(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、未燃炭化水素を効果的に浄化して大気への放出を防止し、二次エアを添加する方法に比べて制御を簡単とし、また、二次エアの添加による排気浄化触媒表面での反応温度上昇に起因する触媒の早期劣化を避けることにある。【解決手段】流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には酸素を吸着し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸着した酸素を放出する酸素吸着手段と、排気ガスの空燃比の状態を検出する空燃比検出手段と、酸素吸着手段よりも下流側に設けられた第一の触媒と、空燃比検出手段と酸素吸着手段と第一の触媒とを連通する第一排気経路と、酸素吸着手段を通過しないで空燃比検出手段と第一の触媒とを連通する第二排気経路と、空燃比検出手段により検出される空燃比の状態により排気ガスを第一排気経路あるいは第二排気経路のいずれか一方の経路に流す排気経路切替手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には酸素を吸着し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると前記吸着した酸素を放出する酸素吸着手段と、この酸素吸着手段よりも上流側に設けられ、排気ガスの空燃比の状態を検出する空燃比検出手段と、前記酸素吸着手段よりも下流側に設けられた第一の触媒と、前記空燃比検出手段と前記酸素吸着手段と前記第一の触媒とを連通する第一排気経路と、前記酸素吸着手段を通過しないで前記空燃比検出手段と前記第一の触媒とを連通する第二排気経路と、前記空燃比検出手段により検出される空燃比の状態により排気ガスを前記第一排気経路あるいは前記第二排気経路のいずれか一方の経路に流す排気経路切替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】
前記空燃比検出手段よりも下流側で且つ前記排気経路切替手段よりも上流側に第二の触媒及び酸素濃度を検出する第一の酸素濃度検出手段を順次に設け、前記酸素吸着手段よりも下流側の前記第一排気経路に酸素濃度を検出する第二の酸素濃度検出手段を設け、前記第一の酸素濃度検出手段により検出された第一の酸素濃度から前記第二の酸素濃度検出手段により検出された第二の酸素濃度を引いた値が予め設定された値よりも小さい場合には、前記排気経路切替手段により前記第二の排気経路を選択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】
前記第一の触媒は、触媒として排気ガスを浄化する機能に加えて炭化水素を吸着する機能を持たせた炭化水素吸着触媒であることを特徴とする請求項１又は請求項２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】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に未燃炭化水素（ＨＣ）を効果的に浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した内燃機関の排気浄化装置においては、排気通路に触媒を配置し、この触媒により排気ガス中の有害成分を酸化又は還元して浄化している。
【０００３】
従来、内燃機関の排気浄化装置には、触媒の排気流入口の空燃比が、リッチ雰囲気の時に、外気（二次エア）を導入し、リーン雰囲気の時には、外気導入を停止して、外気導入量を制御し、触媒における酸素不足を解消するものがある。
内燃機関の排気浄化方法及び装置には、空燃比がリーンの時に排気ガス中の酸素を吸収し、空燃比がリッチの時には前記吸収した酸素を放出する酸素貯蔵機能を有する排気浄化触媒を排気通路のＨＣ吸着材よりも下流側に配置し、未燃炭素水素（ＨＣ）を高効率で浄化するものがある。
【特許文献１】特開平５−３１３２０号公報
【特許文献２】特開平１０−６１４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関をアイドルストップ状態から再始動する際に、空燃比をリッチに制御（始動時リッチ制御）しているが、その際、炭化水素が空燃比ストイキ制御時よりも多く発生し、また、排気ガス浄化する触媒周辺が酸素欠乏雰囲気となるため、炭化水素の酸化反応が生じにくく、炭化水素が浄化されないまま大気中に放出されるおそれがある。
