WO2011111118A1 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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exhaust
internal combustion
combustion engine
passage
purification system
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神庭千佳
片山晴之
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification system having an exhaust temperature raising device that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and raises the temperature of exhaust gas.
  • An object of the present invention is to provide a novel means capable of suppressing a temperature difference in exhaust gas that reaches a downstream side exhaust purification catalyst from a pre-stage catalyst such as a small oxidation catalyst.
  • One aspect of the present invention is: An exhaust purification device provided in the exhaust passage of the internal combustion engine; A pre-stage catalyst provided in the exhaust passage upstream of the exhaust purification device, through which a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage passes; A bypass passage that directly introduces exhaust gas of the internal combustion engine into the exhaust passage downstream from the upstream catalyst and upstream from the exhaust purification device; A bypass valve for opening and closing the bypass passage; An exhaust gas purification system for an internal combustion engine.
  • the exhaust passage of the internal combustion engine is directly provided in the exhaust passage downstream of the front catalyst and the bypass valve that opens and closes the bypass passage, the exhaust that has passed through the front catalyst and the front catalyst The exhaust gas that has not passed through is agitated by the exhaust gas supplied from the bypass passage. Therefore, the temperature difference in the exhaust gas that reaches the exhaust gas purification catalyst on the downstream side of the front catalyst can be suppressed.
  • the system includes a reducing agent supply device that is provided upstream of the preceding catalyst and supplies the reducing agent to the exhaust gas flowing into the preceding catalyst.
  • the exhaust gas temperature raising device may further include a heating means for heating the reducing agent supplied from the reducing agent supply device.
  • the system further includes a controller for controlling the bypass valve, and the controller is configured so that a difference obtained by subtracting the pressure on the downstream side of the front catalyst from the pressure on the upstream side of the front catalyst exceeds a predetermined value.
  • the bypass valve is controlled. In this aspect, the backflow of the exhaust in the vicinity of the front catalyst can be suppressed.
  • downstream end of the bypass passage is deflected toward the downstream side of the exhaust passage and connected to the exhaust passage.
  • the backflow of the exhaust in the vicinity of the front catalyst can be suppressed.
  • downstream end of the bypass passage is deflected toward the upstream side of the exhaust passage and connected to the exhaust passage.
  • stirring of the exhaust gas that has passed through the front catalyst and the exhaust gas that has not passed through the front catalyst can be promoted.
  • the downstream end of the bypass passage is connected to the exhaust passage toward an intermediate portion in the flow direction of the upstream catalyst.
  • the temperature increase of the pre-stage catalyst can be promoted by the high-temperature exhaust gas introduced from the bypass passage.
  • a turbocharger having a turbine disposed in the exhaust passage is further provided, and an upstream side of the bypass passage is connected to the exhaust passage upstream of the turbine.
  • high-temperature and high-pressure exhaust on the upstream side of the turbine in the exhaust passage can be suitably used.
  • the upstream side of the bypass passage is connected to an exhaust manifold provided in the internal combustion engine.
  • the bypass valve is disposed in the vicinity of the downstream end portion of the bypass passage, and deflects the flow of the exhaust gas from the bypass passage toward the upstream side of the exhaust passage during the opening operation. In this case, stirring of the exhaust gas that has passed through the front catalyst and the exhaust gas that has not passed through the front catalyst can be promoted.
  • the means for solving the problems in the present invention can be used in combination as much as possible.
  • the present invention it is possible to suppress the temperature difference in the exhaust gas that reaches the exhaust purification catalyst on the downstream side from the upstream catalyst.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a fuel supply process to the exhaust passage.
  • FIG. 3 is a side view showing a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 4 is a side view showing a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 5 is a side view showing a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 6 is a front view showing a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 7 is a front view illustrating a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 8 is a front view illustrating a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 9 is a front view illustrating a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 10 is a front view illustrating a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 11 is a front view illustrating a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 12 is a front view showing a configuration example of a connection structure between the exhaust pipe and the bypass passage.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
  • the engine body 1 is a compression ignition internal combustion engine (diesel engine) using light oil as fuel, but may be another type of internal combustion engine.
  • the engine body 1 has a combustion chamber 2 in each of the four cylinders. Each combustion chamber 2 is provided with an electronically controlled fuel injection valve 3 for injecting fuel.
