JP3774918B2

JP3774918B2 - 自動車用排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3774918B2
Application number: JP29855995A
Authority: JP
Inventors: 衛馬渕; 政一田中; 欣二宝平; 宏行宇佐美
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-11-16
Filing date: 1995-11-16
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2015-11-16
Also published as: JPH09137721A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用排気ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の排気ガスを浄化する装置の一つとして、貴金属（白金、ロジウム等）などを触媒として担持した担体を用いる排気ガス浄化装置が知られている。この従来装置において、未燃炭化水素（以下ＨＣという）の浄化には、一般に、触媒活性化温度である３５０℃以上の排気ガス温度を必要とする。しかしながら、エンジン始動直後においては、排気ガス温度が低くて、上記触媒が活性化温度に達していないため、ＨＣ浄化はほとんど行なわれないという問題がある。
【０００３】
そこで、上記の問題を解決するため、エンジンの排気系に触媒装置を配備し、かつエンジン冷間時に排出されたＨＣ（以下コールドＨＣと呼ぶ）を吸着するための吸着剤を納めたＨＣ吸着装置をバイパス流路内に配備した浄化装置が特開平４−１７７１０号公報、特開平５−３４３１９６号公報等において提案されている。
【０００４】
特開平４−１７７１０号公報の浄化装置では、バイパス流路内に水分，オイル分，さび等を除去するフィルタと、ＨＣを吸着する活性炭とをを配設して、排気ガス低温時には活性炭にコールドＨＣを吸着させ、ＥＧＲ領域（エンジンの中負荷時）に、活性炭から脱離したＨＣを吸気管に還流して再燃焼している。
また、特開平５−３４３１９６号公報の浄化装置では、バイパス流路内に吸着剤を配置し、吸着剤を含むバイパス通路とメイン排気管にはそれぞれ流路切換弁を設けている。そして、エンジン始動直後から所定時間、上記切換弁を操作し、排気ガスをバイパス通路へ流し、その間、コールドＨＣを吸着剤に吸着させる。
【０００５】
一方、吸着剤からコールドＨＣが脱離する高温時には、上記切換弁をメイン排気管に排気ガスを流す状態に切り換えて、この時、吸着剤から脱離したＨＣは、吸気管に還流し再燃焼させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者らの実験検討によると、上記従来技術では、いずれも、吸着剤から脱離したＨＣが吸気管に還流する際における、ＨＣ還流流量は、エンジンの排気管と吸気管との圧力差に依存しているので、例えば、エンジンのアイドリング状態では、エンジンへの吸入混合気量に対する、排気ガス（すなわちＯ₂を含まないガス）の割合が高くなって、エンジン燃焼状態が不安定となり、エンジン回転が不安定になるという問題が生じることが分かった。
【０００７】
同様に、エンジンの暖機が終了していない冷間状態においても、ＨＣ還流の影響を受けてエンジン回転が不安定になるという問題が生じる。
本発明は上記の事情に鑑み、アイドリング時や冷間時においても、エンジン回転を安定化したまま、脱離したＨＣを効果的に浄化できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１記載の発明では、吸着手段（５）から脱離したＨＣを含む排気ガス有害成分をエンジン（１）の吸気管（１５）に還流させる還流流路（８）の途中に、排気ガス有害成分の還流流量を調整可能な還流流量調整手段（９）を配設し、エンジン（１）のアイドリング時には、還流流量調整手段（９）を駆動して、排気ガス有害成分の還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化することを特徴としている。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、エンジン始動後の冷間時、排気ガス流路切換手段（６）は、排気ガスが吸着手段（５）に流入する側になっているため、排気ガスは吸着手段（５）に流入する。吸着手段（５）に流入した排気ガスは、吸着手段（５）の吸着剤と接触しながら下流へ流れ、放出される。この場合、排気ガス中のＨＣは触媒装置（２）では浄化されていないので、吸着手段（５）の吸着剤に吸着される。
