JP4192577B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、三元触媒等の排気浄化触媒にはその活性温度があり、排気浄化触媒がその活性温度未満である場合にはその排気浄化触媒では例えば排気ガス中の炭化水素（以下、「ＨＣ」と称す）がほとんど浄化されない。そこで、このような低温であっても排気ガス中のＨＣを保持し且つ離脱開始温度以上となると保持しているＨＣを離脱させるＨＣ保持剤を排気浄化触媒の排気下流に配置した排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置では、上流側の排気浄化触媒の温度がその活性温度未満であっても排気ガス中のＨＣはＨＣ保持剤に保持されるため大気中に流出しない。また、ＨＣ保持浄化触媒としてＨＣ保持剤を白金触媒等の触媒成分と共に担体に担持させることで、ＨＣ保持剤から離脱せしめられたＨＣを触媒成分によって酸化させ、こうして一旦ＨＣ保持剤に保持されたＨＣも浄化するようにしている。
【０００３】
このようなＨＣ保持剤は、ＨＣ保持浄化触媒に流入する排気ガス中のＨＣを全て保持することができるわけではないため、ＨＣ保持浄化触媒にＨＣが流入する機関は短い方が好ましい。そこで、従来では、機関始動時等、ＨＣ保持剤および排気浄化触媒が低温であるときには、ＨＣ保持浄化触媒の排気上流に配置された排気浄化触媒を点火時期遅角等の昇温制御によって早期に昇温することで、機関始動後のできるだけ早い時期に排気浄化触媒を活性温度に到達させている。こうすることで、ＨＣ保持剤にＨＣが流入する期間が短くなり、これにより排気浄化装置全体としての排気ガス浄化性能が高められている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１６４９３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＨＣ保持剤の温度が離脱開始温度以上となった場合、ＨＣ保持剤の温度が急激に上昇すると、ＨＣ保持剤から多量のＨＣが一気に離脱してしまう。一方、ＨＣ保持剤と共にＨＣ保持浄化触媒を構成する触媒成分が完全に活性する完全活性温度はＨＣ保持剤の離脱開始温度よりも高く、また、触媒成分が完全に活性するまでは触媒成分によるＨＣの酸化能力は低く、少量のＨＣのみしか酸化することができない。したがって、上述したようにＨＣ保持剤の温度が離脱開始温度以上で急激に上昇すると、ＨＣ保持剤から離脱したＨＣの一部は触媒成分によって酸化されずに残ってしまい、大気中に放出されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、冷間始動時等の低温時においても炭化水素を良好に浄化することができる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】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路上に炭化水素保持剤と触媒成分とを担持する炭化水素保持浄化触媒が配置され、上記炭化水素保持剤は、該炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度未満の場合には流入する排気ガス中の炭化水素を保持し、炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度以上である場合には保持している炭化水素を離脱させ、上記触媒成分は該触媒成分の温度が特定温度以上になると炭化水素保持剤から離脱した炭化水素を浄化し、上記炭化水素保持浄化触媒を昇温させる昇温制御を実行する昇温手段を具備する内燃機関の排気浄化装置において、冷間始動時には上記昇温手段によって炭化水素保持浄化触媒を昇温させ、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達したら昇温制御を中止する。
【０００８】
第１の発明によれば、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達したら昇温制御が中止されるため、その後は炭化水素保持剤の温度が急激に上昇することなく、徐々に上昇していく。このため、炭化水素保持剤から多量の炭化水素が一気に離脱されることが防止され、よって触媒成分の温度が特定温度（完全活性温度）未満であっても離脱された炭化水素が十分に酸化・浄化される。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において、上記炭化水素保持浄化触媒の排気上流に排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒はその温度が活性温度以上になると流入する排気ガス中の炭化水素を浄化し、上記昇温手段は排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を昇温させ、上記排気浄化触媒の温度がその活性温度以上に達した場合には炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達していなくても昇温制御を中止する。
【００１０】
第２の発明によれば、排気浄化触媒の温度がその活性温度以上になれば、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度未満であっても昇温制御を中止することにより、排気浄化装置のＨＣ浄化能力を低下させることなく、昇温制御を実行することによるエネルギの消費や燃焼効率の悪化を抑制し、機関運転状態の悪化を防止することができる。
【００１１】
第３の発明では、第１または第２の発明において、当該内燃機関の排気浄化装置は上記炭化水素保持剤または排気浄化触媒の温度を吸入空気量に基づいて推定する。
【００１２】
第４の発明では、第２または第３の発明において、当該排気浄化装置は上記炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く上記排気浄化触媒の温度が活性温度に到達するように構成されている。
【００１３】
第５の発明では、第４の発明において、上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記炭化水素保持浄化触媒の熱容量を上記排気浄化触媒の熱容量よりも大きくした。
このようにするために、例えば炭化水素保持浄化触媒に担持させる触媒成分および炭化水素保持剤の量が多くされ、排気浄化触媒に担持させる触媒成分の量が少なくされる。
【００１４】
第６の発明では、第４の発明において、上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記排気浄化触媒を収容するケーシングとその上流の排気管との断熱性を上記炭化水素保持浄化触媒を収容するケーシングと排気浄化触媒の排気下流の排気管との断熱性よりも高くした。
このようにするため、例えば、排気浄化触媒用のケーシングおよびその上流の排気管が二重管にされ、排気浄化触媒下流の排気管および炭化水素保持浄化触媒のケーシングが一重管にされる。
【００１５】
第７の発明では、第２〜６のいずれか一つの発明において、上記排気浄化触媒は触媒成分を担持しており、上記排気浄化触媒の触媒成分担持量は、上記炭化水素保持浄化触媒の触媒成分担持量よりも多い。
第７の発明によれば、温度上昇し易い上流側の排気浄化触媒に多くの触媒成分が担持されており、よって、冷間始動後の比較的早い時期から排気浄化触媒によって炭化水素がほぼ完全に浄化される。
【００１６】
第８の発明では、第２の発明において、閉弁することで燃焼室内に特定の吸気ガス流れを生成する吸気流制御弁をさらに具備し、上記昇温手段は点火時期を遅角させることによって昇温を行っており、上記昇温制御中は基本的に吸気流制御弁を開弁するが、昇温制御中であっても燃焼室周りの温度が所定温度未満である場合には吸気流制御弁を閉弁する。
【００１７】
一般に、点火時期を遅角させると燃焼が不安定になるため、これを防止するために冷間始動時には吸気流制御弁を閉じて燃焼室内に特定の吸気ガス流れ、例えばタンブルまたはスワールを生成させる。一方、吸気流制御弁を開いている方が排気ガスの温度が上昇する。したがって、第８の発明によれば、吸気流制御弁を閉じなくても燃焼が安定する程度にまで燃焼室の温度が上昇すれば、吸気流制御弁を開くことによって、排気ガスの温度を上げることができる。なお、本発明では、両触媒が十分に昇温されていなくても、吸気流制御弁を開くことになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に概略的に示した機関本体１は火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を例えば筒内噴射型火花点火式内燃機関等の別の内燃機関に適用してもよい。
【００１９】
図１に示したように、本発明の第一の実施例では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、吸気ポート７内壁面には燃料噴射弁１１が配置される。
【００２０】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気枝管１３内には燃焼室５内に流入する吸気ガスの流れを制御する吸気流制御弁１２が配置される。また、吸気ダクト１５内にはスロットル弁１７が配置され、スロットル弁１７にはスロットルポジションセンサ１８が設けられる。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は排気浄化装置２０に連結される。排気浄化装置２０は、例えば三元触媒である排気浄化触媒２１と、炭化水素保持浄化触媒（以下、「ＨＣ保持浄化触媒」と称す）２４とを具備する。より詳細には、排気マニホルド１９には排気浄化触媒２１を収容するケーシング２２が連結され、このケーシング２２の排気下流には排気管２３を介してＨＣ保持浄化触媒２４を収容するケーシング２５が連結される。
