JP2013044302A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムとＳＣＲシステムを備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の添加時期やＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期を制限することなく還元剤が吸気通路へ流入する事態を回避するとともに、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離を稼ぐことを課題とする。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するために、還元剤添加弁より上流の排気通路からＥＧＲ通路に至るバイパス通路と、バイパス通路とＥＧＲ通路の接続部位に配置され、該接続部位より上流のＥＧＲ通路である第１ＥＧＲ通路または該接続部位より下流のＥＧＲ通路である第２ＥＧＲ通路の何れか一方を前記バイパス通路と導通させる流路切換弁と、を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系から吸気系へ排気の一部を再循環させるシステムと選択還元型触媒へ還元剤を供給することにより排気の浄化を行うシステムとを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

遠心過給機（ターボチャージャ）を備えた内燃機関において、タービンより下流の排気通路からコンプレッサより上流の吸気通路へ排気の一部（ＥＧＲガス）を導くＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路の通路断面積を変更するＥＧＲ弁と、を含むＥＧＲシステム（以下、「ＬＰＬ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ)−ＥＧＲシステム」と称する）が設けられる場合がある。

また、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、選択還元型触媒と、該選択還元型触媒へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤添加弁と、を含むシステム（以下、「ＳＣＲシステム」と称する）がＥＧＲガスの取り出し部位（ＥＧＲ通路の接続部位）より下流の排気通路に配置される構成も知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００８−２９１６７１号公報

ところで、上記した従来技術のように、ＥＧＲガスの取り出し部位より下流の排気通路に還元剤添加弁が配置されると、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離が短くなる可能性がある。特に、乗用車のように搭載スペースが小さい自動車にＳＣＲシステムとＬＰＬ−ＥＧＲシステムを搭載する場合は、還元剤添加弁から選択還元型触媒へ至る距離が短くなり易い。還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離が短くなると、還元剤が十分に気化しなかったり、還元剤と排気が均質に混合されなかったりする可能性がある。

これに対し、還元剤添加弁をＥＧＲガスの取り出し部位より上流の排気通路に配置することにより、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離を長くする方法が考えられるが、還元剤添加弁から排気中へ添加された還元剤の一部がＥＧＲ通路を介して吸気通路に導かれてしまい、選択還元型触媒へ供給される還元剤が過少となる可能性がある。

また、還元剤添加弁をＥＧＲガスの取り出し部位より上流の排気通路に配置する構成において、還元剤添加弁から排気中へ還元剤を添加するときにＥＧＲ弁を閉弁する方法や、ＥＧＲ弁を閉弁するときに還元剤添加弁から還元剤を添加させる方法、などが考えられる。

しかしながら、上記した方法によれば、還元剤の添加時期が制限されたり、ＬＰＬ−ＥＧＲの作動時期が制限されたりするという問題がある。還元剤の添加時期が制限されると、選択還元型触媒で浄化されずに大気中へ排出される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の量が多くなる可能性がある。一方、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期が制限されると、内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の量が多くなる可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＰＬ−Ｅ
ＧＲシステムとＳＣＲシステムを備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の添加時期やＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期を制限することなく還元剤が吸気通路へ流入する事態を回避することができるとともに、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離を稼ぐことができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、
遠心過給器のタービンより下流の排気通路からコンプレッサより上流の吸気通路へ排気の一部を導くＥＧＲ通路を具備するＬＰＬ−ＥＧＲシステムと、
前記ＥＧＲ通路の接続部位より下流の排気通路に配置される選択還元型触媒と、
前記ＥＧＲ通路の接続部位より上流の排気通路に配置される還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁より上流の排気通路から前記ＥＧＲ通路に至るバイパス通路と、
前記バイパス通路と前記ＥＧＲ通路の接続部位に配置され、該接続部位より上流のＥＧＲ通路である第１位通路または該接続部位より下流のＥＧＲ通路である第２ＥＧＲ通路の何れか一方を前記バイパス通路と導通させる流路切換弁と、
を備えるようにした。

上記した内燃機関の排気浄化装置において、流路切換弁が第１ＥＧＲ通路とバイパス通路を導通させると、第２ＥＧＲ通路は遮断された状態になる。その結果、排気の一部がバイパス通路及び第１ＥＧＲ通路を経て選択還元型触媒へ流入し、残りの排気がバイパス通路の接続部位と選択還元型触媒との間に位置する排気通路（以下、「被バイパス部」と称する）を経て選択還元型触媒に流入する。

上記した経路が成立しているときに、還元剤添加弁から還元剤の添加が行われると、還元剤の全てが選択還元型触媒へ導かれることになる。したがって、排気通路から吸気通路へ排気の一部を導く必要がないときに、還元剤添加弁から還元剤が添加されても、還元剤の一部がＥＧＲ通路を介して吸気通路に導かれる事態を回避することができるとともに、全ての還元剤を選択還元型触媒へ流入させることができる。

