(57)【要約】【課題】排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関の出力トルクを要求の出力トルクにあわせつつ、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】本発明の排気浄化装置は、排気浄化触媒よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、内燃機関本体から排出された排気を排気再循環通路を介して吸気系に再循環させ、内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、触媒暖機手段による排気浄化触媒の暖機実行中に、内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、
前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、
前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記トルク制御手段は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としての機能と、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機としての機能とを備えるモータ・ジェネレータを有し、該モータ・ジェネレータにより前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記触媒暖機手段による暖機実行前に、燃焼を伴うことなく前記モータ・ジェネレータにより前記内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングより加熱されたガスを前記排気浄化触媒に通過させてから前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させる予備暖機手段を具備する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記内燃機関の燃焼停止後、燃焼を伴うことなく前記モータ・ジェネレータにより前記内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより、前記内燃機関本体から排出された既燃ガスを前記排気浄化触媒に通過させてから前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させる、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記触媒暖機手段による暖機完了後の前記内燃機関の運転中において、前記内燃機関のトルク変動が所定値よりも大きくなった場合、前記トルク制御手段により前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し、前記内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関本体から排出された排気中に含まれる有害な成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車用内燃機関においては、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）などの有害成分を浄化するために内燃機関の排気系に排気浄化触媒が配置された排気浄化装置が知られている。
【０００３】
このような排気浄化装置に使用される排気浄化触媒としては、例えば、三元触媒が広く知られている。該三元触媒は、不完全燃焼成分であるＨＣ及びＣＯの酸化反応と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯｘの還元反応とを同時に促進し、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの外部への排出を低減させる機能を有する。
【０００４】
このような三元触媒に代表される排気浄化触媒の浄化性能は、一般に、使用時の排気浄化触媒の温度に大きく依存することが知られている。例えば、排気浄化触媒として貴金属触媒を使用する場合において該触媒の有する浄化性能を有効に発揮させるためには、触媒温度を、ある一定の温度、例えば約２５０℃以上に昇温させることが必要であることが知られている。
【０００５】
このため、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒が排気浄化機能を有効に発揮できる温度（以下、触媒活性温度と称する）に暖機されるまでの機関冷間始動時においては、排気浄化触媒による排気中の有害成分の浄化は期待できず、排気エミッションの悪化を抑制すべく何らかの手段を講ずる必要がある。
【０００６】
例えば、内燃機関の吸気系と、排気浄化触媒よりも下流の内燃機関の排気系とを排気再循環通路（ＥＧＲ通路）でつなぎ、該排気再循環通路内に制御弁（ＥＧＲ弁）を配設し、該制御弁と排気通路との間の排気再循環通路内にＨＣ吸着触媒を配設し、排気浄化触媒の不活性状態時には、排気浄化触媒が活性状態になるまで制御弁を閉弁した上で排気を排気再循環通路内に導くようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、排気浄化触媒を不活性状態から活性状態にするには相当の時間が必要であり、その期間の間、排気を大気に抜けないようにしておくことは、機関背圧が異常に高くなり内燃機関の運転に支障をきたすおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２５１１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、内燃機関の始動直後の機関冷間始動時における排気エミッションの改善を図る手段の一つとして、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関本体から排出された排気の略全量を内燃機関の吸気系に再循環させ、吸気系に再循環された排気中のＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）を再燃焼させることで、機関冷間始動時における排気エミッションを改善することが考えられる。
【００１０】
また、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関本体から排出された排気の略全量を内燃機関の吸気系に再循環させる場合において、機関本体から排出された排気を排気浄化触媒に通過させてから吸気系へ再循環させるように構成することで、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することを可能とし、機関冷間始動時における排気エミッションの更なる改善を図ることが考えられる。
【００１１】
更に、上記のように、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気の略全量を再循環させる場合において、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができれば、機関冷間始動時における排気エミッションの更なる改善が図れることなる。
【００１２】
しかしながら、機関冷間始動時における機関回転数の制約や、必要最低限トルクなどの制約から、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができない場合が起こりうる。
【００１３】
それでも敢えて最適な運転状態にて内燃機関を運転すると、例えば、この最適な運転状態での出力トルクが要求トルクを上回る場合があり、その結果、機関回転数が過剰に高くなってしまう可能性がある。この過剰に高い機関回転数は、車両の乗員に騒音として認識され、車両の商品性を損ねる結果をもたしうる。また、過剰に大きな出力トルクは、アイドル運転状態から走行状態に移る際に危険な急発進をもたらしうる。更に、最適な運転状態にて内燃機関を運転するときに、例えば、この最適な運転状態での出力トルクが要求トルクを下回る場合があり、その結果、機関のフリクションとのバランスを損ねて、エンストをもたらしうる。
