JP2006037788A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数エンジンを備える車両において、触媒温度を適正に維持してエミッションの悪化を抑制することが可能な排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 車両駆動用のメインエンジン１とは独立して補機駆動用の小排気量のサブエンジン２を備える複数内燃機関において、メインエンジン１の排気管１７上には、排気浄化用の触媒４０が配置されており、サブエンジン２の排気管２７は、触媒４０の上流側の集合部１８において排気管１７に接続している。触媒４０の温度センサ４１の出力等に基づいて触媒４０が過熱するおそれがある場合には、サブエンジン２を強制駆動することでその比較的低温の排ガスをメインエンジン１の排ガスに混合することで、排ガス温度を下げて触媒４０を冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス浄化装置に関し、特に、駆動用のメインエンジンとは別に独立したサブエンジンを備えている複数内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

車両の駆動源として、ガソリンエンジン等の内燃機関が広く用いられている。通常の車両において搭載される内燃機関は、その車両で必要とされる出力を上回る最大出力を有する内燃機関が設定される。しかし、内燃機関は出力によりその効率が異なり、特に、大出力の内燃機関を小負荷で運転することは効率が悪い。そこで、メインエンジンとは別に小出力のサブエンジンを備え、負荷の少ないとき（例えば、補機駆動用）にはサブエンジンを用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−９３８５５号公報

特許文献１の技術では、メインエンジンとサブエンジンの排気流路は、メインエンジンの排気系に配置される排ガス浄化触媒の下流側で合流されている。このため、サブエンジンの排ガスについては浄化機能がないのが実状である。サブエンジンの排ガスをも浄化するにはメインエンジンとサブエンジンの排気を排ガス浄化触媒の上流側で合流させる手法が考えられる。また、排気浄化触媒の浄化性能を発揮するためには触媒温度が所定の温度範囲内にあることが必要とされるが、このような複数エンジンを備えた車両においても触媒温度を適正に維持して所望の浄化性能を維持する必要がある。

そこで本発明は、複数エンジンを備える車両において、触媒温度を適正に維持してエミッションの悪化を抑制することが可能な排ガス浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排ガス浄化装置は、内燃機関であるメインエンジンと、メインエンジンより小排気量のサブエンジンと、メインエンジンの排ガスとサブエンジンの排ガスとを集合させる集合部を有している排気通路と、排気通路上の集合部の下流に配置される排気浄化触媒とを備えている内燃機関の排ガス浄化装置であって、排気浄化触媒の温度が所定温度以上であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により排気浄化触媒の温度が所定温度以上であると判定された場合に、サブエンジンの排ガスを用いて排気浄化触媒を冷却する冷却手段と、を備えていることを特徴とする。

サブエンジンはメインエンジンより小排気量であるため、その排ガス温度は同様の燃焼条件でもメインエンジンの排ガス温度よりも低くなる。排気浄化触媒の温度が所定温度以上に上昇して過熱のおそれがある場合には、この低温のサブエンジンの排ガスを導入することで排気浄化触媒に流入する排ガスの温度を低下せしめ、排気浄化触媒の冷却を行う。さらに、サブエンジンから集合部までにおいて排ガス温度をさらに低下させる手段をさらに備えていてもよい。

この冷却手段は、メインエンジンが理論空燃比以上（＝理論空燃比より燃料が希薄な状態）で運転中の場合に、サブエンジンを理論空燃比以上で運転することを特徴とする。両者をともに理論空燃比以上で運転することで、ともに未燃成分の排出のない状態で排気浄化触媒の冷却を行う。

