JP4184732B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気再循環装置(EGR装置)と、NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車には排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を除去するために排気マニホルドの下流にNOx触媒が設けられている。NOx触媒は、NOx吸着量が多くなるなどするとその触媒能力が低下するため、NOxを除去する再生が必要となる。
【0003】
従来、例えば特開平6−074022号公報、特開2001−065333号公報、特開2001−280125号公報および特開2002−021539号公報には、NOx触媒を再生するために燃料(ガソリンや軽油等のHC)を還元剤として燃焼室または排気ポートへ添加する排気浄化装置が開示されている。例えば特開2001−280125号公報および特開2002−021539号公報に開示の技術では、排気ポートに燃料添加ノズルを設け、燃料添加ノズルから還元剤として燃料を添加し、NOx触媒に吸着されたNOxを還元除去するように構成されていた。
【0004】
一方、自動車エンジンには、排気の一部を吸気系へ還流するEGR装置が装備されている。EGR装置は、排気通路と吸気通路をバイパスするEGR管(EGR通路)上に設けられたEGRバルブを開くことで排気ガスの一部を吸気系へ還流させることにより、内燃機関の燃焼室内における燃焼温度を低下させ、NOxの生成を抑制するように構成されている。
【0005】
特開2001−280125号公報では、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加ノズルを、4番気筒の排気ポートに臨ませて取り付け、その燃料噴射方向を排気マニホルドにおける排気集合管との接続部へ向けていた。排気マニホルドにおいてEGR管との接続部(EGR取出口)を1番気筒近傍に配置していた。
【0006】
また、特開2002−021539号公報では、排気マニホルドには、燃料添加ノズルが設けられた排気ポートに接続される岐管とは反対側に位置する他端部分にEGR取出口が設定されていた。そして、排気マニホルドのうち4番気筒と3番気筒との間に逆止弁が設けられていた。燃料添加ノズルから添加された燃料は、逆止弁によりEGR管へは流れず、還元剤として添加された燃料がEGR管を通って吸気系へ回り込むことを防止するように構成されていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開2001−280125号公報の技術のように、燃料添加ノズルの燃料噴射方向を排気マニホルドにおける排気集合管との接続部へ向ける構成は、燃料添加ノズル、排気マニホルドにおける排気集合管の接続部、EGR取出口等の位置を最適化する必要がある。しかし、これらの位置の最適化を図ることは、車両搭載上困難なことが多い。特にEGR率が高くEGRガスが大量に吸気系へ還流される大量EGR運転中に還元剤(燃料)の添加を行うと、還元剤が目的とする排気下流方向のみならず排気脈動によりEGR通路を通って吸気系にまで回り込み、エンジンのトルク変動や排気エミッションの悪化を引き起こす虞があり、更なる改善が要望されている。
【0008】
また、特開2002−021539号公報の技術では、排気マニホルドの内部に逆止弁を組み込むことは大変手間のかかる作業であり、排気マニホルドの生産効率低下などの問題があり、逆止弁などの部品を排気マニホルド内部に組み込むことは避けたい要望がある。
【0009】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大量EGR運転時に還元剤の添加が行われたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記第1の目的を達成するための請求項1に記載の発明では、排気浄化装置は直列型内燃機関に適用される。この排気浄化装置は、一方の気筒群と他方の気筒群とに接続される分割型排気マニホルドと、各分割型排気マニホルドのそれぞれの排気集合部の下流にそれぞれ配置された過給機と、該過給機の下流に配置されたNOx触媒と、該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段と、EGR装置とを備えている。一方の排気マニホルド側に還元剤添加手段を設けると共に、他方の排気マニホルド側にEGR取出口を設けている。なお、「排気マニホルド側」とは、排気ポートを含む。また、「内燃機関」としては、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。このことは以下の請求項においても同様である。
【0014】
この発明によれば、一方の排気マニホルド側で添加された還元剤は一方の過給機を通った後、他方の過給機を逆流できず他方の排気マニホルドへは流れない。大量EGR運転時に還元剤添加が行われたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを抑えることが可能となる。
【0015】
前記第1の目的を達成するための請求項2に記載の発明では、排気浄化装置は直列型内燃機関に適用される。この排気浄化装置は、一方の気筒群と他方の気筒群とに接続される分割型排気マニホルドと、各分割型排気マニホルドのそれぞれの排気集合部の下流に配置されたNOx触媒と、該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段と、EGR装置とを備えている。一方の排気マニホルド側に還元剤添加手段を設けると共に、他方の排気マニホルド側にEGR取出口を設けている。
【0016】
この発明によれば、添加された還元剤は、排気合流部に至る手前でNOx触媒に到達しこれを還元する。よって、還元剤が他方の排気マニホルド側のEGR取出口へ流れることはなくなる。仮にNOx触媒を通過する一部の還元剤が存在しても、排気脈動はNOx触媒の通過によってかなり減衰しているため、その一部の還元剤はEGR取出口へはまず流れず、仮に流れたとしても微量である。
