JP3552562B2

JP3552562B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3552562B2
Application number: JP36577698A
Authority: JP
Inventors: 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP2000186541A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に燃焼式ヒータを具備した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジン等の比較的発熱量が少ない内燃機関では、冷間始動時における室内用暖房装置の性能向上や内燃機関の暖機促進等を目的として、燃焼式ヒータを併設する技術が提案されている。
【０００３】
上記した燃焼式ヒータは、内燃機関と独立した燃焼室を具備するとともに、その燃焼室を包囲するように形成された水路を備えている。ヒータ内の水路と内燃機関内の冷却水路とは、内燃機関の冷却水路からヒータ内水路へ冷却水を導く冷却水導入通路、及びヒータ内水路から内燃機関の冷却水路へ冷却水を導く冷却水排出通路によって連通している。そして、冷却水排出通路の途中には、暖房装置のヒータコアが設けられている。
【０００４】
このように構成された燃焼式ヒータは、内燃機関の冷間始動時等に、内燃機関の燃料の一部を燃焼室で燃焼させるとともに、内燃機関の冷却水を冷却水導入通路を介してヒータ内水路に導く。この場合、燃焼室内の燃焼によって発生する熱がヒータ内水路へ伝達され、ヒータ内水路を流れる冷却水を昇温させる。このようにして昇温された冷却水（温水）は、ヒータ内水路から冷却水排出通路へ排出され、ヒータコアを経て内燃機関の冷却水路へ戻される。前記温水がヒータコアを通過する際、温水の熱の一部がヒータコア内の暖房用空気に伝達され、暖房用空気を昇温させる。
【０００５】
上記したような燃焼式ヒータによれば、冷間始動時等に機関冷却水や暖房用空気を早期に昇温させることができ、暖機の促進と暖房性能の向上とを図ることが可能となる。
【０００６】
ところで、燃焼式ヒータでは、内燃機関用の燃料の一部を利用して燃焼が行われるため、燃焼式ヒータから排出された燃焼ガスには、内燃機関の排気と同様の有害ガス成分が含まれることになり、その有害ガス成分を浄化した上で放出する必要がある。
【０００７】
このような要求に対し、特開昭６０−７８８１９号公報に記載された「燃焼式ヒータを備えた車両の暖房装置」が知られている。この暖房装置は、燃焼式ヒータ内で燃焼されたガスを排出するためのヒータ排気管の排出口を、内燃機関の排気管の排気浄化装置上流に設けることにより、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを内燃機関用の排気浄化装置に導入し、内燃機関用排気浄化装置で燃焼ガス中の有害ガス成分を浄化しようというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関用の排気浄化装置としては、所定条件下で排気中のＮＯ_Ｘを還元・浄化するＮＯ_Ｘ触媒や、排気中に含まれる煤等の粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）ＰＭを捕捉するＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）等が知られている。
【０００９】
ＮＯ_Ｘ触媒としては、触媒に流入する排気の状態が酸素過剰状態で且つＨＣが存在する状態のときに炭化水素（ＨＣ）を還元剤としてＮＯ_Ｘを窒素（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等に還元する選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒、あるいは、触媒に流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低下したときに吸蔵していたＮＯ_Ｘを放出するとともに、放出されたＮＯ_ＸをＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤と反応させてＮ_２等に還元・浄化する吸蔵還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒等が知られている。
【００１０】
一方、ＤＰＦとしては、多孔質のセラミック等で形成され、排気が孔を通過する際に排気中のＰＭを捕捉し、流入排気がリーン且つ排気温度が高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）になると捕捉したＰＭを燃焼させるものや、ＤＰＦ内の排気流路表面に触媒を担持し、その触媒上でＨＣ等の還元剤と酸素とを反応させ、その際に発生する反応熱によって、捕捉したＰＭを燃焼させるもの等が知られている。
【００１１】
上記したようなＮＯ_Ｘ触媒やＤＰＦは、所定の温度域にある時に活性状態となるため、排気中の有害ガス成分を確実に浄化するにはＮＯ_Ｘ触媒やＤＰＦ等の温度を所定の温度域に維持する必要がある。特に、ディーゼルエンジンのように発熱量が少なく、排気温度が低い内燃機関の排気系に設けられるＮＯ_Ｘ触媒やＤＰＦは、冷間始動時等に所定温度域まで昇温し難く、また昇温した後も低温の排気によって所定温度域未満に低下してしまう虞がある。
【００１２】
これに対し、特開昭６０−７８８１９号公報に記載された「燃焼式ヒータを備えた車両の暖房装置」のように、燃焼式ヒータから排出される高温の燃焼ガスを排気浄化装置上流の排気系に導入する方法が考えれるが、燃焼式ヒータの燃焼ガスを連続的に排気浄化装置の上流に供給すると、燃焼ガスの熱が主として排気浄化装置の排気流入口近傍に伝達され、排気流入口近傍の温度が過剰に高くなる虞がある。
【００１３】
例えば、排気浄化装置として、ＮＯ_Ｘを浄化可能な温度範囲（触媒浄化ウインド）が限定される選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒が使用された場合は、燃焼式ヒータの燃焼ガスが連続的に選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒に供給されると、その選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒の入口部の温度が触媒浄化ウインドの上限値を越えてしまい、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒の浄化性能が低下してしまう。
