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技術 排気後処理装置

出願人 いすゞ自動車株式会社
発明者 中島健朗
出願日 2018年9月19日 (2年1ヶ月経過) 出願番号 2018-175357
公開日 2020年3月26日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-045824
状態 未査定
技術分野 内燃機関の複合的制御 排気の後処理 機関出力の制御及び特殊形式機関の制御 過給機
主要キーワード 選択的還元触媒 吸気用 空気導入 空気導入管 除去フィルタ EGR 排気用 インタークーラー
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

触媒浄化性能を向上させることができる排気後処理装置コストの増大を抑制する。

解決手段

排気後処理装置は、エンジンに供給可能な第1圧縮空気を発生する電動過給器と、エンジン1の排気浄化するための触媒を収容する収容部121と、収容部121における触媒が設けられる位置の上流に形成されており、第1圧縮空気を収容部121に導入するための開口123を有する空気導入部122と、第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを切り替える第1バルブ21と、第1バルブ21の状態を変化させることにより第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを制御するECU30と、を有する。

概要

背景

ディーゼルエンジンには、排気に含まれる窒素酸化物(NOx)を触媒還元することにより排気を浄化する後処理装置が搭載されている(例えば、特許文献1を参照)。

概要

触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置コストの増大を抑制する。排気後処理装置は、エンジンに供給可能な第1圧縮空気を発生する電動過給器と、エンジン1の排気を浄化するための触媒を収容する収容部121と、収容部121における触媒が設けられる位置の上流に形成されており、第1圧縮空気を収容部121に導入するための開口123を有する空気導入部122と、第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを切り替える第1バルブ21と、第1バルブ21の状態を変化させることにより第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを制御するECU30と、を有する。

目的

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制することを目的とする

効果

実績

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請求項1

エンジンに供給可能な第1圧縮空気を発生する電動過給器と、前記エンジンの排気浄化するための触媒を収容する収容部と、前記収容部における前記触媒が設けられる位置の上流に形成されており、前記第1圧縮空気を前記収容部に導入するための開口を有する空気導入部と、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを切り替える第1バルブと、前記第1バルブの状態を変化させることにより前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを制御する制御部と、を有する排気後処理装置

請求項2

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が第1閾値以上である場合に、前記第1バルブを開くことにより、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給する、請求項1の排気後処理装置。

請求項3

前記第1圧縮空気をエンジンに供給するか否かを切り替える第2バルブをさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値よりも小さい第2閾値未満である場合に、前記第1バルブを閉じた状態で、前記第2バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給する、請求項2に記載の排気後処理装置。

請求項4

前記エンジンに供給する第2圧縮空気を発生する非電動型過給器と、前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給するか否かを切り替える第3バルブと、をさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値以上である場合に、前記第1バルブ及び前記第3バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するとともに、前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給する、請求項3に記載の排気後処理装置。

請求項5

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値以上である場合に、前記第2バルブを閉じることで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給しない、請求項4に記載の排気後処理装置。

請求項6

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第2閾値以上である場合に、前記第3バルブを開いて前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給できる状態にし、前記エンジンの回転速度が前記第2閾値未満である場合に、前記第1バルブ及び前記第3バルブを閉じかつ前記第2バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給し前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給しない、請求項4又は5に記載の排気後処理装置。

請求項7

前記空気導入部における前記開口が形成されている面の法線の方向が、前記収容部の長手方向よりも、前記開口から前記収容部の中心に向かう方向に近い、請求項1から6のいずれか一項に記載の排気後処理装置。

技術分野

0001

本発明は、エンジン排気を後処理する排気後処理装置に関する。

背景技術

0002

ディーゼルエンジンには、排気に含まれる窒素酸化物(NOx)を触媒還元することにより排気を浄化する後処理装置が搭載されている(例えば、特許文献1を参照)。

先行技術

0003

特開2002−89327号公報

発明が解決しようとする課題

0004

触媒は、温度によって浄化性能が変化する。具体的には、触媒は、温度が所定の範囲(例えば250℃から400℃の範囲)においては比較的浄化性能が高く、所定の範囲を超えると浄化性能が低下する。したがって、高温の排気にさらされた触媒の温度が高くなり過ぎると、浄化性能が低下してしまうという問題があった。

