JP2020033974A

JP2020033974A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2020033974A
Application number: JP2018163204A
Authority: JP
Inventors: 勝広伊藤; Katsuhiro Ito; 大地今井; Daichi Imai; 俊博森; Toshihiro Mori; 小林　大; Masaru Kobayashi; 大小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05

Abstract

【課題】ＥＧＲ通路からのＥＧＲガス導入により、必要な量のＮＯｘを気筒に供給する。【解決手段】本発明の内燃機関は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ弁と、ＥＧＲクーラと、ＮＯｘ吸着触媒とを備える。ＮＯｘ吸着触媒は、ＥＧＲ通路に配置される。ＥＧＲ弁は吸気通路に流入する排気の流量を調節するためのバルブであって、ＮＯｘ吸着触媒よりも下流側のＥＧＲ通路に設置される。ＥＧＲクーラは、ＮＯｘ吸着触媒よりも上流側のＥＧＲ通路、又は、ＮＯｘ吸着触媒に並行に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。より具体的にはＥＧＲ装置を備える内燃機関に関するものである。

特許文献１には、圧縮着火内燃機関の着火を促進させる必要がある場合に、気筒内に、ＮＯ_２を供給することが記載されている。また特許文献１には、ＮＯ_２の供給の方法として、触媒より下流側の排気通路と吸気系とを連通するＥＧＲ通路を介して、ＥＧＲガスを導入することが記載されている。

特開２００７−２６２９５４号公報特開平１０−１９６４６２号公報特開２００６−２３３９４７号公報

ＥＧＲ通路からＥＧＲガスを導入することでＮＯ_２を供給する構成の場合、ＮＯ_２の供給量は、内燃機関からのＮＯ_２排出量に依存することになる。このため、着火を促進させる必要がある場合であっても、気筒内に、十分な量のＮＯ_２を供給することができない事態を生じ得る。

本発明は以上の課題を鑑みてなされたものであり、ＥＧＲ通路からのＥＧＲガス導入により、必要な量のＮＯｘを気筒に供給できるように改良された内燃機関を提供するものである。

本発明の内燃機関は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ弁と、ＥＧＲクーラと、ＮＯｘ吸着触媒とを備える。ＮＯｘ吸着触媒は、ＥＧＲ通路に配置される。ＥＧＲ弁は吸気通路に流入する排気の流量を調節するためのバルブであって、ＮＯｘ吸着触媒よりも下流側のＥＧＲ通路に設置される。

ＥＧＲクーラは、ＮＯｘ吸着触媒よりも上流側のＥＧＲ通路、又は、ＮＯｘ吸着触媒に並行に配置される。ここで、「下流側」、「上流側」とは、それぞれ、ＥＧＲ通路の、排気通路との接続部側から、吸気通路との接続部側に流れるＥＧＲガスの流れにおける下流側、上流側を意味する。

ＥＧＲクーラがＮＯｘ吸着触媒に並行に配置される構成の場合、本発明の内燃機関は、ＮＯｘ吸着触媒をバイパスするＥＧＲ通路に並行なバイパス通路を有し、ＥＧＲクーラは、バイパス通路に配置される。

本発明の内燃機関において、ＥＧＲ通路にはＮＯｘ吸着触媒が配置され、ＥＧＲクーラは、ＮＯｘ吸着触媒の下流側ではない位置に配置される。これによりＮＯｘ吸着触媒への高温の排気の流入を抑制することができる。また、ＥＧＲ弁は、ＮＯｘ吸着触媒より下流に配置されている。これによりＥＧＲ弁の閉弁時であっても、排気脈動によって、ＮＯｘ吸着触媒に排気を流入させることができる。従って、ＮＯｘ吸着触媒にＮＯｘを確実に吸着させておくことができる。従って、必要な場合に、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘをパージすることで、必要な量のＮＯｘを筒内に供給することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の全体構成を模式的に示す図である。本発明の実施の形態の内燃機関の他の構成の例を模式的に示す図である。本発明の実施の形態の内燃機関の他の構成の例を模式的に示す図である。本発明の実施の形態の内燃機関の他の構成の例を模式的に示す図である。本発明の実施の形態の内燃機関の他の構成の例を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は、本発明の実施の形態の内燃機関の全体構成を模式的に示す図である。本実施の形態の内燃機関は、複数のシリンダ２を有する多気筒エンジン（以下、単にエンジンという）である。図１では、１つのシリンダ２のみをブロックで例示しているが、シリンダの数と配置に限定はない。各シリンダ２の各吸気ポートには、吸気通路４が連通し、各排気ポートには、排気通路６が連通している。吸気通路４にはスロットルバルブ８が設置されている。

