JP5324783B2 - 内燃機関排気システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関排気システムに関する。

自動車の排気に関する現在および未来の排出規制では、たとえば窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および粒子状物質をより危険性の低い化合物に変換することに関する多大な要求が課せられる。

排気ガス後処理システムは、一般に、ある一定の温度範囲内において動作することを必要とする触媒コンバータを含む。温度が高すぎると、このコンバータは不活性化するか、またはさらには破壊されることがあり、温度が低すぎると、所望の触媒反応の反応速度が低くなりすぎる。いわゆる触媒着火温度未満では、反応速度は零に近くなる。

さまざまな触媒システムが、たとえばＨＣおよびＣＯの酸化用、粒子状物質フィルタの再生用およびＮＯ_ｘの還元用に存在する。後者の一例は、尿素／アンモニアまたはＨＣを用いてＮＯ_ｘを窒素に還元する選択的接触還元（ＳＣＲ）である。このようなシステムにおいては、尿素または炭化水素が、インジェクタにより排気ガス中に導入され、ＮＯ_ｘは、触媒によって窒素に還元される。また他の例は、ＮＯ_ｘが通常の希薄運転時に吸着装置内において捕捉されるとともに、エンジンの短期間濃厚運転時に窒素に還元される希薄ＮＯ_ｘ吸着装置／トラップ（ＬＮＡ、ＬＮＴ）である。

低負荷状況等のある一定の動作モードおよびディーゼル機関と関連してターボシステムを使用する場合等のある一定の用途において、排気ガスの温度は、前記コンバータの適切な温度範囲未満に低下する傾向にある。その結果として、有害化合物の変換が低下する。

低温の排気ガスに関する問題を解決するために、より低い着火温度を有する触媒を開発する多大な努力が重ねられてきた。このことに関する一般的な難題は、着火温度が低くなると、通常、不活性化温度が低くなることである。また他の手法は、触媒コンバータの位置、たとえばコンバータをエンジンに非常に接近させて配置することに重点を置くものであった。この手法に付随する問題は、熱不活性化の危険性が高くなることと、コンバータの配置自由度における制約とである。さらに他の手法は、燃焼を加減して排気ガス温度を高温に保つようにすることであった。この手法の場合の一般的な欠点は、燃料消費量の増加が引き起こされることである。

本発明の１つの目的は、従来技術と比べて、より高い後処理システム変換効率を有する内燃機関排気システムを提供することにある。この目的は、請求項１に記載の技術的特徴によって達成される。本発明のまた他の目的は、後処理システムの変換効率を高めことができる潜在性を有する熱交換器を提供することにある。この目的は、請求項１５に記載の技術的特徴によって達成される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態とさらに他の開発形態と変形態様とが記載されている。

本発明は、第１の排気ガス流（ＥＧＲ流）をエンジンの出口側からエンジンの入口側に導くようになっているＥＧＲ機構と、第２の排気ガス流（排気流）をエンジンの出口側から離れる方向に導くようになっている排気ガス導管と、前記排気ガス導管に関連あるターボ等のエネルギー回収装置であって、前記排気ガス流から排気ガスエネルギーを回収するようになっているエネルギー回収装置とからなる内燃機関排気システムに関する。本発明は、前記システムが、前記ＥＧＲ流の少なくとも一部分と前記排気流の少なくとも一部分との間において熱交換を可能にするようになっている熱交換器を含み、前記熱交換器は、前記エネルギー回収装置の下流のある位置において前記排気ガス導管と関連することを特徴とする。

ターボ等のエネルギー回収装置を用いることにより、排気ガスの温度低下が引き起こされ、すなわち前記エネルギー回収装置の下流における排気ガス流の温度が、ＥＧＲ流の温度より低くなる。前記システムに熱交換器を設けることにより、この温度差を利用して、ＥＧＲ流から排気ガス流に熱を伝達することができる。よって、この独特の特徴の有利な効果は、排気ガスの温度を上昇させて、排気ガス後処理の効率を高めうることである。たとえば、排気ガスの温度が触媒コンバータの適切な温度範囲を下回る場合は、本発明により、排気ガスの温度を前記適切な温度範囲の下限より高い温度に上昇させることが可能になる。本発明のさらに他の有利な効果は、前記熱交換器が同時にＥＧＲ冷却器として機能することである。多くの用途において、ＥＧＲ流を冷却して、燃焼時に生成されるＮＯ_ｘの量を減少させることが必要とされる。これは、従来的には、別途のＥＧＲ冷却装置において行なわれる。よって、本発明により、このような別途の冷却装置の必要性が少なくなる。

