JP3557931B2 - Internal combustion engine having a combustion heater - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式ヒータを有する内燃機関に関し、詳しくは内燃機関の機関関連要素の昇温を図るため内燃機関の吸気系に燃焼ガスを導入する燃焼式ヒータを有する内燃機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
内燃機関、特にディーゼルエンジンでは、エンジンから排出される排気ガス中に煤やSOF(Soluble Organic Fraction)などのPM(Particulate Matter)が多く含まれており、そのまま放出したのでは大気汚染を引き起こす。そこで、従来は、排気通路にDPF(Diesel Particulate Filter)と称されるフィルタを設け、これでPMを捕集している。
【0003】
このフィルタはPMを捕集することにより徐々に目詰まりを起こすため、排気抵抗が増大して、エンジン負荷を増大させることとなる。したがって、捕集されたPMを適宜のタイミングでフィルタから脱離させる必要がある(以下、フィルタからPMを脱離することを「フィルタを再生する」といい、PM脱離処理のことを「フィルタの再生処理」という)。
【0004】
フィルタを再生するには、PMを燃焼させればよく、そうすれば煤やSOFはCO2やH2Oに変化するので、フィルタを再生させることができるだけでなく、PMを無害化して大気に放出することができる。
【0005】
しかしながら、煤を燃焼させるには600゜C以上の温度が必要であり、フィルタに流れる排気ガスの熱によって煤の燃焼温度を得ようとすると、エンジンの高負荷運転時には排気ガス温度が高いためそれが可能であるが、低負荷あるいは中負荷運転時には排気ガス温度が低いので不可能であった。一般に、エンジンは、高負荷で運転されるよりも低・中負荷で運転される割合(時間)の方が多く、その結果、フィルタの再生が不十分な状態が慢性的になりがちとなり、問題であった。
【0006】
一方、車両においては、動力源としての内燃機関とは別に車室暖房用の燃焼式ヒータを備えたものがある。例えば、特開昭60−78819号公報には、燃焼式ヒータの燃焼室の周囲に、車室暖房用の空気が流通する空気通路を設け、燃焼式ヒータの燃焼ガスの熱で車室暖房用の空気を加熱し、加熱した車室暖房用の空気を空調装置を介して車室内に吹き出して車室内暖房用に供し、一方、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスは内燃機関の排気系の触媒コンバータの上流に導入し、燃焼式ヒータの燃焼ガスも内燃機関の排気ガスとともに触媒コンバータによって浄化し、大気に放出するようにした技術が開示されている。
【0007】
この公報に開示の技術では、燃焼式ヒータの燃焼ガスを内燃機関の排気系に導入しているが、これはあくまで、燃焼ガスを触媒コンバータで浄化するためだけのものである。また、この公報にはフィルタ(DPF)に関しては何ら記載されていないし、燃焼ガスを触媒コンバータの上流に導入する条件についても何ら記載されていない。
【0008】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、排気ガス温度がフィルタ再生に必要な温度に満たないときに燃焼式ヒータの燃焼ガスを排気系に導入することにより温度を上昇させ、また、ガス中の一酸化窒素(NO)を酸化触媒により二酸化窒素(NO2)に変化させて、比較的に低温で炭素に対して酸化剤として機能するNO2を増大させ、フィルタの再生を促進することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関は、内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関の排気ガスを浄化するフィルタと、前記内燃機関の排気系の前記フィルタの上流に設けられた第1の酸化触媒と、前記内燃機関の機関関連要素を昇温すべく設けられた燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記内燃機関の吸気系に導入する燃焼ガス排出路と、前記燃焼式ヒータのNOを含む燃焼ガスを前記内燃機関の気筒を迂回して該内燃機関の排気系の前記第1の酸化触媒の上流に導入する燃焼ガスバイパス通路と、前記フィルタを再生するときに前記燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記燃焼ガスバイパス通路に導入する導入手段と、を備えることを特徴とする。
【0010】
前記フィルタに内燃機関の排気ガスを流していると、排気ガス中のSOF(Soluble Organic Fraction)や煤などのPM(Particulate Matter)がこのフィルタに捕集されるため、フィルタが徐々に目詰まりする。そこで、適宜のタイミングでフィルタに捕集されたPMを燃焼して除去する、いわゆるフィルタの再生を行う必要があるが、PMを燃焼させるには相当な高温(約600゜C以上)が必要であり、この温度を内燃機関の排気ガスで得るには内燃機関を相当大きな出力で運転しなければならない。特に、車両駆動用の内燃機関の場合にあっては、通常の運転状態では高負荷運転時にしかフィルタの再生に必要な排気ガス温度を得ることができず、運転頻度の多い低・中負荷運転時には排気ガス温度が足りずフィルタを再生することができない。
【0011】
しかしながら、本発明の内燃機関においては、フィルタ再生時に燃焼式ヒータの燃焼ガスが、導入手段によって燃焼ガスバイパス通路に導入され、この燃焼ガスバイパス通路を通ってフィルタ上流の排気系に導入され、排気ガスと燃焼ガスが混合ガスとなってフィルタに流入する。燃焼式ヒータの燃焼ガスの温度は相当に高温であり、混合ガスの温度は排気ガス温度よりも高くなり、フィルタの再生に必要な温度を得ることができる。また、フィルタの上流に第1の酸化触媒を設けているので、前記混合ガス中の一酸化窒素(NO)はこの第1の酸化触媒で酸化されて二酸化窒素(NO2)に変化する。NO2は約250゜C以上の温度下においてに対し酸化剤として機能するので、フィルタの再生を促進する。
【0012】
本発明において、内燃機関は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示でき、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。また、本発明において、排気ガスを浄化するフィルタは、DPF(Diesel Particulate Filter)を例示することができるが、これに限るものではない。
【0013】
本発明において、燃焼式ヒータにより昇温される内燃機関の機関関連要素とは、機関冷却水や、あるいは内燃機関そのものである。この燃焼式ヒータは、内燃機関本体の気筒内での燃焼に何ら影響されることなく独自に燃料を燃焼して燃焼ガスを排出するものである。
【0014】
本発明において、導入手段は、燃焼式ヒータの燃焼ガスを燃焼ガスバイパス通路に導入したり、あるいはその導入を阻止したりするものであり、弁装置により構成することが可能である。この導入手段は、ECU(エンジン制御用コントロールユニット)のCPU(セントラルプロセッシングユニット)によりその作動が制御される。
【0015】
フィルタの再生時期については、内燃機関を作動している全期間においてフィルタを再生するようにしてもよいし、あるいは、フィルタの目詰まりが所定の程度になったときをフィルタの再生時期としてもよい。ここで、フィルタの目詰まりが所定の程度になったか否かの判定は、内燃機関の積算運転時間が所定時間に達したか否かで判定してもよいし、車両駆動用の内燃機関であれば積算走行距離が所定値に達したか否かで判定してもよいし、あるいは、フィルタの圧力損失が所定値に達したか否かで判定してもよい。
【0016】
また、本発明においては、前記第1の酸化触媒の入口温度が所定温度以下のときに、前記導入手段によって前記燃焼式ヒータの燃焼ガスが前記燃焼ガスバイパス通路に導入されるようにすることができる。このようにすると、第1の酸化触媒の入口温度が所定温度を越えているときには、第1の酸化触媒に高温の燃焼ガスが流れ込まなくなるので、第1の酸化触媒の耐久性が向上する。
【0017】
また、「前記第1の酸化触媒の入口温度が所定温度以下のとき」における「所定温度」は、炭素が酸素過剰雰囲気下で燃焼するときの温度としてもよいし、あるいは、炭素がNO2の存在下で燃焼するときの温度としてもよい。
【0018】
本発明においては、前記燃焼式ヒータの燃焼ガスが前記導入手段によって前記燃焼ガスバイパス通路に導入されているときに、燃焼式ヒータにおける燃焼によってNOxが生成されるように該燃焼式ヒータの燃焼を制御するのが好ましい。このようにすると、燃焼式ヒータで生成したNOxもフィルタの再生に利用することができ、フィルタの再生を促進する。ここで、燃焼式ヒータの燃焼の制御は、燃焼式ヒータの空燃比を制御することにより行う。燃焼式ヒータの空燃比制御は、燃焼式ヒータの燃焼用燃料の供給量を制御したり、燃焼式ヒータの燃焼用空気の供給量を制御したり、あるいはその両方を制御することにより実行することができる。この空燃比制御は、ECUのCPUにより実行される。
【0019】
本発明においては、前記第1の酸化触媒の上流であって前記内燃機関の排気系と燃焼ガスバイパス通路との接続点の下流にNOx濃度を検出するNOxセンサを設け、このNOxセンサで検出したNOx濃度に基づいて前記燃焼式ヒータの空燃比を制御することができる。燃焼式ヒータの空燃比と燃焼式ヒータの燃焼温度の間には相関があり、燃焼式ヒータの燃焼温度によって燃焼式ヒータで生成されるNOxの濃度が決まる。したがって、前記NOxセンサで検出したNOx濃度に基づいて前記燃焼式ヒータの空燃比を制御すると、第1の酸化触媒に流入する混合ガスのNOx濃度を、フィルタの再生に最適な濃度に制御することができる。
【0020】
