JP2006057493A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路中に二つの触媒を備える排気装置の触媒暖機中に、上流側の触媒を熱劣化を防止しつつ、下流側の触媒を早期活性化させる。
【解決手段】エンジンの排気通路に、上流側に排気浄化用の第１触媒１１、その下流側に所定間隔をもって排気浄化用の第２触媒５を配置した排気浄化装置において、排気温度を上昇させる排気昇温手段６と、第１触媒１１の温度を検出または推定する第１触媒温度検知手段２４と、第１触媒１１の温度が所定温度を超えないように排気昇温手段６を断続的に作動させることによって、第２触媒５を昇温させる触媒昇温制御手段６と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の触媒装置に関し、特に、触媒の昇温制御に関する。

自動車等の排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化するために、排気通路中に触媒を設ける方法が知られている。触媒としては、理論空燃比付近でＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化し得る三元触媒が一般に用いられる。

三元触媒には、活性温度に達するまでは低温条件下での燃焼時に排出されやすいＨＣを十分に浄化できないという問題があり、これを解決するために、三元触媒の他にゼオライト等のＨＣ吸着剤により排気中のＨＣを一時的に吸着しておく機能を有するＨＣ吸着型触媒を設ける方法が知られている。

しかしながら、ＨＣ吸着型触媒の温度が上昇して捕捉されたＨＣが吸着剤から脱離を開始する温度に達しても、この時点では通常は触媒金属がまだ十分に活性化していないため、ＨＣの排出を抑制する効果は必ずしも十分ではない。

特許文献１には、点火時期のリタード等によって排気温度を上昇させ、触媒温度の上昇に伴い点火時期をＭＢＴ側に進角することによって触媒の早期活性化を図りつつ触媒未暖機中のＨＣ等の排出量を低減する技術が開示されている。
特開２０００−４５８４４号

しかしながら、特許文献１では２つの触媒金属を１つの触媒装置内に備える構成となっており、上記の技術を一方の触媒を排気マニホールド直下に、他方の触媒を床下にそれぞれ設ける構成に適用すると、床下触媒を暖機する場合に、排気マニホールド触媒直下に設けた触媒は高温に保持されることになり、触媒機能の劣化が促進されてしまうという問題があった。

そこで、本発明では、２つの触媒を所定間隔をもって直列に配置する構成において、上流側の触媒が高温に保持されて性能が劣化することを防止しつつ、両触媒の早期活性化を可能にすることを目的とする。

本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に、上流側に排気浄化用の第１触媒、その下流側に所定の間隔をもって排気浄化用の第２触媒を配置した排気浄化装置において、排気温度を上昇させる排気昇温手段と、前記第１触媒の温度を検出または推定する第１触媒温度検知手段と、前記第１触媒の温度が所定温度を超えないように前記排気昇温手段を断続的に作動させることによって、前記第２触媒を昇温させる触媒昇温制御手段と、を備える。

本発明によれば、上流側の第１触媒が所定温度を超えないようにしつつ、排気昇温手段によって下流側の第２触媒を昇温させるので、例えば前記所定温度を第１触媒が劣化しない上限温度に設定することにより、第１触媒が高温に保持されて性能が劣化することを防止しつつ第２触媒を早期活性化させることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するシステムの構成を表す図である。

１、２はそれぞれエンジン本体を構成するシリンダブロック、シリンダヘッドである。

シリンダヘッド２に設けた吸気ポート１５には吸気マニホールド１７を、そして排気ポート１６には排気マニホールド１８をそれぞれ接続する。

吸気マニホールド１７の上流には、上流側から順にエアクリーナ１３、吸入空気量を検出するエアフロメータ７、吸入空気量を調節するスロットル弁１４を設ける。なおスロットル弁１４の近傍にはスロットル弁１４の開度を検出するスロットルセンサ８を設ける。

排気マニホールド１８の直下流には第１触媒としてのＨＣ吸着型触媒１１を設け、その下流の排気通路９のいわゆる床下位置には第２触媒としての三元触媒５を設ける。

排気マニホールド１８のＨＣ吸着型触媒１１より上流には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ１０と、排気温度を検出する第１触媒温度検知手段としての第１排気温センサ２４を、そして三元触媒５の上流側近傍には排気温度を検出する第２触媒温度検知手段としての第２排気温センサ２１をそれぞれ設ける。

