(57)【要約】【課題】  排気系に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置であって、触媒反応が常に排気浄化触媒全体でなされるようにすることができ、排気浄化触媒の特に前端側部分の劣化を抑制することが可能で、触媒寿命の延命や触媒交換コスト低減を図ることが可能な内燃機関の排気浄化触媒装置を提供すること。【解決手段】  本排気浄化装置は、排気が流入する排気浄化触媒の入口部から排気が流出する排気浄化触媒の出口部までの排気浄化触媒の全体長さにわたり触媒反応による制御対象排気浄化成分の単位長さ当たりの濃度変化量が一定で、且つ、排気浄化触媒の出口部で制御対象排気浄化成分の濃度が触媒反応によりゼロになるような触媒反応速度を推定する触媒反応速度推定手段と、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を、触媒反応速度推定手段により推定された触媒反応速度を実現するのに適した温度に冷却制御する冷却制御手段と、を有する。【選択図】      図１
2007107416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、
排気が流入する前記排気浄化触媒の入口部から排気が流出する前記排気浄化触媒の出口部までの前記排気浄化触媒の全体長さにわたり触媒反応による制御対象排気浄化成分の単位長さ当たりの濃度変化量が一定で、且つ、前記排気浄化触媒の前記出口部で前記制御対象排気浄化成分の濃度が触媒反応によりゼロになるような触媒反応速度を推定する触媒反応速度推定手段と、
前記排気浄化触媒の前記入口部の近傍部分の触媒温度を、前記触媒反応速度推定手段により推定された触媒反応速度を実現するのに適した温度に冷却制御する冷却制御手段と、
を有する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記触媒反応速度推定手段は、
前記排気浄化触媒の前記入口部に流入する排気中の前記制御対象排気浄化成分の濃度を検出する排気成分濃度検出手段と、前記排気浄化触媒の前記入口部に流入する排気の流速を推定するガス流速推定手段とを有し、
前記排気成分濃度検出手段により検出された前記制御対象排気浄化成分の濃度と前記ガス流速検出手段により推定された排気の流速と前記排気浄化触媒の全体長さとに基づいて、前記触媒反応速度を推定する、
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る排気中に含まれる成分であって浄化する必要のある有害な成分（以下、排気浄化成分と称する）を浄化する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】
【特許文献１】特許第２８３０４６４号公報
【特許文献２】特開平１１−７２０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内燃機関の排気系に排気浄化触媒が配置された従来の排気浄化装置においては、多くの場合、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪の濃度状態にあっても排気エミッション規制に適合するように排気浄化触媒の全体長さや触媒担体に担持される量が決定されていると考える。そのため、例えば、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合には、排気浄化触媒の全体温度が浄化活性に十分な温度に達しているにもかかわらず、触媒反応すなわち排気中の有害成分を浄化するための酸化還元反応の殆どが、排気が流入する側の排気浄化触媒の前端側部分でなされ、排気が排出される側の排気浄化触媒の後端側部分は触媒反応に有効に活用されていないという問題があると考える。
【０００６】
触媒反応の殆どが、排気が流入する側の排気浄化触媒の前端側部分でなされるような状態が継続される場合、排気浄化触媒の後端側部分と比較して、排気浄化触媒の前端側部分は触媒反応の際にもたらされる反応熱の影響を受けて高温状態に継続して晒され、排気浄化触媒の劣化は、排気浄化触媒の後端側部分と比較して、排気浄化触媒の前端側部分の方が早く進行することになると考える。そして、排気浄化触媒の前端側部分の劣化が著しく進行した場合、たとえ排気浄化触媒の後端側部分の劣化が僅かであっても、排気浄化触媒全体としての排気浄化性能が低下し排気エミッションが許容範囲を越えてしまうと、排気浄化触媒は許容範囲を越えて劣化したと判断され、排気浄化触媒全体を新しい排気浄化触媒に交換する必要性に迫られることになり、使用者にとってコスト面での大きな負担を強いられることになる。