JP2008215119A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気通路に酸化機能を有する前段触媒および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、酸化機能を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタが上流側から順に配置されている場合において、より好適にパティキュレートフィルタに還元剤を供給することを目的とする。
【解決手段】排気通路２における前段触媒４と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５との間の部分と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５とパティキュレートフィルタ６との間の部分とを連通するバイパス通路８と、該バイパス通路８の上流側端部を遮断または開通させる開閉弁９と、排気通路２における前段触媒４よりも上流側を流れる排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段７と、を備えている。開閉弁９は、閉弁するとバイパス通路８の上流側端部を遮断し、開弁するとバイパス通路８の上流側端部を開通させると共に排気通路２内に突出して該排気通路２を流れる排気をバイパス通路８に誘導する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に直列に並んで配置された酸化機能を有する触媒および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、酸化機能を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタを備えた排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムとして、酸化機能を有する触媒および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）、排気中の粒子状物質（Particulate Matter：以
下、ＰＭと称する）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称する）等が内燃機関の排気通路に直列に並べて配置される場合がある。

例えば、特許文献１には、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒およびフィルタを上流側から順に配置する技術が記載されている。この特許文献１には、排気通路におけるＮＯｘ触媒よりも上流側の部分とＮＯｘ触媒よりも下流側且つフィルタよりも上流側の部分とを連通し排気がＮＯｘ触媒をバイパスして流れるバイパス通路が設けられている。さらに、排気通路におけるＮＯｘ触媒よりも上流側のバイパス通路との接続部とＮＯｘ触媒との間に炭化水素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルが設けられている。

また、内燃機関の排気通路に酸化機能を有する触媒およびＮＯｘ触媒、酸化機能を有する触媒を担持したフィルタを上流側から順に配置し、最上流に設けられた酸化機能を有する触媒（以下、前段触媒と称する）よりも上流側に排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段を設ける場合がある。そして、このような場合においては、さらに、排気通路における還元剤供給手段より下流側且つ前段触媒より上流側の部分とＮＯｘ触媒より下流側且つフィルタより上流側の部分とを連通するバイパス通路、および、該バイパス通路を遮断または開通させる開閉弁を設ける場合がある。

このような構成の場合、開閉弁によってバイパス通路を開通させつつ還元剤供給手段から排気中に還元剤を供給することで、還元剤供給手段から供給された還元剤の一部を前段触媒およびＮＯｘ触媒を介さずにフィルタに供給することが出来る。

しかしながら、この場合、還元剤供給手段から供給された還元剤はバイパス通路よりも排気通路の下流側の方へ流れ易いため、該還元剤の多くは前段触媒およびＮＯｘ触媒に供給される。前段触媒およびＮＯｘ触媒に供給された還元剤はこれらの触媒において酸化される。また、バイパス通路が長くなるほど該バイパス通路の内壁面に付着する還元剤が多くなる。

そのため、例えば、フィルタに捕集されたＰＭを除去すべくバイパス通路を通してフィルタに還元剤を供給しようとした場合、フィルタに充分な量の還元剤を供給することが困難な場合がある。また、前段触媒およびＮＯｘ触媒に不要に還元剤が供給され該還元剤が酸化されると、そのときに生じる酸化熱によってＮＯｘ触媒の劣化を促進させる虞がある。
特開２００２−３４９２３６号公報 特開２００３−２９３７３１号公報

