JP5272554B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置に関する。

従来から、排気を浄化する触媒が高温になるのを抑えることで、触媒の劣化を抑制する排気浄化装置が広く知られている。

特許文献１には、エンジン運転状態に応じて、外気を２次空気として触媒に供給する排気浄化装置が開示されている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、触媒温度が高くかつ排気空燃比がリーンである時のような触媒が劣化しやすい場合に、２次空気を触媒に供給することで触媒温度を低下させ、シンタリングによる触媒の劣化を抑制する。
特開２００２−３７１８３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排気浄化装置では、触媒上流側から２次空気を連続的に供給して触媒温度を低下させるので、触媒の上流側と下流側の温度差が大きくなる。このように触媒内における温度差が大きくなると、温度差に起因して触媒の一部が剥離する等の触媒劣化が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、触媒内温度差に起因する触媒の劣化を抑制することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置において、排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒を有する触媒コンバータと、触媒コンバータよりも上流側の排気通路に２次空気としての新気を供給する２次空気供給機構と、エンジンがフュエルカット運転中であって、触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高い場合には、触媒の上流側温度と下流側温度との温度差が大きくなることを抑制しつつ当該上流側温度及び下流側温度を低下させるため、触媒コンバータに２次空気を間欠的に供給するように２次空気供給機構を制御する２次空気制御手段と、を備え、２次空気制御手段は、触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く設定された第２の所定温度よりも高い場合には、間欠的に行う１回の２次空気の供給時間を、触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く第２の所定温度よりも低い場合に設定される供給時間よりも短くする、ことを特徴とする。

本発明によれば、フュエルカット運転中であって触媒温度が第１の所定温度よりも高い場合に、触媒コンバータに２次空気を間欠的に供給するので、触媒内温度差を抑制しつつ触媒温度を低下させることができ、触媒コンバータの触媒劣化を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、排気浄化装置を有する車両用エンジンの概略構成図である。

図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側を覆うシリンダヘッド２０とを備える。

シリンダブロック１０には、ピストン１１を摺動自在に収納するシリンダ１２が形成される。ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３が形成される。燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に新気を流す吸気ポート２１と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート２２とが形成される。

吸気ポート２１には、吸気弁２１Ａが設けられる。吸気弁２１Ａは、吸気カムによって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート２１を開閉する。

排気ポート２２には、排気弁２２Ａが設けられる。排気弁２２Ａは、排気カムによって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気ポート２２を開閉する。

吸気ポート２１と排気ポート２２との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心近傍には、点火プラグ２３が設置される。点火プラグ２３は、燃焼室１３内に形成された混合気に火花着火する。

吸気通路３０は、外部から取り入れた新気を、吸気マニホールド３３を介して吸気ポート２１に流す。吸気通路３０には、エアフローメータ３１とスロットルバルブ３２とが吸気通路上流側から順次配置される。

エアフローメータ３１は、熱線式のエアフローメータである。エアフローメータ３１は、エンジン１００に供給される吸気の吸気流量を検出する。

スロットルバルブ３２は、エアフローメータ３１よりも下流側の吸気通路３０に設置される。スロットルバルブ３２は、吸気通路３０の吸気流通面積を変化させることで、燃焼室１３に導入される吸気流量を調整する。スロットルバルブ３２を通過した吸気は、吸気マニホールド３３を介してエンジン１００の各気筒に分配される。

吸気マニホールド３３には、吸気ポート２１の開口部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁３４が設けられる。燃料噴射弁３４は、エンジン運転状態に応じた燃料を噴射して混合気を形成する。

排気ポート２２に接続する排気通路４０には、触媒コンバータ４１が配置される。触媒コンバータ４１は、担体に三元触媒を担持しており、エンジン１００から排出された排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素(ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。触媒コンバータ４１には、触媒の温度を検出する温度センサ４２が設けられる。

触媒コンバータ４１の触媒は、所定の活性温度に達した時にＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化性能を発揮する。しかしながら、エンジン１００の冷機始動時等は排気温度が低いので、触媒が活性温度に達するまでに時間がかかる。そのため、触媒が活性温度に達するまでの間は触媒コンバータ４１において排気中のＨＣ等をほとんど浄化できず、エミッションが悪化してしまう。

