JP2009103064A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、バーナー触媒へ適正量の排気を流すことができる技術を提供する。
【解決手段】排気通路４の途中にタービン５ｂを有するターボチャージャ５と、タービン５ｂよりも上流側の排気通路４と下流側の排気通路４とを接続するバイパス通路４１と、バイパス通路４１の途中に設けられるバーナー触媒４３と、バーナー触媒４３よりも上流のバイパス通路４１内へ還元剤を供給する還元剤供給手段４２と、バイパス通路４１よりも下流側に設けられる触媒７と、バイパス通路４１を流れる排気の量が所定量以上となった場合に、該バイパス通路４１を流れる排気の量を所定量よりも減少させるバイパス通過排気量調節手段４４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ＮＯx触媒よりも上流の排気通路において該排気通路を迂回するバイパス通路を備え、
該バイパス通路内に備わる触媒よりも上流から燃料を噴射することにより、ＮＯx触媒へ
改質された燃料を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ここで、バイパス通路に備わる触媒（以下、「バーナー触媒」という。）に供給する燃料量が多すぎると、該バーナー触媒における燃料の改質が不完全となる。これは、バイパス通路を通過する排気の量によっても影響を受ける。また、バイパス通路からＮＯx触媒
へ供給される燃料量が、多すぎれば排気の空燃比が低くなりすぎてＮＯx触媒から燃料が
流出し、一方、少なすぎればＮＯxの還元が不十分になる。つまり、バーナー触媒を通過
する排気の量及び燃料量を適正化しなければ、排気の浄化能力が低下する。さらに、バイパス通路へ多くの排気を流しすぎると、排気の空燃比を低下させるために多くの燃料が必要となるため、燃費が悪化する虞がある。

一般に、バーナー触媒は容量が小さいので、適正量の排気や還元剤を供給するために、バイパス通路の断面積が比較的狭く設定されている。しかし、バイパス通路の断面積を狭くして排気の流量を制限しようとすると、排気通路を流れる排気の量によっては、バイパス通路内へ適正量の排気を取り込めない虞がある。
特開２００６−３１６６５４号公報 特開２００４−９２４１３号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、バーナー触媒へ適正量の排気を流すことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路の途中にタービンを有するターボチャージャと、
前記タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に設けられ酸化能力を有するバーナー触媒と、
前記バーナー触媒よりも上流のバイパス通路内へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記バイパス通路よりも下流側に設けられ前記還元剤が供給される触媒と、
前記バイパス通路を流れる排気の量が所定量以上となった場合に、該バイパス通路を流れる排気の量を所定量よりも減少させるバイパス通過排気量調節手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで、タービンが排気の流通の抵抗となるため、タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とでは、上流側の排気通路のほうが排気の圧力が高い。つまり、バイパス通路の一端側と他端側とで圧力差が大きいため、より多くの排気をバイパス通路へ導入することができる。そして本発明では、バイパス通路を流れる排気の量に上限値を設定している。つまり、バイパス通路へより多くの排気を流すことができるが、バイパス通過排
気量調節手段によりバイパス通路を流通する排気の量を制限している。このようにすることで、排気通路を流れる排気の量が変化したとしても、バイパス通路を流れる排気の量を所定量に合わせることができる。また、タービンよりも上流では排気の温度が高いため、この温度の高い排気をバーナー触媒へ供給することができる。

さらに、過剰な量の排気がバイパス通路を流通することを抑制できるため、ターボチャージャを通過する排気の量の減少を抑制することができる。そのため、過給圧の低下を抑制できる。

また、バーナー触媒を通過する排気の量を制限することができるため、目標となる空燃比を得るために必要となる還元剤の量を少なくすることができる。つまり、少量の還元剤でバイパス通路よりも下流に設けられる触媒の温度を上昇させることができる。また、還元剤に燃料を用いている場合には、燃料の供給量が少量であっても該燃料の改質を行なうことができる。

なお、本発明においては、前記所定量は、実際の過給圧が所定の圧力以上となるように決定されてもよい。

ここで、バイパス通路を通過する排気の量が増加すると、その分、タービンを通過する排気の量が減少するので、過給圧が低下してしまう。これにより、内燃機関の出力が低下する虞がある。これに対し、実際の過給圧が目標の過給圧よりも低下しないように、バイパス通路を通過する排気の流量を決定すれば、内燃機関の出力の低下を抑制できる。例えば目標の過給圧を維持できなければ、バイパス通路へ排気が流通しないようにしてもよい。また、前記所定量を内燃機関の負荷に応じて決定してもよい。

また、本発明においては、前記所定量は、前記バイパス通路よりも下流側に設けられる触媒へ供給される還元剤量が所定範囲内となるように決定され、前記還元剤供給手段は、前記バイパス通路を流通する排気の量に応じて還元剤を供給することができる。

