JP3629953B2

JP3629953B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3629953B2
Application number: JP16957198A
Authority: JP
Inventors: 健中村; 立男佐藤; 公良西沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JP2000008896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に排気通路に介装したＨＣ吸着剤によって始動直後のＨＣの排出を防止するようにした排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関から排出される排気ガスの浄化には、貴金属（白金、パラジウム、ロジウム等）またはその他の金属を担持した三元触媒が従来から使われている。このような触媒は、排気ガス中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を酸化もしくは還元して浄化しているが、この触媒作用を得るためには、排気温度が高くなければならず、例えばＨＣの触媒による浄化のためには、一般に、２００〜３００℃程度の温度が必要である。しかし内燃機関の始動直後では、排気ガス温度が低く、上記の触媒が活性する温度（例えば２００℃以上）に達しないため、ＨＣの浄化はほとんど行われず、内燃機関で発生したＨＣの多くが大気へ放出されてしまう。
【０００３】
そこで、内燃機関の排気系に、一般的な三元触媒装置に加えて、低温条件でＨＣを吸着するＨＣ吸着剤を配置し、触媒活性前に排出されるＨＣを吸着するようにしたものが公知である（特開平６−２４１０２８号公報、特開平７−１４４１１９号公報等）。このＨＣ吸着剤は、例えばゼオライト等を用いたものであり、低温時には、ＨＣを吸着し、その後、所定の脱離温度に達すると、吸着していたＨＣが脱離する特性を有している。この脱離したＨＣは、活性した触媒によって浄化処理されることになる。
【０００４】
なお、特開平７−１０９９３４号公報には、冷間始動時に吸排気弁の開閉時期を変化させることにより、内燃機関から発生するＨＣの量そのものを減少させるようにした技術が開示されており、また特開平８−１５８８９７号公報には、冷間始動時に排気シャッタバルブを閉じることにより排圧を上昇させて未燃成分の排出を抑制するとともに、排出シャッタバルブの上流側にＨＣ吸着剤を配置した構成が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＨＣ吸着剤、特にゼオライト系の吸着剤にあっては、分子量の大きなＨＣに対しては吸着効率が高いものの、分子量の小さなＨＣに対しては吸着効率が低く、従って、触媒活性前の段階では、この分子量の小さなＨＣが大気へ放出され易い、という問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
図１は、一般的な吸排気弁の開閉時期と排気弁下流位置におけるＨＣ排出量との関係を示した特性図であり、この図に示すように、ＨＣの排出は、排気弁が開き始めたときと、ピストンが上死点に達する付近との２つのピークを有している。ここで、それぞれのＨＣの分子量に着目すると、第１のピークの分子量は大きく、第２のピークの分子量は小さい。この後者のＨＣは、クレビスボリュームに残留していた液状の燃料が気化したばかりのものと考えられ、それ故、分子量は、前者に比べて小さなものとなり、ＨＣ吸着剤での吸着効率は低い。
【０００７】
そこで、請求項１に係る第１の発明では、この分子量の小さなＨＣの発生を、吸気弁の開時期を進角させることにより抑制し、また分子量の大きな前者のＨＣはＨＣ吸着剤により確実に吸着するようにして、ＨＣの大気への放出を大幅に減少させるようにした。
【０００８】
すなわち、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装され、排気中のＨＣ（炭化水素成分）を吸着するＨＣ吸着剤と、
内燃機関の少なくとも吸気弁側に設けられ、該吸気弁の少なくとも開時期を可変制御可能な可変動弁機構と、
内燃機関の冷間状態を検出する手段と、
この内燃機関の冷間時に、上記吸気弁の開時期を進角させる開閉時期制御手段と、
を備えている。
【０００９】
上記のように吸気弁の開時期を進角させると、吸気系への排気の吹き返しが増大し、ピストン上死点付近で発生する分子量の小さなＨＣの排気系への排出が減少する。また、仮に排気弁側の開閉時期が固定であるとすると、このように吸気弁の開時期の進角によりバルブオーバラップが拡大し、極端な場合には、燃焼の不安定化が生じ、ＨＣ生成量自体は却って増加する可能性があるが、この燃焼の不安定化に伴って増加するＨＣは、その分子量が比較的大きなものであるので、ＨＣ吸着剤によって確実に吸着処理することができる。