  • An intake manifold 4 and an exhaust manifold 5 are connected to the combustion chamber 2.
  • the intake manifold 4 is connected to the outlet of the compressor 7 a of the exhaust turbocharger 7 via the intake pipe 6.
  • An inlet of the compressor 7 a is connected to an air cleaner 9 via an air flow meter 8.
  • a throttle valve 10 driven by a step motor (not shown) is disposed in the intake pipe 6.
  • An intercooler 11 for cooling the intake air flowing through the intake pipe 6 is disposed around the intake pipe 6.
  • Engine cooling water is guided into the intercooler 11 and the intake air is cooled by the engine cooling water.
  • the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust turbine 7 b of the exhaust turbocharger 7.
  • the outlet of the exhaust turbine 7 b is connected to the exhaust purification catalyst 13 via the exhaust pipe 12.
  • a small oxidation catalyst 14 is arranged in the engine exhaust passage upstream of the exhaust purification catalyst 13, that is, in the exhaust pipe 12.
  • the small oxidation catalyst 14 corresponds to the former stage catalyst in the present invention.
  • the small oxidation catalyst 14 has a smaller volume and front projection area than the exhaust purification catalyst 13.
  • the front surface projected area of the small oxidation catalyst 14 is smaller than the cross-sectional area of the surrounding exhaust pipe 12, and thus a part of the exhaust gas passing through the exhaust pipe 12 flows through the small oxidation catalyst 14.
  • the exhaust purification catalyst 13 is composed of, for example, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, or a NOx catalyst.
  • the small oxidation catalyst 14 is composed of an oxidation catalyst, and as the catalyst material, for example, Pt / CeO 2 , Mn / CeO 2 , Fe / CeO 2 , Ni / CeO 2 , Cu / CeO 2 or the like can be used. Cordierite or metal is used for the base material of the catalysts 13 and 14.
  • a fuel supply valve 15 for supplying fuel to the small oxidation catalyst 14 is disposed with the injection port facing the exhaust pipe 12.
  • the fuel in the fuel tank 44 is supplied to the fuel supply valve 15 via the fuel pump 43.
  • a pipe line, a control valve, and a compressor for supplying combustion air from the outside into the exhaust pipe 12 may be provided.
  • a glow plug 16 is provided in the exhaust pipe 12 on the downstream side of the fuel supply valve 15.
  • the glow plug 16 is arranged so that the fuel added from the fuel supply valve 15 contacts the tip of the glow plug 16.
  • the glow plug 16 is connected to a DC power source and a booster circuit (both not shown) for supplying power to the glow plug 16.
  • a ceramic heater may be used instead of the glow plug.
  • a collision plate for causing the fuel injected from the fuel supply valve 15 to collide may be disposed in the exhaust pipe 12.
  • the small oxidation catalyst 14, the fuel supply valve 15, and the glow plug 16 constitute an exhaust temperature raising device 40, which is controlled by an ECU 50 described later.
  • a bypass passage 31 is provided so as to connect the upstream side and the downstream side of the small oxidation catalyst 14 in the exhaust passage.
  • the bypass passage 31 connects a point upstream of the turbine 7 b in the exhaust passage and a point downstream of the small oxidation catalyst 14 and upstream of the exhaust purification catalyst 13. Therefore, during the operation of the engine body 1, the bypass passage 31 can directly introduce the exhaust of the engine body 1 into the exhaust passage downstream of the small oxidation catalyst 14.
  • the upstream side of the bypass passage 31 is preferably connected to the exhaust manifold 5, and particularly preferably connected to a collecting portion of the exhaust manifold 5.
  • the bypass passage 31 is provided with a bypass valve 34 that opens and closes the bypass passage 31 and a step motor 35 that drives the bypass valve 34.
  • the bypass valve 34 is a well-known butterfly valve, but any other type of valve may be employed.
  • a first pressure sensor 41 for detecting the pressure in the exhaust passage is installed in the exhaust pipe 12 upstream of the small oxidation catalyst 14.
  • a second pressure sensor 42 for detecting the pressure in the exhaust passage is installed in the exhaust pipe 12 downstream of the small oxidation catalyst 14 and upstream of the exhaust purification catalyst 13.
  • Each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 42 via a fuel supply pipe 41, and this common rail 42 is connected to a fuel tank 44 via an electronically controlled fuel pump 43 with variable discharge amount.