このとき、サブエンジンをメインエンジンより希薄燃焼させるとサブエンジンから排出されるガス温度がメインエンジンから排出されるガス温度より低く保たれる。

従来は、排気浄化触媒の過熱時には、理論空燃比より燃料リッチな状態で燃焼を行い、排ガス温度を低下させて触媒の冷却を行う手法が一般的であった。しかし、この手法によると未燃成分が排出されるため、エミッションが悪化してしまう。本発明によれば、メインエンジンより低温のサブエンジンの排ガスを導入することで排気浄化触媒の冷却を行うため、メインエンジンの運転条件をリッチ側へ変更する必要がなく、未燃成分の排出に伴うエミッションの悪化を抑制できる。また、サブエンジンから加圧されて排出される燃焼ガスを利用することで、集合部へと排ガスを圧送するのが容易になり、また、触媒冷却のために駆動源や装置を別に用意する必要もない。

メインエンジンとサブエンジンをともに理論空燃比以上で燃焼させることで、未燃成分の排出が抑制され、エミッションの悪化が抑制される。また、両方の排ガスの混合による未燃成分の２次燃焼も抑制されるため、排気浄化触媒を確実に冷却することができる。

サブエンジンをメインエンジンより希薄燃焼させてサブエンジンの排ガス温度をさらに低くすることで排気浄化触媒の冷却効果をよりいっそう高めることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明にかかる排ガス浄化装置を備えた車両の駆動系の概略構成図である。この車両は駆動用のメインエンジン１とは別に補機駆動用のサブエンジン２を備えている。メインエンジン１、サブエンジン２とも例えばガソリンを燃料とする内燃機関であり、サブエンジン２は、メインエンジン１より排気量が小さい内燃機関であって、例えば、メインエンジン１は多気筒式であるのに対して、サブエンジン２は、単気筒式とされる。

メインエンジン１には、吸気マニホールド１５を介して吸気管１２が、排気マニホールド１６を介して排気管１７がそれぞれ接続されている。この吸気管１２上には、上流側からエアクリーナ１１、スロットルバルブ１３、燃料噴射弁１４が配置されている。一方、排気管１７上には、排気浄化触媒４０が配置され、その上流側と下流側にそれぞれＯ_２センサ４２、４３が配置されるほか、触媒４０には、温度センサ４１が接続されている。触媒４０の下流側にはマフラー４４が配置される。メインエンジン１の出力軸はトランスミッション３へと接続され、トランスミッション３からは図示していない駆動輪へと駆動力が伝達される。

サブエンジン２には、吸気管２２と排気管２７が接続されており、吸気管２２上には、メインエンジン１の吸気管１２と同様に上流側からエアクリーナ２１、スロットルバルブ２３、燃料噴射弁２４が配置されている。一方、排気管２７は、メインエンジン１の排気管１７の触媒４０上流位置へと接続されている。以下、この接続部分を集合部１８と称する。サブエンジン２の出力軸は図示していないエアコンのコンプレッサや発電機へと接続されており、補機類の駆動を行う。

メインエンジン１とサブエンジン２とは電磁クラッチ８０とベルトドライブ８１により係合／非係合状態を切り替えることが可能となっている。メインエンジン１とサブエンジン２を係合させ、サブエンジン２によりメインエンジン１を始動可能な構成となっている。サブエンジン２自体は、スタータモータ７０と電磁クラッチ７１により係合させてスタータモータ７０により始動される。

メインエンジン１とサブエンジン２は、エンジンＥＣＵ５によって制御される。エンジンＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されており、温度センサ４１、Ｏ_２センサ４２、４３の出力が入力されるとともに、スロットルバルブ１３、２３、燃料噴射弁１４、２４の作動を制御する。燃料噴射弁１４、２４には燃料タンク６から燃料が供給される。

次に、本実施形態の動作を具体的に説明する。図２は、この排ガス浄化装置における触媒の温度制御処理を示すフローチャートである。この処理は、エンジンＥＣＵ５によって行われるものであり、車両の電源がオンにされてからオフにされるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

