JP2007247405A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、空燃比のリーン化制御により、触媒活性をできるだけ短縮し、トータルとして排気浄化性能を向上する。
【解決手段】空燃比フィードバック制御開始から、目標空燃比Ａ／Ｆをリーンとし、リーン化の度合いを始動時水温ＴＷＩＮＴに基づいて設定する。これにより、エンジン（燃焼室）から排出されるＨＣ量が低減されると同時に{図５（Ｆ）}、燃焼温度したがって排気温度の増大と、余剰酸素による触媒でのＨＣとの反応熱増大などを要因として触媒のＨＣ残存率ひいてはテールパイプからのＨＣ排出量を低減しつつ触媒活性時間を短縮することができる{図５（Ｇ）}。
【選択図】図５

Description

本発明は、排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の活性化を促進して排気浄化性能を改善する技術に関する。

特許文献１には、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキ（理論空燃比）に収束させた後、ストイキでの空燃比フィードバック制御に移行することが開示されている。
特開２００１−２３４７７９号公報

しかしながら、空燃比がリッチもしくはストイキである場合、排気中の余剰酸素による触媒でのＨＣとの反応熱を期待できず、触媒活性時間を短縮できないため、トータルとして排気浄化性能が損なわれることがあった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、空燃比のリーン化制御により、触媒活性をできるだけ短縮し、トータルとして排気浄化性能を向上することを目的とする。

このため、本発明は、排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
始動後、所定の空燃比フィードバック制御条件成立時に空燃比フィードバック制御を開始してから所定時間は、目標空燃比をリーンに設定する構成とした。

本発明によれば、空燃比フィードバック制御開始から目標空燃比を所定時間リーンに設定することにより、エンジン（燃焼室）から排出されるＨＣ（未燃燃料）を低減しつつ、触媒のＨＣ残存率ひいてはテールパイプからの最終的なＨＣ排出量（酸素ストレージ量）を低減すると同時に触媒活性を促進することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４、吸気マニホールド５を経て空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。但し、燃料噴射弁６は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。

燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）であって、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に調整された燃料を噴射供給する。従って、駆動パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。

エンジン１の各燃焼室には点火プラグ７が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。
エンジン１の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド８を介して排出される。また、排気マニホールド８からＥＧＲ通路９が導出され、これによりＥＧＲ弁１０を介して排気の一部を吸気マニホールド５に還流している。

一方、排気通路には、排気マニホールド８の直下などに位置させて、排気浄化触媒１１が設けられている。
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁６の作動を制御する。

前記各種センサとしては、エンジン１のクランク軸又はカム軸回転よりクランク角度と共にエンジン回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気ダクト３内で吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１５（スロットル弁４の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、エンジン１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、排気マニホールド８の集合部にて排気空燃比をリニアに検出できる広域型の空燃比センサ１７などが設けられている。ＥＣＵ１２には更にスタートスイッチ１８などからも信号が入力されている。

図２〜図４は、ＥＣＵ１２にて時間同期または回転同期で実行されるエンジン制御ルーチンのフローチャートである。本エンジン制御を、該フローチャートにしたがって、図５タイムチャートを参照しつつ説明する。
ステップＳ１では、スタートスイッチ１８がオンされたかを判定する。
スタートスイッチ１８がオンされたと判定されたときは、ステップＳ２へ進み、エンジン始動時の水温ＴＷＩＮＴを読み込む。

エンジン始動後、ステップＳ１でスタートスイッチ１８がオンからオフにされたと判定されたときはステップＳ３へ進み、前記始動時水温ＴＷＩＮＴが、目標空燃比リーン化の可能な設定水温範囲内−Ｌ≦ＴＷＩＮＴ≦Ｋにあるかを判定する。
設定水温範囲内にないと判定されたときは、目標空燃比リーン化による効果はないと判断し、ステップＳ４へ進んで始動時用の空燃比フィードフォワード制御を行う。

始動時水温ＴＷＩＮＴが、設定範囲内にあると判定されたときはステップＳ５へ進み、空燃比フィードバック制御が開始されているかを判定し、開始前は、ステップＳ４へ進んで始動時用の水温等に応じた空燃比フィードフォワード制御を行う。なお、目標空燃比は初期設定のストイキに設定されているが、空燃比制御には機能しない{図５（Ｂ）のＡ部分}。

