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

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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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