JP2005002828A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関排気系に直列に配置された前側触媒コンバータ３及び後側触媒コンバータ４と、前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路２ｂとを具備する内燃機関の排気浄化装置において、未浄化の排気ガスが大気中へ放出されることを防止する。
【解決手段】後側触媒コンバータ４に担持された触媒が非活性状態である時には、バイパス通路２ｂを閉鎖する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関排気系に配置された触媒コンバータを具備する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関排気系に配置された触媒コンバータは、貴金属触媒等の触媒を担持し、触媒コンバータが暖機されて触媒が活性化温度以上となれば、良好に排気ガスを浄化することができるが、機関始動時において、触媒コンバータが暖機されるまでは、排気ガスを浄化することができない。
【０００３】
機関始動直後から排気ガスを浄化可能とするために、機関本体近傍に熱容量の小さな触媒コンバータを追加配置することが提案されている。こうして追加配置された触媒コンバータは、機関始動時において早期に暖機され、機関始動直後から排気ガスを浄化することが可能となる。
【０００４】
ところで、貴金属触媒等は、高温時において酸素過剰の雰囲気に晒されるとシンタリングを起こして劣化する。前述のように二つの触媒コンバータを直列に配置する場合において、後側触媒コンバータは、機関本体から離れているために、機関本体から排出された排気ガスが高温度であっても、ある程度冷却されて流入することとなり、シンタリングを起こすほど高温にはならない。しかしながら、機関本体近傍の前側触媒コンバータは、高温度の排気ガスがそのまま流入し、また、熱容量も小さいために、容易に高温度となり、この時に、フューエルカットによって、酸素過剰の排気ガスが流入すれば、前側触媒コンバータに担持された触媒はシンタリングを起こして劣化する。
【０００５】
このような前側触媒コンバータにおけるシンタリングを防止するために、前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路を設けて、冷却水温が設定水温以上で排気ガス温度が設定ガス温度以上である時には、バイパス通路を使用して、排気ガスが前側触媒コンバータを通過しないようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２４６８５２号公報
【特許文献２】
特開平５−３１２０３１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、冷却水温が設定水温以上となれば、十分な機関暖機が実現され、この時に後側触媒コンバータの暖機も完了したとし、それ以降は、前側触媒コンバータへ高温度の排気ガスが流入しないようにして、前側触媒コンバータの温度を比較的低く維持するようにしている。しかしながら、後側触媒コンバータの暖機完了後において、アイドル運転等が比較的長く実施されると、冷却水温は設定温度以上に維持されているにも係らずに、低温度の排気ガスにより冷却されて後側触媒コンバータの温度が触媒活性化温度を下回ることがある。
【０００８】
この直後において、運転状態の変化によって排気ガス温度が設定ガス温度以上となれば、排気ガスは、バイパス通路により前側排気浄化装置をバイパスして、後側触媒コンバータへ直接的に流入することとなるが、触媒活性温度を下回っている後側触媒コンバータでは排気ガスを良好に浄化することはできず、未浄化の排気ガスが大気中へ放出されてしまう。
【０００９】
従って、本発明の目的は、機関排気系に直列に配置された前側触媒コンバータ及び後側触媒コンバータと、前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、未浄化の排気ガスが大気中へ放出されることを防止することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に直列に配置された前側触媒コンバータ及び後側触媒コンバータと、前記前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路とを具備し、前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態である時には、前記バイパス通路を閉鎖することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記前側触媒コンバータの温度が前記前側触媒コンバータに担持された触媒を活性状態とする第一設定温度以下である時には、前記バイパス通路を閉鎖することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一設定温度は、前記後側触媒コンバータの温度が高いほど低く変更されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記前側触媒コンバータの温度がシンタリングを引き起こす第二設定温度以上である時に、フューエルカットが要求される場合には、前記バイパス通路を開放することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路を開放した後に、前記フューエルカットを開始することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態である時には、前記フューエルカットを開始した後に、前記バイパス通路を開放することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路を開放している時に、前記後側触媒コンバータの温度が設定温度を下回った場合には、冷却防止又は昇温手段によって前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態となることを防止することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は機関排気系である。