JP4015707B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、三元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関等にあっては、排気を清浄化するため、空燃比を理論空燃比となるようにフィードバック制御するとともに、排気通路にＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯの還元を同時に行う三元触媒を設置したシステムが、広く実用化されている。
【０００３】
この三元触媒に用いられる触媒金属として、白金を主成分とした白金系触媒は理論空燃比よりリーン側の空燃比で高温の排気雰囲気に晒されると、白金やロジウムが酸化してしまい、触媒性能が一時的に低下する、いわゆる一時劣化を起こす。この一時劣化は、高温リーン排気雰囲気に晒すことで進行するが、高温リッチ排気雰囲気に晒すことで回復する特性がある。
【０００４】
こうした特性を利用して、触媒の劣化度が所定値を越えたことを判定し、空燃比をリッチ化する劣化回復処理を行う従来装置がある(特開平４−１１６２３９号公報、参照)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来装置では、白金系触媒をリッチ排気雰囲気に晒す劣化回復処理を排気ガスの温度が上昇する例えば高負荷時等に行うため、劣化回復処理が排気ガス量の多い運転条件で行われることになり、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されることにより、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大するばかりか、燃費の悪化を招く。
【０００６】
本発明は上記の問題点を解消し、排気エミッションを悪化させることなく触媒の一時劣化を回復させる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１３に示すように、
機関６０の排気系に設置される排気浄化用の触媒６１と、
触媒６１を強制的に加熱する加熱手段６２と、
前記触媒６１に用いられる触媒金属が酸化することにより生じる、触媒性能の低下の程度を表す劣化度Ｒを検出する劣化度検出手段と、
機関６０のアイドル時を検出する手段６４と、
検出された触媒の劣化度Ｒに応じてアイドル時に加熱手段６２を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御することによって、酸化した触媒金属を還元し、触媒性能を回復させる劣化回復手段６５と、
触媒の温度ＴＥを検出する触媒温度検出手段６６と、
劣化度Ｒに応じて触媒の劣化回復処理に必要な時間と温度の積を積算した値の目標値ＫＣを設定する手段６８と、
検出された触媒の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋを算出する手段６９と、
算出された積算値Ｋが設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する劣化回復処理停止手段７０と、を備え、
前記劣化回復処理停止手段７０は、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、
アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定する。
【０００８】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１４に示すように、
触媒６１の温度ＴＥを検出する温度検出手段６６と、
検出された触媒６１の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以上である運転条件で加熱手段６２の作動を許可する加熱許可手段６７と、
を備える。
【００１０】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１５に示すように、
触媒６１の温度ＴＥを検出する温度検出手段６６と、
機関６０の運転停止時に触媒６１の劣化度Ｒを記憶する劣化度記憶手段７１と、
記憶された機関６０の運転停止時の劣化度Ｒに応じて機関６０の始動後における触媒６１の目標温度ＴＥＣを設定する目標温度設定手段７２と、
機関６０の始動後に触媒６１の温度ＴＥが目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段６２を作動させる暖機時の劣化回復処理手段７３と、
を備える。
【００１１】
【作用】
高温リーン排気雰囲気に晒すことで、触媒金属の酸化により触媒転化率が低下する特性を持つ触媒６１の劣化形態は、ウォッシュコートの熱変形による比表面積の減少や貴金属の分散度の減少等により起こる永久劣化と、触媒金属の酸化により起こる一時劣化に分けられる。触媒６１の一時劣化は、高温リーン排気雰囲気に晒すことで進行するが、理論空燃比ないしリッチ側の排気雰囲気に晒すことで回復する。触媒６１を理論空燃比ないしリッチ側の排気雰囲気に晒す劣化回復処理時の触媒内温度が高くなる程、触媒６１の一時劣化が速やかに回復する特性がある。
【００１２】
本発明は、上記触媒６１の劣化特性に着目してなされたものであり、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、劣化回復処理手段６５は、アイドル時に検出された触媒６１の劣化度Ｒに応じて加熱手段６２を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する劣化回復処理を行う。
【００１３】
劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されても、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大することを抑えられるとともに、燃費の悪化を抑えられる。
【００１４】
劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、加熱手段６２で消費する熱量を抑えられ、触媒６１の一時劣化部分の回復が効率良く行われ、排気の浄化性能を維持することができる。また、劣化回復処理停止手段７０は、検出された触媒６１の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋが予め設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する。これにより触媒６１の一時劣化を的確に回復させ、必要以上に劣化回復処理が行われることを防止できる。また、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定するので、次回アイドル時に適切に劣化回復処理を行なうことができる。
【００１５】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、加熱許可手段６７は、検出された触媒６１の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以下である運転条件に限って加熱手段６２を作動させる。所定値ＴＥＬは、触媒６１の劣化が回復するのに必要な最低温度であり、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で触媒６１を加熱することが回避されることにより、燃費の悪化を抑えられる。
【００１７】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置において、暖機時の劣化回復処理手段７３は、機関の始動後に触媒６１の温度ＴＥが、前回の運転停止時に記憶された劣化度Ｒに基づいて設定された目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段６２を作動させる。これにより、暖機時から触媒６１の一時劣化を有効に回復させ、排気の浄化性能を維持することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、エンジン７の吸気通路８には燃料噴射弁５が取付けられ、コントローラ４からの信号に応じて燃料を噴射する。
【００２０】
排気通路９には排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行う電気加熱触媒（ＥＨＣ）１と、ライトオフ触媒（ＬＯＣ）６が直列に並んで設置される。
【００２１】
触媒を強制的に加熱する手段として、排気通路９の上流部に設置される触媒１，６は、通電されることにより発熱するヒータ機能を備えている。電気加熱触媒１はその容量がライトオフ触媒６より小さい。
【００２２】
排気通路９の電気加熱触媒１より下流側に設置されるライトオフ触媒６は、電気加熱触媒１を通して導かれる排気ガスによって加熱される。なお、ライトオフ触媒６を廃止して、ヒータ機能を備える電気加熱触媒のみを設置してもよい。
【００２３】
電気加熱触媒１とライトオフ触媒６は、それぞれ担体に触媒金属として、白金（Ｐｔ）を主に担持させた白金系三元触媒で構成される。
【００２４】
排気通路９の電気加熱触媒１の上流とライトオフ触媒６の下流には、排気ガス中の酸素濃度を検出する第一、第二の酸素センサ２と３がそれぞれ設置される。コントローラ４には、第一、第二の酸素センサ２と３、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１２、電気加熱触媒１の出口側の排気温度を検出する温度センサ１３からの信号がそれぞれ入力される。
【００２５】
コントローラ４は、図示しないが、エンジン吸入空気量、回転数等の検出信号を入力し、空燃比を理論空燃比に近づける基本燃料噴射量Ｔｐを算出するとともに、第一酸素センサ２の検出信号を入力し、所定のストイキ域で燃料噴射量が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御する。エンジン７に供給される混合気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御されることにより、触媒１，６が有効に働き、排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元が同時に行われる。
【００２６】
ところで、触媒１，６は、理論空燃比よりもリーンな高温排気雰囲気に晒されることにより、触媒金属の酸化により触媒転化率が低下する、いわゆる一時劣化を起こす。また、電気加熱触媒１は、この一時劣化とは別にウォッシュコートの熱変形による比表面積の減少や触媒金属の分散度の減少等の物理的な要因により触媒転化率が低下する、いわゆる永久劣化が起きる。
【００２７】
図５は触媒１，６を一定時間だけリーンあるいはリッチの排気雰囲気に晒すリーン処理あるいはリッチ処理を施した後における触媒転化率と、触媒温度の関係を示す。触媒転化率の低下に占める永久劣化分は、触媒内温度が高くても、略一定している。触媒転化率の低下に占める一時劣化分は、触媒内温度に応じて永久劣化を含む全体の劣化に対する割合が多くなり、劣化の大部分が一時劣化で決定されてしまう。また、電気加熱触媒１の一時劣化は、高温リッチ排気雰囲気に晒してもほとんど進行しないが、高温リーン排気雰囲気に晒すと急激に進行することがわかる。
【００２８】
図６は、触媒１，６を、高温リーン排気雰囲気に晒して一時劣化が進んだ状態（図６において◎で示す運転点）から、リッチ排気雰囲気に晒すリッチ処理を一定時間だけ施す場合の触媒内温度に対する触媒転化率の関係を示す。リッチ処理時の触媒内温度が高くなると、一時劣化の部分が小さくなり、高温リッチ排気雰囲気に晒すことで触媒１，６の触媒転化率が永久劣化部分を除いてほぼ回復することがわかる。
【００２９】
本発明は、上記触媒の劣化特性に着目してなされたものであり、コントローラ４は、第一の酸素センサ２と、第二の酸素センサ３の出力が、それぞれリッチリーンに反転する回数を比較して触媒１，６の劣化度Ｒを検出し、この劣化度Ｒに対応して、排気ガス量の少ないアイドル時に触媒１，６の劣化回復処理を実行する。
