JP2013092106A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の早期活性化と、排気温度を利用した冷機始動時の内燃機関の暖機促進とを両立させた排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１に接続された排気通路２と、排気通路２の下流側に設けられたメインＮＯｘ浄化触媒３と、排気通路２の上流側部分２ａと並列に設けられたバイパス通路４と、バイパス通路４に設けられたサブＮＯｘ浄化触媒５と、バイパス通路４に設けられ、サブＮＯｘ浄化触媒５を通過した排気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器６と、バイパス通路４へ流れる排気流量を調整する切替弁９と、を有し、内燃機関１の冷機時に、メインＮＯｘ浄化触媒３が活性化していない場合には、バイパス通路４に全ての排気を流入させる。
【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。

例えば、特許文献１には、触媒コンバータの下流側に排気熱交換器を設け、冷却水と排気との間で熱交換を行うことで、冷却水の温度を上昇させ、暖房用熱交換器を介して冷却水と熱交換を行う空調風を効率良く暖めると共に、冷機時における内燃機関の暖機促進を図る排気熱回収装置が開示されている。

また、特許文献２には、排気マニホールド出口に位置する始動時用の触媒の下流側の排気通路に排気冷却促進部を設け、排気冷却促進部の下流側に位置するＮＯｘ触媒の温度が過度に高くならないようにした排気浄化装置が開示されている。

特開２００４−１６９５９４号公報 特開２００１−２１４７３４号公報

しかしながら、特許文献１においては、排気通路に設けられた排気浄化用の触媒装置が１つの触媒コンバータのみであり、冷機始動時等の場面では、この触媒コンバータが活性化するまで排気性能が悪化してしまうという問題がある。また、特許文献２において、排気冷却促進部は放熱により排気温度を低下させている部分に過ぎず、排気冷却促進部を通過する排気の熱エネルギーを利用するという着眼点をもつものではない。

そこで、本発明は、排気通路における触媒の早期活性化と、排気温度を利用した冷機始動時の内燃機関の暖機促進と、を両立させた排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路の下流側に設けられたメイン触媒と、排気通路の上流側部分と並列のバイパス通路に設けられたサブ触媒と、前記バイパス通路に設けられ、前記サブ触媒を通過した排気と内燃機関の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記バイパス通路へ流れる排気流量を調整する流量調整手段と、を有し、前記内燃機関の冷機時に、前記メイン触媒が活性化していない場合には、前記バイパス通路に全ての排気を流入させることを特徴としている。

本発明によれば、冷機時にサブ触媒の触媒温度が早期に上昇するため、熱交換器を通過する排気温度も早期に上昇することになる。そのため、冷機時におけるエミッション低減と内燃機関の暖機促進とを両立することができる。また、熱交換器において冷却水温を早期に上昇させることができるので、冷却水温を利用した暖房を短時間で開始することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を模式的に示した説明図。 切替弁の状態を模式的に示した説明図。 切替弁の制御の流れを示すフローチャート。 本発明の他の実施例を模式的に示した説明図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を模式的に示した説明図である。

内燃機関１に接続された排気通路２の下流側には、メインＮＯｘ浄化触媒としてのメインＮＯｘトラップ触媒３が配置されている。

この排気通路２には、メインＮＯｘトラップ触媒３の上流側で分岐し、再び合流するバイパス通路４が接続されている。つまり、バイパス通路４は、排気通路２の上流側部分２ａと並列に設けられている。

このバイパス通路４には、メインＮＯｘトラップ触媒３よりも熱容量の小さいサブＮＯｘ浄化触媒としてのサブＮＯｘトラップ触媒５と、このサブＮＯｘトラップ触媒５の下流側に位置する熱交換器６とが設けられている。

メインＮＯｘトラップ触媒３及びサブＮＯｘトラップ触媒５は、リーン燃焼時に排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、ストイキ燃焼時やリッチ燃焼時にトラップしていたＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯを還元剤として用いて還元浄化するものである。

