特許 5876281 ディーゼルエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5876281

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】ディーゼルエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/00 20160101AFI20160218BHJP

   F02M 26/02 20160101ALI20160218BHJP

   F02M 26/14 20160101ALI20160218BHJP

   F02M 26/35 20160101ALI20160218BHJP

   F02D 23/00 20060101ALI20160218BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20160218BHJP

【ＦＩ】

   F02M25/07 570D

   F02M25/07 570P

   F02M25/07 580A

   F02M25/07 580D

   F02D23/00 J

   F02D21/08 311B

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-274469(P2011-274469)

(22)【出願日】2011年12月15日

(65)【公開番号】特開2013-124615(P2013-124615A)

(43)【公開日】2013年6月24日

【審査請求日】2014年10月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】富士重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123696

【弁理士】

【氏名又は名称】稲田 弘明

(74)【代理人】

【識別番号】100100413

【弁理士】

【氏名又は名称】渡部 温

(72)【発明者】

【氏名】坂本 繁

【審査官】 津田 健嗣

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１５６２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９７９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３２０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５６６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１８８２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−８６９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７４３７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｍ ２５／０７

Ｆ０２Ｄ ２１／０８

Ｆ０２Ｄ ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排ガスによって駆動されるタービン及び前記タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、
前記タービンの下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第１のＥＧＲ流路と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第２のＥＧＲ流路と、
前記第１のＥＧＲ流路と前記第２のＥＧＲ流路とを切替える切替手段とを備え、
前記切替手段は、エンジンの負荷状態が所定の高負荷状態にあるときは前記第１のＥＧＲ流路から排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入し、前記高負荷状態よりも負荷が低い所定の低負荷状態にあるときは前記第２のＥＧＲ流路から排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入すること
を特徴とするディーゼルエンジン。

【請求項2】

前記切替手段は、前記第２のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを、前記第１のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に還流可能であること
を特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。

【請求項3】

排ガスによって駆動されるタービン及び前記タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、
前記タービンの下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第１のＥＧＲ流路と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第２のＥＧＲ流路と、
前記第１のＥＧＲ流路と前記第２のＥＧＲ流路とを切替える切替手段とを備え、
前記切替手段は、前記第２のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを、前記第１のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に還流可能であること
を特徴とするディーゼルエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特に、燃費を悪化させることなくＥＧＲガス量を増加させることが可能なものに関する。

【0002】

ディーゼルエンジンにおいて、排ガス中に含まれるＮＯｘを低減するため、排気系から排ガスの一部を抽出し、吸気系に導入することによって、燃焼温度を低下させる排ガス再循環（ＥＧＲ）を行うことが一般的である。
従来、エンジンから出た排ガスを、ターボチャージャのタービン上流側から抽出し、コンプレッサ下流側の吸気管路内に導入する高圧ＥＧＲが知られている。
また、ＥＧＲガスを吸気系の比較的低圧の部分に導入するとともに吸気温度を低下させて大量ＥＧＲを可能とするため、タービンの下流側に設けられ排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の下流側から排ガスを抽出し、吸気系におけるコンプレッサの上流側に導入する低圧ＥＧＲが知られている。

【0003】

ディーゼルエンジンのＥＧＲに関する従来技術として、例えば特許文献１には、排ガスの後処理装置の下流側から抽出した排ガスを、機械式過給機の上流側に導入するとともに、温度変化によるコンプレッサの破損を防止するよう過給圧を制御することが記載されている。
また、特許文献２には、ＤＰＦの下流側から抽出した排ガスをターボチャージャのコンプレッサ上流側に導入するとともに、ＤＰＦ上流側とＥＧＲクーラ下流側との差圧を用いてＤＰＦの詰まり判定を行うことが記載されている。
また、特許文献３には、タービンの下流側かつＤＰＦの上流側から抽出した排ガスを、コンプレッサの上流側又は下流側に導入することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−２９９５３７号公報

【特許文献2】特開２０１０−２１６４４９号公報

【特許文献3】特開２０１１− ５８４２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＤＰＦの下流側から排ガスを抽出する低圧ＥＧＲ（ＬＰ−ＥＧＲ）を行なうと、コンプレッサによる過給前の低圧場に排ガスを導入するため、大量のＥＧＲを行なうことが可能となり、また、タービンの上流側から排ガスを抽出する高圧ＥＧＲ（ＨＰ−ＥＧＲ）と異なり、排ガスが全てタービンを通るため、排気エネルギの回収をより有効に行なうことができる。
さらに、ＥＧＲされる排ガスはＥＧＲクーラ及びインタークーラで２回冷却されるので、ＥＧＲガスの温度を下げることができる。
しかし、ＤＰＦの下流側においては、排ガスの圧力が比較的低く吸気側との差圧が小さいため、ＥＧＲ量を増加させるためには排気絞りバルブで排気の圧力を高める必要があり、ポンピングロスの増加による燃費悪化の要因となる。

