JP3277698B2

JP3277698B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3277698B2
Application number: JP14690594A
Authority: JP
Inventors: 彰田山; 忠樹太田; 明雄磯部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 2002-04-22
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH0814035A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、未燃ＨＣを吸着する
吸着剤を排気系に介装した内燃機関の排気浄化装置の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気浄化装置として三元触媒
等の触媒装置が多用されているが、低温始動直後のよう
な排気ガス温度が低いときには、触媒が活性化しないた
め、触媒装置による排気浄化作用はほとんど期待するこ
とができない。そこで、触媒が活性化していない間に発
生する未燃ＨＣを吸着剤でもって一時的に吸着し、触媒
が活性化した後に、吸着した未燃ＨＣを脱離させ、かつ
触媒装置でもって浄化処理するようにした排気浄化装置
が、例えば特開昭６３−６８７１３号公報等において提
案されている。

【０００３】この公報に記載の装置では、触媒装置を備
えた主排気通路に対し、触媒装置上流側においてバイパ
ス通路が並列に構成されており、該バイパス通路にＨＣ
吸着剤が介装されているとともに、このバイパス通路へ
の排気の流入を制御するように両通路の上流側分岐部に
切換弁が設けられている。

【０００４】一般的に、ＨＣ吸着剤は、ＨＣを化学吸着
するものであり、吸着しやすい温度と、逆に脱離してし
まう温度とがある。現在の吸着剤は、ＨＣ脱離温度が比
較的低く、触媒が活性化温度に達する前に、ＨＣの脱離
が起こってしまう。従って、排気ガス温度が上昇し、脱
離温度に達したとき、とりわけ触媒活性化温度以下の間
では、排気ガスがこのＨＣ吸着剤を通過しないように切
換弁でもって排気流路を主排気通路側へ切り換え、その
後、触媒が活性化温度に達したときに、再び、切換弁を
バイパス通路側へ切り換えて、ＨＣの脱離を開始するよ
うにしているのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような吸着剤に
より未燃ＨＣを吸着するようにした排気浄化装置におい
て、従来は、実際に吸着された未燃ＨＣの吸着量を検出
することが不可能であった。そのため、例えばその脱離
時の最適な処理が困難となる。

【０００６】例えば上述したように内燃機関の排気温度
が上昇して吸着剤からＨＣが脱離すると、触媒にとって
は空燃比がリッチな状態となってしまい、ＨＣを十分に
浄化できない。そこで、ＨＣ脱離時に触媒装置上流に２
次空気を導入することが考えられているが、その２次空
気導入量や導入期間がＨＣの量の多少に拘わらず設定さ
れているため、２次空気が過度に多いか、あるいは少な
いかのどちらかとなり、ＮＯｘあるいはＨＣのいずれか
が悪化しやすい。

【０００７】また、吸着したＨＣ量が多い場合には、排
気ガス量が多い運転条件下で脱離を実行した方が、触媒
への影響を少なくすることができ、好ましいが、このよ
うな脱離運転条件を吸着量に応じて選択することもでき
ない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る内燃機関
の排気浄化装置は、図１に示すように、排気通路１に介
装され、かつ未燃ＨＣを吸着する吸着剤２と、この吸着
剤２の出口側の排気温度を検出する手段３と、この吸着
剤２出口側の排気温度が排気露点に相当する温度に維持
されている期間の長さを検出する手段４と、吸着剤２に
与えられた単位時間当たりの熱量を検出する手段５と、
上記の排気露点期間と熱量とに基づき吸着剤２から蒸発
した水分量を算出する手段６と、この水分量に基づき吸
着剤２に吸着されている未燃ＨＣの量を算出する手段７
と、を備えたことを特徴としている。

【０００９】特に請求項２の発明では、吸着剤２に与え
られた単位時間当たりの熱量を、吸着剤２に流入する熱
量と、吸着剤２から流出する放熱量との差として求める
ようにしている。

