JP2005264787A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転時の性能を損なわず、かつ冷間始動時から確実に排気浄化を行う。
【解決手段】シリンダヘッド１の下面に形成された燃焼室１９に連通する第１排気ポート４と、第１排気ポート４を開閉する第１排気バルブ７と、第１排気ポート４に接続し、燃焼室１９内の排気ガスを大気へ導く第１排気管１１と、第１排気管１１の途中に設けられ、排気ガスを浄化する第１触媒１４と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、第１排気ポート４とは別に設けられ、燃焼室１９に連通する第２排気ポート５と、第２排気ポート５を開閉する第２排気バルブ８と、第２排気ポート５と第１触媒１４もしくは第１排気管１１の第１触媒１４より上流側部分とを連通する第２排気管１２と、第２排気管１２の途中に設けられた、第１触媒１４に比べて小型の第２触媒１３と、第１触媒１４の活性状態を判定する触媒活性判定手段２０と、触媒活性判定手段２０の判定結果に応じて第１排気バルブ７と第２排気バルブ８の作動を制御する排気バルブ制御手段２０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用の排気制御装置に関し、特に冷間始動時用の排気浄化触媒を備えるエンジンの排気浄化装置に関する。

一般に車両の排気通路には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒が設けられている。この触媒は特定の温度範囲内（活性温度）では効率的に作用するが、低温度域では非効率的である。したがって、例えば冷間始動時などは、触媒が活性温度に昇温するまで有害成分の排出量が多くなってしまう。

特許文献１には、冷間始動時の有害成分排出量を低減するための装置として、排気マニホールドと通常運転時用の第１触媒とを接続する排気管と、中間に起動時用の第２触媒を介装した排気管とを設け、排気マニホールド下流に設けた切換えバルブによって排気ガスの流路を切換え、冷間始動時には第１触媒および第２触媒を使用し、活性温度まで昇温したら第２触媒を使用せずに第１触媒のみを使用して排気ガスの浄化を行う排気浄化装置が記載されている。
特開平６−３３０７３６号

しかしながら、特許文献１では、切換えバルブの熱容量の分だけ排気通路の熱容量が大きくなり、第２触媒が活性温度になるまでの時間が長くなる。また、第１触媒と第２触媒の切換えバルブを排気マニホールド下流に設けているので、排気マニホールドを長くした場合には、機関から第２触媒までの排気系統の熱容量が大きくなり、第２触媒が活性化温度になるまでの時間がさらに長くなり、排気マニホールドを短くした場合には、昇温時間を短縮することはできるものの、排気合流部で排気干渉が生じて出力が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明では通常運転時の機関の出力性能を低下させず、かつ起動時から確実に排気ガスの浄化を行うことが可能な排気浄化装置とすることを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室に連通する第１排気ポートと、前記第１排気ポートを開閉する第１排気バルブと、前記第１排気ポートに接続し、燃焼室内の排気ガスを大気へ導く第１排気管と、前記第１排気管の途中に設けられ、排気ガスを浄化する第１触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記第１排気ポートとは別に設けられ、前記燃焼室に連通する第２排気ポートと、前記第２排気ポートを開閉する第２排気バルブと、前記第２排気ポートと前記第１触媒もしくは前記第１排気管の前記第１触媒より上流側部分とを連通する第２排気管と、前記第２排気管の途中に設けられた、前記第１触媒に比べて小型の第２触媒と、前記第１触媒の活性状態を判定する触媒活性判定手段と、前記触媒活性判定手段の判定結果に応じて前記第１排気バルブと前記第２排気バルブの作動を制御する排気バルブ制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、従来の排気バルブ（第１排気バルブ）の他に冷間始動時専用の排気ポート（第２排気ポート）、排気バルブ（第２排気バルブ）、従来の触媒より小型の排気浄化用触媒（第２触媒）を設けることによって、冷間始動時用の排気通路と暖機運転終了後の通常運転時用の排気通路とを独立させたので、通常運転時の出力性能を低下させず、かつ冷間始動時から確実に排気ガスの浄化を行うことが可能となる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態のシステムの構成を図１に示す。１はシリンダヘッド、２はシリンダブロックであり、シリンダヘッド１の下面には凹状の燃焼室１９が設けられ、燃焼室１９には、シリンダヘッド１の一方の側面と連通する吸気ポート３、他方の側面と連通する第１排気ポートとしての排気ポート４および第２排気ポートとしての冷機専用排気ポート５、混合気に点火するための点火プラグ１８が設けられる。

