(57)【要約】【課題】内燃機関の還流排気温度の制御によりＮＯｘとＨＣ、ＣＯの放出量を低減する。【解決手段】内燃機関１は排気の一部を吸気に還流するＥＧＲ通路３０と、排気中の還元物質を所定の活性温度領域で吸着し、酸化する酸化触媒２１と、を備える。ＥＧＲ通路３０はＥＧＲクーラ３４と、ＥＧＲクーラ３４を迂回するバイパス通路３７と、これらを切り換えるバイパス弁３８を備える。コントローラ７０によるバイパス弁３８の制御により還流排気温度を調整する。コントローラ７０は酸化触媒２１の還元物質処理が必要を満たせる環境では還流排気がＥＧＲクーラ３４を通るようにバイパス弁３８を制御することで、ＮＯｘの生成量を減らし、酸化触媒２１の還元物質処理が必要を満たせない環境では還流排気がバイパス通路３７を通るようにバイパス弁３８を制御することで、酸化触媒２１の活性化を促進する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中の還元物質を所定の活性温度で吸着する酸化触媒と、排気の一部を吸気に還流する排気還流通路とを備えた内燃機関の還流排気温度の制御装置において、排気還流通路の還流排気温度を調整する還流排気温度調整手段と、酸化触媒の活性度を検出する活性度検出手段と、内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を検出する手段と、酸化触媒の活性度と還元物質の排出量または排出濃度とに基づき還流排気温度調整手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項２】
制御手段は酸化触媒の活性度が低いほど、還流排気の温度を上昇させるように還流排気温度調整手段を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項３】
制御手段は還元物質の排出量または排出濃度が大きいほど、還流排気の温度を上昇させるよう還流排気温度調整手段を制御する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項４】
還流排気温度調整手段は、排気還流通路の還流排気を冷却する排気還流クーラと、排気還流通路の還流排気を排気還流クーラを迂回して流下させるバイパス弁とで構成される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項５】
内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を検出する手段は、内燃機関の運転状態を検出する手段と、内燃機関の運転状態に基づき内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を計算する手段と、を備える、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項６】
内燃機関の運転状態は内燃機関の回転速度、負荷、空気過剰率、及び吸気温度である、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項７】
内燃機関の負荷と回転速度を検出する手段をさらに備え、制御手段は内燃機関の負荷が所定負荷を上回るか内燃機関の回転速度が所定速度を上回る場合には、還流排気の温度を低下させるよう還流排気温度調整手段を制御する、ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項８】
還元物質は炭化水素である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関の還流排気温度の制御装置。
【請求項９】
排気中の還元物質を所定の活性温度で吸着する酸化触媒と、排気の一部を吸気に還流する排気還流通路と、排気還流通路の還流排気温度を調整する還流排気温度調整手段とを備えた内燃機関の還流排気温度の制御方法において、酸化触媒の活性度を検出し、内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を検出し、酸化触媒の活性度と還元物質の排出量または排出濃度とに基づき還流排気温度調整手段を制御する、ことを特徴とする内燃機関の還流排気温度の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化窒素浄化触媒を備えた内燃機関における還流排気温度の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気管に酸化触媒を備えた圧縮着火式内燃機関において、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減らすためには、内燃機関の燃焼温度を低下させることが有効である。
【０００３】
