JP5402423B2 - 内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関に関し、更に詳しくは、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることが可能な内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関に関する。

ディーゼル車の排気ガス規制は厳しいものになってきており、過給機の下流に後処理装置を設置することが必須となっている。後処理装置の触媒が排気ガスを浄化するためには、ある一定以上の触媒温度が必要である。そのため、排気ガスの浄化は触媒温度に依存する部分が大きい。

一方、排気ガスから得られる熱エネルギーの有効利用を目的として排熱回収装置の開発が進められている。図６に、排熱回収装置５０を備えた排気浄化装置（後処理装置）５１の構成を示す。ここで示される排熱回収装置５０は、排気浄化装置５１の触媒装置５２を通過した排気ガスＡｅを触媒装置５２の入口で対流させることで熱を回収する装置である。この排熱回収装置５０を備える場合、暖機が行われている状態では比較的安定した温度を維持することができ、触媒において高い浄化率を示す温度域を維持することができる。

しかしながら、冷間始動時には、排熱回収装置のために見かけ上の熱容量が増加してしまうため、後処理装置の触媒の昇温に時間がかかり、通常のＤｅＮＯｘ（ＮＯｘ低減）触媒よりもＮＯｘを多く排出してしまう、という問題がある。

この問題を解決するために触媒を電気ヒータで加熱する方法（例えば特許文献１，２参照）や排気管内に燃料を噴射する方法（例えば特許文献３参照）が開発されているが、これらの場合、燃料消費率が増大する、という問題が生じてしまう。

なお、ディーゼルエンジンの排気ガスを有効に利用する技術として、エンジンの後段の排気経路に排熱ボイラを備え、さらにエンジンと排熱ボイラとの間に、排気ガスを浄化する触媒装置を備えることにより、排気ガスによる排熱ボイラへの悪影響を防止する技術がある（例えば特許文献４参照）。

特開２００６−１０５０７３号公報 特開平５−１５１２号公報 特開２００５−０６１２４９号公報 特開２００４−２１８４５４号公報

本発明の目的は、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることが可能な内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置の制御方法は、排気ガスを浄化する触媒を持つ触媒装置を排気経路に備えるとともに、前記触媒装置の下流側の排気ガスの熱を前記触媒装置の上流側の排気ガスに伝達することで前記排気ガスの熱エネルギーを回収する排熱回収装置を、前記触媒装置の上流の前記排気経路に前記触媒装置と直列な状態で備える内燃機関の排気浄化装置の制御方法において、前記触媒の温度を検出し、その温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度より低い場合は、前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置に流すのを停止し、前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度の場合は、前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置の外周から前記排熱回収装置に流す制御を行うものである。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスを浄化する触媒を持つ触媒装置を排気経路に備えるとともに、前記触媒装置の下流側の排気ガスの熱を前記触媒装置の上流側の排気ガスに伝達することで前記排気ガスの熱エネルギーを回収する排熱回収装置を、前記触媒装置の上流の前記排気経路に前記触媒装置と直列な状態で備える内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置に流す副排気経路と、前記副排気経路の開閉を行う開閉手段と、前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度より低い場合は、前記開閉手段を閉じることにより、前記触媒装置の下流の前記排気ガスを、前記副排気経路を通じて前記排熱回収装置に流すのを停止し、前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度の場合は、前記開閉手段を開くことにより、前記触媒装置を通過した前記排気ガスを、前記副排気経路を通じて前記排熱回収装置に流す制御を行う制御部とを備え、前記副排気経路が、前記排熱回収装置の外周に隣接して設置されるものである。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記排気浄化装置を有するものである。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関によれば、触媒温度が排気ガスを浄化することが可能な温度に達するまで、排気ガスを排熱回収装置に流さないことにより、排熱回収装置による熱容量の増加を無くすことができるので、触媒温度を高い浄化率を示す温度域に短時間で到達させることができる。このため、始動後の早い段階で排気ガスを触媒により浄化することができる。一方、触媒温度が排気ガスを浄化するのに十分可能な温度になった後は排気ガスを排熱回収装置に流すことにより、高い浄化率を示す温度域に触媒温度を維持することができる。したがって、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることができる。しかも、電気ヒータによる触媒の加熱や排気管内への燃料噴射を行わないことにより、燃料消費率も低減できる。

