JP2012067623A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化用の三元触媒とＥＧＲシステムとを利用した簡素な構成で、水素を吸気通路へ供給してノッキングの発生を抑制し、かつ、混合気の当量比を制御することで水素供給量を調整可能とする。
【解決手段】所定条件下で水性ガスシフト反応により水素が生成される三元触媒１３と、この三元触媒１３よりも下流側の排気通路１２からＥＧＲ通路１９を通して排気ガスの一部を吸気通路１１へ還流し、そのＥＧＲ率を機関運転状態に応じて制御するＥＧＲシステム１８と、を有する。ＥＧＲ領域では、三元触媒１３で生成された水素の一部が、ＥＧＲ通路１９を通して排気ガスとともに吸気通路１１側へ供給されるように構成されている。この吸気通路１１側への水素供給量を適正化するように、ＥＧＲ率と触媒温度とに基づいて混合気の当量比を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１では、排気ガスの一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲシステムを改良したものとして、還流する排気ガス（ＥＧＲガス）に燃料の一部を加えた混合ガスを、排気ガスの熱を利用して加熱するとともに、改質触媒を通すことで吸熱改質反応を行わせて、水素を含む改質ガスに改質し、この改質ガスを吸気通路に還流するものが記載されている。このものでは、ノッキング発生時には、点火時期の遅角度合いにあわせて改質ガスの還流量を増大して、燃費の悪化を防いでいる。

特開２００４−９２５２０号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、排気ガスに燃料を供給する噴射弁や、改質ガスを生成するための改質触媒などを設ける必要があるために、部品点数が多くなってシステムが複雑化し、重量増加や大型化を招いてしまう。また、排気ガスに供給する燃料の分、燃費が悪化する。

そこで本発明では、三元触媒等の排気浄化用の触媒を利用して水素を生成し、この水素をＥＧＲシステムを利用して排気ガスとともに吸気通路へ供給できるように構成し、かつ、シリンダ内へ供給する混合気の当量比を制御することによって、水素供給量を調整可能なものとした。

すなわち本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、所定条件下で水性ガスシフト反応により水素が生成される触媒と、この触媒よりも下流側の排気通路からＥＧＲ通路を通して排気ガスの一部を吸気通路へ還流し、かつ、そのＥＧＲ率を機関運転状態に応じて制御するＥＧＲシステムと、を有する内燃機関の制御装置において、上記排気ガスの一部を吸気通路へ還流するＥＧＲ領域では、上記ＥＧＲ通路を通して吸気通路側へ供給される水素供給量を適正化するように、上記ＥＧＲ率に応じて燃焼室内の混合気の当量比を制御する当量比制御手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、ＥＧＲ領域においては、触媒で生成された水素の一部が、ＥＧＲシステムにおけるＥＧＲ通路を通して排気ガスの一部とともに吸気通路側へ供給されるように構成されており、この水素によって、燃料の自着火を抑制することでノッキングの発生を抑制することができ、また、水素の添加により燃焼が速くなるために、燃焼を緩慢とするＥＧＲ率（ＥＧＲ量）を増大して、燃費向上を図ることができる。

特に、排気通路に設けられた触媒が生成する水素の一部を、ＥＧＲ通路を通して吸気通路側へ供給する構成であるため、吸気通路側への水素供給量は、ＥＧＲ率によって変動する。つまり、ＥＧＲ率が高くなるほど、ＥＧＲ通路を通して吸気通路側へ供給される水素の供給量も多くなり、逆に、ＥＧＲ率が低くなるほど水素供給量が少なくなるのだが、本発明では、ＥＧＲ率に応じて混合気の当量比を制御することによって、吸気通路側への水素供給量を適正化できる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一例を示すシステム構成図。 本発明の一実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 ＥＧＲ率の設定マップを示す特性図。 第１運転領域における当量比の設定マップを示す特性図。 第２運転領域における当量比の設定マップを示す特性図。 要求トルクに応じたＥＧＲ率と当量比の２つの設定例（Ａ），（Ｂ）を示す説明図。 同じく要求トルクに応じたＥＧＲ率と当量比の２つの設定例（Ａ），（Ｂ）を示す説明図。 同じく要求トルクに応じたＥＧＲ率と当量比の設定例を示す説明図。 同じく要求トルクに応じたＥＧＲ率と当量比の設定例を示す説明図。 同じく要求トルクに応じたＥＧＲ率と当量比の設定例を示す説明図。

