JP2007315339A

JP2007315339A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007315339A
Application number: JP2006147704A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Sugiyama; 敏久杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】還元剤添加弁の噴孔の詰まりを抑制できるとともに、還元剤添加弁の温度上昇を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】主ターボ過給機１０のタービン１０ｂが設けられる分岐排気管１２Ｒと副ターボ過給機１１のタービン１１ｂが設けられる分岐排気管１２Ｌとが合流部１３ａにて合流する排気管５と、分岐排気管１２Ｌを開閉する排気切替弁１６と、を備え、所定の運転領域にて排気切替弁１６を閉じ、分岐排気管１２Ｌを介して合流部１３ａに流入する排気の流れを止める内燃機関１に適用される排気浄化装置において、再生式の排気浄化ユニット１５と、燃料添加弁１７と、を備え、燃料添加弁１７は、排気切替弁１６の開度が小さく排気切替弁１６を通過する排気の流速が高いときにその流速の高い排気が噴射口１７ａの周辺に当たるように合流部１３ａに設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、主ターボ過給機と副ターボ過給機とを備え、主ターボ過給機のみでの過給及び両方のターボ過給機での過給を運転状態に応じて切り替える過給機付き内燃機関に適用され、再生式の排気浄化触媒に還元剤を添加するための還元剤添加弁を備えた排気浄化装置に関する。

スロットルバルブの直上流にスロットルバルブに向けて噴射口が開口されたインジェクタを有するインジェクションボディがスロットルボディと一体に構成された内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

特開平１−１１７９０８号公報

ところで、内燃機関の排気浄化装置として、所定の間隔で還元剤を供給することによって排気浄化機能を再生させる排気浄化触媒が知られている。還元剤は、機能再生処理時に排気通路に設けられた還元剤添加弁から通路内に噴射される。還元剤添加弁の噴孔の周囲には排気中の粒子状物質（以下、ＰＭと呼ぶ。）及び還元剤などに起因するデポジットが付着し、噴孔の詰まりが生じるおそれがある。また、還元剤添加弁は排気通路に設けられているため、排気熱によって過熱されると故障するおそれがある。

そこで、本発明は、還元剤添加弁の噴孔の詰まりを抑制できるとともに、還元剤添加弁の温度上昇を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、第１気筒群に接続され、かつ主ターボ過給機のタービンが設けられる第１分岐管と、第２気筒群に接続され、かつ副ターボ過給機のタービンが設けられる第２分岐管と、前記主ターボ過給機のタービンよりも上流の第１分岐管と前記副ターボ過給機のタービンよりも上流の第２分岐管とを連通する連通管と、前記主ターボ過給機のタービンよりも下流の第１分岐管と前記副ターボ過給機のタービンよりも下流の第２分岐管とが合流する合流部と、を有する排気管と、前記連通管の接続位置よりも下流の第２分岐管内に設けられて前記第２分岐管を開閉する排気切替弁と、を備え、所定の運転領域にて前記排気切替弁を閉じ、前記第２分岐管を介して前記合流部に流入する排気の流れを止める内燃機関に適用される排気浄化装置において、前記合流部よりも下流の排気管に設けられる再生式の排気浄化手段と、前記排気管内を流通している排気に噴射口から還元剤を添加する還元剤添加弁と、を備え、前記還元剤添加弁は、前記排気切替弁の近傍に前記排気切替弁の開度が小さく前記排気切替弁を通過する排気の流速が高いときにその流速の高い排気が前記噴射口の周辺に当たるように前記第２分岐管又は前記合流部に設けられることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

所定の運転領域では第２分岐管内を排気が流通しないので、第２分岐管は第１分岐管よりも温度が低い。また、合流部は第１分岐管及び第２分岐管が合流可能な大きさを有しているが、所定の運転領域では合流部に第１分岐管からしか排気が流入しないので、所定の運転領域においては合流部の温度が第１分岐管の温度よりも低くなる。本発明の排気浄化装置では、還元剤添加弁を第２分岐管又は合流部に設けるので、還元剤添加弁の温度上昇を抑えることができる。また、還元剤添加弁の噴射口の周辺には、排気切替弁の開弁時に流速の高い排気が当たるので、この流速の高い排気によって噴射口の周辺に付着したデポジットを吹き飛ばすことができる。そのため、噴孔の詰まりを抑制できる。

