(57)【要約】【課題】クランキング開始後の初期のＨＣ濃度の高い排気ガスを一時的にトラップして、外部への排出を抑止する。【解決手段】排気ポート２にメイン通路３が接続され、下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置される。メイン通路３の途中に、該メイン通路３を開閉する流路切換弁５が設けられる。メイン通路３の分岐点６から通路断面積の小さなバイパス通路７が分岐し、その途中に小型のバイパス触媒コンバータ８が介装される。冷間始動直後は、バイパス通路７側に排気が案内され、排気浄化がなされる。クランキング開始時に流路切換弁５を開き、燃料噴射開始から数サイクル経過したら流路切換弁５を閉じることで、初期のＨＣ濃度の高い排気が分岐点６から合流点１２までの区間にトラップされる。暖機完了後に流路切換弁５が開くので、この排気も同時にメイン触媒コンバータ４で浄化される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン通路の上流側の分岐点から下流側の合流点までの間の部分と並列にバイパス通路が設けられ、上記合流点よりも下流側にメイン触媒コンバータを備えるとともに、上記バイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの間に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの部分に始動直後の排気を蓄えるように上記流路切換弁を開閉制御する切換弁制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
上記切換弁制御手段は、クランキング開始後、燃料噴射開始時点から所定サイクル経過までの間は流路切換弁を開とし、その後、メイン触媒コンバータの暖機完了まで閉と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装置。
【請求項３】
上記流路切換弁は、メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの長さの中間位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
メイン通路の上流側の分岐点から下流側の合流点までの間の部分と並列にバイパス通路が設けられ、上記合流点よりも下流側にメイン触媒コンバータを備えるとともに、上記バイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの間に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、始動時に、始動直後の排気が上記メイン通路側に流入するように上記流路切換弁を開とし、次に、この始動直後の排気が上記合流点に達する前に上記流路切換弁を閉として、上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの部分に始動直後の排気を蓄えることを特徴とする内燃機関の排気装置の制御方法。
【請求項５】
クランキング開始後、燃料噴射開始時点から所定サイクル経過までの間は流路切換弁を開とし、その後、閉とし、かつメイン触媒コンバータの暖機完了時点で開とすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気装置の制御方法。
【請求項６】
上記内燃機関は、始動時に、気筒判別完了前に燃料噴射を開始することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の排気装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした排気装置およびその制御方法に関し、特に、未燃成分を多く含む初期の排気の処理技術に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。
【０００３】
そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
【特許文献１】特開平５−３２１６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなバイパス触媒コンバータを備えた排気装置においては、バイパス触媒コンバータが比較的早期に活性化するものの、クランキングを開始した直後の数サイクルの間に排出される未燃成分を多く含む排気に対しては、到底、活性化が間に合わず、その浄化を行うことができない。従って、初期のＨＣの排出を防止するためには、ＨＣを一時的に吸着するＨＣトラップ触媒の使用等が必要となる。特に、火花点火を行うガソリン機関では、どの気筒が圧縮上死点にあるのかを判定する気筒判別処理が完了した後に正常な点火順序での点火が可能となるが、一般に、始動性向上のために、この気筒判別が完了する前に燃料噴射が開始されるので、噴射された燃料が未燃のまま排出される気筒が生じる可能性があり、従って、クランキング開始直後に、ＨＣ濃度の高い排気が生じやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、この発明は、メイン触媒コンバータの暖機完了まで排気が通流しないメイン通路の容積を、始動直後のＨＣ濃度の高い排気を一時的に蓄える一種のトラップとして利用するようにした。
【０００６】
すなわち、請求項１に係る発明は、メイン通路の上流側の分岐点から下流側の合流点までの間の部分と並列にバイパス通路が設けられ、上記合流点よりも下流側にメイン触媒コンバータを備えるとともに、上記バイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの間に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの部分に始動直後の排気を蓄えるように上記流路切換弁を開閉制御する切換弁制御手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
