JP4656193B2 - 触媒の暖機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の早期の暖機を図る触媒の暖機制御装置に関する。

従来より、エンジンが搭載された車両の排気通路には触媒が設けられており、当該触媒には排気の浄化を行う上で最適な温度が存在している。エンジンの始動後などのように触媒の温度が浄化を行う上で十分な温度未満である場合には、排気を利用して触媒の暖機が行われる。

また、排気通路に熱回収装置の熱交換器を設け、排気熱を回収するようにした構成が知られている。この熱交換器を通じて回収された排気熱の用途としては、暖房用やエンジンの冷却水の温度上昇用などが挙げられる。

排気通路における触媒と熱交換器との相対的な位置関係として、触媒の上流側に熱交換器を配置する構成が考えられる。この場合、触媒の下流側に熱交換器を配置する構成に比べ、触媒及び熱交換器のうち熱交換器おいて先に排気熱の回収が行われるため、例えば上記冷却水を急速に温度上昇させる必要が生じた際に排気熱の回収量を多くすることが可能となる。なお、このように触媒の下流側に熱交換器を配置する構成よりも排気熱の回収量を多くする上では、触媒と同じ位置に熱交換器を配置する構成も考えられる。

但し、上記のように熱交換器が触媒の位置又はそれよりも上流側に設けられた構成においては触媒及び熱交換器のうち熱交換器において先に排気熱の回収が行われるため、排気熱を利用した触媒の暖機が遅くなってしまうことが懸念される。これに対して、例えば特許文献１には、排気が熱交換器を通らないようにするバイパス通路を触媒の上流側に設け、通路切替弁によって熱交換器側又はバイパス通路側のいずれかに排気の流れを切り替えることで、触媒の暖機と排気熱の回収とのいずれかを優先する構成が開示されている。
特開平１１−２１８０２０号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成ではバイパス通路及び通路切替弁が必須の構成となり、排気通路において構成上の制約が生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、排気熱の回収が触媒の位置又はそれよりも上流側にて行われるエンジンシステムに適用される場合に、排気通路における構成上の制約を生じさせることなく触媒の暖機を早期に行うことができる触媒の暖機制御装置を提供することを目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及び作用効果について記載する。

本発明の触媒の暖機制御装置は、所定の循環通路にて作動流体を循環させ、エンジンの排気通路において触媒と同じ位置又はそれよりも上流側で作動流体によって排気熱を回収するとともにその回収した熱を昇温対象に放熱する熱回収装置を備えるエンジンシステムに適用される。そして、請求項１に記載の発明では、触媒が活性途中において所定の浄化反応が可能となる状態に到達しているか否かを判断する判断手段と、所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合に、触媒での反応を促進させて触媒反応熱を増加させる制御を開始する第１の制御手段と、少なくとも所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、熱回収装置における作動流体の流れを、昇温対象を所定の温度に上昇させるために排気熱の回収が行われる場合よりも熱回収量が低減されるように制限する第２の制御手段と、を備えている。

本構成によれば、少なくとも触媒反応熱を増加させることによる触媒の暖機が開始されるまでは、熱回収装置における作動流体の流れが制限されることで、熱回収装置における排気熱の回収よりも、排気熱による触媒の暖機を優先させることができる。また、触媒での反応を促進させて触媒反応熱を増加させる制御が開始された場合には、熱回収装置において排気熱の回収が行われて触媒に供給される排気の温度が低下したとしても、触媒の暖機への影響が低減される。また、本構成では、作動流体の流れを制限することによって熱回収装置による排気熱の回収よりも触媒の暖機を優先させる構成であるため、触媒の暖機を優先させる上で排気通路の通路構成に制約が生じない。

更に、少なくとも所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、循環通路の熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が、当該熱回収箇所における循環通路の強度に対応させて設定された制限値以下となるように作動流体の流量を制御しつつ、当該作動流体の流れを制限する。つまり、流量が制限されている状況では熱回収箇所における作動流体の温度は排気の温度に近づくこととなるが、温度が高くなるほど熱回収箇所において作動流体の圧力が高くなる。そうすると、循環通路において熱回収箇所を構成する部材などにかかる負担が大きくなる。これに対して、温度又は圧力が制限値以下となる範囲において作動流体の流れを制限することで、熱回収箇所における作動流体の圧力の上昇が所定の範囲で抑えられる。

なお、通常の熱回収時には作動流体の温度を基準とすることで熱回収装置による昇温対象の温度を適切に制御することが可能となる。この点、作動流体の流れを制限する場合であっても作動流体の温度を基準とすることで、通常の熱回収時におけるソフト構成などを利用して上記効果を奏することができる。一方、上記のとおり作動流体の圧力が高くなるほど循環通路において熱回収箇所を構成する部材などにかかる負担が大きくなるため、作動流体の圧力を基準とすることで、上記負担を所定の範囲に適切に抑えることが可能となる。

