JPH09125940A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転条件に応じて排気圧力を調節できるエン
ジンの排気浄化装置を提供する。 【解決手段】 上流触媒コンバータ２への排気の導入を
制限する触媒バルブ１１と、バイパス通路４への排気の
導入を制限するバイパスバルブ１２と、触媒バルブ１１
をバイパスバルブ１２と独立して開閉する電磁アクチュ
エータ１７およびダイヤフラムアクチュエータ１８と、
運転条件に応じてバイパスバルブ１２と触媒バルブ１１
をそれぞれ開閉して排気圧力を調節する排気圧力コント
ロールユニット５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気浄
化装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用内燃機関等にあっては、排気浄
化用の触媒コンバータを機関のエキゾーストマニホール
ドの直下に設置して、触媒低温時の活性化を早めるもの
がある。

【０００３】この種の排気浄化装置として、例えば特願
平５−３２１６４４号に開示されたものは、エキゾース
トマニホールドの直下に設置された触媒コンバータの耐
熱性を確保するため、排気が高温となる運転時に触媒コ
ンバータへの排気の導入を制限する排気切換バルブを備
えている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のエン
ジンの排気浄化装置にあっては、触媒コンバータへ排気
を導入するか、触媒コンバータを迂回して排気を導く
か、排気切換バルブを介して択一的に作動させていた。

【０００５】このため、排気切換バルブの開閉作動時に
生じる排気圧力の変動については考慮されず、エンジン
のトルク変動を生じるばかりか、特に冷機時にあっては
排気圧力の不足から未燃焼ＨＣの排出量が増える傾向が
あった。

【０００６】本発明は上記の問題点を解消し、運転条件
に応じて排気圧力を調節できるエンジンの排気浄化装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のエンジ
ンの排気浄化装置は、排気通路に設置される排気浄化用
の触媒コンバータと、触媒コンバータを迂回して排気を
導くバイパス通路と、触媒コンバータへの排気の導入を
制限する触媒バルブと、バイパス通路への排気の導入を
制限するバイパスバルブと、触媒バルブをバイパスバル
ブと独立して開閉するバルブ駆動手段と、運転条件に応
じてバイパスバルブと触媒バルブをそれぞれ開閉して排
気圧力を調節する排気圧力制御手段と、を備える。

【０００８】請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置
は、請求項１に記載の発明において、前記排気圧力制御
手段は、冷機時かつ低負荷時にバイパスバルブを閉弁さ
せるとともに触媒バルブを所定の最小開度にする構成と
する。

【０００９】請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置
は、請求項１または２に記載の発明において、前記排気
圧力制御手段は、冷機時かつ中負荷時に排気圧力が一定
に保たれるようにバイパスバルブを閉弁させた状態で触
媒バルブの開度を調節する構成とする。

【００１０】請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置
は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記排気圧力制御手段は、高負荷時にバイパスバル
ブを開弁させるとともに触媒バルブを閉弁させる構成と
する。

【００１１】請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置
は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記バルブ駆動手段として、触媒バルブを任意の位
置に開閉駆動する電磁アクチュエータと、バイパスバル
ブを開弁方向に付勢するリターンスプリングと、リター
ンスプリングに抗してバイパスバルブを閉弁するダイヤ
フラムアクチュエータと、触媒バルブの開弁作動に連動
してバイパスバルブを閉弁作動させる連動機構と、を備
える。

【００１２】請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置
は、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記触媒バルブの最小開度を規制するストッパ機構
を備える。

【００１３】

【作用】請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置にお
いて、バルブ駆動手段は触媒バルブをバイパスバルブと
独立して開閉することにより、運転条件に応じて排気圧
力を調節することが可能となる。

