JP2016125478A

JP2016125478A - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP2016125478A
Application number: JP2015002552A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　直樹; Naoki Suzuki; 直樹鈴木; 谷口　聡; Satoshi Taniguchi; 聡谷口; 西海　亮児; Ryoji Nishiumi; 亮児西海; 雅紀杉浦; Masaki Sugiura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】本発明は、メタンを主成分とする燃料を使用して運転される内燃機関の空燃比制御装置において、排気中に含まれるメタンを三元触媒によって好適に浄化することを課題とする。
【解決手段】本発明は、排気通路に配置される三元触媒の温度を取得する取得手段と、取得手段により取得された温度に応じて内燃機関で燃焼に供される混合気の目標空燃比を設定する設定手段と、設定手段により設定された目標空燃比に従って燃料噴射弁を制御する制御手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、三元触媒の温度が低いときは高いときに比べ、該三元触媒によるメタンの浄化率が最大となる空燃比が低くなるという特性に基づいて、取得手段により取得される温度においてメタンの浄化率が最大となる空燃比を目標空燃比に設定するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、メタンを主成分とする燃料を使用して運転される内燃機関の空燃比制御装置に関する。

従来、ガソリンを使用する内燃機関の空燃比制御装置として、三元触媒より下流の排気通路に配置された酸素濃度センサの出力信号に基づいて三元触媒より上流の排気通路に配置された空燃比センサの出力信号を補正し、その補正後の出力信号が目標空燃比に一致するように燃料噴射量をフィードバック制御するものにおいて、三元触媒が十分に活性していないときに、前記空燃比センサの出力目標値をリッチ側に移行させることで、三元触媒より下流に排出されるＮＯ_Ｘの量を減少させようとする技術が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１３８７０５号公報特開２００５−０４８７１１号公報

本発明の目的は、メタンを主成分とする燃料を使用して運転され、その排気通路に三元触媒が配置される内燃機関の空燃比制御装置において、排気中に含まれるメタンを三元触媒によって好適に浄化することができる技術の提供にある。

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、本発明は、メタンを主成分とする燃料を使用して運転され、その排気通路に三元触媒が配置される内燃機関の空燃比制御装置において、メタンを主成分とする燃料を内燃機関の吸気通路又は気筒内へ噴射するための燃料噴射弁と、前記三元触媒の温度を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された温度に応じて、内燃機関で燃焼に供される混合気の目標空燃比を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された目標空燃比に従って、前記燃料噴射弁を制御する制御手段と、を備え、前記三元触媒は該三元触媒の温度が低いときは高いときに比べメタンの浄化率が最大となる空燃比が低くなる特性を有し、前記設定手段は前記取得手段により取得された前記三元触媒の温度において前記三元触媒によるメタンの浄化率が最大となる空燃比を目標空燃比に設定するようにした。

本発明によれば、メタンを主成分とする燃料を使用して運転され、その排気通路に三元触媒が配置される内燃機関の空燃比制御装置において、排気中に含まれるメタンを三元触媒によって好適に浄化することができる。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。三元触媒へ流入する排気の空燃比と三元触媒による排気成分（炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物）の浄化率との関係を示す図である。三元触媒の温度と最適空燃比との関係を示す図である。目標空燃比の設定手順を示すフローチャートである。

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。

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、メタンを主成分とする圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）を使用して運転される火花点火式の内燃機関である。なお、図１に示す内燃機関１は４つの気筒２を有しているが、本発明を適用可能な内燃機関の気筒数は４つに限られるものではなく、３つ以下であってもよく、又は５つ以上であってもよい。

内燃機関１には、吸気管３と排気管４とが接続されている。吸気管３は、大気中から取り込まれた新気（空気）を各気筒２へ導くための通路である。吸気管３の途中には、エアクリーナ３０が取り付けられている。エアクリーナ３０は、空気中に含まれる塵や埃などを捕集するものである。エアクリーナ３０より下流の吸気管３には、エアフローメータ３１が取り付けられている。エアフローメータ３１は、吸気管３を流れる空気の量（質量）に相関する電気信号を出力するものである。エアフローメータ３１より下流の吸気管３には、スロットル弁３２が取り付けられている。スロットル弁３２は、吸気管３の通路断面積を変更することにより、内燃機関１へ供給される空気量を変更するものである。

