JP4747940B2

JP4747940B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4747940B2
Application number: JP2006132507A
Authority: JP
Inventors: 真也金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-05-11
Also published as: JP2007303367A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。尚、本明細書における排気ガスとは、燃料噴射が実行された気筒あるは気筒群の燃焼室から排出されるガスを意味する。

一般に、自動車等に搭載される内燃機関においては、排気系に排気ガス浄化用触媒（以下、排気浄化触媒と称す）が配設され、該排気浄化触媒によって排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の大気汚染物が水、二酸化炭素、窒素等に変換されて排気ガスが浄化されるようになっている。

このような排気浄化触媒としては、例えば白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属触媒が酸化珪素等で形成された担体に担持されてなる三元触媒等が広く用いられているが、係る排気浄化触媒はその温度が所定の活性化温度以上にならなければ十分な排気ガス浄化性能が得られない。

例えば、内燃機関の冷間始動時においては、排気浄化触媒は内燃機関始動後に排気ガスによって常温から徐々に暖められることになり、従って内燃機関の冷間始動時におけるある程度の期間は充分な排気ガス浄化性能を備えていないことになる。その結果、内燃機関の冷間始動時において、排気浄化触媒の温度が活性化温度に達するまでの間（すなわち、触媒暖機期間）は、排気ガスが十分に浄化されず、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の大気汚染物質を含んだまま大気中に放出されてしまうことになる。このため、内燃機関の冷間始動時においては、排気浄化触媒の温度を迅速に活性化温度まで高めることが望まれる。

一方、内燃機関の吸気効率を高めて出力の増大を図るべく、過給機を具備している内燃機関が知られている。このような過給機として、排気ガス流によって、駆動される排気駆動式の過給機が広く用いられている。係る過給機が内燃機関の排気系に配設された場合、過給機を駆動するために排気ガスのエネルギーが用いられることになり、過給機の熱容量が大きいために排気ガスの温度は低下し、排気浄化触媒の昇温が妨げられることになる。その結果、内燃機関始動時の排気浄化能力が低下し、結果として上記過給機を具備していない場合に比べて排気ガスの浄化が不十分となることが懸念される。

このような問題に対し、特許文献１においては、複数の気筒群を有する内燃機関において、一の気筒群と他の気筒群とに排気系を分岐させ、他の気筒群の排気系に流通する排気ガスのみによって過給が行われるように過給機を設置すると共に、内燃機関の始動時は、他の気筒群の気筒を休止させて一の気筒群の気筒のみを作動させることで、すなわち、他の気筒群の排気系には排気ガスを流さないようして一の気筒群のみの排気系に排気ガスを流すようにすることで、該一の気筒群からの排気ガスによって、排気通路に設けられた排気浄化触媒の昇温を促進させる内燃機関の排気浄化システムが開示されている。

特開２００５−３１５１０９号公報

ところで、排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置がある。

例えば、過給機付き内燃機関において、複数の気筒群の内の一部の気筒群からの排気ガスのみが過給機を駆動するのに利用され、過給機の駆動に利用された排気ガスが通る排気系と、過給機の駆動に利用されなかった排気ガスが通る排気系とのそれぞれに排気浄化触媒が独立して配設され、運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置がある。

このような内燃機関の排気浄化装置においては、各排気系のそれぞれに排気浄化触媒が独立して配設されているため、過給機の駆動に利用されなかった排気ガスが、過給機を備える排気系に配設された排気浄化触媒に流れることはない。

従って、例えば内燃機関始動時において過給機を備えない排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われた場合、過給機を備えた排気系の排気浄化触媒に排気ガスが流れることはなく、該排気浄化触媒を暖機する他の何らかの方策を講じない限り、過給機を備えない排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われている期間中、該排気浄化触媒は暖機されることはない。

このことは、過給機を備えない排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、過給機を備える排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際に、上述したような、過給機が内燃機関の排気系に配設された場合の問題をもたらす。

