(57)【要約】【課題】エンジンの排気管に配設された触媒コンバータの活性低下を抑制する。【解決手段】触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満のときに、その排気上流に位置する排気管２６を開閉する排気シャッタ４４を閉じると共に、排気の少なくとも一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置５２のＥＧＲバルブ５６を全開にする。そして、エンジン１０から排出された排気を、排気マニフォールド２４，ＥＧＲ装置５２のＥＧＲパイプ５４，サージタンク２２及び吸気マニフォールド１２を経てエンジン１０の燃焼室へと還流させる。このようにすれば、触媒コンバータに流入する低温の排気が少なくなり、その活性低下を抑制することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に配設される触媒コンバータと、
前記触媒コンバータの排気上流に位置する排気管を開閉する排気シャッタと、
前記触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満のときに、前記排気シャッタにより排気管を閉塞すると共に、排気の少なくとも一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲバルブを全開させる制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
エンジンの吸気管を開閉する吸気スロットルを備え、
前記制御手段は、前記触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満のときに、さらに、前記吸気スロットルにより吸気管を閉塞することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記吸気スロットルの吸気上流に位置する吸気管にコンプレッサが配設される一方、前記排気シャッタの排気上流に位置する排気管にタービンが配設されたターボチャージャを備えるものにあっては、
前記コンプレッサの吸気上流及び吸気下流に位置する吸気管を相互に連通接続するリサーキュレーション通路に配設された常閉式のリサーキュレーションバルブを備え、
前記制御手段は、さらに、前記コンプレッサにサージングが発生するエンジン運転領域であるときに、前記リサーキュレーションバルブによりリサーキュレーション通路を開通させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
エンジンの回転速度を検出する回転速度センサと、
エンジンの負荷を検出する負荷センサと、
を備え、
前記制御手段は、エンジンの回転速度及び負荷に応じたサージング発生領域が設定された第１のマップを参照し、前記回転速度センサ及び負荷センサにより夫々検出されたエンジンの回転速度及び負荷に基づいて、前記コンプレッサにサージングが発生するエンジン運転領域であるか否かを判定することを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒コンバータの排気上流における排気の温度を測定する排気温度センサを備え、
前記制御手段は、前記排気温度センサにより測定された排気の温度を触媒コンバータに流入する排気の温度であるとみなすことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項６】
エンジンの回転速度を検出する回転速度センサと、
エンジンの負荷を検出する負荷センサと、
を備え、
前記制御手段は、エンジンの回転速度及び負荷に応じた温度特性が設定された第２のマップを参照し、前記回転速度センサ及び負荷センサにより夫々検出されたエンジンの回転速度及び負荷に基づいて、前記触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満であるか否かを判定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気シャッタとして排気ブレーキ装置の排気シャッタを流用したものにあっては、
前記制御手段は、前記排気ブレーキ装置が非作動中であるときのみ、前記排気シャッタにより排気管を閉塞すると共に、前記ＥＧＲ装置のＥＧＲバルブを全開させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒コンバータにより排気中の有害物質を浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中の有害物質を浄化する排気浄化装置として、特許第２７２２９９０号公報（特許文献１）に記載されるように、排気管に触媒コンバータを配設したものが実用化されている。触媒コンバータは、担体に担持される触媒成分（活性成分及び添加成分）が昇温して活性化することで、排気中の有害物質を化学反応により無害物質に浄化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７２２９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、減速時やアイドリング時のような排気温度が低い状態が続くと、排気に晒されている触媒成分の活性が低下し、有害物質の浄化効率が低下してしまうおそれがあった。また、触媒成分の温度を上昇させるために、例えば、排気中に炭化水素としての燃料を添加することも考えられるが、燃料消費量が増えることで燃費が低下してしまうおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、排気温度が触媒活性温度（触媒成分が活性する温度）より低いときには、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を利用して排気を吸気系に還流させることで、触媒コンバータに流入する排気を少なくし、その活性低下を抑制した排気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】
【０００６】
このため、本発明に係る排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設される触媒コンバータと、触媒コンバータの排気上流に位置する排気管を開閉する排気シャッタと、触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満のときに、排気シャッタにより排気管を閉塞すると共に、排気の少なくとも一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲバルブを全開させる制御手段と、を含んで構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、触媒コンバータに流入する排気の温度が触媒活性温度未満であれば、その排気上流に位置する排気管が閉塞されると共に、排気の少なくとも一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲバルブが全開にされる。このため、エンジンから排出された排気は、排気管が閉塞されていることからその排気下流へと流れず、例えば、排気マニフォールド，ＥＧＲパイプ，サージタンク及び吸気マニフォールドを通ってエンジンの燃焼室へと還流される。従って、触媒コンバータに流入する低温の排気が少なくなり、その活性低下が抑制されることから、ＮＯ浄化効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用した排気浄化装置の一実施形態を示す構成図
