JP3552649B2

JP3552649B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3552649B2
Application number: JP2000186893A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2001065333A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などに搭載される内燃機関、特にディーゼルエンジンや希薄燃焼式ガソリンエンジンのように酸化過剰状態の混合気（リーン空燃比の混合気）によって運転される内燃機関では、排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量を低減させるべく様々な技術が提案されている。
排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量を低減する技術の１つとしては、例えば、内燃機関の排気系を流れる排気の一部を吸気系へ再循環させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ装置）が知られている。
【０００３】
このＥＧＲ装置は、排気中に含まれる水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）等の不活性ガスを混合気とともに内燃機関の燃焼室へ導入し、前記した不活性ガスが持つ非燃焼性及び吸熱性を利用して混合気の最高燃焼温度を低下させることにより、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の発生を抑制し、以て内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量を低減するものである。
【０００４】
また、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量を低減する他の技術としては、選択還元型ＮＯ_ｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒のようなＮＯ_ｘ触媒を内燃機関の排気系に配置する技術が知られている。これは、前述したＥＧＲ装置が窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の発生自体を抑制するのに対し、内燃機関で発生してしまった窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を大気中に放出する前に浄化するものである。
【０００５】
選択還元型ＮＯ_ｘ触媒は、酸素過剰雰囲気下で炭化水素（ＨＣ）等の還元剤が存在するときに、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元または分解する触媒である。
この選択還元型ＮＯ_ｘ触媒を用いて窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を浄化するには適量の還元剤が必要となるが、内燃機関がリーン空燃比で運転されているときは、排気中の炭化水素（ＨＣ）の量が極僅かとなるため、内燃機関がリーン空燃比で運転されているときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を浄化するには、選択還元型ＮＯ_ｘ触媒に対して還元剤を別途供給する必要がある。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒は、該吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を吸蔵し、該吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を放出しつつ窒素（Ｎ_２）に還元する触媒である。
この吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒が吸蔵可能な窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量には限りがあるため、内燃機関がリーン空燃比で長期間運転されると、吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒のＮＯ_ｘ吸蔵能力が飽和し、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）が浄化されずに大気中へ放出されることになる。従って、吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒を用いて窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の浄化を行う場合には、吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒のＮＯ_ｘ吸蔵能力が飽和する前に、吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比として排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中に含まれる還元剤の量を増加させる必要がある。
【０００７】
そして、内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量を効率的に低減するために、例えば、特開平６−７４０２２号公報に記載された「内燃機関の排気ガス浄化装置」のように、ＥＧＲ装置とＮＯ_ｘ触媒とを組み合わせる技術も提案されている。
