(57)【要約】【課題】アルコール含有燃料を使用する場合においても低エミッション化を維持できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】メイン触媒コンバータ６，７が活性化していない冷間始動直後に排気ポートから排出された排気がバイパス触媒コンバータ５を備えるバイパス通路４へ流れるように流路の切換を行い、検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて設定された活性化温度にメイン触媒コンバータ６，７の温度が到達した段階で、排気ポートから排出された排気を上流側メイン通路２を介してメイン触媒コンバータ６，７に流れるように切換える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気ポートに接続された上流側メイン通路と、
前記上流側メイン通路の下流に接続された下流側メイン通路と、
前記下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
前記上流側メイン通路の上流側部分から分岐するとともに下流側が前記下流側メイン通路に前記メイン触媒コンバータ上流側の位置において接続され、前記上流側メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
前記メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に排気ポートから排出された排気が前記バイパス通路へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段と、
燃料中のアルコール濃度を検出若しくは設定する手段と、
前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて設定された活性化温度にメイン触媒コンバータの温度が到達した段階で排気ポートから排出された排気を、上流側メイン通路を介してメイン触媒コンバータに流れるように前記流路切換手段を切換える制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記メイン触媒コンバータは、触媒が完全活性状態において作動するよう設定され、
前記制御手段は、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に係わらず前記メイン触媒コンバータの活性化温度を固定して設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記メイン触媒コンバータは、触媒が部分活性状態から作動するよう設定され、
前記制御手段は、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて前記メイン触媒コンバータの活性化温度を可変に設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記メイン触媒コンバータは、触媒が完全活性状態において作動するよう設定された第１メイン触媒コンバータと、触媒が部分活性状態から作動するよう設定された第２メイン触媒コンバータと、を下流側メイン通路に直列配置して備え、
前記制御手段は、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて前記第２メイン触媒コンバータの活性化温度を可変に設定し、第１メイン触媒コンバータが完全活性温度に到達すると共に第２メイン触媒コンバータがアルコール濃度に応じて可変に設定された活性化温度に到達した段階で排気ポートからの排気を、上流側メイン通路を通過するよう前記流路切換手段を切換えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に、別の触媒コンバータを備えたバイパス流路側に排気を案内する要にした形式の内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から車両用の内燃機関においては排気浄化のため、排気中のＨＣ(未燃ガス)，ＣＯをＨ2Ｏ，ＣＯ2に酸化する一方、ＮＯXをＮ2に還元して浄化する三元浄化触媒を排気浄化用触媒として備え、機関の冷間始動直後など排気温度の低い時には、前記排気浄化触媒が活性化温度に到達していない間におけるＨＣ (未燃ガス)の排出を抑制するよう、前記排気浄化用触媒の上流側のバイパス流路にＨＣを吸着するための吸着材を介装したものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、水温センサで検出される水温が所定値以下の時にバイパス通路を開いて吸着剤に排気中のＨＣを吸着させ、水温が所定値(吸着剤からＨＣの離脱が始まる温度と推定される)を超える時点から排気浄化用触媒下流側の出口温度センサで検出される出口温度が排気浄化用触媒の活性化温度に達するまではバイパス通路を閉じ且つ排気ポートからの排気の全量を、主通路を介して排気浄化用触媒に流し、排気浄化用触媒の出口温度が活性化温度に達した後は入口温度センサで検出される排気浄化用触媒の入口温度が所定温度以下に下がらないように保持しつつ制御弁によりバイパス通路の開度を開いていく。これにより、吸着材から脱離されたＨＣは活性化された排気浄化用触媒により脱離開始から終了まで良好に浄化されるようにしている。
【０００４】
