JP2020176603A - 触媒温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒について、状況に応じて触媒温度を調整すること。【解決手段】内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、排気浄化触媒の周りを内管と外管からなる二重管構造に構成した排気管と、内燃機関とは独立した燃焼室、および当該燃焼室へ空気を供給する送風機構を有する燃焼式ヒータと、燃焼式ヒータを制御する制御装置と、を備え、排気管は、内管の内部が内燃機関の排気通路となり、内管と外管との間が燃焼式ヒータの排気通路となるように構成されている触媒温度調整装置であって、制御装置は、燃焼室で燃料を燃焼しない状態で送風機構を作動し、燃焼式ヒータの排気経路に空気を流すことによって排気浄化触媒を冷却する（ステップＳ１３）。【選択図】図３

Description

本発明は、触媒温度調整装置に関する。

特許文献１には、燃焼式ヒータを有する内燃機関において、排気管を内管と外管とからなる二重管構造とし、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒を内管の内部に配置し、内管と外管との間の隙間が燃焼式ヒータの排気通路となる構成が開示されている。この二重管構造の排気管を有する構成では、内管と外管との隙間に燃焼式ヒータの燃焼ガスを流すことによって、内管の内部に収容されている排気浄化触媒を暖機することができる。

特開２００３−０３５１３３号公報

内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒は、浄化特性を向上するために暖機が必要になる場合だけではなく、状況によっては冷却が必要になる場合もある。そのため、排気浄化触媒の温度を上昇させることができるとともに、排気浄化触媒の温度を低下させることもできる構成の触媒温度調整装置が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒について、状況に応じて触媒温度を調整することができる触媒温度調整装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の排気通路に配置され、前記内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の周りを内管と外管からなる二重管構造に構成した排気管と、前記内燃機関とは独立した燃焼室、および当該燃焼室へ空気を供給する送風機構を有する燃焼式ヒータと、前記燃焼式ヒータを制御する制御装置と、を備え、前記排気管は、前記内管の内部が前記内燃機関の排気通路となり、前記内管と前記外管との間が前記燃焼式ヒータの排気通路となるように構成されている触媒温度調整装置であって、前記制御装置は、前記燃焼室で燃料を燃焼しない状態で前記送風機構を作動し、前記燃焼式ヒータの排気経路に空気を流すことによって前記排気浄化触媒を冷却する冷却制御を実行することを特徴とする。

本発明では、制御装置が冷却制御を実行することによって、排気浄化触媒を冷却することができる。これにより、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒の暖機と冷却とが可能になるため、状況に応じて排気浄化触媒の温度を調整することができる。

図１は、実施形態の触媒温度調整装置を模式的に示す図である。 図２は、排気浄化触媒の暖機制御フローを示すフローチャートである。 図３は、排気浄化触媒の冷却制御フロー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おける触媒温度調整装置について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態の触媒温度調整装置を模式的に示す図である。触媒温度調整装置１は、エンジン２の排気ガスを浄化する排気浄化触媒１０について、触媒温度を調整するものである。図１に示すように、触媒温度調整装置１は、エンジン２の排気系を含む二重管構造の排気管３と、エンジン２とは独立した燃焼室４１を有する燃焼式ヒータ４と、エンジン２および燃焼式ヒータ４を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵという）５とを備えている。また、この触媒温度調整装置１は、走行用の動力源として駆動用モータ（ＭＧ）６を備える電動車１００に搭載されている。

電動車１００は、エンジン２と駆動用モータ６とを備えるシリーズ式のハイブリッド車両である。電動車１００では、エンジン２の動力によって発電機（図示せず）を回転させて、発電機で発電した電力を使用して駆動用モータ６から動力を出力する。駆動用モータ６が出力した動力はデファレンシャルギヤ機構７を介して駆動輪８に伝達される。駆動用モータ６とデファレンシャルギヤ機構７との間の動力伝達経路には、図示しない変速機構が設けられていてもよい。

