(57)【要約】【課題】浄化されていない排気が外部へ排出されることを防止する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、メイン触媒コンバータ８を備えた上中下流側メイン排気通路２、３、７と、上流側メイン排気通路と中下流メイン排気通路との接続部とを接続するバイパス排気通路１１、１４と、バイパス排気通路に備えられたバイパス触媒コンバータ１８と、バイパス排気通路の排気を流す第１通路開閉手段４と、中下流側メイン排気通路の接続部近傍の中流側メイン排気通路に設置された第２通路開閉手段１２とから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン排気通路と、
この複数の上流側メイン排気通路を集合して１本の通路に合流してなる中流側メイン排気通路と、
この中流側メイン排気通路の下流に接続される下流側メイン排気通路と、
下流側メイン排気通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
上流側メイン排気通路からそれぞれ分岐する上流側バイパス排気通路と、
この複数の上流側バイパス排気通路が１本の通路に合流してなり、かつ下流端が中流側メイン排気通路と下流側メイン排気通路の接続部に結合した下流側バイパス排気通路と、
この下流側バイパス排気通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
各気筒から排出された排気が前記上流側メイン排気通路から上流側バイパス排気通路へ流れるように前記上流側メイン排気通路の開閉を行う第１通路開閉手段と、
前記中流側メイン排気通路の開閉を行い、前記下流側メイン排気通路との接続部近傍の前記中流側メイン排気通路に設置された第２通路開閉手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第２通路開閉手段は、排気流れ方向下流側に回動して前記中流側メイン排気通路を開くことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
内燃機関の各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン排気通路と、
この複数の上流側メイン排気通路を集合して１本の通路に合流してなる中流側メイン排気通路と、
この中流側メイン排気通路の下流に接続される下流側メイン排気通路と、
下流側メイン排気通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
上流側メイン排気通路からそれぞれ分岐する上流側バイパス排気通路と、
この複数の上流側バイパス排気通路が１本の通路に合流してなり、かつ下流端が中流側メイン排気通路と下流側メイン排気通路の接続部に結合した下流側バイパス排気通路と、
この下流側バイパス排気通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
各気筒から排出された排気が上流側バイパス排気通路へ流れるように排気の流れる通路の切換を行う、前記上流側メイン排気通路に設置され、前記上流側通路の開閉を行う第１通路開閉手段と、
前記中流側メイン排気通路の開閉を行う第２通路開閉手段と、
前記第１通路開閉手段と前記第２通路開閉手段との間に前記第１通路開閉手段から漏洩した排気を前記内燃機関の吸気系に還流するＥＧＲ通路と、
このＥＧＲ通路の開閉を行うＥＧＲ制御弁と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１通路開閉手段から下流側に漏洩する排気の漏れ量を算出する排気漏れ量算出手段と、前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、算出された排気漏れ量に応じて前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御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浄化装置。
【請求項５】
前記排気漏れ量算出手段は、前記バイパス触媒コンバータの上流での空燃比を検出する第１空燃比センサと、メイン触媒コンバータ直上流での空燃比を検出する第２空燃比センサとを備え、前記コントローラは、前記第１、第２空燃比センサの検出値に基づき、排気の漏れ量を算出し、算出された排気漏れ量に応じて前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１通路開閉手段は、排気流れ方向上流側に回動して前記上流側メイン排気通路を開き、
前記第２通路開閉手段は、排気流れ方向下流側に回動して前記中流側メイン排気通路を開くことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気浄化装置、特に、メイン排気通路に配置されたメイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に、別の触媒コンバータを備えたバイパス排気通路側に排気を案内する内燃機関の排気浄化装置の改良に関する。