【００２１】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６はディジタルコンピュータからなり、例えばエアフロメータ１６、スロットルポジションセンサ１８等の各種センサに接続され、各種センサによって検出された各種パラメータの値に対応する出力がＥＣＵ２６に入力される。例えば、エアフロメータ１５からは吸入空気量に比例した出力電圧がＥＣＵ２６に入力され、スロットルポジションセンサ１８からはスロットル弁の開度に比例した出力電圧がＥＣＵ２６に入力される。さらにＥＣＵ２６は点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、吸気流制御弁１２等にもそれぞれ接続され、例えば点火プラグ１０による点火時期や、燃料噴射弁１１によって噴射される燃料噴射量等を制御する。
【００２２】
次に、ＨＣ保持浄化触媒２４について説明する。ＨＣ保持浄化触媒２４は、図２に示したように、例えばコージェライト等のセラミックでハニカム状に形成された担体３１の表面上に、炭化水素保持剤（以下、「ＨＣ保持剤」と称す）３２の層をコーティングし、さらにこのＨＣ保持剤３２の表面上に触媒成分３３の層をコーティングしたものである。ＨＣ保持剤３２は、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度よりも低い場合にはＨＣ保持浄化触媒２４に流入する排気ガス中の炭化水素（以下、「ＨＣ」と称す）を保持し、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度以上である場合にはＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣを離脱させるものであり、例えばゼオライトから形成される。一方、触媒成分３３は、触媒成分３３の温度が完全活性温度（特定温度）以上になると、触媒成分３３の周囲のＨＣを酸化・浄化することができる。なお、一般に触媒成分３３の完全活性温度はＨＣ保持剤３２の離脱開始温度よりも高い。
【００２３】
したがって、ＨＣ保持浄化触媒２４では、冷間始動時等、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度よりも低いときには、ＨＣ保持浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＨＣがＨＣ保持剤３２に保持され、その後、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が触媒成分３３の完全活性温度以上になると、ＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱せしめられると共に、離脱したＨＣが触媒成分３３によって酸化・浄化される。このように、ＨＣ保持浄化触媒２４では、冷間始動時に内燃機関から排出されたＨＣを一旦保持し、その後浄化することができる。
【００２４】
一方、三元触媒等の一般的な排気浄化触媒２１では、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上である場合には排気浄化触媒２１に流入する排気ガス中のＨＣをほぼ完全に酸化することができるが、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満である場合には排気ガス中のＨＣを酸化・浄化することができない。そこで、図１に示したような構成の排気浄化装置では、排気浄化触媒２１の排気下流にＨＣ保持浄化触媒２４を配置して、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満のときにはＨＣ保持浄化触媒２４によりＨＣを浄化し、活性温度以上のときには排気浄化触媒２１によってＨＣを浄化することで、常に排気ガス中のＨＣを浄化することができるようにしている。
【００２５】
ただし、ＨＣ保持浄化触媒２４は、その温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以下のときに、流入するＨＣを全て保持することができるわけではなく、僅かながらＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流へと流出してしまう。また、ＨＣ保持浄化触媒２４が保持可能なＨＣの量には限界がある。これらの事から、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が低い間に多くのＨＣがＨＣ保持浄化触媒２４に流入することのないように、冷間始動時には、ＨＣ保持浄化触媒２４が設けられている場合であっても、排気浄化触媒２１を早期に昇温する必要がある。このため、冷間始動時に昇温手段によって排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４を昇温するための昇温制御を行う排気浄化装置が知られている。
【００２６】
ところで、ＨＣ保持浄化触媒２４において触媒成分３３の温度とＨＣ保持剤３２の温度とが常にほぼ同一であるとすると、冷間始動時には、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度と触媒成分３３の完全活性温度との間にある状態が存在し、上記の説明ではこの場合にはＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されるが、そのＨＣは触媒成分３３では酸化・浄化されないことになる。しかしながら、上記説明における触媒成分３３の温度、またはＨＣ保持浄化触媒２４の温度とは、触媒成分３３全体またはＨＣ保持浄化触媒２４全体の平均温度であり、また、完全活性温度とは触媒成分３３全体が活性化する温度である。よって、触媒成分３３の平均温度が完全活性温度未満であっても、触媒成分３３は局所的に活性温度以上となっており、よって少量ではあるが触媒成分３３によってＨＣは酸化・浄化される。なお、本明細書では、このように触媒成分３３の温度が完全活性温度以下でありながらも、少量ながら触媒成分３３によってＨＣが酸化・浄化されるような温度を部分活性温度と称す。
【００２７】
一方、ＨＣ保持剤３２は、その温度が離脱開始温度以上である場合、ＨＣ保持剤３２の温度が急激に上昇すると、ＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣがＨＣ保持剤３２から多量に一気に離脱せしめられる。したがって、冷間始動時に昇温制御を行って、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度以上であって完全活性温度未満となっても昇温制御をそのまま続けると、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が急激に上昇し、よってＨＣ保持剤３２から離脱せしめられた多量のＨＣを触媒成分３３が酸化・浄化することができず、ＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流にＨＣが流出してしまう。
【００２８】
そこで、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以上になったら昇温制御を中止する。内燃機関の燃焼室５から排出される排気ガスの温度はこの時のＨＣ保持浄化触媒２４の温度よりも高いため、昇温制御を行わなくてもＨＣ保持浄化触媒２４の温度は徐々に上昇するが、急激に上昇するわけではなのいでＨＣ保持剤３２からは微量ずつＨＣが離脱せしめられ、よって離脱せしめられたＨＣはそのほとんどが触媒成分３３で酸化・浄化される。このため、本発明によれば、ＨＣ保持浄化触媒の温度が離脱開始温度以上であって完全活性温度以下であっても、ＨＣがＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流に流出してしまうことが防止される。
【００２９】
なお、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４を昇温させるための昇温制御としては、例えば、点火時期遅角制御、後着火制御が挙げられる。点火時期遅角制御とは、点火プラグ１０による混合気への点火時期を遅角させることで燃焼を遅らせ、燃焼室から排出される排気ガスの温度を高めることであり、後着火制御とは、排気浄化触媒の排気上流に着火装置を設け、この着火装置で後燃えを発生させることで排気ガスの温度を上昇させることである。なお、本実施形態では、昇温制御として点火時期遅角制御を行う。
【００３０】
ところで、冷間始動時において昇温制御を行って排気浄化触媒２１に流入する排気ガスを昇温させると、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤の離脱開始温度に到達する前に、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度に到達することがある。この場合、内燃機関から排出された排気ガス中のＨＣはほとんどが排気浄化触媒２１において浄化されるため、ＨＣ保持浄化触媒２４にはほとんどＨＣが流入せず、よってＨＣ保持浄化触媒２４を早期に昇温させる必要が無くなる。
【００３１】
