JP2018112158A

JP2018112158A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2018112158A
Application number: JP2017004113A
Authority: JP
Inventors: 金子　真也; Shinya Kaneko; 真也金子; 大塚　孝之; Takayuki Otsuka; 孝之大塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19
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Abstract

【課題】触媒の熱劣化を抑制しつつ内燃機関の始動後にフィルタの再生を早期に実施する。
【解決手段】フィルタよりも上流に備わる触媒の温度を所定温度まで上昇させた後において、触媒から流出する排気の空燃比がリーン空燃比になるまでの期間よりも長い期間に亘り、内燃機関の目標空燃比を所定リーン空燃比に設定するリーン制御と、触媒から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比になるまでの期間よりも長い期間に亘り、内燃機関の目標空燃比を所定リッチ空燃比に設定するリッチ制御と、を交互に複数回実施する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を捕集するフィルタを備えることがある。フィルタに捕集されているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量ともいう。）が一定量に達すると、ＰＭを酸化させて除去する処理を実施する。この処理をフィルタの再生という。フィルタに捕集されているＰＭが酸化されるためには、フィルタの温度が所定温度以上となっており、且つ、フィルタに流入する排気の酸素濃度が所定濃度以上となっていることが必要となる。

ここで、ディーゼル機関においてフィルタの再生を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、燃料噴射を前期の燃料噴射と後期の燃料噴射とを含む多段噴射とすると共に、前期の燃料噴射時期を、通常運転の適正噴射時期より早い時期に設定してＮＯｘの発生量を増加させると共に、後期の燃料噴射時期を、通常運転の適正噴射時期より遅い時期に設定することで、排気温度を上昇させている。

また、ガソリン機関では、通常は、理論空燃比で運転されているため、フィルタ内を流通する排気の酸素濃度が低い。そのため、フィルタに酸素が供給されるのは、内燃機関が理論空燃比よりも大きな空燃比で運転されている場合や、減速などで燃料カットが行われた場合などに限られる。

特開２００２−２７６４４３号公報

ここで、内燃機関の冷間始動時にフィルタの再生が必要な場合がある。しかし、内燃機関の冷間始動時には、フィルタの温度が低いため、フィルタに流入する排気の酸素濃度が十分に高い場合であっても、フィルタの温度が十分に高くなるまではフィルタの再生が行われない。フィルタの再生が行われるまでの時間が長いと、例えば、フィルタの目詰まりが起こることによって内燃機関の出力が低下し得る。したがって、フィルタの温度を速やかに上昇させることが望ましい。

ここで、フィルタよりも上流側に酸化能力を有し且つ容量の小さな触媒を設ける構成が知られている。このような構成では、触媒の容量が小さいために内燃機関の始動時であっても触媒の温度が上昇し易い。そして、触媒の温度が活性温度に達すれば、該触媒において燃料と酸素とを反応させることで、排気の温度を更に上昇させることができる。この温度の高い排気が触媒よりも下流のフィルタを通過することで、フィルタの再生に必要な温度まで該フィルタの温度を上昇させることができる。しかし、フィルタの再生中に触媒の温度が更に上昇して過熱してしまい、触媒が熱劣化する虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒の熱劣化を抑制しつつ内燃機関の始動後にフィルタの再生を早期に実施することにある。

上記課題を解決するために、内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力及び酸素吸蔵能力を有する触媒である第一触媒と、前記第一触媒よりも下流の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって酸化能力及び酸素吸蔵能力を有する触媒である第二触媒を担持したフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の始動時に前記フィルタの再生を実施する場合に、前記第一触媒の温度を所定温度まで上昇させる第一制御と、前記第一制御の後に実施される第二制御であって、前記内燃機関の目標空燃比を理論空燃比よりも大きい空燃比である所定リーン空燃比に設定した時点から、前記第一触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりも大きくなる時点までの期間よりも長い期間に亘り、前記目標空燃比を前記所定リーン空燃比に設定するリーン制御と、前記目標空燃比を理論空燃比よりも小さい空燃比である所定リッチ空燃比に設定した時点から、前記第一触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりも小さくなる時点までの期間よりも長い期間に亘り、前記目標空燃比を前記所定リッチ空燃比に設定するリッチ制御と、を交互に複数回実施する第二制御と、を実施する制御装置を備える。