本発明は、内燃機関の排気通路に酸化機能を有する前段触媒およびＮＯｘ触媒、酸化機
能を有する触媒を担持したフィルタが上流側から順に配置されている場合において、より好適にフィルタに還元剤を供給することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路における前段触媒とＮＯｘ触媒との間の部分とＮＯｘ触媒とフィルタとの間の部分とを連通するバイパス通路と、該バイパス通路の上流側端部を遮断または開通させる開閉弁と、排気通路における前段触媒よりも上流側を流れる排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備えている。開閉弁は、閉弁するとバイパス通路の上流側端部を遮断し、開弁するとバイパス通路の上流側端部を開通させると共に排気通路内に突出して該排気通路を流れる排気をバイパス通路に誘導するように構成されている。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた酸化機能を有する前段触媒と、
該前段触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒よりも上流側の前記排気通路を流れる排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記前段触媒と前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒との間の前記排気通路に一端が接続され、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と前記パティキュレートフィルタとの間の前記排気通路に他端が接続され、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をバイパスして排気が流れるバイパス通路と、
閉弁すると前記バイパス通路の一端部を遮断し、開弁すると前記バイパス通路の一端部を開通させると共に前記排気通路内に突出して前記排気通路を流れる排気を前記バイパス通路に誘導する開閉弁と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、開閉弁を開弁した状態で還元剤供給手段から還元剤を供給することで、前段触媒を通過することで改質された還元剤をＮＯｘ触媒をバイパスさせてフィルタに供給することが出来る。改質された還元剤はフィルタに担持された触媒において化学反応し易い状態となるため、還元剤供給手段から供給する還元剤の量を少なくすることが出来る。

また、開閉弁が開弁した状態となると、該開閉弁によって排気通路を流れる排気がバイパス通路に誘導される。これに伴い、排気中の還元剤もバイパス通路に誘導されるため、より多くの還元剤をフィルタに供給することが可能となる。また、開閉弁が開弁した状態となると、該開閉弁によってＮＯｘ触媒への排気の流入が妨げられることにもなる。その結果、ＮＯｘ触媒に不要に供給される還元剤の量が減少するため、該ＮＯｘ触媒の劣化を抑制することが出来る。

また、本発明によれば、前段触媒とＮＯｘ触媒との両方をバイパスして排気が流れるようにバイパス通路を設けた場合に比べて、バイパス通路の長さを短くすることが出来る。これにより、バイパス通路の内壁面に付着する還元剤の量を減少させることが出来る。その結果、バイパス通路に流入した還元剤のより多くをフィルタに供給することが可能となる。

本発明においては、前記バイパス通路を第一バイパス通路とすると共に前記開閉弁を第一開閉弁とし、これらに加えて、第二バイパス通路および第二開閉弁を設けてもよい。この場合、第二バイパス通路は、還元剤供給手段より下流側且つ前段触媒より上流側の排気通路に一端が接続され、ＮＯｘ触媒より下流側且つフィルタより上流側の前記排気通路に他端が接続され、前段触媒およびＮＯｘ触媒をバイパスして排気が流れる通路である。また、第二開閉弁は第二バイパス通路を遮断または開通させる弁である。

そして、上記構成の場合、フィルタに還元剤を供給するときに前段触媒よりも上流側の排気通路を流れる排気の温度が所定温度以上のときは、第二開閉弁を開弁することで第二バイパス通路を開通させた状態で還元剤供給手段から還元剤を供給してもよい。

ここで、所定温度とは、該所定温度以上の温度の排気中に還元剤が供給された場合、該還元剤が前段触媒を通過しなくてもフィルタに担持された触媒において充分に化学反応し易い状態となると判断できる温度である。

所定温度以上の温度の排気中に供給されることで該排気中において充分に化学反応し易い状態となった還元剤が前段触媒に流入すると、前段触媒における還元剤の不要な酸化が促進される。そのため、前段触媒の劣化が促進されると共に、前段触媒を通過する還元剤が減少することによりフィルタに充分な量の還元剤を供給し難くなる虞がある。上記によれば、充分に化学反応し易い状態となった還元剤を、前段触媒を通過させずにフィルタに供給することが出来る。これにより、前段触媒の劣化を抑制することが出来ると共にフィルタに供給される還元剤の量が不足することを抑制することが出来る。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に酸化機能を有する前段触媒およびＮＯｘ触媒、酸化機能を有する触媒を担持したフィルタが上流側から順に配置されている場合であっても、より好適にフィルタに還元剤を供給することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
＜内燃機関の排気系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。この内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、コンプレッサーハウジング１７ａおよびタービンハウジング１７ｂを有するターボチャージャ１７のタービンハウジング１７ｂが設けられている。

