JP2019082121A

JP2019082121A - 排気昇温モード用ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2019082121A
Application number: JP2017208715A
Authority: JP
Inventors: 祐輔足立; Yusuke Adachi
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-30

Abstract

【課題】排気昇温モードの実行中に排気ガスの再循環を並行して行い得る排気昇温モード用ＥＧＲ装置を提供する。【解決手段】ターボチャージャ２を搭載し且つ該ターボチャージャ２のタービン２ｂ下流に排気ブレーキ１４を介し後処理装置としてパティキュレートフィルタ１２及び選択還元型触媒１３を装備したディーゼルエンジン１（エンジン）に用いる排気昇温モード用ＥＧＲ装置に関し、排気ブレーキ１４と後処理装置との間から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口に導くＥＧＲ流路１６（第一のＥＧＲ流路）と、該ＥＧＲ流路１６を必要時に開通する常時閉のＥＧＲバルブ１７（第一のＥＧＲバルブ）と、アイドル停車中に前記排気ブレーキ１４を閉じてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行し且つその実行中に前記ＥＧＲバルブ１７を開作動する制御装置１５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、排気昇温モード用ＥＧＲ装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯx（窒素酸化物）を還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが提案されている。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂

ただし、この種の選択還元型触媒では、その床温度が所定の活性温度まで上昇していないと排気ガス中のＮＯxをアンモニアにより良好に還元浄化させることができないため、冷間始動時にアイドル停車しながらエンジンを暖機しているような状況では、未だ選択還元型触媒の床温度が低すぎて尿素水の添加を開始することができず、この間にＮＯxの排出量が増えてしまうという問題があった。

このため、従来においては、アイドル停車中に排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行し、これによりエンジンの暖機を促進するようにしており、このようにアイドル停車中に排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えれば、この負荷抵抗に見合う燃料噴射の増量が成されて排気温度が上昇し、しかも、エンジンの排気抵抗が高まることで気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガスの残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。

ただし、近年における排出ガス規制の強化に伴い、エンジンの暖機促進を目的とした排気昇温モードの間にも適切なＮＯx低減を図ることが求められるようになってきており、選択還元型触媒が活性温度に満たない間もＥＧＲ装置により排気ガスの一部を吸気側へ再循環させてＮＯx低減を図ることが望まれている。

即ち、ＥＧＲ装置により排気ガスの一部を吸気側へ再循環させれば、その吸気側に戻された排気ガスによりエンジン内での燃料の燃焼が抑制され、燃焼温度が下がってＮＯxの発生が低減されることになる。

尚、本発明に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２０１７−３１８４４号公報

しかしながら、一般的に用いられている高圧ループのＥＧＲ装置の場合、排気マニホールドと吸気マニホールドの入口付近との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路を通して排気ガスを再循環するようにしているが、前述の如き排気昇温モードにあっては、排気ブレーキを閉じることで排気マニホールドの圧力が上がり且つターボチャージャの効率が低下して過給圧が下がってしまうため、排気マニホールド側と吸気マニホールド側との圧力差が過大となってＥＧＲ流路途中のＥＧＲバルブの開度変化に対する排気ガスの再循環量の増減の振れ幅が大きくなり、排気ガスの再循環量を精度良く安定して制御することが難しくなる。

しかも、無理に高圧ループのＥＧＲ装置を作動させて排気ガスの再循環量を実施したとしても、排気ブレーキより上流側で排気ガスが再循環されることで前記排気ブレーキを通過する排気ガスの流量が少なくなってエンジンに十分な背圧が掛からなくなるため、排気昇温の効果が目減りしてエンジンを早期に暖機させることが難しくなり、延いては、選択還元型触媒を活性温度まで上昇させるのに要する時間が長くなる。