次に、添付図面を参照して本発明を以下により詳細に説明する。

図１に、本発明の第１の有利な実施形態の略図が示されている。排気ガスは、内燃機関１を該エンジン１の出口側３から出る。ＥＧＲ（排気ガス再循環）導管４は、このＥＧＲ流を熱交換器１５に導くとともに、さらにＥＧＲ冷却器１４を経て前記エンジンの入口側２に戻す。このシステムは、前記ＥＧＲ流の少なくとも一部分が熱交換器１５を迂回することを可能にするＥＧＲバイパス弁１６とＥＧＲバイパス導管１３とを備える。排気ガス導管５は、排気ガス流を排気ガスタービンからなるターボ６へと導き、前記ターボにおいて、排気ガス流のエネルギーを用いて、エンジンの空気取入口（図示せず）へと導かれうる空気が圧縮される（破線矢印）。ターボ６から、排気ガス流は、さらに排気ガス導管５により熱交換器１５と触媒コンバータ１０とを介して排気ガス導管５の端部１２へと導かれる。この端部点１２において、排気ガス流は、大気中に放出されうる。前記システムは、排気ガス流の少なくとも一部分が熱交換器１５を迂回することを可能にするようになっている第１の排気ガスバイパス弁７と第２の排気ガス導管８とを備える。さらに、前記システムは、排気ガス流の少なくとも一部分が触媒コンバータ１０を迂回することを可能にするようになっている第２の排気ガスバイパス弁９と第３の排気ガス導管１１とを備える。

ＥＧＲ流と排気ガス流とがエンジン１を出る時点で、これらの流れは同様の温度を有する。排気ガス流がターボ６を通過すると、前記排気ガス流の温度が低下して、前記２つの流れが熱交換器１５に流入する時点では、ＥＧＲ流がより暖かくなるようになる。前記２つの流れが熱交換器１５を通過すると、排気ガス流の温度が上昇する一方で、ＥＧＲ流の温度は低下する。

前記熱交換器１５は、好ましくは、向流熱交換処理を可能にして熱交換効率を高めるように構成される。さらに、前記熱交換器１５は、特にＥＧＲ側において生じる高温と高圧とに耐えるように設計されるべきである。

触媒コンバータ１０は、従来的な形式とされうる。

好ましくは、排気ガス流と接触する熱交換器１５の表面は、排気ガス流中の有害化合物を変換するようになっている触媒材料により被覆される。これによって、熱交換器１５は、熱交換器と触媒コンバータとの両方の作用をしうる。十分な変換効率の熱交換器１５を用いると、触媒コンバータ１０を排除することが可能になり、これによって、システム全体の圧力降下が減じられうるため、前記システムは、より単純かつより低費用かつより高効率になる。

熱交換器１５は、ＮＯ_ｘ還元（たとえばＬＮＣ、ＬＮＴおよびＳＣＲ）、粒子状物質濾過および／または接触酸化等のいかなる種類の排気ガス後処理技術にも触媒コンバータとして作用しうる。熱交換器１５の表面は、エンジンの動作時において高温を有するとともに、したがって触媒材料により被覆されるのに非常に適する。

好ましくは、ＥＧＲ流と接触する熱交換器１５の表面もまた、ＥＧＲ流中のある一定の化合物を変換するようになっている触媒材料により被覆される。たとえば、前記触媒材料は、酸化触媒を含んで、ＨＣ、ＣＯおよび粒子状物質の少なくとも一部分を酸化させる。これによって、下流のＥＧＲ機構（たとえば導管４および冷却器１４）とエンジン１の吸気側２との煤煙汚染を回避すること、または少なくとも低減することが可能になる。熱交換器１５のＥＧＲ部分は、粒子状物質フィルタを含みうる。

