JPH0988563A

JPH0988563A - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JPH0988563A
Application number: JP7252198A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Iwakiri; 保憲岩切; Yasuyuki Ito; 泰之伊藤; Hitoshi Shimonosono; 均下野園; Satoru Imabetsupu; 悟今別府
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高回転高負荷時等には、高温の排気によって
触媒が熱劣化する可能性があるため、冷間始動時等の低
排気温時に、触媒の活性化が遅れる。【解決手段】還流通路１６は、その一端側がマフラ７
の入口近傍で排気通路３に接続され、その他端側が切換
弁１０を介して二次空気ポンプ１１よりも上流側で二次
空気導入路９の途中に接続されている。コントロールユ
ニット１５は、クランク角センサ１２等の検出信号によ
って、排気温度が所定の触媒高温劣化温度まで上昇した
ことを検出すると、触媒コンバータ８により浄化されて
酸素を殆ど含まず、かつ排気系統の終点近くまで流れて
冷却された低温の浄化後排気を触媒コンバータ８の上流
側に還流させる。これにより、触媒コンバータ８の入口
の排気温度が低下し、触媒の熱劣化防止及び早期活性化
が実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機関からの排気を
触媒コンバータによって浄化する内燃機関の排気装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車用エンジンに代表される
内燃機関では、機関本体から排出される排気中のＨＣ、
ＣＯ、ＮＯ_X等を除去すべく、排気通路の途中に三元触
媒等からなる触媒コンバータを介装している。そして、
この触媒コンバータは、理論空燃比近傍の環境で、その
転化性能（酸化反応）を十分に発揮し、また、その触媒
温度が所定の活性温度に達しないと転化性能を発揮でき
ない。従って、例えば特開平１−２２７８１４号公報等
に記載の如く、始動時等の触媒温度が低いときには、触
媒コンバータを早期に活性化させるべく、空燃比をリッ
チ側にクランプして排気通路内に二次空気を導入し、こ
れにより、酸化反応による発熱を促して昇温を図ってい
る。

【０００３】そこで、前記公報等に記載の従来技術によ
る内燃機関の排気装置について、図１０を参照しつつ説
明する。

【０００４】まず、図１０は内燃機関の排気装置として
の二次空気供給装置の全体構成を示す構成説明図であっ
て、機関本体１００には、その各気筒毎に、吸気マニホ
ールド１０１Ａを介して吸気通路１０１が接続されてい
ると共に、排気マニホールド１０２Ａを介して排気通路
１０２が接続されている。吸気通路１０１は、その下流
側がコレクタ部１０３から各気筒毎に延びて二股に分岐
した一対の吸気ポートとなり、その上流側にはエアフィ
ルタ１０４、スロットル弁１０５及び図示せぬエアフロ
ーメータ等が設けられている。また、吸気通路１０１の
下流側には、後述するコントロールユニット１１１から
の噴射信号に応じて燃料を噴射する燃料噴射弁が各気筒
毎にそれぞれ設けられ、この燃料噴射弁は燃料供給配管
等を介して燃料タンク（いずれも図示せず）に接続され
ている。

【０００５】一方、排気通路１０２の途中には、車体後
部に取り付けられるマフラ１０６よりも上流側に位置し
て、三元触媒等からなる触媒コンバータ１０７が介装さ
れており、この触媒コンバータ１０７の上流側に二次空
気を供給するための二次空気導入路１０８が接続されて
いる。

【０００６】即ち、二次空気導入路１０８の一端側は触
媒コンバータ１０７の上流側で排気通路１０２の途中
（詳しくは、排気マニホールド１０２Ａの下流側）に接
続されており、二次空気導入路１０８の他端側はエアフ
ィルタ１０４とスロットル弁１０５との間で吸気通路１
０１の途中に接続されている。そして、この二次空気導
入路１０８の他側にはエアポンプ１０９が設けられてお
り、このエアポンプ１０９によって吸引された吸気通路
１０１内の吸気の一部は、二次空気導入路１０８を介し
て排気通路１０２内に供給されるようになっている。ま
た、エアポンプ１０９の下流側にはエアカット弁１１０
が設けられており、このエアカット弁１１０によって二
次空気の供給が強制的に遮断されるようになっている。

【０００７】機関を電気的に集中制御するコントロール
ユニット１１１は、ＣＰＵ等からなる演算回路、ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ等からなる記憶回路及び入出力回路等を備え
たマイクロコンピュータシステムとして構成されてい
る。また、このコントロールユニット１１１の入力側に
は冷却水温を検出する水温センサ、クランク角を検出す
るクランク角センサ（いずれも図示せず）等が接続さ
れ、コントロールユニット１１１の出力側には燃料噴射
弁、エアポンプ１０９及びエアカット弁１１０等が接続
されている。

【０００８】従来技術による内燃機関の排気装置は上述
の構成を有するもので、冷却水温が低い冷間始動時や安
定性のために空燃比をリッチ化する定常アイドル時等に
は、空燃比をリッチ側にクランプすると共に、エアポン
プ１０９を駆動して排気通路１０２に二次空気を供給す
る。これにより、酸化反応が始まって触媒コンバータ１
０７が昇温し、触媒活性化温度に達するため、触媒コン
バータ１０７によって排気中の有毒成分が浄化される。
そして、触媒活性化温度に到達した後は、過熱による触
媒劣化を防止すべく、二次空気の供給を停止し、通常の
空燃比フィードバック制御を開始する。