シリンダブロック１にはピストン２２を摺動可能に備え、また、冷却水温を検出する水温センサ１２を設ける。

シリンダヘッド２の下面には凹部を設け、この凹部とピストン２２の頂面とシリンダ壁とで燃焼室２３を画成する。凹部の略中央には点火栓４を、そして凹部の下端面付近には燃焼室２３内に向けて燃料を噴射するように燃料噴射弁３を設ける。また、点火栓４を挟むように吸気ポート１５と排気ポート１６を開口させ、これらの開口部を図示しないカムシャフトにより駆動される吸気弁１９、排気弁２０によって、ピストン２２に応動して開閉する。

エアフロメータ７、スロットルセンサ８、空燃比センサ１０、排気温センサ２１の各検出値は排気昇温手段および触媒昇温制御手段としてのコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６に入力する。Ｃ／Ｕ６はこれらの検出値に基づいて点火栓４の点火時期や燃料噴射弁３の燃料噴射量等を決定する。

上記のような構成において、ＨＣ吸着型触媒１１、三元触媒５がともに未活性の状態でエンジンを始動すると、ＨＣ吸着型触媒１１には排気マニホールド１８を通過した直後の比較的高温の排気が流れるが、この排気は排気通路９で放熱されて温度が低下した状態で三元触媒５を通過する。

したがって、床下の三元触媒５は排気マニホールド１８直下流に設けたＨＣ吸着型触媒１１に比べて昇温に要する時間が長くなる。

一般に触媒を早期に活性化させるための暖機としては、点火時期のリタードすることによって排気温度を上昇させる方法が用いられる。しかし上記のように排気マニホールド１８直下流に設けたＨＣ吸着型触媒１１と床下に設けた三元触媒５とでは暖機に要する時間が異なり、床下に設けた三元触媒５が活性化するまで点火時期リタードを行うと、排気マニホールド１８直下流のＨＣ吸着型触媒１１が過熱して性能劣化するという問題がある。

そこで、本実施形態では、図２のフローチャートに示す制御を行うことによって、ＨＣ吸着型触媒１１を過熱させることなく、床下の三元触媒５を早期に活性化させる。

以下、図２のステップにしたがって説明する。なお、図中の「マニ触媒」はマニホールド直下流に設けた触媒、すなわちＨＣ吸着型触媒１１を指し、「床下触媒」は三元触媒５を指す。したがって、マニ触媒の温度ＴＣ１はＨＣ吸着型触媒１１の温度、床下触媒の温度ＴＣ２は三元触媒５の温度である。

ステップＳ１０１で水温センサ１２の検出値ＴＷＮを読込み、予め設定した水温ＴＷＮ１であるか否かを判定する。なお、水温ＴＷＮ１はエンジン未暖機状態の水温を設定する。

水温ＴＷＮがＴＷＮ１より高い場合、つまり暖機の必要がない場合には本制御を実施しない。ＴＷＮ１より低い場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では点火時期をリタードして排気温度を上昇させる。ここでのリタード量は、エンジンが安定して運転することが可能な範囲でできるだけ大きくする。

ステップＳ１０３では空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御（空燃比リーン化制御）する。これによって、ＨＣ排出量増加の原因となる点火時期リタードを行っても、ＨＣ排出量の増加を抑制することができる。

ステップＳ１０４では、三元触媒５の温度ＴＣ２が予め設定した温度Ｔ３に達したか否かの判定を行う。なお、Ｔ３は三元触媒５が活性化する温度と略同等に設定し、三元触媒５の温度は第２排気温センサ２１の検出値に基づいて推定する。三元触媒５の温度を推定する方法としては、排気温と触媒温度との関係を予めマップ化してＣ／Ｕ６に格納しておき、検出した排気温で前記マップを検索してもよいし、排気温を触媒温度に変換するための係数を予め求めておき、演算によって算出してもよい。

三元触媒５の温度ＴＣ２がＴ３に達している場合、すなわち三元触媒５が活性化した場合にはステップＳ１０５、Ｓ１０６で点火時期をＭＢＴに、空燃比を理論空燃比に設定して本制御を終了する。

Ｔ３に達していない場合、すなわち三元触媒５が未活性の場合には、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、ＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１が、予め設定した温度ＴＭＡＸ１に達したか否かを判定する。なお、ＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１は第１排気温センサ２４の検出値に基づいて推定し、ＴＭＡＸ１はＨＣ吸着型触媒１１の劣化が急速に進む温度に設定する。ＨＣ吸着型触媒１１の温度の推定は、前述した三元触媒５の温度の推定と同様の方法で行う。