0005

特許文献1には、排気の温度が高いことを検出した場合に空気を導入することで触媒の温度を低下させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献1に記載された技術においては、空気を導入するための専用装置が必要になるため、後処理のためのコストが増大してしまうという問題があった。

0006

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の排気後処理装置は、エンジンに供給可能な第1圧縮空気を発生する電動過給器と、前記エンジンの排気を浄化するための触媒を収容する収容部と、前記収容部における前記触媒が設けられる位置の上流に形成されており、前記第1圧縮空気を前記収容部に導入するための開口を有する空気導入部と、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを切り替える第1バルブと、前記第1バルブの状態を変化させることにより前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するか否かを制御する制御部と、を有する。

0008

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が第1閾値以上である場合に、前記第1バルブを開くことにより、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給してもよい。

0009

前記第1圧縮空気をエンジンに供給するか否かを切り替える第2バルブをさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値よりも小さい第2閾値未満である場合に、前記第1バルブを閉じた状態で、前記第2バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給してもよい。

0010

前記エンジンに供給する第2圧縮空気を発生する非電動型過給器と、前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給するか否かを切り替える第3バルブと、をさらに有し、前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値以上である場合に、前記第1バルブ及び前記第3バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記収容部に供給するとともに、前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給してもよい。

0011

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第1閾値以上である場合に、前記第2バルブを閉じることで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給しなくてもよい。

0012

前記制御部は、前記エンジンの回転速度が前記第2閾値以上である場合に、前記第3バルブを開いて前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給できる状態にし、前記エンジンの回転速度が前記第2閾値未満である場合に、前記第1バルブ及び前記第3バルブを閉じかつ前記第2バルブを開くことで、前記第1圧縮空気を前記エンジンに供給し前記第2圧縮空気を前記エンジンに供給しなくてもよい。

0013

前記空気導入部における前記開口が形成されている面の法線の方向は、例えば、前記収容部の長手方向よりも、前記開口から前記収容部の中心に向かう方向に近い。

発明の効果

0014

本発明によれば、触媒の浄化性能を向上させることができる排気後処理装置のコストの増大を抑制することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0015

本実施形態に係る排気後処理装置を含む吸排気系の模式図である。
排気浄化部及び空気導入管の構成を示す図である。
エンジンの回転速度とトルクとの関係を示す図である。
CPUの動作フローチャートである。
吸排気系の変形例の構成を示す図である。

実施例

0016

[吸排気系Sの概要
図1は、本実施形態に係る排気後処理装置を含む吸排気系Sの模式図である。吸排気系Sは、エンジン1と、吸気マニホールド2と、排気マニホールド3と、EGR(Exhaust Gas Recirculation)バルブ4と、EGRクーラー5と、インタークーラー6と、DOC(Diesel Oxidation Catalyst)7と、煤煙除去フィルタ8(DPF:Diesel Particulate Filter)と、排気バルブ9と、尿素インジェクタ10と、排気管11と、排気浄化部12と、空気導入管13と、電動型過給器14と、非電動型過給器15と、第1バルブ21と、第2バルブ22と、第3バルブ23と、ECU(Engine Control Unit)30と、を有する。

0017

エンジン1は、ディーゼルエンジンである。吸気マニホールド2は、吸気用インテークマニホールドである。排気マニホールド3は、排気用エキゾーストマニホールドである。

0018

EGRバルブ4は、ECU30の制御に基づいて、排気マニホールド3から排出された排気を、吸気マニホールド2を介してエンジン1に供給するか否かを切り替える。EGRバルブ4は、開いた状態で排気をエンジン1に供給し、閉じた状態で排気をエンジン1に供給しない。

0019

EGRクーラー5は、排気マニホールド3から排出された排気を冷却する。EGRクーラー5は、エンジン1に供給できる温度になるように排気を冷却する。
インタークーラー6は、電動型過給器14及び非電動型過給器15により圧縮されて温度が上昇した空気を冷却する熱交換器である。

