(57)【要約】【課題】ＭＭＴ（ＭＥＴＨＹＬＣＹＣＬＯＰＥＮＴＡＤＩＥＮＹＬ  ＭＡＮＧＡＮＥＳＥ  ＴＲＩＣＡＲＢＯＮＹＬ）を含むガソリン燃料を用いる内燃機関において、排気ガスに含まれるマンガン酸化物が凝縮水によって凝集固着することで、触媒上流の背圧が大きく上昇するのを解消できるようにした、内燃機関の排気ガス浄化装置を開示する。【解決手段】内燃機関は、排気通路に介装される排気ガス浄化用の触媒８０、９０と、触媒の上流側に位置するヒータ８１、８２と、ヒータの上流側に位置するバタフライ型のシャッターバルブ８３、８４とを備える。ＥＣＵ１４０の判断部１４２が内燃機関が冷間状態と判断する間は、凝縮水を気化させるために、制御部１４１はヒータへの通電信号とシャッターバルブの閉鎖信号とを発する。冷間状態が解消したと判断したときには、凝縮水は存在しなくなっているので、制御部１４１はヒータへの通電を停止する信号とシャッターバルブを開く信号とを発するようにする。【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介装される排気ガス浄化用の触媒と、
前記触媒の上流側に位置するヒータと、
前記ヒータの上流側に位置するバタフライ型のシャッターバルブと、
前記ヒータへの通電と前記シャッターバルブの開閉を制御する制御部と、
前記内燃機関が冷間状態かどうかを判断する判断部と、を少なくとも備えており、
前記判断部が冷間状態と判断している間は、前記制御部は前記ヒータへの通電信号と前記シャッターバルブの閉鎖信号とを発し、冷間状態が解消したと判断したときには、前記制御部は前記ヒータへの通電を停止する信号と前記シャッターバルブを開く信号とを発することを特徴とする、
内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に、排気ガス浄化用触媒に詰まりが生じて圧損が増加するのを回避できるようにした内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガス通路には、排気ガス浄化用の触媒を備えた排気ガス浄化装置が設けられている。一般、触媒が触媒作用を発揮するためには、活性化温度に達している必要がある。そのために、冷間始動時から触媒が活性化温度に昇温されるまでの間は、十分な排気浄化作用が望めない。それを解消できるようにした排気ガス浄化装置が特許文献１等に記載されている。特許文献１では、冷間運転時での浄化性を向上させるために、排気シャッターバルブを備えたメイン排気通路に合流するバイパス排気通路を設け、バイパス排気通路中に小容量の触媒を設けるようにしている。冷間運転時に排気ガスをバイパス排気通路側に案内することで、早期に触媒を活性化温度まで昇温することを可能にするとともに、排気シャッターバルブの開度を制御することで、排気通路に生じる凝縮水の飛散によってセンサの素子に割れが生じたり、触媒担体にクラックが発生したり脆化するのも阻止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２１５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の燃料として、オクタン価向上剤としてＭＭＴ（ＭＥＴＨＹＬＣＹＣＬＯＰＥＮＴＡＤＩＥＮＹＬ  ＭＡＮＧＡＮＥＳＥ  ＴＲＩＣＡＲＢＯＮＹＬ）を含んだ燃料が提案されている。ＭＭＴを含んだガソリン燃料は、内燃機関の燃焼室内で燃焼してマンガン酸化物を生成する。そして、マンガン酸化物はその他の排気物とともに排気ガスを形成する。マンガン酸化物を含む排気ガスは、触媒を担持したハニカム担体を通過する過程で、ＣＯやＨＣを酸化させ、ＮＯｘを還元することで、排気ガスを浄化する。
【０００５】
本発明者らは、ＭＭＴを含むガソリン燃料を用いた内燃機関の排気ガス浄化装置について、多くの実験と研究を行ってきているが、その過程で、次のような事象が生じるのを経験した。
【０００６】
（１）前記排気ガス中のマンガン酸化物の一部は、排気ガス浄化装置内を通過するときに、触媒を担持したハニカム担体のガス入口端面に付着して堆積すること。
（２）通常は、付着し堆積したマンガン酸化物は、車両の走行中の振動や排気ガスの圧力で脱落するために、内燃機関の運転に支障をきたすような一定以上の背圧の上昇は生じないこと。
