JP4577099B2

JP4577099B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4577099B2
Application number: JP2005164685A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: JP2006336588A

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置から供給された還元剤により触媒において排気浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。

特開２０００−３０３８２６号公報

このような排気浄化装置では、還元剤を有効に利用するために、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させるのが好ましい。この点、還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間が大きければ、還元剤を広く分散させることが可能である。

しかしながら、例えば車両床下においては還元剤供給装置の設置箇所には制限があるので、還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間を必ずしも大きくできない。このため、ただ単に還元剤を排気通路内に添加しても還元剤の良好な分散性を確保できないおそれがある。

そこで本発明は、還元剤の良好な分散性を確保して還元剤を有効に利用できるようにする内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために１番目の発明によれば、触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置から供給された還元剤により触媒において排気浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給装置上流の排気通路内に還元剤を一時的に付着保持するための還元剤保持部材を配置し、還元剤供給装置から還元剤を還元剤保持部材に向けて供給し、還元剤が還元剤保持部材に一時的に付着保持された後に還元剤保持部材から離脱して触媒に供給されるようにしている。

また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記還元剤保持部材をハニカム構造体から構成している。

また、３番目の発明によれば２番目の発明において、前記還元剤保持部材を排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタから構成している。

また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記還元剤保持部材を通気性板状部材から構成している。

また、５番目の発明によれば４番目の発明において、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタが前記触媒上流の排気通路内に配置されており、前記還元剤供給装置及び前記板状部材をパティキュレートフィルタと触媒間の排気通路内に配置している。

還元剤の良好な分散性を確保して還元剤を有効に利用することができる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。外気によって吸気空気が冷却されるようにしてもよい。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１の入口に連結される。排気タービン２１の出口は排気管２２を介して触媒コンバータ２３の入口に連結され、触媒コンバータ２３の出口は排気管２４に連結される。

図１に示される例では、触媒コンバータ２３は例えば単一のケーシング２５を具備し、このケーシング２５内に排気ガス流れ方向に間隙２６を隔てて互いに直列配置された還元剤保持部材２７及び触媒２８が収容される。また、間隙２５内には還元剤供給弁２９が配置される。従って、触媒２８の上流に還元剤供給弁２９が配置され、還元剤供給弁２９の上流に還元剤保持部材２７が配置される。還元剤供給弁２９は還元剤供給管２９ａを介し電気制御式の吐出量可変な還元剤ポンプ３０に連結され、還元剤ポンプ３０は例えば液体の還元剤を収容した還元剤タンク３１に連結される。還元剤の種類は触媒２８の種類や浄化すべき排気ガス成分に応じて定めることができ、例えば軽油（燃料）のような炭化水素や、尿素、アンモニアなどを還元剤として用いることができる。

更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは再循環排気ガス（以下、ＥＧＲと称す）通路３２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３３が配置される。また、ＥＧＲ通路３２周りにはＥＧＲ通路３２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３４が配置される。

燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して共通の燃料蓄圧室すなわちコモンレール３５に連結され、このコモンレール３５は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３６を介して燃料タンク３７に連結される。コモンレール３５にはコモンレール３５内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３８が取り付けられており、燃料圧センサ３８の出力信号に基づいてコモンレール３５内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３６の吐出量が制御される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。排気管２２には排気管２２内の圧力を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量を検出するための負荷センサ５１が接続される。燃料圧センサ３８、圧力センサ４９、及び踏み込み量センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５にそれぞれ入力される。さらに、入力ポート４５にはクランクシャフトがたとえば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。ＣＰＵ４４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ１６、還元剤供給弁２９、還元剤ポンプ３０、ＥＧＲ制御弁３３、及び燃料ポンプ３６にそれぞれ接続される。

さて、還元剤保持部材２７は還元剤供給弁２９から供給された還元剤を一時的に付着保持するためのものである。図２（Ａ）に示される例では、還元剤保持部材２７は排気ガス中に含まれる主として固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ２７ａから構成される。このパティキュレートフィルタ２７ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。従って、排気ガス流入通路６０及び排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０及び排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。パティキュレートフィルタ２７ａはコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ａ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。

