JPH05296030A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 冷間時における排気ガス浄化率の向上を図る
と共に、排気量の少ない運転時に用いる窒素酸化物浄化
用と、冷間用三元触媒との複数のキャタリストを一群に
して設けることで、排気量の多い運転時に用いるバイパ
ス通路にキャタリストを無くして、特に高負荷高回転時
の排気抵抗を低減し、出力の向上を図り、排気通路の簡
素化を図る。 【構成】 リーンバーンエンジンにおいて、排気マニホ
ルド１７下流の第１排気通路２１に窒素酸化物浄化用の
第１キャタリスト２２と、冷間用三元触媒の第２キャタ
リスト２３と、第２排気通路２５に三元触媒の第３キャ
タリスト２６と、バイパス通路２７とを設けると共に、
エンジン冷間時及びリーンバーン運転時に排気ガスを第
１及び第２キャタリストに流通し、温間時および非リー
ンバーン運転時に、特にエンジン高負荷高回転時に排気
ガスをバイパス通路に流す排気切換弁２８を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、リーンバーン（lean
-burn 、希薄空燃比燃焼）を行なうエンジンにおいて排
気ガスを浄化するようなエンジンの排気浄化装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、上述例のエンジンの排気浄化装置
としては、例えば、特開平１−１７１６２５号公報に記
載の装置がある。すなわち排気マニホルド下流の分岐点
に第１分岐パイプと第２分岐パイプとを連通接続し、一
方の第１分岐パイプには酸素過剰下（リーンバーン下）
において主として窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する銅−
ゼオライト触媒を有するキャタリストを介設し、他方の
第２分岐パイプには三元触媒を有するキャタリストを介
設すると共に、上述の分岐点には排気ガス温度が約６８
０℃以下の時、排気ガスを第１分岐パイプに流通し、６
８０℃以上の時、排気ガスを第２分岐パイプに流通する
切換バルブを配設したエンジンの排気浄化装置である。

【０００３】この従来装置によれば、排気ガス温度が低
温となるリーンバーン運転時には上述の切換バルブによ
り排気ガスを第１分岐パイプに流通し、銅−ゼオライト
触媒で窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化し、排気ガス温度が
高温となる高負荷高回転時のようなリッチバーン運転時
には上述の切換バルブにより排気ガスを第２分岐パイプ
に流通し、三元触媒でＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一
酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）を浄化することができる
利点がある反面、次のような問題点があった。

【０００４】つまり、冷間時には上述の切換バルブによ
り排気ガスが第１分岐パイプに流通されるように切換え
られるが、この第１分岐パイプに介設した触媒が活性温
度に至らず、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水
素）、ＣＯ（一酸化炭素）の浄化が不充分となる問題点
があった。

【０００５】ところで、リーンバーンを行なわない従来
のエンジンにおいては三元キャタリストのレイアウト上
に特に制限はないが、リーンバーンを行なうエンジンに
おいては各種の制限を受ける。

【０００６】すなわち、リーンバーン運転状態では酸素
過剰雰囲気となるので、一般的な三元触媒ではＮＯｘの
良好な浄化が困難なため、ＮＯｘを良好に浄化し得る窒
素酸化物浄化用のキャタリストを別途設ける必要があ
り、このキャタリストはＨＣを利用してＮＯｘを浄化す
る関係上、三元触媒の上流に配置する必要があり、加え
て、この窒素酸化物浄化用のキャタリストは三元キャタ
リストに対して耐熱性が低い関係上、排気ガス温度が高
温になる高負荷高回転時には排気ガスをバイパスさせる
必要がある等の各種の制限を受ける。

【０００７】ところで、三元触媒が活性温度以下でも排
気ガスを浄化するため、三元触媒よりも活性温度の低い
冷間用三元触媒を用いることが知られているが、上述の
窒素酸化物浄化用のキャタリストと三元キャタリストと
を組合わせて使用すると排気通路のレイアウトが複雑化
する問題点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明の請求項１記
載の発明は、冷間時における排気ガス浄化率の向上を図
り、かつ上述の各種条件を満たすと共に、排気量の少な
い運転時に用いる窒素酸化物浄化用の第１キャタリスト
と、冷間用三元触媒を有する第２キャタリストとを一群
にして設けることで、排気量の多い運転時に用いるバイ
パス通路にキャタリストを介設することなく、特に高負
荷高回転時における排気抵抗を低減して、出力の向上を
図ることができ、また使用条件が略一致する窒素酸化物
浄化用の第１キャタリストと、冷間用三元触媒を有する
第２キャタリストとを一群にして配置することで、排気
通路の簡素化を図ることができるエンジンの排気浄化装
置の提供を目的とする。