【0006】

これに対し、特許文献３に記載された技術のように、ＤＰＦの上流側から排ガスを抽出して中圧ＥＧＲ（ＭＰ−ＥＧＲ）することができれば、ＤＰＦ下流側よりも高圧の排ガスを得ることができ、ポンピングロスを悪化させずにＥＧＲ量を増加させることが容易となる。
しかし、ＤＰＦの上流側から排ガスを抽出する場合、排ガスの温度が低くなる低負荷時に、ＥＧＲガスの抽出によってＤＰＦに直接導入される排ガス量が減少すると、ＤＰＦの温度が低下することが懸念される。
ＤＰＦにスート（煤）が堆積した状態でＤＰＦの温度が低下すると、ＤＰＦ再生モード時により多くの燃料を強制的に噴射する必要があり、燃費が悪化するとともに排ガス、騒音が悪化することから、ＤＰＦの温度を下げないようにすることは重要である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、燃費を悪化させることなくＥＧＲガス量を増加させることが可能なディーゼルエンジンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、排ガスによって駆動されるタービン及び前記タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、前記タービンの下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第１のＥＧＲ流路と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第２のＥＧＲ流路と、前記第１のＥＧＲ流路と前記第２のＥＧＲ流路とを切替える切替手段とを備え、前記切替手段は、エンジンの負荷状態が所定の高負荷状態にあるときは前記第１のＥＧＲ流路から排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入し、前記高負荷状態よりも負荷が低い所定の低負荷状態にあるときは前記第２のＥＧＲ流路から排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入することを特徴とするディーゼルエンジンである。
これによれば、低負荷時には第２のＥＧＲ流路を用いたＬＰ−ＥＧＲを行なうことによって、排ガスの全量がディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を通過することになるため、ＤＰＦの温度低下を防止して燃料を多量に消費するＤＰＦ再生モードの実行頻度を下げ、燃費の悪化を防止することができる。
一方、大量のＥＧＲガスが必要となる中負荷以上の場合には、第１のＥＧＲ流路を用いたＭＰ−ＥＧＲとすることによって、ＤＰＦ上流側の排ガス圧力が高い箇所から排ガスを抽出し、燃費悪化を伴う排気絞り等を行なうことなくＥＧＲガス量を増加させることができる。
なお、中負荷以上の場合には、排ガス温度は十分に高いため、一部をＥＧＲガスとして抽出し、ＤＰＦを直接通過する排ガスの量が減ったとしても、ＤＰＦの温度低下は許容し得る範囲内となる。

【0009】

請求項２に係る発明は、前記切替手段は、前記第２のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを、前記第１のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に還流可能であることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンである。
請求項３に係る発明は、排ガスによって駆動されるタービン及び前記タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、前記タービンの下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第１のＥＧＲ流路と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを前記コンプレッサの上流側に導入する第２のＥＧＲ流路と、前記第１のＥＧＲ流路と前記第２のＥＧＲ流路とを切替える切替手段とを備え、前記切替手段は、前記第２のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側から抽出された排ガスを、前記第１のＥＧＲ流路を用いて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に還流可能であることを特徴とするディーゼルエンジンである。
これらの各発明によれば、ＤＰＦの温度が低下しやすいコースト（惰行）時に、高温の排ガスをＤＰＦに循環させることによって、ＤＰＦの温度低下を抑制することができる。

【発明の効果】

【0010】

以上説明したように、本発明によれば、燃費を悪化させることなくＥＧＲガス量を増加させることが可能なディーゼルエンジンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明を適用したディーゼルエンジンの実施例の構成を示す図であって、低負荷時の状態を示す図である。

【図2】本発明を適用したディーゼルエンジンの実施例の構成を示す図であって、中負荷以上時の状態を示す図である。

【図3】本発明を適用したディーゼルエンジンの実施例の構成を示す図であって、コースト時の状態を示す図である。

【図4】排気系の各部位における排ガス圧力の推移を模式的に示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明は、燃費を悪化させることなくＥＧＲガス量を増加させることが可能なディーゼルエンジンを提供する課題を、ＤＰＦの下流側から抽出した排ガスをコンプレッサの上流側に導入するＬＰ−ＥＧＲと、ＤＰＦの上流側から抽出した排ガスをコンプレッサの上流側に導入するＭＰ−ＥＧＲとを切替可能とすることによって解決した。

