(57)【要約】【課題】排ガス浄化装置においてＮＯｘの浄化のために排ガス中に燃料成分を噴射する場合、排気管中に流出した未燃ガスが燃焼した高温の燃焼ガスが浄化触媒等を損傷することがあった。【解決手段】排ガス浄化装置は、内燃機関から延び排ガスを排出する排気管３１と、排気管中に配置され排ガスを浄化する浄化触媒４０と、浄化触媒の上流側において排気管に不活性ガスを供給するガス供給管４５と、浄化触媒の近傍における排気管中の排ガスの温度を判断する判断手段３０，５５とを備える。判断手段により排ガスが異常高温と判断されたとき、ガス供給管から排気管に不活性ガスを供給し、排ガス中の未燃ガスの燃焼を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から延び排ガスを排出する排気管（３１）と、
前記排気管中に配置され排ガスを浄化する浄化触媒（４０）と、
前記浄化触媒の上流側において前記排気管に不活性ガスを供給するガス供給管（４５）と、
前記浄化触媒の近傍における前記排気管中の排ガスの温度を判断する判断手段（３０，５５）と、を備え
前記判断手段により排ガスが異常高温と判断されたとき、前記ガス供給管から前記排気管に不活性ガスを供給し、排ガス中の未燃ガスの燃焼を抑制することを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記内燃機関はディーゼルエンジンで、前記浄化触媒はＮＯｘ浄化触媒である請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記ガス供給管から供給される不活性ガスは、窒素又は二酸化炭素である請求項２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記判断手段は、前記内燃機関の運転状況、又は前記排気管中に配置した温度検出器により異常高温を判断する請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記温度検出器による検出温度と所定の閾値との比較、又は該温度検出器による検出温度の変化率に基づき異常高温を判断する請求項４に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のエンジンから排出される排ガスには一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等、大気中への排出を抑制すべきガス成分が含まれている。これらガス成分の大気中への排出を抑制すべく、エンジンから延びた排気管中に排ガス浄化触媒を取り付け、ＣＯやＮＯｘを二酸化炭素（ＣＯ2）や窒素（Ｎ2）に変換した後、大気中に排出することが望まれている。
【０００３】
希薄燃焼を行うディーゼルエンジンでは排ガスは空気過剰雰囲気にある。ディーゼルエンジンから排出される排ガス中のＮＯｘを浄化するために種々のＮＯｘ浄化技術が開発されている。その一つとして、排気管中に取り付けたＮＯｘ浄化触媒を通過する排ガス中に燃料成分（ＣｎＨｎ）を供給することにより、ＮＯｘの還元効率を技術が知られている（特許文献１参照）。この技術は供給された燃料成分を一酸化窒素等と反応させ、窒素に変換している。すなわち、トルクを得るために燃焼室に燃料を噴射する通常の燃料の噴射は、圧縮行程の中期に行なう。これに対して、触媒によるＮＯｘの還元効率を上げるために行うアフタ噴射は、圧縮行程の終期に燃料噴射弁から燃焼室に噴霧を噴射している。
【特許文献１】特開平６−１５９０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなＮＯｘ浄化触媒を通過する排ガス中に燃料成分（ＣｎＨｎ）を供給する従来技術では、運転者の要求による運転状態の変動等に起因して、燃焼室内の燃焼状態が安定し難い。こうして、排ガス中の燃料成分即ち未燃ガスの濃度を所定値に調整する制御が困難である。この濃度制御が不適当であると、浄化触媒の近傍で燃料成分と排ガス中の酸化反応し、浄化触媒が高温にさらされる。その結果、高温（高熱）により浄化触媒が劣化する。また、排気管の下流側になる程排気ガスの温度が低下し未燃ガスが酸化不十分となり、未燃ガス成分が下流側部分の内周壁に付着し、下流側部分が腐食することが心配される。
【０００５】
