JP2006329105A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力が供給されることにより作動して排気浄化を促進させる装置を適切な位置に配置する技術を提供する。また、それによって、当該装置の消費電力を抑制する技術を提供する。
【解決手段】第１の排気通路２ａと、２つの分岐通路１０ａ，１０ｂの各々に設けられ、排気を浄化する触媒１１ａ，１１ｂと、第２の排気通路２ｂと、当該第２の排気通路２ｂに設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段２０と、粒子状物質酸化／凝集手段２０の作動を制御する作動制御手段３０とを備える。また、第１の排気通路２ａにフィルタを備えるようにしてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。

近年、圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）にて駆動される自動車等から大気中へ排出される煤等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を低減する技術が望まれている。

そのため、内燃機関の排気通路にパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という場合もある。）を配置し、内燃機関から排出される粒子状物質をフィルタで捕集する技術が知られている。

また、排気流路中に放電反応部を設け、この放電反応部の反応容器の内部にフィルタ構造体を設けた排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、放電発生用電源からの電圧印加により、放電反応部に放電プラズマが生成される一方、電界による電気集塵的効果により、粒子状物質がフィルタ構造体内に捕集されるというものである。その他、特許文献２および３にも、プラズマ発生装置を備える排気浄化装置が開示されている。
特開２００４−１７６７０３号公報 特開２００４−２６３６００号公報 特開２００４−１７６６７９号公報 特開２００３−３４３２３９号公報 特開２００２−３４９２４０号公報

上述したプラズマ発生装置においては、フィルタや触媒に直接プラズマをかけて排気浄化を促進するものである。このプラズマの効果は、排気中の粒子状物質が多量である場合、排気温度が高温である場合、排気流速が高い場合に低下するので、このような条件において十分な効果を発揮させるためには、電力を高くしなければならない。

また、複数の排気浄化触媒を並列に備えることにより、排気における背圧を低減するとともに、触媒の浄化性、耐久性を向上させる排気浄化装置、あるいは複数の触媒を直列に備えることにより、排気に触媒を複数回通過させ、排気の浄化性を向上させる排気浄化装置などが提案されている。さらに、触媒の温度が過度に高温になった場合には、高温の排気に触媒をバイパスさせることにより、また、触媒の温度が過度に低温になった場合には、低温の排気に触媒をバイパスさせることにより、触媒の温度を適正に維持することができるようにした排気浄化装置が提案されている。しかしながら、これらの排気浄化装置に効果的にプラズマ発生装置を設けたものは見受けられない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、種々のタイプの排気浄化装置において排気浄化性能を向上させるように、電力が供給されることにより作動して排気浄化を促進させる装置を適切な位置に配置することを目的とする。また、それによって、当該装置の消費電力を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、一端が
内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過するとともに、他端が２つの分岐通路に分岐する第１の排気通路と、前記２つの分岐通路の各々に設けられ、排気を浄化する触媒と、前記触媒の下流における前記２つの分岐通路が合流するように形成された第２の排気通路と、当該第２の排気通路に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、粒子状物質酸化／凝集手段としては、プラズマ発生装置を例示することができる。プラズマを発生させると、オゾンが発生し、当該オゾンで排気中の粒子状物質が酸化されることとなる。また、プラズマが発生すると、粒子状物質が帯電し、粒子状物質同士が電気的に結合して凝集する。これにより、粒子状物質の粒子径を大きくさせて下流の粒子状物質捕集手段で捕集し易くすることができる。

そして、本発明に係る排気浄化装置のように構成された排気浄化装置においては、複数の触媒が２つの分岐通路に並列に備えられているので、排気における背圧を低減することができるとともに、触媒の浄化性、耐久性を向上させることができる。

さらに、後段に粒子状物質酸化／凝集手段が備えられているので、例えば、低温始動時など、粒子状物質が触媒をすり抜けたとしても、当該粒子状物質を酸化して減少させる、あるいは凝集してその粒子径を大きくして捕集しやすくすることができる。

