(57)【要約】【課題】触媒の一部が劣化した場合であっても未劣化箇所の昇温速度の低下を抑制することができる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排気ガス浄化装置は、排気路１４０に設けられた主触媒構造体２１０と、排気路１４０における主触媒構造体２１０より上流側（排気ポート１３６側）に設けられた副触媒構造体２２０と、所定の劣化条件を満たすと、副触媒構造体２２０を昇温して破損させる昇温制御部１９４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気路に設けられた主触媒構造体と、
前記排気路における前記主触媒構造体より上流側に設けられた副触媒構造体と、
所定の劣化条件を満たすと、前記副触媒構造体を昇温して破損させる昇温制御部と、
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記主触媒構造体および前記副触媒構造体は、複数のセルを有するハニカム構造の担体を含んで構成され、
前記副触媒構造体は、前記主触媒構造体より前記セルを区画する壁の厚みが薄いことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記主触媒構造体は、金属製の担体を含んで構成され、
前記副触媒構造体は、セラミック製の担体を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
エンジンの空燃比を所定の空燃比範囲内に維持する空燃比制御部を備え、
前記空燃比制御部は、前記劣化条件を満たすと、前記空燃比範囲を第１の空燃比範囲から該第１の空燃比範囲とは異なる第２の空燃比範囲に切り換えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室から排出された排気ガスには、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物(ＮＯｘ)（以下、これらを纏めて「汚染物質」と称する）が含まれる。このため、排気ガスが流通する排気路には、汚染物質を除去する三元触媒が設けられている（例えば、特許文献１）。このような三元触媒は、所定の活性温度範囲（例えば、３００℃〜６００℃）で汚染物質を除去するため、三元触媒の温度は、活性温度範囲内に維持されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７５８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記三元触媒等の触媒は、排気ガスの流れ方向に延在して設けられ、排気ガスの通過過程で汚染物質を浄化する。したがって、高温の排気ガスは、触媒の上流側を通過した後、下流側に導かれることとなる。このため、触媒の上流側は、下流側と比較して高温の雰囲気（排気ガス）に曝されることになり、劣化が進んでしまう。
【０００５】
また、触媒によって促進される汚染物質の除去に関する化学反応は、発熱反応である。触媒に接触する排気ガス中の汚染物質の濃度は、上流側から下流側に向かうに従って低くなるため、触媒の上流側は、下流側と比較して化学反応が活発となり、高温の雰囲気に曝されることになる。したがって、触媒の上流側は、下流側と比較して劣化が進んでしまう。
【０００６】
このように、触媒の上流側が劣化してしまうと、エンジンの始動時等の触媒が活性温度に達していない場合、高温の排気ガスによって、浄化効率の低い上流側が下流側より先に昇温されてしまい、浄化効率が高い下流側の昇温が遅延することとなり、触媒全体の浄化効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、触媒の一部が劣化した場合であっても未劣化箇所の昇温速度の低下を抑制することが可能な排気ガス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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の排気ガス浄化装置は、排気路に設けられた主触媒構造体と、前記排気路における前記主触媒構造体より上流側に設けられた副触媒構造体と、所定の劣化条件を満たすと、前記副触媒構造体を昇温して破損させる昇温制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記主触媒構造体および前記副触媒構造体は、複数のセルを有するハニカム構造の担体を含んで構成され、前記副触媒構造体は、前記主触媒構造体より前記セルを区画する壁の厚みが薄いとしてもよい。
【００１０】
また、前記主触媒構造体は、金属製の担体を含んで構成され、前記副触媒構造体は、セラミック製の担体を含んで構成されるとしてもよい。
【００１１】