このため、上記の特許文献１のように、外気（二次エア）を触媒反応前に添加することにより、炭化水素を浄化する技術があるが、外気の添加量の制御が難しく、さらに、外気の添加により触媒表面での反応温度が大きく上昇するため、触媒が早期に劣化してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、外気（二次エア）を添加することなく炭化水素（ＨＣ）を浄化し、さらに、排気ルートを切り替えることにより、酸素吸着手段への不必要な排気ガスの当たりを減らすことで、酸素吸着手段の劣化を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には酸素を吸着し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると前記吸着した酸素を放出する酸素吸着手段と、この酸素吸着手段よりも上流側に設けられ、排気ガスの空燃比の状態を検出する空燃比検出手段と、前記酸素吸着手段よりも下流側に設けられた第一の触媒と、前記空燃比検出手段と前記酸素吸着手段と前記第一の触媒とを連通する第一排気経路と、前記酸素吸着手段を通過しないで前記空燃比検出手段と前記第一の触媒とを連通する第二排気経路と、前記空燃比検出手段により検出される空燃比の状態により排気ガスを前記第一排気経路あるいは前記第二排気経路のいずれか一方の経路に流す排気経路切替手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の内燃機関の排気浄化装置は、空燃比の状態により排気ガスが流れる経路を切り替ることで、酸素吸着手段への不必要な排気ガスの当たりを減らし、酸素吸着手段の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明は、酸素吸着手段への不必要な排気ガスの当たりを減らし、酸素吸着手段の劣化を抑制することを、空燃比の状態により排気ガスが流れる経路を切り替えて実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１〜図３は、この発明の第１実施例を示すものである。
図１において、１は車両に搭載される内燃機関（４気筒用内燃機関）、２は排気系の排気マニホルド、３は排気管、４は排気通路、５は排気浄化装置である。
排気管３の途中には、排気入口側分岐部６と排気出口側分岐部７とが、排気通路４の上流側から下流側に順次に設けられている。排気入口側分岐部６と排気出口側分岐部７とには、排気通路４に連通する排気分岐通路８を形成した排気分岐管９が接続している。
この排気分岐管９の途中には、排気入口側分岐部６から流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には酸素を吸着し、排気入口側分岐部６から流入する排気ガスの空燃比がリッチになると前記吸着した酸素を放出する酸素吸着手段である酸素吸着担体１０が配設されている。この酸素吸着担体１０は、酸素吸着材を担持している。
このように、酸素吸着担体１０を使用することで、排気ガスが酸素吸着過剰時に、酸素を酸素吸着担体１０に吸着させる、一方、排気ガスの酸素不足時には、その吸着した酸素を放出させることにより、触媒劣化の要因となる過剰の外気（二次エア）を添加することなく、炭化水素浄化に必要な酸素を供給でき、酸素吸着担体１０よりも下流側の触媒である後述の二段目触媒１２での炭化水素の浄化効率を高めることが可能となる。
【００１０】
また、排気管３には、酸素吸着担体１０よりも上流側で、排気通路４の排気ガスの空燃比の状態を検出する空燃比検出手段（空燃比センサ）１１が設けられている。
更に、排気管３には、酸素吸着担体１０よりも下流側で、第一の触媒としての三元触媒からなる二段目触媒１２が内燃機関１から離れて配設されている。この二段目触媒１２は、車両フロアの下方に配置され、触媒として排気ガスを浄化する機能に加えて炭化水素を吸着する機能を持たせた炭化水素吸着触媒である。
更にまた、排気管３には、空燃比検出手段１１と排気入口側分岐部６との間で、第二の触媒としての三元触媒からなる一段目触媒１３が内燃機関１に近接して配設されている。この一段目触媒１３の入口側には、前記空燃比検出手段１１が配置される。
これにより、排気ガスを浄化するのに内燃機関１からの触媒までの距離が問題となっているが、この第１実施例において、第二の触媒としての一段目触媒１３が内燃機関１に近接して配設するとともに、第一の触媒としての二段目触媒１２が内燃機関１から離れて配設されていることにより、排気ガス浄化性能を高めることができる。
