JP4915242B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、排気通路における触媒の下流に、触媒で浄化できなかった未浄化成分を吸着するための吸着材を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための触媒が設けられている。しかし、触媒の温度が低下している冷間始動時には、触媒が暖機されて活性化するまでの間、未浄化成分を含んだ排気ガスが外部へ排出されてしまうことがある。このため、従来、排気通路における触媒の下流に、触媒で浄化できなかった未浄化成分を吸着する吸着材を設けることが提案されている。このような従来技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された従来技術は、触媒が配置された排気通路（メイン排気通路）の途中からバイパス通路を分岐させ、このバイパス通路に炭化水素を吸着する吸着材を配置している。バイパス通路の下流側の端部は再び排気通路に接続されている。メイン排気通路とバイパス通路との分岐点には、排気ガスの流路をメイン排気通路とバイパス通路とで切り替える切替バルブが設けられている。冷間始動の直後、触媒が活性化するまでの間は、切替バルブの制御によって排気ガスがバイパス通路に導入される。これにより、排気ガスが吸着材を通過する際に未浄化の炭化水素は吸着材に吸着され、排気ガスは浄化されてから外部へ排出されることになる。

尚、吸着材には炭化水素を吸着可能な容量があり、その容量を超えては吸着することはできない。このため、吸着材の使用時、必要とされる吸着能力を常に得られるようにするためには、吸着材の不使用時に吸着能力を回復させておくことが必要となる。吸着材に吸着されている炭化水素は、排気温度の上昇に伴って吸着材が所定温度以上の高温状態になったとき、吸着材から脱離していくようになる。特許文献１に開示された従来技術では、ＥＧＲ管を介して吸気通路の負圧を吸着材に作用させることで、吸着材からの炭化水素の脱離を促すとともに、脱離した炭化水素を内燃機関に再循環させるようにしている。

特開２００２−１３８８２０号公報

ところで、未浄化成分の吸着に用いられる吸着材は、その主成分としてゼオライト等の水分吸着機能を有する素材を含んでいる。このため、排気ガスを吸着材に通したとき、吸着材には未浄化成分のみならず水分も吸着されることになる。排気ガスには燃料の燃焼によって生成された水分（蒸気）が大量に含まれているからである。吸着材に水分が吸着されていると、その分、吸着可能な未浄化成分の量は減少することになる。従って、低下した吸着材の吸着能力を回復するためには、未浄化成分だけでなく水分も吸着材から確実にパージする必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、吸着材からの未浄化成分および水分のパージに吸気通路の負圧を利用する場合、パージが完了するまでに長時間を要してしまうという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸着材からの未浄化成分および水分のパージを短い時間で完了できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
前記触媒の下流において前記主排気通路から分岐し、分岐点の下流において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガスに含まれる未浄化成分を吸着する吸着材と、
前記バイパス通路から分岐し、前記触媒の上流に接続されるリターン通路と、
前記触媒を通過した排気ガスの流路の形態を、そのまま主排気通路を通して大気中へ排出する通常の流路形態から他の流路形態に切り替える流路切替手段と、
前記流路切替手段を制御する制御手段とを備え、
前記流路切替手段は、前記他の流路形態として、前記触媒を通過した排気ガスの一部を前記主排気通路から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に前記リターン通路を介して前記触媒の上流に還流させる第１流路形態と、前記触媒を通過した排気ガスの少なくとも一部を前記主排気通路から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に再び前記主排気通路に戻して大気中へ放出する第２流路形態とを選択可能であり、
前記吸着材は、水分の吸着に適した水分吸着材と、ＮＯｘの吸着に適したＮＯｘ吸着材とからなり、前記第２流路形態において排気ガスの流れの方向の上流側に前記水分吸着材が配置され、下流側に前記ＮＯｘ吸着材が配置されており、
前記制御手段は、前記ＮＯｘ吸着材にＮＯｘを吸着させる場合には、前記第２流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御し、前記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘをパージする場合には、前記第１流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御し、その後、前記ＮＯｘ吸着材の温度がＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断された場合に、前記第１流路形態から前記第２流路形態に切り替わるように前記流路切替手段を制御し、その後、前記水分吸着材および前記ＮＯｘ吸着材の温度が水分完全脱離温度に達したと判断された場合に、前記通常の流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１流路形態において前記吸着材を通過する排気ガスの流れの方向と、前記第２流路形態において前記吸着材を通過する排気ガスの流れの方向とは同方向であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、前記第１流路形態は、前記触媒を通過した後の前記主排気通路を流れる排気ガスの一部を前記分岐点よりも下流側の合流部から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に前記リターン通路を介して前記触媒の上流に還流させるものであって、
前記主排気通路は、前記分岐点側の、前記主排気通路と前記バイパス通路との接続部において、当該主排気通路の下流方向に先細りとなるように形成されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、排気ガスに含まれる炭化水素を吸着する炭化水素吸着材を更に備え、
前記炭化水素吸着材は、前記第２流路形態において前記吸着材の上流に配置されることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、前記リターン通路は、内燃機関の吸気通路に接続されていることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、前記主排気通路上における前記バイパス通路との前記分岐点と合流点との間、および前記合流点より下流の前記主排気通路上の少なくとも一方に、排気ガスを浄化可能な触媒を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ＮＯｘのパージの完了後は、排気ガスの流路形態が第１流路形態から第２流路形態に切り替えられることで、高い圧力を水分吸着材およびＮＯｘ吸着材に作用させてこれらの吸着材（特に水分吸着材）に残存している水分を速やかにパージすることができ、全体のパージに要する時間を短縮することができる。尚、ＮＯｘ吸着材からパージされたＮＯｘは触媒の上流に還流され、触媒によって浄化される。一方、水分吸着材およびＮＯｘ吸着材からパージされた水分は、ＮＯｘと異なって無害であるので、触媒を通すことなくそのまま大気中へ排出することができる。また、本発明によれば、排気ガスに含まれる水分は水分吸着材で取り除かれ、乾いた排気ガスがＮＯｘ吸着材へ導入されるので、ＮＯｘ吸着材によるＮＯｘの吸着性能を高く維持することができる。また、第１流路形態においてこれらの吸着材を通過する排気ガスの流れの方向を、第２流路形態においてこれらの吸着材を通過する排気ガスの流れの方向と同方向とする場合には、水分吸着材からパージされた水分（水蒸気）を利用して下流のＮＯｘに吸着されているＮＯｘのパージを促進することができる。更に、本発明によれば、未浄化成分の１つであるＮＯｘが大気中へ排出されることを防止することができる。また、ＮＯｘは比較的低温で吸着材から完全脱離するのに対し、水分が吸着材から完全脱離する温度はＮＯｘのそれよりもかなり高温であるため、ＮＯｘのパージ完了後も吸着材には多くの水分が残存している。従って、ＮＯｘ完全脱離温度に基づくＮＯｘのパージ完了後、水分のパージのために排気ガスの流路形態を第１流路形態から第２流路形態に切り替えることで、全体のパージ時間の短縮に関して顕著な効果を得ながら、ＮＯｘおよび水分の確実なパージを行えるようになる。