【０００９】この発明の請求項２記載の発明は、上記請
求項１記載の発明の目的と併せて、上述の第２キャタリ
ストを第１キャタリストと同一のキャタケースに配設
し、かつ第２キャタリストは触媒を加熱して活性化する
タイプのものに設定することで、窒素酸化物浄化用の第
１キャタリストをプリヒートし、この第１キャタリスト
を早期に活性化することができるエンジンの排気浄化装
置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１記載
の発明は、リーンバーンエンジンにおいて、排気マニホ
ルド下流の第１排気通路に窒素酸化物浄化用の第１キャ
タリストと、該第１キャタリスト下流に位置し、かつ冷
間時に排気を浄化する冷間用三元触媒を有する第２キャ
タリストとを一群にして介設し、上記第１排気通路下流
の第２排気通路に三元触媒を有する第３キャタリストを
介設し、上記第１排気通路の第１キャタリストおよび第
２キャタリストをバイパスするバイパス通路を設けると
共に、エンジンの冷間時およびリーンバーン運転時に排
気ガスを上記第１キャタリストおよび第２キャタリスト
に流通し、温間時および非リーンバーン運転時に排気ガ
スを上記バイパス通路に流通する排気切換手段を備えた
エンジンの排気浄化装置であることを特徴とする。

【００１１】この発明の請求項２記載の発明は、上記請
求項１記載の発明の構成と併せて、上記第２キャタリス
トは触媒を加熱して該触媒を活性化するキャタリストに
設定し、上記第２キャタリストを上記第１キャタリスト
と同一のキャタケース内に配設したエンジンの排気浄化
装置であることを特徴とする。

【００１２】

【発明の効果】この発明の請求項１記載の発明によれ
ば、冷間時には、排気ガスを第１排気通路の冷間用三元
触媒を有する第２キャタリストに流通して、ＮＯｘ（窒
素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）を
浄化し、リーンバーン運転時には、排気ガスを第１排気
通路の窒素酸化物浄化用の第１キャタリストに流通し
て、ＨＣを利用しつつＮＯｘを浄化し、温間時および非
リーンバーン運転時には、排気ガスをバイパス通路を流
通させた後に、第２排気通路の三元触媒を有する第３キ
ャタリストに流通させ、第１排気通路側の各キャタリス
トの熱劣化を回避しつつ、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化す
る。

【００１３】このように、上述の第１排気通路には上流
側に位置する第１キャタリストと、下流側に位置する第
２キャタリストとを一群にして介設したので、冷間時に
おける排気ガス浄化率の向上を図ることができる効果が
ある。

【００１４】しかも、排気量の少ない運転時（冷間時、
リーンバーン時）に用いる窒素酸化物浄化用の第１キャ
タリストと、冷間用三元触媒を有する第２キャタリスト
とを一群にして設けたので、排気量の多い運転時（非リ
ーンバーン時）に用いるバイパス通路にはキャタリスト
を何等介設する必要がなくなる。この結果、温間時およ
び非リーンバーン運転時、特に高負荷高回転時における
排気抵抗を低減して、出力の向上を図ることができる効
果がある。

【００１５】また使用条件が略一致する窒素酸化物浄化
用の第１キャタリストと、冷間用三元触媒を有する第２
キャタリストとを一群にして配置したので、排気通路の
簡素化を図ることができる効果がある。

【００１６】この発明の請求項２記載の発明によれば、
上記請求項１記載の発明の効果と併せて、上述の第２キ
ャタリストは触媒を加熱して該触媒を活性化するキャタ
リストであって、しかも、この第２キャタリストを上述
の第１キャタリストと同一のキャタケース内に配設した
ので、冷間時に加熱される第２キャタリストの熱によ
り、その上流側の第１キャタリストをプリヒート（前置
加熱）することができ、この結果、リーンバーン時に機
能を発揮する第１キャタリストを早期に活性化すること
ができる効果がある。