また、排気管３は、第一の触媒としての二段目触媒１２と第二の触媒としての一段目触媒１３との間で、排気管３と排気分岐管９とで二方向に分岐される。
よって、内燃機関１の排気系においては、空燃比検出手段１１と酸素吸着担体１０と第二段目触媒１２とを連通する第一排気経路（図面上は「排気ルートＡ」と記す）が形成されるとともに、酸素吸着担体１０を通過しないで空燃比検出手段１１と二段目触媒１２とを連通する第二排気経路（図面上は「排気ルートＢ」と記す）が形成される。
【００１１】
排気管３には、排気入口側分岐部６で、空燃比検出手段１１により検出される空燃比の状態により排気ガスを、第一排気経路（排気ルートＡ）あるいは第二排気経路（排気ルートＢ）のいずれか一方の経路に流す排気経路切替手段１４が設けられる。
この排気経路切替手段１４は、図２に示すように、第一排気経路（排気ルートＡ）あるいは第二排気経路（排気ルートＢ）のいずれか一方の経路に排気ガスの流れを制御するものであり、排気管３の排気入口側分岐部６の部位に回動可能に設けられたバルブ軸１５と、このバルブ軸１５に連設して排気入口側分岐部６と排気通路４とを選択的に開閉するように回動される開閉弁１６と、バルブ軸１５を回動させるアクチュエータ１７とからなる。
図１に示すように、アクチュエータ１７と空燃比検出手段１１とは、制御手段（ＥＣＭ）１８に連絡している。
この制御手段１８は、内燃機関１の冷却水温度を検出する温度検出手段（温度センサ）１９にも接続し、空燃比検出手段１１や温度検出手段１９からの検出信号（測定対象値）を入力し、内燃機関１の始動時に空燃比をリッチ側に制御する始動時リッチ制御を実施するとともに、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を開閉動作させ、第一排気経路（排気ルートＡ）あるいは第二排気経路（排気ルートＢ）を完全に切り替えて酸素吸着担体１０への排気ガスの流れを制御する。これにより、酸素吸着担体１０に酸素の吸着・放出を効率的に行わせ、二段目触媒１２の排気ガス浄化性能を高めて、二段目触媒１２の貴金属使用量を低減させ、また、酸素吸着担体１０への不必要な排気ガスの当たりを減らして酸素吸着担体１０の劣化を抑制させることができる。
【００１２】
次に、この第１実施例の作用を、図３のフローチャートに基づいて説明する。
図３に示すように、制御手段１８においてプログラムがスタートすると（ステップＡ０１）、先ず、各検出手段１１、１９の検出信号から計測対象値を読み込み（ステップＡ０２）、内燃機関１が運転中か否かを判断する（ステップＡ０３）。
このステップＡ０３がＹＥＳの場合には、温度検出手段１９で検出された冷却水温度（Ｔ）が、内燃機関１が暖機したと判定する水温定数（Ｔｗ）よりも高くなったか否かを判断する（ステップＡ０４）。つまり、第一排気経路（排気ルートＡ）あるいは第二排気経路（排気ルートＢ）の切り替え制御においては、内燃機関１が運転中で且つ暖機状態の条件を前提とする。
このステップＡ０４がＹＥＳの場合には、始動時リッチ制御か否かを判断し（ステップＡ０５）、このステップＡ０５がＮＯの場合に、空燃比検出手段１１で検出された空燃比（Ａ／Ｆ）が、空燃比がリッチあるいはリーンと判定する定数（Ａ／Ｆ［Ｒｉｃｈ］、Ａ／Ｆ［Ｌｅａｎ］）の範囲内にあるか否かを判断する（ステップＡ０６）。
前記ステップＡ０５がＹＥＳの場合又は前記ステップＡ０６がＮＯの場合、即ち始動時リッチ制御の状態か、空燃比状態がリッチ又はリーンであると判断した場合に、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を、排気通路４が閉鎖されるように動作させ、排気入口側分岐部６を開放して第一の排気経路（排気ルートＡ）から排気ガスを流し（ステップＡ０７）、空燃比リッチ時には酸素を放出し、空燃比リーン時には酸素を吸着する。
一方、前記ステップＡ０３及び前記ステップＡ０４がＮＯで、上記の内燃機関１が運転中且つ暖機状態の条件を満たさない場合、又は、前記ステップＡ０６がＹＥＳの場合には、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を、排気入口側分岐部６が閉鎖されるように動作させ、排気通路４を開放して第二の排気経路（排気ルートＢ）から排気ガスを流す（ステップＡ０８）。
前記ステップＡ０７の処理後又は前記ステップＡ０８の処理後は、プログラムをリターンさせる（ステップＡ０９）。
