JP5316695B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて排ガスを昇温する排気昇温装置を有する排気浄化システムに関する。
機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒の上流に、当該排気浄化触媒よりも体積が小さい小型酸化触媒を配置した排気浄化装置が提案されている(例えば特許文献1及び2を参照)。このタイプの装置では、小型酸化触媒から生じる熱により排気浄化触媒を早期に活性化すること、及び小型酸化触媒に供給した燃料などの還元剤を改質することが期待されている。
特開2009−156164号公報 特開2009−209804号公報
しかしながら、このタイプの装置では、小型酸化触媒を通過した排気と、小型酸化触媒を通過しない排気との間で、温度差が大きくなる場合があり、その場合には下流側の排気浄化触媒の浄化性能及び耐久性に影響しうる。他方、小型酸化触媒と排気浄化触媒との間に、排気の混合を促進するための整流板を設けると、排気系の全長が過度に長くなるおそれがある。
本発明の目的は、小型酸化触媒のような前段触媒からその下流側の排気浄化触媒に到達する排気における温度差を抑制できる新規な手段を提供することにある。
本発明の1態様は、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に設けられ、当該排気通路を流れる排気の一部が通過する前段触媒と、
前記内燃機関の排気を前記前段触媒よりも下流側であって前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に直接導入するバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム
である。
この態様では、内燃機関の排気を前段触媒よりも下流側の排気通路に直接導入するバイパス通路と、バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えたので、前段触媒を通過した排気と、前段触媒を通過していない排気とが、バイパス通路から供給される排気によって攪拌される。したがって、前段触媒の下流側の排気浄化触媒に到達する排気における温度差を抑制することができる。
好適には、システムは前記前段触媒よりも上流側に設けられ前記前段触媒に流入する排気に還元剤を供給する還元剤供給装置を備える。この場合には更に、排気昇温装置は、前記還元剤供給装置から供給された還元剤を加熱する加熱手段を備えてもよい。
好適には、システムは前記バイパス弁を制御するコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記前段触媒の上流側の圧力から前記前段触媒の下流側の圧力を減じた差分が所定値を上回るように、前記バイパス弁を制御する。この態様では、前段触媒の近傍における排気の逆流を抑制することができる。
好適には、前記バイパス通路の下流側の端部は、前記排気通路の下流側に向けて偏向して前記排気通路に接続されている。この態様では、前段触媒の近傍における排気の逆流を抑制することができる。
好適には、前記バイパス通路の下流側の端部は、前記排気通路の上流側に向けて偏向して前記排気通路に接続されている。この態様では、前段触媒を通過した排気と、前段触媒を通過していない排気との攪拌を促進することができる。
好適には、前記バイパス通路の下流側の端部は、前記前段触媒の流れ方向における中間部に向けて前記排気通路に接続されている。この態様では、バイパス通路から導入された高温の排気により、前段触媒の昇温を促進できる。
好適には、前記排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャを更に備え、前記バイパス通路の上流側は、前記タービンよりも上流側の前記排気通路に接続されている。この態様では、排気通路におけるタービンの上流側の高温かつ高圧の排気を好適に利用することができる。この場合には、好適には、前記バイパス通路の上流側は、前記内燃機関に備えられた排気マニホールドに接続されている。
好適には、前記バイパス弁は、前記バイパス通路の下流側の端部の近傍に配置され、かつ、開動作時に、前記バイパス通路からの排気の流れを、前記排気通路の上流側に偏向させる。この場合には、前段触媒を通過した排気と、前段触媒を通過していない排気との攪拌を促進することができる。
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
本発明によれば、前段触媒からその下流側の排気浄化触媒に到達する排気における温度差を抑制することができる。
図1は、本発明の第1実施形態の概念図である。 図2は、排気通路への燃料供給処理を示すフローチャートである。 図3は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す側面図である。 図4は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す側面図である。 図5は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す側面図である。 図6は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図7は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図8は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図9は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図10は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図11は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。 図12は、排気管とバイパス通路との接続構造の構成例を示す正面図である。
