WO2021182372A1 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

内燃機関の排気浄化システム Download PDF

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WO2021182372A1
WO2021182372A1 PCT/JP2021/008879 JP2021008879W WO2021182372A1 WO 2021182372 A1 WO2021182372 A1 WO 2021182372A1 JP 2021008879 W JP2021008879 W JP 2021008879W WO 2021182372 A1 WO2021182372 A1 WO 2021182372A1
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WO
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exhaust
catalyst
passage
bypass
bypass valve
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PCT/JP2021/008879
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English (en)
French (fr)
Inventor
知浩 長瀬
Original Assignee
いすゞ自動車株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors

Definitions

  • This disclosure relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine.
  • a catalyst is provided in the exhaust passage of an internal combustion engine to purify harmful components in the exhaust.
  • the catalyst may become an exhaust resistance and the exhaust pressure on the upstream side of the catalyst, that is, the back pressure, may rise excessively.
  • the back pressure the exhaust pressure on the upstream side of the catalyst, that is, the back pressure
  • the present disclosure was devised in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an exhaust gas purification system for an internal combustion engine capable of suppressing an increase in back pressure of the internal combustion engine.
  • the catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and A bypass passage that bypasses the catalyst and A bypass valve that opens and closes the bypass passage and A control unit configured to control the bypass valve and An exhaust pressure sensor that detects the exhaust pressure on the upstream side of the catalyst, and
  • the internal combustion engine is characterized in that when the exhaust pressure detected by the exhaust pressure sensor is high, the control unit controls the bypass valve so as to increase the opening degree of the bypass passage as compared with the case where the exhaust pressure is low.
  • Exhaust purification system is provided.
  • the exhaust purification system further comprises a concentration sensor that detects the concentration of the purification component of the catalyst in the exhaust on the downstream side of the catalyst.
  • concentration sensor detects the concentration of the purification component of the catalyst in the exhaust on the downstream side of the catalyst.
  • the control unit controls the bypass valve so as to reduce the opening degree of the bypass passage as compared with the case where the concentration is low.
  • the catalyst is a NOx catalyst.
  • the exhaust purification system further includes a downstream catalyst provided in the exhaust passage located downstream of the confluence of the bypass passages.
  • the exhaust purification system further comprises an exhaust temperature sensor that detects the upstream exhaust temperature of the downstream catalyst.
  • the control unit controls the bypass valve so as to increase the opening degree of the bypass passage as compared with the case where the exhaust temperature is low.
  • the downstream catalyst is a NOx catalyst.
  • an increase in back pressure of an internal combustion engine can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust gas purification system.
  • FIG. 2 is a cross-sectional plan view showing the exhaust gas purification device.
  • FIG. 3 is a vertical sectional front view.
  • FIG. 4 is a vertical sectional front view showing an exhaust gas purification device of a modified example.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining a first embodiment of control.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining a first embodiment of control.
  • FIG. 5C is a diagram for explaining a first embodiment of control.
  • FIG. 6 is a flowchart relating to the first embodiment of control.
  • FIG. 7A is a diagram for explaining a second embodiment of control.
  • FIG. 7B is a diagram for explaining a second embodiment of control.
  • FIG. 7C is a diagram for explaining a second embodiment of control.
  • FIG. 8 is a flowchart relating to a second embodiment of control.
  • FIG. 1 shows the exhaust gas purification system of this embodiment.
  • the internal combustion engine (not shown, also referred to as an engine) to which this system is applied is a vehicle diesel engine.
  • Vehicles (not shown) are large vehicles such as trucks. However, the type and application of the internal combustion engine are not limited.
  • the exhaust purification system 200 generally controls the catalyst 7 provided in the exhaust passage of the engine, the bypass hole 5 forming the bypass passage for bypassing the catalyst 7, the bypass valve 6 for opening and closing the bypass hole 5, and the bypass valve 6.
  • An electronic control unit (referred to as an ECU (Electronic Control Unit)) 100 as a control unit configured to perform the above operation, and an exhaust pressure sensor 61 for detecting the exhaust pressure on the upstream side of the catalyst 7 are provided.
  • the ECU 100 includes a CPU (Central Processing Unit) having a calculation function, a storage medium such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), an input / output port, and a storage device other than the ROM and the RAM.
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • the exhaust passage means an arbitrary passage through which the exhaust of the engine flows.
  • the catalyst 7 is arranged in this exhaust passage and purifies the harmful component to be purified, that is, the purified component.
  • the catalyst 7 of the present embodiment is a selective reduction NOx catalyst (SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst) that reduces NOx (nitrogen oxides) in the exhaust. Therefore, the purifying component is NOx.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • Catalyst 7 by reaction with ammonia NH 3 and NOx obtained by hydrolyzing the urea water, to reduce NOx in the exhaust into nitrogen N 2.
  • the exhaust purification system 200 of the present embodiment further includes a downstream catalyst 50 provided in the exhaust passage located on the downstream side of the confluence of the bypass passages (described later).
  • the downstream catalyst 50 is also a selective reduction NOx catalyst.
  • the catalyst 7 is referred to as a front-stage catalyst 7
  • the downstream-side catalyst 50 is referred to as a rear-stage catalyst 50.
  • the second-stage catalyst 50 is the main catalyst, and the first-stage catalyst 7 is the auxiliary catalyst. Therefore, the capacity of the post-stage catalyst 50 is larger than that of the pre-stage catalyst 7. Exhaust gas is constantly flowed through the post-stage catalyst 50. When NOx cannot be sufficiently removed by the latter-stage catalyst 50 alone, the first-stage catalyst 7 is used as an auxiliary. By adding the pre-stage catalyst 7 in this way, the amount of NOx that can be reduced can be increased, and it becomes possible to respond to the tightening of exhaust gas regulations.
  • At least one of the catalysts 7 and 50 may be a storage-reducing NOx catalyst (LNT (Lean NOx Trap) catalyst) or a catalyst other than the NOx catalyst (for example, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, etc.). .. Other catalysts may be added in addition to these catalysts 7 and 50.
  • the catalyst includes a continuously regenerating particulate filter on which the catalyst is supported.
  • the pre-stage catalyst 7, the bypass hole 5, and the bypass valve 6 are provided in the case 2 of the exhaust gas purification device 1, which will be described in detail later.
  • the post-stage catalyst 50 is housed in a catalyst casing 51 arranged on the downstream side of the exhaust gas purification device 1.
  • the latter stage catalyst 50 and the catalyst casing 51 are both cylindrical.
  • the inlet pipe 52 of the catalyst casing 51 is connected to the outlet pipe 11 of the exhaust purification device 1 via an exhaust pipe (not shown).
  • the outlet pipe 53 of the catalyst casing 51 is connected to another catalyst (for example, an ammonia oxidation catalyst) or is opened to the atmosphere via an exhaust pipe (not shown).
  • the exhaust G from the engine is introduced into the exhaust purification device 1 through the inlet pipe 9.
  • the flow of exhaust G is indicated by a broken line arrow.
  • the exhaust gas discharged from the turbine of the turbocharger is introduced into the inlet pipe 9.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional plan view (II-II cross-sectional view of FIG. 3), and FIG. 3 is a longitudinal front view (III-III cross-sectional view of FIG. 2).
  • each direction of the three orthogonal axes that is, each direction of front, back, left, right, up and down is defined as shown in the figure.
  • each of these directions is merely defined for convenience of explanation regarding the arrangement shown in the figure.
  • sensors such as the exhaust pressure sensor 61 are omitted.
  • the exhaust gas purification device 1 includes a sealed case 2, a partition plate 3 for partitioning the inside of the case 2, and a U-shaped passage 4 defined by the case 2 and the partition plate 3.
  • the U-shaped passage 4 has a first passage 41 in which exhaust gas flows from the rear to the front (first direction) and a second direction (front) opposite to the first direction, as indicated by reference numeral G1. It has a second passage 42 for flowing exhaust gas from the first passage 41 to the second passage 42, and a third passage 43 for flowing exhaust gas from the first passage 41 to the second passage 42.
