還流量制御手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、排気浄化触媒に流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、排気温度検出手段により検出された排気温度が所定温度未満の場合に、排気の還流を行うように前記排気還流量制御手段の作動制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、制御手段は、排気温度検出手段により検出された排気温度が所定温度未満の場合に、排気温度が低下するに伴って排気還流路を介する排気の還流量を増加させるように排気還流量制御手段を制御することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１または２において、エンジンの所定の運転領域において排気浄化触媒に還元剤を供給し、排気浄化触媒にて還元剤によりエンジンの排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元剤供給手段を備え、制御手段は、エンジンの所定の運転領域において、排気温度検出手段により検出された排気温度が所定温度未満の場合に、排気の還流を行うよう排気還流量制御手段の作動制御を行うことを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１から３のいずれか１項において、排気浄化触媒の上流側の排気通路に備えられた酸化触媒と、エンジンの主噴射後の燃料噴射により酸化触媒に未燃燃料を供給するポスト噴射手段とを備え、制御手段は、排気還流路を介した排気の還流によって排気温度が所定温度に達しない場合には、更に、酸化触媒に未燃燃料を供給するようにポスト噴射手段を作動制御することを特徴とする。

本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、排気温度が所定温度未満である場合には、排気還流路によって排気浄化触媒の上流側の排気通路から排気が導入されて吸気通路に還流するので、排気浄化触媒へ流入する排気の流量が減少する。したがって、排気還流路の排気の導入位置から排気浄化触媒までの排気通路を通過する際での排気からの放熱量を低減させ、排気浄化触媒に流入する排気の温度を上昇させることができる。これにより、燃料の消費を増加させることなく、排気浄化触媒を昇温させることができ、排気浄化性能を向上させることができる。

本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンの吸排気系の概略構成図である。 本実施形態における排気浄化装置の使用領域を示す説明図である。 昇温制御の実施判定要領を示すフローチャートである。 昇温制御の要領を示すフローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用された第１の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の吸排気系の概略構成図である。
エンジン１は、走行駆動源として車両に搭載されており、ターボチャージャ２３を備えた多気筒の筒内直接噴射式内燃機関（例えばコモンレール式ディーゼルエンジン）である。詳しくは、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料を各気筒の燃料噴射ノズル３に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズル３から各気筒の燃焼室４内に噴射可能な構成を成している。

エンジン１の各気筒には、上下摺動可能なピストン５が設けられている。そして、当該ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフト６に連結されている。また、クランクシャフト６の一端部にはフライホイールが設けられている。
燃焼室４には、インテークポート７とエキゾーストポート８とが連通されている。
インテークポート７には、燃焼室４と当該インテークポート７との連通と遮断を行うインテークバルブ９が設けられている。また、エキゾーストポート８には、燃焼室４と当該エキゾーストポート８との連通と遮断とを行うエキゾーストバルブ１０が設けられている。

インテークポート７の上流には、吸入した空気を各気筒に分配するインテークマニフォールド１１が連通するように設けられている。そして、エキゾーストポート８の下流には、各気筒から排出される排気をまとめるエキゾーストマニフォールド１２が連通するように設けられている。
インテークマニフォールド１１とエキゾーストマニフォールド１２との間には、排気の一部を吸気へ戻す、即ち高温・高圧の排気を吸気に導入する高圧排気還流通路１５が設けられている。また、高圧排気還流通路１５には、高温・高圧の排気が吸気に戻る量を調整する排気還流バルブ１６が介装されている。また、高圧排気還流通路１５には、インテークマニフォールド１１に導入する排気を冷却する排気還流クーラ１７が設けられている。

インテークマニフォールド１１には、吸気通路である吸気管２０が接続され、吸気管２０には、上流側からインテークマニフォールド１１に向かって順番に、新気中のゴミを取り除くエアークリーナ２１と、新気の流量を調整しつつ、後述する低圧排気還流通路４５より導入される低圧の排気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ２２（排気還流量制御手段）と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２４と、コンプレッサ２３により圧縮され高温となった吸気を冷却するインタークーラ２５と、高圧排気還流通路１５より導入される排気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ２７が介装されている。