また、前記第１の排気通路に粒子状物質を捕集するフィルタを備えることが好適である。粒子状物質酸化／凝集手段にて排気中の粒子状物質の全てを酸化あるいは凝集するには、排気中の粒子状物質が多いほど粒子状物質酸化／凝集手段に供給する電力を大きくする必要がある。それゆえ、粒子状物質酸化／凝集手段の上流側にフィルタを設けて、粒子状物質酸化／凝集手段に至る排気中の粒子状物質を減少させれば、粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるための消費電力を小さくすることができる。

また、粒子状物質酸化／凝集手段が、排気に曝される位置に、プラズマを発生する電極などの構成部品を有する場合には、粒子状物質が当該構成部品に付着するという弊害がある。ゆえに、このように、粒子状物質酸化／凝集手段の上流側にフィルタを設けて、粒子状物質酸化／凝集手段に至る粒子状物質を減少させれば、排気に曝される位置に備えられた構成部品に付着する粒子状物質を減少させることができるので、粒子状物質酸化／凝集手段による浄化性、耐久性を向上させることができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、一端が内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過する排気通路と、両端が前記排気通路に接続され当該排気通路から流入した排気を循環させ再度前記排気通路に導く循環通路と、当該循環通路に直列に設けられた複数の触媒と、前記排気通路と前記循環通路の両端との接続点に配置される切換弁であって、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を遮断させる第１の位置と、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を遮断させる第２の位置と、前記排気通路の上流側，下流側および前記循環通路の両端の全てを連通させる第３の位置と、を選択可能な切換弁と、前記切換弁の位置を制御する弁位置制御手段と、前記接続点下流の排気通路に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該
粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、を備えることを特徴とする。

このように構成された排気浄化装置においては、弁位置制御手段が切換弁の位置を第１または第２の位置に制御することで、複数の触媒に排気を通過させるようにすることができるので、排気の浄化性を向上させることもできる。また、第３の位置とすることにより、触媒の温度が過度に高温になった場合には、高温の排気が触媒を通過しないようすることより、また、触媒の温度が過度に低温になった場合には、低温の排気が触媒を通過しないようにすることにより、触媒の温度を適正に維持することができる。

さらに、後段に粒子状物質酸化／凝集手段が備えられているので、例えば、低温始動時など、粒子状物質が触媒をすり抜けたとしても、当該粒子状物質を酸化して減少させる、あるいは凝集してその粒子径を大きくして捕集しやすくすることができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、一端が内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過する排気通路と、両端が前記排気通路に接続され当該排気通路から流入した排気を循環させ再度前記排気通路に導く循環通路と、当該循環通路に直列に設けられた複数の触媒と、前記排気通路と前記循環通路の両端との接続点に配置される切換弁であって、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を遮断させる第１の位置と、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を遮断させる第２の位置と、前記排気通路の上流側，下流側および前記循環通路の両端の全てを連通させる第３の位置と、を選択可能な切換弁と、前記切換弁の位置を制御する弁位置制御手段と、前記複数の触媒の間に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、を備えることを特徴とする。

このように構成された排気浄化装置においては、弁位置制御手段が切換弁の位置を第１または第２の位置に制御することで、複数の触媒に排気を通過させるようにすることができるので、排気の浄化性を向上させることもできる。また、第３の位置とすることにより、触媒の温度が過度に高温になった場合には、高温の排気が触媒を通過しないようにし、触媒の温度を適正に維持することができる。

また、複数の触媒の間、つまり、少なくとも一つの触媒を通過した後の排気が粒子状物質酸化／凝集手段に至るように粒子状物質酸化／凝集手段が備えられているので、例えば、低温始動時など、粒子状物質が触媒をすり抜けたとしても、当該粒子状物質を酸化して減少させる、あるいは凝集してその粒子径を大きくして捕集しやすくすることができる。

また、前記接続点上流の排気通路に粒子状物質を捕集するフィルタを備えることが好適である。これにより、上述したように粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるための消費電力を小さくすることができるとともに、粒子状物質酸化／凝集手段による浄化性、耐久性を向上させることができる。

上述のように構成された排気浄化装置において、前記触媒は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり、当該触媒の上流の排気に対して還元剤を添加する還元剤添加手段と、当該還元剤添加手段にて還元剤を添加させて排気の空燃比をリッチにし、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に
吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元する還元手段と、をさらに備え、前記作動制御手段は、前記還元手段が前記還元剤添加手段にて還元剤を添加するのに同期して前記粒子状物質酸化／凝集手段を作動させることを特徴とする。

