(57)【要約】    【課題】  上流側と下流側に排気浄化触媒を備えたシステムの浄化性能を向上する。    【解決手段】  内燃機関の排気通路の上流側と下流側に排気浄化触媒を備えると共に下流側の触媒に電熱ヒーターを設け、機関停止（回転速度Ｎｅ＝０）時に水温Ｔｗが所定範囲にあって下流側触媒温度Ｔｕが活性温度Ｔｕ１未満のときに、上流側触媒温度Ｔｍが活性温度Ｔｍ１に達するのを待って上記電熱ヒーターをＯＮとし（Ｓ１〜Ｓ５）、下流側触媒温度Ｔｕが活性温度Ｔｕ１に達したときに電熱ヒーターをＯＦＦとし、リーン運転を許可する（Ｓ６〜Ｓ８）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路の上流側と下流側とにそれぞれ排気浄化用の触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、下流側の触媒に電気加熱装置を備えると共に、上流側の触媒が所定レベル以上の浄化機能を有するように昇温されてから、前記電気加熱装置を作動することを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項２】
前記上流側の触媒は、排気マニホールドの直下に配設され、下流側の触媒は車両の床下に配設され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制御装置。
【請求項３】
前記所定温度は、上流側の触媒が活性化された温度以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項４】
前記上流側の触媒は、三元触媒であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記下流側の触媒は、ＮＯｘ浄化機能を主とする触媒であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
【請求項６】
前記下流側の触媒が共に活性化された後に空燃比をリーンとした運転に切り換えられ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制御装置。
【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技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気通路の上流側と下流側、例えば排気マニホールド直下と車両床下とに排気浄化用の触媒を設け、かつ上流側の触媒に電気ヒーターを設けて低温始動時に上流側の触媒を早期に活性化して排気浄化性能の向上を図った排気浄化装置がある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２３８３３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、電気ヒーターの作動によって上流側触媒の活性時間が短縮されるが、反面電気ヒーター作動のための機関負荷が増大して排気流量が増大し機関燃焼室から排出されるＨＣ等の排気エミッションの絶対量が増大するので、上流側触媒の活性時間短縮の効果が相殺されてしまい、低温始動時の排気エミッション低減の効果代が十分大きいとはいえなかった。
【０００４】
また、機関始動後、短時間の間に加速して高負荷運転に移行するような運転モードでは、上流側触媒の活性時間が短縮されてもそれだけでは容量不足で浄化しきれず、このとき下流側の触媒は活性温度に達していないため、良好な浄化性能を得られない。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、排気通路の上流側と下流側に触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、電気加熱装置の設置箇所及び作動時期を適切に設定することによって、上流側と下流側の触媒の組み合わせにより得られる浄化性能を十分に向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、内燃機関の排気通路の上流側と下流側とにそれぞれ排気浄化用の触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、下流側の触媒に電気加熱装置を内蔵すると共に、機関始動後、上流側の触媒が所定温度以上に昇温されてから、前記電気加熱装置を作動する構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
このようにすれば、上流側の触媒が所定温度以上に昇温されて浄化機能を有してから下流側の触媒の電気加熱装置が作動されるため、該電気加熱装置の作動によって機関負荷が増大し排気流量が増大して燃焼室から排出される排気エミッションが増大するとしても上流側触媒によって該増大分を浄化することができる。そして、前記上流側触媒の昇温後に下流側触媒が電気加熱装置によって暖められ、短時間で昇温されて活性化するため、該下流側触媒による浄化機能を速やかに発揮させることができ、始動後、短時間での加速など高負荷運転を行うようなモードなどでも効果的に排気エミッションを浄化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかる排気浄化制御装置の一実施形態のシステム構成を示す。