（３）一方において、粒径の細かなマンガン酸化物（例えば、粒子径が１５μｍ以下のマンガン酸化物）が濡れた状態となると、マンガン粒子同士が凝集固着する傾向があることから、そのような粒径の細かいマンガン酸化物が触媒を担持したハニカム担体の入り口端面や内部に付着し堆積しているときに、マンガン酸化物に濡れが生じると、その凝集固着の力によって走行振動や排気ガス圧力によっては触媒から段落することがほとんどなくなり、走行に影響を与えるほどに触媒上流の背圧が上昇すること。
（４）実際の内燃機関の運転では、内燃機関や排気管が冷えた状態で始動させたとき、すなわち冷間始動時に、排気管に凝集水が発生しやすく、その凝集水が触媒を担持したハニカム担体上のマンガン酸化物に凝集固着を生じさせる原因となること。
【０００７】
本発明は、上記した本発明者らが実験を通して得た知見に基づいてなされたものであり、内燃機関、特に、ＭＭＴを含むガソリン燃料を用いる内燃機関において、特に冷間運転時に、排気ガスに含まれるマンガン酸化物の凝集固着に起因して、触媒上流の背圧が大きく上昇するのを解消できるようにした、内燃機関の排気ガス浄化装置を開示することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装される排気ガス浄化用の触媒と、前記触媒の上流側に位置するヒータと、前記ヒータの上流側に位置するバタフライ型のシャッターバルブと、前記ヒータへの通電と前記シャッターバルブの開閉を制御する制御部と、前記内燃機関が冷間状態かどうかを判断する判断部と、を少なくとも備えており、前記判断部が冷間状態と判断している間は、前記制御部は前記ヒータへの通電信号と前記シャッターバルブの閉鎖信号とを発し、冷間状態が解消したと判断したときには、前記制御部は前記ヒータへの通電を停止する信号と前記シャッターバルブを開く信号とを発することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷間運転時に、触媒よりも上流側において排気通路内に凝縮水が生じている場合、シャッターバルブが閉じていることで、凝縮水は排気通路の周囲壁側に案内され、そこからのヒータ上に落下する。そして、そこで気化する。そのために、凝縮水が触媒を担持したハニカム担体にまで達することはほとんどなく、ＭＭＴを含むガソリン燃料を用いる内燃機関において、触媒を担持したハニカム担体のガス入口や内部にマンガン酸化物が堆積しているときでも、そのマンガン酸化物が、凝縮水によって凝集固着するのを回避できる。それにより、運転時に、走行に影響を与えるほどに触媒上流の背圧が上昇することは生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による内燃機関の排気ガス浄化装置を備えた内燃機関システムの概略構成図。
【図２】ヒータの一例を示す平面図。
【図３】制御時でのフローチャートの一例。
【図４】排気ガス中のマンガン酸化物が凝集固着するときの平均粒径と加熱温度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置を備えた内燃機関システムの概略構成図である。図で、５０は、単気筒もしくは多気筒のエンジン（内燃機関）であり、吸気側にインテークマニホールド４０、排気側にエキゾーストマニホールド６０を備える。インテークマニホールド４０の上流側には、エアクリーナ１０、吸気管２０、およびスロットルシャッターバルブ３０等を備える。
【００１３】
エキゾーストマニホールド６０の下流には、第１排気管７０、上流側触媒コンバーター（スタートコンバーター）８０、および下流側触媒コンバーター（アンダーフロアーコンバーター）９０等を備える。上流側触媒コンバーター８０の出側と下流側触媒コンバーター９０の入側とは第２排気管７１で接続している。第１排気管７０における上流側触媒コンバーター８０の近傍には第１温度センサ１００が備えられ、第２排気管７１における下流側触媒コンバーター９０の近傍には第２温度センサ１１０が備えられる。
【００１４】
インテークマニホールド４０とエキゾーストマニホールド６０にはエンジン冷却水用の循環管路１２０が配設されており、該循環管路１２０はラジエータ１３０を備える。
【００１５】
第１排気管７０における上流側触媒コンバーター８０の直上流位置には、第１ヒータ８１が備えられ、第２排気管７１における下流側触媒コンバーター９０の直上流位置には、第２ヒータ８２が備えられる。
【００１６】
