【発明の詳細な説明】
触媒コンバーター排気システムでの排気を低減させるための装置および方法
技術分野：
本発明は、燃焼機関に設けた車両用触媒コンバーター排気システムでの排気を
低減させるための装置および方法に関する。特に、本発明は、触媒コンバーター
のいわゆる「着火」時間を遅らせ得つつ、同時にエンジンから触媒コンバーター
へと排出される未処理の排気ガスを少なくするための装置および方法に関する。
発明の背景：
燃焼機関によって操作される自動車の分野では、エンジンの排気ガス中の有害
物質の濃度をできるだけ低くすべきであるという一般的な必要条件がある。これ
らの有害物質は、主として、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)および一酸化炭素(
CO)の未燃焼残留物の形状で存在している。ガソリンエンジンを装備した今日の
自動車では、排気ガスの浄化は、通常、その排気システムに配置された触媒コン
バーター(すなわち、触媒)によって行われている。現代のいわゆる三元触媒では
、前記有害物質の大部分は、種々の周知の触媒反応によって、取り除かれる。
今日の触媒は、非常に高度な浄化(すなわち、有害排気ガス成分の一酸化炭素
および水への転化)を提供する。このことは、これらの触媒が、その適切な操作
温度にて、排気ガス中の非常に多量な有害排気物を取り除くことを意味している
。しかしながら、これらの触媒は、最適な程度の浄化が得られ得る操作温度に到
達するために、一定期間にわたって、加熱しなければならないという欠点がある
。この触媒のいわゆる「着火温度」は、およそ200〜350℃であり、触媒が排気ガ
ス中の特定の有害成分の50％程度の浄化を提供する温度として、定義され得る。
この触媒の初期ウォームアップ(warm-up)段階の間(これは、およそ30〜90秒間で
ある)では、触媒は、排気ガス中の有害物質の除去に関して、最適な様式では操
作できない。明らかに、このことは、車両の冷時始動中に、問題を生じる。
この初期ウォームアップ段階中での有害排気物の量を少なくする可能性のある
方法は、この触媒がその着火温度に到達する時間を短くするために、種々の手段
を実行することである。冷時始動中には、これは、排気システムに高い熱エネル
ギーを発生させて、引き続き、触媒を急速に加熱することにより、達成され得る
。
この着火温度に到達する時間を低下させる既に公知の装置(arrangement)は、
主要触媒の上流に配置した電気的に加熱した触媒を包含するものである。しかし
ながら、この装置は、いくつかの欠点を含んでいる。第一に、加熱可能触媒の価
格はかなり高い。さらに、電気エネルギーの消費は、比較的に高い。この車両に
は、追加の電源(例えば、余分なバッテリー)が必要であり得る。また、この電気
的に加熱可能な触媒の耐久性は、問題を生じ得る。
他の装置は、雑誌Motortechnische Zeitschrift、55巻(1994年)、４号、198〜
206ページ、「Die Motoren im neuen Opel Omega」、Heinz-Ewo Brandらで開示
されているが、排気ガスに二次空気を注入するための手段を包含する。この二次
空気は、排気ポートとエンジンの排気バルブのすぐ下流にあるプレナム容量（pl
enum volume）との中の排気ガスと混合されて、この排気ガスおよび二次空気か
らなる混合物が酸化される。この酸化により、熱エネルギーが発生し、これは、
この触媒に送り込まれて、結果的に、加熱される。
この装置は、冷時始動中に、このエンジンが、エンジンに送り込まれる空気/
燃料混合物中にて、一定の化学量論的に過剰な燃料を供給するように操作される
という事実に基づいている。この空気/燃料比を、λ＝１より低いλ値を与える
レベルまで濃縮することにより、排気ガス中にて、過剰な水素(H2)、一酸化炭素
(CO)および炭化水素(HC)が発生する。λを、例えば、およそ0.7の値まで低下さ
せることにより、排気ガス中の対応する量の水素は、次いで、この排気ガスの約
５容量％の量で存在する。
このような低い値のλパラメータは、その始動(start-up)段階中に濃い(rich)
空気/燃料混合物を保証するために、燃料噴射器への排出量を制御するような様
式で、このエンジンの制御システムを変えることにより、達成し得る。これは、
燃料噴射時間を高めるか、および/またはエンジンへの投入空気量を少なくする
ことにより、起こり得る。排気ガス中の水素ガスおよび他の可燃性成分の量を増
やす(例えば、燃料噴射または着火タイミングを変える、エンジンバルブ持ち上
げのタイミングを調節する、または燃焼室での成層燃焼を適用する)ために、さ
らに他の方法も利用し得る。
先に述べたように、二次空気は、排気ガスと混合されて、排気ガス中に存在し
ている水素を主として原因とする酸化プロセスを生じる。この酸化反応は、多量
の熱エネルギーを生じ、これは、排気パイプを通って触媒へと案内されて、引き
続いて、急速に加熱される。
前記装置は、この触媒が着火温度に到達するまでにかかる時間を短くするもの
