JP2008309044A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動時に吸着触媒に吸着される水から発生する加熱水蒸気を利用し、触媒の水分影響を低減する共に、ＮＯ_X吸着触媒の反応性を格段に向上させ、ＮＯ_Xを効率よく浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】バンク１２と連結する第１排気管５７に吸着触媒５９を設け、バンク１３と連結する第２排気管５８に三元触媒６０を設け、排気集合通路６１にＮＯ_X浄化触媒６２を設けている。吸着触媒５９の触媒温度が水蒸気を発生しない所定温度以下の間、排気通路５７側に排気ガスを送給し、吸着触媒５９に水を吸着させ、吸着触媒５９の触媒温度が所定温度以上となった後、排気ガスの送給を排気通路５７側から排気通路５８側に切換え、高負荷となった後、排気ガスの送給を排気通路５８側から排気通路５７側に切換える。これにより、吸着触媒５９に吸着された水より過熱水蒸気が発生し、ＮＯ_X浄化触媒６２の触媒温度を昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルコール燃料等の混合燃料を使用する排気浄化効率を向上させた内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、アルコール（主にメタノール）等の燃料とガソリン等の燃料等複数種の燃料を混合した混合燃料を使用する内燃機関の排気浄化装置として、次のようなものがある。
図８は、従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。図８に示すように、メタノール等のアルコールとガソリンを混合した混合燃料を使用するエンジンＥの排気通路１０１には、排気浄化用の第一の触媒としてのメイン触媒１０２と該メイン触媒１０２の上流側に位置する第二の触媒としてのサブ触媒１０３とが介装される。また、前記サブ触媒１０３とメイン触媒１０２との間の排気通路（メイン通路）１０４をバイパスするバイパス通路１０５が設けられている。該バイパス通路１０５には、ＨＣ吸着系のトラップ材を充填したトラップ装置１０６が介装される。前記メイン通路１０４とバイパス通路１０５の合流部には、両通路１０４、１０５を選択的に切り換える切換手段として通路切換弁１０７が介装される。

一方、エンジンＥの燃料供給系、例えば、燃料タンク１０８とエンジンＥとを結ぶ燃料供給通路１０９の途中には、混合燃料の組成を検出する燃料組成検出手段としてアルコール濃度センサ１１０が介装される。コントローラ１１１には、エンジンのクランキング操作に基づいてエンジン始動を検出する図示しないイグニッションスイッチ、サブ触媒出口温度センサ１１２、メイン触媒出口温度センサ１１３及びアルコール濃度センサ１１０から出力される検出信号が入力される。該コントローラ１１１は、これら各検出手段から出力される検出信号に基づいて前記通路切換弁１０７を制御している。

エンジン１の始動時では、バイパス通路１０５を開放し、メイン通路１０４を遮断するように通路切換弁１０７を切り換える。また、サブ触媒出口温度センサ１１２が切換判定温度を検出した時、バイパス通路１０５を遮断しメイン通路１０４を開放するように通路切換弁１０７を切り換える。また、メイン触媒出口温度センサ１１３が切換判定温度を検出した時、バイパス通路１０５を開放しメイン通路１０４を遮断するように再度通路切換弁１０７を切り換える。

このように、エンジン１の排気通路１０４に排気浄化用のメイン触媒１０２と該メイン触媒の上流側に位置するサブ触媒１０３とを介装して、装置全体での排気浄化率を向上するようにしている（特許文献１）。

特開平０５−７１３３７号公報

ここで、近年ではガソリン燃料に加え、代替燃料としてアルコールを同時に使用可能なシステムが搭載された自動車などの車両（ＦＦＶ; Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｕｅｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化され、ガソリン、アルコール、およびこれらの混合燃料により走行が可能となっている。

このＦＦＶシステムにおいて燃料として例えばアルコール燃料を用いる場合、燃料に含有するアルコール成分は、下記式（１）〜式（３）の状態に化学変化する。即ち、アルコールが酸化されアルデヒドとなった時は下記式（１）となり、アルデヒドが酸化され酸となった時は下記式（２）となり、酸から最終的に水、二酸化炭素に分解される時は下記式（３）となる。

よって、従来の内燃機関の排気浄化装置では、アルコール燃料を用いた場合、アルコール（Ｒ−ＯＨ）が酸化されアルデヒド（Ｒ−ＣＨＯ）、酸（Ｒ−ＣＯＯＨ）へと順じ酸化され、最終的に、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）に分解され、多量の水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。

また、通常の燃料の燃焼においても、下記式（４）、（５）、（６）のような酸化反応も進んでいるため、エンジンの燃焼反応において水が生成される。
ＣＯ ＋ＨＣ → Ｈ₂Ｏ ＋ＣＯ₂ ・・・（４）
ＨＣ ＋Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ＋ＣＯ₂ ・・・（５）
Ｈ₂ ＋Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ＋ＣＯ₂ ・・・（６）