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、排気系に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置であって、排気が流入する排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を適当に冷却制御することで、触媒反応が常に排気浄化触媒全体でなされるようにすることができ、すなわち、排気浄化触媒の前端側部分だけではなく後端側部分も触媒反応に対して常に有効活用することができ、排気浄化触媒の特に前端側部分の劣化を抑制することが可能で、触媒寿命の延命や触媒交換コスト低減を図ることが可能な内燃機関の排気浄化触媒装置を提供することを目的とする。尚、排気浄化触媒を冷却制御する排気浄化装置は、例えば、特許文献１や特許文献２において公知であるが、これらの特許文献に開示された排気浄化装置と本発明の排気浄化装置とは、実現しようとする課題が異なり、また、冷却制御の内容も異なる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、排気系に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、排気が流入する前記排気浄化触媒の入口部から排気が流出する前記排気浄化触媒の出口部までの前記排気浄化触媒の全体長さにわたり触媒反応による制御対象排気浄化成分の単位長さ当たりの濃度変化量が一定で、且つ、前記排気浄化触媒の前記出口部で前記制御対象排気浄化成分の濃度が触媒反応によりゼロになるような触媒反応速度を推定する触媒反応速度推定手段と、前記排気浄化触媒の前記入口部の近傍部分の触媒温度を、前記触媒反応速度推定手段により推定された触媒反応速度を実現するのに適した温度に冷却制御する冷却制御手段とを有する、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。
【０００９】
すなわち、請求項１の発明では、排気浄化触媒の全体長さにわたり触媒反応による制御対象排気浄化成分の単位長さ当たりの濃度変化量が一定で、且つ、排気浄化触媒の出口部で制御対象排気浄化成分の濃度が触媒反応によりゼロになるような触媒反応速度を推定し、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を、推定された触媒反応速度を実現するのに適した温度に冷却制御することで、触媒反応を常に排気浄化触媒全体でなされるようすることができ、排気浄化触媒の前端側部分だけではなく後端側部分も触媒反応に対して常に有効活用することを可能とし、また、排気浄化触媒の特に前端側部分の熱劣化を抑制でき、触媒寿命の延命を図ることを可能とする。尚、ここで用いられる制御対象排気浄化成分とは、排気中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘなどの排気浄化触媒により浄化されうる有害な成分の内の一つの成分であって、内燃機関の運転状態に基づいて排気エミッションの向上という観点から最も適当であると考えられ選択される一つの成分を意図している。
【００１０】
請求項２の記載の発明によれば、前記触媒反応速度推定手段は、前記排気浄化触媒の前記入口部に流入する排気中の前記制御対象排気浄化成分の濃度を検出する排気成分濃度検出手段と、前記排気浄化触媒の前記入口部に流入する排気の流速を推定するガス流速推定手段とを有し、前記排気成分濃度検出手段により検出された前記制御対象排気浄化成分の濃度と前記ガス流速検出手段により推定された排気の流速と前記排気浄化触媒の全体長さとに基づいて、前記触媒反応速度を推定する、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。
【発明の効果】
【００１１】
各請求項に記載の発明によれば、排気が流入する排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を冷却制御し、排気が流入する前記排気浄化触媒の入口部から排気が流出する排気浄化触媒の出口部までの排気浄化触媒の全体長さにわたる触媒反応速度を適正制御することで、触媒反応が常に排気浄化触媒全体でなされるようにすることができ、すなわち、排気浄化触媒の前端側部分だけではなく後端側部分も触媒反応に対して常に有効活用することができ、排気浄化触媒の特に前端側部分の劣化を抑制することが可能で、触媒寿命の延命や触媒交換コスト低減を図ることが可能となる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を用いて本発明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は排気通路、３は三元触媒、４は吸気通路、５はスロットル弁、６はエアフローメータ、７は冷却装置、８は電子制御装置（以下、ＥＣＵと称す）、９は排気成分濃度検出手段、１０は触媒温度検出手段、１１はガス流速推定手段、のそれぞれを示す。
