JP2008291801A - 排気装置の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気装置の温度制御装置において、触媒担体を保持する周囲環境であるマット部材の温度変化から、マット部材自体を保護するだけでなく、触媒担体の保護性能を確保することにある。
【解決手段】制御手段は、マット部材を温度管理するための設定温度と設定時間とを予め定めて有するとともに、マット部材の検知された温度が設定温度以上の状態となった場合に、温度低減手段を所定時間以上継続して動作する。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気装置の温度制御装置に係り、特に排気装置及びその周辺装置の温度管理制御する排気装置の温度制御装置に関する。

車両における排気装置の温度制御装置には、内燃機関の排気装置で触媒担体及びこの触媒担体を保持するマット部材を有する触媒コンバータと、排気装置の温度を下げ得る温度低減手段と、排気装置の温度が高温となり得る機関運転状態の時に排気装置の温度を下げるように温度低減手段を制御する制御手段とを設けたものがある。

従来、内燃機関の触媒温度制御装置には、触媒コンバータを、高回転、高負荷運転が所定時間継続した時に触媒温度が高温であると判断し、燃料増量又は点火時期進角によって冷却し、温度検出センサをなくして触媒コンバータの温度を調整するものがある。
内燃機関の窒素酸化物浄化装置には、複数の触媒装置の配置を交互に変更し、上流側の触媒装置に対して昇温サイクルを実行し、浄化率を向上させるものがある。
内燃機関の加速時制御装置には、触媒温度センサからの触媒温度信号を入力して内燃機関のエンリッチディレイ制御中に触媒温度が所定温度を超えた際には、このエンリッチディレイ制御を中止してエンリッチ制御を開始し、触媒の過熱を防止するものがある。
内燃エンジンの触媒温度制御装置には、触媒温度検出手段により検出された触媒床温度が所定温度よりも高い時に排気還流量を増量し、この排気還流量の増量が所定時間経過した場合で触媒床温度が所定温度よりも高い時には空燃比を濃化し、触媒床温度の低下を図るものがある。
車両用内燃エンジン制御装置には、排気系の温度判別手段からの出力に応じて、スロットル弁開度を開閉動作且つ自動変速機をシフト制御するものがある。
特開平７−１０９９４６号公報 特開平９−５３４４０号公報 特開１９９７−９６２３４号公報 特許第２８６９９０３号公報 特許第３３５７４９２号公報

ところで、従来、排気装置の温度制御装置においては、セラミックス製の触媒担体のマット部材による保持において、内燃機関の高負荷運転時にマット部材の温度であるマット温度が高温になることによって、マット部材の劣化等により触媒担体の保持不良の不具合が発生する場合があった。
また、図５に示すように、走行中の触媒担体の温度である触媒温度とマット温度との挙動は時間的にずれがあって比例しておらず、また、触媒温度に現れるピークがマット温度には現れなかったりし、このため、従来の触媒温度制御では、マット温度を制御できない可能性がある。
すなわち、マット部材の劣化による触媒担体の保持力の低下により、マット部材を覆う触媒ケースの内部で触媒担体の位置がずれてしまって触媒担体にガタツキが生ずるために、触媒ケースと触媒担体とが直接接触し、触媒担体の欠けや割れ等を引き起こすという不具合がある。従って、マット部材の劣化回避の重要性は、触媒担体と同等又はそれ以上であると考えられる。また、触媒担体の保持力の劣化によって触媒担体が触媒ケース内で排ガスの下流側にずれることにより、触媒温度が低下したり、触媒担体を正しく通過しない排ガスが発生したりして、本来の触媒担体の性能が発揮されない（特に、冷機始動時等）という不具合が生ずる。従って、特に、異常事態が発生した場合等で、触媒温度の制御だけでは排気浄化システム全体の不具合を検知しきれない可能性があった。

そこで、この発明の目的は、触媒担体を保持するマット部材の劣化防止及びそれに基づいて触媒担体を保護することで、触媒担体及びマット部材の両者の耐久性を確保する排気装置の温度制御装置を提供することにある。

この発明は、内燃機関の排気装置と、この排気装置に設けられる触媒担体と、この触媒担体を保持するマット部材と、前記排気装置の温度を下げ得る温度低減手段と、前記排気装置の温度が高温となり得る機関運転状態の時に前記排気装置の温度を下げるように温度低減手段を制御する制御手段とを設けた排気装置の温度制御装置において、前記マット部材の温度を検知可能なように温度センサを前記排気装置に設け、前記制御手段は、前記マット部材を温度管理するための設定温度と設定時間とを予め定めて有するとともに、前記マット部材の検知された温度が前記設定温度以上の状態となった場合に、前記温度低減手段を所定時間以上継続して動作することを特徴とする。

