JP2722830B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、排気通路に排気を浄
化する触媒が設けられた内燃機関の排気装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気通路に設けられる排気浄
化用の触媒は、この触媒内での化学反応を促進させるた
めに、触媒が活性化する高温に維持する必要があり、こ
のため従来では触媒上流の排気通路に新たな空気、いわ
ゆる二次空気を供給して排気の燃焼を促進させて触媒入
口温度を高めているものがある（特開昭６０−８８８１
３、特開昭６１−２４７８４２号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
二次空気を供給するものにおいて、例えば排気通路への
二次空気の供給位置が、シリンダヘッドに接続される燃
焼室に近い排気マニホールドである場合には、暖機が進
み排気温度が上昇すると炭化水素（ＨＣ）は低減するも
のの窒素酸化物（ＮＯｘ）が増大することとなり、また
排気マニホールドの下流側に接続されるフロントチュー
ブである場合は、この位置は燃焼室から比較的遠いため
機関の冷間時に触媒入口温度が低下するのに加えて二次
空気導入により排気温度はさらに低下し、触媒機能の低
下を来たしてＨＣが増大することとなる。

【０００４】そこでこの発明は、二次空気導入による触
媒の排気浄化作用を高めることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
にこの発明は、排気通路の途中に排気を浄化する相互に
直列に配置された上流側触媒及び下流側触媒と、この各
触媒が設けられた前記排気通路の上流側に位置して気筒
毎に相互に独立して設けられ、下流側端部が前記上流側
触媒の上流側に接続される第１の排気通路及び、下流側
端部が前記下流側触媒と上流側触媒との間に接続される
第２の排気通路と、この第２の排気通路を開閉制御する
制御弁と、前記第１の排気通路に二次空気を供給する上
流空気通路及び、前記上流側触媒と下流側触媒との間に
二次空気を供給する下流空気通路と、前記上流側触媒を
通過した排気の温度を検出する排気温度検出手段と、前
記上流空気通路及び下流空気通路による二次空気の供給
を制御する二次空気制御手段と、前記排気温度検出手段
の出力信号を受け、排気温度が第１の所定値以下のと
き、前記上流空気通路からのみ二次空気を供給させるよ
う前記二次空気制御手段を制御するとともに、前記第２
の排気通路を閉じるよう前記制御弁を制御し、排気温度
が前記第１の所定値を超えかつ第２の所定値以下のと
き、前記下流空気通路からのみ二次空気を供給させるよ
う前記二次空気制御手段を制御するとともに、前記第２
の排気通路を開くよう前記制御弁を制御する制御手段と
を有する構成としてある。

【０００６】

【作用】排気温度検出手段により検出された排気温度
が、第１の所定値以下のときは、上流空気通路からのみ
二次空気が供給されるよう二次空気制御手段が動作する
とともに、第２の排気通路が閉じるよう制御弁が動作す
る。これにより排気は、第２の排気通路には流れず、上
流側触媒の上流に接続されている第１の排気通路にのみ
流れ、二次空気も第１の排気通路にのみ供給される。こ
の結果、機関始動直後などの低温時には上流側触媒の活
性化が促進するとともに下流側触媒の入口排気温度も上
昇し、触媒の転化効率が上昇する。このとき、第１の排
気通路にのみ排気が流れることから、上流側触媒の上流
側の排気通路全体としての放熱面積が低減されたものと
なり、上流側触媒の入口排気温度がより高く保たれる。
また、前記排気温度が第１の所定値を超え第２の所定値
以下のときは、下流空気通路からのみ二次空気が供給さ
れるよう二次空気制御手段が動作するとともに、第２の
排気通路が開くよう制御弁が動作する。これにより排気
は、第１，第２の各排気通路を流れ、二次空気は上流側
触媒と下流側触媒との間にのみ供給される。この結果、
活性化された上流側触媒でＮＯxが増大することなく下
流側触媒で未燃ＨＣが減少する。このとき、活性温度に
達した上流側触媒から流出する温度の高い排気が、下流
側触媒に流入しており、この状況下で、第２の排気通路
を通る浄化処理されていない未燃ＨＣを多く含む排気及
び二次空気が、下流側触媒にそれぞれ供給されること
で、下流側触媒の活性化が促進される。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【０００８】図１は、この発明の第１実施例に係わる内
燃機関の排気装置を示す概略的な全体構成図である。４
気筒内燃機関を構成するシリンダブロック，シリンダヘ
ッドなどからなる機関本体１には、四つの気筒２に対し
それぞれ気筒あたり２個の吸気弁３と２個の排気弁５と
が設けられている。排気弁５が設けられたシリンダヘッ
ドには、各気筒２についてそれぞれ独立した二つの排気
ポート３１，３３が形成されるとともに、排気マニホー
ルド２９が、各排気ポート３１，３３にそれぞれ排気分
岐管３５，３７が連通するよう装着されている。排気分
岐管３７には、この分岐管３７を開閉制御する制御弁３
９が設けられている。各制御弁３９は、回転可能な連結
軸４１により相互に連結され、連結軸４１に接続された
アクチュエータ４３に、マイクロコンピュータなどから
構成される制御手段としてのコントロールユニット２５
の指令信号が入力されることで同時に開閉作動する。上
記排気ポート３１と排気分岐管３５とで第１の排気通路
を構成し、排気ポート３３と排気分岐管３７とで第２の
排気通路を構成している。排気マニホールド２９の下流
側の排気管１１には、機関本体１から排出される排気を
浄化する上流側触媒１３及び下流側触媒１５が相互に直
列に設けられている。前記各気筒２における排気分岐管
３５は、下流側で相互に合流して上流側触媒１３の上流
側に連通接続され、一方各気筒２における排気分岐管３
７は、下流側で相互に合流して上流側触媒１３と下流側
触媒１５との間の排気管１１に連通接続されている。