そこで、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、冷間始動時に昇温制御を行った場合、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上に達した場合には、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度以上になっていなくても、昇温制御を中止するようにしている。一般に、昇温制御を行うと、昇温制御の方法に関わらず、排気浄化触媒に流入する排気ガスを昇温するためにエネルギが消費される。また、本実施形態のように点火時期遅角制御によって昇温制御を行うと、内燃機関の効率が悪化し、さらに機関運転状態が不安定になってしまう。これに対して、上述したように昇温制御を中止することによって、排気浄化装置２０のＨＣ浄化能力を低下させることなく、エネルギの消費量および燃焼効率の悪化を抑制し、さらに内燃機関が不安定になることを防止することができる。
【００３２】
したがって、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、冷間始動時において、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満であり且つＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度未満である場合には昇温制御を行い、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上であるかまたはＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以上である場合には昇温制御を中止する。なお、第一実施形態では、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度は、機関冷却水の水温、または機関始動からの時間から推定される。
【００３３】
以下、図３を参照して本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０における冷間始動時ＨＣ浄化制御の制御ルーチンについて説明する。ステップ１０１において、排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1未満であるか否かが判定される。排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1以上であると判定された場合にはステップ１０４へと進む。一方、排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1未満であると判定された場合にはステップ１０２へと進む。ステップ１０２では、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCがＨＣ保持剤の離脱開始温度ＴHC1未満であるか否かが判定される。ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCが離脱開始温度ＴHC1以上であると判定された場合にはステップ１０４へと進む。一方、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCがＨＣ保持剤の離脱開始温度ＴHC1未満であると判定された場合には、ステップ１０３へと進む。ステップ１０３では昇温制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１０４では昇温制御が中止され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００３４】
次に、本発明の第二実施形態の排気浄化装置について説明する。第二実施形態の排気浄化装置の構成は基本的に第一実施形態の排気浄化装置２０の構成と同一である。
【００３５】
ところで、本実施形態の排気浄化装置は、図１に示したように、吸気流制御弁１２を備えている。この吸気流制御弁１２は、閉弁されているときには吸気流制御弁１２と吸気枝管１３壁面との間に部分的に隙間ができるようになっており、この隙間を通って吸気ガスが燃焼室５内に流入することにより、燃焼室５内に特定の吸気ガス流れ、例えばスワールまたはタンブルが生成される。一方、吸気流制御弁１２が開弁されているときには燃焼室５内には上述したようなスワールまたはタンブルは生成されない。
【００３６】
このように吸気流制御弁１２を閉じることによって燃焼室５内にスワールまたはタンブルが生成されると、燃焼室５内での燃焼状態が良くなる。したがって、例えば、冷間始動時に点火時期遅角制御を行った場合等、燃料が燃焼しにくく且つ機関運転状態が不安定になってしまうような場合であっても、吸気流制御弁１２を閉じることによって燃料は良好に燃焼するようになり機関運転状態も安定する。また、吸気流制御弁１２を閉じた場合には、燃焼室５内で燃料が瞬時に燃焼するため、燃焼室５から排出される排気ガスの温度は比較的低い。
【００３７】
一方、吸気流制御弁１２を開いている場合には、上記吸気流制御弁１２を閉じている場合に比べて、燃焼室５内での燃焼状態は悪化する。このため、この場合、燃焼室５内の燃料は点火プラグ１０による点火が行われても、瞬時に燃焼せずに徐々に燃焼し、よって点火時期遅角制御を行ったときと同様に、燃焼室５から排出される排気ガスの温度が上昇する。
【００３８】
そこで、本発明の第二実施形態の排気浄化装置では、昇温制御中には基本的に吸気流制御弁１２を開弁するようにしている。ただし、昇温制御中であっても冷間始動直後であって燃焼室周りの温度が所定温度未満である場合には吸気流制御弁１２を閉弁するようにしている。このように冷間始動直後に吸気流制御弁１２を閉弁することによって、冷間始動直後に機関運転状態が不安定になるのが防止される。特に、冷間始動直後から点火時期遅角制御を行う場合、点火時期遅角制御によって機関運転状態が不安定になってしまうことが多いので、吸気流制御弁１２を閉弁することがより効果的である。
【００３９】
その後、燃焼室５周りの温度が所定温度、すなわち燃焼室５内での燃焼が比較的安定して行われるような温度以上になると、吸気流制御弁１２が開弁され、これにより燃焼室から排出される排気ガスの温度が高められ、よって排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４が早期に昇温されるようになる。そして、昇温制御の終了に伴って、吸気流制御弁１２は内燃機関の運転状態に応じて開閉が制御される。
【００４０】
なお、燃焼室５周りの温度は、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間、吸入空気量等から推定するようにしている。したがって、実際には、閉弁されていた吸気流制御弁１２を開弁させるタイミングは、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間、吸入空気量等に基づいて決定される。
【００４１】
ところで、上述したように第一実施形態では、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度を、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間等から推定するとしているが、第二実施形態では、エアフロメータ１６によって検出される吸入空気量の積算値（以下、「積算吸入空気量」と称す）から算出するようにしている。一般に、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量は吸入空気量に比例しており、よって排気ガスの温度も吸入空気量に比例している。したがって、積算吸入空気量から排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度を比較的正確に算出することができる。
【００４２】
次に、図４を参照して本発明の第二実施形態の排気浄化装置における冷間始動時ＨＣ浄化制御について説明する。図４は、冷間始動時ＨＣ浄化制御を実行した場合の排気浄化触媒の温度ＴCA、ＨＣ保持浄化触媒の温度ＴHCおよび積算吸入空気量ΣＧａのタイムチャートを示す。
【００４３】
図４に示したように、冷間始動直後には点火時期遅角制御が行われていると共に、吸気流制御弁１２が閉弁されている。機関始動後から時刻ｔ1まで、積算吸入空気量ΣＧａが徐々に増大し、それに伴って排気浄化触媒の温度ＴCAおよびＨＣ保持浄化触媒の温度ＴHCが徐々に上昇する。この間、吸気流制御弁が閉じられていることにより点火時期遅角制御による燃焼悪化が防止される。
【００４４】
時刻ｔ1において積算吸入空気量ΣＧａが第一所定量Ｇａ1に到達すると、閉弁されていた吸気流制御弁１２が開弁される。この第一所定量Ｇａ1は燃焼室５周りの温度が所定温度以上となるような積算吸入空気量であり、これ以降は吸気流制御弁１２を閉弁しても燃焼悪化が生じない。また、吸気流制御弁１２が閉弁されたことにより、時刻ｔ1以降は両触媒２１、２４の温度上昇率が高くなる。
【００４５】
次いで時刻ｔ2において、吸入空気量ΣＧａが第二所定量Ｇａ2となり、排気浄化触媒の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1に到達すると、点火時期遅角制御が中止される。これにより、時刻ｔ2以降はＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCの上昇率が低下し、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCは穏やかに上昇する。その後、時刻ｔ3において吸入空気量ΣＧａが第三所定量Ｇａ3となり、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCが離脱開始温度ＴHC1に到達し、ＨＣ保持浄化触媒２４のＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣが徐々に離脱され、離脱したＨＣが触媒成分３３によって酸化・浄化される。
