(57)【要約】【課題】内燃機関の排気通路に設けられた触媒の暖機完了後であっても排気ガスの捕集を適切に実行して、十分に浄化されていない排気ガスの排出を抑えることが可能な排気捕集装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気捕集装置１０は、始動後の暖機によって浄化性能を発揮する触媒７が排気通路４に設けられた内燃機関１に適用され、排気通路４から排気ガスを取り出して捕集容器１１に捕集可能としたものである。始動後の暖機が一旦完了した後の期間を対象として、触媒７を通過する排気ガスの浄化の程度を許容範囲外に悪化させる所定の状態で内燃機関１が運転されているか否かを監視する。所定の状態で内燃機関１が運転されている場合に、捕集容器１１への排気ガスの捕集を実行する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
始動後の暖機によって浄化性能を発揮する排気浄化手段が排気通路に設けられた内燃機関に適用され、前記排気通路から排気ガスを取り出して捕集容器に捕集可能とした内燃機関の排気捕集装置において、
前記始動後の暖機が一旦完了した後の期間を対象として、前記排気浄化手段を通過する排気ガスの浄化の程度を許容範囲外に悪化させる所定の状態で前記内燃機関が運転されているか否かを監視する監視手段と、
前記所定の状態で前記内燃機関が運転されている場合に、前記捕集容器への排気ガスの捕集を実行する捕集制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気捕集装置。
【請求項２】
前記捕集制御手段による捕集の実行時期において、前記排気浄化手段の温度の活性化温度域外への低下が現に発生し、又はその発生が予想されるか否かを判断し、前記低下が発生し又は予想される場合に前記排気浄化手段を昇温させる温度制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排気捕集装置。
【請求項３】
前記所定の状態が、前記排気浄化手段の温度を低下させる運転状態を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気捕集装置。
【請求項４】
前記所定の状態が、前記排気浄化手段の浄化性能を回復させる所定の制御が実行されている運転状態を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを排気通路から取り出して捕集容器に捕集可能とした内燃機関の排気捕集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスの浄化に使用される三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒は内燃機関の冷間始動直後は十分な浄化性能を発揮できず、所定の温度域まで暖機されることによって浄化性能を発揮するようになる。そこで、内燃機関の冷間始動時に排出されるＮＯｘをゼオライト触媒にて捕捉し、そのゼオライト触媒がＮＯｘを排出する温度域まで昇温した場合には、ゼオライト触媒を通過した排気ガスの全量を捕集容器に捕集し、その捕集した排気ガスはＥＧＲガスとして吸気通路に還流させる排気捕集装置が提案されている（特許文献１又は２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７０５３９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４７２２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の排気捕集装置は、ゼオライト触媒の温度がＮＯｘ排出温度域を超えてさらに上昇すると排気ガスの捕集を終え、以降は排気ガスの捕集を行うことなく三元触媒に依存して排気ガスを浄化している。しかし、現実には、三元触媒の暖機が完了した後であっても、内燃機関の運転条件によっては排気ガスの状態が許容限度を超えて悪化することがある。
【０００５】
