JP2010065657A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒による触媒臭の発生を抑制する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０の排気通路には、排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯxを浄化する一方で、温度が所定の硫黄臭発生温度域内になると硫黄臭を発生させる三元触媒３１が設けられている。そして、三元触媒３１の下流側には、三元触媒３１の温度を検出するための温度センサ３３とが設けられている。三元触媒３１には、当該三元触媒３１を加熱するヒータ３１ａが設けられている。ＥＣＵ４０は、温度センサ３３の出力信号に基づいて三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にあるか否かを判定し、硫黄臭発生温度域内にあると判定した場合にヒータ３１ａにより三元触媒３１を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気に含まれる有害成分を浄化する三元触媒などの触媒が設けられている。このような触媒にはＳ（硫黄）成分が蓄積され、蓄積されたＳ成分が排気中のＣＯやＨＣと反応することによりＨ2Ｓ（硫化水素）となって大気中に放出される。Ｈ2Ｓは硫黄臭の原因となるため、その発生を抑制する必要がある。そこで、特許文献１に記載の発明では、フューエルカット制御を実行する際に触媒により硫黄臭が発生する状態であるか否かを判定し、硫黄臭が発生する状態であると判定した場合に、スロットル開度をアイドル運転状態よりも開側に制御するようにしている。これにより、触媒による硫黄臭の発生を抑制しようとしている。
特開２００７−９２６０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、スロットル開度を開側に制御して強制的に吸入空気量を増やしている。そのため、特許文献１に記載の発明をフューエルカット時以外の運転状態に適用することは現実的ではなく、硫黄臭の発生対策としては十分なものとは言えない。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、触媒による触媒臭の発生を抑制する排気浄化装置を提供することを主たる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、及びその作用効果について説明する。

本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気に含まれる有害成分を浄化する触媒を備える排気浄化システムに適用されるものである。そして、請求項１に記載の発明では、触媒の温度が、触媒臭が発生する温度域である触媒臭発生温度域内にあるか否かを判定し、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にあると判定された場合に、加熱手段を用いて触媒を加熱する。

請求項１に記載の発明によれば、触媒の温度を、触媒臭発生温度域内から触媒臭発生温度域外まで速やかに上昇させることができる。すなわち、触媒の温度は、排気熱及び触媒の排気浄化反応熱によって変化する。そのため、内燃機関の運転状態によっては、触媒の温度が触媒臭発生温度域を低温側から高温側へ通過することがあるが、当該通過の際に加熱手段を用いて触媒を加熱することにより、当該通過に要する時間を短縮することができる。また、内燃機関の運転状態によっては、触媒の温度が触媒臭発生温度域内に長時間とどまることがあるが、加熱手段を用いて触媒を加熱することにより、そのような事態を回避することができる。さらに、内燃機関の運転状態によっては、触媒の温度が触媒臭発生温度域よりも高温側から触媒臭発生温度域内まで低下することがあるが、加熱手段を用いて触媒を加熱することにより、触媒の温度を直ちに触媒臭発生温度域よりも高温側に戻すことができる。このように、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にある時間を短縮することができるため、触媒による触媒臭の発生を抑制することができる。

なお、上述した従来技術、すなわち、フューエルカット制御を実行する際に触媒により硫黄臭が発生する状態であるか否かを判定し、硫黄臭が発生する状態であると判定した場合に、スロットル開度をアイドル運転状態よりも開側に制御する技術では、触媒を加熱することができない。そのため、この従来技術では、本発明のように触媒の温度を触媒臭発生温度域よりも高温側まで上昇させることにより、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にある時間を短縮することができない。また、この従来技術では吸入空気量を強制的に増やしているため、上述の如く、当該従来技術をフューエルカット時以外の運転状態に適用することは現実的ではない。これに対し、本発明において、触媒の加熱は、吸入空気量を強制的に増やさずとも、例えばヒータを用いて行うことができる。そのため、フューエルカット時に限られず、それ以外の運転状態においても、触媒による触媒臭の発生を抑制することができる。特に、上述の如く触媒の加熱手段としてヒータを採用した場合には、内燃機関の制御性に影響を及ぼすことなく、触媒を加熱することができる（請求項３）。

