(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた触媒装置と、この触媒装置の上流に位置し、かつ点火手段を備えた排気再燃焼器と、この排気再燃焼器へ供給される排気ガスを可燃性の状態にする可燃性ガス生成手段と、を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、
上記可燃性ガス生成手段による可燃性排気ガスの供給に先立って、排気通路内に滞留していた排気ガスを、機関の始動前もしくは運転停止後の機関非運転状態において、空気に置換する置換手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記可燃性ガス生成手段は、排気ガス中の未燃成分を一時的に増加させる未燃成分供給手段と、上記排気再燃焼器の上流側において排気ガス中に２次空気を供給する２次空気供給装置と、から構成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記未燃成分供給手段は、内燃機関の空燃比を一時的にリッチ状態とする空燃比制御手段からなることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記置換手段は、上記２次空気供給装置によって構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
内燃機関の始動の直前に上記２次空気供給装置を作動させ、排気通路内の排気ガスを空気に置換することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
内燃機関の運転終了時に上記２次空気供給装置を作動させ、排気通路内の排気ガスを空気に置換することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
上記２次空気供給装置による排気再燃焼開始初期の２次空気供給量を、排気通路内の置換した空気量を考慮して減量補正することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
減量補正する時間が内燃機関の吸入空気量に基づいて設定されることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に始動直後の排気ガスの排気浄化を図った排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関から排出される排気ガスの浄化には、貴金属（白金、ロジウム等）またはその他の金属からなる触媒を担持した触媒装置が従来から広く使われている。このような触媒は、排気ガス中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を酸化および還元して浄化している。ところで、この触媒作用を得るためには排気温度が高くなければならず、例えば３００℃前後の温度が必要である。しかし、内燃機関の始動直後では、排気ガス温度が低く、触媒が活性化する温度（３００℃前後）に達しないため、排気有害成分の浄化はほとんど行われず、比較的多量の排気有害物質が大気中へ放出される、という問題がある。
【０００３】
そこで、上記問題を解決するため、内燃機関の排気系に配設された触媒装置の上流側に、さらに、排気再燃焼器を設け、始動直後に、この再燃焼器において可燃性の排気ガスを燃焼させて、その燃焼熱により触媒を早期活性化させるものが公知である（特表平６−５０８４０９号公報等）。この排気浄化装置は、排気再燃焼器に燃料を噴射するものではなく、内燃機関の空燃比をリッチにし、かつ２次空気を供給して、可燃成分および空気を含む可燃性の排気ガスを生成し、点火装置でこの可燃性ガスを燃焼させるものであり、非常に簡素な構成でもって触媒の早期活性化を実現できる。しかも、触媒活性前においても、ＨＣ、ＣＯを燃焼により浄化することができるため、全体的な排気ガスの清浄化に非常に有効な手段である、と言える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の排気浄化装置においては、始動時から直ちに排気再燃焼が行われれば問題はないものの、実際には、排気再燃焼器内のガスを可燃領域に制御し、かつこれに着火させるのに数秒程度の遅れが存在するため、その期間に未燃成分を比較的大量に放出してしまう欠点がある。
【０００５】
特に、排気再燃焼器を作動させる前提として、例えば内燃機関で燃焼する混合気の空燃比をリッチ状態に設定すると、これに伴って未燃成分も増加するため、排気再燃焼の遅れに伴う未燃成分の排出は大きな問題となる。
【０００６】
