内燃機関の排気浄化装置
【課題】触媒担体にレーザ光を照射して該触媒担体を加熱する手段を有するものであり、強度の強いレーザ光を用いて触媒担体の加熱時間を短くしながらも、触媒担体の溶損を防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌを照射して加熱する照射部２２及びレーザ光発振部２４が備えられており、そのレーザ加熱期間中、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射するように構成される。このレーザ光Ｌは、触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面２１ａに照射させている。
【解決手段】触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌを照射して加熱する照射部２２及びレーザ光発振部２４が備えられており、そのレーザ加熱期間中、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射するように構成される。このレーザ光Ｌは、触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面２１ａに照射させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を早期に活性化させ、特に冷間始動時に好適な内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、排気管に排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが備えられているが、冷間始動時等、触媒が活性化して良好な排気浄化効果が得られる温度まで触媒コンバータ（触媒担体）の温度が上昇するのに単に排気ガスにより昇温させるのでは時間を要してしまう。かかる時間が長いと排気エミッションが悪化するため、触媒担体を加熱する何らかの手段を講じて、触媒担体の温度が好適な温度まで上昇する時間を短くする技術が従来より種々提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１の技術では、触媒担体にヒータが設けられており、該ヒータを通電させることにより触媒担体が加熱される。しかしながら、ヒータにより触媒担体を加熱する前にヒータ自身の加熱（ヒータの立ち上がり）に少なくとも数秒程度の時間を要するため、このような応答性の悪さが排気エミッションの悪化に繋がる。
【０００４】
そこで、特許文献２の図２に示すように、触媒担体にレーザ光を照射して該触媒担体を加熱するようにすれば、レーザ光は立ち上がり時間を殆ど必要としないことから、レーザ光が照射される触媒担体は直ちに温度が上昇する。従って、上記ヒータを用いるよりも触媒担体の加熱にかかる時間を短くでき、排気エミッションを改善できる。
【０００５】
しかしながら、特許文献２の図２に示す技術では、レーザ光をレンズにより集光させているが、その集光させたレーザ光を触媒担体の上流側端面の中心部に点照射させている。そのため、レーザ光が点照射される中心部が溶損する虞がある。逆に、溶損を防止するためレーザ光の強度を弱くすれば、それだけ触媒担体を加熱する時間が長くなり、排気エミッションの悪化に繋がる。
【特許文献１】特開平６−２６９６８２号公報
【特許文献２】特開平７−１８９６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、触媒担体にレーザ光を照射して該触媒担体を加熱する手段を有するものであり、強度の強いレーザ光を用いて触媒担体の加熱時間を短くしながらも、触媒担体の溶損を防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、効果等を示しつつ説明する。
【０００８】
手段１．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。レーザ加熱手段は、レーザ光による加熱期間中、触媒担体の端面に対してレーザ光を面照射するように構成される。
【０００９】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対してレーザ光が面照射されるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００１０】
手段２．上記手段１において、レーザ加熱手段は、レーザ光を触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面に照射する。
【００１１】
すなわち、触媒担体の端面に対しレーザ光が面照射されながらも、該触媒担体の端面の手前位置でレーザ光が一旦集光される。そのため、その焦点における温度が非常に高くなることから、排気ガス中の未燃燃料に着火させて燃焼させることが可能となる。これにより、排気ガス中の未燃燃料を低減することができ、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体の加熱を促進することができる。
【００１２】
手段３．上記手段２において、レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させたレーザ光の焦点で未燃燃料に着火させることが可能な強度以上に設定される。
【００１３】
すなわち、レーザ光の強度がその焦点で未燃燃料に着火可能な強度以上に設定されるので、未燃燃料への着火が確実となり、これにより排気ガス中の未燃燃料の低減と、未燃燃料の燃焼による触媒担体の加熱促進とを確実に行うことができる。
【００１４】
手段４．上記手段１〜３のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を照射する際に触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内に照射する。
【００１５】
すなわち、排気ガスの流量の多い触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内にレーザ光が照射されるので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００１６】
手段５．上記手段１〜４のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、触媒担体の少なくとも上流側端面にレーザ光を照射する。
【００１７】
すなわち、排気ガスが最初に到達する触媒担体の上流側端面にレーザ光が照射されるので、その上流側端面から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００１８】
手段６．上記手段１〜５のいずれかにおいて、レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、レーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定される。
【００１９】
すなわち、レーザ光の強度がそのレーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されるので、レーザ光を発する部位表面への付着物が極めて少なくなり、この付着物によるレーザ光の減衰を抑制することができる。
【００２０】
手段７．上記手段１〜６のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を生成するレーザ光発振部と、該発振部と光ケーブルを介して接続され該発振部から供給されるレーザ光を発する照射部とを備え、照射部を内燃機関の排気通路に設けると共に、レーザ光発振部を該排気通路から離間した位置に設けている。
【００２１】
すなわち、排気通路（排気管）は温度の昇降が激しく、車両の外部に露出しているため、環境的に厳しい。従って、このような排気通路には照射部のみを設ける一方で、レーザ光を生成する耐環境性の低い半導体装置等を備えたレーザ光発振部を該排気通路から離間した位置、例えば車室内等に設ければ、レーザ光発振部の破損を防止することができる。
【００２２】
手段８．上記手段１〜７のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を照射する数と同数で同形状の照射領域を触媒担体の端面に設けると共に、各照射領域の中心が触媒担体の端面中心から等距離に位置するように各照射領域を互いに接するように配置し、各照射領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光を照射する。
【００２３】
すなわち、各レーザ光が照射される各照射領域は、同形状であり、触媒担体の端面中心から等距離に位置して互いに接するように配置されている。そして、このような各照射領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光が照射され、複数のレーザ光が触媒担体の端面にバランス良く照射される。そのため、触媒担体を効果的に加熱することができる。
【００２４】
手段９．上記手段１〜７のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を同一の照射領域に照射する。
【００２５】
