JP2009167825A

JP2009167825A - 筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009167825A
Application number: JP2008004267A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inoue; 隆井上; Katsuhiko Miyamoto; 勝彦宮本; Takashi Kawabe; 敬川辺
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP4883319B2

Abstract

【課題】冷態始動時における触媒の迅速な活性化を図る。
【解決手段】機関始動直後の所定時間は、圧縮行程において燃焼空燃比が理論空燃比近傍のリーンとなるように筒内に燃料を噴射する圧縮スライトリーン運転を実施し、所定期間後では、一部の気筒は吸気行程において燃焼空燃比がリッチとなるように筒内に燃料を噴射するリッチリーン運転を実施する一方、他の気筒は圧縮スライトリーン運転を継続する圧縮スライトリーン運転を継続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特に始動時における排気浄化技術に関する。

多気筒の筒内噴射型内燃機関において、冷態始動時における排気浄化触媒の活性化を図るために、機関始動後に圧縮スライトリーン運転を実施するものが知られている。
圧縮スライトリーン運転は、圧縮行程において燃焼空燃比が理論空燃比よりややリーンとなるように燃料を噴射することで、筒内で成層燃焼が形成される。そして、燃料噴射時期及び点火時期を適宜制御することで、噴射した燃料を点火プラグの電極付近に集中させて局部的に空燃比をリッチとする。これにより不完全燃焼が生起されて一酸化炭素（ＣＯ）が多く発生する一方、局部的にリッチとなる領域以外では余剰酸素（Ｏ₂）が多く存在することになり、このＣＯとＯ₂とが同時に排気通路に排出される。そして、このＣＯとＯ₂とが共に排気通路を経て排気浄化触媒に達すると、触媒の作用によって酸化反応を起こし、当該反応熱により排気浄化触媒が昇温する。

また、触媒温度を上昇させる方法として、リッチリーン運転が知られている。リッチリーン運転は、多気筒の内燃機関に採用可能であって、一部の気筒の空燃比をリッチにすることで排気温度を上昇させるとともに余剰燃料（ＨＣ）を排気通路に排出させる一方、その他の気筒をリーンにすることで排気通路にＯ₂を多く排出させる。そして、このＨＣとＯ₂とが排気浄化触媒に達すると、触媒の作用によって酸化反応を起こし、当該反応熱により排気浄化触媒が昇温する（特許文献１）。
特許第３６２７５６１号公報

しかしながら、上記の圧縮スライトリーン運転では、燃焼空燃比がリーンに設定されことからＨＣの排出は抑制されるものの、燃料噴射量の増加が制約されるので、その昇温効果は限られてしまう。
一方、上記のリッチリーン運転では、冷態始動直後に排気浄化触媒の温度が大幅に低下している場合には、ＨＣが供給されても、むしろそのＨＣにより排気浄化触媒が冷却されてしまい、酸化反応が十分に行われず、ＨＣが排気浄化触媒より下流に流出してしまう虞がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、冷態始動時においてＨＣの流出を抑制しつつ排気浄化触媒を迅速に活性可能な筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、多気筒の筒内噴射型内燃機関の排気通路に設けられ、理論空燃比近傍の雰囲気下で排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、機関始動直後の所定期間では、圧縮行程において燃焼空燃比が理論空燃比近傍のリーンとなるように筒内に燃料を噴射する圧縮スライトリーン運転を実施し、所定期間後では、一部の気筒は吸気行程において燃焼空燃比がリッチとなるように筒内に燃料を噴射するリッチリーン運転を実施する一方、他の気筒は圧縮スライトリーン運転を継続する運転制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また請求項２の発明では、請求項１において、運転制御手段におけるリッチリーン運転時に燃焼空燃比をリッチにする一部の気筒の点火時期をリタードする点火時期制御手段を更に備えたことを特徴とする。
また請求項３の発明では、請求項２において、運転制御手段は、更に、リッチリーン運転において、全気筒の全体空燃比が理論空燃比近傍となるように、各気筒の筒内への燃料噴射量を制御することを特徴とする。