すなわち、過給機を備える排気系に配設された排気浄化触媒の暖機は、該排気浄化触媒を暖機する他の何らかの方策を講じない限り、熱容量の大きい過給機を駆動するためにエネルギーが消費された排気ガスのみによってなされることになり、該排気浄化触媒の温度が活性化温度に達するまでに長い時間を必要とし、排気エミッションの悪化をもたらす。この問題を解決する方策に一つとして、排気ガスが流れていない排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機することを可能とする何らかの方策を講ずることで、過給機を備えない排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、過給機を備える排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の排気エミッションの悪化を抑制することが考えられる。

特許文献１には、複数の気筒群の一部の気筒群からの排気ガスのみが過給機を駆動するのに利用され、過給機の駆動に利用された排気ガスと過給機の駆動に利用されなかった排気ガスの両方が通る排気系に排気浄化触媒が配設されている過給機付き内燃機関において適用される排気浄化システムが記載されている。

しかしながら、過給機の駆動に利用された排気ガスが通る排気系と、過給機の駆動に利用されなかった排気ガスが通る排気系とのそれぞれに排気浄化触媒が独立して配設される過給機付き内燃機関において、排気ガスが流れていない排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機する方策については記載されていない。

本発明は上記課題に鑑み、排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、排気ガスが流れていない排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機することができ、排気エミッションの向上を図ることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、第一の排気系と第二の排気系とを有し、前記第一の排気系には第一の排気浄化触媒が配設され、前記第二の排気系には第二の排気浄化触媒が配設され、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とが隣接するように前記第一の排気系と前記第二の排気系とが配設され、前記第一の排気系および前記第二の排気系の何れか一方に対してのみ排気ガスを流す制御が行われた場合、排気ガスが流れている前記一方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により、排気ガスが流れていない他方の排気系に配設された排気浄化触媒が暖機され、前記第一の排気系と前記第二の排気系とにおいて、それぞれの排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量が異なり、内燃機関始動時においては、前記第一の排気系および前記第二の排気系のうち前記熱容量の大きい方の排気系に配設された排気浄化触媒が、前記熱容量の小さい方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により所定温度に暖機されるまでの間、前記第一の排気系および前記第二の排気系のうち前記熱容量の小さい方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒と第二の排気浄化触媒とが隣接するように第一の排気系と前記第二の排気系とが配設される。これにより、第一の排気系および第二の排気系の何れか一方に対してのみ排気ガスを流す制御が行われた場合、排気ガスが流れている一方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により、排気ガスが流れていない他方の排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機することができる。これにより、一方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、他方の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の、排気エミッションの向上を図ることが可能となる。尚、ここで、所定量以上の熱とは、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様等に基づいて適当に決定されるものである。

排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量を左右する要因には、過給機の存在の有無や、排気浄化触媒までの排気系の長さ等がある。例えば、排気浄化触媒までの間に過給機が配設される場合に上記熱容量は大きくなる。また、排気浄化触媒までの排気系の長さが長いほど上記熱容量は大きくなる。上記熱容量が大きい場合には、排気ガスが排気浄化触媒までに到達するまでの間に、より多くの排気ガスのエネルギーが使用され、排気ガスの温度が低下し、排気浄化触媒の昇温が妨げられる。このことは、特に、排気浄化触媒が常温から昇温されるような内燃機関の始動時の排気エミッションに大きな影響を与える。尚、ここで熱容量とは、系に対してエネルギーの出入りがあったとき、そのエネルギーの出入りが系の温度をどのように変化させるかを示す比例定数であり、その物体の温度を一度上昇させるのに必要な熱量のことである。従って、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量が大きい場合には、排気浄化触媒に排気ガスが到達するまでの間に、排気浄化触媒よりも上流の排気系の温度を上昇させるために排気ガスの多くのエネルギーが消費されてしまい、排気ガスの温度が低下し、排気浄化触媒の昇温が妨げられることになる。

このことに基づいて、請求項１の発明では、内燃機関始動時、第一の排気系および第二の排気系のうち排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量が大きい方の排気系に配設された排気浄化触媒が、上記熱容量の小さい方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により所定温度に暖機されるまでの間、上記熱容量の小さい方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる。これにより、内燃機関始動時における排気エミッションの悪化を抑制することができるとともに、上記熱容量の小さい方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、上記熱容量の大きい方の排気系に対して排気ガスを流す制御がおこなわれた際の排気エミッションの向上を図ることが可能となる。尚、ここで、所定温度とは、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様に基づいて適当に決定されるものである。