【0017】
請求項3に記載の発明では、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置おいて、 前記一方の排気マニホルド側にEGR取出口、前記他方の排気マニホルド側に還元剤添加手段が更に設けられ、還元剤の添加とEGRガスの取出しが相対する排気マニホルドとなるように切換えることを要旨とする。
【0018】
この発明によれば、一方の排気マニホルドに還元剤が添加され、一方の触媒が再生される。この場合、EGRガスは他方の排気マニホルド側のEGR取出口から吸気系に還流される。反対に、他方の排気マニホルドに還元剤が添加され、他方の触媒が再生される。この場合は、一方の排気マニホルド側からEGRガスを取り出すようにEGRガス通路を切換える。この結果、大量EGR運転時に還元剤添加が行われたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることが可能となるとともに、両NOx触媒を交互に再生可能である。
【0025】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下に、本発明を自動車の内燃機関に適用した第1の実施形態について図1及び図2に基づいて説明する。なお、NOx触媒を再生させる還元剤(燃料)を添加する燃料添加ノズルを備えた排気浄化装置、およびEGR装置(排気循環装置)を搭載した自動車のエンジンにおいて適用される。
【0026】
図1はエンジンシステムの概略構成図である。エンジンシステムは、内燃機関としてのディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)1と、エンジン1を電子制御する電子制御ユニット(ECU)2とを備えている。エンジン1は直列6気筒ディーゼルエンジンである。
【0027】
エンジン本体3には、各気筒に送られる吸気の通路となる吸気マニホルド(インテークマニホルド)4と、6気筒のうち3気筒ずつを分担する2つの分割型排気マニホルド(エキゾーストマニホルド)(以下、単に排気マニホルドと称す)5,6とが接続されている。
【0028】
吸気マニホルド4は、6つの気筒毎の各吸気ポート(図示省略)に接続された所定管形状の単一部品からなる。一方、排気マニホルド5,6は、各気筒の排気ポートに接続される3本の岐管5a,5b,5c又は6a,6b,6cと、これら3本の岐管5a,5b,5c又は6a,6b,6cが1つに集合する排気集合部5d,6dとを有し、排気集合部5d,6dの下流側終端では接続可能な1本の管路として延びている。
【0029】
吸気マニホルド4には吸気管7が接続されており、エンジン1の各気筒の燃焼室には、吸気管7および吸気マニホルド4を介して吸気が導入される。吸気管7の始端にはエアクリーナ8が設けられており、吸気管7の途中には、エアフローメータ9,過給機(ターボチャージャ)10A,10Bのコンプレッサ10a,インタークーラ11,スロットルバルブ12が設けられている。
【0030】
エアフローメータ9はエアクリーナ8を介して吸気管7に流入する新気の空気量に応じた出力信号をECU2に出力し、ECU2はエアフローメータ9の出力信号に基づいて吸入空気量を演算する。
【0031】
各気筒の燃焼室には、燃料噴射ノズル(インジェクタ)13がそのノズル部を燃焼室に露出させた状態で配設され、エンジン1の各気筒の燃焼室にはそれぞれ燃料噴射ノズル13から燃料(軽油)が噴射される。この燃料は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプ14によって圧送されコモンレール15を介して燃料噴射ノズル13に供給される。燃料ポンプ14はエンジン1の図示しないクランクシャフトの動力によって駆動される。また各燃料噴射ノズル13の開弁時期および開弁期間は、エンジン1の運転状態に応じてECU2によって制御される。
【0032】
その制御の方法は詳しく説明すると次のようになる。ECU2の入力ポートには、アクセル開度センサ16およびクランク角センサ17が接続されている。アクセル開度センサ16はスロットルバルブ12の開度に比例した出力電圧をECU2に出力し、ECU2はアクセル開度センサ16の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ17はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをECU2に出力し、ECU2はこの出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン運転状態が判別され、ECU2はエンジン運転状態に応じて燃料噴射ノズル13の開弁時期、開弁期間を制御する。なお、コモンレール式の燃料噴射システムに替え、燃料噴射ポンプ式の燃料噴射システムを採用することもできる。
【0033】
また、エンジン1の各気筒の燃焼室で生じた排気ガスは、各気筒の排気ポートから岐管5a〜5c,6a〜6cを通って排気マニホルド5,6に排出される。ここで、説明の都合上、エンジン1の気筒番号を、図中左端に配置された気筒を1番気筒#1として、右側へ順に、2番気筒#2,3番気筒#3、4番気筒#4、5番気筒#5とし、図中右端に配置された気筒を6番気筒#6とする。
【0034】
排気マニホルド5,6の集合して下流側へ延びる終端接続部は、過給機(ターボチャージャ)10A,10Bにそれぞれ接続されている。これら2つの過給機10A,10Bはそれぞれ排気管18上に設置されており、各過給機10A,10Bの介在によって2つの排気マニホルド5,6は互いの排気ガスの回り込みを許容しないように遮断されている。排気マニホルド5,6から排出される排気ガスによって過給機10A,10Bのタービン10bが回転することにより、タービン10bと連結されたコンプレッサ10aが回転して吸気を昇圧する。過給機10A,10Bには、例えば可変容量ターボチャージャ(バリヤブルノズルターボチャージャ)も採用できる。