【００３０】
図２は触媒１，６の劣化度Ｒを検出するルーチンを示す。
【００３１】
これについて説明すると、まず、ステップＳ１で、空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御されるとともに、所定の排気温度が得られる診断領域かどうかを判断する。
【００３２】
ステップＳ２とＳ３では、触媒１，６より上流に設置される第一の酸素センサ２のリッチリーンの反転周波数Ｆ１と、触媒１，６より下流に設置される第二の酸素センサ３のリッチリーンの反転周波数Ｆ２をそれぞれ読込む。
【００３３】
図７に示すように、触媒１，６の劣化度が進んで触媒転化率が０％に近づくほど、反転周期の比率Ｆ２／Ｆ１は１に近づく。触媒１，６が正常に機能しているときは、排気中の酸素をストレージするので、上流の排気中に含まれている酸素を、そのまま触媒１，６の下流で検出することはできない。しかし、触媒１，６が劣化してくると、上流の排気中の酸素がそのまま下流に流れるため、下流の酸素センサ３の出力反転回数は、上流の酸素センサ２の出力の反転回数に近づいてくる。
【００３４】
ステップＳ４では、この反転周期比Ｆｒを、Ｆ２／Ｆ１として算出する。
【００３５】
ステップＳ５で、図８に示すマップから触媒劣化度Ｒを周期比Ｆｒに基づいて検索する。
【００３６】
ステップＳ６で、検索された触媒劣化度Ｒを記憶する。
【００３７】
ステップＳ７で、検索された触媒劣化度Ｒを所定値と比較し、触媒劣化度Ｒが所定値より大きいと判定された場合は、ステップＳ８に進んで、触媒の劣化が進んだことを図示しない表示装置に表示する。
【００３８】
次に、図３の劣化回復処理ルーチンについて説明する。
【００３９】
まずステップＳ１１で、現在の運転条件が劣化回復処理を行うアイドル時かどうかを判断する。このアイドル時を検出するために、図示しない吸気絞弁の開度を検出するセンサが設けられている。
【００４０】
ステップＳ１２で触媒劣化度Ｒを読込み、ステップＳ１３で触媒劣化度Ｒを所定値Ｒｃと比較し、触媒劣化度Ｒが所定値Ｒｃより大きいと判定された場合は、ステップＳ１４以降の劣化回復処理ルーチンへ進む。
【００４１】
ところで、図９に示すように、触媒１，６の劣化回復処理に必要な時間は回復処理温度が高い程短くて済む。したがって、劣化度Ｒと触媒出口温度ＴＥに応じた回復処理時間を算出する。
【００４２】
ステップＳ１４で図１０に示すマップから劣化度Ｒに応じた回復係数ＫＣを検索する。この回復係数ＫＣは、触媒１，６の劣化回復処理に必要な時間と温度を積算した値の目標値である。
【００４３】
ステップＳ１５で電気加熱触媒１の出口温度ＴＥを所定値ＴＥＬと比較し、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬ以下と判定された場合は、ステップＳ１６に進んで電気加熱触媒１を通電する。所定値ＴＥＬは、電気加熱触媒１の劣化が回復するのに必要な最低温度であり、例えば８００°Ｃに設定される。
【００４４】
また、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高いと判定された場合は、電気加熱触媒１の劣化が回復するのに十分な温度状態にあるものとして、ステップＳ１７に進んで電気加熱触媒１の通電を禁止する。これにより出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で電気加熱触媒１を通電することが回避され、燃費の悪化を防止できる。
【００４５】
続いて、ステップＳ１８に進んで排気ガスを理論空燃比より所定分だけリッチにする空燃比制御に切換えて、劣化回復処理を行う。
【００４６】
続いて、ステップＳ１９に進んで積算値Ｋを出口温度ＴＥと回復処理時間（タイマーのカウント値）の積の積算値として算出する。
【００４７】
続いて、ステップＳ２０に進んで算出された積算値Ｋを劣化度Ｒに応じて検索された回復係数ＫＣと比較し、積算値Ｋが回復係数ＫＣを越えるまではステップＳ２１を経てアイドル時である限りこの劣化回復処理を継続して行う。
【００４８】
積算値Ｋが回復係数ＫＣを越えるか、あるいはアイドル時でないと判定された場合、ステップＳ２２に進んで電気加熱触媒１の通電を停止するとともに、排気ガスを理論空燃比付近に保つ空燃比制御に切換えて、この劣化回復処理を停止する。
【００４９】
こうして劣化回復処理が終了されると、ステップＳ２３に進んで回復係数ＫＣと積算値Ｋの差から回復後の劣化度Ｒを図１１に示すマップから検索し、ステップＳ２４で検索された劣化度Ｒを現在の劣化度として更新記憶する。
【００５０】
このようにして排気ガス量の最も少ないアイドル時に、電気加熱触媒１を加熱するとともに、排気ガスをリッチにする劣化回復処理が行われることにより、電気加熱触媒１が排気ガスに奪われる熱量が最小限に抑えられ、電気加熱触媒１を所定温度まで加熱する時間が短縮されるとともに、劣化回復処理に費やされる電力および燃料を最小限に抑えられ、エンジン７の燃費の低減がはかれる。
【００５１】
さらに排気ガス量の最も少ないアイドル時に、排気ガスをリッチにする劣化回復処理が行われることにより、劣化回復処理中における排気エミッションの悪化を最小限に抑えられ、電気加熱触媒１およびライトオフ触媒６の容量を削減することが可能となる。
【００５２】
次に、図３の暖機時に電気加熱触媒１への通電を制御するルーチンについて説明する。
【００５３】
まずステップＳ３１で、冷却水温Ｔｗを読込み、ステップＳ３２で読込まれた冷却水温Ｔｗを予め設定された所定値ＴＥＨＣＯＮと比較し、冷却水温Ｔｗが所定値ＴＥＨＣＯＮ以下と判定された場合、電気加熱触媒１が冷えていて加熱する必要があるものとして、ステップＳ３３以降のルーチンに進んで電気加熱触媒１を通電する。
【００５４】
ステップＳ３３で前回の運転停止時に記憶された電気加熱触媒１の劣化度Ｒを読込み、ステップＳ３４で読込まれた電気加熱触媒１の劣化度Ｒから停止温度ＴＥＣを図１２に示すマップから検索した後に、ステップＳ３５で電気加熱触媒１に通電する。
【００５５】
