JP6475513B2 - エンジンシステム - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンのノックを抑制するエンジンシステムに関する。
ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）は、エンジンの燃焼室から排気された排気ガスを吸気路から吸気された空気に混入させて循環させる技術（例えば、特許文献１）である。ＥＧＲによって排気ガスが燃焼室に還流されると、燃焼室内の酸素濃度が低下し、燃焼温度が低減するため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑制されるとともに、エンジンのノックを抑制することができる。
上記のようなＥＧＲを備えたエンジンシステムでは、例えば、エンジン負荷が高くなりノックが起こりそうになると、排気ガスを燃焼室に還流する。この際、還流させる排気ガス中の窒素酸化物の濃度が高いと、燃料の自着火が促進され、ノック抑制効果が低減してしまうおそれがある。したがって、ＥＧＲを用いて排気ガスを還流させる際に、ノックをさらに抑制できる技術の開発が希求されている。
そこで、本発明は、排気ガスを還流させることによるノックの抑制効果を向上させることが可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のエンジンシステムは、燃焼室を有するエンジンと、前記燃焼室に吸気を導く吸気路と、前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気路と、前記排気路に設けられた三元触媒と、前記排気路に連結され、前記排気ガスを前記吸気路に還流させる還流路と、前記還流路に設けられ、前記排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記還流路における前記ＥＧＲクーラの上流に設けられ、ＮＯｘのうち、所定の窒素酸化物を選択的に吸蔵し、前記三元触媒より空孔率が高い吸蔵デバイスと、を備えたことを特徴とする。
また、前記所定の窒素酸化物は、ＮＯ２であるとしてもよい。
また、前記吸蔵デバイスは、アルカリ金属、および、アルカリ土類金属のいずれか一方または双方を含んで構成される吸蔵材を有するとしてもよい。
また、前記吸蔵材は、貴金属を含まないとしてもよい。
本発明によれば、排気ガスを還流させることによるノックの抑制効果を向上させることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示し、ＥＧＲガスの流れを白抜き矢印で示す。
図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。
エンジン１２０には、シリンダブロック１２２と、シリンダブロック１２２の上部に設けられたシリンダヘッド１２４と、シリンダブロック１２２内で摺動可能にピストンロッド１２６に支持されたピストン１２８とが設けられる。そして、シリンダブロック１２２と、シリンダヘッド１２４と、ピストン１２８の上面とによって囲まれた空間が燃焼室１３０として形成される。
シリンダヘッド１２４には、吸気ポート１３２および排気ポート１３４が燃焼室１３０に連通するように設けられる。吸気ポート１３２と燃焼室１３０との間には、吸気弁１３６の先端が位置し、排気ポート１３４と燃焼室１３０との間には、排気弁１３８の先端が位置している。吸気弁１３６は、他端に吸気弁用カム１４０が当接されており、吸気弁用カム１４０が回転することにより、吸気ポート１３２と燃焼室１３０との間を開閉する。排気弁１３８は、他端に排気弁用カム１４２が当接されており、排気弁用カム１４２が回転することにより、排気ポート１３４と燃焼室１３０との間を開閉する。
また、シリンダヘッド１２４には、先端が燃焼室１３０内に位置するように点火プラグ１４４が設けられ、所定のタイミングで点火プラグ１４４が点火され、燃焼室１３０内に流入した燃料を燃焼させる。かかる燃焼により、ピストン１２８が往復運動を行い、その往復運動が、ピストンロッド１２６を通じてクランクシャフト（図示せず）の回転運動に変換される。