なお、スロットル弁３２より下流の吸気管３は、４つの枝管に分岐され、各枝管が一つの気筒２に接続されている。吸気管３の各枝管には、該枝管内にＣＮＧを噴射するための燃料噴射弁５が取り付けられている。なお、燃料噴射弁５は、内燃機関１に取り付けられて、気筒２内へ直接ＣＮＧを噴射するように構成されてもよい。

燃料噴射弁５は、デリバリパイプ５０に接続されている。デリバリパイプ５０は、燃料パイプ５１を介して、ガスタンク５２に接続されている。ガスタンク５２は、ＣＮＧを貯蔵するためのタンクである。ガスタンク５２に貯蔵されたＣＮＧは、燃料パイプ５１を介してデリバリパイプ５０へ供給され、次いでデリバリパイプ５０から４つの燃料噴射弁５に分配される。なお、燃料パイプ５１の途中には、遮断弁５３が配置される。遮断弁５３は、燃料パイプ５１の導通と遮断を切り替えるものであり、内燃機関１の運転停止中（たとえば、イグニッションスイッチがオフの期間）は閉弁し、内燃機関１の運転中（たとえば、イグニッションスイッチがオンの期間）は開弁する。遮断弁５３としては、たとえば、駆動電力が印加されたときに開弁し、駆動電力が印加されないときは閉弁する電磁式の弁装置を用いることができる。

遮断弁５３より下流の燃料パイプ５１には、レギュレータ５４が配置される。レギュレータ５４は、ガスタンク５２から供給されるＣＮＧの圧力を予め設定された圧力（設定圧力）に減圧するものである。言い換えると、レギュレータ５４は、該レギュレータ５４より下流の燃料パイプ５１における燃料圧力、言い換えれば燃料噴射弁５及びデリバリパイプ５０に印加される燃料圧力（以下、「燃料噴射圧力」と称する）が設定圧力と等しくなるように、燃料パイプ５１の通路断面積を調整する弁装置である。レギュレータ５４としては、たとえば、ダイヤフラムとスプリングを組み合わせた機械式の弁装置を用いることができる。また、ガスタンク５２には、圧力センサ５５が取り付けられている。圧力センサ５５は、ガスタンク５２内の圧力に相関した電気信号を出力する。

排気管４は、各気筒２から排出される既燃ガス（排気）を排気浄化装置４０や消音器などの経由させた後に大気中へ排出するための通路である。排気浄化装置４０は、筒状のケーシング内に三元触媒を収容したものであり、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（
ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化するための装置である。また、排気浄化装置４０より上流の排気管４には、気筒２内で燃焼に供された混合気の空燃比に相関する電気信号を出力する空燃比センサ４１が取り付けられている。また、排気浄化装置４０より下流の排気管４には、排気の温度に相関する電気信号を出力する排気温度センサ４２が取り付けられている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６が搭載
されている。ＥＣＵ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ６には、前述したエアフローメータ３１、空燃比センサ４１、排気温度センサ４２、圧力センサ５５に加え、アクセルポジションセンサ７やクランクポジションセンサ８等の各種センサが電気的に接続されている。

アクセルポジションセンサ７は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の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。

また、ＥＣＵ６には、燃料噴射弁５、スロットル弁３２、及び遮断弁５３等の各種機器が電気的に接続されている。ＥＣＵ６は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記各種機器を制御する。たとえば、ＥＣＵ６は、前記した各種センサの出力信号に基づいて内燃機関１の運転条件（たとえば、機関負荷や機関回転速度等）を特定し、その運転条件に基づいて各気筒２で燃焼に供される混合気の目標空燃比を設定し、その目標空燃比とエアフローメータ３１の出力信号（吸入空気量）とに基づいて燃料噴射弁５から噴射させるＣＮＧの量（目標燃料噴射量）を演算する。そして、ＥＣＵ６は、目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁５を制御する。また、ＥＣＵ６は、空燃比センサ４１の出力信号が目標空燃比と一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御する。