請求項１に記載の発明では加えて、所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合、又は当該状態に到達していると判断された後であって触媒が活性状態に到達するまでの間に、熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が制限値よりも低い所定の目標値となるようにする流量の制御を開始する。これにより、触媒の暖機について排気熱回収の影響が低減される状況となった場合に、熱回収箇所における作動流体の温度が低減され、それに伴って当該箇所における作動流体の圧力が低減される。よって、触媒が活性状態に到達するまで作動流体の流れを制限する構成に比べ、循環通路において熱回収箇所を構成する部材などにかかる負担が低減される。また、上記制限値よりも低い目標値を、通常の熱回収時の目標値とした場合には、触媒が活性状態に到達するまで作動流体の流れを制限する構成に比べ、熱回収装置において排気熱の回収を開始する時期が極端に遅くなることはない。
請求項２に記載の発明では、作動流体の流れを制限している状態において、熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が制限値以下である場合、作動流体の流れを停止させる。これにより、熱回収箇所における作動流体の圧力の上昇を所定の範囲で抑えるようにした構成において、作動流体による熱回収が最大限抑えられることで、排気熱による触媒の暖機を優先させることができる。
請求項３又は４に記載の発明では、前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合、又は当該状態に到達していると判断された後であって前記触媒が活性状態に到達するまでの間に、前記作動流体の流れを制限している状態から制限していない状態への切り替えを行う。これにより、触媒が活性状態に到達するまで作動流体の流れを制限する構成に比べ、熱回収装置において排気熱の回収を開始する時期が極端に遅くなることはなく、さらには循環通路において熱回収箇所を構成する部材などにかかる負担を抑えることが可能となる。

請求項５に記載の発明では、少なくとも所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、作動流体の流れを停止させる。これにより、作動流体による排気からの熱回収が最大限抑えられることで、排気熱による触媒の暖機を優先させることができる。

請求項６に記載の発明では、第１の制御手段において触媒での反応を促進させる前の状態から同反応を促進させる状態への切り替えがなされたタイミングよりも後のタイミングで、作動流体の流れを制限している状態から制限していない状態への切り替えを行う。ここで、第１の制御手段による暖機が開始されるタイミングと同じタイミングで作動流体の流れを制限している状態が解除される構成を想定すると、触媒が所定の浄化能力を有する状態に一旦なったものの、排気熱の回収に伴う排気温度の低下に起因して、反応熱を利用した暖機が開始される前に触媒が所定の浄化反応が可能ではない状態に戻り、反応熱を利用した暖機が良好に開始されないおそれがある。これに対して、第１の制御手段による暖機が開始されたタイミングよりも後のタイミングで作動流体の流れを制限している状態を解除することで、反応熱を利用した暖機が良好に開始されることとなる。

請求項７に記載の発明では、少なくとも所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は排気の温度を上昇させる第３の制御手段をさらに備えている。これにより、触媒の暖機をより早めることができる。

請求項８に記載の発明では、判断手段は、触媒の上流の酸素濃度と当該触媒の下流の酸素濃度との差、触媒に供給される排気の温度と排気の流量との積算値を用いた触媒の温度の推定値、及び触媒の温度の実測値の少なくとも１つに基づき前記判断を行う。これにより、触媒が所定の浄化能力を有する状態に達しているか否かを適切に判断することができる。
請求項９に記載の発明では、前記所定の循環通路は、前記エンジンに設けられるウォータジャケットを含む循環通路とは別のものである。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態における制御システムの概略構成を示す図面である。

図１に示すエンジン１０において、吸気通路１１の上流側には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられている。エアフロメータ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度は、スロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサ１５により検出されるようになっている。また、スロットルバルブ１４の下流側には、燃料を噴射供給するインジェクタ１６が取り付けられている。

吸気通路１１に吸入された空気とインジェクタ１６から噴射された燃料との混合気は、図示しない吸気バルブの開動作により、エンジン１０の燃焼室に供給される。そして、エンジン１０に供給された混合気は、点火プラグ１７によって点火され、燃焼に供されることとなる。この場合、エンジン１０には、クランク角センサ１８が設けられており、当該クランク角センサ１８においてエンジン回転速度などが検出される。また、エンジン１０には、所定の経路を循環する冷却水が供給されるウォータジャケットが設けられているとともに、当該ウォータジャケットを循環する冷却水の温度を検出するための冷却水温センサ１９が設けられている。

エンジン１０の燃焼室で燃焼に供された混合気（排気）は、図示しない排気バルブの開動作により排気通路２１に排出される。排気通路２１には、熱回収装置２２の蒸発部２３が設けられている。

熱回収装置２２は、電動ポンプ２４が動作することによってアンモニアや水などの作動流体が循環することとなる流体通路としての循環通路２５を備えており、循環通路２５の途中位置には、吸熱部としての上記蒸発部２３と、放熱部としての凝縮部２６とが設けられている。蒸発部２３には排気通路２１を構成する排気管の管壁に沿うようにして設けられた熱交換器２７が内蔵されており、循環通路２５を流れる作動流体は熱交換器２７を通る間に排気との熱交換によって当該排気から吸熱し、凝縮液の状態から蒸気の状態に状態変化する。この場合、熱交換器２７における作動流体の通路の出口部分には、当該作動流体の温度を実測するための流体温度センサ２８が設けられている。蒸気となった作動流体は、凝縮部２６において、エンジン１０の冷却水に対して放熱し、蒸気の状態から凝縮液の状態に戻る。

