JP2022047144A - 内燃機関システムおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】排気中の成分に起因する吸気系部品の腐食を抑制することが可能な内燃機関システムおよび車両を提供する。【解決手段】内燃機関システムは、内燃機関の燃焼室へ吸気を供給する吸気通路と、吸気通路に接続され、燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、吸気通路に配置され、ＥＧＲガスと吸気との混合気体を冷却するインタークーラーと、吸気通路におけるインタークーラーよりも吸気上流側にＥＧＲガスから生じる酸性成分を中和するための中和剤を噴射する中和剤供給装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関システムおよび車両に関する。

従来、ＥＧＲガス（EGR：Exhaust Gas Recirculation）が気筒内に供給される内燃機関が知られている。

例えば、特許文献１に記載された内燃機関は、ターボチャージャーおよびＥＧＲ装置などを備えている。ＥＧＲ装置は、ターボチャージャーのタービンよりも下流側の排気通路内における排気の一部をＥＧＲガスとしてターボチャージャーのコンプレッサーよりも上流側の吸気通路内に還流させる。還流されたＥＧＲガスと吸気との混合気体は、インタークーラーにより冷却される。以下の説明において、吸気通路を構成するインタークーラーおよびコンプレッサーを「吸気系部品」という。

また、特許文献２に記載されたインタークーラーは、アルミニウム製のフィンやチューブを有している。

特開２０１５－１２４６８９号公報 実開平０２－６９２８８号公報

ところで、ＥＧＲガス中の水分が結露を起こして、そこにＥＧＲガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの成分が触れて、酸性の凝縮水（以下、酸性成分）が生成される。生成された酸性成分が吸気通路へ運ばれる。

生成された酸性成分が吸気通路を構成するインタークーラーに運ばれた場合、そのインタークーラーが、例えばアルミニウム製のフィンやチューブを有する特許文献２に記載のインタークーラーである場合、アルミニウムは酸性の環境に強くないため、インタークーラーが腐食するという問題がある。

本開示の目的は、排気中の成分に起因する吸気系部品の腐食を抑制することが可能な内燃機関システムおよび車両を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
内燃機関の燃焼室へ吸気を供給する吸気通路と、
前記吸気通路に接続され、前記燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記吸気通路に配置され、前記ＥＧＲガスと前記吸気との混合気体を冷却するインタークーラーと、
前記吸気通路における前記インタークーラーよりも吸気上流側に前記ＥＧＲガスから生じる酸性成分を中和するための中和剤を噴射する中和剤供給装置と、
を備える。

車両は、上記内燃機関システムを備える。

本開示によれば、排気中の成分に起因する吸気系部品の腐食を抑制することができる。

図１は、本開示の実施の形態における内燃機関システムが搭載される車両を概略的に示す図である。 図２は、ＥＣＵによる制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態における内燃機関システム１００が搭載される車両１を概略的に示す図である。

図１に示すように、内燃機関システム１００は、エンジン（内燃機関）１０と、吸気マニホールド１２と、ターボチャージャー１３と、吸気管１６と、エアクリーナー１７と、インタークーラー１８と、排気マニホールド１９と、排気管２０、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌと、高圧ＥＧＲ通路２１Ｈと、排気通路２５と、尿素水供給装置４０Ａと、尿素水供給装置４０Ｂ（本開示の「中和剤供給装置」に対応する）と、制御部５０と、を備えている。

吸気マニホールド１２は、下流側吸気管１６ｃを介してインタークーラー１８に連結されている。

インタークーラー１８は、中流側吸気管１６ｂを介してターボチャージャー１３のコンプレッサー１４に連結されている。コンプレッサー１４は、上流側吸気管１６ａを介してエアクリーナー１７に連結されている。

エアクリーナー１７からの空気は、上流側吸気管１６ａを通ってコンプレッサー１４に吸引されて昇圧され、中流側吸気管１６ｂを経由し、インタークーラー１８に送られ、インタークーラー１８を通って冷却されて、下流側吸気管１６ｃを通って吸気マニホールド１２から燃焼室（不図示）に供給される。