請求項２に記載の発明によれば、前記熱容量の大きい方の排気系は、該排気系に配設された排気浄化触媒よりも上流に過給機を備える排気系である、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が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記第一の排気浄化触媒を流れる排気ガスの流れの方向と、前記第二の排気浄化触媒を流れる排気ガスの流れの方向とが同一方向となるように、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とが並列に且つ隣接するように前記第一の排気系と前記第二の排気系とが配設される、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が提供される。

各請求項の記載によれば、排気ガスが流れていない排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機することができ、一方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、他方の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の、排気エミッションの向上を図ることが可能となる共通の効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、各図面において同一又は対応する部分には同一の符号が付されている。

上述したように本発明は、排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、排気ガスが流れていない排気系に配設された排気浄化触媒を、該排気浄化触媒に排気ガスが流れていない期間中においても暖機することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としたものである。図１は、本発明の第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明するための全体構成図である。図１に示す第一の実施形態における内燃機関は過給機付きＶ型６気筒ガソリンエンジンである。なお、ここではガソリンエンジンを例にとって説明するが本発明はこれに限定されるものではなく、他の実施形態ではディーゼルエンジンであってもよい。

図１において１０は機関本体あり、該機関本体は第一気筒（♯１）、第二気筒（♯２）、第三気筒（♯３）からなる第一気筒群１００と、第四気筒（♯４）、第五気筒（♯５）第六気筒（♯６）からなる第二の気筒群２００とを有している。また、機関本体１０は各気筒の吸気弁および排気弁の開閉タイミングを変更するための開閉タイミング変更装置と、各気筒の吸気弁および排気弁のバルブリフト量を変更するためのバルブリフト量変更装置を備えている。更に、機関本体１０に機関冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１１が設けられている。

図１に示されているように、第一気筒群１００の各気筒に連結されている吸気マニホルド１０１は吸気管１０２を介して、排気ガス流によって駆動される排気駆動式の過給機１０３のコンプレッサ１０３ａの出口に連結され、コンプレッサ１０３ａの入口はエアクリーナ１０４に連結される。エアクリーナ１０４とコンプレッサ１０３ａとの間には第一気筒群１００および第二の気筒群２００の気筒の吸入空気量を検出するエアフローメータ１０５が設けられている。吸気管１０２内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０６が配置され、更に、吸気管１０２の周りには吸気管１０２内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置（インタークーラ）１０７が配置される。図１に示される第一の実施形態では機関冷却水がインタークーラ１０７内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、第一の排気浄化触媒１１２へと排気ガスを導く通路となる第一の排気系は、排気マニホルド１１０や排気管１１１などから構成される。第一気筒群１００の各気筒に連結されている排気マニホルド１１０は過給機１０３の排気タービン１０３ｂの入口に連結され、排気タービン１０３ｂの出口は排気管１１１を介して第一の排気浄化触媒１１２へと連結される。

本第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、排気ガスが過給機１０３の駆動に利用される気筒（すなわち第一気筒群１００の気筒）への吸入空気通路と排気ガスが過給機１０３の駆動に利用されない気筒（すなわち第二気筒群２００の気筒）への吸入空気通路とがスロットル弁１０６の直上まで共通であり、過給機１０３からの空気が、排気ガスが過給機１０３の駆動に利用される気筒（すなわち第一気筒群１００の気筒）と排気ガスが過給機１０３の駆動に利用されない気筒（すなわち第二気筒群２００の気筒）の両方に供給されるようになっている。尚、第二の排気浄化触媒２１２に排気ガスを導く通路となる第二の排気系は、排気マニホルド２１０や排気管２１１などから構成される。第二気筒群２００の各気筒に連結されている排気マニホルド２１０は排気管２１１を介して第二の排気浄化触媒２１２へと連結される。