の、このエンジンの性能が悪影響を受けるという欠点がある。これは、公知の装
置が、最適なエンジン出力およびエンジントルクに効果的に調整できないという
事実による。エンジンの調整に関しては、エンジン出口の設計は、常に、エンジ
ンの最適な容積効率を与えるように、考慮すべきである。上記文献「Die Motore
n im neuem Opel Omega」で記述されている装置による排気マニホルドの幾何学
的配置は、エンジンの性能を最適にする場合必須となるこのような調整のいずれ
も可能にするものではない。
この文献による装置の他の欠点は、冷時始動中にて、この触媒の温度が殆どま
たは全く考慮されていないことにある。このことは、このエンジンが、不要なと
き(例えば、この触媒が既にその着火温度に到達したとき)、水素を発生するよう
に制御されることを意味する。言い換えれば、このエンジンには、過剰な燃料が
供給され得、その結果、燃料消費が多くなる。
ターボチャージャーエンジンについては、この触媒の最適性能に到達する時間
は、通常、自然に吸気される(aspirated)エンジンよりも長い。このことは、主
として、ターボチャージャーが熱だめとして作用して、この触媒に入る前の排気
ガスの温度を低下させるという事実による。排気ガス酸化のための上記装置は、
いまだに、ターボチャージャーエンジンには適用されていない。
この排気を少なくする別のシステムは、文献WO-A-92/22734およびWO-A-93/073
65から公知であり、これらの文献は、水素および酸素の混合物が別個のアフター
バーナー燃焼室(これは、排気パイプの下流に配置されている)へと案内されるシ
ステムを開示している。排気ガスがこのアフターバーナー燃焼室に達すると、そ
れは、このエンジンがまず着火された直後に、特別な着火装置によって、着火さ
れる。これは、水素および酸素の濃度を公知の引火限界内にとどめることを保証
することにより、達成される。必要な濃度を得るために、この燃料/空気混合物
は、追加の水素を得るように著しく濃縮されるのに対して、追加の酸素は、補助
空気ポンプによって、添加される。
これによって改良が得られるものの、このシステムの重大な欠点には、この気
体混合物を着火するために、このアフターバーナーには、着火装置が必要なこと
がある。このような着火装置は、故障し易い余分な部品となる。さらに、消費者
の観点から見ると、これは、より高価な排気システムに関係した余分なコスト、
および摩耗または欠陥のあるアフターバーナー着火装置を修理および/または交
換する追加コストのために、望ましくない。
発明の要旨：
それゆえ、本発明の主要な目的は、上記欠点を克服し、触媒コンバーター排気
システムでの排気を少なくする改良装置を提供することであって、この装置は、
エンジン性能のいずれの著しい劣化も伴わずに、この触媒の着火温度に到達する
のにかかる時間を著しく短くする。
上記目的は、燃焼機関用の触媒コンバーター排気システムでの排気を少なくす
るための装置であって、触媒コンバーターが、機関の始動中に着火時間が過ぎた
後、排気を少なくする装置により達成される。この装置は、以下を包含する：機
関を触媒コンバーターに接続する排気パイプ；空気および燃料の混合物を機関に
供給するための空気/燃料混合物形成手段；機関の始動中にて、排気ガス中に、
高濃度の水素および他の可燃性ガス、例えば、一酸化炭素および炭化水素を発生
させるために、空気−燃料混合物形成手段を制御するために適合した制御ユニッ
ト；および機関の冷時始動中にて、排気ガスとの気体混合物を形成するために、
少なくとも１個の機関排気バルブの下流に二次空気を供給するための空気供給手
段。機関は、機関の外部気体交換システムを最適化するように設計された複数の
一次排気出口パイプを備えている。さらに、制御ユニットは、水素の発生および
空気供給手段の操作を制御するように適合されており、それにより、気体混合物
中での排気ガス酸化が生じ、その結果、酸化中に発生した熱エネルギーは、触媒
に供給されて、それにより、触媒の着火時間が短縮される。
本発明は、いわゆる一次排気出口パイプを設けたエンジンで特に有用である。
これらのパイプは、数において、このエンジン中のシリンダー数に対応している
。この一次排気出口パイプ(以下、単に、「一次パイプ」と呼ぶ)は、このエンジ
ンの各個のシリンダー出口に配置したパイプ要素として、設計されている。この
シリンダーからの一次パイプは、プレナムチャンバを形成するように同一の空間
を占めており(coincide)、このチャンバには、全てのシリンダーからの排気ガス
が供給される。この排気ガスは、このプレナムチャンバを介して、この一次パイ
プ、および触媒へ導く従来の排気パイプを通って送り込まれる。各一次パイプの
幾何学的配置は、燃焼室および吸込マニホルドおよび空気-燃料吸込パイプによ
り設定される流動要件に依存して、選択される。このようなして、このエンジン
は、改良された性能および高い容積効率を与えるように、最適化し得る。この排
気パイプおよびマニホルドの幾何学的配置により影響される他の重要な要因には