【００４６】
なお、上述したように点火時期遅角制御を中止するタイミングは吸入空気量ΣＧａが第三所定量Ｇａ3となったときでもよい。また、機関始動時における機関温度が異なると、各触媒２１、２４が或る温度に到達するまでに必要な熱量が異なり、よって吸入空気量も異なるため、上記所定量Ｇａ1、Ｇａ2、Ｇａ3は冷間始動時の機関温度に応じて変わる値である。
【００４７】
次に、図５を参照して本発明の第二実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御の制御ルーチンを示す。まず、ステップ１１１においてエアフロメータ１６から積算吸入空気量ΣＧａが算出される。次いで、ステップ１１２においてΣＧａが第一所定値Ｇａ1未満であるか否かが判定され、ΣＧａがＧａ1未満であると判定された場合には、ステップ１１３へと進む。ステップ１１３およびステップ１１４では、それぞれ吸気流制御弁１２が閉弁され、点火時期遅角制御が実行され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１１２において、ΣＧａがＧａ1以上であると判定された場合には、ステップ１１５へと進む。ステップ１１５では、積算吸入空気量ΣＧａが第二所定量Ｇａ2未満であるか否かが判定され、ΣＧａがＧａ2未満であると判定された場合には、ステップ１１６へと進む。ステップ１１６およびステップ１１７では、それぞれ吸気流制御弁１２が開弁され、点火時期遅角制御が実行され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１１５において、ΣＧａが第二所定量Ｇａ2以上であると判定された場合には、ステップ１１８へと進む。ステップ１１８およびステップ１１９では、それぞれ吸気流制御弁１２が開弁され、点火時期遅角制御が中止され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。
【００４８】
次に、本発明の第三実施形態の排気浄化装置について説明する。第三実施形態の排気浄化装置は基本的に第一実施形態または第二実施形態の排気浄化装置と同様である。ただし、第三実施形態の排気浄化装置は、冷間始動時において、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く排気浄化触媒２１の温度が活性温度に到達するように構成されている。このため、ＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されるときには、ＨＣ保持浄化触媒２４にはＨＣがほとんど流入しておらず、よってこのときＨＣ保持浄化触媒２４の触媒成分３３は排気ガス中のＨＣを浄化する必要はなく、ＨＣ保持剤３２から離脱したＨＣを浄化するためのみに用いられる。したがって、ＨＣ保持剤３２から離脱したＨＣはほとんど触媒成分３３によって酸化・浄化される。
【００４９】
このようにＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く排気浄化触媒２１の温度が活性温度に到達するようにするために、本実施形態では、ＨＣ保持浄化触媒２４の熱容量が排気浄化触媒２１の熱容量よりも大きくされている。したがって、各触媒２１、２４に同じ熱量が流入しても、ＨＣ保持浄化触媒２４の方が昇温されにくい。より具体的には、各触媒２１、２４間の熱容量を変えるために、ＨＣ保持浄化触媒２４の担体に担持されているＨＣ保持剤３２および触媒成分３３の量を、排気浄化触媒２１の担体に担持されている触媒成分の量よりも多くすることや、ＨＣ保持浄化触媒２４に用いられる担体の厚さを排気浄化触媒２１の担体に用いられる担体の厚さよりも厚くすることが挙げられる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、排気浄化触媒２１を収容するケーシング２２とその上流の排気管（排気マニホルド１９）との断熱性が、ＨＣ保持浄化触媒２４を収容するケーシング２５と排気浄化触媒２１の排気下流の排気管２３との断熱性よりも高くされる。したがって、内燃機関から排出された排気ガスは、排気浄化触媒２１に到達するまでには外気によって熱が奪われず、よってその温度が大きく低下することが防止される。一方、排気浄化触媒２１から流出した排気ガスは、ＨＣ保持浄化触媒２４に到達するまでに外気によって熱が奪われ、よってその温度が大きく低下する。こうして、排気浄化触媒２１が比較的早期に急激に昇温されるのに対してＨＣ保持浄化触媒２４は徐々に昇温されるようになる。
【００５１】
より具体的には、例えば、排気浄化触媒２１用のケーシング２２およびその上流の排気管１９が二重管にされ、排気浄化触媒２１下流の排気管２３およびＨＣ保持浄化触媒２４のケーシング２５が一重管にされる。または、ケーシング２２およびその上流の排気管１９にのみ断熱材を巻いてもよい。
【００５２】
また、本発明では、上記排気浄化触媒２４の触媒成分担持量は、上記ＨＣ保持浄化触媒２１の触媒成分担持量よりも多くしている。一般に、触媒成分の担持量を増加させると、ＨＣ浄化能力が高くなるため、排気浄化触媒２４の触媒成分担持量を多くすることにより、排気浄化触媒２４のＨＣ浄化能力が高くなる。上述したように排気浄化触媒２１はＨＣ保持浄化触媒２４の排気上流にあることにより比較的早期に温度が上昇しやすいので、排気浄化触媒２１に多くの触媒成分を担持させることによって、冷間始動後の比較的早い時期から高いＨＣ浄化能力を持った排気浄化触媒２１によってＨＣが浄化されるようになる。これにより、排気浄化装置全体としてのＨＣ浄化率が高くなる。
【００５３】
なお、排気浄化触媒２１の触媒成分およびＨＣ保持浄化触媒２４の触媒成分３３は、単に白金等の貴金属触媒であってもよいし、三元触媒であってもよい。また、排気浄化触媒２１は三元触媒でなく、ＮＯxを保持・離脱することでＮＯxを浄化することができるＮＯx触媒であってもよい。
【００５４】
また、上記説明では、ＨＣ保持浄化触媒２４において、ＨＣ保持剤３２と触媒成分３３とは基本的に同一の温度としているが、実際には触媒成分３３は表面側にあり、高温の排気ガスに接触するため、ＨＣ保持剤３２よりも温度が高い。特に、触媒成分３３のコーティング量をＨＣ保持剤３２のコーティング量よりも少なくすることにより、ＨＣ保持剤３２の温度と触媒成分３３の温度との差を大きくすることができる。こうすることにより、冷間始動時において、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度に到達してから直ぐに触媒成分３３の温度を完全活性温度に到達させることができ、これによりＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されながらも触媒成分３３の酸化・浄化能力が低い状態を短い期間にすることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化水素保持剤から多量の炭化水素が一気に離脱されることが防止され、よって触媒成分の温度が完全活性温度未満であっても離脱された炭化水素が十分に酸化・浄化されるため、冷間始動時等の低温時においても炭化水素を良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関の概略図である。
【図２】炭化水素保持浄化触媒の部分断面図である。
【図３】第一実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御のフローチャートである。
【図４】冷間始動時ＨＣ浄化制御を行う際のタイムチャートである。
【図５】第二実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…点火プラグ
１２…吸気流制御弁
１９…排気マニホルド
２０…排気浄化装置
２１…排気浄化触媒（三元触媒）
２３…排気管
２４…炭化水素保持浄化触媒（ＨＣ保持浄化触媒）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、三元触媒等の排気浄化触媒にはその活性温度があり、排気浄化触媒がその活性温度未満である場合にはその排気浄化触媒では例えば排気ガス中の炭化水素（以下、「ＨＣ」と称す）がほとんど浄化されない。そこで、このような低温であっても排気ガス中のＨＣを保持し且つ離脱開始温度以上となると保持しているＨＣを離脱させるＨＣ保持剤を排気浄化触媒の排気下流に配置した排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置では、上流側の排気浄化触媒の温度がその活性温度未満であっても排気ガス中のＨＣはＨＣ保持剤に保持されるため大気中に流出しない。また、ＨＣ保持浄化触媒としてＨＣ保持剤を白金触媒等の触媒成分と共に担体に担持させることで、ＨＣ保持剤から離脱せしめられたＨＣを触媒成分によって酸化させ、こうして一旦ＨＣ保持剤に保持されたＨＣも浄化するようにしている。
【０００３】