また、エンジン始動時に発生する水蒸気は触媒床温の上昇に影響を与えるため、エンジン始動時の触媒のエミッションを悪化させる、という問題がある。

また、燃料としてアルコール燃料を用いた場合には、上記式（１）、（２）、（３）のように、アルコール燃料に起因した水も発生するため、アルコール燃料を用いない燃料よりもエンジン始動時の触媒の温度低下が増大する、という問題がある。

更に、炭化水素（ＨＣ）を吸着するサブ触媒１０３に例えばゼオライト等をコーティングした吸着触媒を用いると、水も副次的にゼオライト等に吸着されるため、エンジン始動時の触媒の温度低下が更に大きい、という問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、エンジン始動時に吸着触媒に吸着される水から発生する加熱水蒸気を利用し、触媒の水分影響を低減すると共に、ＮＯ_X吸着触媒の反応性を格段に向上させ、ＮＯ_Xを効率よく浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。

上記の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は、複数の気筒が左右のバンクに分けて配列された２つの気筒群を有し、該各気筒群に対して吸気通路が設けられる一方、排気通路がそれぞれ独立して設けられ、該各排気通路に前段浄化触媒の収容された前段浄化触媒装置が設けられ、前記各排気通路における前記各前段浄化触媒より上流側が連通通路により連通され、前記各排気通路の下流端部が合流した排気集合通路が設けられ、該排気集合通路に後段浄化触媒の収容された後段浄化触媒装置が設けられた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路における前記前段浄化触媒の何れか一方を吸着触媒とし、前記吸着触媒の触媒温度が水蒸気を発生しない所定温度以下の間、前記吸着触媒を有する排気通路に排気ガスを送給し、前記吸着触媒に水を吸着させ、前記吸着触媒の触媒温度が前記水蒸気を発生しない所定温度以上のとき、前記吸着触媒を有する排気通路から前記吸着触媒を有していない排気通路に前記排気ガスの送給を切換え、内燃機関が高負荷又は前記後段浄化触媒の下流側の前記排気通路の窒素酸化物濃度が所定値以上のとき、前記吸着触媒を有していない排気通路から前記吸着触媒側を有する排気通路に前記排気ガスの送給を再度切換え、前記吸着触媒に吸着された水により過熱水蒸気を発生させ、前記後段浄化触媒の触媒温度を昇温させることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記２つの気筒群のいずれか一方にのみ過給機が設けられ、前記過給機を有する気筒群の排気通路に設けている前記前段浄化触媒を吸着触媒とすることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記吸着触媒が、ゼオライト系触媒であることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記所定温度以下とする時間が、始動開始前の内燃機関の冷却水温度により決定されることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記吸着触媒の触媒温度が前記水蒸気を発生しない所定温度が、１００〜２００℃であることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記排気ガスが、アルコール成分を含有していることを特徴とする。

本発明によれば、各気筒群に対して独立して設けた各排気通路に設けた前段浄化触媒のいずれか一方のみを吸着触媒とし、前記各排気通路の下流端部が合流した排気集合通路に後段浄化触媒を設け、前記吸着触媒の触媒温度が水蒸気を発生しない所定温度以下の間、前記吸着触媒を有する排気通路に前記排気ガスを送給し、前記吸着触媒に水を吸着させる。そして、前記吸着触媒の触媒温度が前記所定温度以上となった後、前記吸着触媒側を有する排気通路から前記吸着触媒を有していない排気通路に排気ガスの送給を切換え、内燃機関が高負荷又は前記後段浄化触媒の下流側の前記排気通路の窒素酸化物濃度が所定値以上となった後、排気ガスの送給を前記吸着触媒を有していない排気通路から前記吸着触媒側を有する排気通路に切換えている。

これにより、前記吸着触媒に吸着された水により過熱水蒸気を発生させ、前記後段浄化触媒の触媒温度を昇温させることができる。この結果、前記後段浄化触媒が通常より過度に加熱され、昇温されるため、始動時の燃料の燃焼により吸着触媒に吸着される水による水分影響がなくなると共に、ＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができる。

以下に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置をエンジンシステムに適用した実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムを示す概略平面図、図２は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムの概略断面図である。
また、本実施例のおいては、内燃機関としてＶ型６気筒エンジンを適用している。
本発明の実施例に係る内燃機関の構成について説明する。
図１及び図２に示すように、本実施例に係る内燃機関において、シリンダブロック１１は上部に所定角度で傾斜した左右のバンク１２，１３を有しており、各バンク１２，１３に複数の気筒が設けられて２つの気筒群が構成されている。この各バンク１２，１３は、それぞれ３つのシリンダボア１４，１５が形成され、各シリンダボア１４，１５にピストン１６，１７がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１６，１７はコネクティングロッド１８，１９を介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。

