JP2001140631A

JP2001140631A - 内燃機関の排気ガス浄化方法及び装置

Info

Publication number: JP2001140631A
Application number: JP32618699A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Kayama; 智之香山; Yoshimi Kizaki; 好美木崎; Kohei Okumura; 公平奥村; Koji Yokota; 幸治横田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の希薄燃焼型エンジンの問題を解消し、
排気ガスの浄化を効果的に行なう方法及び装置を提供す
ること。【解決手段】内燃機関１１からの排気ガスを内燃機関
の各シリンダからの排気管１２毎に設けられた触媒１３
に通す際に、内燃機関からの排気ガスのパルス的な流れ
の間に、ＮＯ_X 計１５と制御装置１６からの信号に基づ
いて触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射す
ることにより、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成
し、触媒上でのＮＨ₃ の生成、触媒上でのＮＨ₃ の滞留
を向上させ、そのことによりＮＨ₃ による排気ガス中の
ＮＯ_X 還元浄化作用を向上させた内燃機関の排気ガス浄
化方法及びその装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関からの排
気ガスの浄化方法、特に、ディーゼルエンジン、リーン
バーンエンジン、直噴ガソリンエンジン等からの排気ガ
スの浄化に好適な排気ガスの浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン、リーンバーンエン
ジンなどの希薄燃焼型エンジンにおいては、燃料が理論
空燃比よりも少ないことから燃費がよく、ＣＯ₂ 排出量
を削減する観点から見ると非常に有望である。しかし、
その一方では、排出ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ
_X ）を酸化雰囲気中において還元しなくてはならないと
いう問題を含んでいる。リーンバーンエンジンについて
は、リーン雰囲気下で排出されるＮＯ_X を吸蔵してお
き、アイドル時に瞬間的にリッチ条件とした際に還元す
るという「吸蔵還元方式」がとられている。しかし、
「吸蔵還元方式」においては硫黄被毒のためにＮＯ_X 吸
蔵能が低下するという問題が含まれている。また、常に
リーン領域にあるディーゼルエンジンの場合、酸化雰囲
気においてＮＯ_X の還元を行わなくてはならない。その
ため常時還元剤を噴射する方法が知られている。しか
し、ディーゼルエンジンにおける還元剤（軽油）噴射の
場合には、定常的に噴射を行うことから燃費悪化がみら
れるという問題もある。

【０００３】アンモニア発生源として尿素を加水分解す
ることによって、アンモニアをオンボードで得る方法が
公知である（特表平１０−５１１０３８号公報）。この
場合、アンモニアの発生は別に用意されたアンモニア生
成触媒で行ない、ＮＯ_X 浄化触媒とは分離されている。
一方でアンモニアが車外に放出されることも押さえなく
てはならないため、このようにして外部からアンモニア
を導入して還元浄化を行なう際には的確なアンモニア噴
射量の制御を行なわなければならない。また、このよう
なシステムをつくった場合にも、その規模は大掛かりな
ものとなり、乗用車に搭載した場合には希薄燃焼の燃料
消費が少ないというメリットを相殺してしまう。

【０００４】また、ＮＨ₃ を還元剤として使用する場合
に排気温度が十分に高い部分及び十分に高い時期を利用
して、燃料中に硫黄が含まれている場合にも酸性硫安を
生じさせることなく、排気ガス中のＮＯ_X を還元剤によ
り触媒で還元するために、各シリンダ毎に触媒を設け、
還元剤の噴射もシリンダ排気弁の開弁と同時に行なう排
気ガス浄化方法も知られている（特開平６−２８０５４
６号公報）。しかしながら、この方法では、排気温度が
十分に高い部分及び十分に高い時期を利用するためにＮ
Ｏ_X を還元するための還元剤の噴射時期をシリンダ排気
弁の動作と同期させており、触媒反応に最も適したタイ
ミングで還元剤が供給されているとは言えない。

