JP3788500B2

JP3788500B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3788500B2
Application number: JP2001175827A
Authority: JP
Inventors: 徳昭小野
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-06-11
Also published as: JP2002364353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵型触媒を用いた排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の排ガス浄化装置に関する従来技術としては、例えば特許第２７２２９８２号公報に掲載された排気浄化装置が挙げられる。この公知の浄化装置は内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵型触媒と、触媒への排ガスの流入を部分的に遮断して、代わりに還元剤を供給する還元剤導入手段とを備えている。ＮＯｘ吸蔵型触媒は排ガスの空燃比がリーンのときは排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、一方、排ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出する。このとき還元剤導入手段は触媒への排ガス流入の遮断および還元剤の供給を一時に一部ずつ行うことにより、触媒の全体について順次ＮＯｘの放出と還元浄化とを行わせるものとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
公知の浄化装置は触媒からＮＯｘを放出する際、エンジンの外部から還元剤を供給する必要がある。このため還元剤の供給設備を別途設ける必要があり、装置の構造が複雑化する。また還元剤を消費してしまうと、その後にＮＯｘの放出ができなくなるため、その機能を維持するためには還元剤の残量を確認して適宜これを補給しなければならないという問題がある。
【０００４】
この点、エンジン外部から還元剤を供給することなく、エンジンの運転制御によって触媒からのＮＯｘの放出を行う技術が知られている。具体的には、瞬間的にエンジンの過濃空燃比運転を行って未燃ＨＣやＣＯを排ガス中に発生させ、これらＨＣ，ＣＯを用いて触媒からのＮＯｘの放出およびその還元浄化を行うものである。
【０００５】
しかしながら、上述した公知技術ではＮＯｘの放出・還元時に瞬間的にエンジンが希薄燃焼状態から過濃燃焼状態に移行するため、そのままでは急激なトルクショックが発生してしまう。このためトルクショックの対策としてＥＧＲ制御や吸気絞り制御、その他の制御を複雑に組み合わせてトルクショックを緩和する必要があり、そのための制御システムの確立に多大なコストを要する。
【０００６】
そこで本発明は、外部設備を設けることなくＮＯｘの放出を可能とし、またＮＯｘ放出時に複雑な制御を要しない排ガス浄化装置の提供を課題としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の排ガス浄化装置（請求項１）は以下の構成により実現される。
排ガス浄化装置の排気系は所定の気筒からの排ガスを単独の排気通路に排気させ、他の気筒からの排ガスを集合した排気通路に排気させる。ＮＯｘ吸蔵型触媒は排気系に接続される導入口を有しており、導入口から軸線方向に排ガスを流通可能に成型されている。また、ＮＯｘ吸蔵型触媒への排ガスの導入口は排ガス分配手段により２つの領域に区画されており、単独の排気通路からの排ガスと集合した排気通路からの排ガスとはそれぞれ別々の領域に気密に配分されてＮＯｘ吸蔵型触媒に導入される。そして、ＮＯｘ吸蔵型触媒は駆動手段によりその軸線周りに回転され、これにより区画された各領域に対して導入口が相対的に変位される。また内燃機関は、燃料の同一噴射サイクルにおいて、単独の排気通路を有する所定の気筒のみ主噴射後に更にポスト噴射を行うことにより、所定の気筒においては噴射サイクル毎にストイキ燃焼状態またはそれ以上に燃料量の割合が高いリッチ燃焼状態にする燃焼制御手段により制御される。
【０００８】