吸気ポート１３２の上流側には、吸気マニホールドを含む吸気路１４６が連通される。吸気路１４６内には、スロットル弁１５０、および、スロットル弁１５０より上流側にエアクリーナ１５２が設けられる。スロットル弁１５０は、アクセル（図示せず）の開度に応じてアクチュエータにより開閉駆動される。また、吸気ポート１３２には、先端が吸気ポート１３２内に配置されて燃焼室１３０に指向したインジェクタ１５４が設けられる。
排気ポート１３４には、排気マニホールドを含む排気路１６２が連通され、排気路１６２内に三元触媒（Three-Way Catalyst）１６６が設けられる。三元触媒１６６は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を含んで構成され、排気ポート１３４から排出された排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する。
還流路１７０は、排気路１６２における三元触媒１６６の上流側の流路と、吸気路１４６におけるスロットル弁１５０の下流側の流路とを連通させる流路であって、排気路１６２を流通する排気ガスの一部を吸気路１４６に還流させる（還流させた排気ガスをＥＧＲガスという）。
還流路１７０には、ＥＧＲクーラ１７２が設けられており、ＥＧＲクーラ１７２で冷却されたＥＧＲガスは、吸気路１４６、吸気ポート１３２を通じて燃焼室１３０に還流する。ＥＧＲバルブ１７４は、還流路１７０におけるＥＧＲクーラ１７２の下流側に設けられ、還流路１７０の流路幅を調整することで、還流路１７０を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。また、還流路１７０におけるＥＧＲクーラ１７２の上流側には、吸蔵デバイス１７６が設けられる。吸蔵デバイス１７６の具体的な構成については、後に詳述する。
還流路１７０を介して吸気路１４６に流入したＥＧＲガスは、スロットル弁１５０を通過した吸気とともに燃焼室１３０に供給される。このように、ＥＧＲガスを吸気と共に燃焼室１３０に供給することで、酸素濃度を低下させて、燃料の燃焼温度を低減して窒素酸化物などの生成やノックの発生を抑えることが可能となる。
また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１８０、吸入空気の圧力を検出する吸入空気圧センサ１８２が設けられる。これら各センサ１８０、１８２は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出した値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。また、ＥＣＵ１１０には、点火プラグ１４４や、インジェクタ１５４が接続されており、ＥＣＵ１１０からの指令信号が入力される。
ＥＣＵ１１０は、本実施形態において、信号取得部１９０、インジェクタ制御部１９２、点火制御部１９４、バルブ制御部１９６として機能する。
信号取得部１９０は、クランク角センサ１８０や吸入空気圧センサ１８２が検出した検出値を示す信号を取得する。また、信号取得部１９０は、クランク角センサ１８０から取得したクランク角を示す信号に基づいてエンジン１２０の回転数（クランクシャフトの回転数）を導出するとともに、吸入空気圧センサ１８２から取得した吸入空気の圧力を示す信号に基づいてエンジン１２０の負荷を導出する。かかる吸入空気の圧力からエンジン１２０の負荷を求める技術は、既存の様々な技術を利用可能なので、ここではその説明を省略する。
インジェクタ制御部１９２は、クランク角センサ１８０により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、所定のタイミングで所定量の燃料を噴射する。また、吸気弁１３６は、吸気弁用カム１４０の回転に応じ、すなわち、クランク角に応じ、吸気行程において、ピストン１２８の吸気行程の上死点以降に開き、下死点以降で閉じる。排気弁１３８は、排気弁用カム１４２の回転に応じ、すなわち、クランク角に応じ、排気行程において、ピストン１２８の排気行程の下死点以降に開き、上死点以降で閉じる。
点火制御部１９４は、目標とするエンジン回転数、および、クランク角センサ１８０により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、点火プラグ１４４の点火時期を決定する。
バルブ制御部１９６は、エンジン１２０の負荷に応じて、ＥＧＲバルブ１７４を開閉制御する。なお、バルブ制御部１９６は、点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）よりリタードしたときに、ＥＧＲバルブ１７４を開としてもよい。