図１は、本発明の一実施例に係る制御装置が適用される内燃機関のシステム構成を簡略的に示している。この内燃機関１０は、燃料噴射弁３１により吸気通路１１もしくはシリンダ内に噴射供給した燃料と空気の混合気を点火プラグ３２により点火する、ガソリン内燃機関に代表される火花点火式内燃機関である。

この内燃機関１０の排気通路１２には三元触媒１３が設けられている。この三元触媒１３は、周知のように白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属を用い、理論空燃比の近傍で排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を還元・酸化作用によって同時に除去するものである。

この内燃機関１０には、排気エネルギーにより吸気を過給するターボ過給機１４が設けられている。このターボ過給機１４は、排気通路１２に設けられて排気ガスのエネルギーによりロータ１５を回転駆動する排気タービン１６と、排気タービン１６と背中合わせにロータ１５に固定されて、ロータ１５の回転に伴って吸気通路１１内の吸気を過給するコンプレッサ１７と、を有している。

また、三元触媒１３よりも下流側の排気通路１２より排気の一部を取り出して吸気通路１１へ還流するＥＧＲシステム１８が設けられている。すなわち、三元触媒１３の下流側の排気通路１２とコンプレッサ１７の上流側の吸気通路１１とを結ぶＥＧＲ通路１９には、機関運転状態に応じて排気ガスのＥＧＲ率（筒内に流入する排気ガス量を筒内に流入する空気量と排気ガス量の合計で割った値）を調整するＥＧＲ弁２０と、高温の排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ２１と、が設けれている。また、後述する補助触媒２２をＥＧＲ通路１９に設けるようにしても良い。

吸気通路１１には、吸入空気量を調整するスロットル弁２３が設けられるとともに、このスロットル弁２３の下流側に、吸気を冷却するエアクーラ２５と吸気コレクタ２６とを一体化した吸気モジュール２４が内燃機関１０の吸気側に取り付けられている。

制御部３０は、各種制御を記憶及び実行するものであり、各種センサにより検出される機関運転状態を表す信号、つまりアクセル開度、機関回転速度、機関温度等に基づいて、上記のスロットル弁２３やＥＧＲ弁２０の他、吸気通路１１もしくはシリンダ内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁３１や、燃焼室に設けられた点火プラグ３２等へ制御信号を出力し、スロットル開度、ＥＧＲ率、燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期等を制御する。

ここで、上記の三元触媒１３においては、その触媒温度が規定温度よりも低い低温側の温度レンジ（例えば、２５０〜７００℃）で、この三元触媒１３に供給される排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側にすることで、三元触媒１３に一酸化炭素（ＣＯ）を供給して、触媒上に残る水分（Ｈ２Ｏ）との間に水素生成側への水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２）が生じ、水素（Ｈ２）が生成される。なお、７００℃を超えるような高温側の温度レンジでは、上記の水素生成側とは逆の反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ← ＣＯ２＋Ｈ２）となるものの、一般的な内燃機関に使用状況ではこのような高温域となることはない。

そして本実施例においては、ＥＧＲ弁２０を開いて排気ガスの一部を吸気通路１１へ還流するＥＧＲ領域において、水性ガスシフト反応により三元触媒１３で水素を生成させて、この水素の一部をＥＧＲ通路１９を通して排気ガスとともに吸気通路１１側へ供給するように構成している。そして、この吸気通路１１側への水素供給量が機関運転状態に応じて適正なものとなるように、ＥＧＲ率に基づいて混合気の当量比（理論空燃比を混合気の空燃比で割った値）、具体的には燃料噴射量を制御することによって、三元触媒１３が生成する水素の量を調節している（当量比制御手段）。

このように、吸気通路１１側へ排気ガスとともに適切な量の水素を供給することで、自着火を抑制し、ノッキングの発生を抑制することができる。このため、例えばノッキングの発生を回避するための点火時期の遅角を抑え、燃費を向上することができる。また、ＥＧＲ率を増大していくと燃焼が緩慢となって燃焼安定性が低下するものの、水素を添加することによって、燃焼が速くなり、その分、燃焼安定性を確保しつつＥＧＲ率（ＥＧＲ量）を増大することができる。