具体的な一つの態様では、上記切換弁制御手段は、クランキング開始後、燃料噴射開始時点から所定サイクル経過までの間は流路切換弁を開とし、その後、メイン触媒コンバータの暖機完了まで閉とする。
【０００８】
また請求項４に係る制御方法は、メイン通路の上流側の分岐点から下流側の合流点までの間の部分と並列にバイパス通路が設けられ、上記合流点よりも下流側にメイン触媒コンバータを備えるとともに、上記バイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの間に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、始動時に、始動直後の排気が上記メイン通路側に流入するように上記流路切換弁を開とし、次に、この始動直後の排気が上記合流点に達する前に上記流路切換弁を閉として、上記メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの部分に始動直後の排気を蓄えることを特徴としている。
【０００９】
具体的な一つの態様では、クランキング開始後、燃料噴射開始時点から所定サイクル経過までの間は流路切換弁を開とし、その後、閉とし、かつメイン触媒コンバータの暖機完了時点で開とする。
【００１０】
すなわち、バイパス触媒コンバータ側へ排気を案内すべき冷間始動直後であっても、クランキング開始からごく僅かの間、例えば燃料噴射開始時点から所定の数サイクルが経過するまでの間は、流路切換弁が開いている。これにより、ＨＣ濃度の高い初期の排気がメイン通路内に流入する。そして、このＨＣ濃度の高い排気が合流点よりも下流へ流れ出る前に流路切換弁を閉じれば、メイン通路側の流れが止まり、メイン通路の分岐点から合流点までの区間にＨＣ濃度の高い排気が蓄えられる。流路切換弁が閉となっている間は、内燃機関から排出される排気はバイパス通路側へ案内され、バイパス触媒コンバータによって排気浄化が行われる。その後、メイン触媒コンバータが暖機つまり活性化したら、流路切換弁が開かれ、メイン通路側を排気が流れる。これに伴い、メイン通路内に蓄えられていたＨＣ濃度の高い排気は、既に活性状態にあるメイン触媒コンバータを通して排出される。
【００１１】
望ましい一つの態様では、上記流路切換弁は、メイン通路の上記分岐点から上記合流点までの長さの中間位置に配置されている。つまり、分岐点および合流点においては、初期の排気を蓄えるメイン通路の部分がバイパス通路に開放された開放端となるが、中間位置にある流路切換弁が閉となることで、該流路切換弁の上流側および下流側の双方で排気が蓄えられる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、始動の初期に機関から排出されるＨＣ濃度の高い排気を、排気通路そのものを利用して一時的にトラップし、メイン触媒コンバータの活性後に確実に処理することができる。従って、容積室の追加等を要さずに初期のＨＣ排出量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、この排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。
【００１５】
シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒として、三元触媒が用いられているが、必要に応じてＨＣトラップ触媒を含んでいてもよい。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４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。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。なお、この流路切換弁５が閉状態にあるときには、これより上流の４本のメイン通路３の相互の連通も同時に遮断されるようになっている。
【００１６】
一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４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。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側に合流点１２において接続されている。
【００１７】
なお、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。
【００１８】
このような構成においては、基本的には、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２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。
【００１９】
一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。
【００２０】
次に、上記流路切換弁５のより具体的な開閉制御について、図２のタイムチャートに基づいて説明する。
【００２１】
図２は、始動後の種々のパラメータ等の変化を示したものであり、（ａ）流路切換弁５の開閉状態、（ｂ）スタータモータのＯＮ・ＯＦＦ、（ｃ）燃料噴射開始からの累積サイクル数（注：４気筒機関であるので７２０°ＣＡで４サイクルとなる）、（ｄ）機関回転速度ＮＥ、（ｅ）クランキング時燃料噴射量ＴＩＳＴ、（ｆ）通常の燃料噴射量ＴＰ、（ｇ）空燃比、（ｈ）点火時期ＡＤＶ、（ｉ）排温、（ｊ）外部へ排出されるＨＣ濃度、を対比して示している。なお、横軸は時間であるが、始動時の数サイクルを特に拡大して示してあり、細い縦線で示すタイミングＴ１とＴ２との間、Ｔ２とＴ３との間、Ｔ３とＴ４との間、はそれぞれ３６０°ＣＡである。また燃料噴射量として、上記クランキング時燃料噴射量ＴＩＳＴは、冷却水温等に応じて一義的に定まる噴射量、上記燃料噴射量ＴＰは、エアフロメータにより検出される吸入空気量等に基づいて算出される噴射量であって、クランキング時燃料噴射量ＴＩＳＴおよび通常の燃料噴射量ＴＰのいずれか値の大きな方が、実際の噴射量となる。従って、この例では、クランキング時燃料噴射量ＴＩＳＴの立ち上がりが最初の燃料噴射開始となる。