また、本第一の実施形態においては、過給機１０３の駆動に利用された排気ガスが流れる第一の排気浄化触媒１１２の温度を検出する触媒温度検出手段１２０を備える。排気浄化触媒温度は、例えば、排気浄化触媒の機関本体に近い上流側あるいは機関本体から遠い下流側に配置された排気温度センサにより検出された温度情報に基づいて推定される。この場合、触媒温度検出手段１２０は、排気温度センサを主要素として構成されることになる。ただし、例えば、排気浄化触媒と排気温度センサとの間には多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配等を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行われることになり、これらの各情報を検出する各要素もまた、当該触媒温度検出手段１２０の構成要素となる。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）５０は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知のデジタルコンピュータを具備し、上述した冷却水温度センサ１１、エアフローメータ１０５および触媒温度検出手段１２０を含む各種センサや各種手段との信号のやり取りをして機関回転数や吸入空気量等の制御に必要なパラメータを求めるとともに、求められたパラメータに基づいて空燃比制御（燃料噴射量制御）や点火時期制御等の機関の運転に関する種々の制御を行う。

尚、上述した開閉タイミング変更装置及びバルブリフト量変更装置もＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０からの信号によって各吸排気弁の開閉タイミングおよびバルブリフト量が制御される。また、上述したスロットル弁１０６もＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０からの信号によってスロットル弁１０６の開度が制御される。

以上の各構成要素の説明から理解されるように本第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、第一の排気系を流れる（すなわち排気マニホルド１１０および排気管１１１を流れる）排気ガスのみが過給機１０３を駆動するのに利用されるようになっている。また、過給機１０３の駆動に利用された排気ガスが流れる第一の排気系と、過給機１０３の駆動に利用されなかった排気ガスが流れる第二の排気系とのそれぞれに独立して第一の排気浄化触媒１１２および第二の排気浄化触媒２１２が設けられている。

また、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と第二の排気系とが配設される。

以下に、上述した各構成要素を有する図１に示す第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置における作用効果について以下に説明する。

図１に示す第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、排気ガス流によって駆動される排気駆動式の過給機１０３が、第一の排気浄化触媒１１２によりも上流で第一の排気系のみに配設されている。また、第一の排気系における第一排気マニホルド１１０から第一の排気浄化触媒１１２までの距離は、第二の排気系における第二排気マニホルド２１０から第二の排気浄化触媒２１２までの距離よりも長い。過給機１０３の存在および排気浄化触媒までに排気系の距離に起因して、第一の排気系と第二の排気系とにおいて、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量は異なり、第一の排気系の上記熱容量は、第二の排気系の上記熱容量よりも大きいものとなる。上記熱容量が大きい場合には、排気ガスが排気浄化触媒までに到達するまでの間に、より多くの排気ガスのエネルギーが使用され、排気ガスの温度が低下し、排気浄化触媒の昇温が妨げられる。

このことに基づいて、本第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関始動時、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる。具体的には、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量の小さな方の第二の排気系に排気ガスを排出する第二気筒群２００の気筒のみでの燃料噴射を実行し、上記熱容量の大きな方の第一の排気系に排気ガスを排出する第一気筒群１００の気筒での燃料噴射を行わない。すなわち、内燃機関始動時、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量の小さな方の第二の排気系に排気ガスを排出する第二気筒群２００の気筒のみを作動させ、上記熱容量の大きな方の第一の排気系に排気ガスを排出する第一気筒群１００の気筒を休止させる。

上記熱容量の小さな方の第二の排気系においては、排気ガスが第二の排気浄化触媒２１２に達するまでの排気ガス温度の低下は少なく、迅速に第二の排気浄化触媒２１２を昇温させることができ、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。また、上記熱容量の大きな方の第一の排気系には、空気は流れるが排気ガスが流れることはなく、排気エミッションの悪化はもたらされない。

しかしながら、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる期間中、第一の排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２には排気ガスが流れることはなく、第一の排気浄化触媒１１２を暖機する何らかの方策を講じない限り、第一の排気浄化触媒１１２は暖機されることはない。

このことは、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、第一の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際における排気エミッションの悪化をもたらす。すなわち、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量の大きな第一の排気系に流された排気ガスの温度は、第一の排気浄化触媒１１２に達するまでに大きく低下し、第一の排気浄化触媒１１２の温度が活性化温度に達するまでに長い時間を必要とし、排気エミッションの悪化をもたらす。