  • the exhaust purification device 1 is provided in the partition plate 3, and is provided with a bypass hole 5 that communicates the first passage 41 and the second passage 42, a bypass valve 6 that opens and closes the bypass hole 5, and an upstream side from the outlet side of the bypass hole 5. It is provided with a front-stage catalyst 7 provided in the second passage 42 on the side.
  • Case 2 is a closed container in which a plurality of members as shown in the figure are compactly packed and housed in a canning state.
  • Case 2 of this embodiment has a rectangular parallelepiped shape.
  • the partition plate 3 extends in the front-rear direction in a vertical state (extended in the vertical direction), its rear end is connected to the rear end wall 31 of the case 2, and its front end is separated from the front end wall 32 of the case 2 by a predetermined distance X1. NS.
  • the partition plate 3 partitions the inside of the case 2 in the left-right direction, and at the same time forms a U-shaped passage 4.
  • the rear side is the first passage 41 and the second passage 42
  • the front side is the third passage 43, with the position X2 of the front end of the partition plate 3 in the front-rear direction as a boundary.
  • the left-right width Y1 of the first passage 41 is smaller than the left-right width Y2 of the second passage 42
  • the front-rear width of the third passage 43 (equal to the distance X1 between the partition plate 3 and the case 2) is the left-right width Y1 of the first passage 41. It is said to be about the same as.
  • the third passage 43 allows exhaust to flow in a third direction (direction from the left side to the right side) perpendicular to the first direction.
  • the cross-sectional shape of the first passage 41, the second passage 42, and the third passage 43 perpendicular to the exhaust flow G1 direction is a quadrangle.
  • An exhaust inlet 8 for introducing exhaust gas is connected to the upstream end or the rear end of the first passage 41.
  • the exhaust inlet 8 is formed by an inlet pipe 9, and the inlet pipe 9 is fixed to the rear end wall 31 of the case 2.
  • An exhaust outlet 10 for exhausting exhaust gas is connected to the downstream end or the rear end of the second passage 42.
  • the exhaust outlet 10 is formed by an outlet pipe 11, and the outlet pipe 11 is fixed to the right side wall 33 of the case 2.
  • the downstream end of the exhaust pipe (not shown) located on the upstream side of the inlet pipe 9 is connected to the inlet pipe 9.
  • the outlet pipe 11 is connected to the upstream end of an exhaust pipe (not shown) located on the downstream side of the outlet pipe 11 and connected to the inlet pipe 52 on the rear stage catalyst 50 side.
  • the U-shaped passage 4 communicates with the exhaust passages in both exhaust pipes.
  • the bypass hole 5 is provided at the rear end of the partition plate 3.
  • the bypass hole 5 of the present embodiment is formed by cutting out the entire height of the partition plate 3, and when the bypass hole 5 is fully closed, the bypass valve 6 fits into the bypass hole 5 and completely closes the bypass hole 5. ing. Therefore, the bypass hole 5 and the bypass valve 6 have a vertically long rectangular shape. 2 and 3 show when the bypass hole 5 is fully opened. FIG. 3 shows the shape of the bypass valve 6.
  • the shape of the bypass hole 5 and the bypass valve 6 is not limited to this, and the shape is arbitrary. Only the intermediate portion in the height direction of the partition plate 3 may be cut out to form the bypass hole 5, and the bypass hole 5 may be fully closed by fitting or overlapping the bypass valve 6 with the bypass hole 5.
  • the bypass valve 6 is composed of a butterfly valve and can rotate around the rotation shaft 12.
  • the rotating shaft 12 is fixed to the front end edge of the bypass valve 6 when the bypass hole is fully closed, is located at the front end of the bypass hole 5, and extends in the vertical direction.
  • the rotation shaft 12 is rotationally driven by, for example, an actuator 13 formed by a servomotor.
  • the actuator 13 is controlled by the ECU 100 shown in FIG.
  • the angle ⁇ of the bypass valve 6 when the bypass hole 5 is fully closed is defined as the fully closed angle ⁇ a
  • the angle ⁇ of the bypass valve 6 when the bypass hole 5 is fully opened is defined as the fully open angle ⁇ b.
  • ⁇ a 0 °
  • ⁇ b 90 °.
  • the bypass valve 6 is configured to fully close the first passage 41 when the bypass hole 5 is fully opened, and to fully open the first passage 41 when the bypass hole 5 is fully closed. In particular, when the bypass hole 5 is fully opened, the bypass valve 6 is fitted into the first passage 41 so as to completely close the first passage 41.
  • the exhaust gas purification device 1 further includes an injection valve 14 that injects urea water U into the U-shaped passage 4 on the upstream side of the pre-stage catalyst 7.
  • the injection valve 14 is arranged at the upstream end of the third passage 43 and is fixed to the left side wall 34 of the case 2. Then, the urea water U is injected from the left side to the right side toward the downstream side of the third passage 43.
  • the third passage 43 serves as a mixing passage for mixing the urea water U injected from the injection valve 14 with the exhaust gas.
  • the front-stage catalyst 7 has a cylindrical shape having a central axis C extending in the front-rear direction, and is housed in a circular protective tube 15.
  • the assembly of the pre-stage catalyst 7 and the protective tube 15 is coaxially arranged in the second passage 42.
  • the gap between the front end of the protective tube 15 and the case 2 and the partition plate 3 is closed by the front end plate 16.
  • the gap between the rear end of the protective tube 15 and the case 2 and the partition plate 3 is closed by the rear end plate 17.
  • the front stage catalyst 7, the protective pipe 15, and the rear end plate 17 are located in the second passage 42 on the outlet side of the bypass hole 5 and in front of the exhaust outlet 10, that is, on the upstream side in the exhaust G1 flow direction. Therefore, the space 20 in the second passage 42 on the rear side thereof functions as a passage for the exhaust gas from at least one of the catalyst 7 and the bypass hole 5 to go to the exhaust outlet 10.
  • This space 20 forms the confluence of the bypass passages described above. That is, assuming that the U-shaped passage 4 through which the exhaust G1 flows is the main exhaust passage, the bypass hole 5 through which the exhaust G2 flows forms a bypass passage that bypasses the pre-stage catalyst 7. This bypass passage merges with the U-shaped passage 4 at the space 20. Therefore, the space 20 forms a confluence of bypass passages.
  • the exhaust gas purification device 1 has a structure in which a metal (for example, stainless steel) case 2, a partition plate 3, and the like are assembled by welding or the like.
  • a metal for example, stainless steel
  • the bypass valve 6 when the bypass valve 6 is at the position of the fully open angle ⁇ b as shown in the figure and the bypass hole 5 is fully opened, the first passage 41 is fully closed by the bypass valve 6. Therefore, the exhaust gas introduced into the first passage 41 from the exhaust inlet 8 is exhausted from the exhaust outlet 10 through the second passage 42 through the total amount bypass hole 5, as shown by the arrow G2. As a result, the exhaust gas bypasses the pre-stage catalyst 7, and the increase in exhaust resistance due to the exhaust gas flowing through the pre-stage catalyst 7 and the increase in back pressure can be suppressed.
  • the bypass valve 6 when the bypass valve 6 is at the position of the fully closed angle ⁇ a and the bypass hole 5 is fully closed, the total amount of exhaust gas introduced into the first passage 41 from the exhaust inlet 8 is as shown by the arrow G1. It is flowed to the catalyst 7 by following the paths of the first passage 41, the third passage 43, and the second passage 42. Then, after passing through the pre-stage catalyst 7, the exhaust gas is once discharged from the exhaust outlet 10 via the second passage 42. As a result, the exhaust gas flows through the pre-stage catalyst 7 and NOx in the exhaust gas can be purified.
  • bypass valve 6 If the bypass valve 6 is set to an intermediate angle between the fully closed angle ⁇ a and the fully open angle ⁇ b, exhaust gas can flow to both the bypass hole 5 and the pre-stage catalyst 7.
  • the opening degree of the bypass valve 6 By adjusting the opening degree of the bypass valve 6, the back pressure and NOx purification can be optimally balanced.