【００１０】また請求項３の発明では、さらに、触媒装
置を備えた主排気通路と、上記触媒装置上流側において
主排気通路と並列に構成され、かつ上記の吸着剤を備え
たバイパス通路と、このバイパス通路への排気の流入を
制御する切換弁と、算出された未燃ＨＣ量に基づいて、
ＨＣ脱離時のパラメータを設定する手段と、を備えたこ
とを特徴としている。

【００１１】特に請求項４の発明では、ＨＣ脱離時に触
媒装置上流に２次空気を供給する２次空気供給装置を備
えており、ＨＣ脱離時のパラメータとして、２次空気導
入量、導入時間および内燃機関の排気ガス量を、算出さ
れた未燃ＨＣ量に基づいて設定している。

【００１２】また請求項５の発明では、ＨＣ脱離時のパ
ラメータとして、上記切換弁の開度を未燃ＨＣ量に基づ
いて設定している。

【００１３】

【作用】内燃機関の始動直後など排気温度が低い場合に
は、排気が吸着剤２を通過する際に、未燃ＨＣが吸着剤
２に吸着される。この種の吸着剤２は、ＨＣを化学結合
によって吸着すると考えられており、吸着剤２の細孔径
とＨＣ分子径によって吸着の度合が変化する。そのた
め、ＨＣを主に吸着する吸着剤２においては、水分（Ｈ
₂Ｏ）は、分子径の違いから吸着剤２との間で強い結合
力が得られず、熱を加えるとすぐに離れてしまう。また
吸着されているＨＣも、図３の特性図に示すように、高
温になるに従って吸着能力が低下し、やがて完全に脱離
してしまう。特に、機関の暖機が進み、吸着剤２の出口
側の排気温度が排気露点（排気ガス中の水分が液体にな
る温度）に相当する温度を越えると、吸着剤２の温度は
急に高くなり、吸着していたＨＣが急に脱離するように
なる。この温度変化は、吸着剤２に吸着されていた水分
の蒸発に起因する。つまり、吸着剤２内に水分が残存し
ている間は、排気熱が水分の蒸発に用いられるので、こ
の水分が完全に蒸発するまでは、吸着剤２出口側温度が
排気露点に相当する温度に維持される。そして、水分が
完全になくなると、吸着剤２の温度が急に上昇し、吸着
剤２はＨＣ脱離作用に転じるようになる。

【００１４】ここで、上記の吸着剤２に吸着している水
分は、未燃ＨＣと同じく、低温時に吸着剤２を通過した
排気ガスから与えられたものであり、図４に示したよう
に、排気ガスの通過に伴って吸着剤２に吸着する未燃Ｈ
Ｃ量と水分量とは、互いに比例関係（吸着剤２の種類に
よってその傾きが異なる）にある。従って、吸着されて
いた水分量が判れば、未燃ＨＣの吸着量を知ることがで
きる。

【００１５】上述したように、吸着剤２出口側温度が排
気露点に相当する温度に維持されている間の熱は、吸着
していた水分の蒸発に使用される。そこで、本発明で
は、この間に、吸着剤２に与えられた熱量から水分量を
求め、ひいてはＨＣ吸着量を算出するようにしている。

【００１６】吸着剤２に与えられる熱量は、外部への放
熱がなければ、排気熱として流入する熱量に等しいが、
実際には、一部の熱が放熱される。そのため、請求項２
では、吸着剤２に流入する熱量と、吸着剤２から流出す
る放熱量との差として、実際に吸着剤２に与えられた熱
量が求められる。

【００１７】そして、請求項３の構成では、切換弁によ
って吸着剤２からの脱離が制御されるが、上記のように
して算出された未燃ＨＣ吸着量に基づいて、ＨＣ脱離時
の種々のパラメータが設定される。