【００１４】バイパスバルブを閉弁させる一方で触媒バ
ルブの開度を調整することで排気圧力が高められる。こ
れにより、筒内残留ガス率が増えて未燃焼ＨＣが次サイ
クルで燃焼するとともに、ブローダウン時の排気流速低
下による未燃焼ＨＣ生成量の低減がはかれるため、エン
ジンから排出されるＨＣ排出量を低減することができ
る。

【００１５】バイパスバルブと触媒バルブの一方を開弁
させて排気圧力が下げられることにより、エンジンのポ
ンピングロスが低下して、発生トルクが高められるとと
もに、燃費の低減がはかられる。

【００１６】請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置
において、冷機時かつ低負荷時にバイパスバルブを閉弁
させる一方で触媒バルブの開度を所定の最小開度に調整
することで排気圧力を高める。これにより、筒内残留ガ
ス率が増えて未燃焼ＨＣが次サイクルで燃焼するととも
に、ブローダウン時の排気流速低下による未燃焼ＨＣ生
成量の低減がはかれるため、エンジンから排出されるＨ
Ｃ排出量を低減することができる。

【００１７】請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置
において、冷機時かつ中負荷時にバイパスバルブを閉弁
させた状態で触媒バルブの開度を調節して、排気圧力が
一定に保たれるように調節することにより、排気圧力が
過度に上昇することを防止しつつ、エンジンから排出さ
れるＨＣ排出量を低減することができる。

【００１８】請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置
において、高負荷時にバイパスバルブを開弁させるとと
もに触媒バルブを閉弁させることにより、高温の排気が
触媒コンバータに導かれて触媒の劣化が進むことを抑え
られる。

【００１９】請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置
において、電磁アクチュエータを介して触媒バルブを閉
弁させた状態で、ダイヤフラムアクチュエータを作動さ
せることにより、リターンスプリングの付勢力に抗して
バイパスバルブが閉弁する。

【００２０】電磁アクチュエータを介して触媒バルブを
開弁させることにより、連動機構を介してバイパスバル
ブが閉弁する。

【００２１】電磁アクチュエータを介して触媒バルブを
閉弁させることにより、バイパスバルブはリターンスプ
リングの付勢力により連動機構を介して開弁する。

【００２２】電磁アクチュエータを介して運転状態に応
じて触媒バルブを任意の開度に制御するので排気圧力の
変動を緩和できる。この結果、エンジンのトルク変動を
抑えられるとともに、ＥＧＲ率の変動を抑えられ、ＮＯ
ｘの排出量を低減することができる。

【００２３】請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置
において、ストッパ機構が触媒バルブの最小開度を規制
することにより、電磁アクチュエータ等の故障時に排気
通路が閉塞されることを回避し、エンジンの運転が続け
られる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２５】図１に示すように、エンジンの排気通路１
には上流触媒コンバータ２と下流触媒コンバータ３が直
列に設置され、排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの
還元が行われる。

【００２６】コントロールユニット５は、エアフロメー
タ６によって検出されるエンジン吸入空気量Ｑ、回転セ
ンサ７によって検出される回転数Ｎ等の検出信号を入力
し、空燃比を理論空燃比に近づける基本燃料噴射量Ｔｐ
（＝Ｋ×Ｑ／Ｎ；Ｋは定数）が算出されるととともに、
Ｏ₂センサ８，９の検出信号を入力し、所定のストイキ
域で空燃比が目標値を中心とした狭い範囲に収まるよう
に燃料噴射量Ｔｉを次式で算出してフィードバック制御
する。

【００２７】 Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（１） ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦ
は冷却水温センサ１９で検出される冷却水温度Ｔｗ等を
パラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パ
ルス幅である。

【００２８】排気通路１と図示しない吸気通路を結ぶＥ
ＧＲ通路が配設される。ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁
が介装される。コントロールユニット５はエンジンの運
転条件に応じてＥＧＲ弁の開度を制御し、排気通路１か
ら吸気通路に再循環するＥＧＲガス量を調節する。これ
により、吸気通路１に不活性のＥＧＲガスを再循環させ
てＮＯｘの発生を抑制する。

