JP2005330870A

JP2005330870A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2005330870A
Application number: JP2004149202A
Authority: JP
Inventors: Minehiro Murata; 峰啓村田; Yoshihisa Takeda; 好央武田; Yasuhiro Tsutsui; 泰弘筒井; Nobuhiro Kondo; 暢宏近藤; 嘉則 ▲高▼橋; Yoshinori Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02
Also published as: EP1748163A4; CN1954136A; EP1748163A1; US20080066449A1; WO2005111388A1; KR20070010060A; KR100802209B1

Abstract

【課題】アイドル運転時において排気上流側に設けた酸化触媒の酸化反応熱により排気浄化触媒をライトオフ温度以上に良好に維持でき、且つ、酸化触媒の過昇温を防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化触媒の排気上流側に酸化触媒を備え、該酸化触媒の触媒容量は、排気流速を触媒容量で除した値（排気流速／触媒容量）と触媒活性度合いとの関係において、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が該アイドル運転状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大（所定の最大活性範囲）で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ディーゼル機関においてローアイドル時における排気浄化性能の向上を図る技術に関する。

ディーゼル機関を搭載した車両では、通常運転時にはディーゼル機関における空燃比がリーン空燃比であることから、ＮＯxが生成され易く、そのＮＯx浄化のために排気系に排気浄化触媒としてＮＯx触媒の配設が検討されている。ＮＯx触媒としては、例えば吸蔵型ＮＯx触媒、選択的触媒還元システム（ＳＣＲシステム：Selective catalytic reduction system）等が挙げられる。

ところで、かかる吸蔵型ＮＯx触媒では、酸化雰囲気中においてＮＯxを吸蔵し、還元雰囲気中で吸蔵したＮＯxを還元する機能を有するが、当該ＮＯxの吸蔵機能、還元機能（ＮＯx浄化率）は、図６に示すように、触媒温度が一定温度以上にならないと活性（ライトオフ）しないという特性を有している。
従って、例えば、ディーゼル機関のローアイドル（通常のアイドル運転）時には、燃料噴射量が極めて少なくなるため、排気温度ひいては触媒温度がライトオフ温度よりも低くなり易く、当該ローアイドル時においてＮＯx触媒が十分に機能せず、ＮＯx浄化性能が低下するという問題がある。

このようなことから、触媒よりも排気上流側の比較的排気温度が高い位置（例えば、排気マニホールド或いはターボチャージャ近傍）に酸化触媒を別途設け、高温雰囲気下であるために活性し易い当該酸化触媒の酸化反応熱を利用して排気下流側の排気浄化触媒の昇温を図る技術が開発されている（特許文献１等参照）。
特開平１０−１５９５４５号公報

ところで、酸化触媒は、図７に示すように、上記ＮＯx触媒の場合と同様、触媒温度が一定温度以上にならないと活性（ライトオフ）せず十分なＨＣ、ＣＯ浄化率が得られないという特性を有している。詳しくは、酸化触媒では、ライトオフ温度に達するまではＨＣ、ＣＯが吸着により捕捉され、ライトオフ温度に達すると当該捕捉されたＨＣ、ＣＯが徐々に酸化反応し始め、その後は触媒温度の上昇に伴ってＨＣ、ＣＯの酸化反応が加速されるという特性を有している。

ところが、酸化触媒がこのような特性を有していると、例えば酸化触媒が完全活性状態となるまでローアイドルが維持され緩やかに昇温する場合はよいが、例えば酸化触媒の温度がライトオフ温度以下である状態が長時間続き、その後にディーゼル機関が加速操作されて負荷が増大し、ローアイドル状態を脱するようなことになると、負荷増大に伴って酸化触媒の温度がライトオフ温度を越えて急激に上昇することになり、捕捉されたＨＣ、ＣＯが一気に酸化反応して大量の反応熱が発生し、酸化触媒が過昇温に至るという問題がある。

この問題は、酸化触媒の触媒容量が大きいほど、またライトオフ温度に達するまでに時間がかかるほど酸化触媒へのＨＣ、ＣＯの捕捉量が多くなり、顕著なものとなる。
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、アイドル運転時において排気上流側に設けた酸化触媒の酸化反応熱により排気浄化触媒をライトオフ温度以上に良好に維持でき、且つ、酸化触媒の過昇温を防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害成分を浄化可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気上流側に設けられた酸化触媒とを備え、該酸化触媒の触媒容量は、排気流速を触媒容量で除した値と触媒活性度合いとの関係において、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が該アイドル運転状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定されていることを特徴とする。

