JP7371754B1 - Ｅｇｒシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＧＲシステムを流れるガスを効率的に浄化することが可能なＥＧＲシステムを提供する。【解決手段】このＥＧＲシステム８０は、エンジン１１から排出された排気ガスを前記エンジンの吸気側へ環流させるＥＧＲ通路８１と、前記ＥＧＲ通路８１の一部に設けられ、前記ＥＧＲ通路８１を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラー８３と、前記ＥＧＲ通路８１のうち前記ＥＧＲクーラー８３の上流側の箇所から分岐して前記ＥＧＲクーラー８３の下流側の箇所に合流するバイパス通路８５と、を備え、前記バイパス通路８５を形成するパイプ部材Ｐの内面に酸化触媒の層が形成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、ＥＧＲシステムに関する。
排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低減する手段として排出ガスを吸気に再循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムが知られている。ＥＧＲシステムは、混合気中の酸素濃度を低下させることで燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成を抑制する。ＥＧＲシステムを流れるガスの温度を低下させることでガス密度が高まってＮＯｘ生成抑制の効果が増加するため、ガスを冷却するＥＧＲクーラーが設けられる。
特許文献１には、ＥＧＲ管から分岐する管の内部においてハニカム担体に改質触媒が設けられた構成が開示されている。
従来の技術では、ＥＧＲシステム内を流れるガスを効率的に浄化するという点で改善の余地があった。
そこで、本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲシステムを流れるガスを効率的に浄化することが可能なＥＧＲシステムを提供することを目的とする。
本発明の一形態のＥＧＲシステムは、エンジンから排出された排気ガスを前記エンジンの吸気側へ環流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路の一部に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラーと、前記ＥＧＲ通路のうち前記ＥＧＲクーラーの上流側の箇所から分岐して前記ＥＧＲクーラーの下流側の箇所に合流するバイパス通路と、を備え、前記バイパス通路を形成するパイプ部材の内面に酸化触媒の層が形成されている。
前記バイパス通路が分岐する前記箇所に流路の接続状態を切り替えるスイッチングバルブが設けられ、前記バイパス通路のうち、少なくとも、前記スイッチングバルブに近い側の端部から前記バイパス通路の全長の中間部までの領域に、前記酸化触媒の層が形成されていてもよい。
前記酸化触媒の層は、前記パイプ部材の内面のうち、前記パイプ部材の端部に隣接する端部近傍領域を除く領域に形成されていてもよい。
前記パイプ部材の端部には、前記バイパス通路を形成する部材に固定されるフランジ部が形成されていてもよい。
前記パイプ部材は、所定の第１方向に沿って延在し前記排気ガスが前記第１方向に沿って流れる第１延在部と、前記第１方向に対して傾斜した第２方向に沿って延在し前記排気ガスが前記第２方向に沿って流れる第２延在部とを有し、前記第１延在部と前記第２延在部との間が屈曲部として形成されており、前記第１方向及び前記第２方向に平行な面で前記第１延在部及び第２延在部を切断した断面で見た場合に、前記屈曲部において、前記第１延在部と前記第２延在部とがなす角度が１８０°を超える側の前記内面に形成された前記酸化触媒の層の厚みが、前記第１延在部と前記第２延在部とがなす角度が１８０°未満となる側の前記酸化触媒の層の厚みよりも厚くてもよい。
本発明によれば、ＥＧＲシステムを流れるガスを効率的に浄化することが可能なＥＧＲシステムを提供できるという効果を奏する。
以下、図面を参照しながら本発明の一形態について説明する。図１は、本発明の一形態のエンジンシステムの構成を示す図である。