本発明においては、前記燃焼ガスバイパス通路に第2の酸化触媒を設けることが可能である。これは、前記第1の酸化触媒の入口温度が所定温度以下のときに前記導入手段によって前記燃焼式ヒータの燃焼ガスが前記燃焼ガスバイパス通路に導入するように構成したときに特に効果が大である。このようにすると、第1の酸化触媒の入口温度が所定温度以上のときには、第2の酸化触媒には燃焼式ヒータから出る高温の燃焼ガスが流れなくなり、第2の酸化触媒の高温劣化が抑制される。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の実施の形態を図1から図7の図面に基いて説明する。
【0022】
〔第1の実施の形態〕
まず、第1の実施の形態における燃焼式ヒータを有する内燃機関の構成について図1を参照して説明する。内燃機関としての車両駆動用のエンジン1は水冷式のディーゼルエンジンであって、機関冷却水を含むウォータジャケットを有するエンジン本体3と、エンジン本体3の図示しない複数の気筒内に燃焼に必要な空気を送り込む吸気装置5と、混合気が燃焼した後の排気ガスを大気中に放出する排気装置7と、エンジン1を搭載する車両の室内を暖める車室用ヒータ9とを有する。
【0023】
吸気装置5は、気筒内に新鮮な空気を取り入れるエアクリーナ13を始端とし、エンジン本体3の図示しない吸気ポートを終端する。そして、その間に、過給機であるターボチャージャ15のコンプレッサ15a,インタークーラ19,およびインタークーラ19を経由して来た空気を前記各気筒に振り分けるインテークマニホールド21を備えている。
【0024】
そして、吸気装置5の構成部材同士の間は、吸気管23に属する次に述べる複数の連結管で連結してある。
複数の連結管からなる吸気管23は、コンプレッサ15aを境に、エアクリーナ13から吸気装置5に入って来る吸気が強制的に押し込まれることで加圧状態になる下流側連結管27とそうでない上流側連結管25とに大別できる。
【0025】
上流側連結管25は、エアクリーナ13とコンプレッサ15aとを結ぶ図1において左右方向に直線的に延びる本流管29と、本流管29に対してバイパス状に接続してある支流管としてのヒータ用枝管31とからなる。
【0026】
下流側連結管27は、コンプレッサ15aとインテークマニホールド21とを結ぶ図1において上下方向に延びるL字形をした連結管である。
ヒータ用枝管31は、その途中に燃焼式ヒータ17を含み、この燃焼式ヒータ17の上流側端と本流管29とを結びかつ燃焼式ヒータ17に空気を供給する空気供給路33と、燃焼式ヒータ17の下流側端と本流管29とを結びかつ燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを本流管29に排出する燃焼ガス排出路35とからなる。また、空気供給路33及び燃焼ガス排出路35と本流管29との各接続箇所C1,C2は、接続箇所C1の方が接続箇所C2よりも本流管29の上流側に位置する。
【0027】
燃焼式ヒータ17の上流側端と本流管29とを結ぶ空気供給路33には、燃焼式ヒータ17寄りに弁装置44を設けてある。弁装置44は、図4に示すように、空気供給路33を開閉する弁体44aと、この弁体44aを開閉駆動する駆動モータ44bと、駆動モータ44bと弁体44aとの間に設置した開閉機構部44cとからなり、駆動モータ44bは、エンジン制御用コントロールユニット(ECU)46(図1参照)の図示しないCPUによってその作動を制御する。また、弁装置44は、エンジン1の駆動を積極的に停止するために、後述の吸気絞り弁70により本流管29を絞る場合にも作動して弁体44aを閉じるようになっている。
【0028】
燃焼ガス排出路35の途中には、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを冷却する燃焼ガスクーラ84を設けてある。
燃焼ガス排出路35のうち燃焼式ヒータ17の下流側端と燃焼ガスクーラ84とを接続する部分と、下流側連結管27とは、分岐管95によって接続されている。燃焼ガス排出路35と分岐管95とを接続する部位には、3つのポートを備えた三方弁97を設けてある。三方弁97は図2に示すような構成になっている。
【0029】
三方弁97は、3つのポートのうちの1つである第1ポート97aを燃焼式ヒータ17の下流側端(後述する排気出口17d2)と接続し、残る2つのポートのうちの1つである第2ポート97bを燃焼ガス排出路35の燃焼ガスクーラ84側と接続し、残る1つのポートであるの第3ポート97cを分岐管95と接続する。三方弁97のケース体97dの中にはケース体97dの長手方向に図示しないダイアフラムの作動によって移動する弁体98を設けてある。この弁体98は、弁体98のケース体97d内における移動場所に応じて、前記3つのポートのうちの2つのポートを、すなわち第1ポート97aと第2ポート97bとを、または第1ポート97aと第3ポート97cとを連通する。そして、その場合、第1ポート97aと第2ポート97bとが連通しているときは、第3ポート97cは閉じ、第1ポート97aと第3ポート97cとが連通しているときは、第2ポート97bが閉じる。この三方弁97の前記ダイヤフラムは、ECU46のCPUによってその作動を制御し、すなわち、三方弁97の各ポートの接続状態はECU46によって制御される。
【0030】
本流管29を通る吸気は、接続箇所C1で空気供給路33に分岐する吸気と、分岐せずに本流管29をそのまま下流に向かう吸気とに分かれる。そして、三方弁97が第1ポート97aと第2ポート97bとを連通するように制御されている時には、空気供給路33に分岐して入る吸気は、空気供給路33→燃焼式ヒータ17→燃焼ガス排出路35を経由して、接続箇所C2で本流管29に戻り、分岐しなかった吸気と合流する。この結果、エンジン本体3に入る吸気の温度を高める。また、三方弁97が第1ポート97aと第3ポート97cとを連通するように制御されている時には、空気供給路33に分岐して入る吸気は、空気供給路33→燃焼式ヒータ17→分岐管95と流れ、本流管29には戻らない。
【0031】
一方、下流側連結管27の途中には、分岐管95との接続点よりも上流側に、インタークーラ19と吸気絞り弁70を設けてある。インタークーラ19は吸気絞り弁70よりも上流側に位置する。
【0032】
インタークーラ19は、エンジン1の暖機促進や始動性向上用に吸気を暖める燃焼式ヒータ17やコンプレッサ15aによって受熱した、コンプレッサ15aの設置個所よりも下流側の空気を冷却する。
【0033】
吸気絞り弁70は、エンジン1の運転状態に応じてECU46のCPUによってその作動が制御される。また、エンジン1を積極的に停止するときに、吸気絞り弁70を全閉制御することも行われる。
【0034】
排気装置7は、エンジン本体3の図示しない排気ポートを始端として、そこから終端の排気浄化装置50までの間に、エキゾーストマニホールド37,ターボチャージャ15のタービン15bを排気管42上に備えている。排気浄化装置50は、そのケーシング51内の上流部分に酸化触媒(第1の酸化触媒)52を収容し、ケーシング51内の下流部分にフィルタとしてのDPF(Diesel Particulate Filter)53を収容している。
【0035】
DPF53は、多孔質の薄肉壁によって仕切られた細長い多数のセルを有し、上流側を開口させ下流側を閉塞させたセルと下流側を開口させ上流側を閉塞させたセルとを互いに隣接させて配置してなり、排気ガスは薄肉壁を通って、上流側を開口させたセルから下流側を開口させたセルに流れ、その際に排気ガス中の煤やSOF(Soluble Organic Fraction)などのPM(Particulate Matter)が薄肉壁に捕集される構造になっている。
【0036】
排気管42には、排気浄化装置50の入口近傍に、入ガス温度センサ40とNOxセンサ41を備える。入ガス温度センサ40は排気浄化装置50に流入するガス温度に比例した電気信号をECU46に出力し、NOxセンサ41は排気浄化装置50に流入するガス中に含まれるNOx濃度に比例した電気信号をECU46に出力する。
【0037】
エンジン本体3には、排気ガスの一部を吸気系に戻す排気再循環装置としてのEGR装置88を設けてある。EGR装置88は、排気管42のエキゾーストマニホールド37と吸気管23のインテークマニホールド21とをエンジン本体3の図示しない気筒をバイパスして接続するEGR通路90を備えている。
【0038】
EGR通路90には、ここを通るEGRガス量を制御するEGR弁92を備えている。EGR弁92は、ECU46のCPUと電気的に接続してあり、EGR装置88が本来の排気再循環装置としての機能を発揮する、エンジン1の暖機が十分になったときに基本的に開く可変制御可能な弁である。また、EGR弁92は、これを負圧制御する例えばデューティVSV等の図示しない圧力制御弁と連結してある。この圧力制御弁は、EGR弁92の全開時間と全閉時間の比率、換言すればEGR弁92の開き率に相当するデューティ比を有する駆動パルス信号が前記CPUから入力されると、そのパルス信号に従ってEGR弁92を駆動する。
【0039】
また、前述した吸気装置5における分岐管95と、排気管42における排気浄化装置50のすぐ上流部分とは、エンジン本体3を迂回する燃焼ガスバイパス管(燃焼ガスバイパス通路、以下、単にバイパス管という)48によって接続されている。なお、排気管42とバイパス管48との接続箇所C3は、入ガス温度センサ40およびNOxセンサ41よりも排気管42の上流側に位置している。
【0040】
分岐管95とバイパス管48とを接続する部位には、3つのポートを備えた三方弁97′を設けてある。三方弁97′の構成は前記した三方弁97の構成と同じであり、異なるのは3つのポートの接続先だけである。よって、三方弁97′の構成の説明は省略し、3つのポートの接続先と、弁体98の位置によるポートの連通状態についてだけ、図3を参照して以下に説明する。
【0041】
三方弁97′は、3つのポートのうちの1つである第1ポート97aを分岐管95の三方弁97側と接続し、残る2つのポートのうちの1つである第2ポート97bを分岐管95の下流側連結管27側と接続し、残る1つのポートであるの第3ポート97cをバイパス管48と接続する。三方弁97′の弁体98が第1ポート97aと第2ポート97bを連通し第3ポート97cを閉じたとき、三方弁97を通って分岐管95に導入された燃焼式ヒータ17の燃焼ガスは下流側連結管27を通ってインテークマニホールド21へ流れ、バイパス管48には流れない。一方、三方弁97′の弁体98が第1ポート97aと第3ポート97cを連通し第2ポート97bを閉じたとき、三方弁97を通って分岐管95に導入された燃焼式ヒータ17の燃焼ガスはバイパス管48へ流れ、下流側連結管27には流れない。この三方弁97′の作動もECU46のCPUによって制御される。