図８を参照すると、酸化触媒における排気流速を触媒容量で除した値（排気流速／触媒容量）と触媒活性度合い（ＣＯ、ＨＣ浄化率）との関係が示されており、同図によれば、酸化触媒は、排気流速／触媒容量が小さい範囲では触媒活性度合いが大きく酸化反応が促進され、一方、排気流速／触媒容量が大きくなり、ある一定の値を越えると触媒活性度合いが急激に減少して酸化反応が減衰するという特性を有していることがわかる。そして、同図によれば、アイドル運転（ローアイドル）時の排気流速に対して酸化触媒の触媒容量が大きいほど、アイドル運転時の排気流速／触媒容量は小さくなっている。

しかしながら、このようにアイドル運転時の排気流速／触媒容量が小さくなっていると、内燃機関の負荷が増大（排気流速増大）したとしても、触媒活性度合いが大きく、酸化反応が促進された状態が暫く維持されることとなる。
上述した酸化触媒の過昇温の問題は、このような排気流速／触媒容量と触媒活性度合いとの関係により、内燃機関の負荷が増大しても酸化反応が促進された状態が継続していることが一因と考えられる。

本発明はこのような知見に基づきなされたものであり、故に、請求項１の発明では、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が該アイドル運転状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大（例えば、所定の最大活性範囲）で且つ排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるように排気浄化触媒の排気上流側の酸化触媒の触媒容量を設定する。

即ち、図２に示すように、アイドル運転（ローアイドル）時の排気流速／触媒容量が触媒活性度合いの所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるように、つまり排気流速／触媒容量が減少開始直前の値（活性限界）近傍となるように排気流速／触媒容量を調整し、酸化触媒の触媒容量を設定する。
このように排気流速／触媒容量を調整して酸化触媒の触媒容量を設定すると、アイドル運転時には、触媒活性度合いが大きいことから酸化触媒の酸化反応の反応熱によって排気浄化触媒が良好に昇温する。一方、内燃機関の負荷が増大（排気流速増大）したときには、触媒活性度合いが急激に減少して酸化反応が大きく減衰する。

これにより、酸化触媒がほぼアイドル運転時にのみ機能して当該アイドル運転時において排気浄化触媒がライトオフ温度以上に良好に維持されるとともに、例えば始動直後に車両を発進させる場合や減速後の加速時のように、酸化触媒の温度がライトオフ温度以下であるときに内燃機関が加速操作されて負荷が増大し、アイドル運転状態を脱するような場合には、負荷増大に伴い触媒温度が上昇する一方で酸化触媒における酸化反応が大きく減衰し、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒に捕捉されたＨＣ、ＣＯが一気に酸化反応してしまうこともなく、酸化触媒での大量の反応熱の発生が抑制される。

この際、好ましくは、酸化触媒の担体は熱伝導率の高いメタル担体であるのがよく、これによりアイドル運転時の比較的低温の排気熱で酸化触媒が良好にライトオフ温度に昇温し、維持され、酸化触媒に捕捉されるＨＣ、ＣＯの量が低減される。
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、前記排気浄化触媒はＮＯx触媒を含んでなることを特徴とする。

また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関はディーゼル機関であって、吸気系にスロットルバルブを有するとともに該スロットルバルブの開閉作動を行うスロットル制御手段を含んで該ディーゼル機関の運転を制御する機関制御手段を有し、前記スロットル制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、前記スロットルバルブを少なくとも所定開度まで閉作動させ、前記酸化触媒の触媒容量は、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が前記機関制御手段により前記スロットルバルブを前記所定開度まで閉作動させた状態の排気流速であるときに、前記触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定されることを特徴とする。

