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JP4363395B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
多気筒内燃機関の一方の気筒群に接続されている一方の排気マニホルドに還元剤添加弁を設けると共に他方の気筒群に接続されている他方の排気マニホルドにＥＧＲ装置のＥＧＲガス取出口を設け、還元剤添加弁から添加される還元剤がＥＧＲ装置へ侵入することを抑制する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−７６５９５号公報 特開２００１−１５２８４２号公報 特開２００２−２５６８５４号公報 特開２００２−２１５３９号公報 特開平１０−３０４４６号公報
しかしながら、上記特許文献１の技術では、還元剤添加弁の設けられた一方の排気マニホルドとＥＧＲガス取出口の設けられた他方の排気マニホルドとは、下流に配置された過給機のタービンの手前で合流する。このため、還元剤添加弁から添加された還元剤がタービン手前の合流部分で他方の排気マニホルドに回り込み、還元剤がＥＧＲ装置に侵入するおそれがあった。
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、排気中に添加された還元剤がＥＧＲ装置に流入することをより抑制することが可能な技術を提供することにある。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
複数の気筒を有する内燃機関からの排気によってタービンロータが駆動されるタービンを有する過給機と、
前記内燃機関の一方の気筒群から延びる第１排気通路と、
前記内燃機関の他方の気筒群から延びる第２排気通路と、
前記タービンから下流側に延びる第３排気通路と、
該第３排気通路に配置された排気浄化触媒と、
排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に供給するＥＧＲ装置と、
を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第１排気通路に前記還元剤添加手段を設け、
前記第２排気通路に前記ＥＧＲ装置のＥＧＲガス取出口を設け、
前記第１排気通路及び前記第２排気通路からのそれぞれの排気は、大部分が混ざり合うことなく分離したまま前記タービンロータに流入することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
本発明によると、第１、第２排気通路からのぞれぞれの排気は、これら第１、第２排気通路の下流に配置されたタービンのタービンロータまで大部分が混ざり合うことなく分離したままである。よって、第１排気通路の排気は第２排気通路に回り込み難く、第２排気通路のＥＧＲガス取出口まで到達することが抑制される。したがって、ＥＧＲガスを吸気
系に供給しているときに還元剤添加が行われても、添加された還元剤がＥＧＲガス取出口からＥＧＲ装置に流入することをより抑制することができる。
前記第１排気通路から前記タービンに流入した排気は、該タービンの相対的に温度が高い部分を通過しても良い。
第１排気通路において排気中に添加されタービンに流入した還元剤は周囲温度が低下すると該タービン内に付着し易くなる。また、還元剤がタービン内に付着すると該還元剤が接合剤となって排気中の粒子状物質がタービン内に堆積し易くなる。上記によれば、還元剤を含んだ排気がタービンにおいて相対的に温度が高い部分を流れることになる。そのため、還元剤がタービン内に付着することを抑制することができる。また、付着した還元剤に起因してタービン内に粒子状物質が堆積することを抑制することができる。
前記一方の気筒群における気筒内の吸入空気量を前記他方の気筒群における気筒内の吸入空気量よりも少なくする吸入空気量調整手段を備えても良い。
気筒内における吸入空気量を少なくすることで該気筒から排出される排気の温度を上昇させることができる。したがって、上記によれば、第１排気通路の排気の温度を第２排気通路の排気よりも高くすることができる。これにより、還元剤が第１排気通路やタービン内へ付着することを抑制することができる。また、還元剤の気化を促進することができるため、排気浄化触媒をより効率的に昇温させたり、該排気浄化触媒における排気の浄化をより効率的に行ったりすることが可能となる。
前記一方の気筒群への吸気を前記他方の気筒群への吸気よりも高スワール化させるスワール制御手段を備えても良い。
一方の気筒群において気筒内の吸入空気量を減少させた場合、該一方の気筒群では空燃比が低下するためスモークが発生し易くなる。上記によれば、一方の気筒群において、吸気を高スワール化することで気筒内における空燃比の分布をより均一化することができる。これにより、スモークの発生を抑制することができる。
本発明によると、排気中に添加された還元剤がＥＧＲガス取出口へ回り込むことをより抑制することができる。したがって、排気中に添加された還元剤がＥＧＲ装置に流入することをより抑制することが可能となる。
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、第１気筒＃１〜第４気筒＃４の４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
内燃機関１には、上流側において、各気筒の吸気ポートに吸気マニホルド２が接続されている。吸気マニホルド２には上流側に吸気管３が接続されている。吸気管３の途中には、過給機（ターボチャージャ）４のコンプレッサ４ａが配置されている。
