JP4442678B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、内燃機関の排気浄化装置は、著しく進歩している。しかしながら、冷間始動時に関しては、課題が未だ残されている。すなわち、冷間始動時は、触媒（三元触媒など）の温度が低く、触媒の活性が不十分であるため、ＨＣ、ＮＯｘなどの有害成分の排出量が多くなり易いという問題がある。

冷間始動時のエミッションを低減する方法の一つとして、吸着材を用いる方法が提案されている。すなわち、機関始動直後から、触媒が活性温度に至るまでの間は、有害成分を吸着材に吸着させておく。そして、触媒が暖機されて活性化した後に、吸着された有害成分を吸着材から脱離させて、触媒で浄化する。

特開平５−２５６１２４号公報には、炭化水素吸着材に炭化水素を吸着させる前に炭化水素吸着材に既に水分が吸着していると炭化水素吸着量が減少することから、エンジン停止中に水分を含んだ空気が炭化水素吸着材に流入することを防止するために、炭化水素吸着材の前後に水分吸収材を設けることが考えられると記載されている（同公報の段落０００３，０００８）。

特開平５−２５６１２４号公報

上記従来の技術は、エンジン停止中に空気中の水分が吸着材に吸着されることを防止しようとするものであるが、水分は排気ガス中にも多く含まれる。このため、有害成分を吸着材に吸着させる際にも、吸着材に水分が流入するのを抑制することが望まれる。その方法として、有害成分吸着材の上流側に、水分を吸着する水吸着材を配置することが考えられる。

しかしながら、排気ガス中には水分が多く含まれるので、吸着動作の実行中に水吸着材が飽和し、吸着し切れなくなった水分が有害成分吸着材に流入する場合も考えられる。有害成分吸着材に水分が流入すると、一旦吸着された有害成分が有害成分吸着材から脱離して流れしまい、エミッションが悪化するという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、冷間始動時のエミッションの低減に有効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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路をバイパスするバイパス通路に、排気ガス中の水分および有害成分を吸着する吸着材を設け、少なくとも前記吸着材への吸着動作が要求される場合に、前記バイパス通路へ排気ガスを流入させる内燃機関の排気浄化装置であって、
吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が許容水分流入量に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記許容水分流入量は、吸着動作開始前の前記吸着材中の残留水分量に基づいて定められることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記吸着材は、主として有害成分を吸着する有害成分吸着材と、前記有害成分吸着材の上流側に配置され、水分を吸着する機能を有する水吸着材とを含み、
前記残留水分量は、前記水吸着材中の残留水分量であることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が前記許容水分流入量となるような吸着動作実行時間閾値を算出し、吸着動作開始時からの経過時間が前記吸着動作実行時間閾値に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が前記許容水分流入量となるような排気ガス量閾値を算出し、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が前記排気ガス量閾値に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記吸着材に吸着された水分および有害成分をパージするパージ動作が前回実行されたときの前記吸着材の温度に基づいて、前記許容水分流入量を定めることを特徴とする。

また、第７の発明は、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路をバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガス中の水分および有害成分を吸着する吸着材と、
排気ガスを前記バイパス通路に流入させる状態と前記バイパス通路に流入させない状態とを切り換える流路切換弁と、
吸着動作開始前における前記吸着材中の残留水分量またはその相関値を取得する残留水分量取得手段と、
吸着動作が要求される場合に、前記残留水分量取得手段の取得結果に基づき、吸着動作の終了条件を、残留水分量が多い場合ほど吸着動作が短縮される方向に補正する吸着動作制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記吸着材は、主として有害成分を吸着する有害成分吸着材と、前記有害成分吸着材の上流側に配置され、水分を吸着する機能を有する水吸着材とを含み、
前記残留水分量は、前記水吸着材中の残留水分量であることを特徴とする。

また、第９の発明は、第７または第８の発明において、
前記吸着動作の終了条件は、吸着動作開始時からの経過時間が所定の吸着動作実行時間閾値に達することであり、
前記吸着動作制御手段は、残留水分量が多い場合ほど前記吸着動作実行時間閾値を短縮方向に補正することを特徴とする。

また、第１０の発明は、第７または第８の発明において、
前記吸着動作の終了条件は、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が所定の排気ガス量閾値に達することであり、
前記吸着動作制御手段は、残留水分量が多い場合ほど前記排気ガス量閾値を減少方向に補正することを特徴とする。

また、第１１の発明は、第７乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記吸着材に吸着された水分および有害成分をパージするパージ動作を行うパージ手段を備え、
前記残留水分量取得手段は、前回の前記パージ動作時の前記吸着材の温度を、前記残留水分量の相関値として取得することを特徴とする。