【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、メイン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、メイン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、熱劣化によるメイン触媒コンバータの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排気通路の上流側部分と並列にバイパス排気通路を設けるとともに、このバイパス排気通路に、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、バイパス排気通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２００５−３５１０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の排気浄化装置では、メイン排気通路として、各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン排気通路と、この複数の上流側メイン排気通路が１本の通路に合流してなる下流側メイン排気通路と、この下流側メイン排気通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、を備えている。また、バイパス排気通路として、上流側メイン排気通路からそれぞれ分岐する気筒毎の上流側バイパス排気通路と、この複数の上流側バイパス排気通路が１本の通路に合流してなる下流側バイパス排気通路と、この下流側バイパス排気通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、を備えている。下流側バイパス排気通路の下流端は、下流側メイン排気通路にメイン触媒コンバータ上流側の位置において接続している。そして、各気筒から排出された排気が上流側バイパス排気通路へ流れるように通路の切換を行う通路開閉手段を上流側メイン排気通路に備えている。
【０００５】
この従来の排気浄化装置では、通路開閉手段を各気筒に接続する上流側メイン排気通路毎に設置するため、通路開閉手段のシール性を担保することが難しく、排気が通路開閉手段の下流に漏れ、メイン触媒コンバータが活性状態にない場合には、浄化されていない排気が外部に排出される恐れがある。
【０００６】
したがって、本発明は、内燃機関起動時のメイン触媒コンバータが活性状態にない場合に、通路開閉手段から漏洩する排気が外部に放出されることを防止する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン排気通路と、この複数の上流側メイン排気通路を集合して１本の通路に合流してなる中流側メイン排気通路と、この中流側メイン排気通路の下流に接続される下流側メイン排気通路と、下流側メイン排気通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、上流側メイン排気通路からそれぞれ分岐する上流側バイパス排気通路と、この複数の上流側バイパス排気通路が１本の通路に合流してなり、かつ下流端が中流側メイン排気通路と下流側メイン排気通路の接続部に結合した下流側バイパス排気通路と、この下流側バイパス排気通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータとを備え、さらに各気筒から排出された排気が前記上流側メイン排気通路から上流側バイパス排気通路へ流れるように前記上流側メイン排気通路の開閉を行う第１通路開閉手段と、前記中流側メイン排気通路の開閉を行い、前記下流側メイン排気通路との接続部近傍の前記中流側メイン排気通路に設置された第２通路開閉手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、内燃機関の暖機時に、バイパス排気通路へ排気を流すために閉じる第１通路開閉手段から下流側に排気が漏洩する場合でも、第２通路開閉手段が設置されているため、浄化されていない排気が外部へ排出されることが確実に防止される。
【０００９】
また、第２通路開閉手段は、バイパス排気通路からの排気が流入する中流側メイン排気通路と下流側メイン排気通路との接続部近傍の中流側メイン排気通路に設置されるため、バイパス排気通路からの高温の排気により第２通路開閉手段が昇温し、デポジットを除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明を適用する排気浄化装置のレイアウトを模式的に示した説明図である。本発明の排気浄化装置は、内燃機関の各気筒１に接続するメイン排気通路と、メイン排気通路に設置され、排気を浄化するメイン触媒コンバータ８と、メイン排気通路の上流部から分岐してメイン触媒コンバータ８の上流部に接続するバイパス排気通路と、このバイパス排気通路に設置され、内燃機関冷間時に排気を浄化するバイパス触媒コンバータ１８とから構成される。さらにメイン排気通路には内燃機関の冷間時に排気を選択的にバイパス排気通路に導入するための第１切換弁４が設置されるとともに、第１切換弁４の排気漏れを担保する第２切換弁１２が設置される。