本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。図1は本発明の第1実施形態を示す。図1において、エンジン本体1は、軽油を燃料とする圧縮点火式内燃機関(ディーゼルエンジン)であるが、他の形式の内燃機関であってもよい。エンジン本体1は、4つの気筒のそれぞれに燃焼室2を有する。各燃焼室2には、燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁3が配置されている。燃焼室2には、吸気マニホールド4および排気マニホールド5が接続されている。吸気マニホールド4は、吸気管6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結されている。コンプレッサ7aの入口は、エアフローメータ8を介してエアクリーナ9に連結されている。
吸気管6内には、ステップモータ(不図示)により駆動されるスロットル弁10が配置されている。吸気管6の周りには、吸気管6内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ11が配置されている。インタークーラ11内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
排気マニホールド5は、排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結されている。排気タービン7bの出口は、排気管12を介して、排気浄化触媒13に連結されている。この排気浄化触媒13上流の機関排気通路内、即ち排気管12内には、小型酸化触媒14が配置されている。小型酸化触媒14は、本発明における前段触媒に相当する。小型酸化触媒14は、排気浄化触媒13よりも体積及び前面投影面積が小さい。小型酸化触媒14の前面投影面積は、その周囲の排気管12の断面積よりも小さく、したがって小型酸化触媒14には、排気管12を通過する排気ガスの一部が流通する。
排気浄化触媒13は、例えば酸化触媒、三元触媒又はNOx触媒から構成されている。小型酸化触媒14は酸化触媒から構成されており、触媒物質としては例えばPt/CeO、Mn/CeO、Fe/CeO、Ni/CeO、Cu/CeO等を用いることができる。触媒13,14の基材には、コージェライトあるいはメタルが用いられている。
この小型酸化触媒14上流の排気管12内には、小型酸化触媒14に燃料を供給するための燃料供給弁15が、その噴射口を排気管12内部に臨ませて配置されている。燃料供給弁15には、燃料タンク44内の燃料が燃料ポンプ43を介して供給される。燃焼を促進させるために、外部から排気管12の内部に燃焼用空気を供給するための管路、制御弁及びコンプレッサを設けても良い。
燃料供給弁15よりも下流側の排気管12内には、グロープラグ16が設けられている。グロープラグ16は、その先端部に燃料供給弁15から添加される燃料が接触するように配置されている。グロープラグ16には、これに給電するための直流電源及び昇圧回路(いずれも不図示)が接続されている。着火するための手段としては、グロープラグに代えてセラミックヒータを用いてもよい。燃料の微粒化を促進するために、燃料供給弁15から噴射された燃料を衝突させるための衝突板を、排気管12内に配置してもよい。小型酸化触媒14、燃料供給弁15およびグロープラグ16は、排気昇温装置40を構成し、この排気昇温装置40は、後述するECU50によって制御される。
排気通路における小型酸化触媒14の上流側と下流側とを接続するように、バイパス通路31が設けられている。バイパス通路31は、排気通路におけるタービン7bよりも上流側の点と、小型酸化触媒14の下流側であって排気浄化触媒13よりも上流側の点とを接続する。したがって、エンジン本体1の動作中には、バイパス通路31は、エンジン本体1の排気を小型酸化触媒14よりも下流側の排気通路に直接導入することができる。バイパス通路31の上流側は、排気マニホールド5に接続するのが好適であり、また、排気マニホールド5の集合部に接続するのが特に好適である。バイパス通路31には、当該バイパス通路31を開閉するバイパス弁34、及びこれを駆動するステップモータ35が設けられている。バイパス弁34は周知のバタフライ弁であるが、他の任意の種類の弁を採用することもできる。
小型酸化触媒14よりも上流側の排気管12内には、排気通路内の圧力を検出するための第1圧力センサ41が設置されている。小型酸化触媒14よりも下流側であって排気浄化触媒13よりも上流側の排気管12内には、排気通路内の圧力を検出するための第2圧力センサ42が設置されている。
各燃料噴射弁3は、燃料供給管41を介してコモンレール42に連結され、このコモンレール42は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ43を介して燃料タンク44に連結される。燃料タンク44内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ43によってコモンレール42内に供給され、コモンレール42内に供給された燃料は各燃料供給管41を介して燃料噴射弁3に供給される。
