(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、触媒に付着している燃料量をより正確に把握することにより、該触媒を適切な時期に加熱することで、無駄な加熱や触媒の過熱を抑制できる技術を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する触媒と、触媒を加熱するヒータと、触媒の温度と関連する値を検出する温度検出手段と、触媒よりも上流の排気通路へ燃料を供給する燃料添加手段と、燃料添加手段から添加される燃料が触媒において酸化されることにより発生する熱量に基づいて触媒の温度と関連する値を推定する温度推定手段（Ｓ１０１）と、検出される温度と推定される温度との差から触媒に付着している燃料量を推定する付着量推定手段（Ｓ１０３）と、付着量推定手段により推定される燃料量が所定量以上の場合にヒータにより触媒を加熱させる触媒加熱時期判断手段（Ｓ１０５）と、を備える。【選択図】図３
2008106691.tif 000002
【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酸化能力を有する触媒と、
前記触媒を加熱するヒータと、
前記触媒の温度と関連する値を検出する温度検出手段と、
前記触媒よりも上流の排気通路へ燃料を供給する燃料添加手段と、
前記燃料添加手段から添加される燃料が前記触媒において酸化されることにより発生する熱量に基づいて前記触媒の温度と関連する値を推定する温度推定手段と、
前記温度検出手段により検出される温度と、前記温度推定手段により推定される温度と、の差から前記触媒に付着している燃料量を推定する付着量推定手段と、
前記付着量推定手段により推定される燃料量が所定量以上の場合に前記ヒータにより触媒を加熱させる触媒加熱時期判断手段と、
を備えることを特徴とする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、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）を配置する技術が知られている。このＮＯx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵していたＮＯxを還元する。
【０００３】
また、ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄成分もＮＯxと同様に吸蔵される。このように吸蔵された硫黄成分はＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＯx触媒でのＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温にし、且つ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気をＮＯx触媒に流通させて行われる。例えばＮＯx触媒に燃料を添加することにより、該燃料がＮＯx触媒で反応して該ＮＯx触媒が高温となる。この状態でさらに燃料を添加して排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、硫黄被毒を回復させることができる。そして、リッチ空燃比とするときに、吸入空気量を減少させることがある。
【０００４】
ところで、ＮＯx触媒へ燃料を添加すると、該ＮＯx触媒の温度が上昇する。このときの温度の上昇値は、ＮＯx触媒の劣化の度合いにより異なる。つまり、ＮＯx触媒が劣化すると燃料の反応が鈍くなるため、温度の上昇値が小さくなる。
【０００５】
そして、触媒での反応熱を含まない触媒温度推定モデルにより得られる推定温度と、触媒温度の実測値と、を比較して該触媒の劣化を判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】ＷＯ２００２／０７０８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、触媒が劣化していなくても、該触媒の温度が低いために活性度合いが低いと、燃料を添加したときの該触媒の温度上昇値が小さくなる。ここで、触媒の活性度合いが低いときに該触媒に付着した燃料を酸化させるために、該触媒を電気ヒータにて加熱することがある。
【０００７】
しかし、触媒の温度が低いといっても、該触媒の温度は排気温度等から推定されることが多いため、燃料添加中の触媒の活性度合いや燃料の付着量を誤って推定する虞がある。そのため、触媒に燃料が殆ど付着していないのに電気ヒータを無駄に作動させたり、逆に多くの燃料が付着した後に電気ヒータを作動させることにより該触媒に付着した多量の燃料が一気に反応して該触媒が過熱したりする虞があった。また、ヒータに通電しなくても排気の温度の上昇により多量の燃料が一気に反応する虞もある。
