(57)【要約】【課題】ＥＧＲクーラ内にヒートパイプの受熱部を設置し、このヒートパイプを用いてＥＧＲガスの熱を排気ガス浄化装置に供給する排気ガス浄化システムにおいて、ヒートパイプの流動流体の温度を適用温度範囲内に維持して、高効率でＥＧＲガスの熱を排気ガス浄化装置に供給することができて、排気ガス浄化装置の昇温及び高温状態の維持が容易で、排気ガスの浄化率を向上することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化浄化システムの制御方法を提供する。【解決手段】ヒートパイプ８をＥＧＲクーラ６を冷却するための冷却水Ｗで冷却可能に構成すると共に、排気ガス温度Ｔｅｘｈに応じて、前記ヒートパイプ８の適用温度を維持するように前記ヒートパイプ８の冷却を行う制御装置１３ａを設ける。【選択図】図１
2008286112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス通路に排気ガス浄化装置を備え、ヒートパイプの受熱部をＥＧＲクーラ内に設置し、前記ヒートパイプを用いた熱交換により、ＥＧＲガスの熱を前記排気ガス浄化装置の昇温に用いる排気ガス浄化システムにおいて、
前記ヒートパイプをＥＧＲクーラを冷却するための冷却水で冷却可能に構成すると共に、排気ガス温度に応じて、前記ヒートパイプの適用温度を維持するように前記ヒートパイプの冷却を行う制御装置を設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記制御装置が、前記ＥＧＲクーラに流入する排気ガスの温度が前記ヒートパイプの作動温度限界域値を越えた時に前記ヒートパイプの冷却する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
内燃機関の排気ガス通路に排気ガス浄化装置を備え、ヒートパイプの受熱部をＥＧＲクーラ内に設置し、前記ヒートパイプを用いた熱交換により、ＥＧＲガスの熱を前記排気ガス浄化装置の昇温に用いると共に、前記ヒートパイプをＥＧＲクーラを冷却するための冷却水で冷却可能に構成した排気ガス浄化システムの制御方法において、
排気ガス温度に応じて、前記ヒートパイプの適用温度を維持するように前記ヒートパイプの冷却を行うことを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
【請求項４】
前記ＥＧＲクーラに流入する排気ガスの温度が前記ヒートパイプの作動温度限界域値を越えた時に前記ヒートパイプの冷却することを特徴とする請求項３記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス通路に、酸化触媒、ＮＯｘ浄化触媒、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）等を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスに対する規制は年々厳しくなってきており、その規制値の達成には、燃焼によるエンジン本体からの排出ガスの改善のみならず、エンジンから出た後の排気管中に設置した排気ガス浄化装置（後処理装置）による排気ガスの浄化が必要となってきている。
【０００３】
代表的なディーゼルエンジンの後処理技術としては、酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒による炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の酸化、還元による浄化や、ＤＰＦによる粒子状物質（ＰＭ）の捕集による浄化等がある。
【０００４】
このような排気ガス浄化装置内の触媒反応速度は、触媒温度に依存しており、酸化還元反応の活性は触媒温度が高い方が高くなる。そのため、排気ガスを高効率で浄化するためには、触媒温度を常に高温に維持することが望ましいが、ディーゼルエンジン搭載の重量車両が軽負荷で運転された場合は、２００℃以下の低温の排気ガスが、高い頻度で排気ガス浄化処理装置内を流れることになる。そのため、触媒の昇温を効率よく進めることができず、また、触媒の高温状態の維持も難しくなり、触媒活性が高い温度域での排気ガス浄化装置の利用の頻度が低くなる。例えば、このディーゼルエンジン搭載の重量車両に対する、日本国内での重量車排出ガス規制における排ガス試験モードであるＪＥ−０５モードにおいては、そのモードの大半が軽負荷域での運転となっている。
【０００５】
そのため、触媒の昇温を図ることが重要になるので、例えば、ヒートポンプを利用して、排気ガス温度の高い排気管の上流部分に吸熱部を、下流側のＤＰＦ（通気式浄化材）の直前位置に放熱部を設けて、上流部分の熱をＤＰＦの直前位置に熱輸送してＤＰＦを昇温して、通気式浄化材が活性を有する運転領域の拡大を図っている排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００６】