また、エンジンの空燃比を所定の空燃比範囲内に維持する空燃比制御部を備え、前記空燃比制御部は、前記劣化条件を満たすと、前記空燃比範囲を第１の空燃比範囲から該第１の空燃比範囲とは異なる第２の空燃比範囲に切り換えるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、触媒の一部が劣化した場合であっても未劣化箇所の昇温速度の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】エンジンシステムの構成を示す概略図である。
【図２】触媒ユニットの構成を示す概略図である。
【図３】副触媒構造体除去処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。
【００１６】
エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。
【００１７】
また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラー１４２が連通され、排気路１４０に、後述する触媒ユニット２００が設けられる。
【００１８】
エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。
【００１９】
エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。
【００２０】
これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。
【００２１】
ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２、昇温制御部１９４として機能する。
【００２２】
信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号に基づき、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。
【００２３】
空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。
【００２４】
噴射量決定部１８６（空燃比制御部）は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量と、所定の空燃比範囲とに基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。例えば、噴射量決定部１８６は、ＯＴＰ（Over Temperature Protection：触媒保護）増量制御が為されている場合、設定した空燃比範囲内であって、空燃比が理論空燃比よりリッチとなるように、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。ここで、ＯＴＰ増量制御は、高負荷運転時や高回転運転時のように排気ガスの温度が上昇する場合に、燃料の噴射量を増加させて排気温度を低下させ、触媒ユニット２００の熱による劣化を防止する制御である。なお、空燃比範囲については、後に詳述する。
【００２５】
また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。
【００２６】
点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。
【００２７】
駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。
【００２８】
このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになるが、排気ガスには、汚染物質（炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物(ＮＯｘ)）が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に触媒ユニット２００（排気ガス浄化装置）を設けておき、触媒ユニット２００において、汚染物質を除去する。
【００２９】
触媒ユニット２００は、排気ガスの流れ方向（排気路１４０）に延在して設けられ、排気ガスの通過過程で汚染物質を浄化する。したがって、高温の排気ガスは、触媒ユニット２００の上流側を通過した後、下流側に導かれることとなる。このため、触媒ユニット２００の上流側は、下流側と比較して高温の雰囲気（排気ガス）に曝されることになり、劣化が進んでしまう。
【００３０】
また、触媒ユニット２００によって促進される汚染物質の除去に関する化学反応は、発熱反応である。触媒ユニット２００に接触する排気ガス中の汚染物質の濃度は、上流側から下流側に向かうに従って低くなるため、触媒ユニット２００の上流側は、下流側と比較して化学反応が活発となり、高温の雰囲気に曝されることになる。したがって、触媒ユニット２００の上流側は、下流側と比較して劣化が進んでしまう。