駆動用モータ６は、走行用の動力を出力し、駆動輪８を駆動するためのモータである。この駆動用モータ６は、インバータ２１を介してバッテリ２２と電気的に接続されている。インバータ２１は、複数のスイッチング素子を有する電力変換装置であり、スイッチング素子のオンとオフとを切り替えることによって駆動用モータ６を駆動する。このインバータ２１のスイッチング素子はＥＣＵ５によってオンとオフとが制御される。バッテリ２２は、駆動用モータ６に供給するための電力として、上述した発電機で発電した電力を蓄えることができる二次電池である。バッテリ２２に蓄えられた電力はインバータ２１を介して駆動用モータ６に供給される。バッテリ２２から供給された電力によって駆動用モータ６が駆動する。また、電動車１００では、上述した発電機がインバータ２１と電気的に接続されているため、エンジン２が始動した後は、発電機で発電した電力はバッテリ２２を介さずに駆動用モータ６に供給することができる。

エンジン２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど、周知の内燃機関により構成されている。また、エンジン２は、図示しないウォータジャケットを流れる冷却水によって冷却されるように構成され、この冷却水が循環する冷却水回路９に接続されている。そして、電動車１００では、上述した発電機による発電を行う際に、エンジン２を始動する。エンジン２を始動後、エンジン２の気筒内（燃焼室）では燃料を燃焼するため、排気ガスが発生し、この排気ガスはエンジン２の排気通路１１に排出される。エンジン２の排気通路１１には、排気浄化触媒１０が設けられている。このエンジン２の排気通路１１は、エンジン２に接続された排気管３（詳細には内管３１）によって形成される。

排気管３は、内管３１と外管３２とからなる二重管構造に構成されている。内管３１は、エンジン２に接続された排気管である。内管３１の内部が、エンジン２の排気通路１１を形成している。一方、外管３２は、燃焼式ヒータ４に接続された排気管である。外管３２の内部が、燃焼式ヒータ４の排気通路１２を形成する。図１に示すように、排気浄化触媒１０が配置されている部分において、排気管３は二重管構造となっており、内管３１と外管３２との間が燃焼式ヒータ４の排気通路１２を形成している。すなわち、二重管構造となる部分において、内管３１の内部に、排気浄化触媒１０が収容されている。

排気浄化触媒１０は、エンジン２の排気ガスを浄化することが可能な周知の触媒によって構成されている。例えば、エンジン２がガソリンエンジンの場合、排気浄化触媒１０は、三元触媒により構成されている。エンジン２がディーゼルエンジンの場合、排気浄化触媒１０は、酸化触媒、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒、吸蔵還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）などにより構成されている。なお、内管３１には、排気浄化触媒１０よりも下流側に、図示しないマフラが接続されている。

燃焼式ヒータ４は、ハウジング４ａの内部に、エンジン２とは独立した燃焼室４１を有するものであり、この燃焼室４１に空気を供給する送風機構４２を含んで構成されている。燃焼室４１は、例えばエンジン２と同じ燃料を燃焼することが可能に構成されている。また、燃焼室４１と外管３２とは連通されている。送風機構４２は、図示しない電動モータによって回転するブロワにより構成されている。送風機構４２を駆動する電動モータはＥＣＵ５によって制御される。

燃焼式ヒータ４では、送風機構４２を作動して燃焼室４１に空気を供給して、燃焼室４１で燃料を燃焼すると、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスが、燃焼式ヒータ４の排気通路１２に排出され、外管３２の内部を流れる。そして、排気管３における二重管構造の部分において、内管３１と外管３２との間の排気通路１２を燃焼ガスが通過する。この場合に、内管３１の内部に収容されている排気浄化触媒１０の周りを燃焼式ヒータ４の燃焼ガスが通過する。その際、燃焼ガスの熱によって排気浄化触媒１０を暖機することできる。つまり、燃焼式ヒータ４の燃焼ガスを排気浄化触媒１０に直接触れさせることなく、排気浄化触媒１０を暖機することが可能になる。