本発明の排ガス浄化装置によれば、その燃焼制御により所定の気筒からの排ガスはストイキ空燃比またはそれ以上のリッチ空燃比となり、この排ガスは単独の排気通路により他の気筒から独立して排気される。さらにこの排ガスは、ＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口にて区画された一方の領域から導入され、この領域に連なる部分だけを流通する。したがって、ＮＯｘ吸蔵型触媒に所定の気筒からの排ガスだけが流通する部分では、ＮＯｘの放出および還元が行われる。これに対し、その他の気筒からの排ガスは、他方の領域からＮＯｘ吸蔵型触媒に導入され、この領域に連なる部分では通常どおりＮＯｘの吸蔵が行われる。このときＮＯｘ吸蔵型触媒が軸線周りに回転されていると、リッチ空燃比の排ガスが導入される部分は順次軸線周りにずれていく。したがって、ＮＯｘ吸蔵型触媒にはその回転に伴い、リッチ空燃比の排ガスが導入されたり、通常の排ガスが導入されたりするため、触媒全体でみればＮＯｘを吸蔵しては放出・還元し、また放出・還元しては吸蔵するという機能を常時発揮することができる。
【０００９】
好ましくは、ＮＯｘ吸蔵型触媒はシリンダ形状の担体を有しており、その内部に多数の流通路が形成されている。個々の流通路はＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口から出口までの間を軸線方向に通じており、それぞれ内面に触媒層が担持されている。このような構造により、ＮＯｘ吸蔵型触媒は全体として軸線方向への排ガス流通性を有することができる。一方、ＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口が２つの領域に区画されていると、個々の流通路はいずれか一方の領域のみに連なり、各領域に分配された排ガスはその領域に連なる流通路だけに導入される。このためＮＯｘ吸蔵型触媒の回転により全ての流通路に満遍なくリッチ空燃比の排ガスを流通させるには、ＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口はその軸線周りに区画されていることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、一実施形態の排ガス浄化装置が装備されたエンジン１の構成を概略的に示している。エンジン１は例えばディーゼル機関からなり、このエンジン１は直列４気筒型のシリンダレイアウトを有している。エンジン１の吸気系にはターボチャージャ２が装備されており、ここで過給された吸気はインタークーラ４を介して吸気マニホールド６に流れ込む。
【００１１】
エンジン１の燃料供給系は例えばコモンレールシステムからなり、このシステムにはコモンレール８および気筒毎のインジェクタ１０が含まれている。コモンレールシステムの作動は電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する。）１２を用いて制御することができ、ＥＣＵ１２は各インジェクタ１０に作動信号を出力してその燃料噴射量や噴射時期等を制御することができる。なおシステムの具体的な制御には、例えばクランク角センサやアクセル開度センサ等の各種センサ類が用いられるが、これらは公知であるため図示とともに説明を省略する。
【００１２】
エンジン１の排気系は、例えば、最も出力軸側の１気筒だけに単独で接続された排気管１４を有しており、その他の３つの気筒には排気マニホールド１６を介して１つに集合した排気管１８が接続されている。なお、排気マニホールド１６にはＥＧＲ通路１３が接続されており、排ガスの一部はＥＧＲ通路１３を通じて吸気系に還流される。なおＥＧＲ通路１３にはＥＧＲクーラ１５が介挿されており、またＥＧＲ通路１３はＥＧＲバルブ１７を介して吸気系に接続されている。
【００１３】
排気管１８には触媒ユニット２０が接続されており、この触媒ユニット２０はケーシング２２の内部に収容されたＮＯｘ吸蔵型の触媒２４を有している。触媒２４はシリンダ状に成型された担体を有し、その内部には多数の排ガス流通路が形成されている。流通路は触媒２４の両端にて開口し、その導入口から出口までの間で軸線方向に排ガスを流通させることができる。触媒２４はその担体にて触媒層を担持しており、個々の流通路の内面には触媒層が露出して形成されている。なお担体には、例えば正方形セルや正六角形セルのモノリス担体を使用することができる。