図１に示されるように、内燃機関は排気ガスの一部を排気通路６から吸気通路４へ再循環させるＥＧＲ装置１０を有している。ＥＧＲ装置１０は、ＥＧＲ通路１２とＥＧＲクーラ１４とＥＧＲ弁１６とを備えている。ＥＧＲ通路１２は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして取り出すための通路である。ＥＧＲ通路１２は、排気通路６とスロットルバルブ８より吸気の下流側の吸気通路４とを接続している。また、排気通路６にＮＯｘ吸蔵触媒等の排気浄化触媒が設置される場合、ＥＧＲ通路１２は、排気浄化触媒より排気の上流側の排気通路６から分岐されるとよい。

なお、以下において、ＥＧＲ通路１２の「上流側」と「下流側」とは、ＥＧＲ通路１２の排気通路６との接続部側から、吸気通路４との接続部側に流れるＥＧＲガスの順方向の流れにおける上流側と下流側とをそれぞれ意味するものとする。

ＥＧＲクーラ１４は、ＥＧＲ通路１２に設置され、ＥＧＲ通路１２を流れるＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲ弁１６は、ＥＧＲ通路１２の出口付近に設置され、吸気通路４へ導入するＥＧＲガス量の調節に用いられる。

ＥＧＲクーラ１４より下流側、かつＥＧＲ弁１６より上流側のＥＧＲ通路１２には、ＮＯｘ吸着触媒２０が設置されている。ＮＯｘ吸着触媒２０は、排気中（即ち、ＥＧＲガス中）のＮＯｘを吸着する。また、ＮＯｘ吸着触媒２０の床温を昇温させることで、吸着されたＮＯｘを脱離（パージ）させることができる。ＮＯｘ吸着触媒２０としては、ＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒及び受動的ＮＯｘ吸着体（ＰＮＡ）等の、ＮＯｘを吸蔵又は吸着する機能を有する触媒を用いることができる。なお、本明細書においては「吸蔵」と「吸着」とを区別せず、「吸蔵」には吸着の形態も含まれ「吸着」には吸蔵の形態が含まれるものとする。

ＥＧＲクーラ１４より上流側のＥＧＲ通路１２と、ＮＯｘ吸着触媒２０の下流側かつＥＧＲ弁１６より上流側のＥＧＲ通路１２とを接続するように、バイパス通路２２が設けられている。即ち、バイパス通路２２は、ＥＧＲクーラ１４とＮＯｘ吸着触媒２０とをバイパスするように設けられた通路である。バイパス通路２２の、ＥＧＲ通路１２との合流部には、切替弁２４が設置されている。切替弁２４は、ＥＧＲガスのバイパス通路２２への流通を切り替える弁である。

以上の構成において、ＮＯｘ吸着触媒２０は、ＥＧＲクーラ１４の下流側に配置されている。従って、ＮＯｘ吸着触媒２０に高温の排気が流入するのを抑制することができ、ＮＯｘ吸着触媒２０の過昇温を抑制することができる。これにより、ＮＯｘ吸着触媒２０に吸着したＮＯｘが、意図しないタイミングでパージされるのを防ぐことができる。

また、ＥＧＲ弁１６は、ＥＧＲ通路のＮＯｘ吸着触媒２０よりも下流側に設置されている。これによりＥＧＲ弁１６を閉弁している場合でも、排気脈動によりＮＯｘ吸着触媒２０に排気を流入させることができ、ＮＯｘ吸着触媒２０にＮＯｘを吸着させることができる。従って、以上の構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒２０を、ＮＯｘが十分に吸着した状態で維持することができる。

また、図示を省略するが、内燃機関は制御装置を備えている。制御装置は、内燃機関の着火性が低下する所定の運転条件が成立した場合に、ＮＯｘ吸着触媒２０に吸着したＮＯｘをパージすることで、シリンダ２にＮＯｘを供給する制御を実行するように構成されている。

ここで、内燃機関の着火性が低下する所定の運転条件とは、例えば、軽負荷でのリッチ燃焼、冷間、低外気温、又は、高地といった運転条件であり、予め制御装置に記憶される。パージは、ＮＯｘ吸着触媒２０の床温を上昇させることで実行される。

本実施の形態では、ＮＯｘ吸着触媒２０からＮＯｘを脱離させるパージ手段は問わない。例えば、ＮＯｘ吸着触媒２０の温度を上昇の手段として、ＮＯｘ吸着触媒に加熱手段を設置してもよいし、ＮＯｘ吸着触媒に燃料供給することで床温を上昇させる構成としてもよい。