【０００８】
さらに、触媒の温度が低いときには、燃料の添加を禁止することにより触媒への燃料の付着を抑制することができるが、この場合も触媒の温度を正確に求めることができないことにより、燃料添加を無駄に禁止する虞がある。
【０００９】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装
置において、触媒に付着している燃料量をより正確に把握することにより、該触媒を適切な時期に加熱することで、無駄な加熱や触媒の過熱を抑制できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する触媒と、
前記触媒を加熱するヒータと、
前記触媒の温度と関連する値を検出する温度検出手段と、
前記触媒よりも上流の排気通路へ燃料を供給する燃料添加手段と、
前記燃料添加手段から添加される燃料が前記触媒において酸化されることにより発生する熱量に基づいて前記触媒の温度と関連する値を推定する温度推定手段と、
前記温度検出手段により検出される温度と、前記温度推定手段により推定される温度と、の差から前記触媒に付着している燃料量を推定する付着量推定手段と、
前記付着量推定手段により推定される燃料量が所定量以上の場合に前記ヒータにより触媒を加熱させる触媒加熱時期判断手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
酸化能力を有する触媒は温度に応じて活性度合いが変わる。そして、低温度のために活性度合いが低い場合には、ヒータにて触媒を加熱することにより、該触媒の活性度合いを高めることができる。ここで、触媒の活性度合いに応じて該触媒にて酸化可能な燃料量が変化する。つまり、燃料添加手段により添加された燃料により触媒の温度が上昇されるときの上昇度合いは、触媒の活性度合いにより変化することになる。
【００１２】
一方、触媒の活性度合いが低いと、それに応じて触媒に燃料が付着する。つまり、触媒での燃料の反応が鈍くなるので、反応しないまま燃料が触媒上に滞留することになる。このように、触媒に燃料が付着しているときであってもヒータにより触媒を加熱すると、該触媒の活性度合いが高まるので、該触媒に付着している燃料が酸化される。このときに、触媒の温度が更に上昇する。
【００１３】
つまり、ヒータにより触媒を加熱すると、該ヒータにより与えられる熱と、該触媒に付着している燃料の反応による熱と、により該触媒の温度が上昇する。
【００１４】
ここで、触媒に燃料を添加したときに該触媒の活性度合いに応じて該触媒の温度が上昇するが、このときに触媒に燃料が付着すると、この付着した燃料の分の熱が得られなくなり、その分だけ該触媒の温度上昇値が小さくなる。そして、その後にヒータにて触媒を加熱したときに該触媒に付着している燃料の発熱量が加わる。
【００１５】
温度推定手段は、燃料添加手段により添加される燃料が全て触媒にて反応したときの該触媒の温度に関する値を推定する。触媒の温度に関する値とは、例えば触媒の温度そのものであっても良く、該触媒から流出する排気の温度であっても良い。ただし、温度推定手段により推定される温度と、温度検出手段により検出される温度と、は同じ箇所の温度を推定又は検出する。
【００１６】
ここで、燃料添加手段により添加される燃料量を把握しておけば、該燃料が触媒にて全て反応したときの発熱量を求めることができる。この発熱量に応じて触媒の温度が変化する。すなわち、燃料添加手段により添加される燃料量に基づいて、触媒の温度を求めることができる。
【００１７】
そして、温度推定手段により求められる温度と、温度検出手段により検出される温度と、の差は、該触媒に付着した燃料の発熱量分の差である。この発熱量の差は、触媒に燃料が付着することにより生じ、該触媒に付着している燃料が全て反応したときの発熱量と等しい。このような関係から、触媒に付着している燃料量を求めることができる。
【００１８】
この触媒に付着している燃料量が多くなると、ヒータにより触媒を加熱したときに、該燃料が一気に反応して該触媒が過熱する虞がある。そのため、触媒過熱時期判断手段は、触媒に付着している燃料量が所定量以上となった場合に触媒を加熱させて燃料を酸化させる。つまり、一度に多くの燃料が反応すると、触媒が過熱するので、過熱しない程度の付着量のときに燃料を反応させる。なお、所定量とは、触媒が過熱する虞のある燃料付着量の閾値としてもよい。また、この所定値はある程度の余裕を持たせて設定してもよい。
【００１９】
