JP2013238134A - 内燃機関の排気ガス浄化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時でも酸化触媒による酸化作用を行えるようにする。
【解決手段】エンジン１の排気通路５に、酸化触媒６が配設される。酸化触媒６の上流側の排気通路５に、エアポンプに連なる装置通路９が接続される。例えば、アイドルストップ時に、エアポンプ８が作動されて酸化触媒６の上流側に空気が供給されることで酸化触媒内の貴金属が掃気され、酸化触媒６の貴金属の酸素吸着量が豊富化されて、低温状態でも酸化能力が発揮される。走行中に、燃料カットによって酸化触媒６に空気を供給してもよい。燃料カットに伴うエンジントルク低下を、駆動輪を駆動するモータ１５のトルク増大補正によって補うことができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化方法及び装置に関するものである。

内燃機関、特に自動車用ディーゼルエンジンでは、排気系に酸化触媒が配設されて、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを低減することが行われている。酸化触媒は、貴金属を含むのが一般的であり、ある所定温度以上の高温状態で十分な浄化能力を発揮するものである。一方、近年環境問題より、高い浄化性能が求められるとともに、走行燃費の改善対応から熱源となる排気ガスの温度低下が避けられない状況も出てきている。特許文献１には、酸化触媒を早期に活性化温度にまで上昇させるため、酸化触媒に電気ヒータを設けることが提案されている。

特開平１１−２９４１５２号公報

特許文献１に記載のように、酸化触媒を電気ヒータによって加熱してその温度上昇を図る場合は、電気ヒータが別途必要になると共に、加熱分だけ燃費が悪化することになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、加熱手段を別途設けなくてもすむか、あるいは加熱手段を別途設けたとしてもその作動時間を十分に短縮できるようにした内燃機関の排気ガス浄化方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては基本的に酸化触媒は、低温状態でも貴金属上に十分な量の酸素が吸着していれば、酸化能力を発揮させることができる、という知見に基づいている。

具体的には、本発明方法にあっては、次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
排気系に酸化触媒を有する内燃機関の排気ガス浄化方法であって、
酸化触媒の貴金属への酸素の吸着量を予測する第１ステップと、
前記第１ステップで予測された酸素吸着量があらかじめ設定された所定の下限値以下であるときに、酸化触媒の貴金属を掃気し、貴金属への酸素吸着量を増加させる増加制御を実行する第２ステップと、
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば、酸化触媒の貴金属の掃気による、貴金属への酸素吸着量の増加制御の実行により、貴金属に吸着されている酸素量を十分に高めて、活性化温度よりも低い低温状態でも排気ガス中の未燃ガスを酸化することができる。これにより、酸化触媒を加熱するための加熱手段を別途設けなくてもすむか、あるいは加熱手段を設けたとしてもその作動時間を短縮することができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記第１ステップでの貴金属への酸素吸着量の予測が、運転履歴、酸化触媒前後のガス温度、酸化触媒の温度、酸化触媒前後での酸素センサ出力の少なくとも１つに基づいて行われる、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、酸素吸着量の予測を行う具体的な手段が提供される。

運転履歴に基づく貴金属の酸素吸着量の予測が、燃料カットからの経過状態とされる、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、燃料カットによって酸化触媒の貴金属への酸素吸着量を最大の状態まで増加させることができ、燃料カット後の経過の状態から吸着量の低下を精度良く予測することができる。

前記第２ステップでの貴金属の酸素吸着量の増加制御が、アイドル停止中にエアポンプを作動させることによって、酸化触媒を空気で掃気させることにより行われる、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、エアポンプを利用して、酸化触媒へ十分な酸素を吸着させることができる。

前記第２ステップでの、貴金属への酸素吸着量の増加制御が、アイドル停止中に、空気を貯溜したエアタンクを開放することによって、酸化触媒を空気で掃気させることにより行われる、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、あらかじめエアタンクに貯溜された空気を当初から十分に酸化触媒に供給することができる。

前記第２ステップでの貴金属への酸素吸着量の増加制御が、走行中での燃料カットにより行われる、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、燃料カットという簡単な手法で吸入空気（中の酸素）を酸化触媒に供給し、貴金属を掃気することができる。また、掃気用の特別な装置を別途用いることが不要になる。

