JP2008190438A - ハイブリッド車両の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッド車両において、エンジン始動時にＮＯｘ吸蔵触媒が低温である場合でもＮＯｘの浄化性能の低下を防止する。
【解決手段】ハイブリッド車両の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒を有する。ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側には、オゾン生成器が設けられ、排気通路のＮＯｘ吸蔵触媒より上流側にオゾン（Ｏ３）を供給する。ハイブリッド車両では、電動機を推進力とするモータ走行中には内燃機関が停止するため、その間に内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒の触媒床温が低下し、ＮＯの吸蔵能力が低下する。そこで、内燃機関の始動前又は始動と同時に排気通路にオゾンを供給する。オゾンは、排気中のＮＯを酸化してＮＯ２とする。触媒床温が低温であってもＮＯｘ吸蔵触媒はＮＯ２を浄化することができるので、ＮＯｘの浄化性能を維持することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ハイブリッド車両における内燃機関の排気浄化を行う装置に関する。
ディーゼルエンジンにおいて、排気通路に一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）などの窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を浄化するＮＯｘ吸蔵触媒を設けることが知られている。ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気がリーン状態であるときにＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ状態であるときに吸蔵されたＮＯｘを還元して窒素として処理する。
ＮＯｘ吸蔵触媒では、エンジンの低温時に、ＮＯ２の吸蔵能力は低下しないが、ＮＯの吸蔵能力が低下することが知られている。この観点から、エンジンの低温時には、酸化触媒により排気中のＮＯを酸化してＮＯ２としてＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵させる手法が提案されている（特許文献１を参照）。
なお、特許文献２は、粒子状物質（ＰＭ）の再生にオゾンやＮＯ２を利用し、特に低温時にオゾンを使用する方法を記載している。また、特許文献３は、ＮＯｘ吸蔵触媒の不活性時にＮＯ２を増やす制御を行うことを記載している。
特表２００３−５３６０１２号公報 特表２００５−５０２８２３号公報 特開２００５−３０３８０号公報
特許文献１に記載された技術では、排気中のＮＯを酸化触媒により酸化するため、酸化触媒を加熱などにより昇温する必要がある。しかし、触媒の昇温は燃料消費を伴うため、燃費の悪化が問題となる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ハイブリッド車両において、エンジン始動時にＮＯｘ吸蔵触媒が低温である場合でもＮＯｘの浄化性能の低下を防止することを目的とする。
本発明の１つの観点では、車両の推進力を出力する内燃機関及び電動機を備えるハイブリッド車両の排気浄化装置は、前記内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒と、前記排気通路の前記ＮＯｘ吸蔵触媒より上流の位置にオゾンを供給するオゾン生成器と、前記内燃機関の始動前又は始動と同時に、前記オゾン生成器によるオゾン供給を実行させる制御手段と、を備える。
上記の排気浄化装置は、ハイブリッド車両の内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化するものであり、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒と、オゾン生成器とを有する。オゾン生成器はオゾンを生成し、排気通路のＮＯｘ吸蔵触媒より上流側にオゾン（Ｏ３）を供給する。また、制御手段は、内燃機関の始動前又は始動と同時に、オゾンの供給を実行させる。
ハイブリッド車両では、電動機を推進力とするモータ走行中には内燃機関が停止するため、その間に内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒の触媒床温も低下する。ＮＯｘ吸蔵触媒は、低温時にはＮＯ２の吸蔵能力は低下しないが、ＮＯの吸蔵能力が低下する性質を有する。よって、モータ走行後に内燃機関を始動した場合、ＮＯｘ吸蔵触媒が低温であると、排気通路に排出されたＮＯを浄化できないという問題が起こりうる。そこで、内燃機関の始動前又は始動と同時に排気通路にオゾンを供給する。オゾンは、排気中のＮＯを酸化してＮＯ２とする。ＮＯｘ吸蔵触媒は、触媒床温が低温であってもＮＯ２を浄化することができるので、ＮＯｘの浄化性能を維持することができる。
