JP3387792B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気通
路に複数の触媒を設け、各触媒の温度を求めて内燃機関
の運転パラメータを制御する内燃機関の排気浄化装置に
関する。

【０００２】

【関連する背景技術】内燃機関の排気通路に複数の触媒
を設け、触媒の温度を検出して内燃機関の運転パラメー
タを制御する技術として、例えば特開平６−２２９２３
１号公報に示されるものがある。この公報に開示の技術
は、内燃機関の排気通路にＮＯx触媒を設けると共にそ
の上流側にＳＯx触媒を設けることで、前記内燃機関の
燃費を向上させながら排気ガス中に含まれるイオウ成分
によるＮＯx触媒の被害を防止するものである。即ち、
この公報に開示の技術は、ＳＯx触媒に吸着されたＳＯx
の分解放出の速度が、ＳＯx触媒の温度が高いほど速く
なることに着目し、ＳＯx触媒の上流側に設けた温度セ
ンサによりＳＯx触媒の温度を検出して排気空燃比のリ
ッチの度合いを制御するようにしたものである。

【０００３】尚、ＮＯx触媒は排気空燃比がリーンのと
きに排気ガス中のＮＯxを吸着し、前記排気ガス中の酸
素濃度が低下したときに既に吸着したＮＯxを放出する
ものであり、またＳＯx触媒は排気ガス中のＳＯxを吸収
し、前記排気空燃比がリッチなときに既に吸着したＳＯ
xを分解して放出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記公報に示
されるように内燃機関の排気通路にＮＯx触媒およびＳ
Ｏx触媒を備えた排気浄化装置において、所定量以上の
イオウ成分が吸着されたＳＯx触媒を再生する場合に
は、排気空燃比をリッチ化すると共に、ＳＯx触媒を所
定の温度に高温化する必要がある。

【０００５】しかし前記公報に示される温度センサは、
内燃機関の運転パラメータを制御して排気空燃比のリッ
チ化の度合いを調整するべく、ＳＯx触媒の温度を検出
するものに過ぎず、ＮＯx触媒の温度を正確に検出する
ことができない。この為、ＳＯx触媒の再生時に、ＮＯx
触媒の排温に対する耐久性（熱劣化）を考慮しなければ
ならず、ＳＯx触媒を積極的に再生することができない
と言う問題がある。ちなみにＮＯx触媒の温度を正確に
検出するには、例えばＮＯx触媒にも温度センサを組み
込むようにすれば良いが、温度センサの数が多くなり、
コスト高となると言う問題が生じる。このような問題
は、ＳＯx触媒の再生時のみならず、ＮＯx触媒の再生時
や、その他の触媒を温度制御しようとした場合にも同様
に生じる。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、複数の触媒を備えた排気浄化装
置において、簡易な構成の下で各触媒温度を求めて内燃
機関の運転パラメータを積極的に制御することのできる
内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関
の排気通路に順に配置された複数の触媒中の特定の触媒
の直下流に、上記特定の触媒の温度を検出する温度検出
手段を設けると共に、この温度検出手段により検出され
た温度と前記内燃機関の運転状態に応じて予め求められ
ている複数の触媒間の温度差とに基づいて前記各触媒の
温度を推定する温度推定手段を設け、この温度推定手段
により推定された前記各触媒の温度に基づいて前記内燃
機関の運転パラメータを制御するようにしたことを特徴
とするものである。

【０００８】好ましくは前記温度推定手段においては、
内燃機関の運転状態に応じて予め測定された前記各触媒
間の温度差を、前記温度センサの出力に加算すること
で、前記ＮＯx触媒の上流側に設けられた触媒の温度を
推定するようにしたことを特徴としている。そして推定
された各触媒の温度に基づいて内燃機関の運転パラメー
タ、例えば燃料噴射量やその噴射時期、或いは点火時期
等の積極的な制御を可能としたことを特徴としている。

【０００９】また本発明は請求項２に記載するように、
内燃機関の排気通路に排気空燃比がリーンのときに排気
ガス中のＮＯxを吸着し、前記排気ガス中の酸素濃度が
低下したときに既に吸着したＮＯxを放出するＮＯx触媒
を設けると共に、その上流側に前置触媒、例えば三元触
媒を設ける。そしてＮＯx触媒の下流側の排気通路に設
けられた温度検出手段により前記ＮＯx触媒の温度を、
または前記前置触媒と該ＮＯx触媒との間の排気通路に
設けられた温度検出手段により前記前置触媒の温度を検
出し、この検出温度に従って他方の触媒の温度を推定す
るようにしたものである。そして前記ＮＯx触媒に所定
量以上のイオウ成分が吸着されたとき、排気空燃比をリ
ッチ化すると共に、前記温度センサの出力または前記温
度推定手段の出力に基づいて前記内燃機関の運転パラメ
ータを制御し排気ガス温度を可変として前記ＮＯx触媒
の温度をフィードバック制御して該ＮＯx触媒に吸着さ
れたイオウ成分を脱離させる触媒再生手段を備えたこと
を特徴としている。

