(57)【要約】【課題】高圧ループを備えたエンジンであっても、ＮＯx低減触媒を経て温度上昇した排気ガスからパワータービンにより効率良く動力回収して燃費向上を図る。【解決手段】ターボチャージャ２と、ＮＯx吸蔵還元触媒１２（ＮＯx低減触媒）と、ＮＯxの浄化処理に必要な還元剤として燃料を添加する燃料添加装置１４（燃料添加手段）と、排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口付近に再循環する高圧ループ１５とを備えたディーゼルエンジン１（エンジン）に適用するための燃費低減システムに関し、ＮＯx吸蔵還元触媒１２を経た排気ガス９から動力回収してディーゼルエンジン１側へ補助動力として伝達するパワータービン１８と、これより下流の排気管１１から排気ガス９の一部を抜き出してターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口付近に再循環する低圧ループ１９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気マニホールドから送り出される排気ガスから動力回収して吸気を過給するターボチャージャと、該ターボチャージャを経た排気ガス中のＮＯxを浄化処理し得るよう排気管の途中に装備されたＮＯx低減触媒と、該ＮＯx低減触媒より上流でＮＯxの浄化処理に必要な還元剤として燃料を添加する燃料添加手段と、前記排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループとを備えたエンジンに適用するための燃費低減システムであって、ＮＯx低減触媒の下流に設けられ且つ該ＮＯx低減触媒を経た排気ガスから動力回収してエンジン側へ補助動力として伝達するパワータービンと、該パワータービンより下流の排気管から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサの入口付近に再循環する低圧ループとを備えたことを特徴とする燃費低減システム。
【請求項２】
パワータービンと低圧ループの排気抜き出し箇所との間にパティキュレートフィルタを介装したことを特徴とする請求項１に記載の燃費低減システム。
【請求項３】
パワータービンとＮＯx低減触媒との間にパティキュレートフィルタを介装したことを特徴とする請求項１に記載の燃費低減システム。
【請求項４】
排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ2濃度が低下した時にＨＣの介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒をＮＯx低減触媒としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の燃費低減システム。
【請求項５】
酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒をＮＯx低減触媒としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の燃費低減システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃費低減システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ2濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。
【０００３】
そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ2濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。
【０００４】
例えば、ガソリンエンジンに使用した場合であれば、該ガソリンエンジンの運転空燃比を低下（リッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中のＯ2濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンの排気浄化装置として使用した場合には、該ディーゼルエンジンをリッチ空燃比で運転することが困難である。
【０００５】
このため、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンの排気浄化装置として使用するに際しては、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加し、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ2と反応させることで排気ガス中のＯ2濃度を低下させる必要がある。
【０００６】
尚、本発明に関連する先行技術文献情報として下記の特許文献１〜３等をあげておく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２６９９５号公報
【特許文献２】特開２００８−２０８７２０号公報
【特許文献３】特許第４３３７８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなＮＯx吸蔵還元触媒を備えたディーゼルエンジンにおいては、ＮＯx吸蔵還元触媒上で添加燃料が酸化反応した時に反応熱が生じ、該反応熱により排気ガスが温度上昇して膨張することになるが、これまではＮＯx吸蔵還元触媒を経た排気ガスに動力回収の余地がありながら車外へそのまま排出してしまっているのが実情であった。
【０００９】
