JP4456732B2 - 内燃機関の排気ガス特性検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内側排気通路および外側排気通路からなる2重構造の排気通路を有する内燃機関において、内側排気通路内を流れる排気ガスの特性を検出する内燃機関の排気ガス特性検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、2重構造の排気通路を有する内燃機関として、例えば特開平7−332074号公報に記載されたものが知られている。この内燃機関の排気系は、その途中に設けられた触媒装置と、触媒装置よりも下流側の部分で互いに分岐し、その下流側で合流する内側排気通路および外側排気通路と、を備えている。外側排気通路は、内側排気通路を環状に取り囲むように配置されている。また、内側排気通路には、排気ガス中のHCおよび水分を吸着するHC吸着材が充填されており、内側排気通路は、HC吸着材のすぐ下流側の部分で外側排気通路に合流している。さらに、この合流部分には、触媒装置からの排気ガスの流路を外側排気通路側または内側排気通路側に切り替える流路切替弁が設けられている。この内燃機関では、その始動直後、流路切替弁により排気ガスの流路が内側排気通路側に切り替えられる。始動直後には、触媒装置が低温で活性化されていないため、始動直後の排気ガスに含まれるHCは、触媒装置では浄化されず、HC吸着材に吸着される。一方、始動後、排気ガスの熱により触媒装置が活性化されたときには、排気ガスの流路が外側排気通路側に切り替えられる。これにより、排気ガスが外側排気通路内を流れることによって、HC吸着材は、排気ガスとの熱交換により暖められ、吸着したHCを脱離させる。脱離したHCは、触媒装置に環流され、浄化される。
【0003】
また、上記HC吸着材は、排気ガス中のHCおよび水分を吸着するので、例えば、HC吸着材の下流側に湿度センサを設け、この湿度センサより、HC吸着材を通過した排気ガスの湿度を検出することで、HC吸着材の劣化を判定することが可能である。
【0004】
さらに、排気管へのセンサの取付構造として、例えば特開平7−332074号公報に記載されたものが知られている。このセンサは、酸素濃度を検出する酸素濃度センサであり、排気管の触媒よりも下流側に、先端の検出部が排気管内に突出した状態で取り付けられている。また、排気管内には、触媒を通過した排気ガスを酸素濃度センサの検出部に導くガイド管が設けられている。このガイド管は、排気管に沿い、酸素濃度センサの検出部に向かって漏斗状に先細りに延びるように形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の内燃機関に前述した劣化判定手法を適用した場合、吸着材を通過した排気ガス中の湿度を検出するためには、湿度センサを吸着材よりも下流側に配置しなければならない。この場合、吸着材のすぐ下流側の部分は、両排気通路の合流部になっているとともに、この合流部には、流路切替弁が設けられているので、湿度センサを、上記酸素濃度センサの場合と同様の取付構造を単に適用して排気系に取り付けると、ガイド管および湿度センサを、合流部を避けて、その下流側に配置しなければならない。その結果、内側排気通路からの排気ガスだけでなく、外側排気通路からの排気ガスも、湿度センサを通過することになるので、湿度センサが、検出の必要性の有無にかかわらず、排気ガスに常時さらされることによって、腐食などが生じやすくなり、寿命が短くなる。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内外2重構造の排気通路のうちの内側排気通路を流れる排気ガスの特性を確実に検出できるとともに、センサの寿命を延ばすことができる内燃機関の排気ガス特性検出装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1の発明は、内側排気通路(例えば実施形態における(以下、この項において同じ)バイパス排気通路15)およびその外側を取り囲むように配置された外側排気通路(主排気通路14)のいずれか一方を介して排気ガスを排出する内燃機関2において、内側排気通路(バイパス排気通路