エキゾーストマニフォールド１２の下流の排気通路である排気管３０には、上流側より順番に、ターボチャージャ２２のタービン３１、排気中の被酸化成分を酸化する酸化触媒３２と、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ３３及び排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）をアンモニアを用いて還元浄化する選択還元型触媒３４（排気浄化触媒）が設けられている。なお、酸化触媒３２とディーゼルパティキュレートフィルタ３３は、同一のケーシング３５内に収納され、車両のエンジンルームに配設されている。また、選択還元型触媒３４は、４分割され、２つのケーシング３６、３７内に夫々２つずつ直列に配設されており、車両のフロア下に配設されている。

また、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３と最上流に位置する選択還元型触媒３４との間の排気管３０には、尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４０が設けられている。尿素水インジェクタ４０には、車両に搭載された図示しない尿素水タンクから尿素水が供給される。尿素水インジェクタ４０から排気管３０内に噴射された尿素水が排気の熱により加水分解されアンモニアを発生して選択還元型触媒３４に到達するように、尿素水インジェクタ４０の噴射位置は、最上流の選択還元型触媒３４から離間した位置に設定されている。

更に、電子制御スロットルバルブ２２とターボチャージャ２３のコンプレッサ２４との間の吸気管２０と、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３と尿素水インジェクタ４０との間の排気管３０とを連通する低圧排気還流通路４５（排気還流路）が設けられている。低圧排気還流通路４５は、タービン３１、酸化触媒３２及びディーゼルパティキュレートフィルタ３３を通過した低温・低圧の排気の一部を吸気に導入する（還流する）機能を有する。

低圧排気還流通路４５には、吸気に戻す排気から異物を取り除く排気還流フィルタ４６、還流する排気を冷却する排気還流クーラ４３及び低圧排気還流通路４５を開閉する排気還流バルブ４８（排気還流量制御手段）が設けられている。
エアークリーナ２１と電子制御スロットルバルブ２２との間の吸気管２０には、吸入される空気（新気）の温度を検出する吸気温度センサ５０が設けられている。インテークマニフォールド１１には、エンジン１の燃焼室４に流入する吸気の温度を検出する吸気温度センサ５１及び吸気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ５２が設けられている。

タービン３１と酸化触媒３２との間の排気管３０には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ５３が設けられている。
ケーシング３５の酸化触媒３２の上流には、酸化触媒３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ５４が設けられている。ケーシング３５の酸化触媒３２とディーゼルパティキュレートフィルタ３３との間には、酸化触媒３２から流出する排気の温度を検出する排気温度センサ５５が設けられている。また、ケーシング３５のディーゼルパティキュレートフィルタ３３の下流には、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３から流出する排気の温度を検出する排気温度センサ５６が設けられている。

低圧排気還流通路４５の排気導入部４５ａと尿素水インジェクタ４０との間の排気管３０には、排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５７が設けられている。
尿素水インジェクタ４０の近傍の排気管３０には、尿素水インジェクタ４０と選択還元型触媒３４との間の排気の温度を検出する排気温度センサ５８が設けられている。
最下流に位置する選択還元型触媒３４の下流の排気管３０には、最下流の選択還元型触媒３４から流出する排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５９が設けられている。

そして、吸気温度センサ５０、５１、酸素濃度センサ５２、５３、排気温度センサ５４、５５、５６、５８及びＮＯxセンサ５７、５９の各センサと、燃料噴射ノズル３、電子制御スロットルバルブ２２、２７、排気還流バルブ１６、４８及び尿素水インジェクタ４０の各種機器は、エンジンコントロールユニット７０（制御手段）に電気的に接続されている。

エンジンコントロールユニット７０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、上記各センサからの検出情報及びアクセル操作量等の情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ２２、２７及び排気還流バルブ１６、４８の開度、尿素水噴射量、尿素水噴射時期を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン１の運転制御を行う。

