JP2013076327A

JP2013076327A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2013076327A
Application number: JP2011214920A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Okita; 智子置田
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】この発明は、排気ガス成分を検知して高い浄化効率を発揮し、電力消費に配慮しつつ、浄化性能を高めた状態にできるだけ早くもっていくことを目的とする。
【解決手段】この発明は、上流から順に未燃成分保持触媒ユニットと排気ガス成分検知手段と浄化触媒ユニットを設け、未燃成分保持触媒ユニットと浄化触媒ユニットにはそれぞれ電気ヒータと触媒温度検知手段を設け、未燃成分保持触媒ユニットの上流側には電動ポンプを設け、制御装置を設け、制御装置は、浄化触媒ユニットの電気ヒータを通電し、３元触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、未燃成分保持触媒ユニットの電気ヒータを通電し、トラップ触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、昇温された未燃成分保持触媒ユニットを通過した後の排気ガスの空燃比に基づいて二次エアを供給する電動ポンプの動作を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、未燃成分保持触媒ユニットと浄化触媒ユニットにより排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置には、排気通路に上流から順に未燃成分を吸着・離脱するヒータ付の未燃成分保持触媒ユニットと少なくとも未燃成分を浄化するヒータ付の補助触媒ユニットを設けたもの（特開平５−１８２３６号）や、排気通路に上流から順に三元触媒と未燃成分を吸着し三元触媒機能を果たすＨＣＴ触媒を設け、内燃機関の停止時にＡＣＴ触媒の温度に応じてＡＣＴ触媒の冷却を行うもの（特開２００４−２８５９９３号）がある。
このような内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関が運転状態に応じて自動停止・自動始動される自動停止始動内燃機関である場合には、内燃機関が自動停止を繰り返すことで、未燃成分保持触媒ユニットに内蔵したトラップ触媒が、長い間、活性状態となる設定温度以下の吸着低温度域に存在すると、未燃成分の脱離・浄化が行えず、未燃成分が吸着飽和状態となり、トラップ触媒ヘの未燃性分吸着量の低下が懸念される。

そこで、前述特開平５−１８２３６号の排気浄化装置は、未燃成分を吸着・離脱する未燃成分保持触媒ユニットにヒータを取り付け、また、その下流にヒータを取り付けた少なくとも未燃成分を浄化する補助触媒ユニットを設置し、未燃成分保持触媒ユニットの上流側に二次エアを供給する空気ポンプを設けている。
この排気浄化装置は、未燃成分保持触媒ユニットが飽和状態となる前に、内蔵したトラップ触媒をヒータにより強制的に未燃成分を離脱させる温度（トラップ触媒が活性状態となる設定温度）にまで加熱し、空気ポンプから未燃成分保持触媒ユニットの上流側に二次エアを流入させて、強制的に補助触媒ユニットまで未燃成分を移動させている。ここであらかじめ補助触媒ユニットをヒータで浄化活性温度にまで加熱しておくことで、離脱した未燃成分を浄化させるシステムが提案されている。

特開平５−１８２３６号公報特開２００４−２８５９９３号公報

しかし、前述特開平５−１８２３６号の排気浄化装置では、空気ポンプからの二次エアの供給量に、排気ガスの空燃比からの応答制御がされていないことにより、下流側の補助触媒ユニットに流入する排気ガスの空燃比が、補助触媒ユニットの浄化可能空燃比領域（浄化ウインドウ）から外れてしまい、浄化が適正に行われない可能性が危惧される。
また、前述特開平５−１８２３６号の排気浄化装置のように、ヒータや空気ポンプを含め、複数の補機を電気で駆動する場合、これら複数の補機を同時に使用すると電力消費が重なって瞬間的な使用電力が大きくなり易く、継続的に電力消費を行う動作が含まれていた場合、車両全体的な電気負荷が極めて大きくなる不都合がある。