即ち、アイドル運転状態であるときにスロットルバルブを所定開度まで閉作動させると、スロットルバルブを閉作動させない通常のアイドル運転時に比べて排気流速が小さくなり、故に、触媒活性度合いの所定の最大活性範囲内で排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるような酸化触媒の触媒容量をより小さくすることが可能である。また、スロットルバルブを所定開度まで閉作動させると、ディーゼル機関では筒内圧力の低下によって燃料の着火時期が遅延し、燃焼が膨張行程で行われることや、ポンピングロスが増加し、これに対向してアイドル運転を維持すべく燃料噴射量を増大することになるため、内燃機関での燃焼温度が増大して排気温度が上昇し、酸化触媒の温度が高温に保持される。さらに、着火時期が遅延することになると、排気中のＨＣ、ＣＯ濃度が増加して酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量が増大することになり、酸化触媒の昇温に伴って排気浄化触媒が確実に昇温する。

従って、アイドル運転時においてスロットル制御手段によりスロットルバルブを所定開度まで閉作動させることにより、酸化触媒がほぼアイドル運転時にのみ機能して当該アイドル運転時において排気浄化触媒がライトオフ温度以上に良好に維持されるとともに、酸化触媒の温度がライトオフ温度以下であるときにディーゼル機関が加速操作されて負荷が増大するような場合には、負荷増大に伴い触媒温度が上昇する一方で酸化触媒における酸化反応が大きく減衰し、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒に捕捉されたＨＣ、ＣＯが一気に酸化反応してしまうこともなく、酸化触媒での大量の反応熱の発生が抑制される。

また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項３において、前記機関制御手段は、さらに、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する燃料噴射制御手段を含み、該燃料噴射制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする。

即ち、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延（例えば、失火限界点近傍まで遅延）させることにより、排気温度が上昇し、さらに排気中のＨＣ、ＣＯ濃度が増加して酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量がさらに増大することになり、酸化触媒の昇温に伴って排気浄化触媒がより一層確実に昇温する。この際、主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うようにすることにより、パイロット噴射した燃料を火種として主噴射による燃料が安定して確実に燃焼し、失火或いは燃焼悪化が防止される。

また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関はディーゼル機関であって、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する燃料噴射制御手段を含んで該ディーゼル機関の運転を制御する機関制御手段を有し、前記燃料噴射制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする。

即ち、ディーゼル機関では主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延（例えば、失火限界点まで遅延）させることにより、排気温度が上昇し、さらに排気中のＨＣ、ＣＯ濃度が増加して酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量が増大することになり、酸化触媒の昇温に伴って排気浄化触媒が確実に昇温する。この際、主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うようにすることにより、パイロット噴射した燃料を火種として主噴射による燃料が安定して確実に燃焼し、失火或いは燃焼悪化が防止される。

従って、酸化触媒がほぼアイドル運転時にのみ機能して当該アイドル運転時において排気浄化触媒がライトオフ温度以上に良好に維持される。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が該アイドル運転状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大で且つ排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう排気浄化触媒の排気上流側の酸化触媒の触媒容量を設定するようにしたので、内燃機関がアイドル運転状態にあるときにのみ酸化触媒を有効に機能させて当該酸化触媒の酸化反応の反応熱で排気浄化触媒を昇温させ、排気浄化触媒の温度をライトオフ温度以上に良好に維持できるとともに、酸化触媒の温度がライトオフ温度以下である状態が長時間続いた後に内燃機関が加速操作されて負荷が増大した場合において、酸化触媒における酸化反応を大きく減衰させ、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒に捕捉されたＨＣ、ＣＯの酸化反応による急激且つ大量の反応熱の発生を抑制することができ、酸化触媒の過昇温を防止することができる。