図３に示すように、このヒートパイプ８は封入した作動流体により受熱及び放熱を行う熱交換器である。原理としては、ヒートパイプ８内の受熱部８ａにある液相の作動流体が外部からの加熱により蒸発し、放熱部８ｂにおいて外部への放熱により液相へ凝縮される。凝縮された作動流体は液相としてウィック８ｃによる毛細管作用により再び受熱部へ戻る。このウィック８ｃは金属細線を編んだものや、焼結金属等で形成され、毛細管作用を利用して液相の作動流体を放熱部８ｂから受熱部８ａに移送するためのものである。このヒートパイプ８は内部に封入した作動流体の蒸発及び凝縮のみで熱交換するため、作動流体の適用範囲内での使用であれば、その動作は半永久的に継続される。作動流体が水の場合には、ヒートパイプの適用温度域は約３０℃〜３００℃程度となる。
【０００７】
このヒートパイプはその作動流体によって適用可能温度領域が決まり、低負荷の排気ガスの低温時、例えば、ＪＥ−０５モードの開始時等から熱交換を行うためには、適用温度が低温側をカバーする流体が必須となる。その場合に作動流体として現在最も有効と考えられるのは、水であるが、適用温度の上限は３００℃程度であり、高負荷運転時の高温のＥＧＲガスが流入してきた場合には、ヒートパイプ内は適用温度を超えて、適用温度の上限を超えてしまうという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１９５０２３号公報
【特許文献２】特開２００５−９８１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＥＧＲクーラ内にヒートパイプの受熱部を設置し、このヒートパイプを用いてＥＧＲガスの熱を排気ガス浄化装置に供給する排気ガス浄化システムにおいて、ヒートパイプの流動流体の温度を適用温度範囲内に維持して、高効率でＥＧＲガスの熱を排気ガス浄化装置に供給することができて、排気ガス浄化装置の昇温及び高温状態の維持が容易で、排気ガスの浄化率を向上することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化浄化システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガス通路に排気ガス浄化装置を備え、ヒートパイプの受熱部をＥＧＲクーラ内に設置し、前記ヒートパイプを用いた熱交換により、ＥＧＲガスの熱を前記排気ガス浄化装置の昇温に用いる排気ガス浄化システムにおいて、前記ヒートパイプをＥＧＲクーラを冷却するための冷却水で冷却可能に構成すると共に、排気ガス温度に応じて、前記ヒートパイプの適用温度を維持するように前記ヒートパイプの冷却を行う制御装置を設けて構成する。
【００１０】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記ＥＧＲクーラに流入する排気ガスの温度が前記ヒートパイプの作動温度限界域値を越えた時に前記ヒートパイプの冷却する制御を行うように構成される。
【００１１】
そして、上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気ガス通路に排気ガス浄化装置を備え、ヒートパイプの受熱部をＥＧＲクーラ内に設置し、前記ヒートパイプを用いた熱交換により、ＥＧＲガスの熱を前記排気ガス浄化装置の昇温に用いると共に、前記ヒートパイプをＥＧＲクーラを冷却するための冷却水で冷却可能に構成した排気ガス浄化システムの制御方法において、排気ガス温度に応じて、前記ヒートパイプの適用温度を維持するように前記ヒートパイプの冷却を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、上記の排気ガス浄化システムの制御方法において、前記ＥＧＲクーラに流入する排気ガスの温度が前記ヒートパイプの作動温度限界域値を越えた時に前記ヒートパイプの冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法によれば、ヒートパイプをＥＧＲクーラを冷却するための冷却水で冷却可能に構成しているので、ＥＧＲガス温度が適用温度内にある場合には、ヒートパイプ側へ冷却水を流さず、また、ＥＧＲガス温度が適用温度を超える場合には、ヒートパイプ側へ冷却水を流して、この冷却水を利用してヒートパイプの冷却を行うことにより、水を作動流体としたヒートパイプを用いて、ＥＧＲガスの熱を排気ガス浄化装置に高効率で供給することができる。従って、排気ガス浄化装置の昇温及び高温状態の維持が容易となり、排気ガス浄化装置による排気ガスの浄化率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。