燃焼温度を低下させる手段として、内燃機関の排気の一部を吸気通路に還流する排気還流（ＥＧＲ）が知られている。さらに、還流される排気の温度を下げるために、ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲクーラを設け、エンジンの冷却水を用いてＥＧＲガスを冷却することも行なわれている。
【０００４】
一方，圧縮着火式内燃機関の排気に含まれる還元物質である炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を浄化するためには、排気管に酸化触媒を備えることが有効である。酸化触媒は担体に担持された貴金属で構成される。酸化触媒はある程度高い温度で活性化し、排気中のＨＣやＣＯを吸着する。酸化触媒は吸着したＨＣやＣＯを、さらに高い温度領域で放出するとともに、触媒作用で水蒸気（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）へと変換する。変換後の水蒸気や二酸化炭素は大気に放出される。
【０００５】
排気管に酸化触媒を備えた圧縮着火式内燃機関においては、ＮＯｘの排出量を減らすために燃焼温度を下げると、酸化触媒の活性化に時間がかかったり、内燃機関の低負荷運転時に、酸化触媒の温度が活性温度を下回る可能性がある。
【０００６】
この矛盾を解消すべく、特許文献１の従来技術は、ＥＧＲクーラにバイパス通路を設け、酸化触媒の活性度が低い場合には、バイパス通路を開いて、ＥＧＲガスの冷却効率を下げることで、還流排気の温度を上昇させ、酸化触媒の活性度を所定の活性度へと高めることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８０１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、酸化触媒の活性度を、一律に所定の活性度に高めることは、必ずしも好ましい排気浄化環境をもたらさない。例えば，酸化触媒が所定の活性度を達成していても、圧縮着火式内燃機関のＨＣやＣＯの排出量が多い場合には、酸化触媒がそれらを吸着し切れず、ＨＣやＣＯが大気中に放出されてしまう可能性がある。逆に圧縮着火式内燃機関のＨＣやＣＯの排出量が少ない場合に、酸化触媒の活性度を高めるために、ＥＧＲガスの温度を上昇させると、ＮＯｘやスート（煤）の排出量を増やしてしまう可能性がある。
【０００９】
この発明の目的は、したがって、還流排気の温度制御を通じて内燃機関のＮＯｘと還元物質の放出量を最小化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は排気中の還元物質を所定の活性温度で吸着する酸化触媒と、排気管の排気の一部を吸気に還流する排気還流装置とを備えた内燃機関の還流排気温度の制御装置において、触媒の活性度を検出する手段と、内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を検出する手段と、触媒の活性度と還元物質の排出量または排出濃度とに基づき還流排気の温度を制御する手段と、を備えている。
【００１１】
この発明はまた、上記の内燃機関の還流排気温度の制御方法において、酸化触媒の活性度を検出し、内燃機関が排出する還元物質の排出量または排出濃度を検出し、触媒の活性度と還元物質の排出量または排出濃度とに基づき還流排気の温度を制御している。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、酸化触媒の活性度と内燃機関の還元物質の排出量または排出濃度に基づき還流排気の温度を制御するので、酸化触媒の活性度と内燃機関の還元物質排出状態に応じて、酸化触媒の活性化が必要な場合にのみ吸気温度を上昇させる。ＨＣ、ＣＯなどの還元物質の放出量を低減するとともに、酸化触媒の活性化のために不必要に吸気温度を上昇させないので、ＮＯｘの放出量も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明による還流排気温度の制御装置を備えた車両用の圧縮着火式の内燃機関の概略構成図である。
【図２】この発明によるコントローラが実行するバイパス弁制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図３】コントローラが格納する内燃機関の運転条件判別マップの特性を示すダイアグラムである。
【図４】コントローラが格納するバイパス弁開閉マップの特性を示すダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照すると、車両用の４気筒圧縮着火式の内燃機関１は、吸気通路１０から吸気弁４を介して各気筒に吸入した空気に、燃料噴射弁４０が燃料を噴射することで気筒内に混合気を生成する。混合気は気筒内に収装されたピストン２の往復運動によって圧縮され、圧縮に伴う温度上昇により着火して燃焼する。燃焼により発生する燃焼ガスは排気弁５から排気通路２０を通って排出される。