この場合、排気ガス流入通路６０側に位置する隔壁６４の表面を排気ガス流入面６５と称し、排気ガス流出通路６１側に位置する隔壁６４の表面を排気ガス流出面６６と称すると、排気ガスは排気ガス流入面６５を通過し次いで排気ガス流出面６６を通過する。なお、パティキュレートフィルタ２７ａに堆積した微粒子を酸化除去するために、例えばパティキュレートフィルタ２７ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながらパティキュレートフィルタ２７ａの温度を高める微粒子除去作用を周期的に行うことができる。なお、パティキュレートフィルタ２７ａに例えば酸化機能を有する触媒を担持させることもできる。

一方、触媒２８は還元剤供給弁２９から供給された還元剤により排気浄化するためのものである。図２（Ａ）に示される例では、この触媒２８は選択還元触媒又はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒から構成される。選択還元触媒は酸化雰囲気であっても排気ガス中のＮＯ_Ｘを選択的に還元する。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯ_Ｘを一時的に蓄え、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると蓄えていたＮＯ_Ｘを放出、還元する。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と燃料及び還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。

この触媒２８はハニカム構造をなす基材に担持されている。この基材は互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路を具備し、これら排気流通路は上流端及び下流端が開放されている。また、基材もコージェライトのような多孔質材料から形成されている。

触媒２８をＮＯ_Ｘ吸蔵触媒から構成した場合を例にとって説明すると、内燃機関ではリーン運転が継続して行われているのでこのとき排気ガス中のＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ吸蔵触媒内に蓄えられる。次いで、蓄えられているＮＯ_Ｘを放出、還元すべきときになると、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになるように還元剤が供給され、その結果ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒内のＮＯ_Ｘが放出され、この還元剤でもってＮＯ_Ｘが還元される。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒内にはイオウ例えばＳＯ_Ｘも蓄えられ、このＳＯ_Ｘを放出すべきときになると、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになるように還元剤が供給される。

触媒２８に還元剤を供給すべきときには還元剤供給弁２９から還元剤が供給される。本発明による実施例では、還元剤がパティキュレートフィルタ２７ａに向かうように還元剤供給弁２９の供給軸線が指向されており、また、還元剤がパティキュレートフィルタ２７ａに到達するように還元剤供給弁２９の供給圧が設定されている。従って、図２（Ｂ）に示されるように、還元剤供給弁２９からパティキュレートフィルタ２７ａに向けて還元剤Ｒが噴射され、この還元剤がパティキュレートフィルタ２７ａ、特に排気ガス流出面６６に付着保持される。この場合、パティキュレートフィルタ２７ａの断面ほぼ全体に拡がるように還元剤Ｒを噴射するのが好ましい。

パティキュレートフィルタ２７ａに付着保持された還元剤はパティキュレートフィルタ２７ａ自体又は排気ガスの熱によって、或いは排気ガス流れによって、パティキュレートフィルタ２７ａから離脱され、次いで触媒２８に供給される。

このように還元剤をパティキュレートフィルタ２７ａに一時的に保持させた後に触媒２８に供給するようにしているので、大きな分散空間を要することなく、還元剤を広く分散させることができる。しかも、還元剤が排気ガス流れに逆行する際にせん断力を受けたりパティキュレートフィルタ２７ａに衝突されるので、或いは還元剤がパティキュレートフィルタ２７ａ又は排気ガスから熱を受けるので、還元剤の微粒化を促進することができる。従って、触媒２８において還元剤を排気浄化のために有効利用できることになる。

パティキュレートフィルタ２７ａ上に形成される微粒子堆積層に還元剤を供給すると、還元剤がこの微粒子堆積層に浸み込むことにより還元剤を排気浄化のために有効に利用できないおそれがある。しかしながら、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２７ａの排気ガス流出面６６に向けて還元剤が供給され、この排気ガス流出面６６上には微粒子堆積層がほとんど形成されないので、このような不具合が生じない。

また、上述したパティキュレートフィルタ２７ａの微粒子除去作用を行うことによって、パティキュレートフィルタ２７ａに残留している還元剤をも酸化除去することができる。その結果、パティキュレートフィルタ２７ａに残留した還元剤が変質して固着するのを阻止できる。

図３及び図４は本発明による別の実施例を示している。

図３に示される例では、還元剤保持部材２７がハニカム構造体２７ｂから構成される。このハニカム構造体２７ｂは上述した触媒２８の基材と同様に、互いに平行をなして延びかつる複数個の排気流通路を具備し、これら排気流通路は上流端及び下流端が開放されている。このハニカム構造体２７ｂはセラミックから形成することもできるし、金属から形成することもできる。

