JP2009024528A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関等の原動機から排出された排気ガス中の有害物質の浄化を行う排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust purification device that purifies harmful substances in exhaust gas discharged from a prime mover such as an internal combustion engine.
一般に、内燃機関等の原動機の燃焼動作に伴い生成された燃焼後のガス(排気ガス)の中には、炭化水素(HC),未燃炭化水素(未燃HC),一酸化炭素(CO)や窒素酸化物(NOx)等の有害物質が含まれている。そして、その有害物質については、地球環境や人間の健康上の理由からそのまま大気へと放出することは好ましくない。従って、従来、かかる原動機には、そのような有害物質を無害な水(H2O),二酸化炭素(CO2),窒素(N2)へと還元又は酸化させる三元触媒等に代表される排気浄化手段が排気ガスの流れる排気経路上に配備されている。 Generally, in the gas after combustion (exhaust gas) generated by the combustion operation of a prime mover such as an internal combustion engine, hydrocarbon (HC), unburned hydrocarbon (unburned HC), carbon monoxide (CO) And harmful substances such as nitrogen oxides (NOx). And it is not preferable to release the harmful substances to the atmosphere as they are for the reasons of the global environment and human health. Therefore, conventionally, such a prime mover is represented by a three-way catalyst for reducing or oxidizing such harmful substances into harmless water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and nitrogen (N 2 ). Exhaust gas purifying means is provided on the exhaust path through which the exhaust gas flows.
例えば、下記の特許文献1には、直列配置された2つの排気ガス浄化触媒(三元触媒)の間にゼオライトからなるHC吸着材を配設し、低温時に1段目の排気ガス浄化触媒で浄化できなかった炭化水素をそのHC吸着材に吸着させて大気への放出を防ぐ技術について開示されている。また、この特許文献1の排気浄化装置においては、排気ガス浄化触媒が触媒活性温度に達したときに、1段目の排気ガス浄化触媒から排出された排気ガスをHC吸着材に流さないで直接2段目の排気ガス浄化触媒に流入させる為のバイパス通路と流路切替弁が用意されている。 For example, in Patent Document 1 below, an HC adsorbent made of zeolite is arranged between two exhaust gas purification catalysts (three-way catalyst) arranged in series, and the first stage exhaust gas purification catalyst is used at a low temperature. A technique is disclosed in which hydrocarbons that could not be purified are adsorbed by the HC adsorbent to prevent release to the atmosphere. Further, in the exhaust gas purification apparatus of Patent Document 1, when the exhaust gas purification catalyst reaches the catalyst activation temperature, the exhaust gas discharged from the first stage exhaust gas purification catalyst is directly flowed without flowing through the HC adsorbent. A bypass passage and a flow path switching valve are provided for flowing into the second stage exhaust gas purification catalyst.
更に、下記の特許文献2には、キャタリストケース内に設けた2段の触媒担体と、これら各触媒担体の上流側と各触媒担体の間の空間とを繋ぐバイパス通路と、このバイパス通路上に配置した未燃ガス(ハイドロカーボン)吸着材と、を備えた排気浄化装置について開示されている。この特許文献2の排気浄化装置においては、低温時には排気ガスをバイパス通路にのみ流して未燃ガス吸着材の未燃ガスを吸着させ、触媒担体が触媒活性温度に達したときにバイパス通路を閉じて触媒担体へと排気ガスを流す。その際、この排気浄化装置においては、その排気ガスの一部が漏らし部を介してバイパス通路へと漏れ入るので、未燃ガス吸着材に吸着されている未燃ガスが脱離し、活性状態にある触媒担体へと流れて浄化される。 Further, Patent Document 2 below discloses a two-stage catalyst carrier provided in a catalyst case, a bypass passage connecting the upstream side of each catalyst carrier and the space between each catalyst carrier, And an unburned gas (hydrocarbon) adsorbent disposed on the exhaust gas purification apparatus. In this exhaust purification device of Patent Document 2, exhaust gas is allowed to flow only through the bypass passage at low temperatures to adsorb unburned gas of the unburned gas adsorbent, and the bypass passage is closed when the catalyst carrier reaches the catalyst activation temperature. Then exhaust gas flows to the catalyst carrier. At this time, in this exhaust purification device, a part of the exhaust gas leaks into the bypass passage through the leaking portion, so that the unburned gas adsorbed by the unburned gas adsorbent is desorbed and brought into an active state. It flows to a certain catalyst carrier and is purified.
ところで、近年、自動車業界においては、自動車を取り巻く環境の変化に対応させる為に様々な取り組みが行われている。例えば、内燃機関の分野では、異なる燃料性状の燃料を用いても運転を行うことのできる所謂多種燃料内燃機関についての取り組みが為されている。この種の多種燃料内燃機関が搭載された車輌は、一般にフレキシブル燃料車(FFV:Flexible Fuel Vehicle)と呼ばれており、その一例としては、ガソリン燃料,アルコール燃料(エタノール、メタノール、ブタノール等)又はこれらの混合燃料の何れを利用しても運転を可能にし、埋蔵量の限界が謳われ続けているガソリン燃料等の化石燃料の消費抑制などのような環境性能の向上を図らんとするものが知られている。例えば、上記の特許文献3には、ガソリン燃料とアルコール燃料からなるアルコール混合燃料を使用して運転させる多種燃料内燃機関について開示されている。 By the way, in recent years, in the automobile industry, various efforts have been made to cope with changes in the environment surrounding automobiles. For example, in the field of internal combustion engines, efforts have been made for so-called multi-fuel internal combustion engines that can be operated even with fuels having different fuel properties. A vehicle equipped with this kind of multi-fuel internal combustion engine is generally called a flexible fuel vehicle (FFV), and examples thereof include gasoline fuel, alcohol fuel (ethanol, methanol, butanol, etc.) or Some of these blended fuels are designed to improve environmental performance, such as the ability to operate and limit consumption of fossil fuels, such as gasoline fuel, where the limits of reserves continue to be sought. Are known. For example, Patent Document 3 discloses a multi-fuel internal combustion engine that is operated using an alcohol mixed fuel composed of gasoline fuel and alcohol fuel.
通常、単独燃料や混合燃料に拘わらず、アルコール燃料等のような含酸素燃料を用いて運転した場合には、原動機の燃焼動作に伴って上述した有害物質のみならず水(具体的には、水蒸気)も生成される。そして更に、低温始動時等のように一時的にでも過濃空燃比にした場合には、その生成された水分と例えば未燃アルコール成分とが水蒸気改質反応(2CH3OH+H2O→2CO2+4H2O)を起こすので、排気ガス中には燃焼反応によって生成されたよりも多くの水分が存在することになる。これが為、低温始動時等のように触媒担体が触媒活性温度に達していないときには、その水分が触媒床温の上昇を妨げるので、触媒担体の活性化を遅らせてしまう。更に、外気温の低い環境下で原動機を停止させた場合には、排気ガス中の水蒸気が排気通路の内壁面に結露するので、その結露した水分が次の原動機始動時に触媒床温の上昇を一層妨げる要因になってしまう。また、触媒活性温度に達していたとしてもその下限温度に近い場合には、その水分によって触媒床温が低下させられて、触媒担体が活性状態から外れてしまう可能性もある。このように、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料で運転している原動機においては、その生成された水分によってエミッション性能を悪化させてしまう。特に、そもそもアルコール燃料やアルコール混合燃料はガソリン燃料に比べて低沸点成分に乏しく、触媒床温を上昇させ難いので、アルコール燃料等を使用した原動機においては、生成された水分の存在が更なる触媒担体の活性化の阻害要因となってしまう。 Normally, regardless of whether it is a single fuel or a mixed fuel, when it is operated using an oxygen-containing fuel such as an alcohol fuel, not only the harmful substances mentioned above but also water (specifically, Steam) is also generated. Furthermore, when the air-fuel ratio is temporarily increased even at a low temperature start or the like, the generated water and, for example, an unburned alcohol component are subjected to a steam reforming reaction (2CH 3 OH + H 2 O → 2CO 2 + 4H 2 O), so there will be more moisture in the exhaust gas than that produced by the combustion reaction. For this reason, when the catalyst carrier does not reach the catalyst activation temperature, such as when starting at a low temperature, the moisture prevents the catalyst bed temperature from rising, so that the activation of the catalyst carrier is delayed. In addition, when the prime mover is stopped in an environment where the outside air temperature is low, water vapor in the exhaust gas condenses on the inner wall surface of the exhaust passage, so that the condensed moisture increases the catalyst bed temperature at the next prime mover start. It will be a factor to further hinder. Even if the catalyst activation temperature is reached, if it is close to the lower limit temperature, the catalyst bed temperature may be lowered by the moisture, and the catalyst carrier may be removed from the active state. As described above, in a prime mover operating with an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel, the generated moisture deteriorates the emission performance. In particular, alcohol fuels and alcohol blended fuels are poor in low-boiling components compared to gasoline fuels, and it is difficult to raise the catalyst bed temperature. Therefore, in the prime mover using alcohol fuels, the presence of generated water is a further catalyst. It becomes an inhibitory factor for the activation of the carrier.