エンジンおよびモータの両方によって駆動輪が駆動され、
貴金属への酸素吸着量の増加制御のために走行中に燃料カットされたとき、燃料カットに伴うエンジントルクの低減分を補うようにモータのトルクが増大補正される、
ようにしてある（請求項７対応）。この場合、走行中に燃料カットを行なって酸化触媒に掃気のための十分な空気を供給することができる。また、燃料カットに伴うエンジントルクの低減を、モータトルクの増大補正によって補って、良好な運転性を確保することができる。

酸化触媒の温度を検出する第３ステップを有し、
前記第３ステップで検出された酸化触媒の温度があらかじめ設定された所定温度以下のときに、前記第２ステップでの、貴金属への酸素吸着量の増加制御が実行される、
ようにしてある（請求項８対応）。この場合、掃気をしなくても酸化触媒が活性化する高温状態では、貴金属への酸素吸着量の増加制御を行わないようにして、酸素吸着量の増加制御の実行時間を極力短くする上で好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明装置にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項９に記載のように、
排気系に酸化触媒を有する内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
酸化触媒の貴金属への酸素の吸着量を予測する酸素吸着量予測手段と、
前記酸素吸着量予測手段で予測された酸素吸着量があらかじめ設定された所定の下限値以下であるときに、酸化触媒の貴金属を掃気し、貴金属への酸素吸着量を増加させる増加制御を実行する貴金属への酸素吸着量の増加制御手段と、
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に対応した内燃機関の排気ガス浄化方法を実行する装置が提供される。

本発明によれば、加熱手段を別途設けなくてもすむか、あるいは加熱手段を別途設けたとしてもその作動時間を十分に短縮できる。

本発明が適用された制御系統例を示す図。 貴金属への酸素吸着量が十分であれば酸化触媒が活性化することを示す説明図。 排気ガス量が高い状態において、温度と酸素吸着量に応じた酸化触媒の浄化率の変化を示す図。 排気ガス量が低い状態において、温度と酸素吸着量に応じた酸化触媒の浄化率の変化を示す図。 本発明の制御例を示すタイムチャート。 図５のような制御を行うためのフローチャート。 エンジンとモータとによって駆動輪を駆動する場合の駆動系統例を示す図。 燃料カットにより酸化触媒の貴金属を掃気し、貴金属への酸素吸着量を増加させる増加制御を行う一例を示すタイムチャート。 図８のような制御を行うためのフローチャート。

図１において、１は内燃機関つまりエンジンであり、実施形態では、自動車用ディーゼルエンジンとされている。吸入空気は、吸気通路２から吸気マニホールド３を介してエンジン１に供給される。また、エンジン１からの排気ガスは、排気マニホールド４、排気通路５を経て、大気に開放される。排気通路５の途中には、酸化触媒６が配設されると共に、酸化触媒６の下流側においてＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）７が配設されている。そして、排気通路５のうち、酸化触媒６の上流側には、エアポンプ８に連なる掃気通路９が接続されている。

図１中、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）である。このコントローラＵは、エアポンプ８を制御するものであり、このため、各種センサＳ１〜Ｓ８からの信号が入力される。センサＳ１は、酸化触媒６上流側の酸素量（酸素濃度）を検出する上流側酸素センサである。センサＳ２は、酸化触媒６下流側の酸素量を検出する下流側酸素センサである。センサＳ３は、酸化触媒６の温度を検出する温度センサである。 センサＳ４、センサＳ５は、それぞれ酸化触媒前後のガス温度を検出する温度センサである。センサＳ６は、エンジン回転数を検出する回転数センサである。センサＳ７は、車速を検出する車速センサである。センサＳ８は、ブレーキ（フットブレーキあるいはパーキングブレーキ）が操作されていることを検出するブレーキセンサである。

コントローラＵは、停車中でブレーキ操作されているときは、エンジン１を停止するアイドルストップの制御を行うようになっている。そして、酸化触媒６が所定の活性化温度よりも低いときで、酸素吸着量が少ないときは、エアポンプ８を作動させて、掃気通路９から空気を供給して（掃気実行）、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量を増加させる。

酸化触媒６は、既知のように、白金やパラジウム等の貴金属を用いているが、貴金属への吸着性が高くなる低温時では吸着性の高いＣＯなどが寡占的に吸着し、酸素の吸着可能な空領域が不足する。結果、図２（ａ）に示すように、貴金属への酸素吸着量が少ない状態になり、酸化作用が十分に発揮できない状態となる）。一方、貴金属での酸素吸着量が多い状態では、図２（ｂ）に示すように、低温であっても、吸着酸素が無くなるまでＣＯ等の未燃成分を酸化させる機能を発揮することになる。なお、図２中、ＰＧＭで示すのは貴金属を示す。

