JP2001234738A

JP2001234738A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2001234738A
Application number: JP2000246150A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Sugimoto; 保杉本; Osamu Kanematsu; 修兼松; Hideaki Matsuzawa; 英昭松沢; Hirobumi Tsuchida; 博文土田; Shunichi Shiino; 俊一椎野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Marelli Corp
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-08-15
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】始動直後におけるエンジン排気系の燃焼器で
の着火を安定に確保して未燃焼ガスの排出を防止する。【解決手段】エンジンの排気マニホルド１０にフロン
ト排気管１１、燃焼器１２、触媒コンバータ１３が順次
に接続され、フロント排気管１１にはエアポンプ２０か
らの２次空気が制御バルブ２２を介して２次空気導入パ
イプ２１により導入される。燃焼器１２にはグロープラ
グ２４が設置されている。２次空気導入パイプからグロ
ープラグまでの距離Ｘ（ｍ）は、エンジンの排気ガスの
流速をＶＥ（ｍ／秒）、２次空気の流速をＶ２（ｍ／
秒）として、ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）≦０．２０を満たす
ように設定されている。排気ガスと２次空気はグロープ
ラグに至るまでの間に均一な混合状態となり、エンジン
始動直後でも確実に着火する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンから排出
される未燃焼ガスを再燃焼させる排気浄化装置、とくに
触媒上流に燃焼器を設置したエンジンの排気浄化装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの排気ガスを浄化するため、従
来、例えば特表平６−５０８４０９号公報に開示される
ような排気浄化装置がある。これは、一酸化炭素や炭化
水素などの未燃焼ガスを反応させるための触媒を排気管
途中に設けるとともに、そのエンジン側上流に燃焼器
（アフターバーナ）を設置したものである。燃焼器の
上流には排気管に２次空気（追加空気）を導入するバル
ブが設けられる。

【０００３】すなわち、エンジンの始動時は、確実な着
火を得るため空燃比を濃くしているので未燃焼成分が多
量に生じるとともに、触媒は低温度の間はその機能を発
揮しない。そこで、上記の排気浄化装置は、未燃焼ガス
がそのまま排出されてしまうのを防止するため、始動直
後の触媒冷間時には燃焼器内での点火により未燃焼ガス
を燃焼させようとするものであり、またこれにより、触
媒の温度上昇をも促進して、早期に触媒機能を発揮させ
ようとするものである。

【０００４】特表平６−５０８４０９号公報では、燃焼
器作動のため、水素、一酸化炭素および炭化水素の可燃
ガスの全てと完全に反応する余剰空気を燃焼器内に存在
させるべきことが記載されている。燃焼器と触媒を備え
た同様の構成が、特開平１１−２００８４２号公報、特
開平１１−２００８４３号公報、特開平１１−２００８
４７号公報等にも開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
表平６−５０８４０９号公報に記載された燃焼条件を具
体的に決定することは困難で、始動直後の燃焼器での着
火が確実に得られ、かつ未燃焼ガスが有効に燃焼される
実際の空燃比や２次空気の供給量は機種ごとの排気系に
よって異なり、試行錯誤を繰り返しながら開発を進めざ
るをえないというのが現状であった。

【０００６】したがって本発明は、この問題点に鑑み、
燃焼器における着火が確保され、始動直後における未燃
焼ガスの排出が確実に防止され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】そのため、出願人は幾多
の実験・研究を行い、まず理論的に適量と計算された流
量で２次空気を供給しても、２次空気の導入口と点火点
の間の距離によって燃焼器における着火の状態が異なる
との知見を得た。そこで検討の結果、エンジンからの排
気ガスと２次空気の混合状態が導入口からの距離によっ
て変化することがその原因となっているのではないか、
逆に言えば着火を保証する均一な混合状態を得るのに所
定の距離が必要なのではないかと推定し、研究を行っ
た。そして、２次空気の導入口と点火点との間の距離、
２次空気の流速および排気ガスの流速を所定の関係とす
ることにより、燃焼器における安定着火が得られること
を見出したものである。

