JP4400378B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気系への２次空気の供給と吸気系へのＥＧＲ（排気還流）ガスの供給とを行う内燃機関の排気浄化装置に関する。
特許文献１には、高回転・高負荷の運転状態においては排気ガスは高温となるため、ＥＧＲ弁は厳しい動作環境に置かれることから、ＥＧＲ弁の外側を２次空気配管によって覆うことで、排気ガスによって高温に曝されるＥＧＲ弁を２次空気により冷却する構造とすることが開示されている。
尚、特許文献１に記載の技術では、高回転・高負荷時に、三元触媒の上流に２次空気を多量に導入することで、排気ガスの温度を低下させて三元触媒の過度の温度上昇を防止し、このとき排気ガスはエアリッチとなり三元触媒のＮＯｘ浄化能力が低下するため、ＥＧＲ弁を開として排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流している。
特開平８−２８２５３号公報
排気系に２次空気を供給してＨＣ等の未燃焼ガスの後燃え（酸化）を促進する場合、２次空気の温度は高い方がよい。そこで、２次空気とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うことが考えられるが、特許文献１のように、ＥＧＲ弁という僅かな範囲でのみ、２次空気とＥＧＲガスとの熱交換を行うのでは、２次空気が十分に温度上昇せず、後燃え促進効果が少ない。また、ＥＧＲガスも十分に冷却されないので、ＥＧＲ率を増大させることが困難である。
本発明は、このような実状に鑑み、２次空気とＥＧＲガスとの熱交換をより効率的に行い得るようにして、後燃え促進効果の向上とＥＧＲ率の増大とを可能にすることを目的とする。
このため、本発明では、２次空気配管とＥＧＲ配管とを、少なくとも一部において、いずれか一方を内側、他方を外側とする２重管構造の熱交換部とし、
前記ＥＧＲ配管の前記熱交換部より上流側の一部を並列な２つの配管により構成して、一方に、機関冷却水によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを介装し、ＥＧＲガスの流れをＥＧＲクーラ無しの配管とＥＧＲクーラ有りの配管とに切換可能な切換弁を設け、
機関の冷機時は、前記切換弁をＥＧＲクーラ無しの配管に切換え、排気系に２次空気を供給すると共に、吸気系にＥＧＲガスを供給する一方、
機関の暖機後は、前記切換弁をＥＧＲクーラ有りの配管に切換え、２次空気の供給を停止し、吸気系にＥＧＲガスを供給する。
本発明によれば、ＥＧＲガスとの熱交換により２次空気を暖めることで、暖められた２次空気によりＨＣ等の未燃焼ガスの後燃えを促進し、未燃焼ガスの排出を低減できる。また。２次空気との熱交換によりＥＧＲガスを冷却することで、ＥＧＲ率の増大が可能となり、燃費向上効果と共に、ＨＣ等の未燃焼ガスの排出を更に低減できる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１参考例を示している。
内燃機関（エンジン）１の各燃焼室２には、エアクリーナ３からの空気が吸気マニホールド４、吸気弁５を介して吸入される一方、図示しない燃料噴射弁から燃料が供給され、これらが混合して燃焼する。燃焼後の排気ガスは、排気弁６から、排気マニホールド７、マニホールド触媒（フロント触媒）８、床下触媒（リア触媒）９、マフラー１０を経て排出される。
ここで、排気系から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流するＥＧＲ装置として、排気系におけるマニホールド触媒８下流のＥＧＲガス取出口１１ａから、吸気系における吸気マニホールド７のＥＧＲガス導入口１１ｂに至る、ＥＧＲ配管１１が設けられ、このＥＧＲ配管１１の途中には、ＥＧＲ弁１２が介装されている。
