JP2008267262A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関が停止しているときに排気成分吸着材を大気中の成分から確実に保護し、この保護機能を弁機構等の可動部品を使用せずに実現することを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０の排気側に排気通路１４を設け、その開放端１４ｂから外部に排気ガスを排出する。排気通路１４の主通路部１４ａを迂回するバイパス通路２０を設ける。バイパス通路２０内には、ＮＯｘ吸着材２４と水分・酸素吸着材２６とを設け、水分・酸素吸着材２６は、内燃機関１０が停止しているときに、ＮＯｘ吸着材２４と排気通路１４の開放端１４ｂとの間を遮断するように配置する。これにより、外部から排気通路１４内に流入する大気中の水分と酸素とを、ＮＯｘ吸着材２４の手前に位置した水分・酸素吸着材２６によって吸着、除去する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気ガスを吸着する吸着材を備えた内燃機関に用いて好適な内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開平６−９３８３２号公報）に開示されているように、エンジンの排気通路に吸着材と触媒とを配置した装置が知られている。この吸着材は、例えばエンジンの冷間始動時等のように触媒が未活性状態であるときに、排気ガス中に含まれるＨＣ等の未浄化成分を吸着するものである。このような吸着材としては、例えば湿気に弱いゼオライト等の材料を用いることが多い。

このため、従来の装置では、例えばボール弁、バタフライ弁等の弁機構を排気通路内で吸着材の下流側に設ける構成としている。この遮断手段は、エンジンの運転中には開弁状態に保持され、エンジンが停止しているときに閉弁することによって吸着材を大気から遮断する。これにより、従来の装置は、エンジンの停止中に排気通路に大気が流入したときに、大気中に含まれる湿気（水分）が吸着材に吸着されるのを防止し、吸着材の性能を維持するようにしている。

特開平６−９３８３２号公報

従来技術では、吸着材の下流側に弁機構を設けている。しかし、弁機構のような可動部品は、部品自体に故障の可能性があるばかりでなく、これを開，閉制御する制御系統の異常等によっても作動不良を生じる虞れがある。このような作動不良が生じた場合には、大気中の湿気によって吸着材の性能が低下し、エンジンの冷間始動時等に排気ガス中の未浄化成分を十分に吸着できないことがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関が停止しているときに、排気成分吸着材を大気中の成分から確実に保護することができ、しかも弁機構等の可動部品を使用することなく、このような保護機能を実現することが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。

第１の発明は、内燃機関から排気ガスを排出するために上流側が内燃機関に接続され、下流側が開放端となった排気通路と、
前記排気通路の一部である主通路部の上流側で前記排気通路から分岐し、前記主通路部の下流側で前記排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流路を前記排気通路の主通路部と前記バイパス通路との間で切り換える流路切換手段と、
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れる排気ガス中の成分を吸着する排気成分吸着材と、
内燃機関が停止しているときに前記排気成分吸着材と前記排気通路の開放端との間を遮断する位置に設けられ、前記開放端から前記排気通路内に流入する大気中の成分を吸着する大気成分吸着材と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記排気成分吸着材はＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材であり、前記大気成分吸着材は水分を吸着する水分吸着材であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、前記排気成分吸着材はＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材であり、前記大気成分吸着材は酸素を吸着する酸素吸着材であることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関が停止している状態において、排気通路の開放端から排気成分吸着材に至る経路の途中に大気成分吸着材を配置している。このため、外部から排気通路に流入する大気中に排気成分吸着材と接触させたくない成分が含まれていたとしても、この成分を排気成分吸着材の手前で大気成分吸着材によって吸着することができる。従って、排気成分吸着材を大気中の有害成分等から確実に保護することができ、その吸着性能を安定的に発揮させることができる。しかも、弁機構等のように作動不良の可能性がある可動部品を用いなくても、排気成分吸着材の保護機能を十分に実現することができる。このため、排気浄化装置の信頼性や耐久性を向上させることができる。

第２の発明によれば、ＮＯｘ吸着材が湿気に弱い材料によって形成されている場合でも、大気中に含まれる湿気を水分吸着材によって吸着することができ、ＮＯｘ吸着材を湿気から保護することができる。