【０００８】以下、この制御の基本原理について説明す
る。図１は排気系を模した実験用の測定装置を示す。管
１の一端にコンプレッサ２が接続され、その下流に順次
にパルセータ３、煙導入プローブ４、２次空気導入プロ
ーブ５、そして管１を挟んで対向させたレーザ発光器６
ａとレーザ受光器６ｂからなるレーザ測定器６が設けら
れている。

【０００９】パルセータ３はコンプレッサ２からの空気
流に対して間欠開閉を行ってエンジンの設定回転数に対
応した脈動を与え、排気ガス相当の流れ（以下の測定上
で排気ガスと呼ぶ）を生成する。レーザ発光器６ａとレ
ーザ受光器６ｂはグロープラグ等の点火点に対応する位
置に設置される。煙導入プローブ４は２次空気と排気ガ
スの混合状態を視覚化するための煙を管内に導入する。

【００１０】パルセータ３からの排気ガスに煙導入プロ
ーブ４から煙を混入すると、排気脈動により煙の濃度に
時間変動が生じる。この濃度変動はレーザ光の吸光率の
変動として計測される。そして２次空気を２次空気導入
プローブ５から導入すると、排気ガスの流量、２次空気
の流量および２次空気導入プローブ５とレーザ測定器６
間の距離（混合距離）によってさらに煙の濃度が変動す
る。

【００１１】すなわち、レーザ発光器６ａから送出され
た強度Ｉ０のレーザ光は管１内の煙で散乱吸収され、レ
ーザ受光器６ｂに強度Ｉとして受光される。その吸光率
ｒはｒ＝１−（Ｉ／Ｉ０）（１）で示される。また、ランベルトベールの法則により、ｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ）＝εｃＤ（２）が成立する。ただし、 ε：吸光係数ｃ：濃度Ｄ：光路長である。

【００１２】煙の吸光係数εは定数であり、光路長Ｄを
一定とすると、ｋ＝εＤとして、ｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ）＝ｋｃ（３）となり、式（１）と（３）からｃ＝ｌｏｇ（１／（１−ｒ））／ｋ（４）ｒ＝１−ｅｘｐ（−ｋｃ）（５）となる。

【００１３】式（５）を微分すると、ｄｒ＝ｋ・ｅｘｐ（−ｋｃ）ｄｃすなわち、 Δｒ＝ｋ・ｅｘｐ（−ｋｃ）Δｃ（６）したがって、煙の濃度変動は式（５）と（６）から次の
式で表わされる。ｋΔｃ＝Δｒ／（１−ｒ）（７）

【００１４】この濃度変動ｋΔｃは上述のように混合距
離によって変化する。そこで、上記のｋΔｃと混合距離
の関係について実験を行った。実験条件は、排気ガス流
量＝２５０Ｌ（リットル）／分、２次空気の流量＝１０
０Ｌ／分、管内径５０ｍｍで、２次空気導入プローブ５
の内径を８ｍｍ、１０ｍｍおよび１１．５ｍｍに変化さ
せた。図２に示すとおり、ｋΔｃは混合距離Ｘ（ｍ）に
反比例し、ｋΔｃ＝α・Ｘ^−１（８）で表わされる。

