JP4320584B2

JP4320584B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4320584B2
Application number: JP2003391841A
Authority: JP
Inventors: 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP2005155355A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガスを浄化する装置として、内燃機関の排気通路内に、炭化水素吸着触媒を設けるとともにその下流側に炭化水素浄化触媒を設け、炭化水素吸着触媒から脱離した炭化水素を下流の炭化水素浄化触媒にて浄化するものが知られている。この種の浄化装置には、上流の炭化水素吸着触媒から脱離した炭化水素を漏れなく下流の炭化浄化触媒にて浄化するために、これらの間にヒータ付き触媒を配置して当該触媒を昇温するもの（例えば特許文献１参照）や、下流の炭化水素浄化触媒の熱容量を上流の炭化水素吸着触媒の熱容量よりも小さくして、下流の炭化水素浄化触媒を昇温し易くするものがある（例えば特許文献２参照）。その他本発明に関連する先行技術文献として特許文献３がある。
特開平６−３３７４７号公報特開平８−２８４６４６号公報特開平８−２１８８４８号公報

しかしながら、上記特許文献１の排気浄化装置では、上記触媒の昇温手段がヒータに限られているため、冷間始動時に上記触媒の昇温が間に合わず、吸着触媒から脱離した炭化水素が大気に排出されて排気エミッションが悪化するおそれがある。しかも、ヒータの発熱量を上げて上記触媒の昇温速度を向上させるには多くの駆動電力を要するので、燃費悪化を招くおそれがある。一方、上記特許文献２の排気浄化装置では、炭化水素浄化触媒の熱容量を上流の吸着触媒よりも小さくしなければならないので、この炭化水素浄化触媒が小容量に制限され、炭化水素の十分な浄化能力を確保することが困難である。

そこで、本発明は、排気エミッションを低減可能で、しかも炭化水素の十分な浄化能力を確保可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の気筒毎の排気ガスが集合して導入される第１の炭化水素浄化触媒と、前記第１の炭化水素浄化触媒の下流側に配置され、前記第１の炭化水素浄化触媒よりも熱容量が大きい第２の炭化水素浄化触媒と、前記第１の炭化水素浄化触媒の上流側に配置され、互いに異なる少なくとも１つの気筒からの排気ガスが導入される複数の炭化水素吸着触媒と、を排気通路内に具備し、前記排気通路には、過給機が設けられており、前記第１の炭化水素浄化触媒が前記過給機の上流側に配置されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

第１の炭化水素浄化触媒は、この上流側に配置される各炭化水素吸着触媒よりも多くの排気ガスが導入されるため、各炭化水素浄化触媒が排気ガスから受ける熱よりも多くの熱を受けることができる。この発明によれば、内燃機関の始動直後において、各炭化水素吸着触媒により排気ガス中の炭化水素を吸着することができる。その後、これらの炭化水素吸着触媒が排気ガスにより加熱されて温度が上昇し、吸着した炭化水素が脱離する温度に到達する頃には、第１の炭化水素浄化触媒は十分に昇温して炭化水素を浄化可能な状態にある。従って、たとえ炭化水素吸着触媒から炭化水素の脱離が開始する際に、未だ第２の炭化水素浄化触媒が浄化開始温度に到達していない場合であっても、第１の炭化水素吸着触媒が炭化水素吸着触媒から脱離した炭化水素を浄化することができ、冷間始動時の排気エミッションを低減することができる。さらに、第２の炭化水素浄化触媒の容量を、上流側の炭化水素吸着触媒の熱容量に制限されずに大きくできるので、炭化水素の十分な浄化能力を確保することができる。また、過給機によって排気ガスの温度が低下する前に第１の炭化水素浄化触媒に気筒毎の排気ガスが集合して導入されることになるので、第１の炭化水素浄化触媒が早期に昇温し、しかも温度が低下し難くなる。

本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路は、前記内燃機関の気筒毎に設けられた分岐部と、該分岐部が集合する集合部とを備え、前記複数の炭化水素吸着触媒が前記分岐部のそれぞれに配置されるとともに、前記第１の炭化水素浄化触媒が前記集合部に配置されていてもよい（請求項２）。この態様によっても上述した課題を解決することができる。

本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路の前記複数の炭化水素吸着触媒よりも下流側に接続され、排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気系に還流させる排気還流通路と、前記排気還流通路を通過する排気ガスの流量を調整する排気還流弁と、所定限度を超える炭化水素の脱離が予測されたときに前記排気還流通路への排気ガスの流入を制限するように前記排気還流弁を制御する排気還流量制御手段とを具備してもよい（請求項３）。例えば低速運転が続くと炭化水素吸着触媒に吸着する炭化水素量は増加してゆく。このような場合に炭化水素吸着触媒から炭化水素の脱離が開始すると、炭化水素吸着触媒から多量の炭化水素が脱離して排気還流通路に流入し排気還流弁が固着したり、内燃機関の燃焼が不安定になるおそれがある。そこで、この態様のように所定限度を超える炭化水素の脱離を予測して排気還流通路への排気ガスの流入を制限すれば、排気還流通路へ多量の炭化水素が流入することを防止できる。

