JP6135464B2 - 内燃機関の排出ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排出ガスを浄化する触媒コンバータと、この触媒コンバータの下流側に配置された排出ガスセンサとを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置に関する発明である。

近年、内燃機関を搭載した車両においては、排気管に排出ガス浄化用の触媒コンバータを設置すると共に、この触媒コンバータの上流側と下流側に排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ（空燃比センサ又は酸素センサ等）を設置するようにしたものがある。このようなシステムでは、排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比Ｆ／Ｂ制御（メインＦ／Ｂ制御やサブＦ／Ｂ制御）を実行して触媒コンバータの排出ガス浄化率を高めるようにしている。ここで、「Ｆ／Ｂ」は「フィードバック」を意味する。

また、触媒コンバータとしては、例えば、特許文献１（特開２００２−１７７７９４号公報）に記載されているように、多数のセルが形成されたセラミック担体に触媒成分を担持したセラミック触媒体を用いたものがある。このものは、ガス流れの多い担体中心部に担持される触媒量を外周部の１．１倍以上にするようにしている。

特開２００２−１７７７９４号公報

ところで、触媒体のセル密度が均一の場合、触媒コンバータ内の排出ガスの流速は、外周側よりも中心側の方が速くなる傾向がある。このため、内燃機関の空燃比が変化したときに、触媒コンバータの下流側近傍では、排出ガスの流速が速い中心側から空燃比が変化し始める。一方、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサは、排気通路の内壁面近傍（つまり外周側）に配置される。

このため、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサを触媒コンバータの下流側近傍に配置すると、下流側の排出ガスセンサの出力に基づいた空燃比制御（例えばサブＦ／Ｂ制御）を精度良く行うことが困難になる可能性がある。これを回避するには、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサを、触媒コンバータから十分に離れた位置（排出ガスが十分に混合されて空燃比の分布がほぼ均一になる位置）に配置する必要がある。

しかし、触媒コンバータから下流側の排出ガスセンサまでの距離が長いと、下流側の排出ガスセンサの出力に基づいたサブＦ／Ｂ制御の応答性が低下する可能性があると共に、車両への搭載が困難になる可能性もある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサの出力に基づいた空燃比制御の精度を確保しながら該排出ガスセンサを触媒コンバータの下流側近傍に配置することができる内燃機関の排出ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の排出ガスを浄化する触媒コンバータ（２４）と、該触媒コンバータ（２４）の下流側の排気通路（２３ｂ）に配置された排出ガスセンサ（２６）とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、触媒コンバータ（２４）は、多数のセルを有する担体に触媒成分を担持した触媒体（３２）を備え、排出ガスの流れ方向から見て触媒体（３２）の中心側の部分である触媒体中心部（３３）のセル密度よりも触媒体（３２）の外周側の部分である触媒体外周部（３４）のセル密度の方が低く、触媒体（３２）は、触媒体中心部（３３）と触媒体外周部（３４）との二段階でセル密度が切り替えられており、触媒体中心部（３３）の直径Ａと、触媒体外周部（３４）の直径Ｂと、排気通路（２３ｂ）内への排出ガスセンサ（２６）の突き出し長さＬと、排気通路（２３ｂ）の内径ｂとが、Ａ／Ｂ≦（ｂ−２×Ｌ）／ｂの関係を満たすように構成されているものである。

触媒体のセル密度が均一の場合、触媒コンバータ内の外周側よりも中心側の方が排出ガスの流速が速くなる傾向があるが、本発明では、触媒体中心部のセル密度よりも触媒体外周部のセル密度の方を低くするようにしている。これにより、触媒体のセル密度が均一の場合に比べて、触媒コンバータ内の外周側の排出ガスの流速を速くして、触媒コンバータ内の排出ガスの流速を中心側と外周側でほぼ均一にする（中心側の流速と外周側の流速との差を小さくする）ことができる。このため、内燃機関の空燃比が変化したときに、触媒コンバータから流出する排出ガスの空燃比を中心側と外周側でほぼ均一に変化させることができる。

