JP2013148034A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ改質によって燃費を向上させる。
【解決手段】内燃機関１の制御装置であって、排気の一部を吸気通路４に還流させる還流通路６１と、改質燃料を噴射する改質燃料噴射器６３と、排気と改質燃料との改質用混合気を改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質触媒６４１と、改質触媒６４１の出口温度を検出する出口温度検出手段６６と、内燃機関１の運転状態に応じて改質触媒６４１に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させるＥＧＲ改質手段（Ｓ１０）と、を備え、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低い場合は、改質触媒６４１の出口温度がその改質触媒６４１の活性化温度以上のときに、改質触媒６４１に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させる。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

従来の内燃機関の制御装置は、排気と改質用燃料との混合気を改質触媒によって改質して水素含有ガスを生成し、生成した水素含有ガスを吸気通路に還流させていた（特許文献１参照）。

特開２００６−３７８７９号公報

改質触媒上で行われる改質反応は吸熱反応であり、反応が進行するにつれて改質触媒の温度は低下する。したがって、排気温度が改質触媒の活性化温度未満になったときは、改質触媒の出口側の温度よりも入口側の温度の方が、早く低下する傾向にある。

そのため、前述した従来の内燃機関の制御装置では、改質触媒上で活性化温度を維持している部分があっても、温度を検出した部分の温度が活性化温度未満となっていた場合は、改質が可能であるにもかかわらず改質を中止していた。また、近年のエンジン開発においては排気温度の低温化が進んでおり、排気温度が改質触媒の活性化温度以上になる運転領域も狭くなってきている。

したがって、前述した従来の内燃機関の制御装置のように、改質が可能であるにもかかわらず改質を中止していては、改質ガスを吸気通路に還流させることによる燃費向上効果を十分に得ることができないという問題が生じるようになった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、改質触媒において改質が可能かどうかを的確に判断することで改質ガスを還流させることができる領域を拡大し、燃費を向上させることを目的とする。

本発明は、排気の一部を吸気通路に還流させる還流通路と、還流通路に設けられて改質燃料を噴射する改質燃料噴射器と、還流通路に設けられて排気と改質燃料との改質用混合気を改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質触媒と、改質触媒の出口温度を検出する出口温度検出手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させるＥＧＲ改質手段と、を備える内燃機関の制御装置である。そして、排気温度が改質触媒の活性化温度よりも低い場合は、改質触媒の出口温度がその改質触媒の活性化温度以上のときに、改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させるようにＥＧＲ改質手段を構成する。

本発明によれば、排気温度が過渡的に改質触媒の活性化温度よりも低くなった場合であっても、改質触媒内で相対的に温度低下の遅い出口側の温度が活性化温度未満になるまでは、改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成することとした。そのため、排気温度が活性化温度未満となる運転領域が増大したとしても、改質触媒において改質が可能かどうかを的確に判断することができ、改質ガスを吸気通路に還流させることによる燃費向上効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態による火花点火式内燃機関の概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明するフローチャートである。 改質触媒温度と改質ガス中の水素濃度との関係を、ＥＧＲガス中の酸素濃度に応じて示した図である。 本発明の第２実施形態による火花点火式内燃機関の概略構成図である。 本発明の第２実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による火花点火式内燃機関（以下「エンジン」という。）１の概略構成図である。

エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド３と、吸気通路４と、排気通路５と、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下「ＥＧＲ」という）装置６と、コントローラ７と、を備える。

シリンダブロック２は、シリンダ部２ａとクランクケース部２ｂとを備える。

シリンダ部２ａには、複数のシリンダ２１が形成される。シリンダ２１の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ２１の内部を往復運動するピストン２２が収められる。

クランクケース部２ｂは、シリンダ部２ａの下方に形成される。クランクケース部２ｂは、クランクシャフト２３を回転自在に支持する。クランクシャフト２３は、ピストン２２の往復運動をコンロッド２４を介して回転運動に変換する。

シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上面に取り付けられ、シリンダ２１及びピストン２２とともに燃焼室３１の一部を形成する。

