JP4398322B2 - 内燃機関の炭化水素排出量低減装置 - Google Patents

内燃機関の炭化水素排出量低減装置 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関からの炭化水素(以下「HC」とも言う)の排出量を低減する内燃機関の炭化水素排出量低減装置に関するものである。
内燃機関においては、燃料噴射弁から漏れ出る燃料(油密漏れ)、燃焼室からの燃料吹き戻し、PCV(Positive Crankcase Ventilation)通路からの燃料流入等によって吸気ポート近傍に燃料(HC)が残留し、内燃機関の運転停止後もその燃料(HC)が残留したままとなる。多気筒内燃機関にあっては、吸気マニホールドに燃料(HC)が残留する。この残留HCを放置しておくと、次回の機関始動時において、スタータモータ等によるクランキングに伴い吸気ポート近傍の浮遊炭化水素が燃焼室に吸入され更に未燃のまま排出されてしまうという不都合が生じる。
そこで、上記不都合を解消する従来技術として、特許文献1や特許文献2が提案されている。特許文献1では、内燃機関のスロットル弁と機関本体との間の吸気通路に吸着材を設け、この吸着材により燃料噴射弁より漏れ出た燃料を吸着するようにしている。また、特許文献2では、内燃機関の吸気通路にHC吸着材を設け、このHC吸着材により吸気通路内に残留するHCを除去するようにしている。
しかしながら、上記従来技術では以下の問題が生じる。すなわち、内燃機関の運転中には、燃焼室からの燃料吹き戻しやPCV通路からの燃料流入(特に燃料中のエンジンオイル流入)等によって吸気ポート近傍に高沸点分のHCが混入し浮遊する。かかる場合、上記の如く吸気通路内にHC吸着材を設置した構成では、当該HC吸着材に高沸点分のHCが付着する(いわゆるオイル被毒を受ける)。HC吸着材に一旦吸着した高沸点分のHCはその後放出されないため、HC吸着材のHC吸着性能が著しく低下してしまい、十分なHC低減効果が得られなくなるという問題が生じる。
特開平11−82192号公報 特開2001−227421号公報
本発明は、炭化水素の排出量を効果的に低減することができる内燃機関の炭化水素排出量低減装置を提供することを主たる目的とするものである。
請求項1に記載の発明では、内燃機関の吸気通路に、弁部材を迂回するようにして吸気通路とは別のバイパス通路が接続され、該バイパス通路の途中に、吸気通路中に浮遊する炭化水素を吸着するための炭化水素吸着材が設けられている。この場合、弁部材は少なくとも内燃機関の停止時に閉状態とされるため、内燃機関の停止後に吸気ポート等に浮遊する炭化水素(未燃燃料)はバイパス通路に導かれ、炭化水素吸着材に吸着される。内燃機関の始動後は、バイパス通路内を通過する吸気により、炭化水素吸着材に吸着された炭化水素が放出される。特に本構成では、吸気通路から離れたバイパス通路内に炭化水素吸着材を設けたため、内燃機関の運転時に燃焼室からの燃料吹き戻し等により吸気ポート近傍に高沸点の炭化水素が浮遊しても、その浮遊炭化水素が炭化水素吸着材に吸着することはなく、炭化水素の吸着性能低下が抑制できる。以上により、炭化水素の排出量を効果的に低減することができる。
スロットル弁の下流側に吸気制御弁を設けた構成では、バイパス通路を、スロットル弁の上流部分と吸気制御弁の下流部分とを接続するように設けると良い。この場合、吸気制御弁を前記弁部材として用い、内燃機関の停止時に吸気制御弁を閉状態とする。これにより、上記の通り炭化水素の排出量を効果的に低減することができる。
また、請求項2に記載したように、スロットル弁と吸気制御弁との間にサージタンクを設けた構成では、バイパス通路を、スロットル弁の上流部分と、吸気制御弁の下流部分と、サージタンク又はその近傍とにそれぞれ接続すると良い。これにより、吸気ポート近傍の残留炭化水素だけでなく、サージタンクの残留炭化水素も好適に炭化水素吸着材に回収できる。
請求項に記載の発明では、バイパス通路において炭化水素吸着材よりも上流側に開閉弁が設けられている。開閉弁は少なくとも内燃機関の停止後、閉状態で保持される一方、内燃機関の始動後に一時的に開放され、これにより炭化水素吸着材の吸着炭化水素が放出される。炭化水素の放出により、次回の機関停止時における炭化水素の再吸着が可能となる。
請求項に記載の発明では、内燃機関の暖機完了後、内燃機関の運転状態に応じて開閉弁の開放状態が制御されるため、吸着炭化水素の放出に伴う排気エミッションの悪化等が抑制できる。
請求項に記載の発明では、内燃機関の始動後燃料増量が終了した後に開閉弁が開放され、炭化水素吸着材の吸着炭化水素が放出される。始動後燃料増量中に炭化水素の放出を行うと過度にリッチになり、リッチ失火を招くおそれがあるが、始動後燃料増量が終了した後であれば、過リッチを招くことなく炭化水素の放出を行うことができる。なお、リッチ失火のおそれがなければ炭化水素の放出が可能であり、本請求項は、広義には「リッチ失火のおそれが無いことを条件に前記開閉弁を開放し、前記炭化水素吸着材の吸着炭化水素を放出する」といった構成でも良い。