【００１４】
また、燃焼式ヒータの燃焼ガスが連続的に排気浄化装置に添加された場合に、燃焼ガスがリッチ雰囲気にあると、排気浄化装置内の酸素濃度が低下して有害ガス成分の酸化反応が十分に行われなくなるため、排気浄化装置内が有害ガス成分によって被毒し、排気浄化装置の浄化性能が低下する虞がある。
【００１５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを利用して排気浄化装置全体を所望の温度にする技術を提供し、排気浄化装置の浄化率を向上させて、排気エミッションの悪化を防止することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明にかかる第１の排気浄化装置は、内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、
前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分を浄化する排気浄化触媒と、
前記燃焼式ヒータで燃焼されたガスを断続的に前記排気浄化触媒上流の排気系に導入する燃焼ガス供給手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
このように構成された排気浄化装置では、燃焼ガス供給手段は、燃焼式ヒータで燃焼されたガスを断続的に排気浄化触媒の上流の排気系に供給する。この場合、排気浄化触媒の上流の排気系では、燃焼ガスの供給と停止とが繰り返されることになる。そして、排気浄化触媒には、燃焼ガスが混合された排気と排気のみとが交互に流入することになる。
【００１８】
燃焼ガスが混合された排気は、排気のみの場合に比べて温度が高くなる。このような混合ガスが排気浄化触媒に流入すると、例えば、混合ガスの熱が排気浄化触媒の排気流入口近傍に伝熱され、あるいは燃焼ガス中に含まれる炭化水素や一酸化炭素等が排気浄化触媒上で酸素と反応した際に発生する反応熱によって、排気流入口近傍の温度が昇温する。
【００１９】
その後、燃焼ガスの供給が停止されると、排気浄化触媒には排気のみが流入する。排気のみの温度は、前記した混合ガスより低いため、排気流入口近傍が過剰な熱を受けて昇温することがない。さらに、排気流入口近傍の熱が排気浄化触媒上で他の部位に伝達され、排気浄化触媒の他の部位が昇温する。
【００２０】
尚、排気流入口近傍が既に活性化温度に達していれば、排気流入口近傍において排気中の有害ガス成分と触媒とが反応し、その際の反応熱も他の部位へ伝達されるため、他の部位の昇温が促進される。
【００２１】
続いて、燃焼ガスの供給が再開されると、燃焼ガスと排気との混合ガスが排気浄化触媒に流入し、排気流入口近傍が再び昇温する。
このように燃焼ガスの供給と停止とが繰り返されることにより、排気浄化触媒の一部が過剰に上昇することがなく、排気浄化触媒全体が略均一に昇温する。
【００２２】
尚、前記した排気浄化触媒としては、触媒温度が所定温度範囲内にあり且つ流入排気がリーン雰囲気のときに炭化水素が存在すると、排気中の窒素酸化物を還元及び浄化する選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒を例示することができる。これは、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒の一部が前記所定温度範囲より高くなると、その部分において排気中のＮＯ_Ｘを浄化することができなくなるため、選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒全体の温度を略均一に保つ必要があるからである。
【００２３】
次に、本発明に係る第２の排気浄化装置は、内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、
前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の温度分布を検出する温度分布検出手段と、
前記温度分布検出手段により前記排気浄化手段において所定温度未満の部位が検出されたときに、前記燃焼式ヒータで燃焼されたガスを前記所定温度未満の部位へ供給する燃焼ガス供給手段と、
を備えることを特徴とするようにしてもよい。
【００２４】
このように構成された排気浄化装置では、温度分布検出手段が排気浄化手段の温度分布を検出する。その際、温度分布検出手段が排気浄化手段において所定温度未満の部位を検出すると、燃焼ガス供給手段は、その所定温度未満の部位に燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを供給する。
【００２５】
この場合、排気浄化装置において所定温度未満の部位には、燃焼ガスの熱が伝達され、あるいは燃焼ガス中に含まれる炭化水素や一酸化炭素等が排気浄化手段上で酸素と反応した際に発生する反応熱によって、前記部位の温度が昇温する。
【００２６】
この結果、本発明の排気浄化装置では、排気浄化手段において温度が低い部位、言い換えれば昇温させる必要がある部位にのみ燃焼ガスが供給されるので、その他の部位が過剰に昇温することがなく、排気浄化手段全体が略均一に適温に保たれる。
【００２７】
前記した排気浄化手段としては、複数に分割された排気浄化触媒を例示することができる。この場合、温度分布検出手段は、各排気浄化触媒の触媒床温を検出し、燃焼ガス供給手段は、温度分布検出手段により触媒床温が所定温度未満の排気浄化触媒が検出されたときに、燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記所定温度未満の排気浄化触媒へ供給するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２９】
〈実施の形態１〉
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態について図１〜図３に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置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、多気筒の水冷式ディーゼルエンジンである。