第３の発明によれば、ＮＯｘ吸着材が酸素に弱い材料によって形成されている場合でも、大気中に含まれる酸素を酸素吸着材によって吸着することができ、ＮＯｘ吸着材を酸素から保護することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、気筒内に空気を吸い込む吸気通路１２と、気筒から排出された排気ガスが流れる排気通路１４とを備えている。

ここで、排気通路１４の基端側（排気ガスの流れ方向の上流側）は、内燃機関１０の排気ポートに接続されている。また、排気通路１４の途中部位は、後述のバイパス通路２０と並列に接続された主通路部１４ａとなっている。さらに、排気通路１４の先端側（排気ガスの流れ方向の下流側）は、大気開放された開放端１４ｂとなっている。

そして、排気通路１４の途中には、主通路部１４ａの上流側に位置して前段触媒１６と後段触媒１８とが直列に設けられている。これらの触媒１６，１８は、内燃機関１０の排気熱等によって活性化したときに、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ等の成分を浄化するものである。

また、本実施の形態のシステムは、排気通路１４の主通路部１４ａを迂回するバイパス通路２０と、排気ガスの流路を主通路部１４ａとバイパス通路２０との間で切り換える流路切換手段としての切換弁２２とを備えている。ここで、バイパス通路２０は、上流側接続部２０ａの位置で主通路部１４ａの上流側から分岐し、下流側接続部２０ｂの位置で主通路部１４ａの下流側に合流している。

また、切換弁２２は、例えば常閉（ノーマル・クローズ）の負圧作動弁によって構成されている。即ち、切換弁２２は、内燃機関１０の吸気負圧が作用する駆動部２２ａと、常時は通常位置（図２、図４参照）に保持され、駆動部２２ａに負圧が作用することによってバイパス位置（図３参照）に切り換えられる弁体２２ｂとを備えている。そして、切換弁２２は、本実施の形態に示す一例において、主通路部１４ａの上流側とバイパス通路２０の上流側接続部２０ａとの間に配置されている。また、主通路部１４ａの下流側とバイパス通路２０の下流側接続部２０ｂとは、常時連通した状態となっている。

また、内燃機関１０には、吸気通路１２から切換弁２２の駆動部２２ａに吸気負圧を導入する負圧通路と、後述のＥＣＵ３２から入力される信号の状態に応じて負圧通路を開，閉する電磁弁（何れも図示せず）とが設けられている。

そして、内燃機関１０が停止しているとき、及びＥＣＵ３２から電磁弁に開弁信号が出力されていないときには、内燃機関１０の吸気負圧が切換弁２２の駆動部２２ａに作用しないから、弁体２２ｂは、図２に示すように通常位置に保持されている。この通常位置において、切換弁２２は、排気通路１４の主通路部１４ａを開放し、バイパス通路２０を上流側接続部２０ａで閉塞している。

一方、ＥＣＵ３２から電磁弁に開弁信号が出力されたときには、内燃機関１０の吸気負圧が負圧通路を介して切換弁２２に作用し、これによって弁体２２ｂがバイパス位置に切り換えられる。このバイパス位置において、切換弁２２は、排気通路１４の主通路部１４ａを上流側で閉塞し、バイパス通路２０を開放する構成となっている。

そして、ＥＣＵ３２は、例えば触媒１６，１８の活性状態を温度等によって検出し、その検出結果に応じて切換弁２２を駆動制御する。即ち、内燃機関１０の冷間始動時等には、図３に示すように、切換弁２２がＥＣＵ３２によってバイパス位置に切り換えられる。この結果、内燃機関１０から排出される排気ガスは、排気通路１４の途中でバイパス通路２０に流入し、後述のＮＯｘ吸着材２４に吸着される。

また、内燃機関１０が適度に暖まってくると、図４に示すように、切換弁２２がＥＣＵ３２によって通常位置に切り換えられる。この結果、内燃機関１０から排出される排気ガスは、活性化した触媒１６，１８によって浄化される。

さらに、本実施の形態のシステムは、排気成分吸着材としてのＮＯｘ吸着材２４と、大気成分吸着材としての水分・酸素吸着材２６とを備えている。これらの吸着材２４，２６はバイパス通路２０内に直列に設けられ、排気ガスの流れ方向に対してＮＯｘ吸着材２４の下流側に水分・酸素吸着材２６が配置されている。

