JP3587670B2 - 自動車用排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用排気ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のエンジンの排気ガスを浄化するシステムとして、排気通路に白金やロジウム等の貴金属を触媒として担持した担体を設け、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等を酸化反応、或いは酸化・還元反応により浄化する触媒コンバータシステムが知られている。
【０００３】
この触媒コンバータシステムでは、排気ガスの浄化には、触媒が活性化温度、例えば３００〜４００℃以上に加熱されていることを必要とするが、一般的には、排気ガスによる触媒加熱方式を採用しているため、エンジンの始動直後においては、触媒は活性化温度に達しておらず、排気ガスの浄化はほとんど行われないという問題がある。
【０００４】
そこで、上記触媒をエンジンの近傍に配置して、排気ガスの持つ熱により可能な限り早く活性化温度に到達させるようにしたり、触媒を担持している担体をセラミックから熱伝導性の良い金属に替えて、より早く活性化温度に到達させるようにしたり、或いは担体にヒータを設けて、強制加熱することにより早期に活性化温度に到達させたりしているのが現状である。
【０００５】
一方、いわゆる排気ガス規制の強化により、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の有害ガス成分の浄化率は、今後、更なる向上を要求されることが予測されるが、これを達成するためには触媒をエンジンに対してできるだけ近い位置に配置して、エンジンの始動直後から排気ガスを浄化できるようにすることが必要となってくる。ところが、触媒をエンジンに近付けると、通常の運転状態において触媒が高温度の排気ガスに晒されることとなるが、触媒は一般に高温条件下では劣化が早まるので、かえって浄化率を低下させてしまうという問題がある。
【０００６】
この問題を解消するために、例えば特開平６−９３８４４号公報に記載された発明では、排気管をエンジンの近くで二つに分岐させて主流路とバイパス流路とを形成し、バイパス流路にはＨＣの吸着手段を配備し、バイパス流路が再び主流路に合流する部位の下流側に主触媒を配置するというシステムが提案されている。
【０００７】
この発明では、エンジンの近くの排気管の分岐部に切換バルブ（開閉装置）を設けており、エンジン始動直後のように排気ガスが低温の時には、主流路を閉じてバイパス流路を開くことにより、排気ガスをバイパス流路に流して低温時の有害成分、特にＨＣを吸着除去し、エンジンが暖機して燃焼が安定してきた後に切換バルブを切換えて排気ガスを主流路側に流し、触媒が活性化温度に達するまでバイパス流路の吸着手段に低温ＨＣを吸着保持しておく。そして排気ガスが高温になってこの排気ガスにより主触媒が十分に暖められた後は、切換バルブによりバイパス流路を若干開けて排気ガスをバイパス流路に流し、吸着手段に吸着、保持されていたＨＣを熱脱離させ、後方の主触媒によって浄化する構成をとっている。
【０００８】
この構成では、脱離時に吸着手段に排気ガスを通すことによって圧損が増加するため、その間はドライバビリティと燃費の悪化を避けることができない。さらに、脱離したＨＣを後方の触媒によって浄化するには、元々エンジンから出る有害成分に加えて吸着手段から脱離した分を浄化するだけの酸素量が必要となるため、空燃比をストイキ（理論空燃比）よりもリーン（希薄）側にスライドさせなければならない。そのため、さらにドライバビリティの悪化を招くことになる。加えてリーン運転ではＮＯｘ浄化率が極端に低下するので、脱離行程の時間は正確に、かつ極力短くする必要がある。
【０００９】
そのため上記の従来技術によるＨＣの脱離行程には、吸着手段の出入り部の温度、主触媒の温度、空燃比などの物理量を正確に計測する必要があり、そのためのセンサ類を追加するようにしているが、制御ロジックが複雑になり、かつコストの上昇をもたらすといった問題がある。さらに、エンジン運転条件に応じて切換バルブの開度を調整する必要があり、任意の運転条件下での迅速な脱離が困難であるというような問題もある。