図３は、排気ガス量が高い（多い）状態で、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量に応じた浄化率の変化を示す。図中実線で示すのは、通常の浄化特性で、加熱や増加制御をしないときの浄化率を示す。酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が増大すると、図中一点鎖線、二点鎖線で示すように、低温でも浄化率が増大され、酸素吸着量が多いほど浄化率が高まることになる。図４は、排気ガス量が低い（少ない）状態において、図３に対応した図である。この場合も、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が多くなるほど、浄化率が増大される。

図３、図４との比較により、排気ガス量が少ない方が、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量増大による浄化率増大効果の高いものとなる。つまり、排気ガス量が少なくて、排気ガス温度によって酸化触媒６を活性化温度にまで上昇させにくい状況下においては、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量を増大させることが浄化率向上の上で極めて好適である、ということが理解される。

図５は、走行状態とアイドルストップとを繰り返すような運転を行ったときに、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量増加制御をアイドルストップのタイミングで行うようにした制御例を示す。すなわち、ｔ１時点が、アイドルストップが開始される時点であり、その前の時点では走行が行われていた状況となっている。このｔ１時点前での走行に伴って、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が徐々に低下し、ｔ１時点では酸素吸着量が極端に低下した状態となっている。

ｔ１時点でアイドルストップが開始されると、エアポンプ８が作動されて、掃気通路９からの空気が、排気通路５から酸化触媒６の上流側に供給され、掃気される。これにより、貴金属上のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣなどが脱離し、代わりに酸素が吸着するため、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が急激に増加される。酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が上限値にまで達したｔ２時点では、エアポンプ８の作動が停止される。ｔ２後のｔ３時点から、再び走行が開始され、これに伴って酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が徐々に低下される。ｔ３時点後のｔ４時点で、再びアイドルストップが行われる。ただし、ｔ４時点では、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量がまだ大きいことから、エアポンプ８は作動されないことになる。

なお、低温状態であっても、貴金属の十分な酸素吸着量のある酸化触媒６での酸化反応熱によって、酸化触媒６の温度がすみやかに上昇されることになる。また、高効率とされたエンジンにあっては、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン（特に理論空燃比よりもリーンなリーン燃焼されるもの）共に、排気ガス温度が低いために、酸化触媒６の温度が活性化温度以下になることが多く、軽負荷時に、この傾向が顕著になる。したがって、このような高効率エンジンに本発明を適用すると特に好適となる。

図６は、図５に示すような制御を行うためのフローチャートを示し、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、各センサＳ１〜Ｓ８からの信号が読み込まれる。Ｑ１の後、Ｑ２において、センサＳ３で検出される酸化触媒６の温度が所定温度（活性化温度で、実施形態では１５０℃）以下であるか否かが判別される。このＱ２の判別でＮＯのときは、エアポンプ８を利用した貴金属の掃気による酸素吸着量増加の制御は不要なときであるとして、Ｑ１に戻る。

Ｑ２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ３において、アイドルストップ中であるか否かが判別される。こＱ３の判別でＮＯのときも、エアポンプ８を利用した掃気による貴金属の酸素吸着量増加の制御は不要なときであるとして、Ｑ１に戻る。

Ｑ３の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が推定（予測）される。酸素吸着量の推定は、実施形態では、酸化触媒６の上流側と下流側の２つの酸素センサＳ１，Ｓ２の出力を比較することにより行われる（Ｓ１とＳ２との出力差が小さいほど酸化反応が進行しておらず、酸素吸着量が少ないときであると判断できる）。

Ｑ４の後、Ｑ５において、Ｑ４で推定された貴金属の酸素吸着量が、あらかじめ設定された所定の下限値以下であるか否かが判別される。このＱ５の判別でＮＯのときは、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が大きいときなので、このときもＱ１に戻る。

Ｑ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、エアポンプ８を作動させて、掃気による酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量の増加制御が実行される。なお、この酸素吸着量の増加制御は、ある一定の所定時間実行してもよく、またＱ４で推定された酸素吸着量に応じた時間だけ実行してもよく（酸素吸着量が少なくなるほど実行時間を長くする）、さらに酸素センサＳ１とＳ２との出力差が所定値以上になるまで行う等、適宜設定できる。