【００１１】
メイン排気通路は、上流側、中流側及び下流側メイン排気通路２、３、７から構成される。上流側メイン排気通路２は、その上流端部が内燃機関の直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒からなる各気筒１に接続されるとともに、下流側端部に各上流側メイン排気通路２を開閉する第１切換弁４が一体化したユニットバルブ５が設置されている。ユニットバルブ５を通過し、集合した排気は、中流側メイン排気通路３に導入され、さらにその下流側の下流側メイン排気通路７に配置されるメイン触媒コンバータ８に導入される。メイン触媒コンバータ８は、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを備え、導入された排気を浄化する。そして、中流側メイン排気通路３と下流側メイン排気通路７との接続部近傍の中流側メイン排気通路３に中流側メイン排気通路３を選択的に閉止する第２切換弁１２が設置される。
【００１２】
一方、各上流側メイン排気通路２の上流部と、中流側メイン排気通路３と下流側メイン排気通路７の接続部とを接続するバイパス排気通路が形成される。バイパス排気通路は、上流側及び下流側バイパス排気通路１１、１４からなり、各バイパス排気通路の通路断面積は、メイン排気通路の断面積より小さく構成される。各上流側メイン排気通路２に接続する各上流側バイパス排気通路１１は、集合して下流側バイパス排気通路１４に接続する。下流側バイパス排気通路１４にはメイン触媒コンバータ８より熱容量の小さい、三元触媒を備えたバイパス触媒コンバータ１８が設置される。バイパス触媒コンバータ１８は、前述のように容量が小さく、かつ、より上流側に位置しているため、迅速に活性状態となり、内燃機関起動時等の冷間時の排気浄化に用いられる。
【００１３】
図２、図３は、各第１切換弁４を一体化したバルブユニット５の構成を説明する構成図及び要部断面図である。このバルブユニット５は、ケーシング５１に、各気筒の上流側メイン排気通路２がそれぞれ接続される４つの開口部５２〜５５が設けられている。各開口部を通過した排気は、バルブユニット５内で１つの流れに集合して中流側メイン排気通路３に流出する。
【００１４】
そして、各開口部５２〜５５に設置される各第１切換弁４は、図示せぬアクチュエータにより回転方向に駆動されるシャフト５６と、このシャフト５６に取り付けられたアーム５７と、このアーム５７に支持された長方形状の弁体５８と、から構成される。弁体５８が閉じた状態では、各開口部５２〜５５は個々に全周に亘って閉塞されるので、隣接した２つの開口部５２、５５、５３、５４が互いに連通することはない。なお、図２では、説明のために一方の弁体５８が開状態に、他方の弁体５８が閉状態に図示されているが、２本のシャフト５６は適宜なリンクにより連係しており、図示しないアクチュエータによって２つの弁体５８が同時に開閉される構成となっている。また、第１切換弁４の弁体５８は排気流れ方向上流側に回動して、上流側メイン排気通路２を開くが、これに限らず、下流側に開くようにしても良い。
【００１５】
図４は、第２切換弁１２の構成を説明する断面図である。基本構成は前述した第１切換弁４と同様である。切換弁１２は、ケーシング６１に、各気筒の中流側メイン排気通路６が接続される開口部６２が設けられている。そして、各切換弁１２は、図示しないアクチュエータにより回転方向に駆動されるシャフト６３と、このシャフト６３に取り付けられたアーム６４と、このアーム６４に支持された長方形状の弁体６５と、から構成される。このような構成により、弁体６５が閉じた状態では、開口部６２は全周に亘って閉塞される。また、図４では、第２切換弁１２の弁体６５は排気流れ方向下流側に回動して、中流側メイン排気通路３を開くが、これに限らず、上流側に開くようにしても良い。
【００１６】
なお、第１、第２切換弁４、１２は、図示した実施例に限定されるものではなく、種々の構成のものを利用することが可能であることは言うまでもない。例えば、第１切換弁４は各気筒ごとに設置する構成として説明したが、上流側メイン排気通路２を集合した後に１つの切換弁として構成してもよい。
【００１７】
このように構成された排気浄化装置は、内燃機関の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第１、第２切換弁４、１２が閉じられ、メイン排気通路が遮断される。そのため、各気筒１から吐出された排気は、その全量が、上流側バイパス排気通路１１および下流バイパス排気通路１４を通してバイパス触媒コンバータ１８へと流れる。バイパス触媒コンバータ１８は、排気系の上流側、つまり気筒１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。