このため、選択還元型触媒が活性温度に満たない間もＥＧＲ装置により排気ガスの一部を吸気側へ再循環させてＮＯx低減を図りたいという要望がありながら、ＥＧＲ装置の作動を停止して排気ガスの再循環を行わずに排気昇温モードを実行しているという状況にあり、排気昇温モードの実行中におけるＮＯx対策の提供が望まれている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気昇温モードの実行中に排気ガスの再循環を並行して行い得る排気昇温モード用ＥＧＲ装置を提供することを目的としている。

本発明は、ターボチャージャを搭載し且つ該ターボチャージャのタービン下流に排気ブレーキを介して後処理装置を装備したエンジンに用いる排気昇温モード用ＥＧＲ装置であって、排気ブレーキと後処理装置との間から排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口に導く第一のＥＧＲ流路と、該第一のＥＧＲ流路を必要時に開通する常時閉の第一のＥＧＲバルブと、アイドル停車中に前記排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行し且つその実行中に前記第一のＥＧＲバルブを開作動する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。

而して、このようにした場合、制御装置によりアイドル停車中に排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードが実行される一方、その実行中に第一のＥＧＲバルブが開作動されて第一のＥＧＲ流路が開通されるが、アイドル運転領域ではターボチャージャによる過給が殆ど効いておらず、吸気マニホールドの入口がエンジンによる吸い込みで負圧となっているため、排気ブレーキにより流量を絞り込まれた排気ガスの一部が適度な差圧で第一のＥＧＲ流路を介し吸気マニホールドの入口へと再循環され且つ第一のＥＧＲバルブにより精度良く安定して制御されることになる。

この際、排気昇温された排気ガスがＥＧＲクーラ等で冷却されることなく暖かいままエンジンに再循環されるようになっているため、これまでよりも効率良く排気昇温が図られることになり、しかも、一般的にタービン直後に配置されることが多い排気ブレーキの下流から第一のＥＧＲ流路を吸気マニホールドの入口まで導いても必要な配管長は通常の高圧ループのＥＧＲ流路と同程度に短くて済む上、排気昇温モード専用であることから途中にＥＧＲクーラを装備する必要もないため、装置の全体構成をコンパクトなものとすることが可能となる。

また、本発明においては、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口に導く第二のＥＧＲ流路と、該第二のＥＧＲ流路を必要時に開通する常時閉の第二のＥＧＲバルブと、再循環される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラとを備え、制御装置が少なくとも排気昇温モード以外で必要に応じて前記第二のＥＧＲバルブを開作動するように構成されていることが好ましく、このようにすれば、排気昇温モードの実行後に必要に応じて第二のＥＧＲバルブを開けて第二のＥＧＲ流路を開通し、この第二のＥＧＲ流路に切り替えて排気ガスの再循環を継続することが可能となる。

上記した本発明の排気昇温モード用ＥＧＲ装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、アイドル停車中に排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードの実行中に排気ガスの再循環を並行して行うことができ、排気昇温モードの実行中にあってもＮＯx低減を図ることができるので、冷間始動時におけるエンジン暖機やアイドル停車中のパティキュレートフィルタの強制再生を実施している間にＮＯxの排出量が増える問題を解決することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気昇温された排気ガスが第一のＥＧＲ流路を介しＥＧＲクーラ等で冷却されることなく暖かいままエンジンに再循環されることで従来よりも効率良く排気昇温を図ることができ、例えば、後処理装置がＮＯx低減触媒である場合に、冷間始動時におけるエンジンの暖機促進を効果的に図ることで前記ＮＯx低減触媒を早期に活性温度まで上昇させることができ、また、後処理装置がパティキュレートフィルタである場合には、該パティキュレートフィルタの強制再生を早期に且つ確実に完了させることができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、第一のＥＧＲ流路に必要な配管長を通常の高圧ループのＥＧＲ流路と同程度に短く収め且つＥＧＲクーラの装備も不要とすることができるので、装置の全体構成をコンパクトなものとすることができ、新たに車両に追加装備するにあたり搭載性の悪化を回避することができる。

