JP2018009493A - 内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時の未燃ＨＣを抑制しつつ排気浄化触媒の早期活性化を図る。
【解決手段】内燃機関は、ＥＧＲ通路に、燃料改質触媒と改質燃料用燃料噴射弁とを含む燃料改質システムを備え、燃料改質触媒に追加の空気を供給する空気導入通路を有する。冷間始動（ｔ０）であったら、排気浄化触媒の暖機のために点火時期リタードを開始し、同時に、改質システムに少量の改質用燃料と追加空気を供給する昇温モードを実行する。燃料改質触媒が活性温度に達したら（ｔ１）、水素始動モードとして、改質システムに十分な改質用燃料と追加空気を供給し、改質ガス中の水素濃度を高める。燃焼室への高い濃度の水素の導入によって、点火時期リタード中のＨＣ生成が抑制される。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の冷間始動時に、排気浄化触媒を早期に活性化させるための暖機方法に関する。

内燃機関の冷間始動時には、排気系に設けられている三元触媒等の排気浄化触媒を早期に活性化させる必要がある。そのため、特許文献１に開示されているように、点火時期をリタードすることで排気温度を高め、排気浄化触媒の暖機を促進する技術が知られている。

特開２００７−１１３４１３号公報

上記のような点火時期リタードにおいては、排気温度が上昇するものの、点火時期リタードに伴い、内燃機関の排気ポートから出るＨＣ（炭化水素）生成量そのものは増加する。従って、排気浄化触媒が活性温度に達するまでの間は、排気浄化触媒を通して外部へ排出されるＨＣ排出量が却って増加してしまう、という問題がある。

この発明は、ＥＧＲ通路に設けられる燃料改質システムを利用して点火時期リタード中のＨＣを抑制する。すなわち、内燃機関の冷間始動時に、燃料改質触媒を通した排気の還流を実行し、かつ改質用燃料噴射弁から改質用の燃料を供給するとともに、上記燃料改質触媒に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理を行う。

上記のように酸素濃度を高めることで、燃料改質触媒においてより多量の水素が生成される。この水素は、新気とともに内燃機関に導入されるので、燃焼室内の水素濃度が高くなり、燃焼速度の向上によって排気中のＨＣが減少する。つまり、点火時期リタードに伴うＨＣ生成量の増加が多量の水素の導入によって抑制される。

この発明によれば、冷間始動時に、ＨＣの増加を抑制しつつ早期に排気浄化触媒の暖機を図ることができる。

燃料改質システムを備えた内燃機関の構成を示す構成説明図。 排気還流領域を示す特性図。 燃料改質触媒の入口ガス温度と生成される水素濃度との相関に対する酸素濃度の影響を示した特性図。 始動時の処理の流れを示すフローチャート。 冷間始動時のタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、炭化水素燃料から水素を生成する燃料改質システムを備えた内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図である。内燃機関１は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式内燃機関であり、燃料タンク２から送られた燃料を例えば各気筒の吸気ポートへ向けて噴射供給する燃料噴射弁３を備えている。内燃機関１の吸気通路４には、吸入空気量を計量するエアフロメータ５と、スロットル弁６と、が設けられている。図示例では、スロットル弁６の下流に、機械式過給機あるいはターボチャージャのコンプレッサなどからなる過給機７が示されているが、この過給機７は必ずしも必須のものではない。過給機７と内燃機関１との間には、吸気中の水素成分を検出する水素センサ８が設けられている。また、内燃機関１は、各気筒に点火プラグ９を備えている。

内燃機関１の排気通路１１には、排気浄化を行うための三元触媒を用いた排気浄化触媒１２が設けられている。排気浄化触媒１２の上流側には空燃比センサ１３が配置され、排気浄化触媒１２の下流側には酸素センサ１４が配置されている。エンジンコントローラ１５は、これら空燃比センサ１３および酸素センサ１４の検出信号に基づいて公知の空燃比フィードバック制御を行う。排気浄化触媒１２は、触媒担体温度を検出する触媒温度センサ１６を備えている。なお、図示例では、１つの排気浄化触媒１２のみが示されているが、複数個の排気浄化触媒を具備する場合もある。

内燃機関１の排気通路１１と吸気通路４との間には、内燃機関１の排気の一部を排気通路１１から吸気通路４へと還流するＥＧＲ通路１７が設けられている。ＥＧＲ通路１７は、排気浄化触媒１２の上流側で排気通路１１から分岐し、スロットル弁６と過給機７との間において吸気通路４に合流している。