請求項に記載の発明では、吸気通路とバイパス通路との接続部分のうち、少なくとも下流側の接続部分に加熱手段が設けられている。これにより、内燃機関の停止時において吸気ポート等の残留炭化水素がバイパス通路に流れやすくなり、残留炭化水素が確実に回収できる。仮にバイパス通路と炭化水素吸着材との位置関係等により残留炭化水素が流れにくい場合であっても、炭化水素吸着材への残留炭化水素の流れを強制的に作り出すことができる。
請求項に記載の発明では、加熱手段によって炭化水素吸着材が加熱される。この場合、炭化水素吸着材が加熱されることで、当該吸着材に吸着された炭化水素が離脱しやすくなり、炭化水素の放出を確実に行うことができる。仮に炭化水素吸着材に高沸点分の炭化水素が吸着する場合にも、その高沸点分の炭化水素を確実に放出することができる。その結果、炭化水素吸着材の吸着能力の低下が抑制され、炭化水素の排出量を効果的に低減することができるようになる。
請求項に記載の発明では、バイパス通路において炭化水素吸着材の上流側に内燃機関の排気の一部を環流させるようにしている。この場合、排気によって吸気温度が上昇し炭化水素吸着材が加熱されるため、炭化水素吸着材の炭化水素を確実に放出することができる。
請求項に記載の発明では、炭化水素吸着材を収容する収容部にヒータを付設したため、ヒータによって炭化水素吸着材が加熱され、炭化水素の放出を確実に行うことができる。この場合、内燃機関の始動後にヒータが所定時間ONされると良い。
請求項10に記載の発明では、炭化水素吸着材を収容する収容部の周囲に、内燃機関を循環する循環液の配管を設けたため、当該配管からの受熱によって炭化水素吸着材が加熱され、炭化水素吸着材の炭化水素を確実に放出することができる。
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、車両に搭載される多気筒ガソリン噴射エンジンを対象に炭化水素排出量低減装置を具体化するものであり、図1は、本エンジン制御システムの概要を示す構成図である。
図1において、エンジン10の吸気管11には、図示しないアクセルペダルの踏込み操作量に応じて開度調節されるスロットル弁12が設けられている。スロットル弁12の下流側にはサージタンク13が設けられ、そのサージタンク13の下流側にはエンジン10の各気筒に空気を導入するための吸気マニホールド14が接続されている。吸気マニホールド14には、各気筒への吸入空気の流れを制御するための吸気制御弁15と、各気筒の吸気ポート近傍に燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁16とが設けられている。
吸気制御弁15は気筒毎に設けられ、各気筒共通のアクチュエータによって同時駆動される構成となっている。吸気制御弁15は、エンジン停止中等の非通電時には閉鎖状態で保持される常閉式の電磁制御弁である。この吸気制御弁15によって、吸入空気の逆流を防止したり、アイドル時等にポンピングロスを低減させたり、燃焼室22内にスワール流やタンブル流を発生させたりすることが可能となっている。吸気制御弁15は吸気流バルブとも称される。但し、各気筒独立して吸気制御弁15を駆動する構成であっても良い。
各気筒の吸気ポートでは吸入空気と燃料噴射弁16による噴射燃料とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気弁21の開放に伴い各気筒の燃焼室22に導入されて燃焼に供される。燃焼室22で燃焼に供された混合気は、排気弁23の開放に伴い排気として排気管24を介して排出される。
また、吸気管11のスロットル弁12よりも上流部分と吸気マニホールド14の吸気制御弁15よりも下流部分との間には吸気バイパス通路25が設けられており、その吸気バイパス通路25には、HC吸着タンク26と開閉制御弁27とが設けられている。HC吸着タンク26には、その内周面ほぼ全体に活性炭、ゼオライト、HC吸着作用を有する触媒成分(例えばPd)等よりなるHC吸着材26aが付着されている。開閉制御弁27は電磁駆動式のON/OFFバルブであり、非通電時には閉鎖状態で保持される。
ECU30は、CPU、ROM、RAM等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されており、ROMに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、その都度のエンジン運転状態に応じて各種エンジン制御を実施する。