【０００９】また、他の従来技術による内燃機関の排気
装置としては、例えば特開昭５７−２１０１１６号公報
等に記載されている如く、排気通路の途中に２個の触媒
コンバータを直列に介装すると共に、上流側の触媒コン
バータをバイパスするためのバイパス通路及び切換弁を
備えたものが知られている。かかる他の従来技術による
ものでは、排気温度の高低に応じてバイパス通路を切り
換えることにより、排気エミッションの改善を図ること
ができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術によるものでは、冷間始動時等に、空燃比をリッ
チ側に固定して二次空気を供給することにより、触媒コ
ンバータ１０７の早期活性化を図っている。しかし、高
負荷走行時の高温の排気によって触媒が熱劣化するのを
防止するためには、触媒コンバータ１０７を排気マニホ
ールド１０２Ａから遠ざけて取り付ける必要がある。こ
の取付位置の後退によって、冷間始動時に利用できる排
気温度が低くなり、二次空気導入による触媒コンバータ
１０７の昇温効果を十分に得ることができない可能性が
ある。

【００１１】即ち、広い範囲の走行条件で触媒コンバー
タ１０７による排気浄化性能を高めるべく、理論空燃比
運転領域を広げると、この理論空燃比運転領域の拡大に
応じて最高排気温度が高くなる。そして、この最も高い
温度の排気によって触媒コンバータ１０７が熱劣化する
のを防止するために、触媒コンバータ１０７を排気マニ
ホールド１０２Ａから遠ざける必要があり、二次空気の
供給による昇温効果を十分に得ることができない。

【００１２】一方、上述した他の従来技術によれば、排
気温度が低い冷間始動時には上流側の触媒コンバータに
排気を通し、排気温度が高くなると、この上流側の触媒
コンバータをバイパスして排気系から切り離し、下流側
の触媒コンバータにのみ排気を導くようになっているか
ら、高負荷時には、上流側の触媒コンバータが高温の排
気に直接晒されることがなく、従って、上流側の触媒コ
ンバータの取付位置を後退させる必要がない。

【００１３】しかし、かかる従来技術によっても、高負
荷時の高温の排気から下流側の触媒コンバータを守る必
要があるため、その取付位置が自ずと制限され、設計上
の自由度が低くなる。また、バイパス通路を切り換える
ための切換弁は、直接高温の排気に晒されるため、この
切換弁が高熱によって劣化し、耐久性等が低下するおそ
れもある。

【００１４】本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みて
なされたもので、その目的は、排気温度が高い条件下で
も触媒の高温劣化を防止できるようにした内燃機関の排
気装置を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、二次空気導入路及び二次空気ポンプを有効利用して
触媒の熱劣化を予防できる内燃機関の排気装置を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、触媒
コンバータを通過して浄化された浄化後排気を、再び触
媒コンバータの上流側に還流させることにより、排気温
度を低下させ、触媒コンバータの高温劣化を防止するこ
ととした。即ち、本発明に係る内燃機関の排気装置は、
機関の排気通路の途中に設けられた触媒コンバータと、
排気温度が所定の触媒高温劣化温度に達したか否かを判
定する排気温度判定手段と、この排気温度判定手段が前
記触媒高温劣化温度に達したと判定したときには、前記
触媒コンバータを通過した浄化後の排気を当該触媒コン
バータの上流側で前記排気通路に還流させる浄化後排気
還流制御手段とから構成されている。

【００１６】この請求項１の構成により、例えば高負荷
走行時に、機関の排気温度が所定の触媒高温劣化温度に
到達すると、浄化後排気還流制御手段により、触媒コン
バータを通過して浄化された排気が再び触媒コンバータ
の上流側に戻されるため、排気温度が低下する。これに
より、触媒コンバータの高温劣化を防止することができ
る。また、触媒コンバータの取付位置を機関側に近づけ
ることが可能となるため、排気温度の低い冷間始動時等
には、排気通路に熱を奪われる前の排気を利用して触媒
コンバータの活性化を促進することができる。

【００１７】また、請求項２に係るものでは、機関の排
気通路の途中に設けられた触媒コンバータと、この触媒
コンバータの上流側で前記排気通路に連通して設けられ
た二次空気導入路と、この二次空気導入路の途中に設け
られた二次空気ポンプと、機関の運転条件に基づいて前
記二次空気ポンプを駆動し、前記排気通路内に二次空気
を供給する二次空気制御手段とを備えた内燃機関の排気
装置であって、一端側が前記触媒コンバータの下流側で
前記排気通路に接続され、他端側が前記二次空気ポンプ
の上流側で前記二次空気導入路に接続された還流通路
と、この還流通路と前記二次空気導入路との連結部に設
けられ、二次空気と前記触媒コンバータを通過した浄化
後排気とのいずれか一方を選択する選択手段と、排気温
度が所定の触媒高温劣化温度に達したか否かを判定する
排気温度判定手段と、この排気温度判定手段が前記触媒
高温劣化温度に達したと判定したときには、前記選択手
段によって浄化後排気を選択し、この浄化後排気を前記
還流通路を介して前記触媒コンバータの上流側に還流さ
せる浄化後排気還流制御手段とを設けたことを特徴とし
ている。