この発明の排気装置の温度制御装置は、マット部材の検知された温度が設定温度以上の状態となった場合に、温度低減手段を所定時間以上継続して動作することにより、マット部材の劣化防止及びそれに基づいて触媒担体を保護することができる。

この発明は、マット部材の劣化防止及びそれに基づいて触媒担体を保護する目的を、マット部材の検知された温度が設定温度以上の状態となった場合に、温度低減手段を所定時間以上継続して動作することにより実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図１〜図４は、この発明の実施例を示すものである。
図４において、１は車両に搭載された内燃機関、２はこの内燃機関１に併設された変速機である。内燃機関１は、吸気装置３と燃料噴射装置４とエバポ装置５と排気装置６とを備えている。

内燃機関１には、可変バルブタイミング装置（ＶＶＴ） のオイルコントロール弁７と、点火装置のイグニションコイル８と、クランク角センサ９と、カム角センサ１０と、ノックセンサ１１とが取り付けられている。

吸気装置３は、内燃機関１に接続された吸気マニホルド１２と、この吸気マニホルド１２の上流側に接続された吸気管１３と、この吸気管１３の途中に設けられたスロットルボディ１４と、吸気管１３の上流側に接続されたエアクリーナ１５と、スロットルボディ１４を迂回するように吸気管１３に接続されたバイパス管１６と、このバイパス管１６の途中に設けられたバイパスエア制御弁１７とを備えている。吸気マニホルド１２には、ＥＧＲ弁１８と吸気圧センサ１９とが取り付けられている。スロットルボディ１４には、スロットルセンサ２０が取り付けられている。エアクリーナ１５には、吸気温センサ２１と吸気量センサ２２とが取り付けられている。

燃料噴射装置４は、内燃機関１に取り付けられた燃料噴射弁２３と、燃料を貯留する燃料タンク２４と、この燃料タンク２４内の燃料を燃料噴射弁２３に導く燃料供給管２５と、この燃料供給管２５に燃料タンク２４内の燃料を圧送する燃料ポンプ２６とを備えている。燃料タンク２４には、燃料レベルセンサ２７が取り付けられている。

エバポ装置５は、燃料タンク２４内からの蒸発燃料を一旦吸着して離脱するキャニスタ２８と、このキャニスタ２８と燃料タンク２４の上部とを連通するエバポ通路２９と、このエバポ通路２９の途中に取り付けられたチェック弁３０と、キャニスタ２８と吸気マニホルド１２とを連通するパージ通路３１と、このパージ通路３１途中に取り付けられたパージ弁３２とを備えている。

排気装置６は、内燃機関１に接続された排気マニホルド３３と、この排気マニホルド３３の下流側に取り付けられた触媒コンバータ（三元触媒）３４と、この触媒コンバータ３４の下流側に接続された排気管３５とを備えている。
排気マニホルド３３には、内燃機関１からの排気ガスの空燃比を検知する一の空燃比検出手段として、ヒータ付きの上流側空燃比検出手段３６が取り付けられている。また、排気管３５には、内燃機関１からの排気ガスの空燃比を検知する他の空燃比検出手段として、ヒータ付きの下流側空燃比検出手段３７が取り付けられている。上流側空燃比検出手段３６及び下流側空燃比検出手段３７は、空燃比センサや酸素センサ等からなる。上流側空燃比検出手段３６は、基本空燃比制御を実行させる。また、上流側空燃比検出手段３６と下流側空燃比検出手段３７とにより、デュアル空燃比制御を実行させ、精密な空燃比制御を実現することも可能である。
触媒コンバータ３４には、排気装置６の温度を下げ得る温度低減手段３８として、排気装置６を外気により冷却する送風手段（クーリングファン）３９が取り付けられているとともに、後述するマット部材６２の温度を検知可能なように温度センサ４０が取り付けられている。

上記の変速機２、オイルコントロール弁７、イグニションコイル８、クランク角センサ９、カム角センサ１０、ノックセンサ１１、バイパスエア制御弁１７、ＥＧＲ弁１８、吸気圧センサ１９、スロットルセンサ２０、吸気温センサ２１、吸気量センサ２２、燃料噴射弁２３、燃料ポンプ２６、燃料レベルセンサ２７、パージ弁３２、上流側空燃比検出手段３６、下流側空燃比検出手段３７、送風手段３９、温度センサ４０は、制御手段４１に連絡している。上流側空燃比センサ３６は、上流側ヒータコントローラ４２を介して制御手段４１に連絡している。下流側空燃比センサ３７は、下流側ヒータコントローラ４３を介して制御手段４１に連絡している。

