JP2000161046A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒の早期活性化を図った後、該活性状態を
継続的に保持可能な内燃機関の排気浄化装置を提供す
る。 【解決手段】 排気通路に設けられた触媒は、不活性状
態にあるとき(S10)、第１の熱エネルギＱ1の供給によっ
て活性温度Ｔcat1よりも高く且つ耐熱温度よりも低い所
定の高温状態Ｔcat2まで昇温させられると(S12,S14)、
その後、排気通路、即ち排気系全体の温度が第１の熱エ
ネルギＱ1よりも低い第２の熱エネルギＱ2の供給によっ
て活性温度Ｔcat1よりも高い温度に保温されることで(S
16,S18)、当該活性温度Ｔcat1よりも高い温度に保持さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に係り、詳しくは、排気昇温により触媒を昇温さ
せる技術に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】冷態始動時等に内燃機関の排気通
路に設けられた触媒を早期に活性させて排ガス特性の向
上を図る技術が種々提案されており、例えば、筒内噴射
型内燃機関において、筒内に直接燃料を噴射できるとい
う特徴を生かすことで、噴射型主燃焼のための主噴射以
外に膨張行程初期に追加噴射（副噴射）を行い、これに
より再燃焼を生起させて排気温度を上昇させ触媒を活性
させる昇温制御技術が、特開平８−１００６３８号公報
等に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
開示された技術では、触媒温度が活性温度となる目標温
度に達したと判断されると、触媒が活性化したとみなし
て昇温制御を中止し追加噴射を行わないようにしてい
る。しかしながら、冷態始動時においては、排気系全体
が十分に暖まっていないことから、触媒温度が一旦は活
性温度に達したとしても、触媒の熱が排気通路等に伝導
し触媒温度が低下し易いという問題がある。

【０００４】このように触媒温度が低下することになる
と、即ち触媒が不活性となり触媒効率が低下することに
なり、直ぐにまた昇温制御を実施しなければならず、触
媒の過熱や燃料消費量の増大による燃費の悪化等を招き
好ましいことではない。そこで、触媒が耐熱温度以上に
過熱しない範囲で少しずつ昇温制御を実施することも考
えられるが、このような制御では、触媒昇温の応答性が
悪く、触媒の早期活性化が図れず排ガス特性が悪化する
という問題がある。

【０００５】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、触媒の早
期活性化を図った後、該活性状態を継続的に保持可能な
内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明では、排気通路に設けられた触
媒は、不活性状態にあるとき、第１の熱エネルギの供給
によって活性温度よりも高く且つ耐熱温度よりも低い所
定の高温状態まで昇温させられると、その後、排気通
路、即ち排気系全体の温度が第１の熱エネルギよりも低
い第２の熱エネルギの供給によって活性温度よりも高い
温度に保温されることで、該活性温度よりも高い温度に
保持される。

【０００７】従って、触媒の早期活性化後において、触
媒温度が継続的に好適な温度に維持され、排ガス特性の
悪化が防止される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づき説明する。図１を参照すると、車両に搭載さ
れた本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図
が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置の構成を説明する。

【０００９】機関本体（以下、単にエンジンという）１
は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換える
ことで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）ま
たは圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実
施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエン
ジンとされている。そして、この筒内噴射型のエンジン
１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転や
リッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リー
ン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能とさ
れており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃
比での運転が可能とされている。

【００１０】同図に示すように、エンジン１のシリンダ
ヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式
の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃
焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。燃料噴射
弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料
供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳し
くは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポ
ンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の
燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給
し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の
燃圧で噴射可能とされている。

【００１１】シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立
方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連
通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞ
れ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他
端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロット
ル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットル
センサ１１ａが設けられている。

【００１２】また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に
略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポー
トと連通するようにして排気マニホールド１２の一端が
それぞれ接続されている。なお、図中符号１３は、クラ
ンク角を検出するクランク角センサであり、該クランク
角センサ１３はエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされ
ている。

【００１３】なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に
公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは
説明を省略する。同図に示すように、排気マニホールド
１２には排気管（排気通路）１４が接続されており、こ
の排気管１４にはエンジン１に近接した小型の近接三元
触媒２０及び排気浄化触媒装置３０を介してマフラー
（図示せず）が接続されている。また、排気管１４には
排気温度を検出する高温センサ１６が設けられている。