燃焼室１９の前記各ポートは、吸気バルブ６、第１排気バルブとしての排気バルブ７、第２排気バルブとしての冷機専用排気バルブ８により開閉される。

シリンダブロック２には、シリンダヘッド１と組み合わせたときに燃焼室１９と対向する位置にシリンダ１０が設けられ、シリンダ１０内にはピストン９が摺動可能に設置される。

シリンダヘッド１の排気ポート４出口には排気マニホールド１１が接続される。排気マニホールド１１は各気筒の排気ポート４にブランチ部が接続され、ブランチ部が排気ガスの流れの下流側で合流して一本となり、第１触媒としてのマニホールド触媒１４に接続される。

また、冷機専用排気ポート５は後述するようにシリンダヘッド１内部で合流してシリンダヘッド１の側面に開口部を１つもつ。この開口部とマニホールド触媒１４とを接続する冷機専用排気管１２には、第２触媒としての冷機専用触媒１３が介装されている。

マニホールド触媒１４および冷機専用触媒１３の入口には空燃比センサー１６および１７が設けられる。マニホールド触媒１４の出口には温度センサー１５が設けられる。また、エンジン冷却水温の経路中には冷却水温を検出する冷却水温センサー２１が設けられる。これら各センサー１５、１６、１７、２１の検出値はコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に入力される。

吸気バルブ６、排気バルブ７、冷機専用排気バルブ８の配置について図２を参照して説明する。図２は燃焼室１９の天井部を下面側から見た図であり、図面上側が吸気側、下側が排気側である。

燃焼室１９の天井部略中央には点火プラグ１８が設けられ、点火プラグ１８よりも吸気側に、吸気ポート３の軸心に対して略直交する方向に並んで２つ設けられる。点火プラグ１８の排気側には同様に排気バルブ７が２つ設けられ、この２つの排気バルブ７の間には冷機専用排気バルブ８が１つ設けられる。

排気バルブ７と冷機専用排気バルブ８は同一の排気カムシャフト（図示せず）により駆動され、運転状態に応じていずれのバルブを駆動するかが切換えられる。

バルブ切換え方法の一例としては、以下のとおりである。

排気カムシャフトに排気バルブ７用のカムと冷機専用排気バルブ８用のカムとを設け、排気カムシャフトから排気バルブ７や冷機専用排気バルブ８への運動の伝達は、カムのプロフィールに追従して動くサブロッカーアーム（図示せず）と、ソレノイド等によりサブロッカーアームと結合・非結合を切換え可能なロッカーアーム（図示せず）とを介して行う。サブロッカーアームとロッカーアームとは各バルブ毎に設けるものとする。

上記のような構成とし、運転状態に応じてサブロッカーアームとロッカーアームとの結合・非結合を切換えることにより、非結合時にはサブロッカーアームの運動がロッカーアームに伝達されないのでバルブは作動せず、結合時にはカムのプロフィールに応じて運動するサブロッカーアームの動きがロッカーアーム、バルブへと伝達されてバルブが作動する。

次に吸気ポート３、排気ポート４、冷機専用排気ポート５について図３を参照して説明する。図３は図１のＡ−Ａ矢視図であり、図面の上側が排気側、下側が吸気側である。

シリンダヘッド１にはシリンダ１０の数だけ吸気ポート３および排気ポート４が設けられ、吸気ポート３はシリンダヘッド１の吸気側の側面とシリンダ１０とを連通し、排気ポート４は同じく排気側の側面とシリンダ１０とを連通している。各吸気ポート３及び排気ポート４は燃焼室１９の手前で分岐している。

