(57)【要約】【課題】本発明は、排気浄化触媒と、該排気浄化触媒を加熱するための加熱装置と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ、該排気浄化触媒を速やかに活性温度以上へ昇温させることを課題とする。【解決手段】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配置され、前段触媒と後段触媒とに分割される排気浄化触媒と、前記前段触媒と前記後段触媒との間の前記排気通路に配置される加熱装置と、を備える。そして、前記前段触媒と前記後段触媒とは、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、分割されるようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位量あたりの熱容量が同等となる前段触媒と後段触媒とに分割されて、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒であって、前記内燃機関の総排気量に対する該排気浄化触媒の容量の比率が２．０以上３．０以下になるように形成される排気浄化触媒と、
前記前段触媒と前記後段触媒との間の前記排気通路に配置される加熱装置と、を備え、
前記前段触媒と前記後段触媒とは、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、分割される、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前段触媒とＰＭ捕集機能を有する後段触媒とに分割されて内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒であって、前記内燃機関の総排気量に対する該排気浄化触媒の容量の比率が２．０以上３．０以下になるように形成される排気浄化触媒と、
前記前段触媒と前記後段触媒との間の前記排気通路に配置される加熱装置と、を備え、
前記前段触媒と前記後段触媒とは、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．５以上１．７以下となるように、分割される、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し、特に、排気浄化触媒を加熱するための加熱装置を含む排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気に含まれる有害ガス成分を浄化する技術として、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を配置する技術が普及している。排気浄化触媒は、活性温度以上にあるときに排気中の有害ガス成分を浄化可能となるため、内燃機関が冷間始動された場合等のように排気浄化触媒の温度が活性温度より低い場合には、該排気浄化触媒を速やかに活性温度以上へ昇温させる必要がある。ところで、近年では、内燃機関の燃費向上技術の進歩により、排気温度が低下傾向にある。そのため、内燃機関が冷間始動された場合等に、排気の熱のみで排気浄化触媒を速やかに活性温度以上へ昇温させることが難しくなってきている。これに対し、排気浄化触媒の上流に電気加熱式のヒータを配置して、該ヒータによって排気浄化触媒へ流入する排気を加熱することで、排気浄化触媒の早期昇温を図る方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６９１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ヒータの下流に配置される排気浄化触媒の容量がある程度大きい場合において、排気浄化触媒の全体を活性温度以上へ昇温させるためには、ヒータによる排気浄化触媒の加熱時間が長くなる可能性がある。その場合、排気浄化触媒の下流側端部が活性温度以上へ昇温する前に、該排気浄化触媒の上流側端部が過昇温してしまう虞があり、それにより、排気浄化触媒の上流側端部が熱劣化する可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ、該排気浄化触媒を速やかに活性温度以上へ昇温させることできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するために、排気浄化触媒を単位量あたりの熱容量が同等となる前段触媒と後段触媒との２つに分割して、それら前段触媒と後段触媒との間に、加熱装置を配置するようした。そして、２つに分割される触媒は、内燃機関の総排気量に対する前段触媒の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、分割されるものとする。
【０００７】
詳細には、本発明は、単位量あたりの熱容量が同等となる前段触媒と後段触媒とに分割されて、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化触媒であって、前記内燃機関の総排気量に対する該排気浄化触媒の容量の比率が２．０以上３．０以下になるように形成される排気浄化触媒と、前記前段触媒と前記後段触媒との間の前記排気通路に配置される加熱装置と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。そして、前記前段触媒と前記後段触媒とは、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、分割されるようにした。ここでいう「内燃機関の総排気量」とは、気筒あたりの行程容積と気筒数との積である。
【０００８】