また、第１２の発明は、第７乃至第１１の発明の何れかにおいて、
前記吸着材に吸着された水分および有害成分をパージするパージ動作を行うパージ手段と、
前記吸着材の温度が所定温度に達したときに前記パージ動作を終了させるパージ終了制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、バイパス通路に設けられた吸着材への吸着動作が要求される場合に、吸着材に流入する水分量が許容水分流入量に達するまで、バイパス通路への排気ガスの流入を許可する。吸着材中の水分量が多いほど、吸着材の有害成分吸着能力は低下する。このため、吸着材中の水分量が過多となると、一旦吸着された有害成分が吸着材から脱離して大気中へ放出されてしまう。第１の発明によれば、吸着材に流入する水分量が許容水分流入量を超えないように制御することにより、吸着材中の水分量が過多となることを防止することができるので、有害成分の脱離を確実に防止することができる。また、吸着材に流入する水分量が許容水分流入量に達するまでは吸着動作を続行することができるので、吸着材の許容水分流入量に応じて、吸着材の吸着能力を十分に発揮させることができる。このため、冷間始動時のエミッションを十分に低減することができる。

第２の発明によれば、許容水分流入量を、吸着動作開始前の吸着材中の残留水分量に基づいて定めることができる。これにより、吸着動作実行時の許容水分流入量を適切に定めることができ、有害成分の脱離をより確実に防止しつつ、吸着材の吸着能力を最大限に発揮させることができる。

第３の発明によれば、吸着材が有害成分吸着材と水吸着材とに分かれている場合において、水吸着材中の残留水分量に基づいて許容水分流入量を定めることができる。これにより、吸着動作の実行時に水分が水吸着材を通過して有害成分吸着材に流入することを確実に抑制することができる。このため、有害成分の脱離を確実に防止しつつ、有害成分吸着材の吸着能力を十分に発揮させることができる。

第４の発明によれば、吸着材に流入する水分量が許容水分流入量となるような吸着動作実行時間閾値を算出し、吸着動作開始時からの経過時間が吸着動作実行時間閾値に達するまで吸着動作の実行を許可することができる。これにより、吸着動作の実行時に吸着材に流入する水分量を精度良く制御することができ、有害成分の脱離をより確実に防止しつつ、吸着材の吸着能力を最大限に発揮させることができる。

第５の発明によれば、吸着材に流入する水分量が許容水分流入量となるような排気ガス量閾値を算出し、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が排気ガス量閾値に達するまで吸着動作の実行を許可することができる。これにより、吸着動作の実行時に吸着材に流入する水分量を精度良く制御することができ、有害成分の脱離をより確実に防止しつつ、吸着材の吸着能力を最大限に発揮させることができる。

第６の発明によれば、パージ動作が前回実行されたときの吸着材の温度に基づいて許容水分流入量を定めることにより、許容水分流入量を精度良く設定することができる。

第７の発明によれば、バイパス通路に設けられた吸着材への吸着動作が要求される場合に、吸着材中の残留水分量またはその相関値に基づき、吸着動作の終了条件を、残留水分量が多い場合ほど吸着動作が短縮される方向に補正することができる。吸着材中の残留水分量が多いほど、吸着材の有害成分吸着能力は低下する。第７の発明によれば、残留水分量が多い場合には、吸着動作を短縮することにより、一旦吸着された有害成分が吸着材から脱離して大気中へ放出されることを確実に防止することができる。一方、残留水分量が少なく、吸着材の有害成分吸着能力が高い場合には、吸着動作を長く実行することができるので、その吸着能力を十分に発揮させることができる。このようなことから、第７の発明によれば、冷間始動時のエミッションを十分に低減することができる。

第８の発明によれば、吸着材が有害成分吸着材と水吸着材とに分かれている場合において、水吸着材中の残留水分量が多い場合ほど、吸着動作終了条件を吸着動作が短縮される方向に補正することができる。これにより、吸着動作の実行時に水分が水吸着材を通過して有害成分吸着材に流入することを確実に抑制することができる。

第９の発明によれば、吸着動作開始時からの経過時間が所定の吸着動作実行時間閾値に達することが吸着動作終了条件とされている場合において、吸着動作の終了タイミングを残留水分量に応じた最適なタイミングに精度良く制御することができる。このため、有害成分の脱離をより確実に防止しつつ、吸着材の吸着能力を最大限に発揮させることができる。

第１０の発明によれば、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が所定の排気ガス量閾値に達することが吸着動作終了条件とされている場合において、吸着動作の終了タイミングを残留水分量に応じた最適なタイミングに精度良く制御することができる。このため、有害成分の脱離をより確実に防止しつつ、吸着材の吸着能力を最大限に発揮させることができる。

第１１の発明によれば、前回のパージ動作時の吸着材の温度を残留水分量の相関値として利用することができる。これにより、吸着動作の終了タイミングを残留水分量に応じた最適なタイミングに精度良く制御することができる。

