JP2000008840A

JP2000008840A - 排気浄化用触媒の機能回復装置と機能回復方法

Info

Publication number: JP2000008840A
Application number: JP10171805A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Omichi; 重樹大道; Shinya Hirota; 信也広田; Eiji Iwasaki; ▲英▼二岩▲崎▼; Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの排気浄化用触媒にＨ
Ｃ，ＳＯＦ，ＰＭ等が付着して浄化機能が低下（被毒）
したときの機能回復手段として、排気温度を上昇させる
ような大きなエネルギー消費を必要としない手段を提供
すること。【解決手段】触媒コンバータ１３が設けられた排気管
１２に脈動発生手段を付設して、付着量が所定の限度を
越えたときに排気の流れに脈動を与えることにより、脈
動する排気の衝撃的な流れの、機械的或いは物理的な作
用によって、触媒１３ａからのＨＣ等の脱離を促進させ
る。この脈動発生手段としては、例えば、排気管開閉用
アクチュエータ２６によって作動する排気管開閉用バル
ブ２５を設けるとか、場合によっては排気を脈動的に逆
流させる手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの排気中に含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）等を触
媒によって浄化する触媒システムにおいて、排気に含ま
れている炭化水素（ＨＣ）、可溶性有機物（ＳＯＦ）、
或いは排気微粒子（ＰＭ）等が触媒に付着することによ
って触媒の機能が低下する所謂「触媒被毒」の状態か
ら、触媒の浄化機能を回復させるための排気浄化用触媒
の機能回復装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンから排出される排気
に含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために
触媒コンバータを用いた触媒浄化システムが検討されて
いる。ＮＯｘは、触媒コンバータ内で排気中の炭化水素
（ＨＣ）と反応して還元されることによって浄化される
が、ディーゼルエンジンの場合は排気中に含まれるＨＣ
量が少ないので十分にＮＯｘを浄化することができな
い。そのため、触媒コンバータの上流側に燃料等のＨＣ
を添加することが行われている。

【０００３】ところが、長時間排気中にＨＣを添加し続
けていると、ＮＯｘと反応させるために添加されたＨＣ
が触媒そのものと反応するので、ＨＣが排気中のＮＯｘ
と反応して消費される前にＨＣが触媒の活性点に付着し
て、触媒活性を著しく低下させる所謂「触媒被毒」が起
こるという問題がある。触媒被毒による触媒の浄化機能
低下はＨＣだけでなく、ディーゼルエンジンの排気中に
含まれている可溶性有機物（ＳＯＦ）や排気微粒子（Ｐ
Ｍ）が触媒に付着した場合にも起こる。

【０００４】ＨＣ，ＳＯＦ，ＰＭ等（以下これを「ＨＣ
等」という）による触媒被毒が起こった場合には、触媒
温度を上昇させることによって、触媒に吸着しているＨ
Ｃ等を脱離或いは焼却する回復操作が必要となる。エン
ジンが高速或いは高負荷運転されると排気温度が上昇す
るので、被毒状態にある触媒からＨＣ等を自然に除去す
ることができるが、低速、低負荷の運転状態が続いて触
媒にＨＣ等による被毒が生じたときに、それに続いて都
合よく高速、高負荷の運転状態になるとは限らないか
ら、被毒状態にある触媒の機能を回復させるためには何
らかの方法で排気の温度を上昇させる必要がある。

【０００５】そのために、従来は、例えば実開昭６３−
２１７１８号公報、或いは特開平６−２００７３７号公
報等に見られるように、エンジンの気筒内への燃料噴射
時期の遅角、吸気絞り弁の閉弁、排気再循環（ＥＧ
Ｒ）、電気ヒーターによる排気の直接加熱等を実施し
て、排気温度を４００℃程度まで上昇させ、それによっ
て触媒温度も上昇させて触媒からＨＣ等を脱離させてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被毒状
態の触媒の浄化特性は、未被毒の状態に比べて１０℃以
上も高温側にずれるので、被毒している触媒への入りガ
ス温度は、触媒が活性化し始める活性化開始温度よりも
かなり高くする必要がある。従って、前述のような従来
の方法によって排気温度を高める場合には、通常の運転
状態よりもエンジンの燃料噴射量を増加させるために、
エンジンの燃費がかなり低下するという問題を伴うの
で、実際にそれらの方法によって排気温度を被毒状態に
ある触媒の機能回復のために十分な温度まで高めること
は非常に困難である。