本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の気筒毎の排気ガスが集合して導入される炭化水素浄化触媒と、前記炭化水素浄化触媒の上流側に配置され、互いに異なる少なくとも１つの気筒からの排気ガスが導入される複数の炭化水素吸着触媒と、を排気通路内に具備し、前記内燃機関の始動後、前記複数の炭化水素吸着触媒における炭化水素の脱離の開始前に前記炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始するように、前記複数の炭化水素吸着触媒の各熱容量及び前記炭化水素浄化触媒の熱容量がそれぞれ設定され、前記複数の炭化水素吸着触媒における炭化水素の脱離の開始前に前記炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始する関係を保持すべく前記炭化水素浄化触媒の温度を変化させる触媒温度制御手段を具備し、前記触媒温度制御手段は、前記排気通路を流れる排気ガスの温度を考慮して前記複数の炭化水素吸着触媒がその炭化水素脱離開始温度に到達するまでの時間及び前記炭化水素浄化触媒がその炭化水素浄化開始温度に到達するまでの時間をそれぞれ推定する到達時間推定手段と、前記到達時間推定手段の各推定値の長短を判定する判定手段と、を具備し、前記判定手段により、前記炭化水素脱離温度に到達する時間が前記浄化開始温度に到達する時間よりも短いと判定された場合には、前記炭化水素吸着触媒の温度を低下させることにより、上述した課題を解決する（請求項４）。

この発明によれば、内燃機関の始動直後においては、複数の炭化水素吸着触媒により排気ガス中の炭化水素を吸着することができる。そして、これらの炭化水素吸着触媒から炭化水素が脱離する前に、下流の炭化水素浄化触媒による浄化が開始するので、脱離した炭化水素を良好に炭化水素浄化触媒にて浄化することができる。従って、冷間始動時の排気エミッションを低減することができる。また、複数の炭化水素吸着触媒における炭化水素の脱離の開始前に炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始する関係を保持すべく炭化水素浄化触媒の温度を変化させるため、炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始する前に炭化水素吸着触媒から炭化水素が脱離する事態を防止できる。これにより、冷間始動時に限らず他の運転領域においても排気エミッションを効果的に低減することができる。

また、本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路は、前記内燃機関の気筒毎に設けられた分岐部と、該分岐部が集合する集合部とを備え、前記炭化水素吸着触媒が前記分岐部のそれぞれに配置されるとともに、前記炭化水素浄化触媒が前記集合部に配置されていてもよい（請求項５）。この態様によっても上述した課題を解決することができる。

本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路には、過給機が設けられており、前記炭化水素浄化触媒が前記過給機の上流側に配置されていてもよい（請求項６）。この場合は、過給機によって排気ガスの温度が低下する前に炭化水素浄化触媒に気筒毎の排気ガスが集合して導入されることになるので、炭化水素浄化触媒が早期に昇温し、しかも温度が低下し難くなる。従って、上流側の炭化水素吸着触媒から脱離した炭化水素を効果的に浄化することができる。

本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路の前記複数の炭化水素吸着触媒よりも下流側に接続され、排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気系に還流させる排気還流通路と、前記排気還流通路を通過する排気ガスの流量を調整する排気還流弁と、所定限度を超える炭化水素の脱離が予測されたときに前記排気還流通路への排気ガスの流入を制限するように前記排気還流弁を制御する排気還流量制御手段とを具備してもよい（請求項７）。例えば低速運転が続くと炭化水素吸着触媒に吸着する炭化水素量は増加してゆく。このような場合に炭化水素吸着触媒から炭化水素の脱離が開始すると、炭化水素吸着触媒から多量の炭化水素が脱離して排気還流通路に流入し排気還流弁が固着したり、内燃機関の燃焼が不安定になるおそれがある。そこで、この態様のように炭化水素の脱離を予測して排気還流通路への排気ガスの流入を制限すれば、排気還流通路へ多量の炭化水素が流入することを防止できる。

本発明によれば、排気エミッションを低減可能で、しかも炭化水素の十分な浄化能力を確保可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１に本発明の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す。内燃機関は複数（図では４つ）の気筒２を備えたディーゼルエンジン１として構成されている。エンジン１は吸気通路３と排気通路４とを備える。吸気通路３の途中には、吸入空気から異物を除去するエアクリーナ５、過給機としてのターボチャージャー６のコンプレッサ６ａ、及び吸気量を調整するスロットル弁７がそれぞれ設けられている。吸気通路３は気筒２毎に分岐する吸気マニホールド８を介して各気筒３の吸気ポートに接続されている。上記吸気通路３と排気通路４とは、排気ガスを吸気系に還流させるための排気還流通路としての排気還流管（ＥＧＲ管）２０にて連結されており、ＥＧＲ管２０の途中には還流する排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ管２０を通過する排気ガスの流量を調整する排気還流弁としてのＥＧＲ弁２２がそれぞれ設けられている。