上記ＥＧＲ通路１７には、燃料改質システムの主要部をなす燃料改質触媒１８が介装されており、この燃料改質触媒１８の上流側に、該燃料改質触媒１８に改質用燃料を噴射供給する改質燃料用燃料噴射弁１９がミキサー２０とともに設けられている。この実施例では、改質燃料用燃料噴射弁１９は、改質用燃料として燃料タンク２内のガソリンを噴射供給するが、内燃機関１に供給される燃料とは異なる液体炭化水素燃料を改質用燃料として用いることも可能である。燃料改質触媒１８は、モノリスハニカム触媒担体に例えばロジウム系の触媒金属を含む触媒スラリーをコーティングして焼成したものであり、還流排気（ＥＧＲガス）中に含まれる水蒸気ならびに熱を利用して炭化水素燃料から水素を生成する。

上記ＥＧＲ通路１７は、さらに、燃料改質触媒１８よりも下流側の位置において、ＥＧＲガスを冷却する水冷ないし空冷のＥＧＲガスクーラ２１と、ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に沿って制御するための排気還流制御弁２２と、を備えている。また、燃料改質触媒１８とＥＧＲガスクーラ２１との間には、ＥＧＲガス中の水素成分を検出する水素センサ２３が設けられており、ＥＧＲガスクーラ２１と排気還流制御弁２２との間には、酸素センサ２４が設けられている。なお、これらの水素センサ２３および酸素センサ２４は、吸気通路４における水素センサ８とともに、燃料改質により燃焼室に供給する水素量を制御するために用いられる。

上記燃料改質触媒１８の入口部、詳しくは該燃料改質触媒１８とミキサー２０との間には、ミキサー２０を経て燃料改質触媒１８に流入するガスの温度を検出する入口ガス温度センサ２６が配置されている。上記燃料改質触媒１８には、触媒担体温度を検出する触媒温度センサ２７が配置されている。

また、燃料改質触媒１８に流入するガス中の酸素濃度を高めるために、本実施例では、燃料改質触媒１８上流側に新気（空気）を導入する空気導入通路２８が設けられている。この空気導入通路２８は、一端が吸気通路４のスロットル弁６の上流側に接続され、かつ他端がＥＧＲ通路１７の改質燃料用燃料噴射弁１９の上流側に接続されている。そして、空気導入通路２８は、空気導入量を可変制御可能なバタフライバルブ等からなる空気制御弁２９を通路途中に備えている。

上記のような燃料改質システムを備えた内燃機関１においては、運転中の排気還流に際して燃料改質による水素を加えることで、高ＥＧＲ率での安定した燃焼を図っている。すなわち、エンジンコントローラ１５においては、内燃機関１の運転条件つまり負荷（トルク）と回転速度とをパラメータとして目標ＥＧＲ率が予めマップの形で設定されており、この目標ＥＧＲ率を実現するように排気還流制御弁２２の開度が制御される。図２は、機関暖機完了後において排気還流を行う排気還流領域（符号ＥＧＲで示す）を示している。そして、この排気還流領域の中で目標ＥＧＲ率があるレベルよりも高い領域においては、改質燃料用燃料噴射弁１９から燃料改質触媒１８へ改質用燃料を供給し、ＥＧＲガスに含まれる水蒸気ならびに熱および燃料改質触媒１８の触媒作用を利用して、改質用燃料から水素を生成する。この水素は、ＥＧＲガスとともに吸気通路４における新気と合流し、燃焼室に導入される。水素の導入によって燃焼室内での燃焼速度が高められるため、高ＥＧＲ率での安定した燃焼を実現できる。なお、改質用燃料の量は、内燃機関１の燃料噴射弁３からの燃料量と合わせた総量が理論空燃比を実現できるように設定される。

ここで、本実施例では、通常の運転中の水素の供給においては、空気制御弁２９が閉じており、空気導入通路２８を介した積極的な空気の導入は行わない。

一方、内燃機関１の冷間始動時には、エンジンコントローラ１５は、排気浄化触媒１２の暖機促進のために、点火時期を暖機後の基本点火時期に比較して大きく遅角させる点火時期リタードを実行する。そして、この点火時期リタードに併行して、上記燃料改質システムを作動させ、燃焼室内に水素を供給する。

