JP4196593B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気に含まれる有害成分を浄化する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の排気浄化装置は、例えばディーゼルエンジンの排気中に含まれる煤等の微粒子をNOxとともに浄化するためのフィルタ構造物(以下、フィルタという)を当該エンジンの排気通路に備えて構成される。このような機能を備えたフィルタとしては、例えば多孔質セラミックの構造体に貴金属触媒を担持したものが知られている。このような構造を有するフィルタは、排気中に含まれる煤等の微粒子を一旦捕集して酸化除去する機能と、同じく排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を吸収し排気中の還元成分量が高い条件下(リッチ雰囲気中)で還元浄化するといった作用を繰り返す機能とを併せ備える。
【0003】
ところで、排気中の微粒子を一旦捕集した後、これを酸化除去するといったフィルタの特性上、当該フィルタを通過する排気の状態(例えば温度や微粒子の濃度等)によっては、微粒子の捕集効率がその酸化除去効率を上回ることもあり、このような場合、フィルタに目詰まりが生じる懸念もある。
【0004】
このような問題に対する方策として、図6に示すような排気通路構造の採用が考えられている(例えば特開平7−189656号公報)。同図6に示す通路構造200では、通路切替弁(例えばバタフライ弁)201を操作することで、フィルタ202の両端部のうち一方の端部から他方の端部に向かう排気の流れ(順流:図6(a)に示す態様)と、その逆向きの流れ(逆流:図6(b)に示す態様)とを択一的に切り替えることができる。フィルタ202を排気が通過する際には、排気起源の微粒子の酸化反応熱により、フィルタ202の両端部のうち、排気の排出される側の温度が局所的に上昇する。このため、上記のような通路構造を採用し、フィルタ202を通過する排気の流れを周期的に切り替えるようにすれば、フィルタ202がその両端部において昇温されることになり、また、当該フィルタ202内に捕集される微粒子の分布が均一化されることになる。この結果、微粒子の酸化除去がより効率的に行われ、目詰まりの発生が好適に抑制されるようになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような通路構造においては、上流から流れてくる排気の一部が、通路切替弁(或いはこれと同様の機能を有する機構)の設けられた部位において、例えば通路切替弁と排気通路の内壁との間に存在する隙間を通じてすり抜け、フィルタを通過することなく排気通路の下流(外部)に放出される。このような排気のすり抜けは、通路切替弁を作動させる際には特に顕著となる。
【0006】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気中の微粒子を捕集するフィルタを排気通路に備えた内燃機関の排気浄化装置において、フィルタを機能させるために必要な還元成分の消費を軽減し、フィルタによる排気浄化機能の効率化を図ることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、(1)本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気中の微粒子を捕集するフィルタを通路途中に備えた第1の排気通路と、同じく排気中の微粒子を捕集するフィルタを通路途中に備えた第2の排気通路と、前記第1の排気通路の上流側の通路開口端と前記第2の排気通路の上流側の通路開口端とに接続する集合空間部と、前記集合空間部に接続する第1の集合通路と、前記第1の排気通路の下流側の通路開口端と前記第2の排気通路の下流側の通路開口端とに接続する第2の集合通路と、前記集合空間部および前記第2の集合通路の間を連絡する第3の排気通路と、前記集合空間部に設けられ、前記第1の排気通路、第2の排気通路、第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を調整する調整弁機構と、を備え、前記第1の集合通路を通じて導入した排気を、前記第2の集合通路を通じて排出する内燃機関の排気浄化装置であって、前記調整弁機構として、前記集合空間部内で回転可能な単一の弁体であり、前記集合空間部内で回転することによって、前記第1の排気通路、第2の排気通路、第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を少なくとも、前記第1の集合通路に対し前記第1の排気通路が接続される一方、前記第1の集合通路に対し前記第2の排気通路及び前記第3の排気通路は遮断される第1の接続状態と、前記第1の集合通路に対し前記第2の排気通路が接続される一方、前記第1の排気通路に対し前記第1の排気通路及び前記第3の排気通路は遮断される第2の接続状態と、前記第1の集合通路に対し前記第3の排気通路が接続される第3の接続状態と、に調整し、且つ、前記第1の接続状態及び前記第2の接続状態を、前記第3の接続状態を介すことなく相互に切り換えることが可能な単一の弁体を備えることを要旨とする。
【0008】
なお、上記各排気通路について、上流側の通路開口端とは排気が流れ込む側の通路開口端を意味し、下流側通路開口端とは排気が排出される側の通路開口端を意味する。
【0009】
また、「所定の通路に対して他の通路を接続及び遮断する」機能は、各通路間の接続状態を相対的に変更する機能を広く意味する。例えば、90%の通路開放状態が各通路間の接続を意味し、20%の通路開放状態が各通路間の遮断を意味する場合もある。さらに、上記「所定の通路に対して他の通路を接続及び遮断する」機能に基づいて、各通路間を、「接続」及び「遮断」の中間段階に調整することができるようにしてもよい。
【0010】
同構成によれば、第1の集合通路を起点、第2の集合通路を終点として移動する排気が、第1の排気通路に備えられたフィルタ、及び第2の排気通路に備えられたフィルタのうち少なくとも一方を通過するようなる。このため、上記2種の排気流路を切り換える際、何れかのフィルタによって捕集されるべき微粒子が、第2の集合通路にすり抜けてしまうといった不具合を回避することができる。
【0011】
すなわち、排気中の微粒子を捕集するフィルタを備えた第1の排気通路と、同じく排気中の微粒子を捕集するフィルタを備えた第2の排気通路と、両フィルタに詰まりが生じた場合等に別途の排気流路をなす第3の排気通路とを備えた排気通路構造にあって、第1の排気通路において排気中の微粒子を捕集するフィルタの機能と、第2の排気通路において排気中の微粒子を捕集するフィルタの機能とを切り換えて使い分けることができるばかりでなく、両者の機能を切り換える際、第3の排気通路に排気が流れ込むことのない排気通路の構造を、簡易に具現することができる。
【0012】
(2)また、前記第1の排気通路のフィルタに捕集された微粒子の量と、前記第2の排気通路のフィルタに捕集された微粒子の量とを推定又は検出する手段と、前記推定又は検出される微粒子の量に応じて前記調整弁機構を駆動し、前記第1の排気通路、第2の排気通路および第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を前記第3の接続状態に移行する制御手段と、を備えるのが好ましい。
【0013】
同構成によれば、例えば第1の排気通路のフィルタや、第2の排気通路のフィルタに詰まり等の不具合が生じた場合、確実且つ速やかに排気の流路を確保し、排気圧力の上昇を抑制することができる。
【0014】
(3)また、前記第1の排気通路に備えられたフィルタ、及び前記第2の排気通路に備えられたフィルタは、排気に含まれるNOxを酸化雰囲気で吸蔵し、該吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元する機能を有するのが好ましい。
【0015】
同構成によれば、各フィルタによる微粒子の浄化作用とNOxの浄化作用とを、相乗的に高めることができる。また、第1の集合通路上流における排気の圧力を上昇させることなく、第1の排気通路の触媒に吸蔵されたNOxを効率的に放出・還元することができる。すなわち、第1の排気通路に設けられた触媒(又はフィルタ)の排気浄化機能と、第2の排気通路に設けられた触媒(又はフィルタ)の排気浄化機能とを交互に活用し、効率的な排気浄化を継続的に行うことができる。
【0016】
(4)前記第1の排気通路において、前記第1の集合通路を形成する通路開口端と前記フィルタとの間に設けられ、該第1の排気通路内に還元剤を添加する第1の還元剤添加手段と、前記第2の排気通路において、前記第2の集合通路を形成する通路開口端と前記フィルタとの間に設けられ、該第2の排気通路内に還元剤を添加する第2の還元剤添加手段と、を備えるのが好ましい。
【0017】
同構成を用い、例えば、所定の条件下においては、第1の排気通路を密閉空間とし、第1の還元剤添加手段を用いて還元剤を添加することにより、還元成分濃度の高いガスを当該密閉空間内に滞留させる一方、第2の排気通路を通じて第1の集合通路を起点、第2の集合通路を終点とする経路に十分な排気流量を確保する。このようにすれば、第1の集合通路上流における排気の圧力が上昇させることなく、第1の排気通路のフィルタに吸蔵されたNOxを効率的に放出・還元することができる。また、他の条件下においては、第2の排気通路を密閉空間とし、第2の還元剤添加手段を用いて還元剤を添加することにより、還元成分濃度の高いガスを当該密閉空間内に滞留させる一方、第1の排気通路を通じて第1の集合通路を起点、第2の集合通路を終点とする経路に十分な排気流量を確保する。このような構成を適用すれば、第1の集合通路上流における排気の圧力を上昇させることなく、第2の排気通路のフィルタに吸蔵されたNOxを効率的に放出・還元することができる。すなわち、同構成によれば、2種の排気通路に設けられたフィルタの排気浄化機能(NOxを一時的に吸蔵し、放出・還元する機能)を交互に活用し、効率的な排気浄化を継続的に行うことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した一実施の形態について説明する。
【0019】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図1において、内燃機関(以下、エンジンという)1は、燃料供給系10、燃焼室20、吸気系30及び排気系40等を主要部として構成される直列4気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【0020】
先ず、燃料供給系10は、サプライポンプ11、コモンレール12、燃料噴射弁13、遮断弁14、調量弁16、燃料添加弁17a,17b、機関燃料通路P1及び添加燃料通路P2等を備えて構成される。
【0021】
サプライポンプ11は、燃料タンク(図示略)から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路P1を介してコモンレール12に供給する。コモンレール12は、サプライポンプ11から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁13に分配する。燃料噴射弁13は、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室20内に燃料を噴射供給する。
【0022】
他方、サプライポンプ11は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路P2を介して燃料添加弁17a,17bに分配供給する。添加燃料通路P2には、サプライポンプ11から燃料添加弁17a,17bに向かって遮断弁14及び調量弁16が順次配設されている。遮断弁14は、緊急時において添加燃料通路P2を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁16は、燃料添加弁17a,17bに供給する燃料の圧力(燃圧)PGを制御する。燃料添加弁17a,17bは、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系40のフィルタケーシング100内に添加供給する。
【0023】
吸気系30は、各燃焼室20内に供給される吸入空気の通路(吸気通路)を形成する。一方、排気系40は、各燃焼室20から排出される排気ガスの通路(排気通路)を形成する。
【0024】
また、このエンジン1には、周知の過給機(ターボチャージャ)50が設けられている。ターボチャージャ50は、シャフト51を介して連結された回転体52,53を備える。一方の回転体(タービンホイール)52は排気系40内の排気に晒され、他方の回転体(コンプレッサホイール)53は、吸気系30内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ50は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【0025】
吸気系30において、ターボチャージャ50に設けられたインタークーラ31は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ31よりもさらに下流に設けられたスロットル弁32は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量(流量)を調整する機能を有する。
【0026】
また、エンジン1には、吸気系30と排気系40とを接続する排気還流通路(EGR通路)60が形成されている。このEGR通路60は、排気の一部を適宜吸気系30に戻す機能を有する。EGR通路60には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気(EGRガス)の流量を自在に調整することができるEGR弁61と、EGR通路60を通過(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ62が設けられている。
【0027】
また、排気系40において、ターボチャージャ50(タービンホイール52)の下流には、フィルタケーシング100が設けられている。フィルタケーシング100の内部には、排気中に含まれる微粒子の浄化とNOxの浄化とを併せ行う機能を備えたパティキュレートフィルタ(図示略)が収容されている。
【0028】
また、エンジン1の各部位には、当該部位の環境条件やエンジン1の運転状態に関する信号を出力する各種センサが取り付けられている。
【0029】