この発明は、排気ガス成分を検知して高い浄化効率を発揮するシステムを提供すること、電力消費に配慮しつつ、浄化性能を高めた状態にできるだけ早くもっていくようなシステムを提供することを目的とする。

この発明は、内燃機関の排気通路に上流から順に未燃成分保持触媒ユニットと排気ガス成分検知手段と浄化触媒ユニットを設け、前記未燃成分保持触媒ユニットと前記浄化触媒ユニットにはそれぞれ触媒を昇温する電気ヒータと触媒温度を検知する触媒温度検知手段を設け、前記未燃成分保持触媒ユニットの上流側には二次エアを供給する電動ポンプを設け、前記排気ガス成分検知手段の出力を入力するとともに前記電気ヒータと前記電動ポンプを制御する制御装置を設け、前記制御装置は、下流側に設けた前記浄化触媒ユニットの電気ヒータを通電し、その内蔵した３元触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、上流側に設けた前記未燃成分保持触媒ユニットの電気ヒータを通電し、その内蔵したトラップ触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、昇温された前記未燃成分保持触媒ユニットを通過した後の排気ガスの空燃比を前記排気ガス成分検知手段で検知し、この検知した空燃比に基づいて二次エアを供給する前記電動ポンプの動作を行うことを特徴とする。

この発明の内燃機関の排気浄化装置は、先に未燃成分保持触媒ユニットおよび浄化触媒ユニットを活性化した後、排気ガスの空燃比に応じて二次エアを供給するので、浄化触媒ユニットの浄化効率を高く保つよう動作できる。
この発明の内燃機関の排気浄化装置は、優先順序として、浄化触媒ユニットの活性化、未燃成分保持触媒ユニットの活性化を先に行って、悪化した排気ガスの成分を早期に抑制し、その後、二次エアを供給することにより、未燃成分保持触媒ユニットが保持した未燃ガス成分を浄化触媒ユニットの浄化効率の高い排気ガス成分比の排気ガスとして下流側の浄化触媒ユニットに供給でき、浄化効率を高く保つことができる。
この発明の内燃機関の排気浄化装置は、各触媒ユニットの電気ヒータと二次エアの電動ポンプヘの通電を順次に行い、動作開始タイミングを明確に異ならせるようにしたので、電気負荷を抑えることができる。
この発明の内燃機関の排気浄化装置は、各触媒ユニットの冷機から活性化するまでの時間を短くすることができるので、停止時間が長く冷機状態となり易い内燃機関に好適である。

図１は内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図である。（実施例）図２は排気浄化処理のフローチャートである。（実施例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１、図２は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１は内燃機関、２は排気浄化装置である。内燃機関１は、運転状態に応じて自動停止・自動始動される自動停止始動内燃機関である。ここで、自動停止始動内燃機関とは、アイドルストップ車に搭載された内燃機関のように、停車時にアイドリングを停止され、発進時に始動（アイドルストップ制御）される内燃機関や、また、シリーズハイブリッド車（レンジエクステンダー電気自動車）、動力分配型ハイブリッド車に搭載された内燃機関のように、バッテリの充電状態や走行状態に応じて走行中に停止、始動される内燃機関である。
前記内燃機関１の排気浄化装置２は、内燃機関１の排気通路３に、上流から順に未燃成分保持触媒ユニット４と排気ガス成分検知手段５と浄化触媒ユニット６を設けている。未燃成分保持触媒ユニット４は、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ）を吸着、離脱するトラップ触媒７を内蔵している。排気ガス成分検知手段５は、広域空燃比（ＬＡＦ）センサからなり、未燃成分保持触媒ユニット４と浄化触媒ユニット６と間の排気通路３にある排気ガスの空燃比を検出して出力する。浄化触媒ユニット６は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ成分を酸化還元反応により浄化する３元触媒８を内蔵している。
前記未燃成分保持触媒ユニット４には、トラップ触媒７を昇温する電気ヒータ９と、トラップ触媒７の温度を検知する触媒温度検知手段１０を設けている。前記浄化触媒ユニット６には、３元触媒８を昇温する電気ヒータ１１と、３元触媒８の温度を検知する触媒温度検知手段１２を設けている。前記未燃成分保持触媒ユニット４の上流側の排気通路３には、二次エア通路１３を接続している。二次エア通路１３には、二次エアを供給する電動ポンプ１４を設けている。二次エアとは、内燃機関１の内部での燃焼後に排気通路３に排出された排気ガスに対して供給するエア（酸化ガスを含むガスであれば良い）のことであり、ここでは異物を除くようフイルタで濾過した大気を供給している。