未燃ガスの温度を所定値に調整するために、上記通常の燃料噴射やアフタ噴射において燃料の噴射量を微調整することが考えられる。しかし、通常噴射で噴射量を調整するとトルクの変動を伴うので、調整は適当でない。また、アフタ噴射で噴射量を調整しても、調整は浄化触媒から離れた燃焼室で行われること、及びエンジンの運転状態の過渡的な変動により排ガスの温度変動が大きくなることにより、未燃ガスが浄化触媒に到達した時点で所定濃度を得ることは困難である。以上の理由から浄化触媒による排ガス浄化が不十分となり易い。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、浄化触媒により排ガス中の大気汚染物質を浄化するとともに、排気管中に流出した未燃ガスが燃焼した高温の燃焼ガスにより浄化触媒や排気管が損傷することを防止できる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、浄化触媒の近傍における未燃ガスの燃焼を抑制すべく、排気管に不活性ガスを供給することを着想して、本発明を完成した。詳述すると、請求項１から３に記載の排ガス浄化装置において、内燃機関から延び排ガスを排出する排気管と、排気管中に配置され排ガス中を浄化する浄化触媒と、浄化触媒の上流側において排気管に不活性ガスを供給するガス供給管と、浄化触媒の近傍における排気管中の排ガスの温度を判断する判断手段、を備える。この排ガス浄化装置において、判断手段により排ガスが異常高温と判断されたとき、ガス供給管から排気管に不活性ガスを供給し、排ガス中の未燃ガスの燃焼を抑制する。
【０００８】
以下、本発明の構成要素の種々の態様を説明する。内燃機関（エンジン）としては希薄燃焼（リーンバーン）を行うガソリンエンジン及びディーゼルエンジンが含まれる。浄化触媒はエンジンから延び排ガスを排出する排気管中に配置され、排ガスを浄化する。浄化触媒としては主に、ＮＯやＮＯ2をＮ2に還元するＮＯｘ触媒（還元触媒）を想定しており、担持体に担持されたＰｔ、Ｐｄ及びＲｈのうちの何れか一つを含む。なお、従来例と同様に浄化触媒又はその近傍に燃料成分を供給する燃料供給手段を含んでも良い。
【０００９】
ガス供給管は浄化触媒の上流側において排気管に接続され、排気管に不活性ガスを供給する。浄化触媒の上流側に配置するのは、この部分で特に未燃ガスと排ガス中の酸素とが反応し易いからである。不活性ガスとしては排ガスの未燃ガスと反応し難い窒素、二酸化炭素又はアルゴンなどがある。窒素は大気から分離し又はタンクに貯えることができ、二酸化炭素は排ガスから分離し又はタンクに貯えることができる。不活性ガスの供給量は、不活性ガスの供給により排ガス中の未燃ガスの濃度が希薄可燃限界以下に下がり、燃焼が抑制される程度とする。
【００１０】
請求項４に記載の排ガス浄化装置において判断手段は、浄化触媒の近傍における排ガスの温度が異常高温かどうかを判断する。異常高温は浄化触媒の作用で未燃ガスと排ガス中の酸素とが反応し、高温の燃焼ガスが排ガス中に含まれることにより発生する。判断手段の配置場所は、浄化触媒の上流側と下流側とで排ガスの温度に大差はないと考えられるので、浄化触媒の上流でも下流でも良い。また、燃料噴射弁からの燃料の噴射量や、エンジンの回転数等のエンジンの作動状態で判断しても良い。燃料噴射量が多く、エンジン回転数が早ければ混合気の燃焼が活発で排ガスも高温になり易いからである。
【００１１】
請求項５に記載の排ガス浄化装置において、浄化触媒の近傍における排気管中の排ガスの温度が異常高温かどうかは、浄化触媒の近傍に配置した温度検出器（温度センサ）で検出した温度が所定の閾値を超えたかどうかで判断し、超えた場合は不活性ガスを供給する。この閾値は触媒に使用されるセラミックスの耐熱温度や、排気管の劣化限界温度等を考慮して決定する。また、検出温度の変化の程度（単位時間当たりの変化量）を監視し、所定の温度範囲において変化の程度が所定値を超えたとき不活性ガスを供給することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる排ガス浄化装置によれば、浄化触媒により排ガス中の大気汚染物質が浄化される。加えて、排気管中における未燃ガスと排ガス中の酸素との反応（燃焼）が、不活性ガスにより抑制される。従って、高温の燃焼ガスによる浄化触媒の故障や、排気管の下流側部分の腐食が防止できる。請求項２の排ガス浄化装置によれば、ディーゼルエンジンにおいてＮＯｘが浄化されるとともに未燃ガスの燃焼が抑制できる。
【００１３】
請求項３の排ガス浄化装置によれば、不活性ガスとしての窒素や二酸化炭素は入手容易なので、コストの上昇が抑えられる。請求項４及び５の排ガス浄化装置によれば、排ガスの異常高温を内燃機関の運転状況や、排気管中の温度検出器の検出結果により判断するので、判断が正確になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
＜最良の形態＞
（構成）