【００３１】
ここで、エンジン１２０の始動時等の触媒ユニットが活性温度に達していない場合、浄化効率の低い（劣化が進んだ）上流側にのみ高温の排気ガスが接触（衝突）するため、上流側が下流側より先に昇温される。そうすると、浄化効率が高い（劣化が進んでいない）下流側の昇温が遅延することとなり、触媒ユニット全体の浄化効率が低下してしまうという問題があった。
【００３２】
また、上記したように、触媒ユニットによる汚染物質の除去は、発熱反応であるため、触媒ユニット（活性金属）が劣化すると発熱反応が生じなくなる。例えば、触媒ユニットが、１の構造体で構成されているとすると、触媒ユニットの上流側（劣化箇所）は下流側（未劣化箇所）と比較して低温となり、下流側の熱が上流側に移動して、下流側の昇温速度が低下してしまうという問題があった。
【００３３】
そこで、本実施形態では、三元触媒として機能する触媒ユニット２００を、主触媒構造体２１０と、副触媒構造体２２０との２つの構造体で構成し、上流側の副触媒構造体２２０が劣化した場合であっても、下流側の主触媒構造体２１０の昇温速度の低下を抑制する。
【００３４】
副触媒構造体２２０は、排気路１４０における主触媒構造体２１０の上流側（排気ポート１３６側）に設けられる。したがって、副触媒構造体２２０は、主触媒構造体２１０より先に劣化することとなる。
【００３５】
そこで、排気ガス浄化装置として機能する昇温制御部１９４は、まず、所定の劣化条件を満たすか否かを判定する。ここで、劣化条件は、例えば、走行距離が、副触媒構造体２２０が劣化する走行距離（または走行時間）に到達したことである。
【００３６】
そして、昇温制御部１９４は、劣化条件を満たしたと判定した場合、副触媒構造体２２０の温度を所定の破損温度（副触媒構造体２２０が物理的に破損する温度）まで昇温する。具体的に説明すると、昇温制御部１９４は、ＯＴＰ増量制御が為されている場合、噴射量決定部１８６を制御して噴射量を低減させ、排気ガスの温度を上昇させることで副触媒構造体２２０を昇温する。また、昇温制御部１９４は、一部の気筒１２２ａに設けられた点火プラグ１４８を制御して点火を停止して失火させ、未燃焼の燃料および吸気（酸素）を副触媒構造体２２０において反応（燃料を燃焼）させることにより、副触媒構造体２２０を昇温してもよい。
【００３７】
そうすると、副触媒構造体２２０が熱によって破損して、粉砕され、触媒ユニット２００の下方に設けられた不図示のトラップに落下して保持されることとなる。これにより、副触媒構造体２２０が排気路１４０から取り除かれ、主触媒構造体２１０の昇温の妨げとなる劣化触媒を取り除くことができる。したがって、高温の排気ガスが主触媒構造体２１０に直接接触することとなり、主触媒構造体２１０の昇温速度の低下を抑制することが可能となる。以下、主触媒構造体２１０および副触媒構造体２２０の具体的な構成について詳述する。
【００３８】
図２は、触媒ユニット２００の構成を示す概略図であり、図２（ａ）は触媒ユニット２００の斜視図を示し、図２（ｂ）は副触媒構造体２２０の正面図を示し、図２（ｃ）は主触媒構造体２１０の正面図を示す。なお、図２（ａ）中、排気ガスの流れを白抜き矢印で示し、図２（ｂ）、（ｃ）中、セルを黒い塗りつぶしで示す。また、本実施形態にかかる図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸（排気ガスの流れ方向、排気路１４０の延在方向）、Ｚ軸を図示の通り定義している。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、触媒ユニット２００を構成する主触媒構造体２１０は、複数のセルを有するハニカム構造の担体２１２に活性金属が担持されたものである。副触媒構造体２２０は、主触媒構造体２１０と同様に、ハニカム構造の担体２２２に活性金属が担持されたものである。なお、担体２１２、２２２は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック製であり、活性金属は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等である。
【００４０】
副触媒構造体２２０の排気ガスの流れ方向（図２中、Ｙ軸方向）の長さＬｂ（排気ガスの通過距離）は、主触媒構造体２１０の長さＬａよりも短く、例えば、主触媒構造体２１０の長さＬａの２０％程度である。なお、主触媒構造体２１０の長さＬａは、上記昇温制御部１９４による昇温処理によって副触媒構造体２２０が破損した後においても排気ガスを浄化できるように設計される。また、副触媒構造体２２０の長さＬｂは、昇温制御部１９４によって昇温処理が為されるまでは破損せず、当該昇温処理が為されることによって容易に破損できるように設計される。
【００４１】