  • the bypass hole 5 is provided in the partition plate 3 that partitions the inside of the case 2, for example, the inlet pipe 52 and the outlet pipe 53 of the rear-stage catalyst casing 51 shown in FIG. 1 are exhausted for another bypass.
  • the configuration of the exhaust gas purification device can be made simpler and more compact than the conventional configuration in which the exhaust gas is connected by a pipe.
  • bypass valve 6 is composed of a butterfly valve, the bypass hole 5 and the first passage 41 can be alternately fully opened and closed with a single bypass valve 6, which also makes the configuration of the exhaust gas purification device simple and compact. can do.
  • the case does not have to be a rectangular parallelepiped shape, and may have any shape.
  • the case 2 may have a substantially cylindrical shape or a Dharma shape when viewed from the front.
  • the case 2 is configured by combining a large-diameter cylindrical tube 18 defining the second passage 42 and a small-diameter semi-cylindrical tube 19 defining the first passage 41.
  • a partition plate 3 is provided at a connection position between the large-diameter cylindrical tube 18 and the small-diameter semi-cylindrical tube 19.
  • the bypass valve 6 has a semicircular shape that can be fitted into the first passage 41 having a semicircular cross section. Other configurations are roughly the same.
  • the pre-stage catalyst 7 may be provided at a position other than the second passage 42.
  • the pre-stage catalyst 7 may be provided in the first passage 41 on the downstream side of the inlet side of the bypass hole 5 in the exhaust G1 flow direction.
  • the pre-stage catalyst 7 may be provided in the third passage 43.
  • the pre-stage catalyst 7 may be provided in two or more of the first to third passages 41 to 43, respectively.
  • the outlet pipe 11 may be fixed to the rear end wall 31 of the case 2.
  • the inlet pipe 52 of the rear-stage catalyst casing 51 is provided with an injection valve 54 for injecting urea water U for the rear-stage catalyst 50.
  • the injection valve 54 may be provided on the upstream side, or may be provided on the exhaust pipe connecting the outlet pipe 11 and the inlet pipe 52.
  • the exhaust purification system 200 includes an exhaust pressure sensor 61, an exhaust temperature sensor 62, and a concentration sensor 63 that detect the exhaust pressure PA, the exhaust temperature TA, and the NOx concentration NA on the upstream side of the pre-stage catalyst 7, respectively. These sensors are provided in the exhaust gas purification device 1 and detect each value on the inlet side of the bypass hole 5.
  • the exhaust gas purification system 200 includes an exhaust temperature sensor 64 and a concentration sensor 65 that detect the exhaust temperature TB and the NOx concentration NB on the downstream side of the front-stage catalyst 7 and the upstream side of the rear-stage catalyst 50 in the exhaust G1 flow direction, respectively. These sensors are also provided in the exhaust gas purification device 1 and detect each value in the outlet side of the bypass hole 5, that is, the rear space 20 of the second passage 42.
  • the exhaust gas purification system 200 includes a concentration sensor 66 that detects the NOx concentration NC on the downstream side of the post-stage catalyst 50.
  • concentration sensor 66 is provided in the outlet pipe 53, it may be provided in the exhaust pipe connected to the outlet pipe 53.
  • the above sensors 61 to 66 are electrically connected to the ECU 100.
  • the ECU 100 is configured to control the bypass valve 6 and the injection valves 14 and 54 based on the detected values of the sensors 61 to 66 and the like.
  • the ECU 100 controls the bypass valve 6 so as to increase the opening degree of the bypass hole 5 as compared with the case where the exhaust pressure PA is low.
  • the opening degree of the bypass hole 5 When the opening degree of the bypass hole 5 is increased, the flow rate of the exhaust gas G2 passing through the bypass hole 5 can be increased, and the flow rate of the exhaust gas G1 passing through the pre-stage catalyst 7 can be decreased. Therefore, when the exhaust pressure PA is high, by increasing the opening degree of the bypass hole 5, it is possible to suppress the exhaust resistance due to the passage of the pre-stage catalyst 7, and thus the increase in the back pressure, and reduce the exhaust pressure PA. Then, it is possible to suppress a decrease in the combustion efficiency of the engine and suppress a deterioration in fuel efficiency.
  • the ECU 100 controls the bypass valve 6 so as to reduce the opening degree of the bypass hole 5 as compared with the case where the NOx concentration NB is low.
  • the opening degree of the bypass hole 5 When the opening degree of the bypass hole 5 is reduced, the flow rate of the exhaust gas G2 passing through the bypass hole 5 can be reduced, and the flow rate of the exhaust gas G1 passing through the pre-stage catalyst 7 can be increased. Therefore, when the NOx concentration NB is high, by reducing the opening degree of the bypass hole 5, NOx purification by the pre-stage catalyst 7 can be promoted and the NOx concentration NB can be lowered. And the exhaust emission can be improved.
  • the ECU 100 controls the bypass valve 6 so as to increase the opening degree of the bypass hole 5 as compared with the case where the exhaust temperature TA is low.
  • the purification rate of the post-stage catalyst 50 tends to increase as compared with the case where it is low. Therefore, in this case, even if the flow rate of the exhaust gas G1 passing through the front-stage catalyst 7 is reduced, there is often no problem because NOx can be purified by the rear-stage catalyst 50. Therefore, when the exhaust temperature TA is high, the opening degree of the bypass hole 5 is increased to increase the bypass flow rate of the exhaust G2. This makes it possible to reduce the back pressure. For example, a case where the exhaust temperature TA is high means a state after the engine warm-up is completed, and a case where the exhaust temperature TA is low means a state before the engine warm-up is completed.
  • NOx concentration NA or NC may be used instead of NOx concentration NB.
  • the exhaust temperature TB may be used instead of the exhaust temperature TA.
  • the ECU 100 opens the bypass valve 6 (opens the bypass hole 5) when the exhaust pressure PA detected by the exhaust pressure sensor 61 is equal to or higher than a predetermined threshold value PAs, and the exhaust pressure PA is increased.
  • the bypass valve 6 is controlled so as to close the bypass valve 6 (close the bypass hole 5) when the threshold value is less than PAs.
  • the opening degree of the bypass hole 5 is increased as compared with the case where the exhaust pressure PA is less than the threshold PAs.
  • the threshold PAs are the maximum values of the exhaust pressure that can be tolerated in consideration of the combustion efficiency and fuel consumption of the engine, and are set to a value equal to or close to the experimentally obtained value, and are set in advance in the ECU 100. It will be remembered.
  • the opening degree when the valve is closed is preferably fully closed (0%), and the opening degree when the valve is opened is preferably fully open (100%). However, if the same effect can be achieved, it does not have to be fully closed and fully opened, and the opening may be close to them. The same applies to the following.
  • the ECU 100 performs the control based on the NOx concentration as shown in FIG. 5B and the control based on the exhaust temperature as shown in FIG. 5C.
  • the ECU 100 closes the bypass valve 6 when the NOx concentration NB detected by the concentration sensor 65 is larger than the predetermined threshold value NBs, and closes the bypass valve 6 when the NOx concentration NB is equal to or less than the threshold value NBs.
  • the bypass valve 6 is controlled so as to open the bypass valve 6.
  • the threshold value NBs is the maximum value of the NOx concentration NB at which the NOx concentration NC on the downstream side of the post-stage catalyst 50 is an acceptable value in consideration of the legal regulation value and the like, and is equal to the experimentally obtained value. It is set to a value at or near it, and is stored in the ECU 100 in advance.
  • the ECU 100 opens the bypass valve 6 when the exhaust temperature TA detected by the temperature sensor 62 is equal to or higher than a predetermined threshold TAs, and opens the bypass valve 6 when the exhaust temperature TA is less than the threshold TAs.
  • the bypass valve 6 is controlled so as to close the bypass valve 6.
  • the threshold TAs is the minimum value of the exhaust temperature such that the purification rate of the post-stage catalyst 50 is sufficiently high and the NOx concentration NC is equal to or less than the predetermined threshold NCs even if the exhaust is bypassed, and is experimentally obtained. It is set to a value equal to or close to the value set and stored in the ECU 100 in advance. The threshold NCs are set to a value equal to or close to, for example, a legally regulated upper limit.