そして、第１排気管７０における第１ヒータ８１と第１温度センサ１００との間には、第１シャッターバルブ８３が備えられ、第２排気管７１における第２ヒータ８２と第２温度センサ１１０との間には、第２シャッターバルブ８４が備えられる。さらに、エンジン冷却水用の循環管路１２０におけるラジエータ１３０への冷却水流入口近傍には、第３温度センサ１２１が備えられる。
【００１７】
内燃機関システムは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４０を備える。ＥＣＵ１４０は、従来知られたＥＣＵに備えられた制御機構に加えて、第１ヒータ８１および第２ヒータ８２への通電の断続、および、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４の開度を制御する制御部１４１と、第１温度センサ１００、第２温度センサ１１０、および第３温度センサ１２１からの温度情報に基づいて、エンジン５０の運転状態が冷間状態かどうかを判断する判断部１４２とをさらに備える。
【００１８】
上流側触媒コンバーター８０および下流側触媒コンバーター９０は、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘといった大気汚染物質を除去するためのものであり、触媒物質を担持したセルで構成されるハニカム担体を主要素としている。
【００１９】
第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４は、一般にスロットルバルブとして用いられているいわゆるバタフライ型のシャッターバルブであり、シャッターバルブが流体の流れ方向に直交した状態で閉じた（閉鎖した）状態となる。そして、閉じた状態においても、流体の流れが完全に遮断されるのではなく、シャッターバルブの外周縁とガス通路の間に形成される隙間から、一定量の流体が流れるようになっている。シャッターバルブの傾斜角度が変化していくことで、シャッターバルブを透過する流体量は次第に増加していき、バルブが流体の流れ方向と平行となったときが全開の状態であり、流量は最大となる。
【００２０】
この例において、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２は、排気管の管壁から内側に向けて突起するように配置されている。ヒータは、好ましくは、図２に示すように、網目状のヒータである。網目状であることで、排気ガスは、より抵抗の少ない状態でヒータを通過しやすくなる。下流側触媒コンバーター９０の直上流位置に設ける第２ヒータ８２においては、網目のメッシュサイズは、触媒物質を担持したセルの大きさよりも大きいことが望ましい。理由は、上流側触媒コンバーター８０に担持されている触媒のセルが脱落して排気ガスとともに流下してくることが起こり得るが、メッシュサイズがセルよりも小さいと、ヒータ上に堆積してしまい、排気ガスの流れを拘束する要因となることによる。
【００２１】
図示しないが、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２は、排気管の管壁から内側に向けて突起する形状ではなく、排気管の管壁に沿うようにして配置されていてもよい。その場合には、ヒータは排気ガスの流れに対する抵抗体とはほとんどならないので、網目状でなくてもよい。
【００２２】
次に、本実施の形態において、上流側触媒コンバーター８０を例として、その上流に設けた第１シャッターバルブ８３が閉じた状態にあるときでの、排気ガスの流れを説明する。第１シャッターバルブ８３の上流から流れてくる排気ガスは、第１シャッターバルブ８３が閉じていることで、第１シャッターバルブ８３の外周縁に向けて移動していき、第１シャッターバルブ８３の外周縁と第１排気管７０の内壁面との間に形成される隙間から、第１排気管７０の内壁面に沿って流下していく。そして、隙間を通って流下した排気ガスは、第１ヒータ８１に衝接する。第１ヒータ８１が加熱されていれば、排気ガスが水分（凝縮水）を含んでいても、その水分は第１ヒータ８１によって気化される。そのために、第１ヒータ８１を通過した後の排気ガスは、乾燥した状態で上流側触媒コンバーター８０の触媒を担持したハニカム担体内を通過することとなる。
【００２３】
