(57)【要約】【課題】一の気筒での目標空燃比がリッチ空燃比に設定され他の気筒での目標空燃比がリーン空燃比に設定される触媒再生制御の実行中での、触媒の過昇温を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。【解決手段】触媒再生制御の実行中に、取得された内燃機関の運転状態と、目標空燃比として設定されたリーン空燃比とリッチ空燃比との差の大きさとに基づいて、触媒の温度を推定する推定部と、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が閾値を超えたか否かを判定する判定部と、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記触媒再生制御を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が有する複数の気筒から排出された排気を浄化する触媒と、
前記内燃機関の運転状態を取得する取得部と、
前記複数の気筒のうち少なくとも一の気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定し、前記複数の気筒のうち残りの他の気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定することにより、前記触媒を昇温させて前記触媒を再生する触媒再生制御を実行する制御部と、
前記触媒再生制御の実行中に、取得された前記内燃機関の運転状態と、目標空燃比として設定された前記リーン空燃比と前記リッチ空燃比との差の大きさとに基づいて、前記触媒の温度を推定する推定部と、
前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が閾値を超えたか否かを判定する判定部と、
前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記触媒再生制御を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記禁止部は、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記触媒再生制御を所定期間禁止する、請求項１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、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の複数の気筒のうち、一の気筒の目標空燃比をリッチ空燃比に設定し、他の気筒の目標空燃比をリーン空燃比に設定する、いわゆるディザ制御によって、触媒を昇温させる手法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−０８８６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような手法により、触媒を活性化する温度域よりも高い温度域にまで昇温させて触媒を再生することが考えられる。
【０００５】
ここで、上記の手法により目標空燃比として設定されるリッチ空燃比及びリーン空燃比は、ドライバビリティへの影響が少ないように、内燃機関の運転状態に応じて可変設定される。このため、触媒を再生する制御の実行中では、内燃機関の運転状態や設定されているリッチ空燃比及びリーン空燃比によっては、触媒の再生に必要となる温度域を超えて触媒が過剰に昇温する可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、一の気筒での目標空燃比がリッチ空燃比に設定され他の気筒での目標空燃比がリーン空燃比に設定される触媒再生制御の実行中での、触媒の過昇温を抑制する内燃機関の排気浄化装置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】
【０００７】
上記目的は、内燃機関が有する複数の気筒から排出された排気を浄化する触媒と、前記内燃機関の運転状態を取得する取得部と、前記複数の気筒のうち少なくとも一の気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定し、前記複数の気筒のうち残りの他の気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定することにより、前記触媒を昇温させて前記触媒を再生する触媒再生制御を実行する制御部と、前記触媒再生制御の実行中に、取得された前記内燃機関の運転状態と、目標空燃比として設定された前記リーン空燃比と前記リッチ空燃比との差の大きさとに基づいて、前記触媒の温度を推定する推定部と、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が閾値を超えたか否かを判定する判定部と、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記触媒再生制御を禁止する禁止部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。