本発明の実施の形態における内燃機関の要部の構成図である。 図１の内燃機関の後処理装置の要部の構成図である。 図１の内燃機関の後処理装置の要部の構成図である。 図１の内燃機関の後処理装置の要部の構成図である。 窒素酸化物低減触媒の温度値の推移を示すグラフ図である。 従来の内燃機関の後処理装置の要部の構成図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に、本実施の形態の内燃機関の要部の構成を示す。本実施の形態の内燃機関は、例えばトラックのような自動車に搭載される直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジン１として構成されている。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。

このディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１は、エンジン本体（内燃機関本体）２と、吸気マニホールド３と、排気マニホールド４と、過給機５と、インタークーラ６と、排気浄化装置（後処理装置）７とを有している。なお、図１の符号Ａｅは排気ガスを示し、符号Ａｉは吸気ガスを示し、矢印はその流れを示している。

エンジン本体２は、例えば４個のシリンダ８を備えており、各シリンダ８の燃焼室内において圧縮され高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この自己着火による燃焼で生じる膨張ガスによりシリンダ８内のピストンを駆動する構成を有している。

各シリンダ８の吸気口は、吸気マニホールド３に接続されている。吸気マニホールド３は吸気管（吸気経路）９ａを通じてインタークーラ６に接続され、さらに吸気管９ｂを通じて過給機５のコンプレッサ５ａの出口に接続されている。一方、各シリンダ８の排気口は、排気マニホールド４に接続されている。この排気マニホールド４は、排気管１０ａを通じて過給機５のタービン５ｂの入口に接続されている。

過給機５は、互いに一体的に形成されたコンプレッサ（圧縮機）５ａおよびタービン５ｂを有している。各シリンダ８の排気口から排出された排気ガスの力によりタービン５ｂが回転駆動すると、その駆動力にコンプレッサ５ａが連動することにより圧縮され高密度になった吸気ガスを、吸気マニホールド３を通じて各シリンダ８内に送り込むようになっている。

過給機５のタービン５ｂの出口には排気管１０ｂを通じて排気浄化装置７の入口が接続されている。排気浄化装置７は、エンジン本体２で浄化しきれなかった排気ガスを浄化する装置である。さらに、排気浄化装置７の出口は排気管１０ｃを通じてマフラー（図示せず）に接続されている。

次に、図２に、本実施の形態の排気浄化装置７の要部の構成を示す。

排気浄化装置７は、排気管１０ｄ内に、排気ガスＡｅの熱エネルギーを回収する熱交換器１４と、排気ガスＡｅを浄化する触媒を持つ触媒装置１５とを上流から下流に沿って直列に備えているとともに、触媒装置１５を通過した排気ガスＡｅを熱交換器１４に戻すバイパス管１６を備えている。

また、触媒装置１５の触媒の温度を検出し、その温度が、排気ガスＡｅを浄化することが可能な温度より低い場合は、触媒装置１５の下流側の排気ガスＡｅを、バイパス管１６を通じて熱交換器１４に流すのを停止し、触媒の温度が、排気ガスＡｅを浄化することが可能な温度の場合は、触媒装置１５の下流側の排気ガスＡｅを、バイパス管１６を通じて熱交換器１４に流す制御を行う制御部２０を備えている。

すなわち、本実施の形態のエンジン１の排気浄化装置７においては、エンジン１の冷間時の始動に際して、触媒装置１５の触媒温度が排気ガスＡｅを浄化することが可能な温度に達するまで、排気ガスＡｅを熱交換器１４に流さないようにする。これにより、熱交換器１４による熱容量の増加を無くすことができるので、触媒装置１５の触媒温度を高い浄化率を示す温度域に短時間で到達させることができる。その結果、エンジン１の始動後の早い段階で排気ガスＡｅを触媒により浄化することができる。

一方、触媒装置１５の触媒温度が排気ガスＡｅを浄化するのに十分可能な温度になった後は排気ガスＡｅを熱交換器１４に流すようにする。これにより、触媒温度を高い浄化率を示す温度域に維持することができる。

したがって、本実施の形態のエンジン１においては、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることができる。しかも、電気ヒータによる触媒の加熱や排気管内への燃料噴射を行わないことにより、燃料消費率も低減できる。