ここで、粒子状物質酸化／凝集手段の作動タイミングを還元剤添加手段にて還元剤を添加するのに同期させるとは、還元剤を添加するのと同時に粒子状物質酸化／凝集手段に電力を供給して作動させる、あるいは、還元剤を添加した排気が下流の排気通路に設けられた粒子状物質酸化／凝集手段に到達するのと同時に粒子状物質酸化／凝集手段に電力を供給して作動させることを例示することができる。

還元手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元する際に、排気の空燃比をリッチにするために還元剤添加手段にて還元剤を添加させる場合には、完全に燃焼あるいは反応しきれていないＨＣが触媒をすり抜けるおそれがある。それゆえ、作動制御手段が、還元手段が還元剤添加手段にて還元剤を添加するのに同期して粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるようにすることで、すり抜けた粒子状物質を酸化して減少させる、あるいは凝集してその粒子径を大きくして捕集しやすくすることができる。

また、内燃機関が運転中、常に粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるのではなく、還元手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元する際に還元剤添加手段にて還元剤を添加させる時のみ作動させるようにすることで、粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるための消費電力を抑制することができる。

そして、前記還元手段は、ＮＯｘを還元する際、前記還元剤添加手段から間欠的に還元剤を添加させるものであり、前記作動制御手段は、当該還元手段によるＮＯｘ還元の際の間欠的な還元剤の添加に同期して前記粒子状物質酸化／凝集手段を作動させることが好適である。これにより、粒子状物質酸化／凝集手段を作動させるための消費電力を抑制しつつ、排気浄化を適切に行うことができる。

また、前記作動制御手段は、前記還元手段によるＳＯｘ還元の際には、前記粒子状物質酸化／凝集手段を間欠的に作動させることが好適である。例えば、粒子状物質酸化／凝集手段がプラズマ発生装置である場合に、プラズマを発生させると、オゾンが発生し、当該オゾンで二酸化硫黄が酸化されてサルフェートが発生し易くなる。それゆえ、ＳＯｘ還元の際には、粒子状物質酸化／凝集手段を間欠的に作動させることで、サルフェートの発生を抑制することができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、電力が供給されることにより作動して排気浄化を促進させる装置を適切な位置に配置しているので、排気浄化性能を向上させることができる。また、当該装置の消費電力を抑制することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ディーゼル機関である。なお、図１においては、内燃機関１
の内部及びその吸気系は省略されている。

図１において、内燃機関１には、内燃機関１からの排気が流通する排気通路２が接続され、この排気通路２は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気通路２の途中には、排気を浄化する排気浄化部１０が配置されている。以下、排気通路２において、排気浄化部１０の上流を第１排気通路２ａ、下流を第２排気通路２ｂという。

また、排気浄化部１０内では、第１排気通路２ａは、第１分岐通路１０ａ、第２分岐通路１０ｂに分岐されており、この第１分岐通路１０ａ及び第２分岐通路１０ｂは下流において合流し、第２排気通路２ｂを形成している。

そして、第１分岐通路１０ａには、排気中のＮＯｘを吸蔵還元する第１吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１１ａが設けられており、第２分岐通路１０ｂには、第２吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられている。以下、第１吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、第２吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をそれぞれ第１ＮＯｘ触媒、第２ＮＯｘ触媒という。

このように、本実施例の排気系においては、２個のＮＯｘ触媒を並列に備えることにより、排気における背圧を低減するとともに、ＮＯｘ触媒の浄化性、耐久性を向上させるようにしている。

また、第１排気通路２ａにおける、第１分岐通路１０ａ及び第２分岐通路１０ｂの分岐点には、第１排気通路２ａと、第１分岐通路１０ａあるいは第２分岐通路１０ｂとを連通させるか、または遮断するかを切換える切換弁１２が備えられている。

