JP2020045824A - 排気後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制する。【解決手段】排気後処理装置は、エンジンに供給可能な第１圧縮空気を発生する電動型過給器と、エンジン１の排気を浄化するための触媒を収容する収容部１２１と、収容部１２１における触媒が設けられる位置の上流に形成されており、第１圧縮空気を収容部１２１に導入するための開口１２３を有する空気導入部１２２と、第１圧縮空気を収容部１２１に供給するか否かを切り替える第１バルブ２１と、第１バルブ２１の状態を変化させることにより第１圧縮空気を収容部１２１に供給するか否かを制御するＥＣＵ３０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気を後処理する排気後処理装置に関する。

ディーゼルエンジンには、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒で還元することにより排気を浄化する後処理装置が搭載されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−８９３２７号公報

触媒は、温度によって浄化性能が変化する。具体的には、触媒は、温度が所定の範囲（例えば２５０℃から４００℃の範囲）においては比較的浄化性能が高く、所定の範囲を超えると浄化性能が低下する。したがって、高温の排気にさらされた触媒の温度が高くなり過ぎると、浄化性能が低下してしまうという問題があった。

特許文献１には、排気の温度が高いことを検出した場合に空気を導入することで触媒の温度を低下させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、空気を導入するための専用装置が必要になるため、後処理のためのコストが増大してしまうという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制することを目的とする。

本発明の排気後処理装置は、エンジンに供給可能な第１圧縮空気を発生する電動型過給器と、前記エンジンの排気を浄化するための触媒を収容する収容部と、前記収容部における前記触媒が設けられる位置の上流に形成されており、前記第１圧縮空気を前記収容部に導入するための開口を有する空気導入部と、前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを切り替える第１バルブと、前記第１バルブの状態を変化させることにより前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを制御する制御部と、を有する。

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が第１閾値以上である場合に、前記第１バルブを開くことにより、前記第１圧縮空気を前記収容部に供給してもよい。

前記第１圧縮空気をエンジンに供給するか否かを切り替える第２バルブをさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値未満である場合に、前記第１バルブを閉じた状態で、前記第２バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給してもよい。

前記エンジンに供給する第２圧縮空気を発生する非電動型過給器と、前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給するか否かを切り替える第３バルブと、をさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値以上である場合に、前記第１バルブ及び前記第３バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するとともに、前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給してもよい。

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値以上である場合に、前記第２バルブを閉じることで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給しなくてもよい。

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第２閾値以上である場合に、前記第３バルブを開いて前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給できる状態にし、前記エンジンの回転速度が前記第２閾値未満である場合に、前記第１バルブ及び前記第３バルブを閉じかつ前記第２バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給し前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給しなくてもよい。

前記空気導入部における前記開口が形成されている面の法線の方向は、例えば、前記収容部の長手方向よりも、前記開口から前記収容部の中心に向かう方向に近い。

本発明によれば、触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る排気後処理装置を含む吸排気系の模式図である。 排気浄化部及び空気導入管の構成を示す図である。 エンジンの回転速度とトルクとの関係を示す図である。 ＣＰＵの動作フローチャートである。 吸排気系の変形例の構成を示す図である。

［吸排気系Ｓの概要］
図１は、本実施形態に係る排気後処理装置を含む吸排気系Ｓの模式図である。吸排気系Ｓは、エンジン１と、吸気マニホールド２と、排気マニホールド３と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ４と、ＥＧＲクーラー５と、インタークーラー６と、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）７と、煤煙除去フィルタ８（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）と、排気バルブ９と、尿素インジェクタ１０と、排気管１１と、排気浄化部１２と、空気導入管１３と、電動型過給器１４と、非電動型過給器１５と、第１バルブ２１と、第２バルブ２２と、第３バルブ２３と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）３０と、を有する。

エンジン１は、ディーゼルエンジンである。吸気マニホールド２は、吸気用のインテークマニホールドである。排気マニホールド３は、排気用のエキゾーストマニホールドである。