一方、シリンダブロック１１の各バンク１２，１３の上部にはシリンダヘッド２０，２１が締結されており、シリンダブロック１１とピストン１６，１７とシリンダヘッド２０，２１により各燃焼室２２，２３が構成されている。そして、この燃焼室２２，２３の上部、つまり、シリンダヘッド２０，２１の下面に吸気ポート２４，２５及び排気ポート２６，２７が対向して形成され、この吸気ポート２４，２５及び排気ポート２６，２７に対して吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１の下端部が位置している。この吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１は、シリンダヘッド２０，２１に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート２４，２５及び排気ポート２６，２７を閉止する方向に付勢支持されている。また、シリンダヘッド２０，２１には、吸気カムシャフト３２，３３及び排気カムシャフト３４，３５が回転自在に支持されており、吸気カム３６，３７及び排気カム３８，３９が図示しないローラロッカアームを介して吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１の上端部に接触している。

従って、エンジンに同期して吸気カムシャフト３２，３３及び排気カムシャフト３４，３５が回転すると、吸気カム３６，３７及び排気カム３８，３９がローラロッカアームを作動させ、吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート２４，２５及び排気ポート２６，２７を開閉し、吸気ポート２４，２５と燃焼室２２，２３、燃焼室２２，２３と排気ポート２６，２７とをそれぞれ連通することができる。

また、このエンジンの動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１を最適な開閉タイミングに制御する吸気可変動弁機構（ＶＶＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ−ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ）４０，４１と排気可変動弁機構４２，４３により構成されている。この吸気可変動弁機構４０，４１及び排気可変動弁機構４２，４３は、例えば、吸気カムシャフト３２，３３及び排気カムシャフト３４，３５の軸端部にＶＶＴコントローラが設けられて構成され、油圧ポンプ（または電動モータ）によりカムスプロケットに対する各カムシャフト３２，３３，３４，３５の位相を変更することで、吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１の開閉時期を進角または遅角することができるものである。この場合、各可変動弁機構４０，４１，４２，４３は、吸気弁２８，２９及び排気弁３０，３１の作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト３２，３３及び排気カムシャフト３４，３５には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ４４，４５，４６，４７が設けられている。

各シリンダヘッド２０，２１の吸気ポート２４，２５には吸気マニホールド４８，４９を介してサージタンク５０が連結されている。一方、吸気管（吸気通路）５１の空気取入口にはエアクリーナ５２が取付けられており、この吸気管５１には、エアクリーナ５２の下流側に位置してスロットル弁５３を有する電子スロットル装置５４が設けられている。そして、この吸気管５１の下流端部がサージタンク５０に連結されている。

排気ポート２６，２７は、各燃焼室２２，２３から排出される排気ガスが集合する集合通路５５，５６に連通しており、各集合通路５５，５６には、排気管接続部５５ａ，５６ａを介して第１、第２排気管５７，５８が連結されている。この場合、排気ポート２６，２７と集合通路５５，５６と排気管接続部５５ａ，５６ａは、左右のバンク１２，１３の各シリンダヘッド２０，２１内に一体に形成されている。

また、第１排気管５７と第２排気管５８の上流側は、各前段浄化触媒５９，６０が装着された位置よりも排気ガスの流動方向の上流側で連通管（連通通路）６３により連通されている。そして、第１排気管５７及び第２排気管５８には、前段浄化触媒５９，６０よりも排気ガスの流動方向の下流側に、第１制御弁６４及び第２制御弁６５が装着されている。この第１、第２制御弁６４，６５は流量制御弁であって、その開度を調整することで各排気管５７，５８を流れる排気ガスの流量を調整することができる。

そして、第１バンク１２側には、ターボ過給機６７が設けられている。このターボ過給機６７は、吸気管５１側に設けられたコンプレッサ６８と第１排気管５７側に設けられたタービン６９とが連結軸７０により一体に連結されて構成されている。この場合、ターボ過給機６７は、第１バンク１２側の第１排気管５７からの排気ガスによりタービン６９が駆動可能であり、連通管６３の端部が第１排気管５７におけるタービン６９の装着部分よりも上流側に連結されている。そして、このターボ過給機６７におけるコンプレッサ６８の下流側であって、電子スロットル装置５４（スロットル弁５３）の上流側の吸気管５１には、このコンプレッサ６８により圧縮されて温度上昇した吸入空気を冷却するインタークーラ７１が設けられている。

