JP4816286B2

JP4816286B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4816286B2
Application number: JP2006178017A
Authority: JP
Inventors: 晃山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2008008175A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関負荷に応じて排気温度の上昇方法を変更することで、排気通路のＮＯｘ吸収材から付着したイオウ成分を放出するために行う排気（ないしＮＯｘ吸収材）温度の上昇を、燃費悪化、トルク低下、スモーク発生を抑制しつつ合理的に遂行する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１５２８３５号公報特開２００４−１５０２９６号公報特開２０００−１８０２０号公報特開２００３−９７２５６号公報特開２００２−１２２０１９号公報特開２００５−３３７１０３号公報

ところで、排気中のＨＣを除去する酸化機能を有する触媒は、ＨＣ吸着量が飽和して下流にＨＣを排出してしまうことがある。このＨＣ排出抑制を目的として、触媒のＨＣ浄化率を向上させるが、燃費悪化などの不具合が随伴して発生する場合がある。このため、特許文献１のように、ＨＣ排出抑制を、随伴して発生する不具合を抑制しつつ合理的に遂行することが望まれている。

本発明の目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、酸化機能を有する触媒よりも下流へＨＣが排出されることを合理的に抑制し、かつ、随伴して発生する不具合を抑制する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に配置された酸化機能を有する触媒と、
前記触媒に吸着したＨＣの吸着量を推定するＨＣ吸着量推定手段と、
前記触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制するＨＣ排出抑制手段と、
前記ＨＣ吸着量推定手段が推定するＨＣ吸着量が所定量以上となったときに、前記ＨＣ排出抑制手段を用いて前記触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明では、ＨＣ吸着量推定手段が推定するＨＣ吸着量が所定量以上となったときに、ＨＣ排出抑制手段を用いて触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制する。

これによると、触媒よりも下流にＨＣが排出される可能性が高くなった場合にだけＨＣの排出を抑制するので、ＨＣ排出抑制手段を用いる機会を低減することができ、酸化機能を有する触媒よりも下流へＨＣが排出されることを合理的に抑制することができ、かつ、随伴して発生する燃費悪化などの不具合を抑制することができる。

ここで、所定量とは、ＨＣ吸着量がそれよりも多くなったときに、触媒でＨＣが吸着しきれなくなり、触媒からＨＣが排出され、例えばスモークを発生させてしまう可能性のあ
る量である。

また、本発明においては、ＨＣ排出抑制手段が複数存在し、制御手段は、状況に応じた優先順位に従って複数のＨＣ排出抑制手段の中から用いる手段を選択するとよい。

これによると、それぞれの状況において、ＨＣ排出抑制効果の高いＨＣ排出抑制手段や、随伴して発生する燃費悪化などの不具合が少ないＨＣ排出抑制手段の優先順位を高く設定し、優先順位の高いＨＣ排出抑制手段から選択して用いることができる。よって、触媒よりも下流へＨＣが排出されることをより合理的に抑制することができ、かつ、随伴して発生する不具合をより抑制することができる。

そして、例えば、制御手段は、低圧条件下では、空気量を確保可能なＨＣ排出抑制手段を優先して選択することにより、また、低温条件下では、吸気温度を上昇可能なＨＣ排出抑制手段を優先して選択することにより、燃費悪化の不具合を生じる場合を抑制する。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、酸化機能を有する触媒よりも下流へＨＣが排出されることを合理的に抑制することができ、かつ、随伴して発生する不具合を抑制することができる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。ここで、各気筒２には、グロープラグ３が設けられている。グロープラグ３は、電熱線が組み込まれており、各気筒２の燃焼室内ガスを直接暖めるものである。

また、内燃機関１には、吸気通路４及び排気通路５が接続されている。内燃機関１に接続された吸気通路４の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ６のコンプレッサハウジング６ａが配置されている。

コンプレッサハウジング６ａよりも下流の吸気通路４には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ７が配置されている。そして、インタークーラ７よりも下流の吸気通路４には、電熱線によって該吸気通路４内を流通する吸気を直接暖めるインテークヒータ８が設けられている。

一方、内燃機関１に接続された排気通路５の途中には、ターボチャージャ６のタービンハウジング６ｂが配置されている。また、タービンハウジング６ｂよりも下流の排気通路５には、酸化触媒９が配置されている。なお、本実施例では酸化触媒９であるが、例えば、三元触媒などの酸化機能を有する触媒であればよい。

酸化触媒９よりも下流の排気通路５には、該排気通路５内を流通する排気の流量を調節し、排気通路５内の背圧を調整する背圧調整弁１０が設けられている。

なお、本実施例に係るターボチャージャ６は可変ノズルターボチャージャである。ここで、該ターボチャージャ６のタービンハウジング６ｂの概略構成について図２に基づいて
説明する。図２に示すように、タービンハウジング６ｂには、可変ノズル６ｃを構成する複数のノズルベーン６ｄがタービンホイール６ｅの周囲に設けられている。ノズルベーン６ｄが制御されることで可変ノズル６ｃの開口量が制御される。このようにノズルベーン６ｄを制御することによってターボチャージャ６による過給圧を上昇または低下させることができる。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１１が併設されている。このＥＣＵ１１は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１１には、運転者がアクセルペダル１２を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１３、及び機関回転速度を検出するクランクポジションセンサ１４が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１１には、グロープラグ３、インテークヒータ８、背圧調整弁１０、及びノズルベーン６ｄが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１１によりこれらの機器が制御される。

