JP2007231862A

JP2007231862A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007231862A
Application number: JP2006055673A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shitamachi; 孝下町
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒を活性温度にまでより速やかに昇温することが出来ると共に排気エミッションの悪化を抑制することを課題とする。
【解決手段】排気浄化触媒３の温度が活性温度より低いときに、該排気浄化触媒３より上流側の排気通路２に設けられた水蒸気除去手段４によって排気中の水蒸気を除去し、除去された水蒸気を排気通路２とは別に設けられた凝縮水貯留手段５に凝縮水として貯留する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒より上流側の排気通路に排気が衝突する衝突板を設置すると共に、排気通路の衝突板の下方に位置する部分に凹部を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような構成によれば、衝突板によって排気中の水分が捕捉され、この捕捉された水分が凹部に溜まる。これにより、排気浄化触媒への水分の供給が抑制される。従って、排気浄化触媒をより速やかに昇温させることが可能となる。

しかしながら、上記のような構成の場合、排気温度が上昇してくると、凹部に溜まった水分が蒸発し再度水蒸気となって排気浄化触媒に流入することになる。水蒸気が排気浄化触媒に流入すると、該排気浄化触媒において排気中のＨＣの水蒸気改質反応が起こるために該排気浄化触媒の昇温が妨げられる虞がある。また、排気浄化触媒の温度が十分に上昇していない状態でＨＣの水蒸気改質反応が起こると排気エミッションの悪化を招いたりする虞がある。
特開平５−６５８１９号公報特開平１０−３１１２１５号公報特開２００１−２５９４１５号公報

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒を活性温度にまでより速やかに昇温することが出来ると共に排気エミッションの悪化を抑制することが出来る技術を提供することを課題とする。

本発明は、排気浄化触媒の温度が活性温度より低いときに該排気浄化触媒より上流側の排気通路において排気中の水蒸気を除去し、除去された水蒸気を排気通路とは別に設けられた凝縮水貯留手段に凝縮水として貯留するものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒より上流側の前記排気通路に設けられ排気中の水蒸気を除去する水蒸気除去手段と、
前記排気通路とは別に設けられ前記水蒸気除去手段によって除去された水蒸気を凝縮水として貯留する凝縮水貯留手段と、
前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記水蒸気除去手段は、前記温度検出手段によって検出される前記排気浄化触媒の温度が活性温度より低いときに排気中の水蒸気を除去することを特徴とする。

本発明においては、凝縮水貯留手段は排気通路とは別に設けられている。そのため、一旦凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水が排気温度の上昇に伴って蒸発し再度水蒸気となって排気浄化触媒に流入するのを抑制することが出来る。

そのため、本発明によれば、排気浄化触媒の温度が活性温度より低いときは該排気浄化触媒への水蒸気の流入をより抑制することが出来る。その結果、排気浄化触媒の温度が活性温度にまで上昇していない状態で該排気浄化触媒において排気中のＨＣの水蒸気改質反応が起こるのを抑制することが出来る。従って、排気浄化触媒を活性温度にまでより速やかに昇温することが出来、また、排気エミッションが悪化するのを抑制することが出来る。

本発明においては、排気浄化触媒を経由して冷却水が流れる冷却水通路をさらに備えても良い。このような場合、排気浄化触媒の温度が活性温度の下限値より高い第一の所定温度以上のときに、凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水を冷却水通路に冷却水として流しても良い。

ここで、第一の所定温度は、排気浄化触媒が過昇温する虞があると判断出来る閾値となる温度である。

上記によれば、排気浄化触媒の温度が第一の所定温度以上のときは凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水によって排気浄化触媒が冷却される。従って、排気浄化触媒の過昇温を抑制することが出来、以って、排気浄化触媒が過剰に劣化するのを抑制することが出来る。

本発明においては、排気浄化触媒より上流側且つ水蒸気除去手段より下流側の排気通路に排気中に水を添加する水添加手段をさらに備えても良い。また、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段をさらに備えても良い。これらを備えると共に排気浄化触媒が酸化機能を有する触媒である場合、排気浄化触媒の温度が活性温度の下限値より高い第二の所定温度以上であり且つ排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下のときに、凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水を水添加手段によって排気中に添加しても良い。