【０００５】従来の三元触媒システム、ＮＯ_X 吸蔵還元
システム、特開平９−３１７４４６号公報に記載のＮＨ
₃ を用いるシステムにおいては、いずれも排気浄化触媒
は排気集合部の下流に設置して排気ガスを定常流として
扱っている。後者の２つについては、希薄燃焼型エンジ
ンに対応したものであるが、両者においてはいずれもＮ
Ｏ_X を吸蔵することを特徴としており、燃料中に硫黄が
多く含まれている場合（特にディーゼルエンジン）には
ＮＯ_X 吸蔵量が低下してしまう。その際には、ＮＯ_X 吸
蔵量を考慮して分単位でリーン運転をおこないＮＯ_Xが
吸蔵されない状態になったらリッチ条件にするという制
御を行っている。ＮＯ _X 吸蔵量が少ない場合にはリッチ
にする割合が多くなる。これは燃費の悪化につながると
いう問題点を有する。このようなことから、ディーゼル
エンジンやリーンバーンエンジンでは、ＮＯ _X の還元反
応は、エンジンのダイナミックな出力変動に対して触媒
性能が十分に活かされていないために、ＮＯ_X の浄化率
があまり高くないのが現状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
のような希薄燃焼型エンジンの問題を解決するために、
酸化雰囲気中においても選択的にＮＯ_X を還元すること
が知られているＮＨ₃ を用いて排気ガスの浄化を効果的
に行なう方法及び装置を提供するものである。また、本
発明の目的は、希薄燃焼エンジンの回転数に応じて、即
ち、エンジンからのパルス的なガス流れの状態に応じて
触媒上でのＮＨ₃ の発生、触媒上でのＮＨ₃ の滞留を制
御し、より効果的に排気ガスの浄化を行う方法及び装置
を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、・各シリンダから排出される排気ガスは、排気脈動を有
していて、パルス的に放出されること、・パルス的に放出された排気ガスは、パルス的に導入さ
れた還元剤とともにパルス的に触媒に導入されること、・そのため、シリンダ毎に触媒を取り付けただけでは、
排気ガスが触媒に導入されるタイミングを制御できない
こと、・ＮＯ_X 含有排気ガスに対しては、ＮＨ₃ を還元剤とし
て用いることが有効であること、即ち、次のような反応
によって排気ガスの浄化が行なわれること第１の反応ＮＯ_X＋ＨＣ＋Ｏ₂→Ｎ₂＋ＮＨ₃＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ第２の反応ＮＯ_X＋ＮＨ₃＋Ｏ₂→Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏを前提としてその改善策について検討すべく、各シリン
ダから排出される排気ガスの流れ，導入される還元剤
（ＨＣ）の流れ、触媒上での排気ガスと還元剤（ＨＣ）
との反応、還元剤としてのＮＨ₃ の生成、ＮＨ₃ による
排気ガスの浄化作用について調査、研究をしていたとこ
ろ、触媒へのパルス的な排気ガスの流れ，パルス的な還
元剤の噴射のタイミングを制御することによって一段と
効果的に触媒浄化反応を行うことができること、即ち、
内燃機関の各シリンダからの排気管毎に触媒を設け、排
気管毎に触媒の排気ガス上流側に還元剤噴射装置を設け
ると共に内燃機関のシリンダからパルス的に排出される
ことに伴う排気ガスのパルス的な流れの間に還元剤をパ
ルス的に噴射することによって、触媒領域においてパル
ス的に還元雰囲気が形成されるようにし、触媒上でのＮ
Ｈ₃ の生成、触媒上でのＮＨ₃ の滞留を制御することが
でき、このことによりエンジンから発生するパルス的な
ガス流れそのものを有効に利用するとともに、発生する
ＮＨ₃ をより有効に活用することができ、一段と効果的
に触媒浄化反応を行うことができること、を見いだし、
本発明を完成したものである。即ち、本発明は、内燃機
関から発生するパルス的なガス流れそのものを有効に利
用するとともに還元剤をパルス的に噴射することによっ
て、触媒領域においてパルス的に還元雰囲気が形成され
るようにし、触媒上でのＮＨ₃ の発生、触媒上でのＮＨ
₃ の滞留を良好なものし、その発生したＮＨ₃ をより有
効に活用してＮＯ_X の選択還元を一段と効果的に行うも
のである。

【０００８】即ち、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄
化方法は、「内燃機関からの排気ガスに還元剤を噴射し
た後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する内燃機
関の排気ガス浄化方法において、内燃機関からの排気ガ
スを内燃機関の各シリンダからの排気管毎に設けられた
触媒に通す際に、内燃機関のシリンダからパルス的な脈
動として排出される排気ガスのパルス的な流れの間に、
触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射するこ
とにより、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。」（請
求項１）を要旨（発明を特定する事項）とする。また、
本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化方法は、・運転位相差を有する隣接のシリンダからの各排気ガス
を、該隣接のシリンダからの排気管間を連通する切替バ
ルブを通して該排気管に設けられた触媒のいずれか一方
に交互に通し、該隣接のシリンダからの排気ガスのパル
ス的な流れの内のいずれか一方のパルス的な流れの間
に、触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射す
ることにより、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成
すること（請求項２）、・内燃機関の低回転時及び／又は低負荷時には、運転位
相差を有する隣接のシリンダからの各排気ガスを、該隣
接のシリンダからの排気管間を連通する切替バルブを通
して該排気管に設けられた触媒のいずれか一方に通し、
該隣接のシリンダからの排気ガスのパルス的な流れの内
のいずれか一方のパルス的な流れの間に、触媒の排気ガ
ス上流側に還元剤をパルス的に噴射することにより、パ
ルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成し、内燃機関の高
回転時及び／又は高負荷時には、内燃機関の各シリンダ
からの排気ガスを、各シリンダからの排気管毎に設けら
れた触媒に通すと共に内燃機関からの排気ガスのパルス
的な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に還元剤をパル
ス的に噴射することにより、パルス的に触媒領域に還元
雰囲気を形成すること（請求項３）、・前記内燃機関の低回転時に、シリンダからの排気ガス
が通っていない触媒に対して再生処理を施すこと（請求
項４）、・内燃機関の低回転時及び／又は低負荷時には、内燃機
関のシリンダからパルス的な脈動として排出される排気
ガスのパルス的な流れの間に、内燃機関の各シリンダ内
の触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射し、
内燃機関の各シリンダからの排気ガス又は還元剤を含有
する排気ガスの一部が、触媒の排気ガス上流側に設けら
れたサージタンクに導入され、サージタンクからの戻り
流れを生じうるようにしてパルス的に触媒領域に還元雰
囲気を形成し、内燃機関の高回転時及び／又は高負荷時
には、内燃機関のシリンダからパルス的な脈動として排
出される排気ガスのパルス的な流れ１回又は２回に１回
の割合で排気ガスのパルス的な流れの間に、内燃機関の
各シリンダ内の触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス
的に噴射することにより、パルス的に触媒領域に還元雰
囲気を形成すること（請求項５）、・前記触媒領域における還元雰囲気が、前記還元剤のパ
ルス的な噴射を、内燃機関のシリンダからパルス的な脈
動として排出される排気ガスのパルス的な流れの後、シ
リンダ排気弁の開弁とは非同時に、少なくとも３〜５０
ミリ秒後に行ない、かつ前記還元剤のパルス的な噴射量
を、排気ガスのパルス的な流れ中の窒素酸化物に対して
過剰にすること、により形成すること（請求項６）、の
少なくとも一つを発明を特定する事項とすることができ
る。