【０００７】本発明は、従来技術における前述のような
問題に鑑み、大きなエネルギー消費を必要とする排気及
び触媒の温度上昇という手段によらないで、物理的或い
は機械的な手段によって触媒の浄化機能を回復させるこ
とができる新規な触媒の機能回復装置及び機能回復方法
を提供することを目的としている。

【０００８】本発明は、また、エンジンを搭載している
車両の減速運転時等においてＨＣ等による触媒被毒が進
行するのを抑制することができる新規な触媒の機能回復
装置及び機能回復方法を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された排気浄化用触媒の機能回復装置と機能回復
方法を提供する。

【００１０】請求項１に記載された機能回復装置によれ
ば、排気通路に付設された脈動発生手段によって、排気
通路を流れる排気に強制的に脈動を発生させるので、排
気の流れの流速が脈動的に変化する。それによって、触
媒を通過して流れる排気の流速が急激に減速、加速を繰
り返すことになるので、その流れの衝撃の機械的或いは
物理的な作用と、同じ作用により触媒の表面における排
気の流れの境界層の厚さが薄くなって、排気や触媒の化
学的な作用が強くなることから、触媒の表面に付着して
いたＨＣ等が脱離し、触媒の浄化機能を回復させること
ができる。

【００１１】請求項２に記載された機能回復装置におい
ては、脈動発生手段が具体的に排気通路の途中に設けら
れた排気通路開閉用バルブとなっており、請求項３に記
載された機能回復装置においては、排気通路開閉用バル
ブが制御手段の指令によって自動的に開閉制御される。
この排気通路開閉用バルブは、排気浄化用触媒の下流側
に設けられていてもよいし、また、上流側に設けられて
いてもよい。

【００１２】請求項６に記載された機能回復装置におい
ては、排気通路開閉用バルブが排気浄化用触媒の上流側
の排気通路に設けられている場合に、この排気通路開閉
用バルブの下流側と上流側とを接続するバイパス通路の
途中に、開閉弁とリザーブタンクとバキュームポンプと
が順次直列に挿入されているので、制御手段の指令によ
って排気通路開閉用バルブを閉弁させると同時にバイパ
ス通路の開閉弁を開弁させると、触媒の上流側が負圧に
なって触媒を流れる排気が逆流する。それによって排気
の脈動が大きくなり、触媒からＨＣ等を脱離させる作用
が強くなって、触媒の浄化機能回復が促進される。

【００１３】請求項７に記載された機能回復方法によれ
ば、排気通路に付設された脈動発生手段によって、排気
通路を流れる排気に強制的に脈動を発生させるので、排
気の流れの流速が脈動的に変化する。それによって、触
媒を通過して流れる排気の流速が急激に減速、加速を繰
り返すことになるので、その流れの衝撃の機械的或いは
物理的な作用と、同じ作用により触媒の表面における排
気の流れの境界層の厚さが薄くなって、排気や触媒の化
学的な作用が強くなることから、触媒の表面に付着或い
は吸着していたＨＣ等が脱離し、触媒の浄化機能を回復
させることができる。また、請求項８に記載された機能
回復方法においては、排気通路を流れる排気の流速を脈
動的に変動させる際に、触媒を流れる排気の逆流をも発
生させるので、触媒に付着した物質を強力に脱離させる
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の排気浄化用触媒の
機能回復装置及び方法を図示実施形態に基づいて具体的
に説明する。本発明の第１実施形態として、図１に本発
明の機能回復装置及び方法を実施するための対象とな
る、車両搭載用のディーゼルエンジンの全体構成を示
す。エンジン１１は排気量４２００ccの６気筒直噴ディ
ーゼルエンジンである。エンジン１１から排出される排
気にはＨＣやＮＯｘ等が含まれているが、それらの有害
成分は内径６０mmの排気管１２を通って体積３．４Ｌの
触媒コンバータ１３内へ流入し、無害化された後に大気
中へ排出される。この触媒コンバータ１３における触媒
は、例えば多孔質ゼオライトの一種にアルミナ層をコー
トしてから白金を担持させたもので、ＮＯｘはこの触媒
の介在の下で排気中に残存しているＨＣと反応し、還元
されることによって無害化される。