第２の発明によれば、パージ時には吸着時と同方向に排気ガスが流されるので、上流側の水分吸着材からパージされた水分（水蒸気）を利用して下流のＮＯｘ吸着材に吸着されているＮＯｘのパージを促進することができる。

第３の発明によれば、分岐点側の、主排気通路とバイパス通路との接続部において、排気ガスの流速が高められることになる。このため、ベンチュリー効果によってバイパス通路側から分岐点に向かう方向に排気ガスの流れを生じさせることが可能となり、未浄化成分のパージを促進することができる。

第４の発明によれば、排気ガスに含まれる未浄化成分のうち、ＮＯｘはＮＯｘ吸着材で吸着することができ、炭化水素はＮＯｘ吸着材の上流に配置された炭化水素吸着材で吸着することができる。これによれば、ＮＯｘと炭化水素が大気中へ排出されることを防止することができる。

第５の発明によれば、吸着材からの未浄化成分のパージに吸気通路の負圧を利用することができる。これによれば、主排気通路の排気脈動を利用する場合よりも効率良くパージを行うことができる。また、この場合、吸着材からパージされた未浄化成分は吸気通路に還流されるので、内燃機関において再度燃焼させることができる。

第６の発明によれば、主排気通路における分岐部と合流部との間、および合流点より下流の主排気通路上の少なくとも一方に配置される触媒を利用して、吸着材から脱離させた未浄化成分を浄化することができる。更に、第７の発明と組み合わせるようにしたうえで、主排気通路における分岐部と合流部との間の部位に触媒を配置するようにすれば、以下のような顕著な効果を奏することができる。すなわち、当該触媒に未浄化成分を含むパージガスが導入されることになるため、触媒がパージガスの浄化反応熱によって昇温されることとなる。このため、当該触媒の温度低下を招くことなく、触媒から出る高温ガスをバイパス通路に常に循環させることが可能となる。これにより、優れたパージ促進効果が得られるようになる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、筒内に空気を取り込むための吸気通路１２と、筒内から排出された排気ガスが流れる排気通路とを備えている。本実施形態の排気通路は、筒内から排気ガスを排出するための主排気通路１４と、後述する第１バイパス通路１８および第２バイパス通路２０とを備えている。主排気通路１４には、排気ガスを浄化可能な触媒１６が配置されている。

本実施形態のシステムは、主排気通路１４を迂回する通路として、第１バイパス通路１８と第２バイパス通路２０とを備えている。第１バイパス通路１８は、触媒１６の下流において主排気通路１４から分岐し、第１分岐部１８aの下流において再び主排気通路１４に合流するように構成されている。第１分岐部１８aには、排気ガスの流入先を主排気通路１４と第１バイパス通路１８との間で切り替えるための第１切替バルブ２２が配置されている。