このようにして電気加熱触媒１に通電した後、ステップＳ１５で電気加熱触媒１の出口温度ＴＥを検索された停止温度ＴＥＣと比較し、出口温度ＴＥが停止温度ＴＥＣ以上と判定された場合は、ステップＳ３７に進んで電気加熱触媒１の通電を停止する。
【００５６】
このように、エンジン７の始動後、暖機が行われる運転条件においても、電気加熱触媒１の劣化度Ｒに応じた停止温度ＴＥＣまで加熱することにより、暖機時から有効に劣化回復処理が行われる。
【００５７】
他の実施例として、排気ガスを強制的に加熱する手段として、電気加熱触媒を設ける代わりに、排気通路の触媒より上流側にガスバーナを設置し、ガスバーナから送られる燃焼ガスにより触媒を加熱するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、アイドル時に検出された触媒の劣化度Ｒに応じて加熱手段を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する劣化回復処理を行う構成としたため、劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、加熱手段で消費する熱量を抑えつつ、触媒の一時劣化部分の回復が効率良く行われ、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されても、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大することを抑えられるとともに、燃費の悪化を抑えられる。また、検出された触媒の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋが設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する構成としたため、触媒の一時劣化を適確に回復させ、必要以上に劣化回復処理が行われることを防止できる。さらに、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定するので、次回アイドル時に適切に劣化回復処理を行なうことができる。
【００５９】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置は、検出された触媒の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以下である運転条件に限って加熱手段を作動させる構成としたため、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で触媒を必要以上に加熱することが回避され、燃費の悪化を抑えられる。
【００６１】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関の始動後に触媒の温度ＴＥが、前回の運転停止時に記憶された劣化度Ｒに基づいて設定された目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段を作動させる構成としたため、暖機時から触媒の一時劣化を有効に回復させ、排気の浄化性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すシステム図。
【図２】同じく触媒の劣化判定を行う制御内容を示すフローチャート。
【図３】同じく劣化回復処理を行う制御内容を示すフローチャート。
【図４】同じく暖機時に電気加熱触媒の通電を行う制御内容を示すフローチャート。
【図５】同じく触媒の劣化時における触媒転化率の特性図。
【図６】同じく触媒の回復時における触媒転化率の特性図。
【図７】同じく反転周期比Ｆ２／Ｆ１と触媒転化率の関係を示す特性図。
【図８】同じく反転周期比Ｆ２／Ｆ１に基づいて触媒劣化度Ｒを設定したマップ。
【図９】同じく回復処理温度と必要時間の関係を示す特性図。
【図１０】同じく触媒劣化度Ｒに基づいて回復係数ＫＣを設定したマップ。
【図１１】同じく回復係数ＫＣと積算値Ｋの差に基づいて回復後の劣化度Ｒを設定したマップ。
【図１２】同じく劣化度Ｒに基づいて暖機時の通電停止温度ＴＥＣを設定したマップ。
【図１３】請求項１記載の発明のクレーム対応図。
【図１４】請求項２記載の発明のクレーム対応図。
【図１５】請求項３記載の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
１ 電気加熱触媒
２ 第一酸素センサ
３ 第二酸素センサ
４ コントローラ
５ 燃料噴射弁
６ ライトオフ触媒
７ エンジン
９ 排気通路
１２ 水温センサ
１３ 温度センサ
６０ 機関
６１ 触媒
６２ 加熱手段
６３ 劣化度合検出手段
６４ アイドル時検出手段
６５ 劣化回復処理手段
６６ 温度検出手段
６７ 加熱許可手段
６８ 目標値設定手段
６９ 積算値算出手段
７０ 劣化回復処理停止手段
７１ 劣化度記憶手段
７２ 目標温度設定手段
７３ 暖機時の劣化回復手段
【産業上の利用分野】
本発明は、三元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関等にあっては、排気を清浄化するため、空燃比を理論空燃比となるようにフィードバック制御するとともに、排気通路にＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯの還元を同時に行う三元触媒を設置したシステムが、広く実用化されている。
【０００３】
この三元触媒に用いられる触媒金属として、白金を主成分とした白金系触媒は理論空燃比よりリーン側の空燃比で高温の排気雰囲気に晒されると、白金やロジウムが酸化してしまい、触媒性能が一時的に低下する、いわゆる一時劣化を起こす。この一時劣化は、高温リーン排気雰囲気に晒すことで進行するが、高温リッチ排気雰囲気に晒すことで回復する特性がある。
【０００４】
