(57)【要約】【課題】低圧ＥＧＲを設けた内燃機関のＥＧＲ効果の拡大及び装置の低廉化を促進する。【解決手段】吸気通路２ａに設けられたコンプレッサ４ａと排気通路７ａ設けられたタービン４ｂとを有する過給機４を備える内燃機関において、排気通路７ａのタービン下流側に浄化触媒８とパティキュレートフィルタ９とをこの順に設け、フィルタの下流側から第１の還流通路１２ａを、フィルタの上流側から第２の還流通路１２ｂをそれぞれコンプレッサの上流側に至るように設け、高負荷時に第１の還流通路を通し、低負荷時に第２の還流通路を通して排気ガスを還流させる。低負荷時には排気浄化フィルタを介さずに、圧力損失を受けないようにして、吸気と排気との圧力差の小さな低負荷時でも排気ガス還流の効果を高めることができる。還流通路に排気通路とは別個の触媒を設ける必要がないため装置を低廉化し得る。【選択図】図１
2010196618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられたタービンと当該タービンにより駆動されかつ吸気通路に設けられたコンプレッサとを備えた過給機と、前記排気通路における前記タービンの下流から前記コンプレッサの上流に排気ガスを還流する排気ガス還流装置とを有する過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置であって、
排気ガス中の粒子状物質を除去するべく前記排気通路における前記タービンの下流に設けられた排気浄化フィルタを有し、
前記排気ガス還流装置が、前記排気通路における前記排気浄化フィルタの下流側から前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に至る第１還流通路と、前記排気通路における前記排気浄化フィルタの上流側から前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に至る第２還流通路と、前記第１還流通路と前記第２還流通路とを選択的に開通させる切換弁と、高負荷時には前記第１還流通路を開通させ、低負荷時には前記第２還流通路を開通させるように前記切換弁を切り換える切換弁制御手段とを有することを特徴とする過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置。
【請求項２】
前記内燃機関の吸気通路に設けられたエアクリーナを有し、
前記第２還流通路の前記吸気通路側が前記エアクリーナの上流側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置。
【請求項３】
排気ガスを浄化するべく前記排気通路における前記タービンの下流側かつ前記排気浄化フィルタの上流側に設けられた排気ガス浄化触媒を有し、
前記第２還流通路が、前記排気ガス浄化触媒の下流側かつ前記排気浄化フィルタの上流側から前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側に至ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置に関し、特に低圧ＥＧＲを設けた過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、過給機付き内燃機関（例えばディーゼルエンジン）においてＮＯｘ低減のために、タービンの下流側からコンプレッサ上流側に排気を戻す低圧ＥＧＲを設けた過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置がある（例えば特許文献１）。また、低負荷時には吸気圧と排気圧との圧力差が小さく、そのような場合でも低圧ＥＧＲを導入するために、吸気絞り弁を設けたり、排気絞り弁を設けたりしたものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２８１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような低圧ＥＧＲを設けた内燃機関では、低負荷時には、より一層圧力差が小さくなり、ＥＧＲ効果が低減してしまうという問題がある。特に、上記特許文献１のようにパティキュレートフィルタの下流側から吸気通路に還流させている場合には、パティキュレートフィルタでの圧力損失が大きく、低負荷時のＥＧＲ効果が期待できないという問題がある。
【０００５】