排気通路４は、各気筒２の排気ポート＃１〜＃４にそれぞれ接続される分岐部４ａ、４ａ、４ａ、４ａと、これら分岐部４ａが集合する集合部４ｂとを含んで構成されている。集合部４ｂの下流側の排気通路４にはターボチャージャー６のタービン６ｂが設けられている。排気ポート＃１〜＃４の直下の分岐部４ａには、炭化水素吸着触媒としてのＨＣ吸着触媒１０がそれぞれ設けられている。一方、集合部４ｂには、第１の炭化水素浄化触媒（炭化水素浄化触媒）としての補助触媒１１が設けられ、上記タービン６ｂの下流側には、第２の炭化水素浄化触媒としてのメイン触媒１２が設けられている。従って、各気筒２の排気ポート＃１〜＃４から排出された排気ガスは、まずこれらの直下に配置されたＨＣ吸着触媒１０を通る。そして、各ＨＣ吸着触媒１０を通過した排気ガスは、集合部４ｂにて集合し補助触媒１１を通過する。その後、補助触媒１１を通過した排気ガスはターボチャージャー６に対して仕事をし、この下流に配置されているメイン触媒１２を通過する。本実施形態によれば、過給機６によって排気ガスの温度が低下する前に補助触媒１１に気筒毎の排気ガスが集合して導入されることになるので、補助触媒１１が早期に昇温し、しかも温度が低下し難くなる。

上記ＨＣ吸着触媒１０は特定温度以下では排気ガス中の炭化水素成分（ＨＣ）を吸着し、その温度を超えると吸着した炭化水素を放出する機能を有する。以下、このＨＣ吸着触媒１０から炭化水素が脱離を開始する温度をＨＣ脱離温度と称する。なお、ＨＣ吸着触媒１０はシリカを主成分とする多孔質吸着剤やゼオライト等の多孔質材料にて形成されている。またこれに代えて、ＨＣ吸着触媒１０として、通常のモノリス担体のセル壁面にシリカ等の無機多孔質材料を担持させたものでもよい。

上記補助触媒１１はいわゆる酸化触媒であり、活性温度を超えると排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を浄化する機能を持つ。以下、この補助触媒１１によりＨＣ浄化が開始される温度をＨＣ浄化温度と称する。なお、この補助触媒１１としては、ゼオライト等の触媒担体に白金等の貴金属が担持されたものを使用することができる。一方、上記メイン触媒１２も、上記補助触媒１１と同様に酸化触媒であり、活性温度を超えると排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を浄化する機能を持つ。

上記補助触媒１１の熱容量はこれよりも下流側に配置されている上記メイン触媒１２の熱容量よりも小さいため、補助触媒１１はメイン触媒１２よりも昇温しやすい。従って、エンジン１の冷間始動時には、たとえ各ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に達した際に未だメイン触媒１２がＨＣ浄化温度に到達していない場合であっても、その頃には補助触媒１１がＨＣ浄化温度に到達しているので、炭化水素吸着触媒１０から脱離した炭化水素を浄化することができる。また、本実施形態において、各ＨＣ吸着触媒１０は、排気ポート＃１〜＃４の直下に配置されているため比較的早期にＨＣ脱離温度に到達するが、補助触媒１１は各ＨＣ素吸着触媒１０よりも多くの排気ガスが導入されるので、ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に達する前に、ＨＣ浄化温度に到達しやすい。このため、補助触媒１１を設けていない場合と比較して格段に排気エミッションを低減することができる。

また、各ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の熱容量は、エンジン１の始動後、各ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に到達する前に補助触媒１１がＨＣ浄化温度に到達するようにそれぞれ設定されている。従って、内燃機関の始動直後においては、各ＨＣ吸着触媒１０により排気ガス中の炭化水素を吸着することができる。そして、各ＨＣ吸着触媒１０から炭化水素が脱離するときには、下流側の補助触媒１１による浄化が開始しているので、各ＨＣ吸着触媒１０から脱離した炭化水素を良好に補助触媒１１にて浄化することができる。