第一制御は、例えば内燃機関から温度の高いガスを流出させる制御である。このようにして、第一触媒に流入する排気の温度を上昇させることにより、主に第一触媒の温度を上昇させることができる。第一制御を実施しているときには、排気の熱が第一触媒に奪われるため、第一触媒よりも下流に備わるフィルタの温度上昇は緩慢になる。なお、所定温度は、第一触媒に要求される温度の下限値としてもよく、第一触媒が活性する温度としてもよい。また、これらの温度よりも所定温度を高く設定してもよい。

そして、第一制御を実施した後に、第二制御を実施する。第二制御では、内燃機関の目標空燃比を所定リッチ空燃比と所定リーン空燃比とに変動させる。ここで、第一触媒で未燃燃料（ＨＣ，ＣＯ）を酸化させることにより第二触媒の温度を少しは上昇させることができる。しかし、第一触媒から第二触媒に至るまでの排気通路において熱が排気通路の外部に放出されてしまうため、第二触媒の温度を上昇させるために多くの未燃燃料を必要とし、また、第二触媒の昇温に時間を要する。また、フィルタの再生を実施するように第一触媒において熱を発生させると、第一触媒の温度が高くなりすぎて該第一触媒が熱劣化する虞がある。これに対し、第二触媒で未燃燃料を酸化させることにより第二触媒で熱を発生させることができれば、第一触媒の熱劣化を抑制し、且つ、排気通路の外部に熱が放出されることを抑制できる。

そこで、リッチ制御は、少なくとも第一触媒から理論空燃比よりも小さな空燃比（以下、リッチ空燃比ともいう。）の排気が流出した後まで実施し、リーン制御は、少なくとも第一触媒から理論空燃比よりも大きな空燃比（以下、リーン空燃比ともいう。）の排気が流出した後まで実施している。すなわち、リッチ制御を継続することにより、第一触媒からリッチ空燃比の排気が流出するため、第二触媒に主に未燃燃料を供給することができる。また、リーン制御を継続することにより、第一触媒からリーン空燃比の排気が流出するため、第二触媒に主に酸素を供給することができる。したがって、リッチ制御とリーン制御とを交互に実施することにより、第二触媒に対して主に未燃燃料と主に酸素とが交互に供給されるため、第二触媒において未燃燃料が酸化される。これにより、第二触媒において熱が発生するため、第二触媒の温度を上昇させることができる。そして、フィルタの温度が十分に高くなっているときにリーン制御が実施されると、フィルタに捕集されているＰＭが酸化される。

このように、リッチ制御とリーン制御とを交互に実行することにより、第二触媒の温度が速やかに上昇する。また、第一触媒から未燃燃料が流出するため、その分、第一触媒で酸化される未燃燃料の量が減少する。したがって、第一触媒で発生する熱が減少するため、第一触媒の温度上昇を抑制することができるので、第一触媒の熱劣化を抑制できる。したがって、第一制御によって第一触媒の温度を速やかに上昇させた後に、第二制御を実施
することにより、第一触媒の熱劣化を抑制しつつ、フィルタの再生を早期に実施することができる。

また、前記制御装置は、前記第一触媒の温度が前記第一触媒に要求される温度の下限値に達した時点において、前記第一触媒の温度が前記所定温度まで上昇したものとして、前記第一制御を終了させ且つ前記第二制御を開始することができる。

第一触媒に要求される温度の下限値とは、第一触媒において未燃燃料を酸化可能な温度であり、第一触媒が活性する温度としてもよい。また、第一触媒に要求される温度の下限値は、第一触媒における未燃燃料の浄化率が許容範囲になる温度としてもよい。第一触媒の温度が、第一触媒に要求される温度の下限値に達すれば、第一触媒で排気を浄化可能となる。したがって、第一触媒の温度上昇よりもフィルタの温度上昇を優先させることができる。そこで、第一触媒の温度が上昇し易い第一制御から、フィルタの温度が上昇し易い第二制御に切り換えることにより、フィルタの温度を速やかに上昇させることができる。

本発明によれば、触媒の熱劣化を抑制しつつ内燃機関の始動後にフィルタの再生を早期に実施することができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。内燃機関の始動後にフィルタの再生を実施するときの機関回転速度と、内燃機関の目標空燃比と、第一触媒及びフィルタの温度と、の推移を示したタイムチャートである。実施例に係る昇温制御のフローを示したフローチャートである。第一制御のフローを示したフローチャートである。第二制御のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
図１は、本実施例に係る内燃機関１と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン機関である。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、上流側から順に、三元触媒である第一触媒３と、三元触媒である第二触媒４を担持したフィルタ４１と、が設けられている。

