JP2010169020A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷機始動直後に触媒を劣化させずに硫黄被毒を解除する排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】床下触媒３が不活性状態の場合には、バイパスバルブ４を閉じて全排気ガスをマニ触媒５に導入し、床下触媒３が不活性状態であり、かつ床下触媒３が硫黄被毒している場合には、空燃比を弱リッチとし、バイパスバルブ４を開いて排気ガスを直接床下触媒３に導入し、床下触媒３の硫黄被毒を解除する。
【選択図】図１

Description

本発明は排気ガス浄化装置に関するものである。

従来、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸収材とＳＯｘ吸収材とを配置し、ＮＯｘ吸収材をバイパスする排気バイパス通路を設けたものが、特許文献１に開示されている。

特許文献１では、内燃機関の運転状態に応じて排気ガスをＮＯｘ吸収材または排気バイパス通路に流入するように切り替えている。

特開２００１−３７３２号公報

しかし、上記の発明では、冷機始動直後に三元触媒である床下触媒の硫黄被毒を解除する場合に、マニ触媒の劣化を抑制しつつ、床下触媒の硫黄被毒解除を行うことができない、といった問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、マニ触媒の劣化を抑制し、かつ床下触媒の硫黄被毒解除を行うことを目的とする。

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する車両の排気ガス浄化装置において、内燃機関から排出された排気ガスが流れる第１排気通路と、第１排気通路に設けた第１触媒と、第１触媒よりも上流側の第１排気通路に設けられ、第１排気通路を遮断可能な遮断手段と、遮断手段よりも上流側で第１排気通路から分岐し、遮断手段よりも下流側で第１排気通路に合流する第２排気通路と、第２排気通路に設けた第２触媒と、第１触媒の活性状態を判定する活性状態判定手段と、第１触媒の硫黄被毒状態を判定する硫黄被毒状態判定手段と、第１触媒が不活性状態である場合に遮断手段によって第１排気通路を遮断し、第１触媒が不活性状態であり、かつ第１触媒が硫黄被毒状態である場合に遮断手段によって第１排気通路を開く切替手段と、１触媒が硫黄被毒状態である場合に空燃比をリッチにする燃料制御手段と、を備える。

本発明によると、第１触媒が不活性状態であり、かつ第１触媒が硫黄被毒している場合に、第２触媒の劣化を抑制し、第１触媒の硫黄被毒を解除することができる。

本発明の第１実施形態における排気ガス浄化装置の概略ブロック図である。 本発明の第１実施形態の床下触媒不活性状態における硫黄被毒解除制御を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の推定酸素ストレージ量のリセット判定制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の床下触媒不活性状態における硫黄被毒解除制御を示すフローチャートである。

本発明の実施形態の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の排気ガス浄化装置の概略ブロック図である。

本実施形態の排気ガス浄化装置は、第１排気通路１と、第２排気通路２と、床下触媒（第１触媒）３と、バイパスバルブ（遮断手段）４と、マニ触媒（第２触媒）５と、コントローラ６とを備える。

第１排気通路１は、エンジン（内燃機関）７から排出される排気ガスを外部へ導く。第１排気通路１は、排気ガスの流れ方向の上流側から順にバイパスバルブ４と床下触媒３とを備える。第１排気通路１は、バイパスバルブ４よりも上流の分岐点で第２排気通路２に分岐し、バイパスバルブ４よりも下流の合流点で第２排気通路２と合流する。以下において、分岐点と合流点との間に位置する第１排気通路１をバイパス通路８と称する。つまり、バイパスバルブ４はバイパス通路８に設けられる。また、第１排気通路１は、床下触媒３の直上流と直下流に空燃比センサ２０と酸素センサ２１とを備える。また、第１排気通路１は、床下触媒３の直上流に排温センサ２２を備える。

バイパスバルブ４は、アクチュエータ（図示せず）によって動作し開閉する。この動作によりバイパス通路８は開閉する。つまりバイパスバルブ４はバイパス通路８を遮断可能であり、バイパスバルブ４が開いている場合には排気ガスは主にバイパス通路８を流れ、バイパスバルブ４が閉じている場合には全排気ガスは第２排気通路２を流れる。

第２排気通路２は、第１排気通路１から分岐し、エンジン７の近傍を通る通路である。第２排気通路２はマニ触媒５を備える。第２排気通路２にはバイパスバルブ４の開閉状態にかかわらず排気ガスが流れる。特に、バイパスバルブ４が閉じて、バイパス通路８が遮断されている場合には、排気ガスの全流量が第２排気通路２を流れる。第２排気通路２は、マニ触媒５の上流と下流に空燃比センサ２３と酸素センサ２４とを備える。