一方、浄化された排気ガスを小さい圧力差で導入するために、エキゾーストマニホールドからＥＧＲガスを取り出し、排気ガス還流通路に小型酸化触媒およびパティキュレートフィルタを設けたものもある。しかしながら、触媒およびパティキュレートフィルタは高価な部品であり、排気ガス還流通路に触媒およびパティキュレートフィルタを設けることはコストの増加を引き起こし、内燃機関全体が高騰化するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決して、低圧ＥＧＲを設けた内燃機関のＥＧＲ効果の拡大および装置の低廉化を促進するために、本発明に於いては、内燃機関の排気通路（７ａ）に設けられたタービン（４ｂ）と当該タービン（４ｂ）により駆動されかつ吸気通路（２ａ）に設けられたコンプレッサ（４ａ）とを備えた過給機（４）と、前記排気通路（７ａ）における前記タービン（４ｂ）の下流から前記コンプレッサ（４ａ）の上流に排気ガスを還流する排気ガス還流装置とを有する過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置であって、排気ガス中の粒子状物質を除去するべく前記排気通路（７ａ）における前記タービン（４ｂ）の下流に設けられた排気浄化フィルタ（９）を有し、前記排気ガス還流装置が、前記排気通路（７ａ）における前記排気浄化フィルタ（９）の下流側から前記吸気通路（２ａ）における前記コンプレッサ（４ａ）の上流側に至る第１還流通路（１２ａ）と、前記排気通路（７ａ）における前記排気浄化フィルタ（９）の上流側から前記吸気通路（２ａ）における前記コンプレッサ（４ａ）の上流側に至る第２還流通路（１２ｂ）と、前記第１還流通路（１２ａ）と前記第２還流通路（１２ｂ）とを選択的に開通させる切換弁（Ｖ１１・Ｖ１２）と、高負荷時には前記第１還流通路（１２ａ）を開通させ、低負荷時には前記第２還流通路（１２ｂ）を開通させるように前記切換弁（Ｖ１１・Ｖ１２）を切り換える切換弁制御手段（１６）とを有するものとした。
【０００７】
これによれば、低負荷時には排気浄化フィルタを介さずにその上流側から吸気通路に排気ガスを還流することにより排気浄化フィルタによる圧力損失を受けないようにして、吸気と排気との圧力差の小さな低負荷時でも排気ガス還流の効果を高めることができる。
【０００８】
特に、前記内燃機関の吸気通路（２ａ）に設けられたエアクリーナ（３）を有し、前記第２還流通路（１２ｂ）の前記吸気通路側が前記エアクリーナ（３）の上流側に接続されていると良い。
【０００９】
これによれば、第２還流通路を介してエアクリーナの上流側に戻すことができ、このようにしても低負荷時にはパティキュレート排出量も少ないので、エアクリーナへの煤の詰まりが生じることなく、かつエアクリーナによる粒子状物質の除去が可能になる。
【００１０】
また、排気ガスを浄化するべく前記排気通路（７ａ）における前記タービン（４ｂ）の下流側かつ前記排気浄化フィルタ（９）の上流側に設けられた排気ガス浄化触媒（８）を有し、前記第２還流通路（１２ｂ）が、前記排気ガス浄化触媒（８）の下流側かつ前記排気浄化フィルタ（９）の上流側から前記吸気通路（２ａ）における前記コンプレッサ（４ａ）の上流側に至ると良い。
【００１１】
これによれば、触媒によって浄化された排気ガスを還流することができ、還流通路や吸気通路に対する汚損を抑制することができると共に、還流通路に排気通路とは別個の触媒を設ける必要がない。
【発明の効果】
【００１２】
このように本発明によれば、低負荷時には排気浄化フィルタを介さずにその上流側から吸気通路に排気ガスを還流することにより排気浄化フィルタによる圧力損失を受けないようにして、吸気と排気との圧力差の小さな低負荷時でも排気ガス還流の効果を高めることができ、このようにしても低負荷時には排気ガス中に粒子状物質が少ないため、排気ガス還流通路や吸気通路に対する汚損等の悪影響が生じない。そして、高負荷時には排気ガス中に粒子状物質が増えるため、切換弁を切り換えて排気浄化フィルタを介して吸気通路に排気ガスを還流することから、上記汚損等に対して何等問題が無い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に基づく第１・３の実施の形態を示す過給器付き内燃機関の吸排気経路図である。
【図２】負荷の違いに対するパティキュレート量の変化を示す図である。
【図３】運転状態に応じた排気ガス還流通路の切り換え要領を示す説明図である。
【図４】第２の実施の形態を示す図１に対応する図である。
【図５】吸気ガス温度に対するパティキュレート量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態としては内燃機関をディーゼルエンジンとして説明するが、ディーセルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジンであっても良い。
【００１５】
図において、エンジン本体１の吸気側には各シリンダに連通する各分岐吸気通路の上流部分をまとめるインテークマニホールド２が接続されている。インテークマニホールド２から上流に延出された吸気通路２ａには、上流側から、エアクリーナ３、吸気絞りバルブＶ８、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａ、インタークーラ用バルブＶ１、インタークーラ５がこの順に配設されている。エアクリーナ３から入る空気は、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａに入り、コンプレッサ４ａで圧縮された後にインタークーラ５で冷却されて、インテークマニホールド２に送り込まれる。
