JP2007192058A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上流側から三元触媒、放電リアクタおよび選択還元触媒がこの順に設置されている排ガス浄化装置において、三元触媒における反応浄化に起因した弊害を抑制する。
【解決手段】三元触媒２０の上流側と下流側とを連結するバイパス通路１４を設ける。バイパス通路１４を利用することによって三元触媒２０におけるＨＣの消費を抑制でき、その下流側であるプラズマリアクタ３０におけるＮＯの酸化作用（ＮＯ→ＮＯ_２）を促進できる。バイパス通路１４における排ガスの流量を制御する流路制御弁１６を設けたので、プラズマリアクタ３０へのＨＣの供給量を適正にすることが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系に用いられ、排ガス中に含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、三元触媒、放電リアクタおよび選択還元触媒をこの順に直列に設置する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。この装置では、放電リアクタによって排ガス中のＮＯを活性子であるＮＯ_２に変換することで、選択還元触媒における処理を促進している。

特開２００２−１９１９４０号公報

ところで、放電リアクタにおける活性子（ＮＯ_２）の生成は、排ガス中のＯ_２量の他にＨＣ量に応じて変化し、且つＨＣ／ＮＯｘの比が大であるほど良好となる。しかしながら、希薄燃焼（リーン）運転を行うエンジンの場合には、空燃比がリーンとなる領域で前段の三元触媒によってＨＣ・ＣＯが燃焼・消費され、ＨＣ／ＮＯｘ比が小さくなり、活性子であるＮＯ_２の生成が不足してしまう。また、還元剤として燃料を供給する場合にも、三元触媒による燃料中のＨＣの消費は、放電リアクタにおけるＮＯの酸化作用（ＮＯ→ＮＯ_２）の抑制につながる。このように、三元触媒における反応に起因して、その下流側における処理手段での浄化が抑制されてしまう場合がある。

そこで本発明の目的は、上流側から三元触媒、放電リアクタおよび選択還元触媒がこの順に設置されている排ガス浄化装置において、三元触媒における反応に起因した弊害を抑制できるような手段を提供することにある。

第１の本発明は、エンジンからの排気通路に、上流側から三元触媒、放電リアクタおよび選択還元触媒がこの順に設置されている排ガス浄化装置であって、前記三元触媒の上流側において前記排気通路から分岐し、前記三元触媒と前記放電リアクタとの間において前記排気通路に合流するバイパス通路と、前記三元触媒と前記バイパス通路との流量割合を制御する流路制御弁と、前記エンジンの状態に応じて前記流路制御弁を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする排ガス浄化装置である。

第１の本発明では、三元触媒の上流側と下流側とを連結するバイパス通路を設けたので、このバイパス通路を利用することによって三元触媒におけるＨＣの消費を抑制することができ、その下流側である放電リアクタにおけるＮＯの酸化作用（ＮＯ→ＮＯ_２）を促進することができる。また、三元触媒とバイパス通路との流量割合を制御する流路制御弁を設けたので、放電リアクタへのＨＣの供給量を適正にすることが可能になる。

第２の本発明は、前記制御手段は、前記エンジンの運転状態が変化した場合に、所定の遅延時間が経過したことを条件に、前記流路制御弁を制御して前記流量割合を変更することを特徴とする排ガス浄化装置である。

エンジンの運転状態の移行と、流路制御弁の開状態・閉状態の間の移行とを同時に行うとすると、エンジンの運転条件を切替えた際に、エンジンの排気ポートから三元触媒とバイパス通路との分岐点までの間の排気通路内に存在している排ガスが、運転条件の切替え前に相当する成分であるにもかかわらず、運転条件の切替え後に相当する処理経路で処理されることになる。したがって第２の本発明のように、エンジンの運転状態が変化した場合に、所定の遅延時間が経過したことを条件に、前記流路制御弁を制御して前記流量割合を変更することにより、運転条件と処理系路との不一致を抑制でき、排ガスの処理性を促進することができる。なお、ここにいう「所定の」とは、予め定められていることを意味し、固定値のほか、動的に設定・変更または補正される可変値であってもよい。