また、流路切換弁が第２ＥＧＲ通路とバイパス通路を導通させると、第１ＥＧＲ通路は遮断された状態になる。その結果、排気の一部がバイパス通路及び第２ＥＧＲ通路を経て吸気通路に流入し、残りの排気が排気通路の被バイパス部を経て選択還元型触媒に流入する。

上記した経路が成立しているときに、還元剤添加弁から還元剤の添加が行われると、還元剤の全てが排気通路の被バイパス部を通って選択還元型触媒へ導かれることになる。したがって、排気通路から吸気通路へ排気の一部を導く必要があるときに、還元剤添加弁から還元剤が添加されても、還元剤の一部がＥＧＲ通路を介して吸気通路に導かれる事態を回避することができるとともに、全ての還元剤を選択還元型触媒へ流入させることができる。

このような内燃機関の排気浄化装置によれば、ＥＧＲ通路の接続部位より上流の排気通路に還元剤添加弁が配置される場合において、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期や還元剤の添加時期を制限することなく、還元剤の一部が吸気通路へ導かれる事態を回避することができる。その結果、選択還元型触媒へ供給される還元剤の量が過少になる事態を避けつつ、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離を稼ぐことができる。

本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、排気通路から吸気通路へ排気の一部を導入するときに、バイパス通路と第２ＥＧＲ通路が導通するように、流路切換弁を制御する制
御部を備えるようにしてもよい。

このような構成によれば、排気通路から吸気通路へ排気の一部が導入されているときに、還元剤添加弁から排気中へ還元剤が添加されても、還元剤が吸気通路へ流入する事態を回避することができる。すなわち、還元剤添加弁から排気中へ添加された還元剤の全てを選択還元型触媒へ流入させることができる。その結果、選択還元型触媒へ流入する還元剤が過少となる事態を回避することができる。

なお、制御部は、排気通路から吸気通路へ排気の一部を導入する必要がないとき（ＥＧＲガスの非利用時）は、バイパス通路と第１ＥＧＲ通路が導通するように、流路切換弁を制御すればよい。その場合、還元剤添加弁から添加された還元剤が第２ＥＧＲ通路へ流入することがないため、全ての還元剤を選択還元型触媒へ流入させることができる。さらに、排気通路の被バイパス部と第１ＥＧＲ通路との接続部分において、双方の通路を流れる排気が相互に合流するため、排気の流れに乱れが発生する。その結果、排気と還元剤との混合が促進される。

本発明によれば、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムとＳＣＲシステムを備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の添加時期やＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期を制限することなく還元剤がＥＧＲ通路へ流入する事態を回避することができるとともに、還元剤添加弁から選択還元型触媒までの距離を稼ぐことができる。

本発明を適用する内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。 ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの非作動時における流路切換弁の状態と排気の流れを示す図である。 ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時における流路切換弁の状態と排気の流れを示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関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、軽油を主燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）若しくはガソリンを主燃料とする火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。

内燃機関１には、吸気通路２が接続されている。吸気通路２は、大気中から取り込んだ新気（空気）を内燃機関１へ導くための通路である。吸気通路２の途中には、遠心過給機（ターボチャージャ）３のコンプレッサ３０が配置されている。コンプレッサ３０より上流の吸気通路２には、該吸気通路２の通路断面積を変更する吸気絞り弁４が配置されている。

また、内燃機関１には、排気通路５が接続されている。排気通路５は、内燃機関１の気筒内で燃焼されたガス（排気）を後述する排気浄化装置などに導くための通路である。排気通路５の途中には、ターボチャージャ３のタービン３１が配置されている。タービン３１より下流の排気通路５には、第１排気浄化装置６が配置されている。第１排気浄化装置６は、円筒状のケーシング内にパティキュレートフィルタや酸化触媒などを収容した装置である。

第１排気浄化装置６より下流の排気通路５には、第２排気浄化装置７が配置されている。第２排気浄化装置７は、円筒状のケーシング内に選択還元型触媒や酸化触媒などを収容した装置である。

第１排気浄化装置６より下流、且つ第２排気浄化装置７より上流の排気通路５には、還元剤添加弁９が取り付けられている。還元剤添加弁９は、アンモニア由来の還元剤を排気通路５内へ噴射する噴射弁である。ここで、アンモニア由来の還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができる。本実施例では、アンモニア由来の還元剤として、尿素水溶液を用いるものとする。

還元剤添加弁９から排気通路５内へ噴射された尿素水溶液は、排気とともに第２排気浄化装置７へ流入する。その際、尿素水溶液が排気の熱を受けて熱分解又は加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このようにして生成されたアンモニア（ＮＨ_３）は、第２排気浄化装置７の選択還元型触媒に吸着又は吸蔵される。選択還元型触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニア（ＮＨ_３）は、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）と反応して窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。つまり、アンモニア（ＮＨ_３）は、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元剤として機能する。