すなわち、レール圧センサ70は、コモンレール12内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。添加燃料圧センサ71は、添加燃料通路P2内の圧力に応じた検出信号を出力する。エアフロメータ72は、吸気系30内のスロットル弁32下流において吸入空気の流量(吸気量)GAに応じた検出信号を出力する。酸素濃度センサ73は、排気系40のフィルタケーシング100下流において、排気中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する。また、排気温度センサ74は、フィルタケーシング100下流において排気中の温度に応じた検出信号を出力する。また、差圧センサ75は、フィルタケーシング100上流における排気の圧力と下流における排気の圧力との差に応じた検出信号を出力する。また、アクセルポジションセンサ76はエンジン1のアクセルペダル(図示略)に取り付けられ、同ペダルへの踏み込み量ACCに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ77は、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力する。これらセンサ70〜77は、電子制御装置(ECU)90と電気的に接続されている。
【0030】
ECU90は、中央処理装置(CPU)91、読み出し専用メモリ(ROM)92、ランダムアクセスメモリ(RAM)93、バックアップRAM94およびタイマーカウンタ95等を備え、これら各部と、A/D変換器を含む外部入力回路96と、外部出力回路97とが双方向性バス98により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【0031】
このように構成されたECU90は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づいて、エンジン1の運転状態に関する各種パラメータを把握し、これらパラメータに基づいてエンジン1の運転状態を最適化するための各種制御を実施する。
【0032】
なお、フィルタケーシング100及びその機能を制御するECU90は、併せてエンジン1の排気浄化装置を構成する。
【0033】
〔燃料噴射制御の概要〕
ECU90は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン1の運転条件に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁13を通じた各燃焼室20内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量Q、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁13の開閉弁操作を実行する一連の処理をいう。
【0034】
ECU90は、このような一連の処理を、エンジン1の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の噴射量Q及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペダルの踏み込み量ACCおよびエンジン回転数NE(クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ)に基づき、予め設定されたマップ(図示略)を参照して決定する。
【0035】
また、燃料の噴射パターンの設定に関し、ECU90は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射(以下、パイロット噴射という)や、主噴射に後続する燃料噴射(以下、ポスト噴射という)を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。パイロット噴射やポスト噴射を伴う燃料噴射の形態を適用すると、燃焼室20内において完全に燃焼せず排気系40に排出される軽質なHCやCOの量が増大し、これらのHCやCOが排気中において、とくにNOx触媒を介して発熱反応を起こす。すなわち、パイロット噴射を実施することにより、フィルタケーシング100内に流入する排気やNOx触媒の温度を上昇させることができる。
【0036】
〔フィルタケーシングの構造〕
次に、排気系40に設けられたフィルタケーシング100について、その構造及び機能について詳しく説明する。
【0037】
図2は、フィルタケーシング100の主要内部構造を概略的に示す断面図である。
【0038】
同図2に示すように、フィルタケーシング100の内部には、第1の排気通路110、第2の排気通路120、及び第3の排気通路130といった3種の通路空間が区画形成されている。第1の排気通路110及び第2の排気通路120の通路途中には、パティキュレートフィルタ(以下、フィルタという)111,121が収容され、第3の排気通路130の通路途中には、酸化触媒131が収容されている。
【0039】
第1の排気通路110の一方の通路開口端、第2の排気通路120の一方の通路開口端、および第3の排気通路130の一方の通路開口端は、各々が第1の集合空間部140を介し、排気系40のフィルタケーシング100上流にあたる第1の集合通路40aに接続する。第1の集合空間部140に設けられたロータリ弁141は、ECU90の指令信号に基づいて回転する回転軸140aと、回転軸140aの外周に取り付けられた弁体140bとを備え、各通路110,120,130,40a相互間の接続状態を調整する調整弁機構としての機能を有する。
【0040】
一方、第1の排気通路110の他方の通路開口端、第2の排気通路120の他方の通路開口端、および第3の排気通路130の他方の通路開口端は、各々が第2の集合空間部150を介し、排気系40のフィルタケーシング100下流にあたる第2の集合通路40bに接続する。
【0041】
また、第1の排気通路110において、第1の集合空間部140に接続する通路開口端と、フィルタ111との間には、第1の排気通路110内に噴孔を臨ませた燃料添加弁17aが設けられている。そして同じく、第2の排気通路120において、第1の集合空間部140に接続する通路開口端と、フィルタ121との間には、第1の排気通路110内に噴孔を臨ませた燃料添加弁17aが設けられている。燃料添加弁17a,17bが、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を適宜の量、適宜のタイミングで添加供給できることは上述した通りである。
【0042】
フィルタ111,121を形成する多孔質材料は、例えばコージライト等のセラミック材料にアルミナ、チタニア、ジルコニア若しくはゼオライト等のコート材をウォッシュコートしたものであり、排気を透過する性質を有する。また、フィルタ111,121は、互いに平行をなして延びる上流端が開放され下流端が閉ざされた排気流入通路と、上流端が閉ざされ下流端が開放された排気流出通路とを備えるいわゆるウォールフロー型である。そして、両排気通路間に位置する隔壁の表面及び内部に形成された細孔内に、表面にNOx吸蔵剤として機能する例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のようなアルカリ金属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類、ランタン(La)或いはイットリウム(Y)のような希土類と、酸化触媒(貴金属触媒)として機能する例えば白金(Pt)のような貴金属とが担持されている。このように、フィルタ111,121の構成要素として担体層に混在するNOx吸蔵剤及び貴金属触媒は、NOx触媒(吸蔵還元型NOx触媒)を構成する。
【0043】
このような構造を有するフィルタ111,121は、排気中に含まれる煤等の微粒子やNOx等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【0044】
NOx吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態では(リーン雰囲気中では)NOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態(還元成分の濃度が高い状態)にあるときには(リッチ雰囲気中では)NOxを放出する特性を有する。また、排気中にNOxが放出されたとき、排気中にHCやCO等が存在していれば、貴金属触媒がこれらHCやCOの酸化反応を促すことで、NOxを酸化成分、HCやCOを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、HCやCOはCO2やH2Oに酸化され、NOxはN2に還元される。
【0045】
一方、NOx吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のNOxを吸蔵すると、それ以上NOxを吸蔵しなくなる。エンジン1では、例えば燃料添加弁17a,17bを通じてフィルタケーシング100内のNOx触媒111,121に断続的に還元成分が供給されることで、排気中の還元成分の濃度が高められる。NOx触媒(NOx吸蔵剤)のNOx吸蔵量が限界量に達する前に、この還元成分がNOx触媒に吸蔵されたNOxを周期的に放出および還元浄化することになり、NOx吸蔵剤のNOx吸蔵能力が回復する(機能が再生する)ことになる。
【0046】
また、NOx吸蔵剤は、貴金属触媒との協働によりNOxの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行う過程で、副次的に活性酸素を生成する特性を有する。フィルタ111,121を排気が透過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体(多孔質材料)に捕捉される。ここで、NOx吸蔵剤の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性(活性)を有しているため、捕捉された微粒子のうちNOx触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と(輝炎を発することなく)速やかに反応し、浄化されることになる。また、フィルタ111,121は、NOx触媒から発生する反応熱により、自身を効率的に昇温して微粒子の分解作用を高める。
【0047】
また、第3の排気通路130の通路途中に収容された酸化触媒131は、表面をPd及びPt等の貴金属で被膜させたストレートフロー型のハニカム状構造体から形成され、そのハニカム構造体を通過する排気中の炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)や一酸化窒素(NO)の酸化を促す。
【0048】
図3には、第1の排気通路110に設けられたフィルタ111の内部構造を示す。ここで、図3(a)は、フィルタ111の排気の流入面を拡大した平面図であり、図3(b)は、フィルタ111内部における排気の通過経路(図3(a)のIII-III断面)を概略的に示す断面図である。なお、第2の排気通路120に設けられたフィルタ121も、このフィルタ111と同様の内部構造を有する。
【0049】
図3(a)及び図3(b)に示すように、フィルタ111はハニカム構造をなす多孔質材料(例えばコージライト)111aにより区画形成された複数の通路111bを備える。各通路111bの一方の端は栓111cによって閉塞され、他方の端は開口している。従って、各通路の開口端から流入した排気は、通路内壁を形成する多孔質材料を通過することによって隣接する他の通路内に流入し、当該他の通路の開口端から排出されることになる。
【0050】
例えば図3(b)に示すように、フィルタ111の一方の面111dから排気が導入された場合には、同図において実線の矢印で示す経路に沿ってフィルタ111内を流動することになる。また、フィルタ111の他方の面111eから排気が導入された場合には、同図において破線の矢印で示す経路に沿ってフィルタ111内を流動することになる。
【0051】
〔フィルタケーシングの機能を活用するための各種制御〕
ECU90は、フィルタケーシング100内において効率的な排気浄化が行われるように、ロータリ弁141の操作を通じフィルタケーシング100内の排気流路を変更する制御(流路切換制御)や、燃料添加弁17a,17bを通じて燃料(還元剤)を添加供給する制御(還元剤添加制御)等、フィルタケーシング100の機能に関連する各種制御を適宜のタイミングで実行する。
【0052】
(1)触媒再生制御
次に、フィルタ111,121内のNOx触媒に吸蔵されたNOxを放出・還元すべく実行されるNOx触媒再生のための流路切換制御(触媒再生制御)について説明する。
【0053】
エンジン1の運転が継続することにより、フィルタ111,121内のNOx触媒に吸蔵されるNOx量が徐々に増大する。エンジン1では、燃料添加弁17a,17bを通じてフィルタ111,121を通過する排気中に燃料(還元成分)を供給する燃料添加制御を周期的に実施する。燃料添加制御を実施することにより、NOx触媒のNOx吸蔵量が限界量に達する前に、NOx触媒に吸蔵されたNOxを放出および還元浄化し、NOx触媒のNOx吸蔵能力を回復させることができる。また、燃料添加制御の周期的な実施に伴いNOx触媒から発生する反応熱や、NOx触媒(NOx吸蔵剤)の生成する活性酸素の作用により、各フィルタ111,121に捕捉された微粒子も効率的に分解除去されるようになる。
【0054】
ここで、燃料添加制御を通じて供給された還元成分がNOx触媒に吸蔵されたNOxと効率的に反応するためには、当該制御の実施中、NOx触媒を通過する排気の流れを十分緩やかにし、高濃度の還元成分を含んだ排気がNOx触媒に吸蔵されたNOxと反応するために十分な機会を与えられる必要がある。その一方、排気の流れが滞留すると排気系40内の圧力が上がり、この圧力上昇がエンジン1の燃焼状態等に影響を与える懸念もある。
【0055】
そこで、本実施の形態にかかるエンジン1では、燃料添加制御の実施に際し、還元成分を含んだ排気が緩やかにNOx触媒を通過するようにする一方で、排気系40全体では十分な排気流量が確保されるような排気流路を形成する。
【0056】
図4(a)及び図4(b)は、触媒再生制御を実施する際、フィルタケーシング100内に形成される排気流路の基本型を例示する略図である。
【0057】
先ず、ロータリ弁141が図4(a)に示す状態にある場合、第1の集合通路40aと第1の排気通路110とを連絡する通路空間が確保される一方、第1の集合通路40aに対し、第2の排気通路120及び第3の排気通路130が遮断されるか、少なくとも各通路間(通路40a,120間、或いは通路40a,130間)の境界部位における実質的な通路断面が縮小される。すなわち、第1の集合通路40aからフィルタケーシング100に流入し、第1の排気通路110を通じて第2の集合通路40bに排出される排気の流路が形成される。また、第2の排気通路120内のガスは同通路120中に滞留する。ECU90は、適宜のタイミングでロータリ弁141を操作しフィルタケーシング100内にこのような排気流路を形成するとともに、燃料添加弁17bを通じて第2の排気通路120に燃料(還元剤)を添加供給する。
【0058】
次に、ロータリ弁141が図4(b)に示す状態にある場合、第1の集合通路40aと第2の排気通路120とを連絡する通路空間が確保される一方、第1の集合通路40aに対し、第1の排気通路110及び第3の排気通路130が少なくとも各通路間(通路40a,120間、或いは通路40a,130間)の境界部位における実質的な通路断面が縮小される。すなわち、第1の集合通路40aからフィルタケーシング100に流入し、第2の排気通路120を通じて第2の集合通路40bに排出される排気の流路が形成される。また、第2の排気通路110内のガスは同通路110中に滞留する。ECU90は、適宜のタイミングでロータリ弁141を操作しフィルタケーシング100内にこのような排気流路を形成するとともに、燃料添加弁17aを通じて第1の排気通路110に燃料(還元剤)を添加供給する。