【００１８】この請求項２の構成により、排気温度が所
定の触媒高温劣化温度に達したと排気温度判定手段が判
定すると、選択手段によって触媒コンバータを通過した
浄化後排気が選択される。そして、触媒コンバータ下流
側の浄化後排気が二次空気ポンプに吸引され、還流通路
から二次空気導入路を経て触媒コンバータの上流側に送
り込まれる。酸素を殆ど含まず温度も低い浄化後排気に
よって触媒コンバータの入口温度が低下し、該触媒コン
バータの高温劣化が防止される。即ち、高負荷時には、
二次空気ポンプ及び二次空気導入路を有効利用して浄化
後排気を導入することができ、全体構造を簡素化しつつ
耐久性、寿命等を向上できる。

【００１９】さらに、請求項３に係るものでは、前記触
媒コンバータを通過した浄化後排気を、前記排気通路に
介装されるマフラの入口近傍から得ることを特徴とす
る。

【００２０】この請求項３の構成により、大気中に放出
される前の温度が低下した浄化後排気を利用して触媒コ
ンバータの高温劣化を防止することができる。

【００２１】また、請求項４に係るものでは、前記触媒
コンバータを通過した浄化後排気を冷却して前記触媒コ
ンバータの上流側に還流させる排気冷却手段を備えたこ
とを特徴としている。

【００２２】既に浄化されて酸素を殆ど含まない浄化後
排気を排気冷却手段によって、さらに冷却することによ
り、より一層触媒コンバータの高温劣化を防止すること
ができる。また、マフラの入口近傍から浄化後排気を得
る請求項３の発明に適用した場合は、排気系統の略終点
近くまで流れて冷却された浄化後排気を、さらに排気冷
却手段によって冷却することができるため、両者の相乗
効果によって一層触媒コンバータの高温劣化を防止する
ことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図１０に基づいて説明する。

【００２４】まず、図１〜図６は、本発明の第１実施例
に係る内燃機関の排気装置を示し、図１は、その全体構
成を示す構成説明図である。例えば４個、６個等の複数
の図示せぬ気筒を有する機関本体１には、各燃焼室（図
示せず）内にそれぞれ対向して連通する吸気通路２と排
気通路３とが接続されている。

【００２５】吸気通路２は、その下流側がコレクタ部４
を介して吸気マニホールド２Ａに接続され、この吸気マ
ニホールド２Ａを介してシリンダヘッド内で二股に分岐
する一対の吸気ポートとなっており、各気筒毎に燃料噴
射弁（いずれも図示せず）が設けられている。また、吸
気通路２の上流側には、吸入空気の塵埃を除去するため
のエアフィルタ５と、吸入空気量を調整するためのスロ
ットル弁６とが設けられている。

【００２６】排気通路３は、その上流側が排気マニホー
ルド３Ａに接続されてシリンダヘッド内で二股に分岐す
る一対の排気ポート（図示せず）となり、その下流側は
マフラ７に接続されている。また、排気通路３の途中に
は、排気マニホールド３Ａとマフラ７との間に位置し
て、例えば三元触媒等からなる触媒コンバータ８が設け
られており、この触媒コンバータ８によって浄化された
排気は、マフラ７を介して大気中に放出される。

【００２７】排気通路３の途中には二次空気導入路９が
設けられ、この二次空気導入路９の一端側は触媒コンバ
ータ８の上流側に位置して（詳しくは、排気通路３の途
中に設けられる図示せぬ空燃比センサと触媒コンバータ
８の入口との間に位置して）排気通路３の途中に接続さ
れ、二次空気導入路９の他端側はエアフィルタ５とスロ
ットル弁６との間に位置して吸気通路２の途中に接続さ
れている。

【００２８】そして、二次空気導入路９の途中には、そ
の上流側から順に、「選択手段」としての切換弁１０，
二次空気ポンプ１１が設けられている。この切換弁１０
は、３方式電磁切換弁として構成され、後述のコントロ
ールユニット１５からの制御信号が印加されない非通電
時には吸気通路２と二次空気導入路９とを接続し、コン
トロールユニット１５からの制御信号が印加される通電
時には後述の還流通路１６と二次空気導入路９とを接続
するようになっている。また、二次空気ポンプ１１は、
コントロールユニット１５からの制御信号によって駆動
されるもので、二次空気導入路９内の流体（吸入空気ま
たは浄化後排気）を吸引して吐出するものである。な
お、二次空気導入路９の一端側には図示せぬ逆止弁が設
けられ、これにより、排気の逆流が防止される。

【００２９】１２は機関回転数Ｎを検出するためのクラ
ンク角センサ、１３は吸入空気量Ｑを検出するためのエ
アフローメータ、１４はスロットル弁６のスロットル開
度θを検出するためのスロットルセンサをそれぞれ示
し、これら各センサ１２〜１４は、図示せぬ水温センサ
及び空燃比センサ等と共にコントロールユニット１５に
接続されている。なお、これら各センサ１２〜１４は
「機関の運転条件を検出するための運転条件検出手段」
として把握可能である。