【０００８】
前記公報に記載された内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関に連結された排気枝管（排気マニホールド）の一の枝管に還元剤添加装置を取り付けるとともに他の枝管に排気再循環通路（ＥＧＲパイプ）の排気取入口を設け、又は、排気枝管（排気マニホールド）の各枝管にＥＧＲパイプの排気取入口を設けるとともに全ての枝管の集合部（ＥＧＲパイプの排気取入口より下流）に還元剤添加装置を取り付けることにより、還元剤添加装置とＥＧＲパイプの排気取入口との干渉を防止し、還元剤添加装置から添加された還元剤がＥＧＲパイプに進入するのを防止しようとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に開示された排気ガス浄化装置では、還元剤添加装置と排気浄化触媒とが離れて配置されることになるため、還元剤添加装置から噴射された微粒子状の還元剤は、排気浄化触媒に到達する過程において相互に衝突及び吸着し合い、還元剤の粒子が粗大化し易く、還元剤が排気浄化触媒全体に均等に供給されなくなる虞がある。
【００１０】
本発明は上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元又は分解するＮＯ_ｘ触媒を具備した内燃機関の排気浄化装置において、還元剤添加装置から排気中に添加された還元剤が排気再循環通路に流入するのを防止しつつ、還元剤をＮＯ_ｘ触媒全体に均等に供給することが可能な技術を提供することにより、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の効率的な浄化を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物を浄化するＮＯ_ｘ触媒と、
前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、前記内燃機関の排気通路に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、
前記ＮＯ_Ｘ触媒より上流の排気通路に設けられ、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成された排気浄化装置では、還元剤噴射手段から噴射された還元剤は、ＮＯ_Ｘ触媒上流において撹拌器によって撹拌される。この場合、還元剤は、撹拌により微粒子化され、排気と均質に混合することになる。
【００１３】
この結果、ＮＯ_Ｘ触媒には、還元剤と排気とが均質に混合したガスが流入することになり、還元剤及び排気がＮＯ_Ｘ触媒の全体に均等に行き渡ることになる。
つまり、還元剤噴射手段とＮＯ_Ｘ触媒とが離れた位置に配置された場合は、還元剤噴射手段から噴射された微粒子状の還元剤は、ＮＯ_Ｘ触媒に到達する過程で相互に衝突あるいは吸着し合うことで粗大化し、排気中に偏在する場合があるが、本発明ではＮＯ_Ｘ触媒の直上流に撹拌器を設けたことにより、排気と還元剤とが均質に混ざり合ったガスがＮＯ_Ｘ触媒に流入することになり、その結果、還元剤は、ＮＯ_Ｘ触媒の全体に均等に供給されるようになる。
【００１４】
一方、還元剤噴射手段は、高温の排気に晒されるため耐久性を向上させる上で適度な冷却が必要であるが、本発明に係る排気浄化装置では、還元剤噴射手段が内燃機関のシリンダヘッドに設けられるため、シリンダヘッド内を循環する機関冷却水を利用して冷却することが可能であり、内燃機関の外部に還元剤噴射手段が設けられる場合に比して冷却水路の配管等を新たに付加する必要がない。
【００１５】
尚、上記した撹拌器としては、遠心過給のタービンを例示することができる。その際、還元剤噴射手段からの還元剤の噴射は、遠心過給機による吸気の過給圧が所定圧以上となったときに行われることが好ましい。
【００１６】
これは、遠心過給機では排気によって回転駆動されるタービンの回転力を駆動源とするコンプレッサが吸気の過給を行うため、吸気の過給圧が所定圧以上であるときはコンプレッサ及びタービンの回転数が十分に高く、還元剤の撹拌が良好に行われることになるからである。
【００１７】
また、還元剤噴射手段から排気中に還元剤を噴射する場合には、還元剤噴射手段の噴射圧力を排気の圧力より高くする必要があり、更に排気圧力の変動に関わらず安定した噴射を行うために還元剤噴射手段の噴射圧力と排気圧力との差圧を一定に保つことが好ましい。これに対し、本発明に係る排気浄化装置は、還元剤噴射手段が排気通路内の圧力に対する還元剤噴射圧力を調整する調圧機構を具備するようにしてもよい。
【００１８】
また、還元剤噴射手段は、内燃機関のシリンダヘッドにおいて撹拌器に最も近い位置に配置されることが好ましく、例えば、シリンダヘッドに形成された複数の排気ポートのうち撹拌器に最も近い位置の排気ポートへ還元剤を噴射するように配置されるようにしてもよい。
この場合、還元剤噴射手段から噴射された還元剤は、排気ポートや排気ポート直下流の排気通路等に滞り難くなり、速やかに撹拌器へ到達し易くなる。
【００１９】
また、本発明において、内燃機関としては、筒内直接噴射式の希薄燃焼式ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００２０】
また、本発明において、ＮＯ_ｘ触媒としては、選択還元型ＮＯ_ｘ触媒あるいは吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒を例示することができる。
【００２１】