温度ＴＣ１がＴＭＡＸ１に達していない場合にはステップＳ１０２に戻り、達している場合にはステップＳ１０８、Ｓ１０９でステップＳ１０５、Ｓ１０６と同様に点火時期をＭＢＴに、空燃比を理論空燃比に設定し、ステップＳ１１０に進む。点火時期をＭＢＴに進角することによって排気音は低下するので、ＨＣ吸着型触媒１１が劣化する程度の高温に保持されることを防止できる。

ステップＳ１１０ではＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１が予め設定した温度ＴＭＡＸ２まで低下したか否かの判定を行い、低下している場合にはステップＳ１０２に進み、再び排気温を昇温する。温度ＴＣ１がＴＭＡＸ２まで低下していない場合にはステップＳ１０８に戻る。なお、ＴＭＡＸ２はＴＭＡＸ１よりも低い温度に設定する。

図２のフローチャートにしたがって制御を行った結果について図４を参照して説明する。

図４は触媒の温度、点火時期、空燃比と、ＨＣ吸着型触媒１１、三元触媒５から排出されるＨＣの量についてのタイムチャートである。

ｔ０でエンジンを始動すると、ＨＣ吸着型触媒１１と三元触媒５の温度が上昇する。

ｔ１で水温ＴＷＮが予め設定した水温ＴＷＮ１よりも低いと判定し、点火時期リタードにより排気温を昇温して両触媒の暖機を促進させ、また空燃比リーン化制御を行うことによってＨＣ排出量の低減を図る。

ｔ３でＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１がＴＭＡＸ１に達すると、点火時期をＭＢＴに進角し、空燃比を理論空燃比に設定する。これによりＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１は低下し、三元触媒５の温度ＴＣ２の上昇は鈍くなる。

ｔ４でＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ１がＴＭＡＸ２まで低下すると、再び点火時期リタード、空燃比リーン化制御を行う。これにより三元触媒５の温度ＴＣ２の上昇率が増大する。

そしてｔ５で三元触媒５の温度ＴＣ２がＴ３に達したら本制御を終了する。

ＨＣ吸着型触媒１１からのＨＣ排出量は、エンジン始動後に増大している。これはＨＣ吸着型触媒１１が活性化していないことと、エンジン始動時の燃料噴射量増量によるものである。自立運転開始後には設定通りのリーン空燃比となるため、徐々に排出量は低減する。そして、ｔ２でＨＣ吸着型触媒１１は活性化しているので、ｔ２経過後まもなくＨＣ排出量はほぼゼロまで減少する。

三元触媒５からのＨＣ排出量は、ＨＣ吸着型触媒１１と同様にエンジン始動後に増大し、その後徐々に低減する。しかし、ｔ２経過後も未活性の状態なので、その低減率は小さく、ｔ５で活性化した後に、ほぼゼロとなる。

以上のように、本実施形態では、排気マニホールド１８の直下流にＨＣ吸着型触媒１１、その下流側に所定の間隔をもって三元触媒５を配置した排気浄化装置において、点火時期リタードによって排気温度を上昇させる排気昇温手段と、ＨＣ吸着型触媒１１の温度を推定するための排気温度を検出する第１排気温センサ２４と、ＨＣ吸着型触媒１１の温度が性能劣化が促進される程度の高温にならないように断続的に点火時期リタードを行うことによって、下流側に設けた三元触媒５を昇温させるので、下流側に設けた三元触媒５の暖機を促進しつつ、上流側のＨＣ吸着型触媒１１が高温に保持されて劣化することを防止できる。

点火時期をリタードする時には、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するので、触媒暖機中の点火時期リタード時のＨＣ排出量を抑制することができる。

なお、本実施形態では２つの排気温センサ２１、２４を用いてＨＣ吸着型触媒１１、三元触媒５の温度をそれぞれ推定したが、ＨＣ吸着型触媒１１と三元触媒５の間に一つの排気温センサを設け、この検出値に基づいて両触媒の温度を推定してもよい。

第２実施形態について説明する。

本実施形態のシステムの構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、ＨＣ吸着型触媒１１と三元触媒５の位置が異なり、ＨＣ吸着型触媒１１を床下に、そして三元触媒５を排気マニホールド１８直下流に設ける。

次に、本実施形態の制御について図３のフローチャートを参照して説明する。なお、図中の「マニ触媒」はマニホールド直下流に設けた触媒、すなわち三元触媒５を指し、「床下触媒」はＨＣ吸着型触媒１１を指す。したがって、マニ触媒の温度ＴＣ１は三元触媒５の温度、床下触媒の温度ＴＣ２はＨＣ吸着型触媒１１の温度である。