このことに基づいて、本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが、隣接するように第一の排気系と第二の排気系とが配設される。そして、内燃機関始動時、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量の大きな第一の排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２が、上記熱容量の小さい方の第二の排気系に配設された第二の排気浄化触媒２１２からの熱により所定温度に暖機されるまでの間、上記熱容量の小さい方の第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる。第一の排気浄化触媒１１２が所定温度に暖機されたか否かの判定は、触媒温度検出手段１２０からの検出情報に基づいてＥＣＵ５０によりなされる。尚、ここで、所定量以上の熱とは、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様等に基づいて適当に決定されるものである。また、ここで設定される所定温度も、同様に、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様等に基づいて適当に決定されるものあり、例えば、配設された排気浄化触媒の活性化温度が適用されてもよい。

これにより、内燃機関始動時、第一の排気系に排気ガスが流れていない期間中においても、第一に排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２を暖機することができ、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、第一の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の、排気エミッションの向上を図ることが可能となる。

図２は、本発明の第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明するための全体構成図である。本第二の実施形態における内燃機関は、図１に示す第一の実施形態と同様に、過給機付きＶ型６気筒ガソリンエンジンである。なお、ここではガソリンエンジンを例にとって説明するが本発明はこれに限定されるものではなく、他の実施形態ではディーゼルエンジンであってもよい。

図２に示す第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、第一気筒群１００の排気マニホルド１１０と第二気筒群２００の排気マニホルド２１０とを連結する排気管３１０が設けられる。また、排気管３１０から分岐して過給機１０３の排気タービン１０３ｂの入口に連結される排気管３１１が設けられ、排気タービン１０３ｂの出口は排気管３１２を介して第一の排気浄化触媒１１２へと連結される。更に、排気管３１０から分岐して第二の排気浄化触媒２１２に連結される排気管３１３が設けられる。これにより、排気管３１１および排気管３１２などを有し第一の排気浄化触媒１１２に排気ガスを導く第一の排気系が構成される。一方、排気管３１３などを有し第二の排気浄化触媒２１２に排気ガスを導く第二の排気系が構成される。

以上の各構成要素の説明から理解されるように図２に示す第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、第一の排気系を流れる（すなわち排気管３１１および排気管３１２を流れる）排気ガスのみが過給機１０３を駆動するのに利用されるようになっている。また、過給機１０３の駆動に利用された排気ガスが流れる第一の排気系と、過給機１０３の駆動に利用されなかった排気ガスが流れる第二の排気系とのそれぞれに独立して第一の排気浄化触媒１１２および第二の排気浄化触媒２１２が設けられている。

第一の排気浄化触媒１１２の直後の下流側排気通路には第一の排気制御弁３２０が配設される。また、第二の排気浄化触媒２１２の直後の下流側排気通路には第二の排気制御弁３２１が配設される。第一の排気制御弁３２０と第二の排気制御弁３２１とはＥＣＵ５０に接続され、運転状態に応じてＥＣＵ５０からの信号によりそれぞれの弁の開閉が独立に制御される。これにより、第一の排気系あるいは第二の排気系のいずれか一方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行うことができる。これらの構成要素以外の図２に示す各構成要素は、図１に示す構成要素と同様であり、ここでの説明は省略する。

以下に、上述した各構成要素を有する図２に示す第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置における作用効果について以下に説明する。

図２に示す第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、排気ガス流によって駆動される排気駆動式の過給機１０３が、第一の排気浄化触媒１１２によりも上流で第一の排気系のみに配設されている。また、第一の排気系における排気管３１０と排気管３１１との分岐点から第一の排気浄化触媒１１２までの距離は、第二の排気系における排気管３１０と排気管３１３との分岐点から第二の排気浄化触媒２１２までの距離よりも長い。過給機１０３の存在および排気浄化触媒までに排気系の距離に起因して、第一の排気系と第二の排気系とにおいて、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量は異なり、第一の排気系の上記熱容量は、第二の排気系の上記熱容量よりも大きいものとなる。上記熱容量が大きい場合には、排気ガスが排気浄化触媒までに到達するまでの間に、より多くの排気ガスのエネルギーが使用され、排気ガスの温度が低下し、排気浄化触媒の昇温が妨げられる。

