(57)【要約】【課題】触媒の劣化を抑制しつつ、排気性能を向上させる。【解決手段】内燃機関１の排気装置３であって、内燃機関１から排出された排気を浄化する第１触媒３２と、第１触媒３２を冷却する冷却器３３と、第１触媒３２に近接して設けられ、第１触媒３２から排出された排気を浄化する第２触媒３４と、を備え、第１触媒３２の熱容量が第２触媒３４の熱容量よりも小さいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気装置であって、
前記内燃機関から排出された排気を浄化する第１触媒と、
前記第１触媒を冷却する冷却器と、
前記第１触媒に近接して設けられ、前記第１触媒から排出された排気を浄化する第２触媒と、
を備え、
前記第１触媒の熱容量が、前記第２触媒の熱容量よりも小さい、
ことを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
前記第１触媒の担体の実開口面積は、前記第２触媒の担体の実開口面積よりも大きい、
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】
前記冷却器は、前記第１触媒の外周部に設けられる、
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装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、車両の運転状態に応じて気筒内での燃焼を一時的に停止する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
前記冷却器は、冷媒が循環する冷媒通路を内部に備え、
前記冷媒通路に存在する冷媒を沸点温度まで上昇させるために必要な熱量が、前記内燃機関の気筒内での燃焼を一時的に停止させたときに前記第１触媒が持つ熱量よりも大きくなるように、前記冷媒通路の容量及び冷媒の種類を設定する、
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。
【請求項６】
前記冷却器は、冷媒が循環する冷媒通路を内部に備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気装置。
【請求項７】
前記冷媒通路を循環する冷媒の流量を調整する流量調整器を備える、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の排気装置は、排気ポートから排出された排気を、排気マニホールド内に設けられた触媒を通過させた後に、冷却装置によって冷却していた。これにより、エンジン始動時の排気性能を向上させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１７９９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の内燃機関の排気装置では、排気が高温となるエンジン高負荷時に、触媒温度が過度に上昇して触媒が劣化するおそれがあるという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、エンジン始動時の排気性能を向上させつつ、エンジン高負荷時における触媒の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関から排出された排気を浄化する第１触媒と、第１触媒を冷却する冷却器と、第１触媒に近接して設けられ、第１触媒から排出された排気を浄化する第２触媒と、を備える内燃機関の排気装置である。そして、その内燃機関の排気装置において、第１触媒の熱容量が第２触媒の熱容量よりも小さくする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱容量の小さい第１触媒を早期に昇温させることができるので、エンジン始動時における排気性能を向上させることができる。また、冷却器によって第１触媒を冷却することができるので、エンジン高負荷時における触媒の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成図である。
【図２】第１マニホールド触媒と第２マニホールド触媒の相違点について説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態による排気装置の作用及び効果について説明する図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるエンジンの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態によるエンジン１の概略構成図である。
【００１１】
エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、を備え、車両のエンジンルーム内に搭載される。
【００１２】