15)内を流れる排気ガスの特性を検出する内燃機関2の排気ガス特性検出装置(排気ガス湿度検出装置1)であって、外側排気通路(主排気通路14)を横切って延びるとともに、内側排気通路(バイパス排気通路15)内を流れる排気ガスを内部に導入するために内側排気通路(バイパス排気通路15)に臨む排気ガス導入口27aを有するガイド管25と、排気ガスの特性(湿度)を検出する検出部24を有し、検出部24がガイド管25内に臨むように設けられたセンサ(湿度センサ22)と、を備え、内側排気通路(バイパス排気通路15)内には、内側排気通路(バイパス排気通路15)内を流れる排気ガス中の未燃成分(HC)および水分を一時的に吸着するとともに、吸着した未燃成分(HC)および水分を脱離させる吸着材(HC吸着材16)が設けられており、ガイド管25は、内側排気通路(バイパス排気通路15)の吸着材(HC吸着材16)よりも下流側に設けられ、センサは、吸着材(HC吸着材16)を通過した排気ガスの湿度を検出する湿度センサ22で構成されていることを特徴とする。
【0008】
この内燃機関の排気ガス特性検出装置によれば、内側排気通路内を流れる排気ガスは、排気ガス導入口を介してガイド管内に導入される。そして、このガイド管内に臨むセンサの検出部により、導入された排気ガスの特性が検出される。これにより、内側排気通路を流れる排気ガスの特性を確実に検出することができる。また、ガイド管が外側排気通路を横切って延びているので、排気ガスが外側排気通路を流れる際に、検出部はガイド管によって保護され、排気ガスにはさらされなくなる。その結果、センサの検出部が排気ガスにさらされる時間が従来よりも短縮されることで、腐食などが生じにくくなり、センサの寿命を延ばすことができる。さらに、吸着材を通過した排気ガスの湿度を湿度センサにより検出することができるので、例えば、その検出信号により吸着材の水分吸着能力を判定することができ、その結果、吸着材の劣化判定が可能になる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気ガス湿度検出装置(排気ガス特性検出装置)について説明する。図1は、本実施形態の排気ガス湿度検出装置を備えた内燃機関を示している。この排気ガス湿度検出装置1は、内燃機関(以下「エンジン」という)2の排気系3に設けられており、エンジン2から排出され、後述するバイパス排気通路15を流れる排気ガスの湿度を検出する。
【0012】
エンジン2には、排気マニホールド4を介して排気管5が接続されている。この排気管5の途中には、上流側から順に、排気ガスを浄化するための2つの三元触媒7,7を有する触媒装置8と、HCを吸着し、処理するためのHC吸着装置10とが設けられている。三元触媒7,7は、排気管5に沿って互いに隣接して配置されており、これらが活性化しているときに、触媒装置8を通過する排気ガス中の有害物質(炭化水素、一酸化炭素および窒素化合物)を、酸化・還元作用によって浄化する。三元触媒7は、所定の活性化開始温度(例えば100℃)以上で活性化し始め、より高い完全活性化温度(例えば300℃)に達すると、完全に活性化する。
【0013】
一方、HC吸着装置10は、エンジン2の始動後、各三元触媒7が上記活性化開始温度に達すると推定される所定時間t1(例えば、始動直後から約40秒間)が経過するまでの間に、排気ガス中のHCを吸着し、これによって、排気ガス中のHCが大気側に排出されるのを防止する。
【0014】
図2および図3に示すように、HC吸着装置10は、細長いケース11と、このケース11内に形成された断面環状の主排気通路14(外側排気通路)と、主排気通路14の内側に形成されるとともに、主排気通路14から分岐した後、これに合流するバイパス排気通路15(内側排気通路)と、バイパス排気管15内に設けられたHC吸着材16(吸着材)と、HC吸着装置10内における排気ガスの流路を、主排気通路14およびバイパス排気通路15のいずれか一方に切り替える流路切替弁17とを備えている。
【0015】
ケース11は、分岐ケース12と、これよりも下流側の合流ケース13を、並設した状態で一体に組み立てたものであり、これらの分岐ケース12および合流ケース13は、いずれも金属(例えばステンレス鋼)で構成されている。また、主排気通路14は、分岐ケース12を貫通して延び、バイパス排気通路15の上流端部は、主排気通路14の上流端部から分岐している。