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料で運転する際のエミッション性能が良好になる排気浄化装置を提供することを、その目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust emission control device that improves the inconveniences of the conventional example and improves the emission performance when operating with an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the same.
上記目的を達成する為、請求項1記載の発明では、含酸素燃料の燃焼によって原動機から排出された排気ガスを流す排気主流路と、この排気主流路上に配設して当該排気主流路を流れる排気ガス中の有害成分を浄化する第1排気浄化触媒と、その排気主流路における第1排気浄化触媒の上流側と下流側とを繋ぐ排気副流路と、この排気副流路上に配設して当該排気副流路を流れる排気ガス中の水分を吸着する水吸着手段と、その排気副流路上の水吸着手段よりも下流に配設して当該排気副流路を流れる排気ガス中の有害成分を浄化する第2排気浄化触媒と、その第1及び第2の排気浄化触媒が活性状態になければ原動機から排出された排気ガスの流路を排気副流路側に切り替え、所定時間経過後に排気ガスの流路を排気主流路に切り替えて、その後、水吸着手段が水分を脱離可能な温度になれば少なくとも排気副流路を排気ガスが流れるように当該排気ガスの流路を切り替える流路切替弁と、を備えている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an exhaust main passage for flowing exhaust gas discharged from a prime mover by combustion of oxygen-containing fuel, and an exhaust main passage disposed on the exhaust main passage and flowing through the exhaust main passage. A first exhaust purification catalyst that purifies harmful components in the exhaust gas, an exhaust sub-flow path that connects the upstream side and the downstream side of the first exhaust purification catalyst in the exhaust main flow path, and the exhaust sub-flow path are disposed on the exhaust sub-flow path. Water adsorbing means for adsorbing moisture in the exhaust gas flowing through the exhaust sub-flow channel, and harmful gas in the exhaust gas flowing through the exhaust sub-flow channel disposed downstream of the water adsorbing means on the exhaust sub-flow channel If the second exhaust purification catalyst for purifying the components and the first and second exhaust purification catalysts are not in the active state, the flow path of the exhaust gas discharged from the prime mover is switched to the exhaust sub flow path side, and the exhaust gas is exhausted after a predetermined time has elapsed. Switch the gas flow path to the exhaust main flow path, After water suction means comprises a a flow path switching valve for switching the flow path of the exhaust gases to at least exhaust secondary flow channel if the moisture removable temperature flow exhaust gas.
この請求項1記載の排気浄化装置は、第1及び第2の排気浄化触媒が活性状態にないとき、つまり低温始動時等のように排気ガスの温度が低いときに、排気ガス中の水分を水吸着手段に吸着させる。そして、その後、この排気浄化装置は、排気ガスの流路を排気主流路に切り替えて、第1排気浄化触媒が活性状態になったならば有害物質の浄化を行い、第1排気浄化触媒が未だ不活性状態ならば排気ガスの温度によって触媒床温を上昇させる。更にその後、この排気浄化装置は、水吸着手段が水分を脱離可能な温度になったときに、少なくとも排気副流路を排気ガスが流れるように当該排気ガスの流路を切り替える。これが為、この排気浄化装置においては、その水分が水吸着手段から脱離して水蒸気反応を起こし、その水蒸気反応によって排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素が各々酸化反応を起こす。従って、この排気浄化装置においては、その酸化反応に伴って排気ガスの温度が上昇し、下流の第2排気浄化触媒の触媒床温の温度上昇効率が高まる。 The exhaust emission control device according to claim 1 is configured to remove moisture in the exhaust gas when the first and second exhaust purification catalysts are not in an active state, that is, when the temperature of the exhaust gas is low, such as at a low temperature start. Adsorb to water adsorption means. Then, after that, the exhaust gas purification device switches the exhaust gas flow path to the exhaust main flow path to purify harmful substances when the first exhaust purification catalyst becomes active, and the first exhaust purification catalyst is still in the state. In the inactive state, the catalyst bed temperature is raised by the exhaust gas temperature. Further, after that, the exhaust gas purification device switches the flow path of the exhaust gas so that the exhaust gas flows through at least the exhaust sub-flow path when the water adsorbing means reaches a temperature at which moisture can be desorbed. For this reason, in this exhaust gas purification apparatus, the moisture is desorbed from the water adsorbing means to cause a water vapor reaction, and the hydrocarbon reaction and the carbon monoxide in the exhaust gas each cause an oxidation reaction by the water vapor reaction. Therefore, in this exhaust purification device, the temperature of the exhaust gas rises with the oxidation reaction, and the temperature rise efficiency of the catalyst bed temperature of the downstream second exhaust purification catalyst increases.
また、上記目的を達成する為、請求項2記載の発明では、含酸素燃料の燃焼によって原動機から排出された排気ガスを流す排気主流路と、この排気主流路上に配設して当該排気主流路を流れる排気ガス中の有害成分を浄化する第1排気浄化触媒と、その排気主流路における第1排気浄化触媒の上流側と下流側とを繋ぐ排気副流路と、この排気副流路上に配設して当該排気副流路を流れる排気ガス中の少なくとも水分と炭化水素又はアンモニアとを吸着する排気ガス中物質吸着手段と、その排気副流路上の排気ガス中物質吸着手段よりも上流に配設して当該排気副流路を流れる排気ガス中の有害成分を浄化する第2排気浄化触媒と、その排気主流路と排気副流路との下流側の接続点よりも下流に配設したリーンNOx触媒と、その第1及び第2の排気浄化触媒が活性状態になく且つ原動機がリッチスパイク制御実行中であれば当該原動機から排出された排気ガスの流路を排気副流路側に切り替え、所定時間経過後に排気ガスの流路を排気主流路に切り替えて、その後、吸着されている水分と炭化水素又はアンモニアを脱離させ得る温度に排気ガス中物質吸着手段が到達すれば少なくとも排気副流路を排気ガスが流れるように当該排気ガスの流路を切り替える流路切替弁と、を備えている。 In order to achieve the above object, according to the second aspect of the present invention, there is provided an exhaust main passage through which exhaust gas discharged from the prime mover due to combustion of oxygen-containing fuel flows, and the exhaust main passage disposed on the exhaust main passage. A first exhaust purification catalyst that purifies harmful components in the exhaust gas flowing through the exhaust gas, an exhaust sub-flow path that connects the upstream side and the downstream side of the first exhaust purification catalyst in the exhaust main flow path, and the exhaust sub-flow path disposed on the exhaust sub-flow path. An exhaust gas substance adsorbing means for adsorbing at least moisture and hydrocarbons or ammonia in the exhaust gas flowing through the exhaust sub flow path, and upstream of the exhaust gas substance adsorbing means on the exhaust sub flow path. And a second exhaust purification catalyst for purifying harmful components in the exhaust gas flowing through the exhaust sub-flow passage, and a lean disposed downstream of a connection point downstream of the exhaust main flow passage and the exhaust sub-flow passage. NOx catalyst and its first and second If the exhaust purification catalyst is not activated and the prime mover is executing rich spike control, the flow path of the exhaust gas discharged from the prime mover is switched to the exhaust sub-flow path side, and after a predetermined time has passed, the exhaust gas flow path becomes the main exhaust flow After that, if the exhaust gas substance adsorbing means reaches a temperature at which the adsorbed moisture and hydrocarbons or ammonia can be desorbed, at least the exhaust gas flows so that the exhaust gas flows through the exhaust sub-flow channel. A flow path switching valve for switching the flow path.