【００１４】排気浄化触媒装置３０は、ＮＯx触媒３０
ａと三元触媒３０ｂとの２つの触媒を備えて構成されて
おり、三元触媒３０ｂの方がＮＯx触媒３０ａよりも下
流側に配設されている。なお、ＮＯx触媒３０ａは、公
知の如く、選択還元型と吸蔵型とがあるが、いずれであ
ってもよい。さらに、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、
ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰ
Ｕ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロ
ールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０
により、エンジン１を含めた本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ４０の入
力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク
角センサ１３、高温センサ１６等の各種センサ類が接続
されており、これらセンサ類からの検出情報が入力す
る。

【００１５】一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイ
ルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６等が接
続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６等に
は、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃
料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。
これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタ
イミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイ
ミングで点火が実施される。

【００１６】実際には、ＥＣＵ４０では、スロットルセ
ンサ１１ａからのスロットル開度情報θthとクランク角
センサ１３からのエンジン回転速度情報Ｎeとに基づい
てエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有
効圧Ｐeを求めるようにされており、さらに、当該目標
平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとに応じてマ
ップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するように
されている。例えば、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回
転速度Ｎeとが共に小さいときには、燃料噴射モードは
圧縮行程噴射リーンモード、即ち圧縮リーンモードとさ
れ、リーン空燃比の下に燃料は圧縮行程で噴射され、一
方、目標平均有効圧Ｐeが大きくなり或いはエンジン回
転速度Ｎeが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴
射モードとされ、燃料は吸気行程で噴射される。吸気行
程噴射モードには、リーン空燃比とされる吸気リーンモ
ード、理論空燃比とされるストイキオフィードバックモ
ード、及び、リッチ空燃比とされるオープンループモー
ド（Ｏ／Ｌモード）とがある。

【００１７】そして、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回
転速度Ｎeとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／
Ｆ）が設定され、上記適正量の燃料噴射量は該目標Ａ／
Ｆに基づいて決定される。また、上記高温センサ１６に
より検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcatが推
定される。詳しくは、高温センサ１６をＮＯx触媒３０
ａに直接設置できないことに起因して発生する誤差を補
正するために、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度
情報Ｎeとに応じて予め実験等により温度差マップ（図
示せず）が設定されており、故に触媒温度Ｔcatは、目
標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとが決まる
と一義に推定されるようにされている。

【００１８】以下、このように構成された本発明に係る
内燃機関の排気浄化装置の作用、即ち本発明に係る触媒
昇温制御を冷態始動時に適用した場合について説明す
る。図２を参照すると、ＥＣＵ４０の実行する本発明に
係る触媒昇温制御ルーチンのフローチャートが示されて
おり、以下当該フローチャートに沿って説明する。エン
ジン１が始動されると、先ず、ステップＳ１０におい
て、触媒温度Ｔcatが最低限必要な所定の活性温度Ｔcat
1（例えば、３００℃）より小さいか否かを判別する。
判別結果が偽（Ｎｏ）で、触媒温度Ｔcatが所定の活性
温度Ｔcat1以上である場合には、何もせずに当該ルーチ
ンを抜ける。

【００１９】一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙ
ｅｓ）で、触媒温度Ｔcatが所定の活性温度Ｔcat1に達
していないと判定された場合には、次にステップＳ１２
に進む。ステップＳ１２では、今度は、触媒温度Ｔcat
が触媒の耐熱温度よりも若干低く設定された所定の温度
Ｔcat2（例えば、８００℃）より小さいか否かを判別す
る。冷態始動時にあっては、通常は触媒温度Ｔcatが所
定の温度Ｔcat2に達していることはなく、判別結果は真
（Ｙｅｓ）となり、次にステップＳ１４に進む。

【００２０】ステップＳ１４では、例えば全体空燃比
（全体Ａ／Ｆ）をリーン空燃比としながら、２段噴射を
実施する。つまり、上述したように、噴射型主燃焼のた
めの主噴射以外に膨張行程（特に膨脹行程中期またはそ
れ以降）において追加噴射、即ち副噴射を行うようにす
る。これにより、副噴射により噴射された燃料が未燃燃
料成分（未燃ＨＣ等）となって主燃焼後の余剰酸素と反
応して排気昇温が実施され、排気浄化触媒装置３０、即
ちＮＯx触媒３０ａと三元触媒３０ｂが昇温される（昇
温手段）。