図２は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは上記の制御部３０により記憶及び実行される。ステップＳ１１では、各種センサにより検出される機関運転状態、つまり運転者により操作されるアクセルペダルのアクセル開度、機関回転速度、三元触媒１３の触媒温度等を読み込む。触媒温度は、センサを設けて直接的に検出してもよく、あるいは機関水温や機関運転状態から推定するようにしても良い。

ステップＳ１２では、機関回転速度Ｎｅと機関要求トルク（負荷）Ｔｅとに基づいて、例えば図３に示すような予め設定されたＥＧＲ率設定マップを参照して、ＥＧＲ率を設定する。図３に示すように、この実施例においては、過給領域に対応する高負荷側の領域を、ＥＧＲ率を０より大きくしてＥＧＲガスを吸気通路へ還流するＥＧＲ領域Ｒ０としている。このように高負荷側の過給域でＥＧＲを行うことで、ＮＯｘの排出を抑制するとともに、過給による排気温度の上昇を抑制し、三元触媒１３等の劣化を防止し、また排気温度抑制のための燃料増量を抑えることで燃費向上を図ることができる。なお、低中負荷域においては、例えば公知の可変動弁装置を用いて吸気弁や排気弁の開閉時期を制御することで、シリンダから排出した排気ガスをシリンダ内に戻す、いわゆる内部ＥＧＲを付与するようにしている。

ステップＳ１３では、上述したように、三元触媒１３で生成した水素を、ＥＧＲ通路１９を経由して吸気通路１１へ供給する運転領域であるか否かを判定する。具体的には、過給域におけるＥＧＲ領域Ｒ０であるかを判定する。

水素供給領域でない、つまりＥＧＲ領域Ｒ０ではない低・中負荷領域であれば、ステップＳ１４へ進み、水素添加を考慮することなくシリンダ内へ供給する混合気の当量比（理論空燃比を供給された混合気の空燃比で割った値）を設定する。この実施例では、三元触媒１３による所期の排気浄化性能を得るために、低・中負荷域における当量比は理論空燃比に相当する「１」に設定されている。しかしながら、機関回転速度や機関要求トルク等に応じて当量比を変化・調整するようにしても良い。

ステップＳ１３において、水素供給領域つまりＥＧＲ領域Ｒ０と判定されると、ステップＳ１５へ進み、ＥＧＲ領域Ｒ０のうちで、ノッキングの発生を生じる懸念のある高負荷側の第１運転領域Ｒ１であるか、あるいはこの第１運転領域Ｒ１よりも低負荷側の第２運転領域Ｒ２であるかを判定する。

高負荷側の第１運転領域Ｒ１であると判定された場合、ステップＳ１６へ進み、予め設定された図４に示す第１運転領域Ｒ１用の設定マップを参照して、ＥＧＲ率（ＥＧＲ ｒａｔｉｏ）と触媒温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｅｒ）とに基づいて、当量比（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏ）を設定する。この高負荷側の第１運転領域Ｒ１においては、ノッキングの発生を抑制するように、燃焼にとって適切な一定量の水素をシリンダ内に供給することが望ましい。ここで、ＥＧＲ率が高くなると、三元触媒１３で生成される水素の生成量に対し、ＥＧＲ通路１９を通って吸気通路１１へ供給される水素の供給量も多くなり、逆に、ＥＧＲ率が低くなると、三元触媒１３で生成される水素の生成量に対し、ＥＧＲ通路１９を通って吸気通路１１へ供給される水素の供給量も少なくなる。このため、ＥＧＲ率にかかわらず一定量の水素を供給するように、図４に示すように、ＥＧＲ率が高くなるほど当量比を大きくし、つまり空燃比をリッチ側に大きくし、ＥＧＲ率が低くなるほど当量比を小さくし、つまり空燃比のリッチ度合いを小さくしている。

また、上述した水性ガスシフト反応により三元触媒１３で生成される水素の生成量は、触媒温度が低くなるほど多くなり、触媒温度が高くなるほど少なくなる傾向にある。従って、水素供給量を一定とするように、触媒温度が高くなるに従って、当量比をリッチ側に大きくし、触媒温度が低くなるに従って、当量比を小さくしている。