【００１５】
吸気通路１０には吸気を過給するターボ過給器５０のコンプレッサと、吸気流量を調整する吸気スロットル３２が設けられる。吸気通路１０は吸気コレクタ１１を介して各気筒に接続される。
【００１６】
排気通路２０にはターボ過給器５０の排気タービンと、排気中の還元物質を所定の活性温度域で吸着し、活性温度域のリーン雰囲気で放出するとともに酸化する酸化触媒２１が設けられる。また、排気タービンの上流から、排気の一部を吸気コレクタ１１に還流する排気還流（ＥＧＲ）通路３０が排気通路２０に接続される。
【００１７】
ＥＧＲ通路３０には還流排気を冷却するＥＧＲクーラ３４と、排気還流（ＥＧＲ）流量を調整する排気還流（ＥＧＲ）弁３１が設けられる。さらにＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３７と、コントローラ７０から入力される切り換え信号に応じてバイパス通路３７とＥＧＲクーラ３４との間でＥＧＲ通路３０の流れを切り換えるパイパス弁３８とが設けられる。
【００１８】
燃料噴射弁４０はコモンレール４１に接続される。コモンレール４１は内燃機関１のクランク軸により駆動される高圧燃料ポンプ４３が吐出した高圧燃料を一時的に貯留する。燃料噴射弁４０はコントローラ７０から入力されるパルス幅変調信号に応じて開くことでコモンレール４１に貯留された燃料を各気筒内に噴射する。
【００１９】
コントローラ７０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）を備えたプログラム可能なマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０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。
【００２０】
パイパス弁３８の開閉制御のために、コントローラ７０には車両が備えるアクセルペダルの踏み込み量Ａｃｃを検出するアクセルペダル踏み込み量センサ６１、エンジン回転速度と内燃機関１のクランク角ＣＡを検出するクランク角センサ６０、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ１３、酸化触媒２１のベッド温度を検出する温度センサ２２がそれぞれ信号回路で接続される。
【００２１】
コントローラ７０はこれらの入力信号に基づき酸化触媒の活性度を判定し、内燃機関１が排出する還元物資の排出濃度を計算する。この実施形態では還元物質として炭化水素（ＨＣ）を想定しているが、還元物質は一酸化炭素（ＣＯ）でも良い。また、還元物資の排出濃度の代わりに排出量を計算しても良い。
【００２２】
また、コントローラ７０は酸化触媒の活性度とＨＣ排出量とに基づき、酸化触媒の活性度が低いほど、またＨＣ排出量が多いほど、排気温度の上昇が必要であると判定し、バイパス弁３８を開放する。なお、バイパス弁３８の開放は、バイパス通路３７をＥＧＲ通路３０に接続し、ＥＧＲクーラ３４をＥＧＲ通路３０から遮断することを意味する。バイパス弁３８の閉鎖は、バイパス通路３７をＥＧＲ通路３０から遮断し、ＥＧＲクーラ３４をＥＧＲ通路３０に接続することを意味する。
【００２３】
以上の制御を実現するために、コントローラ７０は図２に示すバイパス弁制御ルーチンを実行する。このルーチンは内燃機関１の運転中に一定の時間間隔、例えば１０ミリ秒間隔、で繰り返し実行される。
【００２４】
図２を参照すると、ステップＳ１でコントローラ７０は、エンジン回転速度、エンジン負荷、及びエンジン冷却水温を読み込む。エンジン回転速度はクランク角センサ６０からの入力信号から求められる。エンジン負荷にはアクセルペダル踏み込み量センサ６１が検出したアクセルペダルの踏み込み量Ａｃｃを適用する。エンジン冷却水温は水温センサ１３からの入力信号から求められる。
【００２５】
ステップＳ２でコントローラ７０は、あらかじめＲＯＭに格納された図３に示す特性を有するマップを参照して、エンジン回転速度、エンジン負荷、及びエンジン冷却水温から内燃機関１の運転条件が領域Ｃに該当するかどうかを判定する。
【００２６】
このマップにおいて、領域Ａは冷却水温が摂氏４０度以下で、かつエンジン負荷とエンジン回転速度が図の一点鎖線に囲まれた範囲に存在する領域である。領域Ｂは、冷却水温が摂氏４０度以上６０度未満で、かつエンジン負荷とエンジン回転速度が図の破線に囲まれた範囲に存在する領域である。領域Ｃは領域Ａと領域Ｂのいずれにも該当しない領域である。領域Ｃにおいては酸化触媒２１によるＨＣのトラップと酸化に適した条件が得られる。
【００２７】
