JP2009174379A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を最適温度範囲まで効果的に昇温させると共に、触媒が劣化温度に達してしまうことを適切に防止する。
【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスの浄化を行うために利用される。第１の熱輸送手段は、触媒の上流側の排気通路に設けられており、高温領域で作動するように構成されており、排気ガスの熱を回収して蓄熱体へ輸送する。また、第２の熱輸送手段は、触媒に設けられており、第１の熱輸送手段が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように構成されており、蓄熱体に蓄熱された熱を当該触媒へ輸送する。これにより、劣化温度以下で最適温度範囲の温度に、触媒７を適切に維持することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関からの排気ガスの浄化を行う技術分野に関する。

従来から、排気通路上に設けられた触媒の温度を、最適な浄化性能が得られる温度（以下、「最適温度範囲」とも呼ぶ。）に維持する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、内燃機関の始動時において、蓄熱材で発生した熱を利用して触媒を昇温させる技術が記載されている。また、特許文献２には、排気通路上に設けられた作動温度領域が異なるヒートパイプを利用して、触媒を最適温度範囲に維持すると共に、触媒が劣化してしまうような温度（以下、「劣化温度」とも呼ぶ。）に達してしまうことを防止する技術が記載されている。その他にも、本発明に関連する技術が、特許文献３に記載されている。

特開平５−１４１２２８号公報 特開２００５−６９１６１号公報 特開２００５−３３０８３２号公報

しかしながら、上記の特許文献１乃至３に記載された技術では、触媒を最適温度範囲まで昇温させることと、触媒が劣化温度に達してしまうことを防止することの両方を適切に行うことが困難であった。具体的には、特許文献１に記載された技術では、触媒が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することが困難であり、特許文献２に記載された技術では、触媒を最適温度範囲まで適切に昇温させることが困難であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、触媒を最適温度範囲まで効果的に昇温させることができる共に、触媒が劣化温度に達してしまうことを適切に防止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。

本発明の１つの観点では、内燃機関からの排気ガスを触媒によって浄化する内燃機関の排気浄化装置は、熱を蓄熱する蓄熱体と、前記触媒の上流側の排気通路に設けられると共に、高温領域で作動するように構成されており、前記排気ガスの熱を回収して前記蓄熱体へ輸送する第１の熱輸送手段と、前記触媒に設けられると共に、前記第１の熱輸送手段が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように構成されており、前記蓄熱体に蓄熱された熱を当該触媒へ輸送する第２の熱輸送手段と、を備えている。

上記の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスの浄化を行うために好適に利用される。具体的には、第１の熱輸送手段は、触媒の上流側の排気通路に設けられており、高温領域で作動するように構成されており、排気ガスの熱を回収して蓄熱体へ輸送する。これにより、排気温度が例えば触媒が劣化するような高温である場合に、排気ガスの熱を適切に放熱することができ、排気温度を低下させることができる。よって、触媒が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することが可能となる。一方、第２の熱輸送手段は、触媒に設けられており、第１の熱輸送手段が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように構成されており、蓄熱体に蓄熱された熱を当該触媒へ輸送する。これにより、触媒温度が低い場合（例えば最適温度範囲を下回るような温度である場合）において、蓄熱体に蓄熱された熱を触媒に対して適切に伝熱させることができる。よって、高排気温時に第１の熱輸送手段により放熱された熱を利用して、触媒を昇温させることができる。したがって、触媒を最適温度範囲の温度まで効果的に昇温させることができると共に、触媒を最適温度範囲に適切に維持することができる。

以上より、上記の内燃機関の排気浄化装置によれば、稼動部分などを用いることなく、触媒の温度制御を適切に行うことができる。具体的には、触媒を最適温度範囲まで効果的に昇温させて、最適温度範囲に維持することができると共に、触媒が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することができる。つまり、劣化温度以下で最適温度範囲の温度に、触媒を適切に維持することが可能となる。

上記の内燃機関の排気浄化装置において好適には、前記第１の熱輸送手段は、前記触媒が劣化するような温度を含む高温領域で作動するように構成されており、前記第２の熱輸送手段は、前記触媒の最適な浄化性能が得られる温度以下の低温領域から作動するように構成されている。

