(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、排ガス中の有害物質を浄化する排気浄化触媒と、
前記排気系の前記排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気系の通路断面積を減少させて前記排気系内での排気流動を制御する排気流動制御手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記検出された排ガスの流量、圧力および温度に基づき、前記排気流動制御手段による排ガス流動の制御時に前記排気浄化触媒に付加された総熱量に相当する指標を算出する算出手段と、
前記算出された指標が所定値以上となったとき、前記排気流動制御手段による制御の影響を減少させる影響減少手段と
を具備したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記総熱量に相当する指標に対して前記検出された圧力の大きさに応じた重み係数を更に乗じた指標を算出することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置に係り、特に排気流動の制御により、その浄化性能を向上させることができる排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の排気浄化装置に関する従来の技術としては、例えば特許第２８１７８５２号公報に掲載された排気制御装置が挙げられる。この公知の排気制御装置は排気通路の途中に触媒を備えており、エンジンの冷態時には排気通路の通路抵抗を増加して排気圧力を高め、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化温度まで昇温させるものとしている。また、公知の排気制御装置はエンジンの高負荷運転状態または触媒の活性化温度到達を検出すると、排気通路の通路抵抗を減少させて排気流動制御を終了するものとしている。
【０００３】
上述した公知の排気制御装置によれば、エンジンの冷態時におけるエミッションの低減が図られるとともに、高負荷運転状態や触媒の活性化温度到達を検出して排気流動制御が終了されるので、高負荷運転時のノッキングの発生や触媒の過昇温による劣化が防止されると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、公知の排気制御装置のように排気流動制御の終了時期をエンジンの高負荷運転時または触媒の活性化温度到達時として規定すると、それぞれ以下の不具合が生じる。
すなわち、高負荷運転を判定して排気流動制御を終了する場合、その判定レベルが低すぎると充分な排気温度の上昇が得られず、エミッションの低減が充分に図れない。逆に高負荷の判定レベルが高すぎると、触媒が既に活性化されているにもかかわらず昇温を続けることとなり、余分な燃料を消費する。
【０００５】
一方、触媒が活性化温度に達したことを判定して排気流動制御を終了しようとする場合、触媒内部に温度勾配（分布）が存在するため画一的な判定は困難となる。例えば、触媒中央部分の温度を代表値として検出する場合、通常その検出温度に比較して触媒出口の温度は低いことから、実際には触媒全体が活性化温度に達していないにもかかわらず排気流動制御を終了するという誤動作を引き起こしてしまう。このため、より正確な判定を行おうとすると触媒内部の温度勾配を正確に把握するために複数の温度センサが必要となり、構造の複雑化やコストの増大を招いてしまう。
【０００６】
そこで本発明は、触媒の活性状態に応じて合理的な排気流動制御を実施し、効率的に排ガスを浄化することができる排気浄化装置の提供を課題としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置（請求項１）は排気浄化触媒に流入する排ガスの流量、圧力および温度に基づいて排ガス流動の制御時に排気浄化触媒に付加された総熱量に相当する指標を算出し、この指標が所定値以上となったとき、排気流動制御手段による排気流動制御の影響を減少させることで上記の課題を解決したものである。
【０００８】
本発明の排気浄化装置によれば、算出された指標は触媒内部の温度分布を含んだ総合的な指標となりうるため、この指標に基づいて触媒全体の活性化状態を総合的に判断することができる。ここで、排ガス自身は本来、触媒昇温能力（熱エネルギ）を有していることから、本発明では触媒が活性化する直前で排気流動制御の影響を減少させ、その後は排ガス本来の触媒昇温能力により触媒を活性化させるものとしている。触媒が活性化する直前にあるか否かの判断は、触媒に付加された総熱量から判断することができるので、触媒の活性化特性に合わせて所定値を適切に設定していれば、触媒が活性化する直前のタイミングで排気流動制御による影響を減少することができる。
【０００９】