【0059】
このようにしてエンジン1では、フィルタケーシング100に収容された各フィルタ111,121にNOxを一旦吸蔵させた後、周期的に放出・還元することにより、機関運転に伴って発生する排気中のNOxを継続的に浄化する。
【0060】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄化合物が含まれているのが通常であり、排気中にはNOxの他、このような燃料中の硫黄化合物を起源とする硫黄成分も存在する。排気中に存在する硫黄成分は、NOxに比べてより高い効率でNOx触媒と結合し、しかも、同触媒に吸蔵されているNOxを放出するために十分な条件下(排気中の還元成分濃度が所定値を上回る条件下)にあっても当該触媒から容易には放出されない。このため、機関運転の継続に伴い、排気中の硫黄成分が徐々にNOx触媒に蓄積されていくといった所謂S被毒が生じることとなる。
【0061】
S被毒が進行すると、NOx触媒によるNOxの吸蔵量の限界値や、NOxの吸蔵効率が減少し、結果としてNOxの浄化効率が低下することになる。
【0062】
NOx触媒に蓄積した硫黄成分は、通常の触媒再生制御で達成される条件よりも、排気中の還元成分濃度や、NOx触媒の温度をさらに高くする条件を成立させることで当該触媒から放出することが知られている。
【0063】
このため、エンジン1では、排気中に還元成分を供給し、且つ、NOx触媒を高温状態(例えば600℃程度)にする制御(以下、S被毒回復制御という)をエンジン1の運転中適宜のタイミングで実行することにより、NOx触媒に蓄積する硫黄成分を放出させる。NOx触媒をこのような高温状態にするためには、例えば、各フィルタ111,121に対する還元成分の供給を、触媒再生制御の場合よりも、長期間継続すればよい。S被毒回復制御を実施する場合にも、フィルタ121に蓄積した硫黄成分を放出させるにあたり図4(a)に示した排気流路の形態を、また、フィルタ111に蓄積した硫黄成分を放出させるにあたり図4(b)に示した排気流路の形態を適用することができる。
【0064】
なお、触媒再生制御やS被毒回復制御の実施に際しては、燃料添加弁17a,17bを通じて添加された燃料がNOx触媒を介して効率的に反応するように、フィルタ111,121の温度が所定値(例えば300℃程度)を上回る条件を満たしているのが好ましい。このため、触媒再生制御やS被毒回復制御を開始する際には、例えば排気温度センサ74の検出信号に基づきフィルタ111,121の温度を推定し、この温度が所定値を上回っていない場合には、パイロット噴射やポスト噴射等を実施することにより、NOx触媒の温度を上昇させるのが好ましい。
【0065】
(2)目詰まり検知
フィルタケーシング100に収容されたフィルタ111,121の各々について、目詰まりの発生を検知する方法について説明する。
【0066】
例えば、図4(a)に示した排気流路を適用してNOx触媒再生制御を実施する場合に、当該制御の実施前後に亘り酸素濃度センサ73若しくは排気温度センサ74の検出信号の変化を観測すれば、フィルタ111に目詰まりが発生しているか否かを判断することができる。すなわち、フィルタ111が正常に機能している場合、NOx触媒再生制御の実施(燃料添加弁17aの開弁動作)に応答し、フィルタケーシング100下流で検出される排気の酸素濃度が低くなり(排気の雰囲気がリッチとなり)、また、排気の温度が高くなるため、酸素濃度センサ73や排気温度センサ74の検出信号(出力)が変化する。フィルタ111に目詰まりが発生すると、燃料添加弁17aの開弁動作に応答する酸素濃度センサ73や排気温度センサ74の出力変化が緩慢になるため、ECU90は、これらセンサ73,74の出力変化に基づきフィルタ111の目詰まりを検知する。また、差圧センサ75の検出信号に基づいてフィルタ111に目詰まりが発生しているか否かを判断することもできる。すなわち、フィルタ111に目詰まりが発生していると、フィルタケーシング100内の排気流路を、図4(a)に示した状態に切り換えた場合、フィルタケーシング100上流及び下流の間における圧力差が顕著に高まる。ECU90は、差圧センサ75の検出信号を通じてこの圧力差の変動を認識し、フィルタ111の目詰まりを検知する。
【0067】
さらに、図4(b)に示した排気流路を適用してNOx触媒再生制御を実施する場合には、上記フィルタ111の目詰まりの検知と同様の原理に従い、フィルタ121に目詰まりが発生しているか否かを判断することができる。
【0068】
つまり、NOx触媒再生制御やS被毒回復制御では、フィルタケーシング100内に設けられた2個のフィルタ111,121のうち、一方のフィルタにおいてNOxの放出・還元や微粒子の分解除去が行われるときには、他方のフィルタにおいてNOxの吸蔵(微粒子の捕捉)が行われることになる。このため、フィルタケーシング100に流入した排気中のNOxや微粒子が、フィルタ111,121の何れも介さず下流にすり抜けることはない。
【0069】
(3)目詰まり検知に基づく流路切換制御
フィルタ111,121のうち、何れか一方のみについて目詰まりが検知された場合、ECU90はロータリ弁141を操作し、フィルタケーシング100に流入する排気が、正常に機能しているフィルタ(目詰まりしていないフィルタ)のみに導入されるような排気流路を形成する。また、両フィルタ111,121に目詰まりが生じた場合、ロータリ弁141を図4(c)に示す状態にする。ロータリ弁141をこのような状態にすることにより、第1の集合通路40aからフィルタケーシング100に流入し、第3の排気通路130を通じて第2の集合通路40bに排出される排気の流路が形成される。フィルタ111,121が目詰まりし、第1の排気通路110若しくは第2の排気通路120を通じて排気を移動させることができない場合には、このような排気流路をフィルタケーシング100内に形成することで、フィルタケーシング100上流における排気の圧力が上昇するのを回避することができる。
【0070】
このように、エンジン1の排気浄化装置によれば、簡易な装置構成を用い、フィルタケーシング100に流入した排気が少なくとも一方のフィルタを通過する排気流路を常に確保しつつ、フィルタ111,121の各端から排気を流す切換操作を行うことができる。そしてこのような操作を実施することにより、各フィルタ111,121による微粒子等の除去作用を長期に亘って保持することができるばかりでなく、フィルタケーシング100下流への微粒子等の一時的なすり抜けも確実に回避することができる。
【0071】
また、NOx触媒を担持したフィルタに還元雰囲気の排気を供給してNOx触媒に吸蔵されたNOxを放出・還元する際には、そのフィルタを含む所定空間(排気通路)を密閉若しくは密閉に近い状態にし、その密閉空間に還元剤を添加供給することでNOxの放出・還元作用や微粒子の分解作用の効率を高める一方、他の排気流路をフィルタケーシング100内に確保することによりフィルタケーシング100上流の圧力を上昇させない。また、フィルタケーシング100内に確保される排気流路中には他のフィルタを配置し、その排気流路に沿って流れる排気中のNOxを吸蔵する(微粒子を捕捉する)。よって、フィルタケーシング100に流入した排気中のNOxや微粒子の下流へのすり抜けが確実に回避され、しかも、NOx触媒再生に要する還元剤の消費量も低減されるようになる。
【0072】
また、フィルタ111,121の何れか一方に目詰まりが生じた場合であれ、詰まりの生じていないフィルタの機能を最大限活用し、排気浄化機能を保持することができる。
【0073】
さらに、両フィルタ111,121に目詰まりが生じた場合であれ、第3の排気通路130を通じて排気の排出を行うことで、排気系40内の圧力上昇を抑制することができる。
【0074】
なお、第3の排気通路130にも、酸化触媒、NOx触媒、或いはパティキュレートフィルタ等、排気浄化機能を備えた触媒やフィルタを備えるようにしてもよい。このように、第3の排気通路130内にも触媒やフィルタを設けておけばば、両フィルタ111,121に目詰まりが発生した場合、第3の排気通路130に排気を流すことによってフィルタケーシング100上流の圧力上昇を抑制しつつ、第3の排気通路130に設けた触媒やフィルタを予備的に機能させることにより、フィルタケーシング100の排気浄化能力を維持することもできる。
【0075】
なお、特定条件下における酸素濃度センサ73、排気温度センサ74,或いは差圧センサ75の検出信号は、各フィルタ11,121に捕捉されている微粒子等の総量を間接的に反映するパラメータでもある。例えばフィルタケーシング100が図4(a)の状態にある場合、各センサ71,74,75の検出信号はフィルタ111に捕捉されている微粒子等の量を反映し、フィルタケーシング100が図4(b)の状態にある場合、各センサ71,74,75の検出信号はフィルタ121に捕捉されている微粒子等の量を反映する。そこで、これらセンサの出力は、各フィルタ111,121に目詰まりの発生の有無の判断基準として用いる他、燃料添加制御を実施するタイミングや、各フィルタに捕捉されている微粒子等を分解するために必要な還元剤(燃料)の添加量を決定する判断基準として用いることもできる。
【0076】
〔変形例等〕
なお、調整弁機構としてのロータリ弁141を備えたフィルタケーシング100の構成に替え、図5に示すような調整弁機構及び通路構造を採用することによっても、本実施の形態に準ずる効果を奏することができる。
【0077】
図5には、フィルタケーシング100に替えて採用し得る排気通路構造の一例を示す。図5(a)の側面図、図5(b)の上視図に示すように、本例の通路構造は、第1の集合通路40aと第2の集合通路40bの間に、通路切換部142と、3本の分岐通路110′,120′,130′とを備える。また、分岐通路110′,120′の通路途中には、フィルタケーシング100に設けられるフィルタ111,121と同等の特性を有するフィルタ111′,121′が設けられている。第1の集合通路40aから流入する排気は、通路切換部142を通じ3本の分岐通路110′,120′,130′の何れかに案内されることになる。通路切換部142は、弁体(調整弁機構)143を内蔵する。
【0078】
図5(c)には弁体143の側断面図、図5(d)には弁体143を排気流路の上流側(排気通路40a側)からみた正面図を示す。なお、図5(d)は図5(c)のVC−VC断面に相当する。
【0079】
両図5(c)及び図5(d)に示すように、弁体143には貫通孔143aが形成されている。弁体143が、ECU90の指令信号に基づき点Oを中心に矢印αの方向に回転することにより、貫通孔143aは、排気通路40aに対し分岐通路110′,120′,130′の何れかが択一的に接続されるか、或いは各分岐通路110′,120′,130′に流入する排気の分配率が変更されるようになる。このような構成の通路構造を適用することによっても、通路切換部141内(通路空間部)に設けられた調整弁機構(弁体143)の機能に基づき、第1の排気通路(分岐通路110′)、第2の排気通路(分岐通路120′)、第3の排気通路(分岐通路130′)に対する第1の集合通路40aの接続状態を少なくとも、第1の集合通路40aに対し分岐通路110′が接続される一方、第1の集合通路40aに対し分岐通路120′及び分岐通路130′は遮断或いは遮断に近い状態にされる第1の接続状態と、第1の集合通路40aに対し第2の排気通路120′が接続される一方、分岐通路110′に対し集合通路120′及び分岐通路130′は遮断或いは遮断に近い状態にされる第2の接続状態と、第1の集合通路40aに対し分岐通路130′が接続される第3の接続状態とに調整し、且つ、第1の接続状態及び第2の接続状態を、第3の接続状態を介すことなく相互に切り換える機能を有する排気浄化装置を具現することはできる。
【0080】
また、フィルタ111やフィルタ121に詰まりが生じた場合、フィルタに詰まった微粒子等を除去する制御(微粒子除去制御)を行うようにしてもよい。微粒子除去制御としては、例えば詰まりの生じたフィルタを高温の条件下に晒し、フィルタに詰まった微粒子等を分解する方法が考えられる。具体的には、上述したパイロット噴射、ポスト噴射或いは燃料添加を行って排気の温度を高めればよい。また、周知のバルブタイミング可変機構を採用することによりエンジン1の吸気バルブや排気バルブの動作タイミング(いわゆるバルブタイミング)を制御し、排気の温度を上昇させるようにしてもよい。また、これも周知の可変ターボ機構をターボチャージャ50に採用することで、吸気量(吸気圧)から独立して過給圧を制御し、排気の温度を上昇させるようにしてもよい。
【0081】
また、上記変形例の通路構造も含め、本実施の形態において行うこととした各通路間の接続状態(第1、第2、第3の接続状態)を切り換える(調整する)制御は、各通路間の境界部位における実質的な通路断面を、最大限開放する状態と、閉じる状態とを択一的に切り換えるばかりでなく、例えば弁体140bや弁体141の配置を無段階に調整する制御であってもよい。これにより、フィルタケーシング100,100′に設けられたフィルタや触媒の状態、或いはエンジン1の運転状態に応じて、種々の条件(排気流路の状態)を設定することができる。
【0082】
また、本実施の形態では、本発明の排気浄化装置を内燃機関としての直列4気筒のディーゼルエンジンに適用することとしたが、希薄燃焼を行うガソリンエンジンにも本発明を適用することはできる。また、直列4気筒の内燃機関に限らず、搭載気筒数の異なる内燃機関にも本発明を適用することはできる。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排気浄化装置によれば、排気中の微粒子を捕集するフィルタを備えた第1の排気通路と、同じく排気中の微粒子を捕集するフィルタを備えた第2の排気通路と、両フィルタに詰まりが生じた場合等に別途の排気流路をなす第3の排気通路とを備えた排気通路構造にあって、第1の排気通路において排気中の微粒子を捕集するフィルタの機能と、第2の排気通路において排気中の微粒子を捕集するフィルタの機能とを切り換えて使い分けることができるばかりでなく、両者の機能を切り換える際、第3の排気通路に排気が流れ込むことのない構造を、簡易に具現することができる。
【0084】
また、第1の集合通路を起点、第2の集合通路を終点として移動する排気が、第1の排気通路に備えられたフィルタ、及び第2の排気通路に備えられたフィルタのうち少なくとも一方を通過するようなる。このため、上記2種の排気流路を切り換える際、何れかのフィルタによって捕集されるべき微粒子が、第2の集合通路にすり抜けてしまうといった不具合を回避することができる。
【0085】
