JP4715568B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関から排出される排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低減させるために、内燃機関の排気通路から排気の一部をＥＧＲ通路を経て内燃機関の吸気通路へ還流させる排気還流（以下、ＥＧＲという）が行われている。

しかし、ＥＧＲを行うことにより、還流される排気中の未燃成分やＮＯｘが内燃機関に入り込む場合がある。このため、内燃機関で未燃成分が燃焼することや、ＮＯｘが内燃機関の燃焼状態を活性化させることにより、内燃機関の燃焼温度が過剰に昇温してしまうおそれがある。

これに対し、ＥＧＲを行っても、還流される排気中の未燃成分やＮＯｘが内燃機関に入り込まないようにするため、内燃機関のＥＧＲ通路の途中で排気中の未燃成分を処理する酸化触媒と、ＥＧＲ通路の途中の酸化触媒上流側で排気中のＮＯｘを処理する還元触媒と、還元触媒上流側に還元剤を添加する還元剤添加装置と、を備える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−４９５３２号公報 特開２００４−１５０３１９号公報 特開２００２−１８０８２５号公報

ところで、ＥＧＲ通路などによって内燃機関の吸気通路に還流される排気中のＳＯｘは処理されていない。このため、還流される排気中のＳＯｘは内燃機関を経て排気通路へ排出されていき、排気通路中の排気浄化触媒をＳ被毒させてしまう。

本発明は上記実情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、還流させる気体の硫黄成分を除去することにより、排気通路中の排気浄化触媒のＳ被毒を抑制可能な技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、内燃機関から排出された気体を該内燃機関の吸気通路に還流させる複数の還流通路と、前記複数の還流通路の少なくとも一つ以上に配置され前記気体中の硫黄成分を除去するＳトラップと、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

従来より、内燃機関の吸気通路に還流される排気中の未燃成分やＮＯｘを処理することは考えられていたが、硫黄成分（ＳＯｘ）を処理していなかった。このため、吸気通路に還流される排気中のＳＯｘは内燃機関を経て内燃機関の排気通路へ排出されていき、排気通路中の排気浄化触媒をＳ被毒させてしまう。

そこで、本発明は、複数の還流通路の少なくとも一つ以上に配置され気体中の硫黄成分を除去するＳトラップを備える。

これによると、還流する気体中のＳＯｘはＳトラップによって還流通路中で除去される。よって、還流する気体中のＳＯｘは内燃機関を経て排気通路へ排出され難くなり、排気通路中の排気浄化触媒のＳ被毒を抑制できる。

また、複数の還流通路の少なくとも一つ以上にＳトラップを分散して配置するため、Ｓトラップの容積は小型化でき、Ｓトラップは車輌搭載性が良い。さらに、内燃機関へＳＯｘが流入し難くなり、内燃機関の耐久性が向上できると共に、内燃機関での粒子状物質（ＰＭ）の核の生成を抑制し、排出するＰＭを減少できる。

前記排気浄化触媒上流側の前記排気通路に前記排気通路を流れる排気中の硫黄成分を除去するメインＳトラップを配置するとよい。

これによると、還流する気体中のＳＯｘは還流通路のＳトラップによって還流通路中で除去されるので、排気通路のメインＳトラップによって除去される排気中のＳＯｘの量は少なくなる。このため、メインＳトラップの容積も小型化できる。よって、排気や排気に添加された還元剤は、メインＳトラップで排気の熱が奪われ難く、またメインＳトラップで還元剤が留まり難く、すなわちメインＳトラップが障害にならないで、メインＳトラップの下流に配置された排気浄化触媒へ到達し易くなる。したがって、排気が高温のまま排気浄化触媒へ到達し易くなり、排気浄化触媒の暖機性が向上する。また、排気に添加された還元剤が排気浄化触媒へ到達し易くなり、排気浄化触媒の還元剤による化学反応の応答性を向上させ還元剤の排気添加が効果的に行える。

また、メインＳトラップの容積が小型化できることから、メインＳトラップは車輌搭載性が良い。加えて、メインＳトラップが設置スペースをあまり必要としないために、メインＳトラップの下流に配置された排気浄化触媒も内燃機関近傍に設置できる。このため、排気浄化触媒を内燃機関の発熱によって暖めることができ、排気浄化触媒の暖機性が向上する。

前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、内燃機関のブローバイガスを内燃機関のクランクケースから前記吸気通路へ還流させるブローバイガス通路であるとよい。

これによると、ブローバイガス通路を流れるブローバイガス量は少ないことから、ブローバイガス中のＳＯｘを効率よく除去できる。加えて、ブローバイガス通路に配置されるＳトラップの容積を小型化できる。