【００１６】
エンジン本体１の排気側には各シリンダに連通する各分岐排気通路の下流部分をまとめるエキゾーストマニホールド７が設けられている。エキゾーストマニホールド７から下流に延出された排気通路７ａには、排気流れ方向に、ターボチャージャ４のタービン４ｂと、浄化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）８と、排気浄化フィルタとしてのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）９とがこの順に配設されている。エキゾーストマニホールド７から排出される排気ガスは、その排気エネルギによりタービン４ｂを回転させた後に、浄化触媒８とパティキュレートフィルタ９とにより浄化され、マフラー１０を介して排気される。なお、パティキュレートフィルタ９は、パティキュレートを捕集するフィルタに、捕集されたパティキュレートを燃焼させて除去するための燃焼を促進させる触媒が担持されたものであっても良い。
【００１７】
この過給器（ターボチャージャ４）付きディーゼルエンジンには排気ガス還流装置が設けられている。排気ガス還流装置は、エキゾーストマニホールド７から排気通路７ａとは別に分岐されてインテークマニホールド２に至る高圧排気ガス還流通路１１（高圧ＥＧＲ）と、タービン４ｂの下流（図示例ではマフラー１０の上流）から吸気通路２ａにおけるコンプレッサ４ａの上流（図示例ではエアクリーナ３の下流）に至る低圧排気ガス還流通路１２ａ・１２ｂ（低圧ＥＧＲ）とにより構成されている。
【００１８】
上記低圧排気ガス還流通路は、図１に示されるように、互いに並列に設けられた第１還流通路１２ａと第２還流通路１２ｂとにより構成されている。第１還流通路１２ａは、パティキュレートフィルタ９の下流側（図示例では、かつマフラー１０の上流側）からコンプレッサ４ａの上流側に至る。第１還流通路１２ａには通路を開閉する切換弁としての第１還流用バルブＶ１１が設けられている。また、第２還流通路１２ｂは、パティキュレートフィルタ９の上流側（図示例では、かつ浄化触媒８の下流側）からコンプレッサ４ａの上流側に至る。この第２還流通路１２ｂにも通路を開閉する切換弁としての第２還流用バルブＶ１２が設けられている。
【００１９】
なお、上記各バルブＶ１・Ｖ３・Ｖ８・Ｖ１１・Ｖ１２の開閉制御（全開または全閉または中間開度の制御）を行うための切換弁制御手段としての制御ユニット（ＥＣＵ）１６が設けられている。制御ユニット１６にはエンジン回転数Ｎｅや車速Ｖ、その他（図示省略）のエンジン負荷（トルク）の演算に必要な情報が入力されている。また、上記吸排気経路には、上記構成に限られず、エンジン制御や排気浄化に用いられる公知の部品等が適所に配設され、制御ユニット１６により制御されるが、それらについては図示および説明を省略する。
【００２０】
次に、このようにして構成された過給機付き内燃機関の排気ガス還流装置の排気ガスの処理要領について説明する。排気ガスは排気通路７ａからタービン４ｂに送られ、上記したように排気ガスのエネルギによりタービン４ｂが回転する。なお、タービン４ｂの回転により、タービン４ｂと一体化されているコンプレッサ４ａも回転し、これにより圧縮された吸気がインタークーラ５を介してエンジン本体１のシリンダ内に送り込まれる。なお、排気ガス還流を行うために高圧ＥＧＲ用バルブＶ３を開状態にすることにより、排気ガスがインテークマニホールド２に還流され、ＮＯｘが低減される。
【００２１】
エキゾーストマニホールド７からタービン４ｂに送り込まれてタービン４ｂを回転させた排気ガスは、浄化触媒８によりＨＣを除去され、パティキュレートフィルタ９により粒子状物質（パティキュレート）を除去されて、マフラー１０を介して排気される。
【００２２】
図２に示されるように、排気ガス中に含有されるパティキュレート量は負荷の増大に応じて増大する。それに対して本発明によれば、上記したように制御ユニット１６で負荷の算出を行い、図２の所定値Ｔｄより大きな高負荷領域（≧Ｔｄ）では第１還流用バルブＶ１１を開きかつ第２還流用バルブＶ１２を閉じて、排気ガスの還流を第１還流通路１２ａで行う。この第１還流通路１２ａは上記したようにパティキュレートフィルタ９の下流側に接続されており、パティキュレートフィルタ９により十分にパティキュレートが除去された排気ガスが還流されるため、吸気系に煤が堆積する等の不具合がない。
【００２３】