本実施形態のエンジンシステムＳ１００は、主として、エンジン１１と、吸気管５１と、インレットマニホールド５５と、エキゾーストマニホールド５８と、排気管５９と、ターボチャージャ６０と、インタークーラー７０と、ＥＧＲシステム８０とを備える。
エンジン１１は、一例としてディーゼルエンジンである。エンジン１１は、図１の例では、４つの気筒１２を有している。
吸気管５１は、エンジン１１に空気を供給する通路を形成する部材であり、インレットマニホールド５５に接続されている。
インレットマニホールド５５は、エンジン１１の吸気側に設けられている。インレットマニホールド５５は、吸気管５１を通じて供給された空気を、エンジン１１の各気筒１２に供給する。この空気は、不図示の燃料噴射弁から噴射された燃料とともに気筒１２に供給される。
エキゾーストマニホールド５８は、エンジン１１の排気側に設けられている。各気筒１２で圧縮され燃焼した排気ガス（既燃ガス）が、エキゾーストマニホールド５８に排出される。
排気管５９は、排気ガスが流れる通路を形成する部材であり、エキゾーストマニホールド５８に接続されている。排気管５９は、不図示の後処理装置の側へと排気ガスを流すように構成されている。
ターボチャージャ６０は、吸気管５１の一部と排気管５９の一部との間に設けられている。ターボチャージャ６０は、コンプレッサ６０ａ及びタービン６０ｂを有する。不図示のエアクリーナから空気がコンプレッサ６０ａに送られ、このコンプレッサ６０ａで加圧された空気が、吸気管５１を通じてエンジン１１の吸気側へと供給される。
インタークーラー７０は、吸気管５１の一部に設けられており、吸気管５１を通過する空気を冷却する。インタークーラー７０によって冷却された空気が、吸気管５１及びインレットマニホールド５５を通じて、エンジン１１に供給される。
エンジン１１における燃焼動作及びターボチャージャ６０の動作等については、従来のこの種のエンジンシステムと同様であるため、詳細な説明は省略する。
（ＥＧＲシステム）
ＥＧＲシステム８０は、ＥＧＲ通路８１と、ＥＧＲクーラー８３と、バイパス通路８５と、スイッチングバルブＳｖと、不図示のバルブ駆動部とを有している。
ＥＧＲシステム８０は、ＥＧＲ通路８１と、ＥＧＲクーラー８３と、バイパス通路８５と、スイッチングバルブＳｖと、不図示のバルブ駆動部とを有している。
ＥＧＲ通路８１は、エンジン１１から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側へと環流させる通路である。ＥＧＲ通路８１は、筒状の部材によって形成されており、図１の例では一例として、エキゾーストマニホールド５８とインレットマニホールド５５とを相互に接続するように設けられている。
ＥＧＲクーラー８３は、ＥＧＲ通路８１の一部に設けられている。ＥＧＲクーラー８３は、ＥＧＲ通路８１を通過するＥＧＲガスを冷却する。
スイッチングバルブＳｖは、ＥＧＲ通路８１からバイパス通路８５が分岐する箇所に設けられている。スイッチングバルブＳｖは、流路の接続状態を切り替えるバルブである。具体的には、スイッチングバルブＳｖにより、ＥＧＲ通路８１が閉止されてＥＧＲガスがバイパス通路８５を流れる状態と、バイパス通路８５が閉止されＥＧＲガスがバイパス通路８５を流れる状態とが切り替わるように、ＥＧＲシステム８０は構成されている。
不図示のバルブ駆動部は、図示しない制御ユニットとバルブ移動機構とを有している。制御ユニットは、例えば、ＥＧＲガスの温度が所定の閾値未満の場合に、バルブ移動機構を動作させてＥＧＲガスがバイパス通路８５を流れる状態にする。こうすることで、例えばエンジンの始動直後などのＥＧＲガスの温度が低いときに、ＥＧＲガスが比較的高い温度でエンジンに導入されることとなる。したがって、燃焼後の排気温度が高くなり、エンジン１１の後流に位置する酸化触媒やＮＯｘ低減触媒の活性を高めることが可能となる。
バイパス通路８５は、ＥＧＲクーラー８３が設けられた部分をバイパスするための通路である。バイパス通路８５は、一例として中空のパイプ部材によって形成されている。バイパス通路８５は、具体的には、ＥＧＲ通路８１のうちＥＧＲクーラー８３の上流側の箇所から分岐してＥＧＲクーラー８３の下流側の箇所に合流するように設けられている。
図１の例では、ＥＧＲ通路８１は真っ直ぐに延びたストレート型のパイプ部材によって形成されている。ＥＧＲ通路８１は、具体的には、断面が円形のパイプ部材によって形成されていてもよい。ＥＧＲ通路が屈曲した構成については、他の図面を参照して後述する。