そして、ガソリン中にアルコールを混入させたアルコール含有燃料を使用する場合においては、排気浄化用触媒が同一の場合でも、活性温度がアルコール濃度によって異なってくるため、ＨＣを基準レベル以上処理できるような設定温度に可変に設定することにより、アルコール含有燃料に対しても良好な排気浄化性能を保持できるようにしている。
【特許文献１】特開平６−９３８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来例では、水温が所定値(吸着剤からＨＣの離脱が始まる温度と推定される)を超える時点から排気ポートからの排気の全量を、主通路を介して排気浄化用触媒に流すようにしている。即ち、排気浄化触媒が触媒活性温度（Ｔ５０：転化率５０％）に達する前に、排気ポートからの排気の全量を、主通路を介して排気浄化用触媒に流すようにしているため、触媒活性温度（Ｔ５０：転化率５０％）まで温度上昇する間は、転化されないＨＣが外気に排出されることとなり、排気エミッションが悪化する不具合があった。
【０００６】
そこで本発明は、前記問題点に鑑みてなされたもので、アルコール含有燃料を使用する場合においても低エミッション化を維持できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、機関の排気ポートに接続された上流側メイン通路と、この上流側メイン通路の下流に接続され且つメイン触媒コンバータを備える下流側メイン通路と、前記上流側メイン通路の上流側部分から分岐するとともに下流側が前記下流側メイン通路に前記メイン触媒コンバータ上流側の位置において接続され且つ途中にバイパス触媒コンバータを備える、前記上流側メイン通路よりも通路断面積の小さなバイパス通路と、前記メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に排気ポートから排出された排気が前記バイパス通路へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段と、燃料中のアルコール濃度を検出若しくは設定する手段と、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて設定された活性化温度にメイン触媒コンバータの温度が到達した段階で排気ポートから排出された排気を、上流側メイン通路を介してメイン触媒コンバータに流れるように前記流路切換手段を切換える制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明では、メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に排気ポートから排出された排気がバイパス触媒コンバータを備えるバイパス通路へ流れるように流路の切換を行い、検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて設定された活性化温度にメイン触媒コンバータの温度が到達した段階で、排気ポートから排出された排気を、上流側メイン通路を介してメイン触媒コンバータに流れるように切換えることにより、アルコール燃料使用時には、通常のガソリン燃料よりも、速めのバイパス切り替えが可能となり、エミッションを悪化させることなく広範囲の出力要求に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明を適用した内燃機関の排気浄化装置の第１実施形態の模式的な配管レイアウトを含むシステム構成図、図２及び図３は第１及び第２メイン触媒コンバータのアルコール濃度に対する活性化温度特性を示す特性図、図４は冷間始動時に実行されるバイパスバルブ開閉制御のフローチャート、図５は第１及び第２メイン触媒コンバータの温度変化を示すタイムチャートである。
【００１１】
図１において、内燃機関１の排気通路には、第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７(三元触媒)が直列に介装された下流側メイン通路３と、前記第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７より上流側の排気通路の一部が上流側メイン通路２と、該上流側メイン通路２と並列に接続されてバイパス触媒コンバータ５を介装したバイパス通路４とで構成されている。
【００１２】
前記上流側メイン通路２の途中には、上流側メイン通路２を開閉するバイパスバルブ８が介装されている。このバイパスバルブ８は、冷間時に閉じられるものであって、閉時には上流側メイン通路２の上流側と下流側との連通を遮断して非連通状態とする。前記第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７における触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでおり、車両の床下に配置される容量の大きなものである。以上の上流側メイン通路２と下流側メイン通路３と第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７とによって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。
【００１３】