【００３１】
内燃機関１には、吸気枝管２が接続され、この吸気枝管２の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。前記吸気枝管２は、吸気管３に接続され、吸気管３は、エアフィルタを内装したエアクリーナボックス４に接続されている。
【００３２】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス４に流入した新気がエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管３を経て吸気枝管２へ導かれ、吸気枝管２の各枝管を通って各気筒の燃焼室に分配される。
【００３３】
一方、内燃機関１には、排気枝管６が接続され、この排気枝管６の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない排気ポートを介して連通している。前記排気枝管６は、排気管７に接続され、排気管７は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００３４】
前記排気管７の途中には、排気浄化触媒８が配置されている。この排気浄化触媒８としては、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒、吸蔵還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒、あるいは酸化触媒を担持したＤＰＧ等を例示することができるが、本実施の形態では、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒を例に挙げて説明する。
【００３５】
前記選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８は、触媒床温が所定の温度範囲（触媒浄化ウインド）内にある場合に、この選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入する排気の空燃比がリーン雰囲気にあり、且つ炭化水素ＨＣが存在する状況下で排気中のＮＯ_Ｘを還元あるいは分解する触媒であり、例えば、ゼオライトからなる担体にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持したものや、ゼオライトもしくはアルミナからなる担体に貴金属を担持したもの等を例示することができる。
【００３６】
このように構成された排気系では、各気筒の燃焼室で燃焼された混合気が排気枝管６の各枝管を通って排気管７へ導かれ、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流れ込む。その際、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の触媒床温が触媒浄化ウインド内にあって、流入する排気の空燃比がリーン雰囲気であり、更に排気中にＨＣが存在していれば、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８においてＨＣの一部が部分酸化して活性種を生成し、その活性種が排気中のＮＯ_Ｘと反応して、ＮＯ_ＸをＮ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等に還元する。
【００３７】
次に、内燃機関１には、各気筒毎に１つの燃料噴射弁１０が取り付けられている。各燃料噴射弁１０は、その噴孔が各気筒の燃焼室に臨むよう取り付けられており、燃焼室内に直接燃料を噴射可能となっている。燃料噴射弁１０は、燃料分配管１１を介して蓄圧室（コモンレール）１２と連通しており、コモンレール１２は、燃料通路１３を介して図示しない燃料ポンプと連通している。
【００３８】
このように構成された燃料噴射系では、燃料ポンプから吐出された燃料が燃料通路１３を介してコモンレール１２に供給され、コモンレール１２にて所定圧まで蓄圧され、蓄圧された燃料が燃料分配管１１を介して燃料噴射弁１０に印加される。そして、燃料噴射弁１０が開弁されると、蓄圧された燃料が燃焼室内に噴射され、前述した吸気系を介して燃焼室に供給された新気と混ざり合って混合気を形成する。
【００３９】
また、内燃機関１には、燃焼式ヒータ１４が併設されている。この燃焼式ヒータ１４には、吸気導入通路１５と燃焼ガス排出通路１７とが接続されている。前記吸気導入通路１５は、吸気管３に接続されている。この吸気導入通路１５の途中には、吸気管３内を流れる吸気の一部を燃焼式ヒータ１４へ圧送するエアポンプ１６が設けられている。
【００４０】
一方、前記燃焼ガス排出通路１７は、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８上流の排気管７に接続されている。この燃焼ガス排出通路１７の途中には、燃焼ガス排出通路１７内の流路を開閉する電磁弁７０が設けられている。
【００４１】
続いて、前記燃焼式ヒータ１４には、内燃機関１の冷却水を燃焼式ヒータ１４へ導く冷却水導入通路１８と、燃焼式ヒータ１４内で暖められた冷却水を内燃機関１へ導く冷却水排出通路１９とが接続されている。
【００４２】
さらに、燃焼式ヒータ１４には、燃料導入通路２０が接続され、燃料導入通路２０は、前記した燃料通路１３に接続されている。これにより、燃料通路１３を流れる燃料の一部を燃焼式ヒータ１４へ供給することが可能になっている。
【００４３】
ここで、燃焼式ヒータ１４の具体的な構成について図２に基づいて説明する。燃焼式ヒータ１４は、内燃機関１の図示しないウォータジャケットと冷却水導入通路１８及び冷却水排出通路１９を介して連通しており、燃焼式ヒータ１４の内部には、前記ウォータジャケットからの冷却水を流すためのヒータ内部冷却水通路１４ａが形成されている。
【００４４】
前記ヒータ内部冷却水通路１４ａは、燃焼式ヒータ１４の内部に形成された燃焼室１４ｄの周りを巡回するよう配置され、ヒータ内部冷却水路１４ａ内を流れる冷却水が燃焼室１４ｄからの熱を受けて昇温するようになっている。これについては、順次述べる。
【００４５】
