JP2010127151A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
例えば、特許文献1は、内燃機関の排気通路に設けられた排気ガスを浄化するための触媒を早期に活性化するために、主通路からバイパスするバイパス通路に蓄熱材を配置し、冷間始動時等において比較的低温の排気ガスに蓄熱材に蓄えられた熱を与える技術を開示している。 For example, Patent Document 1 discloses a cold start by disposing a heat storage material in a bypass passage bypassing from a main passage in order to quickly activate a catalyst for purifying exhaust gas provided in an exhaust passage of an internal combustion engine. A technique for giving heat stored in a heat storage material to a relatively low temperature exhaust gas at times is disclosed.
また、排気通路に設けられた触媒を早期に活性化するための他の方法として、排気通路の途中にバーナーを設け、このバーナーの排気通路に連通する燃焼室で燃料を燃焼させて排気ガスの温度を高め、触媒の温度を早期に上昇させる技術も知られている。 Further, as another method for activating the catalyst provided in the exhaust passage at an early stage, a burner is provided in the middle of the exhaust passage, and the fuel is burned in the combustion chamber communicating with the exhaust passage of the burner so that the exhaust gas is discharged. A technique for increasing the temperature and increasing the temperature of the catalyst at an early stage is also known.
ところで、触媒の早期活性化と燃費の向上を図るために、蓄熱材とバーナーとを併用し、蓄熱材に熱が蓄えられていないときには、バーナーを使用して排気ガスの温度を高め、蓄熱材に既に熱が蓄えられている状態では、バーナーを使用せずに蓄熱材を利用して排気ガスの温度を高めることが考えられる。 By the way, in order to promote early activation of the catalyst and improve fuel efficiency, a heat storage material and a burner are used in combination, and when heat is not stored in the heat storage material, the temperature of the exhaust gas is increased by using the burner, and the heat storage material In the state where heat has already been stored, it is conceivable to increase the temperature of the exhaust gas by using a heat storage material without using a burner.
しかしながら、蓄熱材とバーナーとを併用した場合に、蓄熱材とバーナーとを排気通路に直列に配置すると、バーナーから放出された熱が蓄熱材に吸収され、あるいは、蓄熱材からの放出された熱がバーナーを通じて外部に放出される可能性があり、エネルギー(燃料)の消費量が増加する原因となりうる。 However, when the heat storage material and the burner are used in combination, if the heat storage material and the burner are arranged in series in the exhaust passage, the heat released from the burner is absorbed by the heat storage material or the heat released from the heat storage material. May be released to the outside through the burner, which may cause an increase in energy (fuel) consumption.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料消費を抑制しつつ、触媒の早期活性化が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine capable of early activation of a catalyst while suppressing fuel consumption.
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、前記排気通路に設けられ、一時的に蓄熱して蓄熱した熱を前記触媒の活性化のために放出可能な蓄熱手段と、前記排気通路に設けられ、前記触媒の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記排気通路に供給可能なバーナーと、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、前記排気通路は、前記触媒の上流側に、2つに分岐して再び合流する第1及び第2の分岐通路を有し、前記第1及び第2の分岐通路の分岐部には、排気ガスの流れを前記第1及び第2の分岐通路の一方に選択的に切替え可能な切替え弁が設けられ、前記蓄熱手段は、前記第1の分岐通路に設けられ、前記バーナーは、前記切替え弁が前記第2の分岐通路側に切替えられたときに、燃焼ガスを前記蓄熱手段を経ずに直接に前記触媒に供給可能な位置に設けられていることを特徴とする。 An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention releases a catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine and heat stored in the exhaust passage for temporarily activating the catalyst. An exhaust purification device for an internal combustion engine, comprising: a possible heat storage means; and a burner provided in the exhaust passage and capable of supplying a combustion gas obtained by burning fuel for activating the catalyst to the exhaust passage. The exhaust passage has first and second branch passages that are branched into two and merge again on the upstream side of the catalyst, and an exhaust gas is provided at a branch portion of the first and second branch passages. A switching valve capable of selectively switching the gas flow to one of the first and second branch passages is provided, the heat storage means is provided in the first branch passage, and the burner is provided with the switching valve. Is switched to the second branch passage side, the fuel Characterized in that provided directly that can be supplied to the catalyst positioned gases without passing through the heat storage means.