【0042】
燃焼式ヒータ17は、エンジン本体3とは別体に設けられてエンジン1に付属する燃焼装置であって、エンジン本体3の図示しない気筒内での燃焼に何ら影響されることなく独自に燃焼して燃焼ガスを出す。
【0043】
燃焼式ヒータ17は、エンジン1が所定の運転状態にあるときにおいて作動するようにCPUによって作動制御される。「エンジン1が所定の運転状態にあるとき」とは、−10℃〜15℃位の温度である寒冷時や−10℃以下の温度である極寒冷時における、エンジン1の運転中あるいはエンジン1を始動させた後やエンジン1自身の発熱量が少ないとき(例えば燃料消費が少ないとき)およびエンジン1自身の発熱量が少ないことにより冷却水の受熱量が少ないとき、さらには15℃よりも高い常温の始動直後で冷却水温度が低いときであり、このような条件下にエンジン1があるときが「燃焼式ヒータ17を作動する必要のあるとき」である。燃焼式ヒータ17を作動する必要のあるときと判断するのはECU46のCPUであり、燃焼式ヒータ17を作動する必要のあるときとCPUが判断した場合には、燃焼式ヒータ17が作動してそこから高熱の燃焼ガスが出て、その燃焼ガスが機関暖機に供される。
【0044】
また、燃焼式ヒータ17は、元々は車室内暖房や機関暖機を図るべく機関冷却水などの機関関連要素の温度を上げる装置であるが、本発明では排気浄化装置50におけるDPF53の再生処理時にもその再生を促進する装置としても機能する。そのため、ECU46のCPUがDPF53を再生するために燃焼式ヒータ17を作動する必要があると判断したときにも燃焼式ヒータ17が作動するように、燃焼式ヒータ17はECU46のCPUによって作動制御される。これについては後で詳述する。
【0045】
次に燃焼式ヒータ17の構造を図4を参照して説明する。燃焼式ヒータ17は、機関冷却水が入っている前記ウォータジャケットとつながっている。それ故、燃焼式ヒータ17は、その内部に機関冷却水が通る冷却水通路17aを備えている。この冷却水通路17aは、熱源である燃焼室17dを流通する燃焼ガスによって暖められる。
【0046】
燃焼室17dは、そこに燃焼筒17bが配置され、また燃焼筒17bを円筒状をした隔壁17cで覆ってなる。隔壁17cで燃焼筒17bを覆うことで、燃焼室17dを燃焼室本体43のケース体43d内に画するとともに、ケース体43dの内面と隔壁17cの外面との間に前記冷却水通路17aを形成する。
【0047】
燃焼室17dはヒータ内空気通路としても機能しており、このため燃焼室17dは、燃焼式ヒータ17の空気供給路33および燃焼ガス排出路35とそれぞれ空気供給口17d1および排気排出口17d2でつながっている。そして、既述のように吸気が本流管29から分岐して空気供給路33を通ると、図4に実線矢印で示すように、空気供給路33→燃焼室17d→燃焼ガス排出路35を経由して、燃焼ガスを含んだ状態の吸気が本流管29に戻る。そして、この吸気は燃焼ガスの燃焼熱によって暖められているので、この暖められた吸気が前記実線矢印で示す経路を経て燃焼室本体43から排出されるまでの間に、前記暖められた吸気を熱媒体として前記冷却水通路17aを流れる冷却水を暖める。よって、燃焼室17dは熱交換通路ともいえる。
【0048】
燃焼筒17bには、燃料供給路としての燃料供給管17eを介して、燃料ポンプ47を連結してあり、燃料ポンプ47のポンプ圧によって燃焼用燃料を燃焼筒17bに供給するようになっている。燃料ポンプ47はECU46のCPUによって作動制御されてポンプ圧を可変し、燃焼用燃料の供給量を制御する。燃焼室17dに燃焼用燃料を供給すると、この燃料は燃焼筒17b内で気化する。そして、この気化燃料に図示しない点火装置で点火し、気化燃料が燃焼する。
【0049】
また、燃焼室本体43には、空気供給路33から入って来る吸気を燃焼筒17b内に送り込むための送風ファン45を設けてあり、燃焼筒17bに空気を供給することによって火炎Fができる。この送風ファン45は、ECU46のCPUによって作動制御されて出力を可変し、この出力調整によって、燃焼室17d内を流れる空気量が変わる。よって、送風ファン45の出力調整によって燃焼室17d内を流れる空気量を制御できることとなる。
【0050】
そして、燃焼式ヒータ17は、ECU46のCPUが燃料ポンプ47と送風ファン45を制御して燃焼用燃料の供給量と空気量を制御することにより、空燃比(A/F)を制御して燃焼状態を制御し、また燃焼式ヒータ17の出力を制御するようになっている。したがって、この実施の形態においては、送風ファン45と燃料ポンプ47とECU46は、燃焼式ヒータ空燃比制御手段を構成する。
【0051】
一方、冷却水通路17aは、冷却水導入口17a1と冷却水排出口17a2とを有し、冷却水導入口17a1は、図1に示すように、水管路W1を介してエンジン本体3の図示しないウォータジャケットの冷却水排出口と連結している。
【0052】
また、冷却水排出口17a2は、車室用ヒータ9と水管路W2を介して連結している。そして、車室用ヒータ9は、水管路W3を介してエンジン本体3の前記ウォータジャケットの冷却水導入口と連結している。
【0053】
したがって、ウォータジャケットの冷却水は、水管路W1を介して燃焼式ヒータ17に至るとそこで暖められ、その後、燃焼式ヒータ17から水管路W2を介して車室用ヒータ9に至り、車室用ヒータ9の熱媒体として熱交換されて車室内に温風を出す。熱交換によって温度が下がった冷却水は水管路W3を介してウォータジャケットに戻る。このように、水管路W1〜水管路W3を介して冷却水がエンジン本体3と、燃焼式ヒータ17と、車室用ヒータ9との間を循環する。
【0054】
また、前記空気供給路33および燃焼ガス排出路35は、吸気管23に属する本流管29の支流管であるが、燃焼式ヒータ17にのみ適用されるものであることから考えて、これらの管を燃焼式ヒータ17の構成要素としてとらえることもできる。
【0055】
次に、この実施の形態における作用について説明する。ディーゼルエンジン1の各気筒から排出される排気ガス中のPM(煤やSOFなど)は、排気浄化装置50のDPF53によって捕集される。初めに、そのときの空気の流れについて説明する。
【0056】
空気の流れは、機関暖機が必要なときと必要でないときで若干異なる。前述した「エンジン1が所定の運転状態にあるとき」は機関暖機が必要なときであり、このときに、ECU46は、燃焼式ヒータ17を作動し、該燃焼式ヒータ17を所定のリーン空燃比で運転し、吸気絞り弁70を全開、EGR弁92を全閉、弁装置44の弁体44aを全開、三方弁97の第1ポート97aと第2ポート97bとを連通し第3ポート97cを閉じ、三方弁97′の第1ポート97aと第3ポート97cとを連通し第2ポート97bを閉じる。各弁類の開閉状態がこのようになっていると、次の経路をたどってエアクリーナ13から吸気装置5に入った空気が排気装置7に至る。
【0057】
▲1▼エアクリーナ13から吸気管23の本流管29に入った空気は、ヒータ用枝管31の空気供給路33に流れる空気と、本流管29をそのまま下流へと流れる空気に分岐する。
【0058】
▲2▼空気供給路33に入った空気は、弁装置44を経由して、その後、燃焼式ヒータ17の燃焼室本体43に送り込まれる。
▲3▼燃焼室本体43に入った空気は、燃焼室本体43の燃焼室17dにおいて燃料供給管17eから送られる燃焼用燃料の燃焼用空気として供され、燃焼後、燃焼ガスとなって燃焼ガス排出路35に出る。
【0059】
▲4▼燃焼ガス排出路35に出た高温の燃焼ガスは、三方弁97、排気ガスクーラ84を経由して本流管29の接続箇所C2から本流管29に入り、分岐せずに本流管29を流れる空気と合流して、吸気の温度を高める。
【0060】
▲5▼温度を高めた吸気は、ターボチャージャ15のコンプレッサ15aおよびインタークーラ19を経由し、吸気絞り弁70を通過してインテークマニホールド21に入り、エンジン本体3の各気筒に入って気筒内での燃焼用空気として供される。
【0061】
▲6▼各気筒内での燃料の燃焼後、排気ガスとなってエキゾーストマニホールド37に至り、さらに排気管42、ターボチャージャ15のタービン15b、排気浄化装置50を通って排気される。
【0062】
このように、燃焼式ヒータ17の高熱な燃焼ガスがエンジン本体3の気筒内に入るため、エンジン1の暖機が進む。
なお、三方弁97の第3ポート97cが閉じているので、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスが三方弁97から分岐管95へ流れ出ることはなく、また、もう一つの三方弁97′の第2ポート97bが閉じているので、下流側連結管27を流れる空気がバイパス管48に流れ出ることもない。これにより、燃焼式ヒータ17から出る燃焼ガスを機関暖機に有効利用することができる。
【0063】
そして、エンジン1の暖機が十分になった場合は、EGR弁92を開き、弁装置44の弁体44aを閉じる。これはエンジン1の暖機が十分であるからEGR装置88の排気再循環を実行するためと、エンジン1の暖機が十分であるのにも拘わらず弁体44aを開いて燃焼式ヒータ17の出す高熱な燃焼ガスをエンジン本体3に送る必要がないからである。
【0064】
尚、本流管29における空気供給路33との接続箇所C1および燃焼ガス排出路35との接続箇所C2の間の部分にコンプレッサ15aがなく、当該部分でコンプレッサ15aが作動することがないので、接続箇所C2側が接続箇所C1よりも圧力が高くなることはなく、しかも燃焼式ヒータ17の送風ファン45により空気供給路33を介して空気を吸引するようにしているので、空気供給路33と燃焼ガス排出路35とを介して本流管29とつながっている燃焼式ヒータ17の燃焼室17d内に逆流を生じない。よって、燃焼式ヒータ17の火炎の向きが空気供給路33側を向く逆火現象を生じることもない。
【0065】