【００１５】一般的にそうであるように、ディーゼルエ
ンジン１１の排気中にはＮＯｘを完全に浄化するために
十分な量の還元剤としてのＨＣが含まれていないので、
不足する分のＨＣを補うために排気管１２には炭化水素
添加装置が設置されている。図示の実施形態においては
炭化水素添加装置の末端であるインジェクタ１７だけが
排気管１２上に図示されている。インジェクタ１７は、
燃料として用いられる軽油を炭化水素として排気管１２
内を流れる排気中へ噴射して添加する装置であって、そ
の噴射作動はコンピュータ１６によって制御されてい
る。

【００１６】コンピュータ１６は、エンジン１１のシス
テム全体を制御するために設けられたもので、触媒コン
バータ１３の内部に設けられた触媒１３ａの活性化状態
を確認するために、触媒コンバータ１３の入口に取り付
けられて入りガス温度を検出する排気温度センサ１４
と、触媒１３ａに取り付けられてその温度を検出する触
媒温度センサ１５との、２つの温度センサの検出信号２
３，２４がコンピュータ１６に入力される。また、エン
ジン１１の図示しない回転数センサが検出する回転数信
号２１と、スロットルレバーに取り付けられたセンサが
検出するスロットル開度信号２２もコンピュータ１６に
入力されている。

【００１７】第１実施形態の特徴として、排気管１２の
うちで触媒コンバータ１３の下流側となる部分に、例え
ば回転駆動されて排気管１２を間欠的に開閉することが
できるバタフライ型の排気管開閉用バルブ２５が設けら
れる。排気管開閉用バルブ２５は、コンピュータ１６の
指令を受けて作動するモータのような排気管開閉用アク
チュエータ２６によって開閉制御される。なお、排気管
開閉用バルブ２５は、排気管１２を短時間おきに開閉す
ることができるものであれば、電磁弁等、バタフライ型
以外の形式のバルブであってもよい。また、排気管開閉
用バルブ２５をエンジン１１に新設しなくても、排気管
１２に排気ブレーキが設けられている場合には、それを
そのまま利用することもできる。

【００１８】触媒１３ａの状態は、コンピュータ１６に
よって、例えば、排気温度センサ１４の検出する排気温
度信号２３よりも触媒温度センサ１５が検出する触媒温
度信号２４の方が高くなっているときに、正常な活性化
状態にあると推定することができる。それと反対に、排
気温度信号２３が所定値以上である場合に、触媒温度信
号２４が排気温度信号２３よりも低いときは、触媒１３
ａが正常な浄化機能を果たしていないことが明らかであ
るから、コンピュータ１６は、触媒１３ａが被毒状態に
あると判定することになる。

【００１９】また、インジェクタ１７が排気管１２内を
流れる排気に対して添加したＨＣによって触媒１３ａが
被毒している場合は、触媒１３ａにおけるＨＣの吸着量
の推算を行ってもよい。この推算の方法としては幾通り
かの方法を使用することができる。例えば、間接的な方
法として、あらかじめ、エンジン１１の運転条件と、触
媒コンバータ１３へ流入する排ガスの成分濃度との関係
を測定しておき、幾つかの仮定の下で触媒１３ａへのＨ
Ｃの吸着、触媒からの脱離、触媒におけるＨＣの反応等
を考慮して触媒１３ａの使用開始からの累積計算を行っ
て、現在のＨＣ吸着量を推算する方法がある。

【００２０】また、より直接的な方法としては、触媒コ
ンバータ１３の入口及び出口におけるＨＣ濃度を図示し
ないＨＣセンサによって測定して、その差に更に触媒１
３ａにおける反応を考慮して、触媒１３ａへのＨＣ吸着
量を推算することもできる。更に直接的な方法として
は、触媒１３ａ上のＨＣ吸着量を直接に分析するという
方法もある。以上のいずれかの方法或いはそれ以外の公
知の方法によって、触媒１３ａのＨＣ吸着量を推算する
ことができる。従って、コンピュータ１６は、これらの
いずれかの方法、或いはそれらの方法の幾つかを組み合
わせて触媒１３ａのＨＣ等による被毒状態を検知するこ
とにより、被毒の軽重の程度に応じて、機能回復操作を
実行する必要があるか否かを判定する。