【００１５】なお、２次空気導入プローブ５の形状とし
て、図３に示すように、管中心まで突出させてさらに流
れ方向にＬ字形に曲げて開口を下流へ向けた（Ａ）のほ
か、管壁面に単純開口したもの（Ｂ）、管中心まで突出
させて単純開口したもの（Ｃ）、管壁面近傍に開口し先
端を下流側に斜めに切り落としたもの（Ｄ）、管中心ま
で突出させて先端を下流側に斜めに切り落としたもの
（Ｅ）、管壁面近傍に開口し先端を上流側に斜めに切り
落としたもの（Ｆ）について実験を行った。図４はその
結果を示し、管壁面に単純開口した（Ｂ）および管壁面
で上流または下流側に斜めに切り落として開口した
（Ｄ）、（Ｆ）が最も低いｋΔｃを与えた。図４は排気
ガス流量＝２５０Ｌ（リットル）／分、２次空気の流量
＝１１０〜１８０Ｌ／分、管内径５０および６０ｍｍ
で、２次空気導入プローブ５の内径を８ｍｍ、１０ｍｍ
としたときのものである。

【００１６】前述のように、２次空気導入プローブ５の
内径によってｋΔｃの値には変化があることが認められ
る。２次空気導入プローブ５の内径が異なれば同じ流量
でも流速が異なることになるから、結局ｋΔｃには２次
空気の流速が関係することがわかる。同様に、管１の内
径によって変化する排気ガスの流速もｋΔｃに影響を与
えることになる。

【００１７】そこで、上記のαの値を排気ガスの流速Ｖ
Ｅ（ｍ／秒）と２次空気の流速Ｖ２（ｍ／秒）とをパラ
メータとして分析することとした。ここでは、排気ガス
流量２５０Ｌ／分のほか１６７Ｌ／分および５００Ｌ／
分、２次空気の流量２００Ｌ／分および１００Ｌ／分と
し、管１の内径を４０〜６０ｍｍの間、また２次空気導
入プローブ５の内径を６〜１５ｍｍの範囲で変化させた
種々の組み合わせについて測定した。なお、一般の乗用
車における排気量２．４Ｌエンジンの始動時の排気ガス
の流量の実測値は２４０〜２７０Ｌ／分、２次空気の必
要流量は１１０〜１８０Ｌ／分であり、上記の排気ガス
流量と２次空気流量は実測値をカバーするものである。
排気ガスの流量は排気量に比例する。

【００１８】その結果は、図５に示すように、αはＶ０
＝Ｖ２／ＶＥ^２に反比例しており、ｌｏｇ（ｋΔｃ）＝−２．６３−ｌｏｇ（Ｖ０）−ｌｏｇ（Ｘ）（９）となっている。すなわち、ｋΔｃは排気ガス流速、２次
空気流速および混合距離の関数として表わされ、上記式
（９）を真数式に直すと、ｋΔｃ＝０．００２３４ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）（１０）となる。

【００１９】上記の知見に基づいて、請求項１の本発明
は、排気管の途中に触媒コンバータを備えるエンジンの
排気系において、触媒コンバータの上流に点火点を有す
る点火手段と、点火点の上流に導入口を有する２次空気
導入手段とを備え、エンジンからの排気ガスの流速をＶ
Ｅ（ｍ／秒）、導入口からの２次空気の流速をＶ２（ｍ
／秒）、導入口から点火点までの距離をＸ（ｍ）とする
とき、ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）を所定値以下にしたもので
ある。

【００２０】とくに、請求項２のように、ＶＥ^２／
（Ｖ２・Ｘ）≦０．２０を満足するように、排気管の
径、２次空気の流量、導入口の径および導入口から点火
点までの距離を設定するのが好ましい。これにより、排
気ガスと２次空気は点火点に至るまでの間に十分に均一
な混合状態を得ることができ、確実に着火してエンジン
始動直後における排気ガスに含まれる未燃焼ガスが確実
に燃焼する。請求項３の発明は、２次空気導入手段の導
入口を排気管の管壁面に開口させたものとし、これによ
り、排気ガスと２次空気の混合気の濃度変動が低くする
ことができる。