【0035】
各過給機10A,10Bのタービン10b,10bを経由した排気ガスは排気管18へ排出されるようになっており、この排気管18の途中には、NOx触媒(NOx吸収剤)19を包蔵した触媒コンバータ20が配設されている。NOx触媒19としては、本実施形態では吸蔵還元型のものが使用されるが、選択還元型のものを使用することもできる。触媒コンバータ20を通り抜けた排気ガスは図示しないマフラーを経由して大気に排出される。
【0036】
また、エンジン1には排気再循環装置(EGR装置)21が搭載されている。EGR装置21は排気の一部を吸気系に還流させることで、燃焼室内の燃焼温度を低下させて排気中に含まれる窒素酸化物(NOx )を低減させる。EGRガスを排気系から吸気系へ還流させるEGR管22は、排気マニホルド6と吸気マニホルド4の間に両者をバイパスするように接続されている。
【0037】
EGR管22の途中にはEGRクーラ23とEGRバルブ24が設けられている。EGRクーラ23はEGRガスと機関冷却液との間で熱交換を行う熱交換器であり、吸気系へ送られる途中でEGRガスの熱を吸収してEGRガスの温度を下げる。EGRバルブ24は、エンジン1の運転状態に応じてECU2によって開度制御され、EGR率を制御する。なお、EGR装置21は、EGR管22とEGRクーラ23とEGRバルブ24とより構成される。
【0038】
EGRバルブ24はダイヤフラムが使用される負圧作動式であり、管路25を通じて負圧調整弁(EVRV)26の出力ポートに接続されている。負圧調整弁26は三方式の電磁弁であり、その入力ポートがバキュームポンプ27に通じるとともに、その大気ポートは大気に開放されている。ECU2によるデューティ制御により負圧調整弁26が開度調整されることによりEGRバルブ24の開度が連続的に調整される。
【0039】
ECU2はメモリに記憶するEGR率制御用プログラムを実行することにより、目標EGR率が得られるように負圧調整弁26を介してEGRバルブ24の開度をフィードバック制御する。毎回の制御において各種検出値(エンジ回転速度NE、スロットル開度など)に基づき燃料噴射量Qv が決まり、この燃料噴射量Qv から必要な吸入空気量GAが決まり、さらに必要な空燃比が確保される範囲で所定の目標EGR率(排気再循環量/(排気再循環量+吸入空気量)(%))が決まる。この目標EGR率が得られるように種々の要素を加味して予め設定された演算式に基づきフィードバック制御の目標開度(目標EGRバルブ開度(%))は演算される。詳しくはエアフローメータ9により検出される吸入空気量GAに基づき目標EGR率が得られるようにEGRバルブ開度(%))を、フィードバック演算式を用いて算出する。なお、EGRバルブ24は、ステップモータ等の電動アクチュエータにより駆動される構成でもよい。
【0040】
触媒コンバータ20に収容されたNOx触媒19としては、選択還元型NOx触媒または吸蔵還元型NOx触媒を例示することができる。選択還元型NOx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する触媒である。このような選択還元型NOx触媒としては、ゼオライトに銅(Cu)等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、チタニアとゼオライトからなる担体上にバナジウムを担持した触媒、等を例示することができる。
【0041】
吸蔵還元型NOx触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸蔵(保持)し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下しかつ還元剤が存在するときは保持していたNOx(NO2またはNO)を放出し、N2に還元する触媒である。触媒から放出されたNOx(NO2またはNO)は直ちに排気ガス中の還元剤(HCやCO)と反応してN2に還元される。吸蔵還元型NOx触媒としては、例えばアルミナからなる担体上にカリウムK,ナトリウムNa,リチウムLi,セシウムCsのようなアルカリ金属,バリウムBa,カルシウムCaのようなアルカリ土類,ランタンLa,イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持された触媒を例示することができる。
【0042】
ところで、ディーゼルエンジンの場合は、ストイキ(理論空燃比:A/F=14〜15)よりもはるかにリーン域で燃焼を行う。このため、通常の機関運転状態ではNOx触媒19に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のNOxはNOx触媒19に保持され、NOx触媒19から放出されるNOx量は極めて少なくなる。
【0043】
一方ガソリンエンジンの場合は、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、NOx触媒に保持されているNOxを放出することができる。しかし、ディーゼルエンジンにおいてはその燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすると、燃焼の際に煤が発生するなどの問題がありよってガソリン車なみの空燃比での使用はできない。
【0044】
したがって、ディーゼルエンジンでは、NOx触媒19のNOx保持能力が飽和する前に所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下し、NOx触媒19が保持していたNOxを放出し還元する必要がある。
【0045】
この還元剤としては、ディーゼルエンジン1の燃料である軽油を使用する。燃料を使用するのは、NOx触媒19に対する還元剤としての作用と、触媒の温度を上げて活性化させる(他PMを燃やす等)作用とを併せ持つからである。このような理由から、還元剤として働くだけでなく触媒の昇温作用も持つ燃料を添加剤として使用している。