機関排気系２には、エキゾーストマニホルドの直下流側において前側触媒コンバータ３が配置され、その下流側において後側触媒コンバータ４が配置されている。また、機関排気系２には、排気ガスが前側触媒コンバータ３をバイパス可能とするためのバイパス通路２ｂが設けられている。機関排気系２における前側触媒コンバータ３の直下流側には閉鎖弁５が設けられ、バイパス通路２ｂにはバイパス弁６が設けられている。また、７は前側触媒コンバータ３の温度を検出するための第一温度センサであり、８は後側触媒コンバータ４の温度を検出するための第二温度センサである。
【００１８】
前側触媒コンバータ３は、機関本体近傍に位置すると共に、後側触媒コンバータ４に比較して小型で熱容量が小さいものであるために、機関始動後において早期に暖機され、担持した触媒が早期に活性化温度に昇温される。それにより、機関始動直後から排気ガスを浄化することができる。しかしながら、このような小型の触媒コンバータでは、機関高速時等の多量の排気ガスを十分に浄化することができないために、比較的大型の後側触媒コンバータ４を直列的に配置している。基本的には、前側触媒コンバータ３は、後側触媒コンバータ４が暖機されるまでの排気ガスの浄化を担当し、後側触媒コンバータ４が暖機された後は、バイパス通路２ｂを使用して、前側触媒コンバータ３へは排気ガスが流入しないようにする。それにより、前側触媒コンバータ３の使用頻度を低減し、前側触媒コンバータに担持された触媒の通常の劣化を抑制している。
【００１９】
しかしながら、本実施形態の排気浄化装置では、図２に示すフローチャートに従って、閉鎖弁５及びバイパス弁６を開閉させることにより、前側触媒コンバータ３及び後側触媒コンバータ４の使用を制御している。先ず、ステップ１０１において、第一温度センサ７を使用して前側触媒コンバータ３の温度ＴＦを検出する。次いで、ステップ１０２において、第二温度センサ８を使用して後側触媒コンバータ４の温度ＴＲを検出する。
【００２０】
ステップ１０３では、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦが設定温度Ａ１以上であるか否かが判断される。この設定温度Ａ１は、触媒が過剰酸素によってシンタリングを引き起こす温度（例えば、７００℃）であり、機関始動時等には、この判断は否定されてステップ１０４へ進む。ステップ１０４において、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが設定温度Ｂ１以上であるか否かが判断される。この設定温度Ｂ１は、後側触媒コンバータ４に担持された触媒の活性化温度であり、この判断が否定される時には、ステップ１０５において、閉鎖弁５は開弁されると共にバイパス弁６は閉弁され、排気ガスは前側触媒コンバータ３を通過する。
【００２１】
こうして、機関始動直後において後側触媒コンバータ４が暖機されていない時には、前側触媒コンバータ３によって排気ガスが浄化される。また、後側触媒コンバータ４が暖機された後に、アイドル運転又は低負荷運転等が比較的長く実施されると、この時の低温度の排気ガスによって後側触媒コンバータ４が大幅に冷却され、また、この時の排気ガス中には未燃燃料等の還元物質量も少なく、多量の燃焼熱を発生させることができないために、その温度ＴＲが触媒の活性化温度Ｂ１を下回ることがあるが、このような場合にも、ステップ１０４における判断が否定されるために、閉鎖弁５は開弁されると共にバイパス弁６は閉弁され、排気ガスは前側触媒コンバータ３を通過するようにされる。それにより、未浄化の排気ガスが後側触媒コンバータに流入して、浄化されずに大気中へ放出されることを防止することができる。
【００２２】
一方、ステップ１０４における判断が肯定される時、すなわち、後側触媒コンバータ４によって排気ガスの浄化が可能な時には、ステップ１０６へ進み、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦが設定温度Ａ２以下であるか否かが判断される。この設定温度Ａ２は、前側触媒コンバータ３に担持された触媒の活性化温度としても良いが、ここでは、活性化温度に多少の余裕分を加えた温度としている。ステップ１０６における判断が否定される時には、閉鎖弁５を閉弁すると共にバイパス弁６を開弁する。それにより、排気ガスは、バイパス通路２ｂを通り、前側触媒コンバータ３をバイパスして、直接的に、後側触媒コンバータ４へ流入し、後側触媒コンバータ４によって浄化される。こうして、前側触媒コンバータ３の使用頻度を低減し、前側触媒コンバータ３の触媒の劣化を抑制している。
【００２３】