こうした特性を利用して、触媒の劣化度が所定値を越えたことを判定し、空燃比をリッチ化する劣化回復処理を行う従来装置がある(特開平４−１１６２３９号公報、参照)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来装置では、白金系触媒をリッチ排気雰囲気に晒す劣化回復処理を排気ガスの温度が上昇する例えば高負荷時等に行うため、劣化回復処理が排気ガス量の多い運転条件で行われることになり、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されることにより、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大するばかりか、燃費の悪化を招く。
【０００６】
本発明は上記の問題点を解消し、排気エミッションを悪化させることなく触媒の一時劣化を回復させる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１３に示すように、
機関６０の排気系に設置される排気浄化用の触媒６１と、
触媒６１を強制的に加熱する加熱手段６２と、
前記触媒６１に用いられる触媒金属が酸化することにより生じる、触媒性能の低下の程度を表す劣化度Ｒを検出する劣化度検出手段と、
機関６０のアイドル時を検出する手段６４と、
検出された触媒の劣化度Ｒに応じてアイドル時に加熱手段６２を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御することによって、酸化した触媒金属を還元し、触媒性能を回復させる劣化回復手段６５と、
触媒の温度ＴＥを検出する触媒温度検出手段６６と、
劣化度Ｒに応じて触媒の劣化回復処理に必要な時間と温度の積を積算した値の目標値ＫＣを設定する手段６８と、
検出された触媒の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋを算出する手段６９と、
算出された積算値Ｋが設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する劣化回復処理停止手段７０と、を備え、
前記劣化回復処理停止手段７０は、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、
アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定する。
【０００８】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１４に示すように、
触媒６１の温度ＴＥを検出する温度検出手段６６と、
検出された触媒６１の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以上である運転条件で加熱手段６２の作動を許可する加熱許可手段６７と、
を備える。
【００１０】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置は、図１５に示すように、
触媒６１の温度ＴＥを検出する温度検出手段６６と、
機関６０の運転停止時に触媒６１の劣化度Ｒを記憶する劣化度記憶手段７１と、
記憶された機関６０の運転停止時の劣化度Ｒに応じて機関６０の始動後における触媒６１の目標温度ＴＥＣを設定する目標温度設定手段７２と、
機関６０の始動後に触媒６１の温度ＴＥが目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段６２を作動させる暖機時の劣化回復処理手段７３と、
を備える。
【００１１】
【作用】
高温リーン排気雰囲気に晒すことで、触媒金属の酸化により触媒転化率が低下する特性を持つ触媒６１の劣化形態は、ウォッシュコートの熱変形による比表面積の減少や貴金属の分散度の減少等により起こる永久劣化と、触媒金属の酸化により起こる一時劣化に分けられる。触媒６１の一時劣化は、高温リーン排気雰囲気に晒すことで進行するが、理論空燃比ないしリッチ側の排気雰囲気に晒すことで回復する。触媒６１を理論空燃比ないしリッチ側の排気雰囲気に晒す劣化回復処理時の触媒内温度が高くなる程、触媒６１の一時劣化が速やかに回復する特性がある。
【００１２】
本発明は、上記触媒６１の劣化特性に着目してなされたものであり、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、劣化回復処理手段６５は、アイドル時に検出された触媒６１の劣化度Ｒに応じて加熱手段６２を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する劣化回復処理を行う。
【００１３】
劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されても、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大することを抑えられるとともに、燃費の悪化を抑えられる。
【００１４】
劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、加熱手段６２で消費する熱量を抑えられ、触媒６１の一時劣化部分の回復が効率良く行われ、排気の浄化性能を維持することができる。また、劣化回復処理停止手段７０は、検出された触媒６１の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋが予め設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する。これにより触媒６１の一時劣化を的確に回復させ、必要以上に劣化回復処理が行われることを防止できる。また、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定するので、次回アイドル時に適切に劣化回復処理を行なうことができる。
【００１５】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、加熱許可手段６７は、検出された触媒６１の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以下である運転条件に限って加熱手段６２を作動させる。所定値ＴＥＬは、触媒６１の劣化が回復するのに必要な最低温度であり、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で触媒６１を加熱することが回避されることにより、燃費の悪化を抑えられる。