0020

DOC7は、ディーゼル酸化触媒である。
煤煙除去フィルタ8は、排気に含まれるSOF(Soluble Organic Fraction)及び煤煙などの粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集するフィルタである。煤煙除去フィルタ8は、主としてセラミックから構成される細孔を有しており、PMを一時的に捕集する。

0021

排気バルブ9は、ECU30の制御に基づいて、排気マニホールド3から排出された排気を排気浄化部12に供給するか否かを切り替える。排気バルブ9は、開いた状態で排気を排気浄化部12に供給し、閉じた状態で排気を排気浄化部12に供給しない。排気バルブ9は、例えば煤煙除去フィルタ8の再生処理が行われている間は、閉じた状態になる。

0022

尿素インジェクタ10は、排気に含まれる窒素酸化物を窒素と水に還元するための還元剤としての尿素を噴射するデバイスである。
排気管11は、排気を排気浄化部12に搬送するための管である。

0023

排気浄化部12は、排気に含まれる窒素酸化物を窒素と水に還元することにより排気を浄化する。
空気導入管13は、排気浄化部12に空気を導入するための管である。具体的には、空気導入管13は、電動型過給器14が生成した第1圧縮空気を排気浄化部12にまで搬送する。

0024

図2は、排気浄化部12及び空気導入管13の構成を示す図である。図2(a)は、長手方向の排気浄化部12及び空気導入管13の断面図である。図2(b)は、排気管11の側から排気浄化部12及び空気導入管13を見た状態を示す図である。

0025

図2に示すように、排気浄化部12は、収容部121と、空気導入部122と、開口123とを有する。収容部121は、SCR40及びASC50が収容された円筒状の部分である。収容部121は、排気を浄化するための触媒としてSCR(Selective Catalytic Reduction)40及びASC(Ammonia Slip Catalyst)50を収容する。SCR40は、選択的還元触媒である。ASC50は、アンモニアスリップ触媒である。排気がSCR40及びASC50を通過することにより、窒素酸化物が浄化される。

0026

空気導入部122は、収容部121に対して排気管11の側に設けられた漏斗状の側壁を有する。空気導入部122は、収容部121における触媒が設けられる位置の上流に形成されており、電動型過給器14が生成した第1圧縮空気を収容部121に導入するための開口123を有する。

0027

排気よりも低い温度の第1圧縮空気が、空気導入部122に形成された開口123を介して収容部121に導入されることにより、SCR40の温度が、排気の温度よりも低下する。後述するように、SCR40の温度が、SCR40の浄化性能が低下する温度になっている状態で、ECU30が、第1圧縮空気を収容部121に供給するように第1バルブ21を制御することで、SCR40の温度が、SCR40の浄化性能が高い温度に維持される。その結果、窒素酸化物が効率的に浄化される。

0028

空気導入部122における開口123が形成されている面の法線の方向は、例えば、排気浄化部12の長手方向よりも、開口123から排気浄化部12の中心に向かう方向に近い。このように空気導入部122及び開口123が構成されていることにより、SCR40の中央付近に吹き付けられる第1圧縮空気の量を、SCR40の外周付近に吹き付けられる第1圧縮空気の量よりも増やすことができる。SCR40の中央付近は、より多くの排気が通過するため温度が高くなりやすいので、より多くの第1圧縮空気がSCR40の中央付近に吹き付けられることで、SCR40の各部の温度が同等レベルに維持されやすくなる。

0029

電動型過給器14は、エンジン1に供給可能な第1圧縮空気を発生する過給器であり、モータ141及びコンプレッサー142を有する。モータ141は、バッテリー(不図示)から供給される電力により回転する。コンプレッサー142は、モータ141の回転力によって、非電動型過給器15から流入する空気又は外気を圧縮することにより第1圧縮空気を生成する。コンプレッサー142は、生成した第1圧縮空気を、第1バルブ21経由で排気浄化部12に供給したり、第2バルブ22経由でエンジン1に供給したりする。