ここで、第二の所定温度とは、排気浄化触媒が十分に活性していると判断出来る閾値となる温度である。該第二の所定温度は排気浄化触媒が過昇温する虞があると判断出来る閾値よりも低い温度である。また、所定空燃比とは、排気浄化触媒においてＨＣを酸化するための排気中の酸素が不足していると判断出来る閾値となる空燃比である。

本発明では、排気浄化触媒の温度が第二の所定温度以上であり且つ排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下のときは、凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水が水添加手段によって排気中に添加される。添加された凝縮水は水蒸気となって排気と共に排気浄化触媒に流入する。

排気浄化触媒の温度が第二の所定温度以上である場合、該排気浄化触媒においてＨＣの水蒸気改質反応が起きても該排気浄化触媒の温度が過剰に低下する可能性は低い。また、排気浄化触媒の温度が第二の所定温度以上である場合は、排気浄化触媒においてＨＣの水蒸気改質反応が起きると該ＨＣの酸化が促進される。その結果、排気浄化触媒より下流へのＨＣの排出量が低減される。

従って、上記によれば、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下の場合であっても排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化触媒を活性温度にまでより速やかに昇温することが出来ると共に排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の排気系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。この内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には三元触媒３が設けられている。該三元触媒３にはその温度を検出する温度センサ８が設けられている。

また、排気通路２における三元触媒３より上流側には該排気通路２を中心軸として回転する遠心分離機４が設けられている。該遠心分離機４には凝縮水回収通路６の一端が接続されており、該凝縮水回収通路６の他端は水タンク５に接続されている。

遠心分離機４が作動すると排気通路２を流れる排気中から水蒸気が除去される。そして、この除去された水蒸気が凝縮水となり、凝縮水回収通路６を介して水タンク５に貯留される。尚、凝縮水回収通路６には、遠心分離機４側から水タンク５側の方向にのみ凝縮水が流れるよう逆止弁７が設置されている。

本実施例においては、三元触媒３が本発明に係る排気浄化触媒に相当し、温度センサ８が本発明に係る温度検出手段に相当する。また、遠心分離機４が本発明に係る水蒸気除去手段に相当し、水タンク５が本発明に係る凝縮水貯留手段に相当する。

さらに、本実施例では、水タンク５に貯留された凝縮水が三元触媒３を経由して循環する水循環通路１１が設けられている。該水循環通路１１には該水循環通路１１を遮断または開通させる循環制御弁１２、および、ポンプ１３が設けられている。循環制御弁１２が開弁すると共にポンプ１３が作動すると凝縮水が三元触媒３を経由して循環する。そして、凝縮水が冷却水として作用し三元触媒３を冷却することになる。

尚、本実施例においては、水循環通路１１が本発明に係る冷却水通路に相当する。

また、排気通路２における遠心分離機４より下流側且つ三元触媒３より上流側には水噴射弁１５および空燃比センサ１４が設置されている。水噴射弁１５は水タンク５に貯留された凝縮水を排気中に噴射する。空燃比センサ１４は三元触媒３に流入する排気の空燃比を検出する。

尚、本実施例においては、水噴射弁１５が本発明に係る水添加手段に相当し、空燃比センサ１４が本発明に係る空燃比検出手段に相当する。

内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。このＥＣＵ１０には温度センサ８および空燃比センサ１４が電気的に接続されている。それらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０には遠心分離機４、および、循環制御弁１２、ポンプ１３、水噴射弁１５が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜ＨＣの水蒸気改質反応＞
内燃機関１から排出される排気には水蒸気が含まれている。該水蒸気が三元触媒３に流
入すると排気中のＨＣの水蒸気改質反応が起こる。ここで、ＨＣの水蒸気改質反応による生成物の組成について図２に示すグラフに基づいて説明する。図２は、三元触媒３においてＨＣの水蒸気改質反応が起きたときの生成物の組成と三元触媒３の温度との関係を示す図である。図２において、縦軸はＨＣの水蒸気改質反応による生成物の組成を表し、横軸は三元触媒３の温度を表している。