（ＩＶ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気昇温モードの実行後に必要に応じて第二のＥＧＲバルブを開けて第二のＥＧＲ流路を開通し、この第二のＥＧＲ流路に切り替えて排気ガスの再循環を継続することができ、例えば、後処理装置がＮＯx低減触媒である場合に、該ＮＯx低減触媒と協働させることで高いＮＯx低減効果を得ることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す全体系統図である。図１の制御装置の制御手順について説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の排気昇温モード用ＥＧＲ装置の一例を示すもので、図１中における符号１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４は吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４はインタークーラ６へと送られて冷却され、冷却された吸気４は吸気マニホールド７へと導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した後に排気管１１へと送り出されるようにしてあり、この排気管１１には後処理装置としてパティキュレートフィルタ１２と選択還元型触媒１３とが装備されている。

そして、ここに図示している例においては、前記タービン２ｂの直後に排気ブレーキ１４が装備されており、この排気ブレーキ１４を、本来の制動力を増強する作動から独立させて排気絞りの手段として利用し、この排気ブレーキ１４を制御装置１５によりアイドル停車中に閉じてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行し得るようにしてある。

更に、排気ブレーキ１４より下流でパティキュレートフィルタ１２及び選択還元型触媒１３より上流となるような排気管１１の中途部から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口に導くＥＧＲ流路１６（第一のＥＧＲ流路）と、該ＥＧＲ流路１６を必要時に開通する常時閉のＥＧＲバルブ１７（第一のＥＧＲバルブ）とが追加装備されており、該ＥＧＲバルブ１７が前記排気昇温モードの実行中に前記制御装置１５により開作動されるようになっている。

尚、排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口に導くＥＧＲ流路１８（第二のＥＧＲ流路）と、該ＥＧＲ流路１８を必要時に開通する常時閉のＥＧＲバルブ１９（第二のＥＧＲバルブ）と、再循環される排気ガス９を冷却するためのＥＧＲクーラ２０とが備えられ、前記制御装置１５が少なくとも排気昇温モード以外で必要に応じて前記ＥＧＲバルブ１９を開作動するようになっているが、これらは従来周知の高圧ループのＥＧＲ装置と変わらないものである。

ここで、前記制御装置１５における具体的な制御手順に関し、図２のフローチャートを用いて以下に説明すると、先ずステップＳ１において、エンジン水温がＡ℃（Ａは任意の適合値）以下であることが検出されているか、或いは、排気昇温モードを要求してドライバが排気昇温スイッチをオンにしているか、の何れかの条件が満たされ、しかも、エンジン始動モード（セルでエンジンを回している始動状況）ではないことが確認された時に「ＹＥＳ」の判定が下されて次のステップＳ２に進んで排気昇温モードがオンとなり、「ＮＯ」の判定であるうちはステップＳ１の判定が繰り返されるようになっている。

即ち、エンジン水温は常に検出されて制御装置１５で把握されているので、エンジン水温がＡ℃以下である場合には基本的に排気昇温モードを実行する必要があると自動認定され、また、ドライバの意思で早期のエンジン暖機が求められている場合にも排気昇温モードを実行する必要があるが、エンジン始動モードで排気ブレーキ１４を閉じると始動できなくなってしまうため、エンジン始動モードでないことを確認してから排気昇温モードに移行するようにしてある。

そして、排気昇温モードに移行したら、次のステップＳ３において、ギヤ位置がニュートラル又はパーキングであること、クラッチが接続状態であること（クラッチが「断」の状態になった時にはドライバがクラッチを踏んで発進しようとしているものと制御装置１５で判断されて排気昇温モードから抜け出すようになっている）、アクセル開度がＢ％（Ｂは任意の適合値）以下であること（アクセルが踏まれていない）、車速がＣｋｍ／ｈ（Ｃは任意の適合値）以下であること（車両が停車中）が全て確認された時に「ＹＥＳ」の判定が下されて次のステップＳ４へ進み、「ＮＯ」の判定であるうちはステップＳ３の判定が繰り返されるようになっている。

