JP2006046180A - 排ガス浄化触媒の暖機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス中の未燃成分を、より確実に未燃空気の酸素と混合させることで、触媒上流側での後燃えによって触媒を早期に暖機することができる排ガス浄化触媒の暖機制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関７の各気筒＃１〜＃４から排出された排ガスが流入する排気マニホールド４と、排気マニホールド４の下流に配置され、排ガスを浄化する排ガス浄化触媒６と、排ガス浄化触媒６の暖機が必要であるか否かを判断する暖機判断手段（ＥＣＵ３）と、排ガス浄化触媒６の暖機が必要であるときに、空燃比制御を行うか否かを判断する実施判断手段（ＥＣＵ３）と、空燃比制御が必要であるときには、排気マニホールド４の上流側に連通する気筒＃１の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する空燃比制御手段（ＥＣＵ３）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に好適な排ガス浄化触媒の暖機制御装置に関する。

内燃機関を始動した直後の冷機時は、排ガス浄化触媒が未活性状態であって、排ガスを十分に浄化することができないので、触媒を早期に活性状態にすることが重要である。

そこで、特許文献１では、点火時期を遅角制御するとともに、＃１気筒への燃料噴射を停止するとともに、＃２〜＃４気筒でエンジンを運転する減筒運転することが提案されている。

このように点火時期を遅角制御することで排ガス温度が上昇する。また一部の気筒への燃料噴射を停止して、他の気筒でエンジンを運転することで、運転気筒から排出される高温の排ガス中のリッチ成分を、噴射停止気筒から排出される未燃空気の酸素と混合させることができ、触媒上流側の排気通路内での後燃えが発生しやすくなり、その燃焼熱で触媒を早期に暖機することができるのである。
特開２００１−１８２６０１号公報

しかし、前述した従来装置では、触媒に近い気筒へ燃料を噴射しているので、酸素と混合することなく触媒に流入する未燃成分が多かった。このように未燃成分が酸素と混合することなく触媒に流入すると、未燃成分の気化潜熱によって触媒の温度上昇を妨げることとなり、触媒の暖機に時間がかかっていた。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、排ガス中の未燃成分を、より確実に未燃空気の酸素と混合させることで、触媒上流側での後燃えによって触媒を早期に暖機することができる排ガス浄化触媒の暖機制御装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、内燃機関（７）の各気筒（＃１〜＃４）から排出された排ガスが流入する排気マニホールド（４）と、前記排気マニホールド（４）の下流に配置され、前記排ガスを浄化する排ガス浄化触媒（６）と、前記排ガス浄化触媒（６）の暖機が必要であるか否かを判断する暖機判断手段（ステップＳ５）と、排ガス浄化触媒（６）の暖機が必要であるときに、空燃比制御を行うか否かを判断する実施判断手段（ステップＳ２０）と、空燃比制御が必要であるときには、排気マニホールド（４）の上流側に連通する気筒（＃１）の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する空燃比制御手段（ステップＳ３０）とを有することを特徴とする。

本発明によれば、排気マニホールドの上流側に連通する気筒の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。このようにすることで、リッチ化した排ガス中の未燃成分が、排ガス浄化触媒に流入するまでに、未燃空気の酸素と十分に混合することとなり、触媒上流側での後燃えによって触媒を早期に暖機することができるのである。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第１実施形態を示す図である。

エンジン７は、４気筒エンジンであって、各気筒＃１〜＃４にはそれぞれ点火プラグ２が設けられている。また各気筒＃１〜＃４の吸気ポートには燃料噴射弁１が設けられている。さらにエンジン７にはクランク角センサ２１が設けられており、エンジン回転速度NEが検出される。さらにまたエンジン７には水温センサ２２が設けられており、冷却水温度TWNが検出される。また車速センサ２４によって、車速VSPが検出される。

吸気マニホールド１０の上流側には、吸気量を制御するスロットル弁９が設けられている。吸気マニホールド１０のさらに上流側には、エアフローメータ１１が設けられており、吸入空気量が計測される。