【００１３】
内燃機関本体１の排気通路２には排気中の有害成分となる排気浄化成分を浄化するための三元触媒３が配置されている。三元触媒３は、三元触媒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３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発明に本適用可能である。
【００１４】
内燃機関本体１の吸気通路４には、スロットル弁５と、該スロットル弁５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６とが配置されている。エアフローメータ６は、該エアフローメータ６の中を流れる空気の流量を計測する役割を果すものであり、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信号の出力信号を発生するものである。
【００１５】
排気が流入する側の三元触媒３の前端側部分には、排気が流入する三元触媒３の入口部の近傍部分を冷却する冷却装置７が配置される。該冷却装置７は、三元触媒３の入口部の近傍部分を所定温度に冷却制御する役割を果すものであり、本実施形態においては、水冷式の冷却装置７が適用される。具体的には、冷却措置７は、冷却水を三元触媒３の入口部分の近傍部分へ循環させるための冷却水循環通路や、冷却水の温度を制御するラジエータおよび電子サーモスタット弁などを有して構成され、冷却水循環流路に温度制御された冷却水を循環させることで、三元触媒３の入口部の近傍部分を所定温度に冷却制御する。
【００１６】
図２は、図１に示された冷却装置７の冷却水の流れを示した図である。図２に示されるごとく、本実施形態における冷却装置７においては、三元触媒３の前端側部分に配置され、三元触媒３の入口部の近傍部分を取り巻く冷却水循環流路に、三元触媒３の前端側から冷却水が進入し、冷却水循環流路を通過した冷却水は、冷却水循環経路を通過する際に熱せられた冷却水の温度を低下させることができるラジエータなどを備えるタンクに電子サーモスタット弁を介して戻され、冷却水が三元触媒３の入口部の近傍部分を所定温度に冷却するのに適した温度にラジエータにより冷却された後に、再び冷却水循環流路に循環される。尚、本冷却装置７を構成するラジエータや電子サーモスタット弁や使用する冷却水は、内燃機関本体１を冷却するための冷却システムと兼用されるように構成されてもよい。また、本冷却装置７は、本実施形態に示されるような構成に制限されることはなく、例えば、三元触媒３の入口部の近傍部分に温度制御された空気を直接吹き当てることで、三元触媒３の入口部の近傍部分を冷却するような空冷式の冷却装置が適用されてもよい。
【００１７】
ＥＣＵ８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内燃機関の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。尚、上述したエアフローメータ６およびスロットル弁５もＥＣＵ８に接続されており、エアフローメータ６からの検出情報をＥＣＵ８に取り込むことができ、また、ＥＣＵ８からの信号によってスロットル弁５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。
【００１８】
更に、ＥＣＵ８には、排気成分濃度検出手段９、触媒温度検出手段１０、ガス流速推定手段１１、および冷却装置７も接続されており、ＥＣＵ８は、排気成分濃度検出手段９、触媒温度検出手段１０およびガス流速推定手段１１からの検出情報あるいは推定情報を取り込むことができ、これらの情報に基づいて冷却装置７の制御、例えば電子サーモスタット弁の弁開度の電子制御などをできるように構成されている。排気成分濃度検出手段９は、三元触媒３の入口部に流入する排気中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの排気浄化成分や酸素成分などの各成分濃度すなわち三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒壁面の各成分濃度を検出する役割を果すものであり、各成分濃度を検出するセンサーを有して構成される。触媒温度検出手段１０は、三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度を推定する役割を果すものであり、温度センサーあるいは熱流速センサーを有して構成され、これらのセンサーからの検出情報に基づいて三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度が推定される。ガス流速推定手段１１は、三元触媒３の入口部に流入する排気の流速を推定する役割を果すものであり、本実施形態においては、エアフローメータ６を有して構成され、エアフローメータ６から検出される吸入空気流量に基づいて三元触媒３の入口部に流入する排気の流速が推定される。