第３の本発明は、前記制御手段は、前記エンジンの運転状態がストイキまたはリッチ運転からリーン運転に変化した場合に、第１の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記三元触媒から前記バイパス通路へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第３の本発明では、エンジンの運転状態がストイキまたはリッチ運転からリーン運転に変化した場合に、第１の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記三元触媒から前記バイパス通路へと移行させるので、ストイキまたはリッチ運転に相当する成分の排ガスが、三元触媒を通過せずにバイパス通路を通過してしまう事態を抑制でき、運転条件と処理系路との不一致の抑制によって、排ガスの処理性を促進することができる。

第４の本発明は、前記制御手段は、前記エンジンの運転状態がリーン運転からストイキまたはリッチ運転に変化した場合に、第２の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記バイパス通路から前記三元触媒へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置である。

第４の本発明では、エンジンの運転状態がリーン運転からストイキまたはリッチ運転に変化した場合に、第２の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記バイパス通路から前記三元触媒へと移行させるので、リーン運転に相当する成分の排ガスが、バイパス通路を通過せずに三元触媒を通過してしまう事態を抑制でき、運転条件と処理系路との不一致の抑制によって、排ガスの処理性を促進することができる。なお、第２の遅延時間は上記第１の遅延時間と同じであってもよく、異なっていてもよい。

第５の本発明は、前記制御手段は、前記放電リアクタの動作をも制御可能にされており、且つ前記排ガスの流路の移行から第３の遅延時間が経過したことを条件に、前記放電リアクタをオン状態からオフ状態へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置である。

排ガス流路のバイパス通路から三元触媒への移行と、放電リアクタのオン状態からオフ状態への移行とを同時に行うとすると、エンジン運転条件を切替えた際に、エンジンの排気ポートから選択還元触媒までの間の排気通路内および放電リアクタ内に存在している排ガスが、放電リアクタによって処理されないまま下流側に排出されることになる。したがって第５の本発明のように、排ガス流路のバイパス通路から三元触媒への移行から第３の遅延時間が経過したことを条件に放電リアクタをオフすることにより、未処理の排ガスの排出を抑制することができる。なお、第３の遅延時間は上記第１または第２の遅延時間と同じであってもよく、異なっていてもよい。

第６の本発明は、排ガスの流量に基づいて前記遅延時間を設定する設定手段を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化装置である。

第６の本発明では、排ガスの流量に基づいて前記遅延時間を設定するので、より正確な制御が可能になる。

第７の本発明は、前記制御手段は、排ガスの成分に基づいて、前記流路制御弁を制御することを特徴とする排ガス浄化装置である。

第７の本発明では、排ガスの成分に基づいて流路制御弁を制御するので、排ガスの成分に基づいた適切な制御が可能になる。排ガスの成分を検出するために、第８の本発明のように三元触媒と放電リアクタとの間に成分検出手段を設置するのが好適である。

本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図１に示される本実施形態の排ガス処理装置１は、車両に適用されると好適なものであり、ディーゼルエンジンであるエンジン１０の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該エンジン１０の排気通路１２中に組み込まれる。エンジン１０からの排気通路１２には、上流側から三元触媒２０、プラズマリアクタ３０、ＮＯｘ触媒４０、および酸化触媒５０がこの順に直列に設置されている。

三元触媒２０としては、例えばセラミックハニカム構造体の表面に形成されたアルミナなどの被覆層に白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属微粒子が担持された貴金属触媒を用いるのが好適である。

プラズマリアクタ３０は静電吸着型の放電リアクタであり、概ね円筒形の容器と、容器の内部に配置された概ね円筒形の外周電極と、外周電極の長手方向軸心上に位置するように挿通された細径棒状の中心電極とを有する。外周電極の内部にはハニカム構造体を設けてもよい。プラズマリアクタ３０は、その内部に滞留する排ガスを、高電圧の印加に伴う放電によりラジカル化し、Ｈラジカル、Ｏ_３およびＮＯ_２を生成させるものである。

ＮＯｘ触媒４０としては、選択還元触媒（ＳＣＲ）を用いることができる。選択還元触媒は、排ガス中のＮＯ_２に対して還元剤を添加してガス混合物を形成し、このガス混合物によりＮＯｘをＮ_２に転化させるものである。選択還元触媒には、酸化ガリウム−アルミナ触媒を用いることができる。還元剤としては、アンモニア・尿素のほか、ＨＣを含んだ燃料（軽油）を用いることができる。還元剤として燃料を用いる場合には、これをＮＯｘ触媒４０よりも上流側に設置された専用のインジェクタまたはノズルによって供給してもよく、また吸気ポートまたは燃焼室に対する燃料噴射によって供給してもよい。後者の場合には、未燃燃料は既燃焼ガスとの混合物としてＮＯｘ触媒４０に供給され、未燃燃料の濃度またはＨＣ濃度は燃料噴射量のリッチ化によって制御することができる。