排気通路２におけるタービンハウジング１７ｂより下流側には、酸化触媒４が設けられており、さらに該酸化触媒４の直下流にはＮＯｘ触媒５が設けられている。また、排気通路２におけるＮＯｘ触媒５よりも下流側にはフィルタ６が設けられている。該フィルタ６には酸化触媒１１が担持されている。尚、本実施例においては、酸化触媒４が本発明に係る前段触媒に相当する。酸化触媒４および酸化触媒１１は酸化触媒に限られるものではなく酸化機能を有する触媒であればよい。

排気通路２におけるタービンハウジング１７ｂより下流側且つ酸化触媒４より上流側には排気中に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁７が設けられている。尚、本実施例においては、燃料添加弁７が本発明に係る還元剤供給手段に相当する。

本実施例においては、排気通路２に、ＮＯｘ触媒５をバイパスして排気が流れるバイパス通路８が接続されている。該バイパス通路８の一端は排気通路２における酸化触媒４より下流側且つＮＯｘ触媒５より上流側に接続されており、その他端は排気通路２における
ＮＯｘ触媒５よりも下流側且つフィルタ６よりも上流側に接続されている。

排気通路２とバイパス通路８の一端との接続部分には開閉弁９が設けられている。該開閉弁９は、排気通路２とバイパス通路８の一端との接続部分におけるＮＯｘ触媒５側の壁面の一部を支点として開閉駆動する弁である。図１において、破線は開閉弁９が閉弁した状態を表しており、実線は開閉弁９が開弁した状態を表している。この図１に示すように、開閉弁９は、閉弁するとバイパス通路８の一端を遮断する。また、図１に示すように、開閉弁９は、開弁するとバイパス通路８の一端を開通させると共にＮＯｘ触媒５側に倒れて排気通路２内に突出する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には燃料添加弁７および開閉弁９が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜フィルタ再生制御＞
本実施例においては、フィルタ６に捕集されたＰＭを除去すべくフィルタ再生制御が行われる。フィルタ６に捕集されたＰＭを除去するためには、該フィルタ６に燃料を供給する必要がある。フィルタ６に供給された燃料が酸化触媒１１において酸化され、そのときに生じる酸化熱によってフィルタ６が昇温する。これによりＰＭが酸化されフィルタ６から除去される。

本実施例において、フィルタ再生制御を実行する場合（即ち、フィルタ６に燃料を供給する場合）、燃料添加弁７から燃料を添加する。そして、このときに開閉弁９を開弁した状態とする。

開閉弁９を開弁した状態で燃料添加弁７から燃料を添加すると、酸化触媒４を通過した燃料の一部が排気と共にバイパス通路８に流入する。これにより、酸化触媒４により改質された燃料を、ＮＯｘ触媒５をバイパスさせてフィルタ６に供給することが出来る。

酸化触媒４を通過することで改質された燃料は、フィルタ６に担持された酸化触媒１１において酸化され易い状態となっている。そのため、バイパス通路８を通ってフィルタ６に供給される燃料がより少ない量であっても該フィルタ６を充分に昇温させることが出来る。従って、本実施例によれば、フィルタ再生制御時に燃料添加弁７から添加する燃料の量を少なくすることが可能となる。これにより、フィルタ再生制御の実行に伴う燃費の悪化を抑制することが出来る。

