JP2008101500A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時の排気特性を良好に保つ、内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】二次空気噴出ノズル３２は、マニホールド触媒２５に対して排気管２７の下流側に設けられる。そして、二次空気噴出ノズル３２は、冷間時において、マニホールド触媒２５から移送される排気の流れに対して略対向する方向に向けて二次空気を供給する。これにより、マニホールド触媒２５の上流側の排気管２７内の圧力が上昇し、マニホールド触媒２５内の温度が上昇し、排気中に含まれる未燃燃料成分の酸化反応が促進される。
【選択図】図１

Description

本発明は、機関燃焼に伴って発生する排気内の未燃燃料成分を浄化するための排気浄化装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関では一般に、機関始動時等、その温度が十分に高くなっていない冷間時に運転を行う場合、機関燃焼に供される燃料の量を増量し（リッチ化し）、機関燃焼の安定化や暖機の促進を図る。ところが、機関燃焼に供する混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増大することになる。一方、このような燃料の増量が要求される冷間時では、排気系に設けられた触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度（活性温度）に達していないのが通常である。このことが、冷間時における排気特性の改善を困難にしていた。

このような問題に対し、二次空気供給手段を備えた排気浄化装置が知られている（下記特許文献を参照）。この二次空気供給手段は、冷間始動時等、触媒が十分に活性化しない温度条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合において、各燃焼室から排出された直後の排気ガスに二次空気を混入する。これにより、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応が促され、触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進される。

特開２００４−７６５８８号公報 特開平８−４９５２８号公報

従来の二次空気供給手段を備えた排気浄化装置では、その二次空気供給手段として、排気管内に二次空気噴出口が設けられる。しかしながら、内燃機関の燃焼室から排出されるエンジンオイルや煤の堆積によって噴出口がつまる点が懸念されていた。
かかる観点から、本発明の目的は、冷間始動時の排気特性を良好に保つ、内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気管に配設される触媒と、空気供給部とを備える。空気供給部は、触媒に対して排気管の下流側に設けられ、内燃機関の冷間作動時に、触媒から移送される排気の流れに対して略対向する方向に向けて空気を供給する。

この内燃機関の排気浄化装置では、空気供給部が、冷間時に、触媒から移送される排気の流れに対して略対向する方向に向けて空気を供給するため、触媒の上流側の排気管内の圧力が上昇し、触媒内の温度が上昇し、排気中に含まれる未燃燃料成分の酸化反応が促進される。さらに、空気供給部が、触媒に対して排気管の下流側に設けられているため、内燃機関から排出されるオイルや煤等の影響を受けない。

本発明の排気浄化装置によれば、冷間始動時の排気特性を良好に保つことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。以下の実施形態の説明において、特記しない限り、「上流側」または「下流側」の記載は、触媒に対する排気管の上流側または下流側を意味する。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の排気浄化装置の一実施形態について図１を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態の排気浄化装置の構成を示す図である。

先ず、本実施形態に係る排気浄化装置の適用対象となる内燃機関１の構造を、図１を参照して簡単に説明する。図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック１２と、同シリンダブロック１２の上面を覆うように設けられるシリンダヘッド１３とを備えて構成されている。シリンダブロック１２は、内燃機関１の気筒数と同数のシリンダボア１４を有し、各シリンダボア１４には、上下動可能に配設されたピストン１５が収容されている。また、シリンダボア１４の内周面とピストン１５の頂面とシリンダヘッド１３の下面とにより区画される空間には、燃焼室１６が形成されている。

シリンダヘッド１３の内部には、吸気ポート１９と排気ポート２０とが形成されており、燃焼室１６にそれぞれ連通されている。またシリンダヘッド１３の内部には、吸気ポート１９及び排気ポート２０を燃焼室１６に対してそれぞれ開閉する吸気バルブ２１、排気バルブ２２が揺動可能に設けられている。ちなみに、図１は、吸気ポート１９が閉じられ、排気ポート２０が開かれた状態を表している。