【００１０】即ち、本発明は各触媒の温度を簡単に求
め、これらの触媒温度に従って内燃機関の運転パラメー
タを制御することで前記ＮＯx触媒の温度を積極的にフ
ィードバック制御し、これによってＮＯx触媒に吸着さ
れたイオウ成分を効率的に分解放出させて、ＮＯx触媒
を再生するようにしたことを特徴としている。特に前記
運転パラメータとしての前記内燃機関の点火時期または
燃料噴射時期を進角または遅角することを特徴としてい
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について説明す
る。図１は実施形態に係る排気浄化装置の概略構成を示
す図で、概略的にはエンジン（内燃機関）本体１の排気
通路２に、その上流側から順に三元触媒（前置触媒）
３、ＳＯx触媒（前置触媒）４，そしてＮＯx触媒５を設
けて構成される。しかしてエンジン本体１からの排気ガ
スは、三元触媒３、ＳＯx触媒４，およびＮＯx触媒５を
順に介して浄化されて図示しないテールパイプに導かれ
る。

【００１２】ちなみにＮＯx触媒５は、排気空燃比がリ
ーンなときに排気ガス中のＮＯxを吸着し、排気空燃比
がリッチ化されて排気ガス中の酸素濃度が低下したとき
に、既に吸着したＮＯxを放出する作用を呈する。また
ＳＯx触媒４は、排気空燃比がリーンなときに排気ガス
中に含まれるＳＯx（イオウ成分）を吸着し、前記排気
空燃比がリッチなときに、既に吸着したＳＯxを分解し
て放出する作用を呈する。特にＳＯx触媒４は、排気ガ
ス中に含まれるＳＯxを吸着することで、ＮＯx触媒５が
ＳＯxによって汚されて、ＮＯxの吸着能力が低下するこ
とを防止する役割を担う。更に三元触媒３は、その触媒
近傍に存在する炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）
とを用いてＮＯxを還元する作用を呈する。

【００１３】尚、図２(ａ)に示すようにＮＯx触媒５の
上流側に三元触媒３だけを設けて排気浄化装置を構成す
ることも可能であり、或いは図２(ｂ)に示すようにＮＯ
x触媒５の上流側にＳＯx触媒４だけを設けて排気浄化装
置を構成することも可能である。また特に図示しない
が、ＮＯx触媒５の上流側に三元機能を備えたＳＯx触媒
を設けることも可能である。

【００１４】しかして前記排気通路２のＮＯx触媒５の
下流側には、ＮＯx触媒５の温度を検出する為の温度セ
ンサ６が組み込まれており、その出力は燃焼制御部７に
与えられている。マイクロプロセッサを主体として構成
される燃焼制御部７は、前記エンジン本体１の燃焼（運
転）を制御するものであり、基本的には基本的にはアク
セル操作等の運転状態とそのときのエンジン負荷等に応
じてスロットル開度や燃料噴射等に対する制御を実行す
る。特に上記燃焼制御装置７は、軽負荷時にエンジン本
体１を理論空燃比よりも希薄な空燃比で運転して（リー
ン運転）、燃費の向上を図るものとなっている。このよ
うなエンジン本体１のリーン運転時に、その排気ガスと
共に排出されるＮＯxを前記ＮＯx触媒５にて吸着し、ま
た排気ガス中のＳＯxをＳＯx触媒４にて吸着すること
で、排気ガスの浄化が行われる。

【００１５】さてこの燃焼制御装置７が特徴とするとこ
ろは、エンジン本体１のリーン運転に伴ってＳＯx触媒
４に吸着されるＳＯx量、およびＮＯx触媒５の表面に次
第に付着するＳＯx量が所定量以上となったとき、前記
エンジン本体１をリッチ運転することで排気空燃比をリ
ッチ化すると共に、その酸素濃度を低下させて前記ＳＯ
x触媒４に吸着されたＳＯxを分解放出させると共に、Ｎ
Ｏx触媒５に吸着されたＮＯxを放出させ、またその表面
に付着したＳＯxを分解放出させることで、各触媒４,５
を再生する機能を備えている点にある。