また、制御手段４１には、電子制御式変速機（ＥＣＴ）センサ４４、ストップランプスイッチ４５、変速機２が手動式の場合の車速センサ４６、電気負荷センサ４７、ラジエータファンスイッチ４８、変速機２が自動式の場合の車速センサ４９、電気式パワーステアリング制御モジュール５０、イモビライザコイルアンテナ５１、空調装置のコンプレッサクラッチスイッチ５２、空調装置のエバポ出力空気温度センサ５３、空調装置の冷媒圧力センサ５４、ボディコントロールモジュール５５、イグニションスイッチ５６が連絡している。車速センサ４９には、自動変速機の出力軸回転センサ５７が連絡している。ボディコントロールモジュール５５には、各種車両情報のコンビネーションメータ５８とディストルビュータレスコントローラ５９とが連絡している。また、コンビネーションメータ５８には、キーレススタートコントローラモジュール６０が連絡している。
更に、制御手段４１は、バロメタリック圧力センサ４１Ａと、温度管理事項設定部４１Ｂと、温度低減送風制御部４１Ｃと、空燃比制御部４１Ｄと、点火時期制御部４１Ｅと、変速制御部４１Ｆとを内蔵している。

排気装置６の触媒コンバータ３４は、図３に示すように、セラミックス製の触媒担体６１と、この触媒担体６１を保持するマット部材６２と、このマット部材６２を覆う触媒ケース６３とから構成される。
また、触媒コンバータ３４には、他の温度低減手段３８として、触媒ケース６３が二重管の内側ケース６３Ａと外側ケース６３Ｂとで冷却エア通路６４を形成するように構成され、そして、この冷却エア通路６４に送風する送風ポンプ６５が制御手段４１に連絡して設けられ、さらに、冷却エア通路６４に開閉バルブ６６が設けられている。マット部材６２の外周面には、このマット部材６２の温度であるマット温度を検知する温度センサ４０が制御手段４１に連絡して取り付けられている。制御手段４１は、マット部材６２の高温時に、送風ポンプ６５を駆動して冷却エア通路６４を流通する空気によってマット温度を低減する。
この図３の構造においては、触媒担体６１を触媒ケース６３内の所望の空間位置（排気管３５の中心軸と同軸で、触媒ケース６３の内壁面と触媒担体６１の外周面との間に略均等な隙間空間である冷却エア通路６４を形成し、触媒担体６１の端面を触媒ケース６３の構成部材（リテーナ、弾性的な付勢部材等を含む）で支持して位置させ、所望の状態（各部材の熱膨張や走行による振動、外部からの物理的な衝撃等に対する移動を許容しつつずれて移動しないようにしっかり保持する状態）となるように設ける。また、マット部材６２は全面的に略均等な厚さに設け、その厚みを利用して温度センサ４０を設ける。この温度センサ４０の保持は、触媒ケース６３で行う。温度センサ４０の検知部分の設置位置は、触媒担体６１の重心位置周辺を確実に保持できる中心付近の周囲に設ければ良く、あるいは、下流側に比べ比較的高温となり易く且つ温度の上昇下降の変動幅が大きな上流側に偏倚させて設けることも可能である。