そこで、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒の暖機完了後であっても排気ガスの捕集を適切に実行して、十分に浄化されていない排気ガスの排出を抑えることが可能な排気捕集装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の排気捕集装置は、始動後の暖機によって浄化性能を発揮する排気浄化手段が排気通路に設けられた内燃機関に適用され、前記排気通路から排気ガスを取り出して捕集容器に捕集可能とした内燃機関の排気捕集装置において、前記始動後の暖機が一旦完了した後の期間を対象として、前記排気浄化手段を通過する排気ガスの浄化の程度を許容範囲外に悪化させる所定の状態で前記内燃機関が運転されているか否かを監視する監視手段と、前記所定の状態で前記内燃機関が運転されている場合に、前記捕集容器への排気ガスの捕集を実行する捕集制御手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明の排気捕集装置によれば、始動後の触媒の暖機が一旦完了した後であっても、触媒を通過する排気ガスの浄化の程度が許容限度を超えて悪化することが懸念されるような状態で内燃機関が運転されている場合には、捕集容器へと排気ガスが捕集される。従って、十分に浄化されていない排気ガスの大気中への排出を抑制することができる。
【０００８】
本発明の排気捕集装置は、前記捕集制御手段による捕集の実行時期において、前記排気浄化手段の温度の活性化温度域外への低下が現に発生し、又はその発生が予想されるか否かを判断し、前記低下が発生し又は予想される場合に前記排気浄化手段を昇温させる温度制御手段を備えてもよい（請求項２）。
【０００９】
この場合には、排気捕集中に排気浄化手段の温度が低下して浄化性能が不足したときに、排気浄化手段の温度の上昇速度を高めて浄化性能を早期に回復させることができる。特に、排気浄化手段の温度低下に対応して排気ガスの捕集が開始されたときには、その排気ガスの捕集が開始された原因を早期に解消させて排気ガスの捕集量を減少させることができる。なお、捕集制御手段による捕集の実行時期は、捕集を開始する際、及び捕集の実行中のいずれも含む概念である。従って、排気浄化手段の温度低下に関する判断は、捕集の開始から終了までの少なくとも一時期に、又は全期間に亘って行ってよい。
【００１０】
本発明において、前記所定の状態は適宜に設定してよいが、前記排気浄化手段の温度を低下させる運転状態（請求項３）、又は前記排気浄化手段の浄化性能を回復させる所定の制御が実行されている運転状態（請求項４）を所定の状態に含めることができる。例えば排気浄化手段としてＮＯｘ吸蔵還元触媒に対するリッチスパイク制御、ＳＯｘ再生制御、又はＤＰＦ等のＰＭ捕捉装置に対するＰＭ再生制御時を所定の状態に含めることができる。その他にも、排気浄化手段を通過する排気ガスの浄化の程度を悪化させ得る各種の運転状態を本発明の所定の状態として予め定義して捕集制御を実行してよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の排気捕集装置及びその処理装置が組み込まれた内燃機関を示す。図１において、内燃機関１は４つのシリンダ２…２が直列に配置された車両用の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、吸気量調整用のスロットルバルブ６が、排気通路４には排気浄化手段としての触媒７がそれぞれ設けられている。触媒７には例えば三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒が利用される。触媒７は、内燃機関１の始動後の暖機が進行するに連れて浄化性能を次第に発揮するタイプの触媒であり、いわゆる低温始動時には十分な浄化性能を発揮し得ない。なお、触媒７は排気通路４に複数設けられてもよい。例えば、空燃比を理論空燃比よりも酸素量が多いリーン域に設定する希薄燃焼方式の内燃機関の場合には、シリンダ２に近い位置にスタート触媒として三元触媒が設置され、その下流にＮＯｘ吸蔵還元触媒が設置されるが、本発明はそのような複数の触媒を設けた場合にも適用可能である。内燃機関１には各シリンダ２に対応してインジェクタ（燃料噴射弁）８…８が設けられている。インジェクタ８は吸気通路３に燃料を噴射するように設けられてもよいし、シリンダ２内に燃料を噴射するように設けられてもよい。