従って、第１バンク１２に設けられたターボ過給機６７は、この第１バンク１２の燃焼室２２から排気ポート２６及び集合通路５５を介して第１排気管５７に排出された排気ガスによりタービン６９を駆動し、連結軸７０により連結されたコンプレッサ６８が駆動することで吸気管５１を流れる空気を圧縮することができる。そのため、エアクリーナ５２から吸気管５１に導入された空気は、圧縮吸気となってインタークーラ７１で冷却された後にサージタンク５０に導入され、各バンク１２，１３の各吸気マニホールド４８，４９及び吸気ポート２４，２５を介して燃焼室２２，２３に吸入されることとなる。

第１排気管５７及び第２排気管５８には、前記排気ガスを浄化する前段浄化触媒５９、６０を各々配置している。具体的には、第１排気管５７には、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の収容された前段浄化触媒装置が装着されていると共に、第２排気管５８には、三元触媒（前段浄化触媒）６０の収容された後段浄化触媒装置が装着されている。第１、第２排気管５７，５８の下流端部は排気集合管（排気集合通路）６１に合流して連結されており、この排気集合管６１にＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２が装着されている。

吸着触媒（前段浄化触媒）５９は、ゼオライトをコーティングして形成されてなるゼオライト系吸着触媒であり、低温時には排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、水（Ｈ₂Ｏ）を物理的に吸着し、高温時には吸着されているＨＣが脱着される。また、ゼオライト系吸着触媒としては、例えばモルデナイト、ＭＦＩ型ゼオライト又はβ−ゼオライト等が挙げられ、これらを単独又は任意に組み合せたものを用いることができるが、ゼオライト系吸着触媒は、これらに限定されるものではない。

また、三元触媒（前段浄化触媒）６０は、排気空燃比がストイキのときに排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_X）を酸化還元反応により同時に浄化処理するものである。即ち、排気ガス中の有害なＨＣ，ＣＯ及びＮＯ_Xを無害なＨ₂Ｏ、ＣＯ₂、Ｎ₂へと還元又は酸化させる。

ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２は、排気空燃比がストイキのときに排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xを酸化還元反応によりＨ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｎ₂へと同時に浄化処理すると共に、排気空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを一旦吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下したリッチ燃焼領域にあるときに、吸蔵したＮＯ_Xを放出し、添加した還元剤としての燃料によりＮＯ_Xを還元するものである。ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２として、具体的には、ＮＳＲ（ＮＯ_X Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）やＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯ_X Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）が知られている。ＮＳＲとは、リーン運転モードでの運転中にＮＯ_Xを硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、その硝酸塩を酸素濃度の低下した還元雰囲気でＮ₂に還元するＮＯ_X吸蔵還元型触媒のことである。また、ＤＰＮＲとは、粒子状物質（ＰＭ）とＮＯ_Xを同時に連続して浄化させることが可能なシステムのことであり、例えば、ＰＭ捕集装置であるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）にＮＯ_X吸蔵還元型触媒を担持させたものである。尚、本実施例においては、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２として、ガソリンに代表される蒸発性の高い燃料を使用するため、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）を適用する。

ここでは、そのＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２を吸着触媒（前段浄化触媒）５９、三元触媒（前段浄化触媒）６０よりも排気ガス流動方向下流に配置して、その吸着触媒（前段浄化触媒）５９、三元触媒（前段浄化触媒）６０においてＨＣやＮＯ_Xを浄化させ、この吸着触媒（前段浄化触媒）５９、三元触媒（前段浄化触媒）６０で浄化しきれなかったＮＯ_XをＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２で浄化させる。また、吸着触媒（前段浄化触媒）５９、三元触媒（前段浄化触媒）６０やＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２が活性状態にあるか否かについては、その夫々の触媒床温を検出することで判断してもよく、また、水温センサ８７から検出した内燃機関の冷却水温から判断してもよい。

また、ターボ過給機６７を設けている第１排気管５７側に吸着触媒（前段浄化触媒）５９を設けることにより、より低温側を維持できるため、吸着できるＨＣ、水の量を増加させることができる。

また、本実施例では、吸着触媒（前段浄化触媒）５９において、第１排気管５７側にターボ過給機６７を設けているが、本発明はこれに限定されるものではく、第２排気管５８側にターボ過給機６７を設けるようにしてもよい。また、ターボ過給機６７を設けないようにしてもよい。

各シリンダヘッド２０，２１には、各燃焼室２２，２３に直接燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ７４，７５が装着されており、各インジェクタ７４，７５にはデリバリパイプ７６，７７が連結され、この各デリバリパイプ７６，７７には高圧燃料ポンプ７８から所定圧の燃料を供給可能となっている。また、シリンダヘッド２０，２１には、燃焼室２２，２３の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ７９，８０が装着されている。