本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、機関始動直後の所定時間では、圧縮スライトリーン運転が行なわれるので、排気温度が上昇するとともに、排気浄化触媒へ一酸化炭素が供給されそこで酸化反応することで、触媒温度を上昇させることができる。また、圧縮スライトリーン運転では、燃焼空燃比が理論空燃比に近いリーンであるので、ＨＣの発生を抑制することができる。そして、機関始動から所定時間が経過した後は、一部の気筒でリッチ運転を行うので、余剰燃料であるＨＣが排気浄化触媒に供給される。この時点では、圧縮スライトリーン運転により排気浄化触媒の温度は若干上昇しているので、ＨＣが供給されることで、酸化反応が確実に行われ、触媒温度を大幅に上昇させることができる。したがって、冷態始動時であっても、ＨＣの流出を抑制しつつ、排気浄化触媒の迅速な活性化を図ることができる。

本発明の請求項２の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、リッチリーン運転時において燃焼空燃比をリッチにする気筒の点火時期をリタードするので、燃焼安定性を確保しつつ空気量を増大させることができ、したがって排気流量が増加して触媒温度をより迅速に上昇させることができる。
本発明の請求項３の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、リッチリーン運転時において、全気筒の全体空燃比が理論空燃比近傍となるので、排気浄化触媒における排気浄化効率を十分に確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る多気筒のエンジン（筒内噴射型内燃機関）１の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。

燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを備えた燃料供給装置（図示せず）が接続されている。詳しくは、燃料供給装置は、燃料ポンプを備えており、この燃料ポンプにより、燃料タンク内の燃料を加圧して燃料噴射弁６に供給する。
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度を検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。

また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド１２の他端には、排気管２０が接続されており、この排気管２０には排気浄化触媒３０を介してマフラー（図示せず）が接続されている。
排気浄化触媒３０は、排気中のＮＯxをＨＣ存在下で選択的に浄化する選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という）３０ａと、理論空燃比下で排気中のＮＯx、ＨＣ及びＣＯを酸化還元反応させて無害物質に浄化する三元触媒３０ｂとの２つの触媒を備えて構成されており、三元触媒３０ｂがＮＯｘ触媒３０ａよりも下流側に配設されている。

排気浄化触媒３０の下流側には排気浄化触媒３０を通った排気の温度を、排気浄化触媒装置３０の触媒温度として検出する排気温センサ３２が設けられている。
エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ１３及びエンジン冷却水の水温を検出する水温センサ１４が設けられている。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。また、ＥＣＵ４０には、タイマカウンタが設けられており、始動後の経過時間を計測する機能を有している。

ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク角センサ１３、水温センサ１４及び排気温センサ３２の他に、図示しない空燃比センサ等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射弁６や点火コイル９を介して点火プラグ４等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、スロットルセンサ１１ａ等の各種センサ類からの検出情報に基づき、目標燃焼空燃比を実現する燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等を例えばマップから読み出すことで演算して、各種出力デバイスを制御する。
また、ＥＣＵ４０（運転制御手段）は、上記スロットルセンサ１１ａ等の各種センサ類からの検出情報に基づいて設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期によって運転する通常運転の他に、圧縮スライトリーン運転及びリッチリーン運転が実現可能となっている。

圧縮スライトリーン運転は、燃焼空燃比が理論空燃比よりややリーンとなるように燃料噴射量を設定した上で、圧縮行程で燃料を噴射する。
リッチリーン運転は、一部の気筒（例えば４気筒エンジンであれば、２番、３番気筒）を燃焼空燃比がリッチ（例えば空燃比１３．５）となるように、他の気筒（例えば１番、４番気筒）を燃焼空燃比がリーン（例えば空燃比１５．５）となるように燃料噴射量を設定する。更に、このリーンに設定する気筒は、上記圧縮スライトリーン運転を採用する。また、本実施形態では、圧縮スライトリーン運転時には、全気筒の全体空燃比（排気マニホールド１２の集合部での空燃比）を理論空燃比に設定するとともに、点火時期をリタードする（点火時期制御手段）。なお、本実施形態ではリッチリーン運転におけるリッチ気筒とリーン気筒とを同数にしているが、これに限定するものではなく、少なくとも夫々１つずつあればよい。

