JP2814802B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミナまたはゼオラ
イトに白金系触媒を担持させたＮＯx 触媒を備えた内燃
機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼可能な内燃機関においてＮＯx
を浄化するには、空燃比リーン域の排気中でもＮＯx を
浄化できるＮＯx 触媒が必要である。ＮＯx 触媒として
は、特開平１−３９１４５号公報に開示されているＮＯ
x 浄化にＨＣを必要とするＣｕ／ゼオライト触媒がある
他、ＮＯx 浄化にＨＣをほとんど必要としないＰｔ／ゼ
オライトまたはアルミナ触媒等がある。従来のＮＯx 触
媒に共通する性質は、何れのＮＯx 触媒も、良好なＮＯ
x 浄化率を示すことのできる温度域（温度ウィンドウ）
をもっていることである。

【０００３】特開昭６１−１１２７１５号公報は、ＮＯ
x 触媒をこのような温度ウィンドウに保つために、パテ
ィキュレート焼却用電気ヒータを触媒の温度制御に利用
したディーゼル機関を開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６１−
１１２７１５号公報のようなディーゼルパティキュレー
ト燃焼用ヒータの利用には、次の問題がある。すなわ
ち、ＮＯx 触媒を昇温させるために電気ヒータに通電す
ると、パティキュレートが燃焼し、このパティキュレー
トの燃焼は捕捉されているパティキュレート量等によっ
ても燃焼熱が異なるので、必要以上に昇温して触媒劣化
を生じたり浄化率の低下を招く事態を生じるおそれがあ
る。したがって、精度の高いまた耐久性を悪化させない
触媒温度制御を行うことが難しい。また、ガソリン機関
には適用できない。

【０００５】本発明の目的は、パティキュレート燃焼用
ヒータによるＮＯx 触媒の温度制御よりも精度の高い、
しかもＮＯx 触媒の過熱や熱劣化を招くことなく、ＮＯ
x 触媒を所定温度域に制御できる内燃機関の排気浄化装
置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、次の内燃機関の排気浄化装置によって達成され
る。すなわち、希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
系と、前記内燃機関の排気系に設けられた、アルミナま
たはゼオライトに白金系触媒金属を担持させたＮＯx 触
媒と、前記内燃機関の排気系のうち前記ＮＯx 触媒より
も上流側の部分に設けられたヒータ付触媒と、前記ＮＯ
x 触媒の温度が所定範囲に維持されるように前記ヒータ
付触媒のヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。

【０００７】

【作用】本発明では、ＮＯx 触媒の上流に設けたヒータ
付触媒、たとえばヒータ付スタート触媒を利用して、排
気ガス温の加熱を介して、ＮＯx 触媒温度を高ＮＯx 浄
化率を示せる温度範囲に保持するようにしたので、従来
のように捕捉パティキュレート燃焼による不測の過熱が
なく、比較的精度の高い温度制御ができ、かつ、ＮＯx
触媒の不測の過熱、熱劣化を招くことも防止できる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。図１
および図２に示すように、希薄燃焼可能な内燃機関２の
排気系４には、アルミナまたはゼオライトに白金系触媒
金属を担持させたＮＯx 触媒６、たとえばＰｔ／アルミ
ナ触媒が配設されている。ＮＯx触媒６は、Ｃｕ／ゼオ
ライト触媒と異なり、ＨＣの存在を必要とせずに、空燃
比リーンの排気中でＮＯx を還元できる。Ｐｔ／アルミ
ナ触媒の、高ＮＯx 浄化率を示す温度ウィンドゥは、図
５に示す如く、約２５０°Ｃ−３５０°Ｃにある。ま
た、Ｐｔ／アルミナ触媒は、定常状態や降温状態でより
も、昇温の過渡状態において高いＮＯx 浄化率を示す。

【０００９】内燃機関２の排気系４のうち、ＮＯx 触媒
６よりも上流側の部分には、ヒータ付触媒８、たとえば
ヒータ付の、三元触媒から成るスタート触媒が配設され
ている。ヒータ付触媒８のヒータ８ａのオンオフは、ヒ
ータ制御手段１０によって制御され、ＮＯx 触媒６の温
度が前記温度ウィンドゥ内に維持されるようにヒータ８
ａのオンオフが制御される。ＮＯx 触媒６は車両床下に
配置されて、内燃機関２からＮＯx 触媒６に至る迄の排
気ガスの自然放熱でＮＯx 触媒６が異常に高くなること
はないが、スタート直後のコールド時や軽負荷、アイド
ル状態が続いたときにはＮＯx 触媒６の温度は下るの
で、そのような時にはヒータ８ａがオンされるようにな
っている。