まず、温度センサ４１の出力値である触媒４０の温度Ｔ_Ｃを読み込む（ステップＳ１）。次に、読み込んだ温度Ｔ_Ｃとしきい値Ｔ_Ｃthとを比較する（ステップＳ２）。しきい値Ｔ_Ｃthは触媒４０が浄化性能を発揮できる上限温度よりも若干低い温度に設定される。Ｔ_ＣがＴ_Ｃthを超えている場合には、さらに、サブエンジン２が運転中か否かを判定する（ステップＳ３）。サブエンジン２が停止中と判定した場合には、ステップＳ４を経由してサブエンジン２を始動してステップＳ５へと移行し、運転中の場合には、直接ステップＳ５へと移行する。

ステップＳ５では、メインエンジン１の空燃比ＡＦ_ｍａｉｎを判定する。メインエンジン１の空燃比ＡＦ_ｍａｉｎが理論空燃比（ストイキ）ＡＦ_ｓｔ以上であり、ストイキまたは、希薄（リーン）燃焼の場合には、そのままステップＳ７へと移行し、ＡＦ_ｍａｉｎがＡＦ_ｓｔ未満で燃料が濃い（リッチの）場合には、ステップＳ６へと移行して、メインエンジン１のスロットルバルブ１３を開いて空気供給量を増やすか、燃料噴射弁１４を絞って燃料噴射量を減らすことで、空燃比ＡＦ_ｍａｉｎを大きくして、ストイキより希薄な燃焼条件へと切り替えた後にステップＳ７へと移行する。

ステップＳ７では、サブエンジン２の空燃比ＡＦ_ｓｕｂを判定する。ＡＦ_ｓｕｂがＡＦ_ｍａｉｎ以上、つまり、サブエンジン２のほうがメインエンジン１と空燃比が同じか、より希薄状態で燃焼を行っている場合には、そのまま処理を終了する。この場合、そのままの燃焼状態を継続することになる。一方、ＡＦ_ｓｕｂがＡＦ_ｍａｉｎ未満、つまり、サブエンジン２のほうがメインエンジン１より燃料リッチな状態で燃焼を行っている場合には、サブエンジン２のスロットルバルブ２３を開いて空気供給量を増やすか、燃料噴射弁２４を絞って燃料噴射量を減らすことで、空燃比ＡＦ_ｓｕｂを大きくしてより希薄な燃焼を行い（ステップＳ８）、処理を終了する。

一方、Ｔ_ＣがＴ_Ｃth以下の場合には、触媒４０の過熱のおそれはなく、触媒４０を冷却する必要はないと判定して、ステップＳ１１へと移行して、サブエンジン２が触媒４０冷却のためのみに駆動中か否かを判定する。条件を満たしている場合には、サブエンジン２を停止させる必要があると判定し、ステップＳ１２へと移行して、サブエンジン２を停止させ、処理を終了する。条件を満たしていない場合には、そのまま処理を終了する。この場合には、サブエンジン２は運転中であれば、その運転条件が維持される。なお、いずれの場合も、メインエンジン１の運転条件は維持される。

ここで、図３は排気温度と空燃比の関係を示すグラフであるが、図に示されるように理論空燃比より空燃比が小さい燃料が濃い場合には、排気温度が低下する。このため、内燃機関が単独の場合には、触媒４０が過熱する可能性があると判定すると、空燃比をリッチ側へと制御して排ガス温度を下げることで触媒４０の冷却を行っている。しかし、空燃比がリッチになるほど、未燃成分の排出量が増加し、排ガスのエミッションは図４に示されるように悪化する。ＴＨＣ（未燃炭化水素）やＣＯを削減するためには、ストイキまたはリーン燃焼させることが好ましい。

本実施形態においては、触媒４０が過熱する可能性がある場合には、サブエンジン２を強制的に運転して、その排ガス（ストイキまたはリーン状態での排ガス）を触媒４０へと導入している。このとき、メインエンジン１もストイキまたはリーン状態で燃焼させているため、未燃成分の排出を抑制することができ、触媒４０の冷却時にもエミッションが低下することがない。

サブエンジン２はメインエンジン１より小排気量であるため、その燃焼排ガスは燃焼条件が同一であってもメインエンジン１より低温になる。さらに、集合部１８までの配管長さを長くとったり、途中で空冷または液冷手段等により冷却することで、集合部１８でメインエンジン１の排ガスと合流する際の排ガス温度をさらに低下させておくと好ましい。また、メインエンジン１より希薄燃焼させることで、燃焼温度自体をさらに低下させてもよい。

