内燃機関の触媒暖機装置
【課題】内燃機関の触媒暖機装置において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮する技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気管１１に配置される排気浄化装置１２内の触媒と、触媒を含む排気浄化装置１２よりも上流の排気ポート６に配置され排気ポート６内の周部を遮蔽可能なシャッタバルブ１４と、触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出センサ１３と、を備え、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽する。
【解決手段】内燃機関１の排気管１１に配置される排気浄化装置１２内の触媒と、触媒を含む排気浄化装置１２よりも上流の排気ポート６に配置され排気ポート６内の周部を遮蔽可能なシャッタバルブ１４と、触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出センサ１３と、を備え、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の触媒暖機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ポートに２つの排気弁を有する場合に、触媒活性化のために触媒床温が所定活性温度に達していない間は一方の排気弁を閉じる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。内燃機関の始動時の触媒暖機のために連通管を制御して４本の排気通路を２本にして排気通路での放熱を回避し、排気温度の低下を抑える技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。排気ポートにバルブとフィンを配置し、バルブを切り換えることで排気通路内の周部の排気流速を低下させ排気通路内の中央部の排気流速を大きくし排気熱を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。排気の流速分布を変えられるように排気ポートにバルブやフィンを備える技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−７３７９０号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０９１号公報
【特許文献３】特開２００６−１２５３０８号公報
【特許文献４】特開２００６−２００５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで内燃機関の排気通路に配置された触媒は、触媒床温が所定活性温度に達していないとその役割を果たすことができない。このため触媒の触媒床温を所定活性温度に到達させるために触媒暖機が行われる。従来では触媒暖機の手法として、触媒暖機中に内燃機関に供給する燃料量や排気通路に供給する燃料量を増量し、これらの燃料の酸化によって触媒へ流入する排気温度を上昇させて触媒暖機時間を短縮することが行われている。
【０００４】
しかしながら燃料量を増量することは、排気エミッションの悪化や燃費の悪化を引き起こしてしまう。このため前記のような手法で触媒暖機時間を短縮しても、他の問題が生じていた。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の触媒暖機装置において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記排気通路内の周部を遮蔽可能な周部遮蔽手段と、
を備え、
前記触媒を暖機する場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする内燃機関の触媒暖機装置である。
【０００７】
ここで触媒を暖機するとは、触媒床温を所定活性温度へ昇温し、触媒がその役割を果たすことができるようにすることである。また所定活性温度とは、触媒がその役割を果たすことができる状態になる温度のことである。
【０００８】
本発明によると、触媒を暖機する場合に、周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽する。このとき周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽すると、排気は排気通路内の中央部を流れる。すると第１に、排気が逆流することが周部遮蔽手段によって妨げられ排気の脈動を減衰できる。このため排気が往復動することが減少し、主に逆流時の排気から排気通路壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギが減少する。また第２に、周部遮蔽手段よりも下流の排気通路内の周部に、排気通路壁面と排気通路内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、排気通路内中央部を流れる排気から排気通路壁面に熱伝達され難くなり放出される熱エネルギが減少する。よって第１、第２の作用から触媒へ流入する排気温度を高いまま維持でき、触媒暖機時間を短縮できる。一方本発明における触媒を暖機する場合には、内燃機関に供給する燃料量や排気通路に供給する燃料量を増量しない。このため燃料量を増量することに起因する排気エミッションの悪化や燃費の悪化といった他の問題が生じない。したがって他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【０００９】
前記触媒の触媒床温を検出若しくは推定する触媒床温検出手段を備え、前記触媒を暖機する場合として、前記触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽するとよい。
【００１０】
本発明によると、触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００１１】
