JP2006170127A

JP2006170127A - 内燃機関の排気捕集装置

Info

Publication number: JP2006170127A
Application number: JP2004366051A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 孝太郎林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】排気ガスの圧縮や捕集容器内を負圧にするポンプに頼らずに捕集容器の小型化を実現できる内燃機関の排気捕集装置を提供する。
【解決手段】本発明の排気捕集装置は、排気ガスを捕集する捕集容器１１が内燃機関１の排気通路４と熱交換可能に設けられる。切替バルブ１７が開閉されることにより捕集容器１１が開放された状態と密閉された状態とに切り替え可能であり、捕集容器１１が開放された状態で排気通路４の熱により捕集容器１１を昇温させてから捕集容器１１が密閉された状態に切り替えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを捕集し、捕集された排気ガスを内燃機関側に還流するようにした内燃機関の排気捕集装置に関する。

内燃機関の排気捕集装置として、内燃機関の始動時に排気ガスをポンプ等で圧縮して捕集容器に捕集し、捕集容器に保持された排気ガスを触媒温度が高いときに触媒上流に導くものが知られている（特許文献１参照）。また、内燃機関で駆動される機械式ポンプや電気ポンプを利用して捕集容器内を負圧にする排気捕集装置も知られている（特許文献２）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献３が存在する。

特開２００４−１１４８５号公報特開２００４−１１５０７号公報特開２００４−１０８３２４号公報

特許文献１や特許文献２に記載された装置は、排気ガスを圧縮した状態で捕集容器に排気ガスを導いたり、捕集容器を負圧にした状態で排気ガスを導くものであるため、排気ガスの捕集量を増やすことができ捕集容器の小型化に貢献できるが、排気ガスの圧縮や捕集容器内を負圧にするポンプと、ポンプを駆動するエネルギーが必要となる。

そこで、本発明は、排気ガスの圧縮や捕集容器内を負圧にするポンプ等に頼らずに捕集容器の小型化を実現できる内燃機関の排気捕集装置を提供することを目的とする。

本発明の排気捕集装置は、内燃機関の排気通路と熱交換可能に設けられ、前記排気通路から取り出された排気ガスを捕集する捕集容器と、前記捕集容器に対する排気ガスの捕集及び前記捕集容器から前記内燃機関側への排気ガスの還流をそれぞれ制御する捕集制御手段と、前記捕集容器が開放された状態と密閉された状態とに切り替え可能な切替手段と、前記捕集容器が開放された状態で前記排気通路の熱により前記捕集容器を昇温させてから前記捕集容器が密閉された状態に切り替えられるように前記切替手段を制御する開放密閉制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明によれば、捕集容器が開放された状態で排気通路の熱により昇温されてから捕集容器が密閉される。このため、捕集容器内の温度が低下した段階で、ポンプ等に頼らずに捕集容器内の圧力を捕集容器が密閉された時点よりも低くできる。従って、捕集可能な排気ガス量を増やすことができ、捕集容器の小型化を実現できる。

本発明の排気捕集装置において、前記内燃機関によって駆動され、前記内燃機関の排気ガスを前記捕集容器に圧送する圧送手段を備えてもよい（請求項２）。この形態によれば、排気ガスを捕集する際に、内燃機関１の負荷が増すので排気温度を速やかに昇温できる。これにより、例えば冷間始動時のように、触媒が所定の浄化性能を発揮できない期間を短縮できるので捕集すべき排気ガスの量を削減でき、捕集容器の小型化に貢献できる。この形態においては、前記捕集制御手段は、前記内燃機関の始動の困難性を判定し、前記内燃機関の始動が困難であると判定した場合、前記内燃機関の始動開始から始動の完了が判断されるまでの間、前記圧送手段の作動を停止させるように前記圧送手段を制御してもよい（請求項３）。この場合には、内燃機関の始動が困難な状態において、始動開始から始動完了までの期間は圧送手段に頼らずに捕集容器内の圧力を利用して排気ガスが捕集されるので、内燃機関の始動性を悪化させることなく排気ガスを効率的に捕集できる。