エンジン10においては、燃料噴射弁16から漏れ出る燃料(油密漏れ)、燃焼室22からの燃料吹き戻し、PCV通路からの燃料(ブローバイガス)の流入等によって吸気マニホールド14や吸気ポート近傍などにHCが残留し、エンジン10の運転停止後もそのHCが残留したままとなる。この残留HCを放置しておくと、次回のエンジン始動時においてクランキングに伴い吸気ポート近傍等の残留HCが燃焼室22に吸入され更に未燃のまま排出されてしまうという不都合が生じる。そこで本実施の形態では、エンジン停止中に吸気ポート近傍等の残留HCをHC吸着タンク26にて回収し、それによりエンジン始動時におけるHC排出を抑制することとしている。以下、その詳細を説明する。
図2は、エンジン停止及び再始動時におけるHC吸着及び放出の動作を説明するためのタイムチャートである。なお、図2に示す吸気制御弁15や開閉制御弁27の動作はECU30により制御される。
さて、タイミングt1でイグニッションスイッチがOFFされエンジン10の運転が停止されると、吸気制御弁15が閉鎖される。開閉制御弁27は、エンジン停止前後を通じて閉鎖状態となっている。エンジン停止中(ソーク中)は、吸気制御弁15及び開閉制御弁27が共に閉鎖状態となることから、吸気ポート近傍の残留HCは吸気バイパス通路25を通ってHC吸着タンク26に流れ込み、同タンク26内のHC吸着材26aに吸着される。
その後、タイミングt2でエンジン10が再始動されると、エンジン10の完爆後暫くは吸気制御弁15が微小開度で保持され、その後、通常開度で制御される。また、エンジン始動時には、エンジン回転を安定化させるべく燃料噴射量の始動後増量等が行われており、その始動後増量の終了後、タイミングt3〜t4の期間で開閉制御弁27が開放される。タイミングt3〜t4の期間は例えば数秒程度である。これにより、吸気バイパス通路25に吸気管上流から空気が流れ込み、HC吸着タンク26内のHC吸着材26aに吸着されていたHCが放出される。この放出されたHCは、燃料噴射弁16の噴射燃料と共に燃焼室22内に導入され、燃焼される。なお、開閉制御弁27は、暖機完了後の吸気量が比較的多い時期に開放されれば良く、空気量に合わせて開閉制御が行われても良い。
以上詳述した本実施の形態によれば、吸気通路(吸気管11及び吸気マニホールド14)から離れた吸気バイパス通路25内にHC吸着材26aを設けたため、エンジン運転時に燃焼室22からの燃料吹き戻し等により吸気ポート近傍に高沸点のHCが浮遊しても、その浮遊HCがHC吸着材26aに吸着することはなく、HC吸着性能低下が抑制できる。従って、燃料噴射前(気筒判別完了前)のクランキング時において気筒内に吸入されるHC量が減り、クランキング時のHC排出量が低減される。その結果、HC排出量を効果的に低減することができるようになる。
吸気バイパス通路25を、スロットル弁12の上流部分と吸気制御弁15の下流部分とを接続するように設け、エンジン停止時に吸気制御弁15を閉状態としたため、エンジン停止時における残留HCの回収(吸着)を良好に行うことができる。また、吸気バイパス通路25において、HC吸着タンク26よりも上流側に開閉制御弁27を設け、エンジン10の暖機完了後に一時的に開閉制御弁27を開放するようにしたため、吸着HCの放出を良好に行うことができる。
エンジン始動時の始動後増量が終了した後に開閉制御弁27が開放され、HC放出が行われるため、過リッチ化やそれに伴うリッチ失火が抑制できる。
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
図3には、HC排出量低減装置の別の構成を示す。図3では、前記図1の構成との相違点として、吸気バイパス通路25と吸気通路(吸気管11及び吸気マニホールド14)との接続を3カ所としており、吸気バイパス通路25の第1通路部25aをスロットル弁12よりも上流部分に接続し、第2通路部25bをスロットル弁12とサージタンク13の間に接続し、第3通路部25cを吸気制御弁15よりも下流部分に接続している。また、第1通路部25aの途中に開閉制御弁27を設け、第1〜第3通路部25a〜25cの集合部分にHC吸着タンク26を設けている。
かかる場合、エンジン停止時には、スロットル弁12、吸気制御弁15及び開閉制御弁27が何れも閉鎖状態とされる。これにより、エンジン停止中は、吸気ポート近傍の残留HCが第3通路部25cを通ってHC吸着タンク26に流れ込むと共に、サージタンク13の残留HCが第2通路部25bを通ってHC吸着タンク26に流れ込み、それらのHCが同タンク26内のHC吸着材26aに吸着される。そしてその後、エンジン10の始動時には、スロットル弁12と吸気制御弁15が通常制御された状態で開閉制御弁27が所定時間開放される。その際、吸気バイパス通路25に吸気管上流から空気が流れ込み、HC吸着タンク26内のHC吸着材26aに吸着されていたHCが放出される。