コントローラである電子制御ユニット(ECU)50は、周知のデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(マイクロプロセッサ)、入力ポートおよび出力ポートを具備する。
圧力センサ41,42の出力信号は、対応するAD変換器を介してECU50の入力ポートに入力される。アクセルペダル51には、アクセルペダル51の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ52が接続され、負荷センサ52の出力電圧は、対応するAD変換器を介して入力ポートに入力される。更に入力ポートには、エンジン本体1のクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ53が接続される。更に入力ポートには、スロットル弁10の近傍に設置された吸気温度センサ54が接続される。
他方、ECU50の出力ポートは、対応する各駆動回路を介して、スロットル弁10およびバイパス弁34の駆動用の各ステップモータに接続される。出力ポートはまた、対応する各駆動回路を介して燃料噴射弁3及び燃料ポンプ43に接続される。これらアクチュエータ類の動作は、ECU50によって制御される。ECU50のROMには、各種プログラム及び基準値・初期値が格納されている。このような基準値及び初期値は、後述する処理に使用される温度の基準値Cを含む。
ECU50は、エアフローメータ8、負荷センサ52、クランク角センサ53および吸気温度センサ54の検出値を含む車両の状態、とくにエンジンの動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけ燃料噴射弁3を開くべく制御信号を出力する。この制御信号に従って、燃料供給指示量に応じた量の燃料が燃料噴射弁3から供給され、エンジン本体1が運転される。
上記のエンジン本体1の運転制御と並行して、ECU50はさらに、排気昇温装置40及びバイパス弁34を制御して、排気通路への燃料供給を実行する。図2の処理ルーチンは、エンジン本体1の動作中にわたって所定時間Δtごとに繰返し実行される。
図2において、ECU50は、燃料噴射弁15による燃料噴射制御の実行要求が出されているかを判定する(S10)。この燃料噴射制御の実行要求は、冷間始動時など低温時の排気浄化触媒13の昇温、排気浄化触媒13における堆積した粒子状物質(PM)の酸化及び燃焼、及び排気浄化触媒13がNOx吸蔵還元触媒である場合には、排気浄化触媒13に対するNOx還元並びにSOx被毒回復を目的として、ECU50により出力される。燃料噴射制御の実行要求がされるための条件は、低温時における昇温の場合は、たとえば吸気温度センサ54の検出温度が所定値よりも低いことであり、排気浄化触媒13に対するNOx還元並びにSOx被毒回復の場合には、例えば、各物質の堆積量又は吸蔵量の推定値が所定の基準値を上回っていること、及び排気浄化触媒13の温度の推定値が所定の基準値を上回っていることである。ステップS10で否定、すなわち実行要求が出されていない場合には、バイパス弁がクローズされる(S60)。
ステップS10で肯定、すなわち燃料噴射制御の実行要求が出されている場合には、ECU50は排気昇温装置40を制御して、燃料の供給及び着火を行い、これにより小型酸化触媒14を昇温させる。
燃料の一部又は全部は小型酸化触媒14に供給され、このとき小型酸化触媒14が活性化していれば、小型酸化触媒14内で燃料が酸化させられ、このとき発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒14が昇温させられる。また、小型酸化触媒14の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、小型酸化触媒14は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。また、燃料噴射弁15から供給された燃料の一部又は全部は、グロープラグ16により昇温又は着火され、これによって排ガスの昇温が促進される。
次に、ECU50は、第1圧力センサ41により検出される上流側圧力P1、及び第2圧力センサ42により検出される下流側圧力P2の値を読み込む(S30)。次にECU50は、読み込まれた上流側圧力P1から下流側圧力P2を減じた差分を、予め定められた基準値Cよりも大であるかを判断する(S40)。この基準値Cの値は小型酸化触媒14の近傍における排気の逆流が生じないような値に実験的に定めることができる。基準値Cの値は固定であっても、システムの状態を示す物理量に基づいて動的に取得してもよい。基準値Cは0を含む所定範囲内とするのが好適であり、排気脈動の影響などによる過敏な動作を抑制すべく、正の値とするのが好適である。
ステップS40で肯定の場合には、ECU50はバイパス弁34がオープンするようにアクチュエータに制御出力を行う(S50)。したがってバイパス通路31を通じて、エンジン本体1からの排気が直接導入される。ステップS40で否定の場合には、ECU50はバイパス弁34がクローズするように、アクチュエータに制御出力を行う(S60)。したがってバイパス通路31を通じた排気の導入は行われない。
以上の処理の結果、本実施形態では、上流側圧力P1から下流側圧力P2を減じた差分が基準値Cを常に上回るように、バイパス弁34が制御される。