【００２９】上流触媒コンバータ２はエンジンの各気筒
から排出される排気を集めるエキゾーストマニホールド
１０にできるだけ近づけて配置され、触媒低温時の活性
化を早めるようになっている。

【００３０】排気通路１にはエンジンからの排気を上流
触媒コンバータ２を迂回させて下流触媒コンバータ３へ
と導くバイパス通路４が配設される。

【００３１】運転条件に応じて排気圧力を調節する手段
として、排気通路の途中には上流触媒コンバータ２への
排気の導入を制限する触媒バルブ１１と、バイパス通路
４への排気の導入を制限するバイパスバルブ１２が並列
に設けられる。

【００３２】図２に示すように、エキゾーストマニホー
ルド１０の出口には触媒バルブ１１を収装するチャンバ
２１と、バイパスバルブ１２を収装するチャンバ２２が
並列に接続される。

【００３３】上流触媒コンバータ２の入口に接続するチ
ャンバ２１の開口径（例えば３０ｍｍ）は、バイパス通
路４に接続するチャンバ２２の開口径（例えば４０ｍ
ｍ）に比べて小さくなっている。

【００３４】円盤状をした触媒バルブ１１はバルブシャ
フト１３を介して回動可能に支持される。図３に示すよ
うに、バルブシャフト１３はリンク１５を介して電磁ア
クチュエータ１７により回転駆動される。電磁アクチュ
エータ１７はその作動量がコントロールユニット５から
送られるデューティ信号によりデューティ制御される。
触媒バルブ１１は、デューティ比が０％で全閉し、１０
０％で全開し、その間で開度が連続的に調節されるよう
になっている。全閉といっても、リンク１５に当接して
触媒バルブ１１の最小開度を規制するストッパ１６が設
けられるているので、チャンバ２１を完全に閉塞しない
ようになっている。これにより、電磁アクチュエータ１
７等の故障時にチャンバ２１，２２の両方が閉塞される
ことを回避し、必要最低限のエンジンの運転、すなわち
リンプホームが可能となる。

【００３５】円盤状をしたバイパスバルブ１２はバルブ
シャフト１４を介して回動可能に支持される。バルブシ
ャフト１４は図示しないリンクを介してダイヤフラムア
クチューエータ１８により回転駆動される。

【００３６】各バルブシャフト１３，１４は同軸上に配
置され、両者の間にはリターンスプリング２３が介装さ
れる。

【００３７】ダイヤフラムアクチュエータ１８にソレノ
イドバルブ２０を介して吸入負圧が導かれるとリターン
スプリング２３に抗してバイパスバルブ１２を閉弁さ
せ、ダイヤフラムアクチュエータ１８にソレノイドバル
ブ２０を介して大気圧が導かれるとリターンスプリング
２３の付勢力によりバイパスバルブ１２を開弁させるよ
うになっている。

【００３８】触媒バルブ１１の開弁作動に連動してバイ
パスバルブ１２を閉弁作動させる連動機構として、触媒
バルブ１１のバルブシャフト１３には爪２５が突出形成
され、バイパスバルブ１２のバルブシャフト１４には爪
２５に係合する突起２６が形成される。

【００３９】図２において、２７，２８は各バルブシャ
フト１３，１４を回動可能に支持する軸受であり、２
９，３０はバルブシャフト１３，１４とチャンバ２１，
２２の隙間を密封するシール装置である。

【００４０】コントロールユニット５は、スタータスイ
ッチ信号と吸気量Ｑとエンジン回転数Ｎおよび冷却水温
度Ｔｗ等の検出信号を入力して、触媒バルブ１１、バイ
パスバルブ１２の開閉作動を制御して、上流触媒コンバ
ータ２の耐熱性を確保しつつ、エンジンの排気圧力を運
転条件に応じて調節する。