また、エンジンコントロールユニット７０は、エンジン１の主噴射後、すなわち膨張行程或いは排気行程において、燃料を追加噴射するポスト噴射が可能となっている。ポスト噴射によって、排気とともに未燃燃料がエキゾーストポート８に排出される。エキゾーストポート８に排出された未燃燃料は、エキゾーストマニフォールド１２及び排気管３０を通過して、酸化触媒３２に流入する。酸化触媒３２に流入した燃料は、ここで酸化して熱を発生させる。これにより、酸化触媒３２を通過した排気の温度を上昇させることができる。

図２は、排気浄化装置の使用領域を示す説明図である。
図２に示すように、エンジンコントロールユニット７０は、エンジン１の運転状態（回転速度及び負荷）に基づいて、高圧排気還流通路１５による高圧排気還流、低圧排気還流通路４５による低圧排気還流及び尿素水供給による選択還元型触媒３４での排気浄化の３つの排気浄化装置を実行する。

例えば、上記３つの排気浄化装置のうち、低負荷低回転領域では高圧排気還流による排気浄化のみ実施し、中負荷中回転領域では低圧排気還流による排気浄化のみ実施し、高負荷高回転領域では尿素水供給による排気浄化のみ実施する。また、低負荷低回転領域と中負荷中回転領域との間には高圧排気還流と低圧排気還流を併用する領域が設けられている。更に、中負荷中回転領域と高負荷高回転領域との間には、低圧排気還流と尿素水供給が併用される中間領域が設けられている。

更に、本実施形態では、上記高負荷高回転領域や中間領域のように尿素水供給を必要とする運転領域において、排気の昇温制御を行う。
図３は昇温制御の開始判定要領を示し、図４は昇温制御要領を示すフローチャートである。
本制御は、上記尿素水供給を必要とする運転領域において実行される。

始めに、ステップＳ１０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、ステップＳ１０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。所定温度Ｔ1は、尿素水インジェクタ４０から噴射された尿素水が十分にアンモニアに加水分解した上で最上流の選択還元型触媒３４に到達するような温度、例えば２００℃に設定すればよい。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、ステップＳ４０に進む。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、図４に示す昇温制御のサブルーチンを実行する。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、尿素水インジェクタ４０から尿素水を噴射供給する。そして、本ルーチンを終了する。
図４に示す昇温制御のサブルーチンについて説明する。

昇温制御のサブルーチンは、始めにステップＳ５０では、排気還流バルブ４８を所定量開作動させる。そして、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、ステップＳ６０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、本サブルーチンを終了する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、排気還流バルブ４８の開度を所定量増加する。そして、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ９０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ７０では、ステップＳ９０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、本サブルーチンを終了する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、上記ポスト噴射を開始するように燃料噴射ノズル３の作動制御を行う。そして、ステップＳ１２０に進む。
ステップＳ１２０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、本サブルーチンを終了する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ１２０に戻る。

以上のように制御することで、本実施形態では、尿素水供給を必要とするエンジン１の運転領域において、排気温度センサ５８によって検出する排気温度、即ち、尿素水インジェクタ４０と選択還元型触媒３４との間における排気の温度が、十分に加水分解可能な所定温度Ｔ1未満である場合に昇温制御が行われる。
昇温制御としては、まず排気還流バルブ４８を開作動させ、低圧排気還流を実施する。これにより、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３から流出した排気の一部が低圧排気還流通路４５に流入するので、低圧排気還流通路４５の排気導入部４５ａから選択還元型触媒３４までの排気管３０内を通過して選択還元型触媒３４に流入する排気の流量が減少する。排気はディーゼルパティキュレートフィルタ３３と選択還元型触媒３４との間の排気管３０を通過する際に、排気管３０の壁面から放熱して温度低下する。この排気管３０の壁面からの放熱量は、排気管３０内を通過する排気の流量が大きい程、壁面周辺で熱交換されて大きくなる。したがって、上記のように、低圧排気還流を実施し、排気導入部４５ａから選択還元型触媒３４までの排気管３０を通過する排気の流量が減少することで、選択還元型触媒３４へ流入する排気の温度を若干上昇させることができる。