燃焼室１４ｄは、火炎を発生させる燃焼源としての燃焼筒１４ｂと、燃焼筒１４ｂを覆うことで火炎が外部に漏れないようにする円筒状の隔壁１４ｃとから構成されている。このように燃焼筒１４ｂを隔壁１４ｃで覆うことにより、燃焼室１４ｄが隔壁１４ｃ内に画されることになる。そして、隔壁１４ｃは、燃焼式ヒータ１４の燃焼室本体４３の外壁４３ａによって覆われている。尚、隔壁１４ｃと外壁４３ａとの間には、環状の隙間が設けられ、この隙間が前述したヒータ内部冷却水路１４ａとして機能するようになっている。
【００４６】
燃焼式ヒータ１４には、空気供給口１４ｄ_１と排気排出口１４ｄ_２とが形成され、これらの空気供給口１４ｄ_１と排気排出口１４ｄ_２とが燃焼室１４ｄに連通している。前記空気供給口１４ｄ_１には前述した吸気導入通路１５が接続され、前記排気排出口１４ｄ_２には前述した燃焼ガス排出通路１７が接続されている。
【００４７】
続いて、燃焼式ヒータ１４には、冷却水導入口１４ａ_１と冷却水排出口１４ａ_２とが形成され、これらの冷却水導入口１４ａ_１と冷却水排出口１４ａ_２とが前記ヒータ内部冷却水通路１４ａに連通している。前記冷却水導入口１４ａ_１には前述した冷却水導入通路１８が接続され、前記冷却水排出口１４ａ_２には前述した冷却水排出通路１９が接続されている。
【００４８】
前記燃焼筒１４ｂには、前記した燃料導入通路２０が接続され、燃料ポンプから吐出された燃料の一部が燃焼筒１４ｂに供給されるようになっている。さらに、燃焼筒１４ｂには、前記燃料導入通路２０によって供給された燃料を気化するための気化グロープラグ（図示せず）と、気化燃料に着火するための点火グロープラグ（図示せず）とが内装されている。尚、気化グロープラグと点火グロープラグとは、単一のグロープラグで兼用されるようにしてもよい。
【００４９】
このように構成された燃焼式ヒータ１４では、吸気導入通路１５から空気供給口１４ｄ_１に流れ込んだ吸気が燃焼室１４ｄに導かれるとともに、燃料導入通路２０によって燃焼筒１４ｂに供給された燃料が気化グロープラグによって気化される。そして、前記吸気と前記気化燃料とが混合して混合気を形成し、その混合気が燃焼室１４ｄ内の点火グロープラグによって着火されて燃焼する。
【００５０】
前記燃焼室１４ｄで燃焼されたガスは、燃焼室１４ｄから排気排出口１４ｄ_２に導かれ、次いで排気排出口１４ｄ_２から燃焼ガス排出通路１７へ排出される。燃焼ガス排出通路１７へ排出された燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路１７を通って電磁弁７０へ到達する。その際、電磁弁７０が開弁していれば、前記燃焼ガスは、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８上流の排気管７に導かれる。
【００５１】
排気管７に導入された燃焼ガスは、排気管７の上流から流れてきた排気と混ざり合いながら選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入する。そして、燃焼ガスが持っている熱が選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に伝達され、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の触媒床温が上昇する。その際、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の触媒床温が既に触媒浄化ウインド内にあり、燃焼ガスと排気の混合ガス中に十分な酸素が存在していれば、燃焼ガス中に含まれていたＨＣが部分酸化して活性種を形成し、その活性種が排気中のＮＯ_Ｘと反応してＮＯ_ＸをＮ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等に還元する。
【００５２】
また、燃焼式ヒータ１４では、燃焼室１４ｄ内の燃焼によって発生した熱が隔壁１４ｃを介して前記ヒータ内部冷却水通路１４ａ内を流れる冷却水に伝達され、冷却水を昇温させる。
【００５３】
ここで図１に戻り、内燃機関１には、機関制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２１が併設されている。ＥＣＵ２１は、双方向性バスによって相互に接続された、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力インタフェース回路、出力インタフェース回路等から構成されている。そして、前記入力インタフェース回路には各種のセンサが電気配線を介して接続され、前記出力インタフェース回路には、燃料噴射弁１０、燃焼式ヒータ１４、エアポンプ１６、及び電磁弁７０が電気配線を介して接続されている。
【００５４】
前記した各種センサとしては、吸気管３に取り付けられたエアフローメータ５、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２２及び水温センサ２３、図示しないアクセルペダルもしくはアクセルペダルと連動して動作するアクセルレバー等に取り付けられたアクセルポジションセンサ２４等を例示することができる。
【００５５】
前記エアフローメータ５は、吸気管３内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するセンサである。前記クランクポジションセンサ２２は、内燃機関１の図示しないクランクシャフトが所定角度回転する都度パルス信号を出力するセンサである。前記水温センサ２３は、内燃機関１のウォータジャケットを流れる冷却水の温度に対応した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２４は、アクセルペダルの操作量に対応した電気信号を出力するセンサである。
【００５６】
ＥＣＵ２１は、上記したような各種センサの出力信号値に基づいて内燃機関１の運転状態を判定し、その判定結果に基づいて燃料噴射制御や燃焼式ヒータ制御を行うとともに、本発明の要旨となる排気浄化制御を実行する。
【００５７】
以下、本実施の形態にかかる排気浄化制御について述べる。
本実施の形態に係る排気浄化制御は、ＥＣＵ２１が図３に示すような排気浄化制御ルーチンを実行することによって実現される。この排気浄化制御ルーチンは、ＥＣＵ２１が所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ２２がパルス信号を出力する都度）に実行するルーチンである。
【００５８】