【００２１】請求項４の発明は、点火手段と２次空気導
入手段を制御する制御手段が設けられ、点火点の下流に
は温度センサが設けられ、該制御手段は、エンジン始動
時にエンジンの空燃比に対応させた流量の２次空気を導
入し、混合ガスを点火手段により着火させ、温度センサ
で着火による温度上昇が検出された後、点火手段の作動
を停止させるものとした。確実に着火して温度が所定温
度まで上昇すれば、触媒コンバータも早期に機能発揮し
て温度維持するようになるので、点火手段による燃焼は
不要となる。

【００２２】請求項５の発明は、触媒コンバータの前に
断面積を増大させた燃焼器を設け、該燃焼器に上記の点
火点を設けることにより、排気ガスと２次空気の混合が
通路断面積の変化で一層促進される結果、これらの濃度
変動は著しく低下する。このため、着火がより容易とな
るとともに、燃焼が安定的に継続する。また、請求項６
の発明は、上記の温度センサを、触媒コンバータに設け
られ触媒の温度を検出する温度センサと兼用するものと
した。これにより、構成が簡単となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態を実施
例により説明する。図６は実施例におけるエンジンの排
気系を示す図である。エンジンの排気マニホルド１０に
順次にフロント排気管１１、燃焼器１２、触媒コンバー
タ１３およびマフラ１４が接続され、これらを通過した
エンジンの排気ガスがマフラのテールパイプ１５から排
出されるようになっている。

【００２４】フロント排気管１１にはエアポンプ２０か
らの２次空気を導入する２次空気導入パイプ２１に流量
を制御する制御バルブ２２が設けられている。このエア
ポンプ２０、２次空気導入パイプ２１ならびに制御バル
ブ２２とで２次空気導入手段を構成している。燃焼器１
２にはその内壁に点火手段としてのグロープラグ２４が
設置されている。触媒コンバータ１３にはその作動状態
を検出するための温度センサ２６が設けられている。温
度センサ２６はエンジン制御装置３０に接続され、また
エアポンプ２０、制御バルブ２２およびグロープラグ２
４はエンジン制御装置３０によって制御される。なお、
２次空気の制御例としては、例えば特開平１１−３１１
１２０号公報に開示されたものがあり、本実施例でもこ
の制御例を適用することにより、始動時に空燃比に応じ
て２次空気を供給する。具体的には、空燃比が小（リッ
チ）になるほど２次空気流量を増大するようにしてい
る。また、エンジン制御装置３０は温度センサ２６その
他図示しない種々のセンサからの信号を入力し、エンジ
ンの吸入空気量、燃料噴射量、点火時期等を制御して、
要求される回転数やトルク出力を実現するよう構成され
ている。

【００２５】図７に示すように、フロント排気管１１は
内径６０．５ｍｍ、燃焼器１２は長さ３５０ｍｍ、横断
面が１５０ｍｍ×９５ｍｍで、グロープラグ２４が入口
の傾斜面１２Ａに設けられている。傾斜面１２Ａの開き
角度は９０°である。なお、図７において（ｂ）は
（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示している。２次空気導入
パイプ２１はフロント排気管１１の管壁に開口してい
る。この２次空気導入パイプ２１からグロープラグ２４
までの距離Ｘ（ｍ）は、エンジンの排気マニホルド１０
からフロント排気管１１に流入する排気ガスの流速をＶ
Ｅ（ｍ／秒）、２次空気導入パイプ２１からフロント排
気管１１に導入される２次空気の流速をＶ２（ｍ／秒）
として、ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）≦０．２０（１１）を満足するように設定されている。ただし、排気ガスの
流速ＶＥは距離Ｘ間の平均流速、２次空気の流速Ｖ２は
２次空気導入部での流速である。なお、フロント排気管
１１の内径、２次空気導入パイプ２１の内径や２次空気
流量によって流速ＶＥやＶ２の値が変われば、距離Ｘの
設定も変わることになる。