【００１８】
一方、内燃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、第１、第２切換弁４、１２が開放される。これにより、各気筒１から排出された排気は、主に、上流側メイン排気通路２から中流側メイン排気通路３および下流側メイン排気通路７を通り、メイン触媒コンバータ８に流入して浄化され、外部に排出される。このときバイパス排気通路側は特に遮断されていないが、バイパス排気通路側の方がメイン排気通路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１８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気の大部分はメイン排気通路側を通り、バイパス排気通路側には殆ど流れない。このため、バイパス触媒コンバータ１８の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス排気通路側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス排気通路側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。
【００１９】
さらに、本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、各気筒から排出された排気が上流側バイパス排気通路１１へ流れるように通路の切換を行う、前記上流側メイン排気通路に設置された第１通路開閉手段（第１切換弁）４と、前記中流側メイン排気通路の開閉を行い、前記下流側メイン排気通路との接続部近傍の前記中流側メイン排気通路に設置された第２通路開閉手段（第２切換弁）１２とを備えた。このため、第１通路開閉手段４を閉じて内燃機関からの排気がバイパス排気通路１１、１４に流入する場合において、排気がメイン排気通路側の第１通路開閉手段４から漏洩し、未燃燃料等を含む浄化されていない排気がメイン排気通路から外部に放出される恐れがある場合でも、第１通路開閉手段４の下流にさらに第２通路開閉手段１２を設置することで、メイン排気通路２、３、７から未浄化の排気が外部へ漏れることを確実に防止することができる。
【００２０】
さらに第２通路開閉手段１２を下流側メイン排気通路７との接続部近傍の中流側メイン排気通路３に設置することにより、バイパス排気通路を流通する高温の排気の熱により第２通路開閉手段１２に付着したデポジットを除去することができる。また、第２通路開閉手段１２は、メイン排気通路開放時に、弁体６５が下流側に開く構成とすることで、デポジットを付着しにくくすることができる。
【００２１】
図５は、第２の実施形態としての排気浄化装置のレイアウトを模式的に示した説明図である。第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態の構成にＥＧＲシステムを適用した点である。
【００２２】
第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に追加して、各気筒１に吸気を供給する吸気通路２１のスロットル弁２２の吸気流れ方向下流側と第１切換弁４と第２切換弁との間の中流メイン排気通路３とを連通するＥＧＲ通路２３を設け、このＥＧＲ通路２３にＥＧＲガスの還流量を制御するＥＧＲ制御弁２４を設置する。さらに下流メイン排気通路７のメイン触媒コンバータ８の上流と、下流側バイパス排気通路１４のバイパス触媒コンバータ１８の上流に、それぞれ空燃比検出センサ２５、２６を設け、図示しないコントローラにより空燃比検出センサ２５、２６の検出値に基づいてＥＧＲ制御弁２４の開閉を制御する。
【００２３】
第１切換弁４は、前述の図３に示した構成を備え、弁体５８を排気流れ方向上流側に回動して、上流側メイン排気通路２を開き、前述の図４の構成を備えた第２切換弁１２は、弁体６５を排気流れ方向下流側に回動して、中流側メイン排気通路３を開く。このように、第１切換弁４を排気流れ方向上流側に回動するように、一方、第２切換弁１２を下流側に回動するように構成することで、ＥＧＲ実施時にＥＧＲ通路２３と第１、第２切換弁間が負圧状態となり、第１、第２切換弁４、１２が相手部材に押付けられ、シール性が向上し、排気の漏れをさらに確実に防止することができる。
【００２４】
次に図６を用いてＥＧＲ制御について説明する。図６に示すフローチャートは内燃機関の始動と同時にＥＧＲ制御を開始する場合の制御を示す。この制御は前述ののコントローラによって実施される。
【００２５】
まずステップＳ１で、内燃機関の始動を検知すると第１、第２切換弁４、１２を閉じ、排気をバイパス排気通路へと導く。バイパス排気通路に設置したバイパス触媒コンバータ１８はメイン触媒コンバータ８より熱容量が小さく、上流側に位置するため、すみやかに活性状態となり、排気を浄化する。続くステップＳ２で、ＥＧＲ通路２３に設置したＥＧＲ制御弁２４を開き、第１切換弁２から漏れ出した未燃燃料を含む排気を吸気通路に還流する。このようにして第１切換弁４から漏洩した排気を吸気中に還流して、排気中のＮＯｘを低減する。