車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）８１が搭載されており、このＥＣＵ８１は、インジェクタ７４，７５の燃料噴射タイミングや点火プラグ７９，８０の点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、吸気温度、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。即ち、吸気管５１の上流側にはエアフローセンサ８２及び吸気温センサ８３が装着され、計測した吸入空気量及び吸気温度をＥＣＵ８１に出力している。また、電子スロットル装置５４にはスロットルポジションセンサ８４が設けられ、アクセルペダルにはアクセルポジションセンサ８５が設けられており、現在のスロットル開度及びアクセル開度をＥＣＵ８１に出力している。更に、クランクシャフトにはクランク角センサ８６が設けられ、検出したクランク角度をＥＣＵ８１に出力し、ＥＣＵ８１はクランク角度に基づいてエンジン回転数を算出する。また、シリンダブロック１１には水温センサ８７が設けられており、検出したエンジン冷却水温をＥＣＵ８１に出力している。

また、各排気管５７，５８における各前段浄化触媒５９，６０よりも上流側には、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ８８，８９が設けられている。このＡ／Ｆセンサ８８，８９は、各燃焼室２２，２３から各排気ポート２６,２７を通して各排気管５７，５８に排気された排気ガスの排気空燃比を検出し、検出した排気空燃比をＥＣＵ８１に出力している。ＥＣＵ８１は、Ａ／Ｆセンサ８８，８９が検出した排気空燃比をフィードバックし、エンジン運転状態に応じて設定された目標空燃比と比較することで、燃料噴射量を補正している。

また、サージタンク５０には、過給圧センサ（過給圧検出手段）９０が設けられている。この過給圧センサ９０は、吸気管５１から各吸気ポート２４，２５を通して各燃焼室２２，２３に吸入される吸気圧、ターボ過給機６７の稼動時には過給圧を検出し、検出した吸気圧（過給圧）をＥＣＵ８１に出力している。ＥＣＵ８１は、過給圧センサ９０が検出した過給圧に基づいて排気ガスを排気集合管６１に流してターボ過給機６７のタービン６９に流れる排気ガスの流量を調整している。

また、本実施例の内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムでは、上述したように、各シリンダヘッド２０，２１の燃焼室２２，２３に第１排気管５７及び第２排気管５８が連結され、この第１排気管５７及び第２排気管５８に、吸着触媒（前段浄化触媒）５９、三元触媒（前段浄化触媒）６０及び第１、第２制御弁６４，６５が装着され、各排気管５７，５８の上流部が連通管６３により連通され、第１バンク１２側にターボ過給機６７が装着されている。そのため、ＥＣＵ８１は、エンジン運転状態に応じて各制御弁６４，６５を開閉制御することで、排気ガスの排出経路を変更可能となっている。

また、ＥＣＵ８１は、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２に吸蔵されたＮＯ_Xを放出する再生時には、第１バンク１２の気筒群及び第２バンク１３の気筒群からの排気ガスをリッチ雰囲気とし、排気集合管６１を介してＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２に送給し、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２における酸化発熱反応を利用する。具体的にはこのＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２に蓄積されたＮＯ_X成分を放出して再生する。

ここで、本実施例の内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムにおける運転制御方法について図３のフローチャートに基づいて具体的に説明する。
図３は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムにおける運転制御を表すフローチャートである。

図３に示すように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムにおいて、ステップＳ１１では、エンジンを始動時、排気ガスを第１排気管５７に送給している。具体的には、第１制御弁６４を開放状態とし、第２制御弁６５を閉止状態とする。第２バンク１３の気筒群から集合通路５６を介して排出された排気ガスが連通管６３を通して第１排気管５７にバイパスし、第１、第２バンク１２，１３の気筒群からの排気ガスを第１排気管５７に送給し、排気ガスを吸着触媒（前段浄化触媒）５９に送給させる。第１排気管５７側に排出された排気ガスは、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の通過時に排気ガス中に含有するＨＣ、水が吸着触媒（前段浄化触媒）５９のゼオライトにより吸着処理されて排気集合管６１に流れる。そして、排気集合管６１に流れ込んだ排気ガスは、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２の通過時にＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２により、排気ガス中のＨＣ、ＮＯ_X、等の有害物質を浄化処理して大気に放出される。
また、このときのガス流れの状態を簡略に示す構成を図４に示す。

また、このときの第１制御弁６４の開放状態と第２制御弁６５の閉止状態の割合とは、吸着触媒（前段浄化触媒）５９に水を吸着させるため全体を１０としたとき１０対０とする。また、第１制御弁６４の開放状態と第２制御弁６５の閉止状態の割合は、例えば９対１、８対２などでもよく、第１制御弁６４が第２制御弁６５より開放状態の割合が高くなるようにし、吸着触媒（前段浄化触媒）５９に水を吸着できるように第１制御弁６４及び第２制御弁６５を調整すればよい。これは、後述するステップＳ１６に説明するように、吸着触媒（前段浄化触媒）５９に吸着された水を過熱水蒸気として用いるためである。