前記触媒を暖機する場合として、前記内燃機関の始動からの一定期間、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽するとよい。
【００１２】
本発明によると、内燃機関の始動からの一定期間の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００１３】
前記周部遮蔽手段と前記触媒との間の前記排気通路は真っ直ぐであるとよい。
【００１４】
本発明によると、周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽した場合に、周部遮蔽手段から触媒に到るまで、排気は排気通路内の中央部を真っ直ぐ排気通路内の周部に流入せずに流れる。このため周部遮蔽手段よりも下流の排気通路内の周部に、排気通路壁面と排気通路内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、しかも排気通路が曲がっているためにそれに合わせて排気が蛇行等して温度境界層に排気が流入して温度境界層が崩されることがない。よって排気通路内の中央部を流れる排気から排気通路壁面により熱伝達され難くなり放出される熱エネルギがより減少する。したがって触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００１５】
前記周部遮蔽手段は、前記内燃機関の排気弁の直下流の前記排気通路に配置されるとよい。
【００１６】
本発明によると、周部遮蔽手段よりも上流の排気通路において排気から排気通路壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギがより減少する。したがって触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、内燃機関の触媒暖機装置において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の触媒暖機装置を適用する内燃機関１及びその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、気筒２を４つ有する水冷式の４ストロークサイクル・ディーゼル内燃機関である。
【００２０】
内燃機関１の気筒２内には、ピストン３が摺動自在に設けられている。気筒２内上部の燃焼室４には、吸気ポート５及び排気ポート６が接続されている。
【００２１】
気筒２上部には、気筒２内の燃焼室４に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７が設けられている。燃料噴射弁７は、燃料噴射部位が燃焼室４に露出している。
【００２２】
吸気ポート５の燃焼室４への開口部は吸気弁８によって開閉され、排気ポート６の燃焼室４への開口部は排気弁９によって開閉される。吸気ポート５は吸気管１０に接続され、排気ポート６は排気管１１に接続されている。ここで吸気ポート５及び吸気管１０が本発明の吸気通路に相当する。また排気ポート６及び排気管１１が本発明の排気通路に相当し、排気通路及びこれに配置される機器が排気系を構成している。
【００２３】
排気管１１の途中には、排気浄化装置１２が配置されている。排気浄化装置１２は、酸化触媒と当該酸化触媒の後段に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下単にフィルタという）とを有して構成される。フィルタには吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下単にＮＯｘ触媒という）が担持されている。排気浄化装置１２の酸化触媒及びＮＯｘ触媒（以下単に各触媒という）が本発明の触媒に相当する。
【００２４】
排気浄化装置１２には、排気浄化装置１２内の各触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出センサ１３が配置されている。触媒床温検出センサが本発明の触媒床温検出手段に相当する。なお触媒床温検出センサを設けず、触媒床温検出手段として触媒床温を推定するものであってもよい。
【００２５】
排気弁９の直下流且つ排気浄化装置１２よりも上流の排気ポート６には、シャッタバルブ１４が配置されている。シャッタバルブ１４が本発明の周部遮蔽手段に相当する。図２は、シャッタバルブ１４の概略構成を示す図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が正面図である。
【００２６】
シャッタバルブ１４は、図２（ｂ）に示すように、遮蔽位置で排気ポート６内の周部を遮蔽可能な８枚のシャッタ１４１と、各シャッタ１４１を遮蔽位置と収納位置とに回動するための回動軸１４２と、８つの回動軸１４２をつなぐジョイント１４３と、回動軸１４２を回動させるアクチュエータ１４４と、を備える。シャッタバルブ１４は、アクチュエータ１４４を作動させることでジョイント１４３を介して全回動軸１４２を回動し、８枚のシャッタ１４１を遮蔽位置又は収納位置のどちらかへ回動できる。ここでシャッタ１４１が遮蔽位置であると、シャッタ１４１は排気ポート６内の周部を遮蔽する。一方シャッタ１４１が収納位置であると、シャッタ１４１は排気ポート６内の排気の流通を阻害する障害とならないように凹部１４５に収納される。
【００２７】
図２（ａ）に示すようにシャッタ１４１の排気流れ上流側面１４１ａは、シャッタ１４１を排気ポート６内に突出させた遮蔽位置のときに抵抗を削減し排気を排気ポート６内の中央部へガイドするため断面扇状の曲面である。一方シャッタ１４１の排気流れ下流側面
１４１ｂは、排気ポート６の壁面に設けられた凹部１４５に収納された収納位置のときに排気ポート６の壁面から突出して抵抗とならないよう断面直線状の平面である。
【００２８】
そして図１に示すようにシャッタバルブ１４と排気浄化装置１２との間の排気ポート６及び排気管１１は、真っ直ぐに設けられている。
【００２９】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１５が併設されている。ＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００３０】