本発明の排気浄化装置の一形態においては、前記還元剤添加弁と前記排気切替弁とが一体に設けられていてもよい（請求項２）。この場合、還元剤添加弁を排気切替弁の近傍に確実に配置できる。

本発明の排気浄化装置の一形態において、前記第１分岐管内には、前記第１分岐管から前記合流部に流入する排気の流れに乱流が生じるように前記第１分岐管の排気の流れを乱す乱流生成手段が設けられていてもよい（請求項３）。この場合、排気管内の排気流れに乱流を生じさせることができるので、還元剤添加時にこの乱流によって排気中への還元剤の拡散及び霧化を促進させることができる。そのため、排気浄化手段への還元剤の偏った添加を抑制できる。

以上に説明したように、本発明によれば、所定の運転領域において第１分岐管よりも温度が低くなる第２分岐管又は合流部に還元剤添加弁を設けるので、還元剤添加弁の温度上昇を抑制できる。そのため、還元剤添加弁の耐久性及び信頼性を向上させることができる。また、排気切替弁の開弁時に流速の高い排気によって噴孔の周囲に付着したデポジットを除去できるので、噴孔の詰まりを抑制できる。

図１は、本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の一例を示している。この例において内燃機関は左右のバンク２Ｌ、２Ｒに３つずつ気筒３が設けられたＶ型６気筒のディーゼルエンジン１として構成されている。このエンジン１は、例えば自動車などの車両に走行用動力源として搭載される。エンジン１においては、左バンク２Ｌの気筒３によって一つの気筒群が構成され、右バンク２Ｒの気筒３によって他の一つの気筒群が構成される。

エンジン１は、各気筒３に吸気を導くための吸気管４と、各気筒３から排出された排気を所定の排気位置に導くための排気管５と、主ターボ過給機１０及び副ターボ過給機１１とを備えている。吸気管４は、バンク毎に設けられる分岐吸気管６Ｌ、６Ｒと、これら分岐吸気管６Ｌ、６Ｒが接続される共通の合流吸気管７とを備えている。図１に示したように左バンク２Ｌに対応する分岐吸気管６Ｌには、エアーフローメータ８、副ターボ過給機１１のコンプレッサ１１ａ、及び吸気切替弁４０が設けられ、右バンク２Ｒに対応する分岐吸気管６Ｒには、エアーフローメータ８及び主ターボ過給機１０のコンプレッサ１０ａが設けられる。共通吸気管７には、吸入空気量を調整するための吸気絞り弁９が設けられている。排気管５は、バンク毎に設けられる分岐排気管１２Ｌ、１２Ｒと、これら分岐排気管１２Ｌ、１２Ｒが合流部１３ａにて接続される共通排気管１３と、分岐排気管１２Ｌと分岐排気管１２Ｒとを連通する連通管１４とを備えている。左バンク２Ｌに対応する分岐排気管（以下、左排気管と呼ぶ。）１２Ｌには、副ターボ過給機１１のタービン１１ｂが設けられ、右バンク２Ｒに対応する分岐排気管（以下、右排気管と呼ぶ。）１２Ｒには主ターボ過給機１０のタービン１０ｂが設けられる。連通管１４は、主ターボ過給機１０のタービン１０ｂよりも上流の右排気管１２Ｒと副ターボ過給機１１のタービン１１ｂよりも上流の左排気管１２Ｌとを連通させる。左排気管１２Ｌは、副ターボ過給機１１のタービン１１ｂよりも下流側にて、右排気管１２Ｒは主ターボ過給機１０のタービン１０ｂよりも下流側にて共通排気管１３に接続される。共通排気管１３には、排気浄化手段として排気中のＰＭを捕集するフィルタ基材に吸蔵還元型のＮＯｘ触媒を担持した排気浄化ユニット１５が設けられる。なお、このように各分岐排気管１２Ｌ、１２Ｒに各ターボ過給機１０、１１のタービン１０ｂ、１１ｂが設けられることにより、右分岐管１２Ｒが本発明の第１分岐管に相当し、左分岐管１２Ｌが本発明の第２分岐管に相当する。

