(57)【要約】【課題】エンジンの低回転域で触媒を素早く昇温することができ、ＮＯ浄化性能を向上させることができるエンジンの後処理システムを提供する。【解決手段】エンジン１に直列に接続された複数の過給器８、１０と、エンジン１の排気通路３の最も下流側の過給器１０のタービン１９よりも下流側に配設された触媒３１とを備えたエンジンの後処理システムにおいて、排気通路３の最も上流側の過給器８のタービン１１の下流に、触媒３１よりも容量の小さい小容量触媒３２を配設する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに直列に接続された複数の過給器と、上記エンジンの排気通路の最も下流側の過給器のタービンよりも下流側に配設された触媒とを備えたエンジンの後処理システムであって、上記排気通路の最も上流側の過給器のタービンの下流に、上記触媒よりも容量の小さい小容量触媒を配設したことを特徴とするエンジンの後処理システム。
【請求項２】
上記排気通路に接続され最も上流側の過給器のタービン及び上記小容量触媒をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパスバルブと、該バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、最も上流側の過給器のタービン及び上記小容量触媒に供給される排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、上記バイパスバルブを開制御する請求項１に記載のエンジンの後処理システム。
【請求項３】
エンジンに接続された過給器と、上記エンジンの排気通路の上記過給器のタービンよりも下流側に配設された触媒とを備えたエンジンの後処理システムであって、上記排気通路の上記過給器のタービンと上記触媒との間に、上記触媒よりも容量の小さい小容量触媒を配設したことを特徴とするエンジンの後処理システム。
【請求項４】
上記排気通路に接続され上記小容量触媒をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパスバルブと、該バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記小容量触媒に供給される排気ガスの温度が所定温度以上となるとき或いは上記小容量触媒に供給される排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、上記バイパスバルブを開制御する請求項３に記載のエンジンの後処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの後処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
年々厳しくなるディーゼル排気規制をクリアするために、排気ガスの一部を吸気通路に還流させ、燃焼温度を下げて、ＮＯｘの生成量を抑制するＥＧＲ装置（排気再循環装置）をエンジンに備えることが一般的となっている。
【０００３】
また、エンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ条件下のようなタービンに流れる流量が少なくなる条件下でも安定した過給を行うために三段過給システムの開発も進められている。ここで、三段過給システムは、エンジンに近い方から直列に接続された高圧段過給器、中圧段過給器及び低圧段過給器と、エンジンの排気通路に接続され高圧段過給器のタービンをバイパスするバイパス流路と、そのバイパス流路に設けられたバイパスバルブとを備えたシステムであり、バイパスバルブの開閉を制御することでタービンに流れる排気ガスの流量をコントロールしてサージングの発生を防ぐシステムである（例えば、特許文献１等参照）。
【０００４】
また、年々厳しくなるディーゼル排気規制をクリアするために、排気通路の過給器よりも下流側に後処理装置を配設し、エンジンから排出される有害物質を低減することが必須となっている（特許文献２等参照）。後処理装置には、ＮＯとＮＯ2との可逆反応等を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、煤等を捕集し再生するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）やＮＯを浄化する選択還元触媒（ＳＣＲ）等があり、これら後処理装置を複合して使用している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６３０４０号公報