ＥＣＵ１５には、触媒床温検出センサ１３、クランクポジションセンサ１６、及びアクセルポジションセンサ１７が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。一方ＥＣＵ１５には、燃料噴射弁７及びシャッタバルブ１４のアクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１５によりこれらの機器が制御される。
【００３１】
ＥＣＵ１５は、クランクポジションセンサ１６やアクセルポジションセンサ１７等の出力信号を受けて内燃機関１の運転状態を判別し、判別された機関運転状態に基づいて内燃機関１や前記機器を電気的に制御する。
【００３２】
ところで内燃機関１の始動直後等において、排気浄化装置１２の各触媒は、触媒床温が所定活性温度に達しておらず、各触媒はその役割を果たすことができない。このためこれらの各触媒の触媒床温を所定活性温度に早期に到達させるために触媒暖機が行われる。
【００３３】
そこで本実施例では、触媒暖機を行う場合として、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽するようにした。
【００３４】
ここで触媒暖機を行うとは、触媒床温を所定活性温度へ昇温し、各触媒がその役割を果たすことができるようにすることである。また所定活性温度とは、各触媒がその役割を果たすことができる状態になる温度のことである。
【００３５】
本実施例によると、触媒暖機を行う場合に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽する。具体的には、シャッタ１４１を収納位置から遮蔽位置に回動する。このようにシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽すると、排気は排気ポート６及び排気管１１内の中央部を流れる。
【００３６】
すると第１に、排気が逆流することがシャッタバルブ１４によって妨げられ、図３に示すように本実施例では従来技術に比較して排気の脈動を減衰できる。このため図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態のように、排気が往復動（脈動）することが減少する。これにより排気が逆流しなくなるので、図４（ｂ）の状態に示すように主に排気が逆流する際の排気から排気管１１の壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギが減少する。
【００３７】
また第２に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽していない図５（ａ）の状態に対してシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽した図５（ｂ）の状態のように、シャッタバルブ１４よりも下流の排気ポート６及び排気管１１内の周部に、排気管１１の壁面と排気管１１内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成できる。このため排気管１１内の中央部を流れる排気から排気管１１の壁面に熱伝達され難くなり放出される熱エネルギが減少する。
【００３８】
よって第１、第２の作用から図６に示すように本実施例では従来技術に比較して排気から排気管１１の壁面への熱伝達量が減少し、放出される熱エネルギが減少する。これにより排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度が高いまま維持でき、図７に示すように本実施例では従来技術に比較して触媒床温を所定活性温度へ到達させるまでの触媒暖機時間を短縮できる。
【００３９】
一方本実施例における触媒暖機を行う場合には、内燃機関１に供給する燃料量や排気管１１に供給する燃料量を増量しない。このため燃料量を増量することに起因する排気エミッションの悪化や燃費の悪化といった他の問題が生じない。したがって他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００４０】
本実施例では、シャッタバルブ１４と排気浄化装置１２との間の排気ポート６及び排気管１１は真っ直ぐである。このためシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽した場合に、シャッタバルブ１４から排気浄化装置１２に到るまで、排気は排気管１１内の中央部を真っ直ぐ排気管１１内の周部に流入せずに流れる。そしてシャッタバルブ１４よりも下流の排気管１１内の周部に、排気管１１の壁面と排気管１１内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、しかも排気管１１内の中央を流れる排気は排気管１１が曲がっているためにそれに合わせて生じる排気の蛇行等が起こらない。これにより排気が蛇行等して温度境界層に流入して温度境界層が崩されることがない。よって排気管１１内の中央部を流れる排気から排気管１１の壁面により熱伝達され難くなり放出される熱エネルギがより減少する。したがって排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００４１】
またシャッタバルブ１４は、排気弁９の直下流の排気ポート６に配置される。このためシャッタバルブ１４よりも上流の排気ポート６において排気から排気ポート６の壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギがより減少する。したがって排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００４２】
次に、本実施例による触媒暖機制御ルーチンについて説明する。図８は、本実施例による触媒暖機制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００４３】
ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１５は、触媒床温検出センサ１３から排気浄化装置１２内の触媒床温を検出する。
【００４４】
ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１０１で触媒床温検出センサ１３が検出した触媒床温が所定活性温度に達しているか否かを判別する。
【００４５】
ステップＳ１０２において触媒床温が所定活性温度に達していないと否定判定された場合には、ステップＳ１０３へ移行する。ステップＳ１０２において触媒床温が所定活性温度に達していると肯定判定された場合には、ステップＳ１０４へ移行する。
【００４６】
ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１５は、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽する。本ステップにより、排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度を高く維持して触媒暖機を行う。本ステップの処理の後、ステップＳ１０１へ移行する。
【００４７】
ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１５は、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を収納位置に回動して排気ポート６内からシャッタ１４１を収納する。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
【００４８】
以上説明した本ルーチンによれば、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合の触媒暖機において、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動する制御により、排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度を高く維持して触媒暖機を行い、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００４９】
なお上記実施例では、触媒暖機を行う場合として、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合を挙げた。しかし本発明はこれに限られるものではなく、他の触媒暖機を行う場合であってもシャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽してもよい。一例として、触媒暖機を行う場合として、内燃機関１の始動からの一定期間、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽してもよい。ここで一定期間は、内燃機関１の始動から本発明の触媒暖機を行うと、排気浄化装置１２の各触媒が所定活性温度に達すると推定される時間である。これによると、内燃機関１の始動からの一定期間の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００５０】
また周部遮蔽手段は、本実施例のシャッタバルブ１４に限られるものではない。一例として、シャッタ１４１が排気ポート６内への突出と排気ポート６の壁面内への埋没とを行うものであってもよい。また周部遮蔽手段は、搭載上排気管１１に配置されるものでもよい。
【００５１】
さらに本発明として、シャッタバルブ１４を設けるものではなく、内燃機関１の排気ポート６に２つの排気弁９を有する構成であるときに、触媒暖機を行う場合に、一方の排気弁９を閉じるようにしてもよい。これによると、前記第２の作用は得られないものの、前記第１の作用を得て、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００５２】
本発明に係る内燃機関の触媒暖機装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例１に係る内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図。
【図２】実施例１に係るシャッタバルブの概略構成を示す図。
【図３】実施例１と従来技術との排気脈動を比較して示す図。
【図４】排気脈動が大きい場合と排気脈動が小さい場合との熱エネルギを示す図。
【図５】排気通路内の周部を遮蔽していない場合と排気通路内の周部を遮蔽した場合との温度境界層を示す図。
【図６】実施例１と従来技術との熱伝達量を比較して示す図。
【図７】実施例１と従来技術との触媒暖機時間を比較して示す図。
【図８】実施例１に係る触媒暖機制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５４】
１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 燃料噴射弁
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ 吸気管
１１ 排気管
１２ 排気浄化装置
１３ 触媒床温検出センサ
１４ シャッタバルブ
１４１ シャッタ
１４２ 回動軸
１４３ ジョイント
１４４ アクチュエータ
１４５ 凹部
１５ ＥＣＵ
１６ クランクポジションセンサ
１７ アクセルポジションセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の触媒暖機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ポートに２つの排気弁を有する場合に、触媒活性化のために触媒床温が所定活性温度に達していない間は一方の排気弁を閉じる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。内燃機関の始動時の触媒暖機のために連通管を制御して４本の排気通路を２本にして排気通路での放熱を回避し、排気温度の低下を抑える技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。排気ポートにバルブとフィンを配置し、バルブを切り換えることで排気通路内の周部の排気流速を低下させ排気通路内の中央部の排気流速を大きくし排気熱を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。排気の流速分布を変えられるように排気ポートにバルブやフィンを備える技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−７３７９０号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０９１号公報
