(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．内燃機関の排気系に設けられる電気加熱式触媒と、
ｂ．前記内燃機関が所定の運転状態にあるとき、前記電気加熱式触媒を加熱する加熱手段と、
を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置において、
ｃ．前記内燃機関の暖機運転時の運転状態に応じて燃料供給量を増量側に補正する補正値を算出する補正値算出手段と、
ｄ．前記補正値が所定の値より大きいか否かを検出する検出手段と、
および
ｅ．前記検出手段により前記補正値が所定の値より大きいことが検出されたとき、前記加熱手段による前記電気加熱式触媒の加熱を禁止する禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、より具体的には排気系に設けた電気加熱式触媒の加熱を制御するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においては排気ガス浄化装置として、排気系に三元触媒（キャタライザ）を設け、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ成分を低減して浄化を図っているが、触媒温度が活性化温度に至らない場合には浄化作用を期待し得ない。この活性化は、例えば冷間始動時などは長時間を要するため、近時は電気的に加熱してその活性化を促進するようにした電気加熱式触媒が用いられている。
【０００３】
即ち、触媒を担持する触媒担体付近に電熱ヒータを配置する、あるいは触媒担体自体を電熱ヒータ構造としてそれに通電し、抵抗加熱によって加熱する。加熱されたヒータはそこを通過する排気ガス中の未燃焼成分を燃焼させ、それによって排気系雰囲気温度を更に昇温させ、当該触媒およびその後段に配置した触媒を早期に活性化する。
【０００４】
他方、排気ガス中の未燃焼成分が多いときは燃焼温度が高くなって排気系の雰囲気温度が上がり、触媒担体（金属セル）の劣化ないし破損を早める恐れが生じる。そのため特開平７−３４８６１号公報記載の技術は、失火、点火時期の遅角制御ないしは機関始動不良の状態にあるとき、触媒への通電を禁止することを提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気ガス中の未燃焼成分が多い運転状態は上記に限られるものではなく、機関の冷間始動時などには燃料供給量が比較的多くなって排気ガス中の未燃焼成分も増加する。しかしながら、上記した従来技術は、それについて何等対策するものではなかった。
【０００６】
従って、この発明の目的は上記した従来技術の欠点を解消することにあり、燃料供給量が比較的多く、排気系雰囲気温度の昇温を助長するような運転状態においては、電気加熱式触媒の加熱を禁止し、よって触媒の早期の劣化ないし破損を防止するようにした内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、内燃機関の排気系に設けられる電気加熱式触媒と、前記内燃機関が所定の運転状態にあるとき、前記電気加熱式触媒を加熱する加熱手段と、を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記内燃機関の暖機運転時の運転状態に応じて燃料供給量を増量側に補正する補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値が所定の値より大きいか否かを検出する検出手段と、および前記検出手段により前記補正値が所定の値より大きいことが検出されたとき、前記加熱手段による前記電気加熱式触媒の加熱を禁止する禁止手段と、を備える如く構成した。
【０００８】
上記の如く、燃料供給量を増量側に補正する補正値が所定の値より大きいことが検出されたとき、電気加熱式触媒の加熱を禁止する如く構成したので、燃料供給量が比較的多くて排気ガス中の未燃焼成分が多量に発生するような運転状態において、排気系の雰囲気温度が過度に高くなることがなく、よって触媒担体（金属セル）の早期の劣化ないしは破損を効果的に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置を含む内燃機関の制御装置を概略的に示す全体図である。