ちなみに、熱回収装置２２において冷却水の温度上昇を図ることにより、エンジン１０の始動直後などにおいてエンジン１０の暖機を早期に行うことができるとともに、当該冷却水を用いて車室を暖房する場合には当該暖房を早期に行うことができる。なお、熱回収装置２２による昇温対象は冷却水に限定されることはなく、オートマチックトランスミッションを循環するオイルや、エンジン１０を循環するエンジンオイルとしてもよい。

排気通路２１において、蒸発部２３の下流側には、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒を備えた触媒３１が設けられている。触媒３１の上流側には、三元触媒の温度を実測するための触媒温度センサ３２が設けられている。また、排気通路２１において、触媒３１と蒸発部２３との間には、排気を検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３３が設けられている。空燃比センサ３３は、例えば限界電流式の広域Ａ／Ｆセンサよりなり、排気中の酸素濃度又は未燃成分に応じて空燃比検出信号（素子電流信号）を出力する。

本制御システムは、ＥＣＵ４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップエリア等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。エンジン１０に係る上記各種センサの出力はＥＣＵ４０に入力され、ＥＣＵ４０ではそれら各種センサの出力結果に基づいて、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン１０の運転状態に応じて上記制御システムの各箇所を操作する。

次に、触媒３１の暖機制御について説明する。

図２に、触媒３１の温度と触媒３１の浄化能力との関係を示す。図示されるように、触媒３１の温度がＴｃ１（例えば「３００℃」）未満であるときには、触媒３１が排気を浄化する能力が極めて低い。そして、触媒３１の温度がＴｃ１以上となると、温度が高ければ高いほど浄化能力が高くなる。ただし、触媒３１の浄化能力は、触媒３１の温度がＴｃ２（例えば「４００℃」）以上であるときには略一定となっており、このとき触媒３１は、完全に活性化された状態となる。換言すれば、触媒３１は、浄化能力の温度依存性として、温度上昇に対する浄化能力の増加率が相対的に高い範囲を挟むようにして増加率が低い領域が存在する性質を有しており、Ｔｃ１は最初の増加率が低い領域から増加率が高い領域に切り替わる場合の温度であり、Ｔｃ２は増加率が高い領域からその後の増加率が低い領域に切り替わる場合の温度である。

本実施形態では、触媒３１の温度に応じて、排気熱を利用して触媒３１の暖機を行うために排気の温度を上昇させたり、排気に含まれる酸化剤及び還元剤の濃度を変動させる排気制御を行う。また、触媒３１の上流側に熱回収装置２２の蒸発部２３が設けられた構成において、触媒３１の暖機に対する当該蒸発部２３における熱ロスの影響を低減すべく、作動流体の流量制御も合わせて行う。

図３に、触媒暖機用処理を示す。この処理は、エンジン１０の動作中において触媒温度センサ３２によって検出される温度がＴｃ２未満である場合又はエンジン１０の動作中であるか否かに関係なく暖機用の排気制御を実行するように設定されている場合に、周期的に起動される。なお、かかる開始条件は、上記のものに限定されることはなく、例えば、冷却水の温度が所定温度未満である場合に周期的に起動されるようにしてもよい。

この一連の処理においては、先ずステップＳ１１において、触媒温度センサ３２によって検出されている温度を読み込むとともに、流体温度センサ２８によって検出されている温度を読み込む。その後、ステップＳ１２にて排気制御設定処理を実行するとともに、ステップＳ１３にて流量制御処理を実行した後に、この一連の処理を一旦終了する。

図４に、ステップＳ１２の排気制御設定処理を示す。

排気制御設定処理では、先ずステップＳ２１にて、クランク角センサ１８の検出結果に基づき、エンジン１０が動作中であるか否かを判定する。また、ステップＳ２２にて、触媒温度センサ３２によって検出されている温度が完全に活性化する温度であるＴｃ２未満であるか否かを判定する。エンジン１０が動作中であり且つ上記温度がＴｃ２未満である場合には、ステップＳ２３にて、第１排気制御フラグに「１」を設定する。

第１排気制御フラグに「１」が設定されることにより、図示しない別の処理として設定された第１排気制御処理が所定の周期で繰り返し実行されることとなる。当該第１排気制御処理では、排気の温度を上昇させるべく、排気流量を増加させるための処理を実行するとともに、点火時期の遅角操作を行うための処理を実行する。

排気流量を増加させるための処理として具体的には、先ず触媒３１の温度に基づき、目標とする排気流量を算出する。この目標とする排気流量は、複数に区分けされた触媒３１の温度範囲に対して個別にマップ情報として設定されている。そして、その都度の回転速度とその都度の排気流量とに基づき増加補正量を求め、当該増加補正量に基づきスロットルバルブ１４の目標とする開度を算出する。その後、算出されたスロットルバルブ１４の開度とすべく、スロットルアクチュエータ１３を操作する。

また、点火時期の遅角操作を行うための処理として具体的には、エンジン１０の実際の回転速度を目標回転速度にフィードバック制御すべく点火時期を操作する。目標回転速度を固定するとともに排気流量が増加される場合にトルクを低下させるためには、点火時期の遅角操作や、空燃比のリーン化の操作等を行うことが考えられる。そして、本実施形態では、点火時期を操作量とする。これは、空燃比のリーン化と点火時期の遅角操作の双方とも排気の温度を上昇させるとはいえ、点火時期の遅角操作の方が空燃比のリーン化よりも排気の温度の上昇を効果的に行うことができるためである。なお、第１排気制御処理は、上記のものに限定されることはなく、点火時期を遅角させることで排気の温度を上昇させることができるのであれば、具体的な処理内容は任意である。

