(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、排気通路上に上流側から水分吸着材およびＮＯｘ吸着材を備える内燃機関において、水分によってＮＯｘの吸着能力が阻害させるのを好適に回避し、ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着能力を十分に確保することを目的とする。【解決手段】内燃機関１０から排出された排気ガスが流れる主排気通路１４を備える。主排気通路１４を迂回するバイパス通路２０を備える。バイパス通路２０に、上流側接続部２０aに近い側から順に、水分吸着材２４およびＮＯｘ吸着材２８を備える。水分吸着材２４からの水分の脱離が開始されたと判断した時点で、排気ガスがＮＯｘ吸着材２８に流入しないように切替バルブ２２を制御する。【選択図】図２
2008190364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、水分を吸着する機能を有する水分吸着材と、
前記水分吸着材に水分を吸着させる際における前記水分吸着材よりも排気ガスの流れの下流側の前記バイパス通路に配置され、ＮＯｘを吸着する機能を有するＮＯｘ吸着材と、
前記水分吸着材から水分の脱離が開始されたか否かを判断する水分脱離判断手段と、
水分の脱離が開始されたと判断された場合に、排気ガスが前記ＮＯｘ吸着材に流入しないように前記流路切替手段を制御する流路制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記水分脱離判断手段は、前記水分吸着材の温度に基づいて、水分の脱離が開始されたか否かを判断することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、排気通路における触媒の下流に、触媒で浄化できなかった未浄化成分を吸着するための吸着材を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、道路トンネルから出た換気ガスをゼオライト系の吸着材で乾式処理してＮＯｘを吸着除去することにより、当該換気ガスを浄化する技術が開示されている。この従来の技術では、ＮＯｘを吸着するための上記吸着材に対する換気ガスの流れの上流に、換気ガスに含まれる水分を吸着するためのシリカゲル系の脱湿剤（水分吸着材）を配置するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１５５９３４号公報
【特許文献２】特開２００２−１３８８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための触媒が設けられている。しかし、触媒の温度が低下している冷間始動時には、触媒が暖機されて活性化するまでの間、ＮＯｘを含んだ排気ガスが外部へ排出されてしまうことがある。また、排気ガスには、燃料の燃焼によって生成された水分が大量に含まれている。そこで、内燃機関の排気通路上に、上記従来の技術と同様に、ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着能力を阻害する水分を吸着するための水分吸着材を排気ガスの流れの上流側に配置し、当該水分吸着材の下流にＮＯｘ吸着材を配置することが考えられる。
【０００５】
上記のように排気通路に水分吸着材とＮＯｘ吸着材とを備える構成において、水分吸着材への水分の吸着量が飽和状態に達したり、水分吸着材の水分吸着能力を超える量の水分が当該水分吸着材に流入することがあると、水分吸着材では吸着し切れなかった水分が下流のＮＯｘ吸着材に流入してしまうことになる。水分がＮＯｘ吸着材に流入すると、ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着能力を大きく阻害してしまい、ＮＯｘ吸着材に吸着されていたＮＯｘの脱離が生じ易くなってしまう。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気通路上に上流側から水分吸着材およびＮＯｘ吸着材を備える内燃機関において、水分によってＮＯｘの吸着能力が阻害されるのを好適に回避し、ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着能力を十分に確保し得る内燃機関の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】
【０００７】
第１の発明は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、水分を吸着する機能を有する水分吸着材と、
前記水分吸着材に水分を吸着させる際における前記水分吸着材よりも排気ガスの流れの下流側の前記バイパス通路に配置され、ＮＯｘを吸着する機能を有するＮＯｘ吸着材と、
前記水分吸着材から水分の脱離が開始されたか否かを判断する水分脱離判断手段と、