シリンダヘッド３には、吸気通路４に接続され燃焼室３１の頂壁に開口する吸気ポート３２と、排気通路５に接続され燃焼室３１の頂壁に開口する排気ポート３３と、が形成され、燃焼室３１の頂壁中央に臨むように点火栓３４が設けられる。また、シリンダヘッド３には、燃焼室３１と吸気ポート３２との開口を開閉する吸気弁３５と、燃焼室３１と排気ポート３３との開口を開閉する排気弁３６と、が設けられる。さらに、シリンダヘッド３には、吸気弁３５を開閉駆動する吸気カムシャフト３７と、排気弁３６を開閉駆動する排気カムシャフト３８と、が設けられる。

吸気通路４には、上流から順に、エアクリーナ４１と、エアフローメータ４２と、電子制御式のスロットル弁４３と、吸気コレクタ４４と、燃料噴射弁４５と、が設けられる。

エアクリーナ４１は、吸気中に含まれる砂などの異物を除去する。

エアフローメータ４２は、吸気の流量（以下「吸気量」という。)を検出する。

スロットル弁４３は、吸気通路４の通路断面積を変化させることで、吸気コレクタ４４に流入する吸気量を調整する。スロットル弁４３は、スロットルアクチュエータ４６によって開閉駆動され、スロットルセンサ４７によってその開度（以下「スロットル開度」という。）が検出される。

吸気コレクタ４４は、流入してきた空気を各シリンダ２１に均等に分配する。

燃料噴射弁４５は、エンジン１の運転状態に応じて吸気ポート３２に向けて燃料を噴射する。

排気通路５には、排気中の炭化水素や窒素酸化物などの有害物質を取り除く三元触媒５１が設けられる。

ＥＧＲ装置６は、ＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ弁６２と、改質用燃料噴射弁６３と、改質器６４と、改質器入口温度センサ６５と、改質器出口温度センサ６６と、ＥＧＲクーラ６７と、を備える
ＥＧＲ通路６１は、排気通路５と吸気通路４の吸気コレクタ４４とを連通し、排気通路５を流れる排気の一部を圧力差によって吸気コレクタ４４に戻すための通路である。以下、ＥＧＲ通路６１に流入した排気のことを「ＥＧＲガス」という。

ＥＧＲ弁６２は、ＥＧＲ通路６１に設けられる。ＥＧＲ弁６２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７によって制御される。ＥＧＲ弁６２の開度を制御することで、ＥＧＲガスの流量が調節される。

改質用燃料噴射弁６３は、ＥＧＲ弁６２よりも下流のＥＧＲ通路６１に設けられ、ＥＧＲガスに改質用燃料を噴射する。これにより、ＥＧＲガスと改質用燃料との混合気（以下「改質用混合気」という。）が形成される。改質用燃料は、燃料噴射弁４５から噴射される燃料と同じものである。

改質器６４は、内部にロジウム系の改質触媒６４１を担持しており、改質用燃料噴射弁６３よりも下流のＥＧＲ通路６１に設けられる。改質器６４は、改質用混合気が通過したときは、改質触媒６４１によってその改質混合気を水素含有ガス（以下「改質ガス」という。）に改質して排出する。一方で改質器６４は、ＥＧＲガスが通過したときは、そのままＥＧＲガスとして排出する。

改質器入口温度センサ６５は、改質器６４の入口側（ＥＧＲ通路６１の上流側）の改質触媒６４１の温度（以下「入口触媒温度」という。）を検出する。

改質器出口温度センサ６６は、改質器６４の出口側（ＥＧＲ通路６１の下流側）の改質触媒６４１の温度（以下「出口触媒温度」という。）を検出する。

ＥＧＲクーラ６７は、改質器６４よりも下流のＥＧＲ通路６１に設けられる。ＥＧＲクーラ６７は、改質器６４から排出された改質ガス又はＥＧＲガスを冷却する。

コントローラ７は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７には、前述したエアフローメータ４２やスロットルセンサ４７、改質器入口温度センサ６５、改質器出口温度センサ６６の他にも、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ７１やアクセルペダルの踏み込み量（エンジン負荷）を検出するアクセルストロークセンサ７２、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ７３などのエンジン１の運転状態を検出する種々のセンサ類からの信号が入力される。

コントローラ７は、改質器入口温度センサ６５又は改質器出口温度センサ６６の検出値に基づいて、改質触媒６４１の温度が活性化温度以上になっていると判定したときは、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲ弁６２の開度を制御すると共に、改質用燃料噴射弁６３の燃料噴射量を制御して、ＥＧＲ改質を実施する。一方でコントローラ７は、改質器６４の改質触媒６４１の温度が活性化温度未満であると判定したときは、改質用燃料噴射弁６３から改質用燃料を噴射することなく、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲ弁６２の開度を制御して、通常のＥＧＲを実施する。以下、この本実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明する。