【００１９】
従来の排気浄化装置においては、先にも述べたが、例えば、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合には、排気浄化触媒の全体温度が浄化活性に十分な温度に達しているにもかかわらず、触媒反応すなわち排気中の有害成分となる排気浄化成分を浄化するための酸化還元反応の殆どが、排気が流入する側の排気浄化触媒の前端側部分でなされ、排気が排出される側の排気浄化触媒の後端側部分は触媒反応に有効に活用されていないという問題があると考える。
【００２０】
内燃機関の排気系に配置された従来の排気浄化装置においては、想定されるどのような最悪な状況においても排気エミッション規制に適合すべく、排気浄化触媒は安全設計されていることが一般的である。すなわち、従来の排気浄化触媒の設計当たっては、多くの場合、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪の濃度状態にあっても、排気エミッション規制に適合するように、排気浄化触媒の全体長さや触媒担体に担持される量が決定されていることが考えられる。
【００２１】
そのため、排気が排気浄化触媒に接触しながら流れていき、その過程で排気中の排気浄化成分濃度が変化していく排気浄化装置において、排気浄化触媒の全体温度が浄化活性に十分な温度に達している場合であっても、例えば、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合には、排気が流入する側の排気浄化触媒の前端側部分のみで排気浄化成分に対する触媒反応による浄化が完了し、排気が排出される側の排気浄化触媒の後端側部分が有効に活用されない状態がもたらされうることが考えられる。
【００２２】
図３は、排気が流入する排気浄化触媒の入口部から排気が排出される排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の排気浄化率を示す図である。図３において、実線は、触媒反応速度を制御することができる構成を有さない従来の排気浄化装置における排気浄化率の変化の一例を示し、破線は触媒反応速度を制御することができる構成を有する本発明の排気浄化触媒装置における排気浄化率の変化の一例を示す。
【００２３】
図３中の実線は、触媒反応速度を制御することができる構成を有さない従来の排気浄化装置において、上述したような、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合の、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化率の変化の一例を示す。図３中の実線に示される一例においては、排気浄化率は、排気浄化触媒の入口部において最大で、該入口部から徐々に減少し、排気浄化触媒の全体長さの約半分の位置でゼロになることが示されている。すなわち、従来の排気浄化装置において、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にあるような場合、排気浄化触媒の触媒反応は、排気浄化触媒の前端側部分において殆ど終了してしまい、排気浄化触媒の後端側部分は触媒反応に有効に使用されないことがありうることが示されている。
【００２４】
このような触媒反応状態が継続されると、排気浄化触媒の前端側部分は、例えば排気浄化触媒の劣化をもたらすような触媒反応による反応熱など影響を大きく受けて熱劣化が進行し、一方で、排気浄化触媒の後端側部分は、触媒反応に殆ど関与することはなく、劣化の進行は少ないことが考えられる。
【００２５】
図４は、排気が流入する排気浄化触媒の入口部から排気が排出される排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の劣化度を示す図である。図４において、実線は、触媒反応速度を制御することができる構成を有さない従来の排気浄化装置における排気浄化触媒の劣化度の変化の一例を示し、破線は触媒反応速度を制御することができる構成を有する本発明の排気浄化触媒装置における排気浄化触媒の劣化度の変化の一例を示す。
【００２６】
