JP2020190232A

JP2020190232A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP2020190232A
Application number: JP2019096222A
Authority: JP
Inventors: 直也石川; Naoya Ishikawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-11-26

Abstract

【課題】フィルタの強制再生昇温制御を行うことができるとともにＮＯｘ浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気浄化システムを提供する。【解決手段】エンジン２の排気Ｇが通過する排気通路３にフィルタ７、選択還元型触媒装置８を配置して構成される内燃機関の排気浄化システム１において、フィルタ７及び選択還元型触媒装置８より上流側の排気通路３の少なくとも一部で排気Ｇの流れを、尿素水噴射装置１０が配置される第１排気通路５ａを通過する流れと、上流側より順に燃料噴射装置１１、酸化触媒装置１２が配置される第２排気通路５ｂを通過する流れに分流させる構成とした。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気通路に配置された酸化触媒をバイパスするバイパス通路にＮＯｘ還元剤を供給する還元剤供給手段を設けるとともに、排気通路とバイパス通路の分岐部に切換弁を設けて、排気の温度に応じて切換弁を制御して排気の酸化触媒側への流通とバイパス通路側への流通とを切り換える内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置では、排気通路とバイパス通路の合流部より下流側の排気通路にＮＯｘ触媒が担持されたパティキュレートフィルタ（フィルタ）が配置されている。

特開２００３−１３７３０号公報

特許文献１の排気浄化装置では、排気の温度が所定温度（特許文献１では３５０℃）未満である場合には排気が酸化触媒側に流通しているため、排気にＮＯｘ還元剤が供給されず、ＮＯｘ触媒による排気のＮＯｘ浄化性能が悪化する。

一方で、フィルタに高温（６００℃〜７００℃程度）の排気を供給して、フィルタの内部に捕集した微粒子状物質を燃焼除去する制御（強制再生昇温制御）を定期的に行っている。この高温の排気は、例えば、内燃機関の各気筒に配置された燃料噴射弁よりポスト噴射された燃料を酸化触媒に供給して発熱させることで得られる。しかしながら、特許文献１の排気浄化装置では、排気の温度が所定温度以上である場合には排気が酸化触媒側を通過しないため、フィルタに高温の排気を供給できず、強制再生昇温制御を行うことができない。

本開示の目的は、フィルタの強制再生昇温制御を行うことができるとともにＮＯｘ浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気が通過する排気通路にフィルタ、選択還元型触媒装置を配置して構成される内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記フィルタ及び前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路の少なくとも一部で排気の流れを、尿素水噴射装置が配置される第１排気通路を通過する流れと、上流側より順に燃料噴射装置、酸化触媒装置が配置される第２排気通路を通過する流れに分流させる構成としたことを特徴とする。

本開示によれば、フィルタの強制再生昇温制御を行うことができるとともにＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

第１実施形態の内燃機関の排気浄化システムの構成を例示する図である。第２実施形態の内燃機関の排気浄化システムの構成を例示する図である。

以下、本開示の実施形態の内燃機関の排気浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に例示するように、第１実施形態の内燃機関の排気浄化システム１は、エンジン（内燃機関）２の排気通路３に排気後処理装置６を配置して構成される。排気通路３は、エンジン２の各気筒２ａの内部で燃料を新気と混合圧縮して燃焼させた後の排気Ｇを大気に向かって排出するための通路である。排気通路３は、エンジン２の各気筒２ａからその内部に排気Ｇが排出される排気マニホールド４と、排気マニホールド４に連通する排気管５とで構成される。第１実施形態では、排気後処理装置６は排気管５に配置される。

排気後処理装置６はその筐体の内部にフィルタ７、選択還元型触媒装置８、アンモニアスリップ触媒装置９を配置して構成される。フィルタ７は、その内部に排気Ｇに含まれる微粒子状物質（PM:Particulate Matter）を捕集する。選択還元型触媒装置８は、その内部で排気Ｇに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアで還元して浄化処理する。後述する尿素水噴射装置１０より噴射される尿素水Ｕが排気Ｇの熱量により加水分解することで生成されたアンモニアが選択還元型触媒装置８に供給される。アンモニアスリップ触媒装置９は選択還元型触媒装置８より流出した（スリップした）アンモニアを窒素（Ｎ₂）に浄化処理する。アンモニアスリップ触媒装置９の構造は後述する酸化触媒装置１２と同じである。