【図２】コントロールユニットで実行される制御プログラムのフローチャート
【図３】エンジン運転状態に応じた温度特性が設定されたマップの説明図
【図４】吸気及び排気の還流状態の説明図
【図５】エンジン運転状態に応じたサージング発生領域が設定されたマップの説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択還元浄化する排気浄化装置に対して、本発明を適用した一実施形態を示す。
【００１０】
エンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気脈動を平滑化するサージタンク２２がこの順番で配設される。一方、エンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）へと酸化させる第１の酸化触媒コンバータ２８，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル３０，アンモニアの供給を受けてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒コンバータ３２，アンモニアを酸化させる第２の酸化触媒コンバータ３４がこの順番で配設される。ここで、吸気マニフォールド１２，吸気管１４及びサージタンク２２が吸気系の一例として挙げられる。
【００１１】
還元剤タンク３６に貯蔵される尿素水溶液は、コンピュータを内蔵した添加コントロールユニット３８により電子制御される還元剤添加ユニット４０を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤添加ユニット４０は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵されたものであるが、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。
【００１２】
そして、添加コントロールユニット３８は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液が噴射ノズル３０から噴射供給されるように、還元剤添加ユニット４０のポンプ及び流量制御弁を電子制御する。
【００１３】
かかる排気浄化装置において、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を利用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒コンバータ３２において排気中のＮＯｘと選択的に還元反応し、無害な水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＳＣＲ触媒コンバータ３２におけるＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、第１の酸化触媒コンバータ２８によりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が選択還元反応に適したものに改善される。一方、ＳＣＲ触媒コンバータ３２を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された第２の酸化触媒コンバータ３４により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが抑制される。
【００１４】
ＳＣＲ触媒コンバータ３２の排気上流、具体的には、第１の酸化触媒コンバータ２８と噴射ノズル３０との間に位置する排気管２６には、ＳＣＲ触媒コンバータ３２の触媒温度を間接的に測定すべく、排気温度Ｔを測定する排気温度センサ４２が取り付けられる。ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂの排気下流、具体的には、タービン１８Ｂと第１の酸化触媒コンバータ２８との間に位置する排気管２６には、排気通路を開閉する排気シャッタ４４が配設される。ここで、排気シャッタ４４としては、トラックやバスなどの商用車に搭載されている排気ブレーキ装置の排気シャッタを流用するものとする。
【００１５】
吸気マニフォールド１２の吸気上流、具体的には、インタークーラ２０とサージタンク２２との間に位置する吸気管１４には、吸気通路の開口面積を全閉から全開の範囲で開閉する吸気スロットル４６が配設される。また、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａの吸気上流及び吸気下流に位置する吸気管１４を相互に連通接続するリサーキュレーション通路４８が形成され、ここに常閉式のリサーキュレーションバルブ５０が配設される。
【００１６】
さらに、エンジン１０には、不活性ガスとしての排気の少なくとも一部を吸気系に還流し、燃焼温度の低下を通してＮＯｘの排出量を低減するＥＧＲ装置５２が取り付けられる。ＥＧＲ装置５２は、排気マニフォールド２４とサージタンク２２の吸気上流に位置する吸気管１４とを連通接続するＥＧＲパイプ５４と、その通路面積を全閉から全開の範囲で開閉するＥＧＲバルブ５６と、を含んで構成される。
【００１７】
排気シャッタ４４，吸気スロットル４６，リサーキュレーションバルブ５０及びＥＧＲバルブ５６の作動を制御するために、コンピュータを内蔵したコントロールユニット５８が備えられる。また、コントロールユニット５８には、排気温度センサ４２の測定信号に加え、エンジン１０の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ６０，エンジン１０の負荷Ｑを検出する負荷センサ６２，排気ブレーキ装置を作動させるときに操作する排気ブレーキスイッチ６４の各信号が入力される。ここで、エンジン１０の負荷Ｑとしては、燃料噴射量，吸気流量，過給圧力，アクセル開度などトルクと密接に関連するものを利用することができる。そして、コントロールユニット５８は、ＲＯＭなどに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度Ｔ，回転速度Ｎｅ，負荷Ｑ及び排気ブレーキ装置の作動状態に応じて、排気シャッタ４４，吸気スロットル４６，リサーキュレーションバルブ５０及びＥＧＲバルブ５６を電子制御する。なお、排気シャッタ４４，吸気スロットル４６及びＥＧＲバルブ５６は、コントロールユニット５８による電子制御に加え、図示しないエンジンコントロールユニットなどによっても電子制御されている。