この際、酸化触媒の担体を熱伝導率の高いメタル担体で構成するようにすれば、アイドル運転時の比較的低温の排気熱で酸化触媒を短時間でライトオフ温度に昇温でき、酸化触媒に捕捉されるＨＣ、ＣＯの量を低減し、内燃機関の負荷が増大した場合における反応熱の急激な発生をさらに抑制することができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸化触媒の過昇温を防止しつつ、内燃機関がアイドル運転状態にあるときには酸化触媒の酸化反応の反応熱でＮＯx触媒を昇温させ、ＮＯx触媒の温度をライトオフ温度以上に良好に維持することができ、アイドル運転時におけるＮＯx浄化性能を向上させることができるとともに、アイドル運転から加速運転された場合においても、ＮＯx触媒がライトオフ温度以上であるので、良好なＮＯx浄化性能を確保できる。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、ディーゼル機関がアイドル運転状態であって排気流速が機関制御手段によりスロットルバルブを所定開度まで閉作動させた状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大で且つ排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう排気浄化触媒の排気上流側の酸化触媒の触媒容量を設定するようにしたので、酸化触媒の触媒容量をより小さくすることができ、故にアイドル運転時の比較的低温の排気熱で酸化触媒を短時間でライトオフ温度に昇温でき、ライトオフ温度に達するまでに酸化触媒に捕捉されるＨＣ、ＣＯの量を低減し、ディーゼル機関の負荷が増大した場合における反応熱の発生を十分に抑制することができる。また、アイドル運転時にスロットルバルブを所定開度まで閉作動させると、ディーゼル機関では着火時期が遅延するとともにポンピングロスの増加に対向してアイドル運転を維持すべく燃料噴射量を増大することになるため、内燃機関での燃焼温度の増大により排気温度を上昇させ、酸化触媒の温度を高温に保持することができる。さらに、着火時期が遅延すると、上記燃料噴射量の増大と相俟って排気中のＨＣ、ＣＯ濃度を増加させて酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量を増大させ、排気浄化触媒を確実に昇温させることができる。

従って、アイドル運転状態にあるときにはスロットルバルブを少なくとも所定開度まで閉作動させることで、ディーゼル機関がアイドル運転状態にあるときにのみ酸化触媒を有効に機能させて当該酸化触媒の酸化反応の反応熱で排気浄化触媒を十分に昇温させ、排気浄化触媒の温度を確実にライトオフ温度以上に維持することができるとともに、酸化触媒の温度がライトオフ温度以下である状態が長時間続いた後にディーゼル機関が加速操作されて負荷が増大した場合においては、酸化触媒における酸化反応を大きく減衰させ、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒に捕捉されたＨＣ、ＣＯの酸化反応による急激且つ大量の反応熱の発生を十分に抑制することができ、酸化触媒の過昇温を防止することができる。

請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項３において、スロットルバルブを所定開度まで閉作動させるとともに、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延（例えば、失火限界点まで遅延）させ、主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うようにするので、失火或いは燃焼悪化を防止して安定した燃焼を実現しながら、排気中のＨＣ、ＣＯ濃度を増加させて酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量をさらに増大させるようにでき、排気浄化触媒をより一層確実に昇温することができる。

請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、ディーゼル機関において主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延（例えば、失火限界点まで遅延）させ、主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うようにするので、失火或いは燃焼悪化を防止して安定した燃焼を実現しながら、排気中のＨＣ、ＣＯ濃度を増加させて酸化触媒でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量をさらに増大させるようにでき、排気浄化触媒をより一層確実に昇温することができる。

従って、ディーゼル機関がアイドル運転状態にあるときにのみ酸化触媒を有効に機能させて当該酸化触媒の酸化反応の反応熱で排気浄化触媒を十分に昇温させ、排気浄化触媒の温度を確実にライトオフ温度以上に維持することができる。

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、本発明に係る車両に搭載された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、同図に基づき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。
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１は例えばコモンレール式直列４気筒のディーゼルエンジンである。コモンレール式のディーゼルエンジン１では、燃焼室２に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が各気筒毎に設けられており、各燃料噴射ノズル４は高圧パイプを介してコモンレール６に接続されている。そして、コモンレール６は、図示しないが、高圧パイプを介して高圧ポンプに接続され、さらに低圧パイプを介して燃料タンクに接続されている。なお、エンジン１がディーゼルエンジンであるため、燃料としては軽油が使用される。

エンジン１の吸気通路１０には電磁式（ＤＣモータ式）のスロットルバルブ１２が設けられており、スロットルバルブ１２よりも上流側には、インタークーラ１４、ターボチャージャ１６のコンプレッサを介して吸入空気量Ｑaを検出するエアフローセンサ（ＡＦＳ）１８が設けられている。スロットルバルブ１２は例えばバタフライバルブからなり、エアフローセンサ１８は、ここでは例えば熱線式エアフローセンサが採用されるが、カルマン渦式エアフローセンサ等であってもよい。