また、ステップＳ４では、ＥＧＲ流路１８のＥＧＲバルブ１９が閉じられて高圧ループのＥＧＲ装置が作動停止され、次いで、ステップＳ５で排気ブレーキ１４が閉じられ、更に、ステップＳ６で必要に応じてアイドル回転数が上げられた後に、ステップＳ７でＥＧＲ流路１６のＥＧＲバルブ１７が開けられ、排気ガス９の再循環が開始されるようになっている。

而して、このように排気昇温モード用ＥＧＲ装置を構成すれば、制御装置１５によりアイドル停車中に排気ブレーキ１４を閉じてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードが実行される一方、その実行中にＥＧＲバルブ１７が開作動されてＥＧＲ流路１６が開通されるが、アイドル運転領域ではターボチャージャ２による過給が殆ど効いておらず、吸気マニホールド７の入口がディーゼルエンジン１による吸い込みで負圧となっているため、排気ブレーキ１４により流量を絞り込まれた排気ガス９の一部が適度な差圧でＥＧＲ流路１６を介し吸気マニホールド７の入口へと再循環され且つＥＧＲバルブ１７により精度良く安定して制御されることになる。

この際、排気昇温された排気ガス９がＥＧＲクーラ等で冷却されることなく暖かいままディーゼルエンジン１に再循環されるようになっているため、これまでよりも効率良く排気昇温が図られることになり、しかも、一般的にタービン２ｂ直後に配置されることが多い排気ブレーキ１４の下流からＥＧＲ流路１６を吸気マニホールド７の入口まで導いても必要な配管長は通常の高圧ループのＥＧＲ流路１８と同程度に短くて済む上、排気昇温モード専用であることから途中にＥＧＲクーラを装備する必要もないため、装置の全体構成をコンパクトなものとすることが可能となる。

また、本形態例にあっては、ＥＧＲ流路１８とＥＧＲバルブ１９とＥＧＲクーラ２０とから成る高圧ループのＥＧＲ装置が併用されているので、排気昇温モードの実行後に必要に応じてＥＧＲバルブ１９を開けてＥＧＲ流路１８を開通し、このＥＧＲ流路１８に切り替えて排気ガス９の再循環を継続することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、アイドル停車中に排気ブレーキ１４を閉じてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードの実行中に排気ガス９の再循環を並行して行うことができ、排気昇温モードの実行中にあってもＮＯx低減を図ることができるので、冷間始動時におけるエンジン暖機を実施している間にＮＯxの排出量が増える問題を解決することができる。

また、排気昇温された排気ガス９がＥＧＲ流路１６を介しＥＧＲクーラ等で冷却されることなく暖かいままディーゼルエンジン１に再循環されることで従来よりも効率良く排気昇温を図ることができ、冷間始動時におけるディーゼルエンジン１の暖機促進を効果的に図ることで選択還元型触媒１３（ＮＯx低減触媒）を早期に活性温度まで上昇させることができ、図示しない尿素水添加弁による尿素水の添加を従来よりも早い段階から開始することができる。

しかも、排気昇温モードの実行後に必要に応じてＥＧＲバルブ１９を開けてＥＧＲ流路１８を開通し、このＥＧＲ流路１８に切り替えて排気ガス９の再循環を継続することもできるので、前記選択還元型触媒１３と協働させることで高いＮＯx低減効果を得ることができる。

ここで、新たにＥＧＲ流路１６を追加装備するにあたり、該ＥＧＲ流路１６に必要な配管長を通常の高圧ループのＥＧＲ流路１８と同程度に短く収め且つＥＧＲクーラの装備も不要とすることができるので、装置の全体構成をコンパクトなものとすることができ、新たに車両に追加装備するにあたり搭載性の悪化を回避することができる。