より実用的には、上述した総熱量相当の指標に排気圧力の大きさに応じた重み係数を更に乗じた指標を算出する態様が好ましい（請求項２）。すなわち、触媒には排ガスから伝達される熱量以外に、排ガス中の未燃物（Ｈ2、ＴＨＣ、ＣＯ等）が触媒内で反応する際の反応熱もまた付加される。このため、排気圧力がより高い場合は未燃物が触媒内に拡散し、その反応速度がより高まる分、触媒に付加される総熱量は増加すると考えられる。したがって、本態様のように排気圧力の大きさに応じた重み係数を更に乗じて指標の算出を行えば、実際の触媒の活性状態により合致した指標を得ることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の排気浄化装置が適用された内燃機関の全体構成を概略的に示している。なお、一実施形態の内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する。）１には筒内噴射型火花点火式のガソリンエンジンが用いられているが、本発明の適用は当該形式のエンジンのみに限定されるものではない。
【００１１】
このエンジン１は、例えば燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能である。これによりエンジン１は、吸気行程噴射モードでは理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転が可能であり、圧縮行程噴射モードではリーン空燃比および超リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が可能である。
【００１２】
エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、この燃料噴射弁６を通じて燃焼室内に燃料を直接噴射可能である。これにより、燃料噴射弁６は主燃焼用の主噴射手段として機能するとともに排気系に燃料を追加供給する副噴射手段としても機能する。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示されていない）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置は低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとを備えており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧あるいは高燃圧で供給し、その燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射することができる。
【００１３】
シリンダヘッド２には、気筒毎に略直立方向に延びる吸気ポートが形成されており、これら吸気ポートに吸気マニホールド１０の一端が接続されている。なお、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられており、その上流側にはエアフローセンサ１５が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、気筒毎に略水平方向に延びる排気ポートが形成されており、これら排気ポートに排気マニホールド１２の一端が接続されている。排気マニホールド１２としては、ここでは、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムが採用される。その他、排気マニホールド１２は、シングル型エキゾーストマニホールドシステムであっても、またクラムシェル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよい。
【００１４】
また、各排気ポートには空気通路１７を介して２次エアポンプ１６が接続されており、この２次エアポンプ１６が作動することで各排気ポートに２次エアを供給可能である。エンジン１のその他の構成は既に公知であるため、その詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管２０が接続されており、この排気管２０には例えば三元型の排気浄化触媒（以下、「触媒」と略称する。）３０が介装されている。この触媒３０は担体に触媒層を担持させたものであり、触媒層には活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを含むものとなっている。また排気管２０には、触媒３０の入口手前に空燃比センサ３２が取り付けられている。なお、触媒３０は三元型に限られず、ＮＯｘ吸蔵型やＨＣ吸着型のものを使用してもよい。
【００１５】
図２は、触媒３０の下流側部分を示している。触媒３０の下流側にはバタフライ弁４２が配設されており、このバタフライ弁４２は排気管２０内にて回動自在に設けられている。また、排気管２０にはバタフライ弁４２を迂回するようにしてリリーフ通路２２が設けられており、このリリーフ通路２２内にリリーフ弁４６が設けられている。このリリーフ弁４６は常閉弁であり、その弁体４８はスプリング５０により付勢され、リリーフ通路２２の内周面に設けられた被弁体２４と当接することでリリーフ通路２２内への排ガスの流れ込みを閉塞している。
【００１６】
バタフライ弁４２は排気管２０内を横断して延びる回動軸４３を有しており、この回動軸４３の回動に伴い、バタフライ弁４２は排気管２０の通路断面積を減少させて排ガスの流動を制御することができる（排気流動制御手段）。また回動軸４３の一端は排気管２０の外壁から突出しており、その突出端にアクチュエータ４５が接続されている。アクチュエータ４５は回動軸４３を回動させてバタフライ弁４２を開閉動作させることができる。