図１にディーゼルエンジン及びその排気系を示す。ディーゼルエンジン（以下、最良の形態では「エンジン」と呼ぶ）はシリンダ１０、ピストン１５、吸気弁２５、排気弁３５及び燃料噴射弁２３などを含む。詳述すると、シリンダ１０のシリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２にピストン１５が摺動可能に滑合され、ピストン−クランク機構がピストン１５の往復運動をクランク１６の回転運動に変換している。シリンダボア１２の上部空間が燃焼室１７を形成している。
【００１６】
燃焼室１７に接続された吸気管２１の途中に燃料噴射弁２３の噴孔が臨み、また吸気管２１の吸気孔２２に吸気弁２５の弁部が配置されている。燃料噴射弁２３は燃料パイプ２４を介して燃料タンク（不図示）と接続され、ＥＣＵ３０からの制御信号により作動して吸気孔２２付近に燃料を噴射する。吸気弁２５は駆動機構２７により駆動され、所定時期に吸気孔２２を開閉する。また、燃焼室１７に接続された排気管３１の吸気孔３２にその弁部が配置された排気弁３３は駆動機構３５により駆動され、所定時期に排気孔３２を開閉する。駆動機構２７及び３５はシリンダブロック１１を覆うシリンダヘッド１３内に収容されている。
【００１７】
次に、図１及び図２を参照しつつ、排気系に配置されたＮＯｘ浄化触媒４０及びその周辺につき説明する。ＮＯｘ浄化触媒４０はハニカム状の担持体と、その表面に担持されたＰｔ（何れも不図示）等とを有する。ＮＯｘ浄化触媒４０の上流側において排気管３１にガス供給パイプ４５の一端が接続され、上流側部分（合流部分）３３ａに取り付けられた開閉弁４７の作動が上記ＥＣＵ３０により制御されている。
【００１８】
ガス供給パイプ４５の他端は、図２に示す窒素供給装置５０に接続されている。窒素供給装置５０は窒素分離器５１、ポンプ５３及び窒素タンク５４を含む。窒素分離器５１はゼオライト膜５２で大気中から窒素（Ｎ2）リッチガスと酸素（Ｏ2）リッチガスとを分離する。窒素リッチガスはポンプ５３により窒素タンク５４に貯蔵され、酸素リッチガスは酸素タンク（不図示）に貯蔵される。
【００１９】
ＮＯｘ浄化触媒４０とガス供給パイプ４５の一端との間に温度センサ５５が配置され、排気管３１中の合流部分３３ａにおける排ガスの温度を検出し、検出した排ガスの温度情報を上記ＥＣＵ３０に出力している。なお、温度センサ５５に代えて、図１に二点鎖線で示すように、排気管３１上のＮＯｘ浄化触媒４０の下流側部分３３ｂに温度センサ６０を配置しても良いし、又はクランク１６の外周面の突起１６ａに近接させたセンサ６２によりエンジンの回転数を検出しても良い。
【００２０】
（作用）
次に、図１，図２及び図３を参照しつつ、この最良の形態の作用を説明する。但し、ピストン１５の往復動による吸入、圧縮、爆発及び排気工程、各工程における吸気孔２２及び排気孔３２の開閉、並びに圧縮工程での燃料噴射弁２３による燃焼室１７への燃料の噴射等は何れも公知であり、しかも本発明とは直接関係しない。従って、これらの説明は割愛し、排ガスの浄化、排ガスの異常高温の検出及び未燃ガスの燃焼の抑制につき説明する。
【００２１】
排気管３１から排出される排ガスに含まれるＮＯｘはＮＯｘ浄化触媒４０により還元されて窒素になる。また、排ガス中に含まれている未燃ガスが排ガス中の酸素と反応し、排気管３１の合流部分３３ａの排ガスに高温の燃焼ガスが含まれることがある。すると、図３にａで示すように、それまでは閾値ｔｍ１（６５０から７００℃）よりも低い排ガスの検出温度が、ｂで示すように閾値ｔｍ１よりも高い異常高温に達する。この異常高温は温度センサ５５により検出され、ＥＣＵ３０に出力される。これに基づき、ｃで示すようにＥＣＵ３０はガス供給管４５に配置された開閉弁４７を開く旨の信号を発する。
【００２２】
開閉弁４７が開くと、窒素タンク５４から窒素ガスがガス供給管４５を通して合流部分３３ａに供給され、未燃ガスの濃度が希薄可燃限界を下回る。その結果、未燃ガスと排ガス中とが酸化反応し難くなり未燃ガスの燃焼が抑制され、ｄで示すように燃焼温度が下がる。検出温度が閾値ｔｍ１を下回った時点で開閉弁４７を閉じ不活性ガスの供給を停止する。
【００２３】
（効果）
この最良の形態によれば、以下の効果が得られる。第１に、排ガス中にガス供給管４５から窒素を供給するので、未燃ガスが燃焼した燃焼ガスの高熱によりＮＯｘ浄化触媒４０が劣化する心配がなく、また排気管３１の下流側部分３３ｂが腐食する心配はない。なお、不活性ガスとしての窒素ガスは大気から分離器５１で容易に得られるので、安価である。第２に、ガス供給管４５及び温度検出センサ５５がともにＮＯｘ浄化触媒４０の上流側に互いに近接して配置されているので、温度センサ５５が異常高温を検出した上流側部分３３ａに窒素ガスを供給でき、未燃ガスの燃焼をより確実に抑制できる。
