特開 2024-111756 排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024111756

(43)【公開日】2024-08-19

(54)【発明の名称】排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20240809BHJP

   F01N 3/02 20060101ALI20240809BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

F01N3/08 A ZAB

F01N3/02 101E

B01D53/94 280

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016450

(22)【出願日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085338

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 一博

(74)【代理人】

【識別番号】100148910

【弁理士】

【氏名又は名称】宮澤 岳志

(72)【発明者】

【氏名】安田 和也

(72)【発明者】

【氏名】大西 哲郎

【テーマコード（参考）】

3G091

4D148

【Ｆターム（参考）】

3G091AB03

3G091AB10

3G091BA07

3G091BA15

3G091BA17

3G091HA20

3G091HB01

4D148AA06

4D148AA13

4D148AA18

4D148AB01

4D148AB02

4D148AB09

4D148BA03Y

4D148BA07Y

4D148BA10Y

4D148BA11Y

4D148BA30Y

4D148BA31Y

4D148BA33Y

4D148BA41Y

4D148BB02

4D148CA01

4D148CC32

4D148CC44

4D148CD01

4D148DA01

4D148DA02

4D148DA08

4D148DA13

4D148EA04

(57)【要約】

【課題】ＨＣの排出量をできる限り低減し、かつ触媒の劣化を抑制して長寿命化を図る。
【解決手段】内燃機関１００の排気通路４に装着される排気浄化装置４１であって、ＨＣを吸着できるＨＣ吸着排気浄化装置４１１及びＨＣを浄化できる他の種類の排気浄化装置４１２を有し、ＨＣ吸着排気浄化装置４１１を冷却できる冷却機構４１３が付随しており、冷却機構４１３により、他の種類の排気浄化装置４１２の温度が所定の活性温度未満であるときにＨＣ吸着排気浄化装置４１１の温度を所定の吸着温度以下に抑制し、他の種類の排気浄化装置４１２の温度が活性温度以上であるときにＨＣ吸着排気浄化装置４１１の温度を吸着温度よりも高い所定の上限温度以下に抑制する排気浄化装置４１を構成した。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気通路に装着される排気浄化装置であって、
ＨＣを吸着できるＨＣ吸着触媒及びＨＣを浄化できる他の種類の触媒を有し、ＨＣ吸着触媒を冷却できる冷却機構が付随しており、
前記冷却機構により、前記他の種類の触媒の温度が所定の活性温度未満であるときに前記ＨＣ吸着触媒の温度を所定の吸着温度以下に抑制し、他の種類の触媒の温度が活性温度以上であるときにＨＣ吸着触媒の温度を前記吸着温度よりも高い所定の上限温度以下に抑制する排気浄化装置。

【請求項2】

前記ＨＣ吸着触媒及び前記他の種類の触媒を内燃機関の排気マニホルドに近接して配置する請求項１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、車両等に搭載される内燃機関に適用できる排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、内燃機関の排気通路には、排気中に含まれる有害物質である炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯ_xを浄化する三元触媒が装着されている。三元触媒は、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担体に担持させてなるものである。排気が三元触媒を通過するとき、ＨＣ及びＣＯが酸化反応するとともにＮＯ_xが還元反応して、無害な水Ｈ₂Ｏ、二酸化炭素ＣＯ₂及び窒素Ｎ₂へと変化する（例えば、下記特許文献を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１５５６９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

内燃機関の冷間始動直後の時期は、内燃機関自体及び排気浄化用の三元触媒の温度がともに低い。気筒の燃焼室内でＨＣが生成されやすく、しかも三元触媒が活性化しておらず浄化能率が不十分である。それ故、ＨＣが外部に排出されるおそれがある。

【0005】

対策として、ＨＣを吸着できる吸着触媒を三元触媒の上流に配置し、三元触媒が昇温して活性化するまでの間、ＨＣを保持して三元触媒に流入しないよう止めておくことが考えられる。