前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、過給機のタービン上流側の前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り込み前記過給機のコンプレッサ下流側の前記吸気通路へＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲ通路であるとよい。

これによると、高圧ＥＧＲ通路のＥＧＲガス量が多い場合には、高圧ＥＧＲ通路のＳトラップの容積をより大型化し、排気通路のメインＳトラップの容積をより小型化できる。

前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、過給機のタービン下流側の前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り込み前記過給機のコンプレッサ上流側の前記吸気通路へＥＧＲガスを還流させる低圧ＥＧＲ通路であるとよい。

これによると、低圧ＥＧＲ通路のＥＧＲガス量が多い場合には、低圧ＥＧＲ通路のＳトラップの容積をより大型化し、排気通路のメインＳトラップの容積をより小型化できる。

前記低圧ＥＧＲ通路がＥＧＲガスを取り込む位置より下流側かつ前記排気浄化触媒上流側の前記排気通路に前記排気通路を流れる排気中の硫黄成分を除去するサブＳトラップを配置するとよい。

これによると、排気通路中のメインＳトラップを通過した排気はさらにサブＳトラップでＳＯｘを浄化されることになる。このため、メインＳトラップのＳＯｘ浄化率を低下させることができるので、メインＳトラップの容積をより小型化できる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、還流させる気体の硫黄成分を除去することにより、排気通路中の排気浄化触媒のＳ被毒を抑制可能となる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例１について図１に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、直列４気筒の４サイクル、ディーゼル機関である。

内燃機関１には、吸気マニホールド２が接続され、吸気マニホールド２には吸気管３が接続されている。これら吸気マニホールド２及び吸気管３で吸気通路を構成している。吸気管３には、スロットル弁４が設けられている。吸気管３におけるスロットル弁４の上流側には、インタークーラ５が設けられている。インタークーラ５の上流側には、ターボチャージャ（過給機）６のコンプレッサ６ａが設けられている。コンプレッサ６ａの上流側で吸気管３は大気を取り込む。

一方、内燃機関１には、排気マニホールド７が接続され、排気マニホールド７には排気管８が接続されている。排気管８には、ターボチャージャ６のタービン６ｂが設けられている。これら排気マニホールド７及び排気管８で排気通路を構成している。排気管８におけるタービン６ｂの下流側には、排気中の粒子状物質（ＰＭ）やＮＯｘを処理するフィルタ９が設けられている。フィルタ９の下流側で排気管８は大気へと通じている。フィルタ９は、内燃機関１から排出される煤等のＰＭを捕集したり、排気中のＮＯｘを吸蔵したりするもので、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されたものである。フィルタ９が本発明の排気浄化触媒に相当する。

ここで、排気管８におけるタービン６ｂより下流側かつフィルタ９より上流側には、メインＳトラップ１０が配置されている。

また、排気マニホールド７には、還元剤たる燃料を添加する還元剤添加弁１１が備えられている。排気中に還元剤添加弁１１から燃料を添加することで、還元剤をフィルタ９に供給しフィルタ９において化学反応を生じさせ、フィルタ９の性能を再生するためのＮＯｘ還元処理やフィルタ再生処理を行う。

なお、ＮＯｘ還元処理は、還元剤添加弁１１から排気中へ燃料を添加させることにより、フィルタ９に担持されたＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出、還元し、フィルタ９の性能を再生する処理である。フィルタ再生処理は、還元剤添加弁から排気中へ燃料を添加させることにより、燃料をフィ
ルタ９に担持されたＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ９の温度を高め、フィルタ９に捕集されたＰＭを酸化させ除去し、フィルタ９の性能を再生する処理である。

さらに、内燃機関１のクランクケースと吸気管３におけるコンプレッサ６ａより上流側の部分とは、ブローバイガス通路１２によって連通されている。このブローバイガス通路１２の途中には、Ｓトラップ１３が配置されている。

また、排気マニホールド７と吸気マニホールド２とは高圧ＥＧＲ通路１４によって連通されている。なお、高圧ＥＧＲ通路１４は、排気通路におけるタービン６ｂより上流側の部分と吸気通路のコンプレッサ６ａより下流側の部分とを連通しているともいえる。この高圧ＥＧＲ通路１４の途中には、Ｓトラップ１５が配置されている。

一方、排気管８におけるメインＳトラップ１０より下流側かつフィルタ９より上流側の部分と、吸気管３におけるコンプレッサ６ａより上流側の部分とは、低圧ＥＧＲ通路１６によって連通されている。この低圧ＥＧＲ通路１６の途中には、Ｓトラップ１７が配置されている。