【0016】
また、流路切替弁17は、分岐ケース12内の主排気通路14とバイパス排気通路15との分岐部に配置され、水平軸線回りに回動自在に設けられている。流路切替弁17は、バイパス排気通路15を閉鎖すると同時に主排気通路14を開放するメイン位置(図4に示す位置)と、主排気通路14を閉鎖すると同時にバイパス排気通路15を開放するバイパス位置(図5に示す位置)との間で回動する。
【0017】
さらに、分岐ケース12には、流路切替弁17を駆動するアクチュエータ18が取り付けられている。このアクチュエータ18は、負圧の供給により駆動されるものであり、これに負圧が供給されていないときには、流路切替弁17は図示しないねじりコイルばねの付勢力により、メイン位置に保持される。一方、アクチュエータ18は、負圧が供給されたときには、流路切替弁17を、ねじりコイルばねの付勢力に抗しながらメイン位置からバイパス位置に駆動し、保持する。
【0018】
このアクチュエータ18は、負圧管路を介して吸気管9に接続されている。この負圧管路(一部のみ図示)には、これを開閉するアクチュエータ駆動電磁弁21が設けられており、このアクチュエータ駆動電磁弁21は、ECU20に接続されている。ECU20がアクチュエータ駆動電磁弁21の開閉を制御することにより、アクチュエータ18への吸気管9内の負圧の供給およびその停止が制御され、これにより、アクチュエータ18は、流路切替弁17を上記のように切り替え駆動する。
【0019】
また、分岐ケース12のバイパス排気通路15には、EGR管19の一端部が接続されており、このEGR管19の他端部は、吸気管9に接続されている。また、EGR管19の途中には、図示しないデューティ制御弁が設けられており、このデューティ制御弁がECU20によって制御されることにより、吸気管9に環流される排気ガス量(EGR量)が制御される。
【0020】
一方、前記合流ケース13は、前記バイパス排気通路15を同心に形成した太円筒部13aと、この太円筒部13aの上流端部に接続された細円筒部13bと、を備えている。太円筒部13aは、円筒状で、その上流端部および下流端部が先細りに絞られている。また、バイパス排気通路15は、その通路壁15aが熱伝導性の高い金属(例えばステンレス鋼)で構成され、太円筒部13aと同様に、円筒状で、上流端部および下流端部が先細りに絞られている。さらに、通路壁15aの上流端部および下流端部は、合流ケース13の内面に気密状態で接続されている。また、通路壁15aの下流端部には、周方向に等間隔で長円形状の5つの貫通孔15bが形成されている(図7参照)。
【0021】
合流ケース13内のバイパス排気通路15は、分岐ケース12のバイパス排気通路15と下流側の排気管5とに連続している。一方、合流ケース13内の主排気通路14は、細円筒部13b内に延びる流入通路部14bと、この流入通路部14bに連続し、太円筒部13a内に延び、バイパス排気通路15を環状に取り囲む環状通路部14aで構成されている。流入通路部14bの上流端部は、分岐ケース12の主排気通路14に連続し、環状通路部14aの下流端部は、上記貫通孔15bを介して、バイパス排気通路15の下流端部に合流している。
【0022】
前記HC吸着材16は、バイパス排気通路15内の上下流端部を除く部分に、その断面の全体にわたって設けられている。HC吸着材16は、表面にゼオライトを担持した金属製(例えばステンレス鋼製)のハニカムコア(図示せず)で構成されており、バイパス排気通路15に沿って貫通して延びる多数の内孔(図示せず)を備えている。そして、バイパス排気通路15に流入した排気ガスがHC吸着材16の内孔を通過する際に、排気ガス中のHCおよび水分がゼオライトに吸着される。
【0023】