図２は、始動時における運転モードの選択要領を示すフローチャートである。
本ルーチンはエンジン運転中、繰り返し行われる。
ステップＳ１０では、タイマカウンタから始動後経過時間Ｔを入力し、これが所定時間Ｂ内であるか否かを判別する。始動後経過時間Ｔが所定時間Ｂ内（Ｔ≦Ｂ）である場合は、ステップＳ２０に進む。所定時間Ｂは、圧縮スライトリーン運転及びリッチリーン運転の両方の設定実施時間であって、冷態始動時において排気浄化触媒３０での浄化効率が十分に確保されるのに必要な時間に設定すればよい。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０でタイマカウンタから入力した始動後経過時間Ｔが、所定時間Ａ（所定期間）内（Ｔ≦Ａ）であるか否かを判別する。始動後経過時間Ｔが所定時間Ｂ内（Ｔ≦Ｂ）である場合は、ステップＳ３０に進む。所定時間Ａは、圧縮スライトリーン運転の設定実施時間であって、冷態始動時にリッチリーン運転により供給されたＨＣが排気浄化触媒３０にて効率的に酸化される温度まで上昇するのに必要な時間に設定すればよい。

ステップＳ３０では、圧縮スライトリーン運転を選択する。そして、本制御をリターンする。
ステップＳ２０において、始動後経過時間Ｔが所定時間Ａを経過した（Ｔ＞Ａ）と判定された場合は、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、リッチリーン運転を選択する。

ステップＳ１０において、始動後経過時間Ｔが所定時間Ｂを経過した（Ｔ＞Ｂ）と判定された場合は、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、通常運転を選択する。そして本ルーチンをリターンする。
次に、図３及び図４を用いて本実施形態の作用及び効果について説明する。
図３は、始動時における運転モード、燃料噴射（終了）時期、触媒温度、排気中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度の推移を示すタイムチャートである。なお、図中実線が本実施形態を示し、破線が圧縮スライトリーン運転のみの場合を参考として示す。

図３に示すように、始動から所定時間Ａを経過するまでは圧縮スライトリーン運転を実施し、その後所定時間Ｂを経過するまではリッチ運転と圧縮スライトリーン運転とを実施する。燃料噴射（終了）時期は、圧縮スライトリーン運転時では圧縮行程で燃料噴射をするので遅角し、リッチリーン運転を開始するとリッチ運転の気筒では吸気行程で燃料噴射をすることから圧縮スライトリーン運転時での噴射時期よりは進角する。排気中のＣＯ濃度は、圧縮スライトリーン運転開始から徐々に上昇し、リッチリーン運転開始から急増する。

したがって、排気浄化触媒３０の触媒温度は、排気中のＣＯ濃度の上昇と同様に、圧縮スライトリーン運転開始から徐々に上昇し、リッチリーン運転開始から急上昇する。排気中のＨＣ濃度は、始動直後は一時的に上昇するものの、以降の圧縮スライトリーン運転及びリッチリーン運転時には低く抑えられる。
図４は、リッチリーン運転時間に伴う触媒入口温度及び触媒温度の推移を示すグラフである。図４に示すように、触媒入口温度はリッチリーン運転時間の経過に伴い上昇する。そして、触媒温度は、触媒入口温度の上昇に伴って、更に排気浄化触媒３０での酸化反応により上昇する。

