JP4940979B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

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の改良に関する。

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、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、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、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

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通路の上流側部分と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路に、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。

従来の排気浄化装置に設置された切換弁は、電制モータや負圧アクチュエータにより開閉することが一般的である。このような切換弁では、開閉の一方をスプリングの付勢力を用いて開閉している。
特開２００５−３５１０８８号公報

しかしながら、スプリングの付勢力により維持された開閉いずれかの状態から他方の状態へ移行する際には、スプリングの付勢力に抗して切換弁を開閉する必要があるため、切換弁の開閉速度が低下する恐れがある。

したがって、本発明は、排気の流れをメイン通路とバイパス通路との間で切り換える切換弁の開閉速度を向上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。

本発明は、内燃機関の排気が流通するメイン通路と、このメイン通路に設置されたメイン触媒コンバータと、前記メイン通路の一部をバイパスし、前記メイン触媒コンバータの上流側の前記メイン通路に接続するバイパス通路と、このバイパス通路に設置されるバイパス触媒コンバータと、前記内燃機関から排出される排気の前記メイン通路への流れを制御する切換バルブと、前記切換バルブの開閉を制御するコントローラと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記切換バルブは、その開閉動作の一方の駆動源として負圧アクチュエータおよびモータとを備え、前記コントローラは、前記負圧アクチュエータに作用して負圧アクチュエータに駆動力を生じさせる負圧に応じて、前記切換バルブの駆動源を前記負圧アクチュエータのみ、または前記負圧アクチュエータと前記モータとの組み合わせのいずれかに制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

この発明によれば、開閉いずれかの状態から他方の状態へ移行する際に、負圧アクチュエータに作用する負圧が不足する場合には、負圧アクチュエータとモータとにより切換弁を開閉駆動するため、切換弁の開閉速度が低下することがない。

図１は、本発明を適用する内燃機関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。

排気浄化装置は、車両の居室の床下に配置されるメイン触媒コンバータ８とその上流側に配置されるバイパス触媒コンバータ１８とを含んで構成される。メイン触媒コンバータ８は、内燃機関の各気筒に接続する上流側メイン通路２と、その下流側の中流側メイン通路３及び下流側メイン通路７からなるメイン通路２、３、７の下流側メイン通路７に設置される。バイパス触媒コンバータ１８は、メイン通路の上流側メイン通路２からそれぞれ分岐し、中流側メイン通路３をバイパスして下流側メイン通路７の上流端部に接続し、上流側、下流側バイパス通路１１、１４からなるバイパス通路１１、１４の下流側バイパス通路１４に設置される。

上流側メイン通路２は、その上流側が内燃機関の♯１気筒〜♯４気筒の各気筒１に接続されるとともに、下流側端部は集合し、その集合部に各上流側メイン通路２を開閉する切換バルブ４が各通路２毎に設けられている。切換バルブ４は切換バルブユニット５として構成され、切換バルブユニット５で４本の上流側メイン通路２は一体化し、各切換バルブ４の下流側で１本の通路として構成され、中流側メイン通路３に接続する。この切換バルブユニット５の各切換バルブ４は、内燃機関の冷間時には閉じられ、閉時には上流側メイン通路２と中流側メイン通路３との間の連通を遮断し、排気をバイパス通路１１、１４へ導入し、開時には上流側メイン通路２と中流側メイン通路３との間を連通し、排気を中流側メイン通路３へ導入する構成とする。ここで、切換バルブ４よりも上流側の上流側メイン通路２の通路長さ、ないしは通路容積が小さいほど、冷間始動直後のバイパス通路側における排気温度が上昇しやすくなる。

中流側メイン通路３の下流側には、下流側メイン通路７が接続して、中流側メイン通路３と下流側メイン通路７との接続部７ａに後述の下流側バイパス通路１４が合流する。そして下流側メイン通路７にはメイン触媒コンバータ８が設置され、このメイン触媒コンバータ８における触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とが備えられる。

バイパス通路１１、１４として、上流側メイン通路２の各々から、上流側バイパス通路１１が分岐し、この上流側バイパス通路１１は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さな通路である。上流側バイパス通路１１の上流端となる上流側メイン通路２との分岐点２ａは、上流側メイン通路２のできるだけ上流側の位置に設定されている。そして、各上流側バイパス通路１１は集合し、１本の下流側バイパス通路１４に接続する。下流側バイパス通路１４の下流側は、前述の通り、中流側メイン通路３と下流側メイン通路７との接続部７ａに合流している。なお、各通路を模式的に示した図１では、各上流側バイパス通路１１が比較的長く描かれているが、実際には、可能な限り短くなっている。換言すれば、最短距離でもって下流側バイパス通路１４と合流している。