床下触媒３は、エンジン７から比較的遠い第１排気通路１に設けられ、例えば床下に設けられる。床下触媒３は、三元触媒である。三元触媒は、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と酸化窒素（ＮＯｘ）の還元を同時に行って、排気ガスを浄化する触媒である。なお、床下触媒３は、三元触媒に限られることはなく、三元触媒と吸蔵型ＮＯｘ触媒とを組み合わせた複数の触媒で構成しても良い。本実施形態では、床下触媒３はＰｄを使用する。

マニ触媒５は、第２排気通路に設けられ、エンジン７に比較的近い箇所に設けられる。マイクロ触媒５は、三元触媒であり、床下触媒３と同様である。マニ触媒５は、床下触媒３よりも容量が小さい。容量が小さいマニ触媒５をエンジン７に近い箇所に設けることで、例えば冷機始動時にマニ触媒５を素早く暖めることができる。そのため、冷機始動時にも排気ガスを浄化することができる。

コントローラ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭなどから構成される。ＣＰＵはＲＯＭなどに記憶されたプログラムに基づいて各演算処理を実行する。

コントローラ６は、各センサからの信号に基づいてエンジン７への燃料噴射量などを制御する。また、コントローラ６は、排温センサ２２によって検出した温度などに基づいて、アクチュエータ（図示せず）に指示を与えてバイパスバルブ４を開閉し、床下触媒３の硫黄被毒解除制御を行う。

次に本実施形態の床下触媒不活性状態における硫黄被毒解除制御について図２のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１では、排温センサ２２によって床下触媒３の直上流の温度を検出し、その温度が第１所定温度よりも低い場合にはステップＳ２へ進み、温度が第１所定温度以上である場合は本制御を終了する。第１所定温度は床下触媒３が活性状態となる温度である。つまり、ステップＳ１では、床下触媒３が不活性状態であるかどうか判定する。そして、床下触媒３が不活性状態である場合には、ステップＳ２へ進み、床下触媒３が活性状態である場合には、本制御を終了する（ステップＳ１が活性状態判定手段を構成する）。

ステップＳ２では、バイパスバルブ４を閉じる（ステップＳ２が切替手段を構成する）。

床下触媒３が不活性状態となっている場合には、床下触媒３によって排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができない。そのためバイパスバルブ４を閉じて、排気ガスをマニ触媒５に導入する。マニ触媒５はエンジン７近傍に設けられており、温度は比較的素早く上昇し活性状態となる。そのため、床下触媒３が不活性状態である場合には、排気ガスをマニ触媒５に導入し、排気ガスの浄化を行う。

ステップＳ３では、床下触媒３の推定酸素ストレージ量をリセットしたかどうか判定する。推定酸素ストレージ量のリセット判定については後述する。推定酸素ストレージ量がリセットされた場合にはステップＳ４へ進む。一方、推定酸素ストレージ量がリセットされなかった場合には本制御を終了する。

ステップＳ４では、カウンターによるカウントを開始し、推定酸素ストレージ量がリセットされてからの時間を計測する。

ステップＳ５では、推定酸素ストレージ量が再度リセットされたかどうか判定する。推定酸素ストレージ量が再度リセットされた場合にはステップＳ６へ進む。

ここで推定酸素ストレージ量のリセット判定制御について図３のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御は所定時間毎に繰り返し行われる。

ステップＳ１００では、エアフローセンサ（図示せず）と空燃比センサ２０との出力に基づいて床下触媒３の酸素ストレージ量を演算し、この酸素ストレージ量が目標値となるように空燃比をフィードバック制御する。このフィードバック制御は例えば以下のように行われる。

床下触媒３の酸素ストレージ量の演算は、床下触媒３上流の排気空燃比とその時の吸入空気量から推定する。まず、床下触媒３上流の排気空燃比から換算して排気中の酸素の過剰または不足する割合である酸素過剰率を求める。酸素過剰率はストイキ（理論空燃比）のときをゼロとして、ストイキよりもリーン側で正、ストイキよりもリッチ側で負の値となる。

酸素過剰率とそのときの吸入空気量とから床下触媒３に吸収される酸素量または放出される酸素量が分かり、これを積算していくことで床下触媒３の酸素ストレージ量を推定できる。予め床下触媒３の最大酸素ストレージ量（最大値）を実験等により確認しておき、例えばその半分の保持量を目標値として設定し、酸素ストレージ量がこの目標値と一致するように空燃比を制御する。

演算した推定酸素ストレージ量が目標値よりも少ないときは、目標空燃比をリーン側にして酸素ストレージ量を増やし、逆に目標値よりも多いときはリッチ側にして酸素ストレージ量を減らし、これらにより目標値に一致させる。

ステップＳ１０１では、床下触媒３下流の酸素センサ２１によって床下触媒３から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する。