【０００８】
触媒の温度は、触媒再生制御の実行中に、内燃機関の運転状態と、目標空燃比として設定されたリーン空燃比とリッチ空燃比との差の大きさとに基づいて、精度よく推定される。この推定された触媒の温度が閾値を超えた場合には、触媒再生制御が禁止されるため、触媒の過昇温が抑制される。
【０００９】
前記禁止部は、前記触媒再生制御の実行中に、推定された前記触媒の温度が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記触媒再生制御を所定期間禁止する、構成であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、一の気筒での目標空燃比がリッチ空燃比に設定され他の気筒での目標空燃比がリーン空燃比に設定される触媒再生制御の実行中での、触媒の過昇温を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】図２は、ＥＣＵが実行する再生禁止制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、触媒温度マップの一例である。
【図４】図４は、再生禁止制御の一例を示すタイムチャートである。
【図５】図５は、ＥＣＵが実行する再生禁止制御の変形例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、再生禁止制御の変形例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、排気浄化装置１（内燃機関の排気浄化装置）の概略構成図である。図１に示すように、排気浄化装置１は、内燃機関２０の排気を浄化する三元触媒３１等を備えている。内燃機関２０は、シリンダブロック２１内の燃焼室２３の内で混合気を燃焼させて、ピストン２４を往復動させる。内燃機関２０は直列４気筒のガソリンエンジンであるが、複数の気筒を有していればこれに限定されず、例えばディーゼルエンジンであってもよい。
【００１３】
内燃機関２０のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに設けられている。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室２３内の混合気に点火するための点火プラグ２７が気筒ごとに取り付けられている。
【００１４】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介してサージタンク１８に接続されている。サージタンク１８の上流側には吸気管１０が接続されており、吸気管１０の上流端にはエアクリーナ１９が設けられている。そして吸気管１０には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１５と、電子制御式のスロットルバルブ１３とが設けられている。
【００１５】
また、各気筒の吸気ポートには、燃料を吸気ポート内に噴射するインジェクタ１２が設置されている。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室２３に吸入され、ピストン２４で圧縮され、点火プラグ２７で点火燃焼させられる。
【００１６】
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気管３０に接続されている。排気管３０には、三元触媒３１が設けられている。三元触媒３１は、酸素吸蔵能を有し、ＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを浄化する。三元触媒３１は、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の触媒担体と、当該触媒担体上に担持された白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属とを含む１つ又は複数の触媒層を形成したものである。三元触媒３１は、内燃機関２０が有する複数の気筒から排出された排気を浄化する触媒の一例であって、酸化触媒や、酸化触媒でコートされたガソリンパティキュレートフィルターであってもよい。
【００１７】
三元触媒３１の上流側には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３３が設置されている。空燃比センサ３３は、いわゆる広域空燃比センサであり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した値の信号を出力する。
【００１８】
