JP4134861B2 - 予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の始動時や触媒不活性時に用いる燃料とそれ以外の通常時に用いる燃料とを切り替える技術（例えば、特許文献１参照。）、触媒不活性時は、補助燃料を混合して、触媒のＨＣ転化率を向上させて触媒温度を上昇させる技術（例えば、特許文献２参照。）、オクタン価の異なる燃料を用いる内燃機関で負荷が低いほどオクタン価の低い燃料の使用割合を増加させる技術（例えば、特許文献３参照。）が知られている。

特開２００１−１９３５１１号公報 特開昭５６−１５４１４６号公報 特開２０００−１７９３６８号公報

ところで、冷間始動時には排気浄化触媒が活性温度に達していないために、該排気浄化触媒での未燃燃料等の有害物質の浄化率が低下するおそれがある。そのため、排気浄化触媒を速やかに活性温度まで上昇させる必要がある。また、冷間始動時には、内燃機関の温度が低いために、燃料の蒸発が緩慢となり、該内燃機関の始動性が劣る。

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、複数種類の燃料を用いる予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、冷間始動時に問題となり得る始動性の悪化、触媒活性化の遅れを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置は、以下の手段を採用した。即ち、
排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒を備え、揮発性の夫々異なる複数種類の燃料を供給し且つ筒内に供給される燃料の比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の始動時に冷間始動であるか否か判定する冷間始動判定手段を備え、
前記冷間始動判定手段により冷間始動であると判定された場合には、冷間始動ではないと判定された場合よりも、筒内に供給される燃料のうち揮発性がより高い燃料の比率を高くすることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、内燃機関の冷間始動時には揮発性の高い燃料を主に用いることにより予混合気を形成させて、さらには燃料を良好に燃焼させて、排気浄化触媒の早期活性化を図ることにある。

このように構成された予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、内燃機関の冷間始動時には揮発性の高い燃料の供給比率を高くする。ここで、燃料の揮発性が高いほど燃料の蒸発量が多く、着火後の火炎伝播が良好に行われる。従って、冷間始動時に揮発性の高い燃料の供給比率を高くすることにより、燃料の燃焼が良好に行われ、排気の温度を高めることができる。これにより、排気浄化触媒の温度を速やかに上昇させ、活性化させることができる。また、揮発性の高い燃料の供給比率を高めることにより、燃料の燃焼が良好に行われるようになり、内燃機関の始動性を向上させることもできる。ここで、「冷間始動
」とは、内燃機関の温度が雰囲気温度近くのときの始動に限らず、暖機完了前の温度での始動をも含めることができる。また、「揮発性」とは、常圧において低い沸点あるいは昇華温度をもち、常温において高い蒸気圧をもつという性質をいう。

本発明においては、前記排気浄化触媒が活性化しているか否か判定する触媒活性判定手段を更に備え、
前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒が活性化していないと判定された場合には、内燃機関の吸入空気量を減少させるとともに、前記触媒活性判定手段により触媒が活性していると判定された場合よりも、筒内に供給される燃料のうち揮発性のより高い燃料の比率を高めて燃料を燃焼させることができる。

このように構成された予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、排気浄化触媒が活性化していない場合には、揮発性のより高い燃料、すなわち排気温度がより高くなる燃料の供給比率を高くして排気の温度を上昇させる。ここで、揮発性のより高い燃料を用いると、空燃比がより低い状態で燃焼を行うことができる。そして、吸入空気量を少なくすることで、トルクの増大を招くことなく排気の排出量に対する燃料の発熱量を大きくすることができ、結果として排気の温度を高くすることが可能となる。 また、排気浄化触媒が活性化しているとは、排気中の有害物質を許容される範囲まで浄化可能な状態にあることを表し、この許容される範囲は規制値等により定められる。

本発明においては、前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記温度検出手段により検出された温度が高いほど、筒内に供給される燃料のうち揮発性がより高くなる燃料の比率を低くすることができる。

このように構成された予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、排気浄化触媒の温度が高くなるに従って排気の温度が低下し、排気浄化触媒の温度に応じた温度の排気を該排気浄化触媒に流入させることができる。

本発明に係る予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、冷間始動時に排気温度が高くなる燃料の供給比率を高めることにより、始動性を向上させ、また、排気浄化触媒の温度を速やかに上昇させることができる。

以下、本発明による予混合圧縮着火式内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明による予混合圧縮着火式内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施例によるエンジン１及びその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示すエンジン１は、気筒２を有し、予混合燃焼及び拡散燃焼により運転が可能な内燃機関である。

