(57)【要約】【課題】燃料消費を抑制しつつ、触媒の早期活性化が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路に設けられた酸化触媒２５と、一時的に蓄熱して蓄熱した熱を酸化触媒２５の活性化のために放出可能な蓄熱材５０と、酸化触媒２５の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを排気通路１５に供給可能なバーナー６０とを備え、排気通路１５は、酸化触媒２５の上流側に、２つに分岐して再び合流する第１及び第２の分岐通路１５Ａ，１５Ｂを有し、第１及び第２の分岐通路１５Ａ，１５Ｂの分岐部には、排気ガスの流れを第１及び第２の分岐通路の一方に選択的に切替え可能な切替え弁が設けられ、蓄熱材５０は第１の分岐通路１５Ａに設けられ、バーナー６０は、第２の分岐通路１５Ｂに設けられている。【選択図】図１
2010127151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、前記排気通路に設けられ、一時的に蓄熱して蓄熱した熱を前記触媒の活性化のために放出可能な蓄熱手段と、前記排気通路に設けられ、前記触媒の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記排気通路に供給可能なバーナーと、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気通路は、前記触媒の上流側に、２つに分岐して再び合流する第１及び第２の分岐通路を有し、
前記第１及び第２の分岐通路の分岐部には、排気ガスの流れを前記第１及び第２の分岐通路の一方に選択的に切替え可能な切替え弁が設けられ、
前記蓄熱手段は、前記第１の分岐通路に設けられ、
前記バーナーは、前記切替え弁が前記第２の分岐通路側に切替えられたときに、燃焼ガスを前記蓄熱手段を経ずに直接に前記触媒に供給可能な位置に設けられている
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記バーナーは、前記第２の分岐通路に設けら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。
【請求項３】
前記バーナーは、前記第１及び第２の分岐通路の分岐部よりも上流側に設けら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。
【請求項４】
前記バーナーは、前記排気通路に連通する燃焼室と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼室に空気を供給する空気供給部と、前記燃焼室に供給された燃料に点火する点火手段とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒は、酸化触媒であり、
前記触媒の下流側に、排気ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタをさらに備え、
前記酸化触媒は、燃料を酸化して前記フィルタに流入する排気ガスの温度を上昇させるために設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１は、内燃機関の排気通路に設けられた排気ガスを浄化するための触媒を早期に活性化するために、主通路からバイパスするバイパス通路に蓄熱材を配置し、冷間始動時等において比較的低温の排気ガスに蓄熱材に蓄えられた熱を与える技術を開示している。
【０００３】
また、排気通路に設けられた触媒を早期に活性化するための他の方法として、排気通路の途中にバーナーを設け、このバーナーの排気通路に連通する燃焼室で燃料を燃焼させて排気ガスの温度を高め、触媒の温度を早期に上昇させる技術も知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２０７２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、触媒の早期活性化と燃費の向上を図るために、蓄熱材とバーナーとを併用し、蓄熱材に熱が蓄えられていないときには、バーナーを使用して排気ガスの温度を高め、蓄熱材に既に熱が蓄えられている状態では、バーナーを使用せずに蓄熱材を利用して排気ガスの温度を高めることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、蓄熱材とバーナーとを併用した場合に、蓄熱材とバーナーとを排気通路に直列に配置すると、バーナーから放出された熱が蓄熱材に吸収され、あるいは、蓄熱材からの放出された熱がバーナーを通じて外部に放出される可能性があり、エネルギー（燃料）の消費量が増加する原因となりうる。