そして、第２排気通路２ｂには粒子状物質酸化／凝集装置２０が備えられている。この粒子状物質酸化／凝集装置２０は、放電装置であり、当該装置の排気流れ方向の上流端側に備えられた電極２１と、この電極２１に電荷を供給する電源２２と、電源２２と電極２１の間に設けられたコンデンサ２３などによって構成されている。また、当該装置２０の下流端側が接地されている。

本実施例においては、当該放電装置としてプラズマ発生装置が用いられている。このプラズマ発生装置は、コンデンサ２３を充電して衝撃電流を放電することにより、電極２１の先端にプラズマを発生させるものである。

そして、このようにしてプラズマが発生すると、オゾンが発生し、当該オゾンでＰＭが酸化されることとなる。また、プラズマが発生すると、粒子状物質が帯電し、粒子状物質同士が電気的に結合して凝集する。これにより、粒子状物質の粒子径が大きくなり、下流のマフラー、フィルタなどで捕集し易くすることができる。

第１分岐通路１０ａにおける第１ＮＯｘ触媒１１ａの上流側には、第１ＮＯｘ触媒１１ａのＮＯｘ還元処理などの際に、還元剤としての燃料を排気に添加する第１還元剤添加弁１３ａが備えられている。同様に、第２分岐通路１０ｂにおける第２ＮＯｘ触媒１１ｂの上流側には、第２還元剤添加弁１３ｂが備えられている。

以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０が併設されている。このＥＣＵ３０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する他、内燃機関１の排気系の制御をも行うユニットである。

ＥＣＵ３０には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサ
などの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類が電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ３０には、内燃機関１内の図示しない燃料噴射弁等が電気配線を介して接続される他、本実施例における切換弁１２、第１還元剤添加弁１３ａ、第２還元剤添加弁１３ｂ、電源２２が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ３０によって制御されるようになっている。

また、ＥＣＵ３０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。第１ＮＯｘ触媒１１ａ、第２ＮＯｘ触媒１１ｂに吸蔵されたＮＯｘを還元放出させるためのリッチスパイク制御ルーチンの他、吸蔵されたＳＯｘを還元放出させるためのＳＯｘ被毒解消制御ルーチンなども、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されているプログラムの一つである。

ここで、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂは、当該触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときには、排気中のＮＯｘを吸蔵（保持）して大気中に放出しないようにし、当該触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比あるいはリッチ空燃比（理論空燃比以下）となったときには、吸蔵（保持）していたＮＯｘを放出及び還元して除去するものである。

そのため、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂのＮＯｘ吸蔵能力が飽和し、排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂにて浄化されずに大気中へ放出されてしまう。

そのため、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂのＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前にＮＯｘ還元処理を実行する必要がある。ＮＯｘ還元処理は、ＥＣＵ３０が、ＮＯｘ触媒１１ａあるいは１１ｂのいずれかがＮＯｘ還元処理をすべきタイミングであると判定したときに、そのＮＯｘ触媒にのみ排気が通過するように切換弁１２の位置を制御した上で、そのＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにし、ＮＯｘ触媒に吸蔵（保持）されたＮＯｘを放出及び還元させる処理である。

あるいは、ＮＯｘ触媒１１ａあるいは１１ｂのうちの一方にのみ排気を導入し、他方のＮＯｘ触媒への排気の導入量を抑えるとともに、排気の導入量が抑えられた方のＮＯｘ触媒に還元剤としての燃料を供給することにより、そのＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにし、ＮＯｘ触媒に吸蔵（保持）されたＮＯｘを放出及び還元させてもよい。

そして、本実施例においては、ＮＯｘ還元処理として、ＥＣＵ３０が、ＮＯｘ触媒１１ａあるいは１１ｂに流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（間欠的）にリッチ空燃比とする、リッチスパイク制御を実行する。

このリッチスパイク制御では、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ還元処理をすべきタイミングであるＮＯｘ触媒の上流に備えられた還元剤添加弁１３ａあるいは１３ｂからスパイク的（間欠的）に還元剤たる燃料を添加させることにより、そのＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とするものである。そして、このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、その後ＮＯｘ触媒１１ａあるいは１１ｂに流入し、当該触媒に吸蔵（保持）されていたＮＯｘを放出及び還元することになる。

ただし、このようなリッチスパイク制御中において、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂから
燃料を添加すると、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂをすり抜ける未燃のＨＣが増加するおそれがある。