【００２６】グロープラグ２４はエンジン始動時のみ給
電され、排気ガスと２次空気の混合ガスが燃焼器１２で
着火されて、触媒コンバータ１３の温度センサ２６が所
定温度への温度上昇を検出すると停止される。その後
は、高温になった触媒コンバータ１３が機能するように
なり、温度を維持した触媒コンバータが未燃焼ガスを反
応させて除去する。

【００２７】つぎに本実施例の効果を比較データによっ
て説明する。まず、次の条件で２次空気流量を１１０〜
１８０Ｌ／分の範囲で調整、混合距離を０．１ｍ、０．
２ｍおよび０．３ｍに変化させて燃焼器１２での着火状
況を調べた。〔条件〕エンジン回転数：１２００回転／分エンジン吸気系における空燃比：１０．５排気ガス流量：２５０Ｌ／分排気ガスのＣＯ濃度：平均１０％２次空気流量：１１０〜１８０Ｌ／分なお、排気ガス温度は始動時のため２次空気と同じく室
温となっている。着火の有無は温度センサ２６で検出す
る触媒コンバータ１３における温度上昇によって確認す
る。

【００２８】図８はその結果を示す。着火状態の観察の
結果、着火後燃焼が継続した状態を安定着火として○で
表わし、着火後すぐに消火したり不着火であったりした
状態を不安定着火として×で表わした。その結果、ｋΔ
ｃ≦０．０００４６において確実に安定着火し、燃焼
が継続した。ｋΔｃが０．０００４６より大のときは不
安定であった。これにより、式（１０）からｋΔｃ＝０．００２３４ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）≦０．０
００４６すなわち、ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）≦０．２０を得る。

【００２９】すなわち、本実施例においては、この式を
満足するように、フロント排気管１１の内径、２次空気
の流量、２次空気導入パイプ２１の内径および２次空気
導入パイプの位置とグロープラグ２４すなわち点火点と
の間の混合距離を設定しているので、排気ガスと２次空
気は点火点に至るまでの間に十分に均一な混合状態を得
ることができ、燃焼器１３での安定着火が確保されて、
エンジン始動直後における排気ガスに含まれる未燃焼ガ
スが確実に燃焼する。

【００３０】また、燃焼器１２はフロント排気管１１よ
り大きな断面積を有し、前後両端は傾斜面１２Ａを形成
しており、グロープラグ２４がその入口の傾斜面１２Ａ
に設けられているから、排気ガスと２次空気の混合が通
路断面積の変化で一層促進され、着火がより容易とな
る。なお、実施例では点火手段としてグロープラグ２４
を用いているが、これに限定されず、例えばスパークプ
ラグを用いることもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明は、排気管の途中
に触媒コンバータを備えるエンジンの排気系において、
触媒コンバータの上流に２次空気導入手段と点火手段を
備え、エンジンからの排気ガスの流速をＶＥ（ｍ／
秒）、導入口からの２次空気の流速をＶ２（ｍ／秒）、
２次空気の導入口から点火点までの距離をＸ（ｍ）とす
るとき、ＶＥ２／（Ｖ２・Ｘ）を所定値以下に設定した
ので、排気ガスと２次空気は点火点に至るまでの間に十
分に均一な混合状態を得ることができ、確実に着火して
エンジン始動直後における排気ガスに含まれる未燃焼ガ
スが確実に燃焼する。より具体的には、ＶＥ^２／（Ｖ
２・Ｘ）≦０．２０を満足するように、排気管の径、
２次空気の流量、導入口の径および導入口から点火点ま
での距離を設定するのが望ましい。

【００３２】さらに、２次空気導入手段の導入口を排気
管の管壁面に開口させることにより、排気ガスと２次空
気の混合気の濃度変動をとくに低くすることができる。
また、点火点の下流に温度センサを設け、該制御手段が
エンジン始動時にエンジンの空燃比に対応させた流量の
２次空気を導入させる一方、温度センサで着火による温
度上昇が検出された後は、触媒コンバータが機能開始す
るので、点火手段の作動を停止させることができる。