図２は、バイパス通路を形成するパイプ部材の断面を模式的に示す図である。図２に示すように、パイプ部材Ｐの内部にバイパス通路８５が形成されている。パイプ部材Ｐの内面には、また、酸化触媒の層である酸化触媒層Ｐａが形成されている。パイプ部材Ｐは熱の放出を抑えることができる構成であることが好ましく、例えば、パイプ部材Ｐの外側に保温性の高い断熱材等が設けられていてもよい。
酸化触媒層Ｐａは、ＥＧＲガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）等を触媒金属の触媒作用により酸化燃焼させる酸化触媒で形成された層である。酸化触媒は、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等であり、ＥＧＲガスにより昇温されたときにＥＧＲガス中のＨＣ、パティキュレート等を酸化させる。酸化触媒層Ｐａをパイプ部材Ｐの内面に形成するための手法は、例えば、スパッタリング、化学蒸着、プラズマ蒸着、溶射又は湿式法等であってもよい。
酸化触媒層Ｐａが形成される領域について図３を参照して説明する。図３は、酸化触媒層Ｐａが形成される領域の例を示す模式図である。なお、酸化触媒層Ｐａはパイプ部材Ｐの内面に形成されるが、図３では説明の都合上、酸化触媒層Ｐａはパイプ部材Ｐの外側に描かれている。図３の下方が、スイッチングバルブＳｖ（図１参照）に近い側である。
図３（ａ）の構成では、バイパス通路８５のうち、スイッチングバルブＳｖに近い側の端部Ｐｓからバイパス通路８５の全長の中間部Ｐｕまでの領域に、酸化触媒層Ｐａが形成されている。
スイッチングバルブＳｖ側から流れ込むＥＧＲガスの温度は、パイプ部材Ｐの下流側と比べて比較的高温であるため、図３（ａ）のように高温のＥＧＲガスが通過する領域に酸化触媒層Ｐａが形成されている構成によれば、酸化触媒の酸化活性が高まり、効果的にＨＣやＣＯ等を除去できる。
図３（ａ）の構成において、パイプ部材Ｐには、酸化触媒層Ｐａが形成されている領域よりも下流の領域（図の上方の領域）に、酸化触媒層（不図示）が形成されていてもよい。一例として、下流側の酸化触媒層は、上流側の酸化触媒層Ｐａと同一の材質及び／又は膜厚であってもよいが、酸化触媒層Ｐａとは異なる材質及び／又は膜厚であってもよい。具体例として、下流側の酸化触媒層の膜厚を相対的に薄く形成してもよい。
図３（ｂ）の構成では、酸化触媒層Ｐａは、パイプ部材Ｐの端部Ｐｓに隣接する端部近傍領域Ｐｇを除く領域に形成されている。端部近傍領域Ｐｇは、パイプ部材Ｐの両端であってもよいし、一方の端部であってもよい。端部近傍領域Ｐｇは、一例として、パイプ部材Ｐの端部から１０ｍｍまでの領域であり、又は、パイプ部材Ｐの端部から２０ｍｍまでの領域である。
図１に示したようなＥＧＲシステム８０を製造する場合、パイプ部材Ｐが例えば溶接などで他のパイプ部材に接続されることが想定される。又は、図４に示すようにパイプ部材Ｐの両端部にフランジ部Ｆが溶接によって固定される構成も想定される。このように、パイプ部材Ｐの端部が他の部材と溶接される場合、溶接時の熱により酸化触媒層Ｐａが損傷したり、性能が劣化したりするおそれがある。そこで、図３（ｂ）の例では、この熱の影響を受けやすい端部近傍領域Ｐｇに酸化触媒層Ｐａを形成しないことで、溶接時の熱で性能が低下する酸化触媒層Ｐａの領域が少なくなるようにしている。
図３（ｃ）の構成では、バイパス通路８５のうち、スイッチングバルブＳｖに近い側の端部Ｐｓからバイパス通路８５の全長の中間部Ｐｕまでの領域に酸化触媒層Ｐａが形成されている。また、図３（ｂ）と同様、端部Ｐｓに隣接する端部近傍領域Ｐｇについては酸化触媒層Ｐａは形成されていない。このように、図３（ａ）の構成と図３（ｂ）の構成とを組み合わせたような構成が用いられてもよい。
図４は、パイプ部材の一例を示す図である。図４のパイプ部材Ｐは、両端部に、フランジ部Ｆが形成されている。フランジ部Ｆは、一例として溶接によりパイプ部材Ｐの端部に固定される。また、フランジ部Ｆは、例えば、ＥＧＲ通路８１を形成する部材に固定される。フランジ部Ｆは、ネジ止め等の機械的結合手段によりＥＧＲ通路８１を形成する部材に固定されてもよいし、溶接によりＥＧＲ通路８１を形成する部材に固定されてもよい。
