JP2004092591A

JP2004092591A - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2004092591A
Application number: JP2002257763A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yahagi; 矢作　秀夫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸蔵還元触媒とこのバイパス通路を備えた排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の熱劣化の防止、エンジン性能低下の防止、及び、熱破壊の防止を図る。
【解決手段】排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設けた内燃機関の排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒をバイパスする排気バイパス通路を設けると共に、この排気バイパス通路を開閉する開閉弁を設け、排気ガス中にＮＯｘ成分が多い内燃機関の運転状態では開閉弁を閉じ、排気ガス中にＮＯｘ成分が少ない内燃機関の運転状態では開閉弁を開くように構成した。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に、排気ガスのＮＯｘ成分を浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気ガス浄化装置として、内燃機関の排気通路に三元触媒を設けることが一般的に行われている。この三元触媒は、内燃機関が理論空燃比で運転されている状態で、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘ成分を効率良く浄化することができることが知られている。
【０００３】
一方、内燃機関の燃費を向上させる方法の１つとして、近年、内燃機関を理論空燃比よりも空気量が過剰なリーン空燃比で運転することが行われるようになって来ている。すると、このリーン空燃比で運転された内燃機関から排出される排気ガスでも空気量が過剰となり、三元触媒におけるＮＯｘの低減量が小さくなってしまう。
【０００４】
そこで、リーン空燃比で運転する内燃機関においては、排気通路に三元触媒とは別にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設けることにより、リーン空燃比で運転された内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘを低減することが行われている。
【０００５】
ところが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は浄化温度ウインドウを持ち、硫黄被毒により劣化を起こすことが知られている。また、高温状態では、硫黄被毒成分が結晶化を起こし、硫黄成分が永久被毒となる場合がある。
【０００６】
そこで、ＮＯｘ吸収材の下流にＮＯｘ分解触媒を直列配置し、これをバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路内にはバイパスバルブを設けて、排気ガスの温度が所定温度を越えた高温になった時に、このバイパスバルブを開いて排気ガスをバイパス通路に流し、高温排気ガスによるＮＯｘ分解触媒の硫黄被毒を防止するようにした排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−９８９５４号公報（特許請求の範囲、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気通路を形成する排気管の圧損は、触媒、マフラー、パイプ等の各排気通路構成要素の絞り量の加算により決められており、排気通路上に排気通路構成要素が追加されると、その分圧損が増大する。この圧損は、排気通路を流れる排気ガス流量が大きくなる程、その影響が大きくなり、圧損が増大すると、吸気弁と排気弁のバルブオーバラップ時の圧力上昇により、吸入空気量が低下して内燃機関の性能が低下するという問題がある。
【０００９】
また、排気管の温度は数百度のオーダーで変化しており、長さの異なる排気管を並列に連結した排気通路の場合、その一方のみに排気ガスを流した場合には、２つの排気管の伸びの差から２つの排気管の間に歪みが生じて排気管が破壊するという問題がある。即ち、特許文献１に開示のように、ＮＯｘ分解触媒を直列配置し、これをバイパスするバイパス通路を設けた場合には、バイパス通路でのバルブ開閉により排気ガスの流量が両通路（触媒側、バイパス通路側）で大きく変わり、２つの通路の温度差が大きくなって２つの排気通路間に歪みが生じて排気管が破壊するのである。
【００１０】
更に、燃料のガソリンを直接内燃機関のシリンダ内に噴射するガソリン直噴機関では、成層燃焼（リーン燃焼）が内燃機関の低回転、低流量域で実施されており、内燃機関の高回転、高流量時には理論空燃比で内燃機関が運転されている。
従って、内燃機関の高回転、高流量時には三元触媒によって排気ガスの浄化が十分に行われるので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は不要となる。
【００１１】