このようなＨＣ保持剤は、ＨＣ保持浄化触媒に流入する排気ガス中のＨＣを全て保持することができるわけではないため、ＨＣ保持浄化触媒にＨＣが流入する機関は短い方が好ましい。そこで、従来では、機関始動時等、ＨＣ保持剤および排気浄化触媒が低温であるときには、ＨＣ保持浄化触媒の排気上流に配置された排気浄化触媒を点火時期遅角等の昇温制御によって早期に昇温することで、機関始動後のできるだけ早い時期に排気浄化触媒を活性温度に到達させている。こうすることで、ＨＣ保持剤にＨＣが流入する期間が短くなり、これにより排気浄化装置全体としての排気ガス浄化性能が高められている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１６４９３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＨＣ保持剤の温度が離脱開始温度以上となった場合、ＨＣ保持剤の温度が急激に上昇すると、ＨＣ保持剤から多量のＨＣが一気に離脱してしまう。一方、ＨＣ保持剤と共にＨＣ保持浄化触媒を構成する触媒成分が完全に活性する完全活性温度はＨＣ保持剤の離脱開始温度よりも高く、また、触媒成分が完全に活性するまでは触媒成分によるＨＣの酸化能力は低く、少量のＨＣのみしか酸化することができない。したがって、上述したようにＨＣ保持剤の温度が離脱開始温度以上で急激に上昇すると、ＨＣ保持剤から離脱したＨＣの一部は触媒成分によって酸化されずに残ってしまい、大気中に放出されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、冷間始動時等の低温時においても炭化水素を良好に浄化することができる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】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路上に炭化水素保持剤と触媒成分とを担持する炭化水素保持浄化触媒が配置され、上記炭化水素保持剤は、該炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度未満の場合には流入する排気ガス中の炭化水素を保持し、炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度以上である場合には保持している炭化水素を離脱させ、上記触媒成分は該触媒成分の温度が特定温度以上になると炭化水素保持剤から離脱した炭化水素を浄化し、上記炭化水素保持浄化触媒を昇温させる昇温制御を実行する昇温手段を具備する内燃機関の排気浄化装置において、冷間始動時には上記昇温手段によって炭化水素保持浄化触媒を昇温させ、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達したら昇温制御を中止する。
【０００８】
第１の発明によれば、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達したら昇温制御が中止されるため、その後は炭化水素保持剤の温度が急激に上昇することなく、徐々に上昇していく。このため、炭化水素保持剤から多量の炭化水素が一気に離脱されることが防止され、よって触媒成分の温度が特定温度（完全活性温度）未満であっても離脱された炭化水素が十分に酸化・浄化される。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において、上記炭化水素保持浄化触媒の排気上流に排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒はその温度が活性温度以上になると流入する排気ガス中の炭化水素を浄化し、上記昇温手段は排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を昇温させ、上記排気浄化触媒の温度がその活性温度以上に達した場合には炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達していなくても昇温制御を中止する。
【００１０】
第２の発明によれば、排気浄化触媒の温度がその活性温度以上になれば、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度未満であっても昇温制御を中止することにより、排気浄化装置のＨＣ浄化能力を低下させることなく、昇温制御を実行することによるエネルギの消費や燃焼効率の悪化を抑制し、機関運転状態の悪化を防止することができる。
【００１１】
第３の発明では、第１または第２の発明において、当該内燃機関の排気浄化装置は上記炭化水素保持剤または排気浄化触媒の温度を吸入空気量に基づいて推定する。
【００１２】
第４の発明では、第２または第３の発明において、当該排気浄化装置は上記炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く上記排気浄化触媒の温度が活性温度に到達するように構成されている。
【００１３】
第５の発明では、第４の発明において、上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記炭化水素保持浄化触媒の熱容量を上記排気浄化触媒の熱容量よりも大きくした。
このようにするために、例えば炭化水素保持浄化触媒に担持させる触媒成分および炭化水素保持剤の量が多くされ、排気浄化触媒に担持させる触媒成分の量が少なくされる。
【００１４】
第６の発明では、第４の発明において、上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記排気浄化触媒を収容するケーシングとその上流の排気管との断熱性を上記炭化水素保持浄化触媒を収容するケーシングと排気浄化触媒の排気下流の排気管との断熱性よりも高くした。
このようにするため、例えば、排気浄化触媒用のケーシングおよびその上流の排気管が二重管にされ、排気浄化触媒下流の排気管および炭化水素保持浄化触媒のケーシングが一重管にされる。
【００１５】
第７の発明では、第２〜６のいずれか一つの発明において、上記排気浄化触媒は触媒成分を担持しており、上記排気浄化触媒の触媒成分担持量は、上記炭化水素保持浄化触媒の触媒成分担持量よりも多い。
第７の発明によれば、温度上昇し易い上流側の排気浄化触媒に多くの触媒成分が担持されており、よって、冷間始動後の比較的早い時期から排気浄化触媒によって炭化水素がほぼ完全に浄化される。
【００１６】
第８の発明では、第２の発明において、閉弁することで燃焼室内に特定の吸気ガス流れを生成する吸気流制御弁をさらに具備し、上記昇温手段は点火時期を遅角させることによって昇温を行っており、上記昇温制御中は基本的に吸気流制御弁を開弁するが、昇温制御中であっても燃焼室周りの温度が所定温度未満である場合には吸気流制御弁を閉弁する。
【００１７】
一般に、点火時期を遅角させると燃焼が不安定になるため、これを防止するために冷間始動時には吸気流制御弁を閉じて燃焼室内に特定の吸気ガス流れ、例えばタンブルまたはスワールを生成させる。一方、吸気流制御弁を開いている方が排気ガスの温度が上昇する。したがって、第８の発明によれば、吸気流制御弁を閉じなくても燃焼が安定する程度にまで燃焼室の温度が上昇すれば、吸気流制御弁を開くことによって、排気ガスの温度を上げることができる。なお、本発明では、両触媒が十分に昇温されていなくても、吸気流制御弁を開くことになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に概略的に示した機関本体１は火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を例えば筒内噴射型火花点火式内燃機関等の別の内燃機関に適用してもよい。
【００１９】
図１に示したように、本発明の第一の実施例では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、吸気ポート７内壁面には燃料噴射弁１１が配置される。
【００２０】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気枝管１３内には燃焼室５内に流入する吸気ガスの流れを制御する吸気流制御弁１２が配置される。また、吸気ダクト１５内にはスロットル弁１７が配置され、スロットル弁１７にはスロットルポジションセンサ１８が設けられる。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は排気浄化装置２０に連結される。排気浄化装置２０は、例えば三元触媒である排気浄化触媒２１と、炭化水素保持浄化触媒（以下、「ＨＣ保持浄化触媒」と称す）２４とを具備する。より詳細には、排気マニホルド１９には排気浄化触媒２１を収容するケーシング２２が連結され、このケーシング２２の排気下流には排気管２３を介してＨＣ保持浄化触媒２４を収容するケーシング２５が連結される。
【００２１】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６はディジタルコンピュータからなり、例えばエアフロメータ１６、スロットルポジションセンサ１８等の各種センサに接続され、各種センサによって検出された各種パラメータの値に対応する出力がＥＣＵ２６に入力される。例えば、エアフロメータ１５からは吸入空気量に比例した出力電圧がＥＣＵ２６に入力され、スロットルポジションセンサ１８からはスロットル弁の開度に比例した出力電圧がＥＣＵ２６に入力される。さらにＥＣＵ２６は点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、吸気流制御弁１２等にもそれぞれ接続され、例えば点火プラグ１０による点火時期や、燃料噴射弁１１によって噴射される燃料噴射量等を制御する。
【００２２】