ステップＳ２０１で水温センサ１２の検出値ＴＷＮを読込み、予め設定した水温ＴＷＮ１であるか否かを判定する。水温ＴＷＮがＴＷＮ１より高い場合は本制御を実施しない。ＴＷＮ１より低い場合にはステップＳ２０２に進む。なお、水温ＴＷＮ１はエンジン未暖機状態の水温を設定する。

ステップＳ２０２では点火時期をリタードする。ここでのリタード量は、エンジンが安定して運転できる範囲でできるだけ大きくする。

ステップＳ２０３では空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御する。

ステップＳ２０４では第１排気温センサ２４の検出値に基づいて三元触媒５の温度ＴＣ１を推定し、ＴＣ１が予め設定した温度Ｔ１に達したか否かを判定する。Ｔ１は三元触媒５が活性化する温度に設定する。

三元触媒５の温度ＴＣ１がＴ１に達していない場合にはステップＳ２０２に戻り、達している場合にはステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５では点火時期をＭＢＴ（Minimum advance for best torque）まで進角させ、ステップＳ２０６で空燃比を理論空燃比に設定する。

ステップＳ２０７では、第２排気温センサ２１の検出値に基づいてＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ２を推定し、ＴＣ２が予め設定したＴ２に達したか否かを判定する。なお、Ｔ２はＨＣ吸着型触媒１１に吸着しているＨＣが脱離を開始する温度と略同等の温度に設定する。

ＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ２がＴ２に達していない場合にはステップＳ２０５に戻り、達している場合にはステップＳ２０８に進む。

ステップＳ２０８ではステップＳ２０２と同様に点火時期をリタードし、ステップＳ２０９ではステップＳ２０３と同様に空燃比をリーン側に設定する。

ステップＳ２１０では、ＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ２が予め設定した温度Ｔ３に達したか否かの判定を行う。達している場合にはステップＳ２１１、Ｓ２１２でステップＳ２０５、Ｓ２０６と同様に点火時期をＭＢＴに、空燃比を理論空燃比に設定する。達していない場合には、ステップＳ２０１に進む。なお、Ｔ３はＨＣ吸着型触媒５が活性化する温度に設定する。

ステップＳ２１３では三元触媒５の温度ＴＣ１が予め設定した温度ＴＭＡＸ１に達したか否かを判定する。達していない場合にはステップＳ２０８に戻る。達している場合にはステップＳ２１４でステップＳ２１１と同様に点火時期をＭＢＴに進角し、ステップＳ２１５に進む。なお、ＴＭＡＸ１は三元触媒５の劣化が急速に進む温度に設定する。

また、ステップＳ２０５、Ｓ２０６と異なり、ステップＳ２１４で点火時期をＭＢＴに進角した後に空燃比を理論空燃比に戻さないのは、ＨＣ吸着型触媒１１のＨＣ吸着効率は図６のＨＣ吸着型触媒効率マップに示すように空燃比がリーンになるほど高くなるという特性を利用し、より高効率でＨＣ吸着型触媒１１を機能させるためである。

ステップＳ２１５では三元触媒５の温度ＴＣ１が予め設定した温度ＴＭＡＸ２まで低下したか否かの判定を行い、低下している場合にはステップＳ２０８に、低下していない場合にはステップＳ２１４に進む。なお、ＴＭＡＸ２はＴＭＡＸ１よりも低い温度に設定する。

図３のフローチャートにしたがって制御を行った結果について図５を参照して説明する。

図５は図４と同様に触媒の温度、点火時期、空燃比と、ＨＣ吸着型触媒１１、三元触媒５から排出されるＨＣの量についてのタイムチャートである。

ｔ０でエンジンを始動すると、ＨＣ吸着型触媒１１と三元触媒５の温度が上昇する。

ｔ１で水温ＴＷＮが予め設定した水温ＴＷＮ１よりも低いと判定し、点火時期リタード、空燃比リーン化制御を行うことによって排気温を上昇させて両触媒５、１１の暖機を促進する。

ｔ２で三元触媒５が活性化温度に略等しい温度Ｔ１に達すると、点火時期をＭＢＴに進角し、空燃比を理論空燃比に設定する。これにより、暖機中の燃費を向上、ＨＣ排出量の低減を図ることができる。

ｔ３でＨＣ吸着型触媒１１がＨＣ脱離温度に略等しい温度Ｔ２に達すると、点火時期をリタードし、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する。これにより、ＨＣ吸着型触媒１１が活性化するまでの時間を短縮され、ＨＣ排出量を低減することができる。