この請求項2記載の排気浄化装置は、第1及び第2の排気浄化触媒が活性状態にないとき(低温始動時等のように排気ガスの温度が低いとき)に、排気ガス中の少なくとも水分と炭化水素又はアンモニアとを排気ガス中物質吸着手段に吸着させる。そして、その後、この排気浄化装置は、排気ガスの流路を排気主流路に切り替えて、第1排気浄化触媒が活性状態になったならば有害物質の浄化を行い、第1排気浄化触媒が未だ不活性状態ならば排気ガスの温度によって触媒床温を上昇させる。更にその後、この排気浄化装置は、排気ガス中物質吸着手段が水分と炭化水素又はアンモニアを脱離可能な温度になったときに、少なくとも排気副流路を排気ガスが流れるように当該排気ガスの流路を切り替える。これが為、この排気浄化装置においては、その水分が排気ガス中物質吸着手段から脱離して水蒸気反応を起こし、その水蒸気反応によって排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素が各々酸化反応を起こすと共に、炭化水素又はアンモニアも排気ガス中物質吸着手段から脱離する。従って、この排気浄化装置においては、元の排気ガスの温度が低温でもその酸化反応に伴って排気ガスの温度が上昇し、この高温の排気ガスと共に炭化水素又はアンモニアが下流のリーンNOx触媒に流入する。つまり、そのリーンNOx触媒においては、その高温の排気ガスと炭化水素又はアンモニアによって窒素酸化物の還元雰囲気になり、その吸蔵している窒素酸化物を無害な窒素へと還元させることができるようになる。 The exhaust emission control device according to claim 2 is characterized in that at least moisture in the exhaust gas when the first and second exhaust purification catalysts are not in an active state (when the temperature of the exhaust gas is low, such as at a low temperature start). And hydrocarbon or ammonia are adsorbed by the substance adsorbing means in the exhaust gas. Then, after that, the exhaust gas purification device switches the exhaust gas flow path to the exhaust main flow path to purify harmful substances when the first exhaust purification catalyst becomes active, and the first exhaust purification catalyst is still in the state. In the inactive state, the catalyst bed temperature is raised by the exhaust gas temperature. Further, after that, the exhaust gas purification apparatus is configured so that when the exhaust gas substance adsorbing means reaches a temperature at which moisture and hydrocarbons or ammonia can be desorbed, at least the exhaust gas flows through the exhaust sub-flow path. Switch the flow path. For this reason, in this exhaust purification device, the water is desorbed from the substance adsorbing means in the exhaust gas and causes a water vapor reaction, and the hydrocarbon and carbon monoxide in the exhaust gas each cause an oxidation reaction by the water vapor reaction, Hydrocarbon or ammonia is also desorbed from the substance adsorbing means in the exhaust gas. Therefore, in this exhaust purification apparatus, even if the temperature of the original exhaust gas is low, the temperature of the exhaust gas rises due to the oxidation reaction, and hydrocarbon or ammonia flows into the downstream lean NOx catalyst together with this high temperature exhaust gas. To do. That is, in the lean NOx catalyst, the high-temperature exhaust gas and hydrocarbon or ammonia form a nitrogen oxide reducing atmosphere so that the stored nitrogen oxides can be reduced to harmless nitrogen. Become.
含酸素燃料又はこれを含む混合燃料を使用して運転した場合には排気ガス中に有害物質のみならず水分(水蒸気)も生成されてしまうが、本発明に係る排気浄化装置は、その水分を水蒸気反応させることによって、下流の第2排気浄化触媒の早期活性化を図ることができる。また、低温始動時等のような排気ガスの温度が低いときには、必ずしもリッチスパイク制御によって排気ガスを即座に還元雰囲気を作り出すことの可能な温度にまで上昇させることができるとは限らない。しかしながら、本発明に係る排気浄化装置は、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料を使用した際に発生する水分を利用して水蒸気反応を起こさせ、更に、この水蒸気反応に伴い生じた炭化水素等の酸化反応によって排気ガスの温度を上昇させるので、そして、排気ガス中物質吸着手段から炭化水素等の還元剤を脱離させて排気ガスの流れに乗せるので、下流に配置されたリーンNOx触媒を効率良く還元雰囲気にすることができる。このように、本発明に係る排気浄化装置によれば、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料で運転する際のエミッション性能を向上させることができる。 When operated using an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing this, not only harmful substances but also moisture (water vapor) is generated in the exhaust gas. The exhaust purification apparatus according to the present invention uses the moisture. By making the steam reaction, the downstream second exhaust purification catalyst can be activated early. In addition, when the temperature of the exhaust gas is low, such as when starting at a low temperature, the exhaust gas cannot always be raised to a temperature at which the reducing atmosphere can be immediately created by rich spike control. However, the exhaust emission control device according to the present invention causes a water vapor reaction using moisture generated when an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel is used. As the exhaust gas temperature is raised by the oxidation reaction of the exhaust gas, and the reducing agent such as hydrocarbon is desorbed from the substance adsorbing means in the exhaust gas and put on the exhaust gas flow, the lean NOx catalyst disposed downstream is installed. A reducing atmosphere can be made efficiently. As described above, according to the exhaust emission control device of the present invention, it is possible to improve the emission performance when operating with oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the same.
以下に、本発明に係る排気浄化装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of an exhaust emission control device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
本発明に係る排気浄化装置の実施例1を図1から図5に基づいて説明する。 A first embodiment of an exhaust emission control device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
最初に、本実施例1の排気浄化装置が適用される原動機Eについて説明する。この原動機Eは、アルコール燃料のような含酸素燃料を単独で又は混合して用いる内燃機関であって、必ずしも常に含酸素燃料を用いて運転されなければならないわけではなく、その含酸素燃料による運転が行われる可能性のあるものであれば全て含む。つまり、本実施例1の排気浄化装置は、含酸素燃料の燃焼反応によって水が生成され、その水を排気ガス中に水蒸気として存在させる原動機Eを適用対象とする。 First, the prime mover E to which the exhaust gas purification apparatus of the first embodiment is applied will be described. The prime mover E is an internal combustion engine that uses an oxygen-containing fuel such as an alcohol fuel alone or in combination, and does not always have to be operated using the oxygen-containing fuel. Anything that could be done is included. That is, the exhaust emission control device of the first embodiment is applied to the prime mover E in which water is generated by the combustion reaction of the oxygen-containing fuel and the water is present as water vapor in the exhaust gas.
例えば、かかる原動機Eとしては、エタノール等のアルコール燃料又はこれを含む混合燃料の内の何れか1種類だけで運転される内燃機関、ガソリン燃料,アルコール燃料又はこれらの混合燃料等のように異なる燃料性状の燃料の何れを用いても運転を行うことのできる所謂フレキシブル燃料車に搭載される多種燃料内燃機関が考えられる。尚、本実施例1においては、V型6気筒の多種燃料内燃機関を例に挙げて説明していく。 For example, as the prime mover E, different fuels such as an alcohol engine such as ethanol or an internal combustion engine operated with only one of a mixed fuel containing the same, a gasoline fuel, an alcohol fuel, or a mixed fuel thereof. A multi-fuel internal combustion engine mounted on a so-called flexible fuel vehicle that can be operated using any of the properties of fuel is conceivable. In the first embodiment, a V-type 6-cylinder multifuel internal combustion engine will be described as an example.
先ず、本実施例1の排気浄化装置は、図1に示す如く、原動機Eの夫々のバンク毎に配設した第1及び第2の排気マニホルド11,12と、これら第1及び第2の排気マニホルド11,12の集合部に夫々接続された第1及び第2の排気通路13,14と、これら第1及び第2の排気通路13,14を連結させるバイパス通路15と、を備えている。そのバイパス通路15は、第1排気通路13と第2排気通路14の夫々の流路の途中同士を繋ぐものである。
First, as shown in FIG. 1, the exhaust purification system of the first embodiment includes first and
また、この排気浄化装置には、第1排気通路13の下流端に接続した第1排気浄化触媒21と、第2排気通路14の下流端に接続した水吸着手段31と、この水吸着手段31よりも下流側に配設した第2排気浄化触媒22と、これら第1及び第2の排気浄化触媒21,22の夫々の下流端を繋ぎ、その夫々から排出された排気ガスを一纏めに集合させる第3排気通路16と、が設けられている。尚、ここで示す下流とは、排気ガスの流動方向における下流を示す。
Further, the exhaust purification device includes a first
ここに示す第1及び第2の排気浄化触媒21,22については、例えば、排気ガス中の有害物質の浄化を行う所謂三元触媒とする。従って、これら第1及び第2の排気浄化触媒21,22においては、排気ガス中の炭化水素(HC),未燃炭化水素(未燃HC),一酸化炭素(CO)や窒素酸化物(NOx)等の有害物質が無害な水(H2O),二酸化炭素(CO2),窒素(N2)へと還元又は酸化される。
The first and second
他方、上述した水吸着手段31とは、含酸素燃料の燃焼反応に伴って生成された排気ガス中の水分(水蒸気)を吸着させるものである。例えば、かかる水吸着手段31としては、ゼオライト、活性炭、メソポーラスシリカ等の水の吸着が可能な多孔質材料を利用することができる。この水吸着手段31は、排気ガスの温度が低いと水分の吸着を行うが、逆に排気ガスが高温になると、その吸着した水分を脱離させる。 On the other hand, the water adsorbing means 31 described above adsorbs moisture (water vapor) in the exhaust gas generated in association with the combustion reaction of the oxygen-containing fuel. For example, as the water adsorbing means 31, a porous material capable of adsorbing water such as zeolite, activated carbon, and mesoporous silica can be used. The water adsorbing means 31 adsorbs moisture when the temperature of the exhaust gas is low, but desorbs the adsorbed moisture when the exhaust gas becomes high.
