JP2016145561A

JP2016145561A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2016145561A
Application number: JP2015023497A
Authority: JP
Inventors: 誠之千葉; Masayuki Chiba
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-08-12

Abstract

【課題】化学蓄熱装置を構成する部材に劣化が生じても、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置は、排気浄化触媒３と、化学蓄熱装置１０と、検出装置４３、４４と、制御装置３０とを具備する。化学蓄熱装置は、反応媒体と反応して発熱すると共に発熱すると排気浄化触媒を加熱する反応材２１を備えるヒータ部１１と、反応媒体を吸着する吸着材を備えるストレージ部１２と、連通路に配置された開閉弁１４とを備える。検出装置は、ストレージ部内の圧力又はヒータ部内の温度を検出する。制御装置は、開閉弁が開弁されているときにストレージ部内の圧力又はヒータ部内の温度の変化速度に基づいて化学蓄熱装置の劣化度を算出し、算出された劣化度が高いほど、機関本体から排出される排気ガスの温度が高くなるように排気ガスの温度を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、化学蓄熱装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている。斯かる排気浄化触媒は、その活性温度以上になると、流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ）やＮＯｘを良好に浄化することができる。したがって、排気浄化触媒による浄化性能を高く維持するためには、排気浄化触媒の温度を活性温度以上に維持することが必要になる。特に、機関冷間始動時等は、排気浄化触媒の温度がその活性温度よりも低いことから、排気浄化触媒による浄化性能を高めるために、排気浄化触媒を迅速に昇温することが必要になる。

排気浄化触媒の温度を高める手法としては、例えば、機関本体から排出される排気ガスの温度を高めることが挙げられる。具体的には、火花点火式内燃機関では、点火プラグによる点火時期を遅角させることで排気ガスの温度を高めることができる。また、圧縮時着火式内燃機関では、燃料噴射弁からの燃料噴射時期を遅角させることで排気ガスの温度を高めることができる。

しかしながら、このように点火時期や燃料噴射時期を遅角させることによって排気ガスの温度を高めると、燃焼室内に供給された燃料の一部が排気ガスの温度を高めるために用いられることになるため、燃費の悪化を招く。そこで、排気浄化触媒の温度を高める手法として、化学蓄熱装置を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。

化学蓄熱装置は、アンモニアと反応して発熱すると共に発熱すると排気浄化触媒を加熱する反応材を備えるヒータ部と、アンモニアを吸着する吸着材を備えると共に連通路によりヒータ部と連通するストレージ部とを具備する。斯かる化学蓄熱装置では、機関本体から排出される排気ガスの温度が低いときにはストレージ部に吸着されたアンモニアがヒータ部に送られることによりヒータ部が発熱し、これにより排気浄化触媒が加熱される。一方、機関本体から排出される排気ガスの温度が高いときにはヒータ部の反応材からアンモニアが離脱せしめられてストレージ部に送られ、ストレージ部に吸着せしめられる。斯かる化学蓄熱装置を用いることにより、排気ガスの温度が高いときに排気ガスから熱を回収すると共に排気ガスの温度が低いときに回収した熱を放出して排気浄化触媒を加熱することができる。このため、燃費の悪化を招くことなく排気浄化触媒の温度を高めることができるとされている。

特開２０１４−１１８８８２号公報

ところで、上述したような化学蓄熱装置では、その使用期間が長くなると、化学蓄熱装置を構成する部材に劣化が生じる場合がある。斯かる劣化としては、例えば、ヒータ部に設けられた反応材の表面上にアンモニア以外の物質（例えばアンモニアの熱分解によって生じた物質等）が付着し、反応材における加熱反応が生じにくくなること等が挙げられる。