第１２の発明によれば、吸着材の温度が所定温度に達したときにパージ動作を終了させることにより、パージ動作実行中の内燃機関の運転条件の変動にかかわらず、吸着材の残留水分量を十分に抑制することができる。このため、次回の冷間始動時における吸着材の吸着能力を高くすることができ、冷間始動時のエミッションをより確実に低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、例えば車両の駆動源として用いられる内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の気筒内には、ピストン１２が配置されている。内燃機関１０には、吸気通路１４および排気通路１６がそれぞれ接続されている。吸気通路１４は、内燃機関１０の吸気弁１８に連通し、排気通路１６は、内燃機関１０の排気弁２０に連通している。吸気通路１４の途中には、吸入空気量を調節するためのスロットル弁２２と、サージタンク２４とが設けられている。

排気通路１６の途中には、前段触媒２６と、この前段触媒２６より下流側に配置された後段触媒２８とが設置されている。前段触媒２６および後段触媒２８は、それぞれ、排気ガスを浄化可能な例えば三元触媒として構成されている。

前段触媒２６と後段触媒２８との間の排気通路１６には、この間の排気通路１６をバイパスするバイパス通路３０が設けられている。すなわち、バイパス通路３０の両端は、共に、前段触媒２６と後段触媒２８との間の排気通路１６に接続されている。

バイパス通路３０内には、水吸着材３２と、この水吸着材３２の下流側に配置されたＮＯｘ吸着材３４とが設置されている。水吸着材３２は、排気ガス中の水分を吸着するのに適した特性を有している。この水吸着材３２の構成材料は、特に限定されないが、例えばゼオライト系材料を用いることができる。また、水吸着材３２の近傍には、水吸着材３２の温度を検出する温度センサ３８が設けられている。

ＮＯｘ吸着材３４は、排気ガス中のＮＯｘを吸着するのに適した特性を有している。ＮＯｘ吸着材３４の構成材料は、特に限定されないが、例えば、セリウムにパラジウムを担持したものや、ゼオライトに鉄を担持したものなどを用いることができる。

なお、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４は、ＨＣを吸着する機能も併有している。このため、水吸着材３２あるいはＮＯｘ吸着材３４には、排気ガス中のＨＣも吸着される。

バイパス通路３０が排気通路１６から分岐する箇所、つまりバイパス通路３０の上流端には、流路切換弁３６が設置されている。流路切換弁３６は、スイング式の弁体３６ａと、この弁体３６ａを駆動するアクチュエータ３６ｂとで構成されている。この流路切換弁３６によれば、排気ガスの全量をバイパス通路３０に流入させる状態と、排気ガスをバイパス通路３０に流入させずにそのまま排気通路１６へ流す状態とを切り換え可能になっている。なお、流路切換弁３６は、排気ガスの一部をバイパス通路３０に流入させる状態に更に切り替え可能になっていてもよい。

本実施形態のシステムは、更にＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したスロットル弁２２、流路切換弁３６、温度センサ３８のほか、吸入空気量を検出するエアフローメータ４０やエンジン冷却水温を検出する水温センサ４２等の各種のセンサおよび各種アクチュエータが電気的に接続されている。

内燃機関１０の冷間始動直後は、前段触媒２６や後段触媒２８の温度が低いため、それらの活性が不十分である。このため、有害成分であるＮＯｘやＨＣを前段触媒２６や後段触媒２８で十分に浄化することができない。そこで、本システムでは、冷間始動直後には、流路切換弁３６によって排気ガスをバイパス通路３０に流入させることにより、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸着材３４に、排気ガス中のＨＣを水吸着材３２あるいはＮＯｘ吸着材３４に、それぞれ吸着させる。このような動作を以下「吸着動作」と称する。本実施形態では、冷間始動時にこの吸着動作を実行することにより、大気中への有害成分放出量を大幅に低減することができる。

ＮＯｘ吸着材３４のＮＯｘ吸着能力には限界がある。その限界を超えて排気ガスがＮＯｘ吸着材３４に流入すると、一旦吸着されたＮＯｘが脱離してしまう。また、吸着動作中は、排気ガスの熱や吸着熱によって、ＮＯｘ吸着材３４の温度が上昇していく。そして、ＮＯｘ吸着材３４の温度が高くなると、一旦吸着されたＮＯｘが脱離し易くなる。このようなことから、機関始動後に排気ガスをバイパス通路３０に流し続けると、いずれはＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離してしまう。よって、吸着動作の実行時には、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離する前に、流路切換弁３６を切り換えて排気ガスをバイパス通路３０に流入させない状態にする（つまり吸着動作を終了する）ことが重要となる。

ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力に関しては、冷間始動後、前段触媒２６が十分に活性化するまで（前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度が十分に低下するまで）の間、ＮＯｘを吸着し続ける能力があれば、十分な吸着能力であると言うことができる。しかしながら、実際には、ＮＯｘ吸着材３４が十分な吸着能力を備えるためには膨大な吸着材容量が必要となる。このため、現実には、ＮＯｘ吸着材３４の設置スペースやコストの面からして、ＮＯｘ吸着材３４が十分な吸着能力を備えることは必ずしも容易ではないため、ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力には余裕がないのが実情である。このため、吸着動作終了が早過ぎると、ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を十分に生かすことができず、ＮＯｘ排出量を十分に低減できないこととなる。従って、機関始動時のＮＯｘ排出量をなるべく少なくするには、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離しない範囲内で、吸着動作をなるべく長時間実行することが重要となる。

ところで、ＮＯｘ吸着材３４は、ＮＯｘを吸着するだけでなく、水分がある場合には水分を吸着する性質を有している。そして、ＮＯｘ吸着材３４は、ＮＯｘと水とが両方存在する場合には、水分をより優先的に吸着する特性がある。このため、ＮＯｘを吸着した状態のＮＯｘ吸着材３４に水分が流入すると、ＮＯｘに置き換わって水分がＮＯｘ吸着材３４に吸着されてしまい、ＮＯｘがＮＯｘ吸着材３４から追い出されるようにして脱離し易くなる。このようなことから、ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を十分に発揮させるためには、吸着動作時にＮＯｘ吸着材３４へ水分が流入するのを防止することが必要となる。そこで、本実施形態では、ＮＯｘ吸着材３４の上流側に水吸着材３２を設置している。これにより、吸着動作時、排気ガスがＮＯｘ吸着材３４に流入する前に、排気ガス中の水分を水吸着材３２に吸着させて除去することができる。

吸着動作を実行した後は、次回の機関始動に備えて、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４に吸着された水分および有害成分を除去する必要がある。そこで、後段触媒２８が活性化した後に、流路切換弁３６を切り換えてバイパス通路３０に排気ガスを流すパージ動作が実行される。パージ動作では、排気ガスの熱によって水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４が加熱されて高温となることにより、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４から水分および有害成分が脱離する。そして、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４から脱離した有害成分は、後段触媒２８によって浄化される。

なお、本発明では、パージ動作を行う方法は、上記の方法に限定されるものではない。例えば、バイパス通路３０と吸気通路１４との間を結ぶパージ通路を設け、触媒活性化後、排気通路１６から一部の排気ガスを取り出してバイパス通路３０に流し、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４に吸着された水分および有害成分をパージし、そのパージガスを、上記パージ通路を通して吸気通路１４内に導入するパージ動作を行うようにしてもよい。この場合、パージガス中の有害成分は、内燃機関１０の筒内で燃焼するか、あるいは、前段触媒２６もしくは後段触媒２８で浄化される。

前述したように、機関始動時のＮＯｘ排出量をなるべく少なくするためには、吸着動作の終了タイミングが遅すぎても早すぎても良くなく、最適なタイミングで吸着動作を終了することが重要である。本発明者らは、このような観点から鋭意研究を続けた結果、図１に示すようなシステムにおいては、吸着動作開始前（機関始動前）に水吸着材３２に残留している水分量（以下、単に「水吸着材３２の残留水分量」と言う）に応じて、最適な吸着動作終了タイミングが変化することを見出した。図２（ａ）および図２（ｂ）は、上記の知見を説明するための図であり、横軸は時間、縦軸は排気ガス中のＮＯｘ濃度を表す。図２（ａ）は、水吸着材３２の残留水分量が少ない場合を示し、図２（ｂ）は、水吸着材３２の残留水分量が多い場合を示している。これらは、時間軸の原点（時刻t0）において内燃機関１０が冷間始動された場合のグラフである。

（前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度）
図２（ａ）あるいは図２（ｂ）中の実線の曲線は、前段触媒２６の出口におけるＮＯｘ濃度を表している。時刻t0において内燃機関１０が始動された後、前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度は、急上昇する。これは、前段触媒２６がまだ活性化していないため、前段触媒２６においてＮＯｘがほとんど浄化されないからである。その後、前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度は、ピークを迎え、前段触媒２６の温度（活性）が高まるにつれて、徐々に減少する。そして、前段触媒２６が十分に活性化すると、前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度はほぼゼロになる。

後段触媒２８は、内燃機関１０から遠い位置にあり、流入する排気ガスの温度が低い。このため、後段触媒２８の活性化は、前段触媒２６の活性化よりも遅れる。このため、冷間始動直後は、後段触媒２８での浄化作用はほとんど期待できない。よって、仮にバイパス通路３０に排気ガスを全く流さなかったとすると、上述したようなＮＯｘ濃度の排気ガスが、ほとんどそのまま大気中へ放出されることになる。一方、バイパス通路３０に排気ガスを流した場合には、上述したようなＮＯｘ濃度の排気ガスがバイパス通路３０に流入することになる。