以上説明したように、本発明によれば、捕集容器が開放された状態で排気通路の熱により昇温されてから捕集容器が密閉され、排気通路の熱を利用して排気ガスの捕集を行う段階で、ポンプ等に頼らずに捕集容器内の圧力を低くすることができるので、捕集可能な排気ガス量を増やすことができ、捕集容器を小型化できる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の排気捕集装置の第１の実施形態を示す。図１において、内燃機関１は４つのシリンダ２，．．，２が直列に配置された４気筒エンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、吸気量調整用のスロットルバルブ６が、排気通路４には排気浄化用の三元触媒（以下、触媒という）７がそれぞれ設けられている。触媒７としては、排気ガス中の有害物質を一時的に保持し、飽和時等において有害物質を放出するような作用を持ったＮＯｘ吸蔵還元触媒やゼオライト触媒等でもよい。また、内燃機関１には各シリンダ２に対応してインジェクタ８，．．，８が設けられている。インジェクタ８は吸気通路３に燃料を噴射するように設けられてもよいし、シリンダ２内に燃料を噴射するように設けられてもよい。内燃機関１は火花点火式又は自着火式のいずれでもよい。

内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９により制御される。ＥＣＵ９は、例えばマイクロプロセッサ及びその主記憶装置として機能するＲＯＭ、ＲＡＭ等を組み合わせたコンピュータとして構成され、種々のセンサーからの出力信号を参照して内燃機関１の運転状態の制御に必要な各種の演算処理及び各種の機器の動作制御を実行する。ＥＣＵ９と接続されるセンサとしては、例えば吸入空気量に対応した信号を出力するスロットルセンサ、機関回転数（回転速度）に対応した信号を出力する回転数センサ等がある。また、ＥＣＵ９によって動作が制御される機器としては例えばスロットルバルブ６やインジェクタ８等がある。

内燃機関１は、例えば触媒７が所定の浄化性能を発揮できないときに大気への排気ガスの放出を抑えるため、排気捕集装置１０を備えている。排気捕集装置１０は、所定量の排気ガスを保持することが可能な捕集容器１１と、その捕集容器１１と排気通路４とを接続する排気ガス取出し通路１２と、捕集容器１１と接続される排出通路１３と、捕集容器１１で保持された排気ガスを捕集容器１１から内燃機関１側に還流させるための排気ガス導入通路１４と、排気ガス取り出し通路１２と排気通路４との接続位置に設けられた排気制御バルブ１５と、排気ガス取出し通路１２を開閉する開閉バルブ１６と、排出通路１３を開閉する切替バルブ（切替手段）１７と、排気ガス導入通路１４を開閉する排気還流バルブ１８と、を備えている。

排気ガス取り出し通路１２は触媒７よりも上流側において排気通路４から分岐する。排気制御バルブ１５は、矢印Ａに示すように内燃機関１の排気ガスを触媒７に導く排気放出位置と、矢印Ｂに示すように排気ガスを排気ガス取り出し通路１２に導く排気捕集位置との間で切り替え可能である。排気捕集位置において、排気制御バルブ１５は排気ガスの全量を排気ガス取り出し通路１２に導いてもよいし、排気通路４の下流側への一部の排気ガスの通過を許容し、残りの排気ガスを排気ガス取り出し通路１２に導いてもよい。一部の排気ガスの通過を許容した場合には、排気ガスの捕集を行いつつ一部の排気ガスにより触媒７を暖機することができる。

図１に示すように、排気ガス導入通路１４は吸気通路３の一部をなす吸気マニホールド部３ａに接続されている。排気還流バルブ１８が開かれることにより、矢印Ｃに示すように捕集容器１１に蓄えられた排気ガスが吸気マニホールド３ａに導入される。排気ガス導入通路３ａは内燃機関１側に接続されていればよく、例えば触媒７の上流側の排気通路４に接続してもよい。排気ガス取り出し通路１２、排出通路１３、及び排気ガス導入通路１４は金属等の剛体にて構成された配管でもよいし、フレキシブルなチューブでもよい。

捕集容器１１は、排気通路４を取り囲むように、言い換えると、排気通路４及びその一部をなす排気マニホールド部４ａにて貫かれるように設けられている。このため、捕集容器１１は排気通路４と熱交換可能である。捕集容器１１を排気通路４に隣接或いは密着させて排気通路１１と熱交換可能にしてもよい。捕集容器１１は、例えば金属製の箱のように容積不変の剛体容器として構成されている。