  • the fuel stored in the fuel tank 44 is supplied into the common rail 42 by the fuel pump 43, and the fuel supplied into the common rail 42 is supplied to the fuel injection valve 3 through each fuel supply pipe 41.
  • An electronic control unit (ECU) 50 which is a controller, is composed of a well-known digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus, a ROM (read only memory), a RAM (random access memory), a CPU (microprocessor), an input port. And an output port.
  • ECU electronice control unit
  • the output signals of the pressure sensors 41 and 42 are input to the input port of the ECU 50 via corresponding AD converters.
  • a load sensor 52 that generates an output voltage proportional to the amount of depression of the accelerator pedal 51 is connected to the accelerator pedal 51, and the output voltage of the load sensor 52 is input to the input port via a corresponding AD converter.
  • a crank angle sensor 53 that generates an output pulse every time the crankshaft of the engine body 1 rotates, for example, 15 ° is connected to the input port.
  • an intake air temperature sensor 54 installed in the vicinity of the throttle valve 10 is connected to the input port.
  • the output port of the ECU 50 is connected to each step motor for driving the throttle valve 10 and the bypass valve 34 via each corresponding drive circuit.
  • the output port is also connected to the fuel injection valve 3 and the fuel pump 43 via corresponding drive circuits.
  • the operation of these actuators is controlled by the ECU 50.
  • Various programs and reference values / initial values are stored in the ROM of the ECU 50. Such a reference value and an initial value include a temperature reference value C used for processing to be described later.
  • the ECU 50 calculates the fuel supply instruction amount based on parameters indicating the vehicle state including the detection values of the air flow meter 8, the load sensor 52, the crank angle sensor 53, and the intake air temperature sensor 54, in particular, the engine operating state.
  • a control signal is output to open the fuel injection valve 3 for a time corresponding to the amount.
  • an amount of fuel corresponding to the fuel supply instruction amount is supplied from the fuel injection valve 3, and the engine body 1 is operated.
  • the ECU 50 further controls the exhaust temperature raising device 40 and the bypass valve 34 to execute fuel supply to the exhaust passage.
  • the processing routine of FIG. 2 is repeatedly executed every predetermined time ⁇ t during the operation of the engine body 1.
  • the ECU 50 determines whether a request for execution of fuel injection control by the fuel injection valve 15 has been issued (S10).
  • the request for execution of this fuel injection control is the temperature rise of the exhaust purification catalyst 13 at a low temperature such as during cold start, oxidation and combustion of the particulate matter (PM) accumulated in the exhaust purification catalyst 13, and the exhaust purification catalyst 13 being NOx. If it is an occlusion reduction catalyst, it is output by the ECU 50 for the purpose of NOx reduction with respect to the exhaust purification catalyst 13 and SOx poisoning recovery.
  • the condition for requesting the execution of the fuel injection control is, for example, that the temperature detected by the intake air temperature sensor 54 is lower than a predetermined value when the temperature rises at a low temperature.
  • the estimated value of the accumulation amount or occlusion amount of each substance exceeds a predetermined reference value, and the estimated value of the temperature of the exhaust purification catalyst 13 exceeds the predetermined reference value. It is that you are. If no in step S10, that is, if an execution request has not been issued, the bypass valve is closed (S60).
  • step S10 determines whether a request for execution of fuel injection control has been issued. If the determination in step S10 is affirmative, that is, a request for execution of fuel injection control has been issued, the ECU 50 controls the exhaust temperature raising device 40 to supply and ignite fuel, thereby raising the temperature of the small oxidation catalyst 14.
  • a part or all of the fuel is supplied to the small oxidation catalyst 14, and if the small oxidation catalyst 14 is activated at this time, the fuel is oxidized in the small oxidation catalyst 14, and the small oxidation is generated by the oxidation reaction heat generated at this time.
  • the temperature of the catalyst 14 is raised. Further, when the temperature of the small oxidation catalyst 14 is increased, hydrocarbons having a large number of carbon atoms in the fuel are decomposed to generate hydrocarbons having a small number of carbon atoms and high reactivity, thereby making the fuel a highly reactive fuel. Reformed.
  • the small oxidation catalyst 14 constitutes a rapid heat generator that rapidly generates heat on the one hand, and a reformed fuel discharger that discharges the reformed fuel on the other hand. Further, part or all of the fuel supplied from the fuel injection valve 15 is heated or ignited by the glow plug 16, thereby promoting the temperature increase of the exhaust gas.