【００１４】
ケーシング２２の内部には、触媒２４の上流側に区画された分配室２６，２８が形成されており、一方の分配室２８はケーシング２２の入口を通じて排気管１８に接続されている。他方の分配室２６はケーシング２２の外周にて開口し、この開口を通じて単独の排気管１４に接続されている。これら分配室２６，２８は気密を存して相互に仕切られおり、互いに独立して触媒２４に排ガスを導入することができる。それゆえ、触媒２４の導入口は分配室２６，２８にそれぞれ面する２つの領域に区画されており、排気管１４，１８からの排ガスは、これら分配室２６，２８を通じてそれぞれ別個の領域に分配される（排ガス分配手段）。
【００１５】
触媒２４はケーシング２２に対して軸線周りに回転自在に支持されており、その外面とケーシング２２の内面との間は気密にシールされている。また触媒２４の外周にはリングギヤ３０が設けられており、このリングギヤ３０にはドライブピニオン３２が噛み合わされている。ドライブピニオン３２は触媒２４とともにケーシング２２に収容され、ケーシング２２内にて回転自在に支持さている。
【００１６】
触媒ユニット２０に隣接して駆動モータ３４が配設されており、この駆動モータ３４の出力軸はドライブピニオン３２に取り付けられている。駆動モータ３４は上述のＥＣＵ１２から作動信号の供給を受けて作動し、ドライブピニオン３２を回転させる。これにより、触媒２４はケーシング２２内にてその軸線周りに回転されるので、分配室２６，２８により区画される各領域に対して触媒２４の導入口は軸線周りに変位することができる（駆動手段）。
【００１７】
図２は触媒２４の導入口を示している。導入口はその全域のうち一方の分配室２６に面する領域が４分の１を占め、他方の分配室２８に面する領域が４分の３を占めている。これら領域間の境界は導入口の中心から径方向に延びており、それゆえ、各領域は触媒２４の軸線周り方向に区画されている。したがって、触媒２４がその軸線周りの一方向に回転されると、各領域に対して導入口が回転方向に変位する結果、触媒２４が一回転する間にその全ての流通路の導入口が両方の領域を通過する。
【００１８】
図３は、気筒別に設定された燃料噴射パターンの一例を示している。ＥＣＵ１２はコモンレールシステムの制御に際し、所定の燃料噴射パターンに基づいて気筒毎にインジェクタ１０を開閉弁させる。例えば、単独の排気管１４が接続された気筒を触媒２４からＮＯｘを放出させるためのＮＯｘ放出用気筒とし、その他の気筒を通常気筒としてそれぞれ区別すると、内燃機関の定常運転時には通常気筒に対する噴射パターンが主噴射だけで与えられる。これに対し、ＮＯｘ放出用気筒に対する噴射パターンは主噴射とポスト噴射で与えられる。これにより、ＮＯｘ放出用気筒では吸入空気量に対してストイキ燃焼状態またはそれ以上に燃料量の割合が高いリッチ燃焼状態が形成され、その結果、排ガスはリッチ空燃比となる（燃焼制御手段）。
【００１９】
ＮＯｘ放出用気筒からの排ガスは単独の排気管１４を通じて排気され、上述のように分配室２６を介して触媒２４に導入される。ここで、ポスト噴射による燃焼は上述のようにリッチ燃焼状態を形成し、排ガス中に未燃ＨＣやＣＯを発生させることができる。これらＨＣやＣＯを含む排ガスは、触媒２４にて吸蔵されたＮＯｘを放出させるとともに、その還元浄化に寄与する。一方、その他の通常気筒からの排ガスは集合した排気管１８を通じて排気され、分配室２８を介して触媒２４に導入される。この場合、排ガス中のＮＯｘは触媒２４に吸蔵されるので、通常どおり排ガスの浄化が行われる。
【００２０】
この間、ＥＣＵ１２は駆動モータ３４の回転速度を制御し、例えば１分間で触媒２４を約１回転（＝１ｒｐｍ）させている。個々の流通路でみれば、その導入口が触媒２４の回転に伴い軸線周りに移動し、分配室２８の領域内にあるときは、流通路内にリーン空燃比の排ガスを導入してＮＯｘを吸蔵し、一方、導入口が分配室２６の領域内にあるときは流通路内にリッチ空燃比の排ガスを導入してＮＯｘの放出・還元を行うものとなる。したがって、触媒２４の全体としてＮＯｘの浄化および放出・還元を常時行うことができる。なお、触媒２４の回転速度は例えばエンジン１の回転速度に応じて適宜可変させてもよい。
【００２１】
