(57)【要約】【課題】  触媒の昇温速度を早めてドライバビリティや燃費の改善が図れる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】  排気管１８に介装される三元触媒コンバータ１９の触媒にＮｉ（ニッケル）を担持させ、同三元触媒コンバータ１９の触媒におけるＳ（硫黄分）被毒からの再生処理時に、ＥＣＵ２１における排気ガス空燃比強制変更手段により、前記触媒が目標設定温度に到達するまで周期的なリッチ→リーン運転を繰り返し、目標設定温度に到達したら所定時間リッチ運転を行なう。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた触媒を昇温することにより活性化又は再生する排気ガス浄化装置において、
前記触媒に担持されて触媒の昇温を促進し得る遷移金属と、
前記触媒の温度を検出又は推定する触媒温度算出手段と、
前記触媒上流の排気ガス空燃比をリーンとリッチに切替可能な排気ガス空燃比調整手段と、
前記触媒の不活性又は再生の必要を判断し触媒の昇温を決定する触媒昇温決定手段と、  前記排気ガス空燃比がリーンのとき触媒の昇温状態を算出する第１昇温状態算出手段と、
前記排気ガス空燃比がリッチのとき触媒の昇温状態を算出する第２昇温状態算出手段と、
前記第１昇温状態算出手段にて算出された昇温状態が第１所定状態となったとき排気ガス空燃比をリッチに変更し、第２昇温状態算出手段にて算出された昇温状態が第２所定状態となったとき排気ガス空燃比をリーンに変更する排気ガス空燃比強制変更手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記遷移金属はＮｉであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排気ガス空燃比強制変更手段は、前記排気ガス空燃比調整手段を介して、前記触媒が目標設定温度に到達するまで周期的なリッチ→リーン運転を繰り返し、目標設定温度に到達したら所定時間リッチ運転を行なうことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等内燃機関の排気ガス浄化装置に係り、一層詳細には排気系に介装されて排気ガス中の有害物質を浄化・低減する触媒の昇温速度を効果的に早めることができる排気ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用内燃機関（エンジン）の排気系には、例えば車両の床下に位置して床下触媒コンバータ（ＵＣＣ）が介装されており、この床下触媒コンバータでは、主として該触媒コンバータに内蔵された三元触媒によって排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化・低減している。また、近年、床下触媒コンバータに三元触媒とともに、酸化雰囲気でＮＯｘを吸蔵するとともに還元雰囲気で当該吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＯｘトラップ触媒）を備えた車両も実用化されている。
【０００３】
さらに、最近では、床下触媒コンバータ以外に、触媒の早期活性化を図るべくエンジンからの高温の燃焼ガスを受け易い排気マニホールド内や排気マニホールド直後に別途前段触媒コンバータ（ＭＣＣ、ＦＣＣ）を介装するようにし、エンジンの冷態始動直後からでも高い排気浄化性能を発揮可能にした排気ガス浄化装置が開発され実用化されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１７９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した排気ガス浄化装置においては、燃料中に含まれるＳ（サルファ，硫黄分）が触媒に付着して触媒へのＮＯｘ付着を阻害する等で触媒機能を低下させるという問題がある。触媒の失活度合いは、主にＳの触媒通過量に依存し、走行距離とともに堆積量が増し被毒劣化が進行するが、触媒が高温に晒された、排気ガス空燃比のリッチ運転条件下ではＳが脱離し、触媒性能が回復することが知られている。
【０００６】
ところが、車両走行中において触媒の高温下が比較的困難なレイアウト（例えば、ガソリン車の床下触媒コンバータ）では、一般に知られている点火リタード等の昇温制御では効果が小さい上にドライバビリティや燃費の悪化が大きいという問題点があった。また、排気ガス温度が低いディーゼル車のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）再生処理制御においても高温化が望まれるが、ポスト噴射等の燃料制御に依存する手法のみでは、大幅な燃費悪化を伴うという問題点もあった。
【０００７】