そこで、本実施例においては、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂからスパイク的に燃料を添加させるのに同期して、粒子状物質酸化／凝集装置２０を作動させるようにする。つまり、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂからスパイク的に燃料を添加するのと同時に、電極２１の先端からプラズマを発生させるようにする。より好ましくは、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂからスパイク的に添加した燃料が粒子状物質酸化／凝集装置２０に到達するのと同時に、電極２１の先端からプラズマを発生させるようにする。

その結果、リッチスパイク制御を実行することに起因して増加するＮＯｘ触媒すり抜けＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。

また、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂは、ＮＯｘの場合と同様のメカニズムによって排気中のＳＯｘを吸蔵（保持）するため、ＳＯｘの吸蔵量が増加すると、それに応じてＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂのＮＯｘ吸蔵能力が低減する、いわゆるＳＯｘ被毒が発生する。それゆえ、かかるＳＯｘ被毒を解消するために、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂからＳＯｘを放出及び還元させる、ＳＯｘ被毒解消制御を実行する。

このＳＯｘ被毒解消制御は、ＥＣＵ３０が、ＮＯｘ触媒に流入する排気の熱履歴等によりＮＯｘ触媒１１ａあるいは１１ｂのいずれかのＳＯｘ被毒量が所定量以上であると判断した場合は、先ずそのＮＯｘ触媒の床温を約６００℃に高めるために触媒昇温制御を実行する。そして、触媒昇温制御によりそのＮＯｘ触媒の床温が約６００℃まで上昇したら、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすべくそのＮＯｘ触媒の上流に備えられた還元剤添加弁１３ａあるいは１３ｂから還元剤たる燃料を添加させる還元剤添加制御を実行する。

その結果、このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、その後ＮＯｘ触媒に流入し、当該触媒に吸蔵されていたＳＯｘを放出及び還元することになる。

ただし、このようなＳＯｘ被毒解消制御において、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂから燃料を添加すると、ＮＯｘ触媒１１ａ，１１ｂをすり抜ける未燃のＨＣが増加するおそれがある。

そこで、本実施例においては、ＳＯｘ被毒解消制御実行中に、粒子状物質酸化／凝集装置２０を作動させるようにする。つまり、ＳＯｘ被毒解消制御実行中に、電極２１の先端からプラズマを発生させるようにする。

その結果、ＳＯｘ被毒解消制御を実行することに起因して増加するＮＯｘ触媒すり抜けＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。

ただし、ＳＯｘ被毒解消制御実行中に、粒子状物質酸化／凝集装置２０を作動させてプラズマを発生させると、オゾンが発生し、当該オゾンで二酸化硫黄が酸化されてサルフェートが発生し易くなる。これを防止するために、ＳＯｘ被毒解消制御実行中においては、粒子状物質酸化／凝集装置２０を間欠的に作動させるようにすることが好ましい。

なお、図１の排気系の切換弁１２に代えて、つまり第１排気通路２ａにおける第１分岐通路１０ａ及び第２分岐通路１０ｂの分岐点に切換弁１２を備えるのに代えて、図２の構
成のように２つの制御弁を備えるようにしてもよい。つまり、図２示すように、第１分岐通路１０ａにおける第１ＮＯｘ触媒１１ａの下流部分に、第１分岐通路１０ａを通過する排気流量を制御する第１弁１４ａを備え、同様に、第２分岐通路１０ｂにおける第２ＮＯｘ触媒１１ｂの下流部分に、第２弁１４ｂを備えるようにしてもよい。

このような構成にすることにより、図１の構成における切換弁１２の弁位置の切り換えに起因してすり抜けるＨＣの量を、第１弁１４ａおよび第２弁１４ｂを適切に制御することにより減少させることができる。

本実施例においては、実施例１に対して、排気系の構成が以下に説明するように異なるのみであり、その他は実施例１と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

本実施例に係る排気系においては、図３に示すように、図１に示した実施例１の構成に対して、さらに切換弁１２の上流の第１排気通路２ａにフィルタ構造体１５を設けている。フィルタ構造体１５としては、例えば、粒子状物質を捕集するフィルタのみのもの、フィルタに触媒が担持されたもの、フィルタとそれに直列に触媒を設けたものなどを例示することができる。