シリンダブロック１１は、シリンダ部１１ａとクランクケース部１１ｂとを備える。
【００１３】
シリンダ部１１ａには、複数のシリンダ１１０が形成される。シリンダ１１０の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１１０の内部を往復運動するピストン１１１が収められる。
【００１４】
クランクケース部１１ｂは、シリンダ部１１ａの下方に形成される。クランクケース部１１ｂは、クランクシャフト１１２を回転自在に支持する。クランクシャフト１１２は、ピストン１１１の往復運動をコンロッド１１３を介して回転運動に変換する。
【００１５】
シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上面に取り付けられ、シリンダ１１０及びピストン１１１とともに燃焼室１３の一部を形成する。
【００１６】
シリンダヘッド１２には、吸気マニホールド２４に接続されて燃焼室１３の頂壁に開口する吸気ポート１２０と、排気マニホールド３１に接続されて燃焼室１３の頂壁に開口する排気ポート１２１と、が形成され、燃焼室１３の頂壁中央に臨むように点火栓１２２が設けられる。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１３と吸気ポート１２０との開口を開閉する吸気弁１２３と、燃焼室１３と排気ポート１２１との開口を開閉する排気弁１２４と、が設けられる。さらに、シリンダヘッド１２には、吸気弁１２３を開閉駆動する吸気カムシャフト１２５と、排気弁１２４を開閉駆動する排気カムシャフト１２６と、が設けられる。
【００１７】
シリンダブロック１１のシリンダ部１１ａ及びシリンダヘッド１２には、シリンダ１１０及び燃焼室１３の周りを冷却するための冷却水が循環するウォータジャケット１１４，１２７が設けられる。
【００１８】
エンジン１の吸気装置２は、必要量の吸気をエンジン１に導入する装置であって、エアクリーナ２１と、エアフローメータ２２と、電子制御式のスロットル弁２３と、吸気マニホールド２４と、燃料噴射弁２５と、を備える。
【００１９】
エアクリーナ２１は、吸気中に含まれる砂などの異物を除去する。
【００２０】
エアフローメータ２２は、吸気量を検出する。
【００２１】
スロットル弁２３は、吸気通路２０の通路段面積を連続的又は段階的に変化させることで、各シリンダ１１０に吸入される吸気量を調整する。スロットル弁２３は、スロットルアクチュエータ２６によって開閉駆動され、スロットルセンサ２７によってその開度（以下「スロットル開度」という。）が検出される。
【００２２】
吸気マニホールド２４は、エンジン１の吸気ポート１２０に接続され、スロットル弁２３を介して流入してきた吸気を各シリンダ１１０へ均等に分配して導入する。
【００２３】
燃料噴射弁２５は、エンジン１の運転状態に応じて吸気ポート１２０に向けて燃料を噴射する。
【００２４】
エンジン１の排気装置３は、エンジン１から排出される排気中の有害物質を無害な物質に転換した上で外気に排出する装置であって、排気マニホールド３１と、第１マニホールド触媒３２と、冷却器３３と、第２マニホールド触媒３４と、床下触媒３５と、を備える。
【００２５】
排気マニホールド３１は、エンジン１の排気ポート１２１に接続され、各シリンダ１１０から排出された排気をまとめた上で、第１マニホールド触媒３２に導入する。
【００２６】
第１マニホールド触媒３２は、排気マニホールド３１に接続されて、車両のエンジンルーム内に配置される。第１マニホールド触媒３２は、格子状の担体の表面に三元触媒を担持させたもので、排気中の炭化水素や窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を、三元触媒によって無害な物質に転換して排出する。
【００２７】
冷却器３３は、第１マニホールド触媒３２の外周を覆うように設けられ、内部に形成されたウォータジャケット３３１を流れる冷却水によって第１マニホールド触媒３２を冷却する。
【００２８】
ウォータジャケット３３１は、冷却水導入配管３３２によって、冷却水の入口側となるシリンダブロック１１のウォータジャケット１１４と連通している。これにより、ウォータジャケット３３１には、ウォータポンプ（図示せず）によって圧送されてシリンダブロック１１のウォータジャケット１１４に導入された冷却水の一部が導入される。
【００２９】
また、ウォータジャケット３３１は、冷却水排出配管３３３によって、冷却水の出口側となるシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７と連通している。これにより、冷却水導入配管３３２からウォータジャケット３３１に導入された冷却水は、冷却水排出配管３３３を介してシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７に戻される。
【００３０】