内燃機関１は、スロットルチャンバ２で流量を調整された空気が吸入され、該吸入空気とインジェクタ３から噴射された燃料とが混合して混合気が形成される。図では、インジェクタ３は吸気ポートに燃料を噴射するものを示したが、燃焼室に燃料を噴射するものとしてもよい。
【０００８】
燃焼室内の混合気は、点火プラグ４による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は排気通路５へ排出され、上流側触媒としての三元触媒６、ＮＯｘトラップ触媒７を経て浄化された後、大気中に放出される。前記三元触媒６は、主として始動時に空燃比リッチ運転されるときに機関から排出されるＨＣ、ＣＯを酸化除去するための排気浄化触媒であり、早期に活性温度に到達することができるように、排気マニホールド５ａの直下に設置される。一方、ＮＯｘトラップ触媒は、排気空燃比がリーンのとき流入する排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）またはリッチのときトラップしたＮＯｘを脱離浄化して三元触媒層で還元処理する機能を有した触媒であり、車体床下に設置される。
【０００９】
ここで、本発明では前記ＮＯｘトラップ触媒７に電熱ヒーター（電気加熱装置）７ａを設け、機関始動後、上流側の三元触媒６が所定温度以上に昇温して活性化されてから、前記電熱ヒーター７ａを通電して触媒を昇温しＮＯｘトラップ触媒７の活性化を促進する。かかる電熱ヒーター７ａの通電制御のため、三元触媒６とＮＯｘトラップ触媒７には、それぞれ触媒温度を検出する触媒温度センサ８，９を設け、通電時にはヒータースイッチ１０をＯＮとして電熱ヒーター７ａにバッテリ１１から電力を供給する。また、オルタネータスイッチ１２のＯＮ時に機関駆動されるオルタネータ１３により発電された電力を、バッテリ１１に供給して充電する。
【００１０】
また、三元触媒６上流側の排気通路５には、酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサ１４が備えられる。該空燃比センサは、理論空燃比を検出可能なストイキセンサであってもよいし、排気空燃比を広域に検出可能な広域空燃比センサであってもよい。
この他のセンサ類として、吸入空気量を検出するエアフローメータ１５、クランク角位置や機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１６、機関冷却水温度を検出する水温センサ１７が備えられ、これらセンサ類で検出された信号は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１８に入力され、該ＥＣＵ１８は、前記検出信号に基づいて始動後の前記電熱ヒーター７ａの通電制御を行うと共に、空燃比制御その他エンジン制御を行う。
【００１１】
図２は、上記電熱ヒーター７ａの通電制御のフローを示す。このルーチンは、イグニッションスイッチをＯＮにすることで起動する。
ステップ１では、機関回転速度Ｎｅが０つまり停止時であるかを判定する。
初めは停止中であるのでステップ３へ進み、前記水温センサ１７によって検出された機関水温Ｔｗが、極低温Ｔｗ１より大きく暖機完了温度Ｔｗ２未満の設定範囲（Ｔｗ１＜Ｔｗ＜Ｔｗ２）にあるかを判定する。
【００１２】
水温が設定範囲にあると判定されたときにはステップ４へ進み、下流側のＮＯｘトラップ触媒７の触媒温度Ｔｕが、活性温度Ｔｕ１未満であるかを判定する。
そして、活性温度Ｔｕ１未満と判定されたときにステップ５以降へ進み、電熱ヒーター７ａの通電を以下のように制御する。
ステップ５では、上流側の三元触媒６の触媒温度Ｔｍが活性温度Ｔｍ１に達したかを判定する。初めは、暖機完了前なので活性温度Ｔｍ１に達していないが、始動後経過時間の増大とともに排気熱で暖められ昇温する。
【００１３】
そして、三元触媒６が昇温により活性温度Ｔｍ１に達したと判定されたときに、ステップ６へ進み、前記ヒータースイッチ１０をＯＮとしてＮＯｘトラップ触媒７に内蔵された電熱ヒーター７ａの通電を開始し、ＮＯｘトラップ触媒７を加熱して昇温する。
ステップ７では、上記のように電熱ヒーター７ａによって昇温を促進されたＮＯｘトラップ触媒７が活性温度Ｔｕ１に達したかを判定し、該活性温度Ｔｕ１に達したと判定されたときにステップ８へ進み、前記ヒータースイッチ１０をＯＦＦとして電熱ヒーター７ａの通電を停止し、ＮＯｘトラップ触媒７の加熱を停止する。
【００１４】
ステップ９では、ＮＯｘトラップ触媒７が活性化され、ＮＯｘをトラップしつつ浄化することができるので、リーン空燃比制御での運転（リーン運転）を許可する。
次に、各種機関運転条件に応じた上記装置の作用を、図３〜図５を参照しつつ説明する。
図３は、始動後、ファーストアイドルに維持する条件［（Ａ）参照］で、上記実施形態の作用［（Ｂ）参照］を前記特許文献１の比較例１［（Ｃ）参照］と比較して示す。
【００１５】
比較例１では、上流側の触媒に設けた電熱ヒーター（図でＥＨＣと記す）を始動後直ぐにＯＮとして加熱するので、該上流側触媒の昇温速度は速く該触媒の活性温度Ｔｍ１への到達時間ｔ１’は短縮されるが、該電熱ヒーター作動による補機（オルタネータ）の駆動負荷増大により機関燃焼室からのＨＣ排出量（図でＥ．Ｏ．ＨＣと記す）が増大するときに、該上流側触媒がまだ活性していないので、該補機駆動負荷増大分によるＨＣ排出量の増加分を良好に浄化できない。すなわち、電熱ヒーターによる触媒活性化促進が、ＮＯｘトラップ触媒７下流の最終的なＨＣ排出量（図でＴ．Ｐ．ＨＣと記す）の低減にそれほど有効に寄与しない。
【００１６】