尚、特許文献１では、ＮＯｘ吸蔵触媒にＮｉ又はＮｉＯを添加させることで臭気を抑制しているもので、Ｎｉ又はＮｉＯが昇温に寄与するように空燃比制御を行なっているものではない。従って、従来どおり触媒を昇温させるために点火時期リタード等を行なっており依然として昇温に時間がかかりドライバビリティや燃費の悪化という不具合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、触媒の昇温速度を早めてドライバビリティや燃費の改善が図れる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒を昇温することにより活性化又は再生する排気ガス浄化装置において、前記触媒に担持されて触媒の昇温を促進し得る遷移金属と、前記触媒の温度を検出又は推定する触媒温度算出手段と、前記触媒上流の排気ガス空燃比をリーンとリッチに切替可能な排気ガス空燃比調整手段と、前記触媒の不活性又は再生の必要を判断し触媒の昇温を決定する触媒昇温決定手段と、前記排気ガス空燃比がリーンのとき触媒の昇温状態を算出する第１昇温状態算出手段と、前記排気ガス空燃比がリッチのとき触媒の昇温状態を算出する第２昇温状態算出手段と、前記第１昇温状態算出手段にて算出された昇温状態が第１所定状態となったとき排気ガス空燃比をリッチに変更し、第２昇温状態算出手段にて算出された昇温状態が第２所定状態となったとき排気ガス空燃比をリーンに変更する排気ガス空燃比強制変更手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記遷移金属はＮｉであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記排気ガス空燃比強制変更手段は、前記排気ガス空燃比調整手段を介して、前記触媒が目標設定温度に到達するまで周期的なリッチ→リーン運転を繰り返し、目標設定温度に到達したら所定時間リッチ運転を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、触媒の昇温を促進し得る遷移金属を担持した触媒において、排気ガス空燃比がリッチからリーンに切り替わる瞬間にベッド温度が急激に上昇する現象が得られ、触媒が早期に昇温されるので、触媒及びＤＰＦ機能の再生処理にあたって、ドライバビリティを損なうことなく消費燃料を最小限に抑えられる。また、再生処理可能な運転条件が拡大するので、排気エミッションの悪化を最小限に抑えられる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、触媒上に存在する余剰還元物質との酸化反応が促進され、排気ガス空燃比がリッチ運転からリーン運転に切り替わる瞬間にベッド温度が急激に上昇する現象がより顕著に得られる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、速やかにかつ確実に触媒及びＤＰＦ機能の再生処理制御に移行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は本発明の一実施例を示す内燃機関の排気ガス浄化装置の概略構成図、図２は同じく昇温制御処理のフローチャート、図３は同じく昇温制御のイメージを示すグラフ、図４は同じく触媒温度履歴を示すグラフ、図５はＮｉ担持量の温度特性の比較を示すグラフ、図６はＮｉ担持量に対するＨＣ浄化性能の比較を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように、内燃機関本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン運転）が実現可能である。
【００１８】
エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３とともに電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。点火プラグ３には高電圧を出力する点火コイル５が接続されている。また、燃料噴射弁４には、燃料パイプ６を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁４に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁４から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【００１９】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポート７が形成されており、各吸気ポート７と連通するようにして吸気マニホールド８の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポート９が形成されており、各排気ポート９と連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。図中１１は吸気ポート７を開閉する吸気弁で、１２は排気ポート９を開閉する排気弁である。