  • the control routine of the first embodiment will be described with reference to FIG.
  • the illustrated routine is repeatedly executed by the ECU 100 every predetermined calculation cycle ⁇ (for example, 10 msec).
  • step S101 the ECU 100 acquires the exhaust pressure PA, NOx concentration NB, and exhaust temperature TA detected by the exhaust pressure sensor 61, the concentration sensor 65, and the temperature sensor 62, respectively.
  • step S102 the ECU 100 determines whether or not the exhaust pressure PA is equal to or greater than the threshold PAs.
  • the ECU 100 determines in step S103 whether or not the NOx concentration NB is equal to or less than the threshold value NBs.
  • the ECU 100 determines in step S104 whether or not the exhaust air temperature TA is equal to or higher than the threshold value TAs.
  • the ECU 100 opens the bypass valve 6 in step S105 and ends the routine.
  • the exhaust pressure PA is less than the threshold PAs in step S102
  • the NOx concentration NB is larger than the threshold NBs in step S103
  • the exhaust temperature TA is less than the threshold TAs in step S104.
  • the bypass valve 6 is closed and the routine is completed.
  • the bypass valve 6 is closed, so that the NOx suppression is prioritized over the back pressure suppression. This can be done, and the amount of NOx discharged from the subsequent catalyst 50 can be suppressed to a predetermined value or less, for example, a regulated value or less.
  • the bypass valve 6 is closed because NOx purification by the post-stage catalyst 50 alone cannot be sufficiently guaranteed. Therefore, NOx purification can be performed prioritizing the suppression of back pressure, and the amount of NOx discharged from the post-stage catalyst 50 can be finally suppressed. In such a case, it may occur before the warm-up of the engine is completed.
  • steps S103 and S104 may be omitted.
  • NOx concentration NC may be used instead of NOx concentration NB.
  • the ECU 100 has a map (may be a function, the same applies hereinafter) that defines the relationship between the exhaust pressure P and the exhaust temperature T and the angle ⁇ (that is, the opening degree) of the bypass valve 6.
  • the ECU 100 basically controls the opening degree of the bypass valve 6 according to this map.
  • the angle ⁇ will be referred to as the opening degree ⁇ .
  • the opening degree ⁇ of the bypass valve 6 that optimally balances the back pressure and NOx, and the experimentally obtained value is input.
  • FIG. 7B the relationship between the exhaust pressure P in the map and the bypass valve opening degree ⁇ is shown by the solid line a.
  • the bypass valve opening degree ⁇ increases.
  • the bypass flow rate passing through the bypass hole 5 can be increased, and the increase in back pressure can be suppressed.
  • FIG. 7C the relationship between the exhaust temperature T and the bypass valve opening degree ⁇ in the map is shown by a solid line b.
  • the bypass valve opening degree ⁇ increases.
  • the bypass flow rate is increased so that the post-stage catalyst 50 is in charge of NOx purification more, and the increase in back pressure can be suppressed by that amount.
  • the NOx concentration NC of the exhaust gas finally discharged from the post-stage catalyst 50 is equal to or less than the threshold value NCs, there is no problem only with the control based on the map as described above.
  • the NOx concentration NC may temporarily exceed the threshold value NCs only on the map due to changes in the engine operating state or the like. Therefore, in that case, the map value is corrected based on the NOx concentration NC.
  • the ECU 100 corrects the basic value of the bypass valve opening degree ⁇ in the map to the opening degree decreasing side so that it becomes equal to the corrected value.
  • the actual bypass valve opening degree ⁇ is controlled.
  • 7B and 7C show the corrected bypass valve opening degree ⁇ with broken lines c and d.
  • the corrected bypass valve opening degree ⁇ (line c) for the same exhaust pressure P is reduced from the basic value (line a). ..
  • the reduction correction amount at this time is increased as the NOx concentration NC becomes larger than the threshold value NCs.
  • the ECU 100 subtracts the reduction correction amount from the basic value to calculate the corrected bypass valve opening degree ⁇ (map value).
  • the corrected bypass valve opening degree ⁇ (line d) for the same exhaust temperature T is reduced from the basic value (line b). ..
  • the reduction correction amount at this time is increased as the NOx concentration NC becomes larger than the threshold value NCs.
  • the ECU 100 subtracts the reduction correction amount from the basic value to calculate the corrected bypass valve opening degree ⁇ (map value).
  • the correction of the map value based on the NOx concentration NC may be performed only for the relationship between the exhaust pressure P and the bypass valve opening degree ⁇ as shown in FIG. 7B, or the exhaust temperature T and the bypass as shown in FIG. 7C. It may be performed only for the relationship of the valve opening degree ⁇ .
  • the NOx concentration NC the NOx concentration NB or NA on the upstream side may be used.
  • the bypass valve opening degree ⁇ is reduced as compared with the case where the NOx concentration NC exceeds the threshold value NCs.
  • the control routine of the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the illustrated routine is repeatedly executed by the ECU 100 every predetermined calculation cycle ⁇ (for example, 10 msec).
  • step S201 the ECU 100 acquires the exhaust pressure PA, the exhaust temperature TA, and the NOx concentration NC detected by the exhaust pressure sensor 61, the temperature sensor 62, and the concentration sensor 66, respectively.
  • step S202 the ECU 100 calculates the basic value ⁇ of the bypass valve opening degree from the map of FIG. 7A based on the exhaust pressure PA and the exhaust temperature TA.
  • step S203 the ECU 100 determines whether or not the NOx concentration NC exceeds the threshold value NCs.
  • the ECU 100 sets the final target value ⁇ t of the bypass valve opening degree equal to the basic value ⁇ in step S204. Then, in step S205, the actual opening degree of the bypass valve 6 is controlled to be equal to the target value ⁇ t, and the routine is completed.
  • the larger the difference ⁇ N the larger the reduction correction amount ⁇ .
  • a map or function can be used for this calculation.
  • step S207 the ECU 100 calculates a value obtained by subtracting the reduction correction amount ⁇ from the basic value ⁇ as the target value ⁇ t. Then, in step S205, the actual opening degree of the bypass valve 6 is controlled to be equal to the target value ⁇ t, and the routine is completed.
  • the bypass valve opening degree can be reduced, so that the passing flow rate of the pre-stage catalyst 7 is increased and the NOx purification rate of the entire system is increased. Can be done. Finally, the amount of NOx discharged from the post-stage catalyst 50 can be suppressed to a predetermined value or less, for example, a regulated value or less.
  • the actual bypass valve opening is controlled to the optimum opening obtained from the map based on the exhaust pressure PA and the exhaust temperature TA. NOx can be optimally balanced.
  • bypass structure for bypassing the catalyst is not limited to that of the above embodiment, and any structure can be adopted.
  • a conventional structure in which the inlet pipe 52 and the outlet pipe 53 of the rear-stage catalyst casing 51 shown in FIG. 1 are connected by another bypass exhaust pipe can also be adopted.
  • the post-stage catalyst 50 may be omitted.
  • the post-stage catalyst 50 can be omitted when performing bypass valve control based only on exhaust pressure and when performing bypass valve control based only on exhaust pressure and NOx concentration.
  • the exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the present disclosure is useful in that it can suppress an increase in back pressure of an internal combustion engine.