【特許文献２】特開２００６−１８３６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ条件下において、燃焼温度が低下することで排気ガスの温度も低下する。また、三段過給システムにおいては、エンジンから排出された排気ガスは三段過給器（高圧段過給器、中圧段過給器及び低圧段過給器）を通過する間に大気中に放熱し、その温度が低下する。そのため、三段過給システムにおいて、排気通路の三段過給器よりも下流側に後処理装置を配設した場合、後処理装置の触媒へと供給される排気ガスの温度が低くなる。その結果触媒の昇温が遅れ、触媒の性能を十分に発揮することができずＮＯの浄化が満足に行われない虞がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、エンジンの低回転域で触媒を素早く昇温することができ、ＮＯ浄化性能を向上させることができるエンジンの後処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第一の発明は、エンジンに直列に接続された複数の過給器と、上記エンジンの排気通路の最も下流側の過給器のタービンよりも下流側に配設された触媒とを備えたエンジンの後処理システムであって、上記排気通路の最も上流側の過給器のタービンの下流に、上記触媒よりも容量の小さい小容量触媒を配設したものである。
【０００９】
ここで、上記排気通路に接続され最も上流側の過給器のタービン及び上記小容量触媒をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパスバルブと、該バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、最も上流側の過給器のタービン及び上記小容量触媒に供給される排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、上記バイパスバルブを開制御するものであっても良い。
【００１０】
第二の発明は、エンジンに接続された過給器と、上記エンジンの排気通路の上記過給器のタービンよりも下流側に配設された触媒とを備えたエンジンの後処理システムであって、上記排気通路の上記過給器のタービンと上記触媒との間に、上記触媒よりも容量の小さい小容量触媒を配設したものである。
【００１１】
ここで、上記排気通路に接続され上記小容量触媒をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパスバルブと、該バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記小容量触媒に供給される排気ガスの温度が所定温度以上となるとき或いは上記小容量触媒に供給される排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、上記バイパスバルブを開制御するものであっても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エンジンの低回転域で触媒を素早く昇温することができ、ＮＯ浄化性能を向上させることができるエンジンの後処理システムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る後処理システムを適用したエンジンの概略図である。
【００１５】
本実施形態は、車両用のディーゼルエンジンに適用したものである。
【００１６】
図１中、１がエンジン本体、２がエンジン本体１に接続され吸気が流通する吸気管（吸気通路）、３がエンジン本体１に接続され排気ガスが流通する排気管（排気通路）、４が排気管３内の排気ガスの一部を吸気管２に還流させるためのＥＧＲ装置（排気再循環装置）である。
【００１７】
ＥＧＲ装置４は、排気管３と吸気管２とを連通し、ＥＧＲガス（排気ガス）が流通するＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）５と、ＥＧＲ管５に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６と、ＥＧＲ管５に設けられ、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲバルブ７とを有している。
【００１８】
エンジン本体１には、複数の過給器（本実施形態では、高圧段過給器８、中圧段過給器９及び低圧段過給器１０）が直列に接続されている。なお、中圧段過給器９或いは低圧段過給器１０を省略して、二段過給システムとしても良い。
【００１９】
高圧段過給器８は、エンジン本体１から導入される排気ガスを受けて駆動される高圧段タービン１１と、高圧段タービン１１によって駆動され、エンジン本体１に供給する吸気を昇圧するための高圧段コンプレッサ１２とを有している。
【００２０】
吸気管２には、高圧段コンプレッサ１２により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。
【００２１】