ＥＧＲバルブ４は、ＥＣＵ３０の制御に基づいて、排気マニホールド３から排出された排気を、吸気マニホールド２を介してエンジン１に供給するか否かを切り替える。ＥＧＲバルブ４は、開いた状態で排気をエンジン１に供給し、閉じた状態で排気をエンジン１に供給しない。

ＥＧＲクーラー５は、排気マニホールド３から排出された排気を冷却する。ＥＧＲクーラー５は、エンジン１に供給できる温度になるように排気を冷却する。
インタークーラー６は、電動型過給器１４及び非電動型過給器１５により圧縮されて温度が上昇した空気を冷却する熱交換器である。

ＤＯＣ７は、ディーゼル酸化触媒である。
煤煙除去フィルタ８は、排気に含まれるＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）及び煤煙などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するフィルタである。煤煙除去フィルタ８は、主としてセラミックから構成される細孔を有しており、ＰＭを一時的に捕集する。

排気バルブ９は、ＥＣＵ３０の制御に基づいて、排気マニホールド３から排出された排気を排気浄化部１２に供給するか否かを切り替える。排気バルブ９は、開いた状態で排気を排気浄化部１２に供給し、閉じた状態で排気を排気浄化部１２に供給しない。排気バルブ９は、例えば煤煙除去フィルタ８の再生処理が行われている間は、閉じた状態になる。

尿素インジェクタ１０は、排気に含まれる窒素酸化物を窒素と水に還元するための還元剤としての尿素を噴射するデバイスである。
排気管１１は、排気を排気浄化部１２に搬送するための管である。

排気浄化部１２は、排気に含まれる窒素酸化物を窒素と水に還元することにより排気を浄化する。
空気導入管１３は、排気浄化部１２に空気を導入するための管である。具体的には、空気導入管１３は、電動型過給器１４が生成した第１圧縮空気を排気浄化部１２にまで搬送する。

図２は、排気浄化部１２及び空気導入管１３の構成を示す図である。図２（ａ）は、長手方向の排気浄化部１２及び空気導入管１３の断面図である。図２（ｂ）は、排気管１１の側から排気浄化部１２及び空気導入管１３を見た状態を示す図である。

図２に示すように、排気浄化部１２は、収容部１２１と、空気導入部１２２と、開口１２３とを有する。収容部１２１は、ＳＣＲ４０及びＡＳＣ５０が収容された円筒状の部分である。収容部１２１は、排気を浄化するための触媒としてＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）４０及びＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）５０を収容する。ＳＣＲ４０は、選択的還元触媒である。ＡＳＣ５０は、アンモニアスリップ触媒である。排気がＳＣＲ４０及びＡＳＣ５０を通過することにより、窒素酸化物が浄化される。

空気導入部１２２は、収容部１２１に対して排気管１１の側に設けられた漏斗状の側壁を有する。空気導入部１２２は、収容部１２１における触媒が設けられる位置の上流に形成されており、電動型過給器１４が生成した第１圧縮空気を収容部１２１に導入するための開口１２３を有する。

排気よりも低い温度の第１圧縮空気が、空気導入部１２２に形成された開口１２３を介して収容部１２１に導入されることにより、ＳＣＲ４０の温度が、排気の温度よりも低下する。後述するように、ＳＣＲ４０の温度が、ＳＣＲ４０の浄化性能が低下する温度になっている状態で、ＥＣＵ３０が、第１圧縮空気を収容部１２１に供給するように第１バルブ２１を制御することで、ＳＣＲ４０の温度が、ＳＣＲ４０の浄化性能が高い温度に維持される。その結果、窒素酸化物が効率的に浄化される。