このように構成される内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が冷間始動された場合等のように、排気浄化触媒の温度が活性温度より低い場合に、加熱装置を作動させると、前段触媒が排気の熱を受けて昇温するとともに、後段触媒が加熱装置からの熱を受けて昇温することになる。ここで、内燃機関から排出される有害ガス成分の量は、該内燃機関の総排気量に依存する。そのため、排気浄化触媒の容量（前段触媒と後段触媒との総容量）は、内燃機関の総排気量に対する該排気浄化触媒の容量の比率が２．０から３．０となるように決定されるのが一般的である。このように構成される排気浄化触媒について本願発明者らが鋭意の実験及び検証を行った結果、内燃機関の総排気量に対する前段触媒の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、排気浄化触媒を前段触媒と後段触媒とに分割すると、それら前段触媒と後段触媒とが活性温度以上に昇温するまでにかかる時間を可及的に短くすることができるとの知見を得た。例えば、内燃機関の総排気量が２．０Ｌ（２０００ｃｃ）である場合には、前段触媒の容量を０．６Ｌ（６００ｃｃ）以上３．０Ｌ（３０００ｃｃ）に設定すれば、前段触媒と後段触媒とが活性温度以上に昇温するまでにかかる時間を可及的に短くすることができる。これにより、後段触媒の下流側端部が活性温度以上に昇温するまでにかかる時間も短くなるため、加熱装置による後段触媒の加熱時間を短く抑えることができる。その結果、後段触媒の下流側端部が活性温度以上へ昇温する前に、該後段触媒の上流側端部が過昇温し難くなる。したがって、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化触媒の過昇温を抑制しつつ、該排気浄化触媒の全体を活性温度以上まで可及的速やかに昇温させることが可能となる。
【０００９】
ここで、本発明に係る前段触媒と後段触媒とは、全く同じ触媒でなくともよく、例えば、前段触媒をＮＯＸ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ（NOX Storage Reduction）触媒）で形成し
、後段触媒を選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）で形成
してもよい。要するに、前段触媒と後段触媒とは、単位量あたりにおける熱容量が同等であればよい。なお、ここでいう「単位量あたりにおける熱容量が同等である」とは、前段触媒と後段触媒の単位量あたりにおける熱容量が全く同一である場合に限定されるものではなく、多少の差（例えば、ＮＳＲ触媒の単位量当たりにおける熱容量とＳＣＲ触媒の単位量あたりにおける熱容量との差程度）を含んでいてもよい。
【００１０】
また、後段触媒は、ＰＭ（Particulate Matter）捕集機能を有するように構成されてもよい。すなわち、後段触媒は、排気中のＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタに担持されるようにしてもよい。ここで、後段触媒がＰＭ捕集機能を有する場合は有さない場合に比べ、後段触媒の単位量あたりにおける熱容量が大きくなる。それに伴い、ＰＭ捕集機能を有する後段触媒の単位量あたりにおける熱容量は、ＰＭ捕集機能を有さない前段触媒の単位量あたりにおける熱容量よりも大きくなる。そのため、ＰＭ捕集機能を有する後段触媒における上流側端部の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の全体を活性温度以上まで可及的速やかに昇温させるためには、後段触媒がＰＭ捕集機能を有さない場合よりも後段触媒の容量を小さくするとともに前段触媒の容量を大きくする必要がある。これに対し、本願発明者らが鋭意の実験及び検証を行った結果、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．５以上１．７以下となるように、排気浄化触媒を前段触媒と後段触媒とに分割することで、後段触媒の上流側端部の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の全体を活性温度以上まで可及的速やかに昇温させることを見出した。よって、後段触媒がＰＭ捕集機能を有する場合（後段触媒の単位量あたりにおける熱容量が、前段触媒の単位量あたりにおける熱容量より大きい場合）には、前記内燃機関の総排気量に対する前記前段触媒の容量の比率が０．５以上１．７以下となるように、排気浄化触媒を前段触媒と後段触媒とに分割すればよい。
【００１１】
ここで、本発明に係る加熱装置は、排気の持つ熱エネルギ以外を利用して、後段触媒へ流入する排気を加熱する装置であり、例えば、電気エネルギを利用して排気を加熱する電
気加熱式のヒータや、燃料を燃焼させた際に発生する熱エネルギを利用して排気を加熱する燃焼式のヒータ等を用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ、該排気浄化触媒を速やかに活性温度以上へ昇温させることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
【図２】排気浄化触媒の比較例を示す図である。
【図３】第１の実施例における前段触媒容量比と活性時間との相関を示す図である。
【図４】第２の実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
【図５】第２の実施例における前段触媒容量比と活性時間との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１５】
＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１から図３に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
【００１６】
図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料として使用する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。この内燃機関１には、該内燃機関１の気筒内で燃焼されたガスを流通させるための排気通路２が接続される。排気通路２の途中には、排気浄化触媒３が配置される。排気浄化触媒３は、前段触媒３１と後段触媒３３とに分割された状態で、略筒状のケーシング内に収容されている。前段触媒３１と後段触媒３３とは、排気中に含まれるＮＯＸを還元する機能を備える触媒であり、例えば、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒等である。なお、前段触媒３１と後段触媒３３とは全く同じ触媒である必要はなく、単位量あたりにおける熱容量が略同等であれば、異なる種類の触媒で形成されてもよい。例えば、前段触媒３１をＮＳＲ触媒で形成するとともに、後段触媒３３をＳＣＲ触媒で形成してもよい。その場合、前段触媒３１と後段触媒３３との間に、後段触媒３３へアンモニア（ＮＨ３）又はＮＨ３の前駆体である添加剤を供給するための添加弁を設ければよい。
【００１７】
また、排気浄化触媒３は、前段触媒３１と後段触媒３３との間に配置される加熱装置３２を備えている。加熱装置３２は、図示しないバッテリから供給される電気エネルギを熱エネルギに変換することで、後段触媒３３へ流入する排気を加熱する電気加熱式のヒータであり、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４によって制御される。なお、加熱装置３
２としては、燃料を燃焼させることで熱エネルギを発生させる燃焼式のヒータを用いてもよい。
【００１８】
ＥＣＵ４は、内燃機関１が冷間始動された直後のように、排気浄化触媒３が活性温度より低いときに、バッテリから加熱装置３２へ電気エネルギを供給させることで、排気浄化触媒３の早期活性化を図る。ここで、本実施例の比較例を図２に示す。図２に示す比較例では、排気浄化触媒３０１が２つに分割されておらず、且つその排気浄化触媒３０１の上流に加熱装置３０２が配置される。図２に示す排気浄化触媒３０１の容量は、図１に示す前段触媒３１と後段触媒３３との総容量と同等であり、内燃機関１から排出されるＮＯＸの量に応じて決定されている。なお、内燃機関１から排出されるＮＯＸの量は、内燃機関１の総排気量（気筒あたりの行程容積と気筒数との積である）に依存するため、排気浄化
触媒３０１の容量は、例えば、内燃機関１の総排気量に対する排気浄化触媒３０１の容量の比率が凡そ２．０〜３．０となるように決定される。つまり、内燃機関１の総排気量が２．０Ｌ（２０００ｃｃ）である場合には、排気浄化触媒３０１の容量は凡そ４．０Ｌ（４０００ｃｃ）〜６．０Ｌ（６０００ｃｃ）の範囲で決定される。図２に示すような構成によれば、加熱装置３０２より下流に配置される排気浄化触媒３０１の容量が、本実施例における後段触媒３３の容量より大きくなるため、排気浄化触媒３０１の下流側端部が活性温度以上に昇温するまでにかかる時間（すなわち、加熱装置３０２による排気浄化触媒３０１の加熱時間）が長くなり易い。それにより、排気浄化触媒３０１の下流側端部が活性温度以上に昇温する前に、該排気浄化触媒３の上流側端部が過昇温し易く、それによって該上流側端部が熱劣化してしまう可能性がある。これに対し、本実施例の排気浄化触媒３は、図１に示すように、前段触媒３１と後段触媒３３とに分割されるとともに、それら前段触媒３１と後段触媒３３との間に加熱装置３２が配置されるため、上記の比較例に比べ、加熱装置３２の下流に配置される後段触媒３３の容量が小さくなる。その結果、加熱装置３２の作動が開始されてから後段触媒３３の下流側端部が活性温度以上に昇温するまでの時間を短くすることできる。それにより、後段触媒３３の上流側端部が過昇温することを抑制しつつ、後段触媒３３の全体を活性温度以上まで昇温させることが可能になる。
【００１９】
ところで、図１に示すように、排気浄化触媒３を前段触媒３１と後段触媒３３とに分割するとともに、それら前段触媒３１と後段触媒３３との間に加熱装置３２を配置すると、前段触媒３１が排気の熱エネルギのみで昇温させられることになる。ここで、前段触媒３１と後段触媒３３との総容量は、前述したように、内燃機関１の総排気量に応じて決定されるため、後段触媒３３の容量を小さくすると、それに伴って前段触媒３１の容量を大きくする必要がある。それにより、前段触媒３１の容量が過剰に大きくなると、該前段触媒３１の全体が活性するまでに時間がかかってしまい、排気浄化触媒３の全体が活性温度以上に昇温するまでに要する時間が却って長くなる可能性がある。これに対し、本願発明者らが鋭意の実験及び検証を行った結果、内燃機関１の総排気量に対する前段触媒３１の容量の比率が０．３以上１．５以下となるように、排気浄化触媒３が前段触媒３１と後段触媒３３とに分割されると、該排気浄化触媒３の全体を可及的速やかに活性温度以上まで昇温させることができるという知見を見出した。
【００２０】
図３は、内燃機関１の総排気量に対する排気浄化触媒３の容量（前段触媒３１と後段触媒３３との総容量）の比率が２．０〜３．０となるように、排気浄化触媒３が形成される場合における、内燃機関１の総排気量に対する前段触媒３１の容量の比率（前段触媒容量比）と排気浄化触媒３の全体が活性温度に昇温するまでに要する時間（活性時間）との相関を示す図である。図３中のｔ０は、加熱装置３２による後段触媒３３の加熱を行った際に、後段触媒３３における上流側端部の温度を適正な温度範囲に収めることができる最大の加熱時間からマージンを差し引いた時間であり、実験やシミュレーションの結果等に基づく適合作業によって定められる時間である。