このように化学蓄熱装置を構成する部材に劣化が生じて反応材による加熱反応が生じにくくなると、化学蓄熱装置による排気浄化触媒の昇温性能が低下することになる。この結果、排気浄化触媒を十分に加熱することができなくなり、排気浄化触媒による排気浄化能力の低下を招く。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、化学蓄熱装置を構成する部材に劣化が生じても、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路に配置された排気浄化触媒と、反応媒体と反応して発熱すると共に発熱すると前記排気浄化触媒を加熱する反応材を備えるヒータ部と、アンモニアを吸着する吸着材を備えると共に連通路により前記ヒータ部と連通するストレージ部と、前記連通路に配置された開閉弁とを備える化学蓄熱装置と、前記ストレージ部内の圧力又は前記ヒータ部内の温度を検出する検出装置と、機関本体から排出される排気ガスの温度を制御可能な制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記開閉弁が開弁されているときに前記検出装置によって検出された前記ストレージ部内の圧力又は前記ヒータ部内の温度の変化速度に基づいて該変化速度が遅くなるほど劣化度が大きくなるものとして前記化学蓄熱装置の劣化度を算出し、該算出された劣化度が高いほど、前記排気浄化触媒を昇温すべきときに前記機関本体から排出される排気ガスの温度が高くなるように該排気ガスの温度を制御する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

本発明によれば、化学蓄熱装置を構成する部材に劣化が生じても、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制することができる。

図１は、本実施形態の排気浄化装置を備える内燃機関の構成を概略的に示す図である。図２は、吸着材へのアンモニアの吸着量及びストレージ部内の圧力のタイムチャートである。図３は、吸着材へのアンモニア吸着量とヒータ部内の温度と劣化度診断実行の可否との関係を示す図である。図４は、化学蓄熱装置を構成する部材の劣化度と目標排気温度との関係を示す図である。図５は、化学蓄熱装置を構成する部材の劣化度を診断する劣化度診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図６は、劣化度に基づく排気ガス温度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図７は、吸着材へのアンモニアの吸着量及びヒータ部内の温度のタイムチャートである。図８は、化学蓄熱装置を構成する部材の劣化度を診断する劣化度診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関の構成＞
図１は、本実施形態の排気浄化装置を備える内燃機関の構成を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体１と、機関本体１の排気ポートに連結された排気管２とを具備する。排気管２は、機関本体１から排出された排気ガスが流通する排気通路を画成する。排気管２には、機関本体１から排出された排気ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘを浄化するための排気浄化触媒３を内蔵した触媒コンバータ４が配置される。なお、内燃機関が圧縮自着火式の内燃機関である場合には、排気浄化触媒３は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのフィルタであってもよい。

加えて、排気管２には、排気浄化触媒３に流入する排気ガスを加熱することによって排気浄化触媒３を間接的に加熱する化学蓄熱装置１０が設けられる。化学蓄熱装置１０は、排気浄化触媒３の排気流れ方向上流側において排気管２を囲むように配置されたヒータ部１１と、ストレージ部１２と、ヒータ部１１とストレージ部１２とを連通させる連通管１３と、連通管１３に配置された開閉弁１４とを具備する。また、化学蓄熱装置１０には、連通管１３を介してヒータ部１１及びストレージ部１２内を流通する反応媒体が封入される。反応媒体としては、例えば、アンモニアや二酸化炭素が挙げられる。以下では、反応媒体としてアンモニアを用いた場合を例にとって説明する。

ヒータ部１１は、排気管２を囲むように円筒状に形成されると共に、その内部にアンモニアと化学反応する固体状又は粉末状の反応材２１を備える。反応材２１としては、例えば、ＣａＣｌ₂、Ｍｇｃｌ₂、ＣｏＣｌ₂、ＮｉＣｌ₂等の金属塩化物、ＣａＢｒ₂、ＭｇＢｒ₂等の金属臭化物、ＣａＩ₂、ＭｇＩ₂等の金属ヨウ化物等が用いられる。反応材２１では、その温度が離脱温度（例えば、２６０℃）よりも低い場合には、反応材２１とアンモニアとが化学反応してアンモニアが反応材２１に化学吸着され、このときに熱が発生する。このようにして発生した熱は、ヒータ部１１に囲まれた排気管２内を流通する排気ガスを加熱し、加熱された排気ガスにより排気浄化触媒３が加熱される。一方、反応材２１では、その温度が離脱温度以上である場合には、反応材２１からアンモニアが離脱せしめられる。