吸気は、エアフローメータ１１、スロットル弁９を通流して吸気マニホールド１０に導入され、燃料噴射弁１から噴射された燃料と混合してガス（混合気）を作り、各気筒＃１〜＃４に流入する。

排気マニホールド４は、各気筒＃１〜＃４に接続するブランチ４１〜４４を有し、各気筒＃１〜＃４からの排ガスを流入する。排気マニホールド４の容積部４ａは、各気筒＃１〜＃４から排出された排ガスが互いに混合しやすい形状となっている。具体的な形状については図２を参照しながら説明する。

図２は排気マニホールド４の構造を示す模式図であり、図１の矢印II方向から見た図である。排気マニホールド４は第１気筒＃１及び第２気筒＃２に接続されるブランチ４１，４２を容積部４ａの上部に連結し、第３気筒＃３及び第４気筒＃４に接続されるブランチ４３，４４を容積部４ａの下部に連結する。このような構造となっているので、排気マニホールド４に流入した排ガスは、容積部４ａ内で互いに十分に混合されるのである。

再び図１に戻る。排気マニホールド４は第１気筒＃１の反対側であって第４気筒＃４側に出口部４ｂを有する。出口部４ｂは絞り形状となっている。出口部４ｂには空燃比センサ５が取り付けられている。なお本実施形態では、出口部４ｂを通流する空気の空燃比を検出する手段として、空燃比センサ５を例示しているが、Ｏ2センサを使用してもよい。

排気マニホールド４の下流には排ガス浄化触媒６が取り付けられており、エンジン７から排出された排ガスを浄化する。排ガス浄化触媒６は三元触媒であって、排気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲（ウインドウ）にあるとき、排気に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害三成分を同時に効率よく除去できる。

エンジン制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３はエンジン７を制御する。

運転者が要求するトルクはアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）に現れる。そこで、ＥＣＵ３はアクセル開度センサ２３の信号TVOに基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量を定め、この目標空気量が得られるようにスロットル弁９の開度を制御する。

そして上述の通り、排ガス浄化触媒６は流入ガスの空燃比が理論空燃比付近であるときに排気浄化能力を発揮する。そこで、ＥＣＵ３は空燃比センサ５の信号に基づいて排ガス浄化触媒６への流入ガスの空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射弁１の燃料噴射量を制御する。またＥＣＵ３は各点火プラグ２の点火時期を制御する。

そして本件発明のポイントであるが、本件発明者は鋭意研究を重ねることにより、容積部４ａの出口部４ｂから離れている第１気筒＃１の排ガスを理論空燃比よりもリッチにし、容積部４ａの出口部４ｂに近い第４気筒＃４の排ガスを理論空燃比よりもリーンにすることで、互いの排ガスを十分かつ確実に混合することができ、そのような排ガスは触媒上側の排気通路内で、よく後燃えし、このようにすることで触媒を早期に活性化できることを見いだしたのである。

空燃比は吸入空気量と燃料量の比である。そこで、各気筒＃１〜＃４に導入される吸入空気量と、各燃料噴射弁１の燃料噴射量との比が所望の空燃比となって、かつ排気マニホールド４から排ガス浄化触媒６に流入する排ガスの空燃比が略理論空燃比となるように、ＥＣＵ３はエアフローメータ１１の吸入空気流量の信号に基づいて燃料噴射量を定めるとともに、空燃比センサ５からの信号をフィードバックして燃料噴射量を定めている。

以下ではこの具体的な制御について図３〜図７のフローチャート及び図８のタイムチャートを参照して説明する。

イグニッションキーがＯＮされたら本制御を開始する。このときのタイミングが図８のｔ０である。なおこのとき各フラグの状態はＯＦＦである。また本制御は終了条件が成立するまでは微少時間ごと（例えば１クランク回転ごと）に繰り返し行う。

ステップＳ１では、触媒の入口の排温CTEMPがT90を超えているか否かを判定する。なお触媒入口排温は、触媒の入口に温度センサを設け、その出力値から検出しても、または運転履歴から推定してもよい。またT90とは触媒が活性化してその転化率（触媒への流入炭化水素（ＨＣ）に対する流出ＨＣの減少率）が９０％となるときの触媒温度であって触媒の特性によって予め求められている。また仕様によってはT50等を基準としてもよい。