【００１０】
エンジン（１）の暖機時には、流路切換手段（６）は、吸着手段（５）と並列に設けられた排気流路（３４）に排気ガスが流入する側る位置する。そのため、排気ガスは触媒装置（２）からこの排気流路３４を経て放出される。このとき、触媒装置（２）は活性化しているため、触媒装置（２）の触媒により排気ガス中のＨＣは浄化される。一方、吸着手段（５）の吸着剤は、排気流路３４側を流れる排ガス熱により、吸着剤に吸着されたＨＣが脱離する。脱離したＨＣは、エンジン（１）の吸気管（１５）に発生する負圧によって吸引されエンジン（１）で再燃焼する。
【００１１】
ここで、本発明では、脱離したＨＣをエンジン（１）の吸気管（１５）に還流し再燃焼させる際に、エンジン（１）のアイドリング時には、還流流量調整手段（９）を駆動して、排気ガス有害成分の還流流量を所定量に制限しているので、アイドリング状態では、還流流量調整手段９により、エンジン（１）の回転を乱すことなく、脱離したＨＣを吸気管（１５）に還流することが可能となる。従って、エンジン回転の安定化と脱離ＨＣの還流、再燃焼とを良好に両立させることができる。
【００１２】
しかも、エンジンのアイドリング時にも、脱離ＨＣの還流を行うから、ＨＣ脱離時間の短縮が可能となる。
また、請求項３記載の発明では、エンジン（１）の冷間時に、還流流量調整手段（９）を駆動して、脱離ＨＣの還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化するようにしているから、エンジン（１）の冷間時においても、エンジン回転の安定化と脱離ＨＣの還流、再燃焼とを良好に両立させることができる。さらに、エンジンの冷間時にも、脱離ＨＣの還流を行うから、ＨＣ脱離時間の短縮を図ることができる。
【００１３】
また、請求項２、４記載の発明では、上記請求項１、３記載の発明の作用効果を合わせ奏することができる。
また、請求項７記載の発明では、還流流量調整手段（９）を、流量調整可能な排気ガス再循環バルブとしての役割を兼務させているから、実用上、低コストで実施でき、極めて有益である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は本発明装置の全体システム構成を示すもので、自動車走行用のエンジン（ガソリンエンジン）１の排気管３には、触媒装置２が介設してある。この触媒装置２は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化し、あるいはＮＯx を還元することにより、排気ガスの浄化を行うものである。このような浄化作用をなす触媒装置２は具体的には、例えば、白金、ロジウムといった貴金属を主成分とする三元触媒を担持したコージェライトからなるハニカム状のセラミック担体をハウジング内部に配設した構成となっている。ここで、このような構成の触媒装置２では、その活性化温度は通常、３５０°Ｃ以上である。
【００１５】
排気管３には触媒装置２の後流に吸着装置４が設けてあり、この中にハニカム体（吸着手段）５が収納してある。ハニカム体５はステンレス鋼またはコージェライト等のセラミックからなり、このハニカム体５の排気ガス上流端には所定幅の吸着剤無担持層５１が設けてある。そして、この吸着剤無担持層５１の下流側に吸着剤担持層５２が設けてあり、この担持層５２にゼオライト系吸着剤が担持されている。
【００１６】
ここで、ゼオライト系吸着剤として、具体的には、耐熱性にも優れ排気ガス中のＨＣを効率的に吸着する疎水性ゼオライトを用いることが好ましい。このような疎水性ゼオライトは排気ガス温度が２００°Ｃ未満でＨＣを吸着し、２００°Ｃ以上でＨＣを脱離する特性を有している。
吸着装置４内にはハニカム体５の排気ガス流路と並列に排気流路３４が設けてある。この排気流路３４は吸着装置４内にハニカム体５を通過しない排気ガスの流れを形成するためのものである。ハニカム体５の排気ガス上流端に設けた所定幅の吸着剤無担持層５１は、吸着剤から脱離したＨＣが排気流路３４側へ放出されるのを防ぐためのものである。
【００１７】
ハニカム体５の吸着剤担持層５２の後端直後には排気ガス流路切換弁６が配設してあり、この切換弁６の切換作動によりハニカム体５の排気ガス流路と排気流路３４とを切換開閉するようになっている。この切換弁６は負圧ダイヤフラム等からなるアクチュエータ７により切換作動するものであって、このアクチュエータ７の作動は後述の電子制御装置１０により電気的に制御するようになっている。