図２は、エンジン１の冷間始動時における排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度、ＨＣ吸着触媒１０の温度及び補助触媒１１の温度の時間経過を示したものである。この図から明らかなように、エンジン１を始動すると、まず補助触媒１１がＨＣ浄化温度に到達し、その後ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に到達する。ＨＣ吸着触媒１０はＨＣ脱離温度に到達する前までは排気ガス中のＨＣ成分を吸着している。このため、ＨＣ吸着触媒１０を通過した排気ガス（ＨＣ吸着触媒出ガス）のＨＣ濃度は排気ポート＃１〜＃４から排出された排気ガス（ＨＣ吸着触媒入ガス）のＨＣ濃度と比べ低く抑えられている。そして、エンジン１の運転を継続しＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に到達すると吸着した炭化水素を放出し、ＨＣ吸着触媒出ガスのＨＣ濃度は急速に上昇する。しかし、ＨＣ吸着触媒１０が脱離温度に到達するときには、既に補助触媒１１が浄化温度に到達しているので、ＨＣ吸着触媒１０から脱離した炭化水素は補助触媒１１にて浄化される。このため、補助触媒１１を通過した排気ガス（補助触媒出ガス）のＨＣ濃度は低減されている。

エンジン１の始動後、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１が上記のような経過を示すことについて、図３を用いて詳しく説明する。図３は図２のＡ部に相当する箇所を拡大して示したものである。この図から明らかなように、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１が排気ガスに曝されている場合（ａ、ｂ）には、ＨＣ吸着触媒１０の昇温速度が補助触媒１１の昇温速度よりも速いものの、昇温速度の平均は補助触媒１１の方がＨＣ吸着触媒１０よりも速い。

一般に、触媒の温度変化（ΔＴ）は、熱伝達量（Ｑ）及び触媒の熱容量（Ｃ）を用い
ΔＴ＝Ｑ／Ｃ（１）
と表すことができる。ここに、熱伝達量（Ｑ）は、熱伝達率：ｆ、流入する排気ガス温度：Ｔ_Ｇ、触媒温度：Ｔ、触媒表面積：Ａ、及び排気ガスの流入時間：ｔとして、
Ｑ＝ｆ・（Ｔ_Ｇ−Ｔ）Ａ・ｔ（２）
である。

本実施形態においては、ＨＣ吸着触媒１０が排気ポート＃１〜＃４のそれぞれに設けられているため、補助触媒１１はＨＣ吸着触媒１０よりも４倍の時間排気ガスに曝される。従って、仮に、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の熱容量が同等であれば、補助触媒１１はＨＣ吸着触媒１０よりも約４倍の速さで昇温することになる。好ましくは、補助触媒１１の熱容量をＨＣ吸着触媒１１の熱容量の１．５倍〜４倍の範囲内で設定すればよい。本実施形態においては、補助触媒１１の昇温速度がＨＣ吸着触媒１０の昇温速度の約半分となるようにＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の熱容量がそれぞれ設定されている（図３参照）。これにより、エンジン１の始動後、ＨＣ吸着触媒１０における炭化水素の脱離の開始前に補助触媒１１による炭化水素の浄化が開始することになり、冷間始動時の排気エミッションを効果的に低減することができる。

次に、本実施形態に好適な制御について説明する。図１に示したように、エンジン１の運転状態の制御は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて行われる。ＥＣＵ３０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なロム（ＲＯＭ）２１等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ３０は主に気筒２毎に設けられた燃料噴射弁２３の噴射制御等を行うが、本実施の形態においては、ＨＣ吸着触媒１０の温度を変化させる触媒温度制御手段、上記ＨＣ脱離温度及び上記ＨＣ浄化温度に到達する時間をそれぞれ推定する到達時間推定手段、及び各到達時間の長短を判定する判定手段として機能する。

図４は、補助触媒１１による炭化水素の浄化が開始する前にＨＣ吸着触媒１０から炭化水素が脱離する事態を防止する排気温度低下制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。例えば、エンジン１の低速運転が続くと、ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度以下で且つ補助触媒１１がＨＣ浄化温度以下になることがある。このとき、エンジン１の加速等により排気温度が上昇すると、図５に示したように、ＨＣ浄化温度よりも先にＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に到達してしまうことがある。そこで、本制御は、ＨＣ浄化温度よりも先にＨＣ吸着触媒１０のＨＣ脱離温度に到達する事態を予測する。そして、ＨＣ吸着触媒１０の温度を変化させて、ＨＣ脱離温度よりも前にＨＣ浄化温度に到達する関係を保持している。本制御ルーチンは所定間隔で繰り返し実行される。この制御ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０は触媒温度制御手段として機能する。

図４に示したように、まず、ＥＣＵ３０はステップＳ４０１において、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１にそれぞれ設置された温度センサ３１及び３２（図１参照）の出力値を参照して、ＨＣ吸着触媒１０の温度値（Ｔ_１）及び補助触媒１１の温度値（Ｔ_２）をそれぞれ取得する。続くステップＳ４０２では、排気通路４に設置された温度センサ３３の出力値を参照して排気ガスの温度値（Ｔ_Ｇ）を取得し、次のステップＳ４０３に進む。