排気マニホールド１９は、ターボチャージャー１３のタービン１５に連結されている。

タービン１５は、排気通路２５を介して排気管２０に連結されている。エンジン１０の排気は、タービン１５を駆動した後、排気通路２５を通って排気管２０に排出される。

低圧ＥＧＲ通路２１Ｌの一端は排気管２０に連結される。低圧ＥＧＲ通路２１Ｌの他端は上流側吸気管１６ａに連結される。図１に示すように、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌと上流側吸気管１６ａとが連結される連結部１６ｄは、上流側吸気管１６ａにおけるコンプレッサー１４よりも吸気上流側に位置する。低圧ＥＧＲ通路２１Ｌは、排気管２０からの排気の一部（低圧ＥＧＲガス）をコンプレッサー１４よりも吸気上流側に還流させる。低圧ＥＧＲ通路２１Ｌには、ＥＧＲクーラー２２ＬおよびＥＧＲバルブ（不図示）が設けられている。換言すれば、低圧ＥＧＲガスは、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌにより、コンプレッサー１４よりも吸気上流側に還流され、コンプレッサー１４で昇圧され、さらに、コンプレッサー１４よりも吸気下流側のインタークーラー１８に送られ、冷却される。以下の説明において、インタークーラー１８に送られる低圧ＥＧＲガスを、単に「ＥＧＲガス」という。

高圧ＥＧＲ通路２１Ｈの一端は排気マニホールド１９に連結される。高圧ＥＧＲ通路２１Ｈの他端は吸気マニホールド１２に連結される。高圧ＥＧＲ通路２１Ｈは、タービン１５の排気上流側からの排気の一部（高圧ＥＧＲガス）を吸気マニホールド１２よりも吸気上流側であって、インタークーラー１８よりも吸気下流側に還流させる。高圧ＥＧＲ通路２１Ｈには、ＥＧＲクーラー２２ＨおよびＥＧＲバルブ（不図示）が設けられている。

排気通路２５には、ＤＯＣ２６（Diesel Oxidation Catalyst：酸化触媒）と、尿素ＳＣＲ２７（Selective Catalytic Reduction：選択式還元触媒）とが設けられている。

ＤＯＣ２６は、排気中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することに加え、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化させＮＯ_２にする。

尿素ＳＣＲ２７は、ＤＯＣ２６よりも排気下流側に配置され、尿素水の加水分解により生成されるアンモニア（ＮＨ３）を還元剤として、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に還元して、ＮＯｘを低減する。

尿素水供給装置４０Ａは、排気浄化用の尿素水を貯留するタンク４１と、貯留された尿素水を尿素ＳＣＲ２７よりも上流側（触媒表面でもよい）に噴射する噴射部４２Ａと、貯留された尿素水を噴射部４２Ａに送り出すポンプ４３と、を備えている。尿素水供給装置４０Ａは、尿素水を触媒の上流側に噴射することで、尿素水を排気の熱により加水分解してアンモニアを生成する。

尿素水供給装置４０Ｂは、尿素水を貯留するタンク４１と、貯留された尿素水（中和剤）を連結部１６ｄよりも吸気下流側であって、とコンプレッサー１４よりも吸気上流側に噴射する噴射部４２Ｂと、貯留された尿素水を噴射部４２Ｂに送り出すポンプ４３と、を備えている。なお、噴射部４２Ｂは、インタークーラー１８よりも吸気上流側に尿素水を噴射すればよい。また、噴射部４２Ｂは、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌに配置されてもよい。この場合において、インタークーラー１８よりも吸気上流側には、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌに配置される噴射部４２Ｂの位置が含まれる。

タンク４１およびポンプ４３は、尿素水供給装置４０Ａの構成部品と共用される。なお、タンク４１およびポンプ４３は、尿素水供給装置４０Ａとの共用部品でなく、独立した部品でもよい。

制御部５０は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータと入出力装置とを備えるＥＣＵ（Electronic control Unit）である。ＥＣＵ５０の入力回路には、温度センサ５７、硫黄酸化物量センサ５８、窒素酸化物量センサ５９が接続されている。

温度センサ５７は、コンプレッサー１４の吸気下流側の吸気温度である過給温度を検出する。検出された過給温度は、ＥＣＵ５０の入力回路に入力される。

硫黄酸化物量センサ５８は、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌを流れるＥＧＲガス中の硫黄酸化物量を検出する。検出された硫黄酸化物量は、ＥＣＵ５０の入力回路に入力される。