かかる構成にすることで、排気を多段に処理することができるので、排気中に存在する有害物質の量を全体的に低減することができる。また、内燃機関１から排出された粒子状物質は、粒子状物質酸化／凝集装置２０の前段で処理され、さらに粒子状物質酸化／凝集装置２０で酸化、あるいはその粒子径が大きくされるので、大気中に粒子径が小さい粒子状物質が多量に排出されることを抑制することができる。

また、粒子状物質酸化／凝集装置２０より上流側（前段）で多段に排気処理（浄化）された後の排気が流れ込むため、電極２１の表面に粒子状物質が付着し難くなるようにすることができる。

また、プラズマの効果は、排気中の粒子状物質が多量である場合、排気温度が高温である場合に低下するので、このような条件において十分な効果を発揮させるためには、プラズマを発生させるための電力を高くしなければならない。しかしながら、本実施例のように、粒子状物質酸化／凝集装置２０に至る排気中の粒子状物質を減少させると、プラズマを発生させるための電力を低くすることができるので、消費電力を減少させることができる。

図４は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。図４に示す内燃機関１は、ディーゼル機関であり、その内部及びその吸気系は省略されている。

図４において、内燃機関１には、内燃機関１からの排気が流通する排気通路２が接続され、この排気通路２は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気通路２の途中には、排気中の有害物質（例えば、煤、ＮＯｘ）を浄化する排気浄化部１０が配置されている。

排気浄化部１０において、排気通路２には循環通路１０ｃが設けられており、その両端が排気通路２に接続されている。以下、排気通路２において、排気通路２と循環通路１０ｃとの接続点の上流を第１排気通路２ａ、下流を第２排気通路２ｂという。

そして、循環通路１０ｃには、第１ＮＯｘ触媒１１ａと第２ＮＯｘ触媒１１ｂが直列に設けられている。また、循環通路１０ｃにおける第１ＮＯｘ触媒１１ａの上流側には第１還元剤添加弁１３ａが、第２分岐通路１０ｂにおける第２ＮＯｘ触媒１１ｂの上流側には第２還元剤添加弁１３ｂが備えられている。

また、排気通路２と循環通路１０ｃとの接続点には、第１排気通路２ａ、第２排気通路２ｂ、循環通路１０ｃの第１ＮＯｘ触媒１１ａ側の端（以下、「一端」という。）、および循環通路１０ｃの第２ＮＯｘ触媒１１ｂ側の端（以下、「他端」という。）のうち、いずれを連通させ、または遮断するかを切換える切換弁１６が備えられている。

かかる構成において、切換弁１６を、図４中実線で示す第１の位置とすることにより、第１排気通路２ａと循環通路１０ｃの一端側とを連通させ、さらに循環通路１０ｃの他端側と第２排気通路２ｂとを連通させるとともに、第１排気通路２ａ及び循環通路１０ｃの一端側と、第２排気通路２ｂ及び循環通路１０ｃの他端側とを遮断させることができる。

また、切換弁１６を、図４中破線で示す第２の位置とすることにより、第１排気通路２ａと循環通路１０ｃの他端側とを連通させ、さらに循環通路１０ｃの一端側と第２排気通路２ｂとを連通させるとともに、第１排気通路２ａ及び循環通路１０ｃの他端側と、循環通路１０ｃの一端側及び第２排気通路２ｂとを遮断させることができる。

このように、本実施例に係る排気系においては、切換弁１６の弁の位置を制御することで、２個のＮＯｘ触媒を直列に備えるようにして排気がＮＯｘ触媒を２度通過するようにし、排気の浄化性を向上させることができる。

さらに、第１の位置と第２の位置との中間位置である第３の位置とすることにより、第１排気通路２ａ、循環通路１０ｃの一端側、循環通路１０ｃの他端側及び第２排気通路２ｂの全てを連通させることができる。これにより、ＮＯｘ触媒の温度が過度に高温になった場合には、高温の排気が両方のＮＯｘ触媒をバイパスするようにし、また、ＮＯｘ触媒の温度が過度に低温になった場合には、低温の排気が両方のＮＯｘ触媒をバイパスするようにすることにより、ＮＯｘ触媒の温度を適正に維持することができる。