すなわち、複数のレーザ光が同一の照射領域に照射されるので、個々のレーザ光の強度を抑えながらも、触媒担体を効果的に加熱することができる。
【００２６】
手段１０．上記手段１〜９のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに各レーザ光を照射する。
【００２７】
すなわち、レーザ光が触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに照射されるので、触媒担体の両端から効果的に加熱することができる。
【００２８】
手段１１．上記手段１〜１０のいずれかにおいて、レーザ加熱手段によるレーザ加熱期間は、内燃機関を主に循環する冷却水の温度、及び触媒担体の下流側のガス濃度のうち少なくとも一方に基づいて設定される。
【００２９】
すなわち、冷却水温度の検出により、排気ガス中に有害成分が多く含まれる内燃機関の未暖機状態（冷間状態）かが判定でき、触媒担体の下流側のガス濃度（この場合、空燃比や未燃燃料濃度等）の検出により、触媒担体の温度が排気ガス中の有害成分が十分に浄化できない低い温度にあるかが判定できる。そのため、これら冷却水温度及び触媒担体の下流側のガス濃度の少なくとも一方に基づいてレーザ加熱期間を設定することにより、触媒担体の加熱期間を好適な期間に設定することができる。
【００３０】
手段１２．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。照射状態切換手段は、レーザ光による加熱期間中、レーザ加熱手段にて触媒担体の端面に対してレーザ光を点照射させ、その後点照射から面照射に切り替える。
【００３１】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対してレーザ光が点照射から面照射に切り替えられるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００３２】
手段１３．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。照射位置移動手段は、レーザ光による加熱期間中、レーザ加熱手段にて触媒担体の端面に対してレーザ光を点照射又は面照射すると共に、その照射位置を移動させる。
【００３３】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対して点照射又は面照射するレーザ光の照射位置が移動されるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００３４】
なお、上記手段１２に上記手段３を組み合わせることも可能である。また、上記手段１２又は１３に対し、上記手段２〜１１を適宜組み合わせることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。
【００３６】
図１に示すエンジン１０において、各気筒の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が設けられている。吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１３が取り付けられており、吸気バルブ１１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室１４内に導入される。エンジン１０のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ１５が取り付けられている。各点火プラグ１５には所望とする点火時期において高電圧が印加され、この高電圧の印加により、各点火プラグ１５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１４内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。そして、燃焼後の排気ガスは、排気バルブ１２の開動作によりが排気管１６に排出される。
【００３７】
排気管１６には、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する触媒コンバータ２０が設けられている。触媒コンバータ２０は、排気ガス中の有害成分であるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等を担持する略円柱状の触媒担体２１を備えている。
【００３８】
また、排気管１６における触媒コンバータ２０の上流側には、照射部２２が備えられている。照射部２２は、光ケーブル２３にて排気管１６とは離間した車室内に配置されるレーザ光発振部２４と接続されている。レーザ光発振部２４には、レーザ光Ｌを生成する半導体装置等が備えられている。そして、後述するＥＣＵ３０の制御に基づきレーザ光発振部２４から供給されるレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａに照射されて加熱される。これにより、触媒担体２１は、レーザ光Ｌが照射される上流側端面２１ａから加熱されて、触媒浄化効果が十分に得られる触媒活性温度までの立ち上がりが早くなる。
【００３９】
ここで、図２に示すように、照射部２２はレンズ２２ａを備えており、照射するレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光しその後若干広がった状態としている。そして、このレーザ光Ｌが上流側端面２１ａの中心をその中心とした該端面２１ａの直径Ｄの１／３の円形照射領域Ａ１内に面照射されるように、レンズ２２ａの配置位置や寸法が設定されている。また、レーザ光Ｌの強度は、本実施の形態では、レンズ２２ａの表面に付着するデポジット等の付着物を焼却すると共に、後述するレーザ光Ｌを一旦集光させた焦点Ｐにて未燃燃料（ＨＣ）に着火するような強度、例えば３０［ｍＪ］に設定されている。
【００４０】
このようなレーザ光Ｌが照射される触媒担体２１は、上流側端面２１ａの中心部において面照射されるので溶損が防止されると共に、面照射により加熱面積が拡大するので触媒担体２１の温度上昇がより早くなる。また、レーザ光Ｌを一旦集光させた焦点Ｐの温度は非常に高いため、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）に着火させて燃焼させることができる。これにより、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）を低減でき、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体２１の加熱を促進できる。更に、上流側端面２１ａにおいて排気ガスの流量の多い中心部にレーザ光Ｌを照射しているので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００４１】
前記エンジン１０のシリンダブロックには、エンジン１０を主に循環する冷却水の温度（冷却水温：Ｔｗ）を検出するための冷却水温センサ２５と、クランク位置（回転角度）及びエンジン回転数を検出するためのクランク角センサ２６とが備えられている。また、前記排気管１６における触媒コンバータ２０の上流側及び下流側には、排気ガスを検出対象として混合気の空燃比又はリッチ／リーンや未燃燃料濃度（ＨＣ濃度：ＴHC）を検出するための排気センサ２７，２８（リニア空燃比センサ、酸素センサ等）がそれぞれ備えられている。
【００４２】
これら各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、各種センサから得た各種検出信号に基づいてエンジン１０の運転状態を把握し、そのエンジン１０の運転状態に基づいて燃料噴射弁１３による燃料噴射動作や点火プラグ１５による点火動作等、各種の制御プログラムを実行することでエンジン制御を実施する。
【００４３】
また、ＥＣＵ３０は、ドライバのオンオフ操作に伴ってイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）３１からオンオフ信号が入力されており、該スイッチ３１のオン信号の入力に基づいて、触媒コンバータ２０のレーザ加熱処理を実施する（図３参照）。このレーザ加熱処理は、所定周期毎に実施される。
【００４４】
ステップＳ１０１では、エンジン回転数の検出に基づいてエンジン１０が運転状態か否かを判定する。エンジン１０が運転状態でない場合、この加熱処理を終了する。エンジン１０が運転状態、すなわちエンジン１０の運転が開始されると、ステップＳ１０２に進む。
【００４５】
ステップＳ１０２では、現在の冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより低い（Ｔｗ＜Ｔａ）か否かを判定する。この判定値Ｔａは、エンジン１０が暖機完了状態にあるか否かを判定する、例えば７０℃に設定されている。冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより高いと、エンジン１０が暖機完了状態にあって、排気ガス中に含まれる有害成分が十分に少なくなったと判定し、この加熱処理を終了する。冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより低いと、エンジン１０が未暖機状態（冷間状態）にあって、排気ガス中に有害成分が多く含まれていると判定し、ステップＳ１０３に進む。