（バイパス通路３０に排気ガスを流し続けた場合のＮＯｘ排出特性）
図２（ａ）あるいは図２（ｂ）中の一点鎖線の曲線は、機関始動直後（時刻t0）からバイパス通路３０に排気ガスを流し続けた場合の、ＮＯｘ吸着材３４の出口におけるＮＯｘ濃度を表している。この場合、機関始動後しばらくの間は、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸着材３４によって吸着除去されるので、ＮＯｘ吸着材３４から出た排気ガスのＮＯｘ濃度は、ゼロに近く保たれる。しかしながら、排気ガス中には多量の水分が含まれるので、排気ガスをバイパス通路３０に流し続けたとすると、水吸着材３２が飽和して水分を吸着し切れなくなり、水分がＮＯｘ吸着材３４に流入する。すると、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離してしまい、図２（ａ）あるいは図２（ｂ）中の一点鎖線で示すように、ＮＯｘ濃度の高い排気ガスがＮＯｘ吸着材３４の下流側に放出される。

水吸着材３２中の水分量が一定量に達すると、水吸着材３２は飽和し、それ以上水分を吸着できなくなる。このため、水吸着材３２が飽和してからも排気ガスをバイパス通路３０に流し続けると、水分が水吸着材３２を通過して、ＮＯｘ吸着材３４に流入することとなる。そして、水分がＮＯｘ吸着材３４に流入すると、前述したように、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離し易くなる。

（水吸着材３２の残留水分量が少ない場合）
水吸着材３２の残留水分量が少ない場合には、水吸着材３２が飽和状態に至るまでの余裕が比較的大きい。すなわち、水吸着材３２への許容水分流入量が比較的大きい。よって、吸着動作の開始後、比較的長時間、ＮＯｘ吸着材３４への水分の流入を防止することができる。このため、図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離するタイミングを比較的遅らせることができる。図２（ａ）に示す例では、前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度がほぼゼロに低下するまで、ＮＯｘ脱離タイミングを遅らせることができている。このような場合には、最適な吸着動作終了タイミングは、図２（ａ）中の時刻ｔ₁となる。つまり、時刻ｔ₁で流路切換弁３６を切り換えてバイパス通路３０への排気ガスの流入を停止させれば、図２（ａ）中の一点鎖線で示すＮＯｘ脱離を阻止することができるので、機関始動時のＮＯｘ排出量を最小限に（図２（ａ）の例ではほぼゼロに）抑えることができる。

（水吸着材３２の残留水分量が多い場合）
水吸着材３２の残留水分量が多い場合には、水吸着材３２が飽和状態に至るまでの余裕が比較的小さい。すなわち、水吸着材３２への許容水分流入量が比較的小さい。よって、吸着動作の開始後、ＮＯｘ吸着材３４への水分の流入を防止することができる時間は、比較的短時間となる。このため、図２（ｂ）に示すように、ＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離するタイミングが比較的早くなる。図２（ｂ）に示す例は、前段触媒２６の出口のＮＯｘ濃度がゼロに低下する前に、ＮＯｘの脱離が生じている。このような場合には、最適な吸着動作終了タイミングは、図２（ｂ）中の時刻ｔ₂となる。つまり、時刻ｔ₂で流路切換弁３６を切り換えてバイパス通路３０への排気ガスの流入を停止させれば、図２（ｂ）中の一点鎖線で示すＮＯｘ脱離を時刻ｔ2において阻止することができるので、機関始動時のＮＯｘ排出量を最小限に（図２（ｂ）中の斜線部分に）抑えることができる。

このように、水吸着材３２の残留水分量の少ない図２（ａ）の場合には、最適な吸着時間は同図中のＴ₁で表されるが、残留水分量の多い図２（ｂ）の場合には、最適な吸着時間はそれより短くなり、同図中のＴ₂で表される。よって、水吸着材３２の残留水分量と、最適な吸着時間との関係は、図３に示すように、残留水分量が多い場合ほど、最適な吸着時間が短くなるという関係にある。

そこで、本実施形態では、吸着動作の実行時に、水吸着材３２の残留水分量に応じて、残留水分量が多い場合ほど吸着動作実行時間が短くなるように制御することとした。これにより、水吸着材３２の残留水分量に応じた最適なタイミングで吸着動作を終了することができる。このため、残留水分量の多い場合に吸着動作時間を長くし過ぎてＮＯｘ吸着材３４からＮＯｘが脱離してしまったり、逆に、残留水分量の少ない場合に吸着動作時間を短くし過ぎてＮＯｘ吸着材３４の吸着能力が十分に発揮されなかったりするようなことを防止することができる。すなわち、水吸着材３２の残留水分量に応じて、常に、ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を十分に発揮させることができる。このため、機関始動時のＮＯｘ排出量を全体として十分に低減することができる。

