JP2006022769A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタ再生処理の実行可能領域を従来よりも低負荷側に拡大することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 本発明の排気浄化装置１はターボチャージャー１０を備えたディーゼルエンジン２に適用される。そして、ターボチャージャー１０のタービン１０ｂの下流側に設けられた前段酸化触媒１３と、前段酸化触媒１３の下流側に設けられた後段酸化触媒１４と、後段酸化触媒１４の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ１５と、パティキュレートフィルタ１５に堆積したパティキュレートを酸化して除去するフィルタ再生処理に必要な燃料を供給するインジェクタ５とを備え、前段酸化触媒１３は、ディーゼルエンジン２のアイドル運転時における空間速度が１７５，０００（１／ｈ）以下となるように容量が設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、酸化触媒と、その酸化触媒の下流側に設けられ排気中の粒子状物質（パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタとを備え、酸化触媒の上流から燃料（ＨＣ）を供給してパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを酸化して除去するフィルタ再生処理を実行するものが知られている（特許文献１）。また、パティキュレートを酸化する酸化触媒の上流にこれよりも容量の小さな酸化触媒を配置し、アイドル運転時のＳＶ値（空間速度）が５０，０００（１／ｈ）以上となるように、その小さな酸化触媒の容量を設定したものがある（特許文献２）。その他本発明に関連する先行技術文献として、特許文献３及び４が存在する。

特開昭６０−４３１１３号公報 特許第２８７４４７２号公報 特許第３０１２２４９号公報 特開２００４−４４５０９号公報

特許文献１に記載された排気浄化装置においては、排気通路による放熱によって酸化触媒に流入する排気ガスの温度が低下する結果、酸化触媒の触媒床温をフィルタ再生処理に必要な目標温度まで高めることができないおそれがある。仮に、特許文献２のように酸化触媒の上流側に容量の小さな酸化触媒を設けてたとしても、その容量が適正でなければ排気ガスを十分に昇温できず、上記目標温度まで高めることができない場合もある。そのため、従来はフィルタ再生処理の実行可能領域が排気ガスの温度が高い運転領域に限られていた。

そこで、本発明はフィルタ再生処理の実行可能領域を従来よりも低負荷側に拡大することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の排気浄化装置は、ターボチャージャーを備えた内燃機関に適用される排気浄化装置であって、前記ターボチャージャーのタービンの下流側に設けられた前段酸化触媒と、前記前段酸化触媒の下流側に設けられた後段酸化触媒と、前記後段酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを酸化して除去するフィルタ再生処理に必要な燃料を供給する燃料供給手段と、を備え、前記前段酸化触媒は、前記内燃機関のアイドル運転時における空間速度が１７５，０００（１／ｈ）以下となるように容量が設定されていることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

燃料供給手段によりフィルタ再生処理に必要な燃焼（ＨＣ）が供給された場合には、前段酸化触媒に流入した排気ガスは供給されたＨＣの酸化反応によって昇温し、昇温した排気ガスはその下流に設けられた後段酸化触媒に流入する。この場合、前段酸化触媒の容量を小さくしすぎる（空間速度を大きくしすぎる）と、たとえ燃料の供給量を増量しても前段酸化触媒の能力以上の昇温効果は得られないので、後段酸化触媒による排気ガスの昇温が不十分となる。その結果、パティキュレートを効果的に燃焼してこれを除去できないおそれがある。この発明によれば、内燃機関のアイドル運転時における空間速度が１７５，０００（１／ｈ）以下となるように前段酸化触媒の容量が適正に設定されているので、前段酸化触媒の容量を可能な限り小さくしつつフィルタ再生処理の実行可能領域を低負荷側へ拡大できる。なお、本発明の空間速度は触媒の容量に対する触媒に流入する１時間（ｈ）あたりのガス量の比として与えられる。

また、この発明では前段酸化触媒をターボチャージャーのタービンの下流に設けているので、タービンの上流に設けることによって発生のおそれがある問題、例えばタービンへの供給熱量の不足に起因する過給レスポンスの悪化や、触媒が高温（７００°Ｃ以上）に曝されることに起因する触媒の熱劣化等を回避することができる。

また、本発明の排気浄化装置において、前記前段酸化触媒は、前記内燃機関のアイドル運転時における空間速度が５８，０００（１／ｈ）以上となるように容量が設定されていてもよい（請求項２）。前段酸化触媒の容量が大きいほど排気ガスの温度を高めることができるが、排気ガスの温度が高くなるつれ放熱量（熱損失）が増大する。その結果、後段酸化触媒の触媒床温が目標温度まで至らない場合も起こり得る。この形態によればこのような事態を回避できる。