上記構成において、好適には、前記バーナーは、前記第2の分岐通路に設けられている構成を採用できる。 In the above configuration, preferably, the burner may employ a configuration provided in the second branch passage.
上記構成において、前記バーナーは、前記第1及び第2の分岐通路の分岐部よりも上流側に設けられている構成を採用することも可能である。 The said structure WHEREIN: It is also possible to employ | adopt the structure by which the said burner is provided in the upstream from the branch part of the said 1st and 2nd branch channel.
上記構成において、前記バーナーは、前記排気通路に連通する燃焼室と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼室に空気を供給する空気供給部と、前記燃焼室に供給された燃料に点火する点火手段とを含む構成を採用できる。 In the above configuration, the burner is supplied to the combustion chamber, the fuel supply unit that supplies fuel to the combustion chamber, the air supply unit that supplies air to the combustion chamber, and the combustion chamber. A configuration including ignition means for igniting the fuel can be employed.
上記構成において、前記触媒は、酸化触媒であり、前記触媒の下流側に、排気ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタをさらに備え、前記酸化触媒は、燃料を酸化して前記フィルタに流入する排気ガスの温度を上昇させるために設けられている、構成を採用できる。 In the above configuration, the catalyst is an oxidation catalyst, and further includes a filter for collecting particulates contained in exhaust gas downstream of the catalyst, and the oxidation catalyst oxidizes fuel and flows into the filter. A configuration provided to raise the temperature of the exhaust gas can be employed.
本発明によれば、燃料消費を抑制しつつ、特に、冷間始動時の触媒の早期活性化が可能な内燃機関の排気浄化装置が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine capable of early activation of a catalyst particularly during cold start while suppressing fuel consumption.
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
図1において、内燃機関10は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関10の排気通路15は、途中で2つに分岐して再び合流する第1の分岐通路15A及び第2の分岐通路15Bを有する。また、排気通路15は、熱エネルギーが外部に放出されるのを極力抑制して後述する各種触媒の活性化を促すために、断熱材で覆われている。
In FIG. 1, the
第1の分岐通路15A及び第2の分岐通路15Bの分岐部には、排気ガスの流れを第1及び第2の分岐通路15A,15Bの一方に選択的に切替え可能な切替え弁20が設けられている。切替え弁20には、例えば、周知の電動式あるいは電磁式の2方向切替えバルブを用いることができ、後述する電子制御装置(ECU)100により制御される。
A
第2の分岐通路15Bには、バーナー60が設けられている。バーナー60には、内燃機関10側から、空気が供給される空気供給経路61及び燃料が供給される燃料供給経路62が接続されている。バーナー60は、燃料供給経路62から供給される燃料を燃焼させ、燃焼ガスを第2の分岐通路15Bに供給する。
A
具体的には、バーナー60は、たとえば、図2に示すように、分岐通路15Bに連通するように接続された燃焼室63、点火プラグ64、燃料供給部65及び空気供給部66を有する。