とくに、各フィルタが排気に含まれるNOxを酸化雰囲気で吸蔵し、該吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元する機能を有する場合には、各フィルタによる微粒子の浄化作用とNOxの浄化作用とを、相乗的に高めることができる。また、第1の集合通路上流における排気の圧力を上昇させることなく、第1の排気通路の触媒に吸蔵されたNOxを効率的に放出・還元することができる。すなわち、第1の排気通路に設けられた触媒(又はフィルタ)の排気浄化機能と、第2の排気通路に設けられた触媒(又はフィルタ)の排気浄化機能とを交互に活用し、効率的な排気浄化を継続的に行うことができる。
【0086】
すなわち、簡易な装置構成に基づいて、排気特性の向上と還元剤の消費量軽減との両立を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図2】同実施の形態にかかるフィルタケーシングの内部構造を示す断面図図。
【図3】パティキュレートフィルタの構造を示す平面図等。
【図4】フィルタケーシング内に形成される排気流路の各種形態と、各ロータリ弁の状態との関係を説明する略図。
【図5】同実施の形態にかかる排気浄化装置の変形例を示す略図。
【図6】従来の排気浄化装置の一例を示す略図。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関)
10 燃料供給系
11 サプライポンプ
12 コモンレール
13 燃料噴射弁
20 燃焼室
30 吸気系
40 排気系
40a 第1の集合通路
40b 第2の集合通路
50 ターボチャージャ
60 EGR通路
61 EGR弁
71 添加燃料圧センサ
73 酸素濃度センサ
74 排気温度センサ
75 差圧センサ
90 電子制御装置(ECU)
100 フィルタケーシング
110 第1の排気通路
111,121 フィルタ
111a 多孔質材料
120 第2の排気通路
130 第3の排気通路
140 第1の集合空間部(集合空間部)
141 ロータリ弁
P1 機関燃料通路
P2 添加燃料通路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device that purifies harmful components contained in exhaust gas of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, this type of exhaust emission control device is configured to include, for example, a filter structure (hereinafter referred to as a filter) for purifying particulates such as soot contained in the exhaust of a diesel engine together with NOx in the exhaust passage of the engine. The As a filter having such a function, for example, a filter in which a noble metal catalyst is supported on a porous ceramic structure is known. The filter having such a structure has a function of once collecting fine particles such as soot contained in the exhaust and oxidizing and removing the same, and also absorbs nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust and a reducing component in the exhaust. It also has a function of repeating the action of reducing and purifying under a high amount condition (in a rich atmosphere).
[0003]
By the way, due to the characteristics of the filter that once collects the particulates in the exhaust gas and then oxidizes and removes them, the particulate collection efficiency may vary depending on the state of the exhaust gas that passes through the filter (for example, temperature, particulate concentration, etc.). The oxidation removal efficiency may be exceeded, and in such a case, there is a concern that the filter may be clogged.
[0004]
As a measure against such a problem, an exhaust passage structure as shown in FIG. 6 is considered (for example, JP-A-7-189656). In the passage structure 200 shown in FIG. 6, by operating a passage switching valve (for example, a butterfly valve) 201, the flow of exhaust gas from one end to the other end of both ends of the filter 202 (forward flow: FIG. 6 (a)) and the flow in the opposite direction (reverse flow: the mode shown in FIG. 6 (b)) can be switched alternatively. When the exhaust gas passes through the filter 202, the temperature of the exhaust gas exhaust side at both ends of the filter 202 locally rises due to the oxidation reaction heat of the fine particles originating from the exhaust gas. For this reason, if the passage structure as described above is adopted and the flow of the exhaust gas passing through the filter 202 is periodically switched, the temperature of the filter 202 is increased at both ends thereof, and the filter The distribution of the fine particles collected in 202 is made uniform. As a result, the fine particles are oxidized and removed more efficiently, and the occurrence of clogging is suitably suppressed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the passage structure as described above, a part of the exhaust gas flowing from the upstream is, for example, a passage switching valve and an exhaust passage at a portion where a passage switching valve (or a mechanism having the same function) is provided. It passes through the gap existing between the inner wall of the exhaust gas and is discharged downstream (outside) of the exhaust passage without passing through the filter. Such exhaust passage is particularly noticeable when the passage switching valve is operated.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a filter in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a filter for collecting particulates in exhaust gas in an exhaust passage. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can reduce the consumption of reducing components necessary for functioning and can improve the efficiency of an exhaust gas purification function using a filter.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, (1) the present invention is provided in an exhaust system of an internal combustion engine, and includes a first exhaust passage provided in the middle of the passage with a filter for collecting particulates in the exhaust. A filter for collecting particulates is connected to a second exhaust passage provided in the middle of the passage, a passage opening end on the upstream side of the first exhaust passage, and a passage opening end on the upstream side of the second exhaust passage. A collecting space portion, a first collecting passage connected to the collecting space portion, a passage opening end downstream of the first exhaust passage, and a passage opening end downstream of the second exhaust passage; A second exhaust passage, a third exhaust passage communicating between the collective space portion and the second collective passage, and the first exhaust passage and the second exhaust passage provided in the collective space portion. An adjustment valve mechanism for adjusting a connection state of the first collecting passage with respect to the third exhaust passage; The provided, the introduced exhaust through the first collecting passage, an exhaust gas purification device for an internal combustion engine to be discharged through the second manifolds, the adjusting valve mechanism As a single valve body that can rotate in the collective space portion, by rotating in the collective space portion, The first exhaust passage, the second exhaust passage, the connection state of the first collecting passage to the third exhaust passage, at least the first exhaust passage is connected to the first collecting passage, A first connection state in which the second exhaust passage and the third exhaust passage are blocked from the first collecting passage, and the second exhaust passage is connected to the first collecting passage. On the other hand, the first exhaust passage and the third exhaust passage are disconnected from the first exhaust passage, and the third connection passage is connected to the first collecting passage. And the first connection state and the second connection state are switched to each other without going through the third connection state. With a single valve body capable of This is the gist.
