JP5604912B2 - 自動車用排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、自動車用排気浄化システムに関するものである。
自動車のディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに対する規制は、年々厳しくなってきており、内燃機関の燃焼改善だけでなく、後処理装置（排気ガス浄化装置）の技術開発も盛んに行われている。前記燃焼改善については、予混合圧縮自着火燃焼（Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）（以下、ＰＣＩ燃焼という。）の研究が近年活発に行われている。
このＰＣＩ燃焼は、均一で希薄な混合気を早期に生成して燃焼させるため、局所的な燃焼温度の低下があること、また局所的な空気不足状態での燃焼が回避されることで、窒素酸化物（ＮＯｘ）と粒子状物質（ＰＭ）の同時低減が可能になる。
しかしながら、前記ＰＣＩ燃焼は、エンジン負荷が増すと、過早着火が発生して着火時期の制御が困難になるため、低負荷域での使用に限定される問題がある。そのため、ＰＣＩ燃焼が適応可能な領域以外では、通常燃焼に切り替える燃焼方式（デュアル燃焼方式）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００９−９１９９３号公報
しかしながら、前記ＰＣＩ燃焼を行うと通常燃焼と比較して排気ガスの温度が低下するため、後処理装置が排気物質を浄化するために必要とされる温度になるまで昇温にかかる時間が長くなってしまい、その結果、昇温に至るまでに触媒の出口からＮＯｘなどが大量に排出されてしまうという問題がある。また、後処理装置が十分に暖機された状態でも、低温の排気ガスの流入により後処理装置の温度が低下してしまい、その結果、後処理装置の処理能力（浄化性能）も低下してしまうという問題がある。
本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、ＰＣＩ燃焼領域での排気ガスの温度低下に伴う後処理装置の温度低下を防止することができる自動車用排気浄化システムを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気ガス通路に排気ガスを浄化する後処理装置を設けた自動車用排気浄化システムにおいて、前記後処理装置を主後処理装置とすると共に、前記排気ガス通路に切替弁を介して設けられた分岐通路に、副後処理装置を前記主後処理装置と並列になるように設け、通常燃焼か予混合圧縮自着火燃焼かを検出し、通常燃焼では前記主後処理装置側に流れ、予混合圧縮自着火燃焼では前記副後処理装置側に流れるように前記切替弁を制御する制御装置を備え、前記主後処理装置及び前記副後処理装置が共通のケース内に収容され、前記内燃機関には排気ガスの一部を排気側から吸気側に導くＥＧＲ通路が設けられると共に該ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラが設けられ、該ＥＧＲクーラ内にヒートパイプの受熱部を設置し、前記ヒートパイプの放熱部を前記ケース内の前記副後処理装置側に設置していることを特徴とする。
また、本発明は、内燃機関の排気ガス通路に排気ガスを浄化する後処理装置を設けた自動車用排気浄化システムにおいて、前記後処理装置を主後処理装置とすると共に、前記排気ガス通路に切替弁を介して設けられた分岐通路に、副後処理装置を前記主後処理装置と並列になるように設け、通常燃焼か予混合圧縮自着火燃焼かを検出し、通常燃焼では前記主後処理装置側に流れ、予混合圧縮自着火燃焼では前記副後処理装置側に流れるように前記切替弁を制御する制御装置を備え、
前記主後処理装置及び前記副後処理装置が共通のケース内に収容され、該ケース内の前記副後処理装置側に加熱手段を設置したことを特徴とする。
本発明によれば、ＰＣＩ燃焼領域での排気ガスの温度低下に伴う後処理装置の温度低下を防止することができ、後処理装置の処理能力の向上が図れる。
本発明の実施形態に係る自動車用排気浄化システムの構成を概略的に示す図である。 ヒートポンプの原理を説明するための図である。
以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。