一方、排気通路２０には、吸蔵型ＮＯx触媒（排気浄化触媒）２２が介装されている。吸蔵型ＮＯx触媒２２は、例えば白金（Ｐｔ）等の貴金属の他に、ＮＯx吸蔵剤であるカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属やバリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属を包含しており、排気の空気過剰率λの大きい（即ち、リーン空燃比の）酸化雰囲気中で排気中のＮＯx（有害成分）を吸蔵する一方、排気の空気過剰率λの小さい（即ち、リッチ空燃比の）還元雰囲気中で吸蔵したＮＯxを放出し、還元（以下、ＮＯxパージ）して浄化するように構成されている。なお、吸蔵型ＮＯx触媒２２は貴金属の存在により酸化機能をも併せ有しており、ＨＣ、ＣＯをも浄化可能である。

排気通路２０の吸蔵型ＮＯx触媒２２の直上流には、ＮＯxパージ時において排気の空気過剰率λを小さくすべく還元剤（軽油等）を排気に混入させる還元剤インジェクタ２４が設けられている。
さらに、排気通路２０の吸蔵型ＮＯx触媒２２よりも上流側には、ターボチャージャ１６のタービンの直下流に位置して、小型の酸化触媒２６が介装されている。なお、ターボチャージャ１６のタービンはエンジン１の排気マニホールド（図示せず）の直下流に位置するよう配設されている。

酸化触媒２６は、一般に使用される酸化触媒であり、白金（Ｐｔ）等の貴金属を有して構成されているが、ここでは、排気中のＨＣ、ＣＯ等を酸化処理し、当該酸化反応の反応熱によって排気下流側に位置する吸蔵型ＮＯx触媒２２の昇温を行うことを目的として設けられている。つまり、酸化触媒２６は排気マニホールドに近接しているために排気温度の低くなるローアイドル（アイドル運転）時においても比較的高温の排気熱で活性（ライトオフ）状態に維持されるため、排気中のＨＣ、ＣＯを常に酸化処理可能であり、一方、吸蔵型ＮＯx触媒２２はエンジン１から遠い位置にあるため、ローアイドル時には温度が低下し易くライトオフ状態から外れる傾向にあり、ここでは、吸蔵型ＮＯx触媒２２の排気上流側に酸化触媒２６を配設することで、ライトオフ状態にある当該酸化触媒２６の酸化反応により発生する反応熱によって排気下流側の吸蔵型ＮＯx触媒２２の昇温及び温度維持を行うことを可能にしている。

ところで、酸化触媒２６においては、上述したように、例えばエンジン１の始動直後等において車両を発進させる場合や減速後の加速の場合のように、酸化触媒２６の温度がライトオフ温度以下であるときにエンジン１が加速操作されて負荷が増大し、ローアイドル状態を脱するようなことになると、負荷増大に伴って酸化触媒２６の温度がライトオフ温度を越えて急激に上昇し、ライトオフ温度に達するまでに酸化触媒２６に捕捉されたＨＣ、ＣＯが一気に酸化反応して急激且つ大量の反応熱が発生し、酸化触媒２６が過昇温に至るという問題がある。

そして、この問題は、図８に示したように、ローアイドル時の排気流速に対して酸化触媒の触媒容量が大きいほどアイドル運転時の排気流速／触媒容量（排気流速を触媒容量で除した値）が小さく、当該図８に示す排気流速／触媒容量と触媒活性度合い（ＣＯ、ＨＣ浄化率）との関係により、エンジン１の負荷が増大しても酸化反応が促進された状態が継続してしまうことが一因と考えられる。

このようなことから、酸化触媒２６については、排気流速／触媒容量と触媒活性度合いとの関係に基づき、ローアイドル時には触媒活性度合いが大きく酸化反応が促進された状態となる一方、エンジン１の負荷が増大すると酸化反応が促進された状態が継続しないよう触媒容量を設定するようにしている。
具体的には、図２に示すように、ローアイドル時の排気流速／触媒容量が触媒活性度合い（ＣＯ、ＨＣ浄化率）の所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるように、つまり排気流速／触媒容量が減少開始直前の値（活性限界）近傍となるよう排気流速／触媒容量を調整し、酸化触媒２６の触媒容量を設定する。