【００１１】
図において、符号１０は４気筒などの多気筒内燃機関を示し、吸気管１２の先端に配置されたエアクリーナ（図示せず）から導入された吸気は、スロットル弁１４でその流量を調節されつつサージタンクと吸気マニホルド（共に図示せず）を経て、各気筒へ流入される。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近には燃料噴射弁１６が設けられて燃料を噴射する。噴射されて吸気と一体となった混合気は、各気筒内で図示しない点火プラグで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動する。
【００１２】
燃焼後の排気ガスは、排気弁（図示せず）および排気マニホルド（図示せず）を介して排気管１８に送られる。排気管１８には上流側から順に、電気加熱式触媒（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）  （以下「ＥＨＣ」と言う）２０、スタート触媒２２および三元触媒２４が配置され、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ成分などを浄化する。尚、スタート触媒２２（ライトオフキャタリストとも通称される）も、主として機関始動直後の排気ガス浄化効率向上のために設けられた、比較的小径で小型の触媒である。
【００１３】
ＥＨＣ２０の本体部、即ち、触媒を担持する担体は、素材を押し出し成形した後、焼結してセラミック化し、次いで厚さ１０ｃｍ程度に裁断して製作される金属セルからなる。図２に示す如く、金属セル２００にはスリット２０２が適宜箇所に穿設され、その間に電流路２０４が形成され、それ自体が電熱ヒータ構造を備える。電流路２０４は両端において正負極端子部２０６，２０８に接続される。
【００１４】
ここで、図１において切換スイッチ２６の端子２６ａが２６ｂに切り換えられると、正負極端子部２０６，２０８はオルタネータ２８に接続され、オルタネータ２８より電流の供給を受けて金属セル２００が加熱する。その結果、ＥＨＣ２０はそこを通過する排気ガス中の未燃焼成分を捕捉して燃焼させ、その化学反応熱で更に昇温して活性化温度に迅速に到達すると共に、排気系の雰囲気温度を昇温させて後段のスタート触媒２２および三元触媒２４の活性化も促進する。
【００１５】
また、排気管１８にはＥＨＣ２０配置位置の上流側に通路３０が接続されており、通路３０の他端には空気ポンプ３２が設けられて２次空気を供給する。空気ポンプ３２は、酸素を供給して未燃焼成分の燃焼を促進し、浄化効率を向上させるためのものである。
【００１６】
図１において内燃機関１０のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）の周囲にはピストン（図示せず）の所定クランク角度ごとに信号を出力するクランク角センサ（図１に「ＮＥ」と示す）３６と、特定気筒の特定クランク角度で信号を出力する気筒判別センサ（図１に「ＣＹＬ」と示す）３８が設けられる。
【００１７】
また、スロットル弁１４にはその開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ（図１に「θＴＨ」と示す）４０が接続されると共に、吸気管１２はスロットル弁１４下流で分岐され、分岐路４２の末端には管内の吸気圧力（絶対圧力）に応じた信号を出力する絶対圧センサ（図１に「ＰＢＡ」と示す）４４が設けられる。
【００１８】
更に、吸気管１２において分岐位置の下流には吸入空気の温度に応じた信号を出力する吸気温センサ（図１に「ＴＡ」と示す）４６が設けられると共に、機関のシリンダブロックなどの適宜位置には機関冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ（図１に「ＴＷ」と示す）４８が設けられる。
【００１９】
更に、排気管１８においては前記した通路３０の上流側に、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する第１のＯ２  センサ（酸素濃度センサ）５０が設けられると共に、スタート触媒２２と三元触媒２４の間には第２のＯ２  センサ５２が設けられる。また、第２のＯ２  センサ５２の付近には、排気系の雰囲気温度に応じた信号を出力する排気温センサ（図１に「Ｔｃａｔ」と示す）５３が設けられる。