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Abstract

排気浄化システム２００は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒７と、触媒をバイパスするバイパス通路５と、バイパス通路を開閉するバイパス弁６と、バイパス弁を制御するように構成された制御ユニット１００と、触媒の上流側の排気圧を検出する排気圧センサ６１とを備える。制御ユニットは、排気圧センサにより検出された排気圧が高い場合には、低い場合に比べ、バイパス通路の開度を増大するようにバイパス弁を制御する。

Description

内燃機関の排気浄化システム
　本開示は内燃機関の排気浄化システムに関する。
　一般に、内燃機関の排気通路には、排気中の有害成分を浄化するために触媒が設けられる。
日本国特開２００５－３２０９３７号公報
　しかし、触媒が排気抵抗となって触媒上流側の排気圧力、すなわち背圧が過度に上昇することがある。この背圧上昇が生じると内燃機関の燃焼効率が低下する。そのため、こうした背圧の上昇を抑制することが望まれる。
　そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、内燃機関の背圧の上昇を抑制することができる内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。
　本開示の一の態様によれば、
　内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、
　前記触媒をバイパス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ように構成された制御ユニットと、
　前記触媒の上流側の排気圧を検出する排気圧センサと、
　を備え、
　前記制御ユニットは、前記排気圧センサにより検出された排気圧が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を増大す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が提供される。
　好ましくは、前記排気浄化システムは、前記触媒の下流側において前記触媒の浄化成分の排気中濃度を検出する濃度センサをさらに備え、
　前記制御ユニットは、前記濃度センサにより検出された濃度が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を減少するように前記バイパス弁を制御する。
　好ましくは、前記触媒がＮＯｘ触媒である。
　好ましくは、前記排気浄化システムは、前記バイパス通路の合流点よりも下流側に位置する前記排気通路に設けられた下流側触媒をさらに備える。
　好ましくは、前記排気浄化システムは、前記下流側触媒の上流側の排気温を検出する排気温センサをさらに備え、
　を備え、
　前記制御ユニットは、前記排気温センサにより検出された排気温が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を増大するように前記バイパス弁を制御する。
　好ましくは、前記下流側触媒がＮＯｘ触媒である。
　本開示によれば、内燃機関の背圧の上昇を抑制することができる。
図１は、排気浄化システムを示す概略図である。 図２は、排気浄化装置を示す横断平面図である。 図３は、同縦断正面図である。 図４は、変形例の排気浄化装置を示す縦断正面図である。 図５Ａは、制御の第１実施例を説明するための図である。 図５Ｂは、制御の第１実施例を説明するための図である。 図５Ｃは、制御の第１実施例を説明するための図である。 図６は、制御の第１実施例に関するフローチャートである。 図７Ａは、制御の第２実施例を説明するための図である。 図７Ｂは、制御の第２実施例を説明するための図である。 図７Ｃは、制御の第２実施例を説明するための図である。 図８は、制御の第２実施例に関するフローチャートである。
　以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。
　図１に、本実施形態の排気浄化システムを示す。このシステムが適用される内燃機関（図示せず、エンジンともいう）は、車両用ディーゼルエンジンである。車両（図示せず）はトラック等の大型車両である。但し内燃機関の種類、用途等は限定されない。
　排気浄化システム２００は概して、エンジンの排気通路に設けられた触媒７と、触媒７をバイパスするバイパス通路を形成するバイパス穴５と、バイパス穴５を開閉するバイパス弁６と、バイパス弁６を制御するように構成された制御ユニットとしての電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００と、触媒７の上流側の排気圧を検出する排気圧センサ６１とを備える。ＥＣＵ１００は、演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶媒体であるＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポート、ならびにＲＯＭおよびＲＡＭ以外の記憶装置等を含む。
　排気通路とは、エンジンの排気が流れる任意の通路を意味する。触媒７はこの排気通路内に配置され、浄化対象の有害成分すなわち浄化成分を浄化する。本実施形態の触媒７は、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）である。従って浄化成分はＮＯｘである。触媒７は、尿素水を加水分解して得られるアンモニアＮＨ3とＮＯｘを化学反応させることにより、排気中のＮＯｘを窒素Ｎ2に還元する。
　本実施形態の排気浄化システム２００は、バイパス通路の合流点（後述）よりも下流側に位置する排気通路に設けられた下流側触媒５０をさらに備える。下流側触媒５０も、選択還元型ＮＯｘ触媒である。以下便宜上、触媒７を前段触媒７、下流側触媒５０を後段触媒５０という。
　本実施形態における前段触媒７と後段触媒５０の関係について述べると、後段触媒５０がメインの触媒であり、前段触媒７は補助的な触媒である。従って前段触媒７よりも後段触媒５０の方が容量が大きい。後段触媒５０には常時排気が流される。後段触媒５０のみではＮＯｘを十分除去できない場合に前段触媒７が補助的に使用される。このように前段触媒７を追加することにより、還元可能なＮＯｘ量を増やし、排ガス規制の強化に対応可能となる。
　なお、触媒７，５０の少なくとも一方は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＬＮＴ（Lean NOx Trap）触媒）であってもよく、ＮＯｘ触媒以外の触媒（例えば酸化触媒、三元触媒等）であってもよい。これら触媒７，５０以外に他の触媒を追加してもよい。ここで触媒には、触媒が担持された連続再生式パティキュレートフィルタが含まれる。
　前段触媒７とバイパス穴５とバイパス弁６は、後に詳述する排気浄化装置１のケース２内に設けられる。また後段触媒５０は、排気浄化装置１よりも下流側に配置された触媒ケーシング５１内に収容されている。後段触媒５０および触媒ケーシング５１は共に円筒状である。触媒ケーシング５１の入口管５２は図示しない排気管を介して排気浄化装置１の出口管１１に接続される。触媒ケーシング５１の出口管５３は、いずれも図示しない排気管を介して他の触媒（例えばアンモニア酸化触媒）に接続されるか、または大気開放される。
　エンジンからの排気Ｇは、入口管９を通じて排気浄化装置１内に導入される。排気Ｇの流れを破線矢印で示す。本実施形態の場合、ターボチャージャのタービンから排出された排気が入口管９に導入される。
　図２および図３を参照して、排気浄化装置１を説明する。図２は横断平面図（図３のＩＩ－ＩＩ断面図）、図３は縦断正面図（図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図）である。便宜上、直交三軸の各方向、すなわち前後左右上下の各方向を図示の如く定める。但しこれら各方向が図示の配置に関して説明の便宜上定められたものに過ぎない点に留意されたい。ここでは便宜上、排気圧センサ６１等のセンサ類が省略されている。
　図示するように、排気浄化装置１は、密閉状のケース２と、ケース２の内部を仕切る仕切板３と、ケース２および仕切板３により画成されたＵ字状通路４とを備える。Ｕ字状通路４は、符号Ｇ１で示すように、後方から前方に向かう方向（第１方向）に向かって排気を流す第１通路４１と、第１方向とは反対側の第２方向（前方から後方に向かう方向）に向かって排気を流す第２通路４２と、排気を第１通路４１から第２通路４２に流す第３通路４３とを有する。
　また排気浄化装置１は、仕切板３に設けられ、第１通路４１と第２通路４２を連通するバイパス穴５と、バイパス穴５を開閉するバイパス弁６と、バイパス穴５の出口側より上流側の第２通路４２に設けられた前段触媒７とを備える。