ステップＳ４０３では、補助触媒１０の温度がＨＣ浄化温度以下であるか否かを判定する。補助触媒１０がＨＣ浄化温度に到達していれば、ＨＣ吸着触媒１０から脱離した炭化水素を浄化できるので、以後のステップを省略し本ルーチンを一旦終了する。

一方、ステップＳ４０３において肯定判定されたときは続くステップＳ４０４に進み、ＨＣ吸着触媒１０が脱離温度以下であるか否かを判定する。ＨＣ吸着触媒１０の温度がＨＣ脱離温度以下であると肯定判定されたときは、ステップＳ４０５にてＨＣ脱離温度に到達する時間（ｔ_１）及びＨＣ浄化温度に到達する時間（ｔ_２）をそれぞれ推定する。一方、ステップＳ４０４にて否定判定されたときは、以後のステップを省略して本制御ルーチンを一旦終了する。ステップＳ４０４における到達時間の推定は上述した（１）及び（２）式を用いて行うことができる。

即ち、ＨＣ吸着触媒１０の温度とＨＣ脱離温度との差（ΔＴ_１）及び補助触媒１１の温度とＨＣ浄化温度との差（ΔＴ_２）をそれぞれ算出すれば、ステップＳ４０２にて取得した排気ガス温度値（Ｔ_Ｇ）を考慮することにより、ΔＴ_１及びΔＴ_２の温度変化に要する熱伝達量（Ｑ_１、Ｑ_２）がそれぞれ算出される。そして、本実施形態においては、上述したように、補助触媒１１はＨＣ吸着触媒１０よりも４倍の時間排気ガスに曝され、且つ補助触媒１１の昇温速度がＨＣ吸着触媒１０の昇温速度の約半分となるようにＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の熱容量がそれぞれ設定されている。従って、ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に到達する時間（ｔ_１）及び補助触媒１１がＨＣ浄化温度に到達する時間（ｔ_２）を算出することにより、各到達時間ｔ_１及びｔ_２をそれぞれ推定することができる。このステップＳ４０５を実行することにより、ＥＣＵ３０は到達時間推定手段として機能する。

続くステップＳ４０６では、ステップＳ４０５にて推定された各到達時間ｔ_１及びｔ_２の長短を判定する。そして、ＨＣ脱離温度に到達する時間（ｔ_１）が、ＨＣ浄化温度に到達する時間（ｔ_２）よりも短いときは、次のステップＳ４０７に進み、排気ガスの温度を低下させることにより、ＨＣ吸着触媒１０の温度を低下させて、本制御ルーチンを一旦終了する。この排気ガスの温度を低下させる手段としては、排気空燃比Ａ／Ｆをリーン（Ａ／Ｆ＝３０〜４０程度）にする、ＥＧＲ弁２２（図１参照）を絞り込んでＥＧＲ率を下げる、又は、吸入空気量を増加させるためターボチャージャー６の過給圧を上昇させる若しくはスロットル弁７の開度を上げる、等の手段を採用すればよい。

一方、ステップＳ４０６にて否定判定されたときは、ステップＳ４０７を省略して本制御ルーチンを一旦終了する。

以上説明した排気温度低下制御を実行することにより、図６に示したように、加速等が行われて排気温度が上昇することがあっても、補助触媒１１による炭化水素の浄化が開始する前にＨＣ吸着触媒１０から炭化水素が脱離する事態を回避できるので、冷間始動時に限らず他の運転領域においても排気エミッションを効果的に低減することができる。また、ＨＣ脱離温度よりも前にＨＣ浄化温度に到達する先後関係を確実に保持できる。

（第２の実施形態）
次に本発明の排気浄化装置をエンジン１に適用した第２の実施形態について説明する。この実施形態は上記第１の実施形態に好適に適用できる。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、図１に示した構成に、図示しないエンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ３４、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ３５及びアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル位置センサ３６をそれぞれ設け、これらの出力信号をＥＣＵ３０に入力して利用する点である。その他本実施形態の主要な構成は上記第１の実施形態と共通するので、詳しい説明を省略する。

ところで、低速運転中はＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度以下であることが多い。このため、このまま低速運転を継続すると、ＨＣ吸着触媒１０に蓄積される炭化水素量は次第に増加していく。この状況下で、加速等がなされてＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度に達すると、多量の炭化水素がＨＣ吸着触媒１０から脱離してＥＧＲ通路２０に回り込み、エンジン１の燃焼が不安定になったり、ＥＧＲ弁２２が固着するおそれがある。そこで、本実施形態では、ＥＧＲ通路２０に所定限度を超える炭化水素が回り込むおそれがあるときは、ＥＧＲ弁２２の開度を調整してＥＧＲ通路２０への排気ガスの流入を制限するＥＧＲ弁制御を実行する。

図７は、本実施形態に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。本制御ルーチンは所定間隔で繰り返し実行される。本ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０は、炭化水素量推定手段、脱離予測手段及び排気還流量制御手段としてそれぞれ機能する。

