JP5063652B2

JP5063652B2 - 排気再循環装置

Info

Publication number: JP5063652B2
Application number: JP2009209180A
Authority: JP
Inventors: 健一郎今岡; 直利天野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: JP2011058428A

Description

本発明は、排気の一部を吸気系に導入して再循環させ、燃焼温度の低下を通して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減させる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置に関する。

ディーゼルエンジンのＥＧＲ装置では、排気系から取り出したＥＧＲガスに煤及び可溶性有機成分（ＳＯＦ：Soluble Organic Fraction）を主成分とする粒子状物質（ＰＭ:
Particulate Matter）が含まれているため、特開２００９−９７４４１号公報（特許文献１）に記載されるように、サイクロン式集塵装置でＰＭを除去する技術が提案されている。この提案技術では、重力を利用して、サイクロン式集塵装置で除去したＰＭを排気系に戻す構成が採用されている。

特開２００９−９７４４１号公報

しかしながら、重力を利用してＰＭを排気系に戻す構成では、サイクロン式集塵装置の鉛直下方に排気系が位置する必要があり、レイアウト上の制約を受けると共に、ＰＭを排気系に確実に戻せるとは限らない。また、吸気圧力が変動すると、サイクロン式集塵装置で除去したＰＭが吸気系に逆流する可能性も否めない。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、ターボチャージャにより過給された吸気を利用して、サイクロン式集塵装置で除去したＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）の排気上流に戻すようにすることで、レイアウト上の制約を緩和しつつ、ＰＭを確実に排気系に戻せるようにしたＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲ装置は、ターボチャージャの吸気上流に位置する吸気通路とターボチャージャの排気下流に位置する排気通路とを連通するＥＧＲ通路と、ターボチャージャの吸気下流に位置する吸気通路と排気通路に対するＥＧＲ通路の接続箇所より排気下流であって排気通路に配設されたＤＰＦより排気上流に位置する排気通路とを連通する連通路と、ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスに含まれるＰＭを集塵すると共に、集塵したＰＭを連通路に排出するように配設されるサイクロン式集塵装置と、吸気通路に対する連通路の接続箇所とサイクロン式集塵装置からＰＭが排出される箇所との間に位置する連通路を開閉する第１の開閉弁と、サイクロン式集塵装置からＰＭが排出される箇所と排気通路に対する連通路の接続箇所との間に位置する連通路に配設され、排気通路に向かう方向にのみ開弁する逆止弁と、サイクロン式集塵装置から連通路にＰＭを排出する通路を開閉する第２の開閉弁と、ＤＰＦの強制再生処理が実行中であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により強制再生処理が実行中であると判定されたときに、第１の開閉弁を開弁させると共に第２の開閉弁を閉弁させる一方、判定手段により強制再生処理が実行中でないと判定されたときに、第１の開閉弁を閉弁させると共に第２の開閉弁を開弁させる制御手段と、を含んで構成される。

本発明によれば、ＤＰＦが強制再生処理中でなければ、第１の開閉弁が閉弁すると共に第２の開閉弁が開弁するため、サイクロン式集塵装置で集塵されたＰＭは、連通路の内部に溜まる。このとき、連通路には、排気通路に向かう方向にのみ開弁する逆止弁が配設されているため、排気通路の排気圧力によってＰＭがサイクロン式集塵装置に逆流することを防止できる。

一方、ＤＰＦの強制再生処理中であれば、第１の開閉弁が開弁すると共に第２の開閉弁が閉弁するため、ターボチャージャにより過給された吸気の一部が連通路へと導入される。そして、この吸気を使用して、連通路の内部に溜まったＰＭは、逆止弁を通ってＤＰＦの排気上流へと強制的に戻される。このとき、サイクロン式集塵装置から連通路にＰＭを排出する通路は第２の開閉弁により閉鎖されているため、吸気によりＰＭがサイクロン式集塵装置に逆流することが防止される。その後、ＤＰＦの排気上流に戻されたＰＭは、ＤＰＦで捕集されつつ焼却される。ここで、ＤＰＦの排気上流にＰＭを戻す条件として、ＤＰＦの強制再生処理中であることを採用しているため、排気にＰＭを戻しても、ＤＰＦの目詰まりが進行することを抑制できる。