このようにフランジ部Ｆがパイプ部材Ｐに形成されている構成においては、パイプ部材Ｐの内面に酸化触媒層Ｐａを形成し、次いで、パイプ部材Ｐに対して例えば溶接によりフランジ部Ｆが固定される。その後、パイプ部材Ｐのフランジ部ＦをＥＧＲ通路８１を形成する部材に固定することにより、パイプ部材ＰがＥＧＲシステム８０に組み付けられてもよい。
以上のように構成された本実施形態の構成によれば、ＥＧＲシステム８０のうちバイパス通路８５に酸化触媒層Ｐａが形成されているため、次のような効果が奏される。具体的には、スイッチングバルブＳｖの下流の、ＥＧＲクーラー８３が設けられているＥＧＲ通路８１ではなく、バイパス通路８５に酸化触媒層Ｐａが設けられているので、比較的高温のＥＧＲガスがバイパス通路８５を通過し、酸化触媒層Ｐａの活性が高まる。よって、ＥＧＲ通路８１に酸化触媒層が設けられる構成と比較して、効率的にＥＧＲガスを浄化することができる。
また、冷間運転時、酸化反応によってバイパス通路８５を通過するＥＧＲガスの温度が上昇し、それに伴って吸気温度を上昇させることができる。また、酸化触媒層Ｐａはパイプ部材Ｐの内面に膜として形成されているので、パイプ内にハニカム構造のコンバータを設置する場合よりも触媒通過時の圧力損失が少なくなる。また、酸化反応によるＥＧＲガスの温度の上昇により管内での凝縮水の発生を抑制でき、パイプの腐食も防止できる。
＜変形例＞
図５は、本発明の実施形態の変形例を示す図である。図６は、パイプ部材の構成を示す断面図である。図６（ａ）は、パイプ部材の延在方向である第１方向及び第２方向（詳細下記）に平行な面で切断した断面図である。図６（ｂ）はパイプ部材の延在方向に直交する、Ａ―Ａ面における断面図である。なお、上述した実施形態と同一機能の構造部については、同一又は対応する符号を付し、上記実施形態と同様の説明は省略する。
図５は、本発明の実施形態の変形例を示す図である。図６は、パイプ部材の構成を示す断面図である。図６（ａ）は、パイプ部材の延在方向である第１方向及び第２方向（詳細下記）に平行な面で切断した断面図である。図６（ｂ）はパイプ部材の延在方向に直交する、Ａ―Ａ面における断面図である。なお、上述した実施形態と同一機能の構造部については、同一又は対応する符号を付し、上記実施形態と同様の説明は省略する。
図５のＥＧＲシステム８０Ａは、ＥＧＲ通路８１、ＥＧＲクーラー８３及びバイパス通路８５Ａを有している。バイパス通路８５Ａは、この例では、屈曲したパイプ部材Ｐ（図６参照）で形成されている。
パイプ部材Ｐは、図６に示すように、第１延在部Ｐ－１と第２延在部Ｐ－２とを有する。第１延在部Ｐ－１は、矢印ｄ１で示す第１方向に沿って延在し、ＥＧＲガスが第１方向に沿って流れる筒状の部分である第２延在部Ｐ－２は、第１延在部Ｐ－１に対して傾斜するように設けられている。第２延在部Ｐ－２は、具体的には、第１方向に対して傾斜した第２方向（矢印ｄ２参照）に沿って延在し、ＥＧＲガスが第２方向に沿って流れる筒状の部分である。第１延在部Ｐ－１と第２延在部Ｐ－２との間は屈曲部として形成されている。
このような構成においては、屈曲部の内側の領域Ｓｉｎと外側の領域Ｓｏｕｔとで、パイプ部材Ｐの内面に当たるＥＧＲガスの強さが異なることとなる。そこで、本実施形態では、ＥＧＲガスの当たりが相対的に強い領域Ｓｏｕｔの酸化触媒層の厚みが、領域Ｓｉｎよりも相対的に厚く形成されている。
具体的には、図６（ａ）に示すように、第１延在部Ｐ－１と第２延在部Ｐ－２とがなす角度が１８０°を超える側（領域Ｓｏｕｔの側）のパイプ内面に形成された酸化触媒の層の厚みが、１８０°未満となる側（領域Ｓｉｎの側）の酸化触媒の層の厚みよりも厚くなっている。より具体的には、一例として、図６（ｂ）に示すようにパイプ部材Ｐの内面の全周に第１酸化触媒層Ｐａが形成され、その層上に、部分的に第２酸化触媒層Ｐａ’が形成されていている。このような構成により、片側の酸化触媒層の厚みが相対的に厚く形成されている。第２酸化触媒層Ｐａ’は、例えば、パイプ部材Ｐの内面のうち略半分の領域に形成されていてもよい。
以上のような構成によれば、ＥＧＲガスがより強く当たる側に厚い酸化触媒層が設けられているので、反応性が相対的に高い厚い酸化触媒層により効果的にＥＧＲガスを浄化することができる。第１酸化触媒層Ｐａ及び第２酸化触媒層Ｐａ’は、任意の手法で形成されてよいが、一例として蒸着により形成されてもよい。