このように、燃料の付着量が所定量以上となってから該燃料を反応させることにより、ヒータによる触媒の加熱を必要最小限に行なうことができるため、無駄なエネルギの消費を抑制できる。また、多量の燃料が反応することにより触媒が過熱することを抑制できる。さらに、燃料の付着量が所定量となるまでヒータによる加熱を待つことで、その待っている間に排気温度が上昇して燃料がヒータの加熱によらず反応することも期待できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、触媒に付着している燃料量をより正確に把握することにより、該触媒を適切な時期に加熱することで、無駄な加熱や触媒の過熱を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。
【００２３】
内燃機関１には、吸気通路２および排気通路３が接続されている。この吸気通路２の途中には、該吸気通路２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、内燃機関１の吸入新気量が測定される。
【００２４】
一方、排気通路３の途中には、内燃機関１側から順に電気ヒータ５と、吸蔵還元型ＮＯx触媒６（以下、ＮＯx触媒６という。）とが備えられている。電気ヒータ５は、電力を供給することにより発熱する。この発熱により下流のＮＯx触媒６の温度が上昇される。ＮＯx触媒６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。なお、本実施例ではＮＯx触媒６が、本発明における酸化能力を有する触媒に相当する。また、本実施例では電気ヒータ５が、本発明におけるヒータに相当する。
【００２５】
さらに、本実施例では、ＮＯx触媒６よりも上流の排気通路３を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する燃料添加弁７を備えている。ここで、燃料添加弁７は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して燃料を噴射する。そして、燃料添加弁７から排気通路３内へ噴射された燃料は、排気通路３の上流から流れてきた排気の空燃比をリッチにすると共に、該ＮＯx触媒６に吸蔵されていたＮＯxを還元する。このＮＯx還元時には、ＮＯx触媒６に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に
リッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。
【００２６】
また、ＮＯx触媒６には燃料に含まれる硫黄成分もＮＯxと同様に吸蔵される。このように吸蔵された硫黄成分はＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒６内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＯx触媒６でのＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、ＮＯx触媒６を高温にし、且つ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気をＮＯx触媒６に流通させて行われる。このときにも前記リッチスパイク制御が行われる。なお、本実施例では燃料添加弁７が、本発明における燃料添加手段に相当する。
【００２７】
さらに、ＮＯx触媒６よりも下流側の排気通路３には、該排気通路３を流通する排気の温度を検出する温度センサ８が取り付けられている。この温度センサ８の出力信号に基づいてＮＯx触媒６の温度が検出される。また、温度センサ８は、ＮＯx触媒６に直接取り付けても良い。なお、本実施例では温度センサ８が、本発明における温度検出手段に相当する。
【００２８】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００２９】
ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４及び温度センサ８が電気配線を介して接続され、該エアフローメータ４及び温度センサ８の出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、電気ヒータ５及び燃料添加弁７が電気配線を介して接続され、これらはＥＣＵ１０により制御される。
【００３０】
そして、本実施例では、燃料添加弁７から添加された燃料がＮＯx触媒６に付着している量を推定し、推定される燃料の付着量が所定量以上となったときに電気ヒータ５へ通電する。
【００３１】