【００２１】
図３に示すように、前段触媒容量比が０．３以上１．５以下となるように、排気浄化触媒３が前段触媒３１と後段触媒３３とに分割されると、排気浄化触媒３の全体が活性温度に昇温するまでにかかる時間を、上記の最大加熱時間ｔ０以下に抑えることができる。例えば、内燃機関１の総排気量が２．０Ｌ（２０００ｃｃ）である場合には、前段触媒３１の容量が０．６Ｌ（６００ｃｃ）〜３．０Ｌ（３０００ｃｃ）となるように、排気浄化触媒３を前段触媒３１と後段触媒３３とに分割すればよい。その際、前段触媒容量比が０．８近傍となるように、排気浄化触媒３が前段触媒３１と後段触媒３３とに分割されれば、排気浄化触媒３の全体が活性温度に昇温する時間を可及的に短くすることができる。その結果、後段触媒３３の上流側端部が加熱装置３２による加熱で過昇温することを抑制しつつ、排気浄化触媒３の全体を可及的速やかに活性温度に昇温させることが可能となる。
【００２２】
＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図４から図５に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００２３】
前述した第１の実施例では、前段触媒と後段触媒との各々が触媒機能のみを有する場合（すなわち、前段触媒と後段触媒との単位量あたりにおける熱容量が略同等である場合）について述べたが、本実施例では、前段触媒が触媒機能のみを有する一方で、後段触媒が触媒機能とＰＭ捕集機能（フィルタ機能）とを有する場合について述べる。
【００２４】
図４は、本実施例における内燃機関１の排気系の概略構成を示す図である。図４においては、前段触媒３１’は、ＮＳＲ触媒で構成される。一方、後段触媒３３’は、パティキュレートフィルタにＳＣＲ触媒が担持されて構成される。その場合、後段触媒３３’の容量は、該後段触媒３３’のパティキュレートフィルタが内燃機関１から排出されるＰＭを捕集可能な容量に設定する必要がある（例えば、内燃機関１の総排気量に対する後段触媒３３’の容量の比率が１．０以上となる容量）。このように構成される後段触媒３３’の単位量あたりにおける熱容量は、前述の後段触媒３３のようにＰＭ捕集機能を有さない触媒よりも大きくなる。それに伴い、ＰＭ捕集機能を有する後段触媒３３’の単位量あたりにおける熱容量は、ＰＭ捕集機能を有さない前段触媒３１’の単位量あたりにおける熱容量よりも大きくなる。よって、後段触媒３３’の上流側端部の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒３の全体を可及的速やかに活性温度へ昇温させるためには、前述した第１の実施例に比べ、後段触媒３３’の容量を小さくするとともに前段触媒３１’の容量を大きくする必要がある。そこで、本実施例においては、図５に示すように、前段触媒３１の前段触媒容量比が０．５以上１．７以下の範囲に収まるように、前段触媒３１と後段触媒３３との容量を定められるようにした。例えば、内燃機関１の総排気量が２．０Ｌ（２０００ｃｃ）である場合には、前段触媒３１の容量が１．０Ｌ（１０００ｃｃ）〜３．４Ｌ（３４０００ｃｃ）となるように、前段触媒３１’と後段触媒３３’の容量を決定すればよい。その際、前段触媒３１の前段触媒容量比が１．０近傍となるように、前段触媒３１と後段触媒３３との容量が決定されれば、排気浄化触媒３’の全体が活性温度に昇温する時間を可及的に短くすることができる。なお、図５中のｔ０’は、加熱装置３２による後段触媒３３’の加熱を行った際に、後段触媒３３’における上流側端部の温度を適正な温度範囲に収めることができる最大の加熱時間からマージンを差し引いた時間である。
【００２５】
したがって、後段触媒３３’が触媒機能とＰＭ捕集機能とを備える場合（後段触媒３３’の単位量あたりにおける熱容量が、前段触媒３１’の単位量あたりにおける熱容量より大きい場合）においては、前段触媒容量比が図５に示したような０．５以上１．７以下になるように、前段触媒３１と後段触媒３３との容量が定められれば、後段触媒３３’の上流側端部が加熱装置３２による加熱で過昇温することを抑制しつつ、排気浄化触媒３の全体を可及的速やかに活性温度に昇温させることが可能となる。
【００２６】
＜その他＞
なお、前述した図３及び図５で示した相関を考慮すると、後段触媒がＰＭ捕集機能を有しているか否かにかかわらず、前段触媒の前段触媒容量比が０．５以上１．５以下となるように、前段触媒と後段触媒との容量が定められれば、後段触媒における上流側端部の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の全体を可及的速やかに活性温度まで昇温させることが可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
１      内燃機関
２      排気通路
３      排気浄化触媒
３’    排気浄化触媒
３１    前段触媒
３２    加熱装置
３３    後段触媒
３１’  前段触媒
３３’  後段触媒
【図１】
2019132168.tif 000003
【図２】
2019132168.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019132168.tif 000006
【図５】
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