JP2017227163A

JP2017227163A - 昇温装置

Info

Publication number: JP2017227163A
Application number: JP2016123344A
Authority: JP
Inventors: 雄祐北本; Yusuke Kitamoto; 斉相園; Hitoshi Aizono
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28

Abstract

【課題】リターダの放熱を用いて触媒を効果的に昇温しつつ、燃費性能の向上を図る。
【解決手段】車両１の減速時に駆動系に制動力を付与するリターダ２０と、エンジン１０の排気ガスを流通させる排気管３２と、ケーシング４１内に排気浄化触媒４２を収容した排気浄化装置４０と、リターダ２０の外周に取り付けられた第１熱交換配管部６２、ケーシング４１の外周に取り付けられた第２熱交換配管部６４、第１熱交換配管部６２の出口部と第２熱交換配管部６４の入口部とを接続する第１接続配管部６３及び、第２熱交換配管部６４の出口部と第１熱交換配管部６２の入口部とを接続する第２接続配管部６５とを含み、その内部に冷媒が封入された冷媒循環配管６１と、リターダ２０の作動時に駆動して冷媒を冷媒循環配管６１内に圧送循環させるポンプ７０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇温装置に関し、特に、排気浄化装置の昇温に関する。

一般的に、この種の排気浄化装置は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）・一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する酸化触媒や、排気ガス中の窒素化合物（ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒等を備えている。酸化触媒やＮＯｘ触媒は低温時には不活性となるため、これら触媒の排気浄化性能を効果的に発揮させるには、触媒温度を活性温度以上に保つことが好ましい。

このような点に鑑みて、例えば、特許文献１には、車両制動時にリターダの廃熱によって加熱される冷却風を用いてＮＯｘ触媒の入口側排気ガスを保温する技術が開示されている。

特開２０１２−１２２４４０号公報

ところで、上記従来技術においては、ＮＯｘ触媒直上流の入口側排気ガスのみを保温するため、ＮＯｘ触媒よりも上流側に配置された酸化触媒の昇温効果は得られない構造になっている。このため、酸化触媒が活性温度未満の場合には、筒内の燃焼温度を上昇させて酸化触媒を昇温するアーリー・ポスト噴射（アフタ噴射に近いタイミングで行うポスト噴射）や排気管噴射が必要となり、燃費性能を十分に改善できない可能性がある。

本開示の技術は、リターダの放熱を用いて触媒を効果的に昇温しつつ、燃費性能の向上を図ることを目的とする。

本開示の技術は、車両の減速時に当該車両の駆動系に制動力を付与するリターダと、前記車両に搭載されたエンジンの排気ガスを流通させる排気管と、前記排気管に設けられたケーシング内に排気浄化触媒を収容した排気浄化装置と、前記リターダの外周に取り付けられた第１熱交換配管部、前記ケーシングの外周又は当該ケーシングよりも上流側の前記排気管の外周に取り付けられた第２熱交換配管部、前記第１熱交換配管部の出口部と前記第２熱交換配管部の入口部とを接続する第１接続配管部及び、前記第２熱交換配管部の出口部と前記第１熱交換配管部の入口部とを接続する第２接続配管部とを含み、その内部に冷媒が封入された冷媒循環配管と、前記リターダの作動時に駆動して前記冷媒を前記冷媒循環配管内に圧送循環させるポンプと、を備えることを特徴とする。

また、前記第１熱交換用配管部が少なくともその一部を蛇行状又は螺旋状に曲げられて前記リターダの外周に取り付けられてもよい。

また、前記第２熱交換用配管部が少なくともその一部を蛇行状又は螺旋状に曲げられて前記ケーシングの外周又は当該ケーシングよりも上流側の前記排気管の外周に取り付けられてもよい。

また、前記排気浄化触媒が酸化触媒であってもよい。

また、前記酸化触媒よりも下流側の前記ケーシング内に排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタが設けられてもよい。

