JP2007315278A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより好適に回復させる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられたモノリス触媒３１，３２と、モノリス触媒３１を通過する排気の排気流速を低下させる突出部３４と、を備える。これにより、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されると、モノリス触媒３１において、燃料がすり抜けず、排気流速が低下することに起因して燃料の化学反応が促進される。そして、モノリス触媒３１では、燃料の化学反応に伴う発熱量が増加し昇温され、モノリス触媒３１が高温状態となることに起因しても燃料の化学反応が促進される。また、モノリス触媒３１の熱を排気が下流へ供給し、モノリス触媒３２も高温状態となることに起因して燃料の化学反応が促進される。したがって、排気浄化能力をより好適に回復させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関における燃料の燃焼によって生成されるＮＯｘを浄化するために、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という。）が用いられる。ＮＯｘ触媒は、排気の空燃比がリーン状態であるときは排気中のＮＯｘを触媒内へ吸蔵し、排気の空燃比がストイキ（理論空燃比）又はリッチ状態となると吸蔵されていたＮＯｘを放出する性質を有している。そこで、排気の酸素濃度がリーン状態のときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、その後排気中に燃料を供給し排気中の酸素濃度を低下させて吸蔵されていたＮＯｘを放出させて、且つ該燃料によってＮＯｘを還元、浄化する。

ここで、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒を直列に２つ設けて、ＮＯｘ触媒の容量の割合を好適に設定することで、ＮＯｘ触媒単位容量あたりのＮＯｘ浄化率を大幅に向上させる技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００５−１６４７０号公報 特開２００４−１６２６１１号公報 特開２００２−１５５７８４号公報

内燃機関の排気通路に、ＮＯｘ触媒といった排気浄化装置を設ける場合、排気浄化装置の排気浄化能力を回復させるために、排気中に燃料を供給して吸蔵したＮＯｘを放出・還元する場合や、排気中に燃料を供給して排気浄化装置の温度を上昇させて、捕集した粒子状物質を酸化除去する場合がある。

ここで、上記特許文献１の技術では、上流側のＮＯｘ触媒はストレートフロー型を用いている。このストレートフロー型の上流側のＮＯｘ触媒内では、流れ込む排気流速が速いままであるので供給された燃料がすり抜け易く、排気浄化能力を回復させる化学反応に燃料が充分に供されないおそれがある。

また、当該化学反応に伴う発熱量が少ないために上流側のＮＯｘ触媒は昇温し難く、低温状態であることに起因しても化学反応が促進されないため、排気浄化能力が充分に回復されないおそれがある。

本発明の目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより好適に回復させる技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、
前記排気浄化手段を通過する排気の排気流速を低下させる排気流速低下手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

排気浄化手段においては、排気が滞ることなく下流へ流れている。このため、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されても、燃料が排気に乗って排気浄化手段をすり抜けてしまい、排気浄化手段での燃料の化学反応が生じ難い場合があった。その場
合は、燃料の化学反応に伴う発熱量が少ないので、排気浄化手段が昇温し難く、排気浄化手段が低温状態であることに起因しても燃料の化学反応がさらに生じ難くなる。したがって、排気浄化手段は排気浄化能力を充分に回復することができない場合があった。

そこで、本発明では、排気浄化手段を通過する排気の排気流速を低下させる排気流速低下手段を備える。

この構成によると、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されると、排気流速が低下した部位において、燃料がすり抜けず、排気流速が低下することに起因して燃料の化学反応が促進される。そして、排気浄化手段では、燃料の化学反応に伴う発熱量が増加し昇温される。よって、排気浄化手段が高温状態となることに起因しても燃料の化学反応が促進される。したがって、排気浄化手段の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段を通過する排気の流通面積を減少させることで、前記排気流速低下手段を配置した部位の上流側において排気流速を低下させるとよい。

この構成によると、排気流速低下手段は、排気浄化手段を通過する排気の流通面積を減少させて排気抵抗を高めており、排気の流通面積を減少させた部分に流入する排気について、排気流速低下手段を配置した部位の上流側にて排気流速を低下させることができる。

前記排気浄化手段は、排気流れ方向の途中で分断されており、前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段の分断部位に配置されるとよい。

ここで、排気浄化手段の排気流れ方向の長さが長い場合には、排気浄化手段の上流側において、燃料がすり抜け易く、燃料の化学反応が生じ難かった。その場合には、燃料の化学反応に伴う発熱量が少ないので、排気浄化手段の上流側が昇温し難く、低温状態であることに起因しても燃料の化学反応がさらに生じ難くなっていた。