前記第１メイン触媒コンバータ６は、三元触媒により排気中のＨＣを１００％処理できる、触媒完全活性(転化率Ｔ＝１００％)で使用する触媒温度に設定している。この触媒完全活性とする触媒温度は、例えば、約４００℃である。そして、図２に示すように、前記触媒完全活性温度は、アルコール濃度が０％のガソリン燃料に対しては４００℃であり、アルコール濃度が５％、１０％〜９５％、１００％と増加しても、４００℃、４００℃〜３９５℃、３９０℃と、殆ど低下しないガソリン律速となる特性を備える。
【００１４】
一方、前記第２メイン触媒コンバータ７は、三元触媒により排気中のＨＣを５０％処理できる、触媒部分活性(転化率Ｔ＝５０％)で使用する触媒温度に設定している。この触媒部分活性Ｔ＝５０とする触媒温度は、アルコール濃度に応じて変化する。即ち、図３に示すように、前記部分活性温度Ｔ＝５０は、アルコール濃度が０％のガソリン燃料に対しては３００℃であり、アルコール濃度が５％、１０％〜９５％、１００％と増加した場合に、２９５℃、２９０℃〜２０５℃、２００℃と、徐々に低下する特性を備える。
【００１５】
前記バイパス通路４は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さなものであって、その上流端となる分岐点４Ａは、上流側メイン通路２のできるだけ上流側の位置に設定されている。なお、各通路を模式的に示した図１では、バイパス通路４が比較的長く描かれているが、実際には、可能な限り短くなっている。そして、バイパス通路４の下流端は、下流側メイン通路３の第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７より上流側の合流点４Ｂにおいて、下流側メイン通路３に合流している。そして、前記バイパス通路４の途中には、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ５が介装されている。前記バイパス触媒コンバータ５は、図示しないが、その内部に、モノリス触媒担体を備えている。前記バイパス触媒コンバータ５は、第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。このバイパス触媒コンバータ５は、バイパス通路４の中で、可能な限り上流側に配置されている。
【００１６】
なお、図１に示す上流側メイン通路２は、機関１の排気ポートに連なる一本のものとして図示しているが、特開２００５−３５１０８８号公報に示すように、例えば、４気筒の機関１であれば、図示しないが、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒からなる各気筒の排気ポート毎に上流側通路が接続されている。４つの気筒の中で、排気行程が連続しない♯１気筒の上流側通路と♯４気筒の上流側通路とが１本の中間通路として合流しており、同様に排気行程が連続しない♯２気筒の上流側通路と♯３気筒の上流側通路とが１本の中間通路として合流している。ここで、各２本の上流側通路が合流する合流部に、それぞれバイパスバルブ８としての切換弁が設けられる構成となっている。この切換弁は、冷間時に閉じられるものであって、閉時には、上流側通路と中間通路との間の上下の連通を遮断するとともに、２本の上流側通路の間を非連通状態とする構成としている。一対の切換弁は、後述するように、１つのバルブユニットとして構成されている。バルブユニットの下流に位置する２本の中間通路は、合流点４Ｂにおいて互いに合流し、１本の下流側メイン通路３に連なる。また、バイパス通路４の上流側も気筒毎に分岐して上流側通路の各々に接続されている。しかしながら、以下では、各気筒毎に配置される上流側メイン通路２およびバイパス通路４を、夫々一本の通路により代表されたものとして説明している。
【００１７】
また、前記第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７の夫々の下流側の排気通路には第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７の出口温度を検出する出口温度センサ１０，１１が装着されている。これら出口温度センサ１０，１１は第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７の温度状態を検出する手段を構成する。
【００１８】
前記出口温度センサ１０，１１の各検出信号、その他スタータスイッチ１４のＯＮ，ＯＦＦ信号、水温センサ１２により検出される機関冷却水温度(水温)ＴＷ信号、回転数センサ１３により検出される機関回転数Ｎ信号等がコントロールユニット１５に入力され、コントロールユニット１５は、これらからの検出信号に基づいて、バイパスバルブ８の開閉制御を行う。
【００１９】
図３のフローチャートはバイパスバルブ８の開閉を制御するルーチンを示しており、内燃機関１の始動時にコントロールユニット１５において一定周期毎に実行される。以下、これについて説明する。
【００２０】
内燃機関１が始動されるとステップ１において、先ず、水温センサ１２で検出される水温ＴＷが所定値Ｔ３より低いか否かが判定され、水温ＴＷが所定値Ｔ３以下の場合はステップ２へ進み、第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７の出口温度に基づいてメイン触媒コンバータの活性化が必要か否かを判定し、活性化が必要な場合はステップ３へ進んでバイパスバルブ８を閉じてバイパスバルブ８の開閉制御が開始される。なお、バイパスバルブ８の閉じ動作は内燃機関１の運転停止時に実行されるものであってもよい。
【００２１】
