(57)【要約】【課題】内燃機関全体の冷却水温度を高めることなく、触媒コンバータを効率良く冷却できる内燃機関の排気冷却装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気管に設けられた触媒コンバータと、前記排気管内の排気ガスを冷却可能な熱交換器と、前記内燃機関の機関運転状態を判定可能な制御部と、エアーポンプを備えた二次空気導入路の端部に三方弁を設け、この三方弁の一方が前記内燃機関に連通され、他方が前記熱交換器に連通された冷却手段と、より構成され、前記制御部は、前記排気管温度又は前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも高いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記熱交換器に連通させて冷媒を冷却し、一方、前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも低いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記触媒コンバータよりも上流側の前記排気管に連通させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に設けられた触媒コンバータと、
前記排気管内の排気ガスを冷却可能な熱交換器と、
前記内燃機関の機関運転状態を判定可能な制御部と、
エアーポンプを備えた二次空気導入路の端部に三方弁を連結し、この三方弁の一方が前記内燃機関に連通され、他方が前記熱交換器に連通された二次空気供給手段と、より構成されてなり、
前記制御部は、前記排気管温度又は前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも高いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記熱交換器に連通させて冷媒を冷却し、一方、前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも低いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記触媒コンバータよりも上流側の前記排気管に連通させるようにしたことを特徴とする内燃機関の排気冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関からの排気を触媒コンバータによって浄化する内燃機関の排気冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用エンジンに代表される内燃機関では、機関本体から排出される排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を除去すべく、排気管通路の途中に三元触媒等からなる触媒コンバータを介装している。
【０００３】
そして、この触媒コンバータは、理論空燃比近傍の環境で、その転化性能（酸化還元反応）を十分に発揮し、また、その触媒温度が所定の活性温度に達しないと転化性能を発揮できない。
【０００４】
そのため、従来の内燃機関の排気冷却装置には、前記触媒コンバータを所定の活性温度に調節するために、例えば、機関の排気通路の途中に設けられた触媒コンバータと、排気温度が所定の触媒高温劣化温度に達したか否かを判定する排気温度判定手段と、この排気温度判定手段が前記触媒高温劣化温度に達したと判定したときには、前記触媒コンバータを通過した浄化後の排気を当該触媒コンバータの上流側で前記排気通路に還流させる浄化後排気還流制御手段とから構成されたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
又、ディーゼル用の排気冷却装置として、例えば、ディーゼルエンジンの排気管に設けられた触媒装置と、この触媒装置とディーゼルエンジンとの間の排気管又は触媒装置の外周に設けられ、前記排気管内を通過する排ガスを冷却する冷却装置と、排気管内を通過する排ガスの温度を検出する温度センサと、エンジンの回転速度を検出する回転センサと、エンジンの負荷を検出する負荷センサと、温度センサと回転センサと負荷センサの各検出出力に基づいて冷却装置を制御するコントローラとから構成されたものもあった（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
一般的に触媒コンバータ、及び、排気部品の過熱による破損を防ぐため、内燃機関の高回転、高負荷域では、燃料を理論空燃比より濃目（リッチ）にして、燃料の気化潜熱により冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−８８５６３号公報
【特許文献２】特開平９−３２５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらの排気冷却装置には、以下の問題があった。
【０００９】
すなわち、前者（特許文献１）の排気冷却装置は、前記触媒コンバータを通過した浄化後の排気を、空気ポンプによって前記触媒コンバータの上流側の排気通路に還流させて、当該触媒コンバータを浄化後の排気によって冷却するものであるため、熱伝導率が悪いという問題があった。
【００１０】
一方、後者（特許文献２）の排気冷却装置は、前記冷却装置に冷却水を用いているため、熱伝導率は優れている。