【００４１】図４のフローチャートは、触媒バルブ１
１、バイパスバルブ１２の開閉作動を制御するルーチン
を示しており、コントロールユニット５において一定周
期毎に実行される。

【００４２】これについて説明すると、まず、ステップ
１でエンジンを起動するスタータスイッチがＯＮとなる
かどうかを判定し、ＯＮとなっている場合はステップ７
に進んで、電磁アクチュエータ１７のデューティを１０
０％とし、触媒バルブ１１を全開する。このとき、触媒
バルブ１１はその下端がエキゾーストマニホールド１０
を向く方向へ回転するので、爪２５が突起２６に係合し
てバイパスバルブ１２を閉弁させる。

【００４３】このように、スタータスイッチがＯＮとな
ってスタータモータがエンジンを起動している始動時
に、触媒バルブ１１を全開するので、排気圧力の上昇が
抑えられて始動性を確保できる。

【００４４】スタータスイッチがＯＦＦとなる始動後
は、ステップ２に進んで図５のマップに基づきエンジン
負荷および回転数が所定値より低いＣゾーンにあるかど
うかを判定する。なお、エンジン負荷および回転数が上
昇する際はＡラインによってＣゾーンを限定し、エンジ
ン負荷および回転数が降下する際はＡラインよって低回
転低負荷側に位置するＡ’ラインによりＣゾーンを限定
するヒステリシスを設定し、制御安定性を確保するよう
になっている。

【００４５】エンジン負荷および回転数が所定値以上の
Ｂゾーンにある高負荷時と判定された場合、ステップ６
に進んで、電磁アクチュエータ１７のデューティを０％
とし、触媒バルブ１１を全閉する。このとき、爪２５と
突起２６との係合は解かれるが、リターンスプリング２
３の復元力が作用するとのでバイパスバルブ１２は全開
する。

【００４６】このように、所定の高負荷時に、エキゾー
ストマニホールド１０からの排気ガスを上流触媒コンバ
ータ２を迂回してバイパス通路４を通して下流触媒コン
バータ３へと導く。これにより、高温の排気が上流触媒
コンバータ２に導かれて触媒の劣化が進むことを抑えら
れる。

【００４７】Ｃゾーンにある低中負荷時と判定された場
合、ステップ３に進んで、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔ₀
（例えば７５０°Ｃ）より低い冷機時かどうかを判定す
る。

【００４８】Ｔｗ＜Ｔ₀である冷機時と判定された場
合、ステップ４に進んでＯ₂センサ８の信号発生後の経
過時間ＴＩＭＥＲが所定値Ｔ２以上かどうかを判定す
る。

【００４９】Ｔｗ≧Ｔ₀またはＴＩＭＥＲ≧Ｔ２と判定
された暖機後は、ステップ７に進んで、電磁アクチュエ
ータ１７のデューティを１００％とし、触媒バルブ１１
を全開するとともに、爪２５が突起２６に係合してバイ
パスバルブ１２を閉弁させる。

【００５０】このように、暖機後の低中負荷時に、触媒
バルブ１１は全開するので、排気圧力の上昇が抑えられ
て、エンジンのポンピングロスが上昇することを抑え
て、燃費の低減がはかられる。また、エキゾーストマニ
ホールド１０からの排気ガスを上流触媒コンバータ２を
通して排出するので、上流触媒コンバータ２と下流触媒
コンバータ３の両方で排気を浄化し、排気エミッション
の悪化を抑えられる。なお、暖機後については、上流触
媒コンバータ２の保護のため、触媒バルブ１１を全開に
し、バイパスバルブ１２を全開にするように制御しても
よい。

