(57)【要約】【課題】  過給機の性能を十分に発揮させることができるとともに、ＮＯｘ吸収触媒の再生を良好に行うことができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】  過給機8を排気系5に備えた内燃機関3から排出された排ガスを浄化する内燃機関3の排ガス浄化装置1であって、排気系のメイン通路5aよりも下流側に設けられたＮＯｘ吸収触媒17と、メイン通路5aをバイパスするバイパス通路18と、メイン通路5aとバイパス通路18との分岐部に設けらた排気通路切替弁19aと、ＮＯｘ吸収触媒17に吸収されたＮＯｘを還元するために、排ガス中に未燃成分が含まれるように燃焼室3c内に燃料を供給する還元剤供給手段6と、還元剤の供給中に、排気通路をバイパス通路18側に切り替える排気通路制御手段2,19bと、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気を加圧する過給機を排気系に備えた内燃機関から排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
前記過給機は、前記排気系のメイン通路に配置されており、
前記排気系の前記メイン通路よりも下流側に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒と、
前記メイン通路をバイパスするバイパス通路と、
前記メイン通路と前記バイパス通路との分岐部付近に設けられた排気通路切替弁と、
前記ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘを還元するために、排ガス中に未燃成分が含まれるように燃焼室内に燃料を供給することによって、前記未燃成分を還元剤として前記ＮＯｘ吸収触媒に供給する還元剤供給手段と、
当該還元剤供給手段による前記還元剤の供給中に、前記排気通路を前記バイパス通路側に切り替えるように前記排気通路切替弁を制御する排気通路制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項２】
排ガスを酸化することによって浄化する酸化触媒をさらに備え、当該酸化触媒は、前記メイン通路に配置さ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ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒を備える内燃機関の排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種のＮＯｘ吸収触媒におけるＮＯｘの吸収量が過大になると、ＮＯｘ吸収触媒のＮＯｘ吸収能力が低下し、大気中に排出されるＮＯｘの量が増加するおそれがある。このため、吸収されたＮＯｘを還元することによってＮＯｘ吸収触媒の吸収能力を回復させることが行われており、そのような内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。以下、このようなＮＯｘの還元を、ＮＯｘ吸収触媒の再生という。
【０００３】
この排ガス浄化装置では、排気通路に、上流側から順に、酸化触媒、ＤＰＦおよびＮＯｘ吸収触媒が設けられるとともに、酸化触媒をバイパスするバイパス通路が設けられている。バイパス通路には、これを開閉するためのバイパス通路開閉弁が設けられている。また、排気通路には、酸化触媒よりも上流側に排気通路開閉弁が設けられている。さらに、吸気通路には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁が設けられている。
【０００４】
この排ガス浄化装置では、ＮＯｘ吸収触媒の再生を行う場合、内燃機関で燃焼されるガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側になるようにスロットル弁を制御し、それにより、排ガス中に未燃成分を含ませるようにする。また、排気通路開閉弁を閉弁するとともに、バイパス通路開閉弁を開弁し、バイパス通路を開放する。これにより、未燃成分を含んだ排ガスは、酸化触媒を通らずに、バイパス通路に流入し、ＤＰＦでパティキュレートが捕集された後、ＮＯｘ吸収触媒に流入する。この排ガスによってＮＯｘ吸収触媒に吸収したＮＯｘが排ガス中の未燃成分と反応することによって還元され、ＮＯｘ吸収触媒が再生される。このように、ＮＯｘ吸収触媒の再生を行うときには、酸化触媒をバイパスし、排ガス中の未燃成分が酸化触媒で酸化されるのを防止することによって、ＮＯｘ吸収触媒の再生に必要な未燃成分を確保するようにしている。
【０００５】
しかし、上述した従来の排ガス浄化装置を、排気通路に過給機を備えた内燃機関に適用した場合には、次のような問題がある。すなわち、このような内燃機関では、排ガスが過給機を通るため、ＮＯｘ吸収触媒の再生中に、排ガス中の未燃成分が過給機の可動部分に付着する。このため、内燃機関の停止後、過給機が冷えたときに、付着した未燃成分が固化することによって、過給機の可動部分が固着するおそれがあり、そのような場合には、過給機の所要の性能が得られなくなる。
【０００６】
また、再生中、過給機に未燃成分が付着することによって、ＮＯｘ吸収触媒に流入する未燃成分が不足し、その結果、ＮＯｘ吸収触媒の再生を十分に行うことができない。このような不具合は、例えば内燃機関に供給する燃料量を増加させ、排ガス中に含まれる未燃成分を増加させることによって回避できるが、その場合には、燃費が悪化してしまう。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、排気系に過給機を備える場合に、過給機に未燃成分が付着するのを防止でき、それにより、過給機の性能を十分に発揮させることができるとともに、ＮＯｘ吸収触媒の再生を良好に行うことができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１８８４３２号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸入空気を加圧する過給機８を排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）に備えた内燃機関３から排出された排ガスを浄化する内燃機関３の排ガス浄化装置１であって、過給機８は、排気系のメイン通路５ａに配置されており、排気系のメイン通路５ａよりも下流側に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒１７と、メイン通路５ａをバイパスするバイパス通路１８と、メイン通路５ａとバイパス通路１８との分岐部付近に設けられた排気通路切替弁１９ａと、ＮＯｘ吸収触媒１７に吸収されたＮＯｘを還元するために、排ガス中に未燃成分が含まれるように燃焼室３ｃ内に燃料を供給することによって、未燃成分を還元剤としてＮＯｘ吸収触媒１７に供給する還元剤供給手段（インジェクタ６）と、還元剤供給手段による還元剤の供給中に、排気通路をバイパス通路１８側に切り替えるように排気通路切替弁１９ａを制御する排気通路制御手段（ＥＣＵ２，切替弁アクチュエータ１９ｂ）と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、還元剤供給手段は、燃焼室内に燃料を供給し、それにより、排ガス中に含まれる未燃成分がＮＯｘ吸収触媒に還元剤として供給される。