ｔ４で三元触媒５の温度ＴＣ１がＴＭＡＸ１に達したら点火時期をＭＢＴに進角する。これにより三元触媒５の温度ＴＣ１は低下し、ＨＣ吸着型触媒１１の温度ＴＣ２の上昇は鈍くなる。

ｔ５で三元触媒５の温度ＴＣ１がＴＭＡＸ２まで低下したら点火時期をリタードする。これにより両触媒の暖機が促進される。

ｔ６でＨＣ吸着型触媒１１の温度が活性化温度に達したら、本制御を終了する。

三元触媒５からのＨＣ排出量は、エンジン始動後に増大している。これは三元触媒５が活性化していないことと、エンジン始動時の燃料噴射量増量によるものである。自立運転開始後には設定通りのリーン空燃比となるため、徐々に排出量は低減する。そして、ｔ２で三元触媒５は活性化しているので、ｔ２経過後まもなくＨＣ排出量はほぼゼロまで減少する。

ＨＣ吸着型触媒１１からのＨＣ排出量は、三元触媒５と同様にエンジン始動後増大し、その後徐々に減少するが、ｔ２経過時点では未活性の状態なので、三元触媒５のようにゼロまでは減少しない。ｔ３でＨＣ脱離温度に達すると、吸着していたＨＣが脱離を開始するのでＨＣ排出量は再び増大する。しかし、空燃比がリーンのままなのでＯ₂発生量が多く、このＯ₂によってＨＣが浄化されて徐々に減少し、ｔ６経過後はほぼゼロとなる。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、下流側に設けたＨＣ吸着型触媒１１のの温度が所定温度に達した場合には、ＨＣ吸着型触媒１１が活性化するまでの間、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に固定するので、ＨＣ吸着型触媒１１を効率の良い状態で使用することができ、ＨＣ排出量を低減することができる。

排気マニホールド１８の直下流に設けた三元触媒５が活性化温度に達したら点火時期をＭＢＴに進角するので、触媒暖機中の燃費を向上させることができる。

ＨＣ吸着型触媒１１がＨＣ脱離温度に達したら、点火時期をリタードすることによって暖機を促進するので、脱離開始からＨＣ吸着型触媒１１が活性化するまでの時間を短縮し、ＨＣ排出量を低減することができる。

また、温度Ｔ１〜Ｔ３の設定次第で、床下に備える触媒の温度を任意のタイミングで昇温させることが可能である。

なお、第１、２実施形態ではいわゆる筒内直噴式エンジンについて説明を行ったが、吸気ポート内に燃料噴射を行うエンジンについても同様に適用可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、排気通路中に２つの排気浄化用触媒を備える機関に適用可能である。

本実施形態のシステムの構成を表す図である。 第１実施形態の制御フローチャートである。 第２実施形態の制御フローチャートである。 第１実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。 第２実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。

符号の説明

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ 燃料噴射弁
４ 点火栓
５ 三元触媒
６ コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）
７ エアフロメータ
８ スロットルセンサ
９ 排気通路
１０ 空燃比センサ
１１ ＨＣ吸着型触媒
１２ 水温センサ
１３ エアクリーナ
１４ スロットル弁
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 吸気マニホールド
１８ 排気マニホールド
１９ 吸気弁
２０ 排気弁
２１ 第２排気温センサ
２２ ピストン
２３ 燃焼室
２４ 第１排気温センサ

Claims (7)

1. エンジンの排気通路に、上流側に排気浄化用の第１触媒、その下流側に所定の間隔をもって排気浄化用の第２触媒を配置した排気浄化装置において、
   排気温度を上昇させる排気昇温手段と、
   前記第１触媒の温度を検出または推定する第１触媒温度検知手段と、
   前記第１触媒の温度が所定温度を超えないように前記排気昇温手段を断続的に作動させることによって、前記第２触媒を昇温させる触媒昇温制御手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記排気昇温手段は、点火時期リタードにより排気温度を上昇させる請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記所定温度は、前記第１触媒の熱劣化が促進される温度である請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記触媒昇温制御手段は、前記排気昇温手段の作動時に空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
5. 前記第１触媒がＨＣ吸着型触媒、前記第２触媒が三元触媒である請求項１〜４のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
6. 前記第１の触媒が三元触媒、前記第２触媒がＨＣ吸着型触媒である請求項１〜４のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
7. 前記第２触媒の温度を検出または推定する第２触媒温度検知手段を備え、
   前記第２触媒の温度が所定温度に達した場合には、前記触媒昇温制御手段は前記第２触媒が活性化するまでの間、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に固定する請求項５に記載の排気浄化装置。

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