【００２０】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。そして、図に示すように、吸気マニホールド８には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１３及び当該スロットル弁１３の開度ｔｈを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１４が設けられている。さらに、吸気マニホールド８に接続された吸気管（吸気通路）１５には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１６が介装されている。エアフローセンサ１６としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。図中１７はエアークリーナである。
【００２１】
一方、排気マニホールド１０には排気管（排気通路）１８が接続されており、この排気管１８には、ＵＣＣとしての三元触媒コンバータ１９が介装されている。この三元触媒コンバータ１９は、ＨＣ選択酸化機能、酸素ストレージ機能（Ｏ2 Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ：ＯＳＣ）及びＣＯストレージ機能（ＣＯ Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ：ＣＯＳＣ）を兼ね備えている。
【００２２】
そして、本実施例では、前記三元触媒コンバータ１９の貴金属担持層（あるいは層分けでも良い）に、Ｎｉ（ニッケル）又はＮｉの酸化物が触媒の昇温を促進し得る遷移金属として担持されている。また、三元触媒コンバータ１９直下の排気管１８には排温センサ（触媒温度算出手段）２０が介装される。
【００２３】
車両には、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子制御ユニット）２１が設けられており、このＥＣＵ２１によりエンジン１を含めた総合的な制御が行なわれる。即ち、ＥＣＵ２１の入力側には、前述したスロットルポジションセンサ１４、エアフローセンサ１６及び排温センサ２０の他にクランク角センサ２２、アクセルポジションセンサ２３等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００２４】
一方、ＥＣＵ２１の出力側には、前述した点火コイル５を介して点火プラグ３、燃料噴射弁４及びスロットル弁１３等が接続されており、これら点火プラグ３、燃料噴射弁４及びスロットル弁１３等には、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された点火時期、燃料噴射量及びスロットル開度ｔｈ等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、点火プラグ３によって適正なタイミングで点火が実施されると共に、燃料噴射弁４から所定の空燃比（Ａ／Ｆ）となるように適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。
【００２５】
実際に、ＥＣＵ２１では、アクセルポジションセンサ２３からのアクセル開度情報とクランク角センサ２２からのエンジン回転速度情報とに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを決定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとがともに小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射される一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される（排気ガス空燃比調整手段）。
【００２６】
また、本実施例では、ＥＣＵ２１は、三元触媒コンバータ１９における触媒のＳ被毒からの再生処理制御にあたっては、図３に示すイメージに沿って触媒の昇温制御が実行される。即ち、触媒が目標設定温度（６５０℃〜７００℃）に到達するまで周期的なリッチ→リーン運転を繰り返し、目標設定温度に到達したら所定時間リッチ運転（再生処理運転）を行なうのである（排気ガス空燃比強制変更手段）。
【００２７】
前記昇温制御を図２に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。
先ず、走行距離、運転時間、触媒温度履歴、ＮＯｘセンサによる検出値等により、三元触媒コンバータ１９における触媒の再生処理制御を実行すべく昇温制御を開始する条件になったら（触媒昇温決定手段）、ステップＰ１でリッチ運転モード（λ（空気過剰率）＜１）に切り替える。
【００２８】
次に、ステップＰ２で排温センサ２０により触媒が目標温度に到達したか否かを判断し、この時点で既に可であればステップＰ７で再生処理運転（リッチ運転続行）を行ない、所定期間（時間）経過後に昇温制御を終了する。
【００２９】