【0046】
この還元剤を排気ガス中に添加するために、還元剤添加手段及び添加剤供給手段としての還元剤添加ノズル28が1番気筒♯1の排気ポートに取り付けられている。還元剤添加ノズル28は、還元剤(燃料)を排気マニホルド5の岐管5aへ向かって噴射可能な姿勢角で配置されている。燃料ポンプ14で圧送された燃料が燃料パイプ29およびシリンダヘッドに設けた燃料通路30を介して還元剤添加ノズル28に供給可能になっており、燃料パイプ29の途中に設けられた制御弁31により還元剤添加ノズル28から吐出される燃料の量が制御される。ECU2は、予め設定された添加時期になると制御弁31を開度制御することにより、還元剤添加ノズル28から添加する還元剤の添加時期およびその添加量を制御する。
【0047】
この添加時期判定方法として、この実施形態では、ECU2はエンジン1の運転状態の履歴からNOx触媒19に保持されたNOx量を推定し、その推定NOx量が予め設定された所定値に達したときに、所定時間だけ制御弁31を開弁して所定量の燃料を還元剤添加ノズル28から排気ガス中に噴射する。この還元剤(燃料)の噴射によって、NOx触媒19に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させ、NOx触媒に保持されていたNOxを放出し、N2に還元する。またNOx触媒19が燃料の添加によって昇温し活性化するため、PMも燃焼等される。
【0048】
この添加時期および添加量の判断は、ECU2がROMに記憶されたプログラムを実行することにより行われ、そのとき、エンジン回転数と負荷の関数として予めROMに記憶されているエンジン回転数−負荷マップを使用する。すなわち、エンジン1の作動状態に基づいてエンジン回転数−負荷マップからEGR率を求め、このEGR率がある所望の範囲にある場合はCPUが燃料添加実行時と判断して還元剤添加ノズル28から軽油等の還元剤を排気ガス中に噴射する。そして当該所望の範囲にない時は還元剤添加非実行時と判断して還元剤添加ノズル28からの還元剤の噴射を止める。本実施形態では、還元剤添加ノズル28の1回の添加に対し、還元剤の添加期間はエンジン2回転分に相当する時間だけ継続される。
【0049】
ECU2は、還元剤添加時に燃料ポンプ14のポンプ圧を高めることで還元剤添加ノズル28から吐出される還元剤の吐出力を増大させることにより、その強い吐出力により還元剤を岐管5aに向かって一気かつスムーズに噴射させる。
【0050】
ところで、還元剤添加ノズル28の添加時期がEGR運転時期に重なると、排気ガス中に添加された還元剤がEGR管22を通って吸気系へ回り込むことが心配される。そこで、本実施形態では、3気筒ずつ分担する分割型排気マニホルド5,6を2個採用し、還元剤を添加する排気マニホルド5と、EGRガスを取り出す排気マニホルド6を別々にしている。そして、排気マニホルド5の岐管5aへ還元剤を添加できるように還元剤添加ノズル28を、1番気筒♯1に対応する排気ポートに配置し、その他方の排気マニホルド6からEGRガスを取り出しできるように6番気筒♯6に対応する岐管6cにEGR管22を接続している。つまり、EGRガスをEGR管22へ取り出すEGR取出口32を6番気筒♯6に対応する岐管6cに設定している。
【0051】
また、排気管18において触媒コンバータ20の直ぐ下流には、触媒コンバータ20から流出する排気ガスの温度を検出する排気温センサ33が設けられている。ECU2は排気温センサ33から入力した検出信号から分かる排気ガス温度に基づき活性温度等の触媒に関する温度を予測し、触媒が有効に機能するかどうかを判断する。
【0052】
このように本実施形態では、還元剤添加ノズル28により還元剤が添加される岐管5aを有する排気マニホルド5とは反対側の排気マニホルド6にEGR取出口32が設定されている。
【0053】
このため、EGR率が高くEGRガスが大量に吸気系へ還流される大量EGR運転時に、還元剤添加ノズル28から還元剤(燃料)が添加されても、その還元剤は過給機10Aを通って排気管18へ流れた後、他方の過給機10Bを逆流することはないので、EGR取出口32へ流れることがない。つまり、排気脈動は過給機10Aの下流側までは伝わらないし、過給機10Bの存在により排気の排気マニホルド6側への逆流が阻止されるので、たとえEGR取出口32が負圧の吸気系と連通しても、還元剤がEGR取出口32へ流れることはまずない。従って、還元剤(燃料)が吸気系へ回り込むことに起因して起こるトルク変動や排気エミッションの悪化が低減される。
【0054】
この第1の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)2つの分割型排気マニホルド5,6を採用し、排気マニホルド5,6の各排気集合部5d,6dの下流に過給機10A,10Bをそれぞれ設置した。このため、一方の排気マニホルド5側で還元剤添加ノズル28から添加された還元剤は過給機10Aを通った後、他方の過給機10Bを逆流して他方の排気マニホルド6側へ流れ込むことはない。従って、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、還元剤添加ノズル28から添加された還元剤(燃料)が排気脈動によりEGR管22を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることができる。このため、トルク変動や排気エミッションの悪化を低減し、最小限の還元剤添加量でNOx触媒19を再生することができる。
【0055】
(2)還元剤添加ノズル28から添加された還元剤(燃料)が排気脈動によりEGR管22を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることができることから、還元剤添加ノズル28による還元剤の添加と、EGRガスの取出しを同時に行うことができる。従って、大気に排気される排気ガス中のNOx濃度を一層低減することにも寄与する。