【００４６】
ステップＳ１０３では、排気センサ２７，２８の検出結果に基づいて、現在のＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより高い（ＴHC＞Ｔｂ）か否かを判定する。この判定値Ｔｂは、触媒担体２１が触媒浄化効果の十分に得られる触媒活性温度にあるか否か判定する値に設定されている。ＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより低いと、触媒担体２１が排気ガス中の有害成分を十分に浄化可能な触媒活性温度にあると判定し、この加熱処理を終了する。ＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより高いと、触媒担体２１が排気ガス中の有害成分を十分に浄化できない低い温度にあると判定し、ステップＳ１０４に進む。
【００４７】
ステップＳ１０４では、レーザ光発振部２４から照射部２２にレーザ光Ｌを供給し、該照射部２２から触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光を照射して該触媒担体２１を加熱し、該触媒担体２１の温度上昇を促進する。
【００４８】
このようにＥＣＵ３０は、エンジン１０が未暖機状態（冷間状態）で、しかも触媒担体２１が触媒活性温度に到達していない場合、レーザ光発振部２４を作動させて触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光を照射する。これにより、図４に示すように、レーザ加熱処理を実施する本実施の形態では、レーザ照射等、触媒の加熱を実施しない場合と比べて、触媒担体２１の上流側端面２１ａにおける中心部温度の立ち上がりが早くなり、該触媒担体２１の温度上昇が早くなる。つまり、触媒担体２１が触媒浄化効果の十分に得られる触媒活性温度まで早期に到達するようになる。そのため、特に有害成分が多く含まれるエンジン未暖機状態の排気ガスの浄化が良好となり、大気に放出される排気ガス中において例えばその有害成分の一つである未燃燃料濃度（ＨＣ濃度）が、触媒の加熱を実施しない場合と比べて十分に低減される。
【００４９】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５０】
本実施の形態では、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌを照射して加熱する照射部２２及びレーザ光発振部２４が備えられており、そのレーザ加熱期間中、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射するように構成されている。すなわち、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射されるので、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光Ｌを用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００５１】
本実施の形態では、レーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面２１ａに照射させている。すなわち、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対しレーザ光Ｌが面照射されながらも、該触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置でレーザ光Ｌが一旦集光される。そのため、その焦点Ｐにおける温度が非常に高くなることから、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）に着火させて燃焼させることができる。これにより、排気ガス中の未燃燃料を低減することができ、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体２１の加熱を促進することができる。
【００５２】
本実施の形態では、レーザ光Ｌの強度は、一旦集光させた焦点Ｐで未燃燃料に着火させることが可能で、レーザ光Ｌを発する部位であるレンズ２２ａの表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されている。すなわち、レーザ光Ｌの強度がその焦点Ｐで未燃燃料に着火可能な強度以上に設定されるので、未燃燃料への着火が確実となり、これにより排気ガス中の未燃燃料の低減と、未燃燃料の燃焼による触媒担体の加熱促進とを確実に行うことができる。また、レーザ光Ｌの強度がそのレーザ光Ｌを発するレンズ２２ａの表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されるので、レーザ光Ｌを発するレンズ２２ａの表面への付着物が極めて少なくなり、この付着物によるレーザ光Ｌの減衰を抑制することができる。
【００５３】
本実施の形態では、レーザ光Ｌは触媒担体２１の上流側端面２１ａの中心をその中心とした所定照射領域（上流側端面２１ａの直径Ｄの１／３の円形照射領域Ａ１）内に照射される。すなわち、排気ガスの流量の多い触媒担体２１の上流側端面２１ａの中心をその中心とした所定照射領域Ａ１内にレーザ光Ｌが照射されるので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００５４】
本実施の形態では、排気ガスが最初に到達する触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光Ｌが照射されるので、その上流側端面２１ａから加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００５５】
本実施の形態では、レーザ光Ｌを生成するレーザ光発振部２４と、該発振部２４と光ケーブル２３を介して接続され該発振部２４から供給されるレーザ光Ｌを発する照射部２２とが備えられている。この照射部２２はエンジン１０の排気管１６に設けられると共に、レーザ光発振部２４は該排気管１６から離間した車室内に設けられている。すなわち、排気管１６は温度の昇降が激しく、車両の外部に露出しているため、環境的に厳しい。従って、このような排気管１６には照射部２２のみを設ける一方で、レーザ光Ｌを生成する耐環境性の低い半導体装置等を備えたレーザ光発振部２４を該排気管１６から離間した車室内に設ければ、レーザ光発振部２４の破損を防止することができる。
【００５６】
本実施の形態では、レーザ加熱期間は、エンジン１０を主に循環する冷却水の温度（冷却水温Ｔｗ）と排気ガス中の未燃燃料の濃度（ＨＣ濃度ＴHC）に基づいて設定されている。すなわち、冷却水温Ｔｗの検出により、排気ガス中に有害成分が多く含まれるエンジン１０の未暖機状態（冷間状態）かが判定でき、排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCの検出により、触媒担体２１の温度が排気ガス中の有害成分が十分に浄化できない低い温度にあるかが判定できる。そのため、これら冷却水温Ｔｗ及び排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCに基づいてレーザ加熱期間を設定することにより、触媒担体２１の加熱期間を好適な期間に設定することができる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００５８】
上記実施の形態のレーザ光Ｌの照射位置や照射形態に限らず、これらを適宜変更しても良い。例えば、図５に示すように、照射部４１からレーザ光Ｌが三方に照射するように構成されている。また、各レーザ光Ｌを照射する数と同数で同円形状の区画領域Ａ２を触媒担体２１の上流側端面２１ａに設けると共に、各区画領域Ａ２の中心が触媒担体２１の端面２１ａ中心から等距離に位置するように各区画領域Ａ２を互いに接するように配置し、このような各区画領域Ａ２の中心をその中心とした所定照射領域Ａ３内に各レーザ光が照射される。なおこの形態では、上記実施の形態と同様に、触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前で一旦集光するレーザ光Ｌが用いられている。このようにすれば、複数（この場合、３つ）のレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａにバランス良く照射され、触媒担体２１を効果的に加熱することができる。
【００５９】
また、図６に示すように、照射部４２から発するレーザ光Ｌの広げ、触媒担体２１の上流側端面２１ａの全体に照射するようにしても良い。
【００６０】
また、図７に示すように、照射部４３から発するレーザ光Ｌの広げ、触媒担体２１の上流側端面２１ａにおける円形照射領域（上流側端面２１ａの中心をその中心とした該端面２１ａの直径Ｄの１／３の領域）Ａ１に照射するようにしても良い。
【００６１】
また、図８に示すように、２つの照射部４４ａ，４４ｂを用い、各照射部４４ａ，４４ｂから発するレーザ光Ｌを同一の照射領域Ａ１に照射しても良い。このようにすれば、複数のレーザ光Ｌが同一の照射領域Ａ１に照射されるので、個々のレーザ光Ｌの強度を抑えながらも、触媒担体２１を効果的に加熱することができる。
【００６２】