冷機専用ポート５は、シリンダヘッド１の内部で合流しており、シリンダヘッド１の排気側側面の開口部は一箇所となる。

上記のように、冷機専用触媒１３を通過した排気ガスがマニホールド触媒１４を通過する構成としたことにより、冷間始動時に冷機専用触媒１３によって排気ガス成分の浄化を行いつつ、排気マニホールド触媒１４を暖めることが可能となる。

次に、前述した各センサーの検出値に基づいてＥＣＵ２０が実行する、排気バルブ７と冷機専用排気バルブ８の作動制御について図６〜９を参照して説明する。

図６は本実施形態の制御の構成を表すブロック図である。

マニホールド触媒活性判定部Ｓ１では、マニホールド触媒１４が活性温度に達しているか否かの判定を行う。判定には水温センサー２１もしくは触媒温センサ１５の検出値を用いる。判定結果は排気バルブ切換判定部Ｓ２に入力される。

排気バルブ切換判定部Ｓ２には、スロットル開度もしくは燃料噴射量、およびエンジン回転数も入力され、これらに基づいて排気バルブ７または冷機専用排気バルブ８のどちらを作動させるか、また冷機専用排気バルブ８から排気バルブ７への切換えを実行するか否かの判定を行う。

上記の判定結果に基づいて、排気バルブ切換手段Ｓ４が排気バルブを駆動する。

また、第１空燃比センサー１６、第２空燃比センサー１７の検出値が入力される空燃比センサー選択部Ｓ３では、上記排気バルブ切換判定部Ｓ２の判定結果に応じて第１空燃比センサー、第２空燃比センサーのどちらの空燃比センサーの検出値を選択するかを決定し、選択された空燃比センサーの検出値に基づいて空燃比フィードバック手段は空燃比を制御する。

ここで、マニホールド触媒活性判定手段Ｓ１が実行する判定について、図７のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１００でスタートスイッチの状態からエンジン始動時直後であるか否かの判定を行う。エンジン始動直後の場合にはステップＳ１１０に、運転継続中の場合にはステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１１０では水温センサー２１もしくは触媒温度センサー１５の検出値を読込む。

ステップＳ１２０ではステップＳ１１０で読み込んだ検出が、実験結果等に基づいて予め設定した基準値以下であるか否かの判定を行う。

基準値以下の場合はステップＳ１３０に進み、マニホールド触媒１４は非活性であると判定し、ステップＳ１４０で始動時の水温もしくは触媒温度を記憶する。

基準値より大きい場合にはステップＳ１５０に進み、マニホールド触媒１４は活性であると判定する。

ステップＳ１６０では前回計算時の結果に基づいてマニホールド触媒１４が非活性であるか否かの判定を行う。

非活性の場合はステップＳ１７０に進み、水温センサー２１もしくは触媒温度センサー１５の検出値を読込む。活性の場合はそのままリターンする。

ステップＳ１７０では、ステップＳ１１０と同様に水温センサー２１もしくは触媒温度センサー１５の検出値を読込む。

ステップＳ１８０では、ステップＳ１４０で記憶した始動時水温とステップＳ１７０で読込んだ検出値とから算出した、水温センサー２１の検出値の始動時からの上昇代が一定値以上、もしくは触媒温度センサー１５の検出値が実験等に基づいて予め設定した基準値以上であるか否かの判定を行い、基準値以上である場合にはステップＳ１９０で触媒は活性であると判定する。基準値より低い場合にはそのままリターンする。

上記のように排気マニホールド触媒１４が活性か否かの判定を行い、この結果に応じて排気バルブ切換判定手段Ｓ２で通常の排気バルブ７、冷機専用排気バルブ８のどちらを作動させるかを決定する。

次に、排気バルブ切換判定手段Ｓ２で実行する排気バルブ切換判定について図８を参照して説明する。

ステップＳ２００でマニホールド触媒１４が非活性であるか否かの判定を行う。

非活性である場合にはステップＳ２１０に進み、エンジンの回転負荷またはスロットル開度が予め設定した所定値以下であるか否かを判定する。

所定値以下である場合にはステップＳ２２０に進み、冷機専用排気バルブ８を作動し、ステップＳ２３０で第２空燃比センサー１７を選択し、ステップＳ２４０で通常の排気バルブ７の停止を決定する。