0030

非電動型過給器15は、エンジン1に供給する第2圧縮空気を発生する過給器であり、タービン151及びコンプレッサー152を有する。タービン151は、排気マニホールド3から排出される排気により回転する。タービン151が発生した回転力は、タービン151とコンプレッサー152とを結合する軸を介してコンプレッサー152に伝達される。コンプレッサー152は、タービン151が発生した回転力に基づいて外気を圧縮することにより、第2圧縮空気を生成する。コンプレッサー152は、生成した第2圧縮空気を、コンプレッサー142に供給したり、第3バルブ23経由でエンジン1に供給したりする。

0031

第1バルブ21、第2バルブ22及び第3バルブ23は、ECU30の制御によって、開状態閉状態とを切り替える。第1バルブ21は、第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを切り替える。第2バルブ22は、第1圧縮空気をエンジン1に供給するか否かを切り替える。第3バルブ23は、第2圧縮空気をエンジン1に供給するか否かを切り替える。

0032

ECU30は、吸排気系Sを始めとする車両の各部を制御するユニットである。ECU30は、プログラムを実行することにより動作するCPU31(Central Processing Unit)及び各種のデータを記憶する記憶部32を有している。記憶部32は、例えばROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等の記憶媒体を有している。

0033

CPU31は、プログラムを実行することにより、制御部として機能する。CPU31は、第1バルブ21の状態を変化させることにより第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを制御する。

0034

[エンジン1の回転速度に基づくバルブの制御]
図3は、エンジン1の回転速度とトルクとの関係を示す図である。以下、図3を参照しながら、CPU31による第1バルブ21、第2バルブ22及び第3バルブ23の制御について説明する。

0035

CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値(図3におけるN1)以上である場合に、第1バルブ21を開くことにより、第1圧縮空気を収容部121に供給する。第1閾値は、例えば、SCR40の性能が低下し始める温度に達する状態におけるエンジン1の回転速度である。エンジン1の回転速度が第1閾値以上である場合に第1圧縮空気が収容部121に供給されることで、SCR40の温度が上昇しづらくなるので、例えば図3における領域CにおけるSCR40の性能の低下が抑制される。

0036

CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値以上である場合に、第1バルブ21及び第3バルブ23を開くことで、第1圧縮空気を収容部121に供給するとともに、第2圧縮空気をエンジン1に供給してもよい。CPU31がこのように動作することで、エンジン1の回転速度が大きい場合に、第2圧縮空気を用いてエンジン1が十分なトルクを発生できるようにしつつ、十分な量の第1圧縮空気をSCR40を噴射することにより、SCR40を適切な温度に維持することができる。

0037

なお、CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値以上である場合に、第2バルブ22を閉じることで、第1圧縮空気をエンジン1に供給しないようにしてもよい。CPU31がこのように動作することで、十分な量の第1圧縮空気を収容部121に供給できるので、SCR40を適切な温度に維持しやすくなる。

0038

CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値よりも小さい第2閾値(図3におけるN2)未満である場合に、第1バルブ21を閉じた状態で、第2バルブ22を開くことで、第1圧縮空気を収容部121に供給せず、第1圧縮空気をエンジン1に供給する。CPU31は、エンジン1の回転速度が第2閾値未満である場合に、第1バルブ21及び第3バルブ23を閉じ、かつ第2バルブ22を開くことで、第1圧縮空気をエンジン1に供給し、かつ第2圧縮空気をエンジン1に供給しないようにしてもよい。第2閾値は、例えばエンジン1が始動して間もない間の回転速度であり、エンジン1のトルクが不足した状態になる回転速度の最大値である。CPU31がこのように動作することで、エンジン1が始動して間もない間のトルクを増大させることができる(例えば図3における領域A)。

0039

CPU31は、エンジン1の回転速度が第2閾値以上である場合に、第3バルブ23を開いて第2圧縮空気をエンジン1に供給できる状態にする。CPU31は、エンジン1の回転速度が第2閾値以上、かつ第1閾値未満である場合(例えば図3における領域Bの場合)、第1バルブ21及び第2バルブ22を閉じ、かつモータ141を動作させないことで、第1圧縮空気をエンジン1及び排気浄化部12の両方に供給しないようにしてもよい。CPU31がこのように動作することで、第1圧縮空気が必要ない間に、モータ141を駆動するためのバッテリー(不図示)の蓄電量が低下することを防げる。