また、図１に示したように左排気管１２Ｌには、左排気管１２Ｌを開閉する排気切替弁１６が設けられている。全閉状態における排気切替弁１６は、左排気管１２Ｌを介して排気が共通排気管１３に流入することを阻止する。排気切替弁１６の状態は、エンジン１の運転状態に応じて制御される。エンジン１が所定の運転領域として予め設定された低速回転域で運転される場合は、排気切替弁１６と吸気切替弁４０は全閉状態に切り替えられる。この場合、左バンク２Ｌの各気筒３から排出された排気は連通管１４を介して主ターボ過給機１０のタービン１０ｂよりも上流の右排気管１２Ｒに導かれ、その後、主ターボ過給機１０のタービン１０ｂ及び右排気管１２Ｒを介して共通排気管１３に導かれる。そのため、エンジン１の過給は主ターボ過給機１０のみにて行われる。

一方、エンジン１が低速回転域よりも高い高速回転域で運転される場合は、排気切替弁１６と吸気切替弁４０が全開状態に切り替えられる。この場合、左排気管１２Ｌと右排気管１２Ｒの圧力差がほぼ０になるため、左バンク２Ｌの各気筒３から排出された排気は左排気管１２Ｌを介して合流部１３ａに流入し、右バンク２Ｒの各気筒３から排出された排気は右排気管１２Ｒを介して合流部１３ａに流入する。そのため、右バンク２Ｒの各気筒３から排出された排気によって主ターボ過給機１０のタービン１０ｂが駆動され、左バンク２Ｌの各気筒３から排出された排気によって副ターボ過給機１１のタービン１１ｂが駆動される。従って、高速回転域では、主ターボ過給機１０及び副ターボ過給機１１の両方によってエンジン１の過給が行われる。このように各ターボ過給機１０、１１が制御されることにより、エンジン１は２ウェイツインターボエンジンとして機能する。

排気浄化ユニット１５に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略称する。）は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンの時はＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチのときは吸蔵していたＮＯｘを放出し、窒素（Ｎ_２）に還元する性質を有している。ＮＯｘ触媒に吸蔵可能なＮＯｘ量には上限があるため、吸蔵されているＮＯｘ量がこの上限に達しないようにＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させてＮ_２に還元させるＮＯｘ還元を所定の間隔で行い、ＮＯｘ触媒の排気浄化性能を高い状態に維持する。また、ＮＯｘ触媒は、排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）により被毒される。そのため、ＮＯｘ触媒をＮＯｘ触媒から硫黄（Ｓ）が放出される温度域に昇温させるとともに排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにして硫黄被毒を回復させてＮＯｘ触媒の機能を再生させるＳ再生を行う。さらに、ＮＯｘ触媒に付着したＰＭを除去すべくＰＭが酸化除去される温度域にＮＯｘ触媒を昇温するＰＭ再生を行う。以降、ＮＯｘ還元、Ｓ再生及びＰＭ再生をまとめて機能再生処理と呼ぶこともある。

なお、本発明において吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを触媒にて保持できるものであればよく、吸収又は吸着いずれの態様でＮＯｘが保持されるかは吸蔵の用語によって制限されない。また、ＳＯｘの被毒についてもその態様を問わないものである。さらに、ＮＯｘやＳＯｘの放出についてもその態様を問わない。

機能再生処理は、還元剤添加弁としての燃料添加弁１７から排気に還元剤としての燃料を添加することにより行われる。例えば、ＮＯｘ還元を行う場合は、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチになるように排気に燃料が添加される。また、ＰＭ再生を行う場合は、添加した燃料がＮＯｘ触媒にて酸化し、ＮＯｘ触媒がＰＭ再生時の目標温度に昇温されるように排気に燃料が添加される。Ｓ再生時は、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチになり、かつＮＯｘ触媒がＳ再生時の目標温度に昇温されるように燃料が添加される。