[0008]
In each of the exhaust passages, the upstream passage opening end means the passage opening end on the exhaust side, and the downstream passage opening end means the passage opening end on the exhaust side.
[0009]
In addition, the function of “connecting and blocking other passages with respect to a predetermined passage” widely means a function of relatively changing the connection state between the passages. For example, 90% passage open state may mean connection between the passages, and 20% passage open state may mean blockage between the passages. Further, based on the function of “connecting and blocking other paths with respect to the predetermined path” described above, the distance between the paths may be adjusted to an intermediate stage between “connection” and “blocking”. .
[0010]
According to this configuration, the exhaust gas moving from the first collecting passage as the starting point and the second collecting passage as the ending point is the filter provided in the first exhaust passage, and the filter provided in the second exhaust passage. Passes through at least one of them. For this reason, when switching the two types of exhaust flow paths, it is possible to avoid a problem that fine particles to be collected by any of the filters pass through the second collecting passage.
[0011]
That is, when the first exhaust passage provided with a filter for collecting particulates in the exhaust, the second exhaust passage provided with a filter for collecting particulates in the exhaust, and both the filters are clogged, etc. And a third exhaust passage having a separate exhaust passage, and a function of a filter for collecting particulates in the exhaust in the first exhaust passage, and an exhaust in the second exhaust passage. In addition to being able to switch between the functions of the filter that collects the particulates inside, the structure of the exhaust passage that does not allow exhaust to flow into the third exhaust passage when switching between the two functions is easily realized. can do.
[0012]
(2) Means for estimating or detecting the amount of particulates collected by the filter of the first exhaust passage and the amount of particulates collected by the filter of the second exhaust passage, and the estimation Alternatively, the adjustment valve mechanism is driven in accordance with the amount of the detected fine particles, and the connection state of the first collecting passage with respect to the first exhaust passage, the second exhaust passage, and the third exhaust passage is changed to the third exhaust passage. And a control means for shifting to the connected state.
[0013]
According to this configuration, for example, when a problem such as clogging occurs in the filter of the first exhaust passage or the filter of the second exhaust passage, the exhaust passage is secured reliably and promptly to increase the exhaust pressure. Can be suppressed.
[0014]
(3) The filter provided in the first exhaust passage and the filter provided in the second exhaust passage occlude NOx contained in the exhaust in an oxidizing atmosphere and reduce the occluded NOx in a reducing atmosphere. It is preferable to have a function of reducing with.
[0015]
According to this configuration, the action of purifying fine particles and the action of purifying NOx by each filter can be synergistically enhanced. Further, NOx occluded in the catalyst in the first exhaust passage can be efficiently released and reduced without increasing the pressure of the exhaust upstream of the first collecting passage. In other words, the exhaust gas purification function of the catalyst (or filter) provided in the first exhaust passage and the exhaust gas purification function of the catalyst (or filter) provided in the second exhaust passage are alternately used to efficiently Exhaust gas purification can be performed continuously.
[0016]
(4) In the first exhaust passage, a first reduction is provided between a passage opening end forming the first collecting passage and the filter, and a reducing agent is added to the first exhaust passage. In the second exhaust passage, a second agent that is provided between a passage opening end that forms the second collecting passage and the filter, and that adds a reducing agent into the second exhaust passage. And a reducing agent addition means.
[0017]
Using the same configuration, for example, under a predetermined condition, the first exhaust passage is a sealed space, and the reducing agent is added using the first reducing agent adding means, whereby the gas having a high reducing component concentration is While retaining in the sealed space, a sufficient exhaust flow rate is secured in a route starting from the first collecting passage and ending at the second collecting passage through the second exhaust passage. In this way, NOx occluded in the filter of the first exhaust passage can be efficiently released and reduced without increasing the pressure of the exhaust upstream of the first collecting passage. Also, under other conditions, the second exhaust passage is a sealed space, and the reducing agent is added using the second reducing agent adding means so that a gas having a high reducing component concentration stays in the sealed space. On the other hand, a sufficient exhaust flow rate is ensured in a route starting from the first collecting passage and ending at the second collecting passage through the first exhaust passage. By applying such a configuration, NOx occluded in the filter of the second exhaust passage can be efficiently released and reduced without increasing the pressure of the exhaust upstream of the first collecting passage. That is, according to the same configuration, the exhaust gas purification function of the filters provided in the two types of exhaust passages (the function of temporarily storing, releasing, and reducing NOx) is alternately used to continue efficient exhaust gas purification. Can be done automatically.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a diesel engine system will be described.
[0019]
[Engine system structure and function]
In FIG. 1, an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 1 is an in-line four-cylinder diesel engine system that includes a fuel supply system 10, a combustion chamber 20, an intake system 30, an exhaust system 40, and the like as main parts.
[0020]
First, the fuel supply system 10 includes a supply pump 11, a common rail 12, a fuel injection valve 13, a shutoff valve 14, a metering valve 16, fuel addition valves 17a and 17b, an engine fuel passage P1, an addition fuel passage P2, and the like. Is done.
[0021]
The supply pump 11 makes the fuel pumped up from a fuel tank (not shown) into a high pressure and supplies it to the common rail 12 via the engine fuel passage P1. The common rail 12 has a function as a pressure accumulation chamber that holds (accumulates) the high-pressure fuel supplied from the supply pump 11 at a predetermined pressure, and distributes the accumulated fuel to each fuel injection valve 13. The fuel injection valve 13 is an electromagnetic valve provided with an electromagnetic solenoid (not shown) therein, and is appropriately opened to inject and supply fuel into the combustion chamber 20.
[0022]
On the other hand, the supply pump 11 distributes and supplies part of the fuel pumped up from the fuel tank to the fuel addition valves 17a and 17b via the addition fuel passage P2. In the addition fuel passage P2, a shutoff valve 14 and a metering valve 16 are sequentially arranged from the supply pump 11 toward the fuel addition valves 17a and 17b. The shutoff valve 14 shuts off the fuel supply P2 in an emergency and stops the fuel supply. The metering valve 16 controls the pressure (fuel pressure) PG of fuel supplied to the fuel addition valves 17a and 17b. The fuel addition valves 17a and 17b are electromagnetic valves provided with electromagnetic solenoids (not shown) therein, and the fuel functioning as a reducing agent is introduced into the filter casing 100 of the exhaust system 40 at an appropriate amount and at an appropriate timing. Add supply.
[0023]
The intake system 30 forms a passage (intake passage) for intake air supplied into each combustion chamber 20. On the other hand, the exhaust system 40 forms a passage (exhaust passage) for exhaust gas discharged from each combustion chamber 20.
[0024]
The engine 1 is provided with a known supercharger (turbocharger) 50. The turbocharger 50 includes rotating bodies 52 and 53 connected via a shaft 51. One rotating body (turbine wheel) 52 is exposed to exhaust in the exhaust system 40, and the other rotating body (compressor wheel) 53 is exposed to intake air in the intake system 30. The turbocharger 50 having such a configuration performs so-called supercharging in which the compressor wheel 53 is rotated using the exhaust flow (exhaust pressure) received by the turbine wheel 52 to increase the intake pressure.
[0025]
In the intake system 30, an intercooler 31 provided in the turbocharger 50 forcibly cools the intake air whose temperature has been raised by supercharging. The throttle valve 32 provided further downstream than the intercooler 31 is an electronically controlled on-off valve whose opening degree can be adjusted steplessly, and changes the flow area of the intake air under predetermined conditions. And the function of adjusting the supply amount (flow rate) of the intake air.
[0026]
Further, an exhaust gas recirculation passage (EGR passage) 60 that connects the intake system 30 and the exhaust system 40 is formed in the engine 1. The EGR passage 60 has a function of returning a part of the exhaust to the intake system 30 as appropriate. The EGR passage 60 is opened and closed steplessly by electronic control, and an EGR valve 61 that can freely adjust the flow rate of exhaust gas (EGR gas) flowing through the passage, and exhaust gas that passes (refluxs) the EGR passage 60. An EGR cooler 62 for cooling is provided.
[0027]
In the exhaust system 40, a filter casing 100 is provided downstream of the turbocharger 50 (turbine wheel 52). Inside the filter casing 100, a particulate filter (not shown) having a function of purifying particulates contained in exhaust gas and purifying NOx is housed.
[0028]
In addition, each part of the engine 1 is attached with various sensors that output signals relating to the environmental conditions of the part and the operating state of the engine 1.
[0029]
That is, the rail pressure sensor 70 outputs a detection signal corresponding to the fuel pressure stored in the common rail 12. The added fuel pressure sensor 71 outputs a detection signal corresponding to the pressure in the added fuel passage P2. The air flow meter 72 outputs a detection signal corresponding to the flow rate (intake amount) GA of intake air downstream of the throttle valve 32 in the intake system 30. The oxygen concentration sensor 73 outputs a detection signal corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas downstream of the filter casing 100 of the exhaust system 40. The exhaust gas temperature sensor 74 outputs a detection signal corresponding to the temperature in the exhaust gas downstream of the filter casing 100. The differential pressure sensor 75 outputs a detection signal corresponding to the difference between the exhaust pressure upstream of the filter casing 100 and the exhaust pressure downstream. The accelerator position sensor 76 is attached to an accelerator pedal (not shown) of the engine 1 and outputs a detection signal corresponding to the depression amount ACC to the pedal. The crank angle sensor 77 outputs a detection signal (pulse) every time the output shaft (crankshaft) of the engine 1 rotates by a certain angle. These sensors 70 to 77 are electrically connected to an electronic control unit (ECU) 90.
[0030]
The ECU 90 includes a central processing unit (CPU) 91, a read-only memory (ROM) 92, a random access memory (RAM) 93, a backup RAM 94, a timer counter 95, and the like. These units and an external input including an A / D converter The circuit 96 and an external output circuit 97 are provided with a logic operation circuit configured by being connected by a bidirectional bus 98.
[0031]
The ECU 90 configured as described above inputs the detection signals of the various sensors via an external input circuit, grasps various parameters relating to the operating state of the engine 1 based on these signals, and determines the engine 1 based on these parameters. Various controls are implemented to optimize the operating state of
[0032]
The filter casing 100 and the ECU 90 that controls its function together constitute an exhaust purification device of the engine 1.