下流側バイパス通路１４には、その途中に三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ１８が設置される。このバイパス触媒コンバータ１８は、バイパス通路１４の可能な限り上流側に配置されている。つまり、下流側バイパス通路１４もできるだけ短くなっている。バイパス触媒コンバータ１８は、メイン触媒コンバータ８に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。下流側バイパス通路１４は、中流側メイン通路３と下流側メイン通路７との接続部７ａに合流し、バイパス触媒コンバータ１８で浄化された排気を下流側メイン通路７に導入する。

各気筒１に吸気マニホールドを介して連通する吸気通路２１が設置され、吸気通路２１にはスロットル弁２２が配置される。この吸気通路２１には、吸気通路２１のスロットル弁２２下流と中流側メイン通路３の上端部に位置する切換バルブ４とを結ぶ負圧通路２３が接続される。

負圧通路２３には中流側メイン通路３側から、負圧アクチュエータ２４、負圧通路２３内を開閉し、負圧アクチュエータ２４に作用する負圧を制御するソレノイドバルブ２５、負圧通路２３内の圧力（負圧）を検出する圧力センサ２６、負圧アクチュエータ２４に作用する負圧を蓄圧するための負圧タンク２７および吸気通路２１側からの排気の流れを禁止する逆止弁２８が順に設置される。

中流側メイン通路３と負圧通路２３との合流部に切換バルブ４が設置され、その開閉状態により排気の流れを上流側メイン通路２と上流側バイパス通路１１との間で切り換える。切換バルブ４はコントローラ３０によってその開閉が制御される。

この切換バルブ４は、各気筒１に連通する上流側メイン通路２毎に設置されて、負圧アクチュエータ２４の負圧と電制モータ２９の電気的な駆動力に応じて開閉制御されるもので、負圧アクチュエータ２４のみ、および負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９との協働によって開閉する。なお、切換バルブ４は、この実施形態では、閉状態を維持するために不図示のスプリングに付勢力を用いて、閉状態から開状態へ切り換える作用力として前述の負圧等を用いる。しかしながら、開状態を維持するために不図示のスプリングに付勢力を用いて、開状態から閉状態へ切り換える作用力として前述の負圧等を用いるようにしてもよい。

図２に切換バルブ４とその代表的な駆動方式を示す。切換バルブ４は、前述の通り各気筒１に連通する上流側メイン通路毎に設置され、切換バルブ４を開閉する駆動方式が異なっている。なお、図では切換バルブ４が２個記載されるが、これは模式的に示したものであり、これに限られるわけではない。

図２（ａ）は、各気筒１に連通する上流側メイン通路２毎に切換バルブ４を設け、各切換バルブ４を１対の電制モータ２９と負圧アクチュエータ２４により駆動するようにしたものである。たとえば、各切換バルブ４を不図示のリンク機構を用いて１対の電制モータ２９と負圧アクチュエータ２４により開動作するように構成する。このように、リンク機構等を用いて１つの電制モータ２９と１つの負圧アクチュエータ２４により複数の切換バルブ４を開動作することができるため、コストの低減や、配線、配管のレイアウトが容易になるという効果がある。

図２（ｂ）は、各気筒１に連通する上流側メイン通路２毎に設置された切換バルブ４に対してそれぞれの切換バルブ４に対応する開閉用の駆動源、つまり電制モータ２９と負圧アクチュエータ２４を設けた方式である。この方式では、各切換バルブ４に設置される電制モータ２９と負圧アクチュエータ２４の単体での大きさを小さくにすることができ、レイアウト性が向上する。また、切換バルブ４毎に開閉制御することができるため、各切換バルブ４間でのバラツキを考慮する必要がないという効果がある。

図２（ｃ）は、（ａ）に負圧ポンプ３１を追加した構成を有する。負圧ポンプ３１を備えることで、負圧アクチュエータ２４で不足する負圧分を負圧ポンプ３１で生成した負圧により補い、負圧ポンプ３１によって負圧を補足しても負圧が不足する場合に電制モータ２９によりさらに補足するようにする。このような方式とすることで、負圧アクチュエータ２４による開動作の駆動力を増大させ、一方、電制モータ２９の要求性能を低下させることができ、電制モータ２９の小型化、低コスト化を図ることができる。

図３は、このような切換バルブ４と、その駆動源としての負圧アクチュエータ２４および電制モータ２９を制御するコントローラ３０による切換バルブ４の開閉制御を説明するフローチャートである。この制御は、負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９により切換バルブ４を開き、不図示のスプリングの付勢力により切換バルブ４を閉じることを前提としている。