制御手段４１は、排気装置６の温度が高温となり得る機関運転状態の時に温度を下げるようにいずれかの温度低減手段３８を制御するものである。
そして、制御手段４１は、マット部材６２の温度であるマット（Ｔｓ）を管理するための設定温度（Ｔｓｈ）（例えば、７２５℃）と設定時間（ｔｈ１）（例えば、１０秒）を予め定めて有するとともに、マット部材６２の検知されたマット温度（Ｔｓ）が設定温度（Ｔｓｈ）以上の状態となった場合に、温度低減手段３８を所定時間（ｔｈ２）以上継続して動作する。上記の設定温度（Ｔｓｈ）は、触媒担体６１の温度である触媒温度よりも低く設定された温度である。上記の所定時間（ｔｈ２）は、マット部材６２の温度が所定に低くなったことを見越した時間である。
つまり、上記のマット部材６２を温度管理するための設定温度（Ｔｓｈ）は、触媒担体６１の温度管理をするための触媒用の設定温度よりもある程度低い温度であり、触媒担体６１の活性温度や動作の平均となる中心温度に対して、充分に低い温度、例えば、１００℃から２００℃程度低い温度としている。ここでは、マット部材６２を温度管理するための設定温度を７２５℃としている。図２においては、触媒温度は約８５０℃を中心に＋８０℃あるいは−８０℃の前後で推移し、マット温度は約７００℃を中心に＋５０℃あるいは−５０℃の前後で推移している。
また、制御手段４１は、マット部材６２の検知されたマット温度（Ｔｓ）が設定温度（Ｔｓｈ）以上の状態となり、この状態が設定時間（ｔｈ１）以上継続した場合に、温度低減手段３８を動作する。
すなわち、図２に示すように、触媒温度に対してマット温度は比例せず、やや鈍い挙動を示している。よって、例えば、触媒温度は上昇した後で瞬時に低下しても、マット温度はだらだらと高温域に留まり、マット部材６２の劣化が進んでしまうという状況が考えらる。従って、図１に示すように、、マット温度（Ｔｓ）が、設定温度（Ｔｓｈ）よりも高温時で、設定時間（ｔｈ１）以上の間維持された場合に、温度低減手段３８を作動してマット部材６２の温度を低減する。
更に、制御手段４１は、温度低減手段３８としての送風手段３９を駆動する。
更にまた、制御手段４１は、上流側空燃比センサ３６及び下流側空燃比センサ３７の検出値による空燃比制御を行う機能を有し、触媒担体６１の活性時には空燃比フィードバック制御を行う一方、他の温度低減手段３８として空燃比フィードバック制御を中止してエンリッチ制御を行う。
また、制御手段４１は、内燃機関１の点火時期制御を行う機能を有し、温度低減手段３８として点火時期を所定量だけ進角させる。
更に、制御手段４１は、変速機２の変速レンジの選択制御を行う機能を有し、温度低減手段３８として、変速レンジの変更操作がなく、変速後の変速比における機関回転数が許容できる場合に、現在の変速比から機関回転数が下がって速度域の高くなる次の変速比となるように変速させる。変速レンジとは、Ｄ（ＯＤ、Ｍ等も含む前進レンジ）、Ｎ、Ｒ、Ｐ等のことである。変速段とは、１速、２速、３速…であり、それぞれが変速比を有する。変速機２が無段変速機であれば、変速比を連続的に変更することができる。

次に、この実施例における排気装置６の温度制御を、図１にフローチャートに基づいて説明する。
図１に示すように、制御手段４１のプログラムがスタートすると（ステップＡ０１）、先ず、イグニションスイッチ５６がオンからオフに切り替わったか否かを判断する（ステップＡ０２）。
このステップＡ０２がＹＥＳの場合には、マット温度（Ｔｓ）を入力し（ステップＡ０３）、そして、マット温度（Ｔｓ）が設定温度（Ｔｓｈ）以上の状態（Ｔｓ＞Ｔｓｈ）で、且つ、この状態になった時からの時間（ｔ１）が設定時間（ｔｈ１）以上の状態（ｔ１＞ｔｈ１）になったか否かを判断する（ステップＡ０４）。
このステップＡ０４がＹＥＳの場合には、温度低減手段３８を作動してマット部材６２の温度を低減する（ステップＡ０５）。
そして、温度低減手段３８の作動時からの時間（ｔ２）がマット部材６２の温度が所定に低くなった所定時間（ｔｈ２）以上の状態（ｔ２＞ｔｈ２）になったか否かを判断する（ステップＡ０６）。
このステップＡ０６がＮＯの場合には、前記ステップＡ０５に戻って温度低減手段３８の作動を継続する。
一方、このステップＡ０６がＹＥＳの場合、又は、前記ステップＡ０４がＮＯの場合には、温度低減手段３８の作動を停止する（ステップＡ０７）。
このステップＡ０７の処理後、又は、前記ステップＡ０２がＮＯの場合には、プログラムをエンドとする（ステップＡ０８）。

以上この発明の実施例について説明してきたが、上述の実施例の構成を請求項毎に当てはめて説明する。
先ず、請求項１に係る発明において、制御手段４１は、マット部材６２を温度管理するための設定温度（Ｔｓｈ）と設定時間（ｔｈ１）とを予め定めて有するとともに、マット部材６２の検知された温度（Ｔｓ）が設定温度（Ｔｓｈ）以上の状態となった場合に、温度低減手段３８を所定時間（ｔｈ２）以上継続して動作する。
これにより、触媒担体６１を保持する周囲環境であるマット部材６２の温度変化から、マット部材６２自体を保護するだけでなく、触媒担体６１の保護性能を確保できる。