  • the ECU 50 reads the values of the upstream pressure P1 detected by the first pressure sensor 41 and the downstream pressure P2 detected by the second pressure sensor 42 (S30).
  • the ECU 50 determines whether or not the difference obtained by subtracting the downstream pressure P2 from the read upstream pressure P1 is larger than a predetermined reference value C (S40).
  • the reference value C can be experimentally determined to a value that does not cause a backflow of exhaust gas in the vicinity of the small oxidation catalyst 14.
  • the value of the reference value C may be fixed or may be dynamically acquired based on a physical quantity indicating the system state.
  • the reference value C is preferably within a predetermined range including 0, and is preferably a positive value in order to suppress sensitive operation due to the influence of exhaust pulsation or the like.
  • step S40 If the result in step S40 is affirmative, the ECU 50 outputs a control to the actuator so that the bypass valve 34 is opened (S50). Therefore, exhaust from the engine body 1 is directly introduced through the bypass passage 31. In the case of negative in step S40, the ECU 50 outputs a control to the actuator so that the bypass valve 34 is closed (S60). Therefore, the introduction of exhaust gas through the bypass passage 31 is not performed.
  • the bypass valve 34 is controlled so that the difference obtained by subtracting the downstream pressure P2 from the upstream pressure P1 always exceeds the reference value C.
  • the bypass passage 31 that directly introduces the exhaust of the engine main body 1 into the exhaust passage downstream of the small oxidation catalyst 14 and the bypass valve 34 that opens and closes the bypass passage 31 are provided.
  • the exhaust gas that has passed through the small oxidation catalyst 14 and the exhaust gas that has not passed through the small oxidation catalyst 14 are agitated by the exhaust gas supplied from the bypass passage 31.
  • the temperature difference in the exhaust gas that reaches the purification catalyst 13 can be suppressed.
  • the exhaust purification catalyst 13 can be used on an average over the whole, so that the size and / or the amount of the catalytic substance of the exhaust purification catalyst 13 can be further reduced.
  • the system includes a fuel injection valve 15 that is provided upstream of the small oxidation catalyst 14 and supplies a reducing agent to the exhaust gas flowing into the small oxidation catalyst 14, and a glow plug 16 that heats the supplied reducing agent. Therefore, the exhaust gas can be suitably heated and reformed.
  • the ECU 50 controls the bypass valve 34 so that the difference obtained by subtracting the downstream pressure P2 from the upstream pressure P1 of the small oxidation catalyst 14 exceeds a predetermined value C. Therefore, the exhaust gas in the vicinity of the small oxidation catalyst 14 is controlled. Backflow can be suppressed.
  • the upstream side of the bypass passage 31 is connected to the exhaust passage upstream of the exhaust turbine 7b of the turbocharger 7, the high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the exhaust turbine 7b is preferably used. Can be used. Further, since the upstream side of the bypass passage 31 is connected to the exhaust manifold 5, the exhaust introduced from the bypass passage 31 can be made particularly high. Further, since the upstream side of the bypass passage 31 is connected to the collecting portion of the exhaust manifold 5, the influence of exhaust pulsation can be suppressed.
  • 3, 4, and 5 are cross-sectional views of the exhaust pipe 12, respectively, as viewed from the downstream side to the upstream side of the small oxidation catalyst 14.
  • the downstream end of the bypass passage 31 is connected to the exhaust pipe 12 such that the axis AL1 intersects the exhaust pipe 12 and the axis AL2 of the small oxidation catalyst 14. is there.
  • the exhaust flow F1 from the bypass passage 31 crosses the high temperature region downstream of the small oxidation catalyst 14 and the bypass 12a that is the region in the exhaust pipe 12 around the small oxidation catalyst 14. , The stirring of exhaust can be promoted.
  • FIG. 4 (ii) shows a configuration in which the downstream end of the bypass passage 31 is connected to the tangent line of the pipe wall of the exhaust pipe 12.
  • the exhaust flow F2 from the bypass passage 31 promotes the generation of vortices in the exhaust pipe 12, it is possible to promote the stirring of the exhaust.
  • the downstream end of the bypass passage 31 is connected to the exhaust pipe 12 so that the axis AL1 is shifted from the central axis AL2 of the exhaust pipe 12 and the small oxidation catalyst 14. It is a thing.