前記排気ガス成分検知手段４と前記電気ヒータ９、１１と前記触媒温度検知手段１０、１２と前記電動ポンプ１４は、制御装置１５に接続している。制御装置１５は、排気ガス成分検知手段５の出力する空燃比を入力するとともに、触媒温度検知手段１０、１２の出力する触媒温度を入力し、電気ヒータ９、１１と電動ポンプ１４を制御する。
前記制御装置１５は、未燃成分保持触媒ユニット４の下流側に設けた浄化触媒ユニット６の電気ヒータ１１を通電し、その内蔵した３元触媒８が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、浄化触媒ユニット６の上流側に設けた未燃成分保持触媒ユニット４の電気ヒータ９を通電し、その内蔵したトラップ触媒７が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、昇温された未燃成分保持触媒ユニット４を通過した後の排気ガスの空燃比を排気ガス成分検知手段５で検知し、この検知した空燃比に基づいて二次エアを供給する電動ポンプ１４の動作を行う。
制御装置１５は、排気ガス成分検知手段５の出力した空燃比がリッチを示す場合に電動ポンプ１４を駆動し、この空燃比に応じて電動ポンプ１４の駆動をフィードバック制御する。そして、制御装置１５は、電動ポンプ１４の駆動時間を計測し、この駆動時間が所定時間に達した場合に電動ポンプ１４の駆動を停止する。

次に作用を説明する。
内燃機関１の排気浄化装置２は、図２に示すように、内燃機関１が始動されて排気浄化処理のプログラムがスタートすると（Ｓ０１）、未燃成分保持触媒ユニット４のトラップ触媒７の温度が所定温度Ｔ１（例えば、７５℃）以下であるかを判断する（Ｓ０２）。
この判断（Ｓ０２）がＮＯの場合は、プログラムをエンドにする（Ｓ１５）。この判断（Ｓ０２）がＹＥＳの場合は、トラップ触媒７の温度が所定温度Ｔ１以下の状態が設定時間ｔ１（例えば、３０秒）以上継続しているかを判断する（Ｓ０３）。
この判断（Ｓ０３）がＮＯの場合は、スタート（Ｓ０１）に戻る。この判断（Ｓ０３）がＹＥＳの場合は、浄化触媒ユニット６の電気ヒータ１１を通電して３元触媒８を加熱し（Ｓ０４）、３元触媒８の温度が活性状態となる設定温度Ｔ２（例えば、４００℃）以上であるかを判断する（Ｓ０５）。
この判断（Ｓ０５）がＮＯの場合は、３元触媒８の加熱（Ｓ０４）に戻る。この判断（Ｓ０５）がＹＥＳの場合は、未燃成分保持触媒ユニット４の電気ヒータ９を通電してトラップ触媒７を加熱し（Ｓ０６）、トラップ触媒７の温度が活性状態となる設定温度Ｔ２（例えば、２５０℃）以上であるかを判断する（Ｓ０７）。
この判断（Ｓ０７）がＮＯの場合は、トラップ触媒７の加熱（Ｓ０６）に戻る。この判断（Ｓ０７）がＹＥＳの場合は、排気ガス成分検知手段５の検出した空燃比から、供給される空気量と理論的に必要な空気量との割合を示すλが１未満（λ＜１：供給空気量不足→空燃比がリッチ）であるかを判断する（Ｓ０８）。
この判断（Ｓ０８）がＮＯの場合は、電動ポンプ１４の駆動を停止し（Ｓ１４）、プログラムをエンドにする（Ｓ１５）。この判断（Ｓ０８）がＹＥＳの場合は、電動ポンプ１４の駆動を開始して二次エアの供給量を最小流量とし（Ｓ０９）、電動ポンプ１４の駆動時間が所定時間ｔ２（例えば、３０秒）以下であるかを判断する（Ｓ１０）。
この判断（Ｓ１０）がＮＯの場合は、電動ポンプ１４の駆動を停止し（Ｓ１４）、プログラムをエンドにする（Ｓ１５）。この判断（Ｓ１０）がＹＥＳの場合は、λが１未満（λ＜１：供給空気量不足）であるかを判断する（Ｓ１１）。
この判断（Ｓ１１）がＹＥＳの場合は、二次エアの供給量を増加するように電動ポンプ１４を駆動し（Ｓ１２）、判断（Ｓ１０）に戻る。この判断（Ｓ１１）がＮＯの場合は、二次エアの供給量を減少するように電動ポンプ１４を駆動し（Ｓ１２）、判断（Ｓ１０）に戻る（Ｓ１５）。二次エアの供給量の増加、減少は、所定時間ｔ２が経過するまで（Ｓ１０：ＮＯ）、電動モータ１４のフィードバック制御により行われる。