【００２４】
第３に、供給される窒素ガスがＮＯｘ浄化触媒４０のＮＯｘ浄化機能を妨げる心配はない。窒素ガスを供給するのは検出温度が６５０から７００℃よりも高くなったときであるのに対して、ＮＯｘ浄化触媒４０が作用するのはこれよりも低温のときだからである。第４に、通常噴射の噴射量を調整しないのでトルクが不足することはなく、またアフタ噴射を行なう場合でも噴射量は調整不要なのでＮＯｘの還元効率が維持される。
【００２５】
＜変形例＞
以下、上記最良の形態の変形例を示す。
【００２６】
（１）図４及び図５に温度検出方法の変形例を示す。この検出方法では排ガスの温度の単位時間当たりの変化率を検出している。具体的には、図４に示すように、開閉弁７７を備えたガス供給管７６とＮＯｘ浄化触媒７４との間に温度検出センサ７８が配置され、排気管７２の合流部分７３ａの排ガスの温度を検出し、検出結果をＥＣＵ３０に出力している。なお、二点鎖線で示すように、温度センサ７８の代わりにＮＯｘ浄化触媒７４の下流側部分７３ｂに温度センサ７９を配置しても良い。
【００２７】
また、図５に示すように、下方閾値ｔｍ２と上方閾値ｔｍ３との間で、所定時間離れた二つの時刻ｔ１とｔ２との間における温度検出センサ７８で温度を検出し、ＥＣＵ３０でその間の変化率を計算する。例えば下方閾値ｔｍ２は６００℃であり、上方閾値ｔｍ３は６５０℃である。ｆで示すように変化率が負の場合は、検出温度が低下しているので開閉弁７７は開かない。これに対してｇで示す正の変化率は温度の上昇を意味するので、ｈで示すように開閉弁７７を開く。ｉで示すように、検出温度が下がり始めたら、次第に開閉弁７７を閉じる。この変形例によれば、検出温度の変化率を見ているので、早期に温度変動を知ることができ、排ガスの温度検出が確実であるという特有の効果が得られる。
【００２８】
（２）図６に不活性ガス供給装置の変形例を示す。この二酸化炭素供給装置８０は上記窒素ガスに代えて二酸化炭素を供給するもので、二酸化炭素分離器８２、ポンプ８４及び二酸化炭素タンク８６を含む。二酸化炭素分離器８２はＣＯ2ゲル膜８３で排ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）ガスと残留ガスとを分離する。二酸化炭素ガスはポンプ８４により二酸化炭素タンク８６に貯蔵され、残留ガスは残留ガスタンク（不図示）に貯蔵される。
【００２９】
二酸化炭素も不活性ガスとして上記窒素と同様に未燃ガスの燃焼を抑制する作用を果たすことができる。また、排ガスから二酸化炭素を分離しているので、二酸化炭素を得るためのコストの上昇が抑えられる。
【００３０】
（３）図７に排ガス浄化装置の変形例を示す。この変形例では排気管９０上のＮＯｘ浄化触媒９３の下流側部分９１ｂに開閉弁９６を備えたガス供給管９５、及び温度センサ９８が配置されている。通常、排気管９０中の未燃ガスはＮＯｘ浄化触媒９３の上流側部分９１ａで燃焼する。但し、何らかの理由で、仮にＮＯｘ浄化触媒９３の下流側部分９１ｂまで未燃ガスが流れることがあっても、この変形例によればガス供給管９５から窒素ガスを供給するので、下流側部分９１ｂでの未燃ガスの燃焼が抑制でき、安全である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の最良の形態の排ガス浄化装置を示す全体説明図である。
【図２】最良の形態の窒素ガス供給装置の説明図である。
【図３】最良の形態の作用を示す説明図である。
【図４】上記最良の形態の第１変形例の排ガス浄化装置の要部説明図である。
【図５】第１変形例の作用を示す説明図である。
【図６】上記最良の形態の第２変形例の二酸化炭素供給装置の説明図である。
【図７】上記最良形態の第３変形例の排ガス浄化装置の要部説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：シリンダ            １５：ピストン              １７：燃焼室
２１：吸気管              ２３：燃料噴射弁            ２５：吸気弁
３１：排気管              ３５：排気弁                ４０：ＮＯｘ浄化触媒
４５：ガス供給管          ５５：温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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