次に図２及び図３を参照して排気切替弁１６及び燃料添加弁１７が設けられる位置について説明する。なお、図２は排気管５の合流部１３ａを拡大して示す図であり、図３は図２の合流部１３ａを図２の下側から、すなわち下流側から見た図である。排気管５の合流部１３ａは排気切替弁アセンブリ２０として構成されており、左排気管１２Ｌが接続される左排気通路２１と、右排気管１２Ｒが接続される右排気通路２２と、共通排気管１３が接続される合流通路２３とを備えている。なお、左排気通路２１と左排気通路２２との境界には仕切り２４が設けられている。図２に示したように、排気切替弁１６はバタフライ弁であり、左排気通路２１と合流通路２３との合流位置の直ぐ上流側の左排気通路２１内に設けられている。排気切替弁１６は、その弁体１６ａが図２の矢印Ａ方向に回転することによって開き、弁体１６ａが図２の矢印Ｂ方向に回転することによって閉じる。そのため、排気切替弁１６が閉弁状態から開弁された直後、すなわち弁体１６ａと左排気通路２１の壁面との間の隙間が狭く、この隙間を通過する排気の流速が高いときは、図２に矢印Ｆで示したように左排気通路２１から排気の殆どが弁体１６ａに沿って合流通路２３の中央付近に導かれる。

図２に示したように燃料添加弁１７は、左排気通路２１と右排気通路２２とが合流通路２３に接続する位置であり、かつ排気切替弁１６が閉弁状態から開弁された直後の流速の高い排気が噴射口１７ａの周辺に当たる位置に設けられる。このように排気切替弁アセンブリ２０に排気切替弁１６及び排気添加弁１７を設けることにより、排気添加弁１７を排気切替弁１６と一体に設ける。

図２及び図３に示したように、右排気通路２２の内部には右排気通路２２の排気流れに乱れを生じさせるための複数のフィン３０が設けられている。これら複数のフィン３０は、図２に示したように右排気通路２２から合流通路２３に流入する排気が旋回流Ｒを形成するように設けられている。このように排気流れに乱れを生じさせることにより、複数のフィン３０が本発明の乱流生成手段として機能する。なお、複数のフィン３０は、右排気管１２Ｒの内部に設けられていてもよい。このようにフィン３０を設けても上述したものと同様の効果を得られる。

排気切替弁１６の閉弁時、合流部１３ａでは、排気の殆どが右排気通路２２から合流通路２３に導かれるので、左排気通路２１の温度上昇を抑えることができる。また、排気熱をこの左排気通路２１の部分などから外に放出させることにより、合流部１３ａの温度上昇を抑えることができる。上述した形態では、この合流部１３ａに燃料添加弁１７が設けられるため、燃料添加弁１７の温度上昇を抑えることができる。そのため、燃料添加弁１７の耐久性及び信頼性を向上させることができる。また、燃料添加弁１７の噴射口１７ａの周辺には、排気切替弁１６が閉弁状態から開弁した直後の流速の高い排気が当たるので、この排気によって噴射口１７ａの周辺に付着しているデポジットを除去できる。そのため、燃料添加弁１７の噴射口１７ａの詰まりを抑制できる。さらに、右排気通路２２に設けた複数のフィン３０によって排気を旋回させて乱流を生じさせるので、この乱流によって排気に添加された燃料の霧化を促進させることができる。

排気切替弁１６及び燃料添加弁１７が設けられる位置は、上述した位置に限定されない。例えば、合流部１３ａよりも上流の左排気管１２Ｌ内に排気切替弁１６及び燃料添加弁１７を設けてもよい。この場合も上述した形態と同様に、燃料添加弁１７は、右排気管１２Ｒから共通排気管１３に流入する排気中に燃料が添加可能であり、かつ排気切替弁１６が閉弁状態から開弁した直後の流速の高い排気が噴射口１７ａの周辺に当たるように設けられる。排気切替弁１６の閉弁時、エンジン１の各気筒３から排出された排気は全て右排気管１２Ｒに導かれるので、左排気管１２Ｌの温度は合流部１３ａの温度よりも低くなる。そのため、このように左排気管１２Ｌに燃料添加弁１７を設けることにより、燃料添加弁１７の温度上昇をさらに抑制できる。