【００１２】
内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９により制御される。ＥＣＵ９は、例えばマイクロプロセッサ及びその主記憶装置として機能するＲＯＭ、ＲＡＭ等を組み合わせたコンピュータとして構成され、そのＲＯＭに記憶されたプログラムに従って内燃機関１の運転状態の制御に必要な各種の制御を実行する。例えば、ＥＣＵ９は、吸気通路３のエアフローメータが検出する吸入空気量や排気通路４のＯ２センサが算出する排気中の酸素濃度等を参照して所定の空燃比で内燃機関１が運転されるようにインジェクタ８からの燃料噴射量を制御する。その他にも水温センサやスロットル開度センサ等の出力がＥＣＵ９にて参照されるが、それらのセンサの図示は省略した。
【００１３】
内燃機関１の始動時の有害物質の排出量を削減するため、内燃機関１は排気捕集装置１０を備えている。排気捕集装置１０は、排気ガスを蓄えるための捕集容器１１と、その捕集容器１１と排気通路４とを接続して排気通路４から排気ガスを取り出して捕集容器１１へ捕集するための排気ガス取り出し通路１２と、捕集容器１１から排気ガスを内燃機関１側に還流させるための排気ガス導入通路１３と、排気ガス取り出し通路１２と吸気通路３との接続位置に設けられた第１の弁手段としての捕集制御弁１４と、排気ガス導入通路１３を開閉する第２の弁手段としての還流制御弁１５とを備えている。
【００１４】
排気ガス取り出し通路１２は触媒７よりも下流側において排気通路４から分岐する。捕集制御弁１４は、触媒７を通過した排気ガスを矢印Ａで示すように捕集制御弁１４よりも排気通路４のさらに下流側に通過させる排気放出位置と、排気ガスを矢印Ｂで示したように排気ガス取り出し通路１２に導く排気捕集位置との間で切り替え可能である。排気捕集位置において、捕集制御弁１４は排気ガスの全量を排気ガス取り出し通路１２に導いてもよいし、排気通路４の下流側への一部の排気ガスの通過を許容し、残りの排気ガスを排気ガス取り出し通路１２に導いてもよい。触媒７よりも上流側に捕集制御弁１４が設けられ、触媒７を通過する前の排気ガスを捕集容器１１へ捕集するようにしてもよい。
【００１５】
捕集容器１１は単一の収容部２０を備えている。収容部２０は、内燃機関１の冷間始動時において、触媒７が所定の活性化温度に暖機されるまで捕集制御弁１４を排気捕集位置に保持した場合に排気ガス取り出し通路１２に導かれる排気ガスの総量（以下、この値を要求捕集量と呼ぶことがある。）を十分に保持できる容量を備えている。収容部２０は金属製の箱のように容量不変の剛体容器として構成されてもよいし、容量可変のバッグ状に構成されてもよい。収容部２０の入口には排気ガス取り出し通路１２から収容部２０への排気ガスの流入を許容し、収容部２０から排気ガス取り出し通路１２への排気ガスの逆流を阻止するリード弁２１が設けられている。
【００１６】
排気ガス導入通路１３は内燃機関１の吸気通路３に接続されている。還流制御弁１５が開かれることにより、矢印Ｃで示すように捕集容器１１に蓄えられた排気ガスが吸気通路３に還流される。なお、排気ガス取り出し通路１２及び排気ガス導入通路１３は金属等の剛体にて構成された配管でもよいし、フレキシブルなチューブでもよい。排気ガス導入通路１３は吸気通路３に代え、又は加えて排気通路４に対して排気ガスを還流するように設けられてもよい。
【００１７】
収容部２０には、その内部の圧力に対応した信号を出力する圧力センサ２２が設けられている。ＥＣＵ９は圧力センサ２２の出力信号を参照して捕集容器１１内の排気ガスの捕集量を推定するとともに、その推定結果を参照しつつ捕集制御弁１４及び還流制御弁１５の動作を制御して捕集容器１１への排気ガスの捕集操作及び排出操作を制御する。
【００１８】