排気浄化制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２１は、先ずＳ３０１で燃焼式ヒータ１４が作動状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ３０１において燃焼式ヒータ１４が作動状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０２へ進み、電磁弁７０が開弁状態にあるか否かを判別する。
【００５９】
前記Ｓ３０２において電磁弁７０が開弁状態にあると判定した場合、すなわち燃焼式ヒータ１４の燃焼ガスが排気管７に供給されている状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０３へ進み、ＥＣＵ２１に内装されたレジスタ等から構成され、電磁弁７０の開弁時間を計時するカウンタ（以下、開弁時間計測カウンタと称する）の値をインクリメントする。
【００６０】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０４へ進み、前記Ｓ３０３においてインクリメントされた開弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_１以上であるか否かを判別する。
【００６１】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０４において前記開弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_１未満であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記開弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_１以上であると判定した場合はＳ３０５へ進む。
【００６２】
Ｓ３０５では、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４の燃焼ガスが排気管７へ供給されないようにすべく、電磁弁７０を閉弁する。次いで、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０６へ進み、前記開弁時間計測カウンタをリセットし、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６３】
また、前記Ｓ３０２において電磁弁７０が閉弁状態にあると判定した場合、すなわち燃焼式ヒータ１４の燃焼ガスが排気管７へ供給されていない状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０７へ進み、ＥＣＵ２１に内装されたレジスタ等から構成され、電磁弁７０の閉弁時間を計時するカウンタ（以下、閉弁時間計測カウンタと称する）の値をインクリメントする。
【００６４】
Ｓ３０８では、ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０７でインクリメントされた閉弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_２以上であるか否かを判別する。
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０８において前記閉弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_２未満であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記閉弁時間計測カウンタの値が所定時間Ｔ_２以上であると判定した場合はＳ３０９へ進む。
【００６５】
Ｓ３０９では、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４の燃焼ガスが排気管７へ供給されるようにすべく、電磁弁７０を開弁する。次いで、ＥＣＵ２１は、Ｓ３１０へ進み、前記閉弁時間計測カウンタをリセットし、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６６】
一方、前記Ｓ３０１において燃焼式ヒータ１４が非作動状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ３１１へ進み、電磁弁７０を閉弁し、次いでＳ３１２において開弁時間計測カウンタ及び閉弁時間計測カウンタをリセットし、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６７】
このようにＥＣＵ２１が排気浄化制御ルーチンを実行することにより、燃焼式ヒータ１４から排出された燃焼ガスが所定時間Ｔ_１の間排気管７に供給される状態と、所定時間Ｔ_２の間排気管７へ供給されない状態とが交互に繰り返され、燃焼式ヒータ１４の燃焼ガスが断続的に排気管７に供給されることになり、本発明にかかる燃焼ガス供給手段が実現される。
【００６８】
尚、前記した所定時間Ｔ_１、Ｔ_２は、固定値でもよく、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の触媒床温や選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８から排出された排気の温度等をパラメータとして変更される可変値としてもよい。
【００６９】
以上述べた実施の形態では、燃焼式ヒータ１４から排出された燃焼ガスが断続的に排気管７に供給されるため、燃焼ガス及び排気の混合ガスと排気のみとが交互に選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入することになる。
【００７０】
燃焼ガスと排気との混合ガスが選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入したときは、混合ガス中の燃焼ガスの熱が選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の主に排気流入口近傍に伝達され、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の排気流入口近傍の温度が上昇する。その後、燃焼ガスの供給が停止されて排気のみが選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入すると、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の排気流入口近傍の熱が排気流出口側の部位へ伝達され、排気流入口近傍の温度が低下する。そして、燃焼ガスの供給が再開されて燃焼ガスと排気との混合ガスが選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８に流入すると、燃焼ガスの熱が排気流入口近傍に伝達され、排気流入口近傍の温度が再び上昇する。