排気管１７内は、メインエンジン１の排ガス（燃焼ガス）により大気圧より高い圧力状態に維持されている。本実施形態では、サブエンジン２から排出される大気圧より高圧の排ガス（燃焼ガス）を導入することで、この排気管１７へ安定してガス導入を行うことができる。しかも、別途電動ポンプ等を設ける必要がなく、構成が複雑になることがない。さらに、冷却時にバッテリ等に蓄積されたエネルギーを消費することがなく、サブエンジン２の駆動力により補機を駆動したり、補機駆動に余剰があれば、発電機を駆動して余剰電力をバッテリに蓄積することもできる。そして、メインエンジン１の運転条件を変えずに冷却を行うことができるため、冷却に際して、出力応答性等のメインエンジン１の制御特性が変化することがなく、ドライバビリティーも劣化することがない。

このため、効率よく触媒４０の冷却が行えるとともに、サブエンジン２の排ガスについても触媒４０による浄化を可能としているため、全体のエミッションも良好に維持される。

さらに、触媒４０だけでなく、排気管１７内に配置される各種のセンサ（Ｏ２センサや排気温センサ）の冷却も可能となり、これらの熱による損傷を防止する効果も得られる。

ここでは、触媒４０の温度を温度センサ４１により直接測定する例を説明したが、例えば、触媒４０の上流側と下流側におけるＯ_２センサ４２、４３の出力から触媒４０の浄化性能を基にして触媒温度を推定したり、各エンジン１、２の運転状況を基にして触媒温度を推定してもよい。

ここでは、ガソリンを燃料として、吸気管１２、２２に燃料を噴射して予混合気を形成するタイプのメインエンジン１、サブエンジン２について説明したが、いずれか、または、両方を燃料を筒内に直接噴射するタイプのエンジンとしてもよい。また、ディーゼルエンジンやＬＰＧ（液化石油ガス）等を燃料とする複数内燃機関に対しても本発明は好適に適用できる。

本発明にかかる排ガス浄化装置を備えた車両の駆動系の概略構成図である。 図１の排ガス浄化装置における触媒の温度制御処理を示すフローチャートである。 空燃比の排気温度の関係を示すグラフである。 排気浄化触媒温度とエミッションの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…メインエンジン、２…サブエンジン、３…トランスミッション、５…エンジンＥＣＵ、６…燃料タンク、１１…エアクリーナ、１２…吸気管、１３…スロットルバルブ、１４…燃料噴射弁、１５…吸気マニホールド、１６…排気マニホールド、１７…排気管、１８…集合部、２１…エアクリーナ、２２…吸気管、２３…スロットルバルブ、２４…燃料噴射弁、２７…排気管、４０…排気浄化触媒、４０…触媒、４１…温度センサ、４２…センサ、４４…マフラー、７０…スタータモータ、７１…電磁クラッチ、８０…電磁クラッチ、８１…ベルトドライブ。

Claims (3)

1. 内燃機関であるメインエンジンと、前記メインエンジンより小排気量のサブエンジンと、前記メインエンジンの排ガスと前記サブエンジンの排ガスとを集合させる集合部を有している排気通路と、前記排気通路上の前記集合部の下流に配置される排気浄化触媒とを備えている内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記排気浄化触媒の温度が所定温度以上であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により排気浄化触媒の温度が所定温度以上であると判定された場合に、前記サブエンジンの排ガスを用いて前記排気浄化触媒を冷却する冷却手段と、
   を備えていることを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 前記冷却手段は、前記メインエンジンが理論空燃比以上で運転中の場合に、前記サブエンジンを理論空燃比以上で運転することを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 前記サブエンジンを前記メインエンジンより希薄燃焼させることを特徴とする請求項２記載の排ガス浄化装置。

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