なお、排気後処理装置６は、排気Ｇに含まれる微粒子状物質の捕集機能とＮＯｘ浄化機能を少なくとも有していればよく、その内部に配置する装置の構成は本実施形態の構成（フィルタ７、選択還元型触媒装置８、アンモニアスリップ触媒装置９）に限定されない。例えば、排気後処理装置６内にフィルタ７及び選択還元型触媒装置８を配置する代わりに、選択還元型触媒を担持させたフィルタを配置してもよい。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、フィルタ７及び選択還元型触媒装置８より上流側の排気通路３の少なくとも一部で排気Ｇの流れを、第１排気通路５ａを通過する流れ（第１排気Ｇ１の流れ）と第２排気通路５ｂを通過する流れ（第２排気Ｇ２の流れ）に分流させる構成とする。第１実施形態では、フィルタ７及び選択還元型触媒装置８より上流側の排気管５の一部を第１排気通路５ａと第２排気通路５ｂとに分岐させている。

第１排気通路５ａの配管径は、第１排気Ｇ１の流量が尿素水Ｕを第１排気Ｇ１に均一に混入可能な程度の流量以上となるように設定される。第２排気通路５ｂの配管径は、第２排気Ｇ２の流量が燃料Ｆを第２排気Ｇ２に均一に混入可能な程度の流量以上となるように設定される。

第１排気通路５ａには、尿素水噴射装置１０が配置される。尿素水噴射装置１０は、第１排気通路５ａの内部に尿素水Ｕを噴射する。第２排気通路５ｂには、第２排気Ｇ２の流れに関して上流側より順に燃料噴射装置１１、酸化触媒装置１２が配置される。燃料噴射装置１１は、第２排気通路５ｂの内部に燃料Ｆを噴射する。酸化触媒装置１２は、その内部で燃料噴射装置１１より噴射された燃料Ｆに含まれる炭化水素を酸化してこの酸化時の発熱反応により第２排気Ｇ２を昇温させる。

第１実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、第１排気通路５ａと第２排気通路５ｂの分岐部より上流側の排気管５にターボ式過給システム１３のタービン１３ａが配置されている。ターボ式過給システム１３は、エンジン２の吸気管１４に配置されたコンプレッサ１３ｂとタービン１３ａとが連結されて、排気Ｇのエネルギーによるタービン１３ａの回転駆動力によりコンプレッサ１３ｂを回転駆動させて、吸気管１４を通過する吸気Ａを圧縮するシステムである。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、この排気浄化システム１を制御する制御装置１５が備わる。制御装置１５は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置１５は、エンジン２の運転状態に基づいて、尿素水噴射装置１０の噴射量や燃料噴射装置１１の噴射量を調整制御する。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、尿素水噴射装置１０と燃料噴射装置１１及び酸化触媒装置１２とが並列に配置された構成となっている。

この構成によれば、尿素水噴射装置１０を酸化触媒装置１２より下流側に配置する必要がなく、尿素水噴射装置１０をエンジン２により近い位置に配置することが可能となるので、尿素水Ｕからアンモニアへの遷移を促進することができる。また、生成されたアンモニアが酸化触媒装置を通過しないのでアンモニアから窒素酸化物が生成されない。

したがって、酸化触媒装置１２による排気Ｇに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への遷移を促進しつつ、選択還元型触媒装置８へのアンモニアの供給効率を向上させることができる。その結果、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。なお、選択還元型触媒装置８では、排気Ｇに含まれる窒素酸化物における一酸化窒素と二酸化窒素の割合が１：１に近いほどＮＯｘ浄化性能が向上する。

第２実施形態の内燃機関の排気浄化システム１について図２を参照しながら説明する。第２実施形態は、排気通路３を、２つの排気マニホールド４ａ、４ｂと、２つの排気マニホールド４ａ、４ｂの各々にそれぞれ連通する２つの排気管５で構成する点で第１実施形態と異なり、その他の点で同じ構成である。２つの排気管５は、第１排気通路５ａである第１排気管と、第２排気通路５ｂであり、排気Ｇの流れに関して燃料噴射装置１１より上流側にタービン１３ａが配置される第２排気管で構成される。