また、前記排気浄化装置が、前記ケーシングよりも下流側の前記排気管に第２のケーシングを備えると共に、当該第２のケーシング内にＮＯｘ触媒が収容され、前記冷媒循環配管が前記第２のケーシングの外周に取り付けられる第３熱交換配管部をさらに備えてもよい。

また、前記ポンプは、前記駆動系から動力を取り出して駆動するクラッチ付きポンプであってもよい。

本開示の技術によれば、リターダの放熱を用いて触媒を効果的に昇温しつつ、燃費性能の向上を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る昇温装置及び、昇温装置を搭載した車両を示す模式的な全体構成図である。本発明の第一実施形態に係る昇温装置のポンプを説明する模式図である。本発明の第一実施形態に係る昇温装置の作用を説明するタイミングチャート図である。本発明の第二実施形態に係る昇温装置及び、昇温装置を搭載した車両を示す模式的な全体構成図である。本発明の他の実施形態に係る昇温装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の他の実施形態に係る昇温装置を示す模式的な全体構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係る昇温装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
まず、図１に基づいて、第一実施形態に係る車両１の駆動系から説明する。ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の出力軸（不図示）には、クラッチ装置１１を介して変速機１２の入力軸（不図示）が接続されている。また、変速機１２の出力軸（不図示）には、プロペラシャフト１３、差動装置１４、左右のドライブシャフト１５Ｌ，１５Ｒを介して、左右の駆動輪１６Ｌ，１６Ｒがそれぞれ接続されている。なお、図１中において、符号２０はリターダを示している。リターダ２０の詳細については後述する。

次に、第一実施形態に係るエンジン１０の排気系について説明する。エンジン１０の排気マニホールド３１には、排気管３２が接続されている。また、排気管３２には、排気浄化装置４０が設けられている。さらに、排気浄化装置４０のケーシング４１内には、排気上流側から順に、酸化触媒４２及び、フィルタ４３が収容されている。

酸化触媒４２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック担体表面に酸化触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒４２は、エンジン１０のポスト噴射や排気管インジェクタ４４の排気管噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ４３は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ４３は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ強制再生が実施される。フィルタ強制再生は、ポスト噴射や排気管噴射によって酸化触媒４２にＨＣを供給し、フィルタ４３に流れ込む排気ガスの温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）以上に上昇させることで行われる。

次に、本実施形態に係る昇温装置の詳細について説明する。昇温装置は、少なくとも、リターダ２０と、冷媒循環配管６１と、ポンプ７０と、コントロールユニット８０とを備えている。

リターダ２０は、例えば、永久磁石式リターダであって、何れも図示しない複数の永久磁石が周方向に所定ピッチで配置されると共に車体の非回転部に連結されたステータと、磁性体で形成されると共にプロペラシャフト１３（又は、変速機１２の出力軸）に一体回転可能に設けられ、ステータの周りを回転するロータと、これらステータとロータとの間に配置されたポールピースとを備えている。車両１の制動時には永久磁石の磁界がポールピースを通ってロータに作用することで制動力を発生させ、非制動時には隣接する永久磁石とポールピースによって閉回路を構成することで、磁界をロータに作用させないようになっている。なお、リターダ２０は、永久磁石式に限定されず、電磁式リターダや流体式リターダであってもよい。

冷媒循環配管６１は、第１熱交換配管部６２と、第１接続配管部６３と、第２熱交換配管部６４と、第２接続配管部６５とを備えており、その内部には冷媒としての冷却水が封入されている。また、第２接続配管部６５には、冷却水を圧送するポンプ７０が設けられている。

第１熱交換配管部６２は、リターダ２０のロータ外周に接触して設けられており、制動時にロータから発せられる放熱と冷却水とを熱交換させることで、冷却水温を上昇させる。第１熱交換配管部６２は、熱交換面積を確保するために、好ましくは、蛇行状又は螺旋状に曲げられてリターダ２０のロータ外周に沿うように取り付けられている。