また、内燃機関１には、下流側において、各気筒の排気ポートを介して排気マニホルドが接続されている。本実施例では、排気マニホルドは、２つに分離している。第１気筒＃１及び第４気筒＃４には第１排気マニホルド５が接続され、第２気筒＃２及び第３気筒＃３には第２排気マニホルド６が接続されている第１排気マニホルド５には下流側に第１排気管７が接続されている。また、第２排気マニホルド６には下流側に第２排気管８が接続されている。第１排気マニホルド５及び第１排気管７が本発明に係る第１排気通路に相当する。第２排気マニホルド６及び第２排気管８が本発明に係る第２排気通路に相当する。
第１、第２排気管７，８の下流終端は、過給機（ターボチャージャ）４のタービン４ｂに接続されている。過給機４は、第１、第２排気管７，８からの排気を受けてタービン４ｂのタービンロータ４６が回転することにより、タービン４ｂと連結されたコンプレッサ４ａが回転して吸気を過給するものである。過給機４は、タービン４ｂ内に可変ノズル４１を有する可変容量ターボチャージャ（バリヤブルノズルターボチャージャ）である。
ここで、図２に示すように、タービン４ｂの第１、第２排気管７，８を接続する入口は２つに分割されており、第１、第２排気管７，８は２つの第１、第２入口４２，４３にそれぞれ接続される。
また、過給機４は、２つの入口である第１、第２入口４２，４３から内部の通路も２つに分けられているツインスクロールターボを採用している。第１入口４２からは、第１スクロール通路４４が延び、第２入口４３からは第２スクロール通路４５が延びている。第１、第２スクロール通路４４，４５は、渦巻状に延びており、可変ノズル４１へ排気を流出させ、タービンロータ４６が該排気で回転させられる。
タービン４ｂには、タービンロータ４６に隣接してベアリングハウジング４７が設けられている。ベアリングハウジング４７には潤滑油や冷却水が供給される。このため、タービン４ｂにおけるベアリングハウジング４７側の温度は、その反対側の排気流出側に比べて低くなっている。そして、タービン４ｂにおいては、第２入口４３がベアリングハウジング４７側に配置されており、第１入口４２がベアリングハウジング４７から離れた排気流出側に配置されている。
過給機４のタービン４ｂの下流には第３排気管９が接続されている。この第３排気管９の途中には、排気浄化触媒としての吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したフィルタ１０が配置されている。フィルタ１０の下流には不図示のマフラーが配置され、排気はマフラーを経由して大気へ排出される。
一方、内燃機関１には、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）１１が搭載されている。ＥＧＲ装置１１は、排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関１の吸気マニホルド２に還流させることで、内燃機関１の燃焼温度を低下させて排気中に含まれるＮＯｘを低減させるものである。
ＥＧＲ装置１１は、一端が第２排気管８に接続され、他端が吸気マニホルド２に接続されたＥＧＲ管１２を有している。そして、第２排気管８からＥＧＲ管１２にＥＧＲガスを導くためのＥＧＲガス取出口１３は第２排気管８の途中に設けられている。
さらに、内燃機関１の第１排気マニホルド５には、還元剤添加手段としての還元剤添加ノズル１４が取り付けられている。還元剤添加ノズル１４は、排気中に還元剤としての燃料を添加する。還元剤添加ノズル１４は、第１排気マニホルド５の気筒＃１の直下流に配置されている。
以上の構成の内燃機関１には、内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１５が併設されている。このＥＣＵ１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる制御コンピュータである。
そして、ＥＣＵ１５は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作し、ＥＧＲ装置１１を用いたＥＧＲ運転や、還元剤添加ノズル１４を用いた還元剤添加を実行する。
ここで、ＥＧＲ運転とは、内燃機関１における燃焼温度を低下させてＮＯｘの生成を抑制するために、内燃機関１の運転状態が、排気圧力が吸気圧力よりも高い所定の運転領域にあるときに、ＥＧＲ管１２を介して排気の一部を吸気マニホルド２に導入するものである。
また、還元剤添加とは、還元剤添加ノズル１４から燃料を添加するものである。これは、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒解消処理、ＰＭ酸化除去処理などといったフィルタ１０に対する処理時に行われる。
なお、ＮＯｘ還元処理は、還元剤添加ノズル１４から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、フィルタ１０のＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元する処理である。ＳＯｘ被毒解消処理は、触媒温度が６００℃〜８００℃のときに還元剤添加ノズル１４から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、フィルタ１０のＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出及び還元させる処理である。ＰＭ酸化除去処理は、還元剤添加ノズル１４から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分をフィルタ１０のＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ１０の温度を高めフィルタ１０に捕集されたＰＭを除去する処理である。
