(57)【要約】【課題】オリフィス構造を二次空気供給制御から独立させ、二次空気供給中の排気温度に応じて開度制御することにより昇温効果をより高め、排気浄化装置の性能向上を目指す。【解決手段】アクセル開度APOと水温Twに基づき暖機が確認されると（Ｓ１１〜Ｓ１３）、ステップＳ１４で二次空気供給を開始し、ステップＳ１５で排気温度Texが昇温効果逆転のしきい値温度Texthに到達するかどうか判断する。しきい値温度Texthはオリフィス構造により排気の流れを絞ったときの排気温度と排気の流れを絞らないときの排気温度との高低関係が逆転する昇温効果逆転のしきい値である。ステップＳ１５で排気温度Texがしきい値温度Texth以上に達していると判断された場合は、ステップＳ１７でオリフィス構造の開度Ｖを増加する。開度Ｖを開けることで排気浄化触媒へ送られる排気の流速が上がり、酸化が促進されて排気温度がさらに高く上昇する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設置される排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流側の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給装置と、前記排気通路に設けられるオリフィス構造とを備え、
前記二次空気供給装置による二次空気供給中に、前記排気浄化触媒に送られる排気の温度に応じて前記オリフィス構造の開度を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記オリフィス構造により排気の流れを絞った場合の排気昇温効果と前記オリフィス構造により排気の流れを絞らない場合の排気昇温効果とが逆転するしきい値温度に達しているか否かに基づいて、前記オリフィス構造の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒の上流側の排気通路における排気温度を計測することにより、前記排気浄化触媒に送られる排気の温度が前記しきい値温度に達したか否かを判断することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気浄化触媒の上流側の排気通路における排気圧力を計測することにより、前記排気浄化触媒に送られる排気の温度が前記しきい値温度に達したか否かを判断することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記二次空気供給装置による二次空気供給開始からの経過時間を計測することにより、前記排気浄化触媒に送られる排気の温度が前記しきい値温度に達したか否かを判断することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記オリフィス構造を、前記排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記オリフィス構造を、前記排気浄化触媒の上流側の排気通路に設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン始動時などの排気温度が十分に上昇していないときに排気通路へ二次空気を供給すると共に、排気の流れを絞って圧力を上昇させる排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気通路に配設される排気浄化触媒（三元触媒、ＮＯｘ触媒、酸化触媒等）は所定の温度以上で活性化するので、エンジン始動時など排気温度がその触媒活性温度に達しないときには、浄化能力が十分に発揮されない。そこで、排気温度が触媒活性温度に達していないときに、たとえばシリンダヘッドの排気ポートなど排気浄化触媒よりも上流側の排気へ二次空気を供給して、排気中の未燃成分を酸化すると共に排気温度を上昇させる二次空気供給装置が提案されている。
【０００３】
さらに最近では、特許文献１や特許文献２に示すように、排気通路に開閉制御可能なオリフィス構造を設けて、二次空気供給中に排気の流れを絞ることで圧力を上昇させ、未燃成分の酸化と排気温度の上昇を促進して浄化能力向上と触媒活性時間短縮を図る排気浄化装置も提案されている。
【特許文献１】特許第３５１３９４８号公報
【特許文献２】特開２００１−１３２４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献にある排気浄化装置は、オリフィス構造の開閉制御が二次空気供給と連動しており、二次空気供給開始と共に絞られ且つ二次空気供給終了と共に開かれる。すなわち、二次空気が供給されている間は常に排気の流れを絞った状態に保たれるよう制御されている。その二次空気供給制御は、特許文献１の場合はタイマによる時間制御方式であり（段落００２４〜００２８）、特許文献２の場合は排気浄化触媒の触媒床温から活性状態を判別して制御する方式である（段落００６１〜００７１）。