【００２０】
ここで、第１、第２のＯ２  センサ５０，５２もヒータ部を備え、通電回路（図１では図示省略）を介して通電されると、検出素子を加熱する。尚、かかるＯ２  センサは例えば特開平１−２３２２４６号および特開平２−２４５５０号公報より公知なので、その構造の説明は省略する。
【００２１】
これらセンサ群の出力は、制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と言う）５４に送られる。
【００２２】
ＥＣＵ５４は、入力回路５４ａ、ＣＰＵ５４ｂ、記憶手段５４ｃ、および出力回路５４ｄよりなる。入力回路５４ａは、各種センサからの入力信号波形を整形する、信号レベルを所定レベルに変換する、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する、などの処理を行う。記憶手段５４ｃは、ＣＰＵ５４ｂが実行する各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する。
【００２３】
ＣＰＵ５４ｂは、上述の検出パラメータに基づき、出力回路５４ｄを介して、後述の如く切換スイッチ２６の端子２６ａを端子２６ｂに接続し、オルタネータ２８の出力を接続してＥＨＣ２０へ通電する。オルタネータ２８はレギュレータ５６を備えており、ＣＰＵ５４ｂは出力回路５４ｄを介してデューティパルスをレギュレータ５６に出力し、オルタネータ２８の発電電圧を目標の値に制御する。
【００２４】
ここで切換スイッチ２６の端子２６ａが端子２６ｃに切り換えられると、オルタネータ２８の出力はバッテリ５８の正電極に接続され、バッテリ５８を充電する。バッテリ５８の正電極は線６０を介して前記した空気ポンプ３２のモータ（図示せず）を含む電気負荷に接続される。ＣＰＵ５４ｂはそのモータの制御を通じて空気ポンプ３２の動作を制御すると共に、燃料噴射量（燃料供給量）を決定し、決定した量に対応する時間、燃料噴射弁１６を開弁させることで燃料噴射制御（燃料供給量の制御）を行う。
【００２５】
図３は、その燃料噴射制御を示すフロー・チャートである。
【００２６】
以下説明すると、先ずＳ１０において検出した機関回転数ＮＥと吸気圧力ＰＢＡ（機関負荷）とから記憶手段５４ｃに格納されたマップを検索して基本値Ｔｉｍを求める。次いでＳ１２に進んで乗算形式で行う各種補正項ＫＴＯＴＡＬ（後述）を求め、Ｓ１４に進んで加算形式で行う大気圧補正などの各種補正項ＴＴＯＴＡＬを求め、Ｓ１６に進んで図示の如く燃料噴射量Ｔｏｕｔ（燃料噴射弁１６の開弁時間として求められる）を算出する。尚、燃料噴射弁１６の無効時間は燃料噴射量Ｔｏｕｔの指令時に別途加算される。
【００２７】
上記において、乗算形式で行う各種補正項ＫＴＯＴＡＬは具体的には、機関の暖機運転時の増量側の補正項およびその他の補正項とに大別される。ここで、暖機運転時の増量側の補正項は、ＫＴＷ：水温による補正項、ＫＴＡ：吸気温による補正項、ＫＣＲ：始動モードの補正項などからなる。以下、暖機運転時の増量側の補正項をＫＷＵと総称する。また、その他の補正項は、加速増量補正項ＫＡＣＣ、バッテリ電圧補正項ＫＶＢ、空燃比補正項ＫＯ２  などからなる。
【００２８】
次いで図４フロー・チャートを参照してこの発明に係る排気ガス浄化装置の動作を説明する。尚、このフロー・チャートは所定の時間間隔で起動される。
【００２９】
先ず、Ｓ２０において前記した暖機運転時の増量側の補正項ＫＷＵを所定値Ｋｒｅｆと比較し、所定値を超えているか否か判断する。ＫＷＵは乗算形式による補正項であることから、具体的にはＫＴＷ＝１．１，ＫＴＡ＝１．３のように係数で示されるが、ここではそれらを乗算し、その積（例えば１．４３）が所定値（例えば２．０）を超えているか否かで判断する。
【００３０】
Ｓ２０においてＫＷＵが所定値Ｋｒｅｆを超えていると判断されるときはＳ２２に進んでフラグＦＥＨＣを０にリセットする。他方、Ｓ２０においてＫＷＵの合算値が所定値Ｋｒｅｆを超えていないと判断されるときはＳ２４に進んでクランキング時間（機関が始動モードにある時間）ＴＣＲが所定時間Ｔｒｅｆを超えているか否か判断する。
【００３１】