排気浄化装置２は、複数の補機として、上流側に設けた未燃成分保持触媒ユニット４のトラップ触媒７に設けた電気ヒータ９、下流側に設けた浄化触媒ユニット６にの３元触媒８に設けた電気ヒータ１１、二次エアを供給する電動ポンプ１４を備えている。
排気浄化装置２は、これら複数の補機の動作を、図２に示すフローチャートに示す通り、最初に３元触媒８に設けた補機である電気ヒータ１１の主動作（通電して、その３元触媒８が活性状態となる設定温度Ｔ２に達するまで昇温する）を行い、次いでトラップ触媒７に設けた補機である電気ヒータ１０の主動作（通電して、そのトラップ触媒７が活性状態となる設定温度Ｔ１に達するまで昇温する）を行い、最後に二次エアを供給する補機である電動ポンプ１４の動作を行っている。
図２のフローチャートにおいて、排気浄化装置２が判断に用いる判定値となる設定温度Ｔ１〜Ｔ３、所定時間ｔ１、ｔ２は、触媒浄化装置２を適用する内燃機関１に固有の値としてそれぞれ設定すれば良い。
第一の設定温度Ｔ１と第一の所定時間ｔ１は、内燃機関１の冷機始動であることを判断できるように設定する。第二の設定判定温度Ｔ２は、排気ガスの浄化触媒ユニット６である３元触媒８の浄化機能が働く活性状態に応じて設定する。第三の設定温度Ｔ３は、未燃成分を一時的に保持する未燃成分保持触媒ユニット４のトラップ触媒７の保持機能が働く活性状態に応じて設定する。第二の所定時間ｔ２は、二次エアを供給する電動ポンプ１４の継続動作を許容する時間として設定する。いずれの値も、浄化性能確保と電力消費量の抑制をバランスして決定する。