【００１０】
他の従来技術として、特開平６−７４０２１号公報に記載された排気浄化装置においては、触媒の上流側のバイパス通路に設けられた吸着装置によってＨＣを吸着しておき、触媒が活性化された後の減速運転時やアイドル運転時を選んでＨＣを吸着装置から脱離させて処理することにより、ＮＯｘの排出量の抑制を図っているが、脱離を行う際の燃料噴射制御をどのように行うかということについての開示がないので、脱離したＨＣを触媒によって浄化することができるかどうか疑問がある。
【００１１】
更に他の従来技術として、特開平９−１１２３２２号公報に記載されたエンジンの制御装置においては、排気のバイパス通路に設けられる吸着剤に吸着されたＨＣ等の有害成分が脱離して触媒装置の上流側へ還流するときに、脱離量に応じて燃料供給量を減少させることにより、脱離したＨＣを含めて排気ガスを良好に浄化することを図っているが、この方式は、触媒の下流側のバイパス通路に設けられた吸着剤から脱離するＨＣ等を触媒の上流側へ循環させるものであって、本発明が意図する方式とは基本的な構成から異なっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術が有する問題点に鑑み、従来技術とは異なる手段を用いて、ドライバビリティの悪化やコストの上昇を伴うことなく、触媒装置の上流側に設けられた吸着手段に吸着されるＨＣ等を迅速に脱離させることにより、有害な排気ガスの排出を防止しながら、エンジンを始動して円滑に暖機運転を遂行し得るような自動車用の排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車速の減速時に限らず、吸着手段の脱離制御を行う場合には、一律に空燃比をリーン側にスライドするのではなく、エンジンの回転数及びエンジンの吸気量により脱離ＨＣ濃度を推定し、脱離ＨＣ濃度を加味した燃料噴射量とすることにより、ドライバビリティの悪化を最小限に抑えると共に、ＮＯｘ浄化率の悪化を防ぐような制御を行う排気ガス浄化装置を提供するものである。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、吸入空気量などのエンジン運転条件から脱離行程の脱離ＨＣ濃度を推定し、脱離ＨＣ濃度に応じてエンジンへの燃料供給量を可変制御し、吸着手段の下流の空燃比をストイキに保つことにより、脱離ＨＣの良好な浄化特性を得ることができる。さらに、過度のリーン制御を行わないため、ドライバビリティの悪化とＮＯｘの排出を抑えることができる。また、この場合はＨＣ濃度を計測するためのセンサー等を必要としないため、安価な構成とすることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、吸着装置の上流側に設けられたスタート触媒は、下流側のそれを含めた触媒全体の一部であるため熱容量が小さく、しかもエンジンのすぐ下流側にあって比較的高温度の排気ガスを受けるので、始動後は早期に活性化する。従って、吸着手段を閉じた後に、下流側の触媒装置が十分に活性化されるまでの間は、スタート触媒がＨＣ等の有害物質の放出を阻止するのに有効となる。
【００１８】
また、請求項３記載の発明によれば、バルブプレートがバルブシートに着座するときや離座するときの騒音を抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図４、および図８に基づいて説明する。図１に示すように、エンジン１の排気管３には、排気マニホルド３１の下流側でかつ３元触媒１０の上流側に吸着装置４が介設されている。吸着装置４には排気管３の円筒形の大径部４１が形成されており、この中にハニカム体５が収納されている。図示していないが、排気ガスによるハニカム体５の昇温を抑制するために、大径部４１とハニカム体５との間に空間を設けて空気断熱層を形成するとか、その間に断熱材を挿入する等の方法によって断熱が行なわれる。ハニカム体５はステンレス鋼の箔状板を巻き重ねたもの、またはコージェライト等の多孔質のセラミックの成形体からなり、大径部４１の内面に合致する筒形状で、図２に示すように平行な多数の通孔５１を有しており、通孔５１内にはゼオライト系の吸着剤が担持されている。