　ケース２は、図示の如き複数の部材をコンパクトに纏めてキャニング（canning）状態で収容する密閉容器とされる。本実施形態のケース２は直方体形状とされる。仕切板３は、縦の状態（上下方向に延びる状態）で前後方向に延び、その後端がケース２の後端壁３１に接続され、その前端がケース２の前端壁３２から所定距離Ｘ１離間される。これにより仕切板３はケース２内を左右方向に仕切り、同時にＵ字状通路４を形成する。
　便宜上、前後方向における仕切板３の前端の位置Ｘ２を境として、後側を第１通路４１および第２通路４２、前側を第３通路４３とする。第１通路４１の左右幅Ｙ１は第２通路４２の左右幅Ｙ２より小さくされ、第３通路４３の前後幅（仕切板３とケース２の間隔Ｘ１に等しい）は第１通路４１の左右幅Ｙ１と同程度とされる。第３通路４３は、第１方向と直角な第３方向（左側から右側に向かう方向）に向かって排気を流す。第１通路４１、第２通路４２および第３通路４３の排気流れＧ１方向に直角な断面形状は四角形である。
　第１通路４１の上流端ないし後端には排気を導入するための排気入口８が接続される。排気入口８は入口管９により形成され、入口管９はケース２の後端壁３１に固定される。
　第２通路４２の下流端ないし後端には排気を排出するための排気出口１０が接続される。排気出口１０は出口管１１により形成され、出口管１１はケース２の右側壁３３に固定される。
　入口管９には、それより上流側に位置する排気管（図示せず）の下流端が接続される。出口管１１には、それより下流側に位置して後段触媒５０側の入口管５２に接続される排気管（図示せず）の上流端が接続される。これによりＵ字状通路４は、両排気管内の排気通路と連通される。
　バイパス穴５は、仕切板３の後端部に設けられる。本実施形態のバイパス穴５は、仕切板３の全高を切り抜いて形成され、バイパス穴５の全閉時には、バイパス弁６がバイパス穴５に嵌合してバイパス穴５を完全に閉じるようになっている。従ってバイパス穴５およびバイパス弁６は、縦長長方形の形状を有する。図２および図３はバイパス穴５の全開時を示す。図３にバイパス弁６の形状を示す。
　但し、これに限らず、バイパス穴５およびバイパス弁６の形状は任意である。仕切板３の高さ方向の中間部のみを切り抜いてバイパス穴５を形成し、バイパス穴５にバイパス弁６を嵌合させるか重ねるなどしてバイパス穴５を全閉してもよい。
　バイパス弁６はバタフライ弁で構成され、回動軸１２の回りを回動可能となっている。回動軸１２は、バイパス穴全閉時におけるバイパス弁６の前端縁に固定され、バイパス穴５の前端に位置されると共に、上下方向に延びる。回動軸１２は、例えばサーボモータにより形成されたアクチュエータ１３により回転駆動される。アクチュエータ１３は図１に示したＥＣＵ１００により制御される。
　図２に示すように、バイパス穴５を全閉したときのバイパス弁６の角度θを全閉角度θａ、バイパス穴５を全開したときのバイパス弁６の角度θを全開角度θｂとする。θａ＝０°、θｂ＝９０°である。バイパス弁６の角度θが大きくなるにつれ、バイパス弁６およびバイパス穴５の開度は大きくなっていく。θ＝θａのときの開度を０％、θ＝θｂのときの開度を１００％とする。
　バイパス弁６は、バイパス穴５の全開時に第１通路４１を全閉し、バイパス穴５の全閉時に第１通路４１を全開するように構成されている。特にバイパス穴５の全開時には、バイパス弁６が第１通路４１に嵌合され、第１通路４１を完全に閉じるようになっている。
　排気浄化装置１は、前段触媒７より上流側のＵ字状通路４内に尿素水Ｕを噴射する噴射弁１４をさらに備える。本実施形態の場合、噴射弁１４は、第３通路４３の上流端に配置され、ケース２の左側壁３４に固定される。そして第３通路４３の下流側に向かって尿素水Ｕを左側から右側へと噴射する。第３通路４３は、噴射弁１４から噴射された尿素水Ｕを排気と混合させる混合通路としての役割を果たす。
　前段触媒７は、前後方向に延びる中心軸Ｃを有する円筒状とされ、円形の保護管１５内に収容されている。そしてこれら前段触媒７と保護管１５のアセンブリは、第２通路４２内に同軸状態で配置されている。保護管１５の外周囲に排気が流れるのを防止するため、保護管１５の前端と、ケース２および仕切板３との隙間は、前端板１６で閉止されている。また保護管１５の後端と、ケース２および仕切板３との隙間は、後端板１７で閉止されている。
　前段触媒７、保護管１５および後端板１７は、第２通路４２内におけるバイパス穴５の出口側および排気出口１０よりも前方、すなわち排気Ｇ１流れ方向上流側に位置される。よってそれらの後側における第２通路４２内のスペース２０は、触媒７およびバイパス穴５の少なくとも一方から出た排気が排気出口１０に向かうための通路として機能する。
　このスペース２０は、前述したバイパス通路の合流点を形成する。すなわち、排気Ｇ１が流れるＵ字状通路４をメインの排気通路とすると、排気Ｇ２が流れるバイパス穴５は、前段触媒７をバイパスするバイパス通路を形成する。このバイパス通路は、当該スペース２０でＵ字状通路４と合流される。従って当該スペース２０は、バイパス通路の合流点を形成する。
　なお排気浄化装置１は、金属（例えばステンレス）製のケース２、仕切板３等を溶接等により組み立てた構造である。
　作動について、バイパス弁６が図示の如く全開角度θｂの位置にあり、バイパス穴５を全開しているときには、第１通路４１がバイパス弁６により全閉される。よって排気入口８から第１通路４１内に導入された排気は、矢印Ｇ２で示すように、全量バイパス穴５を通じ、第２通路４２を経由して排気出口１０から排出される。これによって排気が前段触媒７をバイパスし、排気が前段触媒７を流れることによる排気抵抗の上昇、ひいては背圧上昇を抑制することができる。
　他方、バイパス弁６が全閉角度θａの位置にあり、バイパス穴５を全閉しているときには、排気入口８から第１通路４１内に導入された排気は、矢印Ｇ１で示すように、全量第１通路４１、第３通路４３、第２通路４２という経路を辿って触媒７に流される。そして前段触媒７を通過した後、一旦第２通路４２を経由して排気出口１０から排出される。これによって排気が前段触媒７を流れ、排気中のＮＯｘを浄化することができる。
　バイパス弁６を全閉角度θａと全開角度θｂの間の中間角度にすれば、バイパス穴５と前段触媒７の両方に排気を流すことができる。そしてバイパス弁６の開度を調節することにより、背圧とＮＯｘ浄化を最適にバランスさせることができる。
　この排気浄化装置１によれば、ケース２の内部を仕切る仕切板３にバイパス穴５を設けたため、例えば図１に示した後段触媒ケーシング５１の入口管５２および出口管５３を別のバイパス用排気管で繋ぐような従来の構成に比べ、排気浄化装置の構成を簡易でコンパクトにすることができる。
　また、バイパス弁６をバタフライ弁で構成したので、単一のバイパス弁６でバイパス穴５と第１通路４１を交互に全開、全閉でき、これによっても排気浄化装置の構成を簡易でコンパクトにすることができる。
　なお、ケースは直方体形状でなくてもよく、任意の形状であってよい。例えば図４に示すように、ケース２は正面視で略円筒状もしくはダルマ形であってもよい。図示例の場合、ケース２は、第２通路４２を画成する大径円筒管１８と、第１通路４１を画成する小径半円筒管１９とを組み合わせて構成される。これら大径円筒管１８と小径半円筒管１９の接続位置に仕切板３が設けられる。バイパス弁６は、断面半円状の第１通路４１に嵌合可能な半円状とされる。他の構成は大略同様である。
　前段触媒７は、第２通路４２以外の位置に設けられてもよい。例えば、前段触媒７は、排気Ｇ１流れ方向においてバイパス穴５の入口側より下流側の第１通路４１に設けられてもよい。あるいは、前段触媒７は、第３通路４３に設けられてもよい。前段触媒７は、第１～第３通路４１～４３のうちの２つ以上の通路にそれぞれ設けられてもよい。
　出口管１１は、ケース２の後端壁３１に固定されてもよい。
　図１に戻って、後段触媒ケーシング５１の入口管５２には、後段触媒５０用の尿素水Ｕを噴射する噴射弁５４が設けられる。なお噴射弁５４は、より上流側に設けられてもよく、出口管１１と入口管５２を繋ぐ排気管に設けられてもよい。
　電気的構成に関して、排気浄化システム２００は、前段触媒７の上流側の排気圧ＰＡ、排気温ＴＡおよびＮＯｘ濃度ＮＡをそれぞれ検出する排気圧センサ６１、排気温センサ６２および濃度センサ６３を備える。これらセンサは排気浄化装置１に設けられ、バイパス穴５の入口側における各値を検出する。
　また排気浄化システム２００は、排気Ｇ１流れ方向における前段触媒７の下流側で、かつ後段触媒５０の上流側の排気温ＴＢおよびＮＯｘ濃度ＮＢをそれぞれ検出する排気温センサ６４および濃度センサ６５を備える。これらセンサも排気浄化装置１に設けられ、バイパス穴５の出口側、すなわち第２通路４２の後側スペース２０における各値を検出する。
　また排気浄化システム２００は、後段触媒５０の下流側のＮＯｘ濃度ＮＣを検出する濃度センサ６６を備える。濃度センサ６６は出口管５３に設けられるが、これに接続される排気管に設けられてもよい。
　以上のセンサ６１～６６はＥＣＵ１００に電気的に接続される。そしてこれらセンサ６１～６６の検出値等に基づき、ＥＣＵ１００は、バイパス弁６および噴射弁１４，５４を制御するように構成されている。
　次に、制御について説明する。