上記の内燃機関の排気浄化装置の一態様では、前記内燃機関の停止時に、前記第２の熱輸送手段と前記蓄熱体とを非接触状態にする機構を更に備える。この態様によれば、内燃機関の停止時などにおいて、蓄熱体に蓄熱された熱が放熱されてしまうことを抑制することができる。したがって、内燃機関の始動時において、第２の熱輸送手段が蓄熱体より熱を得られる機会が増え、触媒を早期に暖機することが可能となる。つまり、触媒が最適温度範囲にまで到達する時間を短縮することが可能となる。

上記の内燃機関の排気浄化装置の他の一態様では、前記第１の熱輸送手段が設けられた箇所の上流側に設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、前記第１の熱輸送手段が設けられた箇所の下流側で、且つ前記触媒の上流側に設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記第１の熱輸送手段の故障判定を行う故障判定手段と、を更に備える。この態様によれば、第１及び第２の温度検出手段が検出した排気温度に基づいて、第１の熱輸送手段の故障判定を適切に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［第１実施例］
図１は、第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。なお、図１では、実線矢印はガスの流れを示している。

吸気通路３には外部から導入された空気（吸気）が通過し、エンジン４には吸気通路３より吸気が供給される。エンジン４は、図示しない燃焼室で、燃料と吸気との混合気を燃焼させることによって動力を発生する。エンジン４は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどに相当する。エンジン４における燃焼により発生した排気ガスは、排気通路５より排出される。

排気通路５上には、上流側から順に、排気熱回収器６と触媒７とが設けられている。排気熱回収器６は、熱交換を行うことで、排気ガスの熱を回収可能に構成されている。触媒７は、排気ガスを浄化可能に構成されている。触媒７は、所定の温度範囲（最適温度範囲）において、最適な浄化性能が得られる。例えば、触媒７は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒や三元触媒や酸化触媒などが用いられる。

また、排気熱回収器６にはヒートパイプ１１が設けられており、触媒７にはヒートパイプ１２が設けられている。具体的には、ヒートパイプ１１は、一端が排気熱回収器６に設けられており、他端が蓄熱体１３に設けられている。また、ヒートパイプ１２は、一端が蓄熱体１３に設けられており、他端が触媒７に設けられている。ヒートパイプ１１、１２は、内包する液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して熱輸送が可能に構成されており、蓄熱体１３は、内部に蓄熱材などを備え、熱を蓄熱可能に構成されている。詳しくは、ヒートパイプ１１は、高温領域で作動するように構成されており、ヒートパイプ１２は、ヒートパイプ１１が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように構成されている。つまり、ヒートパイプ１１とヒートパイプ１２とは、それぞれ作動温度領域が異なる。より詳しくは、ヒートパイプ１１は、触媒７が劣化するような温度（劣化温度）を含む高温領域でのみ作動するように構成されており、ヒートパイプ１２は、触媒７の最適な浄化性能が得られる温度以下の低温領域から作動するように構成されている。このように、ヒートパイプ１１及びヒートパイプ１２は、それぞれ本発明における第１の熱輸送手段及び第２の熱輸送手段に相当する。

ここで、ヒートパイプ１１、１２における動作について説明する。ヒートパイプ１１は、低温領域ではほとんど作動せず、高温領域（劣化温度以上の温度領域）でのみ作動するように構成されている。そのため、ヒートパイプ１１は、排気温度が例えば触媒７が劣化するような高温である場合に作動して、排気ガスの熱を蓄熱体１３へ熱伝達する。つまり、ヒートパイプ１１は、白抜き矢印Ａ１で示すように、排気熱回収器６で回収された排気ガスの熱を蓄熱体１３へ輸送（放熱）する。これにより、劣化温度以上であるような排気ガスの温度を、適切に低下させることが可能となる。したがって、劣化温度以上の排気ガスが触媒７に供給されることを抑制することができ、触媒７が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することが可能となる。また、ヒートパイプ１１は、高温領域で作動するため、触媒７のＳＯｘ被毒を回復するための制御（以下、「被毒回復制御」とも呼ぶ。）を実行した場合に、触媒７が劣化温度に達してしまうことを防止しつつ、ＳＯｘ被毒回復に最適な温度範囲に触媒７を適切に維持することができる。

これに対して、ヒートパイプ１２は、高温領域ではほとんど作動せず、低温（最適温度範囲以下の温度）から作動するように構成されている。そのため、ヒートパイプ１２は、触媒温度が低い場合（例えば最適温度範囲を下回るような温度である場合）に作動して、蓄熱体１３に蓄熱された熱を触媒７に熱伝達する。つまり、ヒートパイプ１２は、白抜き矢印Ａ２で示すように、蓄熱体１３に蓄熱された熱（ヒートパイプ１１より輸送されて蓄熱された熱に相当する）を触媒７へ輸送（伝熱）する。これにより、高排気温時にヒートパイプ１１により放熱された熱を利用して、触媒７を昇温させることができる。したがって、減速時など、排気温度とともに触媒７の温度が低下した場合において、触媒７を最適温度範囲の温度まで効果的に昇温させることができると共に、触媒７を最適温度範囲に適切に維持することができる。