まず、ＥＣＵ３０はステップＳ８０１においてＨＣ吸着触媒１０に吸着した炭化水素量を推定する。このステップを実行することにより、ＥＣＵ３０は炭化水素量推定手段として機能する。炭化水素量の推定は、例えば、ＨＣ吸着触媒１０に吸着する炭化水素量と、これと相関するエンジン１の炭化水素排出量、ＨＣ吸着触媒１０の温度及び排気流量との関係を予めマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ等の記憶装置に格納しておく。そのうえで、図示しないエアフローメータ３４及びエンジン回転数センサ３５の出力値から排気流量及び炭化水素排出量を算出する。そして、算出した排気流量及び炭化水素排出量と、温度センサ３１の出力値から取得したＨＣ吸着触媒１０の温度値とに基づいて、上記マップからＨＣ吸着触媒１０に吸着した炭化水素量を推定することができる。

続くステップＳ８０２では、推定された炭化水素量が所定値を超えるか否かを判定する。ＥＧＲ通路２０に所定値以上の炭化水素が回り込むと、上述した燃焼の不安定やＥＧＲ弁２２が固着する問題が起きる。そこで、かかる問題を引き起こす炭化水素量の下限値としてこの所定値を設定する。従って、炭化水素量がこの所定値を下回っていれば、仮に脱離した炭化水素がＥＧＲ通路２０への回り込んでも上述した問題を引き起こす可能性が低いので、以後のステップを省略して本制御ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ８０２にて肯定判定されたときは続くステップＳ８０３に進む。このステップＳ８０３においては、ＨＣ吸着触媒１０から炭化水素が脱離しそうであるか否かを判定する。この判定は、排気温度の上昇が予想される各種条件を設定し、これらに全て合致する、又は少なくとも一つに合致することを基準に実行することができる。例えば、排気温度の上昇が予想される条件として、ＨＣ吸着触媒１０の温度変化が上昇に転じていることを温度センサ３１の出力値から検知することや、アクセルペダル（不図示）の踏み込み量の増加をアクセルペダル位置センサ３６から検知すること等を用い、これらの条件を全て満足する或いは少なくとも一つに合致することを基準に判定してもよい。このステップＳ８０３を実行することによりＥＣＵ３０は脱離予測手段として機能する。

このステップＳ８０３にて炭化水素の脱離が予想される場合は続くステップＳ８０４に進み、ＥＧＲ弁２２を閉じて排気ガスのＥＧＲ通路２０への流入を制限する。このステップＳ８０４を実行することによりＥＣＵ３０は排気還流量制御手段として機能する。一方、ステップＳ８０３にて否定判定されたときはステップＳ８０４を省略し本ルーチンを一旦終了する。

本実施形態に係るＥＧＲ弁制御を実行することにより、排気還流通路へ所定限度を超える炭化水素が流入することを防止できるので、上述した燃焼の不安定やＥＧＲ弁２２の固着という問題を回避することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。この実施形態は上記第１及び第２の実施形態に組み込んで実施することが好ましい。本実施形態と第１及び第２の実施形態との相違点は、図８に示したように、排気通路４内に燃料を噴射する燃料噴射手段としての燃料添加弁４０を設けた点である。これ以外の点は上記第１及び第２の実施形態と同様であるので、共通の構成には同一符号を付して詳しい説明を省略する。

ところで、例えば低速運転が続くと排気系の温度が低下するので、補助触媒１１及びメイン触媒１２の温度がＨＣ浄化温度を下回る。ただ、ＨＣ吸着触媒１０はＨＣ脱離温度以下であるので、排気ガス中の炭化水素成分を吸着する。このような状況下で、例えば急加速等がなされると、ＨＣ吸着触媒１０から大量の炭化水素が一気に脱離する。通常は、下流側に備えた補助触媒１１及びメイン触媒１２のＨＣ浄化温度までの昇温が間に合わないため、炭化水素が大気に放出されてしまう事態を招く。そこで、本実施形態では、補助触媒１１の温度をＨＣ浄化温度以上に保持するため、補助触媒１１の温度を上昇させる触媒昇温制御を実施する。

図９は本実施形態に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。本制御ルーチンは所定の間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０は補助触媒１１の温度を上昇させる触媒昇温制御手段として機能する。

まず、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０１にて、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の温度値を、温度センサ３１及び３２の出力値を参照して取得する。次にステップＳ１０２にてＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度以下であるか否かを判定する。肯定判定されたときは続くステップＳ１０３に進む。一方否定判定されたときは、以後の処理を省略して本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１０３では、補助触媒１１の温度が所定値を下回っているか否かを判定する。このステップを実行することにより、ＥＣＵ３０は温度判定手段として機能する。この所定値は、補助触媒１１が炭化水素を十分に浄化可能な温度範囲の下限に設定される。本実施形態においては、炭化水素の確実な浄化を実現するため当該所定値をＨＣ浄化温度よりも高く設定している。このステップＳ１０３にて肯定判定され、補助触媒１１の温度が所定値を下回っているときは、続くステップＳ１０４に進み補助触媒１１の温度を昇温する。一方、否定判定されたときは、補助触媒１１は十分に活性しているので、ステップＳ１０４を省略して本ルーチンを一旦終了する。