図２は、本実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明するフローチャートである。コントローラ７は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ７は、エンジン１の冷却水温に基づいて、エンジン１の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、エンジン１の冷却水温が所定温度以上であれば、エンジン１の暖機が完了したと判定する。コントローラ７は、エンジン１の暖機が完了していればステップＳ２の処理を実行する。一方で、エンジン１の暖機が完了していない暖機中であればステップＳ４の処理を実行する。

ステップＳ２において、コントローラ７は、エンジン１の運転状態、すなわちエンジン回転速度とエンジン負荷とに応じて排気温度を算出する。排気温度は、エンジン回転速度が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど高くなる。

ステップＳ３において、コントローラ７は、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低いか否かを判定する。コントローラ７は、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度以上であれば、ステップＳ４の処理を実行する。一方で、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低ければ、ステップＳ５の処理を実行する。

ステップＳ４において、コントローラ７は、改質器入口温度センサ６５で検出した入口触媒温度を改質触媒温度として設定する。

ステップＳ５において、コントローラ７は、改質器出口温度センサ６６で検出した出口触媒温度を改質触媒温度として設定する。

ステップＳ６において、コントローラ７は、改質触媒温度が改質触媒６４１の活性化温度以上か否かを判定する。コントローラ７は、改質触媒温度が改質触媒６４１の活性化温度未満であれば、通常のＥＧＲを実施するべく、ステップＳ７の処理を実行する。一方で、改質触媒温度が改質触媒６４１の活性化温度以上であれば、ＥＧＲ改質を実施するべく、ステップＳ９の処理を実行する。

ステップＳ７において、コントローラ７は、予め実験等によって作成しておいたＥＧＲマップを参照し、エンジン１の運転状態、すなわちエンジン回転速度とエンジン負荷とに応じて、吸気中に占めるＥＧＲガスの割合（以下「ＥＧＲ率」という。）の目標値（以下「目標ＥＧＲ率」という。）を算出する。

ステップＳ８において、コントローラ７は、目標ＥＧＲ率となるように、ＥＧＲ弁６２の開度を制御する。

ステップＳ９において、コントローラ７は、予め実験等によって作成しておいたＥＧＲ改質マップを参照し、エンジン１の運転状態、すなわちエンジン回転速度とエンジン負荷とに応じて、吸気中に占める改質ガスの割合（以下「改質ガス率」という。）の目標値（以下「目標改質ガス率」という。）を算出する。ＥＧＲ改質マップは、所望のエンジン出力を得るにあたって、燃料噴射弁４５及び改質用燃料噴射弁６３の燃料噴射量が最小となるように作成されたマップである。

ステップＳ１０において、コントローラ７は、目標改質ガス率となるように、ＥＧＲ弁６２の開度を制御すると共に、改質用燃料噴射弁６３の燃料噴射量を制御する。

以上説明した本実施形態によれば、エンジン１の暖機が完了する前は、入口触媒温度を改質触媒６４１として設定し（図２；Ｓ１でＮｏ，Ｓ４）、入口触媒温度が活性化温度に到達するまでは通常のＥＧＲを実施し（図２；Ｓ６でＮｏ，Ｓ７，Ｓ８）、入口触媒温度が活性化温度以上になったらＥＧＲ改質を実施することとした（図２；Ｓ６でＹｅｓ，Ｓ９，Ｓ１０）。

エンジン１の暖機中は、通常のＥＧＲによってＥＧＲガスが改質器６４を通過することで、改質触媒６４１の温度が常温（外気温）から徐々に上昇していく。このとき、改質触媒６４１の温度は入口側から上昇していくが、改質触媒全体が暖まるまでには改質触媒６４１の熱容量に応じた時間がかかる。つまり、エンジン１の暖機中においては、入口触媒温度は活性化温度に到達しているものの、出口触媒温度がまだ活性化温度に到達していない状態になることがある。

したがって、エンジン１の暖機中に出口触媒温度を改質触媒温度として設定すると、ＥＧＲ改質を実施するまでに必要な時間が長くなる。

これに対し、本実施形態のように、エンジン１の暖機中に入口触媒温度を改質触媒温度として設定することでＥＧＲ改質を実施するまでに必要な時間を短くし、より早い段階からＥＧＲ改質を実施することができる。

