JP2006177190A - 内燃機関の始動時制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動レベルやＮＯｘの悪化を最小限に抑えつつ、始動直後より排温を上昇っせて、触媒の早期活性化を図る。
【解決手段】 クランキング中で、エアポンプを作動させることができない第１の期間、クランキングの終了後にバッテリ電圧が安定するまでの、エアポンプを作動させることができない第２の期間（Ｔｂｔｈ）、及び、エアポンプの作動開始後、吐出量が安定するまでの第３の期間（Ｔｐｔｈ）、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、二次空気の代わりに、当該気筒の燃焼室から空気又は生ガスを排気通路に排出させる。その後は、全気筒運転に切換え、エアポンプからの二次空気で、排気温度を上昇させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、始動直後にエアポンプを作動させて排気通路に二次空気を供給し、排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の早期活性化を図る内燃機関の始動時制御装置に関する。

特許文献１に記載の技術では、始動直後にエアポンプを作動させて排気通路に二次空気を供給している。また、一部の気筒について燃料カットを行うことで、運転気筒の仕事を増大させて、その排気熱量を増大させると共に、休止気筒の排気弁を閉じることで、低温空気の排出を防止することにより、排気通路での二次空気供給による再燃焼を促進している。

また、特許文献２に記載の技術では、二次空気を供給する専用のエアポンプを不要とするため、一部の気筒について燃料カットを行うことで、当該気筒からの排気（空気）を二次空気として触媒上流に供給している。
特開２００４−１２４８２３号公報 特開平１１−３１１１１９号公報

しかしながら、特許文献１のように、エアポンプを用いる場合、クランキング中はスタータモータの作動を優先させるため、クランキング終了直後もバッテリ電圧の変動防止のため、エアポンプを作動させることができず、二次空気を供給できない。また、エアポンプの作動開始後も吐出量が安定するまでの間は、十分な二次空気の供給が困難である。従って、二次空気の供給は、始動直後の触媒の早期活性化やＨＣ低減を目的とするものでありながら、肝心の期間に、二次空気を供給できず、再燃焼効果が得られない。

また、特許文献２のように、一部の気筒について燃料カットを行って、当該気筒の排気（空気）を二次空気として用いる技術は、確かに始動直後の排温向上、ＨＣ低減に効果があるが、部分気筒運転中は、エンジンの振動レベルが増大し、また運転気筒の燃焼圧が上昇することでＮＯｘ排出量が大となるので、長時間の部分気筒運転により、振動レベル及びＮＯｘの悪化が顕著となる。この点は、二次空気供給中に部分気筒運転する特許文献１についても同様である。

本発明は、このような実状に鑑み、振動レベルやＮＯｘの悪化を最小限に抑えつつ、始動直後より排温を上昇させて、触媒の早期活性化を図ることのできる内燃機関の始動時制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、エアポンプによる排気通路への二次空気の供給が可能となるまでの期間、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、当該気筒の燃焼室から空気又は生ガス（未燃焼混合気）を排気通路に排出させる構成とする。

本発明によれば、エアポンプによる排気通路への二次空気の供給が可能となるまでという限られた期間、部分気筒運転を行って、空気又は生ガスを排出させ、これを二次空気の代わりとすることで、始動直後より排温を上昇させて、触媒の早期活性化を図ることができる。そして、この期間の後は、エアポンプからの二次空気を用いることで、部分気筒運転の時間を短くして、振動レベルやＮＯｘの悪化を最小限に抑えることができる。

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のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸気マニホールド３の入口側に位置させて、吸入空気量を制御する電制スロットル弁４が設置されている。電制スロットル弁４は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。

吸気マニホールド３の出口側のブランチ部には、各気筒の吸気ポート５に（吸気弁７傘部を指向して）燃料を噴射する燃料噴射弁６が取付けられている。燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号により、そのパルス幅によって定められる時間、ソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。

電制スロットル弁４の制御を受けた空気と、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、吸気弁７が開いたときに、エンジン１の燃焼室１０に吸入される。
燃焼室１０内に吸入された空気と燃料は、混合気を形成し、ＥＣＵ２０により制御される点火時期にて、点火プラグ１１により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気弁１２を介して、排気通路１３へ排出される。排気通路１３には排気浄化触媒１４が設けられている。