従って、レイアウト上の制約を緩和しつつ、サイクロン式集塵装置で分離集塵したＰＭを確実に排気系に戻すことができる。

本発明を具現化したＥＧＲ装置の第１実施形態を示す全体構成図サイクロン式集塵装置の具体的構成を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図制御プログラムの内容を示すフローチャート本発明を具現化したＥＧＲ装置の第２実施形態を示す全体構成図プラズマ発生装置の具体的構成を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図、（Ｃ）はＰＭ粒径成長メカニズムの説明図

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、ターボチャージャを搭載したディーゼルエンジンに対して本発明を適用して構築したＥＧＲ装置の第１実施形態を示す。

ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４（吸気通路）には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４（排気通路）には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる酸化触媒２６，排気中のＰＭを捕集除去するＤＰＦ２８がこの順番で配設される。なお、酸化触媒２６及びＤＰＦ２８により、連続再生式ＤＰＦ装置が構成されるが、ＤＰＦ２８のみとしてもよい。また、ＤＰＦ２８の代わりに、ＤＰＦ２８の表面に活性成分及び添加成分を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。

ターボチャージャ１８の吸気上流に位置する吸気管１４とその排気下流に位置する排気管２４とは、ＥＧＲ通路３０を介して連通接続される。具体的には、エアクリーナ１６とターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａとの間に位置する吸気管１４に、ＥＧＲ通路３０の一端が接続される一方、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂと酸化触媒２６との間に位置する排気管２４に、ＥＧＲ通路３０の他端が接続される。また、ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスの流通方向に沿って、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスからＰＭを分離集塵するサイクロン式集塵装置３４と、エンジン運転状態に応じてＥＧＲ率を変化させるためのＥＧＲバルブ３６と、がこの順番で配設される。サイクロン式集塵装置３４は、図２に示すように、鉛直下方が小径をなす略裁頭円錐形状の外筒部３４Ａと、その上部かつ外周部において接線方向に接続された導入筒部３４Ｂと、外筒部３４Ａの天板を貫通して鉛直方向に延びる排出筒部３４Ｃと、外筒部２４Ａの底板から鉛直下方に延びるドレン筒部３４Ｄと、を含んで構成される。なお、ＥＧＲ通路３０には、サイクロン式集塵装置３４の導入筒部３４Ｂ及び排出筒部３４Ｃが夫々接続される。

ターボチャージャ１８の吸気下流に位置する吸気管１４と排気管２４に対するＥＧＲ通路３０の接続箇所より排気下流であって酸化触媒２６より排気上流に位置する排気管２４とは、連通路３８を介して連通接続される。具体的には、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａとインタークーラ２０との間に位置する吸気管１４に、連通路３８の一端が接続される一方、排気管２４に対するＥＧＲ通路３０の接続箇所と酸化触媒２６との間に位置する排気管２４に、連通路３８の他端が接続される。また、連通路３８には、吸気管１４に対する接続箇所から排気管２４に対する接続箇所へと向かう方向に沿って、連通路３８を開閉する電磁式の第１の開閉弁４０と、排気管２４へと向かう方向にのみ開弁する逆止弁４２と、がこの順番で配設される。

さらに、第１の開閉弁４０と逆止弁４２との間に位置する連通路３８には、サイクロン式集塵装置３４のドレン筒部３４Ｄと連通するドレン通路４４が接続され、ここにドレン通路４４を開閉する電磁式の第２の開閉弁４６が配設される。要するに、サイクロン式集塵装置３４は、ＥＧＲ通路３０を流れるＥＧＲガスに含まれるＰＭを集塵すると共に、集塵したＰＭを連通路３８に排出するように配設される。

ＥＧＲバルブ３６，第１の開閉弁４０及び第２の開閉弁４６を電子制御するために、コンピュータを内蔵したＥＧＲコントロールユニット４８が設けられる。ＥＧＲコントロールユニット４８は、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑを読み込み可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介してエンジンコントロールユニット５０に接続される。ここで、負荷Ｑとしては、燃料噴射量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度などトルクと密接に関連する状態量を利用することができる。また、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、エンジンコントロールユニット５０から読み込む構成に限らず、公知の回転速度センサ及び負荷センサで直接検出するようにしてもよい。さらに、ＥＧＲコントロールユニット４８は、エンジンコントロールユニット５０に組み込んだり、他のコントロールユニットに組み込むようにしてもよい。