その後、ステップＳ２４にて、触媒温度センサ３２によって検出されている温度が、触媒３１が所定の浄化能力を有する状態となる温度（所定の浄化反応が可能となる温度）であるＴｃ１以上であるか否かを判定する。Ｔｃ１未満である場合には、本処理を一旦終了する。Ｔｃ１以上である場合には、ステップＳ２５にて、第２排気制御フラグに「１」を設定した後に本処理を一旦終了する。

第２排気制御フラグに「１」が設定されることにより、図示しない別の処理として設定された第２排気制御処理が所定の周期で繰り返し実行されることとなる。当該第２排気制御処理は、排気に含まれる酸化剤及び還元剤の濃度を変動させる、いわゆるディザ制御を実行するための処理である。具体的には、触媒温度センサ３２により検出されている温度に基づき、空燃比を理論空燃比に対してリーンな状態とリッチな状態との間で強制的に振動させる操作の振幅ｗ１（％）を算出する。この振幅ｗ１は、理論空燃比「１４．７」に対するリッチ化及びリーン化の度合いを示すものであり、目標とする空燃比を「（１＋ｗ１／１００）×１４．７」と「（１−ｗ１／１００）×１４．７」との間で強制的に振動させるためのものである。ちなみに、本実施形態では、隣接する燃料噴射操作間で、リーンな状態とリッチな状態とが現れるように、各燃料噴射操作に際して交互にリーンな状態とリッチな状態とで振動させている。

上記振幅ｗ１は、複数に区分けされた触媒３１の温度範囲に対して個別にマップ情報として設定されている。当該マップ情報は、Ｔｃ１となるまでは振幅ｗ１が「０」となるように設定されているとともに、Ｔｃ１以上においては触媒３１の温度が高い温度範囲ほど振幅ｗ１が大きくなるように設定されている。これは、先の図２に示したように、触媒３１の浄化能力は、その温度が上記Ｔｃ２以下であるときには、同温度が高いほど高くなることによる。すなわち、触媒３１における反応熱を利用して触媒３１の暖機を行う場合、反応熱量が多いほど触媒３１をより早期に暖機することができる。しかし、触媒３１における浄化能力を超えて触媒３１に一酸化炭素等が排出されると、触媒３１によってこれらが浄化されず、反応熱量の増加に寄与しないばかりか、触媒３１の下流の排気特性の悪化を招くことともなりかねない。そこで、触媒３１の浄化能力に見合った量の一酸化炭素等が排出されるように、触媒３１の温度の上昇に応じて振幅ｗ１を大きくすることで、排気特性の悪化を回避しつつも触媒３１における反応熱量を極力多くするようにしている。

第２排気制御処理では、上記振幅ｗ１を用いて目標とする空燃比を算出し、当該目標とする空燃比と、空燃比センサ３３の検出結果に基づき算出される実空燃比とから燃料噴射量を算出するための空燃比フィードバック制御を行う。そして、その算出した燃料噴射量に応じてインジェクタ１６からの燃料噴射を行う。なお、第２排気制御フラグに「１」が設定された状況であっても、第１排気制御フラグに「１」が設定された状況が維持されるため、第２排気制御処理の実行が開始された場合であっても第１排気制御処理の実行は継続される。また、上記振幅ｗ１が変動するように設定されていることは必須ではなく、当該振幅ｗ１が固定式であってもよい。

排気制御設定処理のステップＳ２１において、エンジン１０が停止中であると判定した場合、又はステップＳ２２において、触媒温度センサ３２により検出されている温度がＴｃ２以上であると判定した場合には、ステップＳ２６にて、第１排気制御フラグ及び第２排気制御フラグの両方に初期値としての「０」を設定した後に、本処理を一旦終了する。これにより、上記第１排気制御処理及び上記第２排気制御処理がその後に実行されなくなる。

図５に、図３におけるステップＳ１３の流量制御処理を示す。なお、触媒３１の温度がＴｃ２以上である状況において作動流体の流量を制御するための処理が、図５の流量制御処理とは別に設定されている。

流量制御処理では、先ずステップＳ３１にて、流体温度センサ２８によって検出されている温度が第１目標出口温度であるＴｅ１を超えているか否かを判定する。ここで、上記のとおり熱回収装置２２における排気熱の回収は熱交換器２７内を通っている作動流体によって行われるが、作動流体が熱交換器２７内において熱回収を行い温度が高くなるほど、当該作動流体の圧力は高くなる。そして、当該圧力が高くなるほど、熱交換器２７を外側に広げようとする力や、当該熱交換器２７と他の機器との接続部分を分離させようとする力が大きくなる。Ｔｅ１は熱交換器２７や上記接続部分が破損しない範囲の上限温度として設定されており、当該温度は熱交換器２７の材質及び構造、並びに接続部分の強度を基準に定められている。