【００２６】
ステップＳ３では、触媒温度を検出する温度センサの出力やアクセルペダル踏み込み量等の車両の運転履歴等に基づいてメイン触媒コンバータ８の温度を算出して、メイン触媒コンバータの触媒が活性状態に達したかどうかを判定する。触媒が活性状態である場合には通常運転状態へ移行するため、ステップＳ４に進み、ＥＧＲ制御弁２４を閉じて、第１、第２切換弁４、１２を開き、排気をメイン排気通路に導き、メイン触媒コンバータにより排気を浄化する。一方、触媒が活性状態に達していない場合には、ステップＳ２に戻り、ＥＧＲを継続するとともに排気をバイパス排気通路に導きバイパス触媒コンバータにより排気を浄化する。
【００２７】
このＥＧＲ制御では、第１切換弁４から漏洩した排気をＥＧＲ通路２３を経由した吸気通路２１に還流することにより、漏洩した排気を浄化することができる。ここで、ＥＧＲ制御時に下流の第２切換弁１２は閉じているため、未燃燃料を含む排気が外部に排出されることはない。
【００２８】
また、図７は他のＥＧＲ制御を示し、このＥＧＲ制御は、第１切換弁から漏洩した排気量に応じてＥＧＲの実施判断を行う制御を示す。図６に示すＥＧＲ制御が、エンジン始動と同時にＥＧＲ制御弁２４を開き、ＥＧＲを実施する制御であったのに対して、この実施形態のＥＧＲ制御は、第１切換弁４から漏洩した排気の量が閾値を越えた場合にＥＧＲ制御弁２４を開き、ＥＧＲを実施するようにしたことを特徴とする。この制御は不図示のコントローラによって所定間隔で実施され、図７のフローチャートにおいて、第１切換弁４から漏洩する排気の量は、例えば、空燃比検出センサ２５、２６の検出値に基づいて排気流量を求め、算出された排気流量の差から排気の漏れ量を推定する。
【００２９】
まずステップＳ１で、内燃機関の始動を検知すると第１、第２切換弁４、１２を閉じ、排気をバイパス排気通路へ導く。続くステップＳ１１で、前述の算出法により求めた排気漏れ量と閾値とを比較し、閾値以上かどうかを判定する。閾値以上であれば、第１切換弁４と第２切換弁１２との間に排気が所定量以上、貯留していると判断し、ステップＳ２に進み、閾値未満であれば、ステップＳ４に進み、ＥＧＲ制御弁２４を閉じて制御を終える。
【００３０】
ステップＳ２では、ＥＧＲ制御弁２４を開き、貯留した排気を吸気系に還流してＥＧＲを実行する。続くステップＳ３では、触媒温度を検出する温度センサの出力やアクセルペダル踏み込み量等の車両の運転履歴等に基づいてメイン触媒コンバータ８の温度を算出して、メイン触媒コンバータの触媒が活性状態に達したかどうかを判定する。触媒が活性状態である場合には、ステップＳ４に進み、ＥＧＲ制御弁２４を閉じて、第１、第２切換弁４、１２を開き、メイン排気通路へ排気を導き、排気をメイン触媒コンバータにて浄化する通常運転へ移行する。一方、触媒が活性状態に達していない場合には、ステップＳ２に戻り、ＥＧＲを継続するとともに、排気をバイパス排気通路に導き、バイパス触媒コンバータ１８にて浄化する。
【００３１】
このようにこの実施形態では、第１切換弁４から漏れた排気の漏れ量を算出して、排気漏れ量が閾値以上の場合に、ＥＧＲを実施するようにしたので、ＥＧＲ制御弁２４を開く際に消費する電力量を低減して、消費電力を抑制し、燃費を向上することができる。
【００３２】
なお、ＥＧＲ制御弁２４は、開度可変式弁として排気の漏れ量に応じて、開度を変化させるように制御してもよく、また開度固定式弁を用いる場合には、排気の漏れ量に応じて、一定時間ＥＧＲ制御弁２４を開く開弁タイミング（間隔）を変化させるように制御しても良い。
【００３３】
以上、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を説明したが、この発明は、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る排気浄化装置のレイアウトを模式的に示した説明図。
【図２】バルブユニットの構成図。
【図３】バルブユニットの要部断面図（図２の断面Ａ−Ａ）。
【図４】第２切換弁の断面図。
【図５】第２の実施形態の排気浄化装置のレイアウトを模式的に示した説明図。
【図６】ＥＧＲ制御のフローチャート。
【図７】ＥＧＲ制御の他のフローチャート。
【符号の説明】
【００３５】
２：上流側メイン排気通路
３：中流側メイン排気通路
４：第１切換弁
５：バルブユニット
７：下流側メイン排気通路
８：メイン触媒コンバータ
１１：上流側バイパス排気通路
１２：第２切換弁
１４：下流側バイパス排気通路
１８：バイパス触媒コンバータ
２３：ＥＧＲ通路
２４：ＥＧＲ制御弁
【図１】
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【図２】
2008196333.tif 000004
【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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