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料消費を抑制しつつ、触媒の早期活性化が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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触媒と、前記排気通路に設けられ、一時的に蓄熱して蓄熱した熱を前記触媒の活性化のために放出可能な蓄熱手段と、前記排気通路に設けられ、前記触媒の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記排気通路に供給可能なバーナーと、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、前記排気通路は、前記触媒の上流側に、２つに分岐して再び合流する第１及び第２の分岐通路を有し、前記第１及び第２の分岐通路の分岐部には、排気ガスの流れを前記第１及び第２の分岐通路の一方に選択的に切替え可能な切替え弁が設けられ、前記蓄熱手段は、前記第１の分岐通路に設けられ、前記バーナーは、前記切替え弁が前記第２の分岐通路側に切替えられたときに、燃焼ガスを前記蓄熱手段を経ずに直接に前記触媒に供給可能な位置に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
上記構成において、好適には、前記バーナーは、前記第２の分岐通路に設けられている構成を採用できる。
【００１０】
上記構成において、前記バーナーは、前記第１及び第２の分岐通路の分岐部よりも上流側に設けられている構成を採用することも可能である。
【００１１】
上記構成において、前記バーナーは、前記排気通路に連通する燃焼室と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼室に空気を供給する空気供給部と、前記燃焼室に供給された燃料に点火する点火手段とを含む構成を採用できる。
【００１２】
上記構成において、前記触媒は、酸化触媒であり、前記触媒の下流側に、排気ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタをさらに備え、前記酸化触媒は、燃料を酸化して前記フィルタに流入する排気ガスの温度を上昇させるために設けられている、構成を採用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料消費を抑制しつつ、特に、冷間始動時の触媒の早期活性化が可能な内燃機関の排気浄化装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【００１６】
図１において、内燃機関１０は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関１０の排気通路１５は、途中で２つに分岐して再び合流する第１の分岐通路１５Ａ及び第２の分岐通路１５Ｂを有する。また、排気通路１５は、熱エネルギーが外部に放出されるのを極力抑制して後述する各種触媒の活性化を促すために、断熱材で覆われている。
【００１７】
第１の分岐通路１５Ａ及び第２の分岐通路１５Ｂの分岐部には、排気ガスの流れを第１及び第２の分岐通路１５Ａ，１５Ｂの一方に選択的に切替え可能な切替え弁２０が設けられている。切替え弁２０には、例えば、周知の電動式あるいは電磁式の２方向切替えバルブを用いることができ、後述する電子制御装置（ＥＣＵ）１００により制御される。
【００１８】
第２の分岐通路１５Ｂには、バーナー６０が設けられている。バーナー６０には、内燃機関１０側から、空気が供給される空気供給経路６１及び燃料が供給される燃料供給経路６２が接続されている。バーナー６０は、燃料供給経路６２から供給される燃料を燃焼させ、燃焼ガスを第２の分岐通路１５Ｂに供給する。
【００１９】
具体的には、バーナー６０は、たとえば、図２に示すように、分岐通路１５Ｂに連通するように接続された燃焼室６３、点火プラグ６４、燃料供給部６５及び空気供給部６６を有する。
【００２０】
空気供給部６６は、空気供給経路６１に連通し、空気供給経路６１から供給される空気Ａを燃焼室６３に導く。
【００２１】
燃料供給部６５は、燃料供給経路６３に連通し、燃料供給経路６３から供給される燃料ＦＬを燃焼室６３に供給する。
【００２２】
点火プラグ６４は、ＥＣＵ１００により制御され、燃焼室６３に供給された燃料に点火する。
【００２３】
バーナー６０の燃焼室６３に供給された燃料ＦＬは空気Ａと混合され、電極間６４の放電により着火されるものや、グロープラグにより燃料を気化し燃焼させるものを用いることができる。その燃焼ガスは第２の分岐通路１５Ｂ、すなわち、排気通路１５に排出される。これにより、排気通路１５を流通する排気ガスＥＧの温度が上昇する。なお、バーナー６０から排出される燃焼ガスは、完全燃焼した状態で排気通路１５に排出されてもよいし、あるいは、未燃燃料を含む状態で排気通路１５に排出されてもよい。バーナー６０から排出される燃焼ガスに未燃燃料を含ませることにより、下流の酸化触媒２５に未燃燃料を供給することができる。
【００２４】
蓄熱材５０は、潜熱蓄熱材であり、液体・固体間の相変化に伴い熱エネルギーを吸収あるいは放出するものである。この蓄熱材は、例えば、図３に示すように、周囲の温度、すなわち、排気ガスの温度が溶融潜熱温度Ｔ0よりも高いと、排気ガスの熱エネルギーを吸収して蓄熱するように作用する。排気ガスの温度が溶融潜熱温度Ｔ0よりも低いと、蓄熱したエネルギーを放出して排気ガスの温度を上昇させるように作用する。蓄熱材５０の素材は、必要とされる溶融潜熱温度に応じて選択されるが、たとえば、溶融潜熱が９０℃程度であれば、パラフィン系の素材、２６０℃程度であれば、塩化リチウムなどを素材が挙げられる。
【００２５】