、この燃焼室中の残留物の量がある。最適な設計は、不安定な燃焼に伴う問題を
生じることなく、燃料消費を少なくし得る。
好ましくは、この一次排気出口パイプは、第一部分および第二部分と共に成形
されており、第二部分は、第一部分よりも大きな断面積を有する。
本発明のさらに他の目的は、ターボチャージャーエンジン用の触媒コンバータ
ー排気システムでの排気を少なくするための改良装置を提供することにある。こ
の目的は、ターボチャージャー装置を備えた燃焼機関用の触媒コンバーター排気
システムでの排気を少なくするための装置であって、以下を包含する装置によっ
て達成される：機関を触媒コンバーターに接続する排気パイプ；空気および燃料
の混合物を機関に供給するための空気/燃料混合物形成手段；機関の始動中にて
、排気ガス中に、高濃度の水素および他の可燃性ガス、例えば、一酸化炭素およ
び炭化水素を発生させるために、空気/燃料混合物形成手段を制御するために適
合した制御ユニット；および機関の冷時始動中にて、排気ガスとの気体混合物を
形成するために、少なくとも１個の機関排気バルブの下流に二次空気を供給する
ための空気供給手段。制御ユニットは、気体混合物中での排気ガス酸化を生じる
ように適合されており、機関は、排気マニホルドを備えており、その容量は、気
体
混合物をターボチャージャー装置に送り込む前に、気体混合物中の実質的に全て
の可燃性成分の排気ガス酸化を与えるように、適合されている。
この目的はまた、ターボチャージャー装置を備えた燃焼機関用の触媒コンバー
ター排気システムでの排気を少なくするための装置であって、以下を包含する装
置によっても、達成される：機関を触媒コンバーターに接続する排気パイプ；空
気および燃料の混合物を機関に供給するための空気/燃料混合物形成手段；機関
の始動中にて、排気ガス中に、高濃度の水素および他の可燃性ガス、例えば、一
酸化炭素および炭化水素を発生させるために、空気/燃料混合物形成手段を制御
するために適合した制御ユニット；および機関の冷時始動中にて、排気ガスとの
気体混合物を形成するために、少なくとも１個の機関排気バルブの下流に二次空
気を供給するための空気供給手段。制御ユニットは、気体混合物中での排気ガス
酸化を生じるように適合されている；ここで、排気パイプは、タービンの回りに
排気ガスを案内するためのバイパスパイプを形成するように、分割されており、
バイパスパイプには、バルブが配置されており、バルブは、制御ユニットと接続
されており、排気ガス酸化中にて、開放状態へと制御し得る。
本発明のさらに他の目的は、触媒コンバーター排気システムでの排気を少なく
するための改良方法を提供することにある。これは、燃焼機関用の触媒コンバー
ター排気システムでの排気を少なくするための方法であって、触媒コンバーター
は、機関の始動中に着火時間が過ぎた後、排気を少なくし、触媒コンバーターお
よび機関は、排気パイプによって接続されており、機関は、排気マニホルドのプ
レナム容量形成部分と一致する少なくとも２個の一次排気出口パイプを備えてい
る、方法によって達成される。この方法は、以下の工程を包含する：空気/燃料
混合物形成手段を介して、機関に、空気および燃料の混合物を供給する工程；機
関の始動中にて、排気ガス中に、高濃度の水素または他の可燃性ガス、例えば、
一酸化炭素および炭化水素を発生させるために、空気/燃料混合物形成手段を制
御する工程；機関の冷時始動中にて、排気ガスとの気体混合物を形成するために
、少なくとも１個の機関排気バルブの下流に二次空気を供給する工程；および一
次排気出口パイプ、排気マニホルドおよび排気パイプにて、気体混合物の酸化を
引き起こし、その結果、酸化によって生じた熱エネルギーを触媒に供給し、それ
に
より、触媒の着火時間を短縮する工程。
本発明のさらに他の目的は、ターボチャージャーエンジンで使用するための触
媒コンバーター排気システムでの排気を少なくするための改良方法を提供するこ
とにある。この目的は、燃焼機関用の触媒コンバーター排気システムでの排気を
少なくするための方法であって、触媒コンバーターおよび機関は、排気パイプに
よって接続されており、機関は、ターボチャージャー装置、および排気マニホル
ドのプレナム容量形成部分と一致する複数の一次排気出口を備えている、方法に
よって達成され、この方法は、以下の工程を包含する：空気/燃料混合物形成手
段を介して、機関に、空気および燃料の混合物を供給する工程；機関の始動中に
て、排気ガス中に、高濃度の水素および他の可燃性ガス、例えば、一酸化炭素お
よび炭化水素を発生させるために、空気/燃料混合物形成手段を制御する工程；
機関の冷時始動中にて、排気ガスとの気体混合物を形成するために、少なくとも
１個の機関排気バルブの下流に二次空気を供給する工程；および気体混合物をタ
ーボ装置に送り込む前に、気体混合物中の実質的に全ての可燃性成分の排気ガス
酸化が起こるような様式で、プレナム容量中の気体混合物の酸化を引き起こす工
程であって、ここで、酸化によって発生した熱エネルギーは、触媒に供給される
。
図面の簡単な説明：