しかしながら、ステップ１０６における判断が肯定される時には、排気ガスのバイパスによって前側触媒コンバータ３において還元物質の燃焼が行われずに、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦが低下していることを示し、このままでは、触媒の活性化温度をも下回り、後側触媒コンバータ４において排気ガスを浄化することができなくなった時に、前側触媒コンバータ３によって排気ガスを浄化させることができなくなるために、閉鎖弁５を開弁すると共にバイパス弁６を閉弁し、排気ガスが前側触媒コンバータ３を通過するようにする。前側触媒コンバータ３は、前述したように、熱容量が小さいために、例えば、アイドル運転のように排気ガス中に僅かな還元物質しか含まれていなくても、この還元物質の燃焼熱によって十分に昇温が可能である。この昇温によってステップ１０６における判断が否定されるようになれば、閉鎖弁５を閉弁すると共にバイパス弁６を開弁して、排気ガスは、前側触媒コンバータ３をバイパスして、直接的に、後側触媒コンバータ４へ流入するようにする。
【００２４】
ステップ１０６の判断は、前述したように、後側触媒コンバータ４が温度低下して排気ガスを浄化することができなくなった場合に備えて、前側触媒コンバータ３での排気ガスの浄化を常に可能としておくためのものであり、これは、後側触媒コンバータ４の温度が低く、排気ガスの浄化が不可能となり易いほど重要となる。それにより、ステップ１０６において使用する閾値Ａ２は、一定値とするのではなく、後側触媒コンバータの温度ＴＲが低いほど高くするように変更しても良い。
【００２５】
ところで、ステップ１０７において、バイパス弁６を開弁させて、排気ガスが後側触媒コンバータ４へ直接的に流入している時に、運転状態によっては、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが低下することがあり、そのままでは、触媒の活性化温度Ｂ１を下回って、後側触媒コンバータ４では排気ガスを浄化させることができなくなる。本実施形態では、ステップ１０８において、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが設定温度Ｂ２以下であるか否かが判断される。この設定温度Ｂ２は、触媒の活性化温度Ｂ１としても良いが、ここでは、活性化温度Ｂ１に多少の余裕分を加えた温度としている。ステップ１０８における判断が否定される時には、そのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０９において後側触媒コンバータ４の昇温制御を実施するようにしている。
【００２６】
この昇温制御は、排気ガスの温度が現状を維持するように、又は、排気ガス中に含まれる還元物質量が現状を維持するようにする冷却防止制御を含めて、排気ガスの温度が現状より高められるように、又は、排気ガス中に含まれる還元物質量が現状より増加するようにすることである。排気ガスの温度を高めるためには、例えば、燃料噴射量を増量して機関回転数を高めたり、点火時期を遅角したり、気筒内への再循環排気ガス量を減少して燃焼温度を高めたりすれば良い。また、排気ガス中に含まれる還元物質量を増加させるためには、例えば、燃料噴射量を増量して空燃比をリッチにしたり（この時には機関排気系へ二次空気を導入することが好ましい）、燃料噴射時期を吸気非同期から吸気同期へ遅角して燃焼を悪化させ、燃焼後のＣＯ及びＨＣを増加させたりすれば良い（この時には吸気量及び燃料噴射量を増量して燃焼悪化に伴う機関出力低下を補うことが好ましい）。また、排気ガスの温度が現状を維持するように、又は、排気ガス中に含まれる還元物質量が現状を維持するように、フューエルカットを禁止するようにしても良い。
【００２７】
ところで、このように前側触媒コンバータ３を使用して排気ガスを浄化していると、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦが非常に高くなって、ステップ１０３における判断が肯定されることがある。この時には、ステップ１１０において、減速又は速度制限のフューエルカットが要求されているか否かが判断される。この判断が否定される時には、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦが高くても特に問題はなく、前述したステップ１０４以降の処理が実施される。
【００２８】
しかしながら、この時においてフューエルカットが実施されて空気がそのまま前側触媒コンバータ３へ流入すると、過剰酸素雰囲気となって前側触媒コンバータ３の触媒はシンタリングを起こして劣化してしまう。これは防止しなければならず、ステップ１１０における判断が肯定される時には、ステップ１１１において、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが触媒の活性化温度Ｂ１以上となっているか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１１２において、閉鎖弁５を閉弁すると共にバイパス弁６を開弁し、排気ガスは、バイパス通路２ｂを通り、前側触媒コンバータ３をバイパスして、直接的に後側触媒コンバータへ流入するようにする。その後、ステップ１１３において、フューエルカットを開始する。それにより、フューエルカット時の排気ガスは、前側触媒コンバータ３へ全く流入せず、前側触媒コンバータ３における触媒のシンタリングを確実に防止することができる。また、フューエルカットが開始される直前の運転による排気ガス及びフューエルカットが開始されても、暫くは吸気ポート等に付着した燃料がそのまま排出されることがあるが、これらは後側触媒コンバータ４によって浄化される。
【００２９】