このような排気再燃焼器の着火遅れの一つの要因は、機関始動時に排気通路内に不活性ガスである排気ガスが滞留しているため、上流側で可燃性のガスを生成しても、排気再燃焼器に達するまでに、滞留していた排気ガスによって希釈されてしまい、着火性が悪化することにある。つまり、生成された可燃性ガスと滞留していた排気ガスとが混合したガスが、着火可能な濃度になるまで着火に至らず、その間、未燃成分の一部が大気に放出されてしまうのである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、排気再燃焼器を作動させる前、つまり可燃性ガスの供給を開始する前に、排気通路内の滞留排気ガスを空気に置換し、可燃性ガスの供給開始時に速やかに着火燃焼するようにした。さらに、この置換した空気による希釈を考慮して、排気再燃焼器作動初期の２次空気供給量を減量することで、一層確実な着火燃焼を図った。
【０００８】
すなわち、請求項１に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒装置と、この触媒装置の上流に位置し、かつ点火手段を備えた排気再燃焼器と、この排気再燃焼器へ供給される排気ガスを可燃性の状態にする可燃性ガス生成手段と、を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、
上記可燃性ガス生成手段による可燃性排気ガスの供給に先立って、排気通路内に滞留していた排気ガスを、機関の始動前もしくは運転停止後の機関非運転状態において、空気に置換する置換手段を備えている。
【０００９】
上記可燃性ガス生成手段は、例えば請求項２のように、排気ガス中の未燃成分を一時的に増加させる未燃成分供給手段と、上記排気再燃焼器の上流側において排気ガス中に２次空気を供給する２次空気供給装置と、から構成される。また、上記未燃成分供給手段は、例えば、請求項３のように、内燃機関の空燃比を一時的にリッチ状態とする空燃比制御手段からなる。あるいは、個別の燃料噴射装置等を設けることもできる。
【００１０】
上記置換手段としては、適宜な掃気用ポンプ等を用いることができるが、上記のように２次空気供給装置を具備する場合には、請求項４のように、この２次空気供給装置によって置換手段を構成することができる。
【００１１】
排気通路中の排気ガスと空気との置換は、排気再燃焼器の作動の際に完了していればよい。請求項５の発明では、内燃機関の始動の直前に上記２次空気供給装置を作動させ、排気通路内の排気ガスを空気に置換するようにしている。また請求項６の発明では、内燃機関の運転終了時に上記２次空気供給装置を作動させ、排気通路内の排気ガスを空気に置換するようにしている。
【００１２】
このように排気通路の排気ガスを予め空気と置換することにより、不活性ガスである排気ガスによる希釈がなく、着火性が向上するため、可燃性ガスの供給に伴って速やかに着火燃焼が可能となる。
【００１３】
また請求項７の発明は、上記２次空気供給装置による排気再燃焼開始初期の２次空気供給量を、排気通路内の置換した空気量を考慮して減量補正することを特徴としている。
【００１４】
図１０は、排気再燃焼器の燃焼開始時に該排気再燃焼器に流入するガス量を示した説明図であり、従来のものでは、（ａ）に示すように、可燃成分を含む過濃排気ガスと２次空気と排気通路内の残留排気ガスとの三者が混合して流入する。この場合、残留排気ガスが不活性ガスであることから、着火性が大幅に悪化する。これに対し、排気通路内の残留排気ガスを空気に置換すれば、（ｂ）に示すようになり、不活性ガスが存在しないことから、着火性が向上する。但し、図示するように、排気通路内の空気が２次空気に上乗せされる形となるため、過濃排気ガスと２次空気との混合気がさらに排気通路内空気によって希釈され、やや希薄の混合気となってしまい、ある程度の着火遅れが発生する。これに対し、（ｃ）に示すように、排気通路内の置換した空気量を考慮して２次空気供給量を減量補正すれば、混合したガス全体で適正混合気となり、一層速やかに着火燃焼に至る。
【００１５】
この減量補正は、排気通路内に当初存在するガスが全て排気再燃焼器を通過するまで継続すればよい。内燃機関の吸入空気量が多いほど排気ガス量も多くなり、それだけ当初存在していたガスが排気再燃焼器を通過するまでの時間が短くなる。従って、請求項８の発明では、減量補正する時間が内燃機関の吸入空気量に基づいて設定される。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、排気通路に残留した排気ガスに起因する排気再燃焼器で実際に再燃焼が生じるまでの着火遅れ期間を短縮することができ、その間に大気に排出されるＨＣ等の未燃成分が大幅に減少する。従って、排気再燃焼による触媒の早期活性化と併せて、内燃機関全体として、冷間始動時に排出される有害成分を大幅に低減することが可能となる。