水吸着材３２の残留水分量を求める方法については、本実施形態では、前回のパージ動作時の水吸着材３２の温度から水吸着材３２の残留水分量を求めることとしている。すなわち、パージ動作の実行中の水吸着材３２の温度を温度センサ３８によって検出し、パージ動作終了時の水吸着材３２の温度から、水吸着材３２の残留水分量を求めることができる。図４は、パージ動作終了時の水吸着材３２の温度と、水吸着材３２の残留水分量との関係を示す図である。

パージ動作を実行すると、前述したように、排気ガスの熱によって水吸着材３２の温度が上昇することにより、水吸着材３２に吸着されていた水分をパージする（脱離させる）ことができる。しかしながら、パージ動作中に水吸着材３２に流入する排気ガス中にも水分が含まれている。よってパージ動作中、水吸着材３２では、元々吸着されていた水分がパージされた後も、新しく流入する排気ガス中に含まれる水分の吸着と、水分の脱離とが継続する。このため、その吸着量と脱離量との平衡によって、水吸着材３２中の水分量が変化する。そして、水吸着材３２の温度が高いほど、水分は脱離し易く、吸着しにくくなるので、平衡状態における水分量は少なくなる。このようなことから、図４に示すように、パージ動作終了時の水吸着材３２の温度が高いほど、水吸着材３２の残留水分量が少なくなるという相関が生ずる。従って、パージ動作終了時の水吸着材３２の温度から残留水分量を精度良く求めることができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関１０の始動時に実行される。本ルーチンによれば、まず、吸着動作を実行する実行条件の成否が判別される（ステップ１００）。具体的には、エンジン冷却水温等に基づいて前段触媒２６や後段触媒２８の温度が推定される。そして、前段触媒２６や後段触媒２８の温度が十分高く、触媒浄化作用が期待できる場合には、吸着動作を実行する必要はないと判断できる。この場合には、バイパス通路３０に排気ガスを流さないように流路切換弁３６によって流路が切り換えられる（ステップ１０２）。

一方、上記ステップ１００において、前段触媒２６や後段触媒２８の温度が低く、触媒浄化作用が期待できない場合には、吸着動作を実行すべきと判断できる。この場合には、まず、水吸着材３２の残留水分量に基づいて、最適な吸着時間としての吸着動作実行時間閾値Ｔａが算出される（ステップ１０４）。ＥＣＵ５０には、前述した図３および図４に示す関係がマップとして記憶されている。ステップ１０４においては、まず、図４に示すマップを用いて、ＥＣＵ５０に記憶された前回のパージ動作終了時の水吸着材３２の温度から残留水分量を算出し、次に、図３に示すマップを用いて、残留水分量から吸着動作実行時間閾値Ｔａを算出することができる。あるいは、前回のパージ動作終了時の水吸着材３２の温度と吸着動作実行時間閾値Ｔａとの関係を定めたマップをＥＣＵ５０に記憶しておき、前回のパージ動作終了時の水吸着材３２の温度から直接に吸着動作実行時間閾値Ｔａを求めるようにしてもよい。

上記ステップ１０４の処理に続いて、バイパス通路３０に排気ガスが流れるように流路切換弁３６によって流路が切り換えられる（ステップ１０６）。これにより、吸着動作が開始される。

吸着動作の実行中は、吸着動作開始時からの経過時間である吸着時間Ｔが計時され、その吸着時間Ｔが、上記ステップ１０４で算出された吸着動作実行時間閾値Ｔａに達したか否かが監視される（ステップ１０８）。そして、吸着時間Ｔが吸着動作実行時間閾値Ｔａに達したと判別された場合には、バイパス通路３０に排気ガスが流れないように流路切換弁３６によって流路が切り換えられる（ステップ１１０）。これにより、吸着動作が終了される。

以上説明したように、図５に示すルーチンの処理によれば、水吸着材３２の残留水分量に応じて吸着動作の継続時間を制御することにより、水吸着材３２に流入する水分量が、水吸着材３２が飽和状態を超えないような許容水分流入量に達した時点で、吸着動作を終了することができる。このため、吸着動作時に、ＮＯｘ吸着材３４からのＮＯｘ脱離を確実に防止しつつ、ＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を十分に発揮させることができる。よって、冷間始動後における大気中へのＮＯｘ排出量を最小限に抑えることができる。

上述した実施の形態１においては、水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４が前記第１および第７の発明における「吸着材」に、前回のパージ動作終了時の水吸着材３２の温度が前記第７の発明における「残留水分量の相関値」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、温度センサ３８の検出信号に基づいて前回のパージ動作終了時の水吸着材３２の温度を取得することにより前記第７の発明における「残留水分量取得手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第７および第９の発明における「吸着動作制御手段」が、前述したパージ動作を実行させることにより前記第１１の発明における「パージ手段」が、それぞれ実現されている。