そこで、エミッションの悪化を抑制するため、エンジン１００は外気を２次空気として触媒コンバータ４１に供給する２次空気供給装置５０を備える。２次空気供給装置５０は、２次空気供給通路５１と、エアポンプ５２と、カットバルブ５３とから構成される。

２次空気供給通路５１は、触媒コンバータ４１よりも上流側の排気通路４０に接続する。２次空気供給通路５１には、エアポンプ５２とカットバルブ５３とが配置される。

エアポンプ５２は、モータ等によって駆動され、２次空気供給通路５１を介して２次空気を排気通路４０に送り込む。

カットバルブ５３は、エアポンプ５２よりも下流側の２次空気供給通路５１に設けられ、２次空気供給通路５１を開閉する。

２次空気供給装置５０のエアポンプ５２及びカットバルブ５３は、コントローラ６０によって制御される。コントローラ６０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ６０には、触媒温度を検出する温度センサ４２のほか、車両が備える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センサ６１からの検出データがそれぞれ信号として入力する。コントローラ６０は、これらの検出信号に基づき、２次空気供給装置５０のエアポンプ５２及びカットバルブ５３を制御することで、２次空気の供給を制御する。

２次空気供給装置５０からの２次空気は、一般的にエンジン冷間始動時等に供給される。この２次空気によって排気中のＨＣやＣＯを２次燃焼させて、排気温度を高めるので、触媒コンバータ４１の触媒を早期に活性化させることができる。

上記した触媒コンバータ４１の触媒は、触媒温度が高くかつ排気空燃比がリーンとなる場合に、シンタリングによって劣化することが知られている。

特許文献１に記載の従来手法では、触媒温度が高くかつ排気空燃比がリーンとなる場合においても、低温の２次空気を触媒コンバータに供給する。これにより触媒温度が速やかに低下するので、シンタリングによる触媒劣化が抑制される。しかしながら、従来手法のように触媒上流側から２次空気を連続的に供給して触媒温度を低下させると、触媒の上流側と下流側の温度差（以下「触媒内温度差」と称する）が大きくなり、この触媒内温度差に起因して触媒の一部が剥離して、触媒劣化が生じるという問題がある。この問題について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、従来手法における触媒コンバータの触媒内温度差を説明する図である。実線Ａは、触媒上流位置における触媒温度を示す。また、破線Ｂは、触媒下流位置における触媒温度を示す。

図４を参照すると、従来手法では、触媒コンバータの触媒温度を低下させるために時刻ｔ₀において２次空気を供給するが、触媒上流側から２次空気を連続的に供給するので、実線Ａで示す触媒上流位置における触媒温度の方が、破線Ｂで示す触媒下流位置における触媒温度よりも低くなる。そして、２次空気を供給する時間が長くなるほど、触媒内温度差が大きくなる。

このように触媒内温度差が大きくなると、触媒内温度差に起因して触媒が劣化することが本件発明者の研究により明らかになった。図５は、触媒内温度差による触媒劣化特性について説明する図である。

図５に示すように、触媒内温度差が小さい領域Ｐでは、触媒内温度差に起因する触媒の劣化は発生しないが、触媒内温度差が大きくなる領域Ｑでは、触媒内温度差に起因して触媒の一部が剥離する等の触媒劣化が発生する。触媒が劣化する触媒内温度差は触媒温度によって変化し、触媒温度が高くなるほど触媒劣化が生じる触媒内温度差が小さくなる。

したがって、触媒温度が高くかつ排気空燃比がリーンとなる場合に、触媒コンバータの触媒の劣化を抑制するためには、触媒内温度差を抑制しつつ触媒温度を低下させることが必要となる。

そこで、本実施形態のエンジン１００の排気浄化装置では、２次空気供給装置５０からの２次空気を触媒コンバータ４１に間欠的に供給することによって、触媒内温度差を抑制しつつ触媒温度を低下させ、触媒劣化の抑制を図る。

