JP2020084936A - 内燃機関の排出装置及び排気制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気を浄化する触媒を昇温させつつ、エンジンの燃焼を安定化させる。【解決手段】圧縮空気をエンジン４へ供給する過給機２と、過給機２のタービンより上流に一端が接続された循環路であって、エンジン４から排出された排気をエンジン４に循環させる循環路と、タービンより上流に配置され、排気を昇温させるためのヒータ５と、を備える。ヒータ５は、循環路の一端とエンジン４のエキゾーストマニホールドとの間に配置されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気を用いる内燃機関の排出装置及び排気制御方法に関する。

エンジンの排気に含まれる炭化水素、窒素酸化物等を浄化する機能を備える触媒を加熱することにより、触媒を活性化して所定の排気浄化機能を発揮させることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１７−１０１６００号公報

触媒の温度が低い状態では、エンジンの温度も低い状態であることが多く、エンジンの燃焼が不安定になることがある。特許文献１に記載された技術では、排気を浄化する触媒を早期に昇温させることができるが、エンジンの燃焼を安定化させることはできない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、排気を浄化する触媒を昇温させつつ、エンジンの燃焼を安定化させることができる排出装置及び排気制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の内燃機関の排出装置は、圧縮空気をエンジンへ供給する過給機と、前記過給機のタービンより上流に一端が接続された循環路であって、前記エンジンから排出された排気を前記エンジンに循環させる循環路と、前記タービンより上流に配置され、前記排気を昇温させるためのヒータと、を備える。前記ヒータは、前記循環路の前記一端と前記エンジンのエキゾーストマニホールドとの間に配置されていてもよい。

前記内燃機関の排出装置は、前記エンジンからの排気に含まれる窒素酸化物を除去する触媒フィルタと、前記触媒フィルタの触媒の温度を測定する触媒温度センサと、前記エンジンの冷却水の温度を測定する水温センサと、前記循環路において前記排気の熱と前記エンジンの冷却水の熱とを熱交換させるための熱交換器と、前記触媒の温度が閾値以下である場合に、前記排気の昇温を前記ヒータに開始させ、前記触媒の温度が目標値以上であるとともに前記冷却水の温度が目標値以上である場合に、前記排気の昇温を前記ヒータに終了させるヒータ制御部と、をさらに備えてもよい。

前記循環路は、前記排気の熱と前記エンジンの冷却水の熱とを熱交換させるための熱交換器を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させる熱交換路と、前記熱交換器を経由することなく前記排気を前記エンジンに循環させるバイパス路とを有し、前記ヒータによる昇温開始時に前記バイパス路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させ、前記エンジンの気筒内の温度が所定値以上である場合に前記熱交換路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させる切替制御部をさらに備えてもよい。前記切替制御部は、前記エンジンの吸気の温度が基準値未満である場合に、前記バイパス路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させてもよい。

本発明の第２の態様の内燃機関の排気制御方法は、圧縮空気をエンジンへ供給する過給機のタービンより上流に一端が接続された循環路を経由させて、前記エンジンから排出された排気を前記エンジンに循環させるステップと、前記タービンより上流に配置され、前記排気を昇温させるためのヒータにより前記排気を昇温させるステップと、を備える。

本発明によれば、空気を浄化する触媒を昇温させつつ、エンジンの燃焼を安定化させることができるという効果を奏する。

実施形態の車両に搭載される内燃機関の排出装置の構成を示す図である。 排出装置の機能的構成を示す。 排出装置によるエンジンの排気の昇温の処理手順を示すフローチャートである。

＜実施形態＞
［排出装置の構成］
図１は、本実施形態の車両に搭載される内燃機関の排出装置１００の構成を示す図である。排出装置１００は、エアクリーナ１、過給機２、チャージエアクーラ３、エンジン４、ヒータ５、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst、ディーゼル酸化触媒）６、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）７、触媒フィルタ８、熱交換器９、バルブ１０、バルブ１１及び排気制御部１２を備える。排出装置１００は、エンジン４からの排気をヒータ５により昇温させることによって車両の暖機を行う。

図１の矢印は、車両の暖機中における空気の流れを示す。車両内に吸入された空気は、エアクリーナ１、過給機２のコンプレッサ、チャージエアクーラ３、エンジン４、ヒータ５、過給機２のタービン、ＤＯＣ６、ＤＰＦ７、触媒フィルタ８の順に通過した後、車外へ排出される。