また、内燃機関の運転状態によっては、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にある場合に、その温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において低下傾向となることがある。かかる場合に、加熱手段を用いて触媒を加熱すると、加熱手段から触媒に対する熱供給の結果、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にとどまる時間が却って長くなってしまうことが考えられる。

そこで、請求項２に記載の発明では、内燃機関が所定の低負荷状態であるか否かを判定し、内燃機関の低負荷状態が判定されている場合には触媒の加熱を実施しない。要するに、内燃機関の負荷に基づいて、（１）触媒臭発生温度域内の触媒の温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において、現時点で低下傾向にあること、及び（２）触媒臭発生温度域内の触媒の温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において、現時点で上昇傾向にあってもその上昇傾向が直ぐに低下傾向に転ずる蓋然性が高いことを判定し、低下傾向にあること又は低下傾向に転ずる蓋然性が高いことを判定した場合には触媒の加熱を実施しない。請求項２に記載の発明によれば、触媒の温度が触媒臭発生温度域内にとどまる時間を一層短縮することができ、ひいては触媒による触媒臭の発生をより一層抑制することができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしている。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御等を実施する。このエンジン制御システムの全体概略構成図を図１に示す。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１（吸気通路）の最上流部にはエアクリーナ１２が設けられ、エアクリーナ１２の下流側には吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１３が設けられている。エアフロメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５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（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１５に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には、吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられている。この吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排気が排気管２４（排気通路）に排出される。

エンジン１０のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５には、点火コイル等よりなる点火装置（図示略）を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx等を浄化するための三元触媒３１が設けられ、三元触媒３１には当該三元触媒３１を加熱する電気式のヒータ３１ａが設けられている。排気管２４において、三元触媒３１の上流側には、エンジン１０の排気を検出対象として混合気の空燃比（酸素濃度）を検出するためのＯ2センサ３２が設けられ、三元触媒３１の下流側には、三元触媒３１の温度を検出するための温度センサ３３が設けられている。なお、温度センサ３３は三元触媒３１に設けてもよい。

また、エンジン１０のシリンダヘッドには、冷却水温を検出するための冷却水温センサ３４や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３５が取り付けられている。その他、本システムには、アクセル開度を検出するためのアクセルセンサ３６や、車両速度を検出するための車速センサ３７等が取り付けられている。

ＥＣＵ４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４１を主体として構成され、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、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。

例えば、ＥＣＵ４０は、前述した各種センサの出力信号に基づいて燃料噴射弁１９を制御する。詳しくは、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、エアフロメータ１３の出力信号に基づいて燃料噴射量の基本噴射量を算出する基本噴射量算出機能Ｍ１と、Ｏ2センサ３２及び温度センサ３３の出力信号に基づいて燃料噴射量の補正量を算出する補正量算出機能Ｍ２と、それらの基本噴射量及び補正量に基づいて燃料噴射量の最終噴射量を算出する最終噴射量算出機能Ｍ３とを有している。そして、ＥＣＵ４０は、最終噴射量に応じて燃料噴射弁１９の開閉を制御する。これにより、エンジン１０の空燃比が目標空燃比となるように、燃料噴射弁１９による燃料噴射量が制御される。

特に、本実施形態では、上記燃料噴射量制御において、三元触媒３１の劣化の進行が抑制されるように燃料噴射量を制御している。すなわち、三元触媒３１の劣化は、当該三元触媒３１が高温かつ排気中の酸素濃度が高い状態において進行する。そこで、マイコン４１は、温度センサ３３の出力信号に基づいて三元触媒３１の温度を推定し、三元触媒３１の温度が所定の触媒劣化温度域内（例えば９００℃以上：図２参照）にある場合に、補正量算出機能Ｍ２において燃料噴射量を増補正する。これにより、三元触媒３１の温度を触媒劣化温度域外まで低下させることができ、ひいては三元触媒３１の劣化の進行を抑制することができる。