空気導入部１２２における開口１２３が形成されている面の法線の方向は、例えば、排気浄化部１２の長手方向よりも、開口１２３から排気浄化部１２の中心に向かう方向に近い。このように空気導入部１２２及び開口１２３が構成されていることにより、ＳＣＲ４０の中央付近に吹き付けられる第１圧縮空気の量を、ＳＣＲ４０の外周付近に吹き付けられる第１圧縮空気の量よりも増やすことができる。ＳＣＲ４０の中央付近は、より多くの排気が通過するため温度が高くなりやすいので、より多くの第１圧縮空気がＳＣＲ４０の中央付近に吹き付けられることで、ＳＣＲ４０の各部の温度が同等レベルに維持されやすくなる。

電動型過給器１４は、エンジン１に供給可能な第１圧縮空気を発生する過給器であり、モータ１４１及びコンプレッサー１４２を有する。モータ１４１は、バッテリー（不図示）から供給される電力により回転する。コンプレッサー１４２は、モータ１４１の回転力によって、非電動型過給器１５から流入する空気又は外気を圧縮することにより第１圧縮空気を生成する。コンプレッサー１４２は、生成した第１圧縮空気を、第１バルブ２１経由で排気浄化部１２に供給したり、第２バルブ２２経由でエンジン１に供給したりする。

非電動型過給器１５は、エンジン１に供給する第２圧縮空気を発生する過給器であり、タービン１５１及びコンプレッサー１５２を有する。タービン１５１は、排気マニホールド３から排出される排気により回転する。タービン１５１が発生した回転力は、タービン１５１とコンプレッサー１５２とを結合する軸を介してコンプレッサー１５２に伝達される。コンプレッサー１５２は、タービン１５１が発生した回転力に基づいて外気を圧縮することにより、第２圧縮空気を生成する。コンプレッサー１５２は、生成した第２圧縮空気を、コンプレッサー１４２に供給したり、第３バルブ２３経由でエンジン１に供給したりする。

第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第３バルブ２３は、ＥＣＵ３０の制御によって、開状態と閉状態とを切り替える。第１バルブ２１は、第１圧縮空気を収容部１２１に供給するか否かを切り替える。第２バルブ２２は、第１圧縮空気をエンジン１に供給するか否かを切り替える。第３バルブ２３は、第２圧縮空気をエンジン１に供給するか否かを切り替える。

ＥＣＵ３０は、吸排気系Ｓを始めとする車両の各部を制御するユニットである。ＥＣＵ３０は、プログラムを実行することにより動作するＣＰＵ３１（Central Processing Unit）及び各種のデータを記憶する記憶部３２を有している。記憶部３２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体を有している。

ＣＰＵ３１は、プログラムを実行することにより、制御部として機能する。ＣＰＵ３１は、第１バルブ２１の状態を変化させることにより第１圧縮空気を収容部１２１に供給するか否かを制御する。

［エンジン１の回転速度に基づくバルブの制御］
図３は、エンジン１の回転速度とトルクとの関係を示す図である。以下、図３を参照しながら、ＣＰＵ３１による第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第３バルブ２３の制御について説明する。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値（図３におけるＮ１）以上である場合に、第１バルブ２１を開くことにより、第１圧縮空気を収容部１２１に供給する。第１閾値は、例えば、ＳＣＲ４０の性能が低下し始める温度に達する状態におけるエンジン１の回転速度である。エンジン１の回転速度が第１閾値以上である場合に第１圧縮空気が収容部１２１に供給されることで、ＳＣＲ４０の温度が上昇しづらくなるので、例えば図３における領域ＣにおけるＳＣＲ４０の性能の低下が抑制される。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値以上である場合に、第１バルブ２１及び第３バルブ２３を開くことで、第１圧縮空気を収容部１２１に供給するとともに、第２圧縮空気をエンジン１に供給してもよい。ＣＰＵ３１がこのように動作することで、エンジン１の回転速度が大きい場合に、第２圧縮空気を用いてエンジン１が十分なトルクを発生できるようにしつつ、十分な量の第１圧縮空気をＳＣＲ４０を噴射することにより、ＳＣＲ４０を適切な温度に維持することができる。