前側触媒コンバータ３のシンタリングを確実に防止するためには、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲに係らずに、バイパス弁６を開弁した後に、フューエルカットを開始するようにしても良い。しかしながら、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが触媒活性化温度Ｂ１より低くて、排気ガスを浄化することができない場合には、ステップ１１１における判断が否定されてステップ１１４へ進み、もし、バイパス弁が開弁しているならこれを閉弁して、フューエルカットを開始する。こうして、フューエルカット開始直前の運転による排気ガス及びフューエルカット開始直後に吸気ポート等から放出される未燃燃料は、前側触媒コンバータ３へ流入して、前側触媒コンバータ３において浄化する。その後暫くして、吸気ポート等の付着燃料が完全に消費されて、排気ガス中に未燃燃料等が含まれないようになると、ステップ１１５において、閉鎖弁５を閉弁すると共にバイパス弁６を開弁して、排気ガスが前側触媒コンバータ３をバイパスするようにする。こうして、前側触媒コンバータ３における過剰酸素状態を回避してシンタリングを防止している。前側触媒コンバータ３をバイパスする排気ガスは、空気であって浄化の必要は無く、後側触媒コンバータ４の温度ＴＲが低く、排気ガスを浄化することができなくても全く問題はない。
【００３０】
本実施形態において、制御を簡素化するために、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦ又は後側触媒コンバータ４の温度ＴＲと、各閾値Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２とを比較して、排気ガスが前側触媒コンバータ３を通過するようにするかバイパス通路２ｂを通過するようにするかを決定しているが、各閾値にヒステリシスを設けるようにしても良い。すなわち、バイパス弁の現状が維持され易いように、バイパス弁を開弁から閉弁させるための閾値と閉弁から開弁させるための閾値とを異ならせるようにしても良い。
【００３１】
また、バイパス通路２ｂの流路抵抗を前側触媒コンバータ３の流路抵抗に比較して十分に小さくすれば、バイパス弁６を開弁させた時には、排気ガスは、流路抵抗が十分に低いバイパス通路２ｂだけを通過し、流路抵抗の大きな前側触媒コンバータ３を通過しないために、閉鎖弁５を省略することができる。本実施形態において、前側触媒コンバータ３の温度ＴＦ及び後側触媒コンバータ４の温度ＴＲは、それぞれ温度センサを使用して測定されるようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、各触媒コンバータの受熱量及び放熱量を、排気ガス量、排気ガス温度、及び、排気ガス中の還元物質量等に基づき逐次計算して推定するようにしても良い。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に直列に配置された前側触媒コンバータ及び後側触媒コンバータと、前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路とを具備し、後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態である時には、バイパス通路を閉鎖するようになっている。それにより、後側触媒コンバータが暖機完了後に温度低下し、触媒が再び非活性状態となる場合において、排気ガスは前側触媒コンバータを通過するようにされ、未浄化の排気ガスが大気中へ放出されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。
【図２】前側触媒コンバータ及び後側触媒コンバータの使用制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２…機関排気系
２ｂ…バイパス通路
３…前側触媒コンバータ
４…後側触媒コンバータ
６…バイパス弁

Claims (7)

1. 機関排気系に直列に配置された前側触媒コンバータ及び後側触媒コンバータと、前記前側触媒コンバータをバイパスするバイパス通路とを具備し、前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態である時には、前記バイパス通路を閉鎖することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記前側触媒コンバータの温度が前記前側触媒コンバータに担持された触媒を活性状態とする第一設定温度以下である時には、前記バイパス通路を閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記第一設定温度は、前記後側触媒コンバータの温度が高いほど低く変更されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記前側触媒コンバータの温度がシンタリングを引き起こす第二設定温度以上である時に、フューエルカットが要求される場合には、前記バイパス通路を開放することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記バイパス通路を開放した後に、前記フューエルカットを開始することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態である時には、前記フューエルカットを開始した後に、前記バイパス通路を開放することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記バイパス通路を開放している時に、前記後側触媒コンバータの温度が設定温度を下回った場合には、冷却防止又は昇温手段によって前記後側触媒コンバータに担持された触媒が非活性状態となることを防止することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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