一方、低負荷領域（＜Ｔｄ）では、第１還流用バルブＶ１１を閉じかつ第２還流用バルブＶ１２を開いて、排気ガスの還流を第２還流通路１２ｂで行う。この第２還流通路１２ｂは上記したようにパティキュレートフィルタ９の上流側に接続されており、パティキュレートフィルタ９によるパティキュレートの除去は行われないが、低負荷時には図２（ａ）に示されるように排出パティキュレート量は少ない。したがって、積極的にパティキュレートを除去しなくても、吸気系に煤が堆積する等の不具合が生じない。このように、各還流通路１２ａ・１２ｂに排気通路７ａとは別個の触媒やフィルタを設ける必要がないため、装置全体の低廉化を促進し得る。
【００２４】
なお、吸気系と排気系との差圧が少ない低負荷状態では吸気通路２ａに排気ガスが戻り難くなる虞があるが、そのような場合には上記吸気絞りバルブＶ８により吸気を絞ることにより対応可能である。そのような絞り量及びタイミングは運転状態（負荷等）に応じて制御ユニット１６により判断して制御することができる。また、パティキュレートフィルタ９では常に圧力損失が生じるため、パティキュレートフィルタ９の上流側は下流側に対して所定圧分だけ圧力が高い。そのため、パティキュレートフィルタ９の上流側から第２還流通路１２ｂを用いて還流した方が還流量を増やすことができる。
【００２５】
第１還流通路１２ａと第２還流通路１２ｂとの切り換え要領を図３を参照して説明する。図３では横軸にエンジン回転数、縦軸にトルク（負荷）を示しており、図の右下がりの実線より上は排気ガスを第１還流通路１２ａで還流させる高負荷領域（第１低圧ＥＧＲ）であり、実線より下は排気ガスを第２還流通路１２ｂで還流させる低負荷領域（第２低圧ＥＧＲ）である。なお、図の二点鎖線より上の極高トルク領域では低圧ＥＧＲを行わなくても良い。同様に極低トルク領域（図示せず）でも低圧ＥＧＲを行わなくても良い。
【００２６】
次に、第２の実施の形態について図４を参照して説明する。なお、上記と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第２の実施の形態では、第１還流通路１２ａは上記と同様であるのに対して、第２還流通路１２ｂは、浄化触媒８の下流側かつパティキュレートフィルタ９の上流側からエアクリーナ３の上流側に至るように設けられている。これにより、吸気系と排気系との差圧が少ない低負荷状態で低圧ＥＧＲを導入した場合に、シリンダ吸入ガス温度が高圧ＥＧＲ利用時に比べて大きく低下するため、拡散燃焼ではなく、均一予混合燃焼の実現が容易となる。
【００２７】
また、排気ガスをエアクリーナ３の上流に還流させた場合、ある程度はエアクリーナ３でのパティキュレートの除去が行われるので、図３の切替ライン（実線）を上にずらして使うことができる。これにより、第２還流通路１２ｂをより多く使うことができ、還流量を増やすことができる。なお、エアクリーナ３の上流への排気ガスの還流は、エアクリーナ３の許容パティキュレート量以下の領域で行う。
【００２８】
図５に、シリンダ吸気ガス温度に対する排出パティキュレート量の変化を、高圧ＥＧＲ利用時と低圧ＥＧＲ利用時との比較で示す。図５に示されるように高圧ＥＧＲ利用時の拡散燃焼による排出パティキュレート量が多いのに対して、低圧ＥＧＲ利用時には還流される排気ガスはインタークーラ５により冷却され、低負荷時にシリンダ吸気ガス温度を低くすることができる。そのような場合には予混合燃焼の実現が容易であり、その場合のパティキュレートの排出量は高圧ＥＧＲ利用時の拡散燃焼よりも少なくなる。
【００２９】
したがって、エアクリーナ３の許容パティキュレート量以下の領域ではエアクリーナ３の上流に排気ガスを還流することができ、そのようにしても、エアクリーナ３の煤による詰まりは少なく、エアクリーナ３の定期的な交換頻度に対する影響はない。このようにエアクリーナ３の上流側への排気ガスの還流を行った場合でも、上記第１の実施の形態と同様にパティキュレート排出量が増加する高負荷では、パティキュレートフィルタ９の下流側からコンプレッサ４ａの上流側に至る第１還流通路１２ａを選択する。これにより、エアクリーナ３への煤の付着量を好適に低減することができる。
【００３０】
また、上記第１の実施の形態では第１還流通路１２ａと第２還流通路１２ｂとの吸気通路２ａへの各接続を別々としたが、図１の二点鎖線で示されるように１本にまとめて吸気通路２ａへの接続口を１つとしても良い（第３の実施の形態）。なお、１本にまとめる場所は各バルブＶ１１・Ｖ１２の下流側であれば任意の位置で良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
２ａ  吸気通路
３  エアクリーナ
４  過給機
４ａ  コンプレッサ
４ｂ  タービン
７ａ  排気通路
８  浄化触媒（排気ガス浄化触媒）
９  パティキュレートフィルタ（排気浄化フィルタ）
１２ａ  第１還流通路
１２ｂ  第２還流通路
１６  制御ユニット（切換弁制御手段）
Ｖ１１  第１還流用バルブ（切換弁）
Ｖ１２  第２還流用バルブ（切換弁）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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