【特許文献３】特開２００６−１２５３０８号公報
【特許文献４】特開２００６−２００５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで内燃機関の排気通路に配置された触媒は、触媒床温が所定活性温度に達していないとその役割を果たすことができない。このため触媒の触媒床温を所定活性温度に到達させるために触媒暖機が行われる。従来では触媒暖機の手法として、触媒暖機中に内燃機関に供給する燃料量や排気通路に供給する燃料量を増量し、これらの燃料の酸化によって触媒へ流入する排気温度を上昇させて触媒暖機時間を短縮することが行われている。
【０００４】
しかしながら燃料量を増量することは、排気エミッションの悪化や燃費の悪化を引き起こしてしまう。このため前記のような手法で触媒暖機時間を短縮しても、他の問題が生じていた。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の触媒暖機装置において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記排気通路内の周部を遮蔽可能な周部遮蔽手段と、
を備え、
前記触媒を暖機する場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする内燃機関の触媒暖機装置である。
【０００７】
ここで触媒を暖機するとは、触媒床温を所定活性温度へ昇温し、触媒がその役割を果たすことができるようにすることである。また所定活性温度とは、触媒がその役割を果たすことができる状態になる温度のことである。
【０００８】
本発明によると、触媒を暖機する場合に、周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽する。このとき周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽すると、排気は排気通路内の中央部を流れる。すると第１に、排気が逆流することが周部遮蔽手段によって妨げられ排気の脈動を減衰できる。このため排気が往復動することが減少し、主に逆流時の排気から排気通路壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギが減少する。また第２に、周部遮蔽手段よりも下流の排気通路内の周部に、排気通路壁面と排気通路内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、排気通路内中央部を流れる排気から排気通路壁面に熱伝達され難くなり放出される熱エネルギが減少する。よって第１、第２の作用から触媒へ流入する排気温度を高いまま維持でき、触媒暖機時間を短縮できる。一方本発明における触媒を暖機する場合には、内燃機関に供給する燃料量や排気通路に供給する燃料量を増量しない。このため燃料量を増量することに起因する排気エミッションの悪化や燃費の悪化といった他の問題が生じない。したがって他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【０００９】
前記触媒の触媒床温を検出若しくは推定する触媒床温検出手段を備え、前記触媒を暖機する場合として、前記触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽するとよい。
【００１０】
本発明によると、触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００１１】
前記触媒を暖機する場合として、前記内燃機関の始動からの一定期間、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽するとよい。
【００１２】
本発明によると、内燃機関の始動からの一定期間の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００１３】
前記周部遮蔽手段と前記触媒との間の前記排気通路は真っ直ぐであるとよい。
【００１４】
本発明によると、周部遮蔽手段によって排気通路内の周部を遮蔽した場合に、周部遮蔽手段から触媒に到るまで、排気は排気通路内の中央部を真っ直ぐ排気通路内の周部に流入せずに流れる。このため周部遮蔽手段よりも下流の排気通路内の周部に、排気通路壁面と排気通路内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、しかも排気通路が曲がっているためにそれに合わせて排気が蛇行等して温度境界層に排気が流入して温度境界層が崩されることがない。よって排気通路内の中央部を流れる排気から排気通路壁面により熱伝達され難くなり放出される熱エネルギがより減少する。したがって触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００１５】
前記周部遮蔽手段は、前記内燃機関の排気弁の直下流の前記排気通路に配置されるとよい。
【００１６】
本発明によると、周部遮蔽手段よりも上流の排気通路において排気から排気通路壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギがより減少する。したがって触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、内燃機関の触媒暖機装置において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の触媒暖機装置を適用する内燃機関１及びその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、気筒２を４つ有する水冷式の４ストロークサイクル・ディーゼル内燃機関である。