0040

[CPU31の動作フローチャート]
図4は、CPU31の動作フローチャートである。まず、CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値以上であるか否かを判定する(S1)。CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値以上であると判定した場合(S1においてYES)、第1バルブ21を開状態、第2バルブ22を閉状態、第3バルブ23を開状態にする(S2)。

0041

CPU31は、エンジン1の回転速度が第1閾値未満であると判定した場合(S1においてNO)、エンジン1の回転速度が第2閾値以上であるか否かを判定する(S3)。CPU31は、エンジン1の回転速度が第2閾値以上、第1閾値未満であると判定した場合(S3においてYES)、第1バルブ21を閉状態、第2バルブ22を閉状態、第3バルブ23を開状態にする(S2)。この際、CPU31は、モータ141を回転させないようにしてもよい。

0042

CPU31は、エンジン1の回転速度が第2閾値未満であると判定した場合(S3においてNO)、第1バルブ21を開状態、第2バルブ22を開状態、第3バルブ23を閉状態にする(S5)。CPU31は、モータ141が停止した状態であった場合、第1バルブ21を開状態にするとともに、モータ141の回転を開始し、電動型過給器14が第1圧縮空気を発生できるようにする。

0043

CPU31は、エンジン1がオフ状態になったかどうかを監視する(S6)。エンジン1は、エンジンがオフ状態になるまでの間、S1からS5までの処理を繰り返す。

0044

[変形例]
図5は、吸排気系Sの変形例の構成を示す図である。図1に示した吸排気系Sにおいては、電動型過給器14及び非電動型過給器15が設けられており、電動型過給器14が発生した第1圧縮空気が収容部121に供給されている間に、非電動型過給器15が発生した第2圧縮空気がエンジン1に供給された。これに対して図5に示す変形例においては、非電動型過給器15が設けられていない。

0045

この場合、エンジン1の回転速度が第1閾値以上である場合に、電動型過給器14が発生した第1圧縮空気が収容部121に供給されるが、エンジン1には圧縮空気が供給されない。また、エンジン1の回転速度が第2閾値未満である場合に、電動型過給器14が発生した第1圧縮空気がエンジン1に供給され、収容部121に供給されない。このように、吸排気系Sが非電動型過給器15を有していない場合にも、電動型過給器14が発生した第1圧縮空気を有効活用して、SCR40の温度を適切な範囲に維持するとともに、低速時においても、エンジン1が十分なトルクを発生することが可能になる。

0046

[吸排気系Sによる効果]
以上説明した通り、本実施形態の吸排気系Sにおける排気浄化部12は、エンジン1に第1圧縮空気を供給する機能を有する電動型過給器14が生成した第1圧縮空気を収容部121に導入するための開口123が形成された空気導入部122を有する。そして、CPU31は、第1バルブ21の状態を変化させることにより第1圧縮空気を収容部121に供給するか否かを制御する。このように、吸排気系Sにおいては、エンジン1のトルクを大きくするためにも使用される電動型過給器14を用いて触媒の浄化性能を向上させることができるので、排気後処理装置のコストの増大を抑制することができる。

0047

なお、以上の説明においては、排気後処理装置が車両に搭載されている場合を例示したが、排気後処理装置は、車両以外の内燃機関が発生する排気の後処理をする装置であってもよい。

0048

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、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、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合わせ持つ。

0049

1エンジン
2吸気マニホールド
3排気マニホールド
4EGRバルブ
5EGRクーラー
6インタークーラー
7DOC
8煤煙除去フィルタ
9排気バルブ
10尿素インジェクタ
11排気管
12排気浄化部
13空気導入管
14電動型過給器
15 非電動型過給器
21 第1バルブ
22 第2バルブ
23 第3バルブ
30 ECU
32 記憶部
40SCR
50 ASC
121 収容部
122空気導入部
123 開口
141モータ
142コンプレッサー
151タービン
152 コンプレッサー

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