ここで、排気通路１３の排気浄化触媒１４上流、特に排気の高温部であるシリンダヘッド内の各気筒の排気ポート１５に（排気弁１２傘部を指向して）二次空気を供給し得るように、シリンダヘッド内に二次空気供給通路１６が設けられている。そして、二次空気供給用の電動式エアポンプ１７が設けられ、その吐出側は、遮断弁１８、及び配管（ギャラリ）１９を介して、各気筒への二次空気供給通路１６に接続されている。尚、図１中のＢはエアポンプ１７の電源となるバッテリを示している。

ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温Ｔｗ、空燃比センサ２５により検出される排気空燃比、触媒温度センサ２６により検出される触媒温度Ｔｃなどが入力されている。この他、図示しないが、イグニッションスイッチ及びスタートスイッチを有するエンジンキースイッチからも信号が入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁４の開度、燃料噴射弁６の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ１１の点火時期などを制御する。また、エアポンプ１７、遮断弁１８の作動を制御する。尚、遮断弁１８はエアポンプ１７のＯＮ時に開、ＯＦＦ時に閉とするもので、エアポンプ１７自体がＯＦＦ時の遮断機能を有しているときは省略できる。

次に、始動直後の排気浄化触媒１４の早期活性化（暖機）のための制御について、図２のタイムチャートにより説明する。
始動時のクランキング中は、スタータモータの駆動を優先させるため、エアポンプをＯＦＦとする。
クランキング終了後は、バッテリ電圧が安定するまでの間、電圧変動を防止するために、エアポンプをＯＦＦとする。従って、クランキング終了時点より、タイマＴｂをスタートさせ、タイマＴｂの値が、予め定めた時間Ｔｂｔｈに達した時点で、エアポンプをＯＮとする。但し、エアポンプをＯＮにしても、その動作遅れにより、ポンプ吐出量が安定するまでには、遅れ（Ｔｐｔｈ）を有する。

その後、触媒の暖機が完了した時点でエアポンプを再びＯＦＦとする。
一方、通常（常温始動の場合）は、クランキング中で、エアポンプをＯＮにすることができない第１の期間、クランキングの終了後にバッテリ電圧が安定するまでの、エアポンプをＯＮにすることができない第２の期間（Ｔｂｔｈ）、及び、エアポンプのＯＮ後、吐出量が安定するまでの第３の期間（Ｔｐｔｈ）、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、二次空気の代わりに、当該気筒の燃焼室から空気又は生ガスを排気通路に排出させる。

このため、クランキング開始より部分気筒運転を行い（常温始動の場合）、エアポンプのＯＮ時点より、タイマＴｐをスタートさせ、タイマＴｐの値が、予め定めた時間Ｔｐｔｈに達した時点で、部分気筒運転を終了し、全気筒運転に切換える。
低温始動の場合（特に寒冷地での始動の場合）は、始動性能を優先させるため、クランキングから完爆まで、全気筒運転し、完爆後に部分気筒運転を開始する。

尚、燃料カットにより空気を排出させる際は、点火についてはカットしても或いは行ってもいずれでもよいが、点火カットにより生ガスを排出させる際は、燃料を供給する。
また、クランキング後にバッテリ電圧が安定するまでの第２の期間は、ここでは、時間Ｔｂｔｈにより管理したが、バッテリ電圧を検出するセンサを設けて、管理してもよい。更に、エアポンプのＯＮ後、吐出量が安定するまでの第３の期間は、ここでは、時間Ｔｐｔｈにより管理したが、エアポンプの吐出側に圧力センサを設けて、管理してもよい。

次に、始動直後の排気浄化触媒１４の早期活性化（暖機）のための制御について、図３のエアポンプのＯＮ・ＯＦＦ制御のフローチャートと、図４の全気筒運転・部分気筒運転の切換制御のフローチャートとにより説明する。尚、これらのフローはクランキングの開始と共に時間同期又は回転同期で実行される。
先ず、図３のエアポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御のフローチャートについて説明する。

Ｓ１では、触媒昇温要求があるか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサ２６により触媒温度Ｔｃを検出し、所定の活性温度より低いか否かを判定する。運転条件から触媒温度を予測して、活性・非活性を判定してもよい。触媒昇温要求がある場合、すなわち触媒１４が非活性の場合は、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、クランキング中、すなわちスタートスイッチがＯＮか否かを判定し、クランキング中の場合は、Ｓ３の処理へ進む。