なお、本実施形態では、パージ動作の実行時に水吸着材３２の温度を温度センサ３８によって検出するようにしているが、本発明では、温度センサ３８を設けず、内燃機関１０の運転状態に基づいて水吸着材３２の温度を推定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、水吸着材３２の残留水分量を、前回のパージ動作時の水吸着材３２の温度に基づいて求めるようにしているが、本発明では、水吸着材３２の残留水分量を求める方法はこれに限定されるものではない。例えば、本発明では、水吸着材３２の重量を測定し、その重量から乾燥時の水吸着材３２の重量を差し引くことによって水吸着材３２の残留水分量を求めるようにしてもよい。

また、本実施形態では、吸着動作開始時からの経過時間が吸着動作実行時間閾値Ｔａに達することを吸着動作終了条件としているが、吸着動作終了条件はこれに限定されるものではない。例えば、本発明では、吸着動作開始時からの内燃機関１０の積算排気ガス量をエアフローメータ４０で検出される吸入空気量等に基づいて算出し、その積算排気ガス量が所定の排気ガス量閾値に達することを吸着動作終了条件としてもよい。この場合、水吸着材３２の残留水分量に基づいて、上記排気ガス量閾値を減少方向に補正することにより、本実施形態と同様の効果が得られる。水吸着材３２に流入する水分量は、吸着動作実行時間よりも、積算排気ガス量に対してより高精度に相関する。よって、積算排気ガス量を吸着動作終了条件とする場合には、吸着動作実行中に内燃機関１０の負荷や回転数等の運転条件が変化した場合にも、吸着動作の終了タイミングをより高い精度で最適なタイミングに制御することができ、更なるエミッションの低減が図れる。

実施の形態２．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。前述した実施の形態１では、水吸着材３２とＮＯｘ吸着材３４とが別体とされているが、本実施形態のシステムでは、それらが一体化されている。すなわち、図６に示すように、バイパス通路３０には、実施の形態１の水吸着材３２およびＮＯｘ吸着材３４に代えて、吸着材４４が設置されている。

上記の吸着材４４は、水分およびＮＯｘの双方を吸着する機能を有している。吸着材４４中の水分量が多くなるほど、吸着材４４のＮＯｘ吸着能力は低下する。このため、吸着動作開始時の吸着材４４中の残留水分量が多い場合ほど、吸着材４４への許容水分流入量は少なくなる。従って、吸着動作時に吸着材４４からのＮＯｘの脱離を防止するためには、吸着材４４中の残留水分量が多い場合ほど、吸着動作を早期に終了する必要がある。

以上のようなことから、本実施形態においても、吸着動作時に前述した実施の形態１と同様の制御を行うことにより、吸着材４４からのＮＯｘ脱離を確実に防止しつつ、吸着材４４の吸着能力を十分に発揮させることができる。よって、冷間始動後における大気中へのＮＯｘ排出量を最小限に抑えることができる。

本実施形態は、上記の点以外は前述した実施の形態１と同様であるため、これ以上の説明は省略する。

実施の形態３．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施形態は、パージ動作時の制御に特徴を有している。前述したように、パージ動作が実行されているときの水吸着材３２中の水分量は、吸着量と脱離量との平衡によって変動する。この平衡によって定まる水分量を以下「平衡水分量」と称する。平衡水分量は、水吸着材３２の温度が高いほど少なく、水吸着材３２の温度が低いほど多くなる。このため、パージ動作の実行中に水吸着材３２の温度が一旦高い温度まで上昇して水分量が少なくなったとしても、パージ動作の終了前に水吸着材３２の温度が低下したとすると、水吸着材３２中の水分量は再び増加してしまう。例えば、パージ動作の実行中に水吸着材３２の温度が４００℃まで上昇したとしても、パージ動作終了時の水吸着材３２の温度が２００℃であったとすると、最終的な水吸着材３２の残留水分量は、２００℃における平衡水分量となる。このため、このような場合には、水吸着材３２の残留水分量を十分に少なくすることができない。

そこで、本実施形態では、パージ動作の実行中、水吸着材３２の温度が、平衡水分量が十分少なくなるような所定温度に達したら、バイパス通路３０に排気ガスが流れないように流路切換弁３６を切り換えて、パージ動作を終了することとした。

［実施の形態３における具体的処理］
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、吸着動作の終了後に実行される。本ルーチンによれば、まず、後段触媒２８が活性化に至っているか否かが判別される（ステップ２００）。具体的には、図示しない温度センサ、あるいはエンジン始動時からの積算排気ガス量等に基づく推定によって、後段触媒２８の温度を求め、後段触媒２８が活性温度に達しているか否かが判別される。

上記ステップ２００で後段触媒２８が活性化していると判別された場合には、以下のようにしてパージ動作が実行される。まず、温度センサ３８によって検出される水吸着材３２の温度の最新値がＥＣＵ５０に記憶される（ステップ２０２）。次いで、バイパス通路３０に排気ガスが流れるように、流路切換弁３６の状態が制御される（ステップ２０４）。そして、上記ステップ２０２で取得された水吸着材３２の温度が、所定値T1に達したか否かが判別される（ステップ２０６）。この所定値T1は、水吸着材３２中の平衡水分量が十分少なくなるような温度として、予め設定されている。