【００１０】
また、請求項３および請求項４に係る第２の発明では、上死点付近における分子量の小さなＨＣの発生を、排気弁の閉時期を進角させることにより抑制するようにした。
【００１１】
すなわち、請求項３，４の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装され、排気中のＨＣ（炭化水素成分）を吸着するＨＣ吸着剤と、
内燃機関の少なくとも排気弁側に設けられ、該排気弁の少なくとも閉時期を可変制御可能な可変動弁機構と、
内燃機関の冷間状態を検出する手段と、
この内燃機関の冷間時に、上記排気弁の閉時期を上死点前まで進角させる開閉時期制御手段と、
を備えている。
【００１２】
このように排気弁を上死点前に閉じるようにすれば、上死点付近における分子量の小さなＨＣの排出が抑制される。従って、ＨＣ吸着剤による分子量の比較的大きなＨＣに対する吸着作用と併せて、ＨＣの排出を確実に防止できる。
【００１３】
なお、上述した特開平７−１０９９３４号公報や特開平８−１５８８９７号公報の装置は、ＨＣの分子量の大小に無関係に、内燃機関から発生するＨＣの総量を減少させるようにしたものであり、分子量の比較的大きなＨＣに対しては優れた吸着作用を有するＨＣ吸着剤の特徴を十分に活かすことができない。
【００１４】
上記ＨＣ吸着剤は、例えば請求項５のように、ゼオライト系吸着剤からなる。このゼオライト系吸着剤は、上述したように、分子量の大きなＨＣに対しては吸着効率が高く、分子量の小さなＨＣに対する吸着効率は低い。
【００１５】
また、上記の冷間状態検出手段は、請求項１および請求項３のように、上記ＨＣ吸着剤が脱離開始温度以下であることを検出するものである。つまり、ＨＣ吸着剤による吸着作用が得られるときにのみ開閉時期を変化させることにより、不必要な燃焼の悪化等を最小限にすることができる。
【００１６】
また、請求項２および請求項４の発明では、内燃機関の負荷が低いほど上記吸気弁開時期もしくは排気弁閉時期の進角量を小さくするようになっている。これにより、アイドルのような低負荷域での燃焼の不安定化が抑制される。
【００１７】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、機関の冷間時に、分子量の大きなＨＣはＨＣ吸着剤によって吸着し、かつ吸着されにくい分子量の小さなＨＣは、吸気弁開時期もしくは排気弁閉時期の進角により排出を抑制するようにしたので、全体として、ＨＣの排出量を非常に低いレベルに低減することができる。
【００１８】
特に、ＨＣ吸着剤と吸排気弁開閉時期の可変制御とを組み合わせたことにより、ＨＣ吸着剤の吸着効率を最大限に利用でき、比較的小容量のＨＣ吸着剤でもって大幅なＨＣの低減を実現できるとともに、開閉時期を進角させたことに伴う燃焼の悪化等によるＨＣの増加分の悪影響がなく、実際に排出されるＨＣを大幅に低減できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図２は、この発明の第１実施例を示す構成説明図であって、内燃機関１の各シリンダ２には、燃焼室４を画成するピストン３が摺動可能に嵌合しており、かつ中央に点火プラグ５が配置されている。上記燃焼室４に排気弁６を介して接続された排気通路７には、プリ触媒コンバータとなる三元触媒装置８が介装されているとともに、その下流側に、低温時に排気中のＨＣを吸着する吸着剤として吸着触媒装置９が介装されている。なお、この実施例では、三元触媒装置８と吸着触媒装置９とは、同一のケーシング内に収容されている。上記吸着触媒装置９は、ゼオライト系のＨＣ吸着成分と貴金属等の三元触媒成分とを混合した吸着触媒をセラミックス等からなる担体に担持させたものであり、吸着したＨＣの一部を触媒作用で酸化させるという自己浄化機能を有している。あるいは、吸着成分と触媒成分とを積層した構成とすることもできる。また、図示していないが、吸着触媒装置９のさらに下流側には、メイン触媒コンバータとなる三元触媒装置が設けられている。
【００２１】
上記燃焼室４に吸気弁１０を介して接続された吸気通路１１には、燃料噴射弁１２が吸気弁１０へ向けて配置されており、さらにコレクタ１３の上流側に、スロットル弁１４およびエアフロメータ１５が順次介装されている。
【００２２】