[0033]
[Overview of fuel injection control]
The ECU 90 performs fuel injection control based on the operating conditions of the engine 1 grasped from the detection signals of various sensors. In the present embodiment, the fuel injection control is related to the fuel injection into each combustion chamber 20 through each fuel injection valve 13 by setting parameters such as the fuel injection amount Q, the injection timing, and the injection pattern. This is a series of processes for executing the opening / closing operation of the individual fuel injection valves 13 based on the set parameters.
[0034]
The ECU 90 repeats such a series of processes every predetermined time during the operation of the engine 1. The fuel injection amount Q and the injection timing are basically a map set in advance based on the accelerator pedal depression amount ACC and the engine speed NE (a parameter that can be calculated based on the pulse signal of the crank angle sensor). Determined with reference to (not shown).
[0035]
Further, regarding the setting of the fuel injection pattern, the ECU 90 obtains engine output by performing fuel injection in the vicinity of compression top dead center for each cylinder as well as fuel output prior to main injection (hereinafter referred to as pilot injection). ) And fuel injection following the main injection (hereinafter referred to as post-injection) are performed for the selected cylinder at the time appropriately selected as the sub-injection. When a fuel injection mode involving pilot injection or post injection is applied, the amount of light HC and CO that are not completely burned in the combustion chamber 20 and discharged to the exhaust system 40 increases, and these HC and CO are exhausted. Inside, an exothermic reaction takes place, particularly via a NOx catalyst. That is, by performing the pilot injection, the temperature of the exhaust gas flowing into the filter casing 100 and the NOx catalyst can be increased.
[0036]
[Structure of filter casing]
Next, the structure and function of the filter casing 100 provided in the exhaust system 40 will be described in detail.
[0037]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the main internal structure of the filter casing 100.
[0038]
As shown in FIG. 2, three types of passage spaces such as a first exhaust passage 110, a second exhaust passage 120, and a third exhaust passage 130 are defined in the filter casing 100. Particulate filters (hereinafter referred to as filters) 111 and 121 are accommodated in the middle of the first exhaust passage 110 and the second exhaust passage 120, and the oxidation catalyst 131 is disposed in the middle of the third exhaust passage 130. Is housed.
[0039]
One passage opening end of the first exhaust passage 110, one passage opening end of the second exhaust passage 120, and one passage opening end of the third exhaust passage 130 are each in the first collective space 140. To the first collecting passage 40a upstream of the filter casing 100 of the exhaust system 40. The rotary valve 141 provided in the first collective space 140 includes a rotating shaft 140a that rotates based on a command signal from the ECU 90, and a valve body 140b that is attached to the outer periphery of the rotating shaft 140a. It has a function as an adjusting valve mechanism for adjusting the connection state between 120, 130, and 40a.
[0040]
On the other hand, the other passage opening end of the first exhaust passage 110, the other passage opening end of the second exhaust passage 120, and the other passage opening end of the third exhaust passage 130 are each in the second collective space. It is connected to the second collecting passage 40 b downstream of the filter casing 100 of the exhaust system 40 via the portion 150.
[0041]
Further, in the first exhaust passage 110, a fuel addition valve in which an injection hole faces the first exhaust passage 110 between the passage opening end connected to the first collecting space 140 and the filter 111. 17a is provided. Similarly, in the second exhaust passage 120, the fuel addition is made between the filter 121 and the passage opening end connected to the first collecting space portion 140 so that the injection hole faces the first exhaust passage 110. A valve 17a is provided. As described above, the fuel addition valves 17a and 17b are electromagnetic valves provided with electromagnetic solenoids (not shown) therein, and the fuel functioning as a reducing agent can be added and supplied at an appropriate amount and at an appropriate timing.
[0042]
The porous material forming the filters 111 and 121 is a ceramic material such as cordierite, which is coated with a coating material such as alumina, titania, zirconia, or zeolite, and has a property of transmitting exhaust gas. Further, the filters 111 and 121 are so-called wall flows each having an exhaust inflow passage whose upstream end is opened in parallel with each other and whose downstream end is closed, and an exhaust outflow passage whose upstream end is closed and its downstream end is opened. It is a type. And, for example, potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), cesium (Cs) functioning as a NOx occlusion agent on the surface of the partition wall between the two exhaust passages and in the pores formed inside. ), An alkaline earth such as barium (Ba), calcium (Ca), a rare earth such as lanthanum (La) or yttrium (Y), and platinum that functions as an oxidation catalyst (noble metal catalyst). A noble metal such as Pt) is supported. As described above, the NOx storage agent and the noble metal catalyst mixed in the carrier layer as the constituent elements of the filters 111 and 121 constitute a NOx catalyst (storage reduction type NOx catalyst).
[0043]
The filters 111 and 121 having such a structure purify particulates such as soot and harmful components such as NOx contained in the exhaust gas based on the following mechanism.
[0044]
The NOx storage agent stores NOx in a state where the oxygen concentration in the exhaust gas is high (in a lean atmosphere), and is in a state where the oxygen concentration in the exhaust gas is low (a state where the concentration of the reducing component is high) (in a rich atmosphere). ) It has the characteristic of releasing NOx. Further, when NOx is released into the exhaust gas, if HC, CO, or the like is present in the exhaust gas, the noble metal catalyst promotes an oxidation reaction of these HC and CO, so that NOx is an oxidizing component, and HC and CO is removed. A redox reaction as a reducing component occurs between the two. That is, HC and CO are CO 2 And H 2 Oxidized to O, NOx is N 2 Reduced to
[0045]
On the other hand, if the NOx storage agent stores a predetermined limit amount of NOx even when the oxygen concentration in the exhaust gas is high, the NOx storage agent does not store NOx any more. In the engine 1, for example, the concentration of the reducing component in the exhaust gas is increased by intermittently supplying the reducing component to the NOx catalysts 111 and 121 in the filter casing 100 through the fuel addition valves 17a and 17b. Before the NOx occlusion amount of the NOx catalyst (NOx occlusion agent) reaches the limit amount, this reducing component periodically releases and reduces and purifies NOx occluded in the NOx catalyst, and the NOx occlusion capacity of the NOx occlusion agent. Will be restored (function replayed).
[0046]
Further, the NOx storage agent has a characteristic of generating active oxygen as a secondary process in the process of repeatedly storing, releasing, and purifying NOx in cooperation with the noble metal catalyst. When the exhaust gas passes through the filters 111 and 121, particulates such as soot contained in the exhaust gas are captured by the structure (porous material). Here, since the active oxygen produced by the NOx storage agent has an extremely high reactivity (activity) as an oxidant, fine particles deposited on or near the surface of the NOx catalyst among the captured fine particles It reacts quickly with oxygen (without emitting a luminous flame) and is purified. Further, the filters 111 and 121 efficiently raise the temperature of themselves by the reaction heat generated from the NOx catalyst to enhance the decomposition action of the fine particles.
[0047]
The oxidation catalyst 131 accommodated in the middle of the third exhaust passage 130 is formed of a straight flow type honeycomb structure whose surface is coated with a noble metal such as Pd and Pt, and passes through the honeycomb structure. It promotes the oxidation of hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen monoxide (NO) in the exhaust.
[0048]
FIG. 3 shows the internal structure of the filter 111 provided in the first exhaust passage 110. 3A is an enlarged plan view of the exhaust inflow surface of the filter 111, and FIG. 3B is an exhaust passage route inside the filter 111 (III-III in FIG. 3A). It is sectional drawing which shows a cross section schematically. Note that the filter 121 provided in the second exhaust passage 120 also has the same internal structure as the filter 111.
[0049]
As shown in FIGS. 3A and 3B, the filter 111 includes a plurality of passages 111b partitioned by a porous material (for example, cordierite) 111a having a honeycomb structure. One end of each passage 111b is closed by a stopper 111c, and the other end is open. Therefore, the exhaust gas flowing in from the opening end of each passage flows into the other adjacent passage by passing through the porous material forming the inner wall of the passage, and is discharged from the opening end of the other passage. .
[0050]
For example, as shown in FIG. 3B, when exhaust is introduced from one surface 111d of the filter 111, it flows in the filter 111 along a path indicated by a solid arrow in the same figure. Further, when exhaust is introduced from the other surface 111e of the filter 111, it flows in the filter 111 along a path indicated by a dashed arrow in the figure.
[0051]
[Various controls for utilizing the filter casing function]
The ECU 90 performs control (flow path switching control) for changing the exhaust flow path in the filter casing 100 through operation of the rotary valve 141 so that efficient exhaust purification is performed in the filter casing 100, the fuel addition valve 17a, Various controls related to the function of the filter casing 100, such as control for adding and supplying fuel (reducing agent) through 17b (reducing agent addition control), are executed at appropriate timing.
[0052]
(1) Catalyst regeneration control
Next, flow path switching control (catalyst regeneration control) for NOx catalyst regeneration that is executed to release and reduce NOx stored in the NOx catalyst in the filters 111 and 121 will be described.
[0053]
As the operation of the engine 1 continues, the amount of NOx stored in the NOx catalyst in the filters 111 and 121 gradually increases. The engine 1 periodically performs fuel addition control for supplying fuel (reducing component) into the exhaust gas that passes through the filters 111 and 121 through the fuel addition valves 17a and 17b. By performing the fuel addition control, the NOx occluded in the NOx catalyst can be released and reduced and purified before the NOx occlusion amount of the NOx catalyst reaches the limit amount, and the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst can be recovered. In addition, the particulate matter trapped by the filters 111 and 121 is also efficient due to the reaction heat generated from the NOx catalyst accompanying the periodic implementation of fuel addition control and the action of active oxygen generated by the NOx catalyst (NOx storage agent). Will be decomposed and removed.
[0054]
Here, in order for the reducing component supplied through the fuel addition control to efficiently react with the NOx occluded in the NOx catalyst, the flow of the exhaust gas passing through the NOx catalyst is made sufficiently gentle during the control, It is necessary to provide sufficient opportunity for the exhaust gas containing the reducing component at a concentration to react with the NOx stored in the NOx catalyst. On the other hand, if the exhaust flow stays, the pressure in the exhaust system 40 increases, and there is a concern that this increase in pressure affects the combustion state of the engine 1 and the like.
[0055]
Therefore, in the engine 1 according to the present embodiment, when the fuel addition control is performed, the exhaust gas containing the reducing component gradually passes through the NOx catalyst, while the exhaust system 40 as a whole secures a sufficient exhaust gas flow rate. An exhaust passage is formed.
[0056]
FIG. 4A and FIG. 4B are schematic views illustrating the basic type of the exhaust passage formed in the filter casing 100 when performing catalyst regeneration control.
[0057]
First, when the rotary valve 141 is in the state shown in FIG. 4A, a passage space connecting the first collecting passage 40a and the first exhaust passage 110 is secured, while the first collecting passage 40a has On the other hand, the second exhaust passage 120 and the third exhaust passage 130 are blocked or at least a substantial passage cross section at the boundary portion between each passage (between the passages 40a and 120 or between the passages 40a and 130) is reduced. Is done. That is, an exhaust passage is formed that flows into the filter casing 100 from the first collecting passage 40a and is discharged to the second collecting passage 40b through the first exhaust passage 110. Further, the gas in the second exhaust passage 120 stays in the passage 120. The ECU 90 operates the rotary valve 141 at an appropriate timing to form such an exhaust passage in the filter casing 100, and additionally supplies fuel (reducing agent) to the second exhaust passage 120 through the fuel addition valve 17b. .