また、実施例１と同様に、第２排気通路２ｂには粒子状物質酸化／凝集装置２０が備えられている。そして、実施例１と同様に、還元剤添加弁１３ａ，１３ｂからスパイク的に燃料を添加させるのに同期して、粒子状物質酸化／凝集装置２０を作動させるようにすることで、リッチスパイク制御を実行することに起因して増加するＮＯｘ触媒すり抜けＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。

また、ＳＯｘ被毒解消制御実行中に、粒子状物質酸化／凝集装置２０を作動させるようにすることで、ＳＯｘ被毒解消制御を実行することに起因して増加するＮＯｘ触媒すり抜けＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。さらに、ＳＯｘ被毒解消制御実行中に、粒子状物質酸化／凝集装置２０を間欠的に作動させることで、サルフェートの排出も抑制することができる。

なお、図４の切換弁１６の位置および循環通路１０ｃの向きに代えて、図５に示すように、切換弁１６の位置および循環通路１０ｃの向きにしても、上述したのと同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

本実施例においては、実施例３に対して、排気系の構成が以下に説明するように異なる
のみであり、その他は実施例３と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

本実施例に係る排気系においては、図６に示すように、図４に示した実施例３の構成に対して、循環通路１０ｃの第１ＮＯｘ触媒１１ａに代えて粒子状物質酸化／凝集装置２０を設けた点と、第１還元剤添加弁１３ａおよび第２排気通路２ｂに粒子状物質酸化／凝集装置２０を設けないようにした点が異なる。なお、循環通路１０ｃに粒子状物質酸化／凝集装置２０を設ける際には、電極２１に対して排気流れ方向の両側を接地させておくことが好ましい。

そして、このような簡易な構成においても、切換弁１６が第２の位置にある場合には、第２ＮＯｘ触媒１１ｂの下流に粒子状物質酸化／凝集装置２０が存在することになるので、第２ＮＯｘ触媒１１ｂをすり抜けたＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。

また、切換弁１６が第１の位置にある場合には、粒子状物質酸化／凝集装置２０から剥がれたＨＣを第２ＮＯｘ触媒１１ｂで酸化、除去することができる。

本実施例においては、実施例３に対して、排気系の構成が以下に説明するように異なるのみであり、その他は実施例３と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

本実施例に係る排気系においては、図７に示すように、図４に示した実施例３の構成に対して、循環通路１０ｃにおける第１ＮＯｘ触媒１１ａと第２ＮＯｘ触媒１１ｂの間に粒子状物質酸化／凝集装置２０を設けた点と、第２排気通路２ｂに粒子状物質酸化／凝集装置２０を設けないようにした点が異なる。

かかる構成においても、一方のＮＯｘ触媒をすり抜けたＨＣを酸化して減少させることができるとともに、これらを凝集させて粒子径を大きくさせることができる。また、粒子状物質酸化／凝集装置２０から剥がれたＨＣを他方のＮＯｘ触媒で酸化、除去することができる。

本実施例においては、実施例３に対して、排気系の構成が以下に説明するように異なるのみであり、その他は実施例３と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

本実施例に係る排気系においては、図８に示すように、図４に示した実施例３の構成に対して、さらに切換弁１６の上流の第１排気通路２ａにフィルタ構造体１５を設けている。フィルタ構造体１５としては、例えば、フィルタのみのもの、フィルタに触媒が担持されたもの、フィルタとそれに直列に触媒を設けたものなどを例示することができる。

かかる構成にすることで、排気を多段に処理することができるので、排気中に存在する有害物質の量を全体的に低減することができる。また、内燃機関１から排出された粒子状物質は、粒子状物質酸化／凝集装置２０の前段で処理され、さらに粒子状物質酸化／凝集装置２０で酸化、あるいはその粒子径が大きくされるので、大気中に粒子径が小さい粒子状物質が多量に排出されることを抑制することができる。

また、粒子状物質酸化／凝集装置２０より上流側（前段）で多段に排気処理（浄化）された後の排気が流れ込むため、電極２１の表面に粒子状物質が付着し難くなるようにすることができる。