【００１６】特にこの際、燃焼制御装置７は、前記温度
センサ（温度検出手段）６によって検出されるＮＯx触
媒５の温度（温度センサ６の出力）に従って、前記ＳＯ
x触媒４および三元触媒３の温度をそれぞれ推定する温
度推定手段７ａを備えると共に、これらの各触媒３,４,
５の温度に従って前記各触媒３,４,５の温度をフィード
バック制御する温度制御手段７ｂを備えている。この温
度制御手段７ｂは、排気空燃比をリッチ化してＳＯx触
媒４およびＮＯx触媒５に吸着されたＳＯxを放出させる
際、各触媒３,４,５の温度を適正化することで、前記Ｓ
Ｏx触媒４およびＮＯx触媒５を効率的に再生（活性化）
する為の再生制御手段としての役割を担う。

【００１７】ちなみに上記温度推定手段７ａは、例えば
エンジン本体１の種々の運転状態に応じて予め測定され
た前記触媒３,４,５間の温度差を記憶した温度差マップ
８を備えている。そしてエンジン本体１の運転状態に応
じて上記温度差マップ８を参照して前記ＳＯx触媒４お
よび三元触媒３の温度を推定するように構成される。具
体的には温度センサ６によって検出されたＮＯx触媒５
の温度に、温度差マップ６から求められるＳＯx触媒４
との温度差を加算することで該ＳＯx触媒４の温度を推
定し、更に前記ＮＯx触媒５の温度に、前記温度差マッ
プ６から求められる三元触媒３との温度差を加算するこ
とで該三元触媒３の温度を推定するものとなっている。
このような温度の推定処理に用いられる温度差の情報
は、前述したようにエンジン本体１の運転状態に応じて
求められる。

【００１８】また前記温度制御手段７ｂは、例えばエン
ジン本体１における点火時期を進角／遅角制御すること
で排気ガス温度を調整し、これによって各触媒３,４,５
の温度をフィードバック制御する点火時期制御手段とし
て実現される。尚、エンジン本体１のシリンダ内に燃料
を直接噴射するタイプの内燃機関においては、燃料の噴
射時期を調整することで排気ガス温度を可変し、これに
よって各触媒３,４,５の温度をフィードバック制御する
ようにしても良い。また或いは、各触媒３,４,５が個々
に電気加熱ヒータを備える場合には、その加熱量を調整
して各触媒３,４,５の温度をフィードバック制御するこ
とも可能である。更には排気通路２に２次空気を導入可
能なものにおいては、導入する２次空気の量を調整する
ことで各触媒３,４,５の温度をフィードバック制御する
ことも勿論可能である。

【００１９】さて図３は上述した温度推定手段７ａおよ
び温度制御手段７ｂを用いて実行されるＳＯx触媒４お
よびＮＯx触媒５の、ＳＯxの放出による触媒再生（活性
化）処理の手順を示している。この処理は、先ずＳＯx
触媒４およびＮＯx触媒５にそれぞれ吸着されたＳＯx量
を推定することから開始される［ステップＳ１］。この
ＳＯxの吸着量の推定は、例えばエンジン本体１をリー
ン運転している際の燃料噴射パルスの時間幅を積算する
ことによって行われる。このようにしてＳＯx触媒４お
よびＮＯx触媒５におけるＳＯx吸着量を推定した後、そ
の推定量（ＳＯx吸着量）を、ＳＯx触媒４およびＮＯx
触媒５の再生を必要とする判断基準としての、予め設定
した判定閾値（所定値）と比較し［ステップＳ２］、前
記ＳＯx触媒４またはＮＯx触媒５の一方の触媒におい
て、ＳＯx吸着量が所定値を越えているとき、前記一方
の触媒（ＳＯx触媒４またはＮＯx触媒５）に対する再生
制御を開始する［ステップＳ３］。尚、ＳＯx吸着量が
所定値に満たない場合には、触媒の再生制御を実行しな
いが、この場合においても逐次ＳＯx触媒４およびＮＯx
触媒５へのＳＯx吸着量を推定しながら、そのＳＯx吸着
量を判定閾値と比較して、再生制御の必要性を監視する
［ステップＳ１,Ｓ２］。