【００２１】機能回復操作を行う時期については、回転
数信号２１やスロットル開度信号２２等から、エンジン
１１の運転状態のうちで、エンジン１１を搭載している
車両が減速運転状態にあるとコンピュータ１６が判断し
た時期に限って実施される。これらの条件が揃って機能
回復操作を実施することになったとき、第１実施形態の
場合、コンピュータ１６は図示しない駆動回路やアクチ
ュエータ２６を介して排気管開閉用バルブ２５を作動さ
せ、排気管１２を例えば所定の間隔をおいて周期的に開
閉させる。

【００２２】従って、コンピュータ１６が触媒１３ａの
機能回復操作を行う時期と判断したときに、車両の減速
運転状態において、コンピュータ１６の指令を受けた駆
動回路から排気管開閉用アクチュエータ２６に駆動信号
が出力され、排気管開閉用バルブ２５が排気管１２を開
閉する。それによって、排気管１２内の排気の流れが断
続されることにより、触媒コンバータ１３内の触媒１３
ａの担体の隙間を通過して流れる排気の流速が急激に減
速、加速を繰り返すことになるので、その流れの衝撃の
機械的或いは物理的な直接的な作用と、同じ作用により
触媒１３ａの担体表面における排気の流れの境界層の厚
さが薄くなって、排気や触媒の化学的な作用が強くなる
ことから、触媒１３ａの表面に付着していたＨＣ等が脱
離する。それによって触媒１３ａの機能を回復させるこ
とができる。

【００２３】図２は本発明の第２実施形態としてのディ
ーゼルエンジンの全体構成を示すもので、第１実施形態
と実質的に同じ部分には同じ参照符号を付して、重複す
る説明を省略する。第２実施形態の場合は、排気管１２
の中でも触媒コンバータ１３の上流側に、第１実施形態
の場合と同様にコンピュータ１６の指令によって作動す
る排気管開閉用バルブ２５を設けて排気管を開閉させる
と共に、排気管開閉用バルブ２５の下流側と上流側の排
気管１２の各部分を接続するバイパス通路３０を設け
て、このバイパス通路３０に既設のバキュームポンプ３
１とリザーブタンク３２を挿入配置する。この際に、バ
キュームポンプ３１によるバイパス通路３０内の流れの
方向が、下流側から上流側に向かうように設定する。そ
して、リザーブタンク３２と、排気管開閉用バルブ２５
の下流側の排気管１２とを結ぶバイパス通路３０の一部
には、コンピュータ１６によって開閉制御される電磁弁
のような開閉弁３３を挿入する。

【００２４】バキュームポンプ３１の作動によってリザ
ーブタンク３２内は常に所定のレベル以上の真空となっ
ており、通常、その真空はブレーキ等の既設の目的物の
ために使用される。第１実施形態の場合と同様に、コン
ピュータ１６が回転数信号２１やスロットル開度信号２
２等に基づいて触媒１３ａのＨＣ等による被毒状態を積
算し、それによって触媒１３ａが機能低下を起こしてい
るとコンピュータ１６が判断すると、車両が減速運転状
態になったときに排気管開閉用アクチュエータ２６を駆
動して排気管開閉用バルブ２５を閉弁させる。そして、
それと同時にコンピュータ１６は開閉弁３３を開弁させ
るので、排気管開閉用バルブ２５の下流側、即ち、触媒
コンバータ１３の上流側がリザーブタンク３２に接続さ
れ、触媒コンバータ１３の上流側は減圧される。

【００２５】その結果、触媒１３ａの担体の隙間を通っ
て流れる排気が一時的に逆流するだけでなく、次にコン
ピュータ１６の指令によって開閉弁３３が閉弁すると共
に排気管開閉用バルブ２５が開弁して排気管１２内に通
常の方向の排気の流れが生じるときは、触媒１３ａを流
れる排気の流速変化が通常の場合よりも上昇することに
なる。このようにして、触媒コンバータ１３を通って流
れる排気が大幅に脈動するだけでなく、流速が増加する
ことによって、前述の第１実施形態の作用、効果が更に
強められるので、触媒１３ａ上に付着したＨＣ等を効率
よく脱離させて、触媒１３ａの浄化機能を回復させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態としてのディーゼルエン
ジンの全体構成を示すシステム構成図である。