このように、ＥＧＲガスを燃焼室１３０に還流することにより、燃焼室１３０内の酸素濃度を低下させることができ、燃焼温度を低減することが可能となる。これにより、燃焼室１３０内のＮＯｘ濃度を低減することができる。ＮＯｘは燃料の自着火反応を促進するため、燃焼室１３０内においてＮＯｘ濃度が高いとエンドガスが自着火してしまいノックの原因となる。したがって、ＥＧＲガスの還流によって燃焼室１３０内のＮＯｘ濃度を低減することで、ノックを抑制することができる。しかし、ＥＧＲガス中のＮＯｘ濃度が高いと、燃焼室１３０内におけるＮＯｘ濃度が上昇し、ノック抑制効果が低減してしまうおそれがある。
そこで、本実施形態では、還流路１７０に吸蔵デバイス１７６を設け、この吸蔵デバイス１７６によってＥＧＲガスに含まれるＮＯｘを吸蔵することで、燃焼室１３０に還流されるＮＯｘ成分を低減するようにした。吸蔵デバイス１７６は、ハニカム形状の担体に吸蔵材（後述）が担持されてなる。ここで、ＥＧＲガスはそのまま大気に排出されるものではないので、吸蔵デバイス１７６に対し、ＬＮＴ（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）のようなＮＯｘ還元機能を要求する必要は必ずしもない。そこで、本実施形態にあっては、吸蔵デバイス１７６は吸蔵材のみから構成し、ＬＮＴ等に用いられる還元剤（あるいは酸化剤）としての貴金属は用いないこととした。なお、吸蔵デバイス１７６の担体の空孔率は、三元触媒１６６のそれよりも高く設定される。
吸蔵デバイス１７６は、ＥＧＲガスに含まれるＮＯｘから所定の窒素酸化物を選択的に吸蔵する。本実施形態において、吸蔵デバイス１７６は、ＮＯｘのうち、ＮＯ２（二酸化窒素）を選択的に吸蔵したり、吸蔵したＮＯ２を離脱させたりする吸蔵材を有する。
吸蔵材は、例えば、アルカリ金属、および、アルカリ土類金属のいずれか一方または双方を含んで構成され、好ましくは、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群から選択される１または複数を含む。より好ましくは、Ｂａ、Ｃｓ、Ｋの群から選択される１または複数を含んで構成され、さらに好ましくは、Ｂａを含んで構成される。吸蔵材がＣｓ、Ｋ、Ｎａ、Ｂａ、Ｍｇの群から選択される１または複数を含んで構成されることにより、ＮＯ２を効率よく吸蔵することができる。また、吸蔵材がＣｓ、Ｋ、Ｂａの群から選択される１または複数を含んで構成されることにより、ＮＯ２をさらに効率よく吸蔵することができる。また、吸蔵材がＢａを含んで構成されることにより、ＮＯ２を効率よく吸蔵するとともに、吸蔵材の耐熱性を向上することが可能となる。
吸蔵デバイス１７６は、吸蔵デバイス１７６が配される雰囲気の温度、すなわち、排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が、所定の吸蔵温度の範囲（例えば、３００℃〜４００℃）であると、ＮＯ２を硝酸塩として吸蔵し、吸蔵温度以上の離脱温度（例えば、４００℃）に達すると、吸蔵材からＮＯ２を離脱させる。なお、ノック抑制のためにＥＧＲガスを還流させたい運転領域（そのときの運転状態に応じた排気ガス温度）において吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度が上記した吸蔵温度の範囲内となるよう、吸蔵材の材料や還流路１７０における吸蔵デバイスの位置（排気路１６２からの距離）等が設定される。また、吸蔵デバイス１７６に吸蔵されたＮＯ２は、点火時期や燃料噴射量を適宜なタイミングで調整することで、吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度を離脱温度まで上昇させ、吸蔵材から離脱させる。なお、高負荷時等でＥＧＲガスを還流したいにも関わらず吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度が離脱温度を超えるような場合には、排気路１６２から吸蔵デバイス１７６に至るまでの還流路１７０に、ＥＧＲガスの流路長を延長するバイパス路と当該バイパス路へのＥＧＲガスの流入を制御するバルブとを設け、バイパス路にＥＧＲガスの一部または全部を流すことにより、ガス温度を低下させるようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態にかかるエンジンシステム１００によれば、還流路１７０に吸蔵デバイス１７６を設けるといった簡易な構成で、ノックが起こりやすい状態においてＥＧＲガスを還流させる際に、ＥＧＲガスに含まれるＮＯｘを低減することができるため、吸蔵デバイス１７６を備えない構成と比較してノックをさらに抑制することが可能となる。