詳しくは、後述するように、ローアイドル時には酸化触媒２６によってできるだけ多くのＨＣ、ＣＯを酸化反応させるよう、スロットルバルブ１２を閉弁作動させるようにしており、このようにスロットルバルブ１２を閉弁作動させると、排気流量が変化して排気流速が小さくなるため、ここでは、スロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させた状態での排気流速に基づいて、ローアイドル時の排気流速／触媒容量が触媒活性度合いの所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるよう酸化触媒２６の触媒容量を設定する。

このように排気流速／触媒容量が調整され、酸化触媒２６の触媒容量が設定されていると、ローアイドル時には、図２に示すように触媒活性度合いが大きいことから、酸化触媒２６の酸化反応の反応熱によって排気下流側の吸蔵型ＮＯx触媒２２が良好に昇温することになり、ローアイドル時であっても吸蔵型ＮＯx触媒２２がライトオフ温度以上に維持され、吸蔵型ＮＯx触媒２２においてＮＯxの吸蔵と放出還元とが良好に実施され、ＮＯx浄化性能の向上が図られる。一方、エンジン１の負荷が増大（負荷増大）し、ローアイドル状態を脱したときには、図２に示すように触媒活性度合いが急激に減少して酸化反応が大きく減衰することになり、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒２６に捕捉されたＨＣ、ＣＯの酸化反応による大量の反応熱の発生が抑制され、酸化触媒２６の過昇温が防止される。これにより酸化触媒２６の延命が図られる。

また、このようにスロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させた状態での排気流速に基づいて酸化触媒２６の触媒容量を設定するようにすると、酸化触媒２６の触媒容量を極力小さく設定して酸化触媒２６の小型化を図ることができることになり、ローアイドル時の比較的低温の排気熱であっても酸化触媒２６を短時間でライトオフ温度に昇温でき、ライトオフ温度に達するまでに酸化触媒２６に捕捉されるＨＣ、ＣＯの量を低減することが可能である。これにより、エンジン１の負荷が増大した場合における反応熱の発生が上記酸化反応の減衰と相俟って十分に抑制される。

また、この際、酸化触媒２６の担体については熱伝導率の高いメタル担体で構成しておくのがよく、これにより、酸化触媒２６をより短時間でライトオフ温度に昇温でき、エンジン1の負荷が増大した場合における反応熱の発生をさらに抑制することができる。
図１に戻り、排気マニホールドからは排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路３０が延びており、該ＥＧＲ通路３０の終端は吸気通路１０のスロットルバルブ１２よりも下流部分に接続されている。そして、ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガス流量を調整すべく任意の開度に開度調節可能な電磁式（ＤＣモータ式）のＥＧＲバルブ３２が介装されている。さらに、ＥＧＲ通路３０の排気マニホールド寄りには、ＥＧＲクーラ３４が介装されている。

電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０は、エンジン１の燃料噴射制御を含め車両の種々の制御を司る制御装置であり（機関制御手段）、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、メモリ等から構成されている。そして、ＥＣＵ４０の入力側には、上述したエアフローセンサ１８の他、例えばエンジン１のクランク角に基づいてエンジン回転速度Ｎeを検出するＮeセンサ４２、ドライバのアクセル操作を検出するアクセルセンサ４３、吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度を検出する温度センサ４４等の各種センサ類が接続されている。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上記燃料噴射ノズル４、スロットルバルブ１２、還元剤インジェクタ２４、ＥＧＲバルブ３２等の各種デバイス類が接続されている。
これにより、各種センサ類からの入力情報に基づき各種デバイス類が作動制御され、エンジン１や車両が適正に運転制御される。
以下、上記のように構成された内燃機関の排気浄化装置の本発明に係るローアイドル時の排気昇温制御について説明する。