このように、エンジン1に暖機が必要なときと必要でないときでは吸気の経路が若干異なるが、いずれの場合も、エンジン本体3の各気筒から排出される排気ガスは排気浄化装置50を通り、その際に、排気ガス中のPMはDPF53に捕集され、PMを除去されたクリーンな排気ガスが排気されることになる。
【0066】
また、このエンジン1では、DPF53によってPMを捕集するのと並行して、DPF53からPMを除去する再生処理を行い、DPF53の目詰まりの防止を図っている。DPF53の再生処理について以下に説明する。
【0067】
DPF53の再生のメカニズムは、エンジン本体3の各気筒から出る排気ガスの温度によって若干異なり、以下の3つの排気ガス温度領域に場合分けして説明する。図5は、エンジン1に対し暖機を必要としない環境下(常温)であって、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを吸気管23に導入していないときの、エンジン1の運転状態(エンジン回転速度と負荷)と排気ガス温度との関係を示す温度分布図の一例を示すものである。図中の破線は、車両走行状態における路上走行抵抗(ロードロード)の一例を示し、この例では、車速が40km/Hrのときに排気ガス温度が250゜Cになり、車速が140km/Hrのときに排気ガス温度が600゜Cになる。
【0068】
<高温域H>
図5において、高温域Hは、排気ガス温度が600゜C以上になる領域である。煤は酸素過剰の雰囲気において約600゜C以上あれば燃やすことができ、高温域Hでは排気ガス温度が600゜C以上あるので、この排気ガスがDPF53に流れると、DPF53に付着している煤を燃やすことができる。なお、SOFは煤よりも燃焼温度が低いので、高温域Hでは、DPF53に付着しているSOFも同時に燃やすことができる。したがって、高温域Hでは、何ら特別な措置を講じなくても、DPF53に捕集されているPMを除去し、DPF53を再生することができる。そこで、この高温域Hは「自然DPF再生域」ということができる。しかも、SOFや煤は燃焼してCO2やH2Oとなるので、DPF53から除去したPMを無害化して排出することができる。
【0069】
ただし、この高温域Hは、エンジン1の高負荷運転時に対応するため、エンジン1における運転頻度としては他の温度域の運転頻度に比較して少ない。
【0070】
<中温域M>
図5において、中温域Mは、排気ガス温度が250〜600゜Cである領域である。この中温域Mの排気ガスを直接にDPF53に通した場合、SOFの燃焼に必要な温度は200゜C以上であるのでそれ以上の排気ガス温度であればSOFを燃やすことはできるが、前述したように煤の燃焼には約600゜C以上の排気ガス温度が必要であるので煤を燃やすことはできない。しかしながら、この排気浄化装置50の場合には、DPF53よりも上流側に酸化触媒52を設けてあるため、中温域Mの排気ガスを排気浄化装置50に通すことによって、SOFは勿論のこと、DPF53に捕集されている煤をも燃やすことができ、DPF53の再生を行うことができる。これは次の理由による。
【0071】
二酸化窒素(NO2)は、約250゜C以上の温度下において炭素(C)に対する酸化剤として機能することがわかっている(次式参照)。
2NO2 +C→2NO+CO2
すなわち、NO2存在下においては250゜C以上の温度で炭素を燃焼させることができる。
【0072】
ところで、ディーゼルエンジン1から排出される排気ガス中にはNOxが含まれており、この排気ガス中のNOxのうち一酸化窒素(NO)は排気浄化装置50の酸化触媒52を通過するときに酸化されてNO2となり(次式参照)、排気ガス中のNOx成分として元々含まれているNO2とともに、DPF53へと流れていく。
NO+(1/2)O2 →NO2
【0073】
したがって、このエンジン1においては、排気ガス温度が250゜C以上ある中温域Mであれば、NO2を含む排気ガスがDPF53に流れ込むことによって、DPF53に捕集されているSOFや煤のPMを燃焼することができ、DPF53を再生することができる。そこで、この中温域Mは「NO2によるDPF連続再生域」ということができる。
【0074】
ただし、排気ガス中のNOx濃度及び排気ガス量は、エンジン1の運転状態に応じて決まるものであり、DPF53に捕集されているPMの全てを燃焼させるのに必要なNOx濃度及び排気ガス量になるとは限らない。したがって、この中温域Mでのエンジン1の運転だけでDPF53を完全に再生することは難しい。そこで、このエンジン1では、さらに、排気ガス温度が250゜Cに満たない低温域LにおいてもDPF53の再生処理を実行できる手段を講じている。以下、低温域LでのDPF53の再生処理について説明する。
【0075】
<低温域L>
排気ガス温度が250゜C以下の場合には、まず、EGRガス量を増大させるようにEGR制御(EGR弁92の駆動デューティ比増大制御)を行い、これによって排気ガス温度を高める。
【0076】
このEGR制御によっても排気ガス温度を250゜C以上にできなかった場合には、燃焼式ヒータ17を作動させてその燃焼ガスを排気浄化装置50の上流に導入し、排気ガスと混合してガス温度を高める。その際、燃焼式ヒータ17の燃焼室17d内での燃焼を制御(燃焼式ヒータ17の空燃比制御)することによって、燃焼室17dで積極的に一酸化窒素(NO)を生成し燃焼ガス中のNOx濃度を高める。そうすると、燃焼ガスに含まれるNOxも排気ガス中のNOxとともに排気浄化装置50に導入され、DPF53の再生に供されるので、中温域Mのときと同様な再生メカニズムによるDPF53の再生をより促進することができる。
【0077】
次に、図6を参照して、低温域LにおけるDPF再生処理実行ルーチンについて説明する。このルーチンを構成する複数のステップからなるフローチャートはECU46のROMに記憶してあり、各ステップにおける処理はすべてECU46のCPUにより実行される。
【0078】
まず、ECU46は、ステップ101において、入ガス温度センサ40で検出した入ガス温度をDPF入口温度Tfとして読み込み、このDPF入口温度Tfが250゜Cよりも低いか否かを判定する。
【0079】
ステップ101で否定判定した場合には、排気ガス温度が中温域Mあるいは高温域Hにあり、排気ガス温度を高めなくてもDPF53の再生処理が可能であるので、リターンする。
【0080】
ステップ101で肯定判定した場合には、排気ガス温度が低温域Lにあり排気ガス温度を高めなければDPF53を再生することは不可能であるのでステップ102に進み、ステップ102以降の昇温処理を実行する。
【0081】
ECU46は、ステップ102において、EGR量を増大させるようにEGR制御を実行し(すなわち、EGR弁92の駆動デューティ比増大制御を実行し)、エンジン本体3の各気筒から排出される排気ガス温度を高める。なお、EGR量を増大して燃焼温度を高めると、NOの生成量も増大することになり、DPF再生用のNOxも増大する。
【0082】
ただし、EGR量を極端に増大させるとスモークの発生を招き、PMの生成量を増大させることになってしまうので、あくまでも排気浄化装置50の入口における排気ガス中のPM量を増大させない範囲内で、EGR量増大制御を実行する。
【0083】
次に、ECU46は、ステップ102からステップ103に進んで、入ガス温度センサ40で検出した入ガス温度をDPF入口温度Tfとして読み込み、DPF入口温度Tfが250゜Cよりも低いか否かを判定する。
【0084】
ステップ103で否定判定した場合にはリターンする。この否定判定は、EGR量増大制御によって排気ガス温度が250゜C以上になったことを意味し、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを導入する必要がないのでリターンするのである。ただし、EGR量増大制御による排気ガス温度の昇温処理はPMの生成量を所定量以下に抑制しながら実行しているので、EGR量増大制御実行前における排気ガス温度にもよるが、EGR量増大制御だけでエンジン本体3の各気筒から排出される排気ガスの温度を250゜C以上に昇温することは難しい。
【0085】
ステップ103で肯定判定した場合にはステップ104に進み、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを排気浄化装置50の上流に導入する。すなわち、ECU46は、ステップ104において、空気供給路33の弁装置44を全開にし、三方弁97の第1ポート97aと第3ポート97cを連通し第2ポート97cを閉じ、三方弁97′の第1ポート97aと第3ポート97cを連通し第2ポート97bを閉じる。これと同時に、ECU46は、燃焼式ヒータ17を作動(ON)する。これによって、エアクリーナ13から上流側連結管25の本流管29に入った空気が、次の経路をたどって排気装置7に至る。
【0086】
▲1▼エアクリーナ13から本流管29に入った空気は、ヒータ用枝管31の空気供給路33に流れる空気と、本流管29をそのまま下流へと流れる空気に分岐する。
【0087】
▲2▼本流管29をそのまま下流へと流れる空気は、前述した空気の経路、すなわち、本流管29→ターボチャージャ15のコンプレッサ15a→下流側連結管27→インタークーラ19→吸気絞り弁70→インテークマニホールド21→エンジン本体3の各気筒→エキゾーストマニホールド37→排気管42→ターボチャージャ15のタービン15bを通って、排気浄化装置50へと流れていく。なお、三方弁97′の第2ポート97bが閉じているので、下流側連結管27を流れる吸気が三方弁97′を通ってバイパス管48に流れ出ることはない。
【0088】
▲3▼一方、ヒータ用枝管31の空気供給路33に入った空気は、弁装置44を経由して、その後、燃焼式ヒータ17の燃焼室本体43に送り込まれる。
▲4▼燃焼室本体43に入った空気は、燃焼室本体43の燃焼室17dにおいて燃料供給管17eから送られる燃焼用燃料の燃焼用空気として供され、燃焼後、燃焼ガスとなって燃焼ガス排出路35に出る。
【0089】
▲5▼燃焼ガス排出路35に出た高温の燃焼ガスは、三方弁97を経由して分岐管95に入り、さらに分岐管95から三方弁97′を経由してバイパス管48に出る。よって、この実施の形態では、二つの三方弁97,97′は、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスをバイパス管(燃焼ガスバイパス通路)48に導入する導入手段といえる。