Ｔｅ１を超えている場合には、ステップＳ３２にて、目標出口温度をＴｅ１に設定する。Ｔｅ１を超えていない場合には、ステップＳ３３にて、第２排気制御フラグに「１」が設定されているか否かを判定する。第２排気制御フラグに「１」が設定されている場合、すなわち、第２排気制御処理が実行されている場合には、ステップＳ３４にて、目標出口温度を第２目標出口温度であるＴｅ２に設定する。

Ｔｅ２は、排気熱回収の状態を通常回収状態とするための目標出口温度であり、昇温対象である冷却水の目標温度に対応して設定される。この場合、冷却水温センサ１９によって検出される冷却水の実温度は変動するものであり、当該冷却水の実温度に対応して冷却水を目標温度とするために必要な作動流体の温度も変動する。ＥＣＵ４０では、所定の周期で繰り返し実行される図示しない別の処理において、冷却水の目標温度と冷却水の実温度との偏差を用いてＴｅ２を算出する。なお、オートマチックトランスミッションのオイル又はエンジンオイル等の温度も運転状態に応じて変動するため、これらが昇温対象である場合であっても上記偏差を用いてＴｅ２を算出する。

上記のとおり第２目標出口温度であるＴｅ２は昇温対象の温度を上昇させる上で好ましい温度として設定される。この場合に、昇温対象である冷却水は、その目標温度が運転状態や要求暖房熱量に応じて７０℃周辺で変動し、また仮にオートマチックトランスミッションのオイルである場合には、当該オイルの目標温度は運転状態に応じて１２０℃周辺で変動する。したがって、Ｔｅ２はこれらの温度よりも数十℃高い範囲で変動する。これに対して、第１目標出口温度であるＴｅ１は熱交換器２７やその接続部分が破損しない範囲の上限温度として設定されており、Ｔｅ２が変動する場合であっても常にＴｅ１の方がＴｅ２よりも高くなる。

流量制御処理において、ステップＳ３２又はステップＳ３４の処理を実行した後は、ステップＳ３５にて流量設定処理を実行する。流量設定処理では、図６に示すように、先ずステップＳ４１にて、設定されている目標出口温度と実出口温度との偏差を算出する。続くステップＳ４２にて、ステップＳ４１において算出した偏差を用いてＰＩＤ演算やＰＩ演算などのフィードバック演算を行い、目標とする流量を算出する。その後、ステップＳ４３にて、ステップＳ４２において算出した流量が実際の作動流体の流量となるように熱回収装置２２における電動ポンプ２４の出力を設定する。当該流量設定処理を実行した後に、流量制御処理を一旦終了する。なお、かかる流量設定処理のサブルーチンは、触媒３１の温度がＴｃ２以上である状況用に別途設定されている作動流体の流量を制御するための処理においても兼用される。

一方、流体温度センサ２８によって検出されている温度がＴｅ１を超えておらず（ステップＳ３１がＮＯ）、さらに第２排気制御フラグに「１」が設定されていない場合（ステップＳ３３がＮＯ）には、ステップＳ３６にて電動ポンプ２４の出力による作動流体の循環を停止させるために電動ポンプ２４を停止させる。これにより、熱交換器２７において作動流体が滞留し易くなり、出口温度は高くなる。なお、作動流体の流量を制御する上でのＥＣＵ４０における制御対象は電動ポンプ２４に限定されることはなく、循環通路２５に開閉弁が設けられた構成においては当該開閉弁の開度を調整することによって流量を制御する構成としてもよい。

図７（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ上記図３〜図６の処理が実行された場合の各排気制御処理の状態及び各パラメータの推移を示すタイミングチャートであり、（ａ）は第１排気制御処理のＯＮ状態又はＯＦＦ状態を示し、（ｂ）は第２排気制御処理のＯＮ状態又はＯＦＦ状態を示し、（ｃ）は蒸発部２３よりも上流側の排気温度を示し、（ｄ）は蒸発部２３よりも下流側の排気温度を示し、（ｅ）は触媒温度を示し、（ｆ）は触媒反応量を示し、（ｇ）は熱交換器２７の出口温度を示し、（ｈ）は作動流体の流量を示す。ここでは、作動流体の流れの制限を実施しないシステムを比較例に用い、この比較例の動作態様を（ａ）〜（ｈ）中に二点鎖線にて、また本実施形態の動作態様を（ａ）〜（ｈ）中に実線にてそれぞれ示して、両者を対比しつつ説明を行う。

同図７に示すように、ｔ０のタイミングでエンジン１０が始動されると、本実施形態のシステムでは、（ａ）に示されるように第１排気制御処理が開始されるとともに、（ｈ）に示されるように作動流体の流量制限が開始される。そして、第１排気制御処理の開始に基づいて、（ｃ）に示されるように排気温度が急激に上昇するとともに、作動流体の流量制限に基づいて、（ｇ）に示されるように、作動流体の流量制限が行われない場合に比して、熱交換器２７の出口部分における作動流体の温度が急激に上昇する。この場合、熱交換器２７の出口部分における作動流体の温度は、第１目標出口温度Ｔｅ１を上限として推移することとなるが、当該温度は通常の熱回収時の温度である第２目標出口温度Ｔｅ２よりも高い温度であり、熱交換器２７における排気熱の回収が抑えられる。これにより、（ｅ）に示されるように、作動流体の流量制限が実行されない比較例に比べ、触媒温度の上昇が早くなり、触媒３１が早期に暖機されることとなる。