【００１７】
ここで、エンジン１の運転は電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と略称する。）６０を用いて電子制御されており、上述した各種の電子機器類はＥＣＵ６０に接続されている。具体的には、上述した燃料噴射弁６や点火コイル８、スロットル弁１４、アクチュエータ４５等の各種出力デバイスはＥＣＵ６０の出力側に接続されている。また、ＥＣＵ６０の入力側にはエアフローセンサ１５や空燃比センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からＥＣＵ６０に検出情報が入力されるものとなっている。
【００１８】
また、排気通路２０には圧力センサ６２が配設されており、更に触媒３０の入口近傍には温度センサ６４が配設されている。これら圧力センサ６２および温度センサ６４もまた、それぞれＥＣＵ６０の入力側に接続されている。
ＥＣＵ６０は、入出力装置や記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を備えており、ＥＣＵ６０はエンジン１の運転制御とともに排気浄化装置の作動をも制御することができる。また各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、回転トルク等の各種情報がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。またアクチュエータ４５に所望の回転トルクが与えられてバタフライ弁４２が開閉される。
【００１９】
ＥＣＵ６０は、エンジン１の運転制御に関連して排気昇温制御を実施することができる。例えば、エンジン１の冷態始動時等においては、触媒３０を早期に昇温させてその排ガス浄化機能を早期に活性化させるため、エンジン１の運転に関して排気昇温制御が実施される。このとき、ＥＣＵ６０は燃料噴射弁６による主噴射とは別に副噴射を行う２段燃焼制御を行ったり、２次エアポンプ１６から排気系内に２次エアを供給したり、あるいは点火時期リタードを実施して排気系内で未燃物と酸素とを反応させ、排ガス温度の早期上昇を図る。
【００２０】
これら排気昇温制御と合わせて、ＥＣＵ６０はアクチュエータ４５を駆動してバタフライ弁４２を閉作動させることで排気流動制御を実施する。これにより、バタフライ弁４２より上流側の排気系内にて排気圧が上昇し、排気昇温制御の実施に伴う排気系内での未燃物の酸化が一層促進されるという効果が得られる。更にＥＣＵ６０は、触媒３０が活性化直前の状態であると判断すると、それまで閉じていたバタフライ弁４２を全開作動させたり、あるいは、バタフライ弁４２を全閉状態から所定開度まで開作動させたりする制御を行うことができる。以下にその具体的な制御内容について説明する。
【００２１】
図３は、排気流動制御に関連したバタフライ弁４２の制御ルーチンを示している。ＥＣＵ６０は本制御ルーチンを実行すると、先ず排気流動制御が実施中であるかを判断する（ステップＳ１）。上述のように排気昇温制御の実施に合わせてバタフライ弁４２を閉作動させている場合、ＥＣＵ６０は排気流動制御を実施中（Ｙｅｓ）であると判断する。
【００２２】
排気流動制御を実施中であると判断すると、次にＥＣＵ６０は所定の指標を算出する（ステップＳ２）。この指標は、排気昇温制御が実施されてから触媒３０に付加された総熱量に相当する値として算出されるものであり、具体的には以下の演算式から算出される。
指標＝積算値｛排気（体積）流量×排気圧力×排気温度×排圧係数｝
ここに、排気（体積）流量、排気圧力、排気温度等のパラメータは、それぞれ上述したエアフローセンサ１５、圧力センサ６２、温度センサ６４からのセンサ信号を用いて検出することができる。
【００２３】
また排圧係数は、例えば図４に示されるマップから求めることができる。排圧係数は排気圧力に応じて決定される補正係数であり、その値は排気圧力の高領域で増大する特性を有する。このような排圧係数の特性については、以下のように考えることができる。すなわち、排気圧力が高い条件の下では、触媒３０内で転化されるべき物質（Ｈ2，ＴＨＣ，ＣＯ等）が触媒３０内に拡散し、その反応速度が増大する。このため排気圧力が高いほど、触媒３０内での物質の反応熱は増大する傾向にあるといえる。したがって指標の算出に際し、排気圧力の条件を加味して排圧係数による補正を行うことにより、触媒３０に付加される総熱量相当値の適正化を図ることができる。なお、図４のマップは固定されたものではなく、適宜触媒３０の昇温特性とのマッチングをとることで一層の適正化を図ることができる。
【００２４】
ＥＣＵ６０は、所定の制御インターバル毎に各種パラメータおよび排圧係数を検出し、これらを乗じた結果を順次積算して指標を算出する。
指標を算出すると、ＥＣＵ６０は指標が所定値以上となったか否かを判断する（ステップＳ３）。指標が上記の所定値に達していない間（ステップＳ３＝Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は次の処理を迂回して制御ルーチンをリターンし、上述の処理（ステップＳ１〜Ｓ３）を繰り返す。
