説明

内燃機関の排気浄化システム

【課題】本発明は、排気浄化装置を加熱する加熱装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、加熱装置による排気浄化装置の加熱効率を高めることを課題とする。
【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気系に設けられた排気浄化装置と、排気浄化装置を加熱する加熱装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、加熱装置の非作動時に排気浄化装置を通過するガス量に対し、加熱装置の作動時に排気浄化装置を通過するガス量を増加させるようにした。

【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システムに関し、特に触媒を加熱する機構を備えた排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気系に触媒を含む排気浄化装置を設け、該排気浄化装置をヒータにより加熱する技術が知られている(たとえば、特許文献1を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平08−28252号公報
【特許文献2】特開平07−102968号公報
【特許文献3】特開平10−502149号公報
【特許文献4】特開平07−250404号公報
【特許文献5】特開2008−19780号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、ヒータ作動時に排気浄化装置を通過するガス量がヒータ非作動時と同等であると、排気浄化装置の温度を効率的に高めることができず、排気エミッションの悪化やヒータ消費エネルギの増加を招く可能性がある。
【0005】
本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気浄化装置を加熱する加熱装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、加熱装置による排気浄化装置の加熱効率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気系に設けられた排気浄化装置と、排気浄化装置を加熱する加熱装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、加熱装置の非作動時に排気浄化装置を通過するガス量に対し、加熱装置の作動時に排気浄化装置を通過するガス量を多くするようにした。
【0007】
詳細には、本発明の内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に配置され、排気を浄化する触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置を加熱する加熱装置と、
加熱装置の作動時は、同等の機関運転条件下で加熱装置が作動していないときに比べ、排気浄化装置を通過するガス量を多くするための増量処理を行う制御手段と、
を備えるようにした。
【0008】
かかる発明によれば、加熱装置の非作動時は、排気浄化装置からガスへ伝達される熱量を少なく抑えることができる。その結果、排気浄化装置の温度低下を抑制することができる。一方、加熱装置の作動時は、加熱装置から排気浄化装置へ加えられた熱がガスによって排気浄化装置の広い範囲に拡散される。その結果、排気浄化装置全体を均一に加熱することが可能になり、排気浄化装置の加熱効率を高めることが可能となる。
【0009】
ここで、増量手段は、内燃機関が減速フューエルカット状態にあり、且つ加熱装置が作動しているときに、上記した増量処理を実行するようにしてもよい。内燃機関が減速フュ
ーエルカット状態にあるときは、低温の空気が排気浄化装置を通過することになる。そのため、内燃機関の減速フューエルカット中に加熱装置が作動されない場合においては、排気浄化装置を通過するガス量が減少されることが好ましい。
【0010】
一方、内燃機関の減速フューエルカット中に加熱装置が作動される場合において、排気浄化装置を通過するガス量が減少されると、排気浄化装置の一部が過熱したり、排気浄化装置全体が昇温するまでの時間が長くなったりする可能性がある。特に、加熱装置が排気浄化装置の一部(たとえば、ガス流れ方向における上流側の部位)を加熱する構成、又は加熱装置が排気浄化装置へ流入するガス(以下、「入ガス」と称する)を加熱する構成においては、上記した問題が顕著となる。
【0011】
これに対し、内燃機関が減速フューエルカット状態にあり、且つ加熱装置が作動しているときに増量処理が実行されると、加熱装置が排気浄化装置の一部を加熱する構成や加熱装置が入ガスを加熱する構成においても、排気浄化装置全体を均一に加熱することが可能になる。
【0012】