また、本実施形態の吸蔵デバイス１７６は、ＥＧＲガスに含まれるＮＯｘから特定の窒素酸化物（ＮＯ２）のみを選択的に吸蔵するため、吸蔵デバイス１７６を構成する材料（特にＮＯの吸蔵や吸蔵したＮＯｘの還元に必要な貴金属）を低減することができ、ＬＮＴ等の他のＮＯｘ吸蔵デバイスと比較して小型化やコスト低減が可能となる。
さらに、還流路１７０は、排気路１６２より流路断面積が小さいため、排気ガス（ＥＧＲガス）が偏流することが少なく、実質的に均一に流れる。したがって、吸蔵デバイス１７６の空孔率を三元触媒１６６より大きくすることができ、これにより、還流路１７０の圧力損失を低減することが可能となる。
また、本実施形態では、ＥＧＲクーラ１７２の上流側に吸蔵デバイス１７６を設置することにより、吸蔵デバイス１７６に流入するＥＧＲガスの温度が吸蔵温度未満に低下してしまう事態を回避することができる。これにより、効率よくＮＯ２を吸蔵することが可能となる。
さらに、本実施形態の吸蔵材は、ＮＯ２のみを選択的に吸蔵できれば足りるため、アルカリ金属、および、アルカリ土類金属のいずれか一方または双方を含んで構成することができ、貴金属（例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ））を含まずともよい。これにより、吸蔵デバイス１７６の小型化に有利であるとともに、コストを大幅に削減することができる。
（変形例）
上記実施形態では、排気ガス（ＥＧＲガス）の温度のみでＮＯ２を吸蔵したり離脱させたりする吸蔵デバイス１７６を例に挙げて説明した。しかし、ヒータ等を用いて吸蔵デバイスの温度を変化させることでＮＯ２を吸蔵したり離脱させたりすることもできる。
上記実施形態では、排気ガス（ＥＧＲガス）の温度のみでＮＯ２を吸蔵したり離脱させたりする吸蔵デバイス１７６を例に挙げて説明した。しかし、ヒータ等を用いて吸蔵デバイスの温度を変化させることでＮＯ２を吸蔵したり離脱させたりすることもできる。
図２は、変形例にかかるエンジンシステム２００の構成を示す概略図である。なお、図２中、信号の流れを破線の矢印で示し、ＥＧＲガスの流れを白抜き矢印で示す。
図２に示すように、エンジンシステム２００は、ＥＣＵ２１０と、エンジン２２０と、とを含んで構成される。ＥＣＵ２１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータで構成され、エンジン２２０全体を統括制御する。本実施形態において、ＥＣＵ２１０は、信号取得部１９０、インジェクタ制御部１９２、点火制御部１９４、バルブ制御部１９６、温度制御部２１２として機能する。エンジン２２０は、実施形態のエンジン１２０の構成に加えて、温度調整機構２３０が新たに設けられている。なお、上述した実施形態と実質的に機能が等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、機能が異なる温度制御部２１２、および、温度調整機構２３０について詳述する。
温度調整機構２３０は、加熱器や冷却器で構成され、還流路１７０における吸蔵デバイス１７６の上流側に配され、温度制御部２１２によって制御される。温度調整機構２３０は、不図示の温度センサが測定した吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度に基づいて、吸蔵デバイス１７６の上流のＥＧＲガスを加熱したり、冷却したりする。
温度調整機構２３０を備える構成により、吸蔵デバイス１７６の上流側の排気ガス（ＥＧＲガス）の温度を制御することができる。これにより、吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度を吸蔵温度範囲、または、離脱温度以上に調整することが可能となる。