上記の排気浄化装置の一態様では、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒床温を取得する温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記触媒床温が所定の基準温度より低い場合に、前記オゾン供給を実行させる。この態様では、温度検出手段により、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒床温が検出され、低温である場合にオゾン供給が実行される。
上記の排気浄化装置の他の一態様では、前記制御手段は、前記オゾン供給を実行した後、前記触媒床温が前記基準温度を超えたときに、前記オゾン供給を停止させる。この態様では、触媒床温が上昇した後は、ＮＯｘ吸蔵触媒によるＮＯの吸蔵能力が回復するので、オゾン供給が停止される。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
［車両の構成］
まず、本実施形態に係るハイブリッド車両の制御装置を適用したハイブリッド車両について、図１を参照して説明する。
図１は、ハイブリッド車両１００の概略構成を示す図である。ハイブリッド車両１００は、主に、エンジン（内燃機関）１と、車軸２と、車輪３と、モータ（モータジェネレータ）ＭＧ１、ＭＧ２と、プラネタリギヤ４と、インバータ５と、バッテリ６と、ＳＯＣセンサ６ａと、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｏｌ Ｕｎｉｔ）２０と、を備える。
車軸２は、エンジン１及びモータＭＧ２の動力を車輪３に伝達する動力伝達系の一部である。車輪３は、ハイブリッド車両１００の車輪であり、説明の簡略化のため、図１では特に左右前輪のみが表示されている。エンジン１は、例えばディーゼルエンジンなどによって構成され、ハイブリッド車両１００の主たる推進力を出力する動力源として機能する。エンジン１は、ＥＣＵ２０によって種々の制御が行われる。具体的には、ＥＣＵ２０は、エンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度（スロットル開度）を制御したりする。
モータＭＧ１は、主としてバッテリ６を充電するための発電機として、或いはモータＭＧ２に電力を供給するための発電機として機能する。また、モータＭＧ２は、エンジン１の代わりの動力源として機能し、又は、エンジン１の出力をアシスト（補助）する電動機として機能する。これらのモータＭＧ１及びモータＭＧ２は、例えば同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータとを備える。プラネタリギヤ（遊星歯車機構）４は、エンジン１の出力をモータＭＧ１及び車軸２へ分配することが可能に構成され、動力分割機構として機能する。
インバータ５は、バッテリ６と、モータＭＧ１及びモータＭＧ２との間の電力の入出力を制御する直流交流変換機である。例えば、インバータ５は、バッテリ６から取り出した直流電力を交流電力に変換してモータＭＧ２に供給し、或いはモータＭＧ１によって発電された交流電力をモータＭＧ２に供給する。また、インバータ５は、モータＭＧ１によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ６に供給する。
バッテリ６は、モータＭＧ１及びモータＭＧ２を駆動するための電源として機能することが可能に構成された充電可能な蓄電池である。また、ＳＯＣセンサ６ａは、バッテリ６の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出することが可能に構成されたセンサである。ＳＯＣセンサ６ａは、ＥＣＵ２０と電気的に接続されており、バッテリ６の充電状態は、常にＥＣＵ２０によって把握される構成となっている。
ＥＣＵ２０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、ハイブリッド車両１００の動作全体を制御する電子制御ユニットである。ＥＣＵ２０は、本発明における制御手段として機能する。
なお、上記では、エンジン１に対する制御、及びモータＭＧ１、ＭＧ２などに対する制御の両方を、ＥＣＵ２０が実行する実施形態を示したが、本発明の適用はこれに限定はされない。他の例では、エンジン１に対する制御を行うＥＣＵと、モータＭＧ１、ＭＧ２などに対する制御を行うＥＣＵとが別個に存在する場合には、これらのＥＣＵが協調して、前述したような制御などを実行することができる。
図２は、本発明に係る排気浄化装置を適用したハイブリッド車両１００の排気系の構成例を示す。エンジン１の排気通路１１には、ＮＯｘ吸蔵還元（ＮＳＲ：ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒（以下、「ＮＯｘ吸蔵触媒」と呼ぶ。）１４が設けられる。ＮＯｘ吸蔵触媒１４には、触媒床温を検出する温度センサ１５が取り付けられており、温度センサ１５は検出した触媒床温を示す検出信号Ｓ１５をＥＣＵ２０に供給する。なお、温度センサ１５により触媒床温を直接検出する代わりに、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の上流側に排気温センサを設け、検出した排気温から触媒床温を推定することとしてもよい。これら温度センサ又は排気温センサは、本発明における温度検出手段として機能する。