【００１８】
触媒装置２とハニカム体５との距離は、触媒装置２が排気ガスに加熱されて活性化温度に達するタイミングと、ハニカム体５に担持された吸着剤が加熱されて吸着機能を失うタイミングとがほぼ一致するように、触媒装置２より所定距離だけ後流の部位（排気ガス温度が所定温度低下する部位）にハニカム体５が設置されている。そして、ハニカム体５は前記排気流路３４に対して隔壁３３によって分離され、この隔壁３３を用いてハニカム体５が保持されている。
【００１９】
一方、吸着装置４のハニカム体５の後端近接位置から還流流路８が分岐し、この還流流路８の他端（出口側）はエンジン１の吸気管１５の絞り弁１６下流側に連結されている。また、還流流路８の途中には還流流量調整弁（還流流量調整手段）９が配置されている。
この還流流量調整弁９は、例えば、図２に示すような構成であって、ハウジング９０内に周知のステップモータ９１を有し、このステップモータ９１によりシャフト９２の軸方向への移動量を調整して、シャフト９２の先端に取り付けた弁体９３を変位させることにより、弁体９３と弁座９４との間の流路開口面積を変化するようになっている。
【００２０】
スプリング９５は弁体９２を弁座９３側（閉弁方向）へ押圧するものである。ハウジング９０に設けた排気ガス入口９６は還流流路８のうち、ハニカム体５の後端側に連通し、排気ガス出口９７は還流流路８のうち、吸気管１５側に連通している。また、本例では、還流流量調整弁９は、流量調整可能な排気ガス再循環バルブ（ＥＧＲバルブ）としての役割を兼務するようになっている。
【００２１】
電子制御装置１０はマイクロコンピュータを用いたものであり、エンジン回転数センサ１１ａ、エンジン１の冷却水回路の冷却水温度を感知する水温センサ１１ｂ、吸気管圧力センサ１１ｃ、および吸着装置４の入口部に設けられた排気温センサ１１ｄにより、エンジン回転数、冷却水温、吸気管圧力、排気温をそれぞれ感知してエンジン１の運転状態をモニタし、このエンジン運転状態に応じて還流流量調整弁９および排気ガス流路切換弁６を制御するようにしてある。
【００２２】
次に、本実施形態の作動を、図１とともに図３のフローチャートを用いて説明する。エンジン１のイグニッションスイッチ（図示せず）が投入されると、図３の制御フローが起動し、ステップＳ１にて冷却水温が設定温度（例えば６０°Ｃ）未満であるか（つまり、暖機前か暖機後か）判定される。エンジン１の冷間始動時には、ステップＳ１の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ２にてアクチュエータ７を作動させ、流路切換弁６を破線に示す開弁位置（ハニカム体５側流路を開放）に操作する。
【００２３】
エンジン１の始動直後は排気ガス温度が低いので、エンジン１は多量のコールドＨＣを含んだ排気ガスを排出する。排気ガス温度が低い間は触媒が活性化温度に達していないため、コールドＨＣは触媒装置２でほとんど浄化されずに排気管３を流れる。この排気ガスは、流路切換弁６の開弁により吸着装置４内のハニカム体５側を流れ、コールドＨＣはハニカム体５の吸着剤に吸着される。
【００２４】
コールドＨＣが除去された排気ガスは図示しないマフラーを経て大気中に放出される。このとき、吸着装置４入口部の排気ガス温度は排気温センサ１１ｄによりモニタされている。
そして、エンジン１が暖機して排気ガス温度がハニカム体５の吸着剤のＨＣ吸着可能温度（２００°Ｃ）を越えると、ステップＳ３の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ４にてアクチュエータ７は流路切換弁６を図１の実線で示す閉弁位置（ハニカム体５側流路を閉塞）となり、排気ガスは流路が切換えられ、排気流路３４を流れる。この時、触媒は活性化温度に達しているので、排気ガス中のＨＣは触媒装置２で浄化され、ＨＣをほとんど含まない排気ガスが上記排気流路３４を経て大気中に放出される。
【００２５】
流路切換弁６が切り替わった直後、ステップＳ５にて還流流量調整弁９が開弁して還流流路８が開通状態となる。これにより、ハニカム体５の吸着剤から脱離したＨＣは還流流路８への還流を開始する。このとき、エンジン１がまだ完全に暖機状態ではないときは、冷却水温が設定温度、例えば６０℃以上に達していないので、次のステップＳ６の判定がＮＯとなり、ステップＳ７にて還流流量調整弁９の開度を減少させて、還流流量を減らす。例えば、暖機後の還流流量の５０％となるように還流流量を還流流量調整弁９により調整する。