酸化触媒５０は、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの物質を処理してＨ₂Ｏ、ＣＯ₂、Ｎ₂等にする触媒装置であり、本実施形態ではいわゆるスイーパとして用いられる。酸化触媒５０の触媒物質としては、例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

排気通路１２には、三元触媒２０をバイパス（迂回）するバイパス通路１４が設けられている。バイパス通路１４は、三元触媒２０の上流側において排気通路１２から分岐し、三元触媒２０とプラズマリアクタ３０との間において排気通路１２に合流する。バイパス通路１４には、バイパス通路１４における排ガスの流量を制御する流路制御弁１６が設置されている。

図２に示されるように、流路制御弁１６は、バタフライ弁１７とフラップ弁１８とを含んで構成されている。これらバタフライ弁１７とフラップ弁１８とは、後述するとおりに同時に動作する。流路制御弁１６は、旋回自在に一端を管壁に固定されたフラップ弁１８の弁体１８ａが弁座１８ｂに接触・離間することでバイパス通路１４を開閉するようにされたものであり、図２において実線で示される全閉状態、および一点鎖線ａで示される全開状態を実現できるほか、主にバタフライ弁１７ａの作用により、両状態の中間でその開度を連続的に変更することが可能である。排ガスの流れ方向は図２において矢印ｂで示される。弁体１８ａは、バイパス通路１４の上流側に向けて閉じるように設置されている。流路制御弁１６は、これらバタフライ弁１７およびフラップ弁１８を駆動するためのステップモータなどのアクチュエータ（不図示）を有する。

流路制御弁１６がバイパス通路１４を閉塞すると、エンジン１０からの排ガスは主排気経路である三元触媒２０に流れることになる。また、流路制御弁１６がバイパス通路１４を開放すると、排ガスはバイパス通路１４と三元触媒２０との双方に進入し、バイパス通路１４および三元触媒２０の流体抵抗によって規定される所定の比率で流れることになる。

三元触媒２０の下流側、流路制御弁１６の下流側且つプラズマリアクタ３０の上流側の排気通路１２には、ＮＯｘセンサ１９が設置されている。プラズマリアクタ３０には、温度センサ２６が設置されている。

プラズマリアクタ３０に対して高電圧を印加するための高電圧電源２２は、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード等を含む。高電圧電源２２には、これに給電するための直流電源（不図示）、例えば車載のバッテリが接続されている。

装置全体を制御する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）２４は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび不揮発性メモリ等を含むものである。ＥＣＵ２４の入力ポートには、上述したＮＯｘセンサ１９および温度センサ２６のほか、クランク軸の近傍に設置されたクランク角センサ３１、スロットル弁の近傍に設けられたスロットル開度センサ３２、吸気側に設けられたエアフローメータ３３等の各種センサ類がＡ／Ｄ変換器を介して接続されている。ＥＣＵ２４では、エンジン１０の状態を示すこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。

ＥＣＵ２４の出力ポートには、上述した高電圧電源２２に加え、流路制御弁１６を駆動するためのアクチュエータがＤ／Ａ変換器を介して接続されている。

ＥＣＵ２４のＲＯＭには、エンジン１０の燃料噴射量やバルブタイミング等を制御するための各種の制御プログラムと共に、各種の関数や基準値が予め格納されている。ＥＣＵ２４は、本発明に係る制御とは別途に、負荷に応じて空燃比（Ａ／Ｆ）を制御し所定の低負荷領域で空燃比をリーンにする空燃比可変制御を実行する。そして本実施形態では、図３の運転領域マップに示されるように、空燃比と排気系の温度とに応じて運転領域が４つに分けられており、これら４つの運転領域に応じて、プラズマリアクタ３０および流路制御弁１６の動作の異なる組合せが設定されている。

低温始動領域Ａ、およびリッチ・ストイキ領域Ｂでは、プラズマリアクタ３０の放電がオフされると共に、流路制御弁１６が閉じることによって、排ガスの経路として三元触媒２０が選択される。