更に、この排気浄化装置には、第3排気通路16の下流端に接続した第3排気浄化触媒23と、この第3排気浄化触媒23よりも下流側に配設した第4排気浄化触媒24と、が設けられている。例えば、これら第3及び第4の排気浄化触媒23,24については、本実施例1の原動機Eが主として理論空燃比で運転を行うならば三元触媒とし、この原動機Eが希薄空燃比での運転も行うものならば所謂リーンNOx触媒とする。尚、主に理論空燃比運転を行って上流の第1及び第2の排気浄化触媒21,22で排気ガス中の有害物質を全て浄化できるのであれば、三元触媒としてのこれら第3及び第4の排気浄化触媒23,24は、必ずしも配備しなくてよい。本実施例1においては、原動機Eを主に理論空燃比と希薄空燃比で運転させるものとして例示するので、その第3及び第4の排気浄化触媒23,24はリーンNOx触媒となる。
Further, the exhaust purification device includes a third
ここで、本実施例1の排気浄化装置においては、第1排気通路13、第2排気通路14、バイパス通路15、第1排気浄化触媒21、第3排気通路16、第3排気浄化触媒23、第4排気浄化触媒24と流れる排気ガスの流路を排気主流路(図2に示す排気流路A)といい、第1排気通路13、バイパス通路15、第2排気通路14、水吸着手段31、第2排気浄化触媒22、第3排気通路16、第3排気浄化触媒23、第4排気浄化触媒24と流れる排気ガスの流路を排気副流路(図3に示す排気流路B)という。また、この排気浄化装置においては、第1排気通路13、第1排気浄化触媒21、第2排気通路14、水吸着手段31、第2排気浄化触媒22、第3排気通路16、第3排気浄化触媒23、第4排気浄化触媒24と流れる排気ガスの流路を図4に示す如く排気流路Cという。
Here, in the exhaust purification device of the first embodiment, the
本実施例1においては、その3つの排気流路A,B,Cを作り出す為に流路切替手段が用意されている。具体的に、この排気浄化装置においては、第3排気通路16における集合部よりも上流の2つの流路に夫々第1及び第2の流路切替弁17,18を配設する。つまり、第1流路切替弁17は、第3排気通路16における第1排気浄化触媒21よりも下流で且つ第3排気通路16の集合部よりも上流の流路上に配置する。この第1流路切替弁17については、その流路を全開又は全閉させるものとして例示する。一方、第2流路切替弁18は、第3排気通路16における第2排気浄化触媒22よりも下流で且つ第3排気通路16の集合部よりも上流の流路上に配置する。ここでは、この第2流路切替弁18についてもその流路を全開又は全閉させるものとして例示する。
In the first embodiment, a flow path switching means is prepared to create the three exhaust flow paths A, B, and C. Specifically, in this exhaust gas purification apparatus, first and second flow
ここで、これら第1及び第2の流路切替弁17,18については、電子制御装置(ECU)41の指示によってその開閉動作を実行させる。その電子制御装置41は、図示しないCPU(中央演算処理装置),その開閉動作に必要な所定の制御プログラム等を予め記憶しているROM(Read Only Memory),そのCPUの演算結果を一時記憶するRAM(Random Access Memory),予め用意された情報等を記憶するバックアップRAM等で構成されている。
Here, the first and second flow
この電子制御装置41は、排気流路Aを選択したならば、第1流路切替弁17を開弁駆動させると共に第2流路切替弁18を閉弁駆動させるように構成する。これにより、この排気浄化装置においては、その第1流路切替弁17が全開になり且つ第2流路切替弁18が全閉になり、原動機Eから排出された排気ガスが第1排気通路13並びに第2排気通路14及びバイパス通路15を経て第1排気浄化触媒21へと流入し、この第1排気浄化触媒21にて排気ガス中の有害物質が浄化される。そして、この排気浄化装置においては、その浄化後の排気ガスが第3排気通路16を経て第3排気浄化触媒23と第4排気浄化触媒24に流入し、これら第3及び第4の排気浄化触媒23,24にて残りの有害物質が浄化される。
The
従って、この排気流路Aの場合には、少なくとも第1排気浄化触媒21の触媒床温が活性温度に達していなければ排気ガス中の有害物質を浄化させることができず、その有害物質を大気へと放出してしまう。これが為、本実施例1の電子制御装置41には、原則として、第1排気浄化触媒21の触媒床温が活性温度に達しているときに排気流路Aを選択させるようにする。
Therefore, in the case of the exhaust passage A, harmful substances in the exhaust gas cannot be purified unless at least the catalyst bed temperature of the first
その触媒床温については、第1排気浄化触媒21に配備した図示しない温度センサから直接検出してもよく、排気ガスの温度や原動機Eの冷却水の温度から推定してもよい。排気ガスの温度については、排気マニホルド11,12(ここでは排気マニホルド12)に排気温センサ51を配備することによって検出することができる。また、冷却水の温度については、原動機Eの冷却水通路に水温センサ52を配備することによって検出することができる。
The catalyst bed temperature may be detected directly from a temperature sensor (not shown) provided in the first
また、この電子制御装置41は、排気流路Bを選択したならば、第1流路切替弁17を閉弁駆動させると共に第2流路切替弁18を開弁駆動させるように構成する。これにより、この排気浄化装置においては、その第1流路切替弁17が全閉になり且つ第2流路切替弁18が全開になり、原動機Eから排出された排気ガスが第1排気通路13及びバイパス通路15並びに第2排気通路14を経て水吸着手段31へと流入し、低温始動時等のように排気ガスの温度が低ければ、その水吸着手段31にて排気ガス中の水分が吸着される。そして、この排気浄化装置においては、水分が取り除かれた排気ガスが第2排気浄化触媒22に流入し、更に第3排気通路16を介して第3排気浄化触媒23及び第4排気浄化触媒24へと流入する。
In addition, when the exhaust passage B is selected, the
従って、排気ガスの温度が低くて第2排気浄化触媒22や第3及び第4の排気浄化触媒23,24が活性状態になっていない場合には、その排気ガス中の有害物質の浄化が満足に行われないが、触媒床温の温度上昇を妨げる水分が先に水吸着手段31で吸着されているので、その第2排気浄化触媒22等の触媒床温を排気ガスの熱で早期に温度上昇させることができる。つまり、第1排気浄化触媒21や第2排気浄化触媒22が活性状態になっていなければ、排気流路Bを選択させることによって、第2排気浄化触媒22等における有害物質の浄化作用の素早い立ち上げを助けることになる。これが為、本実施例1の電子制御装置41には、原則として、第1排気浄化触媒21の触媒床温が活性温度に達していないときに排気流路Bを選択させるようにする。
Therefore, when the temperature of the exhaust gas is low and the second
この第1排気浄化触媒21が不活性状態のときの排気流路Bの選択は、水吸着手段31の水分の吸着量の限界点に達するまで継続されるようにしておくが、その限界点となる前に第1排気浄化触媒21が活性温度に達した(換言すれば、排気ガスの温度が水吸着手段31に吸着された水分の脱離温度に達した)ならば、その時点で又は所定条件となったとき若しくは所定時間経過後に中止させる。例えば、その所定条件としては、第2排気浄化触媒22が活性温度に達したときなどが考えられる。また、その所定時間としては、第2排気浄化触媒22が活性温度に達するまでの時間(例えば、過去の履歴等に基づいた推定時間)などが考えられる。
The selection of the exhaust passage B when the first
尚、そのように水吸着手段31の水分の吸着量には限界があり(即ち、水分を取り除いた排気ガスの第2排気浄化触媒22への流入量にも限度があり)、また、排気ガスの温度や第2排気浄化触媒22の触媒床温の高さも様々であるので、排気流路Bが選択されたからといって、必ずしもそれだけで第2排気浄化触媒22が活性状態になるとは限らない。
Note that there is a limit to the amount of moisture adsorbed by the water adsorbing means 31 (that is, there is a limit to the amount of exhaust gas from which moisture has been removed flowing into the second exhaust purification catalyst 22), and the exhaust gas. Since the temperature of the exhaust gas and the catalyst bed temperature of the second
ここで、高温の排気ガスによって水吸着手段31から脱離した高温の水分(水蒸気)や燃焼反応により生成された高温の水分(水蒸気)は水蒸気反応を起こすので、その水蒸気反応によって排気ガス中の一酸化炭素や全炭化水素(THC)の酸化除去を行うCO酸化反応やTHC酸化反応が促進される。そして、その際には、そのCO酸化反応等によって排気ガスの温度が上昇させられるので、第2排気浄化触媒22の触媒床温の温度上昇効率が高くなり、その第2排気浄化触媒22の早期活性化が可能になる。また、水吸着手段31に水分が吸着されたままだと、その水吸着手段31は、次の低温始動時や排気ガスの温度低下により運転中でも第1排気浄化触媒21等が不活性状態になってしまったときに水分の吸着を行えず、第2排気浄化触媒22の早期活性化を図れなくなる。従って、本実施例1の電子制御装置41には、水吸着手段31に水分が吸着されている状態で水吸着手段31が水分の脱離温度になったときに排気流路Bを選択させるようにする。
Here, since the high temperature moisture (water vapor) desorbed from the water adsorbing means 31 by the high temperature exhaust gas and the high temperature moisture (water vapor) generated by the combustion reaction cause a water vapor reaction, the water vapor reaction causes a reaction in the exhaust gas. The CO oxidation reaction and THC oxidation reaction for oxidizing and removing carbon monoxide and all hydrocarbons (THC) are promoted. At that time, the temperature of the exhaust gas is raised by the CO oxidation reaction or the like, so that the temperature rise efficiency of the catalyst bed temperature of the second