以下、排気浄化装置７の各構成を説明する。熱交換器１４は、触媒装置１５の下流側の排気ガスＡｅの熱を、触媒装置１５の上流側の排気ガスＡｅに伝達することで排気ガスＡｅの熱エネルギーを回収する装置である。すなわち、触媒装置１５を通過した排気ガスＡｅを、バイパス管１６を通じて熱交換器１４に流して触媒装置１５の入口で対流させることで、その排気ガスＡｅの熱を、タービン５ｂから排気管１０ｂを通じて熱交換器１４に流れてきた排気ガスＡｅに与える装置である。なお、バイパス管１６を通じて熱交換器１４に流れた排気ガスＡｅは別の排気管を通じて排気浄化装置７の下流の排気管１０ｃ（上記したマフラーよりも上流位置）に流れるようになっている。

熱交換器１４としては、例えば対向流式の熱交換器が使用されている。これにより、高い熱交換効率を安定して得られる上、コンパクトにすることができる。熱交換器１４は対向流式に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば蓄熱式の熱交換器を用いても良い。

触媒装置１５には、例えば酸化触媒部、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）および窒素酸化物低減（ＤｅＮＯｘ）触媒部が、上流から下流に沿って直列に配置されている。触媒装置１５の酸化触媒部は、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を浄化する触媒を持つ浄化部である。その下流のＤＰＦは、フィルタを用いて粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を除去する浄化部である。さらに、その下流のＤｅＮＯｘ触媒部は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒を持つ浄化部である。なお、触媒装置１５の構成は、上記したものに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばＤＰＦ自体に各種の触媒層を形成した構成のものでも良い。

この触媒装置１５の触媒を持つ浄化部（酸化触媒部、ＤｅＮＯｘ触媒部またはその両方）、あるいは触媒装置１５の入口には温度センサ２１が設置されている。この温度センサ２１は、触媒温度を検出するセンサであり、制御部２０に電気的に接続されている。

また、触媒装置１５の全体または触媒を持つ浄化部を断熱化、あるいは断熱材（図示せず）で覆うようにしても良い。これにより、熱交換器１４への熱伝達を低減または無くすことができるので、エンジン１の始動時の触媒温度の観点に関して熱交換器１４の無い排気浄化装置７と同等の構造に近づけることができる。すなわち、エンジン１の始動時の触媒の昇温速度を、熱交換器１４の無い排気浄化装置７の場合と同程度にすることができる。このため、エンジン１の始動時の触媒温度の昇温速度をさらに向上させることができるので、エンジン１の始動後のさらに早い段階で排気ガスＡｅを触媒により浄化することができる。なお、触媒装置１５は、熱交換器１４から空間２２だけ離れて配置されている。

バイパス管１６は、排気管１０ｄ（触媒装置１５）を取り囲むように排気管１０ｄに隣接した状態で設置されている。これにより、排気浄化装置７の小型化が可能となる。また、触媒装置１５の保温性を向上させることができるので、触媒温度を高い浄化率を示す温度に維持できる。

バイパス管１６の下部（触媒装置１５の下流）において排気管１０ｄとの境界部には開閉弁（開閉手段）２３が設けられている。この開閉弁２３は、バイパス管１６を開閉する（すなわち、バイパス管１６と排気管１０ｄとの開通および閉止を行う）弁である。この開閉弁２３は、制御部２０に電気的に接続されており、その開閉が制御部２０によって制御される。

排気管１０ｄ，１０ｃの境界には、排気管１０ｄ，１０ｃの開通および閉止を行う開閉弁２４が設置されている。この開閉弁２４は制御部２０に電気的に接続されており、その開閉が制御部２０によって制御される。

次に、排気浄化装置７の制御部２０の制御方法を図３および図４を参照しながら説明する。図３は開閉弁２３を閉じている状態、図４は開閉弁２３を開いている状態を示している。

エンジン１の冷間時の始動に際して、排気浄化装置７の触媒の温度を温度センサ２１により検出し、その温度が、排気ガスＡｅを浄化することが可能な温度より低い場合は、図３に示すように、開閉弁２３を閉じ、開閉弁２４を開く。これにより、触媒装置１５を通過した排気ガスＡｅが熱交換器１４に流れないようにする。すなわち、エンジン１の冷間時の始動に際して、触媒装置１５の触媒温度が排気ガスＡｅを浄化することが可能な温度に達するまで、開閉弁２３を閉じることにより排気ガスＡｅを熱交換器１４に流さないようにする。これにより、エンジン１の冷間始動時に、負の熱交換を防ぐことができるので、排気管１０ｂから熱交換器１４に流入した排気ガスＡｅの熱交換器１４での温度低下を小さくすることができる。このため、触媒装置１５の触媒の昇温の遅れを短くでき、触媒装置１５の触媒温度を高い浄化率を示す温度域に短時間で到達させることができるので、エンジン１の冷間時の始動後の早い段階で排気ガスＡｅを触媒により浄化することができる。