なお、メインＳトラップ１０やＳトラップ１３，１５，１７は、それらを流れるガス中のＳＯｘを吸蔵し、当該ガス中からＳＯｘを除去するもので、触媒担持層と触媒担持層に担持された貴金属触媒とＳＯｘ吸収剤から構成される。触媒担持層は、一般に用いられている酸化物多孔体より構成され、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、シリカ−アルミナ、ゼオライトなどが用いられる。貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが例示でき、これらのうち１種又は複数種を用いることができる。ＳＯｘ吸収剤としては、硫酸塩を形成することができる物質を用いることができ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、遷移金属より選ばれる少なくとも１種が例示できる。

以上の構成を有する内燃機関１には、内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１８が併設されている。ＥＣＵ１８は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するコンピュータである。ＥＣＵ１８は、還元剤添加弁１１と電気的に接続されており、還元剤添加弁１１を制御する。

ここで、本実施例の内燃機関１では、ブローバイガス通路１２を用いて、内燃機関か排出されたガスであって内燃機関１のピストンリングとシリンダブロックの隙間から漏れたブローバイガスを内燃機関で燃焼させるために、ブローバイガスを内燃機関１の吸気管３へ還流するブローバイガスの還流が行われる。

また、高圧ＥＧＲ通路１４及び低圧ＥＧＲ通路１６を用いて、内燃機関１から排出される排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低減させるために、排気を内燃機関１の吸気管３へ還流するＥＧＲが行われる。

ところで、ブローバイガスの還流やＥＧＲにおいて、還流されるブローバイガスやＥＧＲガス（以下、総称して還流ガスともいう）は、燃焼ガスを含むため、ＳＯｘを含有している。このＳＯｘをそのままにしておくと、ブローバイガスの還流やＥＧＲによって還流ガス中のＳＯｘは内燃機関１を経て排気通路へ排出されていき、排気管８に配置されたフィルタ９をＳ被毒させてしまう。

なお、フィルタ９のＳ被毒は、フィルタ９における吸蔵還元型のＮＯｘ触媒でのＮＯｘの吸蔵と同じメカニズムで排気の空燃比がリーン空燃比の場合にＳＯｘを吸蔵し、ＮＯｘ
の吸蔵に関与できる触媒量が減少してしまい、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒のＮＯｘの吸蔵能力が低下してしまうことである。

そこで、本実施例では、還流ガス中のＳＯｘを除去してフィルタ９のＳ被毒を抑制するべく、ブローバイガス通路１２、高圧ＥＧＲ通路１４、及び低圧ＥＧＲ通路１６（以下、総称して還流通路ともいう）の還流ガスが流れる全ての通路にＳトラップ１３，１５，１７を配置している。

このように、還流ガスが流れる全ての還流通路にＳトラップ１３，１５，１７を配置するので、還流ガス中のＳＯｘはそれぞれのＳトラップ１３，１５，１７によって複数の還流通路のいずれにおいても除去される。よって、還流ガス中のＳＯｘは内燃機関１を経て排気通路へ排出され難くなり、排気管８に配置されたフィルタのＳ被毒を抑制できる。

また、複数の還流通路にそれぞれＳトラップ１３，１５，１７を分散して配置するため、Ｓトラップ１３，１５，１７は各還流通路に流れる還流ガス中からＳＯｘを除去可能な容積で足り、各Ｓトラップ１３，１５，１７の容積は小型化でき、Ｓトラップ１３，１５，１７は車輌搭載性が良い。さらに、内燃機関１へＳＯｘが流入し難くなり、内燃機関１の耐久性が向上できると共に、内燃機関１でのＰＭの核の生成を抑制し、排出するＰＭを減少できる。

ここで、ブローバイガス通路１２にＳトラップ１３を配置することにより、ブローバイガス通路１２を流れるブローバイガス量が少ないことから、ブローバイガス中のＳＯｘを効率よく除去できる。加えて、Ｓトラップ１３はＳＯｘを除去可能な容積が小さくてよく、ブローバイガス通路１２に配置されるＳトラップ１３の容積を小型化できる。

また、高圧ＥＧＲ通路１４にＳトラップ１５を配置することにより、高圧ＥＧＲ通路１４のＥＧＲガス量が多い場合には、高圧ＥＧＲ通路１４のＳトラップ１５の容積をより大型化し、排気管８のメインＳトラップ１０の容積をより小型化できる。