ゼオライトは、高耐熱性を有しており、その温度が所定の脱離開始温度(例えば100℃)未満のときにHC(未燃成分)を吸着し、この脱離開始温度以上になると、吸着したHCの脱離を開始するとともに、所定の完全脱離温度(例えば200℃)以上になったときに、吸着したHCを完全に脱離させるという特性を備えている。ゼオライトから脱離したHCは、EGR管19を介して吸気管9に還流され、エンジン2で燃焼される。なお、上記ゼオライトは炭化水素を吸着可能であれば良く、その種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では、USY(Y型)、Ga−MFIおよびフェリエライトを混合したものが使用されている。
【0024】
また、図6および図7に示すように、排気ガス湿度検出装置1は、合流ケース13の下流端部に設けられた湿度センサ22(センサ)と、バイパス排気通路15内の排気ガスを湿度センサ22に導くためのガイド管25とを備えている。
【0025】
このガイド管25は、ブッシング26および円管部27を溶接により互いに一体に固定したものであり、これらは、いずれも熱伝導性の高い金属(例えばステンレス鋼)で構成されている。
【0026】
ブッシング26は、断面円形で、湿度センサ22を取り付けるためのものであり、その内側には、ねじ孔26aが形成されている。ブッシング26は、合流ケース13の下流端部の孔13cにはめ込まれ、溶接などにより気密状態で固定されている。
【0027】
また、円管部27は、上端部がブッシング26に固定されており、前記5つの貫通孔15bのうちの1つを通り、上流側に向かって斜めに延び、バイパス排気通路15内に突出している。円管部27の先端には、その軸線に対して斜めに開口が形成されており、この開口は、排気ガスをガイド管25内に導入するための排気ガス導入口27aになっている。この排気ガス導入口27aは、バイパス排気通路15の断面のほぼ中央部を占め、上流側に臨むとともに、開口面がバイパス排気通路15の軸線に直交するように配置されている。また、排気ガス導入口27aは、貫通孔15bよりも上流側に配置されている。
【0028】
さらに、円管部27の上端部には、排気ガス排出口27bが形成されている。この排気ガス排出口27bは、比較的、小径であり、バイパス排気通路15の下流側に臨んでいる。以上の構成により、バイパス排気通路15内を流れる排気ガスの一部は、排気ガス導入口27aを介してガイド管25内に導かれた後、排気ガス排出口27bを介してバイパス排気通路15に戻される。
【0029】
一方、前記湿度センサ22は、HC吸着材16を通過した排気ガスの湿度を検出し、その検出信号をECU20に送るものである。ECU2は、湿度センサ22の検出信号に基づき、HC吸着材16の劣化判定を実行する。この劣化判定は、その具体的な内容はここでは省略するが、例えば本出願人が特願2000−66443号に開示した手法により実行される。
【0030】
また、湿度センサ22は、断面円形で棒状の本体部23と、これから下方に突出した検出部24などで構成されている。本体部23には、下側から順に、ブッシング26のねじ孔26aに螺合する雄ねじ23aと、六角ナット状のナット部23bが形成されている。湿度センサ22は、ナット部23bを工具で回し、雄ねじ23aをブッシング26のねじ孔26aに螺合させることにより、合流ケース13に着脱自在にかつ気密状態で取り付けられている。
【0031】
さらに、検出部24は、円管部27の内径よりも小径であり、円管部27内に臨み、排気ガス排出口27bの付近に配置されている。検出部24は、図示しない検出素子と、これを覆う有底の円筒状のカバー24aを備え、カバー24aには、その全体に多数の検出孔24bが形成されている。以上の構成により、ガイド管25内に導かれた排気ガスの一部は、カバー24aの検出孔24bを介して検出素子に導かれ、その際、湿度が検出される。
【0032】
一方、ECU20は、I/Oインターフェース、CPU、RAMおよびROMなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。上述した湿度センサ22などの各種センサ(図示せず)からの検出信号はそれぞれ、I/OインターフェースでA/D変換や整形がなされた後、CPUに入力される。CPUは、各種センサからの検出信号に応じ、ROMに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン2の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じ、以下に述べるように、流路切替弁17の切替動作を制御する。