本実施例では、第１排気マニホルド５に還元剤添加ノズル１４を設け、第２排気管８にＥＧＲ装置１１のＥＧＲガス取出口１３を設けている。そして、第１、第２排気管７，８は、ツインスクロールターボである過給機４のタービン４ｂの２分割された第１、第２入口４２，４３のそれぞれに接続される。
すなわち、本実施例では、第１、第２排気マニホルド５，６及び第１、第２排気管７，８からのそれぞれの排気は、これら第１、第２排気管７，８の下流に配置されたタービン４ｂ内でも分離されたままで、大部分が混ざり合うことなく分離したままタービンロータ４６に流入する。よって、第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気は、タービン４ｂを経由してから第２排気管８に回り込み難く、第２排気管８のＥＧＲガス取出口１３まで到達することが抑制される。したがって、ＥＧＲ運転時に還元剤添加ノズル１４から燃料添加が行われても、添加した燃料がＥＧＲガス取出口１３へ回り込むことをより抑制することができる。したがって、排気中に添加された還元剤がＥＧＲ装置１１に流入することをより抑制することができる。
これにより、還元剤たる燃料が吸気系へ回り込むことに起因するトルク変動や排気エミッションの悪化を低減できる。また、還元剤添加をできるだけ少ない添加燃料でより効率的に行うことができる。
加えて、過給機４は、ツインスクロールターボであり、第１、第２入口４２，４３のそれぞれから第１、第２スクロール通路４４，４５が設けられており、タービン４ｂ内でも第１、第２排気管７，８からの排気を分離している。このため、第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気は、タービン４ｂ内を経由しても極めて第２排気管８に回り込み難
く、第２排気管８のＥＧＲガス取出口１３まで到達することが抑制される。
また、第１入口４２は、図２に示すように、第１排気管７から排出した排気がツインスクロールターボである過給機４のタービン４ｂの相対的に温度が高い部分となる排気流出側の第１スクロール通路４４を通過するような位置に配置されている。
第１排気マニホルド５において排気中に添加されタービン４ｂに流入した燃料は周囲温度が低下すると該タービン４ｂ内に付着し易くなる。また、燃料がタービン４ｂ内に付着すると該燃料が接合剤となって排気中の粒子状物質がタービン内に堆積し易くなる。しかし、図２のように、第１入口４２が配置されていると、還元剤添加ノズル１４から燃料を添加された第１排気マニホルド５の排気がタービン４ｂの相対的に温度が高い部分である排気流出側の第１スクロール通路４４を通過することになる。そのため、還元剤たる燃料がタービン４ｂ内に付着することを抑制することができる。また、付着した燃料に起因してタービン４ｂ内の例えば可変ノズル４１と第１スクロール通路４４との間などに粒子状物質が堆積することを抑制することができる。
さらに、ＥＧＲガス取出口１３が第２排気マニホルド６の下流側の第２排気管８の途中に設けられることで、ＥＧＲガスの流れをスムーズにし、圧損を低くして燃費を良好に維持することができる。
図３は、本発明の実施例２に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。なお、本実施例では、実施例１と異なる点についてのみ説明する。
本実施例では、内燃機関１は、各気筒における吸気弁のバルブタイミングを制御する可変動弁機構１６を備えている。可変動弁機構１６は、ＥＣＵ１５に電気的に接続されている。
そして、可変動弁機構１６を用い、第１排気マニホルド５に接続される第１、第４気筒＃１、＃４における気筒内の吸入空気量を、第２排気マニホルド６に接続される第２、第３気筒＃２、＃３における気筒内の吸入空気量よりも少なくする。
具体的には、第１、第４気筒＃１、＃４における吸気弁の閉弁時期を第２、第３気筒＃２、＃３における吸気弁の閉弁時期に比べて遅角させる。この制御を行う可変動弁機構１６及びＥＣＵ１４が吸入空気量調整手段に相当する。
このように、第１、第４気筒＃１、＃４における気筒内の吸入空気量を少なくすると、吸入空気量の少ない第１、第４気筒＃１、＃４から排出される排気の温度を上昇させることができる。したがって、第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気の温度を、第２排気マニホルド６及び第２排気管８の排気よりも高くすることができる。このため、第１排気マニホルド６の排気に還元剤添加ノズル１４から還元剤たる燃料を添加しても、燃料は高温の排気中では第１排気マニホルド５及び第１排気管７内やタービン４ｂ内に付着し難く、まして付着に起因して粒子状物質を堆積させる接合剤とはなり難くなる。
また、このように第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気が昇温されると、高温の排気中では還元剤たる燃料の気化を促進できるため、フィルタ１０をより効率的に昇温させたり、該フィルタ１０における排気の浄化をより効率的に行ったりすることができる。