図４中の実線は、触媒反応速度を制御するような構成を有さない従来の排気浄化装置において、上述したような、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さい通常の濃度状態にある場合の、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の劣化度の変化の一例を示す。図４中の実線に示される一例においては、触媒劣化度は、排気浄化触媒の入口部で最大で、該入口部から徐々に減少し、排気浄化触媒の全体長さの約半分の位置で安定し、排気浄化触媒の後端側部分については殆ど変化なく安定していることが示されている。すなわち、従来の排気浄化装置においては、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にあるような場合、排気浄化触媒の劣化は、その殆どが排気浄化触媒の前端側部分においてのみ進行し、排気浄化触媒の後端側部分において劣化は殆ど進行しないことがありうることが示されている。
【００２７】
排気浄化触媒の交換の必要性の有無の判断は、多くの場合、排気エミッションが許容範囲を越えているか否かでなされる。従って、たとえ排気浄化触媒の後端側部分の劣化が僅かであっても、排気浄化触媒の前端側部分の劣化が著しく進行した場合であって、排気浄化触媒全体としての排気浄化性能が低下し排気エミッションが許容範囲を越えてしまったような場合には、排気浄化触媒は許容範囲を越えて劣化したと判断され、排気浄化触媒全体を新しい排気浄化触媒に交換する必要性に迫られることになり、使用者にとってコスト面での大きな負担を強いられることになる。
【００２８】
そこで、本発明に係る排気浄化装置においては、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を冷却制御し、排気浄化触媒での排気浄化成分を浄化する触媒反応速度を適当に制御することで、触媒反応が常に排気浄化触媒全体でなされるようして、排気浄化触媒の前端側部分だけではなく後端側部分も触媒反応に対して常に有効活用することを可能とし、また、排気浄化触媒の特に前端側部分の熱劣化を抑制でき、触媒寿命の延命を図ることを可能とする。
【００２９】
このような本発明の排気浄化装置における、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化率の変化の一例を、図３の破線に示す。図３の破線に示されるごとく、本発明の排気浄化装置によれば、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を冷却制御し、排気浄化触媒での排気中の排気浄化成分を浄化する触媒反応速度を適当に制御することで、排気浄化率を、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の全体長さにわたり一定となるように制御することを可能とする。
【００３０】
また、本発明の排気浄化装置における、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の劣化度の変化の一例を、図４の破線に示す。図４の破線に示されるごとく、本発明の排気浄化装置によれば、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を冷却制御し、排気浄化触媒での排気中の排気浄化成分を浄化する触媒反応速度を適当に制御することで、排気浄化触媒の劣化度を、排気浄化触媒の入口部から排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の全体長さにわたり一定となるように制御することを可能とする。
【００３１】
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、排気浄化触媒となる三元触媒３の入口部の近傍部分の冷却制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【００３２】
図５に示す制御ルーチンにおいては、先ず、触媒反応すなわち排気中の排気浄化成分を浄化する酸化還元反応が常に触媒全体を使って行われるように制御するのに適した、触媒反応速度が推定される。次に推定された触媒反応速度を実現するのに適した三元触媒３の入口部の近傍部分の温度が推定される。そして、三元触媒３の入口部の近傍部分の温度が該推定された温度を越えているか否かが判定され、越えていると判定された場合には、三元触媒３の入口部の近傍部分が該推定された温度となるように冷却制御される。このような一連の制御により、触媒反応を常に触媒全体を使って行うことができ、三元触媒３の前端側部分だけではなく三元触媒３の後端側部分も排気浄化成分の浄化に対して常に有効に活用することを可能にすると共に、三元触媒３の前端側部分の劣化の進行を抑制することが可能となる。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００３３】
ステップ１０１においては、触媒反応が常に触媒全体を使って行われるように制御するのに適した触媒反応速度が推定される。以下に、該触媒反応速度の推定方法について説明する。