窒素酸化物量センサ５９は、低圧ＥＧＲ通路２１Ｌを流れるＥＧＲガス中の窒素酸化物量を検出する。検出された窒素酸化物量は、ＥＣＵ５０の入力回路に入力される。

ＥＣＵ５０の出力回路には、噴射部４２Ａ，４２Ｂのそれぞれが接続されている。ＥＣＵ５０は、取得した過給温度が所定温度（ここでは、尿素水の加水分解が生じる温度）以上である場合、取得した硫黄酸化物量および窒素酸化物量もしくは積算値に基づいて、中和剤としての尿素水を、連結部１６ｄよりも吸気下流側であって、コンプレッサー１４よりも吸気上流側に適量を噴射するように噴射部４２Ｂを制御する。

低圧ＥＧＲ通路２１Ｌを流れるＥＧＲガス中の硫黄酸化物や窒素酸化物と水分とにより酸性成分（硫酸や硝酸）が生成される。一方で、尿素水は加水分解してアンモニアを生成する。アンモニアは、ＥＧＲガス中の水分と反応して、アルカリ性のアンモニア水を生成する。これにより、酸性成分は、アンモニア水により中和される。その結果、インタークーラー１８が酸性成分によって腐食するのを抑制することができる。

次に、ＥＣＵ５０による制御の一例について図２を参照して説明する。図２は、ＥＣＵ５０による制御の一例を示すフローチャートである。本フローは、エンジン１０の始動により開始される。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ５０は、温度センサ５７により検出された過給温度を取得する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、過給温度が所定温度以上であるか否かについて判定する。過給温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１２０に遷移する。過給温度が所定温度未満である場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、処理はステップＳ１５０に遷移する。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、硫黄酸化物量センサ５８により検出された硫黄酸化物量を取得する。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５０は、窒素酸化物量センサ５９により検出された窒素酸化物量を取得する。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ５０は、硫黄酸化物量および窒素酸化物量に基づいて、中和剤としての尿素水を噴射するように噴射部４２Ｂを制御する。その後、本フローは終了する。

ステップＳ１５０において、ＥＣＵ５０は、中和剤としての尿素水の噴射を停止するように噴射部４２Ｂを制御する。その後、本フローは終了する。

本開示の実施の形態における内燃機関システム１００は、エンジン１０の燃焼室へ吸気を供給する吸気管１６と、吸気管１６に接続され、燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして吸気管１６に還流させる低圧ＥＧＲ通路２１Ｌと、吸気通路に配置され、ＥＧＲガスと吸気との混合気体を冷却するインタークーラー１８と、吸気通路におけるインタークーラー１８よりも吸気上流側にＥＧＲガスから生じる酸性成分を中和するための尿素水（中和剤）を噴射する尿素水供給装置４０Ｂと、を備える。

上記構成により、噴射される尿素水が加水分解されて、アンモニアが生成され、アンモニアとＥＧＲガス中の水分とによりアルカリ性を有するアンモニア水が生成され、アンモニア水によって、インタークーラー１８を流れるＥＧＲガスから生じる酸性成分（硫酸、硝酸）が中和されるため、酸性成分に起因するインタークーラー１８の腐食を抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態において、噴射部４２Ｂは、コンプレッサー１４よりも吸気上流側に尿素水を噴射したが、本開示は、これに限らない。例えば、コンプレッサー１４よりも吸気下流側であって、インタークーラー１８よりも吸気上流側に尿素水を噴射してもよい。これにより、インタークーラー１８の腐食を抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態において、中和剤としての尿素水を噴射したが、本開示はこれに限らず、例えば、アンモニアを噴射してもよい。中和剤としてのアンモニアとＥＧＲガス中の水分とにより、アルカリ性を有するアンモニア水が生成され、アンモニア水により、排気により生じる酸性成分を中和することが可能となる。アンモニアを噴射する場合は、尿素水の加水分解の温度の判定は不要で尿素ＳＣＲ２７の上流に供給する還元剤はアンモニアとしても良い。