燃料の付着量の推定をするときには、燃料添加弁７から添加される燃料がＮＯx触媒６で全て反応して発熱したと仮定したときに温度センサ８で検出されると推定される温度（以下、推定温度という。）と、温度センサ８により実際に測定される温度（以下、実測温度という。）と、の差を先ず求める。なお、本実施例では、温度センサ８により検出される温度はＮＯx触媒６の温度と等しいとして扱うが、温度センサ８により検出される温度を補正してＮＯx触媒６の温度を求めてもよい。そして、推定温度と実測温度との差と、ＮＯx触媒６を通過する排気の熱容量と、燃料の単位質量当たりの発熱量と、を用いて燃料付着量を推定する。
【００３２】
推定温度は、ＮＯx触媒６の熱容量と、燃料添加前のＮＯx触媒６の温度と、ＮＯx触媒６を通過する排気の熱容量と、ＮＯx触媒６に流入する排気の温度と、燃料添加弁７からの燃料添加量と、燃料の単位質量当たりの発熱量と、に基づいて得ることができる。ここで、ＮＯx触媒６の熱容量は予め実験等により求めることができる。燃料添加前のＮＯx触媒６の温度は、内燃機関１の運転状態から推定しても良く、温度センサ８により得ても良い。また、排気の熱容量は、排気の流量として求めることができる。この排気の流量は吸入空気量としてもよいため、本実施例ではエアフローメータ４により測定される吸入空気量を用いる。ＮＯx触媒６に流入する排気の温度は、ＮＯx触媒６よりも上流に温度センサを取り付けて該センサにより検出しても良く、内燃機関１の運転状態から推定しても良い。燃料添加量は、ＥＣＵ１０で計算される指令値を用いる。そして、燃料がＮＯx触媒６にて反応したときの単位質量当たりの発熱量を予め求めておけば、燃料添加弁７から添加される燃料による全発熱量を求めることができる。
【００３３】
そして、この全発熱量でＮＯx触媒６の温度がどれだけ上昇されるのかを上記の各値に基づいて求める。このときに得られるＮＯx触媒の温度の上昇値から、前記推定温度を求めることができる。
【００３４】
また、ＮＯx触媒６の燃料付着量を推定するには、推定温度と実測温度との差、およびＮＯx触媒６を通過する排気の熱容量から、実測温度が推定温度に達するにはどれだけの熱量が必要かを求める。そして、この熱量を、例えば燃料の単位質量当たりの発熱量で除することにより、燃料付着量を得ることができる。
【００３５】
このようにして得られた燃料付着量が、所定量以上となった場合には、電気ヒータ５へ電力を供給する。
【００３６】
この所定量は、例えば、ＮＯx触媒６に付着している燃料が一度に全て反応したとしても該ＮＯx触媒６が過熱しないような燃料量の最大値としてもよい。また、ＮＯx触媒６の活性度合いを判定するために少量の燃料を供給し、そのときの温度上昇値で該ＮＯx触媒６の活性度合いを判定する手法が知られているが、このときに供給される燃料量を前記所定値としてもよい。
【００３７】
また、ＮＯx触媒６が過熱しないような燃料付着量は、排気の温度、排気の流量、ＮＯx触媒６の温度、ＮＯx触媒６の熱容量等により変わるため、これらの値に基づいて前記所定値を変更してもよい。つまり、排気の持つエネルギやＮＯx触媒６の持つエネルギに応じて前記所定値を変更しても良い。
【００３８】
さらに、ＮＯx触媒６の活性度合いが低いときで且つ排気中のＮＯx量が多いときには、前記所定値をより小さくすることで、より早期に該ＮＯx触媒６の温度上昇を開始させるようにしてもよい。
【００３９】
次に、図２は、ＮＯx触媒６に付着している燃料量（燃料付着量）と、ＮＯx触媒６の温度と、の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒６の温度の推移において、実線は温度センサ８による実測値（すなわち、前記実測温度）、一点鎖線はＮＯx触媒６に添加された燃料が全て反応したと仮定したときの推定値（すなわち、前記推定温度）、破線はＮＯx触媒６に添加された燃料が全く反応しないと仮定したときの推定値（以下、未反応時温度という。）である。ヒータＯＮ閾値とは前記所定値のことであり、燃料付着量がヒータＯＮ閾値以上になると電気ヒータ５に通電される。
【００４０】
図２では、（Ｗ）で示される時間において燃料添加が開始されている。燃料添加が開始されてもＮＯx触媒６に燃料が付着したまま反応しないと、燃料付着量が徐々に増加する。このときに、推定温度と実測温度との差が徐々に大きくなる。また、添加された燃料が全てではないが反応することにより、実測温度は未反応時温度よりも高くなる。
【００４１】
そして、（Ｘ）で示される時間において、燃料付着量がヒータＯＮ閾値に達して電気ヒータ５に通電される。そうすると、燃料付着量が反応し始めるので、燃料付着量の増加は緩慢となると共に、推定温度と実測温度との差が徐々に小さくなっていく。その後、ＮＯx触媒６に付着していた燃料が一度に反応するため、推定温度よりも実測温度のほうが高くなる。そして、（Ｙ）で示される時間から燃料付着量が減少に転じている。さらに（Ｚ）で示される時間において燃料付着量が略０となる。なお、この（Ｚ）で示される時間まで電気ヒータ５に通電される。
