(57)【要約】【課題】排気浄化システムの構成を簡略化させても、排気浄化性能を維持し、排気の熱を利用することができる内燃機関の排気浄化システムを提供する。【解決手段】排気通路１２と、排気通路１２に配置され、触媒により排気を浄化する浄化部１３と、浄化部１３よりも下流側において、排気通路１２に並列に接続されたバイパス路１４と、バイパス路１４に配置され、触媒が担持される熱交換部１５とを備えている。浄化部１３を通過した排気を排気通路１２に流入させる第１排気状態と、浄化部１３を通過した排気をバイパス路１４に流入させるとともに、バイパス路１４を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う第２排気状態と、浄化部１３を通過した排気をバイパス路１４に流入させるとともに、第２排気状態よりも、熱交換部１５における熱交換が抑制された第３排気状態とを切り換えて排気する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に配置され、触媒により排気を浄化する浄化部と、
前記浄化部よりも下流側において、前記排気通路に並列に接続されたバイパス路と、
前記バイパス路に配置され、触媒が担持されるとともに、前記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換させる熱交換部とを備え、
前記浄化部を通過した排気を前記排気通路における前記バイパス路に並列する部分に流入させる第１排気状態と、
前記浄化部を通過した排気を前記バイパス路に流入させるとともに、前記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う第２排気状態と、
前記浄化部を通過した排気を前記バイパス路に流入させるとともに、前記第２排気状態よりも、前記熱交換部における熱交換が抑制された第３排気状態とを切り換えて排気することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記内燃機関の始動直後の冷機時において、
始動からの所定期間は前記第３排気状態で排気し、前記所定期間が経過した後は前記第２排気状態で排気す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システム。
【請求項３】
前記所定期間は、前記浄化部の温度が予め設定された所定温度となるまでの期間であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記浄化部を通過した排気の流入先を、前記排気通路と前記バイパス路との間で切り換える切換部と、
前記熱交換部を流れる前記熱媒体の流量を調整する流量調整部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示される排気浄化装置は、内燃機関に接続された排気通路と、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を備えている。排気通路の下流側部分には、メイン触媒が設けられている。また、バイパス通路には、サブ触媒が設けられるとともに、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が設けられている。そして、内燃機関の冷機時に、メイン触媒が活性化していない場合には、バイパス通路にすべての排気を流入させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９２１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、内燃機関の排気浄化システムに関するものであり、その目的は、排気浄化システムの構成を簡略化させても、排気浄化性能を維持し、排気の熱を利用することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための本発明の排気浄化システムは、内燃機関に接続された排気通路と、上記排気通路に配置され、触媒により排気を浄化する浄化部と、上記浄化部よりも下流側において、上記排気通路に並列に接続されたバイパス路と、上記バイパス路に配置され、触媒が担持されるとともに、上記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換させる熱交換部とを備え、上記浄化部を通過した排気を上記排気通路における上記バイパス路に並列する部分に流入させる第１排気状態と、上記浄化部を通過した排気を上記バイパス路に流入させるとともに、上記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う第２排気状態と、上記浄化部を通過した排気を上記バイパス路に流入させるとともに、上記第２排気状態よりも、上記熱交換部における熱交換が抑制された第３排気状態とを切り換えて排気する。