この場合、還元剤供給手段は、バイパス通路を流通する排気の空燃比が目標の範囲となるように還元剤供給量を決定してもよい。この目標の範囲とは、バーナー触媒にて還元剤の改質又は気化が可能な空燃比とすることができる。そして、バイパス通路を流通する排気の量が変化しても、それに併せて還元剤が供給されるので、排気の空燃比を目標の範囲内とすることができる。しかし、単位時間あたりの還元剤の供給量は変化するため、バイパス通路よりも下流に設けられる触媒へ流入する単位時間あたりの還元剤量は変化する。この触媒へ流入する単位時間あたりの還元剤量を目標値に合わせるように、バイパス通路を流通する排気の量を調節すれば、該触媒へ供給される単位時間あたりの還元剤量を適正化することができる。これにより、バイパス通路よりも下流に設けられる触媒において、還元剤の反応を促進させることができる。

本発明によれば、バーナー触媒へ適正量の排気を流すことができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンで
ある。この内燃機関１には、気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１１が備えられている。

また、内燃機関１には、吸気通路３および排気通路４が接続されている。そして、吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている

一方、排気通路４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気通路４には、上流側から順に酸化触媒６と、吸蔵還元型ＮＯx触媒７と、が設けられている。酸化触媒６は酸化機
能を有している他の触媒（例えば三元触媒）であっても良い。また、吸蔵還元型ＮＯx触
媒７（以下、ＮＯx触媒７という。）は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の
ＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在するときは吸蔵してい
たＮＯxを還元する機能を有する。これらの触媒は、パティキュレートフィルタに担持さ
れていても良い。なお、本実施例においては酸化触媒６又はＮＯx触媒７が、本発明にお
ける「還元剤が供給される触媒」に相当する。

さらに、排気通路４には、タービンハウジング５ｂを迂回するバイパス通路４１が接続されている。バイパス通路４１の一端は、タービンハウジング５ｂよりも上流側の排気通路４へ接続されている。一方バイパス通路４１の他端は、タービンハウジング５ｂよりも下流側で且つ酸化触媒６よりも上流側の排気通路４へ接続されている。バイパス通路４１の途中には、上流側から順に、還元剤添加弁４２、バーナー触媒４３、流量調節弁４４が備えられている。

還元剤添加弁４２は、バイパス通路４１を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を噴射する。還元剤添加弁４２からバイパス通路４１内へ噴射された燃料は、該バイパス通路４１の上流から流れてきた排気の空燃比を低下させる。なお、本実施例においては還元剤添加弁４２が、本発明における還元剤供給手段に相当する。

また、バーナー触媒４３は、酸化能力を有する触媒であり、酸化触媒又は三元触媒等を採用することができる。燃料がバーナー触媒４３へ添加されることにより、該燃料が改質される。また、バーナー触媒４３で燃料を反応させて、排気の温度を上昇させることもできる。

さらに、流量調節弁４４は、バイパス通路４１の通路断面積を変更することにより、該バイパス通路４１を流通する排気の流量を調節する。なお、本実施例においては流量調節弁４４が、本発明におけるバイパス通過排気量調節手段に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、運転者がアクセルペダル１２を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１３、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１４が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁１１、還元剤添加弁４２、流量調節弁４４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。

そして本実施例では、ＮＯx触媒７に吸蔵されているＮＯxを還元させるときに、還元剤添加弁４２から還元剤を添加する。このときに、バイパス通路４１を流通する排気の量が規定量となるように、流量調節弁４４の開度を調節する。この規定量は、内燃機関１の運転状態に応じて変更しても良い。そして、この規定量は、予め実験等により得ておく。

ここで、バーナー触媒４３において燃料を改質させると、酸化触媒６及びＮＯx触媒７
にて燃料が反応し易くなる。そのため、酸化触媒６やＮＯx触媒７の温度を速やかに上昇
させたり、ＮＯxの還元を速やかに完了させたりできる。

ところで、排気通路４では、タービンハウジング５ｂが抵抗となるため、該タービンハウジング５ｂよりも上流側のほうが下流側よりも圧力が高くなっている。そのため、バイパス通路４１の一端側と他端側との圧力差が大きくなっているので、該バイパス通路４１へ排気を多く導入させることができる。

しかし、バイパス通路４１を流れる排気の量が多くなりすぎると、バーナー触媒４３において目標となる空燃比を維持するために、より多くの燃料を還元剤添加弁４２から添加しなければならない。これにより、燃費が悪化する虞がある。また、バイパス通路４１を流通する排気の量が多くなると、その分、タービンハウジング５ｂを通過する排気の量が少なくなるため、過給圧の低下により内燃機関１の出力が低下する虞もある。