また、第１バイパス通路１８の途中には、排気ガスに含まれる未浄化成分である炭化水素（ＨＣ）を吸着する機能を有する炭化水素吸着材２４が配置されている。そのような炭化水素吸着材２４としては、例えば、ゼオライト系の素材を用いた吸着材を用いることができる。また、第１バイパス通路１８には、第１分岐部１８aと炭化水素吸着材２４との間の部位において、第１リターン通路２６が連通している。第１リターン通路２６は、その途中に第１パージ制御バルブ２８を備え、その端部において吸気通路１２に連通している。

また、第２バイパス通路２０は、第１バイパス通路１８の第１合流部１８bの下流において主排気通路１４から分岐し、第２分岐部２０aの下流において再び主排気通路１４に合流するように構成されている。第２分岐部２０aには、切替バルブ２２と同様の構成を有する第２切替バルブ３０が配置されている。第２切替バルブ３０は、排気ガスの流入先を主排気通路１４と第２バイパス通路２０との間で切り替えることができる。

また、第２バイパス通路２０の途中には、２つの吸着材が配置されている。具体的には、主排気通路１４の上流側に、すなわち、第２切替バルブ３０に近い側に、先ず、排気ガスに含まれる水分を吸着する機能を有し、当該水分の吸着に適した水分吸着材３２が配置されている。そのような水分吸着材３２としては、例えば、ゼオライト系の素材を用いた吸着材を用いることができる。

また、第２バイパス通路２０には、水分吸着材３２の下流側に、更に、排気ガスに含まれる未浄化成分であるＮＯｘを吸着する機能を有し、当該ＮＯｘの吸着に適したＮＯｘ吸着材３４が配置されている。そのようなＮＯｘ吸着材３４としては、例えばゼオライトに鉄Ｆｅを担持した素材を用いることができる。

また、第２バイパス通路２０には、第２分岐部２０aと水分吸着材３２との間の部位において、第２リターン通路３６が連通している。第２リターン通路３６は、その途中に第２パージ制御バルブ３８を備え、その端部において吸気通路１２に連通している。更に、第２バイパス通路２０における切替バルブ３０と水分吸着材３２との間の部位には、第２バイパス通路２０に流入する排気ガスの温度を検出するための第１温度センサ４０が組み込まれており、第２バイパス通路２０におけるＮＯｘ吸着材３４と第２合流部２０bとの間の部位には、当該部位を流れる排気ガスの温度を検出するための第２温度センサ４２が取り付けられている。

尚、リターン通路２６、３６の接続先は、触媒１６の上流の通路であれば、吸気通路１２でなくてもよく、例えば、主排気通路１４における触媒１６の上流部であってもよい。このような構成によれば、排気通路内に生じている排気脈動を利用してパージ動作を行うことができる。しかしながら、図１に示すリターン通路２６、３６によれば、パージに吸気負圧を利用することができ、排気通路の脈動を利用する場合よりも効率良くパージを行うことができる。また、この場合には、吸着材３４等からパージされた未浄化成分は吸気通路１２に還流されるので、内燃機関１０において再度燃焼させることができる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、内燃機関１０を制御するための各種センサや上記温度センサ４０等とともに、エンジン冷却水温度を検出するための水温センサ５２が接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述した切替バルブ２２等やパージ制御バルブ２８等の各種アクチュエータが接続されている。

［実施の形態１の動作］
図２は、本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。尚、以下、図２（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して、第２バイパス通路２０上に配置された水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４に対して行う動作について説明することとする。また、第１バイパス通路１８上に配置された炭化水素吸着材２４に対して行う動作については、第２パージ動作が実行されないという点を除き、水分吸着材３２等に対して行う動作と同様であるため省略するものとする。

（吸着時の動作）
先ず、図２（Ａ）を参照して、内燃機関１０の冷間始動時に筒内から排出される排気ガスの未浄化成分（ＮＯｘ）を上記ＮＯｘ吸着材３４に吸着させるために行われる動作について説明する。

吸着動作は、図２（Ａ）に示すように、内燃機関１０の冷間始動時に、第２切替バルブ３０が主排気通路１４を閉塞させる状態にして開始される。また、この吸着動作時には、第２パージ制御バルブ３８についても、閉弁状態に制御される。

上記のような状態では、内燃機関１０から排出された排気ガスの全部が、主排気通路１４から第２バイパス通路２０に導入される。第２バイパス通路２０に導入された排気ガスは、水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４を順に通過し、その後再び主排気通路１４に戻された後に大気中に放出される。

上記の吸着動作によれば、排気ガスに含まれる水分が水分吸着材３２に吸着されることで取り除かれる。そして、排気ガスに含まれるＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４に吸着されることで取り除かれる。これにより、触媒１６が未だ活性化していない冷間始動時に、排気ガスに含まれるＮＯｘが大気中に放出されるのを抑制することができる。また、水分吸着材３２を、吸着動作時においてＮＯｘ吸着材３４の上流となる側に配置したことで、乾いた排気ガスがＮＯｘ吸着材３４に導入されることになるので、ＮＯｘ吸着材３４によるＮＯｘの吸着性能を高く維持することができる。