第２実施形態の内燃機関の排気浄化システム１は、２つの排気マニホールド４ａ、４ｂ及び２つの排気管５ａ、５ｂにより、排気Ｇを尿素水Ｕの混合用の第１排気Ｇ１とタービン１３ａの回転駆動用の第２排気Ｇ２とに分流する構成である。第１排気Ｇ１は、エンジン２に備わるＮ個（図２では４個）の気筒２ａの内、Ｎ１（≧１）個（図２では１個）分の気筒２ａから排出される排気である。第２排気Ｇ２は、Ｎ−Ｎ１（≧１）個（図２では３個）分の気筒２ａから排出される排気である。尿素水Ｕを排気に混合させるために必要な排気量はタービン１３ａを回転駆動するために必要な排気量より少ないため、第１排気Ｇ１側の気筒数Ｎ１は第２排気Ｇ２側の気筒数Ｎ−Ｎ１より小さくすることが好ましい。

このようにすることで、ターボ式過給システム１３の過給効率を維持しつつ、尿素水噴射装置１０をより高温となる排気マニホールド４ａに近づけることができるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

なお、第２実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、排気マニホールド４を２つに分けることなく、１つの排気マニホールド４に２つの排気管５を接続する構成としてもよい。

１つの排気マニホールド４に２つの排気管５を接続する構成では、１つ分の排気マニホールド４の製作に要するコストを低減することができる。また、さらに、尿素水噴射装置１０より上流側の第１排気通路５ａに開閉弁を配置して、制御装置１５がこの開閉弁の開状態をエンジン２の運転状態に基づいて制御することで、タービン１３ａに流通する流量をより適切な流量に設定することができる。

一方、２つの排気マニホールド４ａ、４ｂの各々に２つの排気管５をそれぞれ連通させる構成では、第１排気Ｇ１及び第２排気Ｇ２の各流量を比較的容易に調整することが可能となる。

また、尿素水噴射装置１０の前段の第１排気通路５ａに、酸化触媒装置１２より小型の第２酸化触媒装置を配置してもよい。このように構成すると、第２排気Ｇ２に含まれる一酸化窒素の二酸化窒素への遷移を酸化触媒装置１２により促進するとともに、第１排気Ｇ１に含まれる一酸化窒素の二酸化窒素への遷移を第２酸化触媒装置により促進することができる。そのため、選択還元型触媒装置８に流入する排気Ｇに含まれるＮＯｘに関して一酸化窒素と二酸化窒素の比率を１：１に近づけることが容易になる。この比率が１：１の場合、選択還元型触媒装置８のＮＯｘ浄化性能が最大となるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

なお、第２酸化触媒装置の大きさは、この装置を第１排気通路５ａに配置しても尿素水噴射装置１０をエンジン２に近い位置に配置することに支障がない程度に酸化触媒装置１２より小型に構成される。

以上をまとめると、本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１によれば、フィルタ７の強制再生昇温制御を行うことができるとともにＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

１内燃機関の排気浄化システム
２エンジン（内燃機関）
２ａ気筒
３排気通路
４排気マニホールド
４ａ第１排気マニホールド
４ｂ第２排気マニホールド
５排気管
５ａ第１排気通路、第１排気管
５ｂ第２排気通路、第２排気管
６排気後処理装置
７フィルタ
８選択還元型触媒装置
９アンモニアスリップ触媒装置
１０尿素水噴射装置
１１燃料噴射装置
１２酸化触媒装置
１３ターボ式過給システム
１３ａタービン
１３ｂコンプレッサ
１４吸気管
１５制御装置

Claims

内燃機関の排気が通過する排気通路にフィルタ、選択還元型触媒装置を配置して構成される内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記フィルタ及び前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路の少なくとも一部で排気の流れを、尿素水噴射装置が配置される第１排気通路を通過する流れと、上流側より順に燃料噴射装置、酸化触媒装置が配置される第２排気通路を通過する流れに分流させる構成としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記内燃機関にターボ式過給システムを備えるとともに、前記排気通路を、前記内燃機関の各気筒からその内部に排気が排出される排気マニホールドと、前記排気マニホールドに連通する２つの排気管とで構成し、
前記２つの排気管が、前記第１排気通路である第１排気管と、前記第２排気通路であり、排気の流れに関して前記燃料噴射装置より上流側に前記ターボ式過給システムのタービンが配置される第２排気管とで構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。