図７〜図９は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、エンジンとモータとの両方によって駆動輪を駆動可能な車両であることを前提としている。そして、本実施形態では、エンジンによる走行中に、燃料カットを行って酸化触媒の貴金属での酸素吸着量を増加させると共に、燃料カットに伴うトルク低下を、モータのトルク増大によって補うようにしてある。

まず、図７について説明すると、エンジン１の出力が、例えば遊星歯車機構を利用して構成された動力分割機構１１から、ギア１２、デファレンシャルギア１３を経て、左右の駆動駆動輪１４Ｌ、１４Ｒに伝達される。また、モータ１５の出力が、上記ギア１２に伝達される。これにより、エンジン１のみによる駆動と、モータ１５のみによる駆動と、エンジン１とモータ１５との両方による駆動とが適宜選択可能とされている。

動力分割機構１１には、エンジン１からのトルクとモータ１５からのトルクとの両方が入力可能であり、動力分割機構１１で分割された動力によって、ジェネレータ１６が駆動される（発電される）。ジェネレータ１６で発電された電力は、インバータ１７を介して高圧バッテリ１８に充電される。また、高圧バッテリ１８で蓄電されている電力が、インバータ１７を介してモータ１５に供給される。

図８は、エンジン１とモータ１５との両方によって駆動輪１４Ｌ、１４Ｒを駆動している走行中（実施形態ではエンジン回転一定かつ車速一定の定常運転での走行となっている）において、燃料カットとモータトルク増大補正とを行う場合のタイムチャートを示す。まず、ｔ１１時点までは、走行にともなって酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が徐々に低下され、ｔ１１時点で、酸素吸着量が所定の下限値に達した状態とされる。

ｔ１１時点で、酸化触媒６の貴金属の掃気を実行させるべく燃料カットが実行されると共に、燃料カットに伴うエンジントルク低下分を補うように、モータ１５のトルクが増大補正される。燃料カットにより酸化触媒を気筒内で燃焼することなく排気系に排出された空気で掃気することで、貴金属上に寡占的に吸着しているＣＯ等が脱離して、代わりに空気中の酸素が吸着して、酸化触媒６の貴金属の酸素吸着量が増加されていく。なお、燃料カットに伴う酸化触媒６への空気の供給（掃気）は、制御判定など制御遅れの後実施され、燃料カットに同期してモータトルクの増大補正を開始するようにしてある。

燃料カットにより、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が徐々に増加し、ｔ１２時点で、所定の上限値に達する。このｔ１２時点で、燃料カットが中止されると共に、モータ１５のトルク増大補正も中止される。

ｔ１２時点からさらに走行を続けることにより、酸化触媒６の貴金属の酸素吸着量が徐々に減少し、ｔ１３時点になると酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が再び所定の下限値になる。これにより燃料カットとモータトルク増大補正とが再び行われる。そして、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が所定の上限値になったｔ１４時点で、燃料カット中止とモータトルク増大補正とが共に中止される。

図８に示すような制御を行うためのフローチャートが図９に示され、以下この図９について説明する。まず、Ｑ１１において、各センサＳ１〜Ｓ８からの信号が読み込まれる。Ｑ１１の後、Ｑ１２において、センサＳ３で検出される酸化触媒６の温度が所定温度（活性化温度で、実施形態では１２５℃）以下であるか否かが判別される。このＱ１２の判別でＮＯのときは、Ｑ１１に戻る。

Ｑ１２の判別でＹＥＳのときは、Ｑ１３において、酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量が推定（予測）される（図６のＱ４対応）。Ｑ１３の後、Ｑ１４において、Ｑ１３で推定された酸素吸着量が、あらかじめ設定された下限値以下であるか否かが判別される。このＱ１４の判別でＮＯのときは、Ｑ１１に戻る。

Ｑ１５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ１５において、少なくともエンジン１の駆動力を利用した走行中であるか否かが判別される。なお、モータ１５による駆動走行は、行われていてもよく、あるいは行われていなくてもよい。このＱ１５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ１６において燃料カットが実行され、引き続きＱ１７において、燃料カットに伴うエンジントルクの低下分を補うようにモータ１５のトルクが増大補正される。

Ｑ１７の後、Ｑ１８において、酸化触媒６の貴金属への酸素吸着量（酸素センサＳ１、Ｓ２の出力に基づく新たな推定値）が、所定の上限値以上であるか否かが判別される。このＱ１８の判別でＮＯのときは、Ｑ１６に戻る。また、Ｑ１８の判別でＹＥＳのときは、Ｑ１９において、燃料カットが中止されると共に、モータトルク増大補正が中止される。