その後、ｔ１のタイミングで触媒温度がＴｃ１に達することで、（ｂ）に示されるように第２排気制御処理が開始されるとともに、（ｈ）に示されるように作動流体の流量制限が解除される。これら処理に基づき、（ｆ）に示されるように触媒反応量が急激に増加するとともに、（ｇ）に示されるように、熱交換器２７の出口部分における作動流体の温度が、第２目標出口温度であるＴｅ２に向けて下がる。この場合、熱交換器２７における通常の熱回収が開始されるため、（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、排気の温度は蒸発部２３の上流側に比べ蒸発部２３の下流側の方が低くなる。しかしながら、上記のとおり第２排気制御処理の開始に基づいて触媒反応量が急激に増加するため、（ｅ）に示されるように触媒温度は上昇し続ける。一方、比較例のシステムでは、ｔ１のタイミングでは未だ触媒温度がＴｃ１に達しておらず、ｔ１のタイミングよりも後のタイミングであるｔ２のタイミングでＴｃ１に達する。

本実施形態のシステムでは、その後、ｔ３のタイミングで触媒温度がＴｃ２に達することで、（ａ）及び（ｂ）に示されるように各排気制御処理が終了される。一方、比較例のシステムでは、ｔ３のタイミングでは未だ触媒温度がＴｃ２に達しておらず、排気制御処理が継続される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

触媒３１よりも排気通路２１の上流側に熱回収装置２２の蒸発部２３が設けられたシステムにおいて、触媒３１の温度が所定の浄化能力を有する温度となることにより、空燃比をリーン状態とリッチ状態との間で強制的に振動させる排気制御を行うとともに、当該温度となるまでは熱回収装置２２における作動流体の流れを制限するようにした。これにより、反応熱を利用した触媒３１の暖機が開始されるまでは排気熱の回収が抑えられ、排気熱による触媒３１の暖機を優先させることができる。また、反応熱を利用した暖機が開始された場合には、排気熱の回収に基づき触媒３１に供給される排気の温度が低下したとしても、触媒３１の暖機への影響が低減される。また、本構成によれば、触媒３１の暖機を優先させる上で作動流体の流量を制御する構成であるため、触媒３１の暖機を優先させる上で排気通路２１の通路構成に制約が生じない。

触媒３１が完全に活性状態となるまで作動流体の流れを制限するのではなく、触媒３１の温度が所定の浄化能力を有することとなる温度となった場合に上記制限を解除して通常の熱回収を行うようにした。これにより、触媒３１が完全に活性状態となるまで作動流体の流れを制限する構成に比べ、熱回収装置２２における排気熱の回収開始時期が極端に遅くなることはなく、さらには熱交換器２７や熱交換器２７の接続部分にかかる負担を抑えることが可能となる。

また、当該負担を抑えることは、作動流体の流れを制限する場合、熱交換器２７の出口部分における温度がＴｅ１となるように流量を制御する構成によっても果たされている。上記負担を抑えることは、熱交換器２７や熱交換器２７の接続部分における破損の発生を抑制するという効果が生じるだけでなく、熱交換器２７や熱交換器２７の接続部分の強度を極端に高くする必要が生じないことにより熱交換器２７などの構成の簡素化や低コスト化を図りつつ、上記優れた効果を奏することができる。

なお、通常の熱回収時には作動流体の温度を基準とすることで熱回収装置２２による昇温対象の温度を適切に制御することが可能となる。この場合に、作動流体の流れを制限する上で作動流体の温度を基準とすることで、通常の熱回収時における構成を利用して上記効果を奏することができる。

作動流体の流れを制限している場合、熱交換器２７の出口部分における温度がＴｅ１以上となった場合には作動流体の流れを停止させるようにした。これにより、熱交換器２７などにかかる負担が所定の範囲に抑えられるようにした構成において、作動流体による熱回収が最大限抑えられることで、触媒３１の暖機を優先させることができる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

・作動流体の流れを制限する場合に、熱交換器２７の出口部分における温度が制限値以下となるように流量を制限するのではなく、熱交換器２７の出口部分における内圧が制限値以下となるように流量を制限してもよい。作動流体の内圧が高くなるほど熱交換器２７などにかかる負担が大きくなるため、内圧を基準とすることで、上記負担を所定の範囲に適切に抑えることが可能となる。なお、内圧を基準とする上で、熱交換器２７に内圧検出センサを設けることで作動流体の内圧を実測してもよく、熱交換器２７内の作動流体の温度をパラメータとして用いることにより内圧の推測値を得る構成としてもよい。

・作動流体の流れを制限する上で、熱交換器２７の出口部分における作動流体の温度として実測値を用いるのではなく、当該温度の推測値を用いる構成としてもよい。例えば、蒸発部２３よりも上流側の排気温度と、熱交換器２７の材質及び構造から定まるパラメータとを用いて作動流体の温度の推測値を得る構成としてもよい。