続いて、温度センサ２１により検出された触媒温度が、排気ガスを浄化することが可能な温度になった場合は、図４に示すように、開閉弁２３を開き、開閉弁２４を閉じる。これにより、触媒装置１５を通過した排気ガスＡｅを矢印で示すようにバイパス管１６を通じて熱交換器１４に流す。これにより、排気管１０ｂから熱交換器１４に流れてきた排気ガスＡｅは熱交換器１４で温められ触媒装置１５に流入するので、触媒装置１５の触媒温度を高い浄化率を示す温度域に維持することができる。開閉弁２３の開放直後は熱交換器１４の昇温のために熱交換部分において負の熱交換が行われると予想されるが、既に触媒装置１５の触媒（酸化触媒、ＤｅＮＯｘ触媒）が昇温されている状態で開閉弁２３を開放しているので排気ガスの浄化率への悪影響を小さくすることができる。

図５に、ＤｅＮＯｘ触媒の温度値の推移を示す。符号Ｔ１は本実施の形態の排気浄化装置７を用いた場合（期待される予測値）、符号Ｔ２は熱交換器を持たない従来の後処理装置を用いた場合（シミュレーション結果）、符号Ｔ３は熱交換器を持つ従来の後処理装置を用いた場合（シミュレーション結果）をそれぞれ示している。

本実施の形態の排気浄化装置７の場合（Ｔ１）、ＤｅＮＯｘ触媒温度を、熱交換器を持たない従来の後処理装置を用いた場合（Ｔ２）と同様に、熱交換器を持つ従来の後処理装置を用いた場合（Ｔ３）よりも短時間で、高い浄化率を示す温度域まで上昇させることができることが分かる。このため、エンジン１の始動後の早い段階で排気ガスＡｅを触媒により浄化することができる。したがって、本実施の形態のエンジン１においては、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関は、排熱回収装置への排気ガスの流れを触媒温度に応じて制御することにより、始動時および運転時において触媒による排気ガス浄化能力を生じさせることができるので、自動車等の内燃機関の排気浄化装置の制御方法、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関に利用できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ エンジン本体（内燃機関本体）
３ 吸気マニホールド
４ 排気マニホールド
５ 過給機
７ 排気浄化装置（後処理装置）
８ シリンダ
１０ａ〜１０ｄ 排気管
１４ 熱交換器（排熱回収装置）
１５ 触媒装置（浄化本体）
１６ バイパス管（副排気経路）
２０ 制御部
２１ 温度センサ
２３ 開閉弁（開閉手段）
２４ 開閉弁

Claims (3)

1. 排気ガスを浄化する触媒を持つ触媒装置を排気経路に備えるとともに、前記触媒装置の下流側の排気ガスの熱を前記触媒装置の上流側の排気ガスに伝達することで前記排気ガスの熱エネルギーを回収する排熱回収装置を、前記触媒装置の上流の前記排気経路に前記触媒装置と直列な状態で備える内燃機関の排気浄化装置の制御方法において、
   前記触媒の温度を検出し、その温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度より低い場合は、前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置に流すのを停止し、前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度の場合は、前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置の外周から前記排熱回収装置に流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置の制御方法。
2. 排気ガスを浄化する触媒を持つ触媒装置を排気経路に備えるとともに、前記触媒装置の下流側の排気ガスの熱を前記触媒装置の上流側の排気ガスに伝達することで前記排気ガスの熱エネルギーを回収する排熱回収装置を、前記触媒装置の上流の前記排気経路に前記触媒装置と直列な状態で備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記触媒装置の下流側の前記排気ガスを前記排熱回収装置に流す副排気経路と、
   前記副排気経路の開閉を行う開閉手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度より低い場合は、前記開閉手段を閉じることにより、前記触媒装置の下流の前記排気ガスを、前記副排気経路を通じて前記排熱回収装置に流すのを停止し、前記触媒の温度が、前記排気ガスを浄化することが可能な温度の場合は、前記開閉手段を開くことにより、前記触媒装置を通過した前記排気ガスを、前記副排気経路を通じて前記排熱回収装置に流す制御を行う制御部とを備え、
   前記副排気経路が、前記排熱回収装置の外周に隣接して設置される内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置を有する内燃機関。

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