そのために、エンジン５０が、燃料として、ＭＭＴを含んだガソリン燃料を用いる場合において、ハニカム担体のガス入口端面に、マンガン酸化物の細かい粒子が付着堆積している場合であっても、排気ガスに含まれる凝縮水によって付着堆積した微粒子が凝集固着した状態となることはない。結果、付着堆積したマンガン酸化物の微粒子は、車両の走行中の振動や排気ガスの圧力で容易に脱落する。それにより、エンジン５０の運転に支障をきたすような一定以上の背圧の上昇が、上流側触媒コンバーター８０の上流側に生じることは回避される。なお、上記の作用は、下流側触媒コンバーター９０においても、同様にして奏される。
【００２４】
次に、上記した内燃機関の運転システムの基本的な作動の一例を、図３を用いて説明する。前記したように、ＭＭＴを含んだガソリン燃料を用いる場合、排気ガス中には、マンガン酸化物が含まれる。そして、排気ガス中のマンガン酸化物の一部は、上流側触媒コンバーター８０、さらには下流側触媒コンバーター９０における、触媒を担持したハニカム担体のガス入口端面に付着して堆積する。マンガン酸化物の粒径が小さくかつ触媒床温が低い場合にあって、付着堆積しているマンガン酸化物に水分が当たり濡れた状態となると、マンガン酸化物は凝集固着した状態となる。本実施の形態による内燃機関の排気ガス浄化装置は、その不都合を解消する。
【００２５】
最初に、図３のステップ１００において、エンジン５０を作動させるために、ＩＧ（イグニッション）をＯＮする。なお、この時点では、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４は、ともに、全開状態、すなわち、第１排気管７０および第２排気管７１の軸線方向に平行になっている。
【００２６】
ＯＮと同時に、ＥＣＵ１４０は、第３温度センサ１２１の温度情報をエンジン水温Ｔ０として記憶し、第１温度センサ１００の温度情報を第１排気管温度Ｔ１として記憶し、第２温度センサ１１０の温度情報を第２排気管温度Ｔ２として記憶する。第１排気管温度Ｔ１および第２排気管温度Ｔ２は、そこを流れる排気ガスの温度である。
【００２７】
そして、ステップ１１０において、ＥＣＵ１４０は、測定された温度Ｔ０が設定温度ＴＥ（例えば４０℃）以下かどうか、測定された温度Ｔ１、Ｔ２が設定温度ＴＧ（例えば５５℃）以下かどうか、を判断する。設定温度を超えた場合には、暖気運転であり、第１排気管７０および第２排気管７１において凝縮水の発生はない可能性が高いので、ＥＣＵ１４０は、ＩＧをＯＦＦとし、エンジンの運転を継続する（ステップ１１０でＮＯ）。
【００２８】
測定された温度Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２のいずれかがそれぞれの設定温度ＴＥ、ＴＧ以下の場合には、冷間状態であり、排気管内に凝縮水が発生する可能性が高いので、ステップ１２０において、ＥＣＵ１４０は、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２のいずれか一方または双方の通電をＯＮとするとともに、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４を、ともに全閉状態、すなわち、第１排気管７０および第２排気管７１の軸線方向に直交する方向に操作する。具体的には、次のような運転態様を例示できる。
【００２９】
（１）例えば、第３温度センサ１２１が測定したエンジン水温Ｔ０が設定温度ＴＥ：４０℃以下の場合には、冷間でのエンジンの始動であり、第１排気管７０および第２排気管７１に凝縮水が発生する可能性は高いので、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２の双方に通電し、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４を閉じた状態として、運転を継続する。
【００３０】
（２）第３温度センサ１２１が測定したエンジン水温Ｔ０が設定温度ＴＥ：４０℃を超えていても、第１温度センサ１００が計測する第１排気管温度Ｔ１と第２温度センサ１１０が計測する第２排気管温度Ｔ２とが、ともに設定温度ＴＧ：５５℃以下の場合には、第１排気管７０および第２排気管７１に凝縮水が発生している可能性は高いので、この場合にも、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２の双方に通電するとともに、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４を閉じた状態として、運転を継続する。
【００３１】