これにより、ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘが還元され、ＮＯｘ吸収触媒の再生が行われる。また、この還元剤の供給中、排気通路制御手段が、排気通路切替弁を制御することによって、排気通路がバイパス通路側に切り替えられる。これにより、未燃成分を含んだ排ガスは、メイン通路に配置された過給機を通ることなく、バイパス通路を介してＮＯｘ吸収触媒に流入する。このため、ＮＯｘ吸収触媒の再生中に、未燃成分が過給機に付着するのを防止でき、それにより、未燃成分の付着に起因する過給機の可動部分の固着を防止でき、したがって、過給機の性能を十分に発揮させることができる。また、再生中、過給機への未燃成分の付着が防止されることにより、還元剤としての未燃成分をＮＯｘ吸収触媒に十分供給でき、その結果、ＮＯｘ吸収触媒の再生を良好に行うことができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、排ガスを酸化することによって浄化する酸化触媒１６をさらに備え、酸化触媒１６は、メイン通路５ａに配置されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、酸化触媒がメイン通路に配置されているので、還元剤の供給中、排気通路切替弁により排気通路がバイパス通路側に切り替えられたときに、未燃成分を含んだ排ガスは、過給機だけでなく、酸化触媒もバイパスする。このため、再生中、還元剤としての未燃成分が酸化触媒によって酸化されるのを回避でき、したがって、ＮＯｘ吸収触媒の再生を良好に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による排ガス浄化装置について説明する。図１は、本発明の排ガス浄化装置１、およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示しており、エンジン３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。
【００１４】
エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５（排気系）がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６（還元剤供給手段）が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。
【００１５】
インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。燃料タンク（図示せず）の燃料は、後述するＥＣＵ２による制御により、高圧ポンプによって高圧に昇圧された後、コモンレールを介してインジェクタ６に送られ、インジェクタ６によって燃焼室３ｃに噴射される。インジェクタ６の開弁時間である燃料噴射量および噴射タイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。
【００１６】
また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられている。このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。
【００１７】
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。
【００１８】
吸気管４には、過給装置７が設けられており、過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。
【００１９】
過給機８は、吸気管４の途中に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５の途中のメイン通路５ａに設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによってタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａも回転駆動されることにより、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。
【００２０】
各可変ベーン８ｃは、前記アクチュエータ９に機械的に連結されており、その開度（以下「ベーン開度」という）は、アクチュエータ９を介して制御される。アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、負圧ポンプ（図示せず）に接続されており、その途中に、ベーン開度制御弁１０が設けられている。負圧ポンプは、エンジン３を動力源として作動し、発生した負圧をアクチュエータ９に供給する。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９に供給される負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃのベーン開度が変化することにより、過給圧が制御される。より具体的には、このベーン開度を閉じ側に変化させると、タービンブレード８ｂに流入する排ガスの流速が大きくなることにより、コンプレッサブレード８ａから下流側に流れる吸入空気量が増大することによって、過給圧が上昇する。
【００２１】
吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１およびスロットル弁１２が、設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したときなどに、吸入空気を冷却するものである。スロットル弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。スロットル弁１２の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨは、アクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。
【００２２】
また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ３１が、インタークーラ１１とスロットル弁１２の間に過給圧センサ３２が、それぞれ設けられている。エアフローセンサ３１は吸入空気量Ｑを検出し、過給圧センサ３２は吸気管４内の過給圧ＰＡＣＴを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。
【００２３】
さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、これらの通路４ｂ，４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。
【００２４】
バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９およびベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化することによって、スワールの強さが制御される。
【００２５】
また、排気管５のメイン通路５ａには、過給機８よりも下流側に酸化触媒１６が配置されており、メイン通路５ａよりも下流側にはＮＯｘ吸収触媒１７が設けられている。この酸化触媒１６は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。ＮＯｘ吸収触媒１７は、排ガス中の酸素濃度が高い場合（酸化雰囲気）には、排ガス中のＮＯｘを吸収し、排ガスを浄化し、また、排ガス中の還元剤により、吸収したＮＯｘを還元するという特性を有する。