また、この電子制御装置41は、排気流路Cを選択したならば、第1及び第2の流路切替弁17,18を双方閉弁駆動させるように構成する。これにより、この排気浄化装置においては、その第1及び第2の流路切替弁17,18が両方とも全開になり、原動機Eから排出された排気ガスが第1排気通路13を経て第1排気浄化触媒21へと流入すると共に、第2排気通路14を経て水吸着手段31及び第2排気浄化触媒22へと流入する。
Further, the
本実施例1の電子制御装置41には、原則として、第1排気浄化触媒21や第2排気浄化触媒22が活性状態にあるときに排気流路Cを選択させるようにする。これにより、排気流路Cが選択された場合には、排気ガス中の有害物質が第1排気浄化触媒21等で浄化される。その際、排気ガスの温度が低下しているときには、その排気ガス中の水分が水吸着手段31に吸着される一方、排気ガスが高温(つまり、水吸着手段31が水分の脱離温度)で且つ水分が吸着されている状態のときには、その水分が水吸着手段31から脱離する。これが為、この電子制御装置41には、水分の脱離を行うときに排気流路Cを選択させるようにしてもよい。
In principle, the
以下に、本実施例1の排気浄化装置についての制御動作の一例を図5のフローチャートに基づき説明する。 Hereinafter, an example of the control operation for the exhaust emission control device according to the first embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
先ず、本実施例1の電子制御装置41は、原動機Eの燃焼室に供給する燃料が含酸素燃料又はこれを含む混合燃料なのか、つまり含酸素燃料を使用するのか否かについての判断を行う(ステップST1)。
First, the
かかる判断は、例えば、純粋なガソリン燃料とアルコール燃料又はアルコール混合燃料とで夫々に理論空燃比が異なるので、電子制御装置41が原動機Eに指示を与えた要求理論空燃比と実際の空燃比とのズレを参考にして行うことができる。その実際の空燃比は、排気マニホルド11,12等の排気経路に設けた図示しない排気ガスセンサ(A/FセンサやO2センサ等)の検出値から導き出す。また、含酸素燃料の給油を行ったとの内容を運転者に入力させ、その入力情報を電子制御装置41に送って保持させることによってその判断を実行してもよい。
Such determination is made, for example, because the theoretical air-fuel ratio differs between pure gasoline fuel and alcohol fuel or alcohol-mixed fuel, so that the required theoretical air-fuel ratio that the
この電子制御装置41は、含酸素燃料を使用するとの判断をした場合、次に第1排気浄化触媒21と第2排気浄化触媒22が活性状態にあるか否かの判断を行う(ステップST2)。例えば、ここで活性状態にないと判断される場合とは、原動機Eの冷間始動時や、暖機運転終了後であってもアイドリング状態が長く続いて排気ガスの温度が低下してしまった場合等が考えられる。
When it is determined that oxygen-containing fuel is used, the
かかる判断は、例えば、上述したが如く検出又は推定した第1排気浄化触媒21の触媒床温の情報を利用して行うことができる。また、かかる判断は、水温センサ52から検出した原動機Eの冷却水の温度を参考にして行うこともでき、例えばその温度が所定温度よりも高温ならば第1排気浄化触媒21が活性状態にあると推定して判断させる。ここで、その所定温度は、外気温や水吸着手段31の水分の吸着可能量に応じて変動する。通常、車輌に搭載された水吸着手段31の吸着可能量は不変なので、この所定温度については、予め実験やシミュレーションを行って用意しておいたマップデータを参考にし、図1に示す外気温センサ53で検出した外気温の情報に応じてその都度変更する。
Such a determination can be made using, for example, information on the catalyst bed temperature of the first
このステップST2で活性状態にないと判断された場合、電子制御装置41は、水吸着手段31への水分の吸着可能時間(以下、「水蒸気吸着可能時間」という。)T1を求める(ステップST3)。
If it is determined in step ST2 that the active state is not established, the
この水蒸気吸着可能時間T1とは、水分が全く吸着されていない水吸着手段31において吸着可能量の水分が吸着されるまでの時間のことであり、その吸着可能量と第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度から推定させる。ここで、その吸着可能量は水吸着手段31固有の不変の値なので、その水蒸気吸着可能時間T1は、第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度のみを用いて推定することができる。例えば、燃焼反応により生成された水分(水蒸気)は、第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度が高温になるほど水蒸気反応を起こし易くなる。そして、これにより第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度が高温になるにつれてCO酸化反応やTHC酸化反応が促進されるので、排気ガス中に含まれる水分は少なくなる。これが為、ここでは、第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度が低いほど多量の水分が排気ガス中に存在しているので、水蒸気吸着可能時間T1が短くなる。また、その水蒸気吸着可能時間T1は、原動機Eの機関回転数Ne、機関負荷KL及び吸入空気量に基づいて求めさせてもよい。
The water vapor adsorption possible time T1 is a time until an adsorbable amount of water is adsorbed in the water adsorbing means 31 in which no water is adsorbed. The adsorbable amount and the first
本実施例1の電子制御装置41は、図3に示す排気流路Bとなるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST4)。つまり、ここでは、第1流路切替弁17を閉弁駆動させると共に第2流路切替弁18を開弁駆動させる。これにより、排気ガスが排気流路Bを流れるようになるので、その排気ガス中に含まれている水分が水吸着手段31に吸着され、且つ、その水分の取り除かれた排気ガスが下流の第2排気浄化触媒22を流れる。これが為、第2排気浄化触媒22の触媒床温は、その水分によって阻害されることなく温度上昇する。
The
ところで、本実施例1の第1流路切替弁17は、第1排気浄化触媒21よりも下流に配置されている。これが為、原動機Eから排出された排気ガスが第1排気浄化触媒21に流入する又はその排気ガスの熱が第1排気浄化触媒21に伝わるので、その第1排気浄化触媒21についても触媒床温を上昇させることができる。従って、本実施例1の電子制御装置41は、排気流路Bを選択したまま第1排気浄化触媒21が活性状態にあるか否かについて判断する(ステップST5)。
By the way, the first flow
ここで活性状態になっているとの判断が為された場合には第1排気浄化触媒21で排気ガス中の有害物質を浄化させることができるので、この電子制御装置41は、後述するステップST7に進んで排気流路Bから排気流路Aに切り替える。
If it is determined here that the active state is established, the first
一方、活性状態になっていないとの判断が為された場合、この電子制御装置41は、水吸着手段31の水分の吸着時間tが水蒸気吸着可能時間T1を経過したのか否かについての判断を行う(ステップST6)。これが為、本実施例1の電子制御装置41には、上記ステップST4で排気流路Bへの流路の切り替えを行うときに吸着時間tの計測を始めさせる。
On the other hand, when it is determined that the active state is not established, the
ここで吸着時間tが水蒸気吸着可能時間T1を経過していないとの判断が為された場合、電子制御装置41は、上記ステップST4に戻って水吸着手段31への水分の吸着を継続させる。
If it is determined that the adsorption time t has not passed the water vapor adsorption possible time T1, the
また、この電子制御装置41は、水蒸気吸着可能時間T1を経過したと判断した場合、図2に示す排気流路Aとなるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST7)。つまり、ここでは、第1流路切替弁17を開弁駆動させると共に第2流路切替弁18を閉弁駆動させる。これにより、排気ガスが排気流路Aを流れるようになるので、第1排気浄化触媒21が活性状態になっている場合には、この第1排気浄化触媒21にて排気ガス中の有害物質が浄化され、また、第1排気浄化触媒21が未だ活性状態になっていない場合には、排気ガスによって第1排気浄化触媒21の触媒床温が上昇させられる。その際、原動機Eから排出された排気ガスが水吸着手段31や第2排気浄化触媒22に流入する又はその排気ガスの熱が水吸着手段31や第2排気浄化触媒22に伝わるので、その水吸着手段31や第2排気浄化触媒22の温度も上昇する。
When the
続いて、この電子制御装置41は、吸着している水分を脱離させることの可能な温度(以下、「水吸着手段脱離温度」という。)に水吸着手段31が達しているのか否かについて判断する(ステップST8)。
Subsequently, the
かかる判断は、水吸着手段31の温度を直接測ってもよく、排気ガスの温度で代用してもよい。また、原動機Eの機関負荷KLから水吸着手段脱離温度を推定して判断を行ってもよい。つまり、機関負荷KLが所定の高負荷になっている場合には、水吸着手段31が水吸着手段脱離温度に達していると推定させてもよい。 Such a determination may be made by directly measuring the temperature of the water adsorbing means 31 or by substituting the temperature of the exhaust gas. Further, the determination may be made by estimating the water adsorption means desorption temperature from the engine load KL of the prime mover E. That is, when the engine load KL is a predetermined high load, it may be estimated that the water adsorbing means 31 has reached the water adsorbing means desorption temperature.