以上説明した第１実施例によれば、ヒートパイプ１１、１２を利用することにより、稼動部分などを用いることなく、触媒７の温度制御を適切に行うことができる。具体的には、触媒７を最適温度範囲まで効果的に昇温させて、最適温度範囲に維持することができると共に、触媒７が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することができる。つまり、劣化温度以下で最適温度範囲の温度に、触媒７を適切に維持することが可能となる。したがって、第１実施例によれば、排気浄化を促進することができると共に、触媒７の劣化を防止することができる。

（具体例）
次に、図２及び図３を説明して、ヒートパイプ１１、１２の具体例について説明する。ここでは、熱容量が３５０℃付近の温度にあり、７００℃を超える温度で劣化が発生するような触媒７を用いた場合を例に挙げる。ヒートパイプ１１、１２は、このような触媒７を最適温度範囲まで効果的に昇温させることができる共に、当該触媒７が劣化温度に達してしまうことを適切に防止可能なように構成されている。

図２は、ヒートパイプ１１、１２の作動特性の一例を示す図である。図２（ａ）は、ヒートパイプ１１の作動特性を示している。具体的には、図２（ａ）は、横軸に排気温度（℃）を示し、縦軸に排気ガスからの放熱量（ヒートパイプ１１による放熱量）を示している。これより、ヒートパイプ１１は、排気温度が７００℃未満ではほとんど作動せず、排気温度が７００℃以上で作動する。詳しくは、ヒートパイプ１１は、排気温度が７００℃以上となった場合に、破線領域Ｂ１に示すように、蓄熱体１３に対して急激に放熱し始める（つまり熱伝達量が大きくなる）。また、破線領域Ｂ２に示すように、排気温度が７００℃をある程度超える温度となった場合に、ヒートパイプ１１の放熱量が低下する（言い換えるとヒートパイプ１１が放熱限界に達する）、又は蓄熱体１３が吸熱限界に達する。

このようにヒートパイプ１１を構成することにより、排気温度が例えば触媒７が劣化するような高温（７００℃以上の温度）である場合に、排気ガスの熱を適切に放熱することができ、排気温度を低下させることができる。よって、排気温度の上昇時に、触媒７の温度上昇を軽減することができる。したがって、ヒートパイプ１１によれば、触媒７が劣化温度に達してしまうことを適切に防止することが可能となる。なお、上記のような特性を具備させるため、ヒートパイプ１１として可変コンダクタンスヒートパイプなどを用いることが望ましい。更に、内包する液体量を多くして、熱伝達量を大きくしたものを用いることが望ましい。

これに対して、図２（ｂ）は、ヒートパイプ１２の作動特性を示している。具体的には、図２（ｂ）は、横軸に触媒温度（℃）を示し、縦軸に触媒７への伝熱量（ヒートパイプ１２から触媒７への伝熱量）を示している。これより、ヒートパイプ１２は、触媒温度が３５０℃以下の低温から作動し、触媒温度が３５０℃程度で伝熱量がピークとなり（破線領域Ｂ３参照）、触媒温度が３５０℃を超えると伝熱量が低下していく。

このようにヒートパイプ１２を構成することにより、触媒温度が低い場合（例えば最適温度範囲をかなり下回るような温度である場合）において、蓄熱体１３に蓄熱された熱を触媒７に適切に伝熱させることができる。詳しくは、触媒７の熱容量に相当する温度（３５０℃）付近で、ヒートパイプ１２の伝熱量が最も大きくなる（なお、このような温度以上になると、触媒７はほとんど熱を奪わなくなる）。よって、触媒温度の低下時に、触媒７の温度を適切に上昇させることができる。したがって、ヒートパイプ１２によれば、触媒７を最適温度範囲の温度まで効果的に昇温させることができると共に、触媒７を最適温度範囲に適切に維持することができる。なお、上記のような特性を具備させるため、ヒートパイプ１２として、一般的な構造のヒートパイプなどを用いることが望ましい。更に、内包する液体量を少なくして、熱伝達に要する時間を短縮したものを用いることが望ましい。