これにより、尿素水インジェクタ４０から噴射された尿素水の加水分解を促し、選択還元型触媒３４での排気浄化効率を向上させることができる。
このように、低圧排気還流を行うことにより選択還元型触媒３４の温度が上昇する現象は、特に減速時のようにエンジン１の排気温度が低下したときに強く表われる。これは、減速時で排気温度が低下した際に、低圧排気還流によってこの温度低下した排気の流量を減少させるからであり、よって本願発明は、過渡運転時において特に有効である。

また、この排気還流バルブ４８の開作動による低圧排気還流を実施しても、排気温度Ｔが所定温度Ｔ1に達しない場合、低圧排気還流量を増加させる。これにより、排気導入部４５ａから選択還元型触媒３４までの排気管３０内を通過して選択還元型触媒３４に流入する排気の流量が更に減少する。よって、選択還元型触媒３４に流入する排気の温度を更に上昇させることができる。

また、この低圧排気還流量の増加によっても、排気温度Ｔが所定温度Ｔ1に達しない場合には、ポスト噴射を行う。これによって、確実に排気温度を上昇させることができる。
このように、選択還元型触媒３４に流入する排気の温度を上昇させる必要がある場合、低圧排気還流により排気温度を上昇させることができるので、ポスト噴射による燃料消費を抑え、燃費を向上させることができる。また、ポスト噴射を抑えることで、オイルダイリューションの低減を図ることができる。

また、低圧排気還流によって、エンジンから排出されるＮＯxの低減を図ることができるので、尿素水の消費量を抑制することができる。また、低圧排気還流を行うことで、選択還元型触媒３４で要求されるＮＯｘ浄化効率を低減させることができるので、選択還元型触媒３４の触媒容量を低減させコンパクト化することができ、選択還元型触媒３４のコスト低減及び車両への搭載性の向上を図ることができる。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定するものではない。例えば、上記実施形態では、排気温度低下時に低圧排気還流の実施、低圧排気還流量の増加及びポスト噴射の３段階の方法で排気温度を上昇させるが、本願発明は、少なくとも排気温度低下時に排気浄化触媒の上流から排気を還流することで、温度上昇を図る構成であればよい。
また、本願発明は、車両のエンジンの排気浄化システムとして選択還元型触媒を有するものに限らず、選択還元型触媒に代えてＮＯｘ吸蔵還元型触媒などの排気浄化触媒を有するものにも広く適用できる。

１ エンジン
２０ 吸気管（吸気通路）
２２ 電子制御スロットルバルブ（排気還流量制御手段）
３０ 排気管（排気通路）
３４ 選択還元型触媒（排気浄化触媒）
４０ 尿素水インジェクタ(還元剤供給手段)
４５ 低圧排気還流通路(排気還流路)
４８ 排気還流バルブ（排気還流量制御手段）
５８ 排気温度センサ（排気温度検出手段）
７０ エンジンコントロールユニット（制御手段）

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の上流側の前記排気通路から排気を導入し、前記エンジンの吸気通路に還流する排気還流路と、
   前記排気還流路を介して前記吸気通路に還流する排気の流量を制御する排気還流量制御手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記排気浄化触媒に流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記排気温度検出手段により検出された前記排気温度が所定温度未満の場合に、前記排気の還流を行うように前記排気還流量制御手段の作動制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、前記排気温度検出手段により検出された前記排気温度が所定温度未満の場合に、前記排気温度が低下するに伴って前記排気還流路を介する排気の還流量を増加させるように前記排気還流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記エンジンの所定の運転領域において前記排気浄化触媒に還元剤を供給し、前記排気浄化触媒にて前記還元剤により前記エンジンの排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元剤供給手段を備え、
   前記制御手段は、前記エンジンの前記所定の運転領域において、前記排気温度検出手段により検出された前記排気温度が所定温度未満の場合に、前記排気の還流を行うよう前記排気還流量制御手段の作動制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
   
4. 前記排気浄化触媒の上流側の前記排気通路に備えられた酸化触媒と、前記エンジンの主噴射後の燃料噴射により前記酸化触媒に未燃燃料を供給するポスト噴射手段とを備え、
   前記制御手段は、前記排気還流路を介した前記排気の還流によって前記排気温度が前記所定温度に達しない場合には、更に、前記酸化触媒に未燃燃料を供給するように前記ポスト噴射手段を作動制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置。

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