【００２６】
また、排気管５にはバイパス通路１８が設けられている。このバイパス通路１８は、一端部が排気管５の過給機８よりも上流側から分岐するとともに、他端部において排気管５の酸化触媒１６とＮＯｘ吸収触媒１７の間に合流しており、過給機８および酸化触媒１６を配置したメイン通路５ａをバイパスしている。さらに、メイン通路５ａとバイパス通路１８との分岐部には、排気通路切替装置１９が設けられている。排気通路切替装置１９は、排気通路切替弁１９ａと、これを駆動する切替弁アクチュエータ１９ｂ（排気通路制御手段）を備えている。排気通路切替弁１９ａの動作は、ＥＣＵ２からの駆動信号により切替弁アクチュエータ１９ｂを介して制御され、それにより、排気通路がメイン通路５ａ側とバイパス通路１８側へ切り替えられる。
【００２７】
さらに、排気管５の排気通路切替弁１９ａよりも上流側には、ＬＡＦセンサ３３が設けられている。ＬＡＦセンサ３３は、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において排ガス中の酸素濃度ＶＬＡＦをリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、ＬＡＦセンサ３３で検出された酸素濃度ＶＬＡＦに基づいて、燃焼室３ｃで燃焼した実際のガスの空燃比を表す実空燃比ＫＡＣＴを算出する。
【００２８】
また、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ３４からアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。
【００２９】
ＥＣＵ２は、本実施形態において、排気通路制御手段を構成するものであり、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種センサ３０〜３４からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。
【００３０】
ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態や運転時間に応じて、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行すべきか否かを判定する。また、その判定結果に応じて以下のような制御を行う。
【００３１】
まず、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行しない通常時には、燃焼されるガスの空燃比（以下、単に「空燃比」という）を、理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御する。具体的には、スロットル弁１２を全開にするとともに、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて燃料噴射量を設定する。また、切替弁アクチュエータ１９ｂに駆動信号を出力し、排気通路切替弁１９ａを図１の実線位置に駆動することにより、排気通路をメイン通路５ａ側に切り替える。これにより、燃焼室３ｃから排出された排ガスは、メイン通路５ａに配置した過給機８を介して酸化触媒１６に流入し、排ガス中のＨＣおよびＣＯが酸化触媒１６で酸化される。その後、排ガスはＮＯｘ吸収触媒１７に流入し、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸収触媒１７に吸収される。
【００３２】
一方、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行する場合には、空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に制御する。具体的には、スロットル弁開度ＴＨを通常時よりも減少させることによって吸入空気量を低減するとともに、燃料噴射量を増加させる。これにより、排ガス中に未燃成分が含まれるようになり、この未燃成分がＮＯｘ吸収触媒１７に還元剤として供給され、通常時に吸収されたＮＯｘが排ガス中の未燃成分と反応することによって還元され、ＮＯｘ吸収触媒１７が再生される。
【００３３】
また、還元剤の供給中、排気通路切替弁１９ａを図１の２点鎖線位置に駆動することにより、排気通路をバイパス通路１８側に切り替える。これにより、未燃成分を含んだ排ガスは、メイン通路５ａに配置された過給機８および酸化触媒１６を通ることなく、バイパス通路１８を介してＮＯｘ吸収触媒１７に流入する。このため、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生中に、未燃成分が過給機８に付着するのを防止でき、それにより、未燃成分の付着に起因する過給機８の可動部分の固着を防止でき、したがって、過給機８の性能を十分に発揮させることができる。また、再生中、過給機８への未燃成分の付着が防止されることにより、還元剤としての未燃成分をＮＯｘ吸収触媒１７に十分に供給でき、その結果、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を良好に行うことができる。さらに、再生中、未燃成分を含んだ排ガスは、過給機８だけでなく、酸化触媒１６もバイパスするので、還元剤としての未燃成分が酸化触媒１６によって酸化されるのを回避でき、したがって、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を良好に行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行しない通常時には、排気通路をメイン通路５ａ側になるように排気通路切替弁１９の動作を制御しているが、これに限らず、排気通路をメイン通路５ａ側とバイパス通路１８側の中間位置になるように排気通路切替弁１９の動作を制御してもよい。また、実施形態では、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生の実行の可否を、エンジン３の運転状態および運転時間によって判定しているが、これに限らず、例えばＮＯｘ吸収触媒１７の再生後における、車両の走行距離や排ガス量の積算値などを用いて判定してもよい。また、本発明は、車両に搭載した内燃機関に限らず、クランクシャフトを鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンなどを含む、様々な産業用の内燃機関に適用することが可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】排ガス浄化装置の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  排ガス浄化装置
２  ＥＣＵ（排気通路制御手段）
３  エンジン
３ｃ  燃焼室
５  排気管（排気系）
５ａ  メイン通路
６  インジェクタ（還元剤供給手段）
８  過給機
１６  酸化触媒
１７  ＮＯｘ吸収触媒
１８  バイパス通路
１９ａ  排気通路切替弁
１９ｂ  切替弁アクチュエータ（排気通路制御手段）    
【図１】
2006009637.tif 000003
【図２】
2006009637.tif 000004