ステップＳ２〜Ｓ４では、後燃え制御フラグ、空燃比制御フラグ、点火時期遅角終了フラグがそれぞれＯＮであるか否かを判定する。イグニッションＯＮ直後はそれらはＯＦＦであるので、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、エンジン回転速度NEが基準速度CNEを上回り、車速VSPが基準車速CVSPよりも低く、水温TWNが基準水温CTWNを下回っているときには、冷機時の始動直後であると判定し、ステップＳ１０へ進む。なおこのときのタイミングが図８のｔ１である。エンジン回転速度NE、車速VSP、水温TWNのいずれかひとつでも上記基準を満たさないときには処理を終了する。

ステップＳ１０では点火時期遅角制御を行う。具体的には図４を参照して説明する。

ステップＳ１１では点火時期を遅角側に制御する。

ステップＳ１２では点火時期が遅角目標値に達したか否かを判定する。点火時期が遅角目標値に達するまでは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ１０→Ｓ１１→Ｓ１２を繰り返し、点火時期が遅角目標値に達したらステップＳ１３に進む。このときのタイミングが図８のｔ２である。なお具体的な遅角目標値は、排温が昇温し、触媒の温度を早期に上昇可能であって、失火しない値を予め求めておく。

ステップＳ１３では点火時期遅角終了フラグをＯＮにする。

再び図３に戻る。点火時期遅角終了フラグがＯＮになっているので、次サイクルではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４からステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０では空燃比制御開始判定を行う。具体的には図５を参照して説明する。

ステップＳ２１では触媒の入口の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるか否かを判定する。リッチになるまではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ２０→Ｓ２１を繰り返し、リッチになったらステップＳ２２に進む。このときのタイミングが図８のｔ３である。

ステップＳ２２では触媒の入口の空燃比が理論空燃比よりもリーンであるか否かを判定する。リーンになるまではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ２０→Ｓ２１→Ｓ２２を繰り返し、リーンになったらステップＳ２３に進む。このときのタイミングが図８のｔ４である。

ステップＳ２３では空燃比制御フラグをＯＮにする。

再び図３に戻る。空燃比制御フラグがＯＮになっているので、次サイクルではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３からステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では空燃比制御を行う。具体的には図６を参照して説明する。

ステップＳ３１では触媒の入口の空燃比が略理論空燃比であることを維持しながら、気筒＃１の空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように燃料噴射量を制御するとともに、気筒＃２〜＃４の空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように燃料噴射量を制御する。

ステップＳ３２では規定サイクルが終了したか否かを判定する。この規定サイクルは短時間である。具体的なサイクル数は予め実験によって求めておくが、例えば３〜４サイクルである。規定サイクルが終了するまではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ３０→Ｓ３１→Ｓ３２を繰り返し、規定サイクルが終了したらステップＳ３３に進む。このときのタイミングが図８のｔ５である。

ステップＳ３３では後燃え制御フラグをＯＮにする。

再び図３に戻る。後燃え制御フラグがＯＮになっているので、次サイクルではステップＳ１→Ｓ２からステップＳ４０へ進む。ステップＳ４０では後燃え制御を行う。具体的には図７を参照して説明する。

ステップＳ４１では気筒＃１〜＃４の空燃比を理論空燃比になるように燃料噴射量を制御する。

ステップＳ４２では後燃え期間TINTが経過したか否かを判定する。この後燃え期間TINTの具体的な期間は予め実験によって求めておく。経過するまではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４０→Ｓ４１→Ｓ４２を繰り返し、経過したらステップＳ４３へ進む。このときのタイミングが図８のｔ６である。