なお、本発明において、排気浄化装置を通過するガス量を増量する方法としては、内燃機関の吸気通路に配置されたスロットル弁の開度を増加させる方法、排気浄化装置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部(EGRガス)を導くEGR機構を備えた構成においてはEGRガスの還流量を増加させる方法、等を利用することができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、排気浄化装置を加熱するヒータを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、ヒータによる排気浄化装置の加熱効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
【図2】発電機構の構成を模式的に示す図である。
【図3】内燃機関が減速フューエルカット状態にあるときにECUによって実行されるルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0016】
図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、4ストローク・サイクルの火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)である。なお、内燃機関1は、圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)であってもよい。
【0017】
内燃機関1は、複数の気筒2を備えている。ただし、図1においては、複数の気筒2のうち1気筒のみが図示されている。気筒2内には、ピストン3がシリンダ軸方向へ摺動自在に装填されている。ピストン3は、コネクティングロッド4を介してクランクシャフト5と連結されている。
【0018】
内燃機関1には、気筒2内に連通する吸気ポート6と排気ポート7とが設けられている。吸気ポート6の開口端と排気ポート7の開口端は、吸気バルブ8と排気バルブ9とによりそれぞれ開閉されるようになっている。また、吸気バルブ8と排気バルブ9とは、吸気カム10と排気カム11とにより開閉駆動されるようになっている。さらに、内燃機関1には、吸気ポート6内へ燃料を噴射する燃料噴射弁12と、気筒2内に火花を発生させる
点火プラグ13とが取り付けられている。
【0019】
前記した吸気ポート6には、吸気通路60が接続されている。吸気通路60には、スロットル弁14が配置されている。吸気通路60に取り込まれた新気(空気)は、スロットル弁14によって調量された後に吸気ポート6へ導かれる。吸気ポート6へ導かれた新気は、吸気バルブ8が開弁したときに燃料噴射弁12から噴射された燃料とともに気筒内へ流入する。気筒2内に流入した新気(空気)及び燃料は、点火プラグ13が発生する火花を火種として燃焼する。
【0020】
前記した排気ポート7には、排気通路70が接続されている。排気通路70の途中には、排気浄化装置15が配置されている。排気浄化装置15は、酸化機能を有する触媒を含み、排気中の有害ガス成分を酸化又は還元する。気筒2内で燃焼されたガス(既燃ガス)は、排気バルブ9が開弁したときに気筒2内から排気ポート7へ排出される。排気ポート7に排出された既燃ガスは、排気通路70により排気浄化装置15へ導かれ、排気浄化装置15において浄化された後に大気中に排出される。
【0021】
なお、排気浄化装置15の直上流には加熱装置16が配置されている。加熱装置16は、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気式のヒータであり、排気浄化装置15へ流入する排気(入ガス)を加熱する。加熱装置16は、たとえば、排気浄化装置15の温度が該排気浄化装置15の酸化及び還元機能が活性する温度域より低いときに作動することにより、排気浄化装置15の早期昇温及び早期活性を図る。
【0022】
また、上記した内燃機関1には、発電機構100が併設されている。発電機構100は、図2に示すように、オルタネータ101、高電圧バッテリ102、低電圧バッテリ103、切換スイッチ104、切換スイッチ105を備えている。
【0023】
オルタネータ101は、内燃機関1の出力軸(または、該出力に連動して回転する部材)とプーリやベルトなどを介して連結され、出力軸の運動エネルギ(回転エネルギ)を電気エネルギに変換する発電機である。
【0024】
詳細には、オルタネータ101は、三相の捲線を有するステータコイルと、ロータに巻回されたフィールドコイルと、ステータコイルに発生した交流電流を直流電流に整流する整流器と、フィールドコイルに対する界磁電流(フィールド電流)の通電(オン)と非通電(オフ)を切り換えるレギュレータ101aと、を具備する三相交流発電機である。
【0025】
このように構成されたオルタネータ101は、フィールドコイルに界磁電流が通電されたときに、ステータコイルに誘起電流(三相交流電流)を発生させ、発生した三相交流電流を直流電流に整流して出力する。
【0026】
オルタネータ101の出力は、切換スイッチ104の入力端子104aに入力されるようになっている。切換スイッチ104は、一つの入力端子104aと2つの出力端子104b,104cを具備し、入力端子104aの接続先を2つの出力端子104b,104cの何れか一方に切り換える回路である。
【0027】