【００１８】
図２は、エンジン１０が始動されたことを契機として、コントロールユニット５８が所定時間ごとに繰り返し実行する制御プログラムの内容を示す。なお、コントロールユニット５８は、制御プログラムを実行することで、制御手段を具現化する。
【００１９】
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、排気温度センサ４２により測定された排気温度Ｔが触媒活性温度未満であるか否かを判定する。ここで、「触媒活性温度」とは、ＳＣＲ触媒コンバータ３２の触媒成分が活性化する温度のことをいう。そして、排気温度Ｔが触媒活性温度未満であれば処理をステップ２へと進める一方（Ｙｅｓ）、排気温度Ｔが触媒活性温度以上であれば処理を終了させる（Ｎｏ）。
【００２０】
なお、排気温度Ｔが触媒活性温度未満であるか否かは、図３に示すように、エンジン１０の回転速度及び負荷に応じた温度特性が設定されたマップを参照し、回転速度センサ６０及び負荷センサ６２により夫々検出された回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに基づいて判定するようにしてもよい。
【００２１】
ステップ２では、排気ブレーキスイッチ６４からのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、排気ブレーキ装置が非作動中であるか否かを判定する。そして、排気ブレーキ装置が非作動中であれば処理をステップ３へと進める一方（Ｙｅｓ）、排気ブレーキ装置が作動中であれば処理を終了させる（Ｎｏ）。
【００２２】
ステップ３では、排気管２６を閉塞させるべく、排気シャッタ４４を閉じる。
ステップ４では、ＥＧＲパイプ５４を開通させるべく、ＥＧＲバルブ５６を全開させる。
【００２３】
ステップ５では、吸気管１４を閉塞させるべく、吸気スロットル４６を全閉させる。
ステップ６では、回転速度センサ６０及び負荷センサ６２により夫々検出された回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに基づいて、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａにサージングが発生するエンジン運転領域であるか否かを判定する。即ち、排気シャッタ４４を閉じ、ＥＧＲバルブ５６を全開し、かつ、吸気スロットル４６を全閉すると、図４に示すように、エンジン１０から排出される排気は、排気マニフォールド２４，ＥＧＲパイプ５４，サージタンク２２及び吸気マニフォールド１２を経てエンジン１０の燃焼室へと還流される。この場合、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａに吸気が流れると、吸気スロットル４６が閉じられていることから、その行き場がなくなってサージングが発生してしまう。そこで、図５に示すように、エンジン１０の回転速度及び負荷に応じたサージング発生領域が設定されたマップを参照し、回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑにより特定されるエンジン運転状態がサージング発生領域にあるか否かを介して、コンプレッサ１８Ａにサージングが発生するエンジン運転領域であるか否かを判定する。そして、コンプレッサ１８Ａにサージングが発生するエンジン運転領域であれば処理をステップ７へと進める一方（Ｙｅｓ）、コンプレッサ１８Ａにサージングが発生するエンジン運転領域でなければ処理を終了させる（Ｎｏ）。
【００２４】
ステップ７では、リサーキュレーション通路４８を開通させるべく、リサーキュレーションバルブ５６を開く。
このような排気浄化装置によれば、ＳＣＲ触媒コンバータ３２に流入する排気温度Ｔが触媒活性温度未満であり、かつ、排気ブレーキ装置が非作動中であれば、排気シャッタ４４及び吸気スロットル４６が閉じられると共に、ＥＧＲバルブ５６が開かれる。このため、エンジン１０から排出された排気は、排気シャッタ４４が閉じられていることからその排気下流へと流れず、図４に示すように、排気マニフォールド２４，ＥＧＲパイプ５４，サージタンク２２及び吸気マニフォールド１２を通ってエンジン１０の燃焼室へと還流される。また、吸気管１４に対するＥＧＲパイプ５４の接続箇所より吸気上流に配設された吸気スロットル４６が閉じられるので、エンジン１０には新気が導入されず、還流する排気の増加を抑制することができる。従って、ＳＣＲ触媒コンバータ３２に流入する低温の排気が少なくなり、その活性低下が抑制されることから、ＮＯ浄化効率の低下を抑制することができる。
【００２５】
さらに、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａにサージングが発生するエンジン運転領域にあるとき、コンプレッサ１８Ａの排気上流及び排気下流に位置する吸気管１４を相互に連通接続するリサーキュレーション通路４８が開通するので、コンプレッサ１８Ａを通過した吸気は、図４に示すように、リサーキュレーション通路４８を通って、コンプレッサ１８Ａの吸気上流に還流される。このため、吸気スロットル４６を閉じることで発生するサージングを回避することができる。
【００２６】
なお、排気ブレーキ装置を搭載していないときには、図２に示すフローチャートにおいて、排気ブレーキ装置が非作動中であるか否かを判定する必要がない。また、吸気スロットル４６，リサーキュレーション通路４８及びリサーキュレーションバルブ５０は必須の構成要件ではなく、これらを適宜省略してもよい。さらに、触媒コンバータとしては、ＳＣＲ触媒コンバータ３２に限らず、担体に触媒成分が担持されているＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst），三元触媒，連続再生式ＤＦＰ（Diesel Particulate Filter）などであってもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０    エンジン
１２    吸気マニフォールド
１４    吸気管
１８    ターボチャージャ
１８Ａ  コンプレッサ
１８Ｂ  タービン
２２    サージタンク
２６    排気管
３２    ＳＣＲ触媒コンバータ
４２    排気温度センサ
４４    排気シャッタ
４６    吸気スロットル
４８    リサーキュレーション通路
５０    リサーキュレーションバルブ
５２    ＥＧＲ装置
５４    ＥＧＲパイプ
５６    ＥＧＲバルブ
５８    コントロールユニット
６０    回転速度センサ
６２    負荷センサ
６４    排気ブレーキスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011069322.tif 000006
【図５】
2011069322.tif 000007