ＥＧＲ流は、熱交換器１５において冷却される。ＥＧＲ流をさらに冷却することを可能にするために、たとえば高負荷状況において、図１の前記例に示されるシステムは、さらにまた、ＥＧＲ冷却器１４を含む。

図１に示されるように、このＥＧＲ冷却器１４は、ＥＧＲ機構内において別途の装置を構成しうる。別途のＥＧＲ冷却器に代わるものまたは追加として、ＥＧＲ冷却器を熱交換器１５と一体化させることができる。この場合は、熱交換器１５は、前記のように、ＥＧＲ流から排気ガス流へと熱を伝達する。一体型ＥＧＲ冷却器は、むしろ冷却媒体を用いてＥＧＲ流をさらに冷却するように構成される。この冷却媒体は、好ましくは別途の媒体ループ内に内蔵される気体または液体の媒体、たとえば水でありうる。任意で、ＥＧＲ冷却器は、周囲空気を冷却媒体として用いる気体‐気体熱交換器の形式とされうる。ＥＧＲ冷却器１４が別途か熱交換器と一体化されるかに係わりなく、前記冷却器は、好ましくは熱交換器１５の下流に配置されうる。別途のＥＧＲ冷却器は、有利には、一体型ＥＧＲ冷却器に関して前記に説明されたように冷却媒体を用いるように構成されうる。

追加のＥＧＲ冷却器１４は、本発明には必要とされないことに注意されたい。ただし、ほとんどの用途においては、おそらくはＥＧＲ流を追加的に冷却することが実際的理由から必要とされる。本発明の熱交換器１５をより効率的な設計にすると、追加のＥＧＲ冷却の必要性は少なくなる。本発明のさらに他の利点は、従来のＥＧＲ冷却器に共通する損傷が、ＥＧＲ流を熱交換器１５において予備冷却して、これによって追加のＥＧＲ冷却器１４に流入するＥＧＲ流の温度を低下させることにより減少するところにある。
ＥＧＲ冷却は、未来の排出規制では、大量のＥＧＲ流に関してＮＯ_ｘの量をさらに減少させることが求められ、以ってＥＧＲ冷却に関してさらなる要求が課せられることになるため、ますます重要な問題となる。ＥＧＲ冷却器がより大型になると、エンジンのシステム効率と冷却器の物理的配置とに関する問題がより大きくなる。本発明は、ＥＧＲ冷却に係わる問題を緩和するものである。

たとえば熱の損失を最小限に抑えることによりシステムを最適化するとともに、触媒材料の不活性化を防ぐために、システムは、好ましくは、制御装置と、前記制御装置に関連情報を提供するセンサと、バイパス流を制御する制御可能な弁とからなる制御システムを備える。適切なセンサの例は、触媒反応が起こる熱交換器１５の内部に配置される温度センサと、前記熱交換器の上流に配置されて到来する排気ガスおよびＥＧＲガス流の温度を判断する温度センサとである。温度センサは、さらにまた、触媒コンバータ１０が用いられる場合は、こうしたコンバータの内部と上流とに配置されうる。加えて、１つのセンサは、ＥＧＲ冷却器１４の制御装置を含みうる。好ましくは、前記制御システムは、さらにまた、流量センサと、たとえばＮＯ_ｘ、ＨＣおよびＮＨ_３を判断するセンサとを含む。

このような制御システムを用いて、排気ガスシステムを異なる状況に適応させることができる。たとえば、低負荷状況の場合のように、排気ガス中における有害化合物の濃度が低く、かつ排気ガス温度が熱交換器１５の温度より低い場合は、第２および第３の排気ガス導管８、１１を経て排気ガスを迂回させて、熱交換器１５の冷却を防ぐことができる。排気ガス流を迂回させることは、排気ガス温度が非常に高い（約５５０℃程度）ために熱交換器１５内の触媒材料が不活性化または損傷されかねないある一定の状況においても有利である。ＥＧＲバイパス導管１３を介したＥＧＲ流の迂回は、ＥＧＲ流温度が熱交換器の温度より低い状況（冷却を回避するため）およびＥＧＲ流の温度が高すぎる状況（触媒材料の損傷／不活性化を回避するため）において有利である。