そして、ステップＳ１２では、排気ガスを吸着触媒（前段浄化触媒）５９に送給することで吸着触媒（前段浄化触媒）５９の触媒温度が所定温度Ｔ_A（例えば１７０℃）以上か否か判定する。

具体的には、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の直上流の第１排気管５７に温度センサ（図示略）を設け、この温度センサが検出した触媒温度が予め設定された所定温度Ｔ_A（例えば１７０℃）にあるかどうかを判定する。

そして、ステップＳ１２にて、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の触媒温度が所定温度Ｔ_A（例えば１７０℃）以上に昇温されたものと判定されたら（ステップＳ１２肯定）、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３にて、第１、第２バンク１２，１３の気筒群からの排気ガスの供給を第１排気管５７側から第２排気管５８側に切替える。具体的には、第１制御弁６４を閉止状態とし、第２制御弁６５を開放状態とする。これにより、第１バンク１２の気筒群から集合通路５５を介して排出された排気ガスを連通管６３を通して第２排気管５８にバイパスさせることで、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスを第２排気管５８に送給する。そして、第２排気管５８に排出された排気ガスは、三元触媒（前段浄化触媒）６０及びＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２の通過時に、排気ガス中のＨＣ、ＮＯ_X等の有害物質を適正に浄化処理してから大気に放出される。
また、このときのガス流れの状態を簡略に示す構成を図５に示す。

ここで、本実施例では、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の所定温度としては、例えば１７０℃としているが、吸着された水が水蒸気とならないような水の吸着維持可能な温度範囲であれば１７０℃に限定されるものではない。そのため、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の所定温度としては、１００℃以上とすればよく、１００〜２００℃の範囲が好ましく、更には例えば１７０℃の前後２０℃付近とすることが好ましい。これは、吸着触媒（前段浄化触媒）５９を構成するゼオライト系触媒が例えば２００℃までは水を吸着するためであり、２００℃を超えると吸着した水分が水蒸気となってしまうためである。

また、このときの第１制御弁６４の閉止状態と第２制御弁６５の開放状態の割合とは、全体を１０としたとき０対１０に限定されるものではなく、第１制御弁６４の閉止状態と第２制御弁６５の開放状態の割合は、例えば１対９、２対８などでもよく、第１制御弁６４が第２制御弁６５より閉止状態の割合が高くなるように第１制御弁６４及び第２制御弁６５を調整すればよい。

そして、ステップＳ１４では、エンジンが高負荷運転となったかどうかを判定する。
ここで、高負荷とは、内燃機関の燃焼室から排出される前記排気ガスの単位時間当たりの熱量が所定値以上であることをいう。エンジンが高負荷運転の状態としては例えば吸入空気量が７０ｇ／ｓ程度の場合等である。

ステップＳ１４にて、エンジンが高負荷運転状態でないと判定されたら（ステップＳ１４否定）、ステップＳ１３にて、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスの供給をエンジンが高負荷運転と判定されるまでこのまま維持する（図５の状態）。具体的には、第１制御弁６４を閉止状態とし、第２制御弁６５を開放状態としておく。これにより、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスを第２排気管５８に送給し、三元触媒（前段浄化触媒）６０及びＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２により、排気ガス中のＨＣ、ＮＯ_X等の有害物質を浄化処理して大気に放出する。また、この排気ガスによって、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２を暖機したり、このＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２に蓄積されたＮＯ_X、硫黄成分を放出して再生する。

ステップＳ１４にて、エンジンが高負荷運転であると判定されたら（ステップＳ１４肯定）、ステップ１５に移行する。

ステップＳ１５にて、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスの供給を第２排気管５８側から第１排気管５７側に切替える。具体的には、第１制御弁６４を開放状態とし、第２制御弁６５を閉止状態とする。これにより、第２バンク１３の気筒群から排出された排気ガスが連通管６３を通して第１排気管５７にバイパスし、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスを第１排気管５７に送給し、排気ガスを吸着触媒（前段浄化触媒）５９に流入させる（図４の状態）。

そして、ステップＳ１６にて、流入した排気ガスによって吸着触媒（前段浄化触媒）５９が加熱されることにより、加熱水蒸気を発生させる。
ここで、過熱水蒸気とは、水蒸気を更に加熱して１００℃以上、好ましくは１７０℃程度にまで高温に過熱した状態で存在する水蒸気で、他のものを瞬時に加熱することができる。また、この加熱水蒸気は、乾燥空気の数倍の高エネルギーを有している。

このステップＳ１６にて、具体的には、排気ガスが吸着触媒（前段浄化触媒）５９に送給されることにより、エンジンが高負荷状態となるまで常温であった吸着触媒（前段浄化触媒）５９の触媒床温が急激に上昇するため、エンジンの始動時に吸着された水分が一気に過熱水蒸気ＯＳとなる。これにより、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２が通常より過度に加熱され、昇温され、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２の浄化効率が向上する。
また、このときのガス流れの状態を簡略に示す構成を図６に示す。