【００２０】
内燃機関１の気筒２内には、ピストン３が摺動自在に設けられている。気筒２内上部の燃焼室４には、吸気ポート５及び排気ポート６が接続されている。
【００２１】
気筒２上部には、気筒２内の燃焼室４に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７が設けられている。燃料噴射弁７は、燃料噴射部位が燃焼室４に露出している。
【００２２】
吸気ポート５の燃焼室４への開口部は吸気弁８によって開閉され、排気ポート６の燃焼室４への開口部は排気弁９によって開閉される。吸気ポート５は吸気管１０に接続され、排気ポート６は排気管１１に接続されている。ここで吸気ポート５及び吸気管１０が本発明の吸気通路に相当する。また排気ポート６及び排気管１１が本発明の排気通路に相当し、排気通路及びこれに配置される機器が排気系を構成している。
【００２３】
排気管１１の途中には、排気浄化装置１２が配置されている。排気浄化装置１２は、酸化触媒と当該酸化触媒の後段に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下単にフィルタという）とを有して構成される。フィルタには吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下単にＮＯｘ触媒という）が担持されている。排気浄化装置１２の酸化触媒及びＮＯｘ触媒（以下単に各触媒という）が本発明の触媒に相当する。
【００２４】
排気浄化装置１２には、排気浄化装置１２内の各触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出センサ１３が配置されている。触媒床温検出センサが本発明の触媒床温検出手段に相当する。なお触媒床温検出センサを設けず、触媒床温検出手段として触媒床温を推定するものであってもよい。
【００２５】
排気弁９の直下流且つ排気浄化装置１２よりも上流の排気ポート６には、シャッタバルブ１４が配置されている。シャッタバルブ１４が本発明の周部遮蔽手段に相当する。図２は、シャッタバルブ１４の概略構成を示す図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が正面図である。
【００２６】
シャッタバルブ１４は、図２（ｂ）に示すように、遮蔽位置で排気ポート６内の周部を遮蔽可能な８枚のシャッタ１４１と、各シャッタ１４１を遮蔽位置と収納位置とに回動するための回動軸１４２と、８つの回動軸１４２をつなぐジョイント１４３と、回動軸１４２を回動させるアクチュエータ１４４と、を備える。シャッタバルブ１４は、アクチュエータ１４４を作動させることでジョイント１４３を介して全回動軸１４２を回動し、８枚のシャッタ１４１を遮蔽位置又は収納位置のどちらかへ回動できる。ここでシャッタ１４１が遮蔽位置であると、シャッタ１４１は排気ポート６内の周部を遮蔽する。一方シャッタ１４１が収納位置であると、シャッタ１４１は排気ポート６内の排気の流通を阻害する障害とならないように凹部１４５に収納される。
【００２７】
図２（ａ）に示すようにシャッタ１４１の排気流れ上流側面１４１ａは、シャッタ１４１を排気ポート６内に突出させた遮蔽位置のときに抵抗を削減し排気を排気ポート６内の中央部へガイドするため断面扇状の曲面である。一方シャッタ１４１の排気流れ下流側面
１４１ｂは、排気ポート６の壁面に設けられた凹部１４５に収納された収納位置のときに排気ポート６の壁面から突出して抵抗とならないよう断面直線状の平面である。
【００２８】
そして図１に示すようにシャッタバルブ１４と排気浄化装置１２との間の排気ポート６及び排気管１１は、真っ直ぐに設けられている。
【００２９】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１５が併設されている。ＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００３０】
ＥＣＵ１５には、触媒床温検出センサ１３、クランクポジションセンサ１６、及びアクセルポジションセンサ１７が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。一方ＥＣＵ１５には、燃料噴射弁７及びシャッタバルブ１４のアクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１５によりこれらの機器が制御される。
【００３１】
ＥＣＵ１５は、クランクポジションセンサ１６やアクセルポジションセンサ１７等の出力信号を受けて内燃機関１の運転状態を判別し、判別された機関運転状態に基づいて内燃機関１や前記機器を電気的に制御する。
【００３２】
ところで内燃機関１の始動直後等において、排気浄化装置１２の各触媒は、触媒床温が所定活性温度に達しておらず、各触媒はその役割を果たすことができない。このためこれらの各触媒の触媒床温を所定活性温度に早期に到達させるために触媒暖機が行われる。
【００３３】
そこで本実施例では、触媒暖機を行う場合として、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽するようにした。
【００３４】
ここで触媒暖機を行うとは、触媒床温を所定活性温度へ昇温し、各触媒がその役割を果たすことができるようにすることである。また所定活性温度とは、各触媒がその役割を果たすことができる状態になる温度のことである。
【００３５】
本実施例によると、触媒暖機を行う場合に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽する。具体的には、シャッタ１４１を収納位置から遮蔽位置に回動する。このようにシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽すると、排気は排気ポート６及び排気管１１内の中央部を流れる。