【００１４】
本発明においては上記課題に鑑み、排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１５】
尚、引用文献１における内燃機関の排気浄化装置においては、排気浄化触媒よりも下流側の排気系から内燃機関の吸気系に排気を還流させるＥＧＲ通路が設けられており、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することが可能な構成となっている。しかしながら、引用文献１における内燃機関の排気浄化装置においては、少なくとも三元触媒が不活性状態で流路切換弁を第１状態としている場合、ＥＧＲ弁を閉状態とし、排気の吸気系への再循環を遮断することが記載されており、機関冷間始動時に、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させる構成とはなっていない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項１の発明では、排気浄化触媒よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、内燃機関本体から排出された排気を排気再循環通路を介して吸気系に再循環させ、機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段とを備える。これにより、内燃機関本体から排出された排気を内燃機関の吸気系に再循環させ、吸気系に再循環された排気中のＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）を再燃焼させることができ、また、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することができ、機関冷間始動時における排気エミッションの改善を図ることが可能となる。
【００１８】
更に、請求項１の発明では、触媒暖機手段による排気浄化触媒の暖機実行中に、内燃機関の出力トルクに所望量のトルクを付加する駆動トルク、あるいは、内燃機関の出力トルクから所望量のトルクを吸収する制動トルクを内燃機関に付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段を備える。これにより、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの更なる改善を図ることを可能とする。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、前記トルク制御手段は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としての機能と、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機としての機能とを備えるモータ・ジェネレータを有し、該モータ・ジェネレータにより前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項２の発明では、トルク制御手段が、発電機としての機能と電動機としての機能とを備えるモータ・ジェネレータを有して構成されることで、該モータ・ジェネレータにより、内燃機関への駆動トルクあるいは制動トルクの付与を可能とする。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機実行前に、燃焼を伴うことなく前記モータ・ジェネレータにより前記内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングより加熱されたガスを前記排気浄化触媒に通過させてから前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させる予備暖機手段を具備する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２２】
すなわち、請求項３の発明では、触媒暖機手段による暖機実行前に、燃焼を伴わないモータリングによる排気浄化触媒を含む排気系の予備暖機が実行される。具体的は、ピストンを往復運動させるためになされるモータ・ジェネレータの仕事に起因してもたらされる熱により排気熱を高めて、排気浄化触媒を含む排気系の予備暖機が実行される。これによれば、燃焼を伴う触媒暖機手段による暖機実行前に排気浄化触媒を含む排気系をある程度昇温させておくことができ、触媒暖機手段による暖機を実行する際の排気浄化触媒の迅速な暖機を図ることを可能とし、また、モータリングによる駆動の間は燃料が消費されることはなく、燃料消費量の抑制を図ることも可能とする。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、前記内燃機関の燃焼停止後、燃焼を伴うことなく前記モータ・ジェネレータにより前記内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより、前記内燃機関本体から排出された既燃ガスを前記排気浄化触媒に通過させてから前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させる、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項４の発明では、燃焼を伴う内燃機関の駆動により排気浄化触媒を含む排気系がある程度昇温された状態で、燃焼を伴う内燃機関の駆動を停止し、モータリングにより、内燃機関本体から排出された既燃ガスを排気浄化触媒に通過させてから吸気系に再循環させる。燃焼を伴う内燃機関の駆動を停止しても、ピストンを往復運動させるためになされるモータ・ジェネレータの仕事に起因してもたらされる熱により排気熱を高めることができ、また、内燃機関本体から排出された既燃ガスを排気浄化触媒に通過させてから排気再循環通路を介して吸気系に再循環させることができるため、排気浄化触媒の昇温を継続させることが可能であり、更に、モータリングは燃焼を伴わないため背圧の過剰な上昇及び排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。
【００２５】
請求項５に記載の発明によれば、前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２６】
すなわち、請求項５の発明では、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段が備えられ、これにより、新気すなわち新しい空気を供給することなく、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスにより、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることを可能とする。新気中には約２１％の酸素しか含有されておらず、大量の排気が吸気系に再循環された場合、燃焼室に吸入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限されため、大量の再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。そこで、請求項５の発明では、吸気系に再循環された排気中に、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２８】
酸素供給手段により酸素が排気中に供給されると燃焼圧力が上昇し、これに伴い背圧が上昇する。そして、背圧が上昇すると、排気が吸気系に再循環される構成においては吸気圧力が上昇して筒内流入ガス量が増加し、圧縮行程における必要な圧縮力が高くなり、より大きな駆動トルクが必要となる。そこで、請求項６の発明では、トルク制御手段により、酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを内燃機関に付与することで、背圧の上昇による必要駆動トルクの増加を補うことを可能とする。