【００２２】
流路切換弁５は、クランキング開始前は、この実施例では閉状態もしくは部分的に閉じた状態となっている。但し、これは本発明の上では必須ではなく、例えば、機関停止の際に流路切換弁５が開状態であった場合に、そのままの状態を維持するようにしてもよい。そして、クランキングの開始に伴い、流路切換弁５は開となる。この開状態は燃料噴射開始から所定サイクル数（メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの区間の容積と各気筒の排気量との関係から定まり、例えば図示例では７サイクルである。なお、分岐点６が排気ポート２から離れている場合には、その距離による遅れも考慮することが望ましい。）が経過するまでの間、継続され、所定サイクル数が経過したら、流路切換弁５は閉となる。これにより、前述したＨＣ濃度の高い初期の排気が、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの区間に充填される。その後、メイン触媒コンバータ４の触媒が活性したと判定された段階で、流路切換弁５は開放され、前述したように、排気は主にメイン通路３を通流するようになる。同時に、充填されていたＨＣ濃度の高い排気も、メイン触媒コンバータ４へ導入される。
【００２３】
図３は、このような流路切換弁５の開閉動作をガスの動きとともに示した説明図であって、機関始動前は、（１）に示すように、流路切換弁５が例えば部分的に閉じており、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの区間には、空気もしくは空気で希釈された希薄な排気ガスＧ１が残存している。クランキング開始時に、（２）に示すように流路切換弁５は開き、メイン通路３内でのガスの移動が許容される。このとき、残存していた空気に近いガスＧ１がメイン触媒コンバータ４を通過するので、触媒の酸素ストレージ量が増加し、触媒活性化の上で有利となる。その後、燃料噴射が開始されると、（３）に示すように、未燃成分を多く含むＨＣ濃度の高いガスＧ２が排気ポート２から吐出され、メイン通路３内に流入する。そして、燃料噴射開始から所定サイクル数が経過したときに、（４）に示すように、流路切換弁５が閉じる。このサイクル数は、ＨＣ濃度の高いガスＧ２が合流点１２よりも下流側へ行かないように、かつこのガスＧ２の先頭がなるべく合流点１２に近づくように設定される。（５）に示すように、流路切換弁５が完全に閉じた状態では、分岐点６から合流点１２までの間のメイン通路３にはガスの流れが生じないので、ＨＣ濃度の高いガスＧ２が、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの区間に蓄えられる。この間、排気ポート２から吐出された排気は、前述したように、バイパス通路７側を流れる。この状態である程度の期間運転されてメイン触媒コンバータ４が活性化したら、（６）に示すように、流路切換弁５が開かれ、排気の殆どがメイン通路３を流れるようになる。そして、メイン通路３内に保持されていたＨＣ濃度の高いガスＧ２も、同時にメイン触媒コンバータ４へと導入される。なお、（５）に示す状態では、ガスＧ２のトラップとなるメイン通路３の両端（つまり分岐点６および合流点１２）が閉止されておらず、バイパス通路７に対し開放された形となるが、流路切換弁５がガスの流動を阻止することから、僅かに拡散していくに過ぎず、特に、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの長さの中間位置に配置された流路切換弁５の近傍では、ガスＧ２が十分に長い時間保持され得る。
【００２４】
図２の（ｊ）に示すＨＣ濃度において、実線の特性は、上述したＨＣ濃度の高いガスＧ２のトラップを行わない場合（つまりクランキング開始から流路切換弁５を閉状態に保持する）の特性であり、これに対し、破線が、上述したＨＣ濃度の高いガスＧ２のトラップを行った場合の特性を示す。図示するように、本発明により、始動初期のＨＣの外部への排出を大幅に低減することができる。
【００２５】
ここで、始動初期のＨＣ濃度が非常に高いのは、着火に至らずに未燃のまま燃料を排出してしまう気筒が存在し得るためである。すなわち、この実施例の内燃機関は、吸気ポートに燃料噴射弁が配置されたポート噴射型のものであり、基本的に各気筒の膨張行程において吸気ポートへ向かって燃料をそれぞれ噴射しているが、クランキングが開始した直後は、いずれの気筒が上死点にあるかの気筒判別処理が完了していないため、最も最初の燃料噴射は、膨張行程もしくは吸気行程にあると思われる２つの気筒に対し、同時に燃料噴射が行われる。そのため、そのとき吸気行程にあった気筒については、燃料の一部が気筒内に流入するものの、適正な点火がなされずに、未燃のまま排気ポート２へ排出されてしまうことがある。従って、初期の排気は、非常にＨＣ濃度の高いものとなるが、この未燃燃料の排出は、ごく初めのサイクルで生じるので、上述したトラップとなる分岐点６から合流点１２までの区間の容積が、１気筒の排気量の数気筒分あれば、その外部への排出を確実に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る排気装置全体の配管レイアウトを示す構成説明図。
【図２】冷間始動時の各部の動作等を示すタイムチャート。
【図３】流路切換弁の開閉動作をガスの動きとともに示す説明図。
【符号の説明】
【００２７】
３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…合流点  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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