選択還元型ＮＯ_ｘ触媒は、該選択還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気が酸素過剰雰囲気であって還元剤が存在するときに、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元又は分解する触媒である。
このような選択還元型ＮＯ_ｘ触媒としては、ゼオライトに銅（Ｃｕ）等の遷移金属がイオン交換されて担持された触媒、ゼオライト又はアルミナに貴金属が担持された触媒、チタニアとゼオライトからなる担体上にバナジウムが担持された触媒、等を例示することができる。
【００２２】
吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒は、該吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を吸蔵し、該吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を放出しつつ還元及び浄化する触媒である。
このような吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒としては、アルミナからなる担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類との中から選ばれた少なくとも一つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された触媒を例示することができる。
【００２３】
また、本発明において、還元剤としては、アンモニア由来の還元剤を採用することもでき、そのような還元剤としては尿素やカルバミン酸アンモニウムを例示することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式４気筒ディーゼルエンジンである。
【００２６】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、図示しない燃料ポンプから供給された燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と連通し、コモンレール４で蓄圧された燃料が各燃料噴射弁３に印加されるようになっている。この場合、燃料噴射弁３が開弁されると、前記所定圧で燃料が噴射される。
【００２７】
内燃機関１には、吸気枝管５が接続されており、吸気枝管５の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
前記吸気枝管５は、吸気管６に接続され、吸気管６は、エアクリーナボックス７に連通している。前記エアクリーナボックス７下流の吸気管６には、吸気管６内を流れる吸気の質量に対応したエアフローメータ８が設けられている。
【００２８】
前記吸気枝管５近傍の吸気管６には、該吸気管６内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁９と、ステッパモータ等で構成され前記吸気絞り弁９を開閉駆動するアクチュエータ１０とが設けられている。
【００２９】
前記エアフローメータ８と前記吸気絞り弁９との間に位置する吸気管６には、排気の圧力を駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１１のコンプレッサハウジング１１ａが設けられ、コンプレッサハウジング１１ａ下流の吸気管６には、前記コンプレッサハウジング１１ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１２が設けられている。
【００３０】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス７に流入した吸気は、該エアクリーナボックス７内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管６を介してコンプレッサハウジング１１ａに流入する。
【００３１】
コンプレッサハウジング１１ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１１ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１１ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１２にて冷却される。
【００３２】
インタークーラ１２で冷却された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁９によって流量を調節されて吸気枝管５に到達する。吸気枝管５に到達した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３３】
一方、内燃機関１には、排気枝管１３が接続され、排気枝管１３の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。この排気枝管１３と前記した吸気枝管５とは、排気枝管１３内を流れる排気の一部を吸気枝管５へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）１７を介して連通されている。
【００３４】
前記ＥＧＲ通路１７の途中には、該ＥＧＲ通路１７内を流れる排気の流量を調節するＥＧＲ弁１８が設けられている。このＥＧＲ弁１８が開弁されると、排気枝管１３内を流れる排気の一部がＥＧＲ通路１７を介して吸気枝管５へ導かれる。吸気枝管５に導かれた排気は、該吸気枝管５の上流から流れてきた吸気とともに各気筒２の燃焼室へ分配され、各燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３５】