【００２０】さてＳＯx触媒４およびＮＯx触媒５に対す
る再生制御の開始は、先ずエンジン本体１をリッチな空
燃比で運転するリッチモードに切り替え、排気空燃比を
リッチ化することから開始される。この状態において、
先ず前記温度センサ６の出力を読み込んでＮＯx触媒５
の温度Ｗを検出する［ステップＳ４］。次いでそのとき
のエンジン本体１の運転状態に応じて、前記温度差マッ
プ８から前記触媒３,４,５間の温度差の情報を読み込み
［ステップＳ５］、前述したようにＮＯx触媒５の温度
Ｗに、温度差マップ６から求められるＳＯx触媒３との
温度差を加算することで該ＳＯx触媒４の温度Ｗs1を推
定する［ステップＳ６］。更に前記ＮＯx触媒５の温度
Ｗに、前記温度差マップ６から求められる三元触媒３と
の温度差を加算することで該三元触媒３の温度Ｗs2を推
定する［ステップＳ７］。

【００２１】このようにして三元触媒３，ＳＯx触媒
４，およびＮＯx触媒５の各温度Ｗs2,Ｗs1,Ｗがそれぞ
れ求められ、且つ推定されたならば、次にこれらの各温
度に基づいて各触媒３,４,５の温度をフィードバック制
御する。具体的にはＳＯx触媒４やＮＯx触媒５からＳＯ
xを放出させるに必要な触媒温度が、例えば６００℃で
あり、また三元触媒３やＳＯx触媒４の耐熱温度が、例
えば９００℃であるとするならば、各触媒３,４,５の温
度が６００℃以上で、且つ９００℃以下になるように、
前述した如く求められる温度に従って各触媒３,４,５の
温度をフィードバック制御する。

【００２２】エンジン本体１における点火時期を調整し
て排気ガスの温度を可変し、これによって各触媒３,４,
５の温度をフィードバック制御する場合には、先ず前述
した如く推定された三元触媒３およびＳＯx触媒４の温
度Ｗs1,Ｗs2が、その耐熱温度である９００℃以下に抑
えられているか否かを判定する［ステップＳ１１］。仮
にこの判定処理において、三元触媒３およびＳＯx触媒
４の温度Ｗs1,Ｗs2が９００℃を越えていることが見出
された場合には、点火時期を遅角制御して排気ガス温度
を低下させる［ステップＳ１２］。

【００２３】また三元触媒３およびＳＯx触媒４の温度
Ｗs1,Ｗs2が９００℃以下に抑えられている場合には、
次にＮＯx触媒５の温度Ｗが、ＳＯxを放出させるに必要
な触媒温度である６００℃以上になっているか否かを判
定する［ステップＳ１３］。そしてＮＯx触媒５の温度
Ｗが６００℃に満たない場合には、点火時期を進角制御
することで、排気ガスの温度を上昇させる［ステップＳ
１４］。

【００２４】尚、各触媒３,４,５間の温度差の関係か
ら、三元触媒３およびＳＯx触媒４の温度Ｗs1,Ｗs2が９
００℃を越え、且つＮＯx触媒５の温度Ｗが６００℃に
満たない状況が生じることはないので、点火時期の遅角
制御［ステップＳ１２］と進角制御［ステップＳ１４］
とが同時に行われることはない。従って各触媒３,４,５
の温度Ｗs2,Ｗs1,Ｗに応じて、点火時期の遅角制御［ス
テップＳ１２］または進角制御［ステップＳ１４］が行
われるか、或いはその時点での点火時期の保持が行われ
る。

【００２５】このような点火時期の制御による触媒温度
のフィードバック制御は、その制御時間を計時しながら
実行され［ステップＳ１５］、その制御時間ｔが予め設
定した再生処理時間に達するまで繰り返し実行される
［ステップＳ１６］。即ち、温度センサ６の出力を読み
込みながら、三元触媒３およびＳＯx触媒４の温度Ｗs1,
Ｗs2が９００℃以下に抑えられ、且つＮＯx触媒５の温
度Ｗが６００℃以上となるようエンジン本体１の点火時
期を遅角／進角制御することで排気ガスの温度をフィー
ドバック制御し、以て排気空燃比をリッチ化してＳＯx
触媒４およびＮＯx触媒５に吸着されたＳＯxを放出させ
る際の、各触媒３,４,５の温度を最適な温度にフィード
バック制御するものとなっている。特に排気ガスの浄化
に重要な役割を果たすＮＯx触媒５と、その上流側に設
けられたＳＯx触媒４の温度を、その活性化に必要な温
度以上にフィードバック制御しながら、三元触媒３およ
びＳＯx触媒４をその耐熱温度以下に抑えて、ＳＯx触媒
４およびＮＯx触媒５からのＳＯxの放出を効率的に行わ
せることが可能となる。