第一触媒３及び第二触媒４は、酸素吸蔵能力を有している。すなわち、排気の空燃比が理論空燃比よりも大きいときに酸素を吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比よりも小さいときに酸素を放出する。また、第一触媒３及び第二触媒４は、酸化能力を有している。フィルタ４１は、排気中のＰＭを捕集する。

第一触媒３よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１が設けられている。また、第一触媒３よりも下流で且つフィルタ４１よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１２が設けられている。第一温度センサ１
１または第二温度センサ１２の検出値に基づいて、第一触媒３の温度を検出することができる。また、第二温度センサ１２の検出値に基づいて、フィルタ４１の温度を検出することができる。なお、内燃機関１の運転状態に基づいて、第一触媒３及びフィルタ４１の温度を推定することもできる。

また、第一触媒３よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第一空燃比センサ１３が設けられている。第一触媒３よりも下流で且つフィルタ４１よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第二空燃比センサ１４が設けられている。なお、第一空燃比センサ１３及び第二空燃比センサ１４は、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとしてもよい。

また、内燃機関１には、該内燃機関１へ燃料を供給する噴射弁６が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、気筒内に電気火花を発生させる点火プラグ９が設けられている。また、内燃機関１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル８が設けられている。スロットル８よりも上流の吸気通路７には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１９が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁６、スロットル８、点火プラグ９が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態（例えば、機関回転速度及びアクセル開度）に基づいて目標空燃比を設定する。そして、実際の空燃比が目標空燃比となるように、スロットル８及び噴射弁６を制御する。なお、本実施例では、リーン空燃比といった場合には、特に断らない限りは、理論空燃比よりも大きな空燃比を示し、リッチ空燃比といった場合には、特に断らない限りは、理論空燃比よりも小さな空燃比を示すものとする。

また、ＥＣＵ１０は、フィルタ４１のＰＭ堆積量を推定する。ＰＭ堆積量は、過去の機関回転数及び機関負荷に基づいて推定してもよいし、フィルタ４１よりも上流と下流との排気の圧力差に基づいて推定してもよい。このフィルタ４１に堆積しているＰＭは、フィルタ４１の温度が、ＰＭが酸化する温度以上となっており、且つ、フィルタ４１に酸素が供給されることで、酸化され除去される。

ＥＣＵ１０は、内燃機関１の始動時において、ＰＭ堆積量が所定量以上の場合には、フィルタ４１の再生を実施する。ここでいう所定量は、フィルタ４１の再生が必要とされるＰＭ堆積量である。そのため、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の始動時においてＰＭ堆積量が所定量以上の場合には、フィルタ４１の温度をＰＭが酸化する温度（以下、ＰＭ酸化温度という。）まで上昇させる。その際、第一触媒の温度を所定温度まで上昇させる第一制御と、フィルタ４１の温度をＰＭ酸化温度以上に上昇させる第二制御と、を順に実施する。

第一制御では、例えば、特開平１１−３２４７６５号公報、又は、特開２００１−１８２５８６号公報に記載の方法によって、内燃機関１から温度の高いガスを排出させる。

例えば、点火プラグ９の点火実行時に点火プラグ９の周りに偏在する混合気の空燃比が
リッチ空燃比且つ着火可能な空燃比となり、さらに、この混合気層が着火可能な霧化状態となるように、噴射弁６の燃料噴射量及び燃料噴射時期と、点火プラグ９の点火時期と、を制御して成層燃焼を行う。そうすると、点火プラグ９の周りの混合気層の空燃比をリッチ空燃比としているので、主燃焼（点火プラグ９による火花点火による着火とその後の火炎伝播による燃焼）の際に不完全燃焼物（ＣＯ）が生成され、主燃焼後もこのＣＯが燃焼室内に残存する。また、混合気層の周囲には主燃焼後にも酸素が残存する。この残存ＣＯと残存酸素とが主燃焼後の気筒内のガス流動によって混合・再燃焼することで、排気の温度が上昇する。なお、内燃機関１から温度の高いガスを排出させる方法については、他の周知の技術を用いることもできる。