以上の排気浄化装置によってフィルタ再生処理の実行可能領域を低負荷側へ拡大することができるが、前記前段酸化触媒の容量は前記後段酸化触媒の容量に対して１／３０〜１／５であってもよい（請求項３）。

以上のように、本発明によれば、内燃機関のアイドル運転時における空間速度が１７５，０００（１／ｈ）以下となるように前段酸化触媒の容量が設定されているので、フィルタ再生処理の実行可能領域を低負荷側へ拡大できる。

図１には、本発明に係る排気浄化装置１が適用されたディーゼルエンジン（以下エンジンという）２の概略が示されている。この図に示したように、エンジン２は４気筒のレシプロ式のディーゼルエンジンであり、気筒３が形成されたシリンダブロック４と、気筒３毎に設けられたインジェクタ５と、シリンダブロック４に接続された吸気通路６及び排気通路７とを備えている。各インジェクタ５はコモンレール８にそれぞれ接続され、加圧ポンプ（不図示）にて圧送されてコモンレール８に蓄えられた燃料を各気筒３へ噴射する。インジェクタ５による燃料の噴射量、噴射時期等の制御はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９により行われる。

吸気通路６には、その上流から下流に向かって、ターボチャージャー１０のコンプレッサ１０ａと、コンプレッサ１０ａ下流の吸気を冷却するインタークーラ１１と、吸気量を調整するスロットルバルブ１２とがそれぞれ設けられている。排気通路７には、その上流から下流に向かって、ターボチャージャー１０のタービン１０ｂと、前段酸化触媒１３と、後段酸化触媒１４と、パティキュレートフィルタ（以下フィルタという場合がある）１５とがそれぞれ設けられている。前段酸化触媒１３及び後段酸化触媒１４はそれぞれＨＣの酸化反応を促進する触媒である。フィルタ１５は排気ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタであり、例えば白金（Ｐｔ）等のＨＣの酸化反応を促進する触媒物質が塗布されていてもよい。パティキュレートが許容限度を超えてフィルタ１５に堆積すると目詰まりを起こすので、堆積したパティキュレートを除去してフィルタ１５の機能を再生する必要がある。そのため、排気浄化装置１は、ポスト噴射や排気上死点での燃料噴射（ＶＩＧＯＭ噴射）等の筒内噴射をインジェクタ５に実行させて排気通路７内に燃料（ＨＣ）を供給する。これにより前段酸化触媒１３及び後段酸化触媒１４において発熱を伴う酸化反応が促進されて排気通路７内を流れる排気ガスが昇温する。排気浄化装置１はこの昇温作用を利用してパティキュレートフィルタ１５に堆積したパティキュレートを酸化して除去するフィルタ再生処理を実行する。この場合のインジェクタ５は本発明の燃料供給手段として機能している。フィルタ再生処理に必要な燃料の供給量、フィルタ再生処理の開始及び終了時期等の各種制御はＥＣＵ９が行うが、具体的な制御方法は周知の方法を適宜に用いればよい。

前段酸化触媒１３の担体１３１及び後段酸化触媒１４の担体１４１のそれぞれには、例えば白金（Ｐｔ）等のＨＣの酸化反応を促進する触媒物質が担持されている。担体１３１はケーシング１３２に、担体１４１はケーシング１４２に両端面を排気通路７に臨むようにしてそれぞれ収納されている。担体１３１，１４１の構造及び材質は適宜に定めればよいが、本実施形態では目詰まりが起きにくい金属製のハニカム構造の担体とした。Ｐｔの担持量については、前段酸化触媒１３の触媒機能を強化するため、前段酸化触媒１３の単位容量あたりのＰｔの担持量を後段酸化触媒１４よりも多くしている。具体的には、前段酸化触媒１３のその担持量を５ｇ／Ｌ（リットル）程度とし、後段酸化触媒１４のＰｔ担持量の２倍から５倍に設定している。そして、前段酸化触媒１３の容量は、後段酸化触媒１４の容量に比べて小さく設定されている。また、前段酸化触媒１３の容量は、エンジン１のアイドル運転時において空間速度（ＳＶ）が１７５，０００（１／ｈ）以下の範囲内になるように設定されている。