ここで、図３は酸化触媒９のＨＣ吸着量やＨＣ排出量の推移を示したタイムチャートである。酸化触媒９においては、ＨＣ吸着量が飽和すると、ＨＣを下流に排出するＨＣ排出量が急激に増加し、スモークを発生させてしまう。

また、図４は酸化触媒９の触媒温度に対するＨＣ浄化率を示したグラフである。酸化触媒９においては、触媒温度が高くなると活性化し、触媒温度が高いほどＨＣ浄化率が高くなっている。

本実施例では、図３及び図４を考慮して、酸化触媒９よりも下流にＨＣを排出されることを抑制する制御（ＨＣ排出抑制制御）を行う。具体的には、酸化触媒９のＨＣ吸着量が所定量以上となったときに、酸化触媒９を昇温し、酸化触媒９を活性化して浄化率を向上させることで酸化触媒９よりも下流にＨＣが排出されることを抑制する制御を行う。

ここでの所定量とは、ＨＣ吸着量がそれよりも多くなったときに、酸化触媒９のＨＣ吸着量が飽和し、酸化触媒９からＨＣが排出され、スモークを発生させてしまう可能性のある量である。

つまり、図３に示すように、ＨＣ吸着量が飽和するとＨＣを下流に排出する量が急激に増加するため、ＨＣ吸着量が飽和する前に酸化触媒９を昇温する。すると、図４に示すように、触媒温度が高いほど酸化触媒９は活性化され、ＨＣ浄化率が高くなるので、酸化触媒９を昇温後には、酸化触媒９でのＨＣの除去量が増大する。これにより、酸化触媒９に吸着されたＨＣを除去すると共に、酸化触媒９の下流にＨＣが排出されてしまうことを抑制する。

なお、酸化触媒９を昇温させるためには、排気温度を上昇させなければならず、内燃機関１のポンプ損失を増加させるか、圧縮端温度を上昇させることが考えられ、本実施例では以下の（１）〜（５）の手段を採用している。ここで、本実施例における（１）〜（５）の手段が、本発明におけるＨＣ排出抑制手段に相当する。

（１）内燃機関の機関回転数上昇、
（２）背圧調整弁開度の閉じ側への制御、
（３）インテークヒータによる吸気暖め、
（４）グロープラグによる燃焼室内ガス暖め、
（５）ノズルベーン開度の閉じ側への制御

ここで、（１）〜（５）の手段を実行すると、燃費悪化という不具合が随伴して発生する。ただし、（１）〜（５）の手段を実行する場合の燃費悪化の不具合の影響度合いは、環境条件や運転条件に応じて異なる。

このため、本実施例では、図５に示すように、環境条件や運転条件に応じて、実行する（１）〜（５）の手段に優先順位を付与した。

なお、（１）〜（５）の手段に付与される優先順位は、最上位の順位の手段でＨＣ排出抑制効果が不十分の場合に次の順位の手段も加えて実行し、十分なＨＣ排出抑制効果が得られるまで下位の順位の手段を次々に加えて実行するものである。

具体的には、環境条件として低圧条件下、運転条件として機関回転数が低回転の場合には、優先順位は（１）→（５）→（２）の順とされている。

環境条件として低圧条件下、運転条件として機関回転数が中〜高回転の場合には、優先順位は（５）→（２）の順とされている。

環境条件として低温条件下、運転条件として機関回転数が低回転の場合には、優先順位は（４）→（３）→（１）→（５）→（２）の順とされている。

環境条件として低温条件下、運転条件として機関回転数が中〜高回転の場合には、優先順位は（４）→（３）→（５）→（２）の順とされている。

なお、低圧条件下で、（２）及び（５）の手段が実行され、（３）及び（４）の手段が実行されない理由は、空気量を確保可能な（２）及び（５）の手段を選択し、低圧条件下ではＨＣ排出抑制効果が少ないにもかかわらず燃費悪化が生じてしまう（３）及び（４）の手段が実行されることを防止するためである。

また、低温条件下で、（４）及び（３）の手段が優先されている理由は、（４）及び（３）の手段では吸気温度を上昇可能であり、（５）及び（２）の手段に比べてＨＣ排出抑制効果が高く燃費悪化を比較的抑制できるからである。

本実施例では、上記のように、ＨＣ吸着量が所定量以上となったときに、環境条件や運転条件に応じて優先順位を付与した（１）〜（５）の手段を選択して実行することにより酸化触媒９を昇温する。これにより、酸化触媒９よりも下流にＨＣが排出される可能性が高くなった場合にだけＨＣの排出を抑制し、ＨＣの排出を抑制するが随伴して燃費悪化という不具合を発生させてしまう（１）〜（５）の手段を用いる機会を低減している。