エアクリーナ１は、エンジン４に吸入される空気中の粉塵やごみを除くフィルタである。過給機２は、コンプレッサと、タービンとを備える。コンプレッサは、吸入された空気を圧縮する。タービンは、エンジン４の排気を利用して回転することにより、コンプレッサにより圧縮された圧縮空気をエンジン４に供給する。過給機２は、圧縮空気をエンジン４に供給することで、１回の燃焼行程でエンジン４が発生するトルクを増大させることができる。

チャージエアクーラ３は、過給機２が圧縮することにより高温となった空気を冷却する。チャージエアクーラ３は、空気を冷却することによって、エンジン４が吸入する空気の密度をより高くする。エンジン４は、例えばディーゼルエンジンであり、軽油等の液体燃料の燃焼により引き起こされる気筒の往復運動を回転力に変換することにより、駆動力を生成する。

ヒータ５は、例えば、エンジン４の排気の排出路において過給機２のタービンの上流に配置されたコイルヒータである。より詳しくは、ヒータ５は、ＥＧＲ配管Ａの一端とエンジン４のエキゾーストマニホールドとの間に配置されている。ヒータ５は、エンジン４の排気を昇温させることにより、触媒フィルタ８が有する、窒素酸化物等を除去するための触媒を暖める。エンジン４の始動直後には、触媒フィルタ８の触媒の温度は、窒素酸化物等を除去するのに適した触媒活性化温度より低いことがある。この場合に、ヒータ５は、触媒フィルタ８の触媒を触媒活性化温度以上に暖め、触媒フィルタ８による窒素酸化物等の除去効率を向上させる。

ＤＯＣ６は、貴金属触媒を含み、エンジン４からの排気中の未燃焼ガスを酸化する。例えば、ＤＯＣ６は、炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を酸化する。ＤＰＦ７は、エンジン４の排気中の煤煙等の微粒子を除くためのフィルタである。

触媒フィルタ８は、エンジン４からの排気の窒素酸化物を除去する。触媒フィルタ８は、例えば、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を選択的に還元することにより、窒素酸化物を除去するＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction、選択還元触媒）を有する。還元剤は、例えば尿素水である。ＳＣＲ触媒及び尿素水を用いた窒素酸化物の還元反応では、中間生成物としてアンモニアが生成される。このため、本明細書の例では、触媒フィルタ８は、生成されたアンモニアが車外へ排出されることを抑制するためのアンモニアスリップ触媒、及びＤＯＣ６と同じ酸化触媒をさらに含む。

ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation, 排気ガス再循環）配管Ａは、過給機２のタービンより上流に一端が接続された循環路である。ＥＧＲ配管Ａを通して、エンジン４から排出された排気の一部がエンジン４へ循環する。ＥＧＲ配管Ａを通して排気の一部をエンジン４に循環させることにより、エンジン４の気筒内の燃焼時の最高温度を低下させ、窒素酸化物の生成量を低減させることができる。

ところで、エンジン４の吸気の温度が低い状態では、エンジン４の燃焼が不安定になり、エンジン４の燃焼効率が低下することがある。これに対し、本実施形態に係る車両では、ヒータ５により昇温されたエンジン４の排気の一部が、ＥＧＲ配管Ａを通してエンジン４へ循環する。ＥＧＲ配管Ａを通して、ヒータ５により昇温された排気の一部をエンジン４に戻すことにより、エンジン４の吸気の温度が低い状態においてエンジン４の燃焼を安定化させることができ、燃焼効率を向上させることができる。

熱交換器９は、ＥＧＲ配管Ａに配置されている。熱交換器９は、エンジン４に戻す排気を冷却するＥＧＲクーラである。熱交換器９は、ヒータ５がエンジン４の排気を昇温させた場合には、昇温された排気の熱とエンジン４の冷却水の熱とを熱交換させる。熱交換器９は、この熱交換により、エンジン４の冷却水を暖めることができる。

ＥＧＲ配管Ａには、熱交換器９を経由する熱交換路との分岐点Ｐ１において開始し、熱交換路との合流点Ｐ２において終了するバイパス路が設けられている。バイパス路は、熱交換器９を通過せずに排気をエンジン４に戻すために設けられている。