高圧段タービン１１は、排気管３に接続され、高圧段タービン１１及び後述する小容量触媒３２をバイパスする排気バイパス管（バイパス流路）１４と、排気バイパス管１４に設けられ、排気バイパス管１４を開閉可能な排気バイパスバルブ（バイパスバルブ）１５とを有している。排気バイパスバルブ１５は、後述するコントローラ１６によって開度が制御される流量制御バルブである。
【００２２】
高圧段コンプレッサ１２は、吸気管２に接続され、高圧段コンプレッサ１２をバイパスする吸気バイパス流路としての吸気バイパス管１７と、吸気バイパス管１７に設けられ、高圧段コンプレッサ１２の入口圧が出口圧を超えると開となる吸気バイパスバルブ１８とを有している。
【００２３】
中圧段過給器９は、エンジン本体１から導入される排気ガスを受けて駆動される中圧段タービン２０と、中圧段タービン２０によって駆動され、エンジン本体１に供給する吸気を昇圧するための中圧段コンプレッサ２１とを有している。
【００２４】
吸気管２には、中圧段コンプレッサ２１により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ２２が設けられている。
【００２５】
中圧段タービン２０は、ウェイストゲート式のものであり、中圧段タービン２０をバイパスするウェイストゲート流路としてのウェイストゲート管２３と、ウェイストゲート管２３に設けられ、所定の排圧を超えると開となるウェイストゲートバルブ２４とを有している。
【００２６】
低圧段過給器１０は、エンジン本体１から導入される排気ガスを受けて駆動される低圧段タービン１９と、低圧段タービン１９によって駆動され、エンジン本体１に供給する吸気を昇圧するための低圧段コンプレッサ２５とを有している。
【００２７】
吸気管２には、低圧段コンプレッサ２５により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ２６が設けられている。
【００２８】
低圧段タービン１９は、ウェイストゲート式のものであり、低圧段タービン１９をバイパスするウェイストゲート流路としてのウェイストゲート管２７と、ウェイストゲート管２７に設けられ、所定の排圧を超えると開となるウェイストゲートバルブ２８とを有している。
【００２９】
排気バイパスバルブ１５を制御するための制御手段としてのコントローラ１６が設けられる。コントローラ１６には、過給圧（吸気マニフォールド内圧力）を検出する過給圧検出手段としての過給圧センサ２９、及び、排圧（排気マニフォールド内圧力）を検出する排圧検出手段としての排圧センサ３０が接続され、これらセンサ２９、３０からの出力がコントローラ１６に入力される。
【００３０】
コントローラ１６は、エンジンの低回転域ではＥＧＲバルブ７を開き、エンジンの高回転域ではＥＧＲバルブ７を絞るようにＥＧＲバルブ７を制御する。
【００３１】
また、本実施形態では、排気管３の最も下流側の過給器のタービン（本実施形態では、低圧段タービン１９）よりも下流側に触媒３１を配設し、排気管３の最も上流側の過給器のタービン（本実施形態では、高圧段タービン１１）の下流に、触媒３１よりも容量の小さい小容量触媒３２を配設している。
【００３２】
本実施形態では、触媒３１として、上流側から順に、ＤＯＣ（酸化触媒）３３、ＳＣＲ（選択還元触媒）３５、ＤＯＣ（酸化触媒）３６を排気管３に配設し、排気管３のＤＯＣ３３とＳＣＲ３５との間に、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３４を配設している。図示はしないが、排気管３のＤＰＦ３４とＳＣＲ３５との間に、排気管３内に尿素水を噴射する尿素噴射装置が配設される。前段のＤＯＣ３３はＮＯを酸化してＮＯ2を増やしておくためのものである。ＤＰＦ３４は煤等を捕集し再生するものである。ＳＣＲ３５はＮＯを浄化するものである。後段のＤＯＣ３６はＮＯの浄化反応に寄与しないＮＨ3をＮ2に変えるためのものである。
【００３３】
また、本実施形態では、小容量触媒３２として、上流側から順に、小容量ＤＯＣ（酸化触媒）３７、小容量ＳＣＲ（選択還元触媒）３８を排気管３に配設している。小容量ＤＯＣ３７はＮＯを酸化してＮＯ2を増やしておくためのものである。小容量ＳＣＲ３８はＮＯを浄化するものである。なお、小容量ＳＣＲ３８の還元反応に尿素を用いる場合には、排気管３の小容量ＤＯＣ３７と小容量ＳＣＲ３８との間に、排気管３内に尿素水を噴射する尿素噴射装置を配設する。
【００３４】
次に本実施形態の作用を説明する。
【００３５】
本実施形態では、コントローラ１６は、エンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ条件下のように高圧段タービン１１及び小容量触媒３２に供給される排気ガスの流量が所定流量未満となるときに、排気バイパスバルブ１５を閉じて（閉制御して）、排気バイパス管１４を閉鎖する。即ち、本実施形態では、高圧段タービン１１及び小容量触媒３２に供給される排気ガスの流量が少なくなるエンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ運転時には、エンジン本体１からの排気ガスが小容量触媒３２に導入される。
