JP2016217297A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路を設けた構成において、高温の排気をバイパス通路に流した際に、排気の脈動に起因して排気浄化触媒に流れ込む排気によって該排気浄化触媒の一方の端部近傍部分が昇温されることを抑制することを目的とする。【解決手段】排気通路１におけるバイパス通路４の上流側端部との接続部から排気浄化触媒２までの間、または、排気通路１におけるバイパス通路４の下流側端部との接続部から排気浄化触媒２までの間のいずれか一方に設けられ、バイパス通路４に排気を流す際に排気通路１を遮断する制御弁５が設けられた構成において、排気浄化触媒２と制御弁５との間の排気通路１における、排気浄化触媒２までの距離よりも制御弁５までの距離の方が短い所定の位置にメッシュ部材６を設ける。【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。

内燃機関の排気通路には、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称する）や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒と称する）等の排気浄化触媒が設けられている。従来、この排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路を排気通路に設ける技術が知られている。バイパス通路は、排気通路において、その一端が排気浄化触媒よりも上流側に接続され、その他端が排気浄化触媒よりも下流側に接続される。そして、排気浄化触媒に排気が流れることを制限すべき条件が成立したときは、該排気浄化触媒が設けられている排気通路を制御弁によって遮断し、排気がバイパス通路を流れるように排気の流路を制御する。

例えば、特許文献１に開示された構成では、内燃機関の排気通路にＤＰＦとＳＣＲ触媒とが上流側から順に設けられている。また、ＳＣＲ触媒をバイパスするバイパス通路が排気通路に設けられている。このバイパス通路は、その上流側端部がＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の排気通路に接続されており、その下流側端部がＳＣＲ触媒よりも下流側の排気通路に接続されている。また、バイパス通路の上流側端部と排気通路との接続部分にはバタフライバルブが設けられている。そして、特許文献１に記載の技術においては、ＤＰＦの再生処理が行われるときに、ＳＣＲ触媒が設けられている排気通路をバタフライバルブによって遮断し、バイパス通路に排気を流す。

また、特許文献２には、内燃機関の排気通路に、その一端が排気浄化触媒よりも上流側の排気通路に接続され、その他端が閉じた導波管を設けた構成が開示されている。この導波管内には衝撃波を熱エネルギに変換する緩衝材が設置されている。

特開２０１０−１５０９７８号公報 特開２０００−２８２８４６号公報

上記のように、排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路に排気を流すべく、該排気浄化触媒が設けられている排気通路を制御弁によって遮断する場合、該排気浄化触媒よりも上流側または下流側のいずれか一方を制御弁によって遮断するのが一般的である。しかしながら、排気通路を流れる排気は脈動しているため、排気浄化触媒よりも上流側または下流側のいずれか一方の排気通路を遮断しても、遮断されていない他方の排気通路を通って、ある程度の流量の排気が排気浄化触媒に流れ込むことになる。そして、流れ込む排気が高温の場合、該排気によって排気浄化触媒が昇温されることになる。

ただし、このときに排気浄化触媒に流れ込む排気の流量は比較的少ない。そのため、排気浄化触媒の全体は昇温されず、該排気浄化触媒における排気が流れ込んだ側の端部近傍部分の温度が上昇することになる。その結果、排気浄化触媒における一方の端部近傍部分の劣化が促進される虞がある。また、排気浄化触媒内において温度差が生じることになるため、熱ひずみが発生する虞もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気通路に排気浄化触
媒をバイパスするバイパス通路を設けた構成において、高温の排気をバイパス通路に流した際に、排気の脈動に起因して排気浄化触媒に流れ込む排気によって該排気浄化触媒の一方の端部近傍部分が昇温されることを抑制することを目的とする。

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排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路にその上流側端部が接続され、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路にその下流側端部が接続され、前記排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路と、前記排気通路における前記バイパス通路の上流側端部との接続部から前記排気浄化触媒までの間、または、前記排気通路における前記バイパス通路の下流側端部との接続部から前記排気浄化触媒までの間のいずれか一方に設けられ、前記バイパス通路に排気を流す際に前記排気通路を遮断する制御弁と、前記排気浄化触媒と前記制御弁との間の前記排気通路における、前記排気浄化触媒までの距離よりも前記制御弁までの距離の方が短い所定の位置に設けられたメッシュ部材と、を備える。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路を設けた構成において、高温の排気をバイパス通路に流した際に、排気の脈動に起因して排気浄化触媒に流れ込む排気によって該排気浄化触媒の一方の端部近傍部分が昇温されることを抑制することができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す第一の図である。 主流通路を流れる排気が脈動しているときの、該主流通路に一端が接続され且つ他端が閉塞している分岐通路における圧力波形を示す図である。 触媒通路にメッシュ部材が設置されていない場合と設置されている場合とにおける、該触媒通路での温度分布の相違を示す図である。 実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す第二の図である。