【００２５】
算出した指標が所定値以上となると（ステップＳ３＝Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０は排気流動制御を中止する（ステップＳ４）。具体的には、ＥＣＵ６０はアクチュエータ４５を駆動してバタフライ弁４２を全開位置まで復帰させる（影響減少手段）。
このとき、上記の所定値は例えば、触媒３０を活性化直前まで昇温するのに必要な熱量相当値に設定されており、それゆえ、算出された指標が所定値に達していない間は、未だ触媒３０が活性化直前までに至らないものと考えられるため、ステップＳ３の判断（ステップＳ３＝Ｎｏ）に基づいて排気流動制御が継続される。これに対し、算出された指標が初めて所定値以上となった状況にあっては、実際に触媒３０が活性化する直前の状態にあるものと考えられる。したがって、ステップＳ３の判断（ステップＳ３＝Ｙｅｓ）に基づいて排気流動制御を中止した後は、触媒３０の浄化機能により排ガスが浄化される。
【００２６】
上述のように、本実施形態ではＥＣＵ６０により算出した指標に基づいて排気流動制御の停止を行っているため、排気流動制御の実施中に触媒３０が活性化直前の状態となった後はバタフライ弁４２を開作動し、エンジン１をスムーズに通常の運転状態に移行させることができる。これにより、無用に排気流動制御を長期化させて燃費を悪化させることがなく、触媒３０の早期活性化と燃費節減とを高度に両立させることが可能となる。
【００２７】
上述した制御ルーチンは好ましい一例であるが、個々の処理について各種の変形が可能である。例えば、ステップＳ２では排圧係数を乗じることなく指標を算出してもよい。この場合、指標は排気流量、排気圧力および排気温度の各パラメータを掛け合わせたものの積算値として算出される。特にエンジン１の冷態始動時のように排気圧力に大幅な変動がない場合は、排圧係数を省略することでＥＣＵ６０による演算負荷を軽減できるメリットがある。
【００２８】
またステップＳ２における指標の算出に際し、排気流量や排気圧力、排気温度をそれぞれ推定値として検出する態様であってもよい。具体的には、吸入空気量、スロットル開度およびエンジン回転速度、体積効率、マニホールド内圧および正味平均有効圧、図示平均有効圧等から排気（体積）流量を推定可能である。また排気圧力は、排気（体積）流量および排気管２０の有効通路断面積（バタフライ弁４２による減少後の面積）から推定可能である。そして排気温度は、エンジン１の冷却水温と始動後経過時間から推定可能である。
【００２９】
上述のステップＳ４では排気流動制御を中止するものとしているが、ここでは指標の増加とともにバタフライ弁４２を所定開度に保持したり、あるいは指標の値に応じてバタフライ弁４２の開度を変更したりする制御を実施してもよい。この場合の制御は指標が所定値以上となったとき、排気流動制御による排気圧力への影響を減少させる態様となる（影響減少手段）。
【００３０】
また、ステップＳ３において所定値の設定は一定ではなく、本発明が適用されるエンジンの排気系、触媒、車両の各仕様に応じて予め適正化された値を用いることができる。
上述の実施形態では排気流動制御手段としてバタフライ弁４２を挙げているが、その他に排気管２０の通路断面積を変更して排気流動を制御する手段を適用してもよい。
【００３１】
また上述の実施形態において、ＥＣＵ６０は排気昇温制御とともに排気流動制御を実施しているが、排気昇温制御の実施は特に必須のものではない。
なお本制御の実施は、排気流動制御に関するその他の制御技術（例えば、排気流動制御時にエンストした場合、エンジン不調あるいは排気流動制御手段の故障と判定し、次回始動後の所定時間（例えば３分）経過までの間に実行させる影響減少制御等）との併用を妨げるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の排気浄化装置（請求項１）は、触媒の早期活性化と燃費の節減という相反する要求を高度に両立させ、内燃機関からの有害物質の排出量を大幅に低減することができる。
また、指標の算出に際して重み係数を更に考慮していれば（請求項２）、触媒内での反応熱による昇温を加味したより高精度な制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の排気浄化装置が適用された内燃機関の概略図である。
【図２】図１中、触媒の下流側部分を拡大して示した図である。
【図３】排気流動制御手段に関する制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。
【図４】排気圧力から排圧係数を求めるマップの一例を示した図である。
【符号の説明】
１  エンジン
１５  エアフローセンサ
２０  排気管
３０  触媒
４２  バタフライ弁
６０  ＥＣＵ
６２  圧力センサ
６４  温度センサ
【図１】
0004022716.tif 000002
【図２】
0004022716.tif 000003
【図３】
0004022716.tif 000004
【図４】
0004022716.tif 000005