【0006】

だが、ＨＣ吸着触媒の吸着温度は約２００℃までであり、それを超えて昇温すると吸着していたＨＣを放散してしまう。翻って、三元触媒の活性温度は約３５０℃以上である。従って、三元触媒が活性化する前にＨＣ吸着触媒からのＨＣが流入するという問題が生起する。

【0007】

一方、内燃機関の暖機が完了し触媒が必要十分に昇温した後、内燃機関が高負荷運転されると、高温の排気が多量に排気通路を流れ、触媒の温度が過剰に上昇して触媒の劣化を招く懸念がある。

【0008】

本発明は、ＨＣの排出量をできる限り低減し、かつ触媒の劣化を抑制して長寿命化を図ることを所期の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気浄化装置であって、ＨＣを吸着できるＨＣ吸着触媒及びＨＣを浄化できる他の種類の触媒を有し、ＨＣ吸着触媒を冷却できる冷却機構が付随しており、前記冷却機構により、前記他の種類の触媒の温度が所定の活性温度未満であるときに前記ＨＣ吸着触媒の温度を所定の吸着温度以下に抑制し、他の種類の触媒の温度が活性温度以上であるときにＨＣ吸着触媒の温度を前記吸着温度よりも高い所定の上限温度以下に抑制する排気浄化装置を構成した。

【0010】

前記ＨＣ吸着触媒及び前記他の種類の触媒は、内燃機関の排気マニホルドに近接して配置することが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ＨＣの排出量をより一層低減することができる。なおかつ、触媒の劣化を抑制して長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。

【図2】同実施形態の排気浄化装置の構造を一部を破断して示す側面図。

【図3】同実施形態の排気浄化装置が有するＨＣ吸着触媒の要部を拡大して示す断面図。

【図4】同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の例を示すフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関１００の概要を示す。本内燃機関１００は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こす。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

【0014】

吸気を気筒１に供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞り弁である電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順に配設している。

【0015】

排気を気筒１から排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで発生するガスを各気筒１の排気ポートから外部へと導く。排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化装置４１を配設している。

【0016】

図２に示すように、本実施形態の排気浄化装置４１は、ＨＣ吸着触媒４１１の直下流にＨＣ吸着触媒以外の他の種類の触媒４１２、具体的には三元触媒４１２を直列に並べたものである。ＨＣ吸着触媒４１１は、気筒１から排出されるガスに含まれるＨＣを一時的に吸着する。ＨＣ吸着触媒４１１は、ゼオライト等のＨＣを吸着できる材料４１１１を担体４１１０に塗布し担持させて構成する。担体４１１０は、その伸長方向即ち排ガスが流通する方向に沿って当該担体４１１０を貫通する無数の小孔が穿たれたハニカム構造体である。ＨＣ吸着触媒４１１の担体４１１０は、三元触媒４１２の担体に比して熱伝導率のより高い金属製またはセラミックス製、例えばチタニアＴｉＯ₂やアルミナＡｌ₂Ｏ₃等を用いて作製することが好ましい。なお、図３に示すように、担体４１１０にＨＣ吸着材料４１１１を塗布し、それに重ねて三元触媒として機能する白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属材料４１１２を塗布してコーティングすることも考えられる。

【0017】

三元触媒４１２は、気筒１から排出されるガスに含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの酸化／還元反応を惹起し、これらを無害化する。三元触媒４１２は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属を担体に塗布し担持させて構成する。三元触媒４１２の担体もまた、その伸長方向即ち排ガスが流通する方向に沿って当該担体を貫通する無数の小孔が穿たれたハニカム構造体である。三元触媒４１２の担体は、セラミックス製である。

【0018】

三元触媒４１２の担体は、ＨＣ吸着触媒４１１の担体４１１０に下流側から当接または近接させる。その上で、両者を、一体の筒状体のケーシング４１５内にともに収容するようにしている。三元触媒４１２の担体の外周とケーシング４１５の内周との間には、既知の保持材４１４を介在させて設ける。これに対し、ＨＣ吸着触媒４１１の担体４１１０の外周とケーシング４１５の内周との間には、必ずしも保持材を設けず、担体４１１０をケーシング４１５に直に当接または近接させる。尤も、担体４１１０とケーシング４１５との間に保持材を設けることを妨げない。