排出通路１３は大気と連通している。開閉バルブ１６及び排気還流バルブ１８がそれぞれ閉じられた状態で切替バルブ１７が開かれることにより捕集容器１１が開放状態とされ、捕集容器１１内の圧力は大気圧と等しく調整される。捕集容器１１が開放状態で、かつ排気通路４の熱により捕集容器１１が昇温されてから切替バルブ１７が閉じられることにより、捕集容器１１は開放状態から密閉状態に切り替えられる。捕集容器１１の容積は不変なので、捕集容器１１内の温度を開放状態から密閉状態に切り替えられる前よりも低下させることで、捕集容器１１内の圧力を大気圧よりも低い圧力（負圧）に変更できる。なお、排出通路１３は必ずしも大気と連通させなくてよく、大気圧と同等の圧力が得られる箇所に排出通路１３を接続してもよい。例えば、排出通路１３をエアフィルタ５とスロットルバルブ６の間の吸気通路３に接続してもよい。この場合には、切替バルブ１７が開かれて捕集容器１１が開放状態にされることにより、捕集容器１１内の圧力が排出通路１３の接続位置における圧力と等しく調整されるので、捕集容器１１内の圧力を、密閉状態に切り替えられる前よりも低い圧力に変更できる。

排気制御バルブ１５、開閉バルブ１６、切替バルブ１７、及び排気還流バルブ１８の動作はＥＣＵ９によって制御される。図２〜図４は、ＥＣＵ９がこれらのバルブ１５〜１８を制御するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図２〜４の処理は、車両のイグニッションスイッチをオンした時点でそれぞれ開始され、その後、所定の周期（例えば１秒）で繰り返し実行される。

図２は排気捕集制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２の処理において、ＥＣＵ９はステップＳ１で触媒７の所定の浄化性能が発揮され得るか否かを判定する。例えば、内燃機関１の始動時でかつ触媒７の温度が活性化温度域よりも低い場合に所定の浄化性能が発揮し得ないと判定してもよい。触媒７の温度はセンサ等の検出手段で直接検出してもよいし、例えば始動開始からの経過時間等の他のパラメータに基づいて推定してもよい。浄化性能が発揮し得ないと判定した場合はステップＳ２で排気制御バルブ１５を排気捕集位置に切り替えるとともに、ステップＳ３で開閉バルブ１６を開く。一方、所定の浄化性能が発揮し得ると判定した場合は、ステップＳ４で開閉バルブ１６を閉じるとともに、ステップＳ５で排気制御バルブ１５を排気放出位置に切り替える。その後、今回のルーチンを終了する。

図３は排気還流制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３の処理において、ＥＣＵ９はステップＳ１１で所定の還流許可条件が成立しているか否かを判断する。還流許可条件は触媒７が所定の浄化性能を発揮し得ることを成立要件として含むものである。還流許可条件が成立していないときにはステップＳ１２で排気還流バルブ１８を閉じて今回の処理を終える。一方、還流許可条件が成立しているときはステップＳ１３へ進み、所定の還流終了条件が成立しているか否か判断する。還流終了条件は、捕集容器１１から十分な量の排気ガスが還流されたことをその成立要件として含むものである。排気ガスが十分な量だけ還流されたか否かは、排気還流バルブ１８を開いた時間に基づいて判断し、或いは排気ガス導入通路１４に流量計を設け、その出力信号に基づいて判断することができる。

ステップＳ１３で還流終了条件が成立していればステップＳ１２へ進んで排気還流バルブ１８を閉じる。還流終了条件が成立していなければステップＳ１４で排気還流バルブ１８を開いて今回の処理を終える。排気還流バルブ１８が開かれることにより、図１の矢印Ｃで示したように、捕集容器１１から排気マニホールド３ａに排気ガスが戻される。

図２及び図３の制御によれば、触媒７が所定の浄化性能を発揮し得ない間は排気通路４に排出される排気ガスの全量又は一部が捕集容器１１に捕集され、所定の浄化性能を発揮できる間は排気ガスの全量が大気に放出される。従って、触媒７が所定の浄化性能を発揮し得ない段階で大気中に放出される有害成分の量を削減することができる。図２及び図３のルーチンをＥＣＵ９が実行することにより、ＥＣＵ９は本発明の捕集制御手段として機能する。