この状態においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階であり、バイパスバルブ８が閉じられることにより上流側メイン通路２が遮断される。そのため、内燃機関１の各気筒から吐出された排気は、その全量が、分岐点４Ａからバイパス通路４を通してバイパス触媒コンバータ５へと流れる。バイパス触媒コンバータ５は、排気系の上流側つまり気筒に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。また、このとき、バイパスバルブ８が閉じることで、各気筒の上流側メイン通路２が互いに非連通状態となる。そのため、ある気筒から吐出された排気が他の気筒の上流側メイン通路２へと回り込む現象が防止され、この回り込みに伴う排気温度の低下が確実に回避される。また、バイパス触媒コンバータ５が活性化されるまでの短期間に転化されずに通過するＨＣ(未燃ガス)は、下流側メイン通路３に配置されている第１及び第２触媒コンバータのＨＣトラップ触媒に吸着され、外部へ排出されることが抑制される。
【００２２】
ステップ４では、供給燃料のアルコール濃度が設定済みか否かが判定され、設定済みでない場合にはステップ５へ進んで供給燃料のアルコール濃度、及び、アルコール濃度に応じた第２メイン触媒コンバータ７の活性化温度Ｔ５０が読込まれる。なお、供給燃料のアルコール濃度は、別途アルコールセンサで検出するか、若しくは、燃料給油時に指定されるアルコール濃度に応じて設定する。
【００２３】
ステップ６では、第１メイン触媒コンバータ６の出口温度Ｔ１及び第２メイン触媒コンバータ７の出口温度Ｔ２が、第１メイン触媒コンバータ６の設定温度Ｔ１００及び第２メイン触媒コンバータ７の設定温度Ｔ５０に到達しているか否かが判定され、到達していない場合には今回の処理ステップが終了され、バイパスバルブ８の全閉状態が継続される。
【００２４】
図５は機関始動後の第１メイン触媒コンバータ６及び第２メイン触媒コンバータ７の温度変化を示すタイムチャートであり、機関１の運転条件により、図５（Ａ）に示すように第２メイン触媒コンバータ７の出口温度Ｔ２が第２メイン触媒コンバータ７の設定温度Ｔ５０に達した(図中ｔ２)後に、第１メイン触媒コンバータ６の出口温度Ｔ１が第１メイン触媒コンバータ６の設定温度Ｔ１００に達する(ｔ１)場合と、図５（Ｂ）に示すように第１メイン触媒コンバータ６の出口温度Ｔ１が第１メイン触媒コンバータ６の設定温度Ｔ１００に達した(ｔ１)後に、第２メイン触媒コンバータ７の出口温度Ｔ２が第２メイン触媒コンバータ７の設定温度Ｔ５０に達する(ｔ２)場合とがある。
【００２５】
機関１の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなると、ステップ６での第１メイン触媒コンバータ６の出口温度Ｔ１及び第２メイン触媒コンバータ７の出口温度Ｔ２が、第１メイン触媒コンバータ６の設定温度Ｔ１００及び第２メイン触媒コンバータ７の設定温度Ｔ５０に到達していると判定され、ステップ７へ進む。また、前記ステップ１の判定で水温ＴＷが所定値Ｔ３より大である場合、又は、ステップ２の判定で第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７が共に活性化されており、その後の活性化が不要な場合には、ステップ７へ進む。
【００２６】
ステップ７では、バイパスバルブ８を全開側へ切換える。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、上流側メイン通路２から下流側メイン通路３を通り、第１及び第２メイン触媒コンバータ６，７を通過する。このときバイパス通路４側は特に遮断されていないが、バイパス通路４側の方が上流側メイン通路２側よりも通路断面積が小さく、且つバイパス触媒コンバータ５が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分は上流側メイン通路２側を通り、バイパス通路４側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ５の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス通路４側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス通路４側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。
【００２７】
なお、前記実施形態において、メイン触媒コンバータとして、触媒が完全活性状態において作動するよう設定された第１メイン触媒コンバータ６と、触媒が部分活性状態から作動するよう設定された第２メイン触媒コンバータ７と、を下流側メイン通路３に直列配置して備えるものについて説明したが、図示はしないが、触媒が完全活性状態において作動するよう設定された第１メイン触媒コンバータ６と、触媒が部分活性状態から作動するよう設定された第２メイン触媒コンバータ７と、のいずれか一方の触媒コンバータのみを用いるものであってもよい。
【００２８】
前記触媒が完全活性状態において作動するよう設定されたメイン触媒コンバータのみを用いる場合においては、触媒の転化率が１００％に達する触媒活性温度は燃料中にガソリン成分が多少でも存在するとアルコール濃度の変化に対して殆ど変化しないガソリン成分律速となる特性を備える。このため、検出若しくは設定されたアルコール濃度に係わらず前記メイン触媒コンバータの活性化温度を固定して設定することにより、より一層の低エミッション化を実現できる。