上記ステップ２０６で、水吸着材３２の温度が所定値T1に達していない場合には、上記ステップ２０２以下の処理が再度実行されることにより、パージ動作が継続される。これに対し、水吸着材３２の温度が所定値T1に達した場合には、バイパス通路３０に排気ガスが流れないように流路切換弁３６が切り換えられる（ステップ２０８）。これにより、パージ動作が終了される。パージ動作の終了後は、水吸着材３２に排気ガスが流入しなくなるので、水吸着材３２中の水分量は変化しなくなる。すなわち、上記の制御によれば、所定値T1における平衡水分量を、水吸着材３２の残留水分量とすることができる。このため、パージ動作実行中の運転条件の変化にかかわらず、水吸着材３２の残留水分量を少なくすることができるので、次回のエンジン冷間始動時におけるＮＯｘ吸着材３４の吸着能力を高くすることができ、ＮＯｘ排出量をより確実に低減することができる。

上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２００および２０４の処理を実行することにより前記第１２の発明における「パージ手段」が、上記ステップ２０２，２０６および２０８の処理を実行することにより前記第１２の発明における「パージ終了制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 冷間始動時における排気ガス中のＮＯｘ濃度の経時変化を表す図である。 水吸着材の残留水分量と、最適な吸着時間との関係を示す図である。 パージ動作終了時の水吸着材の温度と、水吸着材の残留水分量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１４ 吸気通路
１６ 排気通路
２６ 前段触媒
２８ 後段触媒
３０ バイパス通路
３２ 水吸着材
３４ ＮＯｘ吸着材
３６ 流路切換弁
３６ａ 弁体
３６ｂ アクチュエータ
３８ 温度センサ
４４ 吸着材

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路をバイパスするバイパス通路に、排気ガス中の水分および有害成分を吸着する吸着材を設け、少なくとも前記吸着材への吸着動作が要求される場合に、前記バイパス通路へ排気ガスを流入させる内燃機関の排気浄化装置であって、
   吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が許容水分流入量に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可し、
   前記吸着材に吸着された水分および有害成分をパージするパージ動作が前回実行されたときの前記吸着材の温度に基づいて、前記許容水分流入量を定めることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記許容水分流入量は、吸着動作開始前の前記吸着材中の残留水分量に基づいて定められることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記吸着材は、主として有害成分を吸着する有害成分吸着材と、前記有害成分吸着材の上流側に配置され、水分を吸着する機能を有する水吸着材とを含み、
   前記残留水分量は、前記水吸着材中の残留水分量であることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が前記許容水分流入量となるような吸着動作実行時間閾値を算出し、吸着動作開始時からの経過時間が前記吸着動作実行時間閾値に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 吸着動作が要求される場合に、前記吸着材に流入する水分量が前記許容水分流入量となるような排気ガス量閾値を算出し、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が前記排気ガス量閾値に達するまで、前記バイパス通路への排気ガスの流入を許可することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 内燃機関の排気通路をバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配置され、排気ガス中の水分および有害成分を吸着する吸着材と、
   排気ガスを前記バイパス通路に流入させる状態と前記バイパス通路に流入させない状態とを切り換える流路切換弁と、
   吸着動作開始前における前記吸着材中の残留水分量またはその相関値を取得する残留水分量取得手段と、
   吸着動作が要求される場合に、前記残留水分量取得手段の取得結果に基づき、吸着動作の終了条件を、残留水分量が多い場合ほど吸着動作が短縮される方向に補正する吸着動作制御手段と、
   前記吸着材に吸着された水分および有害成分をパージするパージ動作を行うパージ手段と、
   を備え、
   前記残留水分量取得手段は、前回の前記パージ動作時の前記吸着材の温度を、前記残留水分量の相関値として取得することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記吸着材は、主として有害成分を吸着する有害成分吸着材と、前記有害成分吸着材の上流側に配置され、水分を吸着する機能を有する水吸着材とを含み、
   前記残留水分量は、前記水吸着材中の残留水分量であることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記吸着動作の終了条件は、吸着動作開始時からの経過時間が所定の吸着動作実行時間閾値に達することであり、
   前記吸着動作制御手段は、残留水分量が多い場合ほど前記吸着動作実行時間閾値を短縮方向に補正することを特徴とする請求項６または７記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記吸着動作の終了条件は、吸着動作開始時からの積算排気ガス量が所定の排気ガス量閾値に達することであり、
   前記吸着動作制御手段は、残留水分量が多い場合ほど前記排気ガス量閾値を減少方向に補正することを特徴とする請求項６または７記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記吸着材の温度が所定温度に達したときに前記パージ動作を終了させるパージ終了制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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