排気通路１５には、第１の分岐通路１５Ａ及び第２の分岐通路１５Ｂの下流側に、酸化触媒コンバータ２５、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）３０、選択還元触媒コンバータ３５及び酸化触媒コンバータ４０が順に設けられている。また、排気通路１５のＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ３５との間には、尿素水添加弁７０が設けられている。
【００２６】
また、排気通路１５において、ＤＰＦ３０の前後には排気ガスＥＧの温度を検出する排気温度センサ９０Ａ、９０Ｂが設けられ、酸化触媒４０の下流には、窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ９５が設けられ、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ１００へ入力される。
【００２７】
さらに、排気通路１５において、ＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ４０との間には、排気通路１５に尿素水溶液を添加するための尿素水添加弁７０と、この尿素水添加弁７０の下流に設けられて排気ガスＥＧと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ８０とが設けられている。
【００２８】
酸化触媒コンバータ２５は、後段のＤＰＦ３０等に供給される排気ガスＥＧの温度を昇温させるために排気ガスＥＧ中の未燃燃料等を酸化する酸化触媒を担持している。具体的には、たとえば、２００℃程度以上に温度上昇すると活性化してその酸化機能が働く。すなわち、酸化触媒コンバータ２５は、排気ガスＥＧ中の未燃燃料等を酸化することにより、排気ガスＥＧの温度を上昇させて後段のＤＰＦ３０に供給する。
【００２９】
また、酸化触媒コンバータ２５は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一時的に吸着保持できるＮＯｘ吸着機能を併せ持つ。酸化触媒コンバータ２５は、酸化機能が活性化していない比較的低温度の状態では、ＮＯｘを一時的に吸着保持するが、ある程度以上温度上昇すると、吸着していたＮＯｘが脱離する。この酸化触媒コンバータ２５としては、例えば、ゼオライトなどの材料で構成される吸着材料を、周知の酸化触媒の構造に担持させた構成とすることができる。酸化触媒コンバータ２５からＮＯｘを脱離するには、バーナー６０を起動して、酸化触媒コンバータ２５を昇温させる。
【００３０】
ＤＰＦ３０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ３０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、酸化触媒コンバータ２５を昇温により活性化させ、酸化触媒コンバータ３５の酸化作用により昇温された排気ガスＥＧをＤＰＦ３０に供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。この再生処理におけるＤＰＦ３０の温度は、例えば、６００〜７００℃程度となる。なお、ＤＰＦ３０に所定量のＰＭが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。また、ＤＰＦ３０は、貴金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。
【００３１】
尿素水添加弁７０は、尿素水溶液を収容するタンク７５から尿素水が供給され、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じた量の尿素水を排気通路１５に添加する。
【００３２】
選択還元触媒コンバータ３５は、尿素添加弁７０から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排気ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排気ガスＥＧの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、このアンモニアが触媒コンバータ３５においてＮＯｘと反応し、水と無害な窒素に還元される。この選択還元触媒コンバータ３５は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ2Ｏ5）を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。選択還元触媒コンバータ３５は、触媒として機能する活性化温度が、例えば２００℃程度以上である。
【００３３】
酸化触媒コンバータ４０は、選択還元触媒コンバータ３０をすり抜ける未燃燃料やアンモニウムを酸化する役割を果たす。この酸化触媒コンバータ４０には、周知の構造のものが用いられる。
【００３４】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ＥＣＵ１００は、各排気温度センサ９０Ａ，９０Ｂ、ＮＯｘセンサ９５などからの信号に基いて、切替え弁２０、バーナー６０、尿素水添加弁７０等を制御する。
【００３５】