また、図９に示すように、２つの照射部４５ａ，４５ｂを触媒担体２１の上流側と下流側とのそれぞれに配置し、各照射部４５ａ，４５ｂから発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａと下流側端面２１ｂとのそれぞれに照射しても良い。このようにすれば、レーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａ及び下流側端面２１ｂのそれぞれに照射されるので、触媒担体２１の両端から効果的に加熱することができる。
【００６３】
また、図１０に示すように、照射部４６から発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射（この場合、面照射でも良い）させると共に、その照射位置が移動するようにアクチュエータ４６ａの作動により照射部４６を可動させても良い。なおこの場合、触媒担体２１の端面２１ａの中心をその中心とした円環状にレーザ光Ｌの照射位置を移動させるようにしているので、照射部４６の動作は単純でアクチュエータ４６ａも比較的簡単に構成できる。このようにすれば、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射するレーザ光Ｌの照射位置が移動されるので、上記実施の形態と同様に、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００６４】
また、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、照射部４７から発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射させ、その後、アクチュエータ４７ａの作動により点照射から面照射に切り替えるようにしても良い。なおこの場合、触媒担体２１の端面２１ａの中心にレーザ光Ｌを点照射し、その後レーザ光Ｌの中心位置を移動させることなくレーザ光Ｌを単に広角として面照射に切り替えるようにしているので、この切り替えを行うアクチュエータ４７ａを比較的簡単に構成できる。このようにすれば、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが点照射から面照射に切り替えられるので、上記実施の形態と同様に、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００６５】
なお、図１１の形態と前記図１０の形態とを組み合わせてもよい。また、上記した各形態を適宜組み合わせてもよい。
【００６６】
上記実施の形態では、レーザ光Ｌの強度を３０［ｍＪ］に設定したが、これ以外の数値に変更しても良い。また、レーザ光Ｌの強度を固定としていたが、可変としても良い。例えば、エンジン１０の始動時に暖機目的でレーザ加熱実施の場合にはレーザ光Ｌの強度を１０［ｍＪ］とし、レンズ２２ａの表面に付着するデポジット等の付着物の焼却目的を含む場合にはレーザ光Ｌの強度を３０［ｍＪ］というように可変としても良い。
【００６７】
本実施の形態では、冷却水温Ｔｗ及び排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCに基づいてレーザ加熱期間を設定したが、これに限定されるものではなく、例えばタイマや制御ループ回数によりレーザ加熱期間を調整しても良い。
【００６８】
上記実施の形態では、排気管１６から離間した車室内に配置されるレーザ光発振部２４にてレーザ光Ｌを生成し、そのレーザ光Ｌを光ケーブル２３を通じて排気管１６に設けた照射部２２に供給するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えばレーザ光発振部２４と照射部２２とを一体に設けても良い。
【００６９】
上記実施の形態では、触媒コンバータ２０（触媒担体２１）が１つであったが、触媒コンバータ（触媒担体）複数であっても良い。例えば、上流側に熱容量の小さいサブ触媒コンバータ（触媒担体）を備えると共に、下流側に熱容量の大きいメイン触媒コンバータ（触媒担体）を備え、それぞれにレーザ加熱装置を設けても良い。また、例えばサブの触媒担体に対してのみレーザ加熱装置を設けても良い。
【００７０】
上記実施の形態では、ガソリンエンジンの触媒コンバータ２０に適用したが、ディーゼルエンジンの触媒コンバータに適応しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。
【図２】レーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図３】レーザ加熱処理を示すフローチャートである。
【図４】触媒及びＨＣ濃度の変化を説明するための説明図である。
【図５】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図６】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図７】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図８】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図９】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図１０】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は、別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…エンジン（内燃機関）、２１…触媒担体、２１ａ…上流側端面、２１ｂ…下流側端面、２２…照射部（レーザ加熱手段）、２３…光ケーブル（レーザ加熱手段）、２４…レーザ光発振部（レーザ加熱手段）、４１〜４７…照射部（レーザ加熱手段）、４６ａ…アクチュエータ（照射位置移動手段）、４７ａ…アクチュエータ（照射状態切換手段）、Ａ１，Ａ３…照射領域、Ａ２…区画領域、Ｔｗ…冷却水温（冷却水の温度）、ＴHC…未燃燃料濃度（ガス濃度）、Ｌ…レーザ光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を早期に活性化させ、特に冷間始動時に好適な内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、排気管に排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが備えられているが、冷間始動時等、触媒が活性化して良好な排気浄化効果が得られる温度まで触媒コンバータ（触媒担体）の温度が上昇するのに単に排気ガスにより昇温させるのでは時間を要してしまう。かかる時間が長いと排気エミッションが悪化するため、触媒担体を加熱する何らかの手段を講じて、触媒担体の温度が好適な温度まで上昇する時間を短くする技術が従来より種々提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１の技術では、触媒担体にヒータが設けられており、該ヒータを通電させることにより触媒担体が加熱される。しかしながら、ヒータにより触媒担体を加熱する前にヒータ自身の加熱（ヒータの立ち上がり）に少なくとも数秒程度の時間を要するため、このような応答性の悪さが排気エミッションの悪化に繋がる。
【０００４】
そこで、特許文献２の図２に示すように、触媒担体にレーザ光を照射して該触媒担体を加熱するようにすれば、レーザ光は立ち上がり時間を殆ど必要としないことから、レーザ光が照射される触媒担体は直ちに温度が上昇する。従って、上記ヒータを用いるよりも触媒担体の加熱にかかる時間を短くでき、排気エミッションを改善できる。
【０００５】
しかしながら、特許文献２の図２に示す技術では、レーザ光をレンズにより集光させているが、その集光させたレーザ光を触媒担体の上流側端面の中心部に点照射させている。そのため、レーザ光が点照射される中心部が溶損する虞がある。逆に、溶損を防止するためレーザ光の強度を弱くすれば、それだけ触媒担体を加熱する時間が長くなり、排気エミッションの悪化に繋がる。
【特許文献１】特開平６−２６９６８２号公報
【特許文献２】特開平７−１８９６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、触媒担体にレーザ光を照射して該触媒担体を加熱する手段を有するものであり、強度の強いレーザ光を用いて触媒担体の加熱時間を短くしながらも、触媒担体の溶損を防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、効果等を示しつつ説明する。
【０００８】
手段１．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。レーザ加熱手段は、レーザ光による加熱期間中、触媒担体の端面に対してレーザ光を面照射するように構成される。
【０００９】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対してレーザ光が面照射されるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００１０】
手段２．上記手段１において、レーザ加熱手段は、レーザ光を触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面に照射する。