また、上記実施の形態においては、中和剤としての尿素水を噴射したが、本開示はこれに限らず、中和剤としては、アルカリ性を有する液体または水への溶解によりアルカリ性となる液体・気体であればよい。

また、上記実施の形態においては、ＥＧＲガス中の硫黄酸化物量は硫黄酸化物量センサ５８により検出したが、本開示はこれに限らす、例えば、ＥＣＵ５０が計算式により算出してもよい。なお、計算式は、実験やシミュレーションにより求めることが可能である。

また、上記実施の形態においては、ＥＧＲガス中の窒素酸化物量は窒素酸化物量センサ５９により検出したが、本開示はこれに限らす、例えば、ＥＣＵ５０が計算式に基づいて算出してもよい。なお、計算式は、実験やシミュレーションにより求めることが可能である。

また、上記実施の形態においては、吸気通路に還流されるＥＧＲガス（低圧ＥＧＲガス）がインタークーラー１８（吸気系部品）を通過するように吸気系統が構成されているため、尿素水供給装置４０Ｂが中和剤としての尿素水を、低圧ＥＧＲガス中の硫黄酸化物量および窒素酸化物量に基づいて噴射したが、本開示はこれに限らず、低圧ＥＧＲガスおよび高圧ＥＧＲガスのそれぞれがインタークーラー１８を通過するように吸気系統が構成される場合、尿素水供給装置４０Ｂが低圧ＥＧＲガス中の硫黄酸化物量および窒素酸化物量および高圧ＥＧＲガス中の硫黄酸化物量および窒素酸化物量に基づいて中和剤としての尿素水を噴射すればよい。これにより、インタークーラー１８（吸気系部品）の腐食を抑制することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、排気中の成分に起因する吸気系部品の腐食を抑制することが要求される内燃機関システムを備えた車両に好適に利用される。

１ 車両
１０ エンジン
１１ エンジン本体
１２ 吸気マニホールド
１３ ターボチャージャー
１４ コンプレッサー
１５ タービン
１６ 吸気管
１６ａ 上流側吸気管
１６ｂ 中流側吸気管
１６ｃ 下流側吸気管
１６ｄ 連結部
１７ エアクリーナー
１８ インタークーラー
１９ 排気マニホールド
２０ 排気管
２１Ｈ 高圧ＥＧＲ通路
２１Ｌ 低圧ＥＧＲ通路
２２Ｈ ＥＧＲクーラー
２２Ｌ ＥＧＲクーラー
２５ 排気通路
２６ ＤＯＣ
２７ 尿素ＳＣＲ
４０Ａ，４０Ｂ 尿素水供給装置
４１ タンク
４２Ａ，４２Ｂ 噴射部
４３ ポンプ
５０ ＥＣＵ
５７ 温度センサ
５８ 硫黄酸化物量センサ
５９ 窒素酸化物量センサ
１００ 内燃機関システム

Claims (7)

1. 内燃機関の燃焼室へ吸気を供給する吸気通路と、
   前記吸気通路に接続され、前記燃焼室からの排気の一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして前記吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
   前記吸気通路に配置され、前記ＥＧＲガスと前記吸気との混合気体を冷却するインタークーラーと、
   前記吸気通路における前記インタークーラーよりも吸気上流側に前記ＥＧＲガスから生じる酸性成分を中和するための中和剤を噴射する中和剤供給装置と、
   を備える、内燃機関システム。
2. 前記ＥＧＲガス中の硫黄酸化物量に基づいて前記中和剤を噴射するように前記中和剤供給装置を制御する制御部を備える、請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記ＥＧＲガス中の窒素酸化物量に基づいて前記中和剤を噴射するように前記中和剤供給装置を制御する制御部を備える、請求項１または２に記載の内燃機関システム。
4. 前記中和剤は、アンモニアを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
5. 前記中和剤は、尿素水を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
6. 前記混合気体を過給するコンプレッサーと、
   前記コンプレッサーの吸気下流側の過給温度を検出する温度センサと、
   検出される前記過給温度に基づいて前記中和剤としての尿素水を噴射するように前記中和剤供給装置を制御する制御部と、
   を備える、請求項５に記載の内燃機関システム。
7. 請求項１から６いずれか一項に記載の内燃機関システムを備える、車両。

Images