ステップＳ４３では後燃え制御フラグをＯＦＦにする。

再び図３に戻る。後燃え制御フラグがＯＦＦになっているので、次サイクルではステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３からステップＳ３０へ進む。そして上述の通り、空燃比制御を行い、終了したら、後燃え制御を行う。このときのタイミングが図８のｔ７である。このように空燃比制御及び後燃え制御を繰り返し、触媒の入口の排温CTEMPがT90を超えたら処理を終了して、各フラグをリセットし、点火時期のリタード状態を終了する。このときのタイミングが図８のｔ８である。

本実施形態によれば、排気マニホールドの上流側に連通する気筒の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御し、排気マニホールドの下流側に連通する気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御するようにした。そのため、排ガス中の未燃成分を、より確実に未燃空気の酸素と混合させることができ、触媒上流側での後燃えを確実に発生させることができ、触媒を早期に暖機することができるようになったのである。

また触媒入口の空燃比が略理論空燃比であることを維持しながら、各気筒＃１〜＃４の空燃比を制御するので、触媒の浄化作用に優れるのである。

さらに各気筒のリッチ化制御／リーン化制御を短時間のみ行うので、燃焼が不安定である時間が短い。したがって無用な振動が発生せず、運転者に違和感を感じさせない。

さらにまた出口部４ｂは絞り形状となっているので、容積部４ａで乱れた排ガスが整流され、触媒での浄化作用に優れる。

また、空燃比センサ５は、その絞り形状となっている出口部４ｂに取り付けてあるので、整流された排ガスによって正確な空燃比を測定できるのである。

さらに空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンになったときに空燃比制御の開始時期であると判断するので、適切な制御開始時期を正確に判定することができる。

さらにまた、排気マニホールド４は第１気筒＃１及び第２気筒＃２に接続されるブランチ４１，４２を容積部４ａの上部に連結し、第３気筒＃３及び第４気筒＃４に接続されるブランチ４３，４４を容積部４ａの下部に連結するので、排気マニホールド４に流入した排ガスは、容積部４ａ内で互いに十分に混合されるのである。

また、点火時期の遅角制御を行うので、一層早期に触媒の暖機を図ることができるのである。

（第２実施形態）
図９は本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第２実施形態を示す図である。

なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態に示すエンジン７は、３気筒エンジンである。なおＶ型６気筒エンジンの片バンクであると想定しても同様である。

本実施形態においても、容積部４ａの出口部４ｂから離れている第１気筒＃１の排ガスを理論空燃比よりもリッチにし、容積部４ａの出口部４ｂに近い第３気筒＃３の排ガスを理論空燃比よりもリーンにすることで、互いの排ガスを十分かつ確実に混合することができ、そのような排ガスは触媒上側の排気通路内で、よく後燃えし、このようにすることで触媒を早期に活性化できるのである。

（第３実施形態）
図１０は本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第２実施形態を示す図である。

本実施形態に示すエンジン７は、４気筒エンジンである。

排気マニホールド４は略左右対称であって、排気マニホールド４は略左右対称形状であって、出口部４ｂから第１気筒＃１までの距離と、第４気筒＃４までの距離は略同じである。また出口部４ｂから第２気筒＃２までの距離と、第３気筒＃３までの距離も略同じである。

このような構造のエンジンでは、点火順にあわせて空燃比を制御する。エンジン７の点火順は、＃１→＃４→＃２→＃３であり、各気筒の空燃比も、第１気筒＃１は理論空燃比よりもリーンに、第４気筒＃４は理論空燃比よりもリッチに、第２気筒＃２は理論空燃比よりもリーンに、第３気筒＃３は理論空燃比よりもリッチに制御する。

本実施形態においても、各気筒から排出された排ガスを互いに十分かつ確実に混合することができ、そのような排ガスは触媒上側の排気通路内で、よく後燃えし、このようにすることで触媒を早期に活性化できるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記第１実施形態においては、第１気筒＃１の空燃比をリッチにし、第２気筒＃２，第３気筒＃３，第４気筒＃４の空燃比をリーンにするとして説明したが、排気マニホールド４の出口部４ｂから離れている第２気筒＃２についても、理論空燃比よりもリッチにしてもよい。このようにすれば、第１気筒＃１のリッチ化制御のリッチ化度合を低減することができる。