【００２９】
請求項７に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機完了後の前記内燃機関の運転中において、前記内燃機関のトルク変動が所定値よりも大きくなった場合、前記トルク制御手段により前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し、前記内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３０】
すなわち、請求項７の発明では、触媒暖機手段による暖機完了後の内燃機関の運転中において、トルク制御手段により内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御することで、触媒暖機後における内燃機関のトルク変動を改善することを可能とする。
【発明の効果】
【００３１】
各請求項の記載の発明によれば、機関冷間始動時のような排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温することが必要な時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させることができ、また、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求の出力トルクにあわせつつ、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの改善を図ることが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態を示す内燃機関の排気浄化装置全体の概略構成図である。
【図２】本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第一の実施形態を示すフローチャート図である。
【図３】本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第二の実施形態を示すフローチャート図である。
【図４】モータリングによる暖機が、内燃機関の燃焼を伴う運転により排気浄化触媒を含む排気系がある程度昇温された状態でなされるような場合における触媒温度の時間推移及びモータリングによる暖機時期の一実施形態を示す図である。
【図５】本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第三の実施形態を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を用いて本発明に係る排気浄化装置の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す内燃機関の排気浄化装置全体の概略構成図である。図１において、１は内燃機関本体、２は燃焼室、３は点火装置、４は燃料噴射装置、５は酸素供給装置、６は排気系、７は三元触媒、８はＡ／Ｆセンサー、９は背圧センサー、１０はＥＧＲ装置、１１は排気再循環通路、１２は排気再循環量制御バルブ、１３はインタークーラー、１４はＨ2Ｏ除去タンク、１５は背圧制御バルブ、１６は吸気系、１７はサージタンク、１８はエアフローメータ、１９はスロットルバルブ、２０は吸気圧センサー、２１は機関回転数検出手段、２２はアクセル開度検出手段、２３は触媒温度検出手段、２４は燃焼圧センサー、２５は電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）、２６はモータ・ジェネレータ、２７はモータ・ジェネレータ制御装置、２８はバッテリ、２９は排気温度センサー、のそれぞれを示す。
【００３４】
内燃機関本体１の燃焼室２には、点火装置３、燃料噴射装置４および燃焼圧センサー２４が配設される。点火装置３は、燃焼室２内の混合気に確実に着火させるために、タイミングよく火花をスパークプラグのギャップ間で飛ばせる役割を果すものであり、点火時期は、後述するＥＣＵ２５にて制御される。燃料噴射装置４は、燃料を噴射する時期などを電子制御で行い、電磁噴射ノズルで燃料を燃焼室２に噴射するものであり、具体的には、後述するＥＣＵ２５にて最適な燃料噴射量を算出し、所定の圧力で燃料を電磁噴射ノズルで噴射するものである。燃焼圧センサー２４は燃焼室２内の圧力を検出する役割を果すものである。尚、本実施形態においては、ガソリン内燃機関を想定しているが、本排気浄化装置はディーゼル内燃機関にも適用可能である。ディーゼル内燃機関の場合には、点火装置３は通常含まれない。
【００３５】
酸素供給装置５は、後述するＥＧＲ装置１０により吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する役割を果すものである。
【００３６】
本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関始動直後の排気浄化触媒の浄化性能が期待できない機関冷間始動時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系の排気の略全量を吸気系に戻して、該排気中に高濃度酸素ガスを供給することで、該排気中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ、排気エミッションの改善を図る。
【００３７】
吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく該排気中に酸素を供給する方策の一つとして、後述するスロットルバルブ１９を制御することにより吸気系に新気すなわち新しい空気を導入することが考えられる。
【００３８】
しかしながら、大量の排気を吸気系に再循環させた場合、燃焼室２に導入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限され、また、新気中には約２１％の酸素しか含有されていないため、大量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。
【００３９】
そこで、本発明の排気浄化装置においては、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるための酸素を、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給できる酸素供給装置５により供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００４０】
酸素供給装置５の構成については種々の構成が想定されるが、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるためには、酸素供給装置５は酸素ガスのみを直接供給できるように構成されることが最適であり、本実施形態においては、例えば加圧され圧縮された酸素ガスのみを封入した酸素ボンベと、該酸素ボンベからの酸素ガスの供給量を制御する酸素供給量制御バルブとを有して構成される。しかしながら、酸素供給装置５は他の構成とされてもよく、例えば、酸素ボンベの代わりに、通常の空気の酸素濃度を越える酸素ガスをもたらすような高濃度酸素ガス発生装置が使用されてもよい。
【００４１】
また、酸素供給装置５の配置については、吸気系に再循環された排気中に高濃度酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよい。
【００４２】
本実施形態においては、酸素供給装置５は、吸気系１６に高濃度酸素ガスを供給できるように構成配置されている。しかしながら、酸素供給装置５は、燃焼室２内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。酸素供給装置５が、燃焼室２内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置される場合においては、内燃機関の圧縮行程において、燃焼室２内の多くの割合を占める再循環された排気に対して燃料のみならず酸素ガスをも点火プラグ近傍に集約することができ、酸素供給装置５が吸気系に高濃度酸素ガスを供給するように構成された場合と比較して、より少量の燃料で燃焼させることができる成層燃焼を可能とし、より燃費の向上の実現を図れるものとなる。