また、吸気ポート１９及び排気ポート２０の形成されたシリンダヘッド１３の外壁には、吸気管の一部を構成する吸気マニホールド２３、および、排気管を構成する排気マニホールド２４がそれぞれ装着されている。排気マニホールド２４の上流側は、シリンダヘッド１３に設けられた排気ポート２０の数だけ分岐されており、各排気ポート２０にそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド２４の排気下流側は、一つの管路（排気管２７）に集合されており、マニホールド触媒２５に接続されている。マニホールド触媒２５は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。

図１において、本実施形態の排気浄化装置は、少なくとも、排気管２７と、マニホールド触媒２５と、電動エアポンプ３０と、二次空気噴出ノズル３２とを含む。電動エアポンプ３０と二次空気噴出ノズル３２は、本発明の空気供給部の一実施形態を構成する。なお、二次空気とは、内燃機関の燃焼室において燃焼行程を経たガス（排気）に対して再度供給される空気を意味する。

電動エアポンプ３０は、制御コントローラ（図示しない）からの指令信号に基づいて、冷間時に活性化して二次空気を吐出する。二次空気噴出ノズル３２は、一端が電動エアポンプ３０と連結され、他端が、マニホールド触媒２５に対して排気管２７の下流側空間２７ａに突出している。なお、二次空気噴出ノズル３２が下流側空間２７ａに突出する方向は、マニホールド触媒２５の上流側から移送される排気の流れの向きに対して略対向する方向となっている。

次に、本実施形態の排気浄化装置の冷間時の動作について説明する。
図１において、内燃機関１では、吸気通路（吸気マニホールド２３、、吸気ポート１９）を通じて導入された空気と燃料との混合気は、燃焼室１６において燃焼された後、図１のＥＸＧの矢印で示すように、排気として排気ポート２０を介して排気マニホールド２４に排出される。この排気の中には、燃焼されずに残留した燃料の未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）が含まれている。

一方、冷間時には、制御コントローラ（図示しない）からの指令信号に基づいて、電動エアポンプ３０が活性化されるため、電動エアポンプ３０と連結されている二次空気噴出ノズル３２から二次空気が吐出する。ここで、二次空気噴出ノズル３２が排気管２７の下流側空間２７ａに突出する方向は、マニホールド触媒２５の上流側から移送される排気の流れの向きに対して略対向する方向となっているため、二次空気噴出ノズル３２から吐出する二次空気は、マニホールド触媒２５内の排気の下流側への流れを塞き止める働きをする。

マニホールド触媒２５内の排気の下流側への流れが塞き止められると、マニホールド触媒２５の上流側の排気管２７内の圧力（背圧）が上昇するため、マニホールド触媒２５内の三元触媒の温度が上昇し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応が促進される。

以上説明したように、本実施形態の排気浄化装置によれば、冷間時に、マニホールド触媒２５に対して排気管２７の下流側に設けられ、マニホールド触媒２５から移送される排気の流れに対して略対向する方向に向けて二次空気を供給するようにしたので、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応が促進され、未燃燃料成分の浄化が促進される。

二次空気の供給による未燃燃料成分の浄化の促進は、二次空気の供給をマニホールド触媒２５の上流側で行う従来の排気浄化装置によってもある程度実現されていたが、本実施形態の構成により、二次空気の供給をマニホールド触媒２５の上流側で行う場合と比較して、以下のさらなる効果が得られる。
すなわち、本実施形態の排気浄化装置では、二次空気の供給をマニホールド触媒２５の下流側で行うため、内燃機関の燃焼室から排出されるエンジンオイルや煤の堆積（デポジション）によって噴出口（二次空気噴出ノズル３２）がつまることがない。これらのエンジンオイルや煤は、マニホールド触媒２５内でその大部分が除去される。
また、本実施形態の排気浄化装置では、二次空気の供給を、比較的圧力の低いマニホールド触媒２５の下流側空間で行うため、二次空気を供給するためのエアポンプ（電動エアポンプ３０）を低容量化することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の排気浄化装置の別の実施形態について図２および図３を参照して説明する。図２は、この発明の第２の実施形態の排気浄化装置の構成を示す図である。図３は、本実施形態の排気浄化装置の効果の１つを説明するための図である。なお、図２において、図１に示した排気浄化装置と同一の部位については、同一の符号を付して重複説明を行わない。