排気浄化装置１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。またＥＣＵ５０は、後述する再生禁止制御を実行する。再生禁止制御は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、ＥＣＵ５０の取得部、制御部、推定部、及び禁止部により実現される。詳しくは後述する。
【００１９】
ＥＣＵ５０には、上述の点火プラグ２７、スロットルバルブ１３及びインジェクタ１２等が電気的に接続されている。またＥＣＵ５０には、前述のエアフローメータ１５、空燃比センサ３３、内燃機関２０のクランク角を検出するクランク角センサ２５のほか、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１やその他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ２７、スロットルバルブ１３、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。
【００２０】
次に、ＥＣＵ５０による目標空燃比の設定について説明する。後述する触媒再生制御が実行されていない通常状態では、内燃機関２０の機関回転数及び機関負荷に応じた通常空燃比マップに基づいて、目標空燃比が設定される。通常空燃比マップは、予め実験により取得されＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。
【００２１】
例えば目標空燃比は、低回転低負荷領域では理論空燃比に設定され、高回転高負荷領域では理論空燃比よりもリッチ側に設定される。目標空燃比が設定されると、空燃比センサ３３により検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、各気筒への燃料噴射量がフィードバック制御される。尚、通常空燃比マップの代わりに、算出式によって機関回転数及び機関負荷に応じた目標空燃比を算出してもよい。
【００２２】
また、ＥＣＵ５０は、三元触媒３１を所定の温度域にまで昇温することによって、三元触媒３１に堆積した硫黄化合物（ＳＯＸ）を離脱させて三元触媒３１の浄化能力を再生する触媒再生制御を実行する。触媒再生制御では、複数の気筒のうち一の気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも小さいリッチ空燃比に設定し、残りの他の３つの気筒での目標空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に設定される、いわゆるディザ制御が実行される。また、全ての気筒の目標空燃比の平均が理論空燃比となるように設定される。
【００２３】
また、触媒再生制御における目標空燃比も同様に、機関回転数及び機関負荷に応じた再生空燃比マップに基づいて設定される。再生空燃比マップは、予め実験により取得されＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。例えばリッチ空燃比は９〜１２の間に設定され、リーン空燃比は１５〜１６の間に設定される。また、機関回転数及び機関負荷が大きいほど、リッチ空燃比は小さく、リーン空燃比は大きく設定される。
【００２４】
再生空燃比マップによって目標空燃比として設定されるリッチ空燃比及びリーン空燃比は、ドライバビリティへの影響が少ない範囲内で、内燃機関２０の機関回転数及び機関負荷に応じて可変設定される。尚、再生空燃比マップの代わりに、算出式によって機関回転数及び機関負荷に応じた、触媒再生制御での目標空燃比を算出してもよい。尚、触媒再生制御は、アイドル運転時やアクセル開度がゼロの場合には実行されない。
【００２５】
上記のように触媒再生制御が実行されると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定された気筒から排出された余剰燃料が、三元触媒３１に付着し、リーン空燃比から排出された排気によるリーン雰囲気下で燃焼する。これにより三元触媒３１が昇温され、ＳＯＸが離脱される。
【００２６】
しかしながら、三元触媒３１が高温に維持される触媒再生制御の実行中では、内燃機関２０の運転状態や目標空燃比として設定されるリッチ空燃比及びリーン空燃比によっては、三元触媒３１が再生に必要な温度域を超えて過昇温する可能性がある。そこでＥＣＵ５０は、触媒再生制御の実行中に触媒再生制御を禁止する再生禁止制御を実行する。
【００２７】
図２は、ＥＣＵ５０が実行する再生禁止制御の一例を示すフローチャートである。図２の制御は、所定の周期で繰り返し実行される。ＥＣＵ５０は、触媒再生制御の実行中か否かを判定し（ステップＳ１）、否定判定の場合には本制御は終了する。
【００２８】