一方、ステップＳ１５において、第１運転領域Ｒ１ではなく、ＥＧＲ領域Ｒ０のうちで第１運転領域Ｒ１よりも低負荷側の第２運転領域Ｒ２であると判定されると、ステップＳ１７へ進み、図５に示す第２運転領域Ｒ２用の設定マップを参照して、ＥＧＲ率（ＥＧＲ ｒａｔｉｏ）と触媒温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｅｒ）とに基づいて、当量比（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏ）を設定する。上述した第１運転領域Ｒ１においては、ノッキングの発生を抑制するために、主として水素添加による自着火の抑制を狙いとして一定量の水素を供給するようにしていたが、この第２運転領域Ｒ２においては、ノッキングを生じるおそれが低いことから、水素添加による燃焼速度を向上して、ＥＧＲ率の増大を狙いとしている。つまり図５に示すように、水素供給量を増加させることでＥＧＲ率を増加させており、結果として、ＥＧＲ率が高くなるほど当量比を大きくし、ＥＧＲ率が低くなるほど当量比が小さくなるように設定している。また、触媒温度による水素供給量の増減を抑制するように、上記の第１運転領域Ｒ１の場合と同様、触媒温度が高くなるほど当量比を大きくし、触媒温度が低くなるほど当量比を小さくしている。

そして、ステップＳ１８においては、上記のステップＳ１４，Ｓ１６あるいはＳ１７で設定された当量比や、ステップＳ１２で設定されたＥＧＲ率等に基づいて、スロットル開度、ＥＧＲ弁２０の開度、点火時期及び燃料噴射量等を設定している。具体的には、ＥＧＲ率に応じてＥＧＲ開度を設定し、当量比に応じて燃料噴射量を設定しており、当量比が大きくなるほど燃料噴射量を増加し、当量比が小さくなるほど燃料噴射量を減少している。

次に、図６〜図１０は、機関要求トルク（負荷）Ｔｅに応じたＥＧＲ率（ＥＧＲｒａｔｉｏ）と当量比（Φ）との設定例を示している。図６（Ａ）の設定例では、要求トルクＴｅが第１所定値Ｔｅ１以上のＥＧＲ領域で、所定のＥＧＲ率に設定しており、このＥＧＲ率に応じて当量比を１よりもリッチ側に大きく設定している。

一方、図６（Ｂ）の設定例では、要求トルクＴｅが第１所定値Ｔｅ１以上のＥＧＲ領域となると、図６（Ａ）の設定例と同様に、所定のＥＧＲ率に設定している。但し、当量比については、ＥＧＲ領域の中でも、要求トルクが第１所定値Ｔｅ１よりも高い第２所定値Ｔｅ２以上の高負荷側の領域でのみ、ノッキングの発生を抑制するために、当量比Φをリッチ側に大きくして水素添加を行うようにしている。つまり、ＥＧＲ領域の中でも比較的要求トルクが低い低負荷側の領域（Ｔｅ１〜Ｔｅ２）では、燃費や排気を悪化させることのないように、当量比Φを理論空燃比に応じた「１」に保持している。

図７は、要求トルクＴｅに応じてＥＧＲ率を変更する例を示している。図７（Ａ）の設定例では、要求トルクが第２所定値Ｔｅ２以上の高負荷側の領域では、要求トルクが第２所定値Ｔｅ２未満の低負荷側の領域に比して、トルクを確保するためにＥＧＲ率を小さくしており、かつ、ノッキングの発生を抑制するように、当量比Φを大きくしている。

図７（Ｂ）の設定例は図７（Ａ）の設定例に対して当量比Φの設定を変更している。つまり、要求トルクが第２所定値Ｔｅ２よりも更に高い第３所定値Ｔｅ３となるまで、当量比Φを「１」に保持して燃費や排気の悪化を抑制し、要求トルクが第３所定値Ｔｅ３を超える、更に高負荷側の領域でのみ、ノッキングの発生を抑制するように、当量比を１よりも大きくして水素供給を行うようにしている。

図８の設定例では、要求トルクＴｅが第１所定値Ｔｅ１以上のＥＧＲ領域のうちで、要求トルクが第２所定値Ｔｅ２以上の高負荷側の領域においては、所定のＥＧＲ率を与えるとともに、ノッキングの発生を抑制するように、当量比Φを１より大きくして、一定量の水素供給量が得られるように設定している。一方、ＥＧＲ領域の中でも要求トルクが第２所定値Ｔｅ２未満の低負荷側の領域では、高負荷側の領域に比して、ノッキングを生じるおそれが低く燃焼が安定していることから、ＥＧＲ率を増大するように、当量比Φを大きくして、水素添加量を増加している。これにより低負荷側の領域でのＥＧＲ率を増大し、燃費向上を図ることができる。