次に、ＨＣ保持浄化触媒２４について説明する。ＨＣ保持浄化触媒２４は、図２に示したように、例えばコージェライト等のセラミックでハニカム状に形成された担体３１の表面上に、炭化水素保持剤（以下、「ＨＣ保持剤」と称す）３２の層をコーティングし、さらにこのＨＣ保持剤３２の表面上に触媒成分３３の層をコーティングしたものである。ＨＣ保持剤３２は、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度よりも低い場合にはＨＣ保持浄化触媒２４に流入する排気ガス中の炭化水素（以下、「ＨＣ」と称す）を保持し、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度以上である場合にはＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣを離脱させるものであり、例えばゼオライトから形成される。一方、触媒成分３３は、触媒成分３３の温度が完全活性温度（特定温度）以上になると、触媒成分３３の周囲のＨＣを酸化・浄化することができる。なお、一般に触媒成分３３の完全活性温度はＨＣ保持剤３２の離脱開始温度よりも高い。
【００２３】
したがって、ＨＣ保持浄化触媒２４では、冷間始動時等、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度よりも低いときには、ＨＣ保持浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＨＣがＨＣ保持剤３２に保持され、その後、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が触媒成分３３の完全活性温度以上になると、ＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱せしめられると共に、離脱したＨＣが触媒成分３３によって酸化・浄化される。このように、ＨＣ保持浄化触媒２４では、冷間始動時に内燃機関から排出されたＨＣを一旦保持し、その後浄化することができる。
【００２４】
一方、三元触媒等の一般的な排気浄化触媒２１では、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上である場合には排気浄化触媒２１に流入する排気ガス中のＨＣをほぼ完全に酸化することができるが、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満である場合には排気ガス中のＨＣを酸化・浄化することができない。そこで、図１に示したような構成の排気浄化装置では、排気浄化触媒２１の排気下流にＨＣ保持浄化触媒２４を配置して、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満のときにはＨＣ保持浄化触媒２４によりＨＣを浄化し、活性温度以上のときには排気浄化触媒２１によってＨＣを浄化することで、常に排気ガス中のＨＣを浄化することができるようにしている。
【００２５】
ただし、ＨＣ保持浄化触媒２４は、その温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以下のときに、流入するＨＣを全て保持することができるわけではなく、僅かながらＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流へと流出してしまう。また、ＨＣ保持浄化触媒２４が保持可能なＨＣの量には限界がある。これらの事から、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が低い間に多くのＨＣがＨＣ保持浄化触媒２４に流入することのないように、冷間始動時には、ＨＣ保持浄化触媒２４が設けられている場合であっても、排気浄化触媒２１を早期に昇温する必要がある。このため、冷間始動時に昇温手段によって排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４を昇温するための昇温制御を行う排気浄化装置が知られている。
【００２６】
ところで、ＨＣ保持浄化触媒２４において触媒成分３３の温度とＨＣ保持剤３２の温度とが常にほぼ同一であるとすると、冷間始動時には、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度と触媒成分３３の完全活性温度との間にある状態が存在し、上記の説明ではこの場合にはＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されるが、そのＨＣは触媒成分３３では酸化・浄化されないことになる。しかしながら、上記説明における触媒成分３３の温度、またはＨＣ保持浄化触媒２４の温度とは、触媒成分３３全体またはＨＣ保持浄化触媒２４全体の平均温度であり、また、完全活性温度とは触媒成分３３全体が活性化する温度である。よって、触媒成分３３の平均温度が完全活性温度未満であっても、触媒成分３３は局所的に活性温度以上となっており、よって少量ではあるが触媒成分３３によってＨＣは酸化・浄化される。なお、本明細書では、このように触媒成分３３の温度が完全活性温度以下でありながらも、少量ながら触媒成分３３によってＨＣが酸化・浄化されるような温度を部分活性温度と称す。
【００２７】
一方、ＨＣ保持剤３２は、その温度が離脱開始温度以上である場合、ＨＣ保持剤３２の温度が急激に上昇すると、ＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣがＨＣ保持剤３２から多量に一気に離脱せしめられる。したがって、冷間始動時に昇温制御を行って、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度以上であって完全活性温度未満となっても昇温制御をそのまま続けると、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が急激に上昇し、よってＨＣ保持剤３２から離脱せしめられた多量のＨＣを触媒成分３３が酸化・浄化することができず、ＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流にＨＣが流出してしまう。
【００２８】
そこで、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以上になったら昇温制御を中止する。内燃機関の燃焼室５から排出される排気ガスの温度はこの時のＨＣ保持浄化触媒２４の温度よりも高いため、昇温制御を行わなくてもＨＣ保持浄化触媒２４の温度は徐々に上昇するが、急激に上昇するわけではなのいでＨＣ保持剤３２からは微量ずつＨＣが離脱せしめられ、よって離脱せしめられたＨＣはそのほとんどが触媒成分３３で酸化・浄化される。このため、本発明によれば、ＨＣ保持浄化触媒の温度が離脱開始温度以上であって完全活性温度以下であっても、ＨＣがＨＣ保持浄化触媒２４の排気下流に流出してしまうことが防止される。
【００２９】
なお、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４を昇温させるための昇温制御としては、例えば、点火時期遅角制御、後着火制御が挙げられる。点火時期遅角制御とは、点火プラグ１０による混合気への点火時期を遅角させることで燃焼を遅らせ、燃焼室から排出される排気ガスの温度を高めることであり、後着火制御とは、排気浄化触媒の排気上流に着火装置を設け、この着火装置で後燃えを発生させることで排気ガスの温度を上昇させることである。なお、本実施形態では、昇温制御として点火時期遅角制御を行う。
【００３０】
ところで、冷間始動時において昇温制御を行って排気浄化触媒２１に流入する排気ガスを昇温させると、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤の離脱開始温度に到達する前に、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度に到達することがある。この場合、内燃機関から排出された排気ガス中のＨＣはほとんどが排気浄化触媒２１において浄化されるため、ＨＣ保持浄化触媒２４にはほとんどＨＣが流入せず、よってＨＣ保持浄化触媒２４を早期に昇温させる必要が無くなる。
【００３１】
そこで、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、冷間始動時に昇温制御を行った場合、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上に達した場合には、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度以上になっていなくても、昇温制御を中止するようにしている。一般に、昇温制御を行うと、昇温制御の方法に関わらず、排気浄化触媒に流入する排気ガスを昇温するためにエネルギが消費される。また、本実施形態のように点火時期遅角制御によって昇温制御を行うと、内燃機関の効率が悪化し、さらに機関運転状態が不安定になってしまう。これに対して、上述したように昇温制御を中止することによって、排気浄化装置２０のＨＣ浄化能力を低下させることなく、エネルギの消費量および燃焼効率の悪化を抑制し、さらに内燃機関が不安定になることを防止することができる。
【００３２】
したがって、本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０では、冷間始動時において、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度未満であり且つＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度未満である場合には昇温制御を行い、排気浄化触媒２１の温度がその活性温度以上であるかまたはＨＣ保持浄化触媒２４の温度がＨＣ保持剤３２の離脱開始温度以上である場合には昇温制御を中止する。なお、第一実施形態では、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度は、機関冷却水の水温、または機関始動からの時間から推定される。