図１に示すように、本実施形態に係る自動車用排気浄化システム１は、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、エンジンという。）２の排気ガス通路３に後処理装置（排気ガス浄化装置）である選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：以下、ＳＣＲという。）４を備えている。更に具体的には、前記エンジン２の排気マニホールド２ｂには排気ガス通路３が接続され、この排気ガス通路３には上流側から前段のディーゼル用酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：以下、ＤＯＣという。）５と、ディーゼル用粒子状物質減少フィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：以下、ＤＰＦという。）６、前記ＳＣＲ４、後段のＤＯＣ７が順に設けられている。
前記エンジン２には、排気マニホールド２ｂと吸気マニホールド２ａを接続し、燃焼後の排気ガスの一部を排気側から吸気側に導き、再度吸気させることで燃焼室内の酸素濃度を下げると共に燃焼温度を下げて排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させるためにＥＧＲ通路８が設けられると共に、このＥＧＲ通路８にＥＧＲクーラ９が設けられている。また、前記ディーゼルエンジン２には、通常燃焼と予混合圧縮自着火燃焼（ＰＣＩ燃焼）とを選択可能なデュアル燃焼方式が採用されている。
前記ＳＣＲ４は、主ＳＣＲ（メインＳＣＲともいう。）４とされていると共に、前記排気ガス通路３に切替弁１０を介して設けられた分岐通路１１には前記メインＳＣＲ４よりも小容量の副後処理装置である副ＳＣＲ（サブＳＣＲともいう。）１２が前記メインＳＣＲと並列になるように設けられている。前記切替弁１０は、前記排気ガス通路３における前記ＤＰＦ６の下流に設けられている。分岐通路１１の下流端は、前記排気ガス通路３におけるメインＳＣＲ４と前記後段のＤＯＣ７との間に接続されている。
前記排ガス通路３には前段のＤＯＣ５の上流に排気ガスの流量を検出する流量センサ１３が設けられ、前記自動車用排気浄化システム１は、前記流量センサ１３により検出される流量値が所定の流量値以上である（通常燃焼）か否（所定の流量値未満であるＰＣＩ燃焼）かを検出し、通常燃焼では前記メインＳＣＲ４側に、ＰＣＩ燃焼では前記サブＳＣＲ１２側に排気ガスが流れるように前記切替弁１０を制御する制御装置（ＥＣＵ）１４を備えている。
前記メインＳＣＲ４と前記サブＳＣＲ１２の容量は、エンジン２の排気量或いは触媒性能によって異なるが、何れの容量も空間速度（ＳＶ）が過大な値にならない容量とされている。ここで、空間速度（ＳＶ）とは、触媒容量と排気ガス量の比であり、一般的に触媒浄化率を表す際の指標である。
メインＳＣＲ４及びサブＳＣＲ１２の温度低下を抑制すると共に排気ガスの熱を利用して昇温させるために、これらメインＳＣＲ４及びサブＳＣＲ１２は共通のケース１５内に収容され、前記ＥＧＲクーラ９内にヒートパイプ１６の受熱部１６ａを設置し、前記ヒートパイプ１６の放熱部１６ｂを前記ケース１５内の前記サブＳＣＲ１２側に設置している。すなわち、加熱手段としてのヒートパイプ１６の放熱部１６ｂは、ケース１５内のサブＳＣＲ１２に近接して設置されている。
ヒートパイプ１６は、封入した作動流体により受熱及び放熱を行う熱交換器である。原理としては、ヒートパイプ１６内の受熱部１６ａにある液相の作動流体が外部からの加熱により蒸発し、白矢印で示す蒸気流１７として放熱部１６ｂに移動し、放熱部１６ｂにおいて外部への放熱により液相へ凝縮される。凝縮された作動流体は、液相としてウィック１６ｃによる毛細管作用により黒矢印で示す液の還流１８として再び受熱部１６ａへ戻る。このウィック１６ｃは金属細線を編んだものや焼結金属等で形成され、毛細管作用を利用して液相の作動流体を放熱部１６ｂから受熱部１６ａに移送するためのものである。このヒートパイプ１６は、内部に封入した作動流体の蒸発及び凝縮のみで熱交換するため、作動流体の適用範囲内での使用であれば、その動作は半永久的に継続される。作動流体が水の場合、ヒートパイプ１６の適用温度域は約３０℃〜３００℃程度となる。
次に、本実施形態に係る自動車用排気浄化システム１の作用を述べる。この自動車用排気浄化システム１によれば、前記ＳＣＲ４をメインＳＣＲ４とすると共に、前記排気ガス通路３に切替弁１０を介して設けられた分岐通路１１に前記メインＳＣＲ４よりも小容量のサブＳＣＲ１２を前記メインＳＣＲ４と並列になるように設け、前記排気ガス通路３に流量センサ１３を設け、該流量センサ１３により所定流量値以上（通常燃焼）か否（ＰＣＩ燃焼）かを検出し、通常燃焼では前記メインＳＣＲ４側に、ＰＣＩ燃焼では前記サブＳＣＲ１２側に排気ガスが流れるように前記切替弁１０を制御する制御装置１４を備えているため、ＰＣＩ燃焼領域での排気ガスの温度低下に伴うメインＳＣＲ４の温度低下を防止することができる。すなわち、通常燃焼で使用するメインＳＣＲ４には低温の排気ガスが流入しなくなるため、メインＳＣＲ４の触媒温度の低下を防止することができる。その結果、メインＳＣＲ４は高い浄化率ないし浄化性能が維持されることになる。