また、本実施形態のシステムによれば、第１バイパス通路１８上に配置された炭化水素吸着材２４に対しても同様の吸着動作を行うことによって、未浄化成分であるＮＯｘおよび炭化水素が大気中へ放出されることを防止することができる。

図２（Ｂ）および（Ａ）は、第１パージ動作と第２パージ動作を有する本実施形態のパージ動作を説明するための図である。
先ず、図２（Ｂ）を参照して、冷間時に水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４にそれぞれ吸着された水分とＮＯｘをそれらの吸着材３４等からパージ（脱離）させるための第１パージ動作について説明する。

（第１パージ動作）
第１パージ動作は、触媒１６が活性化した後のタイミング等に、図２（Ｂ）に示すように、第２バイパス通路２０を閉塞する状態に第２切替バルブ３０を制御し、かつ、第２パージ制御バルブ３８を開いた状態で開始される。このような第１パージ動作によれば、筒内から排出された排気ガスの一部が、内燃機関１０の吸気通路１２に生じている負圧を利用して、主排気通路１４から第２合流部２０bを通過して第２バイパス通路２０に導入される。

その結果、比較的暖まってきた排気ガスがＮＯｘ吸着材３４に供給されることで、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４から脱離し、第２リターン通路３６を介して吸気通路１２にパージされる。吸気通路１２に戻されたＮＯｘは、再び燃焼に付された後に活性状態にある触媒１６によって浄化される。

ところで、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４から完全に脱離する温度（例えば、150℃）は、水分が水分吸着材３２から完全に脱離する温度（例えば、350℃）よりも低いことが分かってきた。そこで、本実施形態では、そのようなＮＯｘと水分のパージ温度が異なるという特性を利用して、次のような温度条件で、第１パージ動作から図２（Ａ）を参照して説明する第２パージ動作を切り替えるようにした。

（第２パージ動作）
第２パージ動作は、ＮＯｘ吸着材３４の温度が上記のＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断された時点で、図２（Ｂ）に示す状態から図２（Ａ）に示す状態となるように、切替バルブ３０や第２パージ制御バルブ３８の調整によって流路形態が切り替えられた状態で実行される動作である。このような第２パージ動作によれば、上述した吸着動作時と同様の流路形態が採用されるので、内燃機関１０の始動後に段々温まってきた排気ガスの全部が、主排気通路１４から第２分岐部２０aを通過して第２バイパス通路２０に導入されることになる。

その結果、水分吸着材３２に残存する水分の脱離が開始される。その後、水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４の温度が上記の水完全脱離温度に達したと判断された時点で、排気通路の流路形態が図２（Ｃ）に示す通常の流路形態に切り替えられることで、第２パージ動作が終了する。尚、図２（Ｃ）に示す通常の流路形態は、第２バイパス通路２０を閉塞するように第２切替バルブ３０が制御され、かつ、第２パージ制御バルブ３８が閉じられた状態で実現される。また、ここでは、第２パージ動作時に排気ガスの全部を第２バイパス通路２０に導入するようにしているが、第２パージ動作時の場合には、第２バイパス通路２０に導入される排気ガスは、必ずしも全部でなくてもよい。

ところで、ＮＯｘの吸着に用いられるＮＯｘ吸着材３４は、その主成分としてゼオライトを含んでいる。ゼオライトは水分を吸着するため、排気ガスをＮＯｘ吸着材３４に通したとき、ＮＯｘ吸着材３４にはＮＯｘのみならず水分も吸着されることになる。排気ガスには燃料の燃焼によって生成された水分（蒸気）が大量に含まれているからである。ＮＯｘ吸着材３４に水分が吸着されていると、その分、吸着可能なＮＯｘの量は減少することになる。従って、低下したＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を回復するためには、ＮＯｘだけでなく水分もＮＯｘ吸着材３４から確実にパージする必要がある。しかしながら、ＮＯｘ吸着材３４からのＮＯｘおよび水分のパージを、吸気通路１２の負圧を利用する第１パージ動作のみで行おうとすると、パージが完了するまでに長時間を要してしまう。

これに対し、本実施形態では、第１パージ動作に加えて、第２パージ動作が実行されることで、比較的低温側でパージ可能なＮＯｘは第１パージ動作によって吸気側へパージしたうえで、高い圧力および高い温度を水分吸着材３２に作用させて水分吸着材３２に残存している水分を速やかにパージすることができ、全体のパージ動作に要する時間を簡便な手法で好適に短縮することができる。尚、水分吸着材３２等からパージされた水分は、ＮＯｘと異なって無害であるので、触媒１６を通すことなくそのまま大気中へ排出することができる。