　ＥＣＵ１００は、排気圧センサ６１により検出された排気圧ＰＡが高い場合には、低い場合に比べ、バイパス穴５の開度を増大するようにバイパス弁６を制御する。
　バイパス穴５の開度を増大すると、バイパス穴５を通過する排気Ｇ２の流量を増大し、前段触媒７を通過する排気Ｇ１の流量を減少することができる。よって排気圧ＰＡが高い場合に、バイパス穴５の開度を増大することにより、前段触媒７の通過による排気抵抗、ひいては背圧上昇を抑制し、排気圧ＰＡを低下させることができる。そしてエンジンの燃焼効率低下を抑制し、燃費悪化を抑制することができる。
　またＥＣＵ１００は、濃度センサ６５により検出されたＮＯｘ濃度ＮＢが高い場合には、低い場合に比べ、バイパス穴５の開度を減少するようにバイパス弁６を制御する。
　バイパス穴５の開度を減少すると、バイパス穴５を通過する排気Ｇ２の流量を減少し、前段触媒７を通過する排気Ｇ１の流量を増大することができる。よってＮＯｘ濃度ＮＢが高い場合に、バイパス穴５の開度を減少することにより、前段触媒７によるＮＯｘ浄化を促進し、ＮＯｘ濃度ＮＢを低下させることができる。そして排気エミッションを向上することができる。
　またＥＣＵ１００は、排気温センサ６２により検出された排気温ＴＡが高い場合には、低い場合に比べ、バイパス穴５の開度を増大するようにバイパス弁６を制御する。
　排気温ＴＡが高い場合には、低い場合に比べ、後段触媒５０の浄化率が上昇する傾向にある。従ってこの場合に、前段触媒７を通過する排気Ｇ１の流量を減少させても、後段触媒５０によりＮＯｘを浄化できるので問題ないことが多い。よって排気温ＴＡが高い場合には、バイパス穴５の開度を増大させて排気Ｇ２のバイパス流量を増大させる。これにより背圧を低下させることができる。なお例えば、排気温ＴＡが高い場合とはエンジンの暖機完了後の状態をいい、排気温ＴＡが低い場合とはエンジンの暖機完了前の状態をいう。
　上記制御において、ＮＯｘ濃度ＮＢの代わりにＮＯｘ濃度ＮＡまたはＮＣを用いてもよい。また排気温ＴＡの代わりに排気温ＴＢを用いてもよい。
　以下、制御のより具体的な実施例を説明する。
　（第１実施例）
　図５Ａに示すように、ＥＣＵ１００は、排気圧センサ６１により検出された排気圧ＰＡが所定のしきい値ＰＡｓ以上のときにはバイパス弁６を開弁（バイパス穴５を開）し、排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ未満のときにはバイパス弁６を閉弁（バイパス穴５を閉）するよう、バイパス弁６を制御する。これにより排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ以上のときには、しきい値ＰＡｓ未満のときよりバイパス穴５の開度が増大される。しきい値ＰＡｓは、エンジンの燃焼効率や燃費等を考慮して許容し得る排気圧の最大値であって、実験的に求められた値と等しいかその付近の値に設定され、ＥＣＵ１００に予め記憶される。閉弁時の開度は、好ましくは全閉（０％）であり、開弁時の開度は、好ましくは全開（１００％）である。しかしながら、同等の効果が達成できれば全閉および全開でなくてもよく、それらに近い開度であってもよい。以下においても同様である。
　ＥＣＵ１００は、こうした排気圧に基づく制御に加え、図５Ｂに示すようなＮＯｘ濃度に基づく制御と、図５Ｃに示すような排気温に基づく制御とを行う。
　すなわち図５Ｂに示すように、ＥＣＵ１００は、濃度センサ６５により検出されたＮＯｘ濃度ＮＢが所定のしきい値ＮＢｓより大きいときにはバイパス弁６を閉弁し、ＮＯｘ濃度ＮＢがしきい値ＮＢｓ以下のときにはバイパス弁６を開弁するよう、バイパス弁６を制御する。これによりＮＯｘ濃度ＮＢがしきい値ＮＢｓより大きいときには、しきい値ＮＢ以下のときよりバイパス穴５の開度が減少される。しきい値ＮＢｓは、後段触媒５０の下流側のＮＯｘ濃度ＮＣが法規制値等を考慮して許容し得る値となるＮＯｘ濃度ＮＢの最大値であって、実験的に求められた値と等しいかその付近の値に設定され、ＥＣＵ１００に予め記憶される。
　また図５Ｃに示すように、ＥＣＵ１００は、温度センサ６２により検出された排気温ＴＡが所定のしきい値ＴＡｓ以上のときにはバイパス弁６を開弁し、排気温ＴＡがしきい値ＴＡｓ未満のときにはバイパス弁６を閉弁するよう、バイパス弁６を制御する。これにより排気温ＴＡがしきい値ＴＡｓ以上のときには、しきい値ＴＡｓ未満のときよりバイパス穴５の開度が増大される。しきい値ＴＡｓは、後段触媒５０の浄化率が十分に高く排気をバイパスさせてもＮＯｘ濃度ＮＣが所定のしきい値ＮＣｓ以下となるような排気温の最小値であって、実験的に求められた値と等しいかその付近の値に設定され、ＥＣＵ１００に予め記憶される。しきい値ＮＣｓは、例えば法規制上の上限値と等しいかその付近の値に設定される。
　図６を参照して、第１実施例の制御ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
　まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、排気圧センサ６１、濃度センサ６５および温度センサ６２によりそれぞれ検出された排気圧ＰＡ、ＮＯｘ濃度ＮＢおよび排気温ＴＡを取得する。
　次にステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ以上か否かを判断する。
　しきい値ＰＡｓ以上の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３において、ＮＯｘ濃度ＮＢがしきい値ＮＢｓ以下か否かを判断する。
　しきい値ＮＢｓ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４において、排気温ＴＡがしきい値ＴＡｓ以上か否かを判断する。
　しきい値ＴＡｓ以上の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５において、バイパス弁６を開弁し、ルーチンを終える。
　他方、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０２において排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ未満の場合と、ステップＳ１０３においてＮＯｘ濃度ＮＢがしきい値ＮＢｓより大きい場合と、ステップＳ１０４において排気温ＴＡがしきい値ＴＡｓ未満の場合との、いずれの場合においても、ステップＳ１０６において、バイパス弁６を閉弁し、ルーチンを終える。
　このように、排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ以上の場合でも、ＮＯｘ濃度ＮＢがしきい値ＮＢｓより大きい場合には、バイパス弁６を閉弁するので、背圧抑制に優先してＮＯｘ抑制を行うことができ、最終的に後段触媒５０から排出されるＮＯｘ排出量を所定値以下、例えば規制値以下に抑制することができる。
　また、排気圧ＰＡがしきい値ＰＡｓ以上の場合でも、排気温ＴＡがしきい値ＴＡｓ未満の場合には、後段触媒５０単独でのＮＯｘ浄化が十分に担保できないとして、バイパス弁６を閉弁するので、背圧抑制に優先してＮＯｘ浄化を行うことができ、最終的に後段触媒５０から排出されるＮＯｘ排出量を抑制することができる。なおこうした場合は、エンジンの暖機完了前に起こる可能性がある。
　因みに、ステップＳ１０３およびＳ１０４の少なくとも一方を省略してもよい。ＮＯｘ濃度ＮＢの代わりにＮＯｘ濃度ＮＣを用いてもよい。
　（第２実施例）
　次に、制御の第２実施例を説明する。
　図７Ａに示すように、本実施例では、排気圧Ｐおよび排気温Ｔと、バイパス弁６の角度θ（すなわち開度）との関係を規定したマップ（関数でもよい。以下同様）がＥＣＵ１００に予め記憶され、ＥＣＵ１００は基本的にこのマップに従ってバイパス弁６の開度を制御する。以下便宜上、角度θを開度θと読み替えて説明する。
　マップには、背圧とＮＯｘを最適にバランスさせるようなバイパス弁６の開度θであって、実験的に求められた値が入力されている。
　図７Ｂには、マップ中の排気圧Ｐとバイパス弁開度θとの関係を実線ａで示す。排気圧Ｐが上昇するほど、バイパス弁開度θは増大される。これにより背圧が上昇するほど、バイパス穴５を通過するバイパス流量を増大し、背圧の上昇を抑制することができる。
　図７Ｃには、マップ中の排気温Ｔとバイパス弁開度θとの関係を実線ｂで示す。排気温Ｔが上昇するほど、バイパス弁開度θは増大される。これにより排気温Ｔが上昇するほど、バイパス流量を増大してＮＯｘ浄化を後段触媒５０により多く担当させ、その分、背圧上昇を抑制することができる。
　ところで、最終的に後段触媒５０から排出される排気のＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓ以下である場合には、上記のようなマップに基づく制御のみで問題ない。しかし、エンジン運転状態の変化等により、マップのみでは一時的にＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えることがある。よってその場合には、ＮＯｘ濃度ＮＣに基づいてマップ値を補正する。