これは具体的には機関回転数ＮＥが４００ｒｐｍ付近の完爆回転数にある時間（ないしはスタータのオン時間）を計測し、所定値Ｔｒｅｆと比較することで行う。そしてＳ２４においてクランキング時間が所定値Ｔｒｅｆを超えていないと判断されるときはＳ２６に進んで前記したフラグＦＥＨＣを１にセットする。
【００３２】
次いで、ＥＨＣ２０の通電制御を説明する。
【００３３】
図５はその動作を示すフロー・チャートであり、先ずＳ１００においてイグニッションスイッチ（図示せず）がオンされているか否か判断し、肯定されるときはＳ１０２に進んで前記したフラグＦＥＨＣが１にセットされているか否か判断する。そして、Ｓ１０２で否定されるときはＳ１０４に進んでＥＨＣをＯＦＦ、即ち、ＥＨＣ２０への通電を行わない。
【００３４】
この結果、機関が暖機運転時にあって、かつ増量側の補正項の合算値が所定値を超えるとき、即ち、燃料噴射量（燃料供給量）が比較的多いときはＥＨＣ２０が通電されないので、ＥＨＣ２０は加熱することがない。即ち、もしＥＨＣ２０が通電されて加熱されたとすると、ＥＨＣ２０を通過する排気ガス中の未燃焼成分を捕捉して再燃焼させ、その化学反応熱で排気系の雰囲気温度を更に昇温させる。
【００３５】
そのとき、暖機運転時のように燃料噴射量が多く、排気ガス中の未燃焼成分が多いときは燃焼温度が過度に高くなってＥＨＣ２０の金属セル（触媒担体）ないしは後段のスタート触媒２２および三元触媒２４の劣化、破損を早める恐れがある。しかしながら、上記のように構成した結果、燃料噴射量が比較的多いときはＥＨＣ２０が通電されないことから、そのような不都合が生じる恐れがない。
【００３６】
これは、図４フロー・チャートのＳ２４においてクランキング時間ＴＣＲが所定時間Ｔｒｅｆを超えると判断されたときも同様である。その場合も始動時間が長いことから、未燃焼成分がそれだけ多量に排気系に排出されるからである。
【００３７】
尚、前記した所定値Ｋｒｅｆないし所定時間Ｔｒｅｆは、上記から逆に言えば、排気系雰囲気温度の昇温を助長してＥＨＣ２０の金属セル（触媒担体）などの劣化ないし破損を早める恐れがある未燃焼成分を発生する運転状態を識別するに足るほどの値を求めることで決定する。
【００３８】
図５フロー・チャートに説明に戻ると、続いてＳ１０６に進み、検出した機関回転数ＮＥ、吸気温ＴＡ、機関冷却水温ＴＷ、および排気系雰囲気温度Ｔｃａｔを読み出し、Ｓ１０８に進んでＥＨＣ２０のヒータ部の通電時間ＴＯＮおよび印加電圧ＶＥＨＣを決定する。印加電圧ＶＥＨＣの値は例えば、冷間始動時には３０ｖ程度に決定される。
【００３９】
ここで通電時間ＴＯＮは図６ないし図８に示す如く、排気系雰囲気温度Ｔｃａｔ、吸気温ＴＡないしは機関冷却水温ＴＷが高温になるほど短くなるように決定される。また、印加電圧ＶＥＨＣも図９ないし図１１に示す如く、排気系雰囲気温度Ｔｃａｔ、吸気温ＴＡないしは機関冷却水温ＴＷが高温になるほど小さくなるように決定される。
【００４０】
次いでＳ１１０に進んで機関回転数ＮＥが完爆判定用回転数ＮＥＫに達したか否か判断し、肯定されるときはＳ１１２ないしＳ１１６に進んで排気系雰囲気温度Ｔｃａｔ、吸気温ＴＡおよび機関冷却水温ＴＷがそれぞれ所定値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで規定される範囲内にあるか否か判断する。
【００４１】
そして、Ｓ１１２ないしＳ１１６で肯定されるときはＳ１１８に進み、切換スイッチ２６の端子２６ａを端子２６ｂに接続すると共に、オルタネータ２８の出力電圧が決定された印加電圧ＶＥＨＣとなるようにレギュレータ５６を介して制御し、ＥＨＣ２０のヒータ部に通電する。そしてＳ１２０に進んで時間ＴＯＮの経過を判断し、経過後と判断されるときは切換スイッチ２６の端子２６ａを２６ｃに切換えてＥＨＣ２０のヒータ部への通電を停止する。
【００４２】
尚、Ｓ１００，Ｓ１０２およびＳ１１０ないしＳ１１６で否定されるときはＳ１０４に進んでＥＨＣ２０のヒータ部への通電を中止する。
【００４３】
尚、図示は省略するが、上記したＥＨＣ２０のヒータ部の通電制御と同時に、前記した空気ポンプ３２を動作させて２次空気を供給する。
【００４４】