また、以上は選択還元型触媒１３を早期に活性温度まで上昇させることを目的としてディーゼルエンジン１の暖機促進を図るべく排気昇温モードを実行する場合について説明したが、この種の排気昇温モードは、アイドル停車中にパティキュレートフィルタ１２の強制再生を実施する場合にも用いられており、このような場合にも、高圧ループのＥＧＲ装置を作動停止して排気ガス９の再循環を行わずにパティキュレートフィルタ１２の強制再生を実施しているのが実情であるため、該強制再生が完了するまでの間にＮＯxの排出量が増える問題がある。

即ち、ディーゼルエンジン１の排気浄化を図る場合、排気ガス９中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス９中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタ１２を通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタ１２を採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタ１２の再生を図る必要がある。

このため、パティキュレートフィルタ１２に酸化触媒を担持させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で上流の排気ガス９中に燃料を添加してパティキュレートフィルタ１２を強制再生するようにしているが、強制再生を実行する走行条件が容易に整わない運行形態の車両（都心の渋滞路線を運行するバスや、配送先が密集した地域で配送業務を行うトラック等）については、車両を停車したアイドル状態で運転者の手動操作により任意にパティキュレートフィルタ１２の強制再生を実行するようにしている。

ただし、アイドル停車中の排気温度は低いため、パティキュレートフィルタ１２の強制再生を早期に且つ確実に完了させるためには、排気ブレーキ１４を制御装置１５によりアイドル停車中に閉じてディーゼルエンジン１に負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行する必要がある。

依って、アイドル停車中にパティキュレートフィルタ１２の強制再生を早期に且つ確実に完了させるべく排気昇温モードを実行する場合にも、該排気昇温モードの実行中にＥＧＲバルブ１７を開作動させて排気ガス９の再循環を並行して行うことができれば、アイドル停車中のパティキュレートフィルタ１２の強制再生を実施している間にＮＯxの排出量が増える問題を解決することができ、延いては、パティキュレートフィルタ１２の強制再生を早期に且つ確実に完了させることもできる。

尚、本発明の排気昇温モード用ＥＧＲ装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、後処理装置は排気昇温モードを要するものであれば選択還元型触媒等のＮＯx低減触媒であってもパティキュレートフィルタであっても良いこと、第二のＥＧＲ流路と第二のＥＧＲバルブとＥＧＲクーラとを備えた高圧ループのＥＧＲ装置は必要に応じて併用すれば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ディーゼルエンジン（エンジン）
２ターボチャージャ
２ｂタービン
７吸気マニホールド
９排気ガス
１０排気マニホールド
１２パティキュレートフィルタ（後処理装置）
１３選択還元型触媒（後処理装置）
１４排気ブレーキ
１５制御装置
１６ＥＧＲ流路（第一のＥＧＲ流路）
１７ＥＧＲバルブ（第一のＥＧＲバルブ）
１８ＥＧＲ流路（第二のＥＧＲ流路）
１９ＥＧＲバルブ（第二のＥＧＲバルブ）
２０ＥＧＲクーラ

Claims

ターボチャージャを搭載し且つ該ターボチャージャのタービン下流に排気ブレーキを介して後処理装置を装備したエンジンに用いる排気昇温モード用ＥＧＲ装置であって、排気ブレーキと後処理装置との間から排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口に導く第一のＥＧＲ流路と、該第一のＥＧＲ流路を必要時に開通する常時閉の第一のＥＧＲバルブと、アイドル停車中に前記排気ブレーキを閉じてエンジンに負荷抵抗を与えることで排気昇温を図る排気昇温モードを実行し且つその実行中に前記第一のＥＧＲバルブを開作動する制御装置とを備えたことを特徴とする排気昇温モード用ＥＧＲ装置。
排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口に導く第二のＥＧＲ流路と、該第二のＥＧＲ流路を必要時に開通する常時閉の第二のＥＧＲバルブと、再循環される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラとを備え、制御装置が少なくとも排気昇温モード以外で必要に応じて前記第二のＥＧＲバルブを開作動するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気昇温モード用ＥＧＲ装置。