【００２６】従って上述した如く構成された本装置によ
れば、ＮＯx触媒５の下流側に設けた温度センサ６の出
力を利用して、排気ガスの浄化に重要な役割を果たすＮ
Ｏx触媒５の温度を正確に検出すると共に、その上流側
に設けられた三元触媒３やＳＯx触媒４の温度を推定
し、これらの温度情報に従って各触媒３,４,５の温度を
フィードバック制御するので、触媒３,４,５に熱的なダ
メージを与えることなしに、簡易にして効率的にＳＯx
を放出させ、ＮＯx触媒５やＳＯx触媒４を再生すること
ができる。故に、ＳＯxの確実な放出を図ると共に、各
触媒３,４,５の耐久性を確保することが可能となる。

【００２７】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えばＮＯx触媒５やＳＯx触媒４を異
なるケースに収めて排気通路２にレイアウトする場合の
みならず、これらの触媒を同一のケース内に収納して排
気通路２にレイアウトする場合にも同様に適用すること
ができる。また温度センサを前置触媒の直下流に設け、
該前置触媒の下流側に設けられた触媒の温度を求めて内
燃機関の運転パラメータ、例えば燃料噴射量やその噴射
時期、更には点火時期等を制御するようにしても良い。
要するに本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも１つの温度検出手段で簡易に各触媒の温度を求
めることができ、これによって内燃機関の運転パラメー
タを積極的に制御することが可能となる。特に触媒間の
温度差を簡易に推定し手、内燃機関の運転パラメータを
制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化
装置の概略構成図。

【図２】本発明に係る排気浄化装置の別の構成例を示す
図。

【図３】本発明に係るＳＯx放出制御（触媒再生制御）
の処理手順の一例を示す図。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ２ 排気通路 ３ 三元触媒 ４ ＳＯx触媒 ５ ＮＯx触媒 ６ 温度センサ ７ 燃焼制御部 ７ａ 温度推定手段 ７ｂ 温度制御手段（触媒再生手段） ８ 温度差マップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５ Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ (56)参考文献 特開 平６−229231（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−296430（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−61052（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/20 F01N 3/24 F01N 3/08 F02D 41/04 B01D 53/94

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に順に配置された複
   数の触媒と、これらの触媒中の特定の 触媒の直下流に配置されて上記
   特定の触媒の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出された温度と 前記内燃機関
   の運転状態に応じて予め求められている複数の触媒間の
   温度差とに基づいて前記各触媒の温度を推定する温度推
   定手段と、この温度推定手段により推定された前記各触媒の温度 に
   基づいて前記内燃機関の運転パラメータを制御する制御
   手段とを具備したことを特徴とする内燃機関の排気浄化
   装置。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気通路に設けられて、排気
   空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯxを吸着し、
   前記排気ガス中の酸素濃度が低下したときに既に吸着し
   たＮＯxを放出するＮＯx触媒と、 前記排気通路における前記ＮＯx触媒の上流側に設けら
   れた前置触媒と、 前記ＮＯx触媒の下流側の排気通路に設けられて該ＮＯx
   触媒の温度を、または前記前置触媒と該ＮＯx触媒との
   間の排気通路に設けられて該前置触媒の温度を検出する
   温度検出手段と、 この温度検出手段により検出された前記ＮＯx触媒およ
   び前記前置触媒の一方の温度に基づいて前記ＮＯx触媒
   および前記前置触媒の他方の温度を推定する温度推定手
   段と、 前記ＮＯx触媒に所定量以上のイオウ成分が吸着された
   とき、排気空燃比をリッチ化すると共に、前記温度検出
   手段および前記温度推定手段によりそれぞれ求められた
   前記ＮＯx触媒および前置触媒の各温度に基づいて前記
   内燃機関の運転パラメータを変化させ、排気ガス温度を
   可変することで前記ＮＯx触媒の温度をフィードバック
   制御して該ＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を脱離さ
   せる触媒再生手段とを具備したことを特徴とする内燃機
   関の排気浄化装置。
3. 【請求項３】 前記触媒再生手段は、前記運転パラメー
   タとしての前記内燃機関の点火時期を進角または遅角す
   ることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄
   化装置。
4. 【請求項４】 前記触媒再生手段は、前記運転パラメー
   タとしての前記内燃機関の燃料噴射時期を進角または遅
   角することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排
   気浄化装置。