また、開閉弁９が開弁すると、該開閉弁９はＮＯｘ触媒５側に倒れて排気通路２内に突出する。これにより、排気通路２を流れる排気がバイパス通路８に誘導されると共に該排気のＮＯｘ触媒５への流入が妨げられる。そのため、酸化触媒４を通過した燃料のより多くを、バイパス通路８を通してフィルタ６に供給することが可能となる。また、ＮＯｘ触媒５に不要に供給される燃料の量を減少させることが出来る。その結果、ＮＯｘ触媒５において燃料が酸化することに起因する該ＮＯｘ触媒５の不要な昇温が抑制されるため、ＮＯｘ触媒５の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施例のような構成とした場合、酸化触媒４とＮＯｘ触媒５との両方をバイパスして排気が流れるようにバイパス通路を設けた場合に比べて、バイパス通路８の長さを短くすることが出来る。これにより、バイパス通路８の内壁面に付着する燃料の量を減少させることが出来る。その結果、バイパス通路８に流入した燃料のより多くをフィルタ６に供給することが可能となる。

以上のように、本実施例によれば、フィルタ再生制御の実行時においてフィルタ６により好適に燃料を供給することが出来る。

尚、本実施例においては、排気通路２とバイパス通路８との接続部に開閉弁９を備えた開閉弁ＡＳＳＹを設置することで、図１に示すような構成を実現してもよい。また、本実施例に係る開閉弁９の構成は、閉弁したときにバイパス通路８の一端部を遮断し、開弁したときに、排気通路２を流れる排気をバイパス通路８に誘導すると共に該排気のＮＯｘ触媒５への流入を妨げるように排気通路２内に突出する構成であればどのようなものでもよい。

＜実施例２＞
図２は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。本実施例においては、実施例１におけるバイパス通路８および開閉弁９をそれぞれ第一バイパス通路８および第一開閉弁９とする。

そして、本実施例においては、排気通路２における燃料添加弁７より下流側且つ酸化触媒４より上流側に一端が接続され、第一バイパス通路８の途中に他端が接続された第二バイパス通路１２が設けられている。また、第二バイパス通路１２には該第二バイパス通路１２を遮断または開通させる第二開閉弁１３が設けられている。第二開閉弁１３は、ＥＣＵ１０に電気的に接続されており、ＥＣＵ１０によって制御される。尚、本実施例においては、第二バイパス通路１２と、第一バイパス通路８における第二バイパス通路１２との接続部分よりも下流側の部分とが、本発明に係る第二バイパス通路に相当する。

また、排気通路２におけるタービンハウジング１７ｂより下流側且つ酸化触媒４より上流側には排気の温度を検出する温度センサ１４が設けられている。該温度センサ１４は、ＥＣＵ１０に電気的に接続されており、その出力信号がＥＣＵ１０に入力される。尚、本実施例においては、温度センサ１４が本発明に係る温度検出手段に相当する。

上記以外の構成要素は実施例１と同様であるため、同様の構成要素には同様の参照番号を付し、その説明を省略する。

＜フィルタ再生制御実行時の第二開閉弁制御＞
ここで、本実施例に係るフィルタ再生制御実行時の第二開閉弁１３の制御について、図３に基づいて説明する。図３は、本実施例に係るフィルタ再生制御のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で実行される。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、フィルタ再生制御の実行条件が成立したか否かについて判別する。フィルタ再生制御の実行条件は、内燃機関１における燃料噴射量の積算値や内燃機関１を搭載した車両の走行距離等に基づいて予め定められている。Ｓ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンを一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、実施例１におけるフィルタ再生制御の実行時と同様、第一開閉弁９を開弁する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、温度センサ１４によって検出される排気の温度Ｔｇが所定温度Ｔ０以上であるか否かを判別する。ここで、所定温度Ｔ０とは、該所定温度Ｔ０以上の温度の排気中に燃料添加弁７から燃料が添加された場合、該燃料は酸化触媒４を通過することで改質されなくてもフィルタ６に担持された酸化触媒１１において充分
に酸化され易い状態となると判断できる温度の下限値である。この所定温度Ｔ０は実験等によって予め定められている。Ｓ１０３において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０６に進む。