【０００９】各排気分岐管３５における機関本体１の近
傍には、二次空気の導入通路となる上流空気通路１７が
連通接続され、上流側触媒１３と下流側触媒１５との間
の排気間１１には二次空気の導入通路となる下流空気通
路１９が連通接続されている。これら各空気通路１７及
び１９は、二次空気制御手段としての二次空気導入装置
２１にそれぞれ接続されている。二次空気導入装置２１
には、この内燃機関の吸気系に一端が接続されて二次空
気が導入される二次空気導入通路２３の他端が接続され
ている。二次空気導入装置２１は、例えば電磁弁からな
る三方弁で構成され、前述したコントロールユニット２
５の指令信号により、二次空気導入通路２３を、上流空
気通路１７にのみ連通させる状態と、下流空気通路１９
にのみ連通させる状態と、いずれの空気通路にも連通さ
せず二次空気を遮断する状態とに切り換え制御する。

【００１０】前記上流側触媒１３と下流側触媒１５との
間の排気管１１における上流側触媒１３近傍には、上流
側触媒１３通過した排気の温度を検出する排気温度検出
手段としての温度センサ２７が設けられ、この温度セン
サ２７は、前記コントロールユニット２５に検出温度信
号を出力する。コントロールユニット２５には、このほ
か機関回転数信号Ｎ，機関本体１への吸入空気量信号
Ａ，冷却水温信号Ｗなどが入力される。

【００１１】コントロールユニット２５は、温度センサ
２７の検出する排気温度が、機関冷間時の始動直後など
比較的低温状態の第１の所定値Ｔ1以下のとき、二次空
気導入通路２３を上流空気通路１７に連通するよう二次
空気導入装置２１に指令信号を出力するとともに、制御
弁３９を閉じるようアクチュエータ４３に指令信号を出
力する。また、暖機が進み上記検出温度が第１の所定値
Ｔ1を超え、かつ第２の所定値Ｔ2（＝Ｔ1＋α）以下の
ときには、二次空気導入通路２３を下流空気通路１９に
連通するよう二次空気導入装置２１に指令信号を出力す
るとともに、制御弁３９を開くようアクチュエータ４３
に指令信号を出力する。検出温度がＴ2を超えるときに
は、二次空気導入通路２３をいずれの空気通路１７，１
９にも連通させず、二次空気供給を停止する。前記所定
値Ｔ1は、図２に示すように、機関回転数Ｎが高く吸入
空気量Ａが多いほど高めに設定する（Ｔ1a＜Ｔ1b＜Ｔ1
c）。これは、このような運転条件下では、もともと排
気温度が高めであるので、これに応じて第１の所定値Ｔ
1を高めに設定する必要があるからである。

【００１２】このうように構成された内燃機関の排気浄
化装置において、機関本体１から排出される排気は、二
つの排気分岐管３５，３７にそれぞれ流出し、一方の排
気分岐管３５を流れる排気は上流側触媒１３に流れ込
み、他方の排気分岐管３７を流れる排気は制御弁３９が
開放されている状態で下流側触媒１５に流れ込む。上記
した排気が排気系を通過する際、上流側触媒１３の下流
に設けられた温度センサ２７の検出する排気温度が、機
関冷間時の始動直後など比較的低温状態の第１の所定値
Ｔ1以下のとき、コントロールユニット２５は、二次空
気導入通路２３を上流空気通路１７に連通するよう二次
空気導入装置２１に指令信号を出力するとともに、制御
弁３９を閉じるようアクチュエータ４３に指令信号を出
力する。これにより排気は、排気分岐管３７を流れず、
上流側触媒１３の上流に接続されている排気分岐管３５
のみを流れ、二次空気も上流側触媒１３の上流側の排気
分岐管３５にのみ供給される。機関冷間時の始動直後に
あっては、下流側触媒１５に比べて入口排気温度が高い
上流側触媒１３の上流側にのみ二次空気を供給すること
で、上流側触媒１３の活性化が促進される。上流側触媒
１３が活性化されることで、下流側触媒１５の入口排気
温度も上昇し、下流側触媒１５の転化効率が向上する。
また、機関本体１から排出される排気が、二次空気が供
給される排気分岐管３５にのみ流れるので、両分岐管３
５，３７双方を排気が流れる場合に比べ、排気の放熱面
積を約３０％低減できて機関冷間時での上流側触媒１３
の入口排気温度がより高く保たれ、上流側触媒１３の活
性化をさらに促進させることができる。