まずステップＳ１で、排気の流れを切り換えるための切換バルブ４を開き、切換バルブ４の開制御を終了してよいか否かを判定する。終了する場合には、ステップＳ２に進み、切換バルブ４の開状態を維持するために必要な負圧が確保できるか否かを判定する。ここで、負圧確保の判定は、負圧通路２３に設置した圧力センサ２６の検出値を用いて判定する。切換バルブ４を開状態に維持するのに必要な負圧は、切換バルブ４の弁体４ａ（図２参照）を相手部材に押し付けるために必要な負圧である。

開状態を維持するのに必要な負圧が確保できる場合には、ステップＳ３に進んでソレノイドバルブ２５を開き、負圧を負圧アクチュエータ２４に作用させて切換バルブ４を開状態に維持する。

一方、ステップＳ２において必要な負圧が確保できない場合、つまり負圧のみで切換バルブ４の開状態を維持できない場合にはステップＳ４に進み、ソレノイドバルブ２５を開いて負圧を負圧アクチュエータ２４に作用させるとともに電制モータ２９を駆動させ、切換バルブ４は負圧アクチュエータ２４の負圧と電制モータ２９の駆動力（トルク）との組み合わせにより開状態を維持するように制御される。したがって、ステップＳ４の場合には、負圧アクチュエータ２４に作用させる負圧が十分でないため、負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９とにより切換バルブ４を開状態に維持するようにする。

ステップＳ１で切換バルブ４の開制御が終了しない場合にはステップＳ５に進み、メイン触媒コンバータ８の活性状態を判断し、切換バルブ４を開くか否かを判定する。メイン触媒コンバータ８の活性状態は、たとえば不図示の温度センサをメイン触媒コンバータ８に設けてメイン触媒コンバータ８内の触媒温度を検出して、検出温度に基づいて判定する。メイン触媒コンバータ８が活性状態にある場合には、切換バルブ４を開いて排気をメイン触媒コンバータ８に導入してよいため、ステップＳ６に進み、圧力センサ２６の出力値を読み込み、検出した負圧が切換バルブ４の開動作に十分な負圧かどうかを判定する。ここで、十分な負圧とは、切換バルブ４を閉じ方向に作用している不図示のスプリングの付勢力に抗して、切換バルブ４を所定の開閉速度で開くのに必要な負圧であり、ステップＳ２の切換バルブ４を開状態に維持するのに必要な負圧とは異なる。この必要な負圧を予め所定負圧として設定し、この所定負圧より低ければ負圧は十分であるとする。負圧が十分であればステップＳ７に進んで、ソレノイドバルブ２５を開いて負圧を負圧アクチュエータ２４に作用させて切換バルブ４を開制御する。一方、負圧が不十分であれば、ステップＳ８に進み、負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９により切換バルブ４を開状態に制御する。

ステップＳ５で、メイン触媒コンバータ８が活性状態に達しておらず、切換バルブ４を開く必要がない場合には、ステップＳ９に進み、内燃機関が搭載された車両の運転状態から切換バルブ４を開く必要があるか否かを判定する。たとえば、急加速時や登坂路走行時の高負荷要求により切換バルブ４の開要求があればステップＳ１０に進み、負圧を読み込み、必要負圧が供給できるか否かを判定し、開要求がなければステップＳ１に戻る。ここでの必要負圧は、ステップＳ６と同じ必要負圧でよい。

ステップＳ１０で必要負圧が確保されると判定されればステップＳ１１に進み、ソレノイドバルブ２５を開き、負圧を負圧アクチュエータ２４に作用させて、切換バルブ４を開状態に制御する。一方、必要負圧が確保されないと判定されればステップＳ１２に進み、負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９を協働駆動して、切換バルブ４を開状態に制御する。

ステップＳ７、Ｓ８、Ｓ１１やステップＳ１２により切換バルブ４を開状態に制御し、各ステップは続いてステップＳ１３に進み、切換バルブ４を開く際に切換バルブ４の弁体４ａが相手部材に着座する際に生じる着座音を抑制する制御を行う。

着座音は、切換バルブ４の弁体４ａが負圧の作用や電制モータ２９の駆動力により着座する際の速度が速いほど発生しやすいため、着座音の抑制には着座時の弁体４ａの速度を抑制することが効果的である。したがって、切換バルブ４の弁体４ａが相手部材に着座する直前に弁体４ａの開く速度を低下させて着座音を抑制するように制御する。ここで、弁体４ａの開く速度を変化させるには、制御時の応答速度の速い電制モータ２９を制御して変化させることが適当であり、ステップＳ８のように電制モータ２９によって切換バルブ４を開く場合に限らず、ステップＳ７のように負圧アクチュエータ２４によって切換バルブ４を開く場合でも、着座直前には、電制モータ２９の駆動力を作用させて開く速度を遅くして着座音を低減させる。また、切換バルブ４を着座させる際に、弁体４ａを相手部材に押し付けるように制御することにより、弁体４ａが相手部材に着座する際のチャタリング音（着座する際に弁体４ａが相手部材に着いたり離れたりすることにより生じる音）を防止することができる。