そして、ＥＧＲコントロールユニット４８は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態としての回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに応じてＥＧＲバルブ３６を電子制御すると共に、ＤＰＦ２８の強制再生処理中であるか否かに応じて第１の開閉弁４０及び第２の開閉弁４６を夫々電子制御する。ここで、ＤＰＦ２８の強制再生処理中であるか否かは、例えば、強制再生処理中に排気温度を上昇させる制御を実行するエンジンコントロールユニット５０に問い合わせればよい。なお、ＥＧＲコントロールユニット４８が制御プログラムを実行することで、判定手段及び制御手段が夫々具現化される。

図３は、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、ＥＧＲコントロールユニット４８が所定時間ごとに繰り返し実行する制御プログラムの内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、ＤＦＰ２８が強制再生処理中であるか否かを判定する。そして、ＤＰＦ２８が強制再生処理中であればステップ２へと進む一方（Ｙｅｓ）、ＤＰＦ２８が強制再生処理中でなければステップ４へと進む（Ｎｏ）。

ステップ２では、第１の開閉弁４０を開弁させる。
ステップ３では、第２の開閉弁４６を閉弁させる。
ステップ４では、第１の開閉弁４０を閉弁させる。

ステップ５では、第２の開閉弁４６を開弁させる。
このようなＥＧＲ装置によれば、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを通過した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路３０を通ってＥＧＲクーラ３２へと導入される。ＥＧＲクーラ３２へと導入されたＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ３２により冷却されてＳＯＦが凝縮して集塵され易い状態となり、サイクロン式集塵装置３４に導入される。サイクロン式集塵装置３４では、導入筒部３４Ｂから外筒部３４Ａの内部に導入されたＥＧＲガスは、外筒部３４Ａの内周面に沿って排出筒部３４Ｃの周りで旋回しつつ下方に流れ、その下方に位置する開口から排出筒部３４Ｃに入り込んで排出される。このとき、ＥＧＲガスが外筒部３４Ａの内部で高速旋回することで、ＥＧＲガスに含まれるＰＭに大きな遠心力が作用し、外筒部３４Ａの底部にこれが分離集塵される。

そして、ＤＰＦ２８が強制再生処理中でなければ、第１の開閉弁４０が閉弁する一方、第２の開閉弁４６が開弁するため、サイクロン式集塵装置３４で分離集塵されたＰＭは、ドレン通路４４を通って連通路３８の内部に溜まる。このとき、連通路３８には、排気管２４に向かう方向にのみ開弁する逆止弁４２が配設されているため、排気管２４の排気圧力によってＰＭがサイクロン式集塵装置３４に逆流することを防止できる。

ＤＰＦ２８の強制再生処理中であれば、第１の開閉弁４０が開弁する一方、第２の開閉弁４６が閉弁するため、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａにより過給された吸気の一部が連通路３８へと導入される。そして、この吸気を使用して、連通路３８の内部に溜まったＰＭは、逆止弁４２を通って酸化触媒２６の排気上流へと強制的に戻される。このとき、ドレン通路４４を開閉する第２の開閉弁４６が閉弁しているため、吸気によりＰＭがサイクロン式集塵装置３４に逆流することが防止される。酸化触媒２６の排気上流に戻されたＰＭは、酸化触媒２６とＤＰＦ２８で捕集されつつ焼却される。ここで、酸化触媒２６の排気上流にＰＭを戻す条件として、ＤＰＦ２８の強制再生処理中であることを採用しているため、排気にＰＭを戻しても、ＤＰＦ２８の目詰まりが進行することを抑制できる。

従って、レイアウト上の制約を緩和しつつ、サイクロン式集塵装置３４で分離集塵したＰＭを確実に排気系に戻すことができる。
図４は、ターボチャージャを搭載したディーゼルエンジンに対して本発明を適用して構築したＥＧＲ装置の第２実施形態を示す。なお、先の第１実施形態と共通する構成は、同一符号を付すことで、その説明を省略又は簡潔にするものとする。

ＥＧＲ装置の第２実施形態では、ＥＧＲクーラ３２とサイクロン式集塵装置３４との間に位置するＥＧＲ通路３０に、ＥＧＲガスに含まれるＰＭを結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段として、プラズマ発生装置５２が更に配設される。