【００２６】
この結果、エンジン１が冷間状態にあって、エンジン１の燃焼状態が安定していないときに、エンジン１の吸気管１５に脱離ＨＣの還流を行っても、ＨＣの還流量を所定量に制限しているので、エンジン１の回転を乱すことなく、エンジン１にて脱離ＨＣを再燃焼できる。また、ハニカム体５の排気ガス上流端に所定幅の吸着剤無担持層５１を設けることにより、脱離したＨＣが隔壁３３を迂回して排気流路３４へ洩れることはない。また、通常のＥＧＲ領域（エンジン１の中負荷領域）よりも早い時期に脱離ＨＣの還流を開始できるため、ＨＣの脱離時間を短縮することができる。
【００２７】
次のステップＳ９では、流路切換弁６が閉弁位置（実線図示）に切換えられてＨＣ脱離浄化行程に入った後、ＨＣの脱離が完了するに必要な所定時間（ｔｂ＝７００秒）が経過しないまではステップＳ９の判定がＮＯとなり、ステップＳ６に戻り、上記作動が繰り返される。
エンジン１が完全に暖機状態になった後は高温となった排気ガスが排気流路３４を流通するので、排気ガスの熱が隔壁３３を通して吸着剤担持層５２に伝えられ吸着剤が昇温してＨＣの脱離を促進する。
【００２８】
暖機が終了して、冷却水温が設定温度の６０℃以上に達すると、ステップＳ６の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ８にてエンジン１がアイドリング状態にあるかどうかを判定される。この判定は、具体的には、エンジン回転数センサ１１ａにより感知されるエンジン回転数Ｎe が設定値例えば８００ｒｐｍ未満になったかどうかで判断する。
【００２９】
エンジン回転数Ｎe が８００ｒｐｍ未満であるときは、アイドリング状態であると判定し、ステップＳ８の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ１０にて還流流量調整弁９の開度を減少させて、還流流量を減らす。このステップＳ１０では、還流流量を例えば、定常走行時の３０％となるように還流流量調整弁９の開度を調整する。
【００３０】
このことにより、エンジン１のアイドリング状態においても、エンジン１の回転を乱すことなく、脱離したＨＣをエンジン１にて再燃焼できる。また、通常の排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御では、アイドリング時には排気ガスを還流しないが、本実施形態では、アイドリング時でも還流するようにしたため、脱離ＨＣの脱離時間を短縮することができる。
【００３１】
そして、流路切換弁６が閉位置（実線図示）に切換えられてＨＣ脱離浄化行程に入った後、ＨＣの脱離が完了するに必要な所定時間（ｔｂ＝７００秒）が経過すると（ｔ＞ｔｂ）、ステップＳ９の判定がＹＥＳとなり、以後、ステップＳ１１において、還流流量調整弁９は、通常のＥＧＲバルブの制御を実施する。すなわち、還流流量調整弁９はエンジン１の吸気管圧力とエンジン回転数とに応じて、その弁開度が制御されて、エンジン１への排気ガス再循環（ＥＧＲ）量を調整する。
【００３２】
以上の説明から理解されるように、上記の実施形態では、排気ガス流路切換弁（切換手段）６をエンジン冷間時には排気ガスをハニカム体（吸着手段）５に流通せしめる位置に、またエンジン暖機時には排気ガスを排気流路３４に流通せしめる位置にそれぞれ切換え制御する第１制御手段（請求項１、３）を、ステップＳ１〜Ｓ４にて構成している。
【００３３】
また、エンジン１のアイドリング時に、還流流量調整弁（調整手段）９を駆動して、ＨＣ還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化する第２制御手段（請求項１）は、ステップＳ８、Ｓ１０にて構成している。
また、エンジン１の冷間時に、還流流量調整弁（調整手段）９を駆動して、ＨＣの還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化する第２制御手段（請求項３）は、ステップＳ６、Ｓ７にて構成している。
（他の実施形態）
なお、還流流量調整弁９の開度はステップモータ９１に限らず、空気圧アクチュエータ等により調整できることはもちろんであり、また、還流流量調整弁９をＥＧＲバルブと兼用せずに、還流流量調整弁９とＥＧＲバルブとをそれぞれ独立に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による排気ガス浄化装置の全体構成図である。