本発明は、今ここで、添付の図面で図示した特定の実施態様を参照して、例に
よってのみ、さらに詳細に記述されており、ここで：
図１は、本発明を包含する車両エンジンおよび排気システムの模式図を示す；
図２は、本発明に従って使用される排気ポートの僅かに拡大した図を示す；
図３は、排気マニホルドの酸化プロセスを図示している；および
図４は、本発明の第二の実施態様を図示している。
好ましい実施態様の詳細な説明：
図１は、本発明の装置が組み込まれるシステムを簡単な様式で示す。このシス
テムは、自然給気タイプの通常のエンジンである燃焼機関１と連絡して、配置さ
れている。公知の様式では、エンジン１には、吸気マニホルド２を介して、空気
/燃料混合物が供給される。さらに、エンジン１は、触媒コンバーター３と接続
されており、これは、好ましくは、通常の三元触媒(これは、排気ガス中に存在
している有害物質である一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)および窒素酸化物(N0x)
を少なくするように、適合される)の形態である。この排気ガスは、排気パイプ
４を介して、エンジン１から排出される。
エンジン１の下流では、排気パイプ４は、排気マニホルド５に接続されており
、それを通って、排気ガスが送り込まれる。図１は、一次排気出口パイプ(また
は「一次パイプ」)６、７、８の形状の３個のシリンダー出口を描写しており、
このことは、エンジン１が、２個のバンクに各３個のシリンダーを配置した６個
のシリンダーを備えるタイプであることを意味している。図１は、エンジン１の
簡単な図を示し、シリンダーピストンやエンジンバルブのような一部の部品は図
示していないことに注目すべきである。本発明は、他のシリンダー構造を有する
エンジンに適用できることもまた、注目すべきである。排気マニホルド５は、一
次パイプ６、７、８がエンジンの各個のシリンダーから共通容量(いわゆるプレ
ナム容量であって、これは、排気パイプ４の上流に位置している)へと伸長して
いる様式で設計されている。一次パイプ６、７、８の主要目的は、エンジン１の
外部気体交換システムを最適化することにある。
一旦、この排気ガスが触媒３を通ると、それらは、消音器システム(図示せず)
を通って、大気中に排出される。これは、矢印９で示す。
適切な空気/燃料混合物を得るために、エンジン１には、吸気マニホルド２に
配置した空気/燃料混合物形成手段10を設けている。空気/燃料混合物形成手段10
の操作は、電気接続12を介して、電子制御ユニット11により制御される。混合物
形成手段10は、少なくとも１個の燃料噴射器(図示せず)および吸気バルブ(図示
せず)を備える。制御ユニット11は、このエンジンの操作条件に従って、空気/燃
料混合物をエンジン１に適合させるように配置されている。
制御ユニット11はまた、エンジン１の種々のセンサおよび制御機能に接続され
ている。制御ユニット11は、それ自体、公知であるが、以下で明らかになるよう
に、ある種の追加の制御機能を備えている。排気ガスセンサは、好ましくは、酸
素センサ13の形態であり、排気パイプ４に配置されており、電気接続14を介して
、
制御ユニット11に信号を与え、これは、排気ガス中の酸素濃度を指示する。さら
に、別の電気接続16を介して触媒３の温度の指示を制御ユニット11に与えるため
に、触媒３と連絡して温度センサ15が配置されている。触媒３の温度に関する制
御ユニット11の情報はまた、このエンジンの種々の操作パラメータ(例えば、冷
却水の温度および室温)の１個またはそれ以上の関数として温度の測定を与える
ソフトウェアモデルによって提供できることに注目すべきである。このようなパ
ラメータによって、制御ユニット11にて、「予想される」触媒温度に対応する値
が計算できる。この値は、以下で説明する原理に従って、このシステムを制御す
るのに使用できる。もし、触媒３の温度がソフトウェアモデルによって計算でき
るなら、別個の温度センサ15は必要ではないことに注目すべきである。
追加のセンサ(図示せず)(例えば、冷却水用のセンサ、このエンジンの温度お
よび周囲の雰囲気用のセンサ、エンジン速度センサ、エンジンクランクシャフト
位置センサ、空気塊流量計およびスロットル角指示器)によって、制御ユニット1
1には、このエンジン操作に関する情報が供給される。公知の様式で、制御ユニ
ット11は、このエンジンの任意の所定操作条件に従って、この空気/燃料混合物
を制御する。
本発明によれば、制御ユニット11は、冷時始動中において、排気ガス中にて、
比較的に高い濃度の水素を得る様式で、エンジン１の操作を制御するように適合
されている。このことに関して、エンジン１に対する空気/燃料混合物は、およ
そλ＝0.6〜0.8に相当する化学量論的な空気/燃料比を提供するように制御され
、すなわち、このエンジンに対する空気/燃料混合物には、過剰の燃料が与えら
れ、これは、上記の公知の原理に従って、排気ガス中にて、一定量の水素および
一酸化炭素を発生する。
このエンジンに分配される空気/燃料混合物中に存在する過剰の燃料に加えて