以上のとおり、本実施形態では、エンジン本体1の排気を小型酸化触媒14よりも下流側の排気通路に直接導入するバイパス通路31と、このバイパス通路31を開閉するバイパス弁34と、を備えた。その結果、小型酸化触媒14を通過した排気と、小型酸化触媒14を通過していない排気とが、バイパス通路31から供給される排気によって攪拌され、これによって、小型酸化触媒14の下流側の排気浄化触媒13に到達する排気における温度差を抑制することができる。この温度差の抑制によって、排気浄化触媒13をその全体にわたってより平均的に使用できるので、排気浄化触媒13のサイズ及び/又は触媒物質量をより小さくすることも可能になる。
また通常、排気マニホールド5内の圧力は排気タービン7bの下流側よりも高いので、本実施形態では低負荷時であっても好適な攪拌を行うことができる。また、通常、排気マニホールド5内の温度は排気タービン7bの下流側よりも高いので、バイパス通路からの高温の排気を好適に利用することが可能になる。
また、システムが小型酸化触媒14よりも上流側に設けられ小型酸化触媒14に流入する排気に還元剤を供給する燃料噴射弁15と、供給された還元剤を加熱するグロープラグ16とを備えたので、排気を好適に昇温及び改質することができる。
また、ECU50が、小型酸化触媒14の上流側の圧力P1から下流側の圧力P2を減じた差分が所定値Cを上回るようにバイパス弁34を制御するので、小型酸化触媒14の近傍における排気の逆流を抑制することができる。
また、本実施形態では、バイパス通路31の上流側が、ターボチャージャ7の排気タービン7bよりも上流側の排気通路に接続されているので、排気タービン7bの上流側の高温かつ高圧の排気を好適に利用することができる。また、バイパス通路31の上流側は、排気マニホールド5に接続されているので、バイパス通路31から導入される排気を特に高温にすることができる。さらに、バイパス通路31の上流側は排気マニホールド5の集合部に接続したので、排気脈動の影響を抑制することができる。
次に、バイパス通路31の配置に関する各種の態様について説明する。図3、図4及び図5は、それぞれ、排気管12の断面図であって、小型酸化触媒14の下流側から上流側に向けて見たものである。図3に示される態様(i)は、バイパス通路31の下流側の端部を、その軸線AL1が排気管12及び小型酸化触媒14の軸線AL2と交わるように、排気管12に接続したものである。この態様では、バイパス通路31からの排気の流れF1が、小型酸化触媒14の下流側の高温の領域と、小型酸化触媒14の周囲の排気管12内の領域である迂回路12aとを横切るので、排気の攪拌を促進することができる。
図4に示される態様(ii)は、バイパス通路31の下流側の端部を、排気管12の管壁の接線上に接続したものである。この態様では、バイパス通路31からの排気の流れF2が、排気管12内における渦の生成を促進するので、排気の攪拌を促進することができる。
図5に示される態様(iii)は、バイパス通路31の下流側の端部を、その軸線AL1が排気管12及び小型酸化触媒14の中心軸AL2からシフトSするように、排気管12に接続したものである。この態様では、シフトSに起因して排気管12内の乱流が促進されるので、排気の攪拌を促進することができる。
図6に示される態様(iv)は、バイパス通路31の下流側の端部を、その軸線AL1が排気管12の下流側に向けて偏向α1するように、排気管12に接続したものである。この態様では、小型酸化触媒14の近傍における排気の逆流を抑制することができる。
図7に示される態様(v)は、バイパス通路31の下流側の端部を、その軸線AL1が排気管12の上流側に向けて偏向α2するように、排気管12に接続したものである。この態様では、小型酸化触媒14を通過した排気と、小型酸化触媒14を通過していない排気との攪拌を促進することができる。
図8に示される態様(vi)は、バイパス通路31の下流側の端部を、小型酸化触媒14の流れ方向における中間部に向けて、排気管12に接続したものである。この態様では、バイパス通路31から導入された高温の排気により、小型酸化触媒14の昇温を促進できる。
図9に示される態様(vii)は、バイパス通路31の下流側の端部の開口縁の上流側に、バイパス通路31の管壁の延長である延長部31aを配置したものである。この態様では、バイパス通路31からの排気の小型酸化触媒14の近傍における逆流を、延長部31aによって抑制することができる。
図10に示される態様(viii)は、バイパス通路31の下流側の端部の開口縁の上流側に、ガイド板36を配置したものである。ガイド板36は、その基端部から末端部に向けて下流側に傾斜しており、これによって、バイパス通路31からの排気を排気管12の下流側に向けて偏向α3させる。この態様では、バイパス通路31からの排気の小型酸化触媒14の近傍における逆流を抑制することができる。
図11に示される態様(ix)では、バタフライ弁であるバイパス弁34を、バイパス通路31の下流側の端部の近傍に配置し、かつ、開動作時(二点鎖線で示す)には、バイパス弁34の弁体のうち下流側の部分が、排気通路内に突出する。したがって、バイパス通路31からの排気の流れを、バイパス弁34の弁体によって下流側に偏向させることができ、排気の小型酸化触媒14の近傍における逆流を抑制することができる。
図12に示される態様(x)では、バタフライ弁であるバイパス弁34を、バイパス通路31の下流側の端部の近傍に配置し、かつ、開動作時(二点鎖線で示す)には、バイパス弁34の弁体のうち上流側の部分が、排気通路内に突出する。したがって、バイパス通路31からの排気の流れを、バイパス弁34の弁体によって上流側に偏向させることができ、排気の攪拌を促進することができる。なお、態様(ix)(x)と同様の効果は、弁体の一端に回動軸を備えたフラップ弁によっても実現できる。