【００７１】
このように燃焼ガスの供給と停止とが交互に繰り返されると、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の一部が過剰に昇温することが無く、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８全体が略均一に昇温する。
【００７２】
この結果、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８の一部が過剰に昇温して触媒浄化ウインドから外れることが無く、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８全体を触媒浄化ウインド内まで昇温させることができるため、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８全体で排気中のＮＯ_Ｘを還元及び浄化することが可能となり、ＮＯ_Ｘの浄化率が向上する。
【００７３】
また、燃焼ガスの断続的な供給により、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒の触媒床温が昇温と降温とを繰り返すと、燃焼ガスの供給が停止されて触媒床温が降温したときに排気中の未燃ＨＣが選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒に吸着され、その後、燃焼ガスが供給されて触媒床温が昇温したときに先に吸着したＨＣを還元剤として排気中のＮＯ_Ｘを還元及び浄化することが可能となるため、ＮＯ_Ｘ浄化率が一層向上する。
【００７４】
〈実施の形態２〉
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態について図４〜図５に基づいて説明する。ここでは、前述の第１の実施の形態と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００７５】
図４は、本実施の形態に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
本実施の形態では、排気管７の途中に、２つに分割された選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａ、８ｂが直列に配置されている（以下、上流側に位置する選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａを第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａと称し、下流側に位置する選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂを第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂと称する）。これら第１及び第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａ、８ｂは、本発明に係る排気浄化手段を実現するものである。
【００７６】
第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａには、この第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温に対応した電気信号を出力する第１の触媒温度センサ８０が取り付けられ、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂには、この第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温に対応した電気信号を出力する第２の触媒温度センサ８１が取り付けられている。
【００７７】
前記した第１及び第２の触媒温度センサ８０、８１は、それぞれ電気配線を介してＥＣＵ２１に接続され、第１及び第２の触媒温度センサ８０、８１の出力信号がＥＣＵ２１に入力されるようになっている。
【００７８】
一方、燃焼式ヒータ１４には、燃焼ガス排出通路１７が接続され、この燃焼ガス排出通路１７は、三方切換弁７１に接続されている。そして、三方切換弁７１には、２本の燃焼ガス通路７２、７３が接続されている。
【００７９】
前記した２本の燃焼ガス通路７２、７３の中の一方の燃焼ガス通路７２は、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａ上流の排気管７に接続され、他方の燃焼ガス通路７３は、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａと第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂとの間に位置する排気管７に接続されている（以下、燃焼ガス通路７２を第１の燃焼ガス通路７２と称し、燃焼ガス通路７３を第２の燃焼ガス通路７３と称する）。
【００８０】
前記三方切換弁７１は、電気配線を介してＥＣＵ２１に接続されており、ＥＣＵ２１から出力される制御信号に応じて、第１の燃焼ガス通路７１と第２の燃焼ガス通路７２との何れか一方を閉弁する。すなわち、三方切換弁７１は、ＥＣＵ２１からの制御信号に応じて、燃焼ガス排出通路１７及び第１の燃焼ガス通路７２の導通と、燃焼ガス排出通路１７及び第２の燃焼ガス通路７３の導通とを切り換えるものである。
【００８１】
次に、本実施の形態に係る排気浄化制御について述べる。
本実施の形態に係る排気浄化制御は、ＥＣＵ２１が図５に示すような排気浄化制御ルーチンを実行することによって実現される。この排気浄化制御ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるルーチンである。
【００８２】
排気浄化ルーチンにおいて、ＥＣＵ２１は、先ずＳ５０１で燃焼式ヒータ１４が作動状態にあるか否かを判別する。