水分の脱離が開始されたと判断された場合に、排気ガスが前記ＮＯｘ吸着材に流入しないように前記流路切替手段を制御する流路制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記水分脱離判断手段は、前記水分吸着材の温度に基づいて、水分の脱離が開始されたか否かを判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、水分吸着材からの水分の脱離が開始されたと判断した時点で、ＮＯｘ吸着材へのＮＯｘの吸着動作が終了されるため、水分によるＮＯｘの脱離を抑制することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、ＮＯｘ吸着材の温度ではなく、その上流に配置された水分吸着材の温度に基づいて、ＮＯｘ吸着材への水分の流入を推定することにより、流路切替手段の切り替え判定をより迅速に行うことができ、ＮＯｘ吸着材からＮＯｘが脱離する前に確実に吸着を終了することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、筒内に空気を取り込むための吸気通路１２と、筒内から排出された排気ガスが流れる排気通路とを備えている。
【００１２】
本実施形態の排気通路は、筒内から排気ガスを排出するための主排気通路１４と、後述するバイパス通路２０とを備えている。主排気通路１４には、上流側から順に、排気ガスを浄化可能な前段触媒（ＳＣ）１６、および後段触媒（ＵＦ）１８が直列に配置されている。
【００１３】
本実施形態のシステムは、主排気通路１４を迂回する通路として、バイパス通路２０を備えている。バイパス通路２０は、後段触媒１８の下流に位置する上流側接続部２０aにおいて主排気通路１４から分岐し、当該上流側接続部２０aの下流に位置する下流側接続部２０bにおいて再び主排気通路１４に合流するように構成されている。上流側接続部２０aには、排気ガスの流入先を主排気通路１４とバイパス通路２０との間で切り替えるための切替バルブ２２が配置されている。切替バルブ２２は、負圧ダイアフラム２２aに作用するエンジン吸気負圧が図示省略する電磁弁によって制御されることによって、開閉駆動が制御される。尚、内燃機関１０の通常運転時には、バイパス通路２０が閉塞されるように切替バルブ２２が制御されることによって、排気ガスがバイパス通路２０を介さずにそのまま主排気通路１４を通って大気中に放出される。
【００１４】
また、バイパス通路の途中には、２つの吸着材が配置されている。具体的には、主排気通路１４の上流側に、すなわち、上流側接続部２０aに近い側に、排気ガス中に含まれる水分を吸着する機能を有する水分吸着材２４が配置されている。そのような水分吸着材２４としては、例えば、ゼオライト系の素材を用いることができる。水分吸着材２４には、当該水分吸着材２４の温度を検出するための温度センサ２６が組み込まれている。
【００１５】
また、バイパス通路２０には、水分吸着材２４の下流側に、すなわち、上流側接続部２０aから遠い側に、排気ガス中に含まれる未浄化成分であるＮＯｘを吸着する機能を有するＮＯｘ吸着材２８が配置されている。そのようなＮＯｘ吸着材２８としては、例えばゼオライトに鉄Ｆｅを担持した素材を用いることができる。
【００１６】
また、バイパス通路２０には、上流側接続部２０aと水分吸着材２４との間の部位において、リターン通路３０が連通している。リターン通路３０は、その途中にパージ制御バルブ３２を備え、その端部において吸気通路１２に連通している。尚、リターン通路３０の接続先は、後段触媒１８の上流の通路であれば、吸気通路１２でなくてもよく、例えば、主排気通路１４における前段触媒１６の上流部であってもよい。
【００１７】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０には、内燃機関１０を制御するための各種センサや上記温度センサ２６とともに、エンジン冷却水温度を検出するための水温センサ４２が接続されている。また、ＥＣＵ４０には、上述した切替バルブ２２やパージ制御バルブ３２の各種アクチュエータが接続されている。
【００１８】
［実施の形態１の動作］
図２は、本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。
（吸着時の動作）
先ず、図２（Ａ）を参照して、内燃機関１０の冷間始動時に筒内から排出される排気ガス中のＮＯｘおよび水分を上記吸着材２４、２８に吸着させるために行われる動作について説明する。
【００１９】
吸着動作は、図２（Ａ）に示すように、内燃機関１０の冷間始動時に、切替バルブ２２が主排気通路１４を閉塞させる状態にして開始される。また、この吸着動作時には、パージ制御バルブ３２についても、閉弁状態に制御される。
【００２０】
上記のような状態では、内燃機関１０から排出された排気ガスの全部が、主排気通路１４からバイパス通路２０に導入される。バイパス通路２０に導入された排気ガスは、水分吸着材２４およびＮＯｘ吸着材２８を順に通過し、その後再び主排気通路１４に戻された後に大気中に放出される。