【０００６】
上記構成によれば、触媒が担持された熱交換部を用いることで排気システムの構成を簡略化できる。そして、排気浄化システムの構成を簡略化させても、内燃機関の状態等に応じて、第１排気状態、第２排気状態、第３排気状態を切り換えて排気することにより、排気浄化性能を維持し、排気の熱を効率的に利用することができる。
【０００７】
例えば、上記内燃機関の始動直後の冷機時において、始動からの所定期間は上記第３排気状態で排気し、上記所定期間が経過した後は上記第２排気状態で排気する。上記所定期間は、例えば、上記浄化部の温度が予め設定された所定温度となるまでの期間である。
【０００８】
この場合には、始動からの所定期間を第３排気状態で排気することにより、低温であることにより触媒が十分に活性化していない状態であっても、浄化部及び触媒が担持された熱交換部の複数箇所で排気の浄化が行われることで、排気浄化性能の低下を抑制することができる。このとき、熱交換部における熱交換が抑制されていることにより、熱交換部に担持された触媒の温度が上がりやすくなり、同触媒を速やかに活性化させて排気浄化性能を高めることができる。
【０００９】
そして、所定期間が経過すると、浄化部の温度が上昇して、浄化部において、ある程度の排気浄化性能が確保されるようになる。ここで、排気状態を第２排気状態として、熱交換部における熱交換を積極的に行わせる。これにより、排気浄化性能を確保しつつ、排気の熱を内燃機関の暖機促進等に利用することができる。したがって、排気浄化システムの構成を簡略化させても、排気浄化性能を維持し、排気の熱を効率的に利用することができる。
【００１０】
本発明の上記排気浄化システムについて、上記浄化部を通過した排気の流入先を、上記排気通路と上記バイパス路との間で切り換える切換部と、上記熱交換部を流れる上記熱媒体の流量を調整する流量調整部とを備えることが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、簡易な構成及び簡易な制御で、第１排気状態、第２排気状態、及び第３排気状態を切り換えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の内燃機関の排気浄化システムによれば、排気システムの構成が簡略化でき、排気浄化性能を維持しつつ、排気の熱を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】内燃機関の排気浄化システムの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化システムの一実施形態について説明する。
図１に示すように、内燃機関１１に接続された排気通路１２の上流側部分には、浄化部１３が配置されている。浄化部１３は、触媒により排気を浄化する触媒体１３ａと、触媒体１３ａの下流側に設けられ、排気に含まれる微粒子を捕集するフィルタ１３ｂとを備えている。
【００１５】
触媒体１３ａは、内燃機関１１からの排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を酸化還元により浄化する三元触媒と、三元触媒を担持する基材とを備えている。三元触媒は、貴金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の白金族金属）を含有する。三元触媒の担持量は特に限定されないが、基材の見掛けの体積（Ｌ）に対して、０．１〜２０ｇ／Ｌであることが好ましく、０．５〜１５ｇ／Ｌであることがより好ましい。
【００１６】
基材としては、例えば、内部を複数のセルに区画する断面ハニカム形状の壁部を有するハニカム構造体を用いることができる。基材は、その構成成分として、例えば、セリア−ジルコニア複合酸化物（以下、「ＣＺ複合酸化物」ともいう。）、コージェライト、アルミナ及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれるセラミックスを含有する。なお、コージェライトを基材の構成成分とした時には、壁部に上記貴金属を担持したＣＺ複合酸化物等をコーティングすることになる。
【００１７】
これらの中でも、ＣＺ複合酸化物を構成成分とする基材であることが好ましい。ＣＺ複合酸化物を用いた場合には、コーティングする必要がないため、ハニカム構造体としての熱容量が小さくなり、触媒体１３ａの内部温度が上昇しやすくなる。
【００１８】