コールドスタート状況においては、触媒システムを可能な限り急速に昇温させることが重要である。熱交換器１５より低い熱質量を有するとともに、そのためにより急速に昇温されうる追加の触媒コンバータ（図示せず）を用いることにより、制御システムを用いてコールドスタート時に熱交換器１５を迂回させて、排気ガス流を、前記追加のコンバータを介して導いて、効率的な変換をより迅速に達成することができる。この追加のコンバータは、第３の排気ガス導管１１または追加の排気ガス導管（図示せず）に関連しうる。

好ましくは、前記システムは、さらにまた、熱交換器１５の上流において排気ガス流と接触する表面の少なくとも一部分に施される吸着／脱着剤を備える。一例として、別途の吸着／脱着装置が、エネルギー回収装置６と熱交換器１５との間において配置されうる。前記吸着／脱着剤は、好ましくは炭化水素および／または窒素酸化物を第１の温度以下において吸着するとともに、これらを前記第１の温度より高い第２の温度以上において放出する。これにより、コールドスタート時およびおそらくはさらにまたある一定の低温動作モードにおいて、炭化水素および／または窒素酸化物は、前記吸着／脱着剤によって吸着される。温度が上昇すると、吸着された化合物は、脱着するとともに排気ガス流に随伴する。一般に、このような吸着／脱着剤から物質が脱着する温度は、触媒の着火温度より低い。従来の排気システムでは、化合物は、システムから排出される過程でより低温の領域にしか到達せず、よって変換されずにシステムを出ることになる。しかしながら、ｉ）脱着が熱交換器１５の上流において起こることと、ｉｉ）熱交換器１５が触媒コンバータとして作用しうることと、ｉｉｉ）熱交換器１５がＥＧＲにより昇温せしめられうることとにより、本発明においては、脱着した化合物は、システムから出る過程でより高い温度領域、すなわち熱交換器１５に到達する。このようにすると、コールドスタート状況においても効率的な変換を達成することが可能になる。

前記の排気ガス側と同様に、吸着／脱着剤は、熱交換器１５の上流においてＥＧＲ側にも施されうる。

エネルギー回収装置は、図１において、ターボ６を用いて例証されている。したがって、図１には、ターボ過給エンジンの例が示されている。主に、ターボは、一方の翼車が排気ガス流によって駆動され、他方の翼車が圧縮空気によって駆動される、共通の軸に取り付けられる２個のタービン翼車からなる。ターボ出力を増加させるために、ターボ６は、２個のターボが直列に接続されて、第１のターボはより高い圧力で機能するように最適化され、第２のターボはより低い圧力で機能するように最適化される２段式とされうる。その他の種類のターボを用いることも可能である。２段ターボは、１段ターボと比べて、排気ガス温度をさらに３０〜８０°Ｃ程度低下させうる。

本発明は、ＨＨＥＧＲエンジン（高高ＥＧＲ）の場合のようにＥＧＲ流が大きい用途および２段ターボが用いられる場合のようにエネルギー回収装置６の出力が大きい用途において特に有用である。このような用途においては、大量の熱エネルギーがＥＧＲ流から排気ガス流に伝達され得、大きいＥＧＲ流と高出力のエネルギー回収装置６との両方によって、排気ガス温度の大幅な低下がもたらされる。ＨＨＥＧＲエンジンは、ＮＯ_ｘ排出に関する未来の規制を満たすために重要であるが、燃料消費量が増加するという一般的な欠点を有する。２段ターボと組み合わされると、この欠点は、それほど重大ではなくなるが、今度は低い排気ガス温度に付随する問題が生じる。しかしながら、この問題は、本発明を適用することによって十分に解決されうる。

ターボに代わるものとして、エネルギー回収装置６は、依然として排気タービンを利用することができるが、吸気を圧縮する代わりに、回転運動を利用して、たとえば油圧系への油圧油を圧縮して、発電機において電気エネルギーを生じしめることまたは出力軸を駆動することができる。さらに、エネルギー回収装置は、排気ガス流中の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている熱電材料または機構を含みうる。これは、排気タービンに代わるものとして、または排気タービンと組み合わせて用いられうる。