また、燃焼式ヒータ４は、主に車室の暖房に使用されるヒータである。図１に示すように、燃焼式ヒータ４は、エンジン２の冷却水（エンジン冷却水）が循環する冷却水回路９に接続されており、冷却水回路９を流れる冷却水との間で熱交換を行う熱交換器として機能する。

冷却水回路９は、エンジン２のウォータジャケットと、燃焼式ヒータ４内の水路とに接続されている。この冷却水回路９は、ウォータポンプ（ＷＰ）９１と、ヒータコア９２とを備えている。ウォータポンプ９１は、電動ポンプにより構成され、ＥＣＵ５によって制御される。このウォータポンプ９１が作動することによって冷却水回路９内を冷却水が循環する。ヒータコア９２は、電動車１００の空調システムに含まれ、車室を暖房する際に空気との間で熱交換を行う。この空調システムは、送風ファン（図示せず）によってヒータコア９２に送風すると、ヒータコア９２の熱で温められた空気を車室内に送ることができる。そして、エンジン２が停止している場合には、燃焼式ヒータ４の燃焼室４１で燃料を燃焼して、冷却水の温度を上昇させることができる。電動車１００では、エンジン２を停止した状態であっても、駆動用モータ６によって走行可能であるため、エンジン２で冷却水の温度を上昇できない状況において、燃焼式ヒータ４を使用して車室の暖房を行うことができる。

ＥＣＵ５は、ＣＰＵと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、各種の演算を行う演算処理部と、を備えている。ＥＣＵ５には各種のセンサからの信号が入力される。例えば、エンジン２のクランクシャフトの回転角（クランク角度）を検出するクランクポジションセンサや、冷却水回路９内の冷却水の温度を検出する水温センサや、電動車１００の外気温を検出する外気温センサなどからの信号がＥＣＵ５に入力される。そして、ＥＣＵ５は、エンジン２を制御するエンジン制御、駆動用モータ６を制御するモータ制御、燃焼式ヒータ４を制御するヒータ制御をそれぞれ実行する。

具体的には、ＥＣＵ５は、エンジン制御として、エンジン２の燃料噴射および点火時期を制御する。また、ＥＣＵ５は、モータ制御として、インバータ２１のスイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング制御を実行する。また、ＥＣＵ５は、ヒータ制御として、燃焼式ヒータ４の燃焼室４１への燃料供給および送風機構４２の作動を制御する。さらに、ＥＣＵ５は、冷却水回路９のウォータポンプ９１の作動を制御する。

ＥＣＵ５は、電動車１００の走行制御を実行する。この走行制御が実行されることによって、電動車１００は、エンジン２を停止させた状態で、バッテリ２２の電力を消費して出力される駆動用モータ６の動力によって走行する。駆動用モータ６での電力消費に伴い、バッテリ２２の充電容量であるＳＯＣが低下する。そして、ＳＯＣが所定値まで低下すると、停止中のエンジン２を始動して、上述した発電機による発電を行う。エンジン２の始動時において、排気浄化触媒１０の浄化特性が十分に発揮されるよう、触媒温度が高い状態となっている必要がある。そこで、エンジン始動が予測される場合に、ＥＣＵ５は、エンジン２の始動に備えて、排気浄化触媒１０の温度を上昇させる暖機制御を実行する。

図２は、排気浄化触媒の暖機制御フローを示すフローチャートである。図２に示す暖機制御はＥＣＵ５によって実行される。

ＥＣＵ５は、電動車１００において、低温時に車室の暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、車室内のエアコンスイッチが操作され、暖房要求を受け付けたか否かが判定される。また、ステップＳ１の判定処理が実施される際、電動車１００では、エンジン２が停止した状態となっている。すなわち、ステップＳ１では、エンジン２が停止状態にある電動車１００において、低温時に車室の暖房要求があるか否かが判定される。

