JP2002364353A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造および制御システムの簡素化を図ること
ができるＮＯｘ吸蔵型触媒を用いた排ガス浄化装置を提
供する。 【解決手段】 排ガス浄化装置は、所定の気筒からの排
ガスを単独の排気管１４を通じて排気し、その他の気筒
からの排ガスとは別の分配室２６を介して触媒２４に導
入させる。触媒２４は駆動モータ３４の動力により軸線
周りに回転されており、その導入口は分配室２６に対し
て変位される。また、排ガス浄化装置はＥＣＵ１２を用
いたコモンレールシステムを備えており、単独の排気管
１４が接続された気筒のみにストイキ燃焼またはそれ以
上のリッチ燃焼状態を形成させる。この気筒からの排ガ
スが導入された部分では、触媒２４からＮＯｘが放出・
還元され、その他の部分ではＮＯｘが吸蔵される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＮＯｘ吸蔵型触媒
を用いた排ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の排ガス浄化装置に関する従来技
術としては、例えば特許第２７２２９８２号公報に掲載
された排気浄化装置が挙げられる。この公知の浄化装置
は内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵型触媒
と、触媒への排ガスの流入を部分的に遮断して、代わり
に還元剤を供給する還元剤導入手段とを備えている。Ｎ
Ｏｘ吸蔵型触媒は排ガスの空燃比がリーンのときは排ガ
ス中のＮＯｘを吸蔵し、一方、排ガス中の酸素濃度が低
下すると吸蔵したＮＯｘを放出する。このとき還元剤導
入手段は触媒への排ガス流入の遮断および還元剤の供給
を一時に一部ずつ行うことにより、触媒の全体について
順次ＮＯｘの放出と還元浄化とを行わせるものとしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】公知の浄化装置は触媒
からＮＯｘを放出する際、エンジンの外部から還元剤を
供給する必要がある。このため還元剤の供給設備を別途
設ける必要があり、装置の構造が複雑化する。また還元
剤を消費してしまうと、その後にＮＯｘの放出ができな
くなるため、その機能を維持するためには還元剤の残量
を確認して適宜これを補給しなければならないという問
題がある。

【０００４】この点、エンジン外部から還元剤を供給す
ることなく、エンジンの運転制御によって触媒からのＮ
Ｏｘの放出を行う技術が知られている。具体的には、瞬
間的にエンジンの過濃空燃比運転を行って未燃ＨＣやＣ
Ｏを排ガス中に発生させ、これらＨＣ，ＣＯを用いて触
媒からのＮＯｘの放出およびその還元浄化を行うもので
ある。

【０００５】しかしながら、上述した公知技術ではＮＯ
ｘの放出・還元時に瞬間的にエンジンが希薄燃焼状態か
ら過濃燃焼状態に移行するため、そのままでは急激なト
ルクショックが発生してしまう。このためトルクショッ
クの対策としてＥＧＲ制御や吸気絞り制御、その他の制
御を複雑に組み合わせてトルクショックを緩和する必要
があり、そのための制御システムの確立に多大なコスト
を要する。

【０００６】そこで本発明は、外部設備を設けることな
くＮＯｘの放出を可能とし、またＮＯｘ放出時に複雑な
制御を要しない排ガス浄化装置の提供を課題としたもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の排ガス浄化装置（請求項１）は以下の構成
により実現される。排ガス浄化装置の排気系は所定の気
筒からの排ガスを単独の排気通路に排気させ、他の気筒
からの排ガスを集合した排気通路に排気させる。ＮＯｘ
吸蔵型触媒は排気系に接続される導入口を有しており、
導入口から軸線方向に排ガスを流通可能に成型されてい
る。また、ＮＯｘ吸蔵型触媒への排ガスの導入口は排ガ
ス分配手段により２つの領域に区画されており、単独の
排気通路からの排ガスと集合した排気通路からの排ガス
とはそれぞれ別々の領域に配分されてＮＯｘ吸蔵型触媒
に導入される。そして、ＮＯｘ吸蔵型触媒は駆動手段に
よりその軸線周りに回転され、これにより区画された各
領域に対して導入口が相対的に変位される。また内燃機
関は、単独の排気通路を有する所定の気筒のみが燃焼制
御手段によりストイキ燃焼状態またはそれ以上に燃料量
の割合が高いリッチ燃焼状態にて制御される。