【００１０】この制御が実行され得るように、種々のセ
ンサ、および制御装置が設けられる。センサとしては、
コールド時か否かを検出するための機関冷却水温ＴＨＷ
を検出する水温センサ１２、ＮＯx 触媒６が温度ウィン
ドゥ内にあるか否かを見るためにＮＯx 触媒６の触媒床
温を検出する温度センサ１４（あるいは触媒床温に関連
する温度、たとえば排気温、を検出するセンサであって
もよい）、機関の負荷状態を検出するための、吸気圧力
ＰＭを検出する吸気圧力センサ１６、スロットル開度
（吸気量ＱＮと相関）を検出するスロットル開度センサ
１８、機関の運転状態を知るために機関回転速度ＮＥを
検出する、ディストリビュータに内蔵されたクランク角
センサ２０、等が設けられる。

【００１１】制御装置（ＥＣＵ）２２はマイクロコンピ
ュータから成り、通常のマイクロコンピュータと同様
に、演算を実行するセントラルプロセッサユニット（Ｃ
ＰＵ）、読み出し専用のメモリであるリードオンリメモ
リ（ＲＯＭ）、一時記憶用のランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）、アナログ入力量をディジタル量に変換する
アナログ／ディジタル変換器、入力インタフェース、出
力インタフェースを有する。クランク角センサ２０から
のディジタル入力量は入力インタフェースに入力され、
その他のセンサのアナログ量はアナログ／ディジタル変
換器でディジタル量に変換されて入力インタフェースに
入力される。ＣＰＵで演算された指令は制御装置２２の
出力インタフェースからヒータ制御スイッチ２４に送ら
れ、ヒータ８ａへの通電を制御する。

【００１２】制御装置２２のＲＯＭは、図３、図４の制
御プログラムを記憶しており、これらのプログラムはＣ
ＰＵに読み出されて、所定の演算が実行される。図３の
プログラムが、ヒータ制御手段１０を構成し、図４のプ
ログラムは通常の燃料噴射制御プログラムである。

【００１３】図４の燃料噴射制御のルーチンには、所定
時間間隔で、または所定クランク角毎に割込みされる。
まず、ステップ１０２にて、機関の運転状態を知るため
の入力値、すなわち機関回転速度ＮＥ（クランク角セン
サ２０の出力より演算可）、吸気圧力ＰＭ（吸気圧力セ
ンサ１６の出力）を読み込む。続いて、ステップ１０４
にて、ＮＥ、ＰＭより二次元マップを利用して基本燃料
噴射量を求め、それに各種の補正、たとえば水温補正
（機関冷却水温が低い始動直後等に燃料噴射量を増量す
る補正）、吸気温補正、ＥＧＲ補正等を施して、燃料噴
射量ＴＡＵを求める。続いて、ステップ１０６にて、燃
料噴射量ＴＡＵの場合と同様に、ＮＥとＰＭの二次元マ
ップから点火時期ＳＡを求め、ステップ１０８にて、求
めた燃料噴射量ＴＡＵ、点火時期ＳＡに従って、燃料噴
射、点火を実行する。それからリターンし、図３のルー
チンに入る。

【００１４】図３のヒータ制御手段１０のルーチンを説
明すると、ステップ２０２で、機関冷却水温ＴＨＷ（水
温センサ１２の出力）を読み込み、ステップ２０４に進
んで、機関冷却水温ＴＨＷが所定の冷却水温ＴＨＷ０、
たとえば７０°Ｃ、より低いか否かを判定することによ
り、現在の機関運転状態がコールド時（冷間時）か否か
を判定する。ＴＨＷ＜ＴＨＷ０なら冷間時であり、そう
でなければ暖機後と判定される。

【００１５】ステップ２０４で機関始動直後等の冷間時
と判定されると、ステップ２０６に進み、ヒータ８ａを
オンとしてヒータ付触媒８を加温するとともに、ヒータ
付触媒８を通る排気ガスの温度を上げることにより下流
のＮＯx 触媒６の温度を上げて、コールド時のＮＯx 触
媒６の暖機を早め、ＮＯx触媒６温度をその温度ウィン
ドゥに入れるようにする。

【００１６】ステップ２０４で冷間時でないと判定され
ると、ステップ２０８に進み、そこでＮＯx 触媒６の触
媒温度Ｔｃａｔ（温度センサ１４の出力９）を読み込
む。これは、コールドスタート時でなくてもＮＯx 触媒
６の温度が低下することがあるので、それを検出するた
めである。続いて、ステップ２１０に進み、Ｔｃａｔが
所定の触媒床温Ｔｃａｔ０より低いか否かを判定する。
Ｔｃａｔ＜Ｔｃａｔ０なら、触媒温度Ｔｃａｔは低温で
あると判定してステップ２０６に進み、ヒータ８ａをオ
ンにしてＮＯx 触媒６を昇温するようにする。Ｔｃａｔ
がＴｃａｔ０以上ならＮＯx 触媒６は低温でないと判定
してステップ２１２に進む。