ステップＳ２００でマニホールド触媒１４が活性と判定された場合と、ステップＳ２１０でエンジンの回転負荷またはスロットル開度が所定値より大きいと判定された場合には、ステップＳ２５０に進み、通常の排気バルブ７を作動し、ステップＳ２６０で第１空燃比センサー１６を選択する。

ステップＳ２７０では通常の排気バルブ７が作動してから一定時間経過したか否かの判定を行い、経過している場合はステップＳ２８０で冷機専用排気バルブ８を停止する。

一定時間が経過していない場合はそのまま処理を終了する。

上記の制御により、冷間始動時には冷機専用排気バルブ８のみが作動し、触媒１４が活性化もしくはエンジンの負荷が大きくなった場合には通常の排気バルブ７を作動させ、その後冷機専用排気バルブ８を停止する。

冷機専用排気バルブ８から通常の排気バルブ７への切換え時に両方のバルブが作動している状態（以下、オーバーラップという）を設けるので、オーバーラップ中に排気マニホールド１１が暖められる。排気マニホールド１１が低温の状態で冷機専用排気バルブ８を停止して通常の排気バルブ７に切換えると、排気マニホールド１１で冷却された排気がマニホールド触媒１４に流入してマニホールド触媒１４の温度が低下し、浄化性能が悪化してしまう。そこで、オーバーラップを設けて、切換え前に排気マニホールド１１を暖める。

以上により本実施形態では、冷機専用触媒１３を通過した排気ガスがマニホールド触媒１４を通過する構成としたので、冷間始動時に冷機専用触媒１３によって排気ガス成分の浄化を行いつつ、冷機専用触媒１３を通過した排気ガスにより排気マニホールド触媒１４を暖めることが可能となる。

冷機専用排気ポート５を通常の排気ポート４とは独立して設けたので、通常の排気ポート４は暖機終了後の性能、例えば排気干渉や熱容量の増大の防止等を考慮して設計することが可能である。また、排気通路の切換用のバルブ等を設ける必要がないので、排気通路中の熱容量が増大することがない。

冷機専用排気ポート５はシリンダヘッド１内部で一本に合流する構成としたので、熱損失を防止することが可能である。

冷機専用排気バルブ８から通常の排気バルブ７への切換時にはオーバーラップを設けるので、バルブ切換時に排気マニホールド触媒１４の温度が低下すること防止できる。

なお、本実施形態は、通常の排気バルブ７が気筒当り１つの場合（排気１弁式）でも適用可能であり、その場合には、図９に示すように点火プラグ１８に対して吸気バルブ６と反対側に冷機専用排気バルブ８を設ければよい。

第２実施形態について図４、図５を参照して説明する。

図４は本実施形態の排気マニホールド１１および排気マニホールド触媒１４の周辺の上面図、図５は側面図である。

本実施形態の構成が第１実施形態と異なるのは、冷機専用触媒１３下流の冷機専用排気管１２と排気マニホールド１１との合流部および空燃比センサー１６の位置である。第１実施形態では冷機専用排気管１２は排気マニホールド触媒１４の入口付近で合流し、第１空燃比センサー１６が合流部よりも上流側に配置されているのに対して、本実施形態では冷機専用排気管１２は排気マニホールド触媒１４の入口よりも上流で合流し、合流部より下流に第１空燃比センサー１６が配置されている。これにより第１空燃比センサー１６のみで冷機専用触媒１３と排気マニホールド触媒１４の両方の空燃比を検出することが可能となる。具体的には、冷間始動時には第１空燃比センサー１６の検出値は冷機専用触媒１３を通過した排気ガスの空燃比として読込み、通常運転時には排気マニホールド触媒１４に流入する排気ガスの空燃比として読込み、それぞれ制御を実行する。したがって、空燃比センサーを２つ設ける必要がなくなり、コスト増加を防止することができる。