【００１７】
特に、請求項７および請求項８のように、置換した排気通路内の空気量を考慮して２次空気供給量を減量補正すれば、当初から適正な濃度の可燃性ガスが排気再燃焼器に供給され、一層速やかに着火燃焼を開始できる。
【００１８】
また、請求項４のように、排気再燃焼に必要な２次空気供給装置を利用して排気ガスと空気との置換を行うことにより、新たなポンプ等の付加が不要となり、その置換を非常に簡単に実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例の構成を示すものである。内燃機関１の排気通路２には、白金等の触媒をセラミックス等からなる担体に担持させてなる三元触媒装置６が設けられており、この触媒装置６の上流側に、排気再燃焼器５が設けられている。この排気再燃焼器５は、点火手段として点火プラグ４を備えている。上記点火プラグ４は点火コイル等からなる図示せぬ点火装置に接続されており、この点火装置によって火花放電を行うようになっている。この実施例では、触媒装置６と排気再燃焼器５とは、同一のケーシング内に収容されている。
【００２１】
上記排気再燃焼器５の上流側には、２次空気供給装置として２次空気ポンプ３が接続されている。また触媒装置６には、該触媒装置６の内部温度つまり触媒温度を検出する触媒温度センサ７が設けられており、内燃機関１には、その冷却水温度を検出する水温センサ９が設けられている。これらの触媒温度センサ７や水温センサ９の検出信号は、エンジンコントロールユニット８に入力される。
【００２２】
上記２次空気ポンプ３および上述した点火装置は、それぞれ上記エンジンコントロールユニット８からの制御信号によって制御され、後述するように排気再燃焼時に、それぞれ２次空気の供給および点火を行うようになっている。
【００２３】
また内燃機関１の吸気通路１０には、燃料噴射装置１１が取り付けられており、エンジンコントロールユニット８からの噴射信号によって燃料を噴射するようになっている。この燃料噴射量は、基本的には内燃機関１の運転条件に応じて制御されるものであるが、排気再燃焼時には、燃料噴射量を増量することにより空燃比がリッチに保たれる。
【００２４】
上記排気浄化装置の基本的な作用を説明すると、内燃機関１の始動の際（イグニッションスイッチＯＮ時）に、触媒装置６内部の温度が所定温度（例えば３００℃）以下であれば、三元触媒は未活性であると判定する。未活性と判定した場合、クランキングの前に、直ちに２次空気ポンプ３を作動開始し、排気通路２内に残留していた排気ガスを２次空気でもって押し出す。つまり、残留排気ガスと空気との置換を行う。そして、スタータスイッチがＯＮとなり、クランキングが開始されたら、これと同時に、排気再燃焼器５の作動を開始する。具体的には、エンジンコントロールユニット８からの信号により、空燃比が非常にリッチ（空燃比で１０以下）になるように、燃料噴射装置１１によって燃料を増量して噴射する。同時に、エンジンコントロールユニット８の制御信号によって、２次空気ポンプ３ならびに点火プラグ４が作動し、２次空気の供給と火花放電が開始される。
【００２５】
この結果、排気ガスからの可燃成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2）と２次空気によるＯ2が混合した状態で下流側へ供給され、これが点火プラグ４の火花により着火して排気再燃焼器５で燃焼する。この排気再燃焼による熱で、触媒装置６の活性化が促進される。ここで、初期の２次空気供給量は、排気通路２内に存在する空気量を考慮して、可燃混合気が希薄とならないように、減量補正され、所定の期間が経過した時点で、通常の２次空気供給量に戻される。
【００２６】
この排気再燃焼に伴い触媒装置６内部の温度が所定温度（例えば３５０℃）以上になったら、三元触媒は完全に活性したと判定し、点火プラグ４の放電を停止するとともに、２次空気ポンプ３の作動を止めて、排気再燃焼器５での排気再燃焼を終了する。また同時に、触媒装置６における三元触媒を効率良く作用させるために、空燃比が理論空燃比になるように燃料噴射量を制御する。
【００２７】