本発明は、前記の実施形態に制限されるわけではなく、数多くの改変が、以下の特許請求の範囲の枠内において可能である。たとえば、図１は、本発明の概要を示す略図にすぎない。当然ながら、バイパス導管および弁は、さまざまな方法で用いられうる。有用な改変形態の一例は、熱交換器１５から到来する排気ガス流に対して触媒コンバータ１０の迂回を可能にすることである。

さらに、前記システムは、たとえばＥＧＲ流を１個または数個の特定の気筒から取ることによって、エンジン１を出るＥＧＲ流と排気ガス流とが異なる温度を有するような態様に改変されうる。本発明は、このような改変態様のシステムにも適用可能である。

本発明の第１の有利な実施形態を示す略図である。

Claims (14)

1. 第１の排気ガス流であるＥＧＲ流をエンジン（１）の出口側（３）から前記エンジン（１）の入口側（２）へと導くようになっているＥＧＲ機構（４、１３、１４、１６）と、
   第２の排気ガス流である排気ガス流を前記エンジン（１）の前記出口側（３）から離れる方向に導くようになっている排気ガス導管（５）と、
   前記排気ガス導管（５）に結合されるターボ等のエネルギー回収装置（６）であって、排気ガスエネルギーを前記排気ガス流から回収するようになっているエネルギー回収装置（６）とからなる内燃機関排気システムにおいて、
   前記ＥＧＲ流の少なくとも一部分と前記排気ガス流の少なくとも一部分との間において熱交換を可能にするようになっている熱交換器（１５）と、前記排気ガス流の温度が所定値より高い時には、前記排気ガス流の少なくとも一部分が前記熱交換器（１５）を迂回することを可能にするようになっている第１の排気ガスバイパス弁（７）と第２の排気ガス導管（８）と、前記ＥＧＲ流の温度が所定値より高い時には、前記ＥＧＲ流の少なくとも一部分が前記熱交換器（１５）を迂回することを可能にするようになっているＥＧＲバイパス弁（１６）とＥＧＲバイパス導管（１３）とを含み、
   前記熱交換器（１５）は、前記エネルギー回収装置（６）の下流のある位置において前記排気ガス導管（５）に結合され、
   これにより前記熱交換器（１５）内に配置された触媒材料の損傷／不活性化が回避されることを特徴とする内燃機関排気システム。
2. 前記排気ガス流と接触する前記熱交換器（１５）の表面の少なくとも一部分は、前記排気ガス流中の有害化合物を変換するようになっている触媒材料により被覆されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＥＧＲ流と接触する前記熱交換器（１５）の表面の少なくとも一部分は、前記ＥＧＲ流中の化合物を変換するようになっている触媒材料により被覆されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記熱交換器（１５）の上流において前記排気ガス流と接触する表面の少なくとも一部分は、吸着／脱着剤を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記熱交換器（１５）の上流において前記ＥＧＲ流と接触する表面の少なくとも一部分は、吸着／脱着剤を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記排気ガス流中の有害化合物を変換するようになっている触媒コンバータ（１０）を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記排気ガス流の少なくとも一部分が前記触媒コンバータを迂回することを可能にするようになっている第２の排気ガスバイパス弁（９）と第３の排気ガス導管（１１）とを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記排気ガス流が前記熱交換器（１５）および前記触媒コンバータ（１０）を迂回するように構成される排気ガス導管（５、８、１１）と排気ガスバイパス弁（７、９）とを含むことを特徴とする請求項６または７に記載のシステム。
9. 前記バイパス弁（７、９、１６）を制御するようになっている制御システムを含むことを特徴とする請求項１、７または８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記エネルギー回収装置（６）は、前記排気ガス流によって駆動されるようになっている少なくとも１個のタービンを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記エネルギー回収装置（６）は、前記排気ガス流中の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている熱電材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記内燃機関（１）は、ディーゼル機関であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記ＥＧＲ機構は、追加のＥＧＲ冷却器（１４）を含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記ＥＧＲ冷却器（１４）は、前記熱交換器（１５）と一体化されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

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