ステップＳ１で肯定判定の場合には、ＥＣＵ５０は、内燃機関２０の機関回転数及び機関負荷を取得する（ステップＳ３）。具体的には、クランク角センサ２５からの出力値に基づいて機関回転数が取得され、アクセル開度センサ１１からの出力値に基づいて機関負荷が取得される。ステップＳ３の処理は、内燃機関２０の運転状態を取得する取得部が実行する処理の一例である。
【００２９】
次に、ＥＣＵ５０は、触媒再生制御において目標空燃比として設定されたリーン空燃比とリッチ空燃比との差の大きさを、空燃比差として取得する（ステップＳ５）。具体的には、リーン空燃比からリッチ空燃比を減算した値を、空燃比差として取得する。尚、リッチ空燃比からリーン空燃比を減算した値の絶対値を、空燃比差として取得してもよい。
【００３０】
次にＥＣＵ５０は、三元触媒３１の温度を推定する（ステップＳ７）。具体的には、取得された機関回転数及び機関負荷と空燃比差とに対応した触媒温度マップに基づいて、三元触媒３１の温度が推定される。触媒温度マップは、予め実験により取得されＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。ステップＳ７の処理は、触媒再生制御の実行中に、取得された内燃機関２０の運転状態と、目標空燃比として設定されたリーン空燃比とリッチ空燃比との差の大きさとに基づいて、三元触媒３１の温度を推定する推定部が実行する処理の一例である。
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂは、触媒温度マップの一例である。横軸は機関回転数を示し、縦軸は機関負荷であり、複数の等温度線を示している。また、図３Ａは、空燃比差が比較的大きい場合での触媒温度マップを示し、図３Ｂは、空燃比差が比較的小さい場合での触媒温度マップを示している。ここで、温度Ｔ１〜Ｔ６は、温度Ｔ１から温度Ｔ６の順に温度が高い。
【００３２】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、機関回転数及び機関負荷が同一条件下においては、空燃比差が大きいほど三元触媒３１の温度は高く推定される。このような触媒温度マップに基づいて、触媒再生制御実行中での三元触媒３１の温度を精度よく推定できる。尚、このような触媒温度マップの代わりに、算出式によって、機関回転数、機関負荷、及び空燃比差に基づいて、三元触媒３１の温度を推定してもよい。
【００３３】
次にＥＣＵ５０は、推定された三元触媒３１の温度が閾値を超えているか否かを判定し（ステップＳ９）、否定判定の場合には本制御が終了される。閾値は、三元触媒３１が過昇温したか否かを判定するための値であり、三元触媒３１の耐熱上限温度よりも若干低い値に設定されており、例えば９００度であるがこれに限定されない。ステップＳ９の処理は、触媒再生制御の実行中に、推定された三元触媒３１の温度が閾値を超えたか否かを判定する判定部が実行する処理の一例である。
【００３４】
ステップＳ９で肯定判定の場合には、ＥＣＵ５０は触媒再生制御を禁止する（ステップＳ１１）。触媒再生制御が禁止されている期間では、全ての気筒での目標空燃比は同じに設定される。具体的には、ステップＳ３で取得された機関回転数及び機関負荷に基づいて、通常運転で用いられる通常空燃比マップに基づいて目標空燃比が設定される。これにより、三元触媒３１の過昇温が抑制される。尚、触媒再生制御が禁止されている期間では、全ての気筒での目標空燃比を理論空燃比に設定してもよい。ステップＳ９の処理は、触媒再生制御の実行中に、推定された三元触媒３１の温度が閾値を超えたと判定された場合に、触媒再生制御を禁止する禁止部が実行する処理の一例である。
【００３５】
次に、タイムチャートを用いて再生禁止制御について説明する。図４は、再生禁止制御の一例を示すタイムチャートである。図４には、車速、アイドル判定フラグ、エンジン回転数、エンジン負荷、三元触媒３１の推定温度、触媒再生実行フラグ、目標空燃比をリーン空燃比に設定される気筒での目標空燃比、目標空燃比をリッチ空燃比に設定される気筒での目標空燃比を示す波形が示されている。尚、図４においては、理解を容易にするために、触媒再生制御が実行されていない期間においても、三元触媒３１の推定温度を記載している。
【００３６】
時刻ｔ１において触媒再生実行フラグがオフの状態から、時刻ｔ２において触媒再生要求があると、触媒再生実行フラグがオンにされる。これにより、ＥＣＵ５０は、一の気筒の目標空燃比がリッチ空燃比に設定され、他の気筒の目標空燃比はリーン空燃比に設定されて触媒再生制御が実行される。
【００３７】
時刻ｔ３で、アイドル判定フラグがオンになると、エンジン１０がアイドル運転状態にあるとして、触媒再生要求がある場合であっても触媒再生実行フラグはオフとされて触媒再生制御が停止される。時刻ｔ４で、アイドル判定フラグがオフになると、エンジン１０はアイドル運転状態を脱したとして、触媒再生実行フラグはオンにされて触媒再生制御が再度実行される。時刻ｔ５で、アイドル判定フラグが再度オンになると、触媒再生実行フラグはオフにされて触媒再生制御が停止される。