前記Ｓ５０１において燃焼式ヒータ１４が非作動状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００８３】
一方、前記Ｓ５０１において燃焼式ヒータ１４が作動状態にあると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ５０２へ進み、第１の触媒温度センサ８０の出力信号（第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温）ＴＥＭＰ_１と第２の触媒温度センサ８１の出力信号（第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温）ＴＥＭＰ_２とを入力する。
【００８４】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ５０３において、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温ＴＥＭＰ_１が第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温ＴＥＭＰ_２より高いか否かを判別する。
【００８５】
前記Ｓ５０３において第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温ＴＥＭＰ_１が第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温ＴＥＭＰ_２より高いと判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ５０４へ進み、燃焼ガス排出通路１７と第２の燃焼ガス通路７３とを導通させるべく三方切換弁７１を制御し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００８６】
この場合、燃焼式ヒータ１４から排出された燃焼ガスは、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａと第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂとの間に位置する排気管７に導かれ、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａから排出された排気と混ざり合って混合ガスを形成する。
【００８７】
前記混合ガスは、排気管７を通って第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂに流入する。そして、混合ガスに含まれる燃焼ガスの熱が第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂに伝達され、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温が上昇する。
【００８８】
このような排気浄化制御によれば、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａが活性状態にあり、且つ第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂが未活性状態にある場合等に、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温を過剰に上昇させることなく、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温のみを上昇させることができるため、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａを触媒浄化ウインドの範囲内に保ちつつ第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂを触媒浄化ウインドの範囲内まで床温させることができる。
【００８９】
また、第１及び第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａ、８ｂが未活性状態のときに内燃機関１が加速運転されると、高温且つ多量の排気によって上流側に位置する第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａは速やかに昇温して活性化するが、下流側に位置する第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂが活性化するまでに多少の時間がかかってしまう。このため、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂが活性化するまでの間は第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａのみで排気中のＮＯ_Ｘを処理することになる。加速運転時等の高負荷運転時は排気中のＮＯ_Ｘ量が増加するため、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａのみでは全てのＮＯ_Ｘを処理しきれなくなる。
【００９０】
このような場合に、上記したような排気浄化制御を行って燃料式ヒータ１４の燃焼ガスを第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂに供給することにより、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂを速やかに昇温させて活性化させることができるため、排気中に含まれる大量のＮＯ_Ｘを確実に処理することが可能となる。
【００９１】
ここで、図５の排気浄化制御ルーチンに戻り、前記Ｓ５０３において第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温ＴＥＭＰ_２が第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温ＴＥＭＰ_１より高いと判定した場合は、ＥＣＵ２１は、Ｓ５０５へ進み、燃焼ガス排出通路１７と第１の燃焼ガス通路７３とを導通させるべく三方切換弁７１を制御し、本ルーチンの実行を終了する。
【００９２】
この場合、燃焼式ヒータ１４から排出された燃焼ガスは、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａ上流の排気管７に導かれ、排気管７の上流から流れてきた排気と混ざり合って混合ガスを形成する。