このように、内燃機関１の排気浄化装置２は、制御装置１５によって、下流側に設けた浄化触媒ユニット６の電気ヒータ１０を通電し、その内蔵した３元触媒８が活性状態となる設定温度Ｔ２に達するまで昇温を行い、上流側に設けた未燃成分保持触媒ユニット４の電気ヒータ９を通電し、その内蔵したトラップ触媒７が活性状態となる設定温度Ｔ１に達するまで昇温を行い、昇温された未燃成分保持触媒ユニット４を通過した後の排気ガスの空燃比を排気ガス成分検知手段５で検知し、この検知した空燃比に基づいて二次エアを供給する電動ポンプ１４の動作を行っている。
これにより、この排気浄化装置２は、先に未燃成分保持触媒ユニット４および浄化触媒ユニット６を活性化した後、排気ガスの空燃比に応じて二次エアを供給するので、浄化触媒ユニット６の浄化効率を高く保つよう動作できる。この排気浄化装置２は、優先順序として、浄化触媒ユニット６の活性化、未燃成分保持触媒ユニット４の活性化を先に行って、悪化した排気ガスの成分を早期に抑制し、その後、二次エアを供給することにより、未燃成分保持触媒ユニット４が保持した未燃ガス成分を浄化触媒ユニット６の浄化効率の高い排気ガス成分比の排気ガスとして下流側の浄化触媒ユニット６に供給でき、浄化効率を高く保つことができる。
また、排気浄化装置２は、各触媒４、６の電気ヒータ９、１１と二次エアの電動ポンプ１４ヘの通電を順次に行い、動作開始タイミングを明確に異ならせるようにしたので、電気負荷を抑えることができる。さらに、排気浄化装置２は、各触媒４、６の冷機から活性化するまでの時間を短くすることができるので、停止時間が長く冷機状態となり易い内燃機関に好適である。

また、内燃機関１の排気浄化装置２は、制御装置１５によって、排気ガス成分検知手段５の出力する空燃比がリッチを示す場合に電動ポンプ１４を駆動し、この空燃比に応じて電動ポンプ１４の駆動をフィードバック制御し、電動ポンプ１４の駆動時間を計測し、この駆動時間が所定時間ｔ２に達した場合に電動ポンプ１４の駆動を停止する。
これにより、この排気浄化装置２は、電動ポンプ１４の駆動をフィードバック制御して二次エアの量を調整するので、浄化効率を高く保つことができる。また、排気浄化装置２は、排気浄化システムの状態を、高い浄化効率を発揮する状態にした後で、時間を区切って電動ポンプ１４の駆動を停止することになるので、浄化効率の低下を招くことなく、電力消費を抑えることができる。

この発明の排気浄化装置は、排気ガス成分を検知して高い浄化効率を発揮し、電力消費に配慮しつつ、浄化性能を高めた状態にできるだけ早く移行させることができるものであり、各種内燃機関に適用することが可能である。

１内燃機関
２排気浄化装置
３排気通路
４未燃成分保持触媒ユニット
５排気ガス成分検知手段
６浄化触媒ユニット
７トラップ触媒
８三元触媒
９電気ヒータ
１０触媒温度検知手段
１１電気ヒータ
１２触媒温度検知手段
１３二次エア通路
１４電動ポンプ
１５制御装置

Claims

内燃機関の排気通路に上流から順に未燃成分保持触媒ユニットと排気ガス成分検知手段と浄化触媒ユニットを設け、前記未燃成分保持触媒ユニットと前記浄化触媒ユニットにはそれぞれ触媒を昇温する電気ヒータと触媒温度を検知する触媒温度検知手段を設け、前記未燃成分保持触媒ユニットの上流側には二次エアを供給する電動ポンプを設け、前記排気ガス成分検知手段の出力を入力するとともに前記電気ヒータと前記電動ポンプを制御する制御装置を設け、前記制御装置は、下流側に設けた前記浄化触媒ユニットの電気ヒータを通電し、その内蔵した３元触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、上流側に設けた前記未燃成分保持触媒ユニットの電気ヒータを通電し、その内蔵したトラップ触媒が活性状態となる設定温度に達するまで昇温を行い、昇温された前記未燃成分保持触媒ユニットを通過した後の排気ガスの空燃比を前記排気ガス成分検知手段で検知し、この検知した空燃比に基づいて二次エアを供給する前記電動ポンプの動作を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気ガス成分検知手段は空燃比を出力し、前記制御装置は、この空燃比がリッチを示す場合に前記電動ポンプを駆動し、この空燃比に応じて前記電動ポンプの駆動をフィードバック制御し、前記電動ポンプの駆動時間を計測し、この駆動時間が所定時間に達した場合に前記電動ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。