ここで、ＮＯｘ吸着材２４は、例えばゼオライト系の材料からなり、本実施の形態に示す一例では、ゼオライトの一種（ＺＳＭ５）に鉄（Ｆｅ）をイオン交換した材料（Ｆｅ／ＺＳＭ５）によって形成されている。そして、ＮＯｘ吸着材２４は、バイパス通路２０を流れる排気ガスを乾式処理し、これによって排気ガス中の特定成分（本実施の形態に示す一例では、ＮＯｘ）を吸着、除去するものである。

また、ＮＯｘ吸着材２４は、一般に、水分を吸着することによってＮＯｘの吸着能力が低下し易い。さらに、ＮＯｘ吸着材２４は、酸素と接触した状態で高温に晒されると、含有している鉄が酸化されることによって吸着能力が低下し易い。

このため、水分・酸素吸着材２６は、例えば吸湿性と酸素吸着性とを有する材料からなり、本実施の形態に示す一例では、通気構造をもたせたセリア（ＣｅＯ_２）等によって形成されている。そして、水分・酸素吸着材２６は、内燃機関１０が停止しているときに、ＮＯｘ吸着材２４と排気通路１４の開放端１４ｂとの間を遮断する位置に設けられている。即ち、水分・酸素吸着材２６の位置は、切換弁２２が通常位置にあるときに、排気通路１４の開放端１４ｂからバイパス通路２０の下流側接続部２０ｂを経由してＮＯｘ吸着材２４に至る経路の途中となっている。

このため、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０の停止時に開放端１４ｂから排気通路１４内に大気が流入したとしても、この大気中に含まれる水分と酸素とを水分・酸素吸着材２６によってＮＯｘ吸着材２４の手前で吸着し、これらの有害成分からＮＯｘ吸着材２４を保護する構成となっている。

一方、内燃機関１０には、ＮＯｘ吸着材２４によって一旦吸着された後に脱離するＮＯｘをバイパス通路２０から吸気通路１２に逃がすパージ通路２８と、該パージ通路２８を連通，遮断するパージ制御弁３０とが設けられている。そして、パージ制御弁３０は、内燃機関１０の運転状態を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）３２によって駆動され、必要に応じて開，閉される。

［実施の形態１の動作］
図２ないし図４は、本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。
まず、内燃機関１０が停止しているときには、その吸気負圧が切換弁２２の駆動部２２ａに作用しないから、切換弁２２は通常位置に保持されている。このため、バイパス通路２０は、上流側接続部２０ａが切換弁２２によって閉塞されている。また、下流側接続部２０ｂは排気通路１４を介して大気開放されている。

このとき、排気通路１４内の圧力は大気圧と等しいから、図２に示す如く、開放端１４ｂから排気通路１４内に大気が流入し、その一部は矢示のように、下流側接続部２０ｂを経由してバイパス通路２０内に流れ込むことがある。また、内燃機関１０を停止して間もない場合等には、排気通路１４内に残っている排気ガスが大気と共に下流側接続部２０ｂからバイパス通路２０内に流れ込むこともある。

しかし、バイパス通路２０内には、大気の流入方向に対してＮＯｘ吸着材２４の手前に水分・酸素吸着材２６が配置されている。このため、バイパス通路２０内に流入した大気（及び残留排気ガス）は、その内部に含まれる湿気と酸素が水分・酸素吸着材２６を通過するときに吸着され、乾燥した低酸素状態の空気となってＮＯｘ吸着材２４の位置に到達する。このため、水分・酸素吸着材２６は、大気中や残留排気ガス中に含まれる水分と酸素からＮＯｘ吸着材２４を隔離、保護することができる。

この図２の説明は、本実施の形態の特徴部分となるものであり、これによって内燃機関１０の停止時には、ＮＯｘ吸着材２４が大気中の水分を吸着したり、大気中の酸素を吸着（吸蔵）した状態となるのを防止することができる。従って、ＮＯｘ吸着材２４の性能低下を回避することができ、その吸着性能を安定的に発揮させることができる。しかも、例えば弁機構等のように作動不良の可能性がある可動部品を用いなくても、水分、酸素等の有害成分に対してＮＯｘ吸着材２４の保護を十分に実現することができる。このため、排気浄化装置の信頼性や耐久性を向上させることができる。