【００４３】
内燃機関本体１の排気系には排気中の有害成分を浄化するための排気浄化触媒として三元触媒７が配置されている。三元触媒７は、該三元触媒７の雰囲気が理論空燃比のときに、排気中の有害成分となるＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを最大効率で浄化する役割を果すものであり、具体的には、三元触媒雰囲気が理論空燃比のときに排気中のＨＣおよびＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行い、排気中のこれらの有害成分を無害なＣＯ2（二酸化炭素）、Ｈ2Ｏ（水）およびＮ2（窒素）に浄化するものである。尚、本実施形態においては、内燃機関本体１の排気系に配置され排気中の有害成分の浄化をするための排気浄化触媒を三元触媒７としたが、排気中の有害成分を触媒反応により浄化しうる排気浄化触媒であればいかなる排気浄化触媒も本発明に適用可能であり、例えば、ＨＣの浄化を目的とした選択酸化触媒なども本発明の排気浄化装置に適用可能である。
【００４４】
また、内燃機関本体１と三元触媒７との間の排気系には空燃比センサー８（以下、Ａ／Ｆセンサーと称する）が配設される。該Ａ／Ｆセンサー８は、内燃機関本体１と三元触媒７との間の排気系を流れる排気の空燃比、三元触媒７に流入する排気の空燃比を検出する役割を果すものであり、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するセンサーである。
【００４５】
ＥＧＲ装置１０は、三元触媒７よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体１から排出された排気を再循環させる機能を果すものである。ＥＧＲ装置１０は、三元触媒７よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路１１を有し、該排気再循環通路１１には、該排気再循環通路１１を流れる排気（以下、再循環ガスと称する）の流量を制御する排気再循環量制御バルブ１２と、再循環ガスを冷却するためのインタークーラー１３と、再循環ガス中のＨ2Ｏが冷却されたことによりもたらされる液体のＨ2Ｏ（水）を貯蔵し除去するＨ2Ｏ除去タンク１４とが配設される。排気再循環通路１１が、三元触媒７よりも上流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されているのではなく、三元触媒７よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されることで、内燃機関本体１から排出された排気の熱による三元触媒温度の迅速な触媒活性温度への昇温を可能とする。よって、ＥＧＲ装置１０は触媒暖機手段としての役割も果すことになる。
【００４６】
ＥＧＲ装置１０は、更に、三元触媒７よりも下流の排気系に配置された背圧センサー９および背圧制御バルブ１５を有する。背圧センサー９は、三元触媒７よりも下流の排気系の背圧を検出する役割を果すものである。ここで、背圧とは、内燃機関で仕事すなわち燃焼がされた後に吐き出されるガスの圧力を示すものであり、排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧とは、内燃機関で燃焼がされた後に吐き出された排気の圧力であって、排気浄化触媒よりも下流の排気系を流れる排気の圧力を示す。背圧制御バルブ１５は、背圧センサー９からの検出情報に基づいて、背圧を予め定められた所定の範囲内に制御し、且つ、ＥＧＲ装置１０の排気再循環通路１１を介して吸気系に再循環させる排気の割合を制御する役割を果すものである。本実施形態においては、背圧センサー９は、三元触媒７よりも下流の排気系から排気再循環通路１１が分岐する場所と三元触媒７との間に配設される。また、背圧制御バルブ１５は三元触媒７よりも下流の排気系から排気再循環通路１１が分岐する場所よりも下流の排気系に配設される。
【００４７】
内燃機関の吸気系には、スロットル弁開度が電子制御されるスロットルバルブ１９と、該スロットルバルブ１９により調整された吸入空気流量を測定するエアフローメータ１８と、該エアフローメータ１８の精度に悪影響を与える吸気脈動や吸気干渉を防止するサージタンク１７と、内燃機関の吸気圧を検出する吸気圧センサー２０とが配置される。エアフローメータ１８は、該エアフローメータ１８の中を流れる空気の流量に基づいて内燃機関本体１に導入される空気量を計測する役割を果すものであって、ポテンシオメータ等を内蔵して吸入空気流量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生するものである。
【００４８】
機関回転数検出手段２１は、内燃機関の回転数を検出する役割を果すものであり、具体的には、内燃機関の出力軸の回転数を検出する回転速度センサーを有して構成され、該回転速度センサーにより内燃機関の回転数を検出するものである。アクセル開度検出手段２２は、内燃機関運転中のアクセル開度を検出する役割を果すものである。
【００４９】
触媒温度検出手段２３は、三元触媒温度を推定する機能を有する。三元触媒温度は、例えば、三元触媒７の内燃機関本体１に近い上流側あるいは内燃機関本体１から遠い下流側に配置された排気温度センサー２９により検出された温度情報に基づいて推定される。この場合、触媒温度検出手段２３は、排気温度センサー２９を主要素として構成されることになる。ただし、例えば、三元触媒７と排気温度センサー２９との間には多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配等を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行われることになり、これらの各情報を検出する各要素もまた、当該触媒温度検出手段２３の構成要素となる。
【００５０】
ＥＣＵ２５は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知のデジタルコンピュータからなり、各種センサーや駆動装置と信号をやり取りして機関回転数や吸入空気量などの制御に必要なパラメータを算出するとともに、算出されたパラメータに基づいて燃焼空燃比制御あるいは燃料噴射量制御や点火時期制御等の内燃機関の運転に関する種々の制御を行う役割を果すものである。
【００５１】
ＥＣＵ２５には、エアフローメータ１８およびスロットルバルブ１９が接続されており、エアフローメータ１８からの検出情報をＥＣＵ２５に取り込むことができ、ＥＣＵ２５からの信号によってスロットルバルブ１９のスロットル弁開度を制御することができるように構成されている。また、ＥＣＵ２５には、Ａ／Ｆセンサー８、背圧センサー９、吸気圧センサー２０、機関回転数検出手段２１、アクセル開度検出手段２２、触媒温度検出手段２３、燃焼圧センサー２４及び排気温度センサー２９が接続されており、これらのセンサーおよび手段からの各検出情報をＥＣＵ２５に取り込むことができるように構成されている。更に、ＥＣＵ２５には、点火装置３、燃料噴射装置４、酸素供給装置５、背圧制御バルブ１５、及び、排気再循環量制御バルブ１２が接続されており、上記各種センサーおよび手段からの検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５からの信号によって、点火装置３による点火の制御、燃料噴射装置４による燃料噴射の制御、酸素ガス供給装置５による酸素ガス供給量の制御、背圧制御バルブ１５による背圧およびＥＧＲ装置１０に再循環させる排気の割合の制御、及び、排気再循環量制御バルブ１２による吸気系に導入する再循環ガス量の制御を行うことができるように構成されている。
【００５２】