【００３０】機関を電気的に集中制御するコントロール
ユニット１５は、ＣＰＵ等の演算回路、ＲＯＭ，ＲＡＭ
等の記憶回路、入出力回路等を備えたマイクロコンピュ
ータシステムとして構成され、後述する如く、通常の二
次空気制御を行う他、各センサ１２〜１４からの検出信
号に基づいて排気温度を推定し、この排気温度に応じて
浄化後排気の還流を制御するようになっている。

【００３１】浄化後排気を還流させるための還流通路１
６は、その一端側が触媒コンバータ８の下流側（詳しく
は、マフラ７の入口近傍）で排気通路３に接続され、そ
の他端側が二次空気ポンプ９の上流側に位置する切換弁
１０に接続されている。そして、この還流通路１６は、
図２の車体側方から見た構成説明図及び図３の車体底面
図にも示す如く、排気通路３の側方に離間して配設さ
れ、排気通路３から熱が伝導するのを防止している。

【００３２】次に、本実施例の作用について図４〜図６
を参照しつつ説明する。まず、図４は、所定の運転条件
下で触媒コンバータ８の早期活性化を図るための二次空
気制御処理のフローチャートを示し、ステップ（図中で
は「Ｓ」と略す。）１では、クランク角センサ１２，エ
アフローメータ１３，スロットルセンサ１４等の検出信
号に基づいて機関の運転条件を検出し、ステップ２で
は、この運転条件から求めた触媒コンバータ８の推定温
度Ｔ_C1が予め例えば８０℃程度に設定された第１の基準
温度Ｔ_C2よりも低いか否かを判定する。

【００３３】ステップ２で「ＮＯ」と判定したときは、
暖機終了後の如く、触媒コンバータ８の温度が高くなっ
て、既に活性化している場合のため、リターンする。一
方、このステップ２で「ＹＥＳ」と判定した場合は、冷
間始動時の如く、触媒コンバータ８の温度が低く活性化
していない場合のため、ステップ３に移る。なお、前記
ステップ１，２では、触媒コンバータ８の温度として冷
却水温を用い、この冷却水温が所定水温よりも低いか否
かを判定してもよい。

【００３４】次に、ステップ３では、機関回転数Ｎと機
関負荷Ｔ_P（Ｔ_P＝Ｑ／Ｎ）とに基づいて、機関の運転条
件が二次空気の供給が可能な二次空気供給域に入ってい
るか否かを判定する。つまり、機関が高回転高負荷で運
転されているときは、高い排気温度によって触媒コンバ
ータ８が早期に昇温するため、二次空気の供給を行う必
要がなく、却って後述する空燃比のリッチ化（ステップ
４）によって排気エミッションが悪化する可能性もあり
うる。従って、このステップ３では、機関の運転条件を
監視して、二次空気の供給が適切か否かを判定する。

【００３５】そして、前記ステップ３で「ＹＥＳ」と判
定された場合は、触媒コンバータ８の昇温を促進すべ
く、ステップ４では空燃比をリッチ側にクランプし、ス
テップ５では、切換弁１０を吸気通路２側に切り換えた
状態で二次空気ポンプ９を駆動させ、排気通路３内に二
次空気を供給する。これにより、排気通路３内で燃料の
未燃焼成分が燃焼すると共に触媒コンバータ８内で酸化
反応が進むため、該触媒コンバータ８の温度が上昇して
いく。

【００３６】そこで、ステップ６では、再びクランク角
センサ１２，エアフローメータ１３及びスロットルセン
サ１４からの検出信号に基づいて機関の運転条件を検出
し、次のステップ７では、この運転条件に基づいて算出
された触媒コンバータ８の温度Ｔ_Cが予め触媒活性化温
度に設定された第２の基準温度Ｔ_C2に達したか否かを判
定する。このステップ７で「ＮＯ」と判定したときは、
まだ触媒コンバータ８の活性化が終了していない場合の
ため、ステップ５に戻って二次空気の供給を続行する。
一方、ステップ７で「ＹＥＳ」と判定したときは、触媒
コンバータ８の活性化が終了した場合のため、ステップ
８に移り、このステップ８では、二次空気の供給を停止
すると共に、空燃比フィードバック補正係数のクランプ
を解除して通常の空燃比フィードバック制御を開始す
る。

【００３７】次に、図５のフローチャートに基づき、浄
化後排気の還流を制御する浄化後排気還流制御処理につ
いて説明する。

【００３８】まず、ステップ１１では、クランク角セン
サ１２，エアフローメータ１３及びスロットルセンサ１
４からの検出信号によって機関の運転条件を検出し、ス
テップ１２では、この現在の運転条件が予め設定された
排気還流運転域に入っているか否かを判定する。即ち、
図６は、浄化後排気の還流が適切か否かを判定するため
の「排気温度判定手段」としての排気還流域判定マップ
を示し、図６中の斜線部に示す如く、機関の運転条件が
所定の高回転高負荷にあって、触媒高温劣化のおそれが
あるほど排気温度が高くなる場合、つまり、触媒高温劣
化温度に達する場合に、浄化後排気の還流を許可するよ
うになっている。