【０００９】また、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄
化装置は、「内燃機関からの排気ガスに還元剤を噴射し
た後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する内燃機
関の排気ガス浄化装置において、内燃機関の各シリンダ
からの排気管毎に触媒を設け、該排気管毎に触媒の排気
ガス上流側に還元剤噴射装置を設けると共に内燃機関の
シリンダからパルス的な脈動として排出される排気ガス
のパルス的な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に還元
剤をパルス的に噴射することにより、パルス的に触媒領
域に還元雰囲気を形成するための制御装置を設けたこと
を特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。」（請求項
７）を要旨（発明を特定する事項）とする。また、本発
明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、・前記複数の排気管の内で、運転位相差を有する隣接の
シリンダからの排気管間を連通する切替バルブを排気管
内の触媒よりも排気ガス上流側に設け、該隣接のシリン
ダからの排気管のいずれか一方の触媒と該切替バルブと
の間に排気ガス遮断部材を設けたこと（請求項８）、・前記排気管毎に、触媒の排気ガス上流側にサージタン
クを設けたこと（請求項９)、を発明を特定する事項と
することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】エンジンは複数のシリンダで構成
されており、それぞれのシリンダの工程（吸入−圧縮−
爆発−排気）は系統的に制御され、エンジン出力を取り
出している。エンジンからの排気ガスは、排気弁直後で
はパルス的な脈動のガス流である。本発明は、エンジン
から発生するパルス的な流れそのものを有効に用いて、
パルス的に触媒領域において還元雰囲気、即ち、ＮＨ₃
が存在する雰囲気、を形成しやすいようにすることによ
って、排気ガスの浄化をより効果的に行うものである。
エンジンの各シリンダからパルス的な脈動として排出さ
れるガスのパルス的な流れ（以下、「排気ガスパルス」
という）を有効に活用するため、還元剤噴射装置、触媒
は各シリンダ毎に独立に取り付けるものである。しか
し、上記のように各シリンダ毎に還元剤噴射装置、触媒
を取り付けただけでは、排気ガス、還元剤が触媒に導入
されるタイミングを制御し、触媒領域において還元雰囲
気、即ち、ＮＨ₃ が存在する雰囲気を形成しやすいよう
にすることはできない。

【００１１】そこで、本発明では、エンジンの各シリン
ダからパルス的な脈動として排出される排気ガスパルス
を有効に活用するため、還元剤を各シリンダの触媒の排
気ガス上流側でパルス的に噴射し、その際の還元剤の噴
射の時期、噴射の量を、パルス的に触媒領域において還
元雰囲気、即ち、ＮＨ₃ が存在する雰囲気、を形成しや
すいようにすることを特徴とするものである。触媒の排
気ガス上流側での還元剤のパルス的な噴射の時期は、エ
ンジンの負荷（回転数とトルク）、排気ガスパルスの成
分（ＮＯ_X 含有量の多少），温度，量、還元剤の種類，
温度，噴射量、触媒の下流側におけるＮＯ_X 濃度などに
より適宜に選定されるが、内燃機関からの排気ガスパル
スの後、シリンダ排気弁の開弁とは非同時に、少なくと
も３〜５０ミリ秒後、例えば、３〜４０ミリ秒後、好ま
しくは、３〜１０ミリ秒後である。また、還元剤のパル
ス的な噴射の量は、還元剤の噴射時において排気ガスパ
ルス中のＮＯ_X 量に対して過剰となる量で、還元剤のト
ータルの噴射量としては、ＮＯ_X を還元するのに必要な
モル数よりわずかに多いが、できるだけ少ない量ですむ
ような制御を行なう。排気ガスパルスの後、１０ミリ秒
後に還元剤を噴射する、排気ガスパルス１回に対して還
元剤を１回噴射する場合においては、ＮＯ_Xパルスの最
初の成分は前の還元時に生成したアンモニアによって還
元されるので、残りのＮＯ_X に対して、望ましくは８０
〜１２０モル％過剰、例えば１００モル％過剰となる量
である。排気ガスパルスの後３ミリ秒後に還元剤を噴射
する、排気ガスパルス２回に対して還元剤１回噴射する
場合においては、１回のＮＯ_Xパルスに対して、望まし
くは８０〜１２０モル％過剰、例えば１００モル％過剰
となる量である。ただし、いずれの場合においても還元
剤の噴射量は、この後で説明する制御方法からフィード
バックをかけることにより決定されるので、これらの値
の範囲内にない場合もありうる。

【００１２】次に、図面を参照して、本発明を詳細に説
明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化
装置の第１の実施の形態を示す図である。この排気ガス
浄化装置は、内燃機関からの排気ガスに還元剤を噴射し
た後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する内燃機
関の排気ガス浄化装置であって、内燃機関１１の各シリ
ンダからの排気管１２毎に触媒１３を設け、該排気管１
２毎に触媒１３の排気ガス上流側（以下、単に「上流
側」という）に還元剤噴射装置１４を設け、触媒１３の
排気ガス下流側（以下、単に「下流側」という）にＮＯ
_X 計１５を設けるとともに、エンジンを制御する制御装
置１６、ＮＯ_X 計１５からの信号またはＮＯ_X 計１５と
制御装置１６からの信号に基づいて内燃機関１１からの
排気ガスパルス間に還元剤をパルス的に噴射することに
より、パルス的に触媒領域において還元雰囲気を形成す
るための制御装置（触媒コントローラー）１７を設けた
ものである。

【００１３】エンジンの制御は、エンジン各所に取り付
けられたセンサーからの情報をもとに制御される。その
際に、エンジンの負荷や回転数等をもとにしてあらかじ
め燃料の噴射量や噴射時期等のパラメーターがマップ形
式で記憶されており、これに基づいた制御が行なわれ
る。このようなマップ形式の制御法は、それほど触媒作
用が低下しないエンジンシステムには有効であるが、触
媒作用が低下するエンジンシステムに対して還元剤の噴
射量や噴射時期等をマップ形式で記憶させておくだけで
は有効な制御を行なえない。そこで触媒に対してはエン
ジンシステムの制御装置からの情報をもとにした新たな
制御装置である触媒コントローラーを設け、内燃機関か
らの排気ガスパルス間に還元剤をパルス的に噴射するこ
とにより、パルス的に触媒領域において還元雰囲気を形
成するものである。