第１接続配管部６３は、第１熱交換配管部６２の出口部と第２熱交換配管部６４の入口部とを接続する。制動時にポンプ７０が駆動すると、第１熱交換配管部６２で加熱された高温冷却水が第１接続配管部６３を介して第２熱交換配管部６４に導入されるようになっている。

第２熱交換配管部６４は、ケーシング４１の外周に接触して設けられており、制動時に流れ込む高温冷却水とケーシング４１内の排気ガスとを熱交換させることで、酸化触媒４２の温度を上昇させる。第２熱交換配管部６４は、熱交換面積を確保するために、好ましくは、蛇行状又は螺旋状に曲げられてケーシング４１の外周に沿うように取り付けられている。

第２接続配管部６５は、第２熱交換配管部６４の出口部と第１熱交換配管部６２の入口部とを接続する。制動時にポンプ７０が駆動すると、第２熱交換配管部６４内で排気ガスとの熱交換によって冷却された低温冷却水が、第２接続配管部６５を介して第１熱交換配管部６２に導入され、リターダ２０の放熱によって再び過熱されるようになっている。

ポンプ７０は、電動ポンプ又はクラッチ付きポンプであって、車両１の制動時に駆動して冷却水を冷媒循環配管６１内に圧送循環させる。ポンプ７０の駆動はコントロールユニット８０によって制御されている。

コントロールユニット８０は、車両１やエンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、コントロールユニット８０は、車両１の制動時に酸化触媒４２を昇温させる触媒昇温制御を実施する。

より詳しくは、コントロールユニット８０は、車両１の制動時にリターダ２０が作動すると、ポンプ７０を駆動させることで、冷媒循環配管６１内に封入された冷却水を圧送循環させる。ポンプ７０の駆動は、図２（Ａ）に示すように、ポンプ７０が電動ポンプであれば、リターダ２０の作動と同時に電動モータ７１に車載バッテリ７５から電力を供給すればよい。また、図２（Ｂ）に示すように、ポンプ７０が、その駆動軸７２と変速機１２から動力を取り出すＰＴＯ軸７６との間にクラッチ７８を備えるクラッチ付きポンプであれば、リターダ２０の作動と同時にクラッチ７８を断から接に切り替えればよい。

このように、リターダ２０の作動時にポンプ７０を駆動させて冷媒循環配管６１内に冷却水を循環させると、第１熱交換配管部６２でリターダ２０の放熱によって加熱された高温冷却水が第２熱交換配管部６３に連続的に圧送されてケーシング４１内の排気ガスと熱交換されることで、酸化触媒４２の昇温が効果的に図られるようになる。

次に、図３に基づいて、本実施形態に係る昇温装置の作用について説明する。

図３の時刻ｔ０〜ｔ１は、運転者によってアクセルペダルがＯＮ操作される車両１の加速走行中を示し、時刻ｔ１〜ｔ３は、アクセルペダルがＯＦＦ操作される車両１の減速走行中を示している。車両１が加速するエンジン１０の高負荷運転時（時刻ｔ０〜ｔ１参照）は、排気ガス温度が上昇し、これに伴い酸化触媒４２も触媒活性温度（例えば、約２００℃）以上に昇温される。時刻ｔ１にて、アクセルペダルのＯＦＦ操作によりエンジン１０が無負荷運転（フューエルカット状態）に切り替わると、これに伴いエンジン出口排気温度は次第に低下する。

本実施形態では、時刻ｔ２に示すように、車両１の減速走行時にリターダ２０が作動すると、これと同時にポンプ７０を駆動させて、冷媒循環配管６１内の冷却水を循環させるように構成されている。すなわち、車両１の制動時は、第１熱交換配管部６２でリターダ２０の放熱によって加熱された高温冷却水が第２熱交換配管部６３に連続的に圧送されてケーシング４１内の排気ガスと熱交換されることで、酸化触媒４２の温度低下が効果的に抑制されるようになっている（時刻ｔ２〜ｔ３参照）。