この結果、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２においてエンジン始動時の水分影響がなくなると共に、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２の反応性を格段に向上させることができ、ＮＯ_Xを効率よく浄化することができる。そして、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２により、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_X等の有害物質を浄化処理して大気に放出することができる。

また、このときの第１制御弁６４の開放状態と第２制御弁６５の閉止状態の割合とは、全体を１０としたとき１０対０に限定されるものではなく、第１制御弁６４の開放状態と第２制御弁６５の閉止状態の割合は、例えば９対１、８対２などでもよく、第１制御弁６４が第２制御弁６５より開放状態の割合が高くなるように第１制御弁６４及び第２制御弁６５を調整すればよい。

また、排気ガスは、ターボ過給機６７にも流入されるため、ターボ過給機６７を高効率で稼動して高過給を可能とし、更に出力を向上することもできる。

そして、このような状態でステップＳ１７では、エンジンのアイドル運転状態であるか否か判定される。具体的には、ＥＣＵ８１でクランク角センサ８６が検出したクランク角度に基づいて算出したエンジン回転数が、予め設定された所定回転数より低いときにアイドル運転であると判定している。

ステップＳ１７にて、エンジンがアイドル運転状態でないと判定されたら（ステップＳ１７肯定）、ステップＳ１８にて、第１、第２バンク１２，１３の気筒群からの排気ガスを第１排気管５７に供給する状態を維持する（図６の状態維持）。具体的には、このまま第１制御弁６４を開放状態とし、第２制御弁６５を閉止状態とし、制御を終了する。

また、エンジンがアイドル運転状態である判定されたら（ステップＳ１７否定）、ステップＳ１３に移行し、第１、第２バンク１２，１３の気筒群からの排気ガスの供給を第１排気管５７から第２排気管５８に切替える。具体的には、第１制御弁６４を閉止状態とし、第２制御弁６５を開放状態とする。これにより、第１、第２バンク１２，１３の気筒群から排出される排気ガスは、第２排気管５８に送給され、三元触媒（前段浄化触媒）６０及びＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２により、排気ガス中の有害物質を浄化処理して大気に放出する。

また、このときの第１制御弁６４の閉止状態と第２制御弁６５の開放状態の割合とは、全体を１０としたとき０対１０に限定されるものではなく、第１制御弁６４の閉止状態と第２制御弁６５の開放状態の割合は、例えば１対９、２対８などでもよく、第１制御弁６４が第２制御弁６５より閉止状態が高くなるように調整すればよい。

また、この場合、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２は、排気集合管６１の後端部に設けられているため、高温の排気ガスが各排気管５７，５８及び排気集合管６１を流動する間に温度低下することとなり、排気ガスによりＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２が熱劣化することはない。

また、本実施例では、ステップ１４の判定においては、エンジンが高負荷運転か否かで第１制御弁６４、第２制御弁６５の開放・閉止を行なっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＮＯ_Xセンサ７２で検出されるＮＯ_X排出量に基づいて第１制御弁６４、第２制御弁６５の開放・閉止状態を制御し、排気ガスの供給を切換えるようにしてもよい。例えば図７に示すように、ＮＯ_Xセンサ７２のＮＯ_X排出量が所定値以上であるか否かによって、判断し、その他のステップは図３に示した運転制御を表すフローチャートと同様にして行なうようにする。

このように本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムによれば、Ｖ型６気筒エンジンにて、各々の気筒群に連結する第１排気管５７に吸着触媒（前段浄化触媒）５９を設け、第２排気管５８に三元触媒（前段浄化触媒）６０を設け、各排気管５７、５８の合流した排気集合通路６１にＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２を設けている。そして、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の触媒温度が水蒸気を発生しない所定温度以下の間、排気通路５７側に排気ガスを送給し、吸着触媒（前段浄化触媒）５９に水を吸着させ（図４の状態）、吸着触媒（前段浄化触媒）５９の触媒温度が所定温度以上となった後、排気ガスの送給を排気通路５７側から排気通路５８側に切換え（図５の状態）、高負荷運転となった後、排気ガスの送給を排気通路５８側から排気通路５７側に切換えている（図６の状態）。

これにより、吸着触媒（前段浄化触媒）５９にエンジンの始動時に吸着された水分を一気に可熱水蒸気として発生させ、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２を通常より過度に過熱し、昇温するため、エンジンの始動時に吸着触媒（前段浄化触媒）５９に吸着される水による水分影響がなくなると共に、ＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができるので、排気浄化性能を向上させることができる。