【００１３】一方、暖機が進み上記検出温度が第１の所
定値Ｔ1を超え、かつ第２の所定値Ｔ2（＝Ｔ1＋α）以
下のときには、二次空気導入通路２３を下流空気通路１
９に連通するよう二次空気導入装置２１に指令信号を出
力するとともに、制御弁３９を開くようアクチュエータ
４３に指令信号を出力する。暖機終了間際では、上流側
触媒１３の下流側における排気温度も上昇するため、下
流側触媒１５の上流側にのみ二次空気を供給すること
で、活性化された上流側触媒１３でＮＯxを増大させる
ことなく、下流側触媒１５にて未燃ＨＣを減少させるこ
とができる。このとき、活性温度に達した上流側触媒１
３から流出する温度の高い排気が、下流側触媒１５に流
入しており、この状況下で、排気分岐管３７を通る浄化
処理されていない未燃ＨＣを多く含む排気及び二次空気
が、下流側触媒１５に供給されることで、下流側触媒１
５の活性化が促進される。上記検出温度がＴ2を超える
場合には、二次空気導入通路２３を、いずれの空気通路
１７，１９にも連通させず、二次空気供給を停止する。

【００１４】また、上流側の触媒１３の上流側に供給す
る二次空気量を多くし、下流側の触媒１５の上流側に供
給する二次空気量を少なくすることで、触媒１３では触
媒温度が上昇してより活性化され、触媒１５では少量の
二次空気供給により排気温度低下及びＮＯｘ増大をより
確実に防止することができる。

【００１５】図３は、上記所定値Ｔ１を境にした排気温
度に関連するＮＯｘ及びＨＣの排出量の変化を示したも
のである。ここで、曲線ａは二次空気を上下両空気通路
１７，１９いずれからも供給しない場合、曲線ｂは上流
空気通路１７からのみ供給する場合、曲線ｃは下流空気
通路１９からのみ供給する場合、曲線ｄは上下両空気通
路１７，１９いずれからも供給する場合である。これに
よれば、所定値Ｔ１以下では、曲線ｂで示す触媒１３の
上流側にのみ二次空気を供給する場合がＮＯｘ排出量及
びＨＣ排出量共に少なく、また、所定値Ｔ１を超えた場
合にはＮＯｘ排出量及びＨＣ排出量の双方を考慮する
と、曲線ｃで示す触媒１５の上流にのみ二次空気を供給
する場合が最も効率がよいことがわかる。なお、図３に
おける排気温度が所定値Ｔ１より低い領域において、曲
線ａと曲線ｃとは便宜上多少ずれて記載してあるが、実
際にはＮＯｘ排出量は双方同じであって両曲線は互いに
重なり合うものである。

【００１６】

【００１７】

【００１８】図４は、この発明の第２実施例に係わる内
燃機関の排気装置を示す概略的な全体構成図である。こ
の実施例は、上記図１に示した第１実施例の構成に、下
流側の触媒１５の下流側の排気管１１に、第２の温度セ
ンサ４５を設けている。この温度センサ４５により検出
される排気温度信号も、コントロールユニット２５に入
力され、コントロールユニット２５は、温度センサ２７
の検出する排気温度が、前記第１の所定値Ｔ1以下のと
き、二次空気導入通路２３を上流空気通路１７に連通す
るよう二次空気導入装置２１に指令信号を出力し、また
温度センサ２７の検出する排気温度が第１の所定値Ｔ1
を超え、かつ温度センサ４５の検出する排気温度が第１
の所定値Ｔ1より高い温度の第３の所定値Ｔ3以下のとき
には、二次空気導入通路２３を下流空気通路１９に連通
するよう二次空気導入装置２１に指令信号を出力する。