なお、本実施形態では、ヒータ部１１は排気浄化触媒３の排気流れ上流側において排気管２を囲むように配置される。したがって、ヒータ部１１は、排気浄化触媒３に流入する排気ガスを加熱することによって排気浄化触媒３を間接的に加熱している。しかしながら、ヒータ部は排気浄化触媒３を囲むように配置されてもよい。この場合、ヒータ部は、排気浄化触媒３を直接的に加熱することになり、よって、化学蓄熱装置１０は排気浄化触媒３を直接的に加熱することになる。

ストレージ部１２は、その内部に、アンモニアを離脱可能に物理吸着させる吸着材２２を備える。吸着材２２としては、例えば、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ等が用いられる。吸着材２２には、ストレージ部１２内の圧力が高いほど多量のアンモニアが吸着せしめられる。

連通管１３は、ヒータ部１１とストレージ部１２とを連通させる連通路を画成し、連通路を介してヒータ部１１とストレージ部１２との間でアンモニアを移動させることができる。連通管１３に配置された開閉弁１４は、連通管１３によって画成される連通路の開閉を行う。開閉弁１４が開かれているときにはアンモニアはヒータ部１１とストレージ部１２との間で移動が可能になり、開閉弁１４が閉じられているときにはヒータ部１１とストレージ部１２との間でのアンモニアの移動が遮断される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。

また、化学蓄熱装置１０のヒータ部１１には、ヒータ部１１内の温度、特に反応材２１の温度を検出するための温度センサ４３が設けられる。加えて、化学蓄熱装置１０のストレージ部１２には、ストレージ部１２内の圧力を検出するための圧力センサ４４が設けられる。さらに、触媒コンバータ４には排気浄化触媒３の温度を検出する温度センサ４５が設けられる。これら温度センサ４３、４５及び圧力センサ４４の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して内燃機関の駆動部材、例えば点火プラグ、燃料噴射弁、スロットル弁（いずれも図示せず）等に接続される。加えて、出力ポート３６は開閉弁１４に接続され、よって開閉弁１４はＥＣＵ３０からの駆動信号によって制御される。

なお、本実施形態では、排気浄化触媒３、化学蓄熱装置１０、温度センサ４３、圧力センサ４４及びＥＣＵ３０は、内燃機関の排気浄化装置を構成する。

＜排気浄化装置の動作＞
次に、このように構成された排気浄化装置の基本的な動作について説明する。まず、アンモニアが多量にストレージ部１２の吸着材２２に吸着さてており且つ開閉弁１４が閉弁されている状態を考える。このような状態で、排気浄化触媒３の加熱が必要とされるとき、例えば冷間始動時等、排気浄化触媒３の温度が低く且つ機関本体１から排出される排気ガスの温度が低いときには、開閉弁１４が開弁される。吸着材２２に多量のアンモニアが吸着されているときにはストレージ部１２内の圧力が高いことから、吸着材２２に吸着されているアンモニアは吸着材２２から離脱して、ヒータ部１１へと移動する。

ヒータ部１１へ移動したアンモニアは、ヒータ部１１の反応材２１と化学反応して熱を発生させる。このとき発生した熱により、ヒータ部１１に囲まれた排気管２内を流通する排気ガスが加熱せしめられ、この加熱された排気ガスにより排気浄化触媒３が加熱せしめられる。

一方、排気浄化触媒３が十分に加熱され且つ機関本体１から排出される排気ガスの温度が上昇すると、ヒータ部１１が機関本体１から排出された排気ガスにより加熱される。そして、ヒータ部１１内の温度（より正確には反応材２１の温度）が離脱温度以上になると、反応材２１に化学吸着されていたアンモニアが反応材２１から離脱せしめられる。このとき、ストレージ部１２の吸着材２２にはアンモニアがほとんど吸着されておらず、よってストレージ部１２内の圧力は低い。一方、反応材２１からアンモニアが離脱せしめられると、ヒータ部１１内の圧力が上昇する。この結果、ヒータ部１１内の圧力がストレージ部１２内の圧力よりも高くなり、反応材２１から離脱したアンモニアはストレージ部１２へと移動せしめられる。ストレージ部１２へと移動せしめられたアンモニアは吸着材２２に物理吸着する。