【実施例】

【0013】

以下、本発明を適用したディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）について説明する。
図１は、実施例のエンジンの構成を示す図であって、低負荷時の状態を示す図である。
図２は、実施例のエンジンの構成を示す図であって、中負荷以上時の状態を示す図である。
図３は、実施例のエンジンの構成を示す図であって、コースト時の状態を示す図である。

【0014】

エンジン１０は、ターボチャージャ２０、吸気系３０、排気系４０、ＥＧＲ装置５０等を備えて構成されている。
エンジン１０は、例えば乗用車等の自動車の走行用動力として用いられる４ストロークのコモンレール直噴ディーゼルエンジンである。

【0015】

ターボチャージャ２０は、エンジン１０の排ガスのエネルギを用いて、燃焼用空気（新気）を圧縮する過給機である。
ターボチャージャ２０は、コンプレッサ２１、タービン２２を備えている。
コンプレッサ２１は、新気を圧縮する遠心式圧縮機である。
タービン２２は、排気エネルギを用いてコンプレッサ２１を駆動する可変ノズルタービンである。

【0016】

吸気系３０は、エンジン１０に空気を導入するものであって、インテークダクト３１、エアクリーナ３２、インタークーラ３３、スロットル３４、インテークマニホールド３５等を備えて構成されている。
インテークダクト３１は、外部から導入した空気をエンジン１０に導入する管路である。
エアクリーナ３２は、インテークダクト３１の上流側の端部に設けられ、外部から導入された空気を濾過し、ダスト等を除去するものである。エアクリーナ３２を出た空気は、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１に導入され、ここで圧縮される。
インタークーラ３３は、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１を出た空気を、走行風との熱交換によって冷却するものである。
スロットル３４は、インタークーラ３３の下流側に設けられ、運転状態により吸入空気量を絞るものである。
インテークマニホールド３５は、スロットル３４から出た空気を、エンジン１０の各気筒の吸気ポートに分配する分岐管である。

【0017】

排気系４０は、エンジン１０から出た排ガス（既燃ガス）を後処理して外部へ排出するものである。
排気系４０は、エキゾーストマニホールド４１、エキゾーストパイプ４２、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４３、排気絞りバルブ４４、マフラ４５等を有して構成されている。
エキゾーストマニホールド４１は、エンジン１０の各気筒の排気ポートから出た排ガスを集合させ、ターボチャージャ２０のタービン２２に導入するものである。
エキゾーストパイプ４２は、タービン２２から出た排ガスを外部に排出する管路である。
ＤＰＦ４３は、エキゾーストパイプ４２の中間部に設けられ、排ガス中のスート（煤）等の粒子状物質を捕集するものである。
排気絞りバルブ４４は、エキゾーストパイプ４２におけるＤＰＦ４３の下流側に設けられ、運転状態等に応じて排気を絞るものである。
マフラ４５は、排ガスの音響エネルギを低減する消音器である。

【0018】

ＥＧＲ装置５０は、排気系４０から排ガスの一部を抽出し、これをＥＧＲガスとしてインテークダクト３１におけるコンプレッサ２１の上流側に導入するものである。
ＥＧＲ装置５０は、第１ＥＧＲライン５１、第２ＥＧＲライン５２、ＥＧＲ導入ライン５３、ＥＧＲクーラ５４、ＥＧＲバルブ５５、切替弁５６〜５８等を有して構成されている。
第１ＥＧＲライン５１は、エキゾーストパイプ４２におけるタービン２２の下流側でありかつＤＰＦ４３の上流側の領域と連通し、排ガスを抽出するＥＧＲ流路である。
第２ＥＧＲライン５２は、エキゾーストパイプ４２におけるＤＰＦ４３の下流側でありかつ排気絞りバルブ４４の上流側の領域と連通し、排ガスを抽出するＥＧＲ流路である。
第１ＥＧＲライン５１及び第２ＥＧＲライン５２は、下流側の端部において集合してＥＧＲ導入ライン５３に接続され、これらは相互に連通している。

【0019】

ＥＧＲ導入ライン５３は、第１ＥＧＲライン５１、第２ＥＧＲライン５２から導入された排ガスを、インテークダクト３１内に導入するＥＧＲ流路である。
ＥＧＲクーラ５４は、ＥＧＲ導入ライン５３の途中に設けられ、通過する排ガスを冷却水等との熱交換によって冷却するものである。
ＥＧＲバルブ５５は、ＥＧＲ導入ライン５３におけるＥＧＲクーラ５４の下流側に設けられ、インテークダクト３１内に導入される排ガス量（ＥＧＲガス量）を調節するものである。