第２マニホールド触媒３４は、第１マニホールド触媒３２に近接させて設けられ、車両のエンジンルーム内に配置される。第２マニホールド触媒３４は、格子状の担体の表面に三元触媒を担持させたもので、排気中の炭化水素や窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を、三元触媒によって無害な物質に転換して排出する。第１マニホールド触媒３２及び第２マニホールド触媒３４の相違点については、図２を参照して後述する。
【００３１】
床下触媒３５は、車両の床下に設けられる。床下触媒３５は、格子状の担体の表面に三元触媒を担持させたもので、排気中の炭化水素や窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を、三元触媒によって無害な物質に転換して排出する。床下触媒３５から排出された排気は、排気騒音を低減させるマフラ（図示せず）を介して外気に排出される。
【００３２】
コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００３３】
コントローラ４には、前述したエアフローメータ２２やスロットルセンサ２７からの検出信号のほか、ウォータジャケット１１４を流れる冷却水の温度（以下「エンジン水温」という。）を検出する水温センサ４１、クランク角に基づいてエンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３などのエンジン１の運転状態を検出する各種センサからの検出信号が入力される。
【００３４】
コントローラ４は、検出したエンジン１の運転状態に基づいて、スロットル開度や燃料噴射量、点火時期などを最適に制御する。例えば車両減速時などの所定の運転状態になると、各シリンダ１１０への燃料噴射を停止する燃料カット制御を実施して燃費の向上を図っている。
【００３５】
また、コントローラ４は、例えば信号待ちによって車両が停止したときなどに、所定のエンジン停止条件が成立していればエンジン１を自動停止させ、その後、所定のエンジン再始動条件が成立すればエンジン１を再始動させるアイドルストップ制御を実施する。
【００３６】
エンジン停止条件としては、アクセル操作量が所定量より小さいこと、ブレーキペダルが踏み込まれていること、車速が所定値よりも小さいことなどがある。エンジン再始動条件としては、アクセル操作量が所定量より大きいこと、ブレーキペダルが踏み込まれていないことなどがある。
【００３７】
図２は、第１マニホールド触媒３２と第２マニホールド触媒３４の相違点について説明する図である。図２（Ａ）は、第１マニホールド触媒３２の要部断面図である。図２（Ｂ）は、第２マニホールド触媒３４の要部断面図である。
【００３８】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１マニホールド触媒３２は、三元触媒を担持している担体の実開口面積が、第２マニホールド触媒３４の実開口面積よりも大きくなるように形成される。つまり、目の粗い担体を第１マニホールド触媒３２に使用し、目の細かい担体を第２マニホールド触媒３４に使用する。なお、本実施形態における実開口面積とは、三元触媒を担持している担体の格子数をｎ、格子の縦方向長さをＨ、格子の横方向長さをＷとしたときに、以下の（１）式によって定義される値である。
【００３９】
実開口面積＝Ｈ×Ｗ×ｎ  …（１）
【００４０】
また、第１マニホールド触媒３２は、三元触媒を担持している担体の表面積が、第２マニホールド触媒３４の表面積よりも小さくように形成される。つまり、第１マニホールド触媒３２の熱容量を、第２マニホールド触媒３４の熱容量よりも小さくする。なお、本実施形態における表面積とは、三元触媒を担持している担体の格子数をｎ、格子の縦方向長さをＨ、格子の横方向長さをＷ、格子の奥行き（担体の長さ）をＤとしたときに、以下の（２）式によって定義される値である。
【００４１】
表面積＝２（Ｈ＋Ｗ）×Ｄ×ｎ  …（２）
【００４２】
第１マニホールド触媒３２の実開口面積を第２マニホールド触媒３４の実開口面積よりも大きくすることで、第１マニホールド触媒３２の排気抵抗を抑えて第１マニホールド触媒３２内の排気抜けを良くすることができる。そして、第２マニホールド触媒３４の排気抵抗が第１マニホールド触媒３２の排気抵抗よりも大きくなるので、第１マニホールド触媒３２から排出された排気が第２マニホールド触媒３４の入口で反射して、排気反射波が生じる。そのため、第１マニホールド触媒３２の下流域で排気の滞留が生じる。
【００４３】
このように、第１マニホールド触媒３２の排気抜けを良くしつつ、第１マニホールド触媒３２の下流域で排気の滞留を生じさせることで、エンジン始動時時などの比較的エンジン回転速度が低く、排気流量が少ない運転領域においても、早期に第１マニホールド触媒３２の活性化を図ることができる。
【００４４】