また、このような第２パージ動作によれば、第１パージ動作では十分にパージし難い水分を第１パージ動作のようにエンジン制御に悪影響を与えずに簡単かつ短時間にパージすることが可能となる。更に付け加えると、ＮＯｘ吸着材３４等への供給ガス温度を下げるためには、ＮＯｘ吸着材３４等をなるべく排気通路の下流側に搭載することが有利である。しかしながら、そのような搭載とした場合には、第１パージ動作に必要な温度にまでＮＯｘ吸着材３４等が到達しにくくなるため、ＮＯｘ吸着材３４等を排気通路の上流側に搭載せざるを得ないという問題があった。ところが、本実施形態のパージ動作を採用することで、ＮＯｘ吸着材３４等の配置場所の自由度を高めることが可能となる。

図３は、図２に示す吸着動作、並びに第１および第２パージ動作を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図３に示すルーチンは、内燃機関１０の始動直後に起動されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、エンジン冷却水温度が設定温度以下であるか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、エンジン冷却水温度が設定温度よりも高いと判定された場合、すなわち、暖機が完了している場合には、今回の処理サイクルが速やかに終了される。

上記ステップ１００において、エンジン冷却水温度が設定温度以下であると判定された場合、すなわち、冷間始動時であると認められた場合には、第２切替バルブ３０が開弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ１０２）。第２切替バルブ３０は、通常時は、第２バイパス通路２０の入口を閉塞しているが、本ステップ１０２において、冷間始動時と認められた場合には、主排気通路１４と第２バイパス通路２０とが連通状態となるように切り替えられる。

次に、触媒１６の活性判定が実行される（ステップ１０４）。具体的には、触媒１６の温度が所定の設定温度以上であるか否かが判別される。触媒１６の温度は、例えば、内燃機関１０の始動開始後に触媒１６に流入するガス量を吸入空気量Gaに基づき推定し、その吸入空気量Gaとガス流通時間との関係に基づいて予め定められたマップにより取得することができる。

上記ステップ１０４において、触媒１６の温度が上記設定温度以上であると判定された場合、すなわち、触媒１６が活性状態にあると判断できる場合には、第２切替バルブ３０が閉弁される（すなわち、第２バイパス通路２０への排気ガスの流入が遮断される）とともに、第２パージ制御バルブ３８が開弁される（ステップ１０６）。これにより、吸着動作が終了され、第１パージ動作が開始されることになる。

一方、上記ステップ１０４において、触媒１６の温度が上記設定温度に達していないと判定された場合には、水分吸着材３２等に流入するガス温度判定が実行される（ステップ１０８）。具体的には、第１温度センサ４０により検出される当該流入ガスの温度が所定の設定温度以上であるか否かが判別される。その結果、当該流入ガス温度が上記設定温度を下回る間は、排気ガスを第２バイパス通路２０に流入させる制御が継続される。その一方で、当該流入ガス温度が上記設定温度以上であると判定された場合には、触媒１６が未だ活性状態になっていなくても、第２切替バルブ３０が閉弁される（ステップ１０６）。このような制御によれば、第２バイパス通路２０に流入する排気ガスの温度が上昇した場合に、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４からパージされ、大気中に放出されるのを防止することができる。

また、図３に示すルーチンでは、第１パージ動作の実行中には、第２温度センサ４２により検出される第２バイパス通路２０内の排気ガス温度情報などに基づいて、ＮＯｘ吸着材３４の温度が上記のＮＯｘ完全脱離温度に達したか否かが判別される（ステップ１１０）。

その結果、ＮＯｘ吸着材３４の温度が当該ＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断できる場合には、第２切替バルブ３０が開弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ１１２）。これにより、第１パージ動作が終了され、次いで、第２パージ動作が開始される。

次に、第１温度センサ４０により検出される第２バイパス通路２０への供給ガス温度情報などに基づいて、水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４の温度が上記の水分完全脱離温度に達したか否かが判別される（ステップ１１４）。

その結果、水分吸着材３２等の温度が当該水分完全脱離温度に達したと判断できる場合には、第２切替バルブ３０が閉弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ１１６）。これにより、第２パージ動作が終了される。

尚、上述した実施の形態１においては、第１切替バルブ２２、第２切替バルブ３０、第１パージ制御バルブ２８、および第２パージ制御バルブ３８が前記第１の発明における「流路切替手段」に、図２（Ｂ）に示す第１パージ動作時の流路形態が前記第１の発明における「第１流路形態」に、図２（Ａ）に示す吸着動作および第２パージ動作時の流路形態が前記第１の発明における「第２流路形態」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が上記図３に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴的な構成］
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図４は、本発明の実施の形態２における排気浄化装置の特徴部分を表した図である。尚、図４において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。また、図４においては、第２バイパス通路２０よりも上流側の構成の図示を省略している。

本実施形態のシステムでは、図４に示すように、吸気通路１２へＮＯｘや水分をパージさせるために用いる第２リターン通路６０が、ＮＯｘ吸着材３４と第２合流部２０bとの間の部位において第２バイパス通路２０に接続されている。また、第２合流部２０bには、排気ガスの流入先を、主排気通路１４における第２合流部２０bの下流通路と第２リターン通路６０との間で切り替えるための第３切替バルブ６２が配置されている。