【００２１】なお、当該ステップＳ１４における２段噴
射では、副噴射は、熱エネルギ量Ｑが所定量（第１の熱
エネルギ）Ｑ1となるように噴射量が設定され噴射され
る。この所定量Ｑ1は排気浄化触媒装置３０を急速に昇
温させることの可能な値に設定されている。これによ
り、排気浄化触媒装置３０が早期に活性化されることに
なる。

【００２２】ステップＳ１６では、２段噴射を開始して
から所定時間ｔ1が経過したか否かを判別する。なお、
所定時間ｔ1は、ステップＳ１４における２段噴射と後
述のステップＳ１８における２段噴射とによって排気浄
化触媒装置３０のみならず排気管１４等の排気系全体が
十分に昇温したとみなせる時間であり、予め実験等によ
り設定されている。

【００２３】ステップＳ１４での２段噴射の開始直後
は、該ステップＳ１６の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、
この場合にはステップＳ１２を経てステップＳ１４を繰
り返し実行する。そして、ステップＳ１２の判別結果が
偽（Ｎｏ）、即ち触媒温度Ｔcatが所定の温度Ｔcat2
（例えば、８００℃）に達したと判定された場合には、
次にステップＳ１８に進む。

【００２４】ステップＳ１８では、今度は、副噴射によ
る熱エネルギ量Ｑが所定量Ｑ1よりも低い所定量（第２
の熱エネルギ）Ｑ2（Ｑ1＞Ｑ2）となるように２段噴射
を実施する。つまり、上記ステップＳ１４での２段噴射
の場合に比べて副噴射量が少なくなるようにして２段噴
射を行う。当該副噴射による熱エネルギ量Ｑを所定量Ｑ
2とした２段噴射は、ステップＳ１６の判別結果が真
（Ｙｅｓ）、即ちステップＳ１４における２段噴射の開
始後の経過時間が所定時間ｔ1を超えるまで継続される
（保温手段）。

【００２５】このように、触媒温度Ｔcatが所定の温度
Ｔcat2に達したと判定された後に、副噴射による熱エネ
ルギ量Ｑを最初の熱エネルギ量Ｑ1よりも低い所定量Ｑ2
として２段噴射を暫時継続して行うようにすると、排気
浄化触媒装置３０のみならず排気管１４等の排気系全体
が均一且つ十分に昇温することになり、早期に昇温し活
性化した排気浄化触媒装置３０が所定の活性温度Ｔcat1
以上に良好に保温されることになる。

【００２６】即ち、図３を参照すると、上記触媒昇温制
御を実施した場合の実施結果、つまり副噴射量としての
熱エネルギ量Ｑ（ｂ）及び触媒温度Ｔcat（ａ）の時間
変化がタイムチャート上に実線で示されており、同図中
（ａ）には、併せて上記従来の場合が破線で示されてい
るが、このように、一旦急速に上昇し活性化した触媒温
度Ｔcatは、所定の温度Ｔcat2に達した後、排気管１４
等に熱を奪われて若干の低下はあるものの、従来（破
線）の如く再昇温によって燃費が悪化することもなく、
また所定の温度Ｔcat2を超えて耐熱温度以上に過熱して
しまうこともなく、熱エネルギ量Ｑ2の継続供給によっ
て良好に所定の活性温度Ｔcat1以上に保持されることに
なる。これにより、冷態始動時における排ガス特性の悪
化が好適に防止される。

【００２７】なお、上記実施形態では、冷態始動時を例
に説明したが、運転中（車両走行中）であっても、例え
ば、燃料噴射モードが圧縮リーンモード或いは吸気リー
ンモードとされるようなリーン空燃比運転状態において
は、触媒温度Ｔcatが所定の活性温度Ｔcat1未満となる
こともあり得るため、このような場合に本発明を適用す
るようにしてもよい。

【００２８】また、上記実施形態では、触媒温度Ｔcat
が所定の活性温度Ｔcat1（例えば、３００℃）或いは所
定の温度Ｔcat2（例えば、８００℃）を超えたか否かで
制御を行うようにしたが、上記ステップＳ１０及びステ
ップＳ１２の判別を当該触媒温度判別に代えて時間判別
としてもよい。つまり、予め実験等により活性温度及び
耐熱温度に対応した所定時間を設定しておき、該所定時
間を閾値として判別を行うようにしてもよい。