【0090】
▲6▼バイパス管48に入った高温の燃焼ガスは、接続箇所C3から排気管42に入り、前記▲2▼の経路をたどるエンジン1の排気ガスと合流して、燃焼ガスと排気ガスとの混合ガスとなる。燃焼式ヒータ17の燃焼ガスは250゜Cよりも高温であり、接続箇所C3で合流した後の混合ガスの温度は、エンジン本体3の各気筒から排出される排気ガス温度よりも高くなる。
【0091】
▲7▼接続箇所C3で合流後の高温の混合ガスは、排気浄化装置50の酸化触媒52、DPF53を順に通った後、排気される。
なお、三方弁97の第2ポート97bが閉じているので、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスが三方弁97を通り燃焼ガスクーラ84へ向かって流れることがなく、したがって、燃焼ガスが分岐管35から本流管29に流れ出ることはない。また、もう一つの三方弁97′の第2ポート97bが閉じているので、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスが下流側連結管27に流れ出ることもない。これにより、燃焼式ヒータ17から出る燃焼ガスの全量を、排気浄化装置50のすぐ上流に導くことができ、燃焼ガスをDPF53の再生のために有効に利用することができる。
【0092】
次に、ECU46は、ステップ104からステップ105に進み、燃焼式ヒータ17の燃焼室17dにおける燃焼で所定濃度のNOが生成されるように、燃料ポンプ47と送風ファン45の運転制御を行うことにより、燃焼式ヒータ17の空燃比(A/F)制御を実行する。また、これと同時に、排気浄化装置50に流入する混合ガスの温度が250゜C以上になるように、燃焼ガス流量を制御する。
【0093】
なお、エンジン1の暖機や車室内暖房のために燃焼式ヒータ17を作動する場合(すなわち、DPF再生処理以外のために燃焼式ヒータ17を作動する場合)には、燃焼式ヒータ17をNOが生成されない空燃比(以下、このときの空燃比を暖機時空燃比という)で運転しており、この暖機時空燃比もリーン域であるが、ステップ105における燃焼式ヒータ17の空燃比制御では、燃焼室17dでNOを積極的に生成するための高温を得るために、暖機時空燃比よりもさらにリーン度を高めた空燃比に制御する。以下、ステップ105の空燃比制御における目標空燃比をDPF再生空燃比と称す。
【0094】
なお、このDPF再生空燃比については、予め、排気浄化装置50について実験を行い、その実験結果からDPF53の再生に最適な混合ガスのNOx濃度を設定し、さらにそれから燃焼ガスの最適NOx濃度を設定し、また、燃焼式ヒータ17についても予め燃焼実験を行い、その実験結果から、燃焼ガスのNOx濃度が前記最適NOx濃度となるときの燃焼式ヒータ17の空燃比を求め、これをDPF再生空燃比とすることができる。この場合には、DPF再生空燃比は一定値となる。
【0095】
あるいは、排気浄化装置50のすぐ上流に設けたNOxセンサ41により排気浄化装置50に流入する混合ガスのNOx濃度を検出し、検出したNOx濃度と予め設定した混合ガスの最適NOx濃度との偏差に基づき、混合ガスのNOx濃度が前記最適NOx濃度となるように、燃焼式ヒータ17の空燃比をフィードバック制御してもよい。この場合には、DPF再生空燃比は可変となる。なお、本実施の形態では、燃焼式ヒータ17の空燃比をフィードバック制御する方式を採用する。
【0096】
このようにして、所定に空燃比制御された燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを、排気浄化装置50のすぐ上流の排気管42に導入して排気ガスと混合することにより、DPF53の再生に最適なNOx濃度を有し且つ250゜C以上の温度を有する混合ガスを排気浄化装置50に流入させることができる。その結果、エンジン本体3の各気筒から排出される排気ガスの温度が低温域Lである場合にも、前記中温域Mのときと同じ再生メカニズムによってDPF53を再生することができる。
【0097】
また、エンジン本体3の各気筒から排出される排気ガスの温度が低温域Lにあるエンジン運転状態の時にも、排気浄化装置50に流入する混合ガスの温度を250゜C以上に保持することができるので、ディーゼルエンジンの排気ガスに特有な刺激臭の原因物質であるアルデヒド等を酸化触媒52において酸化して浄化することができ、最終的に大気に排気される排気ガスの刺激臭を低減することができる。
【0098】
なお、車両駆動用のエンジン1において、この低温域Lは、アイドル運転状態から走行速度40〜50km/Hr程度の市街地走行状態に対応し、エンジン1における運転頻度としては一番多いものであり、この運転域でDPF53が再生処理可能であるので、PMの捕集によるDPF53の目詰まりを低減あるいは殆どなくすことができる。
【0099】
この後、ECU46はステップ105からステップ106に進んで、入ガス温度センサ40で検出した入ガス温度をDPF入口温度Tfとして読み込み、DPF入口温度Tfが燃焼式ヒータ作動停止温度T0よりも低いか否かを判定する。ここで、燃焼式ヒータ作動停止温度T0は250゜Cよりも高い温度(例えば、280゜C)に設定する。
【0100】
ステップ106で肯定判定した場合にはステップ105にリターンして燃焼式ヒータ17の空燃比制御による混合ガスの昇温処理を続行する。
ステップ106で否定判定した場合にはステップ107に進み、ECU46は、燃焼式ヒータ17の作動を停止(OFF)し、燃焼ガスを排気浄化装置50の上流に導入するのを停止する。すなわち、弁装置44の弁体44aを全閉にし、三方弁97の第1ポート97aと第2ポート97bを連通し第3ポート97cを閉じ、三方弁97′の第1ポート97aと第3ポート97cを連通し第2ポート97bを閉じる。これによって、燃焼式ヒータ17から燃焼ガスが出なくなり、燃焼ガスがバイパス通路48を通って排気管42の接続箇所C3に導入されることもなくなる。これで、ECU46は排気ガス温度が低温域LにあるときのDPF再生処理の実行を終了する。
【0101】
このように、この実施の形態においては、排気ガス温度が低温域LにあるときのDPF再生処理で、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスの全量をエンジン本体3を迂回して排気浄化装置50に導入しているので、燃焼ガスの熱エネルギを有効にDPF53の再生に利用することができる。
【0102】
また、この実施の形態においては、排気ガス温度が低温域LにあるときのDPF再生処理で、最初にEGR量増大制御を行って排気ガス温度の昇温を実行し、それでも排気ガス温度が所望温度(250゜C)に達しない場合に初めて、燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを排気浄化装置50の上流に導入し補うようにしているので、燃焼式ヒータ17の燃料消費量を極力少なくすることができ、経済的である。
【0103】
さらに、この実施の形態においては、排気ガス温度が250゜C以上の場合には高温の燃焼ガスが排気浄化装置50に流れ込まないので、酸化触媒52の高温劣化を抑制することができて耐久性が向上する。
【0104】
〔第2の実施の形態〕
図7は本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の第2の実施の形態における構成図である。
【0105】
この第2の実施の形態が第1の実施の形態と相違する点は、第2の実施の形態では、バイパス管48における接続箇所C3寄りに、酸化触媒(第2の酸化触媒)55を収容した触媒コンバータ54を設けてある点だけであり、その他の構成は第1の実施の形態と全く同じである。
【0106】
この触媒コンバータ54は、排気ガス温度が低温域Lにあるときであって燃焼式ヒータ17の燃焼ガスを排気浄化装置50の上流に導入する際に、燃焼ガス中のNOを触媒コンバータ54の酸化触媒55によって酸化しNO2にするために設けたものである。触媒コンバータ54はバイパス管48に設けられているので、排気ガス温度が中温域Mあるいは高温域Hにあるときには、その排気ガスが触媒コンバータ54に流れることはない。したがって、触媒コンバータ54の高温劣化を低減することができ、耐久性が向上する。
【0107】
この第2の実施の形態によっても、本発明は成立し、第1の実施の形態の場合と同じ作用・効果を得ることができる。
【0108】
【発明の効果】
本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関によれば、内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関の排気ガスを浄化するフィルタと、前記内燃機関の排気系の前記フィルタの上流に設けられた第1の酸化触媒と、前記内燃機関の機関関連要素を昇温すべく設けられた燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記内燃機関の吸気系に導入する燃焼ガス排出路と、前記燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記内燃機関の気筒を迂回して該内燃機関の排気系の前記第1の酸化触媒の上流に導入する燃焼ガスバイパス通路と、前記フィルタを再生するときに前記燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記燃焼ガスバイパス通路に導入する導入手段と、を備えることにより、排気系に設けた排気ガス浄化用のフィルタがPMの捕集により目詰まりするのを抑制することができ、その結果、内燃機関の出力低下を抑制することができる、という優れた効果が奏される。
【0109】
また、前記第1の酸化触媒の入口温度が所定温度以下のときに、前記導入手段によって前記燃焼式ヒータの燃焼ガスが前記燃焼ガスバイパス通路に導入されるようにした場合には、燃焼式ヒータにおける燃料の浪費を防止することができ、経済的である。また、第1の酸化触媒の入口温度が所定温度を越えているときには、第1の酸化触媒に高温の燃焼ガスが流れなくなるので、第1の酸化触媒の高温劣化が抑制されて耐久性が向上する。