また、排気系に２次空気を供給する２次空気供給装置として、エアクリーナ３のクリーンサイドに吸入口を接続した２次空気ポンプ１３と、この２次空気ポンプ１３の吐出口から排気系への２次空気導入口１４ａに至る２次空気配管１４とが設けられている。特に本実施形態では、２次空気導入口１４ａは、排気ポートにて開口して、排気弁６を指向しており、排気ポートの排気弁６近傍に２次空気を供給する構成となっている。
また、ＥＧＲ配管１１と２次空気配管１４との間で、熱交換するため、ＥＧＲ配管１１と２次空気配管１４とを、少なくとも一部において、２次空気配管１４を内側、ＥＧＲ配管１１を外側とする２重管構造の熱交換部１５としている。言い換えれば、２次空気配管１４を内側にし、これを囲むようにＥＧＲ配管１１を設けることで、内外２重管構造としている。
次に作用を説明する。
エンジンの冷機時、すなわち、触媒８が活性化するまでの間で、例えば、始動後の一定期間（例えば２０〜３０秒間）、２次空気ポンプ１３を作動させると共に、ＥＧＲ弁１２を開く。これにより、２次空気配管１４により排気系に２次空気が供給されると共に、ＥＧＲ配管１１により吸気系にＥＧＲガスが供給される。このとき、２重管構造の熱交換部１５にて、比較的高温のＥＧＲガスと比較的低温の２次空気との間で熱交換がなされ、２次空気はＥＧＲガスにより加熱され、ＥＧＲガスは２次空気により冷却される。
従って、ＥＧＲガスとの熱交換により２次空気を暖めることで、暖められた２次空気によりＨＣ等の未燃焼ガスの後燃え（酸化）を促進し、未燃焼ガスの排出を低減できると共に、触媒８の早期活性化を図ることができる。また、２次空気が暖められているので、２次空気導入による排気温度の低下を抑制でき、これも未燃焼ガスの排出の低減と、触媒８の早期活性化に寄与する。
また特に、暖められた２次空気を排気弁６近傍へ導入することで、すなわち燃焼室２から排出された直後の高温の排気ガスに対して２次空気を供給することで、後燃え（酸化）をより促進できる効果がある。
また、２次空気との熱交換によりＥＧＲガスを冷却することで、ＥＧＲ率の増大が可能となり、燃費向上効果と共に、ＨＣ等の未燃焼ガスの排出を低減できる。
図２は本発明の第２参考例を示しており、第１参考例（図１）と異なる点について説明する。
本実施形態では、ＥＧＲ配管１１と２次空気配管１４との間で、熱交換するため、ＥＧＲ配管１１と２次空気配管１４とを、少なくとも一部において、ＥＧＲ配管１１を内側、２次空気配管１４を外側とする２重管構造の熱交換部１５としている。言い換えれば、ＥＧＲ配管１１を内側にし、これを囲むように２次空気配管１４を設けることで、内外２重管構造としている。
本実施形態によれば、ＥＧＲ配管１１を内側にすることで、高温のＥＧＲガスの熱を逃がすことがなく、２次空気に伝達できるので、２次空気をより効率良く暖めることができる。
図３は本発明の第３参考例を示しており、第１参考例（図１）と異なる点について説明する。
本実施形態では、２次空気導入口１４ａは、排気マニホールド７にて、触媒８の上流位置に開口しており、このようにしても、第１参考例とほぼ同様の効果が得られる。
図４は本発明の第４参考例を示している。本実施形態は、第２参考例（図２）をベースにしている。
本実施形態では、第２参考例（図２）をベースに、第３参考例（図３）と同様、２次空気導入口１４ａを、排気マニホールド７にて、触媒８の上流位置に開口させており、このようにしても、第２参考例とほぼ同様の効果が得られる。
図５は本発明の第１実施形態を示している。本実施形態は、第４参考例（図４）をベースにしている。
本実施形態では、ＥＧＲ配管１１の熱交換部１５より上流側、言い換えれば、ＥＧＲガス取出口１１ａから熱交換部１５へ至る間を、並列な２つの配管１１ｃ、１１ｄにより構成し、一方の配管１１ｄに、エンジン冷却水によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１６を介装している。そして、ＥＧＲクーラ無しの配管１１ｃとＥＧＲクーラ有りの配管１１ｄとの上流側分岐部に、ＥＧＲガスの流れをＥＧＲクーラ無しの配管１１ｃとＥＧＲクーラ有りの配管１１ｄとに切換可能な切換弁１７を設けている。この切換弁１７は、エンジンの冷機時に、ＥＧＲクーラ無しの配管１１ｃを選択し、暖機後に、ＥＧＲクーラ有りの配管１１ｄを選択するように、切換えられる。