なお、ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値以上である場合に、第２バルブ２２を閉じることで、第１圧縮空気をエンジン１に供給しないようにしてもよい。ＣＰＵ３１がこのように動作することで、十分な量の第１圧縮空気を収容部１２１に供給できるので、ＳＣＲ４０を適切な温度に維持しやすくなる。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値よりも小さい第２閾値（図３におけるＮ２）未満である場合に、第１バルブ２１を閉じた状態で、第２バルブ２２を開くことで、第１圧縮空気を収容部１２１に供給せず、第１圧縮空気をエンジン１に供給する。ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第２閾値未満である場合に、第１バルブ２１及び第３バルブ２３を閉じ、かつ第２バルブ２２を開くことで、第１圧縮空気をエンジン１に供給し、かつ第２圧縮空気をエンジン１に供給しないようにしてもよい。第２閾値は、例えばエンジン１が始動して間もない間の回転速度であり、エンジン１のトルクが不足した状態になる回転速度の最大値である。ＣＰＵ３１がこのように動作することで、エンジン１が始動して間もない間のトルクを増大させることができる（例えば図３における領域Ａ）。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第２閾値以上である場合に、第３バルブ２３を開いて第２圧縮空気をエンジン１に供給できる状態にする。ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第２閾値以上、かつ第１閾値未満である場合（例えば図３における領域Ｂの場合）、第１バルブ２１及び第２バルブ２２を閉じ、かつモータ１４１を動作させないことで、第１圧縮空気をエンジン１及び排気浄化部１２の両方に供給しないようにしてもよい。ＣＰＵ３１がこのように動作することで、第１圧縮空気が必要ない間に、モータ１４１を駆動するためのバッテリー（不図示）の蓄電量が低下することを防げる。

［ＣＰＵ３１の動作フローチャート］
図４は、ＣＰＵ３１の動作フローチャートである。まず、ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１）。ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値以上であると判定した場合（Ｓ１においてＹＥＳ）、第１バルブ２１を開状態、第２バルブ２２を閉状態、第３バルブ２３を開状態にする（Ｓ２）。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第１閾値未満であると判定した場合（Ｓ１においてＮＯ）、エンジン１の回転速度が第２閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ３）。ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第２閾値以上、第１閾値未満であると判定した場合（Ｓ３においてＹＥＳ）、第１バルブ２１を閉状態、第２バルブ２２を閉状態、第３バルブ２３を開状態にする（Ｓ２）。この際、ＣＰＵ３１は、モータ１４１を回転させないようにしてもよい。

ＣＰＵ３１は、エンジン１の回転速度が第２閾値未満であると判定した場合（Ｓ３においてＮＯ）、第１バルブ２１を開状態、第２バルブ２２を開状態、第３バルブ２３を閉状態にする（Ｓ５）。ＣＰＵ３１は、モータ１４１が停止した状態であった場合、第１バルブ２１を開状態にするとともに、モータ１４１の回転を開始し、電動型過給器１４が第１圧縮空気を発生できるようにする。

ＣＰＵ３１は、エンジン１がオフ状態になったかどうかを監視する（Ｓ６）。エンジン１は、エンジンがオフ状態になるまでの間、Ｓ１からＳ５までの処理を繰り返す。

［変形例］
図５は、吸排気系Ｓの変形例の構成を示す図である。図１に示した吸排気系Ｓにおいては、電動型過給器１４及び非電動型過給器１５が設けられており、電動型過給器１４が発生した第１圧縮空気が収容部１２１に供給されている間に、非電動型過給器１５が発生した第２圧縮空気がエンジン１に供給された。これに対して図５に示す変形例においては、非電動型過給器１５が設けられていない。

この場合、エンジン１の回転速度が第１閾値以上である場合に、電動型過給器１４が発生した第１圧縮空気が収容部１２１に供給されるが、エンジン１には圧縮空気が供給されない。また、エンジン１の回転速度が第２閾値未満である場合に、電動型過給器１４が発生した第１圧縮空気がエンジン１に供給され、収容部１２１に供給されない。このように、吸排気系Ｓが非電動型過給器１５を有していない場合にも、電動型過給器１４が発生した第１圧縮空気を有効活用して、ＳＣＲ４０の温度を適切な範囲に維持するとともに、低速時においても、エンジン１が十分なトルクを発生することが可能になる。