前記Ｑ１５の判別でＮＯのときは、Ｑ２０において、前記実施形態の場合と同様に、エアポンプ８を作動させることによる酸化触媒６の貴金属の酸素吸着量増加の制御が実行される。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジン等、排気ガス中にＨＣ、ＣＯを排出するものであれば、適宜のエンジンを本発明の適用対象とすることができる。駆動輪の駆動用モータを有しない車両の走行中において、燃料カットによる酸素吸着量増加の制御を実行するようにしてもよい。酸化触媒６の貴金属での酸素吸着量の予測（推定）は、種々の手法により行うことができ、例えば運転履歴（特に燃料カット等の掃気を実行してからの経過状態）に基づいて、あるいは酸化触媒６の温度に基づいて行うことができ、複数の予測手段を組み合わせて予測を行うこともできる。

掃気通路９にエアタンクを接続して、エアタンク内に常時所定圧力範囲の空気を貯溜しておき（エアポンプによる空気貯溜）、酸化触媒６の貴金属の酸素吸着量が低下したときに、エアタンクを開放して、エアタンク内の空気を酸化触媒６へ供給するようにしてもよい。また、掃気通路５にバイパス経路および開閉弁を設けて、掃気を行う際に酸化触媒を通過する排気ガスをバイパスするようにしてもよい。本発明による制御は、酸化触媒６が活性化温度以下のときに実行するようにしてあるが、酸化触媒６の温度にかかわらず本発明制御を実行するようにしてもよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、酸化触媒を利用した排気ガス浄化の上で好ましいものとなる。

１：エンジン
２：吸気通路
５：排気通路
６：酸化触媒
７：ＤＰＦ
８：エアポンプ
１５：モータ
１６：ジェネレータ
１７：インバータ
１８：高電圧バッテリ
１４Ｌ：１４Ｒ：駆動輪

Claims (9)

1. 排気系に酸化触媒を有する内燃機関の排気ガス浄化方法であって、
   酸化触媒の貴金属への酸素の吸着量を予測する第１ステップと、
   前記第１ステップで予測された酸素吸着量があらかじめ設定された所定の下限値以下であるときに、酸化触媒の貴金属を掃気し、貴金属への酸素吸着量を増加させる増加制御を実行する第２ステップと、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
2. 請求項１において、
   前記第１ステップでの貴金属への酸素吸着量の予測が、運転履歴、酸化触媒前後のガス温度、酸化触媒の温度、酸化触媒前後での酸素センサ出力の少なくとも１つに基づいて行われる、ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
3. 請求項２において、
   運転履歴に基づく貴金属の酸素吸着量の予測が、燃料カットからの経過状態とされる、ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
4. 請求項１において、
   前記第２ステップでの貴金属の酸素吸着量の増加制御が、アイドル停止中にエアポンプを作動させることによって、酸化触媒を空気で掃気させることにより行われる、ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
5. 請求項１において、
   前記第２ステップでの貴金属への酸素吸着量の増加制御が、アイドル停止中に、空気を貯溜したエアタンクを開放することによって、酸化触媒を空気で掃気させることにより行われる、ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
6. 請求項１において、
   前記第２ステップでの貴金属への酸素吸着量の増加制御が、走行中での燃料カットにより行われる、ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
7. 請求項６において、
   エンジンおよびモータの両方によって駆動輪が駆動され、
   貴金属への酸素吸着量の増加制御のために走行中に燃料カットされたとき、燃料カットに伴うエンジントルクの低減分を補うようにモータのトルクが増大補正される、
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、
   酸化触媒の温度を検出する第３ステップを有し、
   前記第３ステップで検出された酸化触媒の温度があらかじめ設定された所定温度以下のときに、前記第２ステップでの貴金属への酸素吸着量の増加制御が実行される、
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
9. 排気系に酸化触媒を有する内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
   酸化触媒の貴金属への酸素の吸着量を予測する酸素吸着量予測手段と、
   前記酸素吸着量予測手段で予測された酸素吸着量があらかじめ設定された所定の下限値以下であるときに、酸化触媒の貴金属を掃気し、貴金属への酸素吸着量を増加させる増加制御を実行する貴金属への酸素吸着量の増加制御手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。

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