例えば、吸蔵デバイス１７６が吸蔵温度に到達していない場合に、温度調整機構２３０は、ＥＧＲガスの温度（吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度を）を吸蔵温度範囲に上昇させるよう、吸蔵デバイス１７６の上流側を流れるＥＧＲガスを加熱する。これにより、ＥＧＲガス（排気ガス）の温度が吸蔵温度未満であっても、吸蔵デバイス１７６に到達するＥＧＲガスの温度を吸蔵温度範囲にできるため、ＥＧＲガス中のＮＯ２を吸蔵デバイス１７６に吸蔵させることができ、ＥＧＲガスからＮＯｘ成分を減少させることが可能となる。逆に、吸蔵デバイス１７６が吸蔵温度を超えて離脱温度に達しそうな場合には、温度調整機構２３０は、吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度が吸蔵温度範囲に維持されるように吸蔵デバイス１７６の上流側を流れるＥＧＲガスを冷却する。
また、吸蔵デバイス１７６が吸蔵したＮＯ２を離脱させたい場合に、燃焼室１３０から排出される排気ガスの温度では吸蔵デバイス１７６を離脱温度まで上昇させることができないときは、温度調整機構２３０は、吸蔵デバイス１７６の雰囲気温度が離脱温度に達するように吸蔵デバイス１７６の上流側を流れるＥＧＲガスを加熱する。これにより、燃焼室から排出される排気ガスの温度が離脱温度未満であっても、吸蔵デバイス１７６に到達するＥＧＲガスの温度を離脱温度以上にできるため、ＮＯ２を離脱させて、ＥＧＲガス中にＮＯ２を放出することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、上述の実施形態においては、ＮＯ２を選択的に吸蔵する吸蔵デバイス１７６を例に挙げて説明した。しかし、吸蔵デバイスは、ＮＯ２に限らず、ＮＯｘのうち、所定の窒素酸化物を選択的に吸蔵できればよく、例えば、ＮＯを選択的に吸蔵してもよい。
また、上記変形例において、温度調整機構２３０が吸蔵デバイス１７６の上流の排気ガスの温度を調整することで、吸蔵デバイス１７６の温度を間接的に調整する構成を例に挙げて説明した。しかし、エンジンシステムは、吸蔵デバイス１７６の温度を直接調整する手段を備えてもよい。また、ＥＧＲバルブ１７４で流量を制御して、吸蔵デバイス１７６の温度を間接的に制御してもよい。
また、上述の実施形態においては、吸蔵温度や離脱温度は、吸蔵材自体の組成、吸蔵デバイス１７６における吸蔵材の量、担体の組成、担体の構造等によって適宜変更することができる。
本発明は、エンジンのノックを抑制するエンジンシステムに利用できる。
１００、２００ エンジンシステム
１２０、２２０ エンジン
１３０ 燃焼室
１３２ 吸気ポート
１３４ 排気ポート
１４６ 吸気路
１６２ 排気路
１６６ 三元触媒
１７０ 還流路
１７２ ＥＧＲクーラ
１７６ 吸蔵デバイス
１２０、２２０ エンジン
１３０ 燃焼室
１３２ 吸気ポート
１３４ 排気ポート
１４６ 吸気路
１６２ 排気路
１６６ 三元触媒
１７０ 還流路
１７２ ＥＧＲクーラ
１７６ 吸蔵デバイス
Claims (4)
- 燃焼室を有するエンジンと、
前記燃焼室に吸気を導く吸気路と、
前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気路と、
前記排気路に設けられた三元触媒と、
前記排気路に連結され、前記排気ガスを前記吸気路に還流させる還流路と、
前記還流路に設けられ、前記排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
前記還流路における前記ＥＧＲクーラの上流に設けられ、ＮＯｘのうち、所定の窒素酸化物を選択的に吸蔵し、前記三元触媒より空孔率が高い吸蔵デバイスと、
を備えたことを特徴とするエンジンシステム。 - 前記所定の窒素酸化物は、ＮＯ２であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
- 前記吸蔵デバイスは、アルカリ金属、および、アルカリ土類金属のいずれか一方または双方を含んで構成される吸蔵材を有することを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
- 前記吸蔵材は、貴金属を含まないことを特徴とする請求項３に記載のエンジンシステム。
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2015
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