【００３８】
時刻ｔ６で、アイドル判定フラグがオフになると、触媒再生実行フラグはオンとされて触媒再生制御が再度実行される。時刻ｔ６以降で、リーン空燃比とリッチ空燃比との空燃比差が拡大して、時刻ｔ７で、三元触媒３１の推定温度が閾値を超えると、触媒再生実行フラグが所定期間オフとなり、触媒再生制御が禁止される。その後、時刻ｔ８でアイドル判定フラグがオンとなって、三元触媒３１の推定温度は更に低下する。
【００３９】
以上のように触媒再生制御の実行中に触媒再生制御が禁止されることにより、三元触媒３１の温度が低下し、過昇温が抑制される。これにより、三元触媒３１が熱により劣化する可能性を抑制できる。尚、触媒再生制御が禁止されると、イグニッションキーがオフになるまでの今回のトリップ中において、触媒再生制御の禁止状態が維持される。従って、次回のトリップ中で所定の条件が成立することにより、触媒再生制御が実行され、三元触媒３１に堆積した硫黄化合物を除去できる。
【００４０】
ここで、上記の手法のように三元触媒３１の温度を推定する代わりに、温度センサにより直接実測することや、三元触媒３１の上流側及び下流側にそれぞれ温度センサを配置してその検出温度の差に基づいて三元触媒３１の温度を推定することも考えられる。しかしながらこの場合、部品点数が増大する可能性がある。本実施例では、このような温度センサを設けることなく三元触媒３１の温度を推定できるため、部品点数の増大が抑制されている。
【００４１】
次に、再生禁止制御の変形例について説明する。図５は、ＥＣＵ５０が実行する再生禁止制御の変形例を示すフローチャートである。図６は、再生禁止制御の変形例を示すタイムチャートである。尚、ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９の処理は、図２の再生禁止制御と同一であるため説明を省略する。また、時刻ｔ１〜ｔ７までのエンジン回転数などの運転状態は同じであるため、説明を省略する。
【００４２】
図５に示すように、ステップＳ９で肯定判定の場合には、ＥＣＵ５０は触媒再生制御を所定期間禁止する（ステップＳ１１ａ）。所定期間とは、三元触媒３１の過昇温を抑制するのに適した期間であり、予め実験により取得されＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。所定期間は、例えば５００〜１５００ミリ秒程度であるが、これに限定されない。触媒再生制御の禁止期間の経過後は、触媒再生要求がある限り触媒再生制御が再度実行される。
【００４３】
また、図６に示すように、触媒再生制御が禁止された時刻ｔ７から所定期間経過した時刻ｔ７´において、触媒再生制御の禁止が解除されて、触媒再生実行フラグがオンとなり、触媒再生制御が再度実行される。その後の時刻ｔ８でアイドル判定フラグがオンとなると、触媒再生実行フラグはオフにされて触媒再生制御が停止される。
【００４４】
このように触媒再生制御を所定期間禁止することにより三元触媒３１の過昇温を抑制し、所定期間経過後に触媒再生制御の禁止を解除することにより、三元触媒３１が再び昇温されて、三元触媒３１に堆積した硫黄化合物をできる限り早期に除去することができる。
【００４５】
尚、触媒再生制御が禁止される所定期間は、上記のような場合に限定されない。例えば、触媒再生制御が禁止される所定期間は、触媒再生制御が禁止されてからアイドル運転フラグがオンになるまでの期間であってもよい。尚、上述したようにアイドル運転フラグがオンの状態では触媒再生実行フラグはオフにされる。このため、触媒再生制御の禁止後にアイドル運転状態となった場合には、触媒再生制御は実際にはアイドル運転からの復帰後にのみ実行され得る。また、触媒再生制御が禁止される所定期間は、触媒再生制御が禁止されてからアクセル開度がゼロになるまでの期間であってもよい。この場合も、アクセル開度がゼロの状態では触媒再生制御は実行されないため、触媒再生制御は実際にはアクセル開度がゼロ以外となってからのみ実行され得る。
【００４６】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４７】
上記実施例では直列４気筒のエンジンを内燃機関の一例として説明したが、バンク毎に触媒を有するＶ型の多気筒エンジンであってもよい。この場合、触媒再生制御では、各々のバンクでの一の気筒の目標空燃比をリッチ空燃比に設定し、残りの気筒の目標空燃比をリーン空燃比に設定して、バンク毎に触媒再生制御を実行する。
【符号の説明】
【００４８】
１  排気浄化装置（内燃機関の排気浄化装置）
２０  内燃機関
３１  三元触媒（触媒）
５０  ＥＣＵ（取得部、制御部、推定部、判定部、禁止部）
【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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