JP2007332933A

JP2007332933A - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2007332933A
Application number: JP2006168963A
Authority: JP
Inventors: Shigemitsu Iizaka; 重光飯坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】触媒の温度が高いときに、さらに触媒の昇温を引き起こすことを防止しつつ、適切にノッキングの発生を抑止する。
【解決手段】エンジン１０の制御装置は、排気ガス浄化用の触媒３６の温度が所定温度を超えていると判断し、且つ、ノッキング検出手段４６からの出力信号によりノッキングの発生を検出すると、オゾン供給手段３７に混合気中にオゾンを供給させる。このとき、点火時期は遅角させない。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気通路に設けられた触媒の温度上昇を抑制しつつ、ノッキングの発生を抑止するエンジンの制御装置に関する。

従来、エンジン燃焼室内の混合気に自己着火、いわゆるノッキングが発生すると、このノッキングを抑止すべく、例えば、点火プラグによる点火時期を遅角させる制御が行われる。

また、例えば特許文献１には、筒内に直接燃料を供給する燃料供給手段と、筒内に直接オゾンを供給するオゾン供給手段とを備え、安定した自己着火燃焼を行わせるように、前記燃料供給手段と前記オゾン供給手段との双方を圧縮行程中に作動させるようにした自己着火式エンジンが開示されている。そして、この自己着火式エンジンでは、ノッキング検出手段により検出されたノッキング強度が限界値よりも高いときに、筒内に供給させるオゾン量を減少させるようにしている。

他方、特許文献２には、オゾンを添加して燃料を改質して、その改質した燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関において、機関回転速度または負荷が増大するにしたがって、筒内に噴射された燃料の点火時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止するようにすることが開示されている。

特開２００２−３０９９４１号公報特開２００３−９０２３９号公報

ところで、ノッキングが発生し得る運転領域は、概して高負荷側にあり、この運転領域での運転では一般的に排気ガスの温度が高い。それ故、この運転領域で運転をしているときは、排気通路に設けられている、排気ガス浄化用の触媒はその活性化温度にまで加熱されていることが多い。このようなときに、ノッキングの発生を抑止すべく点火時期が遅角されると、さらに後燃えにより排気ガスの温度が上昇することになるので、触媒が過度に加熱され、触媒の劣化が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、触媒の劣化を生じさせずに、適切にノッキングの発生を抑止するエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るエンジンの制御装置は、エンジンの排気通路に設けられた触媒の温度を検出または推定する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出または推定された前記触媒の温度が所定温度を超えているか否かを判定する温度判定手段と、前記エンジンにおけるノッキングの発生を検出または推定するノッキング検出手段と、混合気中にオゾンを供給するオゾン供給手段と、前記温度判定手段により前記触媒の温度が前記所定温度を超えていると判定され、且つ、前記ノッキング検出手段によりノッキングの発生が検出または推定されたとき、前記オゾン供給手段にオゾンを供給させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、触媒の温度が所定温度を超えていると判定され、且つ、ノッキングの発生が検出または推定されたとき、オゾン供給手段により混合気中にオゾンが供給されることになる。したがって、混合気の燃焼が促進され、火炎が迅速に広がるので、ノッキングの発生を防ぐことが可能になる。また、混合気中にオゾンを供給することだけでノッキングの発生が抑止されるので、後燃えが生じることなく、触媒の過度の加熱を防ぎ、触媒の劣化を防ぐことが可能になる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。本実施形態のエンジンの制御装置が適用された車両のエンジンシステムの概念図を図１に示す。

本実施形態のエンジン１０は４つの気筒１２を有して構成されている。このエンジン１０を稼働させるために、吸気口から吸入された空気（吸気）は、エアクリーナ１４を介して吸気通路１６に導入される。その空気は、スロットルバルブ１８の開度によりその流量が調整されつつサージタンク２０に流入し、各気筒１２に対応して分岐形成された吸気マニホルド２２に分流する。この吸気マニホルド２２には燃料噴射弁２４が配設されている。燃料噴射弁２４により噴射された燃料は分流した空気と混合されて混合気となり、各気筒１２における上部中央に点火プラグ２６が配設された燃焼室２８に吸入される。なお、吸気通路１６は、サージタンク２０、吸気マニホルド２２、およびそれらよりも上流側に接続された吸気管２９などにより形成されている。

各気筒１２の燃焼室２８で、混合気は点火プラグ２６により点火され、その点火により生じた火炎が混合気の全体に次第に伝播し、通常では、混合気の全体が燃焼する。燃焼により生じた排気ガスは、各気筒１２に対応して分岐形成された排気マニホルド３０に排出される。排気ガスは、排気マニホルド３０と共に排気通路３２を区画形成する排気管３４の途中に配設された触媒コンバータ３６を通過することで、浄化されて、大気中に排出される。