そこで、本発明は、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒とこれをバイパスするバイパス通路を備えた内燃機関において、内燃機関の高回転、高流量時におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒の熱劣化によるＮＯｘ浄化率の低下の防止、内燃機関の高回転、高流量時における圧損上昇による内燃機関の性能低下の防止、及び、並列に配置された排気通路の一方の熱伸長による排気通路の破壊の防止を図ることができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、以下に示す第１から第８の形態をとることができる。
【００１３】
第１の形態は、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設けた内燃機関の排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒をバイパスする排気バイパス通路を設けると共に、この排気バイパス通路を開閉する開閉弁を設け、排気ガス中にＮＯｘ成分が多い内燃機関の運転状態では前記開閉弁を閉じ、排気ガス中にＮＯｘ成分が少ない内燃機関の運転状態では開閉弁を開くように構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
第２の形態は、第１の形態において、バイパス通路の軸線が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の前後の排気通路の軸線と同軸になるように、バイパス通路を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
第３の形態は、第１又は２の形態において、開閉弁を、バイパス通路の途中に設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
第４の形態は、第１又は２の形態において、開閉弁を、バイパス通路の排気通路との分岐部分に設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
第５の形態は、第１から第４の何れかの形態において、開閉弁は、内燃機関の運転状態を検出して内燃機関を制御する電子制御回路によって制御されるようにし、内燃機関の機関回転数が所定回転数を越えた機関の高回転時に開弁するように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
第６の形態は、第１から５の何れかの形態において、バイパス通路の途中に、このバイパス通路に並列な排気ガス通路部分の熱伸縮を吸収可能なフレキシブル管を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
第７の形態は、第１から６の何れかの形態において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を、第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒と、第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒とから構成したことを特徴とするものである。
【００２０】
第８の形態は、第１から第７の何れかの形態において、バイパス通路の前記排気通路との接続部との上流側、及び下流側にそれぞれ三元触媒を設けたことを特徴とするものである。
【００２１】
第１の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気ガス中にＮＯｘ成分が多い内燃機関の運転状態では排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒を通り、排気ガス中にＮＯｘ成分が少ない内燃機関の運転状態では排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒をバイパスするので、ＮＯｘの浄化性能を低下させることなく、内燃機関の性能を向上させることができる。
【００２２】
第２の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒をバイパスする際の圧損を低く抑えることができる。
【００２３】
第３と第４の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒を流れている時に開閉弁が排気抵抗とならない。
【００２４】
第５の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、内燃機関の高回転時に排気ガスがバイパス通路を通るので、不要な温度上昇の防止とＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒量の低減が可能になると共に、圧損が低くなって内燃機関の性能が向上する。
【００２５】
第６の形態の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気通路がバイパス通路との温度差によって伸び縮みしても、バイパス通路が破損しない。
【００２６】
第７の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の容量を増大させることができる。
【００２７】