【００３９】そして、ステップ１２で「ＹＥＳ」と判定
したときは、機関の運転条件が図６中の斜線部に示す所
定の領域内に入っている場合のため、ステップ１３で
は、フラグＦが「０」であるか否かを判定する。ここ
で、このフラグＦは、浄化後排気の還流を行っているか
否かを判定するためのもので、浄化後排気の還流を行う
場合には「１」にセットされ、浄化後排気の還流を行わ
ない場合には「０」にセットされる。

【００４０】従って、フラグＦが「０」にセットされて
いる場合は、浄化後排気の還流を必要とする運転領域に
あるにも拘わらず浄化後排気の還流がまだ行われていな
い場合のため、ステップ１４では、切換弁１０を切り換
えて、二次空気導入路９と還流通路１６とを連通させ
る。そして、ステップ１５では、二次空気ポンプ１１を
作動させて、マフラ７の入口近傍の浄化後排気を還流通
路１６から二次空気導入路９を介して触媒コンバータ８
の上流側で排気通路３内に送り込み、ステップ１６で
は、フラグＦを「１」にセットして浄化後排気の還流が
開始されたことを記憶する。これにより、機関の運転条
件が浄化後排気の還流を必要とする所定の排気還流域に
入っている限り、ステップ１４〜１６が省略されて、浄
化後排気の還流が続行され、触媒コンバータ８の入口付
近の排気温度が低下して、触媒高温劣化が防止される。

【００４１】一方、ステップ１２で「ＮＯ」と判定した
場合は、機関の運転条件が所定の排気還流域から外れて
いる場合のため、ステップ１７に移ってフラグＦが
「１」にセットされているか否かを判定する。このステ
ップ１７で「ＹＥＳ」と判定したときは、機関の運転条
件が浄化後排気の還流域から外れたにも拘わらず、浄化
後排気の還流が行われている場合のため、ステップ１８
では、速やかに二次空気ポンプ１１の作動を停止し、ス
テップ１９では、切換弁１０を通常位置（吸気通路２と
二次空気導入路９とが連通する位置）に切り換えて、浄
化後排気の還流を停止させ、ステップ２０では、浄化後
排気還流の停止を示すためにフラグＦの内容を「０」に
セットする。

【００４２】このように構成される本実施例によれば、
以下の効果を奏する。

【００４３】第１に、排気温度が所定の触媒高温劣化温
度に達したか否かを判定する排気還流域判定マップを設
け、この排気還流域判定マップが触媒高温劣化温度に達
すると判定したときには、触媒コンバータ８を通過した
浄化後排気を当該触媒コンバータ８の上流側に還流させ
る構成としたため、排気温度が高い場合でも、既に浄化
されて酸素を殆ど含まず温度も低下した浄化後排気によ
って、触媒コンバータ８の入口近傍の排気温度を低く抑
えることができ、触媒の熱劣化を未然に防止することが
できる。

【００４４】この結果、触媒コンバータ８の耐熱性を向
上できるため、触媒コンバータ８を排気マニホールド３
Ａに近づけて設置することができ、これにより、排気温
度が低い冷間始動時に、排気通路３等に熱を奪われる前
の排気を有効に利用して、触媒コンバータ８の昇温を図
ることができ、二次空気供給による昇温作用と相俟って
触媒コンバータ８の早期活性化を実現でき、排気エミッ
ションを大幅に改善することができる。なお、図６に示
すマップを「機関の運転条件に基づいて、触媒劣化を招
来する排気温度に達したか否かを判定する排気温度判定
手段」あるいは「機関の運転条件が所定の還流域に入っ
たか否かを判定する還流条件判定手段」として把握する
こともできる。

【００４５】第２に、触媒コンバータ８の下流側に位置
する排気通路３と二次空気ポンプ１１の上流側に位置す
る二次空気導入路９との間を連通する還流通路１６と、
この還流通路１６と二次空気導入路９との連結部に設け
られ、二次空気と浄化後排気とのいずれか一方を選択す
る切換弁１０とを設け、排気還流域判定マップによって
排気温度が触媒高温劣化温度に達したと判定されたとき
には、還流通路１６から二次空気導入路９を介して触媒
コンバータ８の上流側に浄化後排気を還流させる構成の
ため、「浄化後排気の供給手段」として二次空気ポンプ
１１を有効利用することができ、全体構造を簡素化しつ
つ、高回転高負荷時の触媒コンバータ８の熱劣化防止と
冷間始動時の早期活性化を低コストで達成できる。

【００４６】第３に、マフラ７の入口近傍から浄化後排
気を得る構成のため、排気系統の終点近くまで流れて一
層冷却された浄化後排気を利用して、触媒コンバータ８
の冷却を効率的に行うことができる。

【００４７】第４に、還流通路１６を排気通路３から離
間して設ける構成のため、浄化後排気が排気通路３の熱
によって温度上昇するのを防止することができ、浄化後
排気の低温を保持して触媒コンバータ８に戻すことがで
きる。より具体的には、還流通路１６は、その配設範囲
の全て（全長）において排気通路３から離間している必
要はなく、図３中の範囲Ｌに示す如く、排気通路３の温
度が比較的高い領域を避けるようにして離間していれば
よい。これにより、設計の自由度に制限を受けることな
く、浄化後排気の温度を低温に保つことができる。