以上のように、この排気浄化装置では、内燃機関始動時に排気通路２内の排気ガスを空気に置換することにより、実際に再燃焼するまでの着火遅れ期間が短縮する。図２は、この本発明の作用を説明するための特性図であって、縦軸は排気再燃焼器５入口での可燃混合気濃度（上流側で生成された濃度を１００％とする）、横軸は排気再燃焼器５作動開始からの経過時間を示している。排気通路２内に排気ガスが残留する従来のものでは、内燃機関１から排気再燃焼器５までのガスの輸送遅れ期間に加えて、可燃混合気濃度の緩慢な立ち上がりによる着火遅れ期間が存在する。これに対し、本発明では、ガスが排気再燃焼器５に到達した最初の段階から十分な濃度が確保され、着火遅れ期間が短くなる。これにより、触媒の早期活性化と相俟って、冷間始動時に排出される有害成分が全体として大幅に低減する。
【００２８】
上記の作動を、図３のフローチャートに基づいてさらに具体的に説明する。本ルーチンは、内燃機関１のイグニッションスイッチＯＮと同時に開始され、かつ繰り返し実行されるものであり、後述するフラグＦＥＮＤＥＧＣおよびフラグＦＥＧＣは、制御開始時にいずれも０に初期化される。先ずステップ１（図では、Ｓ１のように略記する）で、排気再燃焼器５を作動させるべき条件であるか否かを、始動時の触媒温度もしくは始動時の冷却水温に基づいて判定する。例えば触媒温度が３００℃以下であれば、排気再燃焼を行うものとする。作動させるべき条件であれば、ステップ２へ進み、排気再燃焼が終了したことを示すフラグＦＥＮＤＥＧＣを参照する。初期状態では０であるから、ステップ２からステップ３へ進み、排気再燃焼器５が作動中であることを示すフラグＦＥＧＣを参照する。初期状態では、やはり０であるから、ステップ３からステップ４へ進む。ステップ４では、２次空気ポンプ３の作動開始から所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定しており、所定時間Ｔ１が経過するまでステップ５へ進んで、２次空気ポンプ３を動作させる。特に、このときには、ポンプ駆動信号ＫＡＰを最大流量に相当するＭＡＸＡＰとし、２次空気ポンプ３から排気通路２内に排気掃気用の空気を供給する。
【００２９】
次のステップ７では、スタータスイッチがＯＮとなったか判定し、ＮＯであれば、以上の処理を継続する。従って、スタータスイッチがＯＮとなるまで、あるいは所定時間Ｔ１が経過するまで、２次空気ポンプ３による空気の供給が最大限になされ、排気通路２内の排気ガスが空気に置換される。２次空気ポンプ３による空気の供給を最大限にしているのは、運転者が、イグニッションスイッチをＯＮした後、直ちにスタータスイッチをＯＮにした場合、排気通路２内の排気ガスを空気に置換する時間を十分に確保できないことに対処したものである。
【００３０】
スタータスイッチがＯＮとなる前に所定時間Ｔ１が経過した場合には、ステップ４からステップ６へ進み、２次空気ポンプ３が一旦停止する。
【００３１】
スタータスイッチがＯＮとなると、図示せぬスタータモータによってクランキングが開始されるが、それと同時にステップ８以降へ進んで、排気再燃焼器５の作動を開始する。すなわち、ステップ８において、空燃比をリッチに設定し、かつ点火プラグ４の放電を開始するとともに、２次空気ポンプ３を作動させる。特に、このときには、２次空気供給量を減量補正するために、ポンプ駆動信号ＫＡＰとして、基本供給量ＴＢＬＫＡＰから補正量ＤＡＰを差し引いた値が与えられる。ここで、基本供給量ＴＢＬＫＡＰは、図４に示すように、冷却水温に応じて設定され、低温時ほど流量が大となる。なお、上記の空燃比も低温時ほどリッチに設定される。また、上記の補正量ＤＡＰは、排気通路２内に存在する空気を考慮したものである。
【００３２】
このようにして、排気再燃焼器５に可燃性排気ガスが当初から適正な濃度でもって供給されるので、直ちに着火燃焼に至る。
【００３３】
ステップ９では、排気再燃焼器５が作動中であることを示すフラグＦＥＧＣを１とする。これにより、以後はステップ３からステップ１０へ進むようになる。ステップ１０では、排気再燃焼器５の作動が開始してから所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定しており、所定時間Ｔ２が経過するまで、上記のように２次空気供給量を減量補正した状態で排気再燃焼器５の作動が継続される。この所定時間Ｔ２は、排気通路２内に予め導入された空気の影響が無くなるまでの期間に対応している。この所定時間Ｔ２が経過したら、ステップ１１へ進み、２次空気ポンプ３の駆動信号ＫＡＰを、基本供給量ＴＢＬＫＡＰとする。
【００３４】
この図３のフローチャートでは、排気再燃焼の開始時点での処理のみを示しているが、前述したように、例えば触媒装置６の温度が所定温度に達した時点等において排気再燃焼器５の作動が停止する。そして、この時点で、上記のフラグＦＥＮＤＥＧＣが１となる。
【００３５】