【0033】
すなわち、エンジン2の始動直後、三元触媒7の温度が低く、これが不活性状態のときには、アクチュエータ駆動電磁弁21を介して、吸気管9の負圧をアクチュエータ18に供給する。これにより、アクチュエータ18が流路切替弁17をメイン位置からバイパス位置に切り替え駆動することで、主排気通路14を閉鎖すると同時に、バイパス排気通路15を開放する。その結果、排気ガスがHC吸着材16を通って大気側に排出され(図5参照)、その際、排気ガス中のHCがHC吸着材16によって吸着される。
【0034】
さらに、ガイド管25の排気ガス導入口27aが、バイパス排気通路15の断面のほぼ中央部を占め、上流側に臨むように配置されているので、HC吸着材16を通過した排気ガスは、排気ガス導入口27aからガイド管25内に十分に導入され、その後、排気ガス排出口27bからバイパス排気通路15に戻される。この際、ガイド管25内に導入された排気ガスの一部が、湿度センサ22の検出孔24bを介して検出素子に導かれ、検出素子により湿度が検出される。
【0035】
エンジン2の始動後、前記所定時間t1が経過した時点で、アクチュエータ18への負圧の供給を停止し、流路切替弁17をメイン位置に切り替えることで、バイパス排気通路15を閉鎖すると同時に、主排気通路14を開放する。この時点では、三元触媒7がすでに活性化し始めていることにより、これ以降は、排気ガスは触媒装置8によって浄化され、環状通路部14aを通った後、貫通孔15bを通って大気側に排出される(図4参照)。
【0036】
この場合、ガイド管25が環状通路部14aを横切っているので、湿度センサ22の検出部24は、ガイド管25により保護され、排気ガスにさらされることがない。また、前述したように、排気ガス導入口27aが貫通孔15bよりも上流側の位置で上流側に向かって開口しているので、貫通孔15bを通過する排気ガスは、ガイド管25内にはほとんど流入しない。
【0037】
また、排気ガスが環状通路部14aを通る際の熱交換により、HC吸着材16の温度が前述した脱離開始温度以上に上昇することで、HC吸着材16に吸着されていたHCが脱離を開始する。さらに、完全脱離温度以上に温度上昇することで、HC吸着材16から完全に脱離する。この場合、エンジン2の運転状態が安定するまでの間は、EGR動作が実行されず、EGR管19が閉鎖状態に保持されるとともに、環状通路部14aおよび貫通孔15bを通って流れる排気ガスの圧力が大きいため、HC吸着材16から脱離したHCは、大気側に排出されず、バイパス排気通路15内に留まる。そして、エンジン2の運転状態が安定した後、EGR動作が実行されることで、脱離したHCは、EGRガス(環流される排気ガス)とともにEGR管19を介して吸気管9に環流され、エンジン2により燃焼される。
【0038】
この場合、EGRガスがバイパス排気通路15を下流側から上流側に向かって流れるのに対して、排気ガス導入口27aが上流側に向かって開口していること、および排気ガス排出口27bが比較的、小径であることにより、EGRガスはガイド管25内にはほとんど流入しない。また、前述したように、ガイド管25が高い熱伝導性を備えているので、エンジン2の運転中、排気ガスの熱は、ガイド管25から合流ケース13側に逃がされ、放熱される。これにより、排気ガスの熱がガイド管25から伝わることによる、湿度センサ22の過度の温度上昇を防止することができる。このガイド管25による放熱は、特にエンジン2が高負荷運転中で、高温の排気ガスが主排気通路14側を流れているときに、効果的である。
【0039】
以上のように、排気ガスは、流路切替弁17がメイン位置にあって、環状通路部14aおよび貫通孔15bを通過しながら下流側に流れているとき(EGR動作時も含む)に、ガイド管25内にほとんど流入せず、流路切替弁17がバイパス位置にあって、バイパス排気通路15を通過しながら下流側に流れているときにのみ、排気ガス導入口27aからガイド管25内に十分に導入される。このため、湿度センサ22の検出部24により、HC吸着材16を通過した排気ガスの湿度を確実に検出することができる。同じ理由により、湿度センサ22の検出部24が排気ガスにさらされる時間を従来よりも短縮できることで、腐食などが生じにくくなることに加えて、ガイド管25による放熱効果により、湿度センサ22の過度の温度上昇が防止される。これにより、湿度センサ22の寿命を延ばすことができる。また、湿度センサ22により、HC吸着材16を通過した排気ガスの湿度を確実に検出できることで、HC吸着材16の劣化判定を確実に行うことができる。