【００１１】
すなわち、触媒担体の端面に対しレーザ光が面照射されながらも、該触媒担体の端面の手前位置でレーザ光が一旦集光される。そのため、その焦点における温度が非常に高くなることから、排気ガス中の未燃燃料に着火させて燃焼させることが可能となる。これにより、排気ガス中の未燃燃料を低減することができ、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体の加熱を促進することができる。
【００１２】
手段３．上記手段２において、レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させたレーザ光の焦点で未燃燃料に着火させることが可能な強度以上に設定される。
【００１３】
すなわち、レーザ光の強度がその焦点で未燃燃料に着火可能な強度以上に設定されるので、未燃燃料への着火が確実となり、これにより排気ガス中の未燃燃料の低減と、未燃燃料の燃焼による触媒担体の加熱促進とを確実に行うことができる。
【００１４】
手段４．上記手段１〜３のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を照射する際に触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内に照射する。
【００１５】
すなわち、排気ガスの流量の多い触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内にレーザ光が照射されるので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００１６】
手段５．上記手段１〜４のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、触媒担体の少なくとも上流側端面にレーザ光を照射する。
【００１７】
すなわち、排気ガスが最初に到達する触媒担体の上流側端面にレーザ光が照射されるので、その上流側端面から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００１８】
手段６．上記手段１〜５のいずれかにおいて、レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、レーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定される。
【００１９】
すなわち、レーザ光の強度がそのレーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されるので、レーザ光を発する部位表面への付着物が極めて少なくなり、この付着物によるレーザ光の減衰を抑制することができる。
【００２０】
手段７．上記手段１〜６のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を生成するレーザ光発振部と、該発振部と光ケーブルを介して接続され該発振部から供給されるレーザ光を発する照射部とを備え、照射部を内燃機関の排気通路に設けると共に、レーザ光発振部を該排気通路から離間した位置に設けている。
【００２１】
すなわち、排気通路（排気管）は温度の昇降が激しく、車両の外部に露出しているため、環境的に厳しい。従って、このような排気通路には照射部のみを設ける一方で、レーザ光を生成する耐環境性の低い半導体装置等を備えたレーザ光発振部を該排気通路から離間した位置、例えば車室内等に設ければ、レーザ光発振部の破損を防止することができる。
【００２２】
手段８．上記手段１〜７のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を照射する数と同数で同形状の照射領域を触媒担体の端面に設けると共に、各照射領域の中心が触媒担体の端面中心から等距離に位置するように各照射領域を互いに接するように配置し、各照射領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光を照射する。
【００２３】
すなわち、各レーザ光が照射される各照射領域は、同形状であり、触媒担体の端面中心から等距離に位置して互いに接するように配置されている。そして、このような各照射領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光が照射され、複数のレーザ光が触媒担体の端面にバランス良く照射される。そのため、触媒担体を効果的に加熱することができる。
【００２４】
手段９．上記手段１〜７のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を同一の照射領域に照射する。
【００２５】
すなわち、複数のレーザ光が同一の照射領域に照射されるので、個々のレーザ光の強度を抑えながらも、触媒担体を効果的に加熱することができる。
【００２６】
手段１０．上記手段１〜９のいずれかにおいて、レーザ加熱手段は、レーザ光を複数照射するように構成されており、触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに各レーザ光を照射する。
【００２７】
すなわち、レーザ光が触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに照射されるので、触媒担体の両端から効果的に加熱することができる。
【００２８】
手段１１．上記手段１〜１０のいずれかにおいて、レーザ加熱手段によるレーザ加熱期間は、内燃機関を主に循環する冷却水の温度、及び触媒担体の下流側のガス濃度のうち少なくとも一方に基づいて設定される。
【００２９】
すなわち、冷却水温度の検出により、排気ガス中に有害成分が多く含まれる内燃機関の未暖機状態（冷間状態）かが判定でき、触媒担体の下流側のガス濃度（この場合、空燃比や未燃燃料濃度等）の検出により、触媒担体の温度が排気ガス中の有害成分が十分に浄化できない低い温度にあるかが判定できる。そのため、これら冷却水温度及び触媒担体の下流側のガス濃度の少なくとも一方に基づいてレーザ加熱期間を設定することにより、触媒担体の加熱期間を好適な期間に設定することができる。
【００３０】
手段１２．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。照射状態切換手段は、レーザ光による加熱期間中、レーザ加熱手段にて触媒担体の端面に対してレーザ光を点照射させ、その後点照射から面照射に切り替える。
【００３１】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対してレーザ光が点照射から面照射に切り替えられるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００３２】
手段１３．内燃機関の排気浄化装置には、排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段が備えられる。照射位置移動手段は、レーザ光による加熱期間中、レーザ加熱手段にて触媒担体の端面に対してレーザ光を点照射又は面照射すると共に、その照射位置を移動させる。
【００３３】
すなわち、触媒担体を加熱する際、触媒担体の端面に対して点照射又は面照射するレーザ光の照射位置が移動されるので、レーザ光のエネルギーが分散され、レーザ光のエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光が照射される部分の溶損を防止することができる。
【００３４】
なお、上記手段１２に上記手段３を組み合わせることも可能である。また、上記手段１２又は１３に対し、上記手段２〜１１を適宜組み合わせることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。
【００３６】
図１に示すエンジン１０において、各気筒の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が設けられている。吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１３が取り付けられており、吸気バルブ１１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室１４内に導入される。エンジン１０のシリンダヘッドには、気筒毎に点火プラグ１５が取り付けられている。各点火プラグ１５には所望とする点火時期において高電圧が印加され、この高電圧の印加により、各点火プラグ１５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室１４内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。そして、燃焼後の排気ガスは、排気バルブ１２の開動作によりが排気管１６に排出される。
【００３７】
排気管１６には、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する触媒コンバータ２０が設けられている。触媒コンバータ２０は、排気ガス中の有害成分であるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等を担持する略円柱状の触媒担体２１を備えている。