ＣＺ複合酸化物は、セリアを１０質量％以上含むことが好ましく、２０質量％以上含むことがより好ましい。また、セリアを７０質量％以下含むことが好ましく、６０質量％以下含むことがより好ましい。セリアを１０質量％以上含むことで、排気中の酸素の吸蔵放出能が高くなり、７０質量％以下とすることで熱耐久性が高くなる。
【００１９】
ＣＺ複合酸化物は、セリウム以外の希土類元素から選択される元素をさらに含んでいてもよい。希土類元素としては、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）などが挙げられる。
【００２０】
また、ＣＺ複合酸化物を構成成分とする基材は、アルミナ粒子を含有するものであることが好ましい。アルミナ粒子を含有させることにより、三元触媒を構成する貴金属が担持されやすくなるとともに、基材の機械的強度を向上させることができる。アルミナ粒子の種類としては、特に限定されないが、θ相のアルミナ（以下、「θ−アルミナ」ともいう。）、γ相のアルミナ（以下、「γ−アルミナ」ともいう）を用いることが好ましい。θ−アルミナは、１０００℃程度の高温に曝されても相転移が抑制されるため、θ−アルミナを基材の構成成分に用いることにより、高温状態における触媒体１３ａの機械的強度も向上する。γ−アルミナは比表面積が高く、三元触媒を構成する貴金属を高分散させることができる。基材におけるアルミナ粒子の含有量は特に限定されないが、基材に対して、１０〜６０質量％含有していることが好ましい。
【００２１】
また、基材において、ＣＺ複合酸化物やアルミナ粒子は、無機バインダにより接合される。この無機バインダとしては、例えば、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト、アタパルジャイト、ベントナイト、ベーマイトに含まれる固形分を用いることができる。
【００２２】
フィルタ１３ｂは、内燃機関１１からの排気に含まれる微粒子を捕集するフィルタ（ＧＰＦ）である。
排気通路１２における浄化部１３の下流側には、バイパス路１４が排気通路１２に並列に接続されている。バイパス路１４には、熱交換部１５が配置されている。熱交換部１５には、熱媒体流路１６が接続されており、熱媒体流路１６を流れる熱媒体が熱交換部１５の内部を流通する。熱交換部１５は、熱媒体が熱交換部１５の内部を流通する際に、バイパス路１４を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う。
【００２３】
熱交換部１５を通過した熱媒体は、内燃機関１１や暖房装置等に導入される。また、熱媒体流路１６には、熱媒体流路１６及び熱交換部１５を流れる熱媒体の流量を調整するポンプ等の流量調整部１７が設けられている。流量調整部１７は、制御部１８からの信号に基づいてその動作が制御されている。
【００２４】
熱交換部１５は、排気が流れる通路の表面に触媒が担持された触媒付きの熱交換器により構成されている。触媒付きの熱交換器としては、セラミック製のハニカム構造体を用いた触媒付きの熱交換器を用いることが好ましい。上記ハニカム構造体を構成するセラミックとしては、例えば、炭化珪素、シリコンを含浸させた炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられ、これらのなかでもシリコンを含浸させた炭化珪素が特に好ましい。シリコンを含浸させることで緻密体とし、排気と熱媒体を隔絶することができる。
【００２５】
また、熱交換部１５に用いられる触媒は、内燃機関１１からの排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を酸化還元により浄化する三元触媒であり、触媒体１３ａに用いられる三元触媒と同じである。
【００２６】
排気通路１２とバイパス路１４との間の上流側の接続部分には、浄化部１３を通過した排気の流入先を、排気通路１２の下流側部分とバイパス路１４との間で切り換える切換部１９が設けられている。切換部１９は、制御部１８からの信号に基づいてその動作が制御されている。
【００２７】
本実施形態の内燃機関の排気浄化システムは、排気態様の異なる第１排気状態、第２排気状態、及び第３排気状態を有しており、制御部１８が流量調整部１７及び切換部１９の動作を制御することによって、これらの排気状態が変更されるように構成されている。
【００２８】
第１排気状態は、内燃機関１１からの排気が、浄化部１３を通過した後、排気通路１２におけるバイパス路１４に並列する部分を通過して排出される排気状態であり、圧力損失の低い排気状態である。このとき、制御部１８は、浄化部１３を通過した排気が、排気通路１２におけるバイパス路１４に並列する部分に流入するように切換部１９を制御する。
【００２９】