［吸排気系Ｓによる効果］
以上説明した通り、本実施形態の吸排気系Ｓにおける排気浄化部１２は、エンジン１に第１圧縮空気を供給する機能を有する電動型過給器１４が生成した第１圧縮空気を収容部１２１に導入するための開口１２３が形成された空気導入部１２２を有する。そして、ＣＰＵ３１は、第１バルブ２１の状態を変化させることにより第１圧縮空気を収容部１２１に供給するか否かを制御する。このように、吸排気系Ｓにおいては、エンジン１のトルクを大きくするためにも使用される電動型過給器１４を用いて触媒の浄化性能を向上させることができるので、排気後処理装置のコストの増大を抑制することができる。

なお、以上の説明においては、排気後処理装置が車両に搭載されている場合を例示したが、排気後処理装置は、車両以外の内燃機関が発生する排気の後処理をする装置であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１ エンジン
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ ＥＧＲバルブ
５ ＥＧＲクーラー
６ インタークーラー
７ ＤＯＣ
８ 煤煙除去フィルタ
９ 排気バルブ
１０ 尿素インジェクタ
１１ 排気管
１２ 排気浄化部
１３ 空気導入管
１４ 電動型過給器
１５ 非電動型過給器
２１ 第１バルブ
２２ 第２バルブ
２３ 第３バルブ
３０ ＥＣＵ
３２ 記憶部
４０ ＳＣＲ
５０ ＡＳＣ
１２１ 収容部
１２２ 空気導入部
１２３ 開口
１４１ モータ
１４２ コンプレッサー
１５１ タービン
１５２ コンプレッサー

Claims (7)

1. エンジンに供給可能な第１圧縮空気を発生する電動型過給器と、
   前記エンジンの排気を浄化するための触媒を収容する収容部と、
   前記収容部における前記触媒が設けられる位置の上流に形成されており、前記第１圧縮空気を前記収容部に導入するための開口を有する空気導入部と、
   前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを切り替える第１バルブと、
   前記第１バルブの状態を変化させることにより前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを制御する制御部と、
   を有する排気後処理装置。
2. 前記制御部は、前記エンジンの回転速度が第１閾値以上である場合に、前記第１バルブを開くことにより、前記第１圧縮空気を前記収容部に供給する、
   請求項１の排気後処理装置。
3. 前記第１圧縮空気をエンジンに供給するか否かを切り替える第２バルブをさらに有し、
   前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値未満である場合に、前記第１バルブを閉じた状態で、前記第２バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給する、
   請求項２に記載の排気後処理装置。
4. 前記エンジンに供給する第２圧縮空気を発生する非電動型過給器と、
   前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給するか否かを切り替える第３バルブと、
   をさらに有し、
   前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値以上である場合に、前記第１バルブ及び前記第３バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記収容部に供給するとともに、前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給する、
   請求項３に記載の排気後処理装置。
5. 前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第１閾値以上である場合に、前記第２バルブを閉じることで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給しない、
   請求項４に記載の排気後処理装置。
6. 前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第２閾値以上である場合に、前記第３バルブを開いて前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給できる状態にし、前記エンジンの回転速度が前記第２閾値未満である場合に、前記第１バルブ及び前記第３バルブを閉じかつ前記第２バルブを開くことで、前記第１圧縮空気を前記エンジンに供給し前記第２圧縮空気を前記エンジンに供給しない、
   請求項４又は５に記載の排気後処理装置。
7. 前記空気導入部における前記開口が形成されている面の法線の方向が、前記収容部の長手方向よりも、前記開口から前記収容部の中心に向かう方向に近い、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の排気後処理装置。
   
   

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