図２を参照して、コントローラ６０が実行する制御ルーチンについて説明するフローチャートである。この制御ルーチンは、エンジン運転開始ともに実施され、一定間隔例えば１０ミリ秒周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、コントローラ６０は、エンジン１００が燃料噴射弁３４からの燃料噴射を停止するフュエルカット運転中か否かを判定する。フュエルカットは車両減速時に行われるので、アクセルペダルセンサ６１からの検出信号に基づいてフュエルカット運転中か否かを判定することができる。

エンジン１００がフュエルカット運転中の場合には、コントローラ６０は、排気空燃比がリーンであると判定して、ステップＳ１０２の処理を実行する。これに対して、エンジン１００がフュエルカット運転をしていない場合には、コントローラ６０は、処理を終了する。

ステップＳ１０２では、コントローラ６０は、触媒コンバータ４１の触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Lよりも高いか否かを判定する。触媒温度Ｔは、触媒コンバータ４１に設けられた温度センサ４２の検出信号に基づいて算出される。

触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Lよりも高い場合には、コントローラ６０は、触媒劣化が生じる程度まで触媒温度が高くなっていると判定して、ステップＳ１０３の処理を実行する。これに対して、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Lよりも低い場合には、コントローラ６０は、触媒温度が低く、触媒劣化が発生しないと判定して、処理を終了する。

ステップＳ１０３では、コントローラ６０は、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Hよりも低いか否かを判定する。所定温度Ｔ_Hは、ステップＳ１０２における所定温度Ｔ_Lよりも高い値として設定される。

触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Hよりも低い場合には、コントローラ６０は、触媒内温度差に起因する触媒劣化が発生しにくいと判定して、ステップＳ１０４の処理を実行する。これに対して、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Hよりも高い場合には、コントローラ６０は、触媒内温度差に起因する触媒劣化が発生しやすいと判定して、ステップＳ１０５の処理を実行する。

ステップＳ１０４では、コントローラ６０は、低温側間欠制御を実行する。

低温側間欠制御では、２次空気を供給する供給時間をｔ_A1に設定し、２次空気の供給を中断する中断時間をｔ_B1に設定して、２次空気供給装置５０からの２次空気を触媒コンバータ４１に間欠的に供給する。

ステップＳ１０５では、コントローラ６０は、高温側間欠制御を実行する。

高温側間欠制御では、供給時間をｔ_A2に設定し、中断時間をｔ_B2に設定して、２次空気供給装置５０からの２次空気を触媒コンバータ４１に間欠的に供給する。ここで、供給時間ｔ_A2はステップＳ１０４の供給時間ｔ_A1よりも短く設定され、中断時間ｔ_B2 はステップＳ１０４の中断時間ｔ_B1よりも長く設定される。

図３は、２次空気を間欠的に触媒コンバータ４１に供給した時の触媒の温度低下について説明するタイミングチャートである。図３（Ａ）は、低温側間欠制御による触媒の温度低下を示す。また、図３（Ｂ）は、高温側間欠制御による触媒の温度低下を示す。なお、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、実線Ａは触媒上流位置における触媒温度を示し、破線Ｂは触媒下流位置における触媒温度を示す。

低温側間欠制御では、図３（Ａ）に示すように、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の供給時間ｔ_A1に２次空気を供給し、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の中断時間ｔ_B1に２次空気の供給を停止し、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄の供給時間ｔ_A1に２次空気を供給し、というように２次空気を間欠的に触媒コンバータ４１に供給する。２次空気を触媒コンバータ４１に供給する間は、実線Ａ及び破線Ｂに示すように、触媒温度が低下するとともに触媒内温度差が大きくなる。しかしながら、２次空気の供給を停止すると、触媒温度の平衡作用によって実線Ａに示す触媒上流位置における触媒温度が上昇し、破線Ｂに示す触媒下流位置における触媒温度が低下して、触媒内温度差が小さくなる。このように低温側間欠制御では、２次空気を間欠的に供給することによって、触媒コンバータ４１の触媒内温度差が大きくなるのを抑制しつつ触媒温度を低下させることができる。