【0110】
前記燃焼式ヒータの燃焼ガスが前記導入手段によって前記燃焼ガスバイパス通路に導入されているときに、燃焼式ヒータにおける燃焼によってNOxが生成されるように該燃焼式ヒータの燃焼を制御した場合には、燃焼式ヒータで生成したNOxをフィルタの再生に利用することができ、フィルタの再生を促進することができる。
【0111】
前記第1の酸化触媒の上流であって前記内燃機関の排気系と燃焼ガスバイパス通路との接続点の下流にNOx濃度を検出するNOxセンサを設け、このNOxセンサで検出したNOx濃度に基づいて前記燃焼式ヒータの空燃比を制御するようにした場合には、第1の酸化触媒に流入するNOx濃度を、フィルタの再生に最適な濃度に制御することができ、フィルタの再生を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の第1の実施の形態の概略構成図である。
【図2】前記第1の実施の形態において導入手段の一部を構成する三方弁の概略断面図である。
【図3】前記第1の実施の形態において導入手段の一部を構成する他の三方弁の概略断面図である。
【図4】前記第1の実施の形態において燃焼装置としての燃焼式ヒータの概略断面図である。
【図5】エンジン1の運転状態(エンジン回転速度と負荷)と排気ガス温度との関係を示す温度分布図である。
【図6】前記第1の実施の形態において排気ガス温度が低温域にあるときのDPF再生処理実行ルーチンである。
【図7】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の第2の実施の形態の概略構成図である。
【符号の説明】
1…エンジン(内燃機関)
3…エンジン本体
5…吸気装置
7…排気装置
9…車室用ヒータ
13…エアクリーナ
15…ターボチャージャ
15a…ターボチャージャのコンプレッサ
15b…ターボチャージャのタービン
17…燃焼式ヒータ
17a…燃焼式ヒータの冷却水通路
17a1…冷却水導入口
17a2…冷却水排出口
17b…燃焼筒
17c…円筒状隔壁
17d…燃焼室
17d1…空気供給口
17d2…排気排出口
17e…燃料供給管
19…インタークーラ
21…インテークマニホールド
23…吸気管(吸気系)
25…上流側連結管
27…下流側連結管
29…本流管
31…ヒータ用枝管
33…空気供給路
35…燃焼ガス排出路
37…エキゾーストマニホールド
39…メイン触媒コンバータ
40…入ガス温度センサ
41…NOxセンサ
42…排気管(排気系)
43…燃焼室本体
43a…ケース体
44…弁装置
44a…弁体
44b…駆動モータ
44c…開閉機構部
45…送風ファン
46…ECU
47…燃料ポンプ
48…バイパス通路(燃焼ガスバイパス通路)
50…排気浄化装置
51…ケーシング
52…第1の酸化触媒
53…DPF(フィルタ)
54…触媒コンバータ
55…第2の酸化触媒
70…吸気絞り弁
84…燃焼ガスクーラ
88…EGR装置
89…EGRクーラ
90…EGR通路
91…温度センサ
92…EGR弁
95…分岐管
97…三方弁(導入手段)
97′…三方弁(導入手段)
C1…空気供給路33と本流管29との接続箇所
C2…燃焼ガス排出路35と本流管29との接続箇所
C3…排気管42とバイパス管48との接続箇所
W1…水管路
W2…〃
W3…〃[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine having a combustion type heater, and more particularly to an internal combustion engine having a combustion type heater for introducing combustion gas into an intake system of the internal combustion engine in order to increase the temperature of engine-related components of the internal combustion engine.
[0002]
2. Description of the Related Art
2. Description of the Related Art In an internal combustion engine, particularly a diesel engine, exhaust gas discharged from the engine contains a large amount of PM (Particulate Matter) such as soot and SOF (Soluble Organic Fraction). Therefore, conventionally, a filter called DPF (Diesel Particulate Filter) is provided in the exhaust passage, and PM is collected by this.
[0003]
Since this filter gradually clogs by trapping PM, the exhaust resistance increases and the engine load increases. Therefore, it is necessary to desorb the trapped PM from the filter at an appropriate timing (hereinafter, desorption of PM from the filter is referred to as “regeneration of the filter”, and PM desorption processing is referred to as “filter regeneration”. Playback process).
[0004]
To regenerate the filter, PM should be burned, soot and SOF become CO22And H2Since it changes to O, not only can the filter be regenerated, but also PM can be rendered harmless and released to the atmosphere.
[0005]
However, combustion of soot requires a temperature of 600 ° C. or higher. If the combustion temperature of soot is to be obtained by the heat of the exhaust gas flowing through the filter, the exhaust gas temperature is high during high-load operation of the engine. However, this was not possible during low load or medium load operation because the exhaust gas temperature was low. In general, the engine is operated at a lower load / medium load more often than at a high load (time), and as a result, the state of insufficient regeneration of the filter tends to become chronic, which causes a problem. Met.
[0006]
On the other hand, some vehicles are equipped with a combustion type heater for heating the passenger compartment separately from the internal combustion engine as a power source. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-78819, an air passage is provided around the combustion chamber of a combustion type heater, through which air for heating the vehicle interior flows, and the heat of the combustion gas of the combustion type heater is used to heat the vehicle interior. The air for heating the cabin is heated and blown out into the cabin through an air conditioner to be used for heating the cabin, while the combustion gas discharged from the combustion type heater is supplied to the exhaust system of the internal combustion engine. There is disclosed a technique in which the combustion gas is introduced upstream of a catalytic converter, and the combustion gas of the combustion heater is purified by the catalytic converter together with the exhaust gas of the internal combustion engine and released to the atmosphere.