【００１８】例えば、請求項４では、ＨＣ脱離時のパラ
メータとして、２次空気の導入量や導入時間が、ＨＣ吸
着量に応じて最適に設定される。さらには、脱離を行う
べきときの内燃機関の排気ガス量が設定され、この排気
ガス量となる運転条件下で脱離が行われる。

【００１９】また請求項５では、切換弁の開度が、算出
されたＨＣ量に応じて制御される。

【００２０】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

【００２１】図２は、この発明に係る排気浄化装置の一
実施例を示すもので、例えば電子制御燃料噴射式ガソリ
ン機関からなる内燃機関１１の排気マニホルド１２に、
主排気通路１３が接続されており、その通路途中に、三
元触媒を利用した触媒装置１４が介装されている。ま
た、この触媒装置１４の上流側において、主排気通路１
３と並列にバイパス通路１５が設けられており、その通
路途中に、吸着剤装置１６が介装されている。この吸着
剤装置１６は、ケーシング内に未燃ＨＣを吸着する吸着
剤１７を挿填したものであり、吸着剤１７としては、例
えば粒状の活性炭を多孔質アルミナで被覆したγ−アル
ミナ活性炭が用いられる。吸着剤装置１６の入口側およ
び出口側には、吸着剤入口側温度Ｔｆを検出する入口側
温度センサ１８と、吸着剤出口側温度Ｔｒを検出する出
口側温度センサ１９とがそれぞれ配設されている。

【００２２】また上記バイパス通路１５の上流側分岐部
には、該バイパス通路１５への排気ガスの流入を制御す
る切換弁２０が配設されている。この切換弁２０は、例
えばバタフライバルブ型のものが用いられ、電磁式に開
閉駆動される構成となっている。

【００２３】上記主排気通路１３の触媒装置１４上流側
には、２次空気供給装置２１が設けられている。この２
次空気供給装置２１は、例えば、エアポンプ２２と、２
次空気通路２３を開閉する電磁弁２４とから構成されて
いる。なお、エアポンプ２２を用いずに排気脈動を利用
してリードバルブを介して２次空気を導入するように構
成してもよい。

【００２４】この２次空気供給装置２１は、上記切換弁
２０とともにコントロールユニット２５により制御され
る。コントロールユニット２５は、いわゆるマイクロコ
ンピュータシステムを用いたもので、後述するプログラ
ムに従って、これらの切換弁２０等を制御している。２
６は内燃機関１１の冷却水温Ｔｗを検出する水温セン
サ、２７は内燃機関１１の吸入空気量Ｑａを検出するエ
アフロメータ、２８は内燃機関１１の回転数Ｎを検出す
る回転数センサであり、これらの検出信号は、上記の両
温度センサ１８，１９の検出信号とともにコントロール
ユニット２５に入力されている。そして、コントロール
ユニット２５はこれらの検出信号に基づいて図示せぬ燃
料噴射弁からの燃料噴射量等の制御も行っている。

【００２５】図５および図６は、上記コントロールユニ
ット２５において実行されるＨＣ吸着脱離制御の流れを
示すフローチャートであり、以下、これに基づいて上記
排気浄化装置の作用を説明する。

【００２６】このフローチャートに示す処理は、内燃機
関の始動（キーオン）と同時に開始され、かつ繰り返し
実行される。まずステップ１では、機関冷却水温Ｔｗを
検出する。そして、ステップ２で、初回に読み込んだ水
温Ｔｗつまり始動時水温Ｔｗ１が４０℃未満であるか判
定する。ここで４０℃以上であれば、暖機再始動である
と判断し、ステップ３以降の処理は行わない。始動時水
温Ｔｗ１が４０℃未満であった場合には、冷間始動であ
り、触媒が活性化していないと考えられるので、未燃Ｈ
Ｃを吸着するために、ステップ３で切換弁２０をバイパ
ス通路１５側に切り換える。これにより、内燃機関１１
から排出される排気ガスは吸着剤１７を通過し、ここで
未燃ＨＣが吸着される。なお、未燃ＨＣとともに排気ガ
スに含まれている水分も吸着剤１７に吸着されることに
なる。