ここで、内燃機関の燃料としてガソリンや軽油等の液体燃料が使用される場合においては、排気中に含まれるメタンが少ない。そのため、三元触媒は、排気の空燃比が理論空燃比近傍の所定の範囲に属するときに、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を効果的に浄化することができる。これに対し、内燃機関の燃料としてメタンを主成分とするＣＮＧが使用される場合においては、排気中に含まれる炭化水素が主にメタンとなる。そして、三元触媒の温度が所定温度（窒素酸化物や一酸化炭素の転化率が８０％以上になる温度であって、たとえば４００℃）以上であるときは、三元触媒によるメタンの浄化率が最大となる空燃比は、三元触媒の温度に応じて変化する。

図２は、三元触媒へ流入する排気の空燃比と三元触媒による排気成分（炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物）の浄化率との関係を示す図である。なお、図２中の（ａ）は、三元触媒の温度が４００℃であるときの関係を示す。また、図２中の（ｂ）は、三元触媒の温度が６００℃であるときの関係を示す。そして、図２中の（ｃ）は、三元触媒の温度が８００℃以上であるときの関係を示す。

図２中の（ａ）に示すように、三元触媒の温度が４００℃であるときは、メタンを主成分とする炭化水素（図中のＨＣ（ＣＨ_４））の浄化率が最大となる排気の空燃比（図中のＡ／Ｆ１）は、理論空燃比（図中のＡ／Ｆｔ）より低いリッチな空燃比となる。そして、排気の空燃比が前記Ａ／Ｆ１であるときは、一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率も十分に高くなる。

また、図２中の（ｂ）に示すように、三元触媒の温度が６００℃であるときは、メタンを主成分とする炭化水素の浄化率が最大となる空燃比（図中のＡ／Ｆ２）は、前記した４００℃のときの空燃比Ａ／Ｆ１より高く、且つ理論空燃比Ａ／Ｆｔより低いリッチな空燃
比となる。そして、排気の空燃比が前記Ａ／Ｆ２であるときは、一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率も十分に高くなる。

さらに、図２中の（ｃ）に示すように、三元触媒の温度が８００℃以上の高温であるときは、メタンを主成分とする炭化水素の浄化率が最大となる空燃比は、理論空燃比Ａ／Ｆｔに近似する。そして、排気の空燃比が理論空燃比Ａ／Ｆｔに近似しているときは、一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率も十分に高くなる。

上記したような三元触媒の特性を考慮すると、三元触媒へ流入する排気の空燃比を、メタンを主成分とする炭化水素の浄化率が最大となる空燃比（以下、「最適空燃比」と記す）に制御することができれば、メタンを主成分とする炭化水素の浄化率を最大にすることができるとともに、一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率も十分に高めることができる。そこで、本実施例では、三元触媒の温度と最適空燃比との関係を予め実験的に求めておき、それらの関係をマップ又は関数式の態様でＥＣＵ６のＲＯＭに記憶させておくようにした。具体的には、図３に示すように、三元触媒の温度が低いときは高いときに比べ、最適空燃比が低くなるようなマップ又は関数式をＥＣＵ６のＲＯＭに記憶させておくものとする。そして、ＥＣＵ６は、三元触媒の温度を引数として前記マップ又は前記関数式にアクセスすることで、最適空燃比を求め、その最適空燃比を目標空燃比に設定する。このように、内燃機関１の気筒２内で燃焼に供される混合気の目標空燃比が設定されると、三元触媒へ流入する排気の空燃比が該三元触媒の温度に応じた最適空燃比になるため、三元触媒によるメタンの浄化率を最大にしつつ、一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率を十分に高めることができる。