【0056】
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態について図3に基づいて説明する。
この実施形態では、内燃機関としてのエンジンは4気筒ディーゼルエンジンである。排気マニホルドは4気筒に共通の単一部品である。エンジンおよびECU2の構成は基本的に第1実施形態と同様で、特に異なる点についてのみ説明する。
【0057】
内燃機関としてのディーゼルエンジン1の本体3には、4気筒分一体型の排気マニホルド35が接続されている。排気マニホルド35は、各気筒の排気ポートと接続される4本の岐管35a〜35dを有し、これら4本の岐管35a〜35dを1つに集合する排気集合部35eを有している。気筒♯1に対応する岐管35aと他の気筒♯2,♯3,♯4に対応する3本の岐管35b〜35dとは仕切り壁36により仕切られている。
【0058】
排気マニホルド35の排気集合部下流には、NOx触媒19を包蔵した触媒コンバータ20が接続されている。還元剤添加ノズル28は、1番気筒♯1の排気ポートに取付けられている。一方、EGR管22は4番気筒♯4に対応する岐管35dに接続され、EGR取出口32は岐管35dに設定されている。すなわち、還元剤添加ノズル28とEGR取出口32は、仕切り壁36によって隔絶された一方の岐管35a側と他方側の岐管35dとにそれぞれ位置設定されている。
【0059】
還元剤添加ノズル28から添加された還元剤は、仕切り壁36があることで、4番気筒♯4に対応する岐管35dまではなかなか到達できず、仮に排気脈動により仕切り壁36を迂回して回り込んだとしても、一番離れた岐管4dに設定されたEGR取出口32まではまず到達できない。従って、仮に大量EGR運転されていても、還元剤が吸気系へ回り込むことは起こりにくい。
【0060】
この第2の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(3)排気マニホルド35内において、還元剤が添加される岐管35aとEGR取出口32とが仕切り壁36により区画されているため、添加された還元剤が排気脈動によってEGR取出口32へ流れにくくすることができる。よって、還元剤は仕切り壁36によって大きく迂回してEGR取出口32へ至ることになるため、還元剤がEGRガスとともに吸気系へ回り込むことを抑制することができる。よって、前記第1の実施形態で述べた効果(1),(2)と同様の効果を得ることができる。
【0061】
(第3の実施形態)
次に第3の実施形態について図4に基づいて説明する。
同図に示すように、内燃機関としてのエンジン1は、V型または水平対向型であり、その本体3にはV型または水平対向型に配置された2つのバンク3A,3Bを有する。各バンク3A,3Bには3つずつ気筒が配列されている。すなわち、バンク3Aには気筒番号で♯1,♯3,♯5の気筒が、バンク3Bには気筒番号で♯2,♯4,♯6の気筒がそれぞれ設けられている。
【0062】
排気マニホルド40は、一方のバンク3Aに外側から接続される3本の岐管41a〜41cを有する排気マニホルド部41と、他方のバンク3Bに外側から接続される3本の岐管42a〜42cを有する排気マニホルド部42と、両排気マニホルド部41,42が合流する排気合流部40aとから構成される。
【0063】
排気マニホルド40の排気合流部40aの下流側にある終端接続部には、NOx触媒19を包蔵する触媒コンバータ20が接続されている。
一方のバンク3Aには1番気筒と対応する排気ポートに還元剤添加ノズル28が取り付けられ、他方のバンク3B側の排気マニホルド部42には、2番気筒♯2に対応する岐管42aにEGR取出口32が設定されている。
【0064】
還元剤が添加される岐管41aと、EGR取出口32が設定されている岐管42aは、排気合流部40aを迂回する経路をとることにより両者の間の経路が比較的長く、還元剤添加ノズル28とEGR取出口32とが互いに遠く離間している。よって、還元剤添加ノズル28から添加された還元剤(軽油)がEGR管22を介して吸気系へ回り込むのを抑制できる。
【0065】
この第3の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(4)各排気マニホルド部41,42が一対のバンク3A,3Bのそれぞれに外側から接続されるように分かれて配置されている。還元剤が添加される岐管41aと、EGR取出口32が設定されている岐管42aとの間が、排気合流部40aを迂回する比較的長い経路をとることから、添加された還元剤がEGR取出口32へ流れ込むことは起きにくくなる。従って、第1の実施形態で述べた効果(1),(2)と同様の効果が得られる。
【0066】
(第4の実施形態)
次に第4の実施形態について図5に基づいて説明する。
この実施形態は、第1の実施形態の変形例である。エンジン1は6気筒直列ディーゼルエンジンである。この実施形態でも、エンジン本体3には分割型排気マニホルド5,6の2部品が接続されている。分割型排気マニホルド5,6の管形状は、前記第1の実施形態と異なる。
【0067】
排気マニホルド5は、気筒群♯1〜♯3に対応する各排気ポートに接続される3本の岐管5a〜5cが排気集合部5dで1つにまとまる集合管形状を有する。また排気マニホルド6は、気筒群♯4〜♯6に対応する各排気ポートに接続される3本の岐管6a〜6cが排気集合部6dで1つにまとまる集合管形状を有する。排気マニホルド5の排気集合部5dは下流へ延出する排気管5eを有し、排気マニホルド6の終端はこの排気管5eに接続されている。そして、排気管5eの終端部は過給機10に接続され、さらに過給機10に接続される排気管18の途中にはNOx触媒19を包蔵した触媒コンバータ20が設けられている。このため、過給機10の上流側において、2つの排気マニホルド5,6は連通している。
【0068】