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。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは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、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。なお、図１において、白抜き矢印は排気の流れ方向を表している。本実施例においては、内燃機関の排気通路１にＳＣＲ触媒２および尿素水添加弁３が設けられている。ＳＣＲ触媒２は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する触媒である。尿素水添加弁３は、ＳＣＲ触媒２より上流側に設けられており、排気中に尿素水を添加する。排気中に添加された尿素が加水分解することで、還元剤となるアンモニアが生成される。

また、排気通路１には、尿素水添加弁３およびＳＣＲ触媒２をバイパスするバイパス通路４が設けられている。バイパス通路４の上流側端部は尿素水添加弁３よりも上流側の排気通路１に接続されており、バイパス通路４の下流側端部はＳＣＲ触媒２よりも下流側の排気通路１に接続されている。以下、バイパス通路４の上流側端部の接続部からバイパス通路４の下流側端部の接続部まで間の排気通路１を触媒通路１ａと称する場合もある。

バイパス通路４の下流側端部と排気通路１との接続部には三方弁５が設けられている。三方弁５によってバイパス通路４が遮断されると、触媒通路１ａと、該三方弁５より下流側の排気通路１とが連通する。これによって、排気が触媒通路１ａを通って流れるように
なる。この場合、ＳＣＲ触媒２によって排気が浄化される（即ち、排気中のＮＯｘがＳＣＲ触媒２によって還元される。）。一方、三方弁５によって触媒通路１ａが遮断されると、バイパス通路４と、該三方弁５より下流側の排気通路１とが連通する。これによって、排気がバイパス通路４を通って流れるようになる。三方弁５は内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ：図示略）に電気的に接続されている。三方弁５がＥＣＵによって制御されることで、排気の流路が切り換えられる。

また、触媒通路１ａにおけるＳＣＲ触媒２と三方弁５との間にはメッシュ部材６が設けられている。このメッシュ部材６は、触媒通路１ａにおける、ＳＣＲ触媒２までの距離よりも三方弁５までの距離の方が短い所定の位置に設けられている。このメッシュ部材６は、ＳＵＳ等の金属で形成されたメッシュ状の部材である。

なお、本実施例においては、ＳＣＲ触媒２が、本発明に係る排気浄化触媒に相当する。ただし、本発明に係る排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒に限られるものではなく、例えばＮＳＲ触媒であってもよい。また、本実施例においては、三方弁５が、本発明に係る制御弁に相当する。ただし、本発明に係る制御弁は、三方弁に限られるものではなく、バイパス通路４を開通させる際に触媒通路１ａを遮断することが可能な構成のものであればよい。

本実施例においては、排気温度が、ＳＣＲ触媒２がＮＯｘ還元能力を十分に発揮できない程度まで高温となる場合（例えば、内燃機関の運転状態が全負荷運転状態である場合）、三方弁５によって触媒通路１ａを遮断し、バイパス通路４に排気を流す。これによって、ＳＣＲ触媒２における高温の排気の流通が抑制される。そのため、高温の排気が触媒通路１ａを流れる場合に比べてＳＣＲ触媒２の劣化を抑制することができる。

しかしながら、排気通路１を流れる排気は脈動している。そのため、三方弁５によって触媒通路１ａの下流側端部が遮断された状態でも、遮断されていない触媒通路１ａの上流側端部を通って、ある程度の流量の排気がＳＣＲ触媒２に流れ込むことになる。そして、この流れ込んだ高温の排気によってＳＣＲ触媒２が昇温されることになる。ただし、このときに、排気の脈動に起因してＳＣＲ触媒２に流れ込む排気の流量は比較的少ない。そのため、ＳＣＲ触媒２の全体は昇温されず、ＳＣＲ触媒２における排気が流れ込む側の端部近傍部分、すなわちＳＣＲ触媒２における上流側の端部近傍部分の温度が上昇することになる。その結果、ＳＣＲ触媒２における上流側の端部近傍部分の劣化が促進される虞がある。また、ＳＣＲ触媒２内において、上流側の端部近傍部分とその他の部分との間で温度差が生じることになるため、熱ひずみが発生する虞もある。そこで、本実施例においては、脈動に起因して流れ込む排気によるＳＣＲ触媒２の上流側の端部近傍部分の昇温を抑制するために、触媒通路１ａにメッシュ部材６が設けられている。

図２は、主流通路を流れる排気が脈動しているときの、該主流通路に一端が接続され且つ他端が閉塞している分岐通路における圧力波形を示す図である。図２においては、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ）の順に、分岐通路において、主流通路との接続部からの距離がより長い位置での圧力波形を示している。図２に示す分岐通路のように端部が閉塞している通路においては、閉端で圧力波が固定端反射する。そのため、閉端部近傍では入射波と反射波とが同位相となる。したがって、図２に示すように、圧力波の振幅は閉端に近い位置ほど大きくなる（振幅が、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ）の順に大きくなる。）。

本実施例において、三方弁５によって触媒通路１ａの下流側端部を遮断した場合、触媒通路１ａは、図２に示す分岐通路と同様、端部が閉塞した通路となる。そのため、三方弁５によって触媒通路１ａの下流側端部を遮断した状態では、該触媒通路１ａにおける排気の脈動に起因する圧力波の振幅は、下流側端部に近い位置（すなわち、三方弁５に近い位
置）ほど大きくなる。