本実施形態のシステムは、上述した構成を用いて、吸着動作時においてＮＯｘ吸着材３４等を通過する排気ガスの流れの方向と、パージ動作時においてＮＯｘ吸着材３４等を通過する排気ガスの流れの方向とを同方向としたという点に特徴を有している。

［実施の形態２の動作］
図５は、本発明の実施の形態２のシステム動作を説明するための図である。尚、以下、図５（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して、第２バイパス通路２０上に配置された水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４に対して行う動作について説明することとする。

（吸着時の動作）
本実施形態における吸着動作は、図５（Ａ）に示すように、内燃機関の冷間始動時に、主排気通路１４を閉塞する状態に第２切替バルブ３０を制御し、かつ、主排気通路１４を開放する状態に第３切替バルブ６２を制御した状態にして開始される。また、この吸着動作時には、第２パージ制御バルブ３８についても閉弁状態に制御される。

上記のような状態では、内燃機関１０から排出された排気ガスの全部が、主排気通路１４から第２バイパス通路２０に導入される。第２バイパス通路２０に導入された排気ガスは、水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４を順に通過し、その後再び主排気通路１４に戻された後に大気中に放出される。

上記のような吸着動作によれば、排気ガスに含まれる水分およびＮＯｘが水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４にそれぞれ吸着されることで取り除かれる。これにより、触媒１６が未だ活性化していない冷間始動時に、排気ガスに含まれるＮＯｘが大気中に放出されるのを抑制することができる。

本実施形態においても、パージガスを吸気通路１２に戻す第１パージ動作と、パージガスを大気に放出する第２パージ動作が行われる。本実施形態は、特に第１パージ動作に特徴を有している。先ず、図５（Ｂ）を参照して、冷間時に水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４にそれぞれ吸着された水分とＮＯｘをそれらの吸着材３４等からパージ（脱離）させるための第１パージ動作について説明する。

（第１パージ動作）
第１パージ動作は、触媒１６が活性化した後のタイミング等に、図５（Ｂ）に示すように、主排気通路１４と第２バイパス通路２０とがそれぞれ開放されるように半開きの開度に第２切替バルブ３０を制御し、かつ、主排気通路１４を閉塞する状態に第３切替バルブ６２を制御した状態で開始される。また、この第１パージ動作時には、第２パージ制御バルブ３８は開弁状態に制御される。

上記のような第１パージ動作によれば、筒内から排出された排気ガスの一部が、内燃機関１０の吸気通路１２に生じている負圧を利用して、主排気通路１４から第２分岐部２０aを通過して第２バイパス通路２０に導入される。その結果、比較的暖まってきた排気ガスがＮＯｘ吸着材３４に供給されることで、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４から脱離し、第２リターン通路６０を介して吸気通路１２にパージされる。吸気通路１２に戻されたＮＯｘは、再び燃焼に付された後に活性状態にある触媒１６によって浄化される。

本実施形態の構成によれば、第１パージ動作時には、吸着動作時と同方向に排気ガスが流されることになる。このような構成に基づく効果を説明するために、上記吸着動作をより詳細に説明する。ゼオライトに鉄Ｆｅを担持した素材を用いるＮＯｘ吸着材３４は、ＮＯｘだけでなく水分をも吸着することができる。未浄化成分であるＮＯｘは、冷間始動の直後から発生するのに対し、水分は主排気通路１４がある程度暖められてから次第に増えてくる。このため、ＮＯｘ吸着材３４には先ずＮＯｘが吸着され、水分が増えてくるに従ってＮＯｘ吸着材３４の上流端から順にＮＯｘが水分に置き換えられていく。従って、最終的には、ＮＯｘ吸着材３４の上流部は、主に水分によって占められ、ＮＯｘはＮＯｘ吸着材３４の下流部に高い濃度で吸着された状態になる。

本実施形態の構成によれば、第１パージ動作時には、吸着動作時と同方向に排気ガスが流されるので、先ずＮＯｘ吸着材３４の上流部の水分をパージし、そこで発生した水蒸気を利用して下流部に吸着されているＮＯｘのパージを好適に促進することができる。また、ＮＯｘ吸着材３４の上流側に水分吸着材３２が配置されているため、水分吸着材３２からパージされた水分（水蒸気）を利用して下流のＮＯｘ吸着材３４に吸着されているＮＯｘのパージを促進することができる。

（第２パージ動作）
また、本実施形態においても、上述した実施の形態１と同様に、第２パージ動作が、ＮＯｘ吸着材３４の温度が上記のＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断された時点で実行される。より具体的には、第２パージ動作は、図５（Ｂ）に示す状態から図５（Ａ）に示す状態となるように、第２切替バルブ３０、第３切替バルブ６２、および第２パージ制御バルブ３８の調整によって流路形態が切り替えられた状態で実行される。