触媒コンバータ３６は、排気ガス浄化触媒が充填されたものである。排気ガス浄化触媒として用いられる三元触媒は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの酸化触媒と、ロジウム（Ｒｈ）などの還元触媒と、セリア（ＣｅＯ₂）などの助触媒などで構成される。そして、酸化触媒の作用により排気ガスに含まれるＣＯやＨＣが水（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）に浄化され、還元触媒の作用により排気に含まれるＮＯｘが窒素（Ｎ₂）や酸素（Ｏ₂）などに浄化される。

さらに、オゾン供給手段３７が、混合気中にオゾン（Ｏ₃）を供給する、すなわち、燃焼前の混合気中にオゾンが含まれるようにオゾンを供給するべく、設けられている。オゾン供給手段３７は、本実施形態ではスロットルバルブ１８よりも下流側にオゾンを供給する。具体的には、オゾン供給手段３７は、オゾンを必要に応じて発生するオゾン発生装置３８を備えている。オゾン発生装置３８は、ポンプ、放電器およびパルス電源を含んで構成され、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）４２の制御出力によって動作させられる。オゾン発生装置３８は、放電器内に、塵埃などを除去しつつ、ポンプによって外部から空気を取り込み、パルス電源からの給電により放電器内の一対の電極間にコロナ放電を生じさせる。これによりコロナ放電が放電器内の空気に作用し、酸素活性成分の一種であるオゾンが発生させられる。より詳細には、空気中の酸素分子（Ｏ₂）に電子が衝突して酸素原子が生じ、この酸素原子が酸素分子と結合してオゾンが生成される。このようにして生成されたオゾンは、前述のオゾン発生装置３８と共にオゾン供給手段３７を構成するノズル形状をした吐出管４４から吸気通路１６に供給されて、エアクリーナ１４を介して供給された空気と混ぜられる。ただし、オゾン発生装置３８では、所定量のオゾンを、特に本実施形態では一定量のオゾンを発生供給するように、放電器への供給電力等が適正値に制御される。また、パルス電源は、本実施形態において、クランクシャフトの回転を利用して、すなわちエンジン１０からの動力によりオルタネーターで発電された電気が蓄えられたバッテリーを含んで構成されている。

燃料噴射制御、点火時期制御、オゾン供給制御等を行うべく、ＥＣＵ４２が前述の如く備えられている。ＥＣＵ４２は、ＣＰＵと、種々のプログラムやデータを記録するＲＯＭやＲＡＭと、入力インタフェース回路と、出力インタフェース回路とを備えるマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェース回路には、シリンダブロック４４に伝わるノッキングによる高周波振動を検出するためのノックセンサ４６、スロットルバルブ１８よりも下流側の吸気圧を検出するための吸気圧センサ４８、スロットルバルブ１８の開度を検出するスロットル開度センサ５０、アクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ５２、エンジン１０の回転数を検出するための回転数センサ５４、触媒コンバータ３６の排気ガス浄化触媒の温度（触媒温度）を検出するための温度センサ５６、シリンダブロック４４に設けられていてエンジン１０の冷却水の温度を検出する水温センサ５８などが電気配線を介して接続されている。なお、本実施形態では、回転数センサ５４として、シリンダブロック４４に設けられていて、連接棒を介してピストンが連結されているクランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサを用いている。そして、ＥＣＵ４２の出力インタフェース回路は、燃料噴射弁２４、点火プラグ２６、つまり、点火プラグ２６に火花を発生させるイグナイタ、オゾン発生装置３８、そして、スロットルバルブ１８を開閉可能にするスロットルアクチュエータ６０などに接続されていて、上記各種センサ等により得られたデータに基づき、それらの作動が制御可能にされている。

ところで、上記触媒コンバータ３６における排気ガス浄化触媒は、それが有効に機能するためには、例えば４００℃から６００℃の加熱状態が必要である。しかしながら、その触媒温度がそのような活性化温度を超える、例えば８００℃を越えるような温度に達すると、触媒機能が劣化してくるという問題がある。そこで、以下に説明するように、触媒温度が、そのような触媒劣化が生じる可能性のある、予め定められた所定温度を越える温度になるのを防ぎつつ、ノッキングの発生を抑止する制御が行われる。

まず、温度センサ５６からの出力信号に基づいて得られる触媒温度が上記所定温度を超えていないときについて説明する。なお、この所定温度は、例えば７００℃である。エンジン１０のＥＣＵ４２は、吸気圧センサ４８からの出力信号に基づいて得られる吸気圧および回転数センサ５４からの出力信号に基づいて得られるエンジン回転数などに基づいて、エンジン１０の状態を総合的に判定し、予めＲＯＭに記憶されているデータをそれらで検索することで得られる基本点火時期を、暖機補正、ノッキング補正などによって進角補正あるいは遅角補正を行って最適な点火時期を決定している。そして、イグナイタに点火信号を送ることによって、決定された点火時期での混合気への点火を実行している。