第２排気状態は、浄化部１３を通過した排気が、バイパス路１４を通過して排出されるとともに、バイパス路１４を通過する排気と熱媒体との間の熱交換行う排気状態であり、排気の熱を利用する排気状態である。このとき、制御部１８は、浄化部１３を通過した排気が、バイパス路１４に流入するように切換部１９を制御するとともに、熱交換部１５を流れる熱媒体の流量が所定値以上となるように流量調整部１７を制御する。
【００３０】
第３排気状態は、浄化部１３を通過した排気が、バイパス路１４を通過して排出されるとともに、バイパス路１４を通過する排気と熱媒体との間の熱交換を抑制した排気状態であり、触媒による排気の浄化性能が高い排気状態である。このとき、制御部１８は、浄化部１３を通過した排気が、バイパス路１４に流入するように切換部１９を制御するとともに、熱交換部１５を流れる熱媒体の流量が所定値未満となるように流量調整部１７を制御する。なお、熱交換部１５を流れる熱媒体の流量を零とする、すなわち熱媒体の流通を停止してもよい。
【００３１】
以下、本実施形態の内燃機関の排気浄化システムによる排気の態様を、その作用とともに説明する。
まず、内燃機関１１の始動直後の冷機時において、内燃機関１１の始動からの所定期間は、第３排気状態で排気する。内燃機関１１の始動直後は、低温状態であるために、浄化部１３の触媒体１３ａの触媒が十分に活性化していない可能性がある。そのため、第３排気状態として、浄化部１３を通過した排気をバイパス路１４に流入させて、浄化部１３の触媒体１３ａ及び熱交換部１５の二箇所で触媒による排気の浄化を行うことによって、内燃機関１１の始動直後でも排気浄化性能を向上させる。
【００３２】
また、第３排気状態においては、熱交換部１５における熱媒体との間の熱交換が抑制されていることにより、熱交換部１５の触媒の温度が上がりやすくなっている。これにより、熱交換部１５の触媒が速やかに活性化されて、熱交換部１５における排気浄化性能も速やかに高められる。
【００３３】
なお、上記の所定期間は、浄化部１３の触媒体１３ａの温度が、触媒が活性化する温度に基づく所定温度となるまでの期間である。所定期間は、適宜設定することができる。例えば、触媒体１３ａに温度センサを設けて、この温度センサにより検出される温度が上記所定温度に達するまでの期間を所定期間として設定することができる。また、予備試験として、内燃機関１１の始動後、触媒体１３ａの温度が上記所定温度に達するまでの時間を測定しておき、内燃機関１１の始動から上記測定値に基づく特定時間が経過するまでの期間を所定期間として設定することができる。
【００３４】
次に、所定期間が経過した後、第３排気状態から第２排気状態に切り換える。これにより、浄化部１３を通過した排気がバイパス路１４に流入する状態は維持され、熱交換部１５における、バイパス路１４を通過する排気と熱媒体との間の熱交換が積極的に行われるようになる。そして、熱交換部１５において熱媒体に回収された排気の熱は、内燃機関１１の暖機促進等に利用される。
【００３５】
所定期間の経過後は、浄化部１３の触媒体１３ａの温度の上昇に基づいて、触媒体１３ａの触媒が活性化されて、触媒体１３ａにおける排気浄化性能が高まっている。そのため、熱交換部１５における熱媒体との間の熱交換により、熱交換部１５の温度が低下して、熱交換部１５の触媒による排気浄化性能が低下しても、システム全体としての排気浄化性能は確保される。すなわち、浄化部１３の触媒体１３ａの温度が高められることを待ってから、熱交換部１５における熱媒体との間の実質的な熱交換を開始することにより、内燃機関１１の始動直後の冷機時における排気浄化性能の向上と排気の熱の効率的な利用とを両立させている。
【００３６】
そして、内燃機関１１が暖機された後は、内燃機関１１の駆動状況等に応じて、圧力損失の低い第１排気状態と、熱交換部１５において回収した熱を利用する第２排気状態とを適宜、切り換えながら排気を行う。
【００３７】
次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関に接続された排気通路と、排気通路に配置され、触媒により排気を浄化する浄化部と、浄化部よりも下流側において、排気通路に並列に接続されたバイパス路と、バイパス路に配置され、触媒が担持されるとともに、バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換させる熱交換部とを備えている。浄化部を通過した排気を排気通路におけるバイパス路に並列する部分に流入させる第１排気状態と、浄化部を通過した排気をバイパス路に流入させるとともに、バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う第２排気状態と、浄化部を通過した排気をバイパス路に流入させるとともに、第２排気状態よりも、熱交換部における熱交換が抑制された第３排気状態とを切り換えて排気する。
【００３８】