次に、本実施例によるＨＣ排出抑制制御のフローについて説明する。図６は、本実施例によるＨＣ排出抑制制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。ここで、本フローの制御を行うＥＣＵ１１が、本発明における制御手段に相当する。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１１は、酸化触媒９のＨＣ吸着量を算出する。ＨＣ吸着量は、アクセル開度センサ１３で検出する機関負荷及びクランクポジションセンサ１４で検出する機関回転数などに基づく運転状態から算出した内燃機関１のＨＣ排出量、触媒温
度、並びに排気温度などによって導かれる。ここで、本ステップを行うＥＣＵ１１が、本発明におけるＨＣ吸着量推定手段に相当する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１１は、酸化触媒９のＨＣ吸着量が所定量以上となったか否かを判断する。所定量は、ＨＣ吸着量がそれよりも多くなったときに、酸化触媒９のＨＣ吸着量が飽和し、酸化触媒９からＨＣが排出され、スモークを発生させてしまう可能性のある量であり、予め実験などから求められている量である。

ステップＳ１０２においてＨＣ吸着量が所定量より少なく否定判定された場合には、ＥＣＵ１１は、本ルーチンを一旦終了する。また、ＨＣ吸着量が所定量以上であると肯定判定された場合には、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１１は、酸化触媒９でのＨＣの除去量を増大させるために、酸化触媒９を昇温させる目標触媒温度を算出する。

なお、目標触媒温度は、ＨＣ吸着量に応じて変化する予め定められた温度である。ＨＣ吸着量と目標触媒温度との関係は予め実験などにより求めてマップ化し、ＥＣＵ１１に記憶させておく。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１１は、ＨＣ排出抑制手段としての（１）〜（５）の手段の中から実際に酸化触媒９を昇温させる手段の選定を行う。すなわち、環境条件や運転条件に応じて図５に示す優先順位に基づいて、（１）〜（５）の手段の中から実行する手段を決定する。この際、現状の酸化触媒９の温度からステップＳ１０３で算出した目標触媒温度までの温度幅が大きい程、選定する手段の数を増加させる。なお、図５の環境条件や運転条件に応じる優先順位は予めＥＣＵ１１に記憶させておく。

例えば、低温条件下、機関回転数が低回転の場合で、目標触媒温度までの温度幅が小さな幅であれば、（４）の手段だけを選定する。低圧条件下、機関回転数が低回転の場合で、目標触媒温度までの温度幅が中くらいの幅であれば、（１）及び（５）の手段を選定する。低温条件下、機関回転数が中〜高回転の場合で、目標触媒温度までの温度幅が大きな幅であれば、（４）、（３）、（５）、及び（２）の手段を選定する。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１１は、ステップＳ１０４で選定した手段を用いて実際に酸化触媒９を昇温させ、ＨＣ排出抑制を実行する。

以上説明したように、本実施例によれば、酸化触媒９よりも下流にＨＣが排出される可能性が高くなった場合にだけＨＣの排出を抑制する。また、ＨＣの排出を抑制するための酸化触媒９を昇温させる温度幅に応じてＨＣの排出を抑制する手段の数を変更する。これにより、ＨＣの排出を抑制する手段を用いる機会を不足無く低減して適切に用いることができる。よって、酸化触媒９よりも下流へＨＣが排出されることを合理的に抑制することができ、かつ、随伴して発生する燃費悪化という不具合を抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る内燃機関とその吸・排気系を示す図である。実施例１に係るターボチャージャのタービンハウジングの概略構成を示す図である。実施例１に係る酸化触媒のＨＣ吸着量及びＨＣ排出量の推移を示すタイムチャートである。実施例１に係る酸化触媒の触媒温度に対するＨＣ浄化率を示すグラフである。実施例１に係る（１）〜（５）の手段の優先順位を示す図である。実施例１に係るＨＣ排出抑制制御のフローを示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３グロープラグ
４吸気通路
５排気通路
６ターボチャージャ
６ａコンプレッサハウジング
６ｂタービンハウジング
６ｃ可変ノズル
６ｄノズルベーン
６ｅタービンホイール
７インタークーラ
８インテークヒータ
９酸化触媒
１０背圧調整弁
１１ＥＣＵ
１２アクセルペダル
１３アクセル開度センサ
１４クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関の排気通路に配置された酸化機能を有する触媒と、
前記触媒に吸着したＨＣの吸着量を推定するＨＣ吸着量推定手段と、
前記触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制するＨＣ排出抑制手段と、
前記ＨＣ吸着量推定手段が推定するＨＣ吸着量が所定量以上となったときに、前記ＨＣ排出抑制手段を用いて前記触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制する制御手段と、
を備え、
前記触媒よりも下流にＨＣが排出されることを抑制するために夫々異なる機器を制御する前記ＨＣ排出抑制手段を複数有し、
前記制御手段は、状況に応じた優先順位に従って複数の前記ＨＣ排出抑制手段の中から用いる手段を選択するものであって、
低圧条件下では、空気量を確保可能な前記ＨＣ排出抑制手段を優先して選択し、
低温条件下では、吸気温度を上昇可能な前記ＨＣ排出抑制手段を優先して選択することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。