上記の第２パージ動作によれば、上述した吸着動作時と同様の流路形態が採用されるので、内燃機関１０の始動後に段々温まってきた排気ガスの全部が、主排気通路１４から第２分岐部２０aを通過して第２バイパス通路２０に導入されることになる。その結果、水分吸着材３２に残存する水分の脱離が開始される。その後、水分吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４の温度が上記の水完全脱離温度に達したと判断された時点で、排気通路の流路形態が図５（Ｃ）に示す通常の流路形態に切り替えられることで、第２パージ動作が終了する。尚、図５（Ｃ）に示す通常の流路形態は、第２バイパス通路２０を閉塞するように第２切替バルブ３０および第３切替バルブ６２が制御され、かつ、第２パージ制御バルブ３８が閉じられた状態で実現される。

図６は、図５に示す吸着動作、並びに第１および第２パージ動作を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図６に示すルーチンは、内燃機関１０の始動直後に起動されるものとする。尚、図６において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図６に示すルーチンでは、ステップ１００において、エンジン冷却水温度が設定温度以下であると判定された場合、すなわち、冷間始動時であると認められた場合には、第２切替バルブ３０および第３切替バルブ６２が主排気通路１４を開放するように開弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ２００）。

また、図６に示すルーチンでは、ステップ１０４または１０８の判定が成立する場合には、第２切替バルブ３０が半開きの開度に制御されるとともに、第３切替バルブ６２が閉弁され、また、第２パージ制御バルブ３８が開弁される（ステップ２０２）。第２切替バルブ３０は、開弁状態に維持される。これにより、吸着動作が終了され、第１パージ動作が開始されることになる。

また、図６に示すルーチンでは、第１パージ動作の実行中に、ＮＯｘ吸着材３４の温度が当該ＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断された場合（ステップ１１０）には、第２切替バルブ３０および第３切替バルブ６２がともに開弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ２０４）。これにより、第１パージ動作が終了され、次いで、第２パージ動作が開始される。

また、図６に示すルーチンでは、第２パージ動作の実行中に、水分吸着材３２等の温度が当該水分完全脱離温度に達したと判断された場合（ステップ１１４）には、第２切替バルブ３０および第３切替バルブ６２がともに閉弁されるとともに、第２パージ制御バルブ３８が閉弁される（ステップ２０６）。これにより、第２パージ動作が終了される。

実施の形態３．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図７は、本発明の実施の形態３における排気浄化装置の特徴部分を表した図である。尚、図７において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。ここでは、主排気通路７０を迂回する第１バイパス通路７２を例にとって説明する。

本実施形態のシステムは、第１バイパス通路７２との第１分岐部７２aから第１合流部７２bまでの区間の主排気通路７０の構造に特徴を有している。すなわち、図７に示す構成は、排気通路の上流側における主排気通路７０と第１バイパス通路７２との接続部である第１分岐部７２aを備えている。排気通路の上流側から第１分岐部７２aに接続される主排気通路７０の端部７０aは、排気通路の下流方向に先細りとなるように、すなわち、排気通路の下流方向に向かうに従って通路断面積が小さくなるように形成されている。

また、排気通路の下流側における主排気通路７０と第１バイパス通路７２との接続部である第１合流部７２bは、主排気通路７０内の排気ガスの流れ方向に第１バイパス通路７２の端部が合流されるように形成されている。その結果、第１合流部７２bは、排気ガスの流通時に動圧を受け易くなる。更に、主排気通路７０における第１分岐部７２aと第１合流部７２bとの間の部位には、排気ガスを浄化可能な触媒（床下触媒ＵＦ）７４が配置されている。

第１バイパス通路７２上に配置される炭化水素吸着材２４のように、パージに必要な吸着材の温度が300℃以上であることが要求される吸着材では、吸気通路１２へのパージだけでは、十分に炭化水素などの未浄化成分をパージすることが困難な場合がある。

これに対し、上記図７に示す構成では、排気通路の上流側から第１分岐部７２aに接続される主排気通路７０の端部７０aが、排気通路の下流側に向かうに従って先細りとなるように形成されている。このため、その端部７０aにおいては、排気ガスの流速が高められることになる。従って、第１切替バルブ２２の開度を第１バイパス通路７２が少しだけ開放される程度の半開き状態とすれば、ベンチュリー効果によって第１バイパス通路７２側から第１分岐部７２aに向かう方向に排気ガスの流れを生じさせることが可能となる。

その結果、第１合流部７２bが上記のように動圧を受け易い構造とされていることと相まって、第１分岐部７２aから第１合流部７２bまでの区間の主排気通路７０と第１バイパス通路７２との間で排気ガスが図７における反時計方向に循環するようになる。これにより、炭化水素吸着材２４の温度を効果的に上昇させることができ、炭化水素のパージを促進することができる。