このようにヒータ部１１からストレージ部１２へのアンモニアの移動が続くと、やがてヒータ部１１の反応材２１に化学吸着していたアンモニアのほとんどがストレージ部１２へと移動する。このように、アンモニアのほとんどがストレージ部１２に移動すると、開閉弁１４が閉弁される。したがって、アンモニアは、排気浄化触媒３の加熱後、ストレージ部１２に再び回収されることになる。このようにしてストレージ部１２に回収されたアンモニアは、次の機関冷間始動時等に開閉弁１４が再び開かれると、再びヒータ部１１へと移動して、排気浄化触媒３を再び加熱する。

このように、化学蓄熱装置１０では、アンモニアがヒータ部１１とストレージ部１２との間で繰り返し移動することによって、排気ガス及び排気浄化触媒３が低温のときにこれらを繰り返し加熱することができる。なお、開閉弁１４は、排気浄化触媒３が活性温度以上に加熱された後に一旦閉じられ、その後、排気ガスの温度が高温になってアンモニアをストレージ部１２に回収すべきときに再び開かれるように制御されてもよい。

＜化学蓄熱装置の劣化＞
ところで、上述したような化学蓄熱装置１０では、その使用期間が長くなると、化学蓄熱装置１０を構成する部材に劣化が生じる場合がある。斯かる劣化としては、例えば、ヒータ部１１の反応材２１の表面上にアンモニア以外の物質、例えばアンモニアの熱分解によって生じた物質等）が付着することが挙げられる。このように、反応材２１の表面上にアンモニア以外の物質が付着して劣化が生じると、その領域ではアンモニアが反応材２１に化学吸着されにくくなる。この結果、反応材２１における加熱反応が生じにくくなる。

このように化学蓄熱装置１０を構成する部材に劣化が生じて反応材２１による加熱反応が生じにくくなると、反応材２１における単位時間当たりの発熱量が減少する。このため、反応材２１におけるアンモニアの化学反応に伴う単位時間当たりの排気浄化触媒３の加熱量が減少する。この結果、排気浄化触媒３を十分に加熱することができなくなり、排気浄化触媒３による排気浄化能力の低下を招く。

＜化学蓄熱装置の劣化度診断＞
そこで、本実施形態では、まず、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を求めることとしている。具体的には、開閉弁１４が開弁されているときに圧力センサ４４によって検出されたストレージ部１２内の圧力の変化速度に基づいて、この変化速度が遅くなるほど劣化度が大きくなるものとして化学蓄熱装置１０の劣化度を算出するようにしている。以下では、まず、本実施形態において、ストレージ部１２内の圧力の変化速度に基づいて化学蓄熱装置１０の劣化度を算出している理由について説明する。

図２は、ストレージ部１２の吸着材２２へのアンモニアの吸着量及びストレージ部１２内の圧力のタイムチャートである。図中の実線は化学蓄熱装置１０を構成する部材に劣化が生じているときの推移を、図中の破線は化学蓄熱装置１０を構成する部材が新品であるときの推移をそれぞれ表している。図２に示した例では、時刻ｔ₁以前において、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い場合を示している。

このような場合、時刻ｔ₁において、開閉弁１４が開弁されると、上述したように、ストレージ部１２の吸着材２２に吸着されていたアンモニアがヒータ部１１に移動し、ヒータ部１１の反応材２１と化学反応する。化学蓄熱装置１０を構成する部材が新品であるときには、反応材２１における化学反応の反応速度が速いため、ヒータ部１１に流入したアンモニアが迅速に反応材２１に化学吸着される。この結果、ストレージ部１２からヒータ部１１へのアンモニアの流量が多くなり、よって図２に破線で示したように吸着材２２へのアンモニアの吸着量は急激に減少する。また、上述したように、ストレージ部１２内の圧力は吸着材２２へのアンモニアの吸着量に比例するため、図２に破線で示したようにストレージ部１２内の圧力の減少速度も速い。図２に示した例では、時刻ｔ₁において開閉弁１４を開弁してから、ストレージ部１２内の圧力がΔＰだけ低下するのにかかる時間はΔｔ₀となっている。