前段酸化触媒１３の容量は例えば搭載スペースやコストの等の観点からできる限り小容量とすることが好ましいが、前段酸化触媒１３の容量を小さくしすぎると、排気ガスの昇温効果が不十分となる。このため、後段酸化触媒１４に流入する排気ガスを、後段酸化触媒１４が触媒機能を発揮できる温度（ライトオフ温度）まで昇温できず、結果として後段酸化触媒１４の触媒床温をフィルタ再生処理に必要な目標温度まで高めることができない場合がある。そのために、フィルタ再生処理の実行可能領域が排気ガスの温度が高温となる運転領域に制限される。そこで、本実施形態では図２に示した考え方に基づいて前段酸化触媒１３の容量を決定した。この図において、Ａはターボチャージャー１０の出口における排気温度、Ｂは前段酸化触媒１３の出口における排気温度、Ｃは後段酸化触媒１４の入口における排気温度、及びＤは後段酸化触媒１４の触媒床温をそれぞれ示している（図１も参照）。

図２の太い実線Ｌ１で示されるように、前段酸化触媒１３の容量が小さすぎる場合には、前段酸化触媒１３による排気の昇温量ΔＴ１よりも後段酸化触媒１４へ至るまでの排気の温度降下量ΔＴ２が上回ることとなり、排気温度は後段酸化触媒１４の入口に至るまでに後段酸化触媒１４のライトオフ温度Ｔ１を下回る。そのため、後段酸化触媒１４での昇温効果が得られない。これに対して、破線Ｌ２で示した場合には昇温量ΔＴ３と温度降下量ΔＴ４が同等であるので排気温度がライトオフ温度Ｔ１を上回り、後段酸化触媒１４によって排気ガスを昇温できる。よって、前段酸化触媒１３の容量はその出口から後段酸化触媒１４へ至るまでの温度降下を補償可能な範囲で、できる限り小容量に定めることが好ましい。以下、その容量の下限（ＳＶの上限）について説明する。

図３〜図５は、ターボチャージャー１０の出口における排気温度が２６０°Ｃ、エンジン１の回転数（回転速度）が１２００ｒｐｍ−２５Ｎｍの条件で、インジェクタ５にて燃料の噴射量を変化させて気筒３内にポスト噴射した昇温性能試験の試験結果を示したものであり、図３は比較例として前段酸化触媒１３を取り外した場合を、図４、図５は容量の異なる前段酸化触媒１３を取り付けた場合をそれぞれ示している。これらの図において、横軸はポスト噴射による燃料噴射量（ｍｍ^３／ｓｔ）を示しており、縦軸はその燃料噴射量に対する前段酸化触媒１３の入口／出口の排気温度（°Ｃ）、及び後段酸化触媒１４の入口の排気温度／触媒床温（°Ｃ）をそれぞれ示している。なお、図３における前段酸化触媒１３の入口／出口の排気温度は、図４及び図５の前段酸化触媒１３の取り付け位置に対応する位置の排気温度である。また、これらの図中右向きの矢印が付された曲線は噴射量を増加させた試験結果を、左向きの矢印が付された曲線は噴射量を減少させた試験結果をそれぞれ示している。

図３から明らかなように、前段酸化触媒１３を取り除いた場合にはターボチャージャー１０の出口から後段酸化触媒１４の入口に至るまでに排気通路７を介して排気ガスの熱が逃げてしまい、後段酸化触媒１４のライトオフ温度以上に排気温度を保持することができない。このため、たとえ噴射量を増量し燃料の供給量を増やしてもフィルタ１５にてパティキュレートを十分に酸化できる目標温度（本実施形態では６００°Ｃ）以上まで後段酸化触媒１４の床温を高めることができない。従って、この場合、排気温度が十分に高い運転領域（例えば排気温度２８０°Ｃ以上の領域）でなければフィルタ再生処理を実行できない。

これに対し、図４に示した場合には、前段酸化触媒１３によって排気ガスが昇温されるので後段酸化触媒１４の入口の排気温度がライトオフ温度以上になっている。このため、適正な噴射量（１０ｍｍ^３／ｓｔ）にてポスト噴射を行うことにより、フィルタ再生処理の可能な目標温度まで後段酸化触媒１４の触媒床温を高めることができる。これにより、フィルタ再生処理の実行可能領域を低負荷側に拡大できる。図４は前段酸化触媒１３における空間速度（ＳＶ）が３００，０００（１／ｈ）となるように、前段酸化触媒１３の容量が設定されている場合である。図５は、図４よりも前段酸化触媒１３の容量を小さく（ＳＶを大きく）した試験結果であり、具体的にはＳＶが５００，０００の場合である。図５から明らかなように、ある噴射量（４又は６ｍｍ^３／ｓｔ）までは後段酸化触媒１４によりある程度の排気ガスの昇温が可能であるが、その噴射量を超えると前段酸化触媒１３の能力を上回るＨＣが供給されることになり却って前段酸化触媒１３出口の排気温度が低下する。このため、後段酸化触媒１４の触媒床温を目標温度まで高めることができず、フィルタ再生処理を実行できない。以上の試験結果から、エンジン回転数が１２００ｒｐｍにおけるＳＶが３００，０００（１／ｈ）以下となるように前段酸化触媒１３の容量を設定することが好適である。これをエンジン１のアイドル運転時（エンジン回転数７００ｒｐｍ）のＳＶに換算すると、１７５，０００以下となるように前段酸化触媒１３の容量を設定することが好ましい。