【００２９】また、上記実施形態では、副噴射量を減量
することで熱エネルギ量Ｑを所定量Ｑ1から所定量Ｑ2に
切り換えるようにしたが、副噴射の空燃比Ａ／Ｆを変更
するような制御であっても同様の効果が得られる。ま
た、上記実施形態では、予め設定された所定時間ｔ1が
経過するまで２段噴射による排気昇温を継続するように
したが、触媒温度Ｔcatに基づいて２段噴射の終了判定
をするようにしてもよい。つまり、図３に示すように、
触媒温度Ｔcatは、熱エネルギ量Ｑが所定量Ｑ1から所定
量Ｑ2に切り換わると排気管１４等に熱を奪われて一旦
低下した後再び上昇し安定することになるため、当該安
定した温度を検出した時点で２段噴射を終了するように
してもよい。

【００３０】また、上記実施形態では、主噴射以外に膨
張行程で１回燃料を噴射する２段噴射を行うことで排気
昇温、即ち触媒昇温を実施するようにしたが、膨張行程
での噴射回数をさらに分割して２回以上としてもよい。
つまり２段噴射に代えて３段噴射以上としてもよい。ま
た、上記実施形態では、供給する熱エネルギ量Ｑを所定
量Ｑ1、所定量Ｑ2のように予め設定された固定値とした
が、所定量Ｑ2については、触媒温度Ｔcatの変化に応じ
て可変としてもよい。つまり、触媒温度Ｔcatの減少率
が大きいときには所定量Ｑ2を高くする一方、減少率が
小さい或いは触媒温度Ｔcatが増加傾向にあるときには
所定量Ｑ2を低くするようにしてもよい。また、熱エネ
ルギ量Ｑを２段階以上（所定量Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，・・
・）変更するような設定としてもよい。

【００３１】また、上記実施形態では、昇温制御として
２段噴射を行うようにしたが、点火時期をリタードさせ
て昇温制御を行うようにしてもよい。この場合、リター
ド量を変更することで、熱エネルギ量Ｑを所定量Ｑ1か
ら所定量Ｑ2に切り換えるようにすればよい。また、上
記実施形態では、エンジン１を筒内噴射型ガソリンエン
ジンとしたが、これに限られず、エンジン１を吸気管噴
射型ガソリンエンジンとしてもよい。この場合、昇温制
御としては上記点火時期のリタードが選択される。

【００３２】また、上記実施形態では、小型の近接三元
触媒２０を配設するようにしたが、当該近接三元触媒２
０を設けなくても本発明は好適に実現可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の早期
活性化後において、触媒温度を継続的に好適に維持で
き、排ガス特性の悪化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を示す概
略構成図である。

【図２】本発明に係る触媒昇温制御の制御ルーチンを示
すフローチャートである。

【図３】触媒昇温制御の制御結果を示す図であって、熱
エネルギ量Ｑ（ｂ）及び触媒温度Ｔcat（ａ）の時間変
化を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） １４ 排気通路 １６ 高温センサ ３０ 排気浄化触媒装置 ３０ａ ＮＯx触媒 ３０ｂ 三元触媒 ４０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA12 AA17 AA23 AA24 AA28 AB03 AB05 AB06 BA03 BA04 BA08 BA14 BA15 BA19 CA18 CB02 CB03 CB05 DA02 DA04 DB10 DB13 DC01 EA01 EA07 EA17 EA30 EA31 FA02 FA04 FB02 FB03 FB10 FB11 FB12 FC04 FC05 FC07 FC08 HA08 HA12 HA36 HA37 HA47 3G301 HA04 LA00 LB04 MA01 MA19 MA23 MA26 NA08 NC02 ND02 NE14 NE15 PA11Z PC02A PD11Z PD12Z PE01Z PE03Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気通路に設けられ、排ガス中の有害成
   分を浄化する触媒と、 前記触媒が活性温度よりも高く且つ耐熱温度よりも低い
   所定の高温状態まで昇温するよう該触媒に第１の熱エネ
   ルギを供給する昇温手段と、 前記所定の高温状態まで前記触媒が昇温した後、前記排
   気通路内の温度を前記活性温度よりも高く保持するよう
   該排気通路に前記第１の熱エネルギよりも低い第２の熱
   エネルギを供給する保温手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。