例えば、ＥＣＵ９は、内燃機関１の始動時において次のように排気捕集装置１０の動作を制御する。まず、内燃機関１の始動に成功すると、ＥＣＵ９は触媒７の温度が所定の活性化温度域（例えばＸ°Ｃ以上）に達しているか否かを触媒７の温度に相関する物理量（冷却水温度や排気温度等）に基づいて判断し、活性化温度域に達していないときに捕集制御弁１４を排気捕集位置に切り替えて排気ガスを捕集容器１１に導く。このとき還流制御弁１５は閉じられている。そして、ＥＣＵ９は、触媒７の温度が所定の活性化温度域に達すると暖機完了と判断し、捕集制御弁１４を排気放出位置に切り替えて排気ガスの捕集を終了させる。捕集容器１１に捕集された排気ガスは、ＥＣＵ９が適当な時期に還流制御弁１５を開くことにより内燃機関１の吸気通路３に還流される。
【００１９】
また、触媒７の暖機完了後において、ＥＣＵ９は図２の暖機後捕集制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行することにより、排気ガスの状態の悪化が懸念される場合に排気ガスを捕集容器１１に捕集させる。図２の暖機後捕集制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ９は本発明の監視手段、捕集制御手段及び温度制御手段として機能する。
【００２０】
図２の暖機後捕集制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ９はまずステップＳ１１にて暖機後の捕集条件が成立しているか否かを判断する。暖機後の捕集条件は、触媒７を通過する排気ガスの浄化の程度を許容範囲外に悪化させる所定の状態で内燃機関１が運転されているか否かを判断するために設定される。暖機後の捕集条件を成立させる所定の状態としては次の例が挙げられる。
【００２１】
例えば、低負荷運転が所定時間以上継続している場合が所定の状態に含められる。低負荷運転を継続した場合には、触媒７の活性が失われる（失活）ほどに触媒７の温度が低下し、触媒７を通過する排気ガスの浄化の程度が許容限度を超えて悪化するおそれがあるためである。また、加速時のように触媒７を通過する排気ガスの空間速度が一時的に増加する場合、又は、インジェクタ８からの燃料噴射量について増量制御が行われて多量のＨＣやＣＯが触媒７に導かれるような運転状態が所定の状態に含められる。このような運転状態では、触媒７が活性化されていても処理能力が不足するため、触媒７を通過する排気ガスの浄化の程度が許容限度を超えて悪化するおそれがある。
【００２２】
触媒７がＮＯｘ吸蔵還元触媒であって、その吸蔵材からのＮＯｘの排出を促すために、空燃比を一時的にリッチ域（理論空燃比よりも燃料量が多い領域）に設定して還元材としてのＨＣやＣＯを触媒に供給するリッチスパイク制御が実行される場合には、一部のＮＯｘが還元材であるＨＣやＣＯと接触できないまま触媒７から排出される、いわゆるＮＯｘの染み出し現象が生じることがある。余剰となった還元材としてのＨＣやＣＯが触媒７を通過して排出されるおそれもある。このようなリッチスパイク制御が実行される場合も、所定の状態に含めることができる。
【００２３】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＳＯｘ（硫黄酸化物）被毒を解消するために触媒温度を昇温させるとともに空燃比を一時的にリッチ域に設定して還元材としてのＨＣ，ＣＯを触媒７に供給する、いわゆるＳＯｘ被毒再生制御を実行する場合も、許容限度を超える硫黄酸化物や硫化水素が触媒７から排出されることがある。余剰となった還元材としてのＨＣやＣＯが触媒７を通過して排出されるおそれもある。このようなＳＯｘ被毒再生制御が実行される場合も、所定の状態に含めることができる。
【００２４】
ＥＣＵ９は、内燃機関１の空燃比の制御のために操作するパラメータの設定値や、その制御のために参照する各種のセンサの出力を参照して上述した各種の運転状態が生じているか否かを判断し、そのような状態が検出されたときステップＳ１１にて暖機後の捕集条件が成立したものと判断する。なお、触媒７からの有害物質の排出量をセンサで検出し、そのセンサの出力に基づいて、排気ガスの浄化の程度を許容範囲外に悪化させる所定の状態で内燃機関１が運転されているか否かを判断してもよい。