以上により本実施形態では、冷機専用排気管１２と排気マニホールド触媒１４との合流部より下流に第１空燃比センサー１６を配置するので、冷機専用触媒１３の上流に第２空燃比センサー１７を設けずに、第１空燃比センサー１６のみで冷機専用触媒１３、排気マニホールド触媒１４を通過する排気ガスの空燃比を検出することが可能となる。したがって、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、コストの増加を防止することが可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に適用することが可能である。

第１実施形態の構成を表す図である。 筒内側から見た排気２弁式エンジンの燃焼室天井部を表す図である。 シリンダヘッドのＡ-Ａ矢視図である。 第２実施形態の排気マニホールドおよび排気マニホールド触媒周辺の概略を表す上面図である。 第２実施形態の排気マニホールドおよび排気マニホールド触媒周辺の概略を表す側面図である。 制御システムの構成を表す図である。 排気触媒の活性・非活性判定のフローチャートである。 排気バルブ、冷機専用排気バルブの作動制御のフローチャートである。 筒内側から見た排気１弁式エンジンの燃焼室天井部を表す図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 冷機専用排気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気バルブ
８ 冷機専用排気バルブ
９ ピストン
１０ シリンダ
１１ 排気マニホールド
１２ 冷機専用排気管
１３ 冷機専用触媒
１４ マニホールド触媒
１５ 温度センサー
１６ 第１空燃比センサー
１７ 第２空燃比センサー
１８ 点火プラグ
１９ 燃焼室
２０ コントールユニット（ＥＣＵ）
２１ 水温センサー

Claims (8)

1. シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室に連通する第１排気ポートと、
   前記第１排気ポートを開閉する第１排気バルブと、
   前記第１排気ポートに接続し、燃焼室内の排気ガスを大気へ導く第１排気管と、
   前記第１排気管の途中に設けられ、排気ガスを浄化する第１触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記第１排気ポートとは別に設けられ、前記燃焼室に連通する第２排気ポートと、
   前記第２排気ポートを開閉する第２排気バルブと、
   前記第２排気ポートと前記第１触媒もしくは前記第１排気管の前記第１触媒より上流側部分とを連通する第２排気管と、
   前記第２排気管の途中に設けられた、前記第１触媒に比べて小型の第２触媒と、
   前記第１触媒の活性状態を判定する触媒活性判定手段と、
   前記触媒活性判定手段の判定結果に応じて前記第１排気バルブと前記第２排気バルブの作動を制御する排気バルブ制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気バルブ制御手段は、前記第１触媒活性前には前記第２排気バルブを作動させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気バルブ制御手段は、前記第１触媒活性後には前記第２排気バルブの作動を停止し、前記第１排気バルブを作動させる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記排気バルブ制御手段は、少なくとも第１触媒活性前の所定時間、前記第１排気バルブと第２排気バルブの双方を作動させる請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気バルブ制御手段は、少なくとも前記第１触媒活性前、かつ内燃機関が所定負荷以上で運転する場合には、前記第１排気バルブと前記第２排気バルブの双方を作動させる請求項２〜４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記第１触媒に流入する排気の空燃比を検出する第１空燃比検出手段と、
   前記第２触媒に流入する排気の空燃比を検出する第２空燃比検出手段と、
   前記のいずれか一方の空燃比検出手段によって検出される空燃比に基づいて、燃料噴射量をフィードバック制御する燃料噴射量制御手段を更に有し、
   前記燃料噴射量制御手段は、前記第１排気バルブと第２排気バルブの双方を作動させる場合には前記第１空燃比検出手段が検出した空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記第１排気管は、前記第１触媒より上流部分に前記第２排気管と合流する合流部を有し、
   前記第１空燃比検出手段は、前記合流部より下流かつ前記第１触媒より上流部分に設置され、
   前記第１空燃比検出手段により検出された空燃比に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する燃料噴射量制御手段を有する請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記内燃機関は複数の気筒を有し、各気筒の前記第２排気ポートはシリンダヘッド内部で互いに合流し、前記第２排気管に接続させる請求項１〜７のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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