なお、上記実施例では、スタータスイッチがＯＮとなってクランキングが開始すると同時に排気再燃焼器５を作動開始するように説明したが、クランキング開始時に、燃料噴射の開始を僅かに遅らせると、排気通路２内の掃気が一層確実なものとなる。つまり、クランキング開始後、所定期間の間は、燃料を噴射せずに、吸入した空気をそのまま排気通路２に送るようにすれば、イグニッションスイッチＯＮからスタータスイッチＯＮまでの時間つまり２次空気ポンプ３による置換の期間が短い場合でも、それを補うことができる。
【００３６】
次に、第２の実施例を図５のフローチャートに基づいて説明する。これは、上記のステップ１０の処理を一部変更したものであり、図５には、その要部のみを示し、図３と同一の部分は省略してある。
【００３７】
前述したステップ９でフラグＦＥＧＣを１としたら、ステップ３１へ進み、冷却水温ＴＷを読み込む。そして、ステップ３２で、この冷却水温ＴＷから内燃機関１の吸入空気量ＱＡを図６のような特性に基づいて推定する。なお、図示せぬエアフロメータによって吸入空気量ＱＡを直接検出するようにしてもよい。次のステップ３３で、この吸入空気量ＱＡから、図７に示すような特性に基づいて、２次空気供給量補正時間ＴＡＰを決定する。そして、ステップ３４で、排気再燃焼器５の作動が開始してから上記の補正時間ＴＡＰが経過したか否かを判定し、この補正時間ＴＡＰが経過した時点で、前述したステップ１１へ進み、２次空気ポンプ３の駆動信号ＫＡＰを、基本供給量ＴＢＬＫＡＰとする。
【００３８】
すなわち、図３の実施例では２次空気を減量する補正時間が固定的に与えられるのに対し、この実施例では、補正時間ＴＡＰが、吸入空気量ＱＡに対応して与えられる。これは、吸入空気量ＱＡが大であるほど排気ガス量も多く、排気通路２内の残存空気と混合した初期の可燃性排気ガスが排気再燃焼器５を通過するまでの時間が短くなることを考慮したものであり、このようにすれば、排気再燃焼器５における可燃性ガスの濃度の変動が一層小さくなる。
【００３９】
次に図８および図９は、この発明の第３の実施例を示すフローチャートである。この実施例は、機関の運転終了時に排気通路２内の排気ガスを空気と置換する点に特徴がある。
【００４０】
図８は、内燃機関１停止時に実行される処理の流れを示しており、ステップ１０１において、イグニッションスイッチがＯＦＦとなったと判定したら、ステップ１０２へ進んで２次空気ポンプ３を作動させる。この２次空気ポンプ３の作動は、掃気に十分なように予め設定された所定時間ＴＥＡＰ継続され（ステップ１０３）、この時間ＴＥＡＰが経過した時点で２次空気ポンプ３が停止し（ステップ１０４）、一連の制御が終了する。
【００４１】
このように運転終了時に２次空気ポンプ３により掃気することにより、排気通路２内の排気ガスは確実に空気と置換される。特に、掃気の時間を十分に長く設定できるので、排気通路２の容積が大きい場合や２次空気ポンプ３が比較的小型である場合でも、排気通路２内に排気ガスが残存することなく、完全に置換することが可能である。
【００４２】
このように予め空気と置換しておくことにより、次回の始動時には格別な置換処理は不要となる。図９のフローチャートは、この始動時の処理の流れを示しているが、これは、図３のフローチャートから置換処理に相当するステップ４〜ステップ６の処理を省いたものに過ぎないので、その詳細な説明は省略する。なお、図５のように補正時間を吸入空気量ＱＡに対応したものとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の機械的構成を示す構成図。
【図２】排気再燃焼器入口での可燃混合気濃度の時間変化を本発明と従来とで対比して示す特性図。
【図３】この排気浄化装置の制御の一実施例を示すフローチャート。
【図４】水温ＴＷと２次空気ポンプの基本駆動信号ＴＢＬＫＡＰとの関係を示す説明図。
【図５】第２の実施例の要部のみを示すフローチャート。
【図６】水温ＴＷと吸入空気量ＱＡとの関係を示す説明図。
【図７】吸入空気量ＱＡと２次空気供給量補正時間ＴＡＰとの関係を示す特性図。
【図８】第３の実施例を示す運転終了時の処理のフローチャート。
【図９】同じく第３の実施例を示す運転開始時のフローチャート。
【図１０】排気再燃焼器に流入するガス量を従来のものと対比して示す説明図。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
３…２次空気ポンプ
４…点火プラグ
５…排気再燃焼器
６…触媒装置
７…触媒温度センサ
８…エンジンコントロールユニット
１１…燃料噴射装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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