【００２７】この吸着の開始と同時に、ステップ４〜７
において、吸着剤１７へ与えられた熱量の算出が行われ
る。ステップ４では、吸着剤１７へ流入する排気ガス量
Ｑｅを、基本燃料噴射量Ｔｐと機関回転数Ｎとから、Ｑ
ｅ＝Ｔｐ×Ｎとして算出する。なお、基本燃料噴射量Ｔ
ｐは、例えば吸入空気量Ｑａと機関回転数Ｎとから求め
られる。ステップ５では、吸着剤１７の入口側温度Ｔｆ
と出口側温度Ｔｒとを検出する。そして、ステップ６
で、吸着剤１７へ流入する熱量Ｈｉを算出する。この流
入熱量Ｈｉは、吸着剤入口側温度Ｔｆと排気ガス量Ｑｅ
との積を逐次積算した値として示される。つまり、Ｈｉ
＝ΣＴｆ・Ｑｅでもって算出される。またステップ７で
は、吸着剤１７から流出する放熱量Ｈｏを算出する。こ
の放熱量Ｈｏは、外気温度と吸着剤１７の温度との差か
ら求められるが、この実施例では、外気温度を、始動時
の吸着剤出口側温度Ｔｒ１でもって代用し、かつ吸着剤
温度を、吸着剤１７前後の排気温度（つまり入口側温度
Ｔｆおよび出口側温度Ｔｒ）の平均でもって代用するよ
うにしている。従って、Ｈｏ＝Σ｛（Ｔｆ＋Ｔｒ）／２
−Ｔｒ１｝×ｋ１によって算出される。但し、ｋ１は適
宜な定数である。

【００２８】次に、ステップ８では、吸着剤１７の出口
側温度Ｔｒが排気露点に相当する温度を越えたか否か判
定している。この実施例では、排気露点に相当する温度
として、８０℃に設定されている。つまり、このステッ
プ８では、出口側温度Ｔｒが８０℃を越えたか否か繰り
返し判定し、８０℃以下であればステップ４へ戻り、か
つ８０℃を越えた場合にはステップ９へ進むようになっ
ている。

【００２９】従って、出口側温度Ｔｒが８０℃を越える
までは、排気ガスが吸着剤１７へ導入され、未燃ＨＣの
吸着が継続されるとともに、ステップ４〜７による熱量
の演算が繰り返し実行される。ここで、上記の流入熱量
Ｈｉおよび放熱量Ｈｏは、上述したように、繰り返し積
算されていくので、予め時間の要素を含んだ値となって
いる。つまり、排気露点に相当する温度に維持されてい
る間における流入熱量および放熱量の総和が常に示され
ている。

【００３０】前述したように、吸着剤１７内に水分が残
存している間は、排気熱が水分の蒸発に消費されるの
で、吸着剤１７の温度が排気露点に維持される。そのた
め、出口側温度Ｔｒは、この排気露点に相当する８０℃
付近に維持される。そして、水分が完全に蒸発すると、
吸着剤１７の温度は急に上昇し、未燃ＨＣの脱離が生じ
る。

【００３１】このように吸着剤１７の温度が脱離温度に
達したとステップ８で判定した場合には、ステップ９へ
進み、切換弁２０を主排気通路１３側に切り換える。こ
れにより、排気ガスは吸着剤１７へ流れないようにな
る。