【００１１】
ところが、この排気冷却装置では、排気系の冷却を行う前記冷却水と、前記内燃機関の冷却とが同時に行われるために、前記冷却水の温度が上昇されると、前記内燃機関全体の冷却水温度も上昇されてしまうため、ノッキングが発生し易く、前記内燃機関の性能が低下してしまうという問題があった。
【００１２】
また、後者は、燃料を多く使用するため燃料の悪化、ＣＯ（一酸化炭素）及びＨＣ（炭化水素）が発生する問題があった。
【００１３】
本発明は、かかる課題を解決することを目的とし、内燃機関全体の冷却水温度を高めることなく、触媒コンバータを効率良く冷却でき、理論空燃比で運転できる領域を広げる内燃機関の排気冷却装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の排気冷却装置は、内燃機関の排気管に設けられた触媒コンバータと、前記排気管内の排気ガスを冷却可能な熱交換器と、前記内燃機関の機関運転状態を判定可能な制御部（ＥＣＵ）と、エアーポンプを備えた二次空気導入路の端部に三方弁を連結し、この三方弁の一方が前記内燃機関に連通され、他方が前記熱交換器に連通された二次空気供給手段と、より構成されてなる。
【００１５】
そして、前記制御部（ＥＣＵ）は、前記排気管温度又は前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも高いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記熱交換器に連通させて冷媒を冷却し、一方、前記触媒コンバータ温度が設定温度よりも低いと判定した時には、前記三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記触媒コンバータよりも上流側の前記排気管に連通させるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記触媒コンバータよりも上流側の前記排気管を連通させているのは、前記内燃機関が未だ冷えている状態では、空燃比を濃目（リッチ）にして燃焼させなければならないから、排気ガス中にＨＣ，ＣＯが多く含まれて酸欠状態にあり（ＮＯｘは燃焼温度が低いため殆ど生成されず問題がない。）、ＨＣ，ＣＯを前記触媒コンバータで十分に酸化するために、前記二次空気を導入するためである。
【００１７】
すなわち、本発明は、前記制御部（ＥＣＵ）が、機関内運転状態を検知しながら、前記二次空気供給手段の三方弁を制御して、前記二次空気導入路からの二次空気を、前記熱交換器に連通させるか、又は、前記触媒コンバータよりも上流側の前記排気管に連通させるか、或いは、何れにも連通させないかを制御するようにしている。
【００１８】
そのため、本発明では、前記二次空気が直接前記排気管及び触媒コンバータを冷却するのではなく、前記二次空気によって熱交換器を冷却し、その冷却された冷媒によって前記排気管及び触媒コンバータを冷却するものであるため、熱伝導率に優れている。
【００１９】
又、本発明では、前記内燃機関を冷却している冷却水を用いることがなく、独立の熱交換器を備えているため、前記熱交換器の媒体の温度が上昇されても、前記内燃機関の冷却水温度が上昇されることがなく、ノッキングが生じて、前記内燃機関の性能が低下することも防止できる。
【００２０】
又、本発明では、従来よりも理論空燃比で運転できる領域を広げることができ、燃費の向上やＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）の低減が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の内燃機関の排気冷却装置によれば、内燃機関全体の冷却水温度を高めることなく、排気管及び触媒コンバータを効率良く冷却でき、理論空燃比の環境で運転可能な領域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態を概略した全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の内燃機関の排気冷却装置を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態を概略した全体図である。
【００２５】
この内燃機関の排気冷却装置Ａは、内燃機関１の排気管２に設けられた触媒コンバータ３と、排気管２内の排気ガスを冷却可能な熱交換器４と、内燃機関１の機関運転状態を判定可能な制御部（以下、「ＥＣＵ」と呼ぶ。）５と、エアーポンプ６を備えた二次空気導入路Ｌ１の端部に三方弁７を設け、この三方弁７の一方が内燃機関１に連通され、他方が熱交換器４に連通された二次空気供給手段８と、より構成されてなる。
【００２６】
以下、詳説する。
【００２７】
内燃機関１には、レシプロエンジン、ディーゼルエンジン、ロータリーエンジン、ハイブリットエンジン等、様々な形式のものがあるが、その形式には限定されない。
【００２８】
本実施形態の内燃機関１では、機関本体１１に複数の気筒１２を有し、これら気筒１２の各燃焼室（図示せず）には、それぞれ対向して吸気マニホールド１３と、排気マニホールド１４が連結されている。
【００２９】
この排気マニホールド１４を含む排気管２は、下流側がマフラー（不図示）に接続されている。
【００３０】