また、第１マニホールド触媒３２の熱容量を、第２マニホールド触媒３４の熱容量よりも小さくすることで、第１マニホールド触媒３２の早期活性化をさらに促進させることができる。なお、第１マニホールド触媒３２の担体の表面積を小さくすることで第１マニホールド触媒３２の熱容量を小さくしているが、初期の触媒活性化に要する時間は短時間（数秒程度）であり、表面積が小さいことによる総受熱量の低下は大きな問題ではなく、触媒表面の活性化は十分になされる。
【００４５】
図３は、本実施形態によるエンジン１の排気装置３の作用及び効果について説明する図である。
【００４６】
時刻ｔ１でエンジン１が始動されると、時間の経過と共に第１マニホールド触媒３２、第２マニホールド触媒３４及び床下触媒３５の温度が上昇していく。
【００４７】
このとき、本実施形態では、第１マニホールド触媒３２の熱容量を第２マニホールド触媒３４の熱容量よりも小さくしたので、第２マニホールド触媒３４と比較して第１マニホールド触媒３２の温度を速やかに昇温させることができる。そしてさらに、本実施形態では、第１マニホールド触媒３２の実開口面積を第２マニホールド触媒３４の実開口面積よりも大きくしたので、第１マニホールド触媒３２の排気抜けを良くしつつ、第１マニホールド触媒３２の下流域で排気の滞留を生じさせることができる。そのため、エンジン始動時などの比較的エンジン回転速度が低く、排気流量が少ない運転領域においても、第１マニホールド触媒３２の温度を速やかに昇温させることができる。
【００４８】
その結果、エンジン始動後、非常に速やかに第１マニホールド触媒３２の温度を活性化温度（３００℃〜４００℃程度）まで上昇させることができるので、エンジン始動時における排気性能を向上させることができる。また、第２マニホールド触媒３４も、排気装置３の上流に位置する第１マニホールド触媒３２に近接して設けられ、高温環境下にあるエンジンルーム内に配置されているので、第１マニホールド触媒３２に続いて速やかに昇温させることができる。
【００４９】
一方、エンジン始動後、車両の走行が開始されると、排気装置３の上流に位置する第１マニホールド触媒３２は、エンジン高負荷時に特に高温の排気に晒されることになる。そのため、前述のようにエンジン始動時における排気性能を向上させるために第１マニホールド触媒３２の熱容量を小さくすると、エンジン高負荷時に第１マニホールド触媒３２の温度が過度に上昇して劣化するおそれがある。
【００５０】
これに対して、本実施形態では、第１マニホールド触媒３２の外周部に冷却器３３を設けたので、エンジン高負荷時に第１マニホールド触媒３２の温度が過度に上昇するのを抑制できる。したがって、時刻ｔ２以降に示すように、車両走行時においても第１マニホールド触媒３２の温度を定常温度（７００℃程度）に維持することができ、第１マニホールド触媒３２の劣化を抑制することができる。
【００５１】
また、冷却器３３は第１マニホールド触媒３２の外周部に設けられているので、排気の流れを阻害せず、第１マニホールド触媒３２の排気効率を低下させることもない。
【００５２】
時刻ｔ３で、アイドルストップ制御や燃料カット制御などの、車両の停車中や走行中に一時的に混合気の燃焼を停止させる制御が実施されると、エンジンから燃焼ガスが排出されなくなるので、時間の経過と共に第１マニホールド触媒３２、第２マニホールド触媒３４及び床下触媒３５の温度が低下していく。
【００５３】
このとき、第１マニホールド触媒３２は、第２マニホールド触媒３４よりも熱容量が小さく、また、冷却器３３によって冷却されるので、比較的短時間で活性化温度を下回ってしまう。
【００５４】
これに対して、第２マニホールド触媒３４は、第１マニホールド触媒３２よりも熱容量が大きく、また高温環境下にあるエンジンルーム内に設けられているので、第１マニホールド触媒３２と比較して降温速度が遅い。そのため、アイドルストップ制御や燃料カット制御が実施された場合でも、比較的長時間、第２マニホールド触媒３４の温度を活性化温度以上に維持することができる。
【００５５】
そのため、第２マニホールド触媒３４の温度が活性化温度を下回るまでは、アイドルストップ制御や燃料カット制御を継続して実施することができるので、燃費を向上させることができる。また、ハイブリッド車両のようにエンジンを停止してモータの駆動力によって走行可能な車両の場合は、エンジン停止後も第２マニホールド触媒３４の温度を長時間活性化温度以上に維持することができるので、再始動時における排気性能の悪化を抑制することができる。
【００５６】
ここで、燃料カット中は、エンジン１のクランクシャフト１１２が車両の駆動輪によって連れ回されているので、ベルト等を介してクランクシャフト１１２によって駆動されるウォータポンプによって冷却水を循環させることができる。
【００５７】
しかしながら、アイドルストップ中（ハイブリッド車両においてはエンジン停止中）は、エンジン１のクランクシャフト１１２の回転が停止するのでウォータポンプを駆動することができず、冷却水を循環させることができない。そのため、冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水も循環させることができなくなる。