図３を参照すると、本発明に係るローアイドル排気昇温制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
先ず、ステップＳ１０では、エンジン１が現在ローアイドル状態であるか否かを判別する。具体的には、Ｎeセンサ４２からの情報に基づき、検出されるエンジン回転速度Ｎeがローアイドルに対応した回転速度Ｎiであるか否か且つアクセルセンサ４３により検出されるアクセル開度が０％であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でローアイドルではないと判定された場合には、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）でローアイドルと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度Ｔcatが吸蔵型ＮＯx触媒２２のライトオフ温度Ｔ1より小さいか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度Ｔcatがライトオフ温度Ｔ1以上と判定された場合には、吸蔵型ＮＯx触媒２２は十分に機能していると判断でき、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で温度Ｔcatがライトオフ温度Ｔ1より小さいと判定された場合には、吸蔵型ＮＯx触媒２２の昇温が必要と判断し、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、ＥＧＲバルブ３２を閉弁とし、ＥＧＲガスの吸気系への還流を禁止する。
そして、ステップＳ１６では、スロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させ、吸入空気量Ｑaを小さく絞る（スロットル制御手段）。
このように、スロットルバルブ１２の閉作動により吸入空気量Ｑaが小さく絞られると、ＥＧＲバルブ３２が閉弁されてＥＧＲガスの吸気系への還流が無いことから、エンジン１においてポンピングロスが増加することになり、これに対向してローアイドルを維持すべく燃料噴射量を増大することになる。さらに、ディーゼルエンジン１では筒内圧力の低下によって燃料の着火時期が遅延するという現象が起こる。これにより、エンジン１の排気温度が上昇し、酸化触媒２６の温度が高温に保持される。

また、このように着火時期が遅延すると、燃焼が緩慢となり、図４（ｂ）に示すように上記燃料噴射量の増大と相俟って排気中のＨＣ、ＣＯ濃度が増加して酸化触媒２６でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量が増大し、図４（ａ）に実線で示すように酸化触媒２６がターボチャージャ１６のタービンの出口温度（破線）よりも昇温することに伴い吸蔵型ＮＯx触媒２２が確実に昇温することになる。

ステップＳ１８では、燃料噴射ノズル４により噴射する燃料の主噴射時期をローアイドル時以外の通常運転時の燃料噴射時期よりも遅角させる（燃料噴射制御手段）。具体的には、主噴射の燃料噴射時期を通常運転時の燃料噴射時期（例えば、ATDC５°）から失火限界点近傍まで遅角させ、ローアイドル時専用の燃料噴射時期（例えば、ATDC２０°）とする。

このように、主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させると、燃焼が不完全となって排気中のＨＣ、ＣＯ濃度が増加し、酸化触媒２６でのＨＣ、ＣＯの酸化反応による反応熱量がさらに増大することになり、吸蔵型ＮＯx触媒２２がより一層確実に昇温することになる。
なお、このように主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させると、燃料の着火が不安定になり、燃焼悪化を招いたり最悪の場合失火したりすることから、同時に主噴射の直前においてパイロット噴射を実施するようにする（燃料噴射制御手段）。

ここに、パイロット噴射は主噴射の燃料が安定して着火するよう当該主噴射による燃料の火種としての役割を果たすものである。従って、パイロット噴射については、主噴射の燃料量に比べて極少量とする。また、パイロット噴射は一回だけでもよいが、火種としての役割を考慮すると、複数回実施することが望ましく、ここでは、例えば二回実施する。具体的には、図５に示すように、筒内圧力（実線）が最大となる圧縮上死点近傍で最初のパイロット噴射を行い、ATDC１０°近傍で二回目のパイロット噴射を行う（ダブルパイロット噴射）。

これより、主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させても、主噴射による燃料が安定して確実に燃焼し、失火や燃焼悪化が防止される。
以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、スロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させた状態での排気流速を基準に、ローアイドル時の排気流速／触媒容量が触媒活性度合いの所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるよう酸化触媒２６の触媒容量を極力小さく設定するようにし（図２参照）、さらに、ローアイドル排気昇温制御により、ローアイドル時において、スロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させるとともに燃料噴射時期を遅延させ、酸化触媒２６の昇温と酸化触媒２６における酸化反応の促進を図り、吸蔵型ＮＯx触媒２２の昇温を促進するようにしている（図３参照）。

従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、エンジン１がローアイドル状態にあるときにのみ酸化触媒２６を有効に機能させて当該酸化触媒２６の酸化反応の反応熱で吸蔵型ＮＯx触媒２２を昇温させ、吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度をライトオフ温度以上に良好に維持してＮＯx浄化性能を向上できるとともに、酸化触媒２６の温度がライトオフ温度以下であるときにエンジン１が加速操作されて負荷が増大した場合において、酸化触媒２６における酸化反応を大きく減衰させ、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒２６に捕捉されたＨＣ、ＣＯの酸化反応による急激且つ大量の反応熱の発生を抑制し、酸化触媒２６の過昇温を防止することができる。