その際、燃焼室では、排気の再循環ガス（ＥＧＲガス）に含まれる水分（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）等の不活性ガスにより、燃焼温度が低下し、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の発生量が抑制される。
【００３６】
次に、前記排気枝管１３は、前記遠心過給機１１のタービンハウジング１１ｂと接続され、前記タービンハウジング１１ｂは、排気管１４と接続されている。
前記排気管１４は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。前記排気管１４の途中には、二つの排気浄化触媒１５、１６が配置されている。
これら排気浄化触媒１５、１６は、還元剤の存在下で窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を浄化可能となるＮＯ_ｘ触媒であり、そのようなＮＯ_ｘ触媒としては、該ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気が酸素過剰雰囲気にあり且つ還元剤が存在するときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元又は分解する選択還元型ＮＯ_ｘ触媒、又は該ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときは排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を吸蔵し、該ＮＯ_ｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を放出しつつ還元及び浄化する吸蔵還元型ＮＯ_ｘ触媒等を例示することできる。ここでは、排気浄化触媒１５、１６として、ゼオライト・シリカ系の選択還元型ＮＯ_ｘ触媒を例に挙げて説明する。尚、以下では、上流側の排気浄化触媒１５を上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５と称し、下流側の選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１６を下流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１６と称する。
【００３７】
前記した上流側及び下流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５、１６が排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化するには、還元剤の存在が必要である。そこで、本実施の形態に係る排気浄化装置には、前記上流側及び前記下流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５、１６へ還元剤を供給するための還元剤供給機構が併設されている。
【００３８】
前記還元剤供給機構は、内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられて排気枝管１３内の排気通路へ還元剤を噴射する還元剤噴射装置２０と、還元剤としての液状の尿素を貯蔵する還元剤貯蔵室２２と、還元剤貯蔵室２２に貯蔵された還元剤を吸引して吐出する還元剤ポンプ２３と、還元剤ポンプ２３から吐出された還元剤を前記還元剤噴射装置２０へ導く還元剤供給管２１とを備えている。
【００３９】
前記還元剤噴射装置２０は、本発明に係る還元剤噴射手段を実現するものであり、例えば、図２に示すように、その噴孔が４つの気筒２の何れか１つの気筒の排気ポート１０１に突出するようシリンダヘッド１００に取り付けられた還元剤噴射弁２００を備えている。
【００４０】
前記還元剤噴射弁２００は、該還元剤噴射弁２００の噴孔が排気枝管１３におけるＥＧＲ通路１７の接続部位より下流であって、排気枝管１３における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポート１０１に突出するとともに、排気枝管１３の集合部へ向くようにシリンダヘッド１００に取り付けられることが好ましい。
これは、還元剤噴射弁２００から噴射された還元剤がＥＧＲ通路１７へ流入するのを防止するとともに、前記還元剤が排気枝管４５内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング１１ｂへ到達するようにするためである。
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１３の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポート１０１に還元剤噴射弁２００が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１３の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポート１０１に還元剤噴射弁２００が取り付けられるようにする。
【００４１】
また、前記還元剤噴射弁２００は、シリンダヘッド１００に形成されたウォータージャケット１０２を貫通、あるいはウォータージャケット１０２に近接して取り付けられるようにしてもよい。これは、還元剤噴射弁２００が排気ポート１０１を流れる比較的高温の排気に曝されるため、前記ウォータージャケット１０２を流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁２００を冷却することにより、還元剤噴射弁２００の耐久性を向上させることが可能となるからである。