【００１４】エンジン１１の制御装置１６からは、エン
ジンの運転状態に応じてシリンダーからの排出ガス中の
ＮＯ_X 量などの情報が触媒コントローラー１７に渡され
る。触媒コントローラー１７では、エンジン１１の制御
装置１６から渡されたＮＯ_X量などの情報をもとにあら
かじめ用意してあるマップをもとにして還元剤の噴射量
および噴射時期を決定する。このようにして決定した還
元剤の噴射条件で１０回転程度運転を行うと、次いで、
触媒コントローラー１７には、触媒１３の下流側に設け
られたＮＯ_X 計１５からＮＯ_X 濃度の情報が入る。この
ときにＮＯ_X 浄化率が十分であればそのまま運転を行う
が、ＮＯ_X 浄化率が不十分である場合には還元剤の噴射
時期の制御を行う。還元剤の噴射時期の制御を行っても
ＮＯ_X 浄化率の改善が見られない場合にはじめて還元剤
の噴射量の変更を行う。このようにして制御の変更を行
った場合にはマップの値を書き替えることによって触媒
作用の低下にも対応することができる。

【００１５】図２は、排気ガスパルス２回に対して還元
剤をパルス的に１回噴射した場合のＮＯ_X 浄化コンセプ
トを示す図であり、図３は、排気ガスパルス１回に対し
て還元剤をパルス的に１回噴射した場合のＮＯ_X 浄化コ
ンセプトを示す図である。［還元剤噴射及び作用］本発明は、上記のように、各シ
リンダーごとに触媒を設けることによって排気ガスパル
スの特徴を生かして排気ガスの浄化を行うものである。
即ち、排気ガスパルスの間に還元剤を噴射すれば、瞬間
的にリッチ状態を発生することができるからである。そ
こで、図２，３からも明らかなように、エンジンからの
排気ガスパルス（ＮＯ_X パルス）の間、例えば、排気ガ
スパルスの後少なくとも５０ミリ秒後に還元剤（ＨＣ）
を噴射し、触媒領域に瞬間的に還元雰囲気を発生させ、
還元剤（ＨＣ）と排気ガス中のＮＯ_X とを反応させて触
媒上にてＮＨ₃ を生成させ（前記第１の反応）、その生
成したＮＨ₃ によって次の排ガスパルス中のＮＯ_X を選
択的に還元させる（前記第２の反応）のである。ここで
生成したＮＨ₃ は酸化雰囲気下においても良好にＮＯ_X
を還元することができるのである。［触媒］触媒としては、ＮＨ₃ の生成が知られている三
元触媒、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒等を使用することができ
る。ＮＨ₃ とＮＯ_X を効率良く反応させるためにＶ₂Ｏ₅
を担持することもある。なお、生成したＮＨ₃ が触媒領
域から排出されずに次の排気ガスパルス中のＮＯ_X と反
応するために、触媒上にＮＨ₃ 吸着材を配置することが
ある。この場合、アルミナ、ＺＳＭ−５、シリカ等の酸
点を有する担体を用いる。

【００１６】内燃機関からの排気ガスへの還元剤の噴射
は、排気ガスパルスの間、即ち、排気ガスパルスの後、
シリンダの排気弁の開弁とは非同時に、少なくとも３〜
５０ミリ秒後に、触媒の上流側に、パルス的に行うもの
であるが、（１）排気ガスパルス２回に対して、還元剤のパルス的
な噴射１回（２）排気ガスパルス１回に対して、還元剤のパルス的
な噴射１回の割合で噴射することにより、排気ガスパルスが触媒を
通過した後にも前記第１の反応によって生成したＮＨ₃
が触媒に残存し、次の排気ガスパルスに対し作用するよ
うにするものである。また、還元剤を排気ガス中のＮＯ
_X 量に対して過剰に噴射することにより、前記第１の反
応によるＮＨ₃ の生成を促進し、排気ガスパルスが触媒
を通過した後にもＮＨ₃ が触媒により多く残存し、次の
排気ガスパルスに対しより効果的に作用するようにする
ことができる。上記（１）、（２）のいずれを選択する
かは、エンジンの負荷、回転数、排気ガス温度、触媒下
流のＮＯ_X 量などに応じて行なう。即ち、図２に示すよ
うに、排気ガスパルス（ＮＯ_X パルス）２回に対して還
元剤１回では良好にＮＯ_X 浄化を行えないと判断したと
きには、図３に示すように、排気ガスパルス（ＮＯ_X パ
ルス）１回に対して還元剤１回の噴射を行う。例えば、
エンジンが低回転の時には、上記（１）の場合を選択
し、高回転の時には、上記（２）の場合を選択する。図
２においては、各排気ガスパルス（ＮＯ_X パルス）は、
ＮＨ₃ を生成するものとＮＨ₃ に還元するものに分かれ
うることが示され、図３においては、１つの排気ガスパ
ルス（ＮＯ_X パルス）でもＮＨ₃ を生成する部分とＮＨ
₃ に還元される部分とに分かれうることが示されてい
る。