リーン領域Ｃでは、プラズマリアクタ３０の放電がオンされると共に、流路制御弁１６が開くことによって、排ガスの経路としてバイパス通路１４が選択される。リーン領域は、Ａ／Ｆ１４．６以上の空燃比が選択される運転状態を広く含み、その燃料噴射の態様は、燃料噴射弁から各気筒の吸気行程に燃料噴射を行い気筒内に均一混合気を形成する均一燃焼モードのほか、燃料噴射弁から各気筒の圧縮行程に燃料噴射を行い気筒内の空気中に可燃混合気の層を形成する成層燃焼モード、および、燃料噴射弁から各気筒の吸気行程に燃料噴射を行い気筒内に均一混合気を形成するとともに各気筒の圧縮行程に燃料噴射を行いこの均一混合気中に空燃比の低い混合気の層を形成するいわゆる弱成層燃焼モードを含む。

高温リーン領域Ｄでは、プラズマリアクタ３０の放電がオフされると共に、流路制御弁１６が開くことによって、排ガスの経路としてバイパス通路１４が選択される。

プラズマリアクタ３０の放電がオンにされるのは、リーン領域Ｃのみである。バイパス通路１４が選択されるのは、リーン領域Ｃおよび高温リーン領域Ｄのみである。

またＥＣＵ２４は、各センサ類の検出値に基づいて排ガスの流量を算出し、この排ガス流量に基づいて、高電圧電源２２のインバータ回路を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）や電圧指示信号を算出し出力する。高電圧電源２２では、直流電源からの直流電圧がインバータ回路によって交流電圧に変換され、トランスによって昇圧させられると共にダイオードにより整流されて出力され、これによりプラズマリアクタ３０に電圧が印加されることになる。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。本実施形態におけるＥＣＵ２４では、上述した運転領域マップが、空燃比および排気系の温度によって参照され、運転領域に応じてプラズマリアクタ３０および流路制御弁１６が制御される。プラズマリアクタ３０の放電がオンにされるのは、リーン領域Ｃのみである。バイパス通路１４が選択されるのは、リーン領域Ｃおよび高温リーン領域Ｄのみである。

さらに、ＥＣＵ２４では、以上のような通常運転に加えて、図４のフロー図に示される故障判定処理、図５のフロー図に示される暖機処理、および図６のフロー図に示されるモード切替え遅延処理が、それぞれ所定の条件下で実行される。

図４に示される故障判定処理は、エンジン１０の運転が開始される可能性が高いことを示す所定条件の成立、例えばドアセンサ（不図示）によるドア開閉の検出やイグニッションキースイッチによるイグニッションオンの検出を条件に開始される。このルーチンでは、ＥＣＵ２４はまず、所定の電圧初期値にて放電を実行し（Ｓ１０）、その際の負荷電流値を検出する（Ｓ２０）。次に、検出された負荷電流値を所定の上限値と比較し、電流が上限値を超えているか否かを判定する（Ｓ３０）。この判定で電流が上限値を超えている場合は、プラズマリアクタ３０の内部が短絡している等の異常な場合であるため、ＥＣＵ２４は所定の故障判定出力（Ｓ７０）、例えばＥＣＵ２４のメモリにおける故障フラグのオン、エラーログの記録、および車室内の表示画面（不図示）への警報表示を行う。

ステップＳ３０で否定の場合、すなわち負荷電流値が上限値以下である場合には、ＥＣＵ２４は、プラズマリアクタ３０への供給電圧値をステップ的に増大し（Ｓ４０）、再び電流値を検出する（Ｓ５０）。そして検出された電流値の変化量（すなわち、電圧値増大前の値との偏差）が所定値と比較され（Ｓ６０）、所定値以下である場合には本ルーチンを抜ける。また、所定値を越えている場合には、ＥＣＵ２４のメモリにおけるプラズマリアクタ３０の電気的特性（電気抵抗）を示す記憶値に所定の補正を行い（Ｓ８０）、本ルーチンを抜ける。

図５に示される暖機処理は、上記故障判定処理と同様に、エンジン１０の運転が開始される可能性が高いことを示す所定条件の成立を条件に開始される。ＥＣＵ２４はまず、温度センサ２６によって検出される排気系の温度を読み込み（Ｓ１１０）、この温度を所定の暖機基準値（例えば、６０°Ｃ）と比較する（Ｓ１２０）。ここで否定の場合、すなわち排気系の温度が暖機基準値以下である場合には、それが暖機基準値を上回るまでの間、ＥＣＵ２４はプラズマリアクタ３０への所定時間の通電を繰り返し実行し（Ｓ１３０）、暖機基準値を上回ったことを条件に、本ルーチンを抜ける。