そこで、本発明者らは、ＮＯx吸蔵還元触媒の下流にパワータービンを備え、ＮＯx吸蔵還元触媒を経て温度上昇した排気ガスから動力回収し、その回収動力をエンジン側へ補助動力として伝達する燃費低減システムを創案するに到ったが、ディーゼルエンジンの多くは、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループを備えているため、単純にパワータービンをＮＯx吸蔵還元触媒の下流に配置しても燃費向上に繋がらなかった。
【００１０】
なぜなら、高圧ループを備えたディーゼルエンジンにあっては、前記高圧ループを介し排気ガスの一部が再循環されることでパワータービンを通る排気ガスの流量が減少して出力が低下するという不具合があり、しかも、高圧ループを通して必要量の排気ガスを再循環させるためにターボチャージャのタービンのノズルベーン開度を絞り込んで排気マニホールドの圧力を高めなければならず、これによりポンピングロスが増大するという不具合もあったからである。
【００１１】
そもそも、パワータービンの付加は、排気圧力の上昇を招いてポンピングロスを増大してしまうことが避けられないため、パワータービンの出力がポンピングロスの悪化分を上まわらなければ燃費向上が図られないわけであるが、前述した通り、高圧ループを介した排気ガスの再循環のためにパワータービンの出力が低下し且つ排気マニホールドの圧力上昇によりポンピングロスが更に増大するという条件下では、パワータービンの出力よりもポンピングロスの悪化分が上まわりがちで良好な燃費向上を図ることが難しかった。
【００１２】
尚、高圧ループを通して必要量の排気ガスを再循環させるためにターボチャージャのタービンのノズルベーン開度を絞り込まなければならない理由につき補足しておくと、高圧ループで排気ガスが再循環される吸気マニホールドの入口付近は、ターボチャージャのコンプレッサにより過給された後の高圧条件となっているため、ここに排気ガスを無理なく再循環させるためには、前記タービンのノズルベーン開度を絞り込んで排気マニホールドの圧力を高め、排気ガスが再循環される吸気側に対する十分な差圧を確保しなければならなかったのである。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、高圧ループを備えたエンジンであっても、ＮＯx吸蔵還元触媒等のＮＯx低減触媒を経て温度上昇した排気ガスからパワータービンにより効率良く動力回収して燃費向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、排気マニホールドから送り出される排気ガスから動力回収して吸気を過給するターボチャージャと、該ターボチャージャを経た排気ガス中のＮＯxを浄化処理し得るよう排気管の途中に装備されたＮＯx低減触媒と、該ＮＯx低減触媒より上流でＮＯxの浄化処理に必要な還元剤として燃料を添加する燃料添加手段と、前記排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループとを備えたエンジンに適用するための燃費低減システムであって、ＮＯx低減触媒の下流に設けられ且つ該ＮＯx低減触媒を経た排気ガスから動力回収してエンジン側へ補助動力として伝達するパワータービンと、該パワータービンより下流の排気管から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサの入口付近に再循環する低圧ループとを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、このようにすれば、ＮＯx低減触媒上で燃料添加手段からの添加燃料を還元剤とする反応により生じた反応熱で排気ガスが温度上昇して膨張し、そのままパワータービンに導入されて動力回収されるため、該パワータービンにて排気ガスの余剰エネルギーが効率良く動力回収されてエンジン側への補助動力として有効活用されることになる。
【００１６】
更に、パワータービンを経た排気ガスの一部は、低圧ループを通してターボチャージャのコンプレッサの入口付近に再循環されることになるが、この排気ガスは、前記ＮＯx低減触媒での添加燃料を還元剤とする反応によりＯ2濃度が低下しているため、低圧ループを介して再循環される排気ガスは、吸気マニホールドにおけるＯ2濃度の低下に貢献することになる。
【００１７】
この結果、吸気マニホールドのＯ2濃度を所定値まで下げるのに必要な高圧ループ側の排気ガスの再循環量が従来よりも少なくて済み、パワータービンを通る排気ガスの流量が従来よりも多く確保されて前記パワータービンの出力が高まることになり、しかも、ターボチャージャのタービンのノズルベーン開度を開けて排気マニホールドの圧力を従来より下げても高圧ループ側で必要な排気ガスの再循環量（従来より少なくて済む再循環量）が確保されるため、前記排気マニホールドの圧力低下によりポンピングロスの大幅な低減が図られることになる。
【００１８】
更に、本発明においては、パワータービンと低圧ループの排気抜き出し箇所との間にパティキュレートフィルタを介装するようにしても良く、このようにすれば、パティキュレートフィルタを経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガスを低圧ループを介して再循環することが可能となる。
【００１９】
また、本発明においては、パワータービンとＮＯx低減触媒との間にパティキュレートフィルタを介装するようにしても良く、このようにすれば、比較的清浄な排気ガスを低圧ループを介して再循環することが可能となる上に、パティキュレートフィルタ内で捕集済みの煤が燃焼した時の熱も前記パワータービンで回収することが可能となり、しかも、パティキュレートフィルタを経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガスをパワータービンに導くことが可能となる。
【００２０】