このときの点火時期制御では、ノッキングが生じた、あるいは生じる可能性が高いときにはノッキングの発生を抑止するべく、遅角制御（ノック制御：ＫＣＳ）が行われる。この制御では、ノッキングの発生をノックセンサ４６からの出力信号に基づいて判断し、ノッキングが発生していない状態では所定角度ずつ進角し、ノッキングが発生した場合には、所定角度ずつ遅角し、ノッキングが発生するか否かの境界領域でエンジン１０を運転するように点火時期が設定される。したがってエンジン１０は点火時期を逐次学習補正しており、こうして得られた点火時期に基づいて、イグナイタへ作動信号が出力される。なお、本実施形態では、このようなとき、オゾン発生装置３８にオゾンを発生させないようにＥＣＵ４２はオゾン発生装置３８を制御しているので、オゾンが吸気通路１６に至ることはない。

他方、触媒温度が上記所定温度を超えているときについて説明する。このときの点火時期制御でも、基本的には同様に、上述の如く基本点火時期が求められ、これに基づいて点火時期が決定される。しかしながら、このように触媒温度が高いときに、ノッキングによる高周波振動がノックセンサ４６を用いて検出されると、すなわちノッキングが発生すると、上記基本点火時期に点火時期が固定される点火時期制御が行われると共に、ノッキングを防止すべく、オゾン発生装置３８に所定量のオゾンを発生させる、オゾン供給制御が行われる。この結果、所定量のオゾンが吸気通路１６に供給されることになる。これに伴い、吸入空気量の増大を防ぐべく、そのオゾンの供給量に相当する量の空気を減じるようにスロットルバルブ１８の開度を絞るべく、スロットルアクチュエータ６０への制御が行われる。ノッキングが生じるときは、一般に、エンジン１０は高回転あるいは高負荷の所定の運転状態であるので、スロットルバルブ１８は全開にされている。本実施形態では、オゾン供給量は一定の所定量に決定されているので、スロットルバルブ１８を絞る程度は対応する量に予め決められてＲＯＭに記憶されている。したがって、触媒温度が上記所定温度を超えていて、ノッキングが発生したときには、所定量のオゾンを供給すると共に、この所定量に対応する吸入空気量分、スロットルバルブ１８が絞られる。オゾン供給により、燃焼室２８の混合気は化学的に活性となる。したがって、混合気における火炎伝播が促進され、混合気の燃焼が迅速に生じることになる。その結果、点火から燃焼が完了するまでの時間が短縮される。このときの火炎は、例えば、圧縮上死点前１０°での点火で生じ、圧縮上死点にピストンが至る前に適切に伝播するので、燃焼室２８端部などで混合気が高圧且つ高温の状態になって自着火してノッキングが生じることは防止されることになる。

このようなノッキングを防ぐ制御の一連の流れを、概念的に図２に示す。以下、図２に基づいて説明する。

概略的に、ＥＣＵ４２は、まず触媒温度が上記所定温度を超えているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。そして、触媒温度が所定温度を超えていないと判断されると、ノッキングが発生しているか否かが判定される（ステップＳ２０３）。ノッキングが発生していないと判断されると、ノッキングの発生を防止するための点火時期遅角制御が停止されると共に（ステップＳ２０５）、オゾン供給が停止される（ステップＳ２０７）。他方、ノッキングが発生していると判断されると（ステップＳ２０３）、オゾン供給が停止され（ステップＳ２０９）、点火時期を遅角させる制御が行われる（ステップＳ２１１）。したがって、触媒温度が所定温度を超えていないときに、ノッキングが発生すると、点火時期を遅角させることが行われる。これにより、適切にノッキングの発生を抑止することが可能になる。

一方、触媒温度が所定温度を超えていると判断されると（ステップＳ２０１）、上記ステップＳ２０３と同様にノッキングが発生したか否かが判定される（ステップＳ２１３）。ノッキングが発生していないと判断されると（ステップＳ２１３）、オゾン供給が停止されると共に（ステップＳ２１５）、ノッキングの発生を防止するための点火時期遅角制御が停止される（ステップＳ２１７）。他方、ノッキングが発生していると判断されると（ステップＳ２１３）、点火時期遅角制御が停止され（ステップＳ２１９）、オゾン供給が実行される（ステップＳ２２１）。したがって、触媒温度が所定温度を超えていて、且つノッキングが発生したときには、混合気中にオゾンを供給することだけが行われる。これにより、適切にノッキングの発生を抑止することが可能になる。また、このときには、オゾンを供給するのみでノッキングの発生が抑止されるので、混合気の後燃えが生じない。したがって、触媒温度のさらなる上昇を抑止することが可能になる。