ここで、プラズマ発生装置５２としては、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路３０の周壁に沿って配設された略円筒状をなす接地電極５２Ａと、接地電極５２Ａの略全長に亘ってその横断面の略中央に配設された線状をなす放電電極１８Ｂと、を含んで構成される。

このようなＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲクーラ３２を通過したＥＧＲガスがプラズマ発生装置５２に導入されると、ＥＧＲガスに含まれるＰＭが略同数の正負の電荷に帯電し、極性の異なる電荷に帯電したＰＭ同士が電気的引力により引き合って結合することで、その粒径が成長する。即ち、ＥＧＲガスに含まれるＰＭは、図５（Ｃ）に示すように、放電電極５２Ｂの放電により負極に帯電され、接地電極５２Ａとの間に作用する電気的引力を受けて、接地電極５２Ａに捕集される。接地電極５２Ａに捕集されたＰＭは、その電荷を失った後、誘導帯電により逆極性（正極）に帯電され、電界による力を受けて接地電極５２Ａから放出されＥＧＲガス中に引き戻される。ＥＧＲガス中に引き戻されたＰＭは、放電電極５２Ｂの放電により再度負極に帯電される。このような現象が繰り返し行なわれることで、ＰＭ同士が衝突して結合し、その粒径が成長する。このため、ＥＧＲガスに含まれるＰＭは、極性が異なるＰＭ同士が電気的引力により引き合って結合することに加え、接地電極５２Ａに繰り返し捕集されるときに衝突して結合するので、その粒径を一層成長させることができる。そして、ＰＭの粒径が成長することで、サイクロン式集塵装置３４におけるＰＭ集塵能力をさらに向上させることができる。

１４吸気管
１８ターボチャージャ
２４排気管
２８ＤＰＦ
３０ＥＧＲ通路
３２ＥＧＲクーラ
３４サイクロン式集塵装置
３８連通路
４０第１の開閉弁
４２逆止弁
４４ドレン通路
４６第２の開閉弁
４８ＥＧＲコントロールユニット
５０エンジンコントロールユニット
５２プラズマ発生装置

Claims

ターボチャージャの吸気上流に位置する吸気通路と該ターボチャージャの排気下流に位置する排気通路とを連通するＥＧＲ通路と、
前記ターボチャージャの吸気下流に位置する吸気通路と前記排気通路に対するＥＧＲ通路の接続箇所より排気下流であって該排気通路に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタより排気上流に位置する排気通路とを連通する連通路と、
前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスに含まれる粒子状物質を集塵すると共に、集塵した粒子状物質を前記連通路に排出するように配設されるサイクロン式集塵装置と、
前記吸気通路に対する連通路の接続箇所と前記サイクロン式集塵装置から粒子状物質が排出される箇所との間に位置する連通路を開閉する第１の開閉弁と、
前記サイクロン式集塵装置から粒子状物質が排出される箇所と前記排気通路に対する連通路の接続箇所との間に位置する連通路に配設され、前記排気通路に向かう方向にのみ開弁する逆止弁と、
前記サイクロン式集塵装置から連通路に粒子状物質を排出する通路を開閉する第２の開閉弁と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生処理が実行中であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により強制再生処理が実行中であると判定されたときに、前記第１の開閉弁を開弁させると共に、前記第２の開閉弁を閉弁させる一方、前記判定手段により強制再生処理が実行中でないと判定されたときに、前記第１の開閉弁を閉弁させると共に、前記第２の開閉弁を開弁させる制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気再循環装置。
前記サイクロン式集塵装置と前記排気通路に対するＥＧＲ通路の接続箇所との間に位置するＥＧＲ通路に、該ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが更に配設されたことを特徴とする請求項１記載の排気再循環装置。
前記サイクロン式集塵装置に流れ込むＥＧＲガスに含まれる粒子状物質を結合させてその粒径を成長させる粒径成長手段が更に配設されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気再循環装置。
前記粒径成長手段は、プラズマ発生装置からなることを特徴とする請求項３記載の排気再循環装置。
前記プラズマ発生装置は、前記ＥＧＲ通路の周壁に沿って配設された円筒状をなす接地電極と、前記接地電極の全長に亘って横断面の中央に配設された線状をなす放電電極と、を含んで構成されたことを特徴とする請求項４記載の排気再循環装置。