熱交換器６には、冷却水通路７が接続されており、この冷却水通路７を介して、図１中に矢示する方向に内燃機関１の冷却水が通流する。熱交換器６は、サブＮＯｘトラップ触媒５を通過した排気と冷却水との間で熱交換を行うものである。この冷却水の水温は、出口側の水温センサ８によって検知される。なお、熱交換器６を通過した冷却水は、車室内暖房用のヒータ回路のヒータコア（図示せず）に導入される。

バイパス通路４の下流端が排気通路２に合流する下流側合流部分には、バイパス通路４側を流れる排気流量を調整する流量調整手段としての切替弁９が設けられている。

この切替弁９は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０により、その弁開度位置が制御される。切替弁９は、排気通路２の上流側部分２ａを全閉とする第１弁開度位置とバイパス通路４を全閉とする第２弁開度位置との間でその弁開度位置が連続的ないし段階的に調整可能となっている。

切替弁９の弁開度位置が前記第１弁開度位置に制御されると、内燃機関１から排出された排気は全てバイパス通路４を通過する。切替弁９の弁開度位置が前記第２弁開度位置に制御されると、内燃機関１から排出された排気は、バイパス通路４に流入せず、全量が排気通路２の上流側部分２ａを流れる。切替弁９の弁開度位置が前記第１弁開度位置と前記第２弁開度位置の間の開度位置に制御されると、内燃機関１から排出された排気の一部がバイパス通路４に流入する。

ＥＣＵ１０には、上述した水温センサ８や、内燃機関１の回転数を検知する回転数センサ１１、内燃機関１が搭載された車両の車速を検知する車速センサ１２、運転者により操作されるアクセルペダルの開度を検知するアクセル開度センサ１３、メインＮＯｘトラップ触媒３の上流側の排気温度を検知する第１温度センサ１４、メインＮＯｘトラップ触媒３の下流側の排気温度を検知する第２温度センサ１５等からの出力信号が入力されている。

そして、切替弁９の弁開度は、車両の運転状態に応じたＥＣＵ１０からの指令により制御されている。

図２は、切替弁９の状態を模式的に示した説明図である。

内燃機関１が冷機状態であり、メインＮＯｘトラップ触媒３の触媒温度が低く、活性化していない所定の状態（以下、これを状態１と呼ぶ）においては、図２（ａ）に示すように、切替弁９を前記第１弁開度位置に制御する。前記状態１は、換言すると、内燃機関１が冷機状態でアクセル開度が所定開度（例えば７０％）より小さい状態、及び内燃機関１が冷機状態でアクセル開度が所定開度（例えば７０％）以上でメインＮＯｘトラップ触媒３が活性化していない状態である。

本実施例では、水温センサ８で検知された冷却水温が予め設定された第１所定温度（例えば６０℃）以上であれば内燃機関１が暖機された状態であると判定し、冷却水温が前記第１所定温度より低い場合には内燃機関１が冷機状態であると判定する。

サブＮＯｘトラップ触媒５は、比較的上流側に位置するとともに、メインＮＯｘトラップ触媒３に比べて熱容量が小さく触媒温度が早期に上昇するため、切替弁９を前記第１弁開度位置に制御することで、熱交換器６を通過する排気の温度も早期に上昇することになる。そのため、サブＮＯｘトラップ触媒５におけるＮＯｘ浄化性能を早期に確保でき、かつ熱交換器６を通流する冷却水の温度上昇を促進させることが可能となる。

つまり、前記状態１において切替弁９を前記第１弁開度位置とすることで、冷機時におけるエミッション低減と内燃機関１の暖機促進とを両立することができる。また、熱交換器６において冷却水温を早期に上昇させることができるので、冷却水温を利用した暖房を短時間で開始することも可能となる。