【００３８】
また、排気管１６における触媒コンバータ２０の上流側には、照射部２２が備えられている。照射部２２は、光ケーブル２３にて排気管１６とは離間した車室内に配置されるレーザ光発振部２４と接続されている。レーザ光発振部２４には、レーザ光Ｌを生成する半導体装置等が備えられている。そして、後述するＥＣＵ３０の制御に基づきレーザ光発振部２４から供給されるレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａに照射されて加熱される。これにより、触媒担体２１は、レーザ光Ｌが照射される上流側端面２１ａから加熱されて、触媒浄化効果が十分に得られる触媒活性温度までの立ち上がりが早くなる。
【００３９】
ここで、図２に示すように、照射部２２はレンズ２２ａを備えており、照射するレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光しその後若干広がった状態としている。そして、このレーザ光Ｌが上流側端面２１ａの中心をその中心とした該端面２１ａの直径Ｄの１／３の円形照射領域Ａ１内に面照射されるように、レンズ２２ａの配置位置や寸法が設定されている。また、レーザ光Ｌの強度は、本実施の形態では、レンズ２２ａの表面に付着するデポジット等の付着物を焼却すると共に、後述するレーザ光Ｌを一旦集光させた焦点Ｐにて未燃燃料（ＨＣ）に着火するような強度、例えば３０［ｍＪ］に設定されている。
【００４０】
このようなレーザ光Ｌが照射される触媒担体２１は、上流側端面２１ａの中心部において面照射されるので溶損が防止されると共に、面照射により加熱面積が拡大するので触媒担体２１の温度上昇がより早くなる。また、レーザ光Ｌを一旦集光させた焦点Ｐの温度は非常に高いため、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）に着火させて燃焼させることができる。これにより、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）を低減でき、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体２１の加熱を促進できる。更に、上流側端面２１ａにおいて排気ガスの流量の多い中心部にレーザ光Ｌを照射しているので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００４１】
前記エンジン１０のシリンダブロックには、エンジン１０を主に循環する冷却水の温度（冷却水温：Ｔｗ）を検出するための冷却水温センサ２５と、クランク位置（回転角度）及びエンジン回転数を検出するためのクランク角センサ２６とが備えられている。また、前記排気管１６における触媒コンバータ２０の上流側及び下流側には、排気ガスを検出対象として混合気の空燃比又はリッチ／リーンや未燃燃料濃度（ＨＣ濃度：ＴHC）を検出するための排気センサ２７，２８（リニア空燃比センサ、酸素センサ等）がそれぞれ備えられている。
【００４２】
これら各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、各種センサから得た各種検出信号に基づいてエンジン１０の運転状態を把握し、そのエンジン１０の運転状態に基づいて燃料噴射弁１３による燃料噴射動作や点火プラグ１５による点火動作等、各種の制御プログラムを実行することでエンジン制御を実施する。
【００４３】
また、ＥＣＵ３０は、ドライバのオンオフ操作に伴ってイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）３１からオンオフ信号が入力されており、該スイッチ３１のオン信号の入力に基づいて、触媒コンバータ２０のレーザ加熱処理を実施する（図３参照）。このレーザ加熱処理は、所定周期毎に実施される。
【００４４】
ステップＳ１０１では、エンジン回転数の検出に基づいてエンジン１０が運転状態か否かを判定する。エンジン１０が運転状態でない場合、この加熱処理を終了する。エンジン１０が運転状態、すなわちエンジン１０の運転が開始されると、ステップＳ１０２に進む。
【００４５】
ステップＳ１０２では、現在の冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより低い（Ｔｗ＜Ｔａ）か否かを判定する。この判定値Ｔａは、エンジン１０が暖機完了状態にあるか否かを判定する、例えば７０℃に設定されている。冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより高いと、エンジン１０が暖機完了状態にあって、排気ガス中に含まれる有害成分が十分に少なくなったと判定し、この加熱処理を終了する。冷却水温Ｔｗが判定値Ｔａより低いと、エンジン１０が未暖機状態（冷間状態）にあって、排気ガス中に有害成分が多く含まれていると判定し、ステップＳ１０３に進む。
【００４６】
ステップＳ１０３では、排気センサ２７，２８の検出結果に基づいて、現在のＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより高い（ＴHC＞Ｔｂ）か否かを判定する。この判定値Ｔｂは、触媒担体２１が触媒浄化効果の十分に得られる触媒活性温度にあるか否か判定する値に設定されている。ＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより低いと、触媒担体２１が排気ガス中の有害成分を十分に浄化可能な触媒活性温度にあると判定し、この加熱処理を終了する。ＨＣ濃度ＴHCが判定値Ｔｂより高いと、触媒担体２１が排気ガス中の有害成分を十分に浄化できない低い温度にあると判定し、ステップＳ１０４に進む。
【００４７】
ステップＳ１０４では、レーザ光発振部２４から照射部２２にレーザ光Ｌを供給し、該照射部２２から触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光を照射して該触媒担体２１を加熱し、該触媒担体２１の温度上昇を促進する。
【００４８】
このようにＥＣＵ３０は、エンジン１０が未暖機状態（冷間状態）で、しかも触媒担体２１が触媒活性温度に到達していない場合、レーザ光発振部２４を作動させて触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光を照射する。これにより、図４に示すように、レーザ加熱処理を実施する本実施の形態では、レーザ照射等、触媒の加熱を実施しない場合と比べて、触媒担体２１の上流側端面２１ａにおける中心部温度の立ち上がりが早くなり、該触媒担体２１の温度上昇が早くなる。つまり、触媒担体２１が触媒浄化効果の十分に得られる触媒活性温度まで早期に到達するようになる。そのため、特に有害成分が多く含まれるエンジン未暖機状態の排気ガスの浄化が良好となり、大気に放出される排気ガス中において例えばその有害成分の一つである未燃燃料濃度（ＨＣ濃度）が、触媒の加熱を実施しない場合と比べて十分に低減される。
【００４９】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５０】
本実施の形態では、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌを照射して加熱する照射部２２及びレーザ光発振部２４が備えられており、そのレーザ加熱期間中、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射するように構成されている。すなわち、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが面照射されるので、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光Ｌを用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００５１】
本実施の形態では、レーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面２１ａに照射させている。すなわち、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対しレーザ光Ｌが面照射されながらも、該触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前位置でレーザ光Ｌが一旦集光される。そのため、その焦点Ｐにおける温度が非常に高くなることから、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）に着火させて燃焼させることができる。これにより、排気ガス中の未燃燃料を低減することができ、しかも未燃燃料の燃焼にて生じた熱により触媒担体２１の加熱を促進することができる。
【００５２】
本実施の形態では、レーザ光Ｌの強度は、一旦集光させた焦点Ｐで未燃燃料に着火させることが可能で、レーザ光Ｌを発する部位であるレンズ２２ａの表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されている。すなわち、レーザ光Ｌの強度がその焦点Ｐで未燃燃料に着火可能な強度以上に設定されるので、未燃燃料への着火が確実となり、これにより排気ガス中の未燃燃料の低減と、未燃燃料の燃焼による触媒担体の加熱促進とを確実に行うことができる。また、レーザ光Ｌの強度がそのレーザ光Ｌを発するレンズ２２ａの表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されるので、レーザ光Ｌを発するレンズ２２ａの表面への付着物が極めて少なくなり、この付着物によるレーザ光Ｌの減衰を抑制することができる。