【００３４】
排気が三元触媒３に流入すると、排気に含まれているＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのような浄化が必要とされる排気浄化成分は、三元触媒３の入口部側から徐々に浄化されることになり、従って、排気中の排気浄化成分濃度は、排気が流入する三元触媒３の入口部から排気が排出される出口部に向かい徐々に低下することになる。触媒全体で排気中の排気浄化成分の浄化を行い、三元触媒３の前端側部分のみならず後端側部分も触媒反応に対して常に有効に活用するという観点においては、排気浄化成分は、三元触媒３の出口部に達した時点で完全に浄化されることが理想的であり、すなわち、三元触媒３の出口部で排気浄化成分濃度がゼロとなることが最も有効な三元触媒３の活用方法となる。例えば、三元触媒３の前端側部分で排気浄化成分が完全に浄化されてしまう場合には、三元触媒３の後端側部分は、触媒反応に対して有効に活用されていないことになる。
【００３５】
図６は、このような最も有効な活用方法で三元触媒３が使用される場合の、三元触媒３の入口部から出口部に向かう三元触媒３の長手方向における排気浄化成分濃度の変化を示す図であり、三元触媒３の入口部での排気浄化成分濃度が、三元触媒３の出口部に向かい徐々に直線的に減少し、三元触媒３の長手方向のどの位置においても単位長さ当たりの排気浄化成分濃度の変化量が一定で、すなわち、三元触媒３の長手方向のどの位置においても一定の排気浄化率で排気中の排気浄化成分が浄化され、三元触媒３の出口部で排気浄化成分濃度がゼロになることが示されている。このように排気浄化成分濃度の変化を制御することができれば、三元触媒全体を活用して排気中の排気浄化成分を完全に除去することが可能となる。
【００３６】
ところで、三元触媒３に流入する排気中の排気浄化成分となるＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの濃度はそれぞれ異なる。そのため、排気中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘのすべての排気浄化成分を三元触媒３の出口部でゼロとなるように最適制御することは困難をともなう。そこで本実施形態においては、まず、ＨＣ、ＣＯあるいはＮＯｘの３つの排気浄化成分の内から、三元触媒３の出口部での濃度がゼロとなるように制御することで排気エミッションの向上に最も寄与しうると考えられる一つの排気浄化成分（以下、制御対象排気浄化成分と称す）の選定がなされる。
【００３７】
制御対象排気浄化成分の選定方法は、例えば、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリーン空燃比である場合には、排気中にはＮＯｘが多く含まれていることが想定され、選定する制御対象排気浄化成分をＮＯｘとすることが考えられる。また、例えば、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比である場合には、排気中にはＣＯおよびＨＣが多く含まれていることが想定され、選定する制御対象排気浄化成分をＣＯまたはＨＣのいずれかにすることが考えられる。更に、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比である場合に制御対象排気浄化成分としてＣＯあるいはＨＣのどちらを選定するかの判断や、三元触媒３に流入する排気空燃比が理論空燃比である場合に制御対象排気浄化成分としてどの成分を選定するかの判断については、排気エミッションの向上という観点から、各排気浄化成分の触媒反応に必要な活性化エネルギーや各排気浄化成分の排気中の濃度などに基づいてなさることが考えられる。
【００３８】
次に、排気成分濃度検出手段９により三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒壁面における制御対象排気浄化成分濃度（Ｃｇｉ）を検出し、検出された制御対象排気浄化成分濃度と三元触媒３の全体長さとから、図６に示されるような制御対象排気浄化成分の濃度の変化を実現するための、単位長さ当たりの制御対象排気浄化成分濃度の変化量（∂Ｃｇ／∂ｚ）を、式１を使用してＥＣＵ８にて算出する。
（∂Ｃｇ／∂ｚ）＝Ｃｇｉ／Ｚｔ  ・・・式１
ここで、Ｃｇｉは三元触媒の入口部の近傍部分の触媒壁面における制御対象排気浄化成分の濃度、Ｚｔは三元触媒３の全体長さ、のそれぞれを示す。
【００３９】
一般に、触媒反応速度（ｒ）と単位長さ当たりの制御対象排気浄化成分の濃度の変化量（∂Ｃｇ／∂ｚ）とは、式２で示されるように関係にあることが知られている。
ｒ＝Ｖｇ*（∂Ｃｇ／∂ｚ）  ・・・式２
