JP5579040B2 - 排気保温装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置における排気の保温技術及び車両における廃熱回収技術に関する。

エンジン排気中のＮＯｘを浄化するため排気系に還元触媒を組み込み、その上流において排気中に燃料や尿素水溶液などの還元剤（前駆体も含む）を添加する排気浄化装置では、還元触媒の触媒床温を所定の温度以上に維持すると、浄化効率が向上する。そこで、排気再循環（ＥＧＲ）制御、パイロット噴射、ポスト噴射などの制御を実行して排気温度を調節し、触媒床温を極力低下させない技術がエンジンに適用されている。ところが、近年のエンジンは一般的に、アクセルオフに伴ってフューエルカットを実行するようになっており、このときには上記制御が実行されないために排気温度が低下し、長い降坂時など、フューエルカットの時間が長くなると、触媒床温を維持するのが難しくなる。

この点に鑑みて、特許文献１に開示されるように、フューエルカット時にアフターターボ酸化触媒を利用して排気温度を高く維持する技術が提案されている。すなわち、フューエルカットで気筒内燃料噴射が無くなったときに、アフターターボ酸化触媒上流の排気中に燃料を添加し、アフターターボ酸化触媒でＨＣ、ＣＯを燃焼させることにより、アフターターボ酸化触媒以降の排気温度を上昇させる技術である。

一方、最近では、例えば特許文献２のように、還元触媒に加えてＰＭ捕集フィルタ（ＤＰＦ）も組み入れた排気浄化装置が普及している。このＰＭ捕集フィルタを組み入れた排気浄化装置では、通常、排気の上流から下流へＰＭ捕集フィルタ、還元触媒の順に配置され、そのＰＭ捕集フィルタと還元触媒との間を連結する排気管に、還元剤を噴射するノズルが設置される。このノズルを設置した還元触媒上流の排気管は、還元剤の排気中への均一拡散を図るためにノズルから還元触媒までの長さがある程度必要なことから、あまり短くすることができない。

特開２００９−１５０２７１号公報 特開２００３−１８４５４２号公報

上記特許文献２のタイプの排気浄化装置の場合、特許文献１に係る排気保温技術を採用してあっても、フューエルカット時の触媒床温低下を防ぎきれない場合がある。すなわち、特許文献２に係る排気浄化装置では、フューエルカット時にアフターターボ酸化触媒を利用して排気温度を上昇させても、高車速での降坂時などでは、ＰＭ捕集フィルタ及び還元触媒上流の排気管を経る間に排気温度が下がってしまい、良好な浄化効率を保つ還元触媒の触媒床温を維持するに至らない場合がある。特に、短くすることのできない還元触媒上流の排気管が走行風に曝されるため、ここで排気が冷やされることの影響が大きいと考えられる。さらに言えば、アフターターボ酸化触媒上流の排気中に燃料を添加することによる燃料消費も課題である。

本発明はこの点に着目したもので、降坂時などのフューエルカット時に、燃料消費を少なく保ちつつ、還元触媒上流の排気管における排気を保温することの可能な装置を提案する。

上記課題を解決するために提案する排気保温装置は、エンジンの出力軸に備えられたリターダを囲むケーシングと、触媒よりも上流の排気管を覆う外套管と、前記ケーシングと前記外套管とを連結するダクトと、を含んで構成される。

制動時の補助として車両に搭載されるリターダは、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して放散することにより制動力を得る装置であり、ほぼ、フューエルカット時に作動する。上記提案に係る排気保温装置は、フューエルカット時に、そのリターダから発生する熱を利用して触媒上流の排気管を暖め、燃料消費を低く抑えつつ、排気を保温することができる。

排気保温装置の第１実施形態を示す概略図。 第１実施形態に係る排気保温装置の動作フローチャート。 排気保温装置の第２実施形態を示す概略図。

本実施形態に係る排気保温装置は、一例として、ＰＭ捕集とＮＯｘ除去の機能を備えた、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において用いられている。ただし、排気保温装置の適用範囲はこのような排気浄化装置に限らず、排気系に触媒を備えた排気浄化装置において触媒上流の排気を保温する用途全般に適用することができる。

図１及び図３に示す排気浄化装置は、排気ターボ過給器以降の排気系に、第１の筐体１に収納された酸化触媒ＤＯＣ及びＰＭ捕集フィルタＤＰＦと、第２の筐体２に収納された還元触媒ＳＣＲ及びアンモニアスリップ触媒ＡＳＣと、を配置して構成されている。本実施形態の場合、排気の上流から下流へ、酸化触媒ＤＯＣ、ＰＭ捕集フィルタＤＰＦ、還元触媒ＳＣＲ、アンモニアスリップ触媒ＡＳＣの順に配置される。このうち酸化触媒ＤＯＣは、前述の特許文献１のようなアフターターボ酸化触媒の機能を担わせ得る。

本例のＳＣＲ式の排気浄化装置は、ＰＭ捕集フィルタＤＰＦから還元触媒ＳＣＲへ排気を送る排気管３、つまり、還元触媒ＳＣＲよりも上流の排気管３において排気中にノズル４から還元剤（前駆体を含む）を噴射して添加することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。その還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるものが主流であり、このための還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液やアンモニア水溶液などの液体還元剤が用いられる。前述の特許文献１にもあるように、このような反応による浄化効率を良好に保つには、触媒床温がある程度以上であることが好ましい。

一方、エンジンからトランスミッションを経て駆動輪へ延びる出力軸に、リターダ５が設けられている。リターダ５の位置は、図示のようにトランスミッション以降の出力軸に介在させるだけでなく、エンジンとトランスミッションの間などその他の位置であり得る。抑速機であるリターダ５は、制動力の補助として使用されるもので、電磁式、永久磁石式、流体式といった構造があり、いずれも車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して放散することにより、制動力を得る。従来では、その熱は大気へ放散されていたが、本実施形態ではこれを排気の保温に活用する。