Specifically, for example, as shown in FIG. 2, the
空気供給部66は、空気供給経路61に連通し、空気供給経路61から供給される空気Aを燃焼室63に導く。
The
燃料供給部65は、燃料供給経路63に連通し、燃料供給経路63から供給される燃料FLを燃焼室63に供給する。
The
点火プラグ64は、ECU100により制御され、燃焼室63に供給された燃料に点火する。
The
バーナー60の燃焼室63に供給された燃料FLは空気Aと混合され、電極間64の放電により着火されるものや、グロープラグにより燃料を気化し燃焼させるものを用いることができる。その燃焼ガスは第2の分岐通路15B、すなわち、排気通路15に排出される。これにより、排気通路15を流通する排気ガスEGの温度が上昇する。なお、バーナー60から排出される燃焼ガスは、完全燃焼した状態で排気通路15に排出されてもよいし、あるいは、未燃燃料を含む状態で排気通路15に排出されてもよい。バーナー60から排出される燃焼ガスに未燃燃料を含ませることにより、下流の酸化触媒25に未燃燃料を供給することができる。
The fuel FL supplied to the
蓄熱材50は、潜熱蓄熱材であり、液体・固体間の相変化に伴い熱エネルギーを吸収あるいは放出するものである。この蓄熱材は、例えば、図3に示すように、周囲の温度、すなわち、排気ガスの温度が溶融潜熱温度T0よりも高いと、排気ガスの熱エネルギーを吸収して蓄熱するように作用する。排気ガスの温度が溶融潜熱温度T0よりも低いと、蓄熱したエネルギーを放出して排気ガスの温度を上昇させるように作用する。蓄熱材50の素材は、必要とされる溶融潜熱温度に応じて選択されるが、たとえば、溶融潜熱が90℃程度であれば、パラフィン系の素材、260℃程度であれば、塩化リチウムなどを素材が挙げられる。
The
排気通路15には、第1の分岐通路15A及び第2の分岐通路15Bの下流側に、酸化触媒コンバータ25、DPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)30、選択還元触媒コンバータ35及び酸化触媒コンバータ40が順に設けられている。また、排気通路15のDPF30と選択還元触媒コンバータ35との間には、尿素水添加弁70が設けられている。
The
また、排気通路15において、DPF30の前後には排気ガスEGの温度を検出する排気温度センサ90A、90Bが設けられ、酸化触媒40の下流には、窒素酸化物の濃度を検出するNOxセンサ95が設けられ、これらセンサの検出信号は、ECU100へ入力される。
In the
さらに、排気通路15において、DPF30と選択還元触媒コンバータ40との間には、排気通路15に尿素水溶液を添加するための尿素水添加弁70と、この尿素水添加弁70の下流に設けられて排気ガスEGと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ80とが設けられている。
Further, in the
酸化触媒コンバータ25は、後段のDPF30等に供給される排気ガスEGの温度を昇温させるために排気ガスEG中の未燃燃料等を酸化する酸化触媒を担持している。具体的には、たとえば、200℃程度以上に温度上昇すると活性化してその酸化機能が働く。すなわち、酸化触媒コンバータ25は、排気ガスEG中の未燃燃料等を酸化することにより、排気ガスEGの温度を上昇させて後段のDPF30に供給する。
The
また、酸化触媒コンバータ25は、窒素酸化物(NOx)を一時的に吸着保持できるNOx吸着機能を併せ持つ。酸化触媒コンバータ25は、酸化機能が活性化していない比較的低温度の状態では、NOxを一時的に吸着保持するが、ある程度以上温度上昇すると、吸着していたNOxが脱離する。この酸化触媒コンバータ25としては、例えば、ゼオライトなどの材料で構成される吸着材料を、周知の酸化触媒の構造に担持させた構成とすることができる。酸化触媒コンバータ25からNOxを脱離するには、バーナー60を起動して、酸化触媒コンバータ25を昇温させる。
The oxidation
DPF30は、排気ガスEGに含まれる粒子状物質(PM)を捕集するフィルタである。DPF30の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。DPF30は、PMが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、酸化触媒コンバータ25を昇温により活性化させ、酸化触媒コンバータ35の酸化作用により昇温された排気ガスEGをDPF30に供給する。これにより、捕集したPMが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。この再生処理におけるDPF30の温度は、例えば、600〜700℃程度となる。なお、DPF30に所定量のPMが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。また、DPF30は、貴金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。