また第３実施形態において、エンジンの点火順が＃１→＃３→＃４→＃２であるときは、第１気筒＃１は理論空燃比よりもリッチに、第３気筒＃３は理論空燃比よりもリーンに、第４気筒＃４は理論空燃比よりもリッチに、第２気筒＃２は理論空燃比よりもリーンに制御するとよい。このようにすれば、点火順にあわせて交互にリッチ／リーンを繰り返すことができ、かつ排気マニホールド４の出口部４ｂから離れている第１気筒＃１及び第４気筒＃４の空燃比をリッチに、出口部４ｂに近い第２気筒＃２及び第３気筒＃３の空燃比をリーンに制御することができ、この点からも各気筒から排出された排ガスを互いに十分かつ確実に混合することができ、そのような排ガスは触媒上側の排気通路内で、よく後燃えし、このようにすることで触媒を早期に活性化できるのである。

本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第１実施形態を示す図である。 排気マニホールド４の構造を示す模式図である。 排ガス浄化触媒の暖機制御のメインフローチャートである。 点火時期遅角制御ルーチンを示すフローチャートである。 空燃比制御開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 空燃比制御ルーチンを示すフローチャートである。 後燃え制御ルーチンを示すフローチャートである。 排ガス浄化触媒の暖機制御におけるタイムチャートである。 本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第２実施形態を示す図である。 本発明による排ガス浄化触媒の暖機制御装置の第３実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 点火プラグ
３ ＥＣＵ
４ 排気マニホールド
４ａ 容積部
４ｂ 出口部
５ 空燃比センサ（空燃比検出手段）
６ 排ガス浄化触媒
７ エンジン（内燃機関）
９ スロットル弁
１０ 吸気マニホールド
１１ エアフローメータ
１２ クランク角センサ
２２ 水温センサ
２３ アクセル開度センサ
２４ 車速センサ
ステップＳ５ 暖機判断手段
ステップＳ２０ 実施判断手段
ステップＳ３０ 空燃比制御手段

Claims (11)

1. 内燃機関の各気筒から排出された排ガスが流入する排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドの下流に配置され、前記排ガスを浄化する排ガス浄化触媒と、
   前記排ガス浄化触媒の暖機が必要であるか否かを判断する暖機判断手段と、
   排ガス浄化触媒の暖機が必要であるときに、空燃比制御を行うか否かを判断する実施判断手段と、
   空燃比制御が必要であるときには、排気マニホールドの上流側に連通する気筒の空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する空燃比制御手段と、
   を有する排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
2. 前記空燃比制御手段は、空燃比制御が必要であるときに、各気筒の空燃比が点火順にあわせて交互に理論空燃比よりもリッチ又はリーンになるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
3. 前記空燃比制御手段は、空燃比制御が必要であるときに、排気マニホールドの下流側に連通する気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
4. 前記排ガス浄化触媒に流入する排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、
   前記空燃比制御手段は、前記排ガス浄化触媒に流入する排ガスの空燃比が略理論空燃比になるように、各気筒のリッチ化制御又はリーン化制御を行う、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
5. 前記空燃比制御手段は、各気筒のリッチ化制御又はリーン化制御を規定サイクルで行った後、全気筒の空燃比を略理論空燃比に戻す、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
6. 前記排気マニホールドは、容積部の出口部分の流路断面面積が絞られるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
7. 前記空燃比検出手段は、前記絞り形状の容積部出口を流れる排ガスの空燃比を検出する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
8. 前記実施判断手段は、前記空燃比検出手段が検出する空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンになったときに空燃比制御の開始時期であると判断する、
   ことを特徴とする請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
9. 前記実施判断手段は、エンジン回転数の減速速度が所定値以下になったときに空燃比制御の開始時期であると判断する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
10. 前記排気マニホールドは、各気筒から排出された排ガスを送通する各ブランチのうち、所定のブランチを容積部の上部に接続し、他のブランチを容積部の下部に接続する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
11. 排ガス浄化触媒の暖機が必要であるときに、点火時期の遅角制御を行う点火時期制御手段を有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒の暖機制御装置。
    

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