【００４８】第５に、クランク角センサ１２，エアフロ
ーメータ１３及びスロットルセンサ１４の各検出信号に
基づいて機関の運転条件を演算し、この運転条件から排
気温度を推定する構成のため、サーミスタや熱電対等の
別体の温度センサを用いることなく、簡易かつ低コスト
に浄化後排気の還流を制御することができる。

【００４９】次に、図７〜図９に基づいて本発明の第２
の実施例を説明する。本実施例の特徴は、２個の触媒コ
ンバータを直列に配置してなる排気装置に、浄化後排気
の還流を適用したことにある。なお、以下の実施例で
は、上述した第１の実施例と同一の構成要素に同一の符
号を付し、その説明を省略するものとする。

【００５０】図７は、本実施例に係る内燃機関の排気装
置の全体構成を示す構成説明図であって、排気通路３の
途中には、排気マニホールド３Ａとマフラ７との間に位
置して第１の触媒コンバータ１７と第２の触媒コンバー
タ１８とが直列的に配設されており、上流側の第１の触
媒コンバータ１７をバイパスするためのバイパス通路１
９が排気通路３の途中に設けられている。このバイパス
通路１９は、高回転高負荷時の高温の排気によって第１
の触媒コンバータ１７が熱劣化するのを防止すべく、第
１の触媒コンバータ１７の上流側と下流側とを連通して
設けられたもので、第１の触媒コンバータ１７の上流側
に接続された入口部には、排気系統を切り換えるための
バイパス弁２０が設けられている。

【００５１】このバイパス弁２０は、例えばバタフライ
式弁として構成され、バイパス弁アクチュエータ２１に
より排気温度に応じて駆動されるものである。即ち、こ
のバイパス弁２０は、排気温度の低い冷間始動時等に
は、バイパス通路１９の入口を閉塞して排気を第１の触
媒コンバータ１７に導き、一方、排気温度の高い高回転
高負荷時には、図７に示す如く、第１の触媒コンバータ
１７の入口側を閉塞してバイパス通路２０を排気通路３
に連通せしめ、第１の触媒コンバータ１７を排気系統か
ら切り離すものである。

【００５２】二次空気導入路９の途中には、二次空気ポ
ンプ１１よりも下流側に位置して第２の切換弁２２が設
けられている。第２の切換弁２２は、例えば電磁式の３
方弁として構成され、後述するコントロールユニット２
３からの制御信号により、二股に分岐した二次空気導入
路９の一端側を切り換えるものである。即ち、本実施例
による二次空気導入路９の一端側は、排気マニホールド
３Ａに接続される二次空気導入分岐路９Ａと、バイパス
弁２０の設置箇所近傍に接続される排気還流分岐路９Ｂ
とに分岐しており、この排気還流分岐路９Ｂの開口部９
Ｂ₁は、バイパス弁２０を指向して開口している。そし
て、第２の切換弁２２によって、二次空気の供給時には
二次空気導入分岐路９Ａが選択され、浄化後排気の還流
時には排気還流分岐路９Ｂが選択されるようになってい
る。

【００５３】コントロールユニット２３は、第１の実施
例で述べたコントロールユニット１５と同様にマイクロ
コンピュータシステムとして構成されるものであり、そ
の基本的構成は同一であるが、後述する浄化後排気の還
流制御処理の点等で前記実施例のものと相違する。

【００５４】次に、本実施例の作用を説明する。まず、
図８のフローチャートは、排気温度に応じて開閉される
バイパス弁２０の制御処理を示し、ステップ３１では、
クランク角センサ１２，エアフローメータ１３及びスロ
ットルセンサ１４からの検出信号に基づいて機関の排気
温度Ｔ_Eを推定して検出し、ステップ３２では、排気温
度Ｔ_Eが予め定められた所定の切換温度Ｔ_E1よりも高い
か否かを判定する。

【００５５】このステップ３２で「ＹＥＳ」と判定した
ときは、高回転高負荷時の如く、機関の排気温度Ｔ_Eが
高くなって、第１の触媒コンバータ１７に熱劣化が生じ
る可能性があるため、ステップ３３では、バイパス弁２
０によって第１の触媒コンバータ１７の入口側を閉じる
と共に、バイパス通路１９と排気通路３とを連通し、高
温の排気を下流側に配設された第２の触媒コンバータ１
８に導く。

【００５６】一方、前記ステップ３２で「ＮＯ」と判定
したときは、例えば冷間始動時の如く、排気温度Ｔ_Eが
低くなっており、第１の触媒コンバータ１７に熱劣化の
おそれがなく、触媒の早期活性化を図る必要もあるた
め、バイパス弁２０によってバイパス通路１９を閉じる
と共に第１の触媒コンバータ１７の入口を開け、低温の
排気を第１の触媒コンバータ１７に導入する。