具体的にはステップＳ１３において、切換バルブ４の弁体４ａの位置を検出するポジショニングセンサ３３の出力値を読み込み、弁体４ａの位置を検出する。弁体４ａが所定の位置に達した場合に、ステップＳ１４に進み、電制モータ２９を制御して、弁体４ａの開く速度が所定の速度になるように制御し、弁体４ａが所定速度で相手部材に着座させて制御を終える。

このように本発明は、内燃機関の排気が流通するメイン通路２、３、７と、このメイン通路２、３、７に設置されたメイン触媒コンバータ８と、前記メイン通路２、３の一部をバイパスし、前記メイン触媒コンバータ８の上流側の前記メイン通路７に接続するバイパス通路１１、１４と、このバイパス通路１１、１４に設置されるバイパス触媒コンバータ１８と、前記内燃機関から排出される排気の前記メイン通路２、３、７への流れを制御する切換バルブ４と、前記切換バルブ４の開閉を制御するコントローラ３０と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記切換バルブ４は、その開閉動作の一方が負圧アクチュエータ２４またはこの負圧アクチュエータ２４とモータ２９との組み合わせにより駆動されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置であるので、たとえば、切換バルブ４の閉動作がスプリングの付勢力により駆動される場合にも、開動作は、スプリングの付勢力に抗して、負圧アクチュエータ２４またはこの負圧アクチュエータ２４と電制モータ２９との組み合わせにより駆動されるので、開動作の速度が遅くなることが抑制できる。

なお、本発明は、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。

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である。 切換バルブの構成図である。 切換バルブの開閉制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

２：上流側メイン通路
３：中流側メイン通路
４：切換バルブ
５：バルブユニット
７：下流側メイン通路
８：メイン触媒コンバータ
１１：上流側バイパス通路
１４：下流側バイパス通路
１８：バイパス触媒コンバータ
２４：負圧アクチュエータ
２５：ソレノイドバルブ
２６：圧力センサ
２７：負圧タンク
２８：逆止弁
２９：電制モータ
３０：コントローラ
３１：負圧ポンプ

Claims (9)

1. 内燃機関の排気が流通するメイン通路と、
   このメイン通路に設置されたメイン触媒コンバータと、
   前記メイン通路の一部をバイパスし、前記メイン触媒コンバータの上流側の前記メイン通路に接続するバイパス通路と、
   このバイパス通路に設置されるバイパス触媒コンバータと、
   前記内燃機関から排出される排気の前記メイン通路への流れを制御する切換バルブと、
   前記切換バルブの開閉を制御するコントローラと、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記切換バルブは、その開閉動作の一方の駆動源として負圧アクチュエータおよびモータとを備え、
   前記コントローラは、前記負圧アクチュエータに作用して負圧アクチュエータに駆動力を生じさせる負圧に応じて、前記切換バルブの駆動源を前記負圧アクチュエータのみ、または前記負圧アクチュエータと前記モータとの組み合わせのいずれかに制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記コントローラは、前記モータにより前記切換バルブの開閉速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。
3. 前記コントローラは、前記切換バルブが相手部材に着座する時の開閉速度が遅くなるように前記モータにより前記切換バルブの開閉速度を切り換え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。
4. 前記コントローラは、前記切換バルブを開閉いずれかの状態に維持する場合に、前記負圧アクチュエータに作用する負圧が前記状態を維持するのに必要な負圧より不足するときには前記モータを駆動して前記切換バルブの前記状態を維持するように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。
5. 前記切換バルブは、複数の前記メイン通路をそれぞれ開閉する弁体から構成される場合に、各弁体に前記負圧アクチュエータと前記モータとを設置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。
6. 前記切換バルブは、複数の前記メイン通路をそれぞれ開閉する弁体から構成される場合に、各弁体を開閉駆動する１組の前記負圧アクチュエータと前記モータとを設置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。
7. 前記負圧アクチュエータは、負圧ポンプに連通することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記コントローラは、前記負圧アクチュエータに作用する負圧が、切換バルブに作用している付勢力に抗して、切換バルブを所定の開閉速度で作動させるのに必要な負圧より低い場合に前記負圧アクチュエータと前記モータとにより前記切換バルブを駆動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。
9. 前記切換バルブの開閉動作の他方がスプリングの付勢力により駆動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。

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