【００１３】
この結果、この第１実施例においては、請求項１に係る発明であり、空燃比検出手段１１により検出される空燃比の状態により排気ガスを、第一の排気経路（排気ルートＡ）あるいは第二の排気経路（排気ルートＢ）のいずれか一方の経路に流す。
これにより、未燃炭化水素（ＨＣ）を効果的に浄化し、大気への放出を防止することができる。また、外気（二次エア）を添加する方法に比べて、制御を簡単にできる。更に、外気（二次エア）の添加による排気浄化触媒表面での反応温度上昇に起因する二段目触媒１２の早期劣化を、避けることができる。また、上記のように排気ルートを切り替えることにより、酸素吸着担体１０への不必要な排気ガスの当たりを減らすことで、酸素吸着担体１０の劣化を抑制することができる。
また、請求項３に係る発明において、第一の触媒としての二段目触媒１２は、触媒として排気ガスを浄化する機能に加えて炭化水素を吸着する機能を持たせた炭化水素吸着触媒である。
これにより、浄化するのに必要な酸素を十分供給できない時に、浄化できない分の炭化水索を二段目触媒１２に吸着させておき、酸素を十分供給できるようになったら、二段目触媒１２から吸着した炭化水素を放出して浄化する。従って、酸素が十分供給できない時でも、未燃炭化水素を浄化しないまま大気中に排出することはない。
【実施例２】
【００１４】
図４、図５は、この発明の第２実施例を示すものである。
この第２実施例の特徴とするところは、請求項２に係る発明であり、以下の点にある。即ち、図４に示すように、排気管３には、空燃比検出手段１１よりも下流側で且つ排気経路切替手段１４よりも上流側で、第二の触媒である一段目触媒１３及び酸素濃度を検出する第一の酸素濃度検出手段（酸素濃度検出センサ）２０を順次に設け、また、第二の触媒である一段目触媒１３よりも下流側の第一の排気経路（排気ルートＡ）の排気分岐管９に酸素濃度を検出する第二の酸素濃度検出手段２１を設ける。第一の酸素濃度検出手段２０は、第二の触媒としての一段目触媒１３の出口側に配置される。第二の酸素濃度検出手段２１は、酸素吸着担体１０の出口側に配置される。これら第一の酸素濃度検出手段２０及び第二の酸素濃度検出手段２１は、制御手段１８に連絡している。
また、制御手段１８は、時間を計測するタイマ２２を備え、第一の酸素濃度検出手段２０により検出された第一の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（１）］）から第二の酸素濃度検出手段２１により検出された第二の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（２）］）を引いた値が予め設定された値である酸素吸着が飽和したと判定する定数（Ｃｘ）よりも小さい場合には、排気経路切替手段１４により第二の排気経路（排気ルートＢ）を選択する。
即ち、空燃比検出手段１１と二つの酸素濃度検出手段２０、２１によって排気ガスの状態を推定し、この推定によって排気経路切替手段１４で排気ガスの流れ方向を決定する。また、酸素濃度検出手段２０、２１を二つ設置することで、排気ガス中の酸素濃度に加え、酸素吸着担体１０の酸素吸着状態を推定できる。更に、これら各検出手段１１、１９、２０、２１の検出信号の測定値から選択された排気ルートは、排気経路切替手段１４により迅速に切り替えることで、排気ガスの流れを精度良く制御できる。
【００１５】
次に、この第２実施例の作用を、図５にフローチャートに基づいて説明する。
図５に示すように、制御手段１８においてプログラムがスタートすると（ステップＢ０１）、先ず、各検出手段１１、１９、２０、２１により計測対象値を読み込み（ステップＢ０２）、内燃機関１が運転中か否かを判断する（ステップＢ０３）。
このステップＢ０３がＹＥＳの場合には、温度検出手段１９で検出された冷却水温度（Ｔ）が、内燃機関１が暖機したと判定する水温定数（Ｔｗ）よりも高くなったか否かを判断し（ステップＢ０４）、このステップＢ０４がＹＥＳの場合には、始動時リッチ制御か否かを判断し（ステップＢ０５）、このステップＢ０５がＮＯの場合に、空燃比検出手段１１で検出された空燃比（Ａ／Ｆ）が、空燃比がリッチと判定する定数（Ａ／Ｆ［Ｒｉｃｈ］）よりも小さいか否かを判断する（ステップＢ０６）。
このステップＢ０６がＮＯの場合には、第一の酸素濃度検出手段２０で検出された第一の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（１）］）が、空燃比がリーンと判定する酸素濃度定数（Ｃ［Ｏ２Ｌｅａｎ］）よりも大きいか否かを判断する（ステップＢ０７）。