切換スイッチ104の二つの出力端子104b,104cの一方(以下、「第1出力端子」と称する)104bは、高電圧バッテリ102に接続されている。2つの出力端子104b,104cの他方(以下、「第2出力端子」と称する)104cは、低電圧バッテリ103に接続されている。
【0028】
高電圧バッテリ102は、高電圧(たとえば、42V程度)の電気を充放電可能なバッ
テリであり、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、或いはリチウムイオン電池により構成されている。一方、低電圧バッテリ103は、高電圧バッテリ102より低い電圧(たとえば、14V程度)の電気を充放電可能なバッテリであり、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、或いはリチウムイオン電池により構成されている。
【0029】
切換スイッチ105は、2つの入力端子105a、105bと、1つの出力端子105cと、を備えている。2つの入力端子105a、105bのうち一方の入力端子(以下、「第1入力端子」と称する)105aは、前記切換スイッチ104と高電圧バッテリ102とを接続する電源ラインに接続されている。2つの入力端子105a、105bのうち他方の入力端子(以下、「第2入力端子」と称する)は、前記切換スイッチ104と低電圧バッテリ103とを接続する電源ラインに接続されている。さらに、切換スイッチ105の出力端子105cは、前記した加熱装置16に接続されている。
【0030】
以下では、切換スイッチ104を第1切換スイッチ104と称し、切換スイッチ105を第2切換スイッチ105と称するものとする。
【0031】
ここで図1に戻り、内燃機関1には、ECU17が併設されている。ECU17は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAMなどを備えた電子制御ユニットである。ECU17には、クランクポジションセンサ18、アクセルポジションセンサ19、温度センサ20等の各種センサの出力信号が入力されるようになっている。
【0032】
クランクポジションセンサ18は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ19は、アクセルペダルの操作量(踏み込み量)に相関する電気信号を出力するセンサである。温度センサ20は、排気浄化装置15の温度(触媒床温)に相関する電気信号を出力するセンサである。なお、温度センサ20は、排気浄化装置15から流出する排気の温度に相関する電気信号を出力するセンサであってもよい。
【0033】
ECU17は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、上記した各種機器を制御する。たとえば、ECU17は、レギュレータ101aのオン/オフをデューティ制御することにより、オルタネータ101の発電電圧を変更する。詳細には、ECU17は、オルタネータ101の発電電圧を高める場合は、レギュレータ101aのオン時間が長く(オフ時間が短く)なるようにデューティ比を決定する。一方、オルタネータ101の発電電圧を低める場合は、ECU17は、レギュレータ101aのオン時間が短く(オフ時間が長く)なるようにデューティ比を決定する。さらに、ECU17は、オルタネータ101の実際の発電電圧をセンシングし、実際の発電電圧と目標発電電圧との差に応じてデューティ比のフィードバック制御も行う。
【0034】
高電圧バッテリ102の充電を行う場合は、ECU17は、オルタネータ101の発電電圧を高電圧バッテリ102の充電に適した電圧(高電圧)と一致するようにレギュレータ101aをデューティ制御するとともに、入力端子104aと第1出力端子104bとが接続されるように第1切換スイッチ104を制御する。
【0035】
低電圧バッテリ103の充電を行う場合は、ECU17は、オルタネータ101の発電電圧を低電圧バッテリ103の充電に適した電圧(低電圧)と一致するようにレギュレータ101aをデューティ制御するとともに、入力端子104aと第2出力端子104cとが接続されるように第1切換スイッチ104を制御する。
【0036】
なお、車両の走行状態が減速状態にあるときは、駆動輪から内燃機関1に伝達される運動エネルギによってオルタネータ101のロータが回転される。その際、オルタネータ1
01にフィールド電流が印加されれば、駆動輪の運動エネルギを電気エネルギに変換(回生発電)することができる。
【0037】
そこで、ECU17は、内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるときにオルタネータ101にフィールド電流を印加させるとともに、オルタネータ101が回生発電した電力を高電圧バッテリ102又は低電圧バッテリ103に充電させる回生発電制御を実施する。
【0038】
また、ECU17は、温度センサ20の出力信号値(触媒床温)が所望の温度域より低いときに加熱装置16を作動させる。その際、排気浄化装置15の触媒床温を炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)などの酸化機能が活性する温度域(以下、「活性温度域」と称する)まで昇温させるのであれば、ECU17は、低電圧バッテリ103から加熱装置16へ電力を供給させる。詳細には、ECU17は、第2切換スイッチ105の第2入力端子105bと出力端子105cとが接続されるように第2切換スイッチ105を制御して加熱装置16を作動させる。