内燃機関１の暖機完了後に、車両の速度が所定の低車速で、かつ内燃機関１が所定の高負荷運転状態である所定の低車速高負荷運転状態である場合（以下、これを状態２と呼ぶ）、図２（ｂ）に示すように、切替弁９を前記第２弁開度位置に制御する。このような所定の低車速高負荷運転状態は、例えば、車両が低車速で他の車両を牽引（トーイング）するような状態である。

本実施例では、冷却水温が予め設定された第２所定温度（例えば１０５℃）以上となった場合に、車両の運転状態が所定の低車速高負荷運転であると判定している。なお、車速が予め設定された所定車速以下で、アクセル開度が予め設定された所定開度以上（例えば７０％）である場合に、車両の運転状態が所定の低車速高負荷運転であると判定するようにしてもよい。

内燃機関１の暖機完了後に車両の運転状態がこのような低車速高負荷運転となると、冷却水温が過度に高くなってオーバーヒートになる可能性がある。そこで、切替弁９を前記第２弁開度位置とすることで、熱交換器６における排気との熱交換で冷却水温が上昇してしまうことを抑制する。

つまり、前記状態２においては、切替弁９を前記第２弁開度位置とすることで、冷却水温の過度の温度上昇を抑制することができ、冷却水が循環する内燃機関１の冷却系の負荷を小さくすることができる。特に、前記冷却系のウォータポンプ（図示せず）がデューティ制御されているような場合、冷却水循環量の減少により消費電力を小さくできる。

そして、上述した状態１及び状態２以外の所定の状態（以下、これを状態３と呼ぶ）においては、図２（ｃ）に示すように、切替弁９の弁開度を前記第１弁開度位置と前記第２弁開度位置との間の中間開度に制御する。前記状態３は、具体的には、内燃機関１が冷機状態でアクセル開度が予め設定された所定開度（例えば７０％）以上でメインＮＯｘトラップ触媒３が活性化している状態、及び内燃機関１の暖機完了後に車両の運転状態が所定の低車速高負荷運転以外である状態である。

本実施例においては、第１温度センサ１４及び第２温度センサ１５で検知されるメインＮＯｘトラップ触媒３の前後の排気温度からメインＮＯｘトラップ触媒３が活性化しているか否かを推定している。なお、水温センサ８で検知される冷却水温に基づいてメインＮＯｘトラップ触媒３が活性化しているか否かを推定することも可能である。

前記状態３において、切替弁９の弁開度を前記第１弁開度位置と前記第２弁開度位置との間の中間開度とするのは、切替弁９の弁開度を前記第２弁開度位置にする場合に比べて排気系の圧力損失が低下するとの知見に基づくものであり、このことは発明者らの行った実験により確認されている。

この状態３における切替弁９の弁開度は、メインＮＯｘトラップ触媒３でのＮＯｘの浄化率と排気系の圧力損失の双方が良好となるような開度に設定される。排気系の圧力損失は、排気量と排気温度に応じて変化するため、機関回転数とアクセル開度（機関負荷）に対し、ＮＯｘの浄化率と排気系の圧力損失の双方が良好となる切替弁９の弁開度を予め実験で求めマップ化しておく。本実施例では、この予め実験で求めておいたマップを用い、そのときの機関回転数とアクセル開度から、切替弁９の弁開度を算出する。

これによって、バイパス通路４に排気を流入させない場合に比べ、排気系の圧力損失を低減することができ、出力性能を向上させることができる。

また、バイパス通路４に排気の一部が流入し、熱交換器６にて排気温度を低下させることが可能となるので、バイパス通路４に排気を流入させない場合に比べ、暖機後の運転中においてメインＮＯｘトラップ触媒３に流入する排気温度が過度に高くなることを抑制することができ、メインＮＯｘトラップ触媒３におけるＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