【００１９】図５は、上記第２実施例におけるコントロ
ールユニット２５の制御動作を示すフローチャートであ
る。これによれば、まず温度センサ２７の検出温度ｔ1
が前記第１の所定値Ｔ1以下かどうかが判断される（ス
テップ１０１）。ここでｔ1≦Ｔ1の場合は、制御弁３９
を閉じ（ステップ１０３）、二次空気導入通路２３を上
流空気通路１７に連通させて上流側の触媒１３に二次空
気を供給する（ステップ１０５）。ｔ1＞Ｔ1の場合は、
制御弁３９を開き（ステップ１０７）、次のステップ１
０９で第２の温度センサ４５の検出温度ｔ2が前記第３
の所定値Ｔ3以下かどうかが判断される（ステップ１０
９）。ここで、ｔ2≦Ｔ3の場合は、二次空気導入通路２
３を下流空気通路１９に連通させて下流側の触媒１５に
二次空気を供給する（ステップ１１１）。ｔ2＞Ｔ3の場
合は、二次空気導入通路２３を上流側及び下流側の各空
気通路１７及び１９のいずれにも連通させず、二次空気
供給を停止する（ステップ１１３）。

【００２０】このように、下流側の触媒１５の下流にも
温度センサ４５を設け、各触媒１３，１５にそれぞれ対
応した二つの温度センサ２７，４５の検出信号に基づき
二次空気導入を制御することで、触媒の転化効率を前記
実施例に比べより一層向上させることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明してきたようにこの発明によれ
ば、上流側触媒を通過した排気の温度が第１の所定値以
下のときには、気筒毎に設けた第１，第２の各排気通路
のうち下流側触媒に連通する第２の排気通路を制御弁に
より閉じて上流側触媒に連通する第１の排気通路に二次
空気を供給するようにしたので、機関始動直後などの低
温時には上流側触媒の活性化が促進するとともに下流側
触媒の入口排気温度も上昇し、触媒の転化効率が上昇す
る。このとき、第１の排気通路のみ排気が通過すること
から放熱面積が低減されたものとなり、上流側触媒は、
入口排気温度がより高く保たれ、活性化がより促進され
る。一方上記排気温度が第１の所定値を超え第２の所定
値以下のときには、第２の排気通路を制御弁により開い
て下流側触媒上流の排気通路に二次空気を供給するよう
にしたので、活性化された上流側触媒でＮＯxが増大す
ることなく下流側触媒で未燃ＨＣが減少する。このと
き、活性温度に達した上流側触媒から流出する温度の高
い排気が、下流側触媒に流入しており、この状況下で、
第２の排気通路を通る浄化処理されていない未燃ＨＣを
多く含む排気及び二次空気が、下流側触媒に供給される
ことで、下流側触媒の活性化が促進される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す内燃機関の排気装
置の概略的な全体構成図である。

【図２】機関回転数と機関への吸入空気量とによる所定
値Ｔ１の違いを示す説明図である。

【図３】排気温度とＮＯｘ及びＨＣ排出量との相関図で
ある。

【図４】この発明の第２実施例を示す内燃機関の排気装
置の概略的な全体構成図である。

【図５】第２実施例における制御動作を示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

２ 気筒 １１ 排気管（排気通路） １３ 上流側触媒 １５ 下流側触媒 １７ 上流空気通路 １９ 下流排気通路 ２１ 二次空気導入装置（二次空気制御手段） ２５ コントロールユニット（制御手段） ２７ 温度センサ（排気温度検出手段） ３１ 排気ポート（第１の排気通路） ３３ 排気ポート（第２の排気通路） ３５ 排気分岐管（第１の排気通路） ３７ 排気分岐管（第２の排気通路） ３９ 制御弁

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気通路の途中に排気を浄化する相互に
   直列に配置された上流側触媒及び下流側触媒と、この各
   触媒が設けられた前記排気通路の上流側に位置して気筒
   毎に相互に独立して設けられ、下流側端部が前記上流側
   触媒の上流側に接続される第１の排気通路及び、下流側
   端部が前記下流側触媒と上流側触媒との間に接続される
   第２の排気通路と、この第２の排気通路を開閉制御する
   制御弁と、前記第１の排気通路に二次空気を供給する上
   流空気通路及び、前記上流側触媒と下流側触媒との間に
   二次空気を供給する下流空気通路と、前記上流側触媒を
   通過した排気の温度を検出する排気温度検出手段と、前
   記上流空気通路及び下流空気通路による二次空気の供給
   を制御する二次空気制御手段と、前記排気温度検出手段
   の出力信号を受け、排気温度が第１の所定値以下のと
   き、前記上流空気通路からのみ二次空気を供給させるよ
   う前記二次空気制御手段を制御するとともに、前記第２
   の排気通路を閉じるよう前記制御弁を制御し、排気温度
   が前記第１の所定値を超えかつ第２の所定値以下のと
   き、前記下流空気通路からのみ二次空気を供給させるよ
   う前記二次空気制御手段を制御するとともに、前記第２
   の排気通路を開くよう前記制御弁を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする内燃機関の排気装置。