単一の排気管12に対して、複数のバイパス通路31の下流側の端部を接続してもよい。単一の排気管12に接続される複数のバイパス通路31の配置は、排気管12の横断面において対称であっても非対称であってもよく、また回転対称であってもよい。
本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。上記実施形態及び各変形例に示された種々の技術手段は、可能な限り互いに組み合わせることができる。上記実施形態及び各変形例では、バイパス弁34をオープン又はクローズの2状態としたが、これら2状態の間で多段階的あるいは連続的に開度を変化させてもよい。
上記実施形態では、排気管12内の圧力を圧力センサ41,42により直接検出したが、エンジン1の状態を示すパラメータ、例えばエアフローメータ8の検出値、スロットル弁10の開度、及び燃焼室内の燃料噴射量に基づいて推定してもよい。還元剤としては燃料以外の物質を用いてもよい。また本発明は、ターボチャージャを有しないエンジンに適用することも可能である。
4 吸気マニホールド
5 排気マニホールド
6 吸気管
7 ターボチャージャ
12 排気管
13 排気浄化触媒
14 小型酸化触媒
31 バイパス通路
34 バイパス弁
50 ECU

Claims (9)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
    前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に設けられ、当該排気通路を流れる排気の一部が通過する前段触媒と、
    前記内燃機関の排気を前記前段触媒よりも下流側であって前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に直接導入するバイパス通路と、
    前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
    前記バイパス弁を制御するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、前記前段触媒の上流側の圧力から前記前段触媒の下流側の圧力を減じた差分が所定値を上回るように、前記バイパス弁を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  2. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記前段触媒よりも上流側に設けられ前記前段触媒に流入する排気に還元剤を供給する還元剤供給装置を更に備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  3. 請求項2に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記還元剤供給装置から供給された還元剤を加熱する加熱手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  4. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記バイパス通路の下流側の端部は、前記排気通路の下流側に向けて偏向して前記排気通路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  5. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記バイパス通路の下流側の端部は、前記排気通路の上流側に向けて偏向して前記排気通路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  6. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記バイパス通路の下流側の端部は、前記前段触媒の流れ方向における中間部に向けて前記排気通路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  7. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャを更に備え、
    前記バイパス通路の上流側は、前記タービンよりも上流側の前記排気通路に接続されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  8. 請求項8に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記バイパス通路の上流側は、前記内燃機関に備えられた排気マニホールドに接続されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  9. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
    前記バイパス弁は、前記バイパス通路の下流側の端部の近傍に配置され、かつ、開動作時に、前記バイパス通路からの排気の流れを、前記排気通路の上流側に偏向させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
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