The
尿素水添加弁70は、尿素水溶液を収容するタンク75から尿素水が供給され、ECU100からの制御信号に応じた量の尿素水を排気通路15に添加する。
The urea
選択還元触媒コンバータ35は、尿素添加弁70から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排気ガスEGに含まれるNOxを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排気ガスEG中に添加された尿素水溶液は、排気ガスEGの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、このアンモニアが触媒コンバータ35においてNOxと反応し、水と無害な窒素に還元される。この選択還元触媒コンバータ35は、周知の構造であり、例えば、Si、O、Alを主成分とすると共にFeイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒(V2O5)を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。選択還元触媒コンバータ35は、触媒として機能する活性化温度が、例えば200℃程度以上である。
The selective reduction
酸化触媒コンバータ40は、選択還元触媒コンバータ30をすり抜ける未燃燃料やアンモニウムを酸化する役割を果たす。この酸化触媒コンバータ40には、周知の構造のものが用いられる。
The oxidation
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)等のバックアップ用メモリ、A/D変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ECU100は、各排気温度センサ90A,90B、NOxセンサ95などからの信号に基いて、切替え弁20、バーナー60、尿素水添加弁70等を制御する。
The
上記構成に排気浄化装置において、蓄熱材50に既に蓄熱されている状態では、蓄熱材50の熱を利用するために、切替え弁20は、第1の分岐通路15A側に切替えられる。内燃機関10から排出された排気ガスEGは、第1の分岐通路15Aの蓄熱材23を通過することにより昇温され、これが酸化触媒コンバータ30に供給される。これにより、酸化触媒コンバータ25の触媒を活性化させることができる。なお、蓄熱材50が蓄熱されているかどうかの判断は、例えば、蓄熱材50に温度センサを設けて温度を検出することにより可能である。また、内燃機関10の運転状況等から現在までに蓄積されている熱量を推定して判断することも可能である。
In the exhaust purification device having the above configuration, in the state where heat is already stored in the
蓄熱材50に既に蓄熱されている状態では、内燃機関10から排出された排気ガスEGが第1の分岐通路15Aのみを通過し、第2の分岐通路15Bを通過しない。第2の分岐通路15Bに設けられたバーナー60は、その構造上、熱エネルギーが外部に放出されやすい構造となっているが、排気ガスEGは第2の分岐通路15Bを通過しないので蓄熱材50を用いて排気ガスEGを昇温している際に、バーナー60を通じて熱エネルギーが外部に放出されることがない。
In a state where heat is already stored in the
冷間始動時など、蓄熱材50に蓄熱されていない、あるいは、蓄熱量が十分でない場合には、図4に示すように、切替え弁20は、第2の分岐通路15B側に切替えられる。加えて、バーナー60が起動され、燃焼ガスが第2の分岐通路15Bに供給され、排気ガスEGが加熱されて酸化触媒コンバータ25に直接供給される。このとき、排気ガスEGは、蓄熱材50を通過しないので、バーナー60から供給される熱エネルギーは蓄熱材50に奪われることなく、酸化触媒コンバータ50の昇温に効果的に使用される。
If the
酸化触媒コンバータ50が必要な温度まで加熱されて酸化機能が発揮された後は、バーナー50を停止するとともに、切替え弁20を第1の分岐通路15A側に切替える。これにより、蓄熱材50への蓄熱が行われる。
After the oxidation
図5は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図5において、図1の排気浄化装置と同一構成部分には同一の符号を使用している。 FIG. 5 is a block diagram of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are used for the same components as those in the exhaust gas purification apparatus of FIG.