このように、車両１の制動時にエンジン出口排気温度が低下しても、リターダ２０の放熱を用いて酸化触媒４２を昇温することで、酸化触媒４２の温度が触媒活性温度以上に効果的に維持されるようになる。これにより、筒内の燃焼温度を触媒活性温度以上に上昇させるアーリー・ポスト噴射や排気管噴射等が不要、或は、これらの噴射制御の実行頻度を効果的に削減することが可能となり、エンジン１０の燃費性能を向上させることができる。

また、車両走行時のフィルタ強制再生中に、車両１の減速によってエンジン出口排気温度が低下しても、フィルタ４３に流入する排気ガスはリターダ２０の放熱と熱交換されることで高温状態に維持され、フィルタ４３の温度低下が抑止されるようになる。これにより、フィルタ強制再生に必要な総ポスト噴射量や総排気管噴射量を効果的に削減することが可能となり、エンジン１０の燃費性能を確実に向上させることができる。

また、車両制動時の排気ガス昇温に気体よりも熱容量が大きい冷却水を用いることで、冷却風を用いる従来技術に比べて排気ガスの昇温効率を確実に向上させることができる。

また、ポンプ７０を図２（Ｂ）に示すクラッチ付きポンプとすれば、車両１の制動時にクラッチ７８を接続してポンプ７０を駆動させることで、車両１の駆動系に負荷が生じるようになり、制動力を効果的に補助することができる。

［第二実施形態］
次に、図４に基づいて、第二実施形態に係る昇温装置の詳細について説明する。第二実施形態は、排気浄化装置４０が前段ケーシング４１よりも下流側の排気管３２に後段ケーシング４５を備えると共に、後段ケーシング４５の内部に、排気上流側から順に、選択的還元型触媒（以下、ＳＣＲ触媒）４６及び、第２酸化触媒４７を収容したものである。第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付して、それらの詳細な説明は省略する。

ＳＣＲ触媒４６は、例えばハニカム構造体等のセラミック担体表面にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４６は、上流側に配置された尿素水インジェクタ４８によって排気管内に噴射された尿素水から加水分解により生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する。

第２酸化触媒４７は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック担体表面に酸化触媒成分等を担持して形成されており、ＳＣＲ触媒４６から下流側にスリップしたアンモニアを酸化する機能を有している。

冷媒循環配管６１は、第１熱交換配管部６２と、第１接続配管部６３と、第２熱交換配管部６４と、第２接続配管部６５と、第３熱交換配管部６６と、第３接続配管部６７とを備えており、その内部には冷媒としての冷却水が封入されている。また、第３接続配管部６７には、車両１の制動時に駆動して冷却水を圧送するポンプ７０が設けられている。

第２接続配管部６５は、第２熱交換配管部６４の出口部と第３熱交換配管部６６の入口部とを接続する。制動時にポンプ７０が駆動すると、第２熱交換配管部６４で第１ケーシング４１内の排気ガスとの熱交換された冷却水が、第２接続配管部６５を介して第３熱交換配管部６６に導入されるようになっている。

第３熱交換配管部６６は、後段ケーシング４５の外周に接触して設けられており、制動時に流れ込む高温冷却水と後段ケーシング４５内の排気ガスとを熱交換させることで、ＳＣＲ触媒４６の温度を上昇させる。第３熱交換配管部６６は、熱交換面積を確保するために、好ましくは、蛇行状或は螺旋状に曲げられて後段ケーシング４５の外周に沿うように取り付けられている。

第３接続配管部６７は、第３熱交換配管部６６の出口部と第１熱交換配管部６２の入口部とを接続する。制動時にポンプ７０が駆動すると、第２熱交換配管部６４及び第３熱交換配管部６６で排気ガスとの熱交換によって冷却された低温冷却水が、第３接続配管部６７を介して第１熱交換配管部６２に導入され、リターダ２０の放熱によって再び過熱されるようになっている。