、エンジン速度および着火タイミングは、また、発生する水素の量を決定する要
因である。しかしながら、この排気ガス中の水素濃度は、本質的に、化学量論的
な燃料過剰量により、決定される。寒冷時始動操作中に存在する濃縮した空気/
燃料混合物は、好ましくは、この排気ガス中の全気体容量のおよそ４〜６％の量
の水素濃度を与える。
さらに、本発明によれば、この排気ガスには、追加の(すなわち、二次)空気を
添加すべきであり、それにより、排気ガスおよび二次空気を含有する気体混合物
が生成する。本発明の第一の実施態様によれば、この二次空気は、空気ポンプ17
の形態の空気供給システムによって供給され、その出力は、空気ダクト18を介し
て、排気マニホルド５に接続されている。空気ポンプ17は、電気接続19を介して
、制御ユニット11に接続されており、好ましくは、この排気ガス中に過剰の水素
および一酸化炭素が発生する期間(すなわち、冷時始動中、触媒３による、この
排気ガス中の有害成分の所望レベルの精製までの期間)にわたって、二次空気を
供給するように操作される。この所望レベルは、上記レベルの50％に相当してい
ても、また、相当していなくてもよい。
空気ダクト18は、多数のブランチ20、21、22と共に設計されており、それらの
出口は、それぞれ、対応する一次パイプ６、７、８で終わっている。空気ダクト
18のブランチ数は、好ましくは、エンジン１の一次パイプの数に対応しているこ
とに注目すべきである。
空気ポンプ17は、雰囲気からの二次空気の流れを供給するために、制御ユニッ
ト11により制御されるように適合されており、その流れは、強制的に、空気ポン
プ17の一部を形成する吸込ダクト23を通る。さらに、空気ポンプ17は、この排気
ガス混合物中の所望の空気/燃料比を保証するのに充分な圧力の空気流を与える
様式で、設計される。
さらに、公知の原理に従って、この排気ガスへの二次空気の添加と組み合わせ
て、排気ガス中の水素の濃度は、排気ガス中の可燃性成分の酸化の増加を与える
。より具体的には、この排気ガス中の水素、一酸化炭素および炭化水素は、もし
、この気体混合物にて、一定の閾値温度Ｔ1に達したなら、二次空気により供給
される酸素と反応する。このとき、平均した閾値温度Ｔ1は、およそ300〜450℃
である。
本発明による排気ガスシステムはまた、いわゆる炭化水素吸着装置24を備え得
、これは、触媒３の上流に配置されているか、あるいは、触媒３内に組み込まれ
ている。エンジン１の操作中にて、炭化水素吸着装置24は、この排気ガス中に存
在している炭化水素化合物を吸着する。この排気ガスの温度(従って、炭化水素
吸
着装置24の温度でもある)が、一定の閾値を越えると、炭化水素吸着装置24は、
今までにその中に集められた炭化水素を脱着する。この閾値は、その平衡(equli
brium)状態を反映し、通常、この触媒の着火温度より低い。従って、排気温度
の比較的に緩慢な上昇は、通常、従来のエンジンの場合であるが、この触媒が着
火温度に達するまで吸着した状態のままの炭化水素は限定量しか生じない。しか
しながら、本発明による排気温度の急速な上昇は、触媒３がその着火温度に到達
する前に、炭化水素吸着装置24から脱着する量を少なくする。
図２は、一次パイプ６(すなわち、図１で示した３個のシリンダー出口のうち
の１個)の透視図を、拡大して図示している。エンジン１の排気ガスは、２個の
排気バルブ25、26を介して、排出される。明確にするために、図２はまた、この
エンジンの一部を形成するピストン27を描写している。このエンジンは、例えば
、６個のシリンダーを備え得、各１個は、図２で示したものと同じ設計の一次パ
イプを有することが、当業者に容易に明らかとなる。
さらに、空気ダクトブランチ20は、排気バルブ25、26と密接に連絡して終わる
ように、一次パイプ６に配置されている。好ましくは、空気ダクトブランチ20は
、注入した二次空気が、バルブ25、26の間の実質的に中間に位置している点へと
向かうように、配置されている。空気ダクトブランチ20は、このエンジンのシリ
ンダーヘッドにて、成形ダクトとして形成されている。この空気供給システムは
、あるいは、各排気バルブに対して１個の空気ダクトブランチを備えて設計でき
ることに注目せよ。
本発明によれば、一次パイプ６(および図１で示した他の一次パイプ７および
８)は、第一管状部分28および第二管状部分29により形成される。第二部分29は
、第一部分28の断面積を越える断面積を有する。好ましくは、第二部分29の断面
積は、排気ガスの流れ方向と垂直と見なされる、第一部分28の断面積のおよそ２
〜５倍である。これらの部分28、29は、好ましくは、環状であるが、本発明の範
囲内にて、他の設計(例えば、長方形または楕円形)もまた、可能である。第一部
分28から第二部分29への移行部分は、好ましくは、エンジン１のシリンダーヘッ
ドの頂面と整列して(すなわち、同一平面上)配置される。
以下、本発明の動作を説明する。エンジンｌは、４ストロークサイクルにより
動作するが、このことは、エンジン１の圧縮と膨張段階において排気バルブ２５