【０００８】本発明の排ガス浄化装置によれば、その燃
焼制御により所定の気筒からの排ガスはストイキ空燃比
またはそれ以上のリッチ空燃比となり、この排ガスは単
独の排気通路により他の気筒から独立して排気される。
さらにこの排ガスは、ＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口にて区
画された一方の領域から導入され、この領域に連なる部
分だけを流通する。したがって、ＮＯｘ吸蔵型触媒に所
定の気筒からの排ガスだけが流通する部分では、ＮＯｘ
の放出および還元が行われる。これに対し、その他の気
筒からの排ガスは、他方の領域からＮＯｘ吸蔵型触媒に
導入され、この領域に連なる部分では通常どおりＮＯｘ
の吸蔵が行われる。このときＮＯｘ吸蔵型触媒が軸線周
りに回転されていると、リッチ空燃比の排ガスが導入さ
れる部分は順次軸線周りにずれていく。したがって、Ｎ
Ｏｘ吸蔵型触媒にはその回転に伴い、リッチ空燃比の排
ガスが導入されたり、通常の排ガスが導入されたりする
ため、触媒全体でみればＮＯｘを吸蔵しては放出・還元
し、また放出・還元しては吸蔵するという機能を常時発
揮することができる。

【０００９】好ましくは、ＮＯｘ吸蔵型触媒はシリンダ
形状の担体を有しており、その内部に多数の流通路が形
成されている。個々の流通路はＮＯｘ吸蔵型触媒の導入
口から出口までの間を軸線方向に通じており、それぞれ
内面に触媒層が担持されている。このような構造によ
り、ＮＯｘ吸蔵型触媒は全体として軸線方向への排ガス
流通性を有することができる。一方、ＮＯｘ吸蔵型触媒
の導入口が２つの領域に区画されていると、個々の流通
路はいずれか一方の領域のみに連なり、各領域に分配さ
れた排ガスはその領域に連なる流通路だけに導入され
る。このためＮＯｘ吸蔵型触媒の回転により全ての流通
路に満遍なくリッチ空燃比の排ガスを流通させるには、
ＮＯｘ吸蔵型触媒の導入口はその軸線周りに区画されて
いることが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、一実施形態の排ガス浄化
装置が装備されたエンジン１の構成を概略的に示してい
る。エンジン１は例えばディーゼル機関からなり、この
エンジン１は直列４気筒型のシリンダレイアウトを有し
ている。エンジン１の吸気系にはターボチャージャ２が
装備されており、ここで過給された吸気はインタークー
ラ４を介して吸気マニホールド６に流れ込む。

【００１１】エンジン１の燃料供給系は例えばコモンレ
ールシステムからなり、このシステムにはコモンレール
８および気筒毎のインジェクタ１０が含まれている。コ
モンレールシステムの作動は電子制御ユニット（以下、
「ＥＣＵ」と称する。）１２を用いて制御することがで
き、ＥＣＵ１２は各インジェクタ１０に作動信号を出力
してその燃料噴射量や噴射時期等を制御することができ
る。なおシステムの具体的な制御には、例えばクランク
角センサやアクセル開度センサ等の各種センサ類が用い
られるが、これらは公知であるため図示とともに説明を
省略する。

【００１２】エンジン１の排気系は、例えば、最も出力
軸側の１気筒だけに単独で接続された排気管１４を有し
ており、その他の３つの気筒には排気マニホールド１６
を介して１つに集合した排気管１８が接続されている。
なお、排気マニホールド１６にはＥＧＲ通路１３が接続
されており、排ガスの一部はＥＧＲ通路１３を通じて吸
気系に還流される。なおＥＧＲ通路１３にはＥＧＲクー
ラ１５が介挿されており、またＥＧＲ通路１３はＥＧＲ
バルブ１７を介して吸気系に接続されている。

【００１３】排気管１８には触媒ユニット２０が接続さ
れており、この触媒ユニット２０はケーシング２２の内
部に収容されたＮＯｘ吸蔵型の触媒２４を有している。
触媒２４はシリンダ状に成型された担体を有し、その内
部には多数の排ガス流通路が形成されている。流通路は
触媒２４の両端にて開口し、その導入口から出口までの
間で軸線方向に排ガスを流通させることができる。触媒
２４はその担体にて触媒層を担持しており、個々の流通
路の内面には触媒層が露出して形成されている。なお担
体には、例えば正方形セルや正六角形セルのモノリス担
体を使用することができる。

【００１４】ケーシング２２の内部には、触媒２４の上
流側に区画された分配室２６，２８が形成されており、
一方の分配室２８はケーシング２２の入口を通じて排気
管１８に接続されている。他方の分配室２６はケーシン
グ２２の外周にて開口し、この開口を通じて単独の排気
管１４に接続されている。これら分配室２６，２８は気
密を存して相互に仕切られおり、互いに独立して触媒２
４に排ガスを導入することができる。それゆえ、触媒２
４の導入口は分配室２６，２８にそれぞれ面する２つの
領域に区画されており、排気管１４，１８からの排ガス
は、これら分配室２６，２８を通じてそれぞれ別個の領
域に分配される（排ガス分配手段）。