【００２５】
暖機後の捕集条件が成立している場合にはステップＳ１２へ進み、圧力センサ２２の出力信号を参照して推定した捕集容器１１内の排気ガスの捕集量が捕集容器１１についての限界量に達しているか否かを判断する。限界量でなければステップＳ１３へ進み、捕集制御弁１４を排気捕集位置へ切り替えて捕集容器１１へ排気ガスを捕集する。続くステップＳ１４では触媒７の温度が失活温度域（活性化温度域よりも低温の領域）にあるか否かを判断する。失活温度域のときはステップＳ１５へ進んで触媒昇温処理を実行する。触媒温度昇温処理としては、例えば、点火プラグによる点火時期を意図的に遅らせる処理、インジェクタ８からの燃料噴射時期を意図的に遅らせる処理、膨張行程のシリンダ２に燃料を噴射する処理のように、触媒７に流入する排気ガスの温度を上昇させる処理が挙げられる。電気的に加熱可能なヒータを触媒７の近傍に配置して、触媒７の外部から熱を供給する処理を行ってもよい。
【００２６】
そして、ステップＳ１５の実行後は今回の捕集制御ルーチンを終える。ステップＳ１１にて捕集条件が成立せず、又はステップＳ１２で捕集量が限界と判断された場合にはステップＳ１６へ進み、捕集制御弁１４を排気放出位置に設定して捕集容器１１への排気ガスの導入を阻止する。続いて、ステップＳ１７において触媒昇温処理を停止させ、その後、今回の捕集制御ルーチンを終える。ステップＳ１４にて触媒温度が失活温度域ではないと判断したときもステップＳ１７の処理を実行する。
【００２７】
以上のように触媒７の暖機後であっても捕集装置１０を利用して排気ガスを適宜に捕集すれば、排気ガスの状態を悪化させるような運転状態のときでも十分に浄化されていない排気ガスが大気中に排出されるおそれがない。しかも、触媒７の温度が失活温度域に低下した結果として排気ガスの捕集が実行される場合には、ステップＳ１５において触媒温度昇温処理が併せて実行されるので、触媒７が活性化温度域まで上昇するまでの排気ガスの捕集量を削減することができる。すなわち、図３に示すように、昇温処理を行うことにより、触媒の温度が活性化温度域まで上昇するのに要する時間を短縮でき、その結果、捕集制御弁１４の排気捕集位置から排気放出位置への切り替え時期を早め（ｔ３→ｔ２）、その短縮時間に相当する量ｄだけ捕集量を削減することができる。
【００２８】
なお、図２のステップＳ１４における触媒温度の判断は、触媒７の温度をセンサにより実測し、又は触媒７の温度に相関する物理量の実測値又は演算値に基づいて行ってもよいが、失活温度域への温度低下をもたらすような運転状態が生じているか否かを監視し、そのような状態が生じているときにステップＳ１４を肯定判断してもよい。つまり、温度低下の判断は、現実に温度が低下しているか否かの判断でもよいし、温度低下が予想されるか否かの判断でもよい。
【００２９】
図４及び図５は触媒の暖機後における排気ガスの捕集制御のより具体的な制御例を示すタイミングチャートである。図４はＮＯｘ吸蔵還元触媒に対するリッチスパイク制御に対応した捕集の例を示している。リッチスパイク制御は、空燃比を理論空燃比よりも一時的かつ定期的にリッチ側（図４の下側）に設定することにより実行される。リッチスパイク制御の実行時には、ＨＣやＣＯにて還元できなかったＮＯｘが触媒７から排出されるので、排気ガスを捕集をしなければ大気中へのＮＯｘ排出量は同図にＰ部で示すように一時的に増加することがある。そこで、リッチスパイクの実行に同期して、ＥＣＵ９から捕集制御弁１４に捕集信号を出力して捕集制御弁１４を排気捕集位置に切り替えることにより、同図の最下段に示すようにＮＯｘの排出量を減少させることができる。
【００３０】
図５はＮＯｘ吸蔵還元触媒に対するＳＯｘ被毒再生制御に対応した捕集の例を示している。ＳＯｘ被毒に対する再生要求があるにも拘わらずＳＯｘ被毒再生制御時に排気ガスを捕集しなかった場合、硫黄酸化物や硫化水素の排出量（Ｓ排出量）は再生期間の比較的初期の段階で多くなり、その後、徐々に減少する。そこで、このようなＳ排出量の排出パターンに合わせて捕集信号を出力して捕集を実行することにより、同図の最下段に示すようにＳ排出量をほぼ０に維持することができる。