上記構成によれば、吸気ポート近傍の残留HCだけでなく、サージタンク13の残留HCもHC吸着タンク26に回収することができる。これにより、吸気通路内のほぼ全ての残留HCが回収できるようになる。
また図4の構成では、吸気管11において、前記同様スロットル弁12を迂回するようにしつつ、サージタンク13よりも上流側に吸気バイパス通路25を接続している。かかる場合、エンジン停止時には、スロットル弁12及び開閉制御弁27が何れも閉鎖状態とされる。これにより、エンジン停止中は、吸気ポート近傍及びサージタンク13内の残留HCが吸気バイパス通路25を通ってHC吸着タンク26に流れ込み、それらのHCが同タンク26内のHC吸着材26aに吸着される。そしてその後、エンジン10の始動時には、スロットル弁12が通常制御された状態で開閉制御弁27が所定時間開放される。その際、吸気バイパス通路25に吸気管上流から空気が流れ込み、HC吸着タンク26内のHC吸着材26aに吸着されていたHCが放出される。
本構成においても、吸気通路(吸気管11)から離れた吸気バイパス通路25内にHC吸着材26aを設けたため、前記同様、エンジン運転時に燃焼室22からの燃料吹き戻し等により吸気ポート近傍に高沸点のHCが浮遊しても、その浮遊HCがHC吸着材26aに吸着することはなく、HC吸着性能低下が抑制できる。従って、HC排出量を効果的に低減することができるようになる。なお図4に示す構成では、吸気制御弁15を省略したが、仮に吸気制御弁15を設けた場合には、エンジン停止時において吸気制御弁15を開放状態とすると良い。
上記実施の形態では、HC吸着手段の構成として、HC吸着タンク26の内周面にHC吸着材26aを付着させたが、これを以下のように変更する。例えば、図5の(a)に示すように、HC吸着タンク26内に、空気流の流れにほぼ直交するようにしてシート状のHC吸着材26aを配する構成とする。シート状のHC吸着材26aを複数枚並べて配しても良い。この場合、HC吸着材26aをガスが通過する際にHCの吸着及び放出が行われる。
又は、図5の(b)に示すように、HC吸着タンク26内に、蛇腹状のHC吸着材26aを配する構成とする。蛇腹状のHC吸着材26aを図示のように複数枚並べて配しても良い。この場合、HC吸着材26aを蛇腹状にすることで表面積が大きくなり、HC吸着能力を高めることが可能となる。
図6に示すように、吸気マニホールド14において吸気バイパス通路25との下流側接続部分に、加熱手段としてのヒータ40を付設するようにしても良い。この場合、エンジン停止後、所定期間でヒータ40をONし、吸気バイパス通路25との接続部分を加熱する。これにより、エンジン停止時において吸気ポート等の残留HCがHC吸着タンク26に回収されやすくなり、残留HCが確実に回収できる。仮に吸気バイパス通路25とHC吸着タンク26との位置関係等により残留HCが流れにくい場合であっても、HC吸着タンク26への残留HCの流れを強制的に作り出すことができる。加熱手段として、ヒータ40以外の構成も採用できる。例えば、吸気マニホールド14において吸気バイパス通路25との下流側接続部分に、循環水又は循環油用の配管を設け、その配管からの受熱により前記接続部分を加熱して残留HCの流れを強制的に作り出すようにしても良い。
HC吸着材26aを加熱手段によって加熱する構成としても良い。加熱手段としてEGR装置を用いるものが考えられ、その具体的構成を図7により説明する。つまり、図7に示すように、排気管24の触媒51よりも下流側と、吸気バイパス通路25(HC吸着タンク26と開閉制御弁27の間)とを接続するようにしてEGR通路52が設けられており、そのEGR通路52の途中にEGR制御弁53が設けられている。この場合、エンジン始動後には、EGR通路52を介して吸気バイパス通路25に高温のEGRガスが導入され、HC吸着材26aが加熱される。これにより、HC吸着材26aからのHCの離脱が促進され、HC放出を確実に行わせることができる。EGR装置は、エンジン10に一般的に装備される装置であり、その汎用装置が流用できる。
なお、EGR通路52を、吸気バイパス通路25だけでなく吸気管11にも接続する構成としても良い。この場合、エンジン始動後におけるHC吸着材26aのHC放出時にのみ吸気バイパス通路25にEGRガスを導入し、それ以外は、吸気管11だけにEGRガスを適時導入する構成としても良い。
その他の加熱手段として、HC吸着タンク26にヒータを付設する構成や、該HC吸着タンク26の周囲に、エンジン冷却水や潤滑油の配管を付設する構成としても良い。これらの構成によっても、HC吸着材26aが加熱されることでHC吸着材26aからのHCの離脱が促進され、HC放出を確実に行わせることができる。HC吸着タンク26にヒータを付設する構成では、エンジン始動後にヒータが所定時間ONされると良い。