このように、第一制御において内燃機関１の排気の温度が高くなると、第一触媒３の温度が上昇する。このときには、第一触媒３の温度は速やかに上昇するが、排気の熱が第一触媒３において奪われることによって、フィルタ４１の温度上昇は緩慢になる。第一制御を実施中に第一触媒３の温度が所定温度（例えば活性温度）に達した時点で、ＥＣＵ１０は第一制御から第二制御に切り換える。

第二制御では、内燃機関１の目標空燃比を、理論空燃比よりも大きな空燃比である所定リーン空燃比と、理論空燃比よりも小さな空燃比である所定リッチ空燃比と、に交互に変動させる。その際、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比に設定した時点から、第一触媒３から流出する排気の空燃比がリーン空燃比になる時点までの期間よりも長い期間に亘り、目標空燃比を所定リーン空燃比に設定するリーン制御と、目標空燃比を所定リッチ空燃比に設定した時点から、第一触媒３から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比になる時点までの期間よりも長い期間に亘り、目標空燃比を所定リッチ空燃比に設定するリッチ制御と、を交互に複数回実施する。なお、以下では、理論空燃比よりも小さな空燃比の排気をリッチガスともいい、理論空燃比よりも大きな空燃比の排気をリーンガスともいう。

本実施例では、１回のリッチ制御の期間と、そのリッチ制御の期間と隣り合う１回のリーン制御の期間と、を合わせた期間における内燃機関１の目標空燃比の平均値が理論空燃比となるように、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比と所定リッチ空燃比とに変動させてもよい。第二制御は、ＥＣＵ１０が、噴射弁６からの燃料噴射量、及び、スロットル８の開度を調整することにより実施される。

リッチ制御において、内燃機関１の目標空燃比を所定リッチ空燃比にした場合には、第一触媒３に主に未燃燃料が流入する。一方、リーン制御において、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比にした場合には、第一触媒３に主に酸素が流入する。したがって、リーン制御とリッチ制御とを交互に実施することにより、第一触媒３に多くの酸素と多くの未燃燃料とが交互に流入する。そうすると、第一触媒３において未燃燃料が酸素によって酸化されて熱が発生するため、第一触媒３の温度が上昇する。

ここで、第一触媒３は酸素吸蔵能力を有しているため、第一触媒３に流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときには、第一触媒３に酸素が吸蔵され、第一触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比のときには、第一触媒３から酸素が放出され得る。このため、第一触媒３に流入する排気の空燃比がリーン空燃比の場合であっても、第一触媒３に酸素が吸蔵されることにより、第一触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比になり得る。そして、第一触媒３の酸素吸蔵量が多くなると、吸蔵しきれなくなった酸素が第一触媒３から流出することにより、第一触媒３から流出する排気の空燃比がリーン空燃比となる。一方、第一触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比の場合であっても、第一触媒３から酸素が放出されることにより、第一触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比になり得る。そして、第一触媒３の酸素吸蔵量が少なくなって、放出される酸素が少なく
なると、第一触媒３から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比となる。

したがって、仮に、第一触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となる範囲で、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比と所定リッチ空燃比とに変動させた場合には、第一触媒３に流入する未燃燃料のほとんどが第一触媒３において酸化されることにより、第一触媒３の温度が速やかに上昇する。これにより、フィルタ４１の温度も上昇することになる。しかし、このようにしてフィルタ４１の温度を上昇させることでフィルタ４１の再生を実施すると、第一触媒３が過熱する虞がある。また、第一触媒３で熱を発生させた場合には、第二触媒４に至るまでの排気通路２において熱が放出される。

これに対して、リーン制御時には、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比に設定する期間を比較的長くして、第一触媒３からリーンガスを流出させている。一方、リッチ制御時には、内燃機関１の目標空燃比を所定リッチ空燃比にする期間を比較的長くして、第一触媒３からリッチガスを流出させている。すなわち、リーン制御時には、第一触媒３に吸蔵可能な酸素よりも多い量の酸素を第一触媒３に流入させ、リッチ制御時には、第一触媒３に吸蔵されている酸素で酸化可能な未燃燃料よりも多い量の未燃燃料を第一触媒３に流入させている。