また、図３の燃料噴射パターンから明らかなように、その燃焼制御はＮＯｘ放出用気筒のみにポスト噴射を定常的に行うものであるから、全ての気筒に対して瞬間的に過濃空燃比運転を行う必要がなく、運転状態の切換えに伴うトルクショックが発生しない。
この点、従来の技術では瞬間的に過濃空燃比運転を行い、全ての気筒からの排ガスをリッチ空燃比化することから、その燃料噴射パターンは全ての気筒について主噴射およびポスト噴射により与えられる。この場合、ポスト燃焼によるトルク増大（例えば図３中の斜線部）が全ての気筒において発生するため、ポスト燃焼によるトルクに気筒数を乗じた分だけトルクショックが発生する。
【００２２】
これに対し、本実施形態の場合は運転状態の切換えがないので、ＮＯｘ放出のためにトルクショックの発生を考慮する必要がないという利点がある。したがって、トルクショックの緩和のために吸気スロットル制御やＥＧＲ制御等の対策を施す必要がなく、制御システムの構成がきわめて簡素化される。
本発明の排ガス浄化装置は一実施形態の他にも変形して実施可能である。例えば、エンジン１のシリンダレイアウトは直列４気筒型に限られず、直列でさらに多数の気筒（例えば６気筒）を有するものや、Ｖ型・水平対向型等のシリンダレイアウトであってもよい。また、ＮＯｘ放出用気筒として選択される気筒は出力軸側だけのものに限られず、その他の位置にあるものでもよい。この場合、図２に示される各領域の占める割合は、例えばエンジン１の気筒数ｎに応じてそれぞれ１／ｎ，（ｎ−１）／ｎに設定することができる。
【００２３】
また、触媒ユニット２０はその入口が単独の排気管１４に接続される態様であってもよいし、触媒２４の回転をベルト駆動やチェーン駆動等によって行う態様であってもよい。
さらに本発明の排ガス浄化装置は、ＮＯｘ吸蔵型触媒とディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）とを組み合わせた触媒システムにも適用可能である。この場合、ＤＰＦの前段に酸化触媒を配設し、ポスト噴射時期や噴射時期の制御によって排気昇温や触媒活性化を行うなど、その応用範囲はさらに広範なものとなる。
【００２４】
また、上述の実施形態では本発明をディーゼルエンジンに適用した例としているが、本発明をガソリンエンジンにも適用できることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の排ガス浄化装置（請求項１）は、外部設備を用いることなくＮＯｘの吸蔵および放出を常時行うことができるため、簡素な制御システムにより安定して排ガス浄化機能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の排ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの概略図である。
【図２】図１中、ＩＩ−ＩＩ線に沿うケーシングの断面図である。
【図３】コモンレールシステムを用いた燃料噴射パターンの一例である。
【符号の説明】
１エンジン
８コモンレール
１０インジェクタ
１２ＥＣＵ（燃焼制御手段）
１４排気管（単独排気通路）
１８排気管（集合排気通路）
２４触媒
２６，２８分配室（排ガス分配手段）
３４駆動モータ（駆動手段）

Claims

内燃機関に設けられ、所定の気筒からの排ガスを単独の排気通路を通じて排気する一方、その他の気筒からの排ガスを集合した排気通路を通じて排気する排気系と、
前記排気系に接続される排ガスの導入口を有し、この導入口から軸線方向に排ガスを流通可能に配設されたＮＯｘ吸蔵型触媒と、
前記導入口を２つの領域に区画し、前記単独の排気通路からの排ガスと前記集合した排気通路からの排ガスとをそれぞれ別個の領域に気密に分配して前記ＮＯｘ吸蔵型触媒に導入させる排ガス分配手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵型触媒をその軸線周りに回転させることにより、前記区画された各領域に対して前記導入口を相対的に変位させる駆動手段と、
内燃機関の運転中、燃料の同一噴射サイクルにおいて、前記所定の気筒のみ主噴射後に更にポスト噴射を行うことにより、前記所定の気筒においては噴射サイクル毎にストイキ燃焼状態およびそれ以上に燃料量の割合が高いリッチ燃焼状態のいずれか一方を形成する燃焼制御手段と
を具備したことを特徴とする排ガス浄化装置。