このステップＢ０７がＹＥＳの場合には、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を、排気通路４が閉鎖されるように動作させ、排気入口側分岐部６を開放して第一の排気経路（排気ルートＡ）から排気ガスを流し（ステップＢ０８）、酸素を酸素吸着担体１０に吸着させる。
そして、第一の酸素濃度検出手段２０と第二の酸素濃度検出手段２１との間の遅れ待ち時間（第一の排気経路（排気ルートＡ）に切替時を零（０）として計測された時間）まで待機し（ステップＢ０９）、そして、第一の酸素濃度検出手段２０で検出された第一の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（１）］）と、第二の酸素濃度検出手段２１で検出された第二の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（２）］）とを測定し（ステップＢ１０）、第一の酸素濃度検出手段２０により検出された第一の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（１）］）から第二の酸素濃度検出手段２１により検出された第二の酸素濃度（Ｃ［Ｏ２（２）］）を引いた値が予め設定された値である酸素吸着が飽和したと判定する定数（Ｃｘ）よりも小さいか否か、つまり、Ｃ［Ｏ２（１）］−Ｃ［Ｏ２（２）］＜Ｃｘを判断し（ステップＢ１１）、このステップＢ１１がＮＯの場合には、前記ステップＢ１０に戻す。
前記ステップＢ０５がＹＥＳの場合又は前記ステップＢ０６がＹＥＳの場合には、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を、排気通路４が閉鎖されるように動作させ、排気入口側分岐部６を開放して第一の排気経路（排気ルートＡ）から排気ガスを流し（ステップＢ１２）、酸素を酸素吸着担体１０に吸着させる。
一方、前記ステップＢ０３がＮＯの場合、前記ステップＢ０４がＮＯの場合、前記ステップＢ０７がＮＯの場合、又は前記ステップＢ１１がＹＥＳで、Ｃ［Ｏ２（１）］−Ｃ［Ｏ２（２）］＜Ｃｘと判断した場合には、アクチュエータ１７を駆動制御して開閉弁１６を、排気入口側分岐部６が閉鎖されるように動作させ、排気通路４を開放して第二の排気経路（排気ルートＢ）から排気ガスを流す（ステップＢ１３）。
前記ステップＢ１２の処理後又は前記ステップＢ１３の処理後は、プログラムをリターンさせる（ステップＢ１４）。
この結果、この第２実施例によれば、上記の第１実施例における同様な作用効果を得るとともに、酸素濃度検出手段２０、２１を加えることで、排気ルートを精度良く切り替えて、酸素吸着担体１０への不必要なガス当たりをさらに減らし、酸素吸着担体１０の劣化を抑制する効果を増すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
この発明に係る排気浄化装置を、各種内燃機関に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例において内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施例において図１の矢印ＩＩにおける排気切替手段の拡大構成図である。
【図３】第１実施例において排気浄化制御のフローチャートである。
【図４】第２実施例において内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図である。
【図５】第２実施例において排気浄化制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００１８】
１  内燃機関
３  排気管
４  排気通路
５  排気浄化装置
６  排気入口側分岐部
７  排気出口側分岐部
８  排気分岐通路
９  排気分岐管
１０  酸素吸着担体
１１  空燃比検出手段
１２  第一の触媒である二段目触媒
１３  第二の触媒である一段目触媒
１４  排気経路切替手段
１６  開閉弁
１８  制御手段
１９  温度検出手段
２０  第一の酸素濃度検出手段
２１  第二の酸素濃度検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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