【００２１】
ＮＯｘ吸着材２８の吸着能力を超えてＮＯｘ吸着材２８に排気ガスが導入されると、一旦ＮＯｘ吸着材２８に吸着したＮＯｘが脱離してしまい、排気エミッションの悪化を招く。従って、ＮＯｘ吸着材２８からのＮＯｘの脱離が始まる前の適切なタイミングで、ＮＯｘの吸着動作を終了させる必要がある。そのようなＮＯｘの吸着動作を終了するタイミングの設定は、本実施形態の特徴部分であり、図３を参照して後述することとする。また、そのような吸着動作を終了するタイミングが到来した場合には、バイパス通路２０を閉塞する状態となるように切替バルブ２２が制御される。
【００２２】
上記の吸着動作によれば、排気ガス中に含まれる水分が水分吸着材２４に吸着されることで取り除かれる。そして、排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ吸着材２８に吸着されることで取り除かれる。これにより、前段触媒１６が未だ活性化していない冷間始動時に、ＮＯｘが大気中に放出されるのを抑制することができる。
【００２３】
（パージ時の動作）
図２（Ｂ）は、本実施形態のパージ動作を説明するための図である。図２（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ＮＯｘ吸着材２８に吸着されたＮＯｘを、リターン通路３０を介して吸気通路に還流させる手法により行うパージ動作を行うようにしている。
【００２４】
パージ動作は、バイパス通路２０を閉塞するように切替バルブ２２が制御された状態で、前段触媒１６が活性化している等の所定のパージ開始タイミングが到来した時点で、図２（Ｂ）に示すように、パージ制御バルブ３２を開くことにより開始される。このようなパージ動作によれば、筒内から排出された排気ガスの一部が、内燃機関１０の吸気通路１２に生じている負圧を利用して、主排気通路１４から下流側接続部２０bを通過してバイパス通路２０に導入される。
【００２５】
その結果、始動後に比較的暖まってきた排気ガスが吸着材２８等に供給されることで、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材２８から脱離し、リターン通路３０を介して吸気通路１２にパージされる。吸気通路１２に戻されたＮＯｘは、再び燃焼に付された後に活性状態にある触媒１６等によって浄化される。
【００２６】
［実施の形態１の特徴部分］
図１に示すように、本実施形態では、吸着動作時におけるＮＯｘ吸着材２８の上流側に、水分吸着材２４を配置している。このため、ＮＯｘ吸着材２８の上流において、水分が予め水分吸着材２４によって取り除かれるので、乾いた排気ガスをＮＯｘ吸着材２８に導入することができ、ＮＯｘ吸着材２８によるＮＯｘの吸着性能を高く維持することができる。
【００２７】
しかしながら、吸着動作時に、水分吸着材２４への水分の吸着量が飽和状態に達したり、水分吸着材２４の水分吸着能力を超える量の水分が当該水分吸着材２４に流入することがあると、水分吸着材２４では吸着し切れなかった水分が下流のＮＯｘ吸着材２８に流入してしまうことになる。水分がＮＯｘ吸着材２８に流入すると、ＮＯｘ吸着材２８のＮＯｘ吸着能力を大きく阻害してしまい、ＮＯｘ吸着材２８に吸着されていたＮＯｘの脱離が生じ易くなってしまう。
【００２８】
そこで、本実施形態では、ＮＯｘ吸着材２８の上流に配置された水分吸着材２４からの水分の脱離が開始されたと判断した時点で、切替バルブ２２を制御することでバイパス通路２０の入口を閉塞し、ＮＯｘの吸着動作を終了させるようにした。より具体的には、本実施形態では、吸着動作の実行時に、上記温度センサ２６により検出される水分吸着材２４の温度が所定値以上になったか否かを判別することで、水分吸着材２４からの水分の脱離開始時点を判断するようにした。
【００２９】
図３は、本発明の実施の形態１における、ＮＯｘの吸着動作を終了させる際の制御の様子を表したタイムチャートである。図３に示すように、水分を含む排気ガスが導入されることで、水分が水分吸着材２４に吸着されると、水分の吸着熱によって水分吸着材２４の温度が上昇する。ところが、一定量以上の水分が水分吸着材２４に吸着すると、それ以上の水分を吸着することができずにＮＯｘ吸着材２８に水分が流入することになる。
【００３０】
図３に示す水分吸着材２４の所定値Ｔ１は、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始される程度の一定量の水分が水分吸着材２４に吸着された時点を判断するための値である。本実施形態では、水分吸着材２４の温度が当該所定値Ｔ１に達した時点で、バイパス通路２０を開放する状態（図３中に示す「吸着あり」の状態）からバイパス通路２０を閉塞する状態（図３中に示す「吸着なし」の状態）となるように、切替バルブ２２の位置を切り替えるようにした。