また、ＥＣＵ４０は、三元触媒３１のヒータ３１ａによる加熱を制御する。詳しくは、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、三元触媒３１のヒータ加熱を実施するか否かを判定する加熱条件判定機能Ｍ４を有している。そして、ＥＣＵ４０は、マイコン４１の加熱条件判定機能Ｍ４における判定結果に応じて、三元触媒３１のヒータ加熱を制御する。すなわち、三元触媒３１の排気浄化能力は、当該三元触媒３１の温度が所定の触媒活性温度域内（例えば３５０℃〜９００℃）にある状態において高くなる。そこで、マイコン４１は、加熱条件判定機能Ｍ４において、三元触媒３１の温度が触媒非活性温度域内にあるか否かを判定し、触媒非活性温度域内であると判定した場合にヒータ３１ａをオンし三元触媒３１を加熱する。これにより、エンジン１０始動時において、三元触媒３１の温度を触媒非活性温度域内から触媒活性温度域内まで早期に上昇させることができるため、当該エンジン１０のエミッションを改善することができる。

ところで、三元触媒３１には、排気に含まれるＳ（硫黄）成分が蓄積される。一方、三元触媒３１の温度によっては、三元触媒３１に蓄積されていたＳ成分が排気中のＣＯやＨＣと反応することによりＨ2Ｓ（硫化水素）となって大気中に放出される。Ｈ2Ｓは硫黄臭の原因となるため、その発生を抑制する必要がある。

これに対し、本実施形態では、三元触媒３１のヒータ加熱を制御することにより、硫黄臭の発生を抑制するようにしている。すなわち、三元触媒３１の温度とその温度において三元触媒３１により発生する硫黄臭の発生量との関係は、図２に示すウィンド特性を有している。詳しくは、三元触媒３１の温度が所定の硫黄臭発生温度域内（例えば５５０℃〜６５０℃）である場合に、当該三元触媒３１による硫黄臭の発生量が増大する。

そこで、本実施形態では、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にある場合に、ヒータ３１ａにより三元触媒３１を加熱する。これにより、三元触媒３１の温度を硫黄臭発生温度域内から硫黄臭発生温度域外まで速やかに上昇させることができる。すなわち、三元触媒３１の温度は、排気熱及び当該三元触媒３１の排気浄化反応熱（酸化反応熱）によって変化する。そのため、エンジン１０の運転状態によっては、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域を低温側から高温側に通過することがあるが、当該通過の際に三元触媒３１をヒータ３１ａで加熱することにより、当該通過に要する時間を短縮することができる。また、エンジン１０の運転状態によっては、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内に長時間とどまることがあるが、三元触媒３１をヒータ３１ａで加熱することにより、そのような事態を回避することができる。さらに、エンジン１０の運転状態によっては、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域よりも高温側から硫黄臭発生温度域内まで低下することがあるが、三元触媒３１をヒータ３１ａで加熱することにより、三元触媒３１の温度を直ちに硫黄臭発生温度域よりも高温側に戻すことができる。このように、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にある時間を短縮することができるため、当該三元触媒３１による硫黄臭の発生を抑制することができる。