ここで、リーン制御において、内燃機関１の目標空燃比を所定リーン空燃比に設定した時点から、第一触媒３からリーンガスが流出するまでの期間では、第一触媒３に流入するほとんどの酸素が第一触媒３に吸蔵される。一方、その後に引き続きリーン制御を実施した場合には、第一触媒３で酸素がほとんど吸蔵されないために、第一触媒３から酸素が流出する。この酸素が、第二触媒４に供給されることにより、第二触媒４に酸素が吸蔵される。

また、リッチ制御において、内燃機関１の目標空燃比を所定リッチ空燃比に設定した時点から、第一触媒３からリッチガスが流出するまでの期間では、第一触媒３に流入するほとんどの未燃燃料が第一触媒３に吸蔵されている酸素によって酸化されるために、第一触媒３において熱が発生し得る。一方、その後に引き続きリッチ制御を実施した場合には、第一触媒３から酸素がほとんど放出されないために、第一触媒３にて未燃燃料がほとんど酸化されないので、第一触媒３の温度上昇は抑制される。さらに、第一触媒３から未燃燃料が流出するため、第二触媒４に未燃燃料が供給される。この未燃燃料は、第二触媒４に吸蔵されている酸素によって酸化され、熱を発生させる。これにより、フィルタ４１の温度が上昇する。

リーン制御とリッチ制御とを交互に実施することにより、第二触媒４において繰り返し熱が発生し、該第二触媒４の温度が効率よく上昇する。そして、フィルタ４１の温度がＰＭ酸化温度まで上昇した後であれば、リーン制御時にフィルタ４１にリーンガスが流入した際に、フィルタ４１に堆積しているＰＭが酸化される。これにより、フィルタ４１が再生される。

このように、第一制御によって第一触媒３の温度を速やかに上昇させた後に、第二制御を実施することにより、第一触媒３の過熱による熱劣化を抑制しつつ、第二触媒４の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、第一触媒３の熱劣化を抑制しつつ、フィルタ４１の再生を早期に実施することができる。

図２は、内燃機関１の始動後にフィルタ４１の再生を実施するときの機関回転速度と、内燃機関１の目標空燃比と、第一触媒３及びフィルタ４１の温度と、の推移を示したタイムチャートである。実線は、本実施例に係る第一制御及び第二制御を実施した場合を示し、破線は、第一触媒３の温度が所定温度以上に上昇した後も仮に第一制御を実施した場合
（以下、比較制御を実施した場合という。）を示している。ＴＡは第一触媒３が熱劣化する温度、ＴＢはフィルタ４１の再生に必要となる温度の下限値（すなわち、ＰＭ酸化温度）、ＴＣは第一触媒３に要求される温度の下限値（すなわち、所定温度）である。

Ｔ１は内燃機関１の始動後であって第一触媒３及びフィルタ４１の温度を上昇させる昇温制御が開始される時点である。昇温制御では、先ず第一制御が開始され、その後の第一制御終了時点で第二制御が開始される。したがって、Ｔ１より第一制御が開始される。第一制御では、内燃機関１の目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。そして、第一制御はＴ２で示される時点まで実施される。Ｔ１からＴ２までの期間では、第一制御により第一触媒３の温度が速やかに上昇するが、第二触媒４の温度上昇は緩慢である。Ｔ２の時点において、第一触媒３の温度が、第一触媒３に要求される温度の下限値ＴＣに達している。そのため、Ｔ２において、第一制御が終了し、第二制御が開始される。

Ｔ２から後の期間では、比較制御を実施した場合には、本実施例に係る第二制御を実施した場合と比較して、第一触媒３の温度上昇率が大きくなる。しかし、第一触媒３からフィルタ４１に至るまでの排気通路２において排気の熱が外部へ放出されるため、フィルタ４１の温度上昇率は小さくなる。そのため、比較制御を実施した場合には、フィルタ４１の温度がフィルタ４１の再生に必要となる温度の下限値ＴＢまで上昇するのに時間がかかる。さらに、第一触媒３の温度が高くなりすぎて第一触媒３が熱劣化する虞もある。そのため、比較制御を実施した場合には、第一触媒３の温度が熱劣化する温度ＴＡに達する前に機関回転速度を低下させることにより、第一触媒３の温度上昇を抑制している。これにより、フィルタ４１の温度上昇が更に緩慢となる。なお、機関回転速度を低下させない場合には、一点鎖線で示すように、第一触媒３の温度が熱劣化する温度ＴＡよりも高くなる虞がある。