以下、内燃機関１の気筒２内で燃焼に供される混合気の空燃比を制御する手順について図４に沿って説明する。図４は、三元触媒の温度が前記所定温度以上であるときに、ＥＣＵ６が所定の周期で繰り返し実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ６のＲＯＭに記憶されているものとする。

図４の処理ルーチンでは、ＥＣＵ６は、先ずＳ１０１の処理において、三元触媒の温度Ｔｃａｔを取得する。ここで、三元触媒の温度は、該三元触媒に温度センサを取り付けることで直接測定されてもよく、内燃機関１の運転状態又は排気温度センサ４２の測定値から推定されてもよい。なお、ＥＣＵ６がＳ１０１の処理を実行することにより、本発明に係わる取得手段が実現される。

Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ６は、前記Ｓ１０１の処理で取得された三元触媒の温度Ｔｃａｔを引数として、前述した図３に示したような関係を規定したマップ又は関数式にアクセスし、前記温度Ｔｃａｔに対応した最適空燃比を演算する。続いて、ＥＣＵ６は、Ｓ１０３の処理へ進み、前記Ｓ１０２の処理で算出された最適空燃比を目標空燃比に設定する。このようにＥＣＵ６がＳ１０２及びＳ１０３の処理を実行することにより、本発明に係わる設定手段が実現される。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ６は、前記Ｓ１０３の処理で設定された目標空燃比に従って燃料噴射弁５を制御する。詳細には、ＥＣＵ６は、エアフローメータ３１の出力信号（吸入空気量）を前記目標空燃比で除算することで目標燃料噴射量を算出し、その算出された目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁５の開弁時間を制御する。さらに、ＥＣＵ６は、空燃比センサ４１の出力信号と前記目標空燃比との差に基づいて目標燃料噴射量を補正する制御（空燃比フィードバック制御）も実行する。このようにＥＣＵ６がＳ１０４の処理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。

以上述べた実施例によれば、三元触媒における一酸化炭素及び窒素酸化物の浄化率を高
く保ちつつ、三元触媒におけるメタンの浄化率を最大限に高めることができる。その結果、メタンを主成分とする燃料を使用する内燃機関において、排気浄化装置４０より下流へ排出される一酸化炭素及び窒素酸化物の量を少なく抑えつつ、メタンの量も最小限に抑えることができる。

なお、本実施例では、ＣＮＧを使用して運転される内燃機関に本発明を適用する例について述べたが、ＣＮＧの代わりにエタノールの含有率が高い液体燃料を使用して運転される内燃機関にも適用することができる。これは、エタノールの含有率が高い液体燃料が燃焼されると、排気中に含まれるメタンの濃度が高くなるため、本実施例で述べたように三元触媒の温度に応じて目標空燃比を設定することで、排気中に含まれるメタンを効率的に浄化することが可能になる。また、本発明は、ＣＮＧと液体燃料（ガソリンやアルコール燃料等）とを使用可能な火花点火式の内燃機関に適用することも可能である。たとえば、内燃機関がＣＮＧを使用して運転されているときに、本実施例で述べたように三元触媒の温度に応じて目標空燃比を設定することで、排気中に含まれるメタンを効率的に浄化することができる。

１内燃機関
２気筒
３吸気管
４排気管
５燃料噴射弁
６ＥＣＵ
４０排気浄化装置
４１空燃比センサ
４２排気温度センサ
５２ガスタンク

Claims

メタンを主成分とする燃料を使用して運転され、その排気通路に三元触媒が配置される内燃機関の空燃比制御装置において、
メタンを主成分とする燃料を内燃機関の吸気通路又は気筒内へ噴射するための燃料噴射弁と、
前記三元触媒の温度を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された温度に応じて、内燃機関で燃焼に供される混合気の目標空燃比を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定された目標空燃比に従って、前記燃料噴射弁を制御する制御手段と、
を備え、
前記三元触媒は、該三元触媒の温度が低いときは高いときに比べ、メタンの浄化率が最大となる空燃比が低くなる特性を有し、
前記設定手段は、前記取得手段により取得される温度において前記三元触媒によるメタンの浄化率が最大となる空燃比を目標空燃比に設定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。