【００３２】次にステップ１０で、吸着剤１７に吸着さ
れた未燃ＨＣの吸着量Ｍを算出する。この吸着量Ｍは、
上述した吸着剤１７への流入熱量Ｈｉおよび放熱量Ｈｏ
を用いて、Ｍ＝（Ｈｉ−Ｈｏ）×ｋ２として演算され
る。但しｋ２は適宜な定数である。つまり、前述したよ
うに、出口側温度Ｔｒが８０℃を越えるまでに吸着剤１
７に与えられた熱量は、その水分の蒸発に用いられたも
のと考えられ、その熱量の値により水分量が判る。そし
て、この水分量は、未燃ＨＣの吸着量Ｍに比例するた
め、これによって吸着量Ｍが示されるのである。

【００３３】ステップ１１では、上記のようにして推定
した吸着量Ｍに基づいて、その脱離時のパラメータを設
定する。具体的には、２次空気導入装置２１による２次
空気導入量Ａｍ、その導入時間ｔａ、および脱離を行う
ときの内燃機関１１の排気ガス量Ｑｎを、それぞれ所定
の特性のマップに従って決定する。図７は、２次空気導
入量Ａｍを決定するマップの特性を図示したものであ
り、吸着量Ｍが大であるほど２次空気導入量Ａｍは多く
与えられる。図８は、２次空気の導入期間ｔａを決定す
るマップを図示したものであり、吸着量Ｍが大であるほ
ど導入期間ｔａは長くなる。なお、後述するように、こ
の導入期間ｔａは吸着剤１７からの脱離を行う期間とも
なる。また図９は、脱離時の排気ガス量Ｑｎを決定する
マップの特性を図示したものであり、吸着量Ｍが大であ
るほど排気ガス量Ｑｎが多い運転条件下で脱離が実行さ
れる。つまり、触媒装置１４に流入する排気ガス中にお
ける未燃ＨＣ成分が過度に大とならないように、換言す
れば、触媒装置１４にとって空燃比が過度にリッチとな
らないように、吸着量Ｍが大であるほど高速高負荷側で
脱離を行うようにしている。

【００３４】このように種々のパラメータを設定した
後、ステップ１２で機関冷却水温Ｔｗが７０℃以上とな
ったか否かを判定し、ここで７０℃以上になるまで待機
する。この温度は、触媒が活性化していると見なせる温
度であり、この７０℃以上であれば、吸着剤１７から未
燃ＨＣを脱離させても、触媒装置１４でその処理が可能
である。

【００３５】機関冷却水温Ｔｗが７０℃以上となった場
合には、ステップ１３へ進み、実際の機関運転条件、具
体的には排気ガス量Ｑｅが先に設定した排気ガス量Ｑｎ
になったか判定する。そして、この条件が満たされた場
合には、ステップ１４へ進み、切換弁２０をバイパス通
路１５側へ切り換えて、排気ガスを吸着剤１７へ通流さ
せる。同時に、ステップ１５で２次空気導入装置２１に
より触媒装置１４上流に２次空気を導入する。この際の
導入量は、先に設定した導入量Ａｍに調節される。そし
て、この脱離および２次空気導入を開始してからの経過
時間ｔが、先に設定した導入期間ｔａに達したか否かが
ステップ１６により判定され、ｔ≧ｔａとなった時点
で、ステップ１７において２次空気の導入が停止される
とともに、ステップ１８において切換弁２０が主排気通
路１３側に切り換えられる。

【００３６】以上で一連の制御が終了する。

【００３７】このように上記実施例によれば、吸着剤１
７へ吸着された未燃ＨＣの量Ｍに応じて２次空気を適切
に与えることができ、触媒装置１４側での実質的な空燃
比のリーン化やリッチ化を回避してＮＯｘあるいはＨＣ
の排出量増加を防止できる。また、吸着量Ｍが多いほど
高速高負荷側で脱離が行われるので、未燃ＨＣが比較的
多量に脱離したとしても触媒装置１４へ流入する排気の
組成の変化を小さくでき、触媒の性能低下を来すことが
ない。