一方、化学蓄熱装置１０を構成する部品が劣化しているときには、反応材２１における化学反応の反応速度が遅いため、ヒータ部１１に流入したアンモニアが反応材２１に化学吸着されるのに時間がかかる。この結果、ストレージ部１２からヒータ部１１へのアンモニアの流量が少なくなり、よって図２に実線で示したように吸着材２２へのアンモニアの吸着量はゆっくりと減少する。また、図２に実線で示したようにストレージ部１２内の圧力の減少速度も遅くなる。図２に示した例では、時刻ｔ₁において開閉弁１４を開弁してから、ストレージ部１２内の圧力がΔＰだけ低下するのにかかる時間は、上記Δｔ₀よりも長いΔｔとなっている。

このように、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い状態で、開閉弁１４が開弁させた後の、ストレージ部１２内の圧力の変化速度は、化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度に応じて変化する。特に、化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度が高いほど、ストレージ部１２内の圧力の変化速度が遅くなる。このため、本実施形態では、ストレージ部１２内の圧力の変化速度に基づいて劣化度を算出している。

具体的には、本実施形態では、下記式（１）に基づいて化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度Ｒｄを算出している。
Ｒｄ＝（ΔＰ／Δｔ₀）／（ΔＰ／Δｔ） …（１）
ここで、ΔＰ／Δｔ₀は化学蓄熱装置１０が新品であるときに予め測定することによって求められ、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存される。

したがって、本実施形態では、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を求めるべきときには、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い状態で、開閉弁１４を開弁させるようにしている。そして、このときに、圧力センサ４４の出力に基づいて、ストレージ部１２内の圧力が所定の圧力ΔＰだけ低下するまでの間のストレージ部１２内の圧力の変化速度が算出され、算出された変化速度を上記式（１）に代入することによって化学蓄熱装置１０の劣化度が算出される。これにより、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を適切に検出することができるようになる。

なお、上記実施形態では、吸着材２２へのアンモニア吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い状態で、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度診断が行われている。そして、斯かる状態では、ストレージ部１２からヒータ部１１へアンモニアが移動するため、ストレージ部１２内の圧力の減少速度に基づいて劣化度を算出している。しかしながら、同様に、ヒータ部１１からストレージ部１２へのアンモニアの移動速度も化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度に応じて変化する。したがって、ストレージ部１２内の圧力の増加速度に基づいて劣化度を算出することも可能である。特に、ヒータ部１１からストレージ部１２へのアンモニアの移動速度が遅いほど、すなわちストレージ部１２内の圧力の増加速度が遅いほど、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が大きいといえる。したがって、本実施形態では、吸着材２２へのアンモニア吸着量が少なく且つヒータ部１１内の温度が高い状態で、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度診断が行われてもよい。

図３は、吸着材２２へのアンモニア吸着量とヒータ部１１内の温度と劣化度診断実行の可否との関係を示す図である。図３からわかるように、本実施形態では、吸着材２２へのアンモニア吸着量が少なくなく（例えば、図中のＳ₁以上）且つヒータ部１１内の温度が低い（例えば、図中のＴ₁以下）ときには劣化度診断が行われる。また、吸着材２２へのアンモニア吸着量が多くなく（例えば、図中のＳ₂以下（Ｓ₂＞Ｓ₁））且つヒータ部１１内の温度が高い（例えば、図中のＴ₂以上（Ｔ₂＞Ｔ₁））ときにも劣化度診断が行われる。

一方、吸着材２２へのアンモニア吸着量が少なく（例えば、図中のＳ₁未満）且つヒータ部１１内の温度が低い（例えば、図中のＴ₁未満）場合には、ストレージ部１２からヒータ部１１へのアンモニアの移動量が少ない。同様に、吸着材２２へのアンモニア吸着量が多く（例えば、図中のＳ₂よりも多い）且つヒータ部１１内の温度が高い（例えば、図中のＴ₂よりも高い）場合にも、ヒータ部１１からストレージ部１２へのアンモニアの移動量が少ない。さらに、ヒータ部１１内の温度が反応材２１の離脱温度近傍である場合にも同様にストレージ部１２からヒータ部１１へ又はその逆へのアンモニアの移動量が少ない。このように、アンモニアの移動量が少ないと、ストレージ部１２内の圧力がほとんど変化しないため、ストレージ部１２内の圧力に基づいて劣化度診断を行うのは困難である。このため、本実施形態では、このような条件下では、劣化度診断を行わないようにしている。