また、プラズマの効果は、排気中の粒子状物質が多量である場合、排気温度が高温である場合に低下するので、このような条件において十分な効果を発揮させるためには、プラズマを発生させるための電力を高くしなければならない。しかしながら、本実施例のように、粒子状物質酸化／凝集装置２０に至る排気中の粒子状物質を減少させると、プラズマを発生させるための電力を低くすることができるので、消費電力を減少させることができる。

実施例１に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例１に係る他の内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例２に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例３に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例４に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例４に係る他の内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例５に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 実施例６に係る内燃機関の排気系及び制御系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
２ａ 第１排気通路
２ｂ 第２排気通路
１０ 排気浄化部
１０ａ 第１分岐通路
１０ｂ 第２分岐通路
１０ｃ 循環通路
１１ ＮＯｘ触媒
１２，１６ 切換弁
１３ 還元剤添加弁
１４ａ 第１弁
１４ｂ 第２弁
１５ フィルタ構造体
２０ 粒子状物質酸化／凝集装置
２１ 電極
２２ 電源
２３ コンデンサ
３０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 一端が内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過するとともに、他端が２つの分岐通路に分岐する第１の排気通路と、
   前記２つの分岐通路の各々に設けられ、排気を浄化する触媒と、
   前記触媒の下流における前記２つの分岐通路が合流するように形成された第２の排気通路と、
   当該第２の排気通路に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、
   当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１の排気通路に粒子状物質を捕集するフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 一端が内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過する排気通路と、
   両端が前記排気通路に接続され当該排気通路から流入した排気を循環させ再度前記排気通路に導く循環通路と、
   当該循環通路に直列に設けられた複数の触媒と、
   前記排気通路と前記循環通路の両端との接続点に配置される切換弁であって、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を遮断させる第１の位置と、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を遮断させる第２の位置と、前記排気通路の上流側，下流側および前記循環通路の両端の全てを連通させる第３の位置と、を選択可能な切換弁と、
   前記切換弁の位置を制御する弁位置制御手段と、
   前記接続点下流の排気通路に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、
   当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 一端が内燃機関に接続されて該内燃機関からの排気が通過する排気通路と、
   両端が前記排気通路に接続され当該排気通路から流入した排気を循環させ再度前記排気通路に導く循環通路と、
   当該循環通路に直列に設けられた複数の触媒と、
   前記排気通路と前記循環通路の両端との接続点に配置される切換弁であって、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を遮断させる第１の位置と、前記排気通路の上流側と前記循環通路の他端側を連通させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の一端側を連通させ、前記排気通路の上流側と前記循環通路の一端側を遮断させるとともに前記排気通路の下流側と前記循環通路の他端側を遮断させる第２の位置と、前記排気通路の上流側，下流側および前記循環通路の両端の全てを連通させる第３の位置と、を選択可能な切換弁と、
   前記切換弁の位置を制御する弁位置制御手段と、
   前記複数の触媒の間に設けられ、電力が供給されることにより作動して、排気中の粒子状物質を酸化する、あるいは粒子状物質を帯電させることで当該粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質酸化／凝集手段と、
   当該粒子状物質酸化／凝集手段の作動を制御する作動制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記接続点上流の排気通路に粒子状物質を捕集するフィルタを備えることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記触媒は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり、
   当該触媒の上流の排気に対して還元剤を添加する還元剤添加手段と、
   当該還元剤添加手段にて還元剤を添加させて排気の空燃比をリッチにし、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元する還元手段と、
   をさらに備え、
   前記作動制御手段は、前記還元手段が前記還元剤添加手段にて還元剤を添加するのに同期して前記粒子状物質酸化／凝集手段を作動させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記還元手段は、ＮＯｘを還元する際、前記還元剤添加手段から間欠的に還元剤を添加させるものであり、
   前記作動制御手段は、当該還元手段によるＮＯｘ還元の際の間欠的な還元剤の添加に同期して前記粒子状物質酸化／凝集手段を作動させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記作動制御手段は、前記還元手段によるＳＯｘ還元の際には、前記粒子状物質酸化／凝集手段を間欠的に作動させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images