第８の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を用いて本発明の実施形態を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の内燃機関（以後エンジンという）の排気ガス浄化装置の一実施例の構成を示すものであり、エンジンの排気経路の全体を示す構成図である。
【００３０】
図１に示すエンジン１には、図示しない吸気経路を通じて吸気が導入される。
吸気経路には吸気量を調節するスロットル弁が設けられており、スロットル弁を通過した吸気はサージタンク２を経て、吸気ポート３からエンジン１内に入る。
この実施例のエンジン１は６気筒であり、各気筒には吸気ポート３または筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）が設けられている。この燃料噴射弁には、図示しない燃料タンクからの燃料が導かれており、エンジン１を制御するための電子制御ユニット（以後ＥＣＵという）１０からの信号によって開弁することによって、燃料が噴射される。
【００３１】
燃焼後にエンジン１の各気筒から排出される排気ガスは、この実施例では２組の排気マニホルド４によって３気筒分ずつまとめられ、各排気マニホルド４の下流側に設けられた三元触媒（スタート触媒）５，６によって浄化される。三元触媒５，６を通過した排気ガスは、集合管７によって１つにまとめられる。この集合管７は、三元触媒５に接続する第１の枝管７Ａ、三元触媒６に接続する第２の枝管７Ｂ、及び主管７Ｃとから構成されている。主管７Ｃには排気ガス中の酸素濃度から、エンジン１に吸入される混合気の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ（酸素センサ）９が設けられており、このＡ／Ｆセンサ９による空燃比の検出信号はＥＣＵ１０に入力される。
【００３２】
集合管７の主管７Ｃの下流側の排気管８には、この実施例では、排気ガス中のＮＯｘ成分を浄化するための第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１２が、直列に配置されて設けられている。第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の下流側の排気管８には、別の三元触媒（スイーパ）１３、サブマフラー１４、及びメインマフラー１５が設けられており、排気ガスはこれらを通過した後に大気中に放出される。なお、この実施例では、排気管８に第１と第２の２つのＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２が設けられているが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の数は１つでも良い。
【００３３】
一方、この実施例では、第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１２が設けられた排気管８に、並列に配置されてバイパス通路２０が設けられている。このバイパス通路２０は、一端が集合管７の主管７Ｃと排気管８の接続部に接続する第１のバイパス管２１、この第１のバイパス管２１の他端に接続するフレキシブル管２２、フレキシブル管２２の他端に接続する開閉弁２３、及び開閉弁２３の下流側を三元触媒１３の上流側の排気管８に接続する第２のバイパス管２３とから構成されている。
【００３４】
この開閉弁２３はＥＣＵ１０によって開閉制御される。ＥＣＵ１０には前述のＡ／Ｆセンサ９からの空燃比信号の他に、エンジン回転数信号、スロットル開度信号、排気温度信号、吸気圧信号、吸入空気量信号、車速信号、及び負圧センサ出力信号等のエンジン１の運転状態を示す信号が入力されており、ＥＣＵ１０はエンジン１の運転状態に応じてこの開閉弁２３を開閉制御する。このＥＣＵ１０による開閉弁２３の開閉制御については後述する。
【００３５】
図２（ａ）は、図１に示した第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２を備えた排気管８と、第１のバイパス管２１、フレキシブル管２２、開閉弁２３、及び第２のバイパス管２３から構成されるバイパス通路２０が並列に配置された部位の拡大図であり、開閉弁２３が閉弁している状態を示すものである。この状態では、排気ガスはバイパス通路２０を流れることなく排気管８に流れるので、排気ガスは、図１に示したように、三元触媒及び第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２で浄化される。
【００３６】
バイパス通路２０を構成するフレキシブル管２２には、ベローズ管等のように前後方向の長さが可変できるものを使用する。また、開閉弁２３としては負圧によって開閉動作する動圧弁や、電気信号によって開閉動作を行える電磁弁を使用することができ、開閉弁２３の弁体にはバタフライ弁が使用できる。なお、開閉弁２３は、ＥＣＵ１０によって開閉が制御できるものであれば、開閉弁の種類に制限はない。
【００３７】
更に、この実施例におけるバイパス通路２０はストレート状であり、第１のバイパス管２１、フレキシブル管２２、開閉弁２３、及び第２のバイパス管２３は同軸上にある。また、バイパス通路２０の軸線ＢＸは、バイパス通路２０に上流側で接続する集合管７の主管７Ｃの軸線ＡＸと同軸であると共に、バイパス通路２０に下流側で接続する排気管８の軸線ＣＸとも同軸になっている。
【００３８】