【００５７】以上の処理により、排気温度に応じて第１
の触媒コンバータ１７の使用が選択され、触媒の熱劣化
の防止及び早期活性化を図ることができる。

【００５８】次に、図９のフローチャートは、本実施例
による排気還流制御処理を示し、この浄化後排気の還流
制御処理は、図５と共に第１の実施例で述べた制御処理
と略同様の処理を行う。即ち、ステップ４１〜４３は前
記ステップ１１〜１３と、ステップ４５，４６は前記ス
テップ１５，１６と同一の処理を行い、また、ステップ
４７，５０は前記ステップ１７，２０と同一の処理を行
うものである。

【００５９】まず、クランク角センサ１２等の検出信号
に基づいて機関の運転条件を検出すると（ステップ４
１）、この運転条件が図６に示す排気還流域判定マップ
によって定まる触媒高温劣化温度に相当する所定の排気
還流域に入っているか否かを判定し（ステップ４２）、
排気還流域に入っている場合には、浄化後排気の還流を
実行しているか否かを示すフラグＦの内容を確認する
（ステップ４３）。

【００６０】そして、フラグＦに「０」がセットされて
いるときは、浄化後排気の還流を開始すべく、ステップ
４４では、第１の切換弁１０によって還流通路１６と二
次空気導入路９とを接続すると共に、第２の切換弁２２
によって排気還流分岐路９Ｂを選択し、ステップ４５で
は、二次空気ポンプ１１を駆動して、浄化後排気をバイ
パス弁２０に向けて供給する。これにより、低温の浄化
後排気は、バイパス弁２０を冷却しつつバイパス通路１
９を介して第２の触媒コンバータ１８に流れ込み、該第
２の触媒コンバータ１８の温度上昇を抑制する。そし
て、浄化後排気還流の開始を記憶すべく、フラグＦを
「１」にセットする（ステップ４６）。

【００６１】一方、所定の排気還流域に入っていない場
合には、フラグＦの内容が「１」であるか否かを判定し
（ステップ４７）、フラグＦが「１」にセットされてい
る場合は、浄化後排気の還流を停止すべく、ステップ４
８で、第１の切換弁１０により二次空気（吸気通路２）
を選択すると共に、第２の切換弁２２により二次空気導
入分岐路９Ａを選択する。そして、ステップ４９では、
二次空気ポンプ１１を停止し、フラグＦを「０」にセッ
トする。なお、前記ステップ４８，４９を入れ替えても
よい。

【００６２】このように構成される本実施例でも、機関
の排気温度が触媒高温劣化温度まで上昇すると、既に浄
化されて酸素濃度を殆ど含まない低温の浄化後排気を、
第２の触媒コンバータ１８に還流させることができるた
め、第２の触媒コンバータ１８の高温劣化を未然に防止
することができ、耐熱性を向上することができる。従っ
て、第１の実施例で述べたと同様に、第２の触媒コンバ
ータ１８の取付位置を排気マニホールド３Ａ側に近づけ
ることができる等の効果を得る。

【００６３】これに加えて、高回転高負荷時に高温の排
気に直接晒されるバイパス弁２０を指向して低温の浄化
後排気を供給する構成のため、バイパス弁２０を効果的
に冷却して、該バイパス弁２０の高温による焼き付き現
象や固着現象を未然に防止することができ、耐久性等を
大幅に向上することができる。

【００６４】次に、図１０に基づいて、本発明の第３の
実施例を説明する。本実施例の特徴は、還流通路１６に
冷却手段を設けた点にある。

【００６５】即ち、図１０は、本実施例による内燃機関
の排気装置の全体構成を示す構成説明図であって、還流
通路１６の外側には、「排気冷却手段」としての多数の
冷却フィン３１が設けられており、これら各冷却フィン
３１によって、浄化後排気は一層空冷されつつ触媒コン
バータ８に還流されるようになっている。

【００６６】このように構成される本実施例でも、上述
した第１の実施例と同様の効果を得ることができる。こ
れに加えて本実施例では、還流通路１６に多数の冷却フ
ィン３１を設ける構成のため、より一層、浄化後排気を
低温化して還流させることができ、触媒コンバータ８の
高温劣化を効果的に防止することができる。

【００６７】特に、マフラ７の入口近傍から浄化後排気
を採取する構成及び還流通路１６を排気通路３から離間
させる構成との三者の相乗効果によって、より効率的に
低温の浄化後排気を得ることができる。

【００６８】なお、前記各実施例では、図５及び図９に
示すフローチャートが「浄化後排気還流制御手段」の具
体例である。

【００６９】また、前記各実施例では、クランク角セン
サ１２，エアフローメータ１３及びスロットルセンサ１
４によって機関の運転条件を検出し、この運転条件に基
づいて排気温度ないし触媒温度を推定する場合を例示し
たが、これに限らず、例えば水温センサ等の他の検出信
号に基づいて排気温度ないし触媒温度を推定する構成と
してもよく、別体の温度センサを設けて直接的に検出し
てもよい。

【００７０】さらに、前記各実施例では、全体構造を簡
素化して低コストで触媒劣化を防止すべく、二次空気導
入路９及び二次空気ポンプ１１を利用して浄化後排気を
還流させる場合を述べたが、これに代えて、還流通路１
６の他端側を直接触媒コンバータ８（第２の実施例では
バイパス弁２０）の上流側に接続し、該還流通路１６の
途中に排気還流ポンプ等を設けてもよい。