モータ・ジェネレータ２６は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としての機能と、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機としての機能とを兼ね備えている。本実施形態においては、モータ・ジェネレータ２６は、内燃機関の出力軸上に取付けられ、また、モータ・ジェネレータ制御装置２７に接続される。モータ・ジェネレータ制御装置２７は直流高圧電流を発生するバッテリ２８に接続される。また、モータ・ジェネレータ制御装置２７はＥＣＵ２５に接続され、モータ・ジェネレータ２６の作動は、ＥＣＵ２５によって制御される。
【００５３】
モータ・ジェネレータ２６を電動機として駆動せしめる時には、バッテリ２８の直流高電圧がモータ・ジェネレータ制御装置２７にて三相交流に変換され、この三相交流がモータ・ジェネレータ２６に供給される。モータ・ジェネレータ２６の発生トルクすなわち駆動トルクは三相交流の電流値にほぼ比例し、この電流値はモータ・ジェネレータ２６の要求駆動トルクに基づいて決定される。
【００５４】
一方、モータ・ジェネレータ２６を外力により駆動する状態にすると発電機として作動せしめることができ、このときに発生した電力がバッテリ２８に回生される。そして、モータ・ジェネレータを発電機として機能させることで、内燃機関に回生制動トルクを付与することができる。モータ・ジェネレータ２６を発電機として作動せしめる場合には、モータ・ジェネレータ制御装置２７によりモータ・ジェネレータ２６によって発生せしめられた電力がバッテリ２８に回生させるように制御される。
【００５５】
上述した各構成要素を有する図１に示す実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第一の実施形態を示すフローチャート図である。
【００５６】
図２に示す制御ルーチンでは、内燃機関始動直後から三元触媒７（以下、触媒と称する）の温度が浄化機能を発揮できる触媒活性温度に達するまでの間、ＥＧＲ装置１０および酸素供給装置５による排気中のＣＯおよびＨＣの浄化処理を実行する。また、機関本体から排出される既燃ガスの熱を触媒７の暖機に利用し、触媒７の暖機の促進を図る。更に、触媒７の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気が再循環されているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができるように、モータ・ジェネレータ２６によるトルク制御が実行される。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００５７】
まず、ステップ１０１においては、内燃機関が運転状態にあるか否かが判定され、内燃機関が運転状態にないと判定された場合には、続くステップ１０２において、内燃機関への始動要求の有無が確認される。具体的には、これらの判定は、機関回転数検出手段２１やエアフローメータ１８などからの検出情報に基づいてＥＣＵ２５により判定あるいは確認される。ステップ１０２において、内燃機関への始動要求が確認されると、続くステップ１０３およびステップ１０４へと進む。
【００５８】
ステップ１０３およびステップ１０４においては、ＥＣＵ２５からの信号により背圧制御バルブ１５が全閉制御され、その後、内燃機関が始動される。内燃機関が始動される前に、背圧制御バルブ１５が全閉制御されることにより、内燃機関の始動直後の内燃機関本体１から排出される略全ての排気を吸気系に再循環させるような排気の流れをもたらすことを可能とする。背圧制御バルブ１５が全閉制御され、内燃機関が始動されると、続くステップ１０５に進む。
【００５９】
ステップ１０５においては、触媒温度が触媒活性温度すなわち触媒７が浄化機能を発揮することができる温度に達しているか否かの判定がなされる。具体的には、触媒温度検出手段２３からの検出情報に基づいてＥＣＵ２５により、触媒温度が触媒活性温度に達しているか否かの判定がなされ、触媒温度が触媒活性温度に達していないと判定された場合には、続くステップ１０６に進む。
【００６０】
ステップ１０６においては、触媒７よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。具体的には、触媒７よりも下流の排気系に配設された背圧センサー９の検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５にて背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。尚、背圧の目標所定値は、ＥＧＲ装置１０により再循環ガスが吸気系に再循環されている際における、背圧の安定性や排気系から燃焼室内に直接吹き戻される排気量などが考慮されて決定される。
【００６１】
内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間の排気エミッションの改善を図る上では、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間を通して、内燃機関本体１から排出された排気の全てを再循環ガスとして吸気系に再循環させ、排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化させることができるように背圧の目標所定値が決定されることが最も望ましい。
【００６２】
しかしながら、本排気浄化装置においては、後述するステップ１０９にて詳細に述べるが、吸気系に再循環される再循環ガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく、酸素供給装置５により再循環ガス量の約２１％に当たる酸素ガスを付加供給するため、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間を通して内燃機関本体１から排出された排気の全てを再循環ガスとして吸気系に再循環させるようにした場合、再循環ガスが吸気系に再循環される毎に、再循環ガス量が約２１％ずつ増加することになる。本実施形態においては、排気再循環通路１１にインタークーラー１３およびＨ2Ｏ除去タンク１４を備えることで、再循環ガス中のＨ2Ｏを液化して除去することができ、再循環ガスが排気再循環通路１１を通過している間に再循環ガス量を減少させることで、上述したような酸素供給装置５による酸素ガス付加によりもたらされる再循環ガス量の増加を抑制することができる。しかしながら、再循環ガス中のＨ2Ｏ成分は１０％であることが想定され、上述したような酸素ガス供給装置５による酸素付加によりもたらされる再循環ガス量の増加を抑制するには十分とは言えない。このことは、背圧を増加させていき、排気系から燃焼室２内に直接吹き戻される排気量の増加をもたらし、背圧を不安定とし安定した再循環ガスの再循環を阻害し、最悪の場合においては、内燃機関のストール（停止）をもたらすことにもなる。
【００６３】
そこで、本排気浄化装置においては、背圧の目標所定値は、ＥＧＲ装置１０により再循環ガスが吸気系に再循環されている際に、背圧が安定している状態を維持することができる値であって、排気系から燃焼室２内に直接吹き戻される排気量が極端に大きくならないようにすることができる値とされ、予め実行された解析あるいは試験により得られたデータに基づいて決定される。具体的には、少なくとも、吸気系に再循環された再循環ガス量の約２１％のガスについては、ＥＧＲ装置１０に再循環させることなく背圧制御バルブ１５よりも下流の排気系に排出されるような値に、背圧の目標所定値が設定されることが想定される。これにより、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間の再循環ガスの再循環を安定させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００６４】