バルブ１０は、バイパス路に配置されており、バイパス路を用いて排気をエンジン４に戻すか否かを切り替える。本実施形態の例では、バルブ１０が開放されている場合、排気は、バイパス路を通過し、熱交換器９を通過しない。一方、バルブ１０が閉じている場合、排気は、バイパス路を通過せず、熱交換器９において冷却された後にエンジン４に戻る。

バルブ１１は、合流点Ｐ２と、エンジン４のインテークマニホールドとの間に設けられている。バルブ１１は、ＥＧＲ配管Ａを通して、エンジン４の排気の一部をエンジン４に戻すか否かを切り替える。バルブ１１を開放した状態では、エンジン４の排気は、熱交換路及びバイパス路のいずれかを通ってエンジン４に戻る。バルブ１１を閉じた状態では、エンジン４の排気は、熱交換路及びバイパス路のいずれも通過しない。排気制御部１２は、例えばＥＣＵ（Engine Control Unit）に設けられている。排気制御部１２は、ヒータ５による昇温と、バルブ１０の開閉とを制御する。

本実施形態に係る排出装置１００は、外気が低温である等の理由により触媒フィルタ８の触媒の温度が閾値以下である場合に、ヒータ５を制御してエンジン４の排気を昇温させることにより、触媒フィルタ８の触媒を暖めることができる。また、排出装置１００では、バルブ１０を制御して、ヒータ５が昇温した排気をＥＧＲ配管Ａを介してエンジン４に戻すことにより、エンジン４の燃焼効率を向上させることができる。

特に、排出装置１００は、過給機２のタービンより上流に一端が接続された循環路を用いて昇温させた排気をエンジン４に戻すので、例えば、過給機２のタービンの下流に一端が接続された循環路を用いる場合に比べて、排気を比較的高い温度のままエンジン４に戻すことができ、ヒータ５の消費電力を抑制することができる。したがって、排出装置１００は、エンジン４の吸気の温度が低い場合に、エンジン４を暖機する際の応答性を向上させることができる。

［排出装置の機能的構成］
図２は、排出装置１００の機能的構成を示す。排出装置１００は、ヒータ５、バルブ１０、排気制御部１２、触媒温度センサ１３、水温センサ１４及び記憶部１５を備える。触媒温度センサ１３は、触媒フィルタ８に配置され、触媒フィルタ８の触媒の温度を測定する。触媒温度センサ１３は、触媒フィルタ８の周囲の排気の温度を測定することにより、触媒フィルタ８の触媒の温度を間接的に測定する構成であってもよい。

水温センサ１４は、例えば、エンジン４のラジエータ（不図示）との間に配置され、エンジン４の冷却水の温度を測定する。記憶部１５は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成される。記憶部１５は、排気制御部１２を機能させるための各種プログラムや各種データを記憶する。

排気制御部１２は、記憶部１５に記憶されている各種プログラムを実行することにより、ヒータ制御部１２１及び切替制御部１２２として機能する。ヒータ制御部１２１は、ヒータ５を制御することにより、エンジン４の排気を昇温させる。ヒータ制御部１２１は、触媒温度センサ１３が検出した触媒の温度が閾値以下である場合に、エンジン４の排気の昇温をヒータ５に開始させる。閾値は、例えば、窒素酸化物等を除去するのに適した触媒活性化温度より低い温度である。一方、ヒータ制御部１２１は、触媒温度センサ１３が検出した触媒の温度が閾値より高い場合に、ヒータ５によるエンジン４の排気の昇温を開始させない。

ＥＧＲ配管Ａのバルブ１１が開放されている状態では、エンジン４の排気の一部がエンジン４に循環する。この状態では、ヒータ５により昇温された排気は、触媒フィルタ８の触媒と、エンジン４の吸気との両方を暖める。ヒータ制御部１２１は、触媒フィルタ８の触媒の温度が目標値以上となったとともに水温センサ１４が測定したエンジン４の冷却水の温度が目標値以上となった場合に、排気の昇温をヒータに終了させる。触媒の温度の目標値は、例えば、窒素酸化物等を除去するのに適した触媒活性化温度である。冷却水の温度の目標値は、例えば、摂氏８０〜８５度である。