そして、この電子制御装置41は、水吸着手段31が水吸着手段脱離温度になっていなければ、上記ステップST7に戻って排気流路Aの状態を保持させる。
If the water adsorbing means 31 has not reached the water adsorbing means desorption temperature, the
一方、水吸着手段31が水吸着手段脱離温度になっていれば、電子制御装置41は、少なくともその水吸着手段31を排気ガスが流れるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST9)。本実施例1においては、その第1及び第2の流路切替弁17,18を図3に示す排気流路B又は図4に示す排気流路Cとなるように駆動制御させる。
On the other hand, if the water adsorbing means 31 is at the water adsorbing means desorption temperature, the
これにより、ここでは、水吸着手段31に吸着された水分が脱離して高温の排気ガスにより水蒸気反応を起こし、その水蒸気反応によってCO酸化反応やTHC酸化反応が促進されるので、排気ガス中の一酸化炭素や全炭化水素が酸化除去されると共に、そのCO酸化反応等によって排気ガスの温度が上昇させられる。従って、ここでは、その温度上昇した排気ガスが第2排気浄化触媒22を流れるようになり、その第2排気浄化触媒22の触媒床温の温度上昇効率が高まっていくので、この第2排気浄化触媒22が活性状態ならばその状態を保たせる一方、活性状態でなければ活性状態となるように素早く温度上昇していく。
As a result, the moisture adsorbed by the water adsorbing means 31 is desorbed and a water vapor reaction is caused by the high-temperature exhaust gas, and the CO oxidation reaction and the THC oxidation reaction are promoted by the water vapor reaction. Carbon monoxide and all hydrocarbons are removed by oxidation, and the temperature of the exhaust gas is raised by the CO oxidation reaction or the like. Accordingly, here, the exhaust gas whose temperature has risen flows through the second
次に、この電子制御装置41は、水吸着手段31に吸着された水分(水蒸気)を全て脱離し終えたか否かについての判断を行う(ステップST10)。
Next, the
かかる判断は、例えば、排気ガスの温度及び流量並びに水吸着手段31の水分の吸着可能量に応じて行うことができるが、その吸着可能量は不変なので、排気ガスの温度と流量をパラメータにしたマップデータを利用して実行させる。そのマップデータは、予め排気ガスの温度と流量と水分の脱離量との関係を実験やシミュレーションを行い求めて設定したものである。ここで、排気ガスの流量は、機関回転数Ne、機関負荷KL及び吸入空気量から導き出すことができる。 Such determination can be made according to, for example, the temperature and flow rate of the exhaust gas and the amount of water that can be adsorbed by the water adsorbing means 31. However, since the amount of adsorption is unchanged, the temperature and flow rate of the exhaust gas are used as parameters. Execute using map data. The map data is obtained by setting the relationship between the exhaust gas temperature, the flow rate and the moisture desorption amount in advance through experiments and simulations. Here, the flow rate of the exhaust gas can be derived from the engine speed Ne, the engine load KL, and the intake air amount.
電子制御装置41は、全ての水分を脱離し終えていないと判断した場合、上記ステップST9に戻って排気流路B又は排気流路Cの内の何れか一方を選択させる。その際、電子制御装置41には、先に設定されている排気流路B(又は排気流路C)をそのまま維持させてもよく、他方の排気流路C(又は排気流路B)への切り替えを行ってもよい。
If the
また、そのステップST10で全ての水分を脱離し終えたとの判断が為された場合、上記ステップST1で含酸素燃料が使われていないとの判断が為された場合、上記ステップST2で第1排気浄化触媒21と第2排気浄化触媒22が活性状態にあるとの判断が為された場合、この電子制御装置41は、排気流路A、排気流路B又は排気流路Cの内の何れか1つを選択させるべく、第1及び第2の流路切替弁17,18の駆動制御を実行する(ステップST11)。例えば、原動機Eが高負荷、高回転で運転しているときには、排気ガスの流量が多く、多量の有害物質が含まれているので、その浄化を有効に行わせるべく、排気流路Cを選択して2つの排気浄化触媒(第1及び第2の排気浄化触媒21,22)とその下流の第3及び第4の排気浄化触媒23,24を全て使用させる。また、例えば、水吸着手段31や第2排気浄化触媒22が排気抵抗になって原動機Eの出力低下を招く虞があるので、かかる状態が懸念される場合には、排気流路Aを選択して原動機Eの出力向上を図ることもできる。一方、第2排気浄化触媒22は、長時間排気ガスが通過しなければ、触媒床温が温度低下して不活性状態になってしまう可能性がある。そして、これにより、次に排気流路Bが選択されたときには、有害物質を浄化できずにエミッション性能を悪化させてしまう虞がある。これが為、かかる不都合を回避すべく、排気流路Aが選択されたときには、時折排気流路Bへと切り替えて第2排気浄化触媒22の活性状態を維持させるようにすることが好ましい。
If it is determined in step ST10 that all moisture has been desorbed, or if it is determined in step ST1 that oxygen-containing fuel is not used, the first exhaust is determined in step ST2. When it is determined that the
以上示した如く、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料を使用して運転した場合には、排気ガス中に有害物質のみならず水分(水蒸気)も生成されてしまい、その際に排気浄化触媒が活性状態になっていなければ、その水分が排気浄化触媒の触媒床温の温度上昇を阻害して有害物質を大気へと多量に放出してしまう。しかしながら、本実施例1の排気浄化装置は、先ずその水分を水吸着手段31に吸着させて、その下流に配置した第2排気浄化触媒22の温度上昇を図る。そして、この排気浄化装置は、これと同時に温度上昇している第1排気浄化触媒21を通過させるように排気流路を切り替え、水吸着手段31が上述した水吸着手段脱離温度となったとき(換言すれば、排気ガスが所定の高温になったとき)に再び水吸着手段31を排気ガスが通過できるようにする。これが為、この排気浄化装置においては、その水吸着手段31に吸着されている水分が高温の排気ガスによって水蒸気反応を起こし、CO酸化反応やTHC酸化反応が促進されるので、その排気ガスが更に高温になり、不活性状態ならば第2排気浄化触媒22が一気に活性状態にまで引き上がる。このように、本実施例1の排気浄化装置によれば、排気浄化触媒の触媒床温に対しての排気ガス中の水分の悪影響を排除しつつ、その水分を利用して排気浄化触媒の活性化を図っているので、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料で運転する際のエミッション性能を向上させることができる。
As described above, when operating using an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the same, not only harmful substances but also moisture (water vapor) is generated in the exhaust gas. If it is not in an active state, the moisture inhibits the temperature rise of the catalyst bed temperature of the exhaust purification catalyst and releases a large amount of harmful substances to the atmosphere. However, in the exhaust purification device of the first embodiment, the water is first adsorbed by the water adsorbing means 31, and the temperature of the second
ところで、本実施例1においては全開状態又は全閉状態に駆動制御される第1及び第2の流路切替弁17,18を例示したが、その第1及び第2の流路切替弁17,18については、所望の開弁角度(換言するならば、所望の排気ガスの流量)となるものを利用してもよい。この場合には、例えば、排気流路Cを選択した際に、排気抵抗を減らすべく第1流路切替弁17の開弁角度を大きくすると共に、第2排気浄化触媒22の温度低下を防ぐ程度の少量の排気ガスが通過するように第2流路切替弁18の開弁角度を小さくすることができる。
By the way, in the first embodiment, the first and second flow
また、本実施例1においては、水吸着手段31が水吸着手段脱離温度になっているときにその水吸着手段31の水分を脱離させるべく第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御させている。しかしながら、本実施例1の排気浄化装置においては、過濃空燃比での運転や高負荷運転等のエミッション性能を悪化させる虞のあるときにも排気流路B又は排気流路Cを選択させ、水吸着手段31の水分を脱離させてよい。つまり、そのようなエミッション性能の悪化時には、排気ガス中に一酸化炭素や炭化水素が増える。これが為、その際には、その水分の水蒸気反応に伴うCO酸化反応やTHC酸化反応によって一酸化炭素や炭化水素を酸化浄化させると共に、第2排気浄化触媒22(排気流路Cならば第1排気浄化触媒21も)で残りの一酸化炭素や炭化水素を浄化させることができるようになる。
In the first embodiment, when the water adsorbing means 31 is at the water adsorbing means desorption temperature, the first and second flow
次に、本発明に係る排気浄化装置の実施例2を図6及び図7に基づいて説明する。 Next, a second embodiment of the exhaust emission control device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施例2においては、主として希薄空燃比で運転を行う原動機Eの排気浄化装置について例示する。 In the second embodiment, an exhaust purification device for a prime mover E that operates mainly at a lean air-fuel ratio will be exemplified.