ステップ１０６において、触媒７よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にないと判定されると、続くステップ１０７に進み、ステップ１０７においては、背圧が目標所定値の範囲内となるように制御される。具体的には、背圧センサー９の検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５により背圧制御バルブ１５の弁開閉を制御することで、ＥＧＲ装置１０に再循環されることなく背圧制御バルブ１５よりも下流の排気系に排出されるガス量を制御することができ、これにより、背圧の目標所定値の範囲内への制御が可能となる。ステップ１０７にて背圧制御バルブ１５が一定量開弁あるいは閉弁された後に、ステップ１０６に戻り、再び、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。本ステップ１０７における背圧制御バルブ１５の一定量の弁開閉制御は、ステップ１０６において背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されるまで繰り返し実行される。尚、背圧制御バルブ１５の弁開閉制御する際の一定量の弁開閉量は、内燃機関の設計仕様に応じて適当に決定されるものである。ステップ１０６において、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されると、続くステップ１０８に進む。
【００６５】
ステップ１０８においては、まず、内燃機関の構成などに基づいて、内燃機関の燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転条件、本実施形態においては最適な機関負荷が設定される。該機関負荷は、本実施形態においては出力トルクあるいは機関回転数と燃焼室内に導入されるガス量とに基づいて算出されるものとする。また、少なくともエンストをもらすことがないようなトルクであって、車両の乗員に騒音として認識され車両の商品性を損ねる結果を招くような機関回転数の過剰な上昇をもたらすことがないようなトルクが、要求トルクとして設定される。尚、運転者によりアクセルペダルが踏まれている場合には、アクセル開度検出手段２２の検出情報に基づいて要求トルクが設定される。
【００６６】
次に、設定された最適な機関負荷と要求トルクとから、最適な機関負荷を実現するために必要な燃焼室内に導入される再循環ガス量がマップなどを使用してＥＣＵ２５にて算出され、算出された量の再循環ガスを吸気系に循環させるべく、背圧や吸気管負圧などに基づいて排気再循環量制御バルブ１２の開度が制御されるとともに、スロットルバルブ１９が全閉される。尚、算出された再循環ガス量が実際に再循環できるガス量よりも多い場合には、必要ガス量を満たすべくスロットルバルブ１９を制御することにより不足分の量の新気を導入する。実際に再循環できるガス量は、排気再循環量制御バルブ１２が全開状態での、吸気圧センサー２０から検出された吸気圧、背圧センサー９から検出された背圧、および、再循環ガスが流れる排気再循環通路１１の流路面積などからＥＣＵ２５にて算出される。
【００６７】
ところで、新気を導入することなく、再循環ガス中のＣＯ及びＨＣを再燃焼させ浄化させるために、燃焼室内に導入される再循環ガス量に応じた量の酸素供給及び燃料噴射が実行される場合においては、内燃機関の出力トルクは燃焼室内に導入される再循環ガス量が多いほど大きくなり、また、機関回転数は、内燃機関の出力トルクが大きいほど高くなる。従って、算出された燃焼室内に導入される再循環ガス量が大量である場合には、出力トルクが要求トルクよりも高くなってしまい、機関回転数が過剰に高くなってしまう場合が起こりうる。この過剰に高い機関回転数は、車両の乗員に騒音として認識され、車両の商品性を損ねる結果をもたしうる。また、過剰に大きな出力トルクは、アイドル運転状態から走行状態に移る際に危険な急発進をもたらしうる。また、算出された燃焼室内に導入される再循環ガス量が少量である場合には、小さな出力トルクしたもたらされない可能性がある。例えば、該出力トルクが要求トルクを過剰に下回る場合には、機関のフリクションとのバランスを損ねて、エンストをもたらしうる。このように、機関冷間始動時における機関回転数の制約や、必要最低限トルクなどの制約から、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができない場合が起こりうる。
【００６８】
そこで、本排気浄化装置においては、内燃機関の出力トルクに所望量のトルクを付加する駆動トルク、あるいは、内燃機関の出力トルクから所望量のトルクを吸収する制動トルクを内燃機関に付与し内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段、本実施形態においてはモータ・ジェネレータ２６を備えることにより、燃焼室内に導入される再循環ガス量に依存することなく、内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させることを可能とする。
【００６９】
これにより、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの更なる改善を図ることを可能とする。
【００７０】
このことに基づいて、ステップ１０８においては、算出された再循環ガス量と設定された要求トルクとに基づいて、モータ・ジェネレータ２６により内燃機関に付与する所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量が算出される。ステップ１０８にて、再循環ガス量、要求トルク量、及び、モータ・ジェネレータ２６による内燃機関に付与する所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量が算出されると、続くステップ１０９に進む。
【００７１】
ステップ１０９においては、燃焼室内に導入された再循環ガス量に応じて必要量の酸素ガスの供給及び燃料の噴射を実行し、着火をもたらすことで、吸気系に再循環された再循環ガス中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化する。具体的には、ステップ１０８にて算出された再循環ガス量に応じて酸素供給装置５により必要量の酸素ガスが供給され、また、燃料噴射装置４により必要量の燃料が噴射され、点火装置３により燃焼室内の着火がもたらされる。
【００７２】
ここで、酸素供給装置５により供給する酸素の必要量とは、燃焼室内に導入された再循環ガスを燃焼させるのに必要な酸素量を意図しており、本実施形態においては、再循環ガス中に酸素成分は存在しないものと仮定して、燃焼室内に導入された再循環ガス量に対して約２１％の量の酸素ガスが酸素供給装置５により供給される。尚、必要に応じて燃焼室２内に供給される新気については、該新気中には約２１％の酸素が含有されているため、新気に対して酸素供給装置５により新たな酸素ガスの供給を考慮する必要はない。また燃料噴射装置４により噴射される燃料の必要量とは、燃焼室２内に導入された全ガスを燃焼させるのに必要な燃料量を意図しており、必要に応じて新気が燃焼室２内に導入された場合には、燃焼室２内に導入された再循環ガスと新気とを合わせた量のガスが燃焼室２内に導入された全ガスとなる。
【００７３】
また、ステップ１０９においては、触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、算出された量の排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求の出力トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができるような、モータ・ジェネレータ２６によるトルク制御が実行される。具体的には、ステップ１０８において算出された所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量を内燃機関に付与するように、モータ・ジェネレータ２６が制御される。
【００７４】
更に、ステップ１０９においては、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関が所定の空燃比にて運転されるように、フィードバック制御が行われる。該フィードバック制御は、具体的には、内燃機関本体１と触媒７との間の排気系に配置されたＡ／Ｆセンサー８の検出情報に基づいて、酸素供給装置５による酸素ガス供給量および燃料噴射装置４よる燃料噴射量がＥＣＵ２５により適当にフィードバック制御されることで実行される。これにより、より確実な燃焼室２内での再循環ガス中のＣＯおよびＨＣの再燃焼をもたらすことができ、排気エミッションの向上を図ることを可能とする。