【００１７】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置において、暖機時の劣化回復処理手段７３は、機関の始動後に触媒６１の温度ＴＥが、前回の運転停止時に記憶された劣化度Ｒに基づいて設定された目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段６２を作動させる。これにより、暖機時から触媒６１の一時劣化を有効に回復させ、排気の浄化性能を維持することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、エンジン７の吸気通路８には燃料噴射弁５が取付けられ、コントローラ４からの信号に応じて燃料を噴射する。
【００２０】
排気通路９には排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行う電気加熱触媒（ＥＨＣ）１と、ライトオフ触媒（ＬＯＣ）６が直列に並んで設置される。
【００２１】
触媒を強制的に加熱する手段として、排気通路９の上流部に設置される触媒１，６は、通電されることにより発熱するヒータ機能を備えている。電気加熱触媒１はその容量がライトオフ触媒６より小さい。
【００２２】
排気通路９の電気加熱触媒１より下流側に設置されるライトオフ触媒６は、電気加熱触媒１を通して導かれる排気ガスによって加熱される。なお、ライトオフ触媒６を廃止して、ヒータ機能を備える電気加熱触媒のみを設置してもよい。
【００２３】
電気加熱触媒１とライトオフ触媒６は、それぞれ担体に触媒金属として、白金（Ｐｔ）を主に担持させた白金系三元触媒で構成される。
【００２４】
排気通路９の電気加熱触媒１の上流とライトオフ触媒６の下流には、排気ガス中の酸素濃度を検出する第一、第二の酸素センサ２と３がそれぞれ設置される。コントローラ４には、第一、第二の酸素センサ２と３、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１２、電気加熱触媒１の出口側の排気温度を検出する温度センサ１３からの信号がそれぞれ入力される。
【００２５】
コントローラ４は、図示しないが、エンジン吸入空気量、回転数等の検出信号を入力し、空燃比を理論空燃比に近づける基本燃料噴射量Ｔｐを算出するとともに、第一酸素センサ２の検出信号を入力し、所定のストイキ域で燃料噴射量が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御する。エンジン７に供給される混合気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御されることにより、触媒１，６が有効に働き、排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元が同時に行われる。
【００２６】
ところで、触媒１，６は、理論空燃比よりもリーンな高温排気雰囲気に晒されることにより、触媒金属の酸化により触媒転化率が低下する、いわゆる一時劣化を起こす。また、電気加熱触媒１は、この一時劣化とは別にウォッシュコートの熱変形による比表面積の減少や触媒金属の分散度の減少等の物理的な要因により触媒転化率が低下する、いわゆる永久劣化が起きる。
【００２７】
図５は触媒１，６を一定時間だけリーンあるいはリッチの排気雰囲気に晒すリーン処理あるいはリッチ処理を施した後における触媒転化率と、触媒温度の関係を示す。触媒転化率の低下に占める永久劣化分は、触媒内温度が高くても、略一定している。触媒転化率の低下に占める一時劣化分は、触媒内温度に応じて永久劣化を含む全体の劣化に対する割合が多くなり、劣化の大部分が一時劣化で決定されてしまう。また、電気加熱触媒１の一時劣化は、高温リッチ排気雰囲気に晒してもほとんど進行しないが、高温リーン排気雰囲気に晒すと急激に進行することがわかる。
【００２８】
図６は、触媒１，６を、高温リーン排気雰囲気に晒して一時劣化が進んだ状態（図６において◎で示す運転点）から、リッチ排気雰囲気に晒すリッチ処理を一定時間だけ施す場合の触媒内温度に対する触媒転化率の関係を示す。リッチ処理時の触媒内温度が高くなると、一時劣化の部分が小さくなり、高温リッチ排気雰囲気に晒すことで触媒１，６の触媒転化率が永久劣化部分を除いてほぼ回復することがわかる。
【００２９】
本発明は、上記触媒の劣化特性に着目してなされたものであり、コントローラ４は、第一の酸素センサ２と、第二の酸素センサ３の出力が、それぞれリッチリーンに反転する回数を比較して触媒１，６の劣化度Ｒを検出し、この劣化度Ｒに対応して、排気ガス量の少ないアイドル時に触媒１，６の劣化回復処理を実行する。
【００３０】
図２は触媒１，６の劣化度Ｒを検出するルーチンを示す。
【００３１】
これについて説明すると、まず、ステップＳ１で、空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収まるようにフィードバック制御されるとともに、所定の排気温度が得られる診断領域かどうかを判断する。
【００３２】
ステップＳ２とＳ３では、触媒１，６より上流に設置される第一の酸素センサ２のリッチリーンの反転周波数Ｆ１と、触媒１，６より下流に設置される第二の酸素センサ３のリッチリーンの反転周波数Ｆ２をそれぞれ読込む。
【００３３】
図７に示すように、触媒１，６の劣化度が進んで触媒転化率が０％に近づくほど、反転周期の比率Ｆ２／Ｆ１は１に近づく。触媒１，６が正常に機能しているときは、排気中の酸素をストレージするので、上流の排気中に含まれている酸素を、そのまま触媒１，６の下流で検出することはできない。しかし、触媒１，６が劣化してくると、上流の排気中の酸素がそのまま下流に流れるため、下流の酸素センサ３の出力反転回数は、上流の酸素センサ２の出力の反転回数に近づいてくる。
【００３４】
ステップＳ４では、この反転周期比Ｆｒを、Ｆ２／Ｆ１として算出する。
【００３５】