本実施例2の排気浄化装置の構成は、前述した実施例1の構成に対して、図6に示す如く水吸着手段31と第2排気浄化触媒22の位置関係を入れ替えたものである。尚、図示しないが、本実施例2においても第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御することによって、この排気浄化装置は、実施例1と同様の排気流路A、排気流路B又は排気流路Cとなる。
The configuration of the exhaust purification apparatus of the second embodiment is obtained by replacing the positional relationship between the water adsorbing means 31 and the second
ここで、本実施例2の水吸着手段31としては、実施例1において例に挙げたゼオライトを使用する。このゼオライトは、実施例1でも説明したように排気ガス中の水分を吸着するが、それ以外にも排気ガス中の炭化水素やアンモニアを吸着する。これが為、本実施例2においては、水吸着手段31を「排気ガス中物質吸着手段31」と読み替える。 Here, as the water adsorption means 31 of the second embodiment, the zeolite exemplified in the first embodiment is used. This zeolite adsorbs moisture in the exhaust gas as described in Example 1, but also adsorbs hydrocarbons and ammonia in the exhaust gas. For this reason, in the second embodiment, the water adsorbing means 31 is read as “exhaust gas substance adsorbing means 31”.
また、本実施例2の第3及び第4の排気浄化触媒23,24についても実施例1と同様にリーンNOx触媒を用いるが、ここでは、そのリーンNOx触媒としてNSR(NOx Storage Reduction)を適用する。このNSRとは、希薄空燃比運転時に大量発生した窒素酸化物の大部分を硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、その硝酸塩を還元雰囲気の下で窒素(N2)に還元する所謂NOx吸蔵還元型触媒のことである。尚、このNOx吸蔵還元型触媒においては、希薄空燃比運転時に吸蔵されなかった僅かなNOx、排気ガス中の一酸化炭素や炭化水素が酸化還元作用により窒素、水や二酸化炭素へと浄化される。
The third and fourth
ところで、原動機Eを主に希薄空燃比で運転させるとは言っても、例えば、冷間始動時、中負荷運転時や高負荷運転時には、過濃空燃比にして運転を行う所謂リッチスパイク制御が原動機Eに対して実行される。何故ならば、リッチスパイク制御を行った場合には、排気ガスの温度が高くなり、また、リーンNOx触媒たる第3及び第4の排気浄化触媒23,24の還元剤としての一酸化炭素や炭化水素、アンモニアの生成量が多くなるので、窒素酸化物の還元雰囲気を作り出すことができるからである。
By the way, even if the prime mover E is operated mainly at a lean air-fuel ratio, for example, so-called rich spike control that operates at a rich air-fuel ratio at the time of cold start, medium load operation, or high load operation is performed. It is executed for the prime mover E. This is because when rich spike control is performed, the temperature of the exhaust gas becomes high, and carbon monoxide and carbonization as a reducing agent for the third and fourth
以下に、本実施例2の排気浄化装置について図7のフローチャートに基づいた制御動作の一例と共に説明を行う。尚、ここでは、リッチスパイク制御を実行しているときの制御動作、つまり第3及び第4の排気浄化触媒23,24に吸蔵されている窒素酸化物を還元させるときの制御動作に言及して説明する。
Hereinafter, the exhaust emission control device according to the second embodiment will be described together with an example of a control operation based on the flowchart of FIG. It should be noted that here, the control operation when the rich spike control is executed, that is, the control operation when the nitrogen oxides stored in the third and fourth
先ず、本実施例2の電子制御装置41は、原動機Eの燃焼室に供給する燃料が含酸素燃料又はこれを含む混合燃料なのか、つまり含酸素燃料を使用するのか否かについての判断を実施例1のステップST1と同様にして行う(ステップST21)。
First, the
ここで含酸素燃料を使用しないとの判断を為した場合、この電子制御装置41は、本制御動作を一旦終える。
If it is determined here that oxygen-containing fuel is not used, the
また、この電子制御装置41は、含酸素燃料を使用するとの判断をした場合、次に第1排気浄化触媒21と第2排気浄化触媒22が活性状態にあるか否かの判断を実施例1のステップST2と同様にして行う(ステップST22)。
Further, when it is determined that the oxygen-containing fuel is used, the
そして、このステップST22で活性状態であると判断された場合、電子制御装置41は、本制御動作を一旦終える。
If it is determined in step ST22 that the
また、この電子制御装置41は、そのステップST22で活性状態にないと判断した場合、続けて原動機Eに対してリッチスパイク制御が実行されているのか否かについて判断する(ステップST23)。
Further, when it is determined that the
この電子制御装置41は、リッチスパイク制御が実行されていないと判断した場合、本制御動作を一旦終える。
When the
一方、この電子制御装置41は、リッチスパイク制御が実行されているとの判断を行った場合、排気ガス中物質吸着手段31への水分、炭化水素やアンモニアの吸着可能時間(以下、「排気ガス中物質吸着可能時間」という。)T2を求める(ステップST24)。
On the other hand, when it is determined that the rich spike control is being performed, the
この排気ガス中物質吸着可能時間T2とは、排気ガス中物質が全く吸着されていない排気ガス中物質吸着手段31において水分や炭化水素等で吸着可能量が満たされるまでの時間のことであり、その吸着可能量と第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度から推定させる。具体的には、実施例1の水蒸気吸着可能時間T1と同様に、その吸着可能量は排気ガス中物質吸着手段31固有の不変の値なので、第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度のみを用いて排気ガス中物質吸着可能時間T2を推定させる。ここでは、第1排気浄化触媒21の触媒床温又は排気ガスの温度が低いほど、多量の水分が排気ガス中に存在しており、また、未燃燃料(つまり、未燃炭化水素)も多くなるので、排気ガス中物質吸着可能時間T2が短くなる。尚、その排気ガス中物質吸着可能時間T2は、原動機Eの機関回転数Ne、機関負荷KL及び吸入空気量に基づいて求めさせてもよい。
The exhaust gas substance adsorbable time T2 is the time until the adsorbable amount is filled with moisture, hydrocarbons, or the like in the exhaust gas substance adsorbing means 31 in which no exhaust gas substance is adsorbed. It is estimated from the adsorbable amount and the catalyst bed temperature of the first
本実施例2の電子制御装置41は、続いて、排気流路Bとなるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST25)。これにより、排気ガスが排気流路Bを流れるようになるので、その排気ガス中に含まれている水分、炭化水素やアンモニア等のような排気ガス中物質が排気ガス中物質吸着手段31に吸着される。その際、その排気ガスは上流の第2排気浄化触媒22を通過するが、その第2排気浄化触媒22は活性状態になく排気ガス中の全ての炭化水素やアンモニアを浄化できないので、排気ガス中物質吸着手段31は、その炭化水素やアンモニアを吸着することができる。尚、第1排気浄化触媒21や第2排気浄化触媒22の触媒床温は、その際に排気ガスによって温度上昇させられている。
Subsequently, the
次に、この電子制御装置41は、排気ガス中物質吸着手段31の排気ガス中物質の吸着時間tが排気ガス中物質吸着可能時間T2を経過したのか否かについて判断する(ステップST26)。これが為、本実施例2の電子制御装置41には、上記ステップST25で排気流路Bへの流路の切り替えを行うときに吸着時間tの計測を始めさせる。
Next, the
ここで吸着時間tが排気ガス中物質吸着可能時間T2を経過していないとの判断が為された場合、電子制御装置41は、上記ステップST25に戻って排気ガス中物質吸着手段31への水分、炭化水素やアンモニアの吸着を継続させる。
Here, when it is determined that the adsorption time t has not passed the exhaust gas substance adsorbable time T2, the
また、この電子制御装置41は、排気ガス中物質吸着可能時間T2を経過したと判断した場合、排気流路Aとなるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST27)。これにより、排気ガスが排気流路Aを流れるようになるので、第1排気浄化触媒21が活性状態になっている場合には、この第1排気浄化触媒21にて排気ガス中の有害物質が浄化され、また、第1排気浄化触媒21が未だ活性状態になっていない場合には、排気ガスによって第1排気浄化触媒21の触媒床温が上昇させられる。
Further, when it is determined that the time T2 in which the exhaust gas substance can be adsorbed has elapsed, the
続いて、この電子制御装置41は、吸着している水分と炭化水素やアンモニアを脱離させることの可能な温度(以下、「排気ガス中物質吸着手段脱離温度」という。)に排気ガス中物質吸着手段31が達しているのか否かについて判断する(ステップST28)。
Subsequently, the