一方、高温側間欠制御では、図３（Ｂ）に示すように、時刻ｔ₅から時刻ｔ₆の供給時間ｔ_A2に２次空気を供給し、時刻ｔ₆から時刻ｔ₇の中断時間ｔ_B2に２次空気の供給を停止し、時刻ｔ₇から時刻ｔ₈の供給時間ｔ_A2に２次空気を供給し、というように２次空気を間欠的に触媒コンバータ４１に供給する。供給時間ｔ_A2は、低温側間欠制御の供給時間ｔ_A1よりも短く設定されるので、触媒温度の低下代が低温側間欠制御時よりも小さくなるものの、触媒内温度差を小さくすることができる。さらに、中断時間ｔ_B2は、低温側間欠制御の中断時間ｔ_B1よりも長く設定されるので、触媒温度が平衡となる時間を稼ぐことができ、触媒内温度差をより小さくすることができる。このように高温側間欠制御では、触媒温度の低下代は小さくなるものの、触媒内温度差が大きくなるのを低温側間欠制御時よりも抑制することができる。

以上により、本実施形態のエンジン１００の排気浄化装置では、下記の効果を得ることができる。

フュエルカット運転中であって触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Lよりも高い場合に、触媒コンバータ４１に２次空気を間欠的に供給するので、触媒内温度差が大きくなるのを抑制しつつ触媒温度を低下させることができ、触媒コンバータ４１の触媒劣化を抑制することが可能となる。

また、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Hよりも低い場合には低温側間欠制御を実施し、触媒温度が所定温度Ｔ_Hよりも高い場合には高温側間欠制御を実施する。特に、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ_Hよりも高い場合には、図５に示したように触媒内温度差が比較的小さくても触媒が劣化するおそれがあるが、高温側間欠制御では、低温側間欠制御時よりも２次空気の供給時間ｔ_A2を短くし、２次空気の中断時間ｔ_B2を長くして、触媒内温度差が大きくなるのをできる限り抑えるので、触媒劣化を抑制することが可能となる。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、本実施形態では、温度センサ４２によって検出された触媒温度Ｔに基づいて、２次空気の供給時間ｔ_A2及び中断時間ｔ_B2の両方を調整するように構成したが、供給時間ｔ_A2及び中断時間ｔ_B2のいずれかを調整するように構成してもよい。

排気浄化装置を有する車両用エンジンの概略構成図である。 コントローラが実行する制御ルーチンについて説明するフローチャートである。 低温側間欠制御及び高温側間欠制御の作用を説明するタイミングチャートである。 従来手法における触媒コンバータの触媒内温度差を説明する図である。 触媒内温度差による触媒劣化特性について説明する図である。

符号の説明

１００ エンジン
２２ 排気ポート
４０ 排気通路
４１ 触媒コンバータ
４２ 温度センサ
５０ ２次空気供給装置（２次空気供給機構）
５１ ２次空気供給通路
５２ エアポンプ
５３ カットバルブ
６０ コントローラ（２次空気制御手段）
６１ アクセルペダルセンサ

Claims (2)

1. エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置において、
   排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒を有する触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータよりも上流側の排気通路に２次空気としての新気を供給する２次空気供給機構と、
   エンジンがフュエルカット運転中であって、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高い場合には、触媒の上流側温度と下流側温度との温度差が大きくなることを抑制しつつ当該上流側温度及び下流側温度を低下させるため、前記触媒コンバータに２次空気を間欠的に供給するように前記２次空気供給機構を制御する２次空気制御手段と、を備え、
   前記２次空気制御手段は、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く設定された第２の所定温度よりも高い場合には、間欠的に行う１回の２次空気の供給時間を、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く第２の所定温度よりも低い場合に設定される前記供給時間よりも短くする、
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置において、
   排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒を有する触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータよりも上流側の排気通路に２次空気としての新気を供給する２次空気供給機構と、
   エンジンがフュエルカット運転中であって、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高い場合には、触媒の上流側温度と下流側温度との温度差が大きくなることを抑制しつつ当該上流側温度及び下流側温度を低下させるため、前記触媒コンバータに２次空気を間欠的に供給するように前記２次空気供給機構を制御する２次空気制御手段と、を備え、
   前記２次空気制御手段は、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く
   設定された第２の所定温度よりも高い場合には、間欠的に行う１回の２次空気の供給を中断する中断時間を、前記触媒コンバータの触媒温度が第１の所定温度よりも高く第２の所定温度よりも低い場合に設定される前記中断時間よりも長くする、
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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