一方、本実施例に係る第二制御を実施した場合には、第一触媒３の温度上昇率を低下させ、且つ、フィルタ４１の温度上昇率を増加させることができるため、第一触媒３の温度が熱劣化する温度ＴＡに達することを抑制しつつ、フィルタ４１の温度をフィルタ４１の再生に必要となる温度の下限値ＴＢまで速やかに上昇させることができる。

図３は、本実施例に係る昇温制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートはＥＣＵ１０により内燃機関１の始動時に実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関１の冷間始動時であるか否か判定される。本ステップＳ１０１では、例えば、第一触媒３及び第二触媒４において排気を浄化することができない状態であるか否か判定される。例えば、内燃機関１の冷却水の温度が冷間始動時と考えられる温度である場合に、ステップＳ１０１において肯定判定がなされる。なお、ステップＳ１０１では、内燃機関１の冷間始動時であるか否か判定することに代えて、第一触媒３及び第二触媒４の温度を上昇させる要求があるか否か判定してもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０２では、フィルタ４１のＰＭ堆積量が取得される。フィルタ４１のＰＭ堆積量は、ＥＣＵ１０により別途算出されている。

ステップＳ１０３では、フィルタ４１のＰＭ堆積量が所定量以上であるか否か判定される。本ステップＳ１０３では、フィルタ４１の再生が必要であるか否か判定している。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０４では、第一制御が実施される。この第一制御については後述する。ステップＳ１０５では、第二制御が実施される。この第二制御については後述する。ステップＳ１０６では、通常昇温制御が実施される。ここでいう通常昇温制御は、フィルタ４１の再生を実施しない場合の制御であり、第一触媒３を速やかに昇温させるための制御である。例えば、第一触媒３の温度が所定温度以上になるまで第一制御と同じ制御を実施してもよいし、他の周知の制御を実施してもよい。また、例えば、通常昇温制御においても先ず第一制御を実施し、その後に、第一触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となるように、内燃機関１の目標空燃比を比較的短い間隔でリーン空燃比とリッチ空燃比とに変動させてもよい。このように目標空燃比を比較的短い間隔でリッチ空燃比とリーン空燃比とに変動させることにより、第一触媒３には、目標空燃比がリーン空燃比のときに主に酸素が供給され、目標空燃比がリッチ空燃比のときに主に未燃燃料が供給される。このため、第一触媒３において未燃燃料が酸化されて熱が発生して第一触媒３の温度が速やかに上昇する。なお、ＥＣＵ１０がステップＳ１０４及びステップＳ１０５を処理することにより、本願発明における制御装置として機能する。

次に、第一制御について説明する。図４は、第一制御のフローを示したフローチャートである。図４に示すフローチャートは、図３に示したフローチャートのステップＳ１０４において実行される。

ステップＳ２０１では、第一制御が開始される。この第一制御を開始することにより、内燃機関１から温度の高いガスを排出させる。

ステップＳ２０２では、第一触媒３の温度が取得される。ＥＣＵ１０は、第一温度センサ１１または第二温度センサ１２の検出値に基づいて、第一触媒３の温度を検出する、または、内燃機関１の運転状態に基づいて第一触媒３の温度を推定する。

ステップＳ２０３では、第一触媒３の温度が所定温度以上であるか否か判定される。本ステップＳ２０３では、第一触媒３の温度が、第一触媒３に要求される温度の下限値に達することにより、第一制御の終了条件が成立しているか否か判定している。ステップＳ２０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０４へ進んで第一制御が終了される。一方、ステップＳ２０３で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ戻って第一制御が継続される。

次に、第二制御について説明する。図５は、第二制御のフローを示したフローチャートである。図５に示すフローチャートは、図３に示したフローチャートのステップＳ１０５において実行される。

ステップＳ３０１では、第二制御が開始される。これにより、例えば、上記リッチ制御またはリーン制御が開始される。

ステップＳ３０２では、リッチ制御を実施中であるか否か判定される。ステップＳ３０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ３０６へ進む。