Ｓ３では、二次空気供給用のエアポンプ１７をＯＦＦ状態に保持し、遮断弁１８も閉状態に保持して、リターンする。スタータモータによるクランキング中であるので、スタータモータの電源となるバッテリＢの消費を抑えるためである。
Ｓ２での判定で、クランキング中でない場合（すなわちクランキング後の場合）は、Ｓ４へ進む。

Ｓ４では、クランキング終了後の経過時間を計時するタイマＴｂの値を、バッテリ電圧が安定するまでの所定時間Ｔｂｔｈと比較して、タイマＴｂ＜Ｔｂｔｈか否かを判定し、タイマＴｂ＜Ｔｂｔｈの場合、すなわち、バッテリ電圧が安定するまでの間は、前記同様、Ｓ３の処理へ進み、二次空気供給用のエアポンプ１７をＯＦＦ状態に保持し、遮断弁１８も閉状態に保持して、リターンする。

Ｓ４での判定で、タイマＴｂ≧Ｔｂｔｈの場合、すなわち、バッテリ電圧が安定した後は、Ｓ５の処理へ進む。
Ｓ５では、二次空気供給用のエアポンプ１７をＯＮにし、遮断弁１８を開いて、リターンする。但し、エアポンプ１７をＯＮにしても、エアポンプ１７の吐出量（二次空気供給通路１６から排気ポート１５への吐出量）が定常流量に達するまでには、所定期間（所定時間）の遅れがある。

Ｓ１での判定で、触媒昇温要求がなくなった場合、すなわち触媒の暖機が終了した場合は、Ｓ６の処理へ進み、二次空気供給用のエアポンプ１７をＯＦＦにし、遮断弁１８を閉じて、リターンする。
次に、図４の全気筒運転・部分気筒運転の切換制御のフローチャートについて説明する。

Ｓ１０では、前記Ｓ１と同様、触媒昇温要求があるか否かを判定する。触媒昇温要求がある場合、すなわち触媒１４が非活性の場合は、Ｓ１１へ進む。
Ｓ１１では、完爆判定未了か否かを判定する。完爆判定はエンジン回転数Ｎｅなどから行う。完爆判定未了の場合は、Ｓ１２へ進む。
Ｓ１２では、部分気筒運転での始動を禁止する条件（部分気筒始動禁止）か否か、具体的には、エンジン冷却水温Ｔｗが所定値以下である寒冷地での低温始動か否かを判定する。部分気筒始動禁止（低温始動）の場合は、Ｓ１３、Ｓ１４の処理へ進む。

Ｓ１３では、全気筒運転で始動を行うため、各気筒の燃料噴射量、ここでは、４気筒エンジンとし、第１気筒〜第４気筒の燃料噴射量Ｔｉ１〜Ｔｉ４を、設定Ａとする。設定Ａとは、通常の始動用設定である。そして、Ｓ１４では、全気筒運転（全気筒燃焼モード）として、リターンする。
Ｓ１２での判定で、部分気筒始動禁止（低温始動）でない場合、すなわち常温始動の場合は、Ｓ１６、Ｓ１７の処理へ進む。

Ｓ１６では、部分気筒運転を行うため、運転気筒とする第１気筒及び第３気筒の燃料噴射量Ｔｉ１、Ｔｉ３を設定Ｂとする。また、休止気筒とする第２気筒及び第４気筒の燃料噴射量Ｔｉ２、Ｔｉ４を設定Ｃとする。ここで、設定Ｂとは、減筒運転するため、スロットル開度増大による空気量アップを前提に、運転気筒のトルクアップを図るための設定である。設定Ｃとは、燃料カットの場合は、Ｔｉ２＝０、Ｔｉ４＝０の設定であり、点火カットの場合は、Ｔｉ２＞０、Ｔｉ４＞０の設定である。そして、Ｓ１７では、部分気筒運転（部分気筒燃焼モード）として、リターンする。

尚、燃料カット（Ｔｉ２＝０、Ｔｉ４＝０）の場合は、排気通路にて、第１、第３気筒からの未燃分を、第２、第４気筒からの空気で燃焼させるため、Ｔｉ１、Ｔｉ３は空燃比的には強リッチ設定にする必要がある。
点火カット（Ｔｉ２＞０、Ｔｉ４＞０）の場合は、排気通路にて、第２、第４気筒からの生ガス中の燃料（及び第１、第３気筒からの未燃分）を、第２、４気筒からの生ガス中の空気で燃焼させるため、Ｔｉ１、Ｔｉ３は空燃比的にはストイキ又は弱リッチ設定にすればよい。