かかる判断は、排気ガス中物質吸着手段31の温度を直接測ってもよく、排気ガスの温度で代用してもよい。また、原動機Eの機関負荷KLから排気ガス中物質吸着手段脱離温度を推定して判断を行ってもよい。つまり、機関負荷KLが所定の中負荷以上になっている場合には、少なくとも炭化水素やアンモニアを脱離させることができるので、排気ガス中物質吸着手段31が排気ガス中物質吸着手段脱離温度に達していると推定させてもよい。 Such determination may be performed by directly measuring the temperature of the substance adsorbing means 31 in the exhaust gas, or may be substituted by the temperature of the exhaust gas. Further, the determination may be made by estimating the exhaust gas substance adsorbing means desorption temperature from the engine load KL of the prime mover E. That is, when the engine load KL is equal to or higher than a predetermined medium load, at least hydrocarbons and ammonia can be desorbed, so that the exhaust gas substance adsorbing means 31 is desorbed by the exhaust gas substance adsorbing means. It may be estimated that
そして、この電子制御装置41は、排気ガス中物質吸着手段31が排気ガス中物質吸着手段脱離温度になっていなければ、上記ステップST27に戻って排気流路Aの状態を保持させる。
If the exhaust gas substance adsorbing means 31 is not at the exhaust gas substance adsorbing means desorption temperature, the
一方、排気ガス中物質吸着手段31が排気ガス中物質吸着手段脱離温度になっていれば、電子制御装置41は、少なくともその排気ガス中物質吸着手段31を排気ガスが流れるように第1及び第2の流路切替弁17,18を駆動制御する(ステップST29)。ここでは、その第1及び第2の流路切替弁17,18を排気流路Bとなるように駆動制御させる。
On the other hand, if the exhaust gas substance adsorbing means 31 is at the exhaust gas substance adsorbing means desorption temperature, the
これにより、ここでは、排気ガス中物質吸着手段31に吸着された水分が脱離して高温の排気ガスにより水蒸気反応を起こし、その水蒸気反応によってCO酸化反応やTHC酸化反応が促進されるので、排気ガス中の一酸化炭素や全炭化水素が酸化除去されると共に、そのCO酸化反応等によって排気ガスの温度が上昇させられる。また、ここでは、排気ガス中物質吸着手段31に吸着された炭化水素やアンモニアが脱離して、CO酸化反応等によって温度上昇した高温の排気ガスと共に下流の第3及び第4の排気浄化触媒23,24に流入する。更に、その第3及び第4の排気浄化触媒23,24には、リッチスパイク運転によって生成され、上流の第2排気浄化触媒22で浄化されなかった炭化水素やアンモニアも流入する。つまり、ここでは、リーンNOx触媒たる第3及び第4の排気浄化触媒23,24において窒素酸化物の還元雰囲気が作り出される。従って、その第3及び第4の排気浄化触媒23,24に吸蔵されている窒素酸化物は、その炭化水素やアンモニアを還元剤にして無害な窒素へと還元される。このようなことから、本実施例2の排気ガス中物質吸着手段31については、排気ガス中の少なくとも水分と炭化水素又はアンモニアとを吸着できるものにすればよい。
Thereby, here, the moisture adsorbed by the substance adsorbing means 31 in the exhaust gas is desorbed and a water vapor reaction is caused by the high temperature exhaust gas, and the CO oxidation reaction and the THC oxidation reaction are promoted by the water vapor reaction. Carbon monoxide and all hydrocarbons in the gas are oxidized and removed, and the temperature of the exhaust gas is raised by the CO oxidation reaction or the like. Here, the hydrocarbons and ammonia adsorbed by the substance adsorbing means 31 in the exhaust gas are desorbed and the third and fourth
ここで、排気ガス中物質吸着手段31から脱離した炭化水素の一部はCO酸化反応によって酸化浄化される場合があるので、排気ガスの温度(換言すれば、機関負荷KLの大きさ)にも依るが、第3及び第4の排気浄化触媒23,24においては、アンモニアが主たる還元剤として作用する。
Here, some of the hydrocarbons desorbed from the substance adsorbing means 31 in the exhaust gas may be oxidized and purified by the CO oxidation reaction, so that the temperature of the exhaust gas (in other words, the magnitude of the engine load KL) is increased. However, ammonia acts as a main reducing agent in the third and fourth
次に、この電子制御装置41は、排気ガス中物質吸着手段31に吸着された排気ガス中物質を全て脱離し終えたか否かについての判断を行う(ステップST30)。
Next, the
かかる判断は、例えば、排気ガスの温度及び流量並びに排気ガス中物質吸着手段31の排気ガス中物質の吸着可能量に応じて行うことができるが、その吸着可能量は不変なので、排気ガスの温度と流量をパラメータにしたマップデータを利用して実行させる。そのマップデータは、予め排気ガスの温度と流量と夫々の排気ガス中物質の脱離量との関係を実験やシミュレーションを行い求めて設定したものである。 Such a determination can be made according to, for example, the temperature and flow rate of the exhaust gas, and the amount of the substance in the exhaust gas that can be adsorbed by the exhaust gas substance adsorbing means 31. And using map data with flow rate as a parameter. The map data is set in advance by conducting experiments and simulations to determine the relationship between the temperature and flow rate of the exhaust gas and the amount of desorption of each substance in the exhaust gas.
電子制御装置41は、全ての排気ガス中物質を脱離し終えていないと判断した場合、上記ステップST29に戻って排気流路Bの状態を保持させる。
If the
また、そのステップST30で全ての排気ガス中物質を脱離し終えたとの判断が為された場合、この電子制御装置41は、原動機Eに対してリッチスパイク制御を停止させて本制御動作を終了させる(ステップST31)。
In addition, when it is determined in step ST30 that all the exhaust gas substances have been desorbed, the
以上示した如く、低温始動時等のような排気ガスの温度が低いときには、リッチスパイク制御を行ったからといって必ずしも排気ガスを即座に還元雰囲気を作り出すことの可能な温度にまで上昇させることができるとは限らず、排気ガス中物質吸着手段31から脱離させた炭化水素やアンモニアを大気へと放出してしまう可能性がある。しかしながら、本実施例2の排気浄化装置は、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料を使用した際に発生する水分を利用して水蒸気反応を起こさせ、更に、この水蒸気反応に伴い生じたCO酸化反応等によって排気ガスの温度を上昇させるので、そして、排気ガス中物質吸着手段31から炭化水素等の還元剤を脱離させて排気ガスの流れに乗せるので、その下流に配置されたリーンNOx触媒たる第3及び第4の排気浄化触媒23,24を効率良く還元雰囲気にすることができる。従って、この排気浄化装置においては、排気ガス中物質吸着手段31に吸着されている炭化水素やアンモニアが脱離して還元剤となり、第3及び第4の排気浄化触媒23,24の窒素酸化物を窒素に還元させることができる。このように、本実施例1の排気浄化装置によれば、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料を使用した際に生成された水分を有効活用し、その際のエミッション性能を向上させることができる。
As described above, when the temperature of the exhaust gas is low, such as when starting at a low temperature, the exhaust gas can be raised to a temperature at which the reducing atmosphere can be immediately created simply because the rich spike control is performed. There is a possibility that hydrocarbons and ammonia desorbed from the exhaust gas substance adsorbing means 31 may be released to the atmosphere. However, the exhaust gas purification apparatus of the second embodiment causes a water vapor reaction using moisture generated when an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel is used. Since the temperature of the exhaust gas is raised by reaction or the like, and the reducing agent such as hydrocarbon is desorbed from the exhaust gas substance adsorbing means 31 and is put on the flow of the exhaust gas, the lean NOx catalyst arranged downstream thereof The third and fourth
以上のように、本発明に係る排気浄化装置は、含酸素燃料又はこれを含む混合燃料で運転する際のエミッション性能を向上させる技術に有用である。 As described above, the exhaust emission control device according to the present invention is useful for a technique for improving the emission performance when operating with an oxygen-containing fuel or a mixed fuel containing the oxygen-containing fuel.
11 第1排気マニホルド
12 第2排気マニホルド
13 第1排気通路
14 第2排気通路
15 バイパス通路
16 第3排気通路
17 第1流路切替弁
18 第2流路切替弁
21 第1排気浄化触媒
22 第2排気浄化触媒
23 第3排気浄化触媒
24 第4排気浄化触媒
31 水吸着手段(排気ガス中物質吸着手段)
41 電子制御装置
51 排気温センサ
52 水温センサ
53 外気温センサ
E 原動機
11
41
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