なお、ＥＧＲガスが通る排気ガス通路に、排気ガス中のＨＣ等や、外部から噴射された燃料の残留物等を除去するために酸化触媒が、ハニカム構造を利用することなく形成されている場合、ＥＧＲガスが触媒を通過する際の圧力損失が抑えられる点で好ましい。
こうした膜状の酸化触媒は、ＥＧＲシステム８０以外にも、後処理装置を構成する管の内面の任意の箇所に形成されていてもよい。例えば、ＤＰＦ装置の上流に燃料を噴射する噴射部が設けられた構成において、その噴射部よりも下流に、酸化触媒膜が管の内面に形成されていてもよい。
このような構成によれば、ＤＰＦの再生時に噴射された燃料の一部が例えば管の内面に付着した場合であっても、これらの燃料を良好に酸化除去することができる。よって、残留した燃料成分や炭化し、粒子状物質（煤）となって管内で詰まりが起こるといった問題の発生が低減する。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
１１ エンジン
１２ 気筒
５１ 吸気管
５５ インレットマニホールド
５８ エキゾーストマニホールド
５９ 排気管
６０ ターボチャージャ
６０ａ コンプレッサ
６０ｂ タービン
７０ インタークーラー
８０ ＥＧＲシステム
８０Ａ ＥＧＲシステム
８１ ＥＧＲ通路
８３ ＥＧＲクーラー
８５ バイパス通路
８５Ａ バイパス通路
Ｆ フランジ部
Ｐ パイプ部材
Ｐ－１ 第１延在部
Ｐ－２ 第２延在部
Ｐａ 酸化触媒層
Ｐｇ 端部近傍領域
Ｐｓ 端部
Ｐｕ 中間部
Ｓ１００ エンジンシステム
Ｓｖ スイッチングバルブ
１２ 気筒
５１ 吸気管
５５ インレットマニホールド
５８ エキゾーストマニホールド
５９ 排気管
６０ ターボチャージャ
６０ａ コンプレッサ
６０ｂ タービン
７０ インタークーラー
８０ ＥＧＲシステム
８０Ａ ＥＧＲシステム
８１ ＥＧＲ通路
８３ ＥＧＲクーラー
８５ バイパス通路
８５Ａ バイパス通路
Ｆ フランジ部
Ｐ パイプ部材
Ｐ－１ 第１延在部
Ｐ－２ 第２延在部
Ｐａ 酸化触媒層
Ｐｇ 端部近傍領域
Ｐｓ 端部
Ｐｕ 中間部
Ｓ１００ エンジンシステム
Ｓｖ スイッチングバルブ
Claims (4)
- エンジンから排出された排気ガスを前記エンジンの吸気側へ環流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の一部に設けられ、前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラーと、
前記ＥＧＲ通路のうち前記ＥＧＲクーラーの上流側の箇所から分岐して前記ＥＧＲクーラーの下流側の箇所に合流するバイパス通路と、
を備え、
前記バイパス通路を形成するパイプ部材の内面に酸化触媒の層が形成されており、
前記パイプ部材は、
所定の第１方向に沿って延在し前記排気ガスが前記第１方向に沿って流れる第１延在部と、
前記第１方向に対して傾斜した第２方向に沿って延在し前記排気ガスが前記第２方向に沿って流れる第２延在部と
を有し、
前記第１延在部と前記第２延在部との間が屈曲部として形成されており、
前記第１方向及び前記第２方向に平行な面で前記第１延在部及び第２延在部を切断した断面で見た場合に、
前記屈曲部において、前記第１延在部と前記第２延在部とがなす角度が１８０°を超える側の前記内面に形成された前記酸化触媒の層の厚みが、前記第１延在部と前記第２延在部とがなす角度が１８０°未満となる側の前記酸化触媒の層の厚みよりも厚い、
ＥＧＲシステム。 - 前記バイパス通路が分岐する前記箇所に流路の接続状態を切り替えるスイッチングバルブが設けられ、
前記バイパス通路のうち、少なくとも、前記スイッチングバルブに近い側の端部から前記バイパス通路の全長の中間部までの領域に、前記酸化触媒の層が形成されている、
請求項１に記載のＥＧＲシステム。 - 前記酸化触媒の層は、前記パイプ部材の内面のうち、前記パイプ部材の端部に隣接する端部近傍領域を除く領域に形成されている、
請求項１に記載のＥＧＲシステム。 - 前記パイプ部材の端部には、前記バイパス通路を形成する部材に固定されるフランジ部が形成されている、
請求項３に記載のＥＧＲシステム。
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2022
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