図６に示されるモード切替え遅延処理は、エンジン１０が運転中である可能性が高いことを示す所定条件の成立、例えばイグニッションキースイッチがオンされていることを条件に、所定時間ごとに繰返し実行される。ＥＣＵ２４はまず、「リーン→ストイキ」の切替え条件が成立しているかを判断する（Ｓ２１０）。この判断は、上述した運転領域マップ（図３）を、空燃比および排気系の温度によって参照した結果として決定される現在の運転領域が、リーン領域Ｃまたは高温リーン領域Ｄから、リッチ・ストイキ領域Ｂに移行したかによって行われる。

「リーン→ストイキ」の切替え条件が成立した場合には、ＥＣＵ２４はエンジン１０に対する制御出力を行い、燃料噴射量の変更によって空燃比をストイキまたはリッチ（例えばＡ／Ｆ１４．６以下）に切替える（Ｓ２２０）。

次に、まず流路制御弁１６を閉じることによって、排ガス経路として三元触媒２０を選択する（Ｓ２３０）。図３の運転領域マップに示されるとおり、空燃比がストイキまたはリッチの場合には、最終的には三元触媒２０の選択とプラズマリアクタ３０のオフ操作が行われなければならない。しかしながら、この段階では三元触媒２０の選択のみが行われる一方で、プラズマリアクタ３０のオフ操作は行われずに遅延され、給電が継続されることになる。

また、ステップＳ２３０における流路制御弁１６の閉じ動作による三元触媒２０の選択は、エンジンの運転状態の「リーン→ストイキ」の切替え（Ｓ２２０）の時点から所定の遅延時間（第２の遅延時間）が経過したことを条件に行われる。この遅延時間の算出は、排ガスの供給量に関連するパラメータ、例えばエンジン回転数および吸気量、ならびにエンジン水温の読み込みと、これらに基づく所定の関数の実行によって行われる。

次にＥＣＵ２４は、プラズマリアクタ３０のオフ動作のための遅延時間（第３の遅延時間）を算出する（Ｓ２４０）。この遅延時間の算出は、排ガスの供給量に関連するパラメータ、例えばエンジン回転数および吸気量、ならびにエンジン水温の読み込みと、これらに基づく所定の関数の実行によって行われる。この関数は、上記ステップＳ２２０において用いられるものと共通であっても、別途のものであってもよい。また第３の遅延時間は、本実施形態では流路制御弁１６の閉じ動作の時点からの経過時間として算出されることとしたが、エンジンの運転状態の「リーン→ストイキ」の切替え（Ｓ２２０）の時点からの経過時間として算出されてもよい。

次に、算出された遅延時間が経過するまでの間（Ｓ２５０）、流路制御弁１６による三元触媒２０の選択と、プラズマリアクタ３０のオンとが継続され、この遅延時間の経過を条件として、プラズマリアクタ３０がオフされて（Ｓ２６０）、本ルーチンを抜ける。

以上のモード切替え遅延処理の結果、エンジン運転条件すなわち空燃比を「リーン→ストイキ」に切替えた際に、エンジン１０の排気ポートからＮＯｘ触媒４０までの間の排気通路１２内およびプラズマリアクタ３０内に存在している排ガスが、未処理のまま排出されることなく、プラズマリアクタ３０によって処理されることになる。すなわち、本実施形態では、エンジンの運転状態がリーン運転からストイキまたはリッチ運転に変化（Ｓ２２０）した場合に、第２の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路をバイパス通路１４から三元触媒２０へと移行させるので、リーン運転に相当する成分の排ガスが、バイパス通路１４を通過せずに三元触媒２０を通過してしまう事態を抑制でき、運転条件と処理系路との不一致の抑制によって、排ガスの処理性を促進することができる。

他方、上記ステップＳ２１０で否定の場合には、ＥＣＵ２４は次に、「ストイキ→リーン」（Ｂ→Ｃ）の切替え条件が成立しているかを判断する（Ｓ３１０）。この判断は、上述した運転領域マップ（図３）を、空燃比および排気系の温度によって参照した結果として決定される現在の運転領域が、リッチ・ストイキ領域Ｂから、リーン領域Ｃまたは高温リーン領域Ｄに移行したかによって行われる。