エンジン４の冷却水の温度が低いと排気中の亜硫酸ガスが凝縮して気筒内の腐食や摩耗を促進したり、エンジンオイルの粘度が上昇して機関摩擦損失が増大したりする可能性がある。そこで、ヒータ制御部１２１は、エンジン４の冷却水の温度を目標値以上に昇温させることにより、亜硫酸ガスの凝縮による気筒内の腐食等やエンジンオイルの粘度上昇による機関摩擦損失の増大を抑制することができる。なお、ヒータ制御部１２１は、触媒フィルタ８の触媒を昇温させる代わりに、ＤＯＣ６又はＤＰＦ７の触媒を昇温させてもよい。

切替制御部１２２は、ＥＧＲ配管Ａに配置されたバルブ１０の開閉を制御することにより、エンジン４の排気がＥＧＲ配管Ａにおいて熱交換路とバイパス路とのどちらを通過するかを決定する。切替制御部１２２がバルブ１０を開いた状態では、エンジン４の排気は、バイパス路側を通過し、切替制御部１２２がバルブ１０を閉じた状態では、エンジン４の排気は、熱交換路側を通過する。

切替制御部１２２は、ヒータ５による昇温開始時にバイパス路を経由させてエンジン４の排気をエンジン４に循環させる。切替制御部１２２は、昇温開始時に、エンジン４の冷却水と熱交換することなくエンジン４に戻すので、エンジン４の排気の温度を速やかに上昇させ、エンジン４の燃焼を早期に安定化させることができる。

切替制御部１２２は、エンジン４の気筒内の温度が所定値以上である場合に熱交換路を経由させて排気をエンジン４に循環させる。所定値は、例えば、エンジン４の燃焼が安定化していることを示す値である。例えば、切替制御部１２２は、冷却水の温度を測定し、この冷却水の温度に基づいて、気筒内の温度を推定する。エンジン４の気筒の壁面において気筒内の空気の熱と冷却水の熱との熱交換が行われるため、冷却水の温度を測定することにより、エンジンの気筒内の温度を推定することができる。切替制御部１２２は、推定した気筒内の温度が所定値以上まで上昇した場合に、バルブ１０を閉じ、ＥＧＲ配管Ａの熱交換路を経由させてエンジン４の排気をエンジン４に循環させる。なお、切替制御部１２２は、冷却水の温度の代わりに、エンジンオイルの温度又は排気の温度に基づいて、気筒内の温度を推定してもよい。

切替制御部１２２は、エンジン４の燃焼が安定化した状態では、ヒータ制御部１２１が昇温した排気を熱交換路においてエンジン４の冷却水と熱交換させることにより、冷却水の温度上昇を促進する。このような構成により、ヒータ制御部１２１は、冷却水の温度が目標値に達するまでの時間を短縮することができる。

なお、切替制御部１２２は、ヒータ５による昇温開始時にバイパス路を経由させてエンジン４の排気をエンジン４に循環させる例に限定されない。例えば、図示しない温度センサによりエンジン４の吸気の温度を測定し、エンジン４の吸気の温度が基準値未満である場合に、ヒータ５による昇温開始時にバイパス路を経由させて排気をエンジン４に循環させ、エンジン４の吸気の温度が基準値以上である場合には、ヒータ５による昇温開始時に熱交換路を経由させて排気をエンジン４に循環させてもよい。基準値は、例えば、エンジン４の燃焼が安定化する温度である。このような構成により、切替制御部１２２は、エンジン４の冷却水の温度を早期に上昇させることができる。

［排気の昇温動作のフローチャート］
図３は、排出装置１００によるエンジン４の排気の昇温の処理手順を示すフローチャートである。この処理手順は、例えば、エンジン４の始動時に開始する。まず、ヒータ制御部１２１は、触媒フィルタ８の触媒の温度が閾値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。ヒータ制御部１２１は、触媒フィルタ８の触媒の温度が閾値以下である場合に（Ｓ１０１のＹＥＳ）、エンジン４の排気の昇温をヒータ５に開始させる（Ｓ１０２）。

切替制御部１２２は、エンジン４の気筒内の温度が所定値以上に上昇したか否かを判定する（Ｓ１０３）。切替制御部１２２は、エンジン４の気筒内の温度が所定値以上に上昇した場合に（Ｓ１０３のＹＥＳ）、バイパス路のバルブ１０を閉じ（Ｓ１０４）、熱交換路を経由させて排気をエンジン４に循環させる。ヒータ制御部１２１は、エンジン４の冷却水の温度が目標値以上となったか否かを判定する（Ｓ１０５）。ヒータ制御部１２１は、エンジン４の冷却水の温度が目標値以上となった場合に（Ｓ１０５のＹＥＳ）、ヒータ５による排気の昇温を停止し（Ｓ１０６）、処理を終了する。なお、エンジン４の冷却水の温度が目標値以上になったときには、触媒フィルタ８の触媒は触媒活性化温度に達しているものとする。