【００５３】
本実施の形態では、レーザ光Ｌは触媒担体２１の上流側端面２１ａの中心をその中心とした所定照射領域（上流側端面２１ａの直径Ｄの１／３の円形照射領域Ａ１）内に照射される。すなわち、排気ガスの流量の多い触媒担体２１の上流側端面２１ａの中心をその中心とした所定照射領域Ａ１内にレーザ光Ｌが照射されるので、その中心部から加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００５４】
本実施の形態では、排気ガスが最初に到達する触媒担体２１の上流側端面２１ａにレーザ光Ｌが照射されるので、その上流側端面２１ａから加熱して触媒浄化効果を向上させることは効果的である。
【００５５】
本実施の形態では、レーザ光Ｌを生成するレーザ光発振部２４と、該発振部２４と光ケーブル２３を介して接続され該発振部２４から供給されるレーザ光Ｌを発する照射部２２とが備えられている。この照射部２２はエンジン１０の排気管１６に設けられると共に、レーザ光発振部２４は該排気管１６から離間した車室内に設けられている。すなわち、排気管１６は温度の昇降が激しく、車両の外部に露出しているため、環境的に厳しい。従って、このような排気管１６には照射部２２のみを設ける一方で、レーザ光Ｌを生成する耐環境性の低い半導体装置等を備えたレーザ光発振部２４を該排気管１６から離間した車室内に設ければ、レーザ光発振部２４の破損を防止することができる。
【００５６】
本実施の形態では、レーザ加熱期間は、エンジン１０を主に循環する冷却水の温度（冷却水温Ｔｗ）と排気ガス中の未燃燃料の濃度（ＨＣ濃度ＴHC）に基づいて設定されている。すなわち、冷却水温Ｔｗの検出により、排気ガス中に有害成分が多く含まれるエンジン１０の未暖機状態（冷間状態）かが判定でき、排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCの検出により、触媒担体２１の温度が排気ガス中の有害成分が十分に浄化できない低い温度にあるかが判定できる。そのため、これら冷却水温Ｔｗ及び排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCに基づいてレーザ加熱期間を設定することにより、触媒担体２１の加熱期間を好適な期間に設定することができる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００５８】
上記実施の形態のレーザ光Ｌの照射位置や照射形態に限らず、これらを適宜変更しても良い。例えば、図５に示すように、照射部４１からレーザ光Ｌが三方に照射するように構成されている。また、各レーザ光Ｌを照射する数と同数で同円形状の区画領域Ａ２を触媒担体２１の上流側端面２１ａに設けると共に、各区画領域Ａ２の中心が触媒担体２１の端面２１ａ中心から等距離に位置するように各区画領域Ａ２を互いに接するように配置し、このような各区画領域Ａ２の中心をその中心とした所定照射領域Ａ３内に各レーザ光が照射される。なおこの形態では、上記実施の形態と同様に、触媒担体２１の上流側端面２１ａの手前で一旦集光するレーザ光Ｌが用いられている。このようにすれば、複数（この場合、３つ）のレーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａにバランス良く照射され、触媒担体２１を効果的に加熱することができる。
【００５９】
また、図６に示すように、照射部４２から発するレーザ光Ｌの広げ、触媒担体２１の上流側端面２１ａの全体に照射するようにしても良い。
【００６０】
また、図７に示すように、照射部４３から発するレーザ光Ｌの広げ、触媒担体２１の上流側端面２１ａにおける円形照射領域（上流側端面２１ａの中心をその中心とした該端面２１ａの直径Ｄの１／３の領域）Ａ１に照射するようにしても良い。
【００６１】
また、図８に示すように、２つの照射部４４ａ，４４ｂを用い、各照射部４４ａ，４４ｂから発するレーザ光Ｌを同一の照射領域Ａ１に照射しても良い。このようにすれば、複数のレーザ光Ｌが同一の照射領域Ａ１に照射されるので、個々のレーザ光Ｌの強度を抑えながらも、触媒担体２１を効果的に加熱することができる。
【００６２】
また、図９に示すように、２つの照射部４５ａ，４５ｂを触媒担体２１の上流側と下流側とのそれぞれに配置し、各照射部４５ａ，４５ｂから発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａと下流側端面２１ｂとのそれぞれに照射しても良い。このようにすれば、レーザ光Ｌが触媒担体２１の上流側端面２１ａ及び下流側端面２１ｂのそれぞれに照射されるので、触媒担体２１の両端から効果的に加熱することができる。
【００６３】
また、図１０に示すように、照射部４６から発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射（この場合、面照射でも良い）させると共に、その照射位置が移動するようにアクチュエータ４６ａの作動により照射部４６を可動させても良い。なおこの場合、触媒担体２１の端面２１ａの中心をその中心とした円環状にレーザ光Ｌの照射位置を移動させるようにしているので、照射部４６の動作は単純でアクチュエータ４６ａも比較的簡単に構成できる。このようにすれば、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射するレーザ光Ｌの照射位置が移動されるので、上記実施の形態と同様に、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００６４】
また、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、照射部４７から発するレーザ光Ｌを触媒担体２１の上流側端面２１ａに対して点照射させ、その後、アクチュエータ４７ａの作動により点照射から面照射に切り替えるようにしても良い。なおこの場合、触媒担体２１の端面２１ａの中心にレーザ光Ｌを点照射し、その後レーザ光Ｌの中心位置を移動させることなくレーザ光Ｌを単に広角として面照射に切り替えるようにしているので、この切り替えを行うアクチュエータ４７ａを比較的簡単に構成できる。このようにすれば、触媒担体２１を加熱する際、触媒担体２１の上流側端面２１ａに対してレーザ光Ｌが点照射から面照射に切り替えられるので、上記実施の形態と同様に、レーザ光Ｌのエネルギーが分散され、レーザ光Ｌのエネルギーの一点集中が防止される。そのため、触媒担体２１の加熱時間を短くすべく強度の強いレーザ光を用いても、該レーザ光Ｌが照射される部分の溶損を防止することができる。
【００６５】
なお、図１１の形態と前記図１０の形態とを組み合わせてもよい。また、上記した各形態を適宜組み合わせてもよい。
【００６６】
上記実施の形態では、レーザ光Ｌの強度を３０［ｍＪ］に設定したが、これ以外の数値に変更しても良い。また、レーザ光Ｌの強度を固定としていたが、可変としても良い。例えば、エンジン１０の始動時に暖機目的でレーザ加熱実施の場合にはレーザ光Ｌの強度を１０［ｍＪ］とし、レンズ２２ａの表面に付着するデポジット等の付着物の焼却目的を含む場合にはレーザ光Ｌの強度を３０［ｍＪ］というように可変としても良い。
【００６７】
本実施の形態では、冷却水温Ｔｗ及び排気ガス中のＨＣ濃度ＴHCに基づいてレーザ加熱期間を設定したが、これに限定されるものではなく、例えばタイマや制御ループ回数によりレーザ加熱期間を調整しても良い。
【００６８】
上記実施の形態では、排気管１６から離間した車室内に配置されるレーザ光発振部２４にてレーザ光Ｌを生成し、そのレーザ光Ｌを光ケーブル２３を通じて排気管１６に設けた照射部２２に供給するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えばレーザ光発振部２４と照射部２２とを一体に設けても良い。
【００６９】
上記実施の形態では、触媒コンバータ２０（触媒担体２１）が１つであったが、触媒コンバータ（触媒担体）複数であっても良い。例えば、上流側に熱容量の小さいサブ触媒コンバータ（触媒担体）を備えると共に、下流側に熱容量の大きいメイン触媒コンバータ（触媒担体）を備え、それぞれにレーザ加熱装置を設けても良い。また、例えばサブの触媒担体に対してのみレーザ加熱装置を設けても良い。
【００７０】
上記実施の形態では、ガソリンエンジンの触媒コンバータ２０に適用したが、ディーゼルエンジンの触媒コンバータに適応しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。
【図２】レーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図３】レーザ加熱処理を示すフローチャートである。
【図４】触媒及びＨＣ濃度の変化を説明するための説明図である。