【００１５】
この排気ガス浄化システム１では、ディーゼルエンジン（Ｅ）２の排気ガス通路３に、排気ガス浄化装置４が配設され、エンジン２のＥＧＲ通路５にはＥＧＲクーラ６とＥＧＲ弁７が設けられる。
【００１６】
この排気ガス浄化装置４は、酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）等で構成されるが、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の場合には、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、モノリス触媒で形成され、コージェライトハニカムなどの担持体に酸化アルミニウム、酸化チタン等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属と、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。
【００１７】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、酸素濃度が高い排気ガスの状態、即ち、リーン空燃比状態の時に、排気ガスＧ中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガスの状態、即ち、リッチ空燃比状態かストイキ空燃比状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
【００１８】
更に、ヒートパイプ８を設ける。このヒートパイプ８の受熱部８ａはＥＧＲクーラ６内に設置されると共に、その放熱部８ｂは排気ガス浄化装置４の周辺に設置される。この放熱部８ｂでは、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒等の触媒担体の周りに空気を滞留させ、その空気に放熱して触媒担体の周囲空気温度を昇温させる。
【００１９】
図３に示すように、このヒートパイプ８は封入した作動流体により受熱及び放熱を行う。ヒートパイプ８内の受熱部８ａにある液相の作動流体が外部からの加熱により蒸発し、放熱部８ｂにおいて外部への放熱により液相へ凝縮される。凝縮された作動流体は液相としてウィック８ｃによる毛細管作用により再び受熱部へ戻る。このウィック８ｃは金属細線を編んだものや、焼結金属等で形成され、毛細管作用を利用して液相の作動流体を放熱部８ｂから受熱部８ａに移送するためのものである。このヒートパイプ８は内部に封入した作動流体の蒸発及び凝縮のみで熱交換するため、作動流体の適用範囲内での使用であれば、その動作は半永久的に継続される。この作動流体が水の場合には、ヒートパイプの適用温度域は約３０℃〜３００℃程度となる。
【００２０】
この構成のヒートパイプ８により、ＥＧＲクーラ６からＥＧＲガスＧｅの熱を受熱して、この受熱した熱を移動し、排気ガス浄化装置４の周辺で放熱することにより、ＥＧＲガスＧｅの熱を利用して排気ガス浄化装置４を加熱して昇温する。また、この構成によれば、ＥＧＲガスＧｅの熱を利用するため、ＥＧＲクーラ６における除熱量を低減できるという効果もある。
【００２１】
また、ＥＧＲクーラ６へのエンジン冷却水Ｗの循環用通路９ａ、９ｂをそれぞれ分岐して、ヒートポンプ８用の冷却水流路１０ａ、１０ｂを設ける。この冷却水流路１０ａ、１０ｂはヒートポンプ８の周囲に設けた冷却用の熱交換部（図示しない）と接続し、この熱交換部を通過する冷却水Ｗによりヒートポンプ８自体を冷却する。この冷却により、ヒートポンプ８が、作動流体（水）の適用温度範囲内（約３０℃〜３００℃程度）に収まるようにする。この熱交換部は、例えば、ヒートパイプ８の外面を二重管構造で構成し、この二重管の間に冷却水Ｗを通過させるような構造で構成できる。
【００２２】
また、エンジン２の排気マニホールド２ａには、排気ガス温度センサ１１を設けてエンジン２から排出される排気ガス温度Ｔｅｘｈを検出する。更に、ヒートポンプ８用の冷却水流路１０ａ、１０ｂの一部に流量調整弁１２を設けて、冷却水流路１０ａ、１０ｂを流れる冷却水の流量調整や流通のオンオフを行う。この流量調整弁１２の制御は、エンジンの制御を行う制御装置１３に設けた制御手段１３ａで行えるようにする。この流量調整弁１２の代りに開閉弁を設けて、この開閉弁の開閉弁操作により、冷却水流路１０ａ、１０ｂを流れる冷却水の流通のオンオフと流量調整を行うように構成してもよい。
【００２３】
この流量調整弁１２又は開閉弁の制御は、図２に示すような制御フローに従って制御される。図２の制御フローはエンジンのスタートと共に、上級の制御フローから呼ばれてスタートし、エンジンの終了と共に上級の制御フローにリターンして終了する制御フローとして示してある。
【００２４】
