JP2017115672A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを浄化する触媒が過剰に昇温して損傷することを、燃費悪化や浄化効率悪化を招来ことなく防止する。
【解決手段】排気通路のうち触媒の下流部と上流部とが、開閉バルブ１７を備えたバイパス通路１６で接続されている。触媒７の温度の過剰昇温状態を検出又は推測して、予め設定した危険状態に至ると、開閉バルブ１７を開いて、下流側から排気ガスを触媒７の上流に還流させる。還流する排気ガスの温度は相当に低下しているため、触媒７に当たる排気ガスの温度を的確に低下させて、触媒７を加熱を防止したり冷却したりすることができる。還流する排気ガスは既に浄化されているため、触媒の劣化促進にはならない。燃料の噴射量を増大させるものではないため、燃費の悪化に生じない。
【選択図】図１

Description

本願発明は、触媒方式の排気浄化装置を備えた内燃機関に関するものであり、主として車両用内燃機関を対象にしている。

車両用ガソリン機関における排気ガスの浄化には、一般に三元触媒が使用されており、触媒は触媒ケースに内蔵されていて、排気ガスが触媒を通過するようになっている。触媒は排気ガスの浄化として優れた性能を発揮するが、過剰に加熱されると損傷しやすくなるという問題がある。

そこで、触媒ケースに流入する排気ガスの温度が過剰な高温にならないように制御することが考えられており、その例として、例えば特許文献１には、内燃機関に噴射する燃料を増量することによって排気温を低下させる技術が開示されている。

特開平０４−１４３７号公報

燃料を増量すると、気化熱が増大して燃焼温度が低下し、結果として排気ガスの温度も低下する。このため、排気温度低下手段として実用化されている例もあるが、機関に要求されている出力に要する量以上の燃料を消費するものであるため、燃費悪化の問題は避けることができない。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、燃費や浄化性能を悪化させることなく触媒を過剰高温から保護しようするものである。

本願発明は、触媒が内蔵された触媒ケースを排気通路に介在させている内燃機関において、前記排気通路に、排気ガスの一部を前記触媒の下流側から上流側に還流させるバイパス通路を設け、前記触媒の温度の実測値又は推測値が予め設定した値以上になると、前記バイパス通路から排気ガスを触媒の上流側に還流させるように制御されるものである。

バイパス通路（或いは排気通路）には、排気ガスの還流を制御する開閉弁を設ける必要があるが、開閉弁は、全開・全閉方式の単純な方式でもよいし、還流量を調節できる方式であってもよい。

触媒の温度（或いは触媒ケースの内部温度）は、温度センサによって直接に計測することも可能であるし、他の要素から危険温度域を推測することも可能である。推測方法としては、例えば、機関の回転数とトルク（或いは負荷）とを変数として、トルクと回転数との両方が予め設定した値を越えると触媒も過剰高温に至ったと推測することが可能である。トルクは、スロットル開度（或いは吸気負圧）や燃料噴射量から導き出すことができる。

排気ガスの温度は機関温度と密接に関連している。そこで、例えば冷却水の温度を機関温度に代替して、冷却水温度が予め設定した値よりも低い場合は、高負荷・高回転域に至ってから排気ガスの還流を開始し、冷却水温度が予め設定した値よりも高い場合は、高負荷・中回転域（或いは中負荷・高回転）に至ったら排気ガスの還流を開始する、というように補正することも可能である。

内燃機関の排気系には、機関の制御のために酸素センサ（Ｏ₂ センサ）やＡ／Ｆ（空燃比センサ）を設けていることが普通であり、これらのセンサは、一般に触媒の上流側と下流側とに配置されていて、前後のセンサによってフィードバック制御を行っている。そこで、本願発明でも、これらのセンサを利用して、触媒内の酸素量の調整に影響を与えないように（換言すると、触媒による排気ガスの浄化性能に影響を与えないように）、フィードバック制御を行うことが可能である。その例は、実施形態で説明している。

排気ガスは、排気通路の下流に至るほど温度が低下する。従って、触媒の上流側と下流側とでは、大きな温度差がある。本願発明はこの事実を利用したものであり、降温した排気ガスを触媒の上流側に還流させることにより、触媒に流入する排気ガスの温度を全体的に低下させることができる。これにより、触媒の異常加熱を抑制して、損傷を防止できる。

そして、燃料を増量するものではないため燃費悪化の問題はないし、既に浄化された排気ガスを還流させるものであるため、排気ガスの浄化性能が悪化することもない。むしろ、排気ガスの一部が再浄化されるため浄化性能は高くなる。