また、低圧ＥＧＲ通路１６にＳトラップ１７を配置することにより、低圧ＥＧＲ通路１６のＥＧＲガス量が多い場合には、低圧ＥＧＲ通路１６のＳトラップ１７の容積をより大型化し、排気管８のメインＳトラップ１０の容積をより小型化できる。

これに加え、本実施例では、排気管８におけるフィルタ９より上流側に排気管８を流れる排気中のＳＯｘを除去するメインＳトラップ１０を配置している。

このように、排気管８にメインＳトラップ１０を配置するが、還流ガス中のＳＯｘは全ての還流通路の各Ｓトラップ１３，１５，１７によって還流通路中で除去されるので、排気管８のメインＳトラップ１０によって除去される排気中のＳＯｘの量は少なくなる。このため、メインＳトラップ１０の容積も小型化できる。よって、排気や排気に還元剤添加弁１１から添加された燃料は、メインＳトラップ１０で排気の熱が奪われ難く、またメインＳトラップ１０で燃料が留まり難く、すなわちメインＳトラップ１０が障害にならないで、メインＳトラップの下流に配置されたフィルタ９へ到達し易くなる。したがって、排気が高温のままフィルタへ到達し易くなり、フィルタ９の暖機性が向上する。また、排気に添加された燃料がフィルタ９へ到達し易くなりフィルタ９の燃料による化学反応の応答性を向上させ燃料の排気添加が効果的に行える。

また、メインＳトラップ１０の容積が小型化できることから、メインＳトラップ１０は車輌搭載性が良い。加えて、メインＳトラップ１０が設置スペースをあまり必要としないために、メインＳトラップ１０の下流に配置されたフィルタ９も内燃機関１近傍に設置で
きる。このため、フィルタ９を内燃機関１の発熱によって暖めることができ、フィルタ９の暖機性が向上する。

なお、本実施例の構成に加え、排気管８における低圧ＥＧＲ通路１６がＥＧＲガスを取り込む位置より下流側かつフィルタ９より上流側（フィルタ９の直上流）にサブＳトラップを配置することもできる。これによると、排気管８中のメインＳトラップ１０を通過した排気中のＳＯｘはさらにサブＳトラップで浄化されることになる。このため、メインＳトラップ１０のＳＯｘ浄化率を低下させることができるので、メインＳトラップ１０の容積をより小型化できる。ここで、サブＳトラップには、上記したＳトラップだけでなくＳＯｘを吸蔵可能な吸蔵還元型のＮＯｘ触媒を用いてもよい。

なお、本実施例では、還流ガスが流れる全ての還流通路にＳトラップを配置したが、少なくとも一つ以上の還流通路にＳトラップを配置すれば本発明の効果を奏することができるし、好ましくは二つ以上の還流通路にＳトラップを配置するのがよい。また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気マニホールド
３ 吸気管
４ スロットル弁
５ インタークーラ
６ ターボチャージャ
６ａ コンプレッサ
６ｂ タービン
７ 排気マニホールド
８ 排気管
９ フィルタ
１０ メインＳトラップ
１１ 還元剤添加弁
１２ ブローバイガス通路
１３，１５，１７ Ｓトラップ
１４ 高圧ＥＧＲ通路
１６ 低圧ＥＧＲ通路

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
   内燃機関から排出された気体を該内燃機関の吸気通路に還流させる複数の還流通路と、
   前記複数の還流通路の少なくとも一つ以上に配置され前記気体中の硫黄成分を除去するＳトラップと、
   を備え、
   前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、過給機のタービン上流側の前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り込み前記過給機のコンプレッサ下流側の前記吸気通路へＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲ通路であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
   内燃機関から排出された気体を該内燃機関の吸気通路に還流させる複数の還流通路と、
   前記複数の還流通路の少なくとも一つ以上に配置され前記気体中の硫黄成分を除去するＳトラップと、
   を備え、
   前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、過給機のタービン下流側の前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り込み前記過給機のコンプレッサ上流側の前記吸気通路へＥＧＲガスを還流させる低圧ＥＧＲ通路であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記低圧ＥＧＲ通路がＥＧＲガスを取り込む位置より下流側かつ前記排気浄化触媒上流側の前記排気通路に前記排気通路を流れる排気中の硫黄成分を除去するサブＳトラップを配置した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装置。
4. 前記排気浄化触媒上流側の前記排気通路に前記排気通路を流れる排気中の硫黄成分を除去するメインＳトラップを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記Ｓトラップが配置される前記複数の還流通路の一つは、内燃機関のブローバイガスを内燃機関のクランクケースから前記吸気通路へ還流させるブローバイガス通路であるこ
   とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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