排気通路１１は枝路１１ａを通じてオゾン生成器１２に接続されている。オゾン生成器１２は、ＥＣＵ２０から供給される制御信号Ｓ１２によりオン／オフが制御される。オゾン生成器１２は、オゾン（Ｏ３）を生成し、排気通路１１におけるＮＯｘ吸蔵触媒１４の上流側位置に供給する。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の上流側位置において、排気通路１１内の排気にオゾンを供給することができる。
［排気浄化制御］
次に、本発明による排気浄化制御について説明する。ハイブリッド車両においては、動力源としてのエンジンと電動機（モータ）を切り替えて走行することが行われる。エンジンのみの推進力を利用して走行している場合（「エンジン走行」と呼ぶ。）はエンジンが動作しているため、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の床温は高い状態となっておりＮＯｘの浄化性能に支障はない。一方、モータＭＧ２のみの推進力を利用して走行している場合（「モータ走行」と呼ぶ。）、エンジン１は停止しているので、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の床温は低下する。よって、モータ走行からエンジン走行に駆動源が切り替えられ、エンジン１が始動するときには、触媒床温が低くなっていることがある。
図３は、ハイブリッド車両１００の走行中の触媒床温の変化例を示す。この例では、時刻ｔ１〜ｔ２まではハイブリッド車両１００はモータ走行しており、エンジン１が停止しているため、触媒床温は徐々に低下している。時刻ｔ２において、動力源をモータＭＧ２からエンジン１に切り替えるために、エンジン１が始動する。その後は、ハイブリッド車両１００はエンジン走行し、触媒床温は徐々に上昇する。
前述のように、触媒床温が低温である場合、ＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯの吸蔵能力は低下する。図３において、温度Ｔｘは、ＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯの吸蔵能力が維持できる下限温度（「ＮＯ吸蔵下限温度」と呼ぶ。）である。即ち、触媒床温がＮＯ吸蔵下限温度Ｔｘより低くなると、ＮＯｘ吸蔵触媒１４は排気中のＮＯを吸蔵する能力が低下する。なお、触媒床温がＮＯ吸蔵下限温度Ｔｘより低くても、ＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯ２の吸蔵能力は低下しない。よって、モータ走行からエンジン走行への切り替え時にエンジン１を始動した際に、触媒床温がＮＯ吸蔵下限温度Ｔｘより低いと、ＮＯｘ吸蔵触媒はＮＯを十分に吸蔵することができず、ＮＯｘの浄化能力が低下してしまう。
そこで、本発明では、エンジン１の始動時に、オゾン生成器１２によりオゾンを発生し、排気通路１１に供給する。これにより、排気中のＮＯはオゾンにより酸化され、ＮＯ２となる。即ち、
ＮＯ＋Ｏ３ → ＮＯ２＋Ｏ２
の反応が生じる。前述のように、触媒床温が低くてもＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯ２の吸蔵能力は低下しないので、ＮＯを酸化してＮＯ２とすることにより、ＮＯｘを適切に浄化することができる。
このように、本発明では、エンジン１の始動時にはオゾンによりＮＯを酸化してＮＯ２として、ＮＯｘ吸蔵触媒１４により浄化する。よって、エンジン１の始動時に触媒床温が低温であったとしても、ＮＯｘ浄化性能を維持することができる。
また、本発明の方法は、酸化触媒によりＮＯを酸化してＮＯ２とする手法と比較して以下の利点を有する。まず第１に、酸化触媒による方法では触媒床温が低下する度に酸化触媒を昇温する必要があるが、本発明ではその必要が無いので、昇温のために使用される燃費の低下を防止することができる。第２に、酸化触媒による方法では触媒の昇温時に触媒の伝熱時間などの要素を考慮する必要がある。ハイブリッド車両においてエンジンが始動する場合、触媒床温が低いにも拘わらずエンジン負荷が高い状態でエンジンを始動させるのに対し、触媒の昇温に時間を要するために瞬時にエンジン始動を行うことができない。よって、エンジンの始動までに時間がかかってしまう。本発明ではそのような不具合は生じない。第３に、酸化触媒による方法では、触媒の昇温が不十分であるとＮＯｘの浄化性能が低下するため、エミッションが悪化するが、本発明ではオゾンを利用するのでそのような不具合は生じない。
（第１実施例）