＜排気浄化触媒の昇温制御＞
このようにして劣化度診断により化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が検出されると、この劣化度に応じて排気浄化触媒３に流入する排気ガスの温度が制御される。具体的には、図４に示したように、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が高いほど、排気浄化触媒３を昇温すべきときに機関本外から排出される排気ガスの温度が高くなるように排気ガスの温度が制御される。

ここで、上述したように、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が高くなると、反応材２１とアンモニアとの反応により単位時間当たりに放出される熱量が少なくなる。このため、劣化度が高くなると、排気浄化触媒３に供給される熱量が少なくなり、排気浄化触媒３を迅速に昇温させにくくなる。

これに対して、本実施形態では、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が高いほど、機関本体１から排出される排気ガスの目標温度（以下、「目標排気温度」という）が上昇せしめられる。したがって、劣化により化学蓄熱装置１０によっては上昇させることができなくなった分の温度を目標排気温度を上昇させることによって補うことができ、これにより排気浄化触媒３を迅速に昇温させることができるようになる。

＜フローチャート＞
図５は、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を診断する劣化度診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ１１において、診断フラグＦｊが１であるか否かが判定される。診断フラグＦｊは劣化度診断が行われているときには１に設定され、劣化度診断が行われていないときには０に設定されるフラグである。ステップＳ１１において、診断フラグＦｊが１ではないと判定されたとき、すなわち劣化度診断が行われていないときには、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、劣化度診断要求が有るか否かが判定される。劣化度診断要求は、例えば、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされてから未だ劣化度診断がなされていないとき及び前回の劣化度診断から所定の時間以上が経過したときになされる。ステップＳ１２において、劣化度診断要求が無いと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１２において、劣化度診断要求が有ると判定された場合にはステップＳ１３へと進む。

ステップＳ１３では、劣化度診断条件が成立しているか否かが判定される。具体的には、圧力センサ４４によって検出されたストレージ部１２内の圧力に基づいてストレージ部１２の吸着材２２へのアンモニアの吸着量が算出される。そして、算出された吸着量と温度センサ４３によって検出されたヒータ部１１内の温度とに基づいて、図３に示したようなマップを用いて、劣化度診断条件が成立しているか否かが判定される。吸着材２２へのアンモニアの吸着量及びヒータ部１１内の温度が劣化度診断実行不可の領域内にあるときには、ステップＳ１３において、劣化度診断条件が成立していないと判定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、吸着材２２へのアンモニアの吸着量及びヒータ部１１内の温度が劣化度診断実行可能の領域内にあるときには、劣化度診断条件が成立していると判定され、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、開閉弁１４が閉弁とされる。したがって、それまで開閉弁１４が開かれていたときには開閉弁１４が閉じられると共に、それまで開閉弁１４が閉じられていたときには開閉弁１４が閉じたまま維持される。次いで、ステップＳ１５では、圧力センサ４４によるストレージ部１２内の圧力の検出が開始される。次いで、ステップＳ１６では、診断フラグＦｊが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

診断フラグＦｊが１にセットされると、次の制御ルーチンではステップＳ１１からＳ１７へと進む。ステップＳ１７では開閉弁１４が開弁され、次いで、ステップＳ１８では開閉弁１４を開弁してからのストレージ部１２内の圧力の変化量ΔＰが予め定められた所定量α以上であるか否かが判定される。ステップＳ１８においてストレージ部１２内の圧力の変化量ΔＰが所定量αよりも少ないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。その後、開閉弁１４の開弁によりストレージ部１２からヒータ部１１へ又はその逆へのアンモニアの移動が進むと、やがてストレージ部１２内の圧力の変化量ΔＰが所定量α以上となる。ストレージ部１２内の圧力の変化量ΔＰがα以上になると、次の制御ルーチンではステップＳ１８からステップＳ１９へと進む。