【０００５】
このように、従来の排気浄化装置は、時間や触媒活性状態から制御される二次空気供給に付随してオリフィス構造の開閉制御を行っており、排気マニホールドや排気管中の実際の排気温度（あるいは排気圧力）に基づいてオリフィス構造のリアルタイム制御を行っていない。ところが、二次空気供給中常に排気の流れを絞っていると温度上昇が頭打ちになってしまうという改善点がある。
【０００６】
本発明はこの点に着目し、オリフィス構造を二次空気供給制御から独立させ、排気温度に基づきリアル制御することにより昇温効果をさらに高めることを可能とし、浄化性能の向上を目指すものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気通路に設置される排気浄化触媒と、この排気浄化触媒の上流側の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給装置と、排気通路に設けられるオリフィス構造とを備え、二次空気供給装置による二次空気供給中に、排気浄化触媒に送られる排気の温度に応じてオリフィス構造の開度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、オリフィス構造を二次空気供給制御から独立させ、二次空気供給中であっても、排気の温度に応じてオリフィス構造の開度を制御することにより、昇温の頭打ちを解消している。すなわち、オリフィス構造で排気の流れを絞ることによる排気圧力上昇で昇温を図る一方、これによる温度上昇に応じてオリフィス構造の開度を調整し、さらなる昇温を図って温度上昇の頭打ちを解消し、昇温効果を高めたものである。排気温度がより速く高く上昇するので、未燃成分の酸化がいっそう促進されるとともに触媒活性時間が短縮され、浄化性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１に、本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置を示している。図１は、多気筒４サイクルエンジンの中の１気筒を例として示している。
エンジン１のシリンダヘッド２には、吸気ポート３と排気ポート４とが開設され、それぞれ吸気バルブ３ｖと排気バルブ４ｖとを介して所定のタイミングで燃焼室へ連通する。また、シリンダヘッド２には燃焼室へ臨む点火プラグ５が取り付けられており、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）６によりタイミング制御されている。
【００１０】
吸気ポート３には、サージタンク７から吸気マニホールド８が連通しており、ここに、ＥＣＵ６により制御される燃料噴射バルブ９が設置されている。サージタンク７には吸気管１０から新気が送り込まれ、当該吸気管１０に、アクセル開度に従ってＥＣＵ６に制御されるバルブアクチュエータを備えたスロットルバルブ１１が設置されている。さらに、このスロットルバルブ１１上流側には、吸気の流量を感知するエアフロメータ１２が設置されている。
【００１１】
排気ポート４には、排気マニホールド２０が接続されており、該排気マニホールド２０は排気浄化触媒２１（マニホールド触媒）につながっている。この排気浄化触媒２１の下流側直下の排気管２２に、ＥＣＵ６に制御されるバルブアクチュエータを備えたスロットル形状のオリフィス構造２３が排気浄化装置として介装され、且つ、該オリフィス構造２３の開度制御を行うために、排気浄化触媒２１へ送られる排気の温度を測定する排気温度センサ２４が、排気浄化触媒２１よりも上流側の排気通路である排気マニホールド２０に設けられている。そして、オリフィス構造２３よりも下流の排気管２２には、メインの排気浄化触媒２５が設けられている。これら排気マニホールド２０及び排気管２２からなる排気通路は最終的に消音器へつながっている。
【００１２】
さらに、排気ポート４には、二次空気供給装置３０の二次空気噴射ノズル３１が設けられている。二次空気供給装置３０は、ＥＣＵ６の制御に従ってエアポンプ３２及びバルブ３３が動作し、排気浄化触媒２１の未活性時に二次空気を排気中へ供給する。
本発明に係る制御手段となるＥＣＵ６は、エアフロメータ１２、排気温度センサ２４、機関回転速度センサ４０、アクセル開度センサ４１、エンジン冷却水の水温センサ４２などの各値を入力してエンジン１を制御し、特に、アクセル開度センサ４１によるアクセル開度APO、水温センサ４２による水温Tw、排気温度センサ２４による排気温度Texに基づいて後述の二次空気供給及び排気昇温制御を実行する。
【００１３】