Ｓ１１での判定で、完爆判定未了でない場合、すなわち完爆判定後の場合は、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、エアポンプ１７ＯＮ後の経過時間を計時するタイマＴｐの値を、エアポンプ１７の吐出量（二次空気供給通路１６から排気ポート１５への吐出量）が定常流量に達するまでの所定時間Ｔｐｔｈと比較して、タイマＴｐ＜Ｔｐｔｈか否かを判定し、タイマＴｐ＜Ｔｐｔｈの場合、すなわち、エアポンプ１７の吐出量が安定するまでの間は、前記同様、Ｓ１６、Ｓ１７の処理へ進み、部分気筒運転を行う。

Ｓ１５での判定で、タイマＴｐ≧Ｔｐｔｈの場合、すなわち、エアポンプ１７の吐出量が安定した後は、Ｓ１８、Ｓ１９の処理へ進む。
Ｓ１８では、全気筒運転に切換えるため、第１気筒〜第４気筒の燃料噴射量Ｔｉ１〜Ｔｉ４を、設定Ｄとする。設定Ｄとは、排気通路にてエアポンプ１７からの二次空気によって未燃分を燃焼させて、排温を上昇させるために、必要十分な未燃分を排出できるようなリッチ設定である。そして、Ｓ１９では、全気筒運転（全気筒燃焼モード）として、リターンする。

Ｓ１０での判定で、触媒昇温要求がなくなった場合、すなわち触媒の暖機が終了した場合は、Ｓ２０、Ｓ２１の処理へ進む。
Ｓ２０では、通常運転のため、第１気筒〜第４気筒の燃料噴射量Ｔｉ１〜Ｔｉ４を、通常設定とする。そして、Ｓ２１では、全気筒運転（全気筒燃焼モード）として、リターンする。

以上説明したように、本実施形態によれば、始動直後にエアポンプ１７を作動させて排気通路１３（排気ポート１５）に二次空気を供給し、排温を上昇させる場合に、エアポンプ１７による排気通路１３への二次空気の供給が可能となるまでの期間、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、当該気筒の燃焼室１０から空気又は生ガスを排気通路１３に排出させることにより、エアポンプ１７による排気通路１３への二次空気の供給が可能となるまでという限られた期間、部分気筒運転を行って、空気又は生ガスを排出させ、これを二次空気の代わりとすることで、始動直後より排温を上昇させて、触媒１４の早期活性化を図ることができる。そして、この期間の後は、エアポンプ１７からの二次空気を用いることで、部分気筒運転の時間を短くして、振動レベルやＮＯｘの悪化を最小限に抑えることができる。

また、前記期間に、クランキング中で、エアポンプ１７を作動させることができない第１の期間を含むことにより、クランキング中の消費電力の低減（スタータモータによる始動性の向上）と、触媒暖機性能とを両立させることができる。
また、前記期間に、クランキングの終了後にバッテリ電圧が安定するまでの、エアポンプ１７を作動させることができない第２の期間を含むことにより、バッテリ電圧変動による誤動作の防止と、触媒暖機性能とを両立させることができる。

また、前記期間に、エアポンプ１７の作動開始後、吐出量が安定するまでの第３の期間を含むことにより、応答性の良くない安価なエアポンプ１７でも使用でき、コストアップを防止できる。
また、前記期間のうち、クランキング開始から完爆までは、全気筒運転し、完爆後に部分気筒運転することにより、始動性を優先させることも可能である。

また、部分気筒運転での始動を禁止する条件を予め設定し、禁止条件の場合に、前記期間のうち、クランキング開始から完爆までは、全気筒運転し、完爆後に部分気筒運転することにより、低温始動時など、限られた条件でのみ、始動性を優先させることも可能である。
最後に、運転気筒（燃焼気筒）と休止気筒（空気又は生ガスの排出気筒）との振り分けについて説明する。

図５において、運転気筒（燃焼気筒）を＃１、＃３、休止気筒（空気又は生ガスの排出気筒）を＃２、＃４とする場合、１つの運転気筒（＃１）と休止気筒（＃４）とをペアにして、これらペア気筒の排気通路（枝管）を最短距離で合流させ（Ｇ１）、また、他の運転気筒（＃３）と休止気筒（＃２）とをペアにして、これらペア気筒の排気通路（枝管）も最短距離で合流させる（Ｇ２）。この後、全体を合流させる（Ｇ３）
このように、運転気筒と休止気筒とをペアにして、ペア気筒の排気通路を他の排気通路よりも上流側で（短い距離で）合流させることにより、高温度で燃焼させ、効果的に排温を上昇させることができる。