【００７１】また、前記第３の実施例では、第１の実施
例のものに冷却フィン３１を適用する場合を例示した
が、第２の実施例にも適用できる。さらに、排気冷却手
段としては、空冷の冷却フィン３１に限らず、通水管を
利用した水冷式の排気冷却機構等を用いてもよい。

【００７２】また、前記各実施例では、オンオフ制御的
に、触媒高温劣化温度に達すると、浄化後排気を供給す
る場合を述べたが、本発明はこれに限らず、例えば機関
の排気温度に応じて浄化後排気の還流量を調整したり、
あるいは機関の排気温度及び浄化後排気温度の双方に応
じて還流量を可変に制御してもよい。

【００７３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明に係る内燃機
関の排気装置によれば、排気温度判定手段が触媒高温劣
化温度に達したと判定したときには、触媒コンバータを
通過した浄化後排気を再び触媒コンバータの上流側に還
流させる構成としたため、高排気温時に触媒コンバータ
の温度上昇を抑制して熱劣化を防止できる。また、これ
により、触媒コンバータの取付位置を機関本体側に近づ
けて、冷間始動時には低温の排気を有効に利用でき、触
媒の早期活性化を図ることができる。

【００７４】また、請求項２では、高回転高負荷時等の
排気温度が高い運転領域では通常使用されない二次空気
導入路及び二次空気ポンプを有効に利用して、浄化後排
気を触媒コンバータの上流側に還流できるため、全体構
造を簡素化しつつ低コストに触媒の劣化防止及び早期活
性化を実現することができる。

【００７５】さらに、請求項３では、浄化後排気をマフ
ラの入口近傍から得る構成のため、排気系統の終端近く
まで流れて温度が低下した浄化後排気を利用でき、これ
により、触媒コンバータを一層冷却することができる。

【００７６】また、請求項４では、浄化後排気を冷却し
て触媒コンバータの上流側に還流させる排気冷却手段を
設ける構成のため、一層効率的に低温の浄化後排気を得
ることができ、触媒の熱劣化及び早期活性化を達成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る内燃機関の排気装
置の全体構成を示す構成説明図である。

【図２】還流通路等の配置関係を車体の側方から見た構
成説明図である。

【図３】還流通路及び排気通路の配置関係を車体の底面
から見た構成説明図である。

【図４】二次空気制御処理を示すフローチャートであ
る。

【図５】浄化後排気の還流制御処理を示すフローチャー
トである。

【図６】浄化後排気の還流を判定するための排気還流域
判定マップである。

【図７】本発明の第２の実施例に係る内燃機関の排気装
置の全体構成説明図である。

【図８】バイパス弁の開閉を制御するバイパス制御処理
のフローチャートである。

【図９】浄化後排気の還流制御処理を示すフローチャー
トである。

【図１０】本発明の第３の実施例に係る内燃機関の排気
装置の全体構成説明図である。

【図１１】従来技術による内燃機関の排気装置の全体構
成を示す構成説明図である。

【符号の説明】１…機関本体３…排気通路７…マフラ８，１７，１８…触媒コンバータ９…二次空気導入路１０…切換弁（選択手段）１１…二次空気ポンプ１６…還流通路３１…冷却フィン（排気冷却手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今別府悟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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気通路の途中に設けられた触媒
コンバータと、排気温度が所定の触媒高温劣化温度に達したか否かを判
定する排気温度判定手段と、この排気温度判定手段が前記触媒高温劣化温度に達した
と判定したときには、前記触媒コンバータを通過した浄
化後の排気を当該触媒コンバータの上流側で前記排気通
路に還流させる浄化後排気還流制御手段とから構成して
なる内燃機関の排気装置。
【請求項２】機関の排気通路の途中に設けられた触媒
コンバータと、この触媒コンバータの上流側で前記排気
通路に連通して設けられた二次空気導入路と、この二次
空気導入路の途中に設けられた二次空気ポンプと、機関
の運転条件に基づいて前記二次空気ポンプを駆動し、前
記排気通路内に二次空気を供給する二次空気制御手段と
を備えた内燃機関の排気装置であって、一端側が前記触媒コンバータの下流側で前記排気通路に
接続され、他端側が前記二次空気ポンプの上流側で前記
二次空気導入路に接続された還流通路と、この還流通路と前記二次空気導入路との連結部に設けら
れ、二次空気と前記触媒コンバータを通過した浄化後排
気とのいずれか一方を選択する選択手段と、排気温度が所定の触媒高温劣化温度に達したか否かを判
定する排気温度判定手段と、この排気温度判定手段が前記触媒高温劣化温度に達した
と判定したときには、前記選択手段によって浄化後排気
を選択し、この浄化後排気を前記還流通路を介して前記
触媒コンバータの上流側に還流させる浄化後排気還流制
御手段とを設けたことを特徴とする内燃機関の排気装
置。
【請求項３】前記触媒コンバータを通過した浄化後排
気を、前記排気通路に介装されるマフラの入口近傍から
得ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内
燃機関の排気装置。
【請求項４】前記触媒コンバータを通過した浄化後排
気を冷却して前記触媒コンバータの上流側に還流させる
排気冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の内燃機関の排気装置。