【００３６】
また、コントローラ１６は、エンジンの高回転域且つ低ＥＧＲ条件下のように高圧段タービン１１及び小容量触媒３２に供給される排気ガスの流量が上記所定流量以上となるときに、排気バイパスバルブ１５を開いて（開制御して）、排気バイパス管１４を開放する。即ち、本実施形態では、高圧段タービン１１及び小容量触媒３２に供給される排気ガスの流量が多くなるエンジンの高回転域且つ低ＥＧＲ運転時には、エンジン本体１からの排気ガスは排気バイパス管１４を通って排気管３の小容量触媒３２下流側へと流され、小容量触媒３２には導入されない。
【００３７】
排気バイパスバルブ１５の開閉制御に用いる排気ガスの流量の閾値（上記所定流量）は小容量触媒３２の容量や性能に依存するため、使用する小容量触媒３２の容量や性能に応じて設定される。
【００３８】
本実施形態によれば、排気管３の高圧段タービン１１の下流に、低圧段タービン１９下流に配設される触媒３１よりも容量の小さい小容量触媒３２を配設したので、高圧段タービン１１を通過した高温の排気ガスを小容量触媒３２に導入することができる。そのため、小容量ＳＣＲ３８はＮＯ浄化可能温度への到達が早くなり、小容量ＳＣＲ３８によるＮＯ浄化を促進することが可能となり、システム全体におけるエンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ条件下でのＮＯ浄化性能を向上させることが可能となる。特にエンジン始動開始直後等は小容量ＳＣＲ３８による高いＮＯ浄化効果を発揮することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、コントローラ１６は、エンジンの高回転域且つ低ＥＧＲ条件下のように高圧段タービン１１及び小容量触媒３２に供給される排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、排気バイパスバルブ１５を開制御して、エンジン本体１からの排気ガスを小容量触媒３２には導入しないようにしている。即ち、排気ガスの流量が少ないときのみに小容量触媒３２の使用を制限することで空間速度の上昇を防ぐことができるため、少容量触媒３２の容積も抑えられる。そのため、小容量ＳＣＲ３８は低圧段タービン１９下流のＳＣＲ３５よりも昇温速度が速く、ＮＯ浄化可能温度に素早く到達することができる。
【００４０】
また、低圧段タービン１９下流のＳＣＲ３５がＮＯ浄化可能温度に到達した後でも、小容量ＳＣＲ３８において高いＮＯ浄化率が望める条件（例えば、アイドル時の小流量の排気ガス条件）等で小容量ＳＣＲ３８を使用することで、触媒３１のみで小容量触媒３２を配設しない場合と比較して高いＮＯ低減効果が期待できる。
【００４１】
次に、本発明の別の実施形態を図２により説明する。
【００４２】
図２の実施形態では、エンジン本体（図示せず）に、過給器４１が接続されている。図２の実施形態では、排気管４２の過給器４１のタービン４３よりも下流側に触媒４４を配設し、排気管４２のタービン４３と触媒４４との間に、触媒４４よりも容量の小さい小容量触媒４５を配設している。
【００４３】
図２の実施形態では、触媒４４として、上流側から順に、ＤＯＣ（酸化触媒）４６、ＳＣＲ（選択還元触媒）４８、ＤＯＣ（酸化触媒）４９を排気管４２に配設し、排気管４２のＤＯＣ４６とＳＣＲ４８との間に、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）４７を配設している。図示はしないが、排気管４２のＤＰＦ４７とＳＣＲ４８との間に、排気管４２内に尿素水を噴射する尿素噴射装置が配設される。前段のＤＯＣ４６はＮＯを酸化してＮＯ2を増やしておくためのものである。ＤＰＦ４７は煤等を捕集し再生するものである。ＳＣＲ４８はＮＯを浄化するものである。後段のＤＯＣ４９はＮＯの浄化反応に寄与しないＮＨ3をＮ2に変えるためのものである。
【００４４】
また、図２の実施形態では、小容量触媒４５として、上流側から順に、小容量ＤＯＣ（酸化触媒）５０、小容量ＳＣＲ（選択還元触媒）５１を排気管４２に配設している。小容量ＤＯＣ５０はＮＯを酸化してＮＯ2を増やしておくためのものである。小容量ＳＣＲ５１はＮＯを浄化するものである。なお、小容量ＳＣＲ５１の還元反応に尿素を用いる場合には、排気管４２の小容量ＤＯＣ５０と小容量ＳＣＲ５１との間に、排気管４２内に尿素水を噴射する尿素噴射装置を配設する。
【００４５】
また、図２の実施形態では、排気管４２には小容量触媒４５をバイパスするバイパス管（バイパス流路）５２が接続されており、バイパス管５２にはバイパス管５２を開閉可能なバイパスバルブ５３が配設されている。バイパスバルブ５３は、コントローラ（制御手段）５４によって開度が制御される流量制御バルブである。
【００４６】