【００１７】ステップ２１２で吸気圧力ＰＭ（吸気圧力
センサ１６の出力）およびスロットル開度センサ１８の
出力からマップ等を利用して機関負荷を求める。続いて
ステップ２１４に進み、軽負荷状態（アイドル回転数よ
りは高い回転数だがスロットル開度は全閉に近い状態）
が所定時間以上連続しているか否かを判定する。これは
軽負荷時は排気ガス温も低く、その状態が一定時間以上
続くとＮＯx 触媒６の触媒床温も下って遂には温度ウィ
ンドゥから外れるが、そのような場合を検知するためで
ある。ステップ２１４で軽負荷が所定時間以上連続した
と判定されるとステップ２０６に進んでヒータ８ａをオ
ンにし、ＮＯx 触媒６を昇温させるようにする。ステッ
プ２１４で軽負荷が所定時間以上連続していないと判定
されると、ステップ２１６に進む。

【００１８】ステップ２１６では、現在の機関運転状態
がアイドル状態か否かが判定される。これはスロットル
開度全閉でかつ機関回転速度が所定回転速度（たとえば
８００ｒｐｍ）以下であることにより判定できる。アイ
ドル状態か否かを判定するのは、アイドル状態では排気
温が軽負荷時よりさらに低く、ＮＯx 触媒６の温度が低
下していきやがて温度ウィンドゥから外れていくので、
それを防止するためである。ステップ２１６で現在の機
関運転状態がアイドル状態にあると判定されると、ステ
ップ２０６に進んでヒータ８ａをオンとしＮＯx 触媒６
の温度を昇温させるようにする。ステップ２１６でアイ
ドル状態にないと判定されると、ステップ２１８に進
む。

【００１９】ステップ２１８では、ヒータ付触媒８のヒ
ータ８ａへの通電はオフとされる。ステップ２１８に進
むということは、コールド時でなく暖機後であり、かつ
ＮＯx 触媒６の温度は所定温度以上あり、軽負荷時でも
アイドル時でもないからＮＯx 触媒６の触媒温度は極端
に低下することはない筈であるから、温度ウィンドゥの
下限値より下らないと判断して、ヒータ８ａをオフとす
る。ステップ２０６またはステップ２１８からは次のス
テップに進んで、その割込みサイクルの演算を終了す
る。

【００２０】図３に示したヒータ制御手段１０は、ステ
ップ２０２、２０４のコールド状態判定手段、ステップ
２０８、２１０の触媒床温判定手段、ステップ２１２、
２１４、２１６の軽負荷、アイドル判定手段を含んでい
るが、ヒータ制御手段１０はこれらのうち何れか少なく
とも１つの判定手段、または該１つの判定手段と同等の
判定手段（たとえば触媒床温を触媒出ガス温で判定する
等）、を含んでいればよい。本実施例ではヒータ付触媒
として三元触媒を使用している。ＮＯx 触媒は活性温度
をこえてから耐熱限界温度より低いある温度範囲でしか
高い浄化率を示さないのに対し、三元触媒は耐熱限界ま
で高い浄化率を示す。即ち、ＮＯx 触媒上流側のヒータ
付触媒として、下流側のＮＯx 触媒よりも高温域まで高
い浄化率を有する触媒を使用しているわけである。ＮＯ
x 触媒の温度に応じてヒータに通電することにより、上
流側のヒータ付触媒自身にとっては不要な通電となる場
合もあるが、ヒータ付触媒はＮＯx 触媒よりも高い温度
まで高い浄化率を示すので、上流側触媒の浄化能力を低
下させることなくＮＯx 触媒を高浄化率に保てる。

【００２１】つぎに作用を説明する。希薄燃焼可能な内
燃機関２は、定常走行時は空燃比リーン域で運転され、
ＮＯx は主にＮＯx 触媒６で還元されて浄化される。Ｎ
Ｏx 触媒６の温度は温度ウィンドゥにあり、高ＮＯx 浄
化率でＮＯx を浄化する。この時にはヒータ付触媒８
は、オフとされており、三元触媒の場合、空燃比リーン
域ではほとんどＮＯx 浄化能をもたず、ＨＣ、ＣＯを酸
化して浄化する。ＮＯx 触媒６がＰｔ／アルミナ触媒の
場合、Ｃｕ／ゼオライト触媒と異なり、ＨＣが少なくて
もＮＯx を浄化でき、ＮＯx 触媒６の上流側に三元触媒
のヒータ付き触媒８が存在してＨＣを浄化しても、ＮＯ
x 触媒６は、なお、良好なＮＯx 浄化率を示す。