図４は捕集容器開放密閉制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。ＥＣＵ９が図４のルーチンを実行することにより、ＥＣＵ９は本発明の開放密閉制御手段として機能する。図４の処理において、ＥＣＵ９はステップＳ２１で所定の容器開放条件が成立しているか否かを判断する。容器開放条件は、排気ガスの還流が終了したことを成立要件として含むものである。排気ガスの還流の終了は、図３のステップＳ１３の還流終了条件の成否によって判定することができる。容器開放条件が成立していない場合は、以後の処理をスキップして今回の容器開放密閉制御を終了する。一方、容器開放条件が成立しているときは、ステップＳ２２で切替バルブ１７を開き、ステップＳ２３で所定の容器密閉条件が成立するまでの間、切替バルブ１７が開かれた状態に保持される。容器密閉条件は、開放状態にされた捕集容器１１が十分に昇温されたことを成立要件として含むものである。捕集容器１１が十分に昇温されたか否かは、捕集容器１１内の温度に基づいて判断してもよいし、捕集容器１１内の温度と相関する様々なパラメータに基づいて判断してもよい。例えば、捕集容器１１が開放状態にされてからの経過時間、排気ガスの温度等から捕集容器１１が十分に昇温されたか否かを判断してもよい。これらのパラメータは各種センサから取得してもよいし、所定の推定ロジックにより推定してもよい。容器密閉条件が成立したときは、切替バルブ１７を閉じて今回のルーチンを終える。これにより、捕集容器１１は開閉弁１６が開かれるまでの間、密閉状態に保持される。

図４の制御によれば、開閉バルブ１６が閉じられ、かつ排気還流バルブ１８が閉じられた状態、つまり排気ガスの還流が終了した段階で、図４のステップＳ２２で捕集容器１１が開放状態にされ、その後捕集容器１１が排気通路４の熱で昇温されてからステップＳ２４で捕集容器１１が密閉状態にされる。このため、例えば内燃機関１の運転停止からある程度時間が経過して内燃機関１の機関温度が低下した後に、内燃機関１を始動する場合には、捕集容器１１内の温度が密閉状態への切り替え時よりも低下しているので、図２の捕集制御ルーチンの実行に先立って捕集容器１１内の圧力を負圧にしておくことができる。従って、図２のステップＳ２及びステップＳ３で排気制御バルブ１５が排気捕集位置に切り替えられ、かつ開閉バルブ１６が開かれたときに、捕集容器１１内の負圧を利用して排気ガスの捕集量を増やすことができる。よって、捕集容器１１を小型化しても十分な量の排気ガスを捕集できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の排気捕集装置の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。図５に示すように、第２の実施形態の排気捕集装置１００は、内燃機関１のクランク軸（不図示）の回転を利用して駆動され、排気取り出し通路１２に導かれた排気ガスを捕集タンク１１に圧送する圧縮ポンプ（圧送手段）１０１を備えている。圧縮ポンプ１０１は、クランク軸からの回転伝達の許容又は遮断を選択的に切り替え得るクラッチ（不図示）を備えている。圧縮ポンプ１０１の作動状態はＥＣＵ９によって制御される。ＥＣＵ９は圧縮ポンプ１０１を作動させるときには、クランク軸からの回転伝達が許容されるようにクラッチを切り替え、一方、圧縮ポンプ１０１の作動を停止させるときには、クランク軸からの回転伝達が遮断されるようにクラッチを切り替える。

図６は、圧縮ポンプ制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。この処理は車両のイグニッションスイッチをオンした時点で開始され、その後、所定の周期で繰り返し実行される。この処理は、図２〜４に示した制御ルーチンと並行して実行され、これによりＥＣＵ９は本発明の捕集制御手段及び開放密閉制御手段としてそれぞれ機能する。図６の処理において、ＥＣＵ９はステップＳ３１で内燃機関１の始動の困難性を判定する。例えば、内燃機関１の水温、潤滑油温、又は外気温が所定値未満である場合に始動が困難であると判定してもよい。これらのパラメータはセンサより直接検出してもよいし、これらと相関する他のパラメータから所定の推定ロジックに基づいて推定するようにしてもよい。内燃機関１の始動が困難であると判定したときは、ステップＳ３２においてクランク軸からの回転伝達が遮断されるようにクラッチを切り替えて圧縮ポンプ１０１の作動を停止させる。一方、内燃機関１の始動が困難でないと判定したときは、ステップＳ３４に進んで、クランク軸の回転伝達が許容されるようにクラッチを切り替えて圧縮ポンプ１０１を作動させて今回のルーチンを終了する。