更に、本発明では、触媒体中心部の直径Ａと、触媒体外周部の直径Ｂと、排気通路内への排出ガスセンサの突き出し長さＬと、排気通路の内径ｂとが、Ａ／Ｂ≦（ｂ−２×Ｌ）／ｂの関係を満たすようにしている。このようにすれば、触媒体の断面において触媒体外周部の直径Ｂ（つまり触媒体の直径）に対する触媒体外周部の幅寸法Ｘの比率（Ｘ／Ｂ）を、排気通路の断面において排気通路の内径ｂに対する排出ガスセンサの突き出し長さＬの比率（Ｌ／ｂ）以上にすることができる（図３及び図４参照）。これにより、触媒コンバータ下流側の排気通路の断面のうち触媒体外周部に対応する領域（つまりセル密度を低くして排出ガスの流速を速くした領域）に排出ガスセンサの検出部を確実に配置することができる。

以上により、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサを触媒コンバータの下流側近傍に配置しても、下流側の排出ガスセンサの出力に基づいた空燃比制御（例えばサブＦ／Ｂ制御）を精度良く行うことが可能となる。このため、触媒コンバータの下流側の排出ガスセンサの出力に基づいた空燃比制御の精度を確保しながら下流側の排出ガスセンサを触媒コンバータの下流側近傍に配置することができる。更に、下流側の排出ガスセンサを触媒コンバータの下流側近傍に配置することで、下流側の排出ガスセンサの出力に基づいた空燃比制御の応答性や車両への搭載性を向上させることができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２は触媒体の外観図である。 図３は触媒体の断面図である。 図４は排気通路の断面図である。 図５は本実施例の効果を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に接続された吸気ポート又はその近傍に、それぞれ吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。或は、エンジン１１の各気筒に、それぞれ筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁が取り付けられているようにしても良い。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスを浄化する触媒コンバータ２４が設けられている。更に、排気管２３のうちの触媒コンバータ２４の上流側の排気通路２３ａと下流側の排気通路２３ｂに、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２５，２６（空燃比センサ又は酸素センサ等）が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、ノッキングを検出するノックセンサ２８が取り付けられている。また、クランク軸２９の外周側には、クランク軸２９が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ３０が取り付けられ、このクランク角センサ３０の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）３１に入力される。このＥＣＵ３１は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

その際、ＥＣＵ３１は、所定の空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したときに、上流側の排出ガスセンサ２５の出力に基づい触媒コンバータ２４の上流側の排出ガスの空燃比を目標空燃比付近に制御するように燃料噴射量をＦ／Ｂ補正するメインＦ／Ｂ制御を実行する。更に、下流側の排出ガスセンサ２６の出力に基づいて触媒コンバータ２４の下流側の排出ガスの空燃比を制御目標値（例えば理論空燃比）付近に制御するようにメインＦ／Ｂ制御を修正するサブＦ／Ｂ制御を実行する。このサブＦ／Ｂ制御では、例えば、メインＦ／Ｂ制御の制御中心（目標空燃比）又はメインＦ／Ｂ制御のＦ／Ｂ補正量等を修正する。ここで、「Ｆ／Ｂ」は「フィードバック」を意味する（以下、同様）。

図２及び図３に示すように、触媒コンバータ２４内には、円柱状の触媒体３２が設けられている。この触媒体３２は、多数のセルが形成された担体（例えばセラミック担体）に触媒成分（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）を担持したものである。この触媒体３２は、排出ガスの流れ方向から見て触媒体３２の中心側の部分（以下「触媒体中心部」という）３３と触媒体３２の外周側の部分（以下「触媒体外周部」という）３４との二段階でセル密度が切り替えられている。本実施例では、触媒体３２は、触媒体中心部３３のセル密度よりも触媒体外周部３４のセル密度の方が低くなるように形成されている。

触媒体のセル密度が均一の場合、触媒コンバータ２４内の外周側よりも中心側の方が排出ガスの流速が速くなる傾向があるが、本実施例では、触媒体中心部３３のセル密度よりも触媒体外周部３４のセル密度の方を低くするようにしている。これにより、図５に示すように、触媒体のセル密度が均一の従来品に比べて、本実施例では、触媒コンバータ２４内の外周側の排出ガスの流速を速くして、触媒コンバータ２４内の排出ガスや触媒コンバータ２４から流出する排出ガスの流速を中心側と外周側でほぼ均一にする（中心側の流速と外周側の流速との差を小さくする）ことができる。このため、エンジン１１の空燃比が変化したときに、触媒コンバータ２４から流出する排出ガスの空燃比を中心側と外周側でほぼ均一に変化させることができる。