そして、本実施例では、触媒通路１ａにおける、ＳＣＲ触媒２と下流側端部との間（ＳＣＲ触媒２と三方弁５との間）であって、ＳＣＲ触媒２までの距離よりも三方弁５までの距離の方が短い所定の位置にメッシュ部材６が設けられている。つまり、触媒通路１ａにおいて、排気の脈動に起因する圧力波の振幅が相対的に大きい位置にメッシュ部材６が設けられている。このような位置に設けられたメッシュ部材６は排気の脈動に起因して振動する。これにより、触媒通路１ａに流入した排気が有するエネルギの一部がメッシュ部材６の振動に変換される。そのため、触媒通路１ａに流入した排気における、ＳＣＲ触媒２の上流側の端部近傍部分の昇温に消費される分のエネルギが減少する。その結果、脈動に起因して流れ込む排気によるＳＣＲ触媒２の上流側の端部近傍部分の昇温が抑制されることになる。

図３は、触媒通路にメッシュ部材が設置されていない場合と設置されている場合とにおける、該触媒通路での温度分布の相違を示す図である。図３において、横軸は、触媒通路１ａでの位置を表している。ここで、Ｐ１はＳＣＲ触媒２の上流側端部の位置を表している。Ｐ２はメッシュ部材６の位置を表している。また、図３において、縦軸は温度を表している。そして、図３において、白丸は触媒通路１ａにメッシュ部材６が設置されていない場合の温度を示しており、黒丸は触媒通路１ａにメッシュ部材６を設置されている場合の温度を示している。

図３に示すように、触媒通路１ａにメッシュ部材６が設置されている場合、該触媒通路１ａにメッシュ部材６が設置されていない場合に比べて、メッシュ部材６が設置されている部分の温度（Ｐ２の温度）が高くなる。これは、メッシュ部材６が排気の脈動に起因して振動することで熱が発生するためである。一方で、ＳＣＲ触媒２の上流側端部の温度（Ｐ１の温度）は、触媒通路１ａにメッシュ部材６が設置されている場合、該触媒通路１ａにメッシュ部材６が設置されていない場合に比べて低くなる。

このように、本実施例においては、高温の排気をバイパス通路４に流した際に、排気の脈動に起因してＳＣＲ触媒２に流れ込む排気によって該ＳＣＲ触媒２の上流側の端部近傍部分が昇温されることを抑制することができる。そのため、ＳＣＲ触媒２における上流側の端部近傍部分の劣化を抑制することができる。また、ＳＣＲ触媒２における熱ひずみの発生を抑制することができる。

なお、触媒通路１ａにおける閉端により近い位置、すなわち三方弁５により近い位置にメッシュ部材６を設置ほど、排気が有するエネルギのうちメッシュ部材６の振動に変換されるエネルギの量がより多くなる。そのため、可及的に三方弁５に近い位置にメッシュ部材６を設置することで、ＳＣＲ触媒２の上流側の端部近傍部分の昇温をより抑制することが可能となる。

また、図４に示すように、バイパス通路４の上流側端部と排気通路１との接続部に三方弁５が設けられる場合もある。この場合、バイパス通路４に排気を流す場合、触媒通路１ａの上流側端部が三方弁５によって遮断されることになる。このような場合でも、排気の脈動に起因して、遮断されていない触媒通路１ａの下流側端部を通ってＳＣＲ触媒２に排気が流れ込むことになる。そこで、このような場合も、図４に示すように、触媒通路１ａにおけるＳＣＲ触媒２と三方弁５との間（ＳＣＲ触媒２と触媒通路１ａの上流側端部との間）にメッシュ部材６を設けてもよい。これにより、高温の排気をバイパス通路４に流した際に、排気の脈動に起因してＳＣＲ触媒２に流れ込む排気によって該ＳＣＲ触媒２の下流側の端部近傍部分が昇温されることを抑制することができる。

１・・・排気通路
１ａ・・触媒通路
２・・・ＳＣＲ触媒
３・・・尿素水添加弁
４・・・バイパス通路
５・・・制御弁
６・・・メッシュ部材

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路にその上流側端部が接続され、前記排気浄化触媒よりも下流側の前記排気通路にその下流側端部が接続され、前記排気浄化触媒をバイパスするバイパス通路と、
   前記排気通路における前記バイパス通路の上流側端部との接続部から前記排気浄化触媒までの間、または、前記排気通路における前記バイパス通路の下流側端部との接続部から前記排気浄化触媒までの間のいずれか一方に設けられ、前記バイパス通路に排気を流す際に前記排気通路を遮断する制御弁と、
   前記排気浄化触媒と前記制御弁との間の前記排気通路における、前記排気浄化触媒までの距離よりも前記制御弁までの距離の方が短い所定の位置に設けられたメッシュ部材と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置。

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