なお、前段酸化触媒１３の容量の上限（ＳＶの下限）については、前段酸化触媒１３による排気ガスの昇温量と前段酸化触媒１３の出口から後段酸化触媒１４の入口に至るまでの排気ガスの温度降下量等を考慮して適宜に定めればよい。即ち、図２の細い実線Ｌ３に示したように、前段酸化触媒１３の容量が大きい場合には、それに応じて排気ガスの昇温量も大きくなる（Ａ−Ｂ間の温度変化参照）。ところが、昇温量が大きくなるとそれだけ排気通路７における放熱量（熱損失）が増大するので、前段酸化触媒１３の出口から後段酸化触媒１４の入口に至るまでの温度降下量が大きくなる（Ｂ−Ｃ間の温度変化参照）。そのため、結果として後段酸化触媒１４の触媒床温が目標温度Ｔ２まで到達しない場合も起こり得る。そこで、一例として、エンジン回転数１２００ｒｐｍにおけるＳＶが１００，０００（１／ｈ）以上となるように、アイドル運転時（エンジン回転数７００ｒｐｍ）ではＳＶが５８，０００（１／ｈ）以上となるように、前段酸化触媒１３の容量を設定してもよい。これによれば、上記ような事態を回避することができる。

以上のように前段酸化触媒１３の容量を設定することにより、フィルタ再生処理の実行可能領域を低負荷側に拡大することができるが、前段酸化触媒１３の容量を後段酸化触媒１４の容量に対して１／３０〜１／５にしてもよい。例えば、ターボチャージャー１０の出口における排気温度が２５０°Ｃ、フィルタ１５の目標温度が６５０°Ｃの場合には、前段酸化触媒１３と後段酸化触媒１４とによって排気ガスを４００°Ｃ昇温する必要がある。このとき前段酸化触媒１３の出口から後段酸化触媒１４の入口に至るまでの排気ガスの温度降下量が４０°Ｃであれば、その温度降下を補償するために前段酸化触媒１３の容量を後段酸化触媒１４の容量に対して１／１０（＝４０／４００）にすることにより、フィルタ１５を目標温度に到達させることができる。

本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。フィルタ再生処理の燃料供給は前段酸化触媒１３の上流から行われればよく、例えば、フィルタ再生処理の燃料供給用インジェクタを前段酸化触媒１３の上流側の排気通路に設け、これによりフィルタ再生処理を実行してもよい。この形態の場合、当該燃料供給用インジェクタが本発明の燃料供給手段に相当する。

本発明の排気浄化装置が適用されたディーゼルエンジンの概略を示した図。 図１のエンジンの各部の温度変化を前段酸化触媒の容量に応じてそれぞれ示した概念図。 前段酸化触媒を取り外した比較例の昇温性能試験の試験結果を示した図。 前段酸化触媒の容量を、エンジン回転数１２００ｒｐｍでＳＶが３００，０００となるように設定した形態の昇温性能試験の試験結果を示した図。 前段酸化触媒の容量を、エンジン回転数１２００ｒｐｍでＳＶが５００，０００となるように設定した形態の昇温性能試験の試験結果を示した図。

符号の説明

１ 排気浄化装置
２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
５ インジェクタ（燃料供給手段）
１０ ターボチャージャー
１０ａ コンプレッサ
１０ｂ タービン
１３ 前段酸化触媒
１４ 後段酸化触媒
１５ パティキュレートフィルタ

Claims (3)

1. ターボチャージャーを備えた内燃機関に適用される排気浄化装置であって、
   前記ターボチャージャーのタービンの下流側に設けられた前段酸化触媒と、前記前段酸化触媒の下流側に設けられた後段酸化触媒と、前記後段酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを酸化して除去するフィルタ再生処理に必要な燃料を供給する燃料供給手段と、を備え、
   前記前段酸化触媒は、前記内燃機関のアイドル運転時における空間速度が１７５，０００（１／ｈ）以下となるように容量が設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記前段酸化触媒は、前記内燃機関のアイドル運転時における空間速度が５８，０００（１／ｈ）以上となるように容量が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記前段酸化触媒の容量は、前記後段酸化触媒の容量に対して１／３０〜１／５であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
   

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