エンジン１には、気筒２内へ軽油を噴射する筒内燃料噴射弁３が備えられている。

また、エンジン１には、吸気通路４が接続されている。この吸気通路４には、該吸気通路４内を流通する吸気中にガソリンを噴射する吸気内燃料噴射弁５が設けられている。

尚、ガソリンは軽油よりも揮発性が高く、従って、本実施例では、揮発性の高い燃料と
してガソリンを使用し、揮発性の低い燃料として軽油を使用する。

吸気通路４には、該吸気通路４内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁４１が設けられている。この吸気絞り弁４１には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁４１を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ４２が取り付けられている。

一方、エンジン１には、排気通路６が接続されている。排気通路６の途中には、排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒７が備えられている。この排気浄化触媒７は、上流側に選択還元型ＮＯx触媒７ａ、下流側に酸化触媒７ｂを備えて構成されている。この選択
還元型ＮＯx触媒７ａは、流入する排気が酸素過剰の雰囲気であって、還元剤（ＨＣ等）
が存在するときに、排気中に含まれるＮＯxを還元または分解する触媒である。尚、本実
施例で単に排気浄化触媒７という場合には、選択還元型ＮＯx触媒７ａと酸化触媒７ｂと
の両方の触媒を示すものとする。

排気浄化触媒７の下流の排気通路６には、該排気通路６を流通する排気の温度に応じた信号を出力する排気温度センサ８が備えられている。この排気温度センサ８により、排気浄化触媒７から流出する排気の温度を検出し、排気浄化触媒７の床温を測定することができる。

ここで、筒内燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、筒内燃料噴射弁３が開弁し、その結果、筒内燃料噴射弁３から気筒２内へ軽油が噴射される。一方、吸気内燃料噴射弁５に駆動電流が印加されると、吸気内燃料噴射弁５が開弁し、その結果、吸気内燃料噴射弁５から吸気通路４内へガソリンが噴射される。吸気通路４内へ噴射されたガソリンは、空気とともに混合気を形成して気筒２へ吸入される。これにより、予混合燃焼が可能となる。一方、吸気行程中に筒内燃料噴射弁３から軽油を噴射させることによっても予混合燃焼を行うことが可能である。また、筒内燃料噴射弁３及び吸気内燃料噴射弁５から噴射される燃料の量や供給比率は、エンジン回転数と負荷とからマップにより算出される。更に、燃料噴射時期もエンジン回転数とエンジン負荷とからマップにより算出される。これらのマップは、予め実験等により求めておく。

ここで、図２は、エンジン回転数とエンジン発生トルクとエンジン燃焼状態との関係の一例を示した図である。

エンジン回転数が低く且つエンジン発生トルクが小さい運転領域（１）では、軽油の供給比率を多くし、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前６０度から９０度までの間とする。ガソリンは、吸気行程中に噴射される。この運転領域（１）では、主に軽油の燃焼によりエンジン１の運転が行われるが、ガソリンも少量供給し軽油の着火性を向上させている。即ち、運転領域（１）は、軽油及びガソリンによる予混合燃焼を行う燃焼モードが選択される。燃料の供給比率は、例えば軽油９割に対しガソリン１割である。ここでは、気筒２内への軽油の供給時期を通常よりも早くし、ガソリン及び軽油で予混合気を形成させる。尚、この運転領域（１）では、軽油だけを供給するようにしても良い。

また、エンジン回転数及びエンジン発生トルクが中程度の運転領域（２）では、運転領域（１）と比較してガソリンの供給量を増加させ、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前６０度から９０度までの間とする。ガソリンは、吸気行程中に噴射される。この運転領域（２）でも、気筒２内への軽油の供給時期を通常よりも早くし、軽油及びガソリンで予混合気を形成させる。即ち、運転領域（２）は、軽油及びガソリンによる予混合燃焼を行う燃焼モードが選択される。また、エンジン回転数若しくはエンジン発生トルクが大きくなるに従いガソリンの供給比率を高くする。

更に、エンジン回転数が高く且つエンジン発生トルクが大きい運転領域（３）では、運転領域（２）であって運転領域（３）に切り替わる直前の高回転高負荷側と比較してガソリンの供給量を減少させ、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前３０度から上死点後１０度までの間とする。ガソリンは、吸気行程中に噴射される。この運転領域（３）では、主に軽油によりエンジン１の運転が行われるが、軽油の着火性を向上させるためにガソリンも供給されている。即ち、運転領域（３）は、主に軽油による拡散燃焼を行う燃焼モードが選択される。

以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）９が併設されている。このＥＣＵ９は、
エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ９には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの他、エンジン１に取り付けられ該エンジン１の冷却水温度を測定する水温センサ１０の出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ９には、筒内燃料噴射弁３、吸気内燃料噴射弁５等が電気配線を介して接続され、これらを制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ９は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。