【0040】
さらに、湿度センサ22は、ブッシング26にねじ込むことにより、合流ケース13に取り付けられているので、湿度センサ22を単独で容易に着脱することができ、それにより、メンテナンスを容易に行うことができる。
【0041】
また、図8は、説明した実施形態のガイド管25の変形例を示している。このガイド管25は、流路調整部27cを備えている点のみが、実施形態と異なっている。この流路調整部27cは、円筒部27の検出部24よりも下側の部分を内側に凹ませることによって形成されている。したがって、ガイド管25内に導入された排気ガスの一部を、この流路調整部27cによって検出部24側に向けることができる。これにより、検出部24に導かれる排気ガスの量を増大させることができ、湿度センサ22の検出結果の信頼性を高めることができる。
【0042】
なお、センサが検出する排気ガスの特性は、実施形態の湿度に限らず、排気ガスの酸素濃度や温度などでもよい。また、ガイド管25のブッシング26および円管部27の厚みを大きくし、これらのヒートマスを大きくすることによって、湿度センサ22の温度上昇をさらに抑制するようにしてもよい。これにより、湿度センサ22の寿命をさらに延ばすことができる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、本発明の内燃機関の排気ガス特性検出装置によれば、内外2重構造の排気通路のうちの内側排気通路を流れる排気ガスの特性を確実に検出できるとともに、センサの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る排気ガス湿度検出装置を備えた内燃機関の概略構成を示す図である。
【図2】排気ガス湿度検出装置を設けた排気系の概略構成を示す側面図である。
【図3】図2の断面図である。
【図4】排気ガスの流路が主排気通路側に切り替えられている状態を示す図である。
【図5】排気ガスの流路がバイパス排気通路側に切り替えられている状態を示す図である。
【図6】排気ガス湿度検出装置の概略構成を示す側断面図である。
【図7】排気ガス湿度検出装置の概略構成を示す(a)正面図と(b)背面図である。
【図8】排気ガス湿度検出装置の変形例の概略構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
1 排気ガス湿度検出装置(排気ガス特性検出装置)
2 内燃機関
14 主排気通路(外側排気通路)
15 バイパス排気通路(内側排気通路)
16 HC吸着材(吸着材)
22 湿度センサ(センサ)
24 検出部
25 ガイド管
27a 排気ガス導入口
Claims (1)
- 内側排気通路およびその外側を取り囲むように配置された外側排気通路のいずれか一方を介して排気ガスを排出する内燃機関において、前記内側排気通路内を流れる排気ガスの特性を検出する内燃機関の排気ガス特性検出装置であって、
前記外側排気通路を横切って延びるとともに、前記内側排気通路内を流れる排気ガスを内部に導入するために前記内側排気通路に臨む排気ガス導入口を有するガイド管と、
排気ガスの特性を検出する検出部を有し、当該検出部が前記ガイド管内に臨むように設けられたセンサと、
を備え、
前記内側排気通路内には、当該内側排気通路内を流れる排気ガス中の未燃成分および水分を一時的に吸着するとともに、当該吸着した未燃成分および水分を脱離させる吸着材が設けられており、
前記ガイド管は、前記内側排気通路の前記吸着材よりも下流側に設けられ、
前記センサは、前記吸着材を通過した排気ガスの湿度を検出する湿度センサで構成されていることを特徴とする内燃機関の排気ガス特性検出装置。
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