なお、触媒は、温度が低くなり過ぎると性能が悪化する問題があり、このため、例えば大気空気を取り込むと排気ガスの温度が低くなり過ぎるといったことも有り得るが、本願発明は、大気温度よりは高い温度の排気ガスを還流させるものであるため、触媒の過剰降温を防止できる利点もあるといえる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は全体の模式図、（Ｂ）は還流ノズルの一例の断面図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明を車両用内燃機関に適用した実施形態を、図面に基づいて説明する。まず、構造を説明する。図１（Ａ）で全体を表示しており、この図において、符号１はシリンダブロックを、符号２はシリンダヘッドを、符号３はヘッドカバーを示している。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、シリンダヘッド２の排気側面に、３本の枝管を有する排気マニホールド４が固定されている。

排気マニホールド４の枝管は１本の集合管５に収束しており、集合管５に触媒ケース６が接続されている。触媒ケース６は、触媒７が内蔵されたストレート状部６ａを備えており、ストレート状部６ａの上端には上窄まり状の上コーン部７ｂが接続されて、ストレート状部６ａの下端には下窄まり状の下コーン部７ｃが接続されている。上コーン部７ｂは排気マニホールド４の集合管５に接続されて、下コーン部７ｃには、継手部８を介して排気管９が接続されている。

排気マニホールド４、触媒ケース６、排気管９は全体として排気通路を構成しており、排気管９の終端部には消音器１０を設けている。継手部８にはブラケット１１が固定されており、ブラケット１１は、シリンダブロック１に固定されている。

本実施形態の内燃機関は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ装置を備えており、触媒ケース６の下コーン部６ｃにＥＧＲパイプ１２の始端が接続されている。ＥＧＲパイプ１２の中途部には水冷式のＥＧＲクーラ１３を配置しており、ＥＧＲクーラ１３には、冷却水の入り口１４と出口１５とが設けられている。

排気管９の適宜部位と触媒ケース６の上コーン部６ｂとが、バイパス通路１６で接続されている。図では、バイパス通路１６の始端は、排気管９のうち継手部８に近接した始端部に位置させているが、できるだけ降温した排気ガスを還流させるためには、排気管９のうちできるだけ下流側に接続するのがよい。コストや組み立て性などを考慮すると、バイパス通路１６は、排気管９のうち、エンジンルームに位置した部位で最も下流側に接続するのが好ましいといえる。もとより、ＥＧＲパイプ１２と同様に、触媒ケース６の下コーン部６ｃに接続してもよいのであり、この場合は、バイパス通路１６を触媒ケース６にユニット化できるため、組み立て性を向上できる。

バイパス通路１６の始端部には、開閉バルブ１７を設けている。開閉バルブ１７は、例えば、排気ターボ過給機に使用されているウエストゲートバルブや、ＥＧＲガスの制御に使用されるＥＧＲバルブなどを流用できる。従って、実施上の困難はない。バイパス通路１６には、ＥＧＲクーラ１３と同様の水冷式クーラ１８を設けるのが好ましい。水冷式クーラ１８を設けると、バイパス通路１６を触媒ケース６の下コーン部６ｃ又はその直下部に接続した場合でも、しっかり降温した排気ガスを還流させることができる。

水冷式クーラ１８に代えて、ラジェータの吸引風や車両の走行風で冷却される空冷式クーラを設けることも可能である。或いは、バイパス通路１６を複数本のパイプで構成したり、長さが長くなるように螺旋状等に曲げたりすることにより、バイパス通路１６自体に排気ガス冷却作用（放熱作用）を持たせることも可能である。

バイパス通路１６は、還流ノズル１９を介して触媒ケース６の上コーン部６ｂに接続されている。分図（Ｂ）では、還流ノズル１９の一例を示している。本実施形態の還流ノズル１９は、内部にボール（弁体）２０とこれを入り口側に付勢するばね２１とを有しており、開閉弁１７が開くと、排気ガスは、ばね２１に抗してボール２０を押して触媒ケース６の内部に噴出する。排気ガスが還流していない状態では、触媒ケース６から排気ガスがバイパス通路１６にリークすることはない。