ステップＳ３３では、ＥＣＵ９は内燃機関１の始動の完了を判定する。始動の完了は、例えば機関回転数又はバッテリ電圧に基づいて判断できる。内燃機関１の始動が未了と判定したときは処理をステップＳ３１に戻す。一方、内燃機関１の始動の完了を判定したときは、ステップＳ３４で圧縮ポンプ１０１を作動させて今回のルーチンを終了する。

図６の制御によれば、内燃機関１の始動が困難である場合を除き、圧縮ポンプ１０１が作動されるので、より多くの排気ガスを捕集できる。しかも、圧縮ポンプ１０１が内燃機関１によって駆動されて内燃機関１の負荷が高まるので、内燃機関１が速やかに暖機される。このため、排気ガスの温度が速やかに上昇し触媒７が所定の浄化性能を発揮可能になるまでの期間を短縮できる。その結果、捕集すべき排気ガス量を削減できるので、捕集容器１１の容量を小さくできる。更に、内燃機関１の始動が困難である場合には、圧縮ポンプ１０１の作動が停止されるので、圧縮ポンプ１０１の作動によって内燃機関１の始動性が悪化することを回避できる。

本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態で実施してよい。図１及び図５に示した形態では、排気取り出し通路１２が触媒７よりも上流側において排気通路４から分岐しているが、触媒７の下流側において排気通路４から分岐させてもよい。排気ガスの捕集は、必ずしも内燃機関１の冷間始動時に実行しなくてもよく、捕集容器１１内の温度が捕集容器１１を密閉した時点よりも低い状態で排気ガスの捕集を実行すれば、本発明の効果を発揮できる。

排気制御バルブ１５と開閉バルブ１６の両者を設けることは必須ではない。排気制御バルブ１５を排気放出位置に保持することにより、排気ガス取り出し通路１２が閉じられ、排気捕集位置に保持することにより、排気ガス取り出し通路１２が開かれるので、捕集容器１１を密閉状態に保持できる限度で、開閉バルブ１６を省略してもよい。

本発明の排気捕集装置の第１の実施形態を示した図。排気捕集制御の制御ルーチンを示すフローチャート。排気還流制御の制御ルーチンを示すフローチャート。捕集容器開放密閉制御の制御ルーチンを示すフローチャート。本発明の排気捕集装置の第２の実施形態を示した図。本発明の排気捕集装置の第２の実施形態を示した図。

符号の説明

１内燃機関
４排気通路
７三元触媒（触媒）
９エンジンコントロールユニット（捕集制御手段、開放密閉制御手段）
１１捕集容器
１７切替バルブ（切替手段）
１０１圧縮ポンプ（圧送手段）

Claims

内燃機関の排気通路と熱交換可能に設けられ、前記排気通路から取り出された排気ガスを捕集する捕集容器と、前記捕集容器に対する排気ガスの捕集及び前記捕集容器から前記内燃機関側への排気ガスの還流をそれぞれ制御する捕集制御手段と、前記捕集容器が開放された状態と密閉された状態とに切り替え可能な切替手段と、前記捕集容器が開放された状態で前記排気通路の熱により前記捕集容器を昇温させてから前記捕集容器が密閉された状態に切り替えられるように前記切替手段を制御する開放密閉制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気捕集装置。
前記内燃機関によって駆動され、前記内燃機関の排気ガスを前記捕集容器に圧送する圧送手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気捕集装置。
前記捕集制御手段は、前記内燃機関の始動の困難性を判定し、前記内燃機関の始動が困難であると判定した場合、前記内燃機関の始動開始から始動の完了が判断されるまでの間、前記圧送手段の作動を停止させるように前記圧送手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気捕集装置。