  • the turbulent flow in the exhaust pipe 12 is promoted due to the shift S, the stirring of the exhaust can be promoted.
  • downstream end portion of the bypass passage 31 is connected to the exhaust pipe 12 so that the axis AL1 is deflected ⁇ 1 toward the downstream side of the exhaust pipe 12. .
  • the backflow of the exhaust in the vicinity of the small oxidation catalyst 14 can be suppressed.
  • the downstream end of the bypass passage 31 is connected to the exhaust pipe 12 so that the axis AL1 is deflected ⁇ 2 toward the upstream side of the exhaust pipe 12. .
  • stirring of the exhaust gas that has passed through the small oxidation catalyst 14 and the exhaust gas that has not passed through the small oxidation catalyst 14 can be promoted.
  • an extension portion 31 a that is an extension of the tube wall of the bypass passage 31 is disposed on the upstream side of the opening edge of the downstream end portion of the bypass passage 31.
  • the backflow of the exhaust gas from the bypass passage 31 in the vicinity of the small oxidation catalyst 14 can be suppressed by the extension portion 31a.
  • the guide plate 36 is arranged on the upstream side of the opening edge of the downstream end portion of the bypass passage 31.
  • the guide plate 36 is inclined toward the downstream side from the proximal end portion toward the distal end portion thereof, and thereby, the exhaust from the bypass passage 31 is deflected ⁇ 3 toward the downstream side of the exhaust pipe 12.
  • the backflow of the exhaust gas from the bypass passage 31 in the vicinity of the small oxidation catalyst 14 can be suppressed.
  • the bypass valve 34 that is a butterfly valve is disposed in the vicinity of the downstream end portion of the bypass passage 31, and at the time of opening operation (indicated by a two-dot chain line), A downstream portion of the valve body of the bypass valve 34 projects into the exhaust passage. Therefore, the flow of the exhaust gas from the bypass passage 31 can be deflected downstream by the valve body of the bypass valve 34, and the backflow of the exhaust gas in the vicinity of the small oxidation catalyst 14 can be suppressed.
  • the bypass valve 34 that is a butterfly valve is disposed in the vicinity of the downstream end portion of the bypass passage 31, and at the time of opening operation (indicated by a two-dot chain line), An upstream portion of the valve body of the bypass valve 34 projects into the exhaust passage. Therefore, the flow of the exhaust gas from the bypass passage 31 can be deflected to the upstream side by the valve body of the bypass valve 34, and the stirring of the exhaust gas can be promoted.
  • the effect similar to aspect (ix) (x) is realizable also by the flap valve provided with the rotating shaft at the end of the valve body.
  • the downstream ends of the plurality of bypass passages 31 may be connected to the single exhaust pipe 12.
  • the arrangement of the plurality of bypass passages 31 connected to the single exhaust pipe 12 may be symmetric or asymmetric in the cross section of the exhaust pipe 12 or may be rotationally symmetric.
  • bypass valve 34 is in two states of open or closed. However, the opening degree may be changed in multiple steps or continuously between these two states.
  • the pressure in the exhaust pipe 12 is directly detected by the pressure sensors 41 and 42.
  • the parameters indicating the state of the engine for example, the detected value of the air flow meter 8, the opening of the throttle valve 10, and the inside of the combustion chamber You may estimate based on the amount of fuel injection. Substances other than fuel may be used as the reducing agent.
  • the present invention can also be applied to an engine that does not have a turbocharger.

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Abstract

　内燃機関（１）の排気通路（１２）に設けられた排気浄化装置（１３）と、前記排気浄化装置（１３）よりも上流側の前記排気通路（１２）に設けられ、当該排気通路（１２）を流れる排気の一部が通過する前段触媒（１４）と、前記内燃機関（１）の排気を前記前段触媒（１４）よりも下流側の前記排気通路（１２）に直接導入するバイパス通路（３１）と、前記バイパス通路（３１）を開閉するバイパス弁（３４）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。

Description

内燃機関の排気浄化システム
　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／ＣｅＯ２、Ｍｎ／ＣｅＯ２、Ｆｅ／ＣｅＯ２、Ｎｉ／ＣｅＯ２、Ｃｕ／ＣｅＯ２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 (10)

  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、
    　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。
  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。
  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。
  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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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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