【００４２】
一方、前記還元剤噴射装置２０は、還元剤供給管２１内の還元剤の圧力（すなわち、還元剤噴射弁２００に印加される還元剤の圧力）を調整するプレッシャーレギュレータ２０１を備えている。このプレッシャーレギュレータ２０１は、前記排気枝管１３と排気圧力導入管２０２を介して連通しており、前記排気枝管１３の排気圧力と前記還元剤供給管２１内の還元剤圧力との差圧が一定になるよう還元剤圧力を調整するようになっている。
【００４３】
このプレッシャーレギュレータ２０１によれば、内燃機関１の運転状態の変化等により排気枝管１３内の排気圧力が変動した場合においても前記還元剤噴射弁２００の噴射量を安定させることが可能となる。
【００４４】
ここで、図１に戻り、内燃機関１には、デジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポート等を具備した機関制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）２４が併設されている。
【００４５】
ＥＣＵ２４の入力ポートには、前述したエアフローメータ８に加え、吸気枝管５に取り付けられ該吸気枝管５内の吸気の圧力（過給圧）に対応した電気信号を出力する吸気圧センサ１９と、内燃機関１に取り付けられ機関出力軸たるクランクシャフトが所定角度回転する都度にパルス信号を出力するクランクポジションセンサ２５、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ２６等の各種センサが電気配線を介して接続されている。
【００４６】
ＥＣＵ２４の出力ポートには、前述した燃料噴射弁３、アクチュエータ１０、ＥＧＲ弁１８、還元剤噴射装置２０等が電気配線を介して接続されている。
ＥＣＵ２４は、上記した各種センサの出力信号に基づいて内燃機関１の運転状態を判定し、判定された運転状態に基づいて、燃料噴射制御やＥＧＲ制御等の基本制御を実行するとともに、還元剤噴射装置２０の制御を実行する。
【００４７】
ＥＣＵ２４のＲＯＭには、機関回転数とアクセル開度と内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘ量との関係を示すＮＯ_Ｘ排出量マップが記憶されている。このＮＯ_Ｘ排出量マップは、予め実験的に求められたものである。
【００４８】
ＥＣＵ２４は、このＮＯ_ｘ排出量マップを参照して、機関回転数とアクセル開度とに対応したＮＯ_Ｘ排出量を算出する。ＥＣＵ２４は、算出されたＮＯ_Ｘ排出量をパラメータとして還元剤の目標供給量（還元剤噴射弁２００の開弁時間）を算出し、目標供給量に基づいて還元剤噴射弁２００を制御する。
【００４９】
以下、本実施の形態に係る排気浄化装置の作用について述べる。
ＥＣＵ２４は、クランクポジションセンサ２５がパルス信号を出力する時間的間隔に基づいて機関回転数を算出するとともに、アクセル開度センサ２６の出力信号（アクセル開度）を入力する。
【００５０】
ＥＣＵ２４は、ＮＯ_Ｘ量排出マップへアクセスして、前記機関回転数と前記アクセル開度とに対応したＮＯ_Ｘ排出量を算出し、次いでＮＯ_Ｘ排出量をパラメータとして還元剤の目標供給量、即ち還元剤噴射弁２００の開弁時間を算出する。
【００５１】
一方、ＥＣＵ２４は、吸気圧センサ１９の出力信号を入力し、遠心過給機１１による吸気の過給圧が所定圧以上であるか否かを判別する。
前記過給圧が前記所定圧以上であると判定した場合は、ＥＣＵ２４は、還元剤噴射弁２００に駆動電流を印加して還元剤噴射弁２００を開弁させる。ＥＣＵ２４は、上記した開弁時間の間、還元剤噴射弁２００に駆動電流を印加しつづけ、目標供給量の還元剤を噴射させる。
【００５２】
還元剤噴射弁２００が開弁された場合、還元剤ポンプ２３から還元剤噴射弁２００へ供給された還元剤は、プレッシャーレギュレータ２０１によって調圧された圧力で排気枝管１３内へ噴射される。
【００５３】
排気枝管１３内へ噴射された還元剤は、内燃機関１の排気ポートから排出された排気とともに遠心過給機１１のタービンハウジング１１ｂに導かれる。
その際、還元剤噴射弁２００は、排気枝管１３の集合部に最も近い位置にある排気ポート、言い換えれば、タービンハウジング１１ｂに最も近い位置にある排気ポートに取り付けられており、更に還元剤噴射弁２００の噴孔が排気枝管１３の集合部に向けられているため、該還元剤噴射弁２００から噴射された還元剤の略全てが排気枝管１３内に滞ることなく速やかにタービンハウジング１１ｂへ到達することになる。
【００５４】
このように還元剤噴射弁２００からタービンハウジング１１ｂへ供給された還元剤は、タービンハウジング１１ｂ内で回転するタービンホイールによって撹拌されて排気と混合する。
その際、遠心過給機１１による吸気の過給圧が所定圧以上であり、タービンホイールの回転数が十分に高いため、排気中の還元剤は、タービンホイールの回転によって微粒子化され、排気と均質に混合する。
【００５５】
このようにタービンハウジング１１ｂ内で均質に混合された排気及び還元剤は、タービンハウジング１１ｂ直下流に位置する上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５に流入し、上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５の全体に均等に行き渡る。この結果、上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５において排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が効率的に還元又は分解される。