[0058]
Next, when the rotary valve 141 is in the state shown in FIG. 4B, a passage space connecting the first collecting passage 40a and the second exhaust passage 120 is secured, while the first collecting passage 40a. On the other hand, the substantial passage cross section at the boundary portion between at least the first exhaust passage 110 and the third exhaust passage 130 (between the passages 40a and 120 or between the passages 40a and 130) is reduced. That is, an exhaust passage is formed that flows into the filter casing 100 from the first collecting passage 40a and is discharged to the second collecting passage 40b through the second exhaust passage 120. Further, the gas in the second exhaust passage 110 stays in the passage 110. The ECU 90 operates the rotary valve 141 at an appropriate timing to form such an exhaust passage in the filter casing 100, and additionally supplies fuel (reducing agent) to the first exhaust passage 110 through the fuel addition valve 17a. .
[0059]
In this way, in the engine 1, NOx is temporarily stored in the filters 111 and 121 accommodated in the filter casing 100, and then periodically released / reduced, whereby NOx in exhaust gas generated in association with engine operation. Purify continuously.
[0060]
By the way, it is normal that the fuel of the internal combustion engine contains a sulfur compound. In addition to NOx, there are also sulfur components originating from the sulfur compound in the fuel. Sulfur components present in the exhaust are combined with the NOx catalyst at a higher efficiency than NOx, and moreover under conditions sufficient to release the NOx stored in the catalyst (the concentration of the reducing component in the exhaust is low). Even under conditions exceeding the predetermined value, it is not easily released from the catalyst. For this reason, as the engine operation continues, so-called S poisoning occurs in which the sulfur component in the exhaust gas is gradually accumulated in the NOx catalyst.
[0061]
As S poisoning progresses, the limit value of the NOx occlusion amount by the NOx catalyst and the NOx occlusion efficiency decrease, and as a result, the NOx purification efficiency decreases.
[0062]
The sulfur component accumulated in the NOx catalyst is released from the catalyst by satisfying the conditions for further increasing the concentration of the reduced component in the exhaust gas and the temperature of the NOx catalyst than the conditions achieved by the normal catalyst regeneration control. It has been known.
[0063]
For this reason, in the engine 1, control (hereinafter referred to as S poison recovery control) for supplying a reducing component into the exhaust gas and setting the NOx catalyst to a high temperature state (for example, about 600 ° C.) is appropriately performed during operation of the engine 1. By executing at the timing, the sulfur component accumulated in the NOx catalyst is released. In order to bring the NOx catalyst into such a high temperature state, for example, the supply of reducing components to the filters 111 and 121 may be continued for a longer period than in the case of the catalyst regeneration control. Even when the sulfur poisoning recovery control is performed, the form of the exhaust passage shown in FIG. 4A and the sulfur component accumulated in the filter 111 are released when the sulfur component accumulated in the filter 121 is released. In this case, the form of the exhaust passage shown in FIG. 4B can be applied.
[0064]
When performing the catalyst regeneration control and the S poison recovery control, the temperature of the filters 111 and 121 is a predetermined value so that the fuel added through the fuel addition valves 17a and 17b reacts efficiently via the NOx catalyst. It is preferable that a condition exceeding (for example, about 300 ° C.) is satisfied. For this reason, when starting the catalyst regeneration control or the S poison recovery control, for example, the temperature of the filters 111 and 121 is estimated based on the detection signal of the exhaust temperature sensor 74, and this temperature does not exceed a predetermined value. It is preferable to increase the temperature of the NOx catalyst by performing pilot injection, post injection, or the like.
[0065]
(2) Clogging detection
A method for detecting the occurrence of clogging in each of the filters 111 and 121 housed in the filter casing 100 will be described.
[0066]
For example, when the NOx catalyst regeneration control is performed by applying the exhaust passage shown in FIG. 4A, a change in the detection signal of the oxygen concentration sensor 73 or the exhaust temperature sensor 74 is observed before and after the control is performed. Then, it can be determined whether or not the filter 111 is clogged. That is, when the filter 111 functions normally, the oxygen concentration of the exhaust gas detected downstream of the filter casing 100 becomes low (exhaust gas) in response to the execution of the NOx catalyst regeneration control (the valve opening operation of the fuel addition valve 17a). And the exhaust gas temperature increases, so that the detection signals (outputs) of the oxygen concentration sensor 73 and the exhaust temperature sensor 74 change. When the filter 111 is clogged, the output changes of the oxygen concentration sensor 73 and the exhaust temperature sensor 74 in response to the opening operation of the fuel addition valve 17a become slow. Based on this, clogging of the filter 111 is detected. Further, based on the detection signal of the differential pressure sensor 75, it can be determined whether or not the filter 111 is clogged. That is, when the filter 111 is clogged, when the exhaust flow path in the filter casing 100 is switched to the state shown in FIG. Remarkably increased. The ECU 90 recognizes the variation in the pressure difference through the detection signal of the differential pressure sensor 75 and detects clogging of the filter 111.
[0067]
Further, when the NOx catalyst regeneration control is performed by applying the exhaust passage shown in FIG. 4B, the filter 121 is clogged according to the same principle as the detection of the clogging of the filter 111. It can be determined whether or not.
[0068]
That is, in NOx catalyst regeneration control and S poison recovery control, when NOx is released / reduced or fine particles are decomposed and removed in one of the two filters 111 and 121 provided in the filter casing 100. In the other filter, NOx is occluded (fine particles are captured). For this reason, NOx and particulates in the exhaust gas flowing into the filter casing 100 do not pass through downstream without passing through any of the filters 111 and 121.
[0069]
(3) Channel switching control based on clogging detection
When clogging is detected for only one of the filters 111 and 121, the ECU 90 operates the rotary valve 141, and the exhaust gas flowing into the filter casing 100 functions as a normally functioning filter (clogged. An exhaust passage that is introduced only into the filter) is formed. Further, when the filters 111 and 121 are clogged, the rotary valve 141 is brought into the state shown in FIG. By setting the rotary valve 141 in such a state, an exhaust passage that flows into the filter casing 100 from the first collecting passage 40a and is discharged to the second collecting passage 40b through the third exhaust passage 130 is formed. Is done. When the filters 111 and 121 are clogged and the exhaust cannot be moved through the first exhaust passage 110 or the second exhaust passage 120, such an exhaust passage is formed in the filter casing 100. Thus, it is possible to avoid an increase in the exhaust pressure upstream of the filter casing 100.
[0070]
As described above, according to the exhaust purification device of the engine 1, the simple configuration of the device is used, and the exhaust gas flowing into the filter casing 100 always secures an exhaust passage through which at least one filter passes. It is possible to perform a switching operation for flowing exhaust from each end. By carrying out such an operation, not only can the removal action of the particulates and the like by the filters 111 and 121 be maintained for a long period of time, but also temporary passage of the particulates and the like downstream of the filter casing 100. It can be avoided reliably.
[0071]
In addition, when supplying exhaust in a reducing atmosphere to a filter carrying a NOx catalyst and releasing / reducing NOx occluded in the NOx catalyst, a predetermined space (exhaust passage) including the filter is in a sealed state or close to a sealed state. In addition, the efficiency of the NOx release / reduction action and the fine particle decomposition action is increased by adding and supplying a reducing agent to the sealed space, while another exhaust passage is secured in the filter casing 100 so as to be upstream of the filter casing 100. Do not increase the pressure. Further, another filter is arranged in the exhaust passage secured in the filter casing 100, and NOx in the exhaust flowing along the exhaust passage is occluded (fine particles are captured). Therefore, it is possible to reliably avoid the downstream passage of NOx and fine particles in the exhaust gas flowing into the filter casing 100, and to reduce the consumption of the reducing agent required for regeneration of the NOx catalyst.
[0072]
In addition, even when one of the filters 111 and 121 is clogged, the function of the filter without clogging can be utilized to the maximum, and the exhaust purification function can be maintained.
[0073]
Further, even when the filters 111 and 121 are clogged, the exhaust pressure is exhausted through the third exhaust passage 130, so that the pressure increase in the exhaust system 40 can be suppressed.
[0074]
The third exhaust passage 130 may also be provided with a catalyst or filter having an exhaust purification function, such as an oxidation catalyst, a NOx catalyst, or a particulate filter. Thus, if a catalyst or a filter is also provided in the third exhaust passage 130, when clogging occurs in both the filters 111 and 121, the exhaust gas is caused to flow through the third exhaust passage 130 to thereby filter the filter casing 100. The exhaust purification capability of the filter casing 100 can be maintained by preliminarily functioning the catalyst and the filter provided in the third exhaust passage 130 while suppressing the upstream pressure rise.
[0075]
Note that the detection signal of the oxygen concentration sensor 73, the exhaust temperature sensor 74, or the differential pressure sensor 75 under a specific condition is also a parameter that indirectly reflects the total amount of particulates captured by the filters 11 and 121. For example, when the filter casing 100 is in the state of FIG. 4A, the detection signals of the sensors 71, 74, and 75 reflect the amount of particulates captured by the filter 111, and the filter casing 100 is in FIG. ), The detection signals of the sensors 71, 74, and 75 reflect the amount of particles and the like captured by the filter 121. Therefore, the outputs of these sensors are used as criteria for determining whether or not clogging has occurred in the filters 111 and 121, as well as for timing of fuel addition control, and for decomposing particulates captured by the filters. It can also be used as a criterion for determining the necessary amount of reducing agent (fuel) added.
[0076]
[Modifications, etc.]
Note that, by adopting a regulating valve mechanism and a passage structure as shown in FIG. 5 in place of the configuration of the filter casing 100 provided with the rotary valve 141 as the regulating valve mechanism, an effect equivalent to that of the present embodiment can be obtained. Can do.
[0077]
FIG. 5 shows an example of an exhaust passage structure that can be used in place of the filter casing 100. As shown in the side view of FIG. 5 (a) and the top view of FIG. 5 (b), the passage structure of this example has a passage switching portion between the first collecting passage 40a and the second collecting passage 40b. 142 and three branch passages 110 ′, 120 ′, and 130 ′. Further, filters 111 ′ and 121 ′ having characteristics equivalent to those of the filters 111 and 121 provided in the filter casing 100 are provided in the middle of the branch passages 110 ′ and 120 ′. The exhaust gas flowing from the first collecting passage 40a is guided to one of the three branch passages 110 ′, 120 ′, and 130 ′ through the passage switching portion 142. The passage switching unit 142 incorporates a valve body (adjusting valve mechanism) 143.
[0078]
5C is a side sectional view of the valve body 143, and FIG. 5D is a front view of the valve body 143 viewed from the upstream side of the exhaust passage (exhaust passage 40a side). Note that FIG. 5D corresponds to the VC-VC cross section of FIG.