、２６が閉じていることを意味する。この期間において、第１のセクション２８
は、空気ダクトのブランチ２０を介する二次空気で実質的に満たされている。ま
た、第２のセクション２９は、通常少なくとも部分的に二次空気で満たされてい
る。バルブ２５、２６が開くとき、排気ガスが放出され、二次空気とともに上述
のガス混合物を形成する。二次空気を注入するための空気ポンプ１７の動作は、
制御ユニット１１によって制御され、これによってこのガス混合物の酸化が行わ
れる。システムは、好適には、約λ＝１．０〜１．３のガス混合物の空気／燃料
比を提供するように動作する。
一次パイプ６内での酸化プロセスを図３に模式的に示す。図３では、上述のガ
ス混合物（即ち、二次空気と排気ガスの混合物）の温度Ｔが、時間ｔの関数とし
て示されている。時間ｔが経過するに従い、ガス混合物がパイプ６に沿って流れ
ることに留意するべきである。従って、時間内の所定の点の温度Ｔは、パイプ６
内の特定の位置に関係していない。
排気バルブ２５、２６が開くとき（即ちｔ＝０）、排気ガスと二次空気との急
速な混合が、ガス混合物の熱エネルギーの一部を損失させ、その結果、温度Ｔを
低減する（図３、工程３０）。しかしながら、短期間の後に起こるガス混合物の
酸化が、温度Ｔを上昇させる（工程３１）。第２のセクション２９の位置、即ち
第１のセクション２８の長さは、第１のセクション２８において温度上昇が存在
するという事実のため、排気バルブ２５、２６からより遠位の距離に選択し得る
。さらに、第１のセクション２８に沿ってガス混合物が流れるという事実は、第
１のセクション２８の内壁がガス混合物に付与する冷却効果のために、ガス温度
Ｔを低減する（工程３２）。
ガス混合物の「パルス」が第２のセクション２９に到達するとき、第１のセク
ション２８から第２のセクション２９への遷移が、新たな温度の低減を生み出す
（工程３３）。これは、第２のセクション２９に流入するガス混合物が、先行す
る動作段階で第２のセクション２９に供給された比較的高いガス体積（即ち排気
ガスと二次空気の混合物）で混合される事実のためである。この「古い」ガス混
合物の体積は、第１のセクション２８から第２のセクション２９への体積の増大
、
即ちこれらのセクションの断面積の関係に依存する。
第２のセクション２９内での体積の膨張は、「古い」ガス混合物内での酸素の
利用を提供するので、排気の酸化がさらに進行し得る。この混合は、第２のセク
ション２９内で発生する乱気流によって促進される。このことが再び、ガス混合
物の温度Ｔの上昇を引き起こす（工程３４）。次に、ガス混合物は、第２のセク
ション２９に沿って流れ、再び温度Ｔの低減を引き起こすが、これは主に第２の
セクション２９の内壁の冷却効果による（工程３５）。さらに、ガス混合物は、
すべての一次パイプ６、７、８が合流するプレナム容量に達する（図１を参照の
こと）。プレナム容量において、体積の増大のため、再び温度Ｔは低下する（工
程３６）。最終的に、排気ガスの酸化が、プレナム容量において、および排気パ
イプ４に沿って継続する（工程３７）。ガス混合物の熱エネルギーは触媒３（お
よび炭化水素吸着装置２４のような装置が用いられている場合は、そのような装
置）に伝達され、触媒は急速に加熱される。
本発明の利点は、排気バルブ２５、２６から排気パイプ４までの各酸化段階に
おいて、各段階で空気との混合が起こるという事実のため、酸化が起こり得る臨
界温度を常に超えていることである。このように、ガス混合物に点火するのに個
別の点火装置を用いる必要がない。
本発明のさらなる利点は、排気ガスの酸化の大部分が触媒の近くで発生するこ
とである。このように、ガス混合物が触媒に到達するまでに起こる熱エネルギー
の損失は非常に低い。
二次空気注入のための空気ポンプ１７のオンおよびオフの切り替えは、制御ユ
ニット１１によって制御され、上記ガス混合物の酸化を提供する。システムは、
好適には、約λ＝１．０〜１．３のガス混合物の空気／燃料比を提供するように
動作する。この様式では、閾値温度Ｔ1を超えるので、３つの異なる段階、即ち
、排気バルブ２５、２６の直後の下流と、一次パイプ６の第１のセクション２８
と第２のセクション２９の継ぎ目と、排気マニホルド５のプレナム容量とにおい
て酸化が起こる。触媒３が着火温度に到達するのに要する約５〜１０秒に等しい
時間を、本発明によるシステムが、提供することを実験は示している。
酸化は、すべての必要な条件（例えば、温度に関する条件）が充足されるよう
な様式で起こる。酸化の第１の段階は、別な方法で可能な距離より排気バルブか
ら離れた距離で、酸化の後続する段階を準備する可能性を提供する。このように
、この「多段階」プロセスが提供する高い自由度によって、エンジンの外部ガス
交換を最適化することが可能である。
制御ユニット１１が触媒３の温度に関する情報を含むという事実によって、制
御ユニット１１が、触媒の温度に従って、排気ガスへの二次空気の供給および水
素の発生を制御するよう適合されることに、留意するべきである。これは、温度
センサ１５が制御ユニット１１に接続されているという事実を介して達成される