次に、内燃機関１０を運転するときのシステム動作について説明する。まず、内燃機関１０が冷間始動されたときには、図３に示す如く、切換弁２２がＥＣＵ３２によってバイパス位置に切り換えられる。この結果、内燃機関１０から排出される排気ガスは、矢示のように、排気通路１４の途中からバイパス通路２０に流入してＮＯｘ吸着材２４を通過し、その後に排気通路１４に戻されて外部に排出される。

このため、冷間始動時には、まだ低温で未活性状態の触媒１６，１８が十分な浄化能力を発揮していなくても、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の未浄化成分はＮＯｘ吸着材２４を通過するときに吸着され、大気中への排出を阻止される。また、この吸着動作時には、ＥＣＵ３２によってパージ制御弁３０も閉弁状態に保持されている。

また、ＥＣＵ３２は、例えば触媒１６，１８の活性化を温度等によって検出したときに、図４に示す如く、切換弁２２を通常位置に切り換える。この結果、排気ガスは触媒１６，１８によって浄化され、矢示のように、排気通路１４から外部に放出される。さらに、ＥＣＵ３２は、適切なタイミングでパージ制御弁３０（図１参照）を開弁し、ＮＯｘ吸着材２４から脱離してくるＮＯｘをパージ通路２８によって吸気通路１２に還流させる。このＮＯｘは、気筒内を通過した後に触媒１６，１８によって浄化される。

実施の形態２．
次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施の形態では、前記実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態２の特徴部分］
本実施の形態のシステムは、実施の形態１における切換弁２２、ＮＯｘ吸着材２４、水分・酸素吸着材２６及びパージ通路２８に代えて、切換弁４０、ＮＯｘ吸着材４２、水分・酸素吸着材４４、パージ通路４６を備えている。

ここで、切換弁４０は、実施の形態１とほぼ同様に、駆動部４０ａと弁体４０ｂとによって構成されている。しかし、切換弁４０は、排気通路１４の主通路部１４ａの下流側とバイパス通路２０の下流側接続部２０ｂとの間に配置され、主通路部１４ａの上流側とバイパス通路２０の上流側接続部２０ａとは、常時連通した状態となっている。

そして、切換弁４０は、図６に示すように、内燃機関１０の停止時、及び触媒１６，１８が活性化した通常運転時において、バイパス通路２０を下流側接続部２０ｂで閉塞する通常位置に保持される。また、切換弁４０は、内燃機関１０の冷間始動時において、主通路部１４ａを下流側で閉塞するバイパス位置に切り換えられる。

また、ＮＯｘ吸着材４２と水分・酸素吸着材４４とは、それぞれ実施の形態１とほぼ同様の材料によって構成されている。しかし、両者の位置関係は排気ガスの流れ方向に対して実施の形態１と逆になっており、水分・酸素吸着材４４はＮＯｘ吸着材４２の上流側に配置されている。

従って、本実施の形態のシステム構成においても、水分・酸素吸着材４４は、切換弁４０が通常位置にあるときに、ＮＯｘ吸着材４２と排気通路１４の開放端１４ｂとの間を遮断する位置に設けられている。即ち、水分・酸素吸着材４４の位置は、排気通路１４の開放端１４ｂからバイパス通路２０の上流側接続部２０ａを経由してＮＯｘ吸着材４２に至る経路の途中となっている。

このため、内燃機関１０の停止時において、図６中の矢示のように、排気通路１４内に大気が流入したとしても、水分・酸素吸着材４４は、実施の形態１の場合とほぼ同様に、大気中に含まれる水分と酸素とをＮＯｘ吸着材４２の手前で吸着、除去することができる。

実施の形態３．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。なお、本実施の形態では、前記実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態３の特徴部分］
本実施の形態のシステムは、実施の形態１における水分・酸素吸着材２６に代えて、水分・酸素吸着材５０を備えている。ここで、水分・酸素吸着材５０は、実施の形態１とほぼ同様の材料によって構成されている。しかし、水分・酸素吸着材５０は、排気通路１４の主通路部１４ａとバイパス通路２０との合流部位（下流側接続部２０ｂ）よりも下流側となる位置で、排気通路１４に設けられている。