また、コントローラ５４には、小容量触媒４５に供給される排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段としての排気温度センサ５５、及び、小容量触媒４５に供給される排気ガスの流量を検出する流量検出手段としての流量センサ５６が接続され、これらセンサ５５、５６からの出力がコントローラ５４に入力される。
【００４７】
図２の実施形態においては、コントローラ５４は、排気温度センサ５５で検出される排気ガスの温度が所定温度未満のとき或いは流量センサ５６で検出される排気ガスの流量が所定流量未満のときに、バイパスバルブ５３を閉じて（全閉制御して）、バイパス管５２を閉鎖する。即ち、図２の実施形態では、タービン４３及び小容量触媒４５に供給される排気ガスの温度が低くなり或いは排気ガスの流量が少なくなるエンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ運転時には、エンジン本体からの排気ガスが小容量触媒４５に導入される。
【００４８】
また、コントローラ５４は、排気温度センサ５５で検出される排気ガスの温度が上記所定温度以上のとき或いは流量センサ５６で検出される排気ガスの流量が上記所定流量以上のときに、バイパスバルブ５３を開いて（全開制御して）、バイパス管５２を開放する。即ち、図２の実施形態では、タービン４３及び小容量触媒４５に供給される排気ガスの温度が高くなり或いは排気ガスの流量が多くなるエンジンの高回転域且つ低ＥＧＲ運転時には、エンジン本体からの排気ガスはバイパス管５２を通って排気管４２の小容量触媒４５下流側へと流され、小容量触媒４５には導入されない。
【００４９】
バイパスバルブ５３の開閉制御に用いる排気ガスの温度及び流量の閾値（上記所定温度及び上記所定流量）は小容量触媒４５の容量や性能に依存するため、使用する小容量触媒４５の容量や性能に応じて設定される。
【００５０】
図２の実施形態によれば、排気管４２のタービン４３と触媒４４との間に、触媒４４よりも容量の小さい小容量触媒４５を配設したので、タービン４３を通過した高温の排気ガスを小容量触媒４５に導入することができる。そのため、小容量ＳＣＲ５１はＮＯ浄化可能温度への到達が早くなり、小容量ＳＣＲ５１によるＮＯ浄化を促進することが可能となり、システム全体におけるエンジンの低回転域且つ高ＥＧＲ条件下でのＮＯ浄化性能を向上させることが可能となる。特にエンジン始動開始直後等は小容量ＳＣＲ５１による高いＮＯ浄化効果を発揮することができる。
【００５１】
また、図２の実施形態では、コントローラ５４は、エンジンの高回転域且つ低ＥＧＲ条件下のように小容量触媒４５に供給される排気ガスの温度が所定温度以上となるとき或いは排気ガスの流量が所定流量以上となるときは、バイパスバルブ５３を開制御して、エンジン本体からの排気ガスを小容量触媒４５には導入しないようにしている。このようにすることにより、少容量触媒４５にとって都合の悪い大量の排気ガス及び高温過ぎる排気ガスが小容量触媒４５に供給される状況を回避することができる。
【００５２】
また、触媒４４がＮＯ浄化可能温度に到達した後でも、小容量ＳＣＲ５１において高いＮＯ浄化率が望める条件（例えば、アイドル時の小流量の排気ガス条件）等で小容量ＳＣＲ５１を使用することで、触媒４４のみで小容量触媒４５を配設しない場合と比較して高いＮＯ低減効果が期待できる。
【００５３】
図３にシミュレーションを用いて算出したＮＯ排出量（排気管４２からのＮＯ排出量）を示す。図３より、ＳＣＲ４８の容量を２０Ｌとした場合に、小容量ＤＯＣ５０の容量を５Ｌとすると共に小容量ＳＣＲ５１の容量を５Ｌとしたケースでは、触媒４４のみで小容量触媒４５を配設しないケースと比較して約４８％のＮＯ低減効果が期待できる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る後処理システムを適用したエンジンの概略図である。
【図２】図２は、本発明の別の実施形態に係る後処理システムを適用したエンジンの概略図である。
【図３】図３は、シミュレーションを用いて算出したＮＯ排出量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  エンジン本体（エンジン）
３  排気管（排気通路）
８  高圧段過給器（最も上流側の過給器）
１０  低圧段過給器（最も下流側の過給器）
１１  高圧段タービン（タービン）
１４  排気バイパス管（バイパス流路）
１５  排気バイパスバルブ（バイパスバルブ）
１６  コントローラ（制御手段）
１９  低圧段タービン（タービン）
３１  触媒
３２  小容量触媒
４１  過給器
４２  排気管（排気通路）
４３  タービン
４４  触媒
４５  小容量触媒
５２  バイパス管（バイパス流路）
５３  バイパスバルブ
５４  コントローラ（制御手段）
【図１】
2010121521.tif 000003
【図２】
2010121521.tif 000004
【図３】
2010121521.tif 000005