これに対し、バイパス通路４１を通過する排気の量が規定量となるように、流量調節弁４４の開度を調節する。すなわち、燃料の改質又は気化に必要十分な量の排気をバイパス通路４１へ流通させ、この排気の量に応じて還元剤添加弁４２から添加する燃料量を設定する。これは、バイパス通路４１を流通する排気の量が規定量以上となったときに、流量調節弁４４の開度を小さくするとしても良い。

そして、バイパス通路４１を通過する排気の量は、内燃機関１の運転状態により推定しても良く、また直接測定しても良い。また、流量調節弁４４の開度は、内燃機関１の運転状態（例えば機関負荷）に応じて変更しても良く、フィードバック制御により決定しても良い。さらに、内燃機関１の運転状態と、流量調節弁４４の開度との関係を予め実験等により求めておいても良い。

ここで、内燃機関１の負荷が高くなり、排気の流量が増加すると、バイパス通路４１へより多くの排気が流れ込む。しかし、還元剤添加弁４２から添加する燃料量からすると、バイパス通路４１を流通する排気の量は少量で良い。これに対し、流量調節弁４４の開度を小さくすれば、排気の流量を少なくすることができる。これにより、少量の燃料で酸化触媒６及びＮＯx触媒７の温度を上昇させたり、ＮＯxの還元を行ったりできる。また、バーナー触媒４３へ多くの排気が流れることを抑制できるため、該バーナー触媒４３の温度低下を抑制できる。さらに、タービンハウジング５ｂへより多くの排気を供給することができるため、過給圧の低下を抑制することもできる。

還元剤添加弁４２から添加する燃料量は、バイパス通路４１を流通する排気の量に応じて決定される。この排気の量は前述の規定量とすることができる。つまり、バーナー触媒４３において、燃料の改質を行なうためには、排気の空燃比が所定の範囲内になければならない。そのため、バーナー触媒４３を通過する排気の空燃比が所定の範囲内となるように、還元剤添加弁４２から燃料を添加する。この場合、排気の量が規定量で一定であれば、燃料添加量も一定となる。前述のように、内燃機関１の負荷に応じてバイパス通路４１を流通させる排気の量を決定した場合には、この量に応じて燃料添加量が決定される。

また、酸化触媒６またはＮＯx触媒７へ単位時間当たりに供給する燃料量にも最適値が
存在する。つまり、酸化触媒６又はＮＯx触媒７の温度を効果的に上昇させたり、ＮＯx触媒７に吸蔵されているＮＯxを効果的に還元させたりするためには、バイパス通路４１か
ら排気通路４へ流入する単位時間あたりの燃料量を所定の範囲内とする必要がある。バイパス通路４１から排気通路４へ流入する単位時間あたりの燃料量は、該バイパス通路４１を流通する排気の量を変更することにより可能となる。例えばバイパス通路４１を流通する排気の量を増加させると、該排気の空燃比を一定に保つために燃料添加量が増加されるので、排気通路４へ流入する単位時間あたりの燃料量は多くなる。

このように、バーナー触媒４３、酸化触媒６、又はＮＯx触媒７は、夫々の触媒に要求
される燃料量があるため、これらを全て満たすように流量調節弁４４の開度を設定する。これにより、ＮＯxの還元をより好適に行うことができる。

以上説明したように本実施例によれば、流量調節弁４４の開度を調節することにより、バーナー触媒４３へ適正量の排気を流すことができる。これにより、内燃機関１の高負荷時においては過給圧の低下を抑制することができ、中負荷以下では酸化触媒６又はＮＯx
触媒７へ気化又は改質された燃料を好適に供給することができる。

なお、内燃機関１の低負荷運転時には、過給圧の低下を抑制するために流量調節弁４４を全閉としてもよい。

実施例に係る内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
６ 酸化触媒
７ 吸蔵還元型ＮＯx触媒
１０ ＥＣＵ
１１ 燃料噴射弁
１２ アクセルペダル
１３ アクセル開度センサ
１４ クランクポジションセンサ
４１ バイパス通路
４２ 還元剤添加弁
４３ バーナー触媒
４４ 流量調節弁

Claims (3)

1. 排気通路の途中にタービンを有するターボチャージャと、
   前記タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路の途中に設けられ酸化能力を有するバーナー触媒と、
   前記バーナー触媒よりも上流のバイパス通路内へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記バイパス通路よりも下流側に設けられ前記還元剤が供給される触媒と、
   前記バイパス通路を流れる排気の量が所定量以上となった場合に、該バイパス通路を流れる排気の量を所定量よりも減少させるバイパス通過排気量調節手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記所定量は、実際の過給圧が所定の圧力以上となるように決定され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。
3. 前記所定量は、前記バイパス通路よりも下流側に設けられる触媒へ供給される還元剤量が所定範囲内となるように決定され、前記還元剤供給手段は、前記バイパス通路を流通する排気の量に応じて還元剤を供給す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。

Images