【００２２】コールド時、たとえばスタート直後や軽負
荷時が連続した時やアイドル時には、ＮＯx 触媒６の触
媒床温は温度ウィンドゥから外れているかもしれない。
しかし、その時には、図３のルーチンを有するヒータ制
御手段１０により、ヒータ付き触媒８のヒータ８ａがオ
ンとされるから触媒８は加温され、そこを通る排気ガス
の温度も上昇されるから、下流のＮＯx 触媒６に流入す
る排気ガス温は高くなり、ＮＯx 触媒６の温度も高くな
る。したがって、ＮＯx 触媒６の温度は所定温度範囲、
すなわち温度ウィンドゥ内に維持され、ＮＯx 触媒６は
高いＮＯx 浄化率を示すことができるようになる。

【００２３】ヒータ制御手段１０がステップ２０２、２
０４から成るコールド状態判定手段を有する場合には、
ＮＯx 触媒６の温度は、機関始動直後のコールド時にヒ
ータ８ａがオンされることにより早期に昇温され、早く
温度ウィンドゥに達する。したがって、とくにコールド
時のＮＯx 触媒６の早期の活性化がはかられる。

【００２４】ヒータ制御手段１０がステップ２０８、２
１０の触媒床温判定手段を有する場合は、ＮＯx 触媒６
の触媒床温が温度ウィンドゥの下限値より下るとヒータ
８ａがオンされるので、触媒床温が温度ウィンドゥに保
たれようとし、高いＮＯx 浄化率を維持できる。

【００２５】ヒータ制御手段１０がステップ２１２、２
１４、２１６の軽負荷、アイドル判定手段を有する場合
には、暖機後でかつＮＯx 触媒床温が温度ウィンドゥに
ある時でも、軽負荷が所定時間続いたりアイドルになる
とヒータ８ａがオンにされてＮＯx 触媒床温が上昇され
ていくので、その過渡効果がある間は、図５の高い方の
浄化率特性が得られ、極めて高いＮＯx 浄化率が得られ
る。実際の運転状態においては、軽負荷状態の所定時間
運転状態は繰返しあらわれるから、この極めて高いＮＯ
x 浄化率状態が繰返しあらわれ、全体的にみてＮＯx 浄
化率が高められる。

【００２６】上記のヒータ付触媒８のヒータ８ａオンに
よる加熱においては、従来のディーゼルパティキュレー
ト捕捉手段の再生におけるようなパティキュレートの燃
焼とそれによる過渡のかつ予測し難い温度上昇がないの
で、ＮＯx 触媒床温の温度制御は精度高く行われ、かつ
ＮＯx 触媒６をその耐熱限界温度以上に過熱して熱劣化
を生じさせるようなことも生じない。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、アルミナまたはゼオラ
イトに白金系触媒金属を担持させたＮＯx 触媒の上流
に、ヒータ付触媒を設置し、ヒータ制御手段によってヒ
ータ付触媒のヒータのオンオフを制御するようにしたの
で、ＮＯx触媒をその温度ウィンドゥに制御して高ＮＯx
浄化率を維持させることができる。その場合に、パテ
ィキュレートの燃焼等の予測し難い過渡の温度上昇を伴
わないで、ＮＯx 触媒床温の温度制御を高精度に行うこ
とができ、かつＮＯx 触媒の過熱、熱劣化を招くことを
防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置のＮＯx 触媒およびヒータ付触媒の配列順序を示す系
統図である。

【図２】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の全体系統図である。

【図３】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置のうちヒータ制御手段の制御ルーチンを示すフロー図
である。

【図４】内燃機関の一般の燃料噴射制御ルーチンのフロ
ー図である。

【図５】Ｐｔ／アルミナ触媒のＮＯx 浄化率対温度図で
ある。

【符号の説明】

２ 内燃機関 ４ 排気系 ６ ＮＯx 触媒 ８ ヒータ付き触媒 ８ａ ヒータ １０ ヒータ制御手段 １２ 水温センサ １４ 触媒床温検出用の温度センサ １６ 吸気圧力センサ １８ スロットル開度センサ ２０ クランク角センサ ２２ 制御装置（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井口 哲 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−31359（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−202614（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112715（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−10023（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−124211（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/20 - 3/28 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
   系と、 前記内燃機関の排気系に設けられた、アルミナまたはゼ
   オライトに白金系触媒金属を担持させたＮＯx 触媒と、 前記内燃機関の排気系のうち前記ＮＯx 触媒よりも上流
   側の部分に設けられたヒータ付触媒と、 前記ＮＯx 触媒の温度が所定範囲に維持されるように前
   記ヒータ付触媒のヒータへの通電を制御するヒータ制御
   手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化
   装置。