また、排気管２には、排気マニホールド１４と前記マフラーとの間に、三元触媒等からなる触媒コンバータ３が設けられており、この触媒コンバータ３によって浄化された後の排気が、前記マフラーを介して大気中に放出される。
【００３１】
熱交換器４は、触媒コンバータ３の上流側の排気管２を冷却可能であれば良く、本実施形態では、冷却効率を高めるため、排気管２の最上流に位置される排気マニホールド１４を冷却するようにしている。
【００３２】
本実施形態の熱交換器４は、排気マニホールド１４を周回するように取り付けた案内部４１と、この案内部４１の両端に夫々連通される案内管路４２と、これら案内管路４２に両端が連通された冷却部４３とより構成してなる。
【００３３】
冷却部４３は、例えば、内燃機関１を冷却するラジエーター（不図示）と略同様に構成されている。
【００３４】
すなわち、本実施形態の冷却部４３は、熱伝導率の高いステンレス管等を蛇腹状に形成すると共に、この冷却部４３の表面に冷気を接触させることで、冷却部４３内の媒体（冷却水等）を冷却可能にしている。
【００３５】
なお、前記冷媒は、循環ポンプ（不図示）等によって、熱交換器４内を循環されるようにしている。
【００３６】
このようにして構成された熱交換器４には、エアーポンプ６を備えた二次空気導入路Ｌ１から供給される二次空気が、三方弁７の分岐路Ｌ２を介して連通され、一方、三方弁７の他の分岐路Ｌ３は、触媒コンバータ３よりも上流側の排気管２に連通されるようにして、二次空気供給手段８を構成してなる。
【００３７】
ＥＣＵ５は、ＣＰＵ等の演算回路、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶回路、入出力回路等を備えたマイクロコンピュータシステムとして構成され、通常の二次空気制御を行う他、各センサからの検出信号に基づいて内燃機関１の機関運転状態を推定し、この機関運転状態に応じて浄化後の排気を制御するようにしている。
【００３８】
具体的には、前記各センサは、内燃機関１の回転数を検出するためのクランク角センサ、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ、スロットル弁（不図示）のスロットル開度を検出するためのスロットルセンサ、吸気マニホールド１３内の圧力センサ等をセンシングして、前記機関運転状態を判定している。
【００３９】
ＥＣＵ５は、これら各センサからの検出信号に基づいて、当該機関運転状態を検出し、この機関運転状態から求められた触媒コンバータ３の推定温度Ｘが、予め設定された設定温度Ｙよりも高いか否かを判定する。
【００４０】
そして、ＥＣＵ５は、内燃機関１の始動時等ように、触媒コンバータ３が活性していない時、すなわち、触媒コンバータ３温度が設定温度Ｙよりも低いと判定した時には、前記三方弁７を制御し、エアーポンプ６を介して二次空気導入路Ｌ１から供給される二次空気を、内燃機関１に連通させる。
【００４１】
また、ＥＣＵ５は、内燃機関１が通常（軽負荷若しくは低回転）の運転時、すなわち、触媒コンバータ３温度が設定温度Ｙ近傍であると判定した時には、前記三方弁７を制御し、前記二次空気の供給を停止させる。
【００４２】
一方、ＥＣＵ５は、内燃機関１の前記回転数や当該内燃機関１の回転若しくは負荷が高い時、すなわち、排気管２温度又は触媒コンバータ３温度が設定温度Ｙよりも高いと判定した時には、前記三方弁７を制御し、エアーポンプ６を介して二次空気導入路Ｌ１から供給される二次空気を、分岐路Ｌ２を通じて熱交換器４に連通させるのである。
【００４３】
このように、本実施形態の内燃機関の排気冷却装置Ａは、内燃機関１の排気管２温度又は触媒マニホールド３温度が信頼性を超える温度になったとＥＣＵ５が判定したとき（高回転若しくは高負荷時）には、前記二次空気を熱交換器４に導入して前記冷媒を冷却することで、排気系が冷却され、理論空燃比で運転できる領域を広げることができる。
【００４４】
そのため、従来のように還流される浄化後の排気によって触媒コンバータ３を冷却するのではなく、前記二次空気によって熱交換器４の冷媒を冷却し、この冷却された冷媒によって前記触媒コンバータ３を冷却するものであるため、熱伝導率に優れている。
【００４５】
又、内燃機関１を冷却している冷却水を用いることがなく、独立の熱交換器４を備えているため、熱交換器４の媒体（冷却水等）の温度が上昇されても、内燃機関１の前記冷却水温度が上昇されることがなく、ノッキングが生じて、内燃機関１の性能が低下することも防止できる。
【００４６】
また、理論空燃比で運転できる領域が広がるため、燃費の向上が可能となる。
【００４７】
従って、本実施形態の内燃機関の排気冷却装置Ａによれば、内燃機関１全体の冷却水温度を高めることなく、排気管２及び触媒コンバータ３を効率良く冷却でき、理論空燃比の環境で運転可能な領域を広げて、燃費の向上やＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）の排出を抑えることができるのである。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ  内燃機関の排気冷却装置
Ｌ１  二次空気導入路
１  内燃機関
２  排気管
３  触媒コンバータ
４  熱交換器
５  制御部（ＥＣＵ）
６  エアーポンプ
７  三方弁
８  二次空気供給手段
【図１】
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