この場合、ハニカム構造体２７ｂの下流端２７ｂｄ周りに向けて還元剤Ｒが噴射され、この還元剤がハニカム構造体２７ｂ、特に下流端２７ｂｄ周りに付着保持される。次いで、還元剤がハニカム構造体２７ｂから離脱されて触媒２８に供給される。

ハニカム構造体２７ｂに別の触媒を担持させることもできる。この場合の追加の触媒として、上述したＮＯ_Ｘ吸蔵触媒、選択還元触媒のほか、酸化機能を有する触媒を用いることができる。或いは、例えば尿素からアンモニアを生成するための加水分解触媒や、還元剤としての炭化水素を一時的に吸着して改質するための吸着改質触媒を用いることもできる。いずれにしても、ハニカム構造体２７ｂに触媒を担持させることにより、還元剤を改質することができ、還元剤を排気浄化のために更に有効利用できる。

更に、図３に示される例では、ハニカム構造体２７ｂ上流のケーシング２５内にハニカム構造をなす基材に担持された補助触媒７０が収容される。この補助触媒７０は例えば酸化機能を有する触媒から構成される。

一方、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される例では、還元剤保持部材２７が通気性板状部材２７ｃから構成される。この通気性板状部材２７ｃは例えばセラミックやフォームフィルタのような多孔質材料から形成される。この場合、通気性板状部材２７ｃの下流側面２７ｃｄに向けて還元剤Ｒが噴射され、この還元剤が通気性板状部材２７ｃ、特に下流側面２７ｃｄに付着保持される。次いで、還元剤が通気性板状部材２７ｃから離脱されて触媒２８に供給される。

図４（Ａ），（Ｂ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃは触媒２８上流のケーシング２５内に収容される。その上で、図４（Ａ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃはケーシング２５の断面のほぼ全体にわたって拡がっている。これに対し、図４（Ｂ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃはケーシング２５の断面の一部にわたって拡がっており、還元剤供給弁２９から還元剤Ｒがこの通気性板状部材２７ｃに向けて供給される。

一方、図４（Ｃ）に示される例では、排気管２２は別のケーシング８０に連結され、別のケーシング８０は排気管８１を介してケーシング２５に連結される。別のケーシング８０内には上述したパティキュレートフィルタ２７ａと同様の構成のパティキュレートフィルタ８２が収容され、ケーシング２５内には上述した触媒２８が収容される。還元剤保持部材２７及び還元剤供給弁２９は排気管８１内に配置される。このようにすると、パティキュレートフィルタ８２の微粒子除去作用を行う際に、還元剤保持部材２７によってパティキュレートフィルタ８２からの放熱を抑制することができる。また、排気管８１の流路断面はケーシング２５，８０よりも小さく従って排気ガスの線流速が高いので、通気性板状部材２７ｃに付着保持された還元剤を微粒化しつつ離脱させることができる。

図５は通気性板状部材２７ｃのさまざまな実施例を示している。

図５（Ａ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃは同心円の折り曲げ線９０に沿って波状に折り曲げられた不織布９１からなる。この不織布９１は例えば金属繊維、ガラス繊維などの耐熱繊維から形成することができる。

これに対し、図５（Ｂ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃは複数の孔９３が形成された例えば金属などの非通気性板材９４から構成されている。また、図５（Ｃ）に示される例では、通気性板状部材２７ｃは排気ガス流れ方向に直列に配置された複数の非通気性板材９５から構成され、各非通気性板材９５には例えば小片を折り込むことによって複数の孔９６が形成されている。このようにすると、排気ガス流れの乱れを増大させることができ、従って還元剤の拡散性を高めることができる。

内燃機関の全体図である。本発明による実施例を説明するための図である。本発明による別の実施例を示す図である。本発明による別の実施例を示す図である。板状部材の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１機関本体
２３触媒コンバータ
２７還元剤保持部材
２８触媒
２９還元剤供給弁

Claims

触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置から供給された還元剤により触媒において排気浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給装置上流の排気通路内に還元剤を一時的に付着保持するための還元剤保持部材を配置し、還元剤供給装置から還元剤を還元剤保持部材に向けて供給し、還元剤が還元剤保持部材に一時的に付着保持された後に還元剤保持部材から離脱して触媒に供給されるようにした内燃機関の排気浄化装置であって、前記還元剤保持部材をハニカム構造体から構成した内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤保持部材を排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタから構成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。