次に、本発明の排気浄化制御の第１実施例を説明する。第１実施例は、ハイブリッド車両１００のモータ走行中に、バッテリの電力残量が低下したために、エンジン走行に切り替える場合の制御である。
図４は、第１実施例による排気浄化制御のタイミングチャートである。ハイブリッド車両１００がモータ走行をしている状態で、バッテリ６の電力残量が少ないことを検知すると、ＥＣＵ２０はエンジンを始動すべきと判断し、まずオゾン生成器１２をオンにする（時刻ｔ４）。これにより、生成されたオゾンが排気通路１１に供給される。次に、ＥＣＵ２０はエンジン１を始動する（時刻ｔ５）。エンジン１の始動により、ＮＯを含む排気が排気通路１１に流れるが、既に排気通路１１にはオゾンが供給されているので、排気中のＮＯはオゾンにより酸化されてＮＯ２となり、ＮＯｘ吸蔵触媒１４に吸蔵され、浄化される。このように、エンジン始動に先だってオゾンを排気通路１１に供給することにより、ＮＯを酸化してＮＯ２とし、ＮＯｘ吸蔵触媒１４により確実に浄化することができる。
図５は、第１実施例による排気浄化制御のフローチャートである。この処理は、ハイブリッド車両１００がモータ走行している間に実行される。なお、このフローチャートでは、上記のエンジン始動の判定に加えて、触媒床温の判定を含んでいる。
まず、ＥＣＵ２０は、バッテリ６のＳＯＣセンサ６ａからの検出信号に基づいて、モータ走行に使用するバッテリの電力残量が規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。バッテリの電力残量が規定値以下でない場合、モータ走行が継続可能であるので、処理は終了する。
一方、バッテリの電力残量が規定値以下である場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ吸蔵触媒１４に取り付けられた温度センサ１５からの検出信号に基づいて、触媒床温が所定の基準温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。なお、好適な例では「所定の基準温度」は、前述のＮＯ吸蔵下限温度Ｔｘに設定される。触媒床温が基準温度以下でない場合、ＮＯｘ吸蔵触媒１４のＮＯ吸蔵能力は低下しないので、オゾンを生成する必要はなく、処理は終了する。
一方、触媒床温が基準温度以下である場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０はまず制御信号Ｓ１２によりオゾン生成器１２を始動し（ステップＳ１０３）、次にエンジン１を始動する（ステップＳ１０４）。これにより、触媒床温が基準温度以下であり、ＮＯの吸蔵能力が低下している場合でも、オゾンによりＮＯはＮＯ２に酸化されてＮＯｘ吸蔵触媒１４により浄化される。
その後、ＥＣＵ２０は、触媒床温が基準温度に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。触媒床温が基準温度に到達したときには、ＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯの吸蔵能力は回復しているので、ＥＣＵ２０はオゾン生成器１２を停止する（ステップＳ１０６）。こうして、処理は終了する。
（第２実施例）
次に、本発明の排気浄化制御の第２実施例を説明する。第２実施例は、ハイブリッド車両１００のモータ走行中に急加速要求があった場合に、又は、ハイブリッド車両１００が停車中に急発進要求があった場合において、瞬時にエンジン走行を行う際の制御である。
図６は、第２実施例による排気浄化制御のタイミングチャートである。上記のように急加速要求又は急発進要求があった場合、エンジン１を瞬時に高負荷で運転する必要があり、第１実施例のように前もってオゾンを生成しておくことはできない。よって、ＥＣＵ２０は、急加速要求又は急発進要求を受けると、直ちにエンジン１を始動すると同時にオゾン生成器１２を始動する（時刻ｔ７）。なお、ここでの「同時」とは、実際のエンジン１の始動及びオゾン生成器１２の始動に要する時間により、厳密にはエンジン１の始動とオゾン生成器１２の始動が時間的に多少前後する場合を含む概念である。
これにより、エンジンが始動してＮＯを含む排気が排気通路１１に流れるのと同時にオゾン生成器１２からオゾンが排気通路に供給されるので、ＮＯが酸化されてＮＯ２となり、ＮＯｘ吸蔵触媒１４により適切に浄化される。
図７は、第２実施例による排気浄化制御のフローチャートである。この処理は、上述のように、急加速要求又は急発進要求があった場合に実行される。なお、このフローチャートでは、上記のエンジン始動の判定に加えて、触媒床温の判定を含んでいる。
まず、ＥＣＵ２０は、急加速要求又は急発進要求によりエンジンの始動条件が具備されたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。エンジン始動条件が具備されない場合、処理は終了する。
