JP2006299936A - 内燃機関の排気装置および内燃機関の制御方法 - Google Patents

内燃機関の排気装置および内燃機関の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】暖機完了に伴い流路切換弁５が開いたときのトルク段差および触媒入口での排気空燃比の一時的なリーン化を防止する。
【解決手段】排気ポート２にメイン通路３が接続され、下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置される。メイン通路３の途中に、該メイン通路３を開閉する流路切換弁５が設けられている。メイン通路３から通路断面積の小さなバイパス通路７が分岐し、その途中に小型のバイパス触媒コンバータ８が介装される。冷間始動直後は、バイパス通路７側に排気が案内され、排気浄化がなされる。暖機完了に伴い流路切換弁５が開くときに、排圧の減少によりトルク段差が生じるので、点火時期の遅角や吸入吸気量の減少補正を行う。流路切換弁５が開くと、メイン通路３に滞留していた空気に近いガスが触媒４に流入するので、燃料噴射量の増量を行い、排気空燃比のリーン化を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした排気装置に関し、特に、その流路切換弁切換時の補正制御に関する。
従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。
そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報
上記のような構成においては、メイン触媒コンバータの暖機が完了してメイン流路側へ排気が流れるように切換弁が切り換えられたときに、通路抵抗となるバイパス触媒コンバータを通らずに排気が流れることから、排圧が急激に低下し、トルク段差（具体的にはトルクの上昇）が発生する。また、切換弁がメイン流路を開いたときに、メイン流路内に滞留していた空気に近い希薄な排気ガスが下流のメイン触媒コンバータに流れ込むので、メイン触媒コンバータにおける排気空燃比が一時的にリーンとなり、三元触媒による排気浄化性能が一時的に低下する。
そこで、この発明は、排気装置として、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えた構成において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに点火時期を一時的に遅角側に補正するようにした。
これにより、内燃機関のトルクが一時的に低下し、トルク段差が緩和される。
例えば、上記流路切換弁が開状態にあるときのメイン通路の通路抵抗は、バイパス通路の通路抵抗よりも小さい。この場合、流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わったときの排圧変化は大きいが、点火時期の遅角補正により、トルク段差を応答性よく抑制できる。
トルク段差の緩和のために、さらに、スロットル弁開度を一時的に減少補正するようにしてもよい。
あるいは、排気還流量を一時的に増加補正するようにしてもよい。
また、メイン通路に滞留していた空気に近い希薄な排気ガスのメイン触媒コンバータへの流入による排気浄化性能の低下を回避するために、さらに、燃料供給量を一時的に増加補正するようにしてもよい。
例えば、流路切換弁が開いたときのメイン触媒コンバータ入口での排気空燃比のリーン化を相殺するように、吸入空気量に基づく機関空燃比をリッチ側に補正する。
これにより、流路切換弁がメイン通路を開いたときの排気空燃比のリーン化が回避されて、排気空燃比が理論空燃比相当に維持され、良好な排気浄化性能が得られる。
本発明の一つの態様では、流路切換弁の開度の増加に応じて各々の補正量が大となる。そして、流路切換弁が完全に開状態に切り換わった後、補正量は再び減少する。
この発明によれば、メイン通路とバイパス通路との流路切換のためにメイン通路側を開閉する流路切換弁が閉状態から開状態に切り換わったときに、排圧変化による大きなトルク段差を生じることがなく、また、メイン触媒コンバータの排気浄化性能の一時的な低下を回避できる。つまり運転性や暖機後の排気浄化性能に悪影響を与えずに、冷間始動直後の排気浄化性能の向上を図ることができる。
以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、この排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。
シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。
一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側に合流点１２において（流路切換弁５が合流点１２より上流側となるように）接続されている。
なお、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。
このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。
一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。
ここで、上記のように流路切換弁５がメイン通路３を開放したときに、メイン通路３の通路抵抗が小さいことから、排圧が急激に低下し、そのままではトルク段差つまりトルクの上昇）が発生する。また、流路切換弁５がメイン通路３を開いたときに、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの間に滞留していた空気に近い希薄な排気ガスが下流のメイン触媒コンバータ４に流れ込むので、メイン触媒コンバータ４における排気空燃比が一時的にリーンとなり、三元触媒による排気浄化性能が一時的に低下してしまう。