この構成によると、排気流速低下手段を配置した部位の上流側、すなわち排気浄化手段の分断部位よりも上流側で排気流速が低下する。このため、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されると、排気流速が低下した部位、すなわち排気浄化手段の分断部位よりも上流側において、燃料がすり抜けず、排気流速が低下することに起因して燃料の化学反応が促進される。そして、排気浄化手段の分断部位よりも上流側は、燃料の化学反応に伴う発熱量が増加し昇温される。よって、排気浄化手段の分断部位よりも上流側が高温状態となることに起因しても燃料の化学反応が促進される。

また、排気浄化手段の分断部位よりも上流側の熱を排気が下流へ供給することで、排気浄化手段の分断部位よりも下流側も昇温される。よって、排気浄化手段の分断部位よりも下流側も高温状態となることに起因して燃料の化学反応が促進される。したがって、排気流れ方向の途中で分断された排気浄化手段の上流側及び下流側の両方とも排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

前記排気浄化手段の下流側に設けられた後段排気浄化手段をさらに備えるとよい。

この構成によると、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されると、排気浄化手段が昇温され高温状態となるため、その熱を排気が下流へ供給することで、後段排気浄化手段も昇温される。よって、後段排気浄化手段も高温状態となることに起因して燃料の化学反応が促進される。したがって、後段排気浄化手段の排気浄化能力をより好適
に回復させることができる。

前記排気浄化手段は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたストレートフロー型の排気浄化手段であり、前記後段排気浄化手段は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該複数のセルの一端又は他端を閉塞すると共に、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたウォールフロー型の排気浄化手段であるとよい。

この構成によると、ウォールフロー型の後段排気浄化手段における排気抵抗がストレートフロー型の排気浄化手段における排気抵抗より高くなる。このため、後段排気浄化手段に流れ込む排気は、後段排気浄化手段の直上流で排気流速が低下する。

よって、排気浄化能力を回復させるために排気中に燃料が供給されると、後段排気浄化手段の直上流、すなわち排気浄化手段の下流側において、排気流速が低下することに起因して燃料の化学反応が促進される。これにより、排気浄化手段の下流側における昇温速度が速まると共にその下流の後段排気浄化手段へ供給する熱量が増加するので、排気浄化手段及び後段排気浄化手段の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

前記排気流速低下手段は、前記排気通路の内壁から突出する突出部であるとよい。また、前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段の分断部位に面する端面及び／又は前記排気浄化手段の下流側端面の少なくとも一部を閉塞する閉塞部であるとよい。これらの構成により、容易に排気流速低下手段を設けることができる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより好適に回復させることが可能となる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
実施例１では、本発明を車両駆動用エンジンに適用した場合について説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、直列４気筒の水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２の下流の部位には、内燃機関１の気筒から排出される排気を浄化するためのモノリス触媒３１，３２及びフィルタ３３が１つのケーシング３内に配置されている。

なお、ケーシング３内において、図２（ａ）に示すように、上流側にモノリス触媒３１，３２が排気流れ方向の途中で分断されて２分割して配置され、下流側にフィルタ３３が配置されている。モノリス触媒３１，３２が本発明の排気浄化手段に相当し、フィルタ３３が本発明の後段排気浄化手段に相当する。

また、２つのモノリス触媒３１，３２の間、すなわちモノリス触媒３１，３２が排気流れ方向の途中で分断された分断部位には、排気流速を低下させるための突出部３４が設けられている。突出部３４は、ケーシング３内壁から突出し、ケーシング３の内周に沿って円環状に形成されている。突出部３４が本発明の排気流速低下手段に相当する。

ここで、モノリス触媒３１，３２は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたストレートフロー型のものである。さらに、モノリス触媒３１，３２には、貴金属触媒とＮＯｘ吸蔵材が担持されており、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒としても作用する。

また、フィルタ３３は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該複数のセルの一端又は他端を閉塞すると共に、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたウォールフロー型のものであって、排気中の粒子状物質を捕集する機能を有する。さらに、フィルタ３３には、貴金属触媒とＮＯｘ吸蔵材が担持されており、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒としても作用する。

図１に戻り、排気通路２におけるケーシング３の上流の部位には、排気通路２の排気中へ燃料を添加する燃料添加ノズル４が配置されている。

以上の構成の内燃機関１には、内燃機関１を制御するための不図示の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）が併設されている。このＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる制御コンピュータである。ＥＣＵには、内燃機関１の燃料噴射弁、燃料添加ノズル４などが電気的に接続されている。そして、ＥＣＵによってこれら燃料噴射弁、燃料添加ノズル４などが制御される。