空燃比フィードバック制御が開始されていると判定されたときは、ステップＳ６で前記始動時水温ＴＷＩＮＴに基づいて、目標空燃比リーンの設定値Ｃを決定する。
ステップＳ７では、触媒１１が活性温度に達しているかを判定する。この活性判断は、タイマーを設け、時間で判断する方法でもよい。
そして触媒１１が活性していないと判定されたときは、ステップＳ８で、現在の目標空燃比Ａ／Ｆが前記リーンの設定値Ｃ未満であるかを判定し、設定値Ｃ以下と判定された場合は、目標空燃比をストイキからリーンに徐々に移す制御に移行する{図５（Ｂ）のＢ部分}。

具体的には、ステップＳ９で、目標空燃比Ａ／Ｆを、次式により設定する。
Ａ／Ｆ＝Ａ／Ｆｏ＋Ｔ１×ａ
Ａ／Ｆｏ；前回の目標空燃比
Ｔ１；目標空燃比Ａ／Ｆを計算するときの前回からの時間
ａ；単位時間Ｔ１当たりのＡ／Ｆ増減値
ステップＳ１０では、目標空燃比Ａ／Ｆから、点火時期補正量を算出する。具体的には、目標空燃比Ａ／Ｆの傾き{図５（Ｂ）のＢ部分}に合わせて点火時期を進角させるように算出する{図５（Ｄ）のＢ部分}。これにより、ストイキからリーンへの移行時の燃焼程度悪化を防止できる。

ステップＳ１１では、前記目標空燃比Ａ／Ｆ及び点火時期から吸入空気量補正量を算出する。具体的には、目標空燃比のリーン化に合わせて空気量を増大させるように算出する{図５（Ｅ）のＢ部分}。これにより、Ａ／Ｆリーン化による回転落ちを防止できる。
目標空燃比Ａ／Ｆがリーン設定値Ｃになり水温が上がり始めると{図５（Ａ）のＣ部分}、燃焼安定度が良くなり点火時期の遅角化が可能となる。そこで、ステップＳ１２で目標空燃比Ａ／Ｆをリーン設定値Ｃに維持しつつ、ステップＳ１３で水温ＴＷＮを読込み、ステップＳ１４で上昇した水温に合わせて点火時期を遅角化し{図５（Ｄ）のＣ部分}、排温上昇につなげる。

点火時期遅角化によりトルク不足となり、そのままでは回転落ちを発生するため、ステップＳ１５へ進んで目標空燃比Ａ／Ｆと点火時期から不足空気量を算出し、回転落ち防止を行う{図５（Ｅ）のＣ部分}。
また、ステップＳ７で触媒が活性したと判定された場合は、目標空燃比をリーンからストイキに徐々に戻す制御に移行する。

具体的には、ステップＳ１６で目標空燃比Ａ／Ｆを次式により設定する{図５（Ｂ）のＤ部分}。
Ａ／Ｆ＝Ａ／Ｆｏ＋Ｔ２×（−ａ）
Ａ／Ｆｏ；前回の目標空燃比（初期値＝Ｃ）
Ｔ２；目標空燃比Ａ／Ｆ（図示Ｄ部分）を計算するときの前回からの時間
−ａ；単位時間Ｔ２当たりのＡ／Ｆ増減値
ステップＳ１７では、目標空燃比Ａ／ＦがＦ（ストイキ空燃比）以下であるかを判定し、Ｆより大きいときには、ステップＳ１８へ進んで目標Ａ／Ｆから点火時期補正量を算出する。具体的には、目標空燃比Ａ／Ｆ{図５（Ｂ）のＤ部分}の傾きに合わせて点火時期を遅角させるように算出する{図５（Ｄ）のＤ部分}。これにより、リーンからストイキへの移行時の燃焼を良好に維持できる。