そこで、この発明では、流路切換弁５が開くときに、点火時期の遅角等によりトルク段差を緩和するとともに、燃料噴射量の増量により排気空燃比のリーン化を抑制する。
図２は、このような種々の動作を説明するためのタイムチャートであり、この例では、定常運転中に流路切換弁５が開く例を示している。なお、図中、破線は本発明の制御を加えない場合の特性であり、実線は本発明の制御を行った場合の特性である。（ａ）のように暖機が完了した段階で流路切換弁５が開き、（ｂ）のように排圧が減少する。これにより、メイン触媒コンバータ４入口でのガス流量は、（ｃ）のように増加する。ここで、特に、（ｃ）の斜線を施して示す部分は、メイン通路３の分岐点６から合流点１２までの間に滞留していたガスによる増加分である。このような変化に対し、本実施例では、（ｅ）の実線のように点火時期が一時的に遅角補正される。同時に、吸気通路における図示せぬ電子制御型スロットル弁の開度が一時的に減少補正され、これにより、（ｄ）の実線のように、吸入吸気量が減少する。また同時に、図示せぬ排気還流装置における排気還流率が（ｆ）の実線のように増加補正される。これらの補正によって、内燃機関の発生トルクは、（ｇ）の実線のように、トルク段差のない平坦な特性となる。
さらに、燃料噴射量が（ｉ）の実線のように一時的に増量補正され、この結果、メイン触媒コンバータ４入口での排気空燃比は、（ｈ）の実線のように平坦な特性となる。つまり、機関の燃焼室における空燃比は一時的に理論空燃比よりもリッチとなり、滞留していた空気に近いガスの影響を相殺する。これにより、メイン触媒コンバータ４の三元触媒による良好な排気浄化性能が得られる。
次に、図３は、図２と同様のタイムチャートであるが、特に、内燃機関の緩加速中に流路切換弁５が開いた場合の例を示している。この場合も前述した図２の例と同様であり、点火時期の遅角、吸入吸気量の抑制、排気還流率の上昇、によってトルク段差が緩和され、（ｇ）の実線のように、運転者の要求に沿って緩やかにトルクが上昇していく。また、燃料噴射量の増量により、メイン触媒コンバータ４入口での排気空燃比のリーン化が抑制される。
一方、上記流路切換弁５は、上述したように、基本的に、メイン触媒コンバータ４が暖機つまり活性化したことに応答して閉状態から開状態に切り換えられるのであるが、メイン触媒コンバータ４が活性化する前であっても、要求負荷が所定レベルを越えた場合には、通気抵抗によるトルク低下を回避するために、開状態に切り換えられる。図４は、その一例を示すタイムチャートであって、（ａ）エンジン回転数、（ｂ）車速、（ｃ）アクセル開度、（ｄ）スロットル弁開度、（ｅ）メイン触媒コンバータ４の触媒活性判定フラグ、（ｆ）流路切換弁５の開許可フラグの状態、（ｇ）流路切換弁５の開度、を対比して示している。図示するように、スロットル弁開度（あるいはアクセル開度）がある開度以上となったら、触媒活性前であっても、開許可フラグが１となり、流路切換弁５が開く。従って、排圧が低下し、要求トルクが確保される。また、このような高負荷状態が検出されない場合には、触媒が活性したことを示す触媒活性判定フラグが１となった時点で、破線で示すように、流路切換弁５が開く。
この発明に係る排気装置全体の配管レイアウトを示す構成説明図。 定常運転中に流路切換弁が開く場合の本発明の制御の例を示すタイムチャート。 緩加速中に流路切換弁が開く場合の本発明の制御の例を示すタイムチャート。 負荷上昇により流路切換弁が開くことを説明するタイムチャート。
符号の説明
３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…合流点

Claims (8)

  1. メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
  2. 上記流路切換弁が開状態にあるときのメイン通路の通路抵抗は、バイパス通路の通路抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
  3. メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路の上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えた排気装置を有する内燃機関において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに点火時期を遅角側に補正することを特徴とする内燃機関の制御方法。
  4. さらに、スロットル弁開度を減少補正することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御方法。
  5. さらに、排気還流量を増加補正することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御方法。
  6. さらに、燃料供給量を増加補正することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  7. 流路切換弁が開いたときのメイン触媒コンバータ入口での排気空燃比のリーン化を相殺するように、吸入空気量に基づく機関空燃比をリッチ側に補正することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御方法。
  8. 流路切換弁の開度の増加に応じて各々の補正量が大となることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
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