このことに基づいて、第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関始動時においては、第一の排気制御弁３２０および第二の排気制御弁３２１のうち第一の排気制御弁３２０のみを閉じ、第一気筒群１００および第二気筒群２００から排出された排気ガスを、排気管３１３を介して第二の排気浄化触媒２１２に流れるように制御する。

上記熱容量の小さな方の第二の排気系においては、排気ガスが第二の排気浄化触媒２１２に達するまでの排気ガス温度の低下は少なく、迅速に第二の排気浄化触媒２１２を昇温させることができ、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。また、上記熱容量の大きな方の第一の排気系には、排気ガスが流れることはなく、排気エミッションの悪化はもたらされない。

しかしながら、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる期間中、第一の排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２に排気ガスが流れることはなく、第一の排気浄化触媒１１２を暖機する何らかの方策を講じない限り、第一の排気浄化触媒１１２は暖機されることはない。

このことに基づいて、図２に示す第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置は図１に示す第一の実施形態と同様に、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と前記第二の排気系とが配設される。そして、内燃機関始動時、排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量の大きな第一の排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２が、上記熱容量の小さい方の第二の排気系に配設された第二の排気浄化触媒２１２からの熱により所定温度に暖機されるまでの間、上記熱容量の小さい方の第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる。第一の排気浄化触媒１１２が所定温度に暖機されたか否かの判定は、触媒温度検出手段１２０からの検出情報に基づいてＥＣＵ５０によりなされる。尚、ここで、所定量以上の熱とは、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様等に基づいて適当に決定されるものである。また、ここで設定される所定温度も、同様に、配設された排気浄化触媒の特性や内燃機関の設計仕様等に基づいて適当に決定されるものあり、例えば、配設された排気浄化触媒の活性化温度が適用されてもよい。

これにより、第一の排気系に排気ガスが流れていない期間中においても、第一の排気系に配設された第一の排気浄化触媒１１２を暖機することができ、第二の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、第一の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の、排気エミッションの向上を図ることが可能となる。

また、図２に示された第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、運転状態に応じて、第一の排気制御弁３２０および第二の排気制御弁３２１のうち第二の排気制御弁３２１のみを閉じ、第一気筒群１００および第二気筒群２００から排出された排気ガスを、排気管３１１を介して過給機１０３に供給し、排気管３１２を介して第一の排気浄化触媒１１２に流れるように制御する場合がある。

このような場合においても、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、第二の排気系に排気ガスが流れていない期間中においても、第二の排気系に配設された第二の排気浄化触媒２１２を暖機することができ、第一の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が解除され、第二の排気系に対して排気ガスを流す制御が行われる際の、排気エミッションの向上を図ることが可能となる。

以上のように、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と前記第二の排気系とが配設されることを特徴とする。

ところで、上記のように第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とを隣接して配置する配置形態には種々の形態が考えられる。図３は、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２との幾つかの配置形態の例を示した図である。

図３に示す配置形態１および配置形態２は、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが、それぞれの前側部と後側部との両方が共に隣接して且つ並列に配置される形態を示す。そして、配置形態１においては、第一の排気浄化触媒１１２を流れる排気ガスの流れの方向と、第二の排気浄化触媒２１２を流れる排気ガスの流れの方向とが同一方向となるものを示す。また、配置形態２においては、第一の排気浄化触媒１１２を流れる排気ガスの流れの方向と、第二の排気浄化触媒２１２を流れる排気ガスの流れの方向とが逆方向となるものを示めす。

また、図３に示す配置形態３から配置形態６は、第一の排気浄化触媒１１２と第二排気浄化触媒２１２とが、第一の排気浄化触媒１１２の前側部と第二の排気浄化触媒２１２の後側部とが隣接、あるいは、第一の排気浄化触媒１１２の後側部と第二の排気浄化触媒２１２の前側部とが隣接して且つ並列に配置される形態を示す。そして、配置形態３および配置形態５においては、第一の排気浄化触媒１１２を流れる排気ガスの流れの方向と、第二の排気浄化触媒２１２を流れる排気ガスの流れの方向とが同一方向となるものを示し、配置形態４および配置形態６においては、第一の排気浄化触媒１１２を流れる排気ガスの流れの方向と、第二の排気浄化触媒２１２を流れる排気ガスの流れの方向とが逆方向となるものを示めす。