この図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、排気マニホールド２ａの排気ガス温度センサ８で検出された排気ガス温度Ｔｅｘｈを入力する。次のステップＳ１２で、この排気ガス温度Ｔｅｘｈが所定の判定値Ｔｃ以上であるか否かを判定する。この所定の判定値Ｔｃは、ヒートポンプ８の作動温度限界の閾値であり、例えば、３００℃に設定される。
【００２５】
ステップＳ１２の排気ガス温度の判定で、排気ガス温度Ｔｅｘｈが所定の判定値Ｔｃ以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１３に行き、流量調整弁１１を開弁して、循環用通路９ａ、９ｂの冷却水Ｗをヒートポンプ８用の冷却水流路１０ａ、１０ｂに流通させて、ヒートポンプ８を冷却する。また、排気ガス温度Ｔｅｘｈに応じて、流量調整弁１２の弁開度を調整制御し、冷却水流路１０ａ、１０ｂを流通する冷却水Ｗの流量調整を行う。開閉弁の場合には、この開閉弁の開弁と閉弁の時間調整により流量調整を行う。
【００２６】
また、ステップＳ１２の排気ガス温度の判定で、排気ガス温度Ｔｅｘｈが所定の判定値Ｔｃ以上でない場合（ＮＯ）には、ステップＳ１４に行き、流量調整弁１１を閉弁して、循環用通路９ａ、９ｂの冷却水Ｗがヒートポンプ８用の冷却水流路１０ａ、１０ｂに流通しないようにする。
【００２７】
ステップＳ１３又はステップＳ１４の制御をした後は、その状態を所定の時間（ステップＳ１２の判定のインターバルに関係する時間）の間、維持した後、ステップＳ１１に戻り、これを繰り返す。なお、エンジンがキーオフされたりした場合は、割り込みが生じ、リターンに行き、上級の制御フローに戻り、図２の制御フローを終了する。
【００２８】
上記の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化システムの制御方法によれば、ヒートパイプ８をＥＧＲクーラ６を冷却するための冷却水Ｗで冷却可能に構成しているので、ＥＧＲガス温度Ｔｅｘｈが適用温度内にある場合（Ｔｅｘｈ＜Ｔｃ）には、ヒートパイプ８側へ冷却水Ｗを流さず、また、ＥＧＲガス温度Ｔｅｘｈが適用温度を超える場合（Ｔｅｘｈ≧Ｔｃ）には、ヒートパイプ８側へ冷却水Ｗを流して、この冷却水Ｗを利用してヒートパイプ８の冷却を行うことにより、ＥＧＲクーラ用の冷却水Ｗを利用してヒートパイプ８の過度の昇温を防ぐことができる。
【００２９】
また、排気ガス温度Ｔｅｘｈに応じてヒートパイプ８側へ流入する冷却水Ｗの量を制御することで、ヒートパイプ８の適用温度範囲を超えずにＥＧＲガスＧｅの熱を効率よく排気ガス浄化装置４の昇温に役立てることができる。
【００３０】
そのため、水を作動流体としたヒートパイプ８を用いて、ＥＧＲガスＧｅの熱を排気ガス浄化装置４に高効率で供給することができる。従って、排気ガス浄化装置４の昇温及び高温状態の維持が容易となり、排気ガス浄化装置４による排気ガスＧの浄化率を向上することができる。
【００３１】
図４に、ヒートパイプ８の材質に銅を、作動流体に水を用いて、日本国内の排出ガス規制における、重量車ディーゼルエンジンの排ガス試験モードであるＪＥ−０５モードを走行した際の排気管のテイルパイプから排出されるＮＯｘ量を試算した結果を実施例としてＡで示す。図４では、ヒートパイプ８を用いていない場合の結果の比較例Ｂを１００％で示し、実施例の結果Ａを、比較例Ｂとの相対値で示す。図４の結果によれば、テイルパイプから排出されるＮＯｘ量は、約１１．５％低減している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る排気ガス浄化システムの制御方法の一例を示す制御フローの図である。
【図３】ヒートポンプの原理を説明するための図である。
【図４】実施例と比較例における、ＪＥ−０５モード走行時のテイルパイプからの排出ＮＯｘ量を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    排気ガス浄化システム
２    ディーゼルエンジン（Ｅ）
２ａ  排気マニホールド
３    排気ガス通路
４    排気ガス浄化装置
５    ＥＧＲ通路
６    ＥＧＲクーラ
８    ヒートパイプ
８ａ  受熱部
８ｂ  放熱部
８ｃ  ウィック
９ａ、９ｂ  循環用通路（ＥＧＲクーラ用）
１０ａ、１０ｂ  冷却水流路（ヒートポンプ用）
１１    排気ガス温度センサ
１２    流量調整弁
１３    制御装置
Ｇ    排気ガス
Ｇｅ  ＥＧＲガス
Ｗ    エンジン冷却水
Ｔｅｘｈ  排気ガス温度
Ｔｃ  所定の判定値
【図１】
2008286112.tif 000003
【図２】
2008286112.tif 000004
【図３】
2008286112.tif 000005
【図４】
2008286112.tif 000006