還元剤添加ノズル28は1番気筒♯1に対応する排気ポートに取り付けられている。一方、EGR取出口32は6番気筒♯6に対応する岐管6cに設定されている。この場合、2つの排気マニホルド5,6は連通する状態にあるが、還元剤添加ノズル28と比べ反対側に一番離れて位置する岐管6aにEGR取出口32が設定されている。
【0069】
この第4の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(5)過給機10の上流側で2つの排気マニホルド5,6は連通するものの、還元剤が添加される岐管5aとEGR取出口32が設定される岐管6cを選択し、両岐管間の連通経路長が最も長くなる組合せとなるように還元剤添加ノズル28とEGR取出口32を位置設定した。この結果、大量EGR運転時に還元剤を添加しても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR取出口32へ流れ込むことが起きにくくなる。従って、第1の実施形態で述べた効果(1),(2)と同様の効果が得られる。
【0070】
(第5の実施形態)
次に第5の実施形態について図6に基づいて説明する。
この実施形態は、第1の実施形態の変形例である。エンジン1は6気筒直列ディーゼルエンジンである。この実施形態でも同様に、エンジン本体3には分割型排気マニホルド5,6が接続されている。すなわち排気マニホルド5は、気筒群♯1〜♯3の各排気ポートに接続される3本の岐管5a〜5cが排気集合部5dで1つにまとまる集合管形状を有する。また排気マニホルド6は、気筒群♯4〜♯6の各排気ポートに接続される3本の岐管6a〜6cが排気集合部6dで1つにまとまる集合管形状を有する。
【0071】
各排気マニホルド5,6の集合部下流には、NOx触媒19A,19Bをそれぞれ包蔵した触媒コンバータ20A,20Bがそれぞれ接続されている。各NOx触媒19A,19Bの下流側に接続された排気管18は途中で1つに合流して1本にまとまっている。
【0072】
この実施形態では、各排気マニホルド5,6にNOx触媒19A,19Bが1つずつ接続されているため、各NOx触媒19A,19Bを再生するために排気マニホルド5,6毎に還元剤添加ノズル28A,28Bが設けられている。すなわち、還元剤添加ノズル28Aは排気マニホルド5側において1番気筒♯1の排気ポートに取り付けられており、一方、還元剤添加ノズル28Bは排気マニホルド6側において4番気筒♯4の排気ポートに取り付けられている。また、各排気マニホルド5,6に1つずつのEGR取出口32A,32Bが設定されている。すなわち、EGR取出口32Aは、排気マニホルド5側において3番気筒♯3に対応する岐管5cに設定されており、一方、EGR取出口32Bは排気マニホルド6側において6番気筒♯6に対応する岐管6cに設定されている。
【0073】
各EGR管22A,22Bは共に電磁切換弁45に接続され、電磁切換弁45が切換えられることにより2本のEGR管22A,22Bのうちの一方をEGRガスの取出し側として選択可能となっている。また、電磁切換弁45は2本のEGR管22A,22Bの両方をEGRガスの取出し側として選択することも可能となっている。この電磁切換弁45は、ECU2により次ように切換制御される。1番気筒♯1側の還元剤添加ノズル28Aから還元剤(燃料)を添加するときは、3番気筒♯3側のEGR取出口32Aと吸気系との連通を閉じるとともに、6番気筒♯6側のEGR取出口32Bと吸気系との連通を開くようにする。一方、4番気筒♯4側の還元剤添加ノズル28Bから還元剤(燃料)を添加するときは、6番気筒♯6側のEGR取出口32Bと吸気系との連通を閉じるとともに、3番気筒♯3側のEGR取出口32Aと吸気系との連通を開くようにしている。つまり、還元剤の添加とEGRガスの取出しが相対する排気マニホルド5,6となるように切換えられる。もちろん、還元剤添加時期でないときのEGR運転時は、2本のEGR管22A,22BからEGRガスが取出される。
【0074】
還元剤添加ノズル28A,28Bは、所定のタイミングで交互に燃料を添加する。このとき電磁切換弁45の切換えにより、還元剤が添加される側と同じ側の排気マニホルド5(6)に設定されたEGR取付口32A(32B)は吸気系と遮断されており、他方の排気マニホルド6(5)に設定されたEGR取出口32B(32A)が吸気系と連通される。
【0075】
一方の排気マニホルド5に還元剤が添加されて一方のNOx触媒19Aが再生されるときは、EGRガスは他方の排気マニホルド6側のEGR取出口32Bから吸気系に還流される。反対に、他方の排気マニホルド6に還元剤が添加され、他方のNOx触媒19Bが再生されるときは、EGRガスは他方の排気マニホルド5側から吸気系に還流される。このように2つの排気マニホルド5,6はNOx触媒19A,19Bの上流側では完全に独立しており、還元剤を含む排気ガスが互いを行き来する流路が全くない構成なので、還元剤が他方の排気マニホルド側へ流れ込むことができず、よって還元剤の吸気系への回り込みは阻止される。
【0076】
従って、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、その添加が行われた排気マニホルド側のEGR取出口は吸気系に対して閉じられるため、添加された還元剤が排気脈動によりEGR管22A,22Bを通って吸気系へ回り込むことは最小限に抑えられる。
【0077】
この第5の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(6)一方の排気マニホルド5に還元剤が添加されるときは、EGRガスは他方の排気マニホルド6側のEGR取出口32Bから吸気系に還流され、反対に、他方の排気マニホルド6に還元剤が添加されるときは、他方の排気マニホルド5側からEGRガスを取り出すようにEGR管22A,22Bを切換える。この結果、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR管22A,22Bを通って吸気系へ回り込むことを最小限に抑えることができる。よって、前記第1の実施形態で述べた効果(1),(2)と同様の効果を得ることができる。