【００５８】
アイドルストップ中や燃料カット中は、第１マニホールド触媒３２の熱が冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水へと伝達されることになる。そうすると、冷却水の循環が行われないアイドルストップ中は、第１マニホールド触媒３２からの受熱によって冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水の温度が上昇し続け、沸点温度を超えてしまうおそれがある。
【００５９】
ここで、冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水を沸点温度まで上昇させるために必要な熱量Ｑ１は、冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水の熱容量をＣ１、冷却水の沸点温度をＴ１とすると、以下の（３）式で表される。
【００６０】
Ｑ１＝Ｃ１×（Ｔ１−定常時の冷却水温度（８０℃近傍））  …（３）
【００６１】
一方、アイドルストップ時に第１マニホールド触媒３２が持つと推定される熱量Ｑ２は、第１マニホールド触媒３２の熱容量をＣ２、アイドルストップ時における第１マニホールド触媒３２の予想温度（定常温度７００℃を想定）に所定のマージンを加えた余裕温度（７００℃＋α）をＴ２とすると、以下の（４）式で表される。
【００６２】
Ｑ２＝Ｃ２×（Ｔ２−定常時の冷却水温度（８０℃近傍））  …（４）
【００６３】
そこで、本実施形態では、冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水を沸点温度まで上昇させるために必要な熱量Ｑ１が、アイドルストップ時に第１マニホールド触媒３２が持つと推定される熱量Ｑ２よりも大きくなるように、冷却器３３のウォータジャケット３３１の容量（冷却器３３のウォータジャケット内の冷却水の熱容量Ｃ１）及び冷却水の種類（冷却水の沸点温度Ｔ１）を設定する。
【００６４】
これにより、第１マニホールド触媒３２の熱量が全て冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水に移ったとしても、冷却水の温度が沸点温度を超えることがない。よって、アイドルストップ中に冷却器３３のウォータジャケット３３１内の冷却水が沸騰するのを防止できる。
【００６５】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００６６】
例えば、図４に示すように、冷却水排出配管３３３に流量調整弁３３４を設け、冷却器３３を循環する冷却水の流量を調整できるようにしても良い。エンジン始動時において、冷却水の温度が所定温度以上になるまで流量調整弁３３４を閉じておくことで、エンジン始動時における冷却器３３の冷却効果を低減させることができる。よって、エンジン始動時における第１マニホールド触媒３２の昇温速度をより一層向上させることができる。
【００６７】
また、上記の実施形態では、シリンダブロック１１のウォータジャケット１１４に導入された冷却水の一部が冷却器３３のウォータジャケット３３１に導入されるように冷却水導入配管３３２を構成し、冷却器３３のウォータジャケット３３１に導入された冷却水がシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７に戻されるように冷却水排出配管３３３を構成したが、これに限られるものではない。両配管３３２，３３３は、それぞれの配管長が可能な限り短くなるように、エンジン１を循環する冷却水のうち相対的に低温な冷却水が冷却器３３のウォータジャケット３３１に導入されるように、また、相対的に高温な冷却水が循環しているエンジン１のウォータジャケットに冷却水が戻るように構成されれば良いものである。
【００６８】
また、上記の実施形態では、エンジン１の冷却水の一部を冷却器３３のウォータジャケット３３１に導入していたが、冷却器３３のウォータジャケット３３１に冷媒（冷却水や冷却ガス）を循環させる冷却装置を別途に設けても良い。その際、エンジンの冷却水を冷却するラジエータやウォータポンプ等を共用しても良い。
【００６９】
また、上記の実施形態では、ガソリンエンジンを例に説明したが、ディーゼルエンジンであっても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１        エンジン（内燃機関）
３        排気装置
３２      第１マニホールド触媒（第１触媒）
３３      冷却器
３３１    ウォータジャケット（冷媒通路）
３３４    流量調整弁（流量調整器）
３４      第２マニホールド触媒（第２触媒）
【図１】
2015165095.tif 000003
【図２】
2015165095.tif 000004
【図３】
2015165095.tif 000005
【図４】
2015165095.tif 000006