更に、図３及び図４に示すように、本実施例では、触媒体中心部３３の直径Ａと、触媒体外周部３４の直径Ｂと、排気通路２３ｂ内への排出ガスセンサ２６の突き出し長さＬと、排気通路２３ｂの内径ｂとが、下記の関係式を満たすように触媒体中心部３３の直径Ａと触媒体外周部３４の直径Ｂとの比が設定されている。
Ａ／Ｂ≦（ｂ−２×Ｌ）／ｂ

このようにすれば、触媒体３２の断面において触媒体外周部３４の直径Ｂ（つまり触媒体３２の直径）に対する触媒体外周部３４の幅寸法Ｘの比率（Ｘ／Ｂ）を、排気通路２３ｂの断面において排気通路２３ｂの内径ｂに対する排出ガスセンサ２６の突き出し長さＬの比率（Ｌ／ｂ）以上にすることができる。これにより、触媒コンバータ２４の下流側の排気通路２３ｂの断面のうち触媒体外周部３４に対応する領域（つまりセル密度を低くして排出ガスの流速を速くした領域）に排出ガスセンサ２６の検出部を確実に配置することができる。

以上説明した本実施例では、触媒体中心部３３のセル密度よりも触媒体外周部３４のセル密度の方が低く、且つ、触媒体中心部３３の直径Ａと、触媒体外周部３４の直径Ｂと、排気通路２３ｂ内への排出ガスセンサ２６の突き出し長さＬと、排気通路２３ｂの内径ｂとが、Ａ／Ｂ≦（ｂ−２×Ｌ）／ｂの関係を満たすようにしている。これにより、触媒コンバータ２４の下流側の排出ガスセンサ２６を触媒コンバータ２４の下流側近傍に配置しても、下流側の排出ガスセンサ２６の出力に基づいたサブＦ／Ｂ制御を精度良く行うことが可能となる。このため、触媒コンバータ２４の下流側の排出ガスセンサ２６の出力に基づいたサブＦ／Ｂ制御の精度を確保しながら下流側の排出ガスセンサ２６を触媒コンバータ２４の下流側近傍に配置することができる。更に、下流側の排出ガスセンサ２６を触媒コンバータ２４の下流側近傍に配置することで、下流側の排出ガスセンサ２６の出力に基づいたサブＦ／Ｂ制御の応答性や車両への搭載性を向上させることができる。

また、本実施例では、触媒体中心部３３と触媒体外周部３４との二段階でセル密度を切り替えるようにしたので、触媒体３２の構成をあまり複雑化することなく、触媒コンバータ２４内の中心側と外周側で排出ガスの流速をほぼ均一にすることができる。

尚、上記実施例では、触媒体中心部３３と触媒体外周部３４との二段階でセル密度を切り替えるようにしたが、これに限定されず、触媒体３２のセル密度を三段階以上で切り替えるようにしても良い。例えば、触媒体中心部３３のセル密度を内周側から外周側に向かって複数段階で切り替えるようにしたり、触媒体外周部３４のセル密度を内周側から外周側に向かって複数段階で切り替えるようにしても良い。

１１…エンジン（内燃機関）、２３…排気管、２３ｂ…排気通路、２４…触媒コンバータ、２５，２６…排出ガスセンサ、３２…触媒体、３３…触媒体中心部、３４…触媒体外周部

Claims (1)

1. 内燃機関（１１）の排出ガスを浄化する触媒コンバータ（２４）と、該触媒コンバータ（２４）の下流側の排気通路（２３ｂ）に配置された排出ガスセンサ（２６）とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、
   前記触媒コンバータ（２４）は、多数のセルを有する担体に触媒成分を担持した触媒体（３２）を備え、前記排出ガスの流れ方向から見て前記触媒体（３２）の中心側の部分である触媒体中心部（３３）のセル密度よりも前記触媒体（３２）の外周側の部分である触媒体外周部（３４）のセル密度の方が低く、
   前記触媒体（３２）は、前記触媒体中心部（３３）と前記触媒体外周部（３４）との二段階でセル密度が切り替えられており、
   前記触媒体中心部（３３）の直径Ａと、前記触媒体外周部（３４）の直径Ｂと、前記排気通路（２３ｂ）内への前記排出ガスセンサ（２６）の突き出し長さＬと、前記排気通路（２３ｂ）の内径ｂとが、Ａ／Ｂ≦（ｂ−２×Ｌ）／ｂの関係を満たすように構成されていることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。

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