【００３６】
すると第１に、排気が逆流することがシャッタバルブ１４によって妨げられ、図３に示すように本実施例では従来技術に比較して排気の脈動を減衰できる。このため図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態のように、排気が往復動（脈動）することが減少する。これにより排気が逆流しなくなるので、図４（ｂ）の状態に示すように主に排気が逆流する際の排気から排気管１１の壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギが減少する。
【００３７】
また第２に、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽していない図５（ａ）の状態に対してシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽した図５（ｂ）の状態のように、シャッタバルブ１４よりも下流の排気ポート６及び排気管１１内の周部に、排気管１１の壁面と排気管１１内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成できる。このため排気管１１内の中央部を流れる排気から排気管１１の壁面に熱伝達され難くなり放出される熱エネルギが減少する。
【００３８】
よって第１、第２の作用から図６に示すように本実施例では従来技術に比較して排気から排気管１１の壁面への熱伝達量が減少し、放出される熱エネルギが減少する。これにより排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度が高いまま維持でき、図７に示すように本実施例では従来技術に比較して触媒床温を所定活性温度へ到達させるまでの触媒暖機時間を短縮できる。
【００３９】
一方本実施例における触媒暖機を行う場合には、内燃機関１に供給する燃料量や排気管１１に供給する燃料量を増量しない。このため燃料量を増量することに起因する排気エミッションの悪化や燃費の悪化といった他の問題が生じない。したがって他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００４０】
本実施例では、シャッタバルブ１４と排気浄化装置１２との間の排気ポート６及び排気管１１は真っ直ぐである。このためシャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽した場合に、シャッタバルブ１４から排気浄化装置１２に到るまで、排気は排気管１１内の中央部を真っ直ぐ排気管１１内の周部に流入せずに流れる。そしてシャッタバルブ１４よりも下流の排気管１１内の周部に、排気管１１の壁面と排気管１１内の中央部を流れる排気との間に厚い温度境界層を形成でき、しかも排気管１１内の中央を流れる排気は排気管１１が曲がっているためにそれに合わせて生じる排気の蛇行等が起こらない。これにより排気が蛇行等して温度境界層に流入して温度境界層が崩されることがない。よって排気管１１内の中央部を流れる排気から排気管１１の壁面により熱伝達され難くなり放出される熱エネルギがより減少する。したがって排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００４１】
またシャッタバルブ１４は、排気弁９の直下流の排気ポート６に配置される。このためシャッタバルブ１４よりも上流の排気ポート６において排気から排気ポート６の壁面に熱伝達されて放出される熱エネルギがより減少する。したがって排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度がより高いまま維持でき、触媒暖機時間をより短縮できる。
【００４２】
次に、本実施例による触媒暖機制御ルーチンについて説明する。図８は、本実施例による触媒暖機制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００４３】
ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１５は、触媒床温検出センサ１３から排気浄化装置１２内の触媒床温を検出する。
【００４４】
ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１０１で触媒床温検出センサ１３が検出した触媒床温が所定活性温度に達しているか否かを判別する。
【００４５】
ステップＳ１０２において触媒床温が所定活性温度に達していないと否定判定された場合には、ステップＳ１０３へ移行する。ステップＳ１０２において触媒床温が所定活性温度に達していると肯定判定された場合には、ステップＳ１０４へ移行する。
【００４６】
ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１５は、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽する。本ステップにより、排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度を高く維持して触媒暖機を行う。本ステップの処理の後、ステップＳ１０１へ移行する。
【００４７】
ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１５は、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を収納位置に回動して排気ポート６内からシャッタ１４１を収納する。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
【００４８】
以上説明した本ルーチンによれば、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合の触媒暖機において、シャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動する制御により、排気浄化装置１２の各触媒へ流入する排気温度を高く維持して触媒暖機を行い、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００４９】