図２は、オリフィス構造２３を設けた排気通路において二次空気供給中の排気浄化触媒２１入口で排気温度を調べたグラフであるが、オリフィス構造２３による絞りありのときの温度曲線Ａと、絞りなしのときの温度曲線Ｂとを比較したとき、あるしきい値Texthを境に高低関係が逆転することが分かる（昇温効果の逆転）。すなわち、しきい値温度Texthまでは排気の流れを絞ったほうが排気温度はより高く上昇するが、しきい値温度Texthを超えると逆に絞らないほうが排気温度はより高く上昇する。これは、流れを絞って排気を昇温させることで未燃成分（特にＨＣ）の自発着火が活性になった後には、絞りを開けて排気流速を上げることで未燃成分を多く供給するようにしたほうが酸化がより促進され、排気温度がさらに高く上昇するためと考えられる。
【００１４】
この知見に基づく二次空気供給及び排気昇温制御について、図３にフローチャートを示してある。
まず、当該フローを制御するＥＣＵ６は、機関回転中、所定時間毎に当制御ルーチンを実行する。制御開始後のステップＳ１１では、制御に必要な各値、アクセル開度APO、水温Tw、排気温度Texが読み込まれる。継いでステップＳ１２において、測定された水温Twが、触媒の暖機を判定するしきい値水温Twthより低いかどうか、が判断される。なお、本例の場合は冷却水の温度Twを用いて触媒暖機を判定しているが、触媒の温度を感知する触媒温度センサを使用する例も可能である。
【００１５】
ステップＳ１２で水温Twがしきい値水温Twthよりも低いと判断された場合には、ステップＳ１３へ進んで、アクセル開度APOがほぼ０であるかどうかが判断される。なお、この他に、アイドルスイッチを備えているのであればアイドルスイッチがオンであるかどうかを判断する例も可能である。
ステップＳ１３で、アクセル開度APOがほぼ０と判断された場合には、ステップＳ１４へ進み、二次空気供給装置３０の作動となる。すなわち、ＥＣＵ６は、エアポンプ３２を動作させると共にバルブ３３を開状態にし、二次空気噴射ノズル３１から排気ポート４内へ二次空気を供給させる。
【００１６】
なお、上記のステップＳ１２とステップＳ１３の順序は逆となっていても構わない。
ステップＳ１４で二次空気供給を開始した後は、ステップＳ１５で、排気温度Texが昇温効果逆転のしきい値温度Texthに到達するかどうかが判断される。このしきい値温度Texthは、上述のように、オリフィス構造２３により排気の流れを絞ったときの排気温度Texと排気の流れを絞らないときの排気温度Texとの高低関係が逆転する昇温効果逆転のしきい値であり、予め実験を行って適切に求められた値である。
【００１７】
ステップＳ１５において、排気温度Texがしきい値温度Texthに達していないと判断された場合は、ステップＳ１６へ進んで、オリフィス構造２３の開度Ｖが減少される。すなわち、ＥＣＵ６は、開度Ｖの前回値Ｖｚから所定の変更量ｄＶを減算して新たな開度Ｖを算出する。ただし、開度Ｖの値は全閉となる最小値Ｖｍｉｎまでに制限される。算出された開度Ｖに応じて駆動指令信号がオリフィス構造２３のバルブアクチュエータに送られることで、オリフィス構造２３により排気の流れが絞られ、該オリフィス構造２３より上流側の排気温度Texの昇温効果が得られることになる。
【００１８】
なお、排気通路が絞られて排圧が上昇すると機関出力が低下するが、当該出力低下分は、アイドル回転速度フィードバック制御による吸入空気量の増加補正（電制スロットルバルブ開度の増加補正）によって補われる。
一方、ステップＳ１５において、排気温度Texがしきい値温度Texth以上に達していると判断された場合は、ステップＳ１７へ進み、オリフィス構造２３の開度Ｖが増加される。すなわち、ＥＣＵ６は、開度Ｖの前回値Ｖｚに所定の変更量ｄＶを加算して新たな開度Ｖを算出する。ただし、開度Ｖの値は全開となる最大値Ｖｍａｘまでに制限される。オリフィス構造２３の開度Ｖを開けることで、その上流側の排気浄化触媒２１へ送られる排気の流速が上がり、これにより未燃成分がより多く供給されてくるので酸化がいっそう促進され、排気温度がさらに高く上昇する。
【００１９】
上述のステップＳ１２で水温Twがしきい値水温Twth以上になっていると判断された場合又はステップＳ１３でアクセル開度APOがほぼ０ではないと判断された場合は、ステップＳ１８へ進んで、二次空気供給装置３０の動作を停止させる。すなわち、ＥＣＵ６は、エアポンプ３２を停止させると共にバルブ３３を閉状態にする。継いで、ステップＳ１９において、オリフィス構造２３の開度Ｖを最大値Ｖｍａｘとして全開状態に設定する。
【００２０】