本実施形態の排気浄化装置が第１の実施形態のものと大きく異なる点は、図２に示すように、マニホールド触媒２５の下流側空間２７ａから上流側空間２７ｂへ連通する通路４４が設けられることである。本実施形態の二次空気噴出ノズル４２の噴射向きは第１の実施形態の二次空気噴出ノズル３２と同様でも構わないが、図２に示すように、通路４４に向けるようにしてもよい。

次に、本実施形態の排気浄化装置の冷間時の動作について説明する。
図２において、ＥＸＧの矢印で示す排気の中に、燃焼されずに残留した燃料の未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）が含まれている点は、第１の実施形態と同様である。そして、第１の実施形態と同様、冷間時には、制御コントローラ（図示しない）からの指令信号に基づいて、電動エアポンプ３０が活性化され、電動エアポンプ３０と連結されている二次空気噴出ノズル４２から空気が吐出する。

ここで、二次空気噴出ノズル４２から吐出する空気は、マニホールド触媒２５内の排気の下流側への流れを塞き止める働きをするとともに、その一部の空気は、通路４４を経由して、マニホールド触媒２５の上流側空間２７ｂへ供給される。この上流側空間２７ｂへ供給される空気によって、排気マニホールド２４から流れてくる排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応が促され、触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進される。
一方、第１の実施形態と同様に、マニホールド触媒２５内の排気の下流側への流れが塞き止められ、マニホールド触媒２５の上流側の排気管２７内の圧力（背圧）が上昇し、マニホールド触媒２５内の三元触媒の温度が上昇するため、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応がさらに促進される。

以上説明したように、本実施形態の排気浄化装置によれば、第１の実施形態の排気浄化装置に対して、マニホールド触媒２５の下流側空間２７ａから上流側空間２７ｂへ連通する通路４４を設けたので、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応がさらに促進され、未燃燃料成分の浄化が促進されることになる。なお、図２に示すように、通路４４の入口および／または出口近辺に、ガイド４７を設けることが好ましい。これにより、二次空気噴出ノズル４２から吐出する空気は、効率良くマニホールド触媒２５の上流側空間２７ｂへ供給される。

また、図３に示すように、二次空気噴出ノズル４２から吐出する空気は、マニホールド触媒２５の上流から下流に伝達する流体エネルギーによって、マニホールド触媒２５の下流側の排気管２９を経由して、床下触媒３５へ向かう。すなわち、特に内燃機関１の始動時において触媒活性温度に達するのに時間がかかる床下触媒３５に対して、空気が供給されることになり、床下触媒３５における活性を早める効果がある。

このように、床下触媒３５に対して空気を供給することは、マニホールド触媒２５に対して空気を供給できない場合に特に有効である。
一般に、内燃機関１の高負荷運転時等において、理論空燃比よりも燃料をリッチにするような制御が行われるが、かかる場合には、排気中に含まれる未燃焼の燃料成分が増大し、マニホールド触媒２５の下流側における未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の濃度が増大してしまう（いわゆるエミッションの悪化）。一方、このような制御の場合には、マニホールド触媒２５が高温となるため、その劣化を防止する観点から、マニホールド触媒２５の上流側に空気を供給することが困難である。
本実施形態の排気浄化装置では、床下触媒３５に対して空気を供給するので、床下触媒３５における触媒活性が促進され、高負荷運転時等のような空燃比リッチ条件の場合にも、エミッションの悪化が防止される。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成及びシステムは本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更や、他のシステムへの適応なども含まれる。

第１の実施形態の排気浄化装置の構成を示す図である。 第２の実施形態の排気浄化装置の構成を示す図である。 第２の実施形態の排気浄化装置の効果の１つを説明するための図である。

符号の説明

１…内燃機関
２７…排気管
２５…マニホールド触媒
３５…床下触媒
４４…通路

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管に配設される触媒と、
   前記触媒に対して前記排気管の下流側に設けられ、内燃機関の冷間作動時に、前記触媒から移送される排気の流れに対して略対向する方向に向けて空気を供給する空気供給部と、
   を備えた、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒に対して前記排気管の下流側から上流側へ連通する通路をさらに備え、この通路を通して、前記空気供給部からの空気が前記触媒の上流側へ供給されるようにした、
   請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記通路の入口および／または出口近辺に、前記空気供給部からの空気を導くガイドを設けた、
   請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。

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