還流ノズル１９は、先端に行くほど触媒に近づくように、触媒ケース６の軸心に対して傾斜させている。排気マニホールド４から触媒ケース６に流入する排気ガスは、（Ｂ）に矢印２３で示すように、触媒ケース６の軸心方向に流れるような方向性を持っているため、実施形態のように還流ノズル１９を傾斜させると、還流ノズル１９に逆止弁機能を持たせなくても、排気ガスのリークはないといえる。

むしろ、排気マニホールド４から流出した排気ガスによって、還流排気管９が還流ノズル１９から吸い出される現象（オリフィス作用）が生じると推測されるため、排気ガスのリークは生じないと推測される。従って、触媒ケース７の上コーン部７ｂ等に単噴出穴を空けたり、排気ガスが噴出する筒体を内部に挿入したりするだけでもよいといえるが、実施形態のように、還流ノズル１９に逆止弁機能を持たせておくと、安全である。

還流した排気ガスは、排気マニホールド４から流入した排気ガスとできるだけ混ざり合うのが好ましい。このためには、還流ノズル１９は、できるだけ上流側に配置するのが好ましい。従って、還流ノズル１９を排気マニホールド４の集合管５に接続すると、より好適である。また、触媒ケース６の上コーン部６ｂや排気マニホールド４の上コーン部６ｂに、複数の噴出穴を周方向に並べて複数設けて、複数の噴出穴から排気ガスを還流させることも可能であり、この場合は、混合性が一層高まるのみならず、個々の噴出穴の径が小さくなることにより、バイパス通路１６への排気ガスのリークも的確に防止できる。

(2).制御態様
内燃機関は、制御装置としてＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）を備えており、開閉弁１７はＥＣＵの指令で制御される。また、触媒ケース６の適宜部位に、温度センサ２４を設けており、温度センサ２４もＥＣＵに結線されている。更に、内燃機関は、クランク軸の回転速度を検知する回転センサ２５、吸気負圧を検出する負圧センサ２６、冷却水の温度を検出する水温センサ２７などのセンサ類を備えており、これらもＥＣＵに結線されている。また、内燃機関は、吸気量を制御するスロットルバルブ２８、燃料を噴射するインジェクタ２９も備えており、これらもＥＣＵによって制御される。

更に、機関の燃焼状態を検知するためのセンサとして、触媒ケース６の上コーン部６ｂにはフロント酸素センサ３０を設けて、排気管９のうち触媒ケース６より下流側の部位にはリア酸素センサ３１を設けており、これらのセンサ３０，３１はＥＣＵに接続されている。還流ノズル１９は、フロント酸素センサ３０よりも下流側に配置している（フロント酸素センサ３０が、還流した排気ガスの影響を受けることなく排気ガスの酸素割合を正確に検知できるようにするためである。）。

触媒ケース６に温度センサ２４を設けている場合は、触媒７の温度を直接に（或いは排気ガスの温度から近似的）に検出できる。従って、温度センサ２４の検出値が予め設定した値に上昇したら、開閉バルブ１７を開いて、降温した排気ガスを触媒７の上流側に還流させる。これにより、触媒７を通過する排気ガスの温度及び触媒の温度を低下させて、触媒の損傷を防止できる。

温度センサ２４の検出値が予め設定した値まで降温したら、開閉バルブ１７を閉じて排気ガスの還流を停止する。この場合、開閉バルブ１７を開く温度と閉じる温度とは同じにでもよいが、安定した制御のためには、開閉バルブ１７が閉じる温度を開く温度よりも低くしておくのが好ましい。つまり、十分に安全な領域まで降温させてから、開閉バルブ１７を閉じるのが好ましい。

触媒ケース６に温度センサ２４を備えていない場合は、他の要素をパラメータとして、触媒７の温度を推測して、他の要素から触媒７が危険温度に消音したと判定されたら、開閉バルブ１７を開き制御する。例えば、負圧センサ２６の値又はスロットルバルブ２８の開度のうちいずれか一方又は両方から機関のトルク（負荷）を推定し、この推定トルク値が予め設定した上限値に至ると共に、機関回転数が予め設定した上限値に至った場合は、開閉バルブ１７を開き操作するという制御を採用できる。

つまり、高負荷・高回転域のような領域に至ると、排気ガスの温度は高くなって触媒も加熱されて過剰に昇温するため、高負荷・高回転域を危険領域として設定しておき、この領域に至ったら開閉バルブ１７を開くように制御するのである。このようなトルクと回転数との組み合わせを基本パターンとして、冷却水温度や車速で補正することも可能である。車速についてみると、高速走行では走行風による触媒ケース６の冷却性も高くなるので、開閉バルブ１７の開きを抑制するように補正したらよい。