【図２】本発明の第２実施形態としてのディーゼルエン
ジンの全体構成を示すシステム構成図である。

【符号の説明】

１１…ディーゼルエンジン１２…排気管（排気通路）１３…触媒コンバータ１３ａ…触媒１４…排気温度センサ１５…触媒温度センサ１６…コンピュータ１７…インジェクタ２１…エンジンの回転数信号２２…スロットル開度信号２５…排気管開閉用バルブ２６…排気管開閉用アクチュエータ３０…バイパス通路３１…バキュームポンプ３２…リザーブタンク３３…開閉弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者広田信也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者岩▲崎▼ ▲英▼二愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者田中俊明愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA18 AA28 AB05 BA11 BA14 BA33 CA18 DA03 DB10 EA01 EA07 EA17 EA18 EA30 FA19 FC02 GA20 GB01X GB06W GB09X GB10X HA36 HA39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンの排気通路の途中に
設けられた排気浄化用触媒と、前記排気通路に付設され
該排気通路を流れる排気に作用して排気の流れに強制的
に脈動を発生させる脈動発生手段と、排気に含まれる炭
化水素、可溶性有機物、及び排気微粒子のうちの少なく
とも一つの物質が前記触媒に付着することによる触媒の
機能低下が生じているか否かを判定する判定手段と、前
記判定手段によって前記触媒に所定のレベル以上の機能
低下が生じていると判定されたときに、前記脈動発生手
段を作動させる制御手段とを備えていることを特徴とす
る排気浄化用触媒の機能回復装置。
【請求項２】前記脈動発生手段が前記排気通路の途中
に設けられた排気通路開閉用バルブを含んでいることを
特徴とする請求項１に記載の機能回復装置。
【請求項３】前記排気通路開閉用バルブが前記制御手
段の指令によって開閉制御されることを特徴とする請求
項２に記載の機能回復装置。
【請求項４】前記排気通路開閉用バルブが前記排気浄
化用触媒の下流側に設けられていることを特徴とする請
求項２又は３に記載の機能回復装置。
【請求項５】前記排気通路開閉用バルブが前記排気浄
化用触媒の上流側に設けられていることを特徴とする請
求項２又は３に記載の機能回復装置。
【請求項６】前記排気通路開閉用バルブの下流側と上
流側とを接続するバイパス通路が設けられ、該バイパス
通路の途中に、前記排気通路開閉用バルブの下流側に接
続する位置から上流側に接続する位置に向かって排気の
流れが生じるように、前記制御手段の指令によって前記
排気通路開閉用バルブとは反対に開閉制御される開閉弁
と、真空を蓄えるリザーブタンクと、リザーブタンク内
に真空を発生させるバキュームポンプとを順次直列に接
続して挿入したことを特徴とする請求項５に記載の機能
回復装置。
【請求項７】ディーゼルエンジンの排気通路の途中に
設けられた排気浄化用触媒と、前記排気通路に付設され
該排気通路を流れる排気に作用して排気の流れに強制的
に脈動を発生させる脈動発生手段と、排気に含まれる炭
化水素、可溶性有機物、及び排気微粒子のうちの少なく
とも一つの物質が前記触媒に付着することによる触媒の
機能低下が生じているか否かを判定する判定手段とを備
えている排気浄化用触媒システムにおいて、前記判定手
段によって前記触媒に所定のレベル以上の機能低下が生
じていると判定されたときに、前記脈動発生手段を作動
させて前記排気通路を流れる排気の流速を脈動的に変動
させることによって、前記触媒に付着した物質を脱離さ
せることを特徴とする排気浄化用触媒の機能回復方法。
【請求項８】前記脈動発生手段を作動させて前記排気
通路を流れる排気の流速を脈動的に変動させる際に、前
記触媒を流れる排気の逆流をも発生させることによっ
て、前記触媒に付着した物質を脱離させることを特徴と
する請求項７に記載の機能回復方法。