「ストイキ→リーン」の切替え条件が成立した場合には、ＥＣＵ２４はエンジン１０に対する制御出力を行い、燃料噴射量の変更によって空燃比をリーンに切替える（Ｓ３２０）。そして、この空燃比の切替とほぼ同時に、ＥＣＵ２４はまずプラズマリアクタ３０をオンする（Ｓ３３０）。ここでは、プラズマリアクタ３０のオン動作に遅延時間を設けない。図３の運転領域マップに示されるとおり、空燃比がリーンの場合には、最終的にはプラズマリアクタ３０のオン操作とバイパス通路１４の選択が行われなければならない。しかしながら、この段階ではプラズマリアクタ３０のオン操作のみが行われる一方で、バイパス通路１４の選択は行われずに遅延され、給電が継続されることになる。

次にＥＣＵ２４は、遅延時間（第１の遅延時間）を算出する（Ｓ３４０）。この遅延時間の算出は、排ガスの供給量に関連するパラメータ、例えばエンジン回転数および吸気量、ならびにエンジン水温の読み込みと、これらに基づく所定の関数の実行によって行われる。この関数は、上記ステップＳ２２０，Ｓ２４０において用いられるものと共通であっても、別途のものであってもよい。

次に、算出された遅延時間が経過するまでの間（Ｓ３５０）、流路制御弁１６による三元触媒２０の選択と、プラズマリアクタ３０のオンとが継続され、この遅延時間の経過を条件として、流路制御弁１６の閉じ制御が実施され、排ガス経路として三元触媒２０が選択され（Ｓ３６０）、本ルーチンを抜ける。

以上のモード切替え遅延処理の結果、エンジン運転条件すなわち空燃比を「ストイキ→リーン」に切替えた際に、その切替えの直前のストイキ運転で排出された排気経路内のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが三元触媒３０を経由せずプラズマリアクタ３０に到達する事態が回避される。すなわち、エンジン運転条件すなわち空燃比を「ストイキ→リーン」に切替えた際に、これと同時に排気制御弁１６の開度を変更するのでは、運転状態の切替えの直前のストイキ運転で排出された排気経路内（エンジン１０の排気ポートから三元触媒２０までの領域）のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが、三元触媒２０を経由せずにプラズマリアクタ３０に到達してしまうため、その間は、リーン空燃比に合わせて設計され電圧値や周波数が設定されているプラズマリアクタ３０の処理能力を超える量のＨＣ等がプラズマリアクタ３０に供給されることになる。この点、本実施形態では、エンジンの運転状態がストイキまたはリッチ運転からリーン運転に変化（Ｓ３２０）した場合に、第１の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を三元触媒２０からバイパス通路１４へと移行させるので、ストイキまたはリッチ運転に相当する成分の排ガスが、三元触媒２０を通過せずにバイパス通路１４を通過してしまう事態を抑制でき、運転条件と処理系路との不一致の抑制によって、排ガスの処理性を促進することができる。

以上のとおり、本実施形態では、三元触媒２０の上流側と下流側とを連結するバイパス通路１４を設けたので、このバイパス通路１４を利用することによって三元触媒２０におけるＨＣの消費を抑制することができ、その下流側であるプラズマリアクタ３０におけるＮＯの酸化作用（ＮＯ→ＮＯ_２）を促進することができる。また、バイパス通路１４における排ガスの流量を制御する流路制御弁１６を設けたので、プラズマリアクタ３０へのＨＣの供給量を適正にすることが可能になる。

また本実施形態では、バイパス通路１４の利用により、三元触媒２０の劣化を抑制でき、触媒貴金属量を抑制することができる。さらに、いわゆるリッチスパイク（噴射燃料の一時的なリッチ化や、排気系に設けられたノズルによる燃料添加）を利用したＮＯｘ触媒４０の還元動作を行う場合にも、バイパス通路１４の利用により、三元触媒２０における還元剤としての燃料の無駄な消費を抑制することができる。

また本実施形態では、エンジンの運転状態が変化した場合に、所定の遅延時間（第１および第２の遅延時間）が経過したことを条件に、流路制御弁１６を制御して流量割合を変更する（Ｓ２２０，Ｓ３６０）ので、運転条件と処理系路との不一致を抑制でき、排ガスの処理性を促進することができる。