また、エアポンプ１７から各気筒の二次空気供給通路１６への配管として、図５に示されるように、気筒列方向に延在して各気筒の排気通路（排気ポート１５）に二次空気を供給する２次空気供給用ギャラリ１９を備える場合は、この二次空気供給用ギャラリ１９の延在方向で見て、運転気筒と休止気筒とを隣り合わせるのが望ましい。すなわち、二次空気供給用ギャラリ１９の延在方向で見て、運転気筒（＃１、＃３）と休止気筒（＃２、＃４）とを交互に配置する。これにより、二次空気の供給を停止し、部分気筒運転によって、休止気筒（＃２、＃４）から空気又は生ガスを排出しているときに、この空気又は生ガスの一部を、二次空気導入ギャラリ１９から運転気筒（＃１、＃３）の排気通路に供給でき、より効果的に排温を上昇させることができる。

尚、以上の実施形態では、＃１、＃３の気筒グループと、＃２、＃４の気筒グループとに分け、一方を運転気筒（燃焼気筒）、他方を休止気筒（空気又は生ガスの排出気筒）としているが、このようにすると、点火順序が＃１→＃３→＃４→＃２の場合、燃焼−燃焼−休止−休止となって、安定性の面で不利と考えられるので、燃焼−休止−燃焼−休止となるように、＃１、＃４の気筒グループと、＃２、＃３の気筒グループとに分け、一方を運転気筒（燃焼気筒）、他方を休止気筒（空気又は生ガスの排出気筒）としてもよい。全気筒の排気通路が１点で合流する場合には、合流部に、排気と空気又は生ガスとが交互に流入するので、後燃えの点でも有利となる。

また、部分気筒運転の際に、全気筒の半数を休止させる必要はなく、少なくとも１気筒を休止させ、当該気筒から空気又は生ガスを排出させればよい。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 始動直後の触媒の早期活性化のための制御のタイムチャート エアポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御のフローチャート 全気筒運転・部分気筒運転の切換制御のフローチャート 排気系のレイアウト図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 吸気マニホールド
４ 電制スロットル弁
５ 吸気ポート
６ 燃料噴射弁
７ 吸気弁
１０ 燃焼室
１１ 点火プラグ
１２ 排気弁
１３ 排気通路
１４ 排気浄化触媒
１５ 排気ポート
１６ 二次空気供給通路
１７ 電動式エアポンプ
１８ 遮断弁
１９ 配管（ギャラリ）
２０ ＥＣＵ
２１ アクセルペダルセンサ
２２ クランク角センサ
２３ エアフローメータ
２４ 水温センサ
２５ 空燃比センサ
２６ 触媒温度センサ

Claims (8)

1. 始動直後にエアポンプを作動させて排気通路に二次空気を供給し、排気温度を上昇させる内燃機関の始動時制御装置において、
   前記エアポンプによる排気通路への二次空気の供給が可能となるまでの期間、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、当該気筒の燃焼室から空気又は生ガスを排気通路に排出させることを特徴とする内燃機関の始動時制御装置。
2. 前記期間は、クランキング中で、前記エアポンプを作動させることができない第１の期間を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の始動時制御装置。
3. 前記期間は、クランキングの終了後にバッテリ電圧が安定するまでの、前記エアポンプを作動させることができない第２の期間を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の始動時制御装置。
4. 前記期間は、前記エアポンプの作動開始後、吐出量が安定するまでの第３の期間を含む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始動時制御装置。
5. 前記期間のうち、クランキング開始から完爆までは、全気筒運転し、完爆後に部分気筒運転することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の始動時制御装置。
6. 部分気筒運転での始動を禁止する条件を予め設定し、禁止条件の場合に、前記期間のうち、クランキング開始から完爆までは、全気筒運転し、完爆後に部分気筒運転することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の始動時制御装置。
7. 運転気筒と休止気筒とをペアにして、ペア気筒の排気通路を他の排気通路よりも上流側で合流させ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始動時制御装置。
8. 気筒列方向に延在して各気筒の排気通路に二次空気を供給する２次空気供給用ギャラリを備え、この二次空気供給用ギャラリの延在方向で見て、運転気筒と休止気筒とを隣り合わせ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始動時制御装置。

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