また、本実施形態によれば、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低いときは（図２；Ｓ１でＹｅｓ，Ｓ２，Ｓ３でＹｅｓ）、出口触媒温度を改質触媒温度として設定し、出口触媒温度が活性化温度以上であればＥＧＲ改質を実施することとした（図２；Ｓ５，Ｓ６でＹｅｓ，Ｓ９，Ｓ１０）。

排気温度は、エンジン１の運転状態に応じて逐次変化し、エンジン回転速度が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど高くなる。したがって、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも高くなっている運転状態から、過渡的に排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低くなる運転状態へと移ることがある。

このような過渡時において、改質触媒６４１の温度は排気温度の低下に伴ってすぐに低下するのではなく、改質触媒６４１の熱容量に応じて徐々に低下していく。また、燃焼室３１でストイキ燃焼させた場合であっても、実際の排気（ＥＧＲガス）には微量の酸素が含まれている。そのため、ＥＧＲガス中に含まれる未燃焼の炭化水素や一酸化炭素が酸素と反応し、酸化反応した量に応じて改質触媒６４１の温度を上昇させている。

したがって、過渡時において排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低くなった場合であっても、改質触媒自体の温度は活性化温度よりも高い状態になっていることがある。

そこで本実施形態では、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低くなったときは、出口触媒温度を改質触媒温度として設定し、出口触媒温度が活性化温度以上であればＥＧＲ改質を実施することとしたのである。

これは、改質反応は吸熱反応であるため、反応が進行するほど改質触媒６４１の温度は低下する。したがって、入口触媒温度と改質触媒温度として設定してしまうと、この吸熱反応により温度低下を顕著に検出してしまうからである。つまり、吸熱反応によって入口触媒温度が活性化温度よりも低くなった場合であっても、出口触媒温度はまだ活性化温度よりも高く、改質器６４の出口側の改質触媒６４１で改質反応が可能な場合があるためである。

過渡時において排気温度が改質触媒温度よりも低くなったときに、出口触媒温度を改質触媒温度して設定することで、ＥＧＲ改質の実施可能時間をより長く確保することできる。

このように、本実施形態によれば、エンジン１の暖機中は早期にＥＧＲ改質を実施でき、エンジン１の暖気後は、排気温度が改質触媒６４１の活性化温度よりも低くなった場合でも、ＥＧＲ改質の実施可能時間を長く確保することできる。したがって、１トリップ中において、ＥＧＲ改質を実施できる時間を長くすることができる。

ＥＧＲ改質を実施することで、改質ガスを吸気コレクタ４４に還流させて吸気コレクタ４４内の負圧を低減でき、ポンプロスの低減効果が得られると共に、改質ガス中の水素による燃焼改善効果が得られる。その結果、燃料噴射弁４５及び改質用燃料噴射弁６３から噴射される全体の燃料噴射量を抑制しつつ、所望のエンジン出力を得ることができる。よって、１トリップ中におけるＥＧＲ改質の実施時間を長くすることで、燃費を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明する。本実施形態によるＥＧＲ改質制御は、ＥＧＲガス中の酸素濃度に応じて改質触媒６４１の活性化温度を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図３は、改質触媒温度と改質ガス中の水素濃度との関係を、ＥＧＲガス中の酸素濃度に応じて示した図である。

図３に示すように、ＥＧＲガス中に酸素が含まれている場合は、含まれていないときと比べて、改質触媒６４１の温度が通常の活性化温度（約６００℃）よりも低い状態から、改質用混合気を改質ガス（水素含有ガス）に改質できていることが分かる。改質触媒６４１がロジウム系触媒の場合、ＥＧＲガス中の酸素濃度が１％で、活性化温度を１００℃程度下げることができる。

したがって、本実施形態では、ＥＧＲ通路６１に酸素センサ６８を設け、酸素センサ６８の検出値に応じて改質触媒６４１の活性化温度を補正することとした。

図４は、本実施形態によるエンジン１の概略構成図である。

図４に示すように、本実施形態によるエンジン１は、ＥＧＲ弁６２と改質用燃料噴射弁６３との間のＥＧＲ通路６１に、ＥＧＲガスの酸素濃度を検出する酸素センサ６８を備える。