請求項２に係る発明において、制御手段４１は、マット部材６２の検知された温度（Ｔｓ）が設定温度（Ｔｓｈ）以上の状態となり、この状態が設定時間（ｔｈ１）以上継続した場合に、温度低減手段３８を動作する。
これにより、触媒担体６１を保持する周囲環境であるマット部材６２の温度変化から、マット部材６２自体を保護するだけでなく、触媒担体６１の保護性能を確保でき、より正確な温度管理ができる。

請求項３に係る発明において、排気装置６を外気により冷却する送風手段３９を設け、制御手段４１は温度低減手段３８として送風手段３９を駆動する。
これにより、外部からの熱伝導によって直接冷却することができるので、応答を良くすることができる。

請求項４に係る発明において、排気装置６は内燃機関１からの排気ガスの空燃比を検知する空燃比検出手段３６、３７を有し、制御手段４１は、空燃比検出手段３６、３７の検出値による空燃比制御を行う機能を有し、触媒担体６１の活性時には空燃比フィードバック制御を行う一方、温度低減手段３８として空燃比フィードバック制御を中止してエンリッチ制御を行う。
これにより、燃料の気化等で熱を奪い、燃焼後に排出される排気ガスの温度が下がるので、排気装置６の温度を下げることができる。

請求項５に係る発明において、制御手段４１は、内燃機関１の点火時期制御を行う機能を有し、温度低減手段３８として点火時期を所定量だけ進角させる。
これにより、燃焼後に排出される排気ガスの温度が下がるので、排気装置６の温度を下げることができる。

請求項６に係る発明において、内燃機関１に変速機２を併設し、制御手段４１は、変速機２の変速レンジの選択制御を行う機能を有し、温度低減手段３８として、現在の変速比から機関回転数が下がって速度域の高くなる次の変速比となるように変速させる。
これにより、機関速度が下がり、熱量が下がるので、排気装置６の温度を下げることができる。

マット部材の検知された温度が設定温度以上の状態となった場合に、温度低減手段を所定時間以上継続して動作することを、他の制御と併用することも可能である。

温度制御のフローチャートである。 触媒温度とマット温度とを示す図である。 温度低減手段の一例を示す図である。 温度制御装置のシステム構成図である。 従来において触媒温度とマット温度との挙動を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 変速機
６ 排気装置
３３ 排気マニホルド
３４ 触媒コンバータ
３５ 排気管
３６ 上流側空燃比検出手段
３７ 下流側空燃比検出手段
３８ 温度低減手段
３９ 送風手段
４０ 温度センサ
６１ 触媒担体
６２ マット部材
６３ 触媒ケース
６４ 冷却エア通路
６５ 送風ポンプ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気装置と、この排気装置に設けられる触媒担体と、この触媒担体を保持するマット部材と、前記排気装置の温度を下げ得る温度低減手段と、前記排気装置の温度が高温となり得る機関運転状態の時に前記排気装置の温度を下げるように温度低減手段を制御する制御手段とを設けた排気装置の温度制御装置において、前記マット部材の温度を検知可能なように温度センサを前記排気装置に設け、前記制御手段は、前記マット部材を温度管理するための設定温度と設定時間とを予め定めて有するとともに、前記マット部材の検知された温度が前記設定温度以上の状態となった場合に、前記温度低減手段を所定時間以上継続して動作することを特徴とする排気装置の温度制御装置。
2. 前記制御手段は、前記マット部材の検知された温度が前記設定温度以上の状態となり、この状態が前記設定時間以上継続した場合に、前記温度低減手段を動作することを特徴とする請求項１に記載の排気装置の温度制御装置。
3. 前記排気装置を外気により冷却する送風手段を設け、前記制御手段は、前記温度低減手段として、前記送風手段を駆動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気装置の温度制御装置。
4. 前記排気装置は、前記内燃機関からの排気ガスの空燃比を検知する空燃比検出手段を有し、前記制御手段は、前記空燃比検出手段の検出値による空燃比制御を行う機能を有し、前記触媒担体の活性時には空燃比フィードバック制御を行う一方、前記温度低減手段として、空燃比フィードバック制御を中止してエンリッチ制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気装置の温度制御装置。
5. 前記制御手段は、前記内燃機関の点火時期制御を行う機能を有し、前記温度低減手段として、点火時期を所定量だけ進角させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気装置の温度制御装置。
6. 前記内燃機関に変速機を併設し、前記制御手段は、前記変速機の変速レンジの選択制御を行う機能を有し、前記温度低減手段として、現在の変速比から機関回転数が下がって速度域の高くなる次の変速比となるように変速させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気装置の温度制御装置。

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