尚、本発明においては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ2濃度が低下した時にＨＣの介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒をＮＯx低減触媒としても良く、また、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒をＮＯx低減触媒としても良い。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明の燃費低減システムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００２２】
（Ｉ）パワータービンを通る排気ガスの流量を従来よりも増やして前記パワータービンの出力を高めることができ、しかも、排気マニホールドの圧力を従来より下げてエンジンのポンピングロスを大幅に低減することができるので、高圧ループを備えたエンジンであっても、ＮＯx低減触媒を経て温度上昇した排気ガスからパワータービンにより効率良く動力回収して前記エンジンの燃費を大幅に向上することができる。
【００２３】
（ＩＩ）パワータービンと低圧ループの排気抜き出し箇所との間にパティキュレートフィルタを介装した構成を採用すれば、パティキュレートフィルタを経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガスを低圧ループを介して再循環することができてターボチャージャのコンプレッサやインタークーラ等の煤による汚染を防ぐことができる。
【００２４】
（ＩＩＩ）パワータービンとＮＯx低減触媒との間にパティキュレートフィルタを介装した構成を採用すれば、前記（ＩＩ）の効果に加えて、パティキュレートフィルタ内で捕集済みの煤が燃焼した時の熱も前記パワータービンで回収することができてエンジンの更なる燃費向上を図ることができ、しかも、パティキュレートフィルタを経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガスをパワータービンに導くことができて該パワータービンの煤による汚染を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の別の形態例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１は可変ノズル式のターボチャージャ２（バリアブルジオメトリーターボチャージャ）を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。
【００２８】
更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてあり、該排気管１１の途中には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス９中のＯ2濃度が低下した時にＨＣの介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒１２（ＮＯx低減触媒）が触媒ケース１３に抱持されて装備されている。
【００２９】
また、前記触媒ケース１３の入側の排気管１１に、ＮＯxの浄化処理に必要な還元剤として燃料を添加する燃料添加装置１４（燃料添加手段）が設けられており、該燃料添加装置１４により定期的に燃料を添加することで排気ガス９中のＯ2濃度を低下してＮＯxの分解放出を促し、その分解放出されたＮＯxをＮＯx吸蔵還元触媒１２上でＨＣの介在により還元浄化し得るようにしてある。
【００３０】
また、排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７の入口付近の吸気管５との間が高圧ループ１５により接続されており、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部が水冷式のＥＧＲクーラ１６及びＥＧＲバルブ１７を介して吸気マニホールド７の入口付近に再循環されるようになっており、排気系から吸気系へ再循環された排気ガス９で各気筒８内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。
【００３１】
そして、このように構成されたディーゼルエンジン１にあっては、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１２の下流に、該ＮＯx吸蔵還元触媒１２を経た排気ガス９から動力回収してディーゼルエンジン１側へ補助動力として伝達するパワータービン１８が設けられており、該パワータービン１８により回収された動力は、図示しないギアトレーン、流体継手等を介してディーゼルエンジン１のクランクシャフトに伝達されるようになっている。尚、ディーゼルエンジン１に電動アシスト機構が付設されている場合には、パワータービン１８により回収した動力で発電機を駆動して発電を行い、その発電した電力を前記電動アシスト機構を介し前記ディーゼルエンジン１の補助動力として活用するようにしても良い。
【００３２】
更に、前記パワータービン１８より下流の排気管１１と、前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口付近の吸気管５との間が低圧ループ１９により接続されており、前記パワータービン１８より下流の排気管１１から抜き出した排気ガス９の一部がＥＧＲバルブ２０を介して前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口付近に再循環されるようになっている。
【００３３】