ステップＳ２の判定の結果、内燃機関１の運転条件が領域Ｃに該当する場合は、コントローラ７０は吸気温度がそれ以上に上昇しないように、ステップＳ３でバイパス弁３８を閉じ、還流排気をＥＧＲクーラ３４により冷却する。ステップ３の処理の後、コントローラ７０はルーチンを終了する。
【００２８】
一方、ステップＳ２の判定の結果、内燃機関１の運転条件が領域Ａまたは領域Ｂに該当する場合は、コントローラ７０はステップＳ４で酸化触媒２１の触媒活性度と内燃機関１のＨＣ排出濃度を計算する。
【００２９】
酸化触媒２１の触媒活性度は温度センサ２２が検出する酸化触媒２１のベッド温度に基づき判定する。
【００３０】
内燃機関１のＨＣ排出濃度は次のようにして求める。すなわち、内燃機関１のエンジン回転速度とエンジン負荷、空気過剰率、吸気温度などのパラメータを用いた公知の推定演算により、内燃機関１のＨＣ排出濃度を求める。実務的には、パラメータとＨＣ排出濃度との関係をマップにしておき、パラメータからマップを参照してＨＣ排出濃度を求めることができる。ＨＣ排出濃度に代えてＨＣ排出量を求めても良い。
【００３１】
ステップＳ５でコントローラ７０は、求めた酸化触媒２１の触媒活性度と、内燃機関１のＨＣ排出濃度とに基づき、あらかじめＲＯＭに格納された図４に示す特性のバイパス弁開閉マップを参照して、酸化触媒２１の触媒活性度と、内燃機関１のＨＣ排出濃度とが、バイパス弁３８を開放すべき領域ａとバイパス弁３８を閉鎖すべき領域ｂのいずれに該当するかを判定する。図４のマップの特性として、触媒活性度が高いほど領域ｂの確率が高く、内燃機関１のＨＣ排出濃度が高いほど領域ａの確率が高い。
【００３２】
ステップＳ５で酸化触媒２１の状態と内燃機関１のＨＣ排出濃度との関係が、領域ａに相当すると判定した場合には、コントローラ７０はステップＳ６でバイパス弁３８を開放する。一方、ステップＳ５で酸化触媒２１の状態と内燃機関１のＨＣ排出濃度との関係が、領域ｂに相当すると判定した場合には、コントローラ７０はステップＳ７でバイパス弁３８を閉鎖する。ステップＳ６またはＳ７の処理の後、コントローラ７０はルーチンを終了する。
【００３３】
以上の制御により、内燃機関１の運転条件が図３の領域Ａまたは領域Ｂにあり、かつ酸化触媒２１の状態が領域ａにある場合にのみ、コントローラ７０はバイパス弁３８を開いてＥＧＲクーラ３４による還流排気の冷却を阻止する。この領域ａでは、排気中のＨＣが酸化触媒２１に吸着されずに、酸化触媒２１をすり抜ける確率が高い。したがって、還流排気の冷却を阻止することで、内燃機関１の吸気温度を上昇させ、酸化触媒２１の活性化を促進するのである。
【００３４】
一方、内燃機関１の運転条件が図３の領域Ａまたは領域Ｂにあり、かつ酸化触媒２１の状態が領域ｂにある場合には、コントローラ７０はバイパス弁３８を閉じてＥＧＲクーラ３４による還流排気の冷却を行なう。領域ｂでは、排気中のＨＣは酸化触媒２１に吸着される。この領域では酸化触媒２１によるＨＣ吸着のために吸気温度を上げる必要はない。そこで、ＥＧＲクーラ３４により還流排気を冷却して吸気温度を下げることで、内燃機関１のＮＯｘ排出量を低下させるのである。
【００３５】
以上のように、この発明による内燃機関の還流排気温度の制御装置は、内燃機関１の還元物質排出量が少ない場合や、酸化触媒２１の活性度が高い環境では、還流排気の温度を下げて内燃機関１の吸気温度を低下させ、内燃機関１のＮＯｘ排出量を低減する。一方、内燃機関１の還元物質排出量が多い場合や、酸化触媒２１の活性度が低い環境では、還流排気の温度を下げないようにして内燃機関１の吸気温度を上昇させ、酸化触媒２１の活性化を促進する。したがって、内燃機関１の運転に伴って大気中に放出されるＮＯｘの放出量と、ＨＣやＣＯなどの還元物質の放出量をともに低減することができる。
【００３６】
以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲で上記の実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
【００３７】
例えば上記の実施形態においては、制御に必要なパラメータをそれぞれセンサを用いて検出しているが、この発明はパラメータの取得方法に依存せず、パラメータを用いてクレームされた制御を実行する、内燃機関の還流排気温度のいかなる制御装置及び制御方法にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    内燃機関
１３  水温センサ
２１  酸化触媒
２２  温度センサ
２４  温度センサ
３０  ＥＧＲ通路
３４  ＥＧＲクーラ
３７  バイパス通路
３８  バイパス弁
６０  クランク角センサ
６１  アクセルペダル踏み込み量センサ
７０  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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