一方、エンジン始動条件が具備された場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ吸蔵触媒１４に取り付けられた温度センサ１５からの検出信号に基づいて、触媒床温が所定の基準温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。なお、好適な例として「所定の基準温度」が前述のＮＯ吸蔵下限温度Ｔｘに設定されるのは第１実施例と同様である。触媒床温が基準温度以下でない場合、ＮＯｘ吸蔵触媒１４のＮＯ吸蔵能力は低下しないので、オゾンを生成する必要はなく、処理は終了する。
一方、触媒床温が基準温度以下である場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２０はエンジン１を始動する（ステップＳ２０３）とともに、制御信号Ｓ１２によりオゾン生成器１２を始動する（ステップＳ２０４）。これにより、触媒床温が基準温度以下であり、ＮＯの吸蔵能力が低下している場合でも、オゾンによりＮＯはＮＯ２に酸化されてＮＯｘ吸蔵触媒１４により浄化される。
その後、ＥＣＵ２０は、触媒床温が基準温度に到達したか否かを判定する（ステップＳ２０５）。触媒床温が基準温度に到達したときには、ＮＯｘ吸蔵触媒１４によるＮＯの吸蔵能力は回復しているので、ＥＣＵ２０はオゾン生成器１２を停止する（ステップＳ１０６）。こうして、処理は終了する。
［変形例］
上記の説明では、便宜上図２に示すように排気通路１１にＮＯｘ吸蔵触媒１４のみを有する構成を用いたが、本発明の適用はこれには限られず、さらに他の触媒やフィルタなどを組み合わせて用いることが可能である。
図８（Ａ）の例では、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の上流に酸化触媒２２を設ける。この例では、オゾンによるＮＯの酸化に加えて、酸化触媒によるＮＯの酸化も期待でき、ＮＯを確実にＮＯ２に酸化して処理することができる。
図８（Ｂ）の例では、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の代わりにＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒２３を用いる。ＤＰＮＲ触媒２２は、ＮＯｘ吸蔵触媒と多孔質セラミック構造体とを組み合わせたものであり、オゾン及びＮＯ２によりＮＯｘとＰＭを同時に大幅に低減することができる。
図８（Ｃ）の例では、ＮＯｘ吸蔵触媒１４の上流側にＤＰＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒２４を配置したものであり、図８（Ｂ）のようにＤＰＮＲ触媒を配置した場合と同様に、ＮＯｘとＰＭを同時に低減することができる。
即ち、図８（Ａ）〜（Ｃ）の例においても、第１及び第２実施例と同様にエンジン始動時にオゾンを供給することにより、ＮＯをＮＯ２に酸化して確実に浄化することができる。
本発明の実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す。 実施形態に係るハイブリッド車両の排気系の構成を示す。 ハイブリッド車両の走行中の触媒床温の変化を示すグラフである。 第１実施例による排気浄化制御のタイミングチャートである。 第１実施例による排気浄化制御のフローチャートである。 第２実施例による排気浄化制御のタイミングチャートである。 第２実施例による排気浄化制御のフローチャートである。 ハイブリッド車両の排気系構造の変形例を示す。
符号の説明
１ エンジン（内燃機関）
５ インバータ
６ バッテリ
１１ 排気通路
１２ オゾン生成器
１４ ＮＯｘ吸蔵触媒
１５ 温度センサ
２０ ＥＣＵ
ＭＧ１、ＭＧ２ モータ

Claims (3)

  1. 車両の推進力を出力する内燃機関及び電動機を備えるハイブリッド車両の排気浄化装置であって、
    前記内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒と、
    前記排気通路の前記ＮＯｘ吸蔵触媒より上流の位置にオゾンを供給するオゾン生成器と、
    前記内燃機関の始動前又は始動と同時に、前記オゾン生成器によるオゾン供給を実行させる制御手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド車両の排気浄化装置。
  2. 前記ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒床温を取得する温度検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記触媒床温が所定の基準温度より低い場合に、前記オゾン供給を実行させることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両の排気浄化装置。
  3. 前記制御手段は、前記オゾン供給を実行した後、前記触媒床温が前記基準温度を超えたときに、前記オゾン供給を停止させることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両の排気浄化装置。
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