以上のように構成された第二実施形態によれば、上記第一実施形態の作用効果と同様、車両制動時に第１酸化触媒４２の温度を上昇させつつ、ＳＣＲ触媒４６の温度も活性温度以上に効果的に保温することが可能になる。これにより、燃費性能を確実に向上させつつ、ＳＣＲ触媒４６のＮＯｘ浄化性能を効果的に発揮させることができる。

［その他］
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第一実施形態において、第２熱交換配管部６４はケーシング４１の外周に設けられるものとして説明したが、図５に示すように、ケーシング４１直上流の排気管３２の外周に設けることもできる。あるいは、図６に示すように、第２熱交換配管部６４をケーシング４１直上流の排気管３２内に挿入して設けてもよい。

また、上記各実施形態において、制動時に冷却水を冷媒循環配管６１内に逆向きに循環させるように構成してもよい。

また、上記各実施形態において、冷媒循環配管６１内に封入される冷媒は冷却水（液体）に限定されず、ポンプ７０によって圧送可能なものであれば、冷却水以外の他の流体であってもよい。

また、上記各実施形態において、ポンプ７０は第１接続配管部６３等、冷媒循環配管６１の他の部位に設けられてもよい。

また、第二実施形態において、ＮＯｘ触媒はＳＣＲ触媒４６に限定されず、吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）等の他のＮＯｘ触媒であってもよい。

また、エンジン１０は、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１車両
１０エンジン
１１クラッチ装置
１２変速機
１３プロペラシャフト
１４差動装置
１５Ｌ，１５Ｒドライブシャフト
１６Ｌ，１６Ｒ駆動輪
２０リターダ
３１排気マニホールド
３２排気管
４０排気浄化装置
４１ケーシング
４２酸化触媒
４３フィルタ
６１冷媒循環配管
６２第１熱交換配管部
６３第１接続配管部
６４第２熱交換配管部
６５第２接続配管部
７０ポンプ
８０コントロールユニット

Claims

車両の減速時に当該車両の駆動系に制動力を付与するリターダと、
前記車両に搭載されたエンジンの排気ガスを流通させる排気管と、
前記排気管に設けられたケーシング内に排気浄化触媒を収容した排気浄化装置と、
前記リターダの外周に取り付けられた第１熱交換配管部、前記ケーシングの外周又は当該ケーシングよりも上流側の前記排気管の外周に取り付けられた第２熱交換配管部、前記第１熱交換配管部の出口部と前記第２熱交換配管部の入口部とを接続する第１接続配管部及び、前記第２熱交換配管部の出口部と前記第１熱交換配管部の入口部とを接続する第２接続配管部とを含み、その内部に冷媒が封入された冷媒循環配管と、
前記リターダの作動時に駆動して前記冷媒を前記冷媒循環配管内に圧送循環させるポンプと、を備える
ことを特徴とする昇温装置。
前記第１熱交換用配管部が少なくともその一部を蛇行状又は螺旋状に曲げられて前記リターダの外周に取り付けられた
請求項１に記載の昇温装置。
前記第２熱交換用配管部が少なくともその一部を蛇行状又は螺旋状に曲げられて前記ケーシングの外周又は当該ケーシングよりも上流側の前記排気管の外周に取り付けられた
請求項１又は２に記載の昇温装置。
前記排気浄化触媒が酸化触媒である
請求項１から３の何れか一項に記載の昇温装置。
前記酸化触媒よりも下流側の前記ケーシング内に排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタが設けられた
請求項４に記載の昇温装置。
前記排気浄化装置が、前記ケーシングよりも下流側の前記排気管に第２のケーシングを備えると共に、当該第２のケーシング内にＮＯｘ触媒が収容され、前記冷媒循環配管が前記第２のケーシングの外周に取り付けられる第３熱交換配管部をさらに備える
請求項１から５の何れか一項に記載の昇温装置。
前記ポンプは、前記駆動系から動力を取り出して駆動するクラッチ付きポンプである
請求項１から６の何れか一項に記載の昇温装置。