以上のように、必要に応じてＮＯｘ吸着触媒２０からＮＯｘを供給することで、内燃機関の着火安定性を向上させることができる。

なお、ＮＯｘ吸着触媒２０の配置位置は、図１に限られるものではない。ＮＯｘ吸着触媒２０は、ＥＧＲクーラ１４より上流側ではない位置であって、ＥＧＲ弁１６よりも上流側のＥＧＲ通路１２に配置されていればよい。図２〜図５に、具体的な、ＮＯｘ吸着触媒の配置位置の他の例を示す。

例えば、図２に示されるように、ＮＯｘ吸着触媒２０とＥＧＲクーラ１４は並列に設置されてもよい。即ち、バイパス通路２２にＮＯｘ吸着触媒２０を設置してもよい。このように、バイパス通路２２側にＮＯｘ吸着触媒２０を設置した場合、切替弁２４を制御することで、排気が高温である場合には、ＥＧＲクーラ１４側にＥＧＲガスを流通させ、排気が低温である場合には、ＮＯｘ吸着触媒２０側に流通させるようにすることができる。これにより、ＮＯｘ吸着触媒２０の過昇温を抑制することができ、ＮＯｘ吸着触媒２０にＮＯｘを吸着させておくことができる。

また、例えば、図３に示されるように、バイパス通路２２を有しない構成としてもよい。このような構成であっても、ＮＯｘ吸着触媒２０をＥＧＲクーラ１４より下流側に配置することで、少なくともＮＯｘ吸着触媒２０の過昇温を抑制することができる。従って、ＮＯｘ吸着触媒２０をＮＯｘが十分に吸着した状態で維持することができる。

また、例えば、図４に示されるように、図１のバイパス通路２２に替えて、ＥＧＲクーラ１４をバイパスする第１バイパス通路３０と、ＮＯｘ吸着触媒２０をバイパスする第２バイパス通路３２とを、それぞれ設置した構成としてもよい。この場合、第１バイパス通路３０とＥＧＲ通路１２との合流部に、第１切替弁３４を設置し、第２バイパス通路３２とＥＧＲ通路１２との合流部に、第２切替弁３６を設置する。制御装置は、第１切替弁３４の制御により、第１バイパス通路３０側へのＥＧＲガスの流通を制御する。これによりＮＯｘ吸着触媒２０に流入するＥＧＲガスの温度を調整する。また、制御装置は、第２切替弁３６の制御により、ＮＯｘ吸着触媒２０に流入するガス流量を制御する。これにより、ＮＯｘの吸着及び脱離を、より正確に制御することができる。

更に、図５に示されるように、図１〜図４のいずれかの構成に、燃料添加弁を追加した構成としてもよい。図５には、燃料添加弁４０の設置位置が３箇所示されている。具体的には、排気通路６の、ＥＧＲ通路１２との接続部よりも上流側、ＥＧＲ通路１２の、バイパス通路２２との分岐部よりも上流側、及び、ＥＧＲ通路１２の、ＥＧＲクーラ１４とＮＯｘ吸着触媒２０との間の部分である。燃料添加弁４０は、この３箇所の位置の何れか１箇所に設置されることが望ましい。設置された燃料添加弁４０から、未燃燃料が添加させることで、ＮＯｘ吸着触媒２０に吸着されたＮＯｘを放出させることができ、シリンダ２内にＮＯｘを供給することができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２シリンダ
４吸気通路
６排気通路
８スロットルバルブ
１０ＥＧＲ装置
１２ＥＧＲ通路
１４ＥＧＲクーラ
１６ＥＧＲ弁
２０ＮＯｘ吸着触媒
２２バイパス通路
２４切替弁
３０第１バイパス通路
３２第２バイパス通路
３４第１切替弁
３６第２切替弁
４０燃料添加弁

Claims

内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に配置されたＮＯｘ吸着触媒と、
前記ＮＯｘ吸着触媒よりも下流側の前記ＥＧＲ通路に設置され、前記吸気通路に流入する排気の流量を調節するＥＧＲ弁と、
前記ＮＯｘ吸着触媒よりも上流側の前記ＥＧＲ通路、又は、前記ＮＯｘ吸着触媒をバイパスする前記ＥＧＲ通路に並行なバイパス通路、に配置されたＥＧＲクーラと、
を備えることを特徴とする内燃機関。