[0007]
In the technology disclosed in this publication, the combustion gas of the combustion heater is introduced into the exhaust system of the internal combustion engine, but this is only for purifying the combustion gas by the catalytic converter. Further, this publication does not disclose a filter (DPF), nor does it disclose conditions for introducing a combustion gas upstream of a catalytic converter.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems of the conventional technology, and an object of the present invention is to solve the problem of the combustion type heater when the exhaust gas temperature is lower than the temperature required for filter regeneration. The temperature is increased by introducing the combustion gas into the exhaust system, and the nitrogen monoxide (NO) in the gas is converted into nitrogen dioxide (NO) by the oxidation catalyst.2) To act as an oxidant for carbon at relatively low temperatures2And promote regeneration of the filter.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems. An internal combustion engine having a combustion heater according to the present invention includes a filter provided in an exhaust system of the internal combustion engine for purifying exhaust gas of the internal combustion engine, and a first filter provided upstream of the filter in the exhaust system of the internal combustion engine. An oxidation catalyst, a combustion gas exhaust passage for introducing combustion gas of a combustion type heater provided to raise an engine-related element of the internal combustion engine into an intake system of the internal combustion engine, and a combustion gas discharge path of the combustion type heater.Including NOA combustion gas bypass passage that bypasses a cylinder of the internal combustion engine and introduces the combustion gas upstream of the first oxidation catalyst in an exhaust system of the internal combustion engine; and a combustion gas of the combustion heater when regenerating the filter. And an introduction means for introducing the gas into the combustion gas bypass passage.
[0010]
When the exhaust gas of the internal combustion engine is supplied to the filter, PM (Particulate Matter) such as SOF (Solutable Organic Fraction) and soot in the exhaust gas is collected by the filter, so that the filter is gradually clogged. . Therefore, it is necessary to burn and remove PM trapped in the filter at an appropriate timing, that is, to regenerate the filter. However, burning PM requires a considerably high temperature (about 600 ° C. or more). In order to obtain this temperature with the exhaust gas of the internal combustion engine, the internal combustion engine must be operated at a considerably high output. In particular, in the case of an internal combustion engine for driving a vehicle, under normal operating conditions, it is possible to obtain the exhaust gas temperature required for regeneration of the filter only during high-load operation, and the low- and medium-load operation is frequently performed. Sometimes the exhaust gas temperature is not enough to regenerate the filter.
[0011]
However, in the internal combustion engine of the present invention, when the filter is regenerated, the combustion gas of the combustion heater is introduced into the combustion gas bypass passage by the introduction means, and is introduced into the exhaust system upstream of the filter through the combustion gas bypass passage. The gas and combustion gas flow into the filter as a mixed gas. The temperature of the combustion gas of the combustion type heater is considerably high, and the temperature of the mixed gas becomes higher than the exhaust gas temperature, so that the temperature required for regeneration of the filter can be obtained. In addition, since the first oxidation catalyst is provided upstream of the filter, nitrogen monoxide (NO) in the mixed gas is oxidized by the first oxidation catalyst to form nitrogen dioxide (NO).2). NO2Acts as an oxidizing agent at temperatures above about 250 ° C., thus promoting filter regeneration.
[0012]
In the present invention, the internal combustion engine can be exemplified by a gasoline engine or a diesel engine, and can be exemplified by a direct injection lean burn gasoline engine or a diesel engine. Further, in the present invention, the filter for purifying the exhaust gas may be a DPF (Diesel Particulate Filter), but is not limited thereto.
[0013]
In the present invention, the engine-related element of the internal combustion engine heated by the combustion heater is engine cooling water or the internal combustion engine itself. The combustion type heater independently burns fuel and discharges combustion gas without being affected by combustion in the cylinder of the internal combustion engine body.
[0014]
In the present invention, the introduction means is for introducing the combustion gas of the combustion type heater into the combustion gas bypass passage or for preventing the introduction thereof, and may be constituted by a valve device. The operation of the introduction means is controlled by a CPU (Central Processing Unit) of an ECU (Engine Control Unit).
[0015]
Regarding the filter regeneration timing, the filter regeneration may be performed during the entire period during which the internal combustion engine is operating, or the filter regeneration timing may be set when the filter clogging reaches a predetermined level. . Here, the determination as to whether or not the clogging of the filter has reached a predetermined degree may be made based on whether or not the integrated operation time of the internal combustion engine has reached a predetermined time, or may be determined by the internal combustion engine for driving a vehicle. If so, the determination may be made based on whether the accumulated traveling distance has reached a predetermined value, or may be determined based on whether the pressure loss of the filter has reached a predetermined value.
[0016]
Further, in the present invention, when the inlet temperature of the first oxidation catalyst is equal to or lower than a predetermined temperature, the introducing means may introduce the combustion gas of the combustion heater into the combustion gas bypass passage. it can. With this configuration, when the inlet temperature of the first oxidation catalyst exceeds the predetermined temperature, the high-temperature combustion gas does not flow into the first oxidation catalyst, so that the durability of the first oxidation catalyst is improved.
[0017]
The “predetermined temperature” in “when the inlet temperature of the first oxidation catalyst is equal to or lower than a predetermined temperature” may be a temperature at which carbon is burned in an oxygen-excess atmosphere, or if carbon is NO.2May be the temperature at which combustion takes place in the presence of.
[0018]
In the present invention, when the combustion gas of the combustion heater is introduced into the combustion gas bypass passage by the introduction means, combustion of the combustion heater is performed so that NOx is generated by combustion in the combustion heater. It is preferable to control. With this configuration, NOx generated by the combustion heater can also be used for regeneration of the filter, thereby promoting regeneration of the filter. Here, the combustion of the combustion type heater is controlled by controlling the air-fuel ratio of the combustion type heater. The air-fuel ratio control of the combustion type heater should be executed by controlling the supply amount of combustion fuel of the combustion type heater, controlling the supply amount of combustion air of the combustion type heater, or controlling both. Can be. This air-fuel ratio control is executed by the CPU of the ECU.
[0019]
In the present invention, a NOx sensor for detecting a NOx concentration is provided upstream of the first oxidation catalyst and downstream of a connection point between the exhaust system of the internal combustion engine and the combustion gas bypass passage, and the NOx sensor detects the NOx concentration. The air-fuel ratio of the combustion heater can be controlled based on the NOx concentration. There is a correlation between the air-fuel ratio of the combustion heater and the combustion temperature of the combustion heater, and the combustion temperature of the combustion heater determines the concentration of NOx generated by the combustion heater. Therefore, when the air-fuel ratio of the combustion heater is controlled based on the NOx concentration detected by the NOx sensor, the NOx concentration of the mixed gas flowing into the first oxidation catalyst is controlled to an optimum concentration for regeneration of the filter. Can be.
[0020]
In the present invention, it is possible to provide a second oxidation catalyst in the combustion gas bypass passage. This is particularly effective when the introduction means introduces the combustion gas of the combustion type heater into the combustion gas bypass passage when the inlet temperature of the first oxidation catalyst is equal to or lower than a predetermined temperature. is there. With this configuration, when the inlet temperature of the first oxidation catalyst is equal to or higher than the predetermined temperature, high-temperature combustion gas from the combustion heater does not flow through the second oxidation catalyst, and high-temperature deterioration of the second oxidation catalyst is suppressed. Is done.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an internal combustion engine having a combustion heater according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
[0022]
[First Embodiment]
First, a configuration of an internal combustion engine having a combustion heater according to the first embodiment will be described with reference to FIG. An
[0023]
The intake device 5 starts with an
[0024]
The components of the intake device 5 are connected by a plurality of connecting pipes described below that belong to the
The
[0025]
The upstream connecting
[0026]
The
The
[0027]
A valve device 44 is provided in the
[0028]
A combustion gas cooler 84 for cooling the combustion gas of the
A portion of the combustion
[0029]
The three-
[0030]
The intake air passing through the
[0031]
On the other hand, an
[0032]
The
[0033]
The operation of the
[0034]
The exhaust device 7 is provided with an
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
Further, the
[0040]
A portion connecting the
[0041]
The three-way valve 97 'connects the
[0042]
The
[0043]
The operation of the
[0044]
The
[0045]
Next, the structure of the
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
A
[0049]
Further, the combustion chamber
[0050]
The
[0051]
On the other hand, the cooling
[0052]
Also, the cooling
[0053]
Therefore, the cooling water of the water jacket reaches the
[0054]
The
[0055]
Next, the operation of this embodiment will be described. PM (such as soot and SOF) in the exhaust gas discharged from each cylinder of the
[0056]
The air flow is slightly different when engine warm-up is required and when it is not. The above-mentioned “when the
[0057]
{Circle around (1)} The air that has entered the
[0058]
(2) The air that has entered the
(3) The air that has entered the combustion chamber
[0059]
(4) The high-temperature combustion gas that has exited the combustion
[0060]
(5) The intake air whose temperature has been increased passes through the compressor 15a of the
[0061]
{Circle around (6)} After the fuel is burned in each cylinder, the fuel becomes exhaust gas to reach the
[0062]
As described above, since the hot combustion gas of the
Since the
[0063]
Then, when the
[0064]
Note that there is no compressor 15a in a portion between the connection point C1 with the
[0065]
As described above, the intake path is slightly different between when the
[0066]
In addition, in the
[0067]
The mechanism of the regeneration of the
[0068]
<High temperature range H>
In FIG. 5, a high temperature region H is a region where the exhaust gas temperature is 600 ° C. or higher. Soot can be burned in an oxygen-excess atmosphere at about 600 ° C. or more, and in the high temperature range H, the exhaust gas temperature is 600 ° C. or more. Therefore, when this exhaust gas flows through the
[0069]
However, since the high temperature range H corresponds to the high load operation of the
[0070]
<Medium temperature range M>
In FIG. 5, the middle temperature range M is a range where the exhaust gas temperature is 250 to 600 ° C. When the exhaust gas in the middle temperature range M is directly passed through the
[0071]
Nitrogen dioxide (NO2) Is known to function as an oxidizing agent for carbon (C) at a temperature of about 250 ° C. or higher (see the following formula).