以上のように、本実施形態では、始動時に圧縮スライトリーン運転をするので、排気温度が上昇するとともに、触媒へＣＯが供給されそこでＣＯが酸化反応することで、触媒温度を上昇させることができる。また、圧縮スライトリーン運転では、筒内の空燃比が理論空燃比に近いリーンであるので、ＨＣの発生を抑制することができる。
そして、経過時間Ａが経過して触媒でのＨＣの酸化能力が確保された時点で、一部の気筒でリッチ運転が実施される。したがって、ＨＣが触媒に供給され、ＨＣの酸化によってより高い昇温効果が得られる。リッチリーン運転時では、全気筒の全体空燃比が理論空燃比に設定されているので、排気浄化触媒３０（三元触媒３０ｂ）での排気浄化効率を最大限発揮させることができ、ＮＯx、ＨＣ等の有害物質を効率よく除去することができる。また、リッチリーン運転時におけるリッチ気筒では点火リタードするので、空気量が増大し触媒温度を更に上昇させることができる。

また、本実施形態では、リッチリーン運転時におけるリーン気筒では単純なリーン運転をするのではなく圧縮スライトリーン運転を継続させているので、圧縮スライトリーン運転からリッチリーン運転時に切り換えるタイミングが適正時期より早く、適正な温度に到達していない状態でリッチ気筒からＨＣが供給されたとしても、圧縮スライトリーン運転により排気浄化触媒３０の昇温効果が継続して得られ、排気浄化触媒３０でのＨＣの酸化反応を促すことができる。したがって、圧縮スライトリーン運転からリッチリーン運転への切り換えタイミングを正確にする必要がなく、切り換え制御の容易化を図ることができる。

また、バルブタイミングを制御可能なエンジンに本発明を採用する場合には、上記の制御の他に、更に圧縮スライトリーン運転時にバルブオーバーラップを大きくするように制御するとよい。このようにバルブオーバーラップを大きくすることにより、体積効率が増加するので、排気温度が上昇して排気浄化触媒３０をより迅速に活性化することができる。
また、バルブオーバーラップを大きくすることで内部ＥＧＲが増加するので、触媒温度が未だ低下している状態であっても、ＨＣの排出を低下させることができる。なお、バルブオーバーラップは過度に拡大すると燃焼悪化して逆にＨＣの増加を招いてしまうので適宜制限する必要はある。また、バルブオーバーラップを拡大する際には、排気側を大きく（排気弁の閉弁タイミングを遅く）するとよい。吸気側の開弁タイミングを早くしてバルブオーバーラップを拡大する場合と比較すると、ＨＣの排出量を抑制しつつ排気温度をより上昇させることができる。

なお、以上の実施形態では、運転モードの切り換えを始動後経過時間Ｔに基づいて行うが、排気浄化触媒３０の温度（例えば排気温センサ３２から入力した排気温）に基づいて切り換えてもよい。

本発明に係る筒内燃料噴射型エンジンの概略構成図である。本発明の実施形態に係るＥＣＵにおける運転モードの選択要領を示すフローチャートである。始動時における運転モード、燃料噴射時期、触媒温度、排気中のＨＣ濃度及び、ＣＯ濃度の推移を示すタイムチャートである。リッチリーン運転時間の経過に伴う触媒入口温度及び触媒温度の推移を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
４三元触媒
６燃料噴射弁
１４点火プラグ
４０ＥＣＵ

Claims

多気筒の筒内噴射型内燃機関の排気通路に設けられ、理論空燃比近傍の雰囲気下で排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、
機関始動直後の所定期間では、圧縮行程において燃焼空燃比が理論空燃比近傍のリーンとなるように筒内に燃料を噴射する圧縮スライトリーン運転を実施し、前記所定期間後では、一部の気筒は吸気行程において燃焼空燃比がリッチとなるように筒内に燃料を噴射するリッチリーン運転を実施する一方、他の気筒は前記圧縮スライトリーン運転を継続する運転制御手段と、
を備えたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
前記運転制御手段におけるリッチリーン運転時に前記一部の気筒の点火時期をリタードする点火時期制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
前記運転制御手段は、更に、前記リッチリーン運転において、全気筒の全体空燃比が理論空燃比近傍となるように、各気筒の筒内への燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。