ハニカム体５は大径部４１の内面形状に合せて半円筒、楕円形状、方形等とすることができる。ハニカム体５の下流側端直後には排気ガス流路切換弁６が配設されている。ハニカム体５は、それ以外の部分に形成された流路４３との間に設けられる隔壁４２によって分離・保持されている。ハニカム体５の上流側には整流板４４が配備されており、ハニカム体５に排気ガスが流入する時に排気ガスの流速分布を均一にし、吸着効率を高めている。なお、隔壁４２と整流板４４は一体構造でもよいし、分離されていてもよい。また、流路切換弁６を駆動するために吸着装置４にはアクチュエータ７が設けられており、アクチュエータ７と切換弁６はシャフト７１およびアーム７２によって連結されている。
【００２０】
切換弁６のバルブプレート６１は、シート部との衝撃により発生する騒音を低減するため、シート部との接触面がステンレス製のメッシュ６２によって覆われている。具体的には、図８に例示するように、バルブプレート６１を２枚のドーナツ形のメッシュ６２で挟み、メッシュ６２の外周部の全周をシーム溶接によって固定している。また、ドーナツ形メッシュ６２の内周隅部のほつれを防止するため、ドーナツ形のステンレス製リング６３をメッシュに全周溶接して固定してある。
【００２１】
アクチュエータ７を作動させる負圧を供給するための吸気管８ａ，８ｂは、エンジン１の上流側の吸気通路の一部であるサージタンク２に連通させてある。吸気管８ａ，８ｂの間には負圧切換弁（ＶＳＶ）として電磁弁９が介設してある。また、前述のように吸着装置４の下流側には３元触媒１０が設けられている。１１はマイクロコンピュータ内蔵のエンジンおよび吸着装置の制御手段であって、エンジン１の運転状態を示す信号（吸入空気量Ｑｎ、エンジン回転数Ｎｅ、水温Ｔｗ、その他、排気ガス中のＯ_２ 濃度、スロットル開度など）に応じて燃料噴射量を制御するとともに、図１に示す電磁弁９を開閉制御し、これにより切換弁６を制御するようになっている。
【００２２】
次に、本装置の作動を、図１とともに図３および４のフローチャートを用いて説明する。なお図３，４は、米国の排気ガス規制の代表的な走行パターンである７５ＦＴＰモードによって走行する場合である。エンジンの始動時（ＩＧ ＯＮ）に、図示しないエンジン水温センサからの信号Ｔｗを受けて、制御手段１１により吸着装置４の吸着能力の有無が判断される（ステップ１）。冷間始動の時はハニカム体５は冷えており、エンジン水温Ｔｗ（℃）が吸着可能温度Ｔｗ１（℃）以下であると、電磁弁（ＶＳＶ）９が開弁され、吸気管８ａ，８ｂが連通する。これによりサージタンク２の負圧が吸気弁８ａ，８ｂを経てアクチュエータ７に作用してシャフト７１を引っ張るので、アーム７２が回動して、それと一体の切換弁（３方弁）６は破線によって示す位置へ移動して、ハニカム体５を開くとともに、流路４３を閉じる（ステップ２）。
【００２３】
エンジン１の始動直後は排気ガス温度が低く、エンジン１は多量のコールドＨＣを含んだ排気ガスを排出する。この排気ガス流がハニカム体５のゼオライトを担持した通孔５１内を流れる間にコールドＨＣはゼオライトに吸着され、コールドＨＣが除去された排気ガスは３元触媒１０を通過し、図示しないマフラー（消音器）を経て大気中に放出される。この時、整流板４４が排気ガスの流れを整流しているため、排気ガスは均一な流速分布となって、ハニカム体５内を流れている。このとき制御手段１１は電磁弁９の動作後の経過時間ｔをカウントしている（ステップ３）。そしてエンジン１が暖機して排気ガスの温度がゼオライトの吸着可能温度を越える所定の時間ｔ１を過ぎると、制御手段１１からの信号によって電磁弁９が閉弁される。これによりアクチュエータ７への負圧の供給が遮断され、代りに大気圧がアクチュエータへ導入されるので、アクチュエータ７は内蔵のスプリングの弾性により、シャフト７１およびアーム７２を介して切換弁６を回動させてハニカム体５を閉じるとともに、流路４３を開く。
【００２４】
その結果、排気ガスの流路が切換えられ、排気ガスはハニカム体５の存在しない流路４３を流れる（ステップ４）。このとき、エンジンから排出される排気ガスは既に燃焼状態が安定しているため高温になっており、かつ含有ＨＣが少なくなっている。この状態で数秒〜数十秒運転されるうちに３元触媒１０は暖機し、その後はＨＣをほとんど含まない排気ガスが流路４３および図示しないマフラーを経て大気中に放出される。この後、ハニカム体５は図４に示す脱離行程に進むことになる。