ところで、エンジン１の冷間始動時には、燃料が蒸発しにくいためシリンダ壁面に燃料が付着する等して該燃料に着火しにくくなる。このように燃料に着火しにくくなると、エンジン１の始動性が悪化する。

ここで、軽油はガソリンに比べると、低い温度で蒸発しにくい。これは、軽油がガソリンよりも揮発性が低いことによる。従って、エンジン１の冷間始動時に軽油を多く使用すると、該軽油は蒸発しにくいためエンジン１の始動もしにくくなる。しかし、エンジン１の始動時はエンジン回転数が低くエンジン発生トルクが小さいので、図２のマップによれば、運転領域（１）に該当し、燃料として主に軽油が使用される。これにより、エンジン１の冷間始動時の始動性が悪化してしまう。

その点、本実施例では、エンジン１の冷間始動時には、ガソリンの供給比率を多くする。例えば、エンジン１の始動時であって、水温センサ１０から得られる冷却水温度が規定の温度よりも低い場合には、冷間始動時であるとして、ガソリンと軽油との供給比率を例えば９対１とする。一方、冷却水温度若しくは吸気温度が規定の温度以上の場合には、冷間始動時ではないとして、ガソリンと軽油との供給比率を例えば１対９とする。軽油はガソリンを着火させるために必要となるため、少なくとも着火に必要な量を供給する。すなわち、軽油はガソリンと比較して着火性がよく、火種となり得るが、軽油の粒子に着火してもその周りに予混合気が形成されていないと火炎伝播しにくい。そのため、予混合気を形成しておく必要がある。一方、ガソリンのみを供給しても着火しにくいので、着火性のよい軽油を気筒内に供給する必要がある。

ここで、「規定の温度」は、ガソリンと軽油との供給比率を例えば１対９とした場合に、燃料に着火しにくくなる冷却水温度として予め実験等により求めても良い。また、暖機完了後の温度としても良く、例えば、冷却水温度が７０℃のときとしても良い。

尚、本実施例においては、冷却水温度が低くなるほど、ガソリンの供給比率を高くしても良い。ここで、冷却水の温度とガソリンの供給比率との関係を予め実験等により求めマップ化し、該マップに冷却水温度を代入してガソリンの供給比率を得ることができる。

このように、エンジン１の冷間始動時に揮発性の高い燃料であるガソリンの供給比率を高くすることにより、燃料の着火性、更にはエンジン１の始動性を向上させることができる。

本実施例では、排気浄化触媒７の昇温時に揮発性の高い燃料、即ちガソリンの供給比率を高くする。

尚、本実施例においては、適用対象となるエンジン１やその他ハードウェアの基本構成については、実施例１と共通なので説明を割愛する。

ところで、排気浄化触媒７が活性温度まで上昇していない場合には、該排気浄化触媒７における排気中の有害成分の浄化率が低下する。しかし、予混合圧縮着火による燃焼を行うと、ＮＯxの排出を抑制することはできるが、ＨＣやＣＯが排出されることがある。こ
の場合、下流の排気浄化触媒７で浄化することが前提となるが、該排気浄化触媒７が活性化していない場合には、ＨＣやＣＯの浄化率が低下するため、該排気浄化触媒７の温度を活性温度まで速やかに上昇させて活性化させることが重要となる。

ここで、ガソリンは軽油と比較して揮発性が高く、また、理論空燃比近傍で燃焼させること可能である。そして、理論空燃比近傍でガソリンを燃焼させる場合には、リーン空燃比で軽油を燃焼させる場合と比較して、エンジン１の吸入空気量が少ないため、排気温度が高くなる。即ち、吸気絞り弁４１を絞ることにより吸入空気量を減少させて、空燃比を低下させると、排気の流量が減少させ且つ排気の温度を高くすることができる。ここで、吸入空気量が減り、圧力の低い状態から吸気の圧縮行われるため、圧縮行程末期の温度が低くなるので揮発性の低い燃料は蒸発しないでシリンダ壁面に付着するなどして着火しにくくなり、未燃燃料が排出されてしまうおそれがある。そこで、本実施例では、ガソリンの供給比率を高めつつ吸気絞り弁４１を絞って排気の温度を上昇させる。