続くステップＳ１０４では、補助触媒１１の温度を昇温するため、排気通路４内に設けられた燃料添加弁４０に燃料を噴射させ、本制御ルーチンを一旦終了する。この噴射された燃料により補助触媒１１上で酸化反応が進行する。これによって、補助触媒１１は昇温することになる。

以上本実施形態に係る触媒昇温制御を実行することにより、補助触媒１１を炭化水素の浄化可能な状態に準備しておくことができるので、低速運転の継続中に急加速等が行われＨＣ吸着触媒１０から炭化水素の脱離が開始しても、補助触媒１１にて脱離した炭化水素を浄化することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の更なる好適な実施形態として第４の実施形態を説明する。本実施形態は、上記第１〜３の実施形態と組合わせて実施することができる。

本実施形態は、ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度以下の場合であって、下流の補助触媒１１がＨＣ浄化温度を下回りそうなときに排気温度を上昇させる排気昇温制御を実行するものである。

図１０は、本実施形態に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。本制御ルーチンは所定間隔で繰り返し実行され、この制御ルーチンを実行することによりＥＣＵ３０は排気昇温制御手段として機能する。

まず、ＥＣＵ３０はステップＳ１１１にて、ＨＣ吸着触媒１０及び補助触媒１１の温度値を、温度センサ３１及び３２の出力値を参照して取得する。続いてステップＳ１１２に進み、ＨＣ吸着触媒１０がＨＣ脱離温度以下であるか否かを判定する。このステップＳ１１２にて肯定判定されたときは、続くステップＳ１１３に進み補助触媒１１がＨＣ浄化温度を下回りそうか否かを判定する。一方、ステップＳ１１２にて否定判定されたときは、以後のステップを省略して本制御ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１１３においては、ステップＳ１１１で取得した補助触媒１１の温度値と、温度センサ３２の出力値の変化を考慮して、ＨＣ浄化温度を下回りそうであるか否かを判定する。例えば、図１１に示したように本制御の開始時で補助触媒１１の温度がＨＣ浄化温度に接近し、且つ温度変化が負（減少）を示している場合を判定基準とすることができる。本ステップＳ１１３にてＨＣ浄化温度を下回りそうであると肯定判定されたときは続くステップＳ１１４に進み、一方、否定判定されたときは以後のステップを省略して本ルーチンを一旦終了する。本ステップＳ１１３を実行することによりＥＣＵ３０は浄化温度判定手段として機能する。

ステップＳ１１４では、エンジン１の運転状態を変更して排気温度を上昇させ、本制御ルーチンを一旦終了する。排気温度を上昇させる手段として、例えば、上述した燃料噴射弁２３によりポスト噴射、噴射遅角等を実施するようにＥＣＵ３０にて制御すればよい。また、上述したスロットル弁７の開度を調整して吸気量を絞り込んでもよい。排気温度を上昇させることにより、図１１に示したように補助触媒１１の温度がＨＣ浄化温度を下回ることなく浄化性能を維持することができる。

以上説明した排気昇温制御を実施することにより、エンジン１の運転状態にかかわらず排気エミッションを低減することができる。

以上、本発明に好適な実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、種々の形態にて実施してよい。上記実施形態（図１及び図８）においては、本発明を４気筒１集合のエンジン１に適用し、ＨＣ吸着触媒１０を排気ポート＃１〜＃４の直下にそれぞれ配置しているが、例えば、図１２に示したように本発明を４気筒２集合のエンジン１００に適用し、互いに異なる２つの気筒からの排気ガスが各ＨＣ吸着触媒１０に導入されるように配置し、各ＨＣ吸着触媒１０の下流側の集合部２ｂに補助触媒１１を配置してもよい。この場合には、排気ポートの組合せは図示の例に限定されず、適宜変更してもよい。なお、図１２に示したその他の構成は上記実施形態と同一であるので同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

また、上記の実施形態においては、本発明をディーゼルエンジンに適用したものを説明したが、本発明をガソリンエンジン（火花点火エンジン）に適用してもよい。また補助触媒１１及びメイン触媒１２を酸化触媒とした実施形態について説明したが、炭化水素（ＨＣ）を浄化する作用を奏する触媒であれば、その形式は問わない。例えば、ガソリンエンジンに本発明を適用するときは、メイン触媒１２としていわゆる三元触媒を用いてもよい。