このための排気保温装置１０は、図１に示す第１実施形態の場合、リターダ５を囲むケーシング１１と、還元触媒ＳＣＲよりも上流の排気管３を覆う外套管１２と、ケーシング１１及び外套管１２を連結するダクト１３と、を含んで構成される。さらに、第１実施形態の場合、リターダ５の動作に連動してダクト１３を開閉するバルブ１４を含み、また、外套管１２に設けられた圧力制御弁１５を含んでいる。

リターダ５は、制御器６により動作制御され、運転席のスイッチ操作あるいは自動制御に従ってアクセルオフに伴い動作ＯＮとなる。作動したリターダ５は、出力軸に制動力を付与すると共に発熱し、その冷却のための冷却風が、ケーシング１１の図示せぬ冷却風取入口から入り、その廃熱が、ケーシング１１からダクト１３を経て外套管１２へ送られて排気管３を暖める。排気管３は、外套管１２により周囲を覆われて走行風に直に曝されておらず且つリターダ５による熱で暖められるので、還元触媒ＳＣＲへ流入する排気が保温される。したがって、フューエルカット時の触媒床温低下を極力食い止めることができる。

ダクト１３の途中に設けられたバルブ１４は、制御器６により制御されており、リターダ５が動作ＯＮするときにダクト１３を開通させ、リターダ５が動作ＯＦＦのときにはダクト１３を閉鎖する。ダクト１３を閉鎖しているときのバルブ１４は、ケーシング１１からの送風を大気開放する。すなわち、リターダ５が動作ＯＦＦで発熱していないときには、バルブ１４により、外套管１２への送風が抑止される。

外套管１２に設けられた圧力制御弁１５は、例えばリリーフ弁であり、外套管１２内の圧力が上がると開いて管内を減圧する。圧力制御弁１５は、リターダ５からの熱風がある程度外套管１２内に留まっていた方が排気管３を暖めるのに好ましいために、設けられている。圧力制御弁１５の代わりに、バルブ１４の開閉と連動して開弁するバルブ１５としてもよい。また、圧力制御弁１５を設けずに単なる通気孔を外套管１２に開けるだけでもよいが、圧力制御弁１５又はバルブ１５を設けてあった方が保温効果に優れる。

図２には、制御器６に従う排気保温装置１０の動作フローをフローチャートで示してある。以下のフローは、一例としてイグニッションスイッチがＯＦＦになるまで実行される。
イグニッションスイッチのＯＮでスタートした後、ステップＳ１で制御器６は、リターダ５を動作させるか否か監視しており、運転席のリターダスイッチオンや一定条件下のアクセルオフ検知で自動的に、リターダ５を動作ＯＮにする。制御器６がリターダ５を動作ＯＮにしない場合は、ステップＳ２においてバルブ１４の閉が維持されてステップＳ１へ戻り、制御器６によりリターダ５の動作ＯＮが監視される。

ステップＳ１で制御器６がリターダ５を動作ＯＮにする場合は、ステップＳ３においてバルブ１４が制御器６により開とされ、ダクト１３が開通してリターダ５の熱風が外套管１２へ送風される。バルブ１４を開にした後、ステップＳ４において、制御器６がリターダ５を動作ＯＦＦにするか否か監視しており、アクセルオンなど所定条件に応じてリターダ５が動作ＯＦＦにされる。制御器６がリターダ５を動作ＯＦＦにしない間はステップＳ３へ戻ってバルブ１４の開が維持され、リターダ５を動作ＯＦＦにする場合は、ステップＳ２でバルブ１４が閉とされ、ステップＳ１で次のリターダ５の動作ＯＮが監視される。

図３に示す第２実施形態の排気保温装置１０は、第１実施形態同様のケーシング１１、外套管１２、ダクト１３、及び圧力制御弁１５を含んで構成される。そして、第２実施形態の場合は、ケーシング１１の内部温度を検出する温度センサ１６を含み、ダクト１３を開閉するバルブ１４が、その温度センサ１６の出力に応じて開閉制御される。なお、温度センサ１６は、バルブ１４よりケーシング１１側のダクト１３内の温度を検出するように設けてあってもよい。

第２実施形態においては、温度センサ１６の出力信号が制御器１６へ入力され、これに応じて制御器１６がバルブ１４を開閉させる。すなわち、温度センサ１６により検出されるケーシング１１内温度が所定のしきい値を上回るときに、制御器６がバルブ１４を開いてダクト１３を開通させる。この第２実施形態の場合は、リターダ５の動作に関係なくバルブ１４を制御してもよく、ケーシング１１の内部温度が一定以上であれば熱風が外套管１２へ送風され、排気管３を暖めることができる。

３ 触媒上流の排気管
５ リターダ
６ 制御器
１０ 排気保温装置
１１ ケーシング
１２ 外套管
１３ ダクト
１４ バルブ
１５ 圧力制御弁又はバルブ
１６ 温度センサ

Claims (4)

1. エンジンの出力軸に備えられたリターダを囲むケーシングと、
   触媒よりも上流の排気管を覆う外套管と、
   前記ケーシングと前記外套管とを連結するダクトと、
   を含んで構成される、排気保温装置。
2. 前記リターダの動作に連動して前記ダクトを開閉するバルブをさらに含む、請求項１記載の排気保温装置。
3. 前記ケーシング内温度又は前記ダクト内温度を検出する温度センサと、
   該温度センサの出力に応じて前記ダクトを開閉するバルブと、
   をさらに含む、請求項１記載の排気保温装置。
4. 前記外套管に設けられた圧力制御弁をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の排気保温装置。

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