【００３３】
以下、図３を参照して本発明の第一実施形態の排気浄化装置２０における冷間始動時ＨＣ浄化制御の制御ルーチンについて説明する。ステップ１０１において、排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1未満であるか否かが判定される。排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1以上であると判定された場合にはステップ１０４へと進む。一方、排気浄化触媒２１の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1未満であると判定された場合にはステップ１０２へと進む。ステップ１０２では、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCがＨＣ保持剤の離脱開始温度ＴHC1未満であるか否かが判定される。ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCが離脱開始温度ＴHC1以上であると判定された場合にはステップ１０４へと進む。一方、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCがＨＣ保持剤の離脱開始温度ＴHC1未満であると判定された場合には、ステップ１０３へと進む。ステップ１０３では昇温制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１０４では昇温制御が中止され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００３４】
次に、本発明の第二実施形態の排気浄化装置について説明する。第二実施形態の排気浄化装置の構成は基本的に第一実施形態の排気浄化装置２０の構成と同一である。
【００３５】
ところで、本実施形態の排気浄化装置は、図１に示したように、吸気流制御弁１２を備えている。この吸気流制御弁１２は、閉弁されているときには吸気流制御弁１２と吸気枝管１３壁面との間に部分的に隙間ができるようになっており、この隙間を通って吸気ガスが燃焼室５内に流入することにより、燃焼室５内に特定の吸気ガス流れ、例えばスワールまたはタンブルが生成される。一方、吸気流制御弁１２が開弁されているときには燃焼室５内には上述したようなスワールまたはタンブルは生成されない。
【００３６】
このように吸気流制御弁１２を閉じることによって燃焼室５内にスワールまたはタンブルが生成されると、燃焼室５内での燃焼状態が良くなる。したがって、例えば、冷間始動時に点火時期遅角制御を行った場合等、燃料が燃焼しにくく且つ機関運転状態が不安定になってしまうような場合であっても、吸気流制御弁１２を閉じることによって燃料は良好に燃焼するようになり機関運転状態も安定する。また、吸気流制御弁１２を閉じた場合には、燃焼室５内で燃料が瞬時に燃焼するため、燃焼室５から排出される排気ガスの温度は比較的低い。
【００３７】
一方、吸気流制御弁１２を開いている場合には、上記吸気流制御弁１２を閉じている場合に比べて、燃焼室５内での燃焼状態は悪化する。このため、この場合、燃焼室５内の燃料は点火プラグ１０による点火が行われても、瞬時に燃焼せずに徐々に燃焼し、よって点火時期遅角制御を行ったときと同様に、燃焼室５から排出される排気ガスの温度が上昇する。
【００３８】
そこで、本発明の第二実施形態の排気浄化装置では、昇温制御中には基本的に吸気流制御弁１２を開弁するようにしている。ただし、昇温制御中であっても冷間始動直後であって燃焼室周りの温度が所定温度未満である場合には吸気流制御弁１２を閉弁するようにしている。このように冷間始動直後に吸気流制御弁１２を閉弁することによって、冷間始動直後に機関運転状態が不安定になるのが防止される。特に、冷間始動直後から点火時期遅角制御を行う場合、点火時期遅角制御によって機関運転状態が不安定になってしまうことが多いので、吸気流制御弁１２を閉弁することがより効果的である。
【００３９】
その後、燃焼室５周りの温度が所定温度、すなわち燃焼室５内での燃焼が比較的安定して行われるような温度以上になると、吸気流制御弁１２が開弁され、これにより燃焼室から排出される排気ガスの温度が高められ、よって排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４が早期に昇温されるようになる。そして、昇温制御の終了に伴って、吸気流制御弁１２は内燃機関の運転状態に応じて開閉が制御される。
【００４０】
なお、燃焼室５周りの温度は、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間、吸入空気量等から推定するようにしている。したがって、実際には、閉弁されていた吸気流制御弁１２を開弁させるタイミングは、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間、吸入空気量等に基づいて決定される。
【００４１】
ところで、上述したように第一実施形態では、排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度を、機関冷却水の温度、冷間始動後の経過時間等から推定するとしているが、第二実施形態では、エアフロメータ１６によって検出される吸入空気量の積算値（以下、「積算吸入空気量」と称す）から算出するようにしている。一般に、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量は吸入空気量に比例しており、よって排気ガスの温度も吸入空気量に比例している。したがって、積算吸入空気量から排気浄化触媒２１およびＨＣ保持浄化触媒２４の温度を比較的正確に算出することができる。
【００４２】
次に、図４を参照して本発明の第二実施形態の排気浄化装置における冷間始動時ＨＣ浄化制御について説明する。図４は、冷間始動時ＨＣ浄化制御を実行した場合の排気浄化触媒の温度ＴCA、ＨＣ保持浄化触媒の温度ＴHCおよび積算吸入空気量ΣＧａのタイムチャートを示す。
【００４３】
図４に示したように、冷間始動直後には点火時期遅角制御が行われていると共に、吸気流制御弁１２が閉弁されている。機関始動後から時刻ｔ1まで、積算吸入空気量ΣＧａが徐々に増大し、それに伴って排気浄化触媒の温度ＴCAおよびＨＣ保持浄化触媒の温度ＴHCが徐々に上昇する。この間、吸気流制御弁が閉じられていることにより点火時期遅角制御による燃焼悪化が防止される。
【００４４】
時刻ｔ1において積算吸入空気量ΣＧａが第一所定量Ｇａ1に到達すると、閉弁されていた吸気流制御弁１２が開弁される。この第一所定量Ｇａ1は燃焼室５周りの温度が所定温度以上となるような積算吸入空気量であり、これ以降は吸気流制御弁１２を閉弁しても燃焼悪化が生じない。また、吸気流制御弁１２が閉弁されたことにより、時刻ｔ1以降は両触媒２１、２４の温度上昇率が高くなる。
【００４５】
次いで時刻ｔ2において、吸入空気量ΣＧａが第二所定量Ｇａ2となり、排気浄化触媒の温度ＴCAがその活性温度ＴCA1に到達すると、点火時期遅角制御が中止される。これにより、時刻ｔ2以降はＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCの上昇率が低下し、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCは穏やかに上昇する。その後、時刻ｔ3において吸入空気量ΣＧａが第三所定量Ｇａ3となり、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度ＴHCが離脱開始温度ＴHC1に到達し、ＨＣ保持浄化触媒２４のＨＣ保持剤３２に保持されているＨＣが徐々に離脱され、離脱したＨＣが触媒成分３３によって酸化・浄化される。
【００４６】
なお、上述したように点火時期遅角制御を中止するタイミングは吸入空気量ΣＧａが第三所定量Ｇａ3となったときでもよい。また、機関始動時における機関温度が異なると、各触媒２１、２４が或る温度に到達するまでに必要な熱量が異なり、よって吸入空気量も異なるため、上記所定量Ｇａ1、Ｇａ2、Ｇａ3は冷間始動時の機関温度に応じて変わる値である。
【００４７】
次に、図５を参照して本発明の第二実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御の制御ルーチンを示す。まず、ステップ１１１においてエアフロメータ１６から積算吸入空気量ΣＧａが算出される。次いで、ステップ１１２においてΣＧａが第一所定値Ｇａ1未満であるか否かが判定され、ΣＧａがＧａ1未満であると判定された場合には、ステップ１１３へと進む。ステップ１１３およびステップ１１４では、それぞれ吸気流制御弁１２が閉弁され、点火時期遅角制御が実行され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１１２において、ΣＧａがＧａ1以上であると判定された場合には、ステップ１１５へと進む。ステップ１１５では、積算吸入空気量ΣＧａが第二所定量Ｇａ2未満であるか否かが判定され、ΣＧａがＧａ2未満であると判定された場合には、ステップ１１６へと進む。ステップ１１６およびステップ１１７では、それぞれ吸気流制御弁１２が開弁され、点火時期遅角制御が実行され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１１５において、ΣＧａが第二所定量Ｇａ2以上であると判定された場合には、ステップ１１８へと進む。ステップ１１８およびステップ１１９では、それぞれ吸気流制御弁１２が開弁され、点火時期遅角制御が中止され、そして制御ルーチンが終了せしめられる。