【００３１】
本発明は以上の実施形態に限定されることなく、その技術思想に含まれる範囲内において各種の形態で実施してよい。例えば本発明の排気捕集装置はガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンにも適用できる。
【００３２】
例えば、図６に示したように、ディーゼルエンジン１Ａの排気通路４には、排気浄化手段としてＤＰＦ等のＰＭ捕捉装置３０が設けられることがある。ＰＭ捕捉装置３０は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等と同様の触媒作用を有する物質を含んでおり、所定の浄化性能を発揮するためには所定の活性化温度域まで暖機される必要がある。また、暖機の完了後であっても、ＰＭ捕捉装置３０ではＰＭ（粒子状物質）の捕捉に伴って徐々に目詰まりが進行する。従って、ＰＭ捕捉装置３０が使用される場合には、目詰まりを解消させるためのＰＭ再生制御が定期的に実行される。
【００３３】
ＰＭ再生制御は、例えば空燃比をリーン域に設定するとともに、ＰＭ捕捉装置３０に対して燃料を噴射する等してその温度を上昇させ、さらにＰＭ捕捉装置３０に導かれる排気にＨＣを添加することにより実行される。しかし、このような再生制御を行うと、ＰＭ捕捉装置３０からＨＣが排出されることがある。そこで、ディーゼルエンジン１Ａに対して図２の暖機後捕集制御を実行する場合には、ＰＭ再生制御の実行を、暖機捕集条件を満たす要件として設定するとよい。
【００３４】
図７は、ＰＭ捕捉装置３０のＰＭ再生制御に対応した捕集の具体的な制御例を示すタイミングチャートである。ＰＭ再生制御が要求されているにも拘わらず排気ガスを捕集しなかった場合には、ＰＭ再生で供給されるＨＣの一部がＰＭ捕捉装置３０を通過して大気中へのＨＣ排出量が増加することがある。そこで、予想されるＨＣ排出量の排出パターンに合わせて捕集信号を出力して排気ガスの捕集を実行することにより、同図の最下段に示すようにＨＣ排出量をほぼ０に維持することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の排気捕集装置によれば、始動後の触媒の暖機が一旦完了した後であっても、触媒を通過する排気ガスの浄化の程度が許容限度を超えて悪化することが懸念されるような状態で内燃機関が運転されている場合には、捕集容器へと排気ガスが捕集される。従って、十分に浄化されていない排気ガスの大気中への排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をガソリンエンジンに適用した実施形態を示す図。
【図２】図１のＥＣＵが実行する暖機後捕集制御ルーチンのフローチャート。
【図３】暖機後捕集制御に伴って実行される触媒昇温処理の効果を示す図。
【図４】ＮＯｘ吸蔵還元触媒のリッチスパイク制御に対応して暖機後捕集制御を実行する場合のタイミングチャート。
【図５】ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＳＯｘ再生制御に対応して暖機後捕集制御を実行する場合のタイミングチャート。
【図６】本発明をディーゼルエンジンに適用した実施形態を示す図。
【図７】ＰＭ捕捉装置のＰＭ再生制御に対応して暖機後捕集制御を実行する場合のタイミングチャート。
【符号の説明】
１　ガソリンエンジンとして構成された内燃機関
１Ａ　ディーゼルエンジンとして構成された内燃機関
４　排気通路
７　触媒（排気浄化手段）
９　エンジンコントロールユニット（監視手段、捕集制御手段、温度制御手段）
１０　排気捕集装置
１１　捕集容器
１４　捕集制御弁
１５　還流制御弁
３０　ＰＭ捕捉装置（排気浄化手段）
【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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