本発明の排気浄化装置を適用した第１の実施形態に係る内燃機関の全体構成を示した図。排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度、ＨＣ吸着触媒１０の温度及び補助触媒１１の温度のエンジン１の始動直後の時間経過を示した図。図２のＡ部を拡大して示した図。排気温度低下制御の一例を示すフローチャート。図４に示した排気温度低下制御を行わない場合の排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度、ＨＣ吸着触媒の温度及び補助触媒の温度の時間経過を示した図。図４に示した排気温度低下制御を行った場合の排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度、ＨＣ吸着触媒の温度及び補助触媒の温度の時間経過を示した図。ＥＧＲ弁制御の一例を示すフローチャート。本発明の排気浄化装置を適用した第３の実施形態に係る内燃機関の全体構成を示した図。触媒昇温制御の一例を示すフローチャート。排気昇温制御の一例を示すフローチャート。図１０に示した排気昇温制御を行った場合の排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度、ＨＣ吸着触媒の温度及び補助触媒の温度の時間経過を示した図。本発明の他の実施形態を示した図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２気筒
４排気通路
４ａ分岐部
４ｂ集合部
６過給機
１０ＨＣ吸着触媒（炭化水素吸着触媒）
１１補助触媒（第１の炭化水素浄化触媒）
１２メイン触媒（第２の炭化水素浄化触媒）
２０ＥＧＲ通路（排気還流通路）
２２ＥＧＲ弁（排気還流弁）
３０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の気筒毎の排気ガスが集合して導入される第１の炭化水素浄化触媒と、前記第１の炭化水素浄化触媒の下流側に配置され、前記第１の炭化水素浄化触媒よりも熱容量が大きい第２の炭化水素浄化触媒と、前記第１の炭化水素浄化触媒の上流側に配置され、互いに異なる少なくとも１つの気筒からの排気ガスが導入される複数の炭化水素吸着触媒と、を排気通路内に具備し、
前記排気通路には、過給機が設けられており、前記第１の炭化水素浄化触媒が前記過給機の上流側に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気通路は、前記内燃機関の気筒毎に設けられた分岐部と、該分岐部が集合する集合部とを備え、前記複数の炭化水素吸着触媒が前記分岐部のそれぞれに配置されるとともに、前記第１の炭化水素浄化触媒が前記集合部に配置されている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。
前記排気通路の前記複数の炭化水素吸着触媒よりも下流側に接続され、排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気系に還流させる排気還流通路と、前記排気還流通路を通過する排気ガスの流量を調整する排気還流弁と、所定限度を超える炭化水素の脱離が予測されたときに前記排気還流通路への排気ガスの流入を制限するように前記排気還流弁を制御する排気還流量制御手段とを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の気筒毎の排気ガスが集合して導入される炭化水素浄化触媒と、前記炭化水素浄化触媒の上流側に配置され、互いに異なる少なくとも１つの気筒からの排気ガスが導入される複数の炭化水素吸着触媒と、を排気通路内に具備し、
前記内燃機関の始動後、前記複数の炭化水素吸着触媒における炭化水素の脱離の開始前に前記炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始するように、前記複数の炭化水素吸着触媒の各熱容量及び前記炭化水素浄化触媒の熱容量がそれぞれ設定され、
前記複数の炭化水素吸着触媒における炭化水素の脱離の開始前に前記炭化水素浄化触媒による炭化水素の浄化が開始する関係を保持すべく前記炭化水素浄化触媒の温度を変化させる触媒温度制御手段を具備し、
前記触媒温度制御手段は、前記排気通路を流れる排気ガスの温度を考慮して前記複数の炭化水素吸着触媒がその炭化水素脱離開始温度に到達するまでの時間及び前記炭化水素浄化触媒がその炭化水素浄化開始温度に到達するまでの時間をそれぞれ推定する到達時間推定手段と、前記到達時間推定手段の各推定値の長短を判定する判定手段と、を具備し、
前記判定手段により、前記炭化水素脱離温度に到達する時間が前記浄化開始温度に到達する時間よりも短いと判定された場合には、前記炭化水素吸着触媒の温度を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気通路は、前記内燃機関の気筒毎に設けられた分岐部と、該分岐部が集合する集合部とを備え、前記炭化水素吸着触媒が前記分岐部のそれぞれに配置されるとともに、前記炭化水素浄化触媒が前記集合部に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気通路には、過給機が設けられており、前記炭化水素浄化触媒が前記過給機の上流側に配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関の
排気浄化装置。
前記排気通路の前記複数の炭化水素吸着触媒よりも下流側に接続され、排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気系に還流させる排気還流通路と、前記排気還流通路を通過する排気ガスの流量を調整する排気還流弁と、所定限度を超える炭化水素の脱離が予測されたときに前記排気還流通路への排気ガスの流入を制限するように前記排気還流弁を制御する排気還流量制御手段とを具備することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。