図３は、上記したような特性を有するヒートパイプ１１、１２を用いた場合の、作用・効果を説明するための図である。図３は、横軸に排気温度（℃）を示し、縦軸に触媒温度を示している。具体的には、実線Ｃ１はヒートパイプ１１、１２を用いた場合のグラフを示しており、破線Ｃ２はヒートパイプ１１、１２を用いなかった場合のグラフを示している。

実線Ｃ１と破線Ｃ２とを比較すると、破線領域Ｄ１に示すように、ヒートパイプ１１、１２を用いた場合には、排気温度の低下時に触媒７の温度が適切に上昇していることがわかる。具体的には、触媒７の温度が最適温度範囲の温度まで効果的に上昇していることがわかる。更に、破線領域Ｄ２に示すように、ヒートパイプ１１、１２を用いた場合には、排気温度の上昇時に触媒７の温度上昇が軽減されていることがわかる。具体的には、触媒７の温度が劣化温度に達してしまうことが適切に抑制されていることがわかる。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例について説明する。図４は、第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。なお、図１と同様の符号を付した構成要素は同一の意味を有するものとして、その説明を省略する。

第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置は、ヒートパイプ１２の代わりにヒートパイプ１２ａを有する点で、第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置（図１参照）と異なる。ヒートパイプ１２ａは、基本的には、ヒートパイプ１２と同様の機能を有する。つまり、ヒートパイプ１２ａは、本発明における第２の熱輸送手段に相当し、ヒートパイプ１１が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように、詳しくは触媒７の最適な浄化性能が得られる温度以下の低温領域から作動するように構成されている。しかしながら、ヒートパイプ１２ａは、エンジン４の停止時などにおいて、蓄熱体１３と非接触状態になるように構成されている。例えば、ヒートパイプ１２ａは、図示しないアクチュエータなどにより、矢印Ｅ１で示すように移動可能に構成されている。つまり、蓄熱体１３と非接触状態となる位置（破線で示す位置）まで、移動可能に構成されている。

このようなヒートパイプ１２ａを用いることにより、エンジン４の停止時などにおいて、蓄熱体１３に蓄熱された熱がヒートパイプ１２ａを介して触媒７に伝達されることを抑制することができる。つまり、蓄熱体１３に蓄熱された熱が放熱されてしまうことを抑制することができる。したがって、エンジン４の始動時において、ヒートパイプ１２ａが蓄熱体１３より熱を得られる機会が増え、触媒７を早期に暖機することが可能となる。つまり、触媒７が最適温度範囲にまで到達する時間を短縮することが可能となる。

なお、上記のようにアクチュエータによりヒートパイプ１２ａを移動させることで、ヒートパイプ１２ａと蓄熱体１３とを非接触状態にすることに限定はされない。他の例では、ヒートパイプ１２ａを移動させる代わりに、蓄熱体を移動させることで、ヒートパイプと蓄熱体とを非接触状態にすることができる。

［第３実施例］
次に、本発明の第３実施例について説明する。第３実施例では、排気温度に基づいて、ヒートパイプ１１の故障判定を行う点で、前述した第１及び第２実施例と異なる。

図５は、第３実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。なお、図５では、実線矢印はガスの流れを示しており、破線矢印は信号の入出力を示している。また、図１と同様の符号を付した構成要素は同一の意味を有するものとして、その説明を省略する。

第３実施例に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路５上に排気温度センサ１４、１５が設けられていると共に、ＥＣＵ（Engine Control Unit）２０を具備する点で、第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置と異なる。具体的には、排気温度センサ１４は、ヒートパイプ１１が設けられた箇所の上流側の排気通路５上に設けられている。また、排気温度センサ１５は、ヒートパイプ１１が設けられた箇所の下流側で、且つ触媒７の上流側の排気通路５上に設けられている。排気温度センサ１４、１５は、それぞれ排気温度を検出し、検出した排気温度に対応する検出信号をＥＣＵ２０に供給する。なお、排気温度センサ１４、１５は、それぞれ、本発明における第１の温度検出手段及び第２の温度検出手段に相当する。

ＥＣＵ２０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えて構成され、車両内の構成要素（エンジン４など）に対して制御を行う。第３実施例では、ＥＣＵ２０は、主に、本発明における故障判定手段として機能し、ヒートパイプ１１の故障判定を行う。具体的には、ＥＣＵ２０は、排気温度センサ１４が検出した排気温度と排気温度センサ１５が検出した排気温度との差に基づいて、ヒートパイプ１１の故障判定を行う。