【００４２】
このときの実測温度の最大値が、ＮＯx触媒６の過熱を抑制できる値となるように、ヒ
ータＯＮ閾値（つまり前記所定値）を決定してもよい。
【００４３】
次に、本実施例に係る電気ヒータ５の通電制御について説明する。図３は、本実施例に係る電気ヒータ５の通電制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００４４】
ステップＳ１０１では、前記推定温度が求められる。つまり、ＮＯx触媒６の温度（前回のルーチンで求められた推定温度）、ＮＯx触媒６の熱容量、ＮＯx触媒６に流入する排気の温度、ＮＯx触媒６を通過する排気の熱容量、燃料添加量、燃料の単位質量当たりの発熱量から推定温度が求められる。排気の熱容量は、前回ルーチンから今回ルーチンまでの間の吸入空気量から算出する。燃料添加量は、前回ルーチンから今回ルーチンまでの間に燃料添加弁７から添加された燃料を、ＥＣＵ１０の指令値から算出する。なお、本実施例ではステップＳ１０１を実行するＥＣＵ１０が、本発明における温度推定手段に相当する。
【００４５】
ステップＳ１０２では、温度センサ８により前記実測温度を得る。
【００４６】
ステップＳ１０３では、ＮＯx触媒６に付着している燃料量が算出される。つまり、推定温度と実測温度との差と、ＮＯx触媒６を通過する排気の熱容量と、燃料の単位質量当たりの発熱量と、から燃料付着量が算出される。ここで、図４は、推定温度と検出温度との差の変化量（Δ（推定温度−実測温度））と、燃料付着量の変化量と、の関係を概念的に示した図である。このように、推定温度と検出温度との差の変化量が大きくなるほど燃料付着量の変化量が大きくなる。つまり、より多くの燃料がＮＯx触媒６に付着することになる。なお、本実施例ではステップＳ１０３を実行するＥＣＵ１０が、本発明における付着量推定手段に相当する。
【００４７】
ステップＳ１０４では、ＮＯx触媒６に付着している燃料量が第１所定値Ａ以上であるか否か判定される。第１所定値Ａは、前記ヒータＯＮ閾値である。
【００４８】
ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。
【００４９】
ステップＳ１０５では、電気ヒータ５へ通電される（電気ヒータ５がＯＮとされる）。なお、本実施例ではステップＳ１０５を実行するＥＣＵ１０が、本発明における触媒加熱時期判断手段に相当する。
【００５０】
ステップＳ１０６では、ＮＯx触媒６に付着している燃料量が第２所定値Ｂよりも少ないか否か判定される。第２所定値Ｂは、第１所定値Ａよりも小さな値であり、例えば許容される付着量の閾値として設定される。ＮＯx触媒６に付着している燃料量を全て反応させようとすると、多くのエネルギが必要となり燃費が悪化する虞があるため、ある程度の燃料が残留することを許容している。
【００５１】
ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。
【００５２】
ステップＳ１０７では、電気ヒータ５への通電が停止される（電気ヒータ５がＯＦＦとされる。）。
【００５３】
以上説明したように、本実施例では、ＮＯx触媒６での燃料付着量を精度良く推定することができる。そして、燃料付着量が第１所定値Ａ以上となったときに、該ＮＯx触媒６
に付着している燃料を除去することができる。そのため、ＮＯx触媒６の過熱を抑制することができる。また、電気ヒータ５へ電力が無駄に供給されることを抑制できる。
【００５４】
なお、本実施例では、ＮＯx触媒６を例に挙げて説明したが、酸化触媒又は三元触媒であっても同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】ＮＯx触媒に付着している燃料量（燃料付着量）と、ＮＯx触媒よりも下流の排気の温度と、の推移を示したタイムチャートである。
【図３】実施例に係る電気ヒータの通電制御のフローを示したフローチャートである。
【図４】推定温度と検出温度との差の変化量と、燃料付着量の変化量と、の関係を概念的に示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１     内燃機関
２     吸気通路
３     排気通路
４     エアフローメータ
５     電気ヒータ
６     吸蔵還元型ＮＯx触媒
７     燃料添加弁
８     温度センサ
１０   ＥＣＵ
【図１】
2008106691.tif 000003
【図２】
2008106691.tif 000004
【図３】
2008106691.tif 000005
【図４】
2008106691.tif 000006