【００２５】
図４において、まずハニカム体５に排気ガスを流す前に、エンジン１および触媒１０の状態が安定した活性状態か否かを、エンジン水温センサからの信号Ｔｗが所定値Ｔｗ２を越えているか否かによって制御手段１１が判断し、脱離の可否が判定される（ステップ５）。水温Ｔｗが所定値Ｔｗ２を越えたとき、脱離行程は次のように進められる。まず、エンジン回転数Ｎｅが脱離可能な回転数Ｎｅ１を越えているか否かを制御手段１１が判断する（ステップ６）。次に、アイドルスイッチがＯＮになっているか否かによって減速時であることを判断する。（ステプ７）。減速時であれば触媒１０によって脱離ＨＣを浄化するために必要な酸素を供給するとともに、通常の燃料噴射のフィードバック制御を停止し、所定の燃料減量又は燃料カットを行う（ステップ８）。そして電磁弁９を開弁し切換弁６によってハニカム体５を開くとともに流路４３を閉じて排気ガスをハニカム体５に流入させ、排気熱により吸着ＨＣを脱離させる（ステップ９）。そして電磁弁９の積算開弁時間ｔをカウントし（ステップ１０）、積算開弁時間ｔが所定の時間ｔ２を越えたか否かによって脱離が終了しているか否かを判定する（ステップ１１）。脱離終了と判定された後、電磁弁９を閉弁し切換弁６によってハニカム体５を閉じるとともに流路４３を開けて、排ガスを流路４３に流す（ステップ１２）。そして、通常の燃料噴射の制御フィードバックを再開し（ステップ１３）、一連の脱離制御を終了する。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。第２実施形態のシステム構成は第１実施形態のそれと同様であるため図１を用いて説明する。また、第２実施形態の吸着行程は図３に示す第１実施形態のそれと同様のため説明を省略する。第２実施形態の脱離行程を示す図５のフローチャートにおいて、まず、エンジン１および触媒１０の状態が安定した活性状態か否かをエンジン水温センサからの信号によって制御手段１１が判断し、脱離の可否が判定される（ステップ５′）。脱離可能と判定されると、電磁弁（ＶＳＶ）９を開弁し切換弁（３方弁）６によってハニカム体５を開くとともに、流路４３を閉じて排気ガスをハニカム体５に流入させ、排気熱により吸着ＨＣの脱離を開始する（ステップ６′）。その後、脱離ＨＣ濃度を判定し、触媒１０によって脱離ＨＣを浄化するために必要な酸素を供給する分だけリーン制御する燃料噴射量を制御手段１１が決定する（ステップ７′）。なお、脱離ＨＣ濃度を判定する方法としては、吸着装置４の下流側にＨＣセンサを設置して直接にＨＣ濃度を測定する方法や、ハニカム体５の温度または、ハニカム体５の出ガス温度を測定して、この温度から脱離ＨＣ濃度を推定する方法等があるが、本発明者らは、エンジン吸気量Ｑｎとエンジン回転数Ｎｅを主とするエンジン運転条件から脱離ＨＣ濃度を推定する方法を採用している。
【００２７】
本発明者らの調査によると、エンジン１及び触媒１０が安定状態になった後は、排気ガスからハニカム体５に与えられる熱量はエンジン吸気量ＱあるいはＱｎに依存することが判明している（図６）。この関係と、ハニカム体５の熱容量および脱離温度特性から、リアルタイムな脱離ＨＣ濃度を推定することができる。そして、通常の燃料噴射フィードバック制御を停止し、上記の方法で求めた脱離ＨＣを浄化することができるように燃料噴射制御を実行する（ステップ８′）。この方法により必要以上のリーン制御によるドライバビリティの悪化を抑えるとともに、ＮＯｘ排出量の増加を低減することができる。そして脱離ＨＣ濃度が所定値以下になると脱離完了と判定する（ステップ９′）。脱離終了と判定された後は電磁弁９を閉弁し、切換弁６がハニカム体５を閉じるとともに流路４３を開いて、排気ガスを流路４３に流す（ステップ１０′）。そして、通常の燃料噴射制御フィードバックを再開し（ステップ１１′）、一連の脱離制御を終了する。前述のハニカム体５の下流側に温度センサを設置する場合は、排気ガスの温度履歴を監視することにより、吸着剤の熱劣化を検出することも可能である。
【００２８】