また、エンジン１０の運転状態によっては、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にある場合に、その温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において低下傾向となることがある。かかる場合に、三元触媒３１をヒータ３１ａで加熱すると、ヒータ３１ａから三元触媒３１に対する熱供給の結果、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にとどまる時間が却って長くなることが考えられる。そこで、本実施形態では、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内であっても、エンジン１０が所定の低負荷状態である場合には、三元触媒３１のヒータ加熱を実施しないようにしている。ここで、所定の低負荷状態とは、エンジン１０の負荷が所定値よりも小さい状態を意味する。要するに、エンジン１０の負荷に基づいて、（１）硫黄臭発生温度域内の三元触媒３１の温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において、現時点で低下傾向にあること、及び（２）硫黄臭発生温度域内の三元触媒３１の温度が、排気熱及び排気浄化反応熱との関係において、現時点で上昇傾向にあってもその上昇傾向が直ぐに低下傾向に転ずる蓋然性が高いことを判定し、低下傾向にあること又は低下傾向に転ずる蓋然性が高いことを判定した場合には、三元触媒３１のヒータ加熱を実施しない。これにより、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にとどまる時間を一層短縮することができ、ひいては三元触媒３１による硫黄臭の発生を一層抑制することができる。

次に、上述した三元触媒３１に関する制御について、図３を参照しつつ詳しく説明する。図３は、触媒制御プログラムの流れを示すフローチャートである。本実施形態では、ＥＣＵ４０が本プログラムを所定周期（所定クランク角ごとに又は所定時間周期）で実行することにより、三元触媒３１の制御が実現されることを想定している。

図３に示すステップＳ１１では、ＥＣＵ４０は、温度センサ３３の出力信号に基づいて三元触媒３１の温度を算出する。続くステップＳ１２では、ＥＣＵ４０は、三元触媒３１の温度が触媒非活性温度域内であるか否かを判定する。そして、ＥＣＵ４０は、触媒非活性温度域内であると判定した場合には、ステップＳ１３においてヒータ３１ａをオンした上で、今回のプログラムの実行を終了する。一方、触媒非活性温度域外にあると判定した場合には、ＥＣＵ４０はステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ４０は、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にあるか否かを判定する。そして、ＥＣＵ４０は、硫黄臭発生温度域内にあると判定した場合にはステップＳ１５の処理に進み、硫黄臭発生温度域外であると判定した場合にはステップＳ１６の処理に進む。

ステップＳ１５では、ＥＣＵ４０は、各種センサの出力信号に基づいて、エンジン１０が所定の低負荷状態であるか否かを判定する。例えば、ＥＣＵ４０は、エアフロメータ１３の出力信号に基づいて算出される吸入空気量が所定値以下である場合や、上記燃料噴射量制御において算出される最終噴射量が所定値以下である場合に、エンジン１０の低負荷状態を判定する。そして、ＥＣＵ４０は、エンジン１０が低負荷状態であると判定した場合にはステップＳ１６の処理に進み、エンジン１０が低負荷状態でないと判定した場合にはステップＳ１３においてヒータ３１ａをオンした上で今回のプログラムの実行を終了する。なお、本ステップの低負荷状態の判定には、アクセルセンサ３６や車速センサ３７の出力信号を加味してもよい。

ステップＳ１６では、ＥＣＵ４０はヒータ３１ａをオフする。続くステップＳ１７では、ＥＣＵ４０は、三元触媒３１の温度が触媒劣化温度域内にあるか否かを判定する。そして、ＥＣＵ４０は、触媒劣化温度域内にあると判定した場合には、基本噴射量を所定量だけ増補正して最終噴射量とした上で今回のプログラムの実行を終了する。一方、触媒劣化温度域外であると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、上記増補正を行うことなく今回のプログラムの実行を終了する。

以上説明した触媒制御によれば、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にあり、かつ、エンジン１０の運転状態が所定の低負荷状態でない場合に、ヒータ３１ａがオンされて三元触媒３１の温度が上昇する。

また、三元触媒３１の温度が非活性温度域内にある場合にも、ヒータ３１がオンされ、結果として三元触媒３１の温度が触媒活性温度域内まで上昇する。さらに、三元触媒３１の温度が触媒劣化温度域内にある場合に、燃料噴射弁１９による燃料噴射量が増量され、結果として三元触媒３１の温度が触媒劣化温度域外まで低下する。

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。

三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にある場合に、ヒータ３１ａにより三元触媒３１を加熱するようにした。これにより、三元触媒３１の温度を硫黄臭発生温度域内から硫黄臭発生温度域外まで速やかに上昇させることができ、当該三元触媒３１による硫黄臭の発生を抑制することができる。