つまり、冷間始動後の点火時期リタードによる触媒暖機運転中は、図２に符号Ａで示すアイドル（詳しくは機関回転速度を暖機後よりも高くしたファストアイドル）運転条件においても、排気還流制御弁２２を介した排気還流が実行され、燃料改質触媒１８に対し改質燃料用燃料噴射弁１９から改質用燃料が供給される。特に、この点火時期リタードに伴う燃料改質に際しては、酸素増加処理として、空気導入通路２８および空気制御弁２９を介して燃料改質触媒１８上流に空気が導入され、該燃料改質触媒１８に流入するガス中の酸素濃度が高く与えられる。この酸素濃度の上昇に伴い、燃料改質触媒１８によって生成される改質ガス中の水素濃度が高くなる。

図３は、一例として、横軸を燃料改質触媒１８の入口ガス温度、縦軸を燃料改質触媒１８の出口における水素濃度として、両者の相関を示した特性図である。破線は、ＥＧＲガスのみで追加の酸素（空気）の供給がない場合の特性を示し、実線は、入口からのガスに６％の酸素が含まれるように酸素（空気）を追加的に供給した場合の特性を示している。なお、内燃機関１が理論空燃比で運転しているときの排気中には、一般に、０．５％前後の酸素が含まれている。

図３に示すように、燃料改質触媒１８に流入するガス中の酸素濃度を高めることで、生成される水素の濃度が上昇する。特に、冷間始動直後のように燃料改質触媒１８に流入するガスの温度が比較的低い領域で、酸素濃度に応じた水素濃度の上昇が顕著である。この水素濃度の上昇は、主に、酸素濃度の上昇に伴い、改質燃料用燃料噴射弁１９から供給された燃料の触媒上での酸化反応が促進されて、燃料改質触媒１８の触媒担体温度が上昇することに起因する。なお、酸素濃度がさらに高いと、熱分解によっても水素濃度の上昇が生じる。

また、冷間始動時においては、燃料および追加の酸素の供給による酸化反応を利用する燃料改質触媒１８の触媒担体温度の上昇は、燃料や酸素の追加がない排気浄化触媒１２の触媒担体温度の温度上昇に比較して、非常に短い時間で生じる。

このようにして燃料改質触媒１８で生成された比較的高い濃度の水素は、内燃機関１の暖機完了後の高ＥＧＲ領域での運転時と同様に、新気とともに燃焼室に導入される。燃焼室内では、前述したように、水素が燃焼速度の向上に寄与するため、比較的高い濃度の水素の導入によって、点火時期リタードの条件下においても、燃焼室内での未燃ＨＣの生成が抑制される。従って、排気浄化触媒１２が活性温度に達するまでの間に外部へ排出されるＨＣ排出量を抑制しつつ、点火時期リタードによる排気浄化触媒１２の早期暖機が可能となる。

なお、高い濃度の水素の導入によって、燃焼が安定化するため、点火時期リタードにおける遅角限界がより遅角側となる。従って、改質システムによる水素の導入を前提として、点火時期リタード時の点火時期をより遅角側に設定することが可能であり、これによって、排気浄化触媒１２の温度上昇をさらに早めることが可能である。

図４は、内燃機関１の始動時に上記エンジンコントローラ１５が実行する処理の一例を示すフローチャートである。ステップ１では、例えば冷却水温などの機関温度に基づいて、今回の始動が冷間始動であるか否かを判別する。暖機再始動であれば、ステップ７へ進み、通常運転モードで内燃機関１を運転する。この通常運転モードでは、前述したように、所定の高ＥＧＲ領域において燃料改質システムによる水素の導入が行われる。空気導入通路２８からの空気導入は停止しており、点火時期は、機関運転条件（負荷および機関回転速度）に対応した基本点火時期に沿って制御される。

なお、内燃機関１の始動中（換言すればクランキング中）は、燃料改質システムは停止している。つまり、排気還流制御弁２２は閉じており、改質燃料用燃料噴射弁１９は停止している。

ステップ１で冷間始動であった場合には、ステップ２へ進み、排気浄化触媒１２の暖機促進のために、点火時期リタードを実行する。そして、ステップ３において、燃料改質触媒１８の温度上昇のための昇温モードを実行する。この昇温モードでは、排気還流制御弁２２を適宜な開度まで開いて排気還流を行うとともに、改質燃料用燃料噴射弁１９から比較的少量の改質用燃料を供給し、かつ、空気制御弁２９を比較的小さな開度まで開いて比較的少量の空気（酸素）の追加的供給を行う。この昇温モードでの改質用燃料の供給量および空気の供給量は、触媒上での酸化反応により燃料改質触媒１８を温度上昇させるのに必要な比較的少ない量にそれぞれ設定される。つまり、燃料改質触媒１８が十分に活性する前に不必要に改質用燃料を供給しないようにしている。