ステップＳ５で、図８に示すマップから触媒劣化度Ｒを周期比Ｆｒに基づいて検索する。
【００３６】
ステップＳ６で、検索された触媒劣化度Ｒを記憶する。
【００３７】
ステップＳ７で、検索された触媒劣化度Ｒを所定値と比較し、触媒劣化度Ｒが所定値より大きいと判定された場合は、ステップＳ８に進んで、触媒の劣化が進んだことを図示しない表示装置に表示する。
【００３８】
次に、図３の劣化回復処理ルーチンについて説明する。
【００３９】
まずステップＳ１１で、現在の運転条件が劣化回復処理を行うアイドル時かどうかを判断する。このアイドル時を検出するために、図示しない吸気絞弁の開度を検出するセンサが設けられている。
【００４０】
ステップＳ１２で触媒劣化度Ｒを読込み、ステップＳ１３で触媒劣化度Ｒを所定値Ｒｃと比較し、触媒劣化度Ｒが所定値Ｒｃより大きいと判定された場合は、ステップＳ１４以降の劣化回復処理ルーチンへ進む。
【００４１】
ところで、図９に示すように、触媒１，６の劣化回復処理に必要な時間は回復処理温度が高い程短くて済む。したがって、劣化度Ｒと触媒出口温度ＴＥに応じた回復処理時間を算出する。
【００４２】
ステップＳ１４で図１０に示すマップから劣化度Ｒに応じた回復係数ＫＣを検索する。この回復係数ＫＣは、触媒１，６の劣化回復処理に必要な時間と温度を積算した値の目標値である。
【００４３】
ステップＳ１５で電気加熱触媒１の出口温度ＴＥを所定値ＴＥＬと比較し、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬ以下と判定された場合は、ステップＳ１６に進んで電気加熱触媒１を通電する。所定値ＴＥＬは、電気加熱触媒１の劣化が回復するのに必要な最低温度であり、例えば８００°Ｃに設定される。
【００４４】
また、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高いと判定された場合は、電気加熱触媒１の劣化が回復するのに十分な温度状態にあるものとして、ステップＳ１７に進んで電気加熱触媒１の通電を禁止する。これにより出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で電気加熱触媒１を通電することが回避され、燃費の悪化を防止できる。
【００４５】
続いて、ステップＳ１８に進んで排気ガスを理論空燃比より所定分だけリッチにする空燃比制御に切換えて、劣化回復処理を行う。
【００４６】
続いて、ステップＳ１９に進んで積算値Ｋを出口温度ＴＥと回復処理時間（タイマーのカウント値）の積の積算値として算出する。
【００４７】
続いて、ステップＳ２０に進んで算出された積算値Ｋを劣化度Ｒに応じて検索された回復係数ＫＣと比較し、積算値Ｋが回復係数ＫＣを越えるまではステップＳ２１を経てアイドル時である限りこの劣化回復処理を継続して行う。
【００４８】
積算値Ｋが回復係数ＫＣを越えるか、あるいはアイドル時でないと判定された場合、ステップＳ２２に進んで電気加熱触媒１の通電を停止するとともに、排気ガスを理論空燃比付近に保つ空燃比制御に切換えて、この劣化回復処理を停止する。
【００４９】
こうして劣化回復処理が終了されると、ステップＳ２３に進んで回復係数ＫＣと積算値Ｋの差から回復後の劣化度Ｒを図１１に示すマップから検索し、ステップＳ２４で検索された劣化度Ｒを現在の劣化度として更新記憶する。
【００５０】
このようにして排気ガス量の最も少ないアイドル時に、電気加熱触媒１を加熱するとともに、排気ガスをリッチにする劣化回復処理が行われることにより、電気加熱触媒１が排気ガスに奪われる熱量が最小限に抑えられ、電気加熱触媒１を所定温度まで加熱する時間が短縮されるとともに、劣化回復処理に費やされる電力および燃料を最小限に抑えられ、エンジン７の燃費の低減がはかれる。
【００５１】
さらに排気ガス量の最も少ないアイドル時に、排気ガスをリッチにする劣化回復処理が行われることにより、劣化回復処理中における排気エミッションの悪化を最小限に抑えられ、電気加熱触媒１およびライトオフ触媒６の容量を削減することが可能となる。
【００５２】
次に、図３の暖機時に電気加熱触媒１への通電を制御するルーチンについて説明する。
【００５３】
まずステップＳ３１で、冷却水温Ｔｗを読込み、ステップＳ３２で読込まれた冷却水温Ｔｗを予め設定された所定値ＴＥＨＣＯＮと比較し、冷却水温Ｔｗが所定値ＴＥＨＣＯＮ以下と判定された場合、電気加熱触媒１が冷えていて加熱する必要があるものとして、ステップＳ３３以降のルーチンに進んで電気加熱触媒１を通電する。
【００５４】
ステップＳ３３で前回の運転停止時に記憶された電気加熱触媒１の劣化度Ｒを読込み、ステップＳ３４で読込まれた電気加熱触媒１の劣化度Ｒから停止温度ＴＥＣを図１２に示すマップから検索した後に、ステップＳ３５で電気加熱触媒１に通電する。
【００５５】
このようにして電気加熱触媒１に通電した後、ステップＳ１５で電気加熱触媒１の出口温度ＴＥを検索された停止温度ＴＥＣと比較し、出口温度ＴＥが停止温度ＴＥＣ以上と判定された場合は、ステップＳ３７に進んで電気加熱触媒１の通電を停止する。
【００５６】
このように、エンジン７の始動後、暖機が行われる運転条件においても、電気加熱触媒１の劣化度Ｒに応じた停止温度ＴＥＣまで加熱することにより、暖機時から有効に劣化回復処理が行われる。
【００５７】
他の実施例として、排気ガスを強制的に加熱する手段として、電気加熱触媒を設ける代わりに、排気通路の触媒より上流側にガスバーナを設置し、ガスバーナから送られる燃焼ガスにより触媒を加熱するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、アイドル時に検出された触媒の劣化度Ｒに応じて加熱手段を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する劣化回復処理を行う構成としたため、劣化回復処理が排気ガス量の少ないアイドル時に行われることにより、加熱手段で消費する熱量を抑えつつ、触媒の一時劣化部分の回復が効率良く行われ、劣化回復処理によって空燃比がリッチ化されても、ＨＣ、ＣＯの排出量が増大することを抑えられるとともに、燃費の悪化を抑えられる。また、検出された触媒の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋが設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する構成としたため、触媒の一時劣化を適確に回復させ、必要以上に劣化回復処理が行われることを防止できる。さらに、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定するので、次回アイドル時に適切に劣化回復処理を行なうことができる。