また、流路制御弁１６の開状態から閉状態への移行と、プラズマリアクタ３０のオン状態からオフ状態への移行とを同時に行うとすると、エンジン運転条件を切替えた際に、エンジン１０の排気ポートからＮＯｘ触媒４０通過までの間の排気通路１２内およびプラズマリアクタ３０内に存在している排ガスが、プラズマリアクタ３０によって処理されないまま下流側に排出されることになる。したがって本実施形態のように、流路制御弁１６を閉じてから第３の遅延時間が経過したことを条件にプラズマリアクタ３０をオフ（Ｓ２６０）することにより、未処理の排ガスの排出を抑制することができる。また本実施形態では、遅延時間を排ガスの流量および温度に基づいて設定することとしたので、遅延時間を精度よく設定することができる。

また、上記実施形態では、流路制御弁１６の動作（Ｓ３６０）を、プラズマリアクタ３０のオンへの移行（Ｓ３３０）よりも遅延させたので、プラズマリアクタ３０の早期の昇温による浄化性能の向上と、流路制御弁１６とプラズマリアクタ３０の起動タイミングのずれによるピーク電力の抑制とを実現することができる。

また、本実施形態では、排ガスの成分としてのＮＯｘ濃度に基づいて流路制御弁１６を制御するので、排ガスの成分に基づいた適切な制御が可能になる。また、排ガスの成分を検出するために、三元触媒２０とプラズマリアクタ３０との間にＮＯｘセンサを設置したので、ＮＯｘ濃度を精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、流路制御弁１６を、バタフライ弁１７とフラップ弁１８との組合せとし、且つフラップ弁１８を下流側に向けて開くように設置したので、バタフライ弁１７の上流側およびフラップ弁１８の下流側に比して、バタフライ弁１７とフラップ弁１８との間の領域の圧力が低いことにより、フラップ弁１８の密閉性が高いという利点がある。

また、本実施形態では、図４に示される故障判定処理を行うこととしたので、故障を早期に発見でき、以後の運転においてこれを考慮することも可能になる。また、本実施形態では図５に示される暖機処理を行うこととしたので、プラズマリアクタ３０における浄化性能の促進と、結露の抑制とを実現することが可能になる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載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。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、流路制御弁１６および／またはプラズマリアクタ３０を動作させる際の遅延時間は、上記実施形態のように動的に設定・変更または補正される可変値とするほか、固定値としてもよい。

また、プラズマリアクタ３０の動作状態を変化させる時点は、エンジンの運転状態の変化または流路制御弁１６による流量割合の変更からの遅延時間として設定するほか、ＮＯｘセンサ１９によって検出されるＮＯｘ濃度の変化に基づく判定によって決定してもよい。

また、上記実施形態では流路制御弁１６の開度は全開または全閉の２状態としたが、上記実施形態の機械的構成を利用して、流路制御弁１６の開度を連続的または離散的に制御することにより、排ガスの処理性を促進することも可能である。例えば、ＮＯｘセンサ１９によって検出されたＮＯｘ濃度に基づいて、流路制御弁１６を制御することとすれば、排ガスの成分に基づいた適切な制御が可能になる。この場合には、ＥＣＵ２４のＲＯＭに、バイパス通路１４が選択されるリーン領域Ｃおよび高温リーン領域Ｄにおける流路制御弁１６の開度を設定するために、流路制御弁開度マップを予め格納するのが好適である。この流路制御弁開度マップは、例えばエンジン回転数、燃料噴射量および空燃比などのエンジン運転条件と、ＮＯｘセンサ１９によって検出されるＮＯｘ濃度と、流路制御弁１６の目標開度とが互いに関連付けられたものであり、同マップをエンジン運転条件とＮＯｘ濃度とによって参照することにより、流路制御弁１６の最適な目標開度が算出できるようにするのが好適である。また、流路制御弁１６の目標開度を算出するために、エンジン水温、排気温度、燃料性状などの他のパラメータを考慮してもよい。この場合には、バイパス通路１４が選択されるリーン領域Ｃおよび高温リーン領域Ｄにおいて、ＥＣＵ２４によって流路制御弁開度マップの参照により流路制御弁１６の目標開度が算出・設定され、流路制御弁１６の開度が目標開度に一致するように制御されるのが好適である。