よって、図２（ｂ）に示すように、開閉弁２３が開弁している状態では、集合管７を流れて来た排気ガスは、主管７Ｃと同軸の第１のバイパス管２１にスムーズに流れ込み、第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２による流路抵抗のある排気管８には殆ど流れない。そこで、エンジン１が高回転、理論空燃比で運転され、三元触媒のみで排気ガスの浄化を行い得るエンジン１の運転状態で開閉弁２３を開弁させれば、高流量で高温の排気ガスが第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２に流れなくなり、第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２の不要な温度上昇を避けることができて熱劣化を防止することができる。また、排気ガスの高流量時の圧損上昇によるエンジン性能の低下を防止することができる。
【００３９】
また、図２（ａ）の状態では、排気ガスが流れる排気管８の長さが熱によって増大するので排気管８の長さがバイパス通路２０に比べて長くなり、逆に、図２（ｂ）の状態では、排気ガスが流れるバイパス通路２０の長さが熱によって増大するので、バイパス通路２０の長さが排気管８に比べて長くなる。しかしながら、この排気管８とバイパス通路２０の長さの差は、バイパス通路２０に設けたフレキシブル管２２の伸縮によって吸収されるので、排気ガスの流れる経路の違いによって排気管８とバイパス通路２０に歪みによる破損は生じない。
【００４０】
以上説明した実施例では、排気ガスの流れを切り換える開閉弁２３はバイパス通路２０の中央部に設けられていた。しかしながら、開閉弁２３の位置は、バイパス通路２０の中央部に限定されるものではない。図３（ａ），（ｂ）は、開閉弁２３を、バイパス通路２０と排気管８の分岐部に設けた実施例を示すものであり、図２（ａ），（ｂ）と同じ部位の構成を示している。図３（ａ），（ｂ）に示す実施例では、開閉弁２３の設置位置以外の他の部材の構成は同じである。よって、図２（ａ），（ｂ）と同じ構成部材には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図３（ａ）に示す実施例では、開閉弁２３がバイパス通路２０を構成する第１のバイパス管２１の排気ガスの入口部に設けられている。このため、開閉弁２３がバイパス通路２０を閉弁している状態では、排気ガスは開閉弁２３の弁体に沿ってスムーズに排気管８に流れ込み、第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２で浄化される。このとき、排気ガスはバイパス通路２０に全く入り込むことなく排気管８に流れるので、排気ガスの流路抵抗が減り、エンジン１の運転がスムーズになる。
【００４２】
一方、図３（ｂ）に示すように、開閉弁２０によりバイパス通路２０が開かれ、排気管８の入口部が閉じられた状態では、排気ガスは、主管７Ｃと同軸の第１のバイパス管２１にスムーズに流れ込み、第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２による流路抵抗のある排気管８には全く流れない。この実施例でも、エンジン１が高回転、理論空燃比で運転される状態で開閉弁２３によって排気ガスをバイパス通路２０に流すようにすれば、第１と第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２の熱劣化の防止、及び排気ガスの高流量時の圧損上昇によるエンジン性能の低下を防止することができる。
【００４３】
また、図３（ａ），（ｂ）に示した実施例でも、排気ガスが排気管８を流れるかバイパス通路２０を流れるかの違いによる、排気管８又はバイパス通路２０の熱伸長による両者の長さの差は、バイパス通路２０に設けたフレキシブル管２２の伸縮によって吸収されるので、排気管８とバイパス通路２０に、熱歪みによる破損は生じない。
【００４４】
図４は、図２と図３で説明した本発明の開閉弁２３の開閉制御の手順の一例を説明するフローチャートである。この手順は所定時間毎に実行される。
【００４５】
ステップ４０１ではまず、エンジン１の運転状態パラメータの読み込みが行われる。エンジン１の運転状態パラメータは、例えば、Ａ／Ｆセンサ９からの空燃比、エンジン回転数、スロットル開度、排気温度、吸気圧、吸入空気量、車速、及び負圧センサ出力等である。このようにしてステップ４０１でエンジン１の運転状態パラメータを読み込んだ後は、エンジン１の運転状態が、高回転か否かをステップ４０２で判定し、エンジン１の運転状態が高回転の場合はステップ４０３に進んで、エンジン１が理論空燃比で運転されているか否かを判定する。
【００４６】
そして、ステップ４０２でエンジン１が高回転でない場合、或いは、ステップ４０３でエンジン１が理論空燃比で運転されていない場合はステップ４０４に進み、開閉弁２３バイパス通路２０を閉じる側に回転させてバイパス通路を閉鎖する。一方、ステップ４０２からステップ４０３に進み、エンジン１が高回転かつ理論空燃比で運転されていると判定した場合はステップ４０５に進み、開閉弁２３バイパス通路２０を開く側に回転させてバイパス通路を開通させる。
【００４７】
この結果、エンジン１が高回転かつ理論空燃比で運転されている場合は、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示したように、排気ガスがバイパス通路２０を通過し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１，１２には流れない。
【００４８】