以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、実施態様は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、スロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させた状態での排気流速を基準に酸化触媒２６の触媒容量を設定するようにし、ローアイドル排気昇温制御により、ローアイドル時においてはスロットルバルブ１２を所定開度まで閉作動させるようにしたが、スロットルバルブ１２を有さないシステムにおいては、或いはスロットルバルブ１２を有している場合であっても、スロットルバルブ１２を閉作動させない通常のローアイドルでの排気流速を基準に酸化触媒２６の触媒容量を設定し、ローアイドル排気昇温制御、即ちスロットルバルブ１２の閉作動及び燃料噴射時期の遅角を実施しないようにしてもよく、このようにしても十分な効果が得られる。

また、上記実施形態では、吸蔵型ＮＯx触媒２２の排気上流側に酸化触媒２６を配設する場合を例に説明したが、吸蔵型ＮＯx触媒２２に限られるものではなく、当該吸蔵型ＮＯx触媒２２の位置には如何なる排気浄化触媒を配設するようにしてもよく、例えば選択的触媒還元システム（ＳＣＲシステム）を配設してもよい。
また、上記実施形態では、ローアイドル排気昇温制御において、スロットルバルブ１２の閉作動と燃料噴射時期の遅角の両方を実施するようにしたが（ステップＳ１６及びステップＳ１８）、スロットルバルブ１２の閉作動だけを実施するようにしてもよく、また、燃料噴射時期の遅角及びパイロット噴射だけを実施するようにしてもよい（ステップＳ１６またはステップＳ１８）。

また、上記実施形態では、吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度Ｔcatが吸蔵型ＮＯx触媒２２のライトオフ温度Ｔ1より小さい場合にスロットルバルブ１２の閉作動及び燃料噴射時期の遅角を実施するようにしたが、吸蔵型ＮＯx触媒２２の温度Ｔcatに拘わらず、ローアイドル時には常にスロットルバルブ１２の閉作動及び燃料噴射時期の遅角を実施するようにしてもよい。

本発明に係る車両に搭載された内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。排気流速／触媒容量と触媒活性度合いの関係において本発明に係るローアイドル時の排気流速／触媒容量を示す図である。本発明に係るローアイドル排気昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。スロットルバルブを閉作動させたときの酸化触媒温度（ａ）とＨＣ、ＣＯ濃度（ｂ）とを示す図である。燃料噴射時期を遅角させる際の主噴射時期とパイロット噴射時期とを示す図である。ＮＯx触媒の温度とＮＯx浄化率との関係を示す図である。酸化触媒の温度とＣＯ、ＨＣ浄化率との関係を示す図である。排気流速／触媒容量と触媒活性度合いの関係において従来のローアイドル時の排気流速／触媒容量を示す図である。

符号の説明

１エンジン
４燃料噴射ノズル
１２スロットルバルブ
２０排気通路
２２吸蔵型ＮＯx触媒（排気浄化触媒）
２６酸化触媒
４０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）（機関制御手段）
４２Ｎeセンサ
４３アクセルセンサ
４４温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害成分を浄化可能な排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒の排気上流側に設けられた酸化触媒とを備え、
該酸化触媒の触媒容量は、排気流速を触媒容量で除した値と触媒活性度合いとの関係において、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が該アイドル運転状態の排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化触媒はＮＯx触媒を含んでなることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関はディーゼル機関であって、吸気系にスロットルバルブを有するとともに該スロットルバルブの開閉作動を行うスロットル制御手段を含んで該ディーゼル機関の運転を制御する機関制御手段を有し、
前記スロットル制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、前記スロットルバルブを少なくとも所定開度まで閉作動させ、
前記酸化触媒の触媒容量は、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が前記機関制御手段により前記スロットルバルブを前記所定開度まで閉作動させた状態の排気流速であるときに、前記触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定されていることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記機関制御手段は、さらに、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する燃料噴射制御手段を含み、
該燃料噴射制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする、請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関はディーゼル機関であって、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する燃料噴射制御手段を含んで該ディーゼル機関の運転を制御する機関制御手段を有し、
前記燃料噴射制御手段は、内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。