【0019】

ＨＣ吸着触媒４１１及び三元触媒４１２を内包する排気浄化装置４１（のケーシング４１５）は、排気通路４における排気マニホルド４２の下流に直結するか排気マニホルド４２にできる限り近接させる。並びに、この排気浄化装置４１は、内燃機関１００の本体（シリンダブロック及び／またはシリンダヘッド）の側面に当接または近接させる。

【0020】

図１及び図２に示すように、ＨＣ吸着触媒４１１には、冷却機構４１３、５１、５２が付随している。冷却機構は、ＨＣ吸着触媒４１１を囲繞するウォータジャケット４１３を有し、当該ウォータジャケット４１３を流通する冷却水によりＨＣ吸着触媒４１１を冷やしてその昇温を適切に抑制する水冷式のものである。ウォータジャケット４１３は、三元触媒４１２は必ずしも囲繞せず、三元触媒４１２を直接冷やさない。冷却水は、内燃機関１００のそれを流用することが好ましい。つまり、内燃機関１００の各部を流れる冷却水の一部を内燃機関１００の本体からウォータジャケット４１３へと導入し、ウォータジャケット４１３を通過した冷却水を再び内燃機関１００の本体へと帰還させるのである。さすれば、内燃機関１００のウォータポンプ５１をウォータジャケット４１３用のポンプとしても援用できる。図示例では、ウォータケット４１３をケーシング４１５の外周に沿って配しているが、ウォータジャケット４１３をケーシング４１５内、担体４１１０の外周とケーシング４１５の内周との間に配しても構わない。

【0021】

冷却水の流通経路上には、制御バルブ５２を設置する。制御バルブ５２が開くと、冷却水がウォータジャケット４１３を流れる。制御バルブ５２が閉じると、冷却水がウォータジャケット４１３を流れず停滞する。制御バルブ５２は、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０により制御可能なものであることが好ましい。但し、制御バルブ５２は、ワックスやバイメタル、形状記憶合金等を用いた機械式のサーモスタットであることがある。また、制御バルブ５２は、開度を柔軟に拡縮させて冷却水の流量を増減させることが可能な流量制御バルブであることがある。

【0022】

排気通路４における排気浄化装置４１の上流及び下流には、排気通路４を流通するガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよいが、本実施形態ではＯ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４には、これを加熱するヒータを付設することがある。

【0023】

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気浄化装置４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３若しくは吸気マニホルド３４に接続している。

【0024】

内燃機関１００の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

【0025】

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関１００のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、車両の運転者によるアクセルペダルの踏込量をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関１００の冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、吸気通路３特にサージタンク３３若しくは吸気マニホルド３４内の吸気温及び吸気圧を検出するセンサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、排気通路４における排気浄化装置４１の上流のガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、排気浄化装置４１の下流のガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

【0026】

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２に付随するイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、電子スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、制御バルブ５２に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

【0027】

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、気筒１に吸入される空気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

【0028】

図４に示すように、本実施形態では、内燃機関１００の冷間始動直後、内燃機関１００及び排気浄化装置４１が低温である時期に、内燃機関１００の暖機が完了しかつ三元触媒４１２の温度が所定の活性温度、例えば約３５０℃以上に高まるまでの間（ステップＳ１）、ＨＣ吸着触媒４１１の温度を所定の吸着温度、例えば約２００℃以下に抑制する（ステップＳ２）。そのために、ＥＣＵ０は、三元触媒４１２の現在温度が活性温度に達するまでＨＣ吸着触媒４１１の現在温度を吸着温度以下に維持するべく、制御バルブ５２に制御信号ｍを与えてこれを開閉操作するフィードバック制御を実施する。ＨＣ吸着触媒４１１及び三元触媒４１２の現在温度はそれぞれ、温度センサを介して実測してもよく、既知の手法を持って推定してもよい。ステップＳ２は、三元触媒４１２が活性化して有害物質ＨＣの浄化性能を十分に発揮するようになるまでの間、ＨＣを吸着触媒４１１に吸着して止めておく意図である。