さて、触媒７は酸素を吸着する性質があり、排気ガスの浄化性能（窒素酸化物の分解性能）を適切に維持するには、酸素量が適切になるように、フィードバック制御する必要がある。

例えばフューエルカット時は、還流する排気ガスに酸素が過剰に含まれている（強リーン状態になっている）が、この強リーン状態の排気ガスが触媒７に還流すると、触媒７における酸素量の調整に狂いが生じて、浄化性能が悪化するおそれがある。

そこで、リア酸素センサ３１が排気ガスを強リーン状態と判定しかつ、排気ガスを還流させなくてもまだ触媒７が危険温度に至っていないと判定されている場合には、排気ガスを還流させないか又は還流量を少なくして、触媒７を通過する酸素量が適切になるように制御している。

逆に、触媒７を通る酸素量が少な過ぎ場合も浄化性能に悪影響を与えるので、リア酸素センサ３１が強リッチ状態を検知し、かつ、排気ガスを還流させなくてもまだ触媒７が危険温度に至っていないと判定されている場合には、排気ガスの還流を行わないか、又は、還流量を抑制することによって、触媒７を通過する酸素量を適切化する。

フロント酸素センサ３０（或いは、フロントＡ／Ｆセンサ）は、燃料噴射量と空気量とが適切に制御されているか否かを確認するためのものであり、フロント酸素センサ３０が制御マップのとおりの結果を検知している状態で、リア酸素センサ３１に基づいて排気ガスの還流を制御することにより、排気ガスの還流によって触媒７を通る酸素が過剰になったり過少になったりすることを防止して、機関の制御を適切に行いつつ、触媒７の浄化機能を最適化できるのである。

なお、図１において、実線で示すバイパス通路１６の始端はリア酸素センサ３１よりも上流側に配置しているが、触媒７を通過したら、排気ガスの酸素濃度はどこでも同じなので、バイパス通路１６がリア酸素センサ３１より上流側に接続されていても、リア酸素センサ３１を使用した制御に不都合はない。

さて、機関が高負荷状態で排気ガスが大量に排出されている場合、触媒７の処理能力が限界に至ることが有りうる。この場合は、燃料噴射量、スロットル開度、機関回転数から排気ガス過剰状態を検出して、バイパス通路１６から排気ガスを還流させることにより、排気ガスの浄化を促進することができる。この制御は、排気ガスの温度と関係なく実行できる。

(3).変形例・その他
図１（Ａ）では、変形例を仮想線（二点鎖線）で表示している。まず、第１の変形例として、バイパス通路１６の始端を消音器１０の近傍に接続した状態を表示している。この例では、排気ガスは相当に降温しているため、少ない還流量であっても、触媒７を通過する排気ガスの温度を確実に低下させることができる。従って、触媒７の降温効果に優れている。

第２の変形例として、バイパス通路１６の始端を、ＥＧＲパイプ１２のうちＥＧＲクーラ１３よりも下流側の部位に接続した状態を表示している。この場合も、排気ガスは相当に降温しているため、触媒７の温度低下（冷却）を確実化できる。また、この例では、ＥＧＲパイプ１２はバイパス通路１６の一部を兼用するような状態になるため、機関全体としてコンパクト化できる利点もある。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば排気マニホールド部がシリンダヘッドに内蔵されている形式の内燃機関の場合、シリンダヘッドの排気マニホールド部に排気ガスを還流させることも可能である。なお、本願発明の触媒には、ディーゼル機関のＤＰＦも含まれる。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
４ 排気マニホールド
５ 排気マニホールドの集合管
６ 触媒ケース
６ｂ 上コーン部
６ｃ 下コーン部
７ 触媒
９ 排気通路を構成する排気管
１０ 消音器
１２ ＥＧＲパイプ
１３ ＥＧＲクーラ
１６ バイパス通路
１７ 開閉バルブ
１８ 水冷式クーラ
１９ 還流ノズル
３０ フロント酸素センサ
３１ リア酸素センサ

Claims (1)

1. 触媒が内蔵された触媒ケースを排気通路に介在させている構成であって、
   前記排気通路に、排気ガスの一部を前記触媒の下流側から上流側に還流させるバイパス通路を設け、前記触媒の温度の実測値又は推測値が予め設定した値以上になると、前記バイパス通路から排気ガスを触媒の上流側に還流させるように制御される、
   内燃機関。

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