【0020】

切替弁５６は、第１ＥＧＲライン５１の途中に設けられた開閉弁である。
切替弁５７は、第２ＥＧＲライン５２の途中に設けられた開閉弁である。
切替弁５８は、ＥＧＲ導入ライン５３の途中に設けられた開閉弁である。
上述したＥＧＲバルブ５５及び切替弁５６〜５８は、図示しないエンジン制御ユニットによって、エンジン１０の運転状態に応じて開閉及び開度が切り替えられる。

【0021】

以下、上述したＥＧＲ装置５０の動作について説明する。
図１に示す低負荷時においては、切替バルブ５６を閉じるとともに、切替バルブ５７，５８を開くことによって、ＤＰＦ４３の下流側から、第２ＥＧＲライン５２により抽出された排ガスをＥＧＲするＬＰ−ＥＧＲを行なう。
このようなＬＰ−ＥＧＲにおいては、エンジン１０から出た排ガスの全量が直接ＤＰＦ４３を通過するため、排ガスの温度が低い低負荷時であっても、ＤＰＦ４３の温度低下を防止し、多量の燃料を消費するＤＰＦ再生モードが実行される頻度を低減し、燃費を向上することができる。

【0022】

図２に示す中負荷〜高負荷時においては、切替バルブ５６，５８を開くとともに、切替バルブ５７を閉じることによって、ＤＰＦ４３の上流側から、第１ＥＧＲライン５１により抽出された排ガスをＥＧＲするＭＰ−ＥＧＲを行なう。このようなＬＰ−ＥＧＲからＭＰ−ＥＧＲへの切替は、エンジン１０の負荷状態が、ＬＰ−ＥＧＲを行なう所定の低負荷状態よりも高負荷である所定の高負荷状態となった場合に行われる。また、その後エンジン１０の負荷状態が低負荷状態に戻った場合には、ＭＰ−ＥＧＲからＬＰ−ＥＧＲへの切替が行なわれる。
図４は、排気系の各部位における排ガス圧力の推移を模式的に示すグラフである。
図４に示すように、排ガス圧力は、エンジン１０のポート直下から、タービン２２、ＤＰＦ４３を順次通過する際に逐次低下する。このため、ＬＰ−ＥＧＲにおいては、排ガス圧力が下がったところから排ガスを抽出するため、新気側との圧力差が小さく、多量のＥＧＲガスが必要となる中負荷、高負荷領域では、燃費悪化を伴う排気絞り等を行なわなければ必要なＥＧＲガス量を確保することが困難である。

【0023】

ＭＰ−ＥＧＲにおいては、ＬＰ−ＥＧＲよりも圧力が高いＤＰＦ４３の上流側から排ガスを抽出することによって、排気絞りバルブ４４の絞り量を大きくしなくてもＥＧＲガス量を増加させることが可能となり、ポンピングロス増加による燃費悪化を防止することができる。
また、過給前の低圧場にＥＧＲガスを導入することによって、大量のＥＧＲガスを吸気系２０に導入することができる。
さらに、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ５４及びインタークーラ３３で２段冷却されることによって、エンジン１０に導入されるＥＧＲガスの温度を低下させることができる。

【0024】

図３に示すコースト（惰行）時においては、切替バルブ５６，５７を開くとともに、切替バルブ５８を閉じ、排気絞りバルブ４４を絞ることによって、ＤＰＦ４３の下流側から出た排ガスをＤＰＦ４３の上流側に導入し、高温の排ガスをループさせる。
これによって、燃料の噴射カットが実行されＤＰＦ４３の温度が低下しやすいコースト時に、ＤＰＦ４３を高温に維持し、ＤＰＦ再生モードが実行される頻度を低減して燃費悪化を防止することができる。
以上説明したように、本実施例によれば、燃費を悪化させることなくＥＧＲガス量を増加させることが可能なディーゼルエンジンを提供することができる。

【0025】

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、ディーゼルエンジン及びその補機類の構成や配置は、上述した実施例に限定されず、適宜変更することが可能である。
例えば、排気系は、実施例で示した構成以外に、酸化触媒や選択還元触媒等を備える構成としてもよい。

【符号の説明】

【0026】

１０ エンジン ２０ ターボチャージャ
２１ コンプレッサ ２２ タービン
３０ 吸気系 ３１ インテークダクト
３２ エアクリーナ ３３ インタークーラ
３４ スロットル ３５ インテークマニホールド
４０ 排気系 ４１ エキゾーストマニホールド
４２ エキゾーストパイプ ４３ ディーゼルパティキュレートフィルタ
４４ 排気絞りバルブ ４５ マフラ
５０ ＥＧＲ装置 ５１ 第１ＥＧＲライン
５２ 第２ＥＧＲライン ５３ ＥＧＲ導入ライン
５４ ＥＧＲクーラ ５５ ＥＧＲバルブ
５６〜５８ 切替バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】