このため、本実施の形態のシステムでも、内燃機関１０の停止時に開放端１４ｂから排気通路１４内に流入する大気中の水分と酸素とを、水分・酸素吸着材５０によってＮＯｘ吸着材２４の手前で吸着、除去することができる。

しかも、水分・酸素吸着材５０は、バイパス通路２０の下流側接続部２０ｂよりも下流側に配置されている。このため、内燃機関１０の停止時には、切換弁２２の位置や状態に関係なく、ＮＯｘ吸着材２４を上流側と下流側の両方で大気から遮断することができ、ＮＯｘ吸着材２４の性能低下をより確実に防止することができる。

なお、前記実施の形態１ないし３では、排気成分吸着材としてＮＯｘ吸着材２４を用いることにより、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸着する場合を例に挙げて述べた。しかし、本発明はこれに限らず、例えばＨＣ、ＣＯ等の成分を吸着する排気成分吸着材に適用してもよく、さらにはこれらの成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）のうち２種類または３種類の成分を吸着する排気成分吸着材に適用してもよい。

また、各実施の形態では、ＮＯｘ吸着材２４として、ゼオライトの一種（ＺＳＭ５）に鉄（Ｆｅ）をイオン交換した材料（Ｆｅ／ＺＳＭ５）を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、ＮＯｘ吸着材２４として、他のゼオライト系材料を用いてもよく、さらには、例えばＰｄ／ＣｅＯ_２等のセリア系材料や、ジルコニア系材料等を用いてもよい。

一方、各実施の形態では、大気成分吸着材として、水分・酸素吸着材２６を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、大気成分吸着材によって、例えば水分と酸素のうち何れか一方の成分のみを吸着する構成としてもよく、さらにはこれらの成分以外の任意の成分を吸着する構成としてもよい。

また、各実施の形態では、大気成分吸着材として、セリア（ＣｅＯ_２）を用いる構成としたが、本発明における大気成分吸着材の材料は、セリアに限るものではない。

さらに、各実施の形態では、流路切換手段として、ＥＣＵ３２により電磁弁を介して駆動する負圧作動式の切換弁２２，４０を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、流路切換手段としては、例えばＥＣＵ３２により直接的に駆動される電磁式の切換弁を用いる構成としてもよい。

本発明の実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置のシステム構成を説明するための図である。 内燃機関が停止しているときのシステム動作を示す図１中の部分拡大図である。 内燃機関が冷間運転している状態でのシステム動作を示す部分拡大図である。 内燃機関が通常運転している状態でのシステム動作を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置のシステム構成を説明するための図である。 内燃機関が停止しているときのシステム動作を示す図５中の部分拡大図である。 本発明の実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置のシステム構成を説明するための図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１４ａ 主通路部
１４ｂ 開放端
１６，１８ 触媒
２０ バイパス通路
２０ａ 上流側接続部
２０ｂ 下流側接続部
２２，４０ 切換弁（流路切換手段）
２２ａ，４０ａ 駆動部
２２ｂ，４０ｂ 弁体
２４，４２ ＮＯｘ吸着材（排気成分吸着材）
２６，４４，５０ 水分・酸素吸着材（大気成分吸着材）
２８，４６ パージ通路
３０ パージ制御弁
３２ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関から排気ガスを排出するために上流側が内燃機関に接続され、下流側が開放端となった排気通路と、
   前記排気通路の一部である主通路部の上流側で前記排気通路から分岐し、前記主通路部の下流側で前記排気通路に合流するバイパス通路と、
   排気ガスの流路を前記排気通路の主通路部と前記バイパス通路との間で切り換える流路切換手段と、
   前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れる排気ガス中の成分を吸着する排気成分吸着材と、
   内燃機関が停止しているときに前記排気成分吸着材と前記排気通路の開放端との間を遮断する位置に設けられ、前記開放端から前記排気通路内に流入する大気中の成分を吸着する大気成分吸着材と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気成分吸着材はＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材であり、前記大気成分吸着材は水分を吸着する水分吸着材である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気成分吸着材はＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材であり、前記大気成分吸着材は酸素を吸着する酸素吸着材である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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