[0079]
As shown in FIGS. 5C and 5D, the valve body 143 has a through hole 143a. The valve body 143 rotates around the point O in the direction of arrow α based on a command signal from the ECU 90, so that the through-hole 143a has any one of the branch passages 110 ′, 120 ′, and 130 ′ with respect to the exhaust passage 40a. Alternatively, the distribution ratio of the exhaust gas flowing into the branch passages 110 ′, 120 ′, and 130 ′ is changed. Also by applying the passage structure having such a configuration, the first exhaust passage (branch passage 110) is based on the function of the adjustment valve mechanism (valve element 143) provided in the passage switching portion 141 (passage space portion). ′), The connection state of the first collecting passage 40a to the second exhaust passage (branch passage 120 ′) and the third exhaust passage (branch passage 130 ′) is at least the branch passage 110 with respect to the first collecting passage 40a. ', While the branch passage 120' and the branch passage 130 'are cut off or close to the first collecting passage 40a, and the first collecting passage 40a is connected to the first collecting passage 40a. The second exhaust passage 120 'is connected, while the collecting passage 120' and the branch passage 130 'are cut off or close to the branch passage 110', and the first collecting passage 40a. Vs. Exhaust having a function of adjusting to the third connection state to which the branch passage 130 ′ is connected and switching the first connection state and the second connection state to each other without going through the third connection state A purification device can be implemented.
[0080]
In addition, when the filter 111 or the filter 121 is clogged, control for removing particulates or the like clogged in the filter (particle removal control) may be performed. As the fine particle removal control, for example, a method in which a clogged filter is exposed to a high temperature condition to decompose fine particles clogged in the filter can be considered. Specifically, the temperature of the exhaust gas may be increased by performing the above-described pilot injection, post injection, or fuel addition. Further, by adopting a known variable valve timing mechanism, the operation timing (so-called valve timing) of the intake valve and the exhaust valve of the engine 1 may be controlled to raise the temperature of the exhaust. Alternatively, a well-known variable turbo mechanism may be employed in the turbocharger 50 to control the supercharging pressure independently of the intake air amount (intake air pressure) and raise the exhaust gas temperature.
[0081]
In addition, the control for switching (adjusting) the connection states (first, second, and third connection states) between the passages in the present embodiment, including the passage structure of the modified example, In addition to selectively switching between a fully open state and a closed state, a substantial passage cross section at the boundary portion between them is controlled by, for example, continuously adjusting the arrangement of the valve body 140b and the valve body 141. There may be. Accordingly, various conditions (exhaust flow path states) can be set according to the state of the filters and catalysts provided in the filter casings 100 and 100 ′ or the operating state of the engine 1.
[0082]
In the present embodiment, the exhaust purification device of the present invention is applied to an in-line four-cylinder diesel engine as an internal combustion engine. However, the present invention can also be applied to a gasoline engine that performs lean combustion. Further, the present invention can be applied not only to an in-line four-cylinder internal combustion engine but also to an internal combustion engine having a different number of mounted cylinders.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust emission control device of the present invention, the first exhaust passage provided with the filter that collects the particulates in the exhaust gas and the second filter that also includes the filter that collects the particulates in the exhaust gas. Exhaust passage and a third exhaust passage that forms a separate exhaust passage when both filters are clogged or the like, and in the first exhaust passage, particulates in the exhaust are captured. The function of the collecting filter and the function of the filter that collects particulates in the exhaust gas in the second exhaust passage can be switched and used separately, and when the two functions are switched, the exhaust gas is discharged into the third exhaust passage. A structure that does not flow can be easily realized.
[0084]
Further, the exhaust gas moving from the first collecting passage as the starting point and the second collecting passage as the ending point is at least one of a filter provided in the first exhaust passage and a filter provided in the second exhaust passage. To pass. For this reason, when switching the two types of exhaust flow paths, it is possible to avoid a problem that fine particles to be collected by any of the filters pass through the second collecting passage.
[0085]
In particular, when each filter has a function of storing NOx contained in the exhaust gas in an oxidizing atmosphere and reducing the stored NOx in a reducing atmosphere, the purifying action of fine particles and the NOx cleaning action of each filter are synergistic. Can be enhanced. Further, NOx occluded in the catalyst in the first exhaust passage can be efficiently released and reduced without increasing the pressure of the exhaust upstream of the first collecting passage. In other words, the exhaust gas purification function of the catalyst (or filter) provided in the first exhaust passage and the exhaust gas purification function of the catalyst (or filter) provided in the second exhaust passage are alternately used to efficiently Exhaust gas purification can be performed continuously.
[0086]
That is, based on a simple device configuration, it is possible to achieve both improvement in exhaust characteristics and reduction in reducing agent consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a diesel engine system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the filter casing according to the embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing the structure of a particulate filter.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the relationship between various forms of exhaust passages formed in the filter casing and the state of each rotary valve.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a modification of the exhaust emission control device according to the embodiment;
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a conventional exhaust purification device.
[Explanation of symbols]
1 engine (internal combustion engine)
10 Fuel supply system
11 Supply pump
12 Common rail
13 Fuel injection valve
20 Combustion chamber
30 Intake system
40 Exhaust system
40a First collecting passage
40b Second collecting passage
50 turbocharger
60 EGR passage
61 EGR valve
71 Added fuel pressure sensor
73 Oxygen concentration sensor
74 Exhaust temperature sensor
75 Differential pressure sensor
90 Electronic control unit (ECU)
100 Filter casing
110 First exhaust passage
111,121 filters
111a Porous material
120 Second exhaust passage
130 Third exhaust passage
140 First collective space section (collective space section)
141 Rotary valve
P1 Engine fuel passage
P2 added fuel passage

Claims (4)

内燃機関の排気系に設けられ、
排気中の微粒子を捕集するフィルタを通路途中に備えた第1の排気通路と、
同じく排気中の微粒子を捕集するフィルタを通路途中に備えた第2の排気通路と、
前記第1の排気通路の上流側の通路開口端と前記第2の排気通路の上流側の通路開口端とに接続する集合空間部と、
前記集合空間部に接続する第1の集合通路と、
前記第1の排気通路の下流側の通路開口端と前記第2の排気通路の下流側の通路開口端とに接続する第2の集合通路と、
前記集合空間部および前記第2の集合通路の間を連絡する第3の排気通路と、
前記集合空間部に設けられ、前記第1の排気通路、第2の排気通路、第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を調整する調整弁機構と、
を備え、
前記第1の集合通路を通じて導入した排気を、前記第2の集合通路を通じて排出する内燃機関の排気浄化装置であって、
前記調整弁機構として、
前記集合空間部内で回転可能な単一の弁体であり、
前記集合空間部内で回転することによって、
前記第1の排気通路、第2の排気通路、第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を少なくとも、
前記第1の集合通路に対し前記第1の排気通路が接続される一方、前記第1の集合通路に対し前記第2の排気通路及び前記第3の排気通路は遮断される第1の接続状態と、
前記第1の集合通路に対し前記第2の排気通路が接続される一方、前記第1の排気通路に対し前記第1の排気通路及び前記第3の排気通路は遮断される第2の接続状態と、
前記第1の集合通路に対し前記第3の排気通路が接続される第3の接続状態と、
に調整し、且つ、前記第1の接続状態及び前記第2の接続状態を、前記第3の接続状態を介すことなく相互に切り換えることが可能な単一の弁体を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
Provided in the exhaust system of the internal combustion engine,
A first exhaust passage provided with a filter in the middle of the passage for collecting particulates in the exhaust;
A second exhaust passage that also includes a filter in the middle of the passage for collecting particulates in the exhaust;
A collective space portion connected to a passage opening end on the upstream side of the first exhaust passage and a passage opening end on the upstream side of the second exhaust passage;
A first collecting passage connected to the collecting space portion;
A second collecting passage connected to a passage opening end downstream of the first exhaust passage and a passage opening end downstream of the second exhaust passage;
A third exhaust passage communicating between the collective space portion and the second collective passage;
An adjustment valve mechanism that is provided in the collective space portion and adjusts a connection state of the first collective passage to the first exhaust passage, the second exhaust passage, and the third exhaust passage;
With
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine for discharging exhaust gas introduced through the first collecting passage through the second collecting passage,
As the adjustment valve mechanism ,
A single valve body that is rotatable in the assembly space,
By rotating in the assembly space part,
At least a connection state of the first collecting passage with respect to the first exhaust passage, the second exhaust passage, and the third exhaust passage,
A first connection state in which the first exhaust passage is connected to the first collecting passage, and the second exhaust passage and the third exhaust passage are blocked from the first collecting passage. When,
A second connection state in which the second exhaust passage is connected to the first collecting passage and the first exhaust passage and the third exhaust passage are blocked from the first exhaust passage. When,
A third connection state in which the third exhaust passage is connected to the first collecting passage;
And a single valve body capable of switching the first connection state and the second connection state to each other without going through the third connection state.
An exhaust emission control device for an internal combustion engine.
前記第1の排気通路のフィルタに捕集された微粒子の量と、前記第2の排気通路のフィルタに捕集された微粒子の量とを推定又は検出する手段と、
前記推定又は検出される微粒子の量に応じて前記調整弁機構を駆動し、前記第1の排気通路、第2の排気通路および第3の排気通路に対する第1の集合通路の接続状態を前記第
3の接続状態に移行する制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
Means for estimating or detecting the amount of particulates collected by the filter of the first exhaust passage and the amount of particulates collected by the filter of the second exhaust passage;
The adjustment valve mechanism is driven in accordance with the amount of the estimated or detected fine particles, and the connection state of the first collecting passage to the first exhaust passage, the second exhaust passage, and the third exhaust passage is changed to the first exhaust passage. Control means for shifting to the connection state of No. 3,
The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1, comprising:
前記第1の排気通路に備えられたフィルタ、及び前記第2の排気通路に備えられたフィルタは、排気に含まれるNOxを酸化雰囲気で吸蔵し、該吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元する機能を有する請求項1又は2記載の内燃機関の排気浄化装置。  The filter provided in the first exhaust passage and the filter provided in the second exhaust passage have a function of storing NOx contained in the exhaust in an oxidizing atmosphere and reducing the stored NOx in a reducing atmosphere. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2. 前記第1の排気通路において、前記第1の集合通路を形成する通路開口端と前記フィルタとの間に設けられ、該第1の排気通路内に還元剤を添加する第1の還元剤添加手段と、
前記第2の排気通路において、前記第2の集合通路を形成する通路開口端と前記フィルタとの間に設けられ、該第2の排気通路内に還元剤を添加する第2の還元剤添加手段と、
を備えることを特徴とする請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置。
In the first exhaust passage, a first reducing agent adding means is provided between a passage opening end forming the first collecting passage and the filter, and adds a reducing agent into the first exhaust passage. When,
In the second exhaust passage, a second reducing agent adding means is provided between a passage opening end forming the second collecting passage and the filter, and adds a reducing agent into the second exhaust passage. When,
The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 3, further comprising:
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