【００１５】触媒２４はケーシング２２に対して軸線周
りに回転自在に支持されており、その外面とケーシング
２２の内面との間は気密にシールされている。また触媒
２４の外周にはリングギヤ３０が設けられており、この
リングギヤ３０にはドライブピニオン３２が噛み合わさ
れている。ドライブピニオン３２は触媒２４とともにケ
ーシング２２に収容され、ケーシング２２内にて回転自
在に支持さている。

【００１６】触媒ユニット２０に隣接して駆動モータ３
４が配設されており、この駆動モータ３４の出力軸はド
ライブピニオン３２に取り付けられている。駆動モータ
３４は上述のＥＣＵ１２から作動信号の供給を受けて作
動し、ドライブピニオン３２を回転させる。これによ
り、触媒２４はケーシング２２内にてその軸線周りに回
転されるので、分配室２６，２８により区画される各領
域に対して触媒２４の導入口は軸線周りに変位すること
ができる（駆動手段）。

【００１７】図２は触媒２４の導入口を示している。導
入口はその全域のうち一方の分配室２６に面する領域が
４分の１を占め、他方の分配室２８に面する領域が４分
の３を占めている。これら領域間の境界は導入口の中心
から径方向に延びており、それゆえ、各領域は触媒２４
の軸線周り方向に区画されている。したがって、触媒２
４がその軸線周りの一方向に回転されると、各領域に対
して導入口が回転方向に変位する結果、触媒２４が一回
転する間にその全ての流通路の導入口が両方の領域を通
過する。

【００１８】図３は、気筒別に設定された燃料噴射パタ
ーンの一例を示している。ＥＣＵ１２はコモンレールシ
ステムの制御に際し、所定の燃料噴射パターンに基づい
て気筒毎にインジェクタ１０を開閉弁させる。例えば、
単独の排気管１４が接続された気筒を触媒２４からＮＯ
ｘを放出させるためのＮＯｘ放出用気筒とし、その他の
気筒を通常気筒としてそれぞれ区別すると、内燃機関の
定常運転時には通常気筒に対する噴射パターンが主噴射
だけで与えられる。これに対し、ＮＯｘ放出用気筒に対
する噴射パターンは主噴射とポスト噴射で与えられる。
これにより、ＮＯｘ放出用気筒では吸入空気量に対して
ストイキ燃焼状態またはそれ以上に燃料量の割合が高い
リッチ燃焼状態が形成され、その結果、排ガスはリッチ
空燃比となる（燃焼制御手段）。

【００１９】ＮＯｘ放出用気筒からの排ガスは単独の排
気管１４を通じて排気され、上述のように分配室２６を
介して触媒２４に導入される。ここで、ポスト噴射によ
る燃焼は上述のようにリッチ燃焼状態を形成し、排ガス
中に未燃ＨＣやＣＯを発生させることができる。これら
ＨＣやＣＯを含む排ガスは、触媒２４にて吸蔵されたＮ
Ｏｘを放出させるとともに、その還元浄化に寄与する。
一方、その他の通常気筒からの排ガスは集合した排気管
１８を通じて排気され、分配室２８を介して触媒２４に
導入される。この場合、排ガス中のＮＯｘは触媒２４に
吸蔵されるので、通常どおり排ガスの浄化が行われる。

【００２０】この間、ＥＣＵ１２は駆動モータ３４の回
転速度を制御し、例えば１分間で触媒２４を約１回転
（＝１ｒｐｍ）させている。個々の流通路でみれば、そ
の導入口が触媒２４の回転に伴い軸線周りに移動し、分
配室２８の領域内にあるときは、流通路内にリーン空燃
比の排ガスを導入してＮＯｘを吸蔵し、一方、導入口が
分配室２６の領域内にあるときは流通路内にリッチ空燃
比の排ガスを導入してＮＯｘの放出・還元を行うものと
なる。したがって、触媒２４の全体としてＮＯｘの浄化
および放出・還元を常時行うことができる。なお、触媒
２４の回転速度は例えばエンジン１の回転速度に応じて
適宜可変させてもよい。

【００２１】また、図３の燃料噴射パターンから明らか
なように、その燃焼制御はＮＯｘ放出用気筒のみにポス
ト噴射を定常的に行うものであるから、全ての気筒に対
して瞬間的に過濃空燃比運転を行う必要がなく、運転状
態の切換えに伴うトルクショックが発生しない。この
点、従来の技術では瞬間的に過濃空燃比運転を行い、全
ての気筒からの排ガスをリッチ空燃比化することから、
その燃料噴射パターンは全ての気筒について主噴射およ
びポスト噴射により与えられる。この場合、ポスト燃焼
によるトルク増大（例えば図３中の斜線部）が全ての気
筒において発生するため、ポスト燃焼によるトルクに気
筒数を乗じた分だけトルクショックが発生する。