【００７５】
尚、暖機実行中、モータ・ジェネレータ２６により、酸素供給装置５による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクが内燃機関に付与されるようにされてもよい。
【００７６】
酸素供給装置５により酸素が排気中に供給されると燃焼圧力が上昇し、これに伴い背圧が上昇する。そして、背圧が上昇すると、排気が吸気系に再循環される構成においては吸気圧力が上昇して筒内流入ガス量が増加し、圧縮行程における必要な圧縮力が高くなり、より大きな駆動トルクが必要となる。そこで、モータ・ジェネレータ２６より、酸素供給装置５による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを内燃機関に付与することで、背圧の上昇による必要駆動トルクの増加を補うことが可能となる。
【００７７】
以上述べてきたステップ１０１からステップ１０９までの制御ルーチンは、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまで繰り返し実行され、ステップ１０５において、触媒温度検出手段２３からの検出情報に基づいて触媒温度が触媒活性温度以上となったことがＥＣＵ２５確認されると、すなわち、暖機が完了したことが確認されると、続くステップ１１０およびステップ１１１に進む。
【００７８】
ステップ１１０及びステップ１１１においては、現状の運転状態に適した再循環ガス量が算出され、該算出された再循環ガス量に基づいて排気再循環量制御バルブ１２の開度が制御される通常のＥＧＲ制御が実行される。その際、背圧制御バルブ１５が全開されるようにＥＣＵ２５により制御される。尚、排気再循環量制御バルブ１２が全開とされ、算出された再循環ガス量に基づいて背圧制御バルブ１５の開度が制御されるＥＧＲ制御が実行されてもよい。
【００７９】
図３は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第二の実施形態を示すフローチャート図である。
【００８０】
図３に示す制御ルーチンでは、図２に示す始動直後の機関冷間始動時おける排気浄化処理の第一の実施形態の制御ルーチンにおいて、内燃機関の始動要求があった際に、内燃機関を始動する前に、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータ２６により内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより加熱されたガスを触媒７に通過させてから排気再循環通路１１を介して吸気系１６に再循環させ触媒７を含む排気系の予備暖機を実行することで、触媒暖機の更なる促進を図ることを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００８１】
まず、ステップ２０１及びステップ２０２においては、図１に示す制御ルーチンのステップ１０１及びステップ１０２と同様に、内燃機関が運転状態にあるか否か、また、内燃機関の始動要求の有無が確認される。ステップ２０２において、内燃機関への始動要求が確認されると、続くステップ２０３へと進む。
【００８２】
ステップ２０３においては、排気温度が所定値未満であるか否かが、排気温センサー２９からの検出値に基づいてＥＣＵ２５により判定される。ここでの所定値は、内燃機関の構成や設計仕様に基づいて適当に予め設定されるものである。そして、排気温度が所定値未満であると判定されると、続くステップ２０４及びステップ２０５へと進む。
【００８３】
ステップ２０４及びステップ２０５においては、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータにより内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより加熱されたガスを触媒７に通過させてから排気再循環通路１１を介して吸気系１６に再循環させ触媒７を含む排気系の予備暖機を実行することで、触媒暖機の更なる促進を図る。
【００８４】
まず、ステップ２０４において、ＥＣＵ２５からの信号により背圧制御バルブ１５及びスロットルバルブ１９が全閉され、また、排気再循環量制御バルブ１２は微開とされる。そして、ステップ２０５において、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータ２６により内燃機関を駆動するモータリングが実行される。
【００８５】
これにより、スロットルバルブ１９から背圧制御バルブ１５の間に存在する空気を、大気にもらすことなく、モータリングにより排気再循環通路１１を介して吸気系１６と排気系６との間で循環させることができる。そして、モータリングによりピストンが往復運動されることになるが、ピストンを往復運動させるためになされるモータ・ジェネレータ２６の仕事に起因してもたらされる熱により、循環している空気の温度を徐々に上昇させることができ、これにより、触媒７を含む排気系６の予備暖機が可能となる。また本実施形態においては、排気再循環量制御バルブ１２は微開とし、循環している空気の通路を狭くし、ピストンを往復運動させる際のモータ・ジェネレータ２６の仕事量を増加させることで、循環している空気にもたらさる熱の促進を図っている。このモータリングによる予備暖機は、排気温度が所定値以上となるまで繰り返し実行される。ステップ２０３において排気温度が所定値以上であると判定されると続くステップ２０６、ステップ２０７及びステップ２０８に進む。
【００８６】
内燃機関の始動要求があった際に、排気温度が所定値以上あった場合には、ステップ２０４及びステップ２０５に進むことがないため、ステップ２０６及びステップ２０７において、背圧制御バルブ１５が全閉されているか否かが確認され、背圧制御バルブ１５が全閉されていないと判定された場合には、背圧制御バルブ１５が全閉され、続くステップ２０８に進み、内燃機関が始動される。
【００８７】
ステップ２０８に続く、内燃機関始動後のステップ２０９からステップ２１５については、図２に示す制御ルーチンのステップ１０５からステップ１１１と同様の制御が実行されることになり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００８８】
尚、図３に示される制御ルーチンは、内燃機関の始動要求があった際に、内燃機関を始動する前にモータリングによる予備暖機がなされるものであるが、モータリングによる暖機が、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒７を含む排気系６がある程度昇温された状態でなされるような制御ルーチンとされてもよい。この場合、モータリングによる暖機は、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒７を含む排気系６がある程度昇温された状態で、内燃機関の燃焼を伴う運転を停止し、モータリングにより、内燃機関本体から排出された既燃ガスを触媒７に通過させてから吸気系１６に再循環させる。燃焼を伴う内燃機関の運転を停止しても、モータリングより排気熱を高めることができ且つ内燃機関本体から排出された既燃ガスを触媒７に通過させてから排気再循環通路１１を介して吸気系１６に再循環させることができるため、触媒７の昇温を継続させることができ、更に、モータリングは燃焼を伴わないため背圧の過剰な上昇及び排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。図４は、モータリングによる暖機が、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒７を含む排気系６がある程度昇温された状態でなされるような場合における触媒温度の時間推移及びモータリングによる暖機時期の一実施形態を示す図である。
【００８９】