一方、ステップＰ２で否であれば、ステップＰ３で昇温率が所定値１（リッチ運転での単位時間あたりの温度上昇率）以下か否かを判断し（第２昇温状態算出手段）、否であればステップＰ２に戻る。一方、可であれば（第２所定状態）、ステップＰ４でリーン運転モード（λ（空気過剰率）＞１）に切り替える。尚、温度上昇率で切り替えることによりリッチ運転による昇温効率の低下をいち早く判断することができる。
【００３０】
次に、ステップＰ５で排温センサ２０により触媒が目標温度に到達したか否かを判断し、この時点で可であればステップＰ７で即再生処理運転（リッチ運転）を行ない、所定期間（時間）経過後に昇温制御を終了する。
【００３１】
一方、ステップＰ５で否であれば、ステップＰ６で昇温率が所定値２（リーン運転での単位時間あたりの温度上昇率）以上か否かを判断し（第１昇温状態算出手段）、否であればステップＰ２に戻る。一方、可であれば（第１所定状態）、ステップＰ５に戻る。尚、昇温率の所定値１及び所定値２は等しくても良いが、リッチ運転での昇温特性とリーン運転での昇温特性に応じて所定値１≠所定値２としてもよい。例えばリーン運転での昇温率はリッチ運転に比べ急激であるため所定値１＜所定値２とすればリーン運転からリッチ運転への切替の遅れによる温度低下を抑制できる。
【００３２】
このようにして、Ｎｉ（ニッケル）又はＮｉの酸化物を担持した三元触媒コンバータ１９に燃料制御（空燃比強制変更）を組み合わせることで、触媒の昇温速度を早める（目標温度到達時間を短縮する）ことができ、触媒の再生処理時において消費燃料を最小限に抑えられ、燃費が改善される。
【００３３】
尚、本発明者等は、図４の触媒温度履歴を示すグラフで解るように、Ｎｉ担持触媒で、空燃比（Ａ／Ｆ）がリッチ（Ｒｉｃｈ）からリーン（Ｌｅａｎ）に切り替わる瞬間に中心（Ｂｅｄ）温度が急激に上昇する（逆に入口（Ｉｎｌｅｔ）温度は下がる）ことが確認できた。これは、Ｎｉ又はＮｉの酸化物はＮＯｘ触媒として利用されることがあり、またＯＳＣ機能も備え持つことが知られており、触媒上に存在する余剰還元物質との酸化反応が促進されることに起因すると考えられる。
【００３４】
また、本発明者等は、図５のＮｉ担持量の温度特性の比較を示すグラフで解るように、Ｎｉ担持量が多いほど温度上昇もそれだけ大きくなるが、逆に、図６のＮｉ担持量に対するＨＣ浄化性能の比較を示すグラフで解るように、ＨＣ浄化性能は悪化することも確認できている。因みに、図５及び図６中におけるＡ（×１）は１１ｇ／ｌ（ＮｉＯ量）程度である。
【００３５】
このように触媒の再生処理にあたって、点火リタード等に代えて燃料制御による昇温制御で早期に触媒を昇温するようにしたので、ドライバビリティを損なうことなく消費燃料を最小限に抑えられる。また、再生処理可能な運転条件が拡大するので、排気エミッションの悪化を最小限に抑えられる。
【００３６】
尚、上記実施例では、三元触媒コンバータ１９に例をとって説明したが、ＮＯｘトラップ触媒に適用することもできる。もちろん昇温を促進し得る遷移金属として、Ｎｉ又はＮｉの酸化物以外の例えばＭｎ（マンガン）等の物質を用いても良い。また、ＥＣＵ２１による昇温制御で強制的にＳ再生を行うようにしたが、ガソリンＭＰＩ（マルチポイントインジェクション）車やリーンバーン車においては、触媒がＮｉ又はＮｉの酸化物を担持していれば、運転状態によっては自然にＳ再生が行われる場合がある。さらに、本発明は、ディーゼル車のコーティッドＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）に、あるいは酸化触媒＋ＤＰＦの場合の酸化触媒（前段触媒）にＮｉ又はＮｉの酸化物を担持することで、前述した昇温制御と組み合わせてＰＭ（パティキュレートマター）再生を行う場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例を示す内燃機関の排気ガス浄化装置の概略構成図である。
【図２】同じく昇温制御処理のフローチャートである。
【図３】同じく昇温制御のイメージを示すグラフである。
【図４】同じく触媒温度履歴を示すグラフである。
【図５】Ｎｉ担持量の温度特性の比較を示すグラフである。
【図６】Ｎｉ担持量に対するＨＣ浄化性能の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１  エンジン、２  シリンダヘッド、３  点火プラグ、４  燃料噴射弁、５  点火コイル、６  燃料パイプ、７  吸気ポート、８  吸気マニホールド、９  排気ポート、１０  排気マニホールド、１１  吸気弁、１２  排気弁、１３  スロットル弁、１４  スロットルポジションセンサ、１５  吸気管、１６  エアフローセンサ、１７  エアークリーナ、１８  排気管、１９  三元触媒コンバータ、２０  排温センサ、２１  ＥＣＵ（電子制御ユニット）、２２  クランク角センサ、２３  アクセルポジションセンサ。
【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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