なお、ステップＳ２０５、Ｓ２１７、Ｓ２１９でのノッキングの発生を防止するための点火時期遅角制御の停止、およびステップＳ２０７、Ｓ２０９、Ｓ２１５でのオゾン供給の停止は、いずれも既にそれらが停止されているのであれば、その停止状態を維持することを意味している。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、これは本発明を限定しない。上記実施形態では、触媒温度が所定温度を超えていて、ノッキングの発生が検出されたとき、一定量のオゾンを供給することにしたが、このときは種々の因子に基づいてオゾン供給量を可変としても良い。例えば、触媒温度が所定温度を超えているとき、ノックセンサ４６からの出力信号に応じてノック判定レベルを判断し、ノック判定レベルが上がる、すなわちノッキングの程度が増すにつれて、オゾン供給量を増大させるようにしても良い。

上記実施形態では、オゾン供給手段３７を、吸気通路１６にオゾンを供給するように設けることにしたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、混合気にオゾンを供給すべく、吸気ポート、吸気マニホルド、それよりも上流側の吸気管などの任意の箇所にオゾン供給手段を設けることを含むものである。例えば、既に燃焼室２８に取り込まれた吸気中にオゾンを供給することにしても良く、さらには、燃焼室２８で既に形成されている混合気中に、オゾンを供給することにしても良い。つまり、本発明は、オゾン供給手段を吸気通路１６の途中にオゾンを供給するように設けるのみならず、燃焼室２８に直接にオゾンを供給するように設けることを排除するものではない。

また、オゾン供給手段は、上記実施形態に限定されず、他のオゾンを発生供給する装置であっても良い。例えば、エアクリーナを経た空気が内部を通過するように、吸気通路にオゾン供給手段として反応器を設けることにしても良い。より具体的には、吸気通路を形成する絶縁体ケースと、このケースの中心軸に沿って配置される中心電極と、この中心電極に金属結線で繋がった高電圧電源とを備える反応器を吸気通路の途中に設けることとしても良い。そして、中心電極に所望の高電圧を印加するべく、高電圧電源を制御することで、吸気通路を流れる空気に放電して、その吸入空気中にオゾンを生成供給することができる。

また、上記実施形態では、オゾンをノッキングを回避するときのみ供給することにしたが、本発明はこれ以外のときにオゾンを供給することを排除するものではない。例えば、エンジン始動時に、そのときの燃焼を改善すべく、オゾンを供給することにしても良い。
また、上記実施形態では、本発明が適用されるエンジンを、吸気ポート噴射形式の火花点火機関としたが、それ以外の筒内噴射形式の火花点火機関や、圧縮点火機関としても良い。

さらに、上記実施形態では、触媒温度を、温度センサ５６からの出力信号に基づいて求める、すなわち検出することにしたが、他の方法により触媒温度を検出あるいは推定するようにしても良い。例えば、水温センサ５８からの出力信号に基づいて得られるエンジン１０の冷却水温で予め記憶されているデータを検索して、触媒温度を推定するようにしても良い。あるいは、エンジン１０の運転状態に基づいて、すなわちエンジン回転数および／またはエンジン負荷に基づいて予め記憶しておいたデータを検索することで触媒温度を推定するようにしても良い。

また、上記実施形態では、ノッキング検出手段としてノックセンサを用いたが、他の方法によりノッキングの発生を検出あるいは推定するようにしても良い。例えば、高負荷領域に位置する所定の運転状態であるときは、ノッキングの発生が推定されるとして、上記の如く、ノッキングを防ぐための制御が行われても良い。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本実施形態のエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの概念図である。ノッキングを防ぐ制御の一連の流れを概念的に表したフローチャートの一例である。

符号の説明

１０エンジン
１６吸気通路
１８スロットルバルブ
２０サージタンク
２２吸気マニホルド
２４燃料噴射弁
２６点火プラグ
２８燃焼室
３０排気マニホルド
３２排気通路
３６触媒コンバータ
３７オゾン供給手段
３８オゾン発生装置
４４吐出管
４６ノックセンサ
４８吸気圧センサ
５０スロットル開度センサ
５６温度センサ
５８水温センサ

Claims

エンジンの排気通路に設けられた触媒の温度を検出または推定する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出または推定された前記触媒の温度が所定温度を超えているか否かを判定する温度判定手段と、
前記エンジンにおけるノッキングの発生を検出または推定するノッキング検出手段と、
混合気中にオゾンを供給するオゾン供給手段と、
前記温度判定手段により前記触媒の温度が前記所定温度を超えていると判定され、且つ、前記ノッキング検出手段によりノッキングの発生が検出または推定されたとき、前記オゾン供給手段にオゾンを供給させる制御手段と、
を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。