【0078】
(7)還元剤の添加必要時に、還元剤が添加される側とは反対側の排気マニホルド側からEGRガスを取り出すようにEGR管22A,22Bのうち一方を選択するので、還元剤添加を適切時に行い、しかも両NOx触媒19A,19Bを交互に再生可能である。
【0079】
なお、実施の形態は上記に限定されず、以下の変形例も採用できる。
○ 前記図3に示す第2の実施形態において、還元剤添加ノズル28は、排気マニホルド35の岐管35a〜35dのうち端に位置するものに設けられることに限定されない。図7に示すように、2番気筒♯2に対応する排気ポートに還元剤添加ノズル28が設けられていてもよい。また、図3に示す第2の実施形態において、EGR取出口32が設定される岐管は、還元剤が添加される岐管35aと、仕切り壁36によって隔てられている岐管35b〜35dのうちどれを選んでもよい。
【0080】
○ 図8に示すように、エンジン本体3に接続される排気マニホルド47を、気筒♯1,4に対応する岐管47a,47dと、気筒♯2,3に対応する岐管47b,47cとがそれぞれの排気集合部47e,47fが仕切り壁48により別々の管路として隔絶されている構成としてもよい。互いの排気集合部47e,47fが隔絶された内側の2本の岐管47b,47cと、外側2本の岐管47a,47dとのうち、一方に還元剤添加ノズル28を設け、他方にEGR取出口32を設定する構成とする。この場合も、排気集合部47e,47fが仕切り壁48により仕切られているので、添加された還元剤が仕切り壁48を迂回しEGR取出口32まで回り込むことはまずなくなる。従って、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、添加された還元剤が吸気系へ回り込むことを最小限に抑えることができる。
【0081】
○ 前記図4に示す第3の実施形態では、V型または水平対向型エンジンにおいて両バンクに共通の一体型排気マニホルドを採用したが、バンク毎に別々の分割型排気マニホルドを採用することもできる。この場合、分割型排気マニホルドの各排気集合部下流にそれぞれ過給機を設けた構成としてもよい。すなわち図9に示すように、一方のバンク3Aに外側から接続される排気マニホルド51は、気筒群♯1,♯3,♯5に対応する3本の岐管51a〜51cを有する。他方のバンク3Bに外側から接続される排気マニホルド52は、気筒群♯2,♯4,♯6に対応する3本の岐管52a〜52cを有する。2つの排気マニホルド51,52の排気集合部51d,52dの下流にそれぞれ過給機10A,10Bを設ける。還元剤添加ノズル28は1番気筒♯1の排気ポートに取り付けられており、EGR取出口32は2番気筒♯2に対応する岐管52aに設定されている。一方の排気マニホルド51側で添加された還元剤は、他方の過給機10Bを逆流できず他方の排気マニホルド52側へは流れ込まない。大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR管22を通って吸気系へ回り込むことを最小限に抑えることができる。
【0082】
○ 第1,第4,第5実施形態などの分割型排気マニホルドを採用する構成では、各分割型排気マニホルドが全気筒のうち半数ずつを分担する分割構造としたがこれに限定されない。例えば6気筒エンジンにおいて、2気筒と4気筒を分担する分割型排気マニホルドとしたり、4気筒エンジンにおいて1気筒と3気筒を分担する分割型排気マニホルドとした構成を採用できる。さらに分割型排気マニホルドの分割数も2分割に限定されず、例えば3分割でも構わない。
【0083】
○ 前記第1,第2,第5実施形態などでは、還元剤が添加される岐管とEGR取出口が設定される岐管は、過給機10、仕切り壁36、48、NOx触媒19,19A,19B(触媒コンバータ20,20A,20B)の存在によって、互いの連通が遮断もしくは遮断に近い状態にある。これら各実施形態では、還元剤が添加される岐管とEGR取出口が設定される岐管として、互いに最も離れた気筒に対応する組合せを選定したが、岐管が互いに遮断または遮断に近い状態が維持される限りにおいて、還元剤添加ノズルとEGR取出口の各位置は適宜選択できる。例えば第1実施形態において、3番気筒♯3と4番気筒♯4に対応する各位置に、還元剤添加ノズルとEGR取出口をそれぞれ位置設定してもよい。
【0084】
○ 前記各実施形態及び変形例では、EGR取出口は排気マニホルドの岐管に設定したが、岐管に限らず排気マニホルド上であればその設定位置はどこでも構わない。例えば前記各実施形態において、岐管に替えてその岐管が排気集合部に連通する連通部近傍にEGR取出口を設定できる。例えば排気マニホルドにおいて還元剤が添加される岐管とは反対側となる排気集合部の端部、あるいは還元剤が添加される岐管とは連通経路上で最も遠くなる側となる排気集合部の端部にEGR取出口を設定できる。さらにこれら以外の排気集合部の任意の位置にEGR取出口を設定できる。
【0085】
○ 還元剤添加ノズルの取付位置は排気ポートに限定されない。例えば燃料噴射ノズルにより還元剤を気筒内へ添加(吐出)する構成を採用することもできる。また還元剤添加ノズルを排気マニホルドに取付けても構わない。さらに排気マニホルド以外であってもNOx触媒19より上流側に位置する管路上であれば還元剤添加ノズルの取付位置(還元剤添加位置)とすることができる。
【0086】
○ NOx触媒は、前記各実施形態で使用した材質や成分から構成されるものに限定されない。NOxを吸着および分解する能力を有する触媒であれば、その担体の材質や担持する成分は前記以外のものを使用するものでも構わない。
【0087】
○ 前記各実施形態等では、触媒の昇温作用も持つ燃料を還元剤(添加剤)として使用したが、燃料以外の還元剤を添加する構成でもよい。燃料以外の還元剤としては尿素やカルバミン酸アンモニウムが挙げられる。
【0088】