排気切替弁１６の弁体１６ａが取り付けられる回転軸１６ｂは、排気管５の上下方向に向いていなくてもよい。例えば、図４に示したように、排気切替弁１６の開弁時に弁体１６ａに沿って流れる排気が燃料添加弁１７に向かうように排気管５の上下方向に対して回転軸１６ｂを傾けてもよい。このように回転軸１６ｂが傾くようにして排気切替弁１６を設けることにより、排気切替弁１６の開弁時により多くの排気を燃料添加弁１７の噴射口１７ａの周辺に当てることができるので、噴射口１７ａの周辺に付着したデポジットをより確実に除去することができる。

本発明は上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。また、本発明は、互いに異なる気筒群に接続される排気管にそれぞれターボ過給機のタービンが設けられ、エンジンの運転状態に応じて過給に使用するターボ過給機の数を変更する種々のエンジンに適用してよく、Ｖ型エンジンの他に直列型エンジンに適用してもよい。

排気浄化手段として設けられる排気浄化ユニットは、フィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させたものに限定されない。例えば、担体に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させた排気浄化触媒を排気浄化ユニットとして設けてもよいし、ＰＭを捕集するフィルタ基材のみが設けられていてもよい。これらが排気浄化ユニットとして設けられている場合も所定の周期で排気中に燃料を添加するべく燃料添加弁が設けられるので、本発明を適用することによってこの燃料添加弁の温度上昇を抑えることができる。

本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の一例を示す図。図１の合流部を拡大して示す図。排気管の合流部を図２の下側から見た図。排気切替弁の変形例を示す図。

符号の説明

１内燃機関
５排気管
１０主ターボ過給機
１０ｂタービン
１１副ターボ過給機
１１ｂタービン
１２Ｌ左排気管（第２分岐管）
１２Ｒ右排気管（第１分岐管）
１３ａ合流部
１４連通管
１５排気浄化ユニット（排気浄化手段）
１６排気切替弁
１７燃料添加弁（還元剤添加弁）
１７ａ噴射口
３０フィン（乱流生成手段）

Claims

第１気筒群に接続され、かつ主ターボ過給機のタービンが設けられる第１分岐管と、第２気筒群に接続され、かつ副ターボ過給機のタービンが設けられる第２分岐管と、前記主ターボ過給機のタービンよりも上流の第１分岐管と前記副ターボ過給機のタービンよりも上流の第２分岐管とを連通する連通管と、前記主ターボ過給機のタービンよりも下流の第１分岐管と前記副ターボ過給機のタービンよりも下流の第２分岐管とが合流する合流部と、を有する排気管と、前記連通管の接続位置よりも下流の第２分岐管内に設けられて前記第２分岐管を開閉する排気切替弁と、を備え、
所定の運転領域にて前記排気切替弁を閉じ、前記第２分岐管を介して前記合流部に流入する排気の流れを止める内燃機関に適用される排気浄化装置において、
前記合流部よりも下流の排気管に設けられる再生式の排気浄化手段と、前記排気管内を流通している排気に噴射口から還元剤を添加する還元剤添加弁と、を備え、
前記還元剤添加弁は、前記排気切替弁の近傍に前記排気切替弁の開度が小さく前記排気切替弁を通過する排気の流速が高いときにその流速の高い排気が前記噴射口の周辺に当たるように前記第２分岐管又は前記合流部に設けられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤添加弁と前記排気切替弁とが一体に設けられてい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。
前記第１分岐管内には、前記第１分岐管から前記合流部に流入する排気の流れに乱流が生じるように前記第１分岐管の排気の流れを乱す乱流生成手段が設けられている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。