これに対し、本発明では、上流側の三元触媒６の活性温度Ｔｍ１への到達時間ｔ１は長引くが、該三元触媒６の活性後に下流側のＮＯｘトラップ触媒７に設けた電熱ヒーター７ａの通電を開始するので、該電熱ヒーター７ａの作動に伴う補機の駆動負荷増大分によるＨＣ排出量（Ｅ．Ｏ．ＨＣ）増加分を、活性化された上流側の三元触媒６によって良好に浄化することができ、かつ、電熱ヒーター７ａの通電により下流側のＮＯｘトラップ触媒７の活性時間ｔ２を、比較例の下流側触媒の活性時間ｔ２’より短縮でき、該ＮＯｘトラップ触媒７による浄化性能を向上できる。したがって、電熱ヒーターによる触媒活性化促進が、最終的なＨＣ排出量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）の低減に有効に寄与する。
【００１７】
上記本発明の下流側触媒の活性時間短縮による効果は、以下のような運転条件でより顕著である。図４は、始動後、ファーストアイドル状態から短時間で加速を行う条件［（Ａ）参照］で、上記実施形態の作用［（Ｂ）参照］を、前記特許文献１の比較例１［（Ｃ）参照］及び上流側、下流側のいずれの触媒にも電熱ヒーターを設けない比較例２［Ｄ］と比較して示す。
【００１８】
上流側の三元触媒６の活性後に、電熱ヒーター７ａの通電によりＮＯｘトラップ触媒７が短時間ｔ２で活性されることは同様であるが、その後、すぐに加速されることにより機関燃焼室からのＨＣ排出量（Ｅ．Ｏ．ＨＣ）が大きく増大する。しかし、本発明では下流側のＮＯｘトラップ触媒７の活性後であるので、該ＮＯｘトラップ触媒７によってＨＣを良好に良好に浄化でき、最終的なＨＣ排出量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）を十分に低減できる。電熱ヒーターを備えない比較例２では、下流側触媒の昇温活性化が最も遅れるため加速時のＨＣ排出量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）が最も増大するが、比較例１でも下流側触媒の活性は本実施形態に比較して大きく遅れるので、加速時のＨＣ排出量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）が大きく増大する。なお、比較例１，２において、点火時期遅角制御などでＨＣ排出量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）を低減しようとすると、燃費が悪化する。
【００１９】
また、本実施形態のＮＯｘトラップ触媒など、下流側にＮＯｘを浄化する触媒を備え、リーン運転を行うものでは、早期に下流側の触媒を活性化してリーン運転を早期に開始することで燃費、浄化性能を向上できる効果が大きい。なお、ＮＯｘトラップ触媒では、定期的にリッチ運転を行ってトラップしたＮＯｘを浄化するが、常時ＮＯｘをトラップしながら浄化するリーンＮＯｘ触媒と称される触媒などを用いることもできる。図５は、上記のように下流側にＮＯｘを浄化する触媒を備えた場合の本発明によるリーン運転開始を早める効果を、比較例１，２と比較して示す。図２のフローで示したように、下流側のＮＯｘトラップ触媒７が活性温度Ｔｕ１に達すると、リーン運転が許可され、同時に機関回転速度がファーストアイドルより低回転のアイドル回転速度へ減少される。このように、リーン運転開始時間ｔ２も比較例１，２の下流側触媒の活性時間に応じたリーン運転開始時間ｔ２’、ｔ２”に比較して早められることにより浄化性能及び燃費を向上できる。
【００２０】
ただし、本発明は下流側の触媒がＮＯｘを浄化する触媒に限定するものではなく、三元触媒などを用いるものでもよいことは勿論である。
また、下流側触媒に設けられる電熱ヒーターの通電開始は、上流側触媒がほぼ完全に活性される温度より低い温度から開始する構成とすることもでき、所定レベル以上の浄化機能が得られる温度以上であればよい。
【００２１】
なお、上記実施形態では、触媒温度を触媒に設けたセンサで検出するものを示したが、水温その他運転状態を用いて触媒温度を推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】同上実施形態における下流側の触媒に内蔵される電熱ヒーターの通電制御を示すフローチャート。
【図３】同上実施形態の第１の運転条件における触媒活性状態とＨＣ排出量の変化の様子を示すタイムチャート。
【図４】同じく第２の運転条件における触媒活性状態とＨＣ排出量の変化の様子を示すタイムチャート。
【図５】同じく第３の運転条件における触媒活性状態とリーン運転開始時間の変化の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００２３】
１  内燃機関
３  燃料噴射弁
５  排気通路
５ａ  排気マニホールド
６  三元触媒
７  ＮＯｘトラップ触媒
７ａ  電熱ヒーター
８  （上流側）触媒温度センサ
９  （下流側）触媒温度センサ
１０  ヒータースイッチ
１１  バッテリ
１２  オルタネータスイッチ
１３  オルタネータ
１４  空燃比センサ
１５  エアフローメータ
１６  クランク角センサ
１７  水温センサ
１８  ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
【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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