上記実施の形態では、開閉制御弁27をON/OFFバルブとしたが、これに代えて、同開閉制御弁27を開度調整可能な開度制御弁としても良い。この場合、HC吸着材26aの吸着HCを放出する際に、吸入空気量(又はスロットル下流圧力)に応じて開閉制御弁27の開度を徐々に開放するようにしても良い。また、HC放出時には、スロットル弁12の開度を絞って吸気通路内に負圧を作ることで、HC放出を確実に行うようにしても良い。
発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 エンジン停止及び再始動時におけるHC吸着及び放出の動作を説明するためのタイムチャートである。 HC排出量低減装置の別の構成を示す図である。 HC排出量低減装置の別の構成を示す図である。 HC吸着タンクの別の構成を示す図である。 HC排出量低減装置の別の構成を示す図である。 HC排出量低減装置の別の構成を示す図である。
符号の説明
10…エンジン、11…吸気管、12…スロットル弁、13…サージタンク、14…吸気マニホールド、15…吸気制御弁、25…吸気バイパス通路、26…HC吸着タンク、26a…HC吸着材、27…開閉制御弁、30…ECU、52…EGR通路、53…EGR制御弁。

Claims (10)

  1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、少なくとも内燃機関の停止時に閉状態とされる弁部材と、
    該弁部材を迂回するようにして前記吸気通路とは別に設けられたバイパス通路と、
    該バイパス通路の途中に設けられ、吸気通路中に浮遊する炭化水素を吸着するための炭化水素吸着材と、を備え
    前記弁部材として、前記吸気通路に設けられたスロットル弁の下流側に、気筒内への吸気流を制御する吸気制御弁を設け、
    前記バイパス通路を、前記スロットル弁の上流部分と前記吸気制御弁の下流部分とを接続するように設けたことを特徴とする内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  2. 前記吸気通路の前記スロットル弁と前記吸気制御弁との間にサージタンクを設けた構成において、前記バイパス通路を、スロットル弁の上流部分と、吸気制御弁の下流部分と、サージタンク又はその近傍とにそれぞれ接続するように設けた請求項1に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  3. 前記バイパス通路において前記炭化水素吸着材よりも上流側に開閉弁を設け、内燃機関の停止後、前記開閉弁を閉状態で保持する一方、内燃機関の始動後に前記開閉弁を一時的に開放して前記炭化水素吸着材の吸着炭化水素を放出する請求項1又は2に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  4. 内燃機関の暖機完了後、内燃機関の運転状態に応じて前記開閉弁の開放状態を制御する請求項3に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  5. 内燃機関の始動後燃料増量が終了した後に前記開閉弁を開放し、前記炭化水素吸着材の吸着炭化水素を放出する請求項3又は4に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  6. 前記吸気通路と前記バイパス通路との接続部分のうち、少なくとも下流側の接続部分に加熱手段を設けた請求項1乃至5の何れかに記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  7. 前記炭化水素吸着材を加熱する加熱手段を設けた請求項1乃至6の何れかに記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  8. 前記バイパス通路において前記炭化水素吸着材の上流側に内燃機関の排気の一部を環流させる構成とした請求項7に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  9. 前記炭化水素吸着材を収容する収容部に前記加熱手段としてのヒータを付設した請求項7に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
  10. 前記炭化水素吸着材を収容する収容部の周囲に、前記加熱手段として、内燃機関を循環する循環液の配管を設けた請求項7に記載の内燃機関の炭化水素排出量低減装置。
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