ヒータ制御部１２１は、Ｓ１０１において触媒フィルタ８の触媒の温度が閾値以上である場合（Ｓ１０１のＮＯ）、ヒータ５による昇温を行うことなく、処理を終了する。切替制御部１２２は、エンジン４の気筒内の温度が所定値未満である場合に（Ｓ１０３のＹＥＳ）、Ｓ１０３の判定を繰り返す。ヒータ制御部１２１は、Ｓ１０５においてエンジン４の冷却水の温度が目標値未満である場合に（Ｓ１０５のＮＯ）、Ｓ１０５の判定を繰り返す。

［本発明の効果］
本実施形態によれば、排出装置１００は、ヒータ５により昇温されたエンジン４の排気をエンジン４に循環させるので、吸気の温度が低い状態においてエンジン４の燃焼を安定化させることができる。特に、排出装置１００は、過給機のタービンより上流に一端が接続された循環路を用いて昇温させた排気をエンジン４に戻すので、例えば、過給機のタービンの下流に一端が接続された循環路を用いる場合に比べて、排気を比較的高い温度のままエンジン４に戻すことができ、ヒータ５の消費電力を抑制することができる。したがって、排出装置１００は、エンジン４の吸気の温度が低い場合に、エンジン４を暖機する際の応答性を向上させることができる。

以上、本発明を実施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 エアクリーナ
２ 過給機
３ チャージエアクーラ
４ エンジン
５ ヒータ
６ ＤＯＣ
７ ＤＰＦ
８ 触媒フィルタ
９ 熱交換器
１０ バルブ
１１ バルブ
１２ 排気制御部
１３ 触媒温度センサ
１４ 水温センサ
１５ 記憶部
１００ 排出装置
１２１ ヒータ制御部
１２２ 切替制御部

Claims (6)

1. 圧縮空気をエンジンへ供給する過給機と、
   前記過給機のタービンより上流に一端が接続された循環路であって、前記エンジンから排出された排気を前記エンジンに循環させる循環路と、
   前記タービンより上流に配置され、前記排気を昇温させるためのヒータと、
   を備える内燃機関の排出装置。
2. 前記ヒータは、前記循環路の前記一端と前記エンジンのエキゾーストマニホールドとの間に配置されている、請求項１に記載の内燃機関の排出装置。
3. 前記エンジンからの排気に含まれる窒素酸化物を除去する触媒フィルタと、
   前記触媒フィルタの触媒の温度を測定する触媒温度センサと、
   前記エンジンの冷却水の温度を測定する水温センサと、
   前記循環路において前記排気の熱と前記エンジンの冷却水の熱とを熱交換させるための熱交換器と、
   前記触媒の温度が閾値以下である場合に、前記排気の昇温を前記ヒータに開始させ、前記触媒の温度が目標値以上であるとともに前記冷却水の温度が目標値以上である場合に、前記排気の昇温を前記ヒータに終了させるヒータ制御部と、をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の内燃機関の排出装置。
4. 前記循環路は、前記排気の熱と前記エンジンの冷却水の熱とを熱交換させるための熱交換器を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させる熱交換路と、前記熱交換器を経由することなく前記排気を前記エンジンに循環させるバイパス路とを有し、
   前記ヒータによる昇温開始時に前記バイパス路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させ、前記エンジンの気筒内の温度が所定値以上である場合に前記熱交換路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させる切替制御部をさらに備える、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排出装置。
5. 前記切替制御部は、前記エンジンの吸気の温度が基準値未満である場合に、前記バイパス路を経由させて前記排気を前記エンジンに循環させる、
   請求項４に記載の内燃機関の排出装置。
6. 圧縮空気をエンジンへ供給する過給機のタービンより上流に一端が接続された循環路を経由させて、前記エンジンから排出された排気を前記エンジンに循環させるステップと、
   前記タービンより上流に配置され、前記排気を昇温させるためのヒータにより前記排気を昇温させるステップと、
   を備える内燃機関の排気制御方法。
   

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