また、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ１６およびクランク軸の回転角を検出するクランク角センサ１７を備えており、これらのセンサ類の検出信号は、それぞれエンジンコントロールユニット１８に入力されている。エンジンコントロールユニット１８は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１２による燃料噴射量ならびに噴射時期、点火プラグ５の点火時期等を総合的に制御している。
【００２３】
また上記排気弁６および吸気弁１０は、それぞれカムシャフトを主体とした動弁機構によって開閉駆動されるようになっているが、特に、吸気弁１０側には、エンジンコントロールユニット１８からの制御信号によってバルブリフト特性を可変制御可能な可変動弁機構１９が設けられている。この実施例では、上記可変動弁機構１９として、例えば、クランク軸とカムシャフトとの位相をずらすことにより、バルブ作動角を変化させずにバルブ開時期および閉時期を同時に一定量進角させ得る公知の構成のものが用いられている。なお、特開平６−１８５３２１号公報等に開示されているようなバルブ作動角をも併せて可変制御し得る形式のものを用いることもできる。
【００２４】
図３は、上記実施例におけるバルブ開閉時期と排気弁６下流でのＨＣ排出量とを示した特性図である。上記実施例では、内燃機関１の暖機が完了している状態では、ピストン上死点位置（ＴＤＣ）を挟んで適宜な大きさのバルブオーバラップが生じるように、吸気弁１０のバルブリフト特性が（Ａ）の破線のようになっている。これに対し、内燃機関１の冷間始動後の冷間時には、エンジンコントロールユニット１８からの制御信号によって可変動弁機構１９が進角側へ作動し、吸気弁１０のバルブリフト特性が（Ａ）の実線のようになる。このように吸気弁１０が比較的早期に開くと、吸気通路１１側の負圧が燃焼室４に作用し、排気の吹き返しが生じる。つまり、ピストン上死点位置近傍で発生した分子量の比較的小さなＨＣが吸気系に吸い戻され、（Ｂ）の実線のように、排気系へ流出するＨＣ量が少なくなる。なお、（Ｂ）の破線は、吸気弁１０のバルブリフト特性を通常の特性に保った場合の冷間時のＨＣ排出量を示している。
【００２５】
一方、排気弁６の開き始めの段階におけるＨＣは、上述したように比較的分子量の大きなものであり、吸着触媒装置９によって確実に吸着される。また、上記のように吸気弁１０を進角させ、バルブオーバラップが拡大すると、燃焼が不安定となってＨＣが増加する要因となるが、この燃焼の不安定化に伴うＨＣは比較的分子量が大きなものとなるので、同様に、吸着触媒装置９によって処理することができ、何ら問題とならない。
【００２６】
このように本実施例では、吸着触媒装置９と吸気弁１０の進角制御とを組み合わせることにより、三元触媒装置８が活性していない段階でのＨＣ排出量を全体として大幅に低減することができる。そして、吸着触媒装置９は、本来的に吸着効率が高い分子量の大きなＨＣのみを吸着対象とすればよいので、比較的小型のもので十分な吸着作用が得られ、また分子量の小さなＨＣを吸着するための特別な構成等が不要となる。しかも、吸気弁１０側のみに可変動弁機構１９を設ければよいので、内燃機関１の構成の複雑化を最小限にすることができる。
【００２７】
上記の吸気弁１０の進角制御は、吸着触媒装置９が吸着可能な低温状態にある間継続され、脱離温度（例えば２００℃程度）に達した段階で、通常の開閉時期に復帰する。この吸着触媒装置９の温度は、勿論、温度センサを用いて直接検出することも可能であるが、例えば始動時の冷却水温と始動後の運転履歴とによって推定することが可能である。
【００２８】
また、上記の進角制御の際の進角量は、固定値をＯＮ，ＯＦＦ的に与えてもよいが、図４および図５に示すように、負荷に応じて、低負荷時ほど進角量が小さくなるように可変制御してもよい。このようにすれば、アイドルのような低負荷域での燃焼の不安定化を回避できる。
【００２９】
次に、図６は、この発明の第２実施例を示している。この実施例では、吸気弁１０側の動弁機構は、固定的なバルブリフト特性のものとなっており、これに代えて、排気弁６側に、エンジンコントロールユニット１８からの制御信号によってバルブリフト特性を可変制御可能な可変動弁機構２０が設けられている。この実施例では、上記可変動弁機構２０として、第１実施例と同様に、クランク軸とカムシャフトとの位相をずらすことにより、バルブ作動角を変化させずにバルブ開時期および閉時期を同時に一定量進角させ得る構成のものが用いられているが、バルブ作動角をも併せて可変制御し得る形式のものを用いることもできる。
【００３０】
図７は、上記第２実施例におけるバルブ開閉時期と排気弁６下流でのＨＣ排出量とを示した特性図である。上記第２実施例では、内燃機関１の暖機が完了している状態では、ピストン上死点位置を挟んで適宜な大きさのバルブオーバラップが生じるように、排気弁６のバルブリフト特性が（Ａ）の破線のようになっており、その閉時期は、上死点後の位置にある。