【００３１】
図４は、本実施形態における吸着動作およびパージ動作を実現するために、ＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図４に示すルーチンは、内燃機関１０の始動直後に起動されるものとする。
【００３２】
図４に示すルーチンでは、先ず、エンジン冷却水温度が設定温度以下であるか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、エンジン冷却水温度が設定温度よりも高いと判定された場合、すなわち、暖機が完了している場合には、今回の処理サイクルが速やかに終了される。
【００３３】
上記ステップ１００において、エンジン冷却水温度が設定温度以下であると判定された場合、すなわち、冷間始動時であると認められた場合には、切替バルブ２２が開弁されるとともに、パージ制御バルブ３２が閉弁される（ステップ１０２）。切替バルブ２２は、通常時は、バイパス通路２０の入口を閉塞しているが、本ステップ１０２において、冷間始動時と認められた場合には、主排気通路１４とバイパス通路２０とが連通状態となるように切り替えられる。これにより、吸着動作が開始される。
【００３４】
次に、水分吸着材２４の温度が所定値Ｔ１に達したか否かが判別される（ステップ１０４）。尚、ここでは、水分吸着材２４の温度を温度センサ２６によって直接測定するようにしているが、これに代えて、水分吸着材２４の前後の排気ガス温度に基づいて、水分吸着材２４の温度を推定する手法であってもよい。
【００３５】
上記ステップ１０４において、水分吸着材２４の温度が所定値Ｔ１に達したと判定された場合、つまり、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始される状況にあると判定された場合には、バイパス通路２０を閉塞させるべく、切替バルブ２２が閉弁される（ステップ１０６）。これにより、ＮＯｘの吸着動作が終了される。
【００３６】
次に、パージ動作開始タイミングが到来したか否かが判別される（ステップ１０８）。より具体的には、本ステップ１０８では、触媒１６等が活性状態にあるか否か、バイパス通路２０に導入する排気ガスの温度がパージ動作を行うのに適した温度範囲内にあるか否か、および、内燃機関１０がパージ動作を行っても問題とならないような安定した運転状態にあるか否かに基づいた判別が実行される。
【００３７】
上記ステップ１０８において、パージ動作開始タイミングが到来したと判定された場合には、パージ制御バルブ３２が開弁される（ステップ１１０）。次いで、パージ量判定が実行される（ステップ１１２）。具体的には、現在のパージ量が所定の設定量に達したか否かが判別される。現在のパージ量は、上記ステップ１１０におけるパージ制御バルブ３２の開弁後の経過時間とパージガス温度との関係に基づいて推定することができる。
【００３８】
上記ステップ１１２において、パージ量が設定量に達したと判定された場合には、パージ制御バルブ３２が閉弁される（ステップ１１４）。これにより、パージ動作が終了される。
【００３９】
以上説明した図４に示すルーチンによれば、水分吸着材２４の温度が所定値Ｔ１に達した時点で切替バルブ２２を切り替えることにより、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始する時点で、ＮＯｘの吸着動作を終了させることができる。言い換えれば、水分吸着材２４の温度からＮＯｘ吸着材２８の吸着能力を推定することができる。このような制御によれば、ＮＯｘ吸着材２８に水分が流入する直前で、すなわち、ＮＯｘ吸着材２８に吸着されたＮＯｘが水分によって脱離してしまう前に、ＮＯｘの吸着動作を終了させることができる。このため、ＮＯｘ吸着材２８のＮＯｘ吸着能力を最大限に活用することが可能となる。
【００４０】
また、上記ルーチンによれば、ＮＯｘ吸着材２８の温度ではなく、その上流に配置された水分吸着材２４の温度に基づいて、ＮＯｘ吸着材２８への水分の流入を推定することにより、切替バルブ２２の切り替え判定をより迅速に行うことができ、ＮＯｘ吸着材２８からＮＯｘが脱離する前に確実に吸着を終了することができる。
【００４１】
尚、上述した実施の形態１においては、切替バルブ２２、リターン通路３０、およびパージ制御バルブ３２が前記第１の発明における「流路切替手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「水分脱離判断手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「流路制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００４２】
実施の形態２．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図４に示すルーチンに代えて後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