ステップＳ１９では、圧力センサ４４によるストレージ部１２内の圧力の検出が終了せしめられる。次いで、ステップＳ２０では圧力センサ４４による圧力の検出が開始されてから終了されるまでの時間、すなわちストレージ部１２内の圧力が所定量αだけ変化するまでの時間が算出される。加えて、算出された時間に基づいて、ストレージ部１２内の圧力の変化速度が算出されると共に、上述した式（１）に基づいて化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が算出される。次いで、ステップＳ２１では、診断フラグＦｊが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図６は、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度に基づく排気ガス温度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンも一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ３１において、温度センサ４５によって検出された排気浄化触媒３の温度Ｔｃがその活性温度Ｔｒｅｆよりも低いか否かが判定される。排気浄化触媒３の温度が活性温度以上であると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、排気浄化触媒３の温度が活性温度よりも低いと判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、開閉弁１４が開弁されているか否かが判定される。ステップＳ３２において開閉弁１４が開弁されていないと判定されたときには、そもそも化学蓄熱装置１０により排気浄化触媒３の加熱が行われていないため、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３２において、開閉弁１４が開弁されていると判定された場合にはステップＳ３３へと進む。

ステップＳ３３では、図５のステップＳ２０において算出された劣化度に基づいて、図３に示したようなマップを用いて、機関本体１から排出される排気ガスの目標温度（目標排気温度）が算出される。次いで、目標排気温度に基づいて、内燃機関の燃料噴射弁から燃料を噴射する時期（燃料噴射時期）が算出される。この場合、目標排気温度が高いほど、燃料噴射時期が遅角せしめられる。なお、本実施形態では、内燃機関として圧縮自着火式内燃機関が用いられている場合を示しているが、内燃機関として火花点火式内燃機関が用いられている場合には、目標排気温度に基づいて点火時期が算出される。

＜第二実施形態＞
次に、図７及び図８を参照して本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は、以下で説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。

上述した第一実施形態では、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を求めるにあたって、ストレージ部１２内の圧力の変化速度を用いている。これに対して、本実施形態では、開閉弁１４が開弁されているときに温度センサ４３によって検出されたヒータ部１１内の温度の変化速度に基づいて、この変化速度が遅くなるほど劣化度が大きくなるものとして化学蓄熱装置１０の劣化度を算出するようにしている。

図７は、ストレージ部１２の吸着材２２へのアンモニアの吸着量及びヒータ部１１内の温度のタイムチャートである。図中の実線は化学蓄熱装置１０を構成する部材に劣化が生じているときの推移を、図中の破線は化学蓄熱装置１０を構成する部材が新品であるときの推移をそれぞれ表している。図７に示した例では、時刻ｔ₁以前において、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い場合を示している。

このような場合、時刻ｔ₁において、開閉弁１４が開弁されると、吸着材２２に吸着されていたアンモニアがヒータ部１１に移動し、ヒータ部１１の反応材２１と化学反応する。化学蓄熱装置１０を構成する部品が新品であるときには、反応材２１における化学反応の反応速度が速いため、ヒータ部１１内の温度は急激に上昇する。図７に示した例では、時刻ｔ₁において開閉弁を開弁してから、ヒータ部１１内の温度がΔＴだけ上昇するのにかかる時間はΔｔ₀となっている。

一方、化学蓄熱装置１０を構成する部品が劣化しているときには、反応材２１における化学反応の反応速度が遅いため、ヒータ部１１内の温度はゆっくりと上昇する。図７に示した例では、時刻ｔ₁において開閉弁１４を開弁してから、ヒータ部１１内の温度がΔＴだけ上昇するのにかかる時間は、上記Δｔ₀よりも長いΔｔとなっている。

このように、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い状態で、開閉弁１４が開弁させた後の、ヒータ部１１内の温度の変化速度は、化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度に応じて変化する。特に、化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度が高いほど、ヒータ部１１内の温度の変化速度が遅くなる。このため、本実施形態では、ヒータ部１１内の温度の変化速度に基づいて劣化度を算出している。