このように、本発明では、エンジン１の高回転時に排気ガスがバイパス通路２０を流れるので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒量を低減できる。また、バイパス通路２０の長さによるサイドブランチ効果から、排気騒音の低減を図ることができる。
【００４９】
なお、以上説明した実施例では、エンジン１の高回転、理論空燃比運転状態の時に、開閉弁を開いてＮＯｘ吸蔵還元触媒を有する排気管に並列に設けたバイパス通路に排気ガスを流すようにしたが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を有する排気管の上流側にＮＯｘセンサを設けておき、ＮＯｘ濃度が低くなった時に開閉弁を開いてバイパス通路に排気ガスを流すようにしても良いものである。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒とこれをバイパスするバイパス通路を備えた内燃機関において、排気ガス中にＮＯｘ成分が少ない内燃機関の運転状態では開閉弁により排気ガスをバイパス通路に流すようにしたので、内燃機関の高回転、高流量時におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒の熱劣化によるＮＯｘ浄化率の低下の防止、内燃機関の高回転、高流量時における圧損上昇による内燃機関の性能低下の防止、及び並列に配置された排気通路の一方の熱伸長による排気管の破壊の防止を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施例の構成を示すものであり、内燃機関の排気系統の全体を示す構成図である。
【図２】図１に示した内燃機関の排気系統におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒とそのバイパス通路の部位の拡大図であり、（ａ）は開閉弁の閉弁状態における排気ガスの流れを説明する図、（ｂ）は開閉弁の開弁状態における排気ガスの流れを説明する図である。
【図３】図１に示したＮＯｘ吸蔵還元触媒とそのバイパス通路の部位の構成の別の実施例の構成を示す拡大図であり、（ａ）は開閉弁の閉弁状態における排気ガスの流れを説明する図、（ｂ）は開閉弁の開弁状態における排気ガスの流れを説明する図である。
【図４】本発明の開閉弁の開閉制御の一例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン
４…排気マニホルド
５，６，１３…三元触媒
８…排気管
９…Ａ／Ｆセンサ
１０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１１…第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒
１２…第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒
２０…バイパス通路
２１…第１のバイパス管
２２…フレキシブル管
２３…開閉弁
２４…第２のバイパス管

Claims

内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設けた内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒をバイパスする排気バイパス通路を設けると共に、この排気バイパス通路を開閉する開閉弁を設け、
排気ガス中にＮＯｘ成分が多い内燃機関の運転状態では前記開閉弁を閉じ、
排気ガス中にＮＯｘ成分が少ない内燃機関の運転状態では前記開閉弁を開くように構成したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記バイパス通路の軸線が、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の前後の排気通路の軸線と同軸になるように、前記バイパス通路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記開閉弁を、前記バイパス通路の途中に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記開閉弁を、前記バイパス通路の前記排気通路との分岐部分に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記開閉弁は、前記内燃機関の運転状態を検出して内燃機関を制御する電子制御回路によって制御されるようにし、前記内燃機関の機関回転数が所定回転数を越えた機関の高回転時に開弁するように構成したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記バイパス通路の途中に、このバイパス通路に並列な排気ガス通路部分の熱伸縮を吸収可能なフレキシブル管を設けたことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒を、第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒と、第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒とから構成したことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記バイパス通路の前記排気通路との接続部との上流側、及び下流側にそれぞれ三元触媒を設けたことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。