このように、ガソリンを燃焼させると、軽油を燃焼させた場合よりも排気の温度を高くすることができ、従って、排気浄化触媒７を速やかに昇温させることができる。

そして、本実施例では、排気温度センサ８の出力信号から得られる排気温度、即ち排気浄化触媒７の温度に基づいてガソリンと軽油との供給比率をフィードバック制御する。例えば、排気温度センサ８により得られる排気の温度が排気浄化触媒７の活性温度以下の場合には、ガソリンの供給比率を９割とし、残り１割を軽油とする。一方、排気の温度が活性温度よりも高くなった場合には、ガソリンの供給比率を１割とし、残り９割を軽油とする。ここで、活性温度は、軽油中のＨＣを酸化可能な温度である例えば２１０℃とすることができる。また、選択還元型ＮＯx触媒７ａ若しくは酸化触媒７ｂの何れか一方が活性
温度に達するまで燃料の供給比率を変更しても良く、両触媒７ａ、７ｂが活性温度に達するまで燃料の供給比率を変更するようにしても良い。

このように、排気浄化触媒７の温度が活性温度よりも低い場合には、軽油よりも揮発性の高い燃料であるガソリンの供給比率を高くすることにより、排気の温度を高くすることができ、排気浄化触媒７を活性温度まで速やかに昇温させることができる。

また、排気浄化触媒７の温度が軽油を酸化可能な温度まで上昇した後は、軽油の供給比率を高くすることにより、排気浄化触媒７へ軽油中のＨＣを供給することができ、該ＨＣの酸化反応熱により該排気浄化触媒７の温度を維持することができる。

尚、本実施例では、排気浄化触媒７の床温に基づいて、段階的にガソリンと軽油との供給比率を変更しても良い。ここでは、排気浄化触媒７の温度を複数の段階で区切り、各段階で燃料の供給比率を変更し、且つ、排気浄化触媒７の温度が高い段階となるに従ってガソリンの供給比率が低くなるようにしても良い。即ち、排気温度がより高い燃料であるガソリンの供給比率を段階的に低くしても良い。ここで、排気浄化触媒７の温度と燃料の供給比率との関係を予め実験等により求めマップ化しておき、該マップに排気浄化触媒７の温度を代入して燃料の供給比率を得ることができる。この際、軽油中のＨＣが排気浄化触媒７の下流へ流出しない程度の燃料供給比率として求めても良い。

また、本実施例では、排気浄化触媒７の床温に基づいて、ガソリンと軽油との供給比率を徐々に変化させても良い。即ち、排気温度がより高い燃料であるガソリンの供給比率を徐々に低くしても良い。ここで、排気浄化触媒７の温度と燃料の供給比率との関係を予め実験等により求めマップ化しておき、該マップへ排気浄化触媒７の温度を代入して燃料の供給比率を得ることができる。この際、軽油中のＨＣが排気浄化触媒７の下流へ流出しない程度の燃料供給比率として求めても良い。

以上説明したように、本実施例によれば、排気浄化触媒７の昇温時に揮発性の高い燃料、即ちガソリンの供給比率を高くすることにより、排気の温度を上昇させ、排気浄化触媒７の温度を速やかに活性温度まで上昇させることができる。

尚、実施例１および実施例２においては、揮発性の高い燃料としてガソリンを、揮発性の低い燃料として軽油を採用して説明したが、これに代えて、揮発性の高い燃料として軽質軽油を、揮発性の低い燃料として重質軽油を採用しても良い。

本願発明の実施例によるエンジン及びその吸排気系の概略構成を示す図である。 エンジン回転数とエンジン発生トルクとエンジン燃焼状態との関係の一例を示した図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒
３ 筒内燃料噴射弁
４ 吸気通路
５ 吸気内燃料噴射弁
６ 排気通路
７ 排気浄化触媒
７ａ 選択還元型ＮＯx触媒
７ｂ 酸化触媒
８ 排気温度センサ
９ ＥＣＵ
１０ 水温センサ
４１ 吸気絞り弁
４２ 吸気絞り用アクチュエータ

Claims (3)

1. 排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒を備え、筒内に供給される揮発性の夫々異なる複数種類の燃料の比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の始動時に冷間始動であるか否か判定する冷間始動判定手段を備え、
   前記冷間始動判定手段により冷間始動であると判定された場合には、冷間始動ではないと判定された場合よりも、筒内に供給される燃料のうち揮発性がより高い燃料の比率を高くすることを特徴とする予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。
2. 前記排気浄化触媒が活性化しているか否か判定する触媒活性判定手段を更に備え、
   前記触媒活性判定手段により前記排気浄化触媒が活性化していないと判定された場合には、内燃機関の吸入空気量を減少させるとともに、前記触媒活性判定手段により触媒が活性していると判定された場合よりも、筒内に供給される燃料のうち揮発性のより高い燃料の比率を高めて燃料を燃焼させることを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。
3. 前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記温度検出手段により検出された温度が高いほど、筒内に供給される燃料のうち揮発性がより高くなる燃料の比率を低くすることを特徴とする請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。
   

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