【００３３】このように、エンジンの空燃比が変動し未
燃焼分の量が変化した場合でも、過不足なく２次空気が
供給され、安定した着火燃焼を得ることができる。さら
に、触媒コンバータの前に断面積を増大させた燃焼器を
設け、上記の点火点はこの燃焼器に設けることが好まし
く、これにより、排気ガスと２次空気の混合が通路断面
積の変化で一層促進され、着火がより容易となる。ま
た、温度センサは触媒の温度を検出するための触媒コン
バータの温度センサと兼用することにより、全体の構成
を簡単とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気系を模した実験用の測定装置を示す図であ
る。

【図２】混合気の混合距離と濃度変動の関係を示す図で
ある。

【図３】実験に供した２次空気導入プローブの形状例を
示す図である。

【図４】２次空気導入プローブの形状と濃度変動の関係
を示す図である。

【図５】濃度変動と排気ガス流速、２次空気流速および
混合距離の関係を示す図である。

【図６】実施例におけるエンジンの排気系を示す図であ
る。

【図７】燃焼器周りの諸元を示す図である。

【図８】燃焼器における濃度変動と着火状況の関係を示
す図である。

【符号の説明】

１管２コンプレッサ３パルセータ４煙導入プローブ５２次空気導入プローブ６レーザ測定器６ａレーザ発光器６ｂレーザ受光器１０排気マニホルド１１フロント排気管１２燃焼器１２Ａ傾斜面１３触媒コンバータ１４マフラ１５テールパイプ２０エアポンプ２１２次空気導入パイプ２２制御バルブ２４グロープラグ２６温度センサ３０エンジン制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３Ｚ (72)発明者兼松修東京都中野区南台５丁目24番15号カルソニックカンセイ株式会社内 (72)発明者松沢英昭東京都中野区南台５丁目24番15号カルソニックカンセイ株式会社内 (72)発明者土田博文神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者椎野俊一神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA17 AA28 AB01 BA03 BA04 BA15 BA16 BA17 BA19 CA02 CA22 CA23 CB02 CB05 CB07 CB08 DA01 DA02 DB10 EA18 FA02 FA04 FA12 FB02 FB07 FB12 FC07 HA38 HB07 4D048 AA13 AA18 AB01 AC06 CC52 DA01 DA03 DA05 DA06 DA10 DA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気管の途中に触媒コンバータを備える
エンジンの排気系において、前記触媒コンバータの上流
に点火点を有する点火手段と、前記点火点の上流に導入
口を有する２次空気導入手段とを備え、エンジンからの
排気ガスの流速をＶＥ（ｍ／秒）、導入口からの２次空
気の流速をＶ２（ｍ／秒）、導入口から点火点までの距
離をＸ（ｍ）とするとき、ＶＥ^２／（Ｖ２・Ｘ）を所定
値以下にしたことを特徴とするエンジンの排気浄化装
置。
【請求項２】前記所定値が０．２０であることを特徴
とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】前記２次空気導入手段の導入口を排気管
の管壁面に開口させたことをことを特徴とする請求項１
または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】前記点火手段と２次空気導入手段を制御
する制御手段が設けられ、前記点火点の下流には温度セ
ンサが設けられ、前記制御手段は、エンジン始動時にエ
ンジンの空燃比に対応させた流量の２次空気を導入し、
混合ガスを点火手段により着火させ、前記温度センサで
着火による温度上昇が検出された後、点火手段の作動を
停止させることを特徴とする請求項１、２または３記載
のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】前記触媒コンバータの上流に断面積を増
大させた燃焼器が設けられ、該燃焼器に前記点火点が設
けられていることを特徴とする請求項１、２３または４
記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】前記温度センサは、触媒コンバータに設
けられ、触媒の温度を検出する温度センサと兼用されて
いることを特徴とする請求項４または５記載のエンジン
の排気浄化装置。