次のステップ４では、触媒温度センサ２７が検出する燃料改質触媒１８の触媒担体温度が所定の活性温度に達したか否かを判定する。燃料改質触媒１８の触媒担体温度が活性温度に達するまで、昇温モードでの運転を継続する。なお、燃料改質触媒１８の温度上昇は、前述したように、排気浄化触媒１２の温度上昇よりも速い。

燃料改質触媒１８の触媒担体温度が活性温度に達したら、ステップ５へ進み、水素始動モードに移行する。この水素始動モードでは、排気還流を継続しつつ、改質燃料用燃料噴射弁１９からの改質用燃料の供給量を増加し、かつ、空気制御弁２９の開度を大きくして十分な量の空気（酸素）の追加的供給を行う。これにより、燃料改質触媒１８を介して多量の水素が生成され、燃焼室へ導入される。従って、排気浄化触媒１２の暖機促進のために点火時期リタードを実行している内燃機関１での燃焼速度が高くなって燃焼が安定化し、上述したように、点火時期リタードに伴うＨＣ生成が抑制される。

ステップ６では、触媒温度センサ１６が検出する排気浄化触媒１２の触媒担体温度が所定の活性温度に達したか否かを判定する。排気浄化触媒１２の触媒担体温度が活性温度に達するまで、点火時期リタードとともに水素始動モードでの運転を継続する。

排気浄化触媒１２の触媒担体温度が活性温度に達したら、ステップ７へ進み、通常運転モードへ移行する。つまり、点火時期リタードを終了して、点火時期を基本点火時期に沿ったものとし、空気導入通路２８を介した空気導入を停止する。また、このときアイドル運転条件であれば、排気還流ならびに燃料改質は停止する。

図５は、上述したフローチャートに従って実行される冷間始動後の暖機運転の状況を示すタイムチャートである。（ａ）欄は、内燃機関１の排気浄化触媒１２を通して外部へ排出されるエンジン排出ＨＣの特性、（ｂ）欄は、点火時期リタードの実行を表す点火時期リタードフラグの状態、（ｃ）欄は、排気浄化触媒１２ならびに燃料改質触媒１８の各々の触媒担体温度の変化および対応する運転モード、をそれぞれ示している。

時間ｔ０において冷間始動がなされると、実質的に同時に、点火時期リタードが開始される。この点火時期リタードによって排気温度が高くなるため、排気浄化触媒１２の触媒担体温度は比較的速やかに上昇していく。また、燃料改質システムは、昇温モードとして作動開始する。この昇温モードでの運転により、燃料改質触媒１８に比較的少量の改質用燃料および追加の酸素が供給されるため、燃料改質触媒１８の触媒担体温度は急速に上昇する。特に、排気浄化触媒１２の温度上昇に比較して、燃料改質触媒１８の温度上昇はより急激に得られる。そして、時間ｔ１において燃料改質触媒１８の触媒担体温度が所定の活性温度Ｔ１に達する。

時間ｔ１において活性温度Ｔ１に達したら、燃料改質システムは、水素始動モードに移行する。水素始動モードでの十分な量の改質用燃料と追加の酸素の供給により、多量の水素が生成される。従って、改質ガス中の水素濃度ひいては燃焼室内における吸気中の水素濃度が高くなる。これにより、点火時期リタードの下での燃焼が安定化し、かつＨＣ生成量が減少する。

（ａ）欄には、燃料改質による水素導入を行わない場合のＨＣ排出量の特性を「比較例」として破線で示しているが、図示するように、燃焼室壁温が低い始動直後には、ＨＣ生成量が多く、特に点火時期リタードに伴ってさらにＨＣ生成量が増加する。このように多く生成されたＨＣは、排気浄化触媒１２の活性前は、殆ど浄化されることなく放出されてしまう。

これに対し、（ａ）欄に実線で示すように、上記実施例によれば、燃焼速度向上に寄与する水素を改質ガスとして高い濃度で供給することにより、ＨＣの生成そのものが抑制され、排気浄化触媒１２の活性前に放出されるＨＣ排出量が低減する。