【0029】

しかして、三元触媒４１２が活性温度以上に昇温したならば、以後、ＨＣ吸着触媒４１１の温度を所定の上限温度、例えば約８００℃以下に抑制する（ステップＳ３）。併せて、三元触媒４１３の温度を活性温度以上かつ所定の上限温度、例えば約８００℃以下に抑制する。そのために、ＥＣＵ０は、ＨＣ吸着触媒４１１の現在温度を上限温度以下に維持し、及び／または、三元触媒４１２の現在温度を上限温度以下に維持するべく、制御バルブ５２に制御信号ｍを与えてこれを開閉操作するフィードバック制御を実施する。ステップＳ３は、ＨＣ吸着触媒４１１及び三元触媒４１２の熱害による劣化を防止する意図である。

【0030】

なお、ステップＳ２及びＳ３のそれぞれの作用を、制御バルブ５２たるサーモスタットの設定により実現することもある。

【0031】

本実施形態では、内燃機関１００の排気通路４に装着される排気浄化装置４１であって、ＨＣを吸着できるＨＣ吸着排気浄化装置４１１及びＨＣを浄化できる他の種類の排気浄化装置４１２を有し、ＨＣ吸着排気浄化装置４１１を冷却できる冷却機構４１３、５１、５２が付随しており、冷却機構４１３、５１、５２により、他の種類の排気浄化装置４１２の温度が所定の活性温度未満であるときにＨＣ吸着排気浄化装置４１１の温度を所定の吸着温度以下に抑制し、他の種類の排気浄化装置４１２の温度が活性温度以上であるときにＨＣ吸着排気浄化装置４１１の温度を吸着温度よりも高い所定の上限温度以下に抑制する排気浄化装置４１を構成した。

【0032】

本実施形態によれば、三元触媒４１２が活性化するまでの間、ＨＣ吸着触媒４１１の昇温を抑制して吸着したＨＣが放散されないように保持できる。三元触媒４１２が活性化した後は、ＨＣ吸着触媒４１１からＨＣを放散させ、三元触媒４１２において適正に浄化処理することができる。ひいては、有害物質ＨＣの排出量の一層の削減に寄与し得る。

【0033】

しかも、三元触媒４１２が活性化した後は、ＨＣ吸着触媒４１１及び三元触媒４１２が過剰な高温となることを回避できる（内燃機関１００の暖機完了後の高負荷運転域でも冷却機構４１３、５１、５２を利用する）。従って、触媒４１１、４１２の劣化を抑制してその長寿命化を図ることができる。

【0034】

一体のケーシング４１５にＨＣ吸着触媒４１１及び三元触媒４１２をともに内装し、これを内燃機関１００の本体に添設しているので、内燃機関１００及び排気浄化装置４１の総体としてコンパクト化し、車体のエンジンルーム（エンジンコンパートメント）内にそれらを収容することができる。内燃機関１００から離れた箇所、車体の床下で前後に伸びる排気管に各種触媒を配設することは不要である。三元触媒４１２を内燃機関１００の本体に可及的に近づけることは、冷間始動時における三元触媒４１２の昇温を促進し早期の活性化を実現することに繋がる。

【0035】

排気浄化装置４１の上流及び下流に設置した空燃比センサ４３、４４の出力信号ｆ、ｇを参照して、触媒４１１、４１２の劣化診断（ダイアグノーシス）を実行することも可能である。

【0036】

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限定されない。例えば、図２中の符号４１２で指し示す部位に、三元触媒とともに、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕捉するフィルタ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を配設してもよい。

【0037】

その他、各部の具体的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【符号の説明】

【0038】

１００…内燃機関
０…制御装置（ＥＣＵ）
４…排気通路
４１…排気浄化装置
４１１…ＨＣ吸着触媒
４１２…他の種類の触媒（三元触媒）
４１３、５１、５２…冷却機構（ウォータジャケット、ウォータポンプ、制御バルブ）
４１５…ケーシング
４２…排気マニホルド
４３、４４…空燃比センサ
ｍ…制御バルブの開度操作信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】