ステップＳ３０３では、第一触媒３からリッチガスが流出後、第一所定期間が経過したか否か判定される。第一触媒３からリッチガスが流出していない場合、及び、第一触媒３からリッチガスが流出してはいるが第一所定期間が経過していない場合には、否定判定がなされる。本ステップＳ３０３では、内燃機関１の目標空燃比を所定リッチ空燃比から所定リーン空燃比に切り換える条件が成立しているか否か判定している。第一所定期間、所定リッチ空燃比、所定リーン空燃比は、第一触媒３の過熱抑制及びフィルタ４１の昇温促
進、燃費の悪化抑制などを考慮して、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ３０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０４へ進んで、内燃機関１の目標空燃比がリーン空燃比に設定される。これにより、リッチ制御からリーン制御に切り換わる。一方、ステップＳ３０３で否定判定がなされた場合にはステップＳ３０５へ進んで内燃機関１の目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。これにより、リッチ制御が継続される。

一方、ステップＳ３０６では、第一触媒３からリーンガスが流出後、第二所定期間が経過したか否か判定される。第一触媒３からリーンガスが流出していない場合、及び、第一触媒３からリーンガスが流出してはいるが第二所定期間が経過していない場合には、否定判定がなされる。本ステップＳ３０６では、内燃機関１の目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換える条件が成立しているか否か判定している。第二所定期間は、第一触媒３の過熱抑制及びフィルタ４１の昇温促進、燃費の悪化抑制などを考慮して、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ３０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０７へ進んで、内燃機関１の目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。これにより、リーン制御からリッチ制御に切り換わる。一方、ステップＳ３０６で否定判定がなされた場合にはステップＳ３０８へ進んで内燃機関１の目標空燃比がリーン空燃比に設定される。これにより、リーン制御が継続される。

ステップＳ３０９では、第二制御開始時点から第三所定期間が経過したか否か判定される。第三所定期間は、フィルタ４１の温度がＰＭ酸化温度まで上昇するのに要する期間である。第三所定期間は予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、フィルタ４１の温度を取得し、該フィルタ４１の温度がＰＭ酸化温度まで上昇している場合に、第三所定期間が経過したものとしてもよい。ステップＳ３０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３１０へ進んで第二制御が終了される。これにより、内燃機関１の目標空燃比は、運転状態に応じた値に設定される。一方、ステップＳ３０９で否定判定がなされた場合にはステップＳ３０２へ戻り、第二制御が継続される。

このように内燃機関１の冷間始動時に第一制御を実施することにより、第一触媒３の温度を速やかに上昇させることができる。また、第一制御の終了後に第二制御を実施して、リッチ制御とリーン制御とを交互に繰り返すことにより、第一触媒３の温度上昇を抑制しつつ第二触媒４で未燃燃料を酸化させることができるので、第二触媒４の温度を効率よく速やかに上昇させることができる。これにより、第一触媒３の熱劣化を抑制しつつ、フィルタ４１の再生を早期に実施することが可能となる。

１内燃機関
２排気通路
３第一触媒
４第二触媒
６噴射弁
７吸気通路
８スロットル
９点火プラグ
１０ＥＣＵ
１１第一温度センサ
１２第二温度センサ
１３第一空燃比センサ
１４第二空燃比センサ
１６アクセルペダル
１７アクセル開度センサ
１８クランクポジションセンサ
１９エアフローメータ
４１フィルタ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力及び酸素吸蔵能力を有する触媒である第一触媒と、
前記第一触媒よりも下流の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって酸化能力及び酸素吸蔵能力を有する触媒である第二触媒を担持したフィルタと、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記内燃機関の始動時に前記フィルタの再生を実施する場合に、
前記第一触媒の温度を所定温度まで上昇させる第一制御と、
前記第一制御の後に実施される第二制御であって、前記内燃機関の目標空燃比を理論空燃比よりも大きい空燃比である所定リーン空燃比に設定した時点から、前記第一触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりも大きくなる時点までの期間よりも長い期間に亘り、前記目標空燃比を前記所定リーン空燃比に設定するリーン制御と、前記目標空燃比を理論空燃比よりも小さい空燃比である所定リッチ空燃比に設定した時点から、前記第一触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりも小さくなる時点までの期間よりも長い期間に亘り、前記目標空燃比を前記所定リッチ空燃比に設定するリッチ制御と、を交互に複数回実施する第二制御と、
を実施する制御装置を備える内燃機関の排気浄化装置。
前記制御装置は、前記第一触媒の温度が前記第一触媒に要求される温度の下限値に達した時点において、前記第一触媒の温度が前記所定温度まで上昇したものとして、前記第一制御を終了させ且つ前記第二制御を開始する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。