。本発明の動作は、温度価（value of the temperature）に依存することで制御
され得る。例えば、水素の発生および二次空気の供給は、触媒の精製が所定の水
準に到達したとき打ち切られ得る。この水準は温度価から計算され得る。また、
エンジンが始動されるときに温度価が所定の限度より低い場合に、水素の発生お
よび二次空気の供給を起動するよう、制御ユニット１１が準備され得る。別の実
施態様では、制御ユニット１１は、周囲の温度価、エンジンの冷却水の温度、ま
たは他の利用できるエンジン変数から「予測される」、触媒温度を計算する。酸
化のプロセスは、触媒の温度から推測された、触媒３による排気ガス中の有害成
分転化の所望の水準が達成されるまで継続される。酸化プロセスを開始するには
所定の温度価が使用され得、酸化プロセスを終了するには別の温度価が使用され
得る。
通常は（平衡化の間に）炭化水素成分の実質的な部分が、炭化水素トラップ２
４から脱着されるが、本発明に従えば、温度の上昇が非常に急激であり、脱着が
起こらないことに留意するべきである。
さらに別の実施態様によると、制御ユニット１１は、排気ガスが触媒に到達す
るまで基本的には酸化が起こらないような様式で酸化を制御するよう適合され得
る。これは、基本的には通常のアイドリングに相当する値に、エンジン点火の遅
延を適合させること、即ち点火のタイミングを遅延させないことによって、達成
される。この動作の利点は、マニホルド中で非常に低い熱エネルギーの損失が起
こることである。
図４は、本発明の第２の実施態様を含むシステムを概略的に示しており、ター
ボ装置３９を備えたタイプの燃焼エンジン３８に対して配置されている。ターボ
装置３９は従来公知であり、タービン４０を含み、これを介して排気ガスが排気
パイプ４１を介して供給される。さらに排気ガスは、好適には従来の三元触媒で
ある触媒４２に供給される。
タービン４０は、通常コンプレッサインペラ４４を有するシャフト４３上に配
置され、次にコンプレッサインペラ４４が吸入ダクト４５を介した大気中からの
空気をエンジン３８に強制的に送る。従来の方法では、この吸入空気は、一般的
には上述のものと同様の空気／燃料混合物生成手段において混合される。混合物
生成手段４６は、電気的接続４８を介した電子制御ユニット４７によって制御さ
れる。混合物生成手段４６は、少なくとも一つの燃料注入器（図示せず）および
空気引き込みバルブ（図示せず）を含み、動作条件に従ってエンジン３８への空
気−燃料混合物を適合させるように制御され得る。
制御ユニット47はまた、エンジン38の種々のセンサおよび制御機能に接続され
る。このことは、図１を参照して記載されたことと実質的に同様である。より詳
細には、システムは、電気接続50を介して制御ユニット47に接続される酸素セン
サ49、およびさらなる電気接続52を介して制御ユニット47に接続される触媒温度
センサ51を備える。
制御ユニット47は、排気ガス中に比較的高い濃度の水素を得るような方法で低
温始動中にエンジン38の動作を制御するように改変される。さらに、制御ユニッ
ト47は、外気からの空気のための流入空気ダクト54を有する空気ポンプ53および
排気マニホルド56に接続される流出空気ダクト55の形態をとる空気供給システム
を制御するように改変される。好ましくは、電気接続57を介して制御ユニット47
に接続される空気ポンプ53は、排気ガス中に過剰な水素が生成される時間中に二
次空気を提供するように動作される。図４に図示される実施態様がターボ装置39
を含むものなので、排気圧力は、ターボ装置のないエンジンと比較して増加され
る。したがって、空気ポンプ53は、排気マニホルド56中に広がる高い圧力にもか
かわらず空気を排気マニホルド56中に押し込むのに十分高い空気圧力を供給する
ように改変されなければならない。
エンジン38は、３つのシリンダー排出口58、59、および60を有する排気マニホ
ルド56を有して図示され、エンジン38が６シリンダー型であることを示す。動作
中のターボ装置39の速い応答を提供するために、好ましくは、タービン40の上流
の排気ガスの滞留時間を、ガス混合物がタービン40に与えられる前に排気ガス中
の実質的にすべての可燃成分の排気酸化を提供するのに十分に長く維持しながら
、排気ガスマニホルド56の容積が可能な限り低く維持される。
空気ダクト55は、シリンダー排出口58、59、および60の各々に対応する３つの
分枝61、62、および63を有して設計される。代わりの実施態様によると、シリン
ダー排出口58、59、および60は、上記タイプの主パイプを有して提供される。
実施態様に従って、およびエンジン38の低温始動中に、二次空気が排気ガスと
混合される。これは、排気システム中の熱エネルギーを増加させる排気酸化を起
こす。
ターボ装置39は、タービン40に接続するように配置されるウエストゲートバル
ブ（図示せず）を有して提供される。ウエストゲートバルブは、排気ガス圧力が
高過ぎる場合にバイパス経路を提供するために開き得る。好ましくは、ウエスト