【0039】
排気浄化装置15のHC酸化機能やCO酸化機能は、凡そ200℃以上の低温域で活性する。さらに、内燃機関1が冷間始動されたときは、触媒床温が活性温度域へ昇温するまでに比較的長い時間がかかる。そのため、高電圧バッテリ102の電力を利用して排気浄化装置15の加熱が行われると、バッテリ(高電圧バッテリ102と低電圧バッテリ103を含む)から持ち出される電力が不要に増加したり、排気浄化装置15が過熱したりする可能性がある。これに対し、低電圧バッテリ103の電力を利用して排気浄化装置15の加熱が行われると、バッテリから持ち出される電力の不要な増加や排気浄化装置15の過熱を抑制することができる。
【0040】
なお、オルタネータ101が高電圧で回生発電を行っているときは、オルタネータ101が発電した高電圧の電力を利用して加熱装置16を作動させるようにしてもよい。その場合は、バッテリから持ち出される電力の不要な増加を抑制しつつ、触媒床温を速やかに活性温度域まで上昇させることが可能となる。
【0041】
次に、排気浄化装置15に付着又は堆積した有機可溶成分(SOF:Soluble Organic Fraction)が酸化される温度域(以下、「SOF反応温度域」と称する)まで排気浄化装置15の触媒床温を昇温させる場合には、ECU17は、高電圧バッテリ102から加熱装置16へ電力を供給させる。詳細には、ECU17は、第2切換スイッチ105の第1入力端子105aと出力端子105cとが接続されるように第2切換スイッチ105を制御して加熱装置16を作動させる。
【0042】
排気浄化装置15に堆積したSOFは、凡そ400℃以上の高温域で酸化及び除去される。そのため、低電圧バッテリ103の電力を利用して加熱装置16が作動させられると、触媒床温がSOF反応温度域に上昇するまでに長い時間がかかったり、触媒床温がSOF反応温度域まで上昇しなかったりする可能性がある。これに対し、高電圧バッテリ102の電力を利用して排気浄化装置15の加熱が行われると、触媒床温を速やかにSOF反応温度域まで上昇させることができる。
【0043】
なお、オルタネータ101が高電圧で回生発電を行っているときは、たとえSOF除去処理の実行条件が成立していなくても、オルタネータ101が発電した高電圧の電力を利用してSOF除去処理が行われるようにしてもよい。その場合、排気浄化装置15に付着又は堆積するSOFの量を常時少なく抑えることが可能となる。また、排気浄化装置15に付着又は堆積したSOFの量を演算するためのロジックやセンサを省くことも可能となる。
【0044】
ところで、内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるときは、低温の排気により排気浄化装置15が冷却されるため、触媒床温が活性温度域又はSOF反応温度域より低くなる可能性がある。これに対し従来では、内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるときは、スロットル弁14の開度を絞ることにより、排気浄化装置15を通過する排気量を減少させる対策が採られていた。
【0045】
しかしながら、本実施例で例示したように、加熱装置16が排気浄化装置15と別体で設けられる場合、言い換えれば加熱装置16が排気浄化装置15へ流入する排気(入ガス)を加熱するように構成された場合においては、加熱装置16の作動中に排気量の低減が図られると、排気浄化装置15の一部(たとえば、上流側の部位や、径方向の中心に位置する部位など)が過熱されたり、排気浄化装置15の全体が所望の温度域となるまでに時間がかかったりする可能性がある。
【0046】
そこで、本実施例では、ECU17は、減速フューエルカット中に加熱装置16を作動させる場合は、加熱装置16が作動しない場合に比べ、排気量を増加させるようにした。詳細には、ECU17は、ECU17は、減速フューエルカット中に加熱装置16を作動させる場合は、加熱装置16が作動しない場合に比べ、スロットル弁14の開度を大きくするようにした。
【0047】
このように減速フューエルカット中の排気量が制御されると、加熱装置16の非作動時における排気浄化装置15の温度低下を抑制しつつ、加熱装置16の作動時における過熱効率の向上を図ることが可能となる。
【0048】
以下、内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるときの排気量の調整手順について図3に沿って説明する。図3は、内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるときにECU17が実行するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めECU17のROMなどに記憶されているルーチンであり、ECU17によって周期的に実行されるルーチンである。
【0049】
図3のルーチンでは、ECU17は、先ずS101において内燃機関1が減速フューエルカット状態にあるか否かを判別する。S101において否定判定された場合は、ECU17は、本ルーチンの実行を終了する。一方、S101において肯定判定された場合は、ECU17は、S102へ進む。