図５は、本実施形態によるＥＧＲ改質制御について説明するフローチャートである。コントローラ７は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ２１において、コントローラ７は、酸素センサ６８で検出したＥＧＲガスの酸素濃度に基づいて、改質触媒６４１の補正活性化温度を算出する。補正活性化温度は、ＥＧＲガス中の酸素濃度が高いときほど低くなる。

ステップＳ２２において、コントローラ７は、改質触媒温度が補正活性化温度以上かを判定する。

以上説明した本実施形態によれば、ＥＧＲガス中の酸素濃度に応じて改質触媒６４１の活性化温度が低くなるように補正することができるので、ＥＧＲ改質を実施できる運転領域をより増大することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施形態では火花点火式内燃機関を例に説明したが、これに限られるものではなく、圧縮着火式内燃機関でも良い。

また、上記実施形態では、改質器入口温度センサ６５及び改質器出口温度センサ６６によって入口触媒温度と出口触媒温度とを直接検出していたが、推定することによって検出しても良い。入口触媒温度と出口触媒温度とを推定することで、温度センサ分のコストを抑えることができる。

入口触媒温度及び出口触媒温度の温度は、エンジン回転速度及びエンジン負荷によって変化する排気温度と、ＥＧＲ及びＥＧＲ改質の実施・停止時間と、に応じて変化するので、それらを考慮したマップ等から推定することができる。具体的には、排気温度が高くなれば入口触媒温度及び出口触媒温度の温度は上昇する。また、ＥＧＲ及びＥＧＲ改質の実施時間が長いほど、入口触媒温度及び出口触媒温度の温度は上昇する。さらに、ＥＧＲ及びＥＧＲ改質の停止時間が長いほど、入口触媒温度及び出口触媒温度の温度は低下する。

また、前述したように、入口触媒温度及び出口触媒温度の温度は、ＥＧＲガス中に含まれる未燃焼の炭化水素や一酸化炭素と酸素との酸化反応に応じて上昇する。したがって、ＥＧＲガス中の酸素濃度も考慮することで、さらに精度良く推定することができる。

また、目的に応じて改質器入口温度センサ６５及び改質器出口温度センサ６６の一方のみを取り付けることにしても良い。

１ エンジン（内燃機関）
４ 吸気通路
６１ ＥＧＲ通路（還流通路）
６３ 改質用燃料噴射弁（改質燃料噴射器）
６５ 改質器入口温度センサ（入口温度検出手段）
６６ 改質器出口温度センサ（出口温度検出手段）
６８ 酸素センサ（酸素濃度検出手段）
６４１ 改質触媒
Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１０ ＥＧＲ改質手段

Claims (5)

1. 内燃機関の制御装置であって、
   排気の一部を吸気通路に還流させる還流通路と、
   前記還流通路に設けられ、改質燃料を噴射する改質燃料噴射器と、
   前記還流通路に設けられ、排気と改質燃料との改質用混合気を改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質触媒と、
   前記改質触媒の出口温度を検出する出口温度検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させるＥＧＲ改質手段と、
   を備え、
   前記ＥＧＲ改質手段は、
   排気温度が前記改質触媒の活性化温度よりも低い場合は、前記改質触媒の出口温度がその改質触媒の活性化温度以上のときに、前記改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させる、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記改質触媒の入口温度を検出する入口温度検出手段を備え、
   前記ＥＧＲ改質手段は、
   前記内燃機関の暖機時には、前記改質触媒の入口温度がその改質触媒の活性化温度以上になったときに、前記改質触媒に改質用混合気を供給して改質ガスを生成させる、
   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. 排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
   前記前記ＥＧＲ改質手段は、
   排気中の酸素濃度が高いときほど、前記改質触媒の活性化温度が低くなるように補正する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記出口温度検出手段は、
   前記内燃機関の回転速度、前記内燃機関の負荷、及び、排気の一部を吸気通路に還流させている時間に応じて、前記改質触媒の出口温度を推定することで検出する、
   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。
5. 排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
   前記出口温度検出手段は、
   前記内燃機関の回転速度、前記内燃機関の負荷、排気の一部を吸気通路に還流させている時間、及び、排気中の酸素濃度に応じて、前記改質触媒の出口温度を推定することで検出する、
   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。

Images