三元触媒３の温度が比較的低く該三元触媒３の活性化が不十分である状態のときに（即ち、図２にＴａで示す温度以下のとき）、該三元触媒３においてＨＣの水蒸気改質反応が起こると、図２に示すように、ＣＨ₄やＣＯ₂が比較的多く生成される。これらの物質が過剰に生成されると排気エミッションの悪化を招く虞がある。

一方、三元触媒３の温度が比較的高く該三元触媒３が十分に活性している状態のときに（即ち、図２にＴｂで示す温度以上のとき）、該三元触媒３においてＨＣの水蒸気改質反応が起こると、図２に示すように、Ｈ₂やＣＯが比較的多く生成される。これらの物質が
生成されると三元触媒３におけるＨＣの酸化が促進される。

また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、三元触媒３に水蒸気が流入することで該水蒸気改質反応が起こると該三元触媒３の温度上昇が抑制される。

そこで、本実施例においては、三元触媒３の温度や排気の空燃比に応じて水蒸気除去制御や触媒冷却制御、水噴射制御が行われる。以下、本実施例に係る各制御について説明する。

＜水蒸気除去制御＞
本実施例では、内燃機関１の冷間始動時のように三元触媒３の温度が活性温度の下限値よりも低いときは、該三元触媒３に流入する排気中から水蒸気を除去すべく水蒸気除去制御が実行される。ここで、本実施例に係る水蒸気除去制御の制御ルーチンについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、三元触媒３の温度が活性温度の下限値Ｔ０より低いか否かを判別する。このＳ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ１０１において、ＥＣＵ１０は遠心分離機４を作動させる。遠心分離機４が作動することにより排気中の水蒸気が除去される。そして、除去された水蒸気が凝縮水として水タンク５に貯留される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、三元触媒３の温度が活性温度の下限値Ｔ０以上となったか否かを判別する。このＳ１０３において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に戻り遠心分離機４の作動を継続する。

Ｓ１０４において、ＥＣＵ１０は遠心分離機４の作動を停止させる。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

上記水蒸気除去制御によれば、三元触媒３の温度が活性温度より低いときは該三元触媒３への水蒸気の流入をより抑制することが出来る。その結果、三元触媒３の温度が活性温度にまで上昇していない状態で該三元触媒３において排気中のＨＣの水蒸気改質反応が起
こるのを抑制することが出来る。従って、三元触媒３を活性温度にまでより速やかに昇温することが出来る。また、ＣＨ₄やＣＯ₂が生成されるのを抑制することが可能となるため排気エミッションが悪化するのを抑制することが出来る。

＜触媒冷却制御＞
本実施例では、三元触媒３が過昇温する虞があると判断されたときは、該三元触媒３を冷却すべく触媒冷却制御が実行される。ここで、本実施例に係る触媒冷却制御の制御ルーチンについて図４に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ２０１において、三元触媒３の温度が第一所定温度Ｔ１以上であるか否かを判別する。ここで、第一所定温度Ｔ１は、三元触媒３が過昇温する虞があると判断出来る閾値となる温度である。該第一所定温度Ｔ１は実験等によって予め定められている。Ｓ２０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ２０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ２０２において、ＥＣＵ１０は、循環制御弁１２を開弁すると共にポンプ１３を作動させる。これにより、水タンク５に貯留された凝縮水が三元触媒３を経由して水循環通路１１を循環することになる。その結果、凝縮水によって三元触媒３が冷却される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０３に進み、三元触媒３の温度が第二所定温度Ｔ２より低くなったか否かを判別する。ここで、第二所定温度Ｔ２は、三元触媒３が十分に活性していると判断出来る閾値となる温度である。該第二所定温度Ｔ２は第一所定温度Ｔ１よりも低い温度である。尚、第二所定温度Ｔ２は図２における温度Ｔｂと同様の温度である。該第二所定温度Ｔ２は実験等によって予め定められている。Ｓ２０３において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ２０４に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ２０２に戻り水循環通路１１における凝縮水の循環を継続する。

Ｓ２０４において、ＥＣＵ１０は、循環制御弁１２を閉弁すると共にポンプ１３の作動を停止させる。これにより、水循環通路１１における凝縮水の循環が停止する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