なお上記実施例では、触媒暖機を行う場合として、触媒床温検出センサ１３が検出する触媒床温が所定活性温度に達していない場合を挙げた。しかし本発明はこれに限られるものではなく、他の触媒暖機を行う場合であってもシャッタバルブ１４のシャッタ１４１を遮蔽位置に回動して排気ポート６内の周部を遮蔽してもよい。一例として、触媒暖機を行う場合として、内燃機関１の始動からの一定期間、シャッタバルブ１４によって排気ポート６内の周部を遮蔽してもよい。ここで一定期間は、内燃機関１の始動から本発明の触媒暖機を行うと、排気浄化装置１２の各触媒が所定活性温度に達すると推定される時間である。これによると、内燃機関１の始動からの一定期間の触媒暖機において、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００５０】
また周部遮蔽手段は、本実施例のシャッタバルブ１４に限られるものではない。一例として、シャッタ１４１が排気ポート６内への突出と排気ポート６の壁面内への埋没とを行うものであってもよい。また周部遮蔽手段は、搭載上排気管１１に配置されるものでもよい。
【００５１】
さらに本発明として、シャッタバルブ１４を設けるものではなく、内燃機関１の排気ポート６に２つの排気弁９を有する構成であるときに、触媒暖機を行う場合に、一方の排気弁９を閉じるようにしてもよい。これによると、前記第２の作用は得られないものの、前記第１の作用を得て、他の問題を生じさせずに触媒暖機時間を短縮できる。
【００５２】
本発明に係る内燃機関の触媒暖機装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例１に係る内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図。
【図２】実施例１に係るシャッタバルブの概略構成を示す図。
【図３】実施例１と従来技術との排気脈動を比較して示す図。
【図４】排気脈動が大きい場合と排気脈動が小さい場合との熱エネルギを示す図。
【図５】排気通路内の周部を遮蔽していない場合と排気通路内の周部を遮蔽した場合との温度境界層を示す図。
【図６】実施例１と従来技術との熱伝達量を比較して示す図。
【図７】実施例１と従来技術との触媒暖機時間を比較して示す図。
【図８】実施例１に係る触媒暖機制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５４】
１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 燃料噴射弁
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ 吸気管
１１ 排気管
１２ 排気浄化装置
１３ 触媒床温検出センサ
１４ シャッタバルブ
１４１ シャッタ
１４２ 回動軸
１４３ ジョイント
１４４ アクチュエータ
１４５ 凹部
１５ ＥＣＵ
１６ クランクポジションセンサ
１７ アクセルポジションセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記排気通路内の周部を遮蔽可能な周部遮蔽手段と、
を備え、
前記触媒を暖機する場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項２】
前記触媒の触媒床温を検出若しくは推定する触媒床温検出手段を備え、
前記触媒を暖機する場合として、前記触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項３】
前記触媒を暖機する場合として、前記内燃機関の始動からの一定期間、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項４】
前記周部遮蔽手段と前記触媒との間の前記排気通路は真っ直ぐであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項５】
前記周部遮蔽手段は、前記内燃機関の排気弁の直下流の前記排気通路に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒と、
前記触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記排気通路内の周部を遮蔽可能な周部遮蔽手段と、
を備え、
前記触媒を暖機する場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項２】
前記触媒の触媒床温を検出若しくは推定する触媒床温検出手段を備え、
前記触媒を暖機する場合として、前記触媒床温検出手段が検出若しくは推定する触媒床温が所定活性温度に達していない場合に、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項３】
前記触媒を暖機する場合として、前記内燃機関の始動からの一定期間、前記周部遮蔽手段によって前記排気通路内の周部を遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項４】
前記周部遮蔽手段と前記触媒との間の前記排気通路は真っ直ぐであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項５】
前記周部遮蔽手段は、前記内燃機関の排気弁の直下流の前記排気通路に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２２１９３３（Ｐ２００９−２２１９３３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６６３９０（Ｐ２００８−６６３９０）
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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