図5に示す排気浄化装置は、バーナー60が切替え弁20の上流側の排気通路15に設けられている点で図1の排気浄化装置と異なり、他の構成は同一である。
The exhaust purification device shown in FIG. 5 is different from the exhaust purification device of FIG. 1 in that the
本実施形態に係る排気浄化装置では、蓄熱材50に既に蓄熱されている状態では、上記実施形態と同様に、蓄熱材50の熱を利用するために、切替え弁20は、第1の分岐通路15A側に切替えられる。
In the exhaust emission control device according to the present embodiment, in the state where heat is already stored in the
冷間始動時など、蓄熱材50に蓄熱されていない、あるいは、蓄熱量が十分でない場合には、図6に示すように、切替え弁20は、第2の分岐通路15B側に切替えられる。加えて、バーナー60が起動され、燃焼ガスが第2の分岐通路15Bに供給され、排気ガスEGが加熱されて酸化触媒コンバータ25に直接供給される。このとき、排気ガスEGは、蓄熱材50を通過しないので、バーナー60から供給される熱エネルギーは蓄熱材50に奪われることなく、酸化触媒コンバータ50の昇温に効果的に使用される。
When the
図7は、バーナーの他の配置例を示す図であって、バーナー60を第1及び第2の分岐通路15A,15Bの下流に設けた構成を示している。図7において、図1の排気浄化装置と同一構成部分には同一の符号を使用している。
FIG. 7 is a view showing another arrangement example of the burner, and shows a configuration in which the
この構成では、バーナー60が酸化触媒25の直近に配置されているので、酸化触媒25を加熱する点では有利である。
In this configuration, since the
しかしながら、蓄熱材50に蓄えられた熱エネルギーを利用して排気ガスEGを昇温する際に、蓄熱材50で加熱された排気ガスEGは必ずバーナー60を通過する。このため、蓄熱材50を使用して酸化触媒25を昇温させる際には、熱エネルギーの損失が比較的大きくなる。
However, when the temperature of the exhaust gas EG is raised using the thermal energy stored in the
本発明は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンにも適用可能である。また、活性化すべき触媒についても、酸化触媒に限らず、他の触媒にも適用可能である。 The present invention can be applied not only to a diesel engine but also to a gasoline engine. Further, the catalyst to be activated is not limited to the oxidation catalyst but can be applied to other catalysts.
10…内燃機関
15…排気通路
15A…第1の分岐通路
15B…第2の分岐通路
20…切替え弁
25…酸化触媒コンバータ
30…DPF
35…選択還元触媒コンバータ
40…酸化触媒
60…バーナー
70…尿素水添加弁
100…ECU
DESCRIPTION OF
35 ... selective reduction
Claims (5)
前記排気通路は、前記触媒の上流側に、2つに分岐して再び合流する第1及び第2の分岐通路を有し、
前記第1及び第2の分岐通路の分岐部には、排気ガスの流れを前記第1及び第2の分岐通路の一方に選択的に切替え可能な切替え弁が設けられ、
前記蓄熱手段は、前記第1の分岐通路に設けられ、
前記バーナーは、前記切替え弁が前記第2の分岐通路側に切替えられたときに、燃焼ガスを前記蓄熱手段を経ずに直接に前記触媒に供給可能な位置に設けられている
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 A catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine; heat storage means provided in the exhaust passage, which is capable of temporarily storing heat and storing the heat for activation of the catalyst; and provided in the exhaust passage. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, comprising: a burner capable of supplying a combustion gas obtained by burning fuel to activate the catalyst to the exhaust passage,
The exhaust passage has first and second branch passages branched into two and joined again on the upstream side of the catalyst,
A switching valve capable of selectively switching the flow of exhaust gas to one of the first and second branch passages is provided at a branch portion of the first and second branch passages,
The heat storage means is provided in the first branch passage,
The burner is provided at a position where combustion gas can be directly supplied to the catalyst without passing through the heat storage means when the switching valve is switched to the second branch passage side. An exhaust purification device for an internal combustion engine.
前記触媒の下流側に、排気ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタをさらに備え、
前記酸化触媒は、燃料を酸化して前記フィルタに流入する排気ガスの温度を上昇させるために設けられている
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 The catalyst is an oxidation catalyst;
Further comprising a filter on the downstream side of the catalyst for collecting particulates contained in the exhaust gas;
The exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxidation catalyst is provided to oxidize fuel and raise a temperature of exhaust gas flowing into the filter. .
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