低温時に車室の暖房要求がない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、この制御ルーチンは終了する。

低温時に車室の暖房要求がある場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、バッテリ２２のＳＯＣが所定値以上、かつ電動車１００の外気温が所定温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ＳＯＣの閾値となる所定値は、バッテリ２２に充電が必要になると判断される閾値に設定される。外気温の閾値となる所定温度は、冷間時であると判断される温度に設定される。また、ＥＣＵ５には、バッテリ２２のＳＯＣを測定するセンサからの信号、および外気温センサからの信号が入力される。

バッテリ２２のＳＯＣが所定値以上、かつ電動車１００の外気温が所定温度以上である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、電気的ヒータを作動させる（ステップＳ３）。ステップＳ３では、バッテリ２２のＳＯＣが十分に高く、電力に余裕があるため、バッテリ２２の電力を使用して電気的ヒータを作動させる。この電気的ヒータは空調システムのヒートポンプに含まれる（図示せず）。電気的ヒータが作動することによって、ヒートポンプの熱輸送媒体を温めることができる。すなわち、ステップＳ３では、電力を消費する熱源を利用して暖房を行うことになる。ステップＳ３を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

バッテリ２２のＳＯＣが所定値以上、かつ電動車１００の外気温が所定温度以上ではない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、ＥＣＵ５は、燃焼式ヒータ４を作動し、エンジン２の始動に備えて排気浄化触媒１０を暖機する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、エンジン２が停止している状態で、燃焼式ヒータ４の燃焼室４１で燃料を燃焼する。ステップＳ４を実施すると、送風機構４２が作動して燃焼式ヒータ４の燃焼ガスが外管３２内の排気通路１２を流れる。そして、二重管構造の排気管３であるため、燃焼式ヒータ４の燃焼ガスの熱によって排気浄化触媒１０を暖機することができる。ステップＳ４を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

このように、図２に示す暖機制御は、バッテリ２２のＳＯＣが低下した場合や、電動車１００の加速時などで動力源の出力要求がある場合に、エンジン２を始動して、ＳＯＣの上昇、もしくは駆動用モータ６への供給電力量を増加する際に行われる。エンジン２の始動後は、排気浄化触媒１０が浄化性能を発揮できる温度にある場合、かつエンジン２の気筒内（燃焼室）において理論空燃比の混合気が燃焼している場合には、排気浄化触媒１０が排気ガスを浄化できていることになる。すなわち、エンジン始動時に排気浄化触媒１０の浄化性能が十分に発揮される温度まで触媒温度が上昇しているよう、エンジン始動前に、排気浄化触媒１０の暖機を行う必要がある。そこで、エンジン始動が予測される状況では、上述した図２に示す暖機制御を実行する。これにより、電動車１００では、エンジン２の始動直後から、エンジン２の排気ガスを排気浄化触媒１０で十分に浄化でき、ＣＯ排出量を低減することができる。また、エンジン２の排気通路１１に配置された排気浄化触媒１０に、直接、燃焼式ヒータ４の燃焼ガス（排気ガス）を入れない構造であるため、エンジン２のＣＯ排出量に影響を与えず、燃焼式ヒータ４のＡ／Ｆフィードバックを必要としない。

また、ＥＣＵ５は、排気浄化触媒１０が必要以上に高温になることを抑制する目的で、排気浄化触媒１０の温度を低下させるための冷却制御を実行することも可能である。例えば、ＥＣＵ５は、エンジン２の高負荷時に、排気浄化触媒１０の冷却制御が実行する。触媒温度調整装置１では、ＥＣＵ５が排気浄化触媒１０の冷却制御を実行することによって、燃焼式ヒータ４の燃焼室４１で燃料を燃焼しない状態において送風機構４２のみを作動させることができる。