【００１７】

【実施例】この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳
述する。図面はエンジンの排気浄化装置を示し、図１に
おいて、吸入空気を浄化するエアクリーナ１の後位にエ
アフロメータ２を接続して、このエアフロメータ２で吸
入空気量を電圧変化として検出すべく構成している。

【００１８】上述のエアフロメータ２の後位にはスロッ
トルボディ３を接続し、このスロットルボディ３内のス
ロットルチャンバ４には、吸入空気量を制御する制御弁
としてのスロットル弁５を配設している。

【００１９】そして、このスロットル弁５下流の吸気通
路には、所定容積を有する拡大室としてのサージタンク
６を接続し、このサージタンク６下流に吸気ポート７と
連通する吸気マニホルド８を接続すると共に、この吸気
マニホルド８には燃料噴射弁９を配設している。

【００２０】一方、リーンバーンエンジン１０の燃焼室
１１と適宜連通する上述の吸気ポート７および排気ポー
ト１２には、動弁機構（図示せず）により開閉操作され
る吸気弁１３と排気弁１４とをそれぞれ取付け、またシ
リンダヘッド１５にはスパークギャップを上述の燃焼室
１１に臨ませた点火プラグ１６を取付けている。

【００２１】上述の排気ポート１２と連通する排気マニ
ホルド１７に空燃比センサとしてのＯ₂ センサ１８を配
設する一方、上述の吸気マニホルド８外周に形成したウ
ォータジャケット１９にはエンジン水温を検出する水温
センサ２０を取付ている。

【００２２】ところで、上述の排気マニホルド１７下流
には管径が比較的小さい第１排気通路２１（フロントエ
キゾーストパイプ）を接続し、この第１排気通路２１に
は、窒素酸化物浄化用の第１キャタリスト２２と、該第
１キャタリスト２２の下流に位置し、かつ冷間用三元触
媒を有する第２キャタリスト２３とを一群にして介設し
ている。

【００２３】この実施例では、上述の第２キャタリスト
２３は三元触媒を加熱して該三元触媒を活性化するキャ
タリスト、例えばエレクトリック・ヒート・キャタいわ
ゆるＥＨＣに設定すると共に、この第２キャタリスト２
３を上述の第１キャタリスト２２と同一のキャタケース
２４内に配設している。

【００２４】また上述の第１排気通路２１の下流には第
２排気通路２５（ミドルエキゾーストパイプ）を接続
し、この第２排気通路２５には三元触媒を有する第３キ
ャタリスト２６つまり三元キャタリスト（three-way-ca
talystいわゆるＴＷＣ）を介設している。ここで、上述
の第１および第２キャタリスト２２，２３はエンジンル
ーム内に位置し、第３キャタリスト２６は車室下方に位
置するものである。

【００２５】さらに上述の第１排気通路２１の第１キャ
タリスト２２および第２キャタリスト２３をバイパス
し、分岐点Ｐ1 と集合点Ｐ2 との間を連通するバイパス
通路２７を設け、このバイパス通路２７の管径を第１排
気通路２１の管径に対して大径に設定している。

【００２６】さらにまた、上述の第１排気通路２１にお
ける分岐点Ｐ1 の下流で、かつ第１キャタリスト２２の
上流には、エンジン１０の冷間時およびリーンバーン運
転時に排気ガスを上述の第１キャタリスト２２および第
２キャタリスト２３に流通し、エンジン１０の温間時お
よび非リーンバーン運転時に排気ガスを上述のバイパス
通路２７に流通する排気切換手段としての切換弁２８を
取付けている。

【００２７】図２はエンジンの排気浄化装置の制御回路
を示し、ＣＰＵ３０は、ディストリビュータ２９からの
エンジン回転数Ｎｅと、エアフロメータ２からの吸入空
気量Ｑと、水温センサ２０からのエンジン水温ｔと、ス
ロットルセンサ３１からのスロットル開度ＴＶＯとの各
信号入力に基づいて、ＲＯＭ３２に格納したプログラム
に従って、切換弁２８を切換制御し、またＲＡＭ３３は
必要なデータを記録する。