この実施形態では、脱離時に通常の燃料噴射フィードバックを停止することにしているが、吸着装置４の下流側に空燃比センサを設置することによって、脱離時においても燃料噴射フィードバックによる精密な空燃比制御を行うことが可能である。また、第１および第２の実施形態では、図１に示すように吸着装置４の下流側に触媒１０が配備されているが、さらに高浄化を目的として、図７に示す第３実施形態のように、吸着装置４の上流側にスタート触媒１２を設けてもよい。この場合は、吸着終了時から触媒１０の上流側へ排出されていた若干のＨＣが、比較的小型でかつエンジン１に近いために活性化の早いスタート触媒１２によって浄化されるため、図１のシステムよりもさらに排出されるＨＣを低減することができる。
【００２９】
また、ドライバビリティを悪化させないように、制御を実行することができる吸入空気流量Ｑの上限値を予め設定しておいてもよい。また、流量Ｑの代わりに、エンジン１回転当たりの吸入空気量Ｑｎ（Ｌ／ｒｅｖ ）や、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ ）、エンジン負荷Ｐｍ（Ｐａ）、車速Ｖ（ｋｍ／ｈ）などに上限値を設定してもよい。
【００３０】
更に、図１および図７に示す実施形態においては、排気ガス流路切換弁６を吸着装置４の出口側、即ち下流側に設けているが、切換弁６を吸着装置４の入口側、即ち上流側に設けてもよく、その作用、効果に実質的な相違は生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】吸着装置の構造を示す分解斜視図である。
【図３】第１実施形態における吸着行程を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態における脱離行程を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態における脱離行程を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態における脱離行程での受熱量を示すグラフである。
【図７】第３実施形態のシステム構成図である。
【図８】第１実施形態における一部の構造を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における縦断面図である。
【符号の説明】
１…エンジン
２…サージタンク
３…排気管
３１…排気マニホルド
４…吸着装置
４１…排気管大径部
４２…隔壁
４３…排気ガス流路
４４…整流板
５…ハニカム体
６…排気ガス流路切換弁（３方弁）
７…アクチュエータ
７１…シャフト
７２…アーム
８ａ，８ｂ…吸入管
９…電磁弁（ＶＳＶ）
１０…３元触媒
１１…制御手段
１２…スタート触媒
６１…バルブプレート
６２…メッシュ
６３…リング

Claims (3)

1. エンジンの排気管内に配設された触媒装置と、該触媒装置の上流側の上記排気管内に配設され、排気ガス流路の一部に排気ガス有害成分を吸着する吸着剤を担持した吸着手段と、該吸着手段の上流側または下流側の少なくとも一方に設置され、排気ガスの流通を吸着手段と他方の吸着手段をバイパスする流路とに選択的に切換え可能な排気ガス流路切換手段と、該切換手段を制御する制御手段とを有しており、上記吸着手段に吸着された排気ガス有害成分の脱離行程において、エンジンおよび触媒が暖機した後に上記流路切換手段を切換えて排気有害ガス成分を脱離させ、エンジン吸気量およびエンジン回転数から排気有害成分の脱離濃度を推定し、脱離濃度に対応してエンジンへの燃料供給量を可変制御することを特徴とする自動車用排気ガス浄化装置。
2. 上記触媒装置の他に、上記吸着手段の上流側にスタート触媒をも備えていることを特徴とする請求項１に記載された自動車用排気ガス浄化装置。
3. 上記排気ガス流路切換手段がシート部との接触面に金属メッシュを有する防音型のバルブプレートを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載された自動車用排気ガス浄化装置。

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