　具体的には、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合、ＥＣＵ１００は、マップ中のバイパス弁開度θの基本値を開度減少側に補正し、補正後の値に等しくなるように実際のバイパス弁開度θを制御する。図７Ｂおよび図７Ｃには、補正後のバイパス弁開度θを破線ｃ，ｄで示す。
　図７Ｂに示すように、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合、同一の排気圧Ｐに対する補正後のバイパス弁開度θ（線ｃ）は、基本値（線ａ）より減少される。そしてこのときの減少補正量は、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓより大きくなるほど、増大される。好ましくは、実際のＮＯｘ濃度ＮＣとしきい値ＮＣｓの差ΔＮ＝ＮＣ－ＮＣｓに基づき、ＰＩＤ制御の手法に則って、減少補正量が算出される。ＥＣＵ１００は、基本値から減少補正量を減算して補正後のバイパス弁開度θ（マップ値）を算出する。
　排気温についても同様である。図７Ｃに示すように、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合、同一の排気温Ｔに対する補正後のバイパス弁開度θ（線ｄ）は、基本値（線ｂ）より減少される。そしてこのときの減少補正量は、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓより大きくなるほど、増大される。好ましくは、実際のＮＯｘ濃度ＮＣとしきい値ＮＣｓの差ΔＮ＝ＮＣ－ＮＣｓに基づき、例えばＰＩＤ制御の手法に則って、減少補正量が算出される。ＥＣＵ１００は、基本値から減少補正量を減算して補正後のバイパス弁開度θ（マップ値）を算出する。
　こうしたＮＯｘ濃度ＮＣに基づくマップ値の補正は、図７Ｂに示すような排気圧Ｐとバイパス弁開度θの関係に対してのみ行ってもよいし、図７Ｃに示すような排気温Ｔとバイパス弁開度θの関係に対してのみ行ってもよい。ＮＯｘ濃度ＮＣの代わりに、より上流側のＮＯｘ濃度ＮＢまたはＮＡを用いてもよい。この場合には、ＮＢ＝ＮＢｓまたはＮＣ＝ＮＣｓのときに概ねＮＣ＝ＮＣｓとなるよう、各々のしきい値ＮＢｓ，ＮＡｓがしきい値ＮＣｓより大きな値とされる。
　本実施例でも、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合には、それ以下の場合に比べ、バイパス弁開度θが減少される。
　図８を参照して、第２実施例の制御ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
　まずステップＳ２０１において、ＥＣＵ１００は、排気圧センサ６１、温度センサ６２および濃度センサ６６によりそれぞれ検出された排気圧ＰＡ、排気温ＴＡおよびＮＯｘ濃度ＮＣを取得する。
　次にステップＳ２０２において、ＥＣＵ１００は、排気圧ＰＡおよび排気温ＴＡに基づき、図７Ａのマップからバイパス弁開度の基本値θを算出する。
　次にＥＣＵ１００は、ステップＳ２０３において、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えたか否かを判断する。
　しきい値ＮＣｓ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０４において、バイパス弁開度の最終的な目標値θｔを基本値θに等しく設定する。そしてステップＳ２０５において、バイパス弁６の実際の開度を目標値θｔに等しく制御し、ルーチンを終える。
　他方、ステップＳ２０３においてＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０６において、取得したＮＯｘ濃度ＮＣとしきい値ＮＣｓの差ΔＮ＝ＮＣ－ＮＣｓに基づき、減少補正量Δθを算出する。減少補正量Δθは、差ΔＮが大きいほど大きな値とされる。なおこの算出にはマップまたは関数を用いることができる。
　次いでＥＣＵ１００は、ステップＳ２０７において、基本値θから減少補正量Δθを減算した値を目標値θｔとして算出する。そしてステップＳ２０５において、バイパス弁６の実際の開度を目標値θｔに等しく制御し、ルーチンを終える。
　このようにＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓを超えた場合には、バイパス弁開度を減少することができるので、前段触媒７の通過流量を増やし、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を増大することができる。そして最終的に後段触媒５０から排出されるＮＯｘ排出量を所定値以下、例えば規制値以下に抑制することができる。
　また、ＮＯｘ濃度ＮＣがしきい値ＮＣｓ以下の場合には、排気圧ＰＡおよび排気温ＴＡに基づいてマップから求められた最適開度に、実際のバイパス弁開度を制御するので、背圧とＮＯｘを最適にバランスさせることができる。
　以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。
　（１）例えば、触媒をバイパスするためのバイパス構造は、上記実施形態のものに限られず、任意の構造を採用できる。例えば、図１に示した後段触媒ケーシング５１の入口管５２および出口管５３を別のバイパス用排気管で繋ぐような従来の構造も採用可能である。
　（２）必要に応じて、後段触媒５０を省略してもよい。例えば、排気圧のみに基づくバイパス弁制御を行う場合と、排気圧およびＮＯｘ濃度のみに基づくバイパス弁制御を行う場合とには、後段触媒５０は省略可能である。
　本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
　本出願は、2020年3月11日付で出願された日本国特許出願（特願2020-042112）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本開示に係る内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の背圧の上昇を抑制することができる点で有用である。
５　バイパス穴
６　バイパス弁
７　触媒（前段触媒）
５０　下流側触媒（後段触媒）
６１　排気圧センサ
６２，６４　排気温センサ
６３，６５，６６　濃度センサ
１００　電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２００　排気浄化システム

Claims (6)

  1. 　内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、
    　前記触媒をバイパス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ように構成された制御ユニットと、
    　前記触媒の上流側の排気圧を検出する排気圧センサと、
    　を備え、
    　前記制御ユニットは、前記排気圧センサにより検出された排気圧が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を増大す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. 　前記触媒の下流側において前記触媒の浄化成分の排気中濃度を検出する濃度センサをさらに備え、
    　前記制御ユニットは、前記濃度センサにより検出された濃度が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を減少するように前記バイパス弁を制御する
    　請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
  3. 　前記触媒がＮＯｘ触媒である
    　請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
  4. 　前記バイパス通路の合流点よりも下流側に位置する前記排気通路に設けられた下流側触媒をさらに備える
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
  5. 　前記下流側触媒の上流側の排気温を検出する排気温センサをさらに備え、
    　を備え、
    　前記制御ユニットは、前記排気温センサにより検出された排気温が高い場合には、低い場合に比べ、前記バイパス通路の開度を増大するように前記バイパス弁を制御する
    　請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
  6. 　前記下流側触媒がＮＯｘ触媒である
    　請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
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