【図５】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図６】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図７】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図８】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図９】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図１０】別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は、別例におけるレーザ加熱処理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…エンジン（内燃機関）、２１…触媒担体、２１ａ…上流側端面、２１ｂ…下流側端面、２２…照射部（レーザ加熱手段）、２３…光ケーブル（レーザ加熱手段）、２４…レーザ光発振部（レーザ加熱手段）、４１〜４７…照射部（レーザ加熱手段）、４６ａ…アクチュエータ（照射位置移動手段）、４７ａ…アクチュエータ（照射状態切換手段）、Ａ１，Ａ３…照射領域、Ａ２…区画領域、Ｔｗ…冷却水温（冷却水の温度）、ＴHC…未燃燃料濃度（ガス濃度）、Ｌ…レーザ光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光による加熱期間中、前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を面照射するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を前記触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面に照射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。
【請求項３】
前記レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、前記触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させた前記レーザ光の焦点で未燃燃料に着火させることが可能な強度以上に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を照射する際に前記触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内に照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記レーザ加熱手段は、前記触媒担体の少なくとも上流側端面に前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、前記レーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を生成するレーザ光発振部と、該発振部と光ケーブルを介して接続され該発振部から供給される前記レーザ光を発する照射部とを備え、前記照射部を内燃機関の排気通路に設けると共に、前記レーザ光発振部を該排気通路から離間した位置に設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を照射する数と同数で同形状の区画領域を前記触媒担体の端面に設けると共に、各区画領域の中心が前記触媒担体の端面中心から等距離に位置するように各区画領域を互いに接するように配置し、各区画領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を同一の照射領域に照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、前記触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに各レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記レーザ加熱手段によるレーザ加熱期間は、内燃機関を主に循環する冷却水の温度、及び前記触媒担体の下流側のガス濃度のうち少なくとも一方に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ光による加熱期間中、前記レーザ加熱手段にて前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を点照射させ、その後点照射から面照射に切り替える照射状態切換手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ光による加熱期間中、前記レーザ加熱手段にて前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を点照射又は面照射すると共に、その照射位置を移動させる照射位置移動手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光による加熱期間中、前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を面照射するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を前記触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させその後広がった部分を該端面に照射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。
【請求項３】
前記レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、前記触媒担体の端面の手前位置で一旦集光させた前記レーザ光の焦点で未燃燃料に着火させることが可能な強度以上に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を照射する際に前記触媒担体の端面中心をその中心とした所定照射領域内に照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記レーザ加熱手段は、前記触媒担体の少なくとも上流側端面に前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記レーザ加熱手段にて発せられるレーザ光の強度は、前記レーザ光を発する部位の表面に付着する付着物を焼却可能な強度以上に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を生成するレーザ光発振部と、該発振部と光ケーブルを介して接続され該発振部から供給される前記レーザ光を発する照射部とを備え、前記照射部を内燃機関の排気通路に設けると共に、前記レーザ光発振部を該排気通路から離間した位置に設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を照射する数と同数で同形状の区画領域を前記触媒担体の端面に設けると共に、各区画領域の中心が前記触媒担体の端面中心から等距離に位置するように各区画領域を互いに接するように配置し、各区画領域の中心をその中心とした所定照射領域内に各レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、各レーザ光を同一の照射領域に照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記レーザ加熱手段は、前記レーザ光を複数照射するように構成されており、前記触媒担体の上流側端面及び下流側端面のそれぞれに各レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記レーザ加熱手段によるレーザ加熱期間は、内燃機関を主に循環する冷却水の温度、及び前記触媒担体の下流側のガス濃度のうち少なくとも一方に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ光による加熱期間中、前記レーザ加熱手段にて前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を点照射させ、その後点照射から面照射に切り替える照射状態切換手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒を担持する触媒担体の端面に対してレーザ光を照射して加熱するレーザ加熱手段を備えた排気浄化装置であって、
前記レーザ光による加熱期間中、前記レーザ加熱手段にて前記触媒担体の端面に対して前記レーザ光を点照射又は面照射すると共に、その照射位置を移動させる照射位置移動手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１３２４８６（Ｐ２００６−１３２４８６Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２４５２６（Ｐ２００４−３２４５２６）
【出願日】平成１６年１１月９日（２００４．１１．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月９日（２００４．１１．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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