ゲートバルブは、電気的に制御可能なタイプである。しかし、圧力制御のウエス
トゲートバルブもまた使用され得る。ウエストゲートバルブは、さらなる電気接
続64を介して制御ユニット47に接続される。低温始動中に、すなわち制御ユニッ
ト47が排気酸化が開始されるべきと判断したとき、ウエストゲートバルブは、排
気マニホルド中の圧力を制御するために、バルブの開放または一部開放状態をと
るように制御され得、その結果、続く酸化の最適化を可能にしている。
さらに、好ましくは、排気パイプ41は、制御可能なバルブ66を有して提供され
るバイパスパイプ65に分岐される。バルブ66は、電気接続67を介して制御ユニッ
ト47に接続される。この配置によって、制御ユニット47は、排気ガスをタービン
40を迂回してバイパスするためのバルブ66の動作を制御するように改変される。
このことは、排気酸化がバイパスパイプ65および排気システム中のさらに下流で
起こり得るので、低温始動中で特に利点となる。図４において示される制御可能
なバルブ66は、バイパスパイプ65の上流端に配置される。あるいはその代わりに
、バルブ66は、バイパスパイプ65の下流端に配置され得る。さらに、バルブ66は
、上記ウエストゲートバルブを有して一体的に設計され得、それによって排気ガ
ス
を誘導するために使用され得る１つの単独の制御可能なバルブを形成する。
好ましくは、パイパスパイプ65は、比較的大きな寸法を有して設計される。こ
のように、排気マニホルド56の容積は、比較的小さくあり得、その結果、続くタ
ーボ動作のより速い応答を提供する。さらに、マニホルド56が小さい寸法である
という事実は、エンジンシステムをよりコンパクトにするので、利点を構成する
。
図に示されない実施態様によると、主パイプ（図示せず）および／またはバイ
パスパイプ65は、図２に図示されるものと同様に、異なる断面面積を有する２つ
以上の部分として設計され得る。
さらに、好ましくは、図４に図示されるシステムは、触媒42の上流に配置され
る炭化水素吸着装置68を有して提供される。この炭化水素吸着装置の動作は、上
記のものと同じである。
本発明は、そのある好ましい実施態様に関して上記されたが、それらに限定さ
れず、添付の請求の範囲の範囲内において広く改変され得る。例えば、上記主パ
イプは、異なる断面積を有する２つより多くの部分を有して提供され得る。
さらに、代わりの実施態様によると、上記炭化水素吸着装置は、省略され得る
。また、さらに別の代わりの実施態様によると、バルブ65を有するバイパスパイ
プ64（図４参照）は、排気システムから省略され得る。最後に、バイパス64が使
用される場合、シリンダー排出口は、図１に図示されるものと同じタイプの主パ
イプを有して提供され得る。
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ０１Ｎ 7/00 Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｂ
Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｂ０１Ｄ 53/36 Ｃ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ
Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ
，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，
ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ
Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ
，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ
，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，
ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ
Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ
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ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ
Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ
，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，
ＵＺ，ＶＮ
(72)発明者 ラーション，ヤン−エーリック
スウェーデン国 エス―418 77 エーテ
ボリ，ロンドンガータン 63
(72)発明者 ブロムルース，マグヌス
スウェーデン国 エス―426 52 ヴェス
トラ フロールンダ，グルドリンゲン 18