上記構成によれば、触媒が担持された熱交換部を用いることで排気システムの構成を簡略化できる。また、排気態様の異なる第１排気状態、第２排気状態、及び第３排気状態を有しており、内燃機関の駆動状況等に応じて、適切な排気状態が選択されることにより、排気浄化システムの構成を簡略化させても、排気浄化性能を維持し、排気の熱を内燃機関の暖機促進等に利用することができる。
【００３９】
（２）内燃機関の始動直後の冷機時において、始動からの所定期間は第３排気状態で排気し、所定期間が経過した後は第２排気状態で排気する。
上記構成によれば、内燃機関の始動直後の冷機時において、排気浄化性能の低下の抑制と、排気の熱を利用した内燃機関の暖機時間の短縮とを両立させることができる。
【００４０】
（３）浄化部を通過した排気の流入先を、排気通路とバイパス路との間で切り換える切換部と、熱交換部を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整部とを備えている。
上記構成によれば、簡易な構成及び簡易な制御で、第１排気状態、第２排気状態、及び第３排気状態を切り換えることができる。
【００４１】
（４）浄化部の触媒体は、三元触媒と、三元触媒を担持する基材とを備えている。基材は、内部を複数のセルに区画する断面ハニカム形状の壁部を有するハニカム構造体であり、ＣＺ複合酸化物を構成成分とする。
【００４２】
上記構成によれば、熱容量が小さいＣＺ複合酸化物の性質に基づいて、ハニカム構造体の内部温度が上昇しやすくなる。これにより、内燃機関の始動直後の冷機時において、ハニカム構造体に担持された三元触媒を速やかに活性化させて排気浄化性能を高めることができる。
【００４３】
本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。
・浄化部について、フィルタは、触媒体と同様の三元触媒による浄化作用を発揮するフィルタであってもよい。また、浄化部は、２以上の触媒体を備える構成であってもよいし、フィルタを省略して、触媒体のみを備える構成であってもよい。複数の触媒体及びフィルタから構成される浄化部とした場合、各触媒体及びフィルタの配置順は特に限定されるものではない。
【００４４】
・排気通路とバイパス路との間の下流側の接続部分よりも下流に、触媒による浄化作用を発揮するフィルタや微粒子を捕集するフィルタを更に配置してもよい。
・浄化部の触媒体に用いられる触媒と熱交換部に用いられる触媒は、異なっていてもよい。
【００４５】
・第３排気状態に切り換える状況は、内燃機関の始動直後の冷機時のみに限られるものではなく、触媒による排気の浄化性能を高めたい場合には、適宜、第３排気状態とすることができる。
【００４６】
・内燃機関の始動後、すぐに浄化部の触媒体の温度が、上記所定温度以上である場合又は上記所定温度以上とみなされる場合には、第３排気状態を経ることなく最初から第２排気状態としてもよい。
【００４７】
次に、上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について、以下に記載する。
（イ）内燃機関に接続された排気通路と、前記排気通路に配置され、触媒により排気を浄化する浄化部と、前記浄化部よりも下流側において、前記排気通路に並列に接続されたバイパス路と、前記バイパス路に配置され、触媒が担持されるとともに、前記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換させる熱交換部とを備え、前記浄化部を通過した排気を前記排気通路における前記バイパス路に並列する部分に流入させる第１排気状態と、前記浄化部を通過した排気を前記バイパス路に流入させるとともに、前記バイパス路を通過する排気と熱媒体との間で熱交換を行う第２排気状態と、前記浄化部を通過した排気を前記バイパス路に流入させるとともに、前記第２排気状態よりも、前記熱交換部における熱交換が抑制された第３排気状態とを切り換えて排気することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【００４８】
（ロ）前記浄化部を通過した排気の流入先を、前記排気通路と前記バイパス路との間で切り換える切換部と、前記熱交換部を流れる前記熱媒体の流量を調整する流量調整部と、前記切換部及び前記流量調整部を制御する制御部とを備える前記内燃機関の排気浄化装置。
【符号の説明】
【００４９】
１１…内燃機関、１２…排気通路、１３…浄化部、１３ａ…触媒体、１３ｂ…フィルタ、１４…バイパス路、１５…熱交換部、１６…熱媒体流路、１７…流量調整部、１８…制御部、１９…切換部。
【図１】
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