ところで、ＥＣＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作し、燃料添加ノズル４を用いた燃料添加を実行する。

ここで、燃料添加とは、モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３の排気浄化能力を回復させる処理時に、燃料添加ノズル４から排気通路２内の排気中に燃料を添加するものである。上記モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３の排気浄化能力を回復させる処理としては、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、フィルタの再生処理といった処理（以下、ＮＯｘ還元処理などという）が挙げられる。

なお、ＮＯｘ還元処理は、燃料添加ノズル４から排気中へ燃料を添加させることにより、モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元する処理である。

ＳＯｘ被毒回復処理は、燃料添加ノズル４から排気中へ燃料を添加させることにより、燃料をモノリス触媒３１，３２やフィルタ３３において酸化能や排気熱によって酸化させ、酸化の際に発生する熱によってモノリス触媒３１，３２やフィルタ３３の温度を高めると共に、モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、モノリス触媒３１，３２やフィルタ３３に吸蔵されたＳＯｘを放出・還元させる処理である。

フィルタの再生処理は、燃料添加ノズル４から排気中へ燃料を添加させることにより、ＳＯｘ被毒回復処理と同様に酸化の際に発生する熱によってフィルタ３３の温度を高め、フィルタ３３に捕集された粒子状物質を酸化除去する処理である。

しかしながら、ストレートフロー型のモノリス触媒３１，３２内では、流れ込む排気流速が速いままであるので、ＮＯｘ還元処理などにおける燃料添加によって燃料添加ノズル４から排気通路２の排気中へ添加される燃料がすり抜けてしまうおそれがある。よって、排気流速が速いことに起因して、燃料がモノリス触媒３１，３２の排気浄化能力を回復させるためのＮＯｘの放出・還元、ＳＯｘの放出・還元、酸化といった化学反応（以下、単
に化学反応という）に充分に供されないおそれがある。また、このような場合には、当該化学反応に伴う発熱量が少ないために、モノリス触媒３１，３２は昇温し難い。このため、モノリス触媒３１，３２が低温状態であることに起因しても燃料の化学反応がさらに生じ難くなっていたため、モノリス触媒３１，３２は排気浄化能力を充分に回復することができないおそれがある。

そこで、本実施例においては、図２（ａ）に示す突出部３４が設けられている。突出部３４は、モノリス触媒３１内での排気流速を低下させる。すなわち、突出部３４はその存在部位で排気の流通面積を減少させて排気抵抗を高めているため、上流側のモノリス触媒３１を通過する排気は、図２（ｂ）に示すように突出部３４の上流側において動圧が上昇すると共に排気流速が低下する。また、突出部３４の通過時は、動圧が最も高まると共に排気流速が最も速くなる。

このため、ＮＯｘ還元処理などにおいて排気浄化能力を回復させるために燃料添加ノズル４から排気中に燃料添加が実行されると、排気流速が低下した部位、すなわち上流側のモノリス触媒３１において、燃料がすり抜けず、排気流速が低下することに起因して化学反応が促進される。そして、上流側のモノリス触媒３１では、燃料の化学反応に伴う発熱量が増加し昇温される。よって、上流側のモノリス触媒３１が高温状態となることに起因しても燃料の化学反応が促進される。したがって、上流側のモノリス触媒３１の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

また、上記の化学反応によって生じた上流側のモノリス触媒３１の熱を排気が下流へ供給する。このため、上流側のモノリス触媒３１の直下流側、すなわち下流側のモノリス触媒３２も昇温される。よって、下流側のモノリス触媒３２も高温状態となることに起因して燃料の化学反応が促進される。

ここで、下流側のモノリス触媒３２の下流には、ウォールフロー型のフィルタ３３が配置されている。これにより、ウォールフロー型のフィルタ３３における排気抵抗がストレートフロー型の下流側のモノリス触媒３２における排気抵抗より高くなる。このため、フィルタ３３に流れ込む排気は、フィルタ３３の直上流で排気流速が低下する。よって、フィルタ３３の直上流、すなわち下流側のモノリス触媒３２においては、排気流速が低下することに起因しても燃料の化学反応が促進される。したがって、下流側のモノリス触媒３２の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

特に、下流側のモノリス触媒３２においては、上記のように高温状態となることに起因する他に排気流速が低下することに起因しても燃料の化学反応が促進されるので、下流側のモノリス触媒３２における昇温速度を速くすることができると共にその下流のフィルタ３３へ供給する熱量を増加させることができる。