また、第１排気浄化装置６より下流、且つ第２排気浄化装置７より上流の排気通路５には、低圧ＥＧＲ通路８の基端が接続されている。低圧ＥＧＲ通路８の終端は、吸気絞り弁４より下流、且つコンプレッサ３０より上流の吸気通路２に接続されている。低圧ＥＧＲ通路８は、排気通路５から吸気通路２へ排気の一部（ＥＧＲガス）を導くための通路である。

低圧ＥＧＲ通路８の途中には、低圧ＥＧＲ弁８０とＥＧＲクーラ８１が配置されている。低圧ＥＧＲ弁８０は、低圧ＥＧＲ通路８の通路断面積を変更する弁機構であって、低圧ＥＧＲ通路８を流れるＥＧＲガス量を調整する弁機構である。ＥＧＲクーラ８１は、低圧ＥＧＲ通路８を流れるＥＧＲガスを冷却する機器であり、たとえばＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換を行わせる熱交換器である。なお、低圧ＥＧＲ通路８、低圧ＥＧＲ弁８０、及びＥＧＲクーラ８１は、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの構成要素である。

ところで、低圧ＥＧＲ通路８の接続部位より下流の排気通路５に還元剤添加弁９が配置されると、還元剤添加弁９から選択還元型触媒までの距離が短くなる可能性がある。還元剤添加弁９から選択還元型触媒までの距離が短くなると、還元剤添加弁９から噴射された尿素水溶液が熱分解又は加水分解される前に選択還元型触媒へ流入したり、アンモニア（ＮＨ_３）が排気と均質に混合する前に選択還元型触媒へ流入したりする可能性がある。それらの場合、選択還元型触媒の一部にアンモニア（ＮＨ_３）が密集してしまい、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化能力を十分に発揮させることができなくなる可能性がある。

一方、低圧ＥＧＲ通路８の接続部位より上流の排気通路５に還元剤添加弁９が配置されると、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期（低圧ＥＧＲ弁８０の開弁により排気通路５と吸気通路２が導通される時期）と尿素水溶液の添加時期（還元剤添加弁９が尿素水溶液を噴射する時期）とが重複した場合に、尿素水溶液の一部が排気通路５から低圧ＥＧＲ通路８を介して吸気通路２へ流入する可能性がある。その結果、低圧ＥＧＲ通路８、ＥＧＲクーラ８１、低圧ＥＧＲ弁８０などにアンモニア由来の固形物が付着或いは堆積したり、選択還元型触媒へ供給されるアンモニア（ＮＨ３）の量が過少となったりする虞がある。

これに対し、本実施例の内燃機関の排気浄化装置は、低圧ＥＧＲ通路８の接続部位より上流に還元剤添加弁９を配置することにより還元剤添加弁９から選択還元型触媒までの距
離を稼ぐとともに、還元剤添加弁９より上流の排気通路から還元剤添加弁９を迂回して低圧ＥＧＲ通路８に至るバイパス通路１０と該バイパス通路１０の導通先を切り換える流路切換弁１１とを設けることにより尿素水溶液が吸気通路２やＥＧＲクーラ８１等に流入しないようにした。

詳細には、流路切換弁１１は、バイパス通路１０と低圧ＥＧＲ通路８との接続部位に設けられ、バイパス通路１０の接続部位より上流の低圧ＥＧＲ通路８（以下、「第１ＥＧＲ通路８ａ」と称する）又はバイパス通路１０の接続部位より下流の低圧ＥＧＲ通路８（以下、「第２ＥＧＲ通路８ｂ」と称する）の何れか一方をバイパス通路１０と導通させる三方切換弁である。

なお、前記した流路切換弁１１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２により電気的に制御されるようになっている。ＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転状態（燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期など）の制御に加え、前記した吸気絞り弁４、低圧ＥＧＲ弁８０、還元剤添加弁９を電気的に制御するものである。

以下、ＥＣＵ１２による流路切換弁１１の制御手順について述べる。先ず、内燃機関１の運転条件がＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動領域に属さない場合は、ＥＣＵ１２は、第１ＥＧＲ通路８ａがバイパス通路１０と導通するように流路切換弁１１を制御する。その場合、図２に示すように、バイパス通路１０と第１ＥＧＲ通路８ａが導通状態になると同時に、第２ＥＧＲ通路８ｂが遮断される。その結果、図２中の一点鎖線の矢印が示すように、第１排気浄化装置６から流出した排気の一部はバイパス通路１０及び第１ＥＧＲ通路８ａを経て第２排気浄化装置７へ流入し、残りの排気はバイパス通路１０の接続部位と低圧ＥＧＲ通路８の接続部位との間の排気通路（被バイパス部）５０を通って第２排気浄化装置７に流入する。