【００４８】
次に、本発明の第三実施形態の排気浄化装置について説明する。第三実施形態の排気浄化装置は基本的に第一実施形態または第二実施形態の排気浄化装置と同様である。ただし、第三実施形態の排気浄化装置は、冷間始動時において、ＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く排気浄化触媒２１の温度が活性温度に到達するように構成されている。このため、ＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されるときには、ＨＣ保持浄化触媒２４にはＨＣがほとんど流入しておらず、よってこのときＨＣ保持浄化触媒２４の触媒成分３３は排気ガス中のＨＣを浄化する必要はなく、ＨＣ保持剤３２から離脱したＨＣを浄化するためのみに用いられる。したがって、ＨＣ保持剤３２から離脱したＨＣはほとんど触媒成分３３によって酸化・浄化される。
【００４９】
このようにＨＣ保持浄化触媒２４の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く排気浄化触媒２１の温度が活性温度に到達するようにするために、本実施形態では、ＨＣ保持浄化触媒２４の熱容量が排気浄化触媒２１の熱容量よりも大きくされている。したがって、各触媒２１、２４に同じ熱量が流入しても、ＨＣ保持浄化触媒２４の方が昇温されにくい。より具体的には、各触媒２１、２４間の熱容量を変えるために、ＨＣ保持浄化触媒２４の担体に担持されているＨＣ保持剤３２および触媒成分３３の量を、排気浄化触媒２１の担体に担持されている触媒成分の量よりも多くすることや、ＨＣ保持浄化触媒２４に用いられる担体の厚さを排気浄化触媒２１の担体に用いられる担体の厚さよりも厚くすることが挙げられる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、排気浄化触媒２１を収容するケーシング２２とその上流の排気管（排気マニホルド１９）との断熱性が、ＨＣ保持浄化触媒２４を収容するケーシング２５と排気浄化触媒２１の排気下流の排気管２３との断熱性よりも高くされる。したがって、内燃機関から排出された排気ガスは、排気浄化触媒２１に到達するまでには外気によって熱が奪われず、よってその温度が大きく低下することが防止される。一方、排気浄化触媒２１から流出した排気ガスは、ＨＣ保持浄化触媒２４に到達するまでに外気によって熱が奪われ、よってその温度が大きく低下する。こうして、排気浄化触媒２１が比較的早期に急激に昇温されるのに対してＨＣ保持浄化触媒２４は徐々に昇温されるようになる。
【００５１】
より具体的には、例えば、排気浄化触媒２１用のケーシング２２およびその上流の排気管１９が二重管にされ、排気浄化触媒２１下流の排気管２３およびＨＣ保持浄化触媒２４のケーシング２５が一重管にされる。または、ケーシング２２およびその上流の排気管１９にのみ断熱材を巻いてもよい。
【００５２】
また、本発明では、上記排気浄化触媒２４の触媒成分担持量は、上記ＨＣ保持浄化触媒２１の触媒成分担持量よりも多くしている。一般に、触媒成分の担持量を増加させると、ＨＣ浄化能力が高くなるため、排気浄化触媒２４の触媒成分担持量を多くすることにより、排気浄化触媒２４のＨＣ浄化能力が高くなる。上述したように排気浄化触媒２１はＨＣ保持浄化触媒２４の排気上流にあることにより比較的早期に温度が上昇しやすいので、排気浄化触媒２１に多くの触媒成分を担持させることによって、冷間始動後の比較的早い時期から高いＨＣ浄化能力を持った排気浄化触媒２１によってＨＣが浄化されるようになる。これにより、排気浄化装置全体としてのＨＣ浄化率が高くなる。
【００５３】
なお、排気浄化触媒２１の触媒成分およびＨＣ保持浄化触媒２４の触媒成分３３は、単に白金等の貴金属触媒であってもよいし、三元触媒であってもよい。また、排気浄化触媒２１は三元触媒でなく、ＮＯxを保持・離脱することでＮＯxを浄化することができるＮＯx触媒であってもよい。
【００５４】
また、上記説明では、ＨＣ保持浄化触媒２４において、ＨＣ保持剤３２と触媒成分３３とは基本的に同一の温度としているが、実際には触媒成分３３は表面側にあり、高温の排気ガスに接触するため、ＨＣ保持剤３２よりも温度が高い。特に、触媒成分３３のコーティング量をＨＣ保持剤３２のコーティング量よりも少なくすることにより、ＨＣ保持剤３２の温度と触媒成分３３の温度との差を大きくすることができる。こうすることにより、冷間始動時において、ＨＣ保持剤３２の温度が離脱開始温度に到達してから直ぐに触媒成分３３の温度を完全活性温度に到達させることができ、これによりＨＣ保持剤３２からＨＣが離脱されながらも触媒成分３３の酸化・浄化能力が低い状態を短い期間にすることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化水素保持剤から多量の炭化水素が一気に離脱されることが防止され、よって触媒成分の温度が完全活性温度未満であっても離脱された炭化水素が十分に酸化・浄化されるため、冷間始動時等の低温時においても炭化水素を良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関の概略図である。
【図２】炭化水素保持浄化触媒の部分断面図である。
【図３】第一実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御のフローチャートである。
【図４】冷間始動時ＨＣ浄化制御を行う際のタイムチャートである。
【図５】第二実施形態の冷間始動時ＨＣ浄化制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…点火プラグ
１２…吸気流制御弁
１９…排気マニホルド
２０…排気浄化装置
２１…排気浄化触媒（三元触媒）
２３…排気管
２４…炭化水素保持浄化触媒（ＨＣ保持浄化触媒）
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路上に炭化水素保持剤と触媒成分とを担持する炭化水素保持浄化触媒が配置され、上記炭化水素保持剤は、該炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度未満の場合には流入する排気ガス中の炭化水素を保持し、炭化水素保持剤の温度がその離脱開始温度以上である場合には保持している炭化水素を離脱させ、上記触媒成分は該触媒成分の温度が特定温度以上になると炭化水素保持剤から離脱した炭化水素を浄化し、上記炭化水素保持浄化触媒を昇温させる昇温制御を実行する昇温手段を具備する内燃機関の排気浄化装置において、
冷間始動時には上記昇温手段によって炭化水素保持浄化触媒を昇温させ、炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達したら昇温制御を中止する内燃機関の排気浄化装置。 - 上記炭化水素保持浄化触媒の排気上流に排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒はその温度が活性温度以上になると流入する排気ガス中の炭化水素を浄化し、上記昇温手段は排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度を昇温させ、上記排気浄化触媒の温度がその活性温度以上に達した場合には炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度以上に達していなくても昇温制御を中止する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記炭化水素保持剤または排気浄化触媒の温度を吸入空気量に基づいて推定する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記炭化水素保持剤の温度が離脱開始温度に到達するよりも早く上記排気浄化触媒の温度が活性温度に到達するように構成された請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記炭化水素保持浄化触媒の熱容量を上記排気浄化触媒の熱容量よりも大きくした請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気浄化触媒の温度が早く活性温度に到達するように、上記排気浄化触媒を収容するケーシングとその上流の排気管との断熱性を上記炭化水素保持浄化触媒を収容するケーシングと排気浄化触媒の排気下流の排気管との断熱性よりも高くした請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気浄化触媒は触媒成分を担持しており、上記排気浄化触媒の触媒成分担持量は、上記炭化水素保持浄化触媒の触媒成分担持量よりも多い請求項２〜６のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 閉弁することで燃焼室内に特定の吸気ガス流れを生成する吸気流制御弁をさらに具備し、上記昇温手段は点火時期を遅角させることによって昇温を行っており、上記昇温制御中は基本的に吸気流制御弁を開弁するが、昇温制御中であっても燃焼室周りの温度が所定温度未満である場合には吸気流制御弁を閉弁する請求項１〜７のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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