【００５１】Ｔｗ＜Ｔ₀かつＴＩＭＥＲ＜Ｔ２と判定さ
れた冷機時は、ステップ５に進んで、ダイヤフラムアク
チュエータ１８にソレノイドバルブ２０を介して吸入負
圧を導いてリターンスプリング２３に抗してバイパスバ
ルブ１２を全閉させるとともに、図６のマップに基づき
吸入空気量Ｑ（排気ガス量）に応じて電磁アクチュエー
タ１７の通電割合を０〜１００％の間でデューティ制御
して、触媒バルブ１１の開度を調節して排気ガスの流れ
を絞り、排気圧力を高める。このとき、バイパスバルブ
１２は全閉位置にあるので、触媒バルブ１１は全開する
まで、爪２５と突起２６とは係合しない。

【００５２】図６のマップでは、排気圧力が所定値以下
の低負荷域では、触媒バルブ１１の開度を最小とする。
ここで全開しなっていないのは、前述のとおりストッパ
１６により最小開度が規制されているからであり、排気
ガスの最小必要流路面積が確保される。排気圧力が所定
値に達したら（中負荷域）、触媒バルブ１１の開度を排
気ガス量が増えるのに伴って増大し、排気圧力を一定に
保つようになっている。

【００５３】このようにして冷機時に排気圧力を高める
ことにより、筒内残留ガス率が増し、未燃焼ＨＣが次サ
イクルで燃焼するとともに、ブローダウン時の排気流速
低下による、未燃焼ＨＣの生成量を低減するため、エン
ジンから排出されるＨＣ排出量を低減することができ
る。

【００５４】図７は冷機時かつ低負荷時に排気圧力に応
じてＨＣ排出濃度、ＨＣ排出率、排気ガス温度をそれぞ
れ測定した結果を示している。これから排気圧力が上昇
するのにしたがって、排気ガス温度が上昇し、ＨＣ排出
濃度、ＨＣ排出率が低下することがわかる。

【００５５】また、こうした冷機時にバイパスバルブ１
２を介してバイパス通路４を閉じて排気を上流触媒コン
バータ２に導くので、下流触媒コンバータ３の活性化を
早めるとともに、上流触媒コンバータ２を介して排気浄
化が行われる。

【００５６】ところで、図８、図９は、バイパス通路４
と上流触媒コンバータ２の流路の切換えるのに伴ってＥ
ＧＲ率、軸トルクが変化する様子を示したものである。
バイパス通路４の流路断面積が上流触媒コンバータ２の
流路断面積より小さいことと、上流触媒コンバータ２の
通気抵抗の影響とにより、上流触媒コンバータ２が開通
した運転時に比べてバイパス通路４が開通した運転時の
方が、排気圧力が低下することにより、ＥＧＲ率が低下
するとともに、軸トルクが上昇する。このことから、高
負荷時と判定された場合、触媒バルブ１１を全閉し、バ
イパスバルブ１２を全開することで、このときの軸トル
クを確保できることが理解できる。

【００５７】また、触媒バルブ１１の開閉作動は排気ガ
ス量に応じたものとなるので、排気圧力の変動を緩和す
ることができる。

【００５８】こうしてバイパス通路４と上流触媒コンバ
ータ２の流路の切換え時の圧力変動が緩和されることに
より、エンジンのトルク変動を抑えられるとともに、Ｅ
ＧＲ率の変動を抑えられ、ＮＯｘの排出量を低減するこ
とができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載のエ
ンジンの排気浄化装置は、バルブ駆動手段を介して触媒
バルブとバイパスバルブが独立して開閉することによ
り、排気圧力を調節することが可能となり、運転条件に
応じて発生トルクの低下や燃費の増大を抑えつつ、エン
ジンから排出されるＨＣ排出量を低減することができ
る。

【００６０】請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置
は、冷機時かつ低負荷時にバイパスバルブを閉弁させる
一方で触媒バルブを所定の最小開度として、排気圧力を
高めることにより、エンジンから排出されるＨＣ排出量
を低減することができる。