本実施形態によれば、エンジンの冷機時は、切換弁１７により、ＥＧＲクーラ無しの配管１１ｃを選択することで、ＥＧＲガスを温度低下させることなく、熱交換部１５へ導いて、２次空気の温度上昇を図ることができる。
暖機後は、切換弁１７により、ＥＧＲクーラ有りの配管１１ｄ（ＥＧＲクーラ１６）を選択することで、エンジン冷却水との熱交換で、ＥＧＲガスの冷却を図ることができ、２次空気を使用しない条件でも、ＥＧＲガスの冷却によりＥＧＲ率増大を可能にすることができる。
言い換えれば、ＥＧＲガスは、冷機時は２次空気との熱交換により、暖機後はＥＧＲクーラ（エンジン冷却水）との熱交換により冷却され、運転状態に応じたＥＧＲガスの冷却が可能となる。
尚、本実施形態では、第４参考例（図４）をベースにしたが、第１参考例（図１）、第２参考例（図２）、第３参考例（図３）をベースにしてもよいことは言うまでもない。
また、以上の説明では、エンジンの冷機時に、排気系に２次空気を供給すると共に、吸気系にＥＧＲガスを供給するとしたが、暖機後に吸気系にＥＧＲガスを供給する条件にて、一時的に、排気系に２次空気を供給するようにして、このときに熱交換するようにしてもよい。
本発明の第１参考例を示すエンジンの構成図 本発明の第２参考例を示すエンジンの構成図 本発明の第３参考例を示すエンジンの構成図 本発明の第４参考例を示すエンジンの構成図 本発明の第１実施形態を示すエンジンの構成図
１ エンジン
２ 燃焼室
３ エアクリーナ
４ 吸気マニホールド
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 排気マニホールド
８ マニホールド触媒
９ 床下触媒
１０ マフラー
１１ ＥＧＲ配管
１１ａ ＥＧＲガス取出口
１１ｂ ＥＧＲガス導入口
１１ｃ ＥＧＲクーラ無しの配管
１１ｄ ＥＧＲクーラ有りの配管
１２ ＥＧＲ弁
１３ ２次空気ポンプ
１４ ２次空気配管
１４ａ ２次空気導入口
１５ ２重管（熱交換部）
１６ ＥＧＲクーラ
１７ 切換弁

Claims (4)

  1. 排気系に２次空気を供給する２次空気配管と、吸気系にＥＧＲガスを供給するＥＧＲ配管とを備える内燃機関の排気浄化装置において、
    前記２次空気配管と前記ＥＧＲ配管とを、少なくとも一部において、いずれか一方を内側、他方を外側とする２重管構造の熱交換部とし、
    前記ＥＧＲ配管の前記熱交換部より上流側の一部を並列な２つの配管により構成して、一方に、機関冷却水によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを介装し、ＥＧＲガスの流れをＥＧＲクーラ無しの配管とＥＧＲクーラ有りの配管とに切換可能な切換弁を設け、
    機関の冷機時は、前記切換弁をＥＧＲクーラ無しの配管に切換え、排気系に２次空気を供給すると共に、吸気系にＥＧＲガスを供給する一方、
    機関の暖機後は、前記切換弁をＥＧＲクーラ有りの配管に切換え、２次空気の供給を停止し、吸気系にＥＧＲガスを供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記２次空気配管を内側、前記ＥＧＲ配管を外側とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記ＥＧＲ配管を内側、前記２次空気配管を外側とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 排気系の排気弁近傍に２次空気を供給することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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