【0050】
S102では、ECU17は、加熱装置16が作動状態にあるか否かを判別する。言い換えれば、加熱装置16の作動条件(たとえば、温度センサ20の出力信号(触媒床温)が活性温度域又はSOF反応温度域より低い)が成立しているか否かを判別する。
【0051】
前記S102において否定判定された場合は、ECU17は、S104へ進み、スロットル弁14の開度が減速フューエルカット時の目標開度と一致するようにスロットル弁14を制御する。一方、前記S102において肯定判定された場合は、ECU17は、S103へ進み、スロットル弁14の開度が減速フューエルカット時の目標開度より大きな開度となるようにスロットル弁14を制御する。その際のスロットル弁14の開度は、加熱装置16の加熱効率が最も高くなる開度、言い換えれば排気浄化装置15の全体が最も速く目標温度に達する開度であり、予め実験などを用いた適合処理によって求められている。
【0052】
以上述べたようにECU17が図3のルーチンを実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。その結果、加熱装置16の非作動時においては排気浄化装置15
から排気へ伝達される熱量を少なく抑えることができ、加熱装置16の作動時においては加熱装置16が発生した熱を排気浄化装置15の広い範囲に拡散させることができる。よって、加熱装置16の非作動時における排気浄化装置15の温度を抑制することが可能になるとともに、加熱装置16の作動時における排気浄化装置15の加熱効率を高めることが可能になる。
【0053】
なお、本実施例では、高電圧バッテリ102と低電圧バッテリ103を備えた構成を例に挙げたが、バッテリを1つのみ有する構成についても本発明を適用可能である。
【0054】
また、内燃機関1が排気浄化装置15より下流の排気通路70から吸気通路60へ排気の一部(EGRガス)を導くEGR機構を備えている場合は、EGRガス量を増加させることにより排気浄化装置15を通過するガス量を増加させるようにしてもよい。
【0055】
その場合は、排気浄化装置15を通過するガスの増加は、主としてEGRガスの増加に依るものとなる。そのため、排気浄化装置15を通過する空気量の増加を抑えつつ、排気浄化装置15を通過するガス量を増加させることができる。よって、低温な空気による冷却損失を低減することができる。さらに、EGRガスは、加熱装置16により一端加熱された高温なガスであるため、排気浄化装置15の触媒床温がより短期間に昇温するようになる。その結果、加熱装置16による排気浄化装置15の加熱効率を一層高めることが可能である。
【符号の説明】
【0056】
1 内燃機関
2 気筒
3 ピストン
4 コネクティングロッド
5 クランクシャフト
6 吸気ポート
7 排気ポート
12 燃料噴射弁
13 点火プラグ
14 スロットル弁
15 排気浄化装置
16 加熱装置
17 ECU
20 温度センサ
60 吸気通路
70 排気通路
100 発電機構
101 オルタネータ
101a レギュレータ
102 高電圧バッテリ
103 低電圧バッテリ
104 第1切換スイッチ
104a 入力端子
104b 第1出力端子
104c 第2出力端子
105 第2切換スイッチ
105a 第1入力端子
105b 第2入力端子
105c 出力端子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気通路に配置され、排気を浄化する触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置の作動時は、同等の機関運転条件下で前記加熱装置が作動していないときに比べ、前記排気浄化装置を通過するガス量を多くするための増量処理を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項2】
請求項1において、前記制御手段は、内燃機関が減速フューエルカット状態にあり且つ前記加熱装置が作動しているときに前記増量処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項3】
請求項1又は2において、前記加熱装置は、前記排気浄化装置より上流に配置され、前記排気浄化装置へ流入するガスを加熱することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項4】
請求項1乃至3の何れか1項において、前記制御手段は、内燃機関の吸気通路に配置されたスロットル弁の開度を増加させることにより増量処理を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−179426(P2011−179426A)
【公開日】平成23年9月15日(2011.9.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−45350(P2010−45350)
【出願日】平成22年3月2日(2010.3.2)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】