さらに、上記の２つのモノリス触媒３１，３２が昇温され高温状態となり、その熱を排気が下流へ供給する。このため、モノリス触媒３１，３２の下流のフィルタ３３も昇温される。よって、フィルタ３３も高温状態となることに起因して、燃料の化学反応が促進される。したがって、フィルタ３３の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

なお、上記実施例１では、モノリス触媒を２つに分割する例を挙げた。しかし、例えばモノリス触媒を３つ以上に分割するものであってもよい。この際、それぞれのモノリス触媒間には突出部が配置されることになる。また突出部は、排気流れ方向上流側を最も大きく設け、下流側ほど小さく設け、上流側の方で排気抵抗が高くなるようにする。これは、上流側では、主として排気流速が低下することに起因して燃料の化学反応を促進するのに対し、下流側では、排気流速が低下することに起因する他に、上流側の熱が供給されてい
ち早く高温状態になることに起因しても燃料の化学反応を促進できるからである。

＜実施例２＞
次に、実施例２を図３に基づいて説明する。なお、図３（ａ）に示すケーシング内の構成要素のうち実施例１と同一のものについては、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例におけるケーシング３内において、図３（ａ）に示すように、上流側にモノリス触媒３１，３２が排気流れ方向の途中で分断されて２分割して配置され、下流側にフィルタ３３が配置されている。

また、モノリス触媒３１，３２が排気流れ方向の途中で分断された分断部位に面する端面、具体的には上流側のモノリス触媒３１の下流側端面及び下流側のモノリス触媒３２の上流側端面には、排気流速を低下させるための閉塞部３５が設けられている。閉塞部３５は、粒子状物質が通過する大きさの細孔を有し、排気に対しての排気抵抗となる部材である。閉塞部３５が本発明の排気流速低下手段に相当する。

閉塞部３５は、モノリス触媒３１，３２内での排気流速を低下させる。すなわち、閉塞部３５はその存在部位で排気の流通面積を減少させて排気抵抗を高めているため、上流側のモノリス触媒３１を通過した排気は、図３（ｂ）に示すように閉塞部３５の上流側において排気流速が低下する。

このため、本実施例においても、実施例１と同様に、ＮＯｘ還元処理などにおいて排気浄化能力を回復させるために燃料添加ノズル４から排気中に燃料添加が実行されると、上流側及び下流側のモノリス触媒３１，３２やフィルタ３３の排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

なお、上記実施例２では、閉塞部３５が上流側のモノリス触媒３１の下流側端面及び下流側のモノリス触媒３２の上流側端面において一部のセルの端を閉塞する例を挙げた。しかし、例えば、閉塞部が上流側のモノリス触媒の下流側端面又は下流側のモノリス触媒の上流側端面のいずれか一方において一部のセルの端を閉塞してもよいし、下流側のモノリス触媒の下流側端面において一部のセルの端を閉塞してもよい。

実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図である。 実施例１に係る排気浄化装置を示す図であり、（ａ）は排気浄化装置の概略構成を示しており、（ｂ）は排気浄化装置での動圧及び排気流速を示している。 実施例２に係る排気浄化装置を示す図であり、（ａ）は排気浄化装置の概略構成を示しており、（ｂ）は排気浄化装置での動圧及び排気流速を示している。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ ケーシング
４ 燃料添加ノズル
３１ 上流側のモノリス触媒
３２ 下流側のモノリス触媒
３３ フィルタ
３４ 突出部
３５ 閉塞部

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段と、
   前記排気浄化手段を通過する排気の排気流速を低下させる排気流速低下手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段を通過する排気の流通面積を減少させることで、前記排気流速低下手段を配置した部位の上流側において排気流速を低下させ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. 前記排気浄化手段は、排気流れ方向の途中で分断されており、
   前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段の分断部位に配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記排気浄化手段の下流側に設けられた後段排気浄化手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気浄化手段は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたストレートフロー型の排気浄化手段であり、
   前記後段排気浄化手段は、排気流れ方向に沿った隔壁により区画された複数のセルを有し、該複数のセルの一端又は他端を閉塞すると共に、該隔壁に酸化能を有する触媒が担持されたウォールフロー型の排気浄化手段であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記排気流速低下手段は、前記排気通路の内壁から突出する突出部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記排気流速低下手段は、前記排気浄化手段の分断部位に面する端面及び／又は前記排気浄化手段の下流側端面の少なくとも一部を閉塞する閉塞部であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
   

Images