三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内であっても、エンジン１０が所定の低負荷状態である場合には、ヒータ３１ａによる三元触媒３１の加熱を実施しないようにした。これにより、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にとどまる時間を一層短縮することができ、ひいては三元触媒３１による硫黄臭の発生を一層抑制することができる。

三元触媒３１の活性化用のヒータ３１ａを、硫黄臭抑制用の加熱手段として用いた。これにより、部品点数の削減を図ることができる。

（他の実施形態）
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されてもよい。

・排気熱の一時的な上昇に伴って、三元触媒３１の温度が、硫黄臭発生温度域よりも低温側から同硫黄臭発生温度域内まで上昇することがある。排気熱の一時的な上昇の要因としては、例えば車載内燃機関においてアクセルペダルを瞬間的に大きく踏み込むアクセル操作（アクセルレーシング）が考えられる。かかる場合に、三元触媒３１のヒータ加熱を実施すると、三元触媒３１の温度が排気熱との関係において直ちに低下傾向となるにも拘わらずヒータ３１ａから当該三元触媒３１に対し熱供給がなされる結果、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域にある時間が却って長くなってしまうことが考えられる。そのため、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域よりも低温側から同硫黄臭発生温度域内まで上昇した場合において、三元触媒３１の温度が硫黄臭発生温度域内にある状態の継続時間が所定時間以上か否かを判定し、その継続時間が所定時間以上である場合には三元触媒３１のヒータ加熱を実施し、その継続時間が所定時間未満である場合には三元触媒３１のヒータ加熱を実施しないようにしてもよい。

・排気熱や三元触媒３１の排気浄化反応熱（酸化反応熱）により三元触媒３１を加熱するようにしてもよい。排気熱により三元触媒３１を加熱する手段としては、点火プラグ２５による点火時期を遅角させることや、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御することにより排気熱を高めることが考えられる。一方、排気浄化反応熱により三元触媒３１を加熱する手段としては、空燃比をリーンとするとともに三元触媒３１よりも上流側から大気（２次空気）を導入することや、空燃比を理論空燃比に対してリッチ側及びリーン側に強制的に振動させる所謂ディザ制御を実施することにより、三元触媒３１の排気浄化反応熱を高めることが考えられる。こうした加熱手段を採用すれば、三元触媒３１用のヒータが設けられていないエンジン制御システムにおいて、別途触媒加熱用のヒータを設ける必要がない。これにより部品点数の削減を図ることができる。

・本発明は、ポート噴射式エンジンに限られず、直噴式エンジンにも適用可能である。また、火花点火式エンジンに限られず、自己着火式のディーゼルエンジンにも適用可能である。

エンジン制御システムの概略構成を示す図。 三元触媒の温度と硫黄臭の発生強度との関係を説明するための説明図。 触媒制御プログラムの流れを示すフローチャート。

符号の説明

１０…エンジン（内燃機関）、３１…三元触媒（触媒）、３１ａ…ヒータ（加熱手段）、３３…温度センサ、４０…ＥＣＵ（温度判定手段、加熱制御手段、負荷判定手段）。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気に含まれる有害成分を浄化する触媒を備える排気浄化システムに適用され、
   前記触媒を加熱する加熱手段と、
   前記触媒の温度が、触媒臭が発生する温度域である触媒臭発生温度域内にあるか否かを判定する温度判定手段と、
   前記温度判定手段により触媒の温度が触媒臭発生温度域内にあると判定された場合に、前記加熱手段を用いて前記触媒を加熱する加熱制御手段と、
   を備えていることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記内燃機関が所定の低負荷状態であるか否かを判定する負荷判定手段を備え、
   前記加熱制御手段は、前記負荷判定手段により内燃機関の低負荷状態が判定されている場合には、前記触媒の加熱を実施しない請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記加熱手段としてヒータを備えている請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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