図４は、本発明の実施例３に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。なお、本実施例では、実施例１と異なる点についてのみ説明する。
本実施例では、内燃機関１は、各気筒における吸気ポートにスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）１７を装着している。該スワールコントロールバルブ１７はＥＣＵ１５に電気的に接続されている。スワールコントロールバルブ１７は気筒毎に別々に制御することが可能となっている。ＥＣＵ１５は各気筒に対応するスワールコントロールバルブ１７のそれぞれを開閉制御して各気筒内に生じる渦流の強弱を調整する。
そして、スワールコントロールバルブ１７を用い、第１排気マニホルド５に接続される第１、第４気筒＃１、＃４への吸気を、第２排気マニホルド６に接続される第２、第３気筒＃２、＃３への吸気よりも高スワール化させる。
具体的には、第２、第３気筒＃２、＃３では、スワールコントロールバルブ１７を開き気味にさせ、吸気量をより多くする。一方、第１、第４気筒＃１、＃４では、スワールコントロールバルブ１７を閉じ気味にさせ、吸気量をより少なくすると共に第１、第４気筒＃１、＃４内に生じるスワールを強く(高スワール化)する。
このように、第１、第４気筒＃１、＃４内の高スワール化し、かつ、第１、第４気筒＃１、＃４における気筒内の吸気量を少なくすると、吸入空気量の少ない第１、第４気筒＃１、＃４から排出される排気の温度を上昇させることができる。したがって、第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気の温度を、第２排気マニホルド６及び第２排気管８の排気よりも高くすることができる。このため、第１排気マニホルド６の排気に還元剤添加ノズル１４から還元剤たる燃料を添加しても、燃料は高温の排気中では第１排気マニホルド５及び第１排気管７内やタービン４ｂ内に付着し難く、まして付着に起因して粒子状物質を堆積させる接合剤とはなり難くなる。
また、このように第１排気マニホルド５及び第１排気管７の排気が昇温されると、高温の排気中では還元剤たる燃料の気化を促進できるため、フィルタ１０をより効率的に昇温させたり、該フィルタ１０における排気の浄化をより効率的に行ったりすることができる。
ここで、第１、第４気筒＃１、＃４において気筒内の吸入空気量を減少させた場合、該第１、第４気筒＃１、＃４では空燃比が低下するためスモークが発生し易くなる。しかし、スワールコントロールバルブ１７によって、第１、第４気筒＃１、＃４において、吸気を高スワール化することで気筒内における空燃比の分布をより均一化することができる。これにより、スモークの発生を抑制することができる。
実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例１に係るタービンの概略構成を示す図である。 実施例２に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例３に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 吸気マニホルド
３ 吸気管
４ 過給機
４ａ コンプレッサ
４ｂ タービン
５ 第１排気マニホルド
６ 第２排気マニホルド
７ 第１排気管
８ 第２排気管
９ 第３排気管
１０ フィルタ
１１ ＥＧＲ装置
１２ ＥＧＲ管
１３ ＥＧＲガス取出口
１４ 還元剤添加ノズル
１５ ＥＣＵ
１６ 可変動弁機構
１７ スワールコントロールバルブ
４６ タービンロータ

Claims (3)

  1. 複数の気筒を有する内燃機関からの排気によってタービンロータが駆動されるタービンを有する過給機と、
    前記内燃機関の一方の気筒群から延びる第１排気通路と、
    前記内燃機関の他方の気筒群から延びる第２排気通路と、
    前記タービンから下流側に延びる第３排気通路と、
    該第３排気通路に配置された排気浄化触媒と、
    排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に供給するＥＧＲ装置と、
    を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記第１排気通路に前記還元剤添加手段を設け、
    前記第２排気通路に前記ＥＧＲ装置のＥＧＲガス取出口を設け、
    前記第１排気通路及び前記第２排気通路からのそれぞれの排気は、大部分が混ざり合うことなく分離したまま前記タービンロータに流入するものであって、
    前記一方の気筒群における気筒内の吸入空気量を前記他方の気筒群における気筒内の吸入空気量よりも少なくする吸入空気量調整手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記第１排気通路から前記タービンに流入した排気は、該タービンの相対的に温度が高い部分を通過することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記一方の気筒群への吸気を前記他方の気筒群への吸気よりも高スワール化させるスワール制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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