【００２８】このように構成したエンジンの排気浄化装
置の作用を、図３に示すフローチャートを参照して、以
下に詳述する。第１ステップ４１で、ＣＰＵ３０はディ
ストリビュータ２９からのエンジン回転数Ｎｅと、エア
フロメータ２からの吸入空気量Ｑと、水温センサ２０か
らのエンジン水温ｔと、スロットルセンサ３１からのス
ロットル開度ＴＶＯ等の必要な各種信号の読込みを実行
すると共に、ＣＥ＝Ｑ／Ｎｅの演算式に基づいてエンジ
ン負荷ＣＥを演算する。

【００２９】次に第２ステップ４２で、ＣＰＵ３０は上
述の各種信号に基づいて運転モードの判定を実行し、冷
間時には第３ステップ４３に、リーンバーン運転時には
第４ステップ４４に、高負荷高回転時には第５ステップ
４５にそれぞれ移行する。

【００３０】上述の第３ステップ４３で、ＣＰＵ３０は
冷間時に対応して切換弁２８を図４に示す如く開弁制御
すると共に、触媒加熱用のヒータ（図示せず）に対する
通電を実行する。

【００３１】このため、冷間時においては排気ガスは図
４に点線矢印で示す如く、第１排気通路２１の第１キャ
タリスト２２，第２キャタリスト２３を介して第２排気
通路２５に流通した後に、第３キャタリスト２６を介し
てサイレンサ（図示せず）側に導かれる。

【００３２】この結果、上述の触媒加熱用のヒータによ
り三元触媒が加熱されて、活性化温度に達すると、この
第２キャタリスト２３によりＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化
すると共に、上述のヒータの熱により同一のキャタケー
ス２４内の第１キャタリスト２２をプリヒートすること
ができる。

【００３３】加えて、上述の第１排気通路２１の管径は
バイパス通路２７の管径に対して比較的小径に設定した
ので、管表面積が比較的小さく、第１キャタリスト２２
および第２キャタリスト２３を排気ガスの熱により比較
的早期に暖めることができ、また上述の第１排気通路２
１の使用条件下における排気ガスの流量は比較的少量で
あるから管径が小さくても充分対応できるうえ、この管
径が小さい側に上述の切換弁２８を取付けたので、同切
換弁２８の制御性の向上を図ることができる。

【００３４】一方、上述の第４ステップ４４で、ＣＰＵ
３０はリーンバーン運転時に対応して切換弁２８を図４
に示す如く開弁制御する。このため、リーンバーン（le
an-burn 、希薄空燃比燃焼）運転時においては排気ガス
は図４に点線矢印で示す如く、第１排気通路２１の第１
キャタリスト２２、第２キャタリスト２３を介して第２
排気通路２５に流通した後に、第３キャタリスト２６を
介してサイレンサ側に導かれる。この結果、上述の第１
キャタリスト２２によりＨＣを利用しつつ、ＮＯｘの浄
化を図り、ＨＣおよびＣＯは第３キャタリスト２６によ
り浄化される。

【００３５】また上述の第５ステップ４５で、ＣＰＵ３
０は高負荷高回転に対応して切換弁２８を図５に示す如
く閉弁制御する。このため、高負荷高回転時においては
排気ガスは図５に点線矢印で示す如く、管径の大きいバ
イパス通路２７を介して第２排気通路２５に流通し、こ
の第２排気通路２５に介設した第３キャタリスト２６に
より、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯが浄化される。

【００３６】以上要するに、上述の第１排気通路２１に
は上流側に位置する第１キャタリスト２２と、下流側に
位置し、かつ冷間用三元触媒を有する第２キャタリスト
２３とを一群にして介設したので、冷間時における排気
ガス浄化率の向上を図ることができる効果がある。

【００３７】しかも、排気量の少ない運転時（冷間時、
リーンバーン時）に用いる窒素酸化物浄化用の第１キャ
タリスト２２と、冷間用三元触媒を有する第２キャタリ
スト２３とを一群にして設けたので、排気量の多い運転
時（温間時、非リーンバーン時）に用いるバイパス通路
２７にはキャタリストを何等介設する必要がなくなる。
この結果、温間時および非リーンバーン運転時、特に高
負荷高回転時における排気抵抗を低減して、出力の向上
を図ることができる効果がある。