また、上記図７に示す構成によれば、上記ベンチュリー効果による第１バイパス通路７２内のガス循環を利用して、触媒７４によってパージガスを浄化することができるので、吸気通路１２にパージガスを還流させるという手法に頼ることなくパージ動作が可能となり、また、吸気通路１２にパージガスを還流させるという手法に比して、十分にパージガスの温度を向上させることができる。更に、上記図７に示す構成によれば、主排気通路７０における第１分岐部７２aと第１合流部７２bとの間の部位に配置された触媒７４に未浄化成分である炭化水素を含むパージガスが導入されることになる。その結果、触媒７４がパージガスの浄化反応熱によって昇温されることとなる。このため、当該触媒７４の温度低下を招くことなく、触媒７４から出る高温ガスを第１バイパス通路７２に常に循環させることが可能となる。このように、本実施形態のシステムによれば、優れたパージ促進効果が得られるようになる。

ところで、上述した実施の形態３においては、主排気通路７０における第１分岐部７２aと第１合流部７２bとの間の部位に触媒７４を配置するようにしているが、触媒７４の配置場所は、これに限定されるものではなく、例えば、合流点７２bより下流の主排気通路７０上であってもよい。触媒７４がそのような位置に配置される場合であっても、上記図７に示す構成によれば、第１バイパス通路７２内でパージガスが循環されることになるので、炭化水素吸着材２４の温度を効果的に上昇させることができ、炭化水素のパージを十分に促進させることができる。

本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２における排気浄化装置の特徴部分を表した図である。 本発明の実施の形態２のシステム動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３における排気浄化装置の特徴部分を表した図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 主排気通路
１６、７４ 触媒
１８、７２ 第１バイパス通路
１８a、７２a 第１分岐部
１８b、７２b 第１合流部
２０ 第２バイパス通路
２０a 第２分岐部
２０b 第２合流部
２２ 第１切替バルブ
２４ 炭化水素吸着材
２６ 第１リターン通路
２８ 第１パージ制御バルブ
３０ 第２切替バルブ
３２ 水分吸着材
３４ ＮＯｘ吸着材
３６、６０ 第２リターン通路
３８ 第２パージ制御バルブ
５０ ECU(Electronic Control Unit)
６２ 第３切替バルブ
７０ 主排気通路
７０a 端部

Claims (6)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
   前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
   前記触媒の下流において前記主排気通路から分岐し、分岐点の下流において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配置され、排気ガスに含まれる未浄化成分を吸着する吸着材と、
   前記バイパス通路から分岐し、前記触媒の上流に接続されるリターン通路と、
   前記触媒を通過した排気ガスの流路の形態を、そのまま主排気通路を通して大気中へ排出する通常の流路形態から他の流路形態に切り替える流路切替手段と、
   前記流路切替手段を制御する制御手段とを備え、
   前記流路切替手段は、前記他の流路形態として、前記触媒を通過した排気ガスの一部を前記主排気通路から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に前記リターン通路を介して前記触媒の上流に還流させる第１流路形態と、前記触媒を通過した排気ガスの少なくとも一部を前記主排気通路から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に再び前記主排気通路に戻して大気中へ放出する第２流路形態とを選択可能であり、
   前記吸着材は、水分の吸着に適した水分吸着材と、ＮＯｘの吸着に適したＮＯｘ吸着材とからなり、前記第２流路形態において排気ガスの流れの方向の上流側に前記水分吸着材が配置され、下流側に前記ＮＯｘ吸着材が配置されており、
   前記制御手段は、前記ＮＯｘ吸着材にＮＯｘを吸着させる場合には、前記第２流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御し、前記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘをパージする場合には、前記第１流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御し、その後、前記ＮＯｘ吸着材の温度がＮＯｘ完全脱離温度に達したと判断された場合に、前記第１流路形態から前記第２流路形態に切り替わるように前記流路切替手段を制御し、その後、前記水分吸着材および前記ＮＯｘ吸着材の温度が水分完全脱離温度に達したと判断された場合に、前記通常の流路形態を選択するように前記流路切替手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１流路形態において前記吸着材を通過する排気ガスの流れの方向と、前記第２流路形態において前記吸着材を通過する排気ガスの流れの方向とは同方向であ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。
3. 前記第１流路形態は、前記触媒を通過した後の前記主排気通路を流れる排気ガスの一部を前記分岐点よりも下流側の合流部から前記バイパス通路に導入し、前記吸着材を通過させた後に前記リターン通路を介して前記触媒の上流に還流させるものであって、
   前記主排気通路は、前記分岐点側の、前記主排気通路と前記バイパス通路との接続部において、当該主排気通路の下流方向に先細りとなるように形成されてい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。
4. 排気ガスに含まれる炭化水素を吸着する炭化水素吸着材を更に備え、
   前記炭化水素吸着材は、前記第２流路形態において前記吸着材の上流に配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記リターン通路は、内燃機関の吸気通路に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記主排気通路上における前記バイパス通路との前記分岐点と合流点との間、および前記合流点より下流の前記主排気通路上の少なくとも一方に、排気ガスを浄化可能な触媒を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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