図３は、内燃機関１の運転中にＥＣＵ１０内で実施される切替弁９の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ１では、内燃機関１の暖機が完了したか否かを判定し、暖機が完了している場合には、Ｓ２へ進み、暖機が完了していない場合にはＳ５へ進む。Ｓ２では、車両の運転状態が所定の低車速高負荷運転であるか否かを判定し、所定の低車速高負荷運転である場合にはＳ３へ進み、そうでない場合にはＳ４へ進む。Ｓ３では、現在の状態が前記状態２であると判定し、切替弁９を前記第２弁開度位置に制御する。Ｓ４では、現在の状態が前記状態３であると判定し、切替弁９の弁開度をそのときの機関回転数とアクセル開度に基づいて前記マップから算出される弁開度に制御する。この弁開度は、前記第１弁開度位置と前記第２弁開度位置との間の中間開度である。

一方、内燃機関１の暖機が完了していない場合には、Ｓ５にてアクセル開度が予め設定された所定開度（例えば７０％）以上であるか否かを判定し、所定開度以上であればＳ６へ進み、そうでない場合にはＳ７へ進む。Ｓ６では、メインＮＯｘトラップ触媒３が活性化しているか否かを判定し、活性化している場合にはＳ８へ進み、活性化していない場合にはＳ９へ進む。Ｓ７では、現在の状態が前記状態１であると判定し、切替弁９を前記第１弁開度位置に制御する。Ｓ８では、現在の状態が前記状態３であると判定し、切替弁９の弁開度をそのときの機関回転数とアクセル開度に基づいて前記マップから算出される弁開度に制御する。Ｓ９では、現在の状態が前記状態１であると判定し、切替弁９を前記第１弁開度位置に制御する。

なお、上述した実施例においては、バイパス通路４の下流端が排気通路２に合流する下流側合流部分に切替弁９が配置されているが、図４に示すように、バイパス通路４の上流端が排気通路２から分岐する上流側分岐部分に切替弁９を配置するようにしてもよい。

但し、前記下流側合流部分の方が前記上流側分岐部分よりも排気通路２の下流であるため、排気温度が相対的に低くなる。そのため、前記下流側合流部分に切替弁９を配置するほうが、前記上流側分岐部分に切替弁９を配置する場合に比べ、切替弁９にとっては耐熱的に有利である。

また、上述した実施例において、ＮＯｘ浄化触媒はＮＯｘトラップ触媒に限定されるものではなく、例えば尿素等の還元剤を用いてＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒（ＳＣＲ）であってよい。

１…内燃機関
２…排気通路
３…メインＮＯｘトラップ触媒
４…バイパス通路
５…サブＮＯｘトラップ触媒
６…熱交換器
７…冷却水通路
８…水温センサ
９…切替弁
１０…ＥＣＵ
１１…回転数センサ
１２…車速センサ
１３…アクセル開度センサ
１４…第１温度センサ
１５…第２温度センサ

Claims (6)

1. 内燃機関に接続された排気通路と、
   前記排気通路の下流側に設けられたメイン触媒と、
   前記排気通路の上流側部分と並列に設けられたバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられたサブ触媒と、
   前記バイパス通路に設けられ、前記サブ触媒を通過した排気と前記内燃機関の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記バイパス通路へ流れる排気流量を調整する流量調整手段と、を有し、
   前記内燃機関の冷機時に、前記メイン触媒が活性化していない場合には、前記バイパス通路に全ての排気を流入させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の暖機完了後、冷却水温が予め設定された所定値以上の場合には、前記バイパス通路に排気を流入させないことを特徴とする請求項１に内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の暖機完了後、冷却水温が予め設定された所定値よりも低い場合には、前記バイパス通路に排気の一部を流入させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の冷機時に、アクセル開度が予め設定された所定開度以上で、前記メイン触媒が活性化している場合には、前記バイパス通路に排気の一部を流入させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記流量調整手段は、前記バイパス通路の下流端が前記排気通路に合流する下流側合流部分に設けられ、前記排気通路側を全閉とする第１弁開度位置と、前記バイパス通路側を全閉とする第２弁開度位置との間で弁開度位置が調整可能な切替弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記メイン触媒及び前記サブ触媒は、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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