図２に示すような経路が成立しているときは、排気通路５と吸気通路２が非導通状態になるため、排気通路５から吸気通路２へＥＧＲガスが流れることはない。よって、図２に示すような経路が成立しているときに、還元剤添加弁９から尿素水溶液が噴射されても、尿素水溶液が吸気通路２へ流れ込まなくなる。その結果、尿素水溶液の全てが選択還元型触媒へ流入するようになる。さらに、低圧ＥＧＲ通路８と排気通路５との接続部位において排気が合流した際に、排気の流れに乱れが生じるため、尿素水溶液（又はアンモニア（ＮＨ_３））と排気との混合が促進される。なお、バイパス通路１０がＥＧＲクーラ８１より上流の低圧ＥＧＲ通路８に接続されれば、低圧ＥＧＲ弁８０やＥＧＲクーラ８１にアンモニア由来の固形物が付着又は堆積する事態を回避することもできる。

次に、内燃機関１の運転条件がＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動領域に属する場合は、ＥＣＵ１２は、第２ＥＧＲ通路８ｂがバイパス通路１０と導通するように流路切換弁１１を制御する。その場合、図３に示すように、バイパス通路１０と第２ＥＧＲ通路８ｂが導通状態になると同時に、第１ＥＧＲ通路８ａが遮断される。その結果、図３中の一点鎖線の矢印が示すように、第１排気浄化装置６から流出した排気の一部はバイパス通路１０及び第２ＥＧＲ通路８ｂを経て吸気通路２へ導かれ、残りの排気は排気通路５の被バイパス部５０を通って第２排気浄化装置７に流入する。

図３に示すような経路が成立しているときは、還元剤添加弁９より上流の排気通路５からＥＧＲガスが取り出されるため、還元剤添加弁９が配置された部位を通過した排気がＥＧＲガスとして取り出されることがない。よって、図３に示すような経路が成立しているときに、還元剤添加弁９から尿素水溶液が噴射されても、尿素水溶液が吸気通路２へ流れ込まなくなる。その結果、尿素水溶液の全てが選択還元型触媒へ流入するようになる。

以上述べた実施例によれば、低圧ＥＧＲ通路８の接続部位より上流の排気通路５に還元剤添加弁９が配置された場合に、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムの作動時期と尿素水溶液の点火時期とが重複しても、還元剤添加弁９から噴射された尿素水溶液の一部が低圧ＥＧＲ通路８を介して吸気通路２に流れこむ事態を回避することができる。その結果、還元剤添加弁９から選択還元型触媒までの距離を稼ぎつつ、還元剤添加弁９から噴射された尿素水溶液の全てを選択還元型触媒へ流入させることができる。

なお、本実施例では、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムを備えた内燃機関を例に挙げたが、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムに加え、タービン３１より上流の排気通路５からコンプレッサ３０より下流の吸気通路２へ排気の一部を導くＨＰＬ−ＥＧＲシステムを備えた内燃機関にも適用することができる。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ ターボチャージャ
４ 吸気絞り弁
５ 排気通路
６ 第１排気浄化装置
７ 第２排気浄化装置
８ 低圧ＥＧＲ通路
８ａ 第１ＥＧＲ通路
８ｂ 第２ＥＧＲ通路
９ 還元剤添加弁
１０ バイパス通路
１１ 流路切換弁
３０ コンプレッサ
３１ タービン
５０ 被バイパス部
８０ 低圧ＥＧＲ弁
８１ ＥＧＲクーラ

Claims (2)

1. 遠心過給器のタービンより下流の排気通路からコンプレッサより上流の吸気通路へ排気の一部を導くＥＧＲ通路を具備するＬＰＬ−ＥＧＲシステムと、
   前記ＥＧＲ通路の接続部位より下流の排気通路に配置される選択還元型触媒と、
   前記ＥＧＲ通路の接続部位より上流の排気通路に配置される還元剤添加弁と、
   前記還元剤添加弁より上流の排気通路から前記ＥＧＲ通路に至るバイパス通路と、
   前記バイパス通路と前記ＥＧＲ通路の接続部位に配置され、該接続部位より上流のＥＧＲ通路である第１ＥＧＲ通路または該接続部位より下流のＥＧＲ通路である第２ＥＧＲ通路の何れか一方を前記バイパス通路と導通させる流路切換弁と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記ＬＰＬ−ＥＧＲシステムにより排気通路から吸気通路へ排気の一部を導く場合に、前記第２ＥＧＲ通路と前記バイパス通路が導通するように、前記流路を制御する制御部をさらに備える内燃機関の排気浄化装置。

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