ここで、Ｖｇはガス流速であり、該ガス流速は、ガス流速推定手段１１によりエアフローメータ６から検出される吸入空気流量に基づいて推定される。推定されたガス流速の情報はＥＣＵ８に取り込まれ、ＥＣＵ８にて、式２を使用して、式１により算出された単位長さ当たりの制御対象排気浄化成分濃度の変化量（∂Ｃｇ／∂ｚ）とガス流速推定手段１１により推定されたガス流速とに基づいて、制御対象排気浄化成分を浄化する触媒反応が常に触媒全体を使って行われるように制御するのに適した、触媒反応速度（ｒ）を推定することができる。
【００４０】
ステップ１０１に続くステップ１０２においては、三元触媒３における実際の触媒反応速度をステップ１０１において推定された触媒反応速度とするために適する、三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度を推定する。以下に、ステップ１０１にて推定された触媒反応速度とすることが可能な、三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度を推定する方法について説明する。
【００４１】
一般に、触媒反応速度と、触媒壁面における制御対象排気浄化成分濃度とは式３に示されるような関係にあることが知られている。
ｒ＝ｋ*Ｃｗｉ  ・・・式３
ここで、ｋは触媒反応速度定数である。また、Ｃｗｉは、触媒壁面における排気成分濃度であり、例えば、制御対象排気浄化成分がＨＣとされた場合には、触媒壁面におけるＨＣ濃度と酸素濃度との積で表されることになる。そこで、排気成分濃度検出手段９により検出された三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒壁面の制御対象排気浄化成分濃度および酸素濃度と、ステップ１０１において推定された触媒反応速度とに基づいて、ＥＣＵ８にて、式３を使用して、三元触媒３における実際の触媒反応速度をステップ１０１において推定された触媒反応速度とするために適する三元触媒３の入口部の近傍部分での触媒反応係数ｋを算出することができる。
【００４２】
また、触媒反応係数ｋと触媒温度Ｔとは式４に示される関係にあることが知られている。
ｋ＝Ａ*ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）  ・・・式４
ここで、Ｔは触媒温度である。また、Ａは触媒反応の頻度因子、Ｅは触媒反応の活性化エネルギー、Ｒはガス定数であり、これらの値は実験的に適合して予め設定された定数であり、予めＥＣＵ８のメモリーなどに記憶させておく。触媒反応の頻度因子は、触媒種類、触媒担持量、触媒表面積等により決定される定数である。式３において算出された三元触媒３の入口部の近傍部分で適する触媒反応係数ｋに基づいて、ＥＣＵ８にて、式４を使用して、三元触媒３における実際の触媒反応速度をステップ１０１において推定された触媒反応速度とするために適する三元触媒３の入口部の近傍部分での触媒温度（Ｔｉ）を算出することができる。このような算出された触媒温度（Ｔｉ）が、三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度として設定される。
【００４３】
ステップ１０２に続くステップ１０３においては、三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度（Ｔｍ）が、温度センサーあるいは熱流速センサーを有して構成される触媒温度検出手段１０により検出され、該検出された情報はＥＣＵ８に取り込まれる。
【００４４】
ステップ１０３に続くステップ１０４においては、ステップ１０２にて推定された三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度（Ｔｉ）を閾値として、ステップ１０３において触媒温度検出手段１０により検出された三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度（Ｔｍ）が、該閾値を越えているか否かがＥＣＵ８により判定される。三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度（Ｔｍ）が、ステップ１０２にて推定された三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度（Ｔｉ）を越えていると判定されると、続くステップ１０５に進む。
【００４５】
ステップ１０５においては、冷却装置７により三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度が、ステップ１０２にて推定された三元触媒３の入口部の近傍部分の制御目標触媒温度（Ｔｉ）に冷却制御される。これにより、三元触媒３における実際の触媒反応速度をステップ１０１において推定された触媒反応速度とすることができ、三元触媒３の長手方向のどの位置においても単位長さ当たりの制御対象排気浄化成分濃度の変化量が一定で且つ三元触媒３の出口部で制御対象排気浄化成分濃度がゼロとなるような制御が可能となる。