上記触媒冷却制御によれば、三元触媒３の温度が第一所定温度Ｔ１以上のときは、水タンク５に貯留された凝縮水によって該三元触媒３が冷却される。従って、三元触媒３の過昇温を抑制することが出来、以って、三元触媒３が過剰に劣化するのを抑制することが出来る。

＜水噴射制御＞
本実施例では、三元触媒３が十分に活性しており且つ三元触媒３においてＨＣを酸化するための排気中の酸素が不足していると判断されたときは、三元触媒３でのＨＣの酸化を促進すべく水噴射制御が実行される。ここで、本実施例に係る水噴射制御の制御ルーチンについて図５に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ３０１において、三元触媒３の温度が第二所定温度Ｔ２以上であるか否かを判別する。Ｓ２０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は三元触媒３が十分に活性していると判断し３０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ３０２において、ＥＣＵ１０は、三元触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比Ｒ０以下であるか否かを判別する。ここで、所定空燃比Ｒ０は、三元触媒３においてＨＣを酸化するための排気中の酸素が不足していると判断出来る閾値となる空燃比である。該所定空燃比Ｒ０は実験等によって予め定められている。例えば、所定空燃比Ｒ０を理論空燃比としても良い。Ｓ３０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は３０３に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ３０３において、ＥＣＵ１０は、水タンク５に貯留されていた凝縮水を水噴射弁１５から排気中に噴射する。噴射された凝縮水は水蒸気となって排気と共に三元触媒３に流入する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

上記水噴射制御によれば、三元触媒３の温度が第二所定温度Ｔ２以上であり且つ排気の空燃比が所定空燃比Ｒ０以下のときは三元触媒３に水蒸気が供給され、該三元触媒３におけるＨＣの水蒸気改質反応が促進される。三元触媒３の温度が第二所定温度Ｔ２以上である場合、該三元触媒３においてＨＣの水蒸気改質反応が起きても該三元触媒３の温度が過剰に低下する可能性は低い。また、上述したように、三元触媒３が十分に活性しているときにＨＣの水蒸気改質反応が起きると、該三元触媒３の活性化が不十分のときと異なりＨＣの酸化が促進されることになる。その結果、三元触媒３より下流へのＨＣの排出量が低減される。

従って、本実施例によれば、三元触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比Ｒ０以下の場合であっても排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

尚、本実施例においては、排気浄化触媒を三元触媒としたが、これは三元触媒に限られるものではなく、酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等のように酸化機能を有する触媒であれば良い。また、温度センサ８に代えて三元触媒３より下流側に排気温度センサを設け、該排気温度センサの検出値に基づいて三元触媒３の温度を推定しても良い。

実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図。三元触媒においてＨＣの水蒸気改質反応が起きたときの生成物の組成と三元触媒の温度との関係を示す図。実施例に係る水蒸気除去制御の制御ルーチンを示すフローチャート。実施例に係る触媒冷却制御の制御ルーチンを示すフローチャート。実施例に係る水噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・三元触媒
４・・・遠心分離機
５・・・水タンク
８・・・温度センサ
１０・・ＥＣＵ
１１・・水循環通路
１４・・空燃比センサ
１５・・水噴射弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒より上流側の前記排気通路に設けられ排気中の水蒸気を除去する水蒸気除去手段と、
前記排気通路とは別に設けられ前記水蒸気除去手段によって除去された水蒸気を凝縮水として貯留する凝縮水貯留手段と、
前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記水蒸気除去手段は、前記温度検出手段によって検出される前記排気浄化触媒の温度が活性温度より低いときに排気中の水蒸気を除去することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化触媒を経由して冷却水が流れる冷却水通路をさらに備え、
前記温度検出手段によって検出される前記排気浄化触媒の温度が活性温度の下限値より高い第一の所定温度以上のときに、前記凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水を前記冷却水通路に冷却水として流すことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化触媒が酸化機能を有する触媒であって、
前記排気浄化触媒より上流側且つ前記水蒸気除去手段より下流側の前記排気通路に設けられ排気中に水を添加する水添加手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、をさらに備え、
前記温度検出手段によって検出される前記排気浄化触媒の温度が活性温度の下限値より高い第二の所定温度以上であり且つ前記空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比が所定空燃比以下のときに、前記凝縮水貯留手段に貯留された凝縮水を前記水添加手段によって排気中に添加することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。