【００４３】
［実施の形態２の特徴部分］
図５は、本発明の実施の形態２における、ＮＯｘの吸着動作を終了させる際の制御の様子を表したタイムチャートである。
上述した実施の形態１においては、吸着動作時における水分吸着材２４の温度が所定値Ｔ１に達したか否かを判別することで、水分吸着材２４からの水分の脱離開始時点を判断するようにしている。これに対し、本実施形態では、吸着動作時における水分吸着材２４の温度上昇度が所定値Ｘ１を下回ったか否かを判別することで、水分吸着材２４からの水分の脱離開始時点を判断するようにしている。
【００４４】
既述したように、水分が水分吸着材２４に吸着されると、水分の吸着熱によって水分吸着材２４の温度が上昇する。その一方で、吸着した水分が水分吸着材２４から脱離するときは、脱離熱により水分吸着材の温度が低下する。従って、水分吸着材２４への水分流入量が増加することで、吸着量よりも脱離量が多くなると、水分吸着材２４の温度上昇度が低下する。
【００４５】
図５に示す水分吸着材２４の温度上昇度の所定値Ｘ１は、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始される程度の一定量の水分が水分吸着材２４に吸着された時点を判断するための値である。本実施形態では、水分吸着材２４の温度上昇度が当該所定値Ｘ１を下回った時点で、バイパス通路２０を開放する状態（図５中に示す「吸着あり」の状態）からバイパス通路２０を閉塞する状態（図５中に示す「吸着なし」の状態）となるように、切替バルブ２２の位置を切り替えるようにした。
【００４６】
図６は、本実施形態における吸着動作およびパージ動作を実現するために、ＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図６に示すルーチンは、内燃機関１０の始動直後に起動されるものとする。また、図６において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００４７】
図６に示すルーチンでは、内燃機関１０の冷間始動後に切替バルブ２２が開弁されることによって（ステップ１０２）、吸着動作が開始された後に、次いで、水分吸着材２４の温度上昇度が所定値Ｘ１を下回ったか否かが判別される（ステップ２００）。
【００４８】
その結果、水分吸着材２４の温度上昇度が所定値Ｘ１を下回ったと判定された場合、つまり、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始される状況にあると判定された場合には、バイパス通路２０を閉塞させるべく、切替バルブ２２が閉弁される（ステップ１０６）。これにより、ＮＯｘの吸着動作が終了される。
図６に示すルーチンにおいては、以後、ステップ１０８〜１１４の一連の処理が実行されることになるが、これらの処理は上記図４に示すルーチンと同様であるため、ここではその詳細な説明を省略するものとする。
【００４９】
以上説明した図６に示すルーチンによれば、水分吸着材２４の温度上昇度が所定値Ｘ１を下回った時点で切替バルブ２２を切り替えることにより、水分吸着材２４からの水分の脱離が開始する時点で、ＮＯｘの吸着動作を終了させることができる。このような制御によれば、ＮＯｘ吸着材２８に水分が流入する直前で、すなわち、ＮＯｘ吸着材２８に吸着されたＮＯｘが水分によって脱離してしまう前に、ＮＯｘの吸着動作を終了させることができる。このため、ＮＯｘ吸着材２８のＮＯｘ吸着能力を最大限に活用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１における、ＮＯｘの吸着動作を終了させる際の制御の様子を表したタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２における、ＮＯｘの吸着動作を終了させる際の制御の様子を表したタイムチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１０  内燃機関
１２  吸気通路
１４  主排気通路
１６  前段触媒
１８  後段触媒
２０  バイパス通路
２０a  上流側接続部
２０b  下流側接続部
２２  切替バルブ
２４  水分吸着材
２８  ＮＯｘ吸着材
３０  リターン通路
３２  パージ制御バルブ
４０  ECU(Electronic Control Unit)
【図１】
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【図２】
2008190364.tif 000004
【図３】
2008190364.tif 000005
【図４】
2008190364.tif 000006
【図５】
2008190364.tif 000007
【図６】
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