【００４６】
図７は、排気が流入する三元触媒３の入口部から排気が排出される三元触媒３の出口部にわたる三元触媒３の温度の変化を示す図である。図７において、実線は、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合の、従来の排気浄化装置における排気触媒の温度変化の一例を示し、破線は本発明の排気浄化装置における冷却制御が実行された際の排気浄化触媒となる三元触媒３の温度変化の一例を示す。
【００４７】
図７の実線は、従来の排気浄化装置においては、排気浄化触媒に流入する排気中の排気浄化成分濃度が想定される最悪な濃度状態よりも小さな通常の濃度状態にある場合、排気浄化触媒の前端側部分は、排気浄化触媒の後端側部分と比較して、触媒反応によりもたらされる反応熱の影響を受けて高温状態に晒されることを示す。それに対して、本発明の排気浄化装置における冷却制御が実行された際には三元触媒３の入口部の近傍部分の触媒温度が、三元触媒３の全体長さにわたり排気浄化率が一定になるような温度に冷却制御され、結果として、図６の破線に示されるごとく、制御対象排気浄化成分濃度の高い三元触媒３の前端側部分の触媒温度が、制御対象排気浄化成分濃度の低い三元触媒３の後端側部分の触媒温度よりも低くなるように冷却制御される。これにより、触媒反応が常に排気浄化触媒全体でなされるようにすることができ、すなわち、排気浄化触媒の前端側部分だけではなく後端側部分も触媒反応に対して常に有効活用することができ、排気浄化触媒の特に前端側部分の劣化を抑制することが可能で、触媒寿命の延命や触媒交換コスト低減を図ることが可能となる。
【００４８】
以上、記載された本実施形態においては、排気浄化触媒の全体長さにわたり触媒反応による制御対象排気浄化成分の単位長さ当たりの濃度変化量が一定で、且つ、排気浄化触媒の出口部で制御対象排気浄化成分の濃度が触媒反応によりゼロになるような触媒反応速度を推定する触媒反応速度推定手段は、排気成分濃度検出手段９、ガス流速推定手段１１およびＥＣＵ８を有して構成され、また、排気浄化触媒の入口部の近傍部分の触媒温度を、触媒反応速度推定手段により推定された触媒反応速度を実現するのに適した温度に冷却制御する冷却制御手段は、冷却装置７、触媒温度検出手段１０およびＥＣＵ８を有して構成されるが、これらの触媒反応速度推定手段および冷却制御手段は、このような構成要素に限定されることはなく、同様の作用効果をもたらたすことが可能であれば、他の構成要素が代替として使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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】図１に示された冷却装置の冷却水の流れを示した図である。
【図３】排気が流入する排気浄化触媒の入口部から排気が排出される排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の排気浄化率を示す図である。
【図４】排気が流入する排気浄化触媒の入口部から排気が排出される排気浄化触媒の出口部にわたる排気浄化触媒の劣化度を示す図である。
【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、排気浄化触媒となる三元触媒の入口部の近傍部分の冷却制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【図６】三元触媒が最も有効な活用方法で使用される場合の、三元触媒の入口部から出口部に向かう三元触媒の長手方向における排気浄化成分濃度の変化を示す図である。
【図７】排気が流入する三元触媒の入口部から排気が排出される三元触媒３の出口部にわたる三元触媒の温度の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    内燃機関本体
２    排気通路
３    三元触媒
４    吸気通路
５    スロットル弁
６    エアフローメータ
７    冷却装置
８    ＥＣＵ
９    排気成分濃度検出手段
１０    触媒温度検出手段
１１    ガス流速推定手段
【図１】
2007107416.tif 000003
【図２】
2007107416.tif 000004
【図３】
2007107416.tif 000005
【図４】
2007107416.tif 000006
【図５】
2007107416.tif 000007
【図６】
2007107416.tif 000008
【図７】
2007107416.tif 000009