ここで、ヒートパイプ１１の故障判定方法について具体的に説明する。エンジン４から排出される排気ガスの温度がヒートパイプ１１の作動温度領域内にある場合、ヒートパイプ１１が正常に作動しているならば、排気ガスの熱は蓄熱体１３へ放熱されるため、排気温度はヒートパイプ１１の前後で差が生じるものと考えられる。即ち、ヒートパイプ１１の下流側で検出される排気温度は、上流側で検出される排気温度よりも低いものと考えられる。これに対して、ヒートパイプ１１が故障しているならば、排気ガスの熱は蓄熱体１３へほとんど放熱されないため、ヒートパイプ１１の上流側及び下流側で検出される排気温度にほとんど差は生じないものと考えられる。以上のような原理より、ＥＣＵ２０は、排気温度センサ１４が検出した排気温度（ヒートパイプ１１の上流側の排気温度）と排気温度センサ１５が検出した排気温度（ヒートパイプ１１の下流側の排気温度）との差に基づいて、ヒートパイプ１１の故障判定を行う。

具体的には、ＥＣＵ２０は、排気温度センサ１４が検出した排気温度から排気温度センサ１５が検出した排気温度を減算した値が所定値未満である場合には、ヒートパイプ１１が故障しているとの判定を下す。これに対して、ＥＣＵ２０は、排気温度センサ１４が検出した排気温度から排気温度センサ１５が検出した排気温度を減算した値が所定値以上である場合には、ヒートパイプ１１が故障していない（正常である）との判定を下す。

更に、ＥＣＵ２０は、ヒートパイプ１１が故障しているとの判定を下した場合、触媒７のＳＯｘ被毒を回復するための制御（被毒回復制御）の実行を禁止する。こうするのは、被毒回復制御を実行した場合には排気温度は劣化温度付近の高温となる傾向にあるため、ヒートパイプ１１が故障している場合には、ＳＯｘ被毒回復に最適な温度範囲に適切に維持することができずに、触媒７が劣化温度に達してしまう可能性があるからである。つまり、ＥＣＵ２０は、触媒７が劣化温度に達してしまうことを確実に防止するために、ヒートパイプ１１が故障している場合には、被毒回復制御の実行を禁止する。これにより、触媒７の劣化を未然に防止することが可能となる。

なお、図５ではヒートパイプ１２を有する内燃機関の排気浄化装置を示したが、ヒートパイプ１２の代わりにヒートパイプ１２ａを有する内燃機関の排気浄化装置に対しても、前述したようなヒートパイプ１１の故障判定方法を行うことができる。つまり、第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置（図４参照）に対して、排気温度センサ１４、１５及びＥＣＵ２０を新たに設けることで、前述したような第３実施例に係る処理を行うことができる。

第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。 ヒートパイプの作動特性の一例を示す図である。 第１実施例に係るヒートパイプを用いた場合の作用・効果を説明するための図である。 第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。 第３実施例に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたシステムの概略構成図を示す。

符号の説明

３ 吸気通路
４ エンジン
５ 排気通路
６ 排気熱回収器
７ 触媒
１１、１２、１２ａ ヒートパイプ
１３ 蓄熱体
１４、１５ 排気温度センサ
２０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関からの排気ガスを触媒によって浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、
   熱を蓄熱する蓄熱体と、
   前記触媒の上流側の排気通路に設けられると共に、高温領域で作動するように構成されており、前記排気ガスの熱を回収して前記蓄熱体へ輸送する第１の熱輸送手段と、
   前記触媒に設けられると共に、前記第１の熱輸送手段が作動する温度領域よりも低温領域から作動するように構成されており、前記蓄熱体に蓄熱された熱を当該触媒へ輸送する第２の熱輸送手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１の熱輸送手段は、前記触媒が劣化するような温度を含む高温領域で作動するように構成されており、
   前記第２の熱輸送手段は、前記触媒の最適な浄化性能が得られる温度以下の低温領域から作動するように構成されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の停止時に、前記第２の熱輸送手段と前記蓄熱体とを非接触状態にする機構を更に備える請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第１の熱輸送手段が設けられた箇所の上流側に設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記第１の熱輸送手段が設けられた箇所の下流側で、且つ前記触媒の上流側に設けられ、前記排気ガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記第１の熱輸送手段の故障判定を行う故障判定手段と、を更に備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images