また上記実施形態ではプラズマリアクタ３０の運転状態につき詳述しなかったが、プラズマリアクタ３０の運転はエンジン条件による所定の排ガス成分マップの参照、排気制御弁１６の開度に基づくガス流量割合、およびＮＯｘセンサ１９によって検出されたＮＯｘ濃度に基づく所定の関数を使用したＨＣ／ＮＯｘ比の算出によって行うことができる。

また、上記実施形態では流路制御弁１６を、バタフライ弁１７とフラップ弁１８との組合せとしたが、流路制御弁の種類や形式は任意であって、単数でも複数でもよい。また、上記実施形態では流路制御弁１６の開度を連続的に変更可能としたが、流路制御弁１６の開度は離散的（多段階的）に変更可能であっても、また全開または全閉の２状態のみを実現可能であってもよい。また、流路制御弁１６に応答性のよい弁機構を使用する場合には、その開時間のデューティ比を可変することでバイパス通路１４の流量を実質的に無段階的に制御してもよい。

また、上記実施形態では、ＮＯｘ濃度を取得するためにＮＯｘセンサ１９の出力を利用したが、ＮＯｘ濃度またはＮＯｘ量は、エンジン回転数、燃料噴射量、空燃比などのエンジンの運転状態を示す他の任意のパラメータから推定することとしてもよい。

また、上記実施形態では放電リアクタとしてプラズマリアクタ３０を利用したが、本発明では高電圧の作用により排ガスを処理可能な装置であれば、プラズマの生成の有無にかかわらず他の各種の手段を利用可能である。また、上記実施形態ではプラズマリアクタ３０に対し直流の高電圧を印加することとしたが、プラズマリアクタ３０に対する印加電圧の種類や波形は、交番状のパルスなど任意のものを採用することができる。また、三元触媒および選択還元触媒の種類も、上記実施形態に挙げたもののほか他の各種の公知のものを広く利用でき、そのような変形も本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態の排ガス浄化装置を示す概略構成図である。 流路制御弁を示す概念図である。 運転領域マップの設定例を示すグラフである。 本実施形態における故障判定処理の一例を示すフロー図である。 本実施形態における暖機処理の一例を示すフロー図である。 本実施形態におけるモード切替え遅延処理の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ 排ガス処理装置
１０ エンジン
１２ 排気通路
１４ バイパス通路
１６ 流路制御弁
１７ バタフライ弁
１８ フラップ弁
１９ ＮＯｘセンサ
２０ 三元触媒
２２ 高電圧電源
２４ ＥＣＵ
２６ 温度センサ
３０ プラズマリアクタ
４０ ＮＯｘ触媒
５０ 酸化触媒

Claims (8)

1. エンジンからの排気通路に、上流側から三元触媒、放電リアクタおよび選択還元触媒がこの順に設置されている排ガス浄化装置であって、
   前記三元触媒の上流側において前記排気通路から分岐し、前記三元触媒と前記放電リアクタとの間において前記排気通路に合流するバイパス通路と、
   前記三元触媒と前記バイパス通路との流量割合を制御する流路制御弁と、
   前記エンジンの状態に応じて前記流路制御弁を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記制御手段は、前記エンジンの運転状態が変化した場合に、所定の遅延時間が経過したことを条件に、前記流路制御弁を制御して前記流量割合を変更することを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 請求項２に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記制御手段は、前記エンジンの運転状態がストイキまたはリッチ運転からリーン運転に変化した場合に、第１の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記三元触媒から前記バイパス通路へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 請求項２に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記制御手段は、前記エンジンの運転状態がリーン運転からストイキまたはリッチ運転に変化した場合に、第２の遅延時間が経過したことを条件に、排ガスの流路を前記バイパス通路から前記三元触媒へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置。
5. 請求項４に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記制御手段は、前記放電リアクタの動作をも制御可能にされており、且つ前記排ガスの流路の移行から第３の遅延時間が経過したことを条件に、前記放電リアクタをオン状態からオフ状態へと移行させることを特徴とする排ガス浄化装置。
6. 請求項２ないし５のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
   排ガスの流量に基づいて前記遅延時間を設定する設定手段を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
7. 請求項１ないし５のいずれかに記載の排ガス浄化装置であって、
   前記制御手段は、排ガスの成分に基づいて、前記流路制御弁を制御することを特徴とする排ガス浄化装置。
8. 請求項７に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記排ガスの成分を検出する成分検出手段を、前記三元触媒と前記放電リアクタとの間に備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
   

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