この発明の実施の形態は上記の如く、暖機運転時ないしは始動時間が長い場合などにあって燃料噴射量（燃料供給量）が比較的多いときはＥＨＣ２０に通電しないようにしたことから、排気系の雰囲気温度を過度に昇温させてＥＨＣ２０の金属セル（触媒担体）ないしは後段のスタート触媒２２および三元触媒２４の早期の劣化、破損を効果的に回避することができる。
【００４５】
ここで、請求項と発明の実施の形態との関係について述べると、図３フロー・チャートに述べるステップが補正値算出手段に、図４フロー・チャートに述べるステップが検出手段に、図５フロー・チャートのＳ１０２のステップが禁止手段に相当する。
【００４６】
尚、上記において乗算形式による補正項のうち、該当する補正項の積を求め、それを所定値と比較することで燃料噴射量（燃料供給量）の多寡を検出するようにしたが、それに限られるものではなく、該当する補正項の加算値を求め、それを所定値と比較することで行っても良い。更に、同種の補正値が加算項で与えられるときは、該当する加算項の加算値（あるいは積）を、適宜設定する所定の値と比較することで行うことは言うまでもない。
【００４７】
更には、補正項の合算値を所定値と比較することで燃料噴射量（燃料供給量）の多寡を検出するようにしたが、補正項の一部を適宜設定する所定の値と比較することで行っても良い。
【００４８】
更には、燃料噴射量（燃料供給量）の合計値（前記したＴｏｕｔ）を適宜設定する所定の値と比較することで行っても良い。
【００４９】
更には、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の例として押し出し成形してなるものを示したが、これに限るものでなく、メタルホイル型と呼ばれる金属材を渦巻き状に重ね合わせてなるものであっても良い。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１項に係る内燃機関の排気ガス浄化装置にあっては、燃料供給量を増量側に補正する補正値が所定の値より大きいことが検出されたとき、電気加熱式触媒の加熱を禁止する如く構成したので、燃料供給量が比較的多くて排気ガス中の未燃焼成分が多量に発生するような運転状態において排気系の雰囲気温度が過度に高くなることがなく、よって触媒担体（金属セル）の早期の劣化ないし破損を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置を含む内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１の電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の触媒担体部の説明平面図である。
【図３】図１の内燃機関制御装置の燃料噴射制御を示すフロー・チャートである。
【図４】図１の排気ガス浄化装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図５】図１の電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の通電制御を示すフロー・チャートである。
【図６】図５の制御で用いる排気系雰囲気温度に対するヒータ通電時間の特性を示す特性図である。
【図７】図５の制御で用いる吸気温に対するヒータ通電時間の特性を示す特性図である。
【図８】図５の制御で用いる機関冷却水温に対するヒータ通電時間の特性を示す特性図である。
【図９】図５の制御で用いる排気系雰囲気温度に対するヒータ印加電圧の特性を示す特性図である。
【図１０】図５の制御で用いる吸気温に対するヒータ印加電圧の特性を示す特性図である。
【図１１】図５の制御で用いる機関冷却水温に対するヒータ印加電圧の特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０  内燃機関
２０  電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
２２  スタート触媒
２４  三元触媒
２６  切換スイッチ
２８  オルタネータ
４４  絶対圧センサ
４６  吸気温センサ
４８  水温センサ
５３  排気温センサ
５４  制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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