また、第２バンク１３の燃焼室２３から第２排気管５８に排出された排気ガスが連通管６３を通して第１排気管５７に流動し、第１バンク１２の燃焼室２２から排出された排気ガスと合流し、ほぼ全量の排気ガスをターボ過給機６７に導入することで、このターボ過給機６７による過給圧を上昇し、出力を確実に向上させることができる。

また、本実施例では、各排気管５７，５８における下流端部を排気集合管６１により合流し、この排気集合管６１にＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２を設けている。従って、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２の暖機時や再生処理時におけるバンク制御が可能となり、安定した排気浄化性能を確保することができる。

また、本実施例では、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２においてＮＯ_Xの浄化性能を向上させるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等の他の有害物質の浄化性能をも向上させるために用いることができる。

なお、上述した実施例では、内燃機関としてＶ型６気筒エンジンを適用したが、エンジン形式や気筒数などは実施例に限定されるものではない。更に、内燃機関の燃料噴射形式を筒内噴射式としたが、ポート噴射式であってもよく、燃焼形態も希薄燃焼式でなくてもよく、この場合、ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）６２が不要となる。

以上のように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスの排出経路の一方に吸着触媒を設け、エンジン始動時に吸着触媒に吸着された水から発生する加熱水蒸気を利用することでエンジン始動時の触媒の水分影響を低減する共に、ＮＯ_X吸着触媒の反応性を格段に向上させ、ＮＯ_Xの浄化効率の向上を図るものであり、内燃機関に用いるのに有用である。

本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムを示す概略平面図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムの概略断面図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムにおける運転制御を表すフローチャートである。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置のガス流れの状態を簡略に示す構成図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置のガス流れの状態を簡略に示す他の構成図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置のガス流れの状態を簡略に示す他の構成図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムにおける運転制御を表す他のフローチャートである。 従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。

符号の説明

１２ 第１バンク
１３ 第２バンク
１６，１７ ピストン
２０，２１ シリンダヘッド
２２，２３ 燃焼室
２４，２５ 吸気ポート
２６，２７ 排気ポート
２８，２９ 吸気弁
３０，３１ 排気弁
５１ 吸気管（吸気通路）
５４ 電子スロットル装置
５５，５６ 集合通路
５７ 第１排気管（排気通路）
５８ 第２排気管（排気通路）
５９ 吸着触媒（前段浄化触媒）
６０ 三元触媒（前段浄化触媒）
６１ 排気集合管
６２ ＮＯ_X浄化触媒（後段浄化触媒）
６３ 連通管（連通通路）
６４ 第１制御弁
６５ 第２制御弁
６７ ターボ過給機
７２ ＮＯ_Xセンサ
７４，７５ インジェクタ
７９，８０ 点火プラグ
８１ 電子制御ユニット、ＥＣＵ（制御手段）

Claims (6)

1. 複数の気筒が左右のバンクに分けて配列された２つの気筒群を有し、該各気筒群に対して吸気通路が設けられる一方、排気通路がそれぞれ独立して設けられ、該各排気通路に前段浄化触媒の収容された前段浄化触媒装置が設けられ、前記各排気通路における前記各前段浄化触媒より上流側が連通通路により連通され、前記各排気通路の下流端部が合流した排気集合通路が設けられ、該排気集合通路に後段浄化触媒の収容された後段浄化触媒装置が設けられた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路における前記前段浄化触媒の何れか一方を吸着触媒とし、
   前記吸着触媒の触媒温度が水蒸気を発生しない所定温度以下の間、前記吸着触媒を有する排気通路に排気ガスを送給し、前記吸着触媒に水を吸着させ、
   前記吸着触媒の触媒温度が前記水蒸気を発生しない所定温度以上のとき、前記吸着触媒を有する排気通路から前記吸着触媒を有していない排気通路に前記排気ガスの送給を切換え、
   内燃機関が高負荷又は前記後段浄化触媒の下流側の前記排気通路の窒素酸化物濃度が所定値以上のとき、前記吸着触媒を有していない排気通路から前記吸着触媒側を有する排気通路に前記排気ガスの送給を再度切換え、
   前記吸着触媒に吸着された水により過熱水蒸気を発生させ、前記後段浄化触媒の触媒温度を昇温させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、
   前記２つの気筒群のいずれか一方にのみ過給機が設けられ、
   前記過給機を有する気筒群の排気通路に設けている前記前段浄化触媒を吸着触媒とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記吸着触媒が、ゼオライト系触媒であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一つにおいて、
   前記所定温度以下とする時間が、始動開始前の内燃機関の冷却水温度により決定されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一つにおいて、
   前記吸着触媒の触媒温度が前記水蒸気を発生しない所定温度が、１００〜２００℃であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一つにおいて、
   前記排気ガスが、アルコール成分を含有していることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

Images