Ｓ１０４に進んだＥＣＵ１０は、第二開閉弁１３を開弁し、第二バイパス通路１２を開通させる。これにより、排気通路２を流れる排気の一部が、第一バイパス通路８のみならず第二バイパス通路１２にも流入する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５に進み、燃料添加弁７からの燃料添加を実行する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

一方、Ｓ１０６に進んだＥＣＵ１０は、第二開閉弁１３を閉弁し、第二バイパス通路１２を遮断させる。この場合、排気の流路は実施例１におけるフィルタ再生制御の実行時と同様の状態となる。その後、ＥＣＵ１０はＳ１０５に進む。

所定温度Ｔ０以上の温度の排気中に添加されることで充分に酸化され易い状態となった燃料が酸化触媒４に流入すると、該酸化触媒４における燃料の不要な酸化が促進される。この場合、酸化触媒４の劣化が促進されると共に、酸化触媒４を通過する燃料が減少することによりフィルタ６に充分な量の燃料を供給することが困難となる虞がある。

以上説明したルーチンによれば、フィルタ再生制御を実行するときに、燃料添加弁７から燃料が添加される排気の温度Ｔｇが所定温度Ｔ０以上のときは、第二バイパス通路１２が開通された状態で燃料添加弁７からの燃料添加が実行される。これにより、燃料添加弁７から添加された燃料の一部がＮＯｘ触媒５のみならず酸化触媒４をもバイパスしてフィルタ６に供給される。つまり、酸化触媒１１において充分に酸化し易い状態となった燃料が、酸化触媒４を通過せずにフィルタ６に供給される。これにより、酸化触媒４の劣化を抑制することが出来ると共にフィルタ６に供給される燃料の量が不足することを抑制することが出来る。

尚、上記実施例１および２においては、燃料添加弁７による燃料添加に代えて、内燃機関１において主燃料噴射よりも後のタイミングで副燃料噴射を実行することで、酸化触媒４よりも上流側の排気通路２を流れる排気中に燃料を供給してもよい。

また、フィルタ６に担持される触媒をＮＯｘ触媒とした場合、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元すべくフィルタ６に燃料を供給するときにおいても、上記実施例１および２に係るフィルタ再生制御の実行時と同様に燃料添加弁７および開閉弁９、１３を制御してもよい。

実施例１に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図。 実施例２に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図。 実施例２に係るフィルタ再生制御のルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
４・・・酸化触媒
５・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
６・・・パティキュレートフィルタ
７・・・燃料添加弁
８・・・バイパス通路（第一バイパス通路）
９・・・開閉弁（第一開閉弁）
１０・・ＥＣＵ
１１・・酸化触媒
１２・・第二バイパス通路
１３・・第二開閉弁
１４・・温度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化機能を有する前段触媒と、
   該前段触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
   前記前段触媒よりも上流側の前記排気通路を流れる排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記前段触媒と前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒との間の前記排気通路に一端が接続され、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と前記パティキュレートフィルタとの間の前記排気通路に他端が接続され、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をバイパスして排気が流れるバイパス通路と、
   閉弁すると前記バイパス通路の一端部を遮断し、開弁すると前記バイパス通路の一端部を開通させると共に前記排気通路内に突出して前記排気通路を流れる排気を前記バイパス通路に誘導する開閉弁と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記バイパス通路を第一バイパス通路とすると共に前記開閉弁を第一開閉弁とし、
   前記還元剤供給手段より下流側且つ前記前段触媒より上流側の前記排気通路に一端が接続され、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒より下流側且つ前記パティキュレートフィルタより上流側の前記排気通路に他端が接続され、前記前段触媒および前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をバイパスして排気が流れる第二バイパス通路と、
   前記第二バイパス通路を遮断または開通させる第二開閉弁と、
   前記パティキュレートフィルタに還元剤を供給するときに前記前段触媒よりも上流側の前記排気通路を流れる排気の温度が所定温度以上のときは、前記第二開閉弁を開弁することで前記第二バイパス通路を開通させた状態で前記還元剤供給手段から還元剤を供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。

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