第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２との間の、より効率的な熱の授受の達成という観点においては、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２との隣接部分が広範囲にわたる図３に示された配置形態１および配置形態２となるように第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と第二の排気系とが配設されることが好ましい。更に、第一の排気系および第二の排気系の配設の容易性あるいはスペース性などの観点を考慮すると図３に示された配置形態１となるように第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と前記第二の排気系とが配設されることが最も好ましい。しかしながら、本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが隣接するように第一の排気系と前記第二の排気系とが配設されれば、図３に示す配置形態１から配置形態６のどの配置形態が選択されてもよく、また、他の配置形態が選択されてもよい。

また、より効率的な熱の授受を実現すべく、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが、熱伝導性の優れた部材により連結されてもよい。図４は、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが、熱伝導性の優れた部材３５０により連結された一実施形態を示す図である。図４に示される実施形態においては、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが並列に且つ隣接して配置され、更に、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２のそれぞれの上部と下部が、熱伝導性の優れた部材３５０により連結される。これにより、第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２との間の、より効率的な熱の授受を実現でき、排気浄化触媒のより迅速な昇温を可能とすることができる。

本発明の第一の実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明するための全体構成図である。本発明の第二の実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明するための全体構成図である。第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２との幾つかの配置形態の例を示した図である。第一の排気浄化触媒１１２と第二の排気浄化触媒２１２とが、熱伝導性の優れた部材により連結された一実施形態を示す図である。

符号の説明

１０機関本体
１１冷却水温度センサ
１００第一気筒群
１０１吸気マニホルド
１０２吸気管
１０３過給機
１０４エアクリーナ
１０５エアフローメータ
１０６スロットル弁
１０７冷却装置（インタークーラ）
１１０排気マニホルド
１１１排気管
１１２第一の排気浄化触媒
１２０触媒温度検出手段
２００第二気筒群
２０１吸気マニホルド
２１０排気マニホルド
２１１排気管
２１２第二の排気浄化触媒
３１０排気管
３１１排気管
３１２排気管
３１３排気管
３２０第一の排気制御弁
３２１第二の排気制御弁

Claims

排気浄化触媒がそれぞれに独立して配設された少なくとも二つの排気系を有し、内燃機関の運転状態に応じて一部の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、
第一の排気系と第二の排気系とを有し、
前記第一の排気系には第一の排気浄化触媒が配設され、前記第二の排気系には第二の排気浄化触媒が配設され、
一方の排気浄化触媒が他方の排気浄化触媒から単位時間当たりに所定量以上の熱を受け取ることができるように、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とが隣接するように前記第一の排気系と前記第二の排気系とが配設され、
前記第一の排気系および前記第二の排気系の何れか一方に対してのみ排気ガスを流す制御が行われた場合、排気ガスが流れている前記一方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により、排気ガスが流れていない他方の排気系に配設された排気浄化触媒が暖機され、
前記第一の排気系と前記第二の排気系とにおいて、それぞれの排気浄化触媒よりも上流の排気系の熱容量が異なり、
内燃機関始動時においては、
前記第一の排気系および前記第二の排気系のうち前記熱容量の大きい方の排気系に配設された排気浄化触媒が、前記熱容量の小さい方の排気系に配設された排気浄化触媒からの熱により所定温度に暖機されるまでの間、前記第一の排気系および前記第二の排気系のうち前記熱容量の小さい方の排気系に対してのみ排気ガスを流す制御が行われる、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記熱容量の大きい方の排気系は、該排気系に配設された排気浄化触媒よりも上流に過給機を備える排気系である、
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。
前記第一の排気浄化触媒を流れる排気ガスの流れの方向と、前記第二の排気浄化触媒を流れる排気ガスの流れの方向とが同一方向となるように、前記第一の排気浄化触媒と前記第二の排気浄化触媒とが並列に且つ隣接するように前記第一の排気系と前記第二の排気系とが配設される、
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。