その後、時間ｔ２において排気浄化触媒１２が活性温度Ｔ２に達し、通常運転モードに移行する。これにより、点火時期リタードは終了する。排気浄化触媒１２の活性温度Ｔ２と燃料改質触媒１８の活性温度Ｔ１とは、通常は大差のない温度である。

なお、点火時期リタードのリタード量は、排気浄化触媒１２が活性温度Ｔ２に達するまでの間一定である必要はなく、触媒担体温度の上昇（あるいは始動後の時間経過）に伴って徐々にリタード量を縮小するようにしてもよい。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限られるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例における昇温モードを省略し、冷間始動後、直ちに水素始動モードを開始するようにしてもよい。つまり、上記実施例の昇温モードでは、燃料改質触媒１８の温度上昇に必要な比較的少量の改質用燃料および追加の酸素の供給を行うことで、燃料改質触媒１８に不必要に燃料が供給されないようにし、触媒劣化の抑制等を図っているが、昇温モードを省略して水素始動モードを直ちに開始しても、燃料改質触媒１８の温度上昇には大差がなく、上記実施例と同様に冷間始動直後のＨＣの抑制が図れる。

また、昇温モードとして、改質用燃料の供給や追加の酸素の供給を行うことなく、排気還流制御弁２２を適宜な開度まで開いて排気還流のみを行うようにしてもよい。

また、上記実施例では、図４のステップ４において触媒温度センサ２７の検出温度から燃料改質触媒１８の活性を判断しているが、始動から所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間経過時点で燃料改質触媒１８が活性しているとみなして水素始動モードに移行するようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、燃料改質触媒１８に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理として、空気導入通路２８および空気制御弁２９を介して空気の導入を行うようにしているが、内燃機関１の空燃比をリーン化することで、酸素濃度を高めるようにしてもよい。つまり、冷間始動後の点火時期リタード実行に併せて、内燃機関１の空燃比を理論空燃比よりもリーン化する。これにより排気中に残存する酸素の濃度が高くなり、ＥＧＲ通路１７を通して燃料改質触媒１８に与えられるガス中の酸素濃度が高くなる。従って、上記実施例と同様に、改質ガス中の水素濃度が高く得られる。

このようなリーン化による方法では、上記実施例の空気導入通路２８および空気制御弁２９のような空気供給機構が不要であり、空燃比の制御のみで足りるので、構成が簡単となる利点がある。なお、この場合も、リーン化の程度を変更することで、昇温モードと水素始動モードとで酸素濃度を変更することが可能である。

１…内燃機関
２…燃料タンク
３…燃料噴射弁
４…吸気通路
５…エアフロメータ
６…スロットル弁
１１…排気通路
１２…排気浄化触媒
１６…触媒温度センサ
１５…エンジンコントローラ
１７…ＥＧＲ通路
１８…燃料改質触媒
１９…改質燃料用燃料噴射弁
２１…ＥＧＲガスクーラ
２２…排気還流制御弁
２７…触媒温度センサ
２８…空気導入通路
２９…空気制御弁

Claims (6)

1. 排気系に少なくとも１つの排気浄化触媒を備えるとともに、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路に、燃料改質触媒と、該燃料改質触媒に上流側から燃料を供給する改質燃料用燃料噴射弁と、を備えてなる内燃機関において、
   内燃機関の冷間始動時に、
   点火時期リタードを実行し、
   上記燃料改質触媒を通した排気の還流を実行し、かつ上記改質用燃料噴射弁から改質用の燃料を供給するとともに、上記燃料改質触媒に流入するガス中の酸素濃度を高める酸素増加処理を行う、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法。
2. 上記酸素増加処理として、上記ＥＧＲ通路の上記燃料改質触媒よりも上流側から空気を導入する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法。
3. 上記酸素増加処理として、上記内燃機関の空燃比をリーン化する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法。
4. 上記燃料改質触媒が活性するまでの間は、活性後に比較して、改質用の燃料の供給量を相対的に少量に制限する、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排気浄化触媒の暖機方法。
5. 上記燃料改質触媒が活性するまでの間は、活性後に比較して、上記酸素濃度を相対的に低く制限する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化触媒の暖機方法。
6. 上記排気浄化触媒が所定の活性温度に達したときに、燃料改質を伴う排気の還流を終了する、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排気浄化触媒の暖機方法。

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