・触媒３１の暖機を優先させるために作動流体の流れを制限する上では、触媒３１の温度が所定の浄化能力を有する温度であるＴｃ１となるまで、作動流体の流れを停止させる構成としてもよい。但し、熱交換器２７などへの負担を考慮すると、上記実施形態のように熱交換器２７内の作動流体の温度（又は内圧）が制限値以下となる範囲において流量を制御する構成とすることが好ましい。

・作動流体の流れを制限している状況において当該制限を解除するタイミングは、触媒３１の温度が所定の浄化能力を有する温度（Ｔｃ１）となったタイミングとする構成に限定されることはなく、例えば、触媒３１が所定の浄化能力を有する温度となってから活性状態となる温度（Ｔｃ２）の間における所定の温度（Ｔｃ３）となったタイミング（Ｔｃ１＜Ｔｃ３＜Ｔｃ２となったタイミング）で制限を解除する構成としてもよい。具体的には、流量制御処理（図５）のステップＳ３３にて第２排気制御フラグに「１」が設定されているか否かを判定するのではなく、触媒３１の温度がＴｃ１よりも高くＴｃ２よりも低い温度であるＴｃ３であるか否かを判定し、Ｔｃ３である場合にステップＳ３４にて目標出口温度をＴｅ２に設定する構成とする。触媒３１の温度がＴｃ１となったタイミングで制限が解除されると、触媒３１の温度がＴｃ１まで一旦上昇したものの、反応熱を利用した触媒３１の暖機が開始される前に排気熱の回収に伴う排気温度の低下に起因して触媒３１の温度がＴｃ１よりも低下し、反応熱を利用した触媒３１の暖機が良好に行われないおそれがあるが、上記のようにＴｃ１となったタイミングよりも後のタイミングで制限を解除することで反応熱を利用した触媒３１の暖機が良好に開始されることとなる。

なお、かかる暖機が良好に行われるようにするという点においては、作動流体の流れの制限を解除するタイミングをＴｃ１となったタイミングよりも後のタイミングとするのではなく、当該制限を解除するタイミングをＴｃ１となったタイミングとしながら、当該Ｔｃ１となったタイミングにおいて、排気熱を利用した暖機において排気温度をそれまで以上に上昇させる操作を行う構成としてもよい。

・上記実施形態では、触媒３１の温度が所定の浄化能力を有する温度となったタイミングで、通常の熱回収が開始されるように作動流体の流量を制御する構成としたが、これに代えて、作動流体の流れを制限した状態から通常の熱回収が開始される状態となるまでの間において、熱交換器２７内における作動流体の温度（又は内圧）の目標値が段階的に低減される構成としてもよい。この場合であっても、触媒３１の反応熱を利用した暖機を良好に開始させることができる。

・第２排気制御処理が開始されるタイミングを、触媒３１の温度がＴｃ１よりも若干高い温度となったタイミングとしてもよく、この場合であっても、作動流体の流れの制限を解除するタイミングを第２排気制御処理が開始されたタイミング又はそれよりも遅いタイミングであって触媒３１が活性状態に到達するまでの間のタイミングとすることが好ましい。

・熱回収装置２２が触媒３１の下流側に設けられた構成よりも排気熱の回収を効率良く行う上では、熱回収装置２２の蒸発部２３を、触媒３１と一体化するといったように排気の流れ方向で見て触媒３１と同じ位置に設けてもよい。この場合であっても、触媒３１の暖機を早期に行うことが好ましく、上記実施形態における排気制御の構成や作動流体の流れを制限する構成を適用するとよい。

・上記実施形態における排気制御の構成や作動流体の流れを制限する構成を、エンジンと電動発電機とが共に搭載された、いわゆるハイブリッド自動車であって、排気通路において触媒の位置又はそれよりも上流側にて排気熱の回収が行われる自動車に対して適用してもよい。ハイブリッド自動車では運転状態に応じてエンジンによる駆動と電動発電機による駆動とが切り替えられることとなるが、エンジンによる駆動に切り替えられたタイミングにおいて触媒の温度が低い場合に、上記実施形態の触媒暖機用処理を実行する構成としてもよい。また、電動発電機による駆動が行われている状況においてエンジンを始動させ、上記実施形態の触媒暖機用処理を実行する構成としてもよい。

・排気温度を上昇させることによる触媒３１の暖機に対応した第１排気制御処理が実行されない構成としてもよい。また、第１排気制御処理が実行される構成であっても、当該第１排気制御処理によって点火時期の遅角操作を行うものに限定されることはなく、例えば空燃比をリーンとする操作を行うものであってもよく、目標回転速度を上昇させる操作を行うものであってもよい。また、例えば筒内噴射式のエンジンにあっては、膨張行程で燃料噴射を行うようにしてもよい。

・触媒３１の反応熱を利用して触媒３１を暖機する暖機手段に対応した第２排気制御処理は、ディザ制御に限定されることはなく、２次空気を利用するものであってもよい。また、三元触媒ではなく、窒素酸化物用触媒などが触媒３１として用いられたシステムに対して本発明を適用してもよい。