【００２２】これに対し、本実施形態の場合は運転状態
の切換えがないので、ＮＯｘ放出のためにトルクショッ
クの発生を考慮する必要がないという利点がある。した
がって、トルクショックの緩和のために吸気スロットル
制御やＥＧＲ制御等の対策を施す必要がなく、制御シス
テムの構成がきわめて簡素化される。本発明の排ガス浄
化装置は一実施形態の他にも変形して実施可能である。
例えば、エンジン１のシリンダレイアウトは直列４気筒
型に限られず、直列でさらに多数の気筒（例えば６気
筒）を有するものや、Ｖ型・水平対向型等のシリンダレ
イアウトであってもよい。また、ＮＯｘ放出用気筒とし
て選択される気筒は出力軸側だけのものに限られず、そ
の他の位置にあるものでもよい。この場合、図２に示さ
れる各領域の占める割合は、例えばエンジン１の気筒数
ｎに応じてそれぞれ１／ｎ，（ｎ−１）／ｎに設定する
ことができる。

【００２３】また、触媒ユニット２０はその入口が単独
の排気管１４に接続される態様であってもよいし、触媒
２４の回転をベルト駆動やチェーン駆動等によって行う
態様であってもよい。さらに本発明の排ガス浄化装置
は、ＮＯｘ吸蔵型触媒とディーゼルパティキュレートフ
ィルタ（ＤＰＦ）とを組み合わせた触媒システムにも適
用可能である。この場合、ＤＰＦの前段に酸化触媒を配
設し、ポスト噴射時期や噴射時期の制御によって排気昇
温や触媒活性化を行うなど、その応用範囲はさらに広範
なものとなる。

【００２４】また、上述の実施形態では本発明をディー
ゼルエンジンに適用した例としているが、本発明をガソ
リンエンジンにも適用できることはいうまでもない。

【００２５】

【発明の効果】本発明の排ガス浄化装置（請求項１）
は、外部設備を用いることなくＮＯｘの吸蔵および放出
を常時行うことができるため、簡素な制御システムによ
り安定して排ガス浄化機能を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の排ガス浄化装置を適用したディー
ゼルエンジンの概略図である。

【図２】図１中、ＩＩ−ＩＩ線に沿うケーシングの断面
図である。

【図３】コモンレールシステムを用いた燃料噴射パター
ンの一例である。

【符号の説明】

１ エンジン ８ コモンレール １０ インジェクタ １２ ＥＣＵ（燃焼制御手段） １４ 排気管（単独排気通路） １８ 排気管（集合排気通路） ２４ 触媒 ２６，２８ 分配室（排ガス分配手段） ３４ 駆動モータ（駆動手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３３０ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ａ 41/04 ３０５ 43/00 ３０１Ｈ 43/00 ３０１ ３０１Ｔ Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ Ｆターム(参考） 3G084 AA01 BA08 BA13 BA15 BA24 DA10 3G091 AA02 AA10 AA13 AA18 AA28 AB06 BA07 BA11 BA14 CA18 DA02 FB10 FB12 HA46 HB01 3G301 HA02 HA11 HA18 JA21 JA25 JA33 LB11 LC01 MA11 NE01 4D048 AA06 AA14 AB02 BB02 CB05 CC21 CC25 DA01 DA20 EA04

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関に設けられ、所定の気筒からの
   排ガスを単独の排気通路を通じて排気する一方、その他
   の気筒からの排ガスを集合した排気通路を通じて排気す
   る排気系と、 前記排気系に接続される排ガスの導入口を有し、この導
   入口から軸線方向に排ガスを流通可能に配設されたＮＯ
   ｘ吸蔵型触媒と、 前記導入口を２つの領域に区画し、前記単独の排気通路
   からの排ガスと前記集合した排気通路からの排ガスとを
   それぞれ別個の領域に分配して前記ＮＯｘ吸蔵型触媒に
   導入させる排ガス分配手段と、 前記ＮＯｘ吸蔵型触媒をその軸線周りに回転させること
   により、前記区画された各領域に対して前記導入口を相
   対的に変位させる駆動手段と、 内燃機関の運転中、前記所定の気筒のみにストイキ燃焼
   状態およびそれ以上に燃料量の割合が高いリッチ燃焼状
   態のいずれか一方を形成する燃焼制御手段とを具備した
   ことを特徴とする排ガス浄化装置。