【００３８】なお、上記実施例に示したパラメータのほ
かに、例えば、脱離時の切換弁２０の開度を吸着量Ｍに
応じて設定するようにしてもよい。具体的には、吸着量
Ｍが多い場合に、吸着剤１７へ流れる排気ガスの割合を
比較的小さくすることにより、急激な脱離を抑制でき
る。

【００３９】また、上記の吸着量Ｍの推定は、吸着剤１
７の劣化の判定にも利用できる。例えば、所定条件の冷
間始動時に、一定レベル以上の吸着量Ｍが検出されない
場合に、吸着剤１７の劣化もしくは異常と判定すること
が可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、吸着剤に吸着
された未燃ＨＣの量を容易に推定することができ、その
脱離時の制御の適切化や吸着剤の劣化判定等を行うこと
が可能となる。

【００４１】また、請求項２の構成によれば、吸着剤か
ら流出する放熱量に起因する誤差が排除され、吸着量の
推定精度が向上する。

【００４２】また請求項３の構成によれば、切換弁の切
換によってＨＣの脱離を行う際に、種々のパラメータを
吸着量に応じたものとすることができる。

【００４３】特に請求項４の構成では、脱離を行うとき
の機関運転条件を吸着量に応じたものにできるととも
に、２次空気を適切に与えることができ、脱離したＨＣ
を触媒で確実に処理することができる。

【００４４】さらに請求項５の構成では、切換弁の開度
制御により、脱離した未燃ＨＣの触媒での処理を一層適
切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の構成を示すクレーム対応図。

【図２】この発明に係る排気浄化装置の一実施例の機械
的構成を示す構成説明図。

【図３】吸着剤の温度と吸着率との関係を示す特性図。

【図４】ＨＣ吸着量と水分吸着量との関係を示す特性
図。

【図５】この実施例における制御の流れを示すフローチ
ャート。

【図６】図５に続くフローチャート。

【図７】吸着量と２次空気導入量との関係を示す特性
図。

【図８】吸着量と２次空気導入期間との関係を示す特性
図。

【図９】吸着量と脱離時の機関排気ガス量との関係を示
す特性図。

【符号の説明】

１…排気通路２…吸着剤３…出口側排気温度検出手段４…排気露点期間検出手段５…熱量検出手段６…水分量算出手段７…ＨＣ量算出手段

フロントページの続き (56)参考文献特開平６−101452（ＪＰ，Ａ) 特開平６−93847（ＪＰ，Ａ) 特開平６−93846（ＪＰ，Ａ) 特開平６−93840（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に介装され、かつ未燃ＨＣを吸
着する吸着剤と、この吸着剤の出口側の排気温度を検出
する手段と、この吸着剤出口側の排気温度が排気露点に
相当する温度に維持されている期間の長さを検出する手
段と、吸着剤に与えられた単位時間当たりの熱量を検出
する手段と、上記の排気露点期間と熱量とに基づき吸着
剤から蒸発した水分量を算出する手段と、この水分量に
基づき吸着剤に吸着されている未燃ＨＣの量を算出する
手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化
装置。
【請求項２】吸着剤に与えられた単位時間当たりの熱
量を、吸着剤に流入する熱量と、吸着剤から流出する放
熱量との差として求めることを特徴とする請求項１記載
の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】触媒装置を備えた主排気通路と、上記触
媒装置上流側において主排気通路と並列に構成され、か
つ上記の吸着剤を備えたバイパス通路と、このバイパス
通路への排気の流入を制御する切換弁と、算出された未
燃ＨＣ量に基づいて、ＨＣ脱離時のパラメータを設定す
る手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または請
求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】ＨＣ脱離時に触媒装置上流に２次空気を
供給する２次空気供給装置を備え、ＨＣ脱離時のパラメ
ータとして、２次空気導入量、導入時間および内燃機関
の排気ガス量を、未燃ＨＣ量に基づいて設定することを
特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】ＨＣ脱離時のパラメータとして、上記切
換弁の開度を未燃ＨＣ量に基づいて設定することを特徴
とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。