また、前記メインＳＣＲ４及び前記サブＳＣＲ１２が共通のケース１５内に収容され、前記エンジン２には排気ガスの一部を排気側から吸気側に導くＥＧＲ通路８が設けられると共に該ＥＧＲ通路８にＥＧＲクーラ９が設けられ、該ＥＧＲクーラ９内にヒートパイプ１６の受熱部１６ａを設置し、前記ヒートパイプ１６の放熱部１６ｂを前記ケース１５内の前記サブＳＣＲ１２側に設置しているため、メインＳＣＲ４及びサブＳＣＲ１２の昇温及び高温状態の維持が容易になり、メインＳＣＲ４及びサブＳＣＲ１２による排気ガスの浄化率の向上が図れる。また、この構成によれば、ＥＧＲガスの熱を利用するため、ＥＧＲクーラ９における除熱量を低減できるという効果もある。
特に、サブＳＣＲ１２はメインＳＣＲ４よりも小容量のため、低温、低流量でもメインＳＣＲ４よりも効率よく昇温させることが可能となり、ＰＣＩ燃焼時の排気ガスを高効率で浄化することが可能となる。
一方、メインＳＣＲ４には低温の排気ガスが流れないため、メインＳＣＲ４の触媒温度の低下の要因としては大気への放熱のみとなるが、メインＳＣＲ４はサブＳＣＲ１２と共にケース１５内に収容されていると共にヒートパイプ１６により昇温されるため、放熱の影響は非常に少なくなる。なお、放熱の影響を更に抑制するために、ケース１５に断熱材を設けるようにしてもよい。
また、メインＳＣＲ４の温度がサブＳＣＲ１２の温度よりも低くならないようにするために、メインＳＣＲ４とサブＳＣＲ１２に温度センサをそれぞれ設け、メインＳＣＲ４とサブＳＣＲ１２の温度が等しくなった時にはＰＣＩ燃焼状態でもメインＳＣＲ４に排気ガスが流れるように切替弁１０を制御するようにしてもよい。また、エンジン始動時には、メインＳＣＲ４も低温であるため、制御に用いる切替弁１０の開閉条件の設定温度を変更するようにしてもよい。
１ 自動車用排気浄化システム
２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ 排気ガス通路
４ メインＳＣＲ（主後処理装置）
１０ 切替弁
１１ 分岐通路
１２ サブＳＣＲ（副後処理装置）
１３ 流量センサ
１４ 制御装置
１５ ケース
１６ ヒートパイプ
１６ａ 受熱部
１６ｂ 放熱部

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気ガス通路に排気ガスを浄化する後処理装置を設けた自動車用排気浄化システムにおいて、前記後処理装置を主後処理装置とすると共に、前記排気ガス通路に切替弁を介して設けられた分岐通路に、副後処理装置を前記主後処理装置と並列になるように設け、通常燃焼か予混合圧縮自着火燃焼かを検出し、通常燃焼では前記主後処理装置側に流れ、予混合圧縮自着火燃焼では前記副後処理装置側に流れるように前記切替弁を制御する制御装置を備え、
    前記主後処理装置及び前記副後処理装置が共通のケース内に収容され、前記内燃機関には排気ガスの一部を排気側から吸気側に導くＥＧＲ通路が設けられると共に該ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラが設けられ、該ＥＧＲクーラ内にヒートパイプの受熱部を設置し、前記ヒートパイプの放熱部を前記ケース内の前記副後処理装置側に設置している
    ことを特徴とする自動車用排気浄化システム。
  2. 内燃機関の排気ガス通路に排気ガスを浄化する後処理装置を設けた自動車用排気浄化システムにおいて、前記後処理装置を主後処理装置とすると共に、前記排気ガス通路に切替弁を介して設けられた分岐通路に、副後処理装置を前記主後処理装置と並列になるように設け、通常燃焼か予混合圧縮自着火燃焼かを検出し、通常燃焼では前記主後処理装置側に流れ、予混合圧縮自着火燃焼では前記副後処理装置側に流れるように前記切替弁を制御する制御装置を備え、
    前記主後処理装置及び前記副後処理装置が共通のケース内に収容され、該ケース内の前記副後処理装置側に加熱手段を設置した
    ことを特徴とする自動車用排気浄化システム。
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