○ 前記各実施形態及び変形例は、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンに適用したが、その他の燃料を使用する内燃機関に適用することもできる。要するにNOx触媒を再生する還元剤を添加する還元剤添加手段を備えるものに適宜適用できる。このとき還元剤添加手段は特にノズル方式である必要はない。
【0089】
以下、前記各実施形態及び別例などから把握される技術的思想を記載する。
(1)一方のバンクの気筒群に接続される排気マニホルドと、他方のバンクの気筒群に接続される排気マニホルドと、各排気マニホルドのそれぞれの排気合流部の下流にそれぞれ配置される過給機と、該過給機の下流に配置されるNOx触媒と、該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段と、EGR装置とを備えたV型又は水平対向型である内燃機関の排気浄化装置において、一方の排気マニホルド側に還元剤添加手段を設けると共に、他方の排気マニホルド側にEGR取出口を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。この構成によれば、一方の排気マニホルド側で添加された還元剤は一方の過給機を通った後、他方の過給機を逆流できず他方の排気マニホルドへは流れない。従って、大量EGR運転時に還元剤添加が行われたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを抑えることが可能となる。
【0090】
(2)前記各排気マニホルドは各気筒に接続される岐管をそれぞれ有し、前記還元剤添加手段により還元剤が添加される岐管と、EGR取出口が設定される岐管は、互いの連通経路長が最も長くなる組合せのものが選択されていることを特徴とする。この構成によれば、還元剤が添加される岐管と、EGR取出口が設定される岐管は、互いの連通経路長が最も長くなる組合せが選択されているので、添加された還元剤が一層EGR取出口へ流れにくくなる。従って、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることができる。
【0091】
(3)前記「NOx触媒」を「触媒」に置き替え、「該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段」を、「該触媒に昇温作用を持つ添加剤を供給する添加剤供給手段」に置き替えた構成を特徴とする。この構成によれば、触媒を昇温させ活性化させるために添加剤供給手段により供給する添加剤の供給量を最小限に抑えることができる。
【0092】
【発明の効果】
以上詳述したように各請求項に記載の発明によれば、大量EGR運転時に還元剤が添加されたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりEGR通路を通って吸気系へ回り込むことを極力抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態のディーゼルエンジンを示す概略構成図。
【図2】 エンジンの要部模式平断面図。
【図3】 第2の実施形態におけるエンジンの要部模式平断面図。
【図4】 第3の実施形態におけるエンジンの要部模式平断面図。
【図5】 第4の実施形態におけるエンジンの要部模式平断面図。
【図6】 第5の実施形態におけるエンジンの要部概略構成図。
【図7】 別例のエンジンの要部模式平断面図。
【図8】 図7と異なる別例のエンジンの要部模式平断面図。
【図9】 図8と異なる別例のエンジンの要部模式平断面図。
【符号の説明】
1…内燃機関としてのディーゼルエンジン、2…電子制御ユニット(ECU)、3…エンジン本体、3A,3B…バンク、4…吸気マニホルド、5,6…分割型排気マニホルド、5d,6d…排気集合部、7…吸気管、14…燃料ポンプ、10,10A,10B…過給機、18…排気管、19,19A,19B…触媒としてのNOx触媒、21…EGR装置(排気再循環装置)、22,22A,22B…EGR管、24…EGRバルブ、28…還元剤添加手段及び添加剤供給手段としての還元剤添加ノズル、29…燃料パイプ、31…排気浄化装置を構成する制御弁、32,32A,32B…EGR取出口、35…排気マニホルド、36,48…仕切り壁、40…排気マニホルド、41,42…排気マニホルドとしての排気マニホルド部、40a…排気合流部、45…電磁切換弁、47…排気マニホルド、51,52…分割型排気マニホルド、51d,52d…排気集合部、♯1〜♯6…気筒。
Claims (3)
- 一方の気筒群と他方の気筒群とに接続される分割型排気マニホルドと、各分割型排気マニホルドのそれぞれの排気集合部の下流にそれぞれ配置された過給機と、該過給機の下流に配置されたNOx触媒と、該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段と、EGR装置とを備えた直列型内燃機関の排気浄化装置において、
一方の排気マニホルド側に還元剤添加手段を設けると共に、他方の排気マニホルド側にEGR取出口を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 一方の気筒群と他方の気筒群とに接続される分割型排気マニホルドと、各分割型排気マニホルドのそれぞれの排気集合部の下流に配置されたNOx触媒と、該NOx触媒に還元剤を供給する還元剤添加手段と、EGR装置とを備えた直列型内燃機関の排気浄化装置において、
一方の排気マニホルド側に還元剤添加手段を設けると共に、他方の排気マニホルド側にEGR取出口を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置おいて、
前記一方の排気マニホルド側にEGR取出口、前記他方の排気マニホルド側に還元剤添加手段が更に設けられ、還元剤の添加とEGRガスの取出しが相対する排気マニホルドとなるように切換える内燃機関の排気浄化装置。
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