また、副触媒構造体２２０と主触媒構造体２１０とは、所定間隔Ｓだけ離隔して設けられており、副触媒構造体２２０から主触媒構造体２１０への熱の移動、主触媒構造体２１０から副触媒構造体２２０への熱の移動が抑制されるように構成されている。したがって、副触媒構造体２２０から主触媒構造体２１０への熱伝達を抑制することができ、昇温制御部１９４によって副触媒構造体２２０が昇温されたとしても、主触媒構造体２１０の劣化を抑制することが可能となる。
【００４２】
さらに、図２（ｂ）に示す、副触媒構造体２２０におけるセルを区画する壁の厚みＷｂは、昇温制御部１９４による昇温処理によって副触媒構造体２２０が容易に破損するように設計される。また、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、副触媒構造体２２０におけるセルを区画する壁の厚みＷｂは、主触媒構造体２１０におけるセルを区画する壁の厚みＷａより薄くなるよう設計されている。したがって、昇温制御部１９４による昇温処理が為された場合、副触媒構造体２２０のみを選択的に破損させることが可能となる。
【００４３】
こうして、副触媒構造体２２０が劣化した場合に、昇温制御部１９４によって副触媒構造体２２０が破損することとなる。ここで、昇温制御部１９４によって副触媒構造体２２０が破損する前と、破損した後とでは、機能する触媒の量が異なることから、排気ガスの浄化効率が異なることとなる。
【００４４】
そこで、本実施形態では、不図示のメモリに、主触媒構造体２１０および副触媒構造体２２０の両方で排気ガスを浄化できる空燃比の範囲である第１の空燃比範囲と、主触媒構造体２１０のみで排気ガスを浄化できる空燃比の範囲である第２の空燃比範囲とを記憶させておく。
【００４５】
そして、噴射量決定部１８６（空燃比制御部）は、副触媒構造体２２０の破損前においては、空燃比範囲を第１の空燃比範囲に設定し、副触媒構造体２２０の破損後においては、空燃比範囲を第２の空燃比範囲に切り換える。なお、空燃比範囲は、第１の空燃比範囲においても、第２の空燃比範囲においても、理論空燃比が含まれるように設計されている。
【００４６】
かかる構成により、副触媒構造体２２０の破損に拘らず、触媒ユニット２００における排気ガスの浄化効率を維持することができる。
【００４７】
続いて、昇温制御部１９４による昇温処理および噴射量決定部１８６による空燃比範囲の切り換え処理について説明する。図３は、副触媒構造体除去処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【００４８】
（劣化条件判定処理：ステップＳ３１０）
昇温制御部１９４は、所定の劣化条件を満たしたか否かを判定する。その結果、劣化条件を満たしたと判定すると昇温処理Ｓ３２０に処理を移し、劣化条件を満たしていないと判定すると、当該副触媒構造体除去処理を終了する。
【００４９】
（昇温処理：ステップＳ３２０）
昇温制御部１９４は、副触媒構造体２２０の温度を所定の破損温度まで昇温する。
【００５０】
（空燃比範囲切換処理Ｓ３３０）
噴射量決定部１８６は、空燃比範囲を第１の空燃比範囲から第２の空燃比範囲に切り換え、当該副触媒構造体除去処理を終了する。
【００５１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５２】
なお、上記実施形態において、ＥＣＵ１１０が昇温制御部１９４として機能する構成を例に挙げて説明した。しかし、昇温制御部１９４は、ＥＣＵ１１０と別体で構成されてもよい。
【００５３】
また、上記実施形態において、主触媒構造体２１０と副触媒構造体２２０とで構成される触媒として三元触媒を例に挙げて説明した。しかし、他の触媒、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）を、主触媒構造体と、副触媒構造体とで構成し、劣化条件を満たしたら副触媒構造体を破損させるとしてもよい。
【００５４】
また、上記実施形態において、担体２１２、２２２がセラミック製である場合を例に挙げて説明した。しかし、担体２２２が担体２１２よりも破損容易であればよく、例えば、担体２１２を金属製とし、担体２２２をセラミック製としてもよい。この場合、担体２１２、担体２２２は、ハニカム構造に限定されず、また、主触媒構造体と、副触媒構造体とは離隔せずともよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１２０  エンジン
１３６  排気ポート
１４０  排気路
１８６  噴射量決定部（空燃比制御部、排気ガス浄化装置）
１９４  昇温制御部（排気ガス浄化装置）
２００  触媒ユニット（排気ガス浄化装置）
２１０  主触媒構造体
２１２、２２２  担体
２２０  副触媒構造体
【図１】
2017180369.tif 000003
【図２】
2017180369.tif 000004
【図３】
2017180369.tif 000005