図５は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第三の実施形態を示すフローチャート図である。
【００９０】
触媒７の暖機完了後すなわち触媒温度が活性温度以上となった後に、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とする場合であって、燃費面にて最適な運転状態とするために大量の再循環ガスが燃焼室内に導入された場合、再循環ガスには多くのＣＯ2が含まれているために燃焼速度が低下し燃焼が不安定となり、これに伴いトルク変動が増加し、ドライバビリティの悪化がもたらされうる。
【００９１】
そこで、図５に示す制御ルーチンでは、図２に示す機関冷間始動時おける排気浄化処理の第一の実施形態の制御ルーチンにおける触媒７の暖機完了後すなわち触媒温度が活性温度以上となった後において、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とし、必要に応じてモータ・ジェネレータ２６により駆動トルクあるいは制動トルクを内燃機関に付与することで、機関運転中のトルク変動を低減してドライバビリティの悪化させることなく、燃費上最適な運転状態にて内燃機関を運転することを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００９２】
図５に示す制御ルーチンにおいて、触媒温度が活性温度に達する前のステップ３０１からステップ３０９については図２に示す制御ルーチンのステップ１０１からステップ１０９と同様の制御が実行されることになり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００９３】
ステップ３０５において、触媒温度が活性温度以上であると判定されると、ステップ３１０及びステップ３１１に進み、現機関運転状態での燃費面から見て最適な再循環ガス量が算出され、算出された量の再循環ガスを燃焼室内に導入させるように、背圧制御バルブ１５及び排気再循環量制御バルブ１２の開度がＥＣＵ２５により制御される。また、この際、算出された再循環ガス量に基づいて、酸素供給量及び燃料噴射量も算出される。
【００９４】
ステップ３１１にて、背圧制御バルブ１５及び排気再循環量制御バルブ１２の開度がＥＣＵ２５により制御されると、続くステップ３１２にて、内燃機関のトルク変動が所定値を越えているか否かがＥＣＵ２５により判定され、トルク変動値が所定値よりも大きいと判定された場合には、続くステップ３１３に進み、モータ・ジェネレータ２６によるトルク変動低減制御が実行される。具体的は、モータ・ジェネレータ２６により、適当な駆動トルクあるいは制動トルクを内燃機関に付与することで、トルク変動値を所定値内に入るように制御する。
【００９５】
これにより、触媒温度が活性温度以上となった後において、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とするために大量の再循環ガスが燃焼室内に導入された場合であっても、トルク変動を低減してドライバビリティの悪化を抑制しつつ、燃費上最適な運転状態にて内燃機関を運転することが可能となる。
【符号の説明】
【００９６】
１    内燃機関本体
２    燃焼室
３    点火装置
４    燃料噴射装置
５    酸素供給装置
６    排気系
７    三元触媒
８    Ａ／Ｆセンサー
９    背圧センサー
１０    ＥＧＲ装置
１１    排気再循環通路
１２    排気再循環量制御バルブ
１３    インタークーラー
１４    Ｈ2Ｏ除去タンク
１５    背圧制御バルブ
１６    吸気系
１７    サージタンク
１８    エアフローメータ
１９    スロットルバルブ
２０    吸気圧センサー
２１    機関回転数検出手段
２２    アクセル開度検出手段
２３    触媒温度検出手段
２４    燃焼圧センサー
２５    ＥＣＵ
２６    モータ・ジェネレータ
２７    モータ・ジェネレータ制御装置
２８    バッテリ
２９    排気温センサー
【図１】
2011163348.tif 000003
【図２】
2011163348.tif 000004
【図３】
2011163348.tif 000005
【図４】
2011163348.tif 000006
【図５】
2011163348.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月29日(2011.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備し、前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、請求項１の発明では、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段が備えられ、これにより、新気すなわち新しい空気を供給することなく、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスにより、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることを可能とする。新気中には約２１％の酸素しか含有されておらず、大量の排気が吸気系に再循環された場合、燃焼室に吸入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限されため、大量の再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。そこで、請求項１の発明では、吸気系に再循環された排気中に、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
酸素供給手段により酸素が排気中に供給されると燃焼圧力が上昇し、これに伴い背圧が上昇する。そして、背圧が上昇すると、排気が吸気系に再循環される構成においては吸気圧力が上昇して筒内流入ガス量が増加し、圧縮行程における必要な圧縮力が高くなり、より大きな駆動トルクが必要となる。そこで、請求項２の発明では、トルク制御手段により、酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを内燃機関に付与することで、背圧の上昇による必要駆動トルクの増加を補うことを可能とする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機完了後の前記内燃機関の運転中において、前記内燃機関のトルク変動が所定値よりも大きくなった場合、前記トルク制御手段により前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し、前記内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
すなわち、請求項３の発明では、触媒暖機手段による暖機完了後の内燃機関の運転中において、トルク制御手段により内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御することで、触媒暖機後における内燃機関のトルク変動を改善することを可能とする。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、
前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、
前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備し、
前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記触媒暖機手段による暖機完了後の前記内燃機関の運転中において、前記内燃機関のトルク変動が所定値よりも大きくなった場合、前記トルク制御手段により前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し、前記内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。