図３は、排気浄化触媒の冷却制御フローを示すフローチャートである。図３に示す冷却制御はＥＣＵ５によって実行される。

ＥＣＵ５は、エンジン２が気筒内で燃料を燃焼している運転状態にあり、かつ電動車１００が走行中であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、エンジン２で燃料噴射および点火が行われている状態、かつ駆動用モータ６によって駆動輪８を駆動している状態であるか否かが判定される。

エンジン２が気筒内で燃料を燃焼している運転状態、かつ電動車１００が走行中ではない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、この制御ルーチンは終了する。

エンジン２が気筒内で燃料を燃焼している運転状態、かつ電動車１００が走行中である場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、排気浄化触媒１０の温度が所定温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２では、排気浄化触媒１０の温度を検出する温度センサからの信号がＥＣＵ５に入力される。ステップＳ１２で、排気浄化触媒１０の温度との比較に用いられる所定温度は、例えば触媒温度を低下させたほうが浄化特性は向上すると判断できる温度に設定されている。

排気浄化触媒１０の温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、燃焼式ヒータ４の送風機構４２のみを作動して、排気浄化触媒１０を冷却する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、ＥＣＵ５によって排気浄化触媒１０の冷却制御が実行される。燃焼式ヒータ４の燃焼室４１で燃料を燃焼しない状態、すなわち燃焼式ヒータ４の燃焼ガスが発生しない状態で、送風機構４２のみを作動させる。燃焼式ヒータ４で送風機構４２のみを作動すると、燃焼式ヒータ４の排気通路１２には空気（燃焼ガスではない気体）が流れる。ステップＳ１３を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

排気浄化触媒１０の温度が所定温度以上ではない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、送風機構４２は作動せず（ステップＳ１４）、この制御ルーチンは終了する。

以上説明した通り、実施形態によれば、触媒温度調整装置１は、排気浄化触媒１０の暖機と冷却とを両方ともできるため、状況に応じて排気浄化触媒１０の温度を調整することが可能になる。

なお、触媒温度調整装置１を適用可能な電動車１００は、上述したシリーズ式のハイブリッド車両に限定されず、パラレル式のハイブリッド車両、シリーズパラレル式のハイブリッド車両、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＶ）、レンジエクステンダーＥＶ（ＲＥＥＶ）であってよい。

例えば、電動車１００がパラレル式のハイブリッド車両、またはシリーズパラレル式ハイブリッド車両である場合、出力要求がある際に、駆動用モータ６のみで走行している状態から、エンジン２を始動して、駆動用モータ６の動力（モータトルク）にエンジン２の動力（エンジントルク）を付加して駆動輪８を駆動することになる。つまり、上述したエンジン始動後は、エンジン２が動力源として機能する。また、電動車１００がプラグインハイブリッド車両、またはレンジエクステンダーＥＶである場合、バッテリ２２には外部電源からの電力を充電することができるように構成されている。

１ 触媒温度調整装置
２ エンジン
３ 排気管
４ 燃焼式ヒータ
５ 電子制御装置（ＥＣＵ）
６ 駆動用モータ（ＭＧ）
９ 冷却水回路
１０ 排気浄化触媒
１１，１２ 排気通路
３１ 内管
３２ 外管
４１ 燃焼室
４２ 送風機構

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、前記内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の周りを内管と外管からなる二重管構造に構成した排気管と、
   前記内燃機関とは独立した燃焼室、および当該燃焼室へ空気を供給する送風機構を有する燃焼式ヒータと、
   前記燃焼式ヒータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記排気管は、前記内管の内部が前記内燃機関の排気通路となり、前記内管と前記外管との間が前記燃焼式ヒータの排気通路となるように構成されている触媒温度調整装置であって、
   前記制御装置は、前記燃焼室で燃料を燃焼しない状態で前記送風機構を作動し、前記燃焼式ヒータの排気経路に空気を流すことによって前記排気浄化触媒を冷却する冷却制御を実行する
   ことを特徴とする触媒温度調整装置。

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