【００３１】
これに対し、内燃機関１の冷間始動後の冷間時には、エンジンコントロールユニット１８からの制御信号によって可変動弁機構２０が進角側へ作動し、排気弁６のバルブリフト特性が（Ａ）の実線のようになる。特に、閉時期が上死点よりも前となる位置まで進角制御される。このように排気弁６を上死点前に閉じることにより、ピストン上死点位置近傍における分子量の比較的小さなＨＣの排出が抑制され、（Ｂ）の実線のように、排気系へ排出されるＨＣ量とりわけ分子量の小さなＨＣの排出量が大幅に少なくなる。なお、（Ｂ）の破線は、排気弁６のバルブリフト特性を通常の特性に保った場合の冷間時のＨＣ排出量を示している。
【００３２】
一方、排気弁６の開き始めの段階におけるＨＣは、上述したように比較的分子量の大きなものであるから、第１実施例の場合と同様に、吸着触媒装置９によって確実に吸着される。また、上記のように作動角一定のまま排気弁６の閉時期を進角させると、当然のことながら、開時期も早くなり、未燃混合気が排気系へ流出しやすくなるため、排気弁６の開き始めの段階で排出されるＨＣが増加する要因となるが、この段階で発生するＨＣは比較的分子量が大きなものとなるので、やはり吸着触媒装置９によって処理することができ、何ら問題とならない。
【００３３】
なお、上記各実施例では、排気弁６もしくは吸気弁１０のいずれか一方のみに可変動弁機構を用いたが、運転条件に応じたバルブオーバラップ等を実現するために、排気弁６および吸気弁１０の双方に、可変動弁機構を用いることも可能である。
【００３４】
特に、図７の例では、吸気弁１０側のバルブリフト特性が固定であることから、進角制御時には、バルブオーバラップが０となっているとともに、排気弁６閉時期から吸気弁１０開時期まである程度の期間が存在しているが、この期間は圧縮仕事を伴い燃費悪化の要因となるので、吸気弁１０側も同時に進角させ、適宜なバルブオーバラップを確保するようにすれば、燃費の悪化を回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来における吸排気弁のバルブ開閉時期とＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【図２】この発明の第１実施例を示す構成説明図。
【図３】この第１実施例における吸排気弁のバルブ開閉時期とＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【図４】内燃機関の負荷と進角量との関係を示す特性図。
【図５】負荷が異なる場合のバルブ開閉時期を示す特性図。
【図６】この発明の第２実施例を示す構成説明図。
【図７】この第２実施例における吸排気弁のバルブ開閉時期とＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【符号の説明】
６…排気弁
７…排気通路
９…吸着触媒装置
１０…吸気弁
１９…可変動弁機構
２０…可変動弁機構

Claims

内燃機関の排気通路に介装され、排気中のＨＣ（炭化水素成分）を吸着するＨＣ吸着剤と、
内燃機関の少なくとも吸気弁側に設けられ、該吸気弁の少なくとも開時期を可変制御可能な可変動弁機構と、
内燃機関の冷間状態を検出する手段と、
この内燃機関の冷間時に、上記吸気弁の開時期を進角させる開閉時期制御手段と、
を備えている内燃機関の排気浄化装置であって、
上記の冷間状態検出手段は、上記ＨＣ吸着剤が脱離開始温度以下であることを検出するものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の負荷が低いほど上記吸気弁開時期の進角量を小さくす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。
内燃機関の排気通路に介装され、排気中のＨＣ（炭化水素成分）を吸着するＨＣ吸着剤と、
内燃機関の少なくとも排気弁側に設けられ、該排気弁の少なくとも閉時期を可変制御可能な可変動弁機構と、
内燃機関の冷間状態を検出する手段と、
この内燃機関の冷間時に、上記排気弁の閉時期を上死点前まで進角させる開閉時期制御手段と、
を備えている内燃機関の排気浄化装置であって、
上記の冷間状態検出手段は、上記ＨＣ吸着剤が脱離開始温度以下であることを検出するものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の負荷が低いほど上記排気弁閉時期の進角量を小さくすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＨＣ吸着剤は、ゼオライト系吸着剤からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。