図９は、加速時のように非ＥＧＲ領域からＥＧＲ領域へ移行する過渡期の設定例を示している。このような過渡期には、ＥＧＲ領域への切換時ｔ１にＥＧＲガスが急激に増大することによって燃焼安定性が低下したりトルクが急変して運転性を阻害することのないように、切換時ｔ１からＥＧＲ率を徐々に増加させている。一方、当量比については、ＥＧＲ領域への切換時ｔ１の直後からノッキングを生じることのないように、ＥＧＲ領域への切換時点ｔ１でステップ的に当量比をリッチ側へ大きくして、吸気通路側へ水素を速やかに供給するようにしている。

図１０は、ＥＧＲ領域のうちで、ＥＧＲ率の高い低負荷側の領域からＥＧＲ率の低い高負荷側の領域へ移行する過渡期の設定例を示している。この場合にも、トルクの急変による運転性の低下を招くことのないように、切換時ｔ２からＥＧＲ率を徐々に低下させており、当量比については、切換時ｔ２の直後からノッキングを生じることのないように、当量比をステップ的にリッチ側へ大きくして、吸気通路側へ水素を速やかに供給するようにしている。

以上のように本発明を図示実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形、変更を含むものである。例えば、上記実施例ではターボ過給機を備えた内燃機関に本発明を適用しているが、ターボ過給機を備えていない自然吸気式の内燃機関にも本発明を適用することができる。

また、図１に示すように、排気浄化用の三元触媒１３とは別個の補助触媒２２を、ＥＧＲ通路１９もしくは三元触媒１３よりも下流側の排気通路１２に設けるようにしても良い。この補助触媒２２は、上記の三元触媒１３と同様、所定条件下で水性ガスシフト反応により水素が生成されるものである。補助触媒２２は、三元触媒１３よりもシリンダから離れた下流側に設けられているために、三元触媒１３に比して、触媒温度が低くなり、このため、水性ガスシフト反応により水素が生成され易く、水素供給量を確保するための当量比の増加を抑制することができ、燃費や排気の悪化を抑制することができる。また、図１に示すようにＥＧＲ通路１９に補助触媒２２を設けた場合には、生成した水素の全量が吸気通路１１側へ供給されるために、水素供給量の確保が更に容易なものとなる。

１０…内燃機関
１１…吸気通路
１２…排気通路
１３…三元触媒
１４…ターボ過給機
１８…ＥＧＲシステム
２０…ＥＧＲ弁
２２…補助触媒
３０…制御部

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、所定条件下で水性ガスシフト反応により水素が生成される触媒と、
   この触媒よりも下流側の排気通路からＥＧＲ通路を通して排気ガスの一部を吸気通路へ還流し、かつ、そのＥＧＲ率を機関運転状態に応じて制御するＥＧＲシステムと、
   を有する内燃機関の制御装置において、
   上記排気ガスの一部を吸気通路へ還流するＥＧＲ領域では、上記ＥＧＲ通路を通して吸気通路側へ供給される水素供給量を適正化するように、上記ＥＧＲ率に応じて燃焼室内の混合気の当量比を制御する当量比制御手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記当量比制御手段は、上記触媒温度が高くなるほど上記当量比を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記当量比制御手段は、上記ＥＧＲ領域における所定の第１の機関運転領域では、上記水素供給量を一定に保つように、上記ＥＧＲ率が小さくなるほど上記当量比を大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記当量比制御手段は、上記ＥＧＲ領域における所定の第２の機関運転領域では、上記ＥＧＲ率を増大するように、上記当量比を大きくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記触媒とは別個の補助触媒が、上記触媒よりも下流側の排気通路もしくは上記ＥＧＲ通路に設けられ、この補助触媒は、所定条件下で水性ガスシフト反応により水素が生成されるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 排気エネルギーにより吸気を過給するターボ過給機を備え、
   高負荷側の過給領域をＥＧＲ領域とし、このＥＧＲ領域では、上記当量比制御手段により当量比をリッチ側に制御して、上記ＥＧＲ通路を通して吸気通路へ水素を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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