・触媒３１が活性状態に達していない範囲において温度上昇に伴い所定の浄化能力を有する状態に達しているか否かを判断する判断手段としては、触媒３１の温度の実測値に基づき所定の浄化能力を有する所定の温度以上であるか否かの判断を行うものに限らない。例えば、触媒３１に供給される排気の温度と単位時間当たりの排気流量との積算値から算出した触媒３１の温度の推測値に基づき所定の浄化能力を有する所定の温度以上であるか否かの判断を行う構成としてもよい。また、触媒３１の上流の酸素濃度と下流の酸素濃度との差に基づき、所定の浄化能力を有する状態に達しているか否かの判断を行ってもよい。この場合、触媒３１が所定の浄化能力を有する状態となると、触媒３１の上流の酸素濃度と下流の酸素濃度とが同期しなくなることを利用して上記判断を行う。

一実施形態における触媒の暖機制御装置の概略を示す構成図。 触媒の温度と触媒の浄化能力との関係を示す図。 触媒暖機用処理を示すフローチャート。 排気制御設定処理を示すフローチャート。 流量制御処理を示すフローチャート。 流量設定処理を示すフローチャート。 （ａ）〜（ｈ）は、それぞれ触媒暖機用処理が実行された場合の各排気制御処理の状態及び各パラメータの推移を示すタイミングチャート。

符号の説明

１０…エンジン、２１…排気通路、２２…熱回収装置、２５…循環通路、２７…熱交換器、２８…流体温度センサ、３１…触媒、３２…触媒温度センサ、４０…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 所定の循環通路にて作動流体を循環させ、エンジンの排気通路において触媒と同じ位置又はそれよりも上流側で前記作動流体によって排気熱を回収するとともにその回収した熱を昇温対象に放熱する熱回収装置を備えるエンジンシステムに適用され、
   前記触媒が活性途中において所定の浄化反応が可能となる状態に到達しているか否かを判断する判断手段と、
   前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合に、前記触媒での反応を促進させて触媒反応熱を増加させる制御を開始する第１の制御手段と、
   少なくとも前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、前記熱回収装置における作動流体の流れを、前記昇温対象を所定の温度に上昇させるために排気熱の回収が行われる場合よりも熱回収量が低減されるように制限する第２の制御手段とを備え、
   前記第２の制御手段は、少なくとも前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、前記循環通路の熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が、当該熱回収箇所における前記循環通路の強度に対応させて設定された制限値以下となるように前記作動流体の流量を制御しつつ、当該作動流体の流れを制限するものであり、前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合、又は当該状態に到達していると判断された後であって前記触媒が活性状態に到達するまでの間に、前記熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が前記制限値よりも低い所定の目標値となるようにする流量の制御を開始するものであることを特徴とする触媒の暖機制御装置。
2. 前記第２の制御手段は、前記作動流体の流れを制限している状態において、前記熱回収箇所における作動流体の温度又は圧力が前記制限値以下である場合、前記作動流体の流れを停止させるものであることを特徴とする請求項１に記載の触媒の暖機制御装置。
3. 前記第２の制御手段は、前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合、又は当該状態に到達していると判断された後であって前記触媒が活性状態に到達するまでの間に、前記作動流体の流れを制限している状態から制限していない状態への切り替えを行うものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒の暖機制御装置。
4. 所定の循環通路にて作動流体を循環させ、エンジンの排気通路において触媒と同じ位置又はそれよりも上流側で前記作動流体によって排気熱を回収するとともにその回収した熱を昇温対象に放熱する熱回収装置を備えるエンジンシステムに適用され、
   前記触媒が活性途中において所定の浄化反応が可能となる状態に到達しているか否かを判断する判断手段と、
   前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合に、前記触媒での反応を促進させて触媒反応熱を増加させる制御を開始する第１の制御手段と、
   少なくとも前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、前記熱回収装置における作動流体の流れを、前記昇温対象を所定の温度に上昇させるために排気熱の回収が行われる場合よりも熱回収量が低減されるように制限する第２の制御手段とを備え、
   前記第２の制御手段は、前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していると判断された場合、又は当該状態に到達していると判断された後であって前記触媒が活性状態に到達するまでの間に、前記作動流体の流れを制限している状態から制限していない状態への切り替えを行うものであることを特徴とする触媒の暖機制御装置。
5. 前記第２の制御手段は、少なくとも前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は、前記作動流体の流れを停止させるものであることを特徴とする請求項４に記載の触媒の暖機制御装置。
6. 前記第２の制御手段は、前記第１の制御手段において前記触媒での反応を促進させる前の状態から同反応を促進させる状態への切り替えがなされたタイミングよりも後のタイミングで、前記作動流体の流れを制限している状態から制限していない状態への切り替えを行うものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の触媒の暖機制御装置。
7. 少なくとも前記所定の浄化反応が可能となる状態に到達していないと判断されている間は前記排気の温度を上昇させる第３の制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の触媒の暖機制御装置。
8. 前記判断手段は、前記触媒の上流の酸素濃度と当該触媒の下流の酸素濃度との差、前記触媒に供給される前記排気の温度と当該排気の流量との積算値を用いた前記触媒の温度の推定値、及び前記触媒の温度の実測値の少なくとも１つに基づき前記判断を行う請求項１乃至７のいずれか１に記載の触媒の暖機制御装置。
9. 前記所定の循環通路は、前記エンジンに設けられるウォータジャケットを含む循環通路とは別のものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の触媒の暖機制御装置。

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