2NO2+ C → 2NO + CO2
That is, NO2In the presence, carbon can be burned at temperatures above 250 ° C.
[0072]
By the way, the exhaust gas discharged from the
NO + (1/2) O2→ NO2
[0073]
Therefore, in this
[0074]
However, the NOx concentration and the exhaust gas amount in the exhaust gas are determined according to the operating state of the
[0075]
<Low temperature range L>
If the exhaust gas temperature is equal to or lower than 250 ° C., first, EGR control (drive duty ratio increase control of the EGR valve 92) is performed so as to increase the EGR gas amount, thereby increasing the exhaust gas temperature.
[0076]
If the exhaust gas temperature cannot be increased to 250 ° C. or more even by the EGR control, the
[0077]
Next, a routine for executing the DPF regeneration process in the low temperature range L will be described with reference to FIG. A flowchart including a plurality of steps constituting this routine is stored in the ROM of the
[0078]
First, in
[0079]
If a negative determination is made in
[0080]
If an affirmative determination is made in
[0081]
In step 102, the
[0082]
However, if the EGR amount is extremely increased, smoke is generated and the amount of PM generated is increased. Therefore, the amount of PM in the exhaust gas at the inlet of the exhaust
[0083]
Next, the
[0084]
If a negative determination is made in
[0085]
If an affirmative determination is made in
[0086]
{Circle around (1)} The air that has entered the
[0087]
{Circle around (2)} The air flowing downstream as it is through the
[0088]
{Circle around (3)} On the other hand, the air that has entered the
(4) The air that has entered the combustion chamber
[0089]
(5) The high-temperature combustion gas that has exited the combustion
[0090]
(6) The high-temperature combustion gas that has entered the
[0091]
{Circle around (7)} The high-temperature mixed gas that has joined at the connection point C3 is exhausted after passing through the
Since the
[0092]
Next, the
[0093]
When the
[0094]
For the DPF regeneration air-fuel ratio, an experiment is performed in advance on the exhaust
[0095]
Alternatively, the NOx concentration of the mixed gas flowing into the exhaust
[0096]
In this way, by introducing the combustion gas of the
[0097]
Further, even when the temperature of the exhaust gas discharged from each cylinder of the
[0098]
In the
[0099]
Thereafter, the
[0100]
If an affirmative determination is made in
If a negative determination is made in
[0101]
As described above, in this embodiment, in the DPF regeneration process when the exhaust gas temperature is in the low temperature range L, the entire amount of the combustion gas from the
[0102]
Further, in this embodiment, in the DPF regeneration process when the exhaust gas temperature is in the low temperature range L, first, the EGR amount increase control is performed to increase the exhaust gas temperature. Only when the temperature (250 ° C.) is not reached, the combustion gas of the
[0103]
Further, in this embodiment, when the exhaust gas temperature is equal to or higher than 250 ° C., the high-temperature combustion gas does not flow into the exhaust
[0104]
[Second embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram of an internal combustion engine having a combustion heater according to a second embodiment of the present invention.
[0105]
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the second embodiment, an oxidation catalyst (second oxidation catalyst) 55 is accommodated near the connection point C3 in the
[0106]
This
[0107]
According to the second embodiment, the present invention is established, and the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained.
[0108]
【The invention's effect】
According to the internal combustion engine having the combustion heater according to the present invention, a filter provided in an exhaust system of the internal combustion engine to purify exhaust gas of the internal combustion engine, and a filter provided upstream of the filter in the exhaust system of the internal combustion engine A first oxidation catalyst, a combustion gas exhaust passage for introducing combustion gas from a combustion heater provided to heat an engine-related element of the internal combustion engine into an intake system of the internal combustion engine, and combustion of the combustion heater. A combustion gas bypass passage for introducing gas upstream of the first oxidation catalyst in an exhaust system of the internal combustion engine, bypassing a cylinder of the internal combustion engine; and a combustion gas of the combustion heater when regenerating the filter. The introduction means for introducing into the combustion gas bypass passage, it is possible to suppress the filter for exhaust gas purification provided in the exhaust system from being clogged by PM collection, as a result, It is possible to suppress the reduction in the output of the combustion engine, excellent effect is exhibited.
[0109]
Further, when the combustion gas of the combustion type heater is introduced into the combustion gas bypass passage by the introduction means when the inlet temperature of the first oxidation catalyst is equal to or lower than a predetermined temperature, the combustion type heater It is economical to avoid wasting fuel in When the inlet temperature of the first oxidation catalyst exceeds a predetermined temperature, high-temperature combustion gas does not flow through the first oxidation catalyst, so that high-temperature deterioration of the first oxidation catalyst is suppressed and durability is improved. I do.
[0110]
When the combustion of the combustion heater is controlled so that NOx is generated by combustion in the combustion heater while the combustion gas of the combustion heater is being introduced into the combustion gas bypass passage by the introduction means. The NOx generated by the combustion heater can be used for regeneration of the filter, and the regeneration of the filter can be promoted.
[0111]
A NOx sensor for detecting a NOx concentration is provided upstream of the first oxidation catalyst and downstream of a connection point between the exhaust system of the internal combustion engine and the combustion gas bypass passage, and based on the NOx concentration detected by the NOx sensor. When the air-fuel ratio of the combustion heater is controlled, the concentration of NOx flowing into the first oxidation catalyst can be controlled to a concentration optimal for regeneration of the filter, and the regeneration of the filter can be efficiently performed. It can be carried out.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of an internal combustion engine having a combustion heater according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a three-way valve constituting a part of an introduction means in the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic sectional view of another three-way valve constituting a part of the introduction means in the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a combustion type heater as a combustion device in the first embodiment.
FIG. 5 is a temperature distribution diagram showing a relationship between an operating state of the engine 1 (engine speed and load) and an exhaust gas temperature.
FIG. 6 is a DPF regeneration process execution routine when the exhaust gas temperature is in a low temperature range in the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of an internal combustion engine having a combustion heater according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Engine (internal combustion engine)
3. Engine body
5. Intake device
7 Exhaust device
9 ... Heater for vehicle compartment
13 ... Air cleaner
15 ... Turbocharger
15a: Turbocharger compressor
15b: Turbocharger turbine
17. Combustion heater
17a: Cooling water passage of combustion type heater
17a1… Cooling water inlet
17a2… Cooling water outlet
17b ... combustion cylinder
17c ... cylindrical partition
17d: Combustion chamber
17d1... Air supply port
17d2… Exhaust outlet
17e ... fuel supply pipe
19. Intercooler
21 ... intake manifold
23 ... intake pipe (intake system)
25 ... upstream connecting pipe
27… Downstream connecting pipe
29… Main tube
31 ... Branch for heater
33 ... Air supply path
35 ... Combustion gas discharge path
37 ... Exhaust manifold
39 ... Main catalytic converter
40 ... Inlet gas temperature sensor
41… NOx sensor
42 ... exhaust pipe (exhaust system)
43… Combustion chamber body
43a ... Case body
44 ... Valve device
44a ... valve body
44b Drive motor
44c: Opening / closing mechanism
45… Blower fan
46 ... ECU
47 ... Fuel pump
48: Bypass passage (combustion gas bypass passage)
50 Exhaust gas purification device
51 ... casing
52: first oxidation catalyst
53 ... DPF (filter)
54: Catalytic converter
55 ... second oxidation catalyst
70 ... intake throttle valve
84: Combustion gas cooler
88 EGR device
89… EGR cooler
90 ... EGR passage
91… Temperature sensor
92 ... EGR valve
95 ... Branch pipe
97 ... three-way valve (introduction means)
97 '... three-way valve (introduction means)
C1: Connection point between the
C2: connection point between the combustion
C3: connection point between the
W1 ... Water pipeline
W2 ... 〃
W3 ... 〃
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