ステップＳ１０２では、検出した酸素濃度の値が予め設定した範囲からはずれている場合にはステップＳ１０３へ進む。予め設定した範囲とは、床下触媒３の酸素ストレージ量が目標値付近にある場合に床下触媒３から排出される排気ガス中の酸素濃度の範囲である。この範囲は実験などによって設定される。検出した酸素濃度の値が予め設定した範囲からはずれる場合は、例えば推定酸素ストレージ量の演算誤差が大きくなった場合、燃料カットを行った場合、床下触媒３が硫黄被毒している場合などである。

ステップＳ１０３では、推定酸素ストレージ量をリセットする。ここで、ステップＳ１０２において酸素濃度がリッチ側のしきい値を超えていた場合には、推定酸素ストレージ量をゼロにリセットする。一方、酸素濃度がリーン側のしきい値を超えていた場合には、推定酸素ストレージ量を床下触媒３の最大酸素ストレージ量にリセットする。これにより、推定酸素ストレージ量の演算誤差が生じている場合に、誤差を修正することができる。

床下触媒３が硫黄被毒している場合には、触媒表面にＳＯｘ化合物が付着するために床下触媒３の貴金属表面積が減る。そのため硫黄被毒した床下触媒３の最大酸素ストレージ量は、本来の最大酸素ストレージ量よりも小さくなる。

床下触媒３が硫黄被毒した状態でリセット判定制御を行い、例えば酸素濃度がリーン側のしきい値を超えると、推定酸素ストレージ量は最大酸素ストレージ量にリセットされる。これにより、推定酸素ストレージ量は、実際の酸素ストレージ量よりも大きい値にリセットされてしまう。

その後、さらにリセット判定制御が行われると、床下触媒３の酸素ストレージ量を減らすように、つまり目標空燃比がリッチとなるように制御される。

そのため、今度は床下触媒３の酸素ストレージ量が過度に減少し、床下触媒３下流の酸素センサ２１によって検出した酸素濃度がリッチ側のしきい値を超え、再度推定酸素ストレージ量はリセットされる。つまり、床下触媒３が硫黄被毒した状態でリセット判定制御が行われると推定酸素ストレージ量のリセットが短時間で繰り返し行われる。

図２に戻り、ステップＳ６では、推定酸素ストレージ量が再度リセットされるまでのカウンター値を読み出す。そして、読み出したカウンター値と所定時間とを比較し、カウンター値が所定時間以下である場合には、床下触媒３は硫黄被毒していると判定し、ステップＳ６へ進む。一方、カウンター値が所定時間値よりも小さい場合には、床下触媒３は硫黄被毒していないと判定し、本制御を終了する。所定時間は、床下触媒３が硫黄被毒している場合に推定酸素ストレージ量のリセットが繰り返されるときの時間であり、予め実験などによって設定される時間である。

ステップＳ３からステップＳ６において、床下触媒３が硫黄被毒しているかどうか判定する（ステップＳ３からステップＳ６が硫黄被毒状態判定手段を構成する）。

ステップＳ７では、バイパスバルブ４を開く（ステップＳ７が切替手段を構成する）。

ステップＳ８では、床下触媒３の入口における目標空燃比を弱リッチに設定する。本実施形態では、目標空燃比を１４．４に設定する。また、エンジン７への燃料噴射量を多くし、または点火時期を遅角させることで、床下触媒３の入口における空燃比を設定した目標空燃比とする。これにより、床下触媒３の硫黄被毒解除を開始する。なお、目標空燃比は１４．４に限られることはない（ステップＳ８が燃料制御手段を構成する）。

空燃比を弱リッチに設定することで、エンジン７から排出される排気ガス中に含まれるＨＣなどの量が多くなる。ＨＣなどは還元剤として床下触媒３に付着したＳＯｘと反応し、ＳＯｘを除去することができる。

しかし、空燃比をリッチとすることで、排気ガスの温度が高くなる。温度が高くなった排気ガスを大量にマニ触媒５へ導入すると、マニ触媒５が温度過多となり、マニ触媒５が劣化するおそれがある。そのため、本実施形態ではステップＳ６においてバイパスバルブ４を開き、マニ触媒５へ導入される排気ガスを少なくする。これによってマニ触媒５の劣化を抑制することができる。

ステップＳ９では、排温センサ２２によって床下触媒３に流入する排気ガスの温度を検出し、温度が第２所定温度以上となったかどうか判定する。そして、排気ガスの温度が第２所定温度以上となった場合にはステップＳ１０へ進む。また、排気ガスの温度が第２所定温度よりも低い場合には硫黄被毒解除を継続する。第２所定温度は、例えば７００℃であり、床下触媒３に付着したＳＯｘを還元反応させる温度である。

ステップＳ１０では、床下触媒３に導入された還元剤量の演算を行う。ここでは、硫黄被毒解除を開始してから床下触媒３に導入された空気量をエアフローメーターなどによって計測する。そして、計測した空気量、ストイキ制御の空燃比である１４．７、ステップＳ８で設定した目標空燃比である１４．４を用いて、
還元剤量＝計測した空気量×（１４．７−１４．４）
により算出する。