【００５９】
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置は、検出された触媒の温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以下である運転条件に限って加熱手段を作動させる構成としたため、出口温度ＴＥが所定値ＴＥＬより高い運転条件で触媒を必要以上に加熱することが回避され、燃費の悪化を抑えられる。
【００６１】
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関の始動後に触媒の温度ＴＥが、前回の運転停止時に記憶された劣化度Ｒに基づいて設定された目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段を作動させる構成としたため、暖機時から触媒の一時劣化を有効に回復させ、排気の浄化性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すシステム図。
【図２】同じく触媒の劣化判定を行う制御内容を示すフローチャート。
【図３】同じく劣化回復処理を行う制御内容を示すフローチャート。
【図４】同じく暖機時に電気加熱触媒の通電を行う制御内容を示すフローチャート。
【図５】同じく触媒の劣化時における触媒転化率の特性図。
【図６】同じく触媒の回復時における触媒転化率の特性図。
【図７】同じく反転周期比Ｆ２／Ｆ１と触媒転化率の関係を示す特性図。
【図８】同じく反転周期比Ｆ２／Ｆ１に基づいて触媒劣化度Ｒを設定したマップ。
【図９】同じく回復処理温度と必要時間の関係を示す特性図。
【図１０】同じく触媒劣化度Ｒに基づいて回復係数ＫＣを設定したマップ。
【図１１】同じく回復係数ＫＣと積算値Ｋの差に基づいて回復後の劣化度Ｒを設定したマップ。
【図１２】同じく劣化度Ｒに基づいて暖機時の通電停止温度ＴＥＣを設定したマップ。
【図１３】請求項１記載の発明のクレーム対応図。
【図１４】請求項２記載の発明のクレーム対応図。
【図１５】請求項３記載の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
１ 電気加熱触媒
２ 第一酸素センサ
３ 第二酸素センサ
４ コントローラ
５ 燃料噴射弁
６ ライトオフ触媒
７ エンジン
９ 排気通路
１２ 水温センサ
１３ 温度センサ
６０ 機関
６１ 触媒
６２ 加熱手段
６３ 劣化度合検出手段
６４ アイドル時検出手段
６５ 劣化回復処理手段
６６ 温度検出手段
６７ 加熱許可手段
６８ 目標値設定手段
６９ 積算値算出手段
７０ 劣化回復処理停止手段
７１ 劣化度記憶手段
７２ 目標温度設定手段
７３ 暖機時の劣化回復手段
Claims (3)
- 機関の排気系に設置される排気浄化用の触媒と、
触媒を強制的に加熱する加熱手段と、
前記触媒に用いられる触媒金属が酸化することにより生じる、触媒性能の低下の程度を表す劣化度Ｒを検出する劣化度検出手段と、
機関のアイドル時を検出するアイドル時検出手段と、
検出された触媒の劣化度Ｒに応じてアイドル時に加熱手段を作動させるとともに、排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御することによって、酸化した触媒金属を還元し、触媒性能を回復させる劣化回復手段と、
触媒の温度ＴＥを検出する触媒温度検出手段と、
劣化度Ｒに応じて触媒の劣化回復処理に必要な時間と温度の積を積算した値の目標値ＫＣを設定する手段と、
検出された触媒の温度ＴＥと回復処理時間の積を積算した値Ｋを算出する手段と、
算出された積算値Ｋが設定された目標値ＫＣを越えると劣化回復処理を停止する劣化回復処理停止手段と、を備え、
前記劣化回復処理停止手段は、劣化回復処理中にアイドル領域から外れた場合には劣化回復処理を終了し、
アイドル領域から外れるまでの回復処理時間に基づいて算出した積算値Ｋと目標値ＫＣに応じて、次回アイドル時に劣化回復処理を実行するか否かを判定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 検出された触媒温度ＴＥが予め設定された所定値ＴＥＬ以下である運転条件で加熱手段の作動を許可する加熱許可手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 機関の運転停止時に触媒の劣化度Ｒを記憶する劣化度記憶手段と、
記憶された機関の運転停止時の劣化度Ｒに応じて機関の始動後における触媒の目標温度ＥＣを設定する手段と、
機関の始動後に触媒の温度ＴＥが目標温度ＴＥＣに上昇するまで加熱手段を作動させる暖機時の劣化回復処理手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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| JP31215994A JP4015707B2 (ja) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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1994
- 1994-12-15 JP JP31215994A patent/JP4015707B2/ja not_active Expired - Lifetime
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