上記構成に排気浄化装置において、蓄熱材５０に既に蓄熱されている状態では、蓄熱材５０の熱を利用するために、切替え弁２０は、第１の分岐通路１５Ａ側に切替えられる。内燃機関１０から排出された排気ガスＥＧは、第１の分岐通路１５Ａの蓄熱材２３を通過することにより昇温され、これが酸化触媒コンバータ３０に供給される。これにより、酸化触媒コンバータ２５の触媒を活性化させることができる。なお、蓄熱材５０が蓄熱されているかどうかの判断は、例えば、蓄熱材５０に温度センサを設けて温度を検出することにより可能である。また、内燃機関１０の運転状況等から現在までに蓄積されている熱量を推定して判断することも可能である。
【００３６】
蓄熱材５０に既に蓄熱されている状態では、内燃機関１０から排出された排気ガスＥＧが第１の分岐通路１５Ａのみを通過し、第２の分岐通路１５Ｂを通過しない。第２の分岐通路１５Ｂに設けられたバーナー６０は、その構造上、熱エネルギーが外部に放出されやすい構造となっているが、排気ガスＥＧは第２の分岐通路１５Ｂを通過しないので蓄熱材５０を用いて排気ガスＥＧを昇温している際に、バーナー６０を通じて熱エネルギーが外部に放出されることがない。
【００３７】
冷間始動時など、蓄熱材５０に蓄熱されていない、あるいは、蓄熱量が十分でない場合には、図４に示すように、切替え弁２０は、第２の分岐通路１５Ｂ側に切替えられる。加えて、バーナー６０が起動され、燃焼ガスが第２の分岐通路１５Ｂに供給され、排気ガスＥＧが加熱されて酸化触媒コンバータ２５に直接供給される。このとき、排気ガスＥＧは、蓄熱材５０を通過しないので、バーナー６０から供給される熱エネルギーは蓄熱材５０に奪われることなく、酸化触媒コンバータ５０の昇温に効果的に使用される。
【００３８】
酸化触媒コンバータ５０が必要な温度まで加熱されて酸化機能が発揮された後は、バーナー５０を停止するとともに、切替え弁２０を第１の分岐通路１５Ａ側に切替える。これにより、蓄熱材５０への蓄熱が行われる。
【００３９】
図５は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図５において、図１の排気浄化装置と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００４０】
図５に示す排気浄化装置は、バーナー６０が切替え弁２０の上流側の排気通路１５に設けられている点で図１の排気浄化装置と異なり、他の構成は同一である。
【００４１】
本実施形態に係る排気浄化装置では、蓄熱材５０に既に蓄熱されている状態では、上記実施形態と同様に、蓄熱材５０の熱を利用するために、切替え弁２０は、第１の分岐通路１５Ａ側に切替えられる。
【００４２】
冷間始動時など、蓄熱材５０に蓄熱されていない、あるいは、蓄熱量が十分でない場合には、図６に示すように、切替え弁２０は、第２の分岐通路１５Ｂ側に切替えられる。加えて、バーナー６０が起動され、燃焼ガスが第２の分岐通路１５Ｂに供給され、排気ガスＥＧが加熱されて酸化触媒コンバータ２５に直接供給される。このとき、排気ガスＥＧは、蓄熱材５０を通過しないので、バーナー６０から供給される熱エネルギーは蓄熱材５０に奪われることなく、酸化触媒コンバータ５０の昇温に効果的に使用される。
【００４３】
図７は、バーナーの他の配置例を示す図であって、バーナー６０を第１及び第２の分岐通路１５Ａ，１５Ｂの下流に設けた構成を示している。図７において、図１の排気浄化装置と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００４４】
この構成では、バーナー６０が酸化触媒２５の直近に配置されているので、酸化触媒２５を加熱する点では有利である。
【００４５】
しかしながら、蓄熱材５０に蓄えられた熱エネルギーを利用して排気ガスＥＧを昇温する際に、蓄熱材５０で加熱された排気ガスＥＧは必ずバーナー６０を通過する。このため、蓄熱材５０を使用して酸化触媒２５を昇温させる際には、熱エネルギーの損失が比較的大きくなる。
【００４６】
本発明は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンにも適用可能である。また、活性化すべき触媒についても、酸化触媒に限らず、他の触媒にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図２】バーナーの構造の一例を示す側面図及び断面図である。
【図３】蓄熱材の熱特性を説明するためのグラフである。
【図４】バーナーを使用して酸化触媒を昇温させる際の切替え弁の状態を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図６】バーナーを使用して酸化触媒を昇温させる際の切替え弁の状態を示す図である。
【図７】バーナーの他の配置例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…内燃機関
１５…排気通路
１５Ａ…第１の分岐通路
１５Ｂ…第２の分岐通路
２０…切替え弁
２５…酸化触媒コンバータ
３０…ＤＰＦ
３５…選択還元触媒コンバータ
４０…酸化触媒
６０…バーナー
７０…尿素水添加弁
１００…ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
2010127151.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010127151.tif 000008
【図７】
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