ステップＳ１１では、演算した還元剤量が所定量以上となると、硫黄被毒解除判定制御を終了する。所定量は、床下触媒３に付着したＳＯｘを還元することが可能な値である。

ステップＳ７からステップＳ１１において、床下触媒３の硫黄被毒解除を行う。

本実施形態では、床下触媒３の温度を排温センサ２２によって検出したが、これに限られることはなく、床下触媒３に温度センサなどを設けて温度を検出しても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

例えば冷機始動直後など、床下触媒３が不活性状態となっている場合には、バイパスバルブ４を閉じて、排気ガスをマニ触媒５に導入する。マニ触媒５はエンジン７の近傍に設けられており素早く活性状態となる。これにより床下触媒３が不活性状態の場合でも排気ガスを浄化することができる。さらに床下触媒３が硫黄被毒している場合には、空燃比を弱リッチとすることで床下触媒３の硫黄被毒を解除する。このとき、バイパスバルブ４を開き、マニ触媒５をバイパスさせることで、温度過多によるマニ触媒５の劣化を抑制することができる。また、排気ガスを直接床下触媒３に導入することで、床下触媒３の硫黄被毒を素早く解除することができる。

また、床下触媒３に硫黄被毒の耐性があるＰｔを用いずに、Ｐｔよりも安価なＰｄを使用することができ、コストを抑えることができる。

次に本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。

第２実施形態については、第１実施形態とは床下触媒不活性状態における硫黄被毒判定が異なっている。ここでは第１実施形態と異なる部分を説明する。

ステップＳ１、Ｓ２は、第１実施形態と同じ制御なのでここでの説明は省略する。

ステップＳ２０１では、酸素センサ２１によって床下触媒３下流の排気ガスの酸素濃度を検出する。

ステップＳ２０２では、検出した酸素濃度から第２しきい値を減算し、酸素過剰量を算出する。第２しきい値は、床下触媒３が硫黄被毒していない場合における床下触媒３下流で検出される酸素濃度の上限値である。

ステップＳ２０３では、今回の制御からｎ回前（例えば１０回前）までの制御における酸素過剰量の平均値を算出する。

ステップＳ２０４では、平均値と第３しきい値とを比較する。そして、平均値が第３しきい値以上である場合には、床下触媒３が硫黄被毒していると判定し、ステップＳ５へ進む。一方、平均値が第３しきい値よりも小さい場合には、床下触媒３が硫黄被毒していないと判定し、本制御を終了する。第３しきい値は予め設定された値であり、床下触媒３が硫黄被毒していると判断可能な値である。

ステップＳ６以降は第１実施形態と同じ制御なのでここでの説明は省略する。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

床下触媒３下流の酸素過剰量を検出し、ｎ回前までの制御における平均値を算出する。この平均値が第３しきい値以上となっている場合に床下触媒３が被毒していると判定する。床下触媒３下流の酸素過剰量に基づいて、床下触媒３の硫黄被毒を検出することで床下触媒３の硫黄被毒を正確に検出することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ 第１排気通路
２ 第２排気通路
３ 床下触媒（第１触媒）
４ バイパスバルブ（遮断手段）
５ マニ触媒（第２触媒）
６ コントローラ
７ エンジン（内燃機関）
８ バイパス通路
２０ 空燃比センサ
２１ 酸素センサ
２２ 排温センサ

Claims (2)

1. 内燃機関から排出される排気ガスを浄化する車両の排気ガス浄化装置において、
   前記内燃機関から排出された前記排気ガスが流れる第１排気通路と、
   前記第１排気通路に設けた第１触媒と、
   前記第１触媒よりも上流側の前記第１排気通路に設けられ、前記第１排気通路を遮断可能な遮断手段と、
   前記遮断手段よりも上流側で第１排気通路から分岐し、前記遮断手段よりも下流側で第１排気通路に合流する第２排気通路と、
   前記第２排気通路に設けた第２触媒と、
   前記第１触媒の活性状態を判定する活性状態判定手段と、
   前記第１触媒の硫黄被毒状態を判定する硫黄被毒状態判定手段と、
   前記第１触媒が不活性状態である場合に前記遮断手段によって前記第１排気通路を遮断し、前記第１触媒が不活性状態であり、かつ前記第１触媒が硫黄被毒状態である場合に前記遮断手段によって前記第１排気通路を開く切替手段と、
   前記第１触媒が硫黄被毒状態である場合に空燃比をリッチにする燃料制御手段と、を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記活性状態検出手段は、前記第１触媒の温度を検出し、検出した温度が所定温度よりも低い場合に前記第１触媒が不活性状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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