具体的には、本実施形態では、下記式（２）に基づいて化学蓄熱装置１０を構成する部品の劣化度Ｒｄを算出している。
Ｒｄ＝（ΔＴ／Δｔ₀）／（ΔＴ／Δｔ） …（２）
ここで、ΔＴ／Δｔ₀は化学蓄熱装置１０が新品であるときに予め測定することによって求められ、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存される。

したがって、本実施形態では、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を求めるべきときには、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が多く且つヒータ部１１内の温度が低い状態で、開閉弁１４が開弁させるようにしている。そして、このときに、温度センサ４３の出力に基づいて、ヒータ部１１内の温度が所定の温度ΔＴだけ低下するまでの間のヒータ部１１内の温度の変化速度が算出され、算出された変化速度を上記式（２）に代入することによって化学蓄熱装置１０の劣化度が算出される。これにより、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を適切に検出することができるようになる。

なお、本実施形態においても、上記第一実施形態と同様に、吸着材２２へのアンモニアの吸着量が少なく且つヒータ部１１内の温度が高い状態で化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度診断を行うことも可能である。したがって、本実施形態においても、図３に示した領域と同様な領域において劣化度診断が行われる。

＜フローチャート＞
図８は、化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度を診断する劣化度診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。なお、図８のステップＳ４１〜Ｓ４７は、図５のステップＳ１１〜Ｓ１７と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ４７で開閉弁１４が開弁されると、次いで、ステップＳ４８では開閉弁１４を開弁してからのヒータ部１１内の温度の変化量ΔＴが予め定められた所定量β以上であるか否かが判定される。ステップＳ４８において、ヒータ部１１内の温度の変化量ΔＴが所定量βよりも少ないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。その後、開閉弁１４の開弁によりストレージ部１２からヒータ部１１へ又はその逆へのアンモニアの移動が進むと、やがてヒータ部１１内の温度の変化量ΔＴが所定量β以上となる。ヒータ部１１内の温度の変化量ΔＴがβ以上になると、次の制御ルーチンではステップＳ４８からステップＳ４９へと進む。

ステップＳ４９では、温度センサ４３によるヒータ部１１内の温度の検出が終了せしめられる。次いで、ステップＳ５０では温度センサ４３による温度の検出が開始されてから終了されるまでの時間、すなわちヒータ部１１内の温度が所定量βだけ変化するまでの時間が算出される。加えて、算出された時間に基づいて、ヒータ部１１内の温度の変化速度が算出されると共に、上述した式（２）に基づいて化学蓄熱装置１０を構成する部材の劣化度が算出される。次いで、ステップＳ５１では、診断フラグＦｊが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

１機関本体
２排気管
３排気浄化触媒
１０化学蓄熱装置
１１ヒータ部
１２ストレージ部
１３連通管
１４開閉弁
２１反応材
２２吸着材
３０ＥＣＵ
４３温度センサ
４４圧力センサ
４５温度センサ

Claims

機関排気通路に配置された排気浄化触媒と、
反応媒体と反応して発熱すると共に発熱すると前記排気浄化触媒を加熱する反応材を備えるヒータ部と、前記反応媒体を吸着する吸着材を備えると共に連通路により前記ヒータ部と連通するストレージ部と、前記連通路に配置された開閉弁とを備える化学蓄熱装置と、
前記ストレージ部内の圧力又は前記ヒータ部内の温度を検出する検出装置と、
機関本体から排出される排気ガスの温度を制御可能な制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記開閉弁が開弁されているときに前記検出装置によって検出された前記ストレージ部内の圧力又は前記ヒータ部内の温度の変化速度に基づいて該変化速度が遅くなるほど劣化度が大きくなるものとして前記化学蓄熱装置の劣化度を算出し、該算出された劣化度が高いほど、前記排気浄化触媒を昇温すべきときに前記機関本体から排出される排気ガスの温度が高くなるように該排気ガスの温度を制御する、内燃機関の排気浄化装置。