尚、ここに図示している例では、パワータービン１８と低圧ループ１９の排気抜き出し箇所との間にパティキュレートフィルタ２１がフィルタケース２２に抱持されて介装されており、前記パティキュレートフィルタ２１を経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガス９が低圧ループ１９を介して再循環されるようになっている。
【００３４】
而して、このようにすれば、ＮＯx吸蔵還元触媒１２上で燃料添加装置１４からの添加燃料を還元剤とする反応により生じた反応熱で排気ガス９が温度上昇して膨張し、そのままパワータービン１８に導入されて動力回収されるため、該パワータービン１８にて排気ガス９の余剰エネルギーが効率良く動力回収されてディーゼルエンジン１側への補助動力として有効活用されることになる。
【００３５】
更に、パワータービン１８を経た排気ガス９の一部は、低圧ループ１９を通してターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの入口付近に再循環されることになるが、この排気ガス９は、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１２での添加燃料を還元剤とする反応によりＯ2濃度が低下しているため、低圧ループ１９を介して再循環される排気ガス９は、吸気マニホールド７におけるＯ2濃度の低下に貢献することになる。
【００３６】
この結果、吸気マニホールド７のＯ2濃度を所定値まで下げるのに必要な高圧ループ１５側の排気ガス９の再循環量が従来よりも少なくて済み、パワータービン１８を通る排気ガス９の流量が従来よりも多く確保されて前記パワータービン１８の出力が高まることになり、しかも、ターボチャージャ２のタービンのノズルベーン開度を開けて排気マニホールド１０の圧力を従来より下げても高圧ループ１５側で必要な排気ガス９の再循環量（従来より少なくて済む再循環量）が確保されるため、前記排気マニホールド１０の圧力低下によりポンピングロスの大幅な低減が図られることになる。
【００３７】
従って、上記形態例によれば、パワータービン１８を通る排気ガス９の流量を従来よりも増やして前記パワータービン１８の出力を高めることができ、しかも、排気マニホールド１０の圧力を従来より下げてディーゼルエンジン１のポンピングロスを大幅に低減することができるので、高圧ループ１５を備えたディーゼルエンジン１であっても、ＮＯx吸蔵還元触媒１２を経て温度上昇した排気ガス９からパワータービン１８により効率良く動力回収して前記ディーゼルエンジン１の燃費を大幅に向上することができる。
【００３８】
更に、特に本形態例においては、パワータービン１８と低圧ループ１９の排気抜き出し箇所との間にパティキュレートフィルタ２１を介装しているので、該パティキュレートフィルタ２１を経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガス９を低圧ループ１９を介して再循環することができてターボチャージャ２のコンプレッサ２ａやインタークーラ６等の煤による汚染を防ぐことができる。
【００３９】
また、図２は本発明の別の形態例を示すもので、図１におけるパワータービン１８とパティキュレートフィルタ２１を逆の配置とし、パワータービン１８とＮＯx吸蔵還元触媒１２との間にパティキュレートフィルタ２１を介装したものとなっている。
【００４０】
このようにすれば、前述の図１の形態例の場合と同様に、比較的清浄な排気ガス９を低圧ループ１９を介して再循環することができてターボチャージャ２のコンプレッサ２ａやインタークーラ６等の煤による汚染を防ぐことができることに加え、パティキュレートフィルタ２１内で捕集済みの煤が燃焼した時の熱も前記パワータービン１８で回収することができてディーゼルエンジン１の更なる燃費向上を図ることができ、しかも、パティキュレートフィルタ２１を経て煤を捕集された比較的清浄な排気ガス９をパワータービン１８に導くことができて該パワータービン１８の煤による汚染を防ぐこともできる。
【００４１】
更に、前述した図１及び図２の形態例においては、ＮＯx低減触媒がＮＯx吸蔵還元触媒１２である場合で説明しているが、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒をＮＯx低減触媒として採用しても良いことは勿論であり、この種の選択還元型触媒をＮＯx低減触媒として採用した場合にも、燃料添加装置１４からの添加燃料を還元剤とする反応により、排気ガス９が反応熱で温度上昇し且つ該排気ガス９のＯ2濃度が低下するため、前述した図１及び図２の形態例と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
尚、本発明の燃費低減システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、ＮＯx低減触媒より上流の排気管に燃料添加手段を設けた場合を例示しているが、燃料添加手段としてエンジンの各気筒への燃料噴射を担う燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしたり、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしたりしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ディーゼルエンジン（エンジン）
２  ターボチャージャ
２ａ  コンプレッサ
７  吸気マニホールド
９  排気ガス
１０  排気マニホールド
１１  排気管
１２  ＮＯx吸蔵還元触媒（ＮＯx低減触媒）
１４  燃料添加装置（燃料添加手段）
１５  高圧ループ
１８  パワータービン
１９  低圧ループ
２１  パティキュレートフィルタ
【図１】
2011163176.tif 000003
【図２】
2011163176.tif 000004