【００３８】また使用条件が略一致する窒素酸化物浄化
用の第１キャタリスト２２と、冷間三元触媒を有する第
２キャタリスト２３とを一群にして配設したので、排気
通路の簡素化を図ることができる効果がある。

【００３９】加えて、上述の第２キャタリスト２３を、
触媒を加熱して該触媒を活性化するキャタリストに設定
すると共に、この第２キャタリスト２３を上述の第１キ
ャタリスト２２と同一のキャタリケース２４内に配設す
ると、冷間時に加熱される第２キャタリスト２３の熱に
より、その上流側の第１キャタリスト２２をプリヒート
することができるので、リーンバーン時に機能を発揮す
る第１キャタリスト２２を早期に活性化することができ
る効果がある。

【００４０】さらに実施例で示したように第１排気通路
２１の管径を小に、バイパス通路２７の管径を大に設定
すると、次のような効果がある。すなわち、第１排気通
路２１の管径が大きい場合には管表面積が大となって排
気系の熱が放熱しやすいが、この第１排気通路２１の管
径を小さく設定すると、排気系の熱が比較的放熱しにく
いため、早期に暖めたい触媒に対して有利となる。

【００４１】また第１排気通路２１へ排気ガスを流通さ
せるエンジンの運転条件は、冷間時およびリーンバーン
運転時であって排気ガス流通量が少量のエンジン運転条
件下であるため、管径が小さくても充分対応できる。

【００４２】さらに、上述の第１排気通路２１側に切換
弁２８を取付けると、通路径の小さい部分においての切
換制御が可能となるので、大径側に取付ける場合と比較
して、同切換弁２８のシート性、制御性の向上を図るこ
とができるのは勿論、高温かつ多量の排気ガス中での切
換制御が不要となる関係上、信頼性の向上を図ることが
できる。

【００４３】この発明の構成と、上述の実施例との対応
において、この発明の排気切換手段は、実施例の切換弁
２８に対応するも、この発明は、上述の実施例の構成の
みに限定されるものではない。

【００４４】すなわち、請求項１記載の構成は、第１キ
ャタリスト２２と第２キャタリスト２３とを同一のキャ
タケース２４内に配設する構造と、第１キャタリスト２
２の近傍下流において排気通路を介して第２キャタリス
ト２３を連通接続する構造との双方を含む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエンジンの排気浄化装置を示す系統
図。

【図２】制御回路ブロック図。

【図３】切換弁の切換制御を示すフローチャート。

【図４】冷間時およびリーンバーン時の説明図。

【図５】高負荷高回転時の説明図。

【符号の説明】

１７…排気マニホルド ２１…第１排気通路 ２２…第１キャタリスト ２３…第２キャタリスト ２４…キャタケース ２５…第２排気通路 ２６…第３キャタリスト ２７…バイパス通路 ２８…切換弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 45/00 ３０１ Ｇ 7536−3Ｇ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リーンバーンエンジンにおいて、排気マニ
   ホルド下流の第１排気通路に窒素酸化物浄化用の第１キ
   ャタリストと、該第１キャタリスト下流に位置し、かつ
   冷間時に排気を浄化する冷間用三元触媒を有する第２キ
   ャタリストとを一群にして介設し、上記第１排気通路下
   流の第２排気通路に三元触媒を有する第３キャタリスト
   を介設し、上記第１排気通路の第１キャタリストおよび
   第２キャタリストをバイパスするバイパス通路を設ける
   と共に、エンジンの冷間時およびリーンバーン運転時に
   排気ガスを上記第１キャタリストおよび第２キャタリス
   トに流通し、温間時および非リーンバーン運転時に排気
   ガスを上記バイパス通路に流通する排気切換手段を備え
   たエンジンの排気浄化装置。
2. 【請求項２】上記第２キャタリストは触媒を加熱して該
   触媒を活性化するキャタリストに設定し、上記第２キャ
   タリストを上記第１キャタリストと同一のキャタケース
   内に配設した請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。