以上の例においては、排気浄化触媒へ送られる排気の温度が昇温効果逆転のしきい値温度に達することを判断するのに、排気マニホールド２０に設けた排気温度センサ２４により直接温度を計測している。しかし、このように直接的に温度計測して判断する他にも、圧力センサやタイマ（経過時間）により間接的に昇温効果逆転のしきい値温度を判断することもできる。すなわち、排気温度センサ２４を排気圧力センサとし、ステップＳ１５の判断を“排気圧力＜しきい値圧力？”とすれば、温度に関係する排気の圧力からしきい値温度に達するかどうかを判断することができ、温度センサの場合と同等である。また、排気温度センサや排気圧力センサを設けずとも、タイマを使用して二次空気供給開始時点からの経過時間を計時し、ステップＳ１５の判断を“二次空気供給経過時間＜昇温効果逆転時間？”として、経過時間からしきい値温度に達するかどうかを判断することも可能である。この場合は、予め、制御開始から昇温効果逆転のしきい値温度に到達するまでの昇温効果逆転時間について、排気の流れを絞ったとき及び絞らなかったときの両実験値から求めておけば良い。
【００２１】
図４に、図３に示した二次空気供給及び排気昇温制御に関連して、エンジン始動からの時間ｔに対する排気温度Tex、水温Tw、二次空気供給のオンオフ、オリフィス構造の開度Ｖ（Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘ）について、グラフに示している。図中、時間ｔ０はエンジン始動時、時間ｔ１は昇温効果逆転時であって図３のステップＳ１５の判断がＹＥＳからＮＯへ変わる時、時間ｔ２は暖機完了時であって図３のステップＳ１２の判断がＹＥＳからＮＯへ変わる時である。いずれのグラフも、エンジン始動ｔ０から暖機完了ｔ２までアクセル開度APO≒０、すなわちステップＳ１３の判断がＹＥＳの場合である。排気昇温中、つまり絞り中にアクセル開度APO＞０となった場合は、開度Ｖのグラフ中に二点鎖線で示すように、即座にＶ＝Ｖｍａｘにする（ステップＳ１３の判断＝ＮＯ）。
【００２２】
図４によれば、排気浄化装置のオリフィス構造２３は、二次空気供給制御から独立して排気温度Texに基づき制御され、昇温効果逆転のしきい値Texthを境に最小開度Ｖｍｉｎから最大開度Ｖｍａｘへと制御されていることが分かる。
上記の第１実施形態では、排気浄化装置のオリフィス構造２３を排気浄化触媒２１の下流側の排気通路である排気管２２に設けている。しかし、より早い温度上昇（＝圧力上昇）を考えた場合、排気ポート４に近い方がより温度（圧力）を高めやすいので、排気浄化触媒２１の上流側の排気通路で、しかも二次空気供給装置３０のノズル３１付近にオリフィス構造を設ける構成が好ましいと言える。このような構成の第２実施形態を図５に示す。なお、第１実施形態と共通の部分には同じ符号を付し、重複説明は省略する。
【００２３】
第２実施形態に係る排気浄化装置のオリフィス構造２３’は、排気ポート４直下の排気マニホールド２０に設置されている。そして、排気ポート４とオリフィス構造２３’との間に、排気温度を計測する排気温度センサ２４’が設けられ、これに計測される排気温度Texに従いオリフィス構造２３’の開度Ｖが制御される。本例の場合、各気筒毎にスロットル形状のオリフィス構造２３’が設けられ、その軸及びバルブアクチュエータは全気筒共通とされている。なお、本例でも上述同様、排気温度センサに代えて排気圧力センサやタイマによる制御とすることも可能である。
【００２４】
このように、排気ポート４の直下にオリフィス構造２３’を介装することで、オリフィス構造２３’より上流側の容積が小さくなるので、高い圧力（＝温度）をより早く得やすくなる（触媒活性時間の短縮）。また、スロットル形状のオリフィス構造２３’で排気の流れに乱れが生じ、これにより二次空気と排気の混合が促進され、排気浄化触媒２１の上流において未燃成分を燃焼させることがさらに確実となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置を備えたエンジンの概略図。
【図２】排気を絞ったときと絞らないときとで昇温効果が逆転する排気温度のしきい値を説明するグラフ。
【図３】本発明の実施形態で実行される二次空気供給及び排気昇温制御のフローチャート。
【図４】エンジン始動時から暖機完了時までの排気温度、冷却水の水温、二次空気供給のオンオフ、オリフィス構造の開度の各推移を示したグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置を備えたエンジンの概略図。
【符号の説明】
【００２６】
４  排気ポート
６  ＥＣＵ（制御手段）
２０  排気マニホールド
２１  排気浄化触媒（マニホールド触媒）
２２  排気管
２３  オリフィス構造（排気浄化装置）
２４  排気温度センサ
３０  二次空気供給装置
３１  二次空気噴射ノズル
３２  エアポンプ
３３  バルブ
【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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