【００９３】
前記混合ガスは、排気管７を通って第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａに流入する。そして、混合ガスに含まれる燃焼ガスの熱が第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａに伝達され、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温が上昇する。
【００９４】
このような排気浄化制御によれば、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂが活性状態にあり、且つ第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａが未活性状態にある場合等に、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂの触媒床温を過剰に上昇させることなく、第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａの触媒床温を上昇させることができるため、第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ｂを触媒浄化ウインドの範囲内に保ちつつ第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒８ａを触媒浄化ウインドの範囲内まで床温させることができる。
【００９５】
以上述べたように、本実施の形態によれば、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒において触媒床温を上昇させるべき部位にのみ高温の燃焼ガスを供給することができるので、既に触媒浄化ウインドの範囲内まで昇温している部位を過剰に昇温させることなく、昇温させるべき部位のみを触媒浄化ウインドの範囲内まで昇温させることができ、選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒全体のＮＯ_Ｘ浄化率を向上させることができる。
【００９６】
尚、本実施の形態では、触媒浄化ウインドより低い触媒に燃焼ガスの熱を伝熱することにより触媒床温を上昇させる例について述べたが、触媒床温が一酸化酸素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化可能な温度域にある場合は、燃焼ガス中のＣＯ濃度あるいはＨＣ濃度を高めるよう燃焼式ヒータを制御して、触媒でＣＯやＨＣを酸素と反応（燃焼）させて、その際に発生する反応熱で触媒床温を上昇させるようにしてもよい。
【００９７】
また、前述した第１及び第２の実施の形態では、暖房性能や暖機性能等の向上を目的として燃焼式ヒータが作動している場合に限り、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを利用する例について述べたが、暖房性能や暖機性能の向上を目的として燃焼式ヒータを作動させる必要がない場合であっても、触媒を昇温させる必要があるときは、燃焼式ヒータを積極的に作動させて、燃焼式ヒータからの燃焼ガスを利用するようにしてもよい。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る第１の排気浄化装置では、排気浄化触媒に対する燃焼ガスの供給と非供給とが交互に繰り返されるため、排気浄化触媒の一部が過剰に上昇することなく排気浄化触媒全体が略均一に昇温する。この結果、排気浄化触媒全体が均一に活性し、排気中の有害ガス成分を確実に浄化することが可能となる。
【００９９】
また、本発明に係る第２の排気浄化装置では、燃焼式ヒータで燃焼されたガスを排気浄化手段において所定温度未満の部位にのみ供給するため、既に所定温度以上に達している部位を過剰に昇温させることなく、所定温度未満の部位のみを昇温させることができ、排気浄化手段全体を均一に昇温させることができる。この結果、排気浄化手段全体が均一に活性し、排気中の有害ガス成分を確実に浄化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】燃焼式ヒータの内部構成を示す図
【図３】第１の実施の形態にかかる排気浄化制御ルーチンを示すフローチャート図
【図４】第２の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図５】第２の実施の形態にかかる排気浄化制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・内燃機関
２・・・吸気枝管
３・・・吸気管
６・・・排気枝管
７・・・排気管
８ａ・・第１の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒
８ｂ・・第２の選択還元型リーンＮＯ_Ｘ触媒
９・・・排気温度センサ
１４・・燃焼式ヒータ
１５・・吸気導入通路
１６・・エアポンプ
１７・・燃焼ガス排出通路
２０・・燃料導入通路
２１・・ＥＣＵ
７０・・電磁弁
７１・・三方切換弁
７２・・第１の燃焼ガス通路
７３・・第２の燃焼ガス通路
８０・・第１の触媒温度センサ
８１・・第２の触媒温度センサ

Claims

内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、
前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の温度分布を検出する温度分布検出手段と、
前記温度分布検出手段により前記排気浄化手段において所定温度未満の部位が検出されたときに、前記燃焼式ヒータで燃焼されたガスを前記所定温度未満の部位へ供給する燃焼ガス供給手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化手段は、複数に分割された排気浄化触媒からなり、
前記温度分布検出手段は、各排気浄化触媒の触媒床温を検出し、
前記燃焼ガス供給手段は、前記温度分布検出手段により触媒床温が所定温度未満の排気浄化触媒が検出されたときに、前記燃焼式ヒータの燃焼ガスを前記所定温度未満の排気浄化触媒へ供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。