【００５６】
このように遠心過給機１１のタービンハウジング１１ｂ及びタービンホイールは、本発明に係る撹拌器を実現する。
従って、本実施の形態によれば、還元剤噴射弁２００と上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５とが離れて配置される場合に、還元剤噴射弁２００から噴射された還元剤が上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５に到達する過程において相互に衝突あるいは吸着しあって還元剤の粒子が粗大化しても、上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５の直上流に配置された撹拌器によって還元剤が撹拌されるため、上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５には、還元剤と排気とが均質に混合されたガスが供給され、還元剤が上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５の全体へ均等に供給される。その結果、排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を効率的に還元及び分解することが可能となる。
【００５７】
さらに、本実施の形態によれば、還元剤噴射弁２００と上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒１５とを離れた位置に配置することが可能となるため、還元剤噴射弁２００を内燃機関１のシリンダヘッド１００に配置し、該シリンダヘッド１００のウォータージャケット１０１内を流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁２００を冷却することが可能であり、冷却水の新たな配管を付加することなく、還元剤噴射弁２００の熱害を防止することが可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る排気浄化装置は、還元剤噴射手段とＮＯ_Ｘ触媒との間、好ましくはＮＯ_Ｘ触媒の直上流に、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器を配置して構成されるため、還元剤噴射手段とＮＯ_Ｘ触媒とが離れて配置された場合であっても排気と還元剤とが均質に混合したガスをＮＯ_Ｘ触媒に供給することが可能となる。
【００５９】
従って、本発明に係る排気浄化装置によれば、ＮＯ_Ｘ触媒の全体にわたって還元剤を均等に供給することが可能となり、排気中の窒素酸化物を効率的に浄化することが可能となる。
【００６０】
また、本発明に係る排気浄化装置によれば、ＮＯ_Ｘ触媒から離れた位置にあるシリンダヘッドに還元剤噴射手段を配置することが可能であり、シリンダヘッド内を循環する冷却水を利用して還元剤噴射手段を冷却することができ、冷却水の配管等を新たに付加することなく還元剤噴射手段の冷却、ひいては還元剤噴射手段の耐久性を向上させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】還元剤噴射装置の構成を示す図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
１１・・・遠心過給機（ターボチャージャ）
１１ａ・・コンプレッサハウジング
１１ｂ・・タービンハウジング
１２・・・インタークーラ
１３・・・排気枝管
１４・・・排気管
１５・・・上流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒
１６・・・下流側選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒
１９・・・吸気圧センサ
２０・・・還元剤噴射装置
２１・・・還元剤供給管
２２・・・還元剤貯蔵室
２３・・・還元剤ポンプ
２４・・・ＥＣＵ
２５・・・クランクポジションセンサ
２６・・・アクセル開度センサ
１００・・シリンダヘッド
１０１・・排気ポート
１０２・・ウォータージャケット
２００・・還元剤噴射弁
２０１・・プレッシャーレギュレータ
２０２・・排気圧力導入管

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、前記内燃機関の排気通路に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、
前記ＮＯｘ触媒より上流の排気通路に設けられ、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記撹拌器は、遠心過給機のタービンであり、
前記還元剤噴射手段は、前記遠心過給機による吸気の過給圧が所定圧以上であることを条件に還元剤の噴射を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤噴射手段は、排気通路内の圧力に対する還元剤噴射圧力を調整する調圧機構を具備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。
前記還元剤噴射手段は、前記シリンダヘッドに形成された複数の排気ポートのうち前記撹拌器に最も近い位置の排気ポートに還元剤を噴射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。