（３）第３温度センサ１２１が測定したエンジン水温Ｔ０が設定温度ＴＥ：４０℃を超えており、第１温度センサ１００が計測した第１排気管温度Ｔ１が設定温度ＴＧ：５５℃を超えている場合でも、第２温度センサ１１０が計測した第２排気管温度Ｔ２が設定温度ＴＧ：５５℃以下の場合には、第２排気管７１に凝縮水が発生している可能性は高いので、この場合には、第１ヒータ８１の通電を停止するとともに、第１シャッターバルブ８３を次第に開の姿勢に移行させる。そして、第２シャッターバルブ８４を全閉状態とし、第２ヒータ８２のみに通電を継続する。
そして、ステップ１３０において、ＥＣＵ１４０は、第３温度センサ１２１が測定したエンジン水温Ｔ０が設定温度ＴＥ：４０℃を超え、測定された温度Ｔ１、Ｔ２が設定温度ＴＧ：５５℃を超えたと判断したときに、第２シャッターバルブ８４を次第に開の姿勢に移行させるとともに、ステップ１４０において、ヒータ通電をＯＦＦとする。
【００３２】
上記のような制御を行うことで、ＭＭＴを含むガソリン燃料を用いる場合であっても、運転時に、走行に影響を与えるほどに触媒上流の背圧が上昇することを回避することが可能となる。
【００３３】
なお、ステップ１３０において、第１排気管温度Ｔ１および第２排気管温度Ｔ２が設定温度ＴＧを超えたかどうかを判断するのではなく、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２の温度があらかじめ設定した温度に達したかどうかを判断し、達したと判断したときに、ステップ１４０に進むようにしてもよい。貯留水がヒータによって気化されている間は、気化熱によってヒータ温度は所定温度にまで到達せず、貯留水のヒータへの到達がなくなって時短で、第１ヒータ８１と第２ヒータ８２は所定の温度に達することとなるからである。
【００３４】
図４のグラフは、本発明者らが実験を通して得た、排気ガス中のマンガン酸化物が凝集固着するときの平均粒径と加熱温度との関係を示している。実験では、マンガン酸化物が平均粒径１５μｍ程度以下のときであって、触媒床温が４００℃程度以下の場合に、凝集固着が発生しやすかった。しかし、触媒床温が４００℃程度よりも高くなっていると、マンガン酸化物の１次粒子は２次粒子へと成長して粒径が大きくなるために、凝集固着はほとんど観察されなかった。
【００３５】
このことから、平均粒径１５μｍ程度以下のマンガン酸化物が発生しやすい運転状況（高回転・高負荷時での運転）にあるとき、ヒータ（第１ヒータ８１、第２ヒータ８２）の温度を高くして、触媒温度を高い温度（例えば、４００℃程度以上）に維持することは、背圧上昇防止には有効であることがわかる。
【００３６】
図示しないが、排気ガスに含まれる凝縮水を気化させる手段として、第１シャッターバルブ８３および第２シャッターバルブ８４の表面に適宜のヒータを付加的に設置することも、有効な手段である。さらに、図１に示した実施の形態では、上流側触媒コンバーター８０の下流に下流側触媒コンバーター９０を直列に配置しているが、上流側触媒コンバーター８０のみであっても、所期の目的は達成可能である。また、上流側触媒コンバーター８０の下流に下流側触媒コンバーター９０を直列に配置している態様において、下流側触媒コンバーター９０に設けた第２温度センサ１１０、第２シャッターバルブ８４、および第２ヒータ８２を省略しても、所期の目的は高い割合で達成可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…エアクリーナ、
２０…吸気管、
３０…スロットルシャッターバルブ、
４０…インテークマニホールド、
５０…エンジン（内燃機関）、
６０…エキゾーストマニホールド、
７０…第１排気管、
７１…第２排気管、
８０…上流側触媒コンバーター（スタートコンバーター）、
８１…第１ヒータ、
８２…第２ヒータ、
８３…第１シャッターバルブ、
８４…第２シャッターバルブ、
９０…下流側触媒コンバーター（アンダーフロアーコンバーター）、
１００…第１温度センサ、
１１０…第２温度センサ、
１２０…エンジン冷却水用の循環管路、
１３０…ラジエータ、
１２１…第３温度センサ、
１４０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、
１４１…制御部、
１４２…判断部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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