【００２９】
前記触媒が部分活性状態から作動するよう設定されたメイン触媒コンバータのみを用いる場合においては、触媒の転化率(Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ)が５０％に達する触媒活性温度は燃料中に含まれるアルコール濃度に応じて低下するよう変化する特性を備える。このため、検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて前記メイン触媒コンバータの活性化温度を可変に設定することにより、アルコール燃料使用時には、通常のガソリン燃料よりも、速めのバイパス切り替えが可能となり、エミッションを悪化させることなく広範囲の出力要求に対応できる。
【００３０】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３１】
（ア）機関１の排気ポートに接続された上流側メイン通路２と、この上流側メイン通路２の下流に接続され且つメイン触媒コンバータを備える下流側メイン通路３と、前記上流側メイン通路２の上流側部分から分岐するとともに下流側が前記下流側メイン通路３に前記メイン触媒コンバータ６．７の上流側の位置において接続され且つ途中にバイパス触媒コンバータ５を備える、前記上流側メイン通路２よりも通路断面積の小さなバイパス通路４と、前記メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に排気ポートから排出された排気が前記バイパス通路４へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段としてのバイパスバルブ８と、燃料中のアルコール濃度を検出若しくは設定する手段と、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて設定された活性化温度にメイン触媒コンバータ６，７の温度が到達した段階において排気ポートから排出された排気を上流側メイン通路２を介してメイン触媒コンバータ６，７に流れるように前記流路切換手段を切換える制御手段１５と、を備える。このため、アルコール燃料使用時には、通常のガソリン燃料よりも、速めのバイパス切り替えが可能となり、エミッションを悪化させることなく広範囲の出力要求に対応できる。また、バイパス触媒コンバータ５（切り替え前のラインの触媒）の劣化を低減できる。
【００３２】
(イ)前記メイン触媒コンバータとして、触媒が完全活性状態において作動するよう設定される場合においては、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に係わらず前記メイン触媒コンバータの活性化温度を固定して設定することにより、より一層の低エミッション化を実現できる。
【００３３】
(ウ)前記メイン触媒コンバータとして、触媒が部分活性状態から作動するよう設定される場合においては、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて前記メイン触媒コンバータの活性化温度を可変に設定することにより、アルコール燃料使用時には、通常のガソリン燃料よりも、速めのバイパス切り替えが可能となり、エミッションを悪化させることなく広範囲の出力要求に対応できる。
【００３４】
(エ)前記メイン触媒コンバータとして、触媒が完全活性状態において作動するよう設定された第１メイン触媒コンバータ６と、触媒が部分活性状態から作動するよう設定された第２メイン触媒コンバータ７と、を下流側メイン通路３に直列配置して備える場合においては、前記検出若しくは設定されたアルコール濃度に応じて前記第２メイン触媒コンバータ７の活性化温度を可変に設定し、第１メイン触媒コンバータ６が完全活性温度に到達すると共に第２メイン触媒コンバータ７がアルコール濃度に応じて可変に設定された活性化温度に到達した段階で排気ポートからの排気を上流側メイン通路２を通過するよう前記流路切換手段を切換えることにより、より一層の低エミッション化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態を示す内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図。
【図２】第１メイン触媒コンバータのアルコール濃度に対する活性化温度特性を示す特性図(Ａ)及び特性マップ（Ｂ）。
【図３】第２メイン触媒コンバータのアルコール濃度に対する活性化温度特性を示す特性図(Ａ)及び特性マップ（Ｂ）。
【図４】冷間始動時に実行されるバイパスバルブ開閉制御のフローチャート。
【図５】第１及び第２メイン触媒コンバータの温度変化を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００３６】
１  内燃機関
２  上流側メイン通路
３  下流側メイン通路
４  バイパス通路
５  バイパス触媒コンバータ
６  第１メイン触媒コンバータ
７  第２メイン触媒コンバータ
８  バイパスバルブ
１０，１１  温度センサ
１２  水温センサ
【図１】
2010084684.tif 000003
【図２】
2010084684.tif 000004
【図３】
2010084684.tif 000005
【図４】
2010084684.tif 000006
【図５】
2010084684.tif 000007