【００６１】請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置
は、冷機時かつ中負荷時にバイパスバルブを閉弁させた
状態で触媒バルブの開度を調節して、排気圧力が一定に
保たれるように調節することにより、排気圧力が過度に
上昇することを防止しつつ、エンジンから排出されるＨ
Ｃ排出量を低減することができる。

【００６２】請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置
は、高負荷時にバイパスバルブを開弁させるとともに触
媒バルブを閉弁させることにより、高温の排気が触媒コ
ンバータに導かれて触媒の劣化が進むことを抑えられ
る。

【００６３】請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置
は、電磁アクチュエータを介して行うことにより、運転
状態に応じて触媒バルブを任意の開度に制御するので排
気圧力の変動を緩和することができ、エンジンのトルク
変動を抑えられるとともに、ＥＧＲ率の変動を抑えら
れ、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

【００６４】請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置
は、ストッパ機構が触媒バルブの最小開度を規制するこ
とにより、電磁アクチュエータ等の故障時に排気通路が
閉塞されることを回避し、エンジンの運転が続けられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すシステム図。

【図２】同じくチャンバ等の断面図。

【図３】同じくチャンバの側面図。

【図４】同じくバイパスバルブと触媒バルブの開閉を制
御するルーチンを示すフローチャート。

【図５】同じく制御に用いられるマップ。

【図６】同じく制御に用いられるマップ。

【図７】排気圧力に対するＨＣ排出濃度等の特性図。

【図８】バルブの開閉に伴う軸トルクとＥＧＲ率の関係
を示す特性図。

【図９】バルブの開閉に伴うエンジン回転数と軸トルク
の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１ 排気通路 ２ 上流触媒コンバータ ３ 下流触媒コンバータ ４ バイパス通路 ５ コントロールユニット ６ エアフロメータ ７ 回転数センサ １０ エキゾーストマニホールド １１ 触媒バルブ １２ バイパスバルブ １３ バルブシャフト １４ バルブシャフト １６ ストッパ １７ 電磁アクチュエータ １８ ダイヤフラムアクチュエータ １９ 水温センサ ２３ リターンスプリング ２５ 爪 ２６ 突起

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気通路に設置される排気浄化用の触媒コ
   ンバータと、 触媒コンバータを迂回して排気を導くバイパス通路と、 触媒コンバータへの排気の導入を制限する触媒バルブ
   と、 バイパス通路への排気の導入を制限するバイパスバルブ
   と、 触媒バルブをバイパスバルブと独立して開閉するバルブ
   駆動手段と、 運転条件に応じてバイパスバルブと触媒バルブをそれぞ
   れ開閉して排気圧力を調節する排気圧力制御手段と、 を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 【請求項２】前記排気圧力制御手段は、冷機時かつ低負
   荷時にバイパスバルブを閉弁させるとともに触媒バルブ
   を所定の最小開度にする構成としたことを特徴とする請
   求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 【請求項３】前記排気圧力制御手段は、冷機時かつ中負
   荷時に排気圧力が一定に保たれるようにバイパスバルブ
   を閉弁させた状態で触媒バルブの開度を調節する構成と
   したことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジ
   ンの排気浄化装置。
4. 【請求項４】前記排気圧力制御手段は、高負荷時にバイ
   パスバルブを開弁させるとともに触媒バルブを閉弁させ
   る構成としたことを特徴とする請求項１から３のいずれ
   か一つに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 【請求項５】前記バルブ駆動手段として、 触媒バルブを任意の位置に開閉駆動する電磁アクチュエ
   ータと、 バイパスバルブを開弁方向に付勢するリターンスプリン
   グと、 リターンスプリングに抗してバイパスバルブを閉弁する
   ダイヤフラムアクチュエータと、 触媒バルブの開弁作動に連動してバイパスバルブを閉弁
   作動させる連動機構と、 を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一
   つに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 【請求項６】前記触媒バルブの最小開度を規制するスト
   ッパ機構を備えたことを特徴とする請求項１から５のい
   ずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。