次いで、ステップＳ１９へ進んで、前記目標空燃比Ａ／Ｆ及び点火時期から吸入空気量補正量を算出する。具体的には、目標空燃比のリッチ化に合わせて空気量を減少させるように算出する{図５（Ｅ）のＤ部分}。
ステップＳ１７で、目標空燃比Ａ／ＦがＦ以下であると判定されたときは、ステップＳ２０へ進んで、目標空燃比Ａ／ＦをＥにリッチ化し{図５（Ｂ）のＥ部分}、いわゆるリッチスパイク制御を行う。

ステップＳ２１では、前記リッチスパイク制御の積算時間Ｔｅが、所定時間Ｔ３に達したかを判定し、達したときに、ステップＳ２２へ進んで通常の目標空燃比をストイキとする制御に戻す{図５（Ｂ）のＦ部分}。
リッチスパイク制御は、目標空燃比リーンからストイキに戻す際のＮＯｘ排出量の悪化を抑制するために行うが、実行時間が長すぎるとＨＣ排出量の悪化につながるため、適正に設定された所定時間Ｔ３でストイキに戻す。

以上のように、空燃比フィードバック制御開始から、目標空燃比Ａ／Ｆをリーンとすることにより、エンジン（燃焼室）から排出されるＨＣ量が低減されると同時に{図５（Ｆ）}、燃焼温度したがって排気温度の増大と、余剰酸素による触媒でのＨＣとの反応熱増大などを要因として触媒のＨＣ残存率ひいてはテールパイプからのＨＣ排出量を低減しつつ触媒活性時間を短縮することができる{図５（Ｇ）}。

また、目標空燃比Ａ／Ｆのリーン化の度合いを始動時水温ＴＷＩＮＴに基づいて設定することにより、水温が低いときはリーン化度合いを大きくし、水温が比較的高いときには、リーン化度合いを小さくすることで、運転性を維持しつつ水温に応じて必要なだけリーン化して触媒活性を早めることができる。
また、目標空燃比Ａ／Ｆをストイキからリーンに移行させ、リーンからストイキに戻す際は、所定時間をかけて徐々に変化させるため、運転性の悪化を抑制できる。

同じく、リーン化制御時に点火時期を進角させて燃焼性悪化を防止し、空気量を増大することにより、エンジンの回転落ちを防止できる。また、上記のように燃焼性安定のため進角させた点火時期を、水温の上昇に伴い燃焼性が良化するに伴って遅角させることで、排気温度を上昇させ、触媒の活性を促進する。
なお、目標空燃比Ａ／Ｆリーン化により、触媒のＮＯｘ残存率が悪化し、テールパイプからのＮＯｘ排出量が増大するが、既述のように、目標空燃比リーン化を、触媒活性温度（水温で代表）若しくは時間で任意に設定できる制御とすることで、ＮＯｘの悪化を極力防止することができる。また、目標空燃比Ａ／Ｆをリーンからストイキに戻す際の触媒からのＮＯｘ排出量の悪化は、上記リッチスパイクを行うことで回避できる{図５（Ｈ）}。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 空燃比制御ルーチンのフローチャート 空燃比制御ルーチンのフローチャート 空燃比制御ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御時における各種状態変化を示すタイムチャート

符号の説明

１ エンジン
６ 燃料噴射弁
１２ ＥＣＵ
１７ Ｏ２センサ

Claims (10)

1. 排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   始動後、所定の空燃比フィードバック制御条件成立時に空燃比フィードバック制御を開始してから所定時間は、目標空燃比をリーンに設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化制御装置。
2. 前記所定時間における目標空燃比のリーン度合いを、機関水温に応じて設定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制御装置。
3. 前記所定時間経過後の空燃比フィードバック制御において、目標空燃比を変化させるときは、徐々に変化するように設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
4. 前記所定時間をタイマーで計測することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
5. 前記所定時間の終了を、前記排気浄化触媒が活性されたときとして検出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
6. 前記所定時間目標空燃比をリーンに設定した後、所定時間目標空燃比をリッチに設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
7. 前記所定時間の目標空燃比のリーン設定時、該リーン度合いに応じて点火時期を設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
8. 前記リーン度合いに応じた点火時期の変化代を、機関水温に応じて設定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
9. 前記所定時間における空燃比リーン制御は、吸入空気量を増大補正して行うことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
10. 前記吸入空気量の増大補正量は、目標空燃比と点火時期に基づいて設定することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。

Images