【図２】図１の還流流量調整弁の具体例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態の作動を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…触媒装置、３…排気管、３４…排気流路、４…吸着装置、５…ハニカム体、６…排気ガス流路切換弁、８…還流流路、９…還流流量調整弁、１０…電子制御装置、１５…吸気管。

Claims

エンジン（１）の排気管（３）内に配設された触媒装置（２）と、
この触媒装置（２）の後流の前記排気管（３）内に配設され、エンジン冷間時に排出されるＨＣを含む排気ガス有害成分を吸着する吸着剤を担持した吸着手段（５）と、
この吸着手段（５）と並列に配設され、この吸着手段（５）を通過しない排気ガスの流れを形成する排気流路（３４）と、
前記排気管（３）における排気ガスの流通を前記吸着手段（５）と前記排気流路（３４）とに選択的に切換え可能な排気ガス流路切換手段（６）と、
この切換手段（６）をエンジン冷間時には排気ガスを前記吸着手段（５）に流通せしめる位置に、またエンジン暖機時には排気ガスを前記排気流路（３４）に流通せしめる位置にそれぞれ切換え制御する第１制御手段（Ｓ１〜Ｓ４）と、
前記排気管（３）から分岐して前記吸着手段（５）とエンジン（１）の吸気管（１５）とをつなぐように設けられ、前記吸着手段（５）から脱離した排気ガス有害成分を前記吸気管（１５）に還流させる還流流路（８）と、
この還流流路（８）の途中に配設され、排気ガス有害成分の還流流量を調整可能な還流流量調整手段（９）と、
エンジン（１）のアイドリング時には、前記還流流量調整手段（９）を駆動して、前記還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化する第２制御手段（Ｓ８、Ｓ１０）と、を備えることを特徴とする自動車用排気ガス浄化装置。
前記第２制御手段は、エンジン（１）の冷間時にも前記還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化することを特徴とする請求項１に記載の自動車用排気ガス浄化装置。
エンジン（１）の排気管（３）内に配設された触媒装置（２）と、
この触媒装置（２）の後流の前記排気管（３）内に配設され、エンジン冷間時に排出されるＨＣを含む排気ガス有害成分を吸着する吸着剤を担持した吸着手段（５）と、
この吸着手段（５）と並列に配設され、この吸着手段（５）を通過しない排気ガスの流れを形成する排気流路（３４）と、
前記排気管（３）における排気ガスの流通を前記吸着手段（５）と前記排気流路（３４）とに選択的に切換え可能な排気ガス流路切換手段（６）と、
この切換手段（６）をエンジン冷間時には排気ガスを前記吸着手段（５）に流通せしめる位置に、またエンジン暖機時には排気ガスを前記排気流路（３４）に流通せしめる位置にそれぞれ切換え制御する第１制御手段（Ｓ１〜Ｓ４）と、
前記排気管（３）から分岐して前記吸着手段（５）とエンジン（１）の吸気管（１５）とをつなぐように設けられ、前記吸着手段（５）から脱離した排気ガス有害成分を前記吸気管（１５）に還流させる還流流路（８）と、
この還流流路（８）の途中に配設され、排気ガス有害成分の還流流量を調整可能な還流流量調整手段（９）と、エンジン（１）の冷間時には、前記還流流量調整手段（９）を駆動して、前記還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化する第２制御手段（Ｓ６、Ｓ７）と、を備えることを特徴とする自動車用排気ガス浄化装置。
前記第２制御手段は、エンジン（１）のアイドリング時にも前記還流流量を所定量に制限することにより、エンジン回転を安定化することを特徴とする請求項３に記載の自動車用排気ガス浄化装置。
前記第２制御手段は、エンジン（１）の回転数に基づいてエンジン（１）のアイドリング状態を判定することを特徴とする請求項１または４に記載の自動車用排気ガス浄化装置。
前記第２制御手段は、エンジン（１）の冷却水温に基づいてエンジン（１）の冷間状態を判定することを特徴とする請求項２または３に記載の自動車用排気ガス浄化装置。
前記還流流量調整手段（９）は、流量調整可能な排気ガス再循環バルブを兼ねており、前記吸着手段（５）からの排気ガス有害成分の脱離が終了した後は、前記還流流量調整手段（９）により排気ガス再循環流量をエンジン（１）の運転状態に応じて制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の自動車用排気ガス浄化装置。