【００１７】図４は、本発明に係る内燃機関の排気ガス
浄化装置の第２の実施の形態を示す図である。この排気
ガス浄化装置は、エンジンの負荷に応じて、より効率的
に浄化を行うために排気管に切替バルブを設置し、複数
の気筒からの排気ガスパルスが１つの触媒に導入される
ことを可能にしたことを特徴とするものである。この排
気ガス浄化装置は、内燃機関からの排気ガスに還元剤を
噴射した後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する
内燃機関の排気ガス浄化装置であって、内燃機関４１の
各シリンダ１，２，３，４からの排気管４２毎に触媒４
３を設け、該排気管４２毎に触媒４３の上流側に還元剤
噴射装置４４を設け、触媒４３の下流側にＮＯ_X 計４５
を設け、隣接のシリンダ１と４又は３と２からの排気管
４２間を連通する切替バルブ４８を排気管４２内の触媒
４３よりも上流側に設け、シリンダ１〜４からの排気管
４２内で触媒４３と切替バルブ４８との間に排気ガス遮
断部材４９を設けると共に、エンジンを制御する制御装
置４６、ＮＯ_X 計４５からの信号またはＮＯ_X 計４５と
制御装置４６からの信号に基づいて内燃機関４１からの
排気ガスパルスの間に還元剤をパルス的に噴射すること
により、パルス的に触媒領域において還元雰囲気を形成
するための制御装置（触媒コントローラー）４７を設け
たものである。また、上記のように、シリンダ１〜４か
らの排気管４２の全てに排気ガス遮断部材４９を設ける
代わりに、隣接のシリンダ１と４又は３と２からの排気
管４２のいずれか一方に触媒４３と切替バルブ４８との
間に排気ガス遮断部材４９を設けてもよい。

【００１８】この排気ガス浄化装置におけるエンジンの
制御、触媒コントローラーの制御は、前記第１の実施の
形態における場合と同様である。図５は、切替バルブを
用いた際の排気ガスの触媒導入タイミングを表わした図
である。多気筒エンジンの場合、エンジンの振動を防止
するために、各シリンダーが同位相で運転しているので
はなく、位相差（クランク角）をつけて運転している。
４気筒エンジンの場合、ちょうど排気ガスパルスの排出
時刻がお互いに相手の排出時間の中間になるような組み
合わせが２組存在する。図４では上の２つ、下の２つが
互いにそのような関係にあるとする。図４の下のように
切替バルブ４８を設定すると、排気ガスパルスが触媒４
３に導入される時間間隔は図４の上の場合の半分とな
る。即ち、図４においてエンジンの点火順序が１→３→
４→２とすると、図５で明らかなように、クランク角２
回転（７２０°）で１周期だから第１シリンダーと第４
シリンダーの組み合わせ、第３シリンダーと第２シリン
ダーの組み合わせが排気ガスパルス（ＮＯ_X パルス）の
タイミングが逆位相となる組み合わせである。そこで、
図５に示されているように、２つのシリンダーからの排
気ガスを一つの触媒で浄化するように切り替えること
で、同じエンジン回転数でも触媒に導入される排気ガス
パルス（ＮＯ_X パルス）の時間間隔は１/２となる。こ
のような状態での排気ガスの処理は、エンジンが低回転
の時に、特に効果がある。即ち、エンジンが低回転の時
には、各シリンダからの排気ガスパルスが触媒に導入さ
れる時間間隔が長くなる。そのため、上記のようなパル
ス反応を用いてＮＯ_X 選択性の高い物質を中間生成物と
して生成させるような排気ガス浄化方法にあっては、パ
ルス間隔が長いと中間生成物が脱離して大気中に放出さ
れる可能性があるが、切替バルブを用いて複数のシリン
ダーからの排気ガスパルス（ＮＯ_Xパルス）を１つの触
媒で浄化を行うようにすれば排気ガスパルスが触媒に導
入される時間間隔が短いため中間生成物の排出を抑える
ことができるのである。

【００１９】図６は、触媒の二通りの使用モードを示す
図である。この排気ガス浄化装置を使用して排気ガスを
浄化処理する場合、即ち、複数のシリンダーからの排気
ガスパルスを１つの触媒に流すようにしておくとき、常
に特定の触媒のみに負荷がかからず備え付けてある触媒
それぞれに均等に負荷がかかるように制御する。その
際、運転条件によって、以下に示すような、２つの切り
替え方式モードでの制御が可能である。モード１：図６の状態１または状態２を各サイクルごと
に交互に切りかえる方式（複数の触媒からの排気ガスパ
ルスを１つの触媒で浄化するモードにあるとき１サイク
ルごとに浄化に用いる触媒を交替させる方式）モード２：しばらくの間、図６の状態１または状態２を
使いつづける方式（複数の触媒からの排気ガスパルスを
１つの触媒で浄化するモ−ドにあるときに、常に特定の
触媒を用いる方式である。この方式は、触媒温度が低い
ときに触媒温度を上昇させ活性を高めたい場合に特に有
効である。この方式による場合でも、全体として見れ
ば、各触媒が同程度の負荷で使用されるように制御する
ものとする。）

【００２０】この排気ガス浄化装置は、エンジンの高負
荷時（高回転時）には各シリンダーからの排気管毎に設
けられた触媒の全てを使用して排気ガスを浄化するが、
エンジンの低負荷時（低回転時）、即ち、排気ガスパル
ス（ＮＯ_X パルス）の間隔が長い場合においては複数の
シリンダからの排出ガスを１つの排気管に設けられた触
媒で浄化するものである。このケースでは、複数のシリ
ンダーからの排気ガスを１つの触媒で浄化を行う運転状
態においては使用していない状態の触媒が存在する。そ
こで、触媒劣化センサーからの情報にしたがって使用し
ていない状態の触媒の再生処理を行う機構を取り付ける
こともできる。即ち、硫黄被毒が原因で触媒のＮＯ_X 吸
蔵能が低下するような場合には、上記モード２のように
切替バルブの設定を行う。その上で、硫酸塩が分解する
温度まで触媒を加熱し還元剤を投入して還元再生処理を
行う。上記モード２で浄化処理を行う場合には、触媒
は、エンジン１回転あたりに１つのシリンダーから排出
される排気ガスパルス中のＮＯ_X を吸蔵できるだけの吸
蔵能を持っていれば十分であり、実際に適用する場合に
は数十回程度の排気ガスパルス中のＮＯ_X を吸蔵するだ
けの吸蔵能をもっているが、もともと吸蔵量が少ないた
めに還元再生処理時間も短くてすむ。このことは、この
排気ガス浄化装置を吸蔵還元システムに適用した場合に
特に有効であることを示すものである。なお、エンジン
の「低負荷」、「高負荷」は、エンジンの回転数及びト
ルクにより決まるものであるが、それらの値は、エンジ
ンにより異なるものであり、一義的に決まるものではな
い。本発明においては、簡単に、エンジンが低回転の場
合（例えば、２０００ｒｐｍ未満の場合）を低負荷と
し、エンジンが高回転の場合（例えば、２０００ｒｐｍ
以上の場合）を高負荷としてもほぼ同様の効果を奏する
ことができる。

【００２１】図７は、本発明に係る内燃機関の排気ガス
浄化装置の第３の実施の形態を示す図であって、内燃機
関の排気ガス浄化装置の１つのシリンダについての構成
を示す図である。この排気ガス浄化装置は、エンジンの
負荷（エンジンの回転速度）に応じて、より効率的に浄
化を行うために排気管に通じるサージタンクを触媒の上
流側に設けたものである。サージタンクを設けることに
よって、排気ガスパルスの一部を戻り流れとして触媒に
遅れて流すことができる。シリンダ７１の排気弁からの
排気ガスの通路である排気管７２に触媒７３が設けら
れ、シリンダ７１の排気弁と触媒７３との間に還元剤噴
射装置７４とサージタンク７５が設けられている。サー
ジタンク７５には、排気管７２との間にサージタンク開
閉弁７６と他端の図に示されていない減圧ポンプとの間
に圧力調整弁７７が設けられている。排気管７２は、パ
ルス的なガス流れを抑制しないようにできるだけ直管
で、内面も平滑な管を使用することが好ましい。触媒７
３としては、排気管７３のシリンダ７１からなるべく近
い位置に排気抵抗の極めて小さいＮＯ_X 浄化用触媒を配
置することが好ましい。サージタンク７５は、触媒７３
の上流に設けられるが、還元剤の添加タイミングの点か
ら、シリンダ７１の排気弁と還元剤噴射装置７４の間よ
りも還元剤噴射装置７４と触媒７３との間に設けるほう
が好ましい。また、サージタンク７５は、排気ガスパル
スと、その一部がサージタンク７５に入って戻ってくる
パルス的な流れ（戻り流れ）とのパルス幅を調節できる
ことから、その奥行きが調節可能に構成されていること
が好ましい。また、サージタンク７５は、前記第１の反
応による還元と前記第２の反応による還元が効率良く行
われるために、サージタンクに入り込んだ排気ガスパル
ス又は還元剤を含有する排気ガスパルスの戻り流れが、
０〜３０ミリ秒、好ましくは、１０〜２０ミリ秒程度の
時間遅れを生じるような奥行きを有することが好まし
い。

【００２２】次に、エンジンの負荷（エンジンの回転速
度）に応じた排気ガスの浄化処理について説明する。Ａ．サージタンクを用いる場合（エンジン低回転時）図７に示したように、触媒７３の上流側（例えば、還元
剤噴射装置７４と触媒７３の間）にサージタンク７５を
設け、エンジンが低回転のときに作動する制御機構（図
示していない）によりサージタンク７５内を減圧とし、
還元剤含有の排気ガスの流れの一部を、そのサージタン
ク７５に導入するようにし、サージタンク７５からの戻
り流れを発生させることにより、１つのパルスの排気ガ
スの流れから２つのパルスの排気ガスの流れに変えて触
媒７３に導入することができる。図８は、エンジンが低
回転（2000rpm）しているときに、還元剤含有の排気ガ
スパルスの一部が、図７における還元剤噴射装置７４と
触媒７３の間に設けられたサージタンク７５に導入され
た場合の、触媒導入時のガス強度プロフィルを示す図で
ある。排気ガスパルスは、数気圧程度の圧力の比較的高
い膨張波で構成されているので、圧力の低い空間に入り
込もうとする性質がある。サージタンク７５の他端に減
圧ポンプをつないでおき、排気ガスパルスがシリンダか
ら排出される直前までサージタンク開閉弁７６は閉、圧
力調整弁７７は開の状態にし、サージタンク７５を予め
減圧にしておく。排気ガスパルスがシリンダから排出さ
れる直前になったら、サージタンク開閉弁７６は開、圧
力調整弁７７は閉の状態にする。このようにすると排気
ガスパルスの一部は、サージタンク７５に膨張波として
入り込む。排気ガスパルスとサージタンク内部には大き
な圧力差があるため、全体として等圧に戻ろうとし反対
方向に希薄波が生じる。また、膨張波自体もサージタン
ク７５の他端の壁面に衝突し反射する。このようにして
２次的な「戻り流れ」が生じる。

【００２３】例えば、サージタンク７５の体積Ｖ2 が排
気管の体積Ｖ1 に対してＶ１／Ｖ２＝１／３〜１／４で
あり、サージタンクの長さが１０ｃｍのとき、サージタ
ンク７５に入り込んだ排気ガスパルスの戻り流れは、２
０ミリ秒程度の時間遅れを生じ、排気ガスパルスの１パ
ルス幅を広げた形となって触媒（アルミナ系触媒、ゼオ
ライト系触媒等）７３に導入されていく。例えば、エン
ジンの回転数が２０００ｒｐｍのような低回転の場合、
エンジンのクランクが一回転するのに必要な時間は、３
０ミリ秒であり、４サイクルエンジンの場合、シリンダ
の工程は、２回転で一工程なので１シリンダあたり６０
ミリ秒毎に排気ガスパルス（含ＮＯ_X ）が排出される。
シリンダから排気ガスパルスが排出されて１０後に還元
剤噴射装置７４から還元剤（ＨＣ等）をパルス的に噴射
した場合、排気ガスパルス及び還元剤パルスの一部がサ
ージタンク７５に入り込む。サージタンク７５に入り込
む順序は、排気ガスパルス→還元剤パルスの順である。
排気ガスパルスは、希薄波の生成と膨張波の反射によ
り、入り込むときと反対方向の波（戻り流れ）を生じる
ため、後からサージタンク７５に入り込んだ還元剤パル
スは押し戻される。このため、サージタンク７５に入り
込んだ排気ガスパルス→還元剤パルスは、還元剤パルス
→排気ガスパルスとその順序を変えて触媒７３に導入さ
れる。従って、サージタンク７５を用いた場合のパルス
的な流れの触媒７３への導入順序は、排気ガスパルス→
還元剤パルス→還元剤パルス→排気ガスパルスという順
序になる（図８）。このようにして、排気ガスパルスに
対して遅れて触媒７３へ導入された還元剤パルスが作用
する還元（前記第１の反応による還元）と次の排気ガス
パルスよりも先に触媒７３へ導入された還元剤パルスが
次の排気ガスパルスに作用する還元（前記第２の反応に
よる還元）をともに実現することができる。

【００２４】このように、触媒への導入前の還元剤含有
排気ガスパルスの一部がサージタンクに入りそして戻っ
てくる２次的な戻り流れ（入るときには、排気ガスパル
ス→還元剤パルスの順であるが、戻ってくるときには、
還元剤パルス→排気ガスパルスの順である）を発生させ
ることにより、排気ガスパルス、特にその中のＮＯ_Xの
より有効な浄化処理が行われるのである。このことは、
最初に、排気ガスパルス中のＮＯ_X と還元剤（ＨＣ等）
との反応が起こり、次いで、その結果生じた反応性の高
いＮＨ₃ と戻り流れ中のＮＯ_X との反応が起こる結果、
排気ガスパルス、特にその中のＮＯ_X のより有効な浄化
処理が行われるものと考えられる。

【００２５】Ｂ．サージタンクを用いない場合（エンジ
ンの高回転時）エンジンが高回転の時には、エンジンが低回転のときに
作動する制御機構（図示していない）によりサージタン
ク７５のサージタンク開閉弁７６は閉の状態に保たれ
る。図９は、エンジンが高回転（6000rpm ）していると
きの触媒導入時のガス強度プロフィルを示すものであ
る。エンジンが高回転で、排気ガスパルスのパルス間隔
が短いとき、即ち、図９に示すような触媒導入時のガス
強度プロフィルを示す時には、図３に示すように、前記
第１の反応と第２の反応とがともに起こり、排気ガス、
特に、ＮＯ_X のより有効な浄化処理が行われる。

【００２６】このように、排気ガス又は還元剤含有排気
ガスがサージタンクに導入されるようにするか否かは、
エンジンの回転速度に応じて選定されるものである。そ
のために、サージタンク７５と排気管７２との間にサー
ジタンク開閉弁７６を、サージタンク７５の他端に圧力
調整弁７７を取り付けるものである。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上詳記したとおり、内燃機
関からの排気ガスを各シリンダからの排気管毎に設けら
れた触媒に通す際に、内燃機関からの排気ガスのパルス
的な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に還元剤をパル
ス的に噴射して、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形
成することにより、１．触媒上でのＮＨ₃ の生成、触媒上でのＮＨ₃ の滞留
を向上させ、そのことによりＮＨ₃ による排気ガス中の
ＮＯ_X 還元浄化作用を向上することができる、２．排気ガス浄化の過程において生成する中間生成物で
あるＮＨ₃ の有効活用により、中間生成物が大気中に放
出することを防止することができる、３．リーンバーン、直噴ガソリンエンジンなどにおいて
も瞬間的にリッチ条件にする必要がないため、リーンか
らリッチへの切り替えの際のトルク変動のために乗り心
地が悪化するということがなくなる、４．直噴ガソリンエンジン、リーンバーンエンジン、高
回転ディーゼルエンジンの高回転域などのＮＯ_X 排出量
が多い運転条件におけるＮＯ_X 浄化率が特に優れてい
る、５．ＮＨ₃ によるＮＯ_X 浄化を行なうことにより、Ｎ₂
Ｏの排出が低減される、６．内燃機関の運転状況に応じて、還元剤の噴射時期、
噴射量を制御することができ、より効果的に排気ガスの
浄化を行なうことができる、また、エンジンの１シリン
ダ、２回転ごとの還元剤の噴射とすることで、用いる還
元剤は燃料タンク内の揮発成分程度でよく、そのため、
還元剤の噴射による燃費悪化をもたらすこともない、７．隣接のシリンダー間に切替バルブを設けることによ
り、シリンダーからのＮＯ_X パルスが触媒に導入される
タイミングを制御できるため、ＮＯ_X パルスと還元剤噴
射タイミングを最適化することができる、８．隣接のシリンダー間に切替バルブを設け、一方の触
媒に排気ガスを通さない時期を持つことにより、その間
に燃料等に含まれる硫黄やリンの被毒に対する再生処理
を行うことによって活性を戻すことができるため排気ガ
ス浄化率が向上することができるとともに、触媒の寿命
を延ばすことができる、等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第１の
実施の形態を示す図である。

【図２】排気ガスパルス２回に対して還元剤をパルス的
に１回噴射した場合のＮＯ_X 浄化コンセプトを示す図で
ある。

【図３】排気ガスパルス１回に対して還元剤をパルス的
に１回噴射した場合のＮＯ_X 浄化コンセプトを示す図で
ある。

【図４】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第２の
実施の形態を示す図である。

【図５】切替バルブを用いた際の排気ガスの触媒導入タ
イミングを表わした図である。

【図６】触媒の二通りの使用モードを示す図である。

【図７】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第３の
実施の形態の１つのシリンダーについての構成を示す図
である。

【図８】エンジンが低回転しているときに、還元剤含有
の排気ガスパルスの一部が、サージタンクに導入された
場合の、触媒導入時のガス強度プロフィルを示す図であ
る。

【図９】エンジンが高回転しているときの排気ガスと還
元剤の触媒導入時のガス強度プロフィルを示すものであ
る。

【符号の説明】

１１，４１，７１エンジン１２，４２，７２排気管１３，４３，７３触媒１４，４４，７４還元剤噴射装置１５，４５ＮＯ_X 計７５サージタンク１６，４６エンジン制御装置７６サージタンク開閉弁１７，４７，触媒コントローラー７７圧力調整弁１８，４８切替バルブ１９，４９遮断部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｃ 3/28 ３０１３０１ＨＢ０１Ｄ 53/36 １０１Ｂ (72)発明者奥村公平愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者横田幸治愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA12 AA17 AA18 AA24 AA28 AB03 AB05 AB06 AB09 BA11 BA14 BA33 CA12 CA13 CA17 CA18 CA27 CB02 DA01 DA02 DA03 DA04 DB10 EA01 EA03 EA16 EA33 FA08 FA09 FA12 FA13 FA14 FB10 FC02 GA06 GB01W GB01X GB09X GB10W GB10X GB16X HA11 HA12 HA18 HA37 HA42 HA46 HB02 HB03 4D048 AA06 AB02 CA07 CA08 CC21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関からの排気ガスに還元剤を噴射
した後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する内燃
機関の排気ガス浄化方法において、内燃機関からの排気
ガスを内燃機関の各シリンダからの排気管毎に設けられ
た触媒に通す際に、内燃機関のシリンダからパルス的な
脈動として排出される排気ガスのパルス的な流れの間
に、触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射す
ることにより、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成
することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項２】運転位相差を有する隣接のシリンダから
の各排気ガスを、該隣接のシリンダからの排気管間を連
通する切替バルブを通して該排気管に設けられた触媒の
いずれか一方に交互に通し、該隣接のシリンダからの排
気ガスのパルス的な流れの内のいずれか一方のパルス的
な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス
的に噴射することにより、パルス的に触媒領域に還元雰
囲気を形成する請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化
方法。
【請求項３】内燃機関の低回転時及び／又は低負荷時
には、運転位相差を有する隣接のシリンダからの各排気
ガスを、該隣接のシリンダからの排気管間を連通する切
替バルブを通して該排気管に設けられた触媒のいずれか
一方に通し、該隣接のシリンダからの排気ガスのパルス
的な流れの内のいずれか一方のパルス的な流れの間に、
触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス的に噴射するこ
とにより、パルス的に触媒領域に還元雰囲気を形成し、
内燃機関の高回転時及び／又は高負荷時には、内燃機関
の各シリンダからの排気ガスを、各シリンダからの排気
管毎に設けられた触媒に通すと共に内燃機関からの排気
ガスのパルス的な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に
還元剤をパルス的に噴射することにより、パルス的に触
媒領域に還元雰囲気を形成する請求項１記載の内燃機関
の排気ガス浄化方法。
【請求項４】運転位相差を有する隣接のシリンダから
の排気ガスが通っていない触媒に対して再生処理を施す
請求項２又は３に記載の内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項５】内燃機関の低回転時及び／又は低負荷時
には、内燃機関のシリンダからパルス的な脈動として排
出される排気ガスのパルス的な流れの間に、内燃機関の
各シリンダ内の触媒の排気ガス上流側に還元剤をパルス
的に噴射し、内燃機関の各シリンダからの排気ガス又は
還元剤を含有する排気ガスの一部が、触媒の排気ガス上
流側に設けられたサージタンクに導入され、サージタン
クからの戻り流れを生じうるようにしてパルス的に触媒
領域に還元雰囲気を形成し、内燃機関の高回転時及び／
又は高負荷時には、内燃機関のシリンダからパルス的な
脈動として排出される排気ガスのパルス的な流れ１回又
は２回に１回の割合で排気ガスのパルス的な流れの間
に、内燃機関の各シリンダ内の触媒の排気ガス上流側に
還元剤をパルス的に噴射することによりパルス的に触媒
領域に還元雰囲気を形成する請求項１記載の内燃機関の
排気ガス浄化方法。
【請求項６】前記触媒領域における還元雰囲気が、前
記還元剤のパルス的な噴射を、内燃機関のシリンダから
パルス的な脈動として排出される排気ガスのパルス的な
流れの後シリンダ排気弁の開弁とは非同時に、少なくと
も３〜５０ミリ秒後に行ない、かつ前記還元剤のパルス
的な噴射の量を、排気ガスのパルス的な流れ中の窒素酸
化物に対して過剰にすること、により形成する請求項１
〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項７】内燃機関からの排気ガスに還元剤を噴射
した後、触媒に通すことにより排気ガスを浄化する内燃
機関の排気ガス浄化装置において、内燃機関の各シリン
ダからの排気管毎に触媒を設け、該排気管毎に触媒の排
気ガス上流側に還元剤噴射装置を設けると共に内燃機関
のシリンダからパルス的な脈動として排出される排気ガ
スのパルス的な流れの間に、触媒の排気ガス上流側に還
元剤をパルス的に噴射することにより、パルス的に触媒
領域に還元雰囲気を形成するための制御装置を設けたこ
とを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項８】前記複数の排気管の内で、運転位相差を
有する隣接のシリンダからの排気管間を連通する切替バ
ルブを排気管内の触